JP4668381B2 - 自動合焦システムのための合焦用フィラメント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検査装置のための自動合焦システムに関し、特に、ガラスシートの検査に適した自動合焦システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動合焦システムにおける一つの問題点は、これらシステムが本質的にサンプル表面に対する基準を備えていないことである。すなわち、従来の殆ど全ての自動合焦システムは、ガラス内の微粒子または含有物のエッジのコントラストを最大にして、個々の微粒子のシャープな像を得ることに依存している。
【０００３】
しかしながら、このような合焦方法は、ガラスの表面に関するいかなる情報をも提供しない。表面の情報または深さの情報については、これらの既知の手法の多くが、光軸と平行に較正された軸に依存しており、これは、固定された平面上にガラスが保持されることを必要とする。その他のレーザーを利用する手法では、光線をガラスの表面から反射させることに依存している。これらの手法は、固定された平面からの変動の補正こそ行なうものの、浅い焦点深度と短い作動距離とを有する２０倍を超える高倍率の対物レンズに限定され、この浅い焦点深度と短い作動距離とは、一般に５５０×６５０ｍｍないし８５０×９００ｍｍの大きいガラスシートを検査する場合に問題となる。
【０００４】
このような大きいガラスシートは、検査の際に、固定された平面に保持することが不可能ではないにしろ、困難であり、そのガラスの表面のシートに亘る変動がガラス自体の厚さよりも大きいことが多い。このような比較的大きいガラスは、厚さが０．７ｍｍないし１．１ｍｍに過ぎないであろうから、垂れ下がったり曲がったりする傾向がある。さらに、液晶ディスプレイ用ガラスの検査に際し、このガラスの前面または背面に何かが接触すると欠陥部を生じるであろうから、このようなガラスシートはその縁部分のみで支持しなければならない。垂れ下がりの問題について説明すると、８５０×９００×０．７ｍｍのガラスシートが水平に配置され、かつその縁部分のみで支持された場合、中心部分においては２ないし３インチ（約５ないし７．５ｃｍ）も垂れ下がり、一方、同じガラスシートが垂直に支持された場合には、垂れ下がりはずっと少なくなるが、ガラスシートは一方向またはその反対方向に若干は曲がる筈である。
【０００５】
２０倍を超える高倍率の対物レンズを用いた場合、このようなレンズの作動距離はガラスシートの厚さよりも短いことが多いから、ガラス検体の両面上の微粒子の像を映すのは実際には不可能なことが多い。超長作動距離対物レンズ（ＥＬＷＤ）はこれらの問題の緩和に役立つが、ＥＬＷＤレンズは、通常のレンズよりも高価なことが多い。したがって、前面と背面との双方の像を映すためには、シートを裏返さなければならず、２度目の段取りが必要になる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、一つの平面に対するガラスの位置の変動を自動的に補正し得る絶対的表面基準を提供することによって、従来技術の問題点を解決した合焦用フィラメント技法を提供することにあり、この技法はまた、約７ないし１０ｍｍの比較的長い作動距離を有する約１０ないし２０倍の比較的低倍率の対物レンズの使用を可能にするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、検査装置の光路内に位置決めされた１本の細いフィラメントを利用することによって、ガラス検体の指定された表面上に自動的に合焦させる方法および装置に関するものである。上記フィラメントは、対物レンズがガラス上の微粒子を映すのと同じ平面上に合焦されるように位置決めされる。
【０００８】
上記対物レンズがガラスの前面または背面のいずれかに合焦されているときに、明るい視野照明を用いて上記フィラメントの影を視野内に見ることができる。このフィラメントの影は、ガラス検体の前面または背面のいずれかに現れるので、上記フィラメントは、一つの平面に対するガラスシートの位置の変動を自動的に補正し得る絶対的表面基準を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
検査システムにおける本発明による自動合焦技術の作用効果をより良く理解するために、特定の平面内に全体が存在しない所定の表面上に対物レンズを合焦させる問題についてまず説明する。従来の自動合焦手法の殆どが、較正された軸に依存しているために、これらは検体が常に空間の同一点にあると仮定している。しかしながら、検体の位置が大きく変動することによって、このような自動合焦手法は誤った結果を招いている。
【００１０】
図１を参照すると、固定焦点距離ｄを有する対物レンズ１０は、較正された軸Ｒすなわち基準位置から３通りの異なる位置Ｐ１，Ｐ２およびＰ３に配置されたものとして示されている。上面１４と下面１６とを有するガラス検体１２は、基準軸Ｒに関連して位置決めされている。図１に示されているように、ガラス検体１２の上面１４および下面１６は、完全に平滑でかつ基準軸Ｒと平行である。軸Ｒの位置はその位置が実際に知られた基準位置であるために、軸Ｒは、距離Ｄ１，Ｄ２およびＤ３に対応する正確な位置を決定するために較正されている。図１に示されているように、対物レンズ１０が基準軸ＲからＤ２の距離に位置決めされている場合、検体１２の上面１４に対物レンズ１０が合焦する。同様に、位置Ｐ３に見られるように、対物レンズ１０が基準軸ＲからＤ３の距離に位置決めされている場合、検体１２の下面１６に対物レンズ１０が合焦する。位置Ｐ１においては、固定焦点距離ｄがガラス検体１２に達していないから、基準軸ＲからＤ１の距離に位置決めされている対物レンズ１０は、絶対に合焦しない。
【００１１】
図２においては、対物レンズ１０が基準軸Ｒから等しい距離Ｄ２にある位置Ｐ１，Ｐ２およびＰ３に配置されている。しかしながら、ガラス検体１２は、その上面１４および下面１６が基準軸Ｒと平行な面に存在しないように湾曲した状態で示されている。さらに、図２に示された検体１２の上面１４および下面１６は平滑でなく表面輪郭が変動している。所定の作動距離ｄを有する対物レンズ１０は、全ての位置Ｐ１，Ｐ２およびＰ３について基準軸Ｒから所定距離Ｄ２に配置されているが、検体１２が湾曲して基準軸Ｒと平行な面内に存在しないので、対物レンズ１０は検体１２の種々の部位に合焦する。すなわち、位置Ｐ１においては、対物レンズ１０は検体１２の下面１６に合焦している。位置Ｐ２においては、対物レンズ１０が検体１２の上面１４に合焦しているが、位置Ｐ３においては、対物レンズ１０は検体１２のどの部位にも合焦していない。したがって、一つの平面に対する検体の表面における変動または曲がりの量をコントロールできない場合には、検体の表面上の特定の欠陥部または微粒子の位置を突き止めるために、較正された軸を用いて対物レンズがどの面に合焦しているかを正確に決定することは実際上不可能になる。
【００１２】
固定された平面からの変動を補正するために利用し得る従来技術もあるが、これらは、浅い焦点深度と短い作動距離とを有する高倍率（２０倍を超える）の対物レンズに限定される。その上、図２において指摘されたように、基準平面からのガラスシートを横切る方向のガラス表面の距離の変動は、ガラスの厚さよりも大きいことがあり得る。高倍率レンズの作動距離はガラスの厚さよりも短いことが多いので、高倍率レンズを用いて表面上の微粒子を映すのは、多くの場合不可能であり、かくして前面および背面の双方を映すためには検体を裏返すことが必要になる。この問題は図３に明確に示されている。
【００１３】
一般に、対物レンズの倍率が高くなる程、焦点深度は浅くなり、作動距離は短くなる。図３は２つの例を示しており、一方は低倍率の対物レンズを用い、他方は高倍率の対物レンズを用いている。対物レンズ１０の作動距離すなわち固定焦点距離はｄで示され、高倍率レンズ１０は低倍率レンズ１０よりも短い作動距離ｄを有する。また、図３に示されているように、高倍率レンズ１０の焦点深度は低倍率レンズ１０の焦点深度よりもかなり浅い。レーザーを用いる或る種の自動合焦技法では、表面に正確に焦点を合わすために、高倍率レンズの浅い焦点深度に依存している。しかしながら、これら対物レンズの作動距離はガラスの厚さよりも短いので、両面を検査するにはガラス検体を裏返す作業が必要になる。もし検体を裏返さなければ、下面に合焦する以前に対物レンズが検体表面に接触し、図３の高倍率レンズが示しているように、現実に検体１２の上面１４に衝撃を与えることになる。
【００１４】
ガラスシートの表面上の欠陥部または微粒子を検査する場合、どちらの面にこのような欠陥部または微粒子が存在するかを特定する必要がある。対物レンズがガラスシート上の微粒子を映すのに利用されるのと同じ平面上に合焦するように、１本の細いフィラメントを検査システムの光路内に配置することによって、ガラスシートの前面または背面に対物レンズが合焦されたとき、明るい照明を用いればフィラメントの像または影を視野内に見ることができる。細い合焦用フィラメントは、反射照明または透過照明を用いたときに光路内に整列させることができる。対物レンズをガラス検体の前面または背面から離れるように動かして、この対物レンズをガラスの内部に合焦させることによって、合焦用フィラメントの影が消滅する。視野内の合焦用フィラメントの像の直径は、フィラメントをサンプル表面上に合焦させるレンズによって決定される。倍率２０倍の対物レンズを用いることによって、像は、約３ｍｍ未満、好ましくは約１００μｍ未満の太さを有する実際のフィラメントの寸法の約１／４となる。細いフィラメントの方が、視野の端に位置決めされる像に対して、より明瞭な線を与える。
【００１５】
本発明による光学的較正には、コーラー（Kohler）照明装置の配置が含まれる。このコーラー照明装置においては、視野絞りの像が検体表面に合焦し、かつ非拡散ランプ光源の像は開口絞り平面に合焦するので、本発明においては、視野絞りが効果的にフィラメントに置き換えられる。かくして、合焦用フィラメントは視野絞り位置における付加的照明器内に配置される。これにより、明視野照明と暗視野照明との切替えが視野絞りを調節することなしに可能になるという利点が得られる。
【００１６】
図４に示されているように、上面１４と下面１６とを備えたガラス検体シート１２のための検査システムは、反射照明を提供するランプハウス１８と、一対の光学素子２０と、ミラーブロック２２とを備えている。顕微鏡の対物レンズのような対物レンズ２４は検体１２の近傍に配置されている。対眼レンズまたはビデオカメラ２６が像を見るために配置されている。
【００１７】
透過照明を提供するための付加的なランプハウス２８が示されており、集光レンズ光学部材３０がランプハウス２８と同軸上に配置されている。検査システム内の２か所に位置決めされた合焦用フィラメント３２，３４の位置は、透過と反射との２種類の異なる照明態様に応じて設定されている。一度に１本の合焦用フィラメントが用いられ、上方のフィラメント３４は反射照明とともに利用され、下方のフィラメント３２は透過照明とともに利用される。反射照明もしくは透過照明のいずれかを用いれば、明視野照明もしくは暗視野照明を得ることが可能である。しかしながら、合焦用フィラメントの像は明視野照明を用いることによってのみ見ることができる。対物レンズがサンプル表面に合焦された場合、そのサンプル表面に合焦されたフィラメントの像を見ることができる。
【００１８】
上記合焦用フィラメントは、光学素子において見えるように合焦するまで矢ａ−ａで示された光軸に沿って動かしてもよいが、フィラメントを検体表面に合焦させるために選ばれるレンズは、その位置が明確に定められていなければならない。合焦用フィラメントは、このフィラメントを検体の表面に合焦させるように光軸ａ−ａに沿って前後にスライドされる摺動機構に取り付けてもよい。この摺動機構は、合焦用フィラメントを視野内の片側またはその反対側に片寄せて位置決めするために、光軸ａ−ａに垂直な軸ｂ−ｂに沿ってスライドされる。
【００１９】
合焦用フィラメントが、光学素子において見えるように合焦するまで光軸に沿って移動された後、検体の表面に合焦されて、ガラス検体の上面および下面が特定可能になる。対物レンズがガラス検体に向かって移動するにつれて合焦用フィラメントの影が光学レンズまたはカメラの視野に現れる。最初に見えたときは、対物レンズが検体の上面上に合焦されたときである。対物レンズの同一方向への移動が継続されるにつれて、焦点がガラス検体の内部を通過するので、合焦用フィラメントが映像から消滅する。しかしながら、対物レンズが検体の下面上に合焦されるまで移動したとき、合焦用フィラメントが再び現れる。
【００２０】
視野内の同一部位における同一対象物を毎回探すために、エッジ・アルゴリズムを特別に作成することができるから、検体の上面上または下面上に合焦用フィラメントの影を合焦させる原理を、自動合焦を容易にするために用いることができる。このエッジ・アルゴリズムは、合焦用フィラメントを自動的に見付ける単なる一つの方法であるけれども、前述のように、ガラスの特定の表面を手動で観察しても差支えない。合焦用フィラメントが正しく機能するためには、ガラスの表面に対物レンズが合焦するのと同時に合焦用フィラメントが正確に合焦するように、合焦用フィラメントを検査システムの内部に位置決めしなければならない。
【００２１】
図５は、ガラスサンプルが上面側に欠陥部を有する場合、ガラスサンプルが欠陥部を内部に含有する場合、およびガラスサンプルが下面側に欠陥部を有する場合において、ＣＣＤカメラまたは光学レンズによって観察される種々の映像を示す。前述のように、光学レンズの視野内に見える合焦用フィラメントの影３５は、視野の一側に片寄せられている。このフィラメントを視野の一側に片寄せる目的は、単にフィラメントが、表面上に存在する微粒子または欠陥部の像の邪魔にならないようにするためだけである。
【００２２】
１番目の状態では、ガラスサンプルが上面側に欠陥部を有し、対物レンズが検体の上面上に合焦すると、合焦用フィラメントの影３５が映像に現れるが、次いで焦点がサンプル内部を通って移動するにつれて消滅し、対物レンズが検体の下面上に合焦すると、再び現れる。ガラスが欠陥部を内部に含有する２番目の状態では、影３５が上面を示すが、含有欠陥部が現れると消滅し、対物レンズが検体の下面上に合焦すると、再び現れる。ガラスサンプルが下面側に欠陥部を有する３番目の状態では、合焦用フィラメントの影３５が上面側に現れ、焦点がサンプル内部に移動するにつれて消滅し、対物レンズが検体の下面上に合焦して欠陥部を映すと、影３５が再び現れる。
【００２３】
かくして、一方の表面において合焦用フィラメントの像が映り、焦点がサンプル内部を通って移動するにつれて像が消滅し、サンプルの反対面において像が再び出現することは、欠陥部がガラスのどの部位に存在するかを特定することに関する本発明の重要な一面である。この合焦用フィラメントを利用する方法により、一つの平面に対するガラスの位置の変動の自動的な補正を可能にするための絶対的表面基準が提供され、２０倍未満の低倍率と、約７ないし１０ｍｍの比較的長い作動距離とを有する対物レンズを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基準線から平らなガラス検体の両面上に合焦させることを示す概略図
【図２】基準線から湾曲したガラス検体の両面上に合焦させることを示す概略図
【図３】約１０ないし２０倍の倍率を有する低倍率レンズと、２０倍を超える倍率を有する高倍率レンズとの焦点深度と作動距離との変化を示す概略図
【図４】本発明によるフィラメント合焦方法を利用した光学装置の概略図
【図５】視野内における合焦用フィラメントの影の出現状態を示す概略図
【符号の説明】
１２ 検体
１４ 上面
１６ 下面
１８，２８ ランプハウス
２０ 光学素子
２４ 対物レンズ
２６ 対眼レンズまたはビデオカメラ
３０ 光学部材
３２，３４ 合焦用フィラメント

Claims (4)

1. ガラスシートの両面および内部の欠陥部を検査し、該欠陥部の存在する部位を特定する方法であって、
   １個の光源と１個の対物レンズとの間の光路内に合焦用フィラメントを備えた光学的検査システムを提供し、
   前記対物レンズが前記ガラスシートの表面上の欠陥部を映すのに利用するのと同じ平面上に前記合焦用フィラメントが合焦するように、該フィラメントを位置決めし、
   前記合焦用フィラメントの影が視野に現れるまで、前記対物レンズを前記ガラスシートに向かって移動させ、これにより、前記ガラスシートの第１の表面を特定し、
   前記対物レンズの焦点がさらに前記ガラスシートに向かって移動されるのにつれて前記対物レンズの焦点が前記ガラスシートの内部を移動することによって、前記フィラメントの影を消滅させ、
   前記フィラメントの影が視野に再び出現するまで前記対物レンズの前記ガラス検体に向かう移動を継続し、これにより前記ガラスシートの第２の表面を特定する、
   各工程を含むことを特徴とする前記方法。
2. 前記視野内の、前記ガラスの表面に現れるいかなる欠陥部からも離れた一側に、前記フィラメントの影を片寄せて位置決めするために、前記フィラメントを前記光軸を横切って移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記合焦用フィラメントを利用して、一つの平面に対する前記ガラスシートの位置の変動を自動的に補正する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. ２０倍以下の倍率と、約７ｍｍないし１０ｍｍまでの作動距離とを有する対物レンズを提供する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。

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