WO2020095843A1 - 同軸照明装置 - Google Patents

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大輔 岡本
板垣 忠司
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21VFUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00Refractors for light sources
    • F21V5/04Refractors for light sources of lens shape
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21VFUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00Reflectors for light sources
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • GPHYSICS
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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03BAPPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B15/00Special procedures for taking photographs; Apparatus therefor
    • G03B15/02Illuminating scene

Definitions

  • the present invention relates to a coaxial lighting device.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a coaxial lighting device that can be widened in the field of view while being small in size and can be easily adjusted. To do.
  • the coaxial illumination device includes a half mirror obliquely arranged on an observation axis connecting a work to be observed and an observation unit for observing the work, and a half mirror from a direction different from the observation axis.
  • a light source arranged to irradiate light with respect to the half mirror and the light reflected by the half mirror, and a lens provided between the half mirror and the work;
  • a first diaphragm provided between the half mirror and the half mirror, wherein the first diaphragm is arranged at a focal point of the lens on an irradiation axis connecting the light source and the half mirror.
  • a telecentric optical system can be configured by the light source, the first diaphragm, and the lens to irradiate a work with parallel light, and the observation unit side can also share the lens. Therefore, it is possible to reduce the number of lenses to be used as compared with the conventional coaxial lighting device, and to reduce the labor of adjustment work.
  • the light emitted from the light source can be applied to the work as parallel light, and the NA of the light source can be adjusted by the first diaphragm. Therefore, for example, it is easy to appropriately adjust the brightness of the work observed by the observation unit. For example, there is a case where reflected light or scattered light from the object to be observed or its periphery does not easily reach the observation portion due to the presence of minute undulations on the surface of the work. In such a case, the NA of the light source is increased to increase the amount of reflected light or scattered light entering the field of view of the observing section so that the object to be observed is clear even if there is undulation on the surface. It becomes possible to catch in.
  • the first diaphragm is provided as an optical element between the light source and the half mirror. Good.
  • a second diaphragm is further provided between the half mirror and the observation section. I wish I had it.
  • the NA is larger than or can be larger than the NA defined by the second diaphragm.
  • the schematic diagram which shows the surface inspection system which concerns on 1st Embodiment of this invention, and a coaxial illuminating device The schematic perspective view which shows the coaxial illuminating device which concerns on 1st Embodiment.
  • a coaxial lighting device 100 according to a first embodiment of the present invention and a surface inspection system 200 using the same will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the coaxial illumination device 100 of the first embodiment is used for surface inspection or the like in which a work W, which is an object such as a product, is irradiated with light, and scratches and characters on the surface of the work W are observed by a camera or the like and automatically inspected. Is used.
  • the coaxial illumination device 100 is provided between the work W and the observation unit M. Is installed.
  • a surface inspection system 200 is configured by the coaxial illumination device 100 and the observation unit M arranged in this way.
  • the half mirror 1 is a cube half mirror formed by combining two prisms to form a cube.
  • the junction surface of each prism is coated with a dielectric multilayer film or a metal thin film, and the junction surface is arranged so as to form an angle of 45 degrees with respect to the observation axis A1 and the irradiation axis A2 of the light source 2.
  • the light source 2 has a rectangular, for example, square light emitting surface that emits surface light, and emits uniform diffused light from the light emitting surface.
  • the light source 2 is formed by arranging a large number of LED chips in an array on a substrate, for example.
  • no optical element other than the first diaphragm 4 exists between the light source 2 and the half mirror 1. Further, the light source 2 is fixed to the housing 7, and the position inside the housing 7 is fixed.
  • the lens 3 is composed of a single lens or a plurality of lenses, and is fixed around the work-side opening 71 of the housing 7.
  • the light emitted from the light source 2 and reflected by the half mirror 1 is refracted by the lens 3 and is vertically irradiated on the work W. Further, the light reflected or scattered by the work W is condensed by the lens 3, transmitted through the half mirror 1, and then enters the observation section M. In this way, the lens 3 is shared by both the light source 2 and the observation section M.
  • the lens 3 is arranged so that the focal point of the lens 3 exists between the light source 2 and the half mirror 1 on the irradiation axis A2 and between the half mirror 1 and the observation section M on the observation axis A1. There is.
  • the first diaphragm 4 is arranged at the focal point of the lens 3 on the irradiation axis A2. That is, the light source 2, the first diaphragm 4, and the lens 3 form a telecentric optical system, and the light emitted from the light source 2 is collimated by the lens 3 and applied to the work W.
  • the first diaphragm 4 is a variable diaphragm and is configured so that the opening diameter thereof can be appropriately adjusted by an adjusting knob 41 protruding to the outside of the housing 7. In the coaxial lighting device 100 of the first embodiment, only the first diaphragm 4 can be adjusted. The position of the first diaphragm 4 is also fixed in the housing 7.
  • the observation side lens 6 refracts the light passing through the second diaphragm 5 and makes it incident on the observation section M.
  • the focus of the observation-side lens 6 may be present on the second diaphragm 5 so that the light passing through the observation-side lens 6 is collimated and incident on the observation unit M.
  • the housing 7 has a longitudinal cross section along the observation axis A1 that is substantially laterally T-shaped.
  • the housing 7 is configured such that the distance between the half mirror 1 and the lens 3 is longer than the distance between the light source 2 and the half mirror 1. Further, the diameter of the observation hole 72, which is the opening on the observation portion M side, is smaller than the diameter on the work W side.
  • the lens 3 is provided only in the work-side opening 71 of the housing 7, so that the number of lenses used can be reduced as compared with the related art. it can. Therefore, compared to the conventional case where the adjustment work is performed on each of the lenses on the light source side and the observing section side, such trouble can be significantly reduced.
  • the field of view in the observation unit M can be increased without increasing the size of the entire device.
  • the light source 2, the first diaphragm 4 and the lens 3 form a telecentric optical system
  • the light emitted from the light source 2 can be applied to the work W as parallel light, and the NA (numerical aperture) of the light source 2 can also be obtained. It can be adjusted by the first diaphragm 4.
  • the NA of the light source 2 is changed by the first diaphragm 4 as shown in FIGS. 4A and 4B
  • the solid angle range in which light can be incident on each point on the surface of the work W. Can be changed uniformly.
  • the NA of the observation section M is fixed by the second stop 5 which is a fixed stop. Therefore, by changing the aperture diameter of the first stop 4, the NA of the light source 2 is larger than that of the observation section M. Can be made large enough.
  • FIG. 5 (a) when inspecting a character inscribed on the plane of the work W by machine vision, if there is a region D having a slight undulation on the surface in a portion other than the character, FIG. As shown in (), not only the area D but also the amount of reflected light or scattered light that reaches the observation portion M from the character decreases, and the inspection by machine vision may not be performed accurately. This is because the swelling prevents reflected light or scattered light from traveling in a direction parallel to the observation axis A1 and makes it impossible to enter the observation portion M. In such a situation, when the NA of the light source 2 is increased as shown in FIGS.
  • the irradiation mode of the light to the work W can be adjusted only by the aperture diameter of the first diaphragm 4, so that the irradiation mode such as the brightness and the brightness suitable for the surface inspection can be realized by the simple adjustment work. It's easy to do.
  • the coaxial lighting device according to the present invention can be used not only for surface inspection but also for other inspections such as visual inspection.
  • the light source is not limited to the LED, and other types may be used.
  • the lens is not limited to the convex lens, and a Fresnel lens or the like may be used.
  • the irradiation axis may not be orthogonal to the observation axis but may simply intersect with each other.

Abstract

小型でありながらも視野を広くすることができるとともに、調整作業を簡易なものにできる同軸照明装置を提供するために、観察対象であるワークWと当該ワークWを観察する観察部Mとを結ぶ観察軸A1上に斜めに配置されたハーフミラー1と、前記観察軸A1とは異なる方向からハーフミラー1に対して光を照射し、前記ハーフミラー1で反射された光が前記ワークWに照射されるように配置された光源2と、前記ハーフミラーと前記ワークとの間に設けられたレンズ3と、前記光源2と前記ハーフミラー1との間に設けられた第1絞り4と、を備え、前記第1絞り4が、前記光源2と前記ハーフミラー1とを結ぶ照射軸A2上における前記レンズ3の焦点に配置した。

Description

同軸照明装置
 本発明は、同軸照明装置に関するものである。
 例えば、表面検査用の照明装置として、特許文献1に示されるように光源から観察方向とは異なる方向に向けて射出された光を、ハーフミラーによってカメラ等による観察方向と同じ方向に反射して観察対象であるワークを照明する同軸照明が知られている。
 このような同軸照明装置は、光源やハーフミラーだけでなく、レンズ等の光学素子が筺体内に保持され、例えばカメラで撮像される画像が表面検査に適したものに調整できるように、例えばそれぞれの相対位置関係が調節可能に構成されている。
 しかしながら、光源側のレンズやカメラ側のレンズ等複数のレンズが設けられていると、それぞれに調整が必要なので手間がかかるとともに、適切な画像を得られるように調整するのは難しい。
 また、ワークを観察できる視野を大きくしようとすると、複数の部材をそれぞれ大型化しなくてはならず、それらを内部に保持する筺体も大きくなってしまい、結果として同軸照明装置全体として大型化してしまう。加えて、大型化に伴い、製造コストが大幅に上昇してしまう。
特開2002―39956号公報
 本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたものであり、小型でありながらも視野を広くすることができるとともに、調整作業を簡易なものにできる同軸照明装置を提供することを目的とする。
 すなわち、本発明に係る同軸照明装置は、観察対象であるワークと当該ワークを観察する観察部とを結ぶ観察軸上に斜めに配置されたハーフミラーと、前記観察軸とは異なる方向からハーフミラーに対して光を照射し、前記ハーフミラーで反射された光が前記ワークに照射されるように配置された光源と、前記ハーフミラーと前記ワークとの間に設けられたレンズと、前記光源と前記ハーフミラーとの間に設けられた第1絞りと、を備え、前記第1絞りが、前記光源と前記ハーフミラーとを結ぶ照射軸上における前記レンズの焦点に配置されていることを特徴とする。
 このようなものであれば、前記光源、前記第1絞り、前記レンズによってテレセントリック光学系を構成してワークに平行光を照射できるとともに、観察部側においても前記レンズを共用することができる。したがって、従来の同軸照明装置よりも使用するレンズの個数を減らすことができ、調整作業の手間を軽減することができる。
 また、部品点数を減らすことができるので、同軸照明装置をそれほど大きくしなくても観察部における視野を大きくすることが可能となる。
 さらに、前記光源から射出された光は平行光としてワークに照射することができ、前記光源のNAについても前記第1絞りで調節できる。このため、例えば観察部で観察される前記ワークの明るさについても適宜調整しやすい。例えばワークの表面に微小なうねりが存在するために観察したい対象やその周辺からの反射光又は散乱光が観察部に到達しにくい場合がある。このような場合には、前記光源のNAを大きくして、観察部の視野内に反射光又は散乱光が入射する量が多くなるようにして表面にうねりがあったとしても観察したい対象を鮮明に捉える事が可能となる。
 前記ワークに照射される光の調整作業を簡素化でき、装置全体を小型化しやすくするには、前記光源と前記ハーフミラーとの間には、光学素子として前記第1絞りのみが設けられていればよい。
 前記ワークの各点に対して均一で輝度ムラの少ない平行光が照射されるようにするには、前記光源が、平面状の発光面を有し、前記発光面が、前記照射軸と前記観察軸とが直交するように配置されていればよい。
 前記ワークで反射又は散乱された光が前記観察部において観察される態様をさらに微調整できるようにするには、前記ハーフミラーと前記観察部との間にさらに第2絞りが設けられたものであればよい。
 ワークWの表面にうねりなどがあって当該表面からの反射光又は散乱光が観察部に到達しにくくなるのを防ぎ、表面検査を精度良く行えるようにするには、第1絞りで規定されるNAが、第2絞りで規定されるNAよりも大きい、又は、大きくできるように構成されていればよい。
 例えば調整作業が必要な箇所を前記第1絞りだけに限定することができ、調整作業の手間を従来よりも大幅に低減できるようにするには、前記ハーフミラー、前記光源、前記第1絞り、及び、前記レンズの間の位置関係を固定してそれぞれを保持する筺体をさらに備えたものであればよい。
 このように本発明に係る同軸照明装置によれば、前記レンズが、前記光源に対してはテレセントリックレンズとして作用するとともに、前記観察部に対して前記ワークからの反射光又は散乱光を集光する集光レンズとして作用させることができる。このため、前記光源と前記観察部のそれぞれにレンズを設ける必要がなく、部品点数を減らして装置全体を小型化しつつ、視野を大きくしやすい。また、レンズの配置数を減らすことができるので、従来よりも前記ワークを適切に観察するための調整作業を簡素化できる。
本発明の第1実施形態に係る表面検査システム、及び、同軸照明装置を示す模式図。 第1実施形態に係る同軸照明装置を示す模式的斜視図。 第1実施形態に係る同軸照明装置の模式的断面斜視図。 第1実施形態に係る同軸照明装置によるワークへの光の照射態様を示す模式図。 第1実施形態に係る同軸照明装置により光源側のNAを変更することによる効果の一例を示す模式図。 本発明の第2実施形態に係る表面検査システム、及び、同軸照明装置を示す模式図。
200・・・表面検査システム
100・・・同軸照明
1  ・・・ハーフミラー
2  ・・・光源
3  ・・・レンズ
4  ・・・第1絞り
5  ・・・第2絞り
7  ・・・筺体
 本発明の第1実施形態に係る同軸照明装置100、それを用いた表面検査システム200について図1乃至図3を参照しながら説明する。第1実施形態の同軸照明装置100は、例えば製品などの対象物であるワークWに光を照射して、ワークW表面の傷や文字等をカメラなどで観察して自動検査する表面検査等に用いられるものである。具体的には図1に示すように、ワークWと当該ワークWを観察する例えばカメラ等の観察部Mとを結ぶ観察軸A1上において、ワークWと観察部Mとの間に同軸照明装置100は設置される。このように配置された同軸照明装置100と観察部Mによって表面検査システム200が構成される。
 以下では同軸照明装置100の詳細について説明する。
 図1乃至図3に示すように同軸照明装置100は、観察軸A1上に配置されたハーフミラー1と、ハーフミラー1に向けて光を照射する光源2と、ハーフミラー1とワークWとの間に配置されるレンズ3と、ハーフミラー1と光源2との間に配置された第1絞り4と、ハーフミラー1と観察部Mとの間に配置された第2絞り5と、第2絞り5と観察部Mとの間に配置される観察側レンズ6、これらを収容する筺体7と、を備えている。
 ハーフミラー1は、2つのプリズムを組み合わせて立方体状に形成されたキューブハーフミラーである。各プリズムの接合面に誘電体多層膜や金属薄膜がコーティングされており、接合面が観察軸A1及び光源2の照射軸A2に対してそれぞれ45度をなすように配置される。
 光源2は矩形状、例えば正方形状の発光面から面発光するものであり、当該発光面から均一化された拡散光を射出するものである。この光源2は、例えば基板上に多数のLEDチップをアレイ状に並べて形成される。第1実施形態では光源2とハーフミラー1との間には第1絞り4以外の光学素子は存在していない。また、光源2は筺体7に固定されており、筺体7内における位置は固定されている。
 レンズ3は、単一又は複数のレンズから構成されるものであり、筺体7のワーク側開口71の周辺に固定されている。光源2から射出されてハーフミラー1で反射された光は、このレンズ3で屈折されてワークWに垂直に照射される。また、ワークWで反射又は散乱された光はこのレンズ3で集光されてハーフミラー1を透過し、その後観察部Mへと入射する。このようにレンズ3は光源2及び観察部Mの両方において共用される。このレンズ3の焦点は照射軸A2上における光源2とハーフミラー1との間、及び、観察軸A1上におけるハーフミラー1と観察部Mとの間に存在するように当該レンズ3は配置されている。
 第1絞り4は、照射軸A2上のレンズ3の焦点に配置されている。すなわち、光源2、第1絞り4、レンズ3はテレセントリック光学系をなしており、光源2から射出された光はレンズ3により平行化されてワークWに照射される。第1絞り4は可変絞りであって、筺体7の外側に突出している調整つまみ41により、その開口径を適宜調整できるように構成されている。また、第1実施形態の同軸照明装置100ではこの第1絞り4のみ調整可能に構成されている。この第1絞り4も筺体7内においてその位置が固定されている。
 第2絞り5は、観察軸A1上におけるレンズ3の焦点に配置されている。すなわち、ワークW、レンズ3、第2絞り5はテレセントリック光学系をなしており、ワークWにおいて反射又は散乱された光のうち観察軸A1と平行な方向に光軸を有する光のみが第2絞り5を通過して観察部Mに到達できる。第1実施形態では第2絞り5は固定絞りであり、その開口径は予め定められた大きさに固定されている。また、第1絞り4で規定されるNAは第2絞り5で規定されるNAよりも大きくできるように構成されている。
 観察側レンズ6は、第2絞り5を通過した光を屈折させて観察部Mへと入射させる。例えば観察側レンズ6の焦点は第2絞り5上に存在するようにして、観察側レンズ6を通過する光を平行化して観察部Mに入射するようにしてもよい。
 筺体7は観察軸A1に沿った縦断面が概略横向きT字状をなすものである。ハーフミラー1とレンズ3との離間距離が、光源2とハーフミラー1との離間距離よりも長くなるように、この筺体7は構成されている。またワークW側の開口よりも観察部M側の開口である観察孔72の直径は小さく形成されている。
 このように構成された第1実施形態の同軸照明装置100であれば、筺体7のワーク側開口71にのみレンズ3が設けられているので、従来に比べて使用するレンズの個数を減らすことができる。したがって、従来のように光源側と観察部側のレンズのそれぞれについて調整作業をしていた場合に比べてそのような手間を大幅に軽減することができる。
 また、同軸照明を構成する部品点数を減らすことができるので、装置全体をそれほど大きくしなくても観察部Mにおける視野を大きくできる。
 さらに、光源2、第1絞り4、レンズ3はテレセントリック光学系をなすので、光源2から射出された光は平行光としてワークWに照射することができ、光源2のNA(開口数)についても第1絞り4で調節できる。具体的には図4(a)と図4(b)に示すように第1絞り4によって光源2のNAが変更されると、ワークWの表面の各点において光が入射できる立体角の範囲をそれぞれ一律に変更することができる。第1実施形態では観察部MのNAは固定絞りである第2絞り5で固定されているので、第1絞り4の開口径を変更することで、観察部MのNAよりも光源2のNAを十分に大きくすることができる。
 例えば図5(a)に示すようにワークWが平面上に刻印された文字をマシンビジョンで検査する場合、文字以外の部分で表面に微小なうねりのある領域Dがあると、図5(b)に示すようにその領域Dだけでなく、文字から観察部Mに到達する反射光又は散乱光の光量が少なくなり、マシンビジョンによる検査が精度良く行えないことがある。これはうねりによって反射光や散乱光が観察軸A1と平行な方向に進行せず、観察部Mに対して入射できなくなるためである。このような状況において図4(a)から図4(b)のように光源2のNAを大きくすると、ワークWの領域Dで反射又は散乱された光の一部に観察軸A1と平行な方向に進行する成分を発生させて、観察部Mまで入射させることができる。したがって、図5(c)に示すようにうねりのある領域Dについても観察部Mに一定量の反射光や散乱光を到達させることができ、マシンビジョンによる検査を精度良く行う事が可能となる。
 また、第1実施形態ではワークWへの光の照射態様は第1絞り4の開口径だけで調整できるので、表面検査に適した輝度、明るさ等の照射態様を簡単な調整作業だけで実現しやすい。
 次に本発明の第2実施形態に係る同軸照明装置100について図6を参照しながら説明する。なお、第1実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
 第2実施形態の同軸照明装置100は、ハーフミラー1と観察部Mとの間に可変絞りである第2絞り6を備えている点で第1実施形態と異なっている。
 このような第2絞り6を備えていることによって、観察部Mに入射する光量を調整する事が可能となり、さらに表面検査に適した画像を得やすくすることが可能となる。
 その他の実施形態について説明する。
 本発明に係る同軸照明装置は、表面検査だけに用いられるものではなく、その他の外観検査等の検査においても用いることができる。
 光源については、LEDに限られず、その他の種類のものを用いても構わない。レンズについても凸レンズに限られず、フレネルレンズ等を用いても構わない。加えて、観察軸に対して照射軸が直交しておらず、単に交差するように構成してもよい。
 その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の一部同士を組み合わせて変形しても構わない。
 本発明であれば、小型でありながらも視野を広くすることができるとともに、調整作業を簡易な同軸照明装置を提供できる。

Claims (6)

  1.  観察対象であるワークと当該ワークを観察する観察部とを結ぶ観察軸上に斜めに配置されたハーフミラーと、
     前記観察軸とは異なる方向からハーフミラーに対して光を照射し、前記ハーフミラーで反射された光が前記ワークに照射されるように配置された光源と、
     前記ハーフミラーと前記ワークとの間に設けられたレンズと、
     前記光源と前記ハーフミラーとの間に設けられた第1絞りと、を備え、
     前記第1絞りが、前記光源と前記ハーフミラーとを結ぶ照射軸上における前記レンズの焦点に配置されていることを特徴とする同軸照明装置。
  2.  前記光源と前記ハーフミラーとの間には、光学素子として前記第1絞りのみが設けられている請求項1記載の同軸照明装置。
  3.  前記光源が、平面状の発光面を有し、
     前記発光面が、前記照射軸と前記観察軸とが直交するように配置されている請求項1記載の同軸照明装置。
  4.  前記ハーフミラーと前記観察部との間にさらに第2絞りが設けられた請求項1記載の同軸照明装置。
  5.  第1絞りで規定されるNAが、第2絞りで規定されるNAよりも大きい、又は、大きくできるように構成されている請求項4記載の同軸照明装置。
  6.  前記ハーフミラー、前記光源、前記第1絞り、及び、前記レンズの間の位置関係を固定してそれぞれを保持する筺体をさらに備えた請求項1記載の同軸照明装置。
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