基于偏振分像的制冷器件晶粒雙面等光程共焦成像缺陷檢測裝置

廖廷俤，顏少彬，黃啟祿，黃衍堂，崔旭東

（1．泉州師范學院 光子技術研究中心，福建 泉州 362000；2．泉州師范學院 福建省先進微納光子技術與器件重點實驗室，福建 泉州 362000；3．泉州師范學院 福建省超精密光學工程技術與應用協同創新中心，福建 泉州 362000）

引 言

機器視覺自動光學檢測技術在光學與光電子器件等產品在線檢測中具有廣闊的應用前景[1-9]。迄今，已經被提出的半導體致冷晶粒雙面（相鄰或相對）同時成像檢測裝置與方法中，雙面同時成像檢測裝置的光程差與檢測系統的結構尺寸有關，當被檢測晶粒結構尺寸較大時，為解決晶粒雙面同時檢測及其光程差（或離焦）產生的成像清晰度問題，檢測裝置需采用較大的直角轉像棱鏡與大景深遠心成像鏡頭，由此給檢測帶來一定的局限性[10]。最近，一種半導體制冷器件晶粒相鄰面同時“準”共焦成像檢測的新方法得到了研究與驗證[11]。該方法基于相鄰雙面的成像檢測在立方合像棱鏡上的“準”等光程成像原理，使相鄰雙面成像檢測的光程差Δ與系統結構參數無關，只與晶粒相鄰雙面中心的間距有關。采用該方法的光學檢測裝置雖然實現了晶粒相鄰面“準”等光程共焦成像檢測，但是相鄰雙面成像之間仍然存在光程差Δ[11]。這個光程差Δ可以通過選擇足夠大景深的遠心成像鏡頭來補償，但是當被檢測晶粒增大時，光程差Δ及物方視場也隨之增大，必須使用大視場、大景深的遠心成像鏡頭，相應地遠心成像鏡頭的制造難度與成本會增加。因此，獲得晶粒相鄰面等光程共焦成像檢測的新技術途徑很有必要。偏振成像技術[12]與傳統光電成像檢測技術相比，不僅可獲得被檢測物體的強度信息，還可獲得偏振度信息；不僅可以增加被檢測物體的信息量，還可以簡化檢測裝置的結構。隨著偏振成像技術與偏振成像器件的發展，偏振成像檢測技術及其應用得到廣泛的研究[13-14]。本文提出了一種基于偏振分像的方法，利用偏振分束器與偏振傳感器相機設計了用于半導體晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測的新裝置，實現了半導體晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測。該檢測裝置具有等光程共焦偏振成像的特性，具有雙面同時成像、清晰度好、成像光路共焦調整方便、檢測裝置結構簡單可靠等優點，為檢測設備性能的提高提供了新的方法。

1 檢測裝置原理

圖1所示為半導體制冷器件晶粒天面與側面同時等光程共焦成像檢測的光學裝置。該檢測裝置在光學系統結構布局上類似傳統的雙光束等臂干涉儀系統，可以實現晶粒相鄰雙面的等光程共焦成像檢測。該裝置由特定的CMOS相機偏振傳感器1，遠心成像鏡頭2，偏振立方分束器/偏振立方合像器3，半導體晶粒4、透明玻璃載物轉盤5、直角轉像棱鏡6a和6b、同軸外置照明光源7等構成。晶粒的照明光源7位于偏振立方分束器/合像器3的右側，在照明光路中用作偏振分束的偏振立方分束器3在成像光路中的作用則為偏振立方合像器3。晶粒的天面經直角轉像棱鏡6a與偏振立方合像器3的90°反射后進入遠心成像鏡頭2，半導體晶粒的側面經直角轉像棱鏡6b與偏振立方合像器3的透射后也進入遠心成像鏡頭2，且天面與側面的像分別位于CMOS相機偏振傳感器1中心的兩側。本檢測裝置采用了相鄰雙面的檢測光路在偏振立方合像器3位置輸出面上等光程共焦成像的原理，有相鄰面的雙像在偏振立方合像器3輸出面時空間位置完全重合的特點，即滿足晶粒雙面等光程共焦成像條件Δ=0。（必須指出，本文中，“等光程共焦”是指晶粒的相鄰雙面經過光學系統所形成的兩個像位于同一個傳感器平面上，而且空間上完全重合，與傳統的共焦掃描成像顯微鏡中的“共焦”是不同的。）

圖1 半導體制冷器件晶粒天面與側面同時等光程共焦偏振成像檢測的光學裝置Fig.1 Optical apparatus for simultaneously inspecting top and side surfaces defects of TEC components with polarization confocal imaging

本裝置中，半導體晶粒的雙面照明光束的偏振方向互為垂直，照明光源經過偏振立方分束器3時，被分為兩束線偏振光：一束透射線偏振光（transmission polarized，TP）經直角轉像棱鏡6a為待測晶粒的天面照明；另一束反射線偏振光（reflected polarized，RP）經直角轉像棱鏡6b為待測晶粒的側面照明。半導體制冷器件晶粒相鄰兩面經過兩線偏振成像光路后分別在CMOS相機偏振傳感器1上形成雙面各自獨立的像。

在機器視覺光學檢測裝置中，通常使用的是同軸照明光源[1-2]。然而，同軸內置照明光源中所用的半透半反射立方分束器會導致照明光束的能量損失50%。晶粒的照明光經過立方合像器后，照度又會進一步被減少50%。因此，傳統的同軸內置照明光源的能量利用率通常不超過25%。本文所提出的基于偏振分像的檢測裝置使用了偏振分束器，避免了常規的機器視覺光學檢測裝置中因照明光束經過半透半反射立方分束器所產生的50%的能量損失，其光能利用率比常規的利用同軸內置照明檢測裝置的高了一倍。

2 檢測實驗結果

2.1 實驗裝置設計

基于偏振分像法獲得晶粒相鄰雙面等光程共焦成像檢測的原理,設計并搭建了晶粒相鄰雙面同時等光程共焦偏振成像的檢測裝置。該檢測裝置可以同時對晶粒的相鄰兩個面成像、檢測缺陷。圖2為半導體晶粒相鄰雙面等光程共焦偏振成像檢測實驗裝置前置轉像棱鏡子系統光路。待測晶粒外形為長方體，其典型尺寸為2.10 mm×1.32 mm×1.32 mm。所設計和加工的直角轉像棱鏡尺寸為15 mm×15 mm×15 mm，偏振分束器尺寸為15 mm×15 mm×15 mm。本實驗選用德鴻視覺的1.5倍遠心成像鏡頭WTL110-1 520。CMOS偏振相機采用的是凌云光技術集團有限責任公司供應的加拿大制造的FLIR BFS-U3-51S5P-C，該CMOS偏振相機的靶面大小為2/3′(17mm)，像元大小為3.45 μm，分辨率為2 448 ×2 048。該偏振相機與普通CMOS相機不同之處是它集成了4個不同偏振探測特性的檢偏器。偏振相機的傳感器的功能結構如圖3所示，圖3(a)-(d)表示傳感器分別由0°、45°、90°、 135°四個偏振方向傳感器單元組構成。這四個傳感器單元分別探測并分別輸出0°、45°、90°、 135°四個偏振方向的像。

圖2 制冷器件晶粒雙面等光程共焦偏振成像檢測實驗裝置前置轉像棱鏡子系統光路Fig.2 Illustration of prism relay system for the apparatus for inspecting adjacent surfaces defects of TEC components with equal-optical-path polarization imaging

圖3 CMOS偏振相機傳感器的結構示意Fig.3 Illustration of configuration of CMOS polarization imaging sensor (polarization camera)

2.2 雙面等光程共焦成像檢測

利用偏振成像檢測裝置得到的半導體晶粒相鄰兩面成像檢測結果如圖4所示。圖4(a)為0°偏振方向傳感器單元對應晶粒側面的像， 圖4(b)為90°偏振方向傳感器單元對應晶粒天面的像，圖4(c)和(d)為45°與135°偏振方向傳感器單元對應晶粒側面與天面的像的疊加。根據偏振光學原理，0°與90°偏振方向的光振幅也可以在45°與135°偏振方向上得到投影分量。由于晶粒相鄰雙面成像滿足等光程共焦條件，晶粒相鄰雙面同時對焦，在偏振相機傳感器面上可以同時獲得晶粒天面與側面的清晰成像。

圖4 制冷晶粒相鄰兩面等光程共焦偏振成像缺陷檢測Fig.4 Defect inspection of top and side surfaces of TEC components based on equal-optical-path polarization imaging

2.3 雙面準共焦成像的調節

對本裝置進行調焦可以分別獲得晶粒天面與側面準共焦時、天面調焦而側面離焦時的成像結果。當天面與側面準共焦時，在相機的45°與135°傳感器區同時得到晶粒天面與側面的分開的像（像中心之間的間隔δ=1.62 mm）分別是0°與90°偏振方向的光振幅在45°與135°偏振方向上的投影分量。制冷晶粒相鄰雙面準共焦時偏振成像缺陷檢測結果如圖5所示，圖5(a)-(d)分別為0°偏振方向單元（對應晶粒側面的像）、90°偏振方向單元（對應晶粒天面的像）、45°與135°偏振方向單元（對應晶粒側面與天面像的疊加）。在離遠心成像鏡頭“等光程共焦物平面”前后相同間距范圍內，晶粒相鄰兩個面的成像質量基本相同，但是清晰度明顯降低了。圖6為遠心成像鏡頭對晶粒天面調焦而晶粒側面離焦時晶粒相鄰兩個面的成像情況，物面離焦±0.54 mm。圖6(a)-(d)分別為0°偏振方向單元（對應晶粒側面的像）、90°偏振方向單元（對應晶粒天面的像）、45°與135°偏振方向單元（對應晶粒側面與天面像的疊加），此時晶粒側面的像完全模糊。為了定量說明等光程共焦成像與準共焦成像之間的差別，我們用光學鏡頭的鑒別率板測試了實驗所用遠心成像鏡頭分辨率隨物面（鑒別率板）離焦的變化。實驗結果表明：當物面在“等光程共焦面”上時，分辨率可高達114 lp/mm；而當物面離焦±0.20 mm時，分辨率則降低為32～45 lp/mm，此時晶粒側面的像已經完全模糊不清。實驗中，晶粒側面成像時會同時存在一個對稱的鏡像，這個鏡像是晶粒側面經透明玻璃載物臺的表面反射并經鏡頭后所成的實像。

圖5 制冷晶粒相鄰雙面準共焦時偏振成像缺陷檢測(δ=1.62 mm)Fig.5 Defect inspection of top and side surfaces of TEC components with quasi-confocal imaging (δ=1.62 mm)

圖6 制冷器件晶粒相鄰面偏振成像缺陷檢測：當天面調焦時(δ=1.62 mm)Fig.6 Defect inspection of top and side surfaces of TEC components when the top surface is focused (δ=1.62 mm)

從上述分析可以得知，晶粒相鄰雙面等光程共焦偏振成像與準等光程（準共焦）成像之間的差異在于：在偏振相機的45°與135°偏振方向上是否可以得到晶粒相鄰雙面分離的像。當在偏振相機的45°與135°偏振方向上得到晶粒相鄰雙面完全重合的成像時，說明晶粒雙面等光程共焦成像，否則，晶粒相鄰雙面為準等光程共焦成像。以此可以作為晶粒相鄰雙面偏振分離成像（0°與90°偏振方向）是否滿足等光程共焦成像的判定依據與方法。另一方面，由于遠心成像鏡頭具有一定的成像景深以及人眼分辨率的判定局限，如果只根據0°與90°偏振方向的雙面成像清晰度，通常不易判定晶粒相鄰雙面是否完全等光程共焦成像。

3 結 論

本文研究了一種基于偏振分像的半導體制冷器件晶粒相鄰兩面同時等光程共焦成像檢測，設計并搭建了采用偏振分束器與偏振相機組成的晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測的光學裝置，完成了晶粒相鄰兩面同時等光程共焦偏振成像檢測的實驗驗證。研究結果表明，該檢測技術可以實現晶粒相鄰兩面同時偏振成像檢測缺陷的功能，能很好地滿足半導體晶粒相鄰兩面成像缺陷檢測的性能要求。