JP7050771B2 - 検査システムのための軸上照明及び拡散照明 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１６年１０月７日に出願の米国仮特許出願第６２／４０５，５４９号の優先権を主張する２０１７年１０月６日に出願の米国特許出願第１５／７２７，２１５号の利益を主張し、そのそれぞれの全体が言及によって本明細書に援用される。

［技術分野］
本発明の実施形態は一般に検査システムに関する。特に、本発明の実施形態は検査システム用照明に関する。

小さい及び／又は多くの製造部品の検査を自動化するため又はそれらの手動検査を向上させるために、カメラを用いた検査システムが使用されている。例として、カメラを用いた検査システムは、そうしたシステムなく人間が行い得るより速い速度で及び／又非常に小さい部品に対して、製造エラー又は汚染などの不適合を特定可能である。そうしたシステムは、検査部品の不適合を特定するために十分な解像度を必要とする。カメラを用いた検査システムが動作可能である解像度には、いくつかの要因が影響する。そうした要因には、カメラの品質、検査する部品の特性、及び部品の照明を含む。一部の用途において、部品の照明は不可欠である。改良された、カメラを用いた検査システムが引き続き必要とされている。

検査システムが記載される。検査システムはカメラと筐体とを含む。筐体は反射ドームを包含する。反射ドームは、頂点とビューポートとを含むビューポートは頂点からオフセットされている。カメラは、ビューポートを通って反射ドームを出る光を捕捉するように取り付けられる。そして、複数の光源から出力される光が反射ドームに入るように、複数の光源が反射ドーム周りに配置される。

本発明の実施形態の他の特徴及び有利性は、添付の図面及び以下の詳細な説明によって明らかになる。

本発明の実施形態は一例として示され、同様の参照符号が類似する構成要素を表す添付の図面の図において限定するものではない。

図１は、実施形態にかかる検査システムの斜視図である。 図２は、実施形態にかかる検査システムの他の斜視図である。 図３は、実施形態にかかる検査システムの照明筐体の詳細な斜視図である。 図４は、図３の実施形態の線ＡＡにおける断面図である。 図５は、図３の実施形態の線ＢＢにおける断面図である。 図６は、図３の実施形態の線ＡＡにおける詳細な断面図である。 図７は、図３の実施形態の線ＡＡにおける他の詳細な断面図である。 図８は、図３の実施形態の線ＡＡにおける断面図であるが、図４の断面図に対して異なる角度からのものである。 図９は、図３の実施形態の線ＡＡにおける断面図であるが、図４の断面図に対して異なる角度からのものである。

カメラを用いた検査システムに関して部品を照明する態様が本明細書にさらに提示される。カメラを用いた検査システムは、検査部品を２タイプの照明で照明することができる。第１のタイプの照明は軸上照明である。軸上照明に使用される光は、通常、単一の細くて強い光ビームである。ビームの経路は、検査される部品から、カメラに直接的に反射することができる。一部の適用において、実質的にビームのすべての光子が平行経路に沿って進行する。ビームの方向が均一なため、軸上照明では、不規則なプロファイル（例えば、隆起、端、ディボット、折れ、しわなどを含む）を有する表面から反射するとき、影ができ得る。軸上照明は、表面の傾斜又は構造特性の評価に特に有用である。

第２のタイプの照明は、多数の方向又は角度から光が生成される拡散照明である。また、視角における半球（２πステラジアン）に近いソースによって提供される拡散照明も「曇りの日」の照明として既知である。拡散照明に使用する光は、多様な、時として予測できない経路をたどる。軸上照明と比較して、拡散照明は単位面積あたりの強度が小さいものであり得る。ゆえに、拡散照明は高フルエンスを必要とする用途にはあまり有効ではないことがある。拡散照明における種々の光の方向により、拡散照明は表面構造に起因するすべてではないが多くの影を排除することができる。拡散照明は、曲面を見るとき多くの利点があるが、カメラの軸に沿って盲点をつくり得る。

軸上照明と拡散照明との組合せにより、それぞれのタイプの照明の複数の利点が得られ、それぞれのタイプの照明の難点を少なくすることができる。しかしながら、両タイプの照明を提供するようにシステムを適応させることは、いくつかの問題をもたらし得る。例えば、小さいカメラシステムに軸上照明と拡散照明との両方を提供することは、過剰な熱を発生させ得、また従来の構成を許容できないことがある。

軸上照明と拡散照明と組み合わせるシステムの１つのタイプでは、拡散光を差し向ける反射ドームが使用される。検査される部品は反射ドームの下に配置される。検査される部品の反対側のドームの頂点には孔が設けられている。拡散光は、反射ドームから、部品から、孔を通って、そして孔にアライメントされて反射ドーム上方に配置されるカメラに照らされる。光ビームは、反射ドームの上方で生成されて、孔を通って方向付けられ、光ビームが反射して孔内に及びカメラに直接的に戻るように、検査される部品の方向に直交する角度で検査される部品から反射する。そうした光ビームの経路は、ビームが同じ孔を通って様々な方向に通過できるようにビームスプリッターが使用されることを必要とする。しかしながら、ビームスプリッターの使用は、その他の点では有用である光の実質的な損失を必然的にもたらし、そのため、さらなる光を生成して補う必要がある。

本開示は、上述の問題を最小化又は排除しながら、カメラを用いた検査システムのための軸上照明及び拡散照明の両方を提供する又はそれらに類似する照明システムを対象とする。

図１は、実施形態にかかる検査システム１を示す。検査システム１は、カメラ取付構造２及び照明筐体３を備える。ペアの管５は、カメラ取付構造２を照明筐体３に接続する。より具体的には、照明筐体３は、ペアの管５によってカメラ取付構造２の下に吊り下げられている。ペアの管５は例えば金属から形成することができる。カメラ取付構造２は、カメラ組立体６に取り付けられている。カメラ組立体６は、カメラ、及び部品の不適合を特定するために画像を撮影、処理、及び／又は分析するのに必要とされる任意の回路部品を含むことができる（例えば、プロセッサー、並びに本明細書に言及される任意の機能を実施するためにプロセッサーによって実行可能な、及び／又は部品の不適合を特定するように画像を撮影、処理、及び分析するために既知である、プログラム指示を保存するメモリ）。カメラ組立体６はレンズ４を備える（詳細に示さず）。レンズ４は、照明筐体３を通過する反射光を受けるために照明筐体３の上方に配置される。

図２は、俯瞰による図１の検査システムを示す。図２の図において、反射ドーム１０は照明筐体３内に見受けられる。反射ドーム１０はビューポート１２を含む。

図３は、実施形態にかかる照明筐体３の詳細図を示す。図３の図は、反射ドーム１０が上側１１を備えることを示す。反射ドーム１０の上側１１は半球状かつ凸状形状である。図３の図において見受けられるように、ビューポート１２は細長い。例として、ビューポート１２は、特に細長い長円形又は円形端部を有する矩形であってもよい。ビューポート１２は、それ自体が細長い線形の視界をレンズ４の円形入射瞳に接続する光線の束を捕捉するために細長い。この形状は、視界とレンズ４とを接続する光線を遮断（ビネッティング）することなく、ビューポート１２の面積を極力少なくして、ドーム内の反射面を最大化する。反射ドーム１０の頂点１７は図３に示される。図に見受けられるように、ビューポート１２は反射ドーム１０の頂点１７からオフセットされている。照明筐体３内及び照明筐体３の下で反射した光がレンズ４へと進行するのは、ビューポート１２を介してである。

図４は、図３の実施形態の線ＡＡにおける照明筐体３の断面図を示す。また、図４の図は、照明筐体３の下側も示す。図４の図は、反射ドーム１０が底側１３を備えることを示す。底側１３は凹状である。底側１３は拡散高反射面１６を含む。高反射面１６は、反射ドーム１０の底側１３の一部又はすべてを画定するものであり得る。高反射面１６は、光が高反射面１６によって実質的に吸収されないように、実質的にすべての光を反射することができる。反射ドーム１０は、アルミニウム、ステンレス鋼、又はその他の金属などの金属から形成することができる。反射ドーム１０の底側１３は、高反射面１６の形成において約９４％の拡散反射率を得るように、二酸化チタン（TiO₂）高含有のつや消しの熱硬化エポキシでコーティングすることができる。さらに又はあるいは、高反射材料のコーティングを、高反射面１６を形成するように反射ドーム１０の底側１３に塗布することができる。そうした場合、反射ドーム１０自体は、高反射材料から作製されなくともよい。

さらに、図４は反射体リング１４を示す。反射体リング１４は、反射ドーム１０の底側１３に部分的に重なり得る。反射体リング１４は空隙２１を含む。図示するように、空隙２１は円形である。本明細書にさらに説明するように、照明筐体３内で生成されて高反射面１６から反射した光は、空隙２１を通って進行して、検査されている部品に反射することができる。そして、部品から反射する光は、カメラによって受け入れられるため、再び空隙２１を通ってかつビューポート１２を通ってレンズ４に進行することができる。

図４の図において、頂点１７を示す。頂点１７は、高反射面１６の最高点及び／又は反射ドーム１０の底側１３の中心であり得る。頂点１７は、ビューポート１２からオフセットされている。光は、頂点１７を形成する反射ドーム１０の材料を通過できず、理想的には、頂点１７を形成する反射ドーム１０の材料は高反射性である。

図５は、図３の実施形態の線ＢＢにおける照明筐体３及びペアの管５の断面図を示す。ペアの管５のそれぞれは中空であるとともに、チャネル１８を含む。チャネル１８は、照明筐体３内に循環させるために、カメラ取付構造２から冷却流体を運搬することができる。照明筐体３はベース部１９をさらに含む。ペアの管５は、ねじ山インターフェイス部を介するなどで、ベース部１９に直接的に取り付けることができる。チャネル１８は、照明筐体３内の流体回路２２に連通することができる。ベース部１９は、内部に反射ドーム１０が配置されるリング構造を形成することができる。

照明筐体３は、一部の実施形態において、ヒートシンク２０をさらに含む。ヒートシンク２０は、反射ドーム１０周囲に完全に延出するリングに形成される。ヒートシンク２０は、ベース部１９のリング構造内に配置することができる。ヒートシンク２０は、伝熱を大きくできるようにヒートシンク２０の表面積を増大させるフィンを含む。流体回路２２は、ヒートシンク２０の外側ラジアル面とベース部１９の内側面とによって画定することができる。流体回路２２は、冷却流体がヒートシンク２０及び反射ドーム１０周り全体に流れて、ペアの管５を介して照明筐体３から熱を取り除くことを可能にする。

照明筐体３は、一部の実施形態において、取付リング２３をさらに含む。取付リング２３の上側は、ヒートシンク２０の底側に接触し、ヒートシンク２０の底側に取り付けることができる。図５に例示する実施形態に示すように、取付リング２３は反射ドーム１０の周囲を囲む。取付リング２３は、照明筐体３の底側の一部を画定する。取付リング２３は、金属コアプリント回路基板（MCPCB）であり得る。取付リング２３は、アルミニウム、銅、又はその他の金属などの金属から形成された伝熱ベース層を含むことができる。さらに、取付リング２３は、（ＬＥＤにエネルギーを供給する金属導体を有する）回路層を伝熱ベース層から分離するセラミック層を含むことができる。

取付リング２３はいくつかの構造を支持する。例として、複数の光源３０が回路層などの取付リング２３の底側に取り付けられる。複数の光源３０は、反射ドーム１０周囲に完全に延出するリング状に配置される。光源３０は例えばＬＥＤであってもよい。３８０～４６０ｎｍの波長を有する青色ＬＥＤが好ましい。各ＬＥＤは５ワット以上で動作することができる。複数の光源３０は、６０個のＬＥＤなどの６０個の個別の光源を含むことができる。光源が光を放出する光源３０の表側は下方向きである。表側と反対の光源３０の裏側は、取付リング２３に当接する。複数の光源３０によって生成された熱は取付リング２３を介して（例えば伝熱ベース層を介して）伝導し、これが次に熱をヒートシンク２０に伝導する。

反射体リング１４は、ステンレス鋼又はアルミニウムなどの金属から形成することができる。反射体リング１４は、取付リング２３に載置される、あるいは取付リング２３に取り付けることができる。反射体リング１４の底側は、照明筐体３の底側の一部を画定する。反射体リング１４の上側は高反射面２４を含む。高反射面２４は、研磨した金属及び／又は反射コーティングであってもよい。高反射面２４は鏡面であってもよい。例として、高反射面２４はすべての入射光の９０％を超えるものを反射可能である。高反射面２４は、反射体リング１４のステンレス鋼を電解研磨し（７０％リン酸、２５％硫酸、５％グリセリン）、そして厚い銅ベース層をスパッタリングし、分光反射率を増大させるために銀、アルミニウム、又は金のコーティングをめっきし、保護石英コーティングをめっきすることによって形成することができる。高反射面２４は、スパッタリングしたベース銅層、めっきした銅層、めっき又はスパッタリングした反射金属層、及び／又は保護石英層を含むことができる。高反射面２４は、複数の光源３０によって放出された光を反射ドーム１０の下方向き凹状部分へと反射する。より具体的には、複数の光源３０は下方方向に光を放出し、光は上方方向に反射体リング１４の高反射面２４から反射し、そして光は、検査される部品を照明するために下方方向に空隙２１を通って照明筐体３を出るまで、反射ドーム１０の高反射面１６に１回以上反射する。

反射体リング１４の上側は複数のスカラップ部４０を含む。複数のスカラップ部４０はリング状に配置される。スカラップ部４０のリングの半径は、反射ドーム１０の半径より大きい半径であり得る。各スカラップ部４０は、反射体リング１４内の凹状（例えば半球状）のくぼみである。反射体リング１４の高反射面２４は、各スカラップ部４０が高反射性であるように複数のスカラップ部４０を画定することができる。各スカラップ部４０は、各光源３０の直下に配置することができる。複数のスカラップ部４０は、複数の光源３０から放出された光が反射ドーム１０に方向付けられ、光源３０自体に反射して戻る（これは照明効果なく過剰な熱を発生し得る）ことはないということを確実にするために利用することができる。例として、各スカラップ部４０の半球状形状により、横方向に反射した光が他の光源３０へと進行し得る、光がスカラップ部４０の高反射面２４から反射した後の横方向への進行を防ぐことができる。

図６は、図５の断面図の詳細な部分である。図７は、図５の断面図の他の詳細な部分である。図示するように、複数のスカラップ部４０は、その外側ラジアル面がその内側ラジアル面よりも高くなるように内方に傾斜する。各スカラップ部４０の傾斜は、反射ドーム１０へ及び反射ドーム１０内への直接光をもたらす。

図８は、図３の線ＡＡにおける断面図である。図８の図の角度は図４の図の角度と異なることに留意されたい。図８の図は部品４６を含む。部品４６は球状である。光路４８は、下方方向に光源３０から放射されて、反射体リング１４から反射し、上方に向かって反射ドーム１０の高反射面１６に反射し、その後下方に向かって部品４６に反射し、光がカメラに受け入れられるようにビューポート１２へと上方に向かう、光を示す。この光路４８は、本明細書に記載するようにビームスプリッターを必要とし得るカメラに対する従来の軸上照明を提供することなく、軸上照明装置の機能を再現する。ビューポート１２が反射ドーム１０の頂点１７にある場合、部品４６に直交して反射する光はそうしたビューポートを通って反射することができない。このため、部品４６のまさにその中心において部品４６の画像に空白部分を作り出して、この空白部分における任意の不適合が認識されなくなる。ビューポート１２をオフセットしないと、光源は、頂点１７の孔を通って下方に及び頂点１７の孔を通って戻るように光を照らし、空白部分を排除するために、ビームスプリッターの使用とともに提供される必要がある。本明細書に記載の実施形態は、ビューポート１２を頂点１７からオフセットすることで異なる手法をとるものである。別の光源は必要とせず、部品４６から直交してビューポート１２を通ってカメラに反射するすべての光を捕集することができる。ゆえに、ビューポート１２を頂点１７からオフセットすることで、軸上照明の画像に近づけながら、複数の光源３０のリングが拡散照明を提供することを可能にする。

図９は、図８と同じ図を示すが、頂点１７からビューポート１２の角度をなしたオフセットを強調するものである。部品４６（その上部を反射体リング１４の約０．６インチ下に配置可能）に対して、ビューポート１２が頂点１７から角度Ｘだけオフセットされている。角度Ｘは２～１０度の範囲であり得る。部品４６に対して、ビューポート１２の縁部は、１０～１５度の、角度をなしたウインドウの角度Ｙを有する。反射体リング１４の下で反射体リング１４と平行な底面５０に対して、ビューポート１２は底面５０と部品４６との交点から角度Ｚだけオフセットされている。角度Ｚは０、７０～７８度の範囲であり得る。他の範囲も可能であることが理解される。

検査システム１のカメラは１．６μｍピクセルで動作する１６ｋＣＭＯＳラインスキャンカメラであってもよい。検査システム１の好ましい用途は、ハードディスクドライブヘッドジンバル組立体のフレクシャトレースの不適合を特定することである。例として、検査システム１は８マイクロメーター（μｍ）幅のトレースの不適合を特定することができる。

種々の実施形態のさらなる特徴及び変形はさらに本明細書に記載されるとともに図面に示される。複数の実施形態が開示されるが、本開示のさらに他の実施形態は、本開示の例示的な実施形態を示して記載する以下の詳細な説明から当業者には明白になる。ゆえに、図面及び詳細な説明は本質的に例示として考慮され、限定するものではない。本発明は好ましい実施形態に関して記載されているが、当業者には、本発明の意図及び範囲から外れることなく態様や詳細に変更を行い得るということが認識される。

Claims (15)

1. 頂点と光が前記頂点を形成する反射ドームを通過できないように前記頂点からオフセットされているビューポートとを含む反射ドームと、
   前記反射ドームの周囲を囲み、照明筐体の底側の少なくとも一部と重なる熱伝導性取付リングと、
   前記熱伝導性取付リングに取付られ、出力される光が前記照明筐体の第１の表面で反射した後に前記反射ドームに入るように、前記反射ドームから離れて前記反射ドームを縁取りする複数の光源とを含む、検査システム用照明筐体。
2. 前記照明筐体は、前記複数の光源からの光が前記ビューポートを通って前記反射ドームを出るものであり、拡散するとともに、カメラの方向に対して軸上に構成される、請求項１に記載の照明筐体。
3. 前記反射ドームは、上側と、高反射凹状面を備えた底側とを含む、請求項１に記載の照明筐体。
4. 前記複数の光源の各光源は、前記熱伝導性取付リングに取付られた裏側と、前記光源によって生成された照明が放出される表側とを含み、前記高反射凹状面と前記複数の光源の前記表側とは下方方向に向くように前記筐体に配置される、請求項３に記載の照明筐体。
5. 前記反射ドームの前記底側に重なるとともに、前記反射ドーム内へと前記複数の光源から下方方向に直接的に放出された実質的な光の量を反射する高反射面と、中心空隙とを含む、反射体リングをさらに含み、前記反射体リングによって前記反射ドーム内へ反射された光は、前記高反射凹状面から反射して前記中心空隙を通って、反射される部品に反射するとともに、前記中心空隙を通って前記反射ドーム内に反射して戻る、請求項４に記載の照明筐体。
6. 前記反射体リングは、前記反射体リング周りに円状に配置されるとともに、前記反射ドームの前記高反射凹状面が向いている前記下方方向と反対の上方方向に向く複数の高反射凹状表面をそれぞれ含む複数のスカラップ部を含む、請求項５に記載の照明筐体。
7. 前記反射ドームを囲むヒートシンクリングをさらに含み、前記複数の光源の前記裏側は、前記ヒートシンクリングに当接して、前記複数の光源によって生成された熱エネルギーを前記ヒートシンクリングに伝達する、請求項４に記載の照明筐体。
8. 前記照明筐体は、カメラ取付構造と前記照明筐体との両方に接続された２つの金属管のみによって機械的に支持される、請求項７に記載の照明筐体。
9. 冷却流体の流体回路が前記２つの金属管のそれぞれと前記照明筐体とに通っている、請求項８に記載の照明筐体。
10. 前記複数の光源は、前記反射ドーム周囲に配されるリングを形成する、請求項１に記載の照明筐体。
11. 前記反射ドームの前記頂点は反射金属から形成されており、透明ではない、請求項１に記載の照明筐体。
12. 前記ビューポートは、前記反射ドームの前記高反射凹状面に沿って細長いプロファイルを有する孔を含む、請求項１に記載の照明筐体。
13. 前記照明筐体は、前記反射ドームの少なくとも一部の周りに延出するとともに、前記複数の光源によって生成された熱を取り除くように構成された、冷却流体回路をさらに含む、請求項１に記載の照明筐体。
14. 前記複数の光源は発光ダイオードである、請求項１に記載の照明筐体。
15. 前記照明筐体はカメラを含む検査システムにある、請求項１に記載の照明筐体。
    

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