(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、第一の対物レンズと、前記第一の対物レンズよりも焦点距離が短く且つ開口数が大きい第二の対物レンズと、前記第一の対物レンズおよび前記第二の対物レンズと前記撮像装置との間に設けられて、前記撮像装置への結像倍率を変更するズーム光学系とを備えることを特徴とする画像検査・測定装置。
【請求項２】
被検査物を光学系を介して撮像して得られた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、第一の光学系と第二の光学系とを有し、
前記第一の光学系は、第一の対物レンズと、前記第一の対物レンズと第一の撮像装置との間に設けられて前記第一の撮像装置上への結像倍率を変更する第一のズーム光学系とを備え、
前記第二の光学系は、前記第一の対物レンズよりも焦点距離が短く且つ開口数が大きい第二の対物レンズと、前記第二の対物レンズと第二の撮像装置との間に設けられて、前記第二の撮像装置上への結像倍率を変更する第二のズーム光学系とを備えると共に、
前記第一のズーム光学系の変倍レンズと前記第二のズーム光学系の変倍レンズとが同一の駆動機構によって駆動され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または２において、
前記第二の対物レンズと第二のズーム光学系との間に、前記第二の光学系の物体側焦点面を前記第一の光学系の物体側焦点面とほぼ同一面とするリレーレンズを更に備えたことを特徴とする画像検査・測定装置。
【請求項４】
請求項１、２または３において、
前記被検査物を載置し水平方向に移動自在なステージを更に有し、
倍率入力装置から入力された倍率に応じて、前記ステージに載置された被検査物の所定の位置を前記第一の光学系または前記第二の光学系に対向する位置に移動させることを特徴とする画像検査・測定装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記被検査物の所定の位置を前記第一の光学系に対向する位置と、前記第二の光学系に対向する位置との間で移動させる時、前記撮像した画像を表示した表示画面内でのステージ座標値を前記移動の量だけ変換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、その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られた被検査物を、光学系を介して撮像装置に投影し、その投影像を光電変換して得られた画像信号を利用して被検査物の表面の検査や測定などを行う画像検査・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、様々な形状、大きさの被検査物に対応することができる様に、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、被検査物の全体を検査・測定すると共に、その一部分を拡大して高精度に検査または測定する為には、できるだけ広い視野、即ち低い倍率で被検査物を投影することができると共に、できるだけ高い解像度、即ち高い倍率で被検査物を投影することができる光学系が必要である。その為に、ズーム光学系やレボルバ若しくはターレットにより対物レンズを切り替えることができる変倍光学系がその光学系に利用される。その場合、対物レンズ切り替え方式で得られる倍率の種類は、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ことがある。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る。
【０００４】
図４は、かかるズーム光学系の一般的な構成図である。このズーム光学系は、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の下側に、対物レンズ３１が設けられる。被検査物３２からの光束が、対物レンズ３１により平行光にされて、その平行光がハーフミラー４３を通過してズーム光学系３３に入射する。そして、ズーム光学系３３の上側のレンズ４０から再度平行光になって、結像レンズ３４により撮像面３５に被検査物が投影される。
【０００５】
ズーム光学系３３では、例えば、ズーム変倍のために変倍レンズ７０、８０を納めたレンズ室３６、３７が光軸方向に駆動される。３８ａ、３８ｂはそれらのレンズ室３６、３７を駆動するときの移動案内機構であり、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光軸方向に移動する。４２は、被検査物に対する落射照明用の光源であり、その光がハーフレンズ４３により反射されて被検査物３２に照射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のズーム光学系において、実用的にはそのズーム変倍比はせいぜい数倍から１０倍程度が限界である。ズーム光学系における対物レンズは、高い倍率で高い分解能と明るい像を得るために短い焦点距離で開口数が大きいことが望ましい一方、低い倍率で広い視野を確保するために長い焦点距離であることが望ましい、という相反する条件を共通の対物レンズで実現しなければならないことが前記限界の理由である。
【０００７】
ところが、実際の測定あるいは検査では、低倍率で広い視野にして被検査物の初期位置決めや全体としての検査を行い、その後、高倍率で高い解像度にしてより高精度のあるいは細部の検査、測定をすることが必要である。そして、実際的な面からこのズーム変倍比は１００倍程度が望まれている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、変倍比が従来よりも大きく、最適の倍率を得ることができる光学系を有する画像検査・測定装置を提供することにある。
【０００９】
更に、本発明の別の目的は、倍率変更に伴う補正作業の必要がなく１または最小とすることができ実質的に変倍比を大きくしたズーム光学系を有する画像検査・測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する為に、本発明は、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、第一の対物レンズと、前記第一の対物レンズよりも焦点距離が短く且つ開口数が大きい第二の対物レンズと、前記第一の対物レンズおよび前記第二の対物レンズと前記撮像装置との間に設けられて、前記撮像装置への結像倍率を変更するズーム光学系とを備えることを特徴とする。
【００１１】
低倍率側に最適の焦点距離と開口数を有する第一の対物レンズを低倍率専用に使用し、高倍率に最適のより短い焦点距離と大きい開口数を有する第二の対物レンズを高倍率専用に使用することで、実質的により広いズーム変倍の範囲を実現することができる。
【００１２】
更に、別の発明では、被検査物を光学系を介して撮像して得られた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、第一の光学系と第二の光学系とを有し、
前記第一の光学系は、第一の対物レンズと、前記第一の対物レンズと第一の撮像装置との間に設けられて前記第一の撮像装置上への結像倍率を変更する第一のズーム光学系とを備え、
前記第二の光学系は、前記第一の対物レンズよりも焦点距離が短く且つ開口数が大きい第二の対物レンズと、前記第二の対物レンズと第二の撮像装置との間に設けられて、前記第二の撮像装置上への結像倍率を変更する第二のズーム光学系とを備えると共に、
前記第一のズーム光学系の変倍レンズと前記第二のズーム光学系の変倍レンズとが同一の駆動機構によって駆動されることを特徴とする。
【００１３】
低倍率側の光学系と高倍率側の光学系とが、それぞれ対物レンズとズーム光学系とを有し、対物レンズの焦点距離と開口数が低倍率と高倍率に最適な値に設計され、それぞれのズーム光学系を共通の駆動機構により駆動することで、その構成を簡略化することができる。また、両光学系の各々の変倍範囲にまたがる倍率変動時は、被検査物の位置をそれぞれの対物レンズの合焦点位置に移動させるだけでよくスムーズに行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に従って説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲がその実施の形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態例である画像検査・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併設したズーム光学系５３を有する鏡筒５２が、本体支持部６３に取り付けられる。そして、本体支持部６３は図示しない上下駆動機構により上下方向に移動し主に焦点合わせが行われる。図示しない被検査物は、互いに直角をなす水平方向であるＸ軸とＹ軸方向に移動可能なステージ５１のステージ面５０上に置かれる。そして、ステージ５１には図示しない水平駆動機構が設けられ、被測定物の検査もしくは測定すべき位置の、所定のズーム光学系の視野内への移動と、上記２つのズーム光学系間での移動が行われる。
【００１６】
上下駆動機構および水平駆動機構は、図示しないが、駆動機構、案内機構および位置読みとり機構をそれぞれ有する。それらの駆動機構は、制御側のＣＮＣ駆動部および位置座標読み取り部６２により制御される。
【００１７】
鏡筒５２は、２つのズーム光学系に対してそれぞれ対物レンズ収納部５４、５５を有する。低倍率側の対物レンズ収納部５４は、高倍率側の対物レンズ収納部５５よりも高い位置にある。低倍率側の対物レンズは長い焦点距離を有し、一方高倍率側の対物レンズは短い焦点距離を有するので、図示した位置関係にすることで、両ズーム光学系の合焦位置がほぼステージ面５０に一致する様に構成される。
【００１８】
鏡筒５２内のそれぞれのズーム光学系の上端には、撮像装置５６、５７が設けられる。それぞれ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。この画像処理部６０にはモニタ６４が接続され、画像信号にしたがって画像が表示される。また、補正演算・操作部６１は、主に２つのズーム光学系の間で被測定物が移動した時のモニタ画面内でのステージ座標の変換補正を行う。また、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を入力し、その操作命令に従う制御信号を画像処理部６０及びＣＮＣ駆動部および位置座標読み取り部６２に与える。更に、ズーム光学系内での倍率変更に伴う補正演算も行われる。これらについては、後に詳述する。
【００１９】
図２は、上記鏡筒５２の詳細構成図である。この鏡筒５２には、高倍率側の光学系１０と低倍率側の光学系２０とが併設されている。高倍率側の光学系１０には、短い焦点距離で大きい開口数（ＮＡ）を有する対物レンズ１１が、対物レンズ収納部５５内に設けられる。この対物レンズ１１は、したがって、高倍率で高解像度の検査・測定に適する。一方、低倍率側の光学系２０には、低倍率、広い視野の観察に適する長い焦点距離の対物レンズ２１が、対物レンズ収納部５４に設けられる。それぞれの対物レンズ１１，２１は、それぞれの焦点距離に応じた位置に設けられて、それぞれの合焦点位置１２，２２はほぼ同一の高さに位置する。かかる構成にする為に、高倍率側の光学系１０には、リレーレンズ４６が挿入される。合焦点位置をそろえることにより、低倍率側の光学系２０と高倍率側の光学系１０との間での倍率切り替えを、単にその間の距離Ｌに応じたステージの移動だけで行うことができ、切り替え後の合焦操作が不要またはわずかで済むので、各ズーム光学系の有する倍率領域を超えた倍率変更時の操作性を損なうことがない。
【００２０】
高倍率側の光学系１０と低倍率側の光学系２０とは、同一の構成のズーム光学系１３、２３をそれぞれ有する。ズーム光学系１３には、例えばレンズ１４１と１４２との間に垂直方向に移動する変倍レンズ７１、８１を有する。また、低倍率側のズーム光学系２３にも、例えばレンズ２４１と２４２との間に垂直方向に移動する変倍レンズ７２、８２を有する。そして、変倍レンズ７１および７２は同じレンズ室７に、変倍レンズ８１および８２も同じレンズ室８にそれぞれ収納される。
【００２１】
そして、それらのレンズ室７および８は、共通の位置決め駆動機構９と共通の移動案内機構６ａ、６ｂによりＣＮＣ駆動部６２からの駆動信号により所定の位置関係になるように駆動される。したがって、高倍率側と低倍率側とのズーム光学系１３、２３は、駆動信号により同様に駆動されて同一のズーム倍率に制御される。そして、そのズーム倍率とそれぞれの対物レンズ１１、２１の倍率とからそれぞれの光学系１０、２０の倍率が決まる。
【００２２】
それぞれのズーム光学系１３、２３の上側に設けられた結像レンズ１４、２４を介して、それぞれの光学系を通ってきた光束が、それぞれ撮像装置５６、５７のＣＣＤ素子等の撮像面１５、２５に投影される。
【００２３】
図２に示した実施の形態例では、ズーム光学系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。そして、移動案内機構６ａ、６ｂは、ズーミング時のレンズ室７、８の駆動に伴って光軸ずれが十分抑えられるように、機械的なガタやヒステリシスが極めて少ない機構で構成される。例えば、予圧型の有限軌道ボールレースまたはコロレース等が用いられる。位置決め駆動機構９も、ズーミング時の駆動に対して倍率の再現性を確保する為に、同様に、機械的なガタやヒステリシスが極めて少ない、例えば予圧型の駆動機構、位置決め機構が用いられる。
【００２４】
垂直落射照明は、共通光源４２からの光が、ハーフミラー４３、４４でそれぞれ反射されて、それぞれ対物レンズ１１、２１を介して被検査物に照射されることで行われる。
【００２５】
本実施の形態例では、例えば、ズーム光学系１３、２３の変倍比が１０倍程度とすると、低倍率側の光学系２０の変倍範囲を０．５〜５倍程度にし、高倍率側の光学系１０の変倍範囲を５〜５０倍程度にすると、２つの光学系を利用すると、全体で０．５〜５０倍の変倍範囲となり、変倍比は１００程度になる。
【００２６】
更に別の例として、低倍率側の光学系２０と高倍率側の光学系１０とで変倍範囲を一部重複するように設定することで、両光学系間の変倍範囲の境界部分での操作性を高めることができる。例えば、低倍率側の光学系２０が０．５〜５倍で、高倍率側の光学系１０が４〜４０倍などである。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、主に対物レンズ１１、２１の焦点距離ｆを適宜選択することで行われる。
【００２７】
しかも、低倍率側と高倍率側とでそれぞれ最適な対物レンズ１１、２１を設けているので、広い変倍範囲にわたり、明るく高い解像度の画像を撮像面に投影することができる。
【００２８】
ズーム光学系において、位置決め駆動機構９と移動案内機構６ａ、６ｂを利用することにより、種々の補正が必要である。一般的には、ズーミングによる倍率の補正、光軸ずれによる座標の補正が必要となる。即ち、ズーミングに伴いレンズ室７、８を駆動して所定位置に移動させることで、それぞれの倍率に変更される。しかしながら、駆動機構や案内機構による位置ずれにより所望の倍率の位置に対してわずかなずれを生じる。そこで、例えば、任意の数の倍率毎に、基準パターンを有する被検査物を利用して予め駆動位置に対応する倍率の補正テーブルを作成したり、設定倍率になる駆動位置の補正テーブルを作成する。実際の被検査物を検査または測定する時には、その補正テーブルを参照して倍率補正または駆動位置の補正を行う。
【００２９】
また、光軸ずれによる座標の補正は、レンズ室の駆動に伴い、それぞれの光学系１０、２０における変倍レンズ７１、８１及び７２、８２の光軸がずれることで、ＣＣＤ等の撮像素子上の投影像の位置が倍率毎に若干異なることから必要になる。そこで、上記と同様に、基準パターンを有する被検査物を利用して、予め任意の数の倍率毎に、その座標位置の補正テーブルを作成しておく。そして、実際の検査あるいは測定時に、その座標補正テーブルを利用する。
【００３０】
一般に、モニタ画面内での任意の位置が確定すると、ステージ座標（Ｘｓ、Ｙｓ）と画面内の座標（Ｘｍ、Ｙｍ）から、その位置の座標（Ｘｏ、Ｙｏ）は、倍率がＢとすると、
（Ｘｏ、Ｙｏ）＝（Ｘｓ、Ｙｓ）＋（Ｘｍ＋Δｘ、Ｙｍ＋Δｙ）／（Ｂ＋ΔＢ）となる。ΔＢは上記した駆動位置ずれによる倍率の補正値であり、（Δｘ、Δｙ）は光軸ずれによる座標の補正値である。
【００３１】
本発明の実施の形態例では、倍率範囲を拡大する為に、高倍率側の光学系２０と低倍率側の光学系１０とを併設した。したがって、実際の検査あるいは測定時には、両光学系１０、２０の間で被検査物を移動させることが必要になる。その場合は、ステージ５１を両ズーム光学系間の距離Ｌだけ移動させる。その場合は、例えば、ステージ５１の位置は距離Ｌだけ異なるが、検査あるいは測定における被検査物の座標は同じ値になる様にＣＮＣ駆動部および位置座標読み取り部６２で補正される。
【００３２】
例えば、図１の操作部６１に設けられる倍率入力装置６１ａから倍率が入力されると、その倍率に対応するズーム光学系に対向する位置に被検査物の対象部分を移動させることが必要になる。両ズーム光学系間の移動がＸ軸方向の距離Ｌの移動とすると、その距離Ｌの移動に伴い、上記の式におけるステージ座標（Ｘｓ、Ｙｓ）は、（Ｘｓ±Ｌ、Ｙｓ）の如く変換される。
【００３３】
図３は、本発明の他の実施の形態例の鏡筒の詳細構成図である。この例では、ズーム光学系１３を高倍率側１０と低倍率側２０に共通に設けている。そして、それぞれの対物レンズ１１、２１からの光の一方が選択されて共通のズーム光学系１３に入射する。図３は、低倍率側の対物レンズ２１からの光が選択された状態を示している。対物レンズ２１からの光がミラー４４、４３で反射されて、ズーム光学系１３に入射する。高倍率側の対物レンズ１１からの光は、ミラー４３に遮られてズーム光学系１３に入射しない。高倍率側の対物レンズ１１からの光が選択されたときは、図示しない駆動装置によりミラー４３が紙面に垂直方向に退避して高倍率側の対物レンズ１１からの光が直接ズーム光学系１３に入射する。低倍率側の対物レンズ２１からの光は、ミラー４４で反射された後直進するので、ズーム光学系１３に入射しない。尚、選択されなかった側の光は、適宜、図示しないシャッタで遮光し、迷光がズーム光学系１３に入射しないようにすることが好ましい。この例では、ズーム光学系を共通に設けることにより、コストを下げることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、実質的に数十倍から１００倍以上の大きなズーム変倍比を得ることができる。したがって、画像検査・測定装置の操作工程において、初期の位置決めや検出箇所を探す時は、より広い視野を実現する低い倍率で被検査物を捉え、検査あるいは測定を行う時には、より高い倍率でしかも高い解像度（精度）で被検査物を捉えることができる。それにより、検査あるいは測定の作業性を大幅に向上させるとともに、精度を上げることができる。
【００３５】
更に、高倍率側と低倍率側とでその対物レンズの位置を、合焦点位置が一致する様に設定することで、高倍率側の光学系と低倍率側の光学系の間の移動に伴い、それぞれ焦点合わせの作業を必要とせず、操作性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例である画像検査・測定装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態例である鏡筒の詳細構成図である。
【図３】本発明の他の実施の形態例の鏡筒の詳細構成図である。
【図４】ズーム光学系の一般的な構成図である。
【符号の説明】
６ａ、６ｂ、９    駆動機構
１０              高倍率側の光学系
１１              対物レンズ
１３              高倍率側のズーム光学系
２０              低倍率側の光学系
２１              対物レンズ
２３              低倍率側のズーム光学系
【図１】
0003750259.tif 000002
【図２】
0003750259.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003750259.tif 000005