專利名稱：一種機(jī)器視覺成像鏡頭結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻領(lǐng)域，尤其涉及用于光刻機(jī)的機(jī)器視覺成像鏡頭結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體封裝光刻設(shè)備及平板顯示光刻中，位置對準(zhǔn)裝置是非常重要的裝置之一，其對準(zhǔn)方式經(jīng)常采用基于機(jī)器視覺技術(shù)的測量方法實(shí)現(xiàn)，其中成像鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部件之一，其光學(xué)性能的優(yōu)劣將直接決定最終對準(zhǔn)測量精度的高低。一般地，高精度的測量光學(xué)系統(tǒng)在保證其圖像銳利度和較 大的放大倍率以外，其照明均勻性需要小于5%而畸變最好小于O. 1%，當(dāng)然如果該系統(tǒng)同時(shí)又是雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)的話，那么最后的測量精度將更能得到保證。在申請?zhí)枮?01010242686. 7的中國專利中給出了一種用于半導(dǎo)體行業(yè)的機(jī)器視覺成像鏡頭，特別用于硅片背面對準(zhǔn)方面，該專利的缺陷是對現(xiàn)有市場上的光源功率考慮不足，要得到足夠亮的近紅外照明比較困難，需要重新考慮鏡頭的參數(shù)，另外裝配也相對較復(fù)雜。在美國專利6，639，653B2中，提出了一種雙遠(yuǎn)心鏡頭結(jié)構(gòu)，該專利的不足是運(yùn)用于高倍率中等數(shù)值孔徑的系統(tǒng)中，該結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，增加了裝校難度和成本。在美國專利6，707，617B2中，提出了一種雙遠(yuǎn)心測量鏡頭，相對來說鏡頭結(jié)構(gòu)還是比較復(fù)雜，增加了加工和裝配成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種機(jī)器視覺成像鏡頭，從物面至像面依次包括成像前組、孔徑光闌和成像后組，其中，成像前組包括正透鏡、由負(fù)透鏡和正透鏡膠合而成的第一膠合透鏡和由正透鏡和負(fù)透鏡膠合而成的第二膠合透鏡；成像后組包括一負(fù)透鏡和一正透鏡。其中，所述孔徑光闌可為固定大小的光闌或者可調(diào)光闌。其中，在所述成像后組中還具有一用于分擔(dān)對系統(tǒng)畸變的控制的透鏡。其中，所述成像前組滿足下列關(guān)系式n2n-n2p > O. IV2p-V2n > 25η3η-η3ρ > O. IV3p-V3n > 25O. 6f\ < I R4 I < O. 9f\< |R7| < I. 5f\其中n2n為成像前組中第一膠合透鏡中負(fù)透鏡的材料折射率，n2p為成像前組中第一膠合透鏡中正透鏡的材料折射率，V2n為成像前組第一膠合透鏡中負(fù)透鏡材料的阿貝數(shù)，V2p為成像前組中第一膠合透鏡中正透鏡材料的阿貝數(shù)，n3n, v3n, n3p，V3p分別為成像前組中第二膠合透鏡中負(fù)透鏡的折射率和阿貝數(shù)、正透鏡的折射率和阿貝數(shù)，R4和R7分別為第一和第二膠合透鏡的膠合面的曲率半徑；f\為成像前組的焦距。其中，還具有一照明部分。其中，在所述成像前組前方還具有一反射元件，在所述成像前組和所述孔徑光闌之間還具有一分光元件，所述分光元件用于把從所述照明部分出射的照明光束轉(zhuǎn)到所述物面并透射從所述物面過來的光。其中，所述照明部分從一照明光源至所述分光元件依次具有光源接口、第一照明鏡組、視場光闌、反射元件、第二照明鏡組以及照明孔徑光闌。其中，所述照明光源可為光纖光源，LED光源，鹵素?zé)?，汞燈光源燈，或激光光源等?其中，所述視場光闌和所述照明孔徑光闌可為固定大小的光闌或者可調(diào)光闌。其中，所述照明部分采用柯勒照明。其中，所述成像前組滿足下列關(guān)系式O. 6f\ < I R4 I < O. 9f\< |R7| < I. 5f\其中，為成像前組的焦距，R4和R7分別為第一膠合透鏡和第二膠合透鏡的膠合面的曲率半徑。其中，所述成像鏡頭還包括一照明部分。其中，在所述成像前組和所述孔徑光闌之間還具有一分光元件，所述分光元件用于把從所述照明部分出射的照明光束轉(zhuǎn)到物面并透射從物面過來的光。其中，所述照明部分從至少兩個(gè)照明光源至所述分光元件依次包括光源接口、第一照明鏡組、反射元件、第二照明鏡組以及照明孔徑光闌。其中，所述至少兩個(gè)照明光源發(fā)出不同波段的光。其中，所述至少兩個(gè)照明光源發(fā)出的不同波段的光通過光纖耦合至所述光源接□。其中，在所述像面處具有一用于采集圖像的探測器，以及與所述探測器電性連接的控制器。其中，所述照明光源是利用分光棱鏡、分光平板或者濾光片獲得不同波段的光形成。利用上述鏡頭進(jìn)行對準(zhǔn)測量的方法，具有下述步驟步驟一探測器采集圖像；步驟二 控制器判斷由兩種光源照明分別得到的圖像質(zhì)量；步驟三控制器根據(jù)圖像質(zhì)量結(jié)果確定打開相應(yīng)光源；步驟四采集圖像信息，進(jìn)行對準(zhǔn)。用于硅片背面對準(zhǔn)測量，能接收穿過所述硅片的近紅外波段的光。其中，所述硅片的厚度小于150um，所述光的波段為980_1050nm。其中，所述硅片的厚度大于150um，所述光的波段為1050_1200nm。其中，所述成像鏡頭的數(shù)值孔徑為O. 15-0. 25，所述鏡頭的放大倍率為6_12。本發(fā)明對于用在背面對準(zhǔn)領(lǐng)域的測量鏡頭參數(shù)給出了較合理的范圍；提出了一種相對比較簡單的高倍率雙遠(yuǎn)心中等數(shù)值孔徑的鏡頭結(jié)構(gòu)；還提出了一種利用軸上色差加大成像系統(tǒng)景深的鏡頭結(jié)構(gòu)。


關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。圖I所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的成像鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的成像鏡頭的畸變圖；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的成像鏡頭的場曲圖；
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的成像鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5所示為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的成像鏡頭的照明均勻性圖；圖6所示為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的成像鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7所示為采用根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的成像鏡頭時(shí)的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。本發(fā)明涉及一種機(jī)器視覺成像鏡頭，該鏡頭的照明系統(tǒng)采用了照明均勻性好且照明孔徑角和照明視場均可控制的柯勒照明系統(tǒng)，而成像系統(tǒng)則采用了非對稱型的高倍率雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)。從而，本發(fā)明提供的機(jī)器視覺成像鏡頭可以得到比現(xiàn)有的成像鏡頭高的測量精度和較低的機(jī)械設(shè)計(jì)裝配難度，并且能減少成像系統(tǒng)的成本。另外，在本發(fā)明中提出了一種利用光學(xué)系統(tǒng)的軸上色差，加大系統(tǒng)景深的方法，在一些使用場合中會(huì)得到方便。特別地，對用于半導(dǎo)體對準(zhǔn)中穿透硅片面成像的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)做了一些深入思考，對該種鏡頭的鏡頭參數(shù)給出了合理地限制。第一實(shí)施例本實(shí)施例給出了一種結(jié)構(gòu)簡單的雙遠(yuǎn)心中等數(shù)值孔徑成像鏡頭。圖I所示為根據(jù)本實(shí)施例的雙遠(yuǎn)心中等數(shù)值孔徑成像鏡頭，該鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)為雙遠(yuǎn)心低畸變放大系統(tǒng)，從物方至像方依次包含成像前組G1，孔徑光闌SA和成像后組G2 ；其中成像前組Gl由三部分組成，分別為正透鏡LI，還有由負(fù)透鏡和正透鏡膠合而成的膠合透鏡L2，和由正透鏡和負(fù)透鏡膠合而成的膠合透鏡L3，成像前組Gl主要對物方接受到的光束進(jìn)行會(huì)聚并消除系統(tǒng)中的軸上色差，球差等；孔徑光闌SA，用于決定系統(tǒng)接受光線的孔徑角，可為固定大小的光闌或者可調(diào)光闌；而成像后組G2，由負(fù)透鏡L4和正透鏡L5組成，對前面會(huì)聚的光束進(jìn)行擴(kuò)大，起到放大作用，另外控制整個(gè)系統(tǒng)的畸變；若在應(yīng)用中對畸變的要求非常高，可在成像后組G2里面適當(dāng)增加一個(gè)透鏡來分擔(dān)對系統(tǒng)畸變的控制。在像面的接收器可為CXD或者CMOS，也可作為二次成像面用。其中成像前組Gl滿足下列關(guān)系式n2n-n2p > O. IV2p-V2n > 25η3η-η3ρ > O. IV3p-V3n > 25
O. 6f\ < I R4 I < 0. 9f\< |R7| < I. 5f\其中n2n為成像前組Gl膠合透鏡L2中負(fù)透鏡的材料折射率，n2p為成像前組Gl膠合透鏡L2中正透鏡的材料折射率，v2n為成像前組Gl膠合透鏡負(fù)透鏡材料的阿貝數(shù)，v2p為成像前組Gl膠合透鏡L2正透鏡材料的阿貝數(shù)，n3n，ν3η, η3ρ，ν3ρ分別為成像前組Gl中膠合透鏡L3負(fù)透鏡的折射率和阿貝數(shù)，正透鏡的折射率和阿貝數(shù)。而R4和R7為兩個(gè)膠合透鏡的膠合面的曲率半徑；為成像前組Gl的焦距。該系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為O. 2，倍率為10倍，波段為近紅外波段，透鏡的曲率中心相對于曲面位于像面一側(cè)為正，位于物面一側(cè)為負(fù)。該鏡頭中各部件的具體數(shù)據(jù)如表I所示。表I
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器視覺成像鏡頭，從物面至像面依次包括成像前組、孔徑光闌和成像后組，其中， 成像前組包括正透鏡、由負(fù)透鏡和正透鏡膠合而成的第一膠合透鏡和由正透鏡和負(fù)透鏡膠合而成的第二膠合透鏡； 成像后組包括一負(fù)透鏡和一正透鏡。
2.如權(quán)利要求I所述的成像鏡頭，其中，所述孔徑光闌可為固定大小的光闌或者可調(diào)光闌。
3.如權(quán)利要求I所述的成像鏡頭，其中，在所述成像后組中還具有一用于分擔(dān)對成像系統(tǒng)畸變控制的透鏡。
4.如權(quán)利要求I中任意一個(gè)所述的成像鏡頭，其中，所述成像前組滿足下列關(guān)系式 n2n-n2p > O. IV2p-V2n > 25η3η_η3ρ > O. IV3p-V3n > 25O. 6f\ < |R4| < 0. 9f,fi < R7 < I. 5f\ 其中n2n為成像前組中第一膠合透鏡中負(fù)透鏡的材料折射率，n2p為成像前組中第一膠合透鏡中正透鏡的材料折射率，v2n為成像前組第一膠合透鏡中負(fù)透鏡材料的阿貝數(shù)，v2 p為成像前組中第一膠合透鏡中正透鏡材料的阿貝數(shù)，n3n，ν3η, η3ρ, ν3ρ分別為成像前組中第二膠合透鏡中負(fù)透鏡的折射率和阿貝數(shù)、正透鏡的折射率和阿貝數(shù)，R4和R7分別為第一和第二膠合透鏡的膠合面的曲率半徑；f\為成像前組的焦距。
5.如權(quán)利要求I所述的成像鏡頭，其中，還具有一照明部分。
6.如權(quán)利要求5所述的成像鏡頭，其中，在所述成像前組前方還具有一反射元件，在所述成像前組和所述孔徑光闌之間還具有一分光元件，所述分光元件用于把從所述照明部分出射的照明光束轉(zhuǎn)到所述物面并透射從所述物面過來的光。
7.如權(quán)利要求6所述的成像鏡頭，其中，所述照明部分從一照明光源至所述分光元件依次具有光源接口、第一照明鏡組、視場光闌、反射元件、第二照明鏡組以及照明孔徑光闌。
8.如權(quán)利要求7所述的成像鏡頭，其中，所述照明光源可為光纖光源，LED光源，鹵素?zé)?，汞燈光源燈，或激光光源?br> 9.如權(quán)利要求7所述的成像鏡頭，其中，所述視場光闌和所述照明孔徑光闌可為固定大小的光闌或者可調(diào)光闌。
10.如權(quán)利要求5所述的成像鏡頭，其中，所述照明部分采用柯勒照明。
11.如權(quán)利要求I所述的成像鏡頭，其中，所述成像前組滿足下列關(guān)系式O. 6f\ < R4 < O. 9f,fi < R7 < I. 5f\ 其中，為成像前組的焦距，R4和R7分別為第一膠合透鏡和第二膠合透鏡的膠合面的曲率半徑。
12.如權(quán)利要求11所述的成像鏡頭，其中，還包括一照明部分。
13.如權(quán)利要求12所述的成像鏡頭，其中，在所述成像前組和所述孔徑光闌之間還具有一分光元件，所述分光元件用于把從所述照明部分出射的照明光束轉(zhuǎn)到物面并透射從物面過來的光。
14.如權(quán)利要求13所述的成像鏡頭，其中，所述照明部分從至少兩個(gè)照明光源至所述分光元件依次包括光源接口、第一照明鏡組、反射元件、第二照明鏡組以及照明孔徑光闌。
15.如權(quán)利要求14所述的成像鏡頭，其中，所述至少兩個(gè)照明光源發(fā)出不同波段的光。
16.如權(quán)利要求15所述的成像鏡頭，所述至少兩個(gè)照明光源發(fā)出的不同波段的光通過光纖耦合至所述光源接口。
17.如權(quán)利要求16所述的成像鏡頭，其中，在所述像面處具有一用于采集圖像的探測器，以及與所述探測器電性連接的控制器。
18.如權(quán)利要求14所述的成像鏡頭，其中，所述照明光源是利用分光棱鏡、分光平板或者濾光片獲得不同波段的光形成。
19.利用如權(quán)利要求17所述的鏡頭進(jìn)行對準(zhǔn)測量的方法，具有下述步驟 步驟一探測器采集圖像； 步驟二 控制器判斷由兩種光源照明分別得到的圖像質(zhì)量； 步驟三控制器根據(jù)圖像質(zhì)量結(jié)果確定打開哪個(gè)光源； 步驟四采集圖像信息，進(jìn)行對準(zhǔn)。
20.如權(quán)利要求I所述的方法，用于硅片背面對準(zhǔn)測量，能接收穿過所述硅片的近紅外波段的光。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述硅片的厚度小于150um，所述光的波段為980_1050nm。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述硅片的厚度大于150um，所述光的波段為1050_1200nm。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述成像鏡頭的數(shù)值孔徑為O.15-0. 25，所述鏡頭的放大倍率為6-12。
全文摘要
一種機(jī)器視覺成像鏡頭，從物方至像方依次包括成像前組、孔徑光闌和成像后組，其中，成像前組包括正透鏡、由負(fù)透鏡和正透鏡膠合而成的第一膠合透鏡和由正透鏡和負(fù)透鏡膠合而成的第二膠合透鏡；成像后組包括一負(fù)透鏡和一正透鏡。
文檔編號G02B13/22GK102955228SQ20111024181
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者楊曉青, 徐兵, 張沖 申請人:上海微電子裝備有限公司