JP3959041B2 - 撮像装置及び輝度分布測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置及び輝度分布測定装置に関するものであり、例えば、液晶表示装置等の平面表示装置（ＦＰＤ）から放射される光の分布を検知して表示ムラを検出する検査工程を迅速化するための光学系の構成に特徴のある撮像装置及び輝度分布測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、平面表示装置の輝度分布測定装置は、図８に示すように、広い範囲の像を小さなＣＣＤエリアに結像させる縮小光学系を使ったシステムが一般的である。
【０００３】
図８（ａ）参照
図８（ａ）は、従来の平面表示装置の輝度分布測定方法の概略的構成図であり、ＣＣＤエリアイメージセンサカメラ５１を用いて平置きした平面表示パネルモジュール５３の全体画像を一挙に取得する。
【０００４】
図８（ｂ）参照
図８（ｂ）は、取得した撮像画像の光量分布を模式的に示したもので、中央部５４と周辺部５５，５６では光量差が大きく、表示ムラ検査精度を悪化させる原因となっている。
この光量差は平面表示パネルモジュール５３の周辺部５５，５６と中央部５４では異なる光放射角度の光をＣＣＤエリアイメージセンサカメラ５１のレンズ５２で集めることに起因している。
【０００５】
そこで、本出願人は光量差による精度低下の問題を解決し、かつ、複数視角情報を活用するために、リニアイメージセンサを使用した高精度な輝度分布測定装置／輝度ムラ検査装置を開発している（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２８１０９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さらに、本出願人は、受光効率を高めるとともに分解能を高めるために、光学系として正立等倍結像による光学系を構成するために、ロッドレンズアレイを使用した多角度画像取得装置を提案している（必要ならば、特願２００１−２９７８７６号参照）ので、ここで、図９及び図１０を参照して、本出願人に提案に係る多角度画像取得装置を説明する。
【０００８】
図９（ａ）参照 図９（ａ）は、画像取込み工程の概念的構成図であり、ＸＹテーブル６０上に平面表示パネルモジュール６１を載置し、ホストコンピュータ６２により制御されるＦＰＤドライバ６３により平面表示パネルモジュール６１を点灯させるとともに、テーブル駆動制御装置６４によりＸＹテーブル６０をＹ方向に移動させながら画像取込みセンサヘッド７０により平面表示パネルモジュール６１の画像を取得するものであり、取得した画像データは、センサ信号制御装置６５を介してホストコンピュータ６２に入力され、必要に応じて表示装置６６に表示する。
【０００９】
図９（ｂ）参照 図９（ｂ）は、画像取込みセンサヘッド７０の概略的断面図であり、この場合には、ＣＣＤラインセンサの延在方向に垂直な断面構造を示している。
図に示すように、例えば、撮像点に対して、０°，±２５°，±５０°，±７５°の撮像角度になるように配置した７本のＣＣＤラインセンサユニット７１を筐体７２中に固定したものである。
【００１０】
図１０（ａ）及び（ｂ）参照
図１０（ａ）は、ＣＣＤラインセンサユニット７１のラインセンサの延在方向に垂直な断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。
図に示すように、ＣＣＤラインセンサユニット７１は、例えば、７５００画素のＣＣＤラインセンサ７３、屈折率分布型のロッドレンズアレイ７４、及び、信号処理回路７５を収容した筐体７６から構成される。
【００１１】
なお、この場合のＣＣＤラインセンサユニット７１は、平面表示パネルを構成する一つの画素に対して、例えば、３０個のＣＣＤ受光セルが対応するものであり、ＣＣＤエリアセンサに比べて遙に高解像度の画像が得られる。
【００１２】
しかしながら、ロッドレンズアレイ７４は物体像面間距離、即ち、対象となる物体面と像面のなす距離の設定許容範囲の狭いため、平面表示パネルモジュールと画像取込みセンサヘッド７０の距離を精密に制御する必要があり、操作が複雑になるという問題がある。
【００１３】
また、この手法によって取得した画像データはリニアイメージセンサ画素数に比例して非常に大きなものとなるため、その画像処理にかかる負荷が大きく、処理時間が長くなる。
【００１４】
即ち、高精度であるが、画像処理データが大容量となるため高速化に問題があり、液晶表示装置等の平面表示装置の大画面化に伴って画像処理データがさらに増大するため、大画面平面表示装置の低コスト化の大きな障害となっている。
【００１５】
したがって、本発明は、物体像面間距離に関する制約を少なくするとともに、画像データを高速に取得することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１（ａ）はリニアイメージセンサの延在方向に垂直な撮像装置の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図であり、符号８，９は、それぞれ信号処理回路及び筐体を表す。
図１（ａ）及び（ｂ）参照
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、撮像装置において、凸状マイクロレンズ４からなるレンズアレイ３と、レンズアレイ３の光軸に平行に入る光のみを選択的に通過させるとともに前記レンズアレイ３側で各凸状マイクロレンズ４に対して共通で且つ出射側で各凸状マイクロレンズ４に対して個別になった開口部６を有するとともに、少なくとも、開口部６の内表面が遮光性を有するレンズホルダ５とからなるレンズアレイユニット２とリニアイメージセンサ７とを凸状マイクロレンズ４の焦点位置にリニアイメージセンサ７の受光面が位置するように組み合わせるとともに、リニアイメージセンサ７の画素の内、凸状マイクロレンズ４の光軸に平行な入射光を受光する画素群を有効画素とし、それ以外の画素群を無効画素として、有効画素の出力を選択的に処理することによりレンズアレイ３の光軸に平行な方向の光に対する輝度を測定する処理機構を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この様に、凸状マイクロレンズ４、例えば、レンズ１個の直径が１〜３ｍｍ程度の凸状マイクロレンズ４を１列に並べてレンズアレイ３を構成することによって、焦点深度を深く、理論上無限大にすることができ、物体像面間距離に関する制約を少なくすることができる。
【００１８】
また、レンズアレイ３の光軸に平行に入る光のみを選択的に通過させる開口部６を有するとともに、少なくとも、開口部６の内表面が遮光性を有するレンズホルダ５を用いることによって、レンズアレイ３の光軸に平行に入る光のみを選択的に撮像することができ、撮像対象面近傍からのノイズの影響を受けることがないので、精度の高い測定が可能になる。
【００１９】
また、レンズ１個の直径が１〜３ｍｍ程度の凸状マイクロレンズ４によって撮像される範囲は広く、例えば、平面表示装置の画素数個〜数十個に対応するので、凸状マイクロレンズ４の焦点位置にリニアイメージセンサ７の受光面が位置するように配置することによって、一枚の平面表示装置の全体の画像を高速に且つ高精度に取得することができ、特に、大画面の平面表示装置の検査にとって重要になる。
【００２０】
（２）また、本発明は、上記（１）において、レンズホルダ５に設けた開口部６の個別になった部分の径が、出射端側で最も小さくなっていることを特徴とする。
【００２１】
また、レンズアレイ３の光軸に平行に入る光のみを選択的に通過させるための典型的な構成としては、レンズホルダ５に設けた開口部６の個別になった部分の径を出射端側で最も小さくすれば良い。
【００２２】
（３）また、本発明は、輝度分布測定装置において、上記（１）または（２）の撮像装置１と、撮像装置１と平面表示装置の内の一方を搭載して少なくともリニアイメージセンサ７の副走査方向に移動自在のステージとを少なくとも備えたことを特徴とする。
【００２３】
このように、上述の撮像装置１を用いることによって、大画面に平面表示装置の輝度分布測定を高スループットで行うことのできる輝度分布測定装置を実現することができる。
【００２４】
（４）また、本発明は、上記（３）において、撮像装置１を、複数個搭載していることを特徴とする。
【００２５】
この様に撮像装置１を、各リニアイメージセンサ７の画像取得角度が異なるように設置することによって、輝度分布特性の視角依存性を一度の一連の撮像工程で取得することができる。
【００２６】
また、撮像装置１を、各リニアイメージセンサ７の延在方向に、特に、千鳥がけの配置で複数個設けることによって、大画面に平面表示装置の全面の輝度分布を一度のスキャン工程で取得することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の第１の実施の形態である凸状レンズを用いたＣＣＤラインセンサユニットを説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）参照
図２（ａ）は、画像取込みセンサヘッド１０（符号１０は、図７のみで表示する）を構成するＣＣＤラインセンサユニット１１のラインセンサの延在方向に垂直な断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。
【００２８】
図に示すように、ＣＣＤラインセンサユニット１１は、例えば、７５００画素のＣＣＤラインセンサ１２、レンズユニット２０、及び、信号処理回路１３を収容する筐体１４から構成され、上記の図９（ｂ）に示したＣＣＤラインセンサユニット７０と同様に複数本所定の撮像角度に配置して筐体（図示を省略）に収容されて画像取込みセンサヘッド１０を構成するものである。
【００２９】
このレンズユニット２０は、レンズ１個の直径が１〜３ｍｍ程度の凸状のマイクロレンズ２１を１列に並べたレンズアレイ２２と、開口部２６を設けた本体部２４と蓋部２５とからなる遮光部を兼ねるレンズホルダ２３とによって構成される。
【００３０】
図３（ａ）乃至（ｃ）参照
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ図２（ｂ）におけるＢ−Ｂ′及びＣ−Ｃ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図であり、図３（ｃ）は、図２（ｂ）の底面図である。
図に示すように、レンズホルダ２３に設けた開口部２６は、段階的に狭くなっており、マイクロレンズ２１の光軸に対し平行でない入射光を遮光する働きを有する。
【００３１】
図４参照
図４はレンズユニット２０近傍の拡大図であり、上述のようにマイクロレンズ２１の光軸に平行な入射光は集光され、開口部２６を通過して、マイクロレンズ２１の焦点位置に配置されたＣＣＤラインセンサ１２の画素を構成する受光素子１５に照射される。
【００３２】
図５（ａ）参照
図５（ａ）は、ＣＣＤラインセンサ１２の出力を模式的に示したもので、ここでは、画素の配列方向に沿った出力として示している。
【００３３】
図５（ｂ）参照
図５（ｂ）は、図５（ａ）における破線の円内の拡大図であり３つの出力波形を示したもので、１列に配列している受光素子、即ち、画素の内、マイクロレンズ２１の焦点位置に配置された画素が有効画素となり、その周辺の画素は無効画素となる。
【００３４】
この場合、有効画素に隣接する無効画素は、マイクロレンズ２１の光軸に平行でない入射光で且つ遮光部を兼ねるレンズホルダ２３で遮光しきれなかった成分を受光し、さらに離れた無効画素は遮光部を兼ねるレンズホルダ２３の作用により０出力となる。
【００３５】
そして、無効画素の出力は無視して、出力波形の山１個分における有効画素出力を、平均値或いは合算値として得ることにより、レンズアレイ２２を構成する単体のマイクロレンズ２１の数量分だけの輝度情報を得ることができる。
その結果、レンズアレイ２２の光軸に平行な方向の光に対する輝度を平易に測定することができる。
【００３６】
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施の形態である、画像取込みセンサヘッドを用いた平面表示装置用輝度分布測定装置を説明する。
なお、装置構成自体は、上述の図９に示した装置構成と実質的に同じであり、図９における画像取込みセンサヘッド７０のかわりに、図２に示したＣＣＤラインセンサユニット１１からなる画像取込みセンサヘッド１０を用いたものであるので、図示は省略する。
【００３７】
図６（ａ）参照
図６（ａ）は、液晶パネルにおける１個のマイクロレンズ２１の対応エリア３０を模式的に示したものであり、例えば、１個のマイクロレンズ２１で平均６個のピクセルに対応する。
【００３８】
図６（ｂ）参照
この様にして取得したＣＣＤ出力、即ち、輝度分布から、上述のように有効画素の出力のみを選択的に取り出して、ここでは、平均値で置き換えて、平均値で置き換えた画像データ領域単位３１からなる画像処理対象画像を得る。
以降は、検査対象とする表示欠陥の種類の応じて画像処理を行って表示欠陥の有無を検出する。
【００３９】
このように、本発明の第２の実施の形態においては、比較的広領域の画像を１個のレンズで平均値として取得する画像取込みセンサヘッドを用いているので、大画面の平面表示パネルの画像データを短時間で取得することができ、検査工程のスループットが大幅に向上する。
【００４０】
なお、平均的な解像度自体は、エリアセンサを用いた従来の検査工程とあまり差はなくとも、エリアセンサの場合には、上述のように視角により中央部を周辺部とで受光光量に差があるが、本発明の場合には、中央部も周辺部も全く同じ条件であるので、何らの補正処理を要することなく平面表示パネル全面に渡って精度の揃った画像データを取得することができる。
【００４１】
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施の形態の平面表示装置用輝度分布測定装置の変形例を説明する。
図７参照
図７は、本発明の第２の実施の形態の平面表示装置用輝度分布測定装置の変形例の概念的構成図であり、ここでは、検査対象となる平面表示パネルモジュールを縦置きした状態で測定するものであり、その他の基本的構成は同様である。
【００４２】
即ち、ＹＺテーブル４２上に平面表示パネルモジュール４１を載置し、ホストコンピュータ４６により制御されるＦＰＤドライバ４４により平面表示パネルモジュール４１を点灯させるとともに、テーブル駆動制御装置４３によりＹＺテーブル４２をＺ方向に移動させながら画像取込みセンサヘッド１０により平面表示パネルモジュール４１の画像を取得するものであり、取得した画像データは、センサ信号制御装置４５を介してホストコンピュータ４３に入力され、必要に応じて表示装置４７に表示するものである。
【００４３】
このように、検査対象となる平面表示パネルモジュール４１を縦置きにすることにより、平面表示パネルの自重による撓みによる測定精度の低下を回避することができる。
【００４４】
即ち、通常の液晶パネルモジュールにおいては、導光板と液晶パネルとの間には空気層、即ち、クリアランスがあり、例えば、１５インチ（≒３８ｃｍ）の液晶表示装置では約０．２ｍｍ程度になっているため、液晶パネルの中央部がこのクリアランスの分だけ自重により撓むことになる。
【００４５】
撓みが生じた状態のまま、補正を加えずに画像を取得を行った場合、角度カメラの検査ダーゲットにズレが生じ、即ち、カメラの焦点ズレや検査位置ズレ等を引き起こし所期のデータが得られなくなるためである。
【００４６】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においてはレンズアレイは単体レンズを組み合わせて製作しているが、このような構成に限られるものではなく、例えば、射出成型等による一体のモールドレンズを使用しても良いものである。
【００４７】
また、上記の実施の形態においては詳しく言及していないが、遮光部を兼ねるレンズホルダの少なくとも内表面に必要に応じて光の反射防止や光吸収の処置を施しても良いものである。
【００４８】
例えば、レンズホルダを光吸収性の黒色樹脂で形成したり、或いは、内表面に粗面化処理を施す等の通常の光学要素で行われている反射防止処理或いは光吸収処理を施せば良い。
【００４９】
また、上記の実施の形態においては、レンズホルダに設けた開口部の光軸に沿った形状がステップ状であるが、加工性を考慮し、テーパ状等の他の形状を採用しても良いものである。
【００５０】
また、上記の実施の形態においては、レンズホルダと全体の筐体を別部材で構成しているが、必ずしも別体である必要はなく、一体成型部品としても良いものである。
【００５１】
また、上記の実施の形態においては、ＣＣＤラインセンサユニットを７本所定の撮像角度になるように配置しているが、７本に限られるものではなく、５本でも３本でも良く、さらには、１本のみで画像取込みセンサヘッドを構成しても良いものである。
さらには、リニアイメージセンサは、ＣＣＤ型に限られるものではなく、ＣＭＯＳ或いはフォトトランジスタ等を利用したものでも良いものである。
【００５２】
また、ＣＣＤラインセンサユニットを、ＣＣＤラインセンサの延在方向に直列に並べることにより大型平面表示装置に平易に対応することが可能となり、１度のスキャン工程で、大型平面表示装置の全体画像を取得することができる。
したがって、効率よく小さくな画像データを用いて高精度な測定／検査を行うことが可能となり、大型平面表示装置の低コスト化が可能になる。
【００５３】
また、画像取込みセンサヘッドを複数個配置し、各画像取込みセンサヘッドの対応箇所毎に平面表示装置の表示パターンを切り替えることによって、１度のＹ方向の動きで種々の表示パターン検査が可能になる構成としても良いものである。
【００５４】
例えば、ある画像取込みセンサヘッドの対応箇所では平面表示装置のＲ（赤）ドットのみ点灯させ、次の画像取込みセンサヘッドの対応箇所では平面表示装置のＧ（緑）ドットのみ点灯させ、さらに次の画像取込みセンサヘッドの対応箇所では平面表示装置のＢ（青）ドットのみ点灯させることによって、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応する画像を一度のスキャン工程で取得することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、検査対象の平面表示装置のパネルサイズが大きくなっても、平面表示装置表面とカメラの距離を精密に制御する必要がないため、テーブル構造がシンプルになり剛性も向上し、コスト削減に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に用いるＣＣＤラインセンサユニットの説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態のレンズホルダの開口部の説明図である。
【図４】レンズユニット近傍の拡大図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるＣＣＤラインセンサの出力の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の画像処理方法の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の平面表示装置用輝度分布測定装置の変形例の概念的構成図である。
【図８】従来の平面表示装置の輝度分布測定方法の説明図である。
【図９】本出願人の提案に係る画像取込み工程の説明図である。
【図１０】本出願人の提案に係るＣＣＤラインセンサユニットの説明図である。
【符号の説明】
１ 撮像装置
２ レンズアレイユニット
３ レンズアレイ
４ 凸状マイクロレンズ
５ レンズホルダ
６ 開口部
７ リニアイメージセンサ
８ 信号処理回路
９ 筐体
１０ 画像取込みセンサヘッド
１１ ＣＣＤラインセンサユニット
１２ ＣＣＤラインセンサ
１３ 信号処理回路
１４ 筐体
１５ 受光素子
２０ レンズユニット
２１ マイクロレンズ
２２ レンズアレイ
２３ レンズホルダ
２４ 本体部
２５ 蓋部
２６ 開口部
３０ 対応エリア
３１ 平均値で置き換えた画像データ領域単位
４１ 平面表示装置モジュール
４２ ＹＺテーブル
４３ テーブル駆動制御装置
４４ ＦＰＤドライバ
４５ センサ信号制御装置
４６ ホストコンピュータ
４７ 表示装置
５１ ＣＣＤエリアイメージセンサカメラ
５２ レンズ
５３ 平面表示パネルモジュール
５４ 中央部
５５ 周辺部
５６ 周辺部
６０ ＸＹテーブル
６１ 平面表示パネルモジュール
６２ ホストコンピュータ
６３ ＦＰＤドライバ
６４ テーブル駆動制御装置
６５ センサ信号制御装置
６６ 表示装置
７０ 画像取込みセンサヘッド
７１ ＣＣＤラインセンサユニット
７２ 筐体
７３ ＣＣＤラインセンサ
７４ ロッドレンズアレイ
７５ 信号処理回路
７６ 筐体

Claims (4)

1. 凸状マイクロレンズからなるレンズアレイと、前記レンズアレイの光軸に平行に入る光のみを選択的に通過させるとともに前記レンズアレイ側で各凸状マイクロレンズに対して共通で且つ出射側で各凸状マイクロレンズに対して個別になった開口部を有するとともに、少なくとも、開口部の内表面が遮光性を有するレンズホルダとからなるレンズアレイユニットとリニアイメージセンサとを、前記凸状マイクロレンズの焦点位置に前記リニアイメージセンサの受光面が位置するように組み合わせるとともに、前記リニアイメージセンサの画素の内、前記凸状マイクロレンズの光軸に平行な入射光を受光する画素群を有効画素とし、それ以外の画素群を無効画素として、前記有効画素の出力を選択的に処理することにより前記レンズアレイの光軸に平行な方向の光に対する輝度を測定する処理機構を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 上記レンズホルダに設けた開口部の個別になった部分の径が、出射端側で最も小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の撮像装置と、前記撮像装置と平面表示装置の内の一方を搭載して少なくとも上記リニアイメージセンサの副走査方向に移動自在のステージとを少なくとも備えていることを特徴とする平面表示装置用輝度分布測定装置。
4. 上記撮像装置を、複数個搭載していることを特徴とする請求項３記載の平面表示装置用輝度分布測定装置。

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