CN116626064B - 一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置及方法，涉及芯片外观光学检测中的缺陷检测技术领域。为了解决现有芯片外观光学检测中的照明波长单一或波段过宽，照明角度有限导致的芯片外观图像质量较差、检测精度低的问题；一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置，包括显微成像系统、多层多色环形光源、白光光源、光源控制模块、图像处理分析模块、图像采集模块、精密调整台和分光片；通过光源控制模块驱动多层多色环形光源和白光光源，实现不同光强、不同波长、不同角度的编码光照射，图像采集模块对经过显微成像系统放大后的样品图像进行数据采集，图像处理分析模块对图像进行识别和分析，提高了芯片外观检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及芯片外观光学检测中的缺陷检测技术领域，特别涉及一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置及方法。
背景技术
随着芯片制造技术的不断发展，芯片尺度越来越小，对芯片的检测变得越来越重要。芯片外观检测作为一种光学视觉检测技术，具有非接触快速等优点，被广泛应用于半导体芯片、集成电路、电子元件等领域。在芯片外观检测中，光源是影响检测结果的一个重要因素。光源的选择和使用方式直接影响到芯片外观图像的质量和检测结果的准确性，以及操作人员和芯片的安全。虽然现有的芯片检测光源解决方案在照明均匀度和强度等方面有很大的发展，但存在着照明波长单一或波段过宽，照明角度有限等问题，这导致了芯片外观图像质量较差、检测精度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置及方法，通过光源控制模块驱动多同组同轴的多层多色环形光源实现对每一组环形光源的光强进行调制，实现对芯片表面的光照条件中光源的光照强度、光照角度和光照波长等参数的精确控制，以提高对芯片外观的检测精度，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置，包括显微成像系统、多层多色环形光源、白光光源、光源控制模块、图像处理分析模块、图像采集模块、精密调整台和分光片，所述图像采集模块安装在显微成像系统上，显微成像系统下端设置有多层多色环形光源，多层多色环形光源与显微成像系统同轴放置，显微成像系统内壁一侧安装有白光光源，分光片安装在显微成像系统内，并与白光光源在同一高度，图像处理分析模块与图像采集模块电连接，光源控制模块分别与多层多色环形光源和白光光源电连接。
进一步的，多层多色环形光源由不少于一组的同轴的LED环形光源组成，每一组同轴环形光源中LED均以相同间隔依次环绕圆心排列，每一组LED环形光源均与待检测芯片成不同的照射角度，每一组环形光源对应的LED的波长不同。
进一步的，待测芯片放置在精密调整台上表面，精密调整台与显微成像系统间距可调节设置，显微成像系统对芯片进行成像，精密调整台上表面设置为待测芯片区域，多层多色环形光源发出的光线照射在精密调整台上表面的待测芯片区域，白光光源发出的光线照射在分光片一侧，分光片将发出的光线折射至待测芯片区域。
进一步的，图像采集模块采集不同编码光照射下所述待测芯片的外观图像，图像处理分析模块获取图像采集模块采集到的外观图像，对获取到的所述外观图像进行识别和分析，并输出检测报告。
进一步的，多层多色环形光源和光源控制模块中设有LED驱动模块，所述LED驱动模块由FPGA电路组成并集成在设有LED光源模块的印制线路板PCB上，所述LED光源模块和所述LED驱动模块电连接，LED驱动模块基于UART串口协议实时接收外部配置参数，并输出对应频率和占空比的脉冲宽度调制PWM波，驱动对应波长通道的光源，LED驱动模块对LED光源模块中不同波长的光源进行实时调控。
本发明提供另一种技术方案，一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测方法，包括以下步骤：
步骤一：将待测芯片放置到精密调整台上，调整精密调整台的位置及高度，对待测芯片的位置进行精准三维调节；
步骤二：将待测芯片调至使显微成像系统能对芯片清晰成像，保证芯片处在显微成像系统焦平面处，显微成像系统对待测芯片进行光学显微放大；
步骤三：利用所述光源控制模块驱动多层多色环形光源和白光光源进行光照，实现对待测芯片不同光强、不同波长、不同角度的编码光照射；
步骤四：利用图像采集模块采集不同编码光照射下芯片的外观图像；
步骤五：图像处理分析模块获取不少于一张的外观图像，并对图像采集模块采集到的外观图像灰度化；
步骤六：将多幅芯片表面图像输入到图像处理分析模块的预设模型中进行计算，基于预设算法进行图像处理，提取样品特征信息；
步骤七：根据图像处理分析模块的处理分析结果输出对应的检测结果，并基于检测结果做出对应警报提示，实现对芯片外观的检测和分析。
进一步的，针对步骤四中，所述图像采集模块采集不同编码光照射下芯片的外观图像，具体为：
对经过显微成像系统放大后的样品图像进行数据采集，获得检测芯片的外观图像样本；
针对所述检测芯片的外观图像样本进行待检测芯片的特征信息提取，获得所述检测芯片的外观特征信息；
基于所述检测芯片的外观特征信息将所述图像采集模块获取的不同编码光照射下芯片的外观图像进行标准化处理，得到标准化图像；
获取标准化图像中每个像素点的特征值，在所述检测芯片的外观图像中构建矩阵；
将同一检测芯片下的所述检测芯片的外观图像打包生成数据集，并基于信号传输至图像处理分析模块。
进一步的，针对步骤六中，所述图像处理分析模块进行图像处理，提取样品特征信息，其具体过程包括：
构建图像分析模型，将获取到的多个灰度化的所述检测芯片的外观图像输入至所述图像分析模型中进行计算；
提取其中一个所述检测芯片的外观图像作为比对样本，对比样本中的所述检测芯片的外观图像中的矩阵为第一矩阵，其他所述检测芯片的外观图像中的矩阵为第二矩阵；
分别计算所述第一矩阵与多个第二矩阵的相似度；
在确定最大的相似度大于预设阈值时，将最大的相似度对应的第二矩阵的所述检测芯片的外观图像，作为识别结果，确定为所述检测芯片的芯片样品特征。
进一步的，针对步骤七中，根据图像处理分析模块的处理分析结果输出对应的检测结果，包括：
获取所述检测芯片的芯片样品特征和预设芯片样品特征进行比对，确定所述检测芯片的芯片样品特征是否异常；
若比对结果确认为异常芯片样品特征，则将所述芯片样品特征与预设异常芯片样品对照数据模型进行匹配，确定匹配参数；
基于匹配参数确定所述芯片样品特征的异常类别，根据所述芯片样品特征的异常类别确定对应的异常警报提示，并进行异常警报。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过显微成像系统对芯片样品进行光学显微放大，图像采集模块对经过显微成像系统放大后的样品图像进行数据采集，收集待检测芯片的特征信息，为算法模型提供分析数据，光源控制模块驱动多层多色环形光源和白光光源，实现不同光强、不同波长、不同角度的编码光照射，解决了现有芯片外观光学检测中的照明波长单一或波段过宽，照明角度有限的问题，提高了芯片外观检测的精度，结构简单，易集成。
2.通过多同组同轴的多层多色环形光源实现对每一组环形光源的光强进行调制，以提高对芯片外观的检测精度，且在提供兼具多种波长、具有更全角度照明的同时加入了可精准调控的编码混合照明模式，克服了传统照明光源波长单一、角度不全以及无法对各波长精准控制的局限，实现对芯片表面的光照条件中光源的光照强度、光照角度和光照波长等参数的精确控制，能够快速实现对芯片样品多角度多波长照明，从而得到更好的检测结果，此外，控制电路及通信接口都集成在光源PCB上，因而在保证精准控制的同时具有更高的集成度和灵巧的外形结构。
3.通过对获取的每个外观图像进行标准化处理，实现每个外观图像匹配对比时的大小的一致性，便于保证第一矩阵与第二矩阵的对应性，基于预设算法模型准确计算出芯片特征，提高了获取的识别结果的准确性，进而提高了芯片的检测精度，通过将获取的芯片样品特征进行比对判断，确定芯片是否异常，将存在异常的芯片进行异常芯片样品特征匹配，基于匹配的参数确定异常类别，进行对应的异常警报提示，方便管理人员及时做出应对方案，及时对异常芯片进行处理，提高了处理效率，保证了芯片的生产质量。
附图说明
图1为本发明的芯片外观检测装置示意图；
图2为本发明的多层多色环形光源俯视图；
图3为本发明的基于多层多色环形光源的芯片外观检测方法流程图；
图4为本发明的实施例测试结果1；
图5为本发明的实施例测试结果2。
图中：1、显微成像系统；2、多层多色环形光源；3、白光光源；4、光源控制模块；5、图像处理分析模块；6、图像采集模块；7、精密调整台；8、分光片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有芯片外观光学检测中的照明波长单一或波段过宽，照明角度有限导致的芯片外观图像质量较差、检测精度低的技术问题，请参阅图1-5，本实施例提供以下技术方案：
一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置，包括显微成像系统1、多层多色环形光源2、白光光源3、光源控制模块4、图像处理分析模块5、图像采集模块6、精密调整台7和分光片8，所述图像采集模块6安装在显微成像系统1上，显微成像系统1下端设置有多层多色环形光源2，多层多色环形光源2与显微成像系统1同轴放置，显微成像系统1内壁一侧安装有白光光源3，分光片8安装在显微成像系统1内，并与白光光源3在同一高度，图像处理分析模块5与图像采集模块6电连接，光源控制模块4分别与多层多色环形光源2和白光光源3电连接；
待测芯片放置在精密调整台7上表面，精密调整台7与显微成像系统1间距可调节设置，显微成像系统1对芯片进行成像，精密调整台7上表面设置为待测芯片区域，多层多色环形光源2发出的光线照射在精密调整台7上表面的待测芯片区域，白光光源3发出的光线照射在分光片8一侧，分光片8将发出的光线折射至待测芯片区域，图像采集模块6采集不同编码光照射下所述待测芯片的外观图像，图像处理分析模块5获取图像采集模块6采集到的外观图像，对获取到的所述外观图像进行识别和分析，并输出检测报告。
具体的，通过显微成像系统1对芯片样品进行光学显微放大，图像采集模块6对经过显微成像系统1放大后的样品图像进行数据采集，收集待检测芯片的特征信息，为算法模型提供分析数据，光源控制模块4驱动多层多色环形光源2和白光光源3，实现不同光强、不同波长、不同角度的编码光照射，光源控制模块4对多层多色环形光源2的光强、照射角度、照射波长进行调制，解决了现有芯片外观光学检测中的照明波长单一或波段过宽，照明角度有限的问题，提高了芯片外观检测的精度，结构简单，易集成。
为了解决现有芯片外观光学检测中的光照条件中光源的光照强度、光照角度和光照波长等参数控制误差较大的技术问题，请参阅图1-5，本实施例提供以下技术方案：
多层多色环形光源2由不少于一组的同轴的LED环形光源组成，每一组同轴环形光源中LED均以相同间隔依次环绕圆心排列，每一组LED环形光源均与待检测芯片成不同的照射角度，每一组环形光源对应的LED的波长不同，多层多色环形光源2和光源控制模块4中设有LED驱动模块，所述LED驱动模块由FPGA电路组成并集成在设有LED光源模块的印制线路板PCB上，所述LED光源模块和所述LED驱动模块电连接，LED驱动模块基于UART串口协议实时接收外部配置参数，并输出对应频率和占空比的脉冲宽度调制PWM波，驱动对应波长通道的光源，LED驱动模块对LED光源模块中不同波长的光源进行实时调控。
具体的，通过多同组同轴的多层多色环形光源2实现对每一组环形光源的光强进行调制，以提高对芯片外观的检测精度，且在提供兼具多种波长、具有更全角度照明的同时加入了可精准调控的编码混合照明模式，克服了传统照明光源波长单一、角度不全以及无法对各波长精准控制的局限，实现对芯片表面的光照条件中光源的光照强度、光照角度和光照波长等参数的精确控制，能够快速实现对芯片样品多角度多波长照明，从而得到更好的检测结果，此外，控制电路及通信接口都集成在光源PCB上，因而在保证精准控制的同时具有更高的集成度和灵巧的外形结构。
为了更好的体现一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置的检测流程，本发明提出一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测方法，包括以下步骤：
步骤一：将待测芯片放置到精密调整台7上，调整精密调整台7的位置及高度，对待测芯片的位置进行精准三维调节；
步骤二：将待测芯片调至使显微成像系统1能对芯片清晰成像，保证芯片处在显微成像系统1焦平面处，显微成像系统1对待测芯片进行光学显微放大；
步骤三：利用所述光源控制模块4驱动多层多色环形光源2和白光光源3进行光照，实现对待测芯片不同光强、不同波长、不同角度的编码光照射；
步骤四：利用图像采集模块6采集不同编码光照射下芯片的外观图像；
步骤五：图像处理分析模块5获取不少于一张的外观图像，并对图像采集模块6采集到的外观图像灰度化；
步骤六：将多幅芯片表面图像输入到图像处理分析模块5的预设模型中进行计算，基于预设算法进行图像处理，提取样品特征信息；
步骤七：根据图像处理分析模块5的处理分析结果输出对应的检测结果，并基于检测结果做出对应警报提示，实现对芯片外观的检测和分析。
根据以上实施例，最终实验系统得到如图4和图5所示的目标检测结果。实施例结果表明，本发明中的方法和装置可方便快捷地实现多波长多角度层次混合照明的同时，对目标区域保持均匀照明和精准控制的效果，最终实现更好的测量结果，本发明的装置和方法可广泛应用于光学成像和检测中，同时也可应用于生物样本照明、物品种类辨识照明等场景，为提升检测结果精度提供了一种简单可行的照明方法和装置。
为了解决现有芯片外观光学检测中无法及时对异常件进行处理和测量的异常结果警报的技术问题，请参阅图1-5，本实施例提供以下技术方案：
针对步骤四中，所述图像采集模块6采集不同编码光照射下芯片的外观图像，具体为：
对经过显微成像系统1放大后的样品图像进行数据采集，获得检测芯片的外观图像样本；
针对所述检测芯片的外观图像样本进行待检测芯片的特征信息提取，获得所述检测芯片的外观特征信息；
基于所述检测芯片的外观特征信息将所述图像采集模块6获取的不同编码光照射下芯片的外观图像进行标准化处理，得到标准化图像；
获取标准化图像中每个像素点的特征值，在所述检测芯片的外观图像中构建矩阵；
将同一检测芯片下的所述检测芯片的外观图像打包生成数据集，并基于信号传输至图像处理分析模块5。
针对步骤六中，所述图像处理分析模块5进行图像处理，提取样品特征信息，其具体过程包括：
构建图像分析模型，将获取到的多个灰度化的所述检测芯片的外观图像输入至所述图像分析模型中进行计算；
提取其中一个所述检测芯片的外观图像作为比对样本，对比样本中的所述检测芯片的外观图像中的矩阵为第一矩阵，其他所述检测芯片的外观图像中的矩阵为第二矩阵；
分别计算所述第一矩阵与多个第二矩阵的相似度；
在确定最大的相似度大于预设阈值时，将最大的相似度对应的第二矩阵的所述检测芯片的外观图像，作为识别结果，确定为所述检测芯片的芯片样品特征。
针对步骤七中，根据图像处理分析模块5的处理分析结果输出对应的检测结果，包括：
获取所述检测芯片的芯片样品特征和预设芯片样品特征进行比对，确定所述检测芯片的芯片样品特征是否异常；
若比对结果确认为异常芯片样品特征，则将所述芯片样品特征与预设异常芯片样品对照数据模型进行匹配，确定匹配参数；
基于匹配参数确定所述芯片样品特征的异常类别，根据所述芯片样品特征的异常类别确定对应的异常警报提示，并进行异常警报。
具体的，通过基于外观图像样本对获取的每个外观图像进行标准化处理，得到标准化图像，实现每个外观图像匹配对比时的大小的一致性，便于保证第一矩阵与第二矩阵的对应性，分别依次计算第一矩阵与多个第二矩阵的相似度，在确定最大的相似度大于预设阈值时，确定第二矩阵对应的外观图像为检测芯片的芯片样品特征，基于以上算法，准确计算出相似度，进而提高了判断相似度与预设阈值大小的准确性，提高了获取的识别结果的准确性，进而提高了芯片的检测精度；
通过将获取的芯片样品特征进行比对判断，确定芯片是否异常，将存在异常的芯片进行异常芯片样品特征匹配，基于匹配的参数确定异常类别，进行对应的异常警报提示，方便管理人员及时做出应对方案，及时对异常芯片进行处理，提高了处理效率，保证了芯片的生产质量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置，包括显微成像系统(1)、多层多色环形光源(2)、白光光源(3)、光源控制模块(4)、图像处理分析模块(5)、图像采集模块(6)、精密调整台(7)和分光片(8)，其特征在于：所述图像采集模块(6)安装在显微成像系统(1)上，显微成像系统(1)下端设置有多层多色环形光源(2)，多层多色环形光源(2)与显微成像系统(1)同轴放置，显微成像系统(1)内壁一侧安装有白光光源(3)，分光片(8)安装在显微成像系统(1)内，并与白光光源(3)在同一高度，图像处理分析模块(5)与图像采集模块(6)电连接，光源控制模块(4)分别与多层多色环形光源(2)和白光光源(3)电连接；
多层多色环形光源(2)由不少于一组的同轴的LED环形光源组成，每一组同轴环形光源中LED均以相同间隔依次环绕圆心排列，每一组LED环形光源均与待检测芯片成不同的照射角度，每一组环形光源对应的LED的波长不同；
多层多色环形光源(2)和光源控制模块(4)中设有LED驱动模块，所述LED驱动模块由FPGA电路组成并集成在设有LED光源模块的印制线路板PCB上，所述LED光源模块和所述LED驱动模块电连接，LED驱动模块基于UART串口协议实时接收外部配置参数，并输出对应频率和占空比的脉冲宽度调制PWM波，驱动对应波长通道的光源，LED驱动模块对LED光源模块中不同波长的光源进行实时调控；
待测芯片放置在精密调整台(7)上表面，精密调整台(7)与显微成像系统(1)间距可调节设置，显微成像系统(1)对芯片进行成像，精密调整台(7)上表面设置为待测芯片区域，多层多色环形光源(2)发出的光线照射在精密调整台(7)上表面的待测芯片区域，白光光源(3)发出的光线照射在分光片(8)一侧，分光片(8)将发出的光线折射至待测芯片区域；
芯片外观检测装置还包括基于多层多色环形光源的芯片外观检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将待测芯片放置到精密调整台(7)上，调整精密调整台(7)的位置及高度，对待测芯片的位置进行精准三维调节；
步骤二：将待测芯片调至使显微成像系统(1)能对芯片清晰成像，保证芯片处在显微成像系统(1)焦平面处，显微成像系统(1)对待测芯片进行光学显微放大；
步骤三：利用所述光源控制模块(4)驱动多层多色环形光源(2)和白光光源(3)进行光照，实现对待测芯片不同光强、不同波长、不同角度的编码光照射；
步骤四：利用图像采集模块(6)采集不同编码光照射下芯片的外观图像；
步骤五：图像处理分析模块(5)获取不少于一张的外观图像，并对图像采集模块(6)采集到的外观图像灰度化；
步骤六：将多幅芯片表面图像输入到图像处理分析模块(5)的预设模型中进行计算，基于预设算法进行图像处理，提取样品特征信息；
步骤七：根据图像处理分析模块(5)的处理分析结果输出对应的检测结果，并基于检测结果做出对应警报提示，实现对芯片外观的检测和分析；
所述步骤六中，所述图像处理分析模块(5)进行图像处理，提取样品特征信息，其具体过程包括：
构建图像分析模型，将获取到的多个灰度化的所述检测芯片的外观图像输入至所述图像分析模型中进行计算；
提取其中一个所述检测芯片的外观图像作为比对样本，比对样本中的所述检测芯片的外观图像中的矩阵为第一矩阵，其他所述检测芯片的外观图像中的矩阵为第二矩阵；
分别计算所述第一矩阵与多个第二矩阵的相似度；
在确定最大的相似度大于预设阈值时，将最大的相似度对应的第二矩阵的所述检测芯片的外观图像，作为识别结果，确定为所述检测芯片的芯片样品特征；
所述步骤七中，根据图像处理分析模块(5)的处理分析结果输出对应的检测结果，包括：
获取所述检测芯片的芯片样品特征和预设芯片样品特征进行比对，确定所述检测芯片的芯片样品特征是否异常；
若比对结果确认为异常芯片样品特征，则将所述芯片样品特征与预设异常芯片样品对照数据模型进行匹配，确定匹配参数；
基于匹配参数确定所述芯片样品特征的异常类别，根据所述芯片样品特征的异常类别确定对应的异常警报提示，并进行异常警报。
2.如权利要求1所述的一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置，其特征在于：图像采集模块(6)采集不同编码光照射下所述待测芯片的外观图像，图像处理分析模块(5)获取图像采集模块(6)采集到的外观图像，对获取到的所述外观图像进行识别和分析，并输出检测报告。
3.如权利要求2所述的一种基于多层多色环形光源的芯片外观检测装置，其特征在于：所述步骤四中，所述图像采集模块(6)采集不同编码光照射下芯片的外观图像，具体为：
对经过显微成像系统(1)放大后的样品图像进行数据采集，获得检测芯片的外观图像样本；
所述检测芯片的外观图像样本进行待检测芯片的特征信息提取，获得所述检测芯片的外观特征信息；
基于所述检测芯片的外观特征信息将所述图像采集模块(6)获取的不同编码光照射下芯片的外观图像进行标准化处理，得到标准化图像；
获取标准化图像中每个像素点的特征值，在所述检测芯片的外观图像中构建矩阵；
将同一检测芯片下的所述检测芯片的外观图像打包生成数据集，并基于信号传输至图像处理分析模块(5)。
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