(57)【要約】【課題】  コンパクト化が可能な撮像装置を提供する。【解決手段】  撮像対象Ｔを照明する光源装置４１と、受光面に結像した像を電気信号に変換する撮像素子２１と、撮像対象Ｔの像を撮像素子２１の受光面に結像させる光学手段と、光源装置４１を保持するとともに撮像素子２１と光学手段とを収納するハウジング１とを備える。光学手段は、入射側反射鏡３３と、入射側反射鏡３３の後段に配置された対物レンズ３０ａと、撮像レンズ３０ｂと、撮像レンズ３０ｂの後段に配置された出射側反射鏡３６とからなる。入射側反射鏡３３に入射した光は、出射側反射鏡３６から入射時に対して逆向きに出射する。入射側反射鏡３３より撮像対象Ｔ側と出射側反射鏡３６より撮像素子２１側とで光が互いに逆向きとなるから、１方向に長い形状とはならずコンパクト化が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象を撮像した画像に画像処理を施すことにより撮像対象の状態を検出する検出装置に設けられ撮像対象を撮像する撮像装置であって、
撮像対象を照明する照明手段と、受光面に結像した像を電気信号に変換する撮像素子と、撮像対象からの光が入射する対物レンズ並びに対物レンズを通過した光が通過する撮像レンズを含み撮像対象の像を撮像素子の受光面に結像させる光学手段と、照明手段を保持するとともに撮像素子と光学手段とを収納するハウジングとを備え、
光学手段は、それぞれ光軸の向きを変更する複数個の光学素子を含み入射した光を入射位置とは異なる位置から逆向きに出射させる反転部を含み、
反転部は、撮像レンズを通過した光を反射する反射鏡を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
光学手段は、物体側テレセントリック光学系を構成することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
ハウジングは、互いに異なる方向から撮像対象へ向けられそれぞれ光が入射する２個の入射口を有し、光学手段は、入射した光の一部を透過させ一部を反射させる半透鏡素子と、それぞれ１個の入射口から入射した光を半透鏡素子に互いに異なる方向から入射させる２個の導光路とを含み、撮像素子と半透鏡素子とは、一方の導光路を通過して半透鏡素子を透過した光と、他方の導光路を通過して半透鏡素子に反射された光とがともに撮像素子に入射する位置関係で配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
照明手段は、撮像対象において撮像素子によって撮像される面を照明することを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の撮像装置。
【請求項５】
ハウジングは導電材料で構成され、絶縁材料からなり撮像素子とハウジングとの間に介在して撮像素子を支持する保持体を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理によって撮像対象の状態を検出する検出装置に用いられる撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、撮像対象を撮像して得られた画像に画像処理を施すことによって撮像対象の状態を検出する検出装置において撮像対象の撮像に用いられる撮像装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。撮像対象は、例えば精密加工用のフライス盤のような工作機械におけるエンドミルのような治具や工作物、あるいは三次元測定機におけるスキャニングプローブなどである。また、検出する状態は、例えば撮像対象の位置や、欠けや表面に付着した異物といった撮像対象の欠陥である。
【特許文献１】特開２００１−２６９８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、撮像対象が小さなものである場合、撮像対象と撮像素子との間には倍率が高くかつ歪みの少ない光学系を配置する必要がある。しかし、このような光学系は一般に光路長を長くとる必要がある。従来は、上記のような光学系のために撮像装置が１方向に長い形状となり、撮像装置の設置場所に高さや長さを必要としていた。
【０００４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、コンパクト化が可能な撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、撮像対象を撮像した画像に画像処理を施すことにより撮像対象の状態を検出する検出装置に設けられ撮像対象を撮像する撮像装置であって、撮像対象を照明する照明手段と、受光面に結像した像を電気信号に変換する撮像素子と、撮像対象からの光が入射する対物レンズ並びに対物レンズを通過した光が通過する撮像レンズを含み撮像対象の像を撮像素子の受光面に結像させる光学手段と、照明手段を保持するとともに撮像素子と光学手段とを収納するハウジングとを備え、光学手段は、それぞれ光軸の向きを変更する複数個の光学素子を含み入射した光を入射位置とは異なる位置から逆向きに出射させる反転部を含み、反転部は、撮像レンズを通過した光を反射する反射鏡を含むことを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、反転部を挟んで両側で光が互いに逆向きとなるから、１方向に長い形状とはならずコンパクト化が可能となる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、光学手段は、物体側テレセントリック光学系を構成することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、光学手段と撮像対象との距離が変化しても、撮像素子に形成される像の大きさが変化しないから、撮像対象の状態を正確に検出することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、ハウジングは、互いに異なる方向から撮像対象へ向けられそれぞれ光が入射する２個の入射口を有し、光学手段は、入射した光の一部を透過させ一部を反射させる半透鏡素子と、それぞれ１個の入射口から入射した光を半透鏡素子に互いに異なる方向から入射させる２個の導光路とを含み、撮像素子と半透鏡素子とは、一方の導光路を通過して半透鏡素子を透過した光と、他方の導光路を通過して半透鏡素子に反射された光とがともに撮像素子に入射する位置関係で配置されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、１個の撮像素子で撮像対象を２方向から撮像することができる。従って、撮像素子を２個設ける場合に比べて製造コストの低減や小型化が可能となる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、照明手段は、撮像対象において撮像素子によって撮像される面を照明することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、撮像対象の表面の欠陥の検出に適した画像を撮像することができる。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、ハウジングは導電材料で構成され、絶縁材料からなり撮像素子とハウジングとの間に介在して撮像素子を支持する保持体を備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、ハウジング外からの輻射ノイズの撮像素子への到達はハウジングにより抑制される。また、保持体によってハウジングと撮像素子とが電気的に絶縁されるから、ハウジングを通じた電磁ノイズの撮像素子への伝導も抑制される。従って、撮像素子の出力に対するノイズの影響が低減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、撮像対象の像を撮像素子に結ばせる光学手段がそれぞれ光軸の向きを変更する複数個の光学素子を含み入射した光を入射位置とは異なる位置から逆向きに出射させる反転部を含むことにより、反転部を挟んで両側で光が互いに逆向きとなるから、１方向に長い形状とはならずコンパクト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
本実施形態は、図１に示すように、例えば発光ダイオードからなり撮像対象Ｔを照明する光源（図示せず）を保持し光源を駆動する駆動回路（図示せず）を収納した光源装置４１と、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Devices）のような撮像素子２１を備えるカメラ２と、撮像対象Ｔの像を撮像素子２１の受光面に結像させる光学手段に含まれる対物レンズ３０ａ及び撮像レンズ３０ｂと、光源装置１１とカメラ２と対物レンズ３０ａと撮像レンズ３０ｂとが収納されたハウジング１とを備える。以下、上下左右は図１（ａ）を基準とし、図１（ｂ）の下方を前方として説明する。
【００１８】
対物レンズ３０ａ及び撮像レンズ３０ｂは、光軸を揃えて例えば合成樹脂からなる筒形状のレンズホルダ３１にそれぞれ保持されている。
【００１９】
ハウジング１は、レンズホルダ３１を保持する導光ホルダ３２と、導光ホルダ３２の前後両側と右側とに設けられそれぞれ光源装置４１を保持する３個の光源ホルダ４２（１個のみ図示）と、カメラ２が収納される収納凹部１１ａが上面に設けられたベースボディ１１と、レンズホルダ３１が挿通された形で導光ホルダ３２が保持される導光穴１２ａ及びそれぞれ光源ホルダ４２が挿入される３個の光源穴１２ｂ（１個のみ図示）が上下に貫設され例えばねじ止めによってベースボディ１１に結合して導光ホルダ３２及び光源ホルダ４２とともに収納凹部１１ａを閉塞するベースカバー１２とを備える。ベースボディ１１、ベースカバー１２、導光ホルダ３２、及び光源ホルダ４２はそれぞれ金属からなる。
【００２０】
各光源ホルダ４２は、それぞれ、光源装置４１が光を上方に照射する向きで例えばねじ止めによって保持される筒形状の本体部４２ａと、本体部４２ａの下端部の外周面に突設されベースカバー１２の上面に当接する鍔部４２ｂと、本体部４２ａの上側に設けられ光源装置４１から出射した光を撮像対象Ｔへ向けて反射する光源側反射鏡４３を保持した反射鏡保持部４２ｃとからなる。反射鏡保持部４２ｃにおいて撮像対象Ｔへ向けられる面には、光源側反射鏡４３で反射した光源装置４１の光が出射する出射口４２ｄが貫設され、出射口４２ｄは、例えばガラスのような透明な材料からなる窓体４４によって閉塞される。各光源ホルダ４２には、それぞれ下面が開放された有底筒形状であって窓体４３を通過した光を出射させる窓穴４５ａ，５５ａが上端部に周方向に貫設されたカバー４５，５５が被着される。導光ホルダ２２の右側の光源ホルダ４２は、光源装置４１、光源側反射鏡４３、及び窓体４４とともにバックライトユニット４を構成し、導光ホルダ２２の前後の光源ホルダは、光源装置、光源側反射鏡、及び窓体とともにフロントライトユニット５（図２（ｃ）参照）を構成する。フロントライトユニット５はバックライトユニット４よりもベースカバー１２の上面からの突出寸法を小さくしてあり、フロントライトユニット５に取り付けられたカバー５５の窓穴５５ａは斜め上方へ向けられている。
【００２１】
導光ホルダ３２は、レンズホルダ３１が光軸を上下方向に向けて例えば内面に嵌合することによって保持される筒形状の本体部３２ａと、本体部３２ａの下端部の外周面に突設されベースカバー１２の上面に当接する鍔部３２ｂと、本体部３２ａの上側に設けられ右面においてバックライトユニット４の光源ホルダ４２の出射口４２ｄに対向する位置に光が入射する入射口３２ｄが貫設された反射鏡保持部３２ｃからなる。反射鏡保持部３２ｃには、入射口３２ｄから入射した光を下方へ向けて反射する入射側反射鏡３３が保持されている。入射口３２ｄは、光源ホルダ４２の出射口４２ｄと同様に、透明な材料からなる窓体３４によって閉塞される。さらに、導光ホルダ３２には、下面が開放された有底筒形状であって窓体３３を通過した光を出射させる窓穴３５ａが上端部に周方向に貫設されたカバー３５が被着される。導光ホルダ３２及び光源ホルダ４２は、それぞれ例えば鍔部３２ｂ，４２ｂをベースカバー１２にねじ止めされることによってベースカバー１２に結合している。
【００２２】
また、レンズホルダ３１の下側には、撮像レンズ３０ｂを通過した下向きの光を右方に向けて反射する出射側反射鏡３６を保持した反射鏡ホルダ３７が例えば嵌合によって取り付けられる。対物レンズ３０ａ及び撮像レンズ３０ｂの光軸は、入射側反射鏡３３と出射側反射鏡３６との間では上下方向であり、入射側反射鏡３３よりも撮像対象Ｔ側と出射側反射鏡３６よりも撮像素子２１側とではそれぞれ左右方向となっている。つまり、レンズホルダ３１の上方において入射側反射鏡３３に入射した左向きの光は、レンズホルダ３１の下方において出射側反射鏡３５に反射されて右向きに出射するのであり、入射側反射鏡３３と出射側反射鏡３６とで請求項における反転部が構成されている。また、入射側反射鏡３３と対物レンズ３０ａと撮像レンズ３０ｂと出射側反射鏡３６とで請求項における光学手段が構成されている。対物レンズ３０ａと撮像レンズ３０ｂとレンズホルダ３１と導光ホルダ３２と入射側反射鏡３３と窓体３４と出射側反射鏡３６と反射鏡ホルダ３７との組を、以下では導光ユニット３と呼ぶ。
【００２３】
カメラ２は、反射鏡ホルダ３７の右側に、撮像素子２１の受光面を左側すなわち出射側反射鏡３３に向けて、例えば合成樹脂のような絶縁材料からなる保持体６を介してベースカバー１２から吊り下げる形で保持されており、カメラ２とベースボディ１１との間には隙間が空いている。保持体６は、例えばねじ止めによってベースカバー１２とカメラ２とにそれぞれ結合する。
【００２４】
本実施形態の動作を説明する。バックライトユニット４とフロントライトユニット５との少なくとも一方の光源装置４１によって撮像対象Ｔを照明すると、導光ホルダ３２の窓体３４を通じて入射し入射側反射鏡３３で反射され対物レンズ３０ａと撮像レンズ３０ｂとを通過して出射側反射鏡３６で反射された光により、撮像対象Ｔの像が撮像素子２１に形成される。撮像素子２１は、形成された像を電気信号に変換する。カメラ２には、撮像素子２１によって生成された電気信号を所定の形式の画像データに変換する画像信号生成回路（図示せず）が設けられており、画像信号生成回路から出力された画像データはカメラに接続されたケーブルＣを通じて画像処理装置に送信される。ベースボディ１１には、ケーブルを引き出すためのケーブル挿通穴１１ｂが収納凹部１１ａの内外に貫設されている。
【００２５】
ところで、バックライトユニット４の光源装置４１の光は、撮像素子２１によって撮像される面の反対側から撮像対象Ｔを照明するので、撮像素子２１に形成される像では撮像対象Ｔの輪郭が明瞭に表れるから、撮像対象Ｔの位置の検出に適する。また、フロントライトユニット５の光源装置の光は、撮像対象Ｔにおいて撮像素子２１によって撮像される面を照明するため、撮像対象Ｔの表面における異物の付着や傷などの欠陥の検出に適する。
【００２６】
ここで、レンズホルダ３１の内周面において対物レンズ３０ａ及び撮像レンズ３０ｂの光軸に直交する面内で対物レンズ３０ａの下側の焦点つまり像側焦点を囲む位置には、レンズホルダ３１の内径を他の部位よりも小さくする円環形状の絞り突起３１ａが内側へ突設されている。これにより、像側テレセントリック光学系が構成されている。従って、撮像対象Ｔの位置が入射口３２ｄからの距離を変化させる方向（図１の左右方向）にずれても、撮像素子２１に形成される像の大きさは変化しないから、撮像対象Ｔの状態を正確に検出することができる。
【００２７】
上記構成によれば、図２（ｃ）に示すように入射側反射鏡３３と出射側反射鏡３６とで構成される反転部を設けたことにより、入射側反射鏡３３の撮像対象Ｔ側と出射側反射鏡３６の撮像素子２１側とで光が逆向きとなる。従って、図２（ａ）に示すように入射側反射鏡３３と出射側反射鏡３５とのいずれも設けない場合や、図２（ｂ）に示すように入射側反射鏡３３のみを設ける場合と違い、１方向に長い形状とはならないからコンパクト化が可能となる。特に、倍率を高くした場合には撮像レンズ３０ｂから像点までの距離が長くなるため、本実施形態のように撮像レンズ３０ｂの後段に出射側反射鏡３５を配置することが有効となる。
【００２８】
ところで、本実施形態は精密加工用のフライス盤のような工作機械において撮像対象Ｔとしてのエンドミルのような治具の位置の検出にも用いられる。工作機械では、消費電力が１００ｋＷに及ぶ高出力のモータが使用されることがある。この場合、撮像装置はモータが放射する強い輻射ノイズにさらされる。しかし、本実施形態は、ハウジング１を金属で構成することによりカメラ２への輻射ノイズの到達を阻止し、絶縁材料からなる保持体６を介してカメラ２をハウジング１に支持することによりカメラ２とハウジング１とを電気的に絶縁してハウジング１からカメラ２への電磁ノイズの伝導を阻止しているから、カメラ２の撮像素子２１や画像信号生成回路がノイズの影響を受けにくい。
【００２９】
なお、反転部を構成する光学素子は、光軸の向きを変更することができるものであれば入射側反射鏡３３や出射側反射鏡３６のような鏡に限られず、例えば撮像対象Ｔを照明する光として単色光を用いる場合にはプリズムを用いてもよい。
【００３０】
また、入射口３２ｄの向きが互いに異なる導光ユニット３を２組設けるとともに、入射した光の一部を透過させ一部を反射させる半透鏡素子を追加し、カメラ２と半透鏡素子とを、一方の導光ユニット３を通過して半透鏡素子を透過した光と、他方の導光ユニット３を通過して半透鏡素子に反射された光とがともに撮像素子２１に入射する位置関係で配置してもよい。具体的には例えば、図３に示すように、２組の導光ユニット３を、出射側反射鏡３５の後段における光軸が互いに直交する向きで配置し、一方の導光ユニット３の出射側反射鏡３６の後段における光軸上に撮像素子２１が位置するようにカメラ２を配置する。また、各導光ユニット３の出射側反射鏡３６に対してそれぞれ異なる面を向けかつ導光ユニット３の出射側反射鏡３６の後段における光軸に対してそれぞれ４５度傾いた向きで配置されたハーフミラー３８をハウジング１内に設ける。一方の導光ユニット３の出射側反射鏡３６から出射した光は矢印Ａ１で示すようにハーフミラー３８を透過して撮像素子２１に入射し、他方の導光ユニット３の出射側反射鏡３６から出射した光は矢印Ａ２で示すようにハーフミラー３８に反射されてカメラ２の撮像素子２１に入射する。さらに、図３の例では、各導光ユニット３に対応して、矢印Ａ３，Ａ４で示すように撮像対象Ｔを入射口３２ｄの反対側から照明するバックライトユニット４も２組設けている。上記構成を採用すれば、１個のカメラ２で撮像対象Ｔを２方向から撮像することができるから、撮像対象Ｔの位置を３次元的に検出することが可能となる。また、カメラ２を２個設ける場合に比べ、製造コストの低減と小型化とが可能となる。なお、半透鏡素子はハーフミラー３８に限られず、例えばハーフプリズムを用いてもよい。
【００３１】
さらに、光源側反射鏡４３を設ける代わりに、光源装置４１の光を直接撮像対象Ｔに照射する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は左側面図である。
【図２】同上の効果を示す図であり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ互いに異なる比較例を示す概略構成図であり、（ｃ）は本発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】同上の別の形態の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ハウジング
４  バックライトユニット
５  フロントライトユニット
６  保持体
２１  撮像素子
３０ａ  対物レンズ
３０ｂ  撮像レンズ
３３  入射側反射鏡
３６  出射側反射鏡
３８  ハーフミラー
４１  光源装置
Ｔ  撮像対象
【図１】
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【図２】
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【図３】
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