JP2019113466A - 検査用光照射装置及び検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体を小型化しつつ、レンズ部に入射する迷光が検査に影響し難くなる検査用光照射装置を提供する。
【解決手段】発光面ＬＳを有した光源部１０と、光を反射する反射部材２０と、光の入射面及び出射面を有したレンズ部３０と、光源部、反射部材及びレンズ部を保持する筐体Ｈとを備え、発光面が、反射部材で折り曲げられたレンズ部の光軸上に配置されて、発光面から出射した光が反射部材で反射し、レンズ部の入射面を通って出射面から出射するように構成されており、発光面から出射した光の一部が、反射部材を介することなくレンズ部の入射面ＩＳに到達するように構成されていると共に、入射面が、平面状又は凹面状をなすように形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、検査用光照射装置及び検査システムに関するものである。

特許文献１に示すように、光源部から出射される光をワークに照射し、ワークの輪郭形状や外寸等を検査する検査システムや、透明なワークの傷や汚れ等を検査する検査システムが知られている。

なお、前記従来の検査システムは、工場等に設置されたワークを搬送する既存のラインに設置されることが多く、その設置スペースを確保し難いケースが多々あり、このため、検査システムを構成する各装置の小型化が要求されている。

前記要求に応える検査用光照射装置３００として、図７に示すように、光源部１０と反射部材２０との間に焦点距離が短いレンズＬを配置し、かつ、そのレンズＬとしてフレネルレンズを採用することにより、装置全体の小型化を図ったものがある。

ところが、前記検査用光照射装置３００においては、次のような問題点があった。

すなわち、第１に、光源部１０とレンズＬとの間の距離が短くなると、光源部１０から出射してレンズＬへ入射する光の角度が大きくなり、これに伴ってレンズＬの中心から外側へ向かって、ＣＯＳ４乗則に従って照度が大きく落ち込む。そして、レンズＬにおける照度分布が略そのままワークＷに照射される光の照度分布となるため、ワークＷにおける照度の均一性が低下する。第２に、レンズＬの焦点距離が短いと、光源部１０から出射された光のレンズＬによる集光位置が、光源部１０の僅かな位置ズレによって大きくずれるため、前記集光位置に合わせてカメラ２００を設置する際の位置合わせが困難になる。第３に、レンズＬとしてフレネルレンズを使用すると、カメラ２００で撮影した画像に、フレネルレンズに形成された段差が写り込む。

そこで、本願発明者は、上記のような問題点を解決すべく、焦点距離が長いレンズを採用し、光源部とレンズとの距離を長く保ちつつ、装置全体の小型化を図るため、筐体に対する光源部及びレンズの配置を一から見直した。その結果、図８に示すように、レンズＬを、光源部１０と反射部材２０との間でなく、ワークＷの配置領域と反射部材２０の間に配置すればよいという着想に至った。

ところが、光源部１０、反射部材２０及びレンズＬを上述のように配置した試作品で実験すると、ワークＷの配置領域に到達する迷光があり、この迷光により検査の正確度が低下するということが分かった。

具体的には、図９（ａ）に示すように、平凸レンズＬの凸面（入射面）から入射した光の一部が、平凸レンズＬの内部において、平面（出射面）で全反射した後、凸面から出射し、この出射した光が反射部材２０で反射した後、迷光となってワークＷの配置領域に到達する。なお、図９（ａ）を矢示Ｘ方向から目視した図９（ｂ）から分かるように、迷光の一部は、ワークＷの配置領域付近（図９中、実線の丸で囲った部分）で集光する場合がある。

実開平６−１８９０７号公報

そこで、本発明は、装置全体を小型化しつつ、ワークＷの配置領域に到達して検査の正確度を低下させる迷光をなくした検査用光照射装置を得ることを主な課題とするものである。

すなわち、本発明に係る検査用光照射装置は、発光面を有した光源部と、光を反射する反射部材と、光の入射面及び出射面を有したレンズ部と、これら光源部、反射部材及びレンズ部を保持する筐体と、を備え、前記発光面が、前記反射部材で折り曲げられた前記レンズ部の光軸上に配置されて、前記発光面から出た光が前記反射部材で反射し、前記レンズ部の入射面を通って出射面から出射するように構成されたものにおいて、前記発光面から出射した光の一部が、前記反射部材を介することなく前記レンズ部の入射面に到達するように構成されていると共に、前記入射面が、平面状又は凹面状をなすように形成されていることを特徴とするものである。

このようなものであれば、ワークの配置領域と反射部材との間にレンズ部を配置したので、装置全体の小型化を維持しつつ、光源部とレンズ部との間の距離を確保でき、これにより、レンズ部の合焦点距離を長く設定できる。また、合焦点距離が長くて良いので、フレネルレンズを用いる必要もない。さらに、レンズ部の入射面を平面状又は凹面状にしたので、光源部の発光面から出射した光の一部が、反射部材を介することなくレンズ部の入射面に入射して屈折し、その光が、レンズ部の入射面を構成するレンズの内部において、当該入射面とは逆側の面で全反射し、再度入射面に到達しても、当該入射面から出射せずに当該入射面で全反射されるため、問題となる迷光の光路を断つことができる。その結果、ワークの配置領域に到達する迷光を略除去でき、検査の正確度の低下を防止できる。なお、凹面状には、球面だけでなく非球面も含まれる。そして、非球面である場合には、連続的に傾きの変化率が０以下となる面であればよい。

また、前記検査用光照射装置は、前記反射部材で折り曲げられた前記レンズ部の光軸上において前記光源部の発光面の位置を調整する位置調整機構をさらに備えるものであってもよい。

また、前記レンズ部が、一つ以上のレンズを備えるものであり、前記光源部の発光面の径が、前記レンズ部の出射面の径に対して３０％以下であるものであってもよい。

また、前記光源部の発光面を物体とした場合の物体側ＮＡが０．５よりも小さいものであってもよい。具体的には、検査用光照射装置を実際に使用できるように検査システムに組み込んだ状態において、光源部の発光面を物体とした場合の物体側ＮＡが０．５よりも小さいものである。

因みに、物体側ＮＡが０．５以上の場合には、ＣＯＳ４乗則の影響だけで、理論上のワークＷにおける周辺の照度が中心の照度に比べて約５６％以下になり、ワークＷにおける照度の均一性が維持できなくなる。なお、ここでは、光源部の発光面のサイズやレンズの収差を無視している。

また、前記光源部の発光面から出射した全光束のうち、１３．５％以上の光束が前記物体側ＮＡの外側にあるものであってもよい。

このような場合であっても、レンズ部の入射面を平面状又は凹面状にしておけば、本来、ワークＷの配置領域に強く集光してしまう迷光の光路を当該入射面によって断つことができる。

また、前記検査用光照射装置は、前記光源部と前記反射部材との間に配置される第２のレンズ部をさらに具備しているものであってもよい。この場合、第２のレンズ部の反射部材と対向する面は、平面状又は凹面状であることが好ましく、凹面状には、球面だけでなく非球面も含まれる。そして、非球面である場合には、連続的に傾きの変化率が０以下となる面であればよい。

さらに、本発明に係る検査システムは、前記検査用光照射装置と、前記検査用光照射装置によって光が照射されたワークを撮像する撮像装置と、を備えたものである。

このように構成した本発明によれば、装置全体を小型化しつつ、ワークＷの配置領域に到達する迷光により検査の正確度が低下するのを防止できる。

実施形態１に係る検査システムを示す模式図である。 実施形態１に係る検査用光照射装置を示す斜視図である。 実施形態１に係る検査用光照射装置を長手方向に切断した断面図である。 実施形態１に係る検査システムにおける光の光路を示す模式図である。 実施形態２に係る検査用光照射装置を簡略化して示す模式図である。 実施形態３に係る検査用光照射装置を簡略化して示す模式図である。 従来の検査用光照射装置を使用した検査システムを示す模式図である。 試作品の検査用光照射装置を使用した検査システムを示す模式図である。 試作品の検査用光照射装置における光の光路を示す模式図である。

以下に、本発明に係る検査用光照射装置を図面に基づいて説明する。

本発明に係る検査用光照射装置は、観察対象（検査対象）となるワークに光を照射するために使用されるものであり、例えば、ワークの輪郭形状や外寸等を検査する検査システムや、透明のワークの傷や汚れ等を検査する検査システム等に使用することができる。

＜実施形態１＞ 本実施形態に係る検査システム１００は、図１に示すように、観察対象となるワークＷを撮像する撮像装置２００と、ワークＷを挟んで撮像装置２００と反対側から光を照射する検査用光照射装置３００と、を具備している。従って、ワークＷは、撮像装置２００と検査用光照射装置３００との間に設けられた領域（配置領域）に配置される。なお、撮像装置２００としては、ＣＣＤカメラが使用される。

前記検査用光照射装置３００は、図２及び図３に示すように、発光面ＬＳを有した光源部１０と、光を反射する反射部材２０と、光の入射面ＩＳ及び出射面ＥＳを有したレンズ部３０と、これら光源部１０、反射部材２０及びレンズ部３０を保持する筐体Ｈとを備えている。

前記筐体Ｈは、例えば、金属製の直方体状をなす中空のものである。また、この筐体Ｈの内面には、例えば、光の反射を抑制するため表面処理が施されている。なお、本実施形態において、筐体Ｈの長手方向に平行な面又は壁を側面又は側壁、長手方向に垂直な面又は壁を端面又は端壁という。

前記レンズ部３０は、筐体Ｈに、入射面ＩＳを内側に、出射面ＥＳを外側に向けて保持される。本実施形態では、レンズ部３０は、筐体Ｈの側壁に保持されるレンズホルダ３１と、レンズホルダ３１に互いに凸面を対向させた状態で同軸に保持される一対の平凸レンズ３２，３２´とを具備している。レンズ部３０の入射面ＩＳ及び出射面ＥＳは、いずれも平面状をなしている。なお、レンズ部３０（一対の平凸レンズ３２，３２´）は、合成した光学的なパワーが正の値になるように設定されている。

前記反射部材２０は、その反射面２０ａをレンズ部３０の光軸ＯＡ（図３中、一点鎖線にて示す）に対して傾斜させて筐体Ｈの内部に設置されている。反射部材２０は、光源部１０の発光面ＬＳから出射された光を反射面２０ａで反射してレンズ部３０の入射面ＩＳに導く。なお、本実施形態では、反射面２０ａは、光軸ＯＡに対して４５度傾斜している。

前記光源部１０は、両端面が閉止された円筒状をなすボディ１１と、ボディ１１内部に収容されたＬＥＤ１２とを具備するものである。ＬＥＤ１２は、ボディ１１の一方の端面１１ａ（端壁）に向かって光を出射するように、ボディ１１の軸方向に垂直に設置された配線基板１３上に搭載されている。そして、ボディ１１の一方の端面１１ａには、その中央に細径の孔が設けられており、その孔から光がボディ１１外部に出射される。具体的には、この孔は、図３（ｃ）に示す拡大図のように、ＬＥＤ１２側からボディ１１の外部に向かって内径が徐々に広がるテーパ状に形成されており、この孔のボディ１１の内部側の開口部が発光面ＬＳとなる。また、ボディ１１の一方の端壁の裏面には、拡散板１４が設けられ、発光面ＬＳから拡散光が出射される。

また、前記光源部１０は、筐体Ｈの一方の端壁に位置調整機構４０を介して保持される。本実施形態では、位置調整機構４０は、筐体Ｈの一方の端壁に設置される円筒状のガイド部材４１を備え、光源部１０のボディ１１が、このガイド部材４１にガタなく嵌入しており、光源部１０は、そのボディ１１の軸方向と平行な筐体Ｈの長手方向に沿ってスライド可能になっている。また、光源部１０は、その発光面ＬＳが反射部材２０によって折り曲げられたレンズ部３０の光軸ＯＡ上に配置されており、位置調整機構４０によって光源部１０をスライドさせた場合に、その発光面ＬＳが光軸ＯＡに沿って移動する。また、位置調整機構４０は、ガイド部材４１の周面に設けられたネジ穴４１ａに螺合されるネジ４２をさらに備えており、ネジ穴４１ａに対してネジ４２をねじ込み、ネジ４２の先端を光源部１０のボディ１１の外周面に押圧させることにより、光源部１０を筐体Ｈに対して位置決めする。

また、前記光源部１０の発光面ＬＳの径は、レンズ部３０の出射面ＥＳ、すなわち、レンズ部３０が備えるレンズのうちで反射部材２０から最も遠い位置にあるレンズの出射面（平凸レンズ３２´の平面）の径に対し、３０％以下、より好ましくは１０％以下の径になるように設定されている。ここで、レンズ部３０の出射面ＥＳが、円形以外の形状である場合には、出射面ＥＳ上でその長さが最大となる線の長さを出射面ＥＳの径とする。例えば、出射面ＥＳが矩形状であれば対角を結ぶ線の長さが出射面ＥＳの径となる。なお、本実施形態のように、レンズ部３０の出射面ＥＳとなる平凸レンズ３２´の平面に、その平凸レンズ３２´をレンズホルダ３１に固定するための各ネジ３３の頭が若干掛っているような場合には、その各ネジ３３の頭が掛った部分を除いてその長さが最大となる線の長さを出射面ＥＳの径とする。また、発光面ＬＳの形状が、円形以外の形状である場合にも同様に、発光面ＬＳ上でその長さが最大となる線の長さを発光面ＬＳの径とする。例えば、発光面ＬＳが矩形状であれば対角を結ぶ線の長さが発光面ＬＳの径となる。

また、前記検査用光照射装置３００は、物体側ＮＡが０．５以下になるように設定されている。なお、物体とは、光源部１０の発光面ＬＳを示している。また、物体側ＮＡは、本実施形態のように、光源部１０の発光面ＬＳが移動可能な場合には、発光面ＬＳの移動範囲の中で最も値が大きくなる物体側ＮＡを示しており、具体的には、撮像装置２００のレンズとして物体側テレセントリックレンズを用いる場合におけるレンズ部３０の焦点位置に光源部１０の発光面ＬＳを配置した場合の物体側ＮＡを示している。また、物体側ＮＡは、レンズ部３０の開口が回転対称でない場合には、その開口が最大となる方向の物体側ＮＡを示している。例えば、レンズ部３０の開口が矩形状であれば対角を結ぶ方向の物体側ＮＡを示している。因みに、物体側ＮＡは、物体側の開口数である。

また、前記検査用光照射装置３００は、前記光源部１０から出射された全光束のうち、１３．５％以上の光束が前記物体側ＮＡの外側にあるように設定されている。

次に、本実施形態に係る検査用光照射装置３００において生じる迷光を図４に基づいて説明する。なお、図４では、図を簡略化するため、検査用光照射装置３００を構成する光源部１０、反射部材２０、及び、レンズ部３０の各平凸レンズ３２，３２´以外の部材を省略している。また、光源部１０は、発光面ＬＳ近傍のみを部分断面で示している。

先ず、検査用光照射装置３００において、光源部１０の発光面ＬＳから出射される光のうちで反射部材２０の反射面２０ａに直接入射する光の多くは、その反射面２０ａで反射された後に各平凸レンズ３２，３２´を通過してワークＷに照射される。なお、当該ワークＷに照射される光は、ワークＷの任意の点に対して入射角度のバラつきが少ない光となるように設定されている。

一方、検査用光照射装置３００において、光源部１０の発光面ＬＳから出射される光の内で反射部材２０を介さずにレンズ部３０の入射面ＩＳに直接入射する光の一部は、その入射面ＩＳを構成する平凸レンズ３２の内部において、出射面（凸面）で全反射した後、再度入射面ＩＳ（平面）に到達する。そして、入射面ＩＳが平面状をなしているため、その入射面ＩＳに到達した光は、臨界角を越えた角度で入射面ＩＳに入射することになり、入射面ＩＳで再度全反射する。これにより、入射面ＩＳから出射して反射部材２０で反射する光がなくなり、こうして迷光が除去される。

なお、光源部１０の発光面ＬＳから出射される光の内で筐体１０の内面で反射してレンズ３０の入射面ＩＳに入射する光は、非常に弱いため、例え迷光になったとしても検査の正確度に殆ど影響しない。

＜実施形態２＞ 本実施形態は、前記実施形態１に係る検査用光照射装置３００の変形例である。なお、図５では、検査用光照射装置３００の細部の構成を省略して図示している。本実施形態では、光源部１０と反射部材２０との間に、光源部１０から出射された光が通過する第２のレンズ部５０を備えている。

具体的には、例えば、図５（ａ）に示す検査用光照射装置３００は、第２のレンズ部５０として平凸レンズ５１を備えた構成になっている。なお、第２のレンズ部５０は、反射部材２０と対向する出射面ＥＳ´が平面状になっている。これにより、反射部材２０で反射した光の一部が、出射面ＥＳ´を通過し、平凸レンズ５１の内部において、出射面ＥＳ´の逆側の凸面側で全反射した後、再度出射面ＥＳ´（平面）で全反射するため、当該出射面ＥＳ´から出射してレンズ部３０を通過し、ワークＷの配置領域に到達する強い迷光を除去することができる。

また、図５（ｂ）に示す検査用光照射装置３００は、第２のレンズ部５０として凸メニスカスレンズ５２を備えた構成になっている。なお、第２のレンズ部５０は、反射部材２０と対向する出射面ＥＳ´が凹面状になっている。第２のレンズ部５０の出射面ＥＳ´を凹面状にすることにより、当該出射面ＥＳ´を平面状にする場合と同じく、強い迷光がワークＷの配置領域に到達することを防ぐことができる。

また、図５（ｃ）に示す検査用光照射装置３００は、第２のレンズ部５０として両凸レンズ５３及び平凸レンズ５１を備えた構成になっている。なお、第２のレンズ部５０は、反射部材２０と対向する出射面ＥＳ´が平面状になっている。これにより、図５（ａ）に示す検査用光照明装置と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本実施形態において、反射部材２０のワークＷの配置領域側に配置されるレンズ部３０と、反射部材２０の光源部１０側に配置される第２のレンズ部５０とを構成する各レンズを合成した光学的なパワーが正の値になるように設定される。

本実施形態のように、光源部１０と反射部材２０との間に第２のレンズ部５０を配置した態様のものであってもよい。また、本実施形態のように、光源部１０の発光面ＬＳから出射された光の一部が、レンズ部３０の入射面ＩＳに直接入射するのではなく、第２のレンズ部５０を通過した後に反射部材２０を介することなくレンズ部３０の入射面ＩＳに入射するようなものであっても、迷光を除去できる。

＜実施形態３＞ 本実施形態は、前記実施形態１に係る検査用光照射装置３００におけるレンズ部３０の変形例である。なお、図６では、検査用光照射装置３００の細部の構成を省略して図示している。本実施形態に係るレンズ部３０は、前記実施形態１と異なるレンズを組み合わせた態様になっている。

具体的には、例えば、図６（ａ）に示す検査用光照射装置３００は、レンズ部３０として、一つの平凸レンズ３２のみを備えた構成になっている。なお、レンズ部３０は、反射部材２０と対向する入射面ＩＳが平面状になっている。これにより、光源部１０から出射された光の一部が、反射部材２０を介することなくレンズ部３０の入射面ＩＳに入射して屈折し、その後、平凸レンズ３２の内部において、入射面ＩＳとは逆側の面（凸面）で全反射した後、再度入射面ＩＳに到達した光が、出射（屈折）することなく全反射するため、問題となる迷光の光路を断つことができ、強い迷光がワークＷの配置領域に到達することを防ぐことができる。

また、図６（ｂ）に示す検査用光照射装置３００は、レンズ部３０として両凸レンズ３３及び平凸レンズ３２を備えた構成になっている。なお、レンズ部３０は、反射部材２０と対向する入射面ＩＳが平面状になっている。これにより、図６（ａ）に示す検査用光照明装置と同様の作用効果を得ることができる。

また、図６（ｃ）に示す検査用光照射装置３００は、レンズ部３０として平凸レンズ３２´及び凸メニスカスレンズ３４を備えた構成になっている。なお、レンズ部３０は、反射部材２０と対向する入射面ＩＳが凹面状になっている。レンズ部３０の入射面ＩＳを凹面状にすることにより、当該入射面ＩＳを平面状にする場合と同じく、強い迷光がワークＷの配置領域に到達することを防ぐことができる。このように、反射部材２０と対向するレンズ部３０の入射面ＩＳが凹面状のものであってもよい。

本実施形態に係るレンズ部３０は、いずれも前記実施形態１に係るレンズ部３０と同様に合成した光学的なパワーが正の値になるようにレンズを構成した態様となっている。

＜その他の実施形態＞ その他の実施形態としては、反射部材２０とワークＷの配置領域との間に配置されるレンズ部３０が備えるレンズの数は、前記実施形態のように一又は二に限定されず、三以上であってもよい。同様に、反射部材２０と光源部１０との間に配置される第２のレンズ部５０が備えるレンズの数も、前記実施形態のように一又は二に限定されず、三以上であってもよい。

また、前記各実施形態においては、レンズ部３０の光軸が、反射部材２０によって直角に折り曲げられていたが、反射部材２０によって鋭角又は鈍角に折り曲げられてもよい。

また、前記実施形態１においては、光源部１０を反射部材２０から遠ざけて配置し、検査用光照射装置３００から出射される光が収束するようにしているが、これに限定されず、光源部１０を反射部材２０へ近づけて配置し、検査用光照射装置３００から出射される光が平行光に近づくようにしてもよい。なお、検査用光照射装置３００から出射される光が平行光又はそれに近い場合には、撮像装置２００として、物体側テレセントリックレンズが設置されたものを使用することが好ましい。

その他、本発明は前記各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のは言うまでもない。

１００ 検査システム
２００ 撮像装置
３００ 検査用光照射装置
Ｗ ワーク
１０ 光源部
ＬＳ 発光面
２０ 反射部材
３０ レンズ部
ＩＳ 入射面
ＥＳ 出射面
４０ 位置調整機構
５０ 第２のレンズ部

Claims (7)

1. 発光面を有した光源部と、光を反射する反射部材と、光の入射面及び出射面を有したレンズ部と、これら光源部、反射部材及びレンズ部を保持する筐体とを備え、
   前記発光面が、前記反射部材で折り曲げられた前記レンズ部の光軸上に配置されて、前記発光面から出た光が前記反射部材で反射し、前記レンズ部の入射面を通って出射面から出射するように構成された検査用光照射装置において、
   前記発光面から出射した光の一部が、前記反射部材を介することなく前記レンズ部の入射面に到達するように構成されていると共に、前記入射面が、平面状又は凹面状をなすように形成されていることを特徴とする検査用光照射装置。
2. 前記反射部材で折り曲げられた前記レンズ部の光軸上において前記光源部の発光面の位置を調整する位置調整機構をさらに備える請求項１記載の検査用光照射装置。
3. 前記レンズ部が、一つ以上のレンズを備えるものであり、
   前記光源部の発光面の径が、前記レンズ部の出射面の径に対して３０％以下である請求項１又は２のいずれかに記載の検査用光照射装置。
4. 前記光源部の発光面を物体とした場合の物体側ＮＡが０．５よりも小さい請求項１乃至３のいずれかに記載の検査用光照射装置。
5. 前記光源部の発光面から出射した全光束のうち、１３．５％以上の光束が前記物体側ＮＡの外側にある請求項４記載の検査用光照射装置。
6. 前記光源部と前記反射部材との間に配置された第２のレンズ部をさらに具備している請求項１乃至５のいずれかに記載の検査用光照射装置。
7. 前記請求項１乃至６のいずれかに記載の検査用光照射装置と、
   前記検査用光照射装置によって光が照射されたワークを撮像する撮像装置と、を備えた検査システム。