JP5942242B2 - 検査用照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液晶パネルや有機ＥＬパネルの検査に用いることのできる検査用照明装置に関する。

テレビなどに使われる大型液晶パネルは、各表示素子の大きさは数１００μmであり、素子のOn/Offを担うトランジスタの大きさは３〜７μmであるのが一般的である。しかし、パソコンやスマートフォンなどに用いられる表示パネルでは、さらに細かい高精細パネルが用いられる。このような高精細パネルでは、例えば、各表示素子の大きさが数１０μm、素子のOn/Offを担うトランジスタの大きさが１〜３μmの仕様を満たすことが求められる。

トランジスタの大きさが３〜７μmの表示パネルの検査では、結像レンズに対する照明系は比較的安価な面光源が使われている。しかし、面光源は、フレアと呼ばれる散乱光が分解能を悪くするという問題がある。このため、従来の面光源では、トランジスタの大きさが１〜３μmの高精細の表示パネルの検査に対応することは困難であった。そこで、結像レンズに対する照明系として、ケーラー照明系を用いることが検討されている。ケーラー照明系は、分解能が結像レンズの光学設計値まで得られるとともに、深い焦点深度が得られるため、高精細の表示パネルの検査に対応することが可能である。

しかし、ケーラー照明系はコストが高いという難点があるため、安価な面光源によって代用されることが多いというのが実情であった。

特開平１１−６８０２号公報 特開２０１０−１５６５５８号公報

図８は、従来使われている面光源の欠点を説明するための図である。面光源として光ファイバーを使う例では、 [XY断面]を長手とし、[XZ断面]を短手としたスリット状領域に多数の光ファイバーがバンドルされて、ファイバー端面から物体面を照射する。この場合、図８に示すように、ほんの僅かな光束が結像レンズに入射して、結像に寄与するが、面光源から出射する大半の光束は無駄になるとともに、レンズ鏡筒などに当たりフレアとして画像素子のコントラストを悪くし、解像度を下げてしまう。このように、面光源は安価であるという利点はあるが、高精細化されたパネルの検査には十分に対応することが困難であった。また、大半の光束が無駄になるため、過大な仕様の光ファイバーを必要とするという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ケーラー照明系を用いたより安価な検査用照明装置を提供することを目的とする。

本発明の検査用照明装置は、光源部と、前記光源部から発せられた光を平行光に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを通過した光を被検物体に向けて集光するためのフレネルコンデンサレンズと、前記コリメータレンズと前記フレネルコンデンサレンズの間に配置されたシグマ絞りと、を備える検査用照明装置であって、前記シグマ絞りと前記フレネルコンデンサレンズの間には、アポダイジングフィルタが設置されていることを特徴とする。

前記アポダイジングフィルタは、前記シグマ絞りと前記フレネルコンデンサレンズとの距離を１としたとき、前記フレネルコンデンサレンズから１／３以内の距離に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、ケーラー照明系を用いたより安価な検査用照明装置を提供することが可能となる。

検査用照明装置の平面図である。 検査用照明装置の側面図である。 フレネルコンデンサレンズの拡大図である。 アポダイジングフィルタについて説明するための説明図である。 照度の均一化確認実験の結果を示すグラフである。 検査用照明装置における瞳（絞り）の共役関係、結像レンズの分解能、及び焦点深度について説明するための説明図である。 分解能の測定実験の結果を示すグラフである。 従来使われている面光源の欠点を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る検査用照明装置１０の平面図である。図２は、検査用照明装置１０の側面図である。
図１、２に示すように、検査用照明装置１０は、光源部２０と、前記光源部２０から発せられた光を平行光に変換するコリメータレンズ３０と、前記コリメータレンズ３０を通過した光を被検物体Ｗに向けて集光するためのフレネルコンデンサレンズ４０と、前記コリメータレンズ３０と前記フレネルコンデンサレンズ４０の間に配置されたシグマ絞り５０と、を備えている。

光源部２０は、複数のＬＥＤ光源２２と、板状のロッド・プリズム２４によって構成されている。板状のロッド・プリズム２４は、線状の入射面２４ａ及び出射面２４ｂを有している。一方、複数のＬＥＤ光源２２は、線状の入射面２４ａの長手方向に沿って１列に並ぶように配置されている。したがって、複数のＬＥＤ光源２２から出射された光は、ロッド・プリズム２４の内部に入射面２４ａから入射した後、ロッド・プリズム２４の内部において多重反射を繰り返すことによって、出射面２４ｂから均一な光となって線状に出射する。
なお、複数のＬＥＤ光源２２は、ランプ等の他の光源によって代替することも可能である。また、ロッド・プリズム２４は、ＬＥＤ等の光源から発せられる光を均一化できるのであれば、他の光学素子によって代替することも可能である。

コリメータレンズ３０は、光源部２０から出射された光を平行光に変換するためのレンズであり、公知のコリメータレンズを用いることが可能である。

フレネルコンデンサレンズ４０は、コリメータレンズ３０を通過した光を被検物体Ｗに向けて集光するためのレンズである。フレネルコンデンサレンズ４０は、１枚もしくは２枚以上のフレネルレンズによって構成されている。このフレネルコンデンサレンズ４０の詳細については、後述する。

シグマ絞り５０は、虹彩絞りとも呼ばれるものであり、コリメータレンズ３０の後側（被検物体Ｗ側）に配置されている。シグマ絞り５０は、後述する結像レンズ６０内の絞りと光学的に共役の位置に配置されている。

被検物体Ｗは、検査の対象となる物体であり、例えば、液晶パネルや有機ＥＬパネルである。本実施形態では、被検物体Ｗとして光透過性のパネルを例示しているが、光を反射するパネルであってもよい。

光源部２０から出射された光は、コリメータレンズ３０によって平行光に変換された後、後述するアポダイジングフィルタ７０を通過する。アポダイジングフィルタ７０を通過した光は、フレネルコンデンサレンズ４０によって被検物体Ｗの表面に均一かつ線状に照射される。これにより、被検物体Ｗの表面には、照度が均一でかつ線状の光の照射面が形成される。

被検物体Ｗの後側（光源部２０と反対側）には、さらに、結像レンズ６０及びラインＣＣＤ８０が配置されている。被検物体Ｗの表面に照射された光は、結像レンズ６０により撮像素子であるラインＣＣＤ８０の受光面に結像する。これにより、被検物体Ｗの表面に形成された光の照射面の像は、ラインＣＣＤ８０の受光面に転写される。

図１、図２に示す検査用照明装置１０において、ロッド・プリズム２４の出射面２４ｂと、被検物体Ｗの表面は、光学的に共役となっている。また、被検物体Ｗの表面と、ラインＣＣＤ８０の受光面は、光学的に共役となっている。さらに、シグマ絞り５０と結像レンズ６０内の絞りが、光学的に共役となっている。

被検物体Ｗの表面に欠陥がある場合、ラインＣＣＤ８０の受光面にはその欠陥の画像が転写される。その転写された画像をソフトウエア処理することにより、被検物体Ｗの欠陥検査を行うことが可能である。

本発明の検査用照明装置１０では、従来使われていた面光源（拡散照明）ではなく、ケーラー照明系を用いている。ケーラー照明ではシグマ絞り（＝虹彩絞り）をコントロールして、結像レンズの照明条件を変えることにより、結像レンズの分解能を高くすることが可能であるとともに、結像レンズの焦点深度を深くすることが可能である。したがって、例えばトランジスタの大きさが１〜３μmの高精細パネルの検査にも対応することが可能である（「光の鉛筆第４巻」鶴田匡夫著、新技術コミュニケーションズ出版、p.281-290）。

また、本発明の検査用照明装置１０は、球面レンズからなるコンデンサレンズではなく、フレネルコンデンサレンズ４０を用いてケーラー照明系を実現している。
球面レンズからなるコンデンサレンズを用いた場合、コンデンサレンズが大型化してしまう。また、複数枚のコンデンサレンズが必要である。さらに、撮像素子としてラインＣＣＤを用いることを前提とした場合、コンデンサレンズは矩形であればよいにもかかわらず、球面レンズからなるコンデンサレンズは円形であるため、コンデンサレンズの大部分が無駄になってしまう。
これに対して、フレネルコンデンサレンズ４０を用いた場合、レンズの非球面化が容易である。このため、球面レンズを用いた場合のようにレンズの大部分を無駄にすることがなく、また、フレネルコンデンサレンズ４０は１枚でもケーラー照明系を実現できるため、ケーラー照明系を低コストで実現することができる。

図３は、フレネルコンデンサレンズ４０の拡大図である。図３に示すように、フレネルコンデンサレンズ４０は、光軸からレンズの周縁に向かうにつれてノコギリ状の山が高くなり、図中のグレー色で示す光束が焦点に向かわず、レンズの周縁を通る有効光束が減少してしまうという欠点がある。

液晶プロジェクタ、オーバー・ヘッドプロジェクタ、あるいは背面投射型テレビでは、照明系にフレネルレンズを使っているものがある。人間の眼の感度はLogに比例するために、画像の周縁部が数１０％暗くてもあまり問題は生じないと言われている。しかし、高精細表示パネルの検査装置では、パネルの周縁部にまで均一の照度で光を照射することが要求される。このため、フレネルレンズを使う利点が多くあるにもかかわらず、フレネルレンズを検査装置の照明系に用いることは実際には困難であるというのが常識であった。

そこで、本発明の検査用照明装置１０では、アポダイジングフィルタ７０をシグマ絞り５０とフレネルコンデンサレンズ４０の間に配置することによって、フレネルレンズを使用することによる照度ムラの問題を解決している。

図４は、アポダイジングフィルタについて説明するための図である。図４の上段は、中央部の透過率を５０％としたアポダイジングフィルタの例を示している。図４の下段は、中央部の透過率を８０％としたアポダイジングフィルタの例を示している。

本実施形態では、中央部では透過率が低く、中央部から離れるにつれて透過率が次第に高くなる矩形状のアポダイジングフィルタ７０を用いている。
なお、本実施形態の検査用照明装置１０では、結像レンズ６０の仕様の変更に合わせて、異なる仕様のフレネルコンデンサレンズ４０を用いる必要がある。異なる仕様のフレネルコンデンサレンズ４０を用いた場合、フレネルコンデンサレンズ４０の透過率カーブ特性も変わってくる。このため、アポダイジングフィルタ７０の仕様を、フレネルコンデンサレンズ４０の透過率カーブの特性に合わせて変更する必要がある。

アポダイジングフィルタ７０は、シグマ絞り５０とフレネルコンデンサレンズ４０との距離を１としたとき、フレネルコンデンサレンズ４０から１／３以内の距離に配置されることが好ましい。
より具体的には、アポダイジングフィルタ７０は、シグマ絞り５０とフレネルコンデンサレンズ４０の表面（光源部２０側の表面）との光軸方向における距離を１としたとき、フレネルコンデンサレンズ４０の表面から１／３以内の距離に配置されることが好ましい。

アポダイジングフィルタ７０を上記の範囲よりもシグマ絞り５０の近傍に配置した場合、光軸近傍を進む光束と照明域の周縁に向かう光束とが重複するために、照明域全面の透過率が下がるおそれがある。また、被検物体Ｗに照射する光の照度の均一化を図ることが困難になるおそれがある。

他方、アポダイジングフィルタ７０をフレネルコンデンサレンズ４０と被検物体Ｗの間に配置した場合には、アポダイジングフィルタ７０を通過する光の各光束が細くなってしまう。この場合、被検物体Ｗに照射される光が、アポダイジングフィルタ７０のパターンムラ等の影響を大きく受けてしまう。

本発明者らは、アポダイジングフィルタ７０の位置を変えて実験を繰り返すことによって、アポダイジングフィルタ７０の最適な配置を見出した。すなわち、アポダイジングフィルタ７０は、シグマ絞り５０とフレネルコンデンサレンズ４０との距離を１としたとき、フレネルコンデンサレンズ４０から１／３以内の距離に配置されることが好ましいことを見出した。より好ましい距離は、１／４以内である。

なお、フレネルコンデンサレンズ４０が２枚のフレネルレンズによって構成されている場合、アポダイジングフィルタ７０を２枚のフレネルレンズの間に配置してもよい。

［照度の均一化確認実験］
本発明の検査用照明装置１０によって、被検物体Ｗに照射される光の照度の均一化を図ることができることを確認するための実験を行った。なお、照度の均一化を確認することが目的の実験であるため、被検物体Ｗにはパターンのない素ガラスを用いた。この実験では、結像レンズ６０として１倍のレンズを用いた。また、ラインＣＣＤ８０として、１２,０００画素×５μm＝６０ｍｍのライン型ＣＣＤを用いた。アポダイジングフィルタ７０は、中央部の透過率が５０％のものを用いた。アポダイジングフィルタ７０は、シグマ絞り５０とフレネルコンデンサレンズ４０の中間の位置（フレネルコンデンサレンズ４０から１／２）に配置した。

図５は、実験結果を示すグラフである。図５のグラフでは、ラインＣＣＤの照度出力をＹ軸にとっており、ラインＣＣＤの座標を画素数を単位としてＸ軸にとっている。図５の上段は、アポダイジングフィルタ７０を配置する前の実験データを示している。図５の下段は、アポダイジングフィルタ７０を配置した後の実験データを示している。

図５の上段に示すように、アポダイジングフィルタ７０を配置しない場合には、照度の最大値が約180(Max)、照度の最小値が約105(Min)であり、（Max-Min）/(Max+Min)で計算される照度ムラは約２６％であった。

図５の下段に示すように、アポダイジングフィルタ７０を配置した場合には、照度の最大値が約112(Max)、照度の最小値が約105(Min)であり、（Max-Min）/(Max+Min)で計算される照度ムラは約３．２％であった。

上記の実験結果より、アポダイジングフィルタ７０をシグマ絞り５０とフレネルコンデンサレンズ４０の間に配置することによって、被検物体Ｗに照射する光の照度の均一化が図れることを確認できた。

［分解能と焦点深度の測定実験］
本発明の検査用照明装置１０を用いることによって、結像レンズ６０の分解能と焦点深度を測定した。
測定について説明する前に、まず、本実施形態の検査用照明装置１０における瞳（絞り）の共役関係、結像レンズ６０の分解能、及び焦点深度について説明する。

図６に示すように、シグマ絞り５０と結像レンズ６０は共役となっている。このため、シグマ絞り５０を小さくすれば、照明光の光束は結像レンズ６０の絞りのより中央部を透過する。図６では、シグマ絞り５０の径を５０％まで小さくした例を示した例を示しており、このような状態をσ＝０．５と呼ぶ。

σ＝０．５の場合、共役関係にある結像レンズ６０にも、絞り開口に対して５０％しか直接光束は入射しないことになる。しかし、被検物体Ｗに細かいパターンが形成されている場合、この細かいパターンによって回折光が生じる。そして、その回折光が結像レンズ６０内の絞りの開口部（＝外側の薄いグレー色の部分）を通るため、この回折光が分解能の改善に寄与することとなる。なお、図６では、０次光を実線で示しており、被検物体Ｗに形成された微細パターンから生じる回折光を破線で示している。

焦点深度については、強い０次光の光束のＮＡが小さくなるために、波長／（ＮＡ×ＮＡ）から求められる焦点深度が深くなる。

図７は、結像レンズ６０の分解能の測定データを示す。図７の右側の列のグラフは、従来の面光源（拡散照明）を用いて被検物体Ｗに光を照射したときの分解能の測定結果を示している。図７の左側の列のグラフは、本実施形態の検査用照明装置１０（ケーラー照明系）を用いて被検物体Ｗに光を照射したときの分解能の測定結果を示している。また、図７には、上下方向に５つのグラフが並んでいるが、これらは、上から順番に、−１００μm、−５０μm、ベストフォーカス、＋５０μm、＋１００μmの各フォーカス位置での測定データを示している。分解能は、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）で測定している。

測定では、結像レンズ６０として、２．４倍の結像レンズを用いた。被検物体Ｗとして、白黒各７ミクロンの微細パターンが形成されている２５ｍｍ長さのレチクルを用いた。ラインＣＣＤ８０として、１２,０００画素×５μm＝６０ｍｍのライン型ＣＣＤを用いた。なお、ＣＣＤの１素子は、被検物体Ｗの２．０８μmに相当する。シグマ絞り５０の絞りの大きさは、σ＝０．７とした。

（分解能の測定結果）
図７を見れば分かる通り、ベストフォーカス位置での拡散照明のＭＴＦが３８％であったのに対し、本実施形態の検査用光照明装置１０（ケーラー照明系）のＭＴＦは７３％であり、分解能がおよそ２倍に改善されることを確認できた。

（焦点深度の評価）
画像データの処理において、ＭＴＦ３０％以上がソフトウエア処理出来る目安であると言われている。そこで、ＭＴＦ３０％以上を基準として、焦点深度の評価を行った。
図７を左列のグラフを見れば分かる通り、本実施形態の検査用照明装置１０（ケーラー照明系）を用いた場合には、ベストフォーカス位置で７３％、−５０μmの位置で６１％、＋５０μmの位置で５６％のＭＴＦ値が測定された。この結果より、±７５μm程度の焦点深度が確保されていることを確認できた。この程度の焦点深度が確保されていれば、数１０ミクロンのうねりのあるガラスパネルを検査する場合でも、画像データのソフトウエア処理が可能であるといえる。

図７の右列のグラフを見れば分かる通り、従来の拡散照明を用いた場合には、ベストフォーカス位置で３８％、−５０μmの位置で２１％、＋５０μmの位置で１９％のＭＴＦ値が測定された。この結果より、±５０μmの焦点深度が確保できていないことを確認できた。

ケーラー照明系を使う種々の測定データから、σ絞りが０．５から０．７程度でＭＴＦ値が高くなり、焦点深度も深くなることが確認されている。
本発明の検査用光照明装置を用いて、適切なσ絞りを選択する事により、高精細パネルの検査を安価に実現することが可能となった。

１０ 検査用光照明装置
２０ 光源部
２２ 光源
２４ ロッド・プリズム
３０ コリメータレンズ
４０ フレネルコンデンサレンズ
５０ シグマ絞り
６０ 結像レンズ
７０ アポダイジングフィルタ
８０ ラインＣＣＤ
Ｗ 被検物体

Claims (1)

1. 光源部と、前記光源部から発せられた光を平行光に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを通過した光を被検物体に向けて集光するためのフレネルコンデンサレンズと、前記コリメータレンズと前記フレネルコンデンサレンズの間に配置されたシグマ絞りと、を備える検査用照明装置であって、
   前記シグマ絞りと前記フレネルコンデンサレンズの間には、アポダイジングフィルタが設置されており、
   前記アポダイジングフィルタは、前記シグマ絞りと前記フレネルコンデンサレンズとの距離を１としたとき、前記フレネルコンデンサレンズから１／３以内の距離に配置されていることを特徴とする、検査用照明装置。