JP2005300302A - 照明装置および読み取り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】読み取り用の貫通開口部が設けられ、従来品よりも小型・軽量であり、部品点数が少なく、組み立て・調整が容易で、製造コストを低く抑えることができる照明装置、およびこの照明装置を用い視認性に優れた読み取り装置を提供する。
【解決の手段】中央部に貫通孔を有しかつ一方の面に発光素子を配置した基板と、導光拡散体と、中央部に貫通孔を有しかつ貫通孔外縁部に前記導光拡散体を載置するための凹部を設けた支持枠と、からなる読み取り用貫通開口部を設けた照明装置であって、前記基板と前記支持枠とは、前記発光素子と前記支持枠の凹部に載置される前記導光拡散体とが対向配置されるよう密着されてなる照明装置およびこの照明装置を用いた読み取り装置を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は対象物を照明する照明装置および対象物に関する情報を読み取る読み取り装置に関する。

自動化学分析装置、製品の表面検査装置、電子部品実装装置などにおいて、検査対象物の状態をビデオカメラで観察したり、自動搬送される構成部品に表示された記号を識別するために、照明装置と撮像手段とを備えた読み取り装置や記号識別装置が用いられている。

特許文献１には、生体試料中の特定成分を分析するための自動化学分析装置において、特定の試薬容器のシール箔上に表示された記号を識別するための記号識別装置が記載されている。シール箔を覆うように構成された中心孔を有するドーム型ないし円柱型で例えば乳白色のプラスチック製の光拡散体と、この光拡散体の外側の下端面から１０ｍｍと２０ｍｍの高さに等間隔に置いた各５個の発光ダイオードとからなるシール箔照明装置が例示されている。上記の中心孔の上方にビデオカメラを置いて、シール箔上に表示された記号を識別することにより、それ以降の自動化学分析の手順が決められる。しかしながら、特許文献１には、光源と光拡散体の具体的な位置関係や組み立て方法が開示されておらず、組み立て・調整に困難が予想される。また、乳白色のプラスチック製ドーム型光拡散体のかさ高さと製造コストが懸念される。

特許文献２には、製品の表面検査のために中心孔を通じて製品を目視または撮影できるようにした照明装置が記載されている。中心孔を有し、発光面および導光面を設けてなる回転体形状をなす透明体と、この透明体の導光面の凹部に環状に一つずつ埋め込んだ複数のＬＥＤとからなる照明装置が例示されている。また、その透明体の導光面および発光面以外の面に反射層を塗着することにより照明光度を増加させることや、ＬＥＤと透明体の隙間を透明シリコンによって充填することによりＬＥＤ周辺の光の拡散作用を良好にすることが記載されている。しかしながら、特許文献２は、照明装置を薄型にできるという利点を有するが、回転形状をなす透明体にＬＥＤを埋め込む凹部を形成する必要があり、また、ＬＥＤと透明体の隙間を透明シリコンによって充填する手間がかかる。

特許文献３には、特許文献２と同様に製品の外観検査のために中心開口を通じて製品を目視または撮影できるようにした照明装置が記載されている。中央開口を包囲するように多数の発光体を環状に配列した発光体の複数列と、それぞれの発光体列に対応した環状の透明体層の複数を積層したものとからなり、透明体層の光射出面を、検査対象を取り囲むように形成した照明装置が例示されている。また、透明体層の積層面を反射層で形成することにより光の減衰を抑制することや、各発光体列の光量を独立に調節可能とすることにより立体対象物の検査を確実にすることが記載されている。しかしながら、特許文献３は、いろいろな形状の立体対象物を確実に検査するためには、優れた機能を有すると認められるが、環状の透明体層を複数積層したり、各発光体列の光量を独立に調節するというのでは、製造コストがかかりすぎる。検出対象物の形があまり変化しないものや、平面上に表示された記号を識別するなど一定の目的に使用する場合は、もっと構造が簡単で合目的的な照明装置が求められる。

特許文献４には、電子部品実装装置などにおいて回路基板上のマークや電子部品を正確に認識するための照明装置・認識装置が記載されている。検出用の貫通孔を有するケースに貫通孔を有する固定板を設け、この固定板に環状に配置された光源と、同じケースに固定され、光源と検出対象物との間に位置する貫通孔を有する拡散板とからなる照明装置が例示されている。また、いろいろな表面状態や形状の検出対象物を認識するために、拡散板を通る拡散光だけでなく、指向性光を検出対象物に供給するために環状の反射板をケースの上部内面に設けることが記載されている。しかしながら、特許文献４は、指向性光の反射光を検出対象物に供給するために、ケースに一定の空間的余裕を確保する必要があり、装置のかさ高さにつながる。また、拡散光だけを利用しようとする場合は、光の分散による光量不足が懸念される。

要するに、上述した照明装置の共通点は、検出用の貫通孔を設け、光源および拡散体を主要な構成要素とし、光量を有効に利用するために反射体を適宜設けるということである。

特許２８８１８２６号公報

特許３１１８５０３号公報 特開２００２−２１４１４３号公報 特開２００４−６９６１２号公報

本発明の目的は、読み取り用の貫通開口部が設けられ、従来品よりも小型・軽量であり、部品点数が少なく、組み立て・調整が容易で、製造コストを低く抑えることができる照明装置、およびこの照明装置を用い視認性に優れた読み取り装置を提供することにある。

本願発明者らは、上記目的を達成するため、光源、拡散体および反射体に関して鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、中央部に貫通孔を有しかつ一方の面に発光素子を配置した基板と、導光拡散体と、中央部に貫通孔を有しかつ貫通孔外縁部に前記導光拡散体を載置するための凹部を設けた支持枠と、からなる読み取り用貫通開口部を設けた照明装置であって、前記基板と前記支持枠とは、前記発光素子と前記支持枠の凹部に載置される前記導光拡散体とが対向配置されるよう密着されてなる照明装置である。

また本発明は、このような照明装置と、当該照明装置で照明される対象物を前記貫通開口部を介して撮像する撮像手段と、を備えた読み取り装置であって、前記導光拡散体から発し前記対象物で反射された鏡面反射光成分が前記撮像装置の視野の外を通過するように、前記照明装置と前記撮像手段とが配置された、あるいは前記照明装置の支持枠の貫通孔の径を前記導光拡散体の内側の径よりも小さく形成した読み取り装置である。以下本発明を詳細に説明する。

本発明においては、中央部に貫通孔を有する基板であって、かつ、基板の一方の面に光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）チップなどの発光素子を本発明の目的を逸脱しない範囲で任意の位置に配置した基板を採用した。また、この発光素子に電気を供給するため、基板には配線が施されたプリント基板であることが好ましい。基板上に実装された発光素子は、光源の小型化・軽量化・薄型化に有利である。また、製品の製造再現性を高め、組み立て工程を簡素化する。

基板に設けられる貫通孔の大きさ、または支持枠の貫通孔の大きさにより、一度に観察または撮影される検査対象物の範囲が決定される。ただし、光源である発光素子を基板の貫通孔の周縁部に実装するので、貫通孔を大きく取りすぎると検査対象物と光源との距離が遠くなり、角度がつき過ぎて有効に照明できなくなることがある。このため、必要最小限の観察・撮影範囲を確保して、基板の貫通孔の大きさは最小限にとどめるのが好ましい。

貫通孔を通して見た視野に収まらないほど検査対象物の全長が長いものに対しては、本発明の照明装置または検査対象物を観察方向と直角に移動可能とすることにより撮影範囲をスキャンすればよい。

また、本発明の目的を逸脱しない限り貫通孔の形状には制限はなく、加工のしやすさから通常は円形状が好ましいが、照明装置で照明される検査対象物の上面形状により多角形、楕円形、長方形など自由に設計することができ、その場合にも検査対象物の上面形状と同じ形状であることが好ましい。

設置される発光素子の個数は、貫通孔や発光素子の大きさ、形状、検査対象物との距離、検査に必要な光量などに依存する。ＬＥＤチップ等の発光素子の実装配置形態は、貫通孔の形に沿い適宜間隔を置いて１列に配置してもよいし、強い光量を必要とする場合は、同心円、同心多角形状に多重に配置することもできる。

環状の導光拡散体は、個々のＬＥＤチップ等の発光素子からの光を導光・拡散させて、均一な照明光を得るために用いられる。この導光拡散体は、発光素子の配置工程における製造再現性のばらつきを吸収する作用を有する。たとえば、複数の発光素子を基板の貫通孔の周囲に円形状に配置する場合、環状の導光拡散体が発光素子の発光面をカバーする位置にありさえすれば、すべての発光素子が完全な円の上にのっている必要はない。また発光素子を貫通孔のふちぎりぎりに配置するのではなく、貫通孔から離れた位置に余裕をもって適宜配置することもできる。

通常、基板上に発光素子を半田付け等により固定する位置決め精度は、環状の導光拡散体の製造における寸法出し精度に劣るため、導光拡散体を基板上の発光素子と組み合わせて照明用光源を形成するとよい。

環状の導光拡散体の形状は、加工のしやすさから断面が長方形のワッシャ状のリング状が好適である。光拡散効果が失われない限り、リングの高さを数ｍｍと薄く加工されたものを用いれば、照明光量の増加と装置の薄型化のために有利である。

材質は透明または半透明の各種樹脂で成型することができる。各種樹脂のうち光透過拡散性と成型性に優れた硬質塩化ビニル樹脂がとくに好ましい。

導光拡散体を発光素子の発光面に対向配置させるために、本発明では、支持枠と称される成型体が用いられる。この支持枠は、環状の導光拡散体を載置するための凹部を有し、この凹部の底面に貫通孔が設けられる。

導光拡散体を支える凹部底面および凹部側面は、必須ではないが光反射拡散面を形成していてもよい。このことにより、高輝度ＬＥＤランプに比べて比較的光度の低いＬＥＤチップ等の発光素子の光量を、貫通孔中央の延長上に置かれた検査対象物に効果的に供給することができる。また、支持枠が有する貫通孔の形状は、照明装置で照明される検査対象物の上面形状と同じ形状であることが好ましい。

支持枠が有する貫通孔の径は、導光拡散体の内側の径よりも小さいことが好ましい。このことにより、検査対象物より鏡面反射する光が後述する撮像手段へ入るのを回避することができる。

支持枠の材質は、上記の凹部および貫通孔が形成できればとくに制限はないが、各種樹脂製のものが好ましい。良好な光反射拡散面を得るためにとくに好ましい例として、白色の硬質塩化ビニル製の成型品があげられる。

支持枠は、導光拡散体からの光を遮光できる材料であることが好ましい。このことにより、検査対象物より鏡面反射する光が後述する撮像手段へ入るのを回避することができる。

支持枠の凹部の深さは、基板から突起して実装され得るＬＥＤチップ等の発光素子の突起部の高さと導光拡散体の高さとを合わせた高さにほぼ等しくし、かつ導光拡散体が支持枠の凹部に嵌入されるようにしておくことが望ましい。この支持枠と基板とをねじ等で固定することにより組み立てが容易にできる。組み立てられた照明装置は、光透明拡散体が支持枠の中で不安定にぐらついたりすることがなくなる。このことにより、この照明装置を自由な姿勢に保って使用することが可能になる。すなわち、検査対象物を上から見下ろす落射照明だけでなく、検査対象物の底部をモニターするといった使い方を可能にする。

本発明の照明装置は、上記した中央部に貫通孔を有しかつ一方の面に発光素子を配置した基板と、導光拡散体と、中央部に貫通孔を有しかつ貫通孔外縁部に導光拡散体を載置するための凹部を設けた支持枠とを、発光素子と支持枠の凹部に載置される導光拡散体とが対向配置されるよう密着されるように構成されている。このことにより、小型化、軽量化が可能となり、また、組み立て・調整が容易となるという優れた効果を奏することができる。

本発明に係る照明装置と、この照明装置の貫通開口部を介して撮像する撮像手段とを組み合わせることにより、対象物上に表示された記号やコードを読み取る読み取り装置を構成することができる。

図１に本発明の読み取り装置の構成と作用を説明する図面を示す。図１において、発光素子の一例であるＬＥＤチップ３から発した光ビームが導光拡散体４を通って対象物表面８で鏡面反射する状況を想定する。ＬＥＤチップ３の位置は、そこを発した光ビームが直接対象物に入射することのないように、導光拡散体４をＬＥＤチップ３の前に対向配置させておきさえすればよい。

この図１では、導光拡散体４を貫通孔から離れた奥まった位置に配置した状況が示されている。ＬＥＤチップ３から発した光の大部分は対向する導光拡散体４の内部に進行し（３本の矢線で図示）、内部または表面で拡散または乱反射し、導光拡散体４そのものが間接的な光源となる。

図中破線Ｌ１は、導光拡散体４から発する光ビームのうち、対象物８への入射光が最も小さくなり得る導光拡散体４のへりの部位から発し、支持枠５の内側のふち１０によって反射することなく対象物８に入射し、そこを鏡面反射して撮像装置７に至る仮想的な光ビームの経路を表す。支持枠５の貫通孔６を大きく広げる、すなわち支持枠内側のふち１０の張り出しが不十分である場合を想定している。この場合、照明された対象物８の表面の光沢、テカリ等によりたとえば対象物８の表面に印刷された印字部と背景部との反射レベルが区別できなくなるといった事態が起こりうる。

これを防ぐために、支持枠５の支持枠内側のふち１０を内側に張り出す構成とすることにより、導光拡散体のへりの部位から発し、支持枠５の貫通孔のふちをかすめて対象物表面に至り、鏡面反射する光ビームＬ２が撮像装置７の視野の外を通過するようにする。こうすることにより導光拡散体４から発した光が対象物８に入射する入射光のうち、入射角の小さい成分は支持枠内側のふち１０により遮蔽されるため、鏡面反射光成分が撮像装置７の視野に直接入ることはない。撮像装置７から見た対象物８の表面形状が凸面をなしているとき、また撮像装置７が対象物に近いほど、対象物が照明装置に近いほど、支持枠内側のふち１０の張り出しを大きくすればよい。ただし、支持枠内側のふち１０の張り出しを大きくする、つまり支持枠５の貫通孔６を小さくしすぎると検査対象物８への光量が不足してしまうので、支持枠５の貫通孔６の大きさは、最終的には検査対象物８の最適な画像が得られるように決められる。

本発明の読み取り装置は、上記の照明装置と撮像手段とを備えており、導光拡散体から発し前記対象物で反射された鏡面反射光成分が前記撮像装置の視野の外を通過するように、照明装置と撮像手段とが配置された、あるいは照明装置の支持枠の貫通孔の径を導光拡散体の内側の径よりも小さく形成した装置構成となっている。

撮像手段としては白黒およびカラーのＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラが例示できる。たとえば金属製の枠体に本発明にかかる照明装置と撮像手段を固定して利用することができる。撮像手段には、記号識別のための演算を実行し、識別された情報によって自動化学分析装置等の動作を支配する制御装置を接続することができる。

本発明においては、光源として、貫通孔を設けたプリント基板等の基板の貫通孔周縁部に複数個実装されたＬＥＤチップ等の発光素子を配置した構成としたので、照明装置の小型化・軽量化・薄型化に効果的である。

導光拡散体を基板上の発光素子と組み合わせて照明用光源としたので、導光拡散体が発光素子の配置工程における製造再現性のばらつきを吸収し、光源の配置調整工程を不要とすることができる。

本発明に係る読み取り装置においては、導光拡散体から発し対象物で反射された鏡面反射光成分が撮像装置の視野の外を通過するように、支持枠の貫通孔のふちを内側に張り出す構成としたので、照明された対象物表面の光沢、テカリ等による誤認識を防ぐことができる。

本発明に係る照明装置および記号識別装置を実施するための最良の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明する。図１に、本発明に係る照明装置１１の側断面図、および撮像装置７を加えた記号識別装置を示し、対象物８との位置関係を示す。プリント基板１には貫通孔２が設けられ、その貫通孔の周囲にＬＥＤチップ３が複数個取り付けられている。ここで、円環状の導光拡散体４は、貫通孔６を備えた支持枠５によって支えられ、ＬＥＤチップ３に対向配置されている。

導光拡散体４の高さとＬＥＤチップ３の出っ張り高さとの合計は、支持枠の深さとほぼ等しいか、わずかに小さい。また、円環状の光拡散体４の外径は支持枠の円筒状凹部の内径にほぼ等しいか、わずかに小さく、導光拡散体４は支持枠５に嵌入されている。この例では、支持枠５の貫通孔のふち１０はＬＥＤチップ３よりも、そしてさらに導光拡散体４の内壁よりも内側に張り出している。このように支持枠５の貫通孔のふち１０を内側に張り出したことは、ＬＥＤチップ３からの光を貫通孔中央の延長上に置かれた検査対象物８に効果的に指向させる効果、鏡面反射光成分Ｌ２が撮像装置の視野の外を通過するようにさせる効果だけでなく、視野を検査対象物８に集中させ、余計なものを視野に入れて認識誤差を生じることを防止する効果をも有する。

撮像装置７に自動露出カメラを用いて、たとえば黒い検査台の上の対象物８の有無を判別する場合、試薬カップが存在しないとき、黒い被写体を黒とカメラに認識させるために、白い支持枠を構図に取り入れて露出レベルを調整することも行われる。図１には示していないが、プリント基板１と導光拡散体４とは互いにねじ止めするのが好適である。

図２に、プリント基板１に実装したＬＥＤチップ３の配置形態を例示するために、支持枠５を取りはずした照明装置１１の、対象物８の側から見た平面図を示す。ここではプリント基板１に直径１８ｍｍの貫通孔２が設けられている。導光拡散体４を通じて透けて見える８個のＬＥＤチップ３が、貫通孔２を囲んで正八角形状に配置されている。光源に要する光量によりＬＥＤチップ３の個数は適宜増減することができる。図示していない支持枠と互いにねじ止めするための取り付け穴９がプリント基板１の４隅に設けられている。

図３に、本発明を利用して検査する対象物８の一例として、試薬容器の上部に表示された試薬名の記号およびドットコードを示す。

本発明に係る読み取り装置を、生体試料中の特定成分を分析するための自動化学分析装置における特定の試薬カップのシール箔上に表示された記号を識別するための記号識別装置として使用する場合の動作を図４に示したフローチャートに従って説明する。

図１に示した読み取り装置の撮像装置７に、図示しないがビデオ信号処理装置を接続し、さらに、図示しないが自動化学分析装置全体の動作を制御する制御装置を接続する。

図４において、まず読み取り装置は直下に搬送されてくる試薬カップの有無を判断する（Ｓ１）。ビデオ信号処理装置は、撮像装置から得られた画像の一定領域の白黒諧調のレベルを計算し、あらかじめ設定された基準レベルとの比較により試薬カップの有無を判断する。測定レベルが基準レベルに達していなければ試薬カップなしと判断し、試薬カップがないときの処理すなわちそのタイミングでは測定を行わない旨の信号を制御装置に送る（Ｓ５）。

試薬カップありの場合、ビデオ信号処理装置は、撮像装置から得られた画像の別の一定領域の白黒諧調のレベルを計算し、あらかじめ設定された別の基準レベルとの比較により試薬カップがすでに開栓されているかどうかの状態を判断する（Ｓ２）。

測定レベルが基準レベルに達していなければ試薬カップは開栓済みの使用済みカップであると判断し、使用できる試薬カップがないときの処理すなわちそのタイミングでは測定を行わない旨の信号を制御装置に送る（Ｓ６）。

試薬カップありと判断した場合、ビデオ信号処理装置は画像解析を行う。まず、図３に示した下側の横棒により読み取る方向を決定し、試薬カップ表面に印字されているドットから試薬の種類を表すコードおよびロットを識別する。つぎに、識別されたドットコードのパリティチェックや、認識したコードおよびロットと制御装置上のライブラリとの照合などにより、読み取り異常と判断されたときは、そのタイミングでは測定を行わない読み取り異常処理が実行される（Ｓ７）。

読み取りが正常に行われたときは読み取ったコードおよびロットに従い測定が行われる（Ｓ４）。

本発明に係る照明装置の側断面図、および撮像装置を加えた読み取り装置の構成および作用を説明する説明図である。 本発明に係る照明装置のうち支持枠を取りはずし、対象物側から見た平面図であって、ＬＥＤチップの配置の一形態を示す図である。 検査対象物の一例として、試薬カップ上に表示された試薬名を表す記号およびドットコードを示す図である。 本発明に係る読み取り装置を、自動化学分析装置における特定の試薬カップのシール箔上に表示された記号を識別するために使用する場合の動作を示したフローチャートである。

符号の説明

１ プリント基板
２ プリント基板に設けられた貫通孔
３ ＬＥＤチップ
４ 環状の導光拡散体
５ 支持枠
６ 支持枠の貫通孔
７ 撮像装置
８ 検査対象物
９ 支持枠取り付け穴
１０ 支持枠内側のふち
１１ 照明装置
Ｌ１ 鏡面反射して撮像装置に至る仮想的な光ビーム
Ｌ２ 鏡面反射して撮像装置の視野の外を通過する光ビーム

Claims (9)

1. 中央部に貫通孔を有しかつ一方の面に発光素子を配置した基板と、導光拡散体と、中央部に貫通孔を有しかつ貫通孔外縁部に前記導光拡散体を載置するための凹部を設けた支持枠と、からなる読み取り用貫通開口部を設けた照明装置であって、前記基板と前記支持枠とは、前記発光素子と前記支持枠の凹部に載置される前記導光拡散体とが対向配置されるよう密着されてなる照明装置。
2. 前記支持枠が有する貫通孔の径が、いずれも前記導光拡散体の内側の径よりも小さい請求項１記載の照明装置。
3. 前記基板が、前記発光素子へ電気を供給するための配線が施されたプリント基板である請求項１又は請求項２記載の照明装置。
4. 前記支持枠が、前記発光素子からの光を遮光できる材料からなる請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記基板が有する貫通孔及び前記支持枠が有する貫通孔の形状が、いずれも前記照明装置で照明される対象物の上面形状と同じ形状である請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置。
6. 前記導光拡散体の形状が、リング状である請求項１〜５のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記発光素子が、ＬＥＤチップである請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の照明装置と、当該照明装置で照明される対象物を前記貫通開口部を介して撮像する撮像手段と、を備えた読み取り装置であって、前記導光拡散体から発し前記対象物で反射された鏡面反射光成分が前記撮像装置の視野の外を通過するように、前記照明装置と前記撮像手段とが配置された読み取り装置。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の照明装置と、当該照明装置で照明される対象物を前記貫通開口部を介して撮像する撮像手段と、を備えた読み取り装置であって、前記導光拡散体から発し前記対象物で反射された鏡面反射光成分が前記撮像装置の視野の外を通過するように、前記照明装置の支持枠の貫通孔の径を前記導光拡散体の内側の径よりも小さく形成した読み取り装置。
   

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