JP2011134687A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光量の分布が均一化された照明光を確実に照射する。
【解決手段】コレクタレンズ１４は、光源１３からの照明光が平行な光束となるように屈折する。フライアイレンズ１８は、平行な光束とされた照明光の光軸に略直交する平面に沿って配列される複数のレンズ素子２３により、複数の光源像を形成する。コンデンサレンズ２０は、複数の光源像からの光束を平行光束にし、複数の光源像からの光束を、被検物の被照射面に重畳させる。そして、制御部３２は、被検物に向かう光学系から分離された測定光学系における測定結果に応じて、駆動部３３を制御して、コンデンサレンズ２０を構成するアフォーカル光学系２０ｂを移動させる。本発明は、例えば、撮像素子を検査する検査装置の照明装置に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関し、特に、光量の分布が均一化された照明光を確実に照射することができるようにした照明装置に関する。

従来、光量の分布が均一となるように照明光を照射可能な照明装置があり、例えば、撮像素子などの受光素子の検査に用いられている。このような照明装置では、照明光の光量の分布が均一となる面（以下、適宜、均一な光照射面と称する）に撮像素子の受光面が配置され、受光面の各画素から出力される電気信号が均一になっているかが測定される。

また、例えば、可視光での撮像と赤外光での撮像とを行うことができる撮像素子の検査においては、撮像素子の受光面における照明の均一性を保ちつつ、複数の光学フィルタを選択的に使用することで、可視光の照明光と赤外光の照明光とが選択的に撮像素子の受光面に均一に照射される。ところで、照明光の波長域が変更されると、レンズの軸上色収差によって、均一な光照射面の位置が光軸方向に移動することがある。

このため、照明光の波長域の切り替え可能な照明装置では、照明光の波長域の変更に伴って、均一な光照射面の移動を極力抑制することができるように、レンズの色収差の改善（いわゆる、色消し）が行われる。ところが、硝材の制約などにより、可視光領域を超えて広帯域に渡って色収差の改善を行うことは困難であることが多く、従来の照明装置では、可視光領域でのみ色収差の改善が行われていた。

これにより、例えば、可視光で撮像を行い、かつ、赤外光または紫外光で撮像を行う撮像素子の検査を行う場合、可視光を照射するときに、均一な光照射面に撮像素子の受光面を配置すると、赤外光または紫外光を照射するときには均一な光照射面が移動するため、光分布が不均一な照明光が撮像素子の受光面に照射されることになる。このように、不均一な照明光が照射されると、撮像素子の検査の正確性が低下することになる。

例えば、特許文献１には、照明光学系に設けられた視野絞りの像が、異なる波長の照明光に対して、物体面上に常に結像するように構成されている顕微鏡用落射照明装置が開示されている。

特開平１０−２６８２０４号公報

上述したように、照明光の波長域の切り替えに伴って、均一な光照射面が光軸方向に移動することにより、光量の分布が不均一な照明光が被検物に照射されることがあった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光量の分布が均一化された照明光を確実に照射することができるようにするものである。

本発明の照明装置は、前記照明光を発生する光源と、前記光源からの前記照明光が平行な光束となるように屈折する第１のレンズと、前記第１のレンズにより平行な光束とされた前記照明光の光軸に略直交する平面に沿って配列される複数のレンズ素子により、複数の光源像を形成するフライアイレンズと、前記フライアイレンズにおいて形成された前記複数の光源像からの光束を平行光束にし、前記複数の光源像からの光束を、前記被検物の被照射面に重畳させる第２のレンズと、前記被検物に向かう光学系から分離された測定光学系における測定結果に応じて、前記第２のレンズを構成する少なくとも一部の光学系と前記被照射面との相対的な距離を調整する調整手段とを備えることを特徴とする。

本発明の照明装置においては、被検物に向かう光学系から分離された測定光学系における測定結果に応じて、第２のレンズを構成する少なくとも一部の光学系と被照射面との相対的な距離が調整される。これにより、被検物の被照射面に、照明光の光量の分布が均一になる面を確実に一致させることができる。

また、第２のレンズは、調整手段により位置が調整される第１の光学系と、第１の光学系よりも被照射面側に配置された第２の光学系で構成されており、第１の光学系と第２の光学系との間に配置され、被検物に向かう光束の一部を分割して測定光学系に導入する分割手段をさらに備えることができる。これにより、第１のレンズと被検物との間に広い空間を設けることができるとともに、測定光学系についての設計の自由度を向上させることができる。

本発明の照明装置によれば、光量の分布が均一化された照明光を確実に照射することができる。

本発明を適用した照明装置の第１の実施の形態の構成例を示す図である。 ターレットの平面図である。 フライアイレンズの一部を拡大した平面図である。 アフォーカル光学系の位置と光照射面の照度分布との関係を説明する図である。 光照射面の前後での照度分布を説明する図である。 照明が赤外光であるときに照明光の光量の分布が均一になる位置を説明する図である。 照明が紫外光であるときに照明光の光量の分布が均一になる位置する図である。 照明が可視光であるときの、光量センサへの照明光の状態を示す図である。 照明が紫外光であるときの、光量センサへの照明光の状態を示す図である。 照明が赤外光であるときの、光量センサへの照明光の状態を示す図である。 本発明を適用した照明装置の第２の実施の形態の構成例を示す図である。 本発明を適用した照明装置の第３の実施の形態の構成例を示す図である。 本発明を適用した照明装置の第４の実施の形態の構成例を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した照明装置の第１の実施の形態の構成例を示す図である。

照明装置１１は、光照射面１２における照明の均一性（例えば、照明ムラが２％以下となる程度の均一性）を保ちつつ、複数の波長域の照明光を選択的に光照射面１２（被検物の被照射面）に照射することができる。例えば、照明装置１１は、画像を撮像する撮像素子などの受光素子を被検物とした検査装置などに使用され、撮像素子の受光面（図示せず）が配置される光照射面１２に光量の分布が均一となるように調整された照明光を照射して、撮像素子からの電気出力が均一であるかが測定される。

光源１３は、例えば、発光部分となるフィラメント１３ａを有したハロゲンランプであり、光照射面１２に照射する照明光を発生する。

光源１３から光照射面１２に垂直に向かう光軸Ｌ１上には、光源１３から順に、コレクタレンズ１４、リレーレンズ１５、フィルタ１６、リレーレンズ１７、フライアイレンズ１８、およびコンデンサレンズ２０が配置されており、複数のレンズで構成されるコンデンサレンズ２０の間にハーフミラー１９が配置されている。また、ハーフミラー１９により分岐された光路には、光照射面１２で光量の分布が均一となるように照明光を調整するための測定を行う測定光学系が配設されており、この測定光学系は、レンズ２４、絞り２５、およびレンズ２６により構成されている。そして、測定光学系において形成されるフライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとの共役面には、光量センサ２９および３１が配置されている。

コレクタレンズ１４は、その焦点位置に光源１３が配置されるように設置されており、光源１３からの照明光が平行な光束となるように屈折して、ほぼ平行な光束となった照明光をリレーレンズ１５に入射させる。

リレーレンズ１５および１７は、一方の焦点距離が無限大の光学系であるアフォーカル光学系を構成しており、リレーレンズ１５に入射した照明光は、リレーレンズ１５と１７との中間の焦点に集光された後、リレーレンズ１７により平行な光束となる。また、リレーレンズ１５と１７との間では、光源１３のフィラメント１３ａの各点からの主光線（図１の光軸Ｌ１に沿った２点鎖線で表される光線）は平行となる。

リレーレンズ１５と１７との間にはフィルタ１６が設置されており、フィルタ１６は、リレーレンズ１５を介して入射する照明光をフィルタリングし、所定の波長域の照明光だけを通過させる。また、フィルタ１６は、光軸Ｌ１と平行な回転軸を中心に回転駆動可能なターレット２１に装着されており、ターレット２１には、複数のフィルタが装着されている。

即ち、図２に示すように、ターレット２１には、４つのフィルタ１６ａ乃至１６ｄが装着されており、フィルタ１６ａ乃至１６ｄは、それぞれ異なる波長域の光を通過させることができる。図１に示すように、ターレット２１の中心には、モータなどの駆動部２２が接続されており、駆動部２２がターレット２１を回転駆動させることにより、光軸Ｌ１上に配置されるフィルタ１６が切り替えられ、光照射面１２に照射される照明光の波長域が選択される。

フライアイレンズ１８は、複数のレンズ素子２３を備えて構成され、リレーレンズ１７の焦点位置となる位置に、フライアイレンズ１８の光入射面１８ａが配置されるように設置される。

例えば、フライアイレンズ１８は、矩形の複数個のレンズ素子２３が格子状に配列されて構成されており、図３に示されているフライアイレンズ１８の一部を拡大した平面図では、複数個のレンズ素子２３の一部（９個）のレンズ素子２３ａ乃至２３ｉが格子状に配列されている。なお、フライアイレンズ１８は、図３に示されている構成に限られるものではなく、例えば、複数の六角形のレンズ素子がハニカム状に配列されて構成されていてもよい。

フライアイレンズ１８には、リレーレンズ１７により平行な光束となった照明光が入射し、フライアイレンズ１８が有する複数のレンズ素子２３のそれぞれにより照明光が集光される。これにより、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂには、レンズ素子２３の個数に応じた複数のフィラメント像（光源１３のフィラメント１３ａの像）が、レンズ素子２３の配列に従った二次元配列となって結像される。

コンデンサレンズ２０は、複数のフィラメント像からの各光束を平行にする。従って、コンデンサレンズ２０の焦点位置が、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとなる位置に配置され、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂに結像された複数のフィラメント像からの光束を光照射面１２で重畳させて、光照射面１２をテレセントリック照明する。このように、複数のフィラメント像が光照射面１２で重畳されることで、光照射面１２において光量分布が均一化された光像が形成される。

ここで、コンデンサレンズ２０は、正の屈折力を有する集光光学系２０ａと、屈折力を有しないアフォーカル光学系２０ｂとで構成されている。また、アフォーカル光学系２０ｂは、負の屈折力を有する凹レンズ２０ｂ−１と、正の屈折力を有する凸レンズ２０ｂ−２とで構成され、凹レンズ２０ｂ−１と凸レンズ２０ｂ−２との間隔は固定されている。そして、アフォーカル光学系２０ｂは、集光光学系２０ａに対して相対位置が可変であり、アフォーカル光学系２０ｂの位置を調整することで、光照射面１２における照度分布が調整される。

つまり、アフォーカル光学系２０ｂを光軸方向に移動させて集光光学系２０ａとの間隔を変化させると、コンデンサレンズ２０のディストーション（歪曲収差）が変化し、光照射面１２における照度分布が変化する。

図４を参照して、アフォーカル光学系２０ｂの位置と光照射面１２の照度分布との関係について説明する。

コンデンサレンズ２０は、照明光が可視光である場合、アフォーカル光学系２０ｂが位置Ｂに配置されているとき、コンデンサレンズ２０の焦点面である光照射面１２において照明光の光量の分布が均一（ディストーション＝０）になるように設計されている。即ち、アフォーカル光学系２０ｂが位置Ｂに配置されているとき、フライアイレンズ１８の矩形と光照射面１２とが完全に相似となり、光照射面１２での光量が均一になる。このように光照射面１２において照明光（可視光）の光量の分布が均一になるようなアフォーカル光学系２０ｂの位置Ｂを、以下、適宜、アフォーカル光学系２０ｂの基準位置と称する。

ここで、アフォーカル光学系２０ｂを位置Ｂから移動させてディストーションを変化させる。なお、ここでのディストーションとは、フライアイレンズ１８の入射面と、光照射面１２との共役関係間でのディストーションを指す。

例えば、アフォーカル光学系２０ｂを位置Ｂよりも集光光学系２０ａ側の位置Ａの方向に移動させた場合、光照射面１２での像高は、アフォーカル光学系２０ｂが位置Ｂで合ったときの像高よりも高くなり（ディストーション＞０）、フライアイレンズ１８の矩形面と光照射面１２は相似とは成らない。このとき、図４の左下側に示すように、光照射面１２の周辺部の光量の強度が減少し、上に凸となる照度分布になる。

一方、アフォーカル光学系２０ｂを位置Ｂよりもフライアイレンズ１８側の位置Ｃの方向に移動させた場合、光照射面１２での像高は、アフォーカル光学系２０ｂが位置Ｂであったときの像高よりも低くなり（ディストーション＜０）、フライアイレンズ１８の矩形面と光照射面１２は相似とは成らない。このとき、図４の右下側に示すように光照射面１２の周辺部の光量の強度が増加し、下に凸となる照度分布になる。

このように、アフォーカル光学系２０ｂの位置を光軸方向に移動させることで、光照射面１２での照明光の照度分布が変化する。また、アフォーカル光学系２０ｂが位置Ｂに配置されているときにおいて、可視光の焦点面である光照射面１２では照明光の光量の分布は均一であるが、焦点面の近傍では照明光の光量の分布は不均一になる。

図５を参照して、可視光線の焦点面である光照射面１２の前後での照度分布について説明する。

アフォーカル光学系２０ｂが位置Ｂに配置されているときの可視光線の焦点面である光照射面１２の位置を位置ｂとする。そして、位置ｂよりも集光光学系２０ａ側の位置ａでの照度分布は、図５の左下側に示すように、光照射面１２の周辺部の光量の強度が減少し、上に凸となる。一方、位置ｂよりも集光光学系２０ａに対して反対側の位置ｃでの照度分布は、図５の右下側に示すように、光照射面１２の周辺部の光量の強度が増加し、下に凸となる。

このように、照明光が可視光線であるときのコンデンサレンズ２０の焦点面（位置ｂ）の前後の位置ａおよび位置ｃ（デフォーカスされた位置）では、光量の分布は不均一になる。なお、光照射面１２において照明光が照射される領域の一部を有効照射面として使用している場合には、デフォーカスさせることによって周辺部の光量の強度が上下するが、光照射面１２において照明光が照射される領域の全体を有効照射面とした場合には、周辺部の光量の強度は低下するだけである。また、周辺部の光量の強度が上下のどちらに振れるかは光学系の設計によって異なるものとなる。

そして、照明光の波長域が切り替えられると、コンデンサレンズ２０の軸上色収差により焦点面が光照射面１２から移動するとともに、光照射面１２での照明光の光量の分布が不均一になるが、アフォーカル光学系２０ｂの位置を調整して、光照射面１２で照明光の光量の分布を均一にすることができる。

図６を参照して、照明光が可視光から赤外光に切り替えられたときに、照明光の光量の分布が均一になる位置について説明する。

例えば、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂが基準位置（図４の位置Ｂ）にあるときに、照明光が赤外光（可視光よりも波長が長い光）に切り替えられると、赤外光でのコンデンサレンズ２０の焦点面は、可視光での焦点面の位置ｂよりも後側、即ち、光照射面１２よりも後側である位置ｅに移動する。ここで、例えば、赤外線でのディストーションが負となるようにコンデンサレンズ２０が設計されている場合には、赤外光の焦点面（位置ｅ）での照明光の強度は、図６の右下側に示すように、中央部より周辺部において大きくなる。また、光照射面１２（可視光での焦点面）では、図６の左下側に示すように、照明光の強度は、中央部より周辺部において小さくなる。

従って、照明光の強度が中央部より周辺部において小さくなる位置ｂと、照明光の強度が中央部より周辺部において大きくなる位置ｅとの間に、照明光の強度のバランスが釣り合う位置が存在する。即ち、位置ｂと位置ｅとの間の位置ｄでは照明光の光量の分布が均一になる。

このとき、アフォーカル光学系２０ｂを基準位置の位置Ｂよりもフライアイレンズ１８側の位置Ｃに移動させると、図４を参照して説明したようにディストーションが変化するのに伴い、照明光の光量の分布が均一になる位置ｄが光照射面１２側に移動する。このように、アフォーカル光学系２０ｂの位置を調整することで、光照射面１２において照明光の光量の分布が均一になるように調整することができる。

次に、図７を参照して、照明光が可視光から紫外光に切り替えられたときに、照明光の光量の分布が均一になる位置について説明する。

例えば、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂが基準位置（図４の位置Ｂ）にあるときに、照明光が紫外光（可視光よりも波長が短い光）に切り替えられると、紫外光でのコンデンサレンズ２０の焦点面は、可視光での焦点面の位置ｂよりも前側、即ち、光照射面１２よりも前側である位置ｆに移動する。ここで、例えば、紫外光でのディストーションが正となるようにコンデンサレンズ２０が設計されている場合には、紫外光の焦点面（位置ｆ）での照明光の強度は、図７の左下側に示すように、中央部より周辺部において小さくなる。また、光照射面１２（可視光での焦点面）では、図７の右下側に示すように、中央部より周辺部において大きくなる。

従って、照明光の強度が中央部より周辺部において大きくなる位置ｂと、照明光の強度が中央部より周辺部において小さくなる位置ｆとの間に、照明光の強度のバランスが釣り合う位置が存在する。即ち、位置ｂと位置ｆとの間の位置ｇでは照明光の光量の分布が均一になる。

このとき、アフォーカル光学系２０ｂを基準位置の位置Ｂよりも光照射面１２側の位置Ａに移動させると、図４を参照して説明したようにディストーションが変化するのに伴い、照明光の光量の分布が均一になる位置ｇが光照射面１２側に移動する。このように、アフォーカル光学系２０ｂの位置を調整することで、光照射面１２において照明光の光量の分布が均一になるように調整することができる。

このように、照明光の波長域を切り替えても、アフォーカル光学系２０ｂを適切な移動量で移動させることで、どの波長域の照明光でも、光照射面１２における照明光の分布を一定の状態にすることができる。

そして、均一な光照射面の位置が光照射面１２に合致するように、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを適切な移動量で移動させるために、照明装置１１では、測定光学系において、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとの共役面での照明光の光量が測定される。そして、その光量の変化に基づいて、均一な光照射面の移動（即ち、照明光の波長域の変化）を検知し、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動させる。

照明装置１１では、測定光学系に照明光を導入するために、コンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａとアフォーカル光学系２０ｂとの間に、ハーフミラー１９が配置されている。ハーフミラー１９は、光軸Ｌ１に沿って透過する照明光と、光軸Ｌ１に対して略直交する光軸Ｌ２に沿って反射する照明光とに照明光の光路を分岐する。

測定光学系に導入された照明光は、レンズ２４により平行な光束とされた後、レンズ２６により集光される。また、レンズ２４とレンズ２６との間であって、光照射面１２と共役な位置に絞り２５が配置されており、絞り２５は、レンズ２４により平行な光束とされた照明光の光軸を含む線を境として片側半分（図１の光軸Ｌ２より下側）の照明光を通過させる。

従って、レンズ２６は、絞り２５を通過した片側半分の照明光（光軸Ｌ２方向から見て半円形状の照明光）を集光し、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂと共役な共役面を形成する。そして、照明光が可視光であって、アフォーカル光学系２０ｂが基準位置に配置されているときにフライアイレンズ１８の光射出面１８ｂと共役となる位置に、光量センサ２９および３１が配置されている。

光量センサ２９および３１は、フライアイレンズ１８を構成する複数のレンズ素子の１つに対応する大きさの２分割センサであり、それぞれの受光部に照射される照明光の光量を示す電気信号を出力する。また、光軸Ｌ２を含む線を境として、光量センサ２９は絞り２５と同じ側（照明光が絞り２５により遮られる側）に配置され、光量センサ３１は絞り２５と反対側（照明光が絞り２５を通過する側）に配置される。

ここで、光量センサ２９および３１の受光部の面積は同一であるとする。従って、照明光が可視光であって、アフォーカル光学系２０ｂが基準位置に配置されているとき、光量センサ２９および３１は同一の光量の照明光を受光し、光量センサ２９および３１の出力の差分は０となる。

図８には、照明光が可視光であるときに、光量センサ２９および３１に照射される照明光の状態が示されている。

上述したように、光量センサ２９および３１は、照明光が可視光であってアフォーカル光学系２０ｂが基準位置に配置されているときにフライアイレンズ１８の光射出面１８ｂと共役となる位置に配置されている。従って、照明光が可視光であってアフォーカル光学系２０ｂが基準位置に配置されているとき、光射出面１８ｂで結像される光源１３のフィラメント１３ａの像が、レンズ２４および２６により集光されて光量センサ２９および３１の受光面で結像されると、光量センサ２９および３１が受光する照明光の光量は等しくなる。即ち、光量センサ２９および３１の受光面上でフィラメント像が結像し、照明光の重心は、光量センサ２９および３１の境界上にある。

光量センサ２９および３１から出力される電気信号は制御部３２に供給され、制御部３２は、それらの出力の変化に基づいて均一な光照射面が光照射面１２から移動したことを検知し、光量センサ２９および３１からの出力の差分に従って駆動部３３を制御して、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを光軸Ｌ１に沿って移動させる。例えば、制御部３２が、コンデンサレンズ２０が基準位置となるように駆動部３３を制御したとき、光量センサ２９および３１の出力の差分が０であれば、光照射面１２において照明光が均一に照射されている。

そして、例えば、照明光が赤外光に切り替えられた場合、図９に示すように、測定光学系では、レンズ２４からレンズ２６に向かって照明光が若干広がるようになり、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとの共役面は光量センサ２９および３１の位置よりも後側（図９の右側）に移動する。即ち、光量センサ２９および３１の位置よりも後側で、フィラメント像が結像するため、光量センサ２９および３１の受光面ではフィラメント像がボケてしまう。

これにより、図９において、光量センサ２９の受光面上のフィラメント像が、光量センサ３１の受光面上のフィラメント像よりも薄い線（点線）で示されているように、光量センサ２９の照明光の受光量が低下するとともに、光量センサ３１の照明光の受光量が増加する。つまり、光量センサ２９および３１に照射される照明光の重心が、光量センサ３１側に移動する。

従って、制御部３２は、光量センサ２９および３１の出力の差分に応じて駆動部３３を制御し、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを光軸方向に移動（例えば、図１の下側に移動）させ、これにより、均一な光照射面の位置が光照射面１２に合致する。即ち、図６を参照して説明したように、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂが基準位置にあるときに、照明光が赤外光に切り替えられると、均一な光照射面の位置は光照射面１２よりも後側（図６の右側）に移動する。このとき、その移動量に応じて、光量センサ２９および３１の出力が変化するので、その差分値に応じた移動量で制御部３２が駆動部３３を制御し、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動させることで、均一な光照射面の位置を光照射面１２に合致させることができる。

一方、例えば、照明光が紫外光に切り替えられた場合、図１０に示すように、測定光学系では、レンズ２４からレンズ２６に向かって照明光が若干狭まるようになり、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとの共役面は光量センサ２９および３１の位置よりも前側（図１０の左側）に移動する。即ち、光量センサ２９および３１の位置よりも前側で、フィラメント像が結像するため、光量センサ２９および３１の受光面ではフィラメント像がボケてしまう。

これにより、図１０において、光量センサ３１の受光面上のフィラメント像が、光量センサ２９の受光面上のフィラメント像よりも薄い線（点線）で示されているように、光量センサ３１の照明光の受光量が低下するとともに、光量センサ２９の照明光の受光量が増加する。つまり、光量センサ２９および３１に照射される照明光の重心が、光量センサ２９側に移動する。

従って、制御部３２は、光量センサ２９および３１の出力の差分に応じた移動量で駆動部３３を制御し、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを光軸方向に移動（例えば、図１の上側に移動）させ、これにより、均一な光照射面の位置が光照射面１２に合致する。

また、制御部３２には、光量センサ２９および３１の出力の差分、およびコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置の組み合わせと、照明光の波長域との対応関係が予め実測または計算により求められたデータが記憶されている。制御部３２は、その対応関係を参照して、現在のアフォーカル光学系２０ｂの位置における光量センサ２９および３１の出力の差分から、照明光の波長域を特定し、その波長域の照明光が光照射面１２において均一に照射される位置にアフォーカル光学系２０ｂを移動するように駆動部３３を制御する。

なお、どの波長域の照明光であっても、光量センサ２９および３１の出力の差分が０となるアフォーカル光学系２０ｂの位置で、光照射面１２において照明光が均一となるように光学系が構成されているときには、制御部３２は、光量センサ２９および３１の出力の差分が０となるように、アフォーカル光学系２０ｂの位置を制御する。

以上のように、照明装置１１では、測定光学系において、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとの共役面における照明光の光量を光量センサ２９および３１により検出し、光量センサ２９および３１の出力の差分に応じた移動量でコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを光軸Ｌ１に沿って移動させるので、照明光の波長域が切り替えられても、光照射面１２に均一な光照射面の位置を常に合致させることができる。これにより、照明装置１１は、光照射面１２に配置される撮像素子の受光面に、光量の分布が均一な照明光を照射することができ、撮像素子の検査を正確に行うことができる。

特に、照明装置１１は、可視光、および、赤外光または紫外光に照射光の波長域を切り替えても、照射光の光量の分布を光照射面１２で常に均一にすることができるので、可視光で撮像を行い、かつ、赤外光または紫外光で撮像を行う撮像素子、具体的には、セキュリティの分野で使用される撮像素子の検査に用いて好適である。

なお、図１の照明装置１１では、均一な光照射面の位置の移動に応じてコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを調整することで、光照射面１２に均一な光照射面の位置を合致させる構成となっているが、例えば、均一な光照射面の位置の移動に応じて照明装置１１自体と被検物との相対的な距離（即ち、集光光学系２０ａと光照射面１２との相対的な距離）を調整して、光照射面１２に均一な光照射面の位置を合致させる構成としてもよい。

また、コンデンサレンズ２０を構成するアフォーカル光学系２０ｂを移動させる構成ではなく、コンデンサレンズ２０自体を移動させて光照射面１２に均一な光照射面の位置を合致させる構成とすることができる。なお、コンデンサレンズ２０を構成するアフォーカル光学系２０ｂを移動させる機構としては、従来の照明装置が備えるコンデンサレンズの焦点距離を微調整する機構を利用してもよい。

また、照明装置１１では、絞り２５を使用し、絞り２５を通過した片側半分の照明光が光量センサ２９および３１に入射するので、均一な光照射面の位置の移動を容易に検出することができる。また、照明装置１１では、光量センサ２９および３１のような２分割センサを使用することにより、照明光の光量を有効に活用することができる。

なお、照明装置１１において、光量センサ２９および３１に替えて、CCDなどのように照明光の分布を２次元的に測定できる測定手段を使用することができる。この場合、フライアイレンズ１８の光射出面１８ｂとの共役面における照明光の重心位置を求めることができ、その重心位置の移動に基づいて、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動させ、均一な光照射面の位置を光照射面１２に合致させることができる。

次に、図１１は、本発明を適用した照明装置の第２の実施の形態の構成例を示す図である。

図１１に示されている照明装置５１において、図１の照明装置１１と共通する構成要素については、同一の符号を付してあり、以下その説明は適宜省略する。

即ち、照明装置５１は、光照射面１２、光源１３、コレクタレンズ１４、リレーレンズ１５、フィルタ１６、リレーレンズ１７、フライアイレンズ１８、ハーフミラー１９、コンデンサレンズ２０、ターレット２１、駆動部２２、制御部３２、および駆動部３３を備える点で、図１の照明装置１１と共通する。但し、照明装置５１では、測定光学系としてリレーレンズ５２を具備している。また、光量センサ５３乃至５６を備える点で、図１の照明装置１１と異なっている。

リレーレンズ５２には、ハーフミラー１９により分岐された照明光が入射し、コンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａを通過した照明光の光量の分布が均一になる面（均一な光照射面）と共役な共役面を形成する。このリレーレンズ５２はコンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａとほぼ同一特性を有するレンズである。

光量センサ５３乃至５６は、測定光学系における光照射面１２と共役な位置の近傍に配置され、照明光の光量の分布を検出する。

即ち、光軸Ｌ２に沿ってリレーレンズ５２から見て光照射面１２と共役な位置よりも、光量センサ５３および５４は前側（図１１の左側）に所定の一定距離となる位置に配置され、光量センサ５５および５６は後側（図１１の右側）に所定の一定距離となる位置に配置される。また、光量センサ５３および５５は、照射領域の中央付近に配置され、光量センサ５４および５６は、照射領域の周辺部に配置される。

そして、光量センサ５３乃至５６からの出力が制御部３２に供給され、制御部３２は、それらの出力に従って、駆動部３３を制御してコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを光軸Ｌ１に沿って移動させる。

ここで、光照射面１２と共役な位置よりも前側で照射領域の中央付近に配置されている光量センサ５３からの出力をPfcとし、光照射面１２と共役な位置よりも前側で照射領域の周辺部に配置されている光量センサ５４からの出力をPfpとし、光照射面１２と共役な位置よりも後側で照射領域の中央付近に配置されている光量センサ５５からの出力をPbcとし、光照射面１２と共役な位置よりも後側で照射領域の周辺部に配置されている光量センサ５６からの出力をPbpとする。

例えば、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂが基準位置にあって、照明光が可視光であるとき、光照射面１２と共役な位置に、リレーレンズ５２により形成される均一な光照射面との共役面が一致するので、その位置で照明光の光量の分布が均一になり、このとき、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分と、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分は等しくなる（即ち、Pfc−Pfp＝Pbp−Pbc）。ここで、符号が逆転するのは、光照射面１２と共役な位置で照明光の光量の分布が均一となった時に、その前後位置では光量の分布が、光照射面１２と共役な位置を境として対称な凹形および凸形となるためである（図５参照）。

そして、例えば、照明光が紫外光に切り替えられた場合、上述したように均一な光照射面の位置が光照射面１２よりも前側（図１１の下側）に移動するとともに、測定光学系における均一な光照射面は、光照射面１２と共役な位置よりも前側（図１１の左側）に移動する。これにより、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分が、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分より小さくなる（即ち、Pfc−Pfp＜Pbp−Pbc）。

従って、この場合、制御部３２は、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分と、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分が等しくなるように、それらの差分の変化量に応じて、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動（例えば、図１１の上側に移動）させる。このように、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分と、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分が等しくなるように、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動させることで、光照射面１２に均一な光照射面の位置を合致させることができる。

一方、例えば、照明光が赤外光に切り替えられた場合、上述したように均一な光照射面の位置が光照射面１２よりも後側（図１１の上側）に移動するとともに、照明光の光量の分布が均一になる面は、光照射面１２と共役な位置よりも後側（図１１の右側）に移動する。これにより、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分が、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分より大きくなる（即ち、Pfc−Pfp＞Pbp−Pbc）。

従って、この場合、制御部３２は、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分と、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分が等しくなるように、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動（例えば、図１１の下側に移動）させる。このように、光量センサ５３からの出力と光量センサ５４からの出力との差分と、光量センサ５５からの出力と光量センサ５６からの出力との差分が等しくなるように、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動させることで、光照射面１２に均一な光照射面の位置を合致させることができる。

以上のように、照明装置５１では、光照射面１２と共役な位置における照明光の光量の分布の一様性を、光量センサ５３乃至５６により検出し、光量センサ５３乃至５６の出力に応じてコンデンサレンズ２０を光軸Ｌ１に沿って移動させるので、照明光の波長域が切り替えられても、光照射面１２に均一な光照射面の位置を常に合致させることができる。

また、このような制御を行うことで、図１の照明装置１１において参照される対応関係などを使用することなく、コンデンサレンズ２０の位置を調整する制御を容易に行うことができる。

また、照明装置１１および５１では、コンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａとアフォーカル光学系２０ｂとの間にハーフミラー１９を配置して照明光の光路を分岐させているが、例えば、ハーフミラー１９に替えて、図示しない全反射ミラーを配置させてもよい。この場合、全反射ミラーにより光軸Ｌ２に沿って反射する照明光により均一な光照射面の位置の移動量を検出して、その移動量に従ってコンデンサレンズ２０の位置を調整した後に、全反射ミラーを抜いた状態で、即ち、フライアイレンズ１８を通過した照明光の全ての光量が光照射面１２に照射される状態で、被検物の検査を行うことができる。即ち、ハーフミラー１９を使用することによる照明光の光量の低下を回避することができる。

なお、照明装置１１および５１では、コンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａとアフォーカル光学系２０ｂとの間にハーフミラー１９が設置されているが、例えば、ハーフミラー１９は、コンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａと光照射面１２との間に設置してもよい。この場合、ハーフミラー１９により分岐された光束が、コンデンサレンズ２０によって共役面を形成することになるので、照明装置１１ではレンズ２４を備える必要がなく、照明装置５１ではリレーレンズ５２を備える必要がなくなり、照明装置１１の構成を簡易化することができる。

また、コンデンサレンズ２０の集光光学系２０ａとアフォーカル光学系２０ｂとの間にハーフミラー１９を配置した場合には、コンデンサレンズ２０と光照射面１２との間の空間が広くすることができるとともに、レンズ２４またはリレーレンズ５２以降の光学系の設置や、その光学系の設計の自由度を向上させることができる。

次に、図１２は、本発明を適用した照明装置の第３の実施の形態の構成例を示す図である。

図１２に示されている照明装置６１において、図１１の照明装置５１と共通する構成要素については、同一の符号を付してあり、以下その説明は適宜省略する。

即ち、照明装置６１は、光照射面１２、光源１３、コレクタレンズ１４、リレーレンズ１５、フィルタ１６、リレーレンズ１７、フライアイレンズ１８、ハーフミラー１９、コンデンサレンズ２０、ターレット２１、駆動部２２、制御部３２、駆動部３３、およびリレーレンズ５２を備える点で、図１１の照明装置５１と共通する。但し、照明装置６１では、光量センサ６２および６３を備える点で、図１１の照明装置５１と異なっている。

光量センサ６２および６３は、測定光学系における光照射面１２と共役な位置に配置され、照明光の光量の分布を検出する。光量センサ６２は、照射領域の中央付近に配置され、光量センサ６３は、照射領域の周辺部に配置される。そして、光量センサ６２および６３からの出力が制御部３２に供給され、制御部３２は、それらの出力に従って、駆動部３３を制御してコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを光軸Ｌ１に沿って移動させる。

照明装置６１では、光照射面１２において照明光の光量の分布が均一であれば、光量センサ６２および６３の出力の差分は０であり、照明光が赤外光または紫外光に切り替えられると、光量センサ６２および６３の出力の差分が変化する。そこで、制御部３２は、例えば、アフォーカル光学系２０ｂを光軸Ｌ１に沿ってどちらかの方向に微小量だけ動かして光量センサ６２および６３の出力の差分が小さくなる方向を求め、その方向にアフォーカル光学系２０ｂを移動させて、光量センサ６２および６３の出力の差分が０となるように調整する。これにより、光照射面１２に均一な光照射面の位置を合致させることができる。

次に、図１３は、本発明を適用した照明装置の第４の実施の形態の構成例を示す図である。

図１３に示されている照明装置７１において、図１の照明装置１１と共通する構成要素については、同一の符号を付してあり、以下その説明は適宜省略する。

即ち、照明装置７１は、光照射面１２、光源１３、コレクタレンズ１４、リレーレンズ１５、フィルタ１６、リレーレンズ１７、フライアイレンズ１８、ハーフミラー１９、コンデンサレンズ２０、ターレット２１、駆動部２２、制御部３２、および駆動部３３を備える点で、図１の照明装置１１と共通する。但し、照明装置７１では、制御部３２が、駆動部２２の制御に連動して駆動部３３を制御する点で、図１の照明装置１１と異なっている。

図１３の制御部３２には、ターレット２１に装着されている複数のフィルタ１６と、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置との対応関係が記憶されており、制御部３２は、その対応関係を参照して駆動部３３を制御する。即ち、照明装置７１では、ターレット２１に装着されている複数のフィルタ１６のそれぞれが光軸Ｌ１上に配置されたときに、それぞれのフィルタ１６が通過させる波長域の照射光による均一な光照射面の位置を光照射面１２に一致させるコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置が、予め実測または計算により求められ、フィルタ１６とコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置との対応関係が制御部３２に記憶されている。

例えば、作業者が、図示しない操作部を操作して被検物に照射する照明光の波長域を指令すると、制御部３２は、その指令に従って駆動部２２を駆動して、ターレット２１を回転させて所望のフィルタ１６を光軸Ｌ１上に配置させる。このとき、制御部３２は、フィルタ１６とコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置との対応関係を参照し、光軸Ｌ１上に配置させたフィルタ１６に応じた位置にコンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂを移動させる。これにより、光軸Ｌ１上に配置されているフィルタ１６が通過させる波長域の照射光の均一な光照射面の位置を光照射面１２に合致させることができる。

以上のように、照明装置７１では、制御部３２が、ターレット２１に装着されている複数のフィルタ１６と、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置との対応関係を把握しておくことで、光軸Ｌ１上に配置されているフィルタ１６に応じて、コンデンサレンズ２０のアフォーカル光学系２０ｂの位置を調整することができ、光照射面１２に均一な光照射面の位置を常に合致させることができる。

なお、本実施の形態においては、測定光学系における光量の分布の測定結果に応じてアフォーカル光学系２０ｂの位置が調整されているが、測定光学系において切り替えられた照明光の波長を検出することができれば、光量センサ以外の測定手段を用いることができる。例えば、測定光学系において、分光器などにより照明光の波長を測定してもよく、この場合、測定された波長ごとに設定されているアフォーカル光学系２０ｂの移動量に従って、アフォーカル光学系２０ｂの位置が調整される。

なお、本発明は、撮像装置を検査する検査装置で使用される照明装置に限られるものではなく、例えば、他の工業製品や生体試料などを観察する顕微鏡装置で使用される照明装置などに適用することができる。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１１ 照明装置， １２ 光照射面， １３ 光源， １４ コレクタレンズ， １５ リレーレンズ， １６ フィルタ， １７ リレーレンズ， １８ フライアイレンズ， １９ ハーフミラー， ２０ コンデンサレンズ， ２１ ターレット， ２２ 駆動部， ２３ レンズ素子， ２４ レンズ， ２５ 絞り， ２６ レンズ， ２９ 光量センサ， ３１ 光量センサ， ３２ 制御部， ３３ 駆動部， ５１ 照明装置， ５２ リレーレンズ， ５３乃至５６ 光量センサ， ６１ 照明装置， ６２および６３ 光量センサ， ７１ 照明装置

Claims (5)

1. 被検物の被照射面に照明光を照射する照明装置において、
   前記照明光を発生する光源と、
   前記光源からの前記照明光が平行な光束となるように屈折する第１のレンズと、
   前記第１のレンズにより平行な光束とされた前記照明光の光軸に略直交する平面に沿って配列される複数のレンズ素子により、複数の光源像を形成するフライアイレンズと、
   前記フライアイレンズにおいて形成された前記複数の光源像からの光束を平行光束にし、前記複数の光源像からの光束を、前記被検物の被照射面に重畳させる第２のレンズと、
   前記被検物に向かう光学系から分離された測定光学系における測定結果に応じて、前記第２のレンズを構成する少なくとも一部の光学系と前記被照射面との相対的な距離を調整する調整手段と
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記第２のレンズは、前記調整手段により位置が調整される第１の光学系と、前記第１の光学系よりも前記被照射面側に配置された第２の光学系で構成されており、
   前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に配置され、前記被検物に向かう光束の一部を分割して前記測定光学系に導入する分割手段
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記測定光学系は、
   一組のリレーレンズと、
   前記リレーレンズの間に形成される前記被照射面と共役な位置に配置され、前記照明光の片側半分の光束を通過させる絞りと、
   前記リレーレンズにより形成される前記フライアイレンズの光射出面と共役となる位置における光量の分布を前記測定結果として出力する測定手段と
   を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記測定光学系は、前記被照射面と共役な位置の前側における前記測定光学系の中央部および周辺部での光量と、前記被照射面と共役な位置の後側における前記測定光学系の中央部および周辺部での光量とを測定結果として出力する測定手段を有し、
   前記調整手段は、前記被照射面と共役な位置の前側における前記測定光学系の中央部および周辺部での光量の差と、前記被照射面と共役な位置の後側における前記測定光学系の中央部および周辺部での光量の差との変化量に応じて、前記第２のレンズを構成する少なくとも一部の光学系と前記被照射面との相対的な距離を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記測定光学系は、前記被照射面と共役な位置における前記測定光学系の中央部および周辺部での光量を測定結果として出力する測定手段を有し、
   前記調整手段は、前記被照射面と共役な位置における前記測定光学系の中央部および周辺部での光量が等しくなるように、前記第２のレンズを構成する少なくとも一部の光学系と前記被照射面との相対的な距離を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

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