JP5097912B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、製品の表面検査やマーク検出等に好適に用いられる光照射装置に関するものである。

同軸照明が可能な光照射装置としては、例えば、特許文献１に記載されているような無影照明装置が知られている。この種の無影照明装置は、製品等を表面検査等の目的から無影で照明するとき等に用いられるものである。このような光照射装置のうち面発光装置を用いたものとしては、例えば、図１０に示すようなものが挙げられる。

すなわち、当該光照射装置１００は、例えば製品等のワークＷを覆うように配置される平面状の発光面（第１光源部）１０１を備えており、その中央部分にワークＷを外部から視認するための観察孔１０１ａが設けられている。そして、この観察孔１０１ａからもワークＷに光が照射されるようにするため、同軸照明機構を設けている。この同軸照明機構は、観察孔１０１ａのほぼ直上に４５°の傾斜姿勢でハーフミラー１０３を配置するとともに、そのハーフミラー１０３の側方に平面状の発光面（第２光源部）１０２を配置し、当該第２光源部１０２から射出された光が、ハーフミラー１０３で反射し観察孔１０１ａを通って、ワークＷに照射されるように構成したものである。

特開２００１−２１５１１５号公報

当該光照射装置１００のようにハーフミラー１０３を備えていて、ハーフミラー１０３で反射した光をワークＷ表面に照射して、ワークＷ表面で反射した光を捕捉して撮像を行う場合、ワークＷ表面の一部に暗いムラ部分ができることがあり、精密な表面検査等では当該ムラ部分が問題になる。

このムラ部分が生じる要因の１つとして、ハーフミラー１０３にワークＷ側の像が映り込むことによる。すなわち、図１１に示すように、ワークＷの周縁部のうち第２光源部１０２の下方から観察孔１０１ａを介してハーフミラー１０３を見ると、第２光源部１０２が映らずにワークＷ側の像が映っている領域が生じていることがわかる。

一方、ワークＷの中央部から観察孔１０１ａを介してハーフミラー１０３を見ると、図１２に示すように、全視野において第２光源部１０２が映っているのが見える。

これは、ワークＷの中央部から見たときに比べて、ワークＷの周縁部のうち第２光源部１０２の下方から見たときの方が、第２光源部１０２の輝度にムラがあるように見えることを意味する。これが、ワークＷ表面をその正反射光を捕捉して明視野で観察する場合に、ワークＷ表面の一部に暗いムラ部分が生じる一因である。これは、明視野でワークＷ表面を観察する場合は、ワークＷ表面の明るさは光源の輝度で決まるので、ワークＷ側から光源を見たときに均一な輝度で光源が見えないと、その輝度のムラがそのままワークＷ表面の濃淡として観察されてしまうことによる。この濃淡が最も問題になるのは表面に凹凸がある反射率の高いワークＷを明視野で観察する場合である。

これを解消するには、ワークＷ側に更に第３の光源部を設置すればよいが、このようにすると、装置が肥大化するうえに、光量ロスが大きくなって効率が悪くなる。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、簡単な構成でありながら、ワークから観察孔を見たときの光源部のない領域を減少させ、無影照明等をより好適に行うことができる光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る光照射装置は、光の照射対象である製品等のワークと外部観察点との間であってそれらを結ぶ観察軸線上に設けられた観察孔と、前記観察孔の周囲に設けられ前記ワークに光を照射する第１光源部と、前記外部観察点側であって前記観察孔に臨む位置に、前記観察軸線に対して斜めに設けられたハーフミラー部と、射出された光が前記ハーフミラー部で反射し、前記観察孔を通って前記ワークに照射される位置に設けた第２光源部と、前記観察孔を覆う透明部材と、を備え、前記透明部材における前記ワーク側の内面が、前記ワークからの反射光のうち、前記透明部材を透過して前記ハーフミラー部で反射し前記内面に向かった光を、前記第２光源部に向けて反射する光反射面であることを特徴とする。

このようなものであれば、第２光源部からの光の一部は前記透明部材のワーク側で反射して進行方向を変えるので、第２光源部からの光をワークの周縁部のうち第２光源部の下方にも良好に導くことができる。このため、新たに第３の光源部を設けたり複雑な構造を採用したりせずに、ワークから観察孔を見たときの光源部のない領域を減少させることができ、より輝度ムラの少ない照明機構を構築できる。

また、輝度ムラが生じる他の原因としては、第２光源部（そのハーフミラーに映った鏡像）が観察孔を完全には覆っておらず、周囲に隙間が生じていることも挙げられる。すなわち、ハーフミラーを介在させた場合と等価な直接光学系を考えると、図１３、図１４に示すように、仮想第２光源部１０２’は、ハーフミラー１０３を対称軸として実際の第２光源部１０２とは対称な位置に存在することになる。

そこで、ワークＷの周縁部から観察孔１０１ａを見ると、図１３に示すように、光源部の存在しない領域Ｈ１が生じていることがわかる。一方、ワークＷの中央部から観察孔１０１ａを見ると、図１４の斜線領域Ｈ２に示すように、観察孔１０１ａは、第２光源部１０２（仮想第２光源部１０２’）に完全に覆われて見える。

このため、観察軸Ｃ上に位置するワークＷの中央部では観察孔１０１ａの全天方向から光が照射されるのに対して、ワークＷの周縁部では観察孔１０１ａの全天方向から光が照射されておらず、ワークＷの周縁部ではワークＷの中央部に比べて暗いという現象が生じる。これがワークＷ表面の一部に暗いムラ部分ができる他の原因である。

当該ムラを低減して、前記ワーク表面が一様な明るさで照明されるようにするためには、前記第２光源部から前記ハーフミラーまでの光路及び前記ハーフミラーから前記観察孔までの光路を覆う光路内面を備え、前記光路内面の少なくとも一部が光反射面であることが好ましい。なお、前記第２光源部が拡散板等で覆われていて、当該拡散板等の光導出面が前記光路内面を構成していてもよい。また、ワーク側から当該光路内面が見えなくてもよい。

このようなものであれば、前記光反射面によって第２光源部の面積が大きくなったと同様の効果を得られるため、前記第２光源部を大型化したりせずに、ワークから観察孔を見たときの光源部のない領域を更に減少させることができ、より輝度ムラのない少ない照明機構を構築できる。

また、前記透明部材が、前記ハーフミラー部が内包された直方体状の中実透明体であれば、前記ハーフミラー部と前記透明部材との間に空気が介在しないので、光の取り出し効率に優れたものを構成することができる。

更に、前記中実透明体の内面のうち前記ワーク側の内面を除く内面の少なくとも一部が、前記光路内面として機能するように構成してあれば、その内面において、第２光源部から射出された光が全反射するので、その表面に別途鏡面処理を施す必要がない。

このような構成の本発明によれば、簡単な構成によりワークから観察孔を見たときの光源部のない領域を効果的に減少させることができる。

本発明の一実施形態に係る光照射装置の中央縦断面図である。 同実施形態における光照射装置の平面図である。 同実施形態における光学部材の部分縦断面図である。 同実施形態に係る光照射装置の光路を説明する光路説明図である。 他の実施形態に係る光照射装置の中央縦断面図である。 他の実施形態に係る光照射装置の光路を説明する光路説明図である。 他の実施形態に係る光照射装置の中央縦断面図である。 他の実施形態に係る光照射装置の中央縦断面図である。 他の実施形態に係る光照射装置の中央縦断面図である。 従来の光照射装置を示す模式的構造図である。 従来の光照射装置の光路を説明する光路説明図である。 従来の光照射装置の光路を説明する光路説明図である。 従来の光照射装置の光路を説明する光路説明図である。 従来の光照射装置の光路を説明する光路説明図である。

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、例えば、工場等において製品等の対象物（ワーク）に光を照射し、その表面の傷やマーク等を自動検査する際に用いるためのもので、図１及び図２に示すように、第１光照射部２と第２光照射部６とを備えている。

第１光照射部２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第１光源部５と、光学部材３及び第１光源部５を保持する枠体４とを備えている。

光学部材３は、一方の面をワーク対向面３１ａとして、光の照射対象であるワークＷに向けて設置される透明板３１と、透明板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とからなる。

透明板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、撮像装置ＭとワークＷとを結ぶ観察軸線Ｃ上に観察孔３１１が形成してあり、例えばアクリルやガラス等からなるものである。

反射部３２は、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、図３に示すように、当該反射部３２を、互いの間に微細な隙間Ｓが形成されるように、透明板３１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。反射部３２は、例えば、光拡散部材である粒子状の反射フィラを含有した白色の顔料から形成したもので、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。

第１光源部５は、図２に示すように、透明板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、透明板３１の側周端面３１ｃに臨むように配置され、当該側周端面３１ｃから透明板３１の内部に向かって光を照射する。

枠体４は、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、その周回溝の中に第１光源部５を保持収容する。またその溝の開口縁部で、透明板３１の側周縁部を厚み方向から挟み込んで保持する。

第２光照射部６は、キューブ型ビームスプリッター７と、キューブ型ビームスプリッター７の側端面７ａから光を照射する第２光源部８と、キューブ型ビームスプリッター７及び第２光源部８を保持する枠体９とを備えている。

キューブ型ビームスプリッター７は、ハーフミラーが内包された直方体状の中実透明体であり、具体的には、直角プリズムを二つ貼り合わせ、その接合面７１に誘電体多層膜や金属薄膜等のコーティングを施してあるものである。本実施形態で用いるキューブ型ビームスプリッター７は、全面が透明なものであり、その内面で光が全反射可能なものである。

キューブ型ビームスプリッター７は、透明板３１に設けられた観察孔３１１を覆うように、透明板３１上に取り付けられて、その接合面７１が観察孔３１１と撮像装置Ｍとの間の観察軸線Ｃ上に、観察軸線Ｃに対して斜め４５度の角度となるように配置してある。

第２光源部８は、矩形状をなす基板８１と当該基板８１上に並べ設けた複数（多数）のＬＥＤ８２からなり、基板８１は観察軸線Ｃと平行に設置してあり、ＬＥＤ８２はキューブ型ビームスプリッター７の側端面７ａに臨むように配置され、当該側端面７ａから接合面７１に向かって光を照射する。

枠体９は、側面視矩形状をなし、例えば側端面に開口する凹部を有した金属製のものであり、凹部の内側面に形成された溝の中に第２光源部８を保持し、当該凹部の開口縁部でキューブ型ビームスプリッター７の側端部を挟みこんで保持する。

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Ｍ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、観察軸線Ｃ上に設置する。

この状態で、第２光源部８から光が照射されると、その光はキューブ型ビームスプリッター７の側端面７ａから内部に進入し、接合面７１に向かってキューブ型ビームスプリッター７の内面で全反射しながら進行する。そして、接合面７１に到達した光は、そこで反射して観察孔３１１に向かってキューブ型ビームスプリッター７の内面で全反射しながら進行する。

具体的には、第２光源部８から発した光は、キューブ型ビームスプリッター７の側端面７ａの内面のうち頂辺から接合面７１の頂辺に至るまでの頂部光路内面Ａ２、底面７ｂの内面である底部光路内面Ａ１、側端面７ａの各側辺から接合面７１の各側辺に至るまでの対向する側部光路内面Ａ３（図示しない。）において、全反射しながら進行する。そして、均一化された拡散光として底面７ｂから出て、観察孔３１１を通り、ワークＷに向かって照射される。

一方、第１光源部５から発した光は、透明板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の内面と反ワーク対向面３１ｂの内面との間で全反射しながら進行する。その過程で、反ワーク対向面３１ｂ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。

そして、撮像装置Ｍは、ワークＷで反射し、観察孔３１１を通過した光を捕捉することにより、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。

この際、図４に示すように、ワークＷからの反射光のうち、キューブ型ビームスプリッター７の観察孔３１１を覆っている底面７ｂを通過して接合面７１で反射し底面７ｂに向かった光は、当該面で全反射して第２光源部８に向かうので、ワークＷの周縁部のうち第２光源部８の下方から観察孔３１１を介して接合面７１を見ると、全視野において第２光源部８が映っているのが見える。このため、ワークＷから観察孔３１１を見たときの光源部のない領域を減少させることができる。

このような実施形態に係る光照射装置１であれば、キューブ型ビームスプリッター７を用いることにより、第２光源部８からの光の一部はキューブ型ビームスプリッター７の底面７ｂの内面で反射して進行方向を変えるので、第２光源部８からの光をワークＷの周縁部のうち第２光源部８の下方にも良好に導くことができる。このため、ワークＷ表面の明るさのムラを低減することができる。

また、キューブ型ビームスプリッター７を用いることにより、第２光源部８から接合面７１までの光路及び接合面７１から観察孔３１１までの光路において、第２光源部８から発した光がキューブ型ビームスプリッター７内面において全反射するので、ワークＷの周縁部にも観察孔３１１の全天方向から光が照射され、そのためワークＷの周縁部で生じていた明るさのムラを大きく軽減でき、ワークＷ表面全体に亘ってより均一な光を照射することができるようになる。

また、キューブ型ビームスプリッター７は内面で全反射するので、別途表面に鏡面処理を施す必要がなく、構成が極めて簡単である。

更に、透明板３１には観察孔３１１が設けてあるので、撮像装置Ｍは、ワークＷで反射し、観察孔３１１を通過した光を捕捉することにより、ワークＷを撮像することができ、ワーク対向面で反射した光は撮像装置に捕捉されないので、撮像画面にモアレが生じない。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、第２光照射部６は、図５に示すように、筐体１１と、その筐体１１に取り付けられたハーフミラー７１、観察孔３１を覆う透明板７、第２光源部８及び拡散板１０からなるものであってもよい。

筐体１１は、透明板３１に設けられた観察孔３１１を覆うように、透明板３１上に取り付けられる平面視矩形状のものであり、ハーフミラー７は、観察孔３１１と撮像装置Ｍとの間の観察軸線Ｃ上に、当該観測軸線Ｃに対して斜め４５度の角度で配置してある。

拡散板１０は、第２光源部８とハーフミラー７との間に介在させた矩形薄板であり、第２光源部８の発光面と平行に配置してある。この拡散板１０は、透光性と光拡散性を有したくもりガラスのようなものであり、一方の面１０ａから入射した第２光源部８からの光をより均一化して他方の面１０ｂからハーフミラー７に向かって射出する。そしてこの他方の面１０ｂから出た光がハーフミラー７で反射して観察孔３１１を通り、ワークＷに照射される。

透明板７は、観察孔３１を塞ぐように設けられた、等厚な円盤状のものである。

そして、この実施形態では、この筐体１１の内面のうち、第２光源部８からハーフミラー７までの光路及びハーフミラー７から観察孔３１１までの光路を覆う光路壁内面Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４を鏡面にしている。

具体的には、他方の面１０ｂの頂辺からハーフミラー７の頂辺に至るまでの頂部光路壁内面Ａ２、他方の面１０ｂの底辺から観察孔３１１に至るまでの底部光路壁内面Ａ１、他方の面１０ｂの各側辺からハーフミラー７の各側辺に至るまでの対向する側部光路壁内面Ａ３（図示しない。）及びハーフミラー７の底辺から観察孔３１１に至るまでの底部光路壁内面Ａ４に電解研磨等を施して非常に面精度のよい鏡面としている。

なお、光路壁内面Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の全てが鏡面でなくともよく、そのいずれか１つ以上が鏡面であってもよい。

本実施形態においては、図６に示すように、ワークＷからの反射光のうち、透明板７の観察孔３１１を覆っている底面７ｂを通過して接合面７１で反射し底面７ｂに向かった光は、当該面で反射して第２光源部８に向かうので、ワークＷの周縁部のうち第２光源部８の下方から観察孔３１１を介して接合面７１を見ると、全視野において第２光源部８が映っているのが見える。このため、ワークＷから観察孔３１１を見たときの光源部のない領域を減少させることができる。

更に、図７に示すように、観察孔３１１が、透明板３１における反ワーク対向面３１ｂに向けて拡開する切頭円錐形状や、切頭角錐形状であってもよい。第１光源部５から発して透明板３１内を進行する光は、観察孔３１１の側周面の内面で全反射するため、観察孔３１１の側周面は暗く見え、これもワークＷ表面に明るさのムラができる原因となるが、観察孔３１１の側周面が上方を向くテーパ面であれば、従来側周面が位置していた方向からも第２光源部８から発した光が照射され、上述の明るさのムラを低減することができる。また、図１に示す実施形態において、観察孔３１１の側周面にアルミ蒸着等による鏡面処理が施されていても、観察孔３１１を通る光が全反射されるので、同様な効果が期待できる。更に、図示しないが、観察孔３１１から第２光源部８に到る光路内面の少なくとも一部又は全体が、光の進行方向に向けて先細な切頭円錐形状又は切頭角錐形状であってもよい。

また、第１光照射部２は、図８に示すように、ドーム型照明であってもよく、図９に示すように、リング型照明であってもよい。

また、キューブ型ビームスプリッター７の表面からの光の漏出をより確実に防止するためには、その表面にアルミ蒸着等による鏡面処理が施されていてもよい。

その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

１・・・光照射装置
３１１・・・観察孔
５・・・第１光源部
７・・・キューブ型ビームスプリッター、透明板（透明部材）
７１・・・接合面（ハーフミラー部）
７ｂ・・・底面（ワーク側の面）
８・・・第２光源部

Claims (4)

1. 光の照射対象である製品等のワークと外部観察点との間であってそれらを結ぶ観察軸線上に設けられた観察孔と、
   前記観察孔の周囲に設けられ前記ワークに光を照射する第１光源部と、
   前記外部観察点側であって前記観察孔に臨む位置に、前記観察軸線に対して斜めに設けられたハーフミラー部と、
   射出された光が前記ハーフミラー部で反射し、前記観察孔を通って前記ワークに照射される位置に設けた第２光源部と、
   前記観察孔を覆う透明部材と、を備え、
   前記透明部材における前記観察孔を覆っている面が、前記ワークからの反射光のうち、前記透明部材を透過して前記ハーフミラー部で反射し前記面に向かった光を、前記第２光源部に向けて反射する光反射面であることを特徴とする光照射装置。
2. 前記第２光源部から前記ハーフミラー部までの光路及び前記ハーフミラー部から前記観察孔までの光路を覆う光路内面を備え、
   前記光路内面の少なくとも一部が光反射面である請求項１記載の光照射装置。
3. 前記透明部材が、前記ハーフミラー部が内包された直方体状の中実透明体である請求項１又は２記載の光照射装置。
4. 前記中実透明体における前記観察孔を覆っている面を除く面の少なくとも一部が、前記光路内面である請求項３記載の光照射装置。