JP2021085815A - 光照射装置、検査システム、及び、光照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーク上に光が照射されている所定範囲内において各時点においてはコリメーション半角の大きさを揃えられるようにしつつ、その大きさや照射態様を時間的には容易に変更できる光照射装置を提供する。【解決手段】ワークに対して光を集光する集光レンズと、前記ワークとは逆側の前記集光レンズの焦点に配置され、当該集光レンズに対して光を射出する面光源と、を備え、前記面光源が、複数の分割された発光領域を具備し、各発光領域の発光状態が時間的に変化可能に構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばワークに光を照射し、例えばワークの外観や傷、欠陥等を撮像するために用いられる光照射装置に関するものである。

特許文献１に示される光照射装置は、面光源と、ワーク上に所定の照射立体角を形成する集光レンズと、前記面光源と前記集光レンズとの間において、前記集光レンズの焦点又は焦点を中心として前後に設けられた絞りと、前記絞りの近傍に設けられた遮光マスクと、を備えている。

すなわち、この光照射装置は前記遮光マスクが前記集光レンズの焦点に設けられている場合にはワーク側がテレセントリックとなっており、ワーク上の各点に照射される光のコリメーション半角がそれぞれほぼ同じ大きさとなる。さらに、前記遮光マスクによって例えば光の一部が遮光されることにより、ワーク上の全体には光を照射しつつ、各点に対して所定の方向からは光が入射しない暗部領域を各点の照射立体角中に形成できる。

このような照射立体角中の暗部領域の大きさや形状は、ワーク上の欠陥を例えば撮像画像から検出するのに適したものが選択される。具体的には、検出したい欠陥等に応じて前記遮光マスクの形状が適宜変更される。

しかしながら、ワークから検出したい欠陥には様々なものがあり、それらに応じて遮光マスクを取り替えるようにすると、必要となる遮光マスクの種類が多くなってしまう。

また、遮光マスクを物理的に交換するのは手間がかかるため、ワーク上の照射態様を変更しながら高速で検査を進めることも難しい。

特許６４５１８２１号公報

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、ワーク上に光が照射されている所定範囲内において各時点においてはコリメーション半角の大きさは揃えられるようにしつつ、その大きさや照射態様を時間的に変更できる光照射装置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、ワークに対して光を集光する集光レンズと、前記ワークとは逆側の前記集光レンズの焦点又は焦点の前後に配置され、当該集光レンズに対して光を射出する面光源と、を備え、前記面光源が、複数の分割された発光領域を具備し、各発光領域の発光状態が時間的に変化可能に構成されたことを特徴とする。

また、本発明に係る光照射方法は、ワークに対して光を集光する集光レンズと、複数の分割された発光領域を具備し、前記集光レンズに対して光を射出する面光源と、を備えた光照射装置を用いた光照射方法であって、前記ワークとは逆側の前記集光レンズの焦点又は焦点の前後に前記面光源を配置することと、前記各発光領域の発光状態を時間的に変化させることを特徴とする。

なお、本明細書におけるコリメーション半角、デクリネーション角、照射立体角は以下の通りに定義されている。コリメーション半角は図８（ａ）においてθで示される角度であり、ワーク上の照射面の１点から見た光源の視角（半角）として定義される。言い換えると、コリメーション半角は、ワーク上の照射面の１点に対して光源中心から照射面に到達する光線と光源の端から同じ点に到達する光線がなす角である。また、デクリネーション角は図８（ａ）においてβとして示される角度であり、光源中心から照射面に到達する光線と、照射面に対する法線がなす角として定義される。照射立体角は、図８（ｂ）においてΩとして示される立体角であり、ワーク上の照射面の１点から見た光線が到達する範囲を示す立体角である。言い換えると、照射立体角Ωはコリメーション半角θをなす２つの光線からなる円錐により規定される立体角である。

本発明であれば、前記面光源が前記集光レンズの焦点に配置されている状態では、前記ワーク上の各点においてデクリネーション角を非常に小さくできる。すなわち、照射面の各点においてコリメーション半角を規定する面光源の中心から射出された光はほぼ垂直に入射するので、各点において形成される照射立体角の向きを揃えた状態で光を照射することができる。このような光の照射状態を実現すれば、例えば撮像機構がテレセントリックレンズを備えている場合には、撮像機構がワーク上の各点において受光できる主光線とワークに対する法線とがなす角である主光角と、ワーク上の各点に入射するデクリネーション角とをそれぞれゼロ度で一致させることができる。このため、微小な傷であっても撮像画像上の違いとして現れやすくすることができる。

また、例えば撮像機構がテレセントリックレンズを用いておらず、ワーク上の各点について受光できる光の主光角が所定角度をなす場合には、前記面光源の位置を前記集光レンズの焦点の前後に配置することでワークからの反射光や透過光のデクリネーション角の大きさを適切な大きさに変化させて、主光角と一致させることにより同様に撮像画像上に微小な傷等が現れやすくすることができる。

さらに、前記面光源の各発光領域の発光状態を時間的に変化させることができるので、前記ワーク上に照射されている光のコリメーション半角の大きさや、各点に入射する光線の向きの範囲といった照射態様を時間的に変化させることができる。

この結果、前記ワーク上に微小な傷等がある場合には、傷等によって発生する散乱光、反射光、又は、透過光に他の部位との違いを発生させることができる。したがって、例えば撮像された画像中において傷を明暗差として検出しやすくできる。

また、前記面光源の発光状態を電気的な制御だけで変化させて、コリメーション半角の大きさや各点に入射する光の向きの制限状態を変更できるので、従来のようにマスクを変更する場合と比較して、照射状態の調整にかかる手間を軽減できる。さらに、部品点数を従来よりも低減しつつ、装置全体の構成としてもコンパクトなものにすることができる。

前記ワーク上の各点におけるコリメーション半角の大きさを時間的に変化させて、微小な傷等を検出しやすくするには、前記各発光領域が、半径方向に対して分割されて円状又はリング状をなす領域であり、それぞれが同心円状に配置されたものであればよい。

前記ワーク上の各点において照射立体角の一部が欠けた状態を時間的に変化させられるようにして、微小な傷や欠陥等をカメラで検出しやすくするには、前記各発光領域が、扇状又は部分円環状に分割された領域であればよい。

本発明に係る光照射装置と、前記ワークにおいて散乱、反射、又は、透過した光によって前記ワークを撮像する撮像機構と、を備えた検査システムであれば、前記ワーク上の各点に照射される光のコリメーション半角の大きさを均一に揃えた状態にすることできる。すなわち、ワーク上の位置というパラメータに対してコリメーション半角の大きさは影響をほとんど受けないようにできる。さらに、前記面光源の発光状態を時間的に変化させることで、コリメーション半角の大きさや、各点に到達する光の方向を時間的に変化させることができ、例えば微小な傷等を前記撮像機構で撮像された画像中における明暗差として捉える事が可能となる。

このように本発明に係る光照射装置であれば、前記面光源の発光状態を時間的に変化させて、コリメーション半角の大きさや、各点に入射する光線の向きの範囲を簡単に変化させることができる。したがって、例えば前記ワーク上にある傷が撮像画像中に表れるような照射状態を手間なく実現できる。

本発明の一実施形態における光照射装置及び検査システムを示す模式図。 同実施形態における面光源の発光領域の各種形状、形態について示す模式図。 同実施形態における各光学パラメータ間の関係を示す模式図。 シミュレーションに用いたワークの例を示す模式図。 同実施形態における面光源の発光領域の時間的な変化と、それに対応する照射立体角の変化を示す模式図。 図５に示す発光領域及び照射立体角の時間的な変化に対する撮像画像の輝度変化を示すシミュレーション結果。 同実施形態におけるワークの傾きに対する検出輝度の変化を示すシミュレーション結果。 本明細書におけるコリメーション半角、デクリネーション角、照射立体角について示す模式図。

本発明の一実施形態に係る光照射装置１００と、この光照射装置１００を用いた検査システム２００について各図を参照しながら説明する。

この検査システム２００は、ワークＷに対して光を照射する光照射装置１００と、ワークＷにおいて散乱又は反射された光によりワークＷを撮像する撮像機構４と、を備えたものである。

光照射装置１００は、図１に示すように面光源１と、集光レンズ２と、ハーフミラー３とを備え、これらが概略直方体状の筐体５内に収容されたものである。

面光源１は、ワークＷに照射される光を射出するものであり、例えば多数のＬＥＤチップを円状に平面的に配置したものである。この面光源１は複数の分割された発光領域１１を具備し、各発光領域１１の発光状態を時間的に変化可能に構成されている。本実施形態の面光源１は、各ＬＥＤチップの発光状態のオンオフを電気的に制御することによって異なる形態の発光領域１１を適宜設定できる。

具体的には、図２（ａ）に示すように面光源１の発光領域１１は平面視において半径方向に対して分割されて円状又はリング状をなす領域として設定できる。すなわち、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように面光源１の中心を基準として所定半径ごとに個別の発光領域１１が形成され、面光源１中心近傍のみを発光させた状態、あるいは中央部分を発光させずに周囲のみを発光させた状態を実現できる。

また、図２（ａ）に示すように面光源１の発光領域１１は平面視において放射状に分割された概略扇形状又は部分円環状の領域としても設定できる。すなわち、図２（ｅ）〜（ｇ）に示すように面光源１の中心を基準として、所定の中心角ごとに個別の発光領域１１が形成され、それぞれ中心角の大きさや半径の異なる扇形状の発光領域１１を形成したり、部分円環状の発光領域１１を形成したりできる。

図２の各図に示すように発光領域１１の一部は、その領域の一部又は全部が別の発光領域１１に対して重複していることを許容する。言い換えると、各発光領域１１は半径方向の区分と周方向の境界により重複なく形成される最小単位領域により定義できる。例えば発光領域１１は単一の最小単位領域として設定することもできるし、複数の最小単位領域の組み合わせによって設定することもできる。本実施形態では図２（ａ）に示すように半径方向に３つの境界があり、周方向に８つの境界があるため、合計２４個の最小単位領域がある。これらの最小単位領域自体あるいは、複数の最小単位領域の組み合わせによって例えば図２（ｂ）〜（ｇ）に示すような複数の発光領域１１を設定できる。

さらに本実施形態の面光源１は、検査の間、各発光領域１１の発光状態を時間的に変化させられるように構成されている。すなわち、１つのワークＷの検査中においてある発光領域１１を発光させ、その状態でワークＷからの反射光又は散乱光により撮像機構４によるワークＷの表面の撮像が行われる。次に最初に撮像されたときとは異なる別の発光領域１１を発光させ、撮像機構４によりワークＷの撮像が再び行われる。

集光レンズ２は、例えば２枚の平凸レンズで構成されたものであり、ワークＷ上の各点に面光源１の発光領域１１から射出された光を集光するように構成されている。具体的には、集光レンズ２におけるワークＷとは逆側の焦点に面光源１が配置されている。また、ワークＷも集光レンズ２における他方の焦点位置に配置されている。

集光レンズ２を通過した光はハーフミラー３により進行方向が９０°変化した後にワークＷ上の各点に照射される。具体的には集光レンズ２に入射する光軸に対して平行な光はワークＷ側の焦点に集光される。光軸に対して所定の角度をなして進行する光についても焦点を含む平面上のある点に集光される。

すなわち、図１及び図２に示すように面光源１の発光領域１１から射出された光は、集光レンズ２により集光されてワークＷ上の各点においてほぼ同じコリメーション半角が形成されるとともに、デクリネーション角がほぼゼロとなる。言い換えると、ある面積を持った発光領域１１から射出された光はその進行方向によってワークＷ上に照射される位置が変化する。一方、ワークＷ上の各点から見た場合には各点に対して光が入射する範囲は限定されており、コリメーション半角により規定される立体角又は部分立体角の範囲内からのみ光が入射することになる。例えば発光領域１１が円板状をなすものの場合には、図３に示すようにコリメーション半角の２倍を中心角とする立体角の範囲である照射立体角の外側からは光が各点に対して入射せず、光がある点に入射される角度範囲が限定される。加えて、ワークＷ上の各点における照射立体角の向きは面光源１の発光領域１１の大きさや位置によって決まる。また、ワークＷ上において光が照射される範囲は集光レンズ２の直径、焦点距離、集光レンズ２からワークＷまでの距離であるワークディスタンスによって決まる。

ハーフミラー３は、面光源１に対して４５°傾けて設けられ、面光源１から射出された光をワークＷに対して反射し、ワークＷから反射又は散乱された光を撮像機構４側へと透過する。

撮像機構４は、例えばハーフミラー３を透過した光を集光するテレセントリックレンズ（図示しない）と、ワークＷの表面を撮像する撮像素子（図示しない）と、を具備するものである。撮像機構４はワークＷ上の所定の視野範囲内のみを撮像するように構成されている。

次に本実施形態の光学系における各パラメータの関係について図３を参照しながら説明する。ここで、光源の半径をｙ、レンズ２の半径をｄ、面光源１と集光レンズ２との間の距離（本実施形態では集光レンズ２の焦点距離）をＥＦＬ、集光レンズ２とワークＷとの間の距離をＷＤ、ワークＷ上において撮像機構４により撮像される範囲である視野範囲の半径をＹ、ワークＷ上の視野範囲内の各点に照射される光のコリメーション半角をθとする。

例えばワークＷの視野範囲の半径Ｙ、焦点位置ＥＦＬ、集光レンズ２からワークＷまでの距離ＷＤ、照射したい光のコリメーション半角θが決まっている場合、必要とされる集光レンズ２の半径ｄはｄ＝ＷＤ・ｔａｎθ＋Ｙで決定される。また、面光源１の半径ｙについてもｙ＝ＥＦＬ・ｔａｎθで決定される。このようにしてワークＷや検査内容に応じて決定された面光源とレンズ２の大きさを用いれば、ワークＷ側のコリメーション半角θはワークＷ上の視野範囲内では位置によらず一定となる。このため、面光源１の形状や各発光領域１１の発光状態によらずワークＷ上の各点に照射される光を均一にすることができる。

このように構成された検査システム２００によるワークＷの撮像例について図４乃至図７を参照しながら説明する。これらの例では、図４に示すように検査対象であるワークＷ上には表面に対して１ｄｅｇ傾いている傷Ｗ１と１ｍｍ程度の凹みＷ２が存在し、ワークＷの平面が設計上の面から傾いていない場合と２ｄｅｇ傾いている場合についてシミュレーションを行った。

具体的には図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように面光源１の発光領域１１が円状又はリング状（円環状）をなすように制御することで、ワークＷ上の各点に図５（ａ’）（ｂ’）（ｃ’）に示すような照射立体角を形成した場合に撮像される画像についてシミュレーションした。ワークＷが傾いていない場合のシミュレーション結果を図６に示し、ワークＷが傾いている場合のシミュレーション結果を図７に示す。

ここで、図５のように発光領域１１の形状を時間的に変化させたとしても、ワークＷの視野領域内全体には光は照射される。ただし、発光領域１１の形状が時間的に変化すると、視野領域内の各点において図５（ａ’）（ｂ’）（ｃ’）に示すように照射立体角の形状は変化し、各点において光が照射される方向は限定されることになる。すなわち、完全な円錐状の照射立体角が形成されている場合と、それぞれ直径が異なるとともに中央部分がくり抜かれた部分円錐状の照射立体角が形成されることになる。図６及び図７においても光の照射方向については角度分布として示されており、輝度分布はそれぞれの発光状態で撮像機構４により撮像される輝度分布を示している。

図６（ａ）に示すようにワークＷが傾いていない場合には、図５（ａ）及び（ａ’）に示すように発光領域１１を円状として完全な円錐形状の照射立体角を各点に形成することで傷Ｗ１と凹みＷ２の両方を検出できている。一方、ワークＷが傾いている場合には、図７（ａ）に示すように凹みＷ２については一部のみ検出できているが、傷Ｗ１には検出できていない。

また、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すようにワークＷが傾いていない場合に図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように発光領域１１をリング状にすると、発光領域１１が円状の場合と比較して傷Ｗ１又は凹みＷ２のいずれかが検出できなくなる。これに対してワークＷが傾いている場合には、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すように発光領域１１を円環状とするとともにその直径を変化させることで図７（ｃ）に示されるように傷Ｗ１及び凹みＷ２の両方を検出できる。

このように面光源１の発光領域１１を時間的に変化させていくことによって、撮像される画像中における欠陥の輝度を大きく変化させることができる。したがって、面光源１の発光領域１１を変化させながら、各画像間の輝度の差分等を取ることでも欠陥位置を特定することができる。

このように本実施形態の光照射装置１００によれば、面光源１がそれぞれ発光状態を時間的に変化させることができる分割照明として構成されているので、ワークＷ上の欠陥に対して照射される照射立体角の向きやその形状を変化させ、撮像機構４で欠陥が撮像される状態を実現することができる。

また、ワークＷ上における照射立体角の向きや形状は変化させつつ、視野範囲全体には光を照射し、そのコリメーション半角θについては空間的に一定の大きさに揃えることができる。さらに、発光領域１１を時間的に変化させることで、空間的にはコリメーション半角θの大きさを保ったまま、各点における照射立体角の向きやその形状を時間的に変化させることができる。このため、ワークＷに照射される光の均一性は保ち、視野範囲内での検査精度を一定に保つことができる。

その他の実施形態について説明する。

本発明に係る光照射装置は、ワークの画像検査のために用いられるものに限られず、例えばワークの寸法を画像解析により算出するためにワークに対して光を照射するものであってもよい。

前記実施形態では、撮像機構はワークからの反射光又は散乱光を検出して撮像するように構成されていたが、ワークの透過光を検出して撮像するように構成してもよい。この場合にはレンズと撮像機構との間にワークを配置すればよい。

ワーク上の欠陥を検出するには、面光源の発光領域を時間的に変化させて得られる撮像画像間の輝度の差から欠陥を検出するようにしてもよいし、単一の画像中において最も輝度の高い点、あるいは、最も輝度の低い点を欠陥として検出するようにしてもよい。

面光源における各発光領域の発光状態の制御については専用の電子回路を構成してもよいし、汎用のコンピュータを用いて制御してもよい。各発光領域を時間的に変化させるのは、各発光態様を一定の発光時間ごとに切り替えても良いし、それぞれの発光態様に対して個別の発光時間を設定してもよい。発光時間や発光領域の切り替えタイミングについては、撮像機構による撮像の完了時点に基づいて決定されてもよい。

面光源の位置については集光レンズの焦点位置又は焦点位置の近傍であればよい。ここで言う、焦点位置の近傍とは焦点位置の前後を含む。また、面光源の形状や面光源上に形成される発光領域の形状については前記実施形態において例示したものに限られない。集光レンズについては２枚のレンズで構成されたものに限られず、３枚のレンズで構成されたものや単一のレンズであってもかまわない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形を行ったり、各実施形態の一部同士を組み合わせたりしてもよい。

２００・・・検査システム
１００・・・光照射装置
１ ・・・面光源
１１ ・・・発光領域
２ ・・・集光レンズ
３ ・・・ハーフミラー
４ ・・・撮像機構
５ ・・・筐体

Claims (5)

1. ワークに対して光を集光する集光レンズと、
   前記ワークとは逆側の前記集光レンズの焦点又は焦点の前後に配置され、当該集光レンズに対して光を射出する面光源と、を備え、
   前記面光源が、複数の分割された発光領域を具備し、各発光領域の発光状態が時間的に変化可能に構成されたことを特徴とする光照射装置。
2. 前記各発光領域が、半径方向に対して分割されて円状又はリング状をなす領域であり、それぞれが同心円状に配置された請求項１記載の光照射装置。
3. 前記各発光領域が、扇状又は部分円環状に分割された領域である請求項１又は２記載の光照射装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の光照射装置と、
   前記光照射装置により光を照射されている前記ワークを撮像する撮像機構と、をさらに備えた検査システム。
5. ワークに対して光を集光する集光レンズと、複数の分割された発光領域を具備し、前記集光レンズに対して光を射出する面光源と、を備えた光照射装置を用いた光照射方法であって、
   前記ワークとは逆側の前記集光レンズの焦点又は焦点の前後に前記面光源を配置することと、
   前記各発光領域の発光状態を時間的に変化させることを特徴とする光照射方法。

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