KR20110043616A

KR20110043616A - 효과적인 원격중심 광학 시스템(ｅｔｏｓ)

Info

Publication number: KR20110043616A
Application number: KR1020117001718A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 피쉬; 이겔 카치르
Original assignee: 오르보테크 엘티디.
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-04-27
Also published as: TWI493175B; US8462328B2; TW201017154A; US20110122404A1; WO2010010556A1; CN102105777A; CN102105777B

Abstract

원격중심 조명 모듈을 가지는 원격 중심 영상 광학 기기 구성물을 포함하는 영역 센서(또는 라인 센서를 사용하는 머신 비전 시스템에 대한 새로운 아키텍처가 설명된다. 조명 모듈은 명시야 조명 광원 및/또는 암시야 조명 광원을 포함할 수 있다. 원격중심 영상 광학 기기는 구경 조리개를 가지는 상부 영상 모듈 및 상부 영상 모듈 및 물체 사이에 위치한 하부 영상 모듈을 포함하여, 광원 및 구경 조리개가 하부 영상 모듈의 후방 초점 평면에 배치되도록 한다. 하부 영상 모듈은 조명 광원을 하부 영상 모듈의 구경 조리개의 평면으로 영상화한다. 상부 영상 모듈의 광학 축은 하부 영상 모듈에 대해 오프셋된다. 원격중심 조명 모듈의 광학 축이 반대 방향으로 하부 영상 모듈의 축에 대해 오프셋된다.

Description

효과적인 원격중심 광학 시스템(ｅｔｏｓ){EFFICIENT TELECENTRIC OPTICAL SYSTEM(etos)}

본 발명은 미국 가특허 출원 제61/129,822호(2008년 7월 22일 출원, 전체 개시물이 이 명세서에 참조문헌으로 포함됨)에 근거하여, 미국 특허법 35조에 따른 우선권의 이익을 주장한다.

본 발명은 광학 검사 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 원격중심(telecentric) 영상 광학 기기 및 원격중심 물체 조명과 결합된 영역 영상 센서(area imaging sensor)(또는 라인 센서)를 가지는 광학 검사 시스템의 설계법에 관한 것이다.

평판 디스플레이(FPD:Flat Panel Display) 및 인쇄 회로 보드(PCB:Printed Circuit Boards)와 같은 다양한 전자 장치의 생산 공정 중에, 각각의 장치는, 생산 결함을 확인하고 가능한 한 수정하며, 장치가 수리될 수 없는 경우에, 추가 비용이 발생되는 것을 방지하기 위해, 다양한 공정 단계 후에 전체적으로 검사되어야 한다. 이러한 장치들의 검사를 위해, 도 1에 도시된 머신 비전 인스펙션 시스템 (Machine Vision Inspection system, Y100)이 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 물체(Y102)를 광학적으로 검사하기 위한 전형적인 머신 비전 인스펙션 시스템 (Y100)은 조명 모듈(Y101)을 사용하여 물체(Y102)를 조명한다. 조명된 물체(Y102)의 이미지가 영상 광학 기기(Y103)를 사용하여, 카메라(Y104)의 위치에서 생성된다. 카메라(Y104)는 물체의 광학 이미지를 디지털 표현(representation)으로 변환하며, 이는 예를 들면, 물체 내의 다양한 생산 결함을 식별하기 위해, 데이터 프로세싱 모듈(Y105)에 의해 자동으로 처리된다. 이러한 검사 시스템과 관련된 주요 설계 과제 중 둘은 다음과 같다:

1. 광과 물체 사이의 상호작용을 고려하여 영상 조건(requirements)을 만족하도록 조명 광의 모양을 형성하는 것, 이는 이미지 구조물에 영향을 미침; 그리고

2. 필수적이며 이용가능한 광 파워(광 전력)를 효과적으로 사용하기 위해 조명을 효율적으로 만드는 방법.

본 발명이 속하는 분야의 기술자가 이해할 수 있는 것과 같이, 많은 경우에, 검사된 물체 상에 입사한 조명 광의 각도는 검사 시스템의 영상 광학 기기를 통해 물체의 이미지를 형성하는 방식에 대해에 매우 중요하다. 예를 들어, 박막 패턴층으로 코팅된 글라스를 포함하는, 반사형 물체(가령, 평판 디스플레이(FPD))를 검사하는 동안에, 검사되는 물체에 의해 반사된 조명 광의 주요 부분은 정반사 광이다(미러 유사 광 반사). 정반사 광을 이용하여 물체의 이미지를 생성하는 것을 명시야(BF:Bright Field) 영상이라 한다.

또한, 암시야(DF:Dark Field) 영상(이는 이미지로부터 산란되지 않은 광선을 배제한, 산란된 광 내의 영상임)이 검사 목적을 위해 구현될 수 있다. 암시야 조명/영상이 검사 목적으로 매우 효율적이나, 암시야 조명 및 영상은 서로 다른 이미지 유형을 생성하기 때문에 주의 깊게 구체화될 필요가 있다.

도 2를 참조하면, 비-원격중심 영상 광학 기기(Y202)의 경우에, 암시야 조명 광선(Y10)은, 도 2에 도시된 것과 같이, 전체 시야에 대해 수집 각도 광선(Y11)을 일치시키도록 모양이 형성되어야 한다. 물체의 명시야 이미지가 이러한 광학 구성물을 이용하여 생성되는 경우에, Y12와 같은 각도의 과잉 조명은 광 손실을 초래하고, 결과적으로 검사 시스템의 성능 저하를 일으킨다(도 3 참조). 따라서, 수용가능한 질의 이미지를 생성하도록, 충분한 광이 영상 센서에 의해 수집되는 것을 보장하기 위해, 도 2 및 3에 도시된 것과 같은 시스템은 고 전력 조명 광원을 필요로 하며, 이는 시스템의 가격에 추가 비용을 부과한다. 나아가, 영상 질 파라미터(가령 해상도 및 콘트라스트)도 나빠진다.

영상이 원격중심이 아니며, 조명 장치가 영상 광학 기기로부터 분리된 모듈인 경우에, 종종 명시 조명 광선 및 영상 광학 기기 사이의 양호한 일치성을 얻기가 어렵다. 명시야 조명과 영상을 일치성을 얻는 두 가지 통상적인 방법이 도 4 및 5에 표현된다.

이러한 옵션 중 하나(도 4에 도시됨)는 영상 모듈(Y13)의 광학 축 및 투사 조명 광선(Y14)을 서로에 대해 기울이는 것이다. 이러한 옵션은 시야의 에지들(Y15 또는 Y16)에서의 초점이 맞지 않게 하고, 씬 라인(thin line)보다 넓은 경우에, 전체 시야에서 최적의 초점을 유지하는 것을 어렵게 한다는 점에서 단점이 있다.

도 5에 도시된, 제 2 옵션은 물체 상의 조명 광을 보내기 위해 빔 스플리터(Y17)를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은 저 광전력 효율을 가지며, 약 25% 미만의 입력 광전력을 사용한다는 점에서 단점이 있다.

암시야 영상에 대한 광학 시스템의 실시 구현예가 도 6에 도시된다. 암시야 영상을 사용하여 생성된 검사 물체의 이미지가 검사 목적으로 매우 유용하며 유익하다는 점에 주목해야 한다.

물체(Y210) 상에 암시야 조명을 제공하는 한 가지 방법은 암시야 조명 광원(Y18)을 영상 시스템의 광 수집 각 영역(Y19)에서 충분히 떨어진 위치에 배치하는 것이다. 그러나, 비-원격중심 시스템에서, 시야 내의 포인트(Y20)가 시야 내의 포인트(Y21)와 다른 입사각으로 암시야 조명 광을 수신한다. 이는 시야 내의 포인트의 위치상에 물체에 대한 조명 광 입사 각도에 따라 달라진다. 이는 이어서 시야 전체에 걸쳐 최종 암시야 이미지의 외관을 변경한다. 따라서, 암시야 영상은 시야 전체에서 조명 광 입사 각도의 균일성(도 6에 도시된 시스템은 이를 제공하지 못함)을 요한다. 조명 균일성은, 하나의 셀에 대한 이미지가 다른 셀의 이미지와 비교될 필요가 있는, 주기적 구조물 검사 애플리케이션에서 매우 중요하다. 이 셀들이 다르게 조명되는 경우에, 개별적인 이미지들에 대해 이전에 언급한 비교가 문제가될 수 있다.

따라서, 더 균일한 조명, 향상된 성능 및 우수한 이미지 질 파라미터를 제공하기 위해, 검사된 물체의 영상의 원격중심 취득 및 원격중심 조명을 획득하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명의 방법론은 위에 위의 문제 중 하나 이상의 문제 및 광학 검사 시스템의 일반적인 설계와 관련된 그 외의 다양한 문제를 실질적으로 방지하는 방법 및 시스템을 제시하기 위한 것이다.

본 발명의 방법론의 일 태양에 따르면, 물체를 광학적으로 검사하기 위한 시스템이 제공된다. 본 발명의 시스템은 광원을 포함하며 조명 광학 축을 가지는 원격중신 조명 시스템을 포함하고, 광원은 명시야 조명 광을 이용하여 물체를 조명하도록 구성된 명시야 조명 광 부품(part)을 포함한다. 본 발명의 시스템은, 영상 센서를 포함하며 물체의 명시야 이미지를 생성하도록 구성된 원격중심 광학 영상 시스템을 추가로 포함한다. 본 발명의 시스템에서, 원격중심 광학 영상 시스템은 추가로, 제 1 광학 축을 가지는 제 1 영상 모듈 및 제 2 광학 축을 가지는 제 2 영상 모듈을 포함한다. 이전에 언급한 조명 광학 축, 제 1 광학 축 및 제 2 광학 축은 서로에 대해 오프셋(offset) 된다.

본 발명의 방법론의 다른 태양에 따르면, 물체를 광학적으로 조명하기 위한 시스템이 제공된다. 본 발명의 시스템은 광원을 포함하는 원격중심 조명 시스템을 포함하고, 이 광원은 명시야 조명 광을 이용하여 물체를 조명하도록 구성된 명시야 조명 광 부품과, 암시야 조명 부품을 이용하여 물체를 조명하도록 구성된 암시야 조명 광 부품을 포함하며, 암시야 조명 광 부품 및 명시야 조명 광 부품은 동일 평면 내에 배치된다. 본 발명의 시스템은 추가로, 영상 센서를 포함하며 물체에 의해 반사된 정반사(specular) 광을 사용하여 물체의 명시야 이미지를 생성하고 비-정반사 광을 사용하여 물체의 암시야 이미지를 생성하도록 구성된, 광학 영상 시스템을 포함한다.

본 발명의 방법론의 또 다른 태양에 따르면, 광원을 포함하는 원격중신 조명 시스템을 가지는 시스템을 이용하여 물체를 광학적으로 검사하기 위한 방법이 제공된다. 여기서, 광원은 명시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성된 명시야 조명 광 부품과, 복수의 세그먼트들을 포함하는 암시야 조명 광 부품을 포함한다. 복수의 세그먼트들은 각각 유효 시야에 대해 규일한 각도 분포를 가지는 암시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성되고, 암시야 조명 광 부품 및 명시야 조명 광 부품은 동일 평면 내에 배치된다. 추가로 이 시스템은, 영상 센서를 포함하며 비-정반사 광을 사용하여 객체의 암시야 이미지를 생성하도록 구성된 광학 영상 시스템을 포함한다. 본 발명의 방법은 물체의 특징부에 근거하여 복수의 세그먼트들 중 하나를 선택하는 단계; 그리고 물체가 암시야 조명 광의 소정의 입사 방향을 획득하기 위해 복수의 세그먼트들 중 선택된 하나에 의해서만 별개로 조명될 때, 물체의 개별적인 암시야 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 관련된 추가 태양들이 이어지는 설명에서 일부 제시될 것이며, 일부는 설명에 의해 분명해지거나 본 발명의 구현에 의해 습득될 것이다. 본 발명의 여러 태양이 여러 구성요소들 및 다양한 구성요소의 조합에 의해 구현 및 얻어질 수 있으며, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구항에 구체적으로 지시된다.

이전의 그리고 다음의 설명 모두는 예시 및 설명을 위한 것일 뿐이며, 어떠한 방식으로든 청구된 발명 또는 이들의 응용을 제한하려는 것이 아님을 이해하여야 한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술에 대한 원리를 설명 및 표현하는 역할을 하며, 도면은 상세한 설명과 함께, 본 발명의 실시예를 구체화하는 명세서의 일부로 포함되고 이를 구성한다.
도 1은 예시적인 머신 비전 검사 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2는 명시야 영상에 대한 예시적인 조명 각도를 도시한다.
도 3은 명시야 영상에 대한 예시적인 조명 각도를 도시한다.
도 4는 기울어진 광학 축을 사용하여 물체를 명시야 조명하기 위한 방법을 도시한다.
도 5는 빔 스플리터를 사용한 명시야 조명 구성물의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 6은 암시야 조명 구성물을 도시한다.
도 7은 본 발명의 원격중심 조명 및 영상 시스템의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 원격중심 조명 모듈의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 조명 모듈의 조명 패턴 내의 명시야 각도 구역을 도시한다.
도 10은 본 발명의 조명 모듈의 조명 패턴 내의 암시야 유효 광원 포인트 및 예시적인 광선을 도시한다.
도 11은 본 발명의 조명 모듈 내 명시야 및 암시야 조명 광원의 예시적인 배열을 도시한다.
도 12는 본 발명의 조명 모듈의 광원을 사용하는 예시적인 FPD 패턴의 암시야 조명을 도시한다.
도 13은 본 발명의 명시야 조명 모듈의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 14는 LED의 예시적인 조명 패턴을 도시한다.
도 15는 본 발명의 조명 모듈 및 대응하는 방출 각도에 대한 대표적인 실시예를 도시한다.
도 16은 개별적으로 제어되는 LED에 의해 물체의 선택적인 암시야 조명을 가능하게 하도록 구현된 조명 모듈에 대한 또 다른 대표적인 실시예를 도시한다.

다음의 상세한 설명에서, 첨부된 도면(들)을 참조할 것이며, 이 도면에서 동일한 기능적 구성요소들은 동일한 번호로 표시된다. 이전에 언급한 첨부 도면들은 제한을 위한 것이 아닌, 예시를 위한 것으로, 본 발명의 원리들과 부합하는 구체적인 실시예 및 구현예를 도시한다. 이러한 구현예들은 본 발명의 관련 분야 기술자들이 본 발명을 실행할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 다른 구현예들이 이용될 수 있고, 다양한 구성요소들의 구조적 변경 및/또는 치환이 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않는 한 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 다음의 상세한 설명은 따라서 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 추가적으로, 이하에 설명된 것과 같은 본 발명의 다양한 실시예가 일반적인 광학 컴포넌트 및/또는 특별히 개발된 광학 모듈의 조합을 이용하여 구현될 수 있다.

아키텍쳐

본 발명의 방법론의 일 태양에 따르면, 머신 비전 시스템에 관한 신규한 아키텍처가 제공되며, 이는 도 7을 참조하여 설명된다. 본 발명의 기술에 관한 일 실시예에서, 도 7에 도시된 시스템은 영역 영상 센서(area imaging sensor, Y30)를 사용하며, 이는 CCD 센서 또는 CMOS 센서일 수 있다. 이전에 언급한 영상 센서는 광학적으로 원격중심 조명 모듈을 이용하는 원격중심 영상 광학 복합기와 광학적으로 결합된다.

도 7에 도시된 본 발명의 실시예에서, 원격중심 영상 광학 기기는 두 개의 개별적인 서브 모듈로 구현되며, 이는 렌즈 및/또는 거울(mirror)을 포함할 수 있다. 다른 광학 장치가 앞선 두 개의 서브-모듈에 통합될 수 있으며, 이는 이하에 설명된 원리와 일치한다. 본 발명의 실시예에서, 하부 영상 모듈(LIM:lower Imaging Module) 및 상부 영상 모듈(UIM:Upper Imaging Module)이 제공된다. LIM 및 UIM 모두는 무한대 수정형(infinity corrected)일 수 있다. 구체적으로, LIM은 무한대에서, 물체 평면(Y31)에 위치한, 물체의 이미지를 생성한다. UIM은 영상 센서(Y30)의 평면으로 앞서 언급한 무한대 배치 이미지를 재-영상화한다. 또한, 비 무한대 수정형 실시예도 이하에 설명된 것과 같이 가능하다.

도 7에 도시된 본 발명의 구현예에서, 광학 시스템의 개구 조리개(ASOP: aperture stop of optical system)는 UIM의 물리적인 부품이다. 그러나, 본 발명의 관련 분야의 기술자가 이해할 수 있는 것과 같이, 다른 구현예가 가능하다. 본 발명의 실시예에서, 물체 평면(Y31)에서 원격중심 조건을 획득하기 위해, 바람직하게 ASOP는 LIM의 후방 초점 평면(F1_LIM)에 배치되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에서, 광학 시스템은 이미지 평면에서도 원격중심이 되도록 구성된다. 한편, 이러한 특성을 포함하지 않는 다른 구현예도 가능하다.

조명

본 발명의 실시예에서, 물체 상으로 조명광을 전달하는, 시스템의 광원(LDM)이 디스크 모양을 가지는 영역으로 구현된다. 바람직하게는, 시스템의 명시야 강원의 모양(이는 물체 상으로 조명 광을 전달함)은 ASOP의 모양과 일치하는 모양을 가진다. 예를 들어, ASOP가 편의상 원 모양인 경우에, 유효 광원도 원형 또는 유사-원형인 것이 바람직하다. 유사-원형(quasi-circlar)은 정사각형, 육가형 또는 그 외의 유사한 통상적인 다각형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 임의의 디스크-모양 광원에 제한되는 것은 아니며, 물체를 조명하기 위해 마찬가지로 다른 광원 모양이 사용될 수 있다는 것에 주의해야 한다.

도 7에 도시된 것과 같이 배치된 광원(LDM)이 물리적 광원일 필요는 없으나, 적합한 광학 컴포넌트를 사용하여 생성된, 광원의 이미지(이하에서 논리적 광원이라 함)일 수 있으며, 이들 컴포넌트 중 일부는 다른 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.

LDM은 소정의 각도 이내로 광을 조명하며, 이 각도들은 도 7에서 범례(Y32a 및 32b)에 의해 표시된다. 이러한 각도는 표면에 수직인, LDM의 축(Y35)에 관하여 측정된다. 본 발명의 실시예에서, LDM은 LIM의 후방 초점 평면에 위치한다. LDM에 의해 생성된 조명 광은, 검사시 물체에 충돌하기 전에, LIM을 통과한다. LDM의 이와 같은 위치지정은 LDMdp 의해 제공된 조명이 물체 평면에서 원격중심이 되도록 한다.

도 7에 도시된 시스템은 특별한 특징- UIM의 광학 축(Y33)이 양(Y1) 만큼 LIM의 광학 축에 대해 수평방향으로 이동됨(offset)-에 의해 특성화된다. 따라서, 조명기(LDM)의 광학 축(Y35)도 양(Y2) 만큼 반대 방향으로 LIM의 광학 축(Y34)에 관하여 수평 방향으로 이동된다. 본 발명의 실시예에서, Y1 값은 Y2 값과 실질적으로 동일하다. 본 발명의 일 실시예에서, Y1 및 Y2 값은 LDM의 선형적 치수와 거의 동일하다.

도 7에 도시된 광학 구성(configuration)에 대한 대표적인 실시예의 하나의 중요한 특성은 유효 광원인 LDM이 LIM 및 거울 역할을 하는 물체 평면을 통해 ASOP 평면으로 영상화된다는 것이다.

도 7에 도시된 신규한 광학 시스템의 실시예는 다음의 바람직한 특성을 가진다. 첫째로, 물체 평면(31) 내 LDM에 의해 제공된 조명이 원격중심이며, 즉 유효 시야 전체에서 거의 균일한 각도 분포를 가진다. 둘째, 물체 평면 내의 시야 전체에 걸쳐 조명 광의 공간 분포가 광원(LDM)에 의해 방출된 조명의 각도 분포에 의해 결정된다. 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서, LDM은 이하에 설명된 것과 같이, LED 광원을 포함하며, 이는 유사-람베르시안 각도 동작에 의해 특성화되는 것이 일반ㅈ거이다. 이러한 구성은 시야 전체에서의 조명의 균일도를 높인다. 그러나, 본 발명은 LED 광원에만 한정되지 않으며, LDM의 다른 구현예도 가능하다.

본 발명이 속하는 분야의 기술자가 이해할 수 있는 것과 같이, 소정 량의 광학 비네팅(vignetting) 효과(이미지 중심에 비해 가장자리에서의 이미지의 밝기 또는 포화도의 감소)가 광학 검사 시스템에서 용인될 수 있다. 구체적으로, 약 20%의 조명의 비-균일도가 소정의 검사 애플리케이션에서 허용된다.

본 발명이 속하는 분야의 기술자가 이해할 수 있는 것과 같이, 도 7에 도시된 본 발명의 개념에 대한 실시에는 다음과 같은 효과에 의해 특성화된다. 즉, LDM은 ASOP 평면에 위치한 본 발명의 광학 시스템에 의해 영상화되기 때문에, LDM 모양 및 사이즈를 ASOP의 기하학적 구조에 맞게 선택함으로써, 시스템의 시야 내의 임의의 포인트(가령, Y36)에 도달하는 광선(Y38)이, 원하는 경우에, ASOP를 채우는데 적합한 각도에서, 과도한 오버필링(overfilling) 없이, 정반사성 객체에 의해 다시 반사된다(반사된 광(Y37) 참조). 또한 영상화 시스템이 원격중심인 것이 바람직하므로, 이러한 관계는 전체 시야에 걸쳐 모든 포인트에 대해 존재한다.

이전에 언급한, 투사 광선 각도(Y38) 및 수집 광선 각도(Y37) 사이의 (거의) 완벽한 일치는 종종 검사 목적을 위해 최적인 영상화 질을 얻는데 바람직하다. 나아가, 도 7에 도시된 본 발명의 시스템의 실시예는 확대(etendu) 변환의 면에서 매우 효과적이다. 왜냐하면 LDM에 의해 방출된 광선의 주요 부분(major fraction)이 ASOP에 도달하며, 결과적으로 센서(Y30)에 도달하기 때문이다.

실제로, 광원(LDM), LIM 및 ASOP의 상대적인 위치지정은 예를 들면, 시스템 구성 제약조건을 완화하기 위해, 상기한 바람직한 관계에서 다소 이탈할 수 있다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는, 약 9도까지 원격중심의 이탈이 대부분의 광학 검사 애플리케이션에서 수용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

그러나 추가로, 도 7을 참조하여 설명된 시스템의 실시예는, 도 5에 도시된 통상적인 시스템과 달리, 빔 스플리터의 사용 없이 유효 명시야 조명 조건이 달성될 수 있다는 사실에 기인하여, 방사 휘도(radiance)(밝기) 변환의 면에서 매우 효과적이다. 이로써, 본 발명의 구성은 빔 스플리터의 사용과 관련된 광 손실을 방지한다.

도 7에 도시된 본 발명이 실시예에서, ASOP 및LDM은 광학적 의미에서 서로 매우 가까이 배치된다. 따라서, 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 전반사 평면경(folding mirror, Y40)가 광원(LDM) 및 관련 광학 기기 및 마운팅을 수용하는 데 더 넓은 공간을 보장하기 위해 사용된다.

선택형 투사 각도

도 7을 참조하여 설명된 앞서 언급한 원격중심 영상 및 조명 시스템에서, LDM 평면 내의 각각의 포인트는, 시야 내 모든 포인트에 대해 실질적으로 동일한 특정한 입사 각도로, 물체 평면에서 전체 시야를 조명한다. 이제, 도 9의 개략적인 도면을 참조하면, LDM 평면(Y43) 내의 Y41과 같은 임의의 구체적인 로직 광 방출 소자와, 시야(48)에서 실질적으로 균일하며 일정한, 물체 평면 내의 조명 광(Y42)의 입사 각도 사이에 직접적인 결합 관계가 존재한다.

위에 설명한 결합 관계는 명시야 각도 구역(도 9 및 10에서 범례(Y46)에 의해 표시됨)에 대해서 유효할 뿐 아니라, 명시야 구역 외부에 놓인 암시야 각도 구역에 대해서도 유효하다. 예시적인 암시야 조명 광선(Y45)(이는 로직 LDM 광원 포인트(Y44))에 의해 방출됨)이 도 10에 도시된다. 한계 명시야 광원 포인트 및 광선이 참조 목적으로 파선과 중첩된다. 본 발명의 일 실시예에서, 광원을 조명하는 암시야는 명시야 조명 광원과 동일 평면에 배치된다(푸리에 평면). 본 발명이 속하는 분야의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 구성으로 원격중심 암시야 조명이 획득된다.

본 발명의 일 실시예에서, 물체 상의 조명 광 입사 각도를 선택적으로 제어하기 위해, 광원 LDM은 개별적 제어형 광 세그먼트(가령, 도 11에 도시된, 암시야 생성 세그먼트들(Q1, Q2, Q3,...))을 포함한다. 도 11에 도시된 실시예에서, 암시야 생성 세그먼트는 디스크 모양의 명시야 생성 세그먼트(P)를 둘러싸는 링에 배열된다. 도 11에 도시된 광원 구성은, 본 발명의 실시예가 물체 시야 전체에서 실질적으로 균일한, 선택적 제어형 각도에서, 물체 상에 선택적으로 광을 투사할 수 있게 한다. 이는 물체의 선택적 제어형 암시아 조명을 생성하는 데 사용될 수 있다.

소정의 검사 작업에서, 예를 들면 평판 디스플레이(FPD)의 제조시, 선택적 암시야는 적합한 이미지 질을 발생하기 위해 매우 중요하다. 이제 도 12를 참조하면, 평판 디스플레이(FPD) 패널은 보통 주기적 구조(이는 수평 라인들(Y61), 수직 라인들(62) 및 대각선들(Y63)로 구성됨)를 포함한다. 또한 도 12는, LDM 평면 내의 서로 다른 방위각 위치들에서 수직 방향으로 적절히 이동된, LDM 평면에 위치한 두 개의 암시야 광원 세그먼트(Y65 및 Y69)를 도시한다.

대각선(Y63)의 방향에 관하여, 광원 세그먼트(Y65)는 방위각 평면에서 실질적으로 수직으로 이동된다. 반면에 광원 세그먼트(Y69)는 대각선(Y63)의 방향에 실질적으로 평행하게 이동된다. 광원 세그먼트(Y65)에 의해 방출된 광선(Y64)이 패턴 라인(Y63)에 입사한다. 전형적으로, 광선(Y64)의 대부분의 에너지는 광선(Y66)과 같이 FPD 평편으로부터 정반사된다. 그러나, 추가적으로 광선(Y64)의 일부 에너지는 라인(Y63)의 에지에 의해 회절된다. 광선(Y67)은 FPD 평면(Y60)의 법선 방향으로 방출된 하나의 개별적인 회절 오더(order)이다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자가 분명히 알 수 있는 것과 같이, 광선(Y64)은 평행 오프셋 광원 세그먼트(Y69)에 의해 방출된 Y68과 같은 다른 광선과 비교시, 라인(Y63)의 에지에 의해 FPD 표면에 수직인 방향으로 더 강하게 회절될 것이다.

도 7을 참조하여 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원격중심 영상 시스템은, 시야 내의 모든 포인트에서 FPD 평면에 거의 수직인 실질적으로 평행한 주 광선 주위에서 잘 한정된 개구수(NA:numerical aperture)로 암시야 회절 광을 효과적으로 수집한다. 도 10에 개략적으로 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 구현된 암시야 조명 시스템에서, 지정 광원 위치에서 기원한 실질적인 평행 광에 의해 시야 내의 모든 물체 포인트가 조명된다. 암시야 조명 광원의 광원 세그먼트(Y65)와 같은 부품만이 턴 온 될 때, 도 12의 라인(Y63)과 같은, 실질적으로 대각으로 정렬된 특징부의 에지(feature edge)가, 다른 방향으로 에지가 정렬된 다른 특징부들에 비해, 도 7에 도시된 센서(Y30)에 의해 생성된 이미지에서 더 밝게 나타날 것이다.

앞선 예들은 본 발명의 실시예에 대한 구체적이고 유용한 특징들, 즉 암시야 조명의 방향(물체에 대한 입사 각도)을 선택적 제어함으로써 구체적인 물체 특징부들을 밝게 비추는 능력을 입증한다. 이러한 능력은 평판 디스플레이(FPD)의 검사시에 종종 요구된다.

조명 유닛

도 13은 요구된 LDM의 조명 특성을 가지는 광 출력을 포함하는 광원 모듈(M10)을 구현하기 위한 하나의 가능한 광학 스킴을 도시한다. 본 발명의 일 실시에에서, 광원 모듈(M10)은 LED를 사용하여 구현된다. 그러나, 본 발명에 속하는 분야의 기술자가 이해할 수 있는 것과 같이, 광원 모듈(M10)이 다른 유형의 광원을 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 유형의 광원은 아크 램프(arc lamp) 또는 수정 할로겐(QH) 광원을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 14는 상대적인 광각(Y50)으로 광을 방출하는 LED 다이(Y51)를 도시한다. 본 발명의 실시예에서, LED 다이(Y51)는 도 15에 도시된 것과 같이, 소형 렌즈(Lenslet)의 초점 평면에 위치할 수 있다. 이제, 소형 렌즈(Y53)의 구경(aperture) 자체를, LED 다이(Y51)에 비해 더 큰 지름과, 이에 대응하여 좁은 방출 각도(Y52)를 가지는 제 2 유효 광원으로 고려된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자에 분명히 알 수 있듯이, 광원 사이즈 및 소형 렌즈 광학 파라미터를 적절히 선택하여, 원래의 너비(etendu) 및 밝기를 보장하면서 원하는 공간 및 각도 속성을 위해 출력 광의 모양을 형성하는 것이 가능하다. 도 15의 구성은 LDM의 명시야 세그먼트의 대표적인 실시예이다.

본 발명의 실시예에서, 응용을 위해, 조명 광원 LDM의 상대적으로 작은 세그먼트를 사용하여 물체를 선택적 조명하는 것이 필요한 경우에, LDM은 도 16에 도시된 것과 같이, LDM 평면에서 LED(54)와 같은 개별적인 LED를 잠착함으로써 구현된다. LED는 도 16에서 명시야 조명 세그먼트(P1)를 둘러싸는 링에 위치한다.

본 발명의 선택적 실시예에서, LDM은 지정된 LDM 평면에 위치한 액정 디스플레이(LCD) 또는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)와 같은 세그먼트 공간 광 변조기(SLM:segmented spatial light modulator)을 배치하거나 광학적으로 영상화함으로써 구현된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자가 이해할 수 있는 것과 같이, 이러한 실시예는 컴퓨터 제어 시스템을 사용하여 SLM의 각 세그먼트를 선택적 제어함으로써 유효 광원의 모양을 결정하는 것에 관해 추가적인 유연성을 부여한다. 나아가, 이러한 실시예에서, 유효 광원의 모양은 애플리케이션에 맞게 컴퓨터 제어 하에 변경될 수 있다.

확대

소정의 광학 검사 작업에서, 광학 영상 시스템의 가변 배율에 대한 필요성이 존재한다. 광학 영상 시스템의 가변 배율을 얻기 위한 하나의 가능한 방법은 UIM, LIM, ASOP를 포함하는 전체 모듈의 위치를 변경하고, 물체에 대해 전체적으로 조명하며, 이에 따라 새롭게 정의된 이미지 평면으로 센서를 이동시키는 것이다.

본 발명의 개념에 따른 일 실시예에서, 가변 배율은 도 7의 UIM 및 LIM과 같이 지정된 광학 부품 중 하나 이상을, LIM의 후방 초점 평면에 위치한 구경 ASOP의 위치를 유지하면서, 가변 초점 길이를 가지도록 적절히 설계함으로써 얻어진다. 선택적으로 또는 추가적으로, UIM 또는 LIM은 가변형 주 평면 위치를 가지도록 설계될 수 있다.

마지막으로, 여기에 설명된 프로세스 및 기술은 임의의 특정한 장치에 본질적으로 관련되는 것이 아니며, 컴포넌트에 대한 임의의 적절한 조합에 의해 구현될 수 있다. 나아가, 다양한 유형의 범용 장치들이 이 명세서에 설명된 내용에 따라 이용될 수 있다. 또한, 여기에 설명된 방법적 단계들을 수행하기 위해 특화된 장치를 구성하는 것이 효과적일 수 있다. 본 발명이 구체적인 예에 관하여 설명되었으나, 이는 전적으로 본 발명을 제한하려는 것이라기보다는 설명하기 위한 것이다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 많은 다른 조합의 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어가 본 발명을 실행하는데 적합하다는 것을 이해할 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다. 또한, 이 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항 및 이의 등가물의 실제 범위 및 사상에 의해서 정의된다.

Claims

물체를 광학적으로 검사하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
a. 조명 광학 축을 가지며, 광원을 포함하는 원격중심 조명 시스템으로서, 상기 광원은 명시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성된 명시야 조명 광 부품을 포함하는, 조명 시스템; 그리고
b. 영상 센서를 포함하고, 물체의 명시야 이미지를 생성하도록 구성된 원격중심 광학 영상 시스템
을 포함하되, 상기 원격중심 광학 영상 시스템은 제 1 광학 축을 가지는 제 1 영상 모듈과, 제 2 광학 축을 가지는 제 2 영상 모듈을 더 포함하고,
상기 조명 광학 축, 상기 제 1 광학 축 및 상기 제 2 광학 축은 서로에 대해 오프셋되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 영상 센서는 영역 영상 센서(area imaging sensor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 명시 조명 광 부품은 하나 이상의 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광원은, 명시야 조명 광 부품과 동일한 광원 평면에 배치되며, 암시 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성된 암시야 조명 광 부품을 더 포함하고,
상기 원격중심 광학 영상 시스템은 물체의 암시야 이미지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 암시야 조명 광 부품은 복수의 암시야 조명 광 세그먼트를 포함하고, 각각의 암시야 조명 광 세그먼트는 유효 시야 전체에서 균일한 각도 분포를 가지는 암시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성되며, 상기 복수의 암시야 조명광 세그먼트는 각각 암시야 조명 광이 지정 방향으로 입사되도록 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 5 항에 있어서,
암시야 조명 광 세그먼트는 각각 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 3 항 또는 제 6항에 있어서,
원격중심 조명 시스템은 LED와 광학적으로 결합된 소형 렌즈(lenslet)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 5 항에 있어서,
명시야 조명 광 부품은 원 모양을 가지며, 복수의 암시야 조명 광 세그먼트는 명시야 조명 광 부품 둘레로 원을 그리도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 5 항에 있어서,
복수의 암시야 조명 광 세그먼트 중 선택된 세그먼트에 대하여 각각, 원격 중심 영상 시스템은 물체가 복수의 암시야 조명 광 세그먼트 중 선택된 하나의 세그먼트에 의해서만 각각 개별적으로 조명될 때, 개별적인 물체의 암시야 이미지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 시스템.
제 4 항에 있어서,
광원은 명시야 조명 부품을 형성하는 복수의 제 1 세그먼트와, 암시야 조명 광 부품을 형성하는 복수의 제 2 세그먼트를 가지는 세그먼트화된 공간 광 변조기를 포함하고, 복수의 제 1 세그먼트 및 복수의 제 2 세그먼트는 광원 평면에 배치되거나 광원 평면에서 영상화되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 10 항에 있어서,
세그먼트화 된 공간 광 변조기는 액정 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 10 항에 있어서,
세그먼트화된 공간 광 변조기는 마이크로미러 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 10 항에 있어서,
지정된 모양의 명시야 조명 광 부품 또는 암시야 조명 광 부품을 얻도록 복수의 제 1 세그먼트 각각 및 복수의 제 2 세그먼트 각각을 선택적으로 제정하는 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 1 항에 있어서,
제 1 영상 모듈이 물체와 제 2 영상 모듈 사이에 배치되고, 상기 제 2 영상 모듈은 제 1 영상 모듈의 후방 초점 평면에 배치된 구경 조리개(aperture stop)를포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 14 항에 있어서,
명시야 조명 광 부품의 모양은 각각 구경 조리의 크기 및 모양에 대응하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 14 항에 있어서,
광원의 이미지가 제 1 영상 모듈의 후방 초점 평면에 배치되고, 명시야 조명 광은 물체를 조명하기 전에 제 1 영상 모듈을 통과하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 14 항에 있어서,
제 2 영상 모듈의 제 2 광학 축은 제 1 오프셋 값만큼 제 1 영상 모듈의 제 1 광학축에 관하여 오프셋되고, 광원의 이미지는 제 2 오프셋 값만큼 반대 방향으로 제 1 여상 모듈의 제 1 광학 축에 관하여 오프셋되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 17 항에 있어서,
제 1 오프셋 값은 제 2 오프셋 값과 동일한 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 17 항에 있어서,
광원의 이미지가 거울을 사용하여 편향되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 14 항에 있어서,
제 1 영상 모듈 및 제 2 영상 모듈은 모두 무한대-수정형인 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 14 항에 있어서,
제 1 광원 제 1 영상 모듈에 의해 구경조리개로 영상화되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 14 항에 있어서,
제 2 영상 모듈은 가변 초점 길이에 의해 특성화되고, 원격중심 광학 영상 시스템은 물체의 가변 배율을 제공하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
물체를 광학적으로 검사하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
a. 광원을 포함하는 원격중심 조명 시스템으로서, 상기 광원은 명시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성된 명시야 조명 광 부품 및 암시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성된 암시야 조명 광 부품을 포함하고, 암시야 조명 광 부품 및 명시야 조명 광 부품은 동일한 광원 평면에 배치되는, 원격중심 조명 시스템; 그리고
b. 영상 센서를 포함하며, 물체의 명시야 이미지와 물체의 암시야 이미지를 생성하도록 구성된 광학 영시 시스템
을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 23 항에 있어서,
암시야 조명 광 부품은 복수의 암시야 조명 광 세그먼트를 포함하고, 복수의 암시야 조명 광 세그먼트는 각각 유효 시야 전체에서 균일한 각도 분포를 가지는 암시야 조명으로 물체를 조명하도록 구성되며, 복수의 암시야 조명 광 세그먼트는 각각 지정된 방향으로 암시야 조명 광이 입사되도록 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
제 23 항에 있어서,
광학 영상 시스템은 제 1 광학 축을 가지는 제 1 영상 모듈과 제 2 광학 축을 가지는 제 2 영상 모듈을 포함하는 원격중신 광학 영상 시스템이고, 조명 광학 축, 제 1 광학 축, 및 제 2 광학 축은 서로에 대해 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 시스템.
시스템을 사용하여 물체를 광학적으로 검사하는 방법에 있어서, 상기 시스템은:
광원을 포함하는 원격중심 조명 시스템으로서, 상기 광원은 명시야 조명 광으로 물체를 조명하도록 구성된 명시야 조명 광 부품 및, 복수의 암시야 조명 광 세그먼트를 포함하는 암시야 조명 광 부품을 포함하고, 복수의 암시야 조명 광 세그먼트는 각각 유효 시야 전체에서 균일한 각도 분포를 가지는 암시야 조명으로 물체를 조명하도록 구성되며, 암시야 조명 광 부품 및 명시야 조명 광 부품은 동일한 광원 평면에 배치되는, 원격중심 조명 시스템; 그리고
영상 센서를 포함하고, 물체의 암시야 영상을 생성하는 광학 영상 시스템을 포함하며, 상기 방법은:
a. 물체의 특징부에 근거하여 복수의 세그먼트 중 하나를 선택하는 단계; 그리고
b. 암시야 조명 광이 지정 방향으로 입사하도록 복수의 세그먼트 중 선택된 세그먼트에 의해서만 물체가 개별적으로 조명될 때, 물체의 개별적인 암시야 이미지를 생성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 방법.
제 26 항에 있어서,
광학 영상 시스템은 제 1 광학 축을 가지는 제 1 영상 모듈과 제 2 광학 축을 가지는 제 2 영상 모듈을 포함하는 원격중신 광학 영상 시스템이고, 조명 광학 축, 제 1 광학 축 및 제 2 광학 축은 서로에 대해 오프셋되는 것을 특징으로 하는 광학 검사 방법.