CN114324365B - 一种曲面检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种曲面检测装置，该装置包括光源、椭球镜和成像***，通过设计椭球镜为空心结构且其表面包括一狭槽，利用椭球反光碗从一个焦点出射的光经过椭球碗内表面反射之后在另一个焦点会聚的特点，将光源设置在椭球镜的长轴的第一焦点上，将待测物穿过狭槽的开口区域且设置在长轴的第二焦点上，利用光源发射的检测光线经椭球镜的内反射面反射后到达待测物的检测区域被反射后形成反射光线经狭槽出射，成像***接收反射光线并生成检测区域表面所成的像，进而对表面缺陷进行识别，该结构具有光源能量集中、利用率高的特点，可以实现待测物的边缘弧面的明场照明，便于识别待测物的边缘表面缺陷。

Description

一种曲面检测装置

技术领域

本发明实施例涉及检测技术领域，尤其涉及一种曲面检测装置。

背景技术

随着工业自动化、智能化的深入及普及，使用自动光学检测设备(Auto OpticalInspection,AOI)替代传统的人工目检，已成为技术发展趋势。AOI设备凭借其快速、精确的缺陷识别定位能力，在汽车、医药、交通、半导体等领域广泛使用。

目前，现有的AOI设备通常包括光学成像***、载物台、物料传输***等。其中光学成像***包括照明单元、成像物镜和探测器等。照明单元负责提供所需辐射光，物镜用于收集待测面光信号，探测器负责将光转化为数字信号。结构示意图如图1所示。

为适应不同工艺需求，当前AOI检测设备的照明***一般会分为配置明场照明和暗场照明，以裸硅片检测为例，明场照明通常为同轴照明，若硅片没有缺陷，则大部分光都会原路返回到物镜，成像在CCD上，若硅片有缺陷，则会吸收或散射入射光，只有少部分光能进入物镜进行成像，因此在明场照明下，我们看到的缺陷是暗的。

传统的AOI检测设备(如图1)可以较好的获取平整表面的图像，从而通过图像处理识别相应的缺陷，但对于一些不平整表面，特别是有较大弧度的表面，例如硅片、玻璃等材料边缘等圆弧面，由于待测表面的法线不是一直与物镜光轴平行，因此待测表面的入射光和反射光也不是一直关于物镜光轴对称，就算是待测表面没有缺陷，反射光也可能不能原路返回进入到物镜，如图2所示，就会产生视场缺失或者误检。

发明内容

本发明实施例提供了一种曲面检测装置，利用椭球反光碗的散射照明，在满足硅片边缘检测需求的同时，充分利用光源能量，提高检测准确率。

第一方面，本发明实施例提供了一种曲面检测装置，包括光源、椭球镜和成像***；

所述椭球镜为空心结构且其表面包括一狭槽，所述狭槽包括第一弧边和第二弧边；所述椭球镜还包括一长轴所在中心面，所述中心面分别与所述第一弧边所在平面和所述第二弧边所在平面平行；

所述光源位于所述长轴的第一焦点上，用于出射检测光线；待测物穿过所述狭槽的开口区域且位于所述长轴的第二焦点上，所述待测物的检测区域至少部分面呈曲面；所述检测光线经所述椭球镜的内反射面反射后到达所述待测物的检测区域被反射后形成反射光线经所述狭槽出射；

所述成像***位于所述反射光线的传播路径上，用于采集所述反射光线并根据所述反射光线对所述待测物的检测区域进行成像。

可选的，沿所述椭球镜的长轴方向，沿长轴方向，所述第二焦点和所述第一弧边上任意一点的连线与所述长轴方向的最大夹角以及所述第二焦点和所述第二弧边上任意一点的连线与所述长轴方向的最大夹角均为γ，γ≤2α，0°＜α＜90°；

沿垂直所述第一弧边所在平面的方向，所述狭槽的宽度为2h，满足：

其中，α为所述待测物的检测区域的切平面与所述长轴方向的最小夹角，a为所述椭球镜长轴长度的一半，b为所述椭球镜短轴长度的一半，c为所述椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半，h为所述狭槽的宽度的一半。

可选的，所述成像***包括物镜，所述物镜光轴与所述第一弧边所在平面平行，所述物镜光轴与所述长轴方向的夹角为β，10°≤β≤30°。

可选的，沿所述长轴方向，所述狭槽的长度为L，满足：

可选的，所述成像***还包括管镜和CCD相机。

可选的，所述光源包括点光源，

所述椭球镜的内反射面包括散射颗粒，所述散射颗粒用于散射到达所述椭球镜内反射面的所述检测光线形成散射光束；

所述散射光束相对所述检测光线的散射角为θ₁，满足：

其中，w为所述待测物的检测区域的长度，t为所述待测物的检测区域的宽度，a为所述椭球镜长轴长度的一半，c为所述椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半。

可选的，所述散射角θ₁还满足：

可选的，所述光源包括面光源；

所述面光源的光源直径为D，满足：

其中，w为所述待测物的检测区域的长度，t为所述待测物的检测区域的宽度，a为所述椭球镜长轴长度的一半，c为所述椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半。

可选的，所述椭球镜的内反射面包括镜面反射镜。

可选的，所述光源包括明场光源。

本发明实施例公开了一种曲面检测装置，该装置包括光源、椭球镜和成像***，通过设计椭球镜为空心结构且其表面包括一狭槽，利用椭球反光碗从一个焦点出射的光经过椭球碗内表面反射之后在另一个焦点会聚的特点，将光源设置在椭球镜的长轴的第一焦点上，将待测物穿过狭槽的开口区域且设置在长轴的第二焦点上，利用光源发射的检测光线经椭球镜的内反射面反射后到达待测物的检测区域被反射后形成反射光线经狭槽出射，成像***3接收反射光线并生成检测区域表面所成的像，进而对表面缺陷进行识别，该结构具有光源能量集中、利用率高的特点，可以实现待测物的边缘弧面的明场照明，便于识别待测物的边缘表面缺陷。

附图说明

图1是现有技术中一种传统AOI检测设备明场照明与成像的结构示意图；

图2是现有技术中一种传统AOI检测设备检测圆弧面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种曲面检测装置的XY平面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种椭球镜的立体结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种曲面检测装置XZ平面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的待测物边缘检测光线示意图；

图7是本发明实施例提供的待测物边缘入射光线角度需求的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种椭球镜的剖面结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种椭球镜的狭槽长度L需满足的条件示意图；

图10是本发明实施例提供的一种椭球镜的内反射面散射角θ₁的示意图；

图11是本发明实施例提供的一种面光源的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图3是本发明实施例提供的一种曲面检测装置的结构示意图；图4是本发明实施例提供的一种椭球镜的立体结构示意图；图5是本发明实施例提供的一种椭球镜的剖面结构示意图。本发明实施例提供的曲面检测装置可用于硅片、玻璃等材料边缘存在圆弧面图像的定位、边缘弧面缺陷识别等。结合图3-图5所示，该种曲面检测装置包括光源1、椭球镜2和成像***3；椭球镜2为空心结构且其表面包括一狭槽20，狭槽20包括第一弧边21和第二弧边22；椭球镜2还包括一长轴所在中心面，第一弧边21所在平面和第二弧边22所在平面均与中心面平行；光源1位于长轴的第一焦点F1上，用于出射检测光线；待测物4穿过狭槽20的开口区域且位于长轴的第二焦点F2上，待测物4的检测区域至少部分面呈曲面；检测光线经椭球镜1的内反射面反射后到达待测物4的检测区域被反射后形成反射光线经狭槽20出射；成像***3位于反射光线的传播路径上，用于采集反射光线并根据反射光线对待测物4的检测区域进行成像。

示例性的，结合图3-图5所示，本发明实施例提供的曲面检测装置光源1、椭球镜2和成像***3，椭球镜2也可称为椭球反射碗，椭球镜2为空心结构。椭球镜2包括一长轴，任意选取椭球镜2的长轴所在的一个平面，以该平面为基准面，在该基准面的上方区域椭球镜2的表面开槽形成第一弧边21，在该基准面的下方区域椭球镜2的表面开槽形成第二弧边22，保证第一弧边21所在的平面和第二弧边22所在的平面均与该基准面平行，在椭球镜2的表面形成狭槽20。从狭槽20的开口区域放置待测物4的检测区域，检测区域包括弧型曲面。该狭槽20一方面要保证待测物(硅片)可以***椭球镜2，另一方面要保证待测物(硅片)边缘的反射光线可以从椭球镜2出来进入成像***3，

利用椭球反光碗从一个焦点出射的光经过椭球碗内表面反射之后在另一个焦点会聚的特点，本发明实施例将光源1放置在长轴的第一焦点F1处，用于出射检测光线，将待测物4的检测区域的边缘顶点经狭槽20放置在长轴的第二焦点F2处，例如将晶圆的边缘弧面放置在长轴的第二焦点F2处。根据椭圆的切线法线定理，从F1发出的光线，经过椭球面的反射一定会经过F2，如图5所示，光源中心点发出的光通过椭球镜反射一定会经过硅片边缘顶点。无论第一焦点F1位置处发射的检测光线的传播方向如何，都可以经椭球镜2的内表面反射后到达第二焦点F2位置处的待测物4，第二焦点F2可以得到不同角度的入射光，实现检测区域表面的明场照明。检测光线再经检测区域反射后形成反射光线经狭槽20出射，利用成像***3接收反射光线L3并生成检测区域表面所成的像。经椭球镜2反射的检测光线L3能量集中，光源能量利用率高，可达90％以上，有利于成像***3成像，便于观察待测物的表面缺陷。

综上，本发明实施例提供的曲面检测装置包括光源、椭球镜和成像***，通过设计椭球镜为空心结构且其表面包括一狭槽，利用椭球反光碗从一个焦点出射的光经过椭球碗内表面反射之后在另一个焦点会聚的特点，将光源设置在椭球镜的长轴的第一焦点上，将待测物穿过狭槽的开口区域且设置在长轴的第二焦点上，利用光源发射的检测光线经椭球镜的内反射面反射后到达待测物的检测区域被反射后形成反射光线经狭槽出射，成像***3接收反射光线并生成检测区域表面所成的像，进而对表面缺陷进行识别，该结构具有光源能量集中、利用率高的特点，可以实现待测物的边缘弧面的明场照明，便于识别待测物的边缘表面缺陷。

图6是本发明实施例提供的待测物边缘检测光线示意图；图7是本发明实施例提供的待测物边缘入射光线角度需求的示意图；图8是本发明实施例提供的一种椭球镜的剖面结构示意图。结合图3-图8所示，可选的，沿椭球镜2的长轴方向(如图中X方向所示)，第二焦点F2和第一弧边21上任意一点的连线与长轴方向的最大夹角以及第二焦点F2和第二弧边22上任意一点的连线与长轴方向的最大夹角均为γ，γ≤2α，0°＜α＜90°；沿垂直第一弧边21所在平面的方向，狭槽20的宽度为2h，满足：

其中，α为待测物的检测区域的切平面与长轴方向的最小夹角，a为椭球镜长轴长度的一半，b为椭球镜短轴长度的一半，c为椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半，h为狭槽的宽度的一半。

具体的，结合图3-图8所示。由于待测物4的检测区域的边缘至少部分面呈弧面，例如对硅片边缘进行检测，硅片边缘具有较大弧度的弧面。如图6所示，各个角度的入射光照射在弧面上，发生镜面反射，以0°入射成像***3后进行成像。硅片边缘切线与长轴方向(如图中X方向，或者也可以说水平线)的夹角α通常为0～90°，则明场照明需要给硅片提供-(180°-2α)～(180°-2α)以上的入射角度光线，如图7所示，可选的，光源1包括明场光源。例如，LED灯丝等，当光源为360°发光，在椭球镜2完整的情况下，硅片边缘顶点处接收的入射光是由整个椭球镜2的内表面的椭球面反射出来的，也是360°反方向的，在硅片边缘顶尖区域满足-(180°-2α)～(180°-2α)以上的入射角度光线的要求。由于椭球镜2有狭槽，会使硅片边缘顶点处接收的入射光缺失一部分，可以控制狭槽20的宽度2h，使得F2与椭球镜2的第一弧边21(如图8中M点所示)与长轴方向(如图中X方向，或者也可以说水平线)的夹角γ，以及F2与椭球镜2的第二弧边22(如图8中N点所示)与长轴方向(如图中X方向，或者也可以说水平线)的夹角γ，满足γ≤2α，如图8所示，此时硅片边缘顶点处可以接收到-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光进行明场照明。

进一步，在椭球镜的XY平面内，结合椭球镜2满足的椭圆方程为

a为椭球镜长轴长度的一半，b为椭球镜短轴长度的一半，c为椭球镜长轴的第一焦点F1和第二焦点F2之前距离的一半。其中，在XY平面内，F2的坐标为(c,0)，c²＝a²-b²，M点坐标为

则狭槽20的宽度的一半h应满足以下公式：

当椭球镜2的长轴、短轴以及待测物4的与长轴方向(如图中X方向，或者也可以说水平线)的夹角α确定后，设置狭槽20的宽度2h，使得硅片(待测物)边缘顶点处可以接收到-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光，使得待测物得到不同角度的入射光，满足边缘明场照明的要求。

图9是本发明实施例提供的一种椭球镜的狭槽长度L设置的示意图。结合图3-图9所示，可选的，成像***3包括物镜，物镜光轴L₀与第一弧边所在平面平行，物镜光轴L₀与长轴方向的夹角为β，10°≤β≤30°。

示例性的，结合图9所示，成像***3包括物镜(图中未示出，其内置于成像***3内)，用于放大待测物边缘图像，提高成像质量。设置物镜光轴L₀与第一弧边所在平面平行，即在平行待测物(硅片)表面的XY平面内，物镜光轴L₀与长轴方向(如图中X方向，或者也可以说水平线)的夹角为β，即待测物表面的入射光线与反射光线有一定夹角β，优选的，10°≤β≤30°，可以保证经待测物4表面反射的反射光线经狭槽20出射后沿物镜光轴L₀进入到物镜内被放大后进入成像***成像。可选的，成像***还包括管镜和CCD相机，经物镜放大后的反射光线经管镜平行入射到CCD相机的感光平面，CCD相机对待测物的表面成像，可以是彩色或黑白图像，便于边缘缺陷识别。

在上述实施例的基础上，可选的，沿长轴方向，狭槽的长度为L，满足：

示例性的，继续参考图3-图9所示，进一步的，若要满足待测物(硅片)边缘的反射光线可以从椭球镜2出射进入物镜，还需要对狭槽20的长度L进行限制。结合图8和图9所示，反射光线经狭槽20的开口区域的T点出射，则根据入射光线与反射光线的夹角β，在椭圆方程内，沿长轴方向，L1＝H/tanβ，H平行于椭圆短轴，且H<2b，2b为椭球镜短轴长度，设置狭槽20的长度L＞L1+a-c，则狭槽20的长度

时，可以满足待测物(硅片)边缘的反射光线从椭球镜2出来进入物镜。在实际硅片边缘检测应用中，检测的是硅片边缘的一个区域，而不只是边缘顶点，需要在被检测区域内都有-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光。在上述实施例的基础上，通过合理调整狭槽20的宽度2h和长度L，一是使狭槽的宽度2h可以满足待测物的检测区域内每一点(设置待测物的检测区域的检测点位于第二焦点F2处)与狭槽20的第一弧边S1(如图8中M点所示)或者与狭槽20的第二弧边S2(如图8中N点所示)的连线与长轴方向的夹角γ≤2α；二是使待测物4的检测区域内每一点都能收到椭圆镜2内反射面每一点反射的反射光线，从而满足在待测物3的检测区域内都有-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光，形成待测物边缘的明场照明。

图10是本发明实施例提供的一种椭球镜的内反射面散射角为θ₁的示意图。结合图3-图10所示，可选的，光源1包括点光源，椭球镜2的内反射面包括散射颗粒(图中未示出)，散射颗粒用于散射到达椭球镜内反射面的检测光线形成散射光束；散射光束相对检测光线的散射角为θ₁，满足：

其中，w为待测物的检测区域的长度，t为待测物的检测区域的宽度，a为椭球镜长轴长度的一半，c为椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半。

示例性的，结合图10所示，光源1包括点光源，本发明实施例提供的点光源指的是可以均匀向各个方向发射光线的光源，例如LED灯等。将点光源设置在第一焦点F1的位置处，可以通过在椭球镜2的内反射面上增加散射颗粒，使得椭球镜2的内反射面做成具有一定散射角的散射面，这样从光源发出的所有入射到椭球镜2内反射面的检测光线经散射后都可以变成具有一定发散角θ₁的散射光束，即存在散射光束相对检测光线的散射角为θ₁，也可成为椭球镜2内反射面的散射角θ₁。

进一步根据待检测3的检测区域31的大小，调整散射颗粒形成的散射面，进而调整散射光束相对检测光线的散射角θ₁，使散射光线能够覆盖被检测区域31。具体的，已知检测区域的大小为w*t，其中，w为待测物的检测区域的长度，t为待测物的检测区域的宽度。椭球镜2的内反射面某一点P与第二焦点F2的距离为l₁，且l₁远远大于w和t，P点散射的光束恰好覆盖检测区域31。由P点出射的散射光线相对入射的检测光线的发散角为θ₁，与检测区域31边缘的交点为K、Q，则满足

其中，KQ为焦点K和Q的距离，已知l₁越小θ₁越大，KQ越大θ₁越大，当KQ最大时/>

在图10所在的XZ平面内，根据椭圆方程/>

若P点坐标为(x,z)，l₁的表达式如下：

其中，-a≤x≤a，当x＝a时，l₁最小为l₁＝a-c，则θ₁的最大值为

设置椭圆镜2的内反射面的散射角/>

通过对散射角θ₁进行限制，待测物4的被检测区域的每一个位置点，都能接受到来自椭球镜2的内反射面每一个位置点的反射光，进一步设置待测物4的检测区域31的每一个位置点与椭球反射面每个位置的连线与长轴方向(水平线)的夹角满足-(180°-2α)～(180°-2α)，就能保证被检测区域31内每一点都能接收到-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光，实现边缘明场照明。

可选的，散射角θ₁，还满足：

进一步的，限定散射光束相对检测光线的散射角θ₁，即椭圆镜的内反射面散射角θ₁，满足/>

过大的散射角θ₁会有部分散射光线超出检测区域31，引起光能量浪费，通过将散射角θ₁限定在

范围内，使得检测区域31内每一点都能接收到-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光，且具有较高光能利用，光线能量利用率达到90％以上，实现了光源能量的充分利用，可以提高成像质量，有利于识别检测区域31的缺陷。

图11是本发明实施例提供的一种面光源的示意图。结合图11所示，可选的，光源包括面光源；面光源的光源直径为D，满足：

其中，w为待测物的检测区域的长度，t为待测物的检测区域的宽度，a为椭球镜长轴长度的一半，c为椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半。

示例性的，结合图11所示，光源1包括面光源，面光源指的是发光区域具有一定长度和宽度的光源，例如平板光源。选取光源直径为D的圆形面光源，由于光源1发光面有一定的大小，从光源1发出到椭球镜2的内反射面任意一点的光线都是具有一定发散角θ₂的发散光束，可选的，椭球镜2的内反射面包括镜面反射镜。入射到镜面反射镜的发散光束经反射后形成具有相同发散角θ₂的发散光束达到椭球镜2的第二焦点F2位置处，通过控制光源1发光面的大小，使光源1对于椭圆镜2内反射面每个点的散射角为θ₂，满足不等式

使得经内反射面反射的反射光线能够覆盖待测物4的检测区域31。由于光源1圆形发光面的直径为D，则满足不等式：/>

即/>

从而满足检测区域31内每一个位置点与椭球镜2的内反射面上的每个位置的连线与长轴方向(水平线)的夹角满足-(180°-2α)～(180°-2α)，保证了待测物4的检测区域31内每一点都能接收到-(180°-2α)～(180°-2α)的入射光，形成检测区域31的明场照明，在采用面光源的情况下，光线能量利用率仍然较高，达到90％以上，实现了光源能量的充分利用。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种曲面检测装置，其特征在于，包括光源、椭球镜和成像***；

所述椭球镜为空心结构且其表面包括一狭槽，所述狭槽包括第一弧边和第二弧边；所述椭球镜还包括一长轴所在中心面，所述中心面分别与所述第一弧边所在平面和所述第二弧边所在平面平行；

所述光源位于所述长轴的第一焦点上，用于出射检测光线；待测物穿过所述狭槽的开口区域且位于所述长轴的第二焦点上，所述待测物的检测区域至少部分面呈曲面；所述检测光线经所述椭球镜的内反射面反射后到达所述待测物的检测区域被反射后形成反射光线经所述狭槽出射；

所述成像***位于所述反射光线的传播路径上，用于采集所述反射光线并根据所述反射光线对所述待测物的检测区域进行成像；

其中，沿所述椭球镜的长轴方向，所述第二焦点和所述第一弧边上任意一点的连线与所述长轴方向的最大夹角以及所述第二焦点和所述第二弧边上任意一点的连线与所述长轴方向的最大夹角均为γ，

γ≤2α，0°＜α＜90°；

沿垂直所述第一弧边所在平面的方向，所述狭槽的宽度为2h，满足：

其中，α为所述待测物的检测区域的切平面与所述长轴方向的最小夹角，a为所述椭球镜长轴长度的一半，b为所述椭球镜短轴长度的一半，c为所述椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半，h为所述狭槽的宽度的一半。

2.根据权利要求1所述的曲面检测装置，其特征在于，所述成像***包括物镜，所述物镜光轴与所述第一弧边所在平面平行，所述物镜光轴与所述长轴方向的夹角为β，10°≤β≤30°。

3.根据权利要求2所述的曲面检测装置，其特征在于，沿所述长轴方向，所述狭槽的长度为L，满足：

4.根据权利要求2所述的曲面检测装置，其特征在于，所述成像***还包括管镜和CCD相机。

5.根据权利要求1所述的曲面检测装置，其特征在于，所述光源包括点光源；

所述椭球镜的内反射面包括散射颗粒，所述散射颗粒用于散射到达所述椭球镜内反射面的所述检测光线形成散射光束；

所述散射光束相对所述检测光线的散射角为θ₁，满足：

其中，w为所述待测物的检测区域的长度，t为所述待测物的检测区域的宽度，a为所述椭球镜长轴长度的一半，c为所述椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半。

6.根据权利要求5所述的曲面检测装置，其特征在于，所述散射角θ₁还满足：

7.根据权利要求1所述的曲面检测装置，其特征在于，所述光源包括面光源；

所述面光源的光源直径为D，满足：

其中，w为所述待测物的检测区域的长度，t为所述待测物的检测区域的宽度，a为所述椭球镜长轴长度的一半，c为所述椭球镜长轴的第一焦点和第二焦点之前距离的一半。

8.根据权利要求7所述的曲面检测装置，其特征在于，所述椭球镜的内反射面包括镜面反射镜。

9.根据权利要求1所述的曲面检测装置，其特征在于，所述光源包括明场光源。

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