JP2013145123A

JP2013145123A - 広角反射同軸照明付光学系

Info

Publication number: JP2013145123A
Application number: JP2012004804A
Authority: JP
Inventors: Isao Okazaki; 伊佐央岡崎; Mitsuya Kawatsuki; 光也川月; Kiyoshi Tsuda; 清津田
Original assignee: SEIWA OPTICAL CO Ltd
Current assignee: SEIWA OPTICAL CO Ltd
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-25

Abstract

【課題】エリアセンサーカメラの画像取込み光学系と面光源同軸照明装置を組み合わせる同軸照明付光学系において、広い照明エリアを確保しながらＷＤを犠牲にすることがない広角反射同軸照明付光学系を得ること。
【解決手段】被検査物の像をエリアセンサーカメラに結像させる画像取込み光学系と、この画像取込み光学系の最も被検査物側のレンズの後方に、光軸上に位置させて配置した分岐光学素子と、この分岐光学素子に、上記画像取込み光学系の光軸と交差する方向から照明光束を入射させる面光源照明光源とを有する広角反射同軸照明付光学系。
【選択図】図３

Description

本発明は、被検査物（例えば半導体やＬＥＤ、液晶、などの電子デバイスおよびバイオチップなど）をボンディングするときの位置あわせ工程および検査工程などに用いる広角反射同軸照明付光学系に関する。

この種の同軸照明付光学系は、ＣＣＤカメラの画像取込み光学系の光軸上に、ハーフミラーを置き、このハーフミラーを介してファイバ照明光を入射させていた。しかし、ファイバ照明光は、照明エリアが狭く、また、ワークの僅かな傾きで、ワークからの反射光（検査光）がカメラ（画像取込み光学系）に入射しなくなるという問題がある。画像取込み光学系がズーム（変倍）光学系の場合には、特に検査エリアが広い低倍率の場合に同様の問題が発生する。

照明エリアが広くワークの傾きを許容する面光源同軸照明装置は、例えば特許文献１、特許文献２で知られている。この面光源同軸照明装置は、マトリックス状に配置した多数のＬＥＤの光を、ハーフミラーを介してワークに入射させるもので、ＣＣＤカメラの画像取込み光学系上にハーフミラーを位置させて用いる。

また、従来の同軸照明付光学系は、ＣＣＤカメラ及びその画像取込み光学系全体を光軸方向に移動してワークとの間隔を調整し、焦点調節している。

特開２００６-１３３０５２号公報特開２０１１-１０６９１２号公報

しかし、ＣＣＤカメラの画像取込み光学系とワークとの間に、面光源同軸照明装置を挿入する従来装置は、画像取込み光学系の前玉レンズ（最もワーク側の集光レンズ）による集光光路内（前玉レンズとワークの間）に面光源同軸照明装置が挿入されてしまうため、ワーキングディスタンス（ＷＤ、前玉レンズからワークまでの距離）が犠牲にされ、作業性が悪い。

また、従来の同軸照明付光学系の焦点調節機構は、ＣＣＤカメラが装着された画像取込み光学系の鏡筒全体を、ガイド機構により光軸方向（光軸と平行な方向）に進退ガイドしているので、可動部分、そのガイド機構ともに大きく重くなり、軽量化しつつ精度を高めるのが困難、という問題があった。

本発明は、ＣＣＤカメラの画像取込み光学系と面光源同軸照明装置を組み合わせる同軸照明付光学系において、広い照明エリアを確保しながらＷＤを犠牲にすることがなく、被検査面が多少傾いても、照明ムラの発生が少なく、高精度でコンパクトな焦点調節機構を有する広角反射同軸照明付光学系を得ることを目的とする。

本発明は、被検査物の像をＣＣＤカメラに結像させる画像取込み光学系の最も被検査物側のレンズ（前玉レンズ）の後方に、光軸上に位置させて分岐光学素子を位置させ、この分岐光学素子に、面光源照明光束を入射させるという着眼に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明の広角反射同軸照明付光学系は、被検査物の像をエリアセンサーカメラに結像させる画像取込み光学系と、この画像取込み光学系の最も被検査物側のレンズの後方に、光軸上に位置させて配置した分岐光学素子と、この分岐光学素子に、上記画像取込み光学系の光軸と交差する方向から照明光束を入射させる多数の発光体からなる面光源照明光源と、を有することを特徴としている。

本発明の広角反射同軸照明付光学系において、上記最も被検査物側のレンズ径は、光軸と直交する方向から±１°ないし±３°傾いた平面で反射した照明光束が上記最も被検査物側のレンズに入射する大きさに設定することが望ましい。

また、最も被検査物側のレンズを光軸方向に進退動させて焦点調節する焦点調節機構を備えることが好ましい。

この焦点調節機構を支持する鏡筒機枠と、面光源照明光源の照明機枠は、相対移動が生じないように、一体に結合する。

上記画像取込み光学系は変倍光学系とすることができる。この変倍光学系では、その最も被検査物側のレンズ群の後方に分岐光学素子を配置する。

上記分岐光学素子はハーフミラーとし、このハーフミラーと面光源照明光源との間には、光量分布をより均一にするために拡散板を配置するのが実際的である。

本発明の広角反射同軸照明付光学系は、被検査物の像をエリアセンサーカメラに結像させる画像取込み光学系の最も被検査物側のレンズ（前玉レンズ）の後方に、分岐光学素子を含んだ広角反射同軸照明付光学系を挿入したので、前玉レンズから被検査物との距離（ＷＤ）が広角反射同軸照明付光学系によって犠牲になることがない。また、前玉レンズのレンズ径を、光軸と直交する方向から±１°ないし±３°傾いた平面で反射した照明光束が上記最も被検査物側のレンズに入射する大きさに設定することにより、被検査面が多少傾いても、照明ムラの発生が少ないため、被検物の配置の調整が不要になり、作業性を向上させることができる。さらに本発明の広角反射同軸照明付光学系は、前玉レンズを光軸方向に移動して焦点調節することにより、可動部分の質量を小さくして焦点調節機構をコンパクトにし、焦点調節のレスポンス及び精度を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る広角反射同軸照明付光学系の斜視図である。同広角反射同軸照明付光学系の正面図である。図２の切断線III-IIIに沿った断面図である。図３の切断線IV-IVに沿った断面図である。同広角反射同軸照明付光学系の一実施形態の検査、照明光学系の構成を示す図である。同広角反射同軸照明付光学系の照明光線追跡図である。

図１ないし図６は、本発明による広角反射同軸照明付光学系１０の一実施形態を示している。広角反射同軸照明付光学系１０は、鏡筒機枠２０と、照明機枠３０を一体に有している。鏡筒機枠２０の図の上端部には、ＣＣＤカメラ（エリアセンサーカメラ）２１を接続するマウント（Ｃマウント）２２が設けられており、鏡筒機枠２０内には、被検査物（ワーク、例えばプリント配線板）Ｗの表面の像をＣＣＤカメラ２１（の撮像面２１ａ）に結像させる画像取込み光学系（検査光学系）２３が収納されている。この実施形態では、画像取込み光学系２３は変倍（ズーム）光学系からなっており、ＣＣＤカメラ２１側から順に、固定レンズ群２３ａ、光軸Ｏ方向に可動の変倍レンズ群２３ｂ、２３ｃ、固定レンズ群２３ｄ及び可動の対物レンズ群（前玉レンズ）２３ｅを備えている。変倍レンズ群２３ｂと２３ｃを所定の移動軌跡で光軸方向に移動させることにより、ＣＣＤカメラ２１へのワークＷの結像倍率が変化する。対物レンズ群２３ｅは、光軸方向に移動して焦点調節するフォーカスレンズ群であり、画像取込み光学系２３は全体として、ワークＷの像をＣＣＤカメラ２１の撮像面２１ａに結像させる光学系を構成している。

図３、図４に示した対物レンズ群２３ｅを光軸方向に進退させる焦点調節機構４０について説明する。対物レンズ群２３ｅを支持したレンズ枠４１は、照明機枠３０（鏡筒機枠２０）に固定された固定鏡筒（機枠）４２内に光軸方向移動自在に配置され、外周に突設された複数本のカムフォロアピン４１ａが、固定鏡筒４２に光軸方向に形成された直線ガイド溝（貫通穴）４２ａを貫通して、固定鏡筒４２に回動自在に嵌められたカム環４３のカム溝（リード溝、貫通穴）４３ａに嵌合している。カム環４３は、外側に嵌合されたフォーカス操作環４４に一体に回動するように連結されている。フォーカス操作環４４が回動操作されると、カム溝４３ａと直線ガイド溝４２ａとに拘束されたカムフォロアピン４１ａが光軸方向に進退し、対物レンズ群２３ｅが光軸方向に進退して焦点調節がなされる。

本実施形態は、画像取込み光学系の対物レンズ群２３ｅを可動とした点を特徴の一つとしているため、その移動機構の一例を説明したが、本発明は、フォーカスレンズ群（対物レンズ群２３ｅ）の移動機構そのものを問うものではない。同様に、変倍レンズ群の移動機構（及び変倍光学系）は各種周知であり、本発明は変倍機構（レンズ移動機構）の如何を問うものではないので、その図示及び説明は省略する。

照明機枠３０には、画像取込み光学系２３の光軸Ｏに対して４５゜をなすハーフミラー（分岐光学素子）３１と、ハーフミラー３１に対して照明光束を与える面光源同軸照明装置３２が支持されている。面光源同軸照明装置３２は、光軸Ｏと直交する照明光軸Ｓを有し、この照明光軸Ｓに直交する（光軸Ｏと平行な）平面上にマトリックス状に並べられた多数のＬＥＤ（発光体）３３からなる面光源照明光源と、この多数のＬＥＤ３３とハーフミラー３１の間に位置する、照明光軸Ｓと直交する、光量分布を均一にするための拡散板３４を備えている。鏡筒機枠２０と照明機枠３０は、相対移動が生じないようにリジッドに結合されており、ハーフミラー３１と多数のＬＥＤ３３（ハーフミラー３１及び拡散板３４）の相対位置関係は、固定されている。対物レンズ群２３ｅは、ハーフミラー３１で反射された照明光束を集光させてワークＷを照明する機能も有し、図１及び図６には、ワークＷ表面の撮像エリアと照明光束による照明エリアを示した。

対物レンズ群２３ｅの径は、この実施形態では、光軸Ｏと直交する平面が光軸Ｏと直交する方向から±２°（±１°〜±３°）傾いても、該傾いた平面で反射した照明光束が対物レンズ群２３ｅに入射する大きさに設定されている。対物レンズ群２３ｅとハーフミラー３１は、光軸Ｏと直交する平面への正射影において（ＣＣＤカメラ２１側から見て）、対物レンズ群２３ｅの有効外形（輪郭）内にハーフミラー３１の輪郭が収まる大小関係に設定されている。その結果、図３ないし図６に明らかなように、対物レンズ群２３ｅの径は、他のレンズ群２３ａないし２３ｄの径に比して十分大きく設定されている。これにより照明光束は、ハーフミラー３１で反射した大部分が、対物レンズ群２３ｅを透過してワークＷを照明するので、大きい照明エリアが得られ、またワークＷが若干傾いたとしても、その反射光が、対物レンズ群２３ｅから、固定レンズ群２３ｄに入射し、さらに可動変倍レンズ群２３ｃ、２３ｄ及び固定レンズ群２３ａを介してＣＣＤカメラ２１に確実に入射する。

以上の広角反射同軸照明付光学系１０は、鏡筒機枠２０の接続マウント２２にＣＣＤカメラ２１を結合して用いる。多数のＬＥＤ３３を発光させると、面光源と見なせる照明光が拡散板３４で拡散してハーフミラー３１に入射し、対物レンズ群２３ｅ側に反射する。この面光源同軸照明装置３２による照明光束は、対物レンズ群２３ｅを通してワークＷに照射され、その反射光が画像取込み光学系２３を介してＣＣＤカメラ２１の撮像面２１ａに結像する（図５、図６）。この面光源同軸照明装置３２の照明光束でワークＷ面を広く照明（撮像エリアを含む広い照明エリアを確保）できるので（図１、図６）、ワークＷ面が多少（図示実施例では光軸Ｏと直交する方向から±２゜程度）傾いていても、画像取込み光学系２３には必要な照明光束が充分入射し、撮像画像の照明のケラレ（光量不足）が生じない（図６）。

以上の広角反射同軸照明付光学系１０は、対物レンズ群２３ｅの物体側に面光源同軸照明装置を配置していた従来装置に比して、対物レンズ群２３ｅからワークＷ迄の距離（ワーキングディスタンスＷＤ）を長くとることができる。このため、ワークＷの配置位置に自由度が生まれ、ワークＷあるいはワークＷ上の要素にアプローチする際の作業性を高めることができる。

さらに本実施形態の広角反射同軸照明付光学系１０は、焦点調節機構４０のフォーカス操作環４４の回動により対物レンズ群２３ｅを光軸方向に進退させて焦点調節するので、対物レンズ群２３ｅ以外の画像取込み光学系、鏡筒機枠２０、ＣＣＤカメラ２１、照明機枠３０、面光源同軸照明装置３２、固定鏡筒４２は移動しない。このため、可動部分の質量を小さくして、操作性を高め、レスポンスを早くし、精度を高くし、小型化が可能である。

以上の実施形態では、画像取込み光学系２３の光軸Ｏと面光源同軸照明装置３２の照明光軸Ｓが直交しているが、光軸Ｏと照明光軸Ｓは、面光源同軸照明装置３２からの面照明光束が光軸Ｏ上に照射される交差関係にあればよい。また、面光源同軸照明装置３２の拡散板３４は省略することも可能である。面光源同軸照明装置３２は、多数の発光体からなる面光源照明光源として、有機ＥＬ照明パネルを使用することも可能である。さらに本発明は、ハーフミラー３１に替えて、ビームスプリッターなど、光束を分岐できる分岐光学素子を使用することも可能である。

１０広角反射同軸照明付光学系
２０鏡筒機枠
２１ＣＣＤカメラ（エリアセンサーカメラ）
２１ａ撮像面
２２接続マウント
２３画像取込み光学系
２３ａ固定レンズ群
２３ｂ２３ｃ変倍レンズ群
２３ｄ固定レンズ群
２３ｅ対物レンズ群(最も被検査物側のレンズ、フォーカスレンズ群）
３０照明機枠
３１ハーフミラー（分岐光学素子）
３２面光源同軸照明装置（面光源照明光源）
３３ＬＥＤ
３４拡散板
４０焦点調節機構
４１レンズ枠
４１ａカムフォロアピン
４２固定鏡筒（鏡筒機枠）
４２ａ直線ガイド溝
４３カム環
４３ａカム溝
４４フォーカス操作環
Ｏ画像取込み光学系の光軸
Ｓ照明光軸
Ｗワーク（被検査物）
ＷＤワーキングディスタンス

Claims

被検査物の像をエリアセンサーカメラに結像させる画像取込み光学系と、
この画像取込み光学系の最も被検査物側のレンズの後方に、光軸上に位置させて配置した分岐光学素子と、
この分岐光学素子に、上記画像取込み光学系の光軸と交差する方向から照明光束を入射させる多数の発光体からなる面光源照明光源と、
を有することを特徴とする広角反射同軸照明付光学系。
請求項１記載の広角反射同軸照明付光学系において、上記最も被検査物側のレンズ径は、光軸と直交する方向から、±１°ないし±３°傾いた平面で反射した照明光束が上記最も被検査物側のレンズに入射する大きさに設定されている広角反射同軸照明付光学系。
請求項１または２記載の広角反射同軸照明付光学系において、さらに、上記最も被検査物側のレンズを光軸方向に進退動させて焦点調節する焦点調節機構が備えられている広角反射同軸照明付光学系。
請求項３記載の広角反射同軸照明付光学系において、さらに、上記焦点調節機構を支持する鏡筒機枠と、面光源照明光源の照明機枠は、一体に結合されている広角反射同軸照明付光学系。
請求項１ないし４のいずれか１項記載の広角反射同軸照明付光学系において、上記画像取込み光学系は変倍光学系からなり、この変倍光学系の最も被検査物側のレンズ群の後方に上記分岐光学素子が配置されている広角反射同軸照明付光学系。
請求項１ないし５のいずれか１項記載の広角反射同軸照明付光学系において、上記分岐光学素子はハーフミラーであって、このハーフミラーと面光源照明光源との間に拡散板が配置されている広角反射同軸照明付光学系。