(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系を介して撮像装置により撮像した被検査物の画像信号を利用して前記被検査物の検査あるいは測定を行う画像検査・測定装置において、
前記光学系は、対物レンズと、
前記対物レンズからの光束を分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐した一方の光束を高倍率側で変倍する第１のズーム光学系を含む第１の光学系と、
前記光分岐手段で分岐した他方の光束を低倍率側で変倍する第２のズーム光学系を含む第２の光学系とを有し、
前記第１のズーム光学系と第２のズーム光学系とは、共通の駆動機構で駆動されることを特徴とする画像検査・測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の光学系は、前記光分岐手段からの光束に所定の倍率を加え、該光束を前記第１のズーム光学系へ導く中間倍率光学系を有することを特徴とする画像検査・測定装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第２の光学系は、前記光分岐手段からの光束の画角を調整し、該光束を前記第２のズーム光学系へ導くリレーレンズを有することを特徴とする画像検査・測定装置。
【請求項４】
光学系を介して撮像装置により撮像した被検査物の画像信号を利用して前記被検査物の検査あるいは測定を行う画像検査・測定装置において、
前記光学系は、対物レンズと、
前記対物レンズからの光束に所定の倍率を加える中間倍率光学系と、
前記対物レンズからの光束の画角を調整するリレーレンズと、
前記中間倍率光学系とリレーレンズとを選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された中間倍率光学系又はリレーレンズからの光束を変倍するズーム光学系とを有することを特徴とする画像検査・測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査物を光学系を介して撮像装置に投影し、光電変換した画像信号を利用して被検査物の検査や測定などを行う画像検査・測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水平方向に移動可能なステージ上に載せた被検査物を、光学系を介して撮像装置に拡大投影し、その投影像を光電変換した画像信号を利用して被検査物の表面の形状、欠陥等の検査や座標、寸法等の測定する画像検査・測定装置が広く普及している。かかる画像検査・測定装置では、様々な大きさの被検査物を必要な分解能で検査・測定できる様に、光学系の倍率をできるだけ広い範囲で変更可能とすることが望まれる。
【０００３】
特に、被検査物全体の中から検査箇所を探し、次にその一部分を拡大して高い分解能で検査・測定する為には、広い視野、即ち低い倍率で被検査物を投影し、かつ高い分解能、即ち高い倍率で被検査物を投影できる光学系が必要である。その為、いわゆるレボルバやターレットによる対物レンズ切替え方式、又はズーム光学系による倍率可変の光学系が用いられる。
【０００４】
しかし、対物レンズ切替え方式で得られる倍率は、装着された対物レンズの種類によって決まり、被検査物に適した倍率が得られない場合がある。これに対して、ズーム光学系では連続的に倍率を変化させることができるので、被検査物に最適な倍率を得ることができ、更に、変倍動作が直観的で操作性が良いという特徴がある。
【０００５】
図５は、かかるズーム光学系を用いた鏡筒５２の一般的な構成図である。このズーム光学系３３は、アフォーカルズーム光学系を利用した例である。ズーム光学系３３の下方に、対物レンズ３１が設けられる。被検査物３２からの光束は、対物レンズ３１により平行光にされズーム光学系３３に入射する。ズーム光学系３３に入射した光束は、レンズ４３を通り変倍レンズ４２、４１で変倍され、レンズ４０で再度平行光になる。この平行光を結像レンズ３４により撮像面３５上に投影し、被検査物の表面像を結像する。
【０００６】
ズーム光学系３３は、変倍レンズ４１、４２を納めたレンズ室３６、３７を有する。レンズ室３６、３７は、位置決め駆動機構３９により所定の関係をもって駆動され、移動案内機構３８に沿って光軸方向に移動する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ズーム光学系の変倍比は、実用的には１０程度が限界である。ズーム光学系は、低い倍率から高い倍率までを単一の対物レンズで実現しなければならず、ズームを構成するレンズ及び機構の設計・製作が、変倍比が大きくなることに比例して困難になるからである。
【０００８】
ところが、実際の検査・測定装置の操作、特に自動運転のための教示作業にあっては、初期位置決めや検査箇所を探す時は、より広い視野、即ち低い倍率であることが望ましい。一方、検査・測定の対象が非常に微細である場合や、端面位置を高い分解能で検出するためには、より高い倍率が望まれる。そして、実際的な面からこのズーム変倍比は１００程度が望まれている。
【０００９】
対物レンズ切替え方式であれば、構成によってはより大きな変倍が可能であるが、被検査物に応じた最適な倍率に設定する柔軟性に乏しく、連続的な変倍ができず操作性に劣るという欠点がある。
【００１０】
そこで本発明は、ズーム光学系の柔軟性を生かしたまま、かつ大きな変倍比を得ることができる画像検査・測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、光学系を介して撮像装置により撮像した被検査物の画像信号を利用して前記被検査物の検査あるいは測定を行う画像検査・測定装置において、前記光学系は、対物レンズと、前記対物レンズからの光束を分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段で分岐した一方の光束を高倍率側で変倍する第１の光学系と、前記光分岐手段で分岐した他方の光束を低倍率側で変倍する第２の光学系とを有することを特徴とする画像検査・測定装置を提供することにより達成される。
【００１２】
本発明によれば、高倍率側の第１の光学系と低倍率側の第２の光学系とにより、実質的に１００程度の変倍比が得られる。また、対物レンズは単一であり、照明系や駆動機構等を共通に使用できる。更に、単一ズーム光学系と同様に操作でき操作性が良好である。
【００１３】
また、本発明の画像検査・測定装置の前記第１の光学系は、前記光分岐手段からの光束に所定の倍率を加える中間倍率光学系と、前記中間倍率光学系からの光束を変倍する第１のズーム光学系とをを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、高倍率側の第１の光学系は、ズーム光学系だけで大きな変倍比を得るのではなく、所定の倍率を有する中間倍率光学系と１０程度の変倍比を有する第１のズーム光学系とで構成できるので設計・製作が容易である。
【００１５】
また、本発明の画像検査・測定装置の前記第２の光学系は、前記光分岐手段からの光束の画角を調整するリレーレンズと、前記リレーレンズからの光束を変倍する第２のズーム光学系とを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、低倍率の時に大きな画角を有する光束を、リレーレンズにより漏れなく第２のズーム光学系に導くことができる。また、第２のズーム光学系は、１０程度の変倍比でよいため設計・製作が容易である。
【００１７】
また、本発明の画像検査・測定装置の前記第１と第２のズーム光学系は、共通の駆動機構で駆動されることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、第１と第２のズーム光学系は、共通の駆動機構で駆動できるので駆動機構が簡素化され、更に単一ズーム光学系と同様に操作できるので操作性が良好である。
【００１９】
更に上記の目的は、光学系を介して撮像装置により撮像した被検査物の画像信号を利用して前記被検査物の検査あるいは測定を行う画像検査・測定装置において、
前記光学系は、対物レンズと、前記対物レンズからの光束に所定の倍率を加える中間倍率光学系と、前記対物レンズからの光束の画角を調整するリレーレンズと、前記中間倍率光学系とリレーレンズとを選択する選択手段と、前記選択手段により選択された中間倍率光学系又はリレーレンズからの光束を変倍するズーム光学系とを有することを特徴とする画像検査・測定装置を提供することにより達成される。
【００２０】
本発明によれば、選択手段により中間倍率光学系とリレーレンズとを選択できるので、単一のズーム光学系で大きな変倍比を実現できる。このため構成が簡素化され、小型化及びコストダウンが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について図面に従って説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態の画像検査・測定装置の全体構成図である。低倍率側のズーム光学系と高倍率側のズーム光学系とを有する鏡筒５２が、本体支持部６３に取り付けられる。鏡筒５２は、図示しない上下駆動機構により上下方向（Ｚ方向）に駆動され、主に焦点合わせが行われる。
【００２３】
被検査物２は、水平方向（ＸＹ方向）に移動可能なステージ５１のテーブル５０上に置かれる。ステージ５１は、被検査物２の検査又は測定すべき位置を、鏡筒５２内の光学系の視野内へ入れるために、図示しない水平駆動機構により水平方向に駆動される。上下駆動機構および水平駆動機構は、図示しない駆動機構、案内機構および位置読み取り機構をそれぞれ有する。それらの駆動機構は、ＣＮＣ駆動部・位置座標読取部６２から出力されるＺ方向駆動信号およびＸＹ方向駆動信号により制御される。
【００２４】
本実施の形態は、２つのズーム光学系に対して単一の対物レンズを使用しており、鏡筒５２は、単一の対物レンズ収納部５４を有する。対物レンズを通った光束は、内部の光分岐手段で低倍率側のズーム光学系と高倍率側のズーム光学系に分岐される。
【００２５】
鏡筒５２内の低倍率側及び高倍率側のズーム光学系の上端には、撮像装置５６、５７が設けられる。低倍率側及び高倍率側のズーム光学系で投影された像が、それぞれの撮像装置５６、５７を介して光電変換され、その画像信号がケーブル５８、５９を介して制御部側の画像処理部６０に供給される。画像処理部６０は、それぞれの画像信号を補正演算・操作部６１からの指示により切替え、いずれか一方の画像信号による画像をモニタ６４に表示する。
【００２６】
補正演算・操作部６１は、オペレータからの倍率指定を含む操作命令から、その操作命令に従う制御信号を画像処理部６０及びＣＮＣ駆動部・位置座標読取部６２に出力する。また、補正演算・操作部６１は、ズーム光学系内での倍率変更に伴う補正演算を行う。
【００２７】
補正演算には、例えば、あらかじめ被検査物２に応じた任意の数の使用倍率を設定し、各使用倍率毎に基準の大きさを有する基準テンプレートの大きさを測定する。そして、基準テンプレートの基準値と測定値を一致させるように、ズーム光学系の倍率を校正する。
【００２８】
図２は、本発明の第１の実施の形態の鏡筒５２の詳細構成図である。本実施の形態のズーム光学系１３、２３は、アフォーカルズーム光学系をベースとする構成である。
【００２９】
対物レンズ１は、適度な焦点距離で、比較的大きな開口数（ＮＡ）と大きな画角を兼ね備えたものである。被検査物２の表面又は端面からの光束は、対物レンズ１で平行光にされる。対物レンズ１の後方にはハーフミラー１０が設けられ、対物レンズ１からの光束を高倍率側の光学系と低倍率側の光学系に分岐する。
【００３０】
高倍率側の光学系に行く光束は、ハーフミラー１０で反射され、ミラー１１で更に反射されて中間倍率光学系１６に入射する。一方、低倍率側の光学系に行く光束は、ハーフミラー１０を透過してリレーレンズ２６に入射する。
【００３１】
本実施の形態は、高倍率側と低倍率側の光学系に共通の対物レンズ１を使用しているので、高倍率側の光学系にとっては、対物レンズ１の焦点距離が比較的長くなり、また平行部分の光束径が太くなる。このため、高倍率側の光学系には、例えば、凸レンズ１６ａと凹レンズ１６ｂで構成されるガリレオ系の中間倍率光学系１６を設ける。そして、中間倍率光学系１６と対物レンズ１との合成系で対物光学系を構成して、ズーム光学系１３に行く光束径、光路長等を適切に設定する。
【００３２】
中間倍率光学系１６の後方には、高倍率側のズーム光学系１３及び焦点距離を適切に設定した結像レンズ１４を設ける。高倍率側の全体の倍率は、主に、中間倍率光学系１６とズーム光学系１３と結像レンズ１４の倍率の積により設定される。
【００３３】
一方、低倍率側の光学系にとっては、共通の対物レンズ１の焦点距離は比較的短くなり、低い倍率、即ち広い視野の時の画角が大きくなる。このため、凸レンズ２６ａと凸レンズ２６ｂで構成されるリレーレンズ２６を設け、瞳位置と光路長を適切に設定する。これにより、画角の大きな光束をズーム光学系２３に漏れなく導くことができる。
【００３４】
リレーレンズ２６の後方には、低倍率側のズーム光学系２３及び焦点距離を適切に設定した結像レンズ２４を設ける。低倍率側の全体の倍率は、主に、リレーレンズ２６とズーム光学系２３と結像レンズ２４の倍率の積により設定される。
【００３５】
高倍率側の光学系と低倍率側の光学系は、同一構成のズーム光学系１３、２３を有する。本実施の形態では、例えば、高倍率側のズーム光学系１３は、レンズ１３ａ、１３ｄの間に垂直方向に移動可能な変倍レンズ１３ｂ、１３ｃを有する。また、低倍率側のズーム光学系２３は、レンズ２３ａ、２３ｄの間に垂直方向に移動可能な変倍レンズ２３ｂ、２３ｃを有する。そして、変倍レンズ１３ｂ、２３ｂは同じレンズ室６に収納され、変倍レンズ１３ｃ、２３ｃは同じレンズ室７に収納される。
【００３６】
レンズ室６、７は、図１に示したＣＮＣ駆動部６２からの駆動信号に従い、共通の位置決め駆動機構９と共通の移動案内機構８により所定の位置関係になるように駆動される。このため、高倍率側と低倍率側とのズーム光学系１３、２３は、ＣＮＣ駆動部６２からの駆動信号により同時に駆動され、同一の倍率に制御される。
【００３７】
移動案内機構８には、ズーミングによる光軸ずれを十分に抑えるため、機械的なガタやヒステリシスが極めて少ない機構、例えば予圧型の有限軌道ボールレース又はコロレース等を用いる。レンズ室６、７の位置決め駆動機構９に関しても、ズーミングによる光学像倍率の再現性を確保するため、同様にガタやヒステリシスが極めて少ない予圧型の駆動機構、位置決め機構を用いる。
【００３８】
高倍率側と低倍率側のズーム光学系１３、２３を通った光束は、結像レンズ１４、２４を介して、それぞれの撮像装置５７、５６のＣＣＤ撮像素子等の撮像面１５、２５に投影される。ＣＣＤ撮像素子で光電変換された画像信号は、前述のように、モニタ６４に画像表示され、被検査物２の形状等が検査・測定される。
【００３９】
本実施の形態では、低倍率側の光学系の変倍範囲を０．５〜５倍程度とし、高倍率側の光学系の変倍範囲を５〜５０倍程度とする。この変倍範囲は、中間倍率光学系１６、リレーレンズ２６、結像レンズ１４、２４の倍率を適切に設定し、変倍比１０程度のズーム光学系１３、２３で構成する。従って、低倍率側と高倍率側の２つの光学系を適宜選択することにより、全体で０．５〜５０倍の変倍範囲となり、１００程度の変倍比が得られる。
【００４０】
更に別の例として、低倍率側の光学系と高倍率側の光学系とで変倍範囲を一部重複するように設定することで、変倍範囲の境界部分における両光学系間の切替え操作を減少させ、操作性を高めることができる。例えば、５倍前後の倍率の使用頻度が高い場合に、低倍率側の光学系を０．５〜５倍とし、高倍率側の光学系を４〜４０倍とすれば、使用頻度の高い５倍前後の倍率は、高倍率側の光学系だけで切替えなしに設定することができる。
【００４１】
また、別の例では、低倍率側の変倍範囲と高倍率側の変倍範囲との間を省く様にすることで、より特殊な使用が可能になる。例えば、低倍率側が０．５〜５倍で、高倍率側が５０〜５００倍等である。それぞれの用途、被検査物の種類に応じて設定される。かかる設定は、主に中間倍率光学系１６とリレーレンズ２６及び結像レンズ１４、２４の倍率を適宜選択することで行われる。
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施の形態の鏡筒５２の詳細構成図である。本実施の形態は、中間倍率光学系１６又はリレーレンズ２６を通った光束を、共通のズーム光学系１３及び結像レンズ１４で結像させるものである。第１の実施の形態と共通する部分の説明は省略し、異なる部分を説明する。
【００４３】
対物レンズ１を通った光束は、ハーフミラー１０で高倍率側の中間倍率光学系１６と低倍率側のリレーレンズ２６に分岐される。但し、本実施の形態では、中間倍率光学系１６中にミラー１６ｃを置き、光束を垂直方向に反射させる。また、リレーレンズ２６中にミラー２６ｃを置き、光束を水平方向に反射させる。
【００４４】
中間倍率光学系１６又はリレーレンズ２６を通った光束は、ハーフミラー７０で透過又は反射されズーム光学系１３に入射する。ただし、高倍率側と低倍率側の切替えは、例えば、シャッタ機構を中間倍率光学系１６及びリレーレンズ２６の光路上に設ける。そして、図示しない選択手段によりシャッタ機構を開閉し、ハーフミラー１０で分岐した光束の一方を、二者択一的にハーフミラー７０を介してズーム光学系１３に導く。
【００４５】
本実施の形態では、光束を分岐、合成するのにハーフミラー１０、７０を使用するが、光量の損失を抑えるために、ハーフミラー１０、７０の位置に水平方向に移動可能な全反射ミラーを使用することもできる。この場合は、全反射ミラーが対物レンズ１からの光束の中に挿入された場合は、光束は中間倍率光学系１６に入射し高倍率側が選択される。一方、全反射ミラーが光束外に移動した場合は、光束はリレーレンズ２６に入射し低倍率側が選択される。
【００４６】
図４は、本発明の第３の実施の形態の鏡筒５２の詳細構成図である。本実施の形態は、光量損失を最小とするため、中間倍率光学系１６、リレーレンズ２６の両者を排他的に挿脱する機構としたものである。
【００４７】
鏡筒５２内には、中間倍率光学系１６又はリレーレンズ２６の一方が、矢印７１の方向に挿脱できるように構成される。そして、図示しない選択手段により一方が光束中に挿入され、高倍率側又は低倍率側が選択される。ただし、機械的な挿脱機構では、その位置決め性能に応じた光軸ずれ等の誤差を生じるため、画像処理において高精度の位置決めを必要としない用途に適している。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、単一の対物レンズで実質的に１００程度のズーム変倍比が得られる。また、検査あるいは測定の初期位置決めには低倍率が得られ、高分解能の検出には高倍率が得られるので、高精度で且つ検査・測定の作業性が向上する。
【００４９】
また、対物レンズ、照明系あるいは駆動機構等は共通のため構成を簡素化できる。更に、単一ズーム光学系と差異なく操作できるので操作性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である画像検査・測定装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の鏡筒の詳細構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の鏡筒の詳細構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の鏡筒の詳細構成図である。
【図５】ズーム光学系を用いた鏡筒の一般的な構成図である。
【符号の説明】
１    対物レンズ
２    被検査物
１０  ハーフミラー
１３  高倍率側のズーム光学系
１４、２４  結像レンズ
１５、２５  撮像面
１６  中間倍率光学系
２３  低倍率側のズーム光学系
２６  リレーレンズ
【図１】
0003899623.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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