(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）実質上水平配置される光透過性板体からなり、上面に被検球の下側部分球面を受容するための、少なくとも一つの位置決めスポットを配設した被検球固定板と、
ｂ）下端が前記被検球固定板の上面に接するか、又は近接したレベルに維持され、外径が被検球径より約１ｍｍ大きい値から被検球径の約４倍までとされ、観察対象となる１個の被検球を貫く垂直軸と同軸に配置されるべき半透明筒と、
ｃ）前記半透明筒を同軸包囲し且つ截頭部を上向きにした中空状の截頭錐体の錐斜面を半透明板で形成して、前記半透明板の錐体外側部に多数の発光素子を配列することにより、前記半透明板を内向き面光源として機能させ、前記半透明筒を通じて前記被検球の上部半球面を無影照射するための無影照射構造と、
ｄ）上端が前記被検球固定板の下面に接するか、又は僅かに間隔を置いたレベルにおいて、前記垂直軸と同軸に配置される、前記半透明筒の外径より大きい直径又は辺長を有した上向き面光源からなる透過照明構造と、を備え、
ｅ）前記半透明筒は、上端が前記無影照射構造における前記截頭錐体の截頭部開口縁を貫いて上方に突出したものであり、
ｆ）前記無影照射構造が、前記半透明筒の上端と同一レベル以上の高さとした頂上面と、その頂上面に開口して前記半透明筒の突出部分を非接触で包囲するように前記截頭部開口縁に対向する保護孔とを有する筒保護ブロックを備えたことにより、
ｇ）前記無影照射構造における前記截頭錐体の截頭部開口を通じて上方より前記被検球の上部半球面を、拡大観察又は撮影するようにしたことを特徴とする光反射性球面の光学的観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光反射性球面、特に微小球の鏡面反射性球面の観察に適した光学的観察装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光反射性球面、特に半田ボール等の微小球における鏡面反射性球面の状態を、通常の室内照明によって光学的且つ視覚的に観察しようとしても、上方及び四方からの光が球面の極小凸面鏡効果により観察視線の方向に高輝度で反射し、スポット又は微小リング状の輝きだけが見えたり、ハレーションが生じて、きずや微小な凹凸などの異常を検出することは困難であった。
【０００３】
そのため、上方及び四方からの光が比較的均一に観察側半球面に入射するようにリング状や円錐斜面状の上部光源を用い、又はこれと下方からの淡い透過照明とを併用して、被検球体の円周を際立たせる等の観察法が試みられてきた。しかし、この方法においても、通常０．５〜１．０ｍｍφ程度の半田ボール等、光反射性の極微球の場合には、被検半球面を上方から見て、どの部位も適当な明るさで輝点や影を生じることなく明瞭に観察するのは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、光反射性の球面を明瞭に観察又は撮影するための光学的観察装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、ａ）実質上水平配置される光透過性板体からなり、上面に被検球の下側部分球面を受容するための、少なくとも一つの位置決めスポットを配設した被検球固定板と、
ｂ）下端が被検球固定板の上面に接するか、又は近接したレベルに維持され、外径が被検球径より約１ｍｍ大きい値から被検球径の約４倍までとされ、観察対象となる１個の被検球を貫く垂直軸と同軸に配置されるべき半透明筒と、
ｃ）前記半透明筒を同軸包囲し且つ截頭部を上向きにした中空状の截頭錐体の錐斜面に沿った内向き面光源として機能し、前記半透明筒を通じて前記被検球の上部半球面を無影照射するための無影照射構造と、
ｄ）上端が被検球固定板の下面に接するか、又は僅かに間隔を置いたレベルにおいて、前記垂直軸と同軸に配置される、前記半透明筒の外径より大きい直径又は辺長を有した上向き面光源からなる透過照明構造と、を備えたことにより、
ｅ）前記無影照射構造の錐体截頭部に形成された開口を通じて上方より被検球の上部半球面を、拡大観察又は撮影するようにしたことを特徴とする光反射性球面の光学的観察装置を構成した。
【０００６】
なお上記中、「半透明筒」における「半透明」とは、いわゆる「半透明媒質」による光散乱透過のことであり、「半透明膜」や「半透明鏡（ハーフミラー）」の１／２透過：１／２反射における１／２透過のことではない。以下、他の要素について「半透明」の語を用いる場合も、同じく散乱透過性を意味するものとする。また、「透過照明」の語は、被検球体を「透かし見るための照明」という意味で用いられたものである。
【０００７】
本発明において、前記錐斜面に沿った内向き面光源は、截頭錐体の錐斜面を半透明板より形成し、その半透明板の錐体外側部に多数の発光素子を配列して、それらの発光素子から半透明板を通して光照射する構造によって与えられる。
【０００８】
本発明において、前記錐斜面に沿った内向き面光源の第２の形態は、截頭錐体の錐斜面をプラスチック板により形成し、そのプラスチック板の錐体内側面に多数の発光素子を配列することにより、それらの発光素子配列を横断する面をもって、前記面光源とするものである。
【０００９】
これらの形態における無影照射構造の截頭錐体は、典型的には円錐台形からなるものであるが、設計上の要請により角錐台形にしてもよい。なお、「截頭錐体の錘斜面に沿った内向き面光源」というときは、円錐斜面、角錐斜面そのものが光源となる場合の外、それら錐斜面の上下縁間がドーム状に湾曲した壁面からの発光をも含むものとする。
【００１０】
また、本発明の中核的要素である前記半透明筒の高さは、筒上端からの入射光が、筒下端に位置する被検球体に直射しない程度のレベルにあればよいが、典型的には筒上端が、前記無影照射構造における截頭錐体の截頭部開口縁を貫いて上方に突出したものであり、前記無影照射構造は、この突出部分を保護するために、前記半透明筒の先端と同一レベル以上の高さとした頂上面と、その頂上面に開口して前記半透明筒の突出部分を包囲するように前記開口縁に対向する保護孔とを有する筒保護ブロックを備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１はその典型的な実施形態を示すために、主要部を断面で描いた装置構成図であり、１は本発明の光学的観察装置の本体、２は装置本体１内の光源素子（ここではＬＥＤ）を付勢するための照明用電源、３は装置本体１の上方から被検球体を観測・撮影するためのＣＣＤカメラ、４はＣＣＤカメラ３からの画像信号を監視し、印刷及び記録するためのモニターである。
【００１２】
更に、図１において、装置本体１は、複数個の光反射性球面を有する微小被検球５を支持するための光透過性板体からなる被検球固定板６と、その固定板６上の測定スポットに位置する被検球５ａを通る垂直軸と同軸に、同固定板６上に直立せしめられた半透明筒７と、その固定板６に実質的に支持されるか僅かに間隔を置いて配置され、被検球５ａの上部半球面を、半透明筒７（特に、その筒壁）を通して光照射するための無影照射構造８と、被検球固定板６を実質的に支持するか又は僅かに間隔を置いて、前記垂直軸と同軸となるように配置された透過照明構造９とを備えている。
【００１３】
光透過性、すなわち透明又は半透明な被検球固定板６は、透過照明構造９上において実質上水平配置された光透過性板体からなり、上面に被検球の下側部分球面を受容するための、部分球面状窪みからなる少なくとも一つの位置決めスポットを配設したものである。半透明筒７は、後述の実施例から類推されるように外径を被検球径＋約１ｍｍ〜同球径の約４倍とし、その下端が被検球固定板６の上面に接するか、又は近接したレベルにおいて直立せしめられたものである。
【００１４】
無影照射構造８は、半透明筒７を同軸包囲した半透明板からなる円錐斜面１０を有した中空状の截頭錐体を備え、円錐斜面１０を内向き面光源として半透明筒７下端の中心部（被検球の上部半球面）を照射するために、その截頭部を上向きにして配置され、円錐斜面１０の外側部に、例えば、ＬＥＤ１１等の光源素子配列を設けたものである。かくして無影照射構造８は、光源素子配列に端を発する円錐斜面（内向き面光源）１０からの散乱透過光を、更に半透明筒７を通して被検球５ａの上部半球面に無影照射の形で入射させることができる。
【００１５】
本発明の中核的要素である半透明筒７の高さは、筒上端からの入射光が、筒下端に位置する被検球体に直射しない程度のレベルにあればよいが、図１に示すように、典型的には筒上端が、無影照射構造８における截頭錐体の截頭部開口縁１０ａを貫いて上方に突出し、他方、無影照射構造８は、この突出部分を保護するために、半透明筒７の先端と同一レベルとした頂上面１２ａと、その頂上面１２ａに開口して半透明筒７の突出部分を包囲するように前記開口縁１０ａに対向する保護孔１２ｂとを有する筒保護ブロック１２を備えたものである。
【００１６】
筒保護ブロック１２の下側部は、円錐斜面１０の外側に対向する外周部を平形とした大角円錐面１３を有し、その垂下した外周壁（ブロック１２の周面下端部）の内面にＬＥＤ支持台１１ａを支持している。更に、ブロック１２の前記垂下した外周壁１２ｃの先端縁は、円錐斜面１０の外側フランジ１０ｂ（図２）の外周を嵌着している。図２は、半透明筒７、円錐斜面１０、及び筒保護ブロック１２の垂下外周壁１２ｃの同軸配置関係を、図１のＡ−Ａ矢視線に従って下方から見た図であり、これによって上記の説明がよく理解されるであろう。
【００１７】
図３は、装置本体１の最下部構造である透過照明構造９を上方から見た平面図である。ここに９ａは、例えば角形シャーレ状の基礎フレームであり、この４側壁の内側にＬＥＤ取り付け枠１４を有し、これらの上面はプラスチック製半透明カバー１５により全面的に覆われ、更に、この半透明カバー１５の上面周囲にはＬＥＤ１６の先端部を隠す程度の範囲において、光遮断フレーム１７が設置され、このフレーム１７の開口から露出した半透明カバー１５が上向き面光源を形成するようになっている。
【００１８】
【実施例】
図４〜図８は、上記実施形態における光学的観察装置の、設計を決定するための実験結果を示している。実験に用いた機材は、円錐面光源を構成する無影照射構造８として、出願人会社が製造販売する無影リング照明機（ＫＫＲ−５０型）を、その円錐フランジ面と被検球固定板との間隔ゼロ（接置）において使用した。ＫＫＲ−５０の規格の概略は、発光色：赤、照射円錐面の水平に対する角：４０°、照射エリア：３０ｍｍφ、ＬＥＤ数：５４個、消費電力２．２Ｗである。また、上向き面光源を構成する透過照明構造９としては、出願人会社が製造販売するエッジライト式透過照明機（ＫＥ−１００ＬＥ型）を用いた。ＫＥ−１００ＬＥの規格の概略は、発光色：赤、発光面積：８０×１００ｍｍ2 、ＬＥＤ数：８４個、消費電力３．４Ｗである。
【００１９】
被検球体は、球径０．７６ｍｍφの半田ボールであり、これを厚さ約２ｍｍの透明アクリル樹脂板上に固定（半没）し、この樹脂板を上記エッジライト式透過照明器上に、半田ボールが垂直中心軸と一致するように載置するとともに、上記の通り無影リング照明機を配置し、半田ボールの上半球部を同軸円周状に包囲したものである。以下、実験の方法と結果を説明する。
【００２０】
実験１：上半球への無影照射構造（無影リング照明）がない場合
図４は、下からの照明（エッジライト式透過照明）のみで、被検球をＣＣＤ撮影した場合の撮影画像を模式的に作図したものであり、Ａは半透明筒７（図１及び図２）も用いず、Ｂは半透明筒７として内径４ｍｍφ、長さ５０ｍｍの半透明プラスチック製ストローを用いたものである。いずれも周辺部のみがうっすらと明るく、その内側は筒なし（Ａ）では真っ黒、筒あり（Ｂ）では筒に若干の集光効果があるためか、黒っぽさが弱まり球面がかすかに観察される程度である。これは、上からの照明が不可欠であることを示している。
【００２１】
実験２：下からの照明（エッジライト式透過照明）がない場合
図５は、無影照射構造（無影リング照明）のみで、被検球をＣＣＤ撮影した場合の撮影画像を模式的に作図したものであり、Ａは半透明筒７（図１及び図２）も用いず、Ｂは半透明筒７として外径４ｍｍφ、長さ５０ｍｍの半透明プラスチック製ストローを用いたものである。筒なし（Ａ）では、いわゆる「無影リング照明」であっても、被検半球面上にリング照明反射環１８が形成されるとともに、ＣＣＤカメラのレンズ部３ａの鏡像１９が写り込み、その周縁領域２０は眩しい。ある程度観察可能な領域は外周とリング照明反射環１８の内側及び外側の狭い環状域２１ａ、２１ｂのみである。筒あり（Ｂ）では、その半透明筒７により、リング照明反射及びレンズ鏡像効果が除去されるが、下からの照明がない分だけ、周辺部が暗くなっている。
【００２２】
実験３：半透明筒（紙製）の長さを変えた場合
図６は、本発明の構成に従い、前述した上半球への無影照射構造及び下方からの照明を具備し且つ半透明筒も用いて実験した場合の模式図であり、Ａは半透明筒７（上質紙で作成した外径２ｍｍφの筒）の長さを１０ｍｍとし、Ｂは同じ半透明筒７の長さを５０ｍｍとしたものである。筒長１０ｍｍ（Ａ）では、相対的に低レベルとなる筒上端から光が入るため、半球面上には比較的細い反射環２２が形成されるとともに、半球頂点部には筒で絞られたレンズ部鏡像２３が形成される。但し、反射環２２と頂点部鏡像２３の比較的広い中間域には球面についた傷２４ａ、２４ｂがうっすらと観察される。また筒長５０ｍｍ（Ｂ）では、筒上端から殆ど光が入らず、半球面は筒を通って来た弱い散乱光のみで照射されるため、やや暗くはあるが半球面全体が均一に観察され、傷２４ａ、２４ｂも明瞭に観察される。
【００２３】
実験４：半透明筒（ストロー）の長さを変えた場合
図７は、同じく本発明の構成に従った照明構造を用い、且つ半透明筒としては、外径４ｍｍφ、半透明プラスチック製ストローを用いて実験した場合の模式図であり、Ａはその半透明筒７の長さを１０ｍｍとし、Ｂは５０ｍｍとしたものである。筒長１０ｍｍ（Ａ）では相対的に低レベルとなり、紙筒より広口の筒上端から比較的多量の光が入るため、中心部の黒点が大きく、その周辺もぼやけたものとなり、傷２４ａ、２４ｂも不明瞭である。また筒長５０ｍｍ（Ｂ）では、筒上端から殆ど光が入らず、半球面は筒を通って来た散乱光と下からの光との合成光で照射されるため、周辺の僅かなぼやけを除き、半球面全体が略均一に観察され、傷２４ａ、２４ｂもほぼ明瞭に観察される。
【００２４】
実験５：上半球への無影照射構造の高さを上げた場合
図８は、同じく本発明の構成に従い、且つ半透明筒としては、外径２ｍｍφ、長さ５０ｍｍの上質紙製筒を被検球固定板上に直立させた状態において、被検球固定板から包囲照明の下端までの距離を、これまでの実験におけるゼロ（接置）ではなく、Ａ：５０ｍｍ、及びＢ：２０ｍｍとした場合の模式図である。Ａ（５０ｍｍ）では、この光源パワー２．２Ｗでは距離が遠すぎて（逆に、光源パワーを強くすれば、球面反射の問題を生ずるかも知れないが）球面上に観察可能な照度が得られず、輪郭環２５が淡く浮きだしただけで、他は真っ黒となる。またＢ（２０ｍｍ）程度に包囲照明を接近させても、やはり輪郭環２５が淡く浮きだし、内側大部分の薄暗い画像中には、傷２４ａ、２４ｂが不明瞭に観察されるのみである。
【００２５】
以上の実験結果より、球径０．７６ｍｍの半田ボールに対しては、本発明を具体化した実験使用装置の構成において、且つ実験（１〜４）の態様に従い、円錐面光源の下端フランジ部を被検球固定板上に接触させた状態において、半透明筒７の外径は、２ｍｍ、すなわち被検球径の２．００／０．７６＝２，６３倍であったときの方が、４ｍｍ、すなわち被検球径の５．２６倍のときよりも画像として明瞭であり、いずれの場合も筒長は１０ｍｍでは筒上端からの入光による反射があるため、円錐斜面光源の上端を十分に突出する長さ（この場合、５０ｍｍ）を要すると考えられる。
【００２６】
但し、筒の材質は、実験４で用いたストローのように、上質紙よりも光透過性のよい半透明材料である方が、より明るい画像になると思料される。また、この実験の場合の半田ボールの球径は０．７６ｍｍであったが、その製造公差や、近似規格のもので実験し、１．００ｍｍφ程度までの球径であれば、この２ｍｍφの紙筒で同様に測定できることが追認された。更に、４ｍｍφのストローでも比較的明瞭に観察できたことを考慮すれば、半透明筒の外径は、被検球径より約１ｍｍ大きい値から、被検球径の４倍程度までの値であればよいと結論される。
【００２７】
本発明装置の典型例において、上半球への無影照射構造の高さ（被検球固定板に対する円錐斜面光源の下端レベル）はゼロであり、実験５により実質的な高さを与えることは不都合であることが検証されたが、これは定まった規格及びパワーを有する装置（ＫＫＲ−５０：赤）を用いた結果であり、これよりもパワーや光散乱性のすぐれた無影照射光源を用いるか、被検球面が観察容易な表面状態を有するとき等は、無影照射光源をより高い位置にした方がよい場合がある。図９は、このような趣旨で無影照射光源の位置を高くした光学的観察装置１’を示している。
【００２８】
図９において、図１と同一参照数字で指示した部分は、図１に示した当該指示部分と同一のものであり、説明を省略する。この変形例の装置は、無影照射構造８’における円錐斜面１０の下端フランジ１０ｂを支持する形で、構造８’と外周が連なった外筒２６を有し、この外筒２６の下端が、被検球固定板６に近接して位置するように構成される。
【００２９】
図１０〜１３は、図１及び図９に示した光学的観察装置において、被検球上半部を実質的に無影照射する光源として代用可能な変形例を示すもので、図１０は四角錐の各錐面部に斜面光源２７〜２８を配置した角型斜光照明機、図１１は円錐斜面に各法線に沿った光軸を有するＬＥＤ等の光源素子３１を配列したダイレクトリング照明機、図１２は光源素子３１の垂直配列から側方に出射した光束を垂直半透明（光散乱）板３２を通じて４５°配置したハーフミラー３３に当て、下向きの均一散光を生じるための同軸面発光型照明機、図１３は図１１のものより円錐斜面の垂直軸に対する角度が小さいローアングル型ダイレクトリング照明機３４の典型例（Ａ）とローアングルの究極（０°）の場合（Ｂ）を、それぞれ示している。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明によれば、光反射性の球面、特に半田ボール等の微小球面の明瞭な観察又は撮影するための光学的観察装置を提供する。観察対象の他の例としては、ボールベアリングの鋼球、ボールバルブのバルブ球、半導体レーザーの集光部、真珠、ボールペンのボール等があり、場合によってはレンズ等の透明球の表面観察にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態につき主要部を断面で描いた装置構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視線に沿って下方から見た無影照射構造の下面図である。
【図３】図１に示した装置本体の最下部構造である透過照明構造を上方から見た平面図である。
【図４】本発明の効果を検証するため、装置本体の無影照射構造を用いないで、半透明筒をも省略した場合の被検半球面の撮影画像（Ａ）及び半透明筒を用いた場合の被検半球面の撮影画像（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図５】本発明の効果を検証するため、装置本体の透過照明構造を用いないで、半透明筒をも省略した場合の被検半球面の撮影画像（Ａ）及び半透明筒を用いた場合の被検半球面の撮影画像（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図６】本発明の効果を検証するため、装置本体の全構成を用い、紙製２ｍｍφ半透明筒の長さを１０ｍｍとした場合の被検半球面の撮影画像（Ａ）及び同じ半透明筒の長さを５０ｍｍとしたを用いた場合の被検半球面の撮影画像（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図７】本発明の効果を検証するため、装置本体の全構成を用い、プラスチック製ストロー４ｍｍφからなる半透明筒の長さを１０ｍｍとした場合の被検半球面の撮影画像（Ａ）及び同じ半透明筒の長さを５０ｍｍとしたを用いた場合の被検半球面の撮影画像（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図８】本発明の効果を検証するため、装置本体の無影照射構造の、被検球固定板からの高さを５０ｍｍとした場合の被検半球面の撮影画像（Ａ）及び２０ｍｍとした場合の被検半球面の撮影画像（Ｂ）を模式的に示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態において主要部を断面で描いた装置構成図である。
【図１０】無影照射構造の第２の実施形態における側断面（Ａ）及び下面（Ｂ）を示す図である。
【図１１】無影照射構造の第３の実施形態を示す側断面図である。
【図１２】無影照射構造の第４の実施形態における側断面（Ａ）及び下面（Ｂ）を示す図である。
【図１３】無影照射構造の第５の実施形態におけるローアングル型ダイレクトリング照明機３４の典型例（Ａ）とローアングルの究極（０°）の場合（Ｂ）を、それぞれ示す側断面図である。
【符号の説明】
１  光学的観察装置の本体
２  照明用電源
３  ＣＣＤカメラ
４  モニター
５  微小被検球
６  被検球固定板
７  半透明筒
８  無影照射構造
９  透過照明構造
１０  円錐斜面
１１  ＬＥＤ
１２  筒保護ブロック
１３  大角円錐面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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