JP2018159650A - 照明装置、照明方法および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の照明態様で物体を照明することができる照明技術を小型かつ低コストで提供する。【解決手段】物体に向けて発光する第１発光素子１１ａおよび第２発光素子１１ｂを有する発光部１２と、第１発光素子から出射された光の配光を第１配光に変更して物体に導光する第１光学素子１３１を有するとともに第１配光と異なる第２配光で第２発光素子から出射された光を物体に導光する光学系１３と、第１発光素子および第２発光素子の発光を相互に独立して制御する照明制御部１５とを備えている。【選択図】図１

Description

この発明は、物体を照明する照明装置および照明方法、ならびに上記照明装置を用いた撮像装置に関するものである。

物体を照明する照明技術は種々の分野で利用されている。その一態様として、例えば特許文献１では、物体に光を照射して物体の像を撮像し、その撮像画像に基づいて物体の外観を検査する検査装置が記載されている。この装置では、ステージ上に載置された物体を照明するための光源ユニットが装備されている。光源ユニットは、ステージ上の物体を真上から照明する上方光源部と、当該物体を斜め上方から照明する複数の斜方光源部と、当該物体を側方から照明する複数の側方光源部とを有している。これらのうち、斜方光源部および側方光源部はステージを取り囲むように等角度間隔にて配置されている。この光源ユニットでは、物体のうち撮像したい対象領域に対応する光源部が選択的に指定され、当該光源部から照明光が物体に照射される。そして、照明された対象領域が撮像部により撮像される。

特開２０１６−５７０７５号公報

特許文献１に記載の装置で採用されている各光源部は単一の配光を有している。例えば側方光源部は対象領域のおよそ半分に光を照射するように設定されている。このため、検査対象物となる物体の形状や表面状態によっては、検査に有益な画像を撮像するために必要となる照明条件が得られないことがある。例えば照明による影を避けるために、配光が広がった照明を多方向から行うことが有益となる。また、物体の表面の傷等を検査するためには、配光を絞ることで照明方向を特定して傷部分の照明光の散乱光を観測するのが好適である。このように物体の形状や表面状態また検査の内容に応じて照明態様を変更したいという要望が存在しているが、従来の光源部では上記要望に満足することは難しい。

ここで、複数の照明態様に対応するために、配光が互いに異なる複数の光源部を用意しておき、照明態様に応じて光源部を選択的に発光させるように構成することも考えられるが、この場合、照明装置の大型化や装置コストの増大は避けられない。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数の照明態様で物体を照明することができる照明技術を小型かつ低コストで提供するとともに、当該照明技術を用いて物体を好適に撮像することができる撮像技術を提供することを目的とする。

この発明の第１態様は、物体を照明する照明装置であって、物体に向けて発光する第１発光素子および第２発光素子を有する発光部と、第１発光素子から出射された光の配光を第１配光に変更して物体に導光する第１光学素子を有するとともに第１配光と異なる第２配光で第２発光素子から出射された光を物体に導光する光学系と、第１発光素子および第２発光素子の発光を相互に独立して制御する照明制御部とを備えることを特徴としている。

また、この発明の第２態様は、第１発光素子および第２発光素子を用いて物体を照明する照明方法であって、第１発光素子および第２発光素子の発光を相互に独立して制御することで、第１発光素子から出射される光の配光を変更して得られる光を第１照明光として物体に導光する第１照明動作と、第２発光素子から出射される光の配光を第１照明光の配光と異なる配光に変更して得られる光、または第２発光素子から出射される光を第２照明光として物体に導光する第２照明動作とのうち少なくとも一方を実行して物体を照明する光の配光を調整可能とすることを特徴としている。

さらに、この発明の第３態様は、撮像装置であって、物体を保持するステージと、ステージに保持される物体を照明する上記照明装置と、照明装置により照明された物体を撮像する撮像部とを備えることを特徴としている。

このように構成された発明では、第１発光素子および第２発光素子のうち第１発光素子のみが発光すると、第１配光の光で物体が照明される。一方、第２発光素子のみが発光すると、第２配光の光で物体が照明される。さらに、第１発光素子および第２発光素子がともに発光すると、第１配光と第２配光とを合成した別の配光で物体が照明される。つまり、照明態様毎に発光部を設けることなく、第１発光素子および第２発光素子の発光を選択することによって複数の照明態様で物体が照明される。

以上のように、本発明によれば、第１発光素子および第２発光素子の発光を相互に独立して制御することによって、装置の大型化やコスト増大を回避しつつ複数の照明態様で物体を照明することが可能となっている。

本発明に係る照明装置の第１実施形態を示す図である。 図１に示す照明装置による物体２の照明態様を模式的に示す図である。 本発明に係る照明装置の第２実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置の第３実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第１実施形態を示す図である。 図５に示す検査装置における照明態様および撮像態様を模式的に示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第２実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第３実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第４実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第５実施形態を示す図である。 図８ＡにおけるＢ−Ｂ線矢視平面図である。 照明ヘッドと照明制御部との接続関係を模式的に示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第６実施形態を示す図である。 図９Ａに示す検査装置の部分平面図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第７実施形態を示す図である。 図１０Ａに示す検査装置における照明ヘッドの移動動作を模式的に示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第８実施形態を示す図である。 図１１Ａに示す検査装置における照明ヘッドの移動動作を模式的に示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第９実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第１０実施形態を示す図である。 本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第１１実施形態を示す図である。

Ａ．照明装置
図１は本発明に係る照明装置の第１実施形態を示す図であり、同図中の（ｃ）欄に全体構成が示されるとともに、同欄中のＡ−Ａ線矢視図およびＢ−Ｂ線矢視図がそれぞれ（ａ）欄および（ｂ）欄に示されている。また、図２は図１に示す照明装置による物体２の照明態様を模式的に示す図である。照明装置１は物体２を照明する装置であり、図１に示すように、複数の発光素子１１を有する発光部１２と、各発光素子１１から出射される光を物体２の照明対象領域２１に導光する光学系１３と、各発光素子１１を駆動するドライブユニット１４と、各発光素子１１の発光を相互に独立して制御する照明制御部１５とを備えている。

発光部１２では、図１の（ｂ）欄および（ｃ）欄に示すように基板１２１上に複数の発光素子１１が３行×１６列のマトリックス状に配設されている。これらの発光素子１１のうち半分が本発明の「第１発光素子」として機能する一方、残りの半分が本発明の「第２発光素子」として機能し、これら第１発光素子および第２発光素子は互いに交互に配置されている。この明細書では、第１発光素子および第２発光素子を区別するために、適宜、それぞれ「第１発光素子１１ａ」および「第２発光素子１１ｂ」と称する。

このように発光部１２が２種類の発光素子１１ａ、１１ｂを有していることに対応して光学系１３では、複数の集光レンズ１３１が本発明の「第１光学素子」の一例として設けられている。より詳しくは光学系１３では、発光部１２の物体側（図１の（ｃ）欄における上方側）に配置された平行平板状の透明基材１３２に対し、複数の集光レンズ１３１が第１発光素子１１ａと１対１で対向するように設けられている。透明基材１３２は発光素子１１から出射される光を透過させる材料で構成されている。このため、発光素子１１ａが発光すると、発光素子１１ａから出射された光は集光レンズ１３１により集光されながら物体２の照明対象領域２１に導光される。一方、発光素子１１ｂが発光すると、発光素子１１ｂから出射された光は集光レンズ１３１を通過することなく、そのまま物体２の照明対象領域２１に導光される。

各発光素子１１の発光は照明制御部１５から与えられる制御信号に基づき行われる。この制御信号には各発光素子１１の点灯／消灯およびパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）による調光に関連するシリアルデータが含まれている。この制御信号を受け取るドライブユニット１４は、制御信号展開部１４１と、発光素子１１と１対１で対応して設けられたドライバ１４２とを有している。ドライブユニット１４は、上記制御信号を受け取ると、制御信号展開部１４１により制御信号を展開して発光素子１１毎の発光に関連するデータ（発光素子１１の順電流値、ＰＷＭによる調光値、点灯／消灯）を生成する。そして、発光素子１１毎に上記データに基づいてドライバ１４２が発光素子１１を駆動する。これによって、発光素子１１ａのみを発光させる動作（第１照明動作）、発光素子１１ｂのみを発光させる動作（第２照明動作）、および全発光素子１１を発光させる動作（第１照明動作＋第２照明動作）が実行可能となっている。

本実施形態では、発光素子１１としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）が採用されており、第１発光素子１１ａおよび第２発光素子１１ｂは同じ配光、つまり光の照射方向に対して広範囲に広がるブロードな配光を有している。ここで、「配光」とは、どの角度に光がどのぐらいの強さで照射されているのかを示すものであり、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されているように、一次光源（発光素子１１）および二次光源（光学系１３）の光度の角度に対する変化又は分布を意味している。第１照明動作では、発光素子１１ａを出射した光は集光レンズ１３１により集光されることで配光が変更され、その変更後の配光で物体２の照明対象領域２１に第１照明光として導光される。その結果、例えば図２の（ａ）欄に示すように照明範囲を狭めるとともに比較的照度を増大させた照明態様で物体２の照明対象領域２１を照明することができる。一方、第２照明動作が実行されることで、発光素子１１ｂを出射した光が集光レンズ１３１を通過することなく平行平板部分を通過し、配光を変更させることなくそのまま物体２の照明対象領域２１に第２照明光として導光される。その結果、例えば図２の（ｃ）欄に示すように物体２の照明対象領域２１を広範囲に照明することができる（第２照明動作）。さらに、全発光素子１１を発光させる（第１照明動作＋第２照明動作）と、例えば図２の（ｂ）欄に示すように第１照明動作での配光と第２照明動作での配光とを合成した中間的な配光で物体２の照明対象領域２１を広範囲に照明することができる。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、発光部１２を構成する複数の発光素子１１の発光を相互に独立して制御するのみにより３種類の配光で物体２の照明対象領域２１を照明することができる。つまり、照明態様毎に専用の発光部を設けることなく、小型かつ低コストで複数の照明態様で物体２を照明することができる。また、発光素子１１の点灯と消灯を切り替えることで照明対象領域２１に照射される照明光の配光を変更することができるため、配光の切替を短時間で行うことができる。

図３は本発明に係る照明装置の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は基本的には発光部１２および光学系１３の構成であり、その他の構成は第１実施形態と同一である。以下、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

第２実施形態の発光部１２では、複数の発光素子１１が２行×１６列のマトリックス状に配設されており、上段行を構成する発光素子が第１発光素子１１ａとして機能する一方、下段行を構成する発光素子が第２発光素子１１ｂとして機能する。また、これに対応して光学系１３では、リニアフレネルレンズ１３３が本発明の「第１光学素子」の一例として設けられている。より詳しくは光学系１３では、発光部１２の物体側に配置された平行平板状の透明基材１３２に対し、リニアフレネルレンズ１３３が発光部１２の上段行（第１発光素子１１ａ）に対応して設けられている。このリニアフレネルレンズ１３３は、フレネルレンズの原理を円柱レンズに応用したものであり、第１発光素子１１ａの配列方向Ｘと平行に直線溝が設けられている。

このように構成された照明装置１では、照明制御部１５から与えられる制御信号に基づいて第１発光素子１１ａのみが発光すると、第１発光素子１１ａから出射された光がリニアフレネルレンズ１３３により直線溝の配列方向Ｙに集光され、その結果、配列方向Ｙのみ照明範囲を狭めて物体２の照明対象領域２１（図１参照）をライン状に照明することができる（第１照明動作）。一方、第２発光素子１１ｂのみが発光すると、第１実施形態と同様にブロードな配光のまま物体２の照明対象領域２１を照明することができる（第２照明動作）。このようにリニアフレネルレンズ１３３から出射する光および第２発光素子１１ｂから出射された光がそれぞれ本発明の「第１照明光」および「第２照明光」の一例に相当している。

以上のように、第２実施形態によれば、発光部１２を構成する複数の発光素子１１の発光を相互に独立して制御するのみにより２種類の配光で物体２の照明対象領域２１を照明することができる。つまり、照明態様毎に発光部を設けることなく、小型かつ低コストで複数の照明態様で物体２を照明することができる。なお、第２実施形態では、第１発光素子１１ａおよび第２発光素子１１ｂの同時発光は行わないが、必要であれば同時発光してもよい。また、リニアフレネルレンズ１３３の代わりに円柱レンズを本発明の「第１光学素子」として設けてもよい。

図４は本発明に係る照明装置の第３実施形態を示す図である。この第３実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は光学系１３の構成であり、その他の構成は第１実施形態と同一である。以下、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

第３実施形態では、発光部１２を構成する発光素子１１のうち上段行を構成する発光素子１１ｃが本発明の「第３発光素子」として機能する。一方、残りが第１実施形態と同様に第１発光素子１１ａおよび第２発光素子１１ｂとして機能するものであり、互いに交互に配置されている。そして、光学系１３では、発光部１２の物体側に配置された平行平板状の透明基材１３２に対し、リニアフレネルレンズ１３３が発光部１２の上段行（第３発光素子１１ｃ）に対応して設けられるとともに複数の集光レンズ１３１が第１発光素子１１ａと１対１で対向するように設けられている。

このように構成された照明装置１では、照明制御部１５（図１参照）から与えられる制御信号に基づいて第１実施形態と同様に第１発光素子１１ａのみが発光すると、二次元的に照明範囲を狭めるとともに比較的照度を増大させた第１配光（図２の（ａ）欄参照）で物体２の照明対象領域２１を照明することができる。また、第２発光素子１１ｂのみが発光すると、発光素子１１ｂを出射した光が集光レンズ１３１およびリニアフレネルレンズ１３３を通過することなく平行平板部分を通過し、第２配光（図２の（ｃ）欄参照）で物体２の照明対象領域２１を広範囲に照明することができる。第１発光素子１１ａおよび第２発光素子１１ｂを発光させると、第１照明動作での配光と第２照明動作での配光とを合成した中間的な配光（図２の（ｂ）欄参照）で物体２の照明対象領域２１を広範囲に照明することができる。さらに、第３発光素子１１ｃのみが発光すると、第３発光素子１１ｃから出射された光が直線溝の配列方向に集光され、当該配列方向のみ照明範囲を狭めた第３配光で物体２の照明対象領域２１をライン状に照明することができる。

以上のように、第３実施形態によれば、透明基材１３２に対して集光レンズ１３１およびリニアフレネルレンズ１３３をそれぞれ本発明の「第１光学素子」および「第２光学素子」の一例として設けた光学系１３を用い、発光部１２を構成する複数の発光素子１１の発光を相互に独立して制御するのみにより４種類の配光で物体２の照明対象領域２１を照明することができる。つまり、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせたものであり、照明態様を増やすことができる。このように第３実施形態では、集光レンズ１３１から出射された光およびリニアフレネルレンズ１３３から出射された光がそれぞれ本発明の「第１照明光」および「第２照明光」の一例に相当している。

なお、光学系１３の構成は上記した実施形態に限定されるものではなく、例えば発光部１２を構成する複数の発光素子１１のうち一部の発光素子１１ｃに対応してリニアフレネルレンズ１３３を設ける一方、残りの発光素子１１ａに対して１対１で対応するように集光レンズ１３１を設けた光学系１３を用いてもよい。この場合、発光素子１１ａの発光により二次元的に照明範囲を狭めた照明態様と、発光素子１１ｃの発光によりライン状の照明範囲を有する照明態様とを選択的に実行可能となる。

Ｂ．上記照明装置を装備する検査装置
次に、上記照明装置１により物体に光を照射して物体の像を撮像し、その撮像画像に基づいて物体の外観を検査する検査装置について図面を参照しつつ説明する。

図５は本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第１実施形態を示す図である。また、図６は図５に示す検査装置における照明態様および撮像態様を模式的に示す図である。検査装置１００は、ステージ３上に載置された物体（検査対象物）２を図１に示す照明装置により照明しつつ物体２を撮像して検査する装置である。この検査装置１００では、ステージ３の上方に照明ヘッド１６が固定配置されている。この照明ヘッド１６は、照明装置の構成部品のうち発光部、光学系およびドライブユニットを一体的に保持したものであり、照明制御部１５からの制御信号に応じた照明態様でステージ３上の物体２を上方より照明する。

照明ヘッド１６の下方側ではステージ３は水平方向Ｘ、Ｙに移動自在に設けられている。このステージ３はステージ移動機構３１に接続されている。そして、ステージ駆動制御部３２からの移動指令に応じてステージ移動機構３１が作動することでステージ３が水平方向Ｘ、Ｙに移動し、照明ヘッド１６から出射される照明光を物体２の所望領域に照射可能となっている。つまり、本実施形態では、照明ヘッド１６は物体２に対して相対的に移動可能に設けられ、物体２の照明対象領域２１（図６）を切替可能となっている。

照明ヘッド１６により照明された照明対象領域２１を撮像するために、撮像カメラ４がステージ３の斜め上方に配置されている。この撮像カメラ４は照明対象領域２１を撮像して取得した画像に対応する画像データを画像処理部４１に転送する。一方、画像処理部４１は撮像カメラ４からの画像データを取り込み、２値化等の画像処理を行う。

検査装置１００は、装置各部を制御するための制御ユニット５を有している。制御ユニット５は、上記した照明制御部１５、ステージ駆動制御部３２および画像処理部４１以外に、演算処理部５１およびメモリ５２を有している。メモリ５２は検査プログラム、初期設定等や装置動作中の様々なデータを記憶する。一方、演算処理部５１は論理演算を実行する周知のＣＰＵ（Central Processing Unit）を有しており、メモリ５２に予め記憶された検査プログラムにしたがって装置各部を制御して物体２の外観検査を行う。特に、本実施形態では、以下に説明するように、外観検査内容に応じて照明態様を切り替えることで検査精度の向上を図っている。

検査装置１００では、照明制御部１５と照明ヘッド１６とで照明装置が構成されており、その具体的な構成は図１に示す照明装置１と同一である。例えば図２の（ｃ）欄に示す照明態様で物体２を照明することで複雑な形状の照明対象領域２１に対して照明による影の出来にくい撮像が可能になる。一方、図２の（ａ）欄に示す照明態様で物体２を照明することで照明対象領域２１に存在する凹凸の影を撮像することも可能になり、凹凸が欠陥やキズによるものである場合の検査対象として特定しやすくなる。したがって、物体２の形状や表面状態等に応じて照明態様を切り替えるのが望ましい。この点について、物体２の一例を例示して具体的な照明態様の切替について説明する。なお、ここでは、水平面２２、緩斜面２３および急斜面２４を有する物体２を撮像し、それらの撮像画像に基づいて水平面２２の検査を行う際の照明態様の切替について図６を参照しつつ説明する。

検査対象となる物体２が図示を省略する搬送ロボットやユーザによりステージ３上に載置されると、メモリ５２に予め記憶されている検査プログラムにしたがって演算処理部５１が装置各部を制御して物体２の照明、撮像および検査を行う。検査対象となる水平面２２以外に斜面が含まれる物体２を撮像する際に、斜面で鏡面反射された光が撮像カメラ４に直接入射すると、撮像画像に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば図６の（ａ）欄に示すように、物体２の表面のうち照明ヘッド１６により照明される領域、つまり照明対象領域２１に水平面２２以外に緩斜面２３が存在している場合、緩斜面２３で鏡面反射されて撮像カメラ４に直接入射する光は少ない。このため、光の照射方向に対して広範囲に広がるブロードな第２配光で照明したとしても撮像画像に悪影響が及ばず、水平面２２を良好に検査することができる。しかしながら、ステージ３が移動して図６の（ｂ）欄に示すように照明対象領域２１に水平面２２以外に急斜面２４が存在するようになると、急斜面２４で鏡面反射されて直接撮像カメラ４に入射する光の量が多くなり、撮像カメラ４により適切な画像を取得することが難しくなることがある、このような場合、照明ヘッド１６による照明が照明範囲を狭めた第１配光（図２の（ａ）欄参照）に切り替えられることで急斜面２４からの反射光が撮像カメラ４に入射するのを抑え、水平面２２の検査に好適な画像を撮像カメラ４により撮像することが可能となる。

以上のように、本発明に係る照明装置を装備した検査装置１００によれば、物体２の形状等に応じて照明態様を切り替えることができ、検査に好適な画像を撮像することが可能となり、その結果、検査を高精度に行うことができる。

また、照明態様の切替を発光素子１１の点灯および消灯により行う、つまり電気的な切替制御により行うことができるため、照明態様の切替をメカニカルな方式により行う従来技術に比べ、切替に要する時間を大幅に短縮することができる。特に、検査装置１００は多品種の物体２を検査しなければならず、照明態様の切替を短時間で行うことができるという技術的特徴は非常に有益である。

さらに、従来の照明装置を用いた検査装置では、複数回の照明/撮像で得た複数画像を処理することで検査結果を得ていたが、本実施形態に係る検査装置１００では照明光の配光を照明ヘッド１６により変更することができるという特性を利用して、１回の検査で行うべき撮像回数を減らせることができるケースもあり、この場合、検査時間を大幅に短縮することができる。

このように、図５および図６に示す実施形態では、照明制御部１５および照明ヘッド１６が本発明の「照明装置」として機能し、撮像カメラ４が本発明の「撮像部」として機能し、これらにステージ３を組み合わせたものが本発明の「撮像装置」として機能している。

ところで、上記検査装置１００では照明ヘッド１６を固定配置しているが、例えば図７Ａに示すように照明ヘッド１６を鉛直方向に昇降可能に構成してもよい（検査装置の第２実施形態）。この実施形態では、照明ヘッド１６に対してヘッド移動機構１６１を接続し、制御ユニット５に設けたヘッド駆動制御部１６２から与えられる昇降指令に応じてヘッド移動機構１６１が作動することで、鉛直方向における物体２に対する照明ヘッド１６の相対的な位置関係を調整可能となっている。したがって、この位置調整によって照明ヘッド１６から物体２までの距離、つまり照明光の照射距離を変更して照明条件を適正化することができる。このように第２実施形態では、ヘッド移動機構１６１およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

また、例えば図７Ｂに示すように照明ヘッド１６を水平方向と平行な回動軸ＡＸ１まわりに回動可能に構成してもよい（検査装置の第３実施形態）。この実施形態では、照明ヘッド１６に対してヘッド回動機構１６３を接続し、制御ユニット５に設けたヘッド駆動制御部１６２から与えられる回動指令に応じてヘッド回動機構１６３が作動することで、回動軸ＡＸ１を回動中心として照明ヘッド１６を回動させて物体２に対する相対的な位置関係を調整可能となっている。したがって、この位置調整によって照明光の照射面を回動軸ＡＸ１まわりの照明対象領域２１の傾きに適合させることができる。このように第３実施形態では、ヘッド回動機構１６３およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

回動方向は上記回動軸ＡＸ１を回動中心とする方向に限定されるものではなく、例えば図７Ｃに示すように回動軸ＡＸ１と異なる回動軸ＡＸ２まわりに回動可能に構成してもよい（検査装置の第４実施形態）。この実施形態では、照明ヘッド１６に対してヘッド回動機構１６４を接続し、制御ユニット５に設けたヘッド駆動制御部１６２から与えられる回動指令に応じてヘッド回動機構１６４が作動することで、回動軸ＡＸ２を回動中心として照明ヘッド１６を回動させて物体２に対する相対的な位置関係を調整可能となっている。したがって、この位置調整によって照明光の照射面を回動軸ＡＸ２まわりの照明対象領域２１の傾きに適合させることができる。このように第４実施形態では、ヘッド回動機構１６４およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

物体２に対する照明ヘッド１６の相対的な位置調整は単一方向に限定されるものではなく、これらを複合的に組み合わせてもよい。例えば照明ヘッド１６を鉛直方向および回動軸ＡＸ１、ＡＸまわりに移動可能に設け、ヘッド駆動制御部１６２からの指令に応じてヘッド移動回動機構（図示省略）により３方向に移動させることで照明ヘッド１６を回動させて物体２に対する相対的な位置関係を調整するように構成してもよい。なお、ここではヘッド移動回動機構およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

図８Ａは本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第５実施形態を示す図である。また、図８Ｂは図８ＡにおけるＢ−Ｂ線矢視平面図である。さらに、図８Ｃは照明ヘッドと照明制御部との接続関係を模式的に示す図である。この第５実施形態にかかる検査装置１００では、ステージ３は鉛直方向に延びる回動軸ＡＸ３まわりに回動自在となっている。ステージ３はステージ回動機構３３に接続されている。そして、ステージ駆動制御部３２からの回動指令に応じてステージ回動機構３３が作動することでステージ３が回動軸ＡＸ３まわりに回動する。また、ステージ３上に載置される物体２を取り囲むように複数の照明ヘッド１７が配置され、物体２を側方からリング状に照明可能となっている。このように複数の照明ヘッド１７が側方光源部として機能してリング照明を行う。

各照明ヘッド１７は、図３に示す照明装置１の構成部品のうち発光部１２、光学系１３およびドライブユニット１４を一体的に保持している。照明ヘッド１７のドライブユニット１４は図８Ｃに示すように照明制御部１５に対して２系統でケーブル接続されている。そして、上記照明装置１と同様に、照明制御部１５から制御信号としてシリアルデータが各ドライブユニット１４に転送されると、制御信号を展開し、制御情報となるＬＥＤの順電流値、ＰＷＭによる調光値、点灯／消灯などをドライバ１４２（図１参照）に伝える。これによって、発光素子１１ａのみが発光することで図８Ａに示すようにライン状の照明光がステージ３上の物体２に照射され、物体２の検査対象面２５と平行に近い角度から絞った第１配光での全周照明が行われる。一方、図８Ａへの図示を省略するが、発光素子１１ｂのみが発光することで物体２を側方から広範囲に照明することができる。

このように照明される物体２の鉛直上方には、図８Ａに示すように撮像カメラ４が配置されており、鉛直上方より物体２の検査対象面２５を撮像可能となっている。したがって、発光素子１１の発光を相互に独立して制御するのみにより２種類の配光で物体２の検査対象面２５を照明することができる。つまり、照明態様毎に発光部を設けることなく、小型かつ低コストで複数の照明態様で物体２を照明することができる。特に、この実施形態では、複数の照明ヘッド１７により構成されるリング照明系の中心部に検査対象物たる物体２が位置しており、上記第１配光で全周照明を行う、つまりローアングルでの暗視野照明が行われた状態で撮像カメラ４による撮像を行っている。このため、検査対象面２５に存在する微細なキズ等を撮像することが可能となっている。その結果、物体２の外観検査を高精度に行うことができる。

図９Ａは本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第６実施形態を示す図である。また、図９Ｂは図９Ａに示す検査装置の部分平面図である。この第６実施形態に係る検査装置１００が第５実施形態と大きく相違する点は、照明装置および撮像カメラに関する構成であり、その他の構成は基本的に第５実施形態と共通している。したがって、以下の説明では、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して構成説明を省略する。

第６実施形態では、第５実施形態と同様に、検査対象物である物体２を載置するステージ３はステージ回動機構３３と接続されており、ステージ駆動制御部３２からの回動指令に応じてステージ回動機構３３が作動することでステージ３が回動軸ＡＸ３まわりに回動する。また、ステージ３上に載置される物体２をドーム状に取り囲むように複数の照明ヘッド１７が配置されている。より詳しくは、リング径が互いに異なる４つのリング照明系１８Ａ〜１８Ｄが設けられており、側方、第１斜方、第２斜方および上方の４段階で物体２をリング状に照明可能となっている。

これらのうち最もリング径の大きな１段目のリング照明系１８Ａはステージ３上に載置される物体２を取り囲むように複数の照明ヘッド１６が配置され、物体２を側方からリング状に照明可能となっている。また、このリング照明系１８Ａにおいては、発光素子１１ａのみが発光すると、二次元的に照明範囲を狭めた第１配光（図２の（ａ）欄参照）で物体２を側方からリング照明することができる。また、発光素子１１ｂのみが発光すると、照明光が広範囲に広がった第２配光（図２の（ｃ）欄参照）で物体２を側方からリング照明することができる。さらに、発光素子１１ａ、１１ｂが発光すると、中間的な配光（図２の（ｂ）欄参照）で物体２を側方からリング照明することができる。その他のリング照明系１８Ｂ〜１８Ｄもリング径が異なる点と照明光の照射方向が異なる点を除き、リング照明系１８Ａと同様に構成されている。このように本実施形態では、互いに異なる３種類の配光でステージ３上の物体２を照明可能となっている。しかも、ＰＷＭによる調光値を制御することでリング照明における照度分布や配光分布を調整することができる。この点については、後で説明する実施形態においても同様である。

また、物体２を種々の角度から撮像するために、照明ヘッド１６の隙間の数箇所に、撮像カメラ４がそれぞれ１台ずつ配置されている。なお、図９Ａおよび図９Ｂでは、撮像カメラ４を照明ヘッド１６と視覚的に区別するためにドットを付している。この点については、後で説明する実施形態においても同様である。

このように構成された検査装置１００においては、発光素子１１の発光を相互に独立して制御するのみにより３種類の配光で物体２を照明することができる。つまり、照明態様毎に発光部を設けることなく、小型かつ低コストで複数の照明態様で物体２を照明することができる。

なお、第６実施形態では、全リング照明系１８Ａ〜１８Ｄを照明ヘッド１６で構成しているが、検査対象物である物体２の上面に存在するキズ等を検査するために、第５実施形態と同様にローアングルのリング照明を用いてもよい。すなわち、１段目のリング照明系１８Ａを照明ヘッド１７で構成してもよい。ただし、当該リング照明系１８Ａのリング径は大きく、照明ヘッド１７から物体２までの照明光の照射距離は比較的広い。このため、照度低下や照明光の広がりにより物体２の上面に存在するキズ等を良好に撮像するのが難しくなる場合がある。そこで、リング照明系１８Ａを構成する照明ヘッド１７にヘッド移動機構１６１を接続し、リング照明系１８Ａにより物体２を照明する際に照明ヘッド１７を物体２に近接させるのが好適である（第７実施形態）。以下、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照しつつ第７実施形態に係る検査装置１００について説明する。

図１０Ａは本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第７実施形態を示す図である。また、図１０Ｂは図１０Ａに示す検査装置における照明ヘッドの移動動作を模式的に示す図である。この第７実施形態に係る検査装置１００が第６実施形態と大きく相違する点は、照明装置に関する構成であり、その他の構成は基本的に第６実施形態と共通している。したがって、以下の説明では、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して構成説明を省略する。

第７実施形態では、第６実施形態と同様に、リング径が互いに異なる４つのリング照明系１８Ａ〜１８Ｄが設けられているが、そのうちのリング照明系１８Ａは照明ヘッド１７により構成されている。しかも、図１０Ａに示すように各照明ヘッド１７にはヘッド移動機構１６１が接続されている。そして、照明ヘッド１７毎に、ヘッド駆動制御部１６２から与えられる移動指令に応じてヘッド移動機構１６１が作動することでリング照明系１８Ａの径方向における物体２に対する照明ヘッド１７の相対的な位置関係を調整可能となっている。したがって、この位置調整によって照明ヘッド１７から物体２までの距離、つまり照明光の照射距離を変更して照明条件を適正化することが可能となっている。

このように構成された第７実施形態では、図１０Ｂに示すようにステージ３上に載置された物体２の大きさに応じてリング照明系１８Ａを構成する照明ヘッド１７の一部が物体２に接近し、その接近した照明ヘッド１７のみが点灯することでローアングルでの暗視野照明を高い照度を行うことが可能となる。その結果、物体２の上面に存在する微細なキズ等を良好に撮像することが可能となり、物体２の外観検査を高精度に行うことができる。このように第７実施形態では、ヘッド移動機構１６１およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

なお、図１０Ｂではリング照明系１８Ａを構成する照明ヘッド１７の半分を物体２に接近させているが、移動させる照明ヘッド１７の選択や移動距離は任意であり、物体２の大きさに応じて設定するのが好適である。例えば物体２が小さくなるにしたがって選択する照明ヘッド１７の個数を減少させるとともに移動距離を大きくするのが望ましい。また、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、照明ヘッド１７による暗視野照明の範囲を狭めることに対応して物体２の鉛直上方に配置された撮像カメラ４を物体２に近接させるのが好適である（第８実施形態）。この第８実施形態では、上記撮像カメラ４に対し、鉛直方向に昇降させるカメラ移動機構４２が接続されている。そして、制御ユニット５に設けたカメラ駆動制御部４３から与えられる昇降指令に応じてカメラ移動機構４２が作動することで、撮像カメラ４を鉛直方向に移動させて物体２に対する相対的な位置関係を調整可能となっている。したがって、この位置調整によって暗視野照明された物体２から出射される光が十分な光量で撮像カメラ４に受光され、物体２の暗視野像を確実に撮像することができる。その結果、物体２の上面に存在する微細なキズ等をさらに良好な画像品質で撮像することが可能となり、物体２の外観検査の精度にさらに向上させることができる。

図１２は本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第９実施形態を示す図である。この第９実施形態に係る検査装置１００は、図９Ａおよび図９Ｂに示す検査装置１００に対してヘッド移動回動機構（図示省略）およびヘッド駆動制御部１６２が付加されている。ヘッド移動回動機構は図７Ａに示すヘッド移動機構１６１と図７Ｂに示すヘッド回動機構１６３と組み合わせてステージ３上に載置された物体２に対する照明ヘッド１６の相対位置を調整する機能を有している。そして、ドーム状に配置された照明ヘッド１６の各々に対してヘッド移動回動機構が接続されており、制御ユニット５に設けたヘッド駆動制御部１６２から与えられる移動回動指令に応じてヘッド移動回動機構が作動すること物体２に対する照明ヘッド１６の相対的な位置関係を調整可能となっている。なお、その他の構成は基本的に図９Ａおよび図９Ｂに示す検査装置１００と同一である。

このように構成された検査装置１００では、ステージ３上に載置された物体２の形状に応じて照明ヘッド１６の位置を調整することで物体２を合理的に撮像することができる。例えば図１２に示すように断面形状が略Ｉ字状の物体２を検査する際には、
・リング照明系１８Ａを構成する照明ヘッド１６の一部をリング照明系１８Ａの径方向内側に移動させて物体２に接近させるとともに、残りの照明ヘッド１６を斜め上方に回動させる、
・リング照明系１８Ｃを構成する照明ヘッド１６の一部をリング照明系１８Ｃの径方向内側に移動させて物体２に接近させる、
という位置調整を行った後でリング照明系１８Ａ、１８Ｃの照明ヘッド１６により物体２を照明することで、物体２の上部平面部２６のキズ検査と下部平面部２７のキズ検査に好適な画像を同時に撮像することができる。その結果、上部平面部２６および下部平面部２７に存在する微細なキズ等を良好に撮像することが可能となり、複雑な形状を有する物体２の外観検査を短時間で、しかも高精度に行うことができる。このように第９実施形態では、ヘッド移動回動機構およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

なお、本実施形態において、ステージ回動機構３３に対してステージ３を昇降させるステージ移動機構を組み込んで物体２の形状などに応じてステージ３を昇降させて物体２と照明ヘッド１６との位置関係を調整するように構成してもよい。また、照明ヘッド１６の一部または全部を照明ヘッド１７に置き換えて暗視野照明を実行可能に構成してもよい。これらの点については、次の実施形態についても同様である。

図１３は本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第１０実施形態を示す図である。この第１０実施形態に係る検査装置１００は、図１２に示す検査装置１００に対してカメラ移動回動機構（図示省略）およびカメラ駆動制御部４３が付加されている。カメラ移動回動機構はヘッド移動回動機構と同様の機構により撮像カメラ４を物体２に向けて進退移動させる機構と撮像カメラ４を回動軸まわりに回動させて撮影角度を変更させる機構とを兼ね備え、ステージ３上に載置された物体２に対する撮像カメラ４の相対位置を調整する機能を有している。そして、撮像カメラ４毎にカメラ移動回動機構が接続されており、制御ユニット５に設けたカメラ駆動制御部４３から与えられる移動回動指令に応じてカメラ移動回動機構が作動すること物体２に対する撮像カメラ４の相対的な位置関係を調整可能となっている。なお、その他の構成は基本的に図１２に示す検査装置１００と同一である。

このように構成された検査装置１００では、ステージ３上に載置された物体２の形状に応じて照明ヘッド１６の位置とともに撮像カメラ４の位置を調整することで物体２を合理的に撮像することができる。例えば図１３に示すように物体２を取り囲むように照明ヘッド１６および撮像カメラ４を位置決めした後で、リング照明系１８Ａ〜１８Ｄの照明ヘッド１６により物体２を照明することで、物体２をムラ無く照明しながら物体２を撮像することができる。その結果、物体２の外観検査を短時間で、しかも高精度に行うことができる。このように第１０実施形態では、ヘッド移動回動機構およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

図１４は本発明に係る照明装置を装備する検査装置の第１１実施形態を示す図である。この第１１実施形態に係る検査装置１００は、図１２に示す検査装置１００のステージ回動機構３３に代えてステージ移動回動機構３５を設けられている。なお、その他の構成が第１０実施形態に係る検査装置１００と同一である。

ステージ移動回動機構３５は、ステージ回動機構３３に対してステージ３を鉛直方向に昇降させるステージ移動機構を付加したものであり、検査対象物である物体２を載置するステージ３と接続されている。そして、ステージ駆動制御部３２からの移動指令に応じてステージ移動回動機構３５が作動することでステージ３が昇降して物体２を撮像に好適な位置に位置決めすることが可能となっている。

このように構成された検査装置１００では、ステージ３上に載置された物体２の大きさに応じて鉛直方向におけるステージ３の高さ位置および照明ヘッド１６の位置を調整することで物体２を合理的に撮像することができる。例えば図１４に示すように薄板状の物体２を検査する際には、
・ステージ３を上昇させることで撮像面（図示省略）を鉛直下方に向けた撮像カメラ４の直下に物体２を位置させる、
・上記撮像カメラ４の近接するリング照明系１８Ｄを構成する照明ヘッド１６の照明方向が内側を向くように照明ヘッド１６を回動させる、
という位置調整を行った後でリング照明系１８Ｄの照明ヘッド１６により物体２を照明することで、物体２の検査に好適な画像を撮像することができる。その結果、照明ヘッド１６の可動配置のみでは補えない照明調整を行うことができ、検査装置１００の汎用性を高めることができる。このように第１１実施形態では、ヘッド移動回動機構およびヘッド駆動制御部１６２の組み合わせが本発明の「ヘッド駆動部」および「位置調整部」の一例に相当している。

Ｃ．その他
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、集光レンズ１３１やリニアフレネルレンズ１３３を用いている配光を変更しているが、その他の光学レンズにより配光を変更してもよい。

また、複数の照明ヘッド１６（または１７）を用いて検査対象物たる物体２を照明する検査装置１００では例えば図８Ｃに示すように２つのケーブル系統により制御信号を転送しているが、制御信号の転送系統はこれに限定されるものではなく、１または３以上のケーブル系統により制御信号を転送してもよい。

第５実施形態ないし第１１実施形態に係る検査装置１００では、ステージ３とともに物体２を回動させながら物体２の画像を撮像しているが、物体２を回動あるいは回転させることは必須要件でなく、物体２を固定したまま一連の処理（照明／撮像／検査）を行ってもよい。

また、第５実施形態ないし第１１実施形態に係る検査装置１００では、複数の照明ヘッド１６（または１７）をリング状に配列してリング照明系１８Ａ〜１８Ｄを構成しているが、照明ヘッド１６（または１７）の配列はリング形状に限定されるものではなく、多角形形状に配列してもよい。

また、第６実施形態ないし第１１実施形態に係る検査装置１００では、４つのリング照明系１８Ａ〜１８Ｄを設けることにより複数の照明ヘッド１６（または１７）をドーム状に配置しているが、リング照明系の個数や配置などはこれに限定されるものではない。

さらに、上記においては本発明に係る照明装置１により物体２を照明しながら物体２の外観検査を行う検査装置１００に適用しているが、照明装置１の適用対象はこれに限定されるものではない。例えば吐出口から液体（処理液、インクなど）を吐出するノズルを照明しながらノズルの吐出口を撮像して観察する撮像装置、細胞等を培養した試料を照明しながら試料を撮像して観察する撮像装置、三次元プリンタによる造形物を照明しながら造形物を撮像して観察する撮像装置などに装備される照明装置として用いることができる。

この発明は、物体を照明する照明装置および照明方法、ならびに上記照明装置を用いた撮像装置全般に適用することができる。

１…照明装置
２…物体
３…ステージ
４…撮像カメラ（撮像部）
１１ａ…第１発光素子
１１ｂ…第２発光素子
１１ｃ…第３発光素子
１２…発光部
１３…光学系
１５…照明制御部
１６，１７…照明ヘッド
３１…ステージ移動機構（位置調整部）
３２…ステージ駆動制御部（位置調整部）
３３…ステージ回動機構
３５…ステージ移動回動機構（位置調整部）
１００…検査装置
１３１…集光レンズ（第１光学素子）
１３３…リニアフレネルレンズ（第１光学素子、第２光学素子）
１６１…ヘッド移動機構（位置調整部）
１６２…ヘッド駆動制御部（位置調整部）
１６３，１６４…ヘッド回動機構（位置調整部）

Claims (12)

1. 物体を照明する照明装置であって、
   前記物体に向けて発光する第１発光素子および第２発光素子を有する発光部と、
   前記第１発光素子から出射された光の配光を第１配光に変更して前記物体に導光する第１光学素子を有するとともに前記第１配光と異なる第２配光で前記第２発光素子から出射された光を前記物体に導光する光学系と、
   前記第１発光素子および前記第２発光素子の発光を相互に独立して制御する照明制御部と
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記第１発光素子および前記第２発光素子は前記第２配光の光を出射し、
   前記光学系は前記第２発光素子から出射された光を前記第２配光のまま前記物体に導光する照明装置。
3. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記光学系は前記第２発光素子から出射された光の配光を前記第２配光に変更させる第２光学素子を有する照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置であって、
   前記発光部は前記物体に向けて発光する第３発光素子をさらに有し、
   前記第１発光素子および前記第３発光素子は前記第１配光および前記第２配光のいずれとも異なる第３配光の光を出射し、
   前記光学系は前記第３発光素子から出射された光を前記第３配光のまま前記物体に導光し、
   前記照明制御部は、前記第３発光素子の発光を前記第１発光素子および前記第２発光素子の発光から独立して制御する照明装置。
5. 請求項３または４に記載の照明装置であって、
   前記第１光学素子は集光レンズであるのに対し、前記第２光学素子は円柱レンズまたはリニアフレネルレンズである照明装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の照明装置であって、
   前記発光部および前記光学系を一体的に保持しながら前記物体に対して相対的に移動可能に設けられた照明ヘッドをさらに備える照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置であって、
   前記物体に対して前記照明ヘッドを移動させるヘッド駆動部をさらに備える照明装置。
8. 第１発光素子および第２発光素子を用いて物体を照明する照明方法であって、
   前記第１発光素子および前記第２発光素子の発光を相互に独立して制御することで、
   前記第１発光素子から出射される光の配光を変更して得られる光を第１照明光として前記物体に導光する第１照明動作と、
   前記第２発光素子から出射される光の配光を前記第１照明光の配光と異なる配光に変更して得られる光、または前記第２発光素子から出射される光を第２照明光として前記物体に導光する第２照明動作と
   のうち少なくとも一方を実行して前記物体を照明する光の配光を調整可能とすることを特徴とする照明方法。
9. 物体を保持するステージと、
   前記ステージに保持される前記物体を照明する請求項６に記載の照明装置と、
   前記照明装置により照明された前記物体を撮像する撮像部と
   を備えることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項９に記載の撮像装置であって、
    前記ステージおよび前記照明ヘッドのうちの少なくとも一方を移動させて前記物体に対する前記照明ヘッドの相対的な位置関係を調整する位置調整部をさらに備える撮像装置。
11. 請求項１０に記載の撮像装置であって、
    前記位置調整部は前記照明ヘッドを移動させるヘッド移動機構を有する撮像装置。
12. 請求項１０または１１に記載の撮像装置であって、
    前記位置調整部は前記ステージを移動させるステージ移動機構を有する撮像装置。

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