JPH08235924A - 球形イルミネータおよび照明方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一様な光でほぼ４πステラジアンの照明を提
供し、ぎらつきと影を除去して、完全な検査を可能にす
る。 【解決手段】 一つの凹面がある上部のディフューザ
（１７、４７、５６、６２）と、一つの凹面があって対
向する反射器（１８、４１）または一つの凹面があって
対向する下部ディフューザ（５７、６３）とを有する球
面イルミネータ（１０、４０、５０、６０）。この二つ
の凹面は、そのくぼみで実質上球形の検視領域を形成
し、このなかに検査の対象物が置かれる。上部のディフ
ューザ（１７、４７、５６、６２）には検視用の穴があ
る。上部のディフューザは近似的に２πステラジアンの
方向から対象物へ光を一様に転送する。反射器または下
部ディフューザが、他の２πステラジアンの方向から光
を供給するので、結果として、ほぼ４πステラジアンの
照明が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】この発明は光学装置に関
し、特に視覚による検査システムのためのイルミネータ
および照明方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】視覚による検査システムは、人間の目に
よる検査用または「機械の視覚」システム用として設計
される。近年、電気装置や電気機械装置の小型化に伴
い、非常に微細な特徴を有する物体のきずを探知できる
検査システムへの特別な需要が生じている。

【０００３】ほとんどの検査システムは、何かの種類の
光源を有している。従来の光源には、白熱灯、蛍光灯、
発光ダイオードなどがある。より良い照明のためには、
輪状に配列した電灯や、焦点を合わせたフィラメントプ
ロジェクタや、光ファイバー発光器など、種々の光学装
置が設計されている。しかしながら、これら従来のイル
ミネータは、いわゆる「ホットスポット」（露光過度な
部分）を生じるなど、検視を困難にする傾向があった。

【０００４】テキサス・インスツルメント株式会社に譲
渡された「ぎらつかない半球形イルミネータ」という名
称の米国特許第５０５１８７２号は、影のない一様な照
明を提供するイルミネータを記述している。このイルミ
ネータは、光源と検視すべき対象の間に置かれた半透明
の半球型ディフューザ（散光器）を有している。このデ
ィフューザの凹面は検視すべき対象の方を向いている。
このディフューザは、その凸面に入射する光を吸収し
て、その凹面からこの光を散乱させて発射する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の長所の一つ
は、ほぼ４πステラジアンの照明を提供することであ
る。この発明は、輝く面、鏡面、その他高度に反射的な
性質の対象物からホットスポットとぎらつきを除去す
る。この発明はまた、不規則な形の対象物の検査に際し
て、他の方法では生ずるであろう影を回避することによ
り、完全な検査を可能にする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の一面は、検査
すべき対象物の影のない照明のための球形イルミネータ
である。このイルミネータには上部ディフューザがあ
り、内視領域を形成するように実質上半球の凹面を有し
ている。この上部ディフューザはその内面の全領域から
転送される照明を提供し、また上部ディフューザの外側
から対象物を見られるように一つの穴がある。この上部
ディフューザは、２πステラジアンまたはほぼ２πステ
ラジアンの照明を提供する。イルミネータにはまた反射
器または第二のディフューザがある。いずれの場合も、
反射器または第二のディフューザが、上部ディフューザ
の凹面に対向する実質上の半球面を有する。反射器また
は第二のディフューザは、その内面の実質上全領域から
の照明を提供し、これによりもう一つの２πステラジア
ンの照明を提供する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１と図２は、この発明による球
形イルミネータ１０の側面断面図と斜視図である。後述
するが、イルミネータ１０は半球型ディフューザ１７と
半球型反射器１８を備えていて、これらが検査対象物
（ＯＵＩ）の「水平線から水平線までの」影のない照明
を可能にする。

【０００８】次に反射器１８とその代替実施例を含むこ
の発明の特徴を説明する。反射器１８があるために、こ
の発明のイルミネータは半球型に対する球形イルミネー
タなのである。半球型イルミネータの詳細は、テキサス
・インスツルメント株式会社に譲渡された「ぎらつかな
い半球型イルミネータ」の名称の米国特許第５０５１８
７２号とその参照文献に開示されている。

【０００９】イルミネータ１０にはハウジング１１があ
り、ハウジング１１の内面は少なくとも部分的に反射性
であって、後記する光の通路と一致する。ハウジング１
１は、ライトポート１２およびビューポート１３以外
は、少なくとも実質上遮光されている。

【００１０】光ファイバケーブル１５が照明光源を提供
する。ケーブル１５はライトポート１２を経由してイル
ミネータ１０に入る。ケーブル１５が運ぶ光は種々の手
段で発生できるが、典型的には電灯で発生させる。ケー
ブル１２が伝える照射は可視光に限らず、紫外線や赤外
線も可能である。光ケーブル１５はライトポート１２で
終結する。光ケーブル１５の終端から出る光線はこの開
口機能により発散する。

【００１１】照明光源は、種々の変化した手段で得られ
る。光ケーブルで送る代わりに、ライトポート１２にロ
ーカル光源を設けてもよい。また図５に関連して後記す
るように、イルミネータ１０は、光ファイバリングや環
状灯のような内部ローカル光源を有することもある。

【００１２】入射光は負のレンズ（ａ ｎｅｇａｔｉｖ
ｅ ｌｅｎｓ）１６に投射し、負のレンズ１６はこの光
線を拡散させて凹面ディフューザ１７の上面に投射し、
同時にディフューザ１７の下部輪郭を囲んで反射するハ
ウジング１１の内壁に投射する。ハウジング１１の壁の
角度と離隔距離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）は、ディフュ
ーザ１７全体が、ライトポート１２からの直接の光また
はハウジング１１の壁からの反射光によって、一様に照
明されるように設計される。

【００１３】ディフューザ１７は中空の半球である。そ
の散乱特性はディフューザ１７の媒体に固有のものであ
ってもよく、またディフューザ１７のいずれかの表面の
コーティングしまたはざらつきを出すようにしてもよ
い。ディフューザ１７の適材の例としては、乳白不透明
ガラス、レクサン（ｌｅｘａｎ）、ポリプロピレンがあ
る。散乱特性はディフューザの表面をサンドブラストす
るなどの手段で付与できる。

【００１４】ディフューザ１７は、その直径やビューポ
ート１３のサイズなど種々の要素にもよるが、２πステ
ラジアンまたはこれに近い照明を与える。ここでは、デ
ィフューザ１７を、他の実施例に用いられる追加のディ
フューザと区別するために「上部」ディフューザと呼ぶ
ことにする。

【００１５】反射器１８もまた中空半球である。反射器
１８は、その凹面が反射性なのでこう呼ばれている。反
射器１８はディフューザ１７に「対向して」いるが、そ
の意味は、反射器１８の凹面がディフューザ１７の凹面
に対向していて、球形の検視領域を形成していることで
ある。図１および図２において反射器１８はディフュー
ザ１７と近似的に同一直径である。しかしながらこれは
必須な事ではなく、反射器１８がより大きな直径、また
はより小さな直径であることが望ましい場合があり得
る。

【００１６】反射器１８は、散乱性の表面を有するが、
これは種々の手段で達成できる。たとえば反射器１８の
内面を白いフィルムまたは塗料でコートできる。あるい
は、散乱特性を与えるためにサンドブラストした白いプ
ラスチックの表面で反射器１８を作ることができる。

【００１７】反射器１８をハウジング１１から分離可能
にしてＯＵＩを検視領域に挿入できるようになってい
る。ＯＵＩを検視領域内で保持するために支持具を使用
できる。この支持具はツールポート１９を通ってハウジ
ング１１の外側へ延長できる。図示の例ではツールポー
ト１９は、反射器１８がハウジング１１から分離する連
接点に位置している。ＯＵＩをさまざまに検視するため
に、この支持具は回転、移動、その他の操作ができる。

【００１８】ハウジング１１にあるビューポート１３
は、穴１７ａと一直線になっており、ここから肉眼また
はカメラ、顕微鏡などの装置でＯＵＩを検視できる。図
１と図２において、ビューポート１３は検視領域に置か
れたＯＵＩの上面に垂直な光学軸から外れている。ビュ
ーポート１３のこの構成は「オフ・アクシス（ｏｆｆ−
ａｘｉｓ）」構成の一例である。

【００１９】図１と図２において、イルミネータ１０の
ＯＵＩに対する方向は、ディフューザ１７が「上部」半
球をなし、反射器１８が「下部」半球をなすように向い
ている。しかしながら、他の実施例においては、これら
の方向は逆であってもよく、ビューポートはディフュー
ザ１７ではなく反射器１８にあってもよい。

【００２０】図３は、この発明による球形イルミネータ
の作用を図示する。ビューポート３１だけが明示されて
いる。図３のイルミネータは、明示されていないが、図
１と図２のものと似たディフューザと反射器を有し、ビ
ューポート３１への光が通る穴についても同様である。
図１に示したように、ＯＵＩがイルミネータの中に置か
れている。図３においては、イルミネータは「オン・ア
クシス（ｏｎ−ａｘｉｓ）」のビューポート３１を有す
る点が、図１と図２の「オフ・アクシス」のビューポー
トと異なる。

【００２１】図３の例では、ＯＵＩは小山の形をしてい
る。ＯＵＩ上の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が図示されている。
説明を簡単にするために、検視する人の目または検視装
置のレンズは、ビューポート３１にあるものと仮定す
る。各点について、目またはレンズに入らなければなら
ない光が点線で図示されている。各点について、これら
の光線はレンズに対して「立体角」を形成する。この
「出て行く」光が有効であるためには、その点が入射光
によって特定の立体角で照射されていなければならな
い。点Ｐ１について、この入射光は、ディフューザ１７
を通じて転送された後に到着している。しかしながら、
点Ｐ２と点Ｐ３については、この入射光は反射器１８か
ら反射された後に到着している。

【００２２】点Ｐ２は点Ｐ１よりもＯＵＩが乗っている
水平線Ｈ−Ｈに近い。点Ｐ３は水平線上にある。図３か
ら明らかなように、イルミネータはＯＵＩ上のすべての
点の水平線から水平線までの検視を提供する。別の表現
をすれば、イルミネータは４πステラジアン（３６０
度）の立体角において一様に光を提供する。目またはレ
ンズに光が到達しない「ダーク・ゾーン」は存在しな
い。

【００２３】図４は、もう一つのイルミネータ４０を示
し、図１と図２の反射器１８に類似した反射器４１があ
る。しかしながら、イルミネータ４０のビューポート４
３は「オン・アクシス」である。光ファイバーケーブル
４５はライトリング４６で終結しており、ライトリング
４６は光を発するファイバーの輪である。ライトリング
４６は、光線が、ディフューザ４７の表面に直接に、ま
たはハウジング４８の内面または反射器４９からの反射
後に、入射するように、方向付けられている。

【００２４】図５は、この発明の選択できる実施例を示
し、「能動球形イルミネータ」と呼ばれる。図１、図
２、図４の実施例では、反射器１８と４１は、いずれも
追加的な光を与えないという意味で受動的である。しか
しながら、イルミネータ５０は、反射器の代わりに下部
ディフューザ５７を有する。光が上部ディフューザ５６
を通った後で検視領域へ反射させる代わりに、下部ディ
フューザ５７自体が光を検視領域へ通す。上部ディフュ
ーザ５６がビューポート５１と一線になった検視穴５６
ａを有することを除けば、下部ディフューザ５７は実質
的に上部ディフューザ５６の対照物をなしている。

【００２５】図５において、上部ディフューザ５６およ
び下部ディフューザ５７を通り抜ける光は、それぞれロ
ーカル光源から発せられる。この実施例において、イル
ミネータ５０は二つの環状灯５２および５３を有する。
上部ハウジング５８と下部ハウジング５９は、反射性の
内壁を有していて、上部ディフューザ５６と下部ディフ
ューザ５７の全面によって光が一様に伝達されるように
なっている。

【００２６】図６は他のイルミネータ６０を示す。これ
はイルミネータ５０と同様に「能動的」イルミネータで
ある。しかしながら、中空の球面をなす二つのディフュ
ーザの代わりに、イルミネータ６０は二個のワンピース
のディフューザ６２と６３を有する。ディフューザ６２
と６３はそれぞれ凸形の内面を有し、外面は凹形になっ
ている。この凹形の外面が散乱性を得るように処理され
ている。他の実施例における反射器やディフューザと同
様にディフューザ６２と６３の凹面は対向している。

【００２７】ディフューザ６２はビューポート６３を有
する。ディフューザ６２と６３は共に、ディフューザの
照明用として、それぞれ連合したライトリング６５と６
６を有する。光は、光ファイバーケーブル６７と６８を
経由してライトリング６５と６６へ入る。

【００２８】ディフューザ６２と６３の内面は、ライト
リング６５と６６からの光の内面での反射が達成できる
ように、また特に、直接に光を少ししかまたは全く受け
ないディフューザの領域に光をむけるように角度がつけ
てある。この仕方でディフューザ６２と６３の内面は一
様に照明される。

【００２９】上記の球形イルミネータの各実施例におい
て、上部半球のディフューザと下部半球の反射器または
ディフューザは、「実質的に半球である」と記述されて
きた。これが意味するように、この発明の基本概念から
離れずに、よりコンパクトなイルミネータを提供するた
めに、上下半球のいずれかが平らにされることが有り得
る。

【００３０】上記実施例から明らかなように、上部ディ
フューザについて、および下部ディフューザがあればこ
れについても、ビューポート、ライトポート、光源に関
して多くの変形が可能である。たとえば、図５のライト
リング５３の構成は、「オフ・アクシス」のビューポー
トと共に使用できる。また「オン・アクシス」のビュー
ポートは、「オフ・アクシス」の光ファイバーケーブル
と共に使用できる。他の代案では、ディフューザ上に一
つまたはそれ以上の環状灯またはスパイラル形のネオン
灯形式のローカル光源を設けることもできる。またディ
フューザの穴の上にビーム・スプリッタを設けてダーク
・スポットを防止する案もある。これらの変形の更なる
詳細は、前に引用した米国特許第５０５１８７２号に開
示されている。

【００３１】以上にこの発明の特定の実施例について述
べてきたが、この記述は制限的な意味に解釈されてはな
らない。開示された実施例のさまざまな変形や代案の実
施例が当業者には自明のことである。従って、この明細
書に記述する特許請求の範囲は、この発明の真実の範囲
に入るすべての修正を含むものである。

【００３２】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。

【００３３】（１）検査すべき対象物の影のない照明の
ための球形イルミネータでって、内視領域を形成するよ
うに凹形の実質的に半球の面があり実質的にその内面の
全領域から転送される照明を供給するディフューザと、
前記ディフューザの凹面に対向する凹面の実質的な半球
面があり実質的にその内面の全領域から転送される照明
を供給する反射器を含んでなり、前記ディフューザまた
は前記反射器は前記の対象物を検視できるように穴があ
る球形イルミネータ。

【００３４】（２）前記ディフューザが散乱性を有する
中空の半球殻である第１項記載のイルミネータ。

【００３５】（３）光源から前記ディフューザへの光を
方向付けるために、少なくとも部分的に前記ディフュー
ザの外面に対向する反射器を含んでなる第２項記載のイ
ルミネータ。

【００３６】（４）前記ディフューザは中実の物体であ
って、散乱性の凹面を有し、前記凹面に光を反射するよ
うに内部で反射する第１項記載のイルミネータ。

【００３７】（５）前記ディフューザを通して転送され
る光を供給するための光源を含んでなる第１項記載のイ
ルミネータ。

【００３８】（６）前記ディフューザを通して転送され
る光を供給するための光ファイバーの輪を含んでなる第
１項記載のイルミネータ。

【００３９】（７）前記ディフューザを通して転送され
る光を供給するための環状灯を含んでなる第１項記載の
イルミネータ。

【００４０】（８）前記ディフューザを囲むハウジング
を含んでなる第１項記載のイルミネータ。

【００４１】（９）前記ハウジングは外部で発生させた
照明を受け入れるためのライトポートを含んでなる第８
項記載のイルミネータ。

【００４２】（１０）検査すべき対象物の影のない照明
のための球形イルミネータであって、内視領域を形成す
るように凹形の実質的に半球の面があり実質的にその内
面の全領域から転送される照明を供給し、外部から前記
対象物を検視できるように穴を設けた上部ディフューザ
と、前記ディフューザの凹面に対向する凹面の実質的な
半球面があり実質的にその内面の全領域から転送される
照明を供給する下部ディフューザを含んでなる球形イル
ミネータ。

【００４３】（１１）前記上部ディフューザと前記下部
ディフューザが散乱性を有する中空の半球殻である第１
０項記載のイルミネータ。

【００４４】（１２）前記上部ディフューザまたは前記
下部ディフューザからの光を方向付けるために、少なく
とも部分的に前記上部ディフューザまたは前記下部ディ
フューザの外面に対向する反射器を含んでなる第１１項
記載のイルミネータ。

【００４５】（１３）前記上部ディフューザまたは前記
下部ディフューザまたはこれらの両方が中実の物体であ
って、散乱性の凹面を有し、前記凹面に光を反射するよ
うに内部で反射する第１０項記載のイルミネータ。

【００４６】（１４）前記上部ディフューザと前記下部
ディフューザを通して転送される光を供給するための少
なくとも一個の光源を含んでなる第１０項記載のイルミ
ネータ。

【００４７】（１５）前記上部ディフューザと前記下部
ディフューザを通して転送される光を供給するための少
なくとも一個の光ファイバーの輪を含んでなる第１０項
記載のイルミネータ。

【００４８】（１６）前記上部ディフューザと前記下部
ディフューザを通して転送される光を供給するための少
なくとも一個の環状灯を含んでなる第１０項記載のイル
ミネータ。

【００４９】（１７）前記上部ディフューザと前記下部
ディフューザを囲むハウジングを含んでなる第１０項記
載のイルミネータ。

【００５０】（１８）前記ハウジングは外部で発生させ
た照明を受け入れるためのライトポートを含んでなる第
１７項記載のイルミネータ。

【００５１】（１９）対象物の影ができない照明を提供
する方法であって、凹形の実質的に半球の面があるディ
フューザを提供するステップと、凹形の実質的に半球の
面がある反射器を前記ディフューザの凹面に対向させて
検視領域を形成するように配置するステップと、照明す
べき対象物を前記の検視領域に置くステップと、前記デ
ィフューザの前記凹面の実質上全領域および前記反射器
の前記凹面の実質上全領域から前記検視領域内へ照射を
配分するように前記デイフューザを通して照射を方向づ
けるステップとからなる方法。

【００５２】（２０）対象物の影ができない照明を提供
する方法であって、凹形の実質的に半球の面がある上部
ディフューザを提供するステップと、凹形の実質的に半
球の面がある下部ディフューザを前記上部ディフューザ
の凹面に対向させて検視領域を形成するように配置する
ステップと、照明すべき対象物を前記の検視領域に置く
ステップと、前記上部ディフューザの前記凹面の実質上
全領域および前記下部ディフューザの前記凹面の実質上
全領域から前記検視領域内へ照射を配分するように前記
上部ディフューザと前記下部ディフューザを通して照射
を方向づけるステップとからなる方法。

【００５３】（２１）一つの凹面がある上部のディフュ
ーザ１７、４７、５６、６２と、一つの凹面があって対
向する反射器１８、４１または一つの凹面があって対向
する下部ディフューザ５７、６３とを有する球面イルミ
ネータ１０、４０、５０、６０。この二つの凹面は、そ
のくぼみで実質上球形の検視領域を形成し、このなかに
検査の対象物が置かれる。上部のディフューザ１７、４
７、５６、６２には検視用の穴がある。上部のディフュ
ーザは近似的に２πステラジアンの方向から対象物へ光
を一様に転送する。反射器または下部ディフューザが、
他の２πステラジアンの方向から光を供給するので、結
果として、ほぼ４πステラジアンの照明が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による球形イルミネータの側面断面図
でオフ・アクシスのビューポートとリモート光源を有す
る。

【図２】図１の球形イルミネータの透視図。

【図３】この発明による球形イルミネータの運転の説明
図。

【図４】この発明による球形イルミネータの他の実施例
の側面断面図でオン・アクシスのビューポートと内部光
源を有する。。

【図５】この発明による球形イルミネータの他の実施例
の側面断面図で反射器ではなく第二のディフューザと光
源を有する。

【図６】この発明による球形イルミネータの他の実施例
の側面断面図で二つの立体ディフューザを有する。

【符号の説明】

１０，４０，５０，６０ イルミネータ １７，４６ ディフューザ １８，４１ 反射器 ５６，６２ 上部ディフューザ ５７，６３ 下部ディフューザ ６５ａ 穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査すべき対象物の影のない照明のため
   の球形イルミネータであって、内視領域を形成するよう
   に凹形の実質的に半球の面があり実質的にその内面の全
   領域から転送される照明を供給するディフューザと、前
   記ディフューザの凹面に対向する凹面の実質的な半球面
   があり実質的にその内面の全領域から転送される照明を
   供給する反射器を含んでなり、前記ディフューザまたは
   前記反射器は前記の対象物を検視できるように穴がある
   球形イルミネータ。
2. 【請求項２】 対象物の影ができない照明を提供する方
   法であって、凹形の実質的に半球の面があるディフュー
   ザを提供するステップと、凹形の実質的に半球の面があ
   る反射器を前記ディフューザの凹面に対向させて検視領
   域を形成するように配置するステップと、照明すべき対
   象物を前記の検視領域に置くステップと、前記ディフュ
   ーザの前記凹面の実質上全領域および前記反射器の前記
   凹面の実質上全領域から前記検視領域内へ照射を配分す
   るように前記ディフューザを通して照射を方向づけるス
   テップとからなる方法。