WO2023106113A1 - 検査システム及び検査用スポット照明装置 - Google Patents

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WO2023106113A1
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WO
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light
inspection
light source
illumination device
semiconductor laser
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PCT/JP2022/043415
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貴彦 香山
憲久 吉村
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シーシーエス株式会社
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    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to, for example, an inspection system for irradiating a work with light to image the appearance, flaws, defects, etc. of the work, and an inspection spot illumination device used in the inspection system.
  • an illumination device that emits inspection light to irradiate a workpiece and an imaging device that has an object-side telecentric optical system that captures an image of the workpiece using light scattered or reflected by the workpiece.
  • An inspection system is known that has a so-called coaxial epi-illumination structure that is configured to irradiate a workpiece coaxially with the optical axis of an imaging device (for example, Patent Document 1).
  • a surface light source in which a large number of LED chips are arranged on a plane is used as the light source of the lighting device.
  • the inventors of the present invention have found that, in an inspection system having a coaxial epi-illumination structure having an object-side telecentric optical system as described above, the F-number tends to increase as the optical magnification of the optical system increases. It has been found for the first time that there is a problem that the brightness (exposure amount) at the time of imaging decreases when imaging at a high magnification compared to imaging at a low magnification.
  • the present inventors narrowed the light distribution characteristic (e.g., 5° or less) in an illumination device that emits inspection light, and the light emission in the illumination device
  • the light distribution characteristic e.g., 5° or less
  • the LED which is a surface light source and has a light distribution characteristic of Lambertian, as a light source. rice field.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main object is to improve the brightness during imaging in an inspection system having a coaxial epi-illumination structure having a high-magnification object-side telecentric optical system.
  • the inspection system of the present invention comprises an inspection spot illumination device comprising a light source, a light emitting surface for emitting inspection light from the light source, and an object-side telecentric optical system for capturing an image of a workpiece. and a device configured to irradiate the workpiece with the inspection light emitted from the light emitting surface coaxially with the optical axis of the imaging device, wherein the light source body is a semiconductor laser. It is characterized by being configured by using
  • the light source of the inspection spot illumination device is configured using a semiconductor laser, which is a point light source, so that the conventional system using a light source using an LED can be used.
  • the light distribution characteristics can be narrowed and the radiance of the light exit surface can be increased, so when combined with a high-magnification object-side telecentric optical system, the irradiance on the image plane of the imaging device can be increased to capture an image. Brightness can be improved.
  • the radiation on the work surface may be affected by the asymmetry of the light distribution of the laser light. Illuminance uniformity may deteriorate.
  • the light source directly emits the laser light emitted from the semiconductor laser
  • the inspection spot illumination device includes a light diffusion section for diffusing the laser light emitted from the light source. It is preferable to have With this configuration, the symmetry of the light distribution can be improved by diffusing the laser light emitted from the light source by the light diffusion section. irradiance uniformity can be improved.
  • the light diffusing portion includes a speckle reducer provided between the light source body and the light emitting surface, and a light diffusing surface formed by subjecting the light emitting surface to texturing, for example. etc.
  • the light source includes the semiconductor laser and a phosphor, and emits laser light emitted from the semiconductor laser. It is preferable to emit secondary light generated by irradiating and exciting the phosphor.
  • the light source is configured by a so-called laser phosphor system in which the phosphor is irradiated with laser light (excitation light) emitted from a semiconductor laser to excite the phosphor to emit light. Therefore, the symmetry of the light distribution is higher than that of laser light, and high-intensity light like laser light can be emitted. Illuminance uniformity can be improved.
  • the etendue of the light source is 1 mm 2 sr or less, and the orientation angle of the inspection light emitted from the light exit surface is ⁇ 5°. preferably within.
  • the "etendue of the light source” means the etendue of the semiconductor laser when the light source is configured to directly emit the laser light emitted from the semiconductor laser, and the light source is irradiated with the laser light. When it is configured to emit secondary light originating from the phosphor, it means the etendue of the phosphor.
  • the etendue at each position of the optical system is 1 mm 2 . ⁇ sr or less, and more preferably, the etendue in front of the light exit surface is 1 mm 2 ⁇ sr or less.
  • the optical magnification of the object-side telecentric optical system is 2 times or more.
  • the inspection spot illumination device of the present invention is used together with an imaging device having an object-side telecentric optical system for imaging a workpiece, and includes a light source and a light exit surface for emitting the light emitted from the light source as inspection light. and the light source body is configured using a semiconductor laser.
  • an inspection spot illumination device can provide the same effects as the inspection system of the present invention described above.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an inspection spot illumination device according to a first embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing simulation results of light distribution characteristics of a plurality of inspection spot illumination devices having different configurations of light source bodies
  • FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of irradiance uniformity of the inspection spot illumination device of the second embodiment;
  • This inspection system 100 includes an inspection spot illumination device 1 that emits inspection light to irradiate a workpiece W, and an imaging device 2 that has an object-side telecentric optical system that captures an image of the workpiece W using light scattered or reflected by the workpiece W.
  • the inspection system 100 uses a half mirror 232 to irradiate the workpiece W with inspection light emitted from the inspection spot illumination device 1 coaxially with the optical axis C2 of the imaging device 2. It has a so-called coaxial epi-illumination structure.
  • the inspection spot illumination device 1 emits inspection light from a light emitting surface 1s formed at the tip, and includes an illumination housing 11 and a light source body incorporated in the illumination housing 11. 12 and an optical system 13 provided in front of the light source body 12 in the light emitting direction.
  • the inspection spot illumination device 1 means an illumination device 1 whose light exit surface 1s can be installed in the vicinity of the position of the aperture diaphragm 22a of the object-side telecentric optical system and the conjugate position without using an optical fiber.
  • the illumination housing 11 has a shape of a body of revolution, and includes a cylindrical body portion 111 that accommodates the light source body 12, a wiring board, and the like, and a cylindrical distal end portion 112 provided coaxially with the body portion 111. I have.
  • the tip portion 112 has a diameter smaller than that of the body portion 111, and the light emitting surface 1s described above is formed on the tip surface thereof.
  • the distal end portion 112 is inserted into an illumination attachment opening 231 a provided in a camera lens 22 of the imaging device 2 described later, and is configured to emit light into the camera lens 22 .
  • the light source 12 has a smaller light emitting area (for example, 0.1 mm 2 or less) and higher luminance than the LED, and is configured using a semiconductor laser 12a (LD) that emits laser light. .
  • a semiconductor laser 12a As the semiconductor laser 12a, one having a known configuration is used.
  • the light source body 12 of this embodiment is configured to emit the laser light (primary light) emitted from the semiconductor laser 12a toward the optical system 13 as it is. is provided on the optical axis C1 so as to match with .
  • the optical system 13 is provided between the light source 12 and the light emitting surface 1s, and guides the laser beam emitted from the light source 12 to the light emitting surface 1s.
  • the optical system 13 includes a collimator lens 131, a light diffusing element 132, and a rod lens 133 in order from the base end toward the tip end 112 along the optical axis direction.
  • the collimating lens 131, the light diffusing element 132, and the rod lens 133 are provided so that their optical axis directions are aligned with each other.
  • the collimating lens 131 converges the laser light emitted from the light source body 12 placed at the focal position 13f to bring it closer to parallel light (collimate light).
  • the light diffusion element 132 reduces speckle noise by diffusing the laser light that has passed through the collimating lens 131 to reduce its coherence, and is specifically a speckle reducer.
  • the specific configuration of the light diffusion element 132 is not particularly limited, for example, a frosted diffuser plate vibrating with a vibration motor or the like may be used.
  • the rod lens 133 has a columnar shape and is provided inside the tip of the illumination housing 11 so that its axial direction coincides with the optical axis C1 of the optical system 13 .
  • the rod lens 133 guides the light that has passed through the light diffusing element 132 inside from the base end surface along the axial direction, reduces the unevenness of the light amount of the light traveling inside, and emits it to the outside from the light exit surface 1s formed on the tip surface. It is something to do.
  • the tip surface of the rod lens 133 which is the light emitting surface 1s, is textured so that the light emitting surface 1s functions as a light diffusion surface for diffusing emitted light.
  • This inspection spot illumination device 1 can increase the radiance of the light emitting surface 1s and narrow the light distribution characteristics by constructing the light source body 12 using the semiconductor laser 12a.
  • the orientation angle (or half-value angle) of the inspection light emitted from the light exit surface 1s is within ⁇ 5°.
  • This directivity angle means an angle at which the relative radiant intensity is 50% or more of the peak value, with the direction in which the radiant intensity is the strongest in the light distribution characteristic being 0°.
  • the etendue of the light source 12 is 1.0 mm 2 ⁇ sr or less, more specifically 0.01 mm 2 ⁇ sr or less.
  • This etendue is expressed by the product of the cross-sectional area of the luminous flux and the solid angle (steradian), and is expressed by the following equation (1).
  • E S x sin ⁇ 2 x ⁇ (1)
  • E Etendue [mm 2 ⁇ sr]
  • S Light emitting area [mm 2 ]
  • ⁇ Radiation angle of the light source.
  • each optical system 13 provided between the light source 12 and the light exit surface 1 s has an etendue of 1 mm 2 sr or less at each position (preferably in front of the light exit surface 1 s). It is configured.
  • the imaging device 2 includes a camera body 21 having an imaging device 21a, and a camera lens 22 attached to the camera body 21 for forming an image of light reflected or scattered by the workpiece W.
  • the camera lens 22 has an object-side telecentric optical system configured so that the optical axis C2 and the principal ray are parallel on the work W side (object side) (hereinafter also referred to as an object-side telecentric lens), It comprises a plurality of lenses housed in a cylindrical lens housing 221 extending along the optical axis direction (imaging direction) and an aperture stop 22a.
  • an object-side telecentric optical system is configured by arranging an aperture stop 22a at a focal position 22f of a front lens group among a plurality of lenses.
  • Each lens of the camera lens 22 is arranged so that its optical magnification is as high as two times or more.
  • the camera lens 22 is equipped with a coaxial incident light section 23 that introduces the inspection light emitted from the inspection spot illumination device 1 and changes the direction of the introduced inspection light to match the imaging direction.
  • the coaxial incident light unit 23 includes an illumination attachment portion 231 to which the tip portion 112 of the inspection spot illumination device 1 is attached, and a half mirror 232 that reflects inspection light and changes its direction. It has
  • the lighting attachment portion 231 is provided on the side surface of the lens housing 221 and has a cylindrical shape extending in a direction perpendicular to the axial direction thereof.
  • An illumination attachment opening 231a into which the tip portion 112 of the inspection spot illumination device 1 is inserted is formed at the tip thereof.
  • the half mirror 232 is provided in the lens housing 221 on the work W side of the aperture stop 22a and at a position facing the light exit surface 1s inserted from the illumination attachment opening 231a.
  • the half mirror 232 is tilted about 45° with respect to the imaging direction.
  • the tip 112 of the inspection spot illumination device 1 is inserted into the illumination mounting opening 231 a so that the light exit surface 1 s of the inspection spot illumination device 1 becomes the opening of the camera lens 22 . It is installed in the vicinity of a position conjugate with the position of the diaphragm 22a.
  • the light source body 12 of the spot illumination device 1 is configured using the semiconductor laser 12a which is a point light source, and the laser light emitted from the semiconductor laser 12a is emitted from the semiconductor laser 12a.
  • the radiance of the light emitting surface 1s can be made higher than when an LED is used as the light source 12, and the light distribution characteristics can be narrowed.
  • the inspection light reaches the workpiece with high utilization efficiency, the irradiance on the image plane of the imaging device 2 is increased, and the brightness during imaging can be improved.
  • the inspection spot illumination device 1 is provided with a speckle reducer 132 for diffusing the laser beam emitted from the light source 12, and the light emitting surface 1s thereof is provided with a light diffusion surface formed by texturing. Therefore, by diffusing the laser light emitted from the light source body 12, the symmetry of the light distribution can be improved. can be improved.
  • the inspection system 100 of the second embodiment has the same overall configuration as the inspection system 100 of the first embodiment shown in FIG.
  • the inspection spot illumination device 1 of the second embodiment is characterized in that the light source 12 is of the laser phosphor type.
  • the light source 12 includes a plurality of semiconductor lasers 12a and phosphors 12b. It is configured to emit secondary light generated from the phosphor 12b by irradiating and exciting the phosphor 12b.
  • This light source 12 is also called an SLD (Super Luminescent Diode) light source, etc., has a broad spectrum like a light emitting diode (LED), has lower coherence than the semiconductor laser 12a, and has high brightness like the semiconductor laser 12a. of light can be emitted.
  • SLD Super Luminescent Diode
  • the phosphor 12b is in the form of a pellet having a rectangular light emitting surface of about 0.5 mm square. is provided.
  • the plurality of semiconductor lasers 12a emit blue wavelength laser light here, and are arranged so as to irradiate the light emitting surface of the phosphor 12b obliquely from the front.
  • each semiconductor laser 12a is provided so that the angle formed by its emission optical axis and the light emitting surface of the phosphor 12b is about 45°.
  • the inspection spot illumination device 1 includes a collimating lens 131 provided in front of the light source 12 as the optical system 13 .
  • the collimator lens 131 is provided so that its optical axis C1 is coaxial with the distal end portion 112 of the illumination housing 11 having a cylindrical shape.
  • an optical element such as a rod lens 133 is not provided inside the distal end portion 112 and is hollow, forming an internal space S through which light passing through the collimating lens 131 passes.
  • the tip surface of the tip portion 112 where the internal space S opens is the light exit surface 1s.
  • the inspection spot illumination device 1 can increase the radiance of the light emitting surface 1s and narrow the light distribution characteristics.
  • the directivity angle (or half-value angle) of the light emitted from the light emitting surface 1s is within ⁇ 5°, more specifically within ⁇ 3.5°. It has become.
  • the etendue of the light source 12 (specifically, the phosphor 12b) is 1.0 mm 2 ⁇ sr or less, more specifically 0.6 mm 2 ⁇ sr or less.
  • the semiconductor laser 12a which is a point light source, as the light source 12 of the spot illumination device 1, compared to using an LED as the light source 12,
  • the radiance of the light exit surface 1s can be increased and the light distribution characteristics can be narrowed. It is possible to increase the irradiance on the image plane of the imaging device 2 and improve the brightness at the time of imaging.
  • the inspection spot illumination device 1 uses a so-called laser phosphor as the light source 12, in which the phosphor 12b is irradiated with laser light (excitation light) emitted from the semiconductor laser 12a to excite the phosphor 12b, thereby causing the phosphor 12b to emit light. Since the far method is used, the symmetry of the light distribution is higher than that of laser light, and high-intensity light like laser light can be emitted. Uniformity of irradiance on the surface can be improved.
  • FIG. 4 shows the result of simulating the light distribution characteristics of a plurality of inspection spot illumination devices having different configurations of light source bodies.
  • an inspection spot illumination device (denoted as an LD) having a light source configured to directly emit light emitted from a semiconductor laser, and (ii) a fluorescent light emitted from a semiconductor laser and (iii) a light source configured to emit light emitted from a light emitting diode. shows the light distribution characteristics of each inspection spot illumination device (denoted as LED).
  • a collimating lens and a speckle reducer are provided in front of the light emitting direction of the light source body (configuration excluding the rod lens 133 from FIG. 2),
  • a collimating lens is provided in front of the light source in the light emitting direction (same configuration as in FIG. 3), and in the inspection spot illumination device of (iii) (LED), the light source A collimating lens and a rod lens were provided in front of the body in the direction of light emission.
  • the directivity angle at which the relative radiation intensity is 50% or more of the peak value is about ⁇ It can be confirmed that the angle is within 5°. In addition, it can be confirmed that the directivity angle is within about ⁇ 3.5° in the light source (SLD) configured to emit secondary light generated by irradiating the phosphor with a laser beam to excite it. .
  • FIG. 5 shows the result of simulating the uniformity of irradiance.
  • the sensor size of the imaging device 21a of the camera body 21 for imaging is assumed to be equivalent to 2 ⁇ 3 inch.
  • the optical system 13 includes both the speckle reducer 132 as the light diffusion section and the light diffusion surface formed on the light exit surface 1s, but only one of them is provided. may be provided, and the light diffusing portion may not be provided. Also, the light diffusing portion may be a light diffusing member such as a diffusing plate or phosphor.
  • the light source 12 is configured to irradiate the phosphor 12b with laser light from the plurality of semiconductor lasers 12a, but the present invention is not limited to this.
  • the light source body 12 of another embodiment may be configured to include only one semiconductor laser 12a and excite the phosphor 12b with the one semiconductor laser 12a.
  • the etendue of the light source 12 and the etendue at each position of the optical system 13 are set to 1 mm 2 ⁇ sr or less, but the present invention is not limited to this. In other embodiments, the etendue at each position of the light source 12 and the optical system 13 may be greater than 1 mm 2 ⁇ sr.
  • inspection system 1 inspection spot illumination device 12a: semiconductor laser 13: optical system 1s: light exit surface 2: imaging device 22: camera lens (telecentric lens) W: work

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Abstract

光源体と、前記光源体から出た光を検査光として出射する光出射面とを備える検査用スポット照明装置と、ワークを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置とを備え、前記光出射面から出射された前記検査光を前記撮像装置の光軸と同軸上から前記ワークに照射するように構成された検査システムであって、前記光源体が半導体レーザを利用して構成されたものである検査システムである。

Description

検査システム及び検査用スポット照明装置
　本発明は、例えばワークに光を照射し、例えばワークの外観や傷、欠陥等を撮像するための検査システム及び当該検査システムに用いられる検査用スポット照明装置に関するものである。
　従来、ワークに照射する検査光を出射する照明装置と、ワークにおいて散乱又は反射された光によりワークを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置とを備え、照明装置から出射された検査光を撮像装置の光軸と同軸上からワークに照射できるよう構成した、所謂同軸落射構造をなす検査システムが知られている（例えば特許文献１）。従来この検査システムでは、照明装置の光源体として、多数のＬＥＤチップを平面上に並べた面光源が用いられている。
特開２０２１－０８５８１５号公報
　本発明者らは、上記したような物体側テレセントリック光学系を有する同軸落射構造をなす検査システムでは、光学系の光学倍率を高くするほどＦ値が大きくなる傾向があり、例えば２倍以上の高倍率で撮像した場合には低倍率で撮像した場合に比べて撮像時の明るさ（露光量）が低下してしまうという問題があることを初めて見出した。
　このような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、検査光を出射する照明装置において、配光特性を狭くする（例えば５°以下）とともに、その照明装置における光出射面の放射輝度を高くすることにより、高倍率の物体側テレセントリック光学系においても撮像時の明るさを向上できるのではないかと考えた。しかしながら、配光特性がランバーシアンであり且つ面光源であるＬＥＤを光源体として用いる従来の照明装置では、このような狭い配光特性で、且つ高輝度な照明装置を実現することが困難であった。
　そこで本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、高倍率の物体側テレセントリック光学系を有する同軸落射構造をなす検査システムにおいて、撮像時の明るさを向上することをその主たる課題とするものである。
　すなわち本発明の検査システムは、光源体と、前記光源体から出た光を検査光として出射する光出射面とを備える検査用スポット照明装置と、ワークを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置とを備え、前記光出射面から出射された前記検査光を前記撮像装置の光軸と同軸上から前記ワークに照射するように構成された検査システムであって、前記光源体が半導体レーザを利用して構成されていることを特徴とする。
　このように構成した本発明の検査システムによれば、検査用スポット照明装置の光源体を点光源である半導体レーザを利用して構成することにより、ＬＥＤを利用した光源体を用いる従来のものに比べて配光特性を狭くし、且つ光出射面の放射輝度を高くすることができるので、高倍率の物体側テレセントリック光学系と組み合わせた場合に撮像装置の像面における放射照度を高くし、撮像時の明るさを向上させることができる。
　ところで、半導体レーザを利用して光源体を構成する場合に、半導体レーザから出たレーザ光をそのままワーク面上に照射させると、レーザ光の配光の非対称性に起因してワーク面上の放射照度の均一性が低下する恐れがある。
　そのため前記検査システムは、前記光源体が前記半導体レーザから出たレーザ光をそのまま出射するものであり、前記検査用スポット照明装置が、前記光源体から出射されたレーザ光を拡散させる光拡散部を有するのが好ましい。
　このようにすれば、光源体から出射されたレーザ光を光拡散部により拡散させることにより配光の対称性を向上させることができるので、撮像時の明るさを向上しながらも、ワーク面上における放射照度の均一性を向上することができる。
　前記光拡散部の具体的態様としては、前記光源体と前記光出射面との間に設けられたスペックルリデューサや、前記光出射面に例えばシボ加工等を施すことにより形成された光拡散面等が挙げられる。
　また前記検査システムにおいて、ワーク面上の放射照度の均一性を向上するための別の態様としては、前記光源体が、前記半導体レーザと蛍光体とを備え、前記半導体レーザから出射したレーザ光を前記蛍光体に照射して励起させることで生じる二次光を出射するように構成されているものが好ましい。
　このようなものであれば、光源体が、半導体レーザから出射されたレーザ光（励起光）を蛍光体に照射して励起させることにより蛍光体を発光させる、所謂レーザフォスファー方式で構成されているので、レーザ光よりも配光の対称性が高く、かつレーザ光のように高輝度な光を出射することができ、これにより撮像時の明るさを向上しながらも、ワーク面上における放射照度の均一性を向上することができる。
　前記検査システムが備えるスポット照明装置の光学特性としては、前記光源体のエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ以下であるものが好ましく、また前記光出射面から出射される前記検査光の指向角が±５°以内であるのが好ましい。
　このような配光特性を備えていれば、高倍率の物体側テレセントリック光学系と組み合わせた際に、前記検査光が高い利用効率でワークに到達して、撮像装置の像面における放射照度を十分に高くし、撮像時の明るさを向上させることができる。
　ここで「光源体のエタンデュ」とは、光源体が半導体レーザから出たレーザ光をそのまま出射するよう構成されている場合には当該半導体レーザのエタンデュを意味し、光源体がレーザ光を照射された蛍光体から生じる二次光を出射するように構成されている場合には、当該蛍光体のエタンデュを意味する。
　また前記検査システムは、前記光源体と前記光出射面との間に、前記光源体が出射した光を前記光出射面に導く光学系を備える場合、当該光学系の各位置におけるエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ以下であることが好ましく、光出射面の手前におけるエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ以下であることがより好ましい。
　また本発明の効果を顕著に奏する態様としては、前記物体側テレセントリック光学系の光学倍率が２倍以上であるものが挙げられる。
　また本発明の検査用スポット照明装置は、ワークを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置とともに用いられ、光源体と、前記光源体から出た光を検査光として出射する光出射面とを備えるものであって、前記光源体が半導体レーザを利用して構成されたものであることを特徴とする。
　このような検査用スポット照明装置であれば、前記した本発明の検査システムと同様の作用効果を奏しうる。
　このように構成した本発明によれば、高倍率の物体側テレセントリック光学系を有する同軸落射構造をなす検査システムにおいて、撮像時の明るさを向上することができる。
第１の実施形態及び第２の実施形態の検査システムの構成を模式的に示す図。 第１の実施形態の検査用スポット照明装置の構成を模式的に示す図。 第２の実施形態の検査用スポット照明装置の構成を模式的に示す図。 光源体の構成が異なる複数の検査用スポット照明装置の配光特性のシミュレーション結果を示す図。 第２の実施形態の検査用スポット照明装置の放射照度の均一性のシミュレーション結果を示す図。
＜第１の実施形態＞
　以下に、本発明の第１の実施形態に係る検査用スポット照明装置１を用いた検査システム１００について各図を参照しながら説明する。
　この検査システム１００は、ワークＷに照射する検査光を出射する検査用スポット照明装置１と、ワークＷにおいて散乱又は反射された光によりワークＷを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置２とを備える。図１に示すようにこの検査システム１００は、ハーフミラー２３２を使用することにより、検査用スポット照明装置１から出射された検査光を撮像装置２の光軸Ｃ２と同軸上からワークＷに照射するように構成された、所謂同軸落射構造をなすものである。
　検査用スポット照明装置１は、図２に示すように、先端に形成した光出射面１ｓから検査光を出射するものであり、照明筐体１１と、その照明筐体１１に内蔵された光源体１２と、光源体１２の光出射方向前方に設けられた光学系１３とを備えている。なお検査用スポット照明装置１とは、その光出射面１ｓを、光ファイバーを用いることなく物体側テレセントリック光学系の開口絞り２２ａの位置と共役な位置近傍に設置可能な照明装置１を意味する。
　照明筐体１１は、回転体形状を成すものであり、光源体１２や配線基板等を収容する円筒形状の胴部１１１と、胴部１１１と同軸に設けられた円筒形状の先端部１１２とを備えている。この先端部１１２は胴部１１１よりも径が小さいものであり、その先端面に前記した光出射面１ｓが形成されている。この先端部１１２は、後述する撮像装置２のカメラレンズ２２が備える照明取付口２３１ａに差し込まれ、カメラレンズ２２内に光を出射できるように構成されている。
　光源体１２は、ＬＥＤよりも発光面積が小さく（例えば０．１ｍｍ２以下）、かつ高輝度なものであり、レーザ光を出射する半導体レーザ１２ａ（ＬＤ）を利用して構成されたものである。半導体レーザ１２ａとしては、既知の構成のものが用いられる。本実施形態の光源体１２は、半導体レーザ１２ａから出たレーザ光（一次光）をそのまま光学系１３に向けて出射するように構成されており、その出射光軸が光学系１３の光軸Ｃ１に一致するようにして、その光軸Ｃ１上に設けられている。
　光学系１３は、光源体１２と光出射面１ｓとの間に設けられ、光源体１２から出射されたレーザ光を光出射面１ｓに導くものである。具体的にこの光学系１３は、その光軸方向に沿って基端部から先端部１１２に向かって順番に、コリメートレンズ１３１と、光拡散素子１３２と、ロッドレンズ１３３とを備えている。コリメートレンズ１３１と光拡散素子１３２とロッドレンズ１３３は、互いの光軸方向が一致するように設けられている。
　コリメートレンズ１３１は、その焦点位置１３ｆに置かれた光源体１２から出射されたレーザ光を集光して平行光（コリメート光）に近づけるものである。
　光拡散素子１３２は、コリメートレンズ１３１を通過したレーザ光を拡散させてそのコヒーレンスを低下させることにより、スペックルノイズを低減させるためのものであり、具体的にはスペックルリデューサである。光拡散素子１３２の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、フロスト型拡散板を振動モータ等で振動させるもの等が挙げられる。
　ロッドレンズ１３３は柱状をなすものであり、その軸方向が光学系１３の光軸Ｃ１に一致するように照明筐体１１の先端内部に設けられている。ロッドレンズ１３３は、光拡散素子１３２を通過した光を軸方向に沿った基端面から内部に導き、内部を進行する光の光量ムラを減じて先端面に形成した光出射面１ｓから外部に出射するものである。光出射面１ｓであるロッドレンズ１３３の先端面にはシボ加工が施されており、当該光出射面１ｓが出射光を拡散させる光拡散面として機能するようにされている。
　このように構成した本実施形態の検査用スポット照明装置１の光学特性について説明する。この検査用スポット照明装置１は、半導体レーザ１２ａを利用して光源体１２を構成することにより、光出射面１ｓの放射輝度を高くし、かつその配光特性を狭くすることができる。この実施形態の検査用スポット照明装置１は、光出射面１ｓから出射される検査光の指向角（又は半値角）が±５°以内となっている。この指向角とは、配光特性において放射強度が最も強くなる方向を０°として、相対的な放射強度がピーク値の５０％以上となる角度を意味する。またその光源体１２（本実施形態では半導体レーザ１２ａ）のエタンデュ（Ｅｔｅｎｄｕｅ）が１．０ｍｍ２・ｓｒ以下であり、より具体的には０．０１ｍｍ２・ｓｒ以下となっている。このエタンデュとは、光束の断面積と立体角（ステラジアン）との積により表されるものであり、次式（１）により表される。
　Ｅ＝　Ｓ×ｓｉｎθ２×π　　　（１）
　ここで、Ｅ：エタンデュ［ｍｍ２・ｓｒ］、Ｓ：光源体の発光面積［ｍｍ２］、θ：光源体の放射角である。
　また本実施形態では、光源体１２と光出射面１ｓとの間に設けられた各光学系１３の各位置（好ましくは光出射面１ｓの手前）におけるエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ以下となるように構成されている。
　撮像装置２は、撮像素子２１ａを備えるカメラ本体２１と、カメラ本体２１に取り付けられて、ワークＷで反射又は散乱した光を結像するカメラレンズ２２とを備える。
　カメラレンズ２２は、ワークＷ側（物体側）において光軸Ｃ２と主光線とが平行になるように構成された物体側テレセントリック光学系を有するものであり（以下、物体側テレセントリックレンズともいう）、光軸方向（撮像方向）に沿って延伸する円筒形状のレンズ筐体２２１内に収容された複数のレンズと開口絞り２２ａを備えるものである。このカメラレンズ２２では、複数のレンズのうち前側レンズ群の焦点位置２２ｆに開口絞り２２ａが配置されることにより、物体側テレセントリック光学系が構成されている。そしてこのカメラレンズ２２は、その光学倍率が２倍以上の高倍率となるように、各レンズが配置されている。
　このカメラレンズ２２は、前記した検査用スポット照明装置１から出射される検査光を内部に導入するともに、導入した検査光の向きを変えて撮像方向に一致させる同軸落射部２３を備えている。具体的にこの同軸落射部２３は、図１に示すように、検査用スポット照明装置１の先端部１１２が取り付けられる照明取付部２３１と、検査光を反射させてその向きを変えるハーフミラー２３２とを備えている。
　照明取付部２３１は、レンズ筐体２２１の側面に設けられ、その軸方向に直交する方向に延びる円筒状をなすものである。その先端には、検査用スポット照明装置１の先端部１１２が差し込まれる照明取付口２３１ａが形成されている。
　ハーフミラー２３２は、レンズ筐体２２１内において、開口絞り２２ａの位置よりもワークＷ側であって、照明取付口２３１ａから差し込まれた光出射面１ｓに対向する位置に設けられている。ハーフミラー２３２は、撮像方向に対して約４５°傾けられている。
　このような構成を有する同軸落射部２３において、検査用スポット照明装置１の先端部１１２が照明取付口２３１ａに差し込まれることにより、検査用スポット照明装置１の光出射面１ｓがカメラレンズ２２の開口絞り２２ａの位置と共役な位置近傍に設置される。
　このように構成した第１の実施形態の検査システム１００によれば、スポット照明装置１の光源体１２を点光源である半導体レーザ１２ａを利用して構成し、半導体レーザ１２ａから出たレーザ光をそのまま出射させるように構成することにより、光源体１２としてＬＥＤを用いるものに比べて光出射面１ｓの放射輝度を高くし、さらには配光特性を狭くすることができるので、高倍率の物体側テレセントリック光学系と組み合わせた場合に検査光が高い利用効率でワークに到達して、撮像装置２の像面における放射照度を高くし、撮像時の明るさを向上させることができる。
　しかもこの検査用スポット照明装置１は、前記光源体１２から出射されたレーザ光を拡散させるスペックルリデューサ１３２を備え、その光出射面１ｓにはシボ加工により形成された光拡散面が設けられているので、光源体１２から出射されたレーザ光を拡散させることにより配光の対称性を向上させることができ、撮像時の明るさを向上しながらも、ワークＷ面上における放射照度の均一性を向上することができる。
＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態に係る検査用スポット照明装置１を用いた検査システム１００について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
　第２の実施形態の検査システム１００は、その全体構成は図１に示す第１の実施形態の検査システム１００と同様である。そしてこの第２の実施形態の検査用スポット照明装置１は、光源体１２がレーザフォスファー方式のものであることを特徴とする。具体的にこの光源体１２は、図３に示すように、複数の半導体レーザ１２ａと、蛍光体１２ｂとを備えており、複数の半導体レーザ１２ａから出射されたレーザ光（励起光）を蛍光体１２ｂに照射して励起させることにより蛍光体１２ｂから生じる二次光を出射するように構成されたものである。この光源体１２は、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ）光源等とも称され、発光ダイオード（ＬＥＤ）のようにブロードなスペクトルを持ち、半導体レーザ１２ａよりもコヒーレンスが低く、かつ半導体レーザ１２ａのように高輝度の光を出射することができる。
　本実施形態では、蛍光体１２ｂは約０．５ｍｍ四方の矩形状の発光面を備えるペレット状のものであり、その発光面が光学系１３の光軸Ｃ１と直交するように光軸Ｃ１上に設けられている。複数の半導体レーザ１２ａは、ここでは青色波長のレーザ光を出射するものであり、蛍光体１２ｂの発光面に対して斜め前方から光を照射するように配置されている。具体的には、各半導体レーザ１２ａは、その出射光軸と蛍光体１２ｂの発光面とがなす角が約４５°となるように設けられている。
　そしてこの実施形態では、検査用スポット照明装置１は光学系１３として、光源体１２の前方に設けられたコリメートレンズ１３１を備えている。このコリメートレンズ１３１は、その光軸Ｃ１が、円筒形状をなす照明筐体１１の先端部１１２と同軸になるように設けられている。この実施形態では、先端部１１２の内側にはロッドレンズ１３３等の光学素子は設けられておらず中空になっており、コリメートレンズ１３１を通過した光が通る内部空間Ｓが形成されている。そしてこの内部空間Ｓが開口する先端部１１２の先端面が光出射面１ｓとなっている。
　このように構成した本実施形態の検査用スポット照明装置１の光学特性について説明する。この検査用スポット照明装置１は、光源体１２としてレーザフォスファー方式のものを用いることにより、光出射面１ｓの放射輝度を高くし、かつその配光特性を狭くすることができる。具体的にこの実施形態の検査用スポット照明装置１は、光出射面１ｓから出射される光の指向角（又は半値角）が±５°以内、より具体的には、±３．５°以内となっている。またその光源体１２（具体的には、蛍光体１２ｂ）のエタンデュ（Ｅｔｅｎｄｕｅ）は、１．０ｍｍ２・ｓｒ以下であり、より具体的には０．６ｍｍ２・ｓｒ以下となっている。
　このように構成した第２の実施形態の検査システム１００によれば、スポット照明装置１の光源体１２として点光源である半導体レーザ１２ａを用いることにより、光源体１２としてＬＥＤを用いるものに比べて光出射面１ｓの放射輝度を高くし、さらには配光特性を狭くすることができるので、高倍率の物体側テレセントリック光学系と組み合わせた場合に検査光が高い利用効率でワークに到達して、撮像装置２の像面における放射照度を高くし、撮像時の明るさを向上させることができる。
　しかもこの検査用スポット照明装置１は、光源体１２として、半導体レーザ１２ａから出射されたレーザ光（励起光）を蛍光体１２ｂに照射して励起させることにより蛍光体１２ｂを発光させる、所謂レーザフォスファー方式のものを用いるので、レーザ光よりも配光の対称性が高く、レーザ光のように高輝度な光を出射することができるので、撮像時の明るさを向上しながらも、ワークＷ面上における放射照度の均一性を向上することができる。
＜配光特性のシミュレーション＞
　次に、光源体の構成が異なる複数の検査用スポット照明装置の配光特性をシミュレーションした結果を図４に示す。このシミュレーション結果では、（ｉ）半導体レーザから出た光をそのまま出射させるように光源体を構成した検査用スポット照明装置（ＬＤと表記）と、（ｉｉ）半導体レーザから出たレーザ光を蛍光体に照射して励起させることで生じる二次光を出射するように光源体を構成した検査用スポット照明装置（ＳＬＤと表記）と、（ｉｉｉ）発光ダイオードから出た光を出射するように光源体を構成した検査用スポット照明装置（ＬＥＤと表記）のそれぞれの配光特性を示している。このシミュレーションでは、（ｉ）の検査用スポット照明装置（ＬＤ）では、光源体の光出射方向前方にコリメートレンズとスペックルリデューサを設けており（図２からロッドレンズ１３３を除いた構成）、（ｉｉ）の検査用スポット照明装置（ＳＬＤ）では、光源体の光出射方向前方にコリメートレンズを設けており（図３と同じ構成）、（ｉｉｉ）の検査用スポット照明装置（ＬＥＤ）では、光源体の光出射方向前方にコリメートレンズとロッドレンズとを設けた。
　図４に示すように、半導体レーザから出たレーザ光をそのまま出射するように光源体を構成したもの（ＬＤ）では、相対的な放射強度がピーク値の５０％以上となる指向角が約±５°以内となることを確認できる。また蛍光体にレーザ光を照射して励起させることで生じる二次光を出射するように光源体を構成したもの（ＳＬＤ）では、指向角が約±３．５°以内となることを確認できる。
＜放射照度の均一性のシミュレーション＞
　次に、第２の実施形態の検査用スポット照明装置を用いて、物体側テレセントリック光学系を有するカメラレンズ２２の光学倍率を変化（２倍、４倍）させた場合の、ワークＷ面上における放射照度の均一性をシミュレーションした結果を図５に示す。このシミュレーションでは、撮像するカメラ本体２１の撮像素子２１ａのセンササイズを２／３インチ相当のものとしている。
　図５に示すように、このシミュレーション結果から、光学倍率が２倍、４倍のいずれにおいても、ワークＷ面上の放射照度の均一性が良好であることを確認できた。特に光学倍率を高くするほど、ワークＷ面上の放射照度の均一性をより向上できることを確認できた。
＜その他の実施形態＞
　なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
　例えば前記第１の実施形態において、光学系１３は、光拡散部としてスペックルリデューサ１３２と、光出射面１ｓに形成された光拡散面の両方を備えていたが、いずれか一方のみを備えていてもよく、光拡散部を備えていなくてもよい。また光拡散部は、例えば拡散板や蛍光体のような光拡散部材でもよい。
　また前記第２の実施形態において、光源体１２は、蛍光体１２ｂに対して複数の半導体レーザ１２ａからレーザ光を照射するように構成されていたがこれに限らない。他の実施形態の光源体１２は、半導体レーザ１２ａを１つだけ備え、当該１つの半導体レーザ１２ａにより蛍光体１２ｂを励起させるように構成されてもよい。
　また前記各実施形態では、光源体１２のエタンデュ及び光学系１３の各位置におけるエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ以下となるように構成されていたが、これに限らない。他の実施形態では、光源体１２及び光学系１３の各位置におけるエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ超となっていてもよい。
　その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
　上述した本発明の検査システムによれば、高倍率の物体側テレセントリック光学系を有する同軸落射構造をなす検査システムにおいて、撮像時の明るさを向上することができる。
１００　・・・検査システム
１　　　・・・検査用スポット照明装置
１２ａ　・・・半導体レーザ
１３　　・・・光学系
１ｓ　　・・・光出射面
２　　　・・・撮像装置
２２　　・・・カメラレンズ（テレセントリックレンズ）
Ｗ　　　・・・ワーク

Claims (7)

  1. 　光源体と、前記光源体から出た光を検査光として出射する光出射面とを備える検査用スポット照明装置と、ワークを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置とを備え、前記光出射面から出射された前記検査光を前記撮像装置の光軸と同軸上から前記ワークに照射するように構成された検査システムであって、
    　前記光源体が、半導体レーザを利用して構成されたものである検査システム。
  2. 　前記光源体が、前記半導体レーザから出たレーザ光をそのまま出射するように構成されており、
    　前記検査用スポット照明装置が、前記光源体から出射されたレーザ光を拡散させる光拡散部を有する請求項１に記載の検査システム。
  3. 　前記光源体が、前記半導体レーザと蛍光体とを備え、前記半導体レーザから出たレーザ光を前記蛍光体に照射して励起させることで生じる二次光を出射するように構成されている請求項１に記載の検査システム。
  4. 　前記光源体のエタンデュが１ｍｍ２・ｓｒ以下である請求項１に記載の検査システム。
  5. 　前記光出射面から出射される前記検査光の指向角が±５°以内である請求項１に記載の検査システム。
  6. 　前記物体側テレセントリック光学系の光学倍率が２倍以上である請求項１に記載の検査システム。
  7. 　ワークを撮像する物体側テレセントリック光学系を有する撮像装置とともに用いられ、光源体と、前記光源体から出た光を検査光として出射する光出射面とを備える検査用スポット照明装置であって、
    　前記光源体が半導体レーザを利用して構成されたものである検査用スポット照明装置。
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