特許 6797592 照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6797592

(24)【登録日】2020年11月20日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】照明装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/84 20060101AFI20201130BHJP

   G01N 21/88 20060101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/84 E

   G01N21/88 H

【請求項の数】15

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-152379(P2016-152379)

(22)【出願日】2016年8月3日

(65)【公開番号】特開2018-21805(P2018-21805A)

(43)【公開日】2018年2月8日

【審査請求日】2019年7月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(74)【代理人】

【識別番号】100121614

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 倫也

(72)【発明者】

【氏名】桃木 和彦

【審査官】 嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１２１９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０６３０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００５３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０１３０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−００３２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３４６９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５９７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０４９２６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／８４−２１／９５８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの光を物体に導く照明装置であって、
遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間にπ／２（ｒａｄ）で固定の相対位相差を与える第１の位相差板と、
遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える相対位相差を変更可能な第２の位相差板と、
前記物体に導く偏光成分を抽出する偏光子とを備え、
前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光子は、前記物体の側から前記光源の側へ順に配置され、
前記第２の位相差板の遅相軸方向は、前記第１の位相差板の遅相軸方向および進相軸方向に対して傾いており、
前記第２の位相差板が与える相対位相差を変更することで、前記物体に導く光の偏光方向を変更可能であることを特徴とする照明装置。

【請求項2】

前記第２の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光子の透過軸方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【請求項3】

前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光子の透過軸方向に対して平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。

【請求項4】

前記第１の位相差板の遅相軸方向は、前記透過軸方向に対して平行であり、前記第２の位相差板の遅相軸方向は、前記光源の側から見たとき前記透過軸方向に対して反時計回りに４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。

【請求項5】

前記第１の位相差板の進相軸方向は、前記の透過軸方向に対して平行であり、前記第２の位相差板の遅相軸方向は、前記光源の側から見たとき前記透過軸方向に対して時計回りに４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。

【請求項6】

前記第２の位相差板は、液晶を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の照明装置。

【請求項7】

前記液晶に電圧を印加することで前記第２の位相差板が与える相対位相差を設定する設定手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。

【請求項8】

前記光源からの光を整形する光学系を備えることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の照明装置。

【請求項9】

前記光学系は、フレネルレンズを含むことを特徴とする請求項８に記載の照明装置。

【請求項10】

前記光学系は、光軸に対して回転対称なレンズ面を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の照明装置。

【請求項11】

前記光学系は、前記光源と前記偏光子との間に配置されることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の照明装置。

【請求項12】

前記光学系は、前記偏光子と前記第２の位相差板との間に配置されることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の照明装置。

【請求項13】

前記光学系は、前記第１の位相差板に対して前記物体の側に配置されることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の照明装置。

【請求項14】

前記偏光子は、ワイヤーグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１から１３の何れか一項に記載の照明装置。

【請求項15】

前記偏光子は、偏光変換素子であることを特徴とする請求項１から１３の何れか一項に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、表面反射において、Ｐ偏光よりＳ偏光の反射率が高くなる。そのため、Ｓ偏光をカットすれば、直反射光を軽減し、被写体自体の観察が可能となる。従来、照明光の偏光状態を変化させることで、外光の影響を最小限に抑えて、被写体を詳細に観察できることが知られている。特許文献１では、被検査物に照射される光の任意の偏光成分を取得するために、回転可能な偏光板や、光路中に挿抜可能に配置される波長板を有する欠陥検査装置が開示されている。特許文献２では、基板を照明する光をＰ偏光またはＳ偏光に切り替え可能な液晶偏光フィルタを有する欠陥検査装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−２６２５９５号公報

【特許文献2】特開２００６−３１７３１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の欠陥検査装置では、任意の偏光成分を取得する場合にメカ駆動を必要とするため時間がかかってしまう。また、特許文献２の欠陥検査装置では、Ｐ偏光とＳ偏光を短時間で切り替えることができるが、Ｐ偏光とＳ偏光を切り替えるだけで任意の偏光成分を取得することができない。また、Ｐ偏光とＳ偏光の中間の電圧で液晶を駆動すると、楕円偏光となってしまう。

【0005】

このような課題に鑑みて、本発明は、簡易な構成で、短時間で任意の偏光成分を照明可能な照明装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としての照明装置は、光源からの光を物体に導く照明装置であって、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間にπ／２（ｒａｄ）で固定の相対位相差を与える第１の位相差板と、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える相対位相差を変更可能な第２の位相差板と、前記物体に導く偏光成分を抽出する偏光子とを備え、前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光子は、前記物体の側から前記光源の側へ順に配置され、前記第２の位相差板の遅相軸方向は、前記第１の位相差板の遅相軸方向および進相軸方向に対して傾いており、前記第２の位相差板が与える相対位相差を変更することで、前記物体に導く光の偏光方向を変更可能であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、簡易な構成で、短時間で任意の偏光成分を照明可能な照明装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１の照明装置の構成図である。

【図2】実施例１の照明装置を使用した検査装置の概略図である。

【図3】可変位相差板の構成図である。

【図4】可変位相差板の位相差に対応する偏光取得手段から射出される照明光の偏光方向を示す図である。

【図5】実施例２の照明装置の構成図である。

【図6】実施例２の照明装置を備えるストロボ装置を取り付けられた一眼レフカメラの概略図である。

【図7】実施例３の照明装置の構成図である。

【図8】実施例３の照明装置を使用した自動車の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【実施例1】

【0010】

図１は、本実施例の検査装置に使用される照明装置１００の構成図である。照明装置１００は、照明光学系１、光源部２、および偏光取得手段（光学装置）６を備える。光源部２は、ランプ７およびミラー１３を備える。ランプ７から射出された光線は、直接、または一部がミラー１３に反射して、照明光学系１に入射する。照明光学系１で整形、および均質化された光線は、偏光取得手段６に入射する。偏光取得手段６に入射した光線は、偏光取得手段６を透過することで所望の偏光方向の光線に変換され、被写体に照射される。

【0011】

図２は、照明装置１００を使用した検査装置の概略図である。本実施例では、照明装置１００は、ベルトコンベア１０２上の製品（被写体）１０３に対して、光線を照射する。カメラ１０１は、製品１０３から反射された光線を受光する。制御装置（設定手段）１０４は、例えば、カメラ１０１の撮像や照明装置１００の照明などの検査装置全体の制御を行う。製品１０３の形状や配置の向きにより照明光の直反射によって、製品１０３が見づらい場合がある。その場合、偏光方向を変化させることで、見やすい方向を選択すればよい。見やすい方向とは、ユーザが見やすいと思う方向、または機械が判定しやすい方向である。また、偏光方向の異なる複数の画像を取得することで、製品１０３の領域ごとに見やすい画像を選択してもよいし、複数の画像に基づいて外光の影響の小さい画像を生成してもよい。

【0012】

次に、偏光取得手段６の構成について説明する。偏光取得手段６は、λ／４板（第１の位相差板）３、可変位相差板（第２の位相差板）４、および偏光板（偏光子、偏光成分抽出素子）５を有する。λ／４板３、可変位相差板４、および偏光板５は、各軸が照明光学系１の光軸に垂直な面内となるように配置される。また、λ／４板３、可変位相差板４、および偏光板５は、隣接して配置される。本実施例では、図１（ａ）に示されるように、照明光学系１と偏光板５は、離れて配置されているが、図１（ｂ）に示されるように、貼り合わせて配置されてもよい。

【0013】

λ／４板３は、延伸フィルムから構成され、入射光の直交する偏光成分間にπ／２（ｒａｄ）の相対位相差を与える。λ／４板３が与えるπ／２の相対位相差は、不変（固定）である。本実施例では、λ／４板を用いるが、π／２の相対位相差を与えることが可能であれば３λ／４板や可変位相差板であってもよい。

【0014】

可変位相差板４は、λ／４板３と同様に入射光の直交する偏光成分間に相対位相差（以下、可変位相差板４の位相差という）を変更可能に与える。本実施例では、可変位相差板４は液晶を用いた素子であり、可変位相差板４の位相差は制御装置１０４からの信号（指示）に基づいて印加される電圧に応じて変更される。なお、本実施例では制御装置１０４が可変位相差板４の位相差を変更するが、照明装置１００が可変位相差板４の位相差を変更する機能を有する手段を備えてもよい。

【0015】

図３は、可変位相差板４の構成図であり、図中の円形部分は液晶層の拡大図である。可変位相差板４は、基板８、電極層９、および配向膜１０によって液晶層１１を挟むように構成されている。液晶層１１は、ＶＡ方式の液晶層（ＶＡ液晶層）で、液晶分子１２が配向膜１０に倣う形で配向している。本実施例では、印加電圧を０［Ｖ］、Ａ［Ｖ］、Ｂ（＞Ａ）［Ｖ］へと変更させると、液晶分子１２の配向角度（チルト角度）は最小値θ_ｍｉｎから中間値θを経て最大値θ_ｍａｘに変化する。なお、図３の可変位相差板４の構成は一例であり、本発明はこれに限定されない。例えば、チルト角ではなく、配向方向が変化する駆動方式の異なる液晶素子を用いてもよい。また、電気光学効果による屈折率変化を利用する構成、微細構造による複屈折率の格子高さや間隔を精密に制御する構成、またはそれらを組み合わせた構成を用いてもよい。また、可変位相差板４は、板面内で位相差を一様に変化させる構成ではなく、板面内の異なる領域で異なる位相差を生じさせる構成であってもよい。

【0016】

偏光板５は、入射光の偏光成分のうち透過軸方向（透過偏光方向）の成分を透過させる（抽出する）。偏光取得手段６は照明装置１００に用いられるため、偏光板５はワイヤーグリッド偏光子のような不要光を反射するタイプの偏光板を用いることが好ましい。不要光を反射するタイプの偏光板を用いることで、不要光の一部は光源の光学系に戻り、再帰的に照明光として使用される可能性がある。一方、不要光を吸収するタイプの偏光板を用いると、吸収した光が熱に変わり装置自体の発熱源となり、他の素子への悪影響が懸念される。また、偏光板自体も劣化が早くなる可能性がある。

【0017】

照明装置１００は、偏光板５の透過軸方向を固定して可変位相差板４の位相差を電気的制御で変更することで、照明光の直線偏光が任意の方向の偏光に変更され、任意の偏光方向の照明光で照明することができる。以下、図４を参照して、照明装置１００の照明方法について説明する。図４は、可変位相差板４の位相差に対応する偏光取得手段６から射出される照明光の偏光方向φｏを示す図である。λ／４板３および可変位相差板４上の破線矢印は遅相軸方向を示し、偏光板５上の破線矢印は透過軸方向を示している。

【0018】

λ／４板３および偏光板５は、λ／４板３の遅相軸方向と偏光板５の透過軸方向が平行になるように配置される。ただし、厳密に平行である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に平行（略平行）とみなされる。また、可変位相差板４は、遅相軸方向がλ／４板３の遅相軸方向、および偏光板５の透過軸方向に対して反時計回りに４５度だけ傾くように配置される。ただし、厳密に４５度である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に４５度（略４５度）とみなされる。

【0019】

本実施例では、λ／４板３の遅相軸方向および偏光板５の透過軸方向のｘ軸方向に対する方位角（度）は９０度である。ただし、厳密に９０度である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に９０度（略９０度）とみなされる。また、可変位相差板４の遅相軸方向のｘ軸方向に対する方位角は４５度である。ただし、厳密に４５度である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に４５度（略４５度）とみなされる。

【0020】

なお、λ／４板３および偏光板５は、λ／４板３の進相軸方向と偏光板５の透過軸方向がｙ軸方向と平行になるように配置されてもよい。この場合、可変位相差板４は、進相軸方向がλ／４板３の進相軸方向、および偏光板５の透過軸方向に対して時計回りに４５度だけ傾くように配置される。

【0021】

図４（ａ）では、可変位相差板４の位相差は０に設定されており、照明光の偏光方向φｏは９０度である。図４（ｂ）では、可変位相差板４の位相差はλ／４に設定されており、照明光の偏光方向φｏは４５度である。図４（ｃ）では、可変位相差板４の位相差はλ／２に設定されており、照明光の偏光方向φｏは０度である。図４（ｄ）では、可変位相差板４の位相差は３λ／４に設定されており、照明光の偏光方向φｏは１３５度である。このように、照明装置１００は、可変位相差板４の位相差を変化させながら照明を行うことで、偏光板の透過軸方向を回転させたときとほぼ同等の偏光照明を行うことができる。

【0022】

照明装置１００の照明光に基づいて取得された画像は、画像処理等の演算処理を経ることなく、そのまま画像として出力してもよい。また、異なる偏光情報を有する画像間で演算処理を行うことで、画素単位で被写体の特徴をより強調した画像を取得することができる。例えば、取得したデータのうち最も光強度の小さい値のみで画像を生成したり、最も光強度の大きい値のみで画像を生成したりすることで、被写体の散乱光成分を強調した画像や、被写体からの正反射成分を強調した画像を生成することができる。

【0023】

このように被写体の物体情報を照明光の偏光情報の変化により光学的に取得することで、その特徴量を強調または抑制した画像を生成することが可能となる。また、これらの組合せにより、観察者の意図に合った画像を生成することが可能となる。さらには、画像の領域ごとに異なる偏光照明で強調効果を持たせた画像を生成してもよい。他にも被写体の偏光の強度依存性を利用した様々な照明を行うことにより、目的に則した画像を取得することができる。

【実施例2】

【0024】

図５は、本実施例のカメラのストロボ装置に使用される照明装置２００の構成図である。照明装置２００は、照明光学系２１、光源部２２、および偏光取得手段２６を有する。光源部２２は、ランプ２７およびミラー１３を有する。ランプ２７はキセノン管であり、ランプ２７から射出された光線は、直接、または一部がミラー１３に反射して、偏光取得手段２６に入射する。偏光取得手段２６は、λ／４板（第１の位相差板）３、可変位相差板（第２の位相差板）４、および偏光変換素子（偏光子、偏光成分抽出素子）２５を有する。照明光学系２１は、偏光取得手段２６の内部、具体的には可変位相差板４と偏光変換素子２５との間に配置される。なお、λ／４板３および可変位相差板４の構成はそれぞれ、実施例１のλ／４板３および可変位相差板４の構成と同一であるため、詳細な説明は省略する。また、本実施例ではλ／４板３および可変位相差板４は貼り合せて配置されているが、別々に配置されてもよい。

【0025】

偏光変換素子２５は、断面が直角二等辺三角形の柱状プリズム１４、および断面が平行四辺形の柱状プリズム１５を有する。柱状プリズム１４、１５の接触面１６には、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が配置されている。偏光ビームスプリッタは、柱状プリズム１５の面１７から入射した照明光のうち、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する。透過したＰ偏光は、柱状プリズム１５Ｂの出射面１８Ｂから出射する。反射したＳ偏光は、柱状プリズム１５Ｂの斜面で反射され、柱状プリズム１５Ｂの出射面１９Ｂに入射する。出射面１９Ｂには１／２λ板がＳ偏光に対して４５度の方位で配置され、Ｓ偏光は透過する際にＰ偏光に変換される。出射面１８Ｂと出射面１９Ｂは隣接し、両面からＰ偏光が出射する。出射面１８Ｂと出射面１９Ｂから射出された光線は、照明光学系２１に入射する。

【0026】

照明光学系２１の光線の出射面側の表面には、複数のフレネルレンズが形成されている。照明光学系２１は、出射面１８と出射面１９のそれぞれの光軸に対応するフレネルレンズの中心が合うように配置されている。照明光学系２１は、光源部２２の最も近くに配置され、配光角が最も広角側の角度となる状態（図５（ａ）の状態）と、光源部２２から最も遠くに配置され、配光角が最も望遠側の角度となる状態（図５（ｂ）の状態）との間を光軸に沿って移動可能に構成される。照明光学系１で所望の配光角に制御された照明光は、可変位相差板４およびλ／４板３に入射する。λ／４板３および可変位相差板４は、照明光学系２１の移動に応じて移動するようにしてもよいが、本実施例では、ストロボ装置の強度や防水性を高めるために、外装部品として固定部材（不図示）に固定されている。また、照明光学系２１は、表面にフレネルレンズが形成されているため、強度が比較的弱いプラスチックや低溶融点ガラスを用いることが望ましい。また、λ／４板３は、硬度の材質を基板に用いることが好ましい。

【0027】

図６は、照明装置２００を備えるストロボ装置が取り付けられた一眼レフカメラ２０１の概略図である。ストロボ装置は、ストロボシューを介して一眼レフカメラ２０１の上部に取り付けられる。一眼レフカメラ２０１のレリーズ信号に応じて、照明装置２００は光源部２２を発光させる。照明装置２００は、レリーズごとに可変位相差板４の位相差を変化させ、異なる偏光状態の照明を行う。例えば、可変位相差板４の位相差を０λ、１／４λ、１／２λと変化させれば、偏光方向がそれぞれ９０度、４５度、０度の偏光照明を行うことができる。偏光照明ごとに一眼レフカメラ２０１が撮像することで、異なる偏光状態の画像を取得することができ、取得した画像に対して様々な処理を行うことができる。

【実施例3】

【0028】

図７は、本実施例の自動車ヘッドライトに使用される照明装置３００の構成図である。照明装置３００は、照明光学系３１、光源部３２、および偏光取得手段３６を有する。光源部３２は、ランプ３７とミラー１３を有する。ランプ３７はキセノンアークランプであり、ランプ３７から射出された光線は、直接、または一部がミラー１３に反射して、偏光取得手段３６に入射する。偏光取得手段３６は、λ／４板３、可変位相差板４、および偏光板３５（偏光子、偏光成分抽出素子）を有する。照明光学系３１は、偏光取得手段３６の被写体側に配置される。なお、λ／４板３および可変位相差板４の構成はそれぞれ、実施例１、２のλ／４板３および可変位相差板４の構成と同一であるため、詳細な説明は省略する。偏光板３５は、不要光を反射するタイプの偏光板であるワイヤーグリッド偏光子である。

【0029】

光源部３２から射出される光線のうち、透過軸方向と直交する偏光方向の光線は、偏光板３５により反射され、光源部３２に戻る。光源部３２に戻った光線のうち一部の光線は、偏光板３５に再び入射する。偏光板３５を透過した偏光は、可変位相差板４に入射する。可変位相差板４で位相を変化させた偏光は、λ／４板３を透過し、所望の方向の直線偏光に変換される。例えば、可変位相差板４の位相差を０λ、１／４λ、１／２λ、３／４λに変化させると、図４に示されるように、照明光の偏光方向は９０度、４５度、０度、１３５度になる。偏光取得手段３６で所定の偏光方向に変換された照明光は、照明光学系３１に入射する。

【0030】

照明装置３００はいわゆるプロジェクションランプであり、照明光学系３１は回転二次曲面のレンズを備える。回転二次曲面とは、光軸に回転対称な形状で、光軸中心付近は球面に近似できる形状の総称である。回転放物面、回転楕円体、および回転双曲面もこれに含まれる。当然、光軸から離れるにしたがって球面から形状が離れていく、いわゆる非球面もこれに含まれる。

【0031】

図８は、照明装置３００を自動車ヘッドライトとして使用する自動車の外観図である。照明装置３００が異なる状態の偏光照明を行うことで、車載カメラ３０１は各種偏光画像を取得することが可能である。それぞれの偏光画像間で画像処理を行うことで、偏光成分を抽出することができ、それらにより、照明光の影響を排除した画像を取得することが可能となる。

【0032】

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0033】

１、２１、３１ 照明光学系
２、２２、３２ 光源部
３ λ／４板（第１の位相差板）
４ 可変位相差板（第２の位相差板）
５、３５ 偏光板（偏光子）
２５ 偏光変換素子（偏光子）
６、２６、３６ 偏光取得手段（光学装置）
１００、２００、３００ 照明装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】