KR20170080631A - 조명 시스템, 조명 시스템을 구비한 검사 도구, 및 조명 시스템 동작 방법 - Google Patents

조명 시스템, 조명 시스템을 구비한 검사 도구, 및 조명 시스템 동작 방법 Download PDF

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Abstract

조명 시스템, 검사 도구 및 물체 검사 방법이 개시된다. 구성가능 면광원이 조명 빔 경로의 조명 광축에 배열되고, 상기 구성가능 면광원은 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된다. 적어도 하나의 조명 렌즈가 물체의 표면상의 적어도 시야에 시준 빔을 지향시키기 위해 상기 조명 빔 경로에 배치되고, 상기 조명 빔 경로의 조명 광축의 입사각의 값은 상기 이미징 빔 경로의 이미징 광축의 반사각의 값과 동일하다. 본 발명은 광각 동축 조명과 시준 동축 조명의 기능을 하나의 조명 시스템에 결합할 수 있다.

Description

조명 시스템, 조명 시스템을 구비한 검사 도구, 및 조명 시스템 동작 방법{ILLUMINATION SYSTEM, INSPECTION TOOL WITH ILLUMINATION SYSTEM, AND METHOD OF OPERATING AN ILLUMINATION SYSTEM}
관련 출원에 대한 교차 참조
이 출원은 2014년 10월 31일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/073,393호의 우선권을 주장하며, 이 우선권 출원의 내용은 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 조명 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 조명 시스템을 구비한 검사 도구에 관한 것이다.
추가로, 본 발명은 조명 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
일본 특허 출원 JP 2013-145123 A에는 동축 조명을 구비한 광각 반사 광학 시스템이 개시되어 있다. 이 광학 시스템은 카메라의 에어리어 센서(area sensor)에 검사 대상 물체의 이미지를 형성하기 위한 카메라를 구비한다. 분기 광학 요소가 검사 대상 물체 측에 가까운 렌즈 후방에 배치된다. 분기 광학 요소는 광학 시스템의 광축에 위치된다. 광원은 검사 물체의 동축 조명을 위해 제공된다. 광원으로부터의 조명 광속은 광속이 이미지 포착 광학 시스템의 광축을 교차하게 하도록 소정 방향으로부터 분기 광학 요소에 진입한다.
일본 특허 출원 JP 2011-106912 A에는 동축 조명을 이용하여 이미징 대상 요소와 함께 밝은 이미지를 포착하는 이미징 조명 장치가 개시되어 있다. 광원으로부터 조사되는 조명 광은 확산판을 통해 하프 미러(half mirror)에 입사된다. 광의 일부는 반사되어 기판을 조명한다. 기판에 의해 반사된 광의 일부는 하프 미러를 투과하여 이미징 장치의 이미징 요소에 입사된다. 기판에 형성된 패턴 이미지가 촬영된다. 조명 대상 물체에 조명 광을 전반사하는 반사 부재(미러)는 하프 미러 부분의 외측에 고정되고, 이때 이미징 물체(이미징 영역)의 이미지는 조명 광의 입사측을 통과한다. 광원으로부터의 조명 광은 하프 미러에 의해 반사되고 이 반사 부재에 의해 반사되는 기판이 조사되게 한다. 그 결과, 기판(조명 대상 물체)이 밝게 조명될 수 있다.
본 발명의 목적은 하나의 물리적 구성에서 상이한 조명 조건이 가능하고 상이한 조명 조건이 실시간으로 선택되는 조명 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 시준 조명(collimated illumination)용의 조명 시스템에 의해 달성된다. 이 조명 시스템은,
조명 빔 경로의 광축에 배열되고 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된 구성가능 면광원(configurable area light source)과;
이미징 빔 경로의 광축과;
물체의 표면상의 적어도 시야에 시준 빔을 지향시키기(directing) 위해 상기 조명 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 조명 렌즈를 포함하고, 상기 조명 빔 경로의 광축의 입사각의 값은 상기 이미징 빔 경로의 광축의 반사각의 값과 동일하다.
본 발명의 다른 목적은 하나의 물리적 구성에서 상이한 조명 조건으로 물체의 검사가 가능하고 검사를 받는 물체에 대한 상이한 조명 조건이 실시간으로 선택되는 검사 도구를 제공하는 것이다.
상기 목적은 이미징 빔 경로의 광축에 배열된 카메라와;
물체의 표면의 적어도 일부를 카메라의 이미지 평면에 이미징하기 위해 상기 이미징 빔 경로에 배치된 이미징 렌즈와;
조명 빔 경로의 광축에 배열되고 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된 구성가능 면광원을 구비한 조명 시스템과;
물체의 표면상의 시야에 시준 빔을 지향시키기 위해 상기 조명 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 조명 렌즈- 상기 조명 빔 경로의 광축의 입사각의 값은 상기 이미징 빔 경로의 광축의 반사각의 값과 동일한 것임 -를 포함한 검사 도구에 의해 달성된다.
본 발명의 추가의 목적은 하나의 물리적 구성에서 상이한 조명 조건- 검사를 받는 물체에 대한 상기 상이한 조명 조건(넓은 빔 동축 광 및 모든 평행 각(collimation angle))은 실시간으로 선택되는 것임 -으로 물체를 검사하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은
a. 조명 빔 경로를 따라 조명 렌즈를 통해 구성가능 면광원으로부터 광빔 개방 각(light beam opening angle)을 규정하는 조명 광을 물체의 표면에 지향시키는 단계와;
b. 물체의 표면으로부터의 반사광을 이미징 빔 경로를 따라 지향시키는 단계와;
c. 물체의 표면으로부터의 반사광을 이미징 렌즈에 의해 카메라의 이미지 평면에 이미징하는 단계와;
d. 상기 조명 광의 직경을 변경하여 상기 광빔의 개방 각을 변경하는 단계와;
e. 상이한 빔 개방 각 및 평행 각으로 실시간 이미지에서 물체 표면의 시야를 발생하기 위해 상기 단계 a-d를 반복하는 단계를 포함한 물체 검사 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 조명 시스템, 본 발명의 검사 도구 및 본 발명의 방법의 장점은 평행 각을 실시간으로 선택할 수 있다는 점이다(예를 들면, 상이한 연속적 카메라 이미지를 위해 상이한 평행 각이 바람직할 때). 이러한 장점은 모든 넓은 빔 동축 광 및 모든 평행 각이 하나의 물리적 구성에서 결합되기 때문에 달성된다. 본 발명에 따르면, 광각 동축 조명과 시준 동축 조명의 기능을 하나의 조명 시스템에 결합할 수 있다. 점광원을 사용하는 대신에, 상이한 면적 직경을 선택 또는 다룰 수 있는 면광원이 사용된다.
예를 들어서 만일 매우 작은 면적 직경이 면광원에서 선택되면, 조명은 점광원 기능에 필적한다. 이 때문에 매우 좁은 빔 및 시준 동축 조명이 발생된다.
면광원의 전체 면적을 선택한 경우에, 이 선택은 시준 동축 조명의 "점광원"의 위치에 "광각 동축 조명"으로부터의 "확산 면광원"을 둔 것에 필적한다. 이 구성의 결과, 종래의 "광각 동축 조명"으로부터 오는 광에 필적하는 매우 넓은 빔 동축 조명이 발생하고, 예외는 광이 이제 조명 렌즈를 통하여 투사된다는 점이다.
면광원의 임의의 면적 직경이 면광원의 전체 면적 직경과 매우 작은 면적 직경 사이에서 사용되는 경우에, 시준 빔 개방 각의 변화가 가능하다.
본 발명의 조명 시스템은 추가의 구성을 가능하게 하고, 이것은 면광원의 외경만이 사용되는 것이다. 이 구성은 암시야 근접 동축 조명을 야기한다.
본 발명의 조명 시스템의 조명 렌즈는 프레넬 렌즈이다. 비록 일 실시형태에 따라서 본 발명의 조명 렌즈가 프레넬 렌즈이지만, 당업자에게는 조명 렌즈가 프레넬 렌즈로 제한되지 않는다는 것이 명백할 것이다.
조명 시스템의 일 실시형태에 따르면, 빔 스플리터가 적어도 하나의 조명 렌즈 이후의 조명 빔 경로에 배치된다. 빔 스플리터는 조명 빔 경로의 재지향된 광축을 따라 면광원으로부터의 시준 조명 광(조명 조건은 면광원의 다루어진 면적에 따라 선택된다)을 물체의 표면에 지향시킨다. 빔 스플리터를 사용함으로써, 이미징 빔 경로의 광축의 배열은 조명 빔 경로의 재지향된 광축과 동축으로 된다.
이미징 빔 경로와 조명 빔 경로를 빔 스플리터의 반대쪽으로 바꾸더라도 동일한 효과가 얻어진다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 여기에서 조명 빔 경로는 빔 스플리터를 통하여 직진한다. 이미징 빔 경로는 빔 스플리터에 의해 이제 접어진다(반사된다).
면광원은 복수의 이산 발광 요소들의 2차원 배열이다. 가능한 일 실시형태에 따르면, 이산 발광 요소는 발광 다이오드이다. 복수의 발광 요소들의 2차원 배열은 발광 요소들이 구성가능 면광원에 할당된 제어 및 구동 장치에 의해 개별적으로 다루어지는 매트릭스 배열이다. 제어 및 구동 장치에 의해, 면광원 위의 동심 기하학적 형상이 광을 방사하는 방법으로 발광 요소들을 다룰 수 있다. 구성가능 면광원의 다른 가능한 실시형태는 적어도 하나의 동질 발광 요소와, 조명 빔 경로에서 상기 적어도 하나의 동질 발광 요소의 하류에 배열된 적어도 하나의 구성가능 셔터 요소를 포함한다. 구성가능 셔터 요소의 하나의 가능성은 광원을 덮는 LCD-스크린이다. LCD 픽셀들은 광을 차단하기 위해 사용된다. LCD-스크린의 미세한 피치는 투사 패턴의 융통성을 더 크게 한다. 추가의 실시형태에 따르면, 구성가능 면광원은 균일한 면적 조명을 제공하는 단일 발광 요소를 포함한다. LCD-스크린은 단일 발광 요소 앞에 배치된다. LCD-스크린은 2차원 구성으로 배열된 복수의 개별 픽셀들을 포함한다. 개별 픽셀들은 각 개별 픽셀의 투과율 값을 변경하도록 다루어질 수 있다.
다른 하나의 가능성은 구성가능 면광원이 동심 기하학적 형상의 형태로 캐리어 위에 발광 요소들의 배열로서 구성된다는 점이다.
동심 기하학적 형상(다룰 수 있는 것 또는 이미 배열된 것)의 이상적인 해볍은 동심 원형이다. 동심 기하학적 형상의 다른 가능성은 복수의 동심 직사각형이다. 이 배열은 가장 용이한 해법이지만(예를 들면, LED 배치), 평행 각은 직사각형의 수평/수직 방향에 대하여 대각선 방향에서 다르다. 양호한 절충안은 예를 들면 발광 요소들의 엇갈림 격자(staggered grid)(LED 격자)에 의해 실현될 수 있는 동심 육각형을 이용하는 것일 수 있다.
그러나 면광원의 설계는 사실 임의의 패턴이 투사될 수 있게 하는 것일 수 있다. 이것은 광빔이 그 패턴에 대응하는 광빔 개방 각을 갖게 할 것이다. 면광원의 구성은 동심 기하학적 형상으로 제한되지 않는다는 점을 이해하여야 한다. 당업자라면 면광원의 투사 패턴이 동심 기하학적 형상으로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 발명에 따르면 임의의 패턴이 투사될 수 있다. 개별 발광 요소는 원하는 패턴이 달성되도록 컴퓨터에 의해 또는 제어 및 구동 장치에 의해 다루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단일 면광원을 덮는 LCD 스크린의 픽셀들은 임의의 원하는 패턴이 투사될 수 있도록 개별적으로 다루어진다(다루어진 LCD 픽셀들은 면광원으로부터의 광을 차단한다).
추가적인 발명 개념은 본 발명의 구성가능 면광원을 검사 도구에 통합하는 것이다. 카메라는 이미징 빔 경로의 광축에 배열된다. 물체의 표면의 적어도 일부를 카메라의 이미지 평면에 이미징하기 위해 이미징 렌즈가 이미징 빔 경로에 배치된다. 면광원을 구비한 조명 시스템이 조명 빔 경로의 광축에 배열된다. 구성가능 면광원은 조명을 위한 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된다. 시준 빔을 물체 표면상의 시야에 지향시키기 위해 적어도 하나의 조명 렌즈가 조명 빔 경로에 배치되고, 이때 조명 빔 경로의 광축의 입사각의 값은 이미징 빔 경로의 광축의 반사각의 값과 동일하다. 이 조건은 빔 스플리터가 적어도 하나의 조명 렌즈 이후의 조명 빔 경로에 배치된 경우에도 또한 참(true)이다. 빔 스플리터는 이미징 빔 경로에 평행한 조명 빔 경로의 재지향된 광축을 따르는 면광원으로부터의 시준된 조명 광을 물체의 표면에 지향시킨다. 그 결과, 이미징 빔 경로의 광축은 조명 빔 경로의 재지향된 광축과 동축이다.
스팟 광원을 상이한 직경의 광빔을 방사할 수 있는 광원으로 교체함으로써, 구성가능 조명, 예를 들면 구성가능 광빔 개방 각을 가진 검사 도구가 가능해진다. 광빔 개방 각의 구성은 시준 광빔으로부터 넓은 개방 각 광빔까지의 범위를 갖는다. 상이한 광 직경 또는 형상이 독립 채널로서 실시간으로 전환될 수 있다. 이것은 예를 들면 연속적인 카메라 이미지를 위한 조명의 평행 각을 변화시키는 가능성을 남긴다.
본 발명의 조명 시스템의 빔 스플리터는 홀더에 장착된다. 검사 대상의 물체는 그 표면이 홀더의 제1 측면에 대면한다. 구성가능 면광원으로부터의 광이 조명 렌즈를 통해 빔 스플리터에 지향되고 그로부터 물체의 표면에 지향되도록 상기 홀더의 제2 측면에 미러가 장착된다.
하나의 동축 조명 구성에서 및 그에 따라 하나의 검사 도구에서 상이한 광빔 개방 각을 제공할 때의 장점은 사용자가 하나의 동일한 도구를 이용하여 몇 가지 상이한 검사 루틴을 실행할 수 있다는 것이다.
전술한 일반적인 개념 및 이하의 상세한 설명은 단지 예시 및 설명을 위한 것이고 반드시 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 점을 이해하여야 한다. 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 발명의 주제를 예시한 것이다. 본 명세서의 설명과 도면은 함께 발명의 원리를 설명하는데 소용된다.
이하에서, 본 발명 및 그 장점을 첨부도면을 참조하면서 추가로 설명할 것이다.
도 1은 대확산 광원을 이용한 종래의 광각 동축 조명 시스템의 개략도이다.
도 2는 점광원을 이용한 종래의 시준 동축 조명 시스템의 개략도이다.
도 3은 시준 동축 조명 시스템의 발명 개념을 보인 개략도이다.
도 4는 시준 조명 시스템의 발명 개념을 보인 개략도이다.
도 5는 조명 렌즈를 사용하지 않는 경우에 면광원으로부터의 광의 시준 빔 개방 각의 정도를 보인 개략도이다.
도 6은 조명 시스템이 조명 렌즈와 함께 면광원으로부터 큰 스팟 크기를 제공하는, 구성가능 면광원으로부터의 광의 시준 빔 개방 각의 정도를 보인 개략도이다.
도 7은 조명 시스템이 조명 렌즈와 함께 면광원으로부터 중간 스팟 크기를 제공하는, 구성가능 면광원으로부터의 광의 시준 빔 개방 각의 정도를 보인 개략도이다.
도 8은 조명 시스템이 조명 렌즈와 함께 면광원으로부터 작은 스팟 크기를 제공하는, 구성가능 면광원으로부터의 광의 시준 빔 개방 각의 정도를 보인 개략도이다.
도 9는 구성가능 면광원의 일 실시형태의 상면도이다.
도 10은 도 9의 구성가능 면광원 실시형태의 측면도이다.
도 11은 구성가능 면광원의 일 실시형태를 보인 도이다.
도 12는 구성가능 면광원의 다른 실시형태를 보인 도이다.
도 13은 구성가능 면광원의 또 다른 실시형태를 보인 도이다.
도 14는 검사 도구 또는 장치에 본 발명의 조명 시스템을 통합한 것을 보인 도이다.
도 15는 조명 패턴을 형성하기 위해 LCD를 이용하는, 구성가능 면광원의 다른 실시형태의 상면도이다.
도 16은 도 15의 구성가능 면광원 실시형태의 측면도이다.
도면에서 동일한 요소 또는 동일 기능의 요소에 대하여 동일한 참조 번호를 사용한다. 또한, 명확성을 위해 도면에서는 각 도면을 설명하는데 필요한 참조 번호만을 표시한다.
도 1은 대확산 면광원(2)을 이용한 광각 동축 조명 시스템(100)으로서 구성된 종래의 조명 시스템(100)의 개략도이다. 광각 동축 조명 시스템(100)의 동작 원리는 대확산 면광원(2)이 빔 스플리터(4)를 통해 물체(6)의 표면(5) 쪽으로 그 광(3)을 투사하는 것이다. 광원(2)은 조명 빔 경로(21)의 광축(20)에 배열된다. 조명 시스템(100)은 빔 스플리터(4)의 하류에서 광원(2)으로부터의 광(3)이 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)과 대략 동일한 방향(D)을 갖기 때문에 동축 조명 시스템(100)이다. 카메라(8)는 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)에 배열된다. 이미징 렌즈(7)는 물체(6)의 표면(5)의 일부 즉 시야를 카메라(8)의 이미지 평면(9)에 이미징한다. 물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광(10)은 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)을 따라 진행하고, 빔 스플리터(4)를 통과한 후에 카메라(8)의 이미징 렌즈(7)에 도달한다.
도 2는 점광원(15)을 이용한 시준 동축 조명 시스템(100)으로서 구성된 종래의 조명 시스템(100)의 개략도이다. 시준된 동축 조명을 얻기 위해, 점광원(15)은 빔 스플리터(4)를 통해 물체(6)의 표면(5) 쪽으로 조명 렌즈(12)에 의해 투사된다. 점광원(15)은 조명 빔 경로(21)의 광축(20)에 배열된다. 조명 시스템(100)은 빔 스플리터(4)의 하류에서 점광원(15)으로부터의 광(3)이 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)과 대략 동일한 방향(D)을 갖고 이미징 렌즈(7)의 조리개(83)에 집속(물체(6)가 미러형 장치인 경우)되기 때문에 시준 동축 조명 시스템(100)이다. 카메라(8)는 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)에 배열된다. 물체(6)가 미러인 경우에, 점광원(15)은 이미징 렌즈(7)의 렌즈 동공(조리개)(83)(도 3 참조)에 정확히 투사 및 집속될 것이다. 이것은 이미징 렌즈(7)가 투시 렌즈(perspective lens)인 경우이다. 이미징 렌즈(7)가 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)인 경우에는 점광원(15)이 무한대로 투사될 것이다.
이미징 렌즈(7)는 물체(6)의 표면(5)의 일부 즉 시야를 카메라(8)의 이미지 평면(9)에 이미징한다. 물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광(10)은 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)을 따라 진행하고, 빔 스플리터(4)를 통과한 후에 카메라(8)의 이미징 렌즈(7)에 도달한다.
도 3은 시준 동축 조명 시스템(100)인 조명 시스템(100)의 발명 개념의 일 실시형태를 보인 개략도이다. 본 발명의 조명 시스템(100)은 광각 동축 조명의 기능과 시준 동축 조명의 기능을 하나의 면광원(2)에 결합한다. 구성가능 면광원(2)은 상이한 면적 직경(21, 22, ..., 2N)이 선택 또는 초기화될 수 있도록 구성된다.
면적 직경(21)과 같은 매우 작은 면적 직경의 경우에, 조명 시스템(100)은 점광원 기능을 이용하는 도 2의 조명 시스템(100)에 필적한다. 최소 면적 직경(21)을 선택하면 매우 좁은 빔의 시준 동축 조명이 얻어진다.
전체 면적의 경우에, 구성가능 면광원(2)의 최대 면적 직경(2N)이 선택 또는 초기화되고, 이 구성은 확산 면광원(2)이 도 2의 점광원(15)의 위치에 있는 도 1의 확산 면광원(2)을 구비한 구성에 필적한다. 그 결과 매우 넓은 빔 동축 조명을 가진 시준 동축 조명이 얻어진다. 이 조명은 종래의 "광각 동축 조명"으로부터 오는 광에 필적한다. 본 발명에 따르면, 구성가능 면광원(2)으로부터의 광은 이제 조명 렌즈(12)를 통하여 빔 스플리터(4)에 투사되고, 그로부터 샘플(6)의 표면(5)에 투사된다.
면광원(2)은 조명 빔 경로(21)의 광축(20)에 배열된다. 전술한 바와 같이, 구성가능 면광원(2)은 상이한 설정가능 면적 직경(21, 22, ..., 2N)이 상이한 빔 직경을 야기하도록 구성된다. 최소 면적 직경(21)과 최대 면적 직경(2N) 사이의 임의의 면적 직경(21, 22, ..., 2N)은 시준 빔 개방 각(22)을 변화시킨다.
외측 면적 직경(22, ..., 2N)만이 사용되도록(광을 송출하도록) 구성가능 면광원(2)이 설정된 경우에는 구성가능 면광원(2)의 중심(2C)에 어두운 스팟이 유지된다. 이 구성은 암시야 근접 동축 조명을 야기한다.
조명 빔 경로(21)의 조명 렌즈(12)는 시준 빔을 물체(6)의 표면(5)상의 시야(13)에 조명한다. 물체(6)의 표면(5)으로부터, 시야(13)는 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)을 따라 이미징 렌즈의 이미징 렌즈 동공(조리개)(83)에 이미징된다(여기에서 이미징 렌즈와 카메라는 도시 생략됨).
도 4는 조명 시스템(100)의 발명 개념의 다른 실시형태를 보인 개략도이다. 빔 스플리터(4)는 생략되었다. 구성가능 면광원(2)은 조명 빔 경로(21)의 광축(20)이 물체(6)의 표면(5)에 대하여 소정 각도(α)로 기울어지도록 배열된다. 전술한 바와 같이, 면광원(2)으로부터의 광은 조명 렌즈(12)에 의해 물체(6)의 표면(5)상에 이미징된다. 물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광은 조명 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)을 따라 전파한다. 물체(6)의 표면(5)에서의 시야(13)는 이미징 렌즈 동공(조리개)(83)에 이미징된다(이미징 렌즈와 카메라는 도시 생략됨). 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)은 물체(6)의 표면(5)에 대하여 소정 각도(β)로 기울어진다. 조명 시스템(100)의 광학 구성은 조명 빔 경로(21)의 광축(20)의 각도(α)의 값이 이미징 빔 경로(81)의 이미징 광축(80)의 각도(β)의 값과 동일하게 되도록 된다. 빔 스플리터를 사용하지 않고 명시야 조명이 달성된다. 다시 말해서, 조명 각(α)의 값이 이미징 각(β)의 값과 동일한 검사 도구가 얻어진다.
도 5는 조명 렌즈(12)를 사용하지 않는 경우에 시준 빔 개방 각(84)의 값 정도를 보인 개략도이다. 조명 렌즈(12) 대신에, 면광원(여기에서는 도시 생략됨)의 확산판(11)이 빔 스플리터(4) 앞에 배치된다. 넓은 빔이고 조명 렌즈(12)가 없는 경우에 물체(6)의 조명으로부터의 결과로서, 전통적인 넓은 동축 조명인 비대칭의 넓은 빔이 얻어진다. 넓은 빔 개방 각(22)(도 3 참조) 때문에, 카메라(8)에서 물체(6)의 이미징 품질은 물체의 표면(5)의 기울기에 민감하지 않을 것이다.
도 6 내지 도 8은 조명 광의 스팟 크기(면적 직경)로부터 시준 빔 개방 각(84)의 의존성을 보인 도이다. 도 6은 큰 스팟 크기(큰 면적 직경) 및 조명 렌즈(12)를 가진 구성가능 면광원(2)을 이용하는 시준 빔 개방 각(84)의 정도를 보인 개략도이다. 구성가능 면광원에 의해 설정된 큰 스팟 크기(큰 면적 직경)에 기인하여, 시준 빔 개방 각(84)의 일부(24)는 컷오프된다. 이 때문에 빔 개방 각(84)은 시야(13)의 가장자리 쪽으로 비대칭으로 된다. 물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광은 빔 스플리터(4)의 기울기에 민감하지 않다. 도 7은 중간 스팟 크기(도 6에 비하여 감소된 스팟 크기)를 가진 구성가능 면광원을 이용하는 시준 빔 개방 각(84)의 정도를 보인 개략도이다. 조명 렌즈(12)로부터, 구성가능 면광원으로부터의 광은 빔 스플리터(4)를 통해 물체(6)의 표면에 시준된다. 도 7로부터, 스팟 크기가 감소되면 시준 빔 개방 각(84)이 더 좁아진다는 것을 알 수 있다. 추가로, 물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광은 이제 물체(6)의 표면(5)의 기울기에 민감하다. 도 8은 시준 빔 개방 각(84)의 정도를 보인 개략도이다. 도 7의 개략도와 비교할 때 스팟 크기가 더욱 감소된다. 구성가능 면광원(2)은 이제 작은 스팟 크기(작은 면적 직경)을 갖는다. 좁은 빔 개방 각의 결과로서 조명 시스템의 구성은 물체(6)의 표면(5)의 기울기에 매우 민감하다. 추가로, 물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광은 도 6 또는 도 7에 도시된 스팟 크기(면적 직경)에 비하여 더 시준된다.
도 9는 구성가능 면광원(2)의 일 실시형태의 상면도이다. 여기에 도시된 실시형태에 있어서, 면광원(2)은 캐리어(16)에 2차원 방식으로 배열된 복수의 발광 요소(14)에 의해 구성된다. 여기에서 발광 요소(14)는 행(171, 172, ..., 17N)과 열(181, 182, ..., 18N)로 배열되고, 이로써 매트릭스를 형성한다. 가능한 일 실시형태에 따르면, 발광 요소(14)는 발광 다이오드(LED)이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 구성가능 면광원(2)은 제어 및 구동 장치(30)에, 또는 그에 따라서 면광원(2)을 다룰 수 있는 임의의 매립형 시스템에 할당된다. 제어 및 구동 장치(30)에 의해, 개별 발광 요소(14)를 다루고 구성가능 면광원(2)의 상이한 발광 형상 및/또는 크기를 발생하는 것이 가능해진다. 도 9는 구성가능 면광원(2)의 상이한 크기(191, 192, ..., 19N)가 어떻게 초기화되는지에 대한 일 실시형태를 보인 것이다. 발광 요소(14)는 면광원(2)의 원의 각종 크기가 다루어지도록 제어 및 구동 장치(30)에 의해 다루어진다. 구성가능 면광원(2)의 원의 다룰 수 있는 형태는 제한하는 인수로서 생각되지 않는다는 점에 주목하여야 한다.
도 10은 도 9의 구성가능 면광원(2)의 실시형태의 측면도이다. 발광 요소(14)는 캐리어(16) 위에 배열된다. 구성가능 면광원(2)은 캐리어(16) 위에서 다루어진 발광 요소(14)의 균일한 광 분포(면적)를 달성하기 위해 확산기(diffuser)(도시 생략됨)가 추가로 제공될 수 있다.
구성가능 면광원(2)은 전형적으로 동심 기하학적 형상(23)으로 이루어진 영역을 가질 수 있다. 이상적인 해법은 동심 원형(25)을 사용하는 것이다. 이 실시형태는 도 11에 도시되어 있고, 여기에서 구성가능 면광원(2)은 동심 원형(25)의 형상으로 이미 배치된 발광 요소(14)에 의해 형성된다.
도 12는 구성가능 면광원(2)의 다른 실시형태를 보인 것이다. 발광 요소(14)의 배치를 위한 가장 용이한 해법은 동심 직사각형(26)을 사용하는 것이다. 기하학적 형상(23)은 직사각형이고, 이것은 평행 각이 직사각형의 수평/수직 방향에 대하여 대각선 방향에서 다르다는 단점을 갖는다.
도 13은 구성가능 면광원(2)의 또 다른 실시형태를 보인 것이다. 도 12에 도시된 실시형태에 비하여 양호한 절충안은 동심 형상(23)으로서 동심 육각형(27)을 사용하는 것이다. 이것은 예를 들면 발광 요소(14)의 엇갈림 격자를 만들어서 달성할 수 있다(여기에서는 도시 생략됨).
그러나 면광원의 설계는 도 11 내지 도 13에 도시된 동심 기하학적 형상(23)으로 제한되지 않는다. 사실 면광원(2)의 발광 요소(14)를 다룸으로써 임의의 패턴이 투사될 수 있다. 이것은 광빔이 원하는 패턴 및 원하는 광빔 개방 각을 갖게 할 것이다.
도 14는 본 발명의 조명 시스템(100)을 검사 장치(200)에 통합하는 가능한 실시형태를 보인 것이다. 본 발명의 조명 시스템(100)은 검사 장치(200)의 기존 하우징(40) 내에 통합된다. 본 발명의 조명 시스템(100)은 하나의 동축 조명 구성에서 상이한 광빔 개방 각을 제공한다. 구성가능 면광원(2)으로부터의 광(10)은 미러(41)를 통해 조명 렌즈(12)(조명 렌즈(12)의 가능한 일 실시형태는 프레넬 렌즈이다)에 지향된다. 미러(41)는 조명 빔 경로(21)를 꺾기 위해 필요하다. 이것은 공간을 절약하고 검사 장치(200)에 대한 조명 시스템(100)의 통합을 가능하게 한다.
본 발명 조명 시스템(100)의 빔 스플리터(4)는 홀더(43)에 장착된다. 검사 대상의 물체(6)는 물체(6)의 표면(5)이 홀더(43)의 제1 측면(43A)에 대면하도록 캐리어(45)에 의해 유지된다. 미러(41)는 구성가능 면광원(2)으로부터의 조명 광(10)이 조명 렌즈(12)를 통해 빔 스플리터(4)에 지향되고 그로부터 물체(6)의 표면(5)에 지향되도록 상기 홀더(43)의 제2 측면(43B)에 장착된다.
물체(6)의 표면(5)으로부터 반사된 광은 이미징 빔 경로(81)를 따라 카메라(8)로 진행한다. 이미징 렌즈(7)는 물체(6)의 표면(5)의 시야(13)를 카메라(8)의 이미지 평면(9)에 이미징한다. 여기에 도시된 실시형태에서는 공간적인 이유로 이미징 빔 경로(81)를 꺾기 위해 이미징 빔 경로(81)에 2개의 추가적인 미러(82)가 제공된다. 본 발명의 검사 장치(200)에 의해 하나의 동축 조명 구성에서 상이한 광빔 개방 각을 제공할 수 있다.
도 15는 구성가능 면광원(2)의 추가적인 실시형태를 보인 것이다. LCD-스크린(50)은 적어도 하나의 발광 요소(14) 이후에 배치된다. 여기에 도시된 실시형태에서는 LCD(50)의 배면의 균일한 면적 조명을 제공하는 단일 발광 요소(14)가 사용된다(도 16에 도시된 구성가능 면광원(2)의 측면도 참조). LCD(50)의 복수의 픽셀(51)들은 개별적으로 다루어질 수 있다. LCD(50)는 2차원 방식으로 배열된 복수의 픽셀(51)을 포함한다. 따라서, 공지의 제어 장치(도시 생략됨)에 의해 픽셀(51)들을 개별적으로 다룸으로써 각종 조명 패턴이 형성될 수 있다. 구성가능 면광원(2)의 픽셀(51)(도 15 참조)들은 한 그룹의 픽셀들이 발광 요소(14)로부터의 광(55)을 완전히 차단하고 다른 픽셀(51)들은 발광 요소(14)로부터의 광(55)이 통과(도 16 참조)되게 하는 방식으로 다루어진다. 당업자라면 개별 픽셀(51)들의 투과율이 또한 조정될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
상기 설명에서, 본 발명 실시형태의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부들이 개시되었다. 그러나 예시된 본 발명 실시형태의 전술한 설명은 총 망라적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 당업자라면 본 발명이 하나 이상의 특정 세부 없이, 또는 다른 방법, 컴포넌트 등에 의해 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예로서, 잘 알려진 구조 또는 동작은 발명의 양태를 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 구체적으로 도시 또는 설명하지 않았다. 발명의 특정 실시형태 및 그 예를 예시 목적으로 여기에서 설명하였지만, 당업자라면 이해하는 바와 같이 발명의 범위 내에서 각종의 등가적인 수정이 가능하다.
이러한 수정은 전술한 상세한 설명에 비추어 본 발명에 대하여 행하여질 수 있다. 이하의 특허 청구범위에서 사용하는 용어들은 발명을 전술한 상세한 설명 및 특허 청구범위에서 개시된 특정 실시형태로 제한하는 것으로 추론되지 않아야 한다. 오히려, 발명의 범위는 이하의 특허 청구범위에 의해 결정되어야 하고, 특허 청구범위는 특허 청구범위 해석에 관한 확립된 원칙에 따라 추론되어야 한다.
2 면광원; 구성가능 면광원
21, 22, ..., 2N 면적 직경
2C 면광원의 중심
3 광
4 빔 스플리터
5 표면
6 물체
7 이미징 렌즈
8 카메라
9 이미지 평면
10 광
11 확산판
12 조명 렌즈
13 시야
14 발광 요소
15 점광원
16 캐리어
171, 172, ..., 17N 행
181, 182, ..., 18N 열
191, 192, ..., 19N 크기
20 조명 광축
21 조명 빔 경로
22 시준 빔 개방 각(조명 렌즈 이전)
23 동심 기하학적 형상
24 부분
25 동심 원형
26 동심 직사각형
27 동심 육각형
30 제어 및 구동 장치
40 하우징
41 미러
43 홀더
43A 제1 측면
43B 제2 측면
50 LCD
51 LCD의 픽셀
55 광
80 이미징 광축
81 이미징 빔 경로
82 미러
83 이미징 렌즈 동공, 조리개
84 시준 빔 개방 각(이미징 렌즈 이후)
100 조명 시스템
200 검사 장치
D 방향
α 각
β 각

Claims (38)

  1. 시준 조명(collimated illumination)용의 조명 시스템에 있어서,
    조명 빔 경로의 조명 광축에 배열되고 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된 구성가능 면광원(configurable area light source)과;
    이미징 빔 경로의 이미징 광축과;
    물체의 표면상의 시야에 시준 빔을 지향시키기(directing) 위해 상기 조명 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 조명 렌즈를 포함하고,
    상기 조명 빔 경로의 조명 광축의 입사각의 값은 상기 이미징 빔 경로의 이미징 광축의 반사각의 값과 동일한 것인 시준 조명용 조명 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조명 렌즈는 프레넬(Fresnel) 렌즈인 시준 조명용 조명 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조명 렌즈 이후의 조명 빔 경로에 빔 스플리터가 배치되고, 상기 빔 스플리터는 상기 조명 빔 경로의 재지향된 조명 광축을 따라 상기 구성가능 면광원으로부터의 시준 조명 광을 물체의 표면에 지향시키며, 상기 이미징 빔 경로의 이미징 광축은 상기 조명 빔 경로의 재지향된 조명 광축과 동축인 시준 조명용 조명 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 설정가능한 상이한 빔 직경은 시준 빔 개방 각(opening angle)의 변화를 가능하게 하는 것인 시준 조명용 조명 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구성가능 면광원은 복수의 발광 요소들의 2차원 배열인 시준 조명용 조명 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 발광 요소는 발광 다이오드인 시준 조명용 조명 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 발광 요소들의 2차원 배열은 매트릭스 배열인 조명 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 구성가능 면광원은 균일한 면적 조명(area illumination)을 제공하는 단일 발광 요소 및 상기 단일 발광 요소 앞에 배치된 LCD-스크린을 포함한 것인 시준 조명용 조명 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 LCD-스크린은 2차원 배열로 구성된 복수의 개별 픽셀들을 포함하고, 상기 개별 픽셀들은 조명 광에 대한 투과율 값을 변경하도록 다루어질 수 있는 것인 시준 조명용 조명 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상이한 빔 직경을 얻기 위해 조명에 대한 복수의 동심 기하학적 형상이 발생되도록 상기 구성가능 면광원에 제어 및 구동 장치가 할당된 시준 조명용 조명 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 동심 기하학적 형상은 복수의 동심 원형인 시준 조명용 조명 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 동심 기하학적 형상은 복수의 동심 직사각형인 시준 조명용 조명 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 동심 기하학적 형상은 복수의 동심 육각형인 시준 조명용 조명 시스템.
  14. 제6항에 있어서, 상기 복수의 발광 요소들의 2차원 배열은 동심 기하학적 형상인 상기 발광 요소들의 배열에 의해 규정되는 것인 시준 조명용 조명 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상이한 빔 직경을 얻기 위해 개별적인 동심 기하학적 형상의 상기 발광 요소들을 구동하도록 상기 발광 요소들의 동심 기하학적 형상의 배열에 제어 및 구동 장치가 할당된 시준 조명용 조명 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 동심 기하학적 형상은 복수의 동심 원형인 시준 조명용 조명 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 동심 기하학적 형상은 복수의 동심 직사각형인 시준 조명용 조명 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 동심 기하학적 형상은 복수의 동심 육각형인 시준 조명용 조명 시스템.
  19. 검사 도구에 있어서,
    이미징 빔 경로의 조명 광축에 배열된 카메라와;
    물체의 표면의 적어도 일부를 상기 카메라의 이미지 평면에 이미징하기 위해 상기 이미징 빔 경로에 배치된 이미징 렌즈와;
    조명 빔 경로의 상기 조명 광축에 배열되고 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된 구성가능 면광원을 구비한 조명 시스템과;
    물체의 표면상의 시야에 시준 빔을 지향시키기 위해 상기 조명 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 조명 렌즈를 포함하고,
    상기 조명 빔 경로의 상기 조명 광축의 입사각의 값은 상기 이미징 빔 경로의 이미징 광축의 반사각의 값과 동일한 것인 검사 도구.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조명 렌즈 이후의 조명 빔 경로에 빔 스플리터가 배치되고, 상기 빔 스플리터는 상기 조명 빔 경로의 재지향된 광축을 따라 상기 구성가능 면광원으로부터의 시준 조명 광을 상기 물체의 표면에 지향시키며, 상기 이미징 빔 경로의 이미징 광축은 상기 조명 빔 경로의 재지향된 광축과 동축인 검사 도구.
  21. 제20항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 홀더에 장착되고, 샘플 캐리어에 의해 유지되는 상기 물체의 표면은 상기 홀더의 제1 측면에 대면하며, 상기 구성가능 면광원으로부터의 광이 상기 빔 스플리터에 지향되도록 상기 홀더의 제2 측면에 미러가 장착된 검사 도구.
  22. 제20항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 홀더에 장착되고, 샘플 캐리어에 의해 유지되는 상기 물체의 표면은 상기 홀더의 제1 측면에 대면하며, 상기 구성가능 면광원으로부터의 광이 상기 빔 스플리터에 부딪히도록 상기 홀더의 제2 측면이 상기 면광원을 반송하는 검사 도구.
  23. 제19항에 있어서, 상기 설정가능한 상이한 빔 직경은 시준 빔 개방 각의 변화를 가능하게 하는 것인 검사 도구.
  24. 제19항에 있어서, 복수의 발광 요소가 2차원 배열로 캐리어에 배치되어 상기 구성가능 면광원을 규정하고, 상기 복수의 발광 요소는 발광 요소들이 개별적으로 다루어지고 임의의 패턴이 상기 구성가능 면광원에 의해 달성되며 상기 패턴에 따라 발생된 광빔이 광빔 개방 각을 갖도록 제어 및 구동 장치에 할당된 것인 검사 도구.
  25. 제24항에 있어서, 상기 복수의 발광 요소의 2차원 배열은 매트릭스 배열인 검사 도구.
  26. 제19항에 있어서, 상기 구성가능 면광원은 균일한 면적 조명을 제공하는 단일 발광 요소 및 상기 단일 발광 요소 앞에 배치된 LCD-스크린을 포함한 것인 검사 도구.
  27. 제26항에 있어서, 상기 LCD-스크린은 2차원 배열로 구성된 복수의 개별 픽셀들을 포함하고, 상기 개별 픽셀들은 개별 픽셀들의 투과율 값을 변경하도록 제어 및 구동 장치에 의해 다루어질 수 있는 것인 검사 도구.
  28. 제19항에 있어서, 상이한 빔 직경을 얻기 위해 조명에 대한 복수의 동심 기하학적 형상이 발생되도록 상기 구성가능 면광원에 제어 및 구동 장치가 할당된 검사 도구.
  29. 제19항에 있어서, 상기 이미징 빔 경로는 상기 물체의 표면상의 시야로부터의 광을 상기 카메라의 이미지 평면에 지향시키기 위해 적어도 1회 꺾어지는 것인 검사 도구.
  30. 제19항에 있어서, 상기 조명 빔 경로는 상기 구성가능 면광원으로부터의 광을 상기 물체의 표면에 지향시키기 위해 적어도 1회 꺾어지는 것인 검사 도구.
  31. 물체 검사 방법에 있어서,
    a. 조명 빔 경로를 따라 조명 렌즈를 통해 구성가능 면광원으로부터, 광빔 개방 각을 규정하는, 조명 광을 물체의 표면에 지향시키는 단계와;
    b. 상기 물체의 표면으로부터의 반사광을 이미징 빔 경로를 따라 지향시키는 단계와;
    c. 상기 물체의 표면으로부터의 반사광을 이미징 렌즈에 의해 카메라의 이미지 평면에 이미징하는 단계와;
    d. 상기 조명 광의 직경을 변경하여 상기 광빔의 개방 각을 변경하는 단계와;
    e. 상이한 빔 개방 각 및 평행 각(collimation angle)으로 실시간 이미지에서 상기 물체 표면의 시야를 발생하기 위해 상기 단계 a-d를 반복하는 단계를 포함한 물체 검사 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 광빔의 상이한 개방 각은 규정된 광 직경 또는 형상이 달성되도록 상기 구성가능 면광원을 제어 및 구동함으로써 발생되는 상이한 광 직경 또는 형상에 의해 설정되는 것인 물체 검사 방법.
  33. 제31항에 있어서, 상기 구성가능 면광원은 복수의 발광 요소로 이루어진 매트릭스 배열인 물체 검사 방법.
  34. 제31항에 있어서, 상기 구성가능 면광원은 균일한 면적 조명을 제공하는 단일 발광 요소 및 상기 단일 발광 요소 앞에 배치된 LCD-스크린을 포함한 것인 물체 검사 방법.
  35. 제31항에 있어서, 상이한 빔 직경을 얻기 위해 복수의 동심 및 다루기가능한 기하학적 형상이 발생되도록 상기 구성가능 면광원에 제어 및 구동 장치가 할당된 물체 검사 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 복수의 발광 요소는 동심 기하학적 형상으로 배열되고, 제어 및 구동 장치가 상이한 빔 직경을 얻기 위해 상기 기하학적 형상을 다루는 물체 검사 방법.
  37. 시준 조명용의 조명 시스템에 있어서,
    조명 빔 경로의 조명 광축에 배열되고 상이한 빔 직경이 설정가능하도록 구성된 구성가능 면광원과;
    적어도 하나의 조명 렌즈 이후의 조명 빔 경로에 배치되고, 상기 조명 빔 경로의 재지향된 조명 광축을 따라 상기 구성가능 면광원으로부터의 시준 조명 광을 물체의 표면에 지향시키는 빔 스플리터- 이미징 빔 경로의 이미징 광축은 상기 조명 빔 경로의 재지향된 광축과 동축임 -와;
    물체의 표면상의 시야에 시준 빔을 지향시키기 위해 상기 조명 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 조명 렌즈를 포함하고,
    상기 조명 빔 경로의 광축의 입사각의 값은 상기 이미징 빔 경로의 광축의 반사각의 값과 동일한 것인 조명 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상이한 빔 직경을 얻기 위해 복수의 동심 기하학적 형상이 상기 구성가능 면광원에 의해 발생되도록 상기 구성가능 면광원에 제어 및 구동 장치가 할당된 조명 시스템.
KR1020177014639A 2014-10-31 2015-10-30 조명 시스템, 조명 시스템을 구비한 검사 도구, 및 조명 시스템 동작 방법 KR102272438B1 (ko)

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