JP2017227534A - 光照射装置、及び、検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】大面積の面光源を安価に実現することができるＬＥＤ光照射装置を提供する。【解決手段】光の照射対象であるワークに対して第１面が向くように設けられる所定の厚みを有した透光板１と、前記透光板において前記第１面の対面である第２面上に互いの間に隙間が形成されるように並べ設けられた多数の反射体２と、射出された光の少なくとも一部が、前記透光板内へと入射し前記反射体へと到達して反射されて前記第１面からワーク側へと射出される位置に設けられた光源と、を備え、前記反射体を、多数の金属粒子２１で形成した。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばマシンビジョンによりワークの外観検査やワークに付与されている記号等の読み取りを行うために用いられる光照射装置に関するものである。

従来、例えば製品等のワークに対し光を照射して好適な照明環境を構築したうえで、ＣＣＤカメラ等を用いて前記ワークを撮像し、自動外観検査や自動記号読み取りを行うように構成したシステムが知られている。

このようなシステムに用いられる光照射装置には、特許文献１に示されるように薄板状をなし、ワークとＣＣＤカメラとの間を結ぶ観測軸に対して直交するように配置されるものがある。

具体的には前記光照射装置は、第１面が前記ワークと対向するように設けられた透光板と、前記透光板において前記ワークとは反対側の面である第２面上に設けられた多数の微小な反射体と、前記透光板の側周端面から当該透光板内に光を導入するＬＥＤ光源と、を備えたものである。また、多数の前記反射体は、第２面上においてお互いに隙間を空けて所定間隔ごとに並べて設けてある。

前記ＬＥＤ光源から射出された光は、前記透光板の第１面と第２面との間で全反射を繰り返しながら進行するが、そのうちの一部は前記反射体で拡散反射されて前記第１面から外側へと射出される。この結果、前記ワークは均一に照明される。

一方、前記透光板の第２面側にある前記ＣＣＤカメラは、多数の前記反射体の間に隙間があるので、網戸から明るい部屋の中をのぞけるのと同様に多数の前記反射体の影響をほとんど受けることなく前記ワークを撮像することができる。

ところで、前述した光照射装置の反射体は図７に示すように白色のインクにより所定の直径の白色ドット２１Ａを透光板１１Ａの第２面１２Ａ上に印刷した後で、黒色のインクにより白色ドット２１Ａの外側を覆うようにさらに黒色ドット２２Ａが重ねて印刷されている。

これは、白色のインクは乱反射により白く見えているだけで実際には透明であるため、反射体２Ａを白色ドット２１Ａだけで形成すると当該反射体２Ａに入射した光の一部は反射されずに透過してしまうからである。そして、この光がＣＣＤカメラで捉えられてしまうと、前記ワークの検査等に悪影響が発生する。

このような問題を解決するために白色ドット２１Ａの外側を覆うように黒色ドット２２Ａを形成することで、前記反射体２Ａに入射した光が前記ＣＣＤカメラ側へ透過するのを防いでいる。

特開２００３−９８０９３号公報

しかしながら、前述した光照射装置がその機能を実現できるようにするには、白色ドットと黒色ドットの両方を同じ位置に高精度に印刷する必要があり、歩留まりをよくすることが難しい。また、透光板を大きくして光の照射面積を大きくしようとするほど、白色ドットと黒色ドットの印刷位置にはより高い精度が求められることになるため、照射面積の大型化も困難である。また、白色ドットよりも黒色ドットは必ず大きく形成しなくてはならないため、反射体の直径を小さく形成しにくい。

本発明はこれらのような問題を一挙に解決することを意図してなされたものであり、従来よりも小さい反射体を１回の印刷のみで形成することができ、かつ、反射体を透過する光を実質的になくすことができる光照射装置及びこれを用いた検査システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る光照射装置は、光の照射対象であるワークに対して第１面が向くように設けられる所定の厚みを有した透光板と、前記透光板において前記第１面の対面である第２面上に互いの間に隙間が形成されるように並べ設けられた多数の反射体と、射出された光の少なくとも一部が、前記透光板内へと入射し前記反射体へと到達して反射されて前記第１面からワーク側へと射出される位置に設けられた光源と、を備え、前記反射体が、多数の金属粒子で形成されていることを特徴とする。ここで、金属粒子は金属単体で形成されるものであってもよいし、樹脂などの基体の表面を金属でコーティングしたものであってもよい。

このようなものであれば、金属粒子が透明でないことから、反射体に入射した光は当該金属粒子によって反射されるため、光が当該反射体を透過しないようにすることができる。したがって、黒色インクによる印刷を不要にし、多数の金属粒子からなる反射体を透光板の第２面に設けるだけでよい。このように従来のように２種類のインクを同じ場所に重ね塗りする必要がないので、歩留まり向上を図ることができる。また、１種類だけでいいので、反射体を小さくしやすい。

前記反射体に入射した光のほぼすべてが反射されて前記第１面から前記ワークへと照射できるようにするための前記反射体の具体的な構成としては、前記反射体が、前記金属粒子を内部に含有する透明なバインダー材をさらに備え、当該反射体に占める前記金属粒子の体積比率が、当該反射体に入射する光が実質的に透過しないように設定されているものが挙げられる。すなわち、バインダー材に含有される金属粒子の割合を高めていくと、金属粒子の密集率が上昇するため、反射体に入射した光が各金属粒子の隙間をぬって透過してしまう確率は低くなる。例えば実験等によって入射した光が透過しなくなる下限の体積比率を求めておき、その下限値以上にすればよい。なお、具体的な値としては、前記体積比率は５０％以上、より好ましくは９０％以上である。また、バインダー材は多数の前記金属粒子をひとまとまりにするものであればよく、例えば透明樹脂やガラス等を挙げることができる。

前記反射体に入射した光を透過させずにほぼすべて反射させるためには、前記金属粒子の例えば平均粒子径が１０μｍ以下のものであることが好ましい。

前記反射体において拡散反射を発生させて、前記ワークに均一な光が照射されるようにするには、前記金属粒子の形状が異形状であればよい。ここで、異形状とは球形状以外の形であって、楕円球状、針状、凸凹状等様々な形状を含む概念である。また、各金属粒子の形状は同形状で揃っている必要はなく、各々の形状が異なっていてもよい。

本発明に係る光照射装置と、前記透光板の前記第２面と対向するように設けられた撮像装置と、を備えた検査システムであれば、均一に照明されたワークを撮像装置により透光板を介して撮像することができ、ワーク表面上の欠陥等をマシンビジョンにより自動検査したり、記載されている文字等を自動認識したりすることが可能となる。

このように本発明に係る光照射装置であれば、反射体に入射した光は金属粒子により反射されてほとんど透過しないので、透過防止用の黒色印刷が不要となる。したがって、一度の印刷だけで反射体を透光板の第２面上に形成することができ、歩留まりを向上させたり、反射体を小さく形成したりすることができる。これらのことから、反射体をより微小に形成すれば、ワークで反射された光が第２面を通過する割合を向上させて、より精度のよい自動外観検査や自動記号読み取り等を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光照射装置を示す模式図。 同実施形態における透光板及び光源の構造を示す模式図。 同実施形態におけるワークへ光が照射される原理について示す模式図。 同実施形態における反射体の配列について示す模式図。 同実施形態における反射体の厚さを決定するための各パラメータを示した模式図。 本発明の別の実施形態に係る光照射装置における反射体の構成を示す模式図。 従来の光照射装置における反射体の構造を示す模式図。

本発明の一実施形態に係る検査システム２００及び光照射装置１００について各図を参照しながら説明する。前記検査システム２００は、ワークＷに対して光を照射するとともにワークＷからの反射光を透過するように構成された前記光照射装置１００と、光照射装置１００を透過したワークＷからの反射光を撮像する撮像装置であるＣＣＤカメラ６と、ＣＣＤカメラ６から得られる画像データに基づいてワークＷの自動外観検査又は自動記号読み取りに関する処理が行われる図示しないコンピュータとを備えたものである。

本実施形態の光照射装置１００は、図１及び図２に示すように全体として薄板状をなし、ワークＷとこの直上に設けたＣＣＤカメラ６との間に設けてあり、ワークＷとＣＣＤカメラ６との間を結ぶ観測光軸Ｃに対してその面板部の中央部が直交するように配置してある。

また、ＣＣＤカメラ６で撮像された画像データ中の輝度の差等に基づき、図示しない前記コンピュータによってワークＷの表面にある傷や欠陥が自動的に検出される。なお、検出される対象は傷や欠陥に限られず、ワークＷ上に付与されている記号や文字等であってもよい。

光照射装置１００は、矩形板状をなす光学部材Ｌと、その光学部材Ｌの側端面の周囲から光を照射する光源３と、光学部材Ｌ及び光源３を保持する枠体４とを備えたものである。

光学部材Ｌは、図２に示すように一方の面板部である第１面１１を光の照射対象であるワークＷに対向させるワーク対向面とする概略矩形板状の透光板１と、透光板１において第１面１１と対向する第２面１２（ＣＣＤカメラ６側の面）上に形成された多数の微小な反射体２と、第１面１１を被覆する反射防止膜５と、を備えたものである。

透光板１は無色透明の板材であって、例えばガラスやアクリルにより形成してある。

反射体２は、図３に示すように多数の金属粒子２１と、多数の金属粒子２１を内部に含有する透明なバインダー材２２とからなる１層構造のものであり、例えば金属インク又は金属ペーストからなる。また、反射体２はそのそれぞれが例えば平面視において円形状をなし、その平面視における直径が数十から数百μｍで厚みが金属粒子２１の平均粒子径以上となっている。そして、多数の反射体２は互いの間に微細な隙間Ｓが形成されるように、透光板１における第２面１２の側周縁部を除くほぼ全面に亘って、図４に示すように透光板１の縦横方向に対して格子の向きが斜めになるように等ピッチで配列してある。例えば各反射体２同士の隙間は約０．４ｍｍピッチとなるようにしてある。このように配列することで第２面１２上に配列された多数の反射体２とＣＣＤカメラ６の画素によるモアレを抑えることができる。

バインダー材２２は透明樹脂又はガラスであって、当該バインダー材２２内には多数の金属粒子２１をほぼ均一に分散させて含有させてある。このバインダー材２２により多数の金属粒子２１を第２面１２上において所定の位置に固定してある。

金属粒子２１は、金属単体から構成されるか、ある物質の少なくとも表面が金属で覆われている。本実施形態では金属粒子２１として銀又はアルミを用いたが、これ以外の金属元素でも構わない。また、この金属粒子２１はそれぞれの形状を球状以外の異形状にしてあり、金属粒子２１の表面に光が入射した場合に拡散反射が生じやすくしてある。異形状の具体例としては、楕円球状、針状、凸凹状など球体以外の形が挙げられる。

さらに金属粒子２１の平均粒子径は例えば１０μｍ以下のものを用いている。反射体２に占める金属粒子２１の体積比率は、反射体２に入射する光が実質的に透過しないように設定してある。すなわち、バインダー材２２内における金属粒子２１間の密集度が所定値以上となるようにしてあり、例えば反射体２に入射した光がそのまま金属粒子２１間の隙間を抜けて入射側とは反対側へ抜けてしまわないように設定してある。具体的には、前記体積比率は５０％以上、より好ましくは９０％以上であればよい。

この反射体２は、バインダー材２２に多数の金属粒子２１を含有させ固化する前の状態において例えばインクジェット印刷により透光板１の第２面１２上に所定間隔ごとに形成してある。

反射体２の厚みＴについては、図５に示すように、多数の反射体２の設置間隔であるピッチをＰ、反射体２の直径をＤとした場合において、金属粒子２１の粒子の直径以上かつ２０×（Ｐ−Ｄ）以下となるように設定すればよい。反射体２の厚みＴをこのような範囲で設定することによって、ＣＣＤカメラ６の撮像角よりも各反射体２間の開口角φを大きくすることができ、反射体２によりＣＣＤカメラ６によるワークＷの撮像が妨げられない。

枠体４は、矩形（正方形状）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あり、その周回溝の中に光源３を保持収容する。また、周回溝の開口縁部で、透光板１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１００の作用について説明する。

まず、図１に示されるように、ワークＷとＣＣＤカメラ６を対向させて設置し、それらの間に当該光照射装置１００を第１面１１がワークＷを向くように観測光軸Ｃ上に設置する。

この状態で光源３から光が照射されると、その光は透光板１の側周端面から内部に侵入し、図３に示すように透光板１の中央部に向かって、第１面１１と第２面１２との間で全反射を繰り返しながら進行する。その過程で、ＣＣＤカメラ６側を向く第２面１２上に貼り付けられた反射体２に到達した光は、反射体２内の金属粒子２１により拡散反射し、第１面１１側へと戻される。そして、反射体２で反射された光は、均一化された拡散光として第１面１１から射出されてワークＷに向かって照射される。この光によりワークＷは一様に照明される。

一方、ＣＣＤカメラ６はワークＷで反射し、多数の反射体２の隙間を抜けて透光板１を通過した光を捉えることにより、ワークＷを撮像する。そして、撮像データに基づいてワークＷの表面検査や記号読み取りが行われる。

ここで、反射体２は上述したように微細であるため、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、反射体２が撮像の邪魔になることは基本的にはない。より好ましくは、図５に示されるような隙間や反射体２の大きさＤ、あるいはピッチＰをＣＣＤカメラ６と反射体２との間の離間距離、ＣＣＤカメラ６とワークＷとの離間距離等をパラメータとして観測に支障が出ない最適なものに定めればよい。例えばＣＣＤカメラ６と反射体２との離間距離が小さくなるほど、隙間Ｐを大きくしたり、反射体２の大きさＤを小さくしたりすればよい。このようにすれば、各反射体２の間で定義される開口角φのほうがＣＣＤカメラ６の視野角よりも大きくなり、第２面１２上に多数の反射体２が形成されていてもワークＷを撮像することができる。

このようにして、第２面１２に形成された反射体２による第１面１１側への反射光によりＣＣＤカメラ６の観測軸と同軸方向からの照明を実現しつつ、照明されているワークＷについては多数の反射体２の間の隙間を介してＣＣＤカメラ６で撮像し、その撮像データに基づいて検査等を行うことができる。

そして、本実施形態の光照射装置１００であれば反射体２が金属粒子２１を含むものであるので、透光板１内を全反射しながら進行する光が当該反射体２に入射し金属粒子２１に当たった場合には透過してそのままＣＣＤカメラ６側に射出されることはない。また、金属粒子２１はバインダー材２２に対して十分な含有率で含まれており、直進する光が各金属粒子２１の間を縫って通り抜けることが実質的にない程度に密集しているので、ワークＷを経由せずにＣＣＤカメラ６に入射する光はほとんど存在しない。このように金属粒子２１が遮光機能を有しているため、従来のように反射体２を透過してしまう光がＣＣＤカメラ６に入射するのを防ぐために反射体２の外側表面に黒色ドットを形成する必要もない。したがって、多数の反射体２を一度のインクジェットプリント等によって第２面１２上に形成することができる。

また、従来のように２回に分けて別々の材料を同じ位置に印刷しなくてもよいので、求められる印刷の位置精度はそれほど高くなく、製造性のよいものにすることができる。さらに黒色ドットを形成しなくてもよいので、反射体２を従来よりも小さく形成し、それぞれの隙間も小さくすることができ第２面１２上により微小な多数の反射体２を等間隔で形成しやすい。このため、光照射装置１００の第１面１１からワークＷに照射される光の均一性をさらに向上させ、ＣＣＤカメラ６で撮像されるワークＷからの反射光の光量も増加させることができる。このため、ワークＷの自動外観検査や自動読み取り検査における正確性をさらに高めることが可能となる。

その他の実施形態について説明する。

反射体２はバインダー材２２に金属粒子２１を含有させた状態で印刷してもよいし、図６に示すように透光板１の第２面１２上に金属粒子２１の塊を先に配置し、その後バインダー材２２で第２面１２をコーティングするようにして反射体２を形成してもよい。また、反射体２はバインダー材２２を具備しておらず、金属粒子２１のみで形成しても構わない。加えて、バインダー材２２の内部に多数の金属粒子２１が含有されている態様だけでなく、金属粒子２１同士の一部をバインダー材２２で連結し、ひとかたまりとして反射体２を構成するようにしてもよい。

透光板１の端面の向きと反射体２の配列の関係については図４に示した関係に限られず、さまざまな基準で反射体２を配列させてもよい。例えば透光板１の端面の延びる２方向に対して反射体２の格子の各配列方向が平行となるように配列してもよい。

透光板１は例えば矩形状のものに限られず、例えば円形状のものであってもよい。この場合、透光板の円周方向に沿って光源が配列されればよい。

光源３については砲弾型のＬＥＤを用いてもよいし、チップ型のＬＥＤを用いても構わない。

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・・・光照射装置
１ ・・・透光板
２ ・・・反射体
２１ ・・・金属粒子
２２ ・・・バインダー材
３ ・・・光源
４ ・・・枠体
５ ・・・反射防止膜
６ ・・・ＣＣＤカメラ
Ｃ ・・・観測光軸
Ｗ ・・・ワーク

Claims (5)

1. 光の照射対象であるワークに対して第１面が向くように設けられる所定の厚みを有した透光板と、
   前記透光板において前記第１面の対面である第２面上に互いの間に隙間が形成されるように並べ設けられた多数の反射体と、
   射出された光の少なくとも一部が、前記透光板内へと入射し前記反射体へと到達して反射されて前記第１面からワーク側へと射出される位置に設けられた光源と、を備え、
   前記反射体が、多数の金属粒子で形成されていることを特徴とする光照射装置。
2. 前記反射体が、前記金属粒子を内部に含有する透明なバインダー材をさらに備え、当該反射体に占める前記金属粒子の体積比率が、当該反射体に入射する光が実質的に透過しないように設定されている請求項１記載の光照射装置。
3. 前記金属粒子の平均粒子径が１０μｍ以下である請求項１又は２記載の光照射装置。
4. 前記金属粒子の形状が異形状である請求項１乃至３いずれかに記載の光照射装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の光照射装置と、
   前記透光板の前記第２面と対向するように設けられた撮像装置と、を備えた検査システム。