JP4575225B2 - 外形検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば２次元形状の寸法測定等に用いられる外形検査装置に関する。

図６は、外形検査装置の概略構成を示している。この図６において、凸レンズ１の焦点には絞り２が配置されており、絞り２を通過した光は撮像手段３で結像する。凸レンズ１の前方に測定物体Ａを位置すると、測定物体Ａを通過した光のうち平行光以外は絞り２で遮断されるので、撮像手段３に結像した測定物体Ａの像を画像として取り込むことができ、測定物体Ａの外形を検査することができる。凸レンズ１と絞り２でテレセントリック光学系を構成することになるが、このようなテレセントリック光学系を採用することにより測定物体Ａと凸レンズ１との距離が変化するにしても撮像手段３に結像する像の大きさが変化しないため、測定物体Ａと凸レンズ１との距離を固定することなく測定物体Ａの寸法を計測できる（特許文献１参照）。

ところで、撮像手段３より画像を取り込み画像処理にて計測するが、測定寸法が大きくなると、大口径の凸レンズが必要になる。この大口径の凸レンズをフレネルレンズで実現する技術がある。
図７は、フレネルレンズを用いた概略構成を示している。この図７において、測定物体Ａに照射された光をフレネルレンズ４で集光し、フレネルレンズ４の焦点に配置した絞り２に光を通過させ撮像手段３で受ける。
特開２００２−１１６０１３号公報

しかしながら、従来の方法では次に述べる理由により誤差を含んだ寸法測定しか行えなかった。
フレネルレンズ４は薄く平らな透明板に同心円状の鋸波型の溝４ａを密に施したもので、その溝４ａの角度はすべて異なり、それぞれの溝４ａを通過した光が焦点に向かうよう設計されている。この溝４ａの入射面は通常曲率を持っておらずフラットな面になっている。

撮像手段３に結像する分割平行光を模式的に示す図７のように、フレネルレンズ４に平行光だけが入射すると想定すると、測定物体Ａを通過した平行光はフレネルレンズ４を通過する際に、平行光は溝ピッチで分割された分割平行光となって焦点に集光する。このため、図７に示すようにフレネルレンズ４により分割された分割平行光が隣り合う分割平行光と一部が重なってしまうことにより誤差を生じ、測定物体の長さを正しく測定できないという問題を生じる。

また、図７に示すように撮像手段３上に結像した分割平行光の位置が測定物体Ａの分割部分（分割平行光に対応した部分）に対して反転してしまうことから（図７では、見易いように撮像手段３に結像する測定物体Ａをフレネルレンズ４の溝ピッチ毎に横方向にずらして示している）、撮像手段３に結像する測定物体Ａの全体形状が実際の形状と異なってしまい、測定物体Ａの外形を正しく測定できないという問題も生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、フレネルレンズを用いてテレセントリック光学系を構成するにしても、測定物体の外形を正しく検査することができる外形検査装置を提供することにある。

本発明は、入射光のうち略平行光を選択するテレセントリック光学系と、このテレセントリック光学系からの光が結像する撮像手段とを備え、前記テレセントリック光学系の前方に位置する測定物体を前記撮像手段で撮像することにより前記測定物体の外形を検査する外形検査装置であって、前記テレセントリック光学系は、入射する平行光を溝ピッチで分割した分割平行光を焦点で集光するフレネルレンズと、後側主点が前記フレネルレンズの焦点位置となるように配置され、前記後側主点を通過した前記分割平行光を焦点位置で集光する集光手段と、前記集光手段が集光した光のうち前記フレネルレンズに対して垂直方向に入射した平行光以外の光の通過を禁止する絞りとから構成され、前記撮像手段は、前記分割平行光が隣り合う分割平行光と重なることなく繋がるように結像する位置に位置決めされているものである。

本発明によれば、フレネルレンズにより分割された平行光を集光手段により焦点で集光するようにしたので、分割された平行光を縮小することができると共に、縦方向を反転させることができる。従って、フレネルレンズの溝ピッチ毎の像の重なりが無くなる位置に撮像手段を配置することにより、溝ピッチごとの像は隣り合った溝ピッチと連続に繋がり、測定物体が倒立した形で結像されるので、溝ピッチの影響を受けることなく測定物体の像を取り込むことができる。

以下、本発明の一実施例について図１ないし図５を参照して説明する。
図１は、外形検査装置を示す概略図である。この図１において、図示しない光源からの光がフレネルレンズ１１に照射されるようになっている。光源としては、ＬＥＤ、レーザダイオード、白熱電球、ハロゲンランプ、蛍光灯などで、平行光を照射する光源である必要はない。

図２はフレネルレンズ１１の正面、図３はフレネルレンズ１１の断面を示す模式図である。これらの図２及び図３において、フレネルレンズ１１は、薄く平らな透明部材に同心円状の鋸波型の溝（以下、環状溝部）を密に施したもので、各環状溝部１１ａの入射面（光が入射する面）は曲率を持たないフラットな面に形成されている。また、各環状溝部１１ａの入射面の角度（フレネルレンズ１１の光軸の垂直方向に対する角度）は全て異なり、各環状溝部１１ａを通過した平行光（以下、分割平行光）がフレネルレンズ１１の焦点（図３に示す）に向かうよう設計されている。この場合、各環状溝部１１ａを通過した分割平行光の幅は、各環状溝部のピッチとなる。

ところで、フレネルレンズ１１からの分割平行光を絞り１２で絞った状態で２次元のイメージセンサ（撮像手段に相当）１３上に結像させた場合、発明が解決しようとする課題で説明したように、隣り合う分割平行光が重なり合ってしまい、イメージセンサ１３上に測定物体が正しく結像しないという問題を生じる。

そこで、フレネルレンズ１１を通過した分割平行光の幅を縮小してイメージセンサ１３上に結像することとし、そのための手段として集光手段を用いることにした。つまり、図１に示すように絞りの前面に凸レンズ（集光手段に相当）１４を配置するもので、フレネルレンズ１１の焦点に凸レンズ１４の後側主点（レンズ前方から光が入射した時の主点）が位置するようにした。

ここで、測定物体Ａをイメージセンサ１３上に正しく撮像するための条件について考察する。つまり、図７で示したようにフレネルレンズを通過した分割平行光を絞りで絞った状態でイメージセンサ上に結像させた場合は、各分割平行光が隣り合う分割平行光と重なってしまうと共に、分割平行光の上下が逆転してしまうことを防止するのである。

フレネルレンズ１１の焦点に凸レンズ１４の後側主点が位置していることから、フレネルレンズ１１からの分割平行光は凸レンズ１４の後側主点を通過する。この場合、分割平行光は、凸レンズ１４を通過する際に向きを変えることなく通過するものの、凸レンズ１４の集光作用により当該凸レンズ１４の焦点位置で集光するようになる。従って、凸レンズ１４の焦点の前方にイメージセンサ１３を配置した場合は、図４に示すように分割平行光の幅を縮小することにより各分割平行光が隣り合う分割平行光と重ならないように、イメージセンサ１３を位置決めすることが可能となる。

しかしながら、このような構成では、発明が解決しようとする課題で説明したように、イメージセンサ１３上に結像する各分割平行光の上下が反転するという問題を依然として解決することができない。
従って、本発明では、凸レンズ１４の焦点の後方にイメージセンサ１３を配置するようにした。つまり、凸レンズ１４の焦点よりも後方にイメージセンサ１３を配置することにより、イメージセンサ１３上に結像する各分割平行光の上下を反転させるもので、イメージセンサ１３上に結像する各分割平行光を測定物体Ａの分割部分の上下方向と一致させることができる。

さて、凸レンズ１４により反転された分割平行光がイメージセンサ１３上に結像した際に、各分割平行光が隣り合う分割平行光と重ならないようにするには、図５に示すようにフレネルレンズ１１の図示縦方向の長さをＬ、イメージセンサ１３の図示縦方向の有効長さをｌ、フレネルレンズ１１と凸レンズ１４との間の距離をＸ、凸レンズ１４の焦点距離をＹ、凸レンズ１４の焦点位置とイメージセンサ１３との間の距離をαとすると、

（数１）
Ｌ：ｌ＝Ｘ：Ｙ＋α
が成立する。

一方、フレネルレンズ１１の環状溝部１１ａのピッチをＰとすると、環状溝部１１ａを通過した分割平行光の幅（図示縦方向の寸法）はＰとなる。この幅Ｐがイメージセンサ１３上でＰ＊ｌ／Ｌとなるようにイメージセンサ１３を位置決めすることにより、凸レンズ１４で反転した分割平行光がフレネルレンズ１１の溝ピッチＰ毎の像が隣り合った溝ピッチＰと連続して繋がることから、このように設定するには、

（数２）
Ｐ：Ｐ＊ｌ／Ｌ＝Ｙ：α
が成立する必要がある。

上記（数１）及び（数２）から
（数３）
Ｘ：（Ｙ＋α）＝Ｙ：α
を求めることができることから、結局

（数４）
α＝Ｙ²／（Ｘ−Ｙ）
となるので、上記（数４）を満足するようにイメージセンサ１３を位置決めする。

次に上記構成の作用について説明する。
測定物体Ａの外形を検査するには、測定物体Ａをフレネルレンズ１１の前方に位置する。すると、光源からの光が図１に示すように測定物体Ａに照射されて当該測定物体Ａにより反射されるが、測定物体Ａの無いところでは通過する。この測定物体Ａを通過した光がフレネルレンズ１１に入射すると、フレネルレンズ１１に対して垂直に入射した平行光は環状溝部１１ａの溝ピッチＰ毎の分割平行光となってフレネルレンズ１１の焦点を通過するようになる。

さて、フレネルレンズ１１の焦点に凸レンズ１４の後側主点が位置しているので、フレネルレンズ１１からの分割平行光は凸レンズ１４の後側主点を通過するので、分割平行光は凸レンズ１４をそのまま直線的に通過して凸レンズ１４の焦点位置で集光するようになる。これにより、凸レンズ１４の焦点位置の後方側では、上下方向（勿論左右方向も）が反転した分割平行光が拡散しながらイメージセンサ１３上に結像するようになる。

ここで、上述したようにイメージセンサ１３の位置は、凸レンズ１４の焦点位置で集光してから拡散する分割平行光がイメージセンサ１３に結像した際に、各分割平行光が隣り合う分割平行光と重なることなく連続するような位置関係に設定されていることから、イメージセンサ１３には測定物体の各分割部分（溝ピッチＰに対応する部分）の上下関係が整合した状態で結像する。従って、溝ピッチ毎に隣り合った溝ピッチと連続に繋がった測定物体の全体像を分割部分が反転することなく取り込むことができるので、その明暗パターンから測定物体の外形を正確に検査することができる。

このような実施例によれば、フレネルレンズ１１で分割されて焦点で集光する分割平行光を凸レンズ１４でさらに集光することにより各分割平行光の幅を縮小しながら反転するようにしたので、イメージセンサ１３上に結像した各分割平行光の上下関係を測定物体の分割部分の上下関係と整合させることができる。従って、イメージセンサ１３の位置を、各分割平行光が隣り合う分割平行光と連続する位置に設定することにより、測定物体を正しくイメージセンサ１３上に結像させてその外形を正しく検査することができる。

しかも、凸レンズ１４の後側主点に対応して絞りを配置し、溝ピッチ毎の分割平行光以外の光を遮断することによりイメージセンサ１３に到達しないようにしたので、フレネルレンズに入射するノイズ光を確実に遮断してイメージセンサ１３上に測定物体を正しく結像させることができる。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
フレネルレンズ、凸レンズ、絞りでテレセントリツク光学系を構成するようにしたので、測定物体を照射するのは平行光である必要は無く、散乱光或いは測定物体からの反射光でも計測することができる。
光源として、平行光を照射する光源を用いた場合は、絞りを省くことができる。
凸レンズと絞りは精度よく補正された絞り機構付の写真レンズで代用するようにしてもよい。

本発明の一実施例における全体構成を示す概略図 フレネルレンズの正面を示す模式図 フレネルレンズの断面を示す模式図 凸レンズによる中途段階での集光状態を示す概略図 凸レンズによる最終的な集光状態を示す概略図 従来例を示す図１相当図 フレネルレンズを用いた場合の図６相当図

符号の説明

図面中、１１はフレネルレンズ、１２は絞り、１３はイメージセンサ（撮像手段）、１４は凸レンズ（集光手段）である。

Claims (2)

1. 入射光のうち略平行光を選択するテレセントリック光学系と、このテレセントリック光学系からの光が結像する撮像手段とを備え、前記テレセントリック光学系の前方に位置する測定物体を前記撮像手段で撮像することにより前記測定物体の外形を検査する外形検査装置であって、
   前記テレセントリック光学系は、
   入射する平行光を溝ピッチで分割した分割平行光を焦点で集光するフレネルレンズと、
   後側主点が前記フレネルレンズの焦点位置となるように配置され、前記後側主点を通過した前記分割平行光を焦点位置で集光する集光手段と、
   前記集光手段が集光した光のうち前記フレネルレンズに対して垂直方向に入射した平行光以外の光の通過を禁止する絞りとから構成され、
   前記撮像手段は、前記分割平行光が隣り合う分割平行光と重なることなく繋がるように結像する位置に位置決めされていることを特徴とする外形検査装置。
2. 前記撮像手段は、下記の式で示される位置に位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の外形検査装置。
   α＝Ｙ²／（Ｘ−Ｙ）
   但し、αは前記集光手段の焦点から前記撮像手段までの距離、Ｘは前記フレネルレンズの焦点距離、Ｙは前記集光手段の焦点距離である。
   
   

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