JP2024065760A - ライン光照射装置及び検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】ラインセンサカメラとともに用いられる光照射装置において、ライン方向に沿った照射範囲を確保しつつ、発光面での放射輝度及びワークの被照射面での放射照度を向上させる。【解決手段】所定方向に沿ったライン状の光をワークに照射するライン光照射装置であって、該ライン光照射装置の光軸を含み且つ前記所定方向と平行な第１面内の配光が、前記光軸を含み且つ前記第１面に直交する第２面内の配光よりも広い配光特性を示す発光面を有する光源装置と、当該光源装置の光出射方向の前方に配置され、前記光源装置の配光角に関する情報を前記ワークの被照射面上における位置情報に変換するように、前記光源装置から出射された光を前記ワークの被照射面に導く光学系とを備えるライン光照射装置。【選択図】図１

Description

本発明は、ライン状の光を照射するライン光照射装置及びこれを用いた検査装置に関するものである。

従来、所定方向に搬送される紙やフィルムなどのワーク（検査対象物）に対して光を照射し、当該ワークの被照射領域をラインセンサカメラと称される撮像装置によって撮影し、得られた画像データを画像処理装置で取り込んで傷等の有無の表面検査を行う検査システムが知られている。このような検査システムに用いられる光照射装置として、特許文献１では、ワークとラインセンサカメラとの間に配置されるものであり、ワークに対向する発光面からワークに向かって光を出射する面照明装置が用いられている。

特開２０１７－０３２２８９号公報

ところでラインセンサカメラを用いた検査システムでは、ラインセンサの長手方向（ライン方向）に沿った視野を確保しながらも、タクトタイムをより短くするために、面照明装置の発光面での放射輝度及びワークの被照射面での放射照度をより高くすることが求められる。上記したような面照明装置を用いたものは、発光面から出射された光は、ワークの表面におけるラインセンサカメラの撮像領域以外にも照射されるため、視野内に入射するエネルギー効率が低く、ワークの被照射面での放射照度が低いという問題がある。

そこで本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、ラインセンサカメラとともに用いられる光照射装置において、ライン方向に沿った照射範囲を確保しつつ、ワークの被照射面での放射照度を向上させることを、その主たる課題とするものである。

すなわち本発明のライン光照射装置は、所定方向に沿ったライン状の光をワークに照射するものであって、該ライン光照射装置の光軸を含み且つ前記所定方向と平行な第1面内の配光が、前記光軸を含み且つ前記第１面に直交する第２面内の配光よりも広い配光特性を示す発光面を有する光源装置と、当該光源装置の光出射方向の前方に配置され、前記光源装置の配光角に関する情報を前記ワークの被照射面上における位置情報に変換するように、前記光源装置から出射された光を前記ワークの被照射面に導く光学系とを備えるライン光照射装置。

このように構成した本発明によれば、ラインセンサカメラとともに用いられる光照射装置において、ライン方向に沿った照射範囲を確保しつつ、ワークの被照射面での放射照度を向上させることができる。

本発明の一実施形の検査システムの構成を模式的に示す図であって、ラインセンサカメラの長手方向から視た図であり、第２面内の配光を説明する図。 同実施形態の検査システムの構成を模式的に示す図であって、ラインセンサカメラの光軸方向から視た図であり、第１面内の配光を説明する図。 同実施形態の光源装置と光学系の構成を模式的に示す図。 同実施形態の光源装置のＬＥＤの配置を模式的に示す図。 （ａ）同実施形態の光源装置の発光面放射輝度分布を模式的に示す図であり、（ｂ）レンズアレイを備えない光源装置の発光面放射輝度分布を模式的に示す図。 他の実施形態の光源装置の構成を模式的に示す図。

以下に、本発明の一実施形態に係るライン光照射装置１００を用いた検査システム３００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３００は、検査対象であるフィルム等のワークＷを一方向に一定速度で流しながらその表面を撮像するものであって、図１及び図２に示すように、検査対象を上側から撮像する撮像装置であるラインセンサカメラ２００と、ラインセンサカメラ２００で撮像する検査領域にライン状の光（以下において、ライン光ともいう）を照射するライン光照射装置１００とを備えるものである。

ラインセンサカメラ２００は、筐体２１０と、筐体２１０の内部に収容されたラインセンサ２２０と、該ラインセンサ２２０の前段に配置されたライン用撮像光学系（図示しない）とを備え、筐体２１０の一面に開口する帯状をなす光入射面２１０ａから被写体を撮像できるように構成したものである。このラインセンサカメラ２００は、前記光入射面２１０ａがワークＷの被照射面に対向（正対）し、かつ、その撮像ライン方向（具体的には、ラインセンサ２２０の長手方向）がワークＷの搬送方向と直交するように配置されている。したがって、このラインセンサカメラ２００によって、ワークＷの搬送方向と直交する細い線状領域が撮像される。

ライン光照射装置１００は、ワークＷの被照射面に照射するライン光の長手方向が、ラインセンサ２２０の長手方向と平行になるように設置されている。具体的にライン光照射装置１００は、検査光を発する発光面１ｓを有する光源装置１と、光源装置１の光出射方向前方に設けられた光学系２と、光学系２を通った検査光を反射させてその向きを変えるハーフミラー３とを備えている。ここではライン光照射装置１００は、ハーフミラー３を使用することにより、光源装置１から出射された検査光を、ラインセンサカメラ２００の光軸Ｃ２と同軸上からワークＷに照射するように構成された、所謂同軸落射構造をなすものである。

しかして本実施形態のライン光照射装置１００では、光源装置１の発光面１ｓにおける、ライン光照射装置１００の光軸（すなわち光学系２の光軸である）Ｃ１を含み、且つラインセンサ２２０の長手方向と平行な仮想的な第１面内の配光が、光軸Ｃ１を含み、且つ当該第１面に直交する仮想的な第２面内の配光よりも広い配光特性を示すよう構成されている。そして、光源装置１の光射出方向前方に配置される光学系２は、光源装置１の配光角に関する情報をワークＷの被照射面上における位置情報に変換するように構成されている。

光源装置１は、平面視矩形状をなす直方体形状のものであり、その一側面に光学系２の光軸Ｃ１に直交する発光面１ｓが形成されている。具体的にこの光源装置１は、図３に示すように、光学系２に面する一側面が開口する正方形状の底面を有する箱状のケーシング１１と、ケーシング１１内に収容された平面視正方形状をなすプリント配線基板１２と、プリント配線基板１２に搭載された複数のＬＥＤ１３と、ケーシング１１内に収容された平面視正方形状をなす複数のレンズ板１４とを備えている。本実施形態では光が出射される開口を形成するケーシング１１の一側面が発光面１ｓとする。この発光面１ｓは、光学系２の光軸Ｃ１に対して略回転対称な形状をなしており、ここでは正方形状をなしているが、その他円形状又は多角形状をなしてもよい。

プリント配線基板１２は、絶縁性を有するもので配線が予めプリントされたものである。

ＬＥＤ１３は、所謂フリップチップ型のものでも砲弾型のものであってもよい。図４に示すように、このＬＥＤ１３は、プリント配線基板１２の表面に、縦方向に等ピッチ、且つ横方向に等ピッチで縦横に複数列ずつマトリクス状（又は面状）に搭載されている。各ＬＥＤ１３は、ここでは軸対称な配光特性を有するものであり、その光軸が光学系２の光軸Ｃ１と平行となるように搭載されている。

レンズ板１４は、ＬＥＤ１３の光射出方向の前方に1又は複数枚配置されている。各レンズ板１４は、複数のレンズ１４１が縦横に複数列ずつマトリクス状（または面状）をなして一体成形されたものであり、いわゆるレンズアレイである。このレンズ板１４は、ポリカーボネートやアクリル樹脂等の、透明であって高い硬度と光に対する耐久性を有する樹脂からなる。レンズ板１４が備える複数のレンズ１４１は、その光軸が、ＬＥＤ１３の光軸及び光学系２の光軸Ｃ１と平行となるように形成されている。そして本実施形態のレンズ板１４にはＬＥＤ１３と同じの数のレンズ１４１が形成されている。これにより、図５に示すように、レンズ板１４を有しないものに比べてＬＥＤ１３の見かけ上の発光面積を大きくすることができ、発光面１ｓの放射輝度分布の均一性を向上させることができる。

レンズ板１４において、各ＬＥＤ１３から出射された光の配光特性を変換するよう各レンズ１４１が形成されている。具体的には、ラインセンサ２２０の長手方向に直交する第２面内における配光角度を狭くするように各レンズ１４１が形成されている。各レンズ１４１の具体例としては、トロイダルレンズやシリンドリカルレンズ等が挙げられるがこれに限らない。これにより、光源装置１の発光面１ｓは、ラインセンサ２２０の長手方向と平行であって、ライン光照射装置１００の光軸Ｃ１を含む第１面内の配光が、当該第１面に直交し、且つ光軸Ｃ１を含む第２面内の配光よりも広い配光特性を示すようになる。また、レンズ板１４において、各ＬＥＤ１３から出射された光の配光特性を狭くするように各レンズ１４１を形成することで、光源装置１の発光面１ｓの放射輝度を高くすることができるため、ワークＷの被照射面での放射照度をより高くすることができる。

光学系２は、例えば球面レンズ等、曲率半径が自身の光軸（すなわち、レンズの中心を通り、かつレンズ面に垂直な軸）に対して回転対称である１又は複数のレンズ２１を含んで構成されるものである。図３に示すように、本実施形態の光学系２は、２つのレンズ２１を互いの光軸が一致するように並べて構成されたものである。

そしてこのライン光照射装置１００では、光学系２が有する前側焦点と後側焦点のうち、光源装置１（入射方向）側の焦点である前側焦点に光源装置１の発光面１ｓが位置し、光源装置１とは反対側の焦点である後側焦点にワークＷの被照射面が位置するように、光源装置１、光学系２及びワークＷの各位置が設定されている。

光学系２の各焦点と、光源装置１の発光面１ｓとワークＷの被照射面との位置関係をこのようにすることで、光学系２により、光源装置１の配光角に関する情報をワークＷの被照射面上における位置情報に変換するようにして、光源装置１から出射された光をワークＷの被照射面に導くことができる。すなわち、平面視において、光源装置１の発光面１ｓにおける各位置から出射された光のうち、基準軸（光学系２の光軸Ｃ１）に対する角度が小さい光ほど、ワークＷの被照射面上における光軸Ｃ２との交差位置近傍に導かれ、基準軸Ｃ１に対する角度が大きい光ほど、ワークＷの被照射面上における光軸Ｃ２との交差位置から遠い位置に導かれるようになる。そして、光源装置１の発光面１ｓにおける各位置から出射された光のうち、基準軸に対する角度が互いに同じである光は、ワークＷの被照射面上における同じ位置に導かれるようになる。このようにして、ワークＷの被照射面には、ワークＷの搬送方向に直交する方向に伸びるライン状をなす検査光が照射されることとなる。

なお、「光学系２の後側焦点にワークＷの被照射面が位置する」とは、光学系２の後側焦点上にワークＷの被照射面が厳密に位置するのみならず、光源装置１の配光角に関する情報をワークＷの被照射面上における位置情報に変換できる範囲において、光軸に沿って後側焦点から前後した範囲にワークＷの被照射面が位置すること含む。「光学系２の前側焦点に光源装置１の発光面１ｓが位置する」についても同様である。

このように構成した本実施形態のライン光照射装置１００を用いた検査システム３００によれば、直交する２方向における配光が異なる配光特性を有する光源装置１から射出された光を、配光角に関する情報をワークＷの被照射面上における位置情報に変換するように発光面１ｓと光学系２とワークＷを構成しているので、ワークＷの被照射面において、配光が広い方向においては照射範囲を狭める（絞り込む）ことなく確保したまま、配光が狭い方向においてのみ照射範囲を狭める（絞り込む）ことができる。これにより、光源装置１から射出される光を、ラインセンサカメラ２００の撮像領域に効率よく（すなわち無駄なく）照射することができ、ラインセンサ２２０の長手方向（ライン方向ともいう）における視野を確保しながら、ワークＷの被照射面での放射照度を向上させることができる。
しかも、光源装置１の発光面１ｓが光学系２の光軸Ｃ１に対して略回転対称な形状（例えば円形状、多角形状等）をなしているので、ワークＷの被照射面におけるコリメーション半角（照射立体角）を略回転対称な形状（例えば円錐状、多角錐状等）にでき、ワークＷ表面に存在する傷等の欠陥を、方向によらず精度よく検出することができる。

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各レンズ板１４には、ＬＥＤ１３と同じ数のレンズ１４１が形成されていたがこれに限らない。他の実施形態では、各レンズ板１４にはＬＥＤ１３より多くの数、またはこれより少ない数のレンズ１４１が形成されていてもよい。

さらに他の実施形態のライン光照射装置１００は、図６に示すように、光源装置１は、レンズ板１４の光射出方向前方に配置された光拡散板等の光拡散部１５を備えてもよい。

また前記実施形態のライン光照射装置１００は、ハーフミラー３を備える同軸落射構造をなしていたがこれに限らない。他の実施形態のライン光照射装置１００は、ワークＷの被照射面に直交する方向に対して傾斜した方向からライン状の光を照射するように構成されたものでもよい。さらに他の実施形態では、ライン光照射装置１００は、ワークＷに対してラインセンサカメラ２００の設置位置とは逆側からライン状の光を照射するように構成されたものでもよい。

前記実施形態では各ＬＥＤ１３は軸対称な配光特性を有するものであったがこれに限らない。他の実施形態では、各ＬＥＤ１３は軸に対して非対称な配光特性を有するものであってもよい。

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のは言うまでもない。例えば本明細書の開示は以下の態様を含み得る。

（態様１）所定方向に沿ったライン状の光をワークに照射するライン光照射装置であって、該ライン光照射装置の光軸を含み且つ前記所定方向と平行な第1面内の配光が、前記光軸を含み且つ前記第１面に直交する第２面内の配光よりも広い配光特性を示す発光面を有する光源装置と、当該光源装置の光出射方向の前方に配置され、前記光源装置の配光角に関する情報を前記ワークの被照射面上における位置情報に変換するように、前記光源装置から出射された光を前記ワークの被照射面に導く光学系とを備えるライン光照射装置。
このような態様であれば、直交する２方向における配光が異なる配光特性を有する光源装置から射出された光を、配光角に関する情報をワークの被照射面上における位置情報に変換するよう構成された光学系を通した後にワークに導くようにしているので、ワークの被照射面において、配光が広い方向においては照射範囲を狭める（絞り込む）ことなく確保したまま、配光が狭い方向においてのみ照射範囲を狭める（絞り込む）ことができる。これにより、光源装置から射出される光を、ラインセンサカメラの撮像領域に効率よく（すなわち無駄なく）照射することができ、ラインセンサの長手方向（ライン方向ともいう）における視野に対応した照射範囲を確保しながら、被照射面での放射照度を向上させることができる。

（態様２）前記光学系は、曲率半径が前記光軸に対して回転対称であるレンズを備える態様１に記載のライン光照射装置。
このような、光軸に対して曲率半径が回転対称なレンズを用いることにより、配光角に関する情報をワークの被照射面上における位置情報に変換する光学系を構成することができる。

（態様３）前記光源装置の発光面が、前記光軸に対して略回転対称な形状をなす態様１又は２に記載のライン光照射装置。
このような態様であれば、発光面の形状が例えば円形状又は正多角形状等の略回転対称な形状をなすことで、ワークの被照射面におけるコリメーション半角（照射立体角）を、例えば円錐又は多角錐等の略回転対称な形状にできるため、ワーク表面に存在する傷等の欠陥を、方向によらず精度よく検出できるようになる。

（態様４）前記光源装置が、面状に並べられた複数のＬＥＤと、当該複数のＬＥＤの前方に配置された１又は複数のレンズアレイとを備えている態様１～３のいずれかに記載のライン光照射装置。
このような態様であれば、レンズアレイが有する各レンズの形状を調整することで所望の配光特性を得ることができ、複数のＬＥＤから出射されたエネルギーを直交する２方向の配光が異なる配光特性を有する光源へと効率よく変換することができる。さらに、レンズアレイを有しないものにくらべて、ＬＥＤ１３の見かけ上の発光面積を大きくすることができ、発光面の放射輝度分布の均一性を向上させることができる。

（態様５）前記光源装置が、前記レンズアレイから出射された光を拡散させる光拡散部を更に備える態様４に記載のライン光照射装置。
このような態様であれば、複数のＬＥＤから出射したエネルギーを直交する２方向の配光が異なる配光特性を有する光源へと効率よく変換しつつ、ワークに入射する角度毎の放射強度をより均一にすることができ、欠陥を方向、角度、位置によらずより検出しやすくできる。

（態様６）態様１～５のいずれかに記載のライン光照射装置と、前記ワークの被照射面を撮像するものであり、その長手方向が前記所定方向と平行となるように配置されたラインセンサカメラとを備える検査システム。
このような検査システムであれば、前記した各態様のライン光照射装置と同様の作用効果を奏し得る。

１００・・・ライン光照射装置
１ ・・・光源装置
１ｓ ・・・発光面
２ ・・・光学系
Ｗ ・・・ワーク
C１ ・・・光軸

Claims (6)

1. 所定方向に沿ったライン状の光をワークに照射するライン光照射装置であって、
   該ライン光照射装置の光軸を含み且つ前記所定方向と平行な第１面内の配光が、前記光軸を含み且つ前記第１面に直交する第２面内の配光よりも広い配光特性を示す発光面を有する光源装置と、
   当該光源装置の光出射方向の前方に配置され、前記光源装置の配光角に関する情報を前記ワークの被照射面上における位置情報に変換するように、前記光源装置から出射された光を前記ワークの被照射面に導く光学系とを備えるライン光照射装置。
2. 前記光学系は、曲率半径が前記光軸に対して回転対称であるレンズを備える請求項１に記載のライン光照射装置。
3. 前記光源装置の発光面が、前記光軸に対して略回転対称な形状をなす請求項１に記載のライン光照射装置。
4. 前記光源装置が、面状に並べられた複数のＬＥＤと、当該複数のＬＥＤの前方に配置された１又は複数のレンズアレイとを備えている請求項１に記載のライン光照射装置。
5. 前記光源装置が、前記レンズアレイから出射された光を拡散させる光拡散部を更に備える請求項４に記載のライン光照射装置。
6. 請求項１～５のいずれかに記載のライン光照射装置と、
   前記ワークの被照射面を撮像するものであり、その長手方向が前記所定方向と平行となるように配置されたラインセンサカメラとを備える検査システム。