JP2012234081A - Illumination device and optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学顕微鏡や光学測定器、画像検出装置等の光学装置に使用される照明装置に関し、特に、光源に発光ダイオード(LED)を使用した照明装置およびその照明装置を使用した光学装置に関する。 The present invention relates to an illuminating device used in an optical device such as an optical microscope, an optical measuring instrument, and an image detecting device, and more particularly to an illuminating device using a light emitting diode (LED) as a light source and an optical device using the illuminating device. .
被測定物や被測定部位を拡大して観測、測定などを行う光学顕微鏡、光学系を用いて被測定物の形状や寸法、欠陥等を検査、測定する光学測定機、カメラによる画像観測装置等の光学装置では、被測定物の画像などを鮮明に得る上で、被測定物に対する照明装置がきわめて重要である。 An optical microscope that performs observation and measurement by enlarging the object to be measured and the part to be measured, an optical measuring instrument that inspects and measures the shape, dimensions, defects, etc. of the object to be measured using an optical system, an image observation device using a camera, etc. In the optical apparatus, an illuminating device for the object to be measured is extremely important for obtaining a clear image of the object to be measured.
従来の照明装置としては、被測定物に対して観測方向または散乱光等の検出方向と同じ方向から照明光を被測定物に照射する方式や、観測方向、検出方向に対して斜めの方向から照明光を被測定物に照射する方式がある。後者の場合、被測定物の真上に配置された観測装置に対して、その周囲から照明光を照射するためのリング照明装置がよく用いられており、特許文献1、特許文献2、特許文献3にその具体例が示されている。このようなリング照明装置は、例えば、エッジ部や凸部、凹部を多く有する被測定物の測定において、そのエッジ部などの影を鮮明に検出したい場合に特に有効である。
Conventional illumination devices include a method of irradiating a measurement object with illumination light from the same direction as the observation direction or the detection direction of scattered light, etc., or a direction oblique to the observation direction and detection direction. There is a method of irradiating an object to be measured with illumination light. In the latter case, a ring illumination device for irradiating illumination light from the periphery of the observation device disposed directly above the object to be measured is often used.
近年、照明装置の光源として、従来からのハロゲンランプ等のランプ光源を使用した場合の形状、消費電力、発熱などの問題を解決する手段として、発光ダイオード(LED)が、小型形状、低消費電力、高速応答性、長寿命等の特長から注目され、様々な分野で利用され始めている。特許文献1、2および3のリング照明装置においても、LEDが使用されている。
In recent years, light-emitting diodes (LEDs) have a small shape and low power consumption as a means of solving problems such as shape, power consumption, and heat generation when a conventional lamp light source such as a halogen lamp is used as the light source of an illumination device. It has been attracting attention for its features such as high-speed response and long life, and has begun to be used in various fields. Also in the ring illumination devices of
例えば、特許文献1のリング照明装置においては、複数のLEDが同心円状に配列され、個々のLEDを、その発光方向が被測定物に向かうように方向を決めて取り付けるか、または、個々のLEDの発光方向を光軸と平行に向け、発光方向の前方にフレネルレンズを配置し、被測定物に集光する方法が示されている。さらに、複数のLEDは、各同心円の列と、円周方向の扇形の領域にグループ化することにより、複数のLEDをグループごとに点灯または消灯制御できるので、被測定物に対する配光を適切に調節することができるとしている。
For example, in the ring illumination device of
また、特許文献2では、個々のLEDの前方に集光レンズを有するレンズアレイを配置して、照明効率を向上させている。 Moreover, in patent document 2, the lens array which has a condensing lens is arrange | positioned ahead of each LED, and illumination efficiency is improved.
一方、光学顕微鏡や光学測定機、画像観測装置等の光学装置では、目的とする被測定物の検知感度をいかに高くするかが重要である。このため、上記のように、照明装置の照明角度や配光方法を選択するだけでは不十分である場合には、被測定物からの散乱光や反射光の偏光による違いを利用した検出が行われる。例えば、特許文献3においては、照明装置の出射側と、被測定物であるシリコンウェハからの散乱光や反射光が入射する受光装置の入射側に偏光素子を備え、照明装置の光源から発生する特定方向の偏光を遮断してシリコンウェハに照射し、反射光と散乱光の偏光特性の違いを利用して外観検査における検出感度を改善する方法が示されている。
On the other hand, in an optical apparatus such as an optical microscope, an optical measuring machine, or an image observation apparatus, it is important to increase the detection sensitivity of a target object to be measured. For this reason, as described above, when it is not sufficient to select the illumination angle and light distribution method of the illuminating device, detection is performed using the difference due to the polarization of the scattered light or reflected light from the object to be measured. Is called. For example, in
上記の特許文献3のように、照明装置に偏光素子を設置した場合、検出感度は被測定物の光入射面と照明光の入射角度に依存することとなる。例えば、一様な被測定面に対してブリュースター角でp偏光の照明光が入射した場合は、反射光は発生しない。入射面にキズや突起がある場合には、p偏光の照明光に対しても反射光が発生するので、p偏光の照明光が入射する場合に、一般的には最も検出感度が高くなる。そこで、被測定物の光入射面が一定でない場合、高い検出感度を得るためには、光入射面に合わせて照明光の偏光成分と照射方向を調整する必要が生ずる。被測定物の種類や被測定物の設置角度が一定でない場合、このような調整は測定工数を大幅に増大させることとなる。
When the polarizing element is installed in the illumination device as in
また、リング照明装置の場合は、そのリングの中心軸付近の照射領域に周囲の方向から斜めに光が照射されるが、その斜めの角度がブリュースター角に設定されたとしても、出射光全体を1つの偏光方向に設定したときは、その設定された偏光方向に対して、特定の方向からの照射光のみがp偏光として反射光強度が最小となるブリュースター角の条件を満たすこととなる。すなわち、この場合、他の方向からの照射光は反射光強度を増加させるのでバイアス的な光強度を与えることとなり、逆に感度を劣化させるように作用してしまうという問題がある。 In the case of a ring illumination device, the irradiation area near the center axis of the ring is irradiated with light obliquely from the surrounding direction. Even if the oblique angle is set to the Brewster angle, the entire emitted light Is set to one polarization direction, only the irradiation light from a specific direction with respect to the set polarization direction satisfies the condition of the Brewster angle that minimizes the reflected light intensity as p-polarized light. . That is, in this case, the irradiation light from other directions increases the reflected light intensity, so that a bias-like light intensity is given, and conversely, the sensitivity is deteriorated.
そこで、本発明の課題は、被測定物の状態によらず、高い検出感度を得るための調整が容易であり、検出感度の劣化要因となる照明光の発生を防ぐことが可能な照明装置、およびその照明装置を用いた光学装置を提供することにある。 Therefore, the subject of the present invention is an illumination device that can be easily adjusted to obtain high detection sensitivity regardless of the state of the object to be measured, and can prevent generation of illumination light that causes deterioration in detection sensitivity. And an optical device using the illumination device.
上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、一定の領域を照明するように構成された照明装置であって、光源として複数のLEDを有し、前記複数のLEDと前記一定の領域の間に、少なくとも2種類の異なる偏光方向を有する複数の偏光子を有し、前記複数のLEDは、複数のLED群に分割して駆動することができるように構成され、前記複数のLED群の出射光がそれぞれ前記複数の偏光子の中の一つの偏光子のみを通過するように構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an illuminating device of the present invention is an illuminating device configured to illuminate a certain area, and includes a plurality of LEDs as a light source, and the plurality of LEDs and the certain area are There are a plurality of polarizers having at least two different polarization directions in between, and the plurality of LEDs are configured to be divided into a plurality of LED groups and driven, Each of the emitted lights is configured to pass through only one of the plurality of polarizers.
ここで、前記複数のLEDと前記複数の偏光子は、1つの筐体に一体として保持されていることが望ましく、この場合、前記筐体はリング形状を有し、前記一定の領域は、前記リング形状の中心軸の近傍が望ましい。 Here, it is preferable that the plurality of LEDs and the plurality of polarizers are integrally held in one casing. In this case, the casing has a ring shape, and the certain region includes the predetermined area. The vicinity of the center axis of the ring shape is desirable.
また、照明装置は、前記複数のLEDは前記中心軸に対し略同心円状に配置され、前記一定の領域に前記複数のLEDからの出射光を集光させるための光学系を有し、前記複数のLEDは前記リング形状の周方向に分割されて前記複数のLED群を構成し、前記複数の偏光子は前記LED群のそれぞれの出射側に配置されていてもよい。 Further, the lighting device includes an optical system in which the plurality of LEDs are arranged substantially concentrically with respect to the central axis, and the emitted light from the plurality of LEDs is condensed in the certain region, The LEDs may be divided in the ring-shaped circumferential direction to constitute the plurality of LED groups, and the plurality of polarizers may be disposed on the respective emission sides of the LED groups.
本発明による光学装置は、上記の本発明による照明装置と、前記一定の領域から散乱または反射された光が入射されるように構成された光検出器と、前記光検出器の入射側に配置された前記LED群の駆動と同期して開閉するシャッターとを有することを特徴とする。この場合、前記光検出器の入射側に偏光子が配置されていてもよい。 An optical device according to the present invention is arranged on the incident side of the above-described illumination device according to the present invention, a photodetector configured to receive light scattered or reflected from the certain region, and the photodetector And a shutter that opens and closes in synchronization with the driving of the LED group. In this case, a polarizer may be disposed on the incident side of the photodetector.
本発明による他の光学装置は、上記の本発明による照明装置と、前記一定の領域の画像を撮像するカメラと、前記カメラの入射側に配置された前記LED群の駆動と同期して開閉するシャッターとを有することを特徴とする。この場合、前記カメラの入射側に偏光子が配置されていてもよい。 Another optical device according to the present invention opens and closes in synchronization with the driving of the illumination device according to the present invention, a camera that captures an image of the certain area, and the LED group disposed on the incident side of the camera. And a shutter. In this case, a polarizer may be disposed on the incident side of the camera.
本発明の照明装置においては、複数のLEDが複数のLED群に分割されて駆動され、各LED群からの出射光はそれぞれ異なる偏光子を通過して同じ照射領域に配置された被測定物に照射される。そこで、駆動するLED群を選択することにより被測定物に照射される光の偏光状態および照射方向を選択することができる。これにより、照射方向と偏光状態の調整は、予め様々な出射方向、偏光状態を有するように配置された複数のLED群の中から駆動するLED群を選択することにより行うことができ、被測定物の状態によらず、高い検出感度を得るための調整を容易に行うことができる。また、選択されたLED群以外の他のLEDを駆動しないことにより、検出感度の劣化要因となる照明光の発生を防ぐことが可能となる。 In the illuminating device of the present invention, a plurality of LEDs are divided into a plurality of LED groups and driven, and light emitted from each LED group passes through different polarizers and is measured on an object to be measured disposed in the same irradiation region. Irradiated. Therefore, by selecting the LED group to be driven, it is possible to select the polarization state and the irradiation direction of the light irradiated to the object to be measured. Thereby, the adjustment of the irradiation direction and the polarization state can be performed by selecting the LED group to be driven from among a plurality of LED groups arranged in advance so as to have various emission directions and polarization states. Regardless of the state of the object, adjustment for obtaining high detection sensitivity can be easily performed. Further, by not driving other LEDs other than the selected LED group, it is possible to prevent the generation of illumination light that causes deterioration in detection sensitivity.
また、本発明の照明装置を使用した光学装置において、被測定物から散乱または反射された光が入射するように構成された光検出器またはカメラの入射側にLED群の駆動と同期して開閉するシャッターとを設けて、高い検出感度が得られるLED群からの照明光が入射される時間だけそのシャッターが開くように設定することにより、高い検出感度が得られる。この場合、光検出器やカメラの入射側に偏光子を配置することにより、さらに感度が改善される。 In the optical device using the illumination device according to the present invention, the light scattered or reflected from the object to be measured is opened or closed in synchronization with the driving of the LED group on the incident side of the photodetector or the camera. A high detection sensitivity can be obtained by providing the shutter to be opened and setting the shutter to open only during the time when the illumination light from the LED group that provides a high detection sensitivity is incident. In this case, the sensitivity is further improved by arranging the polarizer on the incident side of the photodetector or the camera.
以上のように、本発明により、被測定物の状態によらず、高い検出感度を得るための調整が容易であり、検出感度の劣化要因となる照明光の発生を防ぐことが可能な照明装置、およびその照明装置を用いた光学装置が得られる。 As described above, according to the present invention, an illumination device that can be easily adjusted to obtain high detection sensitivity regardless of the state of the object to be measured and can prevent generation of illumination light that causes deterioration in detection sensitivity. And an optical device using the illumination device.
以下、本発明による照明装置および光学装置の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an illumination device and an optical device according to the present invention will be described in detail based on the drawings.
図1は、本発明による照明装置の第1の実施の形態の模式的な構成図である。図1において、本実施の形態の照明装置は、一定の領域1を照明するように構成された照明装置であって、光源として複数のLEDを有し、その複数のLEDと一定の領域1との間に、互いに異なる偏光方向15、25、35をそれぞれ有する3つの偏光子12、22、32を有し、複数のLEDは、それぞれ数個〜十数個のLEDからなる3つのLED群10、20、30に分割して駆動することができるように構成され、LED群10の出射光14は偏光子12のみを、LED群20の出射光24は偏光子22のみを、LED群30の出射光34は偏光子32のみを、それぞれ通過するように構成されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a lighting device according to the present invention. In FIG. 1, the illuminating device of the present embodiment is an illuminating device configured to illuminate a
ここで、LED群10、20、30のそれぞれの駆動回路11、21、31は、スイッチ7の出力ポートに接続され、電源8の出力がスイッチ7の入力ポートに接続されている。スイッチ7の切り替えにより、駆動回路11、21、31のいずれか1つに電源が供給され、LED群10、20、30のいずれか1つが駆動され、発光する。なお、各LEDは出射側にレンズを有しており、発光の広がりを抑えている。また、各LED群と各偏光子との間、または各偏光子の出射側に集束用のレンズアレイまたはフレネルレンズなどを備えてもよい。ここで、偏光子12、22、32としては、偏光フィルム、偏光ガラスなどのフィルム状または板状の偏光子を用いることができる。
Here, the
また、図1では、LED群10、駆動回路11、偏光子12が筐体13に、LED群20、駆動回路21、偏光子22が筐体23に、LED群30、駆動回路31、偏光子32が筐体33に、それぞれ一体として保持されているが、これらの3つの筐体13、23、33がさらに一体として保持されていてもよい。
In FIG. 1, the
本実施の形態の照明装置では、一定の領域1に置かれた被測定物6に対して、3つのLED群からの出射光14、24、34はそれぞれ互いに異なる照射方向を有し、かつ、互いに異なる偏光状態を有している。このため、被測定物6の観測または検出すべき部位の向きに応じて検出感度は異なる。例えば、測定面が照射光に対してブリュースター角に近く、照射光の偏光状態が反射が小さい偏光方向に近い場合、その測定面の突起部や欠陥部の検出に対しては他の照射光に比べ高い感度が得られる。そこで、その高い感度の得られるLED群のみを駆動することにより、観測または検出が容易となる。この場合、他のLED群からの照明光が存在すると検出感度の劣化要因となる。
In the illumination device of the present embodiment, the emitted
本実施の形態の場合、LED群の選択のためのスイッチ7の切り替えは、人が観察や測定を行う場合は手動で行ってもよく、また、光検出器で自動的に散乱光や反射光の検出を行う場合は、制御回路などで自動的に切り替えて、高い感度の測定データのみを取り込むように構成してもよい。 In the case of this embodiment, switching of the switch 7 for selecting the LED group may be performed manually when a person performs observation or measurement, or is automatically scattered or reflected by a photodetector. When the detection is performed, it may be configured such that only high-sensitivity measurement data is captured by automatically switching with a control circuit or the like.
図1においては、LED群が3つの場合を示しているが、照射方向と偏光状態の組み合わせが異なるさらに多くのLED群を設けてもよく、これにより、より高い感度が得られる照射光を選択することが可能となる。偏光状態の種類は、直線偏光における偏光方向の違いのみだけでなく、直線偏光と円偏光との違いであってもよい。 Although FIG. 1 shows a case where there are three LED groups, more LED groups having different combinations of irradiation directions and polarization states may be provided, so that irradiation light with higher sensitivity can be selected. It becomes possible to do. The type of polarization state may be not only the difference in polarization direction in linearly polarized light but also the difference between linearly polarized light and circularly polarized light.
図2は本発明による照明装置の第2の実施の形態の模式的な側面の断面図であり、図3は模式的な底面図である。図2、図3において、本実施の形態の照明装置は、一定の領域70を照明するように構成された照明装置であって、光源として複数のLED3を有し、その複数のLED3と一定の領域70との間に、4種類の偏光方向を有する8つの偏光子、51、52、53、54、55、56、57、58を有し、複数のLEDは、それぞれ数個〜十数個のLEDからなる8つのLED群41、42、43、44、45、46、47、48に分割して駆動することができるように構成され、LED群41の出射光は偏光子51のみを、LED群42の出射光は偏光子52のみを、LED群43の出射光53は偏光子53のみを、LED群44の出射光は偏光子54のみを、LED群45の出射光は偏光子55のみを、LED群46の出射光は偏光子56のみを、LED群47の出射光は偏光子57のみを、LED群48の出射光は偏光子58のみを、それぞれ通過するように構成されている。なお、図3中の矢印は各偏光子の偏光方向を示している。また、被測定物は一定の領域70に配置される。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional side view of a second embodiment of a lighting device according to the present invention, and FIG. 3 is a schematic bottom view. 2 and 3, the illumination device according to the present embodiment is an illumination device configured to illuminate a
ここで、複数のLED3からなる8つのLED群41〜48と8つの偏光子51〜58は、1つの筐体40に一体として保持され、筐体40はリング形状を有し、一定の領域70は、そのリング形状の中心軸50の近傍の領域である。また、複数のLED3は光軸50に対し略同心円状に配置され、一定の領域70に複数のLED3からの出射光を集光させるための光学系として各LED群の出射側にフレネルレンズ60を有している。複数のLED3はリング形状の周方向に分割されて扇型の複数のLED群41〜48を構成し、複数の偏光子51〜58は各LED群のそれぞれの出射側に配置されている。ここで、フレネルレンズ60はリング形状を有する一体化された1つのフレネルレンズであってもよく、または、各LED群に対して個々に分割されて設置されていてもよい。また、フレネルレンズ60の代わりに、プリズムとレンズアレイなどからなる集光光学系を用いること、各LED群の出射方向が一定の領域70を向くように各LED群を傾斜させて設置することなども可能である。
Here, the eight
本実施の形態においても、各LED群にはそれぞれ独立した駆動回路が設置されており、各駆動回路は制御回路などにより独立して動作できるように構成されている。例えば、図2に示すように、LED群43には駆動回路73が、LED群47には駆動回路77がそれぞれ設置されている。本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、各LED群の駆動の切り替えは、人が観察や測定を行う場合は手動で行ってもよく、また、光検出器で自動的に散乱光や反射光の検出を行う場合は、制御回路などで自動的に切り替えて、高い感度の測定データのみを取り込むように構成してもよい。また、LED群の駆動は、必要な感度に応じて、同時に2つ以上のLED群を駆動する構成でもよい。
Also in the present embodiment, each LED group is provided with an independent drive circuit, and each drive circuit is configured to operate independently by a control circuit or the like. For example, as shown in FIG. 2, a
また、本実施の形態においては、リング形状の周方向に8分割して各LED群と偏光子を配置しているが、分割数は、2分割、3分割など少なくてもよく、また、10分割、16分割など多くてもよい。また、本実施の形態の照明装置を高さ方向に複数個組み合わせること、または、直径の異なる本実施の形態の照明装置を同じ中心軸に対して水平方向に複数個組み合わせることにより本発明の照明装置を構成することも可能である。 In the present embodiment, each LED group and the polarizer are arranged by dividing the ring shape into eight in the circumferential direction of the ring shape. However, the number of divisions may be as small as two or three. There may be many divisions, 16 divisions and the like. Further, by combining a plurality of lighting devices of the present embodiment in the height direction, or by combining a plurality of lighting devices of the present embodiment having different diameters in the horizontal direction with respect to the same central axis, the illumination of the present invention. It is also possible to configure the device.
図4は本発明による光学装置の一実施の形態を示す模式的な側面の断面図である。図4において、本実施の形態の光学装置は、上記の図2および図3に示した第2の実施の形態の照明装置80と、一定の領域70の画像を撮像するカメラ81と、カメラ81の入射側に配置されたLED群の駆動と同期して開閉するシャッター82とを有している。さらに、カメラ81の入射側には、特定の偏光方向を有する偏光子83が配置されている。各LED群の駆動回路とシャッター82は制御回路84に接続されている。観測対象の被測定物は、一定の領域70に設置される。
FIG. 4 is a schematic side sectional view showing an embodiment of an optical device according to the present invention. 4, the optical device according to the present embodiment includes an
本実施の形態の光学装置の動作は、例えば、シャッター82が1つのLED群が発光するときのみ開くように制御して順次駆動するLED群を切り替え、最も良好な観測状態が得られるLED群を選択し、その後は、その選択されたLED群の駆動と同期してシャッターが開くように制御する。これにより、常に良好な照明光のみの照射により観測が可能となる。
The operation of the optical device according to the present embodiment is performed by switching the LED group that is sequentially driven by controlling the
また、カメラ81の代わりに光検出器を設置して自動的に被測定物からの散乱光や反射光の検出を行う光学装置を構成することも可能である。この場合は、制御回路84で順次駆動するLED群を自動的に切り替えて、高い感度の測定データが得られるLED群を自動的に選択し、その後は、選択されたLED群の駆動と同期してシャッターが開くように制御する。これにより、常に良好な照明光のみの照射により高い感度の測定が可能となる。
It is also possible to configure an optical device that automatically detects scattered light and reflected light from the object to be measured by installing a photodetector instead of the
なお、本発明は上記の実施の形態の照明装置や光学装置に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、被測定物が置かれる一定の領域に対する照明光の望ましい方向や望ましい偏光状態によって、各LED群および偏光子の配置は任意に定めることができ、また、複数のLED群と偏光子は別々の筐体に収められていてもよい。 Needless to say, the present invention is not limited to the illumination device and the optical device of the above-described embodiment, and the design can be changed according to the purpose and application. For example, the arrangement of each LED group and the polarizer can be arbitrarily determined according to the desired direction of the illumination light and the desired polarization state with respect to a certain region where the object to be measured is placed, and the plurality of LED groups and the polarizer are separately provided. It may be housed in a housing.
1、70 一定の領域
3 LED
6 被測定物
7 スイッチ
8 電源
10、20、30、41、42、43、44、45、46、47、48 LED群
11、21、31、73、77 駆動回路
12、22、32、51、52、53、54、55、56、57、58、83 偏光子
13、23、33、40 筐体
15、25、35 偏光方向
50 中心軸
80 照明装置
81 カメラ
82 シャッター
84 制御回路
1, 70
6 Device to be measured 7 Switch 8
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