JPH05126748A - 光学検査装置 - Google Patents

光学検査装置

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JPH05126748A
JPH05126748A JP3105785A JP10578591A JPH05126748A JP H05126748 A JPH05126748 A JP H05126748A JP 3105785 A JP3105785 A JP 3105785A JP 10578591 A JP10578591 A JP 10578591A JP H05126748 A JPH05126748 A JP H05126748A
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illumination
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JP3105785A
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Yigal Katzir
イガル、カツイル
Oded Arnon
オデド、アルノン
Eyal Teichman
エイヤル、タイヒマン
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Orbot Systems Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学検査装置の照明システムを、0.5μm
程度の解像エレメントを有する高解像力検査装置に使用
できるように改善する。 【構成】 照明システムは、ワークピース表面の所定の
範囲を天空光照明で照明し、この照明は、照明した範囲
内のそれぞれの点に関して、光電センサとワークピース
表面を垂直に通る光軸の回りの立体角にわたって実質的
に円形対称である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ワークピースの表面を
光学検査する検査装置に関し、またこのような検査装置
において特に有用な表面照明システムにも関する。本発
明は、プリント回路板、ウエハ等の高速自動光学検査に
おいて再加工を必要とする欠陥の検出のために特に有用
であり、かつそれ故に本発明は、以下にこの用途に関連
して説明するが、本発明又はその特徴がその他の用途に
同様に有利に利用できることは明らかである。
【0002】
【従来の技術】欠陥を検出するためにプリント板又はウ
エハのようなワークピースの表面を光学検査する通常の
検査装置は、代表的にはワークピース表面の所望の特徴
に関する基準データを記憶したメモリ、ワークピース表
面を照明する照明システム、照明されたワークピース表
面から反射した光を検出してそれに対応した電気信号を
出力する光学センサ、及び光学センサにより出力された
電気信号を解析しかつメモリ内に記憶されたデータと比
較してそれに関して不一致が表示された場合に検査した
ワークピース表面に欠陥があることを表示する論理回路
を含むプロセッサを有する。検出されたワークピース表
面と比較すべきワークピース表面の所望の特徴に関する
基準データは、所望のワークピース表面の記憶したイメ
ージに関するものでよく、又はこのようなワークピース
表面を構成するための記憶したデザインルールに関する
ものでもよい。
【0003】ワークピースの表面は完全に平らではな
く、むしろ溝、かき傷及び角のある表面のようなある程
度の表面高低があるので、照明システムは、ランバート
の拡散器を有し、すなわち完全な拡散効果により反射放
射の強さが方向に依存しないようにすることは望まし
い。このような照明は、ワークピース上方に光の空間的
均一性を形成し(すなわち均一な「天空光照明」)、か
つそれによりワークピース表面の高低により生じる陰を
取除く。しかしランバートの拡散器は、極端に光を浪費
し、かつそれ故にこのような拡散表面は、極めて強力な
光源及び極めて大きな電力を必要とするか、又は所望の
S/N比を有する処理可能な信号を得るため検査装置の
動作は十分に遅くなる。
【0004】それ故に既存の光学検査システムは、集束
した準ランバート照明を有する。このような照明システ
ムの例は、イスラエル国特許出願第81459号明細書
及び米国特許第4,877,326号明細書に記載され
ている。これらのシステムは、基本的に線形の視野にわ
たって完全な天空光照明を提供するように構成されてお
り、すなわち視野の一方の寸法は他方のものよりずっと
長い。
【0005】このような線形対称の照明システムにおい
て照明は、センサ素子の線の縦軸に沿ってかつ縦軸に対
して垂直な線に沿っても実質的に均一である。しかしこ
の均一度は、これら2つの線の間、特にこれら2つの線
から45°の線に沿って著しく低下する。従って既存の
検査システムにおける線形対称の照明は5〜6μmの解
像エレメント、例えばピクセルを有するシステムにとっ
ては確かに満足なものであるが、例えばほぼ0.5μm
のピクセルを有する高解像力検査システムに関してはあ
まり満足なものではない。
【0006】
【発明の目的】本発明の目的は、改善した照明システ
ム、及び特に例えば0.5μmの程度の解像エレメント
(ピクセル)を有する高解像力検査装置と共に使用でき
るようなものを含むワークピースの表面を光学検査する
検査装置を提供することにある。
【0007】
【発明の構成】本発明によれば、前記のようなものであ
るが次のような特徴を有する検査装置が提供される。す
なわち照明システムが、ワークピース表面の範囲を天空
光照明で照明し、この照明が、照明した範囲内のそれぞ
れの点に関して、光電センサとワークピース表面を垂直
に通る光軸の回りの立体角にわたって実質的に円形に対
称である。
【0008】すなわち本発明によるシステムは、従来技
術による「線形対称」ではなく、「円形に対称」になっ
ている。本発明の円形対称照明と従来技術の線形対称と
の間の相違について、以下に特に検査装置に適用した場
合に「円形対称」によって得られる利点と共にさらに詳
細に説明する。
【0009】
【実施例】本発明の実施例を以下図面によって詳細に説
明する。
【0010】図1に示した全自動検査システムは、表面
の欠陥を検出するためプリント板、ウエハ又は同様な装
置の表面を光学検査するために使用するものである。シ
ステムは次のサブシステムを有する。すなわち全体に2
で示すイメージ取得サブシステム、全体に3で示すイメ
ージ処理サブシステム、全体に4で示すイメージ解析サ
ブシステム、及び全体に5で示すワールドインターフェ
ースサブシステムを有する。
【0011】イメージ取得サブシステム2の役割は、ワ
ークピースを照明しかつ走査し、かつ走査した部分のイ
メージをイメージ処理サブシステム3に転送することに
ある。従ってイメージ取得サブシステム2は、検査すべ
きワークピースを収容するようになっているX−Yテー
ブル21、テーブル21上のワークピースを照明するユ
ニット22、照明したワークピースを走査してその像を
光学的に検出するセンサ光学ユニット23、及びワーク
ピースの表面全体を検出するために一方の直交軸に沿っ
てテーブル21を動かしかつ他方の直交軸に沿ってセン
サ光学ユニットを動かすサーボ制御ユニット24を有す
る。
【0012】照明ユニット22は、明視野光発生手段2
2aと暗視野光発生手段22bを有する。全体に25で
示す制御ユニットは、明視野照明の強度を制御する明視
野制御装置25aと暗視野照明の強度を制御する暗視野
制御装置25bを有する。
【0013】イメージ取得システム2のセンサ光学ユニ
ット23の出力は、出力線26に生じ、イメージ処理サ
ブシステム3に供給される。
【0014】イメージ処理サブシステム3はイメージプ
ロセッサ31を有し、その機能は、イメージを処理し、
かつ確実に機能範囲に分割することにある。従ってワー
クピースがプリント板である場合、イメージプロセッサ
31は、イメージ取得サブシステム2から線26上に生
じる出力を、導体と誘電体基板の機能範囲に分割する。
イメージプロセッサ31は、イメージの能力を高めかつ
その機能範囲に分割することを目的とする専用ソフトウ
エアを有する特殊目的のハードウエアである。イメージ
プロセッサ31の出力は、バス32を介してイメージ解
析サブシステム4に供給される。
【0015】イメージ解析サブシステム4の機能は、種
々のアルゴリズムに基づいて分割したイメージ中のすべ
ての欠陥を見付けることにある。従ってこのイメージ解
析サブシステムは、イメージプロセッサ31により出力
された電気信号を解析しかつこれら電気信号をデータベ
ースユニット42のメモリに記憶されたデータと比較し
て検査したワークピース表面にある欠陥の結果生じる何
らかの不一致の表示を提供する論理回路を含む主コンピ
ュータ41を有する。主コンピュータ41は、欠陥検出
及び欠陥報告アルゴリズムを装備し、かつ欠陥があるか
どうかを判定するためデータベース42に記憶した基準
イメージとの比較を行い、かつ欠陥があった場合、その
位置を表示し、かつそれにより欠陥を修正するためにワ
ークピースを再加工できるようにする。前に説明したよ
うに、データベース42は、検出したワークピースのデ
ータを比較するためのイメージデータ及び/又はデザイ
ンルールを記憶できる。
【0016】イメージ解析サブシステム4の主コンピュ
ータ41は、明視野制御ユニット25a、暗視野制御ユ
ニット25b、サーボ制御ユニット24及びイメージプ
ロセッサ31も制御する。主コンピュータの出力は、バ
ス43及び44を介してワールドインターフェースサブ
システム5に供給される。
【0017】イメージ解析サブシステム4の出力バス4
3は、ワールドインターフェースサブシステム5内の回
路網ユニット51に接続されている。回路網ユニット5
1は、外部のコンピュータとの通信を可能にするハード
ウエアとリフトウエアのパッケージである。ワールドイ
ンターフェースサブシステム5は、その他に人間インタ
ーフェースユニット52、例えば主コンピュータから出
力されたデータをオペレータが監視できるようにするモ
ニタ、キーボード及び/又はオペレータによる介入を可
能にするその他の入力装置を含んでいる。
【0018】図1のイメージ取得サブシステム2内の照
明ユニット22を除けば、図1に示したシステム全体
は、よく知られたものであり、かつ市場で用いられてお
り、それ故にこのシステムの構造及び動作のこれ以上の
詳細についてはここでは説明しない。従って今後の説明
は、図2〜図6にさらに詳細に図示したような照明ユニ
ット22の説明に限られる。
【0019】照明ユニット22の構造及び動作は、まず
図5の光学図を参照するとわかり易い。照明ユニット2
2の役割は、天空光照明によりワークピース表面の範囲
を照明することにあり、この天空光照明は、照明した範
囲のそれぞれの点に関して、光学センサ62と検査すべ
きワークピース表面63を垂直に通る図5に61で示す
光軸のまわりの立体角にわたってほぼ円形に対称であ
る。この天空光照明は、実質的に円形で実質的に均一な
強度の、図7bにSBで示す明視野成分と、実質的にリ
ング形で明視野成分SBのまわりに実質的に均一な強度
の、図7bにSDで示す暗視野成分とを含んでいる。
【0020】明視野成分SBと暗視野成分SDの相対強度
は、それぞれの制御ユニット25a、25b(図1)に
よって個別的に制御されるので、このようなそれぞれの
成分は、あらゆる特殊用途にとって望ましいように個別
的に変化できる。従って多くの用途にとって天空光照明
の中央の円形明視野成分は、リング形暗視野成分と等し
い強度に調節されるが、中央明視野成分を低い強度にか
つ時には強度0にさえ調節する用途もある。
【0021】図6は、照明システムの視野内のいずれか
任意の点「A」に入射する周光の光線の経路を示してお
り、光線a、b、e及びfは、暗視野照明の周光光線で
あり、かつ光線c及びdは、明視野照明の周光光線であ
る。図6にはっきりと示すように、システム内の有効視
野内のそれぞれの点は、明視野成分及び暗視野成分の両
方で照明される。
【0022】図6の光学図は、光軸を含むあらゆる面に
一般的に適用されるので、その結果得られる効果は、点
Aに立って上方を見た観察者に見えるように、光軸に対
して実質的に円形に対称の天空光照明である。点Aから
観察した「天空光」は、図7bに示すように、明視野照
明に対応する中央円形成分SBと、明視野成分の回りを
囲む暗視野照明に相当するリング形成分SDとから成
る。
【0023】実質的に円形対称の天空光によって照明さ
れるワークピース表面63の範囲として定義された照明
システム22の有効視野は、光軸61の回りの実質的に
円形対称の範囲であることに特に注意する。すなわち天
空光照明は、照明した範囲内のそれぞれの点に関して、
光学センサとワークピース表面を垂直に通る光軸の回り
の立体角にわたって実質的に円形対称である。
【0024】図6に示す円形対称構成は、前記円形対称
のため、エリアセンサ(例えばビデオカメラ)に基づく
スキャナにも照明システムを適用できるようにし、かつ
ラインセンサを用いる動作に限定されない。
【0025】図5、図6、図7bに示した照明システム
は、本来線形視野にわたる全天空光照明の以前の形成に
関する先行技術のシステムと対比すべきものであり、こ
の線形視野において視野の一方向の寸法は他方向のもの
よりずっと長い。さらにこのようなシステムにより形成
される天空光照明は、非円形対称である。従って図7a
は、照明された線形視野内に立った観察者に示された天
空光照明の一般的な様子を示しており、この線形視野に
おいて、システムが円形対称ではなく、むしろ互いに直
交する2つの対称軸を有することがわかる。このような
先行技術のシステムは、線形のラインセンサと共に使用
しようとするものであり、かつ光の集束のために円筒形
の光学系を利用する。
【0026】従って図7aにより示すこのような先行技
術の照明システムにおいて、光学素子Oa及びObは、
中央天空光領域Sbの両側に照明天空光領域Sdを生じ
る円筒形集光器である。図7aにおける光学素子Oc
は、代表的にはビームスプリッタであり、かつ照明され
た天空に対するこの素子の寄与分は、図7aに領域Sb
として示してある。それ故にこのような先行技術のシス
テムでは、明視野成分と暗視野成分の独立した制御を行
うことはできない。例えば図7aの領域Sbは、全明視
野照明だけでなく、暗視野照明の主要部も同様に含んで
いる。
【0027】図2〜図4は、本発明による照明システム
の1つの構成をさらに詳細に示しており、このシステム
は、円形対称の天空光照明によって、すなわち照明した
範囲内のそれぞれの点に関して光学センサとワークピー
ス表面を垂直に通る光軸の回りの立体角にわたって実質
的に円形対称の天空光照明によって、ワークピース表面
を照明するものである。
【0028】従って暗視野照明ユニット22bは、1つ
又はそれ以上のランプ71、複数(なるべく8つ)の光
ファイバ光ガイド72、それぞれの光ガイド用の折返し
平面反射器73、及びそれぞれの光ガイド用のだ円形反
射器74を有する。特に図3に示すように、8つのだ円
形反射器74は、だ円形反射器の軸に関して、光軸の回
りにそれぞれ45°離して光軸61の回りに円形配列に
して配置されている。8つのだ円形反射器74は、8つ
の光ファイバ光ガイド72を通って平面反射器73によ
り反射されたランプ71の光を集束させるように構成さ
れており、照明範囲内のそれぞれの点により観察される
天空光のリング形暗視野成分を形成するようになってい
る。
【0029】8つのだ円形反射器74それぞれは、内側
ナイフエッジ74a(図5)を有し、それによりワーク
ピースの照明範囲にわたって天空光のリング形暗視野照
明成分の鋭い内側エッジを形成するように形成されてい
る。すなわち図5中の点74aは、ワークピース表面の
照明範囲内のすべての点で観察される天空光照明の明視
野成分SB(図7b)の外側円形エッジを定義してお
り、この明視野成分は、明視野ユニット22a(図1)
によって与えられ、かつ明視野制御ユニット25aによ
りあらゆる所望の強度に応じて調節できる。
【0030】図5に示すように明視野照明ユニット22
aは、センサ62を通る光軸61に対するオフ軸に取付
けられたランプ81を有する。さらに明視野照明ユニッ
ト22aは、光軸61上にビームスプリッタ82を有
し、このビームスプリッタは、ランプ81の光をワーク
ピース表面63へ反射しかつワークピース表面から反射
した光をセンサ62へ透過するように働く。その他に明
視野照明ユニット22aは、ランプ81の光を対物レン
ズ84を介してワークピース表面63に向けるように働
く集光レンズ83を有する。レンズ83は、ランプ81
の光をワークピース表面63に集束させる集束レンズで
もよいが、明視野照明システムは、ワークピース表面に
受けた場合にランプ81の光源(例えばフィラメント)
の像をいくらかぼかすため非集束タイプのものでもよ
い。
【0031】従ってワークピースの照明範囲上のどの点
における観察者も、光源21と集光83とビームスプリ
ッタ82により形成された中央明視野成分及び2つのラ
ンプ71と8つの光ファイバ光ガイド72とそれらの平
面反射器73と8つのだ円形反射器74により形成され
リング状暗視野成分を有する照明天空光を見ることは明
らかである。中央明視野成分リング状暗視野成分を含む
照明天空光が、光学センサ62とワークピース表面63
を垂直に通る光軸に対して立体角にわたって円形対称で
あることも明らかである。
【0032】さらに明視野成分と暗視野成分がそれぞれ
明視野制御ユニット25aと暗視野制御ユニット25b
によって独立に強度調節できることは明らかであり、従
って照明天空光の両方の成分は、同じ強度に、又は特定
の用途に必要な場合には異なった強度に(0から最大値
まで)正確に調節できる。
【0033】平面反射器73を含む図示した装置は、付
加的な利点を提供する。従ってこの平面反射器73は、
対物レンズ84とワークピース表面63の間に必要な距
離を減少するために折返し反射器として役立つ。それに
加えてこれら反射器により8つの光ファイバ光ガイド
は、対物レンズ84の上方及び回りに配置できるように
なる。このような装置によれば、対物レンズは、ワーク
ピースのさらに近くに配置でき、それによりレンズの設
計がおおいに簡単になり、かつあらゆる走査速度に必要
なS/N比を得るための光と電力の所要量がおおいに節
約される。
【0034】図2−図4は、図5の光学図に関する暗視
野照明システム22bの構成の例を示している。従って
対物レンズ84は、1対の支持体86、87を有するレ
ンズハウジング85内に取付けられている。レンズハウ
ジング85は、8つの光ファイバ光ガイド72を収容す
る円形配列の8つの穴を有し、かつハウジング内面は、
ハウジングの中央開口88を通る光軸61の回りに円形
配列にして配置した8つのだ円形反射器74を支持し、
又は有する。8つの平面反射器73は、照明システムに
よって形成される均一な照明のために光軸61と同軸の
中央開口88を有しかつハウジング85端部に固定され
た板に形成され、又はこの板により支持されている。
【0035】特に図3に示すように、8つのだ円形反射
器74は、それぞれの光ファイバ光ガイド72の出力端
部及びそれぞれの平面反射器73と共に、光軸61の回
りに円形配列にして配置されており、だ円形反射器の軸
は、前に述べたように光軸の回りにおいてそれぞれ45
°離れている。このような構成は、リング構造を有しか
つ光軸に対して円形対称の天空光照明の実質的に均一な
暗視野成分を形成する。天空光照明のこのリング状暗視
野成分は、明視野照明システム22a(図5の要素81
〜84)によって形成された天空光照明の明視野成分を
囲んでいる。
【0036】図4は、例示のために図2、図3及び図5
において光ガイド72として利用できる光ファイバ光ガ
イドの構造を示している。この構造において71a、7
1bで示す2つの入力ランプが使用され、かつ光ガイド
の2つの入力端部に隣接して配置されている。光ガイド
の入力端部は、図2、図3及び図5に示すように8つの
出力端部72に分割されている。そのため入力端部72
a、72bの横断面積の和は、8つの出力端部の横断面
積にほぼ等しい。
【0037】図2〜図6に示した円形対称照明システム
は、天空光照明でワークピース表面を照明するために利
用でき、この照明は、ワークピース上の照明範囲のそれ
ぞれの点から観察した場合、少なくとも60°、最大1
10°までの立体角「α」にわたって実質的に均一かつ
実質的に円形対称であり、かつこの照明は、ワークピー
ス表面上にほぼ2.6mmの光点を形成する。このよう
な照明システムは、ほぼ0.5μmの解像エレメント
(例えばピクセル)を有する高解像力検査装置におおい
に有効であるとわかった。前記円形対称照明システム
は、既存の線形対称照明システムに対比すべきものであ
り、この線形対称照明システムは、一般にほぼ5〜6μ
mより小さなピクセル又はその他の解像エレメントの利
用を可能にするものではない。
【0038】本発明を有利な一実施例について説明した
が、これは例示のために述べたにすぎず、かつ多くの変
形(そのうちいくつかは初めに述べた)、改善及びその
他の応用を行うことができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ワークピースは、特にプリント板又はウエハの
表面を光学検査するために本発明により構成された検査
装置の一形式を示すブロック図である。
【図2】図1の検査装置における照明システムの構造を
詳細に示す図である。
【図3】図2のIII−III線に沿った断面図であ
る。
【図4】図2の照明システムにおける暗視野照明を形成
するために使われる光ファイバ光ガイドの図である。
【図5】図2の照明システムの動作を示す光学図であ
る。
【図6】図5の光学図における周光光線の光経路を示す
光学図である。
【図7】従来技術による線形対称システム及び本発明に
よる円形対称システムにより照明した表面のいずれかの
点から観察した天空光照明の図である。
【符号の説明】
2…イメージ取得サブシステム 3…イメージ処理サブシステム 4…イメージ解析サブシステム 5…ワールドインターフェースサブシステム 21…XーYテーブル 22…照明ユニット 23…センサ光学ユニット 24…サーボ制御ユニット 25…制御ユニット 31…イメージプロセッサ 41…主コンピュータ 42…データベース 51…回路網ユニット 52…人間インターフェースユニット 61…光軸 62…光学センサ 63…ワークピース表面 71…ランプ 72…光ファイバ光ガイド 73…平面反射器 74…だ円形反射器 81…ランプ 82…ビームスプリッタ 83…集光レンズ 84…対物レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オデド、アルノン イスラエル国、53204、ギバテイム、シム テイト、ナハル、6 (72)発明者 エイヤル、タイヒマン イスラエル国、レホボート、イー、ベン、 イエフーダ、ストリート、24

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ワークピース表面の所望の特徴に関する
    データを記憶するメモリ、ワークピース表面の範囲を照
    明する照明システム、照明したワークピース表面から反
    射した光を検出しかつそれに対応する電気信号を出力す
    る光電センサ、及び前記光電センサにより出力された電
    気信号を解析しかつ前記メモリ内に記憶されたデータと
    比較しかつそれに関して不一致が表示された場合に検査
    したワークピース表面に欠陥があることを表示する論理
    回路を含むプロセッサが設けられている、ワークピース
    の表面を光学検査する検査装置において、照明システム
    が、ワークピース表面の範囲を天空光照明で照明し、こ
    の照明が、照明した範囲内のそれぞれの点に関して、光
    電センサとワークピース表面を垂直に通る光軸の回りの
    立体角にわたって実質的に円形に対称であることを特徴
    とする光学検査装置。
  2. 【請求項2】 照明システムが、天空光照明内で実質的
    に円形及び均一な輝度の明視野成分を形成する第1の光
    発生手段、及び天空光照明内で前記明視野成分のまわり
    に実質的にリング形及び均一な輝度の暗視野成分を形成
    する第2の光発生手段を有する、請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】 照明システムが、第1及び第2の光発生
    手段のためそれぞれの輝度を個別的に制御する独立の制
    御装置を有する、請求項2記載の装置。
  4. 【請求項4】 第2の光発生手段が、光軸の回りに等間
    隔の円形配列で配置された複数の光源を有し、これら光
    源が、これら複数の光源から出た光をワークピース表面
    に実質的に集束させる、請求項2又は3記載の装置。
  5. 【請求項5】 複数の光源が、光軸のまわりに等距離だ
    け離れた軸を有するだ円形反射器を有する、請求項4記
    載の装置。
  6. 【請求項6】 だ円形反射器が、天空光照明のリング状
    暗視野成分の鋭い内側エッジを形成する内側ナイフエッ
    ジを有する、請求項5記載の装置。
  7. 【請求項7】 第2の光発生手段が、それぞれの光源と
    光源それぞれのだ円形反射器との間に折返し平面反射器
    を有する、請求項5又は6記載の装置。
  8. 【請求項8】 第2の光発生手段が、光源毎に光ファイ
    バ光カイドを有する、請求項4〜7の1つに記載の装
    置。
  9. 【請求項9】 第1の光発生手段が、センサを通る光軸
    に関する入力ランプオフ軸、及びオフ軸ランプからワー
    クピース表面へ光を反射しかつワークピース表面から光
    学センサへ反射光を透過させる光軸におけるビームスプ
    リッタを有する、請求項2〜8の1つに記載の装置。
  10. 【請求項10】 光学センサが、線形配列の高解像力ピ
    クセルを有する、請求項1〜9の1つに記載の装置。
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