KR20140094405A - 라인 스캔을 위한 다중 각도 조명 광학 조립체 및 이를 이용한 광원 시스템 - Google Patents

라인 스캔을 위한 다중 각도 조명 광학 조립체 및 이를 이용한 광원 시스템 Download PDF

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KR20140094405A
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Abstract

라인 스캔을 위한 다중 각도 조명의 광학 조립체 및 이 광학 조립체를 이용한 광원 시스템을 개시한다. 광학 조립체는 제 1 투명 요소, 제 2 투명 요소 및 광 정형 확산기(light shaping diffuser (LSD))를 포함하며, 제 1 및 제 2 투명 요소는 표면 상에서 모아지고 입사된 광으로부터 표면 상에 3차원 패턴을 형성하고, 3차원 패턴은 서로 마주보게 배치되며, 광 정형 확산기는 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소와 접촉 상태에서 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소 사이의 위치에 배치되거나, 3차원 패턴이 없는 제 1 또는 제 2 투명 요소의 일측 상에 배치된다. 광학 조립체는 다중 각도 조명 효과를 달성할 뿐만 아니라 광학 조립체의 요구되는 요소의 중량 및 점유 체적을 감소시킨다.

Description

라인 스캔을 위한 다중 각도 조명 광학 조립체 및 이를 이용한 광원 시스템{Optical assembly of multi-angle illumination for line scan and light source system using the same}
본 발명은 광원으로부터 조사된 광을 확산시키기 위한 광학 조립체에 관한 것으로서, 특히, 라인 스캔을 위한 다중 각도의 조명 광학 조립체 및 이 광학 조립체를 이용한 광원 시스템에 관한 것이다.
광원 시스템은 자동 광학 검사 장치(automatic optical inspection)에서 중요한 역할을 수행한다. 예를 들어, 액정 디스플레이(LCD) 칩, 반도체 집적회로 칩 및 관련된 회로의 제조 공정은 정밀한 자동 광학 검사 장치를 필요로 하며, 검사 장치의 중요한 요소 중의 하나는 검사 영역 내에 조명을 제공하는 것이다.
발광 다이오드(LED)와 같은 일반적인 조명 장치는 단순히 검사 영역으로 광원을 비춘다. 발광 다이오드는 정밀 검사 기구의 제한된 공간 내에 설치된 광원을 완전히 이용하지 않을 뿐만 아니라 검사 영역에 충분한 조명 밝기를 제공하지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 각도 조명을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광원 조사에 필요한 광학 요소가 점유하는 공간의 체적을 감소시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광원 조사에 필요한 광학 요소의 중량을 감소시키는 것이다.
위에서 언급된 목적 및 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 라인 스캔을 위한 다중 각도 조명의 광학 조립체를 제공하며, 이 광학 조립체는 표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 3차원 패턴을 형성하기 위한 제 1 투명 요소; 표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 동일한 3차원 패턴을 형성하기 위한 것으로서, 한 측부는 3차원 패턴을 갖는 제 1 투명 요소의 측부를 향하여 정밀하게 배치된 3차원 패턴을 갖는 제 2 투명 요소; 및 제 2 범위 내에 입사된 광을 확산하기 위한 것으로서, 3차원 패턴이 없는 제 1 투명 요소의 측부, 3차원 패턴이 없는 제 2 투명 요소의 측부 또는 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 투명 요소와 접촉 상태에 있는 광 정형 확산기를 포함한다.
위에서 언급된 목적 및 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 타겟 영역에 광을 조사하기 위한 광원 시스템을 제공하며, 이 광원 시스템은 타겟 영역으로 광을 조사하는 다수의 광원; 및 광원과 각각 대응하며, 광원과 타겟 영역 사이에 각각 배치된 다수의 광학 조립체를 포함하되, 광학 조립체는, 표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 3차원 패턴을 형성하기 위한 제 1 투명 요소; 표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 동일한 3차원 패턴을 형성하기 위한 것으로서, 한 측부는 3차원 패턴을 갖는 제 1 투명 요소의 측부를 향하여 정밀하게 배치된 3차원 패턴을 갖는 제 2 투명 요소; 및 제 2 범위 내에 입사된 광을 확산하기 위한 것으로서, 3차원 패턴이 없는 제 1 투명 요소의 측부, 3차원 패턴이 없는 제 2 투명 요소의 측부 또는 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 투명 요소와 접촉 상태에 있는 광 정형 확산기를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 3차원 패턴은 투명 요소 표면으로부터 돌출된 다수의 돌출부를 포함하며, 돌출부는 반구 또는 사각 피라미드 형상을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 각 광학 조립체의 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소는 프레넬 렌즈이며, 3차원 패턴은 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소에 의하여 형성된 프레넬 렌즈 (Fresnel lens)의 패턴이다.
여기서, 서로 마주보게 배치된 3차원적 패턴을 갖는 2개의 투명 요소는 투명 요소의 질량과 체적을 현저하게 줄일 수 있다. 타겟 영역 내에서의 광원의 보다 큰 조명 밝기를 제공하기 위하여, 광원이 광학 조립체를 통과한 후에 광 정형 확산기로 보다 큰 각도를 갖는 조명이 이루어져 이러한 범위(dimension) 내의 선 광원을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 광학 조립체의 개략적인 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 광학 조립체의 개략적인 도면.
도 3a는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 광학 조립체의 제 1 모드의 개략적인 도면.
도 3b는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 광학 조립체의 제 2 모드의 개략적인 도면.
도 3c는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 광학 조립체의 제 3 모드의 개략적인 도면.
도 4는 프레넬 렌즈 모듈을 통과한 광의 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 조립체를 통과한 광의 광학 경로의 측면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 조립체를 이용한 광원 시스템의 광학 경로의 평면도.
본 발명이 목적, 특징 및 효과는 바람직한 실시예의 상세한 설명 및 관련된 도면의 설명으로 명확해질 것이다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 광학 조립체의 개략적인 도면인 도 1을 참고하면, 광학 조립체(100)는 제 1 투명 요소(110), 제 2 투명 요소(112) 그리고 광 정형 확산기(120; light shaping diffuser (LSD))를 포함한다.
제 1 투명 요소(110)는 표면 상에만 형성된 3차원 패턴(115a)을 갖는다. 광이 3차원 패턴(115a)을 갖는 표면 상에 입사될 때에만 (제 1 범위와 같은) 단일 범위 내에 모여진 광에 의하여 3차원 패턴(115a)이 형성된다. 돌출부는 제 1 투명 요소(110)의 표면 상에 형성되어 표면을 거칠어지게 하고 3차원 패턴(115a)을 생성한다. 돌출된 3차원 패턴(115a)은 다른 형상을 수반하여 "(X-축과 같은) 제 1 범위의 방향으로만 집광하는" 위에서 언급한 효과만을 달성한다. 그러나, 이는 본 기술 분야의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 달성되는 종래 기술이다. 예를 들어, 3차원 패턴(115a)은 반구 형태 또는 사각 피라미드 형상일 수 있으나, 본 발명은 이러한 배치만으로 제한되지 않는다. 여기서, 도 1은 반구 형상의 3차원 패턴(115a)을 도시하며, 도 3은 사각 피라미드 형상의 3차원 패턴(115a)을 도시한다. 이 3차원 패턴(115a)은 단일 범위 내에서 입사 광을 모음으로서 형성된다. 단일 범위 내에서 모아진 광을 위한 도 5를 참고하여 단일 방향으로 광을 모으는 것에 대한 보다 상세한 설명이 이하에서 주어질 것이다.
제 1 투명 요소(110)와 유사하게, 본 발명의 제 2 투명 요소(112)는 특정 방식으로 배치되어 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(120)는 정확하게 서로 반대가 된다. 즉, (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이) 3차원 패턴(115b)을 갖는 제 2 투명 요소(112)의 측부는 3차원 패턴(115a)을 갖는 제 1 투명 요소의 측부와 정확하게 일치한다.
광 정형 확산기(120)는 (Y-축과 같은) 제 2 범위 상에 광 입사를 위한 단일 범위 내에 확산을 실질적으로 생성하기 위하여 제공되며, 다른 범위 내에서의 확산의 정도는 영향을 받지 않는다. 따라서 제 1 범위 내에 형성된 광은 선분(line segment)이다. 즉, 광은 주로 제 2 범위 내에서 확산되며, 광 정형 확산기(120)가 제 1 범위 내에서의 확산을 가질지라도, 제 범위 내에서의 원하는 집광은 영향을 받지 않을 것이며, (X-축과 같은) 제 1 범위의 방향으로의 광원의 광의 확산은 선분인 광 정형에 영향을 미치지 않을 것이다.
광 정형 확산기(120)는 아메리칸 루미니트, 엘엘씨 컴패니에서 생산된 LSD 시리즈의 광 정형 확산기일 수 있다. 이 광 정형 확산기(120)는 바람직하게는 1 밀리미터 이하의 두께를 갖는다. 광 정형 확산기(120)는 60°또는 80°와 동일한 확산 각도를 가지며, 이 확산 각도는 Y-축 상에서 한정된 확산 각도이다. 예를 들어, 60도 (degrees) *1 도 (degree)의 광 정형 확산기는 Y-축 상에서의 60°의 확산 각도 및 X-축에서 단지 1도의 확산 각도를 갖는다. 광학 검사 장치의 좁은 공간에서, 1도의 현저하지 않은 확산 각도는 선분인 광 정형에 영향을 미치지 않을 것이다. 제 2 범위 내에서의 확산의 세부 사항을 위한 도 6을 참고하면, 광 정형 확산기(120)는 하기 위치들 중 하나의 위치에 배치된다; (1) 3차원 패턴(115a)이 없는 제 1 투명 요소(110)의 측부 상의 위치; (2) 3차원 패턴(115b)이 없는 제 2 투명 요소(112)의 측부 상의 위치; 및 (3) 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112) 사이에 있고 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112)에 접촉하는 위치.
바람직하게는, 광학 조립체(100)는 제 1 투명 요소(110), 제 2 투명 요소(112) 그리고 광 정형 확산기(120)를 포함한다. 즉, 광 정형 확산기(120)가 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112)의 중간 부분에 위치하지 않을 때, (도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이) 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112)는 서로 직접적으로 접촉한다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 광학 조립체의 제 1, 제 2 및 제 3 모드를 각각 도시한 도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참고하면, 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112)는 그 표면 상에 형성된 돌기부를 갖고 있어 표면을 거칠게 하며 프레넬 렌즈(Fresnel lens)에 의하여 형성된 패턴인 3차원 패턴(115a, 115b)을 생성한다. 즉, 제 1 투명 요소(110)와 제 2 제 2 투명 요소(112)는 프레넬 렌즈이다. 예를 들어, 2개의 선형 프레넬 렌즈는 렌즈 모듈로 결합되며, 바람직하게는 프레넬 렌즈는 일부 응용에서 0.25 내지 6인치의 초점 길이를 갖는다. 3차원 패턴(115a)이 없는 제 1 투명 요소(110)의 일측부 상에 배치된 광 정형 확산기(120), 차원 패턴(115b)이 없는 제 2 투명 요소(112)의 일측부 상에 배치된 광 정형 확산기(120) 그리고 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112) 사이에 배치되고 제 1 투명 요소(110)와 제 2 투명 요소(112)에 각각 접촉하는 광 정형 확산기(120)의 개략적인 도면인 도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참고하면, 본 발명의 광학 조립체는 제 1 범위 내에서만의 집광을 위하여 서로 반대로 배치된 2개의 투명 요소 및 제 2 범위 내에서 광을 확산시키기 위하여 한 위치에 설치된 광 정형 확산기를 가지며, 따라서 광학 조립체를 통과한 광은 모아져 광학 검사 장치의 스캔 광으로서의 사용을 위한 긴 밝은 선을 형성할 수 있다.
프레넬 렌즈 모듈을 통과한 광의 사시도인 도 4를 참고하면, 광은 제 1 범위 (또는 X-축) 방향으로 모여지며, 광원(200)에서 나온 광이 프레넬 렌즈 모듈(이는 서로 반대인 2개의 프레넬 렌즈를 배치함으로써 형성됨)을 통과한 후 제 2 범위 (또는 Y-축) 방향으로의 대부분 확산은 일어나지 않는다. 따라서, 모아진 광의 선분(L)은 보다 짧다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 조립체를 통과한 광의 광학 경로의 측면도인 도 5를 참고하면, 광원(200)으로부터 나온 광이 본 발명의 광학 조립체(100)를 통과한 후 광은 또한 제 1 범위 (또는 X-축) 방향으로 모여진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 조립체를 이용한 광원 시스템의 광학 경로의 평면도인 도 6을 참고하면, 광원 시스템은 타겟 영역(300)의 범위 내로 광을 조사하기 위하여 제공된다. 광원 시스템은 다수의 광원(200; 발명의 설명을 위하여 도 6에 도시된 바와 같이 3개의 LED 광원이 사용됨)을 포함하며, 각 광원(200)은 본 발명의 광학 조립체(100)를 통과하는 광을 방출한다. 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 범위(또는 X-축)의 방향으로 모아진 광 이외에, 확산은 제 2 범위(또는 Y-축)의 방향으로 일어난다. 각 광원의 광이 광학 조립체(100)를 통과한 후에 제 2 범위에서 조명 각도가 현저하게 증가하기 때문에, (각 광원(300)에 각각 대응하는 다수의 광학 조립체(100)로 이루어진) 광 확산기의 전체 폭(whole piece)은 타겟 영역(300)의 중간 부분에서의 조명 강도를 효과적으로 향상시키기 위하여 제공되어 보다 인접한 광원에 대한 보다 큰 조명 각도에 기여하여 도 6에 도시된 영역(H)과 같은 타겟 영역(300) 상으로 광을 조사시킨다.
위의 설명의 요약에서, 본 발명은 제 1 범위 내에서 광을 모으기 위하여 서로 반대되게 배치된 3차원적 패턴을 갖는 측부를 갖는 2개의 투명한 요소를 이용한다. 광 정형 확산기로 제 2 범위 내에서의 광의 조명 각도는 확장되어 타겟 영역에 다중 각도 조명을 제공할 수 있다. 또한, 서로 반대로 배치된 2개의 투명 요소의 설계는 투명 요소의 무게와 체적을 현저하게 감소시킬 수 있으며, 광학 검사 장치의 제한된 공간 내에서의 점유 체적을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 발명이 특정 실시예에 의하여 설명된 반면에, 청구범위에 개진된 본 발명의 범위 및 사상에서 벗어남이 없이 본 기술 분야의 지식을 가진 자에 의하여 다수의 변형 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 라인 스캔을 위한 다중 각도 조명의 광학 조립체에 있어서,
    표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 3차원 패턴을 형성하기 위한 제 1 투명 요소;
    표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 동일한 3차원 패턴을 형성하기 위한 것으로서, 한 측부는 3차원 패턴을 갖는 제 1 투명 요소의 측부를 향하여 정밀하게 배치된 3차원 패턴을 갖는 제 2 투명 요소; 및
    제 2 범위 내에 입사된 광을 확산하기 위한 것으로서, 3차원 패턴이 없는 제 1 투명 요소의 측부, 3차원 패턴이 없는 제 2 투명 요소의 측부 또는 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 투명 요소와 접촉 상태에 있는 광 정형 확산기를 포함하는 광학 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 3차원 패턴은 투명 요소의 표면으로부터 돌출된 다수의 돌기부로 구성되며, 돌기부는 반구형 또는 사각 피라미드 형상인 광학 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소는 프레넬 렌즈이며, 3차원 패턴은 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소에 의하여 형성된 프레넬 렌즈의 패턴인 광학 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 조립체는 제 1 투명 요소, 제 2 투명 요소 그리고 광 정형 확산기로 구성되며, 광 정형 확산기가 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소의 중앙부 외의 위치에 위치할 때, 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소는 직접적으로 접촉하는 광학 조립체.
  5. 타겟 영역에 광을 조사하기 위한 광원 시스템에 있어서,
    타겟 영역으로 광을 조사하는 다수의 광원; 및
    광원과 각각 대응하며, 광원과 타겟 영역 사이에 각각 배치된 다수의 광학 조립체를 포함하되,
    광학 조립체는,
    표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 3차원 패턴을 형성하기 위한 제 1 투명 요소;
    표면 상에 입사되고 제 1 범위 내에서만 모아지는 광으로부터 표면 상에 동일한 3차원 패턴을 형성하기 위한 것으로서, 한 측부는 3차원 패턴을 갖는 제 1 투명 요소의 측부를 향하여 정밀하게 배치된 3차원 패턴을 갖는 제 2 투명 요소; 및
    제 2 범위 내에 입사된 광을 확산하기 위한 것으로서, 3차원 패턴이 없는 제 1 투명 요소의 측부, 3차원 패턴이 없는 제 2 투명 요소의 측부 또는 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소 사이에 배치되고, 제 1 및 제 2 투명 요소와 접촉 상태에 있는 광 정형 확산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 각 광학 조립체의 3차원 패턴은 투명 요소의 표면으로부터 돌출된 다수의 돌기부로 구성되며, 돌기부는 반구형 또는 사각 피라미드 형상인 광원 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 각 광학 조립체의 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소는 프레넬 렌즈이며, 3차원 패턴은 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소에 의하여 형성된 프레넬 렌즈의 패턴인 광원 시스템.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 조립체는 제 1 투명 요소, 제 2 투명 요소 그리고 광 정형 확산기를 포함하며, 광 정형 확산기가 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소의 중앙부 외의 위치에 위치할 때, 제 1 투명 요소와 제 2 투명 요소는 직접적으로 접촉하는 광원 시스템.
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