JP6205780B2 - 照明装置及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、製品の検査やマシンビジョンなどに用いられる照明装置に関してのものであり、特に、カメラを用いた光学的な検査で、照明光の拡散性や、入射角度などを変更できるようにすることで、一つの照明系で、複数種類の製品に対する検査や、異なった項目の検査が行えるようにする照明装置技術についてのものである。

カメラを用いて画像から欠陥検出を行う検査装置は、製品検査などで広く用いられている。このような検査装置では、欠陥を検出しやすいように適切な照明光源で検査物体を照明することが重要である。このような照明光源の一つとしてリング照明があり、円形に近い形状の物体を検査する場合、検査時に物体の向きが変わってしまう場合、影が出難くする場合など、多くの用途に用いられている。このようなリング照明とカメラを用いた構成による検査には、例えば、特許文献１、特許文献２など、多くのものが知られている。そして、このような検査で用いられるリング照明は、通常は多数のＬＥＤ照明を円環状に配置する（特許文献３、４など）、サークル形状の蛍光管を用いる、ファイバー光源からの光に対して特殊なレンズを入れる（非特許文献１など）方法で実現している。

特開平２−２５４３０８号公報 特開平１１−３２６２２４号公報 特開２００２−３２８０９４号公報 特開２００９−２１６７２０号公報

エドモンドオプティックスカタログ ２０１１年度 Ｐ３５６

カメラを用いた検査を行う場合、検査する物体の材質や形状、検出する欠陥の種類などによって、入射角度や拡散性など、検査に適した照明光の特性が違ってくる。製造の際に、一つのラインで材質や形状などが異なる複数種類の製品を作製する場合が良くある。また、各製品に対して、複数の異なる欠陥を検出する場合も多い。このような場合に、製品ごと検査ごとに適した照明装置を設置していくと、多数の照明装置を設置する必要があるため、ラインが煩雑になり、費用もかかる。

一方、新規製品の検査を検討する場合には、適した条件を見つけるために、多数の照明装置を用意してテストを行っていかなければいけないので、費用がかかるし、作業としても大変である。

本発明は、このような課題を解決するためになされるものであり、ハーフミラーと液晶パネルを用いて、一台の照明装置で、角度や拡散性の異なる照明を実現することで、検査を容易にする照明装置を提供することを目的としている。

そこで請求項１に記載の発明は、
カメラで検査物体の画像を撮像して検査する検査装置に用いられる照明装置であって、
照明光源と、液晶パネルと、拡散板と、ハーフミラーと、で構成され、
前記液晶パネルは開口パターンを表示するものであって、
照明光源から発せられた光が、液晶パネルと、拡散板と、を通過した後にハーフミラーを透過して検査物体を照明し、
照明された検査物体がハーフミラーで反射して、カメラで撮像され、
前記照明光源からの光が、液晶パネル、拡散板を通過した後に、約４５度の角度に設置されたハーフミラーに入射するようになっており、
前記ハーフミラーに近接した３方向に窓が配置されており、窓部分に着脱可能な位置合わせ用の蓋が設置できることを特徴とする照明装置である。

請求項２に記載の発明は、
カメラで検査画像を撮像する検査装置に用いられる照明装置であって、
照明光源と、液晶パネル、拡散板、ハーフミラーによって構成されており、
前記液晶パネルは開口パターンを表示するものであって、
照明光源から発せられた光が、液晶パネルと、拡散板と、を通過した後にハーフミラーによって反射されて、検査物体を照明し、
照明された検査物体がハーフミラーを透過して、カメラで撮像され、
前記照明光源からの光が、液晶パネル、拡散板を通過した後に、約４５度の角度に設置されたハーフミラーに入射するようになっており、
前記ハーフミラーに近接した３方向に窓が配置されており、窓部分に着脱可能な位置合わせ用の蓋が設置できることを特徴とする照明装置である。

請求項３に記載の発明は、
前記照明光源は、スポットタイプの光源とレンズによって構成されており、且つ、レンズの焦点位置に光源があるように設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置である。

請求項４に記載の発明は、
前記照明光源は、指向性の高い複数個のＬＥＤ光源を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置である。

請求項５に記載の発明は、
前記位置合わせ用の蓋は、鏡と、カメラと照明光源と検査物体の位置合わせマークと、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置である。

請求項６に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれかの照明装置を用いて検査を行うことを特徴とする検査装置である。

本発明では、照明装置に開口パターンを表示する液晶パネルを用いているため、表示される開口パターンを変更することにより、検査物体を照明する光の入射角度や、拡散性を、簡単に変更することができる。このため、一つの照明装置で、複数の製品に対する検査や複数項目の検査に適した入射角度や拡散性となるような照明光を得ることができるので、照明装置数を減らすことができ、検査系を簡潔で安価なものにすることができる。また、新規製品の検査条件を検討する場合にも、液晶パネルの画像パターンを変えるだけで、照明光の入射角度や拡散性などについてさまざまな条件をテストできるので、検査に適した条件を容易に見つけることができる。

本発明の請求項１の照明装置の一実施例を示す概要図。 本発明の照明装置で液晶パネルに表示される画像の例を示す概要図。 本発明の照明装置をリング照明として用いる場合を示す概要図。 本発明の照明装置を同軸スポット照明として用いる場合を示す概要図。 本発明の請求項２の照明装置の一実施例を示す概要図。 本発明の請求項２の制約の例を示す概要図。 本発明の請求項３の照明装置の一実施例を示す概要図。 本発明の請求項４の照明装置の一実施例を示す概要図。 本発明の請求項５の照明装置の一実施例を示す概要図。 本発明の請求項５の照明装置を使用するときの一実施例を示す概要図。 本発明の請求項５の照明装置を使用するときの一実施例を示す概要図。 本発明の請求項７の照明装置で用いる位置合わせ用の蓋の一例を示す概要図。 本発明の請求項７の照明装置で位置合わせの際の液晶画像の一例を示す概要図。 本発明の請求項７の照明装置でカメラの位置を合わせる際の概要図。 本発明の請求項７の照明装置で検査物体の位置を合わせる際の概要図。

以下、本発明の照明装置について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の請求項１記載の照明装置の一例を示す概要図である。本発明の照明装置は、照明光源１、液晶パネル２、拡散板３、ハーフミラー４によって構成されている。カメラ１１と検査物体８は直交して配置される。照明光源１から発した光５は、液晶パネル２に入射する。この光の中で、液晶パネル２に表示された画像の開口部を通った光が通過して、液晶パネル２とほぼ密着して置かれている拡散板３に入射して拡散され、拡散光６となって、ハーフミラー４に入射し、その一部が透過して、照明光７として、検査物体８を照明する。検査物体８で反射された光９は、ハーフミラー４で反射されて、その反射光１０がカメラ１１のレンズに入射して、カメラ１１に検査物体８の画像が撮像される。

図２は、照明の際に液晶パネル２に表示される画像の一例を示す概要図である。例えば、図２Ａに示すように円環の画像を表示した場合、図３に示すようにハーフミラーを透過して、検査物体に対して、リング照明と同等な光として照明光があたることになる。別の画像を表示した場合、例えば図２Ｂのように図２Ａとは径の違う円環を表示した場合には、角度の違うリング照明と、図２Ｃのように幅の広い円環を表示した場合には拡散の強いリング照明と同様になる。また、図２Ｄのように四角形画像を表示すると、四角形リング照明と同等な照明となる。リング照明に限らず、色々な照明として用いることができ、例えば、図２Ｅのように、ほぼ全面を光らせることで、面発光の擬似同軸照明として用いることができる。また、図２Ｆのように、中心部のみ明るい画像を表示した場合には、図４に示すように、同軸のスポット照明と同様な照明としても用いることができる。

このように、液晶パネル２の画像を変更することで、入射角度の異なるリング照明や、拡散照明として用いることが可能となるため、一台の照明装置で複数の検査物体に対する検査や、異なる複数の検査に適した照明が可能となる。

ところで、この照明装置では液晶パネルを用いている。一般に液晶パネルは、光の透過
する角度によって特性が変化し、斜め方向の光に対してはコントラスト低下などの画質劣化が生じることが知られている。また、液晶パネルでは偏光板が用いられるので射出される光が直線偏光となってしまう。検査対象によっては偏光方向で見え方が変わってくるなどの影響があり、通常の検査では無偏光のほうが適している場合が多い。

それで、本発明においてはこれらの影響を解消するために、液晶パネルを通過した光が拡散板に入射するような構成としている。拡散板に入射した光は拡散されて広がるため、液晶パネル通過時に方向による違いがあっても、それらの光が混ざって平均化されることになるので、方向による違いがほとんど無くなる。また、拡散板として散乱材などによる内部拡散のものを用いた場合、散乱粒子で反射されるときに偏光面がランダムに変化するので、偏光特性の無い無偏光の光となって射出される。

拡散板を用いると、液晶パネルに表示される画像の解像力が低下するという短所はあるが、検査用照明の光源形状については、リング、同軸、拡散などといった大まかな形状で十分な場合がほとんどで細かい形状が問題なることは少ないので、ほとんどの場合に問題にはならない。

図５は本発明の請求項２に記載の照明装置の一例を示す概要図である。この照明装置は図１に示す請求項１のものと同様、照明光源１、液晶パネル２、拡散板３、ハーフミラー４によって構成されるが、その配置が異なっている。即ち、図５の場合はカメラ１１と検査物体８は直線上に配置されている。図５で、照明光源１から発した照明光５は、液晶パネル２、拡散板３を通過して、ハーフミラー４にあたり、その一部が反射して、照明光１２として、検査物体８を照明する。検査物体８で反射された光１３は、ハーフミラー４を透過して、透過光１４がカメラ１１のレンズに入射して、カメラ１１に検査物体８の画像が撮像される。

この構成の場合、カメラ１１と検査物体８は直線上に配置されているので、照明光源１を変更したときに、カメラ位置を変更する必要がなく、図１に示す請求項１の構成に比べて、既に使われている検査機の照明光源の置き換えを容易に出来るという利点がある。しかし、この構成の場合には、図６に示すように拡散板３で拡散された光の一部１５が、ノイズ光となり、ハーフミラーで反射されずに直接に検査物体９を照明することになる。このため、斜め横からのノイズ光が問題となる検査には適さないという短所もある。

図７は、本発明の請求項３記載の照明装置の一例を示す概要図である。図７では、スポット照明１６から発した発散光１７はレンズ１８に入射して、平行光に近い光１９として射出され、液晶パネル２を正面から照明するようになっている。一般に、液晶パネルは真正面から入射する光に対してコントラストなどの画質が最も良くなり、斜めからの光に対しては画質が劣化する傾向があるため、このような照明にすることで、明暗のハッキリした良好なパターンにすることができる。

また、検査やマシンビジョンでは、スポット照明装置は、同軸照明用レンズなどで使用できるように規格化されており、さまざまなタイプのランプが実用化されているので、スポット照明部分を交換できるようにしておけば、用途に応じて適したランプを使用することが可能になる。

図８は、本発明の請求項４記載の照明装置の一例を示す概要図である。この照明光源では、指向性の高いＬＥＤ照明２０が複数個並んだ構成となっている。図８では、ＬＥＤ照明２０から射出した、狭い範囲に広がる照明光２１が液晶パネル２を照明する。照明光２１は狭い範囲の広がりしか持たないため、液晶パネル２には、正面に近い方向からの光のみが入射する。このため、液晶パネルでコントラストの高い良好な画像を得ることができる。また、砲弾型のＬＥＤなど、指向性が高く、小型で安価なＬＥＤが実用化されているので、このようなＬＥＤを用いることによって、装置を小型で安価なものとすることもできる。

図９は、本発明の請求項５に記載の照明装置の一実施例を示す概要図である。この装置は、照明光源１、液晶パネル２、拡散板３、ハーフミラー４によって構成され、ハーフミラーの周りの３方向に、窓（開口）２２、２３、２４が配置されている。そして、各窓には、着脱可能な黒色の蓋２５を取り付けることができるようになっている。

図１０は図１に示される請求項１の照明装置の一例と配置は同じであるが、窓２２に蓋２５を取り付け、窓２３の位置に検査物体を置いて、窓２４からカメラで観察するようにすると、外乱光の影響を少なくすることが出来る。

一方、図１１は図５に示される請求項２の照明装置の一例と配置は同じであるが、窓２３に蓋２５を取り付け、窓２２の位置に検査物体を置いて、窓２４からカメラで観察するようにすると、外乱光の影響を少なくすることが出来る。

このように、図１０、図１１に示される照明装置の一例は、蓋の位置を変更するだけで、本発明の請求項１の照明装置と請求項２の照明装置と同じように使用することができる。このため、例えば、適している照明光条件が十分にわかっておらず、色々な条件を試したいときなどに、より柔軟な対応をとることが可能となる。

ところで、検査の際に、カメラの向きや検査物体の位置や検査用の照明装置などを正しく配置しないと正しい結果が得られないが、通常は位置合わせに多大な労力がかかる。そこで、本発明の請求項６では、着脱可能な位置合わせ用の蓋を用意しておいて、位置あわせのときには、位置合わせ蓋を設置して、測定のときには、黒蓋を設置して用いることで、位置合わせ時の多大な労力低減を図っている。

図１２は、本発明の請求項７記載の照明装置の一例に用いる、上記位置合わせ用蓋の一実施例を示す概要図である。この図１２で、蓋２６には、鏡２７が設置されており、その中央部分に位置合わせのための十字マーク２８が描かれている。例えば、図１４で液晶パネル２に図１３のような中央部だけが透過する画像を表示すると拡散板３の中央部分が明点２９として光ることになる。ここからの光は、ハーフミラー４で反射され、鏡２７で反射されて、ハーフミラーを通過した後に、カメラ１１のレンズ部に入射する。このとき、カメラ１１では明点２９は鏡像３０の位置に見える。

カメラ１１が真直ぐ向いていれば、明点の鏡像３０は鏡２７の中央に見えるので十字マーク２８と重なって見えることになる。一方、カメラ１１が斜めを向いていれば、マーク２８と明点像３０はずれて見える。このことからカメラが真直ぐになっているかどうかを判断できる。なお、ここでは、マーク２８として十字のマークを用いているが、マークの形は特に限定されるものではない。

図１５は、位置合わせ蓋を用いて検査物体の位置を確認する際の概要図である。検査物体８からの光はハーフミラーで反射されて、カメラ１１に入射するので、検査物体８は鏡像３１の位置にあるように見える。このとき、カメラ１１にはハーフミラー４を透過したマーク２８も見えるので、検査物体が中央に設置されていれば、マークと検査物体とが重なって見える。このことから、検査物体が中央に設置されているかどうかを判断することができる。

本発明の請求項１に記載しているような照明装置を得るため、液晶パネルとして液晶モニターを使用し、照明光源として液晶モニターのバックライトをそのまま使用した。なお、モニター全面では大きすぎるので、不要な部分に黒紙をはって、中央の１０ｃｍ角の範囲のみを用いた。拡散板としては、透過用のスクリーンとして用いられている内部拡散タイプのものを使用し、液晶モニター表面に密着するよう配置した。これらに対して、ほぼ４５°となる角度でハーフミラーを配置し、横方向からカメラで観察できるようにした。カメラとしては、カラーのＣＭＯＳカメラを使用し、レンズには０．４倍のテレセントリックレンズを用いた。そして、テスト用検査物体として、２５ｍｍ角の大きさで、印刷が施された光沢のある白ベースフィルムと、同様なアルミ蒸着ベースフィルムのサンプルを用いた。なお、検査のときにはこれらの検査物体が、拡散板からほぼ１００ｍｍはなれた位置になるように設置した。

まず、印刷欠陥の検出を想定して、各検査物体に、色マジックで１ｍｍ程度の点を描いて、カメラ画像としてどうみえるかを検討した。液晶パネルに円環パターンを表示して照明し白ベースフィルムのサンプルについて、カメラで撮像した。なお、適切な明るさとなるように、カメラのシャッター時間を調整している。このようにしたところ、印刷パターンも、欠陥部分もしっかりわかるような明瞭なカメラ画像を得ることができた。

同じ照明でアルミ蒸着ベースフィルムを照明してテストを行った場合、画像が暗くなり、印刷や欠陥が判別できるような画像を得ることはできなかった。照明光を変えて、液晶パネル全面が光るような画像を表示して、アルミ蒸着ベースのフィルムを照明すると、パターンも欠陥もしっかりわかるような明瞭な画像を得ることができた。なお、この照明で、白ベースフィルムのサンプルを観察した場合、全体に白っぽくコントラストの悪い画像となった。

これらの結果から、本発明の照明装置で液晶の表示画像を変えることで、白ベース、アルミベースといったような異なる検査物体に対して、それぞれの検査に適した照明ができることが確認できた。

次に、アルミ基材のサンプル表面に故意にキズをつけて、キズ欠陥が明確に見えるかどうかテストを行った。液晶パネルに円環のパターンを表示して観察した。この装置では、円環画像の直径を変えることが簡単にできるので、円環の径を色々と変えてテストしてやると、径があっていないときは見えないが、適切な径にしてやると、キズ部分のみが光るので検出可能な画像を得ることができた。

これらのことから、本発明の照明装置を用いて、液晶画像を変えることで、印刷欠陥、キズ欠陥といった異なる欠陥検出にも対応できる検査を行うことが出来、また、適した照明条件を導き出すことが容易であることが確認された。

本発明の照明装置によれば、液晶パネルの画像を変えることで、一つの照明装置により複数の異なる照明条件を得ることができる。このため、一つの製造ラインで材質や形状などが異なる複数種類の製品を作製してカメラ検査を行う場合や、カメラ検査で複数の異なる欠陥を検査する場合に、検査用の照明装置を減らして、簡潔なラインにすることができる。また、新規製品の検査方法を検討する場合などに、照明条件を変えたテストを簡易に行うことができる。

１・・・・・照明光源
２・・・・・液晶パネル
３・・・・・拡散板
４・・・・・ハーフミラー
５・・・・・光
６・・・・・拡散光
７・・・・・照明光
８・・・・・検査物体
９・・・・・反射光
１０・・・・反射光
１１・・・・カメラ
１２・・・・照明光
１３・・・・反射光
１４・・・・透過光
１５・・・・ノイズ光
１６・・・・スポット照明
１７・・・・発散光
１８・・・・レンズ
１９・・・・平行光
２０・・・・ＬＥＤ
２１・・・・照明光
２２・・・・窓
２３・・・・窓
２４・・・・窓
２５・・・・着脱可能な蓋（黒）
２６・・・・着脱可能な蓋
２７・・・・鏡
２８・・・・マーク
２９・・・・明点
３０・・・・明点の鏡像
３１・・・・検査物体の鏡像

Claims (6)

1. カメラで検査物体の画像を撮像して検査する検査装置に用いられる照明装置であって、
   照明光源と、液晶パネルと、拡散板と、ハーフミラーと、で構成され、
   前記液晶パネルは開口パターンを表示するものであって、
   照明光源から発せられた光が、液晶パネルと、拡散板と、を通過した後にハーフミラーを透過して検査物体を照明し、
   照明された検査物体がハーフミラーで反射して、カメラで撮像され、
   前記照明光源からの光が、液晶パネル、拡散板を通過した後に、約４５度の角度に設置されたハーフミラーに入射するようになっており、
   前記ハーフミラーに近接した３方向に窓が配置されており、窓部分に着脱可能な位置合わせ用の蓋が設置できることを特徴とする照明装置。
2. カメラで検査画像を撮像する検査装置に用いられる照明装置であって、
   照明光源と、液晶パネル、拡散板、ハーフミラーによって構成されており、
   前記液晶パネルは開口パターンを表示するものであって、
   照明光源から発せられた光が、液晶パネルと、拡散板と、を通過した後にハーフミラーによって反射されて、検査物体を照明し、
   照明された検査物体がハーフミラーを透過して、カメラで撮像され、
   前記照明光源からの光が、液晶パネル、拡散板を通過した後に、約４５度の角度に設置されたハーフミラーに入射するようになっており、
   前記ハーフミラーに近接した３方向に窓が配置されており、窓部分に着脱可能な位置合わせ用の蓋が設置できることを特徴とする照明装置。
3. 前記照明光源は、スポットタイプの光源とレンズによって構成されており、且つ、レンズの焦点位置に光源があるように設置されてい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. 前記照明光源は、指向性の高い複数個のＬＥＤ光源を有す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。
5. 前記位置合わせ用の蓋は、鏡と、カメラと照明光源と検査物体の位置合わせマークと、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置。
6. 請求項１〜５のいずれかの照明装置を用いて検査を行うことを特徴とする検査装置。