JP7332407B2 - 撮像装置、画像取得方法および検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、いわゆるドーム照明法により照明されるワークを撮像する撮像装置、当該撮像装置を用いてワークの画像を取得する画像取得方法および当該画像に基づいてワークを検査する検査装置に関するものである。

産業部品などのワークに傷などの欠陥が無いかどうかを検査する検査技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載の装置は、光源からの出射光をドーム状反射体（本発明の「カバー部材」に相当）の内面で拡散反射させてワークに照射するとともに、ドーム状反射体の天井部に設けられた撮影用窓（本発明の「貫通孔」に相当）を介して撮像手段によりワークを撮像してワークの画像を取得する。そして、当該画像に基づいてワークの検査が実行される。また、ドーム照明によりワークを撮像する装置としては、例えば特許文献２に記載されたものがある。この装置では、ワークに対向するドーム状の内周面を有するドーム（本発明の「カバー部材」に相当）に対して複数の発光素子が分散して配設され、ワークを種々の方向から照明するとともに、ドームの天井部に設けられた観察窓（本発明の「貫通孔」に相当）を介して撮像手段がワークを撮像して画像を取得する。

特開２０１７－２０７３８０号公報 特開２０１９－８６３６１号公報

特許文献１、２に記載の装置において、１台の撮像手段によりワークを撮像している。このため、ワークの形状によっては死角が発生する。そこで、特許文献１や特許文献２に記載の装置に撮像手段をさらに追加することが考えられる。つまり、ドーム状反射体やドームに対して撮影用窓や観察窓を追加するとともに、当該撮影用窓などを介して斜方や側方からワークを撮像することでワークの画像をさらに良好に取得することができる。

しかしながら、撮影用窓などを設ける位置によっては次のような問題が生じることがある。つまり、ワークの傾斜によって一方の撮像手段でワークを撮像する際に、他方の撮像手段のための撮影用窓などが写り込むことがある。ドーム状反射体のうち撮影用窓を設けた領域では出射光の拡散反射は行われない。また、ドームの観察窓には発光素子を配設することができない。したがって、一方の撮像手段により取得された画像において撮影用窓などに相当する箇所が部分的に暗くなり、画像品質が低下してしまう。その結果、ワークの検査を高精度に行うことが難しくなる。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ドーム照明されるワークを良好に撮像することができる撮像装置、ドーム照明下でワークの画像を良好に取得することができる画像取得方法およびワークを高精度に検査することができる検査装置を提供することを目的とする。

この発明の第１態様は、撮像装置であって、ワークを保持するワーク保持部と、ワーク保持部に保持されたワークに対向するドーム状の内周面を有するとともに、複数の貫通孔が内周面と外周面とを貫通して設けられるカバー部材と、内周面の各部からワーク保持部に保持されたワークに照明光を照射してワークを照明する照明部と、照明部により照明されるワークの被撮像領域を撮像する撮像部とを備え、撮像部は、前記複数の貫通孔それぞれに対応して設けられ、被撮像領域を対応する貫通孔を介して撮像する複数のカメラを有し、複数の貫通孔はいずれも、他の貫通孔との位置関係において、複数の貫通孔のうちの一の貫通孔を除く他の貫通孔のいずれもが、被撮像領域に対して一の貫通孔と鏡映対称な鏡映対称領域、一の貫通孔および被撮像領域を含む仮想平面と、内周面との交線から離れた位置に設けられていることを特徴としている。

また、この発明の第２態様は、上記撮像装置を用いてワークの画像を取得する画像取得方法であって、回転駆動部によりワークを少なくとも１回転させる間に、撮像部でワークを撮像してワークの画像を取得することを特徴としている。

さらに、この発明の第３態様は、検査装置であって、上記撮像装置と、回転駆動部によりワークを少なくとも１回転させる間に、撮像部により撮像された画像に基づいてワークを検査する検査部とを備えることを特徴としている。

このように構成された発明では、ワークの被撮像領域が複数の貫通孔のうちの一の貫通孔を介して当該一の貫通孔に対応して設けられたカメラにより撮像される。このため、被撮像領域に対して一の貫通孔と鏡映対称な鏡映対称領域、一の貫通孔および被撮像領域を含む仮想平面と、カバー部材の内周面との交線にカメラ用の他の貫通孔が掛かると、一の貫通孔に対応するカメラにより取得される画像のうち上記掛かり部分に相当する箇所が部分的に暗くなり、画像品質が低下してしまう。しかしながら、本発明では、他の貫通孔はいずれも上記交線から離れて配設されている。このため、画質低下が効果的に防止される。この点については、他のカメラ側においても同様である。

上記のように、本発明によれば、ドーム照明を行う撮像装置において、被撮像領域を撮像するためにカバー部材に設けられたカメラ用の貫通孔と、被撮像領域に対して当該貫通孔と鏡映対称な鏡映対称領域および被撮像領域を含む仮想平面と、カバー部材の内周面との交線から離れた位置に他のカメラ用の貫通孔を配設している。したがって、他のカメラ用の貫通孔の影響を受けることなく、ドーム照明されるワークを良好に撮像することができる。また、当該撮像装置を用いることでワークの画像を良好に取得することができる。さらに、ワークを高精度に検査することができる。

本発明に係る撮像装置の一実施形態を装備する検査装置の全体構成を示す図である。 撮像装置に設けられるカバー部材を上方から見た図である。 カバー部材に対する第１カメラおよび発光素子の取付状態を模式的に示す図である。 カバー部材に対する第２カメラおよび発光素子の取付状態を模式的に示す図である。 カバー部材に対する第３カメラおよび発光素子の取付状態を模式的に示す図である。 図１に示す検査装置によるワークの検査動作を示すフローチャートである。

図１は本発明に係る撮像装置の一実施形態を装備する検査装置の全体構成を示す図である。また、図２は撮像装置に設けられるカバー部材を上方から見た図である。検査装置１は、回転対称軸（図３～図５中の符号ＡＸ）まわりに回転対称な形状を有するワークＷを撮像する撮像装置２と、撮像装置２の各部を制御するとともに撮像装置２により取得されたワークＷの画像に基づきワークＷを検査する制御装置３とを備えている。なお、装置各部の位置関係を明確にするために、図１ではＸＹＺ直角座標軸が示されている。つまり、ワークＷを水平方向に移動させるＸ方向と、当該Ｘ方向と直交する水平方向Ｙと、鉛直方向Ｚとが示されている。

撮像装置２は、ＸＹ手動ステージ２１と、ステージ駆動機構２２と、カバー部材２３と、撮像部２４と、照明部（図３～図５中の符号２５）とを有している。ＸＹ手動ステージ２１は上面２１ａにてワークＷを保持可能に構成されている。また、ＸＹ手動ステージ２１はオペレータの手動操作に応じてＸ方向及びＹ方向に移動可能となっている。このため、ＸＹ手動ステージ２１をＸ方向およびＹ方向に移動させることで、ステージ駆動機構２２によりＸＹ手動ステージ２１を回転させるときの回転軸に対するワークＷの回転対称軸の相対位置を調整することができる。つまり、回転軸と回転対称軸とを一致させて偏心を抑制することが可能となっている。

ステージ駆動機構２２は、下段から順に、ＸＹ手動ステージ２１をＺ方向に昇降させるＺ軸駆動部２２１と、ＸＹ手動ステージ２１をＸ方向に移動させるＸ軸駆動部２２２と、Ｚ方向を向く回転軸（図示省略）を中心にＲ方向に回転させるＲ軸駆動部２２３を有している。このため、制御装置３の駆動制御部３１からの動作指令に応じてＺ軸駆動部２２１が作動することでＸＹ手動ステージ２１に保持されたワークＷはＺ方向において位置決めされる。また、上記動作指令に応じてＸ軸駆動部２２２が作動することで、図１に示すようにカバー部材２３の下方でワーク撮像を行う位置（以下「撮像位置」という）とカバー部材２３からＸ方向に離れたワーク受渡位置（図示省略）との間でＸＹ手動ステージ２１が移動される。さらに、上記動作指令に応じてＲ軸駆動部２２３が作動することで、偏心調整後のＸＹ手動ステージ２１およびワークＷが一体的に回転軸まわりに少なくとも１回転される。

カバー部材２３は凹面状の内周面２３ａを有している。そして、内周面２３ａを下方に向けた状態でカバー部材２３は撮像位置に位置決めされたＸＹ手動ステージ２１の鉛直上方に固定配置されている。つまり、カバー部材２３の内周面２３ａは撮像位置に位置決めされたワークＷに対向し、当該ワークＷを上方から覆うドームとなっている。また、カバー部材２３には、３つの貫通孔２３１～２３３が内周面２３ａと外周面２３ｂとを貫通して設けられている。なお、３つの貫通孔２３１～２３３の配設位置は、本発明の特徴部分の一つであり、撮像部２４により良好な画像を取得する上で重要である。これらについては、撮像部２４および照明部２５の構成を説明した後で詳述する。

撮像部２４は３台のカメラ２４１～２４３で構成されている。カメラ２４１～２４３としては、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどを用いることができる。また、照明部は、カバー部材２３の内周面２３ａに沿って配設されたプリント基板（図示省略）と、プリント基板に配列される複数の発光素子（図３～図５中の符号２５１）とを有している。発光素子としては、ＬＥＤなどを用いることができる。

図３ないし図５は、それぞれカバー部材に対するカメラおよび発光素子の取付状態を模式的に示す図である。照明部２５は、例えば三角形状や台形形状の複数のプリント基板をカバー部材２３の内周面２３ａに敷き詰められている。これら複数のプリント基板のうち貫通孔２３１～２３３に隣接するものに対しては、貫通孔２３１～２３３に対向して同一サイズの貫通孔（図示省略）が設けられている。また、これらの貫通孔を除き、各プリント基板には、複数のスルーホールが設けられている。そして、各発光素子２５１は発光面を撮像位置に位置決めされたワークＷに向けた状態で発光素子２５１のリードがスルーホールに挿入され、プリント基板のランドに実装されている。このように複数の発光素子２５１はカバー部材２３の内周面２３ａに対して分散して配置され、制御装置３の照明制御部３２からの点灯指令に応じて各発光素子２５１が発光することでワークＷに対して種々の照明方向から照明光が照射される。そして、こうして照明されたワークＷが互いに異なる３つの撮像方向から撮像される。

カメラ２４１は、図３に示すように、ＸＹ平面に対して４５゜の撮像方向より撮像位置に位置決めされたワークＷの被撮像領域Ｗａを撮像可能に貫通孔２３１に配設されている。以下の説明において、特に言及しない限り、図１、図３～図５に示すように被撮像領域Ｗａは撮像位置に位置決めされたワークＷを撮像部２４により撮像すべき領域を意味している。

カメラ２４２は、図４に示すように、ＸＹ平面に対して７５゜の撮像方向よりワークＷの被撮像領域Ｗａを撮像可能に貫通孔２３２に配設されている。さらに、カメラ２４３は、図５に示すように、ＸＹ平面に対して１５゜の撮像方向よりワークＷの被撮像領域Ｗａを撮像可能に貫通孔２３３に配設されている。このように各カメラ２４１～２４３は貫通孔を介してワークＷの被撮像領域Ｗａを撮像して被撮像領域Ｗａの画像を取得し、画像データを制御装置３の画像記憶部３３に送信する。

次に、カバー部材２３における貫通孔２３１～２３３の相対的な位置関係について図１ないし図５を参照しつつ詳述する。ここでは、各部の関連性を明確にするために、貫通孔２３１～２３３をそれぞれ「第１貫通孔２３１」、「第２貫通孔２３２」および「第３貫通孔２３３」と称する。また、カメラ２４１～２４３をそれぞれ「第１カメラ２４１」、「第２カメラ２４２」および「第３カメラ２４３」と称する。さらに、被撮像領域Ｗａに対する貫通孔２３１～２３３の鏡映対称な領域２６１～２６３をそれぞれ「第１鏡映対称領域２６１」、「第２鏡映対称領域２６２」および「第３鏡映対称領域２６３」と称する。

第１貫通孔２３１と第１鏡映対称領域２６１とは、撮像位置に位置決めされたワークＷの被撮像領域Ｗａに対して鏡映な関係にある。ここで、第１貫通孔２３１、第１鏡映対称領域２６１および被撮像領域Ｗａを含む第１仮想平面（図３の紙面）とカバー部材２３の内周面２３ａとの交線（以下「第１交線」という）２７１は図１中で破線に示すように被撮像領域Ｗａを中心とする略半円弧となる。したがって、第１交線２７１に第２貫通孔２３２や第３貫通孔２３３が掛かると、その掛かり部分では発光素子２５１が存在せず、被撮像領域Ｗａの傾斜によって第１カメラ２４１により取得される画像において掛かり部分に相当する箇所が部分的に暗くなり、画像品質が低下してしまう。そこで、本実施形態では、図１に示すように第２貫通孔２３２および第３貫通孔２３３は第１交線２７１から離れた位置に配設されている。その結果、図３に示すように、第１カメラ２４１は第２貫通孔２３２および第３貫通孔２３３の影響を受けることなく斜め４５゜の撮像方向から被撮像領域Ｗａを良好に撮像することができる。

上記した第１カメラ２４１に対する第２貫通孔２３２および第３貫通孔２３３の配設関係は、第２カメラ２４２に対する第１貫通孔２３１および第３貫通孔２３３の配設関係および第３カメラ２４３に対する第１貫通孔２３１および第２貫通孔２３２の配設関係においても同様である。つまり、図２に示すように、第２貫通孔２３２、第２鏡映対称領域２６２および被撮像領域Ｗａを含む第２仮想平面（図４の紙面）とカバー部材２３の内周面２３ａとの交線（以下「第２交線」という）２７２から第１貫通孔２３１および第３貫通孔２３３は離れて設けられている。これによって、図４に示すように、第２カメラ２４２は第１貫通孔２３１および第３貫通孔２３３の影響を受けることなく上方７５゜の撮像方向から被撮像領域Ｗａを良好に撮像することができる。また、第３貫通孔２３３、第３鏡映対称領域２６３および被撮像領域Ｗａを含む第３仮想平面（図５の紙面）とカバー部材２３の内周面２３ａとの交線（以下「第３交線」という）２７３から第１貫通孔２３１および第２貫通孔２３２が離れて設けられている。これによって、図５に示すように、第３カメラ２４３は第１貫通孔２３１および第２貫通孔２３２の影響を受けることなく側方１５゜の撮像方向から被撮像領域Ｗａを良好に撮像することができる。こうして撮像部２４により取得された被撮像領域Ｗａの画像データは制御装置３の画像記憶部３３に送られて記憶される。

制御装置３は、図１に示すように、駆動制御部３１、照明制御部３２および画像記憶部３３以外に、画像処理部３４および検査部３５を有している。画像処理部３４は、ワークＷを保持するＸＹ手動ステージ２１が回転軸まわりに少なくとも１回転される間に撮像部２４により取得された画像データを画像記憶部３３から読み出し、検査対象となっている被撮像領域Ｗａの画像、つまり検査画像を作成する。そして、検査部３５は上記検査画像に基づいてワークＷを検査する。

図６は図１に示す検査装置によるワークの検査動作を示すフローチャートである。この検査装置１では、予め記憶された検査プログラムにしたがって制御装置３が検査装置１の各部を制御して以下の動作を実行する。

撮像位置（図１）からＸ方向に離れたワーク受渡位置に待機しているＸＹ手動ステージ２１の上面２１ａに対し、未検査のワークＷが図示を省略する搬送ロボットやオペレータなどにより載置されて保持されると、制御装置３の駆動制御部３１はステージ駆動機構２２を駆動してワークＷを撮像位置に位置決めする（ステップＳ１）。ここで、回転軸に対するワークＷの回転対称軸ＡＸ（図３～図５）が偏心している場合、オペレータによる偏心調整が行われる。つまり、オペレータがＸＹ手動ステージ２１をＸ方向およびＹ方向に移動させて回転軸と回転対称軸とを一致させる。この偏心調整処理については、ワークＷの撮像位置への位置決め途中でステージ移動を一時的に中断して行ってもよいし、位置決め完了後に行うようにしてもよい。

回転軸と回転対称軸とが一致した状態でワークＷが撮像位置に位置決めされたことが確認されると、次のステップＳ２で、照明制御部３２は発光素子２５１を点灯してワークＷを種々の照明方向から照明する（ワーク照明）。また、駆動制御部３１はＲ軸駆動部２２３を制御して偏心調整後のＸＹ手動ステージ２１およびワークＷを一体的に回転軸まわりに回転させる（ワーク回転）。ワーク照明およびワーク回転は、ワークＷが少なくとも１回転するまで継続され、その間に撮像部２４によりワークＷは連続的あるいは断続的に撮像され、被撮像領域Ｗａの画像データが画像記憶部３３に記憶される（ステップＳ３）。

ワークＷが少なくとも１回転する（ステップＳ４で「ＹＥＳ」）と、照明制御部３２は発光素子２５１を消灯してワーク照明を停止するとともに、駆動制御部３１はＲ軸駆動部２２３によるワーク回転を停止する（ステップＳ５）。それに続いて、駆動制御部３１はステージ駆動機構２２を駆動してＸＹ手動ステージ２１を撮像位置からワーク受渡位置に移動させる（ステップＳ６）。こうしてワーク受渡位置に位置決めされたＸＹ手動ステージ２１から撮像済のワークＷが搬送ロボットやオペレータなどにより検査装置１から搬出される。

また、上記ステップＳ５、Ｓ６と並行して画像処理部３４は画像データを画像記憶部３３から読み出して検査画像を作成し、さらに検査部３５は上記検査画像に基づいてワークＷを検査する（ステップＳ７）。

以上のように、本実施形態では、図１に示すようにドーム照明を行いつつ３つの撮像方向からワークＷの被撮像領域Ｗａを撮像するために、カバー部材２３に３つの貫通孔２３１～２３３を設けているが、それらは次の関係を満足するように配設されている。つまり、貫通孔２３１～２３３の各々では、当該貫通孔と、被撮像領域Ｗａに対して当該貫通孔と鏡映対称な鏡映対称領域および被撮像領域を含む仮想平面と、カバー部材２３の内周面２３ａとの交線から離れた位置に他の貫通孔を配設している。したがって、他のカメラ用の貫通孔の影響を受けることなく、ドーム照明されるワークＷの被撮像領域Ｗａを良好に撮像することができる。また、当該撮像装置２を用いることでワークＷの画像を良好に取得することができる。さらに、当該画像に基づいてワークＷを高精度に検査することができる。

このように本実施形態では、ＸＹ手動ステージ２１が本発明の「ワーク保持部」の一例に相当している。また、Ｒ軸駆動部２２３が本発明の「回転駆動部」の一例に相当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、ワークＷの被撮像領域Ｗａを３つの撮像方向から撮像しているが、ドーム照明しつつ２つの撮像方向から撮像する装置に対しても本発明を適用することができる。また、４つ以上の撮像方向から撮像する装置に対しても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、特許文献２と同じ方式でワークＷをドーム照明しているが、その他の方式でドーム照明する装置にも本発明を適用することができる。例えば特許文献１に記載された方式と同じ方式を用いることができる。つまりカバー部材２３の内周面２３ａを反射面に仕上げ、カバー部材２３の下方周縁部に配置された照明部の発光素子から内周面２３ａに向けて照明光を出射することで、当該照明光を内周面２３ａで反射してワークＷに導光し、ワークＷを照明してもよい。

この発明は、いわゆるドーム照明法により照明されるワークを撮像する撮像技術全般、上記撮像技術を用いてワークの画像を取得する画像取得技術全般およびワークを検査する検査技術全般に適用することができる。

１…検査装置
２…撮像装置
３…制御装置
２１…ＸＹ手動ステージ（ワーク保持部）
２３…カバー部材
２３ａ…内周面
２３ｂ…外周面
２４…撮像部
２５…照明部
３５…検査部
２３１…第１貫通孔
２３２…第２貫通孔
２３３…第３貫通孔
２４１…第１カメラ
２４２…第２カメラ
２４３…第３カメラ
２５１…発光素子
２６１…第１鏡映対称領域
２６２…第２鏡映対称領域
２６３…第３鏡映対称領域
２７１…第１交線
２７２…第１交線
２７３…第１交線
Ｗ…ワーク
Ｗａ…被撮像領域

Claims (7)

1. ワークを保持するワーク保持部と、
   前記ワーク保持部に保持された前記ワークに対向するドーム状の内周面を有するとともに、複数の貫通孔が前記内周面と外周面とを貫通して設けられるカバー部材と、
   前記内周面の各部から前記ワーク保持部に保持された前記ワークに照明光を照射して前記ワークを照明する照明部と、
   前記照明部により照明される前記ワークの被撮像領域を撮像する撮像部とを備え、
   前記撮像部は、前記複数の貫通孔それぞれに対応して設けられ、前記被撮像領域を対応する貫通孔を介して撮像する複数のカメラを有し、
   前記複数の貫通孔はいずれも、他の貫通孔との位置関係において、
   前記複数の貫通孔のうちの一の貫通孔を除く他の貫通孔のいずれもが、前記被撮像領域に対して前記一の貫通孔と鏡映対称な鏡映対称領域、前記一の貫通孔および前記被撮像領域を含む仮想平面と、前記内周面との交線から離れた位置に設けられている
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置であって、
   前記カバー部材は前記内周面と前記外周面とを貫通する貫通孔を３つ以上有する撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の撮像装置であって、
   前記照明部は前記内周面の全体に分散して配設されて互いに異なる照明方向から前記ワークに向けて前記照明光を出射する複数の発光素子を有する撮像装置。
4. 請求項１または２に記載の撮像装置であって、
   前記照明部は前記内周面に向けて前記照明光を出射する発光素子を有し、
   前記内周面は前記照明光を反射して前記ワークに導光する反射面である撮像装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の撮像装置であって、
   前記ワーク保持部を回転軸まわりに回転させる回転駆動部を備える撮像装置。
6. 請求項５に記載の撮像装置を用いて前記ワークの画像を取得する画像取得方法であって、
   前記回転駆動部により前記ワークを少なくとも１回転させる間に、前記撮像部で前記ワークを撮像して前記ワークの画像を取得することを特徴とする画像取得方法。
7. 請求項５に記載の撮像装置と、
   前記回転駆動部により前記ワークを少なくとも１回転させる間に、前記撮像部により撮像された画像に基づいて前記ワークを検査する検査部と
   を備えることを特徴とする検査装置。

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