JP2008116930A - 線状集光器 - Google Patents
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Abstract
【課題】多方向性の光源から光を線状ターゲット領域に集光させる。
【解決手段】光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品３６を含み，該部品は光源から線状ターゲット領域２６へと集光するための少なくとも第１および第２の面を有し，第１および第２の面の少なくとも１つが湾曲しており，光の第１の部分が第１の面からの反射により線状ターゲット領域２６へと集光され，光の第２の部分が第２の面での屈折により線状ターゲット領域２６へと集光される光学素子。
【選択図】図４
【解決手段】光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品３６を含み，該部品は光源から線状ターゲット領域２６へと集光するための少なくとも第１および第２の面を有し，第１および第２の面の少なくとも１つが湾曲しており，光の第１の部分が第１の面からの反射により線状ターゲット領域２６へと集光され，光の第２の部分が第２の面での屈折により線状ターゲット領域２６へと集光される光学素子。
【選択図】図４
Description
この発明は集光器全般に関し，具体的には，多方向性の光源からの光を線状ターゲット領域に集光するためのオプティクスに関する。
当該技術分野では，線状光源（線光源）（linear source）から線状ターゲット領域（linear target region）へと集光するための様々なタイプの光学系が知られている。極めて効率的な光源，例えばほぼ点位置から多方向性の光（multi-directional light）を放射するコンパクト拡張光源（compact extended sources）を構成するダイオードを含む光源を開発することに，相当の研究リソースや設計リソースが投資されてきたが，従来の光学コンポーネント（部品）は，このようなコンパクト拡張光源から線状ターゲット領域へと集光するには最適ではない。
この発明の実施態様は，光源から線状ターゲット領域へと集光するのに適した新しい光学素子を提供する。このような素子は反射面と屈折面の両方を有し，これらの面は，光源から放射される光の異なる部分を異なるやり方で集光するように構成されている。素子は，比較的高い収集角（collection angles）および比較的低いレベルの収差をもたらし，高効率かつ高精度の線状ターゲット領域への光の収集と集光を導く。以下で説明するような光学素子は，ＬＥＤ（複数）のようなコンパクト拡張光源と合わせて使用するのに特に適しているが，例えば白熱電球等の他の拡張光源とともに使用するのにも同様に適合させることができる。
これらの新しい光学素子は様々な応用例において使用することができる。幾つかの実施態様では，この種類の一または複数の素子は，走査型光学検査システムにおいて，検出器アレイと組み合わせて線状領域を照明するのに使用される。この検出器アレイは，照明領域から反射する光，または例えばバックライトからの照明領域を通過する光を捕捉し，物体が検査されていることを表す信号をプロセッサに出力し，この信号はプロセッサにおいて例えば物体における欠陥の存在を判断するために処理される。ここで使用されるように，用語「反射する光」は，照明面から鏡面的に反射する光，または照明面から拡散的に反射する（散乱する）光を，何らの限定も加えることなく，含むものとする。
図面を参照して，この発明は，その実施態様についての以下の詳細な説明から，より完全に理解されよう。
図１Ａは，この発明の実施態様による，物体22の自動光学検査用システム10を極めて簡素化した概略図である。物体22は通常，その上にパターンが形成された平面構造（プレーナ・ストラクチャ）（planar structure）のもので，例えば素（bare）プリント基板，密集プリント基板，フラット・パネル・ディスプレイまたは半導体ウェハ（これらに限定されいない）を含む。少なくとも１つの線状照明ユニット（linear illumination unit）24が，物体22の表面上に線状ターゲット領域（linear target region）26を照明する。この明細書および特許請求の範囲で使用する用語「ターゲット領域（target region）」は，とりわけ図１Ａおよび図１Ｂに示すような表面上の実際の物理的照明区域（actual physical illuminated area），ならびに空間に存在する線状光源（線光源）を規定する空中の照明領域（aerial illumination region）の両方のターゲット領域を含む（この線光源は，例えば，下流側の円筒形レンズまたは楕円円筒形反射器等の補助照明オプティクス用の入力として使用することができる）。
後に続く図を参照して，照明ユニット24を詳しく説明する。検出ユニット28が領域26の画像を捕捉する。通常，検出ユニット28は，当該技術分野で知られているように，領域26から検出器へと反射する光を集束する好適な画像収集オプティクス（図示せず）を備えた一列または複数列の光検出器（複数）を有している。上記に加えて，または上記に代えて，バックライト（図１Ａでは見えない）がもたらす透過光により領域26を照明することも，任意に行うことができる。
運動アセンブリ30は，矢印31で示す方向に物体22を移動させ，これによって物体の表面上の対象区域全体にわたってターゲット領域26が走査される（対象区域は表面の全部または一部のみ含むことができる）。上記に代えて，または上記に加えて，運動アセンブリは，照明ユニット24および検出ユニット28を移動させることにより，ターゲット領域を走査することができる。画像処理回路を含むコンピュータ制御装置32がシステム10の各要素を制御し，検出ユニット28により生成された電子画像信号を受信し処理する。したがって，画像プロセッサは例えば，検出ユニットによって形成された連続する画像を組み合わせて対象区域の完全二次元画像にすることができ，同様に，画像を分析して欠陥を検出し，別の方法で物体の表面を検査することもできる。
図１Ｂは，この発明の別の実施態様による，物体22の自動光学検査用システム20を極めて簡素化した概略図である。物体22は典型的には，例えばプリント基板または半導体ウェハ等のパターン形成をその上に有する略平面構造のものである。複数の線状照明ユニット24を有する画像収集アセンブリ23が，物体22の表面上で線状ターゲット領域26を照明し，その画像を取得する。
後に続く図を参照して，画像収集アセンブリ23と照明ユニット24とを詳しく説明する。検出ユニット28が領域26の画像を捕捉する。通常，検出ユニット28は，当該技術分野で知られているように，領域26から検出器へと反射する光を集束する好適な画像収集オプティクス（図示せず）を備えた一列または複数列の光検出器（複数）を有している。上記に加えて，または上記に代えて，バックライト（図示せず）が供給する透過光により領域26を，任意に，照明することができる。
運動アセンブリ30は，矢印31で示す方向に物体22を移動させ，これにより物体の表面上の対象区域全体にわたってターゲット領域が走査される（対象区域は表面の全部または一部のみ含むことができる）。上記に代えて，または上記に加えて，運動アセンブリは，画像収集アセンブリ23を移動させることにより，ターゲット領域を走査することができる。画像処理回路を含むコンピュータ制御装置32がシステム20の各要素を制御し，検出ユニット28により生成された電子画像信号を受信し処理する。したがって，画像プロセッサは例えば，検出ユニットによって形成された連続する画像を組み合わせて対象区域の完全二次元画像にすることができ，同様に，画像を分析して欠陥を検出することも，別の方法で物体の表面を検査することもできる。したがって，例えばオルボテック リミテッド，ヤフネ，イスラエル（Orbotech Ltd.,Yavne,Israel）から入手可能なDiscovery（登録商標）自動光学検査システムは，ここに詳述された照明および画像収集システムと組合せるに好適なものである。
図２は，この発明の実施態様による照明ユニット24の概略図である。照明ユニットは，少なくとも１つの光源34と，ユニタリィ（unitary）集光器（light concentrator）36とを有する。光源34は，連続的な光源，例えばフィラメント・エミッタまたは複数のコンパクト拡張光源（例えば複数のＬＥＤ）（これらは相互に接触していても，いなくてもよい）を有することができる。
この特許出願および特許請求の範囲において，用語「ユニタリィ（unitary）」（単一の，一体的な,一体化された）は，光学材料の単一部品（single piece）を有する（から成る，を備えた）光学素子，または光学材料の相互に接合される複数の部品（pieces）を有する（から成る，を備えた）光学素子を含み，これは，高い光学性能が要求される際に，より一般的に使用されるものとして素子間に間隙を有する従来の複合オプティクスとは対照的である。集光器36は回転対称（circularly symmetrical）ではない。むしろ，この実施態様および以下で説明するその他の実施態様において，集光器は，光源34とターゲット領域とを通る対称面（a plane of symmetry）（図３に見られる軸線41に対応する）を有する。光源の長手方向（縦方向）軸線（軸）は，ターゲット領域の長手方向（縦方向）軸線（軸）と平行である。図２に示すタイプのユニタリィ素子はとりわけ，これらを，例えば光学ガラス，プラスチック，またはその他の好適な光透過性材料を用いた押出し加工または引抜き加工によっても，成形技術によっても，安価に製造できるという点で有利である。後に続く図を参照して，集光器36の他の特徴および利点を説明する。
図２に示す実施態様では，光源34は発光ダイオード（ＬＥＤ）（複数）38のアレイを有し，ＬＥＤは通常，回路基板40に取り付けるために個々のチップとして提供される。この発明の実施態様では，ＬＥＤ38は，例えば厚さ約１ｍｍで屈折率1.45の光透過性被包（カプセル）で被覆されているが，封入していないＬＥＤも好適なものである。この発明の実施態様において，各ＬＥＤ38は，概ね均一の明るさのビームをほぼ２πステラジアンに放射する。
上記に代えて，集光器36および以下で説明する他のタイプの集光器を，他のタイプの光源，特に，放電ランプ，直線白熱電球，蛍光灯，および当該技術分野で知られている他の種類のエミッタ（emitters）等の線光源と共に使用することができる。用語「光（light）」および「照明（illumination）」は，本開示および特許請求の範囲において，可視光だけでなく赤外線波長域および紫外線波長域の光も含むものとして規定された光領域における任意のおよび全ての放射線を表わすのに使用し，これらの放射線は，好適な材料でつくられた透過性素子により集束させることができる。
次に図３および図４を参照する。図３は集光器36の略断面図であり，光線（ray trace）を示している。図４は集光器36の等角図であり，垂直接線方向（perpendicular tangential direction）で集光器36のサジタル平面（sagittal plane）に，光源34の要素であるＬＥＤ38の光線を示す。光源34からの光の一部，すなわち集光器36の対称面41（すなわちこの図ではＸ‐Ｚ面）に対して高角度（high angle）で放射される比較的高角度の光線37を有する光の一部が，入射面（entry surface）46および48から集光器36に入り，その後，非球面の反射面42および44で反射し（このようにする必要はないが，例えば全反射により），続いて射出面（exit surface）50および52から出射して，それぞれターゲット領域26（図１Ａおよび図１Ｂ）に当る。この発明の実施態様において，非球面の反射（aspheric reflective surface）面42および44は湾曲しており，非放物線断面（non-parabolic section）を有する。
したがって，光源34からの光が全反射により面42および44で反射するように集光器36が構成された実施態様では，面42および44へ外部反射コーティングをそれぞれ追加する必要はなく，これによって製造の複雑さと制作費が低減される。しかしながら，幾つかの実施態様においては，好適な反射コーティング，例えば銀反射コーティングを面42および44に追加することが必要となる，または望ましいことである。
面46，48，50，52は，光源34に関して，要素的コンパクト拡張光源（elemental compact extended source）に対する色収差および接線フィールド収差（tangential field aberration）を含む様々な光学収差を最小にするように構成されかつ配置されており，これを以下でより詳しく説明する。この発明の実施態様によれば，光は，面46および48から，これらの面に対してほぼ垂直の角度で垂直接線方向（perpendicular tangential direction）に集光器36に入り，面42および44で反射する光は，射出面50および52から，これらの面に対してほぼ垂直の角度で垂直接線方向に集光器36を出射する。光源34はコンパクト拡張光源であり，完全な点光源ではないため，そこから放射される全ての光が面46，48，50，52にそれぞれの面に対して厳密に垂直の角度で垂直接線方向に当るわけではないということを注記しておく。つまり垂直からの小さな偏差が予想されるので，面46，48，50，52の好適な設計ではこれらの偏差を考慮する。
面41に関して比較的低角度（low angle）で垂直接線方向に放射される低角度光線39を有する，光源34からの光の別の一部は，収集面（collecting surface）54から集光器に入射し，この収集面は光線を射出面56に向ける。その後，これらの低角度光線39は，射出面56での屈折によりターゲット領域26へと集光する。この発明の実施態様によれば，垂直接線方向に放射される低角度光線39が，垂直接線方向に放射される高角度光線37が収束する位置よりも光源34からより離れた位置に収束するように集光器36の光学面が構成されかつ配置される（このように構成，配置する必要はないが）ということを注記しておく。
したがって，集光器36は，光源34から放射される光線を，サジタル平面においてほぼ180°いっぱいまで収集し集光する。この発明の実施形態ではサジタル平面において約140°であるが，「無駄な」光線はほとんどない。光源34から放射される光線には，面42および44での反射によりターゲット領域26へと集光するものがあり（高角度光線37），他方，光源34から放射される光線が，射出面56での屈折によりターゲット領域26へと集光するものもある（低角度光線39）。
光源38は無限に小さい点光源ではないので，それに応じて，この光源からの光は無限に小さい場所には集光または集束できないということを注記しておく。したがって，各ＬＥＤ38ごとに最大放射照度（maximal irradiance）を有する集光さたれた光の有限の領域が形成されることになる。集束領域の幅，すなわち最大放射照度を有する領域は次の式によって近似的に与えられる。（焦束領域幅）＝（光源幅）×（オプティクスに入射する照明の有効角）／（照明領域に当る照明の有効角）。
集光器36の設計は，光源の光学的寸法を考慮しつつ，サジタル平面での様々な光学収差を最小にするように最適化される。したがって，例えば基本的に円筒形レンズを形成する面54および56は，各要素的コンパクト拡張光源（elemental compact extended light source）34により放射される光についてターゲット領域26に沿って接線フィールド曲率（tangential field curvature）を低減するように構成されている。さらに，面42および44で反射する光線に関連するサジタル収差は，例えば，サジタル平面において，入射面46，48および射出面50，52に当る光線がこれらの面に対してほぼ垂直となる角度で当るように，これらの面の形状を選択することにより減少する。
したがって，この発明の実施態様において，入射面46および48は，光源34の光学的位置が概ね中心となるほぼ円筒形のプロフィールを有するので，光はほとんど垂直なサジタル入射角で集光器に入り，したがって，これらの面で受ける収差は最小限となる。同様に，射出面50および52は適切に湾曲しているので，光はサジタル平面においてこれらの面に対してほぼ垂直となる角度で集光器36を出射する。したがって，面46，48，50，52での屈折に起因するサジタル収差は最小化される。反射面42および44は本質的に色収差またはフィールド曲率収差を導入しないので，光源34の発光領域の実際の寸法を前提として他の収差を最小にするように設計することができる。
この発明の実施態様による集光器36の等角図である図５を参照する。この図は４つの異なる接線方向における光線を示す。この発明の実施態様による集光器の略側面図である図６Ａ〜図６Ｃを参照する。これらの図は選択された３つの接線角の照明光線の投影を示す。この発明の実施態様による集光器の略側面図である図７を参照する。この図は，幾つかのコンパクト拡張発光体の重複照明領域を示す。
所与の要素的光源（elemental source）34から放射される高角度光線37は，面42，44のいずれかで反射して，接線角θにかかわらず，ほぼ一定距離でターゲット領域26へ収束する。光源34の拡張性質（extended nature）に起因して，反射光線は直線的な照明領域126を照明する。しかしながら，所与の要素的光源34から放射される低角度光線39は，面56で屈折し，ターゲット領域26付近であって，接線角（tangential angle）の関数であるターゲット領域からの或る距離のところで収束し，湾曲した照明領域226を照明する。この発明の実施態様によれば，各集光器の端部59はこの端部に当る接線光線を反射させ，これらの光線を照明領域26へと方向転換させる。反射は全反射に起因するものとすることができる。面を反射コーティングで適当に，任意に，被覆することができる。
図７に示すように，空間的に分離した複数の要素的光源34により照明を提供すると，ターゲット領域26に重なる直線的な照明領域126で示すように，光源（複数）が空間的に分離していても，面42および44で反射する光についてターゲット領域26全体にわたりフィールド曲率が実質的になくなる。面56で屈折する光について照明フィールド226は各要素的光源34について湾曲しているが，集光器36を好適に設計し，光源34を離間させることにより，重複する複数の湾曲した照明フィールド226が生成される。したがって，この発明の実施態様により構成された集光器36と適当に離間するコンパクト拡張光源とによって生成される，直線的な照明フィールド126と複数の湾曲した照明フィールド226とを組み合わせると，照明の立体角の範囲内で面26がほぼ実質的に均一に照明される。
面42および44で大きな接線角で反射する光線を含む，光源34から放射される光線は，集光器36の入射面および射出面での屈折に起因する接線の色収差（tangential chromatic aberration）を受けることになるということを注記しておく。しかしながら，多数の光源34を使用し各光源34が重複領域を照明するこの発明の実施態様では，色分散（chromatic dispersion）が平均化する傾向をもち，そのためにターゲット領域26の長さのほぼ全体にわたり照明の色と強度とが近似的に一定となる。
上述したこの発明の実施態様による上記の別の方法において，屈折面46，48，50，52の曲り（曲線）（曲面）は，光源34で始まる光路が入射面46または48を通り，面42または44で反射し，その後再び面50または52で屈折するように選択され，面46，48，50，52はサジタル収差を本質的に最小にするように構成，配置される。しかしながら，面54および56が概ね円筒形レンズとして働くことにより，各光源34によって放射されてこれらの面を通過する光は，接線面において湾曲した領域へと集束される。したがって，この発明の実施態様によれば，複数の光源は，重複する複数の湾曲した照明領域を生じさせる。
上述の設計の特徴のため，集光器36は，波長または集光器がつくられている材料の屈折率に対する感受性がほとんどない。その結果，集光器は広範な範囲の材料によりつくることができ，広範な範囲の波長にわたって使用することができる。集光器の反射面が全反射により機能するので，集光器は，コーティングの影響を受けにくいZeonex等の材料でつくることができる。
この発明の実施態様によれば，集光器36は，射出成形工程または押出し加工工程により製造することができ，集光器をハウジングに取り付ける際に使用するための取付けスタブ58を含む。この発明の実施態様において，取付けスタブ58は別個の要素であり，それらは集光器36の反射特性への影響を最小にするように位置決めされている。ＬＥＤのような複数のコンパクト拡張光源を有するエミッタと合わせて使用するのに適した通常の集光器36は，16.108ｍｍの高さ（図３ではＺ方向で水平）および幅13.892ｍｍ（Ｙ方向）を有する。収集面54は，ＬＥＤ38の前面の上3.000ｍｍのところに位置しており，1.900ｍｍの直径を有する。射出面56は3.902ｍｍの幅を有する。集光器は，所望の任意の長さ（長さとはＸ方向での寸法であり，図３の紙面の中へ向かう），例えば100〜200ｍｍに製造または切断することができる。ＬＥＤ38が約1.0ｍｍの幅を有すると仮定すると，集光器36により生成されるターゲット領域26は，集光器の前面から40ｍｍの距離のところに2.0ｍｍを超える幅を有することになる。この実施態様における集光器36の設計のさらなる詳細を，以下の別表で一覧にする。
この発明の別の実施態様による，線光源62と共に使用する集光器60の略断面図である図８を参照する。この実施態様の原理は，上述した集光器36の原理と同様である。すなわち，集光器60は非回転対称（non-circularly-symmetrical）であり，光源62およびターゲット領域26を通り，図面の紙面に垂直な対称面を有する。しかしながら，集光器60は，光源62からの光を，サジタル平面においてより大きな角度にわたって，この場合約270°の角度にわたって収集し集束するように構成されている。例えば，光源62が，サジタル方向において180°を超える角度範囲にわたって発光するフィラメント，放電アーク，または蛍光光源を有する場合には，この実施態様は有益である。
光源62から高角度（high angle）（±135°まで）で放射される光線は，入射面68および70から集光器60に入り，反射面64および66からの内面反射（internal reflection）によりターゲット領域26に向かって反射する。通常，面64および66の少なくとも一部，例えば，面への光線のうち入射角が全反射のためには小さすぎる部分の外側（面64および66の外側）に，反射コーティングが設けられる。例えば図３を参照して上で説明したように，面64および66から反射する光線は，サジタル収差を最小にするように構成された射出面72および74から集光器60を出射する。光源62から低角度（low angle）で放射される光線は，収集面76および射出面78での屈折によりターゲット領域26へと集束される。このような構成は，例えば，プラスチック成形工程（金型から集光器を抜き取るのを促進する好適な抜き勾配が施される）または押出し加工工程により製造することができる。
この発明のさらに別の実施態様による，線光源82と共に使用するための集光器80の略断面図である図９を参照する。先行する実施態様におけるように，集光器80は非回転対称であり，図面の紙面に対して水平な対称面を有する。集光器80は，光源82からの４Πステラジアンにわたる光を収集し集束するように構成されている。したがって，フィラメント，アーク，または蛍光灯等の光源が使用されたときに，集光器80は光源により生成されるほとんど全ての光を収集し集束する。
光源82は集光器80内でキャビティ84の内側に収容される。光源から高角度（±180°まで）で放射される光線は，円筒形の入射面90を通って集光器内へ入る。面90が光源82の位置に中心をもつ円形プロフィールを有することから，光線は面90では屈折せず，したがってサジタル収差はほとんど誘発されない。高角度範囲の低い部分における光線は反射面86および88で反射し，これらの反射面は光線を射出面92および94からターゲット領域26へと集光する。高角度範囲の高い部分における光線は，後部反射面96により光源82の位置の方へ戻るように反射する。通常，面96も，光源82の位置に中心をもつ円形プロフィールを有する。反射コーティングは通常，面86，88，96に塗布される。面96から反射する光線は，光源82から低角度で放射される光線と同じように，収集面98および射出面100での屈折によりターゲット領域26へと集束される。上記に代えて，反射コーティングを面90の一部に設け，これにより面96の反射機能を取り除くことができる。
図10は，この発明のさらに別の実施態様による集光器110の略分解断面図である。集光器110は，図９に示すような集光器80と同一原理で機能するが，製造がずっと簡単になるように設計されている。集光器110は前側部品112および後側部品114から構築されており，これらは例えば射出成形または押出し加工により別々に製造される。その後これらの２つの部品を好適な光学接着剤を使用して張り合わせ，または互いにきわめて接近させて配置する。
図11は，この発明の実施態様による集光アセンブリ120の概略図である。図に示すように，アセンブリ120は，端部同士を積み重ねた多数の集光器36を有する（これに代えて，この発明の原理に基づく別のタイプの集光器，例えば図８〜図10に示すようなものを，このやり方でも，以下で図12に示すやり方でも，またはその両方で組み合わせることができる）。この構成により，ターゲット領域26をより拡張して照明することができる。所与の集光器の端部59に当たる接線光線は，全反射により集光器へと戻るように反射される。好適な反射コーティングが任意に設けられる。このような反射は，光源34により放射される光の損失を効果的に低減する。
図12は，この発明の別の実施態様による集光アセンブリ130の略断面図である。この実施態様では，集光器36が隣り合って保持され，多数の集光器が，同一のターゲット領域26に沿って異なる部分を照明する。図12ではターゲット領域26が全方向から照明されるが，集光器の数を減らして使用し，より小さいサジタル角の範囲にわたって領域を照明することもできる。例えば，図12の構成で３つの集光器を共に使用して，ユニット間に死角なしで，サジタル的に（sagittally）120°の範囲にわたって光が収束する領域を照明することができよう。図12に示す種類の多数の集光器アセンブリ（複数）は，図11に示すやり方で端部同士を積み重ねることもできる。さらに，図12に示すやり方で照明器を配置するときに，面を照明するのに使用する照明立体角への制御は，照明応用例にとって照明が最適に適合するように実現することができる。
図13は，この発明のさらに別の実施態様による集光アセンブリ140の略断面図である。この実施態様では，集光器36が隣り合って保持され，図12に示すのと同様のやり方で多数の集光器が，同一のターゲット領域26に沿って異なる部分を照明する。集光器137のうちの１つが，２つの集光器36間の領域を照明するように構成されていると同時に，例えばターゲット領域26を画像化する働きをするビーム・スプリッタを含む，好適な目視オプティクス（図示せず）を挿入できる作業距離を提供するように構成されている。
この発明の実施態様により構成された画像収集アセンブリ23を簡素化した側面図である図14を参照する。画像収集アセンブリ23は，光軸132に沿ってターゲット領域26の画像を取得するカメラ131を含む。図14に示す実施態様では，軸132はターゲット領域26に対して概ね垂直であるが，このようにする必要はない。カメラ131からの画像は画像プロセッサ133に供給され，好適に処理されて欠陥（例えば電気回路内の欠陥）が検出される。この発明の実施態様において，図14に見られるように，カメラ131の視野経路（viewing path）は，例えば，少なくとも１つのミラー135または他の好適な周辺視野のオプティクスを用いて曲げられる。
複数の照明ユニット24および少なくとも１つの軸上照明ユニット124が，カメラ131の視野内のターゲット領域26を照明する。照明ユニット24にはそれぞれ，例えば，図２〜図７を参照して示し説明したこの発明の実施態様による集光器36を使用する。軸上照明ユニット124は，この発明の別の実施態様により構成された集光器137を使用しており，この集光器137は，集光器36とその動作および構造の特徴の幾つかを共有する。
図14に見られるように，集光器36が隣り合って整列され，ターゲット領域26を照明する。集光器36のうちの２つの間に間隙142が設けられ，軸132に沿って照明することもターゲット領域26に沿ってその領域をカメラ131の視野に収めることも可能となる。軸上照明ユニット124により，概ね間隙142を満たす照明が提供され，この照明はこの発明の別の実施態様により構成された集光器137を使用する。集光器137からの照明は，ビーム・スプリッタ150，好ましくは光透過性材料である部分反射スラブを通過し，図14に見られるようなこの発明の実施態様によれば，この部分反射スラブは追加的に，カメラ131の視野経路を曲げる周辺視野オプティクスの一部となる。
したがって，図14に見られるように，照明ユニット124は，間隙142を僅かに過剰に満たす角度の範囲内で光軸132の近くを照明する。光軸132からさらにずれた角度のところでは，ターゲット領域26は，少なくとも１つの照明ユニット24が提供する照明により照明されるが，照明ユニット24は，ターゲット領域26を照明するオフ−アクシス照明の程度を必要に応じて制御するように選択可能に動作させることができ，これにより様々な画像化応用の要求を満たすということを注記しておく。
したがって，この発明の実施態様によれば，所与の画像化応用にとっての必要に応じて，一つまたは複数の照明ユニット24および124により照明を様々に組み合わせることができる。例えば，照明の組み合わせは，限定することなく以下を含む。
‐照明ユニット124および全ての照明ユニット24が，オン−アクシス（on-axis）およびオフ−アクシス（off-axis）照明の両方を含む照明を提供するように同時に作動すること。
‐照明ユニット124およびいくつかの照明ユニット24が，オン−アクシスおよびオフ−アクシス照明の両方を含む照明を提供するように同時に作動すること。作動させる照明ユニット24の数は，オン−アクシス照明に加えてオフ−アクシス照明の角度程度を制御するように選択することができる。
‐照明ユニット24のいずれをも作動させず，照明ユニット124のみを作動させ，これによって光軸132に比較的近い照明でターゲット領域26を照明すること。
‐照明ユニット124を作動させず，一または複数の照明ユニット24を作動させ，これによって，光軸132に近い照明ではターゲット領域26を照明せず，光軸132から出発する照明でターゲット領域26を照明すること。
この発明の実施態様によれば，集光器137を含む照明ユニット124によりオン−アクシス照明が提供される。照明ユニット124は，オン−アクシス照明を提供するものとして示されているが，線状ターゲット領域に沿った集光を必要とするどんな応用に対してもこの照明ユニットは好適である。光は拡張光源を有する光源134により，通常は例えばＬＥＤ等のコンパクト拡張光源により提供される。光は湾曲した入射面146から集光器137に入り，例えば全反射により非球面の反射面142で反射し（面142には好適な反射コーティングを設けて反射率を増進することができる），続いて射出面152から出射する。
光源134および入射面は，光源134からの光が面146をこれにほぼ垂直な角度で入射して面142で反射し，続いて，射出面152をこれにほぼ垂直な角度で通って集光器137を出射するように構成されている。光源134はコンパクト拡張光源であり，完全な点光源ではないので，そこから放射される全ての光が，面146および152に，それぞれの面に対して厳密に垂直な角度で当るわけではないということを注記しておく。つまり垂直からのわずかな偏差が生じることが予想される。
上で図２〜図８に関して説明した光学設計は，中心面に関する対称を特徴としているが，この発明の原理を，例えば図14を参照して説明したような非対称の光学集光器を製造する際に適用することもできる。ただしこの明細書で説明した設計概念を共有する他の非対称設計を使用することもできる。
したがって，上述の実施態様は例示として挙げたものであり，この発明は，特に上記で示し説明したものに限定されるものではないということが理解されよう。むしろ，この発明の範囲は，上で説明した様々な特徴と，先行する説明を読めば当業者が思いつくはずである，先行技術に開示されていないそれらの変更および修正との両方の組み合わせ（コンビネーション）およびサブコンビネーションを含む。
別表 例示的な設計パラメータ
以下の表Ａ１は，図３に示すような，反射面42および44の座標プロフィール（ｍｍ）を一覧にしている。座標の原点は図の光源34の位置である。
表Ａ１ 非球面の反射面のプロフィール
┌───────┬───────┰───────┬───────┐
│ Y │ Z ┃ Y │ Z │
┝━━━━━━━┿━━━━━━━╋━━━━━━━┿━━━━━━━┥
│ 6.946 │ 16.108 ┃ 5.651 │ 7.839 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.921 │ 15.873 ┃ 5.599 │ 7.609 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.897 │ 15.643 ┃ 5.547 │ 7.380 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.872 │ 15.414 ┃ 5.493 │ 7.150 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.846 │ 15.184 ┃ 5.438 │ 6.921 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.820 │ 14.955 ┃ 5.382 │ 6.691 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.793 │ 14.725 ┃ 5.324 │ 6.461 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.765 │ 14.496 ┃ 5.266 │ 6.232 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.737 │ 14.266 ┃ 5.205 │ 6.002 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.708 │ 14.037 ┃ 5.144 │ 5.773 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.679 │ 13.807 ┃ 5.081 │ 5.543 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.648 │ 13.577 ┃ 5.017 │ 5.314 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.618 │ 13.348 ┃ 4.951 │ 5.084 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.586 │ 13.118 ┃ 4.883 │ 4.855 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.554 │ 12.889 ┃ 4.814 │ 4.625 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.521 │ 12.659 ┃ 4.743 │ 4.395 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.488 │ 12.430 ┃ 4.671 │ 4.166 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.454 │ 12.200 ┃ 4.596 │ 3.936 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.419 │ 11.971 ┃ 4.519 │ 3.707 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.383 │ 11.741 ┃ 4.440 │ 3.477 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.347 │ 11.512 ┃ 4.359 │ 3.248 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.310 │ 11.282 ┃ 4.276 │ 3.018 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.272 │ 11.052 ┃ 4.190 │ 2.789 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.233 │ 10.823 ┃ 4.101 │ 2.559 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.194 │ 10.593 ┃ 4.009 │ 2.330 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.153 │ 10.364 ┃ 3.915 │ 2.100 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.112 │ 10.134 ┃ 3.817 │ 1.870 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.070 │ 9.905 ┃ 3.715 │ 1.641 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.027 │ 9.675 ┃ 3.609 │ 1.411 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.984 │ 9.446 ┃ 3.499 │ 1.182 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.939 │ 9.216 ┃ 3.385 │ 0.952 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.893 │ 8.986 ┃ 3.264 │ 0.723 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.847 │ 8.757 ┃ 3.138 │ 0.493 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.799 │ 8.527 ┃ 3.005 │ 0.264 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.751 │ 8.298 ┃ 2.863 │ 0.034 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.702 │ 8.068 ┃ 2.841 │ 0.000 │
└───────┴───────┸───────┴───────┘
以下の表Ａ１は，図３に示すような，反射面42および44の座標プロフィール（ｍｍ）を一覧にしている。座標の原点は図の光源34の位置である。
表Ａ１ 非球面の反射面のプロフィール
┌───────┬───────┰───────┬───────┐
│ Y │ Z ┃ Y │ Z │
┝━━━━━━━┿━━━━━━━╋━━━━━━━┿━━━━━━━┥
│ 6.946 │ 16.108 ┃ 5.651 │ 7.839 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.921 │ 15.873 ┃ 5.599 │ 7.609 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.897 │ 15.643 ┃ 5.547 │ 7.380 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.872 │ 15.414 ┃ 5.493 │ 7.150 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.846 │ 15.184 ┃ 5.438 │ 6.921 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.820 │ 14.955 ┃ 5.382 │ 6.691 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.793 │ 14.725 ┃ 5.324 │ 6.461 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.765 │ 14.496 ┃ 5.266 │ 6.232 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.737 │ 14.266 ┃ 5.205 │ 6.002 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.708 │ 14.037 ┃ 5.144 │ 5.773 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.679 │ 13.807 ┃ 5.081 │ 5.543 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.648 │ 13.577 ┃ 5.017 │ 5.314 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.618 │ 13.348 ┃ 4.951 │ 5.084 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.586 │ 13.118 ┃ 4.883 │ 4.855 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.554 │ 12.889 ┃ 4.814 │ 4.625 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.521 │ 12.659 ┃ 4.743 │ 4.395 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.488 │ 12.430 ┃ 4.671 │ 4.166 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.454 │ 12.200 ┃ 4.596 │ 3.936 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.419 │ 11.971 ┃ 4.519 │ 3.707 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.383 │ 11.741 ┃ 4.440 │ 3.477 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.347 │ 11.512 ┃ 4.359 │ 3.248 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.310 │ 11.282 ┃ 4.276 │ 3.018 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.272 │ 11.052 ┃ 4.190 │ 2.789 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.233 │ 10.823 ┃ 4.101 │ 2.559 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.194 │ 10.593 ┃ 4.009 │ 2.330 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.153 │ 10.364 ┃ 3.915 │ 2.100 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.112 │ 10.134 ┃ 3.817 │ 1.870 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.070 │ 9.905 ┃ 3.715 │ 1.641 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 6.027 │ 9.675 ┃ 3.609 │ 1.411 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.984 │ 9.446 ┃ 3.499 │ 1.182 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.939 │ 9.216 ┃ 3.385 │ 0.952 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.893 │ 8.986 ┃ 3.264 │ 0.723 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.847 │ 8.757 ┃ 3.138 │ 0.493 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.799 │ 8.527 ┃ 3.005 │ 0.264 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.751 │ 8.298 ┃ 2.863 │ 0.034 │
├───────┼───────╂───────┼───────┤
│ 5.702 │ 8.068 ┃ 2.841 │ 0.000 │
└───────┴───────┸───────┴───────┘
22 物体
24，124 照明ユニット
26 線状ターゲット領域
34，62，82，134 光源
36，60，80，110，137 集光器
37 高角度光線
38 発光ダイオード（ＬＥＤ）
39 低角度光線
41 対称面
42，44，64，66，86，88，96，142 反射面
46，48，68，70，90，146 入射面
50，52，56，72，74，78，92，94，100，152 射出面
54，76，98 収集面
59 端部
84 キャビティ
120，130，140 集光アセンブリ
24，124 照明ユニット
26 線状ターゲット領域
34，62，82，134 光源
36，60，80，110，137 集光器
37 高角度光線
38 発光ダイオード（ＬＥＤ）
39 低角度光線
41 対称面
42，44，64，66，86，88，96，142 反射面
46，48，68，70，90，146 入射面
50，52，56，72，74，78，92，94，100，152 射出面
54，76，98 収集面
59 端部
84 キャビティ
120，130，140 集光アセンブリ
Claims (23)
- 光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品であって，光源から線状ターゲット領域へと集光するための少なくとも第１および第２の面を有し，前記第１および第２の面の少なくとも一方が湾曲しており，光の第１の部分が前記第１の面からの反射により前記線状ターゲット領域へ集光され，光の第２の部分が前記第２の面での屈折により前記線状ターゲット領域へ集光されるように構成された部品，
を含む光学素子。 - 光が前記第１の面から全反射により反射する，請求項１に記載の光学素子。
- 前記第１および第２の面の両方が湾曲しており，前記第１の面が非球面の湾曲プロフィールを有する，請求項１に記載の光学素子。
- 光透過性材料の前記部品が，前記光源と前記ターゲット領域を通る対称面を有する，請求項１に記載の光学素子。
- 光の前記第２の部分が，前記光源から前記対称面に関してサジタル角の低い範囲へと放射される第２の光線を含み，光の前記第１の部分が，前記光源から前記対称面に関してサジタル角の高い範囲へと放射される第１の光線を含む，請求項４に記載の光学素子。
- 前記低いサジタル角範囲と高いサジタル角範囲とを併せて前記光学素子のサジタル平面において少なくとも130°となるように，前記高い範囲が前記低い範囲と隣接する，請求項５に記載の光学素子。
- 前記低いサジタル角範囲と高いサジタル角範囲とを併せて前記光学素子のサジタル平面においてほぼ180°となる，請求項６に記載の光学素子。
- 前記低いサジタル角範囲と高いサジタル角範囲とを併せて前記光学素子のサジタル平面において270°となる，請求項６に記載の光学素子。
- 前記低いサジタル角範囲と高いサジタル角範囲とを併せて前記光学素子のサジタル平面において360°となる，請求項６に記載の光学素子。
- 光透過性材料の前記部品が入射面と前記入射面に隣接する収集面とを有し，光の前記第１の部分が前記入射面を通って前記部品に入り，その後に前記第１の面で反射し，光の前記第２の部分が前記収集面を通って前記部品に入り，その後に前記第２の面で屈折する，請求項１に記載の光学素子。
- 光透過性材料である前記部品が射出面を有し，光の前記第１の部分が，前記第１の面で反射した後に前記射出面から前記部品を出射し，前記入射面および射出面が，サジタル収差を最小にするように構成されている，請求項10に記載の光学素子。
- 前記収集面および前記第２の面が湾曲面からなる，請求項10に記載の光学素子。
- 前記入射面および前記収集面が，共に前記光源を収容するキャビティを規定する，請求項10に記載の光学素子。
- 光透過性材料の前記ユニタリィ部品が，前記第１および第２の面に対して垂直に配置された一対の平面的端面を追加的に含み，前記平面的断面が，前記光源からの光を前記線状ターゲット領域へと反射するように構成されている，請求項１に記載の光学素子。
- 光源から線状ターゲット領域へと集光するための少なくとも第１および第２の面を有する光透過性材料の第１の部品であって，光の第１の部分が前記第１の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集光され，光の第２部分が前記第２の面での屈折により前記線状ターゲット領域へと集束されるように構成された第１の部品を含み，
光透過性材料である前記部品が入射面と前記入射面に隣接する収集面とを有し，光の前記第１の部分が，前記入射面を通って前記部品に入り，その後に前記第１の面で反射し，光の前記第２の部分が前記収集面を通って前記部品に入り，その後に前記第２の面で屈折し，前記入射面が，前記光源から放射された光を前記入射面に対してほぼ垂直な角度で受けるように，前記光源に関して配置されている，光学素子。 - 光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品をそれぞれ含み，このような各部品が，光源から線状ターゲット領域へと集光するための少なくとも第１および第２の面をそれぞれ有する少なくとも第１および第２の光学素子であって，光の第１の部分が，前記それぞれの第１の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集光され，光の第２の部分が，前記それぞれの第２の面での屈折により前記ターゲット領域へと集光されるように構成された第１および第２の光学素子を含み，
前記第１および第２の光学素子が，前記光源と前記ターゲット領域とを通る共通の対称面を共有し，光透過性材料の前記のそれぞれの部品が，前記対称面に垂直なそれぞれの端部を有し，前記第１および第２の光学素子が前記のそれぞれの端部で互いに結合している，集光アセンブリ。 - 第１および第２の光源から集光するためのアセンブリであって，
光透過性材料の非回転対称なユニタリィな第１の部品を含み，前記第１の部品は前記第１の光源から線状ターゲット領域へと第１のサジタル角範囲にわたって集光するための少なくとも第１および第２の面を有し，光の第１の部分は前記第１の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集光され，光の第２部分は前記第２の面での屈折により前記ターゲット領域へと集光されるように構成された第１の光学素子と，
光透過性材料の非回転対称なユニタリィな第２の部品を含み，前記第２の部品は少なくとも第３および第４の面を有し，前記第３および第４の面が前記第２の光源からの光を前記線状ターゲット領域へと第２サジタル角範囲にわたって集光するように前記第１の光学素子と配列されており，光の第３の部分が前記第３の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集光され，光の第４の部分が前記第４の面での屈折により前記ターゲット領域へと集光されるように構成された第２の光学素子と，
を含むアセンブリ。 - 光源と，
光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品を含み，前記部品は前記光源から線状ターゲット領域へと集光するための少なくとも第１および第２の面を有し，前記第１および第２の面のうちの少なくとも１つが湾曲しており，光の第１の部分が前記第１の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集光され，光の第２の部分が前記第２の面での屈折により前記ターゲット領域へと集光されるように構成された光学素子と，
を含む照明ユニット。 - 前記光源が，前記線状ターゲット領域と平行な長手方向軸線を有する複数の発光ダイオードのアレイを含む，請求項18に記載の照明ユニット。
- 複数の光源，および
光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品を含み，前記部品は前記複数の光源から物体上の線状ターゲット領域へと集光するための少なくとも第１および第２の面を有し，前記第１および第２の面の少なくとも１つが湾曲しており，光の第１の部分が前記第１の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集光され，光の第２の部分が前記第２の面での屈折により前記ターゲット領域へと集光されるように構成された光学素子
を含む照明ユニットと，
前記線状ターゲット領域から反射する前記光を受けて，散乱光に応答可能に出力信号を発生させるように構成された線状検出器アレイと，
前記線状検出器アレイに結合されて前記出力信号を処理し，物体を評価するプロセッサと，
を含む物体の光学検査用システム。 - 前記線状ターゲット領域を前記物体にわたって走査するように結合された運動アセンブリを含む，請求項20に記載のシステム。
- 光学素子を製造する方法であって，前記方法が，光透過性材料の非回転対称なユニタリィ部品を成形して，光源から線状ターゲット領域へと集光するための少なくとも第１および第２の面を規定し，前記第１および第２の面の少なくとも１つが湾曲しており，光の第１の部分が前記第１の面からの内面反射により前記ターゲット領域へと集束され，光の第２の部分が前記第２の面での屈折により前記ターゲット領域へと集束されるようにする，方法。
- 複数の光源と，
光透過性材料の非回転対称な部品とを備え，
前記部品が，
前記複数の光源のうちのいくつかから光を受けるための湾曲した第１の面であって
，前記複数の光源のうちの前記いくつかからの光が，サジタル平面において前記湾曲
した第１の面に対してほぼ垂直な方向で前記第１の面に当るように，前記複数の光源
と前記湾曲した第１の面とが構成されかつ配置されている，そのような第１の面，
前記湾曲した第１の面を通して前記光源から受ける光を線状ターゲット領域へと反
射するための第２の面，および
前記第２の面から受ける光を屈折する湾曲した第３の面であって，前記第２の面か
ら反射する光が，サジタル平面において前記湾曲した第３の面にほぼ垂直な方向で前
記湾曲した第３の面に当るように，前記第２の面に関連して構成されかつ配置されて
いる第３の面を有し，
第２の面で反射する光が前記ターゲット領域へと集光する，
照明アセンブリ。
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