WO2010104265A2 - 결점 검사를 위한 검사장치 - Google Patents

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WO2010104265A2
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이제선
장기수
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주식회사 쓰리비 시스템
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    • G02B27/50—Optics for phase object visualisation

Definitions

  • the present invention is an inspection device for inspecting defects, such as bubbles, micro deformation, foreign matter, perforation formed on the inside or surface of the subject, including an opaque plate or a transparent plate, more specifically, by installing a knife wedge and a retroreflective plate
  • the present invention relates to an inspection apparatus for inspecting defects so that an image of defects can be obtained clearly and stably even when vibrations or warpages occur.
  • FIG. 1 illustrates an image of a sheet beam that is incident on a reflector when the sheet beam is incident on a reflector that is upwardly or downwardly in a general reflective optical system.
  • the sheet shown on the left side of FIG. 1 shows a light path when the end is folded upward, and the subject shown on the right shows a case where the end is folded downward.
  • a sheet beam of the same path as the optical axis of the camera 1 is irradiated to the subject 5 in the illumination device 3 and reflected from the subject 5, and the subject ( The reflected light reflected at 5) is incident on the reflecting paper 7.
  • the light is incident downwardly from the normal path of the dotted line as shown in the upper right side of FIG. 1, when the reflecting paper 7 is viewed from the front, it is lower than the bright line in the normal path (dotted line).
  • Bright lines are formed in the spaced apart areas.
  • the reflector 7 is a general reflector having the same angle of incidence and the same angle of reflection. Therefore, the light reflected from the reflector 7 cannot reach the surface of the subject 5, so that the camera 1 When the subject vibrates or warps, an image of the light incident portion of the subject 5 cannot be obtained.
  • This phenomenon can be applied as it is to a phenomenon in which vibration occurs in the subject 5.
  • 2 is an optical system for explaining a refractive phenomenon caused by a defect when conventionally irradiating light to a subject under light.
  • the brightness of the screen 9 is 1 unit.
  • an abnormal state that may change the refractive index for example, density, foreign matter, deformation, etc. (hereinafter, referred to as a defect) may change the refractive angle.
  • the light is refracted by the defect 11
  • the light does not reach the position where the optical path (dotted line) meets when the defect 11 is absent, so that the part where the dotted line terminates on the screen has the brightness of 0 unit, and the defect
  • the portion where the light refracted by 11 meets the screen 9 is converted into brightness by 2 units.
  • the present invention is to solve this problem, the problem of the present invention by using a knife edge (knife edge) to block the light to have an image having a gradient of the change in brightness by inspecting to accurately determine the shape of the defect It is for providing a device.
  • a knife edge knife edge
  • Another problem of the present invention is to accurately photograph a subject using a property of rereflection at an angle incident on the retroreflective paper even when a bending phenomenon occurs in the subject, and when the subject generates a vibration, the retroreflective paper
  • An object of the present invention is to provide an inspection apparatus for accurately photographing a subject by re-reflecting incident light, such as when there is no vibration in the subject.
  • the solution of the present invention for the above problem is a light source for irradiating the light to the reflective object reflecting the incident light; A retroreflective plate for retroreflecting the light reflected from the reflective object to the reflective object; An imaging lens configured to form reflected light reflected back and reflected from the retroreflective plate by the retroreflective plate; Imaging means for imaging light incident through the imaging lens; And a knife edge disposed between the imaging lens and the reflective object and formed in a plate shape perpendicular to the optical axis of the imaging lens.
  • another solution of the present invention is a light source which is moved at a constant speed and irradiates light to the transparent test object that transmits the incident light;
  • a retroreflective plate for retroreflecting the light transmitted through the transparent object in the same direction as the incident direction to irradiate the transparent object;
  • a mask provided between the light source and the transparent test object and having a slit formed therein;
  • Imaging means for forming an image by incident light;
  • An imaging lens focusing light that has been retroreflected by the retroreflective plate and transmitted through the transparent test object to form an image on the imaging means;
  • a knife edge disposed between the imaging lens and the transparent test object and formed in a plate shape perpendicular to the optical axis of the imaging lens.
  • the use of the retroreflective plate of the present invention makes it possible to stably find defects even when a subject forms a curved surface or a mechanical vibration occurs in the subject.
  • FIG. 1 illustrates an image of a sheet beam that is incident on a reflector when the sheet beam is incident on a reflector that is upwardly or downwardly in a general reflective optical system.
  • 2 is an optical system for explaining a refractive phenomenon caused by a defect when conventionally irradiating light to a subject under light.
  • FIG. 3 is an optical block diagram illustrating the principle of a knife edge of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an optical block diagram illustrating a path of light passing through the inside of a subject under the present invention.
  • FIG. 5 is an optical diagram illustrating a path of light reflected from a surface of a test subject in the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram for inspecting a transparent sample using an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an optical path diagram illustrating the optical path of FIG. 6.
  • FIG. 9 is an optical path diagram when no knife edge is used to contrast with FIG. 7.
  • FIG. 10 is a light path diagram illustrating that the retroreflective plate is insensitive to vibration in the present invention.
  • FIG. 11 is a light path diagram illustrating that the light sent by the retroreflective plate acts as a concave mirror in the present invention is collected at the focus again.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating an optical path to a reflective subject in one embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a block diagram illustrating the installation effect of the knife edge in the reflective object of the present invention, showing the intensity of the image and brightness.
  • FIG. 3 is an optical block diagram illustrating the principle of a knife edge of an embodiment of the present invention.
  • the point light source 25 is located at the left focal point of the field lens 15, and the light emitted from the light source 25 is irradiated to the screen 9 through the right focal point of the field lens 15. If there is a defect 11 between the field lens 15 and the right focal point of the field lens 15, the optical path of the light passing through the defect 11 is refracted from the normal light path of the dotted line and is preferably an edge located at the right focal point, preferably The ends are terminated without passing through a knife edge 13 made of a sharp plate shape.
  • the position where the dashed light beam, which is the normal light beam reached on the screen, in the absence of the defect 11 is hit on the screen is zero-brightness because the light beam does not enter when the defect 11 is present. But the other point on the screen is that there is no change in brightness.
  • FIG. 3 when the light is blocked using the knife edge 13, a gradient of the brightness on the screen is extracted because the change value of the brightness on the screen due to the defect 11 is reduced. Therefore, when the knife edge 13 is used as in FIG. 3, not only the contour of the subject but also the image of the subject can obtain a clear image having a gradient.
  • FIG. 4 is an optical block diagram illustrating a path of light passing through the inside of a test subject in the present invention
  • FIG. 5 is an optical block diagram illustrating a path of light reflected from the surface of a test subject in the present invention.
  • a light source 25 for generating a sheet beam is positioned at the left focus of the field lens 17, and a knife edge 13 is positioned at the right focus of the field lens 17, and the field lens 17 is positioned at the right focus of the field lens 17. And the object 19 between the knife edge 13 and the knife edge 13. The light passing through the object 19 is formed on the line CCD 23 by the imaging lens 21 to form an image of the transparent object.
  • the knife edge 13 is installed perpendicular to the optical axis of the imaging lens 21, and the front end surface is approached to the optical axis to sharply clear the image of overlapping surface curvature or internal information in the image of the defect formed in the subject 19. You can get it.
  • the light source 25 and the field lens 17 are installed on the upper part of the subject 27 so that light is incident on the surface of the subject to be inclined.
  • the light reflected from the surface passes through the imaging lens 21 to form an image on the line CCD 23, and a knife edge 13 is installed at the focal point of the field lens 17 to provide a clear image on the line CCD 23.
  • FIG. 6 is a block diagram for inspecting a transparent sample by using an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a light path diagram illustrating the optical path of Figure 6
  • Figure 8 is a view of the image of the defect photographed in the present invention
  • 3 9 is a graph of the dimension
  • FIG. 9 is an optical path diagram when no knife edge is used to contrast with FIG. 7.
  • Light emitted from the light source 25 generating the sheet beam is reflected by a half mirror 29 inclined to the ground, so that light is incident on the retroreflective plate 31 in parallel with the ground, and the retroreflective plate 31 The reflected light is reflected back toward the half mirror 29, and the light incident on the half mirror 29 passes through the image forming lens 21 to form an image on the line CCD 23.
  • a mask 33 is provided between the retroreflective plate 31 and the half mirror 29 to allow light to enter the retroreflective plate 31 by passing through a slit to reduce interference of light of various optical paths.
  • the transparent object 35 is scanned while moving in the same direction as the arrow on the back surface of the mask 33.
  • FIG. 7A illustrates the light quantity adjustment for the movement of the knife edge 13, and the solid line a in the lateral direction in A means when the upper end of the knife edge 13 is positioned to coincide with the optical axis.
  • the dotted line b denotes a state in which the optical path is bent downward by the change of the refraction angle of the sheet beam from the light source by the convex defect 37 formed in the subject 35.
  • the image of the transparent object 35 is imaged on the line CCD 23 by the optical path as shown in FIG. 2, but the concave defect 37 is formed in the transparent object 35. (3) is generated, the refracted light 3 is blocked from reaching the line CCD 23 by the knife edge 13, and the image of the refracted portion is darkened.
  • the retroreflective plate 31 reflects the light incident from the light source back toward the light source so that an accurate image can be obtained even when the transparent object 35 is vibrated or curved.
  • 7B is an image scanned on the line CCD 23, and C is a graph showing the intensity of the longitudinal cross-sectional light amount of B.
  • FIG. As can be seen from the image of B of FIG. 7, not only the contour of the defect but also the shape of the overall defect can be obtained.
  • the light and dark portions have a continuous curve to form a gradient of the light intensity. Since the image capable of obtaining such a gradient can three-dimensionalize the defect image as shown in FIG. 8, the appearance of the defect image can be confirmed in detail.
  • FIG. 10 is an optical path diagram illustrating the role of the retroreflective plate in the present invention.
  • FIG. 10 illustrates an optical path when light from a light source strikes a general reflector, and indicates that only a part of light is reflected in the direction of the light source because light reflected from the reflector is reflected in various directions.
  • 10 (b) shows an optical path in which light from a light source is reflected by a retroreflective plate provided in a vertical direction, and all light from the light source is reflected toward the light source.
  • (c) of FIG. 10 shows the optical path when reflected by the retroreflective plate tilted with respect to the vertical plane, and in this case, all the light reflected from the retroreflective plate is returned to the light source.
  • this phenomenon means that light emitted from the light source is all returned to the light source regardless of the inclination angle of the retroreflective plate when reflected from the retroreflective plate.
  • the retroreflective plate when used as the reflector in the present invention, an accurate image of the inspected object may be obtained even when vibration occurs in the inspected object.
  • FIG. 11 is a light path illustrating the converging mirror of the retroreflective plate in the present invention, where light gathers in one place.
  • FIG. 11A illustrates that light emitted from the light source 25 is reflected by the half mirror 29, reflected back by the retroreflective plate 31, and collected through the half mirror 29 to focus.
  • (b) of FIG. 11 shows that the light source 25 is farther from the retroreflective plate 31 than (a).
  • the light reflected from the retroreflective plate 31 is the light source 25.
  • FIG. 11C illustrates a light path of the reflected light as the point light source is located at a focal length, farther from the light source 25 than in FIG.
  • the light reflected from the retroreflective plate 31 forms the same optical path as the light focusing on the light source 25, and the light source 25 even when the distance between the light source 25 and the retroreflective plate 31 is variable. Form an optical path with the focus on). Therefore, the test object 35 passes between the light source 25 and the retroreflective plate 31, and the distance between the test object 35 and the retroreflective plate 31 or between the test object 35 and the light source 25 is passed. Is reflected by the retroreflective plate 31 at all times even when the vibration is variable, so that the subject 35 is subject to vibration even when vibration is generated in the subject 35 because the light path focuses on the light source 25. You can get an accurate image of.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating an optical path to a reflective subject in one embodiment of the present invention.
  • a mask 33 having a slit is provided on the upper surface of the reflective object 41, and the light emitted from the light source 25 is reflected by the half mirror 29 to be incident on the reflective object 41 at a predetermined inclination angle.
  • the light reflected from the reflective object 41 is incident on the retroreflective plate 31, reflected, and then reflected again by the reflective object 41, and then passes through the half mirror 29 and passes through the image forming lens 21.
  • the knife edge 31 is provided where the image formed in the CCD 23 and the light reflected by the retroreflective plate are collected in one place.
  • FIG. 12B shows an image obtained from the line CCD
  • FIG. 12C shows a graph of the intensity of the brightness of the image of B. As shown in B and C of FIG. Can be obtained.
  • Figure 13 is a block diagram illustrating the installation effect of the knife edge in the reflective object of the present invention, showing the intensity of the image and brightness.
  • FIG. 13 shows the optical path when the convex defect 39 of the reflective object 41 of FIG. 12 passes through the slit of the mask 33.
  • the optical paths of the light reflected by the retroreflective plate 31 are (a), (b), (c), (d), (e) In the same order as In the state of (a), the light reflected from the retroreflective plate 31 is reflected at the defect-free portion to represent the average brightness in the CCD image of B, and has an intensity value of intermediate brightness as shown in the graph C of the brightness.
  • state of (b) indicates a state in which light incident from the retroreflective plate 31 is refracted at the front of the convex defect 39 and blocked by the knife edge 13.
  • the image of the darkest part of the image B is It is picked up and has the lowest intensity in graph C.
  • image B has a medium brightness and has a medium value of intensity in graph C.
  • the state of (D) indicates a state in which light incident from the retroreflective plate 31 is reflected at the rear of the convex defect 39 and overlaps with other light rays so that reinforcement of the light occurs.
  • the value of the intensity of the brightness of the graph C is also best formed.
  • the slit of the mask passes through the convex defect 39, and has the same image and graph as the state of the first (a).
  • the reflected light reflected by the normal portion and the reflected light irregularly reflected by the convex defect 39 are caused to reinforce and cancel. Only reinforcement occurs because it is blocked by the knife edge. Therefore, by weakening the difference between the brightness of the reinforcement point and the offset point to increase the sensitivity of the image to the convex defect 39, to obtain a gradient of the intensity of the light to obtain three-dimensional information about the image .
  • knife edges are used to increase the sensitivity of the image.
  • the sensitivity of the image is further increased by bringing the knife edge closer to the optical axis of the optical system.
  • the sensitivity is increased because the amount of light changes when the light source is small compared to the case where the light source is large.
  • the slit width of the mask installed on the front of the subject is reduced, interference between the lights can be reduced, thereby obtaining a more sensitive image.
  • the use of the retroreflective plate of the present invention makes it possible to stably find defects even when a subject forms a curved surface or a mechanical vibration occurs in the subject.

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Abstract

본 발명은 재귀 반사판을 볼록렌즈 또는 오목거울처럼 사용하여 투명 또는 반사체로 이루어진 피검체가 굴곡지거나 피검체가 이동 중에 진동이 발생하는 경우에도 안정적으로 결점을 검출할 수 있도록 하며, 검사영역에서 일어나는 투과검사시의 밀도 구배와 반사검사시의 반사각도의 변화를 이용하여 측정영역을 통과하거나 반사하는 평행광의 변위현상을 포착하는 검사방법이다. 또한, 본 발명은 투과광 또는 반사광이 모이는 카메라 렌즈 전면에 나이프 에지(knife edge)를 광축에 수평으로 설치하여 평행 광으로부터 벗어난 광을 차단함으로써 카메라에는 검사영역의 밀도구배에 기인하는 광의 명암의 변화로 얻어져 3차원 결점영상으로 얻을 수 있도록 하는 결점검사를 위한 검사장치이다.

Description

결점 검사를 위한 검사장치
본 발명은 불투명판 또는 투명판을 비롯한 피검체의 내부 또는 표면에 형성된 기포, 미소변형, 이물, 천공 등 결점을 검사하기 위한 검사장치로, 더욱 상세하게는 나이프 웨지와 재귀 반사판을 설치하여 피검체가 진동되거나 휨이 있는 경우에도 결점 부위의 영상을 선명하고 안정적으로 얻을 수 있도록 하는 결점 검사를 위한 검사장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 반사 광학계에서 상방 또는 하방으로 휜 반사판에 쉬트 빔이 입사될 때 반사판에 입사되는 쉬트 빔에 대한 영상을 나타낸 것이다.
도 1의 좌측에 도시된 피검체(sheet)는 단부가 상향으로 휜 경우의 광경로를 도시한 것이고, 우측에 도시된 피검체는 단부가 하향으로 휜 경우를 도시한 것이다.
도 1의 좌측에서와 같이 카메라(1)의 광축과 동일한 경로의 쉬트 빔(sheet beam)이 조명장치(3)에서 피검체(5)에 조사되어 피검체(5)로부터 반사되고, 피검체(5)에서 반사된 반사광은 반사지(7)에 입사된다.
피검체(5)에 휨 현상이 없는 경우에 피검체(5)에 입사된 광은 점선과 같이 반사지(7)에 입사되며 반사지(7)에서 반사되어 피검체(5)에서 반사된 후 카메라(1)에 입사되어 피검체(5)의 영상이 카메라(1)에 촬영된다. 그러나, 피검체(5)의 상향으로 휘어진 부분에 조사된 쉬트 빔은 실선과 같이 반사지(7)에 입사되고, 반사지(7)에서 반사된 빛은 피검체(5)에 다시 입사되지 않기 때문에 결국 카메라(1)에 피검체(5)의 영상을 맺지 못하게 된다.
도 1의 좌측 하단의 영상은 반사지(7)에 입사되는 점선의 정상 쉬트 빔과 휨 현상이 있는 경우의 실선의 쉬트 빔을 촬영한 것이다.
또한, 하향으로 휜 경우에도 도 1의 우측 상부에 도시한 바와 같이 점선의 정상 경로로부터 하부로 이격되게 입사되기 때문에 반사지(7)를 정면에서 바라보면 정상 경로시(점선)에 밝은 선 보다 하부로 이격된 부위에 밝은 선(실선)을 형성하게 된다. 피검체(5)가 정상적인 경우에는 반사지에서 반사된 빛은 정상 경로를 따라 피검체(5)에서 재반사되어 카메라(1)에 피검체(5)의 영상을 형성하게 된다. 그러나 피검체(5)가 비정상적으로 휘어지면 반사지(7)는 입사각과 반사각이 같은 일반 반사지이므로 반사지(7)에서 반사되는 광은 피검체(5) 면에 도달될 수 없어 결국 카메라(1)에는 피검체 진동시나 휨이 있는 경우 피검체(5)의 광 입사부분의 영상을 얻을 수 없다.
이러한 현상은 피검체(5)에서 진동이 발생하는 현상에도 그대로 적용될 수 있다.
도 2는 종래에 광원으로부터 피검체에 광을 조사할 때 결점에 의한 굴절 현상을 설명하는 광학계이다.
광원(25)은 점광원(point light source)으로부터 스크린(9)에 조사될 때 스크린(9)에 밝기를 1 단위라 한다. 이때 굴절율의 변화를 줄 수 있는 이상 상태, 이를테면 밀도, 이물, 변형 등(이하, 결점이라 한다)이 굴절각의 변화를 준다. 결점(11)에 의하여 광이 굴절되면 결점(11)이 없을 때의 광경로(점선)가 만나는 위치에 빛이 도달되지 않기 때문에 스크린 상의 점선이 종단되는 부분은 0 단위의 밝기를 갖게 되고, 결점(11)에 의하여 굴절된 광이 스크린(9)에 만나는 부분은 밝기가 2 단위로 변환된다.
이와 같이, 결점(11)에 의하여 밝기가 급격하게 0 인 부분과 2 인 부분으로 변화되면 영상의 밝은 부분과 어두운 부분 사이의 밝기의 급격한 변화가 발생하게 되어 결점(11)의 정확한 형상을 파악할 수 없다. 즉 이와 같은 급격한 밝기의 변화 구배(그라디언트: gradient)를 얻을 수 없어 결점(11)의 윤곽만이 스크린(9) 상에 형성되게 되어 결국 결점(11)의 실질적인 형태를 판독할 수 있는 영상을 얻을 수 없다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 광을 차단하는 나이프 에지(knife edge)를 이용하여 밝기 변화의 그라디언트를 갖는 영상을 갖도록 함으로써 결점의 형상을 정확히 알 수 있도록 하는 검사장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 해결과제는 피검체에 휨 현상이 발생하는 경우에도 재귀 반사지에 입사되는 각도로 재반사되는 성질을 이용하여 정확히 피검체를 촬영할 수 있으며, 피검체에 진동이 발생하는 경우에 재귀 반사지는 피검체에 진동이 없는 경우와 같이 입사된 광을 재반사시키도록 하여 정확히 피검체를 촬영하도록 하는 검사장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 해결과제를 위한 본 발명의 해결수단은 입사되는 빛을 반사시키는 반사 피검체에 빛을 조사하는 광원; 상기 반사 피검체에서 반사되어 입사되는 빛을 상기 반사 피검체에 재귀 반사시키는 재귀 반사판; 상기 재귀 반사판으로부터 재귀 반사된 재귀 반사광이 상기 반사 피검체에 입사되어 반사되는 반사광을 결상시키는 결상렌즈; 상기 결상렌즈를 통하여 입사되는 빛을 촬상하는 촬상수단; 상기 결상렌즈와 상기 반사 피검체 사이에 설치되며, 상기 결상렌즈의 광축에 수직으로 설치되는 판 형상으로 이루어지는 나이프 에지;를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 해결수단은 일정 속도로 이동되며 입사되는 빛을 투과시키는 투과 피검체에 빛을 조사시키는 광원; 상기 투과 피검체에서 투과되어 입사된 빛을 입사방향과 동일하게 재귀 반사시켜 상기 투과 피검체에 조사하는 재귀 반사판; 상기 광원과 상기 투과 피검체 사이에 설치되며, 슬릿이 형성된 마스크; 입사된 빛에 의하여 상을 형성하는 촬상수단; 상기 재귀 반사판에서 재귀 반사되어 상기 투과 피검체를 투과한 빛을 집속시켜 상기 촬상수단에 결상하는 결상렌즈; 상기 결상렌즈와 상기 투과 피검체 사이에 설치되며, 상기 결상렌즈의 광축에 수직으로 설치되는 판 형상으로 이루어지는 나이프 에지;를 포함하는 것이다.
상기의 해결과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 나이프 에지에 의하여 영상의 밝기에 그라디언트를 갖는 민감도가 높은 영상을 얻을 수 있도록 함으로써 피검체의 결점을 명확히 인식할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 재귀 반사판의 사용에 의하여 피검체가 곡면을 형성하거나, 피검체에 기계적 진동이 발생하는 경우에도 안정적으로 결점을 찾을 수 있도록 한다.
도 1은 일반적인 반사 광학계에서 상방 또는 하방으로 휜 반사판에 쉬트 빔이 입사될 때 반사판에 입사되는 쉬트 빔에 대한 영상을 나타낸 것이다.
도 2는 종래에 광원으로부터 피검체에 광을 조사할 때 결점에 의한 굴절 현상을 설명하는 광학계이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 나이프 에지의 원리를 설명하는 광학 구성도이다.
도 4는 본 발명에서 피검체의 내부를 투과하는 광의 경로를 설명하는 광학 구성도이다.
도 5는 본 발명에서 피검체의 표면에서 반사되는 광의 경로를 설명하는 광학 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 이용하여 투명 샘플을 검사하기 위한 구성도이다.
도 7은 도 6의 광 경로를 설명하는 광경로도이다.
도 8은 본 발명에서 촬영된 결점의 영상을 3차원화한 그래프이다.
도 9는 도 7과 대비하기 위하여 나이프 에지를 사용하지 않는 경우의 광경로도이다.
도 10은 본 발명에서 재귀 반사판이 진동에 둔감하다는 것을 설명하는 광경로도이다.
도 11은 본 발명에서 재귀 반사판이 오목거울 역할을 해서 보낸 빛이 초점에 다시 모이는 것을 설명하는 광경로도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 반사 피검체에 대한 광경로를 도시한 구성도이다.
도 13은 본 발명의 반사 피검체에서 나이프 에지의 설치효과를 설명하는 구성도, 영상 및 밝기의 세기를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 나이프 에지의 원리를 설명하는 광학 구성도이다.
필드(field) 렌즈(15)의 좌측 초점에는 점광원(25)이 위치하고 있으며, 광원(25)으로부터 발산된 광은 필드 렌즈(15)의 우측 초점을 통과하여 스크린(9)에 조사된다. 필드 렌즈(15)와 필드 렌즈(15)의 우측 초점 사이에 결점(11)이 있는 경우 결점(11)을 통과하는 빛의 광로는 점선의 정상 광로로부터 굴절되어 우측 초점에 위치한 에지, 바람직하게는 단부가 예리한 판상으로 이루어진 나이프 에지(knife edge)(13)를 통과하지 못하고 종단된다.
또한, 도 3의 광원(25)으로부터 발산되는 빛의 세기가 도 2의 광원(25)으로부터 발산되는 빛의 세기와 동일하다고 할 때 나이프 에지(13)에 의하여 필드 렌즈(15)를 통과하는 빛의 반 만이 스크린(9)을 조명하기 때문에 도 2에서 스크린(9) 상의 각 점에서의 밝기를 1 단위라 하면 도 3에서의 스크린(9)의 각 점에서의 밝기는 0.5 단위가 된다. 도 2에서 결점(11)에 의하여 굴절된 빛은 스크린(9) 상의 다른 점의 밝기를 2 단위로 보강시키게 되나 도 3에서는 결점(11)에 의하여 굴절된 빛은 나이프 에지(13)에 의하여 차단되기 때문에 스크린(13)의 다른 점을 보강시키지 않게 된다. 즉, 도 3에서 결점(11)이 없는 경우에 스크린 상에 도달되는 정상 광선인 점선의 광선이 스크린 상에 부딪히는 위치는 결점(11)이 존재하는 경우에 광선이 진입되지 않기 때문에 0 단위의 밝기를 갖지만 스크린 상의 다른 점은 밝기의 변화가 없게 된다. 결국 도 3과 같이 나이프 에지(13)를 사용하여 일부 광선을 차단시키면 결점(11)에 의한 스크린 상의 밝기의 변화 값을 작게 하기 때문에 스크린 상의 밝기의 그라디언트(gradient)가 추출된다. 따라서 도 3에서와 같이 나이프 에지(13)를 사용하게 되면 피검체의 윤곽 뿐만 아니라 피검체의 영상은 그라이디언트를 갖는 선명한 영상을 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명에서 피검체의 내부를 투과하는 광의 경로를 설명하는 광학 구성도이고, 도 5는 본 발명에서 피검체의 표면에서 반사되는 광의 경로를 설명하는 광학 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 필드 렌즈(17)의 좌측 초점에는 쉬트 빔을 발생시키는 광원(25)이 위치하고, 필드 렌즈(17)의 우측 초점에는 나이프 에지(13)가 위치하며 필드 렌즈(17)와 나이프 에지(13) 사이에 피검체(19)가 위치한다. 피검체(19)를 투과하는 빛은 결상렌즈(21)에 의하여 라인 CCD(23)에는 투명 피검체의 영상이 형성된다.
이때 나이프 에지(13)는 결상렌즈(21)의 광축에 수직으로 설치되며 선단면을 광축에 접근시켜 피검체(19)에 형성된 결점의 영상에서 표면의 굴곡이나 내부정보가 겹쳐져 보이는 영상을 선명하게 얻을 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 피검체(27)의 상부에는 피검체의 표면에 경사지게 빛이 입사되도록 광원(25)과 필드 렌즈(17)가 설치되고, 반사형 피검체(27)의 표면에서 반사된 빛은 결상렌즈(21)를 통과하여 라인 CCD(23)에 영상을 형성하며, 필드 렌즈(17)의 초점에는 나이프 에지(13)가 설치되어 라인 CCD(23)에 선명한 영상이 형성되도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 이용하여 투명 샘플을 검사하기 위한 구성도이고, 도 7은 도 6의 광 경로를 설명하는 광경로도이고, 도 8은 본 발명에서 촬영된 결점의 영상을 3차원화한 그래프이고, 도 9는 도 7과 대비하기 위하여 나이프 에지를 사용하지 않는 경우의 광경로도이다.
쉬트 빔을 발생시키는 광원(25)으로부터 발산된 빛은 지면에 경사지게 설치된 하프 미러(half mirror)(29)에 의하여 반사되어 빛은 지면과 평행하게 재귀 반사판(31)에 입사되고, 재귀 반사판(31)에서 반사된 빛은 하프 미러(29)를 향하여 재반사되고, 하프 미러(29)에 입사된 빛은 투과되어 결상렌즈(21)를 통과하여 라인 CCD(23)에 결상된다.
또한, 재귀 반사판(31)과 하프 미러(29) 사이에 여러 광로의 빛의 간섭을 줄이기 위하여 슬릿(slit)을 통과하여 빛이 재귀 반사판(31)에 입사되도록 하는 마스크(33)가 설치되고, 마스크(33)의 이면에 투명 피검체(35)가 화살표와 같은 방향으로 이동되면서 스캐닝된다.
또한, 결상렌즈(21)의 좌측 초점에는 나이프 에지(13)가 광축에 설치되어 있어 결상렌즈(21)에 입사되는 광량이 광량의 세기에 대한 기울기를 얻도록 한다. 도 7의 A는 나이프 에지(13)의 이동에 대한 광량 조절을 설명하는 것으로, A에서 횡방향의 실선(a)은 나이프 에지(13)의 상단이 광축에 일치하게 위치할 때를 의미하고, 점선(b)는 피검체(35)에 형성된 볼록 결점(37)에 의하여 광원으로부터의 쉬트 빔의 굴절각의 변화에 의하여 광로가 꺾이게 되어 하향 이동된 상태를 의미한다.
도 7과 같이 정상적인 상태에서 투명 피검체(35)의 영상은 ②와 같은 광경로에 의하여 라인 CCD(23)에 결상되지만 투명 피검체(35)에 볼록 결점(37)이 형성되어 있는 경우 굴절광(③)이 발생되게 되고, 굴절광(③)은 나이프 에지(13)에 의하여 라인 CCD(23)에 도달되는 것이 차단되게 되고, 굴절 부위에 대한 영상은 어둡게 된다.
이때, 재귀 반사판(31)은 광원으로부터 입사된 빛을 광원 쪽으로 다시 반사시키게 됨으로써 투명 피검체(35)에 진동이나 굴곡이 진 경우에도 정확한 영상을 얻을 수 있도록 한다. 도 7의 B는 라인 CCD(23)에 스캐닝된 영상이고, C는 B의 종단면 광량의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 7의 B의 영상에서 알 수 있듯이 결점의 윤곽만이 아니라 전체적인 결점의 형상을 얻을 수 있으며, 광량 그래프(C)에 나타난 바와 같이 밝은 부분과 어두운 부분 사이가 연속 곡선으로 이루어져 광량 세기의 그라디언트를 얻을 수 있으며, 이러한 그라디언트를 구할 수 있는 영상은 도 8과 같이 결점 영상을 3차원화할 수 있기 때문에 결점 영상의 모습을 구체적으로 확인할 수 있다.
그러나, 도 9에 도시된 바와 같이 나이프 에지를 사용하지 않는 경우의 결점의 영상은 윤곽만이 나타나게 되고, 광량 그래프에서와 같이 밝기가 급격히 변화되기 때문에 그라디언트와 3차원 영상을 얻을 수 없다.
도 10은 본 발명에서 재귀 반사판의 역할을 설명하는 광경로도이다.
도 10에서 (a)는 광원으로부터 나온 빛이 일반 반사판에 부딪힐 때의 광경로를 도시한 것으로, 반사판으로부터 반사된 빛은 다양한 방향으로 반사되기 때문에 극히 일부의 빛만이 광원 방향으로 반사되는 것을 나타내고, 도 10에서 (b)는 광원으로부터 나온 빛이 연직 방향으로 설치된 재귀 반사판에 반사되는 광경로를 도시한 것으로, 광원으로부터 나온 빛은 모두 광원을 향하여 반사되고 있다. 또한, 도 10에서 (c)는 연직면에 대해서 경사지게(tilted) 설치된 재귀 반사판에 반사될 때 광경로를 도시한 것으로, 이 경우에도 재귀 반사판으로부터 반사된 빛은 모두 광원으로 복귀되는 모습을 나타내고 있다. 또한, 이러한 현상은 광원으로부터 나온 빛은 재귀 반사판에서 반사될 때 재귀 반사판의 경사각에 관계없이 모두 광원에 복귀됨을 의미한다.
또한, 광원과 연직으로 설치된 재귀 반사판 사이에 투명 피검체가 통과할 때 투명 피검체에 경사진 부분이 스캐닝되는 경우에도 경사진 부분을 투과하여 재귀 반사판에서 반사될 때 재귀 반사판에 입사된 빛은 모두 광원 방향을 향하기 때문에 투명 피검체가 경사진 경우에도 선명한 영상을 얻을 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에서 반사체로 재귀 반사판을 사용하는 경우에는 피검체에 진동이 발생하는 경우에도 피검체에 대한 정확한 영상을 얻을 수 있도록 한다.
도 11은 본 발명에서 재귀 반사판이 오목거울 역할을 해서 빛이 한곳에 모이는 것을 설명하는 광경로이다.
도 11의 (a)는 광원(25)으로부터 발산된 빛이 하프 미러(29)에서 반사되어 재귀 반사판(31)에서 재반사되어 하프 미러(29)를 통과하여 초점에 모여지는 것을 도시하고 있다. 이에 대하여 도 11의 (b)는 (a)보다 광원(25)이 재귀 반사판(31)으로부터 멀어진 것을 도시하고 있으나, (a)와 마찬 가지로 재귀 반사판(31)에서 반사된 빛은 광원(25)이 초점거리에 위치하는 것처럼 반사된다. 도 11의 (c)는 (b)보다 광원(25)을 더욱 멀리 한 것으로 점광원이 초점 거리에 위치한 것과 같이 반사광들의 광경로를 형성한다.
이와 같이 재귀 반사판(31)에서 반사되는 빛은 광원(25)을 초점으로 하는 빛과 같은 광경로를 형성하고, 광원(25)과 재귀 반사판(31)의 이격거리가 가변되는 경우에도 광원(25)을 초점으로 하는 광경로를 형성한다. 따라서 광원(25)과 재귀 반사판(31) 사이에 피검체(35)가 통과되고, 통과되는 피검체(35)와 재귀 반사판(31) 사이 또는 피검체(35)와 광원(25) 사이의 거리가 진동에 의하여 가변되는 경우에도 항상 재귀 반사판(31)에서 반사된 빛은 광원(25)을 초점으로 하는 광경로를 형성하기 때문에 피검체(35)에 진동이 발생하는 경우에도 피검체(35)의 정확한 영상을 얻을 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 반사 피검체에 대한 광경로를 도시한 구성도이다.
반사 피검체(41)의 상면에는 슬릿을 갖는 마스크(33)가 설치되고, 광원(25)에서 발산된 빛은 하프 미러(29)에서 반사되어 반사 피검체(41)에서 일정한 경사각으로 입사되고, 반사 피검체(41)에서 반사된 빛은 재귀 반사판(31)에 입사되고 반사되어 다시 반사 피검체(41)에서 반사된 후 하프 미러(29)를 통과하여 결상렌즈(21)를 통과한 후 라인 CCD(23)에서 결상되며, 재귀 반사판에서 재반사된 빛이 한곳에 모이는 곳에 나이프 에지(31)가 설치된다.
반사 피검체(41)의 상면에 볼록 결점(39)이 있는 경우에 광원으로부터 발산된 광 경로는 선 a와 같이 도시되며, 반사 피검체(41)에 대한 결상을 위한 광경로는 선 b와 같이 도시되며, 볼록 결점(39)에 의하여 굴절되는 광경로는 선 c와 같이 도시된다. 선 c는 나이프 에지(31)에 의하여 라인 CCD(23)에 도달되지 않기 때문에 선 c가 도달되어야 할 부분은 어두운 영상이 구현되나 도 3에서 설명된 바와 같이 어두운 부분과 밝은 부분에 대한 밝기의 그라디언트를 형성하기 때문에 볼록 결점에 대한 명확한 영상을 얻을 수 있다.
도 12의 B는 라인 CCD에서 얻어진 영상을 나타내며, 도 12의 C는 B의 영상의 밝기의 세기에 대한 그래프를 도시한 것으로, 도 7의 B, C와 같이 나이프 에지의 설치효과에 따라서 선명한 영상을 얻을 수 있다.
도 13은 본 발명의 반사 피검체에서 나이프 에지의 설치효과를 설명하는 구성도, 영상 및 밝기의 세기를 도시한 것이다.
도 13은 도 12의 반사 피검체(41)의 볼록 결점(39)이 마스크(33)의 슬릿을 통과할 때 광경로를 도시한 것이다. 슬릿 하부를 통과하는 반사 피검체(41)를 슬릿 상부에서 바라 본다고 할 때 재귀 반사판(31)에서 반사되는 빛의 광경로는 (가), (나), (다), (라), (마)와 같은 순으로 표현된다. (가)의 상태는 재귀 반사판(31)에서 반사된 빛은 결점이 없는 부분에서 반사되어 B의 CCD 영상에서 평균 밝기를 나타내고 있으며, 밝기의 그래프 C와 같이 중간 밝기의 세기값을 갖는다.
또한, (나)의 상태는 재귀 반사판(31)으로부터 입사된 빛이 볼록 결점(39)의 앞부분에서 굴절되어 나이프 에지(13)에 의하여 차단되는 상태를 나타내며 이때는 영상 B에서 가장 어두운 부분의 영상이 촬상되고, 그래프 C에서 가장 낮은 세기를 갖게 된다.
또한, (다)의 상태는 재귀 반사판(31)으로부터 입사된 빛이 볼록 결점(39)의 정상 부분의 평면에서 반사되기 때문에 나이프 에지(13)에 차단되지 않은 상태로 마치 볼록 결점(39)이 존재하지 않은 상태와 마찬가지로 영상 B에 중간 밝기를 나타내며 그래프 C에서 세기의 중간값을 갖는다.
또한, (라)의 상태는 재귀 반사판(31)으로부터 입사된 빛이 볼록 결점(39)의 뒷부분에서 반사되어 다른 광선과 중복되어 광의 보강이 일어나는 상태를 나타내는 것으로, 영상 B에서 밝은 부분을 촬상하게 되고, 이때 그래프 C의 밝기의 세기의 값도 최상으로 형성된다.
또한, (마)의 상태는 마스크의 슬릿을 볼록 결점(39)이 통과한 상태로 처음 (가)의 상태와 마찬가지의 영상과 그래프를 갖게 된다.
이와 같이 재귀 반사판에서 반사된 빛이 볼록 결점(39)에 의하여 불규칙하게 반사될 때 정상부위에서 반사되는 반사광과 볼록 결점(39)에 의하여 불규칙하게 반사되는 반사광은 보강과 상쇄가 일어나게 되는데 상쇄되는 광을 나이프 에지에 의하여 차단하므로 보강만 일어나게 된다. 따라서 보강되는 점과 상쇄되는 점의 밝기의 차를 약하게 만들어 볼록 결점(39)에 대한 영상의 민감도를 높이고, 광량의 세기에 대한 그라디언트를 얻을 수 있도록 하여 영상에 대한 3차원 정보를 얻을 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 나이프 에지를 사용하여 영상의 민감도를 증가시켰다. 또한, 영상의 민감도는 나이프 에지를 광학계의 광축에 접근시킴으로써 더욱 증가하게 된다. 또한, 피검체의 결점에서 굴절각 또는 반사각이 같은 경우 광원이 큰 경우에 비하여 광원이 작은 경우에 광량 변화가 커지기 때문에 민감도가 증가되게 된다. 또한, 피검체의 전면에 설치되는 마스크의 슬릿 폭을 줄이면 빛 상호간에 간섭이 줄일 수 있어 더욱 민감한 영상을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 나이프 에지에 의하여 영상의 밝기에 그라디언트를 갖는 민감도가 높은 영상을 얻을 수 있도록 함으로써 피검체의 결점을 명확히 인식할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 재귀 반사판의 사용에 의하여 피검체가 곡면을 형성하거나, 피검체에 기계적 진동이 발생하는 경우에도 안정적으로 결점을 찾을 수 있도록 한다.

Claims (6)

  1. 입사되는 빛을 반사시키는 반사 피검체에 빛을 조사하는 광원;
    상기 반사 피검체에서 반사되어 입사되는 빛을 상기 반사 피검체에 재귀 반사시키는 재귀 반사판;
    상기 재귀 반사판으로부터 재귀 반사된 재귀 반사광이 상기 반사 피검체에 입사되어 반사되는 반사광을 결상시키는 결상렌즈;
    상기 결상렌즈를 통하여 입사되는 빛을 촬상하는 촬상수단;
    상기 결상렌즈와 상기 반사 피검체 사이에 설치되며, 상기 결상렌즈의 광축에 수직으로 설치되는 판 형상으로 이루어지는 나이프 에지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 결점 검사를 위한 검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사 피검체와 상기 광원 사이에는 슬릿이 형성된 마스크가 설치되고, 상기 반사 피검체는 이동되어 상기 촬상수단에 촬상되는 영상은 라인 스캐닝되는 것을 특징으로 하는 결점 검사를 위한 검사장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광원 영상의 크기를 작게 하는 방법, 상기 마스크의 슬릿 폭을 작게 하는 방법 및 상기 나이프 에지를 광축에 접근시키는 방법 중의 하나 또는 두 개 이상을 선택하도록 함으로써 상기 영상의 민감도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 결점 검사를 위한 검사장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광원으로부터 출발한 빛은 상기 반사 피검체에 경사지게 입사되고, 상기 반사 피검체에서 반사된 빛은 상기 재귀 반사판에 입사되어 재귀 반사되고, 상기 재귀 반사판에서 재귀 반사된 빛은 상기 반사 피검체의 결점에서 반사되고, 상기 결점에서 반사된 빛이 보강과 상쇄를 발생시킬 때, 상기 나이프 에지는 상쇄를 발생시키는 광이 상기 결상렌즈에 입사되는 것을 차단시키는 것을 특징으로 하는 결점 검사를 위한 검사장치.
  5. 일정 속도로 이동되며 입사되는 빛을 투과시키는 투과 피검체에 빛을 조사시키는 광원;
    상기 투과 피검체에서 투과되어 입사된 빛을 입사방향과 동일하게 재귀 반사시켜 상기 투과 피검체에 조사하는 재귀 반사판;
    상기 광원과 상기 투과 피검체 사이에 설치되며, 슬릿이 형성된 마스크;
    입사된 빛에 의하여 상을 형성하는 촬상수단;
    상기 재귀 반사판에서 재귀 반사되어 상기 투과 피검체를 투과한 빛을 집속시켜 상기 촬상수단에 결상하는 결상렌즈;
    상기 결상렌즈와 상기 투과 피검체 사이에 설치되며, 상기 결상렌즈의 광축에 수직으로 설치되는 판 형상으로 이루어지는 나이프 에지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 결점 검사를 위한 검사장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광원 영상의 크기를 작게 하는 방법, 상기 마스크의 슬릿 폭을 작게 하는 방법 및 상기 나이프 에지를 광축에 접근시키는 방법 중의 하나 또는 두 개 이상을 선택하도록 함으로써 상기 영상의 민감도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 결점 검사를 위한 검사장치.
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