特許 6976914 光学検査装置

(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】6976914

(24)【登録日】2021年11月12日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】光学検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/84 20060101AFI20211125BHJP

   G01N 21/88 20060101ALI20211125BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/84 E

   G01N21/88 Z

【請求項の数】18

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-173038(P2018-173038)

(22)【出願日】2018年9月14日

(65)【公開番号】特開2020-46232(P2020-46232A)

(43)【公開日】2020年3月26日

【審査請求日】2020年6月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100189913

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜飼 健

(72)【発明者】

【氏名】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】神川 卓大

(72)【発明者】

【氏名】羽藤 武宏

(72)【発明者】

【氏名】加納 宏弥

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０９３１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６３７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２４０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１６０６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１０７３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０１３０９３２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ − Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０３Ｂ １５／０２

Ｆ２１Ｖ ８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検査対象と対向する撮像光学系と、
前記撮像光学系の周囲に設けられた１以上の光源と、
前記撮像光学系の光軸に沿って筒状に延びるとともに、その端面が前記１以上の光源と対向した導光体と、
前記導光体の内面に設けられ、前記端面から前記導光体内に入射された光を内部全反射させる全反射面と、
前記導光体の外面に設けられ、前記光源から前記導光体内に入射された光を前記検査対象に向けて反射するミラー面と、
前記導光体の内面に設けられ、前記ミラー面で反射された光を前記検査対象に向けて透過させる透過面と、
を備える光学検査装置。

【請求項2】

前記全反射面は、前記透過面よりも前記光源に近い領域が存在する請求項１に記載の光学検査装置。

【請求項3】

前記撮像光学系の入射瞳面から前記検査対象までの距離をlとし、
前記導光体から射出される主光線の配光角をθとし、
前記光軸から前記内面の最近接距離をRとし、
前記光軸に沿う方向に関する前記入射瞳面からの前記導光体の延長距離をLとしたとき、

【数1】

の関係を満たす請求項１又は請求項２に記載の光学検査装置。

【請求項4】

前記導光体の前記内面は、前記撮像光学系の視野範囲よりも外側に位置する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項5】

前記導光体の前記内面と前記外面との間の厚み寸法は、前記撮像光学系から遠ざかるにつれて小さくなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項6】

前記１以上の光源は、前記光軸を中心とする１つの円周上に配置される請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項7】

前記導光体は、円筒形である請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項8】

前記導光体の前記内面の直径は、前記光源から遠ざかるにつれて大きくなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項9】

前記導光体の前記内面に沿うように、前記端面から前記１以上の光源に向けて突出するとともに、前記導光体と連続して設けられた筒状の導光凸部を備え、
前記導光凸部の厚み寸法は、前記内面と前記外面との間の厚み寸法よりも小さい請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項10】

前記導光体の前記ミラー面は、前記光軸から遠ざかる方向に凸になった円弧面である請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項11】

前記導光体の前記内面は、前記光軸に近づく方向に凸になった円弧面である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項12】

前記導光体は、方形の筒状である請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項13】

前記ミラー面は、前記導光体の前記検査対象側の端部の外側に設けられた面取り部に設けられる請求項１〜６、請求項１２のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項14】

前記１以上の光源は、方形の筒状の前記導光体の角部に対応する位置に設けられる請求項１２に記載の光学検査装置。

【請求項15】

前記１以上の光源と熱的に接続されたヒートシンクを備える請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項16】

前記１以上の光源を実装した基板であって、前記撮像光学系を通すための貫通孔部を有する基板を備える請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項17】

前記１以上の光源は、互いに間隔を空けた複数であり、
前記複数の光源に含まれる光源同士は、互いに色が異なる請求項１〜１６のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【請求項18】

前記１以上の光源は、互いに間隔を空けた複数であり、
前記複数の光源に含まれる光源は、互いに独立に点灯可能である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の光学検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、検査対象を光学的に検査可能な光学検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

物体の凹凸の非接触検査の一つに、斜入射の照明を用いて凹凸部で光を散乱させ、その散乱光を撮像するという方法がある。物体の方位方向によらず、検査を行うためには、斜入射のリング照明を用いることが従来から行われる。ここで、被検物に対する照明の入射角にばらつきがないほど精度のよい検査が行える。つまり、照明の配光角の角度幅が狭いほど精度のよい検査ができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−２０９７２６号公報

【特許文献2】特開２００２−３２８０９４号公報

【特許文献3】特開２０１０−２５１１６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来のリング照明は、入射角の幅が大きいという課題があった。さらに、測定領域の寸法の２乗に比例して光源（ＬＥＤ）の数が増えてしまい、検査装置が高額になる課題があった。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、高精度な検査を可能にしつつ、光源の数を低減した光学検査装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の光学検査装置は、検査対象と対向する撮像光学系と、前記撮像光学系の周囲に設けられた１以上の光源と、前記撮像光学系の光軸に沿って筒状に延びるとともに、その端面が前記１以上の光源と対向した導光体と、前記導光体の内面に設けられ、前記端面から前記導光体内に入射された光を内部全反射させる全反射面と、前記導光体の外面に設けられ、前記光源から前記導光体内に入射された光を前記検査対象に向けて反射するミラー面と、前記導光体の内面に設けられ、前記ミラー面で反射された光を前記検査対象に向けて透過させる透過面と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、第１実施形態の光学検査装置を示した斜視図である。

【図2】図２は、図１に示す光学検査装置を光軸を含む面で切断して示した断面図である。

【図3】図３は、図２に示す光学検査装置の位置、寸法、角度の関係を示す模式図である。

【図4】図４は、図２に示す光学検査装置において、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果の一部を抜粋して示した模式図である。

【図5】図５は、図１に示す光学検査装置において、光源から射出された光線の光線追跡シミュレーションの結果を用いて計算した配光分布を示した図である。

【図6】図６は、第２実施形態の光学検査装置の導光体および１以上の光源を示した斜視図である。

【図7】図７は、第２実施形態の光学検査装置を光軸を含む面で切断して示した断面図である。

【図8】図８（ａ）は、第２実施形態の光学検査装置の光線追跡シミュレーションを用いて解析した照度分布を示す図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の照度分布のうち、図６のＦ８（ｂ）−Ｆ８（ｂ）線の位置での照度分布を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に、実施形態にかかる光学検査装置について図面を参照しつつ説明する。光学検査装置は、検査対象の表面の形状などを詳細に検査することができる。以下の実施形態の光学検査装置で対象とする検査の例としては、例えば、硬貨や紙幣の真贋の検査や、工場の製造ラインにおける製品の不具合（例えば、ひび割れ等）の有無等の検査が挙げられるが、光学検査装置は、それ以外の検査にも用いることができる。

【0009】

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜に省略する。

【0010】

［第１実施形態］
図１に本実施形態の光学検査装置１１の斜視図を示し、図２に図１の光学検査装置１１の光軸１４を含む面で光学検査装置１１を切断した断面図を示す。図１、図２に示すように、光学検査装置１１は、検査対象２３と対向する撮像光学系１２と、撮像光学系１２の周囲に設けられた１以上の光源１３と、撮像光学系１２の光軸１４に沿って設けられた筒状の導光体１５と、１以上の光源１３が実装された基板１６と、基板１６に取り付けられたヒートシンク１７と、を備える。

【0011】

本実施形態において、１以上の光源１３は、複数（例えば、４個）で構成されるが、光源１３の数としては複数（例えば、４個）に限定されるものではない。光源１３の数は、１つでもよいし、５つ以上又は３以下の複数であっても当然によい。光源１３のそれぞれは、例えばＬＥＤ(light emitting diode)で構成される。

【0012】

複数の光源１３は、互いに間隔を空けて設けられている。複数の光源１３は、例えば、光軸１４を中心とする１つの円の円周上に配置されている。複数の光源１３は、略均等な間隔を空けて配置されており、光軸１４を基準に回転対象の位置に配置されている。より具体的には、複数の光源１３は、４回回転対象の位置に配置される。すなわち、複数の光源１３は、光軸１４回りに、０°の方位角の位置、９０°の方位角の位置、１８０°の方位角の位置、２７０°の方位角の位置の４か所に配置される。ここで、回転対称とは、対象物を回転対称軸に対して回転させたとき、回転角が３６０°未満でもとの対象物に一致することを意味する。複数の光源１３は、例えば、白色のＬＥＤで構成される。光源１３が射出する光は、可視光に限らず、赤外光や紫外光であってもよい。

【0013】

撮像光学系１２は、一般的なデジタルカメラで構成される。図３に示すように、撮像光学系１２は、瞳面を構成するレンズ２１と、撮像素子２２（ＣＣＤやＣＭＯＳ）と、を有する。撮像光学系１２は、検査対象２３の静止画を取得することができるが、検査対象２３の動画を取得できるようにしてもよい。光軸１４（主光軸）は、レンズ２１と撮像素子２２によって規定される。撮像光学系１２は、その外側のレンズケース１２Ａがヒートシンク１７と接するように設けられてもよい。これによって、撮像光学系１２の熱をヒートシンク１７側に逃がすことができる。

【0014】

図２に示すように、ヒートシンク１７は、熱伝導性の良好な金属である銅やアルミニウム合金等で形成されている。ヒートシンク１７は、複数の放熱用のフィン１７Ａを有する。ヒートシンク１７は、例えば、基板１６上の導電性金属（例えば、銅）の構造（パッド、スルーホール）等を介して、複数の光源１３と熱的に接続されていてもよいし、或いは直接的に複数の光源１３と接触するようにこれらと熱的に接続されていてもよい。ヒートシンク１７は、例えば、開口部１７Ｂを有していてもよく、開口部１７Ｂの内側に撮像光学系１２が通されていてもよい。

【0015】

基板１６は、一般的なプリント回路板で構成される。基板１６には、制御回路２４と、画像処理用回路２５（画像処理チップ）と、複数の光源１３と、画像記録用の記憶装置２６と、が実装されている。図２に示すように、基板１６および撮像光学系１２は、電源２７から電力供給を受ける。制御回路２４は、複数の光源１３と電気的に接続されており、複数の光源１３に含まれる光源１３の１つ１つを個別に点灯・消灯することができる。制御回路２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で実現されてもよいし、ＣＰＵの代わりに、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成されてもよい。あるいは、制御回路２４をワンチップマイコン等で実現してもよい。

【0016】

図２に示すように、基板１６は、貫通孔部１６Ａを有する。撮像光学系１２は、貫通孔部１６Ａに通されて基板１６に固定されている。したがって、本実施形態では、１以上の光源１３、撮像光学系１２、およびヒートシンク１７が基板１６に固定されて一体化されている。したがって、光学検査装置１１を分解してメンテナンスする場合等に、基板１６、１以上の光源１３、撮像光学系１２、およびヒートシンク１７の取り扱いが容易である。

【0017】

撮像光学系１２は、制御回路２４および画像処理用回路２５と電気的に接続されている。制御回路２４は、撮像光学系１２で取得した像を、画像処理用回路２５で画像処理させ、図示しないディスプレイ等の表示部に表示させることができる。また、制御回路２４は、画像処理用回路２５で画像処理された画像を、必要に応じて記憶装置２６で記憶させることもできる。或いは、制御回路２４は、通信ケーブルや無線ＬＡＮ等を通じて他のパソコン等に画像情報を送信してもよい。記憶装置２６は、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の半導体メモリ系の記憶装置で構成されるが、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の他の記憶装置であっても当然によい。

【0018】

導光体１５は、透光性の材料によって、中空の円筒形に構成されている。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。導光体１５の内面３１の直径（内径）は、撮像光学系１２から遠ざかるにつれて大きくなっている。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。したがって、導光体１５の内面３１が撮像光学系１２の視野範囲１８に入らないようになっている。このため、本実施形態では、撮像光学系１２の視野角が広く確保される。

【0019】

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料を好適に用いることができるが、導光体１５の材料はこれに限られるものではない。導光体１５の材料としては、ポリカーボネート、ガラスなどであってもよい。導光体１５は、射出成形や機械加工（旋盤やＮＣ旋盤等による切削加工）によって形成できる。

【0020】

図２、図４に示すように、導光体１５は、内面３１（内周面）と、外面３２（外周面）と、撮像光学系１２側の第１端面３３（入射面、端面）と、検査対象２３側の第２端面３４と、内面３１に設けられた全反射面３５と、内面３１に設けられた透過面３６と、を有する。内面３１は主光軸１４に近い側の面であり、外面３２は主光軸１４から遠い側の面である。図２に示すように、導光体１５の内面３１と外面３２との間の厚み寸法Ｗは、撮像光学系１２（１以上の光源１３）から遠ざかるにつれて小さくなっている。第１端面３３は、１以上の光源１３と対向している。

【0021】

図２に示すように、外面３２は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射するミラー面３７で構成される。導光体１５のミラー面３７は、光軸１４から遠ざかる方向に凸になった円弧面である。ミラー面３７には、外面３２にアルミニウム等を蒸着させることによって、ミラー面形成の処理がされている。ただし、ミラー面３７の形成方法としては、この限りではなく、例えば、ミラー面３７を備えた別部材を外面３２に密着させ、外面３２で反射を起こさせる構造としてもよい。

【0022】

内面３１は、光軸１４に近づく方向に凸になった円弧面で構成される。内面３１は、撮像光学系１２側に位置した全反射面３５と、検査対象２３側に位置した透過面３６と、を有する。全反射面３５は、透過面３６よりも光源１３に近い位置に設けられる。外面３２と異なり、内面３１は、透明である。内面３１には、表面処理、例えばバフ研磨等がなされて平滑化されている。ただし、内面３１に対する表面処理としてはこの限りではない。内面のうち、透過面３６をサンドブラスト処理等で荒らして、透過面３６を透過する光を拡散できる拡散面としてもよい。

【0023】

全反射面３５は、第１端面３３から導光体１５内に入射された光を内部全反射させることができる。透過面３６は、ミラー面３７で反射された光を検査対象２３に向けて透過させる。その際、透過面３６は、透過面３６を透過する光を屈折させる。

【0024】

図２、図４に示すように、第１端面３３は、平坦面４４と、平坦面４４から段状に突出した導光凸部４５と、を有する。導光凸部４５は、環状をなしており（図１参照）、各光源１３の発光面と対向している。導光凸部４５は、頂面４５Ａと、側面４５Ｂと、を有する。導光凸部４５は、導光体１５の内面３１に沿って１以上の光源１３に向けて突出している。導光凸部４５の厚み寸法は、内面３１と外面３２との間の厚み寸法Ｗよりも小さくなっている。第２端面３４は、第１端面３３と対向している。

【0025】

導光体１５は、基板１６に対して嵌め合いやねじ止め等で固定されている。光学検査装置１１は、撮像光学系１２、１以上の光源１３、導光体１５、基板１６、およびヒートシンク１７を取り囲むケースを有していてもよく、ケースを介して導光体１５と基板１６とが互いに位置決めされていてもよい。

【0026】

導光体１５からの光が照射される照射野（検査面４２）は、導光体１５の先端である第２端面３４から、例えば、５ｍｍの位置に設置されるが、これに限定されるものではない。本実施形態の光学検査装置１１は、例えば、検査対象２３を硬貨とする検査に好適に用いることができる。光学検査装置１１は、硬貨の凹凸形状等を好適に検査して、硬貨の真贋の判断に用いることができる。

【0027】

図３に示すように、撮像光学系１２の入射瞳面４１から結像面４２までの距離をlとする。通常、結像面４２と照射面を一致させることにより、鮮明な画像を取得できる。また、照射光の主光線４３の配光角をθとする。また，その主光線４３が導光体１５より射出された点の結像面４２（照射面と一致する場合は照射面）からの距離をhとし、主光軸１４からの距離をrとする。導光体１５は、入射瞳面４１から主光軸１４に沿って結像面４２に向かって延長される構成となっており、その延長距離Lは少なくとも距離lより短い。つまり、

【数1】

である。これにより、照射面と結像面４２を一致させることができ、鮮明な画像を取得できる。

【0028】

また、さらに、幾何学より、

【数2】

という関係がある。ここで、rとして導光体１５の内面の主光軸１４からの距離が最も小さいものをRとする。このとき、

【数3】

となり、導光体１５の延長距離Lは、少なくとも

【数4】

でなければならない。

【0029】

以上から、下記の関係を導くことができる。

【数5】

【0030】

次に、図２、図４、図５等を参照して、本実施形態の光学検査装置１１の作用について説明する。

【0031】

光源１３（ＬＥＤ）から射出された光は、第１端面３３の導光凸部４５（頂面４５Ａ）から導光体１５内に入射される。導光凸部４５に入射された光のうち、内側（検査対象２３）に向かう光は、内面３１の全反射面３５において外側のミラー面３７側に反射される（図２、図４参照）。ミラー面３７に到達した光は、内側の透過面３６に向けて反射される。透過面３６において微小な角度だけ屈折されて、検査対象２３に照射される。

【0032】

導光凸部４５に入射された光のうち、外側に向かう光は、導光凸部４５の側面４５Ｂで内部全反射されて内側の全反射面３５に案内される。全反射面３５に案内された光は、上記と同様に内部全反射されてミラー面３７側に案内される。ミラー面３７に到達した光は、内側の透過面３６に向けて反射される。透過面３６において微小な角度だけ屈折されて、検査対象に照射される。

【0033】

図４に示すように、光源１３から導光凸部４５（頂面４５Ａ）内に入射されることなく、平坦面４４に直接に入射された光は、同じく全反射面３５において内部全反射されて、外側のミラー面３７側に案内される。ミラー面３７に到達した光は、内側の透過面３６に向けて反射される。透過面３６において微小な角度だけ屈折されて、検査対象２３に照射される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検出対象２３の画像を取得できる。

【0034】

本実施形態では、図１に示すように、導光体１５は回転対称形（円筒形）であり、外側にミラー面３７を設け、内側に全反射面３５および透過面３６を設ける。このような構成にすることで、エタンデュの保存則を利用し、光線折り畳みにより、領域を広げ発散角を小さくすることができる。

【0035】

エタンデュの保存則とは、ある面での断面積をＡ_１とし、その面における各点の平均的な発散角をΘ_１とする。ある面とは異なる面での断面積をＡ_２とし、その面における各点の平均的な発散角をΘ_２とする。ｎは、導光部を構成する材料の屈折率である。このとき量Ｅは、

【数6】

のように、光線束が伝搬されても保存される。これがエタンデュの保存則である。

【0036】

本実施形態では、少ない光源１３を用いて、この光源１３から出て第１端面３３（入射面）からの光を検査対象の方向に案内しつつ、当該光を導光体１５の周方向および厚み方向に広げることで、検査対象２３の近くにある透過面３６を出る光の発散角を小さくできる。

【0037】

つまり、本実施形態の光学検査装置１１によれば、導光体１５を用いることで、少ない光源１３を用いて、照射領域を広げることで狭配光を実現できる。このように狭配光を実現できれば、検査対象２３への入射角にばらつきがなくなり、検査対象２３に対してより高精度な検査を行うことができる。

【0038】

図５に光線追跡シミュレーションを用いて計算した配光分布を示す。本図に示すように、導光体１５と光源１３を組み合わせることで、狭配光の斜入射照明を実現することができる。本実施形態では、配光角を−５５°および５５°として光を射出した。シミュレーション結果によれば、配光角の角度幅は約１０°となった。従来の一般的な砲弾型ＬＥＤの配光角の角度幅は２０°以上であるので、これに比して十分な狭配光が実現されたことが理解できる。

【0039】

また光源１３から導光体１５に入射した光線は、導光体１５内を伝搬するに従い、周方向（主光軸１４を回転軸としたときの回転方向）に広がることが可能となる。つまり、光源１３からの光線が均一に広げられる。

【0040】

本実施形態では、光源１３、撮像光学系１２、および基板１６を一体化することで、製造コストが低減されるとともに、装置構成をコンパクトにできる。これと同時に、放熱用のヒートシンク１７も基板１６と一体化できる。これにより、光源１３の冷却を促進して光学検査装置１１の信頼性を向上しつつ、別途にヒートシンク１７を設けた場合に比して、ヒートシンク１７に関わるコストも低減できる。さらに、光学検査装置１１をコンパクトにすることもできる。

【0041】

第１実施形態によれば、以下のことがいえる。

【0042】

光学検査装置１１は、検査対象２３と対向する撮像光学系１２と、撮像光学系１２の周囲に互いに間隔を空けて設けられた１以上の光源１３と、撮像光学系１２の光軸１４に沿って筒状に延びるとともに、その端面が１以上の光源１３と対向した導光体１５と、導光体１５の内面３１に設けられ、前記端面から導光体１５内に入射された光を内部全反射させる全反射面３５と、導光体１５の外面３２に設けられ、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射するミラー面３７と、導光体１５の内面に設けられ、ミラー面３７で反射された光を検査対象２３に向けて透過させる透過面３６と、を備える。

【0043】

この構成によれば、光源１３から射出され導光体１５内に入射された光を導光体１５内で広げることで、エタンデュの法則を利用して、透過面３６から検査対象に向かう光を狭配光にすることができる。これによって、検査対象２３の高精度な検査を実施することができる。また、導光体１５を利用して光を広げるようにしているために、従来に比して光源１３の数を少なくすることができる。したがって、本実施形態によれば、高い検査精度を確保しつつ、光源１３の数を低減できるという極めて優れた２つの効果を同時に実現できる。また、導光体１５の構造も簡単であり、且つ、部品点数も少なく実現できることから、光学検査装置１１全体の製造コストを低減できる。

【0044】

上記構成によれば、光源１３および撮像光学系１２を検査対象２３から離して設置することができる。これによって、熱源となる光源１３および撮像光学系１２から検査対象を離すことができ、熱によって検査対象に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、光源１３および撮像光学系１２を比較的近い位置に配置できる構造となるために、これらをまとめて冷却することも容易であり、光学検査装置１１の冷却性を向上して光学検査装置１１の信頼性を向上できる。

【0045】

この場合、全反射面３５は、透過面３６よりも光源１３に近い位置に設けられる。また、全反射面３５と透過面３６は共通領域を有してもよい。また、全反射面３５と透過面３６は共通であってもよい。この構成によれば、エタンデュの法則を利用して導光体１５内で光を拡散する前に、導光体１５外に光が漏れ出してしまうことを防止できる。これによって、透過面３６から検査対象２３に向かう光を狭配光にして、高精度な検査を実現できる。全反射面３５と透過面３６の共通領域を設けることで、全体的にコンパクトにできるという利点がある。また、全反射面３５と透過面３６を完全に共通にすることで、さらなるコンパクト化が可能という利点がある。

【0046】

この場合、撮像光学系１２の入射瞳面４１から検査対象２３までの距離をlとし、導光体１５から射出される主光線４３の配光角をθとし、光軸１４から内面３１の最近接距離をRとし、光軸１４に沿う方向に関する入射瞳面４１からの導光体１５の延長距離をLとしたとき、

【数7】

の関係を満たす。

【0047】

この構成によれば、配光角θの光線４３を撮像光学系１２の結像面４２と光軸１４との交点に向けて射出することができる。つまり、照射野の中心に所望の配光角の光を射出できる。

【0048】

導光体１５の内面３１は、撮像光学系１２の視野範囲１８よりも外側に位置する。この構成によれば、撮像光学系１２の視野範囲１８を導光体１５によって邪魔してしまうことがなく、撮像光学系１２で取得できる視野を十分に広くすることができる。

【0049】

導光体１５の内面３１と外面３２との間の厚み寸法Ｗは、撮像光学系１２から遠ざかるにつれて小さくなる。この構成によれば、例えば、光源１３から遠い位置で内面３１の角度を斜めにすることができる。これによって、光源１３から遠い位置で導光体１５から光を内側に漏れやすくすることができる。これによって、内面３１において、光源１３に近い位置に全反射面３５を設け、光源１３から遠い位置に透過面３６を設けるという構造を簡単に実現できる。

【0050】

導光体１５は、円筒形である。この構成によれば、光源１３からの光を導光体１５内で偏りなく広げることができ、光源１３の数を低減したことによる影響を最小限にすることができる。また、構造を単純化することができるために、導光体１５の製造コストを低減できる。

【0051】

この場合、導光体１５の内面の直径は、光源１３から遠ざかるにつれて大きくなる。この構成によれば、光源１３から遠い位置で内面３１の角度を斜めにすることができる。これによって、光源１３から遠い位置で導光体１５から光を内側に漏れやすくすることができる。したがって、内面３１において、光源１３に近い位置に全反射面３５を設け、光源１３から遠い位置に透過面３６を設けるという構造を簡単に実現できる。

【0052】

光学検査装置１１は、導光体１５の内面３１に沿うように、前記端面から１以上の光源１３に向けて突出するとともに、導光体１５と連続して設けられた筒状の導光凸部４５を備え、導光凸部４５の厚み寸法は、内面３１と外面３２との間の厚み寸法よりも小さい。この構成によれば、光源１３から導光体１５内に入射された光のうち、直接的にミラー面３７側に向かう光を全反射面３５に向けて内部全反射させることができる。これによって、導光体１５の第１端面３３から入射した光が、設計意図と違う方向であるミラー面３７側に直接進んでしまうことを防止して、設計通りに正しい経路で光を案内できる。これによって、検査対象に到達できる光線の数を増加させることができ、器具効率（光源１３の全光束に対し、照明として利用される光束の割合））の高い照明を実現できる。これによって、光源１３の数を少なくした場合でも、検査対象２３（検査面４２）が暗くなってしまうことが防止される。

【0053】

導光体１５のミラー面３７は、光軸１４から遠ざかる方向に凸になった円弧面である。この構成によれば、ミラー面３７によっていわゆる凹面鏡の構造を実現でき、検査対象２３に到達できる光線の数を増加して、器具効率を向上（検査面４２を明るく）できる。

【0054】

導光体１５の内面３１は、光軸１４に近づく方向に凸になった円弧面である。この構成によれば、光源１３に近い位置では、光軸１４に略沿った方向に内面３１を延ばし、光源１３から遠い位置では、光軸１４に対して斜め方向に内面３１を延ばす構造をとることができる。これによって、単純な構造によって、全反射面３５と透過面３６とを実現することができ、導光体１５構造を簡略化して導光体１５の製造コストを低減できる。また、この構成によれば、全反射面３５と透過面３６との間で、厳密な境界を設ける必要がなくなる。したがって、全反射面３５と透過面３６との中間地点では、ある光線に対しては全反射面３５として働き、他の光線に対しては透過面３６として働く。このように全反射面３５と透過面３６との間の境界をグレーにすることで、マイナーな光線も検査対象２３に向かわせることができ、結果的に器具効率の向上に寄与できる。

【0055】

光学検査装置１１は、前記１以上の光源１３と熱的に接続されたヒートシンク１７を備える。この構成によれば、光源１３およびその周辺の機器において放熱性を向上することができる。これによって、熱によって光源１３が故障してしまう不具合を生じることが防止され、光学検査装置１１の信頼性を向上できる。

【0056】

光学検査装置１１は、１以上の光源１３を実装した基板１６であって、撮像光学系１２を通すための貫通孔部１６Ａを有する基板１６を備える。この構成によれば、撮像光学系１２と１以上の光源１３とを略同じ高さに設置することができる。これによって、発熱部品を一か所に集めることができ、これらを冷却するためのヒートシンク１７等の設計が容易になる。また、基板１６と撮像光学系１２を一体にすることができ、これらを個別に設置する場合に比して、設置スペースを低減できる。

【0057】

１以上の光源１３は、複数であり、複数の光源１３に含まれる光源は、互いに独立に点灯可能である。この構成によれば、どの光源１３から射出された光線であるのかを区別することができる。これによって、撮像光学系１２で得られた撮像画像から、検査対象２３の散乱光の情報をより詳細に取得することができ、検査の精度をより一層向上できる。

【0058】

以下の変形例、および第２実施形態では、主として、上記第１実施形態および第１実施例とは異なる部分について説明し、それらと共通する部分については、図示および説明を省略する。

【0059】

（変形例）
本変形例では、光学検査装置１１において、複数の光源１３の色が互いに異なっている。それ以外の点は、上記実施形態と共通している。

【0060】

例えば、複数の光源１３のうち１つを赤色ＬＥＤで構成し、複数の光源１３のうち他の１つを青色ＬＥＤとし、複数の光源１３のうち他の１つを緑色ＬＥＤとし、複数の光源１３のうち他の１つを白色ＬＥＤとしてもよい。複数の光源１３の色の組み合わせは、この例に限られず、任意の色の組み合わせにしても当然によい。本変形例によれば、どの方位から射出された光線かを色によって区別することができる。すなわち、撮像光学系１２で撮像された色から、より詳細な散乱情報が取得できるという効果がある。

【0061】

［第２の実施形態］
図６〜図８を参照して、第２実施形態の光学検査装置１１について説明する。本実施形態では、導光体１５の構成が異なっているが、他の部分は第１実施形態と共通している。

【0062】

導光体１５は、透光性の材料によって、中空の方形筒状（升状）に構成されている。複数の光源１３（４個の光源１３）は、方形の筒状の導光体１５の角部に対応する４か所に設けられる。導光体１５の中心軸は、撮像光学系１２の光軸１４と一致している。導光体１５は、内部に、十分に大きな中空領域１５Ａを有している。したがって、導光体１５の内面が撮像光学系１２の視野範囲１８に入らないようになっている。このため、本実施形態では、撮像光学系１２の視野角が広く確保される。また、本実施形態では、導光体１５を方形筒状とすることによって、導光体１５の高さを自由に変更可能となっている。

【0063】

導光体１５は、光に対して透明な材料であればよく、たとえばアクリル等の透光性の樹脂材料を好適に用いることができるが、導光体の材料はこれに限られるものではない。導光体１５の材料としては、ポリカーボネート、ガラスなどであってもよい。導光体１５は、射出成形や機械加工（フライス盤やＮＣフライス盤等による切削加工）によって形成できる。

【0064】

図６、図７に示すように、導光体１５は、内面３１（内周面）と、外面３２（外周面）と、撮像光学系１２側の第１端面３３（入射面）と、内面３１に設けられた平坦な全反射面３５と、内面３１に設けられた平坦な透過面３６と、を有する。内面３１は主光軸１４に近い側の面であり、外面３２は主光軸１４から遠い側の面である。本実施形態では、導光体１５の内面３１と外面３２との間の厚み寸法Ｗは、全反射面３５および次に述べる第２全反射面４７との間では、一定に維持されている。

【0065】

内面３１の全反射面３５および透過面３６は、透明である。全反射面３５は、透過面３６よりも光源１３に近い位置に設けられる。内面３１の全反射面３５および透過面３６には、表面処理、例えばバフ研磨等がなされて平滑化されている。ただし、内面３１に対する表面処理としてはこの限りではない。内面３１の透過面３６をサンドブラスト処理等で荒らして、透過面３６を透過する光を拡散できる拡散面としてもよい。全反射面３５は、第１端面３３から導光体１５内に入射された光を内部全反射させることができる。透過面３６は、ミラー面３７で反射された光を検査対象２３に向けて透過させる。その際、透過面３６は、透過面３６を透過する光を屈折させる。

【0066】

本実施形態では、全反射面３５と透過面３６との間に境界は存在せず、両者は連続的である。したがって、全反射面３５と透過面３６との中間地点では、ある光線に対しては全反射面３５として働き、他の光線に対しては透過面３６として働く。このように全反射面３５と透過面３６との間の境界をグレーにすることで、マイナーな光線も検査対象に向かわせることができ、結果的に器具効率の向上に寄与できる。

【0067】

外面３２は、光源１３側（撮像光学系１２側）に設けられた平坦な第２全反射面４７と、検査対象２３側に設けられたミラー面３７と、を有する。第２全反射面４７は、透明である。第２全反射面４７は、１以上の光源１３から導光体１５内に入射された光を内部全反射させることができる。外面３２の第２全反射面４７には、表面処理、例えばバフ研磨等がなされて平滑化されている。

【0068】

ミラー面３７は、導光体１５の検査対象２３側の端部の外側に設けられた面取り部４６に形成されている。すなわち、面取り部４６は、導光体１５の検査対象２３側の端部の角部を面取りした形状に形成される。この形状は、導光体１５の先端部に約４５°の角度のテーパーを設けたとも言い換えられる。

【0069】

ミラー面３７は、光源１３から導光体１５内に入射された光を検査対象２３に向けて反射できる。ミラー面３７には、外面３２の面取り部４６にアルミニウム等を蒸着させることによって、ミラー面処理がされている。ただし、ミラー面３７の形成方法としては、この限りではなく、例えば、ミラー面３７を備えた別部材を外面３２に密着させ、外面３２の面取り部４６で反射を起こさせる構造としてもよい。

【0070】

本実施形態においても、ミラー面３７が設けられる位置において、導光体１５の内面３１と外面３２との間の厚み寸法Ｗは、撮像光学系１２から遠ざかるにつれて小さくなっている。

【0071】

導光体１５からの光が照射される照射野は、導光体１５の先端である第２端面３４から、例えば、５ｍｍの位置に設置されるが、これに限定されるものではない。

【0072】

図７、図８（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施形態の光学検査装置１１の作用について説明する。１以上の光源１３から導光体１５に入射された光は、全反射面３５で内部全反射されるとともに、第２全反射面４７においても内部全反射される。これらの面で内部全反射される回数は、複数回であってもよい。全反射面３５で内部全反射された光は、ミラー面３７に到達し、ミラー面３７で検査対象２３側に反射される。ミラー面３７で反射された光は、透過面３６で屈折されて、検査対象２３に向けて透過される。撮像光学系１２は、このように検査対象２３に照射され、検査対象２３で反射された光（散乱光）を検出することで、検出対象２３の画像を取得できる。

【0073】

図８（ａ）に、光線追跡シミュレーションを用いた照度分布を示す。図８（ｂ）は、図６のＦ８（ｂ）−Ｆ８（ｂ）線の位置（光軸１４と交わる直線上）で、図８（ａ）の照度分布を示した図である。両図より、照射野（検査面４２）において、略均一な照度分布が実現されていることがわかる。なお、図８（ｂ）で、５Ｅ＋０４は、５×１０^４の意味である。同図の単位はLuxである。

【0074】

本実施形態によれば、以下のことがいえる。

【0075】

導光体１５は、方形の筒状である。この構成によれば、導光体１５の形状を単純にして、導光体１５の製造コストを低減できる。

【0076】

ミラー面３７は、導光体１５の検査対象２３側の端部の外側に設けられた面取り部４６に設けられる。この構成によれば、面取り部４６においてミラー面３７を形成して検査対象２３に光を案内する構造としているために、導光体１５の高さを問わない形状にすることができる。すなわち、検査対象２３に対して、例えば、光源１３等からの熱の影響を及ぼしたくない場合には、導光体１５の高さを高くして、検査対象２３と光源１３との距離を大きくすることもできる。また一方で、例えば、設置スペースの関係から導光体１５をコンパクト化したい場合には、導光体１５の高さを低く抑えて光学検査装置１１をコンパクト化することもできる。したがって、光学検査装置１１の設計の自由度を向上することができ、種々の検査機器や製造機械、生産ライン等への採用が期待できる。

【0077】

１以上の光源１３は、方形の筒状の導光体１５の角部に対応する位置に設けられる。この構成によれば、導光体１５において光源１３からの光を周方向に均一に広げることができる。これによって、照射野（検査面４２）において十分な明るさを確保することができる。また、光源１３から射出され導光体１５内に入射された光を導光体１５内で広げることで、エタンデュの法則を利用して、透過面３６から検査対象２３に向かう光を狭配光にすることができる。これによって、高精度な検査を実施することができる。さらに、光源１３の数も４個で済み、光源の数を低減することができる。

【0078】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。また、各実施形態及び変形例に記載された発明を適宜に組み合わせて一つの発明を実現することも当然にできる。

【符号の説明】

【0079】

１１…光学検査装置、１２…撮像光学系、１３…光源、１４…光軸、１５…導光体、１６…基板、１６Ａ…貫通孔部、２３…検査対象、２４…制御回路、３１…内面、３２…外面、３３…第１端面、３５…全反射面、３６…透過面、３７…ミラー面、４５…導光凸部、４６…面取り部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】