JP7224937B2 - 光学検査装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、検査対象の表面を光学的に検査可能な光学検査装置に関する。

光学検査装置では、検査対象の表面形状を画像認識するために、正反射光成分を主とする明視野光学系を用いるものがある。しかしながら、明視野光学系で用いられる正反射光成分は、照度むらを生じやすい。

特開２００８－２０９７２６号公報 特開２００２－３２８０９４号公報 特開２０１０－２５１１６８号公報 特開２０１８－８８６１３号公報 特開２０１８－４８８９５号公報

照度むらは、画像識別の際にノイズとなる。このため、結果的に画像認識を用いた検査対象の表面形状の識別がうまくいかないといった課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、高精度な検査を可能にしつつ、光源の数を低減した光学検査装置を提供することである。

実施形態の光学検査装置は、検査対象と対向する撮像光学系と、前記撮像光学系の光軸に沿って延びるとともに、第１端面及び前記第１端面に対向する第２端面に複数の角部を有する多角形の筒状をなした導光体と、前記導光体の前記第１端面の前記複数の角部に対応する位置で前記第１端面に対向するようにＬＥＤを配置し、前記ＬＥＤはそれぞれがレンズレスのＬＥＤチップで構成された複数の光源と、前記複数の光源が実装された基板とを備える。実施形態の光学検査装置は、ミラー面を備える。ミラー面は、前記第２端面に前記光軸に対して斜めに設けられ、前記光源から前記導光体内に入射された光を前記検査対象に向けて反射可能である。前記導光体は、前記撮像光学系の前記光軸に近い側の内周面と、前記撮像光学系の前記光軸から前記内周面に対して遠い側の外周面とを有する。導光体の内周面は、前記第１端面から前記導光体内に入射された光を内部全反射させる、平坦な全反射面と、前記全反射面よりも前記第１端面に対して離間し、前記全反射面に連続し、前記ミラー面に対向し、前記ミラー面で反射させた光を前記検査対象に向けて屈折・透過させる平坦な透過面とを有する。導光体の外周面は、前記光源から前記導光体内に入射された光を内部全反射させる、平坦な第２の全反射面を有する。光学検査装置は、前記透過面から外れた位置で前記導光体の前記内周面の前記全反射面を覆うとともに、前記基板に当接する遮光板を備える。前記導光体の中心軸は、前記撮像光学系の光軸と一致する。

図１は、第１実施形態の光学検査装置の一部を示した斜視図である。 図２は、図１に示す光学検査装置をＦ２－Ｆ２線の位置（光軸１４を含む面）で切断して示した断面図である。 図３は、図２に示す光学検査装置の導光体の内面（透過面）、ミラー面（面取り面）、検査対象側の端部、および稜線の関係を拡大して示す斜視図である。 図４は、図１に示す光学検査装置において、ミラー面（面取り面）と光軸（内面）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果に基づき、方位角３０°の位置における配光分布（入射角分布）を示した図である。 図５は、第２実施形態の光学検査装置の一部を示した斜視図である。 図６は、図５に示す光学検査装置において、ミラー面（面取り面）と光軸（内面）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果に基づき、方位角０°の位置における配光分布（入射角分布）を示した図である。 図７は、第３実施形態の光学検査装置の一部を示した斜視図である。 図８は、図７に示す光学検査装置において、ミラー面（面取り面）と光軸（内面）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果に基づき、方位角３０°の位置における配光分布（入射角分布）を示した図である。 図９は、第４実施形態の光学検査装置の一部を示した斜視図である。 図１０は、図９に示す光学検査装置において、ミラー面（面取り面）と光軸（内面）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果に基づき、方位角０°の位置における配光分布（入射角分布）を示した図である。 図１１は、比較例の光学検査装置の一部を示した斜視図である。 図１２は、図１１に示す光学検査装置において、ミラー面（面取り面）と光軸（内面）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果に基づき、方位角０°の位置における配光分布（入射角分布）を示した図である。 図１３は、図１１に示す光学検査装置において、ミラー面（面取り面）と光軸（内面）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果に基づき、方位角３０°の位置における配光分布（入射角分布）を示した図である。

以下に、実施形態にかかる光学検査装置について図面を参照しつつ説明する。光学検査装置は、検査対象の表面の形状などを詳細に検査することができる。以下の実施形態の光学検査装置で対象とする検査の例としては、例えば、交換価値を有する物品（金属体、紙片）の真贋の検査や表面形状の検査、工場の製造ラインにおける製品の不具合（例えば、ひび割れ等）の有無等の検査が挙げられるが、光学検査装置は、それ以外の検査にも用いることができる。

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜に省略する。
［第１実施形態］

図１に本実施形態の光学検査装置１１の斜視図を示し、図２に図１の光学検査装置１１の光軸１４を含む面（Ｆ２－Ｆ２線の位置）で光学検査装置１１を切断した断面図を示す。図１、図２に示すように、光学検査装置１１は、検査対象２３と対向する撮像光学系１２と、撮像光学系１２の周囲に設けられた複数の光源１３と、撮像光学系１２の光軸１４に沿って設けられた多角形筒状の導光体１５と、複数の光源１３が実装された基板１６と、基板１６に取り付けられたヒートシンク１７と、導光体１５の周囲を覆うカバー１８と、検査対象２３が送られる搬送路１９と、導光体１５の内面３１を覆う遮光板２０と、を備える。

カバー１８は、例えば、光学検査装置１１の図示しない門型の機台ないしフレームに固定されており、搬送路１９に対して上方から吊り下げられている。このカバー１８に対して、撮像光学系１２、導光体１５、基板１６、ヒートシンク１７、および遮光板２０が固定されている。搬送路１９は例えば、図１中で矢印で示される方向に送られるベルトコンベア等で構成され、この搬送路１９上を検査対象２３が所定の速度で送られる。したがって、搬送路１９と、導光体１５（カバー１８）と、の間には、所定の寸法の隙間が設けられる。なお、ベルトコンベアが送られる方向は図１に示される方向に限られるものではない。すなわち、導光体１５は、後述するように断面長方形の枠形状をなしており、図１では、該長方形の導光体１５の長辺を構成する面と直交する方向にベルトコンベアが送られるようになっている。しかしながら、ベルトコンベアは、導光体１５の長辺を構成する面と平行な方向に送られても当然によい。

本実施形態において、複数の光源１３は、例えば、導光体１５の４個の角部１５Ｂに対応して４個で構成されるが、光源１３の数としては４個に限定されるものではない。光源１３の数は、導光体１５の角部１５Ｂに対応して、導光体１５の角部１５Ｂと同数に構成されることが好ましく、導光体１５の角部１５Ｂの数に応じて適宜に増減することができる。光源１３のそれぞれは、例えばＬＥＤ(light emitting diode)チップそのもので構成され、ＬＥＤチップの周囲を取り囲む樹脂製のレンズ部分を含まない。

複数の光源１３は、互いに間隔を空けて設けられている。複数の光源１３は、撮像光学系１２の周囲に配置されている。複数の光源１３は、導光体１５の角部１５Ｂに対応する位置で、導光体１５の端面３３に対向している。複数の光源１３は、略均等な間隔を空けて配置されており、光軸１４を基準に回転対象の位置に配置されている。より具体的には、複数の光源１３は、４回回転対象の位置に配置される。ここで、回転対称とは、対象物を回転対称軸に対して回転させたとき、回転角が３６０°未満でもとの対象物に一致することを意味する。

複数の光源１３は、例えば、白色のＬＥＤのチップで構成される。光源１３が射出する光は、可視光に限らず、赤外光や紫外光であってもよい。複数の光源１３が射出する光は、白色以外の可視光であってもよし、あるいは、複数の光源１３同士が互いに異なる色の可視光を射出するようにしてもよい。図２に示すように、複数の光源１３は、撮像光学系１２の周囲に設けられる。

撮像光学系１２は、一般的なデジタルカメラ等で構成されてもよい。図２に示すように、撮像光学系１２は、瞳面を構成するレンズ２１と、撮像素子２２（ＣＣＤやＣＭＯＳ）と、を有する。撮像光学系１２は、検査対象２３の静止画を取得することができるが、検査対象２３の動画を取得できるようにしてもよい。光軸１４（主光軸）は、レンズ２１と撮像素子２２によって規定される。撮像光学系１２は、その外側のレンズケース１２Ａがヒートシンク１７と接するように設けられてもよい。これによって、撮像光学系１２の熱をヒートシンク１７側に逃がすことができる。

図２に示すように、ヒートシンク１７は、熱伝導性の良好な金属である銅やアルミニウム合金等で形成されている。ヒートシンク１７は、複数の放熱用のフィン１７Ａを有する。ヒートシンク１７は、例えば、基板１６上の導電性金属（例えば、銅）の構造（パッド、スルーホール）等を介して、複数の光源１３と熱的に接続されていてもよいし、或いは直接的に複数の光源１３と接触するようにこれらと熱的に接続されていてもよい。ヒートシンク１７は、例えば、開口部１７Ｂを有していてもよく、開口部１７Ｂの内側に撮像光学系１２が通されていてもよい。ヒートシンク１７は、カバー１８の外側に設けられていてもよいし、カバー１８と一体に設けられていてもよい。

基板１６は、一般的なプリント回路板で構成される。基板１６には、制御回路２４と、画像処理用回路２５（画像処理チップ）と、複数の光源１３と、画像記録用の記憶装置２６と、が実装されている。図２に示すように、基板１６および撮像光学系１２は、電源２７から電力供給を受ける。制御回路２４は、複数の光源１３と電気的に接続されており、複数の光源１３に含まれる光源１３の１つ１つを個別に点灯・消灯することができる。制御回路２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で実現されてもよいし、ＣＰＵの代わりに、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成されてもよい。あるいは、制御回路２４をワンチップマイコン等で実現してもよい。

図２に示すように、基板１６は、貫通孔部１６Ａを有する。撮像光学系１２は、貫通孔部１６Ａ内に通されており、カバー１８に固定されている。したがって、本実施形態では、１以上の光源１３、基板１６、撮像光学系１２、およびヒートシンク１７がカバー１８に固定されて一体化されている。したがって、光学検査装置１１を分解してメンテナンスする場合等に、基板１６、１以上の光源１３、撮像光学系１２、およびヒートシンク１７の取り扱いが容易である。

撮像光学系１２は、制御回路２４および画像処理用回路２５と電気的に接続されている。制御回路２４は、撮像光学系１２で取得した像を、画像処理用回路２５で画像処理させ、図示しないディスプレイ等の表示部に表示させることができる。また、制御回路２４は、画像処理用回路２５で画像処理された画像を、必要に応じて記憶装置２６で記憶させることもできる。或いは、制御回路２４は、通信ケーブルや無線ＬＡＮ等を通じて他のパソコン等に画像情報を送信してもよい。記憶装置２６は、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の半導体メモリ系の記憶装置で構成されるが、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の他の記憶装置であっても当然によい。

カバー１８は、導光体１５の周囲（上面側、側面側）を取り囲み、且つ、下側（搬送路１９側）に開放部を有する四角形の箱状をなしている。カバー１８は、例えば、金属板等を箱状に折り曲げて一体的に形成される。カバー１８は、内側にある導光体１５等を覆ってこれらを保護するとともに、外部からの光が導光体内に入らないように、遮光性を発揮することができる。

導光体１５は、透光性の材料によって、ダクト状、すなわち断面四角形（長方形）の筒形に構成されている。導光体１５は、光軸１４上の遠位点から見たときに、長方形の枠形状に見えるが、いわゆる正方形の枠形状に構成されていてもよい。導光体１５は、複数（４個）の角部１５Ｂを有する。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。したがって、導光体１５の内面３１が撮像光学系１２の視野範囲２８に入らないようになっている。このため、本実施形態では、撮像光学系１２の視野角が広く確保される。撮像光学系１２の光軸１４は、導光体１５の内側の中空領域１５Ａ内を通っている。また、本実施形態では、導光体１５を方形筒状とすることによって、導光体１５の高さを自由に変更可能となっている。
導光体１５の形状としては、長方形、正方形に限定されるものでなく、平行四辺形、その他、互いに辺の長さが異なる四角形であってもよい。

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料（光学材料）を好適に用いることができるが、導光体１５の材料はこれに限られるものではない。導光体１５の材料としては、ポリカーボネート、ガラスなどの光学材料であってもよい。導光体１５は、射出成形や機械加工（ＮＣ工作機械等による切削加工）によって形成できる。あるいは、射出成形で筒状に成形した導光体１５の端部に機械加工を施してミラー面３７を形成してもよい。

図１、図２に示すように、導光体１５は、内面３１（内周面）と、外面３２（外周面）と、撮像光学系１２側の端面３３（入射面）と、内面３１に設けられた平坦な全反射面３５と、内面３１に設けられた平坦な透過面３６と、端面３３と対向する面取り面４６（第２端面）と、を有する。内面３１は主光軸１４に近い側の面であり、外面３２は主光軸１４から遠い側の面である。本実施形態では、導光体１５の内面３１と外面３２との間の厚み寸法Ｗは、全反射面３５および次に述べる第２全反射面４７との間では、一定に維持されている。透過面３６は、導光体１５の内面３１でミラー面３７と対向する位置に設けられる。

内面３１の全反射面３５および透過面３６は、透明である。全反射面３５は、透過面３６よりも光源１３に近い位置に設けられる。内面３１の全反射面３５および透過面３６には、表面処理、例えばバフ研磨等がなされて平滑化されている。全反射面３５は、端面３３から導光体１５内に入射された光を内部全反射させることができる。透過面３６は、ミラー面３７で反射された光を検査対象２３に向けて透過させる。その際、透過面３６は、透過面３６を透過する光を屈折させる。本実施形態では、全反射面３５と透過面３６との間に明確な境界は存在せず、両者は連続的である。

外面３２は、光源１３側（撮像光学系１２側）に設けられた平坦な第２全反射面４７と、検査対象２３側に設けられたミラー面３７と、を有する。第２全反射面４７は、透明である。第２全反射面４７は、複数の光源１３から導光体１５内に入射された光を内部全反射させることができる。外面３２の第２全反射面４７およびミラー面３７には、表面処理、例えばバフ研磨等がなされて平滑化されている。

ミラー面３７は、導光体１５の検査対象２３側の端部外側に設けられた面取り面４６に設けられている。すなわち、ミラー面３７は、図３に示すように、導光体１５の検査対象２３側の端部４９と、導光体１５の外面３２と、が交差する位置にある稜線４８を除去するように面取りして形成した面取り面４６で構成される。この面取り面４６は、撮像光学系１２側の端面３３に対向する第２端面とも言い換えられる。

ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（或いは内面３１又は透過面３６）とがなす角度φは、例えば、３０～７０°であり、好ましくは３５～６５°であり、より好ましくは４０～６０°である。これらの形状は、導光体１５の先端部に３０～７０°、好ましくは３５～６５°、より好ましくは４０～６０°のテーパーを設けたとも言い換えられる。

ミラー面３７は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射できる。ミラー面３７には、外面３２の面取り面４６にアルミニウム等を蒸着させることによって、ミラー面処理がされている。ただし、ミラー面３７の形成方法としては、この限りではなく、例えば、ミラー面３７を備えた別部材を外面３２に密着させ、外面３２の面取り面４６で反射を起こさせる構造としてもよい。

本実施形態において、ミラー面３７は、端面３３から遠ざかるにつれて、内面３１に近づくように斜めである。したがって、ミラー面３７が設けられる位置において、導光体１５の内面３１と外面３２との間の厚み寸法は、撮像光学系１２（端面３３）から遠ざかるにつれて小さくなっている。

導光体１５からの光が照射される照射野（搬送路１９、検査対象２３）は、導光体１５の先端であるミラー面３７と内面３１との境界部（エッジ部５１）から、例えば、５ｍｍの位置に設置されるが、これに限定されるものではない。

遮光板２０は、導光体１５の内面３１の全反射面３５に密着するように設けられている。すなわち、遮光板２０は、透過面３６から外れた位置で導光体１５の内面３１を覆っている。したがって、遮光板２０は、導光体１５の４個の内面３１を部分的に覆うように方形筒状に設けられている。遮光板２０の上端部は、基板１６に当接しており、基板１６と遮光板２０との間の隙間から、中空領域１５Ａ内に光源１３からの光が直接的に漏れ出さないようにしている。遮光板２０は、例えば導光体１５の全反射面３５に接着されており、導光体１５を介してカバー１８に固定されている。導光体１５の固定方法としてはこれに限られるものではない。遮光板２０は、基板１６に対して固定されていてもよい。

遮光板２０は、例えば、黒色の紙製のシートで構成されているが、遮光板２０の構成としてはこれに限られるものではない。遮光板２０は、遮光性を発揮することができれば、どのような材質、色であってもよい。したがって、遮光板２０は、プラスチック板によって形成されていてもよいし、遮光性を担保できれば黒以外の任意の色であってもよい。

次に、図１、図２等を参照して、本実施形態の光学検査装置１１の作用について説明する。

複数の光源１３から端面３３を経由して導光体１５に入射された光は、導光体１５によって中心軸（撮像光学系１２の光軸１４）周りに拡散される。当該光は、全反射面３５で内部全反射されるとともに、第２全反射面４７においても内部全反射される。これらの面で内部全反射される回数は、複数回であってもよい。全反射面３５で内部全反射された光は、ミラー面３７に到達し、ミラー面３７で検査対象２３側に反射される。ミラー面３７で反射された光は、透過面３６で屈折・透過されて、検査対象２３に対して斜めに入射される。検査対象２３の表面に入射される光の入射角θは、例えば、５０～８９°（－５０～－８９°）、好ましくは５５～８５°（－５５～－８５°）、より好ましくは６０～８０°（－６０～－８０°）である。

図４に光線追跡シミュレーションを用いて計算した配光分布（検査対象２３表面での入射角分布）を示す。図４に示すシミュレーション結果によれば、検査対象２３の表面に入射される光の入射角θは、実際に６０～８０°（－６０～－８０°）の範囲内に分布することが確認された。この傾向は、検査対象２３を中心とするどの方位角から見た場合でも大きく変化することはなかった。配光分布（入射角分布）のシミュレーション結果は、光軸１４から見て、０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°の方位角の位置で得た。なお、図４は、ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（内面３１）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、３０°の方位角の位置での配光分布（入射角分布）のシミュレーション結果に対応する。

このシミュレーション結果によれば、入射角の角度幅は約２０°となった。したがって、本実施形態では、十分な狭配光が実現されたことが理解できる。これによって、ノイズとなる正反射成分の光を生じてしまうことが極力防止される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。その際、検査対象２３の表面での光の入射角が６０～８０°（－６０～－８０°）の範囲内となり、狭配光かつ斜入射の光を検査対象２３に照射できる。このため、ノイズとなる正反射成分を極力少なくして、検査光として有用な斜入射光を多く取り出すことができる。これによって、検査対象２３の表面形状のエッジの高精度の検査が実現される。また、最小限の数の光源１３によって、十分な強度の光を得ることもできる。

本実施形態では、光源１３、撮像光学系１２、および基板１６を集中的に配置することで発熱源を一か所に集めることができる。これによってヒートシンク１７等を用いてこれらを冷却することが容易となる。また、検査対象から遠い位置に発熱源を集約して配置できるために、検査対象に熱による悪影響を及ぼすことが防止される。

本実施形態の光学検査装置１１は、例えば、検査対象２３として交換価値を有する物品の検査に好適に用いることができる。光学検査装置１１は、交換価値を有する物品の凹凸形状等を好適に検査して、交換価値を有する物品の真贋の検査、物品の表面形状の検査等に用いることができる。

第１実施形態によれば、以下のことがいえる。

光学検査装置１１は、検査対象２３と対向する撮像光学系１２と、撮像光学系１２の光軸１４に沿って延びるとともに、複数の角部１５Ｂを有する多角形の筒状をなした導光体１５と、複数の角部１５Ｂに対応する位置で導光体１５の端面３３に対向した複数の光源１３と、導光体１５の端面３３に対向する第２端面４６に光軸１３に対して斜めに設けられ、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射可能なミラー面３７と、を備える。

この構成によれば、角部１５Ｂに対応する位置に光源１３を配置するようにしているために、光源１３の数を最小限にして光学検査装置１１の製造コストを低減できる。また、光源１３から生じる熱を最小限にすることもできる。さらに、光源１３を導光体１５の角部１５Ｂに対応する位置に配置し、且つ検査対象２３に近い第２端面４６にミラー面３７を設けているため、狭配光かつ斜入射の光を検査対象２３に照射できる。これによって、ノイズとなる正反射成分の光が検査対象２３に照射されることを防いで、検査対象２３表面の高精度な検査を実現できる。

このとき、ミラー面３７は、端面３３から遠ざかるにつれて、導光体１５の内面３１に近づくように斜めである。この構成によれば、導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射可能なミラー面３７を極めて簡単な形状で実現できる。これによって、加工コストを低減して、光学検査装置１１の製造に要する費用を低減できる。

この場合、導光体１５の内面３１でミラー面３７と対向する位置に設けられる透過面３６と、透過面３６から外れた位置で導光体１５の内面を覆った遮光板２０と、を備える。この構成によれば、導光体１５内に射出された光が、透過面３６以外の部分で内面３１を透過して検査対象２３側に透過することで、ノイズとなる正反射成分の光として検査対象２３に照射されてしまうことを防止できる。これによって、より一層高精度な検査対象２３の表面形状の検査を行うことができる。

ミラー面３７は、導光体１５の検査対象２３側の端部４９と、導光体１５の外面３２と、が交差する位置にある稜線４８を除去するように面取りした面取り面４６で構成される。この構成によれば、極めて簡単な構造によって、斜入射かつ狭配光の光を検査対象２３に照射できる構成を実現できる。

ミラー面３７と光軸１３とがなす角度φは、３０～７０°である。この構成によれば、極めて簡単な導光体１５の構造によって、導光体１５の内部から、斜入射かつ狭配光の光を効率よく取り出すことができる。

導光体１５から検査対象２３に向けて射出される光の検査対象２３の表面における入射角は、６０～８０°である。この構成によれば、ノイズとなる正反射成分の光が検査対象２３に照射されることを防ぎつつ、斜入射かつ狭配光の光を検査対象２３に照射することができる。これによって、検査対象２３の高精度の検査を行うことができる。

光学検査装置１１は、導光体１５の外側を覆うカバー１８を備える。この構成によれば、外部から光が導光体１５内に入射されることを防止できる。これによって、当該外部由来の光が、導光体１５を透過して、検査対象２３に照射されることで、撮像光学系１２で取得する画像中にノイズとなって表れてしまうことを防止できる。これによって、検査対象２３の高精度な検査を行うことができる。

撮像光学系１２の光軸１４は、導光体１５の内側の中空領域１５Ａ内を通る。この構成によれば、導光体１５の設置スペース内に撮像光学系１２を配置することができ、光学検査装置１１を小型化することができる。

複数の光源１３は、撮像光学系１２の周囲に設けられる。この構成によれば、発熱部品を撮像光学系１２の周囲に集中的に配置することができる。これによって、検査対象２３に熱による悪影響が及ぶことを防止できるとともに、ヒートシンク１７等の冷却ユニットを配置して撮像光学系１２および複数の光源１３を冷却する場合でも、１つの冷却ユニットによってこれらをまとめて効率的に冷却することができる。

光学検査装置１１は、複数の光源１３と熱的に接続されたヒートシンク１７を備える。この構成によれば、複数の光源１３の放熱性能を向上することができ、光学検査装置１１の信頼性を向上できる。

以下の第２～４実施形態、比較例では、主として、上記第１実施形態とは異なる部分について説明し、それらと共通する部分については、図示および説明を省略する。
［第２の実施形態］

図５、図６を参照して、第２実施形態の光学検査装置１１について説明する。本実施形態では、導光体１５（遮光板２０）の形態および光源１３の数が異なっているが、他の部分は第１実施形態と共通している。

導光体１５は、透光性の材料によって、中空かつ五角形の筒状に構成されている。導光体１５は、光軸１４上の遠位の点からみたときに、正五角形に形成される。導光体１５の形状としては、正五角形に限定されるものではなく、互いに辺の長さが異なる五角形であってもよい。遮光板２０は、導光体１５の５個の全反射面３５を部分的に覆っている。

複数の光源１３（５個の光源１３）は、筒状の導光体１５の角部１５Ｂに対応する５か所に設けられる。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。したがって、導光体１５の内面が撮像光学系１２の視野範囲２８に入らないようになっている。このため、本実施形態では、撮像光学系１２の視野角が広く確保される。複数の光源１３は、光軸１４から見て、０°、７２°、１４４°、２１６°、２８８°の方位角の位置にそれぞれ設けられている。

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料を好適に用いることができるが、導光体１５の材料はこれに限られるものではない。導光体１５の材料としては、ポリカーボネート、ガラスなどであってもよい。第１実施形態と同様に構成されたミラー面３７は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射できる。

図５、図６を参照して、本実施形態の光学検査装置１１の作用について説明する。１以上の光源１３から導光体１５に入射された光は、全反射面３５で内部全反射されるとともに、第２全反射面４７においても内部全反射される。これらの面で内部全反射される回数は、複数回であってもよい。全反射面３５で内部全反射された光は、ミラー面３７に到達し、ミラー面３７で検査対象２３側に反射される。ミラー面３７で反射された光は、透過面３６で屈折されて、検査対象２３に向けて透過される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。

図６に光線追跡シミュレーションを用いて計算した配光分布（検査対象２３表面での入射角分布）を示す。図６に示すシミュレーション結果によれば、検査対象２３の表面に入射される光の入射角θは、実際に６０～８５°（－６０～－８５°）の範囲内に分布することが確認された。この傾向は、検査対象２３を中心とするどの方位角から見た場合も大きく変化することがなかった。配光分布（入射角分布）のシミュレーション結果は、０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°の方位角の位置で得た。なお、図６は、ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（内面３１）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、０°の方位角の位置での配光分布（入射角分布）に対応する。また、本実施形態の導光体１５は、五角形であるために、左右対称の配光分布（入射角分布）とはならない。

シミュレーション結果によれば、入射角の角度幅は約２５°となった。本実施形態においても、十分な狭配光が実現されたことが理解できる。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。その際、検査対象２３の表面での光の入射角が６０～８５°（－６０～－８５°）の範囲内となり、狭配光かつ斜入射の光を検査対象２３に照射できる。このため、ノイズとなる正反射成分を極力少なくして、検査光として有用な斜入射光を多く取り出すことができる。これによって、検査対象２３の表面形状のエッジの高精度の検査が実現される。また、最小限の数の光源１３によって、十分な強度の光を得ることもできる。
［第３の実施形態］

図７、図８を参照して、第３実施形態の光学検査装置１１について説明する。本実施形態では、導光体１５（遮光板２０）の形態および光源１３の数が異なっているが、他の部分は第１実施形態と共通している。

導光体１５は、透光性の材料によって、中空かつ六角形の筒状に構成されている。導光体１５は、光軸１４上の遠位の点からみたときに、正六角形に形成される。導光体１５の形状としては、正六角形に限定されるものではなく、互いに辺の長さが異なる六角形であってもよい。遮光板２０は、導光体１５の６個の全反射面３５を部分的に覆っている。

複数の光源１３（６個の光源１３）は、筒状の導光体１５の角部１５Ｂに対応する６か所に設けられる。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。したがって、導光体１５の内面が撮像光学系１２の視野範囲２８に入らないようになっている。このため、本実施形態では、撮像光学系１２の視野角が広く確保される。複数の光源１３は、光軸１４から見て、０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°の方位角の位置にそれぞれ設けられている。

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料を好適に用いることができるが、導光体１５の材料はこれに限られるものではない。導光体１５の材料としては、ポリカーボネート、ガラスなどであってもよい。第１実施形態と同様に構成されたミラー面３７は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射できる。

図７、図８を参照して、本実施形態の光学検査装置１１の作用について説明する。１以上の光源１３から導光体１５に入射された光は、全反射面３５で内部全反射されるとともに、第２全反射面４７においても内部全反射される。これらの面で内部全反射される回数は、複数回であってもよい。全反射面３５で内部全反射された光は、ミラー面３７に到達し、ミラー面３７で検査対象２３側に反射される。ミラー面３７で反射された光は、透過面３６で屈折されて、検査対象２３に向けて透過される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。

図８に光線追跡シミュレーションを用いて計算した配光分布（検査対象２３表面での入射角分布）を示す。図８に示すシミュレーション結果によれば、検査対象２３の表面に入射される光の入射角θは、実際に５０～８５°（－５０～－８５°）の範囲内に分布することが確認された。この傾向は、検査対象２３を中心とするどの方位角から見た場合も大きく変化することがなかった。配光分布（入射角分布）のシミュレーション結果は、０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°の方位角の位置で得た。なお、図８は、ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（内面３１）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、３０°の方位角の位置での配光分布（入射角分布）に対応する。

シミュレーション結果によれば、入射角の角度幅は約３５°となった。本実施形態によれば、第１、第２実施形態よりも角度幅が増加しているものの、狭配光で斜入射の光が検査対象に照射されたことが理解できる。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。その際、検査対象２３の表面での光の入射角が５０～８５°（－５０～－８５°）の範囲内となり、狭配光かつ斜入射の光を検査対象２３に照射できる。このため、ノイズとなる正反射成分を極力少なくして、検査光として有用な斜入射光を多く取り出すことができる。これによって、検査対象２３の表面形状のエッジの高精度の検査が実現される。また、最小限の数の光源１３によって、十分な強度の光を得ることもできる。
［第４の実施形態］

図９、図１０を参照して、第４実施形態の光学検査装置１１について説明する。本実施形態では、導光体１５（遮光板２０）の形態および光源１３の数が異なっているが、他の部分は第１実施形態と共通している。

導光体１５は、透光性の材料によって、中空かつ八角形の筒状に構成されている。導光体１５は、光軸１４上の遠位の点からみたときに、正八角形に形成される。導光体１５の形状としては、正八角形に限定されるものではなく、互いに辺の長さが異なる八角形であってもよい。遮光板２０は、導光体１５の８個の全反射面３５を部分的に覆っている。

複数の光源１３（８個の光源１３）は、筒状の導光体１５の角部１５Ｂに対応する８か所に設けられる。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。したがって、導光体１５の内面が撮像光学系１２の視野範囲２８に入らないようになっている。このため、本実施形態では、撮像光学系１２の視野角が広く確保される。複数の光源１３は、光軸１４から見て、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°の方位角の位置にそれぞれ設けられている。

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料を好適に用いることができるが、導光体１５の材料はこれに限られるものではない。導光体１５の材料としては、ポリカーボネート、ガラスなどであってもよい。第１実施形態と同様に構成されたミラー面３７は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射できる。

図９、図１０を参照して、本実施形態の光学検査装置１１の作用について説明する。１以上の光源１３から導光体１５に入射された光は、全反射面３５で内部全反射されるとともに、第２全反射面４７においても内部全反射される。これらの面で内部全反射される回数は、複数回であってもよい。全反射面３５で内部全反射された光は、ミラー面３７に到達し、ミラー面３７で検査対象２３側に反射される。ミラー面３７で反射された光は、透過面３６で屈折されて、検査対象２３に向けて透過される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。

図１０に光線追跡シミュレーションを用いて計算した配光分布（検査対象２３表面での入射角分布）を示す。図１０に示すシミュレーション結果によれば、検査対象２３の表面に入射される光の入射角θは、実際に５０～８５°（－５０～－８５°）の範囲内に分布することが確認された。この傾向は、検査対象２３を中心とするどの方位角から見た場合も大きく変化することがなかった。配光分布（入射角分布）のシミュレーション結果は、例えば、０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°の方位角の位置で得た。なお、図１０は、ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（内面３１）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、０°の方位角の位置での配光分布（入射角分布）に対応する。

シミュレーション結果によれば、入射角の角度幅は約３５°となった。本実施形態によれば、第１、第２実施形態よりも角度幅が増加しているものの、狭配光で斜入射の光が検査対象に照射されたことが理解できる。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。その際、検査対象２３の表面での光の入射角が５０～８５°（－５０～－８５°）の範囲内となり、狭配光かつ斜入射の光を検査対象２３に照射できる。このため、ノイズとなる正反射成分を極力少なくして、検査光として有用な斜入射光を多く取り出すことができる。これによって、検査対象２３の表面形状のエッジの高精度の検査が実現される。また、最小限の数の光源１３によって、十分な強度の光を得ることもできる。
［比較例］

図１１、図１２を参照して、比較例の光学検査装置１１について説明する。本実施形態では、導光体１５の形態および複数の光源１３の配置が異なっているが、他の部分は第１実施形態と共通している。

導光体１５は、透光性の材料によって、中空かつ円筒状に構成されている。導光体１５が円筒状に形成される以外は、導光体１５は、第１実施形態と同様の構成を有する。

複数の光源１３（４個の光源１３）は、導光体１５の端面３３に対向するように、互いに均等な間隔で離間した４か所に設けられる。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。複数の光源１３は、光軸１４から見て、０°、９０°、１８０°、２７０°の方位角の位置にそれぞれ設けられている。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料を用いることができる。第１実施形態と同様に構成されたミラー面３７は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射できる。

図１１、図１２を参照して、比較例の光学検査装置１１の作用について説明する。１以上の光源１３から導光体１５に入射された光は、全反射面３５で内部全反射されるとともに、第２全反射面４７においても内部全反射される。これらの面で内部全反射される回数は、複数回であってもよい。全反射面３５で内部全反射された光は、ミラー面３７に到達し、ミラー面３７で検査対象２３側に反射される。ミラー面３７で反射された光は、透過面３６で屈折されて、検査対象２３に向けて透過される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検査対象２３の画像を取得できる。

図１２、図１３に光線追跡シミュレーションを用いて計算した配光分布（検査対象２３表面での入射角分布）を示す。図１２に示すシミュレーション結果によれば、検査対象２３の表面に入射される光の入射角θは、実際に４５～９０°（－４５～－９０°）の範囲内に分布することが確認された。このように、検査対象２３に入射される光が狭配光とはならない傾向は、検査対象２３を中心とするどの方位角から見た場合も同様であった。配光分布（入射角分布）のシミュレーション結果は、例えば、０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、１３５°、１５０°の方位角の位置で得た。なお、図１２は、ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（内面３１）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、０°の方位角の位置での配光分布（入射角分布）に対応する。図１３は、ミラー面３７（面取り面４６）と光軸１４（内面３１）とがなす角度φを５０°で設定した場合に、３０°の方位角の位置での配光分布（入射角分布）に対応する。

シミュレーション結果によれば、光源１３が配置された方位角の０°、９０°、１８０°、２７０°の位置のみ、図１２に示すように、光が強く、且つ斜入射の光が得られた。図１２の例では、入射角の角度幅は約４５°となった。一方、少しでも光源１３が配置された方位角の位置からずれてしまうと、例えば、図１３に示す方位角３０°の位置では、方位角０°の場合に比べて光の強度が１／１００となり、光の強度が十分でない問題があった。また、配光分布（入射角分布）においても、望ましい斜入射の光を得られずに、±９０°以上の角度範囲で入射する光が多いことが確認された。したがって、比較例の光学検査装置１１では、検査対象２３の高精度の検査を実現できないことが確認された。

以上のように、第１～第４実施形態、比較例によれば、多角形の角の数が大きくなるにつれて、検査対象２３に照射される光の配光角（入射角）の角度幅が大きくなり、かつ、斜入射の光だけでなく、正反射成分の光も徐々に増加することが分かった。また、導光体１５を完全に円筒形にしてしまうと、方位角によって光の強度にばらつきを生じてしまうことも分かった。以上のことから、導光体１５の多角形の角数が増加すると、導光体１５の形態が徐々に円形筒状に近づいていくので、導光体１５を多角形筒状にし、かつ、角部１５Ｂに対応する位置に光源１３を配置した利点が徐々に薄れていくことが確認された。また、光源１３の数も増加して光学検査装置１１の製造コストが増大してしまう。したがって、導光体１５は、四角以上、八角以下の多角形の筒状であることが好ましい。導光体１５は、三角形の筒状をなしていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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ものである。また、各実施形態及び変形例に記載された発明を適宜に組み合わせて一つの発明を実現することも当然にできる。
以下、願書に最初に添付した特許請求の範囲を付記する。
［付記］
［１］
検査対象と対向する撮像光学系と、
前記撮像光学系の光軸に沿って延びるとともに、複数の角部を有する多角形の筒状をなした導光体と、
前記複数の角部に対応する位置で前記導光体の端面に対向した複数の光源と、
前記導光体の前記端面に対向する第２端面に前記光軸に対して斜めに設けられ、前記光源から前記導光体内に入射された光を前記検査対象に向けて反射可能なミラー面と、
を備える光学検査装置。
［２］
前記ミラー面は、前記端面から遠ざかるにつれて、前記導光体の内面に近づくように斜めである［１］に記載の光学検査装置。
［３］
前記導光体の内面で前記ミラー面と対向する位置に設けられる透過面と、
前記透過面から外れた位置で前記導光体の内面を覆った遮光板と、
を備える［１］に記載の光学検査装置。
［４］
前記ミラー面は、前記導光体の前記検査対象側の端部と、前記導光体の外面と、が交差する位置にある稜線を除去するように面取りした面取り面で構成される［１］に記載の光学検査装置。
［５］
前記ミラー面と前記光軸とがなす角度は、３０～７０°である［１］に記載の光学検査装置。
［６］
前記導光体から前記検査対象に向けて射出される光の前記検査対象の表面における入射角は、６０～８０°である［１］に記載の光学検査装置。
［７］
前記導光体の外側を覆うカバーを備える［１］に記載の光学検査装置。
［８］
前記撮像光学系の光軸は、前記導光体の内側の中空領域内を通る［１］に記載の光学検査装置。
［９］
前記導光体は、四角以上、八角以下の多角形である［１］に記載の光学検査装置。
［１０］
前記複数の光源は、前記撮像光学系の周囲に設けられる［１］に記載の光学検査装置。
［１１］
前記複数の光源と熱的に接続されたヒートシンクを備える［１］に記載の光学検査装置。

１１…光学検査装置、１２…撮像光学系、１３…光源、１４…光軸、１５…導光体、１６…基板、１６Ａ…貫通孔部、２３…検査対象、２４…制御回路、３１…内面、３２…外面、３３…端面、３５…全反射面、３６…透過面、３７…ミラー面、４６…面取り面。

Claims (9)

1. 検査対象と対向する撮像光学系と、
   前記撮像光学系の光軸に沿って延びるとともに、第１端面及び前記第１端面に対向する第２端面に複数の角部を有する多角形の筒状をなした導光体と、
   前記導光体の前記第１端面の前記複数の角部に対応する位置で前記第１端面に対向するようにＬＥＤを配置し、前記ＬＥＤはそれぞれがレンズレスのＬＥＤチップで構成された複数の光源と、
   前記複数の光源が実装された基板と、
   前記第２端面に前記光軸に対して斜めに設けられ、前記光源から前記導光体内に入射された光を前記検査対象に向けて反射可能なミラー面と、
   を備え、
   前記導光体は、
   前記第１端面から前記導光体内に入射された光を内部全反射させる、平坦な全反射面と、
   前記全反射面よりも前記第１端面に対して離間し、前記全反射面に連続し、前記ミラー面に対向し、前記ミラー面で反射させた光を前記検査対象に向けて屈折・透過させる平坦な透過面と
   を有し、前記撮像光学系の前記光軸に近い側の内周面と、
   前記光源から前記導光体内に入射された光を内部全反射させる、平坦な第２の全反射面を有し、前記撮像光学系の前記光軸から前記内周面に対して遠い側の外周面と
   を有し、
   前記透過面から外れた位置で前記導光体の前記内周面の前記全反射面を覆うとともに、前記基板に当接する遮光板を備え、
   前記導光体の中心軸は、前記撮像光学系の前記光軸と一致する光学検査装置。
2. 前記ミラー面は、前記第１端面から遠ざかるにつれて、前記導光体の前記内周面に近づくように斜めである請求項１に記載の光学検査装置。
3. 前記ミラー面は、前記導光体の前記検査対象側の端部と、前記導光体の前記外周面と、が交差する位置にある稜線を除去するように面取りした面取り面で構成される請求項１に記載の光学検査装置。
4. 前記ミラー面と前記光軸とがなす角度は、３０～７０°である請求項１に記載の光学検査装置。
5. 前記導光体から前記検査対象に向けて射出される光の前記検査対象の表面における入射角は、前記検査対象の表面の法線を０°とするとき、６０～８０°である請求項１に記載の光学検査装置。
6. 前記導光体の外側を覆うカバーを備える請求項１に記載の光学検査装置。
7. 前記撮像光学系の前記光軸は、前記導光体の内側の中空領域内を通る請求項１に記載の光学検査装置。
8. 前記導光体は、四角以上、八角以下の多角形である請求項１に記載の光学検査装置。
9. 前記複数の光源は、前記撮像光学系の周囲に設けられる請求項１に記載の光学検査装置。

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