(57)【要約】  半導体ウエハなどの平面鏡のような物体（１０２）を画像化するために提供されるシステム（系）および方法。一実施例では、平面反射物体（１０２）の欠陥を画像化する結像システム（１００）は、光収差が実質的に修正されるに十分な非球面を有するテレセントリックレンズ（１１０）を含む。結像システム（１００）は、また開口が設けられたテレセントリック絞り（１１６）を含み、該絞りは欠陥から反射した光が開口を通過することを許すが平面反射物体（１０２）から反射した光を阻止する。結像システム（１００）は、さらにレンズ群（１０８）を含み、該レンズ群は、該レンズ群とテレセントリック絞り（１１６）との間に置かれたシステム絞りを有する。レンズ群（１０８）は、テレセントリックレンズ（１１０）から独立的に前記光収差を実質的に修正されている。【選択図】図１Ａ
2009500631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面反射物体の上の欠陥を結像するための結像システムであって、
光学収差が実質的に修正されるに十分な非球面の表面を有するテレセントリックレンズと、
前記平面反射物体からの反射光を阻止するが前記欠陥からの反射光の通過を許す開口を有するテレセントリック絞りと、
レンズ群であって該レンズ群と前記テレセントリック絞りとの間に配置されるシステム絞りを有し、前記テレセントリックレンズから独立して前記光学収差が実質的に修正されたレンズ群とを含む、結像システム。
【請求項２】
さらに、前記テレセントリックレンズ、テレセントリック絞りおよびレンズ群を経て前記平面反射物体を結像するためのカメラを含む、請求項１に記載の結像システム。
【請求項３】
前記カメラは相補形ＭＯＳトランジスタ（ＣＭＯＳ）センサから成る、請求項２に記載の結像システム。
【請求項４】
前記結像系は、約±１０ｍｍの焦点深度を有する請求項３に記載の結像システム。
【請求項５】
欠陥はソフトマークである、請求項１に記載の結像システム。
【請求項６】
前記テレセントリックレンズは成形重合体から成る、請求項１に記載の結像システム。
【請求項７】
前記光学収差は球面収差から成る、請求項１に記載の結像システム。
【請求項８】
前記レンズ群はピンホールレンズから成る、請求項１に記載の結像システム。
【請求項９】
さらに、前記テレセントリックレンズの軸に沿って平面反射物体を照明すべく配置された照明源を含む、請求項１に記載の結像システム。
【請求項１０】
前記照明源は２つ以上の同心円状の発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイから成る、請求項９に記載の結像システム。
【請求項１１】
共通中心点に関して接線方向配列と放射状配列との間で連続的に２以上の同心円状のＬＥＤアレイが交互である、請求項１０に記載の結像システム。
【請求項１２】
中心点に関して放射状に配列され、該中心点から第１の半径に配置された第１の照明源円形アレイと、前記中心点に関して接線方向に配列され、前記中心点から第２の半径に配置された第２の照明源円形アレイとを含むテレセントリック軸の上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明装置。
【請求項１３】
さらに、前記中心点に関して放射状に配列され、該中心点から第３の半径に配置された第３の照明源円形アレイを含む、請求項１２に記載のＴＯＡＤ照明装置。
【請求項１４】
さらに、前記中心点に関して接線方向に配列され、前記中心点から第４の半径に配置された第４の照明源円形アレイを含む、請求項１３に記載のＴＯＡＤ照明装置。
【請求項１５】
前記第２の半径は前記第１の半径より長い、請求項１４に記載のＴＯＡＤ照明装置。
【請求項１６】
前記第３の半径は前記第２の半径より長い、請求項１５に記載のＴＯＡＤ照明装置。
【請求項１７】
前記第４の半径は前記第３の半径より長い、請求項１６に記載のＴＯＡＤ照明装置。
【請求項１８】
テレセントリック軸上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明装置であって複数の同心照明アレイを有する照明装置を実質的に鏡面に位置合わせする方法であって、
強輝度領域が前記鏡面の像の第１の側から実質的に取り除かれるまで第１の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と物体面との間の入射角を調整すること、
調整された入射角を第１の測定結果として記録すること、
前記強輝度領域が前記鏡面像の第２の側から実質的に取り除かれるまで前記第１の方向と反対の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と前記物体面との間の入射角を調整すること、
再調整された入射角を第２の測定結果として記録すること、および
前記第１の測定結果および第２の測定結果間のおおまかな差に従って前記第１の方向のために位置合わせされた入射角を決定することを含む位置合わせ方法。
【請求項１９】
前記ＴＯＡＤ照明装置と前記物体面との間の入射角の調整は、最内側の同心円状の照明アレイを選ぶこと、および該最内側の同心円状の照明アレイと前記ＴＯＡＤ照明装置との間の入射角を調整することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、
前記高輝度領域が前記鏡面像の第３の側から実質的に取り除かれるまで第２の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と物体面との間の入射角を調整すること、
調整された入射角を第１の測定結果として記録し、前記高輝度領域が前記鏡面像の第２の側から実質的に取り除かれるまで第１の方向と反対の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と前記物体面との間の入射角を調整すること、
前記調整された入射角を第３の測定結果として記録すること、
前記高輝度領域が前記鏡面像の第４の側から実質的に取り除かれるまで前記第２の方向と反対の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と前記物体面との間の入射角を調整すること
前記再調整された入射角を第４の測定結果として記録すること、および
前記第３の測定結果および第４の測定結果間のおおよその差に従って前記第２の方向のために位置合わせされた入射角を決定することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
半導体ウエハの像を写すための結像システムであって、
前記ウエハを照明する手段と、
感知手段に前記ウエハの像を提供する手段であって該手段と前記ウエハとの間の距離によって作動距離が決まる、前記感知手段に前記ウエハ像を提供する手段と、
前記作動距離が約±１０ｍｍの範囲を越えて変化したときに像の焦点を維持する手段とを含む結像システム。
【請求項２２】
前記ウエハを照明する手段は暗視野照明を提供する、請求項２１に記載の結像システム。
【請求項２３】
前記ウエハを照明する手段はテレセントリック軸上の暗視野照明を提供する、請求項２１に記載の結像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学システムおよび関連する照明システムに関する。より詳細には、本発明は、テレセントリック軸上の暗視野照明を改善するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大部分が平面であり、鏡面のような（平らで光る）半導体製品の類がある。平面および鏡面からのわずかなずれを適正なコントラストで画像化するように、これらのデバイスを画像化することがしばしば必要になり、あるいは望ましいことがある。そのような製品の類の一つは、とりわけ、ウエハ番号と製造業者を示す索引が設けられた半導体ウエハである。これらの索引はウエハの表面の欠陥であり、一般的には、レーザエッチングされた穴の行列である。これらの索引は「ソフトマーク」として従来知られている。これらのマークは、製造工程に沿って様々なステップでコードを読むために画像化される。
【０００３】
半導体ウエハが、シンギュレートされた（一般的にソーおよび／またはレーザにより個々の矩形のデバイスにカットされた)後、小さなチップ毎のエッジや時間と共に伝わり早期装置故障を引き起こすクラックについて検査することは必要でありあるいは望ましい。これらの検査工程は、自動化されており、必要な検査、測定および検証を行うようにプログラムされたデジタル電子計算機との組み合わせで、電子画像処理カメラを使う。
【０００４】
一般的に暗視野照明は、当業者に従来よく知られている技術であり、特に、鏡面体の上の欠陥の検査に有用である。暗視野照明の定義は、照明源の特性、対象物と観察者すなわちカメラとの両者に関するその位置、および照明を受ける対象の特性に依存する。暗視野照明の定義に合致するために、対象物へ入射する照明の大部分が、観察者すなわちカメラの光学開口に入らない一方向または複数の方向に反射されないことが必要である。暗視野照明は、光の大部分が直接にカメラへ向けて反射される明視野照明に対比される。
【０００５】
暗視野照明は、光源がカメラと対象物との間の線への角度で該対象物を指すように、光源を置くことによって達成することができる。この角度は、対象物が光を拡散させる角度よりも大きくなるように選択される。対象物が全体的に拡散反射特性を有すると、前記角度は、対象物が拡散反射によって入射照明を拡散する半角よりも大きくなるように選ばれる。対象物が、鏡のようであるなら（例えば、対象物が、入射照明を小さな角度を超えて、または非常に低い効率で、またはその両方で、拡散させるなら）、前記角度は、非常に小さく選択される。
【０００６】
照明源は、対称にすることが望ましい。この場合、前記照明源は、環状の形に製造されて光軸に同軸に配置され、あるいは多数の光源が環状の形に配列されるであろう。この環の直径および対象物への近さが、対象物に入射する照明の角度範囲を決める。そのような光はリング光として当業者に知られており、「ハイアングル（high angle）」または「ローアングル(low angle)」であるように種々に設定される。
【０００７】
ある対象物を画像化する際に、表面の実質的に平面や鏡とは異なる小さな特徴を強調することが望ましい。これらは、ソフトマークやシンギュレートされたデバイスのエッジを含む。これを達成するために、照明源の画像系への直接的な反射を引き起こすことなく（例えば狭角を選ぶ）、可能な限り画像系の軸上で照明源を近づけることが必要である。これを達成する有効な方法は、現在知られているように、バフルを用い、照明源、対象物、バフルおよび画像系間で、特定の配列を提供することである。
【０００８】
機械視覚システムおよびウエハ識別（ＩＤ）システムの設計で、設計者（例えばシステムエンジニア）は、一般的に多くの設計妥協をする。例えば、レンズ口径を大きくすると、システムの限界分解能は一般的により高くなり、システムは一般的により効率的になるであろう。より効率的なシステムは、それほど感度またはゲインをイメージセンサに要求せず、システムはそれほど照明系からの光を要求しない。照明系がそれほど光を要求しないなら、電源システムにかけられる要望は、より少なく、熱の放散はより少ない。熱放出は、一般的に、コンパクトなパッケージングを達成する設計目標の達成の上で、大きな障害となる。
【０００９】
逆に、システム口径を小さくすると、システムの限界分解能は減し、いくつかの収差は減少し、焦点深度は増大し、感度および／またはゲインについてイメージセンサに非常に重要な要求がなされ、また、実質的により多くの光を提供するために、照明系に非常に重要な要求がかけられる。照明系への要求は、電源システムに負担をかけ、したがって、コンパクトなパッケージ中での熱散逸の問題を悪化させる。
【００１０】
従来、オレゴン州、ポートランドに所在のElectro Scientific Industries 社、本特許出願（例えばScribeView（商標）型式１から５Ｐ）の譲受人およびその本業界の他社（例えば、マサチューセッツ州、ナチックのCognex Corp.社および日本国、東京のKowa Co.,Ltd.社）によって製造された前の世代を含む市販のウエハＩＤ読み取りシステムは、約±１ｍｍ以下の作動距離範囲（対物空間の焦点深度）の光学系を使用した。そのようなシステムは、使用可能ではあるが、作動距離への僅かな変更のためにさえも、レンズの焦点位置への調整および／またはウエハＩＤ読み取り装置の位置調整をユーザに要求する。前記作動距離は、例えば、対象物の厚さが変わるなら、あるいはウエハのＩＤ読取りシステムにウエハを表示するロボットシステムに不正確があれば、変わる。
【００１１】
一定の配置でのウエハＩＤシステムのための作動距離の範囲が約±１ｍｍより広がれば、望ましいであろう。この範囲を１桁広げることができれば、前記システムの焦点合わせおよび設定は、既存のシステムに比べて重要ではなくなるであろう。例えば、現システムは、一般的に、ユーザが像を電子的に観察することができ、電子的に提供された像を観察しながら、焦点調節または位置変更を行うことができる逐次手続に従って、パワーアップされた状態でシステムの配置および焦点合わせを必要とする。ユーザは、一般的に、満足する像が得られるまで調整する。作動距離範囲を約±１０ｍｍに広げることができれば、ウエハＩＤシステムが適切な作動距離を決定するために簡単な定規を使用して非パワーアップ状態にある間にウエハを設置することができる。
【００１２】
さらに、既存のシステムで、約１ｍｍの作動距離を変化させるプロセス変動は、一般に、例えばレンズ焦点バレルを回すかまたは焦点調節ねじを回すことによって、前回の作動距離を再現すべく前記プロセスを調整するか、あるいは前記ウエハＩＤシステムの焦点調整を調整するために、ユーザ介入を必要としている。ほんの数ミリメートルの作動距離の変更を結果として生じる小さなプロセス変動をユーザの介入なしでウエハＩＤシステムに適応させることができれば、それは望ましいであろう。
【発明の開示】
【００１３】
ここに開示された実施例は、半導体ウエハのような平面鏡のような物体を結像するための方法およびシステム（系）を提供する。一実施例は、平面反射物体上の欠陥を結像するための結像システムが、テレセントリックレンズであって光学収差が実質的に修正されるに十分な非球面の表面を有するテレセントリックレンズを含む。前記結像システムは、また、前記平面反射物体からの反射光を阻止するが、前記欠陥からの反射光の通過を許す開口を有するテレセントリック絞りを含む。前記結像システムは、また、第２のレンズの群であって該第２のレンズの群と前記テレセントリック絞りとの間に配置されるシステム絞りを有し、前記テレセントリックレンズから独立して前記光学収差が実質的に修正された第２のレンズの群を含む。
【００１４】
一実施例では、テレセントリック軸上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明装置は、中心点に関して放射状に配列された第１の照明源円形アレイを含む。前記第１の円形アレイは前記中心点から第１の半径に配置される。前記ＴＯＡＤ照明装置は、また、前記中心点に関して接線方向に配列された第２の照明源円形アレイを含む。前記第２の円形アレイは、前記中心点から第２の半径に配置さえる。一実施例では、前記第２の半径は、前記第１の半径より長い。
【００１５】
一実施例では、方法がテレセントリック軸上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明装置を実質的に鏡面に位置合わせするために提供される。前記ＴＯＡＤ照明装置は、複数の同心照明アレイを有する。前記方法は、強烈な明るさのエリアが前記鏡面の像の第1の側から実質的に取り除かれるまで第１の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と物体面との間の入射角を調整し、調整された入射角を第１の測定結果として記録することを含む。前記方法は、また、高輝度領域が前記鏡面の像の第２の側から実質的に取り除かれるまで前記第１の方向と反対の方向で前記ＴＯＡＤ照明装置と前記物体面との間の入射角を調整し、再調整された入射角を第２の測定結果として記録することを含む。前記方法は、さらに、前記第１の測定結果と第２の測定結果間のおおまかな差に従って前記第１の方向のために位置合わせされた入射角を決定することを含む。
【００１６】
一実施例では、半導体ウエハの像を写すための結像システムは、ウエハを照明するための手段と、感知手段に前記ウエハの像を提供するための手段とを含む。前記感知方法に像を提供するための手段と、前記ウエハとの間の距離によって作動距離が決まる。前記結像システムは、さらに、前記作動距離が約±１０ｍｍの範囲を越えて変化したときに像の焦点を維持する手段を含む。
【００１７】
さらなる態様および利点は、添付の図面を参照しての以下の詳細な説明により、明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
システムと方法は、結像している表面の平面性すなわち鏡面性からの逸脱が強められたコントラストで再生されるように、主な平面のそして鏡のような表面像を照明し、また形成するために提供される。一実施例によれば、増大した作動距離範囲は、結像している表面の影響変動値および／または表面と同定（ＩＤ）システムとの間の距離における影響変動値に相当するように、提供される。
【００１９】
さらに、あるいは他の実施例では、照明源の同心円状の円形アレイは、それぞれのアレイの直径を増大させずに、増加した照明のために配置される。一実施例では、方法は、入射角を減少させるように、同心円状の照明アレイを結像される表面にあわせるために提供される。さらに、または他の態様（実施例）では、システムの倍率が、前レンズおよび後ろレンズの両群を交換せずに、変えることができるように、システムは、摂動について独立してよく修正される前レンズおよび後ろレンズの群を含む。
【００２０】
ここに記載の実施例は、物体を同軸対称の狭い角暗視野照明で照明するためにテレセントリックレンズを利用する。この照明技術は、特に、平面鏡のような物体の上の強調表示する小さな特徴または欠陥に適している。そのような物体の具体的な例は、シリコンウエハを含む。欠陥は、シリコンウエハの上の柔らかいソフトマーク記号および／またはチップスケール機器の上のエッジ凹凸を含むかもしれない。
【００２１】
光源はテレセントリックレンズに向けて環状の円錐光線を提供する。テレセントリックレンズは、光線が平行であり物体に直角になるように、光線を実質的に平面鏡の物体に向けて方向を変える。平面鏡のような物体の特性は、入射角に相補的な角で光を反射する。したがって、この場合、光は物体の表面に直角に反射される。反射すると、光線は、像射線としてここに参照される。像射線は、実質的に平面鏡のような物体から逆反射されて、テレセントリックレンズを通してそれらが発した点と正反対に転送される。
【００２２】
前記システムは、テレセントリック絞りに、実質的に、どの光もカメラを通過しないような光源と一致している中心的な口径を提供する。しかし、鏡面に欠陥があれば、光は妨害され、おそらく光のある部分はテレセントリック絞りの口径を、またカメラの上を通過するであろう。
【００２３】
次に、同様な素子に同様な参照符号が付された図を参照する。明確にするために、参照数字の最初の桁は、対応する素子が最初に使われる図番を示す。以下の説明で、多数の具体的な詳細は、ここに開示された実施例についての完全な理解のために提供される。しかしながら、当業者は、実施例が１以上の具体的な詳細なしに、または他の方法、要素または材料によって行なうことができると理解するであろう。さらに、場合によっては、実施例の特徴を覆い隠すのを避けるために、よく知れられた構造、材料または動作を詳細に示したり説明したりはしない。さらに、記載された特徴、構造または特性は、1つ以上の実施例の中のどのような適当な方法によっても組み合わせることができる。
【００２４】
ウエハＩＤシステムは、米国特許第６，８７０，９４９号明細書（以下、'９４９特許と称す。）中で説明されている。物質的なまたは光学式の調整を必要とせずに、固定された配置のための作動距離範囲を大きく（例えば約１０倍に）拡張し、システムの倍率を変更することを簡素化する追加の特徴を含むために、ここに開示されているいくつかの実施例は、'９４９特許を修正する。考察のために、'９４９特許の図３および５は、ここに図１Ａおよび１Ｂとしてそれぞれ示され、考察されている。
【００２５】
図１Ａは、平面物体１０２を結像するための光学式の画像システム１００の一部分を破断する部分的な図である。平面物体１０２は、例えば、事実上鏡のようなシリコンウエハから成る。シリコンウエハは、一般的に、ソフトマーク(図示せず)などの欠陥を含む。従来技術で知られているように、ソフトマークは、レーザエッチングによるピットの集合からなり、それがエッチングされた特定のシリコンウエハについての情報を提供する。シリコンウエハは、また一般的に多数の半導体デバイスを含む。本開示がシリコンウエハの検査、特にソフトマークの像を映すことで説明されるが、本開示が他の平面物体の像を映すことに等しく適用範囲を有することが理解できよう。例えば、半導体デバイスがシンギュレート（singulated）されるとき、ここに開示された実施例に従って、それらは角欠けのために検査することができる。
【００２６】
図１Ａに示された光学式の画像システム１００は、後ろの群１０８およびテレセントリック視野レンズ１１０としてここに参照された1対のレンズ群を含む。後ろレンズ群１０８とテレセントリック視野レンズ１１０の両方の適切なレンズの一供給元は、ニュージャージ州、バーリントンのEdmund Optics Inc.社である。後ろレンズ群１０８とテレセントリック視野レンズ１１０は、以下でより詳しく説明するように、ソフトマークのような欠陥の像１１３を1つのカメラ１１４に導くために、共に作用する。カメラ１１４は、好ましくは電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補形のＭＯＳトランジスタ（ＣＭＯＳ）タイプのセンサを含むデジタルカメラである。
【００２７】
後ろレンズ群１０８は、矯正対物レンズの集合によって定義され、入射ひとみ１０９を含む。後ろレンズ群１０８は、好ましくは歪曲収差が小さく、カメラ１１４に合った十分な解像力を有する。後ろレンズ群１０８は、使用されるカメラ１１４のタイプによって異なることが理解できよう。ここに開示された一実施例では、以下で記載されるように、後ろレンズ群１０８とテレセントリック視野レンズ１１０とは、そのいずれの一方も、他方の性能に影響を及ぼさずに取り替えることができるように、それぞれ独立して収差を充分に矯正される。
【００２８】
テレセントリック視野レンズ１１０が、物体１０２の平面に沿った物体のテレセントリック像を描くために、テレセントリック視野レンズとして作用することは理解されている。換言すれば、光線は、それらがテレセントリックレンズ１１０を出るとき、互いに平行であり、物体１０２の平面に好ましくは直角である。光源１１８によって照明されるとき、テレセントリックレンズ１１０およびレンズ群１０８はカメラ１１４で像１１３を形成すべく作用することが理解されている。テレセントリックレンズ１１０は、軸１１１およびテレセントリック口径または焦点を含む多くの定義特性を有する。図１Ａで示すように、テレセントリック視野レンズ１１０の焦点は後ろレンズ群１０８の入射ひとみ１０９に一致する。軸１１１はシステム（系）１００のための光軸を定義し、後ろレンズ１０８およびカメラ１１４が同軸１１１に配置されている。
【００２９】
光源１１８は、テレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１と同軸の狭角照明を提供するために配置されている。図１Ａは、軸１１１に沿った光源１１８の1つの位置決めを物理的に示す。しかしながら、'９４９特許に開示されているように、光源１１８が光学的に等価な方法で軸１１１から離れて物理的に配置することができることは理解される。例えば、'９４９特許の図６は、ここで図１Ａに示された実施例と光学的に等しい光源１１８の異なる位置を示す。光学的等価は、テレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１に沿って置かれた一部を反射するミラーまたはビーム分割器（図示せず）を用いて達成できる。前記ビーム分割器は、テレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１に直角に光源１１８を配置することを可能にする。
【００３０】
テレセントリック絞り１１６は、後ろレンズ群１０８とテレセントリック視野レンズ１１０との間に置かれる。テレセントリック絞り１１６はテレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１に在る。テレセントリック絞り１１６は、好ましくは、後ろレンズ群１０８の入射ひとみ１０９に最も近く置かれる。テレセントリック絞り１１６は、好ましくは、中心開口１１７を含む物理的な光学絞りである。開口１１７は、また、テレセントリックレンズ１１０の焦点に最も近く置かれる。
【００３１】
図１Ｂは、図１Ａに示された光学画像システムで使用可能な照明源１１８の平面図である。図１Ｂに示された照明源は、プリント基板１２１に実装された多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１２０の大多数を利用した環状の光源から成る。一実施例では、プリント基板１２１がテレセントリック絞り１１６として作動することが理解されよう。プリント基板１２１は、少なくともテレセントリック絞り１１６の口径１１７と同程度の大きさの開口１２１Ａを含む。
【００３２】
虹彩絞り口径がテレセントリック絞り１１６と共に使用される場合、開口１２１Ａは、少なくとも利用可能な最も大きな口径設定と同程度に大きい。ＬＥＤ１２０は、図示のとおり、内側円形群１１９Ａと、外方円形群１１９Ｂとに構成されている。内側群１１９Ａと外方群１１９Ｂとが物体１０２への僅かに異なる狭角照明を提供することが理解される。内側群１１９Ａおよび外方群１１９Ｂは、物体１０２の性質に応じて、同時にまたは交互に照明することができる。追加のＬＥＤ１２０の円形群を設けることができることは理解される。
【００３３】
光学式画像システム１００の欠陥のタイプへの感度は、主としてテレセントリックレンズ１１０と、光源１１８直径との間の焦点比で決まる。この感度は、例えば、光源１１８の内側群１１９Ａと外方群１１９Ｂとの直径差の選択によって調整することができる。代わりに、この感度は、テレセントリック絞り１１６の開口１１７の直径を選択的に調整することにより、調整することができる。開口１１７は、システム１００のために調整可能な焦点比を提供する虹彩絞りを使用することによって調整することができる。
【００３４】
動作中、光源１１８は、光線１２８、１３０が物体１０２の近傍に焦点を合わせ実質的に相互に平行になるように、光線１２８、１３０をテレセントリック視野レンズ１１０へ向けて投射する。光線１２８、１３０は環状円錐に投射され、テレセントリックレンズ１１０を通るので、平行になることが理解される。光線１２８、１３０は、画像形成光線１２２、１２４、１２６として、物体１０２から反射される。光線１２８、１３０が物体１０２の鏡面部分から反射する場合、画像形成光線１２２、１２６はテレセントリック絞り１１６に当たり、後ろレンズ群１０８に入らないであろう。特に、画像形成光線１２２、１２６は、鏡像としてそれらの原点に戻る環状円錐照明を作るために、実質的に平らな鏡面から逆反射される。しかしながら、光線１２８、１３０の一部が欠陥から反射されると、画像形成光線１２４は、テレセントリック絞り１１６の開口１１７を通過し、それらが後ろレンズ群１０８によって焦合され、カメラ１１４で像１１３を形成する。
【００３５】
光学画像システム１００は、必要であれば、光軸１１１と暗視野照明の狭角との間の角度を明視野照明になるポイントまで任意に小さく調整することができる。さらに、システム１００の感度は、照明の異なる径を選択することにより、あるいはテレセントリック絞り１１６の開口１１７を調整することにより、調整することができる。さらに、カメラ１１４の視界の全視野を使うことができ、システム１００は視界全体にわたって完全な円対称を提供する。
Ａ．焦点深度の増大
【００３６】
先に論じたように、ここに開示した実施例は、物質的または光学的な調整を必要とすることなしに光学画像システム１００の固定配置を可能とするために、作動距離範囲を広げる。一般に、カメラシステムの画面の誤焦点の程度は、等式によって表すことができる。
2009500631.tif 000003
ここで、φは焦点のぼけ、Ａは開口の線寸法、λは光の波長、ｆはレンズの焦点距離およびｓは添え字で示されるようにレンズからそれぞれ物体面（ｓｏ）および画像面（ｓｉ）までの距離である。
【００３７】
前記システムで固定値になる変数を定数xおよびｙにグループ化すると、この式を次式のように簡素化することができる。
2009500631.tif 000004
【００３８】
支配的な要因は、前記開口寸法と、もちろんｓ0の偏差である。なお、システムの焦点が合うためには、ｙ＝１／ｓｏであり、またφは零になる。上記の式は、前記開口および前記作動距離偏差を画像面の焦点ぼけに関係付ける。これは、システム倍率ｍの自乗を乗算することにより、物体平面での焦点のぼけ、ω、に次のとおり関連が付けられる。
2009500631.tif 000005
所定の視界のために、システム倍率ｍは、センサの寸法（フォーマットとしてまた知られている）によって決定される。センサが小さくなるほど、システム倍率ｍは小さくなり、作動距離の与えられた変化に対する焦点のぼけのパラメータはますます小さくなる。
【００３９】
１つの解決法は、非常に小さな開口（その結果、Ａ２が非常に小さな数になる）および非常に小さな撮像装置（その結果、ｍ２が非常に小さな数になる）を選び、これにより、積Ａ２ｍ２を最小化し、物体距離の所定の変化に対する焦点のぼけを最小化することである。しかしながら、システムのパワー効率は開口と関連している。簡素化し形式では、物体を照明する放射エネルギーの一部を合焦する光学系の効率Tは、例えば、正方形の開口の長さ寸法への焦点面での結像センサへ入射する放射エネルギーに関連する。
2009500631.tif 000006
したがって、焦点深度（およびそれゆえ作動距離の範囲）を増大させるためにＡを任意に減らすことは、像から有益な情報を再生するには暗すぎることになるであろう点に光パワーを伝えることから、光学系の効率を減少させる。
【００４０】
図１Ａは、平面物体１０２の上面と、テレセントリック視野レンズ１１０の前面との間の作動距離１３２を示す。当業者は、この開示から、これに代えて、作動距離１３２が、平面物体１０２の上面と、例えば光学画像システム１００の外方筐体１３４の底との間の距離であると定義できることを認めるであろう。光学画像システム１００の物体空間の焦点深度は、像１１３がなお実質的にカメラ１１４の焦点にあるように、作動距離１３２を変える（例えば作動距離範囲）ことができる距離の範囲である。
【００４１】
より大きな作動距離範囲は、光学画像システムの焦点を再び合わせる必要なく、単一の平面物体１０２での厚さの変化または連続した平面物体間の厚さ変化を許す。さらに、より大きな作動距離範囲は、実質的に焦点を維持できる適切な作動距離１３２をユーザが（例えば簡単な定規測定によってまたは目視によって）推定することを可能にする。
【００４２】
ここに開示された一実施例では、作動距離範囲は約±１０ｍｍである。そのような一実施例によれば、カメラ１１４の結像面は、システム倍率ｍを減少させるように、比較的小さく選ばれる。一実施例では、結像面の長さおよび幅は、それぞれ約２．５ｍｍおよび約５．５ｍｍ間の範囲にあるように選ばれる。実施例では、結像表面は、幅が約２．８８ｍｍであり長さが約４．５１ｍｍである。比較として、標準の撮像装置（例えば、オレゴン州、ポートランドのElectro Scientific Industriesから入手可能なScribeRead5Pの画像システムの撮像装置）は、幅が約４．８ｍｍ、長さが約６．４ｍｍである。
【００４３】
さらに、カメラ１１４は、比較的高感度有するものが選ばれる。これにより、システム効率Ｔを低減する影響は、減らされるか、あるいは最小化される。カメラ１１４としての使用に適したセンサは、例えば、Micron社で製造され、従来多く使われているCCD撮像装置に比較されるCMOSを使う。一実施例では、カメラ１１４は、アイダホ州、ボイジーのMicron Imaging社のモデルMT9V022を含み、約５５０ｎｍの波長で約２．０Ｖ／ルクス秒の感度を有する。ここで、Vはボルトであり、ルクス秒は照度と時間との積である。当業者は、緑色光が約５５０ｎｍの波長を有し、感度が他の可視波長よりも低いと認めるであろう。
【００４４】
一実施例によれば、約±１０ｍｍの作動距離範囲を達成するために、照明源１１８は、大きな光量を提供するように構成される。ＬＥＤ１２０は、非常に高い輝度を提供するために選ばれる。一実施例では、ＬＥＤ１２０は、イリノイ州、パラタインのLumex Inc.社からのモデルSML-LX0402SICを含み、約２０ｍＡで約１４０mcd（ミリカンデラ）の明るさを有する。一実施例では、ＬＥＤ１２０は、できる限り多くのエネルギーを捕獲して使うためにレンズ化されている。さらに、または他の実施例では、ＬＥＤ１２０は、高い輝度レベルを得るために、非常に大きな電流でパルス駆動されている。高輝度照明を得るための技術が以下に記載される。
【００４５】
一実施例では、カメラ１１４のために小さな結像面を選び、高感度のカメラ１１４を選び、また非常に高い輝度のＬＥＤ１２０を選ぶことにより、前記したように、光学系に通常のｆ／５．８に対し、ｆ／１２の焦点比および約０．１４倍の小さなシステム倍率が得られる。なお、ｆ／１２システムは、ｆ／５．８に比較して４分の１のエネルギを通過させるが、これは光学画像システム１００が４倍を超えるパワフルさおよび／または効率となるバランスを要求する。
B．照明パッケージの配置
【００４６】
テレセントリック軸上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明、すなわち暗視野照明法は、物体１０２を照明するために伝えられる光量に比べて物体１０２から反射する少ない割合の光が捕獲されるので、相対的に非能率な照明方法である。したがって、暗視野照明法での損失を相殺するために、多量の光量が物体１０２に送られることを要求される。
【００４７】
機械視覚の応用における産業に課されたサイズ制限は、暗視野照明源に利用可能な空間量を減少させる。光源の高密度配置と同様に小さな照明源パッケージが有益であろう。図１Ｂに示すように、'９４９特許に開示されたＴＯＡＤ照明シナリオでは、（内側群１１９Ａ、外方群１１９Ｂまたは両方）の照明アレイを使用する。前記アレイの中心から該アレイの縁までの距離が減少に伴い、ソフトおよび超ソフトなウエハマークを読み取る能力は高まる。したがって、この距離を可能な限り少なくすることが有利である。さらに、距離が減少すると、照明源１１８により使用される空間は、かなり減少する。
【００４８】
複数の中心から縁までの距離で複数のアレイを提供することは、また有用であり、対物照明の異なる方法および超ソフト、ソフトおよびハードなウエハマークの程度差に備えることができる。この理由により、複数の照明アレイは有用である。しかしながら、以下に述べるように、複数の照明アレイはパッケージング問題をもたらしている。ここに開示された一実施例によれば、小さな個々の照明光源を用い、またアレイ密度と同様に、該照明源の密度が増大あるいは最大化するアレイの照明光源を配置することにより、パッケージング問題は解消される。
【００４９】
図２は多数の照明源２１０（１２個が示されている）を含む従来の環状の照明アレイ２００の概略図である。この例における各照明源２１０は矩形であり、例えばＬＥＤから成る。照明源２１０は、環状パターンで接線方向に配列されている。当業者は、照明源２１０を増しあるいは減らすことにより、また環状の照明アレイ２００の半径を増大させあるいは減少させることにより、環状の照明アレイ２００の配列を変更できることを理解するであろう。例えば、環状の照明アレイ２００の半径を減少させるためには、１以上の照明素子２１０が取り除かれるであろう。残りの照明素子２１０は、環状パターンで実質的に端と端とが等しく間隔を置くように再配置される。半径を減少させるために１つ以上の照明源２１０を取り除くことは、アレイ２００の輝度レベルを減少させる。
【００５０】
環状の照明アレイ２００は、個別にオン、オフの切り替が可能の他のアレイと同心円状に配置することができる。例えば、図３は３つの他の環状照明アレイ３１０、３１２、３１４が、図２に示された環状の照明アレイ２００に同心円状に配置された従来の配置の概略図である。環状の各照明アレイ３１０、２００、３１２、３１４は、異なる半径および異なる数の接線方向に配置された照明光源をそれぞれ有する。必要とされないが、個々のアレイ３１０、２００、３１２、３１４の間に輝度レベルを維持することが望ましい。R−二乗損失のために、各アレイ３１０、２００、３１２、３１４の照明源２１０の数は、可能な場合、より内側のアレイから増大する。この例では、環状の照明アレイ３１０、２００、３１２、３１４は、７個、１２個、１６個および２０個の照明源２１０をそれぞれ含む。
【００５１】
図３に示すように、従来の照明源配置の下では、各アレイは同様な方法で（例えば、共通中心点の回りで接線方向に)方向付けられている。しかしながら、ここに開示される一実施例では、各アレイで照明源の数を増大させることにより、従来の配置が改善される。図４は、一実施例に従って配列された複数の同心円状に配置された照明アレイ４１０、４１２、４１４、４１６の概略図である。各照明アレイ４１０、４１２、４１４、４１６は、共通の中心４１８まわりで円形のパターンに配列された多数の照明源２１０をそれぞれ有する。
【００５２】
図３および４に示された配置の比較は、アレイ４１０、４１４、４１６に使用された照明源２１０の数が著しく増加していることを明らかにする。このように、アレイ４１０、４１４、４１６は、アレイ３１０、３１２、３１４に比較して、与えられるルミネセンス量のそれぞれ著しい増大を提供する。
【００５３】
図４に示された最も内側の照明アレイ４１０は、円形パターンで放射状に配列された１２個の照明源２１０を含む。共通の中心４１８からアレイ４１０の照明源２１０のおおよその中心までの半径は、図３に示された最も内側のアレイ３１０の半径にほぼ等しい。しかし、アレイ４１０の１２個の照明源２１０に対し、図３に示された最内側のアレイ３１０は７個の照明源２１０を有する。
【００５４】
図４に示された次の最内側のアレイ４１２は、円形パターンの接線方向に配列された１２個の照明源２１０を含む。アレイ４１２の半径および照明源２１０の数は、図３に示されたアレイ２００の半径および照明源２１０の数とほぼ同じである。
【００５５】
図４に示された次の最内側アレイ４１４は、円形パターンの放射状に配列された２４個の照明源２１０を含む。共通の中心４１８からアレイ４１４の照明源２１０のほぼ中心までの半径は、図３に示されたアレイ３１２の半径にほぼ等しい。しかし、図３に示されたアレイ３１２は、アレイ４１４の２４個の照明源２１０に対して１６個の照明源２１０を有する。
【００５６】
図４に示された最も外側のアレイ４１６は、円形パターンに配列された２４個の照明源２１０を含む。アレイ４１６の照明源２１０の端間に所望の間隔を得るために、照明源２１０は接線方向からずれる。他の実施例では、所望の間隔を得るために、１以上の照明源２１０がアレイ４１６から取り除かれ、残りの照明源２１０がほぼ接線方向に配列される。図４に示すように、共通の中心４１８から最も外側のアレイ４１６の照明源２１０のほぼ中心までの半径は、図３3に示された最も外側のアレイ３１４の半径にほぼ等しい。しかし、図３に示されたアレイ３１４は、アレイ４１４の２４個の照明源２１０に対して、２０個の照明源２１０を有する。
【００５７】
図５は、一実施例に従って、高密度照明アレイを配列するための工程５００を示すフローチャートである。工程５００は、例えば、図４に概略的に示された照明アレイ４１０、４１２、４１４、４１６の配列のレイアウトのために使用することができる。ステップ５１０で、工程５００は、最も内側の照明アレイに使う照明源の総数として４の任意の倍数を選択することを含む。当業者は、ここに開示されているところから、最初に４の任意の倍数の照明源を選ぶことができ、あるいは電気回路的な理由で（例えば釣り合いが取れた駆動を達成するために）選ぶことができることが理解できるであろう。しかし、如何なる数の照明源をも最初に選ぶことができる。
【００５８】
ステップ５１２で、工程５００は、光学画像システム（例えば、図１に関して先に述べられた光学画像システム１００）による使用のための所望の半径あるいはそれに必要な半径と、前記照明素子の最も長いパッケージ寸法（例えば、図４に示された照明源２１０の長さ）との和に等しい半径で、放射方向に選択された照明源を方向付けることを含む。
【００５９】
ステップ５１４で、工程５００は、前記照明源が互いに干渉するかどうかを問う。前記照明源の物理的なレイアウトが、前記照明源が互い接触しないかあるいは所望の間隔を有するようであれば、工程５００は、否定経路５１６を経てステップ５１８に至り、ここで、４の倍数の照明源を１整数分だけ増大させる。その後、前記工程は、ステップ５１２が後に続くステップ５１２に戻る。前記照明源が互いに干渉するならば、工程５００は、ステップ５１４から肯定経路５２０を経てステップ５２２に進み、該ステップで、工程５００は、干渉した現照明源数の前に照明源数の前回の反復が干渉したかどうかを問う。
【００６０】
前回の反復がまた干渉を生じていたら、工程５００は、肯定経路５２４を経てステップ５２６に進み、該ステップで、４の倍数の照明源が１整数分だけ減少する。ステップ５２６から、工程５００はステップ５１２に戻る。照明源の数の前回の反復が干渉を生じていなけれが、工程５００は、否定経路５２８を経て、ステップ５３０に進み、該ステップで４の倍数の照明源が１整数分だけ減少し、工程５００は次の外側の照明アレイに進み続ける。工程５００のこの時点で、最も内側の照明アレイは完成する。例えば、放射方向に配列された照明源２１０を有する図４に示された最も内側の照明アレイ４１０は、先に述べた工程５００に従って配置されている。
【００６１】
ステップ５３２で、工程５００は、前回の放射状に方向付けた照明アレイと同じ数の照明源を用いて、前回のアレイの半径と、前記照明素子の最も長いパッケージ寸法の長さの１．５倍との和に等しい半径で、第２の内側アレイの照明源を接線方向に方向付ける。当業者は、他の実施例では、本開示から、前記第２の内側アレイのために異なる半径を選択できることが理解できるであろう。工程５００のこの時点で、第２の内側照明アレイは完成する。例えば、先に述べた工程５００に従って、図４に示された第２の内側照明アレイ４１２が配置されている。図４または５に示されていないが、前記第２の内側照明アレイ４１２の照明源２１０が相互に干渉するなら、それらは、最も外側のアレイ４１６の方向と同様に接線方向からずらすことができる。
【００６２】
ステップ５３４で、第３の内側のアレイのために、工程５００は、次の整数分に４の倍数の照明源数を増大させる。ステップ５３６では、工程５００は、前回のアレイと、前記照明素子の最も長いパッケージ寸法の長さの１．５倍との和に等しい半径で放射状配置に第３の内側のアレイのための前記照明源を方向付ける。
【００６３】
具体例では、照明源は、図４に示されているアレイ配列４１０、４１２、４１４、４１６と同様な４つの円形アレイに配列されており、第１の円形アレイは約２．２ｍｍの半径を有し、第２の円形アレイは約３．８ｍｍの半径を有し、第３の円形アレイは約５．２ｍｍの半径を有し、第４の円形アレイは約６．６ｍｍの半径を有する。そのような具体例では、各照明源（例えばＬＥＤパッケージ）は、幅が約０．６ｍｍ、長さが約１．２ｍｍであり、インチ寸法（0.04インチ×0.02インチ）の０４０２パッケージとして顧客に知られている。
【００６４】
ステップ５３８で、工程５００は、前記第３の内側アレイの照明源が相互に干渉するかどうかを問う。照明源の物理的レイアウトが、それらが互い接触しないかあるいは所望の間隔を有していれば、工程５００は否定経路５４０を経てステップ５４２に進み、ここで工程５００は、１整数分だけ４の倍数の照明源数を増大させる。前記工程は、次に、ステップ５３８が後に続くステップ５３６に戻る。照明源が相互に干渉するなら、工程５００は、肯定経路５４６を経て、ステップ５３８からステップ５４８に進み、ここで工程５００は、干渉した照明源の現数の前の照明源数の前回の反復で干渉が生じていたかどうかを問う。
【００６５】
もし、また前回の反復が干渉を生じていたら、工程５００は、肯定経路５５０を経て、ステップ５５２に進み、ここで1整数分だけ４の倍数の照明源の数が減少する。ステップ５５２から、工程５００はステップ５３６に戻る。照明源の数の前回の反復が干渉を生じていなければ、工程５００は、否定経路５５４を経て、ステップ５５６に進み、ここで４の倍数の照明源の数が１整数分だけ減少させられ、また、工程５００は次の外側の照明アレイに進み続ける。工程５００のこの時点で、第３の内側照明アレイは完成する。例えば、先に述べた工程５００に従って放射状に配置された照明源２１０を有する図４に示された第３の内側照明アレイ４１４が配置される。
【００６６】
ステップ５５８で、前回の放射状に配列した照明アレイと同数の照明源を用いて、工程５００は、前回のアレイの半径と、前記照明素子の最も長いパッケージ寸法長さの１．５倍との和に等しい半径に、第４の内側アレイの照明源を接線方向に方向付ける。工程５００のこの時点で、第４の内側照明アレイは完成する。例えば、先に述べた工程５００に従って図４に示された第４の内側照明アレイ４１６を配置することができる。上記したように、第４の内側照明アレイ４１６の照明源２１０が相互に干渉するなら、それらは図４に示すように接線の方向からずらすことができる。
【００６７】
当業者は、前記の開示から、いくつもの照明アレイ数を作り出すために、放射方向照明アレイと、接線方向（または所望の間隔を得るために接線方向からずれる）照明アレイとを交互に、同様な方法で工程５００を続けることができることを理解するであろう。さらに、最も内側のアレイが接線方向に配置された照明源を有し、前記第２の内側アレイが放射方向に配列された照明源を有するように、配列順序を逆にすることができる。さらに、各アレイの半径は、如何なる所望の長さにも選択することができる。
Ｃ．ＴＯＡＤ照明アレイ調整
【００６８】
テレセントリック軸上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明は、暗視野照明方法であって、照明源と照明対象物との間の入射角に依存する。前記光軸からの暗視野角がより小さくなり、またよりソフトなマークが認知できるほど、アラインメントにおける乱れへの感度は増大する。したがって、ＴＯＡＤ照明などの非常に狭い角の暗視野照明を用いるウエハＩＤシステムのためのアライメント要求は、ますますより重大になる。１実施例によるアラインメントのための比較的簡単で、便利な方法が以下に記載される。
【００６９】
図１Ａに示された光学結像システム１００（以下、読み取り装置１００と称する。）のレイアウトおよび構造のために、読み取り装置１００を１または複数のＴＯＡＤ照明アレイに位置合わせすることは、それらが同心である結果として、読み取り装置１００のすべての前記アレイへの位置合わせである。ＴＯＡＤ照明アレイは、例えば図４に示された照明アレイ４１０、４１２、４１４、４１６416を含む。しかしながら、また、図１Ｂおよび２−３に示されたような他のＴＯＡＤ照明アレイ配置を使用することができる。一具体例によるアラインメント方法は、最も内側のアレイが他のアレイよりも小さなミスアライメント角で如何なるミスアライメント特性をも示すので、最も内側のアレイの位置合わせを含む。したがって、最も内側アレイを位置合わせすることは他のＴＯＡＤ照明アレイに関連して光学経路のアラインメントを保証する。
【００７０】
図６は、一実施例に従ってＴＯＡＤ照明アレイを位置合わせするための工程６００を示すフローチャートである。ステップ６１０では、工程６００は、最も内側のＴＯＡＤ照明アレイを使った読み取り装置の設定を含む。例えば、光学画像システム１００は、図４に示された照明アレイ４１０を使って設定することができる。ステップ６２０で、工程６００は、前記読み取り装置の光軸を可能な限り対物面にほぼ直角に位置合わせすることを含む。ステップ６２２で、鏡または同様な高い反射性物体が前記対物面に置かれ、像捕獲工程が開始される。
【００７１】
ステップ６２４で、工程６００は、設置しながら読み取り装置で捕獲された像を分析することにより、角度のずれの特性を明らかにすることを含む。大きな（gross）角度のずれは、像の強烈な輝度の均一でない領域で表されている。小さな角度のずれは、ゴースト輝度領域で表されている。例えば、図７Aおよび７Ｂは、一具体例による読み取り装置で捕らえられた前記鏡の写真を示す。前記像は、輝度７１０の領域（例えば、ゴースト輝度領域により取り巻かれた１つの大きな強輝度領域および２つの小さな強輝度領域）を含む。
【００７２】
ステップ６２６で、工程６００は、像中に輝度領域７１０が見えなくなるまで、前記読み取り装置と前記対物面との間の入射角をｘ方向（例えば像空間の左／右）に調整することを含む。以後、見えている角度は、設定ｘ１として表す。例えば、入射角は、図７Ａの第１の像７１４に示された矢印７１２の方角へ調整される。輝度領域７１０が第１の像７１４の左方にずれ、消えると、すぐにｘ１が記録される。
【００７３】
ステップ６２８で、前記工程は、輝度領域７１０が前記像空間を完全に横切り、前のステップで消失したと反対側で前記像中に見えなくなるまで、前記読み取り装置と前記物体面との間の入射角を前のステップと反対方向へ調整することを含む。見えている角度は、以後、設定ｘ２として表す。例えば、入射角は、図７Ａで第２の像７１８に示された矢印７１６の方向へ調整される。輝度領域７１０が第２の像７１８の右方にずれ、消えると、すぐにｘ２が記録される。
【００７４】
ステップ６３０で、工程６００は、設定ｘ１および設定ｘ２間のほぼ半値の角度設定としてｘ３を計算することを含む。次に、前記読み取り装置と前記物体面との間の入射角が設定ｘ３にあるように、前記読み取り装置は配置される。例えば、図７Ａに示された第３の像７２０は、入射角が設定ｘ３に設定されると、輝度領域７１０が結像されず、ＴＯＡＤ照明アレイがｘ方向に位置合わせされていることを示す。
【００７５】
ステップ６３２では、工程６００は、輝度領域７１０が前記像中から見えなくなるまで、ｙ方向（例えば像空間の上下）へ前記読み取り装置と前記物体面との間の入射角を調整することを含む。見えている角度は、以後、設定ｙ１として表す。例えば、入射角は、図７Ｂの第４の像７２４に示された矢印７２２の方向へ調整される。
【００７６】
ステップ６３４では、前記工程は、輝度領域７１０が像空間を完全に横切り、前のステップで消失したと反対側で前記像中に見えなくなるまで、前記読み取り装置と前記物体面との間の入射角を前のステップと反対方向へ調整することを含む。見えている角度は、以後、設定ｙ２として表示する。例えば、入射角は、図７Ｂの第５の像７２８に示された矢印７２６の方向へ調整される。輝度領域７１０が第５の像７２８の下方へずれ、消えると、すぐにｙ２が記録される。
【００７７】
ステップ６３６で、工程６００は、設定ｙ１と設定ｙ２とのほぼ半値の角度設定としてｙ３を計算することを含む。次に、前記読み取り装置と前記物体面との間の入射角が設定ｙ３にあるように、前記読み取り装置は配置される。例えば、図７Ｂに示された第５の像７３０は、入射角が設定ｙ３に設定されると、輝度領域７１０が結像されず、ＴＯＡＤ照明アレイがｙ方向に位置合わせされていることを示す。
【００７８】
一実施例では、ｘ方向で入射角が設定ｘ３に設定される間、ｙ方向での複数回の測定がなされる。したがって、ｙ方向での入射角が設定ｙ３に設定されると、ｘ方向でなされた測定は、再測定され、設定ｘ３のための新しい値が、決定される。
【００７９】
一実施例では、ＴＯＡＤ照明アレイを位置合わせするために使われた鏡は、読み取り装置の表面上の品質評価のために、結像工程中回転する。読み取り装置のレンズ上の汚れ、塵、コーティング欠陥や内部ミラー上の他の欠陥は、ＴＯＡＤ照明アレイを位置合わせするために使われた外部の鏡の汚れ、塵および他の欠陥と区別し難い。外部の鏡を回転させることは、前記読み取り装置に起因する欠陥を識別する。例えば、外部の鏡が回転するとき、図７Ａおよび７Ｂに示された輝度領域７１０は、低強度の縞になる。しかしながら、外部の鏡が回転するとき、内部の汚れ、塵、コーティング欠陥および他の欠陥によるいかなる輝度点も、縞にならない。したがって、前記読み取り装置の内部欠陥は、回転する鏡の外部の欠陥と区別することができる。
D．前後のレンズ群の分離
【００８０】
ウエハＩＤシステムは、一般的に、例えばビデオカメラ、レンズおよび光源を含む基本的な各ブロックから成る。そのようなウエハＩＤシステムは、明視野照明、暗視野照明および狭角の暗視野照明の組合せを提供することができ、該狭角の暗視野照明は、光源をレンズとカメラとからわずかにずらせて（例えば、典型的には約５度から約７度）配置することにより、また対象となるウエハの鏡面による反射での光源の直接的な像を防止するために配置される１つまたは複数のバッフルを提供することにより、得られる。
【００８１】
これらのタイプのシステムの中では、該システムにさまざまな視界を提供するために、従来の、しばしば「既製品」でビデオのレンズの選択を提供することは、一般的である。例えばＳＥＭＩ  Ｍ１３仕様で説明されたような英数字の通し番号を読むための約３０ｍｍの視界、および２ＤＩＤ通し番号を読むための約２分の１の視界は、一般的にずっと小さく、より小さな視界に対応した増大した倍率から利益を得ている。
【００８２】
上に述べたように、'９４９特許は図１Ａに示されたテレセントリック光学画像システム１００の狭角暗視野光源の組み込みを教示する。したがって、読むべき通し番号の像を成形するために使われるのと同じ光学系が光の幾何を厳密に制御するために、また使われる。テレセントリック絞り１１６の回りに光源１１８を置くことにより、レンズ１０８、１１０の特性は、光軸１１１の約1度と約２度との間の範囲内に暗視野照明をもたらし、残余の部分を照明素子の直接的な反射から妨げる。さらに、レンズ１０８、１１０の特性は、この関係の均一性が視界全体を横切って保持されるのに、使われる。
【００８３】
'９４９特許で開示されたシステムで提示された問題は、従来の画像システムで使われたものよりレンズ１０８、１１０がより精巧である点である。前記システムの少なくとも1つの光素子は、特定のシステムのために作られ、レンズ１０８、１１０のユニークな要求事項のために、「既製品」で入手できない。例えば、一つのユニークな要求事項とは、テレセントリック視野レンズ１１０は、その両外面がテレセントリック口径とテレセントリック視野レンズ１１０との間の距離以下の曲率半径を有するメニスカスレンズであることである。
【００８４】
ここに開示された一実施例では、具体的な設計法は、光学系全体ではなく相対的に小さな光学サブシステムを変更することにより、光学画像システム１００の倍率を変える能力を提供する。一実施例によれば、前記システムの倍率は、後ろレンズ群１０８を変更することにより、システム倍率の所望された変更以外に、全システムへのほとんどまたはまったく影響を与えることなく、変えられることができる。
【００８５】
従来の設計アプローチが光学画像システム１００を設計するために使われるなら、ここに開示の実施例との比較により、当業者は、各レンズ要素のための種々の曲率半径、各レンズ要素のための種々のガラスタイプおよび各レンズ要素のための種々の厚さおよび間隔を選択をするであろう。しかしながら、そのような従来の設計アプローチのための解決法の群は、不可分である。すなわち、後ろレンズ群１０８と前のテレセントリック視野レンズ１１０とは、光学性能の許容限度を達成するには、単一ユニットとして扱われなければならない。この設計アプローチに続いて、同様なシステムを人が違う倍率で提供するには、第２のシステムの後ろレンズ群１０８は、少なくとも最初のシステムのテレセントリック視野レンズ１１０を補足するようにデザインされるであろう。代わりに、人は、新しい視野を達成するために全システムを再設計することができる。第２の視野が最初の視野のそれより大きいなら、この代替アプローチが必要であるかもしれない。
【００８６】
一実施例では、コスト、部品数および開発時間を最小化する方法は、最初により大きな視界（例えば、より低拡大率）のために、光学画像システム１００をデザインすることを含む。これは、テレセントリック視野レンズ１１０がその後の如何なるシステムのためにも、十分に大きいことを保証する。次に、設計は、一般的に球形曲線と円錐曲線とを使う従来の設計および製造方法から次式の非球面曲線を使うものに逸脱することにより、分離できるようにすることができる。
2009500631.tif 000007
【００８７】
上記の式の第１項は、球形または円錐曲線レンズ表面の標準の記載部分である。Ｚは、「サグ（sag）」として従来技術で知られている特定の曲線の光軸に沿った変位である。Ｙは光軸からの径方向距離である。Ｃは曲率(曲率半径の逆数)であり、Ｋは円錐の定数である。双曲線ではＫ＜−１、放物線ではＫ＝−１、楕円では−１＞Ｋ＜０、球面ではＫ＝０、扁円楕円ではＫ＞０である。連続するAnは非球面の係数であり、ここにＹｎとして表示されたパワーｎの軸への径方向距離の関数としてサグＺを修正する。一実施例で使用されているように、偶数のnのみがAnY nの係数に使われるなら、その曲線を使った結果に生じる曲りとレンズは偶数非球面と呼ばれる。奇数と偶数の両方のnが使われるなら、その曲線を使っている曲線とレンズは、奇数非球面と呼ばれる。より一般的な奇数非球面のケースがここに表示されている。
【００８８】
当業者は、一般に市販品として高価なので、そのような複雑な曲線を避ける。しかしながら、モールドポリマーレンズの光学的特徴が可分設計に適正であることが究明された。一実施例によりモールドされたポリマーレンズは、前記システム中で他のレンズから設計で分離可能である複雑な曲面の低価格のレンズを提供する。前テレセントリック視野レンズ１１０に非球面曲線を使って可分設計を実装して、該テレセントリック視野レンズ１１０は、前記システムの残りと独立的に、十分に良好に修正することができる。
【００８９】
テレセントリック視野レンズ１１０を独立して訂正できることは、後ろレンズ群１０８が独立してよく訂正されるように、その選択を許す。一実施例では、後ろレンズ群１０８は、要求されたシステム倍率を達成するに適正な焦点距離を有し、選ばれたカメラセンサーをカバーする適正なサイズの像円を有し、後ろ群と前レンズとの間で定義されるシステム絞りを備えることと互換性の設計であるという、要求事項を満たす大量生産される対物レンズを含む。
【００９０】
後ろレンズ群１０８のためのそのようなレンズの例は、後ろでテレセントリックであり、レンズの前にそのシステム絞りを有するものである。そのようなレンズは、フロント開口が隠れ監視のためにピンホールと位置合わせできるので、しばしばピンホールレンズと呼ばれる。非球面表面を使って個々に良好に訂正されるようにテレセントリック視野レンズ１１０を設計することにより、また後ろレンズ群１０８のためのピンホール後部レンズを慎重に選択することにより、複数の倍率を有するシステムは、テレセントリック視野レンズ１１０のための非球面を有する単一の低価格プラスチック要素と、後ろレンズ群１０８のための商業用の種々のピンホールレンズとを含む光学系を提供することができる。
【００９１】
本発明の基本的な原理から離れずに上記で説明した実施例の細部にわたって多くの変更が可能であることは当業者に明らかであろう。したがって、本発明の権利範囲は添付の特許請求の範囲のみによって決められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１Ａ】平面物体を結像するための結像光学系の部分に破断して示す部分断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示された結像光学系で使用可能な従来の照明源の平面図である。
【図２】複数の照明源２１０を含む従来の環状照明アレイの概略図である。
【図３】３つの他の環状の照明アレイで同心的に配置された図２に示された従来の環状配列の概略図である。
【図４】一実施例に従って複数の同心円に配列された照明アレイの概略図である。
【図５】一実施例に従って高密度照明アレイを配置する過程を示すフローチャートである。
【図６】一実施例に従ってテレセントリック軸上の暗視野（ＴＯＡＤ）照明アレイを位置合わせする過程を示すフローチャートである。
【図７Ａ】一実施例による読み取りユニットで撮られた鏡面写真である。
【図７Ｂ】一実施例による読み取りユニットで撮られた鏡面写真である。
【符号の説明】
【００９３】
１００  結像システム
１０２  平面反射物体
１０８  レンズ群
１１０  テレセントリックレンズ
１１６  絞り
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
2009500631.tif 000011
【図４】
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【図５】
2009500631.tif 000013
【図６】
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【図７Ａ】
2009500631.tif 000015
【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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