JP3834308B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、製品等の光照射対象（ワーク）にむらなく拡散光を照射し、その欠陥やマーク等を検出するために用いられる製品検査等のための光照射装置に関するものである。

従来、光照射装置を用いてワークの上部から光を照射し、その反射光を目視あるいは撮影して、そのワークの表面検査やアラインメントマークの検出を行う方法が知られている。例えば基板に取り付けられた電子部品の半田検査のような場合、表面の微妙な凹凸に起因する陰影や反射ムラが生じたりすると、半田不良の検出ができないため、この種の光照射装置ではワークにあらゆる方向から一様な光を照射できる機能が求められる。

そこでＬＥＤ等の発光デバイスを複数周設してそこから上方に光を射出させ、その光を光拡散面で拡散反射させてワークに照射するようにしたものや、特許文献１、２に示すように、ＬＥＤからの光を光拡散用の透明体（光拡散ブロック）を透過させて均一化し、その光をワークに照射するようにしたもの等が開発されている。
特開２００２−２１４１４３公報 特開平１０−２１７１７号公報

しかしながら半導体チップにおける半田検査のように、小型化が著しい分野では、前述のように発光デバイスから出た光を光拡散面で拡散反射させる方式のものであると、拡散反射する際の効率がよいという利点はあるものの、各デバイスの大きさから、それらを周設した場合に、配線や回路基板などが大きくならざるを得ない。そしてそれに応じて拡散反射面も大きくなってしまい、半導体チップ部品のように数ｍｍから十数ｍｍの大きさの小径ワークに光を照射しようとすると、効率が悪くなり、光量も不足するという不具合がある。

そこで発光デバイスの代わりに光ファイバを用い、その光ファイバからでた光を光拡散面に照射するという態様も考えられるが、光ファイバの出力端部を光拡散面に向かって配置しなければならないという制限が生じ、光ファイバを装置内部で湾曲させるための取り回しスペースが必要になって結局コンパクト化に難が生じる。加えて光ファイバを強く曲げすぎるとそこで損失が生じるという懸念もある。

一方、光拡散ブロックによる透過拡散方式のものでは、光拡散ブロックでの表面反射や乱反射、吸収によって、前述の拡散反射方式のものに比して、基本的に効率が悪くなり、光量が不足するというデメリットがある。さらに、より均一な光を得るためには、デバイスと光拡散ブロックとの距離をとる必要があるが、このようにするとコンパクト化が図れない。かといってその距離を近づけると、光拡散ブロック中の拡散体の濃度を濃くする必要が生じ、効率や光量の低下がより顕著になる。

そこで本発明は、効率や光量の低下を招くことなくコンパクト化が可能で、特に小径ワークに対して、非常に好適な光照射を行える光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明にかかる光照射装置は、ワークの欠陥やマーク等の表面状態を検出すべくそのワークに光を所定の態様で照射する光照射装置であって、複数の光ファイバの出力端部を並び設けた状態で保持するファイバ保持部と、前記光ファイバの出力端部に臨む位置に設けられ、それら各出力端部から射出される光を反射する凹面の反射面と、前記反射面よりも内側に設けられ、当該反射面で反射した光を受光してさらに反射するとともに拡散させ、前記ワークに照射する光拡散面とを備え、前記光ファイバの出力端部を前記光拡散面の外側に配してなるとともに、前記反射面を前記光拡散面の下端縁の略真下から外側にかけて配してなることを特徴とする。

このようなものであれば、拡散反射方式の利点である高効率という点を活かすことができる。しかも光ファイバから直接光拡散面に光を照射する場合に比して、光ファイバからでた光を一旦反射面で反射させて光拡散面に導くようにしているので、光ファイバの出力端部の取付姿勢に自由度があり、光ファイバを装置内部で大きく曲げることのない設計が可能となるため、飛躍的なコンパクト化が可能になる。もちろんそれに応じて光拡散面のコンパクト化も図れ、小径ワークに対しても、無駄なく十分な光量を供給することが可能になる。さらに、反射面を光ファイバの出力端部に臨む位置に設けているため、この反射面が装置全体のコンパクト性を阻害することがないうえ、光拡散面とワークとを接近させて特にローアングル光を十分に含んだあらゆる方向、角度からのワークへの一様な光照射が可能になる。また、反射面の形状を工夫する（例えば凹凸を設けるなど）ことによって、ワークへの光の照射態様をコントロールでき、目的に応じた光の生成自由度をより向上させることができる。

前記光拡散面で光が複数回反射し得るように構成しているものであれば、ワークに照射される光の均一性をさらに向上させることができる。

前記ファイバ保持部がリング状をなすものであり、その中心軸方向に略沿って貫通させたファイバ保持孔に前記光ファイバの出力端部を保持させているものであれば、光ファイバの出力端部が中心軸と略平行になるため、径方向のコンパクト性を向上させることができる。

前記各光ファイバの出力端部と反射面との間にレンズを介在させておけば、光ファイバから出力される光の指向性が強くなるため、反射面を大きくすることなく、前記光拡散面に効率よく光を導くことができる。レンズとしては、ボールレンズが好ましい。
また、前記光拡散面を、半球状の凹面とし、ワークを全天から略覆うように構成しているものであれば、光拡散面内で光が複数回反射する構成を無理なく実現できる。
一の光ファイバから射出され、前記反射面で反射した光が、その光ファイバと前記中心軸を挟んで逆側の光拡散面に主として照射されるように構成しているものであれば、反射面を光ファイバの出力端部により一層近づけることが可能になり、光拡散面とワークとを可及的に接近させることができ、より質の高い光照射ができるようになる。

前記反射面をファイバ保持部に対し着脱可能に構成した反射部に設けるとともに、前記前記光拡散面をファイバ保持部に対し着脱可能に構成した光拡散部に設けているものであれば、光ファイバを利用した既存の光照射装置にも取り付けることができるうえ、これら反射部や光拡散部をオプション品として、ユーザの選択バリエーションを増やすこともできる。小型化を追求すれば、前記反射部及び光拡散部が一体化してあるものが好ましい。

前記反射面が、前記光ファイバの出力端部から射出された光をワークとは逆側に反射し、前記光拡散面に到達させるように構成したものであれば、中心軸方向のコンパクト性を向上させることができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞

本実施形態に係る光照射装置１は、図１、図２に示すように、ワークＷの表面のマーク等を検出すべくそのワークＷに光を所定の態様で照射するものであって、複数の光ファイバ２の出力端部２１を並び設けた状態で保持するリング状のファイバ保持部３と、前記光ファイバ２の出力端部２１に臨む位置に設けられ、それら光ファイバ２の各出力端部２１から射出される光を反射する反射面４ａと、前記反射面４ａで反射した光を受光し、拡散させて前記ワークＷに照射する光拡散面５ａとを備えているものである。

なお、以下の記述において上下方向が示されるが、この上下方向はワークＷの上方にこの光照射装置１を設置した場合の便宜的なものである。すなわち下方向とは光照射装置１からみてワークＷ方向のことであり、上方向とは光照射装置１からみて反ワークＷ方向のことである。したがってワークＷと光照射装置１の相対的な位置関係や姿勢が変わればその方向が変わるのは言うまでもない。

各部を詳述する。各光ファイバ２は例えばプラスティック製のもので、それら複数の光ファイバ２をフレキシブルチューブＴＢ内に束ねて延出し、別に設けたＬＥＤ光源装置１０に接続するようにしている。このＬＥＤ光源装置１０は、図３に示すように、ケーシング１０１内に１個のパワーＬＥＤ１０２と、レンズ機構１０３とを収容してなるものであり、そのケーシング１０１の先端部において取付具Ｂ１、Ｂ２を介して前記複数の光ファイバ２の入力端部２２を密に束ねた状態で保持する。そして、前記パワーＬＥＤ１０２からでた光がレンズ機構１０３を介して集光され、前記各光ファイバ２の入力端部２２（あるいは光均一化の目的で介在させたロッドレンズ）に可及的均一に導入されるように構成してある。なお、前記パワーＬＥＤ１０２とは連続して約２００ｍＡ以上の電流を流せるものをいう。またこの図３でのレンズ機構１０３は、光進行方向に向かって拡がる概略円錐形状をなす中実透明な第１レンズ１０３ａと、その第１レンズ１０３ａからでた光をさらに集光する第２レンズである凸レンズ１０３ｂとからなる。第１レンズ１０３ａは、若干膨出するその外周面で前記ＬＥＤ１０２から所定角度以上拡がる光を内方に反射し、ほぼ全ての光を漏れなく第２レンズ１０３ｂ、ひいては各光ファイバ２の入力端部２２に導くためのものである。ケーシング１０１は、互いに螺合する第１ケーシング要素１０１ａ及び第２ケーシング要素１０１ｂからなり、これらを締め付けていくことにより、前記ＬＥＤ１０２の底面がケーシング１０１に密着し、放熱効率を担保するとともに、ＬＥＤ１０２、レンズ機構１０３及び各光ファイバ２の入力端部２２のラジアル方向の位置決めがなされるように構成してある。

ファイバ保持部３はリング状をなすもので、略上下方向（中心軸Ｃ方向）に沿って貫通する複数のファイバ保持孔３１が周回するように等間隔に設けてある。そしてそれら各ファイバ保持孔３１で光ファイバ２の出力端部２１を１本ずつ保持するようにしている。具体的に各ファイバ保持孔３１は、ファイバ保持部３の中心軸（観測軸）Ｃに対し、若干内向きに傾いて延びるように形成してあり、その下端部にはボールレンズ６が上方から嵌め込まれて保持されている。またこのファイバ保持孔３１の上端部には、円柱状をなすブラケット３２が嵌め込んであり、そのブラケット３２の中心軸に沿って貫通させた貫通孔３２ａに光ファイバ２の出力端部２１を嵌め込んで接着保持させてある。このファイバ保持孔３１の下端部は大径に形成してあり、嵌め込んだ光ファイバ２の端部をその大径部内で溶融して上方向に抜脱不能に構成するとともに、その光ファイバ２の出力端面がボールレンズ６に当接して下方向にも抜けないように構成している。

なお、この実施形態では、このファイバ保持部３の上端面から一体に円筒状をなす筒体７を上方に延出させてあり、さらに、前記ファイバ保持部３及び筒体７を外側方からカバーするカバー体８を設けている。

反射面４ａは、前記ファイバ保持部３に着脱可能に取り付けた反射部４に設けてある。この反射部４は、円筒状をなし前記ファイバ保持部３に外嵌して固定される取付体４１と、その取付体４１の下端部から内方に一体に延出する薄い板状の反射部本体４２とを備えている。この反射部本体４２は、前記ファイバ保持部３の下端面から一定距離に下方に離間した部位に位置させてあり、その上面所定部位にミラーコートを施すことにより反射面４ａが形成してある。この反射面４ａは凹面である。

光拡散面５ａは、前記ファイバ保持部３の下端部内周に着脱可能に嵌め込んだ光拡散部５に設けてある。具体的に、この光拡散部５は円柱状をなすもので、その下端面に半球状に凹ませた凹部５１が形成してある。そして、その凹部５１の内面に艶消白塗装を施すことにより、光拡散面５ａを形成している。なお、符号５２は、この光拡散部５の中央に中心軸Ｃに沿って貫通させた観測孔であり、この観測孔５２を通じてワークＷの目視或いは撮像を上方から行えるようにしている。

このような構成の光照射装置１を用いてワークＷに光を照射する際の作用について以下に述べる。

光源からの光は、各光ファイバ２を通ってその出力端部２１から下方（ワークＷ方向）に射出される。そしてボールレンズ６で指向性を強められた後、凹面状をなす反射面４ａで上方（反ワークＷ方向）に反射して、前記光拡散面５ａに到達する。その後、光拡散面５ａで拡散反射し、ワークＷをあらゆる方向から包み込むような光となって照射される。この結果、ワークＷ表面の微妙な凹凸に起因する陰影や反射ムラがキャンセルされ、例えばワークＷの表面に施されたマーク等を良好に検出することができる。

したがって、このように構成した光照射装置１によれば、拡散反射方式の利点である高効率という点を活かすことができる。

しかも光ファイバ２からでた光を一旦反射面４ａで反射させて光拡散面５ａに導くようにしているので、光ファイバ２の出力端部２１の取付姿勢に自由度があり、光ファイバ２を装置内部で大きく曲げることなく飛躍的なコンパクト化が可能になる。すなわちこの実施形態では、光ファイバ２の出力端部２１が中心軸Ｃと略平行になるため、径方向のコンパクト性を向上させることができる。なお、この実施形態でのファイバ保持部３の外径は略２０ｍｍ程度であり、その外側の反射部４の外径でも略２５ｍｍ程度と、非常に小さなものである。

もちろんそれに応じて光拡散面５ａのコンパクト化も図れ、数ｍｍから十数ｍｍといった非常に小径のワークＷに対しても、無駄なく十分な光量を供給することが可能になる。ちなみに前記光拡散面５ａの外径は略１６ｍｍである。

さらに、前記反射面４ａが、ラジアル方向に延びる薄い板状のものであり、前記光ファイバ２の出力端部２１から射出された光をワークＷとは逆側に反射し、前記光拡散面５ａに到達させるように構成しているため、中心軸Ｃ方向のコンパクト性をも向上させることができる。また、光拡散面５ａとワークＷとを接近させて特にローアングル光を十分に含んだあらゆる方向、角度からのワークＷへの一様な光照射が可能になる。

加えて、前記光拡散面５ａを、半球状の凹面とし、ワークＷを全天から略覆うように構成しているため、前記光拡散面５ａ内で光が複数回反射してより均一な光をワークＷに照射することができる。

また、反射部４及び光拡散部５がファイバ保持部３に対し着脱可能であるため、既存の光照射装置１に取り付けることができるうえ、これら反射部４や光拡散部５をオプション品として、ユーザの選択バリエーションを増やすこともできる。

＜第２実施形態＞

次に本発明の第２実施形態を図面を参照して説明する。なお本実施形態において、前記第１実施形態と対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この実施形態に係る光照射装置１は、図４、図５に示すように、第１実施形態同様、複数の光ファイバ２の出力端部２１を並び設けた状態で保持するリング状のファイバ保持部３と、前記光ファイバ２の出力端部２１に臨む位置に設けられ、それら光ファイバ２の各出力端部２１から射出される光を反射する反射面４ａと、前記反射面４ａで反射した光を受光し、拡散させて前記対象物に照射する光拡散面５ａとを備えている。

光ファイバ２は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

ファイバ保持部３は、特に図５に示すように、互いに径の異なる２つのリング部材３０Ａ、３０Ｂからなっており、大径リング部材３０Ａの内周と小径リング部材３０Ｂの外周との隙間に、上下方向（中心軸方向）に貫通する溝状のファイバ保持孔３１が形成されるように構成してある。そしてこの溝状ファイバ保持孔３１に光ファイバ２の出力端部２１が密に周回して並ぶように保持させてある。なお、第１実施形態のようにブラケット３２やボールレンズ６は設けていない。

また、この実施形態では、このファイバ保持部３の上端面に、円筒状をなす筒体７が別体で取り付けてある。さらに、前記ファイバ保持部３及び筒体７を外側方からカバーするカバー体８を第１実施形態同様設けているが、このカバー体８には、ＬＥＤ光源装置１０が一体的に保持され、光ファイバ２が露出することなく内部に収容されるように構成してある。

反射面４ａは、前記ファイバ保持部３に取り付けた反射部４に設けてある。この反射部４は、円筒状をなし前記ファイバ保持部３に外嵌して固定される取付体４１と、その取付体４１の下端部から内方に一体に延出する反射部本体４２とを備えているもので、この実施形態ではカバー体８と一体をなす。そして前記反射部本体４２を、前記ファイバ保持部３の下端面から一定距離に下方に離間した部位に位置させ、その上面所定部位にミラーコートを施すことにより反射面４ａを形成している。この反射面４ａは凹面である。

光拡散面５ａは、前記ファイバ保持部３の下端部内周に一体に形成した光拡散部５に設けてある。この光拡散部５に関しては、第１実施形態と同様の構成であるため、説明は省略する。

本実施形態ではさらに、前記反射部４の下側に第２ファイバ保持部３Ａを着脱可能に取り付け、ワークＷに対してローアングル光が照射されるようにしている。この第２ファイバ保持部３Ａは、やはりリング状をなすもので、周回する溝状をなす第２ファイバ保持孔３１Ａが斜めに貫通させてあり、その第２ファイバ保持孔３１Ａにローアングル光を射出する第２光ファイバ２Ａの出力端部２１Ａが密に周回して並ぶように接着保持させてある。またこれら第２光ファイバ２Ａに光を供給する第２ＬＥＤ光源装置１０Ａが、この第２ファイバ保持部３Ａに一体又は別体で取り付けてあり、第２光ファイバ２Ａが露出することなく収容されるように構成してある。

このようなものであれば、前記第１実施形態の光照射装置１と同様の作用効果に加え、指向性の強いローアングル直射光を照射できるので、欠陥による傷など、鋭い凹凸のみを浮立たせて検出することが可能になる。しかも、ローアングル光を第２光ファイバ２Ａを用いて射出しているため、コンパクト性を維持できる。

加えてこの実施形態では、光照射装置１にＬＥＤ光源装置１０、１０Ａが一体に組み込まれ、内部を光ファイバ２、２Ａが動くことなく配線されているため、例えば、この光照射装置１をワークＷに合わせて移動させて用いる場合に耐久性に優れた好適なものとなる。すなわち光ファイバ２、２Ａは柔軟性があるとはいえ、電線に比べ堅く、また動きに対する耐久性にも劣るため、光源を別に設置して光ファイバ２、２Ａで本体に接続するという第１実施形態のような態様であると、光ファイバ２、２Ａに動きを強いられ、耐久性に難が生じがちで、かつ動きにも制限が出るおそれがあるのに比して、この実施形態のものであれば、電線で電源と接続されるため、そのような不具合を回避することができる。

＜その他の変形実施形態＞

本発明は前記各実施形態に限られるものではない。なお、以下の各図で前記第１実施形態と対応する部材には同一の符号を付している。
例えば、図６に示すように、小型化をさらに推し進めるべく、前記反射部及び光拡散部を一体化しても構わない。この図６では、前記反射部４及び光拡散部５を樹脂、ガラス等の透明中実体ＣＴで一体形成するとともに、外側面に金属蒸着を施すことによって、内部を進行してきた光を反射する反射面４ａを形成する一方、内周面の下端部を除く部位に硫酸バリウム等の例えば白色の塗料を塗布することにより光拡散面５ａを形成している。なお、内周面の下端部には、なんら塗装を施さず、反射面で反射した光が射出される光出口ＯＰとしての役割を担わせている。
また、反射面は、光ファイバから射出された少なくとも一部の光を反射すればよく、一部が直接ワークに照射されるような態様でも構わない。例えば、図７では、光ファイバ２の出力端部２１を中心軸Ｃと略垂直とし、一部の光が反射面４ａで反射して光拡散面５ａに到達するようにする一方、一部の光は直接ワークＷに照射されるようにしてある。もちろん、光拡散面５ａは、反射面４ａからの光を少なくとも拡散反射すればよく、光ファイバ２からの光を一部直接受けて拡散反射するようにしても構わない。
さらに、光拡散面は、凹半球状に限られず、平面やその他種々の面形状でもよい。また、反射面も凹面に限られず、平面、凸面、凹凸面など、目的に応じた種々の態様にして構わない。

装置全体形状も、前記各実施形態のように、円筒状をなすものに限られない。また、ライン照明に用いる場合などは、図８に示すように、光ファイバ２の出力端部２１は直線状に並び、それに応じてファイバ保持部３も横に延びる柱状のものとなる。また、この図では光拡散面５ａを部分凹円柱状にしている。

また、光ファイバの出力端部も、一列に並べるとは限らず、複数列にしても構わない。もちろん各光ファイバから出力される光の色を互いに異ならせ、複数色による光照射ができるようにしてもよいし、前記光拡散面に開口する観測孔から、観測軸と同軸の拡散光をハーフミラーを介してワークに照射するようにし、観測孔に起因する照射光ムラを抑制するようにしてもよい。

各光ファイバに１つのＬＥＤを対応させ、そこから光を導入するようにしてもよいし、例えば光ファイバの入力端部を束ねておき、パワーＬＥＤ等の単一の光源から光を導入するようにしてもよい。もちろん光源はＬＥＤに限られないのは言うまでもない。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の第１実施形態における光照射装置の内部構造を示す縦断面図。 同実施形態における光照射装置の部分分解斜視図。 同実施形態におけるＬＥＤ光源装置の内部構造を示す縦断面図。 本発明の第２実施形態における光照射装置の内部構造を示す縦断面図。 同実施形態における光拡散部の底面図。 本発明の他の実施形態における光照射装置の主要内部構造を示す部分縦断面図。 本発明のさらに他の実施形態における光照射装置の主要内部構造を示す部分縦断面図。 本発明のさらに他の実施形態における光照射装置の主要内部構造を示す模式的斜視図。

符号の説明

Ｗ…ワーク
１…光照射装置
２…光ファイバ
２１…出力端部
３…ファイバ保持部
３１…ファイバ保持孔
４…反射部
４ａ…反射面
５…光拡散部
５ａ…光拡散面

Claims (9)

1. ワークの欠陥やマーク等の表面状態を検出すべくそのワークに光を所定の態様で照射する光照射装置であって、
   複数の光ファイバの出力端部を並び設けた状態で保持するファイバ保持部と、前記光ファイバの出力端部に臨む位置に設けられ、それら各出力端部から射出される光を反射する凹面の反射面と、前記反射面で反射した光を受光してさらに反射するとともに拡散させ、前記ワークに照射する光拡散面とを備え、前記光ファイバの出力端部を前記光拡散面の外側に配してなるとともに、前記反射面を前記光拡散面の下端縁の略真下から外側にかけて配してなることを特徴とする光照射装置。
2. 前記光拡散面で、光が複数回反射し得るように構成している請求項１記載の光照射装置。
3. 前記ファイバ保持部がリング状をなすものであり、その中心軸方向に略沿って貫通させたファイバ保持孔に前記光ファイバの出力端部を保持させている請求項１又は２記載の光照射装置。
4. 前記各光ファイバの出力端部と反射面との間にレンズを介在させている請求項１、２又は３記載の光照射装置。
5. 前記光拡散面を、略半球状の凹面とし、ワークを略全天から覆うように構成している請求項１、２、３又は４記載の光照射装置。
6. 一の光ファイバから射出され、前記反射面で反射した光が、その光ファイバと前記中心軸を挟んで逆側の光拡散面に主として照射されるように構成している請求項１、２、３、４又は５記載の光照射装置。
7. 前記反射面をファイバ保持部に対し着脱可能に構成した反射部に設けるとともに、前記前記光拡散面をファイバ保持部に対し着脱可能に構成した光拡散部に設けている請求項１、２、３、４、５又は６記載の光照射装置。
8. 前記反射部及び光拡散部が一体化してある請求項７記載の光照射装置。
9. 前記反射面が、前記光ファイバの出力端部から射出された光をワークとは逆側に反射し、前記光拡散面に到達させるように構成したものである請求項１、２、３、４、６、７又は８記載の光照射装置。
   

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