JP2004354283A - 表面検査用画像装置の照明ユニットとその制御方法。 - Google Patents
表面検査用画像装置の照明ユニットとその制御方法。 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】表面検査される対象物表面の傾きに応じて、照明光束の検査対象物表面への入光方向を制御し、安定した反射光を画像カメラに入光させることができる照明ユニットと、その制御方法を提供する
【解決手段】少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つことを特徴とする表面検査用画像装置において、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構造とした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【選択図】 図１
【解決手段】少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つことを特徴とする表面検査用画像装置において、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構造とした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面検査用画像装置の照明ユニットとその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品等の製造工程において、製造物のキズや汚れ、シミなどを検知するために表面検査用画像装置で検査する工程がある。表面検査される対象物表面を撮影する画像カメラと、その対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を画像カメラと対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
前記の検査方法において、画像カメラと対象物表面を結ぶ光路の中間にハーフミラーを配置し、ハーフミラーで折り返された光束が光路に一致するように配置すると、画像カメラで見ることのできる範囲には照明の光束が照射されることになる。照明の範囲を画像カメラで捉える視野に一致させ易く、また、照明強度や入射方向の管理が容易であるというメリットがある。
【０００４】
対象物表面を検査する場合、対象物表面にほぼ垂直に照明光束を入射させ、その反射光束を画像カメラで撮影するやり方が一般的である。表面状態が正常な部分からの反射光束の強度と、異物、シミ、欠陥などの不良部分の反射光束の強度を比較して合否の判定をする。通常、表面状態が正常な部分の反射光束の強度は強くなり、欠陥部分の反射光束の強度は弱くなる。
【０００５】
照明光束を検査対象物の表面にたてた法線にほぼ平行に設定し、かつ画像カメラも表面にたてた法線にほぼ垂直に配置した時、画像カメラが撮像できる反射光束の強度は最大となる。表面がその位置からいかなる方向であっても傾くにつれて、反射光束の画像カメラへ到達する強度は減少する。対象物表面が紙のような乱反射する状態であればその減少の度合いは小さいが、鏡面状態に近い金属薄膜やガラス、シリコンウェハなどの場合、わずかな傾きでも反射光束が画像カメラへ到達する強度の減少は甚だしい。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２５８２３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
鏡面状態をもつ表面の検査では、照明の入射角度のわずかな変動がそのまま反射光の方向に反映するため、対象物表面の位置決めに安定性が求められる。傾きによる反射光束の強度低下が著しい場合、いわゆるＳ／Ｎ比が著しく低下し、検出したい欠陥部分からの光束強度との差を検出できなくなる可能性が高い。
【０００８】
この検査を成功させるためには、検査対象面を、照明光束に対して一定の精度で位置決めしておくことが必要であり、従来の技術では検査対象面を照明光束に対して機械的に位置決めする方法が一般的であった。しかし、通常それらの検査対象面は、機械的な接触に弱く、また材料も取り扱いに注意が必要であることが多い。そのため、できれば直接接触することは避けたいところである。また、直接接触することで二次的な汚染や損傷の原因となってしまうことも考えられる。
【０００９】
従って、本発明は、表面検査される対象物表面の傾きに応じて、照明光束の検査対象物表面への入光方向を制御し、安定した反射光を画像カメラに入光させることができる表面検査用画像装置の照明ユニットと、その制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置において、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構成とした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１１】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットにおいて、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能とし、前記揺動可能ハーフミラーと画像カメラ間に固定ハーフミラーを配置し、該固定ハーフミラーで分割された対象物表面からの反射光線を検知する少なくとも３個の光素子を備え、該各光素子に入光する前記反射光線の量を信号演算処理する装置を備えた表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１２】
前述の表面検査用画像装置の照明ユニットおいて、表面検査用画像装置の架台に対して固定される基部１と、該基部１と梁Ｘによって捩り運動を支持される枠Ｘと、該枠Ｘを基部２として、捩り方向が梁Ｘと直交する梁Ｙによって前記基部２に捩り運動を支持される枠Ｙを備え、該枠Ｙにハーフミラーが装着され、前記枠Ｘを前記梁Ｘまわりに揺動させるアクチュエータＸと、前記枠Ｙを前記梁Ｙまわりに揺動させるアクチュエータＹを備えているもののうち、枠Ｘに装着され梁Ｘとほぼ平行に流れる電流路Ｘと磁力線が前記電流路Ｘに直交するよう配置された磁力線発生部Ｘの組を前記アクチュエータＸとし、かつ、枠Ｙに装着され梁Ｙとほぼ平行に流れる電流路Ｙと磁力線が前記電流路Ｙに直交するよう配置された磁力線発生部Ｙの組を前記アクチュエータＹとした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１３】
前述の照明ユニットにおいて、枠Ｙに梁Ｘとほぼ平行に流れる電流路Ｘと梁Ｙとほぼ平行に流れる電流路Ｙを装着し、磁力線が前記電流路Ｘと該電流路Ｘに直交するよう配置された磁力線発生部Ｘとで前記アクチュエータＸとし、前記電流路Ｙと該電流路Ｙに直交するよう配置された磁力線発生部Ｙとで前記アクチュエータＹとした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１４】
前述の照明ユニットにおいて、枠Ｘに装着された電極Ｘと、該電極Ｘに相対するよう基部１に配置された基部電極１の組み合わせを前記アクチュエータＸとし、かつ、枠Ｙに装着された電極Ｙと、該電極Ｙに相対するよう前記枠Ｘに配置された基部電極２の組み合わせを前記アクチュエータＹとした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１５】
前述の照明ユニットにおいて、基部１と梁Ｘ、枠Ｘと梁Ｙ、ハーフミラーを装着する枠Ｙ、の全てが高弾性材料により一体的形状に形成されている表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１６】
前記の高弾性材料がシリコン単結晶である表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１７】
前記の高弾性材料が可視波長を透過帯域にもつガラス材料である表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１８】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットであって、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構造とし、画像カメラで撮影した対象物の表面画像を信号演算処理することによって、ハーフミラーをその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定する表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００１９】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットであって、ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能とし、前記揺動可能ハーフミラーと画像カメラ間に固定ハーフミラーを配置し、該固定ハーフミラーで分割された対象物表面からの反射光線を検知する少なくとも３個の光素子を備えた構成を持ち、該各光素子に入光する前記反射光線の量を信号演算処理することによって、ハーフミラーをその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定する表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００２０】
少なくとも前記３個の光素子を、一つのＣＣＤセンサとした表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００２１】
少なくとも前記３個の光素子を、一つのＣＭＯＳイメージセンサとした表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を説明する。図１は本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示している。図２は本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図で、光束の進路を示している。図３はハーフミラーに入光する投光光束と検査光束がほぼ直角な状態を示す図。図４はハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が平行な状態図。図５はハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が４５度ずれた状態図。図６はハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、図５のハーフミラーが揺動軸のまわりに反時計方向に揺動した状態図である。
【００２３】
図１と図２は本発明による表面検査用画像装置の代表的な実施形態を表す側面図であり、ハーフミラー３を揺動させる軸のうちの一つである揺動軸Ｘ３ａが紙面に垂直になる方向から見ている。分かり易くするために模式的な表現とした。検査に使用する光束は限定された一定の領域を照らし、反射されるものであるが、光束の立体的な進路を平面的に図示するのは難しいため、光束の通る道筋を中心として表現することとした。また、検査の対象となる表面は平滑で平面的な鏡面に近い状態であるとする。
【００２４】
本発明の第一の実施形態である表面検査用画像装置は、少なくとも、検査される対象物表面１ａを照明する投光器４、揺動軸Ｘ３ａと揺動軸Ｙ３ｃのまわりに揺動可能なハーフミラー３、対象物表面１ａからの反射光束を撮影して検査する画像カメラ２からなる。図２は、一部の名称と番号の記載を省略し、図１におけるそれぞれの光束中心をそれぞれの光束として表現したものである。
【００２５】
図１において、対象物表面１ａは、検査光束中心４ｅに対してほぼ垂直な対象物原位置１ｂ（破線描画）にある時に、対象物表面１ａからの反射光はもっとも効率よく画像カメラ２に到達する。その時、ハーフミラー３の位置をハーフミラー原位置３ｂ（破線描画）とする。投光器４から照射される投光光束中心ｌ４ｂが検査光束中心４ｅとほぼ直角である場合、ハーフミラー原位置３ｂでのハーフミラー３の鏡面は検査光束中心４ｅとほぼ４５度の角度をなす。投光光束中心ｌ４ｂはハーフミラー３がハーフミラー原位置３ｂの位置で折り返され、照明光束中心ｍ４ｄとして対象物表面１ａに入射し、反射される。反射した光束は、ハーフミラー３を透過した後、検査光束４ｅとして画像カメラ２に到達する。その様子を、図３に表してある。図３で使用した名称と記号は図１、図２と同じであるので説明は省略する。
【００２６】
図１において実線で図示される対象物１は、図１の紙面でみて、対象物原位置１ｂから、揺動軸Ｘ３ａと平行な軸まわりに反時計方向にズレ角１ｃで回転した状態を示している。本発明では、ハーフミラー３は、その鏡面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能であるから、ハーフミラー原位置３ｂから反時計方向に、ズレ角１ｃとほぼ同じ角度の揺動角Ｘ３ｄで、揺動軸Ｘ３ａのまわりに揺動させることができる。その位置にあるハーフミラー３により折り返された照明光束中心Ｍ４ｃが対象物表面１ａに入射する。その時、投光器４からの投光光束中心Ｌ４ａは、対象物１が対象物原位置１ｂにある時の投光光束中心ｌ４ｂとは、当然一致しない。
【００２７】
前述のようにハーフミラー原位置３ｂから反時計回りに、揺動角Ｘ３ｄで揺動させると、ハーフミラー３で折り返された照明光束中心Ｍ４ｃは照明光束中心ｍ４ｄを、反時計方向に揺動角Ｘ３ｄのちょうど２倍回転させたものと同じ方向を持つ。揺動角Ｘ３ｄはズレ角１ｃにほぼ同じであるので、照明光束中心Ｍ４ｃは反時計方向にズレ角１ｃのほぼ２倍回転したものである。
【００２８】
幾何光学的に入射と反射の関係は、反射面が平面的で平滑であれば、その表面に立てた法線を挟んで入射と法線を含んだ平面上で線対称となる。本発明の第一の実施形態を示す図１と図２では、対象物のズレの回転軸は揺動軸Ｘ３ａと平行であるとしているので、照明光束中心Ｍ４ｃと検査光束中心４ｅで作られる平面に、対象物表面１ａに立てた法線が含まれる。対象物表面１ａに立てた法線が検査光束中心４ｅとズレ角１ｃをなし、照明光束中心Ｍ４ｃが検査光束中心４ｅとズレ角１ｃの２倍の角度をなすことから、入射を照明光束中心Ｍ４ｃとすれば反射が、検査光束中心４ｅにほぼ一致することが予想される。
【００２９】
前述したように、照明光束中心Ｍ４ｃによる反射が、検査光束中心４ｅにほぼ一致するということは、図２において、対象物１からの反射光束７が検査光束８にほぼ一致することであり、対象物１が図１の破線で示される対象物原位置１ｂに生成されるものとほぼ同じ反射状態が再現されるということになる。もちろん、入射角度に差異があるため、全く同じ反射像を画像カメラ２が撮像することにはならないが、本発明では対象物表面１ａを鏡面の場合としているので、かなり近似した撮像結果が得られると考える。
【００３０】
図４、図５、図６を使って、本発明の第一の実施形態で述べたハーフミラー３の揺動運動を実現する具体的な動作について説明する。図４は、ハーフミラー３と揺動軸Ｘ３ａ、揺動軸Ｙ３ｃ、検査光束中心４ｅを示してある。揺動軸Ｘ３ａと揺動軸Ｙ３ｃがハーフミラー３の鏡面を規定するＸＹ軸となる。この図のハーフミラー３は、図１で見ると投光光束中心ｌ４ｂと鏡面が平行になっている状態である。図５は、図４のハーフミラー３を揺動軸Ｘ３ａのまわりに４５度ほど回転させた状態を示したものである。この図を揺動軸Ｘ３ａの方向から見たハーフミラー３の位置は、図１に示したハーフミラー原位置３ｂとなる。図６は、図５のハーフミラー３が、揺動軸Ｘ３ａまわりに反時計方向に揺動した状態を示すものであり、その位置は図１のハーフミラー３の位置である。
【００３１】
図５の太矢印の投光光束中心ｌ４ｂは、図１記載の投光光束中心ｌ４ｂと同じものである。同様に、太矢印の照明光束中心ｍ４ｄは図１記載の照明光束中心ｍ４ｄと同じものである。図６の太矢印の投光光束中心Ｌ４ａは、図１記載の投光束中心Ｌ４ａと同じものである。同様に、太矢印の照明光束中心Ｍ４ｃは図１記載の照明光束中心Ｍ４ｃと同じものである。
【００３２】
図１と図２を使って説明した本発明の第一の実施形態におけるハーフミラー３の揺動運動の結果を、主にハーフミラー３の部分を中心に抜き出して、斜視で表現したものが図６である。
【００３３】
本発明において、第一の実施形態を実現するためには、ハーフミラーを揺動運動させることが不可欠である。揺動運動は、回転や揺動アクチュエータをハーフミラーに連結することで比較的容易に実現可能である。回転電動機などの一般的なアクチュエータを使用することが多い。しかし、一般的な回転や揺動アクチュエータを使い、さらに揺動運動の支持に転がり軸受けなどを使って揺動運動を実現しようとすると、揺動軸が２本あるため、そのうちどちらか一方はもう一方の揺動手段でハーフミラーと一緒に揺動手段そのものも揺動する必要があり、そのため、照明ユニットはハーフミラーのサイズや重量に比べて、構造が複雑になり大きく重くなってしまう。
【００３４】
上述の照明ユニットをコンパクトで簡潔な構造とするための本発明の第二の実施形態について、図７、図８、図９、図１０、図１１を使用して説明する。図７は本発明に使用するハーフミラー揺動装置の上面図、図８、図９は本発明に使用するハーフミラー揺動装置の右側面断面図、図１０、図１１は本発明に使用するハーフミラー揺動装置の正面断面図である。
【００３５】
図７は、図４におけるハーフミラー３を含んで、揺動運動を発生させる手段であるアクチュエータＸとアクチュエータＹを模式的に表現したものである。図７を揺動軸Ｙ３ｃに沿った断面図である図８、図９において、アクチュエータＸは、電流路Ｘ１４と磁力線発生部Ｘ１６の組み合わせで構成され、磁力線発生部Ｘ１６は、開口部に矢印で示される磁力線Ｘの向き１６ｂを持つ磁石Ｘ１６ａで構成される。なお、図８、図９の電流路Ｘ１４は電流の流れに垂直な断面を図示している。
【００３６】
図８では、磁力線発生部Ｘ１６は、相対する一対の磁石Ｘ１６ａの一端を磁気回路部材Ｘ１６ｃで接続する一般的な構成例で図示してある。また、本図では、磁力線発生部Ｘ１６は揺動軸Ｘ３ａを挟んで配置する構成を図示してある。磁力線発生部Ｘ１６を構成する磁石Ｘ１６ａは複数である必要はなく、また本発明に必要な電磁力を発生しうる限りにおいて、磁気回路部材１６ｃはＣ形状的である必要もない。
【００３７】
図７において、電流路Ｘ１４は揺動軸Ｘ３ａのまわりに揺動できる枠Ｘ１１に成形されており、図７に図示したようにその電流の流れる方向は揺動軸Ｘ３ａにほぼ平行である。梁Ｘ１０は、揺動軸Ｘ３ａの物理的な実体であって、枠Ｘ１１の揺動運動は、梁Ｘ１０がねじれることで支えられる。枠Ｘ１１の内側には、梁Ｙ１２に連続する枠Ｙ１３があり、梁Ｙ１２は、揺動軸Ｙ３ｃの物理的な実体であって、枠Ｙ１３の揺動運動は、梁Ｙ１２がねじれることで支えられる。枠Ｙ１３にはハーフミラー３が取り付けられている。
【００３８】
図７の揺動軸Ｘ３ａに沿った断面図である図１０、図１１において、アクチュエータＹは、電流路Ｙ１５と磁力線発生部Ｙ１７の組み合わせで構成され、磁力線発生部Ｙ１７は、開口部に矢印で示される磁力線Ｙの向き１７ｂを持つ磁石Ｙ１７ａで構成される。なお、図１０、図１１の電流路Ｙ１５は電流の流れに垂直な断面を図示している。
【００３９】
図１０では、磁力線発生部Ｙ１７は、相対する一対の磁石Ｙ１７ａの一端を磁気回路部材Ｙ１７ｃで接続する一般的な構成例で図示してある。また、本図では、磁力線発生部Ｙ１７は揺動軸Ｙ３ｃを挟んで配置する構成を図示してある。磁力線発生部Ｙ１７を構成する磁石Ｙ１７ａは複数である必要はなく、本発明に必要な電磁力を発生しうる限りにおいて、磁気回路部材１７ｃはＣ状的である必要もない。
【００４０】
図８において、電流路Ｘ１４に電流を流すと、電磁相互作用によって電流路Ｘ１４には、磁力線Ｘの向き１６ｂと電流路Ｘ１４がなす平面に垂直な方向への力が働く。電流路Ｘ１４に流れる電流が揺動軸Ｘ３ａを挟んで逆向きに流れるよう、図７のような配線としておけば、電流路Ｘ１４に働く力も揺動軸Ｘ３ａを挟んで逆向きになり、結局、枠Ｘ１１に働く力は揺動軸Ｘ３ａまわりのモーメント力となる。
【００４１】
揺動軸Ｘ３ａの実体は、梁Ｘ１０であり捩り剛性をもつため、弾性範囲内で捩り量に対応した捩りを戻そうとする捩りトルクを発生する。そのため、電流路Ｘ１４に電流を流した時の枠Ｘ１１は、電磁相互作用で発生する捩りトルクが梁Ｘ１０の捩りトルクに釣り合う位置まで回転する。その様子を図９に示した。
【００４２】
図１０において、電流路Ｙ１５に電流を流すと、電磁相互作用によって電流路Ｙ１５には、磁力線Ｙの向き１７ｂと電流路Ｙ１５がなす平面に垂直な方向への力が働く。電流路Ｙ１５に流れる電流が揺動軸Ｙ３ｃを挟んで逆向きに流れるよう、図７のような配線としておけば、電流路Ｙ１５に働く力も揺動軸Ｙ３ｃを挟んで逆向きになり、結局、枠Ｙ１３に働く力は揺動軸Ｙ３ｃまわりのモーメント力となる。
【００４３】
揺動軸Ｙ３ｃの実体は、梁Ｙ１２であり捩り剛性をもつため、弾性範囲内で捩り量に対応した捩りを戻そうとする捩りトルクを発生する。そのため、電流路Ｙ１５に電流を流した時の枠Ｙ１３は、電磁相互作用で発生する捩りトルクが梁Ｙ１２の捩りトルクに釣り合う位置まで回転する。その様子を図１１に示した。図９、図１１では、図を分かり易くするために、揺動軸Ｘ３ａ、揺動軸Ｙ３ｃのまわりのどちらか一方のみの揺動運動の結果を図示したが、揺動軸Ｘ３ａ、揺動軸Ｙ３ｃのまわりにおのおの独立した角度で、同時に揺動させることは可能である。
【００４４】
図７に代表される実施形態では、電流路Ｘ１４は梁Ｘ１０に形成されていたが、電流路Ｘ１４を枠Ｙ１３に形成しても同じ動作が得られる。ただし、梁Ｙ１２を介して梁Ｘ１０を捩るため、梁Ｙ１２にはやや複雑な応力が加わる。なお、この実施形態は図示していない。
【００４５】
図１２は本発明で使用するハーフミラー揺動装置の他の例で上面図である。ハーフミラー３を揺動させるアクチュエータを、電磁相互作用を応用した手段とするかわりに、静電間力を応用した手段とするものである。図１２を使って、静電間力による揺動のアクチュエータとした第三の実施例を説明する。枠Ｘ１１は基部９と梁Ｘ１０で繋がっている。枠Ｙ１３にはハーフミラー３が取り付けられていて、枠Ｘ１１と梁Ｙ１２で繋がっている。各梁と揺動軸の関係は、図７と同じ構成である。
【００４６】
基部９には導電性を持つ基部電極Ｘ’１６ｄが形成されており、それと近接した位置にある枠Ｘ１１の部分には電極Ｘ１４ａが形成されている。また、枠Ｘ１１には基部電極Ｙ’１６ｅが形成されており、それと近接した位置にある枠Ｙ１３の部分には電極Ｙ１５ａが形成されている。それぞれの電極に給電する配線は省略した。
【００４７】
基部電極Ｘ’１６ｄと電極Ｘ１４ａに同種電荷を帯電させると、静電間力は斥力となり基部電極Ｘ’１６ｄと電極Ｘ１４ａは、互いに遠ざかろうとする。基部電極Ｙ’１６ｅと電極Ｙ１５ａに同種電荷を帯電させると、静電間力は斥力となり基部電極Ｙ’１６ｅと電極Ｙ１５ａは、互いに遠ざかろうとする。この電極の組を、それぞれの軸まわりの揺動運動を発生させるアクチュエータとする。図１２では、各軸まわりのアクチュエータはそれぞれの軸に対して線対称に配置されており、また、図示はしていないが、電極Ｘ１４ａと基部電極Ｘ’１６ｄを紙面垂直方向にわずかにずらして配置し、電極Ｙ１５ａと基部電極Ｙ’１６ｅを紙面垂直方向にわずかにずらして配置する。
【００４８】
揺動軸を挟んで対称な位置にある電極に、電荷を注入するタイミングをコントロールすることで、回転方向を制御することができる。具体的には、例えば揺動軸Ｘ３ａまわりの揺動の場合、図１２上方の電極の組に先に電荷を注入すれば、前述した垂直方向の電極配置のずれ量を拡大する方向に振れる。図１２に図示の下方の電極の組は、前述した垂直方向の電極配置のずれ量を減ずる方向に動き始めるが、そのずれ量はわずかであるため、電極は最接近したあと離れ始める。その頃を見計らって該当の電極の組に同極の電荷を注入すれば揺動軸まわりにほぼ効率良く揺動させることができる。逆方向に回転させる場合は、注入の順番を逆転させれば良い。
【００４９】
図７と図１２に示した照明ユニットにおいて、ハーフミラー３は梁Ｘ１０と梁Ｙ１２によって支えられる枠Ｘ１１と枠Ｙ１３に取り付けられている。ハーフミラー３を揺動させるその運動によって、梁Ｘ１０と梁Ｙ１２は捩られ、捩り応力が働く。本発明では、梁Ｘ１０と梁Ｙ１２の捩り応力をアクチュエータＸ、アクチュエータＹの捩りモーメントに釣り合わせるよう動作させるため、梁Ｘ１０と梁Ｙ１２の所定の揺動範囲で、その捩り運動は弾性範囲内であることが必要である。また、光の通り道を制御する光学部品であることを考えると、動作の繰り返し再現性も必要である。
【００５０】
図７、図１２で示した照明ユニットの基部９から梁Ｘ１０、枠Ｘ１１から梁Ｙ１２、枠Ｙ１３までを高弾性材料により一体的形状に形成することにより、上記の要件を満足することができる。
【００５１】
上記の高弾性材料をシリコン単結晶にすると、マイクロマシン製作工法が応用できるため、高精度で加工可能である。また、本発明で使用するシリコンウェハは半導体そのものに使用するほどの高品位は要求されないため、安価である。
【００５２】
さらに、前記の高弾性材料を、可視波長を透過帯域にもつガラス材料とすれば、枠Ｙに直接光学処理を施し、空間フィルターとしてハーフミラーの機能を追加する事が可能である。この場合、ハーフミラー３まで一体的に形成することができるため、ハーフミラーの取り付けによる形状精度の劣化がなくなる利点がある。
【００５３】
今まで、照明ユニットの構成について述べてきたが、次に照明ユニットの揺動量を決定する方法の具体的な第一の実施形態について述べる。本発明を適用する表面検査においては、図２の対象物表面１ａからの反射光束７がハーフミラー３を通った検査光束８を画像カメラ２で撮像する構成となっているため、画像カメラ２が撮像する画像は、もっとも明るい明画像となる。対象物表面１ａは鏡面に近いのでそこに存在する欠陥が乱反射的な物性を持っている場合、明画像に暗部となって出現し、欠陥として認識する。
【００５４】
画像カメラ２が撮像する画像の明るさを利用して、照明ユニットの揺動量を決定する制御方法である。図２、図３において、ハーフミラー３をハーフミラー原位置３ｂに位置決めして撮像を開始する。対象物表面１ａが傾いていると反射光束７は、画像カメラ２から逸れてしまうため、撮像した画像の明るさは著しく減ずる。
【００５５】
その後、図６でハーフミラー３を、その揺動軸Ｘ３ａと揺動軸Ｙ３ｃのまわりにわずかに動作させる。すると、照明光束６の向きがわずかに変わり、それに応じて反射光束７の向きも変化する。その時の画像カメラ２が撮像している画像の対象物表面１ａの、わずかな揺動動作前と後の明るさを測定する。明るさが増えれば、さらにその方向に少し揺動させる。明るさが減じた場合は、逆の方向に揺動させる。この動作を繰り返し、明るさの変化分が一定以下になったことをもって、または、一定以上の輝度を超えたことをもって、もっとも明るい明画像を得られるハーフミラー３の位置とするのである。その時に、画像カメラ２は、対象物表面１ａが対象物原位置１ｂにある状態とほぼ同じ反射状態で撮像できる。
【００５６】
撮像する対象物表面１ａの撮像画面のなかの対象物表面１ａに乗っている部分による背景より輝度の高い撮像画面より小さい特異点がある場合、画像カメラ２の測定するその特異点の位置情報から計算してハーフミラー３の揺動量を決定することもできる。
【００５７】
上記の画像カメラ２で撮影した対象物の表面画像を信号演算処理することによって、ハーフミラー３をその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定する照明ユニットの制御方法では、画像カメラ２を揺動量を決定するための検出器に兼ねたが、揺動量を決定するための検出器を別に設置することもできる。
【００５８】
図１３は本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示している。図１４は光学素子ユニットの模式図である。図１３、図１４を使って、検出器を別に設置した照明ユニットにおける制御方法の第二の実施形態について説明する。図１３は第二の実施形態を図２と同じ方向から眺めたものである。固定ハーフミラー１８は、図２、図３の検査光束８の途中に挿入されている。この固定ハーフミラー１８で折り返された参照光束２１は、光素子ユニット１９に導かれる。光素子ユニット１９は、図１４に示されるように少なくとも３個の光素子からなり、その光素子は入射光量に対応する信号を出力するようなものである。図１４は参照光束２１の向きから見た図であり、参照光束２１が照らす領域を参照光束域と呼ぶことにする。
【００５９】
図１５は本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、対象物表面が傾いている場合の光束の中心の進路を示している。図１６は光素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図である。対象物表面１ａが傾いている場合、参照光束２１は光素子ユニット１９の下に照射され、光素子ユニット１９上の参照光束域は図１６の参照光束域現在位置２０ａとなる。図１３はハーフミラー３を揺動動作した後の様子を図示したもので、参照光束２１は図１４にて光素子ユニット１９を構成する光素子Ａ１９ａ、光素子Ｂ１９ｂ、光素子Ｃ１９ｃの中心を照らす参照光束域目標位置２０となる。
【００６０】
参照光束域目標位置２０は光素子Ａ１９ａ、光素子Ｂ１９ｂ、光素子Ｃ１９ｃをそれぞれ均等な面積を照らす位置としている。図１６の参照光束域現在位置２０ａでは、光素子Ｃ１９ｃにだけ光があたりその量に応じた信号が出力されるが、光素子Ａ１９ａと光素子Ｂ１９ｂからは入射光量０に対応した信号が出力される。つまり、その信号の組み合わせが出力された場合、参照光束２１は図１５に図示されるように図面左上から右下に向けてずれていることがわかる。
【００６１】
ハーフミラー３を図１３のように反時計方向にわずかに揺動させると、参照光束２１も反時計にわずかに回転し、光素子ユニット１９への照射位置は上方に向かって移動する。光素子Ａ１９ａと光素子Ｂ１９ｂと光素子Ｃ１９ｃの信号出力を監視しておき、それぞれの出力が参照光束域目標位置２０に対応した信号出力となるように揺動量を制御すれば、画像カメラ２は対象物表面１ａが対象物原位置１ｂにある状態とほぼ同じ反射状態で撮像できる。
【００６２】
図１７はＣＣＤ素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図である。前述の光素子ユニット１９をＣＣＤ素子２２に置き換えることが可能である。この場合は、参照光束域目標位置２０と参照光束域現在位置２０ａとのＣＣＤ素子２２上の偏差を演算処理し、ハーフミラー３の揺動量を直接計算することができる。
【００６３】
また、前述の光素子ユニット１９をＣＭＯＳイメージセンサに置き換えることも可能である。この場合は、参照光束域目標位置２０と参照光束域現在位置２０ａとのＣＭＯＳイメージセンサ上の偏差を演算処理し、ハーフミラー３の揺動量を直接計算することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明に係る照明ユニットによると、ハーフミラーを揺動可能な構成とし、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い表面の傾きに応じて、ハーフミラーの照明光束に対する角度を変えることができ、検査される表面から照明光束が反射した画像カメラが受け取る検査光束の強さや量を、適正な範囲に保つことができるため、検査対象の表面に付着した異物の乱反射による輝度の低下をもって不良検出するような場合、対象物表面の照明光束との位置精度に影響されることなく、安定して検査することが可能となる。
【００６５】
さらに、請求項３に記載の発明に係る照明ユニットによると、請求項１で述べたハーフミラーの揺動を支える手段と、アクチュエータと一般的に呼称されるところの揺動する力を生成する手段とを、ハーフミラーの取り付け部分に一体的に形成でき、電磁相互作用によって揺動運動を生成できるため、例えば揺動運動を玉軸受けで支え、アクチュエータにサーボモータなどの旧来の手段としたものより、コンパクトな照明ユニットを提供できるものである。請求項４の発明に係る照明ユニットでは、請求項３に述べた電磁相互作用によって揺動運動を生成できるアクチュエータを使った別の構成例を示した。以上のようにアクチュエータを一体的簡潔に構成し、電磁相互作用で動作させるものとしたため、揺動部分の質量が小さくなり低エネルギーで高速な動作が可能であるし、構成部品が少なく故障に対する信頼性も高くなる。
【００６６】
さらに、請求項５に記載の発明に係る照明ユニットによると、請求項１で述べたハーフミラーの揺動を支える手段と、アクチュエータと一般的に呼称されるところの揺動する力を生成する手段とを、ハーフミラーの取り付け部分に一体的に形成でき、静電力作用によって揺動運動を生成できるため、請求項３に係る発明の場合と同様に、旧来のものより、コンパクトな照明ユニットを提供できるものである。以上のようにアクチュエータを一体的簡潔に構成し、静電力で動作させるものとしたため、揺動部分の質量が小さくなり低エネルギーで高速な動作が可能であるし、構成部品が少なく故障に対する信頼性も高くなる。
【００６７】
また、請求項６と請求項７と請求項８の発明に係る照明ユニットによると、請求項１、請求項３、請求項４、請求項５に記載の照明ユニットのハーフミラーが取り付けられアクチュエータが形成される部分を、高弾性材料で一体的に成形したため、繰り返し動作にも壊れにくい効果が期待できる。また、その高弾性材料をシリコン単結晶とすれば、本発明の照明ユニットを半導体製造の技術を応用して製作することが可能となる。また、その高弾性材料を可視波長を透過帯域とするガラス材料とすれば、枠Ｙにハーフミラーとしての光学機能を付加することによって、ハーフミラーまで一体的な照明ユニットとすることができ、より一層の信頼性や高速性を確保できるものである。
【００６８】
請求項２に記載の発明に係る照明ユニットの構成によれば、画像カメラの前で固定ハーフミラーによって折り返された光線が少なくとも３個の光素子に対しての入力強度を検出し、演算装置にて演算することができる。その上で、請求項９に係る発明には、前記の演算結果よって対象物からの反射光線が画像カメラに対してどの角度で入射しているか推定することができるため、アクチュエータの揺動運動を制御することができる。ハーフミラーの揺動量を決定する部分を画像カメラとは別の部分に設けたことにより、揺動量の決定に要する作業を平行して進めることができ、高速な制御が可能となる。少なくとも３個の光素子は、外観的にディスクリートである必要はなく、請求項１１と請求項１２に記載したごとく、光検出素子アレイ状であっても良く、素子が多くなる分、より精密な動作制御が可能である。
【００６９】
請求項１０に記載の発明に係る照明ユニットの制御方法によれば、照明ユニットに必須であるハーフミラーの揺動量を、画像カメラで撮像した実際の検査画面に基づく画像信号を演算処理することによって決定できるため、逐時的にきめ細かい制御が可能である。また、制御用の光路や素子を別に用意する必要がなくなるため、安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示す
【図２】本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図
【図３】ハーフミラーに入光する投光光束と検査光束がほぼ直角な状態を示す図
【図４】ハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が平行な状態図
【図５】ハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が４５度ずれた状態図
【図６】ハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、図５のハーフミラーが揺動軸のまわりに反時計方向に揺動した状態図
【図７】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の上面図
【図８】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の右側面断面
【図９】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の右側面断面
【図１０】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の正面断面図
【図１１】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の正面断面図
【図１２】本発明で使用するハーフミラー揺動装置の他の例で上面図
【図１３】本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示す。
【図１４】光学素子ユニットの模式図
【図１５】本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、対象物表面が傾いている場合の光束の中心の進路を示す。
【図１６】光素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図
【図１７】ＣＣＤ素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図
【符号の説明】
１ 対象物
１ａ 対象物表面
１ｂ 対象物原位置
１ｃ ズレ角
２ 画像カメラ
３ ハーフミラー
３ａ 揺動軸Ｘ
３ｂ ハーフミラー原位置
３ｃ 揺動軸Ｙ
３ｄ 揺動角Ｘ
３ｅ 揺動角Ｙ
４ 投光器
４ａ 投光光束中心Ｌ
４ｂ 投光光束中心ｌ
４ｃ 照明光束中心Ｍ
４ｄ 照明光束中心ｍ
４ｅ 検査光束中心
５ 投光束
５ａ 投光束小
６ 照明光束
６ａ 照明光束小
７ 反射光束
８ 検査光束
９ 基部
１０ 梁Ｘ
１１ 枠Ｘ
１２ 梁Ｙ
１３ 枠Ｙ
１４ 電流路Ｘ
１４ａ 電極Ｘ
１５ 電流路Ｙ
１５ａ 電極Ｙ
１６ 磁力線発生部Ｘ
１６ａ 磁石
１６ｂ 磁力線Ｘの向き
１６ｃ 磁気回路部材Ｘ
１６ｄ 基部電極Ｘ’
１６ｅ 基部電極Ｙ’
１７ 磁力線発生部Ｙ
１７ａ 磁石
１７ｂ 磁力線Ｙの向き
１７ｃ 磁気回路部材Ｙ
１８ 固定ハーフミラー
１９ 光素子ユニット
１９ａ 光素子Ａ
１９ｂ 光素子Ｂ
１９ｃ 光素子Ｃ
２０ 参照光束域目標位置
２０ａ 参照光束域現在位置
２１ 参照光束
２２ ＣＣＤ素子
２２ａ 原点
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面検査用画像装置の照明ユニットとその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品等の製造工程において、製造物のキズや汚れ、シミなどを検知するために表面検査用画像装置で検査する工程がある。表面検査される対象物表面を撮影する画像カメラと、その対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を画像カメラと対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
前記の検査方法において、画像カメラと対象物表面を結ぶ光路の中間にハーフミラーを配置し、ハーフミラーで折り返された光束が光路に一致するように配置すると、画像カメラで見ることのできる範囲には照明の光束が照射されることになる。照明の範囲を画像カメラで捉える視野に一致させ易く、また、照明強度や入射方向の管理が容易であるというメリットがある。
【０００４】
対象物表面を検査する場合、対象物表面にほぼ垂直に照明光束を入射させ、その反射光束を画像カメラで撮影するやり方が一般的である。表面状態が正常な部分からの反射光束の強度と、異物、シミ、欠陥などの不良部分の反射光束の強度を比較して合否の判定をする。通常、表面状態が正常な部分の反射光束の強度は強くなり、欠陥部分の反射光束の強度は弱くなる。
【０００５】
照明光束を検査対象物の表面にたてた法線にほぼ平行に設定し、かつ画像カメラも表面にたてた法線にほぼ垂直に配置した時、画像カメラが撮像できる反射光束の強度は最大となる。表面がその位置からいかなる方向であっても傾くにつれて、反射光束の画像カメラへ到達する強度は減少する。対象物表面が紙のような乱反射する状態であればその減少の度合いは小さいが、鏡面状態に近い金属薄膜やガラス、シリコンウェハなどの場合、わずかな傾きでも反射光束が画像カメラへ到達する強度の減少は甚だしい。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２５８２３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
鏡面状態をもつ表面の検査では、照明の入射角度のわずかな変動がそのまま反射光の方向に反映するため、対象物表面の位置決めに安定性が求められる。傾きによる反射光束の強度低下が著しい場合、いわゆるＳ／Ｎ比が著しく低下し、検出したい欠陥部分からの光束強度との差を検出できなくなる可能性が高い。
【０００８】
この検査を成功させるためには、検査対象面を、照明光束に対して一定の精度で位置決めしておくことが必要であり、従来の技術では検査対象面を照明光束に対して機械的に位置決めする方法が一般的であった。しかし、通常それらの検査対象面は、機械的な接触に弱く、また材料も取り扱いに注意が必要であることが多い。そのため、できれば直接接触することは避けたいところである。また、直接接触することで二次的な汚染や損傷の原因となってしまうことも考えられる。
【０００９】
従って、本発明は、表面検査される対象物表面の傾きに応じて、照明光束の検査対象物表面への入光方向を制御し、安定した反射光を画像カメラに入光させることができる表面検査用画像装置の照明ユニットと、その制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置において、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構成とした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１１】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットにおいて、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能とし、前記揺動可能ハーフミラーと画像カメラ間に固定ハーフミラーを配置し、該固定ハーフミラーで分割された対象物表面からの反射光線を検知する少なくとも３個の光素子を備え、該各光素子に入光する前記反射光線の量を信号演算処理する装置を備えた表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１２】
前述の表面検査用画像装置の照明ユニットおいて、表面検査用画像装置の架台に対して固定される基部１と、該基部１と梁Ｘによって捩り運動を支持される枠Ｘと、該枠Ｘを基部２として、捩り方向が梁Ｘと直交する梁Ｙによって前記基部２に捩り運動を支持される枠Ｙを備え、該枠Ｙにハーフミラーが装着され、前記枠Ｘを前記梁Ｘまわりに揺動させるアクチュエータＸと、前記枠Ｙを前記梁Ｙまわりに揺動させるアクチュエータＹを備えているもののうち、枠Ｘに装着され梁Ｘとほぼ平行に流れる電流路Ｘと磁力線が前記電流路Ｘに直交するよう配置された磁力線発生部Ｘの組を前記アクチュエータＸとし、かつ、枠Ｙに装着され梁Ｙとほぼ平行に流れる電流路Ｙと磁力線が前記電流路Ｙに直交するよう配置された磁力線発生部Ｙの組を前記アクチュエータＹとした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１３】
前述の照明ユニットにおいて、枠Ｙに梁Ｘとほぼ平行に流れる電流路Ｘと梁Ｙとほぼ平行に流れる電流路Ｙを装着し、磁力線が前記電流路Ｘと該電流路Ｘに直交するよう配置された磁力線発生部Ｘとで前記アクチュエータＸとし、前記電流路Ｙと該電流路Ｙに直交するよう配置された磁力線発生部Ｙとで前記アクチュエータＹとした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１４】
前述の照明ユニットにおいて、枠Ｘに装着された電極Ｘと、該電極Ｘに相対するよう基部１に配置された基部電極１の組み合わせを前記アクチュエータＸとし、かつ、枠Ｙに装着された電極Ｙと、該電極Ｙに相対するよう前記枠Ｘに配置された基部電極２の組み合わせを前記アクチュエータＹとした表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１５】
前述の照明ユニットにおいて、基部１と梁Ｘ、枠Ｘと梁Ｙ、ハーフミラーを装着する枠Ｙ、の全てが高弾性材料により一体的形状に形成されている表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１６】
前記の高弾性材料がシリコン単結晶である表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１７】
前記の高弾性材料が可視波長を透過帯域にもつガラス材料である表面検査用画像装置の照明ユニットとする。
【００１８】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットであって、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構造とし、画像カメラで撮影した対象物の表面画像を信号演算処理することによって、ハーフミラーをその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定する表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００１９】
少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットであって、ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能とし、前記揺動可能ハーフミラーと画像カメラ間に固定ハーフミラーを配置し、該固定ハーフミラーで分割された対象物表面からの反射光線を検知する少なくとも３個の光素子を備えた構成を持ち、該各光素子に入光する前記反射光線の量を信号演算処理することによって、ハーフミラーをその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定する表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００２０】
少なくとも前記３個の光素子を、一つのＣＣＤセンサとした表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００２１】
少なくとも前記３個の光素子を、一つのＣＭＯＳイメージセンサとした表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を説明する。図１は本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示している。図２は本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図で、光束の進路を示している。図３はハーフミラーに入光する投光光束と検査光束がほぼ直角な状態を示す図。図４はハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が平行な状態図。図５はハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が４５度ずれた状態図。図６はハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、図５のハーフミラーが揺動軸のまわりに反時計方向に揺動した状態図である。
【００２３】
図１と図２は本発明による表面検査用画像装置の代表的な実施形態を表す側面図であり、ハーフミラー３を揺動させる軸のうちの一つである揺動軸Ｘ３ａが紙面に垂直になる方向から見ている。分かり易くするために模式的な表現とした。検査に使用する光束は限定された一定の領域を照らし、反射されるものであるが、光束の立体的な進路を平面的に図示するのは難しいため、光束の通る道筋を中心として表現することとした。また、検査の対象となる表面は平滑で平面的な鏡面に近い状態であるとする。
【００２４】
本発明の第一の実施形態である表面検査用画像装置は、少なくとも、検査される対象物表面１ａを照明する投光器４、揺動軸Ｘ３ａと揺動軸Ｙ３ｃのまわりに揺動可能なハーフミラー３、対象物表面１ａからの反射光束を撮影して検査する画像カメラ２からなる。図２は、一部の名称と番号の記載を省略し、図１におけるそれぞれの光束中心をそれぞれの光束として表現したものである。
【００２５】
図１において、対象物表面１ａは、検査光束中心４ｅに対してほぼ垂直な対象物原位置１ｂ（破線描画）にある時に、対象物表面１ａからの反射光はもっとも効率よく画像カメラ２に到達する。その時、ハーフミラー３の位置をハーフミラー原位置３ｂ（破線描画）とする。投光器４から照射される投光光束中心ｌ４ｂが検査光束中心４ｅとほぼ直角である場合、ハーフミラー原位置３ｂでのハーフミラー３の鏡面は検査光束中心４ｅとほぼ４５度の角度をなす。投光光束中心ｌ４ｂはハーフミラー３がハーフミラー原位置３ｂの位置で折り返され、照明光束中心ｍ４ｄとして対象物表面１ａに入射し、反射される。反射した光束は、ハーフミラー３を透過した後、検査光束４ｅとして画像カメラ２に到達する。その様子を、図３に表してある。図３で使用した名称と記号は図１、図２と同じであるので説明は省略する。
【００２６】
図１において実線で図示される対象物１は、図１の紙面でみて、対象物原位置１ｂから、揺動軸Ｘ３ａと平行な軸まわりに反時計方向にズレ角１ｃで回転した状態を示している。本発明では、ハーフミラー３は、その鏡面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能であるから、ハーフミラー原位置３ｂから反時計方向に、ズレ角１ｃとほぼ同じ角度の揺動角Ｘ３ｄで、揺動軸Ｘ３ａのまわりに揺動させることができる。その位置にあるハーフミラー３により折り返された照明光束中心Ｍ４ｃが対象物表面１ａに入射する。その時、投光器４からの投光光束中心Ｌ４ａは、対象物１が対象物原位置１ｂにある時の投光光束中心ｌ４ｂとは、当然一致しない。
【００２７】
前述のようにハーフミラー原位置３ｂから反時計回りに、揺動角Ｘ３ｄで揺動させると、ハーフミラー３で折り返された照明光束中心Ｍ４ｃは照明光束中心ｍ４ｄを、反時計方向に揺動角Ｘ３ｄのちょうど２倍回転させたものと同じ方向を持つ。揺動角Ｘ３ｄはズレ角１ｃにほぼ同じであるので、照明光束中心Ｍ４ｃは反時計方向にズレ角１ｃのほぼ２倍回転したものである。
【００２８】
幾何光学的に入射と反射の関係は、反射面が平面的で平滑であれば、その表面に立てた法線を挟んで入射と法線を含んだ平面上で線対称となる。本発明の第一の実施形態を示す図１と図２では、対象物のズレの回転軸は揺動軸Ｘ３ａと平行であるとしているので、照明光束中心Ｍ４ｃと検査光束中心４ｅで作られる平面に、対象物表面１ａに立てた法線が含まれる。対象物表面１ａに立てた法線が検査光束中心４ｅとズレ角１ｃをなし、照明光束中心Ｍ４ｃが検査光束中心４ｅとズレ角１ｃの２倍の角度をなすことから、入射を照明光束中心Ｍ４ｃとすれば反射が、検査光束中心４ｅにほぼ一致することが予想される。
【００２９】
前述したように、照明光束中心Ｍ４ｃによる反射が、検査光束中心４ｅにほぼ一致するということは、図２において、対象物１からの反射光束７が検査光束８にほぼ一致することであり、対象物１が図１の破線で示される対象物原位置１ｂに生成されるものとほぼ同じ反射状態が再現されるということになる。もちろん、入射角度に差異があるため、全く同じ反射像を画像カメラ２が撮像することにはならないが、本発明では対象物表面１ａを鏡面の場合としているので、かなり近似した撮像結果が得られると考える。
【００３０】
図４、図５、図６を使って、本発明の第一の実施形態で述べたハーフミラー３の揺動運動を実現する具体的な動作について説明する。図４は、ハーフミラー３と揺動軸Ｘ３ａ、揺動軸Ｙ３ｃ、検査光束中心４ｅを示してある。揺動軸Ｘ３ａと揺動軸Ｙ３ｃがハーフミラー３の鏡面を規定するＸＹ軸となる。この図のハーフミラー３は、図１で見ると投光光束中心ｌ４ｂと鏡面が平行になっている状態である。図５は、図４のハーフミラー３を揺動軸Ｘ３ａのまわりに４５度ほど回転させた状態を示したものである。この図を揺動軸Ｘ３ａの方向から見たハーフミラー３の位置は、図１に示したハーフミラー原位置３ｂとなる。図６は、図５のハーフミラー３が、揺動軸Ｘ３ａまわりに反時計方向に揺動した状態を示すものであり、その位置は図１のハーフミラー３の位置である。
【００３１】
図５の太矢印の投光光束中心ｌ４ｂは、図１記載の投光光束中心ｌ４ｂと同じものである。同様に、太矢印の照明光束中心ｍ４ｄは図１記載の照明光束中心ｍ４ｄと同じものである。図６の太矢印の投光光束中心Ｌ４ａは、図１記載の投光束中心Ｌ４ａと同じものである。同様に、太矢印の照明光束中心Ｍ４ｃは図１記載の照明光束中心Ｍ４ｃと同じものである。
【００３２】
図１と図２を使って説明した本発明の第一の実施形態におけるハーフミラー３の揺動運動の結果を、主にハーフミラー３の部分を中心に抜き出して、斜視で表現したものが図６である。
【００３３】
本発明において、第一の実施形態を実現するためには、ハーフミラーを揺動運動させることが不可欠である。揺動運動は、回転や揺動アクチュエータをハーフミラーに連結することで比較的容易に実現可能である。回転電動機などの一般的なアクチュエータを使用することが多い。しかし、一般的な回転や揺動アクチュエータを使い、さらに揺動運動の支持に転がり軸受けなどを使って揺動運動を実現しようとすると、揺動軸が２本あるため、そのうちどちらか一方はもう一方の揺動手段でハーフミラーと一緒に揺動手段そのものも揺動する必要があり、そのため、照明ユニットはハーフミラーのサイズや重量に比べて、構造が複雑になり大きく重くなってしまう。
【００３４】
上述の照明ユニットをコンパクトで簡潔な構造とするための本発明の第二の実施形態について、図７、図８、図９、図１０、図１１を使用して説明する。図７は本発明に使用するハーフミラー揺動装置の上面図、図８、図９は本発明に使用するハーフミラー揺動装置の右側面断面図、図１０、図１１は本発明に使用するハーフミラー揺動装置の正面断面図である。
【００３５】
図７は、図４におけるハーフミラー３を含んで、揺動運動を発生させる手段であるアクチュエータＸとアクチュエータＹを模式的に表現したものである。図７を揺動軸Ｙ３ｃに沿った断面図である図８、図９において、アクチュエータＸは、電流路Ｘ１４と磁力線発生部Ｘ１６の組み合わせで構成され、磁力線発生部Ｘ１６は、開口部に矢印で示される磁力線Ｘの向き１６ｂを持つ磁石Ｘ１６ａで構成される。なお、図８、図９の電流路Ｘ１４は電流の流れに垂直な断面を図示している。
【００３６】
図８では、磁力線発生部Ｘ１６は、相対する一対の磁石Ｘ１６ａの一端を磁気回路部材Ｘ１６ｃで接続する一般的な構成例で図示してある。また、本図では、磁力線発生部Ｘ１６は揺動軸Ｘ３ａを挟んで配置する構成を図示してある。磁力線発生部Ｘ１６を構成する磁石Ｘ１６ａは複数である必要はなく、また本発明に必要な電磁力を発生しうる限りにおいて、磁気回路部材１６ｃはＣ形状的である必要もない。
【００３７】
図７において、電流路Ｘ１４は揺動軸Ｘ３ａのまわりに揺動できる枠Ｘ１１に成形されており、図７に図示したようにその電流の流れる方向は揺動軸Ｘ３ａにほぼ平行である。梁Ｘ１０は、揺動軸Ｘ３ａの物理的な実体であって、枠Ｘ１１の揺動運動は、梁Ｘ１０がねじれることで支えられる。枠Ｘ１１の内側には、梁Ｙ１２に連続する枠Ｙ１３があり、梁Ｙ１２は、揺動軸Ｙ３ｃの物理的な実体であって、枠Ｙ１３の揺動運動は、梁Ｙ１２がねじれることで支えられる。枠Ｙ１３にはハーフミラー３が取り付けられている。
【００３８】
図７の揺動軸Ｘ３ａに沿った断面図である図１０、図１１において、アクチュエータＹは、電流路Ｙ１５と磁力線発生部Ｙ１７の組み合わせで構成され、磁力線発生部Ｙ１７は、開口部に矢印で示される磁力線Ｙの向き１７ｂを持つ磁石Ｙ１７ａで構成される。なお、図１０、図１１の電流路Ｙ１５は電流の流れに垂直な断面を図示している。
【００３９】
図１０では、磁力線発生部Ｙ１７は、相対する一対の磁石Ｙ１７ａの一端を磁気回路部材Ｙ１７ｃで接続する一般的な構成例で図示してある。また、本図では、磁力線発生部Ｙ１７は揺動軸Ｙ３ｃを挟んで配置する構成を図示してある。磁力線発生部Ｙ１７を構成する磁石Ｙ１７ａは複数である必要はなく、本発明に必要な電磁力を発生しうる限りにおいて、磁気回路部材１７ｃはＣ状的である必要もない。
【００４０】
図８において、電流路Ｘ１４に電流を流すと、電磁相互作用によって電流路Ｘ１４には、磁力線Ｘの向き１６ｂと電流路Ｘ１４がなす平面に垂直な方向への力が働く。電流路Ｘ１４に流れる電流が揺動軸Ｘ３ａを挟んで逆向きに流れるよう、図７のような配線としておけば、電流路Ｘ１４に働く力も揺動軸Ｘ３ａを挟んで逆向きになり、結局、枠Ｘ１１に働く力は揺動軸Ｘ３ａまわりのモーメント力となる。
【００４１】
揺動軸Ｘ３ａの実体は、梁Ｘ１０であり捩り剛性をもつため、弾性範囲内で捩り量に対応した捩りを戻そうとする捩りトルクを発生する。そのため、電流路Ｘ１４に電流を流した時の枠Ｘ１１は、電磁相互作用で発生する捩りトルクが梁Ｘ１０の捩りトルクに釣り合う位置まで回転する。その様子を図９に示した。
【００４２】
図１０において、電流路Ｙ１５に電流を流すと、電磁相互作用によって電流路Ｙ１５には、磁力線Ｙの向き１７ｂと電流路Ｙ１５がなす平面に垂直な方向への力が働く。電流路Ｙ１５に流れる電流が揺動軸Ｙ３ｃを挟んで逆向きに流れるよう、図７のような配線としておけば、電流路Ｙ１５に働く力も揺動軸Ｙ３ｃを挟んで逆向きになり、結局、枠Ｙ１３に働く力は揺動軸Ｙ３ｃまわりのモーメント力となる。
【００４３】
揺動軸Ｙ３ｃの実体は、梁Ｙ１２であり捩り剛性をもつため、弾性範囲内で捩り量に対応した捩りを戻そうとする捩りトルクを発生する。そのため、電流路Ｙ１５に電流を流した時の枠Ｙ１３は、電磁相互作用で発生する捩りトルクが梁Ｙ１２の捩りトルクに釣り合う位置まで回転する。その様子を図１１に示した。図９、図１１では、図を分かり易くするために、揺動軸Ｘ３ａ、揺動軸Ｙ３ｃのまわりのどちらか一方のみの揺動運動の結果を図示したが、揺動軸Ｘ３ａ、揺動軸Ｙ３ｃのまわりにおのおの独立した角度で、同時に揺動させることは可能である。
【００４４】
図７に代表される実施形態では、電流路Ｘ１４は梁Ｘ１０に形成されていたが、電流路Ｘ１４を枠Ｙ１３に形成しても同じ動作が得られる。ただし、梁Ｙ１２を介して梁Ｘ１０を捩るため、梁Ｙ１２にはやや複雑な応力が加わる。なお、この実施形態は図示していない。
【００４５】
図１２は本発明で使用するハーフミラー揺動装置の他の例で上面図である。ハーフミラー３を揺動させるアクチュエータを、電磁相互作用を応用した手段とするかわりに、静電間力を応用した手段とするものである。図１２を使って、静電間力による揺動のアクチュエータとした第三の実施例を説明する。枠Ｘ１１は基部９と梁Ｘ１０で繋がっている。枠Ｙ１３にはハーフミラー３が取り付けられていて、枠Ｘ１１と梁Ｙ１２で繋がっている。各梁と揺動軸の関係は、図７と同じ構成である。
【００４６】
基部９には導電性を持つ基部電極Ｘ’１６ｄが形成されており、それと近接した位置にある枠Ｘ１１の部分には電極Ｘ１４ａが形成されている。また、枠Ｘ１１には基部電極Ｙ’１６ｅが形成されており、それと近接した位置にある枠Ｙ１３の部分には電極Ｙ１５ａが形成されている。それぞれの電極に給電する配線は省略した。
【００４７】
基部電極Ｘ’１６ｄと電極Ｘ１４ａに同種電荷を帯電させると、静電間力は斥力となり基部電極Ｘ’１６ｄと電極Ｘ１４ａは、互いに遠ざかろうとする。基部電極Ｙ’１６ｅと電極Ｙ１５ａに同種電荷を帯電させると、静電間力は斥力となり基部電極Ｙ’１６ｅと電極Ｙ１５ａは、互いに遠ざかろうとする。この電極の組を、それぞれの軸まわりの揺動運動を発生させるアクチュエータとする。図１２では、各軸まわりのアクチュエータはそれぞれの軸に対して線対称に配置されており、また、図示はしていないが、電極Ｘ１４ａと基部電極Ｘ’１６ｄを紙面垂直方向にわずかにずらして配置し、電極Ｙ１５ａと基部電極Ｙ’１６ｅを紙面垂直方向にわずかにずらして配置する。
【００４８】
揺動軸を挟んで対称な位置にある電極に、電荷を注入するタイミングをコントロールすることで、回転方向を制御することができる。具体的には、例えば揺動軸Ｘ３ａまわりの揺動の場合、図１２上方の電極の組に先に電荷を注入すれば、前述した垂直方向の電極配置のずれ量を拡大する方向に振れる。図１２に図示の下方の電極の組は、前述した垂直方向の電極配置のずれ量を減ずる方向に動き始めるが、そのずれ量はわずかであるため、電極は最接近したあと離れ始める。その頃を見計らって該当の電極の組に同極の電荷を注入すれば揺動軸まわりにほぼ効率良く揺動させることができる。逆方向に回転させる場合は、注入の順番を逆転させれば良い。
【００４９】
図７と図１２に示した照明ユニットにおいて、ハーフミラー３は梁Ｘ１０と梁Ｙ１２によって支えられる枠Ｘ１１と枠Ｙ１３に取り付けられている。ハーフミラー３を揺動させるその運動によって、梁Ｘ１０と梁Ｙ１２は捩られ、捩り応力が働く。本発明では、梁Ｘ１０と梁Ｙ１２の捩り応力をアクチュエータＸ、アクチュエータＹの捩りモーメントに釣り合わせるよう動作させるため、梁Ｘ１０と梁Ｙ１２の所定の揺動範囲で、その捩り運動は弾性範囲内であることが必要である。また、光の通り道を制御する光学部品であることを考えると、動作の繰り返し再現性も必要である。
【００５０】
図７、図１２で示した照明ユニットの基部９から梁Ｘ１０、枠Ｘ１１から梁Ｙ１２、枠Ｙ１３までを高弾性材料により一体的形状に形成することにより、上記の要件を満足することができる。
【００５１】
上記の高弾性材料をシリコン単結晶にすると、マイクロマシン製作工法が応用できるため、高精度で加工可能である。また、本発明で使用するシリコンウェハは半導体そのものに使用するほどの高品位は要求されないため、安価である。
【００５２】
さらに、前記の高弾性材料を、可視波長を透過帯域にもつガラス材料とすれば、枠Ｙに直接光学処理を施し、空間フィルターとしてハーフミラーの機能を追加する事が可能である。この場合、ハーフミラー３まで一体的に形成することができるため、ハーフミラーの取り付けによる形状精度の劣化がなくなる利点がある。
【００５３】
今まで、照明ユニットの構成について述べてきたが、次に照明ユニットの揺動量を決定する方法の具体的な第一の実施形態について述べる。本発明を適用する表面検査においては、図２の対象物表面１ａからの反射光束７がハーフミラー３を通った検査光束８を画像カメラ２で撮像する構成となっているため、画像カメラ２が撮像する画像は、もっとも明るい明画像となる。対象物表面１ａは鏡面に近いのでそこに存在する欠陥が乱反射的な物性を持っている場合、明画像に暗部となって出現し、欠陥として認識する。
【００５４】
画像カメラ２が撮像する画像の明るさを利用して、照明ユニットの揺動量を決定する制御方法である。図２、図３において、ハーフミラー３をハーフミラー原位置３ｂに位置決めして撮像を開始する。対象物表面１ａが傾いていると反射光束７は、画像カメラ２から逸れてしまうため、撮像した画像の明るさは著しく減ずる。
【００５５】
その後、図６でハーフミラー３を、その揺動軸Ｘ３ａと揺動軸Ｙ３ｃのまわりにわずかに動作させる。すると、照明光束６の向きがわずかに変わり、それに応じて反射光束７の向きも変化する。その時の画像カメラ２が撮像している画像の対象物表面１ａの、わずかな揺動動作前と後の明るさを測定する。明るさが増えれば、さらにその方向に少し揺動させる。明るさが減じた場合は、逆の方向に揺動させる。この動作を繰り返し、明るさの変化分が一定以下になったことをもって、または、一定以上の輝度を超えたことをもって、もっとも明るい明画像を得られるハーフミラー３の位置とするのである。その時に、画像カメラ２は、対象物表面１ａが対象物原位置１ｂにある状態とほぼ同じ反射状態で撮像できる。
【００５６】
撮像する対象物表面１ａの撮像画面のなかの対象物表面１ａに乗っている部分による背景より輝度の高い撮像画面より小さい特異点がある場合、画像カメラ２の測定するその特異点の位置情報から計算してハーフミラー３の揺動量を決定することもできる。
【００５７】
上記の画像カメラ２で撮影した対象物の表面画像を信号演算処理することによって、ハーフミラー３をその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定する照明ユニットの制御方法では、画像カメラ２を揺動量を決定するための検出器に兼ねたが、揺動量を決定するための検出器を別に設置することもできる。
【００５８】
図１３は本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示している。図１４は光学素子ユニットの模式図である。図１３、図１４を使って、検出器を別に設置した照明ユニットにおける制御方法の第二の実施形態について説明する。図１３は第二の実施形態を図２と同じ方向から眺めたものである。固定ハーフミラー１８は、図２、図３の検査光束８の途中に挿入されている。この固定ハーフミラー１８で折り返された参照光束２１は、光素子ユニット１９に導かれる。光素子ユニット１９は、図１４に示されるように少なくとも３個の光素子からなり、その光素子は入射光量に対応する信号を出力するようなものである。図１４は参照光束２１の向きから見た図であり、参照光束２１が照らす領域を参照光束域と呼ぶことにする。
【００５９】
図１５は本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、対象物表面が傾いている場合の光束の中心の進路を示している。図１６は光素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図である。対象物表面１ａが傾いている場合、参照光束２１は光素子ユニット１９の下に照射され、光素子ユニット１９上の参照光束域は図１６の参照光束域現在位置２０ａとなる。図１３はハーフミラー３を揺動動作した後の様子を図示したもので、参照光束２１は図１４にて光素子ユニット１９を構成する光素子Ａ１９ａ、光素子Ｂ１９ｂ、光素子Ｃ１９ｃの中心を照らす参照光束域目標位置２０となる。
【００６０】
参照光束域目標位置２０は光素子Ａ１９ａ、光素子Ｂ１９ｂ、光素子Ｃ１９ｃをそれぞれ均等な面積を照らす位置としている。図１６の参照光束域現在位置２０ａでは、光素子Ｃ１９ｃにだけ光があたりその量に応じた信号が出力されるが、光素子Ａ１９ａと光素子Ｂ１９ｂからは入射光量０に対応した信号が出力される。つまり、その信号の組み合わせが出力された場合、参照光束２１は図１５に図示されるように図面左上から右下に向けてずれていることがわかる。
【００６１】
ハーフミラー３を図１３のように反時計方向にわずかに揺動させると、参照光束２１も反時計にわずかに回転し、光素子ユニット１９への照射位置は上方に向かって移動する。光素子Ａ１９ａと光素子Ｂ１９ｂと光素子Ｃ１９ｃの信号出力を監視しておき、それぞれの出力が参照光束域目標位置２０に対応した信号出力となるように揺動量を制御すれば、画像カメラ２は対象物表面１ａが対象物原位置１ｂにある状態とほぼ同じ反射状態で撮像できる。
【００６２】
図１７はＣＣＤ素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図である。前述の光素子ユニット１９をＣＣＤ素子２２に置き換えることが可能である。この場合は、参照光束域目標位置２０と参照光束域現在位置２０ａとのＣＣＤ素子２２上の偏差を演算処理し、ハーフミラー３の揺動量を直接計算することができる。
【００６３】
また、前述の光素子ユニット１９をＣＭＯＳイメージセンサに置き換えることも可能である。この場合は、参照光束域目標位置２０と参照光束域現在位置２０ａとのＣＭＯＳイメージセンサ上の偏差を演算処理し、ハーフミラー３の揺動量を直接計算することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明に係る照明ユニットによると、ハーフミラーを揺動可能な構成とし、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い表面の傾きに応じて、ハーフミラーの照明光束に対する角度を変えることができ、検査される表面から照明光束が反射した画像カメラが受け取る検査光束の強さや量を、適正な範囲に保つことができるため、検査対象の表面に付着した異物の乱反射による輝度の低下をもって不良検出するような場合、対象物表面の照明光束との位置精度に影響されることなく、安定して検査することが可能となる。
【００６５】
さらに、請求項３に記載の発明に係る照明ユニットによると、請求項１で述べたハーフミラーの揺動を支える手段と、アクチュエータと一般的に呼称されるところの揺動する力を生成する手段とを、ハーフミラーの取り付け部分に一体的に形成でき、電磁相互作用によって揺動運動を生成できるため、例えば揺動運動を玉軸受けで支え、アクチュエータにサーボモータなどの旧来の手段としたものより、コンパクトな照明ユニットを提供できるものである。請求項４の発明に係る照明ユニットでは、請求項３に述べた電磁相互作用によって揺動運動を生成できるアクチュエータを使った別の構成例を示した。以上のようにアクチュエータを一体的簡潔に構成し、電磁相互作用で動作させるものとしたため、揺動部分の質量が小さくなり低エネルギーで高速な動作が可能であるし、構成部品が少なく故障に対する信頼性も高くなる。
【００６６】
さらに、請求項５に記載の発明に係る照明ユニットによると、請求項１で述べたハーフミラーの揺動を支える手段と、アクチュエータと一般的に呼称されるところの揺動する力を生成する手段とを、ハーフミラーの取り付け部分に一体的に形成でき、静電力作用によって揺動運動を生成できるため、請求項３に係る発明の場合と同様に、旧来のものより、コンパクトな照明ユニットを提供できるものである。以上のようにアクチュエータを一体的簡潔に構成し、静電力で動作させるものとしたため、揺動部分の質量が小さくなり低エネルギーで高速な動作が可能であるし、構成部品が少なく故障に対する信頼性も高くなる。
【００６７】
また、請求項６と請求項７と請求項８の発明に係る照明ユニットによると、請求項１、請求項３、請求項４、請求項５に記載の照明ユニットのハーフミラーが取り付けられアクチュエータが形成される部分を、高弾性材料で一体的に成形したため、繰り返し動作にも壊れにくい効果が期待できる。また、その高弾性材料をシリコン単結晶とすれば、本発明の照明ユニットを半導体製造の技術を応用して製作することが可能となる。また、その高弾性材料を可視波長を透過帯域とするガラス材料とすれば、枠Ｙにハーフミラーとしての光学機能を付加することによって、ハーフミラーまで一体的な照明ユニットとすることができ、より一層の信頼性や高速性を確保できるものである。
【００６８】
請求項２に記載の発明に係る照明ユニットの構成によれば、画像カメラの前で固定ハーフミラーによって折り返された光線が少なくとも３個の光素子に対しての入力強度を検出し、演算装置にて演算することができる。その上で、請求項９に係る発明には、前記の演算結果よって対象物からの反射光線が画像カメラに対してどの角度で入射しているか推定することができるため、アクチュエータの揺動運動を制御することができる。ハーフミラーの揺動量を決定する部分を画像カメラとは別の部分に設けたことにより、揺動量の決定に要する作業を平行して進めることができ、高速な制御が可能となる。少なくとも３個の光素子は、外観的にディスクリートである必要はなく、請求項１１と請求項１２に記載したごとく、光検出素子アレイ状であっても良く、素子が多くなる分、より精密な動作制御が可能である。
【００６９】
請求項１０に記載の発明に係る照明ユニットの制御方法によれば、照明ユニットに必須であるハーフミラーの揺動量を、画像カメラで撮像した実際の検査画面に基づく画像信号を演算処理することによって決定できるため、逐時的にきめ細かい制御が可能である。また、制御用の光路や素子を別に用意する必要がなくなるため、安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示す
【図２】本発明による表面検査用画像装置の照明ユニットの一実施形態の動作を示す模式図
【図３】ハーフミラーに入光する投光光束と検査光束がほぼ直角な状態を示す図
【図４】ハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が平行な状態図
【図５】ハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、投光光束とハーフミラー平面が４５度ずれた状態図
【図６】ハーフミラーの揺動運動を説明するための模式図で、図５のハーフミラーが揺動軸のまわりに反時計方向に揺動した状態図
【図７】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の上面図
【図８】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の右側面断面
【図９】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の右側面断面
【図１０】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の正面断面図
【図１１】本発明に使用するハーフミラー揺動装置の正面断面図
【図１２】本発明で使用するハーフミラー揺動装置の他の例で上面図
【図１３】本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、光束の中心の進路を示す。
【図１４】光学素子ユニットの模式図
【図１５】本発明による表面検査用画像装置の第二の実施形態の動作を示す模式図で、対象物表面が傾いている場合の光束の中心の進路を示す。
【図１６】光素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図
【図１７】ＣＣＤ素子を用いた検出器の動作原理を説明するための模式図
【符号の説明】
１ 対象物
１ａ 対象物表面
１ｂ 対象物原位置
１ｃ ズレ角
２ 画像カメラ
３ ハーフミラー
３ａ 揺動軸Ｘ
３ｂ ハーフミラー原位置
３ｃ 揺動軸Ｙ
３ｄ 揺動角Ｘ
３ｅ 揺動角Ｙ
４ 投光器
４ａ 投光光束中心Ｌ
４ｂ 投光光束中心ｌ
４ｃ 照明光束中心Ｍ
４ｄ 照明光束中心ｍ
４ｅ 検査光束中心
５ 投光束
５ａ 投光束小
６ 照明光束
６ａ 照明光束小
７ 反射光束
８ 検査光束
９ 基部
１０ 梁Ｘ
１１ 枠Ｘ
１２ 梁Ｙ
１３ 枠Ｙ
１４ 電流路Ｘ
１４ａ 電極Ｘ
１５ 電流路Ｙ
１５ａ 電極Ｙ
１６ 磁力線発生部Ｘ
１６ａ 磁石
１６ｂ 磁力線Ｘの向き
１６ｃ 磁気回路部材Ｘ
１６ｄ 基部電極Ｘ’
１６ｅ 基部電極Ｙ’
１７ 磁力線発生部Ｙ
１７ａ 磁石
１７ｂ 磁力線Ｙの向き
１７ｃ 磁気回路部材Ｙ
１８ 固定ハーフミラー
１９ 光素子ユニット
１９ａ 光素子Ａ
１９ｂ 光素子Ｂ
１９ｃ 光素子Ｃ
２０ 参照光束域目標位置
２０ａ 参照光束域現在位置
２１ 参照光束
２２ ＣＣＤ素子
２２ａ 原点
Claims (12)
- 少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットにおいて、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構成としたことを特徴とする表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットにおいて、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能とし、前記揺動可能ハーフミラーと画像カメラ間に固定ハーフミラーを配置し、該固定ハーフミラーで分割された対象物表面からの反射光線を検知する少なくとも３個の光素子を備え、該各光素子に入光する前記反射光線の量を信号演算処理する装置を備えたことを特徴とする表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 表面検査用画像装置の架台に対して固定される基部１と、該基部１と梁Ｘによって捩り運動を支持される枠Ｘと、該枠Ｘを基部２として、捩り方向が梁Ｘと直交する梁Ｙによって前記基部２に捩り運動を支持される枠Ｙを備え、該枠Ｙにハーフミラーが装着され、前記枠Ｘを前記梁Ｘまわりに揺動させるアクチュエータＸと、前記枠Ｙを前記梁Ｙまわりに揺動させるアクチュエータＹを備えているもののうち、枠Ｘに装着され梁Ｘとほぼ平行に流れる電流路Ｘと磁力線が前記電流路Ｘに直交するよう配置された磁力線発生部Ｘの組を前記アクチュエータＸとし、かつ、枠Ｙに装着され梁Ｙとほぼ平行に流れる電流路Ｙと磁力線が前記電流路Ｙに直交するよう配置された磁力線発生部Ｙの組を前記アクチュエータＹとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 枠Ｙに梁Ｘとほぼ平行に流れる電流路Ｘと梁Ｙとほぼ平行に流れる電流路Ｙを装着し、磁力線が前記電流路Ｘと該電流路Ｘに直交するよう配置された磁力線発生部Ｘとで前記アクチュエータＸとし、前記電流路Ｙと該電流路Ｙに直交するよう配置された磁力線発生部Ｙとで前記アクチュエータＹとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 枠Ｘに装着された電極Ｘと、該電極Ｘに相対するよう基部１に配置された基部電極１の組み合わせを前記アクチュエータＸとし、かつ、枠Ｙに装着された電極Ｙと、該電極Ｙに相対するよう前記枠Ｘに配置された基部電極２の組み合わせを前記アクチュエータＹとしたことを特徴とする請求項３記載の表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 基部１と梁Ｘ、枠Ｘと梁Ｙ、ハーフミラーを装着する枠Ｙ、の全てが高弾性材料により一体的形状に形成されていることを特徴とする請求項３、４又は５記載の表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 前記高弾性材料がシリコン単結晶であることを特徴とする請求項６記載の表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 前記高弾性材料が可視波長を透過帯域にもつガラス材料であることを特徴とする請求項６記載の表面検査用画像装置の照明ユニット。
- 少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットであって、前記ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能な構成とし、画像カメラで撮影した対象物の表面画像を信号演算処理することによって、ハーフミラーをその鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定することを特徴とする表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法。
- 少なくとも、表面検査される平面的で平滑な鏡面に近い対象物表面を撮影する画像カメラと、該対象物表面を照明する照明ユニットと、その照明ユニットによる光線を前記画像カメラと前記対象物表面の光路間で分割するハーフミラーとからなり、前記ハーフミラーを透過した前記対象物表面からの反射光線を前記画像カメラで撮影し検査する構成を持つ表面検査用画像装置の照明ユニットであって、ハーフミラーをその鏡平面を規定するＸＹ軸まわりに揺動可能とし、前記揺動可能ハーフミラーと画像カメラ間に固定ハーフミラーを配置し、該固定ハーフミラーで分割された対象物表面からの反射光線を検知する少なくとも３個の光素子を備えた構成を持ち、該各光素子に入光する前記反射光線の量を信号演算処理することによって、前記揺動ハーフミラーの鏡平面の２軸まわりに揺動させる量を決定することを特徴とする表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法。
- 少なくとも前記３個の光素子を、一つのＣＣＤセンサとしたことを特徴とする請求項１０記載の表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法。
- 少なくとも前記３個の光素子を、一つのＣＭＯＳイメージセンサとしたことを特徴とする請求項１０記載の表面検査用画像装置の照明ユニットの制御方法。
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