CN100367055C - 表面检查装置的激光光源装置及其表面检查装置 - Google Patents

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Abstract

激光光源装置2由光源单元11构成，光源单元11包括将从一个半导体激光器12射出的激光聚光的一个聚光透镜14、将从其它半导体激光器13射出的激光聚光的其它聚光透镜15、及使由一个聚光透镜聚光的激光和由其它的聚光透镜聚光的激光聚焦射入一个导光手段16的射入端面16a的聚焦透镜17。

Description

表面检查装置的激光光源装置及其表面检查装置
技术领域
本发明涉及使用短波长并且输出功率低的激光二极管能提高到所希望的功率的激光光源装置、及使用该激光光源装置的表面检查装置。
背景技术
表面检查装置中，以前已经知道一种表面检查装置，是使用激光作为光源装置的光源(参照特开2001-235429号公报)。
又知道一种表面检查装置，是利用多个激光作为光源，为了消除照明亮暗不均匀，而使光点部分重叠(参照特开平7-243988号报)。
还知道一种表面检查装置，是让光源的光射入光纤(导光手段)的射入端面，再从另一端面射出，照射被检查面(参照特开平4-259850号公报)。
然而，近些年来，从降低功耗、减小体积、便于维修等角度出发，正采用半导体激光器(激光二极管)LD作为激光光源装置的光源。另外，从提高表面检查装置的分辨率的角度出发，希望使用短波长的半导体激光器LD。
例如，以往的表面检查装置以波长515nm、输出功率75mW能检测直径55nm的异物(粒子)。
若假设除光源以外的光学系统不变的条件下，要检查比上述直径更小的异物(例如直径30nm的异物)。
一般，散射光的强度与粒子大小的6次方成正比并与波长的4次方成反比，而且与入射功率成正比。
因而，如考虑能够射入的激光波长和输出功率间的关系，则波长488nm需要输出功率2296mW(毫瓦)，波长405nm需要输出功率1089mW(毫瓦)，波长355nm需要输出功率643mW(毫瓦)，波长325nm需要输出功率452mW(毫瓦)，波长266nm需要输出功率203mW(毫瓦)，波长257nm需要输出功率177mW(毫瓦)。
这样，若激光波长较短，则所要求的输出功率也变小。
但如使用波长极短的激光，必须大大改变表面检查装置的光源装置使用的光学材料。若不改变这些光学材料，并抑制功耗，虽可以用波长405nm的半导体激光器，但该半导体激光器的输出功率仅30mW。
本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种光源装置及使用该光源装置的表面检查装置，这种光源装置即使使用短波长并输出功率低的半导体激光器，也能获得所希望的大功率。
发明内容
本发明涉及的激光光源装置由光源单元构成，该光源单元包括将从一个半导体激光器射出的激光聚光的一个聚光光学系统、将从其它的半导体激光器射出的激光聚光的其它聚光光学系统、及将由一个聚光光学系统聚光的激光和由其它的聚光光学系统聚光的激光聚焦射入一个导光手段的射入端面的聚焦光学系统。
该激光光源装置最好包括聚焦单元，该聚焦单元包括将从多个光源单元中的一个光源单元的导光手段射出端面射出的激光聚光的一个聚光光学系统、将从其它的导光手段的射出端面射出的激光聚光的其它聚光光学系统、及将由一个聚光光学系统聚光的激光和由其它聚光光学系统聚光的激光聚焦射入一个导光手段的射入端面的聚焦光学系统。
更加好的是该聚焦单元设置多个，包括将从该多个聚焦单元的各导光手段的各射出端面射出的激光分别聚光的聚光光学系统、及将由该各聚光光学系统聚光的激光聚焦并聚焦射入一个导光手段的射入端面的聚焦光学系统。
另外，最好聚光光学系统是准直透镜系统。
更好的是所述一个聚光光学系统和所述其它聚光光学系统以所述聚焦光学系统的光轴为中心，设置在近似对称的位置。
最好所述导光手段是光纤，该光纤的入射端面设在所述聚焦光学系统的焦点位置。
最好光源单元和聚焦单元光学上反向级联。
光源单元内配置的半导体激光器产生的激光波长可以分别各异。另外，也可以采用对配置在光源单元内的半导体激光器分别进行控制的结构。
本发明的表面检查装置使用这些本发明的激光光源装置。
附图说明
图1为表示使用本发明的光源装置的表面检查装置光学系统概要构成图。
图2为表示本发明的光源装置的反向级联的光学连接状态图。
图3为图2所示的光源单元的放大图。
图4为图2所示的最末级的聚焦单元的放大图。
图5为表示本发明的光源装置的光源单元具体构成例的说明图，是从箭头X方向看图6的光源单元的视图。
图6为表示本发明的光源装置的光源单元具体构成例的说明图，是从箭头Y方向看图5的光源单元的视图。
图7为表示将包含4个半导体激光器的光源单元4个作为一组，分别与4个一组的各聚焦单元光学连接状态的示意图。
图8为表示将包含2个半导体激光器的光源单元4个作为一组，与一个聚焦单元光学连接状态的平面图。
具体实施方式
图1为采用本发明的激光光源装置的表面检查装置光学系统概要构成图。在图1中，1为表面检查装置，该表面检查装置1具有激光光源装置2、将该激光光源装置2射出的激光照射在作为被检查对象的半导体晶片3上的照射光学系统4、从第1散射方向接受来自半导体晶片3的表面检查点P的利用照射光学系统4所照射的激光的散射光的第1受光系统5、从与第1散射方向不同的第2散射方向受光的第2受光系统6、及使半导体晶片3相对于从照射光学系统4射出的激光进行相对直线位移及旋转位移的位移装置7。
照射光学系统有第1反射镜8、第1照射透镜组9、第2反射镜10，通过这些光学系统以规定的照射角度θ照射检查点P。
在检查点P上存在异物时，激光依照规定的方向性而散射。第1受光系统5从第1散射方向接受来自检查点P的散射光。第2受光系统6从第2散射方向接受来自检查点P的散射光。来自第1、第2受光系统5、6的受光输出，输入图中省略的中央运算处理系统，以测量异物的大小、形状、位置等。
如图2所示，激光光源装置2有多个光源单元11。各光源单元11放大后如图3所示，由以下部分构成，包括将从一个半导体激光器12射出的激光P1聚光的一个聚光透镜14、将从其它的半导体激光器13射出的激光P2聚光的其它聚光透镜15、及将由一个聚光透镜14聚光的激光P1和由其它的聚光透镜15聚光的激光P2聚焦射入作为一个导光手段的光纤16的射入端面16a的聚焦透镜(聚光透镜)17。这些半导体激光器12、13、聚光透镜13、14、聚焦透镜17装在壳体11A的内部。
该半导体激光器12、13使用射出短波长激光、例如紫色激光(波长405nm)的器件，它们的波长和输出功率大致相同。
本发明的实施形态中，聚光透镜14、15起到将半导体激光器12、13射出的激光P1、P2准直的作用，半导体激光器12、13的发光点设置在该聚光透镜14、15的焦点位置f1上。
半导体激光器12及聚光透镜14、和半导体激光器13及聚光透镜15设置在以聚焦透镜17的光轴O1为中心近似为点对称的位置。图中，将光轴O1夹在当中，设置在对称位置。光纤16的射入端面16a设在聚焦透镜17的焦点位置f2。
各光源单元11的各条光纤16引导至聚焦单元19。在聚焦单元19的壳体19A内设置有：将从一条光纤16的射出端面16b射出的激光P3聚光的一个聚光透镜20、将从其它的光纤16的射出端面16b射出的激光P4聚光的聚光透镜21、及使由一个聚光透镜20聚光的激光P3和由其它聚光透镜21聚光的激光P4聚焦射入一条光纤22的射入端面22a的聚焦透镜23。
一个聚光透镜20和其它聚光透镜21设置在以聚焦透镜23的光轴O2为中心的近似为点对称位置。这些聚焦单元19设置多个。各聚焦单元19的各条光纤22引导至聚焦单元19’。该聚焦单元19’由将多个聚焦单元19的光纤22的各射出端面22b射出的激光分别聚光的聚光透镜24、及使由各聚光透镜24聚光的激光P5聚焦并聚焦射入1条光纤25的射入端面25a的聚焦透镜26构成。该聚光透镜24及聚焦透镜26设在聚焦单元19’的壳体19’A的内部。射入该光纤25的激光如图4所示，从光纤25的射出端面25b射出。从该射出端面25b射出的激光作为检查光，引导至照射光学系统4。
在该照射光学系统4中，因从光纤25射出的激光为呈椭圆偏振光，所以可设置变换成直线偏振光的光学元件。即在光纤25的射出端面25b的前方设置准直透镜(图中未示出)。该准直透镜利用准直透镜将从射出端面25b射出的激光变换成平行光束。在该准直透镜的前方设置偏振光分束镜(图中未示出)。利用该偏振光分束镜(图中未示出)将该平行光束分解成P偏振光分量和S偏振光分量。而且，在一偏振光分量的平行光束的途中设置1/2波片(图中未示出)。利用该1/2波片使该偏振光分量的偏振方向旋转90度。采用这样的构成，能够利用聚光透镜将该偏振方向旋转90度的平行光束和另一偏振光分量的平行光束合成，作为直线偏振光聚焦照射在半导体晶片3上。
这样，激光光源装置2的光源单元11、聚焦单元19、19’在光学上反向级联，就能提高激光的功率。
[具体实施例]
本实施例中，如图5所示，一个光源单元11中采用4个半导体激光器12a、12b、13a、13b。各半导体激光器12a、12b、13a、13b将光轴O1夹在当中，设置在对称位置。各光源单元11如图7所示，分别与4个聚焦单元19光学连接。该各半导体激光器12a、12b、13a、13b的输出功率约30mW(毫瓦)。但是，半导体晶片3表面检查所需的输出功率如检测粒子直径30nm的异物，则约为1W。
该半导体激光器12a、12b、13a、13b的孔径角NA1(参照图6)为0.45，聚光透镜14a、14b、15a、15b的焦距f1为6.5mm，各聚焦透镜14a、14b、15a、15b射出的激光光束直径S为5.85mm，主光线间隔H为9.1mm，聚焦透镜17的光束直径Φ为14.95mm，聚焦透镜17的焦距f2为41.5mm，聚焦透镜17的倍率为6.39，各光束的聚光角θ1为0.07，主光线的孔径角NA2为0.11，聚焦透镜17的全聚光孔径角NA3为0.18，光纤16的射入端面16上的聚光光束直径Φ’为10.98μ。
各光纤16使用芯径50μm、包层直径140μm的GI型光纤(缓变折射率型光纤)。该光纤16的数值孔径NA4约为0.2。该数值孔径NA4只要比全聚光孔径角NA3大即可。
这种型式的光纤16对于紫色波长的光的透射率约为80％，所以从一个光源单元11的光纤16的射出端面16b射出的激光的输出功率约96(30×4×0.8)mW。
用4个该光源单元11，使该光源单元11的光纤16射出的激光汇集在1个聚焦单元19的光纤22的射入端面22a上射入。
采用这样的构成，则从该1个聚焦单元19的光纤22的射出端面22b射出的激光的输出功率约307mW。因此，若用4个这种聚焦单元19，射入聚焦单元19’的1条光纤25的射入端面25a，再利用该光纤25将激光引导至照射光学系统14，则光纤25的射出端面25b射出的激光的输出功率变成982mW，可得到约1W的输出功率。
该具体的实施例中，设光源单元11中放入的半导体激光器的个数为4个，但放入光源单元11的半导体激光器的个数并不限于4个，2个或3个都可以，可以根据表面检查装置1的空间余量选定适当的个数。另外，与聚焦单元19光学连接的光源单元11的个数也不限于4个。
例如，也可以采用如图8所示的结构，对于有2个半导体激光器12、13的4个光源单元11，使它与1个聚焦单元19对应。还有，在图8中，符号23’为准直透镜。
本发明的实施形态中，说明的是将各光源单元11作为都有相同波长的情况，但也可以构成为使从一个光源单元射出的激光的波长和从其它的光源单元射出的激光的波长不同的情况。
采用这样的构成，能利用不同波长进行异物的检查。
在利用多个光源单元与聚焦单元光学连接的情形下，配置在各光源单元11内的半导体激光器12a、12b和半导体激光器13a、13b其激光波长可分别各异。
如采用将这些半导体激光器12a、12b、13a、13b利用已知的独立的驱动控制电路(图示未示出)进行驱动控制这样的结构，则通过只驱动该光源单元11内的半导体激光器12a、12b或13a、13b，就能作为产生不同短波长的激光的光源使用。
另外，若同时驱动这些半导体激光器12a、12b、13a、13b，则能将不同波长的激光混合，作为产生这种混合的激光的光源使用。还可以利用能多通道控制的驱动电路统一控制各半导体激光器12a、12b、13a、13b。这些驱动控制电路在考虑到该激光光源装置的大小、根据测定对象决定的激光光束的波长后进行选择。
根据该光源单元11，在进行波长切换及波长混合时，不必追加专用的光学系统，也不必进行机械切换。
因此，能提供可靠性高的产生多种波长用的光源单元11。对该光源单元11的控制由于能应用公知的驱动控制电路，所以对其控制也容易。
在满足半导体激光器(激光二极管)12a、12b、13a、13b各输出要求的激光强度的场合，仅用一个光源单元11就能构成能进行波长切换、混合的光源。
另外，本发明的实施形态中，以使用GI型的光纤为例进行说明，但也可用多模光纤即SI型光纤，也可用单模型光纤。在使用这种单模型光纤的场合，半导体激光器和该光纤要一一对应。另外，本实施例中，是设光纤芯径为50μm进行说明的，但也可用62.5μm、100μm的，光纤的芯径、模式并不限于此。
还有，本发明的实施形态中，是利用聚光透镜、聚焦透镜进行说明的，但透镜的构成不限于1片，例如也可以为3片的结构，按照这一含意，在权利要求范围内，使用聚光光学系统、聚焦光学系统的术语。
根据本发明的激光光源装置，能得到一种利用波长短、功率小的半导体激光器可增大其输出功率的激光光源装置。
尤其是利用光源单元的个数能调整所要求的功率。又在光源单元故障时，由于通过只调换该光源单元就能修复，所以修理方便、维护容易。
再有，根据本发明，和将光纤捆扎成束的情形不同，不仅单单使输出功率增大，而且能得到一根同轴的激光光束，因此，所得到的激光光束能任意成形。
根据本发明的激光光源装置，还能利用简单的构成，产生多种波长的光。

Claims (9)

1.一种包含光源单元(11)和第1聚焦单元(19)的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
所述光源单元包括：将从一个半导体激光器(12)射出的激光聚光的一个聚光光学系统(14)、将从其它半导体激光器(13)射出的激光聚光的其它聚光光学系统(15)、及将由一个聚光光学系统聚光的激光和由其它聚光光学系统聚光的激光聚焦射入一个导光手段(16)的射入端面(16a)的第1聚焦光学系统(17)；所述光源单元和导光手段有多个；
所述第1聚焦单元包括：将从多个光源单元中的一个光源单元的导光手段的射出端面(16b)射出的激光聚光的一个聚光光学系统(20)、将从其它光源单元的导光手段的射出端面射出的激光聚光的其它聚光光学系统(21)、及将由一个聚光光学系统聚光的激光和由其它聚光光学系统聚光的激光聚焦射入一个导光手段(22)的射入端面的第2聚焦光学系统(23)；
该表面检查装置的激光光源装置还包括：
与所述第1聚焦单元(19)连接的第2聚焦单元(19’)，该第2聚焦单元(19’)包含聚光透镜(24)和聚焦透镜(26)；
其中，所述聚光透镜(24)对从所述第1聚焦单元(19)射出的激光束进行聚光，而所述聚焦透镜(26)构成为把所述聚光透镜(24)聚光的激光束(P5)聚焦至一条光纤(25)的射入面(25a)。
2.如权利要求1所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
所述聚焦单元设置多个，包括将从该多个聚焦单元的各导光手段的各射出端面射出的激光分别聚光的聚光光学系统、及将由该各聚光光学系统聚光的激光聚焦并聚焦射入一个导光手段的射入端面的聚焦光学系统。
3.如权利要求1所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
所述聚光光学系统为准直透镜系统。
4.如权利要求1所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
所述一个聚光光学系统和其它聚光光学系统以所述第1聚焦光学系统的光轴为中心，设置在近似呈对称位置上。
5.如权利要求1所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
所述导光手段为光纤，该光纤的射入端面设在所述第1聚焦光学系统的焦点位置。
6.如权利要求2所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
所述光源单元和所述聚焦单元光学上反向级联。
7.如权利要求1所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
配置在所述光源单元内的半导体激光器产生的激光的波长各不相同。
8.如权利要求1所述的表面检查装置的激光光源装置，其特征在于，
配置在所述光源单元内的半导体激光器能分别控制。
9.一种表面检查装置，其特征在于，
这种表面检查装置采用权利要求1至8中任何一项所述的表面检查装置的激光光源装置。
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