JP6839916B2 - 内面検査システムおよびその光学系 - Google Patents

Description

本発明は、内面検査システムおよびその光学系に関する。

従来、筒状体の内面を径方向から見た画像に基づいて内面を検査する技術が知られている。

特開２０１５−１３２５８８号公報

径方向から見た画像は、内面を法線方向から見た画像となるが、その場合、対象物の内面の性状や、内面に生じうる異常の種類等によっては、当該異常の有無を判別し難い場合があった。

そこで、本発明の課題の一つは、筒状の対象物の内面の検査をより都合良く行うことが可能な内面検査システムおよびその光学系を得ることである。

実施形態の内面検査システムにあっては、軸に沿った第一の方向に一端を有し第一の方向の反対方向に他端を有した筒の内面を検査する内面検査システムであって、上記筒の内面の上記軸の周方向に沿った環状の領域からの、上記他端から離れるにつれて上記筒の軸に近づく第二の方向に向かう光を、上記第一の方向に向かう光に偏向する、第一の光学部品と、上記第一の光学部品を経由した光に基づいて上記環状の領域の画像を撮影するカメラと、上記第一の光学部品から離れており、上記環状の領域の、上記第一の方向の反対方向に位置され、上記環状の領域に光を照射する第二の光学部品と、を備え、上記第一の光学部品と上記第二の光学部品との間の距離を調整可能であり、前記第一の光学部品は、前記軸を中心として前記他端に近づくほど径が小さくなる第一の円錐面と、前記第一の円錐面の反対側に位置され前記軸を中心として前記他端から離れるほど径が小さくなる第二の円錐面と、を有する。

図１は、実施形態の内面検査システムの概略構成の模式的かつ例示的な断面図である。 図２は、実施形態の内面検査システムで用いられる光学部品としてのプリズムの模式的かつ例示的な斜視図である。 図３は、実施形態の内面検査システムで用いられる光学部品としての図２のプリズムとは別のプリズムの模式的かつ例示的な斜視図である。 図４は、実施形態の内面検査システムのカメラで撮影された模式的かつ例示的な画像を示す図である。 図５は、実施形態の内面検査システムの比較例のプリズムで生じる迷光を含む光路を示す模式的な説明図である。 図６は、実施形態の内面検査システムの対象物の筒内における光路を示す模式的な説明図である。 図７は、実施形態の内面検査システムの対象物の筒内における光路を示す模式的な説明図であって、対象物の内径が図６より大きい場合を示す図である。 図８は、実施形態の内面検査システムの対象物の筒内における光路を示す模式的な説明図であって、対象物の内径が図７より大きい場合を示す図である。 図９は、実施形態の内面検査システムの移動機構を含む概略構成の模式的かつ例示的な断面図である。 図１０は、実施形態の内面検査システムの移動機構を含む概略構成の模式的かつ例示的な断面図であって、対象物に対する光学系の位置が図９とは異なる状態を示す図である。 図１１は、実施形態の内面検査システムの図９，１０とは別の移動機構を含む概略構成の模式的かつ例示的な断面図である。 図１２は、別の実施形態の内面検査システムの概略構成の模式的かつ例示的な断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成や制御、ならびに当該構成や制御によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成や制御以外によっても実現可能である。また、本発明は、基本的な構成や制御によって得られる派生的な効果も含む種々の効果を得ることが可能である。

図１に示される内面検査システム１００では、カメラ２が対象物１の内面１ａを撮影する。カメラ２で撮影された画像に基づいて、視覚的にあるいは画像処理によって、内面１ａにおける、突起や、凹部、傷、汚れ等の異常の有無が調べられる。対象物１は、例えば、中心軸Ａｘを中心とする円筒状に構成されている。対象物１は、中心軸Ａｘに沿う方向、すなわち軸方向の一方側（図１では左側）の端部１ｂと、軸方向の他方側（図１では右側）の端部１ｃと、を有する。端部１ｂは、一端の一例であり、端部１ｃは、他端の一例である。また、軸方向であって端部１ｃから端部１ｂに向かう方向は、図中、Ｘ方向と記される。Ｘ方向は、中心軸Ａｘに沿うとともに、中心軸Ａｘと平行である。Ｘ方向は、第一の方向の一例である。対象物１は、検査体、検査物と称されうる。内面１ａは、検査面と称されうる。筒内は、空間、内部と称されうる。なお、対象物１は、円筒状の物体には限定されない。

検査領域Ｄａは、内面１ａにおいて、所定幅で周方向に延びた環状あるいは筒状の領域として設定される。不図示の移動機構によって、対象物１と内面検査システム１００とを中心軸Ａｘに沿う方向、すなわち軸方向に相対的に移動させることにより、検査領域Ｄａは、軸方向に移動することができる。これにより、内面１ａの軸方向のより広い範囲、例えば全域について、検査を実施することができる。検査領域Ｄａは、軸の周方向に沿った環状の領域の一例である。

内面検査システム１００は、光学系として、送光系１１０（照射系）と、受光系１２０（撮影系）と、を有する。送光系１１０の少なくとも一部および受光系１２０の少なくとも一部は、対象物１の筒内に収容される。送光系１１０は、光源３からの光を検査領域Ｄａに向かわせる。受光系１２０は、検査領域Ｄａからの光をカメラ２に向かわせる。図１の内面検査システム１００では、送光系１１０からの光の検査領域Ｄａでの正反射光が、受光系１２０を介してカメラ２で撮影される。なお、これには限定されず、内面検査システム１００では、検査領域Ｄａでの拡散反射光が、カメラ２によって撮影されてもよい。

送光系１１０は、支持部材１１１、光源３、およびプリズム４１を含む。支持部材１１１は、中心軸Ａｘに沿って延びる円筒状に構成されている。支持部材１１１は、光源３およびプリズム４１を支持する。支持部材１１１は、光源３からプリズム４１へ向かう光が漏れるのを防ぐ遮蔽壁としても機能する。

光源３は、支持部材１１１の端部１１１ｂの筒内に位置されている。光源３は、不図示のブラケット等を介して支持部材１１１に支持されている。光源３は、Ｘ方向に向けて中心軸Ａｘと平行な光を出射する。光源３は、例えばＬＥＤ（light emitting diode）光源である。図１の例では、光源３は、送光系１１０と一体的に設けられているが、光源３は、送光系１１０とは別に、送光系１１０の外に設けられてもよい。

プリズム４１は、支持部材１１１の端部１１１ａの筒内に位置されている。支持部材１１１は、プリズム４１の外周縁４１ａを支持している。プリズム４１は、中心軸Ａｘを中心とする回転体である。図２に示されるように、プリズム４１は、円錐面４１ｂと円錐面４１ｃとを有する。円錐面４１ｂは、外周縁４１ａからＸ方向に突出する。円錐面４１ｃは、外周縁４１ａからＸ方向の反対方向に突出する。円錐面４１ｂの外周縁４１ａからの突出高さは、円錐面４１ｃの外周縁４１ａからの突出高さよりも低い。また、円錐面４１ｂの頂角α１ｂは、円錐面４１ｃの頂角α１ｃよりも大きい。すなわち、円錐面４１ｃは、円錐面４１ｂよりも尖っている。頂角は、中心軸Ａｘを含む断面における頂部の内角である。プリズム４１は、第二の光学部品の一例である。

図１に示されるように、送光系１１０では、光源３は、Ｘ方向に向かう光を出射し、プリズム４１は、Ｘ方向に向かう光を、対象物１の内面１ａに向かう光に偏向する。プリズム４１から内面１ａへの光は、対象物１の端部１ｃから離れるにつれて中心軸Ａｘから離れる方向（第三の方向Ｄ３）に向かう。すなわち、プリズム４１から内面１ａへの光は、円錐状に広がる。これにより、内面１ａに、中心軸Ａｘの周方向に沿って所定幅で所定の強度で光が照らされる領域が得られる。この領域が、検査領域Ｄａである。なお、本実施形態で開示される送光系１１０は一例であって、送光系１１０の構成は、ここで開示されたものには限定されない。例えば、光源３とプリズム４１との間に、別の光学部品が設けられてもよい。

図１に示されるように、受光系１２０は、支持部材１２１およびプリズム４２を含む。支持部材１２１は、中心軸Ａｘに沿って延びる円筒状に構成されている。支持部材１２１は、プリズム４２を支持する。支持部材１２１は、プリズム４２からの光が漏れるのを防ぐ遮蔽壁としても機能する。カメラ２は、プリズム４２からの光を撮影する。図１の例では、カメラ２は、受光系１２０とは別に、受光系１２０の外に設けられているが、カメラ２は、受光系１２０と一体的に設けられてもよい。カメラ２は、例えば、支持部材１２１の端部１２１ａの筒内に支持されてもよい。

プリズム４２は、支持部材１２１の端部１２１ｂの筒内に位置されている。支持部材１２１は、プリズム４２の外周縁４２ａを支持している。プリズム４２は、中心軸Ａｘを中心とする回転体である。図３に示されるように、プリズム４２は、円錐面４２ｂと円錐面４２ｃとを有する。円錐面４２ｂは、外周縁４２ａからＸ方向に突出する。円錐面４２ｃは、外周縁４２ａからＸ方向の反対方向に突出する。円錐面４２ｂの外周縁４２ａからの突出高さは、円錐面４２ｃの外周縁４２ａからの突出高さよりも高い。また、円錐面４２ｂの頂角α２ｂは、円錐面４２ｃの頂角α２ｃよりも小さい。すなわち、円錐面４２ｂは、円錐面４２ｃよりも尖っている。プリズム４２は、第一の光学部品の一例である。円錐面４２ｂは、第二の円錐面の一例である。円錐面４２ｃは、第一の円錐面の一例である。

図１に示されるように、受光系１２０では、プリズム４２は、対象物１の内面１ａからの光を、Ｘ方向に向かう光に偏向する。内面１ａからプリズム４２への光は、対象物１の端部１ｃから離れるにつれて中心軸Ａｘに近づく方向（第二の方向Ｄ２）に向かう。すなわち、内面１ａからプリズム４２への光は、円錐状に狭まる。プリズム４２は、内面１ａからの光を、Ｘ方向に向けて中心軸Ａｘと平行な光に偏向する。このとき、プリズム４２は、内面１ａの環状の検査領域Ｄａからの光を、支持部材１２１内で筒状の空間を通るよう、偏向する。よって、検査領域Ｄａは、図４に示されるように、撮影された画像Ｉｍ中で、円環状の画像Ｉｍｄとなる。このような構成により、検査領域Ｄａを適度な大きさに延ばすことができるため、検査がより精度良く行われやすい。

また、プリズム４２は、図１に示されるように、入射光の円錐面４２ｃでの屈折光が、円錐面４２ｃの他の部位に到達することなく円錐面４２ｂへ向かうよう、構成されている。図５に示されるように、入射光の円錐面４２ｃでの屈折光が円錐面４２ｃの他の部位で反射すると、図５中に太い破線で示されるように、迷光Ｌｓが生じる虞があるからである。よって、図１に示されるように、入射光の円錐面４２ｃでの屈折光が、円錐面４２ｃの他の部位に到達することなく円錐面４２ｂへ向かう光路が得られるよう、プリズム４１，４２のスペックや、プリズム４１，４２および検査領域Ｄａの配置等が調整される。なお、プリズム４１，４２の円錐面４１ｂ，４１ｃ，４２ｂ，４２ｃの頂部、すなわち中央部には、遮光部材が設けられてもよい。これにより、迷光Ｌｓが生じるのがより一層抑制されうる。

また、発明者の鋭意研究により、図６〜８に示されるように、対象物１の内径Ｄｃ１〜Ｄｃ３に応じてプリズム４１，４２の距離を設定することにより、カメラ２の画角内に収まる図４に示されるような円環状の画像Ｉｍｄが得られることが判明した。具体的には、対象物１の内径Ｄｃ１〜Ｄｃ３が小さいほどプリズム４１，４２の距離Ｌ１〜Ｌ３を短く設定する、換言すれば、対象物１の内径Ｄｃ１〜Ｄｃ３が大きいほどプリズム４１，４２の距離Ｌ１〜Ｌ３を長く設定することにより、対象物１の内径によらず、プリズム４２からＸ方向に向かう光の光径（外径）を、略同等に設定することができる。

図９，１０に示されるように、移動機構５１，５２は、送光系１１０および受光系１２０を中心軸Ａｘに沿って動かすことができる。対象物１は、テーブルやチャック等の支持機構６０に支持され、かつ固定されている。支持機構６０は、支持装置あるいは台座と称されうる。移動機構５１は、モータ５１ａ、回転伝達機構５１ｂ、運動変換機構５１ｃ等を有する。移動機構５１では、モータ５１ａの回転は、例えばギヤセットやベルト−プーリ等の回転伝達機構５１ｂを介して運動変換機構５１ｃに伝達される。運動変換機構５１ｃは、例えばボールねじやラックアンドピニオン等の、回転を直動に変換する機構である。運動変換機構５１ｃは、回転伝達機構５１ｂの回転を送光系１１０と接続された接続部材５１ｄの直動に変換する。よって、不図示の制御部によってモータ５１ａの回転角度を変えることにより、送光系１１０の位置を変えることができる。移動機構５２も移動機構５１と同様の構成要素、すなわち、モータ５２ａ、回転伝達機構５２ｂ、運動変換機構５２ｃ、および接続部材５２ｄを有することができる。よって、不図示の制御部によってモータ５２ａの回転角度を変えることにより、受光系１２０の位置を変えることができる。したがって、図９，１０に示されるように、対象物１の軸方向に沿って検査領域Ｄａを移動することができる。なお、内面検査システム１００は、対象物１を中心軸Ａｘに沿って移動させる不図示の移動機構を備えてもよい。

図１１に示されるように、送光系１１０および受光系１２０は、一つの移動機構５３によって動かすことができる。移動機構５３は、移動機構５１と同様の構成要素、すなわち、モータ５３ａ、回転伝達機構５３ｂ、運動変換機構５３ｃ、および接続部材５３ｄを有することができる。また、移動機構５３は、送光系１１０と受光系１２０とを連結する連結部材５３ｅを有する。よって、不図示の制御部によってモータ５３ａの回転角度を変えることにより、送光系１１０および受光系１２０の位置を変えることができる。なお、図１１の構成では、連結部材５３ｅが光を遮るため、検査領域Ｄａには連結部材５３ｅの位置や数に応じた欠損部分が生じ、一度の撮影では内面１ａの全周を撮影できない。したがって、この場合には、送光系１１０および受光系１２０と対象物１とを中心軸Ａｘ回りに相対的に回転させる不図示の回転機構が設けられ、送光系１１０および受光系１２０と対象物１との周方向における相対的な位置が異なる複数の状態について、撮影が実行されればよい。連結部材５３ｅは、支持部材の一例である。

図１２に示される別の実施形態の内面検査システム２００は、上述した内面検査システム１００と同様の送光系１１０および受光系１２０と、別の光学系１３０と、を備えている。送光系１１０および受光系１２０は、検査領域Ｄａに斜めに光を照射するともに、内面１ａの検査領域Ｄａを斜め方向から見た画像を撮影する。これに対し、光学系１３０は、内面１ａの別の位置に設定された検査領域Ｄａ１に法線方向、すなわち径方向に光を照射するとともに、法線方向、すなわち径方向から見た画像を撮影する。

光学系１３０は、光学部品として、ハーフミラー１４、およびプリズムミラー１５を有する。光源３から出射した光は、ハーフミラー１４で反射され、Ｘ方向に向かう。ハーフミラー１４からの光は、プリズムミラー１５に入射する。プリズムミラー１５の入射面１５ａは、Ｘ方向および中心軸Ａｘと直交する平面である。プリズムミラー１５の出射面１５ｂは、内側領域１５ｂ１（内側出射面）と、外側領域１５ｂ２（外側出射面）と、を有する。内側領域１５ｂ１は、中心軸Ａｘを含むよう位置され、入射面１５ａと同様、Ｘ方向および中心軸Ａｘと直交する。外側領域１５ｂ２は、内側領域１５ｂ１の径外方向に位置され、内側領域１５ｂ１を取り囲んでいる。外側領域１５ｂ２は、Ｘ方向とは反対方向に向かうにつれて径が細くなる円錐面として構成されている。外側領域１５ｂ２の母線の中心軸Ａｘとの角度は４５°である。また、外側領域１５ｂ２は、例えば、反射物が塗布されたり反射物が接着されたりすることにより、反射面として構成されている。なお、反射物を塗布しないでも全反射による反射面として機能する場合がある。

このような構成において、プリズムミラー１５の入射面１５ａからＸ方向に向かう光のうち、内側領域１５ｂ１に到達した光は、内側領域１５ｂ１を通過して、Ｘ方向に向かい、プリズム４１へ入射する。プリズム４１からカメラ２までの光路は、上述した送光系１１０および受光系１２０の光路と同様である。したがって、光学系１３０のうち、ハーフミラー１４とプリズムミラー１５の内側領域１５ｂ１とは、送光系１１０と共用されている。また、光源３は、検査領域Ｄａの撮影と検査領域Ｄａ１の撮影の両方の光源として機能している。

プリズムミラー１５の入射面１５ａからＸ方向に向かう光のうち、外側領域１５ｂ２に到達した光は、外側領域１５ｂ２で反射され、径外方向に向かう。径外方向に向かう光は、外周面からプリズムミラー１５を出て、検査領域Ｄａ１を照射する。検査領域Ｄａ１では、径外方向すなわち法線方向に向かう光を、径内方向すなわち法線方向に反射する。検査領域Ｄａ１からの径内方向に向かう光は、プリズムミラー１５の外周面に入射する。外側領域１５ｂ２は、プリズムミラー１５内を径内方向に向かう光を反射し、Ｘ方向の反対方向に向かう光に偏向する。外側領域１５ｂ２で反射された光は、入射面１５ａからプリズムミラー１５を出て、ハーフミラー１４を通過し、カメラ１２に入射する。このような光学系１３０の構成により、カメラ１２は、内面１ａを径方向に撮影した画像を得ることができる。送光系１１０や受光系１２０の移動や位置に応じて、光源３、カメラ１２、および光学系１３０を、不図示の移動機構によって、中心軸Ａｘに沿って移動することにより、内面１ａの中心軸Ａｘに沿った範囲について、検査領域Ｄａおよび検査領域Ｄａ１が撮影された画像データが得られる。この場合の移動機構は、光学系１３０を送光系１１０や受光系１２０とは独立して移動してもよいし、送光系１１０、受光系１２０、および光学系１３０を、一体的に移動してもよい。

以上、説明したように、実施形態によれば、プリズム４２（第一の光学部品）を有した受光系１２０により、対象物１の内面１ａを斜め方向から撮影した画像を得ることができる。よって、内面１ａを法線方向から撮影した画像によっては得られない不良の有無を判定することができる。なお、第一の光学部品は、プリズム４２には限定されない。

また、実施形態によれば、プリズム４１（第二の光学部品）を有した送光系１１０により、対象物１の内面１ａに、プリズム４２とは反対側から光を照射することができる。よって、例えば、対象物１の内面１ａを斜め方向から撮影した画像を得る光学系を、比較的簡素な構成によって、実現することができる。なお、第二の光学部品は、プリズム４１には限定されない。

また、実施形態によれば、内面検査システム１００は、カメラ２により対象物１の内面１ａにおける斜め方向の正反射光を撮影した画像を得ることができる。よって、拡散反射光を撮影した画像によっては得られない不良の有無を判定することができる。

また、実施形態によれば、プリズム４２は、円錐面４２ｃ（第一の円錐面）と円錐面４２ｂ（第二の円錐面）とを有する。よって、第一の光学部品を、比較的簡素な構成によって、実現することができる。

また、実施形態によれば、プリズム４１は、Ｘ方向の光を、内面１ａに対して斜め方向に向かう光に偏向する。よって、対象物１の内面１ａで斜め方向に正反射された光を撮影した画像を得ることができる。また、対象物１の内面１ａで斜め方向に正反射された光を撮影した画像を得る光学系を、比較的簡素な構成によって、実現することができる。

また、本実施形態によれば、内面検査システム１００は、プリズム４１およびプリズム４２の双方を支持する連結部材５３ｅ（支持部材）と、連結部材５３ｅを移動する移動機構５３と、を有することができる。この場合、プリズム４１およびプリズム４２を独立して動かす移動機構を設ける場合に比べて、内面検査システム１００の構成をより簡素化することができる。

以上、本発明の実施形態および変形例を例示したが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。上記実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、上記複数の実施形態の構成や形状は、部分的に入れ替えて実施することも可能である。また、各構成や形状等のスペック（構造や、種類、材質、方向、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置等）は、適宜に変更して実施することができる。例えば、光学系は、レンズや、ミラー、ハーフミラー等、より多くの光学部品を有することができる。

１…対象物（筒）、１ａ…内面、１ｂ…端部（一端）、１ｃ…端部（他端）、２，１２…カメラ、４１…プリズム（第二の光学部品）、４２…プリズム（第一の光学部品）、４２ｂ…円錐面（第二の円錐面）、４２ｃ…円錐面（第一の円錐面）、５３ｅ…連結部材（支持部材）、１００…内面検査システム、１１０…送光系（光学系）、１２０…受光系（光学系）、１３０…光学系、Ｄａ…検査領域（環状の領域）、Ａｘ…中心軸（軸）、Ｄ２…第二の方向、Ｄ３…第三の方向、Ｘ…第一の方向。

Claims (5)

1. 軸に沿った第一の方向に一端を有し第一の方向の反対方向に他端を有した筒の内面を検査する内面検査システムであって、
   前記筒の内面の前記軸の周方向に沿った環状の領域からの、前記他端から離れるにつれて前記筒の軸に近づく第二の方向に向かう光を、前記第一の方向に向かう光に偏向する、第一の光学部品と、
   前記第一の光学部品を経由した光に基づいて前記環状の領域の画像を撮影するカメラと、
   前記第一の光学部品から離れており、前記環状の領域の、前記第一の方向の反対方向に位置され、前記環状の領域に光を照射する第二の光学部品と、
   を備え、
   前記第一の光学部品と前記第二の光学部品との間の距離を調整可能であり、
   前記第一の光学部品は、前記軸を中心として前記他端に近づくほど径が小さくなる第一の円錐面と、前記第一の円錐面の反対側に位置され前記軸を中心として前記他端から離れるほど径が小さくなる第二の円錐面と、を有した、
   内面検査システム。
2. 前記第一の光学部品が、前記第二の光学部品からの光が前記環状の領域で正反射された光を、前記軸に沿った第一の方向に向かう光に偏向するよう構成された、請求項１に記載の内面検査システム。
3. 前記第二の光学部品は、前記第一の方向に向かう光を前記一端に近づくにつれて前記軸から離れる第三の方向に向かう光に偏向するよう構成された、請求項１に記載の内面検査システム。
4. 一方から中心軸に斜めに近づく光を前記中心軸と平行な他方へ向かう光に偏向する第一の光学部品と、
   前記第一の光学部品から離れており、前記一方から前記中心軸と平行に近づく光を前記中心軸から斜めに遠ざかるとともに検査対象領域へ向かう光に偏向する第二の光学部品と、
   前記第二の光学部品、前記検査対象領域、及び前記第一の光学部品を経由した光に基づいて前記検査対象領域の環状の画像を撮影するカメラと、
   を備え、
   前記第一の光学部品と前記第二の光学部品との間の距離を調整可能であり、
   前記第一の光学部品は、前記中心軸を中心として前記一方へ向かうほど径が小さくなる第一の円錐面と、前記第一の円錐面の反対側に位置され前記中心軸を中心として前記他方へ向かうほど径が小さくなる第二の円錐面と、を有した、
   内面検査システム。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一つに記載の内面検査システムで用いられ、前記第一の光学部品及び前記第二の光学部品を有した、光学系。

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