JP4867272B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明の光源装置は、特に固体撮像素子の検査用光源の照明光学系に関し、固体撮像素子に光源からの光を照射するに際し、開口絞りを有するレンズ光学系を用いて周辺光量を補正することにより、均一で明るい照明を落斜する光学系に関するものである。

従来、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサやＣＭＯＳ（相補正金属酸化膜半導体）センサ等
の固体撮像素子の検査では光源装置を用いて、被検査対象である固体撮像素子に既知の色
や光量の光を照射し、固体撮像素子から出力された電気信号をモニタするものがある。このような光源装置の先行技術としては例えば特許文献１に示されたものがある。

特開２００４−６１１５４号公報

ＣＣＤ等の固体撮像素子の製造にあたっては、これらの固体撮像素子がウエハ上に形成された段階で、個々の固体撮像素子の性能が検査される。
図３はこのような検査に用いられる固体撮像素子の検査用光源として用いられる光源装置の一例を示す概要図である。

図３において、ハロゲンランプ１などを光源とし、レンズ２でランプ光をほぼ平行もしくはわずかに収束する光束とする。光束の途中には減光開口部３、ＮＤフィルタ５、カラーフィルタ７が挿入されている。ＮＤフィルタ５はモータ４で回転する円盤の円周上に透過率の異なるＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタが配置されている。

減光開口部３はレンズ２により導かれた光束を機械的に遮光することが可能な開口部で、プログラマブルに開口面積の制御が可能である。ＮＤフィルタ５だけでは光量の制御ステップ数が少ないため（例えば６〜８種搭載可能）、減光開口部３と組み合わせて光量の制御ステップ数を増やしている。

カラーフィルタ７はモータ６で回転する円盤の円周上に色の異なるフィルタが配置されている。ＮＤフィルタ５、カラーフィルタ７を通過した光は照度均一化素子１０に入射し、内部で反射を繰り返すことで出口において照度ムラ、色ムラの極めて少ない均一な拡散光となる。

次に拡散光を再び平行光として被検査撮像素子１２に導くために、レンズ２２ａ，２２ｂで平行光とされ、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を制限する開口絞り９により被検査撮像素子１２に必要なＮＡが制限される。
このように、照度均一化素子１０と被検査撮像素子１２に共役関係な位置に置かれたレンズ２２ａ，２２ｂによって被検査撮像素子１２に照度均一化素子１０の出口を結像して照明される。

ここで照度均一化素子１０のほぼ直後に照明エリアを規制するマスク（図示省略）を置けば、被検査撮像素子１２には任意のサイズ、形状で落射が可能である。

図４は、前述の図３に示した光学系のレンズ２２ａ，２２ｂ、開口絞り９の詳細を示したもので、このような構成は光学的には均一化素子１０の出口の均一面光源をレンズで被検査撮像素子１２に投影する「ロッド照明」である。

一般的に良く知られているロッド照明としては、簡単な構成で優れた結像性能が得られるリレーレンズ系が用いられる。このリレーレンズ系では凸レンズと凹レンズを貼り合わせて作ったダブレットと呼ばれるレンズ２２ａ、２２ｂが用いられ、等倍に投影する場合は、レンズ２２ａ、２２ｂは焦点距離が同じものが選ばれる。

レンズ２２ａ、２２ｂは曲率の大きな面を内側に向かい合わせ、それぞれのレンズの焦点距離の位置に物体面２１と像面２５がくるように、且つレンズ間のちょうど中間に開口絞り９を設けることにより光束を制限できるように配置した光学系である。レンズ２２ａ、２２ｂの間隔は特に規定はないが、開口絞り９が入る間隔を確保した上で出来るだけ近いほうがレンズとしては明るいものになる。

前述ではダブレットレンズ２枚を組み合わせた構成を示したが、平凸単レンズや両凸単レンズを組み合わせた構成でも構わない。その場合、ダブレットレンズと比較すると球面収差は一桁大きくなる。このような構成は結像光学系では問題外であるが、照明光学系では像高(画像の大きさ、又は照明エリア)によっては許容できる。

図４に示すように、レンズ２２ａ、２２ｂ間に開口絞り９を設け、絞り径を変えることでＮＡを変えることが出来る。開口絞り９の働きは、物体面２１の光軸上の点Ｏを像面２５のＯ’に達する光線のうち光軸となす角αが最も大きな光線を決めるもので、この光線より大きな角度で出た光線はこの絞りにより遮られ像面２５に達しない。

ここで開口絞り９の位置について考察すると、主に２つの要因で図４に示した光学系が用いられる。
理由の１つ目はコマ収差の抑制のためにレンズ２２ａ、２２ｂによって構成された対称レンズの中央に開口絞り９を置くことでコマ収差は絞りの前後のレンズによりキャンセルされるという性質を有しているからである。

理由の２つ目はディストーション（歪曲収差）で、ディストーションは開口絞り９の位置によって変化し、前述と同様に対称形レンズの中央に開口絞りを置くことでキャンセルされるという性質があり、そのため、カメラ用レンズには対称系に設計されたレンズが多く見られる。

凸単レンズの場合、絞りがレンズの像側にあれば糸巻き型のディストーションになり、逆に物体側にあればたる型のディストーションになる。これはレンズの中心から離れた位置を通った光線ほど強く屈折されるために発生する現象である。
なお、対称レンズの中間に絞りが置かれる実例として、先行技術文献で示した特開２００４−６１１５４の図２などがある。

ところで、前述の図４に示した従来の光学系は結像光学系としては、コマ収差とディストーションはキャンセル出来るが、周辺光量は画角βに対しコサイン４乗則により周辺光量が低下する。
図５は図４に示した光学系を光学設計ソフトでシミュレーションした像高と照度比の関係を示す図である。この図によれば、像高が高くなるに従って周辺光量の低下量が大きくなる。

撮像素子検査用光源としては中央の光量も周辺の光量も厳密に同じである必要がある。像高は検査範囲（＝照明エリア）で決まってしまうため、レンズから像面までの距離を十分とって画角βが大きくならないようにされる。そのためには焦点距離の長いレンズを採用する必要がある。しかし、図４に示す従来例のレンズ２２ａ、２２ｂは同じレンズであるため、レンズから物体面までの距離も長くなってしまう。

従って周辺光量比は装置全体のサイズ制限、光学系部（レンズ）の最大許容口径の制限、ダブレットレンズの選定などのレンズ光学系の設計で決まり、一度決めてしまった周辺光量比は開口絞りを開放しても絞り込んでも基本的には変わることが無く、照明エリアの周辺部が数パーセント暗くなることは避けられない。

この照度分布を補正するには中央部の透過率を低く設定し、周辺にかけて透過率を高くしたセンターＮＤ（ニュートラルデンシティ）タイプの部分透過率補正フィルターを用いて中央部の照度を落とし均一化する方法があるが、透過率の微妙に異なるフィルターを複数枚製作し合わせ込むしか術がない。センターＮＤの製作誤差はそのまま照明装置の光学特性に影響を及ぼし、機差の要因になる。

また焦点距離を長く取る理由は、被検査撮像素子１２に入射する角度が周辺に行くほど倒れることになり、照明エリアの最外点（一番像高の高い位置）ではβだけ倒れてしまい検査光として中央と周辺で条件が異なることによる。従って、周辺光量の均一性と合わせて後述のテレセントリック性を確保する為にも長い焦点距離が求められる。

このように対称形レンズの中央に開口絞りがある光学系では焦点距離を長くとっても結局中央部と周辺部では主光線の倒れは払拭できず５〜１０度程度の倒れが発生することになる。被撮像素子１２の同時測定数が２個または４個程度をカバーする照明エリアであればある程度の光軸の倒れは許容できる。しかし、同時測定数が8個またはそれ以上の場合は被検査素子の中央と周辺で明らかな差が生じ、同条件で検査出来ないという問題が生じる。

前述の従来例では焦点距離を長く取って、許容される範囲で使用しているが、近年ＬＥＤを光源に用いた撮像素子検査用光源も開発され、ハロゲンランプの短所である短寿命が改善されている。しかしＬＥＤ光源も万能ではなく、光量的にはまだハロゲンランプ光源に対し１/５〜１/１０程度の光量しか得られず、明るい条件で検査される必要がある場合には光量不足となる。

光量の少ない光源をカバーするには照明光学系の焦点距離を短くしてＦ値の小さい明るいレンズ光学系を採用する必要がある。ハロゲン光源を用いた場合でもより明るい要求や、更に広い照射エリア対応など明るいレンズ光学系は大変有要である。

従って、本発明の目的は、照明用レンズとして、過剰な結像性能よりも周辺照度比やテレセントリック性などを改善した明るいレンズを得るために、結像を目的としたレンズとは別の指標で設計されたレンズ光学系を用いることで、検査用光源装置の特性を改善することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１記載の発明は、
光源からの光をレンズ群を介して被検査撮像素子に照射する光源装置において、
該光源装置は、均一面光源を前記被検査撮像素子に結像させる互いに焦点距離だけ離れた位置に配置された共役の関係にある２組のレンズ群で構成され、前記均一面光源に対向する一方の組のレンズ群は２枚のレンズが近接して配置され、該２枚のレンズの中間に光軸に対する主光線の倒れ角を０度にするための開口絞りを設けたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置において、
前記２組のレンズ群は、材質と大きさがほぼ同一なレンズで構成されたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１または２に記載の光源装置において、
前記２組のレンズ群は、平凸レンズで構成され、各レンズの凸面が向かい合って配置されたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１〜３に記載の光源装置において、
前記２組のレンズ群のうちの、他方のレンズ群は平凸単レンズ２枚、タブレットレンズが１枚又は２枚で構成されたレンズ系であることを特徴とする。

請求項５においては、請求項１〜４のいずれかに記載の光源装において、
前記一方の組のレンズ群の中間に設けられた絞りは、固定絞り又は可変絞りであることを特徴とする。

請求項６においては、請求項５に記載の光源装置において、
前記可変絞りは、円盤（ターレット）の周縁付近の円周上に絞り径の異なる複数の絞りを備えたことを特徴とする。

請求項7においては、請求項５に記載の光源装置において、
前記可変絞りは、可動羽を有する絞りとしたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１，５，６によれば、主に以下の点が改善される。
光源装置は、均一面光源を前記被検査撮像素子に結像させる互いに焦点距離だけ離れた位置に配置された共役の関係にある２組のレンズ群で構成され、前記均一面光源に対向する一方の組のレンズ群は２枚のレンズが近接して配置され、該２枚のレンズの中間に光軸に対する主光線の倒れ角を０度にするための開口絞りを設けたので、光軸に対する主光線の倒れ角を０度にすることができ、均一性、テレセントリック性、結像性を改善することができる。また、従来例では明るいレンズを得ようとれば倒れ角が増し、テレセントリック性と明るいレンズの両立は出来ないが、本発明のレンズでは双方両立して可能であり、大きな（広い）光束を得ることができる。

請求項２によれば、２組のレンズ群の材質と大きさをほぼ同一なレンズで構成したので、価格を安くすることができる。

請求項３によれば、２組のレンズ群を平凸レンズで構成し、各レンズの凸面を向かい合わせて配置したので、高い結像性能を得ることができる。
請求項４によれば、２組のレンズ群のうちの、他方のレンズ群を平凸単レンズ２枚、タブレットレンズを１枚又は２枚で構成したので結像性能を向上させることができる。

請求項7によれば、可動羽を有する可変絞りとしたので、短時間に絞りの径を可変できコンパクトで安価に入手可能である。

本発明によれば、明確な設計思想で均一な照度が得られることから、物体像に相当する均一化素子の均一照度をそのまま特性を落とすことなく被検査素子まで伝達することが可能なので、途中に照度低下の要因となる照度補正フィルターなど介在させることなく最大限光束を利用でき、大きな周辺光量比を得ることができる。
また、従来の光源装置では主光線の倒れや、周辺光量比が許容できるように長焦点距離化しなけれはならず、明るいレンズはトレードオフの関係からＦ４程度が限界である。本発明のレンズではＦ２より明るいレンズも設計可能なので光量にして約４倍明るいレンズを設計することができる。

更に、同じレンズを使用するので大口径化に適した構成で安価なレンズ製作が可能である。また、中間に絞りが設けられた一方の組のレンズ群は他方の群のレンズ径ほど要らないことから、光学特性はそのままでレンズ外径のみ必要サイズまで削り込んでレンズの製作数量（研磨バッチ数）などを上げることができる。

図１は本発明の光源装置を構成するレンズ光学系の一例を示す図である。本発明のレンズは、等倍近辺に適した光学系（レンズを介することによる像の拡大、縮小がない系）であるが、多少の縮小系、拡大系においても適用可能である。
図１に示すように本発明では材質や曲率半径など光学特性が同程度で、１組が２枚で構成された２組の平凸レンズ３３ａ，３３ｂのレンズの凸側を向かい合わせたレンズ系が用いられる。

１組はレンズ３３ａ，３３ｂとこれらのレンズに挟まれた開口絞り３９で構成されており、開口絞り３９はレンズ３３ａ，３３ｂの中間に設けられ、レンズ間は出来るだけ近く配置されている。他の一組も同じくレンズ３３ａ，３３ｂで構成され、こちらのレンズ間も極近接して配置されている。

２組のレンズの間隔は合成焦点距離だけ離して配置され（２組のレンズ群が互いの焦点距離だけ離れた位置に配置され）ており、レンズの中間に開口絞りが配置された１組のレンズ群（１群）が物体面と対向し、他の一組（２群）は像面３５に対向して配置されている。なお、物体面３１と像面３７は、レンズ系の共役の関係になるよう配置されている。
このように構成することにより、像側テレセントリックのレンズとすることが出来る。

レンズの焦点距離は、ワーキングディスタンスや光学系の全長、像高などにより設計するが、一般的にｆ＝８０ｍｍ〜２００ｍｍ程度の市販されているレンズの組み合わせが適当である。
上述の構成によれば、検査用光源に求められる重要な光学特性のテレセントリック性が、単レンズの誤差（一般的に２％程度の製作誤差がある）に起因して発生しても２組のレンズ間の距離を調整することで正確なテレセントリック性を確保することができる。

また諸事情によりテレセントリック性を多少犠牲にしても限られたレンズ径で広範囲を照射する場合など２組のレンズ間の距離を調整することで意図した程度のレンズ設計が可能となり、状況に応じた展開が可能である。

もう一つ重要な光学特性は周辺照度均一性であるが、１組のレンズ３３ａ，３３ｂの中間に設けた開口絞り３９の作用により、絞り径をレンズ径のケラレが発生するギリギリに開放した状態（＝Ｆ２〜４程度）から、Ｆ１６を超えるところまで絞り込んでも周辺光量比はほぼ変化がないことから、自在にＦ値の変更も可能な特性も有している。

図２は図１に示す本発明の光源装置を光学設計ソフトでシミュレーションした結果を示す図である。従来装置の図５に比較して像高でも照度比はほとんど変わらないことが分かる。

照明レンズでは、光学特性は厳しくないものの、比較的大口径のレンズやミラー、プリズムなどの大型光学系が用いられる。撮像素子検査用光源も例外ではなく、固体撮像素子を４個、８個、更にはそれ以上を同時測定する場合には広範囲の照射エリアで平行光が求められる。そのため、レンズ径も１００ｍｍを超えるサイズとなり、図４で示す従来例で用いられるタブレットレンズは単価が高いので、このレンズを４〜６枚と組み合わせてテレセントリックレンズを作るのは経済的ではない。

テレセントリックレンズのレンズ径は、像側テレセントリック性を求められる場合は射出側のレンズが大口径になり、物体側テレセントリック性を求められる場合は入射側のレンズ径が大口径になる。検査用の光源装置のレンズ系は像側のテレセントリック性が求められるため出射側のレンズ径が大口径になる。

このサイズは、照明エリア最大値（長方形の場合では長方形の対角線の長さ）、レンズのＦ値、ワーキングディスタンスにより以下のように求めることができる。
レンズ径＝照明エリア最大値＋余裕照明＋
（ワーキングディスタンス／レンズのＦ値）＋レンズ保持代

検査用光源では、図では省略するが、被測定部の周辺にコンタクトピン、ドライブ回路などがありデバイス（撮像素子）面近傍まで十分寄ることが出来ないのでワーキングディスタンスとる必要がある。また、レンズのＦ値の小さい明るいレンズを設計するには、レンズ径の大型化は避けられない。

平凸レンズは最も大型化に適しているとともに、最も安価である。本発明ではその平凸レンズを用いて全てのレンズを構成しているので、従来のダブレットレンズ２枚を用いた構成より遥かに安く製作することが可能である。

また、本発明の光源装置は等倍（レンズを介することによる像の拡大、縮小がない系）近辺の照明用テレセントリックレンズであり、用途を検査素子検査用光源に限定したものではなく、均一な平行光を求められる全般の照明光学系に適用可能である。即ち、均一な照度照度が得られることから、ロッド照明のように物体側を均一照度と組み合わせると効果的である。

本発明の実施例ではレンズ系は２組で４枚構成のものを示したが、これは比較的明るいレンズをレンズの焦点距離も短く抑えながら安価に製作するための措置であり、２群側のレンズをダブレット１枚または２枚に置き換えたり、平凸レンズ１枚、両凸レンズ1枚に置き換えるなどの変更も可能である。

比較的暗いレンズでよい場合は４枚構成は不要であり、２組で３枚構成もしくは、２組で２枚構成としても、照明用途として許容できる範囲であれば問題ない。
また、２組共又は大きくなりがちな２群のみにフレネルレンズなど更に大型に適したレンズを採用することで非常に広範囲な照明の可能性もある。

更に本発明の光源装置では開口絞りの径を変えても、周辺光量比が変化しないことから、任意のＦ値で照明が可能であり、可動羽を用いて絞りを駆動することで短時間にＦ値を変えることや、絞りをターレット上に複数設けて選択することで絞り値を変えることができる。

従って本発明の光源装置によれば、非常に検出が困難な微細欠陥、ひび割れ、欠け、表面塗布状態検査、蒸着ムラ、など検査対象物をＦ値の異なる落射光で照明し、複数条件から最適な照明光を得る検査用照明を得ることができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の一実施例を示す光源装置の要部構成図である。 本発明の光源装置を用いた場合の像高と照度比の関係を示す図である。 従来の光源装置の全体構成を示す図である。 従来の光源装置の要部構成を示す図である。 従来の光源装置を用いた場合の像高と照度比の関係を示す図である。

符号の説明

１ 光源（ハロゲンランプ）
２，２２ａ，２２ｂ，３３ａ，３３ｂ レンズ
３ 減光開口部
４，６，８ モータ
５ ＮＤフィルタ
７ カラーフィルタ
９，３９ 開口絞り
１０ 照度均一化素子
１２ 被検査撮像素子
２１，３１ 物体面
２５,３５ 像面

Claims (7)

1. 光源からの光をレンズ群を介して被検査撮像素子に照射する光源装置において、
   該光源装置は、均一面光源を前記被検査撮像素子に結像させる互いに焦点距離だけ離れた位置に配置された共役の関係にある２組のレンズ群で構成され、前記均一面光源に対向する一方の組のレンズ群は２枚のレンズが近接して配置され、該２枚のレンズの中間に光軸に対する主光線の倒れ角を０度にするための開口絞りを設けたことを特徴とする光源装置。
2. 前記２組のレンズ群は、材質と大きさがほぼ同一なレンズで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記２組のレンズ群は、平凸レンズで構成され、各レンズの凸面が向かい合って配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記２組のレンズ群のうちの、他方のレンズ群は平凸単レンズ２枚、タブレットレンズが１枚又は２枚で構成されたレンズ系であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置。
5. 前記一方の組のレンズ群の中間に設けられた絞りは、固定絞りまたは可変絞りであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。
6. 前記可変絞りは、円盤（ターレット）の周縁付近の円周上に絞り径の異なる複数の絞りを備えたことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記可変絞りは、可動羽を有する絞りとしたことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。

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