JP5069191B2 - 光学読み取り装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学読み取り装置、特に被写体の画像を読み取る撮影光学系および撮像素子を有する光学読み取り装置に関するものである。

光学顕微鏡や半導体検査装置のような光学読み取り装置では、対象物体をいかに照明するか(光量、波長、入射角度の違い)で得られる画像が大きく異なる。画像の違いは、読み取りや検査の性能、信頼性に直結する。微細な対象を視認しやすくしたり、ＯＣＲなどの処理効率を高める上で暗視野照明は重要な照明手段である。

暗視野照明光源は、撮影光学系の光軸に一致しない照明角度で被写体を照明するためのものであるが、暗視野照明にリングスリット状の反射部を用いた照明光学系により照明光学系の周辺方向から被写体を照明するような構成(たとえば下記の特許文献１)の他、光学読み取り装置では発光ダイオード（ＬＥＤ）をある程度の指向性をもって配置する、たとえば光軸を取り囲むようなパターンで配置してリング照明として用いる技術が実用化されている。

また、この種の光学読み取り装置の読み取り対象の一例として半導体ウェハがあり、たとえば、この種の光学読み取り装置は、鏡面状の表面にマーキングされた記号をＯＣＲ処理などを介して読み取る場合に用いられることがある。また、その他にもレンズやガラス板のキズ検査などにも暗視野照明は有効であるが、マーキングやキズの深さまたはその上及び周辺への付着物や背景の状況によっては照明光の照射角度が重要になってくる。なお付着物とは酸化膜や窒化膜、ポリイミド等であり、背景は回路パターンなどが考えられる。

前述の通り、暗視野照明の光源には指向性が求められるので、さまざまな深さのキズ/マーキングに対応するにはさまざまな角度で照射する暗視野照明装置が必要となる。ウェハのマーキング認識に用いられるＯＣＲ光学系において、様々な品種のウェハに合わせた照明の入射角度が個々のウェハマーキングの認識率向上に大きく寄与するため、フレキシブルに対応できる光学系が求められている。
特許３４４５７２２号

上述のような半導体ウェハのマーキング、文字などを読み取る光学読み取り装置においては、さまざまな深さのキズ/マーキングに対応するために、物体に対し望んだ入射角度で照明できるような位置にＬＥＤなどを用いた照明光源を配置することが考えられる。この場合、複数の入射角度の照明が必要な場合には、複数箇所に暗視野照明光源を配置することが必要になる。

しかしながら、このような手法で暗視野照明の入射角度の種類を増やせば、装置の汎用性は広がるが、照明光源の数が増え、配置スペースも大きくなることにより、装置の大型化、製造コストの増大につながる問題がある。また、暗視野照明の態様を可変にするにしても、場合によっては照明光源の向きを変えるだけでなく照明光源の位置も変える必要があり、適切な構造でない限り、照明光源の可動範囲に制限が加わったり、いたずらに装置が大型化、高コスト化する可能性がある。

本発明の課題は、上記の問題に鑑み、対象物の特性などに合せて暗視野照明の入射角度を種々に変更でき、撮影画像の視認性や画像処理効率を向上できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明においては、被写体の画像を読み取る撮影光学系および撮像素子を有する光学読み取り装置において、前記撮影光学系の光軸に不一致な照明角度で前記被写体を照明する暗視野照明光源と、前記暗視野照明光源の照明光を前記被写体方向に反射させる反射手段と、前記暗視野照明光源の照明光により直接被写体を照明する第１の照明角度、または、前記暗視野照明光源の照明光の前記反射手段を介した反射によって前記被写体を照明する第２の照明角度のいずれかを得られるように前記暗視野照明光源の角度および位置を調節する調節手段を有し、前記反射手段が、前記撮影光学系の近傍に配置された、前記暗視野照明光源とは異なる明視野照明光源および低角度暗視野照明光源を用いた照明光学系に含まれ、前記低角度暗視野照明光源が光軸との入射角度が１°乃至３°の第１低角度暗視野照明光源と、光軸との入射角度が３°乃至５°の第２低角度暗視野照明光源からなる構成を採用した。

あるいはさらに、前記反射手段の反射角度を調節する手段を有する構成を採用した。

上記構成によれば、前記調節手段により、前記暗視野照明光源の照明光を直接被写体を照明する第１の照明角度、または、前記反射手段を介した反射によって前記被写体を照明する第２の照明角度のいずれかを得られるように調節を行なえるので、異なるの照明方向を有する暗視野照明光源を多数配置するような構成に比して、装置の大型化、製造コストの増大を抑えつつ、広い暗視野照明光源の入射角度範囲を選択することができ、読み取った画像の画像処理、たとえばＯＣＲ処理などの効率を向上させることができる。

また、前記反射手段は、前記撮影光学系の近傍に配置された、前記暗視野照明光源とは異なる照明光源を用いた照明光学系に含まれる、たとえば、該照明光学系に含まれる反射手段を兼用することにより構成することができる。特に該照明光学系は、たとえば明視野照明光学系として構成することができる。

また、前記反射手段を含む、前記撮影光学系の近傍に配置された前記暗視野照明光源とは異なる照明光源を用いた照明光学系には、異なる照射角度の低角度暗視野照明光学系を設けることができる。さらに、以下の前記反射手段の反射角度を調節する手段を設けることによって、これらの低角度暗視野照明光学系の照射角度も調節でき、より多様な角度範囲内で暗視野照明角度を選択することができる。

さらに、前記反射手段の反射角度を調節する手段を設けることによって、より大きな角度範囲内で暗視野照明角度を選択することができる。

以下、図面を参照して、発明を実施するための最良の形態の一例として、半導体ウェハのマーキングや欠陥の読み取りに利用可能な光学読み取り装置に関する実施例を示す。

図１は本発明を採用した光学読み取り装置２００の撮影光学系および照明光学系の要部の構成を示している。図１において符号２０１は光学読み取り装置２００の筐体で、このプラスチックや金属などの材料からほぼＬ字型に構成された筐体２０１の内部、撮影光学系および照明光学系が収容されている。

撮影光学系は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどから成る撮像素子２１１を含み、その前方には前群レンズ２１３および後群レンズ２１２から成る光学系が配置されている。前群レンズ２１３の前方には全反射ミラー２１４が配置されており、撮影光学系の光軸は垂直下方に向けられている。

撮像素子２１１の出力は不図示の画像処理回路に入力され、撮影された画像を不図示のディスプレイに表示したり、あるいは被写体Ｏ（たとえば半導体ウェハ）のマーキングや文字などを撮影された画像からＯＣＲ処理などを介して読み取る処理が行なわれる。

撮影光学系の下部には、明視野照明と暗視野照明の両方を含む照明光学系が配置されている。この照明光学系はたとえば複数のＬＥＤ光源から成るＬＥＤアレイによって構成されたＬＥＤ２２１を光源として含む。ＬＥＤ２２１は、照明光軸にほぼ一致するよう配置された明視野照明光源２２１ａ、第１の入射角度、たとえば２°（１°〜３°程度）の入射角度を有する低角度暗視野照明光源２２１ｂ、そして、第２の入射角度、たとえば３°（３°〜５°程度）の入射角度を有する低角度暗視野照明光源２２１ｃ、の３種の照明光源から構成される。このＬＥＤ２２１の前方にはコンデンサレンズ２２２が配置され、ほぼ平行光に変換された照明光の光軸は、全反射ミラー２１４の下部に配置されたハーフミラー２１５により反射され、特に明視野照明光源２２１ａの明視野照明光の光軸は撮影光学系の光軸とほぼ同軸となるよう垂直下方に向けられている。

ただし、ＬＥＤ２２１には明視野照明光源２２１ａのみを含めるようにし、ハーフミラー２１５を介して照明を行うこの照明系は明視野照明光学系として用いるようにしてもよい。

本実施例では、ハーフミラー２１５は、後述の暗視野照明光源（ＬＥＤ２３１）の照明光を被写体Ｏ方向に反射させる反射手段としても用いられる。

ハーフミラー２１５はたとえば光軸と直交する方向に配置された支軸２１５ａにより回動自在に支持されるとともに、不図示の機構によってたとえば１〜数度の角度の範囲内で任意の揺動角度で固定できるようになっている。これは上述の低角度暗視野照明光源２２１ｂ、２２１ｃの照明光の照明角度を調整するためのものである。ハーフミラー２１５の角度は、不図示のノッチ機構などによって、明視野照明の光軸が正しく撮影光学系の光軸と同軸となるように迅速に初期位置に復帰できるように構成してもよい。

さらに明視野照明光学系の下部に相当する筐体２０１の下面には暗視野照明光学系を収容するハウジング２０３を突出して設けてある。

ハウジング２０３はたとえば図３に示すように筐体２０１の左右の側板を延長して構成することができ、これら左右の側板の間に、たとえば図２に示すようなブランコ型の支持部材２５０を介して暗視野照明光源としてのＬＥＤ２３１が支持されている。

このＬＥＤ２３１を照明光源として用いた暗視野照明光源は、撮影光学系の光軸に一致しない照明角度で被写体を照明するためのものである。

支持部材２５０は、図２に示すように、左右のアーム２４４、２４４の中間部に支持部２４５を有し、アーム２４４、２４４と支持部２４５の間の角部にＬＥＤ２３１を配列した基板を支持するための支持板２４５ａ、２４５ａを有する。これらの構造は、たとえば金属板の曲げ加工やプラスチックの一体成型などによって構成できる。

ＬＥＤ２３１は図３に示すように基板２３１ａ上に複数配列してある。図３では一列であるが、ＬＥＤ２３１の配列パターンはこのようなパターンに限定されるものではなく当業者において任意である。また、ＬＥＤ２３１は、投光部がレンズ状に加工されたタイプの素子を用いることによって、その先端方向に投光指向性を有するものとする。

基板２３１ａは、左右のビス２４５ｃ（図３では右側不図示）により支持部材２５０の角部に設けられた支持板２４５ａ、２４５ａ（図２）のタップ穴２４５ｂ、２４５ｂに固着される。

支持部材２５０のアーム２４４、２４４の先端には透孔２４１ａ、２４１ａが設けられており、図１および図３に示すように、ハウジング２０３の左右の側板に設けられた長孔２４３、２４３にビス２４１、２４１およびナット２４２、２４２を介して固定される。

本実施例では、ナット２４２、２４２は単なるリング状の部材として示してあるが、周囲に滑り止めのナール加工を施したり、あるいは蝶ナットを用いるなどして手動で緩めたり締め込んだりする操作を容易に行なえるようにしておく。

以上のような構造により、暗視野照明光源としてのＬＥＤ２３１は図１に示すようにナット２４２、２４２〜ビス２４１、２４１の螺着を緩めることによって、支持部材２５０（図１では破線によって図示）を回動させることにより暗視野照明の角度（姿勢）を変更することができるとともに、長孔２４３、２４３に沿って上下に移動することによって位置も調節することができる。これにより暗視野照明の角度を変更しても、上下移動によってＬＥＤ２３１の光軸が、被写体Ｏと、撮像光学系の光軸が交わる位置からずれないように調整することができる。

図１において、符号２３２、２３３、２３４はそれぞれ上記の支持部材２５０の回動および長孔２４３、２４３に沿っての上下動によって選択可能なＬＥＤ２３１の照明姿勢を示している。

支持部材２５０の回動および長孔２４３、２４３に沿っての上下可動範囲は、符号２３１、２３２により示すようにＬＥＤ２３１から直接、被写体Ｏを照明できるように、また、調節によってＬＥＤ２３１からハーフミラー２１５方向を照射し、ハーフミラー２１５を介した反射によって被写体Ｏを照明できるように長孔２４３、２４３の長さ、位置、あるいは支持部材２５０のアーム２４４、２４４の長さを決定しておく。

このようにして、被写体Ｏに対する暗視野照明の角度を、ＬＥＤ２３１から直接、被写体Ｏを照明する第１の照明角度ａと、ハーフミラー２１５を介した反射によって被写体Ｏを照明する第２の照明角度ｂのいずれかにそれぞれ選択できる。また、支持部材２５０のアーム２４４、２４４の角度、およびアーム２４４、２４４の長孔２４３、２４３に対する固着位置を微調整することにより、第１の照明角度ａと第２の照明角度ｂはそれぞれ微調整が可能である。たとえば、第１の照明角度ａの場合は、符号ｐ〜ｑのように撮影光軸からおよそ６０度〜７０度の照明角度範囲を選択することができ、第２の照明角度ｂの場合は、符号ｒ〜ｓのように撮影光軸からおよそ１４度〜１６度の照明角度範囲を選択することができる。

ここで、ハーフミラー２１５を利用せずに直接、このような角度範囲で暗視野照明をしようとすると構成に無理が生じることが判る。たとえば、図１の構成のままｂのような照射角度範囲を得ようとすると、図１のハーフミラー２１５の下部に符号Ａで示した位置にＬＥＤ２３１を配置しなければならなくなるが、これでは撮像光学系にケラレが生じるため、実際にはＬＥＤ２３１そのものが撮像光学系に入らないようにするより離れた撮像光学系に配置する必要が生じ、これにより構成が大型化する可能性があり、好ましくない。

さらに、ハーフミラー２１５を介した反射によって被写体Ｏを照明する第２の照明角度ｂの場合は、支軸２１５ａを介してハーフミラー２１５を微少な角度で揺動させ、固定することによって、ＬＥＤ２３１とは異なる、位置が固定されたＬＥＤ２２１の低角度暗視野照明光源２２１ｂ、２２１ｃに関しても多様な角度範囲内で照明角度を調整することもでき、上記よりもさらに大きな角度範囲内で照明角度を選択することもできる。

これにより、たとえば、撮像素子２１１を介して読み取った被写体Ｏの画像の視認性が良くなかったり、ＯＣＲ処理などの認識効率などに問題があった場合には、ナット２４２、２４２〜ビス２４１、２４１を緩めて第１の照明角度ａ、または第２の照明角度ｂを選択したり、またそれぞれの角度を微調整することによって、より適切な画像読み取り結果を得ることができる。

本実施例によれば、上記のように、明視野ないし低角度の暗視野照明用として配置されたハーフミラー２１５の反射を利用することにより、一つの照明光源で、まったく異なる２つの角度可変範囲を持つ照明を実現することができる。また、本実施例では、ＬＥＤ２３１を塔載した基板２３１ａをある程度の長さを有するアーム２４４、２４４を有するブランコ型の支持部材２５０により支持し、さらにその支持部材２５０の固着角度および固着位置を長孔２４３、２４３によって微調整できるようにしているため、入射角度の可変範囲を、できるだけ少ない可動範囲で実現することができ、ハウジング２０３の部分をいたずらに大型化することがない。

以上のように、本実施例では、少なくとも一つの照明光源の取付角度および位置を可動させることにより、ある範囲で照明入射角度を連続的に変化させることが可能となる。その時の入射角度範囲は照明光源の可動範囲と対象物体との位置関係で決まってしまうが、さらにハーフミラー２１５（あるいは場合によってはミラー：たとえばハーフミラー２１５のかわりにリング状のミラーを配置する場合など）の反射を利用することにより、あるいはさらにハーフミラー２１５の揺動位置を調節することにより、各々１つの照明光源及びその可動範囲で、異なる２つ以上の多様な入射角度範囲を実現することができ、好ましい画質の撮影画像を得るチャンスを大きく広げることができる、という優れた効果がある。

本発明を採用した光学読み取り装置の構成を示した模式図である。 図１の光学読み取り装置のＬＥＤの支持部材の構成を示した斜視図である。 図１の光学読み取り装置の要部の構成を示した斜視図である。

符号の説明

Ｏ 被写体
２００ 光学読み取り装置
２０３ ハウジング
２１１ 撮像素子
２１２ 後群レンズ
２１３ 前群レンズ
２１４ 全反射ミラー
２１５ ハーフミラー
２２１ ＬＥＤ
２２２ コンデンサレンズ
２３１ ＬＥＤ
２４１ａ、２４１ａ 透孔
２４２、２４２ ナット
２４３、２４３ 長孔
２４４、２４４ アーム
２４５ 支持部
２５０ 支持部材

Claims (2)

1. 被写体の画像を読み取る撮影光学系および撮像素子を有する光学読み取り装置において、
   前記撮影光学系の光軸に不一致な照明角度で前記被写体を照明する暗視野照明光源と、
   前記暗視野照明光源の照明光を前記被写体方向に反射させる反射手段と、
   前記暗視野照明光源の照明光により直接被写体を照明する第１の照明角度、または、前記暗視野照明光源の照明光の前記反射手段を介した反射によって前記被写体を照明する第２の照明角度のいずれかを得られるように前記暗視野照明光源の角度および位置を調節する調節手段を有し、
   前記反射手段が、前記撮影光学系の近傍に配置された、前記暗視野照明光源とは異なる明視野照明光源および低角度暗視野照明光源を用いた照明光学系に含まれ、
   前記低角度暗視野照明光源が光軸との入射角度が１°乃至３°の第１低角度暗視野照明光源と、光軸との入射角度が３°乃至５°の第２低角度暗視野照明光源からなることを特徴とする光学読み取り装置。
2. 請求項１に記載の光学読み取り装置において、前記反射手段の反射角度を調節する手段を有することを特徴とする光学読み取り装置。