(57)【要約】【課題】  表面に凹凸等角度の変化のある金属等光沢面などの撮像対象であって、金属等光沢面と樹脂等非光沢面との混在した撮像対象に対してなどの光量の影響が少ない撮像が求められる場合であっても、均一で高いコントラストな撮像を行うことが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】  ドーム型照明手段と、ラインカメラと、撮像対象を該ラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する搬送機構を有し、該ラインカメラが該撮像対象に対して垂直方向から撮像角度の傾きを持って設置されている光学系において、該ドーム型照明手段の開口部に開口量調整手段を有する撮像装置を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーム型照明手段と、ラインカメラと、撮像対象を該ラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する搬送機構を有し、該ラインカメラが該撮像対象に対して垂直方向から撮像角度の傾きを持って設置されている光学系において、該ドーム型照明手段の開口部に開口量調整手段を有する撮像装置。
【請求項２】
前記開口量調整手段が、遮蔽板である事を特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
遮蔽板のラインカメラ側表面が鏡面であり、撮像対象側表面が照射する照明波長を吸収する事を特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
遮蔽板が、ラインカメラの撮像角度が傾いている方向と逆方向から延びる傾斜元側遮蔽板からなることを特徴とする請求項２または３記載の撮像装置。
【請求項５】
遮蔽板が、前記傾斜元側遮蔽板に加え、ラインカメラの撮像角度が傾いている方向から延びる傾斜先側遮蔽板からなることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
【請求項６】
遮蔽板が、移動可能であることを特徴とする請求項２から５何れか記載の撮像装置。
【請求項７】
撮像角度が１０度以内で、しかも完全な０度ではないことを特徴とする請求項１ないし６何れか記載の撮像装置。
【請求項８】
請求項１から７記載の撮像装置を用いて、該ドーム型照明手段の開口部の開口量を調整して、ラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する撮像対象を撮像することを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラと照明を備える画像撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造現場ではオートメーションを目的として、ＣＣＤカメラなどで撮像した画像を元に、装置自体が製品など物体の識別や、それを元に動作などの判断を行うマシンビジョンが用いられている。
【０００３】
製造現場でのマシンビジョンは主に画像を取得するカメラと光源、取得した画像を処理するハードウェアとソフトウェア、及び付随するセンサーなどの入出力装置やステージなどの動作機構から構成されることが一般である。
【０００４】
マシンビジョンの性能は取得する画像の鮮明さなど、光学系による影響が大きい。画像がノイズなどにより不鮮明である場合などは、その画像を認識するための前処理などが必要となり、ソフトウェアのコストが大きくなる。また、そのソフトウェアを動作させるハードウェアも高性能なものが要求される。
【０００５】
製品の自動検査にマシンビジョンを用いる場合、製品と欠陥部分など識別対象とのコントラストを確保できる光学系が求められる。
【０００６】
更に、識別対象を正確に認識するためには、それ以外の部分を均一な輝度で安定して撮像できる事が望ましい。
【０００７】
安定した撮像のために様々な照明が用いられているが、大きくは透過照明と反射照明の２種類がある。
【０００８】
形状を検査する場合には、対象物を挟みカメラと対になる位置から照射する透過照明がコントラストを得やすく、安定した撮像を行う事ができる。
【０００９】
また、異物の検査など検査対象の表面状態を確認したい場合も多い。その場合、対象物が照明を透過しない性質であれば、対象物に対してカメラと同一側から照明をあてる反射照明を用いる事が一般的である。
【００１０】
ただし、反射照明では対象物からの反射光が不均一となる事が安定した撮像を妨げる場合があり、照明の種類や位置などを考慮する必要がある。
【００１１】
特に対象物が金属等の反射率の高い材料である場合に、更に表面に湾曲や凹凸があったり角度にバラつきがあったりする場合には、均一な反射光を得る事が難しく、安定した撮像に影響を及ぼす。
【００１２】
例えば、カメラの光軸と平行な照明を、ハーフミラーを用いてレンズの正面等から対象物に照射する同軸落射照明を用いた場合、対象物がカメラの光軸に対して垂直な場合には照射した光が反射して帰ってくることから明るく映り、角度がある場合には撮像対象表面で正反射した光はカメラへ帰ってこないことから暗く映る。
【００１３】
この問題に対して、様々な角度から光を照射する事で、撮像対象が角度を持つ場合にも均一な撮像を行う事を試みる方法としてドーム照明の使用が知られている。
【００１４】
ドーム照明は、レンズ周囲から概略半球状の反射板が撮像対象にかけて広がる方向に設置される構造であり、半球の頂点部分にはレンズが撮像対象を覗き込むためのスリットが設けられている。
【００１５】
ドーム照明を用いた場合、撮像対象が垂直である場合にはスリット（レンズ）部分の光を反射し、角度を持つ場合には半球状の反射板部分を反射する状態となり、両者には輝度差があることから、やはり不均一となる場合がある。
【００１６】
そこで、特許文献１や特許文献２では、ドーム照明と同軸落射照明の両方を使用した光学系が用いられている。
【００１７】
ただし、これらの方法を用いても、同軸落射による光量と、ドーム照明の反射板による光量には差があることから、また、両者の境界に発生する光を発しない部分との差が不均一の原因となる。
【００１８】
さらに、撮像範囲に対して十分に大きなドーム照明を用いなければ端部の輝度が下がる傾向があり、装置が大型化したり設置が困難となったりする問題がある。
【００１９】
他方、撮像の方法は大きく２種類、撮像対象を含む任意の範囲を一度に撮像するエリアカメラを用いる方法と、撮像対象の移動に合わせて一直線上に撮像を繰り返していくラインカメラを用いる方法がある。
【００２０】
エリアカメラを用いる場合、撮像範囲を広く均一化する必要があるが、ラインカメラを用いる場合は撮像する一直線上のみが均一化されていればよい。
【００２１】
そのため、均一な画像を得るためにはラインカメラを用いた方が有利となる事がある。
【００２２】
ラインカメラとドーム照明等の間接照明を組み合わせた撮像方法として、特許文献３ではリードフレーム等の検査用途として、ベースとなる銅や鉄などの金属とめっきされた部分を安定して識別する方法が試されている。
【００２３】
ただし、この方法は金属とめっきの２種類を識別するためのコントラスト向上や、金属表面の圧延傷を撮像しないようにする点では有効であったが、均一な輝度で画像を取得する点では不足があった。
【００２４】
特に近年、金属とめっきの他、樹脂等も組み合わされるような３種類以上が組み合わされた撮像対象もあり、それぞれの安定した識別にはより厳しい均一性が求められ、それに対応する十分な均一性を持った画像を取得する事が求められる。
【００２５】
特許文献３の方法では、製品に照射された照明がドーム等間接照明に反射され、それによって製品撮像開始時と終了時及び製品通過中に輝度が変動する問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００６−１５３５８０
【特許文献２】特開２００９−１７４８５７
【特許文献３】特開２００９−２０４３１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであって、均一でコントラストを得る事ができる画像を撮像する撮像方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明は、ドーム型照明手段と、ラインカメラと、撮像対象を該ラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する搬送機構を有し、該ラインカメラが該撮像対象に対して垂直方向から撮像角度の傾きを持って設置されている光学系において、該ドーム型照明手段の開口部に開口量調整手段を有する撮像装置を提供する。
【００２９】
ドーム型照明手段から照射された光は間接光照明となり、例えばドーム照明であればドーム状の反射板により様々な角度から撮像対象に対して照明が照射され、撮像対象表面が凹凸など角度を持つ状態であっても、その面に対応する反射板面からの光が入射し、均一な画像を得る事ができる。
【００３０】
特に、斜光照明であれば、比較的エッジ変化を強調することが可能になり、キズや欠けの検出において威力を発揮する。
【００３１】
ただし、照明真下に撮像対象がある状態では撮像対象に照射された光がドーム型照明手段内へ反射され、これがさらに照明の反射板で反射されるが、撮像対象が照明を半分のみ覆う状態であれば、撮像対象から照明内へ反射される光も減るため、撮像される画像には撮像対象の両端と中央で輝度が異なる現象が起きる。
【００３２】
さらに、カメラの光軸を傾ける場合、撮像対象の撮像開始、撮像終了の位置は照明の中心真下ではなく、カメラの傾きにより前方、若しくは後方へシフトする位置となる。
【００３３】
従い、例えばカメラの傾きが照明中心真下よりも撮像対象の進行方向側を撮像するものであれば、撮像終了時に撮像対象は照明真下よりも進行方向へシフトした位置となり、撮像対象から照明へ反射される光量はさらに減ることになる。
【００３４】
そこで、カメラの傾きにより照明中心から撮像する位置がシフトされる方向と反対方向の照明開口部を塞ぐこと等により開口量調整ができる機構を設ける事で、撮像対象通過時の輝度の変化を抑える事ができる。さらに、開口部の制限などにより開口量調整を行うことにより、撮像部分の光量を増加させる効果もある。
【００３５】
また、撮像対象に対して、正反射する金属等の光沢面と、乱反射する樹脂等の非光沢面のコントラストを得たい場合、カメラの傾きにより照明中心部から撮像する位置がシフトされる方向と同一方向の照明開口部を塞ぐことができる開口量調整手段を設ける事で開口量を適宜調整でき、均一な画像でかつ高コントラストな画像を得る事ができる。
【００３６】
光沢面では正反射方向の反射板からの光を撮像しており、開口部の制限等の開口量調整により照射される角度が減っても光量の変化が少ない。
【００３７】
一方、非光沢面は様々な角度からの光が乱反射された成分を撮像している。従って、照射される角度が制限されるとカメラへ入射する光量が減じる。
【００３８】
なお、前記開口量調整手段が、遮蔽板である事を特徴とする撮像装置が特に好ましい。
【００３９】
また、遮蔽板のラインカメラ側表面が鏡面であり、撮像対象側表面が照射する照明波長を吸収する事を特徴とする撮像装置が好ましい。
【００４０】
また、遮蔽板が、ラインカメラの撮像角度が傾いている方向と逆方向から延びる傾斜元側遮蔽板からなることを特徴とする撮像装置が好ましい。
【００４１】
また、遮蔽板が、前記傾斜元側遮蔽板に加え、ラインカメラの撮像角度が傾いている方向から延びる傾斜先側遮蔽板からなる撮像装置が好ましい。
【００４２】
また、遮蔽板が、移動可能である撮像装置が好ましい。
【００４３】
撮像角度が１０度以内で、しかも完全な０度ではない撮像装置が好ましい。
【００４４】
また、このような撮像装置を用いて、該ドーム型照明手段の開口部の開口量を調整して、ラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する撮像対象を撮像することを特徴とする撮像方法を提供する。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、撮像対象が表面に凹凸等角度の変化のある金属等光沢面であっても均一な輝度での撮像が可能であり、光沢面と非光沢面とでの高いコントラストを得る事ができるため、マシンビジョンの分野において有意な撮像が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に関係する従来の光学系を示す模式断面図であり、（Ａ）は撮像開始時、（Ｂ）は撮像中間時、（Ｃ）は撮像終了時を示す。
【図２】本発明の実施形態の一例を示す光学系を示す模式断面図であり、（Ａ）は撮像開始時、（Ｂ）は撮像中間時、（Ｃ）は撮像終了時を示す。
【図３】本発明を説明するための模式断面図であり、（Ａ）は光沢面へ、撮像される光となる間接光の説明図であり、（Ｂ）は非光沢面へ、撮像される光となる間接光の説明図であり、（Ｃ）は樹脂面へ、撮像される光となるビーム光の説明図である。
【図４】本発明の実施形態の一例を示す光学系を示す模式断面図であり、（Ａ）は傾斜元側遮光板だけから遮光板がなる場合、（Ｂ）は傾斜元側遮光板も備えた遮光板からなる場合を示す。
【図５】本発明を説明する模式断面図であり、スリットの必要な幅を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明の撮像装置は、ドーム型照明手段と、ラインカメラと、撮像対象をそのラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する搬送機構を有している。
【００４８】
そして、ラインカメラが撮像対象に対して垂直方向から撮像角度の傾きを持って設置されている光学系であり、また、ドーム型照明手段の開口部に開口量の調整を行う手段を有している。
【００４９】
ドーム型照明手段は、半球状のドームであり、その頂上付近に後述のラインカメラが撮像可能な形状のスリットが設けられている。スリットの方向は、ラインカメラの方向と同一であり、後述の搬送機構の搬送方向と垂直方向のスリットとなっている。また、スリットの形や大きさは、ラインカメラの視野の形や大きさに合わせて設定されている。
【００５０】
その形状は、半球状のドーム照明の他、ハーフパイプ型のラインドーム照明を用いる事もできる。設置スペースの節約をする上ではラインドーム照明の使用が有効である。
【００５１】
また、このような半球状、ラインドームは、厳密に半球状やラインドームである必要はなく、均一な照明が求められればどのような形状でも構わない。
【００５２】
また、このドーム型照明手段は、撮像対象に対して立体角２πの照射によって、同軸方向を含む多くの角度成分の照射が可能であるため、側面テーパー部に生じた欠陥の顕在化に効果的である。このようなドーム型照明手段は、ドーム内面に光の出射口を形成し被検査対象に対して立体角２πの方向から光を照射するタイプと、ドーム内側面に光の出射口を形成しドーム内面で反射させた光を撮像対象に照射するタイプがあるが、同様の効果を生むことをできればどちらのタイプを使用しても構わない。
【００５３】
またシェーディングの影響を少しでも軽減するために、撮像対象の幅に対して、ドーム型照明手段の内径を２倍以上としておき、１回の撮像にて撮像対象の全面を撮像できるようにするのが好ましい。光源は、撮像に必要な光量を考慮してメタルハライド光源やハロゲン光源、ＬＥＤ光源等を選択使用する。
【００５４】
さらにその開口部に、開口量調整手段を有している。従来から半球の縁端には、乱反射を抑えるために縁端から内部へ向かう環状板が取り付けられていたが、このような環状板は乱反射を抑えるためだけのものであり、内面のラインカメラ側表面が鏡面であったが、極めて幅の狭い環状板であったために、実質的に開口部の開口量を調節できるようなものではなかった。
【００５５】
今回は、このような環状板に代わり、もしくはこの環状板に加えて、開口量調整を設ける。このような開口量調整手段は、液晶シャッターにより透過部と反射部を調整することによっても実現可能であるが、液晶シャッターによる場合は、透過部でもガラス面による反射等があり、完全な開口部の調整は容易でないし、反射部も液晶シャッターによる制御では反射性能が劣り気味であるので、遮蔽板による調整が好ましい。
【００５６】
遮蔽板は、材質は問わないが、ラインカメラ側の表面が鏡面することにより照明効率を上げるとともに不要な入射光を抑え、その反対側である撮像対象側は照明波長を吸収することにより、ラインカメラへのノイズの原因になるに不要な入射光を抑えるので好ましい。
【００５７】
遮蔽板は、後述のラインカメラの撮像角度が傾いている方向、すなわち、撮像方向と逆方向から延びる傾斜元側遮蔽板からなっている方が好ましい。これは、ラインカメラが撮像するのは、開口部のラインカメラの撮像角度が傾いている方向の開口部であり、その逆方向は撮像対象にならないからである。さらに、ラインカメラはその特性上その撮像範囲が直線状であり、さらに撮像に必要な部分だけ開口する様に、傾斜先側遮蔽板も設けると、開口部がスリット状となり、効率よくかく均一に照明可能になり、所望する画像を得られることができる。
【００５８】
もし、撮像角度が一定でなく変更される場合があれば、撮像エリアが変わるので、それに応じて遮蔽板の位置も変更できることが望ましく、その変更の仕組みも、手動移動、自動移動、嵌め替え等各種の手段が用いられる。
【００５９】
ラインカメラは、撮像対象や用途により、モノクロ、カラー、特定の色、紫外線等、適宜選択される。また、階調も用途により２５６階調、もっと粗い画像、もっと精密な画像等から適宜選択される。
【００６０】
ラインカメラの角度は、撮像対象と求める画像の種類が一定であれば固定でも良いが、品質変動なども考慮して可変であるのが好ましい。このときの調整は、自動であっても手
動であっても構わない。角度としては、ラインカメラの光軸が撮像対象に正反射した際にドーム型照明の反射板に入る範囲であれば自由に選択できるが、ドームの大きさや撮像対象と照明距離によりその角度の取りうる範囲は変わってしまうが、理論上１度から７０度程度まで可能だが、概ね３度から５度程度が無難で望ましい場合が多い。
【００６１】
撮像対象は、平板上の構造のものがより好ましいが、他の形状でも構わない。
【００６２】
搬送機構は、そのラインカメラの延長方向と直交方向へ搬送する機能を有しているものであり、その流れは連続でも間歇でも構わず、また、ベルト搬送や他の搬送でも構わない。
【００６３】
以下、本発明の光学系ついて説明する。
【実施例１】
【００６４】
図１は、遮蔽板を使用していない状態を示す概念側面断面図であり、（Ａ）は撮像開始時、（Ｂ）は撮像中間時、（Ｃ）は撮像終了時における各々の光学系を示す。
【００６５】
撮像対象の垂直方向に対して４度の角度を持って設置するラインカメラ１０とドーム照明１１による光学系に対して、撮像対象２０が流れてくる。
【００６６】
遮光板１が無いので、撮像開始Ａ時には前方からの照明光３３は撮像対象２０で反射して反射光３２となりドーム内へ戻る。しかし、後方からの照明光３４は、当たる部分に撮像対象２０が存在しないので、そのまま透過してしまう。中間時Ｂでは、前方からの照明光３３だけでなく後方からの照明光３４も撮像対象２０で反射して反射光３５となりドーム内へ戻る。撮像終了時Ｃでは、後方からの照明光３４は撮像対象２０で反射して反射光３５となりドーム内へ戻る。しかし、前方からの照明光３３は、当たる部分に撮像対象２０が存在しないので、そのまま透過してしまう。
【００６７】
つまり、撮像開始（Ａ）、撮像中間時（Ｂ）、撮像終了時（Ｃ）における各々の光量が異なっており、撮像された画像が異なってしまい、目的を果たすことができない。
【００６８】
対して本願は、遮光板１が存在することにより、図２のように、撮像開始Ａ時でも、中間時Ｂでも、撮像終了時Ｃでも、前方からの照明光だけでなく後方からの照明光も撮像部分以外は遮光板１で反射して反射光となりドーム内へ戻る。
【００６９】
このように、均一な画像を取得するためにドーム照明の照射口を一部塞ぐことにより均一な画像を取得できるようにした例である。
【００７０】
つまり、遮光板１が無い場合では、先頭及び中央の撮像時には前方半分からの光が製品に反射しドーム内へ戻る。対して、遮光板１を設けた場合では反射光のドーム内への進入を防ぐとともに、後ろ半分の光を遮光板１によって内部へ反射させてドーム内へ戻すことにより、カメラの視野付近へ集中的に照射することができる。
【００７１】
特に撮像対象の撮像終了時（Ｃ）付近においての、遮光板１の有無が撮像結果に影響を及ぼす問題点を相当程度解消する。
【００７２】
以上の様に、遮光板は、照明内面は反射率が高いものを選択できれば光量増加の点で有利である。また、撮像対象側の外面は反射率の低いものであれば製品からの反射の影響を抑える事ができる。
【実施例２】
【００７３】
金属等の光沢面と、樹脂等の非光沢面のコントラストを得る事ができる実施例を説明する。
【００７４】
光沢面と非光沢面のコントラストを得るために、それぞれの面が照明からの光をどのように反射しているかに注目する。
【００７５】
図３（Ａ）へ示すように、ラインカメラへ入射する光は、光沢部分では正反射によるものであるため、特定の角度からの光を強く反射し、それ以外の角度からの光は輝度へあまり影響しない。
【００７６】
対し、図３（Ｂ）へ示すように樹脂面は乱反射によるものであるため、様々な角度から入射する光が樹脂面の輝度へ影響を与えていると考えられる。
【００７７】
仮に、図３（Ｃ）の様にラインカメラへ正反射する角度のみからビーム光を入射すれば、めっき面では正反射による反射が入射することで比較的明るく、樹脂面は乱反射により減衰するため比較的暗くなり、最もコントラストを得られると考えられる。
【００７８】
ただし、ビーム光では前述のごとく均一な撮像の点では問題が発生してしまう。
【００７９】
そこで、図４へ示すように照射角度を制限する遮光板２を追加し、光が入射する方向に制限を設け、ある程度の範囲の角度から照射する。
【００８０】
遮光板２により、光沢面の輝度を維持しながら、非光沢面を暗く撮像でき、コントラストを引き出すことができる。
【００８１】
遮光板１と遮光板２は同時に用いる事が可能である。その取り付け位置はカメラの設置角度と撮像対象、照明の位置により異なる。図５へは取り付け位置を示した。
【００８２】
このように、ラインカメラの撮像幅だけのスリットでは、入射光から反射した光の反射光を受光することができないため、図５の様に、撮像角度（π−θ）の反対方向からの入射角度（π−θ）の光も入射できる幅のスリットを持たせる必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明による光学系を用いれば、例えば、凹凸面を有する光沢材料と樹脂が混在した撮像対象のような各種撮像対象を、均一に、高コントラストなどの各種条件で撮像する事が可能となる。これにより、従来より高度な精度の高いマシンビジョンを提供することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・・遮光板（傾斜元側遮光板）
２・・・・遮光板（傾斜元側遮光板）
１０・・・ラインカメラ
１１・・・ドーム型照明
２０・・・撮像対象
３１・・・撮像光
３２、３５・・・反射光
３３、３４・・・照明光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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