JP2013084792A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
テレセントリック光学系と明視野照明と暗視野照明を備え、低重心で小型化された撮像装置を提供する。
【解決手段】
正面（１１）及び背面（１２）を扁平面とする扁平形状に形成されたケーシング（１３）の正面側に前群レンズ（６）を配したアパーチャ（１４）が形成され、ケーシング内で背面側に向けて取り付けられた撮像素子（２）の撮像光軸（Ｘ_Ｃ）が、直角に屈曲されて背面に沿ってテレセントリック光学系（３）の絞り（５）を透過した後、アパーチャの中心軸に沿って正面側に向かって直角に屈曲され、アパーチャの周囲に発光素子を環状に配した暗視野照明ユニット（８）と、撮像光軸から分岐された照明光軸（Ｘ_Ｂ）上で絞りと対応する位置から前群レンズの開口角と略等しい角度で照明光を拡散させる光源装置（２１）を備えた明視野照明ユニット（７）を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも物体側の主光線が前記光軸と平行なテレセントリック光学系が配された撮像装置に関し、特に、電子部品を基板に実装する実装装置において電子部品の実装位置確認などに用いて好適なものである。

電子部品実装ラインで使用される電子部品実装装置には、基板や、その基板に実装した電子部品を撮像する撮像装置が、例えば電子部品を吸着して基板上に載置する高速実装ヘッドに一体に取り付けられている。
このような撮像装置は、実装ヘッドと一体に移動し、所定位置で瞬間的に停止して画像を取り込むようになっており、撮像された画像に基づいて、基板の識別や、電子部品の実装状態を確認することができる。

そして、認識対象物を明瞭かつ正確に画像認識するために、同軸照明装置と拡散照明装置を備え、撮像に用いるレンズには視差の影響で形状誤差がでないテレセントリックレンズが用いられている（例えば特許文献１参照）。

図５はこのような従来の撮像装置５１は、ＣＣＤカメラ５２に、両端側に前群レンズ及び後群レンズが配された直筒状テレセントリックレンズ５３が装着され、そのテレセントリックレンズ５３のレンズ鏡筒５４に、同軸照明装置５５及び拡散照明装置５６が取り付けられている。
テレセントリックレンズ５３のレンズ鏡筒５４は、少なくとも前群レンズ及び後群レンズの間の光路長の長さを確保しなければならないため、ＣＣＤカメラ５２をどんなに小型にしても、重心が高くなり、撮像装置５１は大型化せざるを得ない。

このため、撮像装置５１を取り付ける実装ヘッド５７を高速で移動させる際に、慣性により大きなモーメントが生じやすく、このモーメントに耐えるために実装ヘッド５７の支持機構をさらに強固で頑丈に形成しなければならず、結果として、装置全体が大型化してしまい、実装速度の高速化の要請にも反する。

また、コンパクト化の要請に応えるため、図６に示すような撮像装置も提案されている（例えば特許文献２参照）。
これによれば、撮像装置６１は、光軸を水平方向に向けたＣＣＤカメラ６２の先端に、その光軸を下方に屈曲させる光学系６３が取り付けられ、さらに、その光学系６３の下端部開口部に明視野照明装置６４と暗視野照明装置６５が設けられ、全体として一体に形成されている。

この撮像装置６１の光学系６３が、テレセントリック光学系であるか否かは不明であるが、テレセントリック光学系であった場合、明視野照明装置６４の照明光束は撮像光軸と平行な主光線に重ならなければ、画像に影ができてしまうという問題を生ずる。
この明視野照明装置６４の光源となる複数のＬＥＤ６６・・・から照射された光はそれぞれが拡散光であり、前群レンズ６７の物体側に配されたハーフミラー６８で反射されて、拡散性が維持されたまま被写体に対して照射されるので、照明光は必ずしも主光線に重ならない。

また、前群レンズ６７の物体側にハーフミラーを配して明視野照明装置６４を設けているため、その分、装置が大型化するという問題も残る。
さらに、撮像装置６１は全体として一体化されているものの、ＣＣＤカメラ６２と、光学系６３と、明視野照明装置６４と、暗視野照明装置６５の４つもの個別のユニットを一体化させているため、電源の必要なＣＣＤカメラ６２と、明視野照明装置６４と、暗視野照明装置６５の夫々に給電線を接続したり、あるいは、各ユニット同士を給電コネクタを介して接続したりしなければならず、配線が邪魔になったり、構造が複雑になるという問題があった。
また、各ユニットは、直角に屈曲された光軸に沿って配列されているので、全体として不規則な形状にならざるを得ず、小型化の要請を満たすものではなかった。

特開平１０−２９４３４２号公報 特開２００８−２０５２２７号公報

そこで本発明は、テレセントリック光学系と、その主光線に一致する同軸の明視野照明と、主光線から離れて撮像光軸と平行あるいは斜めの照明光軸を有する暗視野照明を備え、しかも、低重心で小型化された撮像装置を提供することを技術的課題としている。

この課題を達成するため、本発明は、撮像素子から撮像対照物に至る撮像光軸上に、少なくとも物体側の主光線が前記光軸と平行なテレセントリック光学系を成す後群レンズ、絞り及び前群レンズが配されると共に、撮像対象物に対して前記主光線と重なる平行照明光束を照射する明視野照明ユニットと、撮像対象物に対して斜光照明光束を照射する暗視野照明ユニットとを備えた撮像装置において、
前記撮像素子及びテレセントリック光学系が、正面及び背面を扁平面とする扁平形状に形成されたケーシング内に収納され、
当該ケーシングの正面側に、前記前群レンズを配したアパーチャが形成され、
前記撮像素子は、前記ケーシングの背面側に向けて取り付けられ、前記撮像光軸は、当該撮像素子からケーシングの背面側に向って進行し、ケーシング内で直角に屈曲されて当該背面に沿って前記絞りを透過した後、前記アパーチャの中心軸に沿ってケーシングの背面側から正面側に向かって直角に屈曲されてなり、
前記暗視野照明ユニットは、前記アパーチャの周囲に環状に配された発光素子を備え、
前記明視野照明ユニットは、その照明光軸が、撮像光軸上に配された前記絞りとアパーチャ側の屈曲点の間で前記背面に沿って撮像光軸から分岐され、当該照明光軸上で前記絞りと対応する位置から、前群レンズの前記絞りにおける開口角と等しいかそれより大きな角度で照明光を拡散させる光源装置を備えたことを特徴としている。

本発明にかかる撮像装置のケーシングは、正面及び背面を扁平面とする扁平形状に形成されており、撮像光軸が、背面側を向いて取り付けられた撮像素子からケーシングで屈曲され、背面に沿って前記テレセントリック光学系の絞りを透過した後、再び屈曲されて正面側に形成されたアパーチャを透過して撮像対象物に向かって進行するように形成されているので、当該撮像光軸に沿ってテレセントリック光学系を成す後群レンズ、絞り及び前群レンズを配することにより、ケーシングを扁平形状に形成しても、その内部に撮像素子及びテレセントリック光学系を収納することができる。

また、暗視野照明ユニットは、アパーチャの周囲に環状に配された発光素子により、ケーシングと一体に形成されている。特に、アパーチャの周囲に発光素子取付用の凹部を形成すれば、暗視野照明ユニットをケーシングの正面側に突出させることなく取り付けることができる。
さらに、明視野照明ユニットは、背面に沿って撮像光軸から分岐された照明光軸上に配されているので、その照明光学系がケーシングの正面側又は背面側に突出することがなく、やはり扁平形状のケーシング内に収めることができる。

このように、扁平に形成されたケーシングに、撮像素子、テレセントリック光学系及び明視野照明ユニットが収納されると共に、当該ケーシングに暗視野照明ユニットが一体的に形成されるので、ケーシングの正面側から背面側に至る厚さをきわめて小さく抑えることができ、低重心化を図ることができる。
また、背面側を電子部品実装装置の実装ヘッドに取り付け、高速で移動／停止を繰り返した場合に、重心が低いことから慣性により生ずるモーメントは小さく、したがって、実装ヘッドの駆動／支持機構も軽量・小型化を図ることができ、結果として、実装速度の高速化の要請にも資するという効果がある。

本発明に係る撮像装置の内部構造を示す斜視図。 その平面図。 その側面図。 その使用状態を示す説明図。 従来技術を示す説明図。 他の従来技術を示す説明図。

本例では、撮像素子と、テレセントリック光学系と、明視野照明ユニットと、暗視野照明ユニットを備えた撮像装置の低重心化・小型化を達成するため、扁平形状に形成されたケーシング内に、撮像素子、テレセントリック光学系、明視野照明ユニットを収納配設し、当該ケーシングの正面に暗視野照明ユニットの光源を配した。

より具体的には、撮像素子及びテレセントリック光学系を、正面及び背面を扁平面とする扁平形状に形成されたケーシング内に収納し、ケーシングの正面側に、前記前群レンズを配したアパーチャを形成し、撮像素子はケーシングの背面側に向けて取り付けた。
また、撮像光軸は、撮像素子からケーシングの背面側に向って進行し、ケーシング内で直角に屈曲されて当該背面に沿って前記絞りを透過した後、アパーチャの中心軸に沿ってケーシングの背面側から正面側に向かって直角に屈曲させた。
暗視野照明ユニットは、アパーチャの周囲に環状に配された発光素子を備え、明視野照明ユニットは、その照明光軸が、撮像光軸上に配された絞りとアパーチャ側の屈曲点の間で背面に沿って撮像光軸から分岐され、当該照明光軸上で前記絞りと対応する位置から、前群レンズの前記絞りにおける開口角と等しいかそれより大きな角度で照明光を拡散させる光源装置を備えた。

図１〜３に示されるように、本発明に係る撮像装置１は、撮像素子２から撮像対照物Ｗに至る撮像光軸Ｘ_Ｃ上に、少なくとも物体側の主光線Ｐが前記光軸Ｘ_Ｃと平行なテレセントリック光学系３を成す後群レンズ４、絞り５及び前群レンズ６が配されると共に、撮像対象物Ｗに対して前記主光線Ｐと重なる平行照明光束を照射する明視野照明ユニット７と、撮像対象物Ｗに対して斜光照明光束を照射する暗視野照明ユニットとを備えている。

テレセントリック光学系３として、本例では、物体側及び像側の主光線Ｐ及びＱが光軸Ｘ_Ｃと平行な両側テレセントリック光学系を用いているが、物体側の主光線Ｐのみが光軸Ｘ_Ｃと平行な物体側テレセントリック光学系を用いることもできる。

撮像素子１及びテレセントリック光学系３は、正面１１及び背面１２を扁平面とする扁平形状に形成されたケーシング１３内に収納され、当該ケーシング１３の正面側に、前記前群レンズ６を配したアパーチャ１４が形成されている。

撮像素子１は、ケーシング１３内に背面１２に向けて取り付けられている。
その撮像光軸Ｘ_Ｃは、撮像素子１からケーシング１３の背面側に向って進行し、ケーシング１３内で直角に屈曲され、当該背面１２に沿って前記絞り５を透過した後、前記アパーチャ１４の中心軸に沿ってケーシング１３の背面側から正面側に向かって直角に屈曲されている。

本例では、撮像光軸Ｘ_Ｃの二つの屈曲点Ｒ１、Ｒ２に直角プリズム１５及び１６が配され、テレセントリック光学系３の後群レンズ４が、撮像素子２側の直角プリズム１５と絞り５の間に配されている。
また、テレセントリック光学系３は、前群レンズ６からアパーチャ１４側の直角プリズム１６までの光路長が、当該直角プリズム１６から後群レンズ４までの光路長よりも短く設計されている。

ケーシング１３の正面１１側には、アパーチャ１４を囲むように環状凹溝（凹部）１７が形成され、当該凹溝１７内には、暗視野照明ユニット８の光源となる８個の高輝度ＬＥＤ（発光素子）１８がその正面１１から突出しないように等角度間隔で一列に取り付けられている。

各ＬＥＤ１８の照明光軸Ｘ_Ｄは、撮像光軸Ｘ_Ｃと平行で、且つ、主光線Ｐから離れた位置に配されており、これにより、各ＬＥＤ１８より拡散照射された光が、測定対象物に対して斜めに照射される斜光照明光束となって照射される。
なお、各ＬＥＤ１８の照明光軸Ｘ_Ｄは、撮像光軸Ｘ_Ｃと平行に限らず、撮像光軸Ｘ_Ｃに対して所定の角度に傾斜して配される場合であってもよい。

明視野照明ユニット７は、ケーシング１３内に配された光源装置２１から照射された拡散光が前群レンズ６で平行光速にされて測定対象物に照射される。
光源装置２１は、撮像光軸Ｘ_Ｃ上に配された絞り５とアパーチャ１４側の屈曲点Ｒ２の間に配されたハーフミラー２２によりケーシング１３の背面１２に沿って撮像光軸Ｘ_Ｃから分岐された照明光軸Ｘ_Ｂ上に配されており、当該照明光軸Ｘ_Ｂ上で前記絞り５と対応する位置から、前群レンズ６の前記絞り５における開口角と等しいかそれより大きな角度で照明光を拡散照射させる。

これにより、光源装置２１から照射された拡散光は、絞り５と対応する位置から前群レンズ６の開口角と略等しい角度で拡がりながら照射されるので、ハーフミラー２２で反射されて撮像光軸Ｘ_Ｃと同軸的に、前群レンズ６に向い、前群レンズ６で平行化されて撮像対象物Ｗに照射される。
したがって、テレセントリック光学系３の物体側の主光線Ｐと重なる平行照明光束が撮像対象物Ｗに照射されることとなり、観察された像に照明光の影が映り込むことがない。

なお、本例では、ケーシング１３の縦×横×高さ＝８５ｍｍ×３５ｍｍ×１５ｍｍ程度であり、前群レンズ６から屈曲点Ｒ２までの距離Ｌ１＝１０ｍｍ、屈曲点Ｒ２から絞り５までの距離Ｌ２＝４０ｍｍ、後群レンズ４の絞り側焦点距離Ｌ３＝１０ｍｍ、前群レンズ６のワーキングディスタンスＷＤ＝３７ｍｍに設計されている。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用を、電子部品実装装置の実装ヘッドに搭載する場合を例にとって説明する。
図４は、本発明に係る撮像装置１を、電子部品実装装置３１の実装ヘッド３２に装着した状態を示す説明図である。
実装ヘッド３２は、基板搬送用コンベア３３とパーツパレット３４間に配されたＸＹＺ移動装置３５に装着され、その底面に電子部品Ｄを吸着する吸着ノズル３６…を備えると共に撮像装置１が取り付けられている。

ＸＹＺ移動装置３５は、Ｘ方向レール３７Ｘにより基板搬送用コンベア３３に直交する方向に往復移動するスライダ３８Ｘと、当該スライダ３８Ｘに支持されたＹ方向レール３７Ｙにより基板搬送用コンベア３３の搬送方向に往復移動するスライダ３８Ｙと、当該スライダ３８Ｙに支持されたリニアモータ３７Ｚにより基板搬送用コンベア３３上の基板Ｂに対して昇降するロッド３８Ｚを備えており、そのロッド３８Ｚの下端に実装ヘッド３２が取り付けられている。

なお、撮像装置１の被写界深度内に基板Ｂが位置する高さに、リニアモータ３７Ｚの中立位置が設定されると共に、吸着ノズル３６の長さは、当該中立位置において、その先端が基板Ｂ上に載置された電子部品に接触しないように選定されている。

基板搬送用コンベア３３で搬送されてきた基板Ｂ上に電子部品Ｄを実装する場合、実装ヘッド３２は、ＸＹＺ移動装置３５によりパーツパレット３４上の所定位置に位置決めされ、吸着ノズル３６の先端を所定高さまで降下させた状態で電子部品Ｄを真空吸引した後、基板搬送用コンベア３３で搬送されてきた基板Ｂ上の所定位置に位置決めされると、リニアモータ３７Ｚにより電子部品Ｄが基板Ｂに接する位置までロッド３８Ｚが伸張され、真空吸引を停止し電子部品を基板Ｂ上に置く。

次いで、リニアモータ３７Ｚを瞬時に中立位置に戻して、電子部品Ｄを置いた部分が撮像装置１の視野に入る位置まで実装ヘッド３２を高速移動させ、載置された電子部品Ｄの状態を撮像する。
そして、撮像された画像を画像処理することにより、電子部品Ｄが正常に載置されたか否かの判断を行う。

なお、撮像する際には、明視野照明ユニット７及び暗視野照明ユニット８を、予め設定した任意の光量比で点灯する。
明視野照明ユニット７から照射される光は、テレセントリック光学系３の物体側の主光線Ｐと一致する平行光束であるため画像に影ができないというメリットがあるが、撮像対象物に対して入射角０度で照射されるため、撮像対象物の種類によっては、直接反射光が光って撮像されることがある。
一方、暗視野照明ユニット８から照射される光は、撮像対象物に対して所定の角度をもって照射されるため、直接反射光が映り込むことはないが、基板Ｂ上に置かれた電子部品Ｄの影が撮像されるというデメリットがある。
これら明視野照明ユニット７及び暗視野照明ユニット８の光量比を変えることにより見え方が異なり、撮像対象物の種類によって、なるべく影ができず直接反射光が映りこまない画像が得られる光量比が設定されている。

また、撮像装置１は、その重心位置が低い扁平形状のケーシング１３内に各部品が搭載されてオールインワンに形成されているので、これを装着した実装ヘッド３２を高速移動させたときでも、大きな慣性モーメントが発生することがない。
したがって、実装ヘッド３２の駆動／支持機構も軽量・小型化を図ることができ、結果として、実装速度の高速化の要請にも資するという効果がある。
したがって、実装ヘッドの駆動／支持機構も軽量・小型化を図ることができ、結果として、実装速度の高速化の要請にも資するという効果がある。
電子部品Ｄの装着から実装検査に要する時間を短縮させることができる。

本発明は、少なくとも物体側の主光線が前記光軸と平行なテレセントリック光学系が配された撮像装置の用途に適用し得る。

１ 撮像装置
２ 撮像素子
Ｘ 撮像光軸
Ｐ 主光線
３ テレセントリック光学系
４ 後群レンズ
５ 絞り
６ 前群レンズ
７ 明視野照明ユニット
Ｙ 照明光軸
８ 暗視野照明ユニット
Ｚ 照明光軸
１１ 正面
１２ 背面
１３ ケーシング
１４ アパーチャ
１７ 環状凹溝（凹部）
１８ 高輝度ＬＥＤ（発光素子）
２１ 光源装置

Claims (4)

1. 撮像素子から撮像対照物に至る撮像光軸上に、少なくとも物体側の主光線が前記光軸と平行なテレセントリック光学系を成す後群レンズ、絞り及び前群レンズが配されると共に、撮像対象物に対して前記主光線と重なる平行照明光束を照射する明視野照明ユニットと、撮像対象物に対して斜光照明光束を照射する暗視野照明ユニットとを備えた撮像装置において、
   前記撮像素子及びテレセントリック光学系が、正面及び背面を扁平面とする扁平形状に形成されたケーシング内に収納され、
   当該ケーシングの正面側に、前記前群レンズを配したアパーチャが形成され、
   前記撮像素子は、前記ケーシングの背面側に向けて取り付けられ、前記撮像光軸は、当該撮像素子からケーシングの背面側に向って進行し、ケーシング内で直角に屈曲されて当該背面に沿って前記絞りを透過した後、前記アパーチャの中心軸に沿ってケーシングの背面側から正面側に向かって直角に屈曲されてなり、
   前記暗視野照明ユニットは、前記アパーチャの周囲に環状に配された発光素子を備え、
   前記明視野照明ユニットは、その照明光軸が、撮像光軸上に配された前記絞りとアパーチャ側の屈曲点の間で前記背面に沿って撮像光軸から分岐され、当該照明光軸上で前記絞りと対応する位置から、前群レンズの前記絞りにおける開口角と等しいかそれより大きな角度で照明光を拡散させる光源装置を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像光軸の二つの屈曲点に直角プリズムが配され、前記テレセントリック光学系の後群レンズが、撮像素子側の直角プリズムと前記絞りの間に配された請求項１記載の撮像装置。
3. 前記テレセントリック光学系は、前群レンズからアパーチャ側直角プリズムまでの光路長が、当該直角プリズムから後群レンズまでの光路長よりも短く設計された請求項２記載の撮像装置。
4. 前記暗視野照明ユニットは、発光素子となる複数のＬＥＤを、環状一列に配すると共に、ケーシングには、前記ＬＥＤが正面から突出しないように配設する凹部が形成された請求項１〜３いずれか記載の撮像装置。
   
   

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