JP5724077B2 - 異物検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、異物検査装置に係り、特に飲料等の液体が充填されたガラス壜の底部又は底部付近に異物が沈殿しているか否かを光学的に検査する異物検査装置に関するものである。

従来から、ガラス壜に飲料等の液体を充填した後に壜の底部又は底部付近に異物が沈殿しているか否かの検査を行っている。一般に、壜底異物検査装置においては、ガラス壜の上方からガラス壜内を照明し、ガラス壜の下方からＣＣＤカメラによりガラス壜の底部を透過した透過光を撮影し、得られた画像を画像処理装置により処理して壜の底部又は底部付近に存在する異物を検出している。この場合、ＣＣＤカメラによる画像中では壜底部に沈殿した異物は明るい背景の中に暗い影となって映り、この暗い影を判別することにより異物を検出している。

特開２００３−２０２３００号公報

図６は、ガラス壜の底部又は底部付近に異物が沈殿しているか否かを光学的に検査するために、ガラス壜の上方からガラス壜内を照明し、ガラス壜の底部をＣＣＤカメラにより撮影した画像を示す図である。図６に示すように、ＣＣＤカメラによる画像中には、壜のキャップに対応した中央部の円形の暗い画像部分と、中央部の円形の暗い画像部分の周囲にある円輪状の明るい画像部分と、この円輪状の明るい画像部分の外側にあって暗い画像部分とうすぼんやりと明るい画像部分とがまだら模様になった円輪状のまだら状画像部分と、このまだら状画像部分の外側にあって壜底外周のナーリングに沿ってできるギザギザ模様の画像部分を含む円輪状のうすぼんやりと明るい画像部分とが形成されている。

図６に示すような画像について、画像処理装置により処理して壜の底部又は底部付近に存在する異物を検出する場合に、壜底外周のナーリングに沿ってできるギザギザ模様の画像部分を含む円輪状のうすぼんやりと明るい画像部分の中に異物がある場合には、うすぼんやりと明るい背景の中に暗い影となって映るので、この暗い影を判別することにより異物を検出できる。図６に示す画像では、この暗い影らしき部分を小さな丸で囲みハイライトしている。
しかしながら、前記ギザギザ模様の画像部分を含む円輪状のうすぼんやりと明るい画像部分の内側にある円輪状のまだら状画像部分に異物がある場合には、異物による暗い画像部分なのか、まだら模様による暗い画像部分なのかを峻別することができない。図６に示す画像では、まだら模様による暗い画像部分の中に暗い影らしき部分が見えるが、この暗い影らしき部分を小さな丸で囲みハイライトしている。前記円輪状のまだら状画像部分は、画像中、比較的広い範囲に亘っているために、壜底部に沈殿した異物を検出することができない場合が多くあった。
なお、壜のキャップに対応した中央部の円形の暗い画像部分の中に異物がある場合も異物を検出することはできない。

本発明者らは、このまだら状画像部分が形成される原因を究明するために種々の実験を行うとともに実験結果の解析を進めた結果、以下の知見を得たものである。
図７は、照明からの光がガラス壜内に入射し、ガラス壜を透過した光がＣＣＤカメラにより撮影される場合の光路を示す図である。図７においては、図６に示す画像中のまだら状画像部分が形成される光路を示している。すなわち、照明２からの光の一部はガラス壜１の肩部１ｓを透過してガラス壜内に入射し、ガラス壜内に入射した光の一部はガラス壜の底部１ａを透過しＣＣＤカメラ３に入射する。ガラス壜の肩部は曲面になっているため、肩部の肉厚は不均一になりがちであり、さらにガラス壜の肩部がなだらかな曲線を描いて傾斜しているためガラス壜の曲面によるレンズ効果によって、ＣＣＤカメラ３によって撮影された画像（図６）には、円輪状のまだら状画像が広範囲にわたって写し出されている。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、背景の画像部分と異物の画像部分との明暗が明瞭な画像を得ることができる異物検査装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、液体が充填されたガラス壜の底部に異物があるか否かを検査する装置において、ガラス壜の上方または斜め上方に配置されガラス壜内を照明する照明と、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを有し、ガラス壜の下方に配置されガラス壜の底部を透過した透過光をズームレンズまたはバリフォーカルレンズを介して撮影する撮像手段とを備え、前記ガラス壜の底部と前記撮像手段との間に、フレネルレンズを設け、前記照明からガラス壜の肩部を介してガラス壜内に入射した光をガラス壜の底部を透過させ、ガラス壜の底部を透過した光を前記フレネルレンズを介して前記撮像手段に入射させ、前記撮像手段は、ガラス壜のキャップに対応した円形の暗い画像部分の外側に存在する画像部分とうすぼんやり明るい画像部分とがまだら模様になったまだら状画像部分がなくなり背景がボケた状態になるように、前記ズームレンズまたはバリフォーカルレンズと前記ガラス壜との距離の調整と前記ズームレンズまたはバリフォーカルレンズによる焦点距離の調整とによって被写界深度を調整し、かつガラス壜の底部内面または底部内面付近にピントを合わせた状態で撮影することを特徴とする。

本発明によれば、照明からの光はガラス壜の肩部を透過してガラス壜内に入射し、ガラス壜の内側から壜底部を透過する。ガラス壜の肩部からガラス壜内に入射した光は、ガラス壜の内壁面で反射を繰り返して斜め下方に進行し、壜底部を斜め下方に透過する。そして、壜底部を斜め下方に透過した光を凸レンズの屈折作用により屈折させてズームレンズまたはバリフォーカルレンズを介して撮像手段に入射させて撮影する。この場合、照明からの光がガラス壜の肩部を透過する際には、肩部の肉厚の不均一性や肩部の斜めに傾斜した複雑な曲面等の影響を受けて透過光の強度は均一でなくむらがあるが、この透過光がガラス壜の内壁面で反射を繰り返す間に反射光の強度が徐々に均一化されるようになる。そのため、この反射光をフレネルレンズの屈折作用により撮像手段に入射させて撮像すると、一様な明るさの画像部分になる。そして、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いて焦点距離を長くすると、被写界深度が浅くなり、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いてある距離にピントを合わせた時、その距離にある撮像対象物は撮像手段に鮮明に写るが、撮像対象物の背景がボケて、背景が一様な明るさになる。したがって、壜底部に異物がある場合には、異物は一様な明るさの背景の中に暗い影となって写り、異物を明瞭に識別することができる。
本発明によれば、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いて焦点距離を長くすると、被写界深度が浅くなり、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いてある距離にピントを合わせた時、その距離にある撮像対象物は撮像手段に鮮明に写るが、撮像対象物の背景がボケて、背景が一様な明るさになる。

本発明の好ましい態様は、前記撮像手段は、ガラス壜に対して接近または離間可能になっていることを特徴とする。
本発明によれば、ズームレンズ（またはバリフォーカルレンズ）を装着した撮像手段をガラス壜に対して接近させると、被写界深度が深くなり、撮像対象物の背景がボケるボケ効果が小さくなり、逆に離間させると、被写界深度が浅くなり、撮像対象物の背景がボケるボケ効果が大きくなる。したがって、本検査装置によりガラス壜の壜底部を撮影して壜の底部又は底部付近の画像を得る場合に、背景のボケの状態が最良になって、暗い画像部分とうすぼんやりと明るい画像部分とがまだら模様になった円輪状のまだら状画像部分がなくなるように、ズームレンズ（またはバリフォーカルレンズ）とガラス壜との距離を調整し、最良のボケ効果を得るようにする。

本発明の好ましい態様は、前記撮像手段は、昇降機構により昇降可能であることを特徴とする。
本発明によれば、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを装着した撮像手段を昇降させる昇降機構が設置されているため、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを装着した撮像手段のガラス壜に対する位置の調整を容易に行うことができる。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）本発明によれば、照明からの光がガラス壜の肩部を透過する際には、肩部の肉厚の不均一性や肩部の斜めに傾斜した複雑な曲面等の影響を受けて透過光の強度は均一でなくむらがあるが、この透過光がガラス壜の内壁面で反射を繰り返す間に反射光の強度が徐々に均一化されるようになる。そのため、この反射光をフレネルレンズの屈折作用により撮像手段に入射させて撮像すると、一様な明るさの画像部分になる。そして、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いて焦点距離を長くすると、被写界深度が浅くなり、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いてある距離にピントを合わせた時、その距離にある撮像対象物は撮像手段に鮮明に写るが、撮像対象物の背景がボケて、背景が一様な明るさになる。したがって、壜底部に異物がある場合には、異物は一様な明るさの背景の中に暗い影となって写り、異物を明瞭に識別することができる。
（２）ズームレンズまたはバリフォーカルレンズは、被写界深度を調整して撮像対象物を鮮明に写し、背景をボカすことに効果を発揮する。しかしながら、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いた場合、近づいて撮影できる距離範囲が制限され物足りなさを感じる場合が多い。そのため、本発明においては、ズームレンズ（バリフォーカルレンズ）にフレネルレンズを組み合わせて用いることにより、最短撮影距離の調整が容易になり、ズームレンズのボケ効果を活用できるとともに、フレネルレンズの明暗の陰の希釈・均一化効果も活用できる。
（３）本発明によれば、ガラス壜を回転させたり、カメラを多数設置しなくても、１つの撮像手段（カメラ）で壜底部全体の検査が可能になる。したがって、ガラス壜を搬送するための構成を簡素化することが可能になる。

図１は本発明の異物検査装置の基本構成を示す模式図である。 図２は、昇降台を昇降させる昇降機構の詳細を示す側面図である。 図３（ａ）はズームレンズを装着したＣＣＤカメラを撮像対象物であるガラス壜に対して接近させた場合を示す立面図であり、図３（ｂ）はズームレンズを装着したＣＣＤカメラをガラス壜から離間させた場合を示す立面図である。 図４は、図１に示す照明撮像系を用いて撮影した画像である。 図５は、ガラス壜を直線搬送しながら異物検査を行うことができる異物検査装置の具体的構成を示す図であり、異物検査装置の正面図である。 図６は、ガラス壜の上方からガラス壜内を照明し、ガラス壜の底部をＣＣＤカメラにより撮影した画像を示す図である。 図７は、照明からの光がガラス壜内に入射し、ガラス壜を透過した光がＣＣＤカメラにより撮影される場合の光路を示す図である。

以下、本発明に係る異物検査装置の実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。図１乃至図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は本発明の異物検査装置の基本構成を示す模式図である。図１において、符号１は飲料等の液体が充填されたガラス壜である。ガラス壜１にはキャップ（又は王冠）１ｃが打栓されている。ガラス壜１は、円形断面を有し、底部外周に凹凸部からなるナーリングを有している。ガラス壜１の斜め上方の左右には、ガラス壜１の斜め上方からガラス壜内を照明する照明２，２が配置されている。照明２は多数のＬＥＤを配列することにより構成されている。ガラス壜１の下方には、ガラス壜１の底部を透過した透過光を撮影するＣＣＤカメラ３が配置されている。ＣＣＤカメラ３にはブームレンズ４が装着されている。また、ガラス壜１の壜底部１ａとＣＣＤカメラ３との間には、フレネルレンズ５が配置されている。ＣＣＤカメラ３に装着されているズームレンズ４は、一定範囲内で焦点距離を自由に変えることができ、その際ピント位置（焦点位置）の移動が生じないレンズである。またズームレンズ４は、焦点距離の変更に伴いピント位置が変化するバリフォーカルレンズ（可変焦点レンズ）であってもよい。ガラス壜１の中心とフレネルレンズ５の中心は、ＣＣＤカメラ３およびズームレンズ４の光軸３ｘ上に位置している。ＣＣＤカメラ３は、ＣＣＤカメラで得られた画像を処理する画像処理装置（図示せず）に接続されている。ここで、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを装着したＣＣＤカメラ３は撮像手段を構成している。

図１に示すように、ＣＣＤカメラ３は昇降台６に固定されており、昇降台６は垂直方向に延びるガイドシャフト７に案内されて昇降可能になっている。
図２は、昇降台６を昇降させる昇降機構の詳細を示す側面図である。図２に示すように、昇降台６は左右に対をなすガイド部６ｇ，６ｇを備えており、これらガイド部６ｇ，６ｇは装置のフレームＦから垂直方向に延びるガイドシャフト７，７により案内されるようになっている。また、昇降台６は垂直方向に延びる昇降ネジ８に螺合する雌螺子部６ｎを備えており、雌螺子部６ｎは垂直方向に延びる昇降ネジ８に螺合するようになっている。昇降ネジ８の下端にはプーリ９が固定されており、プーリ９にはタイミングベルト１０が係合している。
図１および図２に示すように構成された昇降機構において、モータ（図示せず）を駆動してタイミングベルト１０を走行させることにより昇降ネジ８を回転させると、昇降ネジ８に螺合した雌螺子部６ｎが昇降し、雌螺子部６ｎと一体に昇降台６がガイドシャフト７，７に案内されて昇降し、昇降台６に固定されたＣＣＤカメラ３およびズームレンズ４が昇降する。

図１に示すように構成された異物検査装置においては、照明２，２からの光はガラス壜１の肩部１ｓを透過してガラス壜１内に入射し、ガラス壜の内壁面で反射を繰り返して斜め下方に進行しガラス壜１の内側から壜底部１ａを斜め下方に透過する。ガラス壜１の壜底部１ａを斜め下方に透過した光は、フレネルレンズ５による凸レンズの作用によって光軸３ｘの方向に屈折する。このように、壜底部１ａを斜め下方に透過した光は、フレネルレンズ５の屈折作用を受け、ズームレンズ（またはバリフォーカルレンズ）４を介してＣＣＤカメラ３に入射して撮影される。この場合、照明２，２からの光がガラス壜１の肩部１ｓを透過する際には、肩部の肉厚の不均一性や肩部の斜めに傾斜した複雑な曲面等の影響を受けて透過光の強度は均一でなくむらがあるが、この透過光がガラス壜１の内壁面で反射を繰り返す間に反射光の強度が徐々に均一化されるようになる。そのため、この反射光をフレネルレンズ５の屈折作用によりＣＣＤカメラに入射させて撮像すると、一様な明るさの画像部分になる。

本発明においては、撮像系にフレネルレンズ５とズームレンズ（またはバリフォーカルレンズ）４とを組合わせて用いている。
ズームレンズは焦点位置（ピント位置）がずれることなく連続的に焦点距離が変えられるレンズであり、バリフォーカルレンズは焦点距離の変更に伴い焦点位置（ピント位置）が変化するレンズである。ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いて焦点距離を変えると、被写界深度が変わってくる。被写界深度とは、ある１点にピントを合わせたとき、その前後もピントが合っているように像が鮮明に見える範囲をいう。この像が鮮明に見える範囲が広い場合を被写界深度が深いと云い、逆に狭い場合を被写界深度が浅いと云う。ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いて焦点距離を長くすると、被写界深度が浅くなり、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いてある距離にピントを合わせた時、その距離にある撮像対象物はＣＣＤカメラに鮮明に写るが、撮像対象物の背景がボケて、背景が一様な明るさになる。

このように、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズは被写界深度を調整して撮像対象物を鮮明に写し背景をボカすことに効果を発揮する。しかしながら、ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを用いた場合、近づいて撮影できる距離範囲が制限され物足りなさを感じる場合が多い。そのため、本発明においては、ズームレンズ（バリフォーカルレンズ）にフレネルレンズを組み合わせて用いている。これにより、最短の撮影距離の制限が緩和され、撮影距離の調整が容易になり、ズームレンズのボケ効果を最大限活用できるとともに、フレネルレンズの明暗の陰の希釈・均一化効果も活用できる。

本発明においては、ズームレンズ４を装着したＣＣＤカメラ３は、昇降機構により垂直方向に昇降可能になっており、フレネルレンズ５およびガラス壜１に対して接近又は離間可能になっている。
図３（ａ）はズームレンズ４を装着したＣＣＤカメラ３を撮像対象物であるガラス壜１に対して接近させた場合を示す立面図であり、図３（ｂ）はズームレンズ４を装着したＣＣＤカメラ３をガラス壜１から離間させた場合を示す立面図である。図３（ａ）に示すようにズームレンズ４を装着したＣＣＤカメラ３をガラス壜１に対して接近させると、被写界深度が深くなり、撮像対象物の背景がボケるボケ効果が小さくなる。図３（ｂ）に示すようにズームレンズ４を装着したＣＣＤカメラ３をガラス壜１から離間させると、被写界深度が浅くなり、撮像対象物の背景がボケるボケ効果が大きくなる。したがって、本検査装置によりガラス壜１の壜底部１ａを撮影して壜の底部又は底部付近の画像を得る場合に、背景のボケの状態が最良になって暗い画像部分とうすぼんやりと明るい画像部分とがまだら模様になった円輪状のまだら状画像部分がなくなるように、ズームレンズ４とガラス壜１との距離を調整し、最良のボケ効果を得るようにする。
また、ガラス壜１のサイズを変更する場合には、サイズの変更に応じてズームレンズ４とガラス壜１との距離を調整し被写界深度が最適なものになるようにする。

図１乃至図３に示す撮像系を備えた異物検査装置において、ズームレンズ４とガラス壜１との距離を調整した後に、ガラス壜１の底部内面又は底部内面付近にピントを合わせて撮像すると、壜底部１ａに遮光性異物が存在する場合には、壜底部１ａを透過した光の一部は、異物により遮光されるので、この異物に対応した位置からＣＣＤカメラ３に入射する光は存在しない。そのため、ＣＣＤカメラ３で得られた画像中では所定の明るさの背景の中に暗い点（または領域）となって映る。一方、異物がガラス片等の透光性異物であっても、異物に入射した光は異物を透過する間に光が減衰されるので、ＣＣＤカメラ３で得られた画像中では、異物に対応した部分は、所定の明るさの背景の中にこの背景よりも暗い点（または領域）となって映る。

図４は、図１に示す照明撮像系を用いて撮影した画像である。図４に示すように、ＣＣＤカメラ３による画像中には、壜のキャップに対応した中央部の円形の暗い画像部分と、中央部の円形の暗い画像部分の周囲にある円輪状の明るい画像部分と、この円輪状の明るい画像部分の外側にあってうすぼんやりと明るい円輪状の一様な明るさの画像部分と、この円輪状の一様な明るさの画像部分の外側にあって壜底外周のナーリングに沿ってできるギザギザ模様の画像部分を含む円輪状の明るい画像部分とが形成されている。図４に示す画像では、ナーリングの画像の一部に暗い点（または領域）が重なって写っている。また、うすぼんやりと明るい円輪状の一様な明るさの画像部分に暗い点が写っている。図４では、２つの暗い点の部分を小さな丸で囲みハイライトしている。

次に、図１乃至図４に示す基本概念を具体化した装置であって、ガラス壜１を直線搬送しながら異物検査を行うことができる異物検査装置について説明する。
図５は、ガラス壜１を直線搬送しながら異物検査を行うことができる異物検査装置の具体的構成を示す図であり、異物検査装置の正面図である。図５に示すように、異物検査装置は、ガラス壜１を直線搬送する左右一対の搬送装置１１，１１を備えており、ガラス壜１は、１対の搬送装置１１，１１の搬送ベルト１２，１２により胴部が挟持された状態で紙面と直交する方向に搬送されるようになっている。搬送ベルト１２，１２は、搬送方向の前後に設けられた一対のプーリ（図示せず）にそれぞれ巻回されており、プーリが回転することにより、搬送ベルト１２，１２はガラス壜１を挟持した状態で同一速度で走行するようになっている。

ガラス壜１の搬送経路の上方には、ガラス壜１の斜め上方からガラス壜内を照明する照明２が配置されている。ガラス壜１の下方には、ガラス壜１の壜底部１ａを透過した透過光を撮影するためのズームレンズ４を装着したＣＣＤカメラ３が配置されている。また、ガラス壜１の壜底部１ａとズームレンズ４との間には、フレネルレンズ５が配置されている。

図５に示す装置において、液体が充填されたガラス壜１は、一対の搬送ベルト１２，１２により挟持されて搬送されている間に、照明２の下方およびＣＣＤカメラ３の上方を通過する。ガラス壜１が照明２の下方およびＣＣＤカメラ３の上方を通過する間に、ガラス壜１内が照明され、壜底部１ａがフレネルレンズ５およびズームレンズ４を介してＣＣＤカメラ３により撮影される。この撮影時の作用は図１乃至図３に示す実施形態と同様であり、画像は図４と同様である。
本実施例において、照明はガラス壜の斜め上方に配置されているが、ガラス壜の上方に配置されていてもよい。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ ガラス壜
１ａ 壜底部
１ｓ 肩部
２ 照明
３ ＣＣＤカメラ
４ コーンレンズ
５ フレネルレンズ
６ 昇降台
６ｇ ガイド部
６ｎ 雌螺子部
７ ガイドシャフト
８ 昇降ネジ
９ プーリ
１０ タイミングベルト
１１ 搬送装置
１２ 搬送ベルト

Claims (3)

1. 液体が充填されたガラス壜の底部に異物があるか否かを検査する装置において、
   ガラス壜の上方または斜め上方に配置されガラス壜内を照明する照明と、
   ズームレンズまたはバリフォーカルレンズを有し、ガラス壜の下方に配置されガラス壜の底部を透過した透過光をズームレンズまたはバリフォーカルレンズを介して撮影する撮像手段とを備え、
   前記ガラス壜の底部と前記撮像手段との間に、フレネルレンズを設け、
   前記照明からガラス壜の肩部を介してガラス壜内に入射した光をガラス壜の底部を透過させ、ガラス壜の底部を透過した光を前記フレネルレンズを介して前記撮像手段に入射させ、
   前記撮像手段は、ガラス壜のキャップに対応した円形の暗い画像部分の外側に存在する画像部分とうすぼんやり明るい画像部分とがまだら模様になったまだら状画像部分がなくなり背景がボケた状態になるように、前記ズームレンズまたはバリフォーカルレンズと前記ガラス壜との距離の調整と前記ズームレンズまたはバリフォーカルレンズによる焦点距離の調整とによって被写界深度を調整し、かつガラス壜の底部内面または底部内面付近にピントを合わせた状態で撮影することを特徴とする異物検査装置。
2. 前記撮像手段は、ガラス壜に対して接近または離間可能になっていることを特徴とする請求項１記載の異物検査装置。
3. 前記撮像手段は、昇降機構により昇降可能であることを特徴とする請求項２に記載の異物検査装置。

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