光学系统中环形光源对半导体成像影响研究

季 峥，岳 芸，王兵锋，王宏智

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

划片机光学系统是划切前对准的关键部件，其成像质量高低直接影响划切精度。随着科学技术的发展，许多人工合成的复合型材料的光学成像愈发成为影响国产划片机发展的阻碍。因此，提高视觉系统对于划片机的发展具有重要意义。

在目前市场上的各种划切加工物料中，对划片机成像要求较高的为手机、数码相机等所使用的电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge-coupled Device）。为能够达到进口同类、同级别设备成像清晰度，满足客户需求，提高生产效率，通过合理的光路分析，适当调节光源，从而提高图像质量，为实现设备高自动化水平奠定硬件基础。

1 检测物结构及成像要求

CCD 为人工合成的复合型材料，其划切道结构略图如图1所示。经电子显微镜下观察与测量，焊盘1 和2 均位于“V”型切割凹槽两侧，焊盘1与焊盘2 间间隔为8.9 μm，焊盘2 宽为8 μm，焊盘1 宽为8.3 μm。要求在图像中必须能够清晰地看到焊盘1（图2中的白色直线）和焊盘2（图2中的白色间断直线），对成像质量要求较高。

图1 CCD 划切道结构略图

2 成像对比

在显微镜成像系统改进前，国产划片机成像效果（此图为效果最理想一张）如图2所示。

图2 改进前国产划片机成像截图

改进前，成像系统中选用60°白色LED 环形光（60°指光源倾斜与竖直面形成的夹角）、红色同轴光、6 倍远心显微镜（数值孔径0.112，物距65 mm，放大倍数6 倍）。

进口设备成像如图3所示。

图3 国外进口设备成像截图

进口设备配置大致为45°LED 白色环形光，红色同轴光，7.5 倍显微镜（分辨率经测量1.68 μm，物距约40 mm）。

通过两者图像对比，能够清楚的发现两图像之间存在较大差距。在国产划片机截取的图像中，焊盘2 与焊盘1 模糊不可见且亮度不够（光源已调至最大）。另，图像清晰度与进口设备相差不多。

3 成像差距原因分析

切割道为“V”型凹槽，且所要观察的标记物在“V”型槽的斜面上。因此，照明效果与环形光源的选择有直接关系。影响环形光源照明的主要有两个因素：光源颜色和光源角度。

3.1 光源颜色

当光源的波长和检测物体的波长越相近时，光源越能增强物体图像的对比度。不同的波长，对物质的穿透力（穿透率）不同，波长越长，对物体的穿透力越强，波长越短，对物质表面的扩散率愈大。

因此，在光源选择时，根据不同颜色的光源选择上依旧选择白色环形光。LED 光源的光谱特性如图4所示。

图4 三种颜色光源光谱特性

白色光在可见光范围内，在约400～750 nm 范围内可以产生不同的发光强度，其性能远比红色、蓝色要好。为了保证所使用的光源具有普适性，可采用大功率LED 白色环形光源以掩盖在长波长段低发光强度上的不足。

3.2 光源角度

光源角度的确定需根据光源的光路原理图来进行分析、计算、推导，从而得到环形光角度与光源在入射光孔上产生的半角、切割道倾斜角度的关系。环形光光路原理图如图5所示。

光源从环形光垂直于光源截面射出，经切割道上的标记反射到显微镜，随即成像。其中，AD为环形光源截面，BE 为切割道“V”型槽斜面，CF为远心显微镜物镜，∠u 为光源在入射光孔上产生的半角，∠u'为环形光源截面与竖直面的夹角。

图5 环形光源光路原理图

经推导，可得∠u=∠u'。由此可知，光源角度与工件划切道倾斜角度无关。若要通过远心显微镜成像，光入射角度需满足显微镜设计时所提出的光源在入射光孔上产生的半角∠u 的大小。

根据

式1 中：n 为折射率(n=0.27)，

u 为在入射光孔上产生的半角大小。

通过计算可得：u≈36°。因此，∠u'=36°。

目前，市场上标配产品多为30°。为节约成本，可使用30°环形光源进行替代。

4 总 结

综上所述，选择LED 白色30°环形光源使国产划片机光学系统图像质量有所提升，具体成像如图6所示。

图6 环形光源改进后成像截图

在客户现场生产中，因图像质量的提高，划切质量和生产效率也随之明显提升，为国产划片机自动化程度的提高及其发展奠定了良好的基础。

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