JP2004264063A

JP2004264063A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2004264063A
Application number: JP2003042783A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Asahi; 広明旭; Kazunori Kawasaki; 和憲川崎
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-09-24
Also published as: DE112004000299T5; US7456859B2; US20060177147A1; CN1751221A; WO2004074768A1

Abstract

【課題】試料が高温で白熱した場合であったとしても試料のコントラストを得られるようにし、加えて、複雑な形状をなす試料の浮遊制御に必要な位置情報を出力して、複雑な形状をなす試料が球状に変化する瞬間を視覚的に特定することができるようにする。
【解決手段】テレセントリックレンズ５を具備して静電浮遊炉１０の内部の中心において浮遊する試料Ａを撮影するＣＭＯＳカメラ２と、試料Ａを間にしてＣＭＯＳカメラ２とは反対側に位置する波長が４００〜４５０ｎｍの光を試料Ａに向けて照射するメタルハライド光源３と、ＣＭＯＳカメラ２で捕えた画像について輪郭を強調する画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料Ａの重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサ４を備え、ＣＭＯＳカメラ２に、ブルーフィルタ５を装着した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電浮遊炉によって試料を加熱処理するに際して、浮遊状態にした試料の位置を認識しつつ試料が溶融する瞬間を判断するのに用いられる撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記の静電浮遊炉は、主電極間に投入した試料を電極接触、紫外線照射あるいは加熱により帯電させた後、主電極間で発生する電場によって試料を浮遊状態にし、この際、主電極間や補助電極間の電位をコントロールすることで試料を所定の位置に維持し、この試料にレーザ光を照射して加熱溶融する。このように加熱溶融させた試料を冷却凝固させることにより、外的干渉を排除した状態で結晶を生成することができる。
【０００３】
上記静電浮遊炉による結晶生成の間、試料の揺れをなくす、ないしはできる限り少なく抑えるように試料の浮遊を制御することが品質の向上を図るうえで必要であり、このような試料の浮遊制御を行うためには、試料の位置を正確に認識することが重要である。
【０００４】
従来において、試料の位置を認識する手段としては、例えば、背景光としてレーザ光を用い、ほぼ球状に成形された試料に遮られる部分以外の輝点のなかでもっとも高い輝点、又は輝点の統計的中心をフォトセンサによって検出して、位置情報を出力する位置認識法や、この手法と同じく背景光としてレーザ光を用い、ＣＣＤカメラで写した試料の画像を処理することで重心位置を算出して、位置情報として出力する位置認識法があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来にあっては、前者の位置認識法の場合、試料の重心位置を算出していないため、球状をなす試料以外の試料に対しては位置認識精度がよいとは言えず、その結果、試料の浮遊制御がかなり困難になったり不可能になったりしてしまうという問題があった。
【０００６】
一方、後者の位置認識法の場合、試料の重心位置は算出するものの、画像処理に時間がかかって浮遊制御に必要なサンプル速度を確保することができず、極希にしか用いることができないという問題を有していた。
【０００７】
また、背景光としてハロゲンランプを用いると、試料が高温で白熱した場合に試料のコントラストを得ることが不可能であるため（図３参照）、後者の位置認識法では背景光にレーザ光を採用しているが、ＣＣＤカメラを用いている都合上、カメラレンズによるレーザ光の干渉といった問題があった。
【０００８】
さらに、上記した位置認識法において、試料の温度を放射温度計で計測することで試料が溶融した瞬間を判断するようにしていたため、常に放射率の補正が必要であり、溶融時期の特定を正確に行い得るとは言い難いという問題もあり、これらの問題を解決することが従来の課題であった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目して成されたものであって、試料が高温で白熱した場合であったとしても試料のコントラストを得ることができ、加えて、球状をなす試料はもとより複雑な形状をなす試料の浮遊制御に必要な位置情報をリアルタイムで出力することが可能であり、その結果、複雑な形状をなす試料が球状に変化する瞬間を視覚的に特定することができる、すなわち、試料が溶融する瞬間を視覚的に判断することができる撮像装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の撮像装置は、静電浮遊炉内において浮遊状態で加熱処理される試料をモニタして位置情報を出力する撮像装置であって、テレセントリックレンズを具備して試料を撮影するＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラと、試料を間にして上記ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラとは反対側に位置して波長が４００〜６００ｎｍの光を試料に照射する背景光源と、輪郭強調の画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料の重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサを備えている構成としており、この撮像装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
また、本発明の請求項２の撮像装置は、波長が４００〜４５０ｎｍの光を照射するメタルハライド光源を背景光源に用いた構成とし、本発明の請求項３の撮像装置は、ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラのテレセントリックレンズに分光特性を変えるカラーフィルタを装着した構成としている。
【００１２】
本発明の撮像装置を用いて静電浮遊炉内で加熱処理される試料をモニタする場合、２組の撮像装置の各ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラを互いに直交するように配置して撮影することが望ましい。また、試料のコントラストを強調するために、背景光源から照射される光を試料に集中させる集光用のレンズを背景光源と試料との間に設けることが望ましい。
【００１３】
【発明の作用】
本発明の請求項１の撮像装置では、静電浮遊炉によって試料を加熱処理する場合において、浮遊状態にした試料に背景光源から光を試料に照射して、これにより浮かび上がる試料のコントラストをＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラで捕え、その画像から重心位置を算出して位置情報として出力する。
【００１４】
この際、試料を撮影するＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラがテレセントリックレンズを具備しているので、像の倍率変化に起因する像の寸法誤差を補正し得ることとなり、すなわち、試料が光軸上で多少移動したとしても、試料の大きさ及び基準との相対距離が変化しないこととなり、その結果、正確な位置情報が得られることとなる。
【００１５】
また、背景光源からは波長が４００〜６００ｎｍの光を照射するようにしているので、試料が高温で白熱した場合でも試料のコントラストが得られることとなり、加えて、試料の取得画像についてデジタルシグナルプロセッサが輪郭を強調する画像処理をリアルタイムで実施して、浮遊制御に必要な重心位置を出力するので、複雑な形状をなす試料の浮遊溶融が可能となり、したがって、浮遊状態にある複雑な形状をなす試料が球状に変化する瞬間を視覚的に判定し得ることとなる。
【００１６】
本発明の請求項２の撮像装置では、上記した構成としているので、ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラのレンズ間における光の干渉の発生を回避し得ることとなり、取得画像がより一層鮮明なものとなり、本発明の請求項３の撮像装置では、上記した構成としたから、試料のコントラストがより一層確実に得られることとなる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の請求項１の撮像装置によれば、上記した構成としていることから、静電浮遊炉によって試料を加熱処理する場合において、試料が高温で白熱してもそのコントラストを得ることができると共に、浮遊制御に必要な重心位置を正確且つ高速に出力することができ、その結果、浮遊状態にある複雑な形状をなす試料が球状に変化する瞬間を視覚的に判断することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１８】
本発明の請求項２の撮像装置では、上記した構成としているので、ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラによる取得画像をより一層鮮明なものとすることができ、本発明の請求項３の撮像装置では、試料のコントラストをより一層確実に得ることが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１９】
【実施例】
以下、図面に基づいて、本発明の撮像装置の一実施例を説明する。なお、本発明の撮像装置は、その詳細な構成が以下の実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００２０】
図１に簡略的に示すように、静電浮遊炉１０は、その内部が略円柱状空間をなすものであって、その中心を試料Ａの浮遊位置としている。この静電浮遊炉１０は、その周壁に図示しないアクセス用ポートを複数具備しており、これらのアクセス用ポートの配置に対応して開口部１１を具備している。
【００２１】
上記静電浮遊炉１０内において浮遊状態で加熱処理される試料Ａをモニタして位置情報を出力する撮像装置１は、静電浮遊炉１０の上記開口部１１近傍のアクセス用ポートに取り付けられて静電浮遊炉１０の内部の中心において浮遊する試料Ａを撮影するＣＭＯＳカメラ２と、試料Ａを間にしてＣＭＯＳカメラ２とは反対側に位置するアクセス用ポートに取り付けられて波長が４００〜４５０ｎｍの光（図２参照）を試料Ａに向けて照射する背景光源としてのメタルハライド光源３と、ＣＭＯＳカメラ２で捕えた画像について輪郭を強調する画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料Ａの重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）４を備えている。
【００２２】
上記ＣＭＯＳカメラ２は、テレセントリックレンズ５を具備しており、このテレセントリックレンズ５には、分光特性を変えるブルーフィルタ（カラーフィルタ）６が装着してある。一方、メタルハライド光源３と開口部１１との間には、メタルハライド光源３から照射される光を試料Ａに集中させる集光用のレンズ７が設けてある。
【００２３】
この実施例において、上記撮像装置１を２組用意し、一方の撮像装置１のＣＭＯＳカメラ２及びメタルハライド光源３を結ぶ光軸Ｌ１と、他方の撮像装置１のＣＭＯＳカメラ２及びメタルハライド光源３を結ぶ光軸Ｌ２とが互いに直交するようにして両装置１，１を配置している。
【００２４】
上記した静電浮遊炉１０によって試料Ａを加熱処理する場合において、浮遊状態にした試料Ａに撮像装置１，１の各メタルハライド光源３，３から光を交互に試料Ａに照射して、これにより浮かび上がる試料ＡのコントラストをＣＭＯＳカメラ２，２で捕え、これらの画像から重心位置を算出して位置情報として出力する。
【００２５】
このとき、試料を撮影するＣＭＯＳカメラ２がテレセントリックレンズ５を具備しているので、試料Ａが光軸Ｌ１上（或いは光軸Ｌ２上）で多少移動したとしても、試料Ａの大きさ及び基準との相対距離が変化しないこととなり、その結果、正確な位置情報が得られることとなる。
【００２６】
また、背景光源としてのメタルハライド光源３からは波長が４００〜４５０ｎｍの光が照射されることから、試料Ａが高温（２５００Ｋ前後）で白熱した場合でも試料Ａのコントラストが得られることとなり、加えて、試料Ａの取得画像についてデジタルシグナルプロセッサ４が輪郭を強調する画像処理をサンプリング間隔０．５〜１ｍｓｅｃ（望ましくはそれ以下）で実施して、浮遊制御に必要な重心位置を出力するので、複雑な形状をなす試料Ａの浮遊溶融が可能となり、したがって、浮遊状態にある複雑な形状をなす試料が球状に変化する瞬間を視覚的に判定し得ることとなる。
【００２７】
また、上記した撮像装置１では、メタルハライド光源３を背景光源として採用しているため、ＣＭＯＳカメラ２のレンズ間において光の干渉が生じるのを阻止し得ることとなって、取得画像がより一層鮮明なものとなり、さらに、上記した撮像装置１では、ＣＭＯＳカメラ２に、分光特性を変えるブルーフィルタ（カラーフィルタ）５を装着していると共に、メタルハライド光源３と開口部１１との間に、集光用のレンズ７を設けているので、試料Ａのコントラストがより一層確実に得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図２】図１における撮像装置に用いた背景光源としてのメタルハライドの分光分布特性を示すグラフである。
【図３】ハロゲンランプの分光分布特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１撮像装置
２ＣＭＯＳカメラ
３メタルハライド光源（背景光源）
４デジタルシグナルプロセッサ
５テレセントリックレンズ
６ブルーフィルタ（カラーフィルタ）
１０静電浮遊炉
Ａ試料

Claims

静電浮遊炉内において浮遊状態で加熱処理される試料をモニタして位置情報を出力する撮像装置であって、テレセントリックレンズを具備して試料を撮影するＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラと、試料を間にして上記ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラとは反対側に位置して波長が４００〜６００ｎｍの光を試料に照射する背景光源と、輪郭強調の画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料の重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサを備えていることを特徴とする撮像装置。
波長が４００〜４５０ｎｍの光を照射するメタルハライド光源を背景光源に用いた請求項１に記載の撮像装置。
ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラのテレセントリックレンズに分光特性を変えるカラーフィルタを装着した請求項１または２に記載の撮像装置。