JP2009500632A - 平面的に配列された光源により放出される収束光線の実現 - Google Patents

Abstract

【課題】照明装置の部品点数、部品コスト、組立時間及び組立コストを低減すること。
【解決手段】平面的に配列された光源により放出される収束光線を実現する装置及び方法を提供する。１つの実施例では、半導体又は他の物体を検査する画像装置を提供する。前記画像装置は、物体から反射された光の像を写す１又は２以上のレンズを含む。前記画像装置は、平面的な回路基板に取り付けられた第１光源と、前記回路基板に取り付けられた第２光源とを含む。前記画像装置は、前記第１光源からの光を第１方向から前記物体に向ける第１フレネルプリズムと、前記第２光源からの光を第２方向から前記物体に向ける第２フレネルプリズムとを含む。１つの実施例では、前記画像装置は、前記光の発散を増加させ又は減少させる１又は２以上の光学素子を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、収束光線で物体を照明することに関する。

物体が光を反射する方法は、ランバート反射（ランバート）として当業者に知られる完全拡散反射から完全鏡面反射（反射鏡、鏡）まで様々である。物体が実質的にランバート反射により光を反射する場合、表面が本質的に角度と無関係に効率的に光を反射するため、前記物体の照明は比較的簡単である。この場合、物体の像の均一性が入射照明の均一性及び強さのみに依存する。ランバート物体の例は紙であり、紙は点光源により十分に照明される。

物体が実質的に鏡面反射により光を反射し、所望の照明が明視野照明である場合、前記光源は観察者により直接見られる。このことは、前記物体に対する反射角が入射角の余角となることから、カメラを光源のオフ角と同じオフ角で配置することにより実現することができる。この場合、前記光源自体がランバート放射体の特性を有し、投影される視野を取り囲まなければならない。

実質的に拡散反射するランバート物体と実質的に鏡面反射する物体との間に、表面が実質的にランバート反射するものでもなく、実質的に鏡面反射するものでもない物体のクラスが存在する。このような物体では、光源から観察者又はセンサーへ反射される光の量が入射照明の強さ及び入射角の双方に依存する。

物体の像を写す照明装置を設計することは、特定の方向に、一般には、前記物体に光を向けることを伴う。これを実現する通常の方法は、前記物体に光源を向けることである。この方向付けはかなり複雑である。例えば、バルドウィン（Baldwin）らにより２００３年７月１０日付けで提出された米国特許出願２００４／０１４１１７５に、物体の位置にかかわらずほぼ一定の照明角度で前記物体の均一な照明を実現するために異なる方向から発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源を向けることが示されている。
米国特許第１０／６１６、５４８号明細書

複数の方向から物体を照明するために暗視野リングライトが一般に用いられている。最新技術を用いて製造された暗視野リングライトは、例えば、４つの個別の回路基板に取り付けられた基本的な集光レンズに組み込まれたＬＥＤを含む。前記ＬＥＤは異なる方向から前記物体に向けて角度が付けられている。各回路基板は、適当な角度で取り付けられており、エネルギーが前記物体に向けられるように位置付けられている。前記ＬＥＤの主光線は、予め決められた位置に収束する。この装置は十分な照明を提供するが、その実現に関して困難なことがある。例えば、４つの個別の回路基板を製造し、取り付け、相互接続することに多くの費用を要する。

部品点数、部品コスト、組立時間及び組立コストを低減するために暗視野リングライトの光源（例えば、ＬＥＤ）を１つの回路基板に取り付けることが好ましい。また、相互接続を少なくすることにより信頼性を増すことが好ましい。

１つの実施例では、半導体又は他の物体を検査する画像装置を提供する。前記画像装置は、物体から反射された光の像を写す１又は２以上のレンズと、平面的な回路基板とを含む。前記画像装置は、前記回路基板に取り付けられた第１光源と、前記回路基板に取り付けられた第２光源とを含む。前記画像装置は、前記第１光源からの光を第１方向から前記物体に向ける第１フレネルプリズムと、前記第２光源からの光を第２方向から前記物体に向ける第２フレネルプリズムとを含む。

１つの実施例では、暗視野リングライトは、第１光線を放出する第１光源と、前記第１光線にほぼ平行な第２光線を放出する第２光源と、前記第１光線及び前記第２光線が所望の位置に収束するように前記第１光線及び前記第２光線の方向を変える１又は２以上の光学素子とを含む。

１つの実施例では、物体を照明する方法は、第１光線を放出すること、該第１光線にほぼ平行な第２光線を放出すること、前記第１光線及び前記第２光線が選択された位置に収束するように前記第１光線及び前記第２光線の方向を変えることを含む。

１つの実施例では、製造検査装置の光源は、互いにほぼ平行な２又は３以上の光線を、像を写される物体に向ける手段と、前記光線の少なくとも１つの発散を変化させる手段とを含む。

添付の図面に関する、以下の好適な実施例の詳細な説明から追加の態様及び利点が明らかになる。

１つの実施例では、光線が、平面的に配列された光源により放出され、観察下で物体を照明するように方向付けられている。本明細書に開示された事項が限定されることはないが、通常、前記光源は製造部品の自動特性及び（又は）検査に用いられる。前記製造部品は半導体を含む。半導体のクラスは、双方向反射分布関数を有し、ランバート反射から鏡面反射まで様々な照明特性を示す。半導体のような製造部品を精密に検査するのに必要な時間が、全体の生産率を低減させる過失により制限されていることが知られている。１つの実施例に係る照明装置は、照明に関する検査の過失を低減し、製造工程の全体的な効率化に貢献する。

参照する図面では、類似の参照番号は類似の部品を示す。明確にするために、参照番号の第１数字は、対応する部品が最初に使用された図面番号を示す。以下の説明において、本明細書に開示された実施例の十分な理解のために多くの特定の細部を提供する。本明細書で説明された実施例が１又は２以上の特定の細部なしに又は他の方法、部品若しくは材料により実施することができることは当業者には明らかである。いくつかの例では、実施の態様を曖昧にすることを避けるため、よく知られた構造、材料又は操作を詳細に説明し又は表示しない。説明した特徴、構造又は特性が１又は２以上の実施例において適当な方法で組み合わされてもよい。

図１は、従来の画像装置１００の概略図である。画像装置１００は、センサー１１０と、レンズ１１２と、光源１１４とを含む。センサー１１０は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラからなる。レンズ１１２は、センサー１１０に物体１１６の像を提供するように構成されている。センサー１１０及びレンズ１１２は、従来のものと、従来にないものとを含む構造からなるものとすることができる。例えば、レンズ１１２はテレセントリック光学系からなるものとすることができる。

光源１１４は、異なる２又は３以上の方向（図示せず）から物体１１６を照明するように位置付けられている。光源１１４は、物体１１６の各点が公称照明角度とほぼ等しい角度で照明されるように位置付けられている。物体１１６の全体に等しい入射角で照明を提供することは、いずれの角度に対しても鏡面反射する物体の照明を改善する。前記公称照明角度は、物体１１６を最も効果的に照明する角度である。前記公称照明角度は物体１１６の性質により変わることが知られている。

前記公称照明角度は、好適な照明効果をもたらすように実験的に決められたものでもよいし、物体１１６、光源１１４及びセンサー１１０の数学モデルにより決められたものでもよいし、画像装置１１０の利用可能な空間により特定の公称値に限定されたものでもよい。実験的な決定は、照明の最適角度を決定するために物体１１６に関する試行錯誤を伴う。数学的アプローチの例にはモンテカルロ光線追跡法がある。モンテカルロ光線追跡法は、モンテカルロ光線追跡を作る確率変数パッケージの使用を伴う。このような数学モデルを利用することができるソフトウェアパッケージの例として、トレースプロ（Trace Pro）という名称でマサチューセッツ州リトルトンのランバリサーチ社（Lambda Research Corporation）により販売されているものがある。

光源１１４は、第１照明器具１１８と、第２照明器具１２０とを含む。第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０のそれぞれは、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。前記ＬＥＤは、物体１１６に光を集める集光レンズを含む。これに代え、当業者には明らかであるように、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０のそれぞれは、物体１１６の増加された明るさ及び（又は）均一な照明を提供する、一次元又は二次元に配列されたＬＥＤを含むものとすることができる。図１に示したように、光源１１４は、投影される範囲を定め、かつ物体１１６を取り囲むように構成されている。物体１１６の投影される範囲を定めるため、光源１１４は十分な発散を有する。光源１１４は、投影される範囲を定めないように構成されていてもよい。

第１照明器具１１８は第１プリント回路基板（ＰＣＢ）１２２に取り付けられている。第１ＰＣＢ１２２は、第１照明器具１１８からの光線１２３を第１方向から物体１１６に向けるように位置付けられている。第２照明器具１２０は第２プリント回路基板（ＰＣＢ）１２４に取り付けられている。第２ＰＣＢ１２４は、第２照明器具１２０からの光線１２６を第２方向から物体１１６に向けるように位置付けられている。第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０からの光線１２３、１２６は、所望の暗視野照明を提供するように物体１１６に収束する。当業者には明らかであるように、光源１１４は、円対称、二つ折の対称、四つ折の対称、又は物体１１６及び利用可能な空間に適した他の配置とすることができる。

前記したように、第１ＰＣＢ１２２及び第２ＰＣＢ１２４のような個別のＰＣＢを用いることは、１つのＰＣＢを用いることより費用がかかる。第１ＰＣＢ１２２及び第２ＰＣＢ１２４にＬＥＤドライバー又はその一部のような電気回路が複製されていなければならない。第１ＰＣＢ１２２及び第２ＰＣＢ１２４を取り付け、相互に接続することが困難である。米国特許出願２００４／０１４１１７５に、例えば、異なる複数の方向から収束する光線を提供するために、個別のＰＣＢ、又はコーンに形成された柔軟なＰＣＢを用いることが開示されている。しかし、これらの解決手段は、いずれも、硬くて平面的な１つのＰＣＢより高価であり、かつ（又は）信頼性に劣る。

平面的な１つのＰＣＢ（図１に示さない。）に第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０を配置することは、１つの実施例によれば、光線１２３、１２６が物体１１６に収束するように各光線１２３、１２６の方向を変えることを必要とする。プリズムにより光線が一次元の角度にそれる。しかし、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０に近接する従来のプリズムは多くの適用例にとって大き過ぎる。このため、前記プリズムは、一般に、光源１１４と物体１１６との間の距離に対して光源１１４をはるかに通過して伸びる。１つの実施例では、光源１１４と物体１１６との間の距離は約２５ｍｍである。他の実施例では、光源１１４と物体１１６との間の距離は約２０ｍｍと約６０ｍｍとの間の範囲内である。他の範囲も可能であることは当業者には明らかである。物体１１６を持ち上げ、配置する、取付具を備えたロボットアームのような操作装置のための空間を提供するため、物体１１６の前方に最小限の間隔が置かれていなければならない。

以下に詳細を示すように、１つの実施例では、物体１１６に光を収束させるため、平面的に配列された光源からの光の方向を変えるために、反復して配列された小型プリズムが用いられている。このような実施例では、前記小型プリズムは、一次元であるがフレネルレンズに似ていることからフレネルプリズムと呼ばれる扁平なプリズムを含む。フレネルレンズが、同心状に配列された環状面を含む偏平型の従来のレンズであるのと同じように、前記フレネルプリズムはより大きい従来のプリズムの効果を実現する。

図２は、１つの実施例に係る、収束光線を実現する画像装置２００の概略図である。画像装置２００は、センサー１１０と、レンズ１１２とを含む。画像装置２００は、平面的に配列された照明源を有する光源２１０を含む。図２に示した実施例では、光源２１０は、硬い１つのＰＣＢ２１２に取り付けられた第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０を含む。ＰＣＢ２１２の一部は、第１照明器具１１８から第２照明器具１２０へ伸びる破線で示されている。ＰＣＢ２１２は、レンズ１１２に当たらないように構成されている。例えば、１つの実施例では、ＰＣＢ２１２は、レンズ１１２により像を写される物体１１６から光が反射されるようにする開口部を有する。

前記したように、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０のそれぞれは、１つのＬＥＤ又は配列されたＬＥＤを含む。第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０は、ＰＣＢ２１２と対応する平面からほぼ垂直に光を投射するようにＰＣＢ２１２に取り付けられている。光源２１０は、第１照明器具１１８からの光線１２３を前記第１方向から物体１１６に向けるように位置付けられた第１フレネルプリズム２１４と、第２照明器具１２０からの光線１２６を前記第２方向から物体１１６に向けるように位置付けられた第２フレネルプリズム２１６とを含む。前記したように、前記第１方向及び前記第２方向の角度は、所望の照明効果を実現するように選択されたものとすることができる。

１つの実施例では、第１フレネルプリズム２１４及び第２フレネルプリズム２１６は、射出成形されたフレネルプリズムを含む。プリズム２１４、２１６が多くの小さな面を有する場合、前記プリズムは薄くて柔らかい。面がより少ない場合、プリズム２１４、２１６が硬くて数ミリの厚さを有するように、各面は、比較的大きく、支持構造と組み合わされている。１つの実施例では、フレネルプリズム２１４、２１６は、約１．２ｍｍの厚さを有し、該厚さの約半分を構成する面を備える。このような構造は、硬くて角に取り付けられたときに自立する程度に十分に厚い。他の実施例では、フレネルプリズム２１４、２１６は約０．１ｍｍから約５ｍｍまでの範囲の厚さを有する。

１つの実施例では、フレネルプリズム２１４、２１６は、プリズム効果を生じるように修正された透明で柔らかいポリ塩化ビニルプラスチック製のシートを含む。前記シートは、プラスチックの薄いプラットフォームにほぼ平行な頂点ラインと整列された、一連の小さなプリズムを含む。本明細書に開示された事項から当業者には明らかであるように、第１フレネルプリズム２１４及び第２フレネルプリズム２１６は、図２に破線２１８で示したように、１つのフレネルプリズムからなるものでもよいし、かつ（又は）１つのプラスチックシートに形成されたものでもよい。

フレネルプリズム２１４、２１６は、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０が平面的でなく物体１１６に向けて傾けられている場合と同じ所望の収束を実現するように光線１２３、１２６を屈折させる。フレネルプリズム２１４、２１６の使用は、改善された照明性能又はＰＣＢ２１２に取り付けられた第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０により実現される最適な照明性能を実現することができる。複数のＰＣＢを使用することに比べて、電気部品の数、組立時間及び費用が低減される。また、複数のＰＣＢの相互接続が少ないことにより信頼性の向上が実現される。

１つの実施例では、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０のそれぞれは、実質的に物体１１６の範囲を定めるように選択された発散を有する。しかし、前記発散の変化、光源１１４と物体１１６との間の作動距離の変化及び（又は）物体１１６の大きさの変化が照明品質の低下をもたらす。例えば、過多な発散により照明が浪費され、過少な発散により周辺部が暗くなる。このため、１つの実施例では、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０からの光を屈折させ又は該光の方向を変えることに加え、前記光の発散が、物体１１６を適当に照明するように調整される。

例えば、図３は、１つの実施例に係る、収束光線の発散を減少させる画像装置３００の概略図である。画像装置３００は、第１照明器具１１８から放出された光の方向を変えかつ該光の発散を減少させるように構成された第１光学素子３１０を含む。画像装置３００は、第２照明器具１２０から放出された光の方向を変えかつ該光の発散を減少させるように構成された第２光学素子３１２を含む。本明細書に開示された事項から当業者には明らかであるように、第１光学素子３１０及び第２光学素子３１２は、２つの別個の素子よりむしろ１つのユニットからなるものとすることができる。

１つの実施例では、第１光学素子３１０及び第２光学素子３１２は、互いに組み合わされた正フレネルレンズ及び様々な角度の一組の面を有するフレネルプリズムを含む。第１光学素子３１０及び第２光学素子３１２は、それぞれ、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０からの光を物体３１４に向ける。

この例では、物体３１４は、図１、２に示した物体１１６より短い。このため、第１光学素子３１０及び第２光学素子３１２は、過度の光が浪費されないように、それぞれ、第１照明器具１１８及び第２照明器具１２０から放出された光の発散を減少させる。前記発散を減少させる他の実施例は、例えば、正レンズ又は正フレネルレンズを、図２に示したフレネルプリズム２１４、２１６の前方に位置付けることを含む。本明細書に開示した事項から、当業者には、前記発散を減少させる他の実施例があることがわかる。

図４は、１つの実施例に係る、収束光線の発散を増加させる画像装置４００の概略図である。画像装置４００は、第１照明器具１１８から放出された光に発散を加えるように第１フレネルプリズム２１４に対して位置付けられた第１負レンズ４１０を含む。画像装置４００は、第２照明器具１２０から放出された光に発散を加えるように第２フレネルプリズム２１６に対して位置付けられた第２負レンズ４１２を含む。本明細書に開示した事項から当業者には明らかであるように、第１負レンズ４１０及び第２負レンズ４１２は２つの個別のレンズよりむしろ１つのレンズからなるものとすることができる。

図４に示した例では、物体４１４は、図１、２に示した物体１１６より長い。第１フレネルレンズ２１４及び第２フレネルレンズ２１６が光線を物体４１４に向けた後、第１負レンズ４１０及び第２負レンズ４１２は、光が物体４１４の全体を覆うように前記光線に発散を加える。放出された光線に発散を加えるために、他の実施例では、第１負レンズ４１０及び第２負レンズ４１２は１又は２以上の拡散器に置き替えられる。他の実施例では、フレネルプリズムと組み合わされた負フレネルレンズを用いて、放出された光線に発散が加えられる。他の実施例では、拡散器がフレネルプリズムと組み合わされている。例えば、フレネルプリズム２１４を支持するプラスチックシートが、前記フレネルプリズムの面と相対して成型された、散光に適した表面を有する。本明細書に開示した事項から、当業者には、前記光線に発散を加える他の実施例があることがわかる。

本発明の基本的な原理から逸脱することなく、前記した実施例の詳細に多くの変更がなされることがあることは、当業者には明らかである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ決定される。

従来の画像装置の概略図。 １つの実施例に係る、収束光線を実現する画像装置の概略図。 １つの実施例に係る、収束光線の発散を減少させる画像装置の概略図。 １つの実施例に係る、収束光線の発散を増加させる画像装置の概略図。

符号の説明

１１０ センサー
１１２ レンズ
１１６、３１４、４１４ 物体
１１８ 第１照明器具
１２０ 第２照明器具
２００、３００、４００ 画像装置
２１０ 光源
２１２ プリント回路基板（ＰＣＢ）
２１４ 第１フレネルプリズム
２１６ 第２フレネルプリズム
３１０ 第１光学素子
３１２ 第２光学素子
４１０ 第１負レンズ
４１２ 第２負レンズ

Claims (21)

1. 半導体を検査する画像装置であって、
   物体から反射された光の像を写す１又は２以上のレンズと、
   平面的な回路基板と、
   該回路基板に取り付けられた第１光源と、
   前記回路基板に取り付けられた第２光源と、
   前記第１光源からの光を第１方向から前記物体に向ける第１フレネルプリズムと、
   前記第２光源からの光を第２方向から前記物体に向ける第２フレネルプリズムとを含む、画像装置。
2. 前記レンズから前記物体の像を受けるセンサーを含む、請求項１に記載の画像装置。
3. 前記第１フレネルプリズム及び前記第２フレネルプリズムの少なくとも一方により方向付けられた光の発散を増加させる光学素子を含む、請求項１に記載の画像装置。
4. 前記光学素子は、拡散器、負レンズ及び負フレネルレンズからなるグループから選択されている、請求項３に記載の画像装置。
5. 前記第１フレネルプリズム及び前記第２フレネルプリズムの少なくとも一方により方向付けられた光の発散を減少させる光学素子を含む、請求項１に記載の画像装置。
6. 前記光学素子は、正レンズ及び正フレネルレンズからなるグループから選択されている、請求項５に記載の画像装置。
7. 前記第１光源及び前記第２光源の少なくとも一方は発光ダイオードを含む、請求項１に記載の画像装置。
8. 前記第１光源及び前記第２光源の少なくとも一方は、配列された発光ダイオードを含む、請求項１に記載の画像装置。
9. 第１光線を放出する第１光源と、
   前記第１光線にほぼ平行な第２光線を放出する第２光源と、
   前記第１光線及び前記第２光線が所望の位置に収束するように前記第１光線及び前記第２光線の方向を変える１又は２以上の光学素子とを含む、暗視野ライトリング。
10. 前記第１光源及び前記第２光源の少なくとも一方は１又は２以上の発光ダイオードを含む、請求項９に記載の暗視野ライトリング。
11. 前記光学素子はフレネルプリズムを含む、請求項９に記載の暗視野ライトリング。
12. 前記光学素子は、前記第１光線及び前記第２光線の少なくとも一方の発散を増加させるように構成されている、請求項１１に記載の暗視野ライトリング。
13. 前記光学素子は、拡散器、負レンズ及び負フレネルレンズからなるグループから選択された素子を含む、請求項１２に記載の暗視野ライトリング。
14. 前記光学素子は、前記第１光線及び前記第２光線の少なくとも一方の発散を減少させるように構成されている、請求項１１に記載の暗視野ライトリング。
15. 前記光学素子は、正レンズ及び正フレネルレンズからなるグループから選択された素子を含む、請求項１４に記載の暗視野ライトリング。
16. 前記光学素子は、互いに組み合わされたフレネルレンズ及び様々な角度の面を有するフレネルプリズムを含む、請求項９に記載の暗視野ライトリング。
17. 回路基板を含み、前記第１光源及び前記第２光源は前記回路基板の平面に機械的に結合されている、請求項９に記載の暗視野ライトリング。
18. 物体を照明する方法であって、
    第１光線を放出すること、
    該第１光線にほぼ平行な第２光線を放出すること、
    前記第１光線及び前記第２光線が選択された位置に収束するように前記第１光線及び前記第２光線の方向を変えることを含む、物体を照明する方法。
19. 前記第１光線及び前記第２光線の少なくとも一方の発散を増加させることを含む、請求項１８に記載の物体を照明する方法。
20. 前記第１光線及び前記第２光線の少なくとも一方の発散を減少させることを含む、請求項１８に記載の物体を照明する方法。
21. 製造検査装置のための光源であって、
    互いにほぼ平行な２又は３以上の光線を、像を写される物体に向ける手段と、
    前記光線の少なくとも１つの発散を変化させる手段とを含む、光源。

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