JP2863003B2 - ビデオ検査照明配列装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本願は、1987年10月９日に出願された米国特許出願N
o.107,265の包袋継続として1989年４月７日に出願され
た係属中の米国特許出願No.336,642および1989年９月19
日に出願された係属中の米国特許出願No.409,148の一部
継続出願であり、その内容は、参考としてここに含まれ
る。

本願は、ビデオ検査技術に関し、さらに詳しくは一般
に一連の同一形状の物品の検査システムに関する。

本発明は、容器またはその構成部材の検査に適用する
ことができる。しかしながら、本発明は、全ゆる検査環
境または機械観察システム（machine vision system）
のようなより広い応用が可能である。

機械観察システムは、ロボット組立システムの領域、
品質管理の助けとなる検査システムの領域において、工
業上重要な地位を確保している。典型的な観察システム
は、標本を照らす照明システムおよび標本から反射する
光を感知するカメラを有している。典型的なシステムに
おいては、標本から反射し、カメラに受け入れられた光
からデジタル化した画像が形成される。このデジタル化
された画像データは、ロボットの腕のコントロール、標
本の識別または特定の標準に従った標本の許容性の決定
に利用される。

曲面状の表面を有する標本または内部に区画を有する
標本を検査する際に問題が生じる。従来の照明システム
は、さまざまな角度が標本上で光源の鏡像またはカメラ
レンズからの反射光を生じるような画像を得るには有効
でない。その結果、現在のシステムでは、かかる物品の
検査は最善の場合でも不完全であり、最悪の場合は不可
能である。

本発明は、上述の諸問題を克服し、さまざまな等高線
を有し、内部区画を有する標本の正確な検査を可能にす
る、新規で、かつ改善されたビデオ検査システムを提供
しようとするものである。

発明の要旨 本発明によれば、方向性を有する複数の光発生素子を
有するビデオ検査照明装置が提供される。それぞれの電
子光発生素子を内側部と外側部を有する三次元配列に固
定する手段が準備される。前記各光発生素子は、前記内
側部に取付けられ、関連する照明領域に向けられる。取
付け手段の一領域に、開口部が定められる。照明配列の
外側部に固定されたビデオカメラは、カメラから開口部
を通じて、一般的には前記配列の内側部へ延びるレンズ
を有している。該配列の光発生素子の少なくとも一部に
電流パルスを供給する装置が設けられ、これにより照明
領域内に配置された関連標本の照明が達成される。

本発明のより限定された態様によれば、ビデオカメラ
からの画像データを受け入れる手段および該画像データ
を許容標本を表わすデータと比較する手段が提供され
る。

本発明のさらに限定された態様によれば、ビデオカメ
ラから得られた画像データを第１および第２のシグナル
プロセッサ（signal processor）へ伝送する手段が提供
される。前記第１のシグナルプロセッサは、第１の選択
されたゲインレベルを有し、第２のシグナルプロセッサ
は、前記第１のデータプロセッサとは異なる第２のシグ
ナルゲインレベルを有している。前記第１および第２の
シグナルプロセッサから得られたデータは、引き続き独
立して特定のゲインレベルにおいて得られたデータ下の
標本の許容性を表わすデータと比較される。

本発明の効果の１つは、変化する等高線を有する物品
の工学的な照明およびビデオ検査を可能にするシステム
を提供することである。

本発明の他の効果は、目標とする標本の選択された部
分を、該部分を横切る照明レベルに従って分離すること
を可能にするシステムを提供することである。

本発明のさらに他の効果は、単一の標本の種々の部分
から得られた種々の強度レベルの画像を同時に比較し
て、あらかじめ選択した標準に従い、該標本の許容性を
独立して決定することを可能にするシステムを提供する
ことである。

本発明の他の効果は、この明細書を読み、理解すれ
ば、当業者に明確になるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による標本のビデオ検査のための、
照明、データ採取、採取されたデータの解析システムの
断面図である。

第２図は、第１のシステムに関連する標本（specimen
s）の照明の詳細を示す図である。

第３図は、表面にリブを有する物品またはその類似物
を照明するために取付けられる照明装置の他の実施態様
の断面図である。

第４図は、第１図および第３図の装置に用いられる三
次元照明配列の好ましい構造の透視図である。

好ましい実施態様の詳細な説明 図面により本発明を説明するが、図面は本発明の好ま
しい実施態様を示すもので、本発明を限定するものでは
ない。第１図は、カメラモジュールＢ、照明ユニット
Ｃ、標本ＤおよびプロセッシングシステムＥを含むビデ
オ検査システムＡの説明図である。

好ましい実施態様において、標本Ｄは、コンベアベル
トまたはコンベア手段12により照明領域10に搬入され
る。標本Ｄが照明領域10の中に存在することは、光学検
知器として図示される位置センサ14または他の適当な追
跡機構により決定される。第１図において、標本Ｄは飲
料容器16として図示されており、図示されたシステムは
飲料容器に対して特に有利である。

照明ユニットＣは、方向性を有する複数の電子光発生
素子18からなり、好ましい実施態様において、前記素子
は固態発光ダイオードまたはその類似物である。前記複
数の光発生素子18は配列20を形成する。前記光発生素子
18は、サーキットボードまたは取付け手段22により配列
20の内側部に向けて固定される。取付け手段22は、三次
元照明配列を形成する。この三次元照明配列は、角度の
ついた垂直部22aと概ねこれに垂直な部分22bを有し、両
者の向きは、単一の長軸またはカメラモジュールＢの光
学中心線との関係により定められる。前記配置20の特別
な構造は、第４図により図示され、詳述される。

標本の工学的な照明は、一般に素子の全部または一部
を活性化する持続時間を制御すること、素子の全部また
は一部に供給する電流の大きさを制御すること、または
前記配列の発光素子の全部または一部を選択的に作動す
ることにより達成される。これらの要素は、種々の標本
に対して照明条件を調節または同調する手段を有する。
好ましい実施態様においては、発光ダイオードのバンク
スイッチング（bank switching）が用いられる。すなわ
ち、特定の照明期間に選択されたそれぞれの発光素子の
列（bank）を作動させる。これは、人間によってあらか
じめ選択されたデータプロセッシングシステムＥのソフ
トウエアコントロールにより、または適当なフィードバ
ックアルゴリズムに従い、自動的なチューニングを行う
ことにより達成される。

観察領域10に標本Ｄが存在することは、位置センサ14
によって検知され、データプロセッシングシステムＥに
送られる。これは、選択された素子18に、順に、単一の
短い持続時間、高電流パルスを26として図示された通路
を通じて印加することになる。このようにして動作した
素子18から生じた光は、次に好ましくは開口部28を有す
るアーチ型の光拡散器または手段26を通過する。光は前
記光拡散プレート26を通過することによって均一にさ
れ、次いで照明領域10に配置された標本Ｄに当てられ
る。標本Ｄから反射した光は次にレンズ部32に受け入れ
られる。その後、カメラモジュールＢのビデオカメラ手
段34の中に配置された感光素子に当てられる。

カメラモジュールＢには１個のカメラが図示されてい
るが、同一の光学的中心線に沿って検知できる複数のカ
メラ手段を用いることもできる。これは、カメラモジュ
ールＢと標本Ｄとの間のビーム・スプリッタ配置により
達成できる。このようなカメラの二重の配置により、標
本の種々の部分の独立した分析を可能にし、フィードバ
ックプロセスにおける画像の整列（alignment of an im
age）が可能になる。

図示された実施態様においては、レンズ部32は三次元
配列20の内部、および同様にアーチ形の光拡散器26の内
部に延びている。前記レンズ部32は、好ましくは焦点深
度の広い広角または“魚眼”レンズを有している。この
配置は、標本へ伝達する光の量を最大にし、前記光が標
本へ到る角度を最適にし、得られた映像の一体性を改良
することに役立つ。

当業者に理解できるように、このようにしてビデオカ
メラ手段に露光された光は、照明された対象物を表わす
画像データを作る。画像データは、ビデオカメラ手段34
から連結部36を経由してデータプロセッシングシステム
Ｅに伝達される上述の方法により連結部36を経由した映
像データは、前記標本Ｄの内部の突出した部分の全てを
表現するデータを含んでいる。しかしながら、現在の技
術では、標本Ｄの部分の種々の照明部分を強度水準を変
化させて行ない、かくして全標本上に強度の広いスイン
グを行い、映像の許容性を表わすデータを迅速に抽出す
ることは困難である。特に、例えばリム状部40は、例え
ば標本Ｄの底部42よりも全体的に強度を増加させて光が
当てられていることが理解できよう。本発明は、標本上
の強度の幅広いスイングにもかかわらず、このような細
かい部分の完全な分析を可能とするシステムを提供す
る。

このことを達成するために、好ましい実験態様では類
似の形態をとる接続部36から受けた画像データは、それ
ぞれ手段44および46で表わされる第１および第２のシグ
ナルプロセッサへ送られる。それぞれのシグナルプロセ
ッサは、好ましくはアナログ−デジタル（“A/D"）変換
器を有している。したがって、単一の光学中心線に沿っ
て少なくとも１つのカメラから得られた画像データは、
44および46の両方のシグナルプロセッサに伝送される。

第１および第２のシグナルプロセッサ44、46の第１お
よび第２のA/D変換器はそれぞれ定められた特異なゲイ
ン特性を有しており、これにより画像データの種々の区
分をとらえ、解析することができる。プロセッシング素
子50からプロセッシング素子52へデータを伝送するため
に、フィードフォワードライン48を設けることもまた有
利である。このようなデータは、プロセッシング素子52
による解析のために位置を定める整列データを含むこと
ができる。

好ましい実施態様において、第１および第２のA/D変
換器の出力は、それぞれ第１および第２のデータプロセ
ッシング素子に伝送される。このような２つのデータプ
ロセッシング素子を使用することにより、高速平行画像
解析ができる。各プロセッシング素子50および52は、取
得され、デジタル化されたイメージデータと、許容され
る標本および許容されない標本を表わすデータとを比較
する。それぞれのデータプロセッシング素子においてそ
の標本が許容されないと決定された場合には、このデー
タはコンベア装置12上の下流点で、前記標本を照明領域
から除去するシステムに用いることができる。

第１図の照明ユニットＣによる、飲料容器16として図
示された標本Ｄの照明は、第２図を参照すればさらに明
瞭に理解される。図から、標本Ｄに入る光が標本の全て
の部分に与えられていることがわかる。照明は、光発生
素子18（第１図）から直接的におよび光発生素子18から
標本の壁、側面および底からの内部反射を経由して間接
的に行われる。図を参照すれば、上述したように光の重
要な部分は、標本の種々の部分からレンズ部分32へ反射
することがわかる。このシステムは、そのデータからそ
の標本の許容性を決定するのに充分な全標本のデータを
内部から得る手段を与えることができる。

第３図は、リブ状またはカーブ状の延長部を有する一
般には平面状の標本の検査に特に好適な本発明の実施態
様の１つを示すものである。第３図において、類似の構
造部分の数字による表示は、第１図と同様である。

第３図の実施態様において、照明ユニットＣは、方向
性を有する、好ましくは固態発光ダイオード（LED）か
らなる光発生素子18の配列を有している。取付け手段22
は、第１図と同様な22aおよび22bの部分に加えて、一般
にビデオカメラ手段34の長軸と平行に配置された部分22
cを有している。第３図に示す照明配列の構造によれ
ば、個々の素子18からの光が、食品の缶詰の端部56とし
て図示されている標本Ｄからビデオカメラ34のレンズ部
分32へ反射する角度が増加させることができる。第１図
の実施態様の場合と同様に、標本Ｄと光発生素子18の配
列との間にアーチ状の拡散器26を配置することにより標
本により均一な露光ができる。

第３図の実施態様において、第１図の実施態様と異な
りレンズ部32は、アーチ状の拡散器のほうへ延びるのみ
で、前記拡散器の内部には延びていない。拡散器26によ
って定義される開口部60の大きさは、標本上の反射を最
小にし、配列から適用される利用可能な照明を最大にす
るために、最小の大きさにすることが有利である。これ
は、ピンホールレンズアレシジメントを用いることによ
り達成される。カメラ34は、取付けブラケット62により
この位置に固定される。図に示すように、開口部60のサ
イズを最小にする上で、円錐状レンズアレンジメントを
用いることが好ましい。

第３図の構造は、図に示していないが、第１図に示す
ようなデータプロセッシングシステムＥ、コンベア装置
12および位置センサ14を有する場合に有利に適用するこ
とができる。

第４図に、取付け手段22の好適な組立構造物の透視図
を示す。この透視図は、第１図、第３図に示す切断図で
は不可能な視覚化を容易にする。図から、取付け装置
は、図に示すように連結された長方形部分と梯形部分の
連続から構成される。前記梯形部分は、方向性のある光
発生素子18を直接取付けたプリント回路基板で構成する
ことが好ましい。第４図に示された構成技術に加えて、
フレキシブル回路基板材料の使用のような他の技術も同
様に利用できる。このような回路基板は、与えられた構
造に適合するように特別に処理したり、成形またはロー
ルさせた照明配列を得ることができる。

本発明を好ましい実施態様に基づいて記述したが、こ
の明細書を読み、理解することにより、改良、置換が他
人によって考えられることは明らかである。このような
全ての改良および変更は、関連する特許請求の範囲また
はそれと均等の範囲に入る限り、本発明に含まれるもの
である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−15708（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−21209（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−218407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−25405（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/24 G01B 11/30 G01N 21/88

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】方向性を有する複数の光発生素子と、 内側部分と外側部分とに明確に区別された取付け手段で
   あって、複数の光発生素子は関連する照明領域に向けて
   該取付け手段の内側部分に固定される、前記複数の光発
   生素子のそれぞれを三次元発光配列に固定する取付け手
   段と、 前記取付け手段に設けられた開口部と、 レンズに受容した光から画像データを生じるビデオカメ
   ラ手段と、 前記内側部分が前記開口部を通って広がるように三次元
   発光配列の内側部分にレンズを固定する固定手段と、 関連する標本の照明のために関連する照明領域を照明す
   る前記配列中の選択された光発生素子のそれぞれに選択
   された値の電流のパルスを同時に供給する手段とを有す
   る照明ビデオ検査装置。
2. 【請求項２】前記配列の光発生素子の一部に、単一の電
   流パルスを与えることによる関連照明領域の照明の結果
   として得られるビデオカメラ手段からの画像を受けるデ
   ータプロセッサ手段と、 前記データプロセッサ手段中に含まれる、画像データを
   許容画像データの範囲を表わすデータとを比較する手段
   と、 前記比較手段の出力により関連する標本の許容性を決定
   する手段とをさらに有する請求の範囲１記載の照明ビデ
   オ検査装置。
3. 【請求項３】電流パルスを与える光発生素子配列中の選
   択された光発生素子を形成する光発生素子を選択的に変
   化させる手段をさらに有する請求の範囲２記載の照明ビ
   デオ検査装置。
4. 【請求項４】光発生素子から関連する照明領域へ伝達さ
   れる光を選択的に均質化し、第２の開口部となるアーチ
   形の光拡散手段と、 レンズが少なくとも第２の開口部に延びるように、三次
   元照明配列と関連する照明領域の間に前記光拡散手段を
   固定する手段をさらに有する請求の範囲２記載の照明ビ
   デオ検査装置。
5. 【請求項５】ビデオカメラ手段により生じた画像データ
   は、二次元配列の各画素の強度値を表わすアナログデー
   タを含み、さらに第１の選択されたシグナルゲインレベ
   ルを有する第１のシグナルプロセッサと、第１の選択さ
   れたシグナルゲインレベルとは異なる第２のシグナルゲ
   インレベルを有する第２のシグナルプロセッサとを有す
   るデータプロセッサ手段と、 第１の画像データを第１のシグナルプロセッサに伝送し
   て第１の処理された画像データを得る伝送手段と、 第２の画像データを第２のシグナルプロセッサに伝送し
   て第２の処理された画像データを得る伝送手段と、 関連する標本の第１部分の許容される画像データの範囲
   を代表するデータを第１の処理画像データと相互に関連
   させる第１の相関関係手段を含む比較手段と、 関連する標本の第１部分から特別に定められた関連標本
   の第２部分の許容された画像データを表わすデータと第
   ２の処理画像データを相互に関連させる第２の相関関係
   手段を含む比較手段とを有する請求の範囲４記載の照明
   ビデオ検査装置。
6. 【請求項６】第１と第２の比較手段は、それぞれ第１と
   第２のプロセッサ要素を有し、さらにデータプロセッサ
   手段は第１および第２のプロセッサ要素を同時に作動す
   る手段を有する請求の範囲５記載の照明ビデオ検査装
   置。
7. 【請求項７】第１のシグナルプロセッサは第１のアナロ
   グ−デジタルコンバータを、第２のシグナルプロセッサ
   は第２のアナログ−デジタルコンバータを有し、これに
   より第１および第２の処理シグナルはそれぞれ第１およ
   び第２のデジタル化されたシグナルを有する請求の範囲
   ６記載の照明ビデオ検査装置。
8. 【請求項８】関連する標本に単一の、強い、短い印加時
   間の光のパルスを与える照明手段と、 関連標本から反射した後にレンズ部に入る光のパルスを
   受けて画像データを生じる、レンズ部を有するビデオカ
   メラ手段と、 それぞれに特別に定められた第１および第２のゲインレ
   ベルを有する第１および第２のシグナルプロセッサ手段
   と、 第１および第２のシグナルプロセッサへ、画像データの
   少なくとも一部を伝送して、それぞれ第１および第２の
   処理シグナルを得る伝送手段と、 受信したシグナルデータを許容標本を代表するデータと
   比較してその許容性を決定する第１および第２のプロセ
   ッサ手段と、 第１および第２の処理シグナルをそれぞれ第１および第
   ２のデータプロセッサに伝送する手段とを有する照明ビ
   デオ検査装置。
9. 【請求項９】第１と第２のデータプロセッサの比較を同
   時に行う手段を有する請求の範囲８記載の照明ビデオ検
   査装置。
10. 【請求項１０】ビデオカメラ手段は、関連する反射光強
    度を表わすグレイスケールレベルを有する画素の二次元
    配列で表わすデータとして画像データを作成する手段を
    有する請求の範囲９に記載の照明ビデオ検査装置。
11. 【請求項１１】第１および第２の処理シグナルにより関
    連標本の画像をデジタル化するアナログ−デジタルコン
    バータを有する第１および第２のシグナルプロセッサ手
    段と、 それぞれの第１処理シグナルを許容される標本を表わす
    デジタル化したデータと比較する手段をそれぞれ有する
    第１および第２のデータプロセッサとを有する請求の範
    囲10に記載の照明ビデオ検査装置。
12. 【請求項１２】照明手段は、方向性を有する複数の電子
    式光発生素子と、内側部分と外側部分を区分し、前記複
    数の光発生素子のそれぞれを関連標本を一般に指向する
    ように該内側部分に固定するとともに、複数の光発生素
    子の各素子を三次元照明配列に固定する取付け手段とを
    有する請求の範囲11に記載の照明ビデオ検査装置。
13. 【請求項１３】一般に外側部分から取付け装置の開口部
    へ延びるようにレンズを固定する固定手段を有する請求
    の範囲12に記載の照明ビデオ検査装置。
14. 【請求項１４】取付け手段によって定められる内側部分
    にレンズが開口部を透して延びるようにレンズを固定す
    る手段をさらに有する請求の範囲12に記載の照明ビデオ
    検査装置。
15. 【請求項１５】方向性を有する複数の光発生素子、前記
    複数の光発生素子のそれぞれを三次元発光配列に固定す
    る取付け手段であって、該取付け手段は内側部分と外側
    部分に区分されており、複数の光発生素子は関連する照
    明領域に向けて該取付け手段の内側部分に固定されてい
    る取付け手段、および前記取付け手段に設けられた開口
    部を有する照明配列と、 レンズ部を有するビデオカメラ手段と、 レンズ部が開口部を通って延び、内側部分に終わるよう
    にビデオカメラ手段を照明配列との相関関係において固
    定する手段と、 一連の関連する標本の列を関連する照明領域へ送る搬送
    手段と、 該一連の関連標本のそれぞれが照明領域に存在すること
    を決定する手段と、 関連する標本を照明するために複数の光発生素子に選択
    的に電流を供給する手段と、 照明された関連標本からレンズ弁への反射光を受けてビ
    デオカメラ手段により作られた画像データを送る伝送手
    段と、 それぞれが特定のゲインレベルを有し、第１および第２
    のアナログ−デジタル変換手段へ画像データを送り、こ
    れによって第１および第２のデジタル化画像データ部を
    形成する伝送手段と、 第１のゲインレベルにおいて処理されたデジタル化デー
    タに対応して標本の許容性を表わすデータと第１のデジ
    タル画像データとを比較する第１の比較手段と、 第２のゲインレベルにおいて処理されたデジタル化デー
    タに対応して標本の許容性を代表するデータと第２のデ
    ジタル画像データとを比較する第２の比較手段を有する
    照明ビデオ検査装置。
16. 【請求項１６】第１と第２の比較手段は独立したデータ
    プロセッサを有する請求の範囲15に記載の照明ビデオ検
    査装置。
17. 【請求項１７】第１および第２の比較手段の少なくとも
    １つの出力によって一連の関連する標本のそれぞれの許
    容性を決定する手段を有する請求の範囲16に記載の照明
    ビデオ検査装置。
18. 【請求項１８】配列中の選択された光発生素子に電流の
    パルスを加えることにより選択的に光発生素子を変える
    手段を有する請求の範囲２に記載の照明ビデオ検査装
    置。