JP7293094B2 - 同軸光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを検査等するために観測する方向と同方向から、当該ワークに光を照射することができる同軸光照射装置に関するものである。

この種の同軸光照射装置は、検査用カメラの光軸（以下、観測軸ともいう。）上に、例えば４５°の斜めの角度で設けられたハーフミラーと、観測軸の側方に設けたＬＥＤ等を用いた光源部を有しており、光源部からの検査光がハーフミラーで反射して、観測軸と同じ方向からワークに当たるように構成されている。

ところが、厚みのあるハーフミラーが斜めに配置されているため、図１１に示すように、例えばＸＺ平面を進む物体光とＹＺ平面を進む物体光とで、結像位置が観測軸方向（Ｚ方向）にはｄだけずれることになる。結像位置がずれる理由は、同図下部の拡大図に示すように、ＸＺ平面を進む物体光と、ＹＺ平面を進む物体光とで、ハーフミラーを通過する際に屈折によって平行にずれる距離がそれぞれ違うためである。そしてその違いが非点収差となってカメラでの検査精度を悪化させる。

なお、ＸＺ平面とは、観測軸をＺ軸、ハーフミラーが斜めに傾いた線状に見える方向と平行でＺ軸と直交する軸をＸ軸、前記Ｚ軸及びＸ軸と互いに直交する軸をＹ軸としたときに、Ｘ軸とＺ軸で形成される平面のことである。また、ＹＺ平面とは、Ｙ軸とＺ軸で形成される平面のことである。

そこで、従来は、特許文献１に示すように、ハーフミラーと同様な材質と大きさを有する透明平板状の補正板を、ハーフミラーとは観測軸回りに９０度回転させた姿勢で直列に配置し、この補正板によって、ハーフミラーで生じる非点収差をキャンセルしている（図１２参照）。

しかしながら、このような構成では、同軸光照射装置が、特に観測軸方向に大きくなってしまい、カメラをワークに接近させることができなくなるという不具合が生じ得る。

特開平06-186495号公報

本発明は、かかる不具合に鑑みてなされたものであって、ハーフミラーなどの厚みを有したビームスプリッタによる非点収差を打ち消して観測精度を向上させながらも、コンパクトに構成可能な同軸光照射装置を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る同軸光照射装置は、光源部と、ワークを観測する観測軸上に斜めに配置され、前記光源部から射出された光を反射して前記観測軸と同じ方向からワークに照射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタに起因して生じる非点収差を補正する補正板を備えており、該補正板が、観測軸上に配置された、平板を一方向にのみ弧状に湾曲させた形状をなす透明なものであることを特徴とするものである。

このような構成によれば、補正板の観測軸方向の長さを、背景技術で述べた平板状のものと比べて大幅に短縮できる。そのため、非点収差を補正できることはもちろんのこと、ワークと観測手段との間の距離を接近させることができるので、観測精度の飛躍的な向上を図れるし、同軸光照射装置自体のコンパクト化も促進できる。

より具体的な補正板の配置位置及び配置姿勢としては、前記観測軸方向をＺ方向、Ｚ方向と垂直な方向であってビームスプリッタが斜めに傾いた線状に見える方向をＸ方向、前記Ｚ方向及びＸ方向と互いに垂直な方向をＹ方向としたとき、前記補正板が、Ｘ方向から視た場合に、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークとは逆側に凸となるように配置されたものを挙げることができる。

前記補正板が、Ｙ方向から視た場合に、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークに向かって凸となるように配置されていてもよい。

補正板はそのパワーが０となるものが最も好ましく、そのためには、前記補正板の表面である凸面とその反対側の面である凹面とが互いに円弧状に湾曲しており、その曲率が略等しくしておくことが好適である。

具体的な実施態様としては、前記補正板が、ワーク観測に用いられるカメラ等の観測手段の画角範囲をカバーする大きさのものを挙げることができる。

本発明は、ワークの観測軸上に斜めに配置されたビームスプリッタを備え、該ビームスプリッタを介してワークを観測できるように構成した光学装置にも適用可能である。すなわち、前記ビームスプリッタに起因して生じる非点収差を補正する補正板をさらに備え、該補正板が、観測軸上に配置された、平板を一方向にのみ弧状に湾曲させた形状をなす透明なものであればよい。

本発明によれば、補正板の観測軸方向の長さを、背景技術で述べた平板状のものと比べて大幅に短縮できる。そのため、非点収差を補正できることはもちろんのこと、ワークと観測手段との間の距離を接近させることができるので、観測精度の飛躍的な向上を図れるし、装置のコンパクト化も促進できる。

本発明の一実施形態における同軸光照射装置の斜視図。 同実施形態における同軸光照射装置の断面図。 同実施形態における同軸光照射装置の内部構造を示す模式的斜視図。 同実施形態の同軸光照射装置においてＸＺ平面及びＹＺ平面での物体光の進路を示す模式的端面図。 カメラのレンズそのものの実力値を示すシミュレーションデータ。 同実施形態の同軸光照射装置において補正板によって非点収差が抑制されたことを示すシミュレーションデータ。 従来の同軸光照射装置において非点収差が存在することを示すシミュレーションデータ。 本発明の他の実施形態の同軸光照射装置において、ＸＺ平面及びＹＺ平面での物体光の進路を示す模式的端面図。 本発明のさらに他の実施形態の同軸光照射装置において、ＸＺ平面及びＹＺ平面での物体光の進路を示す模式的端面図。 本発明のさらに他の実施形態の同軸光照射装置において、ＸＺ平面及びＹＺ平面での物体光の進路を示す模式的端面図。 補正板を挿入しない従来の同軸光照射装置において、ＸＺ平面及びＹＺ平面での物体光の進路を示す模式的端面図。 従来の補正板を挿入した同軸光照射装置において、ＸＺ平面及びＹＺ平面での物体光の進路を示す模式的端面図。 非点収差を小さくできる原理を説明するための原理説明図。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。

この実施形態に係る同軸光照射装置１００は、図１～図３に示すように、筐体１と、この筐体１内に設けられたビームスプリッタの一種であるハーフミラー２及び光源部３とを備えている。

筐体１は、図１、図２に示すように、例えば直方体状をなすものであり、その互いに対向する壁面の一方にはカメラ窓１１が設けられているとともに、他方には光射出口１２が設けられている。そして、前記光射出口１２を観測又は検査対象たるワークＷ側に配置し、前記カメラ窓１１に観測手段であるカメラ２００を臨むように配置することによって、前記カメラ窓１１から光射出口１２を介して、ワークＷを観測・撮像できるように構成されている。

なお、以下では、カメラ２００の光軸を観測軸ないしＺ軸という。

ハーフミラー２は、図２に示すように、一定厚みを有した矩形平板状をなすものであり、その板面が観測軸と４５°の角度をなして交差するように、カメラ窓１１及び光射出口１２との間に配置されている。

光源部３は、図２に示すように、矩形平板状をなすプリント基板３１と、このプリント基板３１上に敷設した複数のＬＥＤ３２とからなる面発光タイプのものである。このプリント基板３１は、ハーフミラー２の側方に、観測軸と平行に配設してある。

このようにして、ＬＥＤ３２から出た検査光が、ハーフミラー２に当たって反射し、光射出口１２を通過して、カメラ２００による観測方向と同方向からワークＷに照射されるように構成されている。なお、図２の符号４は、光源部３とハーフミラー２との間に設けられている拡散板である。

しかして、この実施形態では、図３及び図４に示すように、ハーフミラー２とカメラ窓１１との間の観測軸上に、光を透過する透明な補正板５が設けられている。

この補正板５は、ワークＷで反射して生じる物体光が、ハーフミラー２を通過する際に生じる非点収差を主として小さくするためのものであって、ここでは、一方向にのみ円弧状に湾曲する、概略部分円筒状をなすものである。

しかして、補正板５の湾曲径を小さくするか、厚みを大きくするか、もしくは屈折率を大きくすることによって、打ち消すことのできる非点収差は大きくなるし、逆にすれば、打ち消すことのできる非点収差は小さくなる。したがって、この実施形態では、打ち消すべき非点収差の大きさに加え、補正板５を配置できるスペースに収めることや、カメラ２００の画角のカバーをできることなどをパラメータとして、補正板５の湾曲径、厚み、屈折率等が設定されている。

さらに説明すれば、この補正板５は、正確には部分円筒形ではなく、凸面５ａの湾曲径と凹面５ｂの湾曲径とを可及的に等しくして、横断面でいえば中央が最も厚く、両端部が最も薄いメニスカス形状となるようにしたものである。そして、この構成によって、補正板５によるレンズパワー（焦点距離の逆数）が０となるようにしてある。レンズパワーが大きいと、そのことによって収差が生じ得るからである。

なお、ここでいう「レンズパワーが０」とは、正確に０ではなくともよく、本実施形態による効果、すなわち収差の軽減による観測精度の向上という所望の効果が奏される範囲内であればよい。例えば、補正板５が部分円筒形であっても、レンズパワーは少し生じるが、求める効果の度合いによっては、これも「レンズパワーが０」とみなせる。ちなみに本実施形態でのレンズパワーが０」とは、-0.1(1/m)≦PW≦0.1(1/m)の範囲である。ここでPWはレンズパワーを、mは単位でメートルを示す。

次に、この補正板５の配置姿勢であるが、図３、図４に示すように、Ｘ方向から視た場合に、弧状に湾曲し、かつ、カメラ窓１１に向かって凸となる姿勢にして、Ｚ軸（観測軸）上に配置してある。また、その凸面５ａ及び凹面５ｂの湾曲中心（円弧中心）が、Ｘ方向から視てＺ軸（観測軸）上にあるようにしてある。

ここでＺ方向とは前記観測軸方向である。Ｘ方向とは、Ｚ方向と垂直な方向であってハーフミラー２が斜めに傾いた線状に見える方向である。Ｙ方向とはＺ方向及びＸ方向と互いに垂直な方向である。

このような構成によれば、図４に示すように、例えばＹＺ平面を進む物体光Ｂ２は、ハーフミラー２を透過する際に、ＸＺ平面を進む物体光Ｂ１よりも結像位置が遠くなるところ、当該物体光は、前記補正板５を透過する際には、その逆の作用を受けるので、ハーフミラー２で生じるＸＺ平面とＹＺ平面の結像位置のズレが、補正板５によってキャンセルされる。
なお、図４では、煩雑を避けるため、物体光Ｂ１、Ｂ２がハーフミラー２や補正板５を通過する際の屈折を省略している。
そのため、結像位置のズレをキャンセルできる理由がわかりにくいのでその原理を、図１３を参照して、定性的に説明する。
図１３は、ＸＺ平面を進む物体光Ｂ１とＹＺ平面を進む物体光Ｂ２とを同じ平面上に記載したものである。
ハーフミラー２を通過する際にＸＺ平面を進む物体光Ｂ１が屈折によってずれる距離と、ＹＺ平面を進む物体光Ｂ２が屈折によってずれる距離とが異なり、その結果、ハーフミラー２を通過し、補正板５に入射する前においては、Ｚ方向の同一位置において、物体光Ｂ１の光径Ｒ１よりも物体光Ｂ２の光径Ｒ２の方が小さくなる。
しかして、この実施形態によれば、補正板５が挿入してあり、この補正板５での屈折によって、両者の光径差がほぼキャンセルされ、補正板５を出た後の物体光Ｂ１の光径Ｒ１’と物体光Ｂ２の光径Ｒ２’とがほぼ等しくなる。

その結果、非点収差が抑制され、補正板５のないものと比べ、カメラ２００による観測精度を向上させることが可能になる。
もっとも、同図に示すように、物体光Ｂ１の中心軸はＺ軸上にある一方、物体光Ｂ２の中心軸はＺ軸からややずれるが、そのずれによる影響は、後述する実証データから明らかなように微小である。

その実証データを図５等に示す。

図５は、ハーフミラーなどを介在させない、カメラのみでワークを撮像したときの結像位置を示すシミュレーションデータである。
そして、図６が、補正板５を入れたときの結像位置を示すシミュレーションデータ、図７がハーフミラー２だけの場合の結像位置を示すシミュレーションデータである。ハーフミラー２だけで生じていた結像位置のずれ（図７参照）が、補正板５を入れた場合には解消されて（図６参照）、カメラのみでワークを撮像したときに近づいており、非点収差が補正されていることがわかる。

また、この補正板５は、部分円筒状であるため、背景技術で述べた平板状のものと比べて、観測軸方向の長さを大幅に短縮できる。そのため、ワークＷとカメラ２００（観測手段）との間の距離を接近させることができ、この点においても観測精度の向上を図れるし、同軸光照射装置１００のコンパクト化にも寄与し得る。

さらに、補正板５のパワーが実質的に０となるようにしてあるので、補正板５の取付位置や取付姿勢が多少ずれても、補正板５による非点収差補正作用にはほとんど影響がでない。したがって、補正板５についてはシビアな組み立て精度を必要とせず、製造工程に大きな負担がかかることもない。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。

例えば、補正板５を設ける位置や姿勢は上記実施形態以外にも考えられる。その例を図８～図１０に示す。

図８は、補正板５の姿勢はそのままにして、その位置をハーフミラー２と光射出口１２との間の観測軸上に設定したものである。

図９、図１０は、補正板５の凹凸面５ｂ、５ａを逆にし、かつ、観測軸を中心に９０°回転させた姿勢にしたものである。すなわち、Ｙ方向から視て、補正板５が湾曲してみえる姿勢に設定したものである。補正板５の位置は、観測軸上であってハーフミラー２とカメラ窓１１との間（図９）、又は、観測軸上であってハーフミラー２と光射出口１２との間（図１０）に設定すればよい。
このような構造でも同様の効果を奏し得る。

前記実施形態では、補正板５が、凸面５ａの湾曲径と凹面５ｂの湾曲径とを可及的に等しくして、横断面でいえば中央が最も厚く、両端部が最も薄いメニスカス形状のものであったが、等厚の部分円筒形でもよいし、逆に中央が最も薄く、両端部が最も厚いものでも構わない。要するに概略部分円筒形状であればよく、レンズパワーが０であればよい。なお、ここでいう「レンズパワーが０」とは、前述したように、実際には、-0.1(1/m)≦PW≦0.1(1/m)の範囲のことである。ここで、PWはレンズパワー、mは単位でメートルを示す。

光源部３は、ＬＥＤ３２に限られないし、面発光タイプのものにも限られない。

観測手段はカメラに限られず、肉眼でもよい。ハーフミラーのみならず、他のタイプのビームスプリッタにも適用可能であるし、その配置角度は４５°に限られず、３０°、６０°など、他の角度にも設定可能である。

また、本発明は、同軸光照射装置にも限られない。すなわち、斜めに配置した平板状ハーフミラー（あるいは透明板）を介して対象物を観測する構成を有した光学装置において、前述した補正板を適用しても構わない。このことによって、観測精度の向上及びコンパクト化という同様の効果を奏し得る。

その他、本発明は前記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１００・・・同軸光照射装置
Ｗ・・・ワーク
２００・・・観測手段（カメラ）
２・・・ハーフミラー
３・・・光源部
５・・・補正板

Claims (5)

1. 光源部と、ワークの各点からの光を観測する観測軸上に斜めに配置され、前記光源部から射出された光を反射して前記観測軸と同じ方向からワークに照射するビームスプリッタとを備えた同軸光照射装置であって、
   前記ビームスプリッタに起因してワークの像の各点に生じる非点収差を補正する補正板をさらに備え、該補正板が、観測軸上に配置された、平板を一方向にのみ弧状に湾曲させた形状をなす透明なものであり、
   前記観測軸方向をＺ方向、Ｚ方向と垂直な方向であってビームスプリッタが斜めに傾いた線状に見える方向をＸ方向、前記Ｚ方向及びＸ方向と互いに垂直な方向をＹ方向としたとき、
   前記補正板が、Ｘ方向から視たとき、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークとは逆側に凸となるように配置されている、又は、前記補正板が、Ｙ方向から視たとき、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークに向かって凸となるように配置されていることを特徴とする同軸光照射装置。
2. 前記補正板の表面である凸面とその反対側の面である凹面とが円弧状に湾曲しており、その曲率が略等しい請求項１記載の同軸光照射装置。
3. 前記補正板が、ワーク観測に用いられるカメラ等の観測手段の画角範囲をカバーする大きさのものである請求項１又は２記載の同軸光照射装置。
4. ワークの観測軸上に斜めに配置されたビームスプリッタを備え、該ビームスプリッタを介してワークの各点から反射される光を観測できるように構成した光学装置であって、
   前記ビームスプリッタに起因してワークの像の各点に生じる非点収差を補正する補正板をさらに備え、該補正板が、観測軸上に配置された、平板を一方向にのみ弧状に湾曲させた形状をなす透明なものであり、
   前記観測軸方向をＺ方向、Ｚ方向と垂直な方向であってビームスプリッタが斜めに傾いた線状に見える方向をＸ方向、前記Ｚ方向及びＸ方向と互いに垂直な方向をＹ方向としたとき、
   前記補正板が、Ｘ方向から視たとき、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークとは逆側に凸となるように配置されている、又は、前記補正板が、Ｙ方向から視たとき、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークに向かって凸となるように配置されていることを特徴とする光学装置。
5. 光源から光が射出される光照射ステップと、
   前記光源から射出された光を、ワークの各点からの光を観測する観測軸上に斜めに配置されたビームスプリッタによって反射して、前記観測軸と同じ方向からワークに照射する反射ステップとを備える光照射方法であって、
   前記ビームスプリッタに起因して生じる非点収差を、観測軸上に配置された、平板を一方向にのみ弧状に湾曲させた形状をなす透明な補正板で補正する非点収差補正ステップとを備え、
   前記観測軸方向をＺ方向、Ｚ方向と垂直な方向であってビームスプリッタが斜めに傾いた線状に見える方向をＸ方向、前記Ｚ方向及びＸ方向と互いに垂直な方向をＹ方向としたとき、
   前記補正板が、Ｘ方向から視たとき、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークとは逆側に凸となるように配置されている、又は、前記補正板が、Ｙ方向から視たとき、弧状に湾曲してみえ、かつ、ワークに向かって凸となるように配置されていることを特徴とする光照射方法。

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