(57)【要約】      （修正有）【課題】表面を光学的に検査するための少数の素子からなる、コンパクトでなおかつ製造が安価なデバイスを提供する。【解決手段】調査される表面上のゾーン３は、テレセントリック光学列を用いて、半透明のミラーおよび非球面の視野ミラー４によって照らされ、表面によって反射されるまたは散乱される光の少なくとも一部は、半透明のミラーを介して、視野ミラーによって、電子カメラ１１のレンズの入射瞳上に結像される。カメラによって記録される画像は、既知の画像処理方法を使用して解析される。【選択図】図１Ａ
2009025288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調査される基板の鏡面反射表面または拡散反射表面のゾーンを光学的に検査するためのデバイスであって、
前記表面に垂直な基板側光軸およびカメラ側光軸を有する視野ミラーと、
前記視野ミラーの焦点面の付近において、前記カメラ側光軸上に配置された、明視野照明を提供するための少なくとも１つの光源であって、調査される前記ゾーン上に、テレセントリック光学列を用いて結像される、光源と、
前記カメラ側光軸上において、前記視野ミラーの焦点面内に入射瞳を有する電子カメラであって、調査される前記表面上の前記ゾーンから発せられる光の一部をテレセントリック光学列を介して受信し、得られた画像を処理デバイスに送る、電子カメラと、を備え、
前記視野ミラーは、非球面の反射表面を有し、調査下の前記表面上に投射されるビームは、少なくとも、調査される前記ゾーンをちょうど網羅し、前記カメラ側光軸は、前記基板側光軸に対して約５５〜９０度の角度で傾いており、前記カメラ側光軸に沿って進む中心光線を、透過光線と、９０度に反射される光線とに分割するビームスプリッタが、前記カメラ側光軸上に配置され、前記カメラは、前記１対のビーム軸の一方のビーム軸上に配置され、前記光源は、もう一方のビーム軸上に配置される、デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
照明コントローラによって制御される、前記光源と共同かまたは単独かのいずれかで動作されうる少なくとも１つの他の光源が、前記光源の付近において、前記焦点面の近くに配置される、デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
前記他の光源は、前記光源を取り囲む、空間的に広がった光源の形態に構成される、デバイス。
【請求項４】
請求項２に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
前記他の光源は、多数の個別の基本的に点の光源からなる配置の形態に構成され、その個別の光源は、前記照明コントローラによって独立に制御されうる、デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
前記視野ミラーおよび前記ビームスプリッタの機能は、背面に反射コーティングを施され、なおかつ部分透過性反射表面を有する、コンパクトなガラス体に組み込まれる、デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
前記視野ミラーおよび前記ガラス体は、射出成形されたプラスチック素子である、デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
前記光源は、制御可能なマイクロミラー配置を有する光学活性素子の形態に構成される、デバイス。
【請求項８】
請求項１に記載の、表面を光学的に検査するためのデバイスであって、
前記視野ミラーは、フレネルミラーの形態に構成される、デバイス。
【請求項９】
請求項１に記載の、表面を光学的に検査するための方法であって、
調査される前記ゾーンを照らすための補助光源が、調査される前記ゾーンと前記視野ミラーとの間において、テレセントリック光束の外側に配置され、前記補助光源は、単独か
または他の光源と共同かのいずれかで制御されうる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、表面を光学的に検査するためのデバイスおよび方法に関する。
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２００７年５月１５日に出願されたドイツ出願：ＤＥ  １０  ２００７０２２８３１．９の優先権を主張する。該出願は、参照により全体を組み込まれるものとする。
【０００２】
＜関連技術＞
平面反射面上の欠陥を撮像するための画像記録デバイスであって、調査される表面のゾーンをカメラを使用して撮像するためにテレセントリック光学列が用いられるような画像記録デバイスが、米国特許ＵＳ６，８７０，９４９Ｂ２に記載されている。この‘９４９特許は、カメラの光軸と同軸に配置された環状照明光源によって提供されるものとして、表面の暗視野照明について記載している。このデバイスは、また、表面を照らすための光源からの光が半透明のミラーによってカメラの光軸に垂直に反射される場合についても定めており、これは、明視野照明の実現を容易にする。後者の場合、調査下の表面上の受照スポットは、視野レンズによってカメラのレンズ上に結像され、そのビーム経路は、半透明のミラーの平行平面板を通過し、そうして、画像忠実度を低減させる非点収差を引き起こす。これは、焦点距離の短い視野レンズが用いられる場合に常である、ビームの広がりが大きい場合に特に当てはまる。
【０００３】
照明側およびセンサ側のテレセントリック光学列のためのビームスプリッタであって、汚れの存在に起因する迷光効果を阻止するために半透明のミラーに少なくとも透明のマスキングを施すようなビームスプリッタが、米国特許４，５６１，７２２Ａに記載されている。
【０００４】
カメラおよびほぼ軸上の暗視野照明を有する原稿読み取りデバイスであって、照明およびカメラの光学列に同じテレセントリックレンズが使用されるような原稿読み取りデバイスが、日本国特許出願ＪＰ  ０８１７２５０６Ａに記載されている。このほぼ軸上の暗視野照明は、特に光沢紙上において、文字の認識を向上させる。
【０００５】
ＵＳ  ６，８７０，９４９Ｂ２およびＪＰ  ０８１７２５０６Ａに記載された、テレセントリック光学列の軸上にレンズが位置するようなカメラを有する構成は、視野レンズの光軸に沿って測定された場合の構成全体の高さが、視野レンズの焦点距離に、カメラおよびカメラレンズの全長を超える長さを加えた長さを上回る、という不利点を有する。
【０００６】
視野レンズを用いる全ての構成に共通するのは、レンズの表面にコーティングを施すことによって狭い波長範囲内でのみ最適に抑制されうる反射が、レンズの前面および背面で発生することである。色収差を補正された高価なレンズ系を用いることによってのみ部分的に回避することができる色収差が発生する。これは、表面を調査するために多色光が使用される場合に特に当てはまる。さらに、大抵の場合、テレセントリック光学列を用いる全ての構成は、調査下の表面に垂直に測定された場合の高さが望ましくないほどに大きく、これは、特に、これらの表面の付近における空間が貴重である場合に問題を発生しうる。たとえ、これらの表面と視野レンズとの間において、ビームを偏向する平面ミラーを利用した場合でも、調査下の表面に垂直に測定された場合の構成全体の寸法を適度に低減させるには、不十分であることが多いであろう。
【０００７】
以下では、添付の図面に基づいて、本発明の好ましい実施形態が説明される。
【０００８】
＜発明の概要＞
本発明によって対処される問題の１つは、拡散反射表面上または鏡面反射表面上の基本的に長方形のゾーンを光学的に検査するための少数の素子を含み、様々な波長の光のためのテレセントリック光学列を用いた、コンパクトでなおかつ製造が安価なデバイスを作成することにある。特定の好ましい実施形態では、該デバイスの高さ、特に、調査下の表面に垂直に測定された場合の高さを、可能な限り最小にすることが望ましい。具体的に言うと、「光学的に検査する」は、広義語であって、その通常の意味を有し、表面の質感および／もしくは欠陥の定性的検出、ならびに／または文字および／もしくはコード記号の認識の両方を、非限定的に含むものとする。
【０００９】
本発明の一実施形態は、焦点距離の短い非球面視野ミラーを用いて、調査下の表面から発せられる光を半透明のミラーを介して電子カメラのレンズの入射瞳上に結像させることによって、上記の問題を解決する。ここで、明視野照明の場合、関係の表面は、視野ミラーの光軸の付近において視野ミラーの焦点面内に配置された単色または多色の半導体光源によって照射されるスリガラス板の形態に構成されることが好ましい光源によって照らされる。
【００１０】
＜発明を実施するための最良の形態＞
図１Ａは、カメラ１１の光軸およびテレセントリック視野ミラー４に垂直に見た、本発明の好ましい一実施形態にしたがった光学列を図示している。図に断面を示されている視野ミラー４は、光軸５に沿って投射された、調査される表面２のゾーン３の外周を含む断面を有する。テレセントリック光学列の特殊な特徴は、視野ミラー４が、調査されるゾーン３に面する側に、平行な光線経路を得ること、したがって、光軸５に沿った視野ミラー４の投射が、いくつかの実施形態では、調査されるゾーンを含まなければならないことである。特定の好ましい実施形態において、調査されるゾーン３のテレセントリック画像は、その質感を、視野ミラー４と表面２との間の距離にかかわらず、いかなる場合も常に同じ倍率で再現する。テレセントリック結像光学系は、したがって、光計測タスクを扱うためのシステムにおける好ましい選択肢である。いくつかの実施形態では、視野ミラー４の光軸８に沿って測定された場合の全長を短くするために、テレセントリック光束の発散角を可能な限り大きく選択することが望ましい。球面光学素子を含有する光学列の場合、大きな発散角は、深刻な結像誤差を招くので、好ましい一実施形態の視野ミラー４は、非球面ミラーの形態に構成されるように定められる。視野ミラー４は、その反射表面の少なくとも１つまたは複数の部分において非球面形状を有するように研磨およびコーティングを施されたガラスから作成されることが好ましい。関係の反射コーティングは、前面反射コーティング４０または背面反射コーティング４１のいずれかでよく、ここで、「前面反射コーティング」４０は、広義語であって、その通常の意味を有し、周囲空気とミラーとの間の境界から光線を反射する反射コーティングを非限定的に含むものとし、「背面反射コーティング」４１は、広義語であり、その通常の意味を有し、ミラーのガラス体とその反射コーティングとの間の境界から光線を反射する反射コーティングを非限定的に含むものとする。前面反射コーティング４０の一例は、表面２が赤外スペクトル領域内の波長を有する光を使用して調査される場合などに用いられる凹非球面金属ミラー上で使用されるものである。
【００１１】
図１Ｂおよび図１Ｃに図示されるように、互いに直交する１対の交差表面を有するプリズム、または凹面および凸面を有するボディが示されている。ここで、後者の凸背面は、非球面であって、反射コーティングを有しており、視野ミラー４が非球面の反射性外側表面上に背面反射コーティング４１を有する場合にその視野ミラー４のサポートとして提供される。本発明の特定の実施形態に関連して、視野ミラー４は、射出成形プロセスを用いてプラスチックから作成されることも考えられる。図１Ｄでは、提供される視野ミラーは
、フレネルミラー４２の形態をとり、該フレネルミラー４２の少なくとも１つまたは複数の部分は、反射コーティングを施された非球面の表面を有する。
【００１２】
調査されるゾーン３から発せられる、視野ミラー４の光軸５に平行な光は、視野ミラー４のカメラ側光軸８に対して約４５度の角度で配置された部分透過性反射表面７を有するビームスプリッタ６によって、視野ミラー４の焦点面１０上に結像される。カメラ１１のレンズの入射瞳１３は、視野ミラー４の光軸５上にある表面２上の物点の画像が入射瞳１３の中心に結像されるように、焦点面１０内に配置される。関係のカメラ１１は、図示されていないカメラボード上に配置されたＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像取得デバイスを備えた電子カメラであることが好ましい。カメラボードは、カメラ１１を制御するための電子回路構成を、より具体的には画像取得操作および読み出し操作を制御するための回路構成を含むことが好ましい。
【００１３】
調査されるゾーン３の明視野照明のための光源２１が、視野ミラー４の焦点面２０内において、視野ミラー４の光軸８の延長線上に配置される。
【００１４】
図２は、本発明の一実施形態にしたがった構成の一実施形態を図示している。ここで、カメラ１１のレンズの光軸は、基板１の表面２に平行であり、これは、図１Ａに示された構成の実施形態と比べて、表面２に垂直に測定された場合のデバイスの全高をさらに低減させる。
【００１５】
図３は、本発明の好ましい一実施形態にしたがったコンパクトな構成の概略断面図を示している。ここで、背面反射コーティング４１を有する視野ミラーと、部分透過性反射表面７とは、１つのユニットを形成する。部分透過性反射表面７上には、ビームスプリッタ６が固定される。背面反射コーティング４１および部分透過性反射表面７の場合と同様に平坦な表面を有するガラス体４３が提供され、調査下の表面２からの光は、ガラス体４３に入るとき、または視野ミラー４の焦点面１０内に位置する図示されていないカメラへと導かれる方向に沿ってガラス体４３から出るときに、このガラス体４３の平坦な表面を通る。本発明の特定の実施形態にしたがった構成の観点からは光学素子を表していない、ガラス体４３の境界面は、遮光性の吸収コーティングを施されることが好ましい。
【００１６】
図４は、調査下の表面２の垂線に沿って見た、ガラス体４３を有する構成の上面図である。ここで、カメラの位置と照明光学列の位置とは、図３に示された構成と入れ替わっており、これは、調査下の表面２に垂直に測定された場合の構成の全長を特に小さくする。図に示されていないカメラの入射瞳は、焦点面２０内に提供され、やはり図に示されていない光源は、焦点面２０内に提供される。図４に示された構成の光学列は、光学素子、すなわち図１に示された視野ミラー４およびビームスプリッタ６を使用しても実現することが可能である。
【００１７】
図３および図４に示された構成は、例えばチリを蓄積させうるなどの環境的要因によって影響されうる表面が、背面反射コーティング４１と部分透過性反射表面７との間に存在しないなどの、特定の利点を有する。
【００１８】
図３に示されたガラス体４３は、必要に応じて、焦点面１０まで延長されてもよく、この場合は、屈折率整合性の接着剤を有する光源が、ガラス体４３の表面に直接取り付けられる。また、カメラの位置と照明光学列の位置とを入れ替えた場合は、ＣＣＤカメラチップを、屈折率整合性の接着剤を使用してガラス体４３の表面に直接取り付けることも可能である。
【００１９】
ガラス体４３、ビームスプリッタ６、または視野ミラー４など、関係のどの光学素子も
、ガラスまたはポリマーのいずれかから作成することができる。視野ミラーは、また、金属ミラーの形態で構成することもできる。
【００２０】
光源２１は、また、明視野照明を提供するため、図１に示された焦点面２０内になおかつ光軸８上に位置する点光源の形態で構成することができる。本発明の好ましい実施形態は、さらなる光源、または空間的に広がった光源が、焦点面２０内に、または焦点面２０の付近に配置されうることを定めている。焦点面２０内に位置する点光源は、関係の計測タスクおよび調査下の表面２の性質に応じて、焦点面２０の付近に位置する空間的に僅かに広がった光源で置き換えることが可能である。光度、放射光の合成色、ならびに光源２１または複数の光源からなる構成の強度および波長の空間的分布は、本明細書ではこれ以上は詳述されない照明コントローラを使用して調整されうることが定められる。
【００２１】
また、補助光源４４が、テレセントリック光束の外側において、調査下の表面２に面する側の視野ミラー上に配置されうることも定められる。その一例が、図３に示されている。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態に関する以上の説明は、本発明の基本的な新規な特徴を示し、説明し、指摘してきたが、当業者ならば、本発明の趣旨から逸脱することなく、説明された本発明の詳細の形態およびそれらの使用について、様々な省略、置き換え、および変更を加えられることが理解される。特に、本発明の好ましい実施形態は、それによって作成される物品の最終用途に適するように、その他の形状および構成で自身を表しうることがわかる。
【００２３】
本明細書の全体を通して見られる「いくつかの実施形態」または「一実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が、少なくともいくつかの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体を通して各所で見られる「いくつかの実施形態」または「一実施形態」という表現は、必ずしも同一の実施形態に言及しているとは限らず、１つまたは複数の同じまたは異なる実施形態を指すことも可能である。さらに、当業者ならば、この開示内容から明らかであるように、１つまたは複数の実施形態では、これらの特定の特徴、構造、または特性を任意の適切なかたちで組み合わせることが可能である。また、特定の好ましい実施形態および実施例を例示する文脈で説明されているが、当業者ならば、開示内容が、具体的に説明された実施形態の範囲を超えて、その他の代替の実施形態および／または用途、ならびに自明の変更形態および等価形態をも網羅することが理解される。したがって、添付の特許請求の範囲は、上述された具体的な実施形態に限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】カメラレンズの光軸および視野ミラーに垂直に見た、本発明の好ましい一実施形態の光学列の説明図である。
【図１Ｂ】プリズムを含む、好ましい一実施形態の背面視野ミラーの概略図である。
【図１Ｃ】好ましい一実施形態の背面視野ミラーの概略図である。
【図１Ｄ】フレネル表面形状を有する、好ましい一実施形態の背面視野ミラーの概略図である。
【図２】視野ミラーの光軸（５）に沿って見た、本発明の好ましい一実施形態にしたがったデバイスの概略図である。
【図３】ガラス体を有する、本発明の好ましい一実施形態にしたがったデバイスの概略断面図である。
【図４】ガラス体を有する、本発明の好ましい一実施形態にしたがったデバイスの上面図である。
【図１Ａ】
2009025288.tif 000003
【図１Ｂ】
2009025288.tif 000004
【図１Ｃ】
2009025288.tif 000005
【図１Ｄ】
2009025288.tif 000006
【図２】
2009025288.tif 000007
【図３】
2009025288.tif 000008
【図４】
2009025288.tif 000009
【外国語明細書】
2009025288000001.pdf