JP2006112991A - 画像化用照明方法、ホログラム画像取得方法、およびホログラム欠陥抽出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、任意の品種のホログラム欠陥検出に、汎用的に利用することができ、かつ欠陥を精度良く安定して検出することが可能なホログラム欠陥検出のための照明方法および撮像方法、および本手法を用いた欠陥抽出方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ホログラム製品およびアルミニウム蒸着工程後におけるホログラムフィルム欠陥検出のためのホログラム表面形状の画像化手法であって、同軸落射照明を用いることを特徴とする画像化用照明方法、ホログラム画像取得方法、およびホログラム欠陥抽出方法である。
【選択図】図５

Description

本発明は、ホログラム表面形状の画像化用照明方法、および回折格子自体の不良、傷による欠陥、または付着ゴミを検出するホログラム画像取得方法、およびホログラム欠陥抽出方法に係る。

ホログラムは、印刷やカラーコピー機では再現できない立体画像を記録できるため、現在では、金券やクレジットカード、ＩＤカード、身分証明書、コンピュータ関連製品、コンピュータ、音楽、ゲームソフトやＣＤ、ＤＶＤ、ビデオ、書籍とあらゆるものを保障するために使われている。

各種ホログラムの中で、特にレインボーホログラムはホログラムの光学的な干渉縞を凹凸で記録することにより薄いフィルムにエンボス加工する方法で大量複製が可能であり、かつ視認性の高い意匠性と偽造防止は世界的にも認められており、国内では紙幣に採用されることになり益々その需要と重要性が高まってくるであろう。

ホログラムの量産化にはエンボス加工によるレインボーホログラムが一般的であるが、したがって製造工程内および出荷前の欠陥検査には十分注意が必要である。製造工程では、例えばスタンパにゴミ等の異物が付着した場合、異物が付いたままの状態でホログラムをエンボスすると異物付着部における回折格子の凹凸が潰れる、または異なる回折格子を形成することとなる。したがってマスター品と異なる回折格子のある透明フィルムがアルミニウム蒸着された場合出来上がった製品にも同様の傷や異物による欠陥が含まれることになる。

本発明である欠陥抽出方法はアルミニウム蒸着工程以降における欠陥を後工程および市場流出を防ぐために講じたものであり、検査工程における要求と果たす役割は大きい。

現在のホログラム検査はホログラムの品種に応じて光照射系と撮像系の角度を固定した検査装置が一般的である。通常、ホログラムは回折光を見ることになるため、視点の位置により像の見え方が異なる。このため、直接反射光や単一もしくは複数箇所の光源を用いた照明条件下では一度に全画像を撮像することはできない。それからホログラムのとるため全てのデザインパターンを保証するものではない。またホログラムのデザインが変更された場合、デザインに応じて光照射系と撮像系を調整しなければならず手間と時間を要するという欠点がある。

しかしながら、検査対象とするホログラムの品種を変更するたびに光照射系と撮像系とを調整してから検査すること自体容易な作業ではなく手間と時間を要する。また、ホログラムのとる回折角度によっては、検査装置の構造上回折光を取れず、部分的な検査しかできない場合もある。

このような事情のため、任意の品種のホログラムを自動検査することは到底現実的ではなく、ホログラムの品質は一部あるいは大部分を目視チェックに頼らざるを得ないのが現状である。

このため、万が一表面に正しい回折格子が形成されず欠陥のあるホログラムが製造されても、欠陥を見逃してしまう場合や欠陥を検出できない場合がある。また、欠陥のあるホログラムが単発発生または連続して多数製造され見逃してしまった場合、利益だけでなく信用や信頼を含めて大損害を被ることとなる。

そこで、任意の品種に対応するためにまたホログラム絵柄に対し全ての方向から見た場合に欠陥があるかどうかの検査を保障するための撮像系が提案された。すなわち、ホログラムを撮像する際あらゆる角度からの反射光を捉えるための照明方法であってドーム型照明や円筒型照明を用いる手法である。

ここで問題となるのは、ドーム型照明では横幅サイズが非常に大きくなってしまうため横幅方向に検査ホログラムフィルムが横幅をもっていて複数面付けとなっている場合、検査撮像ヘッド配列が数段千鳥となるが、撮像ヘッドが幅広であればあるほどヘッドが干渉するため千鳥段数を多くしなければならないという問題が発生する。

円筒型照明はドーム型照明を改良し横幅をコンパクト化するためのものだが、図１に示すように、ホログラム面Ｓの中心である点Ｏに向かって照射される点Ｌ１と点Ｌ２とでは点Ｏまでの距離が高さによって異なる。光量は距離の２乗に反比例し減衰していくことは既知であるため、照射される角度によって光量が異なるという事態が起こる。すなわち鉛直方向に対する回折角が小さくなればなるほど光源とワーク間の距離が遠くなるために光量が小さくなるという欠点を持つ。したがってこの問題を解決するためにはワークから照明が離れた位置になればなるほど光量を上げなければならないため、高さによって出力電圧を変えなければならないといった工夫が必要である。また、ドーム型、円筒型いずれにおいても中心のみ均一照明であり、照明の左右における光の照射方向は異なるため、照明範囲において十分小さい領域での検査であれば問題ないが、特に多面同時撮像の場合では画像がラインカメラの場合左右で、エリアカメラの場合は上下、斜めも含み照射の方向において光強度が異なるため画像が異なってしまう。これでは同じホログラムにも関わらず同品質保証をできているとは言い難い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、任意の品種のホログラム欠陥検出に、汎用的に利用することができ、かつ欠陥を精度良く安定して検出することが可能なホログラム欠陥検出のための照明方法および撮像方法、および本手法を用いた欠陥抽出方法を提供することを目的とする。

上記の目標を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。検査対象はアルミニウム蒸着工程以降のアルミニウム蒸着済ホログラムフィルムの検査であるゆえに、透明フィルムでは困難であった同軸落射照明を用いる。

図２は、ホログラム表面形状のデザインパターンを簡略化し表現したもので、ここではデザインが４つのパターン領域Ａ〜Ｄから成り立つとする。Ａは無地の領域、Ｂ、Ｃはそれぞれ回折格子が斜縞、横縞に等ピッチで刻まれており、Ｄでは回折格子が斜、横縞の両方から成り立つとする。そして光を斜縞矢印方向（斜縞回折格子の並びに対し垂直方向）から照射するとＢ、Ｄの斜縞領域では正反射光に対し回折角θ＝ｓｉｎ−１（ｍλ／ｄ）方向に回折光を生じる。ただし、ｍ＝±１、±２、±３、・・・。同様に、ピッチと並び方向の異なる回折格子のあるＣ、Ｄにおいても光を横縞矢印方向（横縞回折格子の並びに対し垂直方向）から照射した場合、正反射光に対し上記回折角方向に回折光を生じる。したがって斜縞矢印方向からの光を照射すると斜縞領域で回折光が生じある模様が浮かび上がり、横縞矢印方向から光を照射すると横縞領域で模様が浮かび上がる。エンボスホログラムは普通空間周波数がおよそ５００〜２５００本／ｍｍの範囲であり、様々なピッチと
並びに方向性をもつ回折格子と無地領域から成り立つ。

ホログラム表面を撮像する際、ホログラム表面に対し垂直かつ平行な光を照射した場合、回折格子のないフラットな領域では正反射するだけだが、回折格子部では主に正反射光と回折角θへの光の干渉効果による回折光を生じる。

図３は、Ａ領域である無地、Ｂの回折格子、Ｃに傷およびゴミ付着領域（回折格子の有無は問わない）を含むホログラム面に対し垂直かつ平行な光を照射したときのそれぞれについて点領域において反射する光強度分布を示している。

ホログラムはアルミニウム蒸着されており、入射した光量に対し散乱や吸収を考えなければ１００％の光が鉛直方向に正反射光を生ずる。したがって、鏡面に近いアルミニウム蒸着無地領域ではほぼ１００％の光が正反射するが、回折格子領域では回折角θの方向に回折光が生じる。ゴミや傷の場所では光は散乱し光は四方八方へと広がると考えられる。

このことから、同図中破線枠領域である平行光を抽出した場合、無地領域、回折格子領域、ゴミ付着領域によって輝度値はそれぞれ異なる。すなわち、輝度値は、無地領域でｍａｘ付近、ゴミや傷の欠陥領域は低輝度に、回折格子領域はその中間値を示す。さらに回折格子領域では照射する光の波長やホログラム格子のピッチにより輝度が変化する。

図４は、ホログラムのある波長に対し開口の大きさを変えたとき、すなわちホログラムの空間周波数が異なるときの波動の回折による広がり角の概念図である。したがって開口に対し波長が短いと直進性が高まり、波長が長い赤色領域では低くなる。このことからホログラムの回折格子の模様まで観察したいとするならば、照明には短波長より長波長を用いた方がより回折するため、ホログラム面に対し鉛直方向の正反射光成分を抽出する光学系を用いると、空間周波数の高い箇所は低輝度、低い箇所は高輝度といったホログラム自体も高コントラストな画像を取得することができる。

請求項１は、ホログラムを対象とし、光源の光を凹レンズやｆθレンズを組み合わせ平行光とし、ハーフミラーないしビームスプリッタによりホログラム表面と垂直をなすカメラ光軸と平行に照射しホログラム表面に垂直照射させる方法である。

請求項２は、請求項１に記載の照明系を用いてホログラム表面を照明したとき、正反射によって生じるホログラム表面からレンズに入射する回折光のうち０次回折光のみを抽出するために、レンズの焦点に絞りを入れることで回折光である０次以外の光を除外し、受光素子により０次光のみを受光する画像取得方法である。こうして得られた画像は回折格子のない領域では輝度は大きくなるが、ピッチの細かい領域ほど、さらに回折格子が重なっている領域ほど輝度が小さくなる。

請求項３は、請求項２に記載の画像取得方法であって、レンズ系には物体側または両側テレセントリックレンズを用いる。物体側テレセントリックレンズは物体側の平行な光のみを通しレンズ光軸に対し角度を持った光は遮蔽する。両側テレセントリックレンズより比較的レンズ枚数も少なく形状をコンパクトにすることが可能となる。両側テレセントリックレンズは物体側テレセントリックレンズ同様にレンズ光軸に対し平行な光のみを通すが、物体側テレセントリックレンズに比べ、使用するカメラのイメージセンサの取り付け精度、カメラに対するレンズそのものの取り付けのばらつきが減少するため精度が向上する。

請求項４は、請求項３に記載のホログラム画像取得方法によって画像内のホログラムの欠陥を見つける方法であって、得られた画像の輝度値から無地、回折格子、欠陥領域を判
別する方法である。

ホログラム表面に垂直かつ平行光を入射した場合、無地領域では光の損失がほぼ０であるため照射した光量だけ反射する。しかし回折格子パターン領域では回折光のうち、１次、２次、・・・、ｎ次回折光を生じ、これらはレンズ光軸に対しθ＝ｓｉｎ−１（ｍλ／ｄ）なる角度を持つため前述の撮像系によりこれらの光が除外される。したがって無地領域における反射量に対し、θ方向の光を差し引いた分の光量が抽出されることになる。

ゴミ付着、傷の領域では回折格子の有無に関わらず散乱光を生じる。散乱光はあらゆる角度に光を生じるため正反射する光はほぼ０となるため、傷等の欠陥は回折格子領域の最低輝度さえ把握できていれば、その値を閾値とすると閾値以下が欠陥であると容易に判断がつく。

本発明により、任意の品種のホログラム欠陥検出に、汎用的に利用することができ、かつ欠陥を精度良く安定して検出することが可能なホログラム欠陥検出のための照明方法および撮像方法、本手法を用いた欠陥抽出方法を提供することが可能である。すなわち、本光学系を用いることで、従来ホログラム検査をする際にホログラムのデザインパターンによって光学系を変更する手間や労力がなくなり任意のデザインパターンに対応される。また本撮像系ではデザインのある箇所を見ないという原理を用いるため、光量が非常に少量で良いためランニングコストが抑えられる。また、同軸落射照明であるため、ドーム型や円筒型のようにホログラムの周囲に光源を置く必要がないためスペースが必要ない。したがって比較的安価で高精度な検査機として汎用的に運用できる。また欠陥はすべて黒として現れるため閾値が引きやすいといったメリットが大きい。

図５に示す光学系を用いる。同図中ではカメラとレンズが一直線上にあり、この光軸とホログラム検査面が垂直であるとする。１の光源はムラのない光源であれば何でも良いが、比較的安価なハロゲンランプを推奨する。２のライトガイドの両端は光源照射口と５の両側テレセントリックレンズの入射光挿入口に取り付ける。ここで、必要に応じて３のＮＤフィルタを用いて光量調節を落とし、間に４の凹レンズと凸レンズ、ｆθレンズ等の組み合わせた平行光学系を通してレンズ光軸に対し垂直に照射する。レンズ光軸との交点にハーフミラーないしビームスプリッタを置くと、光の半分はそのまま直進し壁に衝突、残りの半分はレンズ光軸上を６のホログラム面側に進む。したがってホログラム表面に対し垂直に均一な光を照射することが可能となる。

前述の通り、無地領域では鉛直方向のみ反射するためカメラ光軸に平行な光はレンズを通りハーフミラーを抜けＣＣＤ素子で受光され高輝度となる。回折格子領域では空間周波数と波長により回折光の次数と回折角は様々であり、鉛直方向成分の光強度も変動する。したがって回折格子領域ではピッチによりある程度の輝度変動があるが、撮像すると無地領域より輝度が低くなる。ゴミや傷は前述の通り正反射光成分が小さいため低輝度となる。

こうして得られた画像は非常に高コントラストであり欠陥検査するには非常に良好な画像といえ、一連の画像処理により容易に欠陥を検出することができるといえる。さらに回折格子領域の中で最低輝度を示す輝度値を欠陥の有無の判断となる閾値とするならば、閾値を超えなかった領域が検出したいゴミや傷のサイズ以上を欠陥と判断すれば簡単に所望のサイズの欠陥が検出可能となる。

本光学系を用いることで、従来ホログラム検査をする際にホログラムのデザインパターンによって光学系を変更する手間や労力がなくなり任意のデザインパターンに対応される。また本撮像系ではデザインのある箇所を見ないという原理を用いるため、光量が非常に少量で良いためランニングコストが抑えられる。また、同軸落射照明であるため、ドーム型や円筒型のようにホログラムの周囲に光源を置く必要がないためスペースが必要ない。したがって比較的安価で高精度な検査機として汎用的に運用できる。また欠陥はすべて黒として現れるため閾値が引きやすいといったメリットが大きい。したがって、本撮像系を採用することによる利益は非常に大きいえる。

円筒形照明の場合の欠点を説明する説明図である。 ホログラムデザインパターンの一例を示す概略図である。 ホログラムデザインの同軸落射照明により生じる光の強度分布を示す図である。 1つの開口の大きさによる波動の回折による広がり角の変化を概念的に示す図である。 ホログラム撮像光学系の一例を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ ライトガイド
３ ＮＤフィルタ
４ 平行光学系
５ 両側テレセントリックレンズ
６ ホログラム検査面
７ ＣＣＤカメラ

Claims (4)

1. ホログラム製品およびアルミニウム蒸着工程後におけるホログラムフィルム欠陥検出のためのホログラム表面形状の画像化手法であって、同軸落射照明を用いることを特徴とする画像化用照明方法。
2. 請求項１に記載のホログラム表面形状の画像化用照明方法であって、ホログラム表面に対し垂直かつ平行な光を照射すると共に、同表面に対し鉛直方向への正反射光のみを抽出する光学系を有することを特徴とするホログラム画像取得方法。
3. 請求項２に記載のホログラム画像取得方法であって、回折光の内、０次項以外の回折光を排除し０次項の回折光のみ抽出するために、物体側ないし両側テレセントリックレンズを用いることを特徴とするホログラム画像取得方法。
4. 請求項３に記載のホログラム画像取得方法を用いたことを特徴とするホログラム表面の欠陥抽出方法。

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