JP2016065839A - 光照射装置及びワーク検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の反射部で反射した光をワークに照射可能に構成するとともに、ワークで反射した光を隙間を通して反対側に透過可能に構成された光照射装置において、複数の反射部により生じるモアレを軽減する。
【解決手段】透光板２１に互いの間に隙間Ｓが形成されるように並び設けられた多数の反射部２２を備え、多数の反射部２２で反射した光をワークＷに照射可能に構成するとともに、ワークＷで反射した光を隙間Ｓを通して反対側に透過可能に構成された光照射装置１であって、２つの反射部２２の間の距離Ｌと、所定の基準線Ｘに対する２つの反射部２２を結ぶ直線のなす角度θとを相対位置情報としたときに、複数の反射部２２により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数と、複数の反射部２２により得られる複数の距離Ｌのばらつきを示すばらつき量との積が所定値以上となるように、複数の反射部２２が並び設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば工場等において製品等の対象物（ワーク）に光を照射するものであって、その外観検査や表面に記載された記号読取の際に好適に用いられる光照射装置及び当該光照射装置を用いたワーク検査装置に関する。

従来、例えば製品等の対象物に光を照射して好適な照明環境を作り出した上で、当該対象物をＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像し、自動外観検査や自動記号読取を行うようにしたシステムが知られている。

このシステムに用いられる光照射装置としては、特許文献１に示すように、多数の微細な反射部を、互いの間に隙間が形成されるように、透明板の反対象物側の面に並べ設けるとともに、その透明板の側周端面からＬＥＤ光を導入するようにしたものがある。光は、透明板の中を全反射しながら進行するが、そのうちの一部は、反射部で反射して透明板から対象物に向かって照射される。なお、撮像装置は、反射部の間に隙間があるため、網戸から明るい部屋の中を覗くように、反射部にほとんど影響されることなく、対象物を撮像することができる。

特開２００３−９８０９３号公報

ところで、このような光照射装置を用いた場合、撮像装置側の倍率によっては、撮像画面にモアレ（干渉縞）が生じ、検査等に影響を及ぼす場合がある。このモアレを軽減するために、特許文献１では、例えば反射部を不均一なピッチで並べるといった手法が記載されている。

しかしながら、反射部を不均一なピッチで並べたからといって、撮像画面に生じるモアレが検査等に影響を及ぼさない程度に軽減されているとは限らず、モアレを所定未満に軽減するための反射部の配置設計及びその製作には、非常に時間及びコストがかかってしまうという問題がある。

一方で、本願発明者は、モアレを所定未満に軽減するために、反射部の配置設計について鋭意検討を重ねた結果、各反射部同士の相対位置と撮像画面に生じるモアレとの間に相関があることを初めて見い出した。

そこで、本発明は、上記本願発明者の鋭意検討の結果なされたものであり、例えば撮像画面に生じるモアレが検査等に影響を及ぼさない程度にモアレを所定未満に軽減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る光照射装置は、一方面が光照射対象であるワークに対向するワーク対向面となる透光板と、前記透光板の他方面に、互いの間に隙間が形成されるように設けられた多数の反射部と、射出した光が前記透光板内を通り前記複数の反射部に到達する位置に設けられた光源部とを備え、前記多数の反射部で反射した光を前記ワークに照射可能に構成するとともに、前記ワークで反射した光を前記隙間を通して反対側に透過可能に構成された光照射装置であって、２つの反射部の間の距離と、所定の基準線に対する前記２つの反射部を結ぶ直線のなす角度とを相対位置情報としたときに、前記複数の反射部により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数と、前記複数の反射部により得られる複数の距離のばらつきを示すばらつき量との積が所定値以上となるように、前記複数の反射部が並び設けられていることを特徴とする。

このような光照射装置であれば、複数の反射部により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数と、複数の反射部により得られる複数の距離のばらつきを示すばらつき量との積が所定値以上となるように、複数の反射部がランダムに並び設けられているので、複数の反射部により生じるモアレを所定未満に軽減することができる。具体的にはデータとともに詳述する。また、複数の反射部をランダム配置させる際に、相対位置情報の種類数とばらつき量との積をパラメータとして複数の反射部を配置すればよいので、従来の試行錯誤的に設計する場合に比べて、反射部の配置設計及びその製作の時間及びコストを低減することができる。

前記他方面が、前記複数の反射部の配置パターンを互いに同一とする複数の区画領域を有しており、前記各区画領域における前記種類数と前記ばらつき量との積が所定値以上となるように、前記複数の反射部が並び設けられていることが望ましい。
これならば、反射部の配置パターンを互いに同一とする複数の区画領域に分割し、各区画領域に含まれる複数の反射部により得られる前記種類数とばらつき量との積が所定値以上となるように配置設計すればよいので、他方面全体の複数の反射部の配置設計を行う場合に比べて、反射部の配置設計及びその製作の時間及びコストを低減することができる。

また、本発明に係るワーク検査装置は、上述した光照射装置と、前記ワークで反射し、前記隙間を通って前記透光板を通過した光を捕捉することにより、前記ワークを撮像する撮像装置とを備え、前記透光板の他方面における前記撮像装置の撮像領域が、３つ以上の反射部を互いに等間隔かつ直線状に配置した均一ドットを有さないように構成されていることを特徴とする。
このようなワーク検査装置によれば、複数の反射部により生じるモアレを所定未満に軽減することができ、外観検査や表面に記載された記号読取等の検査精度を向上させることができる。また、透光板の他方面における撮像装置の撮像領域が、３つ以上の反射部を互いに等間隔かつ直線状に配置した均一ドットを有さないように構成されているので、より一層モアレを軽減することができる。

このように構成した本発明によれば、多数の反射部で反射した光をワークに照射可能に構成するとともに、ワークで反射した光を隙間を通して反対側に透過可能に構成された光照射装置において、複数の反射部により生じるモアレを軽減することができる。

本発明の一実施形態における光照射装置の内部構造を示す中央縦正端面図。 同実施形態における光照射装置の平面図。 同実施形態における光照射装置の反射部を主として示す部分拡大縦正端面図。 図２におけるＡ部詳細図。 相対位置情報を説明するための模式図。 相対位置情報の種類数を説明するための模式図。 同実施形態における複数の反射部の配置態様を示す図。 センサの座標及び光量の関係を示す図。 「種類数」×「標準偏差（σ）」とモアレ量との関係を示すシミュレーション結果を示す図。 モアレの発生メカニズムを示す模式図。

以下に本発明に係る光照射装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光照射装置１は、図１及び図２に示すように、全体として薄い板状をなすもので、ワークＷと撮像装置５との間の撮像軸Ｃ上に直交して配置され、ワークＷを照明するとともに、ワークＷからの光の一部を透過させて、撮像装置５によるワークＷの撮像を可能ならしめるものである。なお、この光照射装置１と、撮像装置５とによりワーク検査装置１００が構成される。

具体的にこの光照射装置１は、矩形板状をなす光学部材２と、その光学部材２の側周囲から光を照射する光源部３と、前記光学部材２及び光源部３を保持する枠体４とを備えている。

光学部材２は、特に図３に示すように、一方面をワーク対向面２１ａとして、光照射対象である製品等のワークＷに向けて設置される透光板２１と、前記透光板２１における他方面（反ワーク対向面）２１ｂに並べ設けた多数の反射部２２とを有する。

透光板２１は、等厚で平面視正方形状の板状をなす無色透明のものであり、例えばアクリルやガラスなどを素材としている。

反射部２２は、図３及び図４に示すように、光を乱反射する反射層２２１と、光をほとんど反射しない光遮断層２２２との２層構造をなし、その一つ一つは、例えば平面視円形状をなし、径が数十〜数百μｍ、厚みがミクロンオーダーの極めて小さく薄いものである。そして、この反射部２２を、互いの間に微細な隙間Ｓが形成されるように、前記透光板２１における反ワーク対向面２１ｂの、側周縁部を除く略全面に亘って、ランダムに多数並べ設けてある。なお、詳細な配置態様については、後述する。

また、各反射部２２は、前記反射層２２１がワークＷ側を向くように、すなわち前記反射層２２１を、透光板２１の反ワーク対向面２１ｂに付着させてある。なお、図３は理解のための模式図であり、反射部２２の厚みを誇張し、また透光板２１の厚みを実際より薄く表現してある。前記反射層２２１は、光拡散部材である粒子状の反射フィラ（図示しない）を含有させた例えば白色の顔料で形成したもので、その表面である光反射面において、主として光を反射するとともに、内部に侵入した光の一部を、前記反射フィラで拡散させて反射する。一方、光遮断層２２２は、酸化クロム（ＣｒＯ_２）等のつや消し黒色系（例えば茶色や灰色等）素材を用いて形成したものである。なお、この実施形態では、前記反射層２２１を透過した光を反射する目的から、この光遮断層２２２と反射層２２１との間に鏡面状をなす薄いクロム層（図示しない）をさらに設けた構成である。

光源部３は、前記透光板２１の４つの側周端面２１ｃにそれぞれ対応する４つのユニットからなる。各ユニットは、帯状をなす１つの配線基板３２とその配線基板３２に等間隔１列で搭載した複数のＬＥＤ３１からなり、それらＬＥＤ３１が、透光板２１の側周端面２１ｃに臨むように配置され、当該側周端面２１ｃから透光板２１の内部に向かって光を照射する。

枠体４は、矩形（正方形）環状をなし、例えば内周面に開口する周回溝を有した金属製のもので、その周回溝の中に前記光源部３を保持収容する。またその溝の開口縁部で、前記透光板２１の側周縁部を厚み方向から挟み込んで保持する。

次に、このように構成した光照射装置１の作用を説明する。
まず、図１に示すように、ワークＷと撮像装置５とを対向させて設置し、その間に、光照射装置１を、そのワーク対向面２１ａがワークＷに向くようにして、撮像軸Ｃ上に設置する。

この状態で、光源部３から光が照射されると、その光は、透光板２１の側周端面２１ｃから内部に進入し、図３に示すように、中央部に向かって、ワーク対向面２１ａと反ワーク対向面２１ｂとの間で全反射しながら進行する。その過程で、反ワーク対向面２１ｂに貼り付けられた反射部２２に到達した光は、そこで乱反射し、均一化された拡散光としてワーク対向面２１ａから出て、ワークＷに向かって照射される。この光で、ワークＷは一様に照明される。

一方、撮像装置５は、前記ワークＷで反射し、反射部２２の間の隙間Ｓを通って透光板２１を通過した光を捕捉することにより、上述のごとくワークＷを撮像し、当該ワークＷの表面検査や記号読取を行う。なお、反射部２２は微細であるために、網戸を介して明るい部屋の中を見ることができるように、この反射部２２が撮像の邪魔にはなることは基本的にはない。このようにして、反射部２２での反射光により撮像装置５の観測軸Ｃと同軸方向からの照明が行えるとともに、前記ワークＷを、隙間Ｓを介して撮像装置５で撮像し、検査等を行うことができる。

ところで、複数の反射部が、等ピッチで縦横に多数並べ設けたものの場合において、この実施形態の撮像装置５であるＣＣＤカメラのように、画像素子の縦（又は横）の配設ピッチが略均一である場合には、撮像した画像にモアレが生じることがある。本発明者が解明した限りにおいてのモアレの原因は、「反射部で反射してワークＷ側に向かい、その後、ワーク対向面で再度反射して撮像装置側に向かう光」である。より詳細には、図１０に示すように、その光によって画像素子上に写る各反射部（裏面反射による各反射部の虚像）が、画像素子に写る各反射部の実像とほぼ重なり合うときに、モアレが生じ得る。

しかして本実施形態では、２つの反射部２２の間の距離Ｌと、所定の基準線Ｘに対する２つの反射部２２を結ぶ直線のなす角度θとを相対位置情報（図５参照）としたときに、複数の反射部２２により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数と、複数の反射部２２により得られる複数の距離Ｌのばらつきを示すばらつき量との積が所定値以上となるように、複数の反射部２２がランダムに並び設けられている。

ここで、２つの反射部２２の間の距離Ｌとは、当該２つの反射部２２の中心点の間の直線距離である。また、所定の基準線Ｘとは、複数の反射部２２それぞれにおいて同一であり、本実施形態では、反射部２２の中心点を通り、紙面右方向に延びるＸ軸線である。

次に、「複数の反射部２２により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数」について具体的に説明する。

図６に示すように、５つの反射部Ａ〜Ｅについて考えた場合、ある１つの反射部Ａとその他の反射部Ｂ〜Ｅそれぞれとの相対位置情報は、（Ｌ_{（Ａ→Ｂ）}，θ_{（Ａ→Ｂ）}）、（Ｌ_{（Ａ→Ｃ）}，θ_{（Ａ→Ｃ）}）、（Ｌ_{（Ａ→Ｄ）}，θ_{（Ａ→Ｄ）}）、（Ｌ_{（Ａ→Ｅ）}，θ_{（Ａ→Ｅ）}）の４つである。また、別の反射部Ｂとその他の反射部Ａ、Ｃ〜Ｅそれぞれとの相対位置情報は、（Ｌ_{（Ｂ→Ａ）}，θ_{（Ｂ→Ａ）}）、（Ｌ_{（Ｂ→Ｃ）}，θ_{（Ｂ→Ｃ）}）、（Ｌ_{（Ｂ→Ｄ）}，θ_{（Ｂ→Ｄ）}）、（Ｌ_{（Ｂ→Ｅ）}，θ_{（Ｂ→Ｅ）}）の４つである。その他の反射部Ｃ〜Ｅについても同様にして考えると５つの反射部Ａ〜Ｅにより得られる複数の相対位置情報は、計２０個となる。

この複数の相対位置情報のうち、Ａから見たＢの相対位置情報（Ｌ_{（Ａ→Ｂ）}，θ_{（Ａ→Ｂ）}）及びＢから見たＡの相対位置情報（Ｌ_{（Ｂ→Ａ）}，θ_{（Ｂ→Ａ）}）、Ａから見たＣの相対位置情報（Ｌ_{（Ａ→Ｃ）}，θ_{（Ａ→Ｃ）}）及びＣから見たＡの相対位置情報（Ｌ_{（Ｃ→Ａ）}，θ_{（Ｃ→Ａ）}）等のように、一対の反射部により得られる２つの相対位置情報を同一とする。一対の反射部により得られる２つの相対位置情報を同一とした場合、互いに異なる相対位置情報の種類数は、計１０（＝_５Ｃ_２）個となる。その他、一対の反射部により得られる相対位置情報以外にも、同一の相対位置情報があれば、前記互いに異なる相対位置情報の種類数（計１０個）から差し引く。

つまり、複数（Ｎ個）の反射部２２により得られる互いに異なる相対位置情報の最大値は、計_ＮＣ_２（＝Ｎ×（Ｎ−１）／２）個である。なお、一対の反射部２２により得られる相対位置情報以外にも、同一の相対位置情報があれば、前記互いに異なる相対位置情報の種類数（計_ＮＣ_２個）から差し引く。このとき、相対位置情報の種類数を可及的に多くする、つまり、互いに異なる相対位置情報の種類数を、計_ＮＣ_２個とするためには、複数の反射部２２が、３つ以上の反射部２２を互いに等間隔かつ直線状に配置した均一ドットを有さないように構成することが必須となる。本実施形態では、透光板２１の他方面２１ｂにおける撮像装置５の撮像領域が、３つ以上の反射部２２を互いに等間隔かつ直線状に配置した均一ドットを有さないように構成している。

また、「複数の距離Ｌのばらつきを示すばらつき量」とは、複数（_ＮＣ_２個）の距離Ｌの標準偏差である。

そして、本実施形態では、図７に示すように、他方面（反ワーク対向面）２１ｂが、複数の反射部２２の配置パターンを互いに同一とする複数の区画領域２Ｒを有しており、各区画領域２Ｒにおいて、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」が所定値以上となるように、複数の反射部２２を並び設ける構成としている。なお、図７では、他方面（反ワーク対向面２１ｂ）を、平面視形状が互いに同一である１６個の区画領域２Ｒに分割した場合を示している。これならば、反射部２２の配置パターンを互いに同一とする複数の区画領域２Ｒに分割し、各区画領域２Ｒに含まれる複数の反射部２２により得られる前記種類数とばらつき量との積が所定値以上となるように配置設計すればよいので、他方面全体の複数の反射部２２の配置設計を行う場合に比べて、反射部２２の配置設計及びその製作の時間及びコストを低減することができる。

次に、本実施形態の光照射装置１におけるモアレ量を所定未満とするための「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」のシミュレーション結果について説明する。

このシミュレーションにおいて、反射部２２のサイズ及び形状は、直径０．２１ｍｍ又は直径０．３０ｍｍの円形のものとした。ここで、直径０．２１ｍｍのものを用いたシミュレーションと、直径０．３０ｍｍのものを用いたシミュレーションとをそれぞれ同回数行った。また、透光板２１は、その光学有効エリアサイズが５０ｍｍ×５０ｍｍであり、その厚みが１０ｍｍのものとした。さらに、１つの区画領域２Ｒ内の反射部２２の個数は、４個〜８８個の範囲内で任意の個数とした。その上、１つの区画領域２Ｒのサイズ及び形状は、１辺が１．０ｍｍ〜２．８ｍｍの正方形であり、具体的には、１辺が１．０ｍｍ、１．３ｍｍ、１．６ｍｍ、２．０ｍｍ、２．４ｍｍ、２．８ｍｍの正方形とした。そして、上記に示す反射部の形状及びサイズ、区画領域内の反射部の個数、区画領域の形状及びサイズを任意に組み合わせて、シミュレーションを行った。また、光照射装置１及び撮像装置５の距離は、実使用上で設置する範囲（５０ｍｍ〜２００ｍｍ）で数点確認し、モアレ量が一番大きくなる距離でのモアレ量を採用した。

このとき、図８に示すように、横軸をセンサ（画像素子）の座標とし、縦軸をセンサ（画像素子）により得られた光量としたときに、山（ｐｅａｋ）と当該山（ｐｅａｋ）に隣接する両側のうち一方の谷（ｖａｌｌｅｙ）との差（「ｐｅａｋ」−「ｖａｌｌｅｙ」）が最大値となる「ｐｅａｋ」−「ｖａｌｌｅｙ」をモアレ量と定義している。ここで、山（ｐｅａｋ）とは、当該山に隣接する両側の谷（ｖａｌｌｅｙ）との最初の変曲点を両端とした範囲であり、山（ｐｅａｋ）の光量は、両端の変曲点の間の値を平均化したものである。なお、図８における縦軸の光量はシミュレーション上の値であって単位がない値であるが、実際に測定された光量とは１対１の比例相関関係にあり、実物を用いて測定しても同様の傾向を示す。

このシミュレーションにより得られた「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」と、モアレ量との関係を図９に示す。
図９から分かるように、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」の値が大きくなるに連れてモアレ量が減少していることが分かる。例えば、モアレ量を５未満に軽減するためには、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」を４００以上に設定すれば良いことが分かる。
なお、前記シミュレーションに示す反射部の個数でなくても、同様に、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」の値が大きくなるほど、モアレ量が軽減されるため、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」を所定値以上となるようにすることで、モアレ量を所定値未満に軽減することができる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る光照射装置１によれば、複数の反射部２２により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数と、複数の反射部２２により得られる複数の距離のばらつきを示す標準偏差との積が所定値以上となるように、複数の反射部２２がランダムに並び設けられているので、複数の反射部２２により生じるモアレを所定未満に軽減することができる。

また、複数の反射部２２をランダム配置させる際に、相対位置情報の種類数とばらつき量との積をパラメータとして複数の反射部２２を配置すればよいので、従来の試行錯誤的に設計する場合に比べて、複数の反射部２２の配置設計及びその製作の時間及びコストを低減することができる。

さらに、複数の反射部２２により生じるモアレを所定未満に軽減することができるので、外観検査や表面に記載された記号読取等の検査精度を向上させることができる。また、透光板２１の他方面２１ｂにおける撮像装置５の撮像領域が、３つ以上の反射部２２を互いに等間隔かつ直線状に配置した均一ドットを有さないように構成されているので、より一層モアレを軽減することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、他方面（反ワーク対向面）全体において、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」が所定値以上となるように、複数の反射部を並び設ける構成であったが、他方面（反ワーク対向面）の一部において、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」が所定値以上となるように、複数の反射部を並び設ける構成としても良い。具体的には、撮像装置の有効撮像領域において、「相対位置情報の種類数」×「距離の標準偏差（σ）」が所定値以上となるように、複数の反射部を並び設ける構成とすることが考えられる。

なお、図７では、複数の区画領域２Ｒの全てが同一の配置パターンを有するものであったが、複数の区画領域２Ｒにおける一部の区画領域２Ｒと、その他の一部の区画領域２Ｒとの配置パターンが互いに異なるものとしても良い。また、一部の区画領域２Ｒの平面視形状と、その他の一部の区画領域２Ｒの平面視形状とが互いに異なるように分割したものであっても良い。
反射部は、前記実施形態の他、透光板の反ワーク対向面に設けた、例えば凹部などでもよく、要は透光板端面から入射した光がワーク側に向かって反射するように構成したドットであればよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１００・・・検査装置
Ｗ・・・ワーク
１・・・光照射装置
２・・・光学部材
２１・・・透光板
２１ａ・・・一方の面（ワーク対向面）
２１ｂ・・・他方の面（反ワーク対向面）
Ｓ・・・隙間
２２・・・反射部
３・・・光源部
Ｌ・・・２つの反射部の間の距離
Ｘ・・・所定の基準線
θ・・・２つの反射部を結ぶ直線のなす角度
５・・・撮像装置

Claims (3)

1. 一方面が光照射対象であるワークに対向するワーク対向面となる透光板と、
   前記透光板の他方面に、互いの間に隙間が形成されるように設けられた多数の反射部と、
   射出した光が前記透光板内を通り前記複数の反射部に到達する位置に設けられた光源部とを備え、
   前記多数の反射部で反射した光を前記ワークに照射可能に構成するとともに、前記ワークで反射した光を前記隙間を通して反対側に透過可能に構成された光照射装置であって、
   ２つの反射部の間の距離と、所定の基準線に対する前記２つの反射部を結ぶ直線のなす角度とを相対位置情報としたときに、
   前記複数の反射部により得られる複数の相対位置情報のうち互いに異なる相対位置情報の種類数と、前記複数の反射部により得られる複数の距離のばらつきを示すばらつき量との積が所定値以上となるように、前記複数の反射部が並び設けられている光照射装置。
2. 前記他方面が、前記複数の反射部の配置パターンを互いに同一とする複数の区画領域を有しており、
   前記各区画領域における前記種類数と前記ばらつき量との積が所定値以上となるように、前記複数の反射部が並び設けられている請求項１記載の光照射装置。
3. 請求項１又は２記載の光照射装置と、
   前記ワークで反射し、前記隙間を通って前記透光板を通過した光を捕捉することにより、前記ワークを撮像する撮像装置とを備え、
   前記透光板の他方面における前記撮像装置の撮像領域が、３つ以上の反射部を互いに等間隔かつ直線状に配置した均一ドットを有さないように構成されているワーク検査装置。