JP2023033219A - 複雑な物体の検査のための適応型照明システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】照明システム、及びその設計方法並びに構造が開示される。【解決手段】フロントライト・モジュールとバックライト・モジュールの両方を備えて得られる照明システムは、多次元物体上の欠陥の強調を最適に行う本発明の要件による選択、プログラム可能な照明を提供する。光案内部はバックライト・モジュールに対して好適に整列され、それらを自由に動かし、照明アセンブリのセットアップ時に決定される基準ホーム位置へ再位置決めすることができるばね荷重式機構と機械的に一体化される。フロントライト・モジュールは、表面欠陥を強調することに用いられ、照明システムと機械的に一体化される。照明モジュールは、特定のレイアウトで取り付けられた様々な空間強度分布及び色スペクトルを有する多数の個別の発光構成要素を含むことができ、それによって用途に合わせて組み合わせた照明効果が生み出される。【選択図】図1
Description
本発明は、一般に、多次元物体のアクセス不能な領域に光を伝播し、照明を透過する光案内部に結合され、電子制御LEDに基づく照明システムに関する。本発明は、検査向上のために特別な照明及び配置技術を必要とする、角のある表面を含む多次元の物体の検査に特に適用可能である。
従来の光源は、多数の表面を照明するように設計される場合、特に物体が角のある表面を有する場合、典型的には大きく、複雑である。従来技術の米国特許第8,100,552号では、照明装置は、物体のプロファイルに適合するように特定の方向に取り付けられた多数の発光要素を用いるように設計されている。検査される物体のプロファイルが変わると、その物体に対する均一な照明を達成するために新しい照明モジュールを設計する必要があり、それによって手法が複雑になり、時間がかかり、高価になる。それらは、フレキシブルでも調整可能でもないので、調整が難しく、表面プロファイルが異なる新しい型の物体に適合させることが難しい。
典型的な固体LEDは、物体に均一な配光を可能とするため、様々な構成でよく使用される。特定の物体についての最終構成は、依然として、物体の領域への不均一な照度を有し、その結果、欠陥の測定が不整合になり、信頼性がなくなる。さらに、それらは大きく、検査システム内の貴重なスペースを占領してしまう。
現在の技術では、欠陥検査や関連の測定の品質及び精度を妥協することなく、複雑な三次元物体を均一に照明する装置及び方法がない。
本発明は一組の光案内部と好適に結合された照明モジュールからなる、効果的でフレキシブルな照明システムに関し、光案内部は、平面状、長方形状又は円形状であり、アクリル又は他の光透過材料から作られ、適切に引き込み可能なばねと取り付けられ、光案内部のその垂直軸に沿った自由運動を可能にする少なくとも2枚の平行板を含むプラットフォーム上に好適に配列される。検査される物体は、カメラの下に配置されるとき、光案内部上に載るように配置される。光案内部は、一方端が物体のプロファイルに接する点まで、動き、調整し、配向して、他方端がバックライト照明モジュールに対して露出する。この配置の場合、バックライト照明が励起されると、光案内部は、光を物体に向けて透過させ、結果的に三次元物体のすべてのポイントにおける光分布が均一になる。カメラは、検査のために物体の異なる位置及び角度で多数の画像を取得する。検査が完了すると、物体は、光案内部から遠ざけられ、それと同時に光案内部はそれらのホーム位置または基準位置へと戻る。
次いで、物体は、トップライト照明モジュールを用いて上から照明され、続いて異なる角度での物体の異なる領域の多数の画像が取得される。
さらに、オペレータによって、欠陥又は特徴部の測定を行うために照明されている物体表面を見ることにカメラが使用され得る。通常の場合の手動検査又は観察は、検査システムの設定及び構成のプロセスの間に使用される。
そのような配置の主な利点の1つは、表面に三次元の特徴部又は欠陥のある様々な複雑な物体に対する照明モジュールの適合を容易にすることである。照明システムのプログラム可能性と相まった可動な光案内部のフレキシブルな適合によって、照明システムが非常にフレキシブルで調整可能になり、その結果、製品の切り替えの間の照明設定の再構成が迅速になる。
本発明の次の利点は、従来の技術では不可能であった、物体の角のある表面の信頼性の高い照明である。検査アセンブリに結合された一体型モータを用いて物体を適切に傾けることで、最適な視界がカメラに提供されるので、角のある表面上の特徴部も高い信頼性で検査することができる。
本発明の他の利点は、バックライト・モジュールに機械的に結合されたエアシリンダを用いて実現され得るバックライト・モジュールの配置である。
多くの照明状態の下でカメラによって取得された物体の強調画像は、より明白な欠陥及び特徴部の優れた測定を可能にする。
多くの照明状態の下でカメラによって取得された物体の強調画像は、より明白な欠陥及び特徴部の優れた測定を可能にする。
本発明の他の態様は、本発明の上述の態様の1つまたは複数の様々な組合せ、ならびに、以下の詳細な説明に示され、又はそこから誘導され得る様々な実施形態の1つまたは複数の組合せを含む。本発明の他の実施形態は、本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明の両方から当業者によって誘導され得ることも理解されるべきである。
本発明の特定の特徴、態様および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照すればより良く理解されるであろう。
本発明の好ましい実施形態の以下の説明において、その一部を形成し本発明を実施することができる特定の実施形態を例示的に示す添付図面を参照する。他の実施形態を用いることができ、本発明の範囲から逸脱することなく構造的な変更を加えることができることを理解されよう。
図1には、本発明によるシステム及び方法の第1の実施形態が示される。システム100は、角のある表面を含む複雑な三次元物体の欠陥を検査するための装置である、本発明の第1の態様の一実施形態を図示する。穴の寸法、表面のマーキング、成形された特徴の有無、傷、汚染物、及び物体周りのすべての縁部欠陥の存在等の欠陥が測定され得る。
図1の第1の実施形態100は、XYモータ駆動式テーブル25(モータは図示せず)上に取り付けられた高解像度カメラ30と、少なくとも2つの照明光源と、リングライト又はトップライト22と、平面LEDバックライト8とを備える。バックライト8は、一組の光案内部10に機械的かつ光学的に結合されており、あるいは、好ましくは効率的な光拡散材料から作られた光透過要素のアレイと称されるものである。光案内部アセンブリは、同一かつ対称な孔が開けられた2枚の金属板18及び20を含めて設計される。板18及び板20にある整列されたどの孔も、ばね荷重式ユニット12及び14をそれぞれ保持するように構成され、ばね荷重式ユニット12及び14を通って一組の光案内部10が取り付けられ、適用例に応じて調整可能なホーム位置又は基準位置と称される位置P1に保持される。使用される光案内部10の数は、適用例によって決定される。光案内部10の組は、一組のばね荷重式ユニット12及び14の機構により垂直方向に変位可能である。光案内部10は、物体の異なる場所及び異なる深さにある角のある表面ならびに凹凸面の周りを確実に照明するように、アクリル系の樹脂、ポリカーボネート又は高分散性の同様の材料を用いて生産され得る。光案内部10の組はさらに、様々な種類の物体に適合して調整可能であり、費用効果に優れるように、様々な角度、厚さ又はプロファイルで設計されてもよい。
バックライト・サブ・アセンブリ102が位置P2へと垂直方向16に動かされると、光案内部10の組は、物体50の上面のプロファイルを取得するために適切に変位される。要素8、10、12、14、18及び20を含むバックライト・サブ・アセンブリ102は、一緒に機械的に一体化され、モータ(図示せず)によって駆動される。モータは、図1に示される位置P1とP2との間でバックライト照明モジュールを垂直方向に動かすように駆動される。
様々な種類の物体プロファイルに合うように、いくつかの異なる垂直位置をプログラムできることを当業者が理解することに留意することが重要である。別のフロント照明モジュール22は、物体の下の様々な位置に位置決めされるように他のモータ(図示せず)に好適に結合されている。バックライト照明モジュール8及びフロント照明モジュール22は、異なる波長のLEDが区分された設計を用いて製造され、閃光発光装置(図示せず)に電気的に接続されている。閃光発光装置は、物体50の欠陥の特徴を強調するために、異なる時間間隔、異なるパルス幅、異なる強度及び異なる光スペクトラムの照明をトリガし、異なる照明状態の下での画像取得を助けるようにプログラム可能とされてもよい。
図2及び図3は典型的な物体50の上面図及び底面図をそれぞれ図示する。明らかなように、物体50は、多数の三次元プロファイルを有し、多孔質であってもよいし、又は特定の用途に適する切り抜きを備えてもよい。それは、周囲に様々な角のある表面を含むこともある。
図4は、物体50の欠陥を検査するための本発明の第1の実施態様の検査技術を示す。この技術では、バックライト照明サブ・アセンブリ102は、位置P2まで下方に動かされ、それと同時に光案内部10の組が変位されて物体50の上面に接触する。図4にある枠B1で囲まれた領域の拡大画像が図4bに示される。一組の光案内部10の変位は図4bで明確に見ることができる。
前述のバックライト照明8は、それぞれの光案内部を個別又は同時に照明するように、区分されたLEDを含めて製造され、それによって非常に複雑な照明制御機構が実現される。図4の位置P2において、バックライト8及びカメラ30は、図4aに示されるように、光案内部10の組を照明すると同時に物体50の対象領域の画像を取得するようにトリガ又は閃光発光される。続いて、XYテーブル25が、物体の表面領域がカメラ30によって撮像されるまで、1つの対象領域から次へと動かされる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の全体画像に達するように画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
図5は、物体50の底面にある欠陥を検査するための本発明の検査技術を示す。この技術では、バックライト照明サブ・アセンブリ102が基準位置P1まで上方に動かされ、それと同時に光案内部10の組が、ばね荷重式軸受け12及び14によって物体50の上面から遠ざけられる。位置P1では、バックライト8はオフにされ、リングライト22は、物体50の底面を照明するようにオンにされる。リングライト22及びカメラ30は、図5aに示されるように、底面を照明すると同時に物体50の対象領域の画像を取得するようにトリガ又は閃光発光される。続いて、XYテーブル25が、物体の表面領域がカメラ30によって撮像されるまで、1つの対象領域から次へと動かされる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の全体画像に達するように画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
図6は、物体50の欠陥を検査するための本発明の第2の実施形態における検査技術を示す。この実施形態110では、バックライト照明サブ・アセンブリ102は、図1と同じであるが、光案内部10の組が上向きになるように逆に取り付けられる。バックライト照明サブ・アセンブリ102は、バックライト8を上下に駆動するように板18及び20上に機械的に取り付けられた一対のエアシリンダ40及び42をさらに備える。さらには他のモータ39に結合される。バックライト照明サブ・アセンブリ102はさらに、他のモータ37に好適に結合された他の機構に取り付けられる。モータ39及び37は、2つの異なる軸における110の動きを可能にする。モータ39は、回転軸44において110を物体50とともに回転させることに用いられ、モータ37は、回転軸40において110を物体50とともに回転させることに用いられる。エアシリンダ40及び42の組を設けることによって、予めプログラムされ得る2つ以上の位置同士の間におけるバックライト8の垂直方向の変位が可能となる。エアシリンダ40及び42はさらに、ソフトウェア・プログラムによって決定されるような位置へ光案内部10の組を変位させる働きをする。図6のリングライト22は、物体50の上面を照明し、バックライト8は、光案内部10の組を通して物体50の底面を照明する。図6において、XYテーブル25上に取り付けられたカメラ30は、物体50の上面の画像を取得するように位置決めされる。
図7に示される第2の実施形態における検査の第1のプロセス工程は、物体50が光案内部10の方に向けて位置P3から位置P4へ下方に動かされることから開始される。光案内部10の位置は、三次元物体50の底面のそれらのそれぞれのポイントに位置する。前述したように、光案内部10は、それぞればね荷重式案内ユニット12及び14によって板20及び18と一体とされ、それによってそれらは垂直軸に沿って自由に動くことができる。物体50が図7に示されるように所定の位置P4に配置された後、カメラ30は、照明のためにリングライト22により同期的に閃光発光されるとき、物体50の上面の所定の対象領域の画像を取得する。典型的な対象領域の画像が図7aに示されており、そこでは物体50の表面に印刷されたシンボルが強調されている。続いて、XYテーブル25が、対象領域の表面領域がカメラ30によって撮像されるまで、1つの対象領域から次へと動かされる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の全体画像に達するように画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
図7のリングライト22は、XYテーブル25と機械的に一体になっており、画像取得中、表面の傷、染み、シンボル、マーキング等の物体50上の欠陥を強調するように、適切に配置され閃光発光される。
図8に示される第2のプロセス工程では、リングライトはオフにされ、バックライト8は、カメラ30が物体50の対象領域の画像を取得するように閃光発光される。典型的な対象領域の画像が図8aに示されており、物体50上に印刷されたシンボルが、強調された打ち抜き孔又は孔とともにはっきりと見ることができる。バックライト8を点灯して取得された画像は、バックライト画像に見える孔の欠陥、破損した孔、寸法不良の孔及び他の欠陥の検出の助けとなる。続いて、XYテーブル25が、物体の表面領域がカメラ30によって撮像されるまで、1つの対象領域から次へと動かされる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の全体画像に達するように画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
第2の実施形態における検査の第3のプロセスが、図9に示される。これは、物体50が図7に示されるように光案内部10の方に向けて位置P3からP4に下方に動かされることから開始される。物体50が図7に示されるような所定の位置P4に配置された後、モータ37は、物体50の隆起した角のある面をカメラ30の方に示すように予めプログラムされた角度に回転する。照明のためにトップライト又はリングライト22が閃光発光されると同時に、カメラ30が物体50の所定の対象領域の画像を取得する。典型的な対象領域の画像は図9aに示され、そこでは物体50上の隆起構造の角のある面における表面特徴部が強調されている。また、XYテーブル25と一体のリングライト22は、表面の傷、染み、シンボル等の物体50上の欠陥を強調するように、適切に位置決めされ閃光発光される。次の工程で、モータ39は、物体50をソフトウェアにプログラムされた次の対象領域に配置するように回転する。プロセスは、物体50の全体の領域が撮像されるまで続けられる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の関連の角のある表面の全体の画像に達するように、画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
第4のプロセス工程は、モータ37の回転によって、予めプログラムされた異なる角度に物体50を再配置することと、予めプログラムされたすべての角度が実行されるまで、第3のプロセス全体を再び繰り返すこととを含む。
図10に示される第5のプロセス工程では、リングライトがオフにされ、バックライト8がオンに、又は閃光発光される。物体50が図7に示されるように所定の位置P4に配置された後、照明のためにバックライト8が閃光発光されると同時に、カメラ30が物体50の所定の対象領域の画像を取得する。典型的な対象領域の画像が図10aに示されており、そこでは物体50の角のある表面に位置する打ち抜き穴を明確に確認できる。プロセスは、物体50の全領域が撮像されるまで続けられる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の関連の角のある表面の全体の画像に達するように、画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
第5のプロセス工程で取得された画像は、物体50の角のある表面におけるバックライト画像に見える孔の欠陥、破損した孔、寸法不良の孔及び他の欠陥の検出の助けとなる。
バックライト8の照明の第6のプロセス工程では、XYテーブルが、ソフトウェアにプログラムされているように、ある対象領域から次へ動かされる。続いて、モータ39が、バックライト照明による画像の取得のため、物体50をその周りの異なるポイントに配置するように回転する。プロセスは、物体50の全体の領域の角のある表面が撮像されるまで続けられる。次いで、さらなる分析及び分類のために、物体50の関連の角のある表面の全体の画像に達するように、画像が適切に組み立てられる。続いて、分別及び仕分けのために、検査の結果が外部インターフェースを介して通信される。
当業者は、物体の角度を変えたり、照明の順序を変えたり、強度、波長及び閃光発光パルス幅等の特性を変更することができ、さらに、物体50の表面の異なる特徴部を目立たせるように区分された照明を利用できることに留意することが非常に重要である。
図11は、トップライト又はリングライトで照明された表面の説明図で、56、54及び55等のマーキング及び表面欠陥の強調がそれぞれどのように実現されるかを示す。
図12は、バックライトで照明された表面の説明図で、58及び60のような打ち抜き孔の強調がどのようにされるか示す。打ち抜き穴の不在52又は不正確な間隔の打ち抜き穴の検出とは別に、バックライト画像において、打ち抜き穴の直径が簡単かつ正確に測定されることが明らかである。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、当業者にとって、上記の説明は単なる例示であって限定的ではなく、単なる一例として提示したものであることは明白である。多数の変更及び他の実施形態は、当業者の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定められる本発明の範囲内に属するものとして考えられる。
Claims (12)
- 異物混入、打ち抜き穴の寸法不良、マーキング不良及び表面の破損などの欠陥を検査するために、打ち抜き穴及び角のある表面を含む多次元の物体を実質的に照明する照明システムであって、前記システムは、
a)所定位置に位置決めするためのXYテーブル上に取り付けられ、画像を取得する高解像度カメラと、
b)平行に取り付けられた一連のアクリル系の光案内部の一端を照明し、予めプログラムされ、選択された区分の、閃光発光装置を用いた照明を可能にするように、好適に区分されたバックライト照明として動作する、平板上に取り付けられたLEDのアレイと、
c)予めプログラムされ、選択された区分の、閃光発光装置を用いた照明を可能にするように、好適に区分された前記LEDの、フロント照明として使用される、円形LEDに基づくリングライトと、
d)引き込み可能なばねが取り付けられ、前記バックライト照明に機械的に結合された一対の板上に互いに平行に配列された、光を伝播する複数の光案内部と、
e)複数の所定位置に前記バックライト照明を移動する、少なくとも一対のエアシリンダに基づく変位機構と、
f)前記カメラ及び光学システムの中心軸周りに前記バックライト照明のサブ・アセンブリを回転させる、第1の取り付けシステムと、
g)前記第1の取り付けシステムに対して、垂直な軸に、前記バックライト照明のサブ・アセンブリを回転させる、第2の取り付けシステムと、
h)検査される前記物体をいくつかの所定位置に好適に配置する、物体配置機構と、
i)トリガ・パルス幅及び照度を制御する、閃光発光システムと、
を備える、照明システム。 - 検査される前記物体の前記表面が、前記カメラから等距離にないいくつかの種類のキャビティ、孔及び角のある表面を含む、請求項1に記載の照明システム。
- 前記光案内部の前記端が、平台型のバックライト照明と機械的に一体化される、請求項1に記載の照明システム。
- 前記バックライト照明の反対側に位置する前記リングライトが、トップ照明に使用される、請求項1に記載の照明システム。
- 前記リングライトが、シンボルの欠陥を検査するために、前記物体の前記表面上の前記マーキングを照明するようにプログラムされて使用されるものである、請求項4に記載の照明システム。
- 前記バックライト照明は、プログラム可能な照明が選択的な区分の照明、強度の制御及びトリガ・パルス幅の制御を実施できるように区分される、請求項1に記載の照明デバイス。
- 少なくとも2つの取り付け板上に配置された前記引き込み可能な光案内部が、実質的に均一な照明分布を可能にするように、検査される前記物体のプロファイルを取得するように一意的に配置される、請求項1に記載の照明システム。
- 異物混入の有無、打ち抜き穴の寸法不良、表面の破損及びマーキング不良などの欠陥を検査するために、打ち抜き穴及び角のある表面を含む多次元の物体を実質的に照明する方法であって、前記プロセスは、
j)すべての凹凸面が均一に照明されることを確実にするために、検査される物体を光案内部に近づけて配置する、配置方法と、
k)前記物体の異なる角度にある異なる特徴部を強調するように、バックライト照明及びフロントライト照明を同時又は交互に閃光発光させるプログラムと、
l)すべての光案内部の一方端に光を発し、光を伝播して他方端において検査下の前記物体を照明する、垂直可動のバックライト照明と機械的に一体化された一組のエアシリンダと、
m)画像取得の完了後、前記光案内部を所定の基準位置に再設定するように、前記バックライト照明と機械的に一体化された一組のエアシリンダを動かすことと、
n)検査下の前記物体の領域を照明するために、異なる位置に配置するカメラXYテーブルと好適に一体化された可動フロントライト照明リングライトと、
o)キャリブレーション中に決定された、いくつかのプリセット位置へ前記物体を回転させ、前記物体の全領域の画像が高解像度で取得されることを確実にする、角度配置方法と、
p)検査システムの中心軸周りにバックライト照明サブ・アセンブリを回転させるように第1のモータを動作させる方法と、
q)前記物体のいくつかの角度面におけるある角度に前記物体を位置決めするように、第1のバックライト照明システムに対して垂直な軸において前記バックライト照明サブ・アセンブリを回転させるように第2のモータを動作させる方法と、
r)トリガ・パルス幅、LED区分の選択及び照明の強度を制御するように閃光発光システムをトリガする方法と、
を含む、照明方法。 - 検査される前記物体の前記表面が、カメラから等距離にないいくつかの種類のキャビティ、多次元の孔及び角のある表面を含む、請求項8に記載の照明方法。
- 検査領域全体の均一な照明を実現して、角のある表面及び凹凸面を照明するように、いくつかの光案内部の端部が前記物体の表面に載る、請求項8に記載の照明方法。
- 照明源が、マーキング不良、異物の有無、異常な打ち抜き穴、及び表面の破損の検出を可能にするために、特定の所定領域の照明を可能にするように、LEDの区分により選択的に照明される、請求項8に記載の照明方法。
- 前記配置方法が、マーキング不良、異物の有無、異常な打ち抜き穴、及び表面の損傷の検出を可能にするように、すべての所定表面領域を強調照明するために、光案内部のアレイに対して前記物体を一意的に整列させるようにプログラムされる、請求項8に記載の照明方法。
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