JP7143740B2 - 画像検査装置および照明装置 - Google Patents

Description

本技術は、撮影画像を用いて対象物を検査する画像検査装置および照明装置に関する。

ＦＡ（Factory Automation）分野などにおいては、対象物を照明しながら撮影し、得られた撮影画像を用いて対象物の外観を検査することが知られている。

たとえば、特開２０１７－６２１２０号公報（特許文献１）は、面光源と、面光源と検査対象との間に配置された、レンズ、遮光マスクおよびフィルタとを備えた照明装置を用いる検査システムを開示している。このシステムでは、レンズ、遮光マスクおよびフィルタにより、検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角が略均一に形成される。これにより、視野全体を均一に照射することができ、対象物の検査精度が向上する。

特開２０１７－６２１２０号公報

上述した従来の照明装置では、面光源と検査対象との間に配置されたレンズは、テレセントリック光学系を構成するために、撮影装置の視野よりも大きいサイズを有する必要がある。そのため、照明装置が大型にならざるを得ない。加えて、上述の照明装置は、視野の場所ごとに照射立体角を設定することができない。

本発明は、視野の場所ごとに照射立体角を設定可能であるとともに、小型化が可能な画像検査装置および照明装置を提供することを目的とする。

本開示の一例によれば、撮影画像を用いて対象物を検査する画像検査装置が提供される。画像検査装置は、対象物を撮影する撮影部と、対象物と撮影部との間に配置され、対象物に向かう方向に光を照射するように構成されるとともに透光性を有する照明部とを備える。照明部は、マトリクス状に配列され、選択的に発光可能に構成された複数の発光部と、複数の発光部の各々から発せられる光の照射方向を、各複数の発光部の位置に対応した方向に制御するように構成された光学系とを含む。

この開示によれば、複数の発光部の中から発光させるべき発光部を選択することによって、照射立体角を任意に変更することができる。発光させるべき発光部は、視野の場所に応じて選択可能である。したがって、視野の場所ごとに照射立体角を任意に設定可能な画像検査装置を実現できる。さらに、照射立体角を任意に変更することができるので、たとえばスリットあるいはハーフミラーといった光学部品を不要とすることができる。したがって照明装置を小型化することができる。この結果、視野の場所ごとに照射立体角を設定可能であるとともに、小型化が可能な画像検査装置を実現できる。

上述の開示において、光学系は、複数の発光部にそれぞれ対向して設けられた複数のマイクロレンズを含む。

この開示によれば、小型化が可能な画像検査装置を実現できる。
上述の開示において、複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズの光軸が、少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部の光軸とずれるように、複数のマイクロレンズが配置されている。

この開示によれば、シンプルな構成により、光の照射方向を制御することができる。
上述の開示において、照明部は、複数の照明要素に区画され、複数の照明要素のうちの少なくとも１つの照明要素において、少なくとも一部のマイクロレンズが、発光部のピッチよりも小さいピッチで配置されている。

この開示によれば、シンプルな構成により、光の照射方向を制御することができる。
上述の開示において、少なくとも一部のマイクロレンズは、規則性を乱すように配置される。

この開示によれば、撮影部から見たときの透過特性に関して、意図しない周期性が発生する可能性を低減できる。

上述の開示において、複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズの光軸が、少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部の光軸に対して傾けられるように、複数のマイクロレンズが配置されている。

この開示によれば、シンプルな構成により、光の照射方向を制御することができる。
上述の開示において、照明部は、複数の発光部から出射される光のうち複数のマイクロレンズのそれぞれの周囲から漏れる光を遮るように構成された遮光部をさらに含む。

この開示によれば、発光部からの光が意図しない方向に漏れる可能性を低減することができる。

上述の開示において、照明部は、複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズと、少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部との間に配置された遮光部をさらに含む。遮光部は、少なくとも一部のマイクロレンズの光軸に対してずれた位置に形成されたピンホールを有する。

この開示によれば、ピンホールを通過した光の進行方向をマイクロレンズによって制御することができる。この結果、視野の場所ごとに照射立体角を設定可能であるとともに、小型化が可能な画像検査装置を実現できる。

上述の開示において、照明部は、複数の発光部からの光を拡散させる光拡散部をさらに備える。

この開示によれば、発光部の輝度を均一にすることができる。
本開示の一例によれば、上述の開示において提供される画像検査装置が備える照明部を含む照明装置が提供される。

この開示によれば、視野の場所ごとに照射立体角を設定可能であるとともに、小型化が可能な照明装置を提供することができる。

本発明によれば、視野の場所ごとに照射立体角を設定可能であるとともに、小型化が可能な画像検査装置および照明装置を提供することができる。

本実施の形態に係る画像検査装置の概要を示す模式図である。 本実施の形態に係る画像検査装置が適用される生産ラインの一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る照明装置の一例の一部断面を示す模式図である。 本実施の形態に係る照明装置の一部を拡大した模式平面図である。 照明装置の構成要素である照明要素の構造の一例を模式的に示した平面図である。 図５に示した構造を変形する方法の一例を説明した模式平面図である。 図６に示した方法に従って構成された、照明要素の構造の変形例を模式的に示した平面図である。 レンズの周囲から漏れる光の対策のための構成を示す模式平面図である。 図８に示された構成の模式断面図である。 図８に示された構成の１つの変形例を示した模式平面図である。 図８に示された構成の別の変形例を示した模式断面図である。 本実施の形態に係る画像検査装置によるパターン照明の１つの応用例を模式的に示す図である。 光切断法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。 光切断法のための照明装置の照明パターンを説明するための図である。 図１４に示した照明パターンの変形例を説明するための図である。 拡散反射面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。 図１６に示した位相シフト法（拡散反射）のための照明装置の照明パターンの例を説明するための図である。 拡散反射面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明の別の例を説明するための図である。 図１８に示した位相シフト法（拡散反射）のための照明装置の照明パターンの別の例を説明するための図である。 拡散反射面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明の変形例を説明するための図である。 図２０に示した位相シフト法（拡散反射）のための照明装置の照明パターンの別の例を説明するための図である。 光が正反射するワーク表面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。 図２２に示した位相シフト法（正反射）のための照明装置の照明パターンの例を説明するための図である。 光の出射方向または発光領域を制限する照明パターンの例を説明するための図である。 照度差ステレオ法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。 図２５に示した光照射のための照明パターンの例を説明するための図である。 照度差ステレオ法を実施する際の他のパターン照明を説明するための図である。 図２７に示した光照射のための照明パターンの例を説明するための図である。 変形例１に係る照明装置の一部断面を示す模式図である。 変形例２に係る照明装置の一部断面を示す模式図である。 変形例３に係る照明装置の一部断面を示す模式図である。 変形例４に係る照明装置の構成要素である照明要素の構造の一例を模式的に示した平面図である。 変形例４に係る照明装置の一部断面を示す模式図である。 変形例４に係る照明装置の追加された構成の一部断面を示す模式図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜Ａ．適用例＞
まず、図１を参照して、本発明が適用される場面の一例について説明する。図１は、本実施の形態に係る画像検査装置１の概要を示す模式図である。

本実施の形態に係る画像検査装置１は、工業製品の生産ラインなどにおいて、対象物（以下、「ワークＷ」とも称す。）を照明しながら撮影し、得られた撮影画像を用いてワークＷの外観検査（傷、汚れ、異物などの検査）を行う装置に適用される。画像検査装置１は、ワークＷによって反射された光を検出することで検査するものである。そのため、ワークＷには、光を反射する表面を有するものが適用可能である。

図１に示すように、画像検査装置１は、撮影部の一例であるカメラ１０と、照明部の一例である照明装置２０とを備える。

カメラ１０は、撮影視野に存在する被写体を撮影して、撮影画像である画像データを生成するものである。カメラ１０は、被写体として、外観検査の対象であるワークＷを照明装置２０越しに撮影する。

照明装置２０は、カメラ１０がワークＷを撮影する度にワークＷの表面を照明する。照明装置２０は、ワークＷとカメラ１０との間に配置され、ワークＷに向けて光を照射するとともに、透光性を有している。そのため、照明装置２０から放射された光は、ワークＷで反射し、照明装置２０を透過して、カメラ１０に到達する。照明装置２０は、面光源３０と、光学系の一例であるマイクロレンズアレイ４０とを含む。

面光源３０は、ワークＷ側の光出射面３５からワークＷに向けて光を放射する。面光源３０の光出射面３５のうち、マトリクス状に配置された複数の発光領域から光が放射される。ワークＷからの反射光は、面光源３０のうち発光領域以外の透光領域を透過する。各発光領域は、発光部３１を含む。一例では、発光部３１は、有機エレクトロルミネッセンス（以下、有機ＥＬと呼ぶ）により構成された部材を含む。複数の発光部３１は、選択的に発光可能に構成されている。一例として面光源３０は、有機ＥＬを用いた光源である。しかし、本実施の形態に適用可能な照明装置２０は、有機ＥＬを用いた光源に限定されるものではない。透過性を有する照明装置であって、マトリクス状に配列され選択的に発光可能に構成された複数の発光部を有する照明装置であれば、この実施の形態に適用可能である。

マイクロレンズアレイ４０は、面光源３０の光出射面３５に対向して配置される。マイクロレンズアレイ４０は、複数の発光部３１にそれぞれ対向して設けられた複数のレンズ４１を含む。一例では、レンズ４１は凸レンズである。レンズ４１は、対応する発光部３１から発せられる光を所望の方向に導くように構成される。すなわち、マイクロレンズアレイ４０は、複数の発光部３１の各々から発せられる光の照射方向を、各発光部３１の位置に対応した方向に制御するように構成されている。

複数の発光部３１の中から発光させるべき発光部を選択することによって、照射立体角を任意に変更することができる。発光させるべき発光部は、視野の場所に応じて選択される。したがって、視野の場所ごとに照射立体角を任意に設定可能な画像検査装置１を実現できる。さらに、照射立体角を任意に変更することができるので、たとえばスリットあるいはハーフミラーといった光学部品を不要とすることができる。したがって照明装置２０を小型化することができる。

以上により、視野の場所ごとに照射立体角を設定可能であるとともに、小型化が可能な画像検査装置１を実現できる。

＜Ｂ．画像検査装置が適用される生産ラインの一例＞
次に、図２を参照しながら、画像検査装置１が適用される生産ラインの一例を説明する。図２は、本実施の形態に係る画像検査装置１が適用される生産ラインの一例を示す模式図である。

図２に示すように、本実施の形態に係る画像検査装置１は、連続的に搬入されるワークＷを撮影するカメラ１０と、ワークＷを照明する照明装置２０と、照明装置２０およびカメラ１０を制御する制御装置１００とを備える。カメラ１０は、主たる構成要素として、レンズや絞りなどの光学系と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの受光素子とを含む。画像検査装置１は、工業製品の生産ラインなどにおいて、制御装置１００の制御によって照明装置２０でワークＷを照明しながらカメラ１０で撮影し、得られた撮影画像を用いてワークＷの外観検査を行う装置である。

具体的には、検査対象となるワークＷは、移動可能なステージ３００によって、カメラ１０および照明装置２０が固定された検査位置まで移動する。ワークＷは、検査位置まで移動すると、画像検査装置１による外観検査が終了するまでその場で停止する。このとき、制御装置１００は、照明装置２０によってワークＷを照明しながらカメラ１０でワークＷを撮影し、撮影画像をモニタに表示する。これにより、作業者は、モニタ画面に表示された撮影画像の色を見ながらワークＷの外観を検査する。もしくは、制御装置１００は、撮影画像に対して所定の画像処理を行ない、画像処理結果に基づいてワークＷの異常判定を行なってもよい。

制御装置１００は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、表示コントローラと、システムコントローラと、Ｉ／Ｏ（Input Output）コントローラと、ハードディスクと、カメラインターフェイスと、入力インターフェイスと、発光インターフェイスと、通信インターフェイスと、メモリカードインターフェイスとを含む。これらの各部は、システムコントローラを中心として、互いにデータ通信可能に接続される。

＜Ｃ．照明装置の構成の一例＞
図３および図４を参照して、本実施の形態に係る照明装置の構成の一例を説明する。図３は、本実施の形態に係る照明装置の一例の一部断面を示す模式図である。図４は、本実施の形態に係る照明装置の一部を拡大した模式平面図である。

照明装置２０は、透過型のシート照明装置であり、面光源３０とマイクロレンズアレイ４０とを含む。面光源３０は、光出射面３５に沿ってマトリクス状に配列された複数の発光部を含む。図３には、発光部３１Ａ～３１Ｅが代表的に示されている。

各々の発光部３１Ａ～３１Ｅは、対向する一対の電極（図示せず）を有する。一対の電極間に電圧が印加されることにより、これらの発光部は発光する。複数の電極対の中から電圧が印加されるべき電極対を選択することによって、発光すべき発光部を選択することができる。発光部３１Ａ～３１Ｅの各々が発する光の色は限定されない。たとえば複数の発光部３１は同色の光を発するのでもよい。あるいは、赤色光を発する発光部と、緑色光を発する発光部と、青色光を発する発光部とを組み合わせることにより、光の色を異ならせることができる発光部を実現することができる。

マイクロレンズアレイ４０は、複数の発光部３１にそれぞれ対向して配置された複数のマイクロレンズである、複数のレンズ４１を含む。複数のレンズ４１は、光出射面３５に沿ってマトリクス状に配置される。図３には、発光部３１Ａ～３１Ｅにそれぞれ対向するレンズ４１Ａ～４１Ｅが代表的に示されている。一例ではレンズ４１Ａ～４１Ｅの各々は、平凸レンズである。平凸レンズの平面は光出射面３５に向けられている。たとえば平凸レンズは半球レンズであってもよい。

各々のレンズは、対応する発光部から発せられる光の照射方向を制御するためのものである。一実施形態では、レンズ４１Ａ～４１Ｅの間では、発光部の光軸に対するレンズの光軸の相対的な位置が異なっている。発光部の光軸に対するレンズの光軸のずれの方向およびずれ量に従って、レンズから出射される光の方向が決定される。なお、この実施の形態において、発光部の光軸とは、発光領域の中心点を通り発光領域に対して垂直な軸を意味し、レンズの光軸とは、レンズの中心を通り、レンズの主面に対して垂直な軸を意味する。

発光部３１Ｃの光軸３２Ｃと、レンズ４１Ｃの光軸４２Ｃとは実質的に一致している。発光部３１Ａの光軸３２Ａに対して、レンズ４１Ａの光軸４２Ａは、紙面右方向（＋Ｘ方向）にずれている。同様に、発光部３１Ｂの光軸３２Ｂに対して、レンズ４１Ｂの光軸４２Ｂも＋Ｘ方向にずれている。発光部３１Ａおよびレンズ４１Ａの対のほうが、発光部３１Ｂおよびレンズ４１Ｂの対よりも、発光部の光軸に対するレンズの光軸のずれの大きさ（以下では「ずれ量」とも呼ぶ）が大きい。

一方、発光部３１Ｄの光軸３２Ｄに対して、レンズ４１Ｄの光軸４２Ｄは、紙面左方向（－Ｘ方向）にずれている。同様に、発光部３１Ｅの光軸３２Ｅに対して、レンズ４１Ｅの光軸４２Ｅも－Ｘ方向にずれている。発光部３１Ｅおよびレンズ４１Ｅの対のほうが、発光部３１Ｄおよびレンズ４１Ｄの対よりも、ずれ量が大きい。

図３から理解されるように、図３に示す発光部３１Ａ～発光部３１Ｅのいずれかを選択的に発光させることにより、照射立体角を異ならせることができる。照射立体角を異ならせることが可能であるので、照明装置２０の照明のパターンの制約が小さくなる。言い換えると、任意のパターンに従う照明を照明装置２０によって実現することができる。

図４に示すように、照明装置２０は、マトリクス状に配置された複数の照明要素２１を含む。すなわち照明装置２０は、複数の照明要素２１に区画される。各々の照明要素２１は、複数の発光部３１および複数のレンズ４１を含む。たとえば各々の照明要素２１は、図３に示す発光部３１Ａ～発光部３１Ｅおよびレンズ４１Ａ～４１Ｅを含むことができる。図示の都合上、図４では、各々の照明要素２１に含まれる１つの発光部３１および、対応する１つのレンズ４１が示される。

各々の照明要素２１は、発光領域と透明領域とを含む。発光領域を発光させることによって照明要素２１全体を発光させることができる。一方、各照明要素２１は、透明領域を備えることによって、透光性を有する。

照明装置２０は、複数の照明要素２１を互いに独立に点灯させることができる。複数の照明要素２１のうち、発光されるべき発光部３１を含む照明要素２１（すなわち、点灯させるべき照明要素２１）によって、照明装置２０による光の照射パターンが決定される。各照明要素２１から照射される光の波長を変えることができる照明装置２０においては、照射パターンは、複数の照明要素２１のうちの点灯させる照明要素２１と、点灯させる各照明要素２１から照射させる光の波長とによって決定されてもよい。

図５は、照明装置２０の構成要素である照明要素の構造の一例を模式的に示した平面図である。図５では、撮影部側（照明装置２０の上方）からの照明要素の平面視図が示されている。

照明要素２１は、マトリクス状に配置された複数のセル２２を含む。以下の説明では「行」はＸ方向を意味し、「列」はＹ方向を意味する。図５では、５行５列（＝５×５）に配置された２５個のセル２２からなる照明要素２１が示されている。しかし、照明要素２１を構成するセル２２の個数は特に限定されない。たとえば照明要素２１は、１１行１１列（＝１１×１１）に配置された１２１個のセル２２によって構成されてもよい。セル２２の個数が多いほど、照明要素２１の照射方向の分解能を向上させることができる一方で発光位置の分解能が低下する。照明要素２１を構成するセル２２の個数は、照射方向の分解能と発光位置の分解能とから決定することができる。

各々のセル２２は、発光部３１と、レンズ４１と、透明領域２４とを含む。発光部３１の発光面は、セル２２において発光領域を構成する。

複数の発光部３１は、第１のピッチＰ１でＸ方向およびＹ方向に配置される。複数のレンズ４１は、第２のピッチＰ２でＸ方向およびＹ方向に配置される。第２のピッチＰ２が第１のピッチＰ１よりも小さい（Ｐ２＜Ｐ１）ので、Ｘ方向（行方向）に沿って並べられた複数のセル２２について、発光部３１の光軸３２とレンズ４１の光軸４２との間のＸ方向のずれ量が、公差（Ｐ１－Ｐ２）の等差数列に従う。同様に、Ｙ方向（列方向）に沿って並べられた複数のセル２２について、発光部３１の光軸３２とレンズ４１の光軸４２との間のＹ方向のずれ量が公差（Ｐ１－Ｐ２）の等差数列に従う。

図５において、セル２２Ｃは、照明要素２１の中心に位置するセルである。セル２２Ｃは、発光部３１Ｃとレンズ４１Ｃとを含む。発光部３１Ｃの光軸３２Ｃとレンズ４１Ｃの光軸４２Ｃとは平面視において重なる。すなわち、光軸３２Ｃと光軸４２Ｃとの間では、Ｘ方向のずれ量およびＹ方向のずれ量は、ともに０である。

照明要素２１内の各セルにおいて、発光部３１の光軸３２とレンズ４１の光軸４２との間のＸ方向のずれ量およびＹ方向のずれ量は、そのセルと、中央のセル２２Ｃとの間のＸ方向の距離およびＹ方向の距離に従って決定される。これにより、セル２２ごとに光の照射方向を異ならせることができる。照明要素２１は、複数の方向からワークに光を照射することができる。さらに、複数のセルのうち、点灯させるセルを選択することによって、照明要素２１からの光の照射方向を制御することができる。

図５に示した構造では、Ｘ方向とＹ方向とで発光部３１のピッチおよびレンズ４１のピッチが同じである。しかしながら、Ｘ方向とＹ方向とで発光部３１のピッチを異ならせてもよい。同様にＸ方向とＹ方向とでレンズ４１のピッチを異ならせてもよい。

図５に示した構成によれば、照明要素２１の設計をシンプルにすることができる。しかしながら、撮影部（カメラ１０）から見たときの透過特性に関して、意図しない周期性が発生する可能性がある。このような可能性を低減するために、図５に示した構造を変形してもよい。

図６は、図５に示した構造を変形する方法の一例を説明した模式平面図である。図６に示されるように、図５に示された照明要素２１において、ある部分と別の部分とが入れ替えられる。たとえば、ある行に属する複数のセルと、別の行に属する複数のセルとが入れ替えられてもよい。あるいは、ある列に属する複数のセルと別の列に属する複数のセルとを入れ替えられてもよい。あるいは、１つのセルと他のセルとを入れ替えてもよい。行の全体を他の行全体と入れ替えてもよく、行の一部を他の行の一部と入れ替えてもよい。同様に、列の全体を他の列全体と入れ替えてもよく、列の一部を他の列の一部と入れ替えてもよい。図６では、行Ｒ１と行Ｒ４とを入れ替える例、列Ｃ３の一部と、列Ｃ５の一部とを入れ替える例、セル２２Ａとセル２２Ｂとを入れ替える例が示される。

図７は、図６に示した方法に従って構成された、照明要素の構造の変形例を模式的に示した平面図である。図７に示された構造は、図６に示された行Ｒ１と行Ｒ４とが入れ替えた構造に相当する。各列（たとえば列Ｃ３）に含まれる５つのセル２２の間では、発光部３１の光軸３２とレンズ４１の光軸４２との間のＹ方向のずれ量の変化が、公差（Ｐ１－Ｐ２）の等差数列に従わない。このように、図５の構造において成立する規則性を乱すパターンに従って複数のセル２２を配置することができる。これにより撮影部（カメラ１０）から見たときの透過特性に関して、意図しない周期性が発生する可能性を低減できる。

なお、図６に例示された入れ替えパターンは、すべての照明要素２１において一律であるものと限定されない。ある場所に位置する照明要素２１での入れ替えパターンと、その隣に位置する照明要素２１での入れ替えパターンとが異なるものであってもよい。

発光部３１の光軸３２に対するレンズ４１の光軸４２のずれ量（変位量）が大きい場合、発光部３１から出射された光の一部がレンズ４１の周囲から漏れる可能性がある。図８は、レンズ４１の周囲から漏れる光の対策のための構成を示す模式平面図である。図９は、図８に示された構成の模式断面図である。図８および図９に示されるように、レンズ４１の周辺を囲むように遮光部４４が設けられてもよい。遮光部４４は光を通さない部材、あるいは光を減衰させる部材からなる。遮光部４４によって、発光部３１からの光が意図しない方向に漏れる可能性を低減することができる。

図１０は、図８に示された構成の１つの変形例を示した模式平面図である。図１０に示された例では、図８に示された構成に比べて、遮光部４４の面積が大きい。これにより、発光部３１からの光が意図しない方向に漏れる可能性をさらに低減することができる。

図１１は、図８に示された構成の別の変形例を示した模式断面図である。図１１に示された例では、遮光部４４は、図１０に示した構成に加えて、レンズ４１の高さ（厚み）方向に沿った十分な高さでレンズ４１の周囲を囲む構成を有する。図１０に示された構成によれば、レンズ４１の周囲から漏れる光を低減する効果をさらに高めることができる。

＜Ｄ．パターン照明の一例＞
図１２は、本実施の形態に係る画像検査装置によるパターン照明の１つの応用例を模式的に示す図である。図１２に示されるように、制御装置１００は、照明装置２０からワークＷに対して、ある照射パターンの光を照射させるとともに、その照射パターンが照射された状態でカメラ１０にワークＷを撮像させて画像データを取得する。図１２には、いずれもリング状のパターンである、第１照射パターンおよび第２照射パターンが例示されている。このようなパターンは、たとえば図３に示された構成において、発光部３１Ａ，３１Ｅを点灯させることによって実現可能である。

本実施の形態によれば、たとえば複合材料からなるワーク（鏡、ガラス、樹脂、金属等）に対して、そのワークの部位ごとに最適な原理を適用して、計測および検査を実施することができる。

図１３は、光切断法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。図１４は、光切断法のための照明装置の照明パターンを説明するための図である。光切断法は、たとえば測定対象となるワークの部位が樹脂あるいは金属からなる場合に適用される。図１３および図１４に示されるように、照明装置２０は、ライン状の照射パターンの光ＬＴを所定方向からワークＷに照射して、カメラ１０は、ワークＷの表面を撮像する。当該画像に三角測量を応用することにより、高さ情報を得ることができる。

図１４および、以下に説明される図に示した照明要素２１の構成は、基本的に図５に示された構成と同じであるので、詳細な説明は繰り返さない。なお、以下に説明する図では、照明装置２０において発光している領域および、照明要素において発光している発光部をハッチングによって示す。

図１４に示されるように、照明装置２０は、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の照明要素２１を点灯させる。各照明要素２１では、特定の列（たとえば列Ｃ２）に配置された発光部３１が発光する。これにより、照明装置２０は、所望方向から、Ｙ方向に沿ったライン状の光を、ワークＷの表面の所望の場所に照射することができる。上述の説明において、Ｙ方向をＸ方向に置き換えてもよい。この場合には、照明装置２０は、Ｘ方向に沿ったライン状の光を、ワークＷの表面の所望の場所に照射することができる。

図１５は、図１４に示した照明パターンの変形例を説明するための図である。図１５に示されるように、照明装置２０は、たとえばＸ方向およびＹ方向に対して４５°の方向に沿って並ぶ複数の照明要素２１を点灯させる。各照明要素２１において、Ｘ方向およびＹ方向に対して４５°の方向に沿って並ぶ複数の発光部３１が発光する。これにより、Ｘ方向およびＹ方向に対して４５°の方向に傾いたライン状の光を、ワークＷに照射することができる。

なお、光が照射されるワーク表面上の位置、および光の照射方向を組み合わせた複数の照射パターンの光をワークＷに照射してもよい。これにより、カメラ１０の撮像において死角を減らすことができるので、検査のロバスト性を向上させることができる。すなわち検査の精度を向上させることができる。

図１６は、拡散反射面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。図１７は、図１６に示した位相シフト法（拡散反射）のための照明装置の照明パターンの例を説明するための図である。位相シフト法は、たとえば測定対象となるワークの部位が樹脂あるいは金属からなる場合に適用される。図１６に示されるように、照明装置２０は、縞状の照射パターンの光ＬＴを所定方向から照射し、カメラ１０は、ワークＷの表面を撮像する。照明装置２０は、光を照射する際に、縞状のパターンの位相を変化させるように、該当の照明要素を点灯および消灯する。

図１７に示されるように、照明装置２０は、Ｘ方向に沿って明暗が交互に生じるように、複数の列の照明要素２１を点灯させる。各照明要素２１において、特定の列（図１７の例では列Ｃ４）に配置された複数の発光部３１が発光する。これにより照明装置２０は、Ｙ方向に沿った直線状の照射パターンの光を発することができる。

図１８は、拡散反射面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明の別の例を説明するための図である。図１９は、図１８に示した位相シフト法（拡散反射）のための照明装置の照明パターンの別の例を説明するための図である。図１８および図１９に示された例では、図１６および図１７に示された照射パターンを９０°回転させる。したがって図１９に示されるように、特定の行（図１９の例では行Ｒ４）に配置された発光部３１が発光する。これにより照明装置２０は、Ｘ方向に沿った直線状の照射パターンの光を発することができる。

なお、発光の強度が正弦波に従って変化するように、発光部を制御してもよい。
図２０は、拡散反射面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明の変形例を説明するための図である。図２１は、図２０に示した位相シフト法（拡散反射）のための照明装置の照明パターンの別の例を説明するための図である。図２０および図２１に示された例では、特定の列（たとえば列Ｃ５）に配置された発光部３１が発光する。列Ｃ５は、図１７に示した列Ｃ４よりも外側（＋Ｘの方向）に位置する。したがって撮像部（カメラ１０）の光軸に対する光の出射角度が大きくなる。言い換えると、図１６および図１７に示された照射パターンよりも、照明装置２０の発光面に対する光の出射角度は小さい。

なお、光切断法と同様に、位相シフト（拡散反射）の場合にも、出射方向を複数組み合わせてもよい。カメラ１０の撮像における死角を減らすことができるので、検査のロバスト性を向上させることができる。

図２２は、光が正反射するワーク表面に対して位相シフト法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。図２３は、図２２に示した位相シフト法（正反射）のための照明装置の照明パターンの例を説明するための図である。たとえばワークＷの表面が鏡面あるいはガラス面である場合に、正反射を利用した位相シフト法が適用される。図２２および図２３に示すように、照明装置２０は、縞状の照射パターンの光を所定方向から照射し、カメラ１０は、ワークＷの表面を撮像する。図２３に示された例では、各照明要素２１において、すべての発光部３１が発光する。これにより、複数の方向（全ての方向とみなしてもよい）からワークの表面に光を照射することができる。

各照明要素２１において、光の出射方向または発光領域を制限してもよい。この場合にはワークＷの表面で拡散反射する成分を減少させることができるので、カメラ１０の撮像においてＳ／Ｎ比を向上させることができる。図２４は、光の出射方向または発光領域を制限する照明パターンの例を説明するための図である。図２４に示されるように、２５個の発光部のうち、紙面左上に特定された領域２３に属する１２個（＝４×３）の発光部３１のみが発光するのでもよい。

図２５は、照度差ステレオ法を実施する際のパターン照明を説明するための図である。照度差ステレオ法では、照明方向を切り替えて撮像した複数の画像から、ワークＷの表面の法線を推定する。たとえば照明装置２０は、ワークＷの表面に対して左斜め上からワークＷに光ＬＴを照射する。図２６は、図２５に示した光照射のための照明パターンの例を説明するための図である。図２６に示すように、照明装置２０のすべての照明要素２１を発光させる。各照明要素２１において、中央のセル２２Ｃに対して左隣（－Ｘ方向に１つ隣のセル）のセル２２Ｌの発光部３１が発光する。他の照明要素２１において発光するセルについても同じである。したがってワークＷの表面に対して左斜め上から光ＬＴが照射される。

図２７は、照度差ステレオ法を実施する際の他のパターン照明を説明するための図である。上述したように、照度差ステレオ法では、照明方向を切り替えて撮像する。図２７に示した例では、照明装置２０は、ワークＷの表面に対して右斜め上からワークＷに光ＬＴを照射する。

図２８は、図２７に示した光照射のための照明パターンの例を説明するための図である。図２８に示すように、照明装置２０のすべての照明要素２１を発光させる。各照明要素２１において、中央のセル２２Ｃに対して右隣（＋Ｘ方向に１つ隣のセル）のセル２２Ｒの発光部３１が発光する。他の照明要素２１において発光するセルについても同じである。したがって、ワークＷの表面に対して右斜め上から光ＬＴが照射される。

なお、図２５あるいは図２７に示した光照射の方向に対して９０°回転させた方向からワークＷを照射する場合についても上記と同様である。各照明要素２１において、中央のセル２２Ｃに対して上側（＋Ｙ方向に１つ隣のセル）のセルの発光部３１が発光する。あるいは、１２２Ｃに対して下側（－Ｙ方向に１つ隣のセル）のセルの発光部３１が発光する。

上記方法によれば、理想的な平行光をワークＷに照射することが可能となる。これによりワークＷの表面の法線の推定の精度を高めることができる。したがってワークＷの表面形状の測定精度を高めることができる。

＜Ｅ．照明装置の構成の変形例＞
図２９は、変形例１に係る照明装置１２０の一部断面を示す模式図である。図３に示す照明装置２０と比較して、照明装置１２０は、マイクロレンズアレイ４０に替えてマイクロレンズアレイ１４０を備える。マイクロレンズアレイ１４０は、複数の発光部３１にそれぞれ対向して配置された複数のマイクロレンズである、複数のレンズ１４１を含む。図２９には、発光部３１Ａ～３１Ｅにそれぞれ対向するレンズ１４１Ａ～１４１Ｅが代表的に示されている。

レンズ１４１Ａ～１４１Ｅの各々は、ロッドレンズである。レンズ１４１Ａ～１４１Ｅの間では、発光部３１の光軸（光軸３２Ａ～３２Ｅ）に対するレンズの光軸（光軸１４２Ａ～１４２Ｅ）の角度が異なっている。ロッドレンズの入射面に対する光の入射角度を異ならせることによって、ロッドレンズの出射面から出射される光の出射角度（レンズの光軸に対する角度）を異ならせることができる。したがって、照明装置１２０では、発光部ごとに光の出射方向を異ならせることができる。ロッドレンズを利用することにより、ワークＷの形状の検査を実施可能な、ワークＷと照明装置１２０との間の距離を大きくすることができる。

図３０は、変形例２に係る照明装置２２０の一部断面を示す模式図である。図３に示す照明装置２０と比較して、照明装置２２０は、マイクロレンズアレイ４０に替えてマイクロレンズアレイ２４０を備える。マイクロレンズアレイ２４０は、複数の発光部３１にそれぞれ対向して配置された複数のマイクロレンズである、複数のレンズ２４１を含む。図３０には、発光部３１Ａ～３１Ｅにそれぞれ対向するレンズ２４１Ａ～２４１Ｅが代表的に示されている。

レンズ２４１Ａ～２４１Ｅの各々は、凹レンズである。図２９に示された変形例と同様に、レンズ２４１Ａ～２４１Ｅの間では、発光部３１の光軸に対するレンズの光軸の角度が異なっている。発光部の光軸（光軸３２Ａ～３２Ｅ）に対するレンズの光軸（光軸２４２Ａ～２４２Ｅ）の角度を異ならせることによって、凹レンズから出射される光の出射角度（レンズの光軸に対する角度）を異ならせることができる。

図３１は、変形例３に係る照明装置３２０の一部断面を示す模式図である。図３に示す照明装置２０と比較して、照明装置３２０は、マイクロレンズアレイ４０に替えてマイクロレンズアレイ３４０を備える。マイクロレンズアレイ３４０は、複数の発光部３１にそれぞれ対向して配置された複数のマイクロレンズである、複数のレンズ３４１を含む。図３０には、発光部３１Ａ～３１Ｅにそれぞれ対向するレンズ３４１Ａ～３４１Ｅが代表的に示されている。

変形例３では、図３の構成におけるレンズ４１Ａ～４１Ｅが、レンズ３４１Ａ～３４１Ｅに置き換えられ、光軸４２Ａ～４２Ｅが、光軸３４２Ａ～３４２Ｅに置き換えられている。レンズ３４１Ａ～３４１Ｅの各々は凸レンズである。ただし、レンズ３４１Ａ～３４１Ｅの各々の形状は、レンズ４１Ａ～４１Ｅの形状とは異なる。図３に示された例と同じく、発光部の光軸（光軸３２Ａ～３２Ｅ）に対するレンズの光軸（光軸３４２Ａ～３４２Ｅ）の相対的な位置を異ならせることにより、発光部から発せられる光の照射方向をレンズによって制御することができる。

なお図２９および図３０に示された照明装置において、照明要素はマトリクス状に配置された複数のセル２２を含む（図５を参照）。複数のセル２２の間では、そのセルの位置に応じて、発光部の光軸に対するレンズの光軸の傾きの角度を異ならせることができる。さらに、Ｘ軸に対するレンズの光軸の角度および、Ｙ軸に対するレンズの光軸の角度がセルごとに異なり得る。

また、図２９～図３１に示されたマイクロレンズアレイ１４０，２４０，３４０において、レンズの周囲に遮光部４４（図８～図１１を参照）を配置してもよい。

図３２は、変形例４に係る照明装置４２０の構成要素である照明要素の構造の一例を模式的に示した平面図である。図３２に示されるように、複数の発光部３１と複数のレンズ４４１（マイクロレンズ）とは、互いに同じ間隔でＸ方向およびＹ方向に配置される。したがって、発光部の光軸の位置とレンズの光軸の位置との間の関係は、複数のセル２２の間で互いに等しい。

図３３は、変形例４に係る照明装置４２０の一部断面を示す模式図である。図３３では、発光部３１Ａの光軸３２Ａと、レンズ４４１Ａの光軸４４２Ａとの間の関係を代表的に示す。図３３に示された例では、発光部の光軸とレンズの光軸とが一致する。しかし変形例４は、マイクロレンズの光軸が発光部の光軸に一致するように限定するものではない。変形例４では、発光部の光軸の位置とレンズの光軸の位置との間の関係が、複数のセル２２の間で互いに等しければよい。

照明装置４２０は、遮光部４５をさらに含む。遮光部４５は、複数のレンズ４４１のうち少なくとも一部のマイクロレンズと、その少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部との間に配置される。遮光部４５は光を通さない部材、あるいは光を減衰させる部材からなる。遮光部４５には、ピンホール４６が開けられている。したがって、発光部３１から発せられた光は、ピンホール４６を通り、レンズ４４１に入射する。

複数のピンホール４６は、複数のレンズ４４１のピッチとは異なるピッチで配置される。これにより、レンズ４４１の光軸に対する遮光部４５のピンホール４６の相対的な位置が変化する。したがって少なくとも一部のレンズ４４１において、レンズ４４１の光軸に対する遮光部４５のピンホール４６の位置がずれる。しかし、すべてのピンホール４６が、対応するレンズ４４１の光軸に対してずれている必要はない。

変形例４によれば、実施の形態およびその変形例１～３と同様の効果を得ることができる。ピンホール４６を通過した光の進行方向をマイクロレンズによって制御することができる。これにより、ピンホール４６を通過した光のレンズへの入射方向をセルごとに異ならせることができる。したがって、照明要素２１は、複数の方向からワークに光を照射することができる。さらに、複数のセルのうち、点灯させるセルを選択することによって、照明要素２１からの光の照射方向を制御することができる。

遮光部４５は、たとえばフィルムにより実現可能である。別の例として、遮光部４５は、たとえば必要部分のみ光を透過させる、あるいは、遮光するように形成された一枚板により実現されてもよい。

レンズ４４１の種類は特に限定されない。したがって、レンズ４１を照明装置４２０に適用してもよく、図２９から図３１の各々に示されたマイクロレンズを照明装置４２０に適用してもよい。

照明装置４２０の構成は図３２および図３３に示されるように限定されない。図３４に示されるように、照明装置４２０は、発光部３１（３１Ａ～３１Ｅ）と遮光部４５との間に配置された光拡散部４７をさらに有することができる。光拡散部４７は、発光部の輝度を均一にするために発光部からの光を拡散させる。発光部と発光部のすき間は光を拡散させずに透過させる必要がある。したがって、光拡散部４７は、発光部の前のみに配置される。これによりカメラ１０がワークＷを撮像することができる。

＜Ｆ．付記＞
以上のように、本実施の形態は以下のような開示を含む。

（構成１）
撮影画像を用いて対象物（Ｗ）を検査する画像検査装置（１）であって、
前記対象物（Ｗ）を撮影する撮影部（１０）と、
前記対象物（Ｗ）と前記撮影部（１０）との間に配置され、前記対象物（Ｗ）に向かう方向に光を照射するように構成されるとともに透光性を有する照明部（２０，１２０，２２０，３２０）とを備え、
前記照明部（２０，１２０，２２０，３２０）は、
マトリクス状に配列され、選択的に発光可能に構成された複数の発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）と、
前記複数の発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）の各々から発せられる前記光の照射方向を、各前記複数の発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）の位置に対応した方向に制御するように構成された光学系（４０，１４０，２４０，３４０）とを含む、画像検査装置。

（構成２）
前記光学系（４０，１４０，２４０，３４０）は、
前記複数の発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）にそれぞれ対向して設けられた複数のマイクロレンズ（４１，４１Ａ－４１Ｅ，１４１Ａ－１４１Ｅ，２４１Ａ－２４１Ｅ，３４１Ａ－３４１Ｅ）を含む、構成１に記載の画像検査装置（１）。

（構成３）
前記複数のマイクロレンズ（４１，４１Ａ－４１Ｅ，３４１Ａ－３４１Ｅ）のうちの少なくとも一部のマイクロレンズの光軸（４２，４２Ａ－４２Ｅ，３４２Ａ－３４２Ｅ）が、前記少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）の光軸（３２，３２Ａ－３２Ｅ）とずれるように、前記複数のマイクロレンズ（４１，４１Ａ－４１Ｅ，３４１Ａ－３４１Ｅ）が配置されている、構成２に記載の画像検査装置（１）。

（構成４）
前記照明部（２０，１２０，２２０，３２０）は、複数の照明要素（２１）に区画され、
前記複数の照明要素（２１）のうちの少なくとも１つの照明要素において、前記少なくとも一部のマイクロレンズ（４１，４１Ａ－４１Ｅ，３４１Ａ－３４１Ｅ）が、前記発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）のピッチ（Ｐ１）よりも小さいピッチ（Ｐ２）で配置されている、構成３に記載の画像検査装置（１）。

（構成５）
前記少なくとも一部のマイクロレンズ（４１，４１Ａ－４１Ｅ，３４１Ａ－３４１Ｅ）は、規則性を乱すように配置される、構成４に記載の画像検査装置（１）。

（構成６）
前記複数のマイクロレンズ（１４１Ａ－１４１Ｅ，２４１Ａ－２４１Ｅ）のうちの少なくとも一部のマイクロレンズの光軸（１４２Ａ－１４２Ｅ，２４２Ａ－２４２Ｅ）が、前記少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部（３２，３２Ａ－３２Ｅ）の光軸に対して傾けられるように、前記複数のマイクロレンズ（１４１Ａ－１４１Ｅ，２４１Ａ－２４１Ｅ）が配置されている、構成２に記載の画像検査装置（１）。

（構成７）
前記照明部（２０，１２０，２２０，３２０）は、
前記複数の発光部（３１，３１Ａ－３１Ｅ）から出射される光のうち前記複数のマイクロレンズ（４１，４１Ａ－４１Ｅ，１４１Ａ－１４１Ｅ，２４１Ａ－２４１Ｅ，３４１Ａ－３４１Ｅ）のそれぞれの周囲から漏れる光を遮るように構成された遮光部（４４）をさらに含む、構成２から構成６のいずれか１項に記載の画像検査装置（１）。

（構成８）
前記照明部は、
前記複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズと、前記少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部との間に配置された遮光部（４５）をさらに含み、
前記遮光部（４５）は、前記少なくとも一部のマイクロレンズの光軸に対してずれた位置に形成されたピンホール（４６）を有する、構成２に記載の画像検査装置（１）。

（構成９）
前記照明部は、
前記複数の発光部からの光を拡散させる光拡散部（４７）をさらに備える、構成８に記載の画像検査装置（１）。

（構成１０）
構成１から構成９のいずれか１項に記載の前記照明部を含む、照明装置（２０，１２０，２２０，３２０）。

今回開示された各実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、実施の形態および各変形例において説明された発明は、可能な限り、単独でも、組み合わせても、実施することが意図される。

１ 画像検査装置、１０ カメラ、２０，１２０，２２０，３２０ 照明装置、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５ 列、２１ 照明要素、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｌ，２２Ｒ セル、２３ 領域、２４ 透明領域、３０ 面光源、３１，３１Ａ－３１Ｅ 発光部、３２，３２Ａ－３２Ｅ 光軸（発光部）、３５ 光出射面、４０，１４０，２４０，３４０ マイクロレンズアレイ、４１，４１Ａ－４１Ｅ，１４１，１４１Ａ－１４１Ｅ，２４１，２４１Ａ－２４１Ｅ，３４１，３４１Ａ－３４１Ｅ，４４１，４４１Ａ－４４１Ｅ レンズ、４２，４２Ａ－４２Ｅ，１４２Ａ－１４２Ｅ，２４２Ａ－２４２Ｅ，３４２Ａ－３４２Ｅ 光軸（レンズ）、４４，４５ 遮光部、４６ ピンホール、４７ 光拡散部、１００ 制御装置、３００ ステージ、ＬＴ 光、Ｐ１ 第１のピッチ、Ｐ２ 第２のピッチ、Ｒ１，Ｒ４ 行、Ｗ ワーク。

Claims (10)

1. 撮影画像を用いて対象物を検査する画像検査装置であって、
   前記対象物を撮影する撮影部と、
   前記対象物と前記撮影部との間に配置され、前記対象物に向かう方向に光を照射するように構成されるとともに透光性を有する照明部とを備え、
   前記照明部は、
   マトリクス状に配列され、選択的に発光可能に構成された複数の発光部と、
   前記複数の発光部の各々から発せられる前記光を、各前記複数の発光部の位置ごとに予め定められた方向に導くように構成された光学系とを含む、画像検査装置。
2. 前記光学系は、
   前記複数の発光部にそれぞれ対向して設けられた複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイである、請求項１に記載の画像検査装置。
3. 前記複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズの光軸が、前記少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部の光軸とずれるように、前記複数のマイクロレンズが配置されている、請求項２に記載の画像検査装置。
4. 前記照明部は、複数の照明要素に区画され、
   前記複数の照明要素のうちの少なくとも１つの照明要素において、前記少なくとも一部のマイクロレンズが、前記発光部のピッチよりも小さいピッチで配置されている、請求項３に記載の画像検査装置。
5. 前記少なくとも一部のマイクロレンズは、規則性を乱すように配置される、請求項４に記載の画像検査装置。
6. 前記複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズの光軸が、前記少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部の光軸に対して傾けられるように、前記複数のマイクロレンズが配置されている、請求項２に記載の画像検査装置。
7. 前記照明部は、
   前記複数の発光部から出射される光のうち前記複数のマイクロレンズのそれぞれの周囲から漏れる光を遮るように構成された遮光部をさらに含む、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の画像検査装置。
8. 前記照明部は、
   前記複数のマイクロレンズのうちの少なくとも一部のマイクロレンズと、前記少なくとも一部のマイクロレンズに対向する発光部との間に配置された遮光部をさらに含み、
   前記遮光部は、前記少なくとも一部のマイクロレンズの光軸に対してずれた位置に形成されたピンホールを有する、請求項２に記載の画像検査装置。
9. 前記照明部は、
   前記複数の発光部からの光を拡散させる光拡散部をさらに備える、請求項８に記載の画像検査装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記照明部を含む、照明装置。

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