JP4454356B2 - 光照射装置及び光照射装置用ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、製品等の光照射対象（ワーク）にむらなく拡散光を照射し、その欠陥やマーク等を検出するために用いられる製品検査等のための光照射装置及びそれに用いられるヘッドに関するものである。

従来、光照射装置を用いてワークの上部から光を照射し、その反射光を目視あるいは撮影して、そのワークの表面検査やアラインメントマークの検出を行う方法が知られている。例えば基板に取り付けられた電子部品の半田検査のような場合、表面の微妙な凹凸に起因する陰影や反射ムラが生じたりすると、半田不良の検出ができないため、この種の光照射装置ではワークにあらゆる方向から一様な光を照射できる機能が求められる。

そこでＬＥＤ等の発光デバイスを複数周設してそこから上方に光を射出させ、その光を光拡散面で拡散反射させてワークに照射するようにしたものや、特許文献１、２に示すように、ＬＥＤからの光を光拡散用の透明体（光拡散ブロック）を透過させて均一化し、その光をワークに照射するようにしたもの等が開発されている。
特開２００２−２１４１４３公報 特開平１０−２１７１７号公報

ところで、前述のように発光デバイスから出た光を光拡散面で拡散反射させる方式のものの場合は、拡散反射する際の効率がよいという利点はあるものの、各発光デバイスの大きさからそれらを如何に密に配置したとしても、周設した場合の大きさを所定以上に小さくすることはできず、それに応じて拡散反射面の大きさも最低限が定まってしまう。

しかしながら、半導体チップにおける半田検査のように、必要とされる光照射領域が数ｍｍから十数ｍｍの大きさであると、その光照射領域に比べて拡散反射面が必要以上に大きくなってしまい、設置スペースが大きくなりすぎるという問題が生じる。また不必要なところにも光が照射されることとなって、無駄な光が生じる。その結果、無用な供給電力を必要としたり排熱の点での問題が生じたり、或いは必要な領域に十分な光量を供給できないといった問題も生じ得る。

そこで発光デバイスの代わりに光ファイバを用い、その光ファイバからでた光を光拡散面に照射するという態様も考えられるが、光ファイバの出力端面を、光照射領域に対向する光拡散面に向かうように配置しなければならない、すなわち光照射領域と逆向きに配置しなければならないことから、光照射領域に向かって延ばしてきた光ファイバの先端部分を途中で９０°から１８０°近く曲げる必要が生じる。そのため、光ファイバを装置内部で湾曲させるための取り回しスペースが必要になってコンパクト化に難が生じるうえ、光ファイバを強く曲げすぎるとそこで損失が生じるという懸念もある。

一方、光拡散ブロックによる透過拡散方式のものでは、光拡散ブロックでの表面反射や乱反射、吸収が生じるため、前述の拡散反射方式のものに比して効率が悪いという欠点がある。さらに、均一な光を得るためには、デバイスと光拡散ブロックとの距離をとる必要があるが、このようにするとコンパクト化が図れない。かといってその距離を近づけると、光拡散ブロック中の拡散体の濃度を濃くする必要が生じ、効率や光量の低下がより顕著になる。

そこで本発明は、効率や光量の低下を招くことなくコンパクト化が可能で、特に小径ワークに対して、周囲からむらなく非常に好適な光照射を行える光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る光照射装置は、光照射領域に光を照射してその表面検査又はマーク検出を行うためのものであって、一端面を光導入面とし他端面を光導出面とした円筒状をなす導光部材と、前記光導入面に軸線を一致させて接続した二重構造をなす外円筒管及び内円筒管と、出力端面を前記導光部材の光導入面に対向配置した複数の光ファイバとを備えてなり、前記外円筒管を内円筒管よりも短い長さに設定するとともに、内円筒管と外円筒管との間に形成される円筒状の凹溝に前記光ファイバを挿入してそれらの出力端面を円形状に一列に密に並べ、それら出力端面が光導入面に対向して密着又は略密着するように保持させていることを特徴とする。

好ましくは前記光導出面を中心に向かうほど凹む凹面形状にしているものがよい。

前記光導出面を中央に向かうに連れ突出する湾曲した膨出面形状にしているものでも構わない。このようなものであれば前述した構成に比べ、光照射領域の中心位置に向かう光量をより増加できる。さらに係る構成で光照射領域を覆うとともにより多様な角度で光を照射できるようにするには、内周面を反射面とする円筒体を前記光導出面の外周縁から軸方向に延出させているものが好ましい。

光照射領域によりむらなく光を照射するには、前記光導出面を光拡散面にしているものが好ましい。
光照射領域によりむらなく光を照射するためには、前記円筒体の内周面で光の拡散が行われるように構成しているものでも構わない。

また、本発明に係る光照射装置用ヘッドは、光照射領域に光を照射してその表面検査又はマーク検出を行うためのものであって、一端面を光導入面とし他端面を光導出面とした円筒状をなす透明な導光部材と、前記光導入面に軸線を一致させて接続した二重構造をなす外円筒管及び内円筒管と、出力端面を前記導光部材の光導入面に対向配置した複数の光ファイバとを備えてなり、前記外円筒管を内円筒管よりも短い長さに設定するとともに、内円筒管と外円筒管との間に形成される円筒状の凹溝に前記光ファイバを挿入してそれらの出力端面を円形状に一列に密に並べ、それら出力端面が光導入面に対向して密着又は略密着するように保持させていることを特徴とする。

このようなものであれば、光ファイバを介して光導入面から導光部材内部に導入された光は、その内周面及び外周面で外に漏れることなく反射を繰り返し、互いに混ざり合って凹面形状をなす光導出面から均一に射出されることになる。したがって、光照射領域を上方から、あるいはさらにこれを覆ってむら無く照明することができる。

しかも、光ファイバを介しているので導光部材の径を非常に小さくすることができ、半導体チップにおける半田検査のように、必要とされる光照射領域が数ｍｍ程度の大きさであっても、それにマッチした大きさの光導出面を無理なく形成でき、無駄な領域を照射することがないようにすることができる。

また、導光部材が透明であるため、光拡散ブロックを用いた場合のように内部で光損失が生じることもほとんど無い。そして無駄な領域を照射することがないという上述した点と併せて、極めて高効率なものを提供することができる。

さらに、光ファイバの出力端面を光照射領域に向けて配置すればよいため、光ファイバを途中で大きく湾曲させることなく、装置内部でコンパクトかつ無理のない取り回しが可能になる。

かかる効果は、前記光導出面の外周縁から内周面を反射面とする円筒体を軸方向に延出させているものでも同様に得ることができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光照射装置１は、図１〜図６に示すように、ワークＷの光照射領域ＡＲに光を照射してその表面検査又はマーク検出を行うためのものであって、特に半導体チップにおける半田検査のように、必要とされる光照射領域ＡＲが数ｍｍから十数ｍｍの大きさのものに好適に使用されるものである。

なお、以下の記述において上下方向が示されるが、この上下方向はワークＷの上方にこの光照射装置１を設置した場合の便宜的なものである。すなわち下方向とは光照射装置１からみてワークＷ方向のことであり、上方向とは光照射装置１からみて反ワークＷ方向のことである。したがってワークＷと光照射装置１の相対的な位置関係や姿勢が変わればその方向が変わるのは言うまでもない。

具体的にこの光照射装置１は、図１、図６等に示すように光源装置１０、ヘッド１１、及びそれらを接続する多数の光ファイバ２を備えている。

各部を説明する。光ファイバ２は例えばプラスティック製のもので、複数（多数）をフレキシブルチューブＴＢで束ねてある。光ファイバ２の入力側は、光源装置１０に接続してあり、出力側はヘッド１１に接続するようにしている。

光源装置１０は、図７に示すように、ケーシング１０１内に１個のパワーＬＥＤ１０２と、レンズ機構１０３とを収容してなるものであり、そのケーシング１０１の先端部において取付具Ｂ１、Ｂ２を介して前記複数の光ファイバ２の入力端面２２を密に束ねた状態で保持する。そして、前記パワーＬＥＤ１０２からでた光は、レンズ機構１０３を介して光軸とのなす角度が所定角度以内（例えば６０°以内）で進む光にされて集光され、前記各光ファイバ２の入力端面２２に可及的均一に導入されるように構成してある。なお、前記パワーＬＥＤ１０２とは連続して約２００ｍＡ以上の電流を流せるものをいう。またこの図６でのレンズ機構１０３は、光進行方向に向かって拡がる概略円錐形状をなす中実透明な第１レンズ１０３ａと、その第１レンズ１０３ａからでた光をさらに集光する第２レンズである凸レンズ１０３ｂとからなる。第１レンズ１０３ａは、若干膨出するその外周面で前記ＬＥＤ１０２から所定角度以上拡がる光を内方に反射し、ほぼ全ての光を漏れなく第２レンズ１０３ｂ、ひいては各光ファイバ２の入力端面２２に導くためのものである。ケーシング１０１は、互いに螺合する第１ケーシング要素１０１ａ及び第２ケーシング要素１０１ｂからなり、これらを締め付けていくことにより、前記ＬＥＤ１０２の底面がケーシング１０１に密着し、放熱性を担保するとともに、ＬＥＤ１０２、レンズ機構１０３及び各光ファイバ２の入力端面２２のラジアル方向の位置決めがなされるように構成してある。なお、前述した位置決めの構成は一例であり、例えばビス止めでＬＥＤ１０２の位置決めを行ってもよいし、レンズ機構１０３をＯリングで押圧することによりＬＥＤ１０３の位置決めをしてもよい。

ヘッド１１は、ブロック体状の保持部材３と、光ファイバ２の出力端面２１から射出される光を光導入面４１から内部に導き光導出面４２から外部に照射する導光部材４とを備え、前記保持部材３によって前記光ファイバ２の出力端面２１及び導光部材４を保持してそれらを接続させている。

導光部材４は、一端面を光導入面４１とし他端面を光導出面４２とした円筒状をなすもので、透明な樹脂やガラスを素材として形成してある。この導光部材４の内径は、光照射領域ＡＲの大きさに対応させてあり、この実施形態では例えば数ｍｍから十数ｍｍである。光導入面４１は軸線と垂直な円環状をなすものであり、光導出面４２は中心に向かうほど凹む円錐状の凹面である。この実施形態では、光導出面４２に例えばサンドブラスト処理を施して荒れた面にし、この光導出面４２で光拡散作用が営まれるように構成しているが、この処理は必ずしも必要であるとは限らない。

保持部材３は、図１、図２に示すように、上ブロック３１、中ブロック３２、下ブロック３３を接合した内部空間３ａを有するブロック体状のもので、内部空間３ａを貫く上下貫通孔が設けてある。そして下ブロック３３に形成した上下貫通孔３ｂの下部分３３ｂ（下ブロック３３に形成してある）に前記導光部材４を嵌め込み、当該導光部材４の光導出面４２を含む一部が外部に露出するようにこれを側方からの止めねじによって保持させている。またこの上下貫通孔３ｂの上部分３１ｂ（上ブロック３１に形成してある）にはスリーブ５を内部空間３ａに一部が突出するように取り付けている。

この導光部材４には、図１、図３、図４に示すように、その光導入面４１に二重構造の円筒管６１、６２を軸線を一致させて接続している。そのうちの内円筒管６１は、その内周面６１ａを前記導光部材４の内周面４ａに連続させるとともに、その上端が前記スリーブ５の内側にまで至るように上下の長さを設定してある。一方、外円筒管６２はその外周面６２ａを前記導光部材４の外周面４ｂに連続させるとともに、内円筒管６１よりも短い長さに設定してある。そしてこの内円筒管６１と外円筒管との間に形成されるファイバ保持部である円筒状の凹溝７に上から光ファイバ２を挿入してそれらの出力端面２１を円形状に一列に密に並べ、それらが光導入面４１に対向して密着又は略密着するように保持させている。

なお、光ファイバ２は、この保持部材３の内部空間３ａに側方から貫通させたファイバ束保持孔３ｃを介して導入するようにしている。

かかる構成の光照射装置１の作用について図５等を参照して以下に説明する。

光源装置１０から射出された光は光ファイバ２を通って導光部材４の光導入面４１からその内部に導かれる。各光ファイバ２には、光軸に対しての角度が略６０°以内の光が導入されるため、各光ファイバ２から出るときもその拡がり角度が維持される。この光は、導光部材４の内周面４ａ及び外周面４ｂで外部との屈折率差によって全反射されながらほとんどロス無く光導出面４２に向かって進む。この点で導光部材４の内周面４ａ及び外周面４ｂは光を全反射する反射面としての役割を担う。

各光ファイバ２からの光は、前記反射等によって導光部材４の内部で混ぜ合わされたうえで光導出面４２における拡散作用でさらに均一化され外部に射出される。しかして光導出面４２は円錐凹面状をなし、光照射領域ＡＲを上方から囲むように配置されるため、光照射領域ＡＲにはほぼ全天から非常に均一化された光が照射されることとなる。

観測者は、このようにして光を照射された光照射領域ＡＲを上下貫通孔３ｂを介して保持部材３の上方から観察すればよい。また、観測者の代わりに撮像装置を用いて表面検査システムを構成してもよい。

したがってこのような構成の光照射装置１によれば、光照射領域ＡＲをその光導出面４２で周囲上方から覆って均一化された光をむら無く照明することができる。しかも、光ファイバ２を介しているので導光部材４の径を非常に小さくすることができ、半導体チップにおける半田検査のように、必要とされる光照射領域ＡＲが数ｍｍから十数ｍｍの大きさであっても、それにマッチした大きさの光導出面４２を無理なく形成でき、無駄な領域を照射することがないようにすることができる。

また、導光部材４が透明であるため、光拡散ブロックを用いた場合のように内部で光損失が生じることもほとんど無い。そして無駄な領域を照射することがないという上述した点と併せて、極めて高効率なものを提供することができる。

さらに、光ファイバ２の出力端面２１を光照射領域ＡＲに向けて配置すればよいため、光ファイバ２を途中で大きく湾曲させることなく、装置内部でコンパクトかつ無理のない取り回しが可能になる。

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、図７に他の実施形態を示す。この光照射装置１では、内周面８ａを鏡面状の反射面とする円筒体８を前記光導出面４２の外周縁から軸方向に延出させている。また光導出面４２を、中央に向かうに連れ突出する若干湾曲した膨出面形状にしている。その他の構成は第１実施形態とほぼ同一であり、対応する部材には同一の符号を付している。

このようなものであれば、光導出面４２から出た光は最初外側に拡がり、円筒体内周面４ａで反射されて、第１実施形態同様光照射領域ＡＲにほぼ全天から非常に均一化されて照射されることとなる。かかる構成によっても前記実施形態同様あるいはそれ以上の効果を奏することができる。なお、光導出面４２や円筒体内周面８ａに光拡散作用を営ませるよう、荒れた面にしても構わない。

また、光源装置に、パワーＬＥＤのみならず通常のＬＥＤを用いてもよいし、ＬＥＤを複数個用いて１つのＬＥＤに一本乃至複数本のＬＥＤを接続するようにしてもよい。もちろん、ＬＥＤ以外の光源を用いることも可能である。ＬＥＤは単色でもよいし、複数色のものでもよいのは言うまでもない。
加えて光導出面は、断面が直線状をなしてもよいし湾曲していても構わない。

さらに、導光部材の内周面及び外周面は屈折率差を利用した全反射面とするのが効率上最も好ましいが、メッキ等を施して鏡面を形成してもよいし、荒れた面にして若干の光拡散作用を奏するようなものとしてもよい。
また導光部材は、例えば径の異なる薄肉円筒体を軸線を一致させて配置し、外側円筒体の内周面及び内側円筒体の外周面間で光を１又は複数回反射させながら光導入面から光導出面に向かって光を導くものであってもよい。この場合、外側円筒体と内側円筒体との間には何も存在しない（空気のみ）であってもよいし、樹脂等の透明体を充填してもよい（樹脂等を充填した場合には、前述したメッキを施したものと同等のものとなる）。

すなわち、これらをまとめて大きな概念で言えば、導光部材は、内向きの円筒状反射面と、その内側に軸線を一致させて配置した外向きの円筒状反射面とを備えていればよい。前記実施形態で言えば、導光部材４の外周面４ｂが、この内向きの円筒状反射面に相当し、導光部材４の内周面４ａが、外向きの円筒状反射面に相当する。

もちろん、上述した各実施形態や変形例の一部構成同士を適宜組み合わせてもよいのは言うまでもない。例えば図１に示した導光部材に図６で示した円筒体を取り付けても構わない。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態における光照射装置の内部構造を示す縦断面図。 同実施形態における光照射装置の斜視図。 同実施形態における導光部材を主として示す部分分解斜視図。 同実施形態における光ファイバの出力端面を示す横断面図。 同実施形態における光照射装置の作用を示す作用説明図。 同実施形態における光源装置の内部構造を示す縦断面図。 本発明の他の実施形態における光照射装置の内部構造を示す縦断面図。

符号の説明

ＡＲ・・・光照射領域
１・・・光照射装置
１１・・・ヘッド
２・・・光ファイバ
２１・・・出力端面
４・・・導光部材
４１・・・光導入面
４２・・・光導出面
４ａ・・・内周面
４ｂ・・・外周面
７・・・凹溝（ファイバ保持部）
８・・・円筒体
８ａ・・・円筒体の内周面

Claims (9)

1. 光照射領域に光を照射してその表面検査又はマーク検出を行うためのものであって、
   一端面を光導入面とし他端面を光導出面とした円筒状をなす導光部材と、
   前記光導入面に軸線を一致させて接続した二重構造をなす外円筒管及び内円筒管と、
   出力端面を前記導光部材の光導入面に対向配置した複数の光ファイバとを備えてなり、
   前記外円筒管を内円筒管よりも短い長さに設定するとともに、内円筒管と外円筒管との間に形成される円筒状の凹溝に前記光ファイバを挿入してそれらの出力端面を円形状に一列に密に並べ、それら出力端面が光導入面に対向して密着又は略密着するように保持させていることを特徴とする光照射装置。
2. 前記光導出面を中心に向かうほど凹む凹面形状にしている請求項１記載の光照射装置。
3. 前記光導出面を中央に向かうに連れ突出する湾曲した膨出面形状にしている請求項１記載の光照射装置。
4. 内周面を反射面とする円筒体を前記光導出面の外周縁から軸方向に延出させている請求項３記載の光照射装置。
5. 前記光導出面を光拡散面にしている請求項１、２、３又は４記載の光照射装置。
6. 光照射領域に光を照射してその表面検査又はマーク検出を行うためのものであって、
   一端面を光導入面とし他端面を光導出面とした円筒状をなす導光部材と、
   前記光導入面に軸線を一致させて接続した二重構造をなす外円筒管及び内円筒管と、
   出力端面を前記導光部材の光導入面に対向配置した複数の光ファイバとを備えてなり、
   前記外円筒管を内円筒管よりも短い長さに設定するとともに、内円筒管と外円筒管との間に形成される円筒状の凹溝に前記光ファイバを挿入してそれらの出力端面を円形状に一列に密に並べ、それら出力端面が光導入面に対向して密着又は略密着するように保持させていることを特徴とする光照射装置用ヘッド。
7. 前記光導出面を中心に向かうほど凹む凹面形状にしている請求項６記載の光照射装置用ヘッド。
8. 前記光導出面を中央に向かうに連れ突出する湾曲した膨出面形状にしている請求項６記載の光照射装置用ヘッド。
9. 内周面を反射面とする円筒体を前記光導出面の外周縁から軸方向に延出させている請求項８記載の光照射装置用ヘッド。