JP2017198611A

JP2017198611A - 撮像装置、認識装置、および物品製造方法

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Publication number: JP2017198611A
Application number: JP2016091583A
Authority: JP
Inventors: 結城　修; Osamu Yuki; 修結城
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、物体の照明を行う照明部（１、４、７）と、撮像素子（１００ａ）を含み、照明を行われた物体を撮像素子で撮像する撮像部（１００）と、照明部からの光パルスの数および幅のうち少なくとも一方での変調により照明の光量を得、照明部による当該光量での当該照明の終了に合わせて撮像素子のシャッタが閉じるように、照明部と撮像部とを制御する制御部（２、３、５、６）と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置、認識装置、および物品製造方法に関する。

撮像と照明との同期をとって画像情報を取込むのに、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の検査装置は、撮像装置と、照明装置と、照明制御装置と、画像取込み装置とを備える。撮像装置は、撮像対象物の撮像が終了する毎に同期信号を出力し、同期信号を出力した後に撮像した画像情報の出力を開始し、画像情報の出力を行いながら次の撮像を開始する。また、照明制御装置は、複数の照明パターンが入力され、同期信号の入力と同時に照明パターンを切り替え、切り替えた照明パターンに基づいた照明駆動信号を照明装置に出力する。

特開２００４−３３４５８０号公報

特許文献１の検査装置は、照明パターンに依らずに一定の周期で撮像を行うものであって、必要な照明の光量が小さくなっても撮像に要する時間は変わらないため、撮像の効率の点では不利となりうる。そこで、撮像の効率を改善するため、照明の光量に依る可変の時点に撮像を終了させる場合、例えば発光の遅延等の動作の遅延を考慮しないと、撮像と照明との正確な同期、もって照明の光量（露光量）の正確さの点で不利となりうる。

本発明は、例えば、撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの側面は、撮像装置であって、
物体の照明を行う照明部と、
撮像素子を含み、前記照明を行われた前記物体を前記撮像素子で撮像する撮像部と、
前記照明部からの光パルスの数および幅のうち少なくとも一方での変調により前記照明の光量を得、前記照明部による前記光量での前記照明の終了に合わせて前記撮像素子のシャッタが閉じるように、前記照明部と前記撮像部とを制御する制御部と、
を有することを特徴とする撮像装置である。

本発明によれば、例えば、撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供することができる。

実施形態１に係る信号を例示する図実施形態１に係る撮像装置の構成例を示す図実施形態２に係る撮像装置の構成例を示す図実施形態２に係る撮像装置の変形例を示す図実施形態３に係る撮像装置の構成例を示す図実施形態４に係る撮像装置の構成例を示す図照明部における静電容量、電気抵抗、インダクタンスの分布を例示する図パルス発光の遅延時間を例示する図連続する２つのパルス発光が互いに重なることを例示する図認識装置の構成例を示す図

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、実施形態を説明するための全図を通して、原則として（断りのない限り）、同一の部材等には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

〔実施形態１〕
まず、図７は、比較例における照明部の構成例を示す図であり、５９はスイッチング素子（ここではＭＯＳＦＥＴ）、６４は発光素子（ここではＬＥＤ）を示している。６０ないし６３は、電源ＶＣＣ_９、ＬＥＤ６４、およびＭＯＳＦＥＴ５９に接続されたケーブル等により生ずる寄生素子（寄生抵抗、寄生インダクタンス、寄生容量）である。これらの寄生素子により、図８に示すように、Ｉ_１０から入力された発光用のパルスＰ１１は、ＬＥＤ６４に到達したときにはＰ１２のように鈍って形状が変化し、Ｔｄ分の尾を引く波形となってしまう。また、Ｉ_１０から連続するパルスを入力した場合には、図９に示すように連続するパルスＰ３１およびＰ３２が互いに重なり合ってしまう場合も生じうる。このように、パルス同士が重畳してしまうと、個々のパルスＰ３１またはＰ３２の発光で独立した正確な照明の光量（露光量）での撮像ができなくなってしまう。

そのような課題を解決するため、本実施形態では、以下のような構成を採用している。ここで、図１は、実施形態１に係る信号を例示する図であり、図２は、実施形態１に係る撮像装置の構成例を示す図である。図２の撮像装置は、物体の照明を行う照明部（１、４、７）と、撮像素子（１００ａ）を含み、照明を行われた物体を撮像素子で撮像する撮像部（１００）と、照明部および撮像部を制御する制御部（２、３、５、６）とを含んで構成されている。図２において、Ｉ_１は、パルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）により照明の光量を制御するための、図１に示されるパルス信号Ｉ_１（パルスの周期はＴ１）である。信号Ｉ_１の各パルスの幅は_，光量を制御するため、例えば、２５６段階で変更しうる。信号Ｉ_２は、パルス数に対応する信号であり、当該パルス数だけパルスが入力されるまで、その出力がハイレベルを維持する計数器２に入力される。当該パルス数は、必要な光量を１パルスの光量で除して決定しうる。したがって、本実施形態では、パルス幅変調とパルス数変調との組合せにより、照明の光量を制御する。計数器２は、信号Ｉ_１のパルスの数がＩ_２に対応するパルスの数に達するまで論理積部３への出力をハイレベルとする（ハイレベルとする期間はＴ２）。論理積部３は、信号Ｉ_１と計数器２の出力との論理積を得、電気抵抗４（以下単に抵抗ともいう）を介してＭＯＳＦＥＴ１のゲート入力へ、必要な光量に対応した複数のパルスを供給する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１は、図１に示すように、１からｎまでのパルス信号でＬＥＤ７の駆動（点灯）を行うことになる。ここで、ＬＥＤの発光の遅延が無ければ、１からｎまでのパルス信号の期間だけ撮像部１００の撮像素子１００ａのシャッタを開いた撮像を行うことにより、正確な照明の光量（露光量）での画像が得られることになる。しかしながら、上述した寄生素子の存在により、パルス信号Ｉ_１は、ＬＥＤ７では波形が崩れて発光の遅延を生じるため、正確な光量での画像を得ることが困難であった。

そこで、本実施形態では、制御部は、図２の信号遅延部５と論理和部６を用いて、図１に示すようなシャッタ開信号Ｏ_１（撮像素子のシャッタが開いている期間Ｔ３を撮像部に指示する信号）を生成することにより、正確な光量での画像を得るようにしている。すなわち、制御部は、照明部からの光パルスの数および幅のうち少なくとも一方（本実施形態では両方）での変調により照明の光量を得、照明部による当該光量での照明の終了に合わせて、撮像素子のシャッタが閉じるように、照明部と撮像部とを制御する。信号遅延部５による遅延時間は、図１において、照明部（ＬＥＤ）へのｎ個分のパルスに関するパルス信号終了時刻からシャッタ開信号終了時刻（Ｏ_１がオフになる時刻）までの時間Ｔ４として示されている。この遅延時間Ｔ４は、信号遅延部５（単に遅延部ともいう）に設定される。この遅延部は、遅延時間Ｔ４に対応する時間だけシャッタが閉じる時点を遅延させる機能を有する。ここで、当該遅延時間Ｔ４は、例えば、寄生素子が図７における電気抵抗６０および静電容量６３（以下単に容量ともいう）だけであれば、次式（１）で示される時定数に基づいて決定しうる。
［時定数］（ｓ）＝［静電容量］（Ｆ）×［電気抵抗］（Ω）・・・（１）

なお、時定数τは、ＣＲ回路の場合は、上述のようにτ＝ＣＲとしうるが、ＲＬ回路の場合は、τ＝Ｌ／Ｒとしうる。また、ＲＬＣ回路の場合は、各素子の値に依存して、減衰振動、臨界減衰、または過減衰をとり得、τ＝Ｒ／２Ｌとしうる。制御部は、光パルスの数、幅、および周期のうち少なくとも一つに基づいて、シャッタが閉じる時点を遅延部が遅延させる時間（遅延時間Ｔ４）を決定しうる。

以上の構成により、照明部（ＬＥＤ）へのパルス信号をｎ個分のパルスで終了させ、シャッタ開信号Ｏ_１がオフになる時刻を当該パルス信号終了時刻から遅延時間Ｔ４だけ遅れた時刻としている。そのため、連続する撮像のための発光時間が重畳して光量が超過したり、遅延した発光により光量が不足したりする不利や、照明期間に対して撮像期間に無用な余裕を持たせる不利を軽減できる。よって、本実施形態によれば、例えば、撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供することができる。

〔実施形態２〕
実施形態２について以下に説明する。実施形態１では、撮像部での１回の撮像を行うのに照明部に対して制御部が複数のパルスを出力したが、本実施形態では、撮像部での１回の撮像を行うのに照明部に対して制御部が単数のパルスを出力する。よって、信号Ｉ_３は、単一のパルスからなる信号である。ここで、図３は、実施形態２に係る撮像装置の構成例を示す図である。図３において、単一のパルス信号Ｉ_３は、抵抗１１を介してＭＯＳＦＥＴ８のゲート入力へ供給される。よって、ＭＯＳＦＥＴ８は、この単一のパルス信号Ｉ_３に基づいてＬＥＤ１０の発光（点灯）を制御する。

一方、制御部は、光電変換素子１８を含み、光電変換素子１８を介してＬＥＤ１０からの光の強度を検出する。なお、スイッチング素子１７および抵抗１２ないし１４は、光電変換素子１８とともに検出部を構成している。比較器１９は、比較器１９の（−）端子に接続された抵抗１５および抵抗１６により設定される閾値に基づいて、ＬＥＤ１０からの光の強度が当該閾値を超えている間、その出力をハイレベルとする。論理和部９は、当該出力信号と、単一のパルス信号Ｉ３との間で論理和を得、シャッタ開信号Ｏ_２として出力する。これにより、ＬＥＤ１０からの光の強度が閾値より大きい場合は、撮像素子のシャッタは閉じられず、正確な光量での画像を得ることができる。

次に、図４は、実施形態２に係る撮像装置の変形例を示す図である。図４において、計数器２１は、実施形態１（図２）の計数器２に相当し、論理積部２２は、実施形態１の論理積部３に相当する。また、信号Ｉ４は、信号Ｉ１に相当し、信号Ｉ５は、信号Ｉ２に相当する。さらに、ＬＥＤ２３は、ＬＥＤ７に相当し、ＭＯＳＦＥＴ２０は、ＭＯＳＦＥＴ８に相当し、抵抗２４は、抵抗４に相当する。したがって、ＬＥＤ２３の発光の制御は、実施の形態１のＬＥＤ７の場合と同様になされる。

また、図４において、ＬＥＤからの光の強度を検出するための構成（素子２５ないし３２）は、図３におおけるそれ（素子１２ないし１９）に相当する。さらに、論理和部３３は、論理和部９に相当する。したがって、論理和部３３は、比較器３２の出力信号と、計数器２１の出力との間で論理和を得、シャッタ開信号Ｏ_３として出力する。これにより、ＬＥＤ２３からの光の強度が閾値より大きい場合は、撮像素子のシャッタは閉じられず、もって正確な光量での画像を得ることができる。よって、本実施形態によれば、例えば、撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供することができる。

なお、本実施形態における以上の説明では、制御部は、照明部からの出力を検出する検出部を有し、当該検出部からの出力に基づいて、シャッタが閉じる時点を制御するようにした。しかしながら、制御部は、照明部への入力（例えばＬＥＤの電流）を検出する検出部を有し、当該検出部からの出力に基づいて、シャッタが閉じる時点を制御するようにしてもよい。

〔実施形態３〕
実施形態３について以下に説明する。ここで、図５は、実施形態３に係る撮像装置の構成例を示す図である。図５おいて、シャッタ開信号の期間を決めるのに、制御部は、ＬＥＤ３６からの光量の累積値を計測するための光電変換素子４１，抵抗３８、当該光電変換素子での変換により得られた電荷を蓄積するための容量４４（累積部または積分部）を含んでいる。また、当該容量に蓄積された電荷の放出（放電）のためのＭＯＳＦＥＴ４５を含んでいる。また、制御部は、蓄積された電荷の情報の確度を増すために増幅演算器４４を含んでいる。さらに、制御部は、比較器４３を含み、その閾値を設定するため、その（−）端子に接続された抵抗３９および抵抗４０を含んでいる。以上の構成により、ＬＥＤ３６からの光の強度の累積値（積分値）は、設定された閾値と比較器４３で比較され、その結果、シャッタ開信号Ｏ_４が得られ出力される。これにより、当該累積値が当該閾値より小さい場合は、撮像素子のシャッタは閉じられず、もって正確な光量での画像を得ることができる。よって、本実施形態によれば、例えば、撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供することができる。

〔実施形態４〕
実施形態４について以下に説明する。ここで、図６は、実施形態４に係る撮像装置の構成例を示す図である。図６おいて、シャッタ開信号の期間を決めるのに、制御部は、ＬＥＤ４９の電流（ＬＥＤの発する光の強度に対応）の累積値を計測するための演算増幅器５４，当該電流を累積するための容量５６（累積部または積分部）を含んでいる。また、当該容量に蓄積された電荷の放出（放電）のためのＭＯＳＦＥＴ５７を含んでいる。さらに、制御部は、比較器５５を含み、その閾値を設定するため、その（−）端子に接続された抵抗５２および抵抗５３を含む。以上の構成により、ＬＥＤ４９の電流の累積値（積分値）は、設定された閾値と比較器５５で比較され、その結果、シャッタ開信号Ｏ_５が得られ出力される。これにより、当該累積値が当該閾値より小さい場合は、撮像素子のシャッタは閉じられず、もって正確な光量での画像を得ることができる。よって、本実施形態によれば、例えば、撮像の効率と光量の正確さとの両立の点で有利な撮像装置を提供することができる。

〔実施形態５〕
図１０は、認識装置１０００の構成例を示す図である。認識装置１０００は、ここでは、物体（認識対象物）としてのワーク１０１１の外観を認識（検査）するものであるが、物体に関する認識の対象は外観には限定されず、人間には不可視の物体の特性（例えば表面粗さ等）であってもよい。また、認識対象は、物体の他の特性、例えば、物体の位置および姿勢等であってもよい。認識装置１０００は、搬送部としてのコンベア１０１２により搬送されたワーク１０１１を認識するものとしうる。ワーク１０１１は、例えば、工業製品に利用される金属部品や樹脂部品等としうる。ワーク１０１１の表面には、線状の傷や、むら（表面の表面粗さや構成成分、膜厚等に依存する光反射特性の２次元的な不均一性や、非線状もしくは等方的な傷、打痕等）、吸光性の異物等の欠陥を有する場合がある。認識装置１０００は、そのような欠陥を認識してワーク１０１１を処理する（例えば、良品と不良品とに分別する）。なお、搬送部としてのコンベア１０１２は、ロボットや手動等により代替されうる。

認識装置１０００は、照明部１００１、撮像部１００２、処理部１００３（ＰＣで構成されうる）、制御部１００４、表示部１００５、および入力部（不図示）等を含みうる。ここで、照明部１００１、撮像部１００２、および制御部１００４は、上述した実施形態１ないし４のうちいずれかの撮像装置におけるものとしうる。制御部１００４は、例えば、処理部１００３により予め設定された照明および撮像パターンに基づいて、照明部１００１と撮像部１００２とを同期させて制御する。照明部１００１の頂部には、撮像部１００２によるワーク１０１１の撮像が可能となるように、開口部１０１０が形成されている。撮像部１００２は、カメラ本体と、カメラ本体内の撮像素子（上記１００ａに相当）にワーク１０１１を結像するための光学系等とから構成され、撮像により得られた画像は処理部１００３に転送（送信）される。なお、処理部は、汎用のＰＣに限らず、専用のデバイスであってもよい。また、処理部１００３と制御部１００４とは、一体として構成されていてもよい。処理部１００３は、撮像部１００２から転送された画像（データ）に基づいて、ワーク１０１１の認識のための処理を行う（例えば、ワーク１０１１の表面（外観）の欠陥を検出する）。なお、処理部１００３（処理装置）は、例えば、撮像部１００２からの画像データに対して処理を行って得られた画像データの画素値に対する許容条件に基づいて当該認識を行いうる。表示部１００５は、処理部１００３から送信された画像や認識結果などの情報を表示する。入力部は、キーボードやマウス等から構成され、ユーザーによる入力情報等を処理部１００３に送信する。

照明部１００１は、複数のＬＥＤ（発光部または光源）を含む。なお、発光部は、ＬＥＤに限定されるものではない。複数のＬＥＤは、制御部１００４により独立に光量と発光タイミングとを制御できる。ＬＥＤは、例えば、３つの異なる仰角に配置され、低い仰角（ローアングル）・中程度の仰角（ミドルアングル）・高い仰角（ハイアングル）からワーク１０１１を照明しうる。ＬＥＤは、例えば、周方向に沿って複数配置されている。このような構成により、照明部１００１は、物体の明視野照明および物体の暗視野照明を含む複数の種類の照明を行う機能を有する。ここで、明視野照明の場合と暗視野照明の場合とでは、撮像に寄与する光量が互いに異なりうるため、照明の光量（パルス光の数および幅のうち少なくとも一方）が異なりうる。予め設定されたＬＥＤを順次点灯させ、当該点灯に同期して撮像部１００２による撮像を行わせることにより、様々な照明条件（仰角および方位角の組合せ等）でワーク１０１１を照明した場合の画像を取得することができる。これにより、多様な種類の欠陥の認識に有利となりうる。

制御部１００４は、照明部１００１の行う複数の種類の照明のうちの１つに基づいて、照明の光量の変調に用いるパルス光の数および幅のうち少なくとも一方を決定しうる。

また、制御部１００４は、照明部１００１の行う複数の種類の照明のうちの１つに基づいて、撮像素子のシャッタが閉じる時点を遅延部５が遅延させる時間（遅延時間Ｔ４）を決定しうる。

〔実施形態６〕
上述した実施形態５における認識装置１０００は、物品の製造方法に使用しうる。かかる物品の製造方法は、認識装置１０００を用いて物体の認識を行う工程と、当該工程で認識を行われた物体を（当該認識の結果に基づいて）処理する工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、加工、切断、搬送、組立（組付）、検査、および選別のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上述の各実施形態において、制御部は、撮像素子のシャッタが開くのが遅延する時間に基づいて、照明部への信号を遅延させるようにしてもよい。

１、４、７照明部
１００撮像部
１００ａ撮像素子
２、３、５、６制御部

Claims

撮像装置であって、
物体の照明を行う照明部と、
撮像素子を含み、前記照明を行われた前記物体を前記撮像素子で撮像する撮像部と、
前記照明部からの光パルスの数および幅のうち少なくとも一方での変調により前記照明の光量を得、前記照明部による前記光量での前記照明の終了に合わせて前記撮像素子のシャッタが閉じるように、前記照明部と前記撮像部とを制御する制御部と、
を有することを特徴とする撮像装置。
前記制御部は、前記数および前記幅の両方で前記変調を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記光パルスの遅延時間に基づいて、前記シャッタが閉じる時点を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記シャッタが閉じる時点を、前記光パルスの周期と前記数と前記遅延時間とに基づいて制御することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記遅延時間に対応する時間だけ前記シャッタが閉じる時点を遅延させる遅延部を含み、前記光パルスの数、幅、および周期のうち少なくとも一つに基づいて、前記遅延部が前記時点を遅延させる前記時間を決定することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
前記照明部からの出力を検出する検出部を有し、
前記制御部は、前記検出部からの出力に基づいて、前記シャッタが閉じる時点を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記照明部への入力を検出する検出部を有し、
前記制御部は、前記検出部からの出力に基づいて、前記シャッタが閉じる時点を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記照明部からの出力を累積する累積部を有し、
前記制御部は、前記累積部からの出力に基づいて、前記シャッタが閉じる時点を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記照明部への入力を累積する累積部を有し、
前記制御部は、前記累積部からの出力に基づいて、前記シャッタが閉じる時点を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記シャッタが開くのが遅延する時間に基づいて、前記前記照明部への信号を遅延させることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
物体に関する認識を行う認識装置であって、
前記物体を撮像する請求項１に記載の撮像装置と、
前記撮像装置により得られた画像データの処理を行う処理装置と、
を有することを特徴とする認識装置。
前記照明部は、前記物体の明視野照明および前記物体の暗視野照明を含む複数の種類の照明を行う機能を有し、
前記制御部は、前記照明部の行う前記複数の種類の照明のうちの１つに基づいて、前記変調に用いる前記数および前記幅のうち少なくとも一方を決定することを特徴とする請求項１１に記載の認識装置。
前記制御部は、前記光パルスの遅延時間に対応する時間だけ前記シャッタが閉じる時点を遅延させる遅延部を含み、前記照明部の行う前記複数の種類の照明のうちの１つに基づいて、前記遅延部が前記時点を遅延させる前記時間を決定することを特徴とする請求項１２に記載の認識装置。
請求項１１に記載の認識装置を用いて物体に関する認識を行う工程と、
前記工程で前記認識を行われた前記物体を処理する工程と、
を含むことを特徴とする物品製造方法。