JP7086813B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ効果を有する光透過性ワークの観察や撮像、検査等に用いる照明光を照射する照明装置に関するものである。

製品の完成後や製造中に、当該製品に傷や汚れがついていないか検査する為に照明光を照射する照明装置が従来から用いられている。

この照明光を観察や撮像、検査等の対象となる基板等（ワークと呼ぶ）向けて観察や撮像等に必要な照明光を照射する形態として、光源となるランプが収められた筐体（いわゆる、ランプボックス）から放射された光を、ライトガイドと呼ばれる光ファイバを束ねた導光部材で導光する形態が周知である。

そして、ライトガイドの出射部にレンズを配置し、出射光を平行光化する方式が知られている（例えば、特許文献１）。

また、ライトガイドを構成する光ファイバの出射端を扁平に並べて配置し、光透過板および拡散板を通過した光等により平面照明を得る方式が知られている（例えば、特許文献２）。

なお、特許文献１，２のどちらの方式の照明を用いるかは、観察等するワークの表面状態やワーキングディスタンス、観察倍率や発見すべき傷や汚れ等に応じて、適宜選択して採用されていた。

実開平６－３３２３９号公報 実開平６－２１００２号公報

レンズ効果を有する光透過性ワークを観察や撮像、検査等しようとすると、特許文献１の方式（つまり、平行光）では、レンズ効果により光透過性ワークを通過した観察光が偏ってしまい、均一な光量分布が得られなくなる。そのため、従来技術では、傷や汚れ等の発見や検出をするために適切な光量分布を得られず、所望の観察や検査等が行えないという課題が生じていた。

また、特許文献２の方式（つまり、単なる拡散光）では、十分な光量が得られず、所望の観察や検査等が行えないという課題があった。
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、レンズ効果を有する光透過性ワークの観察や撮像、検査等に十分な光量と均一性を兼ね備えた照明光を照射することができる照明装置を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
レンズ効果を有する光透過性ワークに照明光を照射する照明装置であって、
光源と、
光源から放射した光を導光して所定の拡がり角の光束を出射させる光出射部と、
所定の拡がり角の光束を平行な光束に変換する集光レンズ部と、
平行な光束を通過させることで、進行方向がランダムな照明光に変換する拡散板と
を備えたことを特徴としている。

上記の照明装置によれば、拡散板を通過した光は、進行方向がランダムに拡散されるので、レンズ効果を有する光透過性ワークを観察等する際に、観察光の偏りを軽減することができる。また、拡散板を通過する直前まで平行な光束で導光されるので、十分な光量で均一に視野全体を照らすことができる。

レンズ効果を有する光透過性ワークの観察や撮像、検査等に十分な光量と均一性を兼ね備えた照明光を照射することができる。

本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。 本発明を具現化する形態の一例の要部を示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。

なお、以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、水平方向をＸ方向、Ｙ方向と表現し、ＸＹ平面に垂直な方向（つまり、重力方向）をＺ方向と表現する。また、Ｚ方向は、重力に逆らう方向を上、重力がはたらく方向を下と表現する。また、Ｚ方向を中心軸として回転する方向をθ方向とする。

図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。図１には、本発明に係る照明装置１ならびに、それを組み込んだ検査装置Ｋの概略図が示されている。

検査装置Ｋは、レンズ効果を有する光透過性ワーク（単にワークＷと呼ぶ）の表面や裏面、内部等に、傷、異物、汚れ、気泡等がないかどうかを検査するものである。ワークＷは、薄板状のシリコンやガラス、樹脂等で構成され、表面に所定のパターンで成膜やエッチング加工等したり、所定の表面形状に加工したり、機能性を有する材料を積層したりされている。具体的には、検査装置Ｋは、照明装置１、撮像部Ｃ、ワーク保持部Ｈ、相対移動部Ｍ、コンピュータＣＮ等を備えている。

照明装置１は、ワークＷに照明光を照射するものである。具体的には、照明装置１は、光源２、光出射部３、集光レンズ部４、拡散板５、筐体１０等を備えている。

光源２は、観察や撮像、検査等に必要な光を放出するものである。
具体的には、光源２として、外部から電流・電圧を印加させると、人の目や撮像部Ｃの感度波長である可視光領域の光を発するものが例示できる。より具体的には、光源２として、キセノンランプやメタルハライドランプ、ハロゲンランプ、蛍光灯、ＬＥＤ照明のほか、所定波長の光を発するレーザダイオードなどが例示できる。

光出射部３は、光源から放射した光を導光して所定の拡がり角の光束Ｌ１を出射させるものである。具体的には、光出射部３は、多数の光ファイバを束ねたライトガイド部３０、反射ミラー３２等を備えている。ライトガイド部３０は、入射端に光を入射させると、ファイバ内部で多重反射を繰り返し、出射端３１から所定の拡がり角の光束Ｌ１が出射される。

集光レンズ部４は、所定の拡がり角の光束Ｌ１を平行な光束Ｌ２に変換するものである。具体的には、集光レンズ部４は、平凸レンズや非球面凸レンズ、組合せレンズ等で構成されている。

反射ミラー３２は、平行な光束Ｌ２の方向を変えるものである。具体的には、反射ミラー３２は、４５度斜め方向に配置されており、Ｘ方向から照射された平行な光束Ｌ２を、Ｚ方向に照射される平行な光束Ｌ３に変換する構成をしている。

拡散板５は、平行な光束Ｌ３を通過させることで、進行方向がランダムな照明光４に変換するものである。さらに、拡散板５は、ワークＷと所定距離ｄを隔てて配置されている。より具体的には、拡散板５は、透明なガラス板や白色半透明のプラスチック樹脂の表面および／または裏面にすりガラス状の凹凸処理が施されており、入射した光の進行方向がランダムに拡散して出射される特性（いわゆる、拡散性）を有している。

そのため、ワークＷに照射される光Ｌ５には、様々な方向からの光が含まれることとなり、ワークＷにレンズ効果を有する部位が含まれていても、強弱に偏りの無い（つまり、均一性がある）観察光Ｌが得られる。

筐体１０は、光出射部３、集光レンズ部４、拡散板５の各部を所定の位置関係で固定するものである。具体的には、筐体１０は、ワークＷの下方に配置されている。より具体的には、筐体１０は、上面および側面の一部が開放した箱体で構成されている。筐体１０の側面の開口部には、光出射部３が取り付けられており、筐体１０の上面の開口部には拡散板５が取り付けられている。また、筐体１０の内部には、集光レンズ部４と反射ミラー３２が取り付けられている。

撮像部Ｃは、ワークＷを撮像するものである。具体的には、撮像部Ｃは、ワークＷに設定した検査エリアＲを含む画像を撮像し、外部機器に画像を出力するものである。より具体的には、撮像部Ｃは、撮像カメラＣ１、レンズＣ２等を備えている。

撮像カメラＣ１は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子（いわゆる、イメージセンサ）Ｃ３を備えており、観察光ＬがレンズＣ２等を介して撮像素子に結像された視野Ｆ内の像を、映像信号や画像データとして外部機器へ出力することができる。具体的には、撮像カメラＣ１で撮像された画像は、コンピュータＣＮへ出力される。より具体的には、撮像部Ｃは、ワークＷを上方から見下ろす様に配置されており、ワークＷとレンズＣ２とが所定の作動距離ＷＤを隔てて、照明装置１の拡散板５と対向する位置に配置されている。

ワーク保持部Ｈは、ワークＷを所定の姿勢で保持するものである。具体的には、ワーク保持部Ｈは、ワーク載置台Ｈ１、吸引機構（不図示）を備えている。

ワーク載置台Ｈ１は、ワークＷの外周部の下面や側面と接しつつ、当該外周部に摩擦力や吸引力等をはたらかせることで、ワークＷを所定の姿勢で保持するものである。具体的には、ワーク載置台Ｈ１は、上面が水平となるように配置された板状部材の上面に吸引用の溝や孔が設けられて、切換バルブ等を介して吸引機構に接続されている構成（いわゆる負圧吸着プレート）や静電吸着プレート、開閉機構を備えた把持チャック機構などが例示できる。

相対移動部Ｍは、撮像部Ｃとワーク保持部Ｈとを相対移動させ、撮像部Ｃで撮像するワークＷの場所を変更するものである。具体的には、相対移動部Ｍは、照明部２と撮像部Ｃとを対向配置させた状態で、これらとワークＷを保持したワーク載置台Ｈ１とを相対移動させる構成をしている。より具体的には、相対移動部Ｍは、不図示のＸ軸ステージ，Ｙ軸ステージ，θ軸ステージを備えている。

Ｘ軸ステージは、ワーク載置台Ｈ１をＸ方向に移動させたり、所定位置で静止させたりするものであり、装置フレーム（不図示）の上に取り付けられている。

Ｙ軸ステージは、ワーク載置台Ｈ１をＹ方向に移動させたり、所定位置で静止させたりするものであり、Ｘ軸ステージに取り付けられている。

θ軸ステージは、ワーク載置台Ｈ１を回転させたり、所定角度で静止させたりするものであり、Ｙ軸ステージに取り付けられている。

そして、Ｘ軸ステージ，Ｙ軸ステージ，θ軸ステージは、制御部（不図示）と接続されており、制御部から出力される制御信号に基づいて、所定の速度で移動・回転したり、所定の位置・角度で静止したりする。

コンピュータ部ＣＮは、照明装置１の点灯／消灯を制御したり、照明光の強度を調節したり、撮像部Ｃやワーク保持部Ｈ、相対移動部Ｍ等を制御したりするものである。具体的には、コンピュータ部ＣＮは、接続された外部機器から信号やデータが入力されると、予め登録されたプログラムに従って処理を行い、処理結果を外部機器へ出力するものである。より具体的には、コンピュータ部ＣＮは、入出力装置、記憶装置、画像処理装置、演算処理装置などのハードウェアと、実行プログラム等（ソフトウェア）を備えている。

そして、コンピュータ部ＣＮは、撮像部Ｃの撮像カメラＣ１から出力された画像に対応した映像信号（アナログ信号）や画像データ（デジタル信号）が入力されると、当該画像に対して所定の画像処理等を行い、所定の検査を行うようにプログラミングされている。

図２は、本発明を具現化する形態の一例の要部を示す断面図である。図２には、ワークＷを通過する照明光および観察光Ｌの軌跡が示されている。

観察光Ｌは、撮像部Ｃの撮像カメラＣ１で撮像される光束であり、ワークＷのレンズ効果を有する部位Ｓｄを通過した光束Ｌｄと、レンズ効果を有さない部位Ｓｆを通過した光束Ｌｆとが含まれる。

本発明を適用しなかった場合、ワークＷの下方から垂直上方に向けて照射された光束（つまり、平行光のみ）のうち、レンズ効果を有さない部位Ｓｆを通過した光束Ｌｆは、撮像部Ｃへ到達する。一方、レンズ効果を有する部位Ｓｄを通過する光束は、破線で示す様な焦点位置Ｆｐを通過する光束となり、撮像部Ｃへ到達しなかったり偏った光となってしまったりする。そのため、撮像部Ｃでは、均一な光量分布が得られなくなる。そして、傷や汚れ等の発見や検出をするために適切な光量分布を得られず、所望の観察や検査等が行えなかった。

本発明に係る照明装置１によれば、上述の様な構成をしているため、ワークＷの下方から上方に向けて照射される照明光Ｌ５は、進行方向がランダムな光束である。そのため、実線で示す光束が、レンズ効果を有する部位Ｓｄやレンズ効果を有さない部位Ｓｆを通過し、撮像部Ｃへ到達する。そして、ワークＷを観察等する際に、観察光Ｌの偏りを軽減することができる。また、光源から導光された照明光は、拡散板５を通過する直前まで平行な光束Ｌ２，Ｌ３として導光されるので、十分な光量で均一に視野Ｆ全体を照らすことができる。

なお、上述ではワークＷの上面が凸レンズの様な形状をした構成を例示したが、下面または上下面とも凸レンズの様な形状であっても、本発明を適用することができる。また、上面および／または下面が凹レンズの様な形状であっても良い。

［他の形態］
なお上述では、本発明に係る照明装置１が検査装置Ｋに組み込まれた形態を例示した。この様な形態であれば、観察光Ｌの偏りを軽減して自動検査を行うことができるため好ましい。しかし、本発明を具現化する上で、検査装置Ｋに組み込むことは必須ではなく、ワークＷをワーク保持台Ｈにて保持し、人が目視で観察や検査をする（撮像部Ｃがない）形態あっても良い。或いは、ワークＷを人が手で保持し、目視で観察や検査をする（撮像部Ｃ、ワーク保持台Ｈ、相対移動部Ｍ等がない）形態あっても良い。

［別の形態］
なお上述では、照明装置１の筐体１０の上面の開口部に拡散板５が取り付けられている形態を例示した。しかし、拡散板５は、筐体１０に固定された形態に限定されず、上下方向に移動可能に取り付けられた形態であっても良い。

具体的には、照明装置１の筐体１０に、拡散板距離調節部７を備えた構成とする。
拡散板距離調節部７は、ワークＷと拡散板５との距離ｄを調整するものである。
具体的には、拡散板距離調節部７は、上下方向に位置変更する可動部を有するアクチュエータを備えた構成とする。そして、可動部に取付金具等を介して拡散板５を取り付けた構成とする。

アクチュエータは、外部からの制御信号に基づいて、上下方向の位置を変更し、所定の位置で静止させるものである。具体的には、アクチュエータは、ボールネジとステッピングモータを備えたステージ機構や、空気圧シリンダ等が例示でき、コンピュータＣＮからの制御信号や、切替ＳＷやポテンショメータ等による電気信号の変化等に基づいて、可動部の上下方向の位置が制御される構成が例示できる。

この様な形態であれば、光出射部３と集光レンズ部４を固定したまま、ワークＷと拡散板５との距離ｄを変更できるので、ワークＷの曲率に適した距離ｄに設定することができ、好ましい。

［変形例］
なお上述では、光出射部３が、多数の光ファイバを束ねたライトガイド部３０を備えた構成を例示した。この様な構成であれば、筐体１０を適宜移動したり、検査装置Ｋ等に取り付けたりするのが容易であるため好ましい。

しかし、本発明を具現化する上で、光出射部３がライトガイド部３０を備えた構成には限定されず、光源２が収納されたランプボックスから光が出射される部位（つまり、光出射部３に相当）に集光レンズ部４を取り付けた構成であっても良い。

１ 照明装置
２ 光源
３ 光出射部
４ 集光レンズ部
５ 拡散板
７ 拡散板距離調節部
１０ 筐体
３０ ライトガイド
３１ 出射端
３２ 反射ミラー
Ｌ 観察光
Ｌ１ 所定の拡がり角の光束
Ｌ２ 平行な光束
Ｌ３ 平行な光束
Ｌ４ 進行方向がランダムな照明光
Ｌ５ 照明光の一部の光束（ある成分の光束）
Ｗ 光透過性ワーク
Ｋ 検査装置
Ｃ 撮像部
Ｈ ワーク保持部
ｄ 距離
Ｍ 相対移動部
ＣＮ 制御部
Ｆ 視野
Ｒ 検査エリア
Ｃ１ 撮像カメラ
Ｃ２ レンズ
Ｃ３ 撮像素子
Ｈ１ ワーク載置台

Claims (4)

1. レンズ効果を有する光透過性ワークに照明光を照射する照明装置であって、
   光源と、
   前記光源から放射した光を導光して所定の拡がり角の光束を出射させる光出射部と、
   前記所定の拡がり角の光束を平行な光束に変換する集光レンズ部と、
   前記平行な光束を通過させることで、進行方向がランダムな照明光に変換する拡散板と
   を備えた、照明装置。
2. 前記光透過性ワークを保持するワーク保持部を備え、
   前記光透過性ワークと前記拡散板とが所定距離を隔てて配置されている
   ことを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光透過性ワークと前記拡散板との前記距離を調整する、拡散板距離調節部を備えた
   ことを特徴とする、請求項２に記載の照明装置。
4. 光出射部が、多数の光ファイバを束ねたライトガイド部を備えた
   ことを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の照明装置。

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