(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像検査システムにおける製品検査用のライン照明装置であって、
基板上に光活性層および電流狭窄層を備えた狭窄型半導体発光素子を単または複数個備えてなるＬＥＤ光源と、
該ＬＥＤ光源の出射光を被検査体表面に誘導してライン状光を形成させる光学系とを備え、
前記狭窄型半導体発光素子が、スリット状の電流狭窄領域を備え且つ該電流狭窄領域に対応したスリット状の光出射窓を備えることを特徴とする製品検査用ライン照明装置。
【請求項２】
前記狭窄型半導体発光素子の複数個を線状に配列して構成されるＬＥＤ光源を用いてなる請求項１記載の製品検査用ライン照明装置。
【請求項３】
前記狭窄型半導体発光素子の複数個を直列接続して構成されるＬＥＤ光源を用いてなる請求項２記載の製品検査用ライン照明装置。
【請求項４】
前記ＬＥＤ光源に供給する電力信号をパルス幅変調させるパルス幅変調回路を備えてなる請求項１〜３の何れか１項に記載の製品検査用ライン照明装置。
【請求項５】
前記ＬＥＤ光源の出射光を集光して被検査体表面にライン状光を形成させる集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いてなる請求項１〜４の何れか１項に記載の製品検査用ライン照明装置。
【請求項６】
被検査体表面に形成したライン状光を走査させる走査光学系を備えてなる請求項１〜５の何れか１項に記載の製品検査用ライン照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査体の表面検査に用いるライン照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、被検査体表面の凹凸欠陥などの表面性状や塵などの不純物を見出すための照明用光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）が広く使用されている。従来、この種の照明用光源の中でも被検査面にライン状光を形成せしめるものには、ＬＥＤでは無くレーザーを用いることが多かった。しかしながら、レーザの安全基準はＬＥＤのそれと比較すると格段に厳しく、日本では、人体への影響に基づいてＪＩＳ  Ｃ６８０２（レーザ製品の放射安全基準）に準拠した各種安全クラス（１，２，３Ａ，３Ｂ，４）が規定されており、海外でも規制が厳しいのが現状である。また、レーザ光線はコヒーレントであるため、被検査面に干渉縞が生じ易く、これを避けるには干渉縞を消すように光学系を設計する必要が生じ、装置構成が複雑になり易い。
【０００３】
そこで、前述の安全基準や複雑な装置構成を避けるべくＬＥＤ光源の使用を望んでも、ＬＥＤではレーザと比較すると指向性が低いため、被検査体に照射するライン状光の線幅が広がり易く、検出精度が低下するという問題がある。そこで、光学系を複雑な構造のものにした例もあるが、それでは製造工程が複雑になり製造コストが増すという問題があった。
【０００４】
特に、ライン状光の線幅やライン長などの精度や照度の均一性が厳しく要求される光切断法に用いる光源には、ＬＥＤは不向きであった。光切断法は、被測定物の三次元形状検出に使われる方法であり、レーザ光線の光切断線（ライン状光）を被測定物表面に照射し、被測定表面における平面や曲面に形成される光切断線の反射像をＣＣＤカメラなどで撮像し、その画像内の結像位置から、基本的には三角測量の原理に基づき光切断線の三次元位置を演算し、前記光切断線を当該表面に走査して表面形状を得る方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上の問題に鑑み、本発明が解決しようとするところは、たとえＬＥＤ光源を採用しても、極細のライン状光を被検査体に照射し得て検出精度が低下することが無く、製造コストを低く抑えることが可能な簡易構成のライン照明装置を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決すべく、本発明は、
画像検査システムにおける製品検査用のライン照明装置であって、基板上に光活性層および電流狭窄層を備えた狭窄型半導体発光素子を単または複数個備えてなるＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源の出射光を被検査体表面に誘導してライン状光を形成させる光学系とを備え、
前記狭窄型半導体発光素子が、スリット状の電流狭窄領域を備え且つ該電流狭窄領域に対応したスリット状の光出射窓を備えることを特徴としたものである。
すなわち、電流狭窄層を備えたＬＥＤ光源を採用することで光活性層における電流密度が高くなり高輝度のＬＥＤ光を発することができ、検査用照明として十分スペクトル幅の狭い極細のライン状光を得ることができるから、被検査体表面におけるライン状光の線幅の広がりを抑えることが可能となる。
また、十分な光量を確保するとともに被検査体表面に光切断法などに適した極細のライン状光を形成し易くするには、前記狭窄型半導体素子が、スリット状の電流狭窄領域を備え且つ該電流狭窄領域に対応したスリット状の光出射窓を備えている。これにより、スリット状のＬＥＤ光を出射して、被検査体表面におけるライン状光の線幅の広がりを抑えることができると同時に、照度を均一化させることが可能となる。また、このような狭窄型半導体素子を複数個用いる場合は、前記狭窄型半導体発光素子を直列接続するのが望ましい。
【０００７】
また、十分な光量を確保するには、前記狭窄型半導体発光素子の複数個を線状に配列してＬＥＤ光源を構成するのが好ましく、更にはこれら狭窄型半導体発光素子を直列接続して駆動するのが望ましい。
【０００９】
また、ＬＥＤの消費電力を抑え且つ発光パターンを簡易に設定できるように、前記ＬＥＤ光源に供給する電力信号をパルス幅変調させるパルス幅変調回路を備えることが望ましい。
【００１０】
また、上記ＬＥＤ光源の出射光を集光して被検査体表面にライン状光を形成せしめる集光光学系として具体的には、シリンドリカルレンズを用いることができる。
【００１１】
そして、上記被検査体表面に形成したライン状光を走査させる走査光学系を備えても構わない。具体的には、ガルバノミラーやポリゴンミラーなどが挙げられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るライン照明装置の種々の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るライン照明装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。本実施形態のライン照明装置は、調光制御部５１からの電力信号により駆動されて線状光線２を出力するＬＥＤ光源１と、このＬＥＤ光源１から射出した線状光線２を集光して、矢印３の方向へ移送される被検査体４の表面４ａにおいてライン状光２ｂを形成するシリンドリカルレンズ５と、を備えて構成されている。前記ライン状光２ｂの反射像はＣＣＤカメラ６で撮像される。尚、被検査面４ａとＣＣＤカメラ６との間に、結像などのための光学系を適宜配置しても構わない。
【００１３】
図２に示すように、前記ＬＥＤ光源１は、ＬＥＤ格納ケース１０に複数のＬＥＤ１１1，１１2，１１3，…，１１nを線状に配設して格納したものであり、これらＬＥＤの各出射光が重ね合わされてなる線状光線２が、シリンドリカルレンズ５に入射して集光され、最終的に被検査面４ａにライン長２０〜２００ｍｍ、線幅５０μｍ〜５ｍｍ程度のライン状光２ｂが形成されることとなる。実際には、図３の概略断面図に示すように、このようなＬＥＤ光源１はケース１２の内部空間１２ａの後端部に配設され、その内部空間１２ａの前端部に上記シリンドリカルレンズ５が配設されている。また、前記ケース１２の内壁には、被検査面４ａに形成されるライン状光２ｂの照度を一様にすべく、光吸収層１３がコーティングされている。
【００１４】
本発明ではＬＥＤ光源１が狭窄型半導体発光素子を備えることが一つの特徴である。図４（ａ）、（ｂ）に、狭窄型半導体発光素子２０の一例を示して説明する。図４（ａ）は、当該半導体発光素子２０の正面図、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。本実施形態の半導体発光素子２０は、エピタキシャル成長などにより、ｎ−ＧａＡｓ基板２１の上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２２、ＡｌＧａＩｎＰ光活性層２３、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２４、電流狭窄層２５、コンタクト層２６およびｐ側電極２７を順次形成し、前記ｎ−ＧａＡｓ基板２１の下面全体にｎ側電極２８を被着して構成されるものである。電流狭窄層２５はその中心に円形の電流狭窄領域２９を備えており、ｐ側電極２７は前記電流狭窄領域２９の直上に光出射窓３０を備えている。尚、前記の各種層の間に発光効率を高めるべくバッファ層や電流拡散層などを適宜介在させてもよい。
【００１５】
このような狭窄型素子構造により、ｐ側電極２７からｎ側電極へ向けて流れる電流は、電流狭窄領域２９を通して電流密度を上げられて光活性層２３に流入するから、低電流で駆動しても高電流で駆動した場合と同様な電流密度を得ることができるため、発光効率が向上する。そして、光活性層２３で生成した光が光出射窓３０を通して出射することとなる。このような非常に輝度の高い出射光を利用することにより、被検査体表面において極細で照度の高いライン状光を得ることが可能となる。
【００１６】
また、更に好ましい半導体発光素子の実施形態は、図５に示すようなスリット状の電流狭窄領域４１を有する半導体発光素子４０である。図５において図４に示した符号と同一符号の層の構成は、上述の半導体発光素子２０のものと略同じであるとして詳細な説明を省略する。すなわち、本実施形態の半導体発光素子４０では、全長が１ｍｍ程度のスリット状の電流狭窄領域４１を有する電流狭窄層４２が形成されており、ｐ側電極４３は前記電流狭窄領域４１に沿ったスリット状の光出射窓４４を備えている。このような電流狭窄構造は、従来照明用の発光素子構造として採用されたことが無く、これにより光出射窓４４から高輝度の線状光線を発することができるため、被検査体表面において極細で照度が高く且つ照度均一なライン状光を容易に形成することが可能となり、上記の円形状の電流狭窄領域や光出射窓を有する半導体発光素子構造と比べても、より極細で照度均一なライン状光を形成する点で有利である。
【００１７】
また、ライン状光の照度を十分に確保するために上記の如き半導体発光素子の複数個を線状に配列するとともに、それら半導体発光素子を直列接続してＬＥＤ光源を構成するのが好ましい。具体的には、図５に示すように両面にｐ側電極Ｐ1，…，Ｐnとｎ側電極Ｎ1，…，Ｎnとを備えた半導体発光素子Ａ1，Ａ2，…，Ａn-1，Ａnを直列に結線する。ここで、図５に示した半導体発光素子を直列接続する場合は、光出射窓のスリット方向を半導体発光素子の線状配列方向に一致させつつ、当該半導体発光素子を配列する。このように発光素子を直列接続することで、一つのドライバ回路で複数の半導体発光素子を駆動でき、また後述するＰＷＭ信号によって電力信号のパルス幅を制御するための回路構成も簡単になるため、簡易構成のライン照明装置を作製することができる。
【００１８】
前記半導体発光素子を高密度実装する具体的方法としては、基板上に複数の発光素子を線状に形成し、ワイヤボンディング法により金などからなるワイヤを用いて前記素子同士を結線した後、透明樹脂で封止するものが挙げられる。
若しくは、発光素子の集積度を高めるべく既知のエピタキシャル成長法やエッチング技術などを用いて、単一基板上に複数の発光素子を直列接続させつつ形成する集積型構造を有する高密度実装のＬＥＤ光源も好ましい。
【００１９】
このような狭窄型半導体発光素子を備えたＬＥＤ光源１は、図１に示すように、主制御部５０から指令信号を受ける調光制御部５１によりライン状光の光量やパルス幅などを制御される。主制御部５０は、ＣＰＵ５２、制御プログラムが格納されたＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能なＲＯＭ５３およびＲＡＭ５４からなり、所定の調光パターンに基づき調光制御部５１を制御し、ＬＥＤ光源１の発光量や出射光のパルス幅などを指令する。
【００２０】
また、前記調光制御部５１は、パルス幅変調したＰＷＭ（Pulse Width Modulator）信号を発生するパルス幅制御回路５５と、パワートランジスタやフォトカプラ素子、フォトＭＯＳリレーなどを備えたドライバ回路５６から構成されている。パルス幅制御回路５５は、ＣＰＵ５２からの指令信号によりＰＷＭ信号を発生し、このＰＷＭ信号を受けたドライバ回路５６はパワートランジスタを駆動することにより、ＬＥＤ光源１に電力信号を供給する。製品検査用照明では、厳しい品質基準を達成するために、ライン状光の照度の均一性およびＬＥＤの耐久性が要求される。特に光切断法の場合、精度良く被検査体の表面性状を検出するにはライン状光の均一な照度が要求されるが、ＰＷＭ信号を用いることで、ＬＥＤにおける消費電力が低減して発熱量が抑えられ、ＬＥＤの不良が低減してライン状光の照度不均一が発生し難くなると同時に、ＬＥＤの寿命が延びてその耐久性を高めることが可能となる。
【００２１】
上述のようにして被検査体表面４ａに形成されたライン状光２ｂの像はＣＣＤカメラ６で撮像される。ＣＣＤの出力信号は、画像解析部５７に転送されてここでパターンマッチング処理などを施されることにより、当該被検査体表面の欠陥などの表面性状が検査され、その処理結果が表示装置５８などに出力される。
【００２２】
次に、図７は、本発明に係る光切断法によるライン照明装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。本実施形態のライン照明装置は、調光制御部７０からの電力信号により駆動されて線状光線を出力するＬＥＤ光源６０と、このＬＥＤ光源６０から出射した線状光線６１ａを集光させるシリンドリカルレンズ６２と、このシリンドリカルレンズ６２により集光された線状光線６１ｂを反射させる回転ミラー（ガルバノミラー）６３と、を備えて構成されており、前記回転ミラー６３で反射した線状光線６１ｃにより被検査面６４に形成された光切断線（ライン状光）６１ｄの像はＣＣＤカメラ６５で撮像される。
【００２３】
図８は、図７に示した装置の一部構成を示す簡略図である。ＬＥＤ光源６０から発した線状光線６１ａは、シリンドリカルレンズ６２により集光されて、ガルバノミラー６３の鏡面で反射し被検査体表面６４において光切断線６４ｄを形成し、この光切断線６４ｄはガルバノミラー６３の回転に伴い被検査体表面６４において走査される。尚、被検査面６４とＣＣＤカメラ６５との間に、光切断線６１ｄの反射光を結像させる光学系を適宜配置しても構わない。また、上記の光切断線を走査させる光学系として、ガルバノミラー６３を用いる代わりに、ポリゴンミラーを用いても良い。
【００２４】
前記光切断線６１ｄは、図７に示した被検査体表面の凸部６４ａにおいて屈曲し、この屈曲部分を含む光切断線６１ｄの像がＣＣＤカメラ６５で撮像され、そのＣＣＤの出力信号は画像解析部７８に転送されてここで処理される。
【００２５】
また、本実施形態のＬＥＤ光源６０としては、図５に示したスリット状の電流狭窄領域４１を有する半導体発光素子４０の複数個を線状に配列してなるものが好適である。図７に示すように、このようなＬＥＤ光源６０は、調光制御部７０によりライン状光の光量やパルス幅などを制御される。また、回転ミラー６３はステップモーター６６により駆動されて回転し、ステップモーター６６の回転数は、ＬＥＤ光源６０の出射光の光量やパルス幅などに対応して、主制御部７１のＣＰＵ７２によって指令信号を受けたミラー駆動回路７３により制御される。
【００２６】
また、主制御部７１と調光制御部７０の構成は、上記第１実施形態で示した構成と略同じである。主制御部７１は、ＣＰＵ７２、ＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能なＲＯＭ７４およびＲＡＭ７５からなり、ミラー駆動回路７３などの入出力信号を制御し、所定の調光パターンに基づき調光制御部７０を制御し、ＬＥＤの発光量やパルス幅などを指令する。また、調光制御部７０は、ＰＷＭ信号を発生するパルス幅制御回路７６とドライバ回路７７とから構成されており、パルス幅制御回路７６は、ＣＰＵ７２からの指令信号によりＰＷＭ信号を発生し、このＰＷＭ信号を受けたドライバ回路７７はパワートランジスタを駆動することにより、ＬＥＤ光源６０にパルス信号を供給する。
【００２７】
上記光切断線６１ｄを含む被検査面の反射像は、ＣＣＤカメラ６５で撮像される。ここで、光切断線６１ｄのＣＣＤ像面における走査速度は、１フレーム毎に水平方向に１ライン移動するように上記ステップモーター６６の回転数が制御されており、ＣＣＤカメラ６５の画像信号は、１フレーム露光後、メモリ部へ転送された信号電荷のうち光切断線の反射光の部分のみをブロック読み出して、残りの信号電荷が排出される。ブロック読み出しの開始位置は、フレーム毎に１ラインづつ順次シフトして信号電荷を取り出すようにＣＣＤが駆動され、当該走査領域を含む画像データが取り込まれる。その後、ＣＣＤの出力信号は、図７に示した画像解析部７８に出力されて、光切断法に基づいた画像処理を施される。次いで、光切断法に基づいて処理された画像データは、表示装置７９などで表示される。
【００２８】
【発明の効果】
以上の如く、請求項１に記載されるライン照明装置によれば、基板上に光活性層および電流狭窄層を備えた狭窄型半導体発光素子を単または複数個備えてなるＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源の出射光を被検査体表面に誘導してライン状光を形成させる光学系と、を備えることにより、
光活性層において電流密度が高くなり発光量が増すとともに、スリット状のＬＥＤ光が出射されるため被検査体表面におけるスリット状光の線幅の広がりが抑えられ、従来レーザ光源を用いなければ達成が困難であった、極細で明るいライン状光を得ることが可能となる。
【００２９】
請求項２に記載されるライン照明装置によれば、ＬＥＤ光源が前記狭窄型半導体発光素子の複数個を線状に配列して構成されるので、ＬＥＤ光源の出射光の光量を増すことができ、被検査面においてより明るいライン状光を形成することが可能となる。
【００３０】
請求項３に記載されるライン照明装置によれば、前記狭窄型半導体発光素子の複数個が直列接続されるので、一つのドライバ回路で複数の半導体発光素子を駆動でき、またＰＷＭ信号を出力し制御するための回路構成も簡単になるため、非常に簡易な構成のライン照明装置を作製することが可能となる。
【００３１】
請求項１に記載されるライン照明装置によれば、狭窄型半導体発光素子は、スリット状の電流狭窄領域を備え且つ該電流狭窄領域に対応したスリット状の光出射窓を備えた構造を有するので、スリット状のＬＥＤ光を出射することができ、被検査体表面におけるライン状光の線幅の広がりが抑えられるので、極細で照度均一なスリット状光を形成することが可能となる。
【００３２】
請求項５に記載されるライン照明装置によれば、前記ＬＥＤ光源に供給する電力信号をパルス幅変調させるパルス幅変調回路を備えることにより、ＰＷＭ電力信号がＬＥＤ光源に供給されるため、ＬＥＤにおける消費電力が低減して発熱量が抑えられ、ＬＥＤの不良も低減すると同時にＬＥＤの寿命を延ばして耐久性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るライン照明装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】複数のＬＥＤを線状に配設して構成されるＬＥＤ光源の例を示す斜視図である。
【図３】ケースに格納されたＬＥＤ光源とシリンドリカルレンズとを示す概略断面図である。
【図４】狭窄型半導体発光素子の一例を示す概略図であり、（ａ）は当該狭窄型半導体発光素子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明に係るスリット状の電流狭窄領域を有する半導体発光素子を示す概略斜視図である。
【図６】直列接続された半導体発光素子を示す概略図である。
【図７】本発明に係るライン照明装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図８】図８は、図７に示した装置の一部構成を示す簡略図である。
【符号の説明】
１  ＬＥＤ光源
２  線状光線
２ｂ  ライン状光
３  矢印
４  被検査体
５  シリンドリカルレンズ
６  ＣＣＤカメラ
１０  ＬＥＤ格納ケース
１１1〜１１n  ＬＥＤ
１２  ケース
１２ａ  ケースの内部空間
１３  光吸収層
２０  狭窄型半導体発光素子
２１  ｎ−ＧａＡｓ基板
２２  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２３  ＡｌＧａＩｎＰ光活性層
２４  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２５  電流狭窄層
２６  コンタクト層
２７  ｐ側電極
２８  ｎ側電極
２９  電流狭窄領域
３０  光出射窓
４０  狭窄型半導体発光素子
４１  電流狭窄領域
４２  電流狭窄層
４３  ｐ側電極
４４  光出射窓
５０  主制御部
５１  調光制御部
５２  ＣＰＵ
５３  書き換え可能なＲＯＭ
５４  ＲＡＭ
５５  パルス幅制御回路
５６  ドライバ回路
５７  画像解析部
５８  表示装置
６０  ＬＥＤ光源
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ  線状光線
６１ｄ  光切断線（ライン状光）
６２  シリンドリカルレンズ
６３  回転ミラー（ガルバノミラー）
６４  被検査面
６５  ＣＣＤカメラ
６６  ステップモーター
７０  調光制御部
７１  主制御部
７２  ＣＰＵ
７３  ミラー駆動回路
７４  書き換え可能なＲＯＭ
７５  ＲＡＭ
７６  パルス幅制御回路
７７  ドライバ回路
７８  画像解析部
７９  表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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