KR20130141442A

KR20130141442A - 객체 특징을 선택적으로 관찰하기 위한 고속 획득 비전 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20130141442A
Application number: KR1020137003949A
Authority: KR
Inventors: 안드레이 보덴육
Original assignee: 포톤 다이나믹스, 인코포레이티드
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-12-26
Also published as: TWI497031B; TW201219743A; US8390926B2; CN103109152A; WO2012021271A2; CN103109152B; KR101875980B1; WO2012021271A3; US20120038977A1

Abstract

비-투명 물질 아래에 숨겨진 특징을 포함하는 객체의 특징을 선택적으로 보여주기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템은 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원; 조명 광선의 공간 세기 변조를 위한 균질 광학 장치; 조명 광선의 코히어런스로인해 이미지 내 간섭 패턴을 줄이거나 억압하기 위한 영 위상화 광학장치; 조명 광선을 대상물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective); 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로; 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 필요한 기울기 각도를 발생시키기 위한 릴레이 광학 장치; 광학 섬유의 조절 가능 아이리스 비네팅 프리 조리개; 조명 세기의 공간 변조를 위한 릴레이 광학 장치 내 이포다이징 엘리먼트; 대상물체의 이미지를 생성하기 위한 이미지 센서; 그리고 튜브 렌즈, 제거가능 블록 그리고 조절가능한 아이리스 조리개를 포함하는 대상물체로부터 이미지 센서로 광선을 전달하기 위한 영상화 광학 경로를 포함한다.

Description

객체 특징을 선택적으로 관찰하기 위한 고속 획득 비전 시스템 및 그 방법{HIGH SPEED ACQUISITION VISION SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVELY VIEWING OBJECT FEATURES}

본 발명은 2010년 8월 12일 출원된 미국 특허 출원 제 12/855,647 을 우선권 주장의 기초로 한다. 미국과 관련하여서는, 본 출원은 상기 미국 특허 출원 제 12/855,647 호의 계속이다.

본 발명은 광학적 영상화를 위한 시스템 및 방법에 대한 것이며, 특히 다양한 물체특징을 선택적으로 볼 수 있기 위한 방법 및 장치에 대한 것이며 투명하지 않은 물체 아래에 가려진(묻힌) 특징을 포함하여 다양한 객체 특징들을 선택적으로 볼 수 있기 위한 고속 (비-스캔닝) 광학 현미경을 제공함에 대한 것이다.

"투명하지 않은 물체" 아래에 가려진 객체 특징을 본다는 것은 특히 광학적 비전 시스템이 대상 물체(객체)의 실시간 라이브 영상을 발생시킬 수 있어야 하며 객체 특징들이 광선을 전송하지 않는 때 심각한 기술적인 도전이 된다. 스캔닝은 이와 같은 비전 시스템에서 허용가능한 솔루션이 아니며, 백 라이트 조명은 상기 객체 특징 자체가 백라이트를 전송하지 않으므로 사용될 수 없다.

더구나, 물질 투명 창 내에 있는 일정 파장을 갖는 조명 광선 사용은 특히 상기 물질 투명 윈도우가 가시 광선 파장 범위 밖인 때에는 때때로 비용을 감안하여 실용적이지 않다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 상응하는 파장 범위 민감도를 갖는 이미지 센서로 투명하지 않은 물체를 조명하기 위해 자외선 또는 적외선 소스를 사용하는 것은 광학 검사 시스템 전체 비용을 크게 증가시키며, 따라서 바람직하지 않다. 또한, 적외선 조명 광원의 사용은 이미지 시스템의 광학 해상도가 조명 광선의 파장이 증가하는 때 감소하므로 바람직하지 않다.

다른 응용에서는, 물체의 일정한 특징을 강조하고 다른 것들은 강조하지 않는 비전 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 가령, 여러 경우에서 물체의 표면 질감은 물체의 표면에 나타나는 특징만큼 중요하지 않다.

본 발명 방법은 비-투명 물질 아래에 묻힌 객체 특징을 포함하는, 객체 특징을 선택적으로 보이기 위한 종래 기술과 관련한 상기 및 다른 문제가운데 하나 또는 둘 이상을 제거하는 방법 및 시스템에 대한 것이다.

상기 설명된 방법의 한 특징에 따라, 비-투명 물질을 갖는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치가 제공된다. 상기 설명된 장치는 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원; 조명 광선을 대상물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective); 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로; 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키기 위해 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치; 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 이미지 센서; 그리고 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달하기 위한 이미지 광학 경로를 포함한다. 상기 설명된 광학 장치에서, 상기 조명 광원, 무한 보정 대물렌즈 그리고 릴레이 광학장치가 스트레이 광선, 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스에 의해 분산된 광선, 그리고 비-투명 물질의 불 균질에 의해 방해되는 광선이 영상화 광학 경로에 들어가는 것을 적어도 부분적으로 막도록 배열된다.

본 발명의 다른 한 특징에 따라, 대상물체(객체) 특징을 포함하는 대상물체의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치가 제공된다. 상기 설명된 장치는 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원; 조명 광선을 대상물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective); 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로; 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키기 위해 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치; 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 이미지 센서; 그리고 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달하기 위한 이미지 광학 경로를 포함한다. 상기 설명된 장치에서, 상기 조명 광원의 방출 조리개가 무한 보정 대물렌즈의 입사 눈동자를 완전히 채우도록 구성되며 그리고 릴레이 광학장치가 대상물체의 표면에서 조명 광선의 포커싱 또는 대상물체의 평면에서 조명 광원의 이미지만들기를 제공하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 한 특징에 따라, 대상물체(객체) 특징을 포함하는 대상물체의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치가 제공된다. 상기 설명된 장치는 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원; 조명 광선을 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective); 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로; 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키기 위해 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치; 대상물체의 이미지를 발생시키기 위한 이미지 센서; 그리고 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달하기 위한 이미지 광학 경로를 포함한다. 상기 설명된 장치에서, 상기 조명 광원의 방출 조리개가 상당히 줄어들고 상기 릴레이 광학장치가 상기 대상물체로 입사되는 강하게 발산하거나 강하게 수렴하는 조명 광선을 제공하도록 구성된다.

상기 설명된 방법의 다른 특징에 따라, 비-투명 물질을 포함하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 본 발명 방법은 조명 광원을 사용하여 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하고; 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective)를 사용하여 조명 광선을 대상물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하며; 조명 광학 경로를 사용하여 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키고; 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치를 사용하여 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키며; 이미지 센서를 사용하여 대상물체의 이미지를 발생시키고; 그리고 이미지 광학 경로를 사용하여 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달함을 포함한다. 상기 본 발명 방법에서, 상기 조명 광원, 무한 보정 대물렌즈 그리고 릴레이 광학장치가 스트레이 광선, 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스에 의해 분산된 광선, 그리고 비-투명 물질의 불 균질에 의해 방해되는 광선이 영상화 광학 경로(imaging optical path)에 들어가는 것을 적어도 부분적으로 막도록 사용된다.

상기 설명된 방법의 또 다른 특징에 따라, 대상물체 특징을 포함하는 대상물체의 이미지를 생성시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 본 발명 방법은 조명 광원을 사용하여 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하고; 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective)를 사용하여 조명 광선을 대상물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하며; 조명 광학 경로를 사용하여 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키고; 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치를 사용하여 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키며; 이미지 센서를 사용하여 대상물체의 이미지를 발생시키고; 그리고 이미지 광학 경로를 사용하여 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달함을 포함한다. 상기 본 발명 방법에서, 상기 조명 광원의 방출 조리개(emitting aperture)가 무한 보정 대물렌즈의 입사 눈동자(entrance pupil)를 완전히 채우도록 사용되며 그리고 릴레이 광학장치가 대상물체의 표면에서 조명 광선의 포커싱 또는 대상물체의 평면에서 조명 광원의 이미지 만들기를 제공하도록 사용된다.

상기 설명된 방법의 또 다른 특징에 따라, 대상물체 특징을 포함하는 대상물체의 이미지를 생성시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 본 방법 발명은 방출 조리개을 갖는 조명 광원을 사용하여 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하고; 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective)를 사용하여 조명 광선을 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하며; 조명 광학 경로를 사용하여 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키고; 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치를 사용하여 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키며; 이미지 센서를 사용하여 대상물체의 이미지를 발생시키고; 그리고 영상화 광학 경로(imaging optical path)를 사용하여 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달함을 포함한다. 상기 본 발명 방법에서, 상기 조명 광원의 방출 조리개가 상당히 줄어들고 상기 릴레이 광학장치가 상기 대상물체로 입사되는 강하게 발산하거나 강하게 수렴하는 조명 광선을 제공하도록 구성된다.

본 발명과 관련한 추가 특징들 다음 설명에서 부분적으로 제공되며, 그와 같은 설명으로부터 명백하거나, 혹은 본 발명의 실시에 의해 배울수 있게된다. 본 발명의 특징은 다음의 상세한 설명 및 청구범위에서 특별히 지적된 다양한 실시 예 및 특징들의 조합에 의해 실현되고 도달될 수 있다.

이전 및 다음의 설명 모두는 예시적이고 설명적인 것일 뿐이며 어떤 식으로도 청구된 발명 또는 그 적용을 제한하는 것이 아니다.

본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시 예를 예시하며, 상기 설명된 기술의 원리를 설명한다.
도 1은 신규한 광학 이미지 습득 시스템의 예시적 실시 예 원리 개념을 도시한 도면.
도 2는 일정 광원의 예시적 특징을 도시한 도면.
도 3은 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스에서 분산되고 그리고 영상화 시스템에 의해 캡쳐된 광선의 양을 줄이기 위한 설명된 접근 방법의 예시적 실시 예를 도시한 도면.
도 4는 규칙적인 광원 또는 부정확한 비임 전달로부터의 스트레이 광선을 설명하는 도면.
도 5는 상기 설명된 시스템의 실시 예에 따라 조정된 각 스펙트럼을 갖는 소스 실시에 따른 정확한 비임 전달을 도시하는 도면.
도 6은 상기 설명된 영상화 시스템 실시 예에 의해 캡쳐되며 비-투명 물질의 비 균질성에 의해 방해된 광선을 도시하는 도면.
도 7 및 도 8은 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스로부터 직접 반사된 광선, 스트레이 광선 그리고 조정된 각 스펙트럼을 갖는 소스를 사용하여 비-투명 물질의 불 균질성에 분산된 또는 방해된 광선을 제거하거나 줄이기 위한 설명된 기술의 예시적 실시 예를 설명하는 도면.
도 9는 설명된 멀티 소스 조명장치의 예시적 실시 예 그리고 이미지 내 레이저 소스 그리고 관련된 "스펙클 패턴(speckle pattern)"의 일관성을 줄이기 위한 영 위상 시스템 및 방법을 설명하는 도면.

다음 설명에서는, 첨부 도면을 참조하며, 동일한 부분에는 동일한 부호가 정해진다. 상기 설명된 첨부 도면은 설명의 목적으로 도시되며 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 특정 예 그리고 실시 예는 본 발명의 원리와 일치한다. 이들 실시 예들은 당업자가 본 발명을 실시 할 수 있을 정도로 상세히 설명되며, 다른 실시 예가 사용될 수 있고 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않는 한도에서 다양한 요소들의 구조적인 변경 및/또는 대체가 가능함을 이해하여야 한다. 따라서 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 이해하여서는 아니 된다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 비-투명 물질 아래에 묻힌 객체 특징을 포함하여, 객체(대상물체) 특징을 선택적으로 보여주기 위한 빠른 광학(비-스캐닝) 현미경 방법을 제공한다. 본 발명에 대한 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 레귤러 (즉, 적외선(IR) 이나 자외선(UV)이 아닌) CCD 카메라, 또는 사진 플레이트와 같은, 다른 저 비용 이미지 감지 및 기록 장치를 사용하여 효율적으로 검출될 수 있는 파장을 갖는 조명 광원을 사용한다. 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 객체 조명 광선의 파장은 가능한 한 짧게 설정되어 시스템의 해상도 능력을 최대로 하도록 한다.

본원 명세서에서 사용되는 바:

1) "비-투명 물질"은 표면으로부터 광선 반사, 또는 인터페이스 허용 입사 광선이 a) 그와 같은 물질의 두 배 두께에 해당하는 경로의 투과와, b) 묻힌 인터페이스로부터 반사의 프로덕트와 같거나 더욱 큰 물질을 지시하는 것이다. 상기 비 투명 물질은 반-투명 및 반-투과 물질을 포함한다.

2) "조정된 각 스펙트럼을 갖는 소스"는 발광 표면의 포인트 각각을 갖는 광원을 지시하는 것이며, 이때의 표면은 일정한 각도 방향으로만 또는 그 같은 각도 방향 주변 작은 고체 각도(solid angle ) 내에서만 광선을 방출한다. 광선 방출의 특정 각도 방향 그리고 고체 각도 분산 폭은 광학적 검사 장치의 특정 디자인에 사용된 특정 광학장치 특징에 달려있다. 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 상기 설명한 소스는 레이저, 레이저 다이오드 또는 소스의 포인트 각각이 일정 각도 방향으로만 또는 그 같은 일정 각도 방향 주변 작은 고체 각도 내로만 소스의 포인트 각각이 광선을 방출하도록 출력 광선이 적절히 필터되도록 하는 비 간섭성 소스일 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 예는 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 높은 이미지 콘트라스트을 얻도록 객체로 조명 광선 전달을 용이하게 하도록 디자인된 메카니즘을 제공하며, 이때 상기 이미지 콘트라스트는 회절 효과에 의해서만 제한된 이미지 해상도로 비-투명한 물질 아래에 묻힌 특징 검색에 충분한 것이다.

당해 분야에 잘 알려진 바와 같이, 이미지의 가시성은 이미지 콘트라스트에 의해 특징을 갖게 된다. 다른 컨디션들은 동일하다. 객체 특징의 가시성은 콘트라스트 증가에 따라 등급이 정해진다. 특징 크기가 비전 시스템(vision system)의 회절 제한보다 큰 때, 그리고 비전 시스템이 유니티에 근접한 변환 전달 함수를 갖는 때, 이미지 평면 내에서 측정된 백그라운드 조명에 대한 해상 될(리졸브될) 대상 특징으로부터의 조명 세기 비에 의해 결정된다.

따라서, 상기 콘트라스트를 증가시키기 위해, 백그라운드 조명 세기를 줄이는 것이 바람직하다. 상기 백그라운드 조명 세기로 설명될 수 있는 여러 기여자가 있다. 이들 가운데 최고는 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스로부터 반사된 및/또는 스캐터된 광선이며 불완전한 조명 비임 전달 결과인 소위 스트레이 광선이다.

당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 투명한 물질이 공간의 비 균질을 포함할 수 있으며, 이는 영상화 시스템에 의해 리졸브될 객체 특징으로부터 발생되는 광선을 방해하도록 작용한다. 분산 특징을 갖는, 광선 전파의 이 같은 방해는 컨트롤 되지 않은 이미지가 흐릿하도록 하며, 진정한 위치로부터 이미지 위치를 이동시키도록 하고, 그리고 가짜 특징을 형성시키도록 한다. 이는 특징 인식을 복잡하게 하고 해상도를 줄이며, 때로는 이미지 특징들이 리졸브될 수 없도록 한다. 상기 설명된 방식으로 방해된 이미지의 재구성은 진보된 머신 비전 알고리즘의 응용을 필요로 하며, 이는 리소스와 시간 소모적이며, 이 같은 이유로, 실시간 이미지 처리를 필요로 하는 고속 이미지 습득 응용에서는 실용적이지 못하다.

본 발명의 다양한 실시 예는 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스로부터 반사되고 분산된 광선 그리고 스트레이 광선의 양을 줄임으로써 발생된 광학적 영상(이미지)의 콘트라스트를 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이며, 이때 상기 스트레이 광선 그리고 반사되고 분산된 광선은 비전 (이미지 습득) 시스템 내로 투과되는 것이며, 상기 광선으로는 비-투과 물질의 불 균질에 의해 방해된 광선을 포함한다. 다음은 본 발명의 예시적 실시 예에 대한 상세한 설명이다.

도 1은 신규한 광학적 이미지 습득 시스템(100)에 대한 예시적 실시 예 원리 개념을 도시한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 상기 설명된 광학 영상 습득 시스템은 광선(102)의 여러 선택가능한 소스 그리고 필터링, 영위상 그리고 균질화 광학장치(103)를 포함하고, 이는 조명 제어기(101)에 의해 조정된다. 상기 설명된 광학 컴포넌트에 의해 발생된 상기 조정된 광선 비임은 공간 세기 변조를 위해 제공된 그리고 객체에 충돌하기 전에 그리고 동일한 대물렌즈에 의해 수집되기전에 터렛(105)에 장착된 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 필요한 기울기 각도를 안내하기 위한 릴레이 광학장치(104)를 통과한다. 상기 객체에의해 직접 반사되거나 분산된 광선은 비네팅 아이리스 조리개 또는 중앙 블록(106)에 의해 필터되며, 상기 블록은 영상 광학장치 제어기(107)에 의해 조정된다. 상기 출력 광선은 카메라 튜브 렌즈(108) 그리고 이미지 센서(109)에 의해 수집된다. 컴퓨터 시스템(110)은 광학 이미지 습득 시스템(100)에 대한 전체 조정 기능을 수행하며 상기 이미지 센서(109)에 의해 획득된 이미지 분석을 수행할 수 있다.

백사이드 광선 조명이 비-투명 특징의 영상화에 적절하지 않기 때문에, 본 발명의 다양한 실시 예는 무한 보정 대물 렌즈 광학장치와 결합하여 동축의 정면 조명 광원을 사용한다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 무한 보정 광학장치는 대상물체(객체) 평면에 위치하는 무한 위치의 객체 이미지를 발생시키도록 구성된다.

광학적 영상화 시스템으로 들어가는 상기 언급한 스트레이 광선은 불완전한 조명 비임 전달 시스템의 결과이다. 도 2는 광원에 대한 여러 예시적 타입의 일정 광 방출 특성을 설명한다. 특히, 도 2부터 LED (200)의 광 방출 표면 각 포인트가 반구 방출 강선 패턴(203)을 가진다. 반면, 레이저(201, 202)의 특정 방출 표면 포인트 각각은 특정 방향으로만 또는 그 같은 방향 주변 좁은 고체 각도 내로만 광선(204, 205)을 방출시킨다. 고 품질 레이저(202)는 고 품질 레이저에 의해 방출된 광선의 세기 및 위상 분산이 각도(206)의 평활 함수(smooth function)이며, 이는 광선 조명에 대한 더욱 균질의 분산을 보장하도록 한다. 고 품질 레이저(202)에 의한 객체의 조명에 대한 균일함 때문에, 고 품질 레이저(202)의 사용은 결국 레이저(201)와 비교하여 더욱 높은 품질의 이미지를 발생시키도록 한다. 객체의 조명을 위해 낮은 품질 레이저를 사용하는 것은 보통 조명 광선 비임의 추가 균질화를 필요로 한다. 광선 비임의 균질화를 용이하게 하는 한가지 예시적 장치는 당업자에게 잘 알려진 회전 디스크 광학 어셈블리이다.

도 3은 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스(301)의 마이크로 거칠기에 의해 분산된 광선을 제거하기 위한 설명된 방법의 예시적 실시 예이다. 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 무한 보정 대물렌즈(302)로 조명 광선을 전달하기 위해 특별히 디자인된 시스템으로 그리고 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 광원의 적용에 의해 달성되며, 이때 상기 시스템은 광선을 발산 방식으로 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스로 광선을 향하게 한다. 상기 설명된 조명 기술의 적용 결과로, 상기 표면 또는 인터페이스에서 분산된 광선(303)의 상당한 부분이 영상 시스템을 떠나며 상기 이미지 백그라운드에 기여하지 않는다. 다음에 상기 줄어든 영상 백그라운드는 상기 결과의 이미지 내 특징(304)의 콘트라스트를 개선하도록 동작한다.

당업자가 알 수 있는 바와 같이, 도 4와 관련하여, 대개 LED 또는 백열등과 같은 비 간섭성 광원에 의해 발생된, 비스듬한 조명 광선의 여러 반사 및 분산으로 인해, 종래의 광선 전달 시스템(405) 그리고 광선 수집 시스템(406), 스트레이 광선(401)이 발생 될 수 있다. 상기 설명된 비스듬한 광선은 또한 상기 광학 시스템으로 광원을 부정확하게 결합시킴으로부터 발생 될 수 있다. 그와 같은 비스듬한 광선은 마진(marginal) 광선의 기울기보다 큰 대물렌즈(402)의 사출 동공(entrance pupil) 내 광학 축(403)에 대하여 기울기 각도(404)를 가지며, 이는 도 4에서 도시된 바와 같이, 주어진 대물렌즈에 대하여 시야(Field of View)(FOV)의 최대 크기를 결정한다. 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 특징에 따라, 그와 같은 스트레이 광선의 양을 줄이거나 없애기 위해, 상기 조명 시스템은 조명 비임의 발산과 각도 스펙트럼을 그 단면 내에서 효율적으로 조정하도록 디자인된다. 이는 릴레이 광학장치에 의해 달성되며, 이는 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선의 필요한 기울기 각도를 발생시키도록 한다.

도 5는 스트레이 광선을 줄이거나 제거하기 위한 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 광원에 대한 예시적인 적용을 도시하며, 상기 스트레이 광선을 줄이거나 제거하는 것은 영상화 시스템 광학장치 내 백그라운드 조명에 기여한다. 이 도면에서 분명히 도시되는 바와 같이, 조명 광선 전달 시스템(505)으로 들어가는 조명 광선의 각도 스펙트럼의 조정된 특징으로 인해, 신호 수집 시스템(506)에서는 아무런 스트레이 광선도 존재하지 않는다. 또한, 비-투명 층의 불 균질에 의해 분산된 광선(507)은 광선 수집 시스템(506)을 투과하지 않는다. 이는 결국 이미지 백그라운드가 줄도록 하며 객체 특징의 발생된 이미지 콘트라스트를 증가시키도록 한다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 조명 광선의 조정된 각도 스펙트럼이 객체 특징이며, 이는 영상화 시스템(506)에 잠입하는 스트레이 및 분산 광선을 줄인다. 상기 시스템의 작용 능력을 증가시키고, 저 비용 및/또는 작은 크기를 유지시키기 위해, 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 반도체 레이저 (레이저 다이오드) 또는 고체 상태 레이저가 고속 이미지 습득을 위해 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광원으로 사용될 수 있다. 본 발명 시스템의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 동일한 레이저가 한 영상화 모드에서 검출된 일정한 결함의 보정을 포함하는 자료 처리와 같은 또 다른 작용을 수행할 수 있다. 이중-사용 레이저를 갖는 시스템에서, 적절한 광선 감쇄 컴포넌트가 제공되어 이미지 습득 및 자료 처리 모드로 적절한 광선 펄스 에너지 밸런스를 보장하도록 제공될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 방출 영역을 비테트하고 점별 광원(point-wise source)이도록 하기 위해 조정 가능한 아이리스 조리개를 갖는 광 섬유에 결합된 발광 다이오드(LED)가 저속 이미지 습득을 위해 사용된다. 또 다른 예시적 실시 예에서, 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 어떠한 광원도 객체 조명을 위해 사용될 수 있다. 발산 각도 변경을 평활하게 하기 위해(각도 필터링을 수행한다) 그리고 광선 비임 단면 내 세기 분산을 평활하게 하기 위해, 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 광원에 결합된 섬유 또는 광 가이드가 사용된다. 다른 예시적 실시 예에서, 필요한 비임 품질은 고 품질 레이저 또는 비임 형성기를 사용하여 또는 규칙적인 특성을 갖는 광원에 의해 발생된 광선의 규칙적인 필터링을 수행함에 의해 얻어진다. 상기 언급한 고 품질 레이저의 방출 특성은 도 2에서 도시되고 앞서 설명된 바와 같다.

도 6은 비-투명 물질의 비 균질(601)에 의해 방해되는 광선을 제거하기 위한 앞서 설명된 방법에 대한 예시적 실시 예를 도시한다. 그와 같은 광선은 형상 또는 위치, 축 방향 또는 횡단 방향, 그리고 가짜 이미지의 형성과 관련하여, 특징 이미지의 한 부분에 대한 이미지를 흐릿하게 하거나 방해하도록 한다. 상기 설명된 방법은 무한 보정 대물렌즈(604)와 상기 대물렌즈에 결합된 튜브 렌즈(도시되지 않음) 사이 조정된 비네팅 아리리스 조리개(603)를 세팅함으로써 달성된다. 이와 같은 아이리스 조리개는 상기 이미지 수집 시스템을 위한 새로운 조리개 스톱의 역할을 하며, 이는 인위적으로 영상화 시스템의 개구수를 좁히고 대상물체 작업을 비-텔레센트릭(non-telecentric) 모드로 만들도록 한다. 비록 이와 같이하여 광학 시스템의 해상도를 줄이도록 하지만, 이는 또한 방해를 받은 이미지 형성 광선(605)의 양을 감소시키거나 완전히 제거하도록 하며, 이는 인공 산물을 갖는 결과의 이미지를 오염시키고 콘트라스트를 줄인다. 개구수 줄이기가 가즌 부정적인 영향은 광학 시스템을 설치하여 줄어들 수 있으며, 이는 정상 (아이리스 조리개 없이) 상태에서 오버샘플된다.

도 7 및 8은 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 광원에 의해, 객체(대상물체)에 의해 대물렌즈 내로 직접 반사된 광선을 제거하기 위한 앞서 설명된 방법에 대한 예시적 실시 예를 도시한다. 특히, 도 8에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 대한 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 광선 안내, 섬유 또는 광원의 출력이 무한 보정 대물렌즈와 함께 작용하는 "릴레이 광학장치(801)"와 결합하여 사용된다. 한 실시 예에서, 상기 "릴레이 광학장치"(801)는 대물렌즈(802)와 튜브 렌즈(803) 사이에서 직접 반사된 광선이 초점에 맞추어 질 수 있도록 하는 무한 보정 대물렌즈 내로 들어가는 광선을 위해 필요한 기울기 각도를 발생시키도록 사용되며, 직접 반사된 광선이 상기 센서 평면 내에서 이미지를 형성하는 것을 막도록 한다. 그와 같은 조건하에서, 상기 직접 반사된 광선은 도 8에서 도시된 바와 같이 대물렌즈(802)의 초점 위치에 블록 또는 아포다이징(apodizing) 요소(804)를 실시함으로써 완전히 또는 부분적으로 필터될 수 있다. 한 선택적 실시 예에서, 상기 직접 반사된 광선(701)은 도 7에서 도시된 방법으로 비네팅 아이리스 조리개(701)를 배치하여 부분적으로 제거될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 무한보정 대물렌즈의 사출 동공 내로 들어가는 조명 비임의 각도 스펙트럼이 조정되어 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스로부터 직접 반사된 그리고 상기 비전 시스템으로 되보내진 광선의 양을 줄이도록 한다. 이 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 1) 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 광원 또는 광원에 결합된 특정 섬유 또는 광 가이드의 속성을 갖는 비임 발; 그리고 2) 릴레이 광학장치의 파워 조합을 사용한다.

조명 광선 비임의 각도 스펙트럼을 더욱 조정하기 위해, 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 비임이 도 8에서 도시된 바와 같은 무한 보정 대물렌즈 내로 들어가기 전에 비임 아포다이제이션(beam apodization)(비임의 세기에 대한 공간 변조)을 수행하기 위한 수단을 추가로 포함한다. 이는 조명 비임으로부터 객체 공간 내 광학 축과 관련하여 작은 기울기 각도를 갖는 광선을 제거하도록 수행되며, 이때 상기 조명 비임은 튜브 렌즈(803) 정면에 있는 아이리스 조리개 세트(804)에 의해 필터될 수 없다. . 또한, 본 발명의 동일한 또는 다른 실시 예에서, 축방향 영역 내 콘트라스트 향상은 상기 영상화 시스템의 튜브 렌즈(803)으로 들어가기 전에 비임을 아포다이징하고 비네팅함에 의해 얻어진다.

본 발명의 다양한 실시 예는 비-투명 대상물체의 조명을 위해 간섭성 광원을 사용하기 때문에, 강한 간섭 패턴이 결과의 이미지에서 출현할 수 있으며, 이는 콘트라스트를 떨어뜨린다. 조명광선의 간섭성으로 인해 획득된 이미지에서의 간섭 패턴은 통상 "스페클 패턴"이라 불린다. 이 같은 패턴은 다른 조건들이 같은 때에, 해상도, 콘트라스트 및 가짜 특징의 관점에서 이미지 품질을 떨어뜨린다. 이 같은 이미지의 처리는 충분한 계산 자원 그리고 시간 소모 알고리즘을 필요로 하며, 보통 실시간으로 처리될 수 없다. 상기"스페클 패턴"을 없애거나 줄이기 위해 그리고 간단한 머신 비전 알고리즘이 실시간으로 이미지를 처리할 수 있도록 하기 위해 레이저 출력의 충분한 비 간섭성이 동반되어야 한다.

도 9는 멀티 소스 조명장치, 그리고 레이저 소스의 간섭을 줄이기 위한 영 위상 시스템 및 방법 그리고 이미지 내 관련 "스펙클 패턴"에 대한 예시적 실시 예를 설명한다. 상기 이미지에서 상기 설명된 간섭 영향을 없애기 위해, 본 발명에 대한 하나 또는 둘 이상의 실시 예가 영 위상 광학장치(dephasing optics)를 사용하며, 이는 파장 플레이트(901), 광 확산기(903)에 결합된 비-편광 유지 섬유 또는 광 가이드(902) 그리고 편광 비임 스플리터(904)로 구성된다. 레이저(906)에 의해 발생되며 확산기(903) 그리고 비-편광 유지 섬유 또는 광 가이드(902)를 통해 광학 경로(910)를 따라 전파되는 레이저 광선이 비 편광을 경험한다. 상기 설명된 비 편광 처리에 기여하는 팩터들은 통계적으로 종속되며, 이와 같은 이유로 수정된 편광 상태를 갖는 비임의 일부가 매우 낮은 간섭을 갖는다. 한 실시 예에서, 상기 레이저(906)는 다이오드-펌프(diode-pumped) 고체-상태 레이저(DPSS), 반도체 레이저 또는 가스 레이저일 수 있다. 그러나, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 상기 설명된 레이저의 종류는 일례로서만 제공되며 상기 설명된 개념이 특정 레이저 타입 또는 특징으로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 지금 이용될 수 있으며 또는 나중에 개발되는 레이저가 상기 조명 광원으로서 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 것이다. 도 9에서 도시된 구성에서, 상기 레이저(906)는 앞서 설명된 방식으로 자료 처리(융삭(ablation))를 위해 사용될 수 있다. 이 같은 목적으로, 도 9에서 도시된 구성에는 상응하는 두 광학 경로(910, 911)를 따라 레이저의 광선 출력을 선택적으로 향하게 함으로써 레이저(906)의 두 동작 모드 사이에서 스위칭을 용이하게 하도록 디자인된 플립 픽 오프 미러(flip pick off mirror)(912)가 제공된다.

상기 1/2 파장 플레이트(901)는 편광 비임 스플리터(904)의 반사된/전송된 편광에 대하여 오리지날 편광 및 디커블 편광의 방향을 조정함을 포함한다. 상기 편광 비임 스플리터(904)는 오리지널 편광 방향(905)를 반영하고, 가장 높은 세기 또는 디커플 편광 방향(907)을 가지며, 가장 낮은 세기 또는 이들의 조합을 갖는다. 상기 편광 빙임 스플리커(904)에 의해 발생된 디커플 편광(907)은 상기 객체의 조명을 위해 사용된다.

상기 조명 시스템은 스위치(909)를 사용하여 조작자의 선택에 따라 여러 다른 파장의 상이한 간섭성 및 비 간섭성 광원(908)의 용이한 사용을 가능하게 하도록 구성된다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 다양한 소스에 의해 발생된 조명 광선이 동일한 광학 섬유 또는 광선 가이드(902)를 통해 릴레이 광학 장치(801)로 전달된다. 사전에 정해진 고체 각도 내 릴레이 광학장치에 도달하는 조명 광선의 각도 분산을 효율적으로 조정하기 위해, 릴레이 광학장치로 광선을 전달시키는 섬유의 조정가능한 아이리스 조리개 비네팅 출력이 사용된다. 상기 섬유 출력과 릴레이 광학장치 사이 거리(805)(도 8참조) 또한 조정가능한 파라미터이다. 조명 광선을 전달하는 섬유의 출력 조리개 직경 그리고 상기 섬유 출력과 릴레이 광학장치(805) 사이 거리와 같은 이들 두 파라미터의 조정가능성은, 바람직하지 않는 조명 광선을 필터링하도록 하고, 비 간섭성 소스 조차도 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 소스로 변환하도록 동작하여 상기 설명된 소스의 특성 장점을 완전히 이용할 수 있도록 한다.

비-투명 물질(703)(도 7 참조)의 표면 또는 인터페이스에 의해 직접 반사되고 광학 축에 대하여 작은 기울기 각도(튜브 렌즈 정면에 있는 아이리스 조리개(702)에 의해 제거될 수 없는)를 갖는 광선의 양을 줄이기 위해, 완전히 또는 부분적으로 비스듬한 블록(704)이 릴레이 광학장치 모듈 내에 설치될 수 있다. 이 같은 블록은 조명 비임으로부터 광학 축에 대하여 작은 기울기 각도를 갖는 광선을 줄이거나 제거하도록 하며, 이는 결국 조명 비임이 중공이거나 아포다이즈되도록 한다. 이 같은 방법은 상기 대상물체(객체) 평면 내 조명 세기 분산을 변조시키도록 한다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 조명 광선 비임은 무한 보정 대물렌즈와 뷰잉 카메라의 튜브 렌즈 사이에 한 비임 스플리터를 위치시킴으로써 무한 보정 대물렌즈에 결합된다. 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 400 내지 1100nm 파장 범위 내에서 민감한, 레귤러 CCD 또는 CMOS 카메라에 의해 효율적으로 검출될 수 있는 조명 광선 파장을 갖는 조명 광원을 사용한다. 그러나, 당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 상기 설명된 개념은 본 명세서에서 제공된 파장 범위로 제한되지 않는다. 이미지 획득을 위해, 당업자에게 잘 알려져 있으며 상업적으로 습득 가능한 CCD 또는 CMOS 장치의 사용은 검출 시스템의 비용을 절감시키며 동시에 높은 픽셀 밀도를 제공한다. 이 같은 구성에서, 최대 광학 해상도 능력을 달성하기 위해서는 후보들 가운데 가장 짧은 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 조명 광선의 협 대역 소스가 제공되며, 이는 좁은 스펙트럼 윈도우 사용을 허용하며 콘트라스트를 개선시킨다.

상기 설명된 비전 시스템의 상기 설명된 실시 예들은 회절이 제한된 해상도를 갖는 비-투명 물질 아래에 묻힌 객체 특징의 고품질 이미지를 얻을 수 있도록 하며, 이는 무한 보정 대물렌즈, 튜브 렌즈, 그리고 상기 대물렌즈와 튜브 렌즈 사이에 놓인 비네팅/차단(블록킹) 컴포넌트의 특징에 의해 결정된다.

앞서 설명된 바와 같이, 다양한 실시 예에서, 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 소스는 레이저, 레이저 다이오드(LED) 또는 백열등과 같은 어떤 비 간섭성 광원일 수 있으며, 적절히 필터된 출력 광선을 가져서 상기 소스의 포인트 각각이 특정 각도 방향으로만 또는 특정 각도 방향 주변 작은 고체 각도 내에서만 광선을 방출시킨다. 이 같은 각도 방향 그리고 상기 언급한 고체 각도의 분산 폭은 영상회 시스템의 특정 디자인을 위해 사용된 광학장치의 파라미터에 종속된다. 대상물체의 균일한 조명을 보장하기 위해, 조명 광원에 의해 발생된 비임의 세기는 확산기 및/또는 비임 아포다이징 블록과 같은, 각도 비임 세기 변조기를 사용하여 조건이 정해질 수 있다. 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 조명 광원은 800 내지 1200 nm 범위 가시광선 파장에서 동작할 수 있다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 다이오드 펌프 고체 상태 레이저(906)의 나노세컨드 출력이 자료 처리(도 9에서 출력(911) 참조) 그리고 비전 시스템의 뷰 필드 조명을 포함하는 이중 목적을 위해 사용된다. 이 같은 구성은 그때그때(on-the-fly) 매우 빠른 이미지 습득을 제공하며 롤링 셔터와 글로벌 셔터를 포함하는, 두 셔터 타입을 갖는 전자 센서의 실시를 허용한다. 두 셔터 구성에서, 레이저(906)의 조명 펄스 지속시간이 이미지 신호 습득 중에 이미지 센서의 이동 거리 길이 보다 훨씬 짧기 때문에 그 효율은 상당히 유사하다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 조명 광원은 단색 조명 광선을 생성하는 단색 광원이다. 동일한 또는 상이한 실시 예에서, 상기 광학 장치는 흰색 조명 광선을 생성하는 흰색 광원 광원을 포함하는 칼라 조사 서브시스템을 더욱 포함한다. 한 스위칭 모듈이 제공되며 이는 단색 광선 그리고 흰색 광선에 의해 대상물체를 교대로 조명하도록 동작한다. 상기 설명된 개념의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 광학적 장치는 단색 조명 광원과 흰색 조명 광원을 조명 경로에 교대로 결합시키도록 구성된 스위치를 포함한다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 이와 같은 시스템에서, 대상물체의 단색 그리고 칼라 이미지 모두가 얻어지며, 이는 결국 일정한 대상물체(객체) 특징에 대한 개선된 검출 가능성을 가져오게 된다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 상기 릴레이 광학장치에 의해 발생된 조명 광학장치의 기울기 각도는 0 내지 5도의 각도 범위에서 변경된다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 상기 설명된 각도 범위는 본원 명세서에서 단지 예로서 제공되며 상기 설명된 개념이 어떤 특정 기울기 각도 또는 기울기 각도 범위로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 조명 광선 펄스의 에너지는 1 내지 2 mJ 사이 범위로 변경된다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 상기 언급된 에너지 값은 본원 명세서에서 단지 예로서 제공되며 상기 설명된 개념이 어떤 특정 광선 펄스 에너지 또는 광선 펄스 에너지 범위로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예에서, 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 소스를 특징으로 하는 고체 각도는 0과 0.16 스테라디안 범위에서 변화한다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 상기 언급된 고체 각도 범위는 본원 명세서에서 단지 예로서 제공되며 상기 설명된 개념이 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 소스를 특징으로 하는 어떤 특정 고체 각도로 제한되는 것은 아니다.

결함의 검출 및 식별 목적을 위하여 픽섹 어레이와 같은 반복 패턴을 갖는 마이크로 회로에 대한 검사는 밝혀져야 하는 특징의 작은 크기 그리고 검사되어야 하는 많은 수의 픽셀로 인한 전자 검출 시스템의 높은 습득 속도로 인하여, 높은 해상도를 갖는 광학적 시스템의 사용을 필요로 한다. 따라서, 머신 비전 기술을 사용하여 검사 처리를 자동으로 실행하는 것이 강력하게 요구된다. 일정 실시 예에서는 초당 50-100 프레임에 달하는 높은 이미지 습득 속도 때문에, 그리고 일정 실시 예에서는 고 해상도(대개 1-2 마이크론)와 더불어 600 - 800 마이크론만큼 큰 뷰 필드(view field) 때문에, 픽셀 수가 큰 이미지 센서의 사용이 요구된다. 반면에, 사용된 이미지 분석 방법 또는 머신 비전 기술은 많은 양의 데이터를 실시간 또는 거의 실시간으로 처리하고 따라서 획득된 이미지가 처리되고 필요한 보정 또는 결정이 이른 시간 또는 그와 같은 보정 또는 결정을 필요로 하는 다음 이미지 또는 새로운 작업의 습득과 같은 다음 사건이 발생될 때까지 이루어지도록 매우 단순해야한다.

활성화 ITO 층, 또는 LCD 패널 상의 칼라 필터층과 같은 광학적으로 투명한 또는 반 투명한 특징을 갖는 회로가 머신 비전 시스템에 많은 수의 특징으로 나타나는 기술적인 질감을 가질 수 있다. 대개 결함을 갖지 않는 이같은 특징을 처리하는 것은 이미지 분석을 수행하는 컴퓨터 자원에 상당한 부하를 제공한다. 그러나, 수동 검사와 같은 일정한 적용에서, 이 같은 특징들은 영상화 장치에 의해 보일 수 있어야 한다. 따라서, 유연하고 조정가능한 하드웨어 광학 수단을 사용하여 결과의 객체 이미지로부터 이들 특징들을 선택적으로 필터 할 것을 필요로 한다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 광학 이미징 시스템의 조작자가 객체의 결과 이미지에서 일정 객체 특징들이 실질적으로 또는 완벽하게 보이지 않도록 하기 위해 조명 비임의 파라미터를 조정할 수 있도록 한다. 이 같은 작용을 가능하게 하기 위해, 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 소스의 방출 조리개가 무한 보정 대물렌즈의 입사 눈동자(entrance pupil)을 완전히 채우기에 충분할 정도로 커야 하며 상기 릴레이 광학장치는 객체 표면에 조명 광선의 초점을 제공하도록 조정되어야 한다. 이 같은 조건 하에서, 객체의 포인트 각각은 특정 대물렌즈 개구수(NA)에 의해 허용된 조명 광선의 최대 기울기 각도로 대칭적으로 조명된다. 주변 물체와 비교하여 작은 변화의 굴절 인덱스를 가지며, 작은 높이와 낮은 경사도 특징을 갖는 객체 특징이 상기 언급한 조명 조건에서 눈에 보이지 않게 된다. 상기 언급한 조명 구성을 달성시키기 위해, 조절가능한 아이리스 비네팅 광학 섬유가 개방되어야 하며 섬유와 릴레이 광학장치 사이의 거리는 상기 객체에서 조명 비임의 초점을 달성시키거나 또는 지역 소스에 대한 객체 평면에서 조명 광원의 이미지 발생을 달성시키도록 조정되어야 한다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시 예는 또한 이들의 음영을 해제하고 쉽게 확인할 수 있도록 하여 설명된 객체 특징들을 강조할 수 있도록 하기도 한다. 이는 상기 언급한 방출 조리개를 줄일 것과 객체로 입사하는 강하게 발산 또는 수렴하는 비임을 발생시킬 것을 필요로 한다.

따라서, 상기 설명된 방법으로 조명 광선 비임의 특징들을 조정함으로써, 객체의 결과 이미지 내 일정한 객체 특징들을 강조하기도 하고 강조 해제하기도 할 수 있다.

릴레이 광학장치, 무한 보정 대물렌즈, 비임 스플리터 그리고 튜브 렌즈를 포함하는 상기 설명된 시스템의 다른 광학 컴포넌트 디자인은 당업자에게 잘 알려져 있으며 그와 같은 컴포넌트들은 상업적으로 널리 구입 가능한 것들이다.

마지막으로, 상기 설명된 처리 및 기술들은 어떤 특정한 장치에 고유하게 관련된 것이 아니며 컴포넌트들의 적절한 조합에 의해 실시될 수 있다. 더욱이, 다양한 종류의 범용 장치들이 본원 명세서에서 기술된 기술에 따라 사용될 수 있다. 본원 명세서에서 설명된 방법 단계들을 수행하기 위해 특수한 장치를 구성시키는 것은 바람직하다. 본 발명이 특정 예들과 관련하여 설명되었으나, 이는 제한적인 것이 아니라 설명의 목적을 갖는 것이다.

또한, 본 명세서에서 개시된 본 발명의 명세서 및 실시를 감안한다면 본 발명의 다른 실시 예가 당업자에게 분명한 것이다. 상기 설명된 실시 예에 대한 다양한 특징 및/또는 컴포넌트가 회절-제한 해상도를 갖는 비-투명 물질 아래에 묻힌 특징들을 보여주도록 단독으로 또는 시스템 내에서 조합하여 사용될 수 있다. 본원 명세서와 실시 예들은 예시적인 목적으로만 고려되어야 하며, 따라서 본 발명의 진정한 범위와 사상은 오로지 첨부한 청구범위들에 의해서 정해지는 것이다.

Claims

비-투명 물질을 포함하는 대상 물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치에 있어서,
a. 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원;
b. 조명 광선을 대상 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective);
c. 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로;
d. 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키기 위해 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치;
e. 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 이미지 센서; 그리고
f. 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달하기 위한 이미지 광학 경로를 포함하며,
상기 조명 광원, 무한 보정 대물렌즈 그리고 릴레이 광학장치가 스트레이 광선, 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스에 의해 분산된 광선, 그리고 비-투명 물질의 불 균질에 의해 방해되는 광선이 영상화 광학 경로에 들어가는 것을 적어도 부분적으로 막도록 배열됨을 특징으로 하는 비-투명 물질을 포함하는 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치.
제1항에 있어서,
i. 제거 가능한 블록이 무한 보정 대물렌즈 광학적으로 하류에 있는 이미지 광학 경로 내에 배열된 제거가능한 블록; 그리고
ii. 무한 보정 대물렌즈 광학적으로 하류에 있는 이미지 광학 경로 내에 배열된 조정가능한 블록을 더욱 포함하며;
물체의 비-투명 물질 표면 또는 인터페이스에 의해 직접 반사되는 광선이 센서에 도달하거나 센서 평면 내에 이미지를 형성하는 것을 적어도 부분적으로는 막도록 릴레이 광학장치, 무한 보정 대물렌즈, 제거 가능한 블록 그리고 조정가능한 조리개가 배열됨을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 릴레이 광학장치가 조명 광선 세기의 공간적 변환을 수행하도록 구성됨을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 1/2 파장 판(wave plate)을 포함하는 영 위상 광학장치(dephasing optics); 비-편광 유지 광학 엘리먼트 그리고 편광 비임 스플리터를 더욱 포함하며; 상기 영 위상 광학장치가 스페클 패턴(speckle pattern)을 억압하거나 줄이기 위해 조명 광선의 편광을 디커플하도록 하도록 함을 특징으로 하는 광학장치.
제1 항에 있어서, 조명 광선의 세기 분산을 균일하게 하도록 하는 균일화 광학장치를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 제2 조명 광원 그리고 상기 조명 광원 그리고 제 2 조명 광원을 릴레이 광학장치에 선택적으로 결합시키기 위한 스위치를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 조명 광원이 조명 광선을 릴레이 광학장치로 전달하도록 하는 광학 섬유 또는 가이드를 더욱 포함하며, 상기 조명 광원의 각 스펙트럼이 광섬유 또는 가이드 개구수(numerical aperture)를 선택하고 그리고 광학 섬유 또는 가이드의 조정가능한 조래개 비네팅(iris vignetting) 출력 그리고 광학 섬유 또는 가이드와 릴레이 광학장치 사이 조정가능한 거리를 사용하여 제어됨을 특징으로 하는 광학장치.
제7항에 있어서, 상기 기울기 각도가 적어도 광 섬유 또는 가이드의 방출 조리개(emitting aperture) 크기, 광 섬유 또는 가이드와 상기 릴레이 광학 장치 사이 거리, 그리고 상기 릴레이 광학 장치에 결합된 조명 광선의 다이버젼스에 의해 결정됨을 특징으로 하는 광학장치.
제5항에 있어서, 광섬유 방출 조리개 그리고 상기 광 섬유 또는 가이드와 릴레이 광학장치 사이 거리를 변경시키도록 하는 조명 제어기를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 5항에 있어서, 조래개 비네팅 출력의 크기와 제거가능 블록 위치를 제어하도록 구성된 이미지 광학장치 제어기를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제1항에 있어서, 상기 이미지 광 경로가 이미지 센서내에서 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 튜브 렌즈를 포함하고, 상기 튜브 렌즈가 제거가능한 블록 그리고 조정가능한 조리개의 광학적으로 하류인 곳에 위치함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 팔터링 광학 장치를 더욱 포함하며, 조명 광원, 무한 보정 대물렌즈, 필터링 광학 장치, 그리고 릴레이 광학장치가 물체에 대한 조명 광선의 사전에 정해진 입사각을 제공하도록 배열되며, 상기 사건에 정해진 입사각이 스트레이 광선을 막고, 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스로부터 분산된 광선이 상기 영상 광학 경로로 들어가는 것을 막거나 그 양을 줄이도록 선택되고 , 그리고 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스에 의해 반사된 광선이 영상 센서에 도달하는 것을 막거나 그 양을 줄이기 위한 조건들 또는 직접 반사된 광선이 상기 영상 센서 평면내에서 영상을 형성하는 것을 막기위한 조건들을 발생시키도록 선택됨을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 조명 광선을 컨디션하기 위해 상기 릴레이 광학장치 내에 배치된 공간 비임 세기 모듈레이터를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 11항에 있어서, 상기 공간 비임 세기 모듈레이터가 광선 확산기(light diffuser), 조명 광학 경로 내에 배치되고 조명 광선 세기의 공간 및 각도 분산을 균일하게 하도록 동작하는 광 섬유 또는 가이드를 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 광 섬유의 조절가능 조리개 비네팅 출력을 가지며 조명 광선의 방출 영역 그리고 각 스펙트럼 분산 발산과 크기를 제어하도록 하는 광 섬유 또는 광 가이드를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 조명 광원이 단색 조명 광선을 발생시키는 단색 조명 광원이며, 광학장치가 흰색 조명 광선을 발생시키는 흰색 조명 광원 그리고 스위칭 모듈을 포함하는 칼라 인스펙션 서브시스템을 더욱 포함하고, 상기 스위칭 모듈, 영상 광학 경로 그리고 영상 센서가 단색 광선 그리고 흰색 광선에 의해 교대로 조명되는 대상 물체 이미지를 발생시키도록 구성됨을 특징으로 하는 광학장치.
제 14항에 있어서, 상기 단색 조명 광원 그리고 흰색 조명 광원을 상기 조명 광학 경로로 교대로 결합시키도록 구성된 스위치를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 조명 광선의 파장이 대상 물체의 관심 구조를 커버하는 비-투명 물질 광학 특성에 기초하여 선택됨을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 조명 광원의 광선-방출 표면의 각 포인트가 한 방향으로 또는 그 같은 방향의 좁은 고체 각도(narrow solid angle)로 광선을 방출시킴을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 한 세트의 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective lenses), 그리고 스위칭 모듈을 더욱 포함하며, 상기 스위칭 모듈이 상기 요구되는 무한 보정 대물렌즈를 영상 광학 경로 내에 선택적으로 위치시키도록 하고, 상기 무한 보정 대물렌즈가 각기 다른 배율 그리고 각기 다른 스펙트럼 범위로 작업하기 위한 디자인의 특징을 갖도록 함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 여러 조명 광원을 더욱 포함하며, 여러 조명 광원 파라미터를 제어하도록 동작하는 조명 제어기, 방출 세기, 도메인 듀티 사이클, 동기화 모드 또는 트리거 모드 가운데 하나 이상을 포함하는 파라미터를 더욱 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 조명 광원이 레이저 또는 LED 가운데 하나 이상을 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 조명 광원이 나노초 모드로 동작하는 다이오드 펌프(diode pumped) 고체상태 레이저를 포함하며, 상기 조명 광원이 추가로 자료 처리(material processing)하도록 구성됨을 특징으로 하는 광학장치.
제 1항에 있어서, 상기 이미지 센서가 CCD 영상 센서를 포함함을 특징으로 하는 광학장치.
제1 항에 있어서, 조명 광원에 의해 생성된 조명 광선이 대상 물체의 적어도 한 부분의 물질은 투명하지 않은 파장이 특징임을 특징으로 하는 광학장치.
객체 특징을 포함하는 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치에 있어서,
a. 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원;
b. 조명 광선을 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective);
c. 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로;
d. 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키기 위해 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치;
e. 대상 물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 이미지 센서; 그리고
f. 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달하기 위한 이미지 광학 경로를 포함하며,
상기 조명 광원의 방출 조리개가 무한 보정 대물렌즈의 입사 눈동자를 완전히 채우도록 구성되며 그리고 릴레이 광학장치가 대상물체의 표면에서 조명 광선의 포커싱을 제공하거나 대상물체의 평면에서 조명 광원의 이미지를 만들기를 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 비-투명 물질을 포함하는 대상 물체의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치.
제 26항에 있어서, 상기 조명 광원이 조명 광선을 릴레이 광학장치로 전달하도록 하는 광학 섬유 또는 가이드를 더욱 포함하며, 상기 조명 광원의 각 스펙트럼이 광섬유 또는 가이드 개구수(numerical aperture)를 선택하고 그리고 광학 섬유 또는 가이드의 조정가능한 조리개 비네팅(iris vignetting) 출력 그리고 광학 섬유 또는 가이드와 릴레이 광학장치 사이 조정가능한 거리를 사용하여 제어되며, 그리고
상기 광학 섬유 또는 가이드의 조정가능 조리개 비네팅 출력이 개방되며 광학 섬유 또는 가이드와 릴레이 광학장치 사이 조정가능한 거리가 대상물체에 조명 광선을 포커싱하고 대상물체 평면에서 조명 광원 이미지를 만들도록 정해짐을 특징으로 하는 광학장치.
객체 특징을 포함하는 대상물체의 이미지를 생성시키기 위한 광학 장치에 있어서,
a. 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하는 조명 광원;
b. 조명 광선을 대상 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하는 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective);
c. 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키는 조명 광학 경로;
d. 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키기 위해 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치;
e. 물체의 이미지를 발생시키기 위한 이미지 센서; 그리고
f. 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달하기 위한 이미지 광학 경로를 포함하며,
상기 조명 광원의 방출 조리개가 상당히 줄어들고 상기 릴레이 광학장치가 상기 대상물체로 입사되는 강하게 발산하거나 강하게 수렴하는 조명 광선을 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 광학장치.
비-투명 물질을 포함하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법에 있어서,
a. 조명 광원을 사용하여 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하고;
b. 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective)를 사용하여 조명 광선을 대상 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하며;
c. 조명 광학 경로를 사용하여 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키고;
d. 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치를 사용하여 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키며;
e. 이미지 센서를 사용하여 대상물체의 이미지를 발생시키고; 그리고
f. 이미지 광학 경로를 사용하여 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달함을 포함하며,
상기 조명 광원, 무한 보정 대물렌즈 그리고 릴레이 광학장치가 스트레이 광선, 비-투명 물질의 표면 또는 인터페이스에 의해 분산된 광선, 그리고 비-투명 물질의 불 균질에 의해 방해되는 광선이 영상화 광학 경로(imaging optical path)에 들어가는 것을 적어도 부분적으로 막도록 사용됨을 특징으로 하는 비-투명 물질을 포함하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법.
객체 특징을 포함하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법에 있어서,
a. 조명 광원을 사용하여 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하고;
b. 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective)를 사용하여 조명 광선을 대상 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하며;
c. 조명 광학 경로를 사용하여 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키고;
d. 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치를 사용하여 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키며;
e. 이미지 센서를 사용하여 대상물체의 이미지를 발생시키고; 그리고
f. 이미지 광학 경로를 사용하여 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달함을 포함하며,
상기 조명 광원의 방출 조리개가 무한 보정 대물렌즈의 입사 눈동자를 완전히 채우도록 구성되며 그리고 릴레이 광학장치가 대상물체의 표면에서 조명 광선의 포커싱을 제공하거나 대상물체의 평면에서 조명 광원의 이미지 만들기를 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 객체 특징을 포함하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법.
객체 특징을 포함하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법에 있어서,
a. 방출 조리개을 갖는 조명 광원을 사용하여 조정된 각도 스펙트럼을 갖는 조명 광선을 생성하고;
b. 무한 보정 대물렌즈(infinity corrected objective)를 사용하여 조명 광선을 대상 물체로 향하게 하고 상기 대상물체로부터 광선을 수집하며;
c. 조명 광학 경로를 사용하여 조명 광원으로부터 무한 보정 대물렌즈로 조명 광선을 전달시키고;
d. 조명 광학 경로 내에 배치된 릴레이 광학 장치를 사용하여 무한 보정 대물렌즈로 들어가는 조명 광선에 대한 사전에 정해진 기울기 각도를 발생시키며;
e. 이미지 센서를 사용하여 대상물체의 이미지를 발생시키고; 그리고
f. 영상화 광학 경로(imaging optical path)를 사용하여 상기 수집된 광선을 무한 보정 대물렌즈로부터 이미지 센서로 전달함을 포함하며,
상기 조명 광원의 방출 조리개가 상당히 줄어들고 상기 릴레이 광학장치가 상기 대상물체로 입사되는 강하게 발산하거나 강하게 수렴하는 조명 광선을 제공하도록 사용됨을 특징으로 하는 대상물체(객체)의 이미지를 생성시키기 위한 방법.