JPH02312437A - 光学走査器用の照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、自動検査に使用するような光学走査器用の照
明装置に関し、かつさらに特定すれば、強力な多方向光
エネルギーを目標範囲に伝達する効果的な装置に関する
。

従来の技術 自動光学検査機械は、通常ある種の電子光学的走査器を
使用する。走査装置は、一般に光エネルギーを検査中の
表面に供給する光源を有する。ある種の走査器において
表面ばセンサ上に結像され、かつセンサ又に表面又はこ
れら両方はＩＩｌ訳機構に取付けられており、それによ
り表面全体をセンサによって走査することができる。

照明装置における基本的要求は、センサによって検出さ
れる表面の部分において強力な光レベルを供給し、可能
な最高走査速度でセンサの全ダイナミックレンジが得ら
れろようにすることにある。

照明装置に関するその他の基本的要求は、エネルギー及
び光を有効に利用することにある。エネルギー効率は、
電力及び熱の消費要求の減少に役立ち、一方光効率は、
エネルギー効率の増加に加えて、結像系とセンサの特性
におけるフレア及び散乱光の効果を最小にする。

電子光学的走査器においてしばしば必要な照明の別の姿
は、制御された角伝搬である。完全には平らでなく、溝
又はかぎ傷のようなある程度の表面レリーフの存在する
加工片に対処するため、陰形成を避けるに＆エムい角伝
搬が必要である。光を拡散反射する物体においてこのよ
うな陰形成は、高くなった部分の近くの範囲の遮へいの
結果として生じることがある。しかしこの問題に、セン
サの方向へ反射する条件を満足する照明光線がないため
に陰形成が生じる鏡面についてさらに典型的である。広
い連続した範囲の照明角は、このような場合に一様な照
明を提供する。照明＆工過度に広くてはいけないが、又
は鏡面反射範囲と拡散反射範囲の間のコントラストの損
失が生じることがある。

別の極端な場合において、ある種の検査作業は狭い厳密
な明視野照明を使用すると有利なことがある。一般に一
方において鏡面又は明視野照明と他方において拡散又は
暗視野照明との間のバランスが用途に合わせて可変であ
る照明装置を提供することは、おおいに望ましい。

電子光学的走査器に広く使われるタイプのセンサは、通
常ＣＯＤ又はフォトダイオード配列技術によるラインセ
ンサである。このようなセンサにょれば、所定の時にい
つでも検出される加工片の範囲に、１　：　１（１００
又は１　：　２（１００の代表的な縦横比を有する比較
的狭い線である。それ故に効果的な照明系は、検出され
る線にまたがる細長い範囲に光を限定しなければならな
い。

ある種の系は、平板状光ガイドと共に細長い石英ハロゲ
ンランプを使用している。それによりランプは、加工片
を加熱する問題を避けるため遠くに取付けることができ
る。平らな出口開口に、加工片においてほぼ３０〜４０
°の固定角を形成し、かつ光を拡散する根拠である。こ
の装置は適度に有効であるにすぎない。なぜなら多方向
照明は、比較的広い範囲にわたる光の拡散を犠牲にして
得られるからである。この装置に、照明の角伝搬が固定
されているので、融通性に欠けている。

ライン走査器用のさらに融通性のあるタイプの照明装置
は光ファイバ束を使用する。入力端部は、通常円形断面
を有し、かつコリメータ反射器を有する石英ハロゲンラ
ンプから光を受取る。出力端部に、１：８０〜１　：　
４（１０の代表的な縦横比を有する直線平板の形にされ
ている。複数のこのような束の長い及び狭い端部ＧＸ、
種々の角度で作業面を照明するために結合することがで
きる。この装置は、オペレータが動作する束の種々の組
合わせの間で選択を行うことができるので、前に説明し
たものよりも融通性がある。しかしこのタイプの照明は
、作業面が数個の個別方向から照明されるだけなので、
連続した角伝搬の要求を満たさない。

電力及び光の効率は、両方の技術について基本的に同様
である。

作業面に極めて接近して又は前記のように光ガイドと組
合わせて、細長いけい光ランプを使用するため、いくら
かの電子光学的走査器が周知である。けい光ランプは、
本来石英ハロゲンランプよりも高い電力効率を有し、か
つ接近して使用した場合、滑らかな、広いかつ連続した
角伝搬を提供することがでさる。しかしけい光ランプの
発光は、石英ハロゲンランプのものより劣っており、そ
れにより多くの場合に不適当な比較的低い光レベルが生
じる。

結論として、前記すべての照明技術は、広くかつ均一な
角伝搬を得るために光効率で妥協しなければならないと
いう同じ基本的な制限を共有することに注意する。それ
に加えて、真の明視野照明は、通常作業面に対する垂線
に対して有限の角度をなしてセンサ光軸を配列すること
により達成され、それにより鏡面反射の条件を満たす一
部の照明が得られる。それ故に照明の角度適用範囲の増
加＆工、カメラをさらに傾斜を増加して取付けることを
含んでいる。それにより加工片の３次元形状にひずみを
導入するという不利な効果が生じる。

カメラの垂直光軸に沿って明視野照明を導入するために
ビーム結合器を使用する照明装置は周知である。しかし
この糸の暗視野成分はオおいに不連続であり、かつ光効
率は比較的劣っている。

発明の目的 本発明の目的に、光学走査器用の公知の照明装置の欠点
及び欠陥を排除し、広い連続したほぼ均一な角度適用範
囲を形成する照明装置を提供し、この照明装置が加工片
範囲の輝度レベルを改善し、かつ供給可能な光エネルギ
ーをさらに効率的に使用するようにし、この照明装置が
融通性のある動作を行ない、かつ明視野照明又＆工暗視
野照明又はこれらのあらゆる重み付は組合わせをユーザ
が選択できるようにし、かつこの照明装置によりカメラ
の厳密に垂直な光軸がレリーフパターンのひずみを最少
にできるようにし、かつこの照明装置がビーム結合器の
使用に関連したカメラの光学特性の劣化を最少にするよ
うにし、かつこの照明装置によりカメラのレンズができ
るだけ短い作業距離まで作業面に近付けるようにするこ
とにある。

発明の構成 本発明によればこの目的は、次のような光学走査器用の
照明装置を提供することによって達成される。丁なわち
走査器べぎ加工片の線状部分を照明する１つ又は複数の
光源、及び前記それぞれの光源のビーム集中器か設けら
れており、その際ビーム集中器は、一方において前記光
源に対してかつ他方において前記走査すべき線状部分に
対して相対的に配置されており、前記線状部分に前記光
源の細長い比較的狭い像を形成するようになっており、
前記像は、走査すべき前記線状部分をほぼカバーしてお
り、それにより照明装置が、明視野照明又は暗視野照明
又はこれらの重み付げした組合わせのため使用できる。

図及び説明に、光ガイドの出力端部が実効的に光源の代
用をする実施例に関するが、特許請求の範囲に記載した
本発明が前記のそれ自体周知の利点にもかかわらず光ガ
イドの使用にあるのではなく、光ガイドの出力端部で代
用した実効的な光源を使用せず、光ファイバによって構
成したような中間物を使用せずに光源を直接使用した実
施例が想定されることは明らかである。

それぞれの光ガイドの出力端部が実際に実効的な光源を
構成しているので、説明に使用した場合の１光源」とい
う言葉は、光ガイドの入力端部における実際の光源と光
ガイドの出力端部により構成された等価な又は実効的な
光源との両方に適用できるものと考えられろことに注意
する。

実施例 本発明の実施例を以下図面により詳細に説明する。

特に図の細部によれば、図示した点は、例として、かつ
本発明の有利な実施例の説明のためだけのものであり、
かつ本発明の基本方式及び概念的構成の最も有効かつ容
易に理解される説明と考えられるものを提供するために
示されていることを強調しておく。これに関して、本発
明を基本的に理解するために必要である以上に本発明の
構造細部を示す試みＱ工性われておらず、説明は、本発
明のいくつかの形が実際にどのように実現できるかを当
該技術の専門家に明らかにする図によって行われる。

図によれば、第１図に本発明による照明装置の有利な実
施例が、明視野及び暗視野照明を組合わせて構成したも
のとして概略的に示されている。

線走査カメラ２によって検出される表面の線に対して垂
直な方向における装置の概略断面が示しである。点４は
、カメラの光軸と順に走査すべき線の交点である。照明
装置は、例えばドイツ連邦共和国のショットガラス社又
は米国のインコム社から供給可能な３つの平らな光ファ
イバ光ガイド６．８．１０により代用される光源を有す
る。

このような光ガイドの代表的な例は、第２図に示しであ
る。ガイドは、入力端部においてほぼ丸い断面を有する
４つの個別のファイバ束Ａ、Ｂ、０、Ｄから成り、これ
ら束は、ハウジング１２内で広がり、１　：　４（１０
以下の縦横比を有する狭い細長い出力端部１４を形成し
ている。それぞれの束に、コリメータ反射器を備えた石
英ハロゲンラングの形にすると有利な自身の光源（図示
せず）を有することができる。これら光ガイドは、この
ような光源から供給可能な強い発光を提供するか、ラン
プにより生じる熱を加工片及びオペレータに伝えないと
いう利点を有する。光ガイドは、ガイドのそれぞれの側
に１つあるそれぞれの支持体１６に取付けられている。

支持体自身に側板１８に取付けられており、これら側板
には、さらに後で示すような装置のその他の部品も取付
けられている。

光ガイドの出力端部は細長い光源を形成しておワ、これ
ら出力端部は、加工片上の検出される線の方向に対して
平行な方向に、すなわち第１図の紙面に対して垂直な方
向に延びている。前記光源の長い方の寸法は用途に応じ
て変化してもよく、かつ代表的に（工、線走査カメラ２
により検出すべき加工片の範囲よりもわずかに長い。

ガイド６．８．１０からの光出力は、それぞれ溝形の集
中器２０．２２．２４によって集められ、その際これら
集中器は、円形又はだ円形の円筒の母線により形成され
、かつそれぞれの支持体２６．２８．３０上に取付けら
れている。屈折集中器と比較して反射を利用することは
いくつかの利点を有する。丁なわち反射集中器は、色収
差を生じることがなく、光経路を折返すことができるの
で装置なコンノくクトにし易く、かつ最後に重要なこと
であるが、製造がずっと安価である。

集中器の配列は、走査すべき加工片表面上の線に対して
前記の母線が平行になるようになっている。集中器２０
．２２及び２４ハ適当な間隔を置いて配置されており、
かつそれぞれの光源の近似的な像を作業面に形成するよ
うに配列されている。ここにおける結像関係は、実効的
な光源のそれぞれの点が表面上に線部分を構成するよう
に結像し、この部分の長さが第１図の紙面に対する垂線
の方向における光の角伝搬によって決められるという意
味で一般化される。さらに結像過程は、前記の線部分の
像が幾何学的な収差を受けるという意味で近似的である
。結像過程に、前記定義により円形ではなくだ円形の円
筒に基づく集中器を使用することにより、十分狭い光源
に対してさらに精密にすることができる。

側部の集中器２０．２２ホ、カメラ２０光軸に対してほ
ぼ５〜３０°の範囲をカバーする角伝搬で表面に光を向
けろように構成されかつ配置されている。

低い方の値に、集中器が検出される範囲から反射されカ
メラレンズによって集めるべき光をブロックしないよう
にセットされており、かつレンズの最大有効開口数に従
っていくらか変化することがある。上側の値は、加工片
レリーフパターンの均一な陰のない照明を形成し、かつ
供給可能な光工ネルギーの有効利用を行うように選ばれ
ている。

この値は、用途に応じて変化することもある。

上側の光源又Ｑ工光ガイドの光出力は、ビーム結合器３
２で反射した後に、作業面上に投影される。

ビーム結合器は、平らであり、２ｆｎｍの厚さのガラス
板であり、クロムの薄い層でコーティングされている。

クロムは比較的安価な点で有利であるが、誘電体コーテ
ィングを使用すれば、高効率（低損失）が得られる。結
合器はフレーム３４の内側に取付けられており、かつマ
ウント３６によって支持されている。集中器２４とビー
ム結合器３２　＆”Ｚ、側部の集中器２０と２２の間の
すぎ間を満たす検出範囲に光の角度分布を形成するよう
に構成され、配置されかつ配列されている。その結果、
作業面から見た場合、はぼ連続した角度適用範囲が生じ
る。ビーム結合器は、供給可能な光出力を最適に利用で
きるようにするため、はぼ等しい透過率と反射率を有す
るように作られている。ビーム結合器３２の配列は、カ
メラレンズ特性における非点収差の不利な作用を最少に
するように選定されて（・る。同様に球面収差を最少に
するため、最少の厚さのガラスから作られている。光源
又は光ガイド端部の幅、すなわち第１図の平面における
寸法も、用途に応じて変化するかもしれない。円筒形集
中器の幾何学的な収差のため、検出される範囲において
均一な照明の角度適用範囲が得られるように、所定の最
少幅が必要である。この最少幅を越えたいかなる付加的
な幅も、均一な角度適用範囲と高い強度の照明の両方が
得られた場合、カメラの光軸に沿ってかつそれに対して
垂直に、検出される範囲のまわりの範囲を増加する効果
を生じるだけである。

しかし検出される範囲自身における照明のレベルには何
の効果も生じない。それ故に第１図に示した装置に、広
い角度適用範囲と高い光効率の両方を有ｊるという利点
を有する。なぜなら円筒形の集中器に、作業面から明ら
かなように、実際の光源とほぼ同じ放射輝度を有するが
さらに広い角度を形成する実効的な光源を投影するから
である。

さらにこの角度は、前記のように収差によって決まる所
定の最少値を越えた光源の幅には無関係である。実際に
は加工片の厚さの広がり及び機械マウントの有限の公差
のため、最適な照明状態力＼存続する有限の容積を形成
するには、さらに広し・実効的な光源が必要である。

前記の有効照明容積は、光源又（工光ガイド６．８の出
口開口と当該の集中器２０．２２との間に異なった粒度
の丁りガラスのような収差板を挿入することによって所
定の用途に合わせるために増加できる。これら収差板に
３８及び４０で示されており、かつそれぞれの支持体４
２．４４に取付けられて（・る。

支持体１６．２６．２８．３０．３６．４２及び４４（
工、すべて互いに横棒４６によって接続された２つの側
板の間に配置され、かつここにねじ止めされて℃・ろ。

側板に案内棒４８から懸架されており、これら案内棒に
は棒５０とクランプブロック５２によって結合されてい
る。

これまで説明した照明装置Ｑ工、長さに沿って不均一レ
ベルを示す作業面上の照明範囲を形成する。

符に光源又は光ガイドの長さが有限なので、検出される
線の端部に向って光の減衰がある。この減衰は、側板１
８に取付けた平面反射器５４を設けることによって部分
的に補償できる。これら平面反射器５４ハ、反射面を内
側に向けて、光源又＆工光ガイド６．８及び集中器２０
．２２の端部と同一面にして取付けられている。有効に
動作するように、反射器５４ハ、底部エツジが作業面に
できるだけ近付くように構成されている。

すでに述べたように明視野及び暗視野照明を結合した第
１図に示す装置の光学方式が、第３図に示してあり、こ
こでは明確にするため、支持体、フレーム、棒等のよう
なすべての機械部品を工省略しである。

第１図に示すような照明装置は、（・くらめ・変形して
、暗視野照明専用にも使用できろ。そのため、ビーム結
合器３２と収差板３８及び４０ハ取除かれる。

このような構成において光＆工、集中器２０及び２２だ
けから作業面に達する。公称作業面からセンサに達する
鏡面反射の法則を満１こす照明光線Ｑ工存在しない。暗
視野照明の定義に従って、加工片の拡散又は不規則部分
からの光だけがセンサに達する。

いくらかの重要なりラスの加工片は、多重反射として周
知の機構によりツＣを散乱する材料を含んでいる。この
ような加工片によれば、多重反射部分と金属のようなそ
の他の部分との間のコントラス）　＆Ｘ、適当な偏光フ
ィルタを使用することによって増大でき、その際これら
偏光フィルタは、収差板３８及び４０及びビーム結合器
３２と置換えられ、かつ照明光ビームに偏光を生じる。

偏光フィルタは２つの動作モードで利用できる。

第１のものにおいて、ビーム結合器３２０代りに置かれ
た上側の偏光フィルタは、収差板３８及び４ｏの代りに
置かれた下側偏光フィルタに対して直交するように偏光
し、かつそれ故に分析器として動作する。その効果は、
光の偏光の方向を変えない金属又は誘電体材料のような
反射体から反射した光を大幅に減衰することにある。他
方において多重反射面は、入射光の偏光解消を行い、か
つそれ故にこれら部分から反射した光は部分的にしか減
衰されない。

第２の動作モードにおいて上側の偏光フィルタは、この
モードにおける別の２つの偏光フィルタに対して平行に
偏光し、偏光を保存する面から反射した光＆工わずかし
か減衰せず、一方偏光解消面から反射した光は、それよ
り多量に減衰する。

どちらの動作モードも、直線偏光又は円偏光フィルタに
よって行うことができる。

これらどちらの動作モードにおいても、上側の光源又は
光ガイドは動作していない。

前記実施例において、光ガイドは光ファイバタイプのも
のであったが、その他の光ガイド、例えばソリッドタイ
プのものを使用してもよい。

当該技術分野の専門家には明らかなように、本発明は前
記実施例の細部に限定されるのではなく、本発明は、そ
の権利範囲及び基本的属性からはずれることなく、その
他の特定の形式で実施できる。

それ故に本笑施例は、丁べての点において説明のための
ものであって限定するものではないと考えるべきであり
、本発明の権利範囲は、前記説明ではなく特許請求の範
囲に示されており、かつそれ故に特許請求の範囲の意味
及び均等物の範囲内にあるすべての変形は、ここに含ま
れるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図に、本発明による照明装置の有利な実施例を示す
略図、第２図に、第１図の装置に使用するような光ファ
イバ光ガイドの斜視図、第３図に、本発明による装置の
光学方式を示す図である。 ２・・・カメラ、４・・・カメラ光軸と線の交点、６．
８．１０・・・光ガイド、１２・・・ハウジング、１４
・・・出力端部、１６・・・支持体、１８・・・側板、
２０．２２．２４・・・集中器、２６．２８．３０・・
・支持体、３２・・・・ビーム結合器、３４・・・フレ
ーム、３６・・・マウント、３８．４０・・・収差板、
４２．４４・・・支持体、４６・・・横棒、４８・・・
案内棒、５０・・・フラングブロック、５４・・・反射
器

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）走査すべき加工片の線状部分を照明する１つ又は
   複数の光源、及び前記それぞれの光源のビーム集中器が
   設けられており、その際ビーム集中器は、一方において
   前記光源に対してかつ他方において前記走査すべき線状
   部分に対して相対的に配置されており、前記線状部分に
   前記光源の細長い比較的狭い像を形成するようになつて
   おり、前記像は、走査すべき前記線状部分をほぼカバー
   しており、それにより照明装置が、明視野照明又は暗視
   野照明又はこれらの重み付けした組合わせのため使用で
   きることを特徴とする、光学走査器用の照明装置。
2. （２）細長い比較的狭い出力端部を有する光ガイドが設
   けられており、これら光ガイドが実効的に前記光源をな
   している、請求項１記載の照明装置。
3. （３）前記光ガイドが光ファイバ光ガイドである、請求
   項２記載の照明装置。
4. （４）前記ビーム集中器が反射型のものである、請求項
   １記載の照明装置。
5. （５）前記ビーム集中器が、円筒の母線により形成され
   る凹面である、請求項１記載の照明装置。
6. （６）前記円筒が円形の円筒である、請求項５記載の照
   明装置。
7. （７）前記円筒がだ円形の円筒である、請求項５記載の
   照明装置。
8. （８）付加的なビーム集中器及びビーム結合器に関連し
   て付加的な光源の少なくとも近似的な像を形成するよう
   になつた付加的な光源が設けられており、その際前記像
   を形成するビームの光軸の少なくとも一部が、前記光学
   走査器の光軸を含む前記平面を通る、請求項１記載の照
   明装置。
9. （９）前記ビーム結合器が、前記付加的なビーム集中器
   と走査すべき前記線との間の光経路内に挿入された半透
   明半反射性の表面によつて構成されている、請求項８記
   載の照明装置。
10. （１０）少なくともいくつかの前記光源とこれらに組合
    わされたビーム集中器との間に挿入された収差板が設け
    られている、請求項１記載の照明装置。
11. （１１）走査すべき前記線に対してほぼ垂直に向けて少
    なくともいくつかの前記光源の少なくとも１つの出力端
    部の近くに取付けられて前記端部に向かう光強度の減衰
    を補償する少なくとも１つの平面鏡が設けられている、
    請求項１記載の照明装置。
12. （１２）前記光源と走査すべき前記照明された線との間
    の光経路に挿入可能な偏光素子が設けられている、請求
    項１記載の照明装置。
13. （１３）走査すべき前記照明された線とカメラとの間の
    光経路に挿入可能な少なくとも１つの偏光素子が設けら
    れている、請求項１記載の照明装置。