JPS62168125A - ビジヨンシステム用の対象物照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はビジョンシステムのための対象物照明装置並び
にその方法に関する。

許容誤差の極めて小さい機械部品から微細な超ＬＳＩ半
導体製品に至る精密製品を、自動的に測定するための自
動測定技術が、急速に発展してきている。それに伴い、
斯かる精密部品や精密製品の自動検査装置が多く製造さ
れている。それらの自動検査装置においては、検査すべ
き、または測定すべき部品の影像が、通常は高倍率の拡
大光学系を介して１例えばビデコンやＣＣＤアレイやそ
の他の映像−信号変換装置から成る、電子撮像装置上に
、撮像される。影像信号は、適切なソフトウェアと、マ
イクロプロセッサないしミニコンピユータとを用いて、
影像、並びに該影像の特定の部分の解析のために処理さ
れる０画像処理技術を用いてこの影像に１回転、ズーミ
ング、平行移動の各処理を施すことが可能であり、パタ
ーン識別技術を使用してこの影像を所定の基準パターン
と比較することが可能であり、また、欠陥の識別。

寸法、間隔の測定が可能である。これらの諸機能は、影
像が適正に形成されているならば、エラーを生じること
なく高い信頼性で実行することができる。

しかしながら、光学像を走査して得られる信号は被検対
象物の物理的特性や光学的特性に影響される０人間の目
は、色や表面状態における相違を容易に認識することが
でき、また光の反射やその他の影響に対する調節をも行
なうことができるため、人間のオペレータであれば総て
を知覚した上で調節を行なうことが可能である。これに
対して上記影像信号の処理は、本質的に、該影像信号の
変化の状態に基づくものである。−例として、ある表面
の縁部の正確な位置を決定するには、該表面とその背景
との間に高い信号コントラストが存在することが必要で
ある。別の例として、開口の直径を測定するに際しては
、信号の強度が急激に変化すれば、ビジョンシステムを
用いて、オペレータの判断を必要とするようないかなる
種類の装置よりもはるかに迅速で、正確で、信頼性の高
い寸法の読み取りをすることが可能となる。しかしなが
ら精密部品は本来の性質が３次元のものであって、しか
も異なった高さにおける特定部分の寸法形状を検査ない
し測定することがしばしば望まれる。例えば、テーパの
ついた孔があり、この孔が垂直軸に対して同君である場
合には、孔の一端における直径と他端における直径とを
読み取ることによりそのテーパを正確に決定することが
できるのであるが、そのような測定のためには一様な照
明は最適とは言えない、このことは、検査ないし測定す
べき特徴部分や表面が、ハイライトとシャドウとを利用
すれば最も良く表し得るような状ｙムで、被検対象物を
照明する際の、佇遍的な問題点を示している。

本明細書中で説明される種類のビジョンシステムの好例
として、ヴユーエンジニアリング社製１２００型モデル
（Ｖｉｅｗ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍｏｄｅｌ　１
２００）が挙げられる。この装置は、複雑な部品をおお
よそ０．０００２５インチの精度で非接触３次元測定す
る。マイクロプロセッサにより作動するシステムである
。このシステムにおいては、対象物の照明はカメラの拡
大用光学系の対物レンズの周りに配設した光源によって
行なうこともでき、また、該対物レンズを通して同君的
に照明することもできる。しかしながら個々の場合に応
じて種々の特徴部分を強調する能力は、夫々の光源を具
体的な場合に応じて使い分けることにより得られるだけ
の限られた有用性を除けば、限界がある。

様々な制御可ず駈な照明の仕方で被検対象物を照明する
、効率的で低コストの照明装置の利用範囲は、上記に概
要を説明した種類のシステムに限られるものではない、
斯かる照明装置は、顕微鏡観察、ＷＪ微微測測定顕微鏡
撮影ギにも利用することができ、それらの利用分野にお
いては、対象部分がかなりの高倍率で観察され、しかも
個々の目的に適合した影像の強調が望まれるからである
。

本発明に係る装置並びに方法は、中空円筒シート形状の
発散光束を発生する光源と、一対のリング形湾曲反射体
を用いる。一方の反射体は円筒シート形状の光束を集光
して平行光束とし、これを横方向に展がる扇状光束とし
て、湾曲反射面を有する隣接する反射体リングへと向け
る。この第２の反射体による光路の方向変換の角爪によ
り、円錐形の光束が形成され、該円錐形光束の入射角は
１両リングの相対位置に応じて変化する。２つの反射体
リングを異った速度で対象物へ接近、または対象物から
離間するように移動させることにより１円錐形の照明光
束が所望の点に焦点を合わせつづけ、しかしながら同時
にこの円錐の夾角が変化し、それによって＃像中のハイ
ライト部分。

シャドウ部分、それにコントラストの巾広い変化が得ら
れる０本発明の特徴の１つに焦点位置を広範囲に変化し
得ることがある。更に利点として。

シート形状の光束を発生するリング形光源装置が個別の
円弧部分に分割されていることがあり、それらの円弧部
分を種々の組合せで発光せしめることにより、影像を提
供する上での利用範囲を一層広げることができる。

本発明に係る装置の一実施例によれば、ビジョンシステ
ムは光軸を有し、この光軸に沿って、カメラが対象物を
拡大光学系を介して観察する。また、カメラと被検対象
物との間の相対的なＸ軸、Ｙ軸、並びに２軸方向の位置
決めが行なわれる。

円筒形状に束ねられ、その円筒形の４分の１円に相当す
る部分毎に発光可能な光ファイバから成るリング形光源
装貯が、前記光軸と同君に配設されており、該リング形
光源がレンズで構成された拡大光学系を囲繞している。

リング形光源装置の光ファイバは個々に光線を放射し、
それらの光線が集って、下方へ、被検対象物の方へと向
けられた中空円筒シート形状の光束を形成する。この光
束は内側の反射体リングの、断面形状が放物線形の反射
面で反射され、そこから略々径方向外側へ。

第２の反射体である外側の反射体リングの湾曲反射面へ
と、反射される。この反射面（第２反射面）は円環形状
（トロイダル形状）の一部分に相当する形状であり、即
ち該反射面の断面形状は円弧形状であり、該反射面が、
該反射面上の光束が当たる位置に応じて、該光束を下方
の共通焦点位こへと向ける。差動駆動装置がＺ軸方向キ
ャリッジに連結されて第１反射体リング及び第２反射体
リングを同一方向に、しかしながら異なった速度で移動
し、その際、入射角の変化に伴って焦点距離が変化し、
焦点位置が固定されたままとなるように、移動が行なわ
れる。この駆動装置はカメラの合焦動作とは独立して移
動動作を行ない、それによってこのシステムの適用用途
が広がっている０以上の構成において、差動運動は望ま
しくは複式ラック機構により発生され、該機構の各ラッ
クは互いに平行に配設されている。これらのラックを対
向させてそれらの間に適当な駆動ギア機構とアイドルギ
アとを配設することにより、それら２つのラックを１つ
のモータで所定の速度比で移動させることができ、しか
も外部のベアリングを不要にしている。

以下に添付図面を参照しつつ本発明の好適実施例を説１
！１する。それらの説明から、本発明をより良く理解す
ることができよう、　第１図及び第２図に示す如く、本
発明に拠れば、ビジョンシステム１０は、温度変化に対
して安定な御影石製のテーブル１３を備えた固定基台１
２を含む。テーブル１３１：には、駆動機構１５の制御
のもとにＹ軸方向に移動自在な載置台１４が装着されて
いる。駆！ｌ！！＋機構１５はモータと送りネジとを含
んで成り、また載置台１４は、観察ゾーン内の所定位置
において検査される製品１６（ここでは−例を概略的に
示す）をａ置するものである。縦向きに装着されたカメ
ラ１７が、拡大レンズ系を介して下方を、ｍ察ゾーンを
見上している。カメラ１７はモータ（Ｚ軸モータ）２０
により垂直方向（Ｚ軸方向）に駆動されるＺ軸支持体１
９に装着され、これにより所望の領域や表面に焦点を合
わせることができる。カメラ１７とＺ軸支持体１９とは
、Ｘ軸方向キャリッジ２２に安定するように装着され、
Ｘ軸方向キャリッジ２２は載置台１４の上方に、観察ゾ
ーンをまたぐように架設された、固定防振ブリッジ２３
に装着されている。Ｘ軸方向キャリッジ２２は、モータ
と送りネジとを含んで成る駆動機構２４により水平面内
を平行移動する。２つの駆動装２１１５と２４、それに
Ｚ軸モータ２０は、プロセッサ２５からの信号により制
御される。このプロセッサ２５は１例えば、カメラｌ７
に対する製品１６の相対的な位置を所与のＸ軸方向位置
とＹ軸方向位置とに位置決めすると共に、対象物である
製品１６上の特定の高さに焦点位鐙を合わせるように、
プログラムされたものである。照明装置３０が、カメラ
１７及びレンズ系１８と組合されてＺ軸支持体１９上に
装着されており、照明装置３０の構成部品は光軸と同君
的に配設されている。

第１図に加えて第２図乃至第５図にも示すように、照明
装置３０は遠隔光源３２を基台上に備えている。遠隔光
源３２は多数本の個別の光ファイバから成るフレキシブ
ル光ファイバハーネス３４を介して、ライドリング３６
に連結されており、このライドリング３６は、レンズ系
１８の下縁の付近に光軸に対し同君的に配設されている
。第３図の断面図から判るように、個々の光ファイバ３
８の末端部は、平行に束ねられた芯部から扇状に延出さ
れて円筒形状をなすよう配列され、この円筒形状の配列
中の各光ファイバは互いに平行に、円筒づたいに並設さ
れている。各光ファイバ３８の端部から照射される光は
集って中空円筒形状の、換言すれば筒形状の、下方へ、
製品１６へと向かう光束を形成する。しかしながら、そ
の際に、各光ファイバの端面から照射される光は、約６
２度の角度で発散し、この角度は光ファイバの端面の平
坦度により変化する。この実施例においては、遠隔光源
３２は４つの別個の光源を含んでおり、それらの各々は
、照明型２ｉ３０のライドリングの各４分の１円に相当
する部分へ送られる光を制御すると共に、一方、プロセ
ッサ２５により制御されている。

ライドリング３６の下方には光軸に沿って移動自在な第
１の反射体リング４２が配設され、該反射体リング４２
は断面が放物線形の第１の反射面を備えている。この放
物面の焦点は、光ファイバから放出される光の発散角度
に応じて、その光を略々平行化するように、位ｔが選択
されている。

この放物反射面４４は下方に向けて放射される円筒形状
の光束の光路中に位ｌしているため、この光束を該反射
面の周辺部から径方向外方へと反射し、扇状光束とも言
うべき、カメラの光軸と同君の光束を形成する。即ち、
第１反射体リング４２は放物面を備えているため、集光
器として機能すると共に光路方向変換器としても機能し
ている。

第１反射体リング４２は回転面形状に形成され、そのボ
ディ部分にはライドリング３６が嵌装されるくびれ部が
形成されている。

径方向外方へ向かう光束は第１反射体リング４２の外側
に配設された第２反射体リング４６へ入射する。この第
２反射体リング４６は、第１反射体リングに対して相対
的に、Ｚ軸方向に移動自在である。第３図に示すように
、第２反射体リング４６の反射面４８は断面が円弧形状
である。

円弧形状、即ち球面の一部を成す形状は本発明にの目的
に適合した形状であるが、より良い精度が必要な場合で
あれば、双曲線断面とすることが望ましい。断面が曲面
として形成された第２反射体リングの第２反射面４８上
の、第１反射体リング４２からの略々水平な扇状光束が
入射する位置に応じて、光束が下方へ、焦点へと向けら
れるときの角度が決り、これが角度形成器として機能す
る。前記放物線形反射面４４は光ファイバ３８から放射
される光束を略々平行化し、平行化された光束がこの湾
曲反射面４８へと扇形に拡がって行くのである。

第２図、第４図、及び第５図に示すように、差動駆動装
置５０がＸ軸方向キャリッジ２２に装着されている。こ
の差動駆動装置５０は従ってカメラ１７及びレンズ系１
８のＺ軸方向位置とは独立している。モータ５２（第２
図）が駆動機構５０を独立的に駆動して第２反射体リン
グの位置を制御している。２つの反射体リング４２と４
６の夫々の位置の変化は１合焦状態を保持し得る特定の
比例関係で同時平行的に、しかも入射角が変化するよう
に、行なわれる。そのような移動を行なうために、２組
のラックピニオン機構が並列して配設されている。これ
らのラックピニオン機構において、第１のラック５４が
直角ブラケット５５を介して第２反射体リング４６に連
結され、第２ラツク５６がが延長アーム５７を介して第
１反射体リング４２に連結されている。これらのラック
５４．５６は、それらを囲繞する。Ｚ軸支持体１９（第
１図）に取付けられたハウジング内５９内に、隣接面越
しにオフセットされて配設されている。これらのラック
間のモ行は、駆動ギアとアイドルギアとによって保持さ
れ、それらのギアはハウジング内部のはなれた場所に取
付けられている。第４図及び第５図に示す如く、駆動ギ
アのうちには、モータ５２のシャフトに連結されて第１
ラツクと噛合する第１ギアが含まれている。この第１ギ
ア６２は、同一平面内にあって隣接している第２ギア６
４を駆動し、該第２ギア６４は第３ギア６６と固定連結
されており、該第３ギア６６は、第２ラツク５６と同一
平面内に配設されて第２ラツクと噛合している。第３ギ
アの直径は第２ギアの直径より大きく、それ故、第３ギ
アの周速は第１ギアの周速に対し所定の比となり、しか
も第１ギアの周速より太さい、従って、これらのギアと
噛合した２つのラック５４．５６は所定の比の差動運動
を発生し、第２ラツク５６の移動速度は第１ラツク５４
の移動速度より大きい、２つのアイドルギア６８．６９
が、ラック５４．５６と噛合してベアリングを用いるこ
となくラックのト行を保っている。以上の構成により、
ラック５４と５６はハウジング５９内を往復動し、必要
な運動がベアリング等の支持体を要することなく得られ
ている。第５図に示した如く、これらのラック５４．５
６はハウジング５９内に嵌装されたブツシュ７２内を摺
動するスライダロッド７０に取付けられている。

以下に、第１図に示すシステムの作用を説明する。製品
１６の検査のための一連の作業手順は、−例として、最
初にオペレータの制御によりＹ軸方向に移動自在なａｉ
台１４とＸ軸方向キャリッジ２２との位置決めがなされ
て製品１６の種々の部分の観測が行なわれ、これらの操
作手順と制御位置とはプロセッサのメモリに記憶される
。各々の制御位ｔにおいて、レンズ系１８とカメラ１７
が焦点を合わせるべき焦点平面の位置が、Ｚ軸支持体１
９の位置決めにより選択され、次に照明装ｆｉ３０から
入射する光束の望ましい入射角が選択される。各々の制
御位置に必要な設定点がオペレータにより次々と選択さ
れるに従い、上記製品１６を検査するための作業手順が
メモリに格納される。互いに相似な製品１６が載置台１
４上の検査位置に儀７１されると、このビジョンシステ
ムのソフトウェアが従来の方法で、上記手順に沿って走
り、検査部品上の選択位置乃至選択領域に焦点を合わせ
ると共に照明を行なう、製品１６の孔のテーパを測定す
る場合には、直径の大なる方を上面側に、小なる方を下
面側にする０次にカメラ１７とレンズ系１８の焦点をい
ずれかの端部に合わせ、照明装置３０を移動して孔の内
径部分とその周囲の１−！景となる部分との間において
、一方から他方に遷移するときに先着がシャープなコン
トラストで変化するような、良好な入射角が１１＃られ
るようにする。次に孔の他端を同様に検査し、その際に
は焦点位置と入射角とを、１−記のような遷移箇所が明
瞭に示されるように、変化させる。

第６図に示すように、ライドリング３６の光ファイバ３
８の端縁からの照明光は、３６０度の閉じた箱形状の光
束を形成し、しかしながらこの光束は幾分発散している
。従って第１反射体リングの断面放物線系の第１反射面
４４がこの光束を集光して実質的に平行化し、それを第
２反射体リングの光束角度形成反射面である第２反射面
４８へと向ける。この第２反射面４８から、光束は円錐
形となるように、焦点へと向けられる。入射角を変化す
る際には２つの反射体リング４２．４６を共に、しかし
ながらそれらの間の間隔を変化させつつ移動する。これ
により集光面である第１反射面４４からの光束が、角度
発生器である、曲面に形成された第２反射面４８七の異
った部分領域に入射し、同一の焦点位置を保持しつつ入
射角が変化される。

遠隔光源３２を制御してライドリング３６に沿った４分
の１円に相当する光ファイバ３８の部分束のうちの、種
々の部分束に照明させることにより、製品１６を種々の
角度から照明し得ることに加えて種々の側面から照暉１
することもｒ＋（能となリ、システムの用途の多様性を
高めている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る照明装置を備えたビジョンシステ
ムの斜視図であり、一部を断面とした図、第２図は第１
図のシステムの一部分をなす構造示す部分斜視図、第３
図は第２図に示す構造の一部分を示す断面側面図、第４
図は第２図、第３図の構造に用いられている差動駆動装
置の一部分を示す部分図、第５図は第４図に示された構
造を端面から見た図、そして第６図は第１図乃至第５図
のシステムにおいて１反射体を種々の位置に置いたとき
の入射角の変化を示す概略図である。 図面中、１０はビジョンシステム、１６は被検対象物、
１７はカメラ、３０は照明装置、３６はリングライト、
４２は第１反射体リング、４４は第１反射面、４６は第
２反射体リング、４８は第２反射面、５０は反射体リン
グ駆動装置である。 特許出願人　ヴイユー　エンジニアリングインコーボレ
ーテッド

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）システムの光軸上に位置する対象物を検査し、測
   定し、もしくはその影像を記録するビジョンシステムに
   用いる、照明装置であって、 前記光軸と同芯で且つ前記対象物へと向けられた中空円
   筒形の照明光束を発生する、光束発生手段と、 前記円筒形光束を反射して方向変換する前記光軸と同芯
   な第１湾曲反射面を有する、第１リング部材と、 前記第１反射面からの反射光束を反射して方向変換し、
   円錐形の照明光束とする第２湾曲反射面を有する、第２
   リング部材と、 前記第１リング部材と前記第２リング部材とをＺ軸に沿
   って差動運動せしめるリング部材駆動手段とから成る、
   照明装置。
2. （２）前記第１反射面が放物線形の断面を有し、前記第
   ２反射面が略々円弧形状の断面を有し、前記リング部材
   駆動手段が、前記第１リング部材を前記第２リング部材
   より大なる速度で移動するよう、構成され、これにより
   前記第２反射面で反射された前記円錐形光束が、その焦
   点を同一位置に保持しつつ入射角を変化するようにした
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の照明
   装置。
3. （３）前記円筒形光束発生手段が複数の光ファイバを含
   んで成り、該光ファイバが、前記光軸と同芯「円形状に
   配設されると共にその端部が互いに平行に配列されてい
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載の照
   明装置。
4. （４）前記第１反射面が前記第２反射面より小径に形成
   され、前記リング部材駆動手段が、歯を対向させて平行
   に配設された一対のラックと、それらのラックの間に配
   設されそれらの歯と噛合する駆動ギア手段と、該駆動ギ
   ア手段に連結された駆動モータ手段とから成ることを特
   徴とする、特許請求の範囲第３項に記載の照明装置。
5. （５）前記円筒形光束発生手段が、円弧形部分に分割さ
   れた、光ファイバ部材から成るリングと、該リングの該
   円弧形部分を個々に発光せしめる手段とを含み、これに
   より前記対象物を種々の異った方向から、並びに全方向
   から、照明し得るようにした、特許請求の範囲第１項に
   記載の照明装置。
6. （６）前記円筒形光束発生手段が、光ファイバ部材から
   成るリングを含んで成り、前記ビジョンシステムが、前
   記光軸に沿って前記対象物へと向けられた撮像カメラを
   含んで成り、該撮像カメラが、前記円筒形光束発生手段
   の前記光ファイバ部材リングと同芯に配設されているこ
   とを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の照明装
   置。
7. （７）前記円筒形照明光束が、所定角度内で発散する発
   散光からなり、前記第１反射面の焦点が、この発散円筒
   形光束を平行化し得る位置に設定されており、前記第２
   リング部材が、平行化された光束を径方向内側へ、前記
   光軸へと向けて反射するように構成され、前記リング部
   材駆動手段が、所定の移動比で前記両リング部材を移動
   することにより光軸へ向けて反射された前記光束が所定
   の焦点平面上に合焦するように構成されていることを特
   徴とする、特許請求の範囲第２項に記載の照明装置。
8. （８）前記ビジョンシステムが、 上面が水平に形成された固定基台と、 該基台の該上面を跨いでＸ軸に沿って架設された、該基
   台上の観察ゾーンの上方を延伸する固定ブリッジと、 前記対象物を載置すべく前記基台の前記上面上に設けら
   れた載置台手段であって、Ｙ軸方向の水平移動を生ぜし
   めるＹ軸方向駆動手段を備えた、載置台手段と、 前記ブリッジに装着され、Ｘ軸方向の水平移動を生ぜし
   めるＸ軸方向駆動手段を備えた、Ｘ軸方向キャリッジ手
   段と、 該Ｘ軸方向キャリッジ手段に装着され、垂直方向の移動
   を生ぜしめるＺ軸方向駆動手段を備えた、Ｚ軸方向キャ
   リッジ手段と、 拡大手段を備えた電子式カメラ手段であって、前記Ｚ軸
   方向キャリッジ手段に装着され、光軸に沿って前記観察
   ゾーンを観察し得る向きに配設された、電子式カメラ手
   段と、を含んで成り、前記円筒形光束発生手段が、前記
   対象物上に前記円錐形光束を照射し得るよう、前記電子
   式カメラ手段と前記光軸とに対し同芯に配設されており
   、 前記リング部材駆動手段が、前記Ｚ軸方向キャリッジ手
   段に装着されていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項に記載の照明装置。
9. （９）前記ビジョンシステムがプロセッサ手段を含み、
   該プロセッサ手段が、前記Ｘ軸方向駆動手段、前記Ｙ軸
   方向駆動手段、前記Ｚ軸方向駆動手段、並びに前記リン
   グ部材駆動手段を所定の順序で設定された所定の諸位置
   へと制御し、また前記カメラ手段を前記対象物上の所定
   の諸位置に合焦せしめ、且つそれと並行して前記対象物
   を望ましい入射角の光束で照明するよう、構成されてい
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第８項に記載の照
   明装置。
10. （１０）ビジョンシステムを用いて対象物の検査を行な
    う際に、該対象物の、自動測定ないし自動同定すべき特
    徴的部分の、自動認識を強化する方法であって、 前記ビジョンシステムの光軸と同芯で前記対象物の解析
    すべき所定箇所に合焦せしめられた円錐鞘形状の光束に
    より、前記対象物を照明するステップと、 該円錐鞘形状の光束を、その焦点を前記所定箇所に保持
    しつつ、その入射角を変化させるステップとからなる、
    方法。
11. （１１）前記対象物の解析すべき前記所定箇所を変更す
    るステップと、それと並行して前記円錐鞘形状の光束の
    入射角と焦点位置とを、良好な照明がなされるように変
    更するステップとを含んで成ることを特徴とする、特許
    請求の範囲第１０項に記載の方法。