JP2015096954A - 投影アーティファクト抑制要素を含む構造化照明顕微鏡法光学装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】構造化照明顕微鏡法光学装置は、投影経路と、撮像経路とを含む。撮像経路は、撮像センサと、撮像光学要素とを含む。投影経路は、光生成器と、空間光変調器(SLM)等のパターン生成要素と、出力レンズ及び投影経路においてSLMと出力レンズとの間に配置される投影アーティファクト抑制要素(PASE)を含む投影光学要素とを含む。PASEは複屈折材料を含み得、この材料は、構造化照明パターン光源光の各光線を分割して、投影経路を横切るオフセットを有する構造化照明パターンの少なくとも1つの複製を提供する。構造化照明パターンのオフセット複製は、結果として生成されるZ高さ測定に誤差を生み出すおそれがある、投影ピクセルギャップアーティファクトに起因する空間高調波誤差及びスプリアス強度変動を低減することにより、システムの精度を増大させる。
【選択図】図2
Description
この概要は、詳細な説明においてさらに後述する選択された概念を簡易化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される趣旨の主要な特徴を識別する意図はなく、特許請求される趣旨の範囲を判断する際の助けとして使用される意図もない。
図1は、本明細書に記載される構成及び方法により使用可能な例示的な1つの精密マシンビジョン検査システム10の様々な典型的な構成要素を示すブロック図である。マシンビジョン検査システム10はビジョン構成要素部12を含み、ビジョン構成要素部12は、制御コンピュータシステム14とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続される。制御コンピュータシステム14は、モニタ又はディスプレイ16、プリンタ18、ジョイスティック22、キーボード24、及びマウス26とデータ及び制御信号を交換するようにさらに動作可能に接続される。モニタ又はディスプレイ16は、マシンビジョン検査システム10の動作の制御及び/又はプログラムに適したユーザインタフェースを表示し得る。様々な実施形態では、タッチスクリーンタブレット等を、コンピュータシステム14、ディスプレイ16、ジョイスティック22、キーボード24、及びマウス26のうちの任意又は全ての代替としてもよく、且つ/又はそれ(ら)の機能を冗長的に提供してもよいことが理解されるだろう。
として表現し得、式中、PatIter_kは画像露光期間内の完全なグレーレベルパターン(例えば、複数のストライプにわたり正弦波グレーレベル強度プロファイルを有するストライプ)の「k」番目の反復であり、Tiはパターン生成時間細分(例えば、図4に示される時間細分T1〜T4の1つ)であり、Piはパターン細分i(例えば、パターン生成時間細分Tiの1つの期間中にオンであるSLMピクセルの部分パターン(例えば、図4に示されるパターン細分P1〜P4の1つ))であり、Iiは時間細分Ti中の光強度である。図4に示される図において暗示されるように、特定の構成では、TiはT(i−1)/(2^(i−1))が成立するように時間のバイナリ細分が実施され、パターン細分全体を通してI1=I2=Inとなるように一定の強度が利用されてもよい。
DSESx=(PPx)x(N+Kfs)xMAPASE (式2)
であり、式中、PPxは、投影ピクセルアレイのX軸に沿った投影ピクセルピッチ(例えば、PPx=10μm/ピクセル)であり、Nは、シフトする所望の投影ピクセル数であり、Kfsは、X軸方向に沿ったさらなる所望の投影ピクセル端数シフト(例えば、Kfs=0.5ピクセル)であり、MAPASEは、投影アーティファクト抑制要素での投影パターンの倍率(例えば、MAPASE=1.0)である。整数ピクセル分のシフトが当該シフト方向と一致する方向のパターン周期と一致する場合、シフトなしと概ね区別不能であることが理解されるだろう。したがって、例えば、より厚い層の複屈折層を使用して、所望の投影ピクセル端数シフトを達成するためなど、必要な場合に、そのような整数シフトに所望の端数シフトを追加し得る。しかし、一般に、整数シフトは必要なく、様々な実施形態では、N=0である場合が好都合且つ/又は有利であり得ることが理解されるだろう。図9B〜図9Dに関してより詳細に後述するように、投影アーティファクト抑制要素PASE内の複数の複屈折材料層を利用して、追加の組の光線R12及びR22を生成し得る。例えば、所望であれば、マイクロメートル単位での同様の所望の抑制要素シフトDSESyを、投影ピクセルアレイの投影Y軸に対応する方向に沿って提供し得る。当然、より一般には、図9B〜図9Dに関して後述するような投影アーティファクト抑制要素は、本明細書に開示される原理に基づいて当業者によって決定し得るように、オフセット量及び/又は入力通常光線(例えば、光線R11)を横切る任意の所望の方向に沿ったオフセット方向をそれぞれ有する複数のパターン複製を提供するような寸法であり得、且つ/又は回転し得る。マイクロメートル単位で所望の抑制要素シフトDSESxを定義する上記式は、図8に関して上述したように、投影パターンシフトPPSxに関連し得る。N=0の場合、投影ピクセルの端数に関して、シフトPPSxは端数Kfsである。投影経路及び/又は撮像経路に沿った位置「i」でのマイクロメートル単位でのシフトPPSxは、PPSx=(DSESx)x(Mi/MAPASE)であり、式中、Miは、位置iでの投影パターン倍率である。
12 ビジョン構成要素部
14 制御コンピュータシステム
16 ディスプレイ
18 プリンタ
20 ワークピース
22 ジョイスティック
24 キーボード
26 マウス
32、210 ワークピースステージ
34 光学撮像システム
120 制御システム部
125 コントローラ
130 入出力インタフェース
131 撮像制御インタフェース
132 移動制御インタフェース
132a 位置制御要素
132b 速度/加速度制御要素
133 照明制御インタフェース
133a〜133n、133sip 照明制御要素
134 レンズ制御インタフェース
136 ディスプレイ装置
138 入力装置
140 メモリ
140sim SIM/SIPメモリ部
141 画像ファイルメモリ部
142 ワークピースプログラムメモリ部
143、143a、143n ビデオツール部
143af オートフォーカスツール
143maf マルチポイントオートフォーカスツール
143roi 関心領域生成器
143sim Z高さツールSIM/SIPモード制御
143z Z高さ測定ツール部
143zt Z高さツール
170 ワークピースプログラム生成・実行器
190 電源部
200 ビジョン構成要素部
205 撮像部
212 中央透明部
220、230、240 光源
221、231、241、262、281、296、331、333、333’、333’’、334、338、339 信号線
222、232、232’、242 光源光
250 対物レンズ
255 ワークピース光
260 カメラ系
280 ターレットレンズアセンブリ
284 軸
286、288 レンズ
290 ビームスプリッタ
294 モータ
300 制御可能構造化照明パターン生成部
310 光生成器
314 光
330 SIPコントローラ
332 SLMコントローラ部
332’ グレースケールパターンシーケンサ
336 タイミング及び同期部
350 空間光変調機
351 制御可能ピクセルアレイ
360 SIP 光学部
400 図
430 パターン細分露光シーケンス
440 タイミング図
610A、610B、610C 3つの位相シフト画像のシリーズ
1000 システム
1010、1020、1030 範囲
1100 ルーチン
Claims (20)
- 投影経路及び撮像経路を備えた構造化照明顕微鏡法(SIM)光学装置であって、
前記投影経路は、
光を発する光生成器、
前記光生成器から発せられる光を受け取り、出力として構造化照明パターンを生成するパターン生成要素、及び
ワークピースを配置し得る視野を照明する構造化照明パターン光源光を前記視野に出力する出力レンズを含み、前記構造化照明パターンを向けて前記構造化照明パターン光源光を提供する1組の投影光学要素
を含み、
前記撮像経路は、
撮像ピクセルアレイを含む撮像センサ、及び
前記構造化照明パターン光源光が前記ワークピースによって反射されたか、又は前記ワークピースを透過した結果、生成される構造化照明パターンワークピース光を入力する対物レンズを含み、前記構造化照明パターンワークピース光を受け取り、前記撮像センサに向かう前記撮像経路に沿って、前記構造化照明パターンワークピース光を撮像する1組の撮像光学要素
を含み、
前記1組の投影光学要素は、前記パターン生成要素と前記出力レンズとの間の前記投影経路に配置される投影アーティファクト抑制要素を更に含み、前記投影アーティファクト抑制要素は、前記構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、前記投影経路を横切る方向にオフセットされた前記構造化照明パターンの少なくとも1つの複製を提供するように構成される、SIM光学装置。 - 前記出力レンズ及び前記対物レンズは同じレンズである、請求項1に記載のSIM光学装置。
- 前記1組の投影光学要素はビームスプリッタを更に含み、前記ビームスプリッタは、前記構造化照明パターンが、前記ビームスプリッタから落射光として前記出力レンズに向けられるように、前記投影経路に配置され、前記対物レンズは、前記構造化照明パターンワークピース光を入力し、前記構造化照明パターンワークピース光を前記ビームスプリッタに通し、前記撮像経路に沿って伝送する、請求項2に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、その存在により、前記1組の投影光学要素の開口数が実質的に変わらないように構成される、請求項1に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、通常光線構造化照明パターンが前記投影経路に沿って進行し、少なくとも1つの異常光線構造化照明パターンが、前記投影経路を横切る方向に、前記通常光線構造化照明パターンからオフセットを有しながら、前記投影経路に沿って進行する前記構造化照明パターンの複製であるよう、前記構造化照明パターン光源光の各光線を通常光線及び異常光線にそれぞれ分割するように構成される、請求項1に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、少なくとも第1の複屈折材料層を含む、請求項5に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、少なくとも第2の複屈折材料層を更に含む、請求項6に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、前記投影経路を横切る方向に異なるオフセット量又は方向を有する、前記構造化照明パターンの少なくとも2つの複製を提供するように構成される、請求項7に記載のSIM光学装置。
- 前記パターン生成要素は制御可能空間光変調器(SLM)を含み、前記SLMはSLMピクセルアレイを含み、前記SLMピクセルアレイは、前記SLMピクセルアレイの行軸又は列軸に沿ってSLMピクセルピッチPPを有し、
前記投影アーティファクト抑制要素での前記構造化照明パターンの投影パターンピクセルピッチPPは、前記SLMピクセルピッチを、前記投影アーティファクト抑制要素の位置での前記構造化照明パターンの倍率で乗算したものに概ね等しく、前記オフセットは、前記投影アーティファクト抑制要素の位置においてPP×(N+K)であり、Nは整数であり、Kは端数である、請求項5に記載のSIM光学装置。 - Kは約1/2である、請求項9に記載のSIM光学装置。
- N=0であり、前記オフセットはPP×Kであり、前記投影アーティファクト抑制要素の少なくとも1つの複屈折材料層の厚さに関連する、請求項9に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素の前記少なくとも1つの複屈折材料層の厚さは、100μm〜1.0mmの範囲内にある、請求項11に記載のSIM光学装置。
- 前記オフセットは1.0μm〜10μmの範囲内にある、請求項11に記載のSIM光学装置。
- 前記SLMピクセルアレイは、隣接ピクセル間にギャップを含み、前記投影アーティファクト抑制要素は少なくとも部分的に、前記SLMピクセルアレイ内の隣接ピクセル間の前記ギャップから生じるギャップ画像アーティファクトに起因する前記撮像ピクセルアレイでの強度の変動を低減する、請求項9に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、前記オフセットによって、前記撮像ピクセルアレイ内のより多くのピクセルが、同様の量の前記ギャップ画像アーティファクトを受け取るように、前記構造化照明パターンの前記少なくとも1つの複製での前記ギャップ画像アーティファクトの複製に基づいて、前記撮像ピクセルアレイでの前記強度の変動を低減するように構成される、請求項14に記載のSIM光学装置。
- 前記1組の投影光学要素は、前記パターン生成要素と前記出力レンズとの間の前記投影経路に沿って変倍レンズ系を含み、前記投影アーティファクト抑制要素は、前記変倍レンズ系の後且つ前記出力レンズの前、又は前記パターン生成要素の後且つ前記変倍レンズ系の前で、前記投影経路に配置される、請求項1に記載のSIM光学装置。
- 前記投影アーティファクト抑制要素は、前記構造化照明パターン光源光が実質的にコリメートされる前記投影経路に配置される、請求項1に記載のSIM光学装置。
- 前記構造化照明パターンはフリンジパターンであり、フリンジの長方向は、前記構造化照明パターンの前記少なくとも1つの複製の前記オフセットの方向を横切る方向に沿って延びる、請求項1に記載のSIM光学装置。
- 構造化照明顕微鏡法(SIM)光学装置を動作させて、ワークピースの測定を得る方法であって、
第1の方向に沿ってSLMピクセルピッチを有するSLMピクセルアレイを含み、光生成器から発せられた光を受け取る制御可能空間光変調器(SLM)を制御して、出力として構造化照明パターンを生成することと、
前記ワークピースを配置し得る視野に構造化照明パターン光源光を出力する出力レンズを含む1組の投影光学要素を利用して、前記構造化照明パターンを方向付けて、前記視野を照明する前記構造化照明パターン光源光を提供することと、
前記構造化照明パターン光源光が前記ワークピースによって反射されたか、又は前記ワークピースを透過したことから生じる構造化照明パターンワークピース光を入力する対物レンズを含む1組の撮像光学要素を用いて、前記構造化照明パターンワークピース光を受光することと、
前記1組の撮像光学要素を用いて、撮像ピクセルアレイを含む撮像センサに向かう撮像経路に沿って前記構造化照明パターンワークピース光を撮像することと、
前記1組の投影光学要素に含まれ、前記SLMと前記出力レンズとの間の投影経路に配置される投影アーティファクト抑制要素を使用して、前記構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、前記投影経路を横切る方向にオフセットを有する前記構造化照明パターンの少なくとも1つの複製を提供することと、
を含む、方法。 - マシンビジョン検査システムであって、
撮像ピクセルアレイを含む撮像センサと、
構造化照明パターン光源光がワークピースによって反射されたか、又は前記ワークピースを透過したことから生じる構造化照明パターンワークピース光を前記ワークピースから入力する対物レンズを含み、前記構造化照明パターンワークピース光を受け取り、前記撮像センサに向かう撮像経路に沿って前記構造化照明パターンワークピース光を撮像する1組の撮像光学要素と、
光を発する光生成器と、
第1の方向に沿って制御可能空間光変調器(SLM)ピクセルピッチを有するSLMピクセルアレイを含み、前記光生成器から発せられる光を受け取り、出力として構造化照明パターンを生成するように制御される制御可能SLMと、
前記ワークピースを配置し得る視野に構造化照明パターン光源光を出力する出力レンズとして前記対物レンズが使用される構成を含み、前記視野を照明する前記構造化照明パターン光源光を提供するように、前記構造化照明パターンを向ける1組の投影光学要素と、
前記構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、前記投影経路を横切る方向にオフセットを有する前記構造化照明パターンの少なくとも1つの複製を提供するように構成される、前記制御可能SLMと前記出力レンズとの間の投影経路に配置される投影アーティファクト抑制要素と、
を備える、マシンビジョン検査システム。
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