JP2005070021A - 検査用光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光分布に抜けがなく、均一な照度分分布を有し、高速に光量や色の切替が可能で、メンテナンスの不要な長寿命の検査用光源装置を実現する。
【解決手段】 分光輝度分布が異なる複数の発光素子を用いて被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
前記複数の発光素子の光束をほぼ同一照度分布とする照度均一化素子と、
前記光信号を制御する制御手段と、
を設け、
前記複数の発光素子の分光輝度分布が可視光の全波長域で連続するように発光素子を選択したことを特徴とする検査用光源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光素子の検査用光源装置に関し、詳しくは、検査用光源の寿命の改善と小型軽量化および色、光量の高速切替のための改良に関するものである。

従来、受光素子の検査では所定の光源を用いて検査対象である受光素子に既知の色や光量の光を照射し、受光素子から出力された電気信号をモニタするという構成が用いられている。

検査項目によって異なるが、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子）などの撮像素子の検査用光源装置への主な要求仕様は、次のようなものである。
１ 被検査撮像素子に照射する光量を高速に変更できること。
２ 被検査撮像素子に照射する光の色（相関色温度）を高速に変更できること。
３ 被検査撮像素子の撮像面全体にわたって均一な照度分布を持つこと。
４ 可視光全体にわたって分光的に抜けがないこと。
５ 照度の経時変化、光源の温度変化を補償できること。
６ ランプの寿命が長いこと。

図３と図４に従来の撮像素子の検査用光源装置の例を示す。
図３は、従来のハロゲンランプを用いた検査用光源の一例を示す構成図である。
図３において、ハロゲンランプ３１は、電流が一定になるように制御され所定量の発散光を出射する。レンズＡ３２は、ハロゲンランプ３１から出射された光束をほぼ平行光にし、絞り３３はレンズＡ３２の光束を制限して光量の調整を行う。照度均一化素子４２は、絞り３３を通過して入射した光の照度分布を均一にして出射し、レンズＢ４０は、照度均一化素子４２の出射光を所定の照射面積になるように集光して被検査撮像素子４１に照射する。

このような構成において、絞り３３と照度均一化素子４２の間の光路上には、ＮＤフィルタＡ３５とカラーフィルタ３７が配置され、照度均一化素子４２とレンズＢ４０の間の光路上にはＮＤフィルタＢ３９が配置される。ＮＤフィルタＡ３５は、円盤上に回転対称に透過率の異なるＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタが取り付けられていて、モータＡ３４により円盤を回転させて透過率を変化させる。カラーフィルタ３７は、円盤上に回転対称に透過する色の異なるフィルタ取り付けられていて、モータＢ３６により、円盤を回転させて透過する光源色を変化させる。ＮＤフィルタＢ３９の構造は、ＮＤフィルタＡ３５と同一であり、モータＣ３８により円盤を回転させて透過率を変化させる。

この他に、ＬＥＤ（発光ダイオード）を発光源として、発光条件を全て電気的に制御することにより、応答速度を改善した検査用光源装置がある。
図４は従来のＬＥＤランプを用いた検査用光源の一例を示す構成図である。
図４において、ＬＥＤランプＲ４３、ＬＥＤランプＧ４４、ＬＥＤランプＢ４５は、ほぼ光量が等しいものが、それぞれ同一個数、平面上に対称に配置される。透過拡散板４６は、擦りガラスまたは乳白色のアクリルなどからできていて、ＬＥＤランプの光軸上に配置される。各ＬＥＤランプの光束は、この透過拡散板４６に入射し、被検査撮像素子４１に照射される。これにより、被検査撮像素子４１対して、透過拡散板４６が拡散光源に相当することとなる。

このような検査用光源装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００２−３１４０５４号公報

しかしながら、従来のハロゲンランプを用いた検査用光源装置では、以下のような問題点がある。
ハロゲンランプは駆動電流を変化させると光束と同時に色温度が変化する。したがって光量だけの変更にはフィルタを使わなければならない。図３の検査用光源装置では、ＮＤフィルタＡ３５とＮＤフィルタＢ３９をそれぞれモータＡ３４とモータＣ３８を用いて回転させて光量を変化させるが、機械的な動作のため切替時間は、１００ｍｓｅｃ程度が限界である。色温度の切替の場合も同じような時間が必要である。検査の高速化が要求される用途ではこの切替時間は許容されない時間である。

また、ハロゲンランプ１の寿命（ランプが点灯しなくなるまでの時間）は、２０００時間程度あるが、通常はそこまで達する前に光束が低下したり、色温度が変化してしまうため２週間から１ヶ月程度でランプ交換を行うのが現状である。交換に要する時間は、検査装置が停止してしまい検査作業が止まる。
さらに、被検査撮像素子４１に照射される光量の確認のために、定期的に被検査撮像素子の位置に照度計を置いて照度を確認する必要がある。

次に、従来のＬＥＤランプを用いた検査用光源装置では、以下のような問題点がある。
Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）３色のＬＥＤからの光束を透過拡散板を用いて空間的に合成し擬似白色光にした簡易的な光源である。したがって分光分布は図５に示すようにそれぞれ局所的（Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域）にしか存在しないことになる。このため分光分布が抜けている波長部分で起きる被検査撮像素子の不具合を検出できない。

図５は、従来のＬＥＤランプを用いた光源装置の発光分光分布を示す説明図である。
図５において、横軸は波長、縦軸は相対分光放射輝度を示している。分光分布のピークが波長４２０ｎｍ付近にあるＬＥＤランプＢ、波長５４０ｎｍ付近にあるＬＥＤランプＧ、波長６５０ｎｍ付近にあるＬＥＤランプＲが局所的に存在している様子を示したものである。

また、図４において透過拡散板４６を用いて光束を空間的に合成しているが、照度分布や色ムラを少なくするためには透過拡散板４６と各ＬＥＤランプの距離や透過拡散板４６と被検査撮像素子４１の距離を十分にとる必要がある。しかし、そうすると光量が低下しすぎるため、実用上は、照度分布をある程度犠牲にしなければならない。

さらに、照度分布を対称にするためにＬＥＤランプＲ，ＬＥＤランプＧ，ＬＥＤランプＢをそれぞれ同一個数、対称に配置する必要があり、それぞれの光度も同一程度のものを選定する必要がある。

加えて、被検査撮像素子に照射される光量を確認するために、定期的に被検査撮像素子の位置に照度計を置いて、照度を確認する必要がある。

本発明は、このような従来の検査用光源装置が有していた問題を解決しようとするものであり、分光分布に抜けがなく、均一な照度分分布を有し、高速に光量や色の切替が可能で、メンテナンスの不要な長寿命の検査用光源装置を実現することを目的とする。

本発明は次の通りの構成になった検査用光源装置である。

（１）分光輝度分布が異なる複数の発光素子を用いて被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
前記複数の発光素子の光束をほぼ同一照度分布とする照度均一化素子と、
前記光信号を制御する制御手段と、
を設け、
前記複数の発光素子の分光輝度分布が可視光の全波長域で連続するように発光素子を選択したことを特徴とする検査用光源装置。

（２）分光輝度分布が異なる複数の発光素子を用いて被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
前記複数の発光素子の分光輝度分布が可視光の全波長域で連続するように発光素子を選択し、これら発光素子を光放射輝度分布の強度の最大方向がほぼ同一光軸方向を向くように配置し、
これら発光素子の光軸に対して、光軸をほぼ一致させて発光素子の光束がほぼ全て通過するように設置された少なくとも１つの集光光学素子と、
この集光光学素子を通過した光束をほぼ同一照度分布とする照度均一化素子と、
前記光信号を制御する制御手段と、
を設けたことを特徴とする検査用光源装置。

（３）相対的に光量の少ない前記発光素子を複数配置し、各波長域の分光輝度分布がほぼ同一の強度になるようにしたことを特徴とする（１）または（２）に記載の検査用光源装置。

（４）前記制御手段は、
前記発光素子の光束を分割する光束分割手段と、
分割された光束に基づき光量を検出する光量検出手段と、
検出した光量に基づき発光素子の発光量を調節する調節手段と、
から構成されることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の検査用光源装置。

（５）前記制御手段は、各発光素子を発光させる電気信号と被検査対象に照射される分光放射照度の関係に基づいて、発光量を調節することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の検査用光源装置。

（６）前記制御手段は、分光輝度分布別に発光素子を点灯させたときの光量検出手段の電気信号に基づき発光素子の光量を調節することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の検査用光源装置。

（７）前記照度均一化素子の後段にライトガイドを設置し、このライトガイドを介して被検査対象に光束を照射することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の検査用光源装置。

（８）前記光束分割手段は、ビームスプリッタまたはバンドルファイバの一部のファイバを分離して構成されることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の検査用光源装置。

本発明によれば、以下のような効果がある。

請求項１乃至請求項３に記載の発明によれば、発光素子としてＬＥＤランプを用いることにより、寿命はハロゲンランプの１００倍以上、理論的には１０年程度あるので実質的にランプ交換は不要となり、光量、色温度の切替時間がフィルタ切替のものに対して１／１０００以下になった。
また、可視光領域で分光輝度分布に抜けがないため、特定の波長に起きる欠陥を見落とすことがなく、異なる分光分布をもつＬＥＤランプの個数や放射輝度が同一でない場合でも、被検査撮像素子面で均一な照度分布を得ることができる。

請求項４および請求項５に記載の発明によれば、各種類のＬＥＤランプの照射光量が一定になるように駆動電流値を計算し、この電流でＬＥＤランプが発光することにより、各波長成分が均一な白色光を出力することができる。

請求項６に記載の発明によれば、同じ分光分布をもつ同種類のＬＥＤランプのみを点灯させて、その時の光量検出素子７の出力信号を測定する。この作業をＬＥＤランプの全ての種類に対して行うことにより、光量の経時変化にも対応できる。

請求項７および請求項８に記載の発明によれば、照度均一化素子の後段にバンドルファイバなどのライトガイド挿入することによって、光束を必要な部分に導くことができる。特に、被検査撮像素子の周辺にスペースが無く光源装置全体を設置できない場合に有効である。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明の検査用光源装置の一実施例を示す構成図である。
図１において、ＬＥＤランプ群１は、異なる発光分光分布を持つ異なった種類のＬＥＤランプを同一平面上に複数配置したものである。ＬＥＤランプは、図２に示すように、分光分布の組み合わせにより可視光の波長範囲を隙間無く埋めるような発光波長のものが選択される。

図２は、本発明におけるＬＥＤランプの発光分光分布を示す説明図である。
図２において、横軸は波長、縦軸は相対分光放射輝度を示している。図２では本発明において使用されるＬＥＤランプの組み合わせの一例として、分光放射輝度のピーク波長が約４０ｎｍ置きになるような９種類のＬＥＤランプの発光分光分布を示している。これらのＬＥＤランプの分光輝度分布が重なり合って可視光の全波長範囲で連続した光を発生することになる。

図１に戻り、ＬＥＤランプ群１は、全部のＬＥＤが点灯したときの分光放射輝度のバランスがとれるように低輝度のＬＥＤランプは多数配置され、高輝度のＬＥＤランプは少数配置される。そして、空間的なＬＥＤランプの発光輝度分布が最大になる方向（光軸）が平行になるようにそろえられる。

レンズＡ２は、ＬＥＤランプ群１の光軸上に配置され、ＬＥＤランプが発光した時の光束を集光し、照度均一化素子３に入射させる。
照度均一化素子３は、例えば全面を研磨したガラスの円柱や角柱のようないわゆるライトパイプなどである。照度均一化素子３に入った光束は、柱の側面で反射を繰り返し、出射面では光束の分布が空間的に均一になる。
レンズＢ４は、照度均一化素子３から出射された光束を、必要とする広がり角を持つ光束にして、被検査撮像素子９に照射する。被検査撮像素子９は例えばＣＣＤ（電化結合素子）などの固体撮像素子である。これにより被検査撮像素子に所定の光量や相関色温度などの光信号が照射されることになる。

このような構成において、レンズＢ４と被検査撮像素子９の間にはビームスプリッタ５を配置する。ビームスプリッタ５は、例えば研磨したガラス板にハーフミラー膜を付着させたもので、一定の光量を通過させて残りの光量を反射する。これにより、レンズＢ４の出射光の一定の光量を所定の方向に反射させる。これが光束分割手段である。

レンズＣ６は、ビームスプリッタ５が反射した光を集光し、光量検出素子７に入射する。光量検出素子７は、入射された光量に応じた電気信号を出力するもので例えばフォトダイオードである。これが光量検出手段である。
調節手段８は、光量検出素子７の出力信号が入力されると共に、ＬＥＤランプ群１の各ＬＥＤランプを発光させるため、ＬＥＤランプの種類に対応したチャネル数の駆動電流を出力する。以上のビームッスプリッタ５、レンズＣ６、光量検出素子７、調節手段８が制御手段に相当する。

調節手段８は、例えば、図示しないプロセッサ，ドライバ，メモリなどから構成される。メモリには、同じ種類のＬＥＤランプを一まとめとして、種類ごとに駆動電流値と被検査撮像素子９への照射光量の関係式を予め求めて記憶しておく。プロセッサは光量検出素子７が検出した光量とメモリの関係式により各種類のＬＥＤランプの照射光量が一定になるように駆動電流値を計算する。ドライバはこれらの電流値の電流を出力する。これらの電流で各種類のＬＥＤランプが発光することにより、各波長成分が均一な白色光を出力することができる。
上述の関係式は、次のようにして求められる。被検査対象の位置にフォトダイオードなどの光センサを設置して照射光量を実測し、このときの駆動電流を求める。これをＬＥＤランプの動作基準点とし、既知の傾きを持った照射光量の変化量と駆動電流の変化量との関係により決定される。

光量を変化させる場合には、各種類のＬＥＤランプの照射光量比率が一定になり、絶対値が一定量変化するように各駆動電流を変更すればよい。こうすることにより、分光分布を変えずに光量のみを変えることができる。

照射光の相関色温度は、分光的な放射輝度分布の違いとみなせる。相関色温度を変更するには、各種類のＬＥＤランプの駆動電流を変えて放射光量のバランスを変えればよい。前述のように、照射光量と電流の関係は既知であるため、電流量を調整することにより、相関色温度も変更できる。

ＬＥＤランプは、駆動電流の変化に対して光量は瞬時（ｍｓｅｃ以下）に変わるため、モータ制御によりフィルタが取り付けられた円盤を回して光量をかえる方式に比べて切替時間はほとんど無視できる。

異なった分光分布を持つ各種類のＬＥＤランプの出射光量の測定は、同じ分光分布をもつ同種類のＬＥＤランプのみを点灯させて、その時の光量検出素子７の出力信号を測定する。この作業をＬＥＤランプの全ての種類に対して行えばよい。これにより、光量の経時変化にも対応できる。撮像素子の検査時には検査済みの撮像素子を次に検査するものと入れ替えるインデックスタイムが必ず必要なので、その間で経時変化の補正を行えば自動化も可能である。

以上により、ＬＥＤランプの寿命はハロゲンランプの１００倍以上、理論的には１０年程度あるので実質的にランプ交換は不要となり、光量、色温度の切替時間がフィルタ切替のものに対して１／１０００以下になった。

また、可視光領域で分光輝度分布に抜けがないため、特定の波長に起きる欠陥を見落とすことがなく、異なる分光分布をもつＬＥＤランプの個数や放射輝度が同一でない場合でも、被検査撮像素子面で均一な照度分布を得ることができる。

さらに、インデックスタイムに各ＬＥＤの光量をモニタし、光量に変化があった場合には、すぐにフィードバックすることが可能であるし、ランプ切れの検出もできる。

実施例では、照度均一化素子を透過した後の光束を直接、被検査撮像素子に入射しているが、例えば照度均一化素子の後段などの光学系の途中にバンドルファイバなどのライトガイドを挿入することによって、光束を必要な部分に導くことができる。特に、被検査撮像素子の周辺にスペースが無く光源装置全体を設置できない場合に有効である。

また、光量検出素子への光束の分割は平行ガラス板のビームスプリッタを用いているが、バンドルファイバの一部のファイバを分離し、その先に光量検出素子を設置してもよい。
さらに、被検査撮像素子が１個について説明しているが、検査時間を短縮するために、照射エリアを広げて、複数個の撮像素子を一度に検査することも可能である。

加えて、ほぼ平行光で被検査撮像素子に光を当てる例を示したが、照射光は、平行光に限るものではなく拡散光や収束光でもよい。
また、撮像素子の検査用光源装置という例を示したが、光量や色温度を自由に変更できる特性を生かして、一般的な画像処理用の光源に適用することもできる。

本発明を用いて被検査撮像素子上にパターンを投影して検査する場合には、図１の照度均一化素子３の出射面付近にパターンが描かれたマスクを設置すればよい。

本発明をレンズが一体化された撮像素子の検査に用いる場合には、図１の被検査撮像素子９の部分に透過拡散板を設置し、その拡散板を透過した光を拡散光源として検査することもできる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の検査用光源装置の一実施例を示す構成図である。 本発明におけるＬＥＤランプの発光分光分布を示す説明図である。 従来のハロゲンランプを用いた検査用光源の一例を示す構成図である。 従来のＬＥＤ（発光ダイオード）ランプを用いた検査用光源の一例を示す構成図である。 従来のＬＥＤランプを用いた光源装置の発光分光分布を示す説明図である。

符号の説明

１ ＬＥＤランプ群
２ レンズＡ
３ 照度均一化素子
４ レンズＢ
５ ビームスプリッタ
６ レンズＣ
７ 光量検出素子
８ 調節手段
９ 被検査撮像素子

Claims (8)

1. 分光輝度分布が異なる複数の発光素子を用いて被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
   前記複数の発光素子の光束をほぼ同一照度分布とする照度均一化素子と、
   前記光信号を制御する制御手段と、
   を設け、
   前記複数の発光素子の分光輝度分布が可視光の全波長域で連続するように発光素子を選択したことを特徴とする検査用光源装置。
2. 分光輝度分布が異なる複数の発光素子を用いて被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
   前記複数の発光素子の分光輝度分布が可視光の全波長域で連続するように発光素子を選択し、これら発光素子を光放射輝度分布の強度の最大方向がほぼ同一光軸方向を向くように配置し、
   これら発光素子の光軸に対して、光軸をほぼ一致させて発光素子の光束がほぼ全て通過するように設置された少なくとも１つの集光光学素子と、
   この集光光学素子を通過した光束をほぼ同一照度分布とする照度均一化素子と、
   前記光信号を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする検査用光源装置。
3. 相対的に光量の少ない前記発光素子を複数配置し、各波長域の分光輝度分布がほぼ同一の強度になるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の検査用光源装置。
4. 前記制御手段は、
   前記発光素子の光束を分割する光束分割手段と、
   分割された光束に基づき光量を検出する光量検出手段と、
   検出した光量に基づき発光素子の発光量を調節する調節手段と、
   から構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の検査用光源装置。
5. 前記制御手段は、各発光素子を発光させる電気信号と被検査対象に照射される分光放射照度の関係に基づいて、発光量を調節することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の検査用光源装置。
6. 前記制御手段は、分光輝度分布別に発光素子を点灯させたときの光量検出手段の電気信号に基づき発光素子の光量を調節することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の検査用光源装置。
7. 前記照度均一化素子の後段にライトガイドを設置し、このライトガイドを介して被検査対象に光束を照射することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の検査用光源装置。
8. 前記光束分割手段は、ビームスプリッタまたはバンドルファイバの一部のファイバを分離して構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の検査用光源装置。
   

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