KR101756614B1 - 검사용 조명장치 및 검사 시스템 - Google Patents

Abstract

[과제] 피검사대상의 특징점에서 생기는 반사나 투과, 산란의 변화가 적더라도, 촬상장치의 관찰 입체각 내에 있어서의 빛의 변화량을 일정조건 하에서 판별 가능하게 할 수 있으며, 반사나 투과, 산란의 변화가 극히 작은 특징점에서도 검출하는 것이 가능한 검사용 조명장치를 제공한다. [해결수단] 상기 검사용 조명장치에 있어서, 검사광을 사출하는 면 광원(1)과, 상기 면 광원(1)과 상기 검사대상(W) 사이에, 적어도 하나의 차광 마스크(M1)와, 상기 차광 마스크가 그 렌즈의 초점 위치를 중심으로서 위치하도록, 상기 차광 마스크(M1)보다 상기 검사대상(W)에 가까운 측에 렌즈(2)를 배치하고, 상기 면 광원(1)으로부터 방사된 빛이 상기 렌즈(2)에 의해 상기 검사대상(W)에 조사될 때에 형성되는 상기 검사대상(W)에 대한 검사광의 조사 입체각에, 상기 차광 마스크(M1)에 의해 암부 영역을 형성하도록 하여, 피검사대상의 특징점에서 생기는 반사나 투과, 산란의 변화에 맞추어, 상기 검사광의 조사 입체각의 형상이나 크기 및 기울기 각도를 변경할 수 있도록 하였다.

Description

검사용 조명장치 및 검사 시스템{ ILLUMINATING DEVICE FOR INSPECTION, AND INSPECTION SYSTEM}

본 발명은, 예를 들면 검사대상에 검사광을 조사하여, 그 제품의 외관이나 상처, 결함 등을 검사하기 위해 사용되는 검사용 조명장치 및 검사 시스템에 관한 것이다.

제품의 외관 검사 등에 사용되는 검사용 조명장치의 일례로서는, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같은 촬상하는 방향과 검사대상을 조명하는 방향을 일치시킨 동축 조명을 들 수 있다. 이 동축 조명은 상기 검사대상의 검사대상면과 평행 방향으로 검사광을 사출하는 광원과, 상기 검사대상과 해당 검사대상의 위쪽에 형성된 촬상장치 사이에서 기울여져 형성되어 있으며, 상기 검사광을 상기 검사대상에 반사함과 동시에 상기 검사대상으로부터의 반사광은 촬상장치 측으로 투과하도록 배치된 하프 미러를 구비한 것이 있다.

그런데, 상술한 바와 같은 검사용 조명장치를 사용해도 검출하는 것이 어렵다는 결함 등의 특징점을 촬상된 화상에 의해 검출할 수 있도록 하는 것이 최근 요구되고 있다. 보다 구체적으로는, 검사대상인 제품의 표면 성상이 완전한 미러면은 아니기 때문에, 검사대상면의 특징점에 있어서 원하는 농담(濃淡) 정보를 얻기 위해 광축이나 조사 입체각의 형상 등을 정밀하게 제어하는 것이 어렵고, 검사광을 조사하였다 하더라도 특징점이 검찰 대상의 어느 위치에 있는지에 따라 명암차가 크게 변해버려 특징점을 판별하는 것이 어려운 사례가 있다.

예를 들면, 조리개 등을 사용하여 검사광의 조사 범위를 검사대상에만 한정함으로써, 검사대상 이외로부터의 반사광이나 산란광인 미광(迷光)을 저감시켜 검사 정밀도를 높이는 것을 생각할 수 있다.

그렇지만, 이러한 수법에 의해 촬상장치 내에 입사하는 미광을 저감시켰다 하더라도 매우 미세한 결함 등인 경우에는 촬상되는 화상의 밝기 변화가 크게 불규칙해져 결함으로서 검출할 수 없는 경우가 있다.

보다 구체적으로는, 검사대상 상의 미세한 결함 등에 의해 조사되어 있는 검사광의 반사 방향이 조금 변하였다 하더라도 촬상장치의 관찰 입체각 내에 들어가는 정도의 변화인 경우에는, 결함 유무에 관계없이 촬상되는 화상의 밝기로서는 변화가 생기지 않는다. 혹은, 검사광의 조사 입체각이 크고 그 광축의 기울기가 검사대상의 각 점에서 다르면, 반사 방향의 미세한 변화가 촬상장치의 관찰 입체각 내의 광량 변화로서 파악되지 않을 뿐만 아니라, 검사대상의 각 점에서 촬상장치의 관찰 입체각 내의 광량 변화가 가지각색이 되어 결국, 머신 비전으로서는 이러한 미세한 결함 등을 검사대상 범위에서 정확하게 파악할 수 없게 된다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2010－261839호

본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 결함 등의 특징점이 매우 작거나 근소하거나 하여, 그 특징점에서 생기는 반사나 산란의 변화가 미세하더라도 검사대상의 촬상 범위의 각 점에서 그 특징점이 어디에 있든 촬상장치의 관찰 입체각 내에서의 빛의 양을 일정한 양만큼 변화시킬 수 있으며, 나아가 이러한 미세한 특징점을 검출하는 것이 가능해지는 검사 시스템 및 검사용 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 검사용 조명장치로부터 사출되는 검사광의 조사 입체각 크기나 그 형상, 기울기 등의 양태를 균일하게 하고, 게다가 이를 조절할 수 있도록 함으로써, 검사대상에 있어서의 결함 등이 미세하고, 그 결함 등에 의한 반사나 산란의 변화량이 매우 적어도 촬상장치의 관찰 입체각 내에서의 광량 변화로서 파악할 수 있어, 이 변화를 명암 정보로 하는 화상이 얻어지도록 한다는 신규 발상에 근거하여 이루어진 것이다.　

보다 구체적으로는, 본 발명의 검사용 조명장치는 검사대상에 검사광을 조사하는 검사용 조명장치로서, 상기 검사대상에 있어서 반사 또는 투과 또는 산란하는 빛을 촬상하는 촬상장치로 구성되는 검사 시스템에 적용되며, 상기 검사용 조명장치에 있어서, 검사광을 사출하는 면 광원과, 상기 면 광원과 상기 검사대상 사이에 형성되고, 상기 면 광원으로부터 방사된 빛을 상기 검사대상에 조사하는 검사광으로서, 상기 검사대상에 대한 조사 입체각을 형성하기 위한 렌즈와, 상기 면 광원과 상기 렌즈 사이에, 상기 렌즈의 초점 위치를 중심으로 하여 그 전후에 설치되며, 상기 검사대상의 각 점에 조사되는 검사광의 조사 입체각을 차광 형성하는 제1 차광 마스크를 구비하고 있으며, 상기 촬상장치에서 상기 검사대상으로부터의 빛을 촬상할 때에 형성되는 상기 검사대상의 각 점에 대한 관찰 입체각에 대하여, 각 점의 명암에 원하는 변화를 얻을 수 있도록 조사 입체각의 형상 또는 크기나 기울기가 설정 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 차광 마스크와 상기 면 광원 사이에, 상기 렌즈가 상기 검사대상에 대하여 결상하는 근방에 제2 차광 마스크를 더 구비하고, 상기 제2 차광 마스크에 의해 상기 검사대상에 대한 검사광의 조사 영역 또는 조사 형상이나 조사 패턴을 임의로 생성 가능한 것을 특징으로 한다.

이러한 검사 시스템 및 검사용 조명장치라면, 상기 렌즈와 상기 제1 차광 마스크에 의해 상기 검사대상의 각 점에 조사되는 검사광의 조사 입체각을 대략 균일하게 차광 형성하면서, 상기 렌즈와 상기 제2 차광 마스크에 의해 상기 검사대상의 필요한 부분에만 상기 검사광을 조사하거나 그 검사광의 조사 영역에서 임의의 형상을 형성하거나 할 수 있다.

바꾸어 말하면, 예를 들면 통상의 면 광원 등의 조명장치를 이용하는 경우라면, 상기 검사대상의 각 점에 대한 조사 입체각의 형상이나 기울기는 상기 검찰 대상의 각 점과 상기 조명장치의 광원면의 형상과의 관계로 각각 정해지기 때문에, 균일한 검사광을 얻는 것이 어렵지만, 본원 발명이라면 상기 검사대상의 각 점에 대한 조사 입체각의 형상이나 기울기를 대략 균일하게 하면서 조정할 수 있으며, 또한 필요한 영역에만 검사광을 조사하여 상기 검사대상으로부터의 미광을 방지할 수 있다.

더욱이, 상기 검사대상에 있어서의 미세한 결함 등에 의해 반사광이나 투과광 또는 산란광의 강도나 방향이 약간 변화한 경우라도, 그 변화하는 부분에 의해 상기 촬상장치의 관찰 입체각 내의 광량에 변화가 생기도록, 상기 제1 차광 마스크에 의해 상기 검사대상의 각 점에 조사되는 검사광의 조사 입체각 형상 및 그 각도를 상기 촬상장치의 관찰 입체각의 크기나 형상 및 각도와의 상대 관계로 적절하게 설정할 수 있어 미세한 결함 등을 검출하기 쉽게 하거나 또는 반대로 검출되지 않게 할 수 있다.

또한, 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각의 중앙부만이 암부(暗部) 영역이 되고, 주변부만이 명부(明部) 영역으로 하는 등, 각종 양태의 조사 입체각을 형성할 수 있으며, 상기 검사대상에 있어서의 반사광이나 투과광이 상기 촬상장치의 관찰 입체각 내에 들어가지 않도록 하여 산란광만을 촬상할 수도 있으며, 각종 검사대상이나 검출해야 할 각종 특징점에서 생기는 빛의 변화에 따른 조사 입체각으로 검사광을 조사할 수 있다.

본 발명에 의한 대략 균일한 조사 입체각을 갖는 검사광을 상기 검사대상에 조사한 경우에, 결함 등에 의해 그 반사 방향 또는 투과 방향이 변화할 때에 생기는 상기 반사광 또는 투과광의 입체각 변화에 관하여, 극히 적더라도 그 변화를 파악할 수 있게 하려면 그 입체각의 변화에 대하여 상기 관찰 입체각 내의 광량 변화가 최대가 되고, 그 이외의 변화에 대하여는 최소가 되도록 상기 검사광의 조사 입체각과 상기 촬상장치의 관찰 입체각의 상대 관계를 그 형상이나 각도 및 크기에 대하여 조정함으로써 그 변화만을 선택적으로 파악하는 것이 가능해진다. 따라서, 이렇게 미세한 결함 등에 의한 극히 작은 빛의 변화를 파악하는 것은 그 검사광의 조사 입체각의 형상이나 각도 및 크기가 상기 검사대상면의 각 점에 대하여 달라져버리는 종래의 조명장치에서는 어려웠지만, 본 발명에 의한 조명장치에서는 그것을 파악할 수 있게 된다.

상기 검사대상의 각 점에 조사되는 검사광의 조사 입체각의 크기를 대략 균일하게 제어함과 동시에 조사 입체각의 기울기 분포를 광축 중심에 대하여 조절할 수 있도록 하려면, 상기 제1 차광 마스크를 상기 렌즈의 초점 위치를 중심으로 하는 전후 위치에 배치하면 된다. 즉, 상기 제1 차광 마스크의 개구부를 변화시킴으로써, 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각을 원하는 형상이나 크기로 설정할 수 있다. 또한, 상기 제1 차광 마스크를 상기 렌즈의 초점 위치에 배치하면, 상기 검사광의 조사 입체각의 광축은 모두 상기 검사광의 광축과 평행이 되어, 상기 렌즈의 초점 위치보다 렌즈 측에 배치하면 상기 검사광이 넓어지는 방향으로, 상기 렌즈의 초점 위치보다 바깥 측에 배치하면 상기 검사광이 좁아지는 방향으로, 각각 상기 검사광의 조사 입체각을 기울게 할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 차광 마스크의 배치와 그 개구부를 변화시킴으로써 상기 검사대상으로부터의 반사광이나 투과광의 입체각에 직접 영향을 미치는 상기 검사광의 조사 입체각에 대하여 각종 조절이 가능해져, 검사대상과 검사대상으로부터의 반사광 또는 투과광 또는 산란광을 관찰하는 상기 촬상장치의 관찰 입체각과의 상대 관계를, 원하는 명암 정보를 얻기 위해 적합한 양태로 할 수 있다.

이렇게 하여, 본 발명에 의한 검사용 조명장치 및 상기 검사용 조명장치를 사용하여, 상기 검사대상에 대하여 반사 또는 투과 또는 산란하는 빛을 촬상하는 촬상장치로 구성되는 검사 시스템에 있어서, 원하는 명암 정보를 얻을 수 있는 것은 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 명암이 상기 검사대상의 각 점으로부터의 반사광 또는 투과광 또는 산란광의 상기 촬상장치로 향하는 광량으로 정해져 있으며, 그 상기 광량이 상기 검사대상의 각 점으로부터의 반사광 또는 투과광 또는 산란광의 입체각과 상기 촬상장치의 관찰 입체각과의 포함 관계로 정해져 있기 때문에, 상기 검사대상의 각 점으로부터의 반사광 또는 투과광에 직접 영향을 주는 상기 검사광의 조사 입체각을 대략 균일하게 조절하는 기능을 구비한 것에 의한다.

상기 촬상장치에 의해 촬상되는 상기 검사대상의 명암 정보를 그 촬상 범위 전체에 걸쳐 대략 균일한 변화를 나타내는 것으로 하기 위해서는, 상기 촬상장치에 의해 상기 검사대상의 각 점에 형성되는 관찰 입체각과, 상기 검사대상의 각 점으로부터의 반사광 또는 투과광 또는 산란광의 입체각과의 포함 관계가 대략 일정하게 유지되어야만 한다. 이는 상기 제1 차광 마스크를 상기 렌즈의 초점 위치를 중심으로 하는 전후 위치에서 이동시킴으로써, 상기 검사광의 조사 입체각을 대략 균일한 형상 및 크기로 하고, 그 기울기 각도를 조절하여 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 상기 관찰 입체각의 기울기에 맞춤으로써 실현할 수 있다.

또한, 상기 검사대상에 대한 검사광의 조사 영역 또는 조사 형상이나 조사 패턴을 임의로 생성 가능하게 하기 위해서는, 상기 제1 차광 마스크와 함께 상기 제2 차광 마스크를 구비하고, 상기 렌즈에 의해 상기 검사대상에 결상하는 위치 근방에 배치하면 된다. 이렇게 함으로써, 상기 검사광의 조사 입체각의 형상이나 크기 및 기울기를 대략 균일하게 유지하면서 상기 검사광의 조사 영역과 그 조사 입체각 쌍방을 독립적으로 조절할 수 있다.

상기 검사대상의 형상 정밀도에 대해서도 용이하게 검사할 수 있도록 하려면, 상기 제1 차광 마스크와 함께 소정의 마스크 패턴이 형성된 상기 제2 차광 마스크를 사용하여 이 패턴을 상기 검사대상에 대하여 결상시켜주면 된다. 이러한 것이라면, 상기 제1 차광 마스크에서 조절된 대략 균일한 조사 입체각에 의해 상기 촬상장치에서 균일한 명암 변화를 갖는 명암 정보를 얻을 수 있으며, 상기 검사대상의 형상에 문제가 있으면 상기 촬상장치에서 명암 정보로서 얻어지는 패턴에 왜곡이 생기기 때문에 용이하게 형상 불량을 검출할 수 있다.

상기 검사대상의 각 점의 반사광 또는 투과광의 입체각과, 상기 촬상장치가 상기 검사대상의 각 점에 형성하는 관찰 입체각을 그 형상 및 크기 및 기울기에 관하여 대략 일치시키면, 상기 검사대상에 미세한 특징점이 있는 경우라도 상기 반사광 또는 투과광의 입체각과 상기 관찰 입체각과의 포함 관계에 변화가 생겨 그 미세한 특징점에 대한 명암 정보 변화를 얻을 수 있다. 이렇게 하기 위해서는, 한가지는, 상기 검사광의 조사 방향을 바꾸고, 또한 상기 검사대상으로부터의 빛을 투과하여 상기 촬상장치에서 촬상할 수 있도록 하기 위한 하프 미러를 구비하고, 상기 검사광의 상기 검사대상의 각 점에 대한 조사 입체각과 상기 촬상장치의 상기 검사대상의 각 점에 대한 관찰 입체각의 광축을 대략 일치시키는 것, 또 한가지는 상기 검사광의 조사 방향에 대하여 상기 검사대상에 세운 법선에 선대칭 방향으로 상기 촬상장치의 관찰 입체각을 설정하여, 상기 검사대상의 각 점의 반사광 또는 투과광의 입체각과 상기 촬상장치의 상기 검사대상의 각 점에 대한 관찰 입체각의 광축을 대략 일치시킴으로써 실현할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 검사용 조명장치, 검사 시스템에 의하면, 검사대상의 각 점에 조사되는 검사광의 조사 입체각 및 그 암부 영역의 크기나 양태를 자유롭게 조정할 수 있기 때문에, 상기 검사대상의 각 점으로부터의 반사광 또는 투과광 또는 산란광의 입체각과, 상기 촬상장치에서 상기 검사대상의 각 점에 형성되는 관찰 입체각과의 포함 관계를 대략 균일하게 설정할 수 있어, 종래 검출이 어려웠던 미세한 결함 등이라도 검출하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관련되는 검사용 조명장치 및 검사 시스템의 외관을 나타내는 모식적 사시도.
도 2는 검사대상의 부분적 기울기에 의한 반사광의 입체각 변화와 조사 입체각 및 관찰 입체각과의 상대 관계.
도 3은 동 실시형태에 있어서의 검사용 조명장치 및 검사 시스템의 내부 구조 및 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각을 나타내는 모식도.
도 4는 동 실시형태에 있어서의 검사용 조명장치 및 검사대상을 기울여 설치한 검사 시스템의 내부 구조 및 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각을 나타내는 모식도.
도 5는 종래의 조명 사용에 있어서의 검사용 조명장치 및 검사 시스템의 구조 및 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각을 나타내는 모식도.
도 6은 제2 차광 마스크를 가한 실시형태에 있어서의 검사용 조명장치 및 검사 시스템의 구조 및 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각을 나타내는 모식도.
도 7은 본 발명의 한 실시형태에 관련되는 검사용 조명장치 및 검사 시스템의 검사대상과의 거리를 파라미터로 한 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각을 나타내는 모식도.
도 8은 검사대상의 부분적 기울기에 의한 반사광의 입체각 변화와 조사 입체각 및 관찰 입체각과의 상대 관계.

본 발명의 제1 실시형태에 대하여 설명한다.

제1 실시형태의 검사용 조명장치(100)와, 촬상장치(C)에 의해 구성되는 검사 시스템(200)은 하프 미러(4)를 사용하여, 검사대상(W)을 촬상하는 방향과, 검사대상(W)을 조명하는 방향이 일치하는, 이른바 동축 조명으로, 검사대상(W)의 결함 등의 특징점이 촬상장치(C)에 의해 촬상된 화상 속에 명암차로 나타나도록 하기 위해 이용되는 것이다. 또한, 도 2 내지 도 5에서는, 하프 미러를 갖는 경우를 점선으로, 없는 경우를 실선으로 표기하였다. 여기서, 검사대상(W)의 결함 등의 특징점이란, 예를 들면, 표면의 상처, 패임, 왜곡, 외관의 형상, 구멍의 유무 등 다방면에 걸친 불편함이나 그 밖의 특징들을 포함하는 것이다.

상기 검사용 조명장치(100)는, 도 1의 사시도 및 도 2의 모식도에 나타내는 바와 같이, 대략 통 형상 케이스를 갖는 것이며, 그 내부와 검사대상(W) 및 촬상장치(C)에 이르는 부분에 검사광을 면 광원(1)으로부터 검사대상(W)에 조사하는 조사 광로(L1)와, 검사대상(W)으로부터의 반사광 또는 투과광이 촬상장치(C)에 이르기까지의 반사·투과 광로(L2)가 형성되어 있으며, 하프 미러(4)가 설치되어 있는 경우에는, 상기 케이스의 윗면 개구 측에 촬상장치(C)가 형성되고, 상기 케이스의 아랫면 개구 측에 검사대상(W)이 놓이는 것이다.

또한, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 하프 미러(4)가 설치되어 있는 경우에는, 조사 광로(L1)는 면 광원(1)으로부터 하프 미러(4)에 이르는 부분과, 하프 미러에 의해 부분적으로 반사되어 검사대상에 이르는 부분으로 구성되며, 하프 미러(4)가 설치되어 있지 않은 경우에는, 조사 광로(L1)에 의해 직접 검사대상에 검사광이 조사되며, 도 2의 경우, 검사대상(W)으로부터의 투과광이 촬상장치(C)에 이르기까지의 광로가 L2가 된다.

상기 조사 광로(L1) 상에는 검사광이 진행되는 순서대로 검사광을 사출하는 면 광원(1)과, 렌즈(2)의 초점 위치를 중심으로 하는 전후 위치에 형성된 제1 차광 마스크와, 상기 면 광원(1)으로부터 사출된 검사광으로부터 검사대상(W)에 대한 조사 입체각을 형성하는 렌즈(2)가 배치되며, 하프 미러가 설치되는 경우에는, 이에 더불어 상기 검사광을 아래쪽으로 부분 반사하도록 상기 반사·투과 광로(L2) 및 조사 광로(L1)에 대하여 기울여 설치된 하프 미러(4)를 배치하고, 또한, 더욱이, 검사광의 조사 영역을 형성하는 제2 차광 마스크를 설치하는 경우는, 상기 면 광원(1)과 상기 제1 차광 마스크 사이에, 상기 렌즈(2)에 의해 상기 검사대상(W)에 결상되는 위치 부근에 제2 차광 마스크가 설치되어, 상기 검사광이 상기 검사대상(W)에 조사된다. 다만, 제2 차광 마스크가 설치되는 경우는, 도 4에서 그 구체적인 기능을 설명한다.

또한, 상기 반사·투과 광로(L2) 상에는 하프 미러가 설치되는 경우에는, 하프 미러(4)가 설치되고, 이 하프 미러(4)에 의해 부분 투과된 반사광이 촬상장치(C)에 의해 관찰되며, 하프 미러가 설치되지 않는 경우는, 도 2에 있어서는 검사대상(W)으로부터의 투과광이 촬상장치(C)에 이르기까지의 광로가 L2가 되며, 이 광로(L2) 상에는 도 1 및 도 2에 있어서는 하프 미러(4) 이외에 존재하는 것은 없지만, 경우에 따라서는 상기 검사대상으로부터의 미광을 자르거나 할 목적으로, 검사대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 부분적으로 차광하는 마스크 혹은 조리개 등을 설치해도 된다.

이하에서는 각 부재의 배치나 구성, 기능에 대하여 상술한다.

상기 면 광원(1)은 예를 들면 팁형 LED나 확산판 등에 의해 광 사출면(11)이 형성된 것이다. 또한, 상기 면 광원(1)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 통 형상 케이스 내를 조사 광축 방향으로 진퇴 가능하게 형성되어 있으며, 검사광의 조사 개시 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다. 즉, 후술하는 제1 차광 마스크에 의한 조사 입체각의 제어나 제2 차광 마스크에 의한 조사 영역의 제어와는 독립적으로, 상기 제1 차광 마스크(M1) 및 상기 제2 차광 마스크(M2) 및 상기 렌즈(2) 및 상기 검사대상(W)의 위치 관계로 정해지는 검사광의 광로에 대하여, 상기 검사대상(W)에 있어서의 검사광의 균일도나 휘도 분포 등을 제어할 수 있다. 조사 영역에 따라 조사 광로가 다르기 때문에, 예를 들면, 상기 면 광원(1)에 소정의 휘도 분포 혹은 발광 파장 분포, 편광 특성 분포 등을 구비해두면, 조사 영역에 따라 그 분포를 변화시킬 수도 있고 균일하게 할 수도 있다.

상기 제2 차광 마스크(M2)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 통 형상 케이스 내를 조사 광축 방향으로 진퇴 가능하게 형성되어 있으며, 상기 렌즈(2)와 상기 검사대상과의 거리에 의해, 상기 제2 차광 마스크 자신이 상기 검사대상에 대한 결상 위치 근방에 조정할 수 있도록 되어 있다. 이렇게 함으로써, 도 5에 나타내는 바와 같이, 상기 면 광원(1)으로부터의 조사광을 부분적으로 차광할 수 있으며, 상기 제2 차광 마스크의 개구부 형상이 검사대상(W)에 대략 결상되기 때문에, 상기 제2 차광 마스크(M2)의 개구부 형상이나 크기를 바꿈으로써, 상기 검사대상(W)에 있어서의 검사광의 조사 범위를 변경할 수 있다. 또한, 이 조정이나 변경은 후술하는 상기 제1 차광 마스크(M1)에 의한 조사 입체각의 제어와는 독립적으로 실시할 수 있다.

상기 제1 차광 마스크(M1)는, 상기 렌즈(2)와 상기 면 광원과의 사이에, 상기 렌즈(2)의 초점 위치를 중심으로 하는 전후 위치에 형성되며, 도 1에 나타내는 바와 같이, 통 형상 케이스 내를 조사 광축 방향으로 진퇴 가능하게 형성되어 있다. 상기 제1 차광 마스크(M1)를, 예를 들면, 상기 렌즈(2)의 초점 위치에 설치한 경우는, 도 2와 같이, 상기 검사대상(W)의 각 점에 있어서의 조사 입체각의 크기와 형상과 기울기 각도가 모두 같아지며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 검사대상의 각 점과 상기 렌즈(2)와의 거리가 다른 경우에도 마찬가지이다. 또한, 이는 도 6에 나타내는 바와 같이, 상기 하프 미러(4)의 유무에 관계없이, 또한 상기 검사대상(W)과 상기 렌즈(2)와의 거리에도 관계없이 동일하다.

다음으로, 상기 제1 차광 마스크(M1)가 상기 렌즈(2)의 초점 위치 전후에 있는 경우에 대하여 설명한다.

도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 우선, 상기 제1 차광 마스크(M1)가 미세한 투과 부분에서 초점 위치 근방에 있는 경우, 조사 입체각은 거의 0에 가까워지고, 상기 제1 차광 마스크(M1)가 상기 렌즈(2)의 초점 위치보다 상기 렌즈(2) 측에 있을 때, 상기 검사광은 도 7의 (a)의 실선으로 나타낸 바와 같이 광축 중심보다 바깥 측으로 넓어지도록 기울어진 광로로 형성되며, 상기 제1 차광 마스크(M1)가 상기 렌즈(2)의 초점 위치보다 상기 면 광원(1) 측에 있을 때, 상기 검사광은 도 7의 (a)의 파선으로 나타낸 바와 같이 광축 중심에 집광하도록 기울어진 광로로 형성된다. 한편, 상기 검사광의 상기 검사대상의 각 점에 대한 조사 입체각의 형상 및 크기는, 도 7의 (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 상기 제1 차광 마스크(M1)의 개구부의 형상 및 크기로 일률적으로 결정되며, 이와는 독립적으로, 상기 제1 차광 마스크(M1)의 위치에 따라 그 조사 입체각의 기울기를 제어할 수 있다.

도 7에 있어서의 P1, P2, P3은 상기 렌즈(2)의 물체 측 초점 위치의 거리에 있는 점으로, 적어도 P1을 통과하는 빛은 상기 렌즈(2)에 의해, 상기 면 광원(1)으로부터 조사된 광축과 평행하는 광로를 얻는 빛뿐이며, 상기 제1 차광 마스크(M1)에 의해 이 광로의 개구부가 예를 들면 직경(r)인 경우, P1에 있어서의 조사 입체각은 도 7 하부에 나타낸 바와 같이 상기 렌즈(2)의 초점거리(f)와 개구부의 직경(r)만에 의해 한결같이 정해지며, 이상적으로는 렌즈보다 P1와 같은 거리에 있는 P2, P3도 마찬가지이다. 또한, 상기 렌즈(2)의 초점거리보다 먼 임의의 점인 P4, P5에서도 그 조사 입체각은 모두, P1에서의 조사 입체각과 대략 같은 형상, 대략 같은 크기가 된다.

이상에서 설명한, 조사 입체각이 대략 균일하게 형성되는 본 발명의 검사용 조명에 대하여, 종래의 통상의 광원면만을 사용하는 조명에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 검사대상(W)의 각 점에 대한 검사광의 조사 입체각은 각 점에 의해 그 형상이나 크기 및 기울기가 다르다. 이것은 상기 검사대상(W)의 각 점에 대한 조사 입체각이 그 각 점으로부터 조명을 반대로 보았을 때의 면 광원(1)의 투영 형상 및 크기 및 각도로 정해져 있기 때문이다. 한편, 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 관찰 입체각은 상기 촬상장치(C)의 눈동자 위치 및 눈동자 형상 및 눈동자의 크기와 상기 검사대상의 각 점과의 상대 관계로 정해져 있고, 촬상장치(C)에 의한 각 점의 밝기는 각 점에 있어서 조사 입체각을 직접 반영하는 반사광 혹은 투과광의 입체각과 관찰 입체각과의 포함 관계로 정해져 있으며, 반사광 혹은 투과광의 입체각의 변화가 미세하면, 검사 영역의 각 점에서, 동일한 빛의 변화량을 얻는 것이 어려워진다.

일반적으로 결상 광학계의 특성에 의해, 주광축 이외의 관찰 입체각의 기울기 정도가 정해져 있으며, 그것은 통상의 렌즈의 성질상, 주광축에서 동심원형으로 변화하고 있다. 이러한 결상 광학계에 대하여 균일한 빛의 변화, 특히 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 반사, 혹은 투과광의 입체각의 기울기 변화에 대하여 균일한 변화량을 얻기 위해서는, 상기 검사대상에 대한 상기 검사광의 조사 입체각의 기울기를 주광축에 대하여 동심원형으로 변화시켜, 각 점에 있어서의 조사 입체각과 관찰 입체각의 상대 관계를 일정하게 유지하는 것이 유효하다.

여기서, 도 8을 이용하여, 조사 입체각과 관찰 입체각과의 포함 관계와 상기 촬상장치를 얻을 수 있는 명암 정보에 대하여 설명한다.

도 8의 (a)는 상기 검사대상(W)의 점(P)에 착안하여, 상기 점(P)에 조사 입체각(IS)이 되는 검사광을 조사한 경우를 생각하여, 상기 검사대상의 점(P)을 포함하는 면이 부분적으로 Ø만큼 기울었을 때에, 점(P)의 밝기가 어떻게 변화는지를, 상기 촬상장치(C)가 점(P)에 형성하는 관찰 입체각(OS)에 대하여, 점(P)으로부터의 반사광의 입체각(RS1)이 입체각(RS2)과 같이 변화했을 때의, 각 입체각의 상대 관계가 어떻게 되는지를 나타내고 있다.

도 8의 (a)에 있어서, 점(P)으로부터의 상기 반사광의 입체각(RS1 및 RS2)의 형상과 크기는, 점(P)에 대한 검사광의 조사 입체각(IS)과 같다. 또한, 상기 반사광의 입체각(RS1)의 기울기는, 점(P)에 세운 법선에 대하여 상기 검사광의 조사 입체각(IS)의 선대칭이 되는 방향으로, 상기 검사광의 조사 입체각(IS)의 기울기(θ)와 동일한만큼 기울어져 있다. 이때, 상기 촬상장치(C)가 점(P)에 대하여 형성하는 관찰 입체각(OS)이, 상기 반사광의 입체각(RS1)과 그 광축이 일치하며, 또한, 상기 반사광의 입체각(RS1)에 비해 그 크기가 매우 작으면, 상기 촬상장치(C)에서 파악되는 점(P)의 밝기는, 그 관찰 입체각(OS)의 크기로 조절되어, 이 포함 관계가 변하지 않는 범위에서 상기 반사광의 입체각(RS1)이 기울어도 변화하는 일은 없다. 다만, 조사 입체각(IS), 반사광의 입체각(RS1 및 RS2) 내의 빛 에너지는 그 입체각 내에서 균일하게 분포하고 있는 것이라 가정한다.

다음으로, 도 8의 (a)에 있어서, 상기 검사대상(W)의 점(P)을 포함하는 면이 부분적으로 Ø만큼 기운 경우를 생각하면, 점(P)으로부터의 반사광의 입체각(RS1)은, 도면 속 점선으로 나타낸 RS2와 같이 2Ø만큼 기울게 된다. 이때, 점(P)으로부터의 반사광의 입체각(RS2)이, 상기 촬상장치(C)가 점(P)에 대하여 형성하는 관찰 입체각(OS)과 아무런 포함 관계를 갖지 않으면, 상기 촬상장치(C)로부터 본 점(P)의 밝기는 0이 된다. 이때, 만일 조사 입체각(IS)의 평면 반각이, 상기 검사대상(W)의 부분적인 기울기에 의해 생기는 반사광의 기울기각(2Ø)에 대하여 충분히 크면, 점(P)의 밝기는 변화하지 않는다. 또한, 관찰 입체각(OS)의 평면 반각이 상기 반사광의 기울기각(2Ø)과 상기 반사광의 입체각(RS1)의 평면 반각을 더한 것보다 크면, 역시 점(P)의 밝음은 변화하지 않는다. 이것은, 결국, 점(P)의 밝기는 점(P)으로부터의 반사광의 입체각(RS1)과 점(P)에 대한 관찰 입체각(OS)의 포함 관계로 정해지며, 점(P)에 조사되는 검사광의 조사 입체각(IS)과 점(P)에 대한 관찰 입체각(OS)과의 형상 및 크기 및 기울기에 관한 상대 관계를 설정함으로써 점(P)의 밝기 변화를 제어할 수 있는 것을 나타내고 있다.

도 8의 (b)는 (a)에 있어서, 검사광의 조사 광축과 점(P)의 법선 및 점(P)으로부터의 반사 광축을 포함하는 면에서의 단면도이며, 각 요소의 기울기와 그 포함 관계가 보다 정량적으로 파악된다. 다만, 도 8의 (b)에서는, 관찰 입체각(OS)이 조사 입체각(IS), 즉 반사광의 입체각(RS1)보다 큰 경우를 나타냈다. 검사대상(W)이 기울어져 점(P)으로부터의 반사광의 입체각(RS1)이 점선으로 나타낸 RS2가 되면, 본 도면에서는 관찰 입체각(OS)과의 포함 관계가 없어져, 그 관찰 입체각(OS) 내의 빛 에너지는 0이 되기 때문에, 이 관찰 입체각(OS)에 포함되는 빛을 다시 점으로 모아 결상 시켜도, 점(P)은 깜깜하게 밖에 안보인다.

도 8의 (b)에 있어서, 여기서, 만일 관찰 입체각(OS)의 형상 및 크기가 조사 입체각(IS)과 같고, 점(P)으로부터의 반사광의 입체각(RS1)의 기울기와 일치하면, 그 상태로부터 조금이라도 검사대상(W)이 기울면, 적어도 그만큼 관찰 입체각(OS)과 반사광의 입체각(RS1)이 겹쳐 있는 부분이 감소하기 때문에, 관찰 입체각(OS)을 사이에 두고 본 점(P)의 밝기는 그만큼 변화한다. 게다가 그 각 입체각이 작으면 작을수록, 검사대상(W)이 동일한 각도만큼 기울었을 때의 점(P)의 밝기 변화량은 커지고, 반대로 크면 클수록, 검사대상(W)이 동일한 각도만큼 기울었을 때의 점(P)의 밝기 변화량은 작아진다. 또한, 조사 입체각(IS)과 관찰 입체각(OS)의 형상이나 크기나 기울기 등을, 검사대상의 원하는 특징점에서 발생하는 빛의 변화에 대응하여 적절하게 설정하면, 지금까지 안정되게 검출할 수 없었던 특징점 검출이 정밀도 좋게 가능해진다. 본 발명에서는, 이 원리에 착안하여, 조사 입체각의 형상이나 크기 및 기울기를 정밀도 좋게 제어하는 것이 가능한 검사용 조명장치를 고안하기에 이르렀다.

상기 하프 미러(4)는, 대략 정사각 형상 틀에 의해 지지된 원형 모양의 매우 얇은 것이 있다. 이러한 하프 미러(4)를 이용함으로써, 하프 미러(4)의 반사 또는 투과가 일어나는 표면과 이면의 괴리 부분을 매우 얇게 형성할 수 있으며, 상기 검사대상(W)으로부터의 반사광이 하프 미러(4)를 투과할 때에, 생기는 미세한 굴절이나 내면 반사 등에 의한 그림자를 최소한으로 할 수 있다.

상기 제1 차광 마스크 및 상기 제2 차광 마스크는, 일반적인 광학 재료인 여러 장의 날개를 사용한 조리개여도 되고, 또는 임의의 개구부를 갖는 매우 얇은 차광판과 조리개를 조합해도 되며, 또한 전자적으로 그 개구부 설정이 가능한 액정 등의 부재를 이용해도 된다.

또한, 상기 제1 차광 마스크의 개구부의 다른 실시형태로서, 예를 들면, 그 개구부가 원형이 아니라, 타원 혹은 가늘고 긴 슬릿형으로 함으로써, 상기 검사대상의 특징점을 검출함에 있어서, 그 검출 감도에 이방성을 갖게 할 수 있다. 즉, 이때, 상기 검사대상의 각 점에 대한 조사 입체각은 상기 제1 차광 마스크의 슬릿과 동일한 긴쪽 방향으로 넓어지고, 짧은쪽 방향으로는 매우 얇은 조사 입체각이 되며, 이 경우는 긴쪽 방향의 상기 검찰 대상의 기울기의 검지 감도는 낮고, 짧은쪽 방향의 검지 감도만을 높게 설정할 수 있다. 다만, 이 경우는 상기 촬상장치가 상기 검사대상의 각 점에 형성하는 관찰 입체각의 형상이나 크기 및 기울기를, 조사 입체각의 짧은쪽 방향에 맞추어, 상대적으로 거의 동등해지도록 설정할 필요가 있다. 혹은, 상기 촬상장치가 상기 검사대상의 각 점에 형성하는 관찰 입체각의 크기를 충분히 작게 설정하면, 조사 입체각이 넓어지는 만큼, 검출하는 기울기로 한계치를 설정하는 것이 가능해진다.

더욱이, 또한, 상기 제1 차광 마스크의 개구부의 다른 실시형태로서, 예를 들면, 그 개구부가 동심원형의 차광부와 개구부를 구비함으로써, 그 폭을 적당하게 잡으면, 상기 검사대상의 부분적 기울기에 대하여, 혹은 일정한 기울기 각도 범위만을 검출할 수도 있고, 필요한 방향으로 그 폭을 필요한 만큼 설정하면, 그 검출 각도에 이방성을 갖게 할 수도 있다. 혹은, 이러한 검사용 조명을 다단으로 설치하면, 표면의 기울기 정도에 따라서, 이것을 분류 검출할 수 있으며, 더 나아가 상기 제1 차광 마스크를 전자적으로 그 개구부의 설정이 가능한 전기 액정 등의 부재로 하면, 이 개구 패턴을 동적으로 바꿈으로써, 여러 종류의 명암 정보를 얻을 수 있어, 더욱 상세한 분류 검출을 실시할 수 있다.

또한, 상기 제2 차광 마스크에, 전자적으로 그 개구부 설정이 가능한 상기 액정 등의 부재로 하면, 이 개구 패턴을 동적으로 바꿈으로써 상기 검사광의 조사 영역을 변경하여, 상기 검사대상에 다른 조사 영역을 필요로 하는 것이 있어도, 각각의 영역에 맞추어 검사광을 조사하여, 여러 종류의 명암 정보를 얻을 수 있다.

더욱이, 또한, 상기 면 광원을, 그 조사면의 발광 파장 분포나 휘도 분포, 편광 상태 분포를 동적으로 변경할 수 있는 칼라 액정 등과 백색 광원을 조합하여 구성함으로써, 한층 더 여러 종류의 검사대상에 대응하는 것이 가능해진다.

그 밖에, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한 각종 변형이나 실시형태의 편성을 해도 상관없다.

200： 검사 시스템
100：검사용 조명장치
1： 면 광원
11：광 사출면
2：렌즈
4：하프 미러
C：촬상장치
L1：조사 광로
L2：반사·투과 광로
M1： 제1 차광 마스크
M2： 제2 차광 마스크
W： 검사대상
P1： 렌즈(2)의 물체 측 초점
P2： 렌즈(2)로부터 P1과 동일한 거리의 점
P3： 렌즈(2)로부터 P1과 동일한 거리의 점
P4： 렌즈(2)의 물체 측 초점 이원의 임의의 점
P5： 렌즈(2)의 물체 측 초점 이원의 임의의 점
IS： 조사 입체각
OS： 관찰 입체각
RS1： 반사광의 입체각
RS2： 반사광의 입체각

Claims (5)

1. 검사대상에 검사광을 조사하는 검사용 조명장치로서, 상기 검사대상에 있어서 반사 또는 투과 또는 산란하는 빛을 촬상하는 촬상장치로 구성되는 검사 시스템에 적용되며, 상기 검사용 조명장치에 있어서, 검사광을 사출하는 면 광원과, 상기 면 광원과 상기 검사대상 사이에 형성되며, 상기 면 광원으로부터 방사된 빛을 상기 검사대상에 조사하는 검사광으로 하여, 상기 검사대상에 대한 조사 입체각을 형성하기 위한 렌즈와, 상기 면 광원과 상기 렌즈 사이에, 상기 렌즈의 초점 위치를 중심으로 하여 그 전후에 형성되며, 상기 검사대상의 각 점에 조사되는 검사광의 조사 입체각을 차광 형성하는 제1 차광 마스크를 구비하고 있으며, 적어도 상기 면 광원이 상기 렌즈에 의해 상기 검사 대상에 결상되는 위치의 근방 이외의 위치를 포함하도록 배치되는 경우, 상기 렌즈에서 상기 검사대상까지의 거리에 의하지 않고, 상기 촬상장치에서 상기 검사대상으로부터의 빛을 촬상할 때 형성되는 상기 검사대상의 각 점에 대한 관찰 입체각에 대하여, 각 점의 명암에 원하는 변화를 얻을 수 있도록, 조사 입체각의 형상 또는 크기나 기울기가 설정 가능한 것을 특징으로 하는 검사용 조명장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 차광 마스크와 상기 면 광원 사이에, 상기 렌즈에 의해 상기 검사대상에 대하여 결상되는 근방의 위치에 제2 차광 마스크를 더 구비하고, 상기 제2 차광 마스크에 의해 상기 검사대상에 대한 검사광의 조사 영역 또는 조사 형상이나 조사 패턴을 임의로 생성 가능한 것을 특징으로 하는 검사용 조명장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 검사용 조명장치에 있어서, 상기 렌즈와 상기 검사대상 사이에, 상기 검사광의 조사 방향을 바꾸고, 또한 상기 검사대상으로부터의 빛을 투과하여 상기 촬상장치로 촬상할 수 있도록 하기 위한 하프 미러를 구비하고, 상기 검사광의 상기 검사대상의 각 점에 대한 조사 입체각과 상기 촬상장치의 상기 검사대상의 각 점에 대한 관찰 입체각의 광축을 일치시킨 것을 특징으로 하는 검사용 조명장치.
4. 제1항 또는 제2항에 기재된 검사용 조명장치를 사용하여, 상기 검사대상에 있어서 반사 또는 투과 또는 산란하는 빛을 촬상하는 촬상장치로 구성되는 검사 시스템으로, 상기 검사용 조명장치에서 상기 검사대상에 조사되는 검사광에 있어서, 상기 촬상장치의 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 관찰 입체각의 형상 또는 크기나 기울기에 근거하여, 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각의 형상 또는 크기나 기울기가 설정, 혹은 상대적으로 상기 조사 입체각과 상기 관찰 입체각의 형상 또는 크기나 기울기가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
5. 제3항에 기재된 검사용 조명장치를 사용하여, 상기 검사대상에 있어서 반사 또는 투과 또는 산란하는 빛을 촬상하는 촬상장치로 구성되는 검사 시스템으로, 상기 검사용 조명장치에서 상기 검사대상에 조사되는 검사광에 있어서, 상기 촬상장치의 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 관찰 입체각의 형상 또는 크기나 기울기에 근거하여, 상기 검사대상의 각 점에 있어서의 조사 입체각의 형상 또는 크기나 기울기가 설정, 혹은 상대적으로 상기 조사 입체각과 상기 관찰 입체각의 형상 또는 크기나 기울기가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.

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