(57)【要約】  フォーカスを維持しながら対象物を順次画像化する装置は、選択可能な画像取得モードを有するカメラと、上記カメラに光学的に接続された対物レンズと、上記対物レンズを通して動作する光学距離センサと、ストロボ照明器と、上記カメラと、上記照明器と、上記距離センサに接続されたコントローラを備えている。上記コントローラは、上記距離センサをシーケンシャルに作動し非作動にし、上記距離センサが非作動状態にある時にのみ、上記画像取得モードの選択と非選択を行ない、上記画像取得モードが作動している時にのみ、上記ストロボ照明器を作動し非作動にする。
2010517012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーカスを維持しながら対象物を順次画像化する装置において、
選択可能な画像取得モードを有するカメラと、
上記カメラに光学的に接続された対物レンズと、
上記対物レンズを通して動作する光学距離センサと、
ストロボ照明器と、
上記カメラと、上記照明器と、上記距離センサに接続されたコントローラを備え、
上記コントローラは、上記距離センサをシーケンシャルに作動し非作動にし、上記距離センサが非作動状態にある時にのみ、上記画像取得モードの選択と非選択を行ない、上記画像取得モードが作動している時にのみ、上記ストロボ照明器を作動し非作動にすることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記距離センサに接続されたフォーカスコントローラを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記照明器が同軸照明器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記照明器がマルチスペクトル照明器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
上記照明器が赤色発光素子と非赤色発光素子を含むことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
上記照明器が上記対物レンズに接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
上記照明器が拡散照明器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
上記照明器が背後照明器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
上記カメラがデジタルカメラを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
上記カメラがアナログカメラを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
上記カメラがシャッターを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
上記シャッターが上記カメラを非作動にする信号を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
上記カメラがセンサを含み、上記信号がバイアス信号を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
上記シャッターが光学シャッターを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
上記シャッターが機械シャッターを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
上記カメラが蓄積期間によって特徴付けられるセンサを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
上記カメラがリセット機能を備えたことを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
上記シャッターが上記蓄積期間よりも短い時間開いていることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
上記蓄積期間において、上記シャッターが閉じるとともに上記光学距離センサが作動することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
上記光学距離センサが赤色光感受性センサを含み、さらに赤色光を弁別するビームスプリッタを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
上記距離センサが赤色光および、少なくとももう１つ別の色の光を発光する光源を備えたことを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
上記光学距離センサがレーザー三角測量センサを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
上記光学距離センサが非作動中であっても、上記フォーカスコントローラが実質的に連続的に動作することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項２４】
上記フォーカスコントローラが積分器を備えたことを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
上記フォーカスコントローラがローパスフィルタを備えたことを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
フォーカスを維持しながら対象物を順次画像化する方法において、
選択可能な画像取得モードを有するカメラを提供し、
上記カメラに光学的に接続された対物レンズを提供し、
上記対物レンズを通して動作する光学距離センサを提供し、
ストロボ照明器を提供し、
上記距離センサをシーケンシャルに作動し非作動にし、上記距離センサが非作動状態にある時にのみ、上記画像取得モードの選択と非選択を行ない、上記画像取得モードが作動している時にのみ、上記ストロボ照明器を作動し非作動にすることを特徴とする方法。
【請求項２７】
上記カメラの作動と非作動は、上記カメラの作動と非作動の信号を上記カメラに送ることを含むことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
上記信号がバイアス信号を含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
上記距離センサが出力信号を提供し、さらに、この出力信号を積分期間について積分することを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
上記カメラを上記積分期間よりも短い時間作動させることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
上記積分期間の間、上記カメラを非作動にし、上記光学距離センサを作動させることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に自動システムのための画像取得に関し、特に、フォーカス維持のために距離センサを用いた画像取得カメラシステムに関する。この距離センサは、画像取得カメラが感受性を有する（sensitive）波長で作動する。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板のような動いている部品の自動検査は、その部品を撮影するデジタルまたはアナログカメラが作成した像のコンピュータ分析に大きく依存する。動いている部品を正確に分析するためには、部品の動きを凍結しなければならず、これにより不鮮明さを減らし正確な測定をする。ストロボ光源は、機械式または電子式の高速シャッター同様、この目的のために有用であることが知られている。さまざまな種類のストロボ光源がマシンビジョン用のものとして知られている。ストロボ光源は、ストロボ照明をカメラが使用するのと同じレンズを通るように方向付ける同軸光源、対物レンズまたは観察対象物を取り囲むリング型の光源によって提供される拡散照明、対象物の背後で発生される背後照明等を含む。
【０００３】
さまざまな方法により、カメラから対象物までの距離を動的に測定することが可能であるが、カメラが画像を取得するために用いた対物レンズを通る光を用いて行うのが望ましい。さらに、検査システムで用いられるカメラが感受性を有する波長の光を用いた、レーザー距離センサ等の距離センサの使用には利点がある。これによれば、カメラを用いて距離センサを位置揃え（align）することができ、距離センサを、観察対象物上においてカメラと同じ位置に適切に位置揃えすることができる。同様に、同軸照明が好ましく、レンズを通しての同軸照明が最も好ましい。
【０００４】
これらの望ましい特徴をすべて組み合わせると、矛盾が生じる。距離センサは連続的に動作するのが理想的である。これは、多くの場合、観察対象物は、段階的な動き方をするのではなく、連続的に動くからである。カメラと観察対象物との距離の瞬間的変動は比較的小さいかもしれないが、長期的変動は大きくなりかねず、その結果、適切なフォーカス維持のためには、カメラと対象物との距離の調整が必要となる。この調整は、ある程度連続的に行い、それにより円滑に行えるようにするのが好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの競合し合う要件から、以下の問題が生じる。カメラによって見ることのできる光に頼る距離センサが、カメラの画像取得と同時に動作すると、距離センサからの光が像の一部をぼやけさせる。従来、この問題への対処法の一つとして、軸外にある、距離を感知するレーザーと三角測量とを用いて、カメラから対象物までの距離をモニタし、これによって、光がカメラに入るのを避ける方法が取られてきた。別の方法としては、測定面に垂直に取付けられたレーザー距離計測装置と、測定面に角度をなして取付けられた複数のカメラを用いる方法が取られてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の望ましい実施形態を簡単に述べると、フォーカスを維持しながら対象物を順次画像化する装置は、選択可能な画像取得モードを有するカメラと、上記カメラに光学的に接続された対物レンズと、上記対物レンズを通して動作する光学距離センサと、ストロボ照明器と、上記カメラと、上記照明器と、上記距離センサに接続されたコントローラを備えている。上記コントローラは、上記距離センサをシーケンシャルに作動し非作動にし、上記距離センサが非作動状態にある時にのみ、上記画像取得モードの選択と非選択を行ない、上記画像取得モードが作動している時にのみ、上記ストロボ照明器を作動し非作動にする。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、この装置は、対象物に焦点が合った状態を維持するために、上記距離センサに接続されたフォーカスコントローラを備えている。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によれば、この照明器は、同軸照明器、拡散照明器または背後照明器を含む。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によれば、上記同軸照明器は、対物レンズを通して対象物を照らす。
【００１０】
本発明のさらに別の態様によれば、カメラはアナログカメラまたはデジタルカメラであって、シャッターを含む。このシャッターは機械シャッターであってよい。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、カメラは、ＣＣＤセンサのような、蓄積期間を特徴とし、リセット機能を有するセンサを有する。
【００１２】
本発明の一つの態様によれば、シャッターが開いている時間は蓄積期間よりも短く、光学距離センサはシャッターが閉じている間に作動される。
【００１３】
本発明の新規な態様は、添付の特許請求の範囲に詳述されている。発明それ自体、ならびに、そのさらなる目的および利点が、以下の発明の詳細な説明を添付の図面とともに参照することにより、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】図１に示す本発明の構成要素の一連の動作を示すタイミング図である。
【図３】対象物の輪郭線、距離センサの出力、および対象物の輪郭線に重ねた焦点位置を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１５】
図１は、フォーカスを維持しながら対象物を順次画像化する装置を示す。この装置全体を参照番号１０で示すが、この装置は、カメラ台１２、シーケンスコントローラ（sequencing controller）１４およびフォーカスコントローラ１６を含む。
【００１６】
カメラ台１２にはカメラ２０が搭載される。このカメラ２０は、好ましくは、アナログまたはデジタルの出力信号を生成する固体撮像素子を有する高解像度カメラである。好ましくは、カメラ２０は、対物レンズ２４を通して観察される対象物２２の像を取得する。観察対象物は、カメラ２０および対物レンズ２４の光軸と直交する可動ステージ２６に搭載されている。カメラ台に対してステージ２６が動くことが好ましいが、ステージに対してカメラ台が動くようにすることも出来、両者が動くようにすることも出来ることが理解されよう。
【００１７】
見てわかるように、観察対象物２２が不規則な表面を有しているため、ステージ２６によって対象物２２が移動すると、カメラと表面との距離が変動する。図１では、不規則の程度はいくぶん誇張されている。本発明による装置が用いられる典型例は、プリント基板の検査である。プリント基板では、金属トレースの形成、基板に搭載された部品の重量、または基板それ自体の重量により、歪みや、表面に不規則性が生じることがある。さらに、基板の様々な層の熱膨張率の違い等により、ポテトチップ様の歪みが生じることもある。プリント基板はまた、傾斜をもってステージ２６に搭載する場合もあるが、この傾斜は、ステージの移動に伴い、カメラからプリント基板表面までの距離を変動させる。本発明は、これらのすべての影響を補正するものである。
【００１８】
照明器３２、好ましくは同軸照明器がカメラ台に搭載され、照明ビーム３４を、第一ビームスプリッタ３０経由で、観察対象物２２の表面に向ける。ビームスプリッタ３０は、取得中の画像を通過させ、同時に同軸照明器からの照明を観察対象物２２の表面に向けて反射する。この構成により、照明器からの光ビームが観察対象物の表面の、カメラ２０によって撮像されている位置に、確実に当たる。
【００１９】
現時点においては、上記構成の同軸照明器が好ましいが、他の種類の照明器を、単独、または組み合わせて用いてもよい。たとえば、リングライト１３の形状の拡散照明器は、観察対象物を取り囲むものであっても、カメラ台に取付けられて対物レンズを取り囲むものであってもよく、単独で用いても、同軸照明器と一緒に用いてもよい。様々な種類のリングライトを用いることができ、白色光源を有するものでも、赤、緑、青色の光源を有し、これらが組み合わされて実質的に白色の光を生成するものでもよい。特定用途においては、所望であれば白色以外の光を用いてもよい。
【００２０】
あるいは、観察対象物の性質により、観察対象物の背後から光を当てる背後照明器１５を用いてもよい。
【００２１】
観察対象物がカメラ台に対して移動する際、表面の不規則性や歪みが観察対象表面をカメラに近づけたり遠ざけたりし、観察対象物の傾きがカメラからの距離を変えてしまうので、最適フォーカスを維持するためには、カメラから観察対象物までの距離を調整することが望ましい。
【００２２】
本発明の一つの態様によれば、本装置は、カメラ台１２を観察対象物に対して移動することで、フォーカスを維持する。この調整は、台全体を動かすことによって行ってもよく、フォーカスを維持する他の方法によって行ってもよい。カメラから対象物表面までの距離は、カメラと対象物のいずれか、または両方を動かすことによって調節してもよいことが理解されるであろう。
【００２３】
好ましくは、カメラと対象物表面との距離を、距離センサ３６によって実質的に連続的に測定する。距離センサ３６は、好ましくはレーザー距離センサであり、光ビーム１７を放射する。この光ビームは、第二ビームスプリッタ３８によって反射され、対物レンズ２４を通る。この距離センサのビームは、観察対象物の表面で反射されて、対物レンズを通って戻り、ビームスプリッタ３８の表面から距離センサ３６に戻る。この距離センサ３６が、当業者に周知の方法で距離を測定する。現時点においてはレーザー距離センサが好ましいが、本発明との関連で用いられる場合、距離センサはより広く解釈されることを意図しており、焦点位置を定め、維持することを可能にするあらゆるセンサを含む。たとえば、線形センサおよび非線形センサ、並びに、焦点のぴったり合った位置からのずれの大きさ、またはずれの大きさと方向を示す信号を提供するセンサを含むことを意図している。
【００２４】
本発明の現時点における好ましい実施形態によれば、ビームスプリッタ３８は、実質的にすべての赤色光を反射して距離センサに返すが、その他の光は光学部品を通してカメラまで伝達する。オレンジ発光ダイオード等の非赤色成分を有する光源を用いると、ニュートラルデンシティビームスプリッタと白色光を用いた場合よりも、はるかに高い割合の光を光学部品に戻すことができる。また、ビームスプリッタがすでに赤外光をブロックしているため、カメラの位置またはその近傍で赤外フィルタを用いる必要がなくなる。赤外フィルタは、マシンビジョンカメラで用いられており、制御されていない源から、撮像性能を劣化させる赤外迷光がシステム内に入るのを阻止するものである。
【００２５】
好ましくは、距離センサは、実際の距離の最適焦点距離からのずれ量の信号２１を生成し、そのエラー信号２１をフォーカスコントローラ１６に提供する。このフォーカスコントローラ１６は、最適フォーカスを維持するように、カメラ台１２の位置を調整する。距離センサ信号２１は、画像収集中に対象物の高さの変動を測定するためにも使用できる。
【００２６】
好ましくは、距離センサ３６によって生成される光ビームは、カメラ２０によって検出可能な波長を有し、これにより、カメラを用いて、撮像中の領域内に距離センサビームが確実に存在するようにさせ、出来るだけ良いフォーカスに維持することができる。カメラによる撮像が可能な距離センサビームを用いた場合、カメラによって生成された像を見て、観察中の対象物表面において取得中の画像の中心またはその近傍に当たるように距離センサビームを設定することによって、距離センサを調整することができる。レーザー距離センサが好ましいが、白色光または他の色の光を用いた、レーザーではない距離センサを用いてもよい。
【００２７】
カメラ２０、照明器３２、１３、１５および距離センサ３６は、それぞれ、制御入力４０、４２、４６、４８、４４を備えている。入力４０は、画像を取得するための第一モードと画像取得を禁じる第二モードとの間でカメラの切り替えを行うことによって、カメラ２０の動作を制御する。カメラの切り替え方法はカメラに備えられているセンサの性質に依存するが、ＣＣＤセンサが備えられている場合には、ＣＣＤセンサへのバイアスを調整することによって画像取得モードと待機モードとの間で、カメラの切り替えを行ってもよい。
【００２８】
制御入力４０、４２、４４、４６、４８はコントローラ１４と接続されている。コントローラ１４はカメラ画像取得モードを選択したり選択しなかったりし、照明器１３、１５、３２を点灯させたり消灯させ、距離センサ３６を作動させたり非作動にする。図２はコントローラ１４の作用を示すタイミング図である。
【００２９】
上述のように、本発明の実施においてはさまざまな種類の距離センサを使用することが出来るが、白色光源、カラー光源のいずれであっても、可視光を生成する可視光距離センサが現時点においては好ましい。可視光距離計はカメラによって見ることができ、容易に距離計ビームをカメラの視野の中心に位置させることができる。白色光または可視赤色光のような可視光距離センサもまた、可視領域外の波長よりも好ましい。使用者が距離センサ光の存在を認識できるからである。可視光でないと、使用者の目に損傷を与えながら、目には見えない、という状況になりかねない。
【００３０】
可視光に反応するカメラが現時点においては好ましい。使用者が直接見た場合に見るであろう像と同様の像を生成するからである。
【００３１】
図２について述べると、図は縮尺どおりに描かれていないが、距離センサ３６は、画像取得が実際に行われている間を除いて、実質的に連続的に作動する。距離センサが作動する時間は、縮尺どおりになっていない関係で、図に見られるよりも相当大きいかも知れない。本発明によれば、距離センサはできるだけ長時間作動させるのが望ましい。しかし、距離センサは定期的に非作動とし、画像取得が出来るようにする。あるいは、ステージ２６が対象物２２を画像取得が望まれる位置にしたときに、距離センサを間欠的に作動させてもよい。
【００３２】
距離センサ３６が非作動とされた直後にカメラ２０を画像取得モードにする。好ましくは、距離センサ３６を非作動にする時と、カメラ２０を画像取得モードにする時との間に、十分な時間を経過させ、カメラで検出される距離センサからの光が実質的にゼロになるようにする。
【００３３】
入力４０に適切な信号が入力されてカメラが画像取得モードになると、短時間経過後に、信号４２によってストロボ照明器３２が作動され、ストロボ照明器が瞬間的に光を放つ（フラッシュする）。信号４６によって、リングライト１３をストロボ照明器３２と同時にストロボさせてもよい。カメラ２０は、ストロボ照明器３２がオンの間に画像を取得し、ストロボ照明器がオンになった時からカメラが非作動になる時までの間、その画像を蓄積する。カメラが非作動とされた後、距離センサ３６が再び作動され、次の画像が取得されるまでオン状態に維持される。
【００３４】
モーションコントローラ１４は、アクチュエータ５６にアクチュエータ信号５０を送り、アクチュエータから位置信号５２を受け取ることにより、ステージ２６の位置を制御する。好ましくは、コントローラ１４は、ステージ２６の移動路に沿った所定位置で画像の取得を開始する。この所定位置は、等間隔で離間していてもよく、所望の位置で画像を取得するために予め決められた基準に従って離間していてもよい。上述のとおり、距離センサは実質的に連続的に作動するのが好ましいが、距離センサを間欠的に作動させるように設定する場合は、ステージが各所定位置に近づいた時に距離センサを作動させる。距離センサが作動すると、コントローラ１４は、ストロボ照明器とカメラを上述の方法および順序で作動させる。
【００３５】
図３は対象物の輪郭線、距離センサ出力、および対象物の輪郭線に重ね合わせた焦点位置を示すグラフである。見てわかるように、距離センサ出力は、定期的に画像取得の間、中断される。上述のように距離センサ出力を積分することによって、グラフに示されているように、焦点位置を、実際の対象物の輪郭線に対して比較的正確に維持することができる。
【００３６】
本発明に則ったリセット性能を有するカメラを用いることが好ましいが、リセット性能のないカメラを用いてもよい。このようなカメラは、好ましくは、連続的な一連の画像を、縦のリフレッシュ休止期間によって区切られた、複数のカメラフレームで取得するように設定されている。コントローラ１４は、カメラの状態、すなわちカメラが画像取得フレームにあるのか、縦のリフレッシュ休止期間にあるのかを示す信号５４を、カメラから受け取る。ストロボ照明器はコントローラ１４によってシーケンス制御され、全てのカメラフレームにおいて、または予め選択されたカメラフレームにおいて作動し、縦のリフレッシュ休止期間には作動を禁じられ、この間、カメラは画像を取得できない。
【００３７】
現時点で好ましい実施例に従って本発明を説明してきたが、当業者には、本来の主旨および範囲から逸脱することなく、本発明へのさまざまな改造および変更が可能であることが理解されるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図１】
2010517012.tif 000003
【図２】
2010517012.tif 000004
【図３】
2010517012.tif 000005
【国際調査報告】
2010517012.tif 000006