JP2015227801A - 検査用照明方法、及び、検査用照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象面の形状に関わらず、検査対象面の全域に光射出機構からの光を均一に照射できる検査用照明方法、及び、検査用照明装置を提供する。【解決手段】発光面を有する光射出機構と、曲面状又は凹凸面状の検査対象面及び前記光射出機構の間に設けられたレンズと、を用いて、前記検査対象面に前記発光面から射出された光を照射する検査用照明方法であって、前記検査対象面の各点に対して前記発光面の各点がそれぞれ前記レンズにより結像するように前記発光面の形状を設定する。【選択図】図４

Description

本発明は、検査対象面に光を照射して検査するための検査用照明方法、及び、検査用照明装置に関するものである。

例えば製品の外観検査を行う場合、特許文献１に記載されているような同軸照明を用いて検査対象物における検査対象面に対して光を照射し、検査対象面からの反射光、又は、散乱光をカメラで撮像して検査対象面の形状誤差や欠陥の有無を画像処理によって判別する事が行われている。

ところで、特許文献１で用いられている同軸照明の光射出機構は平面の発光面を有するものであるため、例えば前記検査対象面が曲面であったり、凹凸面であったりする場合、レンズによって光射出機構から射出された光を集光しても、前記検査対象面の一部でしか発光面が結像しない。そして、検査対象面の大部分では像が結んでいない不均一でぼやけた状態での光照射しか行えていないことは、検査対象面の形状判定や欠陥検出に係る精度を低下させる原因になっていることを本願発明者は鋭意検討の結果見出したのである。

特開２０１２−１８５２７０号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、検査対象面の形状に関わらず、検査対象面の全域に光射出機構からの光を均一に照射できる検査用照明方法、及び、検査用照明装置を提供することを目的とする。

本発明は検査対象面が曲面又は凹凸面であってもどの検査対象点にも同じ照射態様を実現するには、発光面の形状自体を検査対象面の形状に合わせて適切なものにしなくてはならないことを本願発明者が鋭意検討の結果初めて見出したことによりなされたものである。

すなわち、本発明は、発光面を有する光射出機構と、曲面状又は凹凸面状の検査対象面及び前記光射出機構の間に設けられたレンズと、を用いて、前記検査対象面に前記発光面から射出された光を照射する検査用照明方法であって、前記検査対象面の各点に対して前記発光面の各点がそれぞれ前記レンズにより結像するように前記発光面の形状を設定することを特徴とする。

また、本発明は、発光面を有する光射出機構と、曲面状又は凹凸面状の検査対象面及び前記光射出機構の間に設けられたレンズと、を備え、前記検査対象面に前記発光面から射出された光を照射する検査用照明装置であって、前記検査対象面の各点に対して前記発光面の各点がそれぞれ前記レンズにより結像するように前記発光面の形状が形成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、曲面状又は凹凸面状の前記検査対象面の形状（プロファイル）に応じて、前記発光面を固有の形状に形成して、前記検査対象面の各点に対して前記発光面の各点が結像されるようにしているので、前記検査対象面の全面に亘って、均一な光を照射する事が可能となる。

したがって、本発明の検査用照明方法であれば従来では難しかった検査対象面の形状自体の精密検査や、検査対象面上にある微細な欠陥をも検出も可能となる。

前記発光面の形状を計算によって容易に決定するには、前記検査対象面の各点から前記レンズの主面までの距離ａ、前記検査対象面上の各点に対応する前記発光面の各点から前記レンズの主面までの距離ｂ、前記レンズの焦点距離ｆが、ガウスの結像公式１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆを満たすように前記発光面の形状を設定すればよい。

前記レンズを介することにより、前記発光面が倒立の実像として前記検査対象面に結像されることを考慮して前記発光面の形状を決定するには、前記検査対象面の各点と、前記検査対象面上の各点に対応する前記発光面の各点と、を結ぶ仮想線のうちの少なくとも一部が前記レンズの主光軸に対して交差するように前記発光面の形状を設定すればよい。

例えば缶の内部底面における欠陥検査において効果的な前記発光面の具体的な形状例としては、前記検査対象面が前記レンズ側へ凸形状をなすものの場合には、前記レンズ側へ凹形状をなすように前記発光面の形状を設定するものが挙げられる。

本発明の別の具体的な実施の態様としては、前記検査対象面が前記レンズ側へ凹形状をなすものの場合には、前記レンズ側へ凸形状をなすように前記発光面の形状を設定するものが挙げられる。

このように本発明の検査用照明方法及び検査用照明装置によれば、検査対象面の形状が平面ではなく、複雑形状であったとしてもその全面に発光面を結像させて均一な光を照射することができ、検査精度を従来よりも向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る検査システムの外観を示す模式的斜視図。 同実施形態における検査システムの内部構造を示す模式的断面図。 同実施形態における照射光学系について示す模式図。 同実施形態における発光面の形状の設定方法について示す模式図。 同実施形態における発光面の形状の一変形例を示す模式図。 同実施形態における発光面の形状の別の変形例を示す模式図。 本発明の別の実施形態に係る検査用照明装置を示す模式図。 本発明のさらに別の実施形態に係る検査用照明装置を示す模式図。 本発明の異なる実施形態に係る検査用照明装置を示す模式図。

本発明の一実施形態について説明する。

本実施形態の検査用照明装置１００と、撮像装置Ｃにより構成される検査システム２００は、検査対象Ｗを撮像する方向と、検査対象Ｗを照明する方向とが一致している、いわゆる、同軸照明であり、検査対象Ｗの欠陥が撮像装置Ｃにより撮像された画像中に明暗差として現れるようにするために用いられるものである。ここで、検査対象Ｗの欠陥などの特徴点とは、例えば、表面の傷や、外観の形状、穴の有無等多岐に亘る不具合やその他の特徴種を含むものである。

前記検査用照明装置１００は、図１の斜視図、及び図２の断面図に示すように概略Ｌ字状の筐体を有するものであり、その内部に、検査光を光射出機構１から検査対象Ｗに照射する照射光路Ｌ１と、検査対象Ｗからの反射光が撮像装置Ｃに至るまでの反射光路Ｌ２と、を形成してある。より具体的には、水平方向に延びる第１筒状体９１と、上下方向に延びる第２筒状体９２と、がそれぞれ箱体９３に接続してあり、上下方向に延びる第２筒状体９２の上面開口側に撮像装置Ｃが取り付けられ、前記箱体９３の下面開口に検査対象Ｗが載置されるものである。

図２の断面図、図３（ａ）の簡略化した光路図に示すように前記照射光路Ｌ１はＬ字状に形成されており、水平方向に検査光が進む第１光路Ｌ１１と、反射されて下向きに進む第２光路Ｌ１２とから構成してある。

前記第１光路Ｌ１１上には、検査光が進む順番に、検査光を射出する光射出機構１と、前記光射出機構１の近傍に設けられた第２絞り３２と、前記光射出機構１から射出された検査光を集光するレンズ２と、前記レンズ２の光入射側近傍に設けられた第１絞り３１と、前記第１絞り３１の近傍に設けられた第１遮光マスクＭ１と、前記検査光を下方へと反射するように前記反射光路Ｌ２及び照射光路Ｌ１に対して傾けて設けられたハーフミラー４と、が配置してある。さらに前記第２光路Ｌ１２上には、前記ハーフミラー４で反射された検査光が通過する第３絞り３３が設けてある。そして、前記第３絞り３３を前記箱体９３内部から通過した検査光は、前記検査対象Ｗへと照射される。

また、前記反射光路Ｌ２上には、検査対象Ｗから反射される反射光の進む順番に、前述した第３絞り３３と、前記ハーフミラー４と、前記箱体９３の上面に取り付けられた第４絞り３４とが、前記撮像装置Ｃまでに設けられている。つまり、前記ハーフミラー４と、前記第３絞り３３は、前記照射光路Ｌ１と前記反射光路Ｌ２の重なっている部分に配置されていることになる。なお、前述してきた第１絞り３１、第２絞り３２、第３絞り３３、第４絞り３４はそれぞれ可変絞りであり、適宜その絞り量を変更することができる。また、使用態様に応じては絞り量の固定された固定絞りであっても構わない。

以下では各部材の配置や構成について詳述する。

前記光射出機構１は、例えばチップ型ＬＥＤ等により光源１１が形成されたものであり、外側に向けて放熱用の放熱フィン１２が突出させてある。また、この図２の断面図に示すように前記光射出機構１は、第１筒状体９１内を軸方向に進退可能に取り付けられており、検査光の照射開始位置を調整できるようにしてある。すなわち、後述する第１絞り３１による照射立体角の制御とは独立して、前記光射出機構１、前記レンズ２、前記検査対象Ｗの位置関係を変更することで、前記検査対象Ｗにおける検査光の照射範囲を制御することができる。

前記第２絞り３２は、前記光射出機構１の光源１１の近傍に設けられており、その絞り量を調節することで、前記光射出機構１の検査光の照射面積を変更し、前記検査対象Ｗにおける検査光の照射範囲を変更することができる。

前記第１遮光マスクＭ１は、前記第１絞り３１に近接させて設けられるものであり、図３（ｂ）の光軸に沿って見た場合の第１絞り３１と第１遮光マスクＭ１の模式図に示すように透明なガラス板の面板中央部に円形状の遮光部Ｍ１１が形成してある。すなわち、前記第１絞り３１の開口部３１ａ中の一部領域を前記第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１が塞ぐようにしてある。前記遮光部Ｍ１１の直径は前記第１絞り３１の開口径よりも小さく形成してあり、前記光射出機構１から射出された検査光のうち、前記第１絞り３１において光軸近傍を通るものを遮るようにしてある。一方、前記第１絞り３１と前記遮光部Ｍ１１との間の隙間を通過する検査光は前記レンズ２へと入射し、前記検査対象Ｗへと到達する。

前記第１絞り３１は、前記レンズ２の光入射側に設けてあり、前記レンズ２により前記検査対象Ｗの表面に対して照射範囲内の各点に集光されている検査光について等しく照射立体角を調節するためのものである。この照射立体角の制御に関する機能については後述する第１遮光マスクＭ１の作用とともに説明する。

前記レンズ２は、前記箱体９３の側面開口部に取り付けられており、前記光射出機構の結像する位置である結像面が、前記検査対象Ｗの表面近傍に位置するように配置してある。

このような前記第１遮光マスクＭ１、前記第１絞り３１、前記レンズ２によって以下のような効果が生じる。すなわち、前記第１絞り３１及び前記第１遮光マスクＭ１の前記レンズ２に対する位置によって、結像面ＩＭの各点における照射立体角の傾き分布も調節することができる。図４のように第１絞り３１と前記第１遮光マスクＭ１を前記レンズ２の光射出機構１側において焦点よりも内側に配置している場合は、結像面ＩＭの外側ほど外側へと傾き量の大きい照射立体角が形成されることになる。また、前記第１絞り３１が光射出機構１側において焦点上に配置される場合には、全ての照射立体角の照射方向は、光軸に対して平行となり、第１絞り３１がレンズ２の光射出機構１側における焦点よりも外側に配置されている場合は結像面ＩＭの外側の点にある照射立体角ほど光軸側への傾き量が大きくなる。なお、この例では第１絞り３１及び第１遮光マスクＭ１がレンズ２の光射出機構１側に設けられている場合について説明しているが、例えば第１絞り３１及び第１遮光マスクＭ１がワークＷ側に設けられている場合でも同様の効果を奏し得る。

次に図３に基づいて、検査対象物Ｗの検査対象面ＷＡの形状に基づいて設定される光射出機構１の発光面ＬＡの形状の特徴について説明する。なお、本実施形態では、発光面ＬＡは光源１１自体の形状であるが、例えば光拡散板に光源１１から光を照射し、所定の形状の発光面ＬＡを形成しても構わない。ここで、図３以降では説明の簡略化のため、光路を伸ばした状態で記載するとともに、説明に不要な部材については省略している。

本実施形態における検査対象面ＷＡは前記レンズ２側へ突出したなだらかな凸面形状のものであって、前記発光面ＬＡは前記検査対象面ＷＡの全面において前記レンズ２により結像するようにその形状を形成してある。すなわち、前記検査対象面ＷＡの各点ＩＦに対して前記発光面ＬＡの各点ＬＥがそれぞれ前記レンズ２により結像するように前記発光面ＬＡの形状を設定してある。

次に前記検査対象面ＷＡの形状に基づいて、前記発光面ＬＡの形状を設定する具体的な手順について説明する。

図４では、前記レンズ２の主光軸に沿って検査対象物から発光面ＬＡ側へと進む方向をＺ軸、図４の紙面奥行方向をＹ軸、図４の紙面上向きをＸ軸として設定してある。このような座標系において前記検査対象面ＷＡの形状（プロファイル）は、検査対象物Ｗの所定断面を基準面とし、その基準面から前記検査対象面ＷＡまでの高さｈとして、Ｘ，Ｙの関数Ｚ＝ｈ（Ｘ,Ｙ）として表現できる。なお、図４ではＹがゼロのときを表しているが、Ｙの値を変化させることで検査対象面ＷＡの立体形状を表現できることは明らかである。

本実施形態では、前記検査対象面ＷＡの各点ＩＦから前記レンズ２の主面までの距離ａ、前記検査対象面ＷＡ上の各点ＩＦに対応する前記発光面ＬＡの各点ＬＥから前記レンズ２の主面までの距離ｂ、前記レンズ２の焦点距離ｆが、ガウスの結像公式１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆを満たすように前記発光面ＬＡの形状を設定してある。

言い換えると、この検査対象点ＩＦに結像することができる位置は、ガウスの結像公式叉は図４のような光路図を作図することで求めることができる。つまり、各点ＩＦに結像できる位置を求めることで、発光面ＬＡの各点ＬＥとして配置すべき座標を算出して、その結果、発光面ＬＡの形状（プロファイル）を算出することができる。

具体的には、レンズ２の主面から検査対象物の基準面までの距離をｈ０とした場合、検査対象面ＷＡをなす、ある検査対象点ＩＦからレンズ２の主面までの距離はａ＝ｈ０−Ｈ（Ｘ，Ｙ）として表せる。また、この検査対象点ＩＦに対応する光射出点ＬＥとレンズ２の主面との間の距離ｂについてはｂ＝ａｆ／（ａ‐ｆ）で表せる。さらに、レンズ２の主軸からこの光射出点ＬＥまでの距離Ｌｘはａ、ｂから求まる倍率と、レンズ２の主軸から検査対象点ＩＦまでの距離Ｘを用いて、Ｌｘ＝−（ａ／ｂ）Ｘとして表せる。なお、マイナスを付しているのは、検査対象点ＩＦと光射出点ＬＥを結ぶ仮想線と主軸が交差し、倒立の実像をなすことを表現するためである。

これらのことから、発光面ＬＡの形状についてはｂの最小値ｂｍｉｎを用いて、Ｌｚ＝ｈＬ（Ｌｘ、Ｙ）＝ｂ−ｂｍｉｎとして一般的に表すことができる。

つまり、検査対象面ＷＡの形状を示す座標に対して、一対一で発光面ＬＡの形状を算出することができる。

このようにして設定された発光面ＬＡであれば、図３及び図４からも明らかなように、すべての光射出点ＬＥは検査対象面ＷＡをなすすべての検査対象点ＩＦにそれぞれ結像させることができる。すなわち、曲面である検査対象面ＷＡの全面に発光面ＬＡを結像させて、均一な光照射を実現できる。

したがって、検査対象面ＷＡ自体の形状を精密に検査したり、検査対象面ＷＡ上にある微細な欠陥を検査したりすることが可能となる。

本実施形態の変形例について図５、図６を参照しながら説明する。なお、いずれの変形例でも図４に示した方法により発光面ＬＡの形状は決定されている。

図５に示すように検査対象面ＷＡがレンズ２側へ凹形状となっている場合には、発光面ＬＡはレンズ２側へ凸形状として形成してあり、図３及び図４と同様に光射出面の全面に発光面ＬＡが結像するようにしてある。

また、図６に示すように検査対象面ＷＡが複雑な凹凸形状であったとしても、同様に対応する発光面ＬＡの形状を算出して、設定することが可能である。また、図６に示されるようにこのような複雑な形状の検査対象面ＷＡであったとしても全面に発光面ＬＡを結像させることが可能であり、従来では難しかった検査でも精度のよい検査が可能となる。

本発明のその他の実施形態について説明する。

図３乃至図６に示したように主光軸に対して検査対象面ＷＡ、発光面の中心軸が同軸となるように配置されていることは必須の要件ではなく、例えば、図７に示すようにレンズの主面に対して傾けてそれぞれが配置されていても構わない。このような場合でも発光面の形状は前述したのと同様の計算や作図によって設定し、同様の効果を得ることができる。

前記各実施形態では、検査対象物の一面全体が検査対象面として設定してあったが、そのうちの一部のみを検査対象面としても構わない。また、発光面も光射出機構で発光している部分全体でなく、一部だけであってもよい。要するに、本発明でいう検査対象面、発光面とはガウスの結像公式の関係が満たされている部分をいい、その周囲に別の面等が形成されていても構わない。また、検査対象面の形状は任意であり、発光面の形状も前記各実施形態に示したものに限られない。

また、図８に示すように光拡散板ＤＦの一面の形状及び位置を検査対象面ＷＡの形状に合わせてガウスの結像公式に基づいて設定し、光拡散板ＤＦの後方から光源１１により光を照射して発光面ＬＡを形成しても構わない。すなわち、光射出機構１は、光源１１自体で検査対象面ＷＡに合わせて発光面ＬＡの形状を設定したものであってもよいし、光源１１と射出された光を整形する光学素子の形状によって所定の発光面ＬＡを形成したものであってもよい。ＬＥＤチップ等を用いた光源１１の場合には、基板を検査対象面ＷＡの形状に合わせて、成形しておき、その基板表面にＬＥＤチップを敷き詰めることにより所望の発光面ＬＡの形状を得ることができる。また、光拡散板ＤＦ等のような光学素子で発光面ＬＡを形成すれば、複雑な形状の検査対象面ＷＡであっても対応した発光面ＬＡを樹脂成型等により簡単に形成することができる。

加えて、図９に示すように前記検査用照明装置１００が、前記発光面ＬＡと検査対象面ＬＡとの間にマスクＭを有し、前記検査対象面ＷＡ上に発光面ＬＡの像が結像されている光照射領域と、光が照射されない遮光領域とが形成されるようにしてもよい。より具体的には、図９（ａ）（ｂ）に示すように格子状に形成されたマスクＭを前記発光面ＬＡの前に配置した場合、図９（ｃ）に示すように前記検査対象面ＷＡが曲面であっても境界が明確な格子を形成し、検査領域をごく一部に限定したり、検査領域以外からの反射光をなくしたりしてより検査精度を向上させることができる。

言い換えると、曲面上であっても発光面の全体を結像させることができない従来の検査用照明装置では、検査対象面が曲面や凹凸面の場合、光照射領域の外縁がぼやけて、遮光領域にも一部の光が照射されてしまい、不要な光の反射や散乱を抑えることができなかったという問題を本発明であれば解決でき、検査精度を向上させられる。

なお、前記マスクは光を完全に遮光する者に限られず、例えば、検査光の所定量だけ透過させるものであってもよい。すなわち、遮光領域とは完全に光が到達しない領域であってもよいし、光照射領域に対して光量が低下している領域であってもよい。このようなものであっても、光照射領域と遮光領域の光量の違いを正確に整えることができ、従来では検査しにくかったものでも検査する事が可能となる。また、図９の例からも分かるように検査対象面及び発光面は連続した面ではなく、不連続に形成されているものであってもよい。

本発明は検査に用いられるものであるが、表面検査、外観検査、形状検査等といった様々な検査に用いられるものであり、用途は特に限定されない。検査対象面からの反射光、散乱光を撮像して得られる画像に基づいて検査するものであれば、本発明の効果を享受できる。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や、組み合わせを行っても構わない。

２００ ：検査システム
１００ ：検査用照明装置
１ ：光射出機構
１１ ：光源
ＬＡ ：発光面
ＬＥ ：光射出点
Ｗ ：検査対象
ＷＡ ：検査対象面
ＩＦ ：検査対象点（結像点）

Claims (10)

1. 発光面を有する光射出機構と、曲面状又は凹凸面状の検査対象面及び前記光射出機構の間に設けられたレンズと、を用いて、前記検査対象面に前記発光面から射出された光を照射する検査用照明方法であって、
   前記検査対象面の各点に対して前記発光面の各点がそれぞれ前記レンズにより結像するように前記発光面の形状を設定することを特徴とする検査用照明方法。
2. 前記検査対象面の各点から前記レンズの主面までの距離ａ、前記検査対象面上の各点に対応する前記発光面の各点から前記レンズの主面までの距離ｂ、前記レンズの焦点距離ｆが、ガウスの結像公式１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆを満たすように前記発光面の形状を設定する請求項１記載の検査用照明方法。
3. 前記検査対象面の各点と、前記検査対象面上の各点に対応する前記発光面の各点と、を結ぶ仮想線のうちの少なくとも一部が前記レンズの主光軸に対して交差するように前記発光面の形状を設定する請求項１又は２記載の検査用照明方法。
4. 前記検査対象面が前記レンズ側へ凸形状をなすものの場合には、前記レンズ側へ凹形状をなすように前記発光面の形状を設定する請求項１乃至３いずれかに記載の検査用照明方法。
5. 前記検査対象面が前記レンズ側へ凹形状をなすものの場合には、前記レンズ側へ凸形状をなすように前記発光面の形状を設定する請求項１乃至３いずれかに記載の検査用照明方法。
6. 発光面を有する光射出機構と、曲面状又は凹凸面状の検査対象面及び前記光射出機構の間に設けられたレンズと、を備え、前記検査対象面に前記発光面から射出された光を照射する検査用照明装置であって、
   前記検査対象面の各点に対して前記発光面の各点がそれぞれ前記レンズにより結像するように前記発光面の形状が形成されていることを特徴とする検査用照明装置。
7. 前記検査対象面の各点から前記レンズの主面までの距離ａ、前記検査対象面上の各点に対応する前記発光面の各点から前記レンズの主面までの距離ｂ、前記レンズの焦点距離ｆが、ガウスの結像公式１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆを満たすように前記発光面の形状が形成されている請求項６記載の検査用照明装置。
8. 前記検査対象面の各点と、前記検査対象面上の各点に対応する前記発光面の各点と、を結ぶ仮想線のうちの少なくとも一部が前記レンズの主光軸に対して交差するように前記発光面の形状が形成されている請求項６又は７記載の検査用照明装置。
9. 前記検査対象面が前記レンズ側へ凸形状をなすものの場合には、前記レンズ側へ凹形状をなすように前記発光面の形状が形成されている請求項６乃至８いずれかに記載の検査用照明装置。
10. 前記検査対象面が前記レンズ側へ凹形状をなすものの場合には、前記レンズ側へ凸形状をなすように前記発光面の形状が形成されている請求項６乃至８いずれかに記載の検査用照明装置。