光學系統中環形光源對半導體成像影響研究

季 崢，岳 蕓，王兵鋒，王宏智

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機光學系統是劃切前對準的關鍵部件，其成像質量高低直接影響劃切精度。隨著科學技術的發展，許多人工合成的復合型材料的光學成像愈發成為影響國產劃片機發展的阻礙。因此，提高視覺系統對于劃片機的發展具有重要意義。

在目前市場上的各種劃切加工物料中，對劃片機成像要求較高的為手機、數碼相機等所使用的電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge-coupled Device）。為能夠達到進口同類、同級別設備成像清晰度，滿足客戶需求，提高生產效率，通過合理的光路分析，適當調節光源，從而提高圖像質量，為實現設備高自動化水平奠定硬件基礎。

1 檢測物結構及成像要求

CCD 為人工合成的復合型材料，其劃切道結構略圖如圖1所示。經電子顯微鏡下觀察與測量，焊盤1 和2 均位于“V”型切割凹槽兩側，焊盤1與焊盤2 間間隔為8.9 μm，焊盤2 寬為8 μm，焊盤1 寬為8.3 μm。要求在圖像中必須能夠清晰地看到焊盤1（圖2中的白色直線）和焊盤2（圖2中的白色間斷直線），對成像質量要求較高。

圖1 CCD 劃切道結構略圖

2 成像對比

在顯微鏡成像系統改進前，國產劃片機成像效果（此圖為效果最理想一張）如圖2所示。

圖2 改進前國產劃片機成像截圖

改進前，成像系統中選用60°白色LED 環形光（60°指光源傾斜與豎直面形成的夾角）、紅色同軸光、6 倍遠心顯微鏡（數值孔徑0.112，物距65 mm，放大倍數6 倍）。

進口設備成像如圖3所示。

圖3 國外進口設備成像截圖

進口設備配置大致為45°LED 白色環形光，紅色同軸光，7.5 倍顯微鏡（分辨率經測量1.68 μm，物距約40 mm）。

通過兩者圖像對比，能夠清楚的發現兩圖像之間存在較大差距。在國產劃片機截取的圖像中，焊盤2 與焊盤1 模糊不可見且亮度不夠（光源已調至最大）。另，圖像清晰度與進口設備相差不多。

3 成像差距原因分析

切割道為“V”型凹槽，且所要觀察的標記物在“V”型槽的斜面上。因此，照明效果與環形光源的選擇有直接關系。影響環形光源照明的主要有兩個因素：光源顏色和光源角度。

3.1 光源顏色

當光源的波長和檢測物體的波長越相近時，光源越能增強物體圖像的對比度。不同的波長，對物質的穿透力（穿透率）不同，波長越長，對物體的穿透力越強，波長越短，對物質表面的擴散率愈大。

因此，在光源選擇時，根據不同顏色的光源選擇上依舊選擇白色環形光。LED 光源的光譜特性如圖4所示。

圖4 三種顏色光源光譜特性

白色光在可見光范圍內，在約400～750 nm 范圍內可以產生不同的發光強度，其性能遠比紅色、藍色要好。為了保證所使用的光源具有普適性，可采用大功率LED 白色環形光源以掩蓋在長波長段低發光強度上的不足。

3.2 光源角度

光源角度的確定需根據光源的光路原理圖來進行分析、計算、推導，從而得到環形光角度與光源在入射光孔上產生的半角、切割道傾斜角度的關系。環形光光路原理圖如圖5所示。

光源從環形光垂直于光源截面射出，經切割道上的標記反射到顯微鏡，隨即成像。其中，AD為環形光源截面，BE 為切割道“V”型槽斜面，CF為遠心顯微鏡物鏡，∠u 為光源在入射光孔上產生的半角，∠u'為環形光源截面與豎直面的夾角。

圖5 環形光源光路原理圖

經推導，可得∠u=∠u'。由此可知，光源角度與工件劃切道傾斜角度無關。若要通過遠心顯微鏡成像，光入射角度需滿足顯微鏡設計時所提出的光源在入射光孔上產生的半角∠u 的大小。

根據

式1 中：n 為折射率(n=0.27)，

u 為在入射光孔上產生的半角大小。

通過計算可得：u≈36°。因此，∠u'=36°。

目前，市場上標配產品多為30°。為節約成本，可使用30°環形光源進行替代。

4 總 結

綜上所述，選擇LED 白色30°環形光源使國產劃片機光學系統圖像質量有所提升，具體成像如圖6所示。

圖6 環形光源改進后成像截圖

在客戶現場生產中，因圖像質量的提高，劃切質量和生產效率也隨之明顯提升，為國產劃片機自動化程度的提高及其發展奠定了良好的基礎。

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