JPWO2007023894A1 - 光照射装置及び光学部材 - Google Patents

Abstract

一方の面をワーク対向面３１ａとして、光の照射対象である製品等のワークＷに向けて設置される所定厚みを有した透光板３１と、前記透光板３１における他方の面に、光反射面がワークＷ側を向き、なおかつ互いの間に微細な隙間Ｓが形成されるように並べ設けた多数の反射部３２と、射出した光の少なくとも一部が前記透光板３１内を透過して前記光反射面に到達し、そこで反射して前記ワーク対向面３１ａから射出される位置に設けた光源部５と、前記ワーク対向面３１ａを被覆する反射防止膜３３と、を備えるようにすることで、コンパクト性等を犠牲にすることなく、モアレを簡単な構成で、なおかつ低コストで軽減できる光照射装置を提供するようにした。

Description

本発明は、例えば工場等において製品等の対象物に光を照射するものであって、その外観検査や表面に記載された記号読取の際に好適に用いられる光照射装置及び光学部材に関するものである。

従来、例えば製品等の対象物に光を照射して好適な照明環境を作り出した上で、当該対象物をＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像し、自動外観検査や自動記号読取を行うようにしたシステムが知られている。

このようなシステムにおいて、撮像装置の観測軸と同軸方向からも光を照射する必要がある場合、従来は、観測軸上に斜め４５度にハーフミラーを設置し、そのハーフミラーに観測軸と直交する方向から光を照射するようにしている。このような構成によれば、光源から射出された光がハーフミラーで反射して前記観測軸と同軸方向に進行し、前記対象物に照射される一方、対象物からの光はハーフミラーを透過して撮像装置に届くため、対象物の撮像も可能である。ただ、このような構成では、４５度に傾斜させたハーフミラーを配置する関係上、全体が特に観測軸方向に大型化するうえ、そのハーフミラーが邪魔をして、撮像装置を対象物に接近させることができない。

そこで本発明者は、特許文献１に示すように、薄い板状をなし、観測軸上に直交して挿入することができる画期的な光照射装置を開発し、大幅なコンパクト化や接近撮像等を初めて可能にした。

具体的に、この光照射装置は、多数の微細な反射部材を、互いの間に隙間が形成されるように、透明板の反対象物側の面に並べ設けるとともに、その透明板の側周端面からＬＥＤ光を導入するようにしたものである。光は、透明板の中を全反射しながら進行するが、そのうちの一部は、反射部材で反射して透明板から対象物に向かって照射される。撮像装置は、反射部材の間に隙間があるため、網戸から明るい部屋の中を覗くように、反射部材にほとんど影響されることなく、対象物を撮像することができる。
特開２００３−９８０９３号公報

しかしながら、このような光照射装置を用いた場合、撮像装置側の倍率によっては、撮像画面にモアレ（干渉縞）が生じ、検査等に影響を及ぼす場合がある。このモアレを軽減するために、特許文献１では、例えば反射部材を不均一なピッチで並べるとか、その形状を異形状にするといった手法が記載されているが、このような手法では、製作コストが予想以上に大きくなる。

そこで本発明は、この種の光照射装置において、その特長であるコンパクト性等を犠牲にすることなく、上述したモアレを簡単な構成で、なおかつ低コストで軽減すべく図ったものである。

すなわち本発明にかかる光照射装置は、一方の面をワーク対向面として、光の照射対象である製品等のワークに向けて設置される所定厚みを有した透光板と、前記透光板における他方の面（以下反ワーク対向面ということもある）に、光反射面がワーク側を向き、なおかつ互いの間に微細な隙間が形成されるように並べ設けた多数の反射部と、射出した光の少なくとも一部が前記透光板内を透過して前記光反射面に到達し、そこで反射して前記ワーク対向面から射出される位置に設けた光源部と、前記ワーク対向面を被覆する反射防止膜と、を備えている。

また本発明は、前記光源と別体をなす光学部材に係り、一方の面をワーク対向面として、光の照射対象である製品等のワークに向けて設置される所定厚みを有した透光板と、前記透光板における反ワーク対向面に、光反射面がワーク側を向き、なおかつ互いの間に微細な隙間が形成されるように並べ設けた多数の反射部と、前記ワーク対向面を被覆する反射防止膜と、を備えていることを特徴とする。

なお、ここで「反射」とは、基本的に乱反射（散乱）のことであるが、場合によっては正反射も含む意味である。

本発明者は、鋭意検討の結果、各反射部でワーク側に反射した光の一部が、ワーク対向面で再度反射して撮像装置側に向かうことによって、モアレが発生することを解明した。より具体的には、反射部のそしてこの解明事実に基づき本発明に想到したものであって、ワーク対向面に反射防止膜を設けるという簡単でコストのかからない構成で、ワーク対向面で反射し撮像装置側に向かう光を抑制し、モアレを低減することができるようにしたものである。

光源部の具体的な構成としては、前記光源部が、透光板の側周端面に臨んで配置され、当該側周端面から透光板内部に光を導入する複数のＬＥＤを備えたものを挙げることができる。

前記反射部は、縦横に配列しておくことが製作コスト上好ましい。ところが、このような構成において、前述したように、撮像装置が、ＣＣＤカメラのように縦横にそれぞれ所定ピッチで配列された多数の画像素子を有するものであると、画像素子の配列方向と、反射部の配列方向とがほぼ合致したとき、あるいは所定の角度になったときに、ある撮像倍率でモアレが発生する。

もちろん、このモアレは前記反射防止膜で抑制できるが、さらにそのモアレ抑制効果を高めるには、前記撮像装置に対する正規配置姿勢において、画像素子の縦配列方向（又は横配列方向）と反射部の縦配列方向（又は横配列方向）とのなす角度θが、０°、α、９０°−α及び９０°の近傍を避けた角度に設定されているものが好ましい。ただし、ｔａｎα＝反射部の横配列ピッチ／反射部の縦配列ピッチ、横配列ピッチ≦縦配列ピッチである。

より具体的には、前記角度θが、５°〜１０°≦θ≦α−１０°〜α−５°、α＋５〜α＋１０≦θ≦８０°−α〜８５°−α、又は９５°−α〜１００°−α≦θ≦８０°〜８５°であることが好ましい。

この角度θに設定することによって、干渉縞がさらに薄くなるとともにそのピッチが非常に小さくなり、ほとんど目立たなくなる。

前記反射部が縦横にほぼ等ピッチで配列されている場合においては（α＝４５°の場合においては）、前記角度θが、約２２．５°又は６７．５°であることが、より好ましい。

このように構成した本発明に係る光照射装置等であれば、コンパクト化が可能であり、ワークに接近して撮像できるという特徴を活かしながら、ワーク対向面を反射防止膜で被覆するという非常に簡単でコストのかからない構成によって、ワーク撮像時に生じるモアレを効果的に抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態における光照射装置の内部構造を示す中央縦正端面図。 同実施形態における光照射装置の平面図。 同実施形態における光照射装置の反射部を主として示す部分拡大縦正端面図。 図２におけるＡ部詳細図。 反射部の配列方向を変えた場合を示す部分拡大平面図。 モアレが発生する場合の画像素子の配列方向に対する反射部の配列方向を示す現象説明図。 モアレが発生する場合の画像素子の配列方向に対する反射部の配列方向を示す現象説明図。 本発明の他の実施形態における光照射装置の内部構造を示す中央縦正端面図。 図８におけるＡ部詳細図。 本発明のさらに他の実施形態における光照射装置を示す中央縦正端面図。 本発明のさらに他の実施形態における反射部の部分拡大平面図。

符号の説明

１…光照射装置
３…光学部材
３１…透光板
３１ａ…一方の面（ワーク対向面）
３１ｂ…他方の面（反ワーク対向面）
３１ｃ…側周端面
３２…反射部
３３…反射防止膜
５…光源部
５１…ＬＥＤ
６…撮像装置（ＣＣＤカメラ）
Ｓ…隙間
Ｗ…ワーク

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光照射装置１は、図１、図２に示すように、全体として薄い板状をなすもので、ワークＷと撮像装置６との間の撮像軸Ｃ上に直交して配置され、ワークＷを照明するとともに、ワークＷからの光の一部を透過させて、撮像装置６によるワークＷの撮像を可能ならしめるものである。

具体的にこの光照射装置１は、矩形板状をなす光学部材３と、その光学部材３の側周囲から光を照射する光源部５と、前記光学部材３及び光源部５を保持する枠体２とを備えている。

光学部材３は、特に図３に示すように、一方の面をワーク対向面３１ａとして、光の照射対象である製品等のワークＷに向けて設置される透光板３１と、前記透光板３１における他方の面（反ワーク対向面）３１ｂに並べ設けた多数の反射部３２と、前記ワーク対向面３１ａを被覆する反射防止膜３３とからなる。

透光板３１は、等厚で平面視正方形状の板状をなす無色透明のものであり、例えばアクリルやガラスなどを素材としている。

反射部３２は、図３、図４に示すように、光を乱反射する反射層３２１と光をほとんど反射しない光遮断層３２２との２層構造をなし、その一つ一つは、例えば平面視円形状をなし、径が数十〜数百μｍ、厚みがミクロンオーダーの極めて小さく薄いものである。そして、この反射部３２を、互いの間に微細な隙間Ｓが形成されるように、前記透光板３１３における反ワーク対向面３１ｂの、側周縁部を除く略全面に亘って、等ピッチ（例えば約０．４ｍｍピッチ）で縦横に多数並べ設けてある。また、各反射部３２は、前記反射層３２１がワークＷ側を向くように、すなわち前記反射層３２１を、透光板３１の反ワーク対向面３１ｂに付着させてある。なお、図３は理解のための模式図であり、反射部３２の厚みを誇張し、また透光板３１の厚みを実際より薄く表現してある。前記反射層３２１は、光拡散部材である粒子状の反射フィラ（図示しない）を含有させた例えば白色の顔料で形成したもので、その表面である光反射面において、主として光を反射するとともに、内部に侵入した光の一部を、前記反射フィラで拡散させて反射する。一方、光遮断層３２２は、酸化クロム（ＣｒＯ２）等のつや消し黒色系（例えば茶色や灰色等）素材を用いて形成したものである。なお、この実施形態では、前記反射層３２１を透過した光を反射する目的から、この光遮断層３２２と反射層３２１との間に鏡面状をなす薄いクロム層（図示しない）をさらに設けた構成にしている。

反射防止膜３３は、例えば多層膜等で形成したもので、入射した光の反射を抑制し、透過率を向上させる機能を有する。

光源部５は、前記透光板３１の４つの側周端面３１ｃにそれぞれ対応する４つのユニットからなる。各ユニットは、帯状をなす１つの配線基板５２とその配線基板５２に等間隔１列で搭載した複数のＬＥＤ５１からなり、それらＬＥＤ５１が、透光板３１の側周端面３１ｃに臨むように配置され、当該側周端面３１ｃから透光板３１の内部に向かって光を照射する。

枠体２は、矩形（正方形）環状をなし、例えば内周面に開口する周回溝を有した金属製のもので、その周回溝の中に前記光源部５を保持収容する。またその溝の開口縁部で、前記透光板３１の側周縁部を厚み方向から挟み込んで保持する。

次に、このように構成した光照射装置１の作用を以下に説明する。

まず、図１に示すように、ワークＷと撮像装置６とを対向させて設置し、その間に、光照射装置１を、そのワーク対向面３１ａがワークＷに向くようにして、撮像軸Ｃ上に設置する。

この状態で、光源部５から光が照射されると、その光は、透光板３１の側周端面３１ｃから内部に進入し、図３に示すように、中央部に向かって、ワーク対向面３１ａと反ワーク対向面３１ｂとの間で全反射しながら進行する。その過程で、ワーク対向面３１ａに貼り付けられた反射部３２に到達した光は、そこで乱反射し、均一化された拡散光としてワーク対向面３１ａから出て、ワークＷに向かって照射される。この光で、ワークＷは一様に照明される。

一方、撮像装置６は、前記ワークＷで反射し、反射部３２の間の隙間Ｓを通って透光板３１を通過した光を捕捉することにより、上述のごとくワークＷを撮像し、当該ワークＷの表面検査や記号読取を行う。しかして、反射部３２は微細であるために、網戸を介して明るい部屋の中を見ることができるように、この反射部３２が撮像の邪魔にはなることは基本的にはない。ただし、より好ましくは、隙間Ｓや反射部３２の大きさ、あるいはピッチを、撮像装置６と反射部３２との離間距離、撮像装置６とワークＷとの離間距離等をパラメータとして観測に支障がでない最適なものに定めればよい。例えば撮像装置６と反射部３２との離間距離が小さい場合には、隙間Ｓや反射部３２の大きさ、あるいはピッチを相応に大きくし、逆の場合は小さく設定すればよい。

このようにして、反射部３２での反射光により撮像装置６の観測軸Ｃと同軸方向からの照明が行えるとともに、前記ワークＷを、隙間Ｓを介して撮像装置６で撮像し、検査等を行うことができる。

ところで、この実施形態の撮像装置６であるＣＣＤカメラのように、画像素子の縦（又は横）の配設ピッチが略均一である場合、撮像した画像にモアレが生じることがある。本発明者が解明した限りにおいてのモアレの原因は、「反射部３２で反射してワークＷ側に向かい、その後、ワーク対向面３１ａで再度反射して撮像装置６側に向かう光」である。より詳細には、その光によって画像素子上に写る各反射部３２が、各画像素子とほぼ重なり合うときに、モアレが生じ得る。

具体的に説明する。例えば、この実施形態では、図４に示すように、画像素子の縦配列方向Ｙ（又は横配列方向Ｘ）と反射部３２の縦配列方向ｙ（又は横配列方向ｘ）をほぼ一致させている（互いの縦配列方向Ｙ、ｙのなす角度θがほぼ０°）が、このときは、反射部３２の画像素子上に写る見かけの縦方向配列ピッチが、当該画像素子の縦方向配列ピッチとほぼ合致するような倍率で撮像すると、光が干渉してモアレが生じる。すなわち、反射部３２のピッチが４００μｍで画像素子のピッチが９μｍの場合、撮像倍率を９／４００前後にしたときに、画像素子上に写る各反射部３２が各画像素子とほぼ重なり合いモアレが生じる。

また、前記角度θが０°に限らず９０°でもモアレは生じるし、この実施形態のように、反射部３２の縦横配列ピッチがほぼ同一である場合には、角度θが４５°の前後でも生じる。これは、図５に示すように、画像素子の縦（又は横）の配列方向Ｙ（Ｘ）で見て、反射部３２が同方向Ｙ（Ｘ）に２８３μｍのピッチで整列することから、撮像倍率を９／２８３前後にしたときにモアレが生じるのである。

しかして本実施形態によれば、ワーク対向面３１ａに反射防止膜３３を設けるという簡単かつ低コストの構成によって、上述したモアレの原因となる「反射部３２でワークＷ側に反射し、その後、ワーク対向面３１ａで再度反射して撮像装置６側に向かう光」を低減することができ、結果としてモアレを大きく抑制することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前述したように、モアレが顕著に発生する角度θは、反射部３２の縦横配列ピッチがほぼ同一である場合は、０°、４５°、９０°の付近である。したがって、これらの角度付近を避けて、反射部３２の配列方向を定めれば、このモアレをより低減できる。

反射部３２の縦横方向のピッチが互いに異なっても適用できるように、さらにこれを一般化して説明する。反射部３２の縦横方向のピッチをそれぞれｐ、ｑとしたとき、モアレの顕著に発生する角度は、０°、α、９０−α、９０°である。ここで、αは、ｔａｎα＝ｑ／ｐで定まる角度である。ただし、ｐ≧ｑ＞０とする（ｐがｑより大きいのは、ピッチの長い方を縦方向と定義づけるということである）。

０°、９０°はいうまでもないが、α及び９０°−αは、格子をなす反射部３２の対角線の角度を示し、θをその角度にしたときに、図６、図７に示すように、前記対角線が画像素子の配列方向Ｙ（又はＸ）と合致し、反射部３２が画像素子の配列方向Ｙ（又はＸ）と同じ方向に整列する。

したがって、これらの角度（０°、α、９０−α、９０°）の前後５°〜１０°ほどを避けて、反射部３２の配列方向を定めれば、このモアレをより低減できる。

すなわち、角度θが、
（１）５°〜１０°≦θ≦α−１０°〜α−５°
（２）α＋５〜α＋１０≦θ≦８０°−α〜８５°−α
（３）９５°−α〜１００°−α≦θ≦８０°〜８５°
のいずれかの範囲であればよい。

しかして、この変形例では、図８、図９に示すように、この光照射装置１に、正規配置姿勢を示す姿勢指示部を設け、この姿勢指示部に基づいて光照射装置１の撮像装置６に対する姿勢を正規配置姿勢に設定することにより、角度θが前述の範囲内になるように構成している。

具体的にこの姿勢指示部は枠体２の辺である。反射部３２の縦横配列ピッチがほぼ同一であるこの光照射装置１においては、この辺に対し、反射部３２の縦配列方向ｙを、斜め（θ＝２２．５°）に設定している。したがって、枠体２の辺を前記撮像装置６に対して正しく配置すれば、画像素子と反射部３２との縦（又は横）配列方向のなす角度θを正確に設定できる。

また、図１０に示すように、光を、透光板の側周端面３１ｃからではなく、ワーク対向面３１ａから斜めに入射させて反射部３２に到達させるようにした構成のものにも適用できる。

更に言えば、透光板は平板に限られず、球面状のものなど、湾曲板でも構わない。

また、図１１に示すように、各反射部３２を網目をなすように連続的に設けてシート状にし、その間を隙間Ｓとした構成でもよい。

その他、本発明は、前記図示例や説明例に限られず、各部を適宜組み合わせたりすることはもちろんのこと、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

このような構成を有する本発明に係る光照射装置は、コンパクト性等を犠牲にすることなく、モアレを簡単な構成で、なおかつ低コストで軽減することができる。

Claims (9)

1. 一方の面をワーク対向面として、光の照射対象である製品等のワークに向けて設置される所定厚みを有した透光板と、
   前記透光板における他方の面に、光反射面がワーク側を向き、なおかつ互いの間に微細な隙間が形成されるように並べ設けた多数の反射部と、
   射出した光の少なくとも一部が前記透光板内を透過して前記光反射面に到達し、そこで反射して前記ワーク対向面から射出される位置に設けた光源部と、
   前記ワーク対向面を被覆する反射防止膜と、を備えている光照射装置。
2. 前記光源部が、透光板の側周端面に臨んで配置され、当該側周端面から透光板内部に光を導入する複数のＬＥＤを備えたものである請求項１記載の光照射装置。
3. 縦横にそれぞれ所定ピッチで配列された多数の画像素子を有してなり、透光板の反ワーク側に配置されて当該透光板を介し前記ワークを撮像する撮像装置とともに用いられるものであって、
   前記反射部が縦横に配列されているとともに、前記撮像装置に対する正規配置姿勢を示す姿勢が定められており、その正規配置姿勢において画像素子の縦配列方向と反射部の縦配列方向とのなす角度θが、０°、α、９０°−α及び９０°の近傍を避けた角度に設定されている請求項１記載の光照射装置（ここでαは、ｔａｎα＝反射部の横配列ピッチ／反射部の縦配列ピッチで表される角度であり、横配列ピッチ≦縦配列ピッチとする。）。
4. 前記角度θが、
   約１０°≦θ≦約α−１０°、約α＋１０≦θ≦約８０°−α、又は約１００°−α≦θ≦約８０°
   である請求項３記載の光照射装置。
5. 前記反射部が縦横にほぼ等ピッチで配列されている場合において、前記角度θが、約２２．５°である請求項３又は４記載の光照射装置。
6. 一方の面をワーク対向面として、光の照射対象である製品等のワークに向けて設置される所定厚みを有した透光板と、
   前記透光板における他方の面に、光反射面がワーク側を向き、なおかつ互いの間に微細な隙間が形成されるように並べ設けた多数の反射部と、
   前記ワーク対向面を被覆する反射防止膜と、を備えている光学部材。
7. 縦横にそれぞれ所定ピッチで配列された多数の画像素子を有してなり、透光板の反ワーク側に配置されて当該透光板を介し前記ワークを撮像する撮像装置とともに用いられるものであって、
   前記反射部が縦横に配列されているとともに、前記撮像装置に対する正規配置姿勢を示す姿勢が定められており、その正規配置姿勢において画像素子の縦配列方向と反射部の縦配列方向とのなす角度θが、０°、α、９０°−α及び９０°の近傍を避けた角度に設定されている請求項６記載の光学部材（ここでαは、ｔａｎα＝反射部の横配列ピッチ／反射部の縦配列ピッチで表される角度であり、横配列ピッチ≦縦配列ピッチとする。）。
8. 前記角度θが、
   約１０°≦θ≦約α−１０°、約α＋１０≦θ≦約８０°−α、又は約１００°−α≦θ≦約８０°
   である請求項７記載の光学部材。
9. 前記反射部が縦横にほぼ等ピッチで配列されている場合において、前記角度θが、約２２．５°である請求項７又は８記載の光学部材。