(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置であって、
入射光線を与えて前記ミラー状基板を照明することにより反射光線を生じさせる複数の照明要素と、
イメージセンサと、
前記反射光線の少なくとも一部を選択して細長い断面を有する反射光束を与え、この反射光束を前記イメージセンサに収斂させて少なくとも前記指標の部分の画像を前記イメージセンサに形成する光学系と
を具えたことを特徴とするミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項２】
前記光学系は、
長手方向軸線を有し、かつ前記ミラー状基板で反射した反射光線の一部を選択して細長い断面を有する反射光束を与える細長いスロット開口絞りと、
この細長いスロット開口絞りと共働し、前記反射光束を収斂させて前記指標の実質的に焦点が合った画像を前記イメージセンサに与え、前記長手方向軸線に沿って実質的に焦点がぼけると同時に前記長手方向軸線と直交する方向に実質的に焦点が合う前記照明要素の画像を前記イメージセンサに与えるレンズと
を具えたことを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項３】
前記光学系は、
長手方向軸線を有し、かつ前記ミラー状基板で反射した反射光線の一部を選択して細長い断面を有する反射光束を与える細長いミラーと、
この細長いミラーと共働し、前記反射光束を収斂させて前記指標の実質的に焦点が合った画像を前記イメージセンサに与え、前記長手方向軸線の方向に沿って実質的に焦点がぼけると同時に長手方向軸線と直交する方向に実質的に焦点が合う前記照明要素の画像を前記イメージセンサに与えるレンズと
を具えたことを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項４】
前記光学系は、
長手方向軸線を有し、かつ前記ミラー状基板で反射した反射光線の一部を選択して収斂させる細長い湾曲したミラーを具え、このミラーは、前記指標の実質的に焦点が合った画像を前記イメージセンサに与えると共に、前記長手方向軸線に沿って実質的に焦点がぼけると同時に前記長手方向軸線と直交する方向に実質的に焦点が合う前記照明要素の画像を前記イメージセンサに与えることを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項５】
前記複数の照明要素は、前記指標の暗視野照明を与えるように前記光学系に対して配置した照明要素のサブセットを有することを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項６】
前記複数の照明要素は、前記指標のハイアングル暗視野照明を与えるように前記光学系に対して配置した照明要素のサブセットを有することを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項７】
前記複数の照明要素は、前記指標の明視野照明を与えるように前記光学系に対して配置した照明要素のサブセットを有することを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項８】
前記複数の照明要素がプリント回路板に装着され、前記光学系はこのプリント回路板の細長いスロットとレンズ系とを有し、前記細長いスロットは前記レンズ系の前方に配置されて開口絞りとして機能することを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項９】
前記複数の照明要素は、照明要素のサブセットと前記ミラー状基板との間に配置され、前記指標の明視野照明に対して適当に拡散して分散した光を与える拡散器を有することを特徴とする請求項１に記載のミラー状基板に配列する指標の画像を形成する装置。
【請求項１０】
ミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置であって、
入射光線を与えて前記ミラー状基板を照明することにより、反射光線を生じさせる複数の照明要素と、
イメージセンサと、
長手方向軸線を有する細長い開口絞りを含むレンズ／開口絞りシステムと
を具え、このレンズ／開口絞りシステムは、長手方向に沿って前記イメージセンサに焦点を合わせる第１の被写界深度により特徴付けられ、この第１の被写界深度は、直交する方向に沿った前記イメージセンサに焦点を合わせる第２の被写界深度よりも実質的に小さいことを特徴とするミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１１】
前記複数の照明要素の虚像は、前記第１の被写界深度内に配置されず、前記第２の被写界深度内に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１２】
前記ミラー状基板の前記指標は、前記第１の被写界深度内および前記第２の被写界深度内に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１３】
前記複数の照明要素の虚像は、前記第１の被写界深度内に配置されず、前記第２の被写界深度内に配置され、前記ミラー状基板の前記指標が前記第１の被写界深度内および前記第２の被写界深度内に形成されることを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１４】
前記複数の照明要素がプリント回路板に配置され、このプリント回路板は前記レンズ／開口絞りシステムのレンズ系と共働する細長い開口絞りを有することを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１５】
前記複数の照明要素がプリント回路板に配置され、このプリント回路板は前記レンズ／開口絞りシステムのレンズ系と共働する細長い開口絞りを有し、この細長い開口絞りは前記レンズ系のみの通過を与えることを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１６】
前記プリント回路板が不透明であることを特徴とする請求項１４に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１７】
前記レンズ／開口絞りシステムが、このレンズ／開口絞りシステムのレンズ系と共働する細長い開口絞りを規定する一対のバッフルを有することを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１８】
前記複数の照明要素は、ハーフミラーを介して前記ミラー状基板を照明する入射光線を与えることを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項１９】
前記複数の照明要素は、第１の複数の暗視野照明要素と第２の複数の暗視野照明要素とを有し、
前記第１の複数の暗視野照明要素と第２の複数の暗視野照明要素とに交互に電圧を印加する手段と、
前記イメージセンサと共働し、前記第１の複数の照明要素に電圧を印加することにより生ずる第１の暗視野画像を記憶する第１のメモリ手段と、
前記イメージセンサと共働し、前記第２の複数の照明要素に電圧を印加することにより生ずる第２の暗視野画像を記憶する第２のメモリ手段と、
前記第１および第２のメモリ手段と共働し、前記第１の暗視野画像と前記第２の暗視野画像とを合成して拡大された暗視野画像を与える画像合成手段と
をさらに具えたことを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項２０】
前記細長い開口絞りが回転可能であることを特徴とする請求項１９に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項２１】
前記細長いスロット開口絞りは、複数の量子化された角度方位を占めることが可能であることを特徴とする請求項１９に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項２２】
前記細長いスロット開口絞りが液晶シャッタにより形成されていることを特徴とする請求項１９に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項２３】
前記画像合成手段が、前記第１の暗視野画像と前記第２の暗視野画像とを画素毎に比較して拡大された暗視野画像を与える手段を有し、この拡大された暗視野画像の各画素が、前記第１の暗視野画像の画素および対応する前記第２の暗視野画像の対応する画素よりも暗いことを特徴とする請求項１９に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項２４】
前記レンズ／開口絞りシステムと共働し、前記入射光線および反射光線の両方が通過する光路を折り曲げるミラーをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載のミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【請求項２５】
ミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置であって、
入射光線を与えてミラー状基板を照明することにより、反射光線を生じさせる複数の照明要素と、
これら複数の照明要素を支持してこれらに電圧を印加し、かつ前記ミラー状基板で反射した反射光線の一部を選択して細長い断面を有する反射光束を与えるように長手方向軸線を持った細長いスロット開口絞りを有するプリント回路板と、
イメージセンサと、
前記細長いスロット開口絞りと共働し、前記反射光束を収斂させて実質的に焦点が合った前記指標の画像をイメージセンサに与え、前記長手方向軸線に沿って実質的に焦点がぼけると同時に前記長手方向軸線と直交する方向に実質的に焦点が合う前記照明要素の画像をイメージセンサに与えるレンズと
を具えたことを特徴とするミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項２６】
前記複数の照明要素は、前記指標の暗視野照明を与えるように、前記細長いスロット開口絞りに対して前記プリント回路板に配置した照明要素のサブセットを有することを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項２７】
前記複数の照明要素は、前記指標のハイアングル暗視野照明を与えるように、前記細長いスロット開口絞りに対して前記プリント回路板に配置した照明要素のサブセットを有することを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項２８】
前記複数の照明要素は、前記指標の明視野照明を与えるように、前記細長いスロットに対して前記プリント回路板に配置した照明要素のサブセットを有することを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項２９】
前記複数の照明要素は、前記指標の明視野照明を与えるように、前記照明要素のサブセットにより与えられる光を拡散させる拡散器を有することを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３０】
前記レンズが細長い透明な開口により特徴付けられることを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３１】
前記レンズが細長い透明な開口により特徴付けられ、このレンズが前記プリント回路板に取り付けられて前記細長いスロット開口絞りと共働することを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３２】
前記細長いスロット開口絞りが回転可能であることを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３３】
前記細長いスロット開口絞りが複数の量子化された角度方位を占めることが可能であることを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３４】
前記細長いスロット開口絞りが液晶シャッタにより形成されていることを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３５】
少なくとも１つの付加的な細長いスロット開口絞りと、
これら細長いスロット開口絞り毎に当該細長いスロット開口絞りと共働し、光が該細長いスロット開口絞りを通過するのを阻止する遮光体と
をさらに有することを特徴とする請求項２５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３６】
各遮光体と共働して光が１回に１つの細長いスロット開口絞りのみ通過することを確実にするオールバットワン（all-but-one）遮断器をさらに有することを特徴とする請求項３５に記載のミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３７】
ミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置であって、
長手方向に延在してこの長手方向に沿って入射光線を与え、前記ミラー状基板の長手方向に延在する部分を照明することにより反射光線を生じさせる光源と、
イメージセンサと、
前記反射光線の少なくとも一部を選択して細長い断面を有する反射光束を与え、この反射光束を前記イメージセンサに収斂させて少なくとも前記指標の部分の画像を前記イメージセンサに形成する光学系と
を具えたことを特徴とするミラー状基板の指標の画像を得る画像形成装置。
【請求項３８】
ミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置であって、
第１の複数の暗視野照明要素と第２の複数の暗視野照明要素とを有し、入射光線を与えて前記ミラー状基板を照明することにより反射光線を生じさせる複数の照明要素と、
イメージセンサと、
前記反射光線の少なくとも一部を選択して細長い断面を有する反射光束を与え、この反射光束を前記イメージセンサに収斂させて少なくとも前記指標の部分の画像をイメージセンサに形成する光学系と、
前記第１の複数の暗視野照明要素と前記第２の複数の暗視野照明要素とに交互に電圧を印加する手段と、
前記イメージセンサと共働し、前記第１の複数の暗視野照明要素に電圧を印加して得られた第１の暗視野照明画像を記憶する第１のメモリ手段と、
前記イメージセンサと共働し、前記第２の複数の暗視野照明要素に電圧を印加して得られた第２の暗視野照明画像を記憶する第２のメモリ手段と、
前記第１および第２のメモリ手段と共働し、前記第１の暗視野照明画像と前記第２の暗視野照明画像とを合成して拡大された暗視野照明画像を与える画像合成手段と
を具えたことを特徴とするミラー状基板に配置した指標の画像を形成する装置。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、一般的にマシンビジョン（machine vision）、特に半導体ウェーハのようなミラー状基板表面の文字数字式の記号および基準マークのような指標の光学的自動検出に関する。
発明の背景
シリコンウェーハは、通常、半導体デバイスの製造工程中にウェーハを識別して追跡するため、通し番号、バーコード、または他の指標が表示されている。典型的な場合、この指標は、ウェーハの表面に小さな表面破壊を形成することにより作り出され、このウェーハの表面のそれ以外の部分は、一様に平坦な反射性（ミラー状または鏡面状）である。これらの表面破壊は、例えば高強度レーザ光またはダイヤモンドスクライバ（scribe）を用いて形成することができ、ウェーハの反射性表面を形成する材料を選択的に除去あるいは再分布させ、これによって、例えばカップ状断面を有する小さなピットを表面に生じさせる。
指標により表示された情報の識別および追跡を行うため、マシンビジョンシステムを用いて指標の画像を検出し、解析することができる。画像の取得は、画像情報、すなわちＣＣＤカメラのＣＣＤアレイの如きイメージセンサに指標の画像を形成する工程を含む。さらに、ＣＣＤアレイは指標を表す信号を発生し、この信号をデジタル的に処理して指標により表示された情報を決定する。
実際には、指標の画像を形成する工程は、ウェーハ表面の不規則性によって、あるいは半導体製造プロセスに含まれる種々の堆積工程による表面特性の変化によって複雑になる可能性がある。実際に、既知の画像形成機構は、ある重要な状況下で充分な性能を発揮せず、処理工程により指標が劣化して指標の読み取りエラーを生じてしまう。さらに、既存の画像形成装置は、新しい「ソフトマーク」を検出する際にさらなる困難性が生じてしまう。一連の半導体処理工程中に半導体ウェーハ表面の指標を読み取り可能な画像を形成するため、画像形成システムで作り出される出力画像の読み取り可能性が、指標の状態の変化に影響を受けない必要がある。
半導体ウェーハの表面に検出された指標を検出する既知のシステムは、ウェーハの表面を照明する光源と、ＣＣＤアレイの如き撮像装置に画像を形成する調整可能な円形の開口絞りを持ったレンズ系を有するカメラとを有している。このシステムにおいて、指標を持ったウェーハ表面の部分に向けて伝搬する光線の一部は、ウェーハ表面で反射し、カメラに入射して指標の画像を形成する。
一連の処理工程に起因する指標の状態の変化に適合するように、伝搬する光、すなわち指標を持ったウェーハ表面の部分に向けて伝搬する光線を条件付けたり、変調したり、形成したり、あるいは制御することが知られている。
例えば、伝搬光がウェーハ表面に入射する前に、伝播光、すなわち光源から放射される全ての光線の向きの一部を選択的に遮光することが知られている。特に、Wiltらによる米国特許第５２３１５３６号および５４６９２９４号は、複数の光源と、複数の不透明マスクおよび／またはバッフルとを有し、反射性基板の指標を認識する照明システムを教示しており、バッフルは光源から放射された光線が反射性基板に入射するのを選択的に阻止する。
伝播光がミラー状基板の表面に入射する前にこれを制御する他の方法は、光を平行化することを含んでおり、これはほぼ同様な入射角により特徴付けられる光線だけを基板表面に入射させるようなものである。光源を基板表面から大きな距離を隔てて配置するか、あるいは光コリメータ光学系を使用することにより、光を実質的に平行光にすることができる。また、他の方法で伝播光の入射角を制御することを用いることも可能である。
しかしながら、これらおよび他の既知のミラー状基板の指標を撮像するシステムは、大きく、製造コストが高価であり、しかもウェーハプローバ（wafer prober）や他の半導体デバイス製造装置の如き既存の設備に組み込むことが困難となる傾向にある。また、これらは既存のロボットアームアセンブリィに取り付けるには重過ぎる傾向となる。
発明の概要
本発明の画像形成装置は、半導体ウェーハの如き平坦なミラー状（鏡面状）基板の指標を観察する小型の装置を提供する。本発明は、明視野照明またはハイアングル暗視野照明の何れかを必要とする指標を観察する場合に特に有効である。
本発明のこれらおよび他の利点の一部は、指標を照明する照明要素の反射画像に対する選択的な方向の焦点合わせ（フォーカシング）および焦点ぼかし（デフォーカシング）と同時に、指標の画像を高コントラストで実質的に焦点を合わせることにより与えられる。照明要素の反射画像は選択した方向に焦点がぼかされると同時に、この選択した方向と直交する方向には焦点が合ったままとなっている。ハイアングル暗視野照明の場合、この方向選択性の焦点合わせは、照明光源の反射画像と指標の画像との間の干渉を最小にすることにより、有効暗視野領域を最大にすると同時に、指標の画像のコントラストも最大にし、これによって有効暗視野領域と指標画像コントラストとの間の従来技術の非両立性を回避している。
方向選択性焦点合わせは、基板表面からの複数の光束を選択することにより達成され、これら光束のそれぞれは、例えば細長いスロット開口絞りまたは細長いミラーを用いて各々が細長い断面を有する。光学系において、各光束は同一の断面を有し、この断面は光学系の断面となる。細長い開口絞りの場合、その断面は細長い開口絞りの大きさおよび形状となる。
本発明の画像形成装置は、ミラー状の平坦な基板表面の指標に対して良好に焦点が合った画像を形成すると同時に、指標を照明する１つあるいはそれ以上の照明要素の方向性合焦画像をも形成する。複数の発光ダイオードの如き照明要素は、局在させることが可能であり、あるいは長手方向に延在する蛍光管の如き照明要素を長手方向に延在させることができる。方向性合焦画像は、長手方向に沿って焦点がぼかされ、直交する方向に沿って良好に焦点が合わされる。この長手方向は、例えば反射光線の細長い断面を持った部分を選択すると共に反射光線の選択された部分をイメージセンサ上に収斂してイメージセンサに指標の画像を形成する光学系、例えば細長い開口絞り／レンズの長手方向軸線により規定される。このイメージセンサは、ＣＣＤアレイの如き電子的なものとすることができ、写真フィルムの如き化学的なものとすることができ、または人間の眼の如き生物学的なものとすることができる。
本発明の好ましい実施例において、光学系は、調整可能な一般的な円形絞りを持ったレンズ系と共働する細長いスロット開口絞りを有している。
好ましい実施例において、細長いスロット開口絞りは、複数の照明要素も支持するプリント回路板のスロットとして形成される。このプリント回路板は、ビデオカメラのレンズの前面に配置され、ビデオカメラのレンズに入射可能な光線を細長いスロット開口絞りを通過する光線だけとする。
プリント回路板は２組の光を含み、第１は指標の暗視野照明を行うように構成され、第２は明視野照明を行うように構成されている。好ましい実施例において、第２の組は複数の発光要素の前方に配置した拡散器を含み、局在する複数の点からではなく、分布した領域に亙って光線を放出する。他の好ましい実施例において、照明要素の第１の組は、第２の組の何れかの側に配置した発光要素の直線状アレイを２つ有する。
暗視野モードにおいて、第１の組から放射された光は、指標を含むウェーハのミラー状表面で反射し、スロット開口絞りを用いて選択され、指標からの拡散あるいは平坦でない鏡面状の形態で反射した光線の組だけがビデオカメラに入射する。平坦な鏡面状の態様で反射したほぼ全ての光線は、ビデオカメラの画像検出器に入射しない。従って、暗視野モードおいては、指標が暗い背景に対して輝いて見える。
明視野モードにおいては、指標からの拡散や非平面反射、あるいは指標での吸収によりカメラに入射しない光線が生ずる。鏡面反射したほぼ全ての光線は、ビデオカメラの画像検出器に入射する。従って、レーザ刻印マークは、明るい背景中に暗く見える。
円形レンズ開口絞りの直径は、この円形レンズ開口絞りを有する光学系の被写界深度と反比例することが知られている。本発明の装置は、方向性が非対称な被写界深度を持つ細長い非円形の開口絞りを有している。本発明は、この細長い開口絞りを用い、光線に対して一列の指標の長手方向軸線と平行な方向に沿い、この一列の指標の長手方向軸線と直交する方向に沿った光線受容角よりも、大きな光線受容角を与えている。
イメージセンサにおいて、照明要素は、ウェーハ表面からの照明要素の反射により形成される虚像として見える。この虚像は、照明要素のウェーハ表面からの実際の距離の２倍の位置に形成される。スロット開口絞りの光学的な効果は、一列の指標の長手方向軸線と平行な方向に沿って個々の光要素の画像を「不鮮明」にすると同時に、長手方向軸線と直交する方向に沿って比較的鮮明に焦点が合わせられることである。受け入れる光の方向選択性焦点合わせを行うことにより、浅い刻印、すなわちいわゆる「ソフトマーク」を撮像する目的に対して伝播光を厳格に制御する必要性が解消される。これは、周知のように実施されるウェーハの識別を行うための画像形成システムに対し、大きさ，重量およびコストの大幅な削減となる有利な結果をもたらす。
細長いスロット開口絞りを用いる予期しない利点は、明視野照明の改良である。特に、照明要素拡散器の画像が長手方向に焦点がぼけるため、この拡散器の画像はより一層均一な明るさになる。この結果、指標の全ての部分についてより一層均一なコントラストが得られ、ＳＮ比の増大した画像が得られる。
しかも、予期されないこととして、スロット長にほぼ等しい直径を有する円形の開口絞りと比較すると、スロット開口絞りによる周辺光の改良された遮光によって、ＳＮ比がより一層改良された画像を得られる。
本発明により理解されるように、受け入れる光を制御することにより、低コストでより小型のシステムが実現され、これは、伝播光を制御するのではなく、有効な出力画像を形成するためにまとめられる光線の角度を制御する。
本発明は、照明要素の虚像による干渉を制限しながら、基板の平坦な反射性表面の特徴を同時に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面と共に以下の詳細な説明から、より完全に理解され、
図１Ａは、平坦な反射性基板に対して直接的な観察位置における本発明の好ましい一実施例の斜視図であり、
図１Ｂは、複数の照明要素と、拡散器の部分と、細長いスロット開口絞りとを示す平坦な反射性表面から見た図１Ａの実施例の図面であり、
図１Ｃは、平坦な反射性基板に対して間接的な観察位置における本発明の好ましい一実施例および共働するミラーアセンブリィの側面図であり、
図２は、図１Ａの実施例の部品を示す分解斜視図であり、
図３Ａは、プリント回路板に一体化された非円形レンズを有する本発明の他の好ましい実施例の平坦な反射性基板から見た図面であり、さらに複数のＬＥＤと、細長いスロット開口絞りと、拡散器の部分とを示し、
図３Ｂは、平坦な反射性表面から見た図３Ａの非円形レンズの図面であり、さらに図３Ａの非円形レンズから派生できる円形レンズの見かけの輪郭も示し、
図３Ｃは、図３Ａの実施例の側面図であり、ＬＥＤ，イメージセンサおよび関連する光シュラウドを示し、
図４は、暗視野モードの光線図であり、基板の平坦な反射性部分から反射した後の本発明の細長い開口絞りを通過する光線のみを示し、
図５は、明視野モードの光線図であり、基板の平坦な反射性部分から反射した後の本発明の細長い開口絞りを通過する光線のみを示し、
図６は、反射性の平坦な基板の実際の形状と、照明要素の虚像の実質的な形状とから発生する周辺光線を示す周辺光線図であり、
図７は、本発明の拡大した暗視野の実施例の第１モードの光線図であり、
図８は、本発明の拡大した暗視野の実施例の第２モードの光線図であり、
図９は、本発明の軸上の実施例の明視野モードの光線図であり、
図１０は、本発明の軸上の実施例の暗視野モードの光線図であり、
図１１Ａおよび図１１Ｂは、複数のできる限り細長いスロット開口絞りを有する本発明の実施例を示し、
図１２は、明視野モードの光線図であり、基板の平坦な反射性部分から反射した後の本発明の合焦ミラー片により反射した光線のみを示し、
図１３は、明視野モードの光線図であり、基板の平坦な反射性部分から反射した後の平坦なミラー片により反射してレンズにより焦点が合わせられる光線のみを示し、
図１４は、複数の細長い照明要素と、拡散器の部分と、細長いスロット開口絞りとを平坦な反射性表面から見た図面である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１Ａおよび図１Ｃを参照すると、本発明の画像形成装置１０の一実施例が半導体ウェーハや磁気記録媒体の如きミラー状の基板１２に対する種々の操作位置で示され、この基板１２はその反射性表面に指標１４を有する。図１Ａにおいて、画像形成装置１０は直接照明兼観察位置にある。
図１Ｃは、間接照明兼観察位置にある画像形成装置１０を示し、観察兼照明用の光路は、ミラーアセンブリィ１６により折り曲げられている。当業者は、別のミラー装置によって他の多くの間接観察兼照明位置が可能であることを認識されよう。図１Ｃに示す如き間接観察兼照明位置は、照明兼観察装置のための空間が限られた半導体デバイス製造装置の現在設置されているベースと関連して使用するために重要である。
図１Ａおよび図２で見ることができるように、本発明の画像形成装置は、好ましい一実施例として、２５mm，Ｆ１．４のD. O. Industries Navitron TVレンズを有するPulnix TM-7EXカメラの如き標準的なビデオカメラ１８およびレンズ２０を有している。この好ましい実施例は、複数の円形および矩形の発光ダイオード（ＬＥＤ）の如き複数の照明要素２４および２５を持つプリント回路板２２も有している。
さらに、この実施例は、切り欠き領域および拡散領域を有する明視野照明のための拡散層２６を有する。不透明マスク層２８は、拡散層２６とマスキング関係にあり、拡散層２６および照明要素２４を共に直接露出させる切り欠き領域を有する。矩形のＬＥＤ２５は、拡散層２６のマスクされていない部分の背後に存在している。
図１Ｂを参照すると、図１Ａの装置１０は例えば半導体ウェーハの如き反射性基板１２の位置から見ている。上述したように、例えばＬＥＤ２４のアレイの如き複数の照明要素２４が存在している。また、明視野照明を行うための拡散層２６が存在し、その背後に矩形のアレイ２５（この図面においては図示せず）が存在する。
また、ＬＥＤ２４間にスロット開口絞り３４が配置されている。このスロット開口絞り３４は、この好ましい実施例においては、プリント回路板（ＰＣＢ）２２の切り欠き領域として形成されている。スロット開口絞り３４は、反射性基板からレンズ２０までの光路、最終的にはカメラ１８のイメージセンサ（図示せず）までの光路だけを形成する。スロット開口絞りは、長手方向の寸法とこれと直交する方向の寸法とを有するほぼ矩形であることが好ましく、長手方向と直交する方向の寸法は、最も幅の広いスロット開口絞りを有する有効な暗視野領域が得られるように経験的に決定され、照明光源による干渉（重複）を生ずることなく、最も明るい指標の画像を形成する。長手方向の寸法は、レンズ系の自由開口の寸法から長手方向と直交する方向の寸法位までの範囲内にすることができる。
細長い開口絞りは必ずしも矩形にする必要はなく、楕円形，台形，競技トラック状（円形の端部と直線状の長手方向部分とを有する）、あるいは任意の他の長手方向に延在した形状とすることも可能である。
図１Ｂの好ましい実施例において、スロット開口絞りは矩形状であり、０．５インチの長さと、約０．００３５インチの幅とを有する。
ＬＥＤ２４は複列に配置され、各列は、明視野照明要素２６の中心線２５から異なる距離にあり、ハイアングル暗視野照明あるいはローアングル暗視野照明の何れかを規定する。特に、列３８および４０は、ハイアングル暗視野照明を規定するためにあり、例えば明視野照明要素２６の中心線２５から約０．３インチ離れている。従って、ＬＥＤの列が明視野照明要素２６の中心線２５に近づくほど、暗視野照明の角度は大きくなる。
また、列３６および４２は、ローアングル暗視野照明を形成する。例えば、列３６および４２は、スロット開口絞り３４から約０．６インチ離れている。
別な一実施例として、列３８および４０のみを用いてハイアングル暗視野照明を規定し、列３６および４２を含まないようにする。この場合、図１Ａに示した実施例の直交する方向の寸法よりも小さな直交する方向の寸法により特徴付けられる実施例を提供することができる。一層小さい直交する方向の寸法は、いくつかの既存の半導体製造装置、例えばウェーハプローバの如き制限された空間しか使用できない用途に有用である。
さらに図１Ａおよび図２を参照すると、不透明なバッフル３０がレンズ２０および照明要素２４の大部分を包囲している。この不透明なバッフル３０は、照明要素２４から放射された光が不透明なマスク層２８の切り欠き領域を通らない光路を経て基板１２を照明するのを防止すると同時に、周辺光が不透明なマスク層２８の切り欠き領域を通過しない光路を介してレンズ２０に入射するのを防止するように作用する。
プリント回路板２２と、その上の照明要素２４および２５とは、コネクタ３２を介して電圧が印加される。
作動距離、すなわち本発明の画像形成装置に関する本実施例１０の不透明なマスク層２８から基板１２までの距離は、用いるレンズの形式および所望の視野の両方に依存する。例えば、１６mmあるいは２５mmのレンズを約３〜４インチの作動距離に対して用いることができる。一定の作動距離を維持すると同時に、指標１４の可変画像寸法を与えるズームレンズを使用することが好ましい。
さらに図２を参照すると、層２６および２８，ＰＣＢ２２，レンズ２０およびカメラ１８がどのように組み立てられているかを描いた分解組立図が示されている。特に、ねじ４６とブラケット４８とポスト（post）５０とを用い、種々の部品が接触することなくできるだけ近接するように空間を形成している。レンズ２０からのＰＣＢ２２の開口絞り３の距離は重要ではない。実際、スロットは、レンズ系内か、レンズ系の前か、あるいはレンズの後方に具合良く入れることができる。特に、スロット開口絞りは、カメラ１８のイメージセンサとレンズ２０との間に、好ましくはレンズ２０に近接して入れることができる。代わりに、細長いスロット開口絞りを不透明なペイントや、あるいは不透明なコーティングを用いてレンズ２０の表面に描くことができる。
図３Ａ，図３Ｂおよび図３Ｃに示す他の好ましい実施例において、レンズ５２をプリント回路板（ＰＣＢ）５４と一体化し、本発明の極めて小型の実施例を提供している。本発明では、スロット開口絞りを通過する光線のみがイメージセンサ５５に入射するようになっているので、レンズ５６が機能しない部分を除去し、これによってレンズ５６の一部のみを有するレンズ５２が与えられている。レンズ５６の機能部分のみが保有され、これによって一列のＬＥＤ５８をスロット開口絞り６０に近接して位置させることができ、ハイアングル暗視野照明を提供する。イメージセンサ５５は、カバー６２によって形成される不透明なキャビィティ内に収容され、スロット開口絞り６０を通過する光のみがイメージセンサ５５に入射することを確実にする。
さらに図１Ａを参照すると、反射性の平坦な基板１２の表面に刻印される指標１４は、例えばレーザアブレーション（laser ablation）により形成することができ、種々の深さおよび断面を有することができる。ある指標は、「ソフトマーク」と称せられる浅いピットのパターンで構成され、各ピットは平坦はでない鏡面反射および／または拡散反射および／または吸収をもたらす断面を有する。従って、明視野照明の下ではこれらのピットは周囲よりも、より暗く見えるようにしなければならず、暗視野照明の下ではこれらのピットは周囲よりも明るく見えるようにする必要がある。しかしながら、このようなピット（ソフトマーク）は、平坦な鏡面の作用とあまり変わらない傾向があるため、視認することが困難である。実際、ソフトマークは、基板の面が視認される「ハイアングル」、すなわち約８５°と９０°との間の暗視野照明の下で最良に視認されることが判明している。この場合、ソフトマーク指標の画像の輝度は最大となる。
しかしながら、本発明以前においては、高い反射性の平坦な表面を視認するための画像形成装置の場合、ハイアングル暗視野照明を達成することが困難であった。これは、照明システムの照明要素の画像がソフトマーク指標の画像と干渉し易いことに起因しているためである。これは、ハイアングル暗視野照明において、光の虚像が指標の画像に極めて近接しているために発生する。また、ソフトマーク指標は光源と比べて明るく見えないので、カメラの円形開口絞りをできるだけ広く開けてソフトマーク指標に最大照度を与える必要がある。しかしながら、円形開口絞りを広く開口させると、カメラのレンズ系の被写界深度が浅くなってしまう。従って、照明要素の画像がぼけてソフトマーク指標の画像を越えて拡がり、これによりソフトマーク指標を有効に検出できなくなってしまう。
本発明により理解されるように、この多様なジレンマの解決は、カメラのレンズ系２０と共働する細長いスロット開口絞り３４を用いることによって良好に与えられる。細長いスロット開口絞りの長手方向の有効範囲を調整するため、虹彩絞り（図示せず）の如き調整可能な円形絞りを入れることもできる。調整可能な円形絞りがない場合、細長いスロット開口絞り３４の有効長は、レンズ系２０の透明な開口の直径によって決定される。
図１Ｂおよび図４を参照すると、ハイアングル暗視野照明を達成するため、照明要素３８および／あるいは３６の組を明視野照明要素２６の中心線２５に近接して（例えば、０．３インチ）配置している。
図４に示す照明要素３８の組の場合、各照明要素は多方向に光を射出する。照明要素から射出された光は、複数の光線によって有効に表すことができ、各光線は照明要素から発生して特定の方向に達する。従って、多方向に光を放射する点光源の場合、複数の光線が点光源から出射し、各光線は特定の角度によって特徴付けられる。さらに、発光ダイオード（ＬＥＤ）の如き表面積を持った照明要素の場合、その表面上の各点から複数の光線が出射し、各光線は特定の角度によって特徴付けられる。
本発明において、各ＬＥＤから放射された光線の一部だけが反射し、最終的にスロット開口絞り３４を通過してイメージセンサに入射し、これにより画像面５５での画像の形成を制御している。照明要素３８から放射され、さらに細長い開口絞り３４を通過する光線が平坦な鏡面反射の場合、その部分を３つの光線６２，６４，６６の例で示す。それで、照明要素３８の実像６８は画像面５５に形成される。同様に、照明要素４０の実像７０も画像面５５に形成される。さらに、基板１２の表面での平坦な鏡面反射のため、照明要素３８の虚像３８′が虚像面２２′に存在することも注意されたい。
特に、照明要素３８から放射されるすべての光線のうち、基板１２で平坦な鏡面反射により細長いスリット３４を通過する光線６２は、平坦な基板１２に対して（すなわち、平坦な基板１２と直交すると共に細長い開口絞り３４の中間点と交差する軸線６９に対して）最も小さな入射角を有する光線を示している。
同様に、光線６６は最も大きな入射角を有する光線を示し、光線６４は中間の入射角を有する光線を示し、さらにこれらの各光線は、基板１２で平坦な鏡面反射により細長いスリット３４を通過する。
同様に、照明要素４０から放射される光線６２Ａ，６４Ａおよび６６Ａは、光線６２，６４，６６の光束とは別にハイアングル暗視野照明の別のおよび／または付加的な光源を与えている。同様に、これらの光線６２Ａ，６４Ａおよび６６Ａは、画像面５５における照明要素４０の実像７０の形成に寄与している。
図４に示す暗視野モードの動作においては、照明要素３８および４０のみに電圧が印加される。上述したように、照明要素３８の実像６８は画像面５５に形成され、照明要素４０の実像７０は画像面５５に形成される。基板１２の表面が平坦な鏡面状（ミラー状）の場合、実質的に暗い暗視野領域７２が画像面５５に形成され、この暗視野領域７２は、照明要素３８および４０の実像６８および７０によって境界が定められている。この暗視野領域７２は実質的に暗く、それは、暗視野照明要素（３８または４０）から放射されて基板面１２で平坦な鏡面反射により細長いスロットを通過し、それによって画像面５５の暗視野領域７２に達する光線が存在しないからである。
図面を明瞭にするため、図４は平坦な鏡面で反射した後、細長い開口絞り３４を通過する光線のみを示している。例えば、平坦な鏡面で反射して細長い開口絞り３４を通過しない光線は存在するけれども、このような光線は、図４やこの出願書類の他のいかなる図面にも明瞭に記載されていない。これは、このような光線が画像面５５における画像形成に寄与しないからである。しかしながら、暗視野照明要素３８あるいは４０の一方から放射され、画像面５５における画像形成に寄与し、画像面５５の領域７２内に存在するような種類の光線がある。このような光線は、指標を有する基板１２の領域７４に入射する。加工されていないミラー状基板１２の光学特性とは異なる指標の光学特性により、ある光線は指標で反射し、細長い開口絞り３４を通過することにより、領域７２内で画像面５５に指標１４の画像を形成する。この画像は、細長い開口絞り３４の長手方向およびこれと直交する方向の両方に焦点が合わせられていよう。その理由は、指標１４が基板１２に存在し、長手方向および直交する方向の両方の被写界深度内に配置されているからである。
加工されていないミラー状基板１２の光学と異なる指標の光学特性は、指標窓７４の基板１２の表面で非平坦および／または非鏡面反射を生ずる光学特性である。非平坦な反射に関し、平坦でない、例えば湾曲した領域か、あるいは基板１２の主平面の向きと同一の方向を向いていない平坦な領域によって起因する反射を意味している。
それで、暗視野照明要素３８および４０から放射される光線は、指標１４によって鏡面ではない反射、例えば拡散性反射か、あるいは鏡面であるが平坦でなく反射し、暗視野照明要素３８および４０から放射された光線が暗視野領域７２に入射する。従って、暗視野照明モードにおいて、指標窓７４内に位置する指標１４は、画像面５５に形成される画像の暗視野領域７２に対して明るくなろう。鏡面および拡散反射の検討に関し、Addison-Wesley Publishing Co., Inc.による1994年の版権のあるEugene HechtおよびAlfred ZajacによるOpticsの第６７ページを参照のこと。この本の全体は、これを参照することによって本明細書中に組み入れられる。
平坦でない鏡面反射の例は、各ピットが少なくとも１つの平坦ではない鏡面領域を有する複数の小さなピットで構成された「ソフトマーク」の場合により与えられる。特に、各ピットが基板１２の表面に円錐状の空隙を作ることにより形成され、ピットが湾曲した鏡面の内面を有する場合、このようなピットは暗い背景に対して明るく見えよう。あるいは、各ピットが基板表面に四面体の空隙を作ることにより形成され、この四面体の１つの三角形の面が基板１２の主平面に対して同一平面をなす場合、このように形成されたピットは、３つの平坦な三角形の内面を有することになろう。それぞれ３つの平坦な三角形の内面は、基板１２の主平面に対して同一平面とはならず、３つの平らな三角形の内面のいずれも基板１２の主平面の方向と同一の方向に向いていない。従って、このようなピットの画像は暗い背景に対して明るく見えよう。
図５は、本発明の明視野モードの動作を示している。図５の好ましい実施例において、明視野照明を達成するため、明視野照明要素２６が２つの暗視野照明要素３８と４０との間に配置されている。
図５において、照明要素２６の各点は多方向に光を放射している。複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）の前面に配置された拡散器の如き表面積を持った照明要素の場合、表面上の各点から複数の光線が放射し、各光線は特定の角度により特徴付けられる。
本発明において、照明要素２６から放射された光線の一部のみが基板１２で反射し、最終的に細長いスロット開口絞り３４を通過してイメージセンサに到達し、これによって画像面５５における画像の形成に寄与する。照明要素２６から放射された光線が平坦な鏡面を反射し、さらに細長い開口絞り３４を通過する場合、この部分が３つの光線８０，８２および８４の例によって示されている。ここで、照明要素２６の実像７８が画像面５５に形成される。基板１２の表面での平坦な鏡面反射により、照明要素２６の虚像２６′が虚像面２２′に形成されることも注意されたい。
特に、照明要素２６から放射されるすべての光線のうち、基板１２での平坦な鏡面反射により細長いスロット３４を通過する光線８０は、平坦な基板１２に対して（すなわち平坦な基板１２と直交すると共に細長い開口絞り３４の中間点と交差する軸線６９に対して）最も小さな入射角を有する光線を示している。
同様に、光線８４は最も大きな入射角を有する光線を示し、光線８２は中間の入射角を有する光線を示し、さらにこれら各光線は、基板１２で平坦な鏡面反射により細長いスリット３４を通過する。
図５に示す明視野モードの動作において、照明要素２６のみに電圧が印加される。照明要素２６の実像７８は画像面５５に形成される。この実像７８は、細長い開口絞り３４の長手方向、すなわち図５中のＸ方向に沿って焦点がぼけ、細長い開口絞り３４に対して直交する方向、すなわち図５中のＹ方向に焦点が合う。基板１２の表面が均一な鏡面状（ミラー状）であって平坦であり、しかも明視野照明要素２６がその領域に亙ってほぼ均一に光を放射している場合、ほぼ均一な明るさの明視野領域７８が画像面５５に形成される。実際、細長いスロット開口絞りは、これにより生ずる方向性をもった焦点のぼけにより、明視野領域７８の均一性を高めている。明視野領域７８の明るさはほぼ均一になるが、それは、明視野照明要素２６から放射されて細長いスロットを通過する全ての光線が基板１２の面で鏡面および平坦な状態で反射し、その結果、明視野領域７８に達して画像面５５に明視野照明要素２６の画像を形成するからである。
図面を明瞭にするため、図５は基板１２によって平坦な鏡面状態で反射した後、細長い開口絞り３４を通過する光線のみを示している。例えば、平坦な鏡面状態で反射して細長い開口絞り３４を通過しない光線も存在するけれども、このような光線は、図５やこの出願書類の他のいかなる図面にも明瞭に記載されていない。これは、このような光線が画像面５５で画像形成に寄与しないからである。
しかしながら、明視野照明要素２６から放射されて画像面５５の領域７８内で画像面５５での画像形成に寄与する種類の光線がある。このような光線は、指標を有する基板１２の領域７６に入射する。加工されていないミラー状基板１２の光学特性とは異なる指標の光学特性により、ある光線は指標１４で反射し、細長い開口絞り３４を通過せず、これにより領域７８内で照明光源２６の画像を形成する残りの光線と共に画像面５５には到達しない。実際において、画像面５５のある点で光強度が存在していないか、あるいは減少していることは、指標１４の一部が存在していることを示し、指標１４の負の画像が形成される。この指標１４の負の画像は、細長い開口絞り３４の長手方向および直交する方向の両方共に焦点が合わせられており、その理由は、指標１４が基板１２上に存在し、この基板が長手方向および直交する方向の被写界深度内に配置されているからである。
加工されていない基板１２の光学特性とは異なる指標１４の光学特性は、指標１４を含む領域７６中の基板１２の表面の光の非平面および／または非鏡面の反射、あるいは光吸収を生ずる光学特性である。非平面の反射に関し、平らでない、例えば湾曲した領域か、あるいは基板１２の主平面の向きと同一の方向を向いていない平坦な領域によって起因する反射を意味している。
従って、明視野照明要素２６から放射される光線は、指標１４によって鏡面でなく、例えば拡散性反射によって反射するか、鏡面反射であるが平坦でなく反射するか、あるいは吸収され、明視野照明要素２６から放射された光線に対する画像面５５の明視野領域７８への入射が阻止される。この結果、明視野照明モードにおいて、指標窓７６内に位置する指標１４は、画像面５５に形成される画像の明視野領域７８に対して暗く見える。鏡面および拡散反射の検討に関し、Addison-Wesley Publishing Co., Inc.による1974年の版権のあるEugene HechtおよびAlfred ZajacによるOpticsの第６７ページを参照のこと。この本の全体は、これを参照することによって本明細書中に組み入れられる。
光吸収の例は、基板１２表面の複数のドットの場合により与えられ、各ドットはある量の実質的に非反射性の黒色塗料や顔料などにより形成されている。このようなドットは、明るい背景に対して暗く見える。
図４および図５は、細長い開口絞り３４によって規定される長手方向に沿って見られる、すなわち図４および図５のＸ軸に沿って見られる選択した光線の挙動を示しており、図６は細長い開口絞り３４に対して直交する方向に沿って見られる、すなわち図４および図５のＹ軸に沿って見られる他の選択した光線の挙動を描いている。
特に、傾斜した実線８６は、焦点が合う周辺光線を表している。このように呼称される理由は、周辺光線８６が軸線６９上の実際の物体の点（例えば、指標１４の一部）からレンズ８８の透明な開口の縁、すなわち周辺まで進行し、その後、画像面５５に向けて収斂するからである。
これに対し、傾斜した破線９０はある方向で焦点が合わない境界光線を表している。このように呼称される理由は、周辺光線９０が軸線６９上の虚の物体の点（例えば、照明要素の虚像の点）からレンズ８８の透明な開口の縁、すなわち周辺まで進行し、その後、画像面５５に向けて収斂するが、長手方向、すなわちＸ方向に沿って画像面５５で焦点が合わないからである。
従って、基板１２の指標の如き実際の物体は、画像面５５においてＸ方向に焦点が合うのに対し、虚像面２２′での照明光源２６の虚像の如き虚の物体は、Ｘ方向に沿って焦点が外れる。
同時に、基板１２の指標の如き実際の物体は、画像面５５においてＹ方向に沿って焦点が合い、さらに虚像面２２′での照明光源２６の虚像の如き虚の物体は、Ｙ方向に焦点が合う。
従って、基板１２の指標の如き実際の物体は、画像面５５においてＸおよびＹ方向に沿って共に焦点が合うのに対し、虚像面２２′での照明光源２６の虚像の如き虚の物体は、Ｙ方向に沿って焦点が合い、Ｘ方向に沿って焦点が外れる。この結果、照明光源２６の虚像の如き虚像面の虚の物体の画像は、「方向性をもって焦点が合う」と称される。本発明において方向性をもって焦点が合うのは、細長い開口絞り３４などの光学作用などに起因する。
本発明によると、細長い開口絞りの光学作用は、方向によって異なる被写界深度を発生させること、すなわちＸ方向に焦点を合わせるための被写界深度をＹ方向に焦点を合わせるための被写界深度と相異させることである。光学系の被写界深度は、物体が実質的に焦点が合う光学系からのＺ方向の距離の範囲である。通常、光学系の被写界深度は、光学系の光軸と直交する全ての方向に沿って同一である。
本発明によると、基板は、レンズ８８および細長い開口絞り３４を含む光学系のＸおよびＹ方向の両方の被写界深度内に位置するように配置される。この結果、基板およびその表面に配置される指標は、画像面５５で全ての方向に焦点が合う。また、本発明によると、虚像面２２′の照明光源の虚像は、Ｙ方向の被写界深度内にのみ位置し、Ｘ方向の被写界深度内には位置しない。この結果、照明光源の虚像は、図６に示すように、画像面５５にてＸ方向に沿って方向性をもって焦点がぼける。
図７および図８は、本発明の拡大した暗視野の実施例の第１および第２の動作モードをそれぞれ示す。第１の動作モードにおいて第１の組の照明要素９１，９２および９６に電圧が印加され、第２の動作モードにおいて第１の組に対して挟まれた関係にある第２の組の照明要素に電圧が印加される。第１の動作モードで画像面５５に形成される第１の複数の暗視野領域１０２，１０４を有する第１の画像９８と、第２の動作モードで画像面５５に形成される第２の複数の暗視野領域１０６，１０８を有する第２の画像１００とを結合することにより、拡大された暗視野画像が結果として生ずる。
画像面５５の暗視野領域１０２および１０４は、基板１２の領域１１０および１１２にそれぞれ対応する。同様に、画像面５５の暗視野領域１０６および１０８は、基板１２の領域１１４および１１６にそれぞれ対応する。
相互に取得した結合領域１１０，１１４，１１２および１１６は、単一の暗視野領域の幅の４倍になる。この結果、比較的大きな指標や、単一の暗視野領域と直交する方向に向けられた指標をこの拡大した暗視野の実施例における画像面５５に結像させることができる。
好ましい一実施例において、画像９８および１００を「デジタル強度最小化（digital intensity minimization）」と称せられる技術を用いて結合し、第１の暗視野画像９８と第２の暗視野画像１００とを画素毎に比較し、各画素毎の比較により暗い方の画素を拡大された暗視野画像の対応する画素として保持する。暗視野領域の各画素の大部分は、明視野画像の各画素の大部分よりも暗いので、得られる拡大された暗視野画像は、実質的に各暗視野画像９８および１００の暗視野領域に挟まれた結合となる。
図４の実施例に付加的な照明要素を加え、図７および図８の拡大された実施例を構成する。照明要素は、細長い開口絞り３４の何れかの側に加えることができる。図７および図８は、細長い開口絞り３４の回りに対称に配置した３つの付加的な照明要素９２，９４，９６を有する一実施例を示している。さらに他の付加的な照明要素を加え、より大きく拡大された暗視野領域を構成することができる。
拡大された暗視野領域の別の利点は、細長い開口絞りを指標に対して回転させ、本発明の画像形成システムによる指標の視認性が増大されることである。細長い開口絞りは、全ての照明要素と共に回転する。開口絞りを複数の照明要素と共に回転させることは、画像形成装置全体を物理的に回転させるか、あるいは画像形成装置全体を物理的に回転させず、図１１Ａおよび図１１Ｂと共に以下に説明する多重開口絞りの実施例を利用することによって達成できる。
例えば、図１１Ａは、小さなＬＥＤやアクティブマトリックストランジスタの如き個別にアドレス可能な照明要素のアレイ１３６を示しており、これらは任意の形状，幅，長さおよび角度方位の細長い開口絞りを与えることができる図１１Ｂの開口セレクタ１３８と共働する。光線１３７は、基板１２の部分１２８を照明する照明要素のアレイ１３６の動作部分に対して示される。例えば、図１１Ｂは、それぞれ同一の幅および長さを有する矩形であるが、３つの異なる角度方位にある実施可能な３つの細長いスロット開口絞り１４０，１４２および１４４を示している。原理的に、別の角度方位，形状，幅および長さにすることも可能である。
実施可能な細長い開口絞りを１個のみ開口させ、いかなる瞬時にも光を通過させることも有効である。例えば、図１１Ｂにおいて、開口絞り１４４のみが光を通過させることができる。開口セレクタ１３８は、それぞれ光を遮断あるいは通過させることができる個別にアドレス可能な液晶シャッタ要素のアレイとして設けることができる。
開口セレクタ１３８は、回転可能なディスクの細長い開口絞りとして機械的に設置することができる。
細長い開口絞りと照明要素との実際の回転、あるいは照明要素と例えば図１１Ａおよび図１１Ｂの実施例を利用した細長い開口絞りとの有効な回転は、ある指標や、ある指標の一部をより検出し易くすることができるさらなる利点が得られる。例えば、指標が斜めのＶ字状溝で構成される場合、このような指標は、細長い開口絞りおよび照明要素がこの斜めの溝と一直線状となるように回転すれば、一層検出し易くなる。
図９および図１０は、本発明の軸上の実施例の明視野および暗視野モードの動作をそれぞれ示している。この実施例は、ハーフミラー１１８を用いて、本発明の開口絞り／レンズシステムを通過する主光路を遮光する照明要素に関連した課題を回避する方法を提供している。図９の明視野モードにおいて、中央の照明要素１２２は、ほとんど収斂しない光を放射し、従ってこの光はハーフミラー１１８で部分的に反射される。光の約半分が基板１２に入射し、従って、約半分の光が平坦な鏡面反射を示す基板の各点で反射してハーフミラー１１８に戻る。ハーフミラー１１８は、反射光の半分を細長い開口絞り３４に向けて透過させ、この開口絞りの断面積に応じた光の一部がレンズを通過し、最終的に画像面５５の表面に画像を形成することを可能とする。
この画像は、基板１２の領域１２８内に位置する指標１４の明視野画像１２６となる。
図１０に暗視野モードにおいて、暗視野照明要素１２０および１２４は、実質的に収斂しない光を放射し、そして、この光はハーフミラー１１８で部分的に反射する。約半分の光が基板１２に入射し、従ってこの約半分の光が平坦な鏡面反射を示す基板の各点で反射されてハーフミラー１１８に戻る。ハーフミラー１１８は、反射光の半分を細長いスロット開口絞り３４に向けて透過させ、この開口絞りの断面積に応じた光の一部がレンズを通過し、最終的に指標１４ならびに暗視野照明要素１２０および１２４の画像を画像面５５の表面に形成することを可能とする。この画像は、基板１２の領域１３４内に位置する指標１４の暗視野画像１２６となる。照明要素１２０および１２４の画像は、画像面５５の領域１３０および１３２にそれぞれ形成される。
図１２に示す別の実施例において、図５の細長い開口絞り３４およびレンズ（図示せず）が合焦ミラー片１４６に置き換えられている。カバー／支持部材１４８は、ミラー１４６およびイメージセンサ１５０の両方を支持している。また、このカバー／支持部材１４８は、イメージセンサ１５０を外光から遮蔽している。
合焦ミラー片１４６は、放物線のより高次数の項により決定される形状を有する軸外れ合焦ミラー片を用いることにより得られ、その値は、合焦ミラーを設計する当業者により理解されるように、特定の用途でそれぞれ例えば所望の焦点距離および所望の光路折り曲げ角により決定される。
図１３を参照すると、図１２の合焦ミラー片１４６は、合焦レンズ１５２およびミラー１５４により置き換えられている。この実施例において、ミラー片１５４は、細長い断面を有する光束を選択するように作用し、そしてこれらの光線は、イメージセンサ１５０上に収斂して例えば図５の実施例と同様な機能が与えられる。
図１４に関し、図１ＢのＬＥＤ２４が細長い照明要素１５６で置き換えられており、また細長い開口絞り３４および拡散器２６も示している。細長い照明要素は、蛍光管，細長いプラズマ放電管，長い白熱灯フィラメント，あるいは各細長い要素１５６の一端あるいは両端に照明光源を有する損失のある導波管として設置することができる。
他の変形や変更は、請求したような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって可能である。従って、以下に示したような請求の範囲を除き、上述した説明は本発明を限定するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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