JP7614937B2 - ピンホール検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピンホール検出装置に関する。

特許文献１は、被検査物の肉厚方向に対して傾斜している貫通欠陥をも精度よく検出することができる表面欠陥検査装置を提供することを目的としている（第３欄第１０行～第１３行）。当該目的を達成するため、特許文献１の表面欠陥検査装置は、被検査物の検査面に光を照射する光源と、前記照射光の透過光量を検出する検出器を有し、被検査物と光源との間に前記検出器上に焦点を結ぶ光学レンズを配設する（第３欄第１５行～第２０行、第１図）。

特許文献２は、シート状物体の面に対して斜めに延びて形成されたピンホールのような異常部をも検出するシート状物体のピンホール検出装置の提供を目的としている（第２欄第１９行～第３欄第２行）。当該目的を達成するため、特許文献２のシート状物体の異常部検出装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザビームを分散させて分散ビームに変えるレンズと、前記分散ビームが一方の側から入射されるように配置されるシート状物体と、前記シート状物体の他方の側において前記分散ビームの透過光に感応するように配置される光感応手段と備える（特許請求の範囲）。光感応手段は、ファイバオプティクスのような光伝導体ＦＯと光電変換素子ＰＨを有する（第４欄第１２行～第１４行、図面）。

特許文献３は、検知精度の高いシート材のピンホール検知装置を提供することを目的としている（第４頁第７行～第８行）。当該目的を達成するため、特許文献３では、走行するシート材の一面より光を照射し、他面においてシート材のピンホールを貫通した光をシート材の進行方向に直角に配列された光伝送繊維の端面で受光し、光伝送繊維を介して光検出素子に光を導くシート材のピンホール検出装置において、光伝送繊維の受光用端部は俵積状に複数列配置されている（請求項１、第４図～第６図）。

特開昭６１－０２５０４２号公報 特開昭５０－０３４５８６号公報 実開昭５５－１１６２５６号公報

特許文献１では、検出器（３）が照射光の透過光量を検出すると説明されているものの（第３欄第１６行～第１７行等）、検出器（３）の具体的な構成については説明されていない。また、特許文献２では、光感応手段として、ファイバオプティクスのような光伝導体ＦＯと光電変換素子ＰＨが説明されているが（第４欄第１２行～第１４行、図面）、光伝導体ＦＯ（光学繊維）の仕様についての具体的な検討はなされていない。

さらに、特許文献３では、光伝送繊維７（光学繊維）の断面形状や配置についての開示はあるものの（第３頁第１６行～第２０行、第４図～第６図等）、光伝送繊維７のその他の仕様については検討がなされていない。そのため、ピンホールの検出精度について改善の余地がある。

本発明は上記のような課題を考慮してなされたものであり、ピンホールの検出精度を向上可能なピンホール検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るピンホール検出装置は、
被検査対象物に光を照射する光源と、
前記光源と前記被検査対象物の間に配置される光学レンズと、
前記光学レンズにより収束されて前記被検査対象物のピンホールを透過した光を検出する検出器と
を有するものであって、
前記検出器は、前記被検査対象物のピンホールを透過した光を伝播する光学繊維を備え、
前記光源の光軸に対する前記ピンホールを検出可能な最大検出可能角度をθとすると、前記光源の光軸に対する前記光学繊維が伝播可能な光の最大入射角は、θ＋０°～θ＋５°の範囲であり、
前記光源と前記検出器の間には、
前記光源の長手方向に沿って配置された前記光源側の第１リニアフレネルレンズと、 前記光源の長手方向に沿って、前記第１リニアフレネルレンズよりも前記検出器側に配置された第２リニアフレネルレンズと
が設けられ、
前記第１リニアフレネルレンズは、前記光源から出射された光を平行光になるように屈折させ、
前記第２リニアフレネルレンズは、前記光源の長手方向に見たときに前記第２リニアフレネルレンズにより屈折した光の最大偏光角が、前記光学繊維の端面に対する最大入射角と同等になる、又は前記最大入射角よりも小さくなるように前記平行光を屈折させる
ことを特徴とする。

本発明によれば、検出対象とするピンホールの検出を確実にしつつ、光学繊維に外乱光（又は漏洩光）が入り込むことを防ぎ易くなる。その結果、透過光と外乱光の信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を高めて、ピンホールの検出精度を向上させることが可能となる。本発明によれば、被検査対象物が例えば帯状である場合に好適に用いることが可能となる。特に、被検査対象物が搬送方向に延伸されるもの（例えば鋼板、光を透過しないフィルム、紙）である場合、傾斜したピンホールが生じ易い。本発明では、搬送方向に傾斜したピンホールの検出が容易となる。

本発明では、前記光源は、前記被検査対象物に対して線状に光を照射するリニア光源であり、前記光学レンズは、前記光源から照射され該光源の光軸から離れる方向に広がる光を、前記光源の光軸に接近する方向に収束させ、前記検出器は、前記光源に対して複数の前記光学繊維が並んで配置され、前記光学レンズの最大偏光角をθ１とするとき、前記最大偏光角θ１を前記最大検出可能角度θ以上に設定してもよい。

本発明では、前記光学レンズの最大偏光角をθ１とするとき、前記光学繊維が伝播可能な前記光が前記光源の光軸となす最大入射角は、θ１＋０°～θ１＋５°の範囲に含まれる構成としてもよい。

本発明では、前記光源の長手方向に対して垂直な方向でかつ前記光源の光軸に直交する方向に前記被検査対象物を移動させる搬送装置を有し、前記被検査対象物に面する前記光学繊維の端面は、前記光学レンズの焦点位置に配置される、又は前記光学レンズの焦点位置よりも前記被検査対象物側に配置される構成としてもよい。

本発明によれば、被検査対象物をピンホール検出装置に対して移動させている場合でも、ピンホールを検出し易くなる。すなわち、光学繊維の端面を、光学レンズの焦点位置に配置した場合、検出器は、ピンホールの透過光を非常にシャープな立ち上がりを伴って検出する一方、当該立ち上がりを検出する時間は比較的短い。これに対し、光学繊維の端面を、光学レンズの焦点位置よりも被検査対象物側に配置すると、検出器が検出するピンホールの透過光による立ち上がりは、前者よりも小さいものの、立ち上がりを検出する時間は比較的長くなる。そのため、被検査対象物の移動速度によって、前者の配置（光学レンズの焦点位置での配置）ではピンホールを検出できない場合でも、後者の配置（焦点位置よりも被検査対象物側の配置）では検出可能な場合が生じ得る。従って、後者の配置では、被検査対象物の移動速度を速めることが可能となる。

なお、前者又は後者の配置いずれの場合も、ピンホールの有無を判定する判定基準を設定する必要があり、この判定基準は、前者と後者で異なるものとしてもよい。ここにいう判定基準には、例えば、検出器の信号強度、移動平均の計算に用いるデータ数が含まれる。

本発明では、前記光源と前記検出器の間には、前記光源の長手方向に沿って配置された前記光源側の第１リニアフレネルレンズと、前記光源の長手方向に沿って、前記第１リニアフレネルレンズよりも前記検出器側に配置された第２リニアフレネルレンズとが設けられ、前記第１リニアフレネルレンズは、前記光源から出射された光を平行光になるように屈折させ、前記第２リニアフレネルレンズは、前記光源の長手方向に見たときに前記第２リニアフレネルレンズにより屈折した光の最大偏光角が、前記光学繊維の端面に対する最大入射角と同等になる、又は前記最大入射角よりも小さくなるように前記平行光を屈折させてもよい。本発明によれば、第１リニアフレネルレンズと第２リニアフレネルレンズの間は平行光となるため、両フレネルレンズ間の距離調整が容易となる。

本発明によれば、ピンホールの検出精度を向上することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るピンホール検出装置の構成を簡略的に示す斜視図である。 前記実施形態における光学レンズ及び光学繊維の光学特性を説明する図である。

＜Ａ．一実施形態＞
［Ａ－１．構成］
（Ａ－１－１．全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るピンホール検出装置１０の構成を簡略的に示す斜視図である。ピンホール検出装置１０は、被検査対象物１００に生じたピンホール１１０を検出する。ピンホール検出装置１０は、光源２０と、光学レンズ２２ａ、２２ｂと、検出器２４と、搬送装置２６とを有する。検出器２４は、複数の光学繊維３０と、少なくとも１つの検出素子３２とを有する。被検査対象物１００は、搬送装置２６により図１中、矢印１２０の方向に搬送される。

（Ａ－１－２．光源２０）
光源２０は、被検査対象物１００に光５０を照射する。光源２０は、例えば複数のランプ（図示せず）を直線状に配置して被検査対象物１００に対して線状に光を照射するリニア光源である。

（Ａ－１－３．光学レンズ２２ａ、２２ｂ）
図１に示すように、光学レンズ２２ａ、２２ｂは、光源２０と被検査対象物１００の間に配置される。光源２０から検出器２４に向かう方向（図１における下向き方向）に見たとき、光学レンズ２２ａ、２２ｂは、光源２０からの光５０を、光源２０の長手方向に対して垂直な方向に収束させる。つまり、光学レンズ２２ａ、２２ｂは、光源２０から照射され光源２０の光軸から離れる方向に広がる光を、光源２０の光軸に接近する方向に収束させる。

光学レンズ２２ａは、光学レンズ２２ｂよりも光源２０側に配置された第１リニアフレネルレンズである（以下「第１リニアフレネルレンズ２２ａ」又は「第１レンズ２２ａ」ともいう。）。第１レンズ２２ａは、光源２０の長手方向に沿って配置されており、光源２０から出射された光５０を、平行光になるように屈折させる。つまり、第１レンズ２２ａは、光源２０から照射され光源２０の光軸から離れる方向に広がる光を屈折させて、光軸と平行にする。

光学レンズ２２ｂは、第１光学レンズ２２ａよりも検出器２４側に配置された第２リニアフレネルレンズである（以下「第２リニアフレネルレンズ２２ｂ」又は「第２レンズ２２ｂ」ともいう。）。第２レンズ２２ｂは、光源２０の長手方向に沿って配置されており、光源２０から検出器２４に向かう方向（図１における下向き方向）に見たとき、第１レンズ２２ａからの平行光を、光源２０の長手方向に対して垂直な方向に収束させる。つまり、第２レンズ２２ｂは、光軸と平行な光を光源２０の光軸に接近する方向に収束させる。

図２は、本実施形態における光学レンズ２２ｂ及び光学繊維３０の光学特性を説明する図である。図２において、θ１は、第２レンズ２２ｂにより屈折した光５０の最大偏光角である。θ２は、光学繊維３０が伝播可能な光５０が光源２０の光軸６０に対してなす最大入射角である。θ２’は、θ２＋５°の角度である。第２レンズ２２ｂは、第２レンズ２２ｂにより屈折した光５０の最大偏光角θ１が、光学繊維３０の端面に対する最大入射角θ２と同等になるように平行光を屈折させる。或いは、第２レンズ２２ｂは、最大偏光角θ１が最大入射角θ２よりも小さくなるように平行光を屈折させてもよい。

（Ａ－１－４．検出器２４）
検出器２４は、光学レンズ２２ａ、２２ｂにより収束されて被検査対象物１００のピンホール１１０を透過した光５０を検出する。本実施形態では、光学レンズ２２ａ、２２ｂにより光５０が収束されているため、斜めのピンホール１１０についても光５０が透過する。

図１に示すように、検出器２４は、複数の光学繊維３０（光ファイバ）と、少なくとも１つの検出素子３２と、図示しないピンホール判定部とを有する。各光学繊維３０は、被検査対象物１００を透過した光５０を検出素子３２に伝播する（但し、最大入射角θ２よりも大きな入射角の光５０は、光学繊維３０により伝播されない。）。

図１の拡大部分３４に示すように、光学繊維３０は、光源２０の長手方向に沿って直線状に配置される。また、光学繊維３０の被検査対象物１００側の端面は、光学レンズ２２ａ、２２ｂ、被検査対象物１００と平行になるように配置される。さらに、本実施形態において、被検査対象物１００に面する光学繊維３０の端面（図１における上側の端面）は、光学レンズ２２ｂの焦点位置に配置される。

検出素子３２は、光学繊維３０を伝播した光を電気信号に変換する素子であり、例えば、光電子増倍管、ＣｄＳセル等を用いることができる。ピンホール判定部は、検出素子３２の出力に基づいて、ピンホール１１０の有無を判定する。ピンホール判定部は、被検査対象物１００の種類、搬送速度等に応じて、ピンホール１１０の判定基準（信号強度、移動平均の計算に用いるデータ数等）の設定を切替え可能に構成されてもよい。

（Ａ－１－５．搬送装置２６）
搬送装置２６は、光源２０の長手方向に対して垂直な方向でかつ光源２０の光軸に直交する方向に被検査対象物１００を移動させる。搬送装置２６は、図示しない電動モータで回転するロール等を有し、被検査対象物１００を搬送する。光源２０から検出器２４に向かう方向に見たとき、搬送装置２６は、光源２０の長手方向に対して垂直な方向（図１の矢印１２０の方向）に被検査対象物１００を移動させる。なお、本実施形態において、被検査対象物１００は移動するが、光源２０、光学レンズ２２ａ、２２ｂ及び検出器２４は固定されている。

（Ａ－１－６．被検査対象物１００）
被検査対象物１００は、帯状であり、例えば鋼板、光を透過しないフィルム、紙等とすることができる。被検査対象物１００は、搬送方向（矢印１２０の方向）に延伸されたものであってもよい。被検査対象物１００が鋼板である場合、その幅（進行方向に垂直な方向の長さ）は、例えば、５０ｃｍ～１ｍとすることができる。

［Ａ－２．製造方法（設計方法）］
次に、本実施形態のピンホール検出装置１０の製造方法（設計方法）について説明する。本実施形態では、ピンホール検出装置１０の検出精度を向上するために各部の仕様を詳細に設定する。一例としての製造方法（設計方法）は下記のようなものである。

製造者（設計者）は、被検査対象物１００の厚み（設計値又は実測値）及びピンホール１１０の孔径（想定値又は過去の実測値）に基づいてピンホール１１０の最大検出可能角度θを決定する。最大検出可能角度θは、光源２０の長手方向に見たとき、検出対象とするピンホール１１０が光源２０の光軸６０（図２）に対してなす最大角度である。被検査対象物１００の厚みが大きくなるほど及びピンホール１１０の孔径が小さくなるほど、斜めの光５０が透過しづらくなるため、最大検出可能角度θを小さくする。

次いで、製造者（設計者）は、光学繊維３０が伝播可能な光５０が光源２０の光軸６０に対してなす最大入射角θ２（図２）を決定する。最大入射角θ２は、例えば、最大検出可能角度θ＋０°～θ＋５°の範囲とする。最大入射角θ２を決定すると、当該最大入射角θ２を実現する光学繊維３０の仕様を選択する。最大入射角θ２は、開口数（ＮＡ）と実質的に同義であり、光学繊維３０の素材、コアとクラッドの屈折率等により変化する。そこで、製造者（設計者）は、最大入射角θ２を実現する光学繊維３０を選択する。

次いで、製造者（設計者）は、光源２０及びレンズ２２ａ、２２ｂの仕様を設定する。例えば、製造者（設計者）は、光学レンズ２２ｂの最大偏光角をθ１とするとき（図２）、最大入射角θ２がθ１＋０°～θ１＋５°の範囲に含まれるように最大偏光角θ１を設定する。

［Ａ－３．本実施形態の効果］
本実施形態によれば、光源２０（ライン光源）の長手方向に見たとき、検出対象とするピンホール１１０が光源２０の光軸６０に対してなす最大検出可能角度をθとすると、光学繊維３０が伝播可能な光５０が光軸６０に対してなす最大入射角θ２は、θ＋０°～θ＋５°の範囲に設定される。つまり、光源２０の光軸６０に対するピンホール１１０を検出可能な最大検出可能角度をθとすると、光源２０の光軸６０に対する光学繊維３０が伝播可能な光５０の最大入射角は、θ＋０°～θ＋５°の範囲である。これにより、検出対象とするピンホール１１０の検出を確実にしつつ、光学繊維３０に外乱光（又は漏洩光）が入り込むことを防ぎ易くなる。その結果、透過光と外乱光の信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を高めて、ピンホール１１０の検出精度を向上させることが可能となる。

本実施形態において、光源２０は、被検査対象物１００に対して線状に光を照射するリニア光源であり、光学レンズ２２ａ、２２ｂは、光源２０から照射され光源２０の光軸６０から離れる方向に広がる光を、光源２０の光軸６０に接近する方向に収束させる。そして、検出器２４は、光源２０に対向して複数の光学繊維３０が並んで配置され、光学レンズ２２ｂの最大偏光角をθ１とするとき、最大偏光角θ１を最大検出可能角度θ以上に設定する。これにより、ピンホール１１０の検出に必要な光量を確保し易くなる。

本実施形態において、被検査対象物１００に面する光学繊維３０の端面は、光学レンズ２２ｂの焦点位置に配置される（図１）。一方で、被検査対象物１００に面する光学繊維３０の端面は、光学レンズ２２ｂの焦点位置よりも被検査対象物１００側に配置されていてもよい。これにより、被検査対象物１００をピンホール検出装置１０に対して移動させている場合でも、ピンホール１１０を検出し易くなる。すなわち、光学繊維３０の端面を、光学レンズ２２ｂの焦点位置に配置した場合、検出器２４は、ピンホール１１０の透過光を非常にシャープな立ち上がりを伴って検出する一方、当該立ち上がりを検出する時間は比較的短い。これに対し、光学繊維３０の端面を、光学レンズ２２ｂの焦点位置よりも被検査対象物１００側に配置すると、検出器２４が検出するピンホール１１０の透過光による立ち上がりは、前者よりも小さいものの、立ち上がりを検出する時間は比較的長くなる。そのため、被検査対象物１００の移動速度によって、前者の配置（光学レンズ２２ｂの焦点位置での配置）ではピンホール１１０を検出できない場合でも、後者の配置（焦点位置よりも被検査対象物１００側の配置）では検出可能な場合が生じ得る。従って、後者の配置では、被検査対象物１００の移動速度を高めることが可能となる。

本実施形態において、搬送装置２６は、光源２０の長手方向に対して垂直な方向でかつ光源２０の光軸６０に直交する方向（矢印１２０の方向）に被検査対象物１００を移動させる（図１）。これにより、被検査対象物１００が例えば帯状である場合に好適に用いることが可能となる。特に、被検査対象物１００が搬送方向に延伸されるもの（例えば鋼板、光を透過しないフィルム、紙等）である場合、傾斜したピンホールが生じ易い。本実施形態では、搬送方向に傾斜したピンホール１１０の検出が容易となる。

本実施形態において、光源２０と検出器２４の間には、光源２０の長手方向に沿って配置された光源２０側の第１リニアフレネルレンズ２２ａと、光源２０の長手方向に沿って、第１リニアフレネルレンズ２２ａよりも検出器２４側に配置された第２リニアフレネルレンズ２２ｂとが設けられる（図１）。第１リニアフレネルレンズ２２ａは、光源２０から出射された光５０を平行光になるように屈折させる（図１）。第２リニアフレネルレンズ２２ｂは、光学レンズ２２ｂにより屈折した光の最大偏光角θ１が、光学繊維３０の端面に対する最大入射角θ２と同等になる又は最大入射角θ２よりも小さくなるように平行光を屈折させる（図１及び図２）。これにより、第１リニアフレネルレンズ２２ａと第２リニアフレネルレンズ２２ｂの間は平行光となるため、両フレネルレンズ２２ａ、２２ｂ間の距離調整が容易となる。

＜Ｂ．変形例＞
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

［Ｂ－１．光源］
上記実施形態では、光源２０はリニア光源であったが（図１）、リニア光源以外であってもよい。上記実施形態では、１つのリニア光源を用いたが（図１）、例えば特許文献１の第５図のように複数の光源２０を用いてもよい。上記実施形態では、光源２０が上側、検出器２４が下側であったが、逆であってもよい。

［Ｂ－２．光学レンズ］
上記実施形態では、第１リニアフレネルレンズ２２ａ及び第２リニアフレネルレンズ２２ｂを用いた（図１）。しかしながら、その他のレンズを用いることも可能である。

［Ｂ－３．検出器］
上記実施形態では、光学繊維３０を直線状に配置した（図１）。しかしながら、例えば、被検査対象物１００の幅（光源２０の長手方向における長さ）全体についてピンホール１１０を検出する観点からすれば、これに限らない。光学繊維３０は、その他の配置で、光源２０の長手方向に互いに偏位させてもよい。

上記実施形態では、被検査対象物１００に面する光学繊維３０の端面を、光学レンズ２２ｂの焦点位置よりも被検査対象物１００側に配置した（図１）。しかしながら、被検査対象物１００の搬送速度等によっては、光学繊維３０の端面を、光学レンズ２２ｂの焦点位置に配置してもよい。

［Ｂ－４．搬送装置］
上記実施形態では、被検査対象物１００を移動させるために搬送装置２６を用いたが（図１）、ピンホール１１０の検出に着目すれば、搬送装置２６を設けないことも可能である。

１０ ピンホール検出装置、２０ 光源（リニア光源）、２２ａ 光学レンズ（第１リニアフレネルレンズ）、２２ｂ 光学レンズ（第２リニアフレネルレンズ）、２４ 検出器、２６ 搬送装置、３０ 光学繊維、３２ 検出素子、５０ 光、６０ 光軸、１００ 被検査対象物、１１０ ピンホール、θ 最大検出可能角度、θ１ 最大偏光角、θ２ 最大入射角

Claims (4)

1. 被検査対象物に光を照射する光源と、
   前記光源と前記被検査対象物の間に配置される光学レンズと、
   前記光学レンズにより収束されて前記被検査対象物のピンホールを透過した光を検出する検出器と
   を有するピンホール検出装置であって、
   前記検出器は、前記被検査対象物のピンホールを透過した光を伝播する光学繊維を備え、
   前記光源の光軸に対する前記ピンホールを検出可能な最大検出可能角度をθとすると、前記光源の光軸に対する前記光学繊維が伝播可能な光の最大入射角は、θ+０°～θ+５°の範囲であり、
   前記光源と前記検出器の間には、
   前記光源の長手方向に沿って配置された前記光源側の第１リニアフレネルレンズと、 前記光源の長手方向に沿って、前記第１リニアフレネルレンズよりも前記検出器側に配置された第２リニアフレネルレンズと
   が設けられ、
   前記第１リニアフレネルレンズは、前記光源から出射された光を平行光になるように屈折させ、
   前記第２リニアフレネルレンズは、前記光源の長手方向に見たときに前記第２リニアフレネルレンズにより屈折した光の最大偏光角が、前記光学繊維の端面に対する最大入射角と同等になる、又は前記最大入射角よりも小さくなるように前記平行光を屈折させる
   ことを特徴とするピンホール検出装置。
2. 前記光源は、前記被検査対象物に対して線状に光を照射するリニア光源であり、
   前記光学レンズは、前記光源から照射され該光源の光軸から離れる方向に広がる光を、前記光源の光軸に接近する方向に収束させ、
   前記検出器は、前記光源に対向して複数の前記光学繊維が並んで配置され、
   前記光学レンズの最大偏光角をθ１とするとき、前記最大偏光角θ１を前記最大検出可能角度θ以上に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のピンホール検出装置。
3. 前記光学繊維が伝播可能な前記光が前記光源の光軸となす最大入射角は、θ１+０°～θ１+５°の範囲に含まれる
   ことを特徴とする請求項２に記載のピンホール検出装置。
4. 前記光源の長手方向に対して垂直な方向でかつ前記光源の光軸に直交する方向に前記被検査対象物を移動させる搬送装置を有し、
   前記被検査対象物に面する前記光学繊維の端面は、前記光学レンズの焦点位置に配置される、又は前記光学レンズの焦点位置よりも前記被検査対象物側に配置される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のピンホール検出装置。

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