CN103959046A - 检查用照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供使用了柯勒照明系统的更廉价的检查用照明装置。检查用照明装置（10）具备：光源部（20）、将从光源部（20）发出的光转换成平行光的准直透镜（30）、用于将通过准直透镜（30）后的光朝向被检物体W聚光的菲涅尔聚光透镜（40）、以及配置在准直透镜（30）与菲涅尔聚光透镜（40）之间的西格玛光阑（50）。在西格玛光阑（50）与菲涅尔聚光透镜（40）之间设置有变迹滤镜（70）。

Description

检查用照明装置
技术领域
本发明涉及能够用于检查例如液晶面板、有机EL面板的检查用照明装置。
背景技术
电视等所使用的大型液晶面板，通常各显示元件的大小为数100μm，担负元件的接通/断开的晶体管的大小为3～7μm。但是，在个人计算机、智能手机等所使用的显示面板中，使用元件进一步精密的高精细面板。在这样的高精细面板中，例如要求满足如下规格，即各显示元件的大小为数10μm，担负元件的接通/断开的晶体管的大小为1～3μm。
在晶体管的大小为3～7μm的显示面板的检查中，相对于成像透镜的照明系统使用比较廉价的面光源。但是面光源存在被称为眩光的散射光使分辨率变差的问题。因此在现有的面光源中，应对晶体管的大小为1～3μm的高精细的显示面板的检查较困难。因此研究出使用柯勒照明系统作为相对于成像透镜的照明系统。柯勒照明系统能够获得分辨率达到成像透镜的光学设计值，并且能够获得较深的焦深，因此能够应对高精细的显示面板的检查。
但是，柯勒照明系统存在成本高的缺点，因此被廉价的面光源代用的情况较多是实际情况。
专利文献1：日本特开平11-6802号公报
专利文献2：日本特开2010-156558号公报
图8是用于说明以往所使用的面光源的缺点的图。在使用光纤作为面光源的例子中，在将[XY截面]设为长边，将[XZ截面]设为短边的狭缝状的区域中，将大量光纤形成光纤束。从光纤的端面发出的光照射至物体面。在该情况下，如图8所示，仅少量光束入射至成像透镜，虽有助于成像，但从面光源射出的大部分的光束被浪费。另外，从面光源射出的光束碰触到透镜镜筒等，引起使图像元件的对比度变差的眩光，从而导致分辨率降低。这样，面光源虽具有廉价的优点，但充分地应对高精细化的面板的检查较困难。另外，从面光源射出的大部分的光束被浪费，因此存在需要过大的规格的光纤的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题所做出的，目的在于提供一种使用了柯勒照明系统的更加廉价的检查用照明装置。
本发明的检查用照明装置具备：光源部、将从所述光源部发出的光转换成平行光的准直透镜、用于将通过所述准直透镜后的光朝向被检物体聚光的菲涅尔聚光透镜、以及配置在所述准直透镜与所述菲涅尔聚光透镜之间的西格玛光阑，所述检查用照明装置的特征在于，在所述西格玛光阑与所述菲涅尔聚光透镜之间设置有变迹滤镜。
优选为，在将所述西格玛光阑与所述菲涅尔聚光透镜的距离设为1时，所述变迹滤镜配置在距所述菲涅尔聚光透镜为1/3以内的距离。
根据本发明，能够提供一种使用了柯勒照明系统的更加廉价的检查用照明装置。
附图说明
图1是检查用照明装置的俯视图。
图2是检查用照明装置的侧视图。
图3是菲涅尔聚光透镜的放大图。
图4是用于说明变迹滤镜的说明图。
图5是表示照度的均匀化确认实验的结果的曲线图。
图6是用于对检查用照明装置的光瞳（光阑）的共轭关系、成像透镜的分辨率以及焦深进行说明的说明图。
图7是表示分辨率的测量实验的结果的曲线图。
图8是用于说明现有技术的面光源的缺点的说明图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行详细地说明。
图1是本发明的实施方式的检查用照明装置10的俯视图。图2是检查用照明装置10的侧视图。
如图1、图2所示，检查用照明装置10具备：光源部20、将从上述光源部20发出的光转换成平行光的准直透镜30、用于将通过上述准直透镜30后的光朝向被检物体W聚光的菲涅尔聚光透镜40、以及配置在上述准直透镜30与上述菲涅尔聚光透镜40之间的西格玛光阑50。
光源部20由多个LED光源22、板状的杆式棱镜24构成。板状的杆式棱镜24具有线状的入射面24a以及出射面24b。另一方面，多个LED光源22被配置为沿着线状的入射面24a的长度方向排列成一列。因此从多个LED光源22射出的光，在从入射面24a入射至杆式棱镜24的内部后，在杆式棱镜24的内部反复多重反射，而成为均匀的光从线状的出射面24b射出。
另外，多个LED光源22也能够由灯等其他光源代替。另外，若能够使从LED等光源发出的光均匀化，则杆式棱镜24也能够由其他光学元件代替。
准直透镜30是用于将从光源部20射出的光转换成平行光的透镜，能够使用公知的准直透镜。
菲涅尔聚光透镜40是用于将通过准直透镜30后的光朝向被检物体W聚光的透镜。菲涅尔聚光透镜40由一片或两片以上菲涅尔透镜构成。对该菲涅尔聚光透镜40的详细情况见后述。
西格玛光阑50也被称为虹彩光阑，配置在准直透镜30的后侧（被检物体W侧）。西格玛光阑50配置在与后述的成像透镜60内的光阑光学共轭的位置。
被检物体W是成为检查的对象的物体，例如是液晶面板、有机EL面板。在本实施方式中，作为被检物体W例示了透光性的面板，但也可以是对光进行反射的面板。
从光源部20射出的光在由准直透镜30转换成平行光之后，通过后述的变迹滤镜70。通过变迹滤镜70后的光，被菲涅尔聚光透镜40均匀且呈线状照射至被检物体W的表面。由此在被检物体W的表面形成照度均匀且线状的光的照射面。
在被检物体W的后侧（与光源部20相反的一侧）还配置有成像透镜60以及线性CCD80。照射至被检物体W的表面的光借助成像透镜60而在作为拍摄元件的线性CCD80的受光面成像。由此形成于被检物体W的表面的光的照射面的像被转印至线性CCD80的受光面。
在图1、图2所示的检查用照明装置10中，杆式棱镜24的出射面24b与被检物体W的表面成为光学共轭。另外，被检物体W的表面与线性CCD80的受光面成为光学共轭。并且，西格玛光阑50与成像透镜60内的光阑成为光学共轭。
在被检物体W的表面存在缺陷的情况下，则该带缺陷的图像被转印至线性CCD80的受光面。通过对该被转印的图像进行软件处理，能够对被检物体W进行缺陷检查。
在本发明的检查用照明装置10中，使用柯勒照明系统，而不使用以往所使用的面光源（扩散照明）。在柯勒照明中，对西格玛光阑（=虹彩光阑）进行控制，改变成像透镜的照明条件，从而能够提高成像透镜的分辨率，并且能够使成像透镜的焦深加深。因此也能够应对例如晶体管的大小为1～3μm的高精细面板的检查（“光的铅笔第4卷”鹤田匡夫著，新技术通信出版，p.281-290）。
本发明的检查用照明装置10不使用由球面透镜构成的聚光透镜，而使用菲涅尔聚光透镜40来实现柯勒照明系统。
在使用由球面透镜构成的聚光透镜的情况下，导致聚光透镜大型化。另外，需要多片聚光透镜。此外，在以作为拍摄元件使用线性CCD为前提的情况下，聚光透镜只要为矩形即可，但是由球面透镜构成的聚光透镜为圆形，因此聚光透镜的大部分被浪费。
与此相对，在使用菲涅尔聚光透镜40的情况下，透镜的非球面化较容易，如使用球面透镜的情况那样，不会使透镜的大部分浪费。另外，菲涅尔聚光透镜40即便为一片也能够实现柯勒照明系统，因此能够以低成本实现柯勒照明系统。
图3是菲涅尔聚光透镜40的放大图。如图3所示，菲涅尔聚光透镜40存在如下缺点，即：从光轴越趋向透镜的周缘、锯状的齿越高，用图中的灰色表示的光束不朝向焦点，从而导致通过透镜的周缘的有效光束减少。
在液晶投影仪、高射投影仪或背投式电视中，有时在照明系统中使用菲涅尔透镜。由于人眼的灵敏度与Log成比例，因此说即使图像的周缘部暗数10%也几乎不产生问题。但是，在高精细显示面板的检查装置中，要求使光以均匀的照度照射至面板的周缘部。因此虽然使用菲涅尔透镜的优点很多，但是在检查装置的照明系统中使用菲涅尔透镜实际上较困难这是常识。
因此，在本发明的检查用照明装置10中，将变迹滤镜70配置在西格玛光阑50与菲涅尔聚光透镜40之间。由此解决使用菲涅尔透镜导致的照度不均匀的问题。
图4是用于说明变迹滤镜的图。图4的上段示出将中央部的透过率设为50%的变迹滤镜的例子。图4的下段示出将中央部的透过率设为80%的变迹滤镜的例子。
在本实施方式中，使用矩形形状的变迹滤镜70，该矩形形状的变迹滤镜70在中央部透过率较低，越远离中央部则透过率越逐渐增高。
此外，在本实施方式的检查用照明装置10中，需要以与成像透镜60的规格的变更一致的方式使用规格不同的菲涅尔聚光透镜40。在使用规格不同的菲涅尔聚光透镜40的情况下，菲涅尔聚光透镜40的透过率曲线的特性也改变。因此需要使变迹滤镜70的规格以与菲涅尔聚光透镜40的透过率曲线的特性一致的方式变更。
优选为，在将西格玛光阑50与菲涅尔聚光透镜40之间的距离设为1时，变迹滤镜70配置在距菲涅尔聚光透镜40为1/3以内的距离。
更具体而言，优选为，在将西格玛光阑50与菲涅尔聚光透镜40的表面（光源部20侧的表面）的光轴方向的距离设为1时，变迹滤镜70配置在距菲涅尔聚光透镜40的表面为1/3以内的距离。
在将变迹滤镜70配置在比上述范围更靠近西格玛光阑50的位置的情况下，由于在光轴附近前进的光束与朝向照明区域的周缘的光束重合，因此有可能使照明区域整个面的透过率下降。另外有可能使实现照射至被检物体W的光的照度的均匀化变得困难。
另一方面，在将变迹滤镜70配置在菲涅尔聚光透镜40与被检物体W之间的情况下，导致通过变迹滤镜70的光束变细。在该情况下，照射至被检物体W的光受变迹滤镜70的图案不均匀等的影响较大。
本发明的发明人们通过改变变迹滤镜70的位置来反复实验，发现了变迹滤镜70的最佳的配置。即，优选为，在将西格玛光阑50与菲涅尔聚光透镜40之间的距离设为1时，变迹滤镜70配置在距菲涅尔聚光透镜40为1/3以内的距离。更优选为，变迹滤镜70配置在距菲涅尔聚光透镜40为1/4以内的距离。
另外，在菲涅尔聚光透镜40由两片菲涅尔透镜构成的情况下，也可以将变迹滤镜70配置在两片菲涅尔透镜之间。
[照度的均匀化确认实验]
通过本发明的检查用照明装置10，进行了用于确认能够实现照射至被检物体W的光的照度的均匀化的实验。其中，以确认照度的均匀化为实验的目的，因此作为被检物体W，使用了没有图案的毛坯玻璃。在该实验中，作为成像透镜60使用了一倍的透镜。另外，作为线性CCD80，使用了12，000像素×5μm=60mm的线性CCD。变迹滤镜70使用了中央部的透过率为50%的装置。变迹滤镜70配置在西格玛光阑50与菲涅尔聚光透镜40的中间的位置（距菲涅尔聚光透镜40为1/2的距离）。
图5是表示实验结果的曲线图。在图5的曲线图中，将线性CCD的照度输出设为Y轴，以像素数为单位将线性CCD的坐标设为X轴。图5的上段示出配置变迹滤镜70前的实验数据。图5的下段示出配置变迹滤镜70后的实验数据。
如图5的上段所示，在未配置变迹滤镜70的情况下，照度的最大值约为180（Max），照度的最小值约为105（Min），利用（Max-Min）/（Max+Min）计算的照度不均匀约为26%。
如图5的下段所示，在配置有变迹滤镜70的情况下，照度的最大值约为112（Max），照度的最小值约为105（Min），利用（Max-Min）/（Max+Min）计算的照度不均匀约为3.2%。
根据上述实验结果，能够确认通过将变迹滤镜70配置在西格玛光阑50与菲涅尔聚光透镜40之间，由此能够实现照射至被检物体W的光的照度的均匀化。
[分辨率与焦深的测量实验]
通过使用本发明的检查用照明装置10，对成像透镜60的分辨率与焦深进行了测量。
在对测量进行说明前，首先，对本实施方式的检查用照明装置10中的光瞳（光阑）的共轭关系、成像透镜60的分辨率以及焦深进行说明。
如图6所示，西格玛光阑50与成像透镜60成为共轭。因此若缩小西格玛光阑50，则照明光的光束透过成像透镜60的光阑的更靠中央侧的部分。图6中例示出表示将西格玛光阑50的直径缩小至50%的例子，将这样的状态称为σ=0.5。
在σ=0.5的情况下，在处于共轭关系的成像透镜60中相对于光阑开口也仅直接入射50%的光束。但是，当在被检物体W形成有精密的图案的情况下，通过该精密的图案产生衍射光。而且，该衍射光通过成像透镜60内的光阑的开口部（=外侧较薄的灰色的部分），因此该衍射光有助于改善分辨率。此外，图6中用实线表示零级光，用虚线表示形成于被检物体W的由微小图案产生的衍射光。
对于焦深而言，由于较强的零级光的光束的NA缩小，所以根据波长/（NA×NA）求得的焦深加深。
图7表示成像透镜60的分辨率的测量数据。图7的右侧的列的曲线图示出了使用现有的面光源（扩散照明）向被检物体W照射了光时的分辨率的测量结果。图7的左侧的列的曲线图示出了使用本实施方式的检查用照明装置10（柯勒照明系统）向被检物体W照射了光时的分辨率的测量结果。另外，在图7中沿上下方向并排有五个曲线图，上述曲线图从上按顺序示出-100μm、-50μm、最佳焦点、+50μm、+100μm的各焦点位置处的测量数据。分辨率由MTF（Modulation TransferFunction调制传递函数）测量。
在测量中，作为成像透镜60使用了2.4倍的成像透镜。作为被检物体W使用了形成有白黑各7微米的微小图案的25mm长的中间掩膜。作为线性CCD80使用了12，000像素×5μm=60mm的线性CCD。此外，CCD的1元件相当于被检物体W的2.08μm。西格玛光阑50的光阑的大小为σ=0.7。
（分辨率的测量结果）
如观察图7明确的那样，能够确认最佳焦点位置处的扩散照明的MTF为38%，相对于此，本实施方式的检查用光照明装置10（柯勒照明系统）的MTF为73%，分辨率被改善大约两倍。
（焦深的评价）
在图像数据的处理中，认为能够软件处理MTF30%以上为目标。因此，以MTF30%以上为基准，进行了焦深的评价。
如观察图7的左列的曲线图明确的那样，在使用了本实施方式的检查用照明装置10（柯勒照明系统）的情况下，测量出在最佳焦点位置为73%，在-50μm的位置为61%，在+50μm的位置为56%的MTF值。根据其结果，能够确认确保±75μm左右的焦深。若确保该程度的焦深，则即便在对具有数10微米的波度的玻璃面板进行检查的情况下，也认为能够对图像数据进行软件处理。
如观察图7的右列的曲线图明确的那样，在使用了现有的扩散照明的情况下，测量出在最佳焦点位置为38%，在-50μm的位置为21%，在+50μm的位置为19%的MTF值。根据其结果，能够确认无法确保±50μm的焦深。
根据使用柯勒照明系统的各种测量数据，确认西格玛光阑在σ为0.5至0.7左右MTF值增高，焦深也加深。
使用本发明的检查用光照明装置，通过选择适当的西格玛光阑，能够廉价地进行对高精细面板的检查。
附图标记说明：10…检查用光照明装置；20…光源部；22…光源；24…杆式棱镜；30…准直透镜；40…菲涅尔聚光透镜；50…西格玛光阑；60…成像透镜；70...变迹滤镜；80…线性CCD；W…被检物体。

Claims (2)

1.一种检查用照明装置，其具备：
光源部、将从所述光源部发出的光转换成平行光的准直透镜、用于将通过所述准直透镜后的光朝向被检物体聚光的菲涅尔聚光透镜、以及配置在所述准直透镜与所述菲涅尔聚光透镜之间的西格玛光阑，所述检查用照明装置的特征在于，
在所述西格玛光阑与所述菲涅尔聚光透镜之间设置有变迹滤镜。
2.根据权利要求1所述的检查用照明装置，其特征在于，
在将所述西格玛光阑与所述菲涅尔聚光透镜的距离设为1时，所述变迹滤镜配置在距所述菲涅尔聚光透镜为1/3以内的距离。
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