JP3020398B2 - 板表面の検査方法及び検査装置並びに検査用光源 - Google Patents

板表面の検査方法及び検査装置並びに検査用光源

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JP3020398B2 JP5305467A JP30546793A JP3020398B2 JP 3020398 B2 JP3020398 B2 JP 3020398B2 JP 5305467 A JP5305467 A JP 5305467A JP 30546793 A JP30546793 A JP 30546793A JP 3020398 B2 JP3020398 B2 JP 3020398B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車外板、プラ
スチック板などの板表面を光学的に検査する検査方法及
び該方法の実施に用いて好適な検査装置並びに検査用光
源に関する。
【0002】
【従来の技術】逆反射スクリーンを利用した板表面検査
方法として、特開昭 62-502358号公報に開示される公知
のものがあり、その要旨は次の通りである。この検査方
法に用いる検査装置は、図13に示すように逆反射スク
リーン30、カメラ31、光源32の基本要素によって
構成される。検査対象物33の表面を逆反射スクリーン
30と光源32の間に置き、光源32の光が検査対象物
33の表面に当たって反射し、逆反射スクリーン30に
向かうような相対的位置に配置する。検査対象物33で
反射し逆反射スクリーン30に入ってきた光は、入射光
軸と略同じ方向に反射し、再び検査対象物33の表面で
反射して、光源32のやや上方に配置されたカメラ31
に捕らえられる。これによって、検査対象物33の表面
の凹凸変化が光学的に強調されてなる画像をカメラ31
に捕らえることができ平滑であるべき表面の欠陥場所を
容易に発見することが可能である。
【0003】この検出原理を図14及び図15によって
説明する。図14は検査対象物33の表面に欠陥が無い
場合を示し、図15は欠陥が有る場合を示している。逆
反射スクリーン30は、その表面にビーズ状の反射球3
4が密設されており、各反射球34は、入射光に対し図
示するような指向性の反射パターンを有している。図1
4に示すように表面に欠陥が無い場合、光源方向から来
た光は検査対象物33の表面で逆反射スクリーン30の
方向に反射する。光源近傍の光源よりも図上でやや上に
設置されたカメラは、図中のカメラビューイング方向か
ら検査対象物33表面に向いており、逆反射スクリーン
30からの反射光が、検査対象物33で再反射する光を
捕らえている。いま、検査対象物33の表面のA,B,
Cの各点をカメラから見るとき、欠陥の無い平面では、
逆反射スクリーン30の各反射球34の角度αで反射さ
れる同じ強さの光を見ていることになり、カメラは濃淡
変化の無い中間的な明るさを持った面として捕らえる。
【0004】一方、図15のように検査対象物33の表
面に欠陥が有る場合、欠陥の無いA点では前記と同様に
逆反射スクリーン30の反射球34の角度αからの光を
捕らえるが、B点(カメラ側から見て下り坂)では、反
射角γの強い光を捕らえ、また、C点(カメラ側から見
て上り坂)では、角度βの弱い光を捕らえることにな
る。従って、B点の下り坂では明るく、C点の上り坂で
は暗く見えることになる。逆反射スクリーン30の反射
球34の反射パターンの指向性の幅は、約±1度と鋭い
ため、欠陥の微妙な傾きでも、明暗の変化量が激しく、
欠陥の凹凸が強調されて観測されることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図14及び図15にお
いて、仮にS点を検査対象物33の端辺とすると、カメ
ラから見てS点からA点までの間は、検査対象物33以
外(図示上S点より左)からの反射光も入ってくること
になり、従って、S点からA点の間は検査できない領域
となる。例えば、図16に示すような自動車ドア36の
表面検査をする場合において、図中手前(下)をカメラ
31及び光源32の側とし、奥(上)を逆反射スクリー
ン30の側とすると、図示するように手前の端辺37と
開口部38,39から奥方向の検査対象物33の表面以
外の反射が混入する部分は検査できないことになる。こ
れは、光源32がカメラ31の下に設置されることによ
る影響である。
【0006】前記逆反射スクリーンによる表面検査装置
において、光源からの光が欠陥部分に直接当たる光路を
考えると、図17に示すように、欠陥部dが凹部である
場合には、その凹部が凹面鏡的な役割を演ずる結果、欠
陥部dで集光された反射光が逆反射スクリーン30で反
射されて検査対象物33に戻り、q点で再反射した光を
カメラ31が捕らえるとき、図18に模式的に示すよう
に、欠陥部dによる欠陥像Dの先の再反射点qに相当す
る位置に疑似像Qが生じる。また、欠陥部dが凸部であ
る場合には、この凸部が凸面鏡的な役割を演ずるため、
図19に示すように、同じ位置に暗い疑似像Q′が生じ
る。この疑似像Q′は、欠陥の無い位置にあたかもそこ
に欠陥が有るが如きに発生するので、欠陥検査上におい
て、疑似像Q,Q′が発生した位置にも欠陥が有るよう
に誤認することになる問題点がある。
【0007】ところで、図13及び図17を参照して、
逆反射スクリーンによる表面検査装置において、逆反射
スクリーン30の大きさは、光源32から検査対象物3
3の距離と逆反射スクリーン30から検査対象物33の
距離とが1:1であるとすると、検査対象物33の4倍
の面積が必要である。即ち、検査対象物33が平板とし
て4倍、凸曲面の場合はさらに大きな逆反射スクリーン
が必要となる。例えば検査対象物33を1.7m角の平
板とすると、3.4m角の逆反射スクリーン30が必要
となる。前項[0006]において述べるように、疑似
像が逆反射スクリーン上で像を結び、欠陥像が検査対象
物上で像を結ぶことから、逆反射スクリーン30から検
査対象物33の距離を光源32から検査対象物33の距
離に比べて1:1程度とし、検査対象物33上にカメラ
の焦点を合わせると疑似像がぼやけてしまう。このこと
から、逆反射スクリーン30から検査対象物33の距離
を光源32から検査対象物33の距離に比べて短くする
ことは、疑似像がぼやけ難くなり、欠陥像と疑似像との
違いが判別しにくくなる。以上の点を総合して、逆反射
スクリーン30の大きさは、検査対象物33(検査領
域)の4倍以上必要で大型とならざるを得ないという問
題があった。
【0008】一方、このような逆反射スクリーンによる
表面検査装置に用いる光源としては、同じ方向の指向性
を個々に持つ光の束から成る面光源が最適とされるが、
従来は、図20に例示するように指向性を持ったレーザ
光42を光ファイバ41で集めている。即ち、この図に
おいて丸囲みで示すガウス分布(正規分布)になる1つ
の指向性を持った光の直径を0.1mmφとするには、
0.1mmφの光ファイバ41が必要である。そして、
0.1mmφの光ファイバ41を使って100mm角の面積
を持った面光源1を作るには、百万本の光ファイバ41
と百万台のレーザ発振器43が必要となり、複雑な構造
で、かつ、高コストとなる。これに対してレーザ発振器
を少なくする試みとして、図21のようにレーザ光をシ
リンドリカルレンズ44によってスポット光をライン光
に変換するようにしたものも提案されてはいるが、この
場合でも、100mm角の面積を持った面光源を作るに
は、百万本の光ファイバ41と千台のレーザ発振器43
が必要となり、依然として構造複雑、コスト高であるこ
とは免れ得なく、普通は汎用的なスポット光源が専ら使
用されている。なお、図22にシリンドリカルレンズ4
4を使用した場合のレーザ光42の軌跡が示される。
【0009】本発明は、このような問題点の解消を図る
ために成されたものであり、本発明の目的は、疑似像の
発生を抑制することができて反射スクリーンの小型化並
びに該スクリーンの検査対象物に対する距離の短縮を図
って検査精度を高めようとするものであり、さらに、装
置のコンパクト化を実現し、併せて、指向性面光源を簡
易化された構造の下で低コストで提供しようとすること
にある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため以下に述べる構成としたものである。即
ち、本発明は、光源、該光源に対向して設けられる回帰
反射スクリーン、前記光源からの光を透過し前記回帰反
射スクリーンからの反射光を正反射するように光源と回
帰反射スクリーンの間に介設されるハーフミラーを備
え、板状の検査対象物の表面に照射可能に形成される指
向性面光源を用いて、この指向性面光源からの光束を板
状の検査対象物に照射するとともに、その反射光を該反
射光軸に対しカメラビューイング方向が若干ずれて配置
されたカメラで捕らえることにより、前記検査対象物の
表面における欠陥部分の凹凸変化を、明暗変化が強調さ
れた画像として得ることを特徴とする板表面の検査方法
である。
【0011】本発明はまた、光源、該光源に対向して設
けられる回帰反射スクリーン、前記光源からの光を透過
し前記回帰反射スクリーンからの反射光を正反射するよ
うに光源と回帰反射スクリーンの間に介設されるハーフ
ミラーを備え、板状の検査対象物の表面に照射可能に設
けられる指向性面光源と、この指向性面光源が前記検査
対象物の表面に照射する光束の反射光の光軸に対しカメ
ラビューイング方向を若干ずらして該反射光の捕光可能
に設けられるカメラとを含むことを特徴とする板表面の
検査装置である。
【0012】本発明はまた、光源、該光源に対向して設
けられる回帰反射スクリーン、前記光源からの光を透過
し前記回帰反射スクリーンからの反射光を正反射するよ
うに光源と回帰反射スクリーンの間に介設されるハーフ
ミラーを備え、指向性を個々に持つスポット光が集束さ
れてなる光束をハーフミラーからの正反射により投光す
る指向性面光源に形成されることを特徴とする板表面の
検査用光源である。
【0013】本発明はさらに、上記の検査用光源におい
て、光源からの光束のうちのハーフミラーで正反射され
る一部光を該ハーフミラーに向けて回帰反射する回帰反
射スクリーンがさらに付設され、この回帰反射スクリー
ンで回帰反射後、ハーフミラーを透過する光が合わされ
ることによって、増光された投光が成されることを特徴
とする。本発明はさらに、上記の検査用光源において、
光源が、ハーフミラーとは反対側の後方部に光反射体を
備えて、ハーフミラーを透過又は/及び正反射する光束
を前記光反射体により該ハーフミラーに向け反射するこ
とによって、さらに増光された投光が成されることを特
徴とする。本発明はまた、上記の検査用光源において、
投光窓部と光源の直前方部との少なくとも投光窓部にレ
ンズが設けられることを特徴とする。
【0014】
【作用】本発明に従えば、検査対象物上での反射が1回
で、この正反射光をカメラによって受像する検査方式で
あるから、従来の再反射光を捕らえる方式では、図16
に基づいて説明したように検査ができない領域が生じる
のに対して、本発明では検査不能領域が全く生じない。
また、図17に示すように従来では防ぐことができなか
った疑似像を生ぜしめないで欠陥像のみを鮮明に発像さ
せることが可能である。さらに、本発明によれば、検査
対象物に対する回帰反射スクリーン及びカメラの距離を
任意に選ぶことができる。また本発明によれば、表面検
査用の面光源を、一般的な構造になる光源とハーフミラ
ーと回帰反射スクリーンとの要素部材によって簡単な構
造の面光源装置に構成することができて簡略化され、か
つ、汎用性に富む装置を提供し得る。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。図1に、本発明の
検査方法に使用する一実施の形態である検査装置の概要
構成が示される。この図1に示されるように実施の形態
に係る検査装置は、板表面を検査するための検査用光源
1と、カメラ5とを含んで構成され、それら1,5は、
板体で実現される検査対象物6に対して、検査用光源1
からの照射光の反射光をカメラ5が受光可能なように光
学的にほぼ対称となる関係で設けられる。検査用光源1
は、光源2、該光源2に対向して設けられる回帰反射ス
クリーン3、前記光源2からの光を透過し前記回帰反射
スクリーン3からの反射光を反射するように光源2と回
帰反射スクリーン3の間に介設されるハーフミラー(反
透鏡)4を備えて、投光窓10が開けられている筐体7
内に収納される。
【0016】図2には、検査用光源1の原理図が示さ
れ、図3(イ),(ロ)及び図4には、図2における各
部の光の分布状態がそれぞれ示される。図2の検査用光
源1において、光源2から出た光(Aの部分の光)は、
図3(イ)に示されるように指向性が弱いガウス分布の
光であって、ハーフミラー4を透過して(この場合にハ
ーフミラー4で反射した範囲Pの方向の光は不利用)、
図3(イ)と同様の図3(ロ)に示されるBの部分の光
となって回帰反射スクリーン3に入射する。この回帰反
射スクリーン3は、回帰性反射パターンを有するもので
あって、図5に該スクリーン3の部分拡大図で示される
ように、例えば硝子のビーズ球(直径数十μm程度)1
3が密に反射面に敷つめられてなる構造であるとする
と、図4に示す回帰反射スクリーン3の反射光源パター
ンのように、図2のB部分においては各ビーズ球13単
位に強い指向性を持つ光の束となって反射し、指向性の
幅は、±1度(半値幅≦±2°)となる。この指向性を
持つ反射光がハーフミラー4で正反射し(この場合にハ
ーフミラー4を透過した範囲Sの方向の光は不利用)、
範囲Rの方向に図4のBに示す分布を有する光が照射す
る。このように範囲Rの方向に照射される光は、個々に
指向性を持った光の束からなる面光源を形成し得るもの
である。
【0017】上述する構成になる検査用光源1から出る
光を、図1に示すように検査対象物6の表面に照射して
正反射させ、この反射光をカメラ5によって受光する。
ただし、カメラ5のビューイング方向は、僅かにずらす
ようにカメラ5を配置するものとする。即ち、ハーフミ
ラー4から検査対象物6に向かう光の光源パターンの最
も強い方向の光である主光の方向からα度ずれた光を見
るようにカメラ5を配置するものである。なお、ハーフ
ミラー4における光の透過量と正反射量との割合は、5
0:50が普通であるが、その他の割合であってもよ
い。
【0018】図6及び図7には、検査対象物6が表面欠
陥の無い平面の場合及び表面欠陥の有る平面の場合につ
いての図1に対応する光路の説明図が示される。上述す
るように検査用光源1及びカメラ5を配置することによ
り、検査対象物6表面のA,B,Cの各点をカメラ5か
ら見るとき、図6のように表面欠陥の無い平面では、光
源パターンの主光の方向からの角度αの強さの光を見て
いることになり、カメラ5は濃淡変化の無い中間的な明
るさを一様に有する面として捕らえる。一方、図7のよ
うに表面欠陥の有る平面の場合、欠陥の無いA点では前
記と同様に光源パターンの主光の方向からの角度αの強
さの光を捕らえるが、B点(カメラ5側から見て下り
坂)では、光源パターンの主光の方向からの角度γの強
さの光を捕らえ、また、C点(カメラ5側から見て上り
坂)では、光源パターンの主光の方向からの角度βの弱
い光を捕らえることになる。従って、B点の下り坂では
明るく、C点の上り坂では暗く見えることになる。光源
パターンの指向性の幅は前述するように約±1度と尖鋭
であるため、欠陥の微妙な傾きでも明暗の変化量が激し
くて、欠陥の凹凸が強調されて観測されることになる。
【0019】図8乃至図11に、本発明の検査方法に使
用する他の各実施形態に係る検査装置の概要構成が示さ
れる。これら各図において図1に示される一実施形態
類似し、対応する各部材には同一の参照符号を付してい
る。図8に示される検査装置において注目すべきは、投
光窓10が開けられている筐体7を断面形状が凸形の十
面直方体に形成して、ハーフミラー4を挟んで投光窓1
0とは反対側の突出部内壁に、回帰反射スクリーン31
を追加配設した構造を有することである。この検査装置
において、光源2から出た光のうち、ハーフミラー4で
正反射した光(図8に範囲Pで示される)が、回帰反射
スクリーン31で回帰性反射パターンを持った(指向性
を個々に持った)光の束となる。回帰反射スクリーン3
1で反射した光は、ハーフミラー4を透過して(この場
合にハーフミラー4で反射して光源2に向かう光は不利
用)、図5の範囲Rで示す方向に図4の指向性パターン
分布を持った光で照射する。このR方向に照射される光
は、回帰反射スクリーン3で回帰反射した後、ハーフミ
ラー4で正反射する光と重畳されることから、図1に示
す実施例と比較して約2倍の光量となる。
【0020】図9に示される装置は、図1の実施形態
対して反射ミラー又は回帰反射スクリーンで実現される
光反射体8が追加して設けられている点が注目される構
成である。この光反射体8は、光源2の後方、即ち、ハ
ーフミラー4とは反対側の近部に設けられる。このよう
に構成することによって、光源2から出て回帰反射スク
リーン3で反射した光のうち、ハーフミラー4を通過し
た光、即ち、図9に範囲Sで示される光は、光反射体9
によって反射し、光源2から照射した光と合わさって再
びハーフミラー4に向かう。従って、範囲Sで示される
光が有効に利用されることによって、範囲Rで示す方向
に照射される光は、図1に示す実施例と比較して約2倍
の光量となる。
【0021】図10に示される装置において注目すべき
は、ハーフミラー4の反射光の出側にレンズ9を設けて
なる構成としたことである。このようにすることによっ
て、カメラ5とハーフミラー4との距離を変えることが
可能である。カメラ5の最良なポジションは、主光の大
きさがカメラのレンズ口径と同様の大きさになるような
位置であり、光源パターンの最も強い方向の光である主
光の方向からα度ずれた光を見るようにしながら最良な
ポジションを決めればよい。また、光源2の前方にレン
ズ91を介設することにより、カメラビューイング方向
での光の焦点を変えることができ、これも好ましい態様
である。
【0022】図11に示される装置において注目すべき
は、検査用光源1を、光源2と、光ファイバー11と、
これに対応させた同数のレンズ12とによって構成した
ことである。この検査装置において、光源2から出た光
を光ファイバー11の束に通し、各光ファイバー11の
光出側に設けたレンズ9を通すことによって、個々のス
ポット光に対して±1度の指向性を持たせることが可能
である。この指向性パターン束を実施例と同要領でカメ
ラ5によって観測すると、欠陥の凹凸が強調されて観測
されることになる。
【0023】図12には、本発明の実施の形態に係る
査装置に用いられる検査用光源1の例が示される。この
例は、図8及び図9に示される各検査用光源1を組み合
わせた構造であって、回帰反射スクリーン31と光反射
体8とを設けることによって、範囲Rの方向に照射され
る光は、図1に図示する検査用光源1の照射光量の約4
倍に増大する。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、検査
対象物上での検査用光束の反射が1回で済む検査方式で
あるから、従来の検査方法では検査不能領域が生じてい
た点を解消して効率のよい検査が行えるとともに、欠陥
部による欠陥像の先の再反射点に相当する位置に現れる
疑似像を生じないようにして検査精度を高めることが可
能である。更に、疑似像が生じなくなったことから、回
帰反射スクリーンから検査対象物の距離と、検査対象物
からカメラの距離とを検査の態様に応じて遠近任意にと
ることができ、その結果、回帰反射スクリーンの大きさ
を検査対象物の検査領域の大きさ以上にする必要がある
としても、両者間の距離を短くすることによって、回帰
反射スクリーンの小型化が可能であり、検査装置をコン
パクトに纏め得る。さらに本発明によれば、レーザ光を
用いずに1個の光源を使用して、指向性を個々に持つス
ポット光が集束されてなる面光源を簡単、かつ、低コス
トで製作することができ、汎用性に富む装置を提供する
等、種々の優れた実用的効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の検査方法に使用する一実施形態である
検査装置の概要構成図である。
【図2】図1図示検査用光源1の構造原理図である。
【図3】図2図示検査用光源1におけるA,B各部の光
分布状態図である。
【図4】図2図示検査用光源1におけるるB部の光分布
状態図である。
【図5】図1図示検査用光源1の回帰反射スクリーン3
の部分拡大図である。
【図6】検査対象物が表面欠陥の無い場合の図1に対応
する光路の説明図である。
【図7】検査対象物が表面欠陥を有する場合の図1に対
応する光路の説明図である。
【図8】本発明の検査方法に使用する他の実施形態であ
る検査装置の概要構成図である。
【図9】本発明の検査方法に使用する他の実施形態であ
る検査装置の概要構成図である。
【図10】本発明の検査方法に使用する他の実施形態
ある検査装置の概要構成図である。
【図11】本発明の検査方法に使用する他の実施形態
ある検査装置の概要構成図である。
【図12】本発明の実施形態の検査装置に係る検査用光
源1の構造原理図である。
【図13】従来の表面検査装置の概念図である。
【図14】従来の表面検査方法における欠陥部分の無い
場合の光路の説明図である。
【図15】従来の表面検査方法における欠陥部分が有る
場合の光路の説明図である。
【図16】従来の表面検査方法における検査不能領域を
示す説明図である。
【図17】従来の逆反射スクリーンによる表面検査装置
の概念図である。
【図18】検査対象物の表面欠陥部分が凹部であるとき
の疑似像発生の画像図である。
【図19】検査対象物の表面欠陥部分が凸部であるとき
の疑似像発生の画像図である。
【図20】従来の表面検査装置の検査用光源の例の概念
図である。
【図21】従来の表面検査装置の検査用光源の他の例の
概念図である。
【図22】図21に示す検査用光源の要部説明図であ
る。
【符号の説明】
1…検査用光源 2…光源 3…回帰反射スクリーン 4…ハーフミラー 5…カメラ 6…検査対象物 7…筐体 8…光反射体 9…レンズ 10…投光窓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/892 G01B 11/30 G01N 21/84 H04N 7/18

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源、該光源に対向して設けられる回帰
    反射スクリーン、前記光源からの光を透過し前記回帰反
    射スクリーンからの反射光を正反射するように光源と回
    帰反射スクリーンの間に介設されるハーフミラーを備
    え、板状の検査対象物の表面に照射可能に形成される指
    向性面光源を用いて、この指向性面光源からの光束を板
    状の検査対象物に照射するとともに、その反射光を該反
    射光軸に対しカメラビューイング方向が若干ずれて配置
    されたカメラで捕らえることにより、前記検査対象物の
    表面における欠陥部分の凹凸変化を、明暗変化が強調さ
    れた画像として得ることを特徴とする板表面の検査方
    法。
  2. 【請求項2】 光源、該光源に対向して設けられる回帰
    反射スクリーン、前記光源からの光を透過し前記回帰反
    射スクリーンからの反射光を正反射するように光源と回
    帰反射スクリーンの間に介設されるハーフミラーを備
    え、板状の検査対象物の表面に照射可能に設けられる指
    向性面光源と、この指向性面光源が前記検査対象物の表
    面に照射する光束の反射光の光軸に対しカメラビューイ
    ング方向を若干ずらして該反射光の捕光可能に設けられ
    るカメラとを含むことを特徴とする板表面の検査装置。
  3. 【請求項3】 光源、該光源に対向して設けられる回帰
    反射スクリーン、前記光源からの光を透過し前記回帰反
    射スクリーンからの反射光を正反射するように光源と回
    帰反射スクリーンの間に介設されるハーフミラーを備
    え、指向性を個々に持つスポット光が集束されてなる光
    束をハーフミラーからの正反射により投光する指向性面
    光源に形成されることを特徴とする板表面の検査用光
    源。
  4. 【請求項4】 光源からの光束のうちのハーフミラーで
    正反射される一部光を該ハーフミラーに向けて回帰反射
    する回帰反射スクリーンがさらに付設され、この回帰反
    射スクリーンで回帰反射後、ハーフミラーを透過する光
    が合わされることによって、増光された投光が成される
    ことを特徴とする請求項3に記載の板表面の検査用光
    源。
  5. 【請求項5】 光源が、ハーフミラーとは反対側の後方
    部に光反射体を備え て、ハーフミラーを透過又は/及び
    正反射する光束を前記光反射体により該ハーフミラーに
    向け反射することによって、さらに増光された投光が成
    されることを特徴とする請求項3または4に記載の板表
    面の検査用光源。
  6. 【請求項6】 投光窓部と光源の直前方部との少なくと
    も投光窓部にレンズが設けられることを特徴とする請求
    項3,4または5に記載の板表面の検査用光源。
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