JP4944506B2 - 照明装置および撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、物体を照明する照明装置およびこれにより照明された物体の画像を取得する撮像システムに関する。

撮像用の照明装置は、光源と、この光源から発せられた光束を前方（被写体側）に導く反射鏡やフレネルレンズ等の光学部品とで構成されている。このような照明装置では、光源から様々な方向に射出した光束を、効率良く必要照射範囲内に集光させるようにしたものが従来種々提案されている。

特に、近年では、光源の前方に、フレネルレンズに代えて、プリズムやライトガイド等、全反射を利用した光学部材を配置することによって、集光効率のさらなる向上と照明装置の小型化が図られている。

本出願人は、光源から前方に射出された光束を集光する正レンズと、光源から側方に射出された光束を前方に向けて全反射させる反射面と、両光束を射出する共通の射出面とを有する光学部材を備えた照明装置を提案している（特許文献１参照）。

一方、円筒状部品（被検査物）の表面を非接触で検査する装置として、被検査物をその軸回りで回転させながら該被検査物に平行度の高い光束を照射し、被検査物の表面での反射光の拡散状態を評価する装置が提案されている（特許文献２参照）。

また、円筒状被検査物の表面の凹凸を検査する装置として、格子パターン像を投影する光学系と、該被検査物の変形像を撮像するラインセンサカメラとにより構成される装置が提案されている（特許文献３参照）。この装置では、被検査物を軸方向に移動させたり軸回りで回転させたりしながら複数回の撮像を行い、その撮像データから被検査物の全表面の凹凸を検査する。
特開平４−１３８４３８号公報（２頁左下欄１８行〜３頁右上欄３行等） 特開平２−１１５７０６号公報（４頁右上欄１０行〜５頁左上欄１６行等） 特開２００２−１４８０２９号公報（段落００１２〜００１４等）

特許文献１にて提案されている一般的な写真撮影用の照明装置では、比較的広い範囲を照明する場合が多く、極端に狭い範囲を照明したり照明光束の照射方向を一定の角度に揃えたりするといった照明条件は意識的に与えられていない。

しかしながら、特許文献２，３にて提案された検査装置での撮像においては、上記のような照明条件を意識的に与えることによって意図する観察画像が得られる。例えば、被検査物の各部に対して入射角を一定に揃えた照明光束を照射することにより、通常の照明では明確に認識しにくい被検査物の表面状態を強調させることができる。すなわち、被検査物に入射する角度によって該被検査物での反射や拡散の条件が変わってしまうと、被検査物の全体を同一条件で照明できないため、適正な検査ができない。

この点において、特許文献２にて提案されている検査装置では、該被検査物に平行度の高い光束を照射するが、実際には発光部が小さいために、被検査物上での位置によって光束の入射角度が異なる。

また、特許文献３にて提案されている検査装置では、格子パターン像を投影する幅と撮像領域とが狭いため、照明装置と撮像装置とを、例えば被検査物の軸方向に移動させながら撮像を行う必要がある。このため、検査装置としての構造が複雑化したり、被検査物全体の撮像を行うために多大な時間を要したりする。

本発明は、指向性の高い、均一な明るさを有する光束によって効率良く物体を照明できるようにした照明装置およびこれを用いた撮像システムを提供することを目的の１つとしている。

本発明に係る照明装置は、光源と、入射面に入射した前記光源からの光束を平行光束に変換して射出面に導き、当該平行光束を前記射出面の法線に対して傾いた方向に射出する光学部材と、を有し、前記光学部材は、前記入射面に入射した位置が前記射出面から離れた光束ほど前記入射面の近くから射出されるように、前記入射面からの前記平行光束を前記射出面に向けて反射する反射面を有することを特徴とする。

本発明によれば、指向性が高い平行光束によって、物体を斜めから均一に照明でき、また、光源からの光束を効率良く利用することができる。

さらに、本発明によれば、物体の表面状態等を観察するために必要な画像を、簡単な構造で、かつ短時間で取得することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１から図８には、本発明の実施例１である照明装置を示している。本実施例では、特に、平板形状の被検査物の表面形状を観察（検査）するための撮像に適した照明装置を示している。図１は本実施例の照明装置の斜視図、図２は同平面図、図３は同正面図、図４は同側面図である。また、図５〜図８は、図２に示す平面図に光線トレース図を付加した説明図である。

図１〜図４に示すように、本実施例の照明装置は、被検査物の表面の凹凸を観察するための画像を不図示の撮像装置によって撮像させるため、該被検査物に対して斜め方向から指向性の高い照明光束を照射するプリズム照明系を用いている。照明装置および撮像装置によって、被検査物の検査を行うための撮像システム（検査装置）が構成される。

これらの図において、１は平板状の被検査物である。２は閃光を発する閃光放電管、３は閃光放電管２から射出した光束を集光して被検査物１に導くプリズム型の光学部材である。４は閃光放電管２に対して光学部材３とは反対側に配置された反射傘である。

被検査物１は、物体としての平板形状の被検査部１ａを有する本実施例の照明装置は、被検査部１ａの周方向における所定角度範囲の全体を同時に均一に照明できることが望ましい。

閃光放電管２は、円筒形状の発光部２ａを有し、該発光部２ａはその周方向全体において均一な配光特性を持つ。閃光放電管２は、その軸方向（発光部２ａの軸方向）が被検査物１（被検査部１ａ）の長手方向に対して直交する面に平行となるように配置される。また、閃光放電管２は、数十μ秒等の短時間の発光で被検査部１ａを十分な光量で照明することができる。

光学部材３は、閃光放電管２から射出した発散光束を、特定方向への指向性を有した平行光束に変換して射出面から射出する。具体的には、閃光放電管２から射出した光束を、３つの入射面から入射させ、該３つの入射面からの光束をそれぞれ別光路（別の光学系）を介して同一の射出面から射出する。光学部材３は、光束を効率良く利用するため、透明性の高い光学樹脂材料、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂で一体形成されている。この光学部材３の詳細構成については後述する。

反射傘４は、内面が高反射率を有する金属材料又は内面に高反射率の金属を蒸着した部材により構成されている。反射傘４は、閃光放電管２から光学部材３とは反対側に射出した光束を一旦閃光放電管２に戻し、光学部材３に向かわせる。反射傘４の内面形状としては、閃光放電管２の発光部と同心状の半円筒形状とすることが望ましい。これにより、反射傘４で反射した後の光束を、直接光学部材３に向かった光束と同様に取り扱うことができる。

本実施例の照明装置におけるプリズム照明光学系は、円筒形状の閃光放電管２からその径方向外方に向かって射出した光束を、被検査物１上の必要照射領域（被検査部１ａ）の各部分に対して一対一に対応させる。しかも、後述する射出面３ｇの各位置から被検査部１ａ上において対応する各位置までの距離を等しくする。これらは、被検査部１ａを均一に照明するために都合が良い。また、プリズム照明光学系は、閃光放電管２から射出された光を被検査部１ａ以外には照射せず、光損失が極力少なくなるように構成されている。

以下、光学部材３の詳細構成を、主として図２を用いて説明する。図２は、閃光放電管２の軸方向に対して直交する断面（径方向断面）を示している。光学部材３は、前述したように、３つの入射面３ａ，３ｂ，３ｃを有する。

第１の入射面３ａには、閃光放電管２からの光束のうち、図に一点鎖線で示した光学部材３の光軸ＡＸＬにおける後述の反射面３ｆまでの部分（第１の光軸）ＡＸＬ１に対してなす角度が第１の角度θより小さい光束成分（第１の角度範囲の成分）を入射させる。該第１の入射面３ａは、図２の断面において、正の屈折力を持つシリンドリカルレンズ面で構成されている。

第２および第３の入射面３ｂ，３ｃは、互いに対向する透過面である。これら第２および第３の入射面３ｂ，３ｃには、第１の光軸ＡＸＬ１に対してなす角度が第１の角度θより大きく、第２の角度θ′より小さい光束成分（第２の角度範囲の成分）が入射する。なお、以下の説明において、被検査物１に近い側を「前」とし、閃光放電管２に近い側を「後」とする。これは、後述する他の実施例でも同様である。

第１の入射面３ａから入射した光束（以下、第１の光束という）は、該第１の入射面３ａでの屈折を受けてその前方に配置された反射面３ｆに向かう。また、第２の入射面３ｂから入射した光束（以下、第２の光束という）は、該第２の入射面３ｂで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面３ｄで全反射して、その前方の反射面３ｆに向かう。さらに、第３の入射面３ｃから入射した光束（以下、第３の光束という）は、該第３の入射面３ｃで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面３ｅで全反射して、その前方の反射面３ｆに向かう。

入射面３ａ〜３ｃおよび反射面３ｄ，３ｅは、基本的に閃光放電管２から射出した全ての光束を、第１の光軸ＡＸＬ１に平行な光束に変換するようにその形状が設定されている。

ここにいう「平行」とは、実質的に平行という意味であり、完全に平行な場合だけでなく、光学的若しくは被検査部１ａの表面観察上、平行とみなせる程度に完全な平行からずれている場合も含む。このことは、本実施例での以下の説明および後述する他の実施例においても同じである。

このように第１の光軸ＡＸＬ１に平行な方向に進んだ全光束は、平面形状を有する反射面３ｆによって全反射されて光軸ＡＸＬのうち反射面３ｆからから射出面３ｇへの部分（第２の光軸）ＡＸＬ２に平行な方向に偏向され、射出面３ｇに向かう。そして、全光束は、平面形状を有する射出面３ｇで屈折することで、該射出面３ｇの法線ｎに対して斜め方向に射出する平行光束に変換され、被検査部１ａに向かう。

第１の入射面３ａ、反射面３ｆおよび射出面３ｇにより第１の光束のための光学系が構成される。また、第２の入射面３ｂ、反射面３ｄ，３ｆおよび射出面３ｇにより第２の光束のための光学系が、第３の入射面３ｃ、反射面３ｅ，３ｆおよび射出面３ｇにより第３の光束のための光学系がそれぞれ構成される。

ここで、射出面３ｇは、被検査部１ａの長手方向に対して平行な平面として形成されている。これにより、前述したように、射出面３ｇの各位置から被検査部１ａ上にて対応する各位置までの距離が等しくなり、均一な照明を行う上で都合が良い。

また、図示のように、光学部材３が光源である閃光放電管２に対して十分に大きいため、光源の大きさによって生じる照射方向のばらつきを最小限に抑えることができ、指向性の高い照明系を実現することができる。

また、基本的に、各反射面は、そこに入射する光束に対して全反射条件を満たしている。この結果、各反射面を抜け出る光束がほとんどなく、極めて効率の良い光学系を構成することができる。

さらに、本実施例では、反射面３ｆで一旦反射した光束を射出面３ｇから射出する構成とすることで、光学部材３内で光路を折り畳むことができる。したがって、光学部材３の小型化を図りつつ、被検査部１ａを均一に照明することができる。

このように、本実施例の光学部材３は、閃光放電管２の径方向に切断した断面において、閃光放電管２から射出した全光束を特定の一方向に揃え、かつ均一な光束に変換する。しかも、被検査部１ａを斜めから照明する。

一方、図３および図４に示す光学部材３の上下面は、光源である閃光放電管２の軸方向に対して直交する平面で構成された反射面３ｈ，３ｉで構成されている。これにより、閃光放電管２から射出した均一な配光分布を持った光束は、反射面３ｈ，３ｉでの全反射を繰り返して射出面３ｇに導かれる。

ここで、図３および図４に示すように、光学部材３の上下方向の厚みと閃光放電管２の長さとはほぼ一致している。このため、光学部材３の上下方向に関しても、部分的に照明光束が不足するような不連続な照明状態とはならず、光学部材３の射出面３ｇから射出される光束は均一な配光分布を有する。

次に、閃光放電管２から射出した第１〜第３の光束の光学部材３内での光路について、光線トレース図である図５〜図８を用いて説明する。なお、閃光放電管２は、実際にはその内径領域全体から光を発するが、内径領域の周辺部分から発せられた光は内径領域の中心（以下、閃光放電管２の中心という）から発せられた光と同等の挙動を示す。このため、以下では、閃光放電管２から発せられる全ての光線が閃光放電管２の中心から発せられるものとして説明する。

まず、図５に示すように、閃光放電管２の中心から射出して第１の光軸ＡＸＬ１に対して第１の角度θ（図２参照）より小さな角度をなす第１の光束は、第１の入射面３ａに形成された正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面から光学部材３内に入射する。そして、第１の光束は、第１の入射面３ａで屈折して、図５の断面において第１の光軸ＡＸＬ１と平行な光束に変換されて反射面３ｆの中間部に向かう。

ここで、図示のように、閃光放電管２の中心から射出した光束は、光軸ＡＸＬ（第１の光軸ＡＸＬ１）付近で最も密になり、光軸ＡＸＬに対する角度が大きくなるほど疎になるように分布する傾向を有する。しかし、光軸ＡＸＬに対する角度がそれほど大きくない第１の角度θまでの範囲においてはこの傾向は顕著ではない。第１の角度θの範囲としては、
１５°≦θ≦３５°
であることが望ましい。

ここで、θが１５°未満になると、閃光放電管２から射出された光束を全て入射させるために必要な反射面３ｄ，３ｅの長さが長くなり、光学部材３が必要以上に大型化してしまうため、好ましくない。また、θが３５°を超えると、光軸ＡＸＬに対する角度が小さい領域と大きな領域との間での光束の粗密が顕著になり、被検査部１ａ上での光量むらが生じる可能性があるため、好ましくない。θを上記範囲内とすることで、光学部材３の大型化を抑えつつ、被検査部１ａ上での大きな光量むらのない均一な配光特性が得られる。なお、本実施例では、θ＝２５°に設定している。

第１の光束は、反射面３ｆの中間部での反射を経て射出面３ｇのうち前側領域における中間部から光学部材３外に射出される。第１の光束は、反射面３ｆでの反射と射出面３ｇでの屈折によって、射出面３ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１ａの長手方向中央領域を均一に照明する。

次に、図６に示すように、閃光放電管２の中心から第１の光軸ＡＸＬ１に対して第１の角度θより大きく、第２の角度θ′より小さい角度（図２参照）で射出した第２の光束は、第２の入射面３ｂから光学部材３内に入射する。該第２の光束は、第２の入射面３ｂで屈折した後、反射面３ｄに導かれてここで全反射することで、第１の光軸ＡＸＬ１に平行な光束に変換される。

その後、第２の光束は、反射面３ｆの前部で全反射した後、射出面３ｇの前側領域における前部に導かれ、ここで屈折して射出面３ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１ａの長手方向左側領域に照射される。

射出面３ｇから射出された第２の光束において、閃光放電管２の中心から射出した際の第１の光軸ＡＸＬ１に対する角度が小さかった成分が被検査部１ａの長手方向左端部に照射され、該角度が大きかった成分が被検査部１ａの長手方向中心側に照射される。また、閃光放電管２の中心から射出した際の第１の光軸ＡＸＬ１に対する角度が小さかった成分は、該角度が大きかった成分に比べて若干疎となる。このように、第２の光束は、閃光放電管２から射出する角度によって幾分粗密が生じるものの、大きな光量むらを生じることなく被検査部１ａの左側領域を均一に照明する。

次に、図７に示すように、閃光放電管２の中心から、第２の光束とは反対側において、第１の光軸ＡＸＬ１に対して第１の角度θより大きく、第２の角度θ′より小さい角度で射出した第３の光束は、第３の入射面３ｃから光学部材３内に入射する。該第３の光束は、第３の入射面３ｃで屈折した後、反射面３ｅに導かれてここで全反射することで、第１の光軸ＡＸＬ１に平行な光束に変換される。

その後、第３の光束は、反射面３ｆの後部で全反射した後、射出面３ｇの前側領域における後部に導かれ、ここで屈折して射出面３ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１ａの長手方向右側領域に照射される。

射出面３ｇから射出された第３の光束において、閃光放電管２の中心から射出した際の第１の光軸ＡＸＬ１に対する角度が小さかった成分が被検査部１ａの長手方向右端部に照射され、該角度が大きかった成分が被検査部１ａの長手方向中心側に照射される。また、閃光放電管２の中心から射出した際の第１の光軸ＡＸＬ１に対する角度が小さかった成分は、該角度が大きかった成分に比べて若干疎となる。このように、第３の光束は、第２の光束と同様に、閃光放電管２から射出する角度によって幾分粗密が生じるものの、大きな光量むらを生じることなく被検査部１ａの右側領域を均一に照明する。

図８には、図５〜図７に示した第１〜第３の光束をすべて示している。図示のように、閃光放電管２の中心から射出された全ての光束は、被検査部１ａに対して約７５°の角度で入射する。また、３つの入射面３ａ〜３ｃから入射した第１から第３の光束は、射出面３ｇではほぼ連続して、言い換えれば射出面３ｇにおける互いに隣接した領域から射出する光束に変換される。これにより、被検査部１ａ上においては、その長手方向全体で均一な照度を得られる。

また、図８から分かるように、射出面３ｇにおいて光束が射出する領域の幅は、被検査部１ａの長手方向長さと一致している。ここにいう「一致」とは、実質的に一致という意味であり、完全に一致する場合だけでなく、一致しているとみなせる場合も含む。このことは、後述する他の実施例においても同じである。

このため、光学部材３の射出面３ｇとして光学的な面精度が要求されるのは、射出面３ｇのうち被検査部１ａの長手方向長さと同じ長さの前側領域であり、これ以外の部分は光学部材３を保持するための部分と使用してよい。

以上説明したように、本実施例によれば、円筒状の光源（閃光放電管２）から射出した光束を光学部材３によって、被検査部１ａを斜め方向から均一に照明する光束に変換することができる。

なお、本実施例では、物体をその斜め右側から照明する照明装置について説明したが、照明方向はこの方向に限定されない。すなわち、物体をその斜め左側から照明するように構成してもよい。また、物体の斜め両側に本実施例の照明装置を２つ以上配置してもよい。これにより、物体をさらに明るく、かつ均一に照明することが可能になる。このことは、以下の実施例でも同様である。

図９から図１３には、本発明の実施例２である照明装置の構成を示している。本実施例も、特に、円筒形状の被検査物の表面形状を観察（検査）するための撮像に適した照明装置を示している。図９は本実施例の照明装置の平面図、図１０Ａおよび図１１〜図１３は、図９に示す平面図に光線トレース図を付加した説明図である。

なお、本実施例における光学部材と被検査物以外の構成要素は全て実施例１と同じであるため、共通する構成要素については実施例１と同じ符号を用いる。

本実施例の照明装置は、被照明物体の表面の凹凸を観察可能な画像を不図示の撮像装置によって撮像させるため、該被照明物体に対して斜め方向から指向性の高い照明光束を照射するプリズム照明系を用いている。
実施例１では、照明装置においてプリズム照明系が占める体積が極めて大きかったが、本実施例では、光学部材の機能は実施例１と同じで、プリズム照明系の体積を大幅に小型化している。特に、本実施例は、光路を折り畳む反射面の形状が実施例１と異なる。

図９において、１３は閃光放電管２から射出した発散光束を、特定方向への指向性を有した平行光束に変換して射出面から射出するプリズム型の光学部材である。具体的には、閃光放電管２から射出した光束を、３つの入射面から入射させ、該３つの入射面からの光束をそれぞれ別光路（別の光学系）を介して同一の射出面から射出する。光学部材１３は、光束を効率良く利用するため、透明性の高い光学樹脂材料、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂で一体形成されている。また、１１は円筒形状の被検物である。

本実施例の照明装置におけるプリズム照明光学系は、円筒形状の閃光放電管２からその径方向外方に向かって射出した光束を、被検査物１１上の必要照射領域（被検査部１１ａ）の各部分に対して一対一に対応させる。しかも、後述する射出面１３ｇの各位置から被検査部１１ａ上において対応する各位置までの距離を等しくする。これらは、被検査部１ａを均一に照明するために都合が良い。また、プリズム照明光学系は、閃光放電管２から射出された光を被検査部１ａ以外には照射せず、光損失が極力少なくなるように構成されている。

以下、光学部材１３の詳細構成を図９を用いて説明する。図９は、閃光放電管２の軸方向に対して直交する断面（径方向断面）を示している。光学部材１３は、前述したように、３つの入射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有する。

第１の入射面１３ａには、閃光放電管２からの光束のうち、図に一点鎖線で示す光学部材１３の光軸ＡＸＬにおける後述の反射面１３ｆまでの部分（第１の光軸）ＡＸＬ１に対してなす角度が第１の角度より小さい光束成分（第１の角度範囲の成分）が入射する。該第１の入射面１３ａは、図９の断面において、正の屈折力を持つシリンドリカルレンズ面で構成されている。

第２および第３の入射面１３ｂ，１３ｃは、互いに対向する透過面である。これら第２および第３の入射面１３ｂ，１３ｃには、第１の光軸ＡＸＬ１に対してなす角度が第１の角度より大きく、第２の角度より小さい光束成分（第２の角度範囲の成分）が入射する。

本実施例では、これら入射面１３ａ〜１３ｂの大きさを、実施例１に比べて小さくしている。具体的には、相似比で約１／２に縮小している。これにより、光学部材１３の全体を小型化し、かつ軽量化を図っている。

第１の入射面１３ａから入射した第１の光束は、該第１の入射面１３ａでの屈折を受けてその前方に配置された反射面１３ｆに向かう。また、第２の入射面１３ｂから入射した第２の光束は、該第２の入射面１３ｂで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面１３ｄで全反射して、その前方の反射面１３ｆに向かう。さらに、第３の入射面１３ｃから入射した第３の光束は、該第３の入射面１３ｃで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面１３ｅで全反射して、その前方の反射面１３ｆに向かう。

入射面１３ａ〜１３ｃおよび反射面１３ｄ，１３ｅは、基本的に閃光放電管２から射出した全ての光束を、第１の光軸ＡＸＬ１に平行な光束に変換するようにその形状が設定されている。

このように第１の光軸ＡＸＬ１に平行な方向に進んだ全光束は、反射面１３ｆによって全反射されて光軸ＡＸＬのうち反射面１３ｆから射出面１３ｇへの部分（第２の光軸）ＡＸＬ２に平行な方向に偏向され、射出面１３ｇに向かう。そして、全光束は、平面形状を有する射出面１３ｇで屈折することで、該射出面１３ｇの法線ｎに対して斜め方向に射出する平行光束に変換され、被検査部１１ａに向かう。

第１の入射面１３ａ、反射面１３ｆおよび射出面１３ｇにより第１の光束のための光学系が構成される。また、第２の入射面１３ｂ、反射面１３ｄ，１３ｆおよび射出面１３ｇにより第２の光束のための光学系が、第３の入射面１３ｃ、反射面１３ｅ，１３ｆおよび射出面１３ｇにより第３の光束のための光学系がそれぞれ構成される。

ここで、射出面１３ｇは、被検査部１１ａの長手方向に対して平行な平面として形成されている。これにより、前述したように、射出面１３ｇの各位置から被検査部１１ａ上にて対応する各位置までの距離が等しくなり、均一な照明を行う上で都合が良い。

また、本実施例では、反射面１３ｆを、図９の断面において鋸歯状の不連続面で構成している点で実施例１と大きく異なる。図１０Ｂには、該反射面１３ｆを拡大して示している。このような形状を採用することにより、反射面１３ｆに入射する光束の偏向方向を実施例１とほぼ等価としつつ、光学部材１３の厚みを大幅に薄くすることができる。

また、本実施例においても、光学部材１３が光源（閃光放電管２）に対して十分に大きいため、光源の大きさによって生じる照射方向のばらつきを抑えることができ、指向性の高い照明系を実現できる。

さらに、本実施例でも、実施例１と同様に、反射面１３ｆで一旦反射した光束を射出面１３ｇから射出する構成とすることで、光学部材１３内で光路を折り畳むことができる。したがって、光学部材１３の小型化を図りつつ、被検査部１ａを均一に照明することができる。

このように、本実施例の光学部材１３は、閃光放電管２の径方向に切断した断面において、閃光放電管２から射出した全光束を特定の一方向に揃え、かつ均一な光束に変換する。しかも、被検査部１１ａを斜めから照明する。

また、光学部材１３の上下面は、図示しないが、光源である閃光放電管２の軸方向に対して直交する平面で構成された２つの反射面で構成されている。これにより、閃光放電管２から射出した均一な配光分布を持った光束は、該２つの反射面での全反射を繰り返し、均一な配光分布のまま射出面１３ｇに導かれる。

次に、閃光放電管２から射出した第１〜第３の光束の光学部材１３内での光路について、光線トレース図である図１０Ａ及び図１１〜図１３を用いて説明する。

まず、図１０Ａに示すように、閃光放電管２の中心から射出して第１の光軸ＡＸＬ１に対して第１の角度より小さな角度をなす第１の光束は、第１の入射面１３ａに形成された正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面から光学部材１３内に入射する。そして、第１の光束は、第１の入射面１３ａで屈折して、図１０の断面において第１の光軸ＡＸＬ１と平行な光束に変換されて反射面１３ｆの中間部に向かう。

この後、鋸歯状の反射面１３ｆによって偏向され、射出面１３ｇのうち前側領域における中間部から光学部材１３外に射出される。第１の光束は、反射面１３ｆでの反射と射出面１３ｇでの屈折によって、射出面１３ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１ａの長手方向中央領域を均一に照明する。

次に、図１１に示すように、閃光放電管２の中心から第１の光軸ＡＸＬ１に対して第１の角度より大きく、第２の角度より小さい角度で射出した第２の光束は、第２の入射面１３ｂから光学部材１３内に入射する。該第２の光束は、第２の入射面１３ｂで屈折した後、反射面１３ｄに導かれてここで全反射することで、第１の光軸ＡＸＬ１に平行な光束に変換される。

その後、第２の光束は、鋸歯状の反射面１３ｆの前部で全反射した後、射出面１３ｇの前側領域における前部に導かれ、ここで屈折して射出面１３ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１１ａの長手方向左側領域に照射される。

次に、図１２に示すように、閃光放電管２の中心から、第２の光束とは反対側において、第１の光軸ＡＸＬ１に対して第１の角度より大きく、第２の角度より小さい角度で射出した第３の光束は、第３の入射面１３ｃから光学部材１３内に入射する。該第３の光束は、第３の入射面１３ｃで屈折した後、反射面１３ｅに導かれてここで全反射することで、第１の光軸ＡＸＬ１に平行な光束に変換される。

その後、第３の光束は、鋸歯状の反射面１３ｆの後部で全反射した後、射出面１３ｇの前側領域における後部に導かれ、ここで屈折して射出面１３ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１１ａの長手方向に対して約７５°の角度で、被検査部１１ａの長手方向右側領域に照射される。

図１３には、図１０〜図１２に示した第１〜第３の光束をすべて示している。図示のように、閃光放電管２の中心から射出された全ての光束は、被検査部１１ａに対して約７５°の角度で入射する。また、３つの入射面１３ａ〜１３ｃから入射した第１から第３の光束は、射出面１３ｇではほぼ連続して、言い換えれば射出面１３ｇにおける互いに隣接した領域から射出する光束に変換される。これにより、被検査部１１ａ上においては、その長手方向全体で均一な照度を得られる。

また、図１３から分かるように、射出面１３ｇにおいて光束が射出する領域は、被検査部１１ａの長手方向長さと一致している。

以上説明したように、本実施例によれば、円筒状の光源（閃光放電管２）から射出した光束を光学部材１３によって、被検査部１１ａを斜め方向から均一に照明する光束に変換することができる。

このように、本実施例によれば、実施例１に比べて小型軽量化された照明装置を実現することができる。

図１４および図１５には、本発明の実施例３である撮像システムの構成を示している。本実施例の撮像システムは、円筒形状の被検査物の表面形状を観察（検査）するための撮像装置と、該被検査物を照明する照明装置とを有する。図１４は本実施例の撮像システムの平面図、図１５は、図１４に示した照明装置の平面図に光線トレース図を付加した説明図である。

なお、本実施例における照明装置において、光学部材以外の構成要素は全て実施例２と同じである。このため、実施例２と共通する構成要素にはこれら実施例と同じ符号を用いる。

本実施例の撮像システムは、被検査物の表面の凹凸を観察するための画像を、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置によって撮像させるため、該被検査物に対して斜め方向から指向性の高い照明光束を照射するプリズム照明系を用いている。

ここで、本実施例の撮像システムに用いられている照明装置では、実施例１，２において光路を折り畳むために光学部材内に設けられた反射面をなくして更なる小型化を図っている。また、本実施例では、被検査物１１を、その長手方向一方からだけでなく、両側から照明する。

図１４において、２３は被検査物１１の右側から該被検査物１１を照明する第１の照明装置を構成する第１の光学部材である。２４は被検査物１１の左側から該被検査物１１を照明する第２の照明装置を構成する第２の光学部材である。被検査物１１の正面には、該被検査物１１における被検査部１１ａの表面状態を撮像する撮像装置２５が配置されている。光学部材２３，２４は、撮像装置２５の画角を蹴らない位置に配置されている。

光学部材２３，２４はそれぞれ、閃光放電管２から射出した発散光束を、特定方向への指向性を有した平行光束に変換して射出面から射出する。具体的には、閃光放電管２から射出した光束を、３つの入射面から入射させ、該３つの入射面からの光束をそれぞれ別光路（別の光学系）を介して同一の射出面から射出する。光学部材２３，２４はそれぞれ、光束を効率良く利用するため、透明性の高い光学樹脂材料、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂で一体形成されている。

本実施例の照明装置におけるプリズム照明光学系も、円筒形状の閃光放電管２からその径方向外方に向かって射出した光束を、被検査物１１上の必要照射領域（被検査部１１ａ）の各部分に対して一対一に対応させる。しかも、後述する射出面２３ｇ，２４ｇの各位置から被検査部１１ａ上において対応する各位置までの距離を等しくする。これらは、被検査部１１ａを均一に照明するために都合が良い。また、プリズム照明光学系は、閃光放電管２から射出された光を被検査部１１ａ以外には照射せず、光損失が極力少なくなるように構成されている。

以下、光学部材２３，２４の詳細構成を図１４を用いて説明する。図１４は、閃光放電管２の軸方向に対して直交する断面（径方向断面）を示している。光学部材２３は、前述したように、３つの入射面２３ａ，２３ｂ，２３ｃを有する。

第１の入射面２３ａには、閃光放電管２からの光束のうち、図に一点鎖線で示す光学部材２３の光軸ＡＸＬに対してなす角度が第１の角度より小さい光束成分（第１の角度範囲の成分）が入射する。該第１の入射面２３ａは、図１４の断面において、正の屈折力を持つシリンドリカルレンズ面で構成されている。

第２および第３の入射面２３ｂ，２３ｃは、互いに対向する透過面である。これら第２および第３の入射面２３ｂ，２３ｃには、光軸ＡＸＬに対してなす角度が第１の角度より大きく、第２の角度より小さい光束成分（第２の角度範囲の成分）が入射する。

第１の入射面２３ａから入射した第１の光束は、該第１の入射面２３ａでの屈折を受けてその前方に配置された射出面２３ｇに向かう。また、第２の入射面２３ｂから入射した第２の光束は、該第２の入射面２３ｂで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面２３ｄで全反射して、その前方の射出面２３ｇに向かう。さらに、第３の入射面２３ｃから入射した第３の光束は、該第３の入射面２３ｃで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面２３ｅで全反射して、その前方の射出面２３ｇに向かう。

入射面２３ａ〜２３ｃおよび反射面２３ｄ，２３ｅは、基本的に閃光放電管２から射出した全ての光束を、光軸ＡＸＬに平行な光束に変換するようにその形状が設定されている。

このように光軸ＡＸＬに平行な方向において射出面２３ｇに向かった全光束は、平面形状を有する射出面２３ｇで屈折することで、該射出面２３ｇの法線ｎに対して斜め方向に射出する平行光束に変換され、被検査部１１ａに向かう。

第１の入射面２３ａおよび射出面２３ｇにより第１の光束のための光学系が構成される。また、第２の入射面２３ｂ、反射面２３ｄおよび射出面２３ｇにより第２の光束のための光学系が、第３の入射面２３ｃ、反射面２３ｅおよび射出面２３ｇにより第３の光束のための光学系がそれぞれ構成される。

一方、光学部材２４は、前述したように、３つの入射面２４ａ，２４ｂ，２４ｃを有する。

第１の入射面２４ａには、閃光放電管２からの光束のうち、図に一点鎖線で示す光学部材２４の光軸ＡＸＬに対してなす角度が第１の角度より小さい光束成分（第１の角度範囲の成分）が入射する。該第１の入射面２４ａは、図１４の断面において、正の屈折力を持つシリンドリカルレンズ面で構成されている。

第２および第３の入射面２４ｂ，２４ｃは、互いに対向する透過面である。これら第２および第３の入射面２４ｂ，２４ｃには、光軸ＡＸＬに対してなす角度が第１の角度より大きく、第２の角度より小さい光束成分（第２の角度範囲の成分）が入射する。

第１の入射面２４ａから入射した第１の光束は、該第１の入射面２４ａでの屈折を受けてその前方に配置された射出面２４ｇに向かう。また、第２の入射面２４ｂから入射した第２の光束は、該第２の入射面２４ｂで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面２４ｄで全反射して、その前方の射出面２４ｇに向かう。さらに、第３の入射面２４ｃから入射した第３の光束は、該第３の入射面２４ｃで屈折した後、光軸ＡＸＬに対して同じ側に配置された反射面２４ｅで全反射して、その前方の射出面２４ｇに向かう。

入射面２４ａ〜２４ｃおよび反射面２４ｄ，２４ｅは、基本的に閃光放電管２から射出した全ての光束を、光軸ＡＸＬに平行な光束に変換するようにその形状が設定されている。

このように光軸ＡＸＬに平行な方向において射出面２４ｇに向かった全光束は、平面形状を有する射出面２４ｇで屈折することで、該射出面２４ｇの法線ｎに対して斜め方向に射出する平行光束に変換され、被検査部１１ａに向かう。

第１の入射面２４ａおよび射出面２４ｇにより第１の光束のための光学系が構成される。また、第２の入射面２４ｂ、反射面２４ｄおよび射出面２４ｇにより第２の光束のための光学系が、第３の入射面２４ｃ、反射面２４ｅおよび射出面２４ｇにより第３の光束のための光学系がそれぞれ構成される。

ここで、射出面２３ｇ，２４ｇは、被検査部１１ａの長手方向に対して平行な平面として形成されている。これにより、前述したように、射出面２３ｇ，２４ｇの各位置から被検査部１１ａ上にて対応する各位置までの距離が等しくなり、均一な照明を行う上で都合が良い。

また、本実施例においても、光学部材２３，２４が光源（閃光放電管２）に対して十分に大きいため、光源の大きさによって生じる照射方向のばらつきを抑えることができ、指向性の高い照明系を実現できる。

このように、本実施例の光学部材２３，２４はそれぞれ、閃光放電管２の径方向に切断した断面において、閃光放電管２から射出した全光束を特定の一方向に揃え、かつ均一な光束に変換する。しかも、被検査部１１ａを斜めから照明する。

本実施例の光学部材２３，２４は、実施例１，２における反射面３ｆ，１３ｆに相当する反射面がなく、特定の一方向に向かう平行光束を直接、射出面２３ｇ，２４ｇに導いている。この構成では、実施例１，２のように、閃光放電管２から射出した光束を光学部材の上下面によって全反射を繰り返しながら導く部分がなくなる。このため、被検査部１１ｂに対して様々な方向から光束を照射することができない反面、光源を被検査物１１の近くに配置でき、強い強度の光束を照射できる。

さらに、本実施例では、被検査物１１の長手方向両側に照明装置を配置しているため、両者の配光むらが相互に補われ、より均一な照明での撮像を行うことができる。

次に、閃光放電管２から射出した第１〜第３の光束の光学部材２３，２４内での光路について、光線トレース図である図１５を用いて説明する。

まず、閃光放電管２の中心から射出して光軸ＡＸＬに対して第１の角度より小さな角度をなす第１の光束は、第１の入射面２３ａ，２４ａに形成された正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ面から光学部材２３，２４内に入射する。そして、第１の光束は、第１の入射面２３ａ，２４ａで屈折して、図１５の断面において光軸ＡＸＬと平行な光束に変換されて射出面２３ｇ，２４ｇに向かう。

そして、第１の光束は、射出面２３ｇ，２４ｇのうち中間部から光学部材２３，２４外に射出される。第１の光束は、射出面２３ｇ，２４ｇでの屈折によって、射出面２３ｇ，２４ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１１ａの長手方向中央領域を均一に照明する。

次に、閃光放電管２の中心から光軸ＡＸＬに対して第１の角度より大きく、第２の角度より小さい角度で射出した第２の光束は、第２の入射面２３ｂ，２４ｂから光学部材２３，２４内に入射する。該第２の光束は、第２の入射面２３ｂ，２４ｂで屈折した後、反射面２３ｄ，２４ｄに導かれてここで全反射することで、光軸ＡＸＬに平行な光束に変換される。

そして、第２の光束は、射出面２３ｇ，２４ｇのうち外側（被検査物１１から遠い側）の部分から光学部材２３，２４外に射出される。第２の光束は、射出面２３ｇ，２４ｇでの屈折によって、射出面２３ｇ，２４ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１１ａの長手方向における光学部材２３，２４に近い側の領域を均一に照明する。

次に、閃光放電管２の中心から、第２の光束とは反対側において、光軸ＡＸＬに対して第１の角度より大きく、第２の角度より小さい角度で射出した第３の光束は、第３の入射面２３ｃ，２４ｃから光学部材２３，２４内に入射する。該第３の光束は、第３の入射面２３ｃ，２４ｃで屈折した後、反射面２３ｅ，２４ｅに導かれてここで全反射することで、光軸ＡＸＬに平行な光束に変換される。

そして、第３の光束は、射出面２３ｇ，２４ｇのうち内側（被検査物１に近い側）の部分から光学部材２３，２４外に射出される。第３の光束は、射出面２３ｇ，２４ｇでの屈折によって、射出面２３ｇ，２４ｇの法線ｎに対して約７５°傾いた平行光束に変換される。この平行光束としての射出光束は、被検査部１１ａの法線に対して約７５°の角度で、被検査部１１ａの長手方向における光学部材２３，２４から遠い側の領域を均一に照明する。

このようにして、閃光放電管２の中心から射出した全ての光束は、被検査部１１ａに対して約７５°の角度で入射する。また、各光学部材において３つの入射面から入射した第１から第３の光束は、該光学部材の射出面ではほぼ連続して、言い換えれば射出面における互いに隣接した領域から射出する光束に変換される。これにより、被検査部１１ａ上においては、その長手方向全体で均一な照度を得られる。

また、図１５から分かるように、各光学部材の射出面において光束が射出する領域は、被検査部１１ａの長手方向長さと一致している。

本実施例では、実施例１，２に比べて、光学部材２３，２４内での光路が短いため、光源から被検査物１１までの距離も短い。このため、より明るい照明を行うことが可能である。

本実施例によれば、２つの小型の照明装置を用いて被検査物１１をその長手方向両側から照明することで、撮像システム全体として小型でありながらも被検査物１１の表面状態を観察するのに適切な画像を取得することができる。

本発明の実施例１である照明装置の斜視図。 実施例１の照明装置の平面図。 実施例１の照明装置の正面図。 実施例１の照明装置の側面図。 実施例１の照明装置の光線トレース図。 実施例１の照明装置の光線トレース図。 実施例１の照明装置の光線トレース図。 実施例１の照明装置の光線トレース図。 本発明の実施例２である照明装置の平面図。 実施例２の照明装置の光線トレース図。 実施例２の照明装置における反射面の拡大図。 実施例２の照明装置の光線トレース図。 実施例２の照明装置の光線トレース図。 実施例２の照明装置の光線トレース図。 本発明の実施例３である撮像システムの構成を示す平面図。 実施例３の撮像システムに用いられる照明装置の光線トレース図。

１，１１ 被検査物
１ａ，１１ａ 被検査部
２ 閃光放電管
３，１３，２３，２４ 光学部材
４ 反射傘
２５ 撮像装置

Claims (9)

1. 光源と、
   入射面に入射した前記光源からの光束を平行光束に変換して射出面に導き、当該平行光束を前記射出面の法線に対して傾いた方向に射出する光学部材と、を有し、
   前記光学部材は、前記入射面に入射した位置が前記射出面から離れた光束ほど前記入射面の近くから射出されるように、前記入射面からの前記平行光束を前記射出面に向けて反射する反射面を有することを特徴とする照明装置。
2. 前記入射面は、第１の入射部と、当該第１の入射部よりも前記射出面からの距離が離れた第２の入射部を有していて、
   前記反射面は、前記第２の入射部からの前記平行光束が前記第１の入射部からの前記平行光束よりも前記入射面の近くから射出されるように、前記入射面からの前記平行光束を前記射出面に向けて反射することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記射出面は、前記反射面により反射されるまでの前記入射面からの前記平行光束に対して略平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記射出面は、前記反射面により反射された前記平行光束を、前記光源から遠ざかる方向に傾けて射出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光源は、その軸方向に延びる形状を有し、
   前記光学部材は、前記光源の軸方向に直交する断面において、前記入射面に入射した前記光源からの光束を前記射出面の法線に対して傾いた方向に射出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの光束により照明された物体を撮像する撮像装置とを有することを特徴とする撮像システム。
7. 前記光源はその軸方向に延びる形状を有し、かつ前記物体は一方向に延びる形状を有し、
   前記光源は、当該光源の軸方向が前記物体の長手方向に直交する面に対して略平行となるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像システム。
8. 前記光学部材は、前記射出面が前記物体の長手方向に対して略平行となるように配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の撮像システム。
9. 前記射出面のうち前記平行光束を射出する領域の幅が、前記物体の長手方向長さと一致していることを特徴とする請求項８に記載の撮像システム。