JPH03502601A - 対象物の表面を光学的に走査する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 対象物の表面を光学的に走査する装置 技術分野 この発明は、表面が光を反射又は散乱させる対象物、特に透明、半透明、又は不 透明の移動可能な対象物の表面を光学的に走査する装置とその方法に関し、前記 装置は対象物を照明する光源から成り、対象物が光学部材を通過する通過開口を 備えた光学部材と、−個の光電センサと、−個の評価装置とを備えている。その 場合、光は対象物のところで反射又は散乱した後、光学部材の光学的に有効な表 面上に当たり、センサに入射し、そして評価装置中で評価される。

従来の技術 西独特許第３６０１４４２号明細書により、対象物を光学的に走査する装置は公 知である。この装置は一個の光源から成り、この光源の光を偏向装置によつ＋走 査すべき対象物に当て、その後反射又は対象物を通過した後、この光を光電評価 装置中で評価している。その場合、偏向装置は回転する偏向光学系で構成されて いる。この光学系の回転軸は入射する光シームの軸に一致し、偏向した光ビーム を回転軸の回りの円軌道で回転させ、走査ビームが回転軸に対して平行又は一定 角度に傾いて進行する。前記偏向光学系は一個のプリズムである。このプリズム は高速回転していて、偏向した光を固定した凹面鏡に当てる傾斜した鏡面を有す る。この場合、前記プリズムは凹面鏡によって取り囲まれた空間の内部に、この 凹面鏡の主軸上に配設しである。この主軸は前記プリズムの回転軸に一致し、対 象物は凹面鏡の開口角の内部にある。凹面鏡の開口角の内部には、第二の凹面鏡 が配設しである。これ等の両凹面鏡の軸は一致し、対象物は第二凹面鏡の開口角 内に、又は第二凹面鏡によって取り囲まれている空間内に直接存゛在する。偏向 光学系は上下運動を行うので、回転時に対象物の外面を走査することができる。

この種の対象物の表面の空間的走査は、特に対象物が小さい場合、実行するのに 困難である。その理由は、画像を鮮明に得るのに、光学系に関して高価であり、 回転する部品を駆動する必要があるからで、このことは高価な装置に繋がる。移 動する偏向光学系を用いると、高分解能の結像を得るのが困難である。

米国特許第４３５２５５０号明細書によると、光ファイバーのリング内に斜めに 傾いた鏡面を有する回転プリズム装置は公知である。この光ファイバーの端部は 、プリズムの鏡面から反射した光ビームが光ファイバーの両端に当たるようにプ リズムに対向させである。複数の光ファイバーの遠くの端部は、一つの直線に纏 めであるので、回転する光ビームは往復光ビームに変換される。この装置には、 初めに述べた装置と同し難点がある。その場合、両方の装置を用いても移動する 対象物を走査できない。

技術課題 この発明の課題は、対象物の表面が光を反射させることができるか、あるいは散 乱させることができ、この表面を、主として対象物が移動している間に走査でき 、この走査で移動時に対象物の周囲の一定幅の領域を再生するため高分解能の画 像信号を、結像した周囲帯として形成する、上記技術分野に属する装置と方法を 提供することにある。

発明の開示 上記の課題の解決策は、この発明により請求の範囲第１項の特徴部分に記載され ている。この発明の他の有利な構成は従属請求項に開示しである。方法は請求の 範囲第１１項に記載されている。

この発明の顕著な利点は、この発明を用いて、半透明、透明、あるいは不透明で あるが、その表面が光を反射又は散乱させることができる任意ＣＩ″′形成され た対象物を実際上走査して、全周の予め指定できる幅の範囲、又はその−・部分 のみが、その対象物が移動している間に画像信号としで、例えば結像された周囲 帯、あるいはこの周囲帯の一部分の形態で高分解能で獲得できる。この場合、対 象物の表面は規則正しく又は拡散して散乱し、この対象物は大きな特表千３−５ ０２６０１　（３） 又は僅かな反射能を有する。対象物の表面に不規則性、穴、隙間、剥がれ、角の 損傷あるいはそれ以外のずれがあると、正常な表面に比べた反射又は散乱が変わ る。この反射又は散乱の変化はこの発明により検出される。

特に、この発明による装置は、ネジ、釘、鉛筆、ガスラ繊維及び他の多くの様な 細長い対象物を、特にその対象物が移動する時に、所定の品質判定条件に応じて 例えば対象物を分類するため、表面状態に関して検査するのに適している。その 場合、この装置は、例えば自由なとき、あるいは繊維の場合、通過するとき対象 物の表面を検出できるように設計できる。従って、この発明による装置の高負荷 が対象物の多くの装填量をもって、あるいは移動の単位距離毎の対象物に関して 保証できる。特に有利な点は、対象物の周囲のリングや対象物の前面を光学的に 検査できる点にある。

図面の簡単な説明 第１図、対象物の照明を合鏡を横から又は上部から通して周辺から行い、一方が 内部設置された円錐台状の回転鏡面を有する半透明合鏡として形成され、他方が その上に斜めに設置された鏡面を有する合鏡として形成された、貫通開口を有す る二つの鏡本体と、光学系と、その光学系の下にあるセンサとから成る装置の模 式図。

第２図、鏡本体より長い、比較的直径の短い細長い対象物、例えば鉛筆や繊維を 走査するため、その内部に回転し、斜めの半透明の円錐台状鏡面が形成されてい るただ一個の鏡本体を有する他の装置。

第３図、上部鏡面が閉じた面で半透明の下部鏡を備えたホログラフィクレユ／ズ として形成してあり、照明装置がこの鏡の上で垂直に配設してあり、光が対象物 にほぼ平行にこの対象物に入射する第１図に偵た装置。

第４回、上部鏡本体が貫通開口を有する斜めの平坦な板鏡であり、光学系部品が 貫通開口を有する内部設置された円錐台状の回転鏡面をｉえたプリズム状の合鏡 であり、光学系の照明装置が合鏡の上部にリング状に配設された光繊維、光学系 及びその下にあるセ：／すから成る、第１図の装置の技術構成。

第５図、第４図によるセン号上の狭い周囲り〉′グ又は走査線の結像の模式図。

第６図、上部鏡本体が組み込まれ、傾斜した平坦な板鏡であり、光学系部品が貫 通開口を有する内部設置され、円錐台状で、回転する凸面状に曲がった鏡面を備 えた合鏡であり、照明装置が第６図のように一個の光学系と対象物の周囲リング や前面を結像するセンシである装置の技術構成。

第゛７図、第６図によって得られた走査すべき対象物の周囲リングと前面の結像 図。

この発明の構成法 第１図は、光学系部品が下部プリズム鏡本体４で形成され、この鏡本体の上に上 部鏡本体１が配設してあり、両鏡本体は互いに垂直に重ねて保持されている装置 の模式配置を示す。鏡本体１と４は鏡面としてそれに相当する鏡面仕上げした面 を有する適当なガラスから成るが、これ等の鏡本体は鏡面仕上げした金属面を有 する金属で構成してもよい。鏡本体ｊは、主として円筒状に形成しであるが、こ の円筒１の主軸ないしは円筒軸】３に対して平行に延びる貫通開口２と共に、円 筒１を斜めに切断する面で形成される楕円形輪郭を有する斜めに延びる平坦な鏡 面も保有している。

鋳、本体４は、合鏡として形成されている。この合鏡の鏡面５は主として内部設 置された円錐台形で、半透明である。この合鏡の主軸は主軸１３に一致し”Ｃい る。鏡面５又は鏡本体４の中心を通って、貫通開口６が鏡面５の主軸１３の方向 に延びている。それ故、両方の貫通開口２，６は一致した主軸を有する。対象物 ９は透明、半透明又は不透明であってもよいが、この対象物を貫通開口２，６を 通して移動させることができる。この状況は移動矢印１０によって、例えば自由 状態にしても示しである。鏡本体１の鏡面３の横には、光学結像用の対物レンズ ７がある。この対物レンズ７の後ろには、センサ８が配設しである。このセンサ は、例えばダイオードリング又はダイオード面、好ましくはリング状又は面状の ＣＣＤマトリックス素子である。

鏡本体１は鏡面５の最大直径にほぼ等しい直径を有するので、平行投影では互い に鏡面３．５がほぼ同じ大きさである。ｕ！本体１は鏡面５の開口角１４の内部 に存在する。

対象物９は、この対象物をリング状に取り囲む多数の光ビーム１１．１１’によ って照明される。その場合、光ビーム１１．１１’が対象物９の表面に入射する 角度は、鏡本体１と４の貫通口２と６の主軸１３に対して９０度と一致しなくて もよい、従って、光ビーム１１．１１’　と貫通口２．６の主軸１３は物体９に 対して垂直に対向していないが、光ビームは主軸１３を斜めに通過する。鏡本体 ４は、適当な方法で光ビーム１１．１１’の入射範囲で透光性であってもよい、 従って、対象物９をリング状に取り囲む光ビーム１１．１！’は鏡本体４と半透 明な鏡面５を通過し、一定の幅で対象物９の全周回表面上に入射し、そこで多少 狭い表面リングを走査するか、あるいは対象物の照明がリング状に合鏡４の特表 千３−５０２６０１　（４） 上部で横から行われる。そこから、光１５．１５′が鏡面５に反射するか、又は 散乱光がそこに到達する。そこから、反射した光１５．１５’は上に向けて鏡面 ３に入射する。この鏡面は光を対物レンズ７に入れる。この対物レンズは、光を 集束させ、結像倍率に応じｔセンサ８の上に結像させる。ソフトウエヤに応じて リング又は面状に制御できるＣＣＤマトリックス素子は、走査した対象物９の周 囲帯を円形リング走査線又は面として結像させる。

説明した走査過程の場合、対象物９が移動矢印１０の方向で装置の主軸１３の方 向に移動すれば、対象物９の全周面を走査し、センサ８中で時間的に変化する円 形リング面として再生し、そのリング面が照明された周面を画像として結像する ようにされていることが判る。時点ｔで鏡面５を対象物９が通過　　　　゛する 場合、対象物９の表面の不規則性が照明されると、この不規則性はセンサ８の円 形リング面上に形成される対象物９の周囲帯と同期して表示される。

従って、この対象物を例えば選別できる。

第３図には、反射特性として透明な又は半透明な又は不透明な表面を有する、特 に鉛筆のような細長い対象物、あるいは繊維のような連続する対象物を走査する のに適した装置が示しである。この場合、対象物の直径は使用する対物レンズの 直径に比べたからなり小いさい。

例えば、円筒状に成形したプリズム鏡本体１６には、傾斜面１７がある。この傾 斜面には、鏡本体１６の主軸１３の方向に向いた貫通開口１８がある。

鏡本体１６の下端は、内側を半透明に鏡面仕上げした回転鏡面を形成して円錐台 形に斜めに切り出しであるので、円錐鏡面２０が形成されている。上部傾斜面１ ７は鏡面仕上げした内部鏡面１９として形成されている。その鏡面から横に対物 レンズ７が、またその下に第１図のセンサ８が存在している。対象物２１の照明 は、第１図と同じようにして行われている。

第２図から、走査すべき対象物２１が鏡本体１６の高さより長くてもよいことが 判る。対象物２１の直径が対物レンズ７の直径のある大きさ比を越えない場合、 細長い対象物２１は走査時に光学的な絞りのように作用するので、対象物２１の 厚さで対物レンズ７をある程度覆っているにも係わらず、ある程度の輝度損失が ある場合、対象物の回りを大体見ることができる。上記の比が走査すべき対象物 ２１の厚さと対物レンズ７の直径の間にあるか、あるいはそれを越えないなら、 鏡本体の全体より長い対象物、例えば繊維も移動しながら走査できると言う条件 が満たされていることになる。

第３図は、下部領域に第１図の鏡本体４と同じように形成されいている合鏡２３ が同心状に挿入してあり、中心貫通開口２４を有するケース２２で構成された装 置の一例を示す。このケース２２の上部には、例えばレーザー源を有する照明装 置２５が配設してり、このケース２２の横の窓３６の下には、光学系２６が配設 しである。この光学系の背後には、第１図のセンサと同じように形成されたセン サ２７が設置しである。このセンサの出力は図示していない評価装置に供給され る。合鏡２３の上部のケース２２の内部には、斜めに設置されたホログラフィッ ク・レンズ２８があり、このレンズの下側に半透明′　の鏡２９が配設しである 。

照明装置２５の光束３１．３１’はホログラフィック・レンズ２８を通過してこ のレンズで集束されるので、その後で鋭角に制限されたビーム３２．３２′が中 心軸３５に対して走査すべき対象物３４上に入射する。この対象物は合鏡２３の 内部の貫通開口２４を通過して移動する。対象物３４の表面から反射した光ビー ム３３．３３’は合鏡２３の鏡面３０上に入射し、そこから反射して、半透明の 鏡２９に入射する。そして、そごから反射した後、光学系２６を通過してセンサ ２７に入射する。

ホログラフィック・レンズ２８と半透明な鏡２９は貫通開口を保有していないが 、対象物３４はこのレンズ２８の下で合鏡２３の貫通関口２４中に移動する。共 通の貫通開口を保有するホログラフィック・レンズ２８と半透明な鏡２９を構成 することも考えられる。その外、ホログラフインク・レンズを半透明なフレネル 鏡に置き換える構成も可能である。

今までの全図面では、閉じ込めた光束を制限した光ビームの全長はそれぞれ同じ である。

第４図は、第１図の装置に似た装置の技術構成を示す、この装置は、下部ケース カバー３８の中心隙間内に、内部設置され、円錐台状で、回転した鏡面３０と貫 通間口２４を備えた（第３図の）合鏡２３が挿入しである円筒状ケース３７で構 成されている。

その場合、１部鏡本体３つは、第１図の傾斜した平坦な鏡面４０を保有し、この 鏡面は光学系２６とその背後にあるセンサ２７に対向設置し、である、鏡本体３ ９は対象物３４′を通過させる貫通間口４１を保有する。その場合、主軸４２は 同時に合鏡２３の中心軸と鏡本体３９の中心軸に垂直である。引用記号３４を用 いて、対象物３４がｒからでも合鏡２３の貫通関口２４を通過して移動できる。

対象物３４．３４’の照明は、合鏡２３の横や上部でこの対象物３４．３４’の 通路の回りにリング状に配設した光繊維４４．４４’によって周辺から行われる 。前記光繊維の端部は、ホルダー４５の内部で大幅に移動可能に保持される。光 繊維４４．４４′の出射面の法線は、主として中心軸４２に垂直に向けてないの で、入射光は、対象物３・１の表面に特表千３−５０２６０１（５） ９０度と異なる角度で入射する。この装置の他の機能様式は、第１図と第３図で 説明したものと同じである。

第５図は、センサ２７内部のＣＣＤマトリックス素子４６を示す。この素子上に は、光学系２６が対象物３４から反射した光４８を狭い円形リング４７として結 像する。このリングは対象物３４上を走査した周囲リング４９を再現する。

第６図は、第４図の装置に似た装置の他の技術構成を示す。この場合、ケース内 には組み込まれた上部鏡本体５０が貫通開口なしに使用されている。この鏡本体 は鏡本体３９により傾いた平坦な鏡面６０を有する。第４図のように、鏡本体５ ０の下には、貫通開口５２を有する合鏡５１が配設しである。第４図の構成との 相違には、斜めに巡回する内部設置され、円錐台形の鏡面５３が外部曲線に沿っ て湾曲しているので、断面で鏡面５３の切断線は、この図のように直線の代わり に、湾曲した曲線である。鏡面５３は、対象物によって反射された光６１が互い に吸引されるように凸状に湾曲している。

合鏡５１の上部に周辺がリング状に配設された光繊維４４．４４’は、対象物５ ４、例えばドリルの前面５６から間隔Ｓを保っている。従っζ、かなり広い対象 物５４の周囲リング５５が同時に対象物５４の前面と共に同時に走査される。

第７図は、センサ２７内のＣＣＤマトリックス素子５７上での走査の結果を示す 。一方で、対象物５４の周囲リング５５に相当する比較的広い円形リング５８を 形成し、他方で同時にこの円形リングの内部で同心状に対象物５４の前面を再現 する円形面５９を結像する。

これには、ＣＣＤマトリックス素子５７は、ソフトウェヤにより電子的にマスク されるので、円形リング５８と円形面５９の表示された像が得られる。

合鏡の表面は、更に凹状に湾曲させることができので、この種の合鏡の断面では 、鏡面の切断曲線が凹状に曲がった曲線になる。同様に、合鏡は鏡本体と一緒に 、アナモルフィック結像を可能にするアナモルフィック光学系となる。

説明した光学素子は、対象物を周囲からリング状に取り巻き、反射光をセンサに 導く多数のＬ・ンズで構成することもできる。その場合、場合によって、これ等 のレンズとセンサ間に、光学的な光繊維を配役することもできる。

産業上の利用度 この発明による装置と方法は、一方で、特に大量製品として作製される多数の対 象物を短時間に所定の製品品質の判定条件に従って検査し７、仕分けし場合に、 また他方で連続する対象物、例えば織物の繊維の一片をその色も含めて表面状態 に関して検出されるところに導入するのに適している。

引用記号のリスト １　　　本体 ２　　　貫通開口 ３　　　斜めの鏡面 ４　　　円錐状プリズム ５　　　円錐鏡面 ６　　　貫通開口 ア　　　対物レンズ ８　　　センサ（ＣＣＤマトリックス素子）９　　　対象物 １０　　　　対象物の移動方向の移動矢印１１、１１’入射した光ビーム １２　　　　リング状走査面 １３　　　　主軸 １４　　　　間口角 １５　　　　反射光ビー・ム 】６　　　プリズム鏡本体 １７　　　　傾斜面 １８　　　　貫通開口 １９　　　　斜めの平坦な内部鏡面 ２０　　　　円錐状の半透明鏡面 ２１　　　　対象物 ２２　　　　ケース ２３　　　　台鏡 ２４　　　　貫通開口 ２５　　　　照明装置（レーザー） ２６　　　　光学系 ２７　　　　センサ ２８　　　　ホログラフィック・レンズ２９　　　　鏡面を有する鏡 ３０　　　　鏡面 ３１、３１’　、３２．３２’限界ビーム３３、３３’反射光ビーム ３４　　　　対象物 ３５　　　　中心軸 ３８　　　　下部ケースカバー ３９　　　　鏡本体 ４０　　　　鏡面 ４１　　　　貫通開口 ４２　　　　主軸 ４３　　　　隙間 ４４、４４’光繊維 ４５　　　　ホルダー ４６　　　　ＣＣＤマトリックス素子 ４７　　　　円形リング ４８　　　　反射光ビーム ４９　　　　照明された対象物の狭い周囲リング５０　　　　鏡本体 ５１　　　　合鏡 ５２　　　　貫通開口 ５３　　　　鏡面 ５４　　　　対象物 ５５　　　　周囲の面 ５６　　　　前面 ５７　　　　ＣＣＤマトリックス素子 ５８　　　　円形リング ５９　　　　リング表面 ６０　　　　鏡面 ６１　　　　反射光ビーム Ｆｉｇ、３ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成２年６月８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．対象物が光学構成部材を通過するための貫通開口を有するこの構成部材と、 一個の光電センサと、一つの電気評価装置とを備え、その場合、光が対象物での 反射又は散乱して、前記構成部材の鏡面に入射し、評価装置中で評価される、対 象物を照明する光源から成り、対象物の表面が光を反射又は散乱させる、対象物 、特に透明、半透明又は不透明で、移動する対象物の表面を光学的に走査する装 置において、 前記光学構成部材（４，２０，２３，５１）の貫通開口（６，１８，２４，５２ ）が、その鏡面（５，２０，３０，５３）に対して同心状に配設してあり、対象 物（９．２１，３４，５４）を前記貫通開口に通して走査する場合、対象物を取 り囲み、光源（１１，１１′，２５，９１．３１′，４４，４４′）が前記対象 物の周囲を貫通開口の領域で照明し、、前記対象物からその周囲に反射又は散乱 された光（１５，１５′，３３，３３′，４８）は、周囲で構成部材の鏡面に入 射し、その場合貫通開口の上で、開口角（１４）の内部の構成部材の主軸（１３ ，３５，４２）の方向に第二鏡（１，１６，２９，３９，５０）があり、この鏡 は構成部材の主軸に斜めに傾いた鏡面（３，１９，２９，４０，６０）を有し、 この鏡面は反射又は散乱した光（１５，１５′，３３，３３′，４８）を光学系 （７，２６）上に再生し、こお光学系は前記の光をセンサ（８，２７，４６，５ ７）に導き、このセンサは反射又は散乱した光から、対象物の所定の幅の周囲領 域（４９，５５）に相当する周囲帯（４７，５８）を検出することを特徴とする 装置。 ２．光学構成部材は、円錐状又は皿状で鏡面仕上げした内部台鏡（４，２０，２ ３，５１）であり、この台鏡の貫通開口（６，１８，２４，５２）は回転する鏡 面（５，２０，３０，５３）に対して同心状に配設してあり、センサ（８，２７ ）はＣＣＤマトリックス素子（４６，５７）であることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の装置。 ３．台鏡（４，２０，２３）の上部の第二鏡（１，１６，２９，３９）も、対象 物（９，１３，３４）の貫通開口（２，１８，４１）を保有し、この貫通開口は 台鏡（４，２０，２３）の貫通開口（６，１８，２４）の上部で垂直に配設して あり、両方の貫通開口（２，６，１８，２４，４１）の軸（１３，４２）が一致 していることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の装置。 ４．台鏡は一個のプリズム（４，２３，５１）から成り、第二鏡は第一プリズム から離れた鏡本体（１，３９，５０）で構成されていることを特徴とする請求の 範囲第２項に記載の装置。 ５．両方の鏡（１９，２０）はただ一個のプリズム円筒鏡本体（１６）から対向 させて形成され、その下端は内部設置された円錐鏡（２０）として円錐台状に、 また上端は楕円鏡面（１９）を有する斜め板鏡として形成されていることを特徴 とする請求の範囲第３項に記載の装置。 ７．対象物（３４，３４′，５４）を照明するため、光繊維（４４，４４′）の 両端は、対象物（３４，５４）の通路を取り巻くホルダー（４５）の内部でリン グ状に配設してあることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。 ８．光学構成部材は、多数のレンズであり、これ等のレンズは対象物の周囲を主 としてリング状に取り囲み、反射した光はセンサに導かれ、その場合、場合によ っては、これ等のレンズとセンサの間に光学光繊維が配設してあることを特徴と する請求の範囲第１項に記載の装置。 ９．台鏡（２３）の上部の鏡は、ホログラフィックレンズ（２８）又は半透明な フレネル鏡であり、この鏡と台鏡の間に半透明な鏡（２９）があり、光源（２５ ）がホログラフィック・レンズ又はフレネル鏡の上部に垂直に配設してあること を特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。 １０．対象物が光学構成部材を通過するための貫通開口を有するこの構成部材と 、一個の光電センサと、一つの電気評価装置とを備え、その場合、光が対象物で の反射又は散乱して、前記構成部材の鏡面に入射し、評価装置中で評価される、 対象物を照明する光源から成り、対象物の表面が光を反射又は散乱させる、対象 物、特に透明、半透明又は不透明で、移動する対象物の表面を光学的に走査する 装置において、 対象物（３４，３４′，５４）は光学構成部材としての台鏡（２３，５１）の貫 通開口（２４，５２）を通過して移動し、対象物の周囲から反射及び／又は散乱 された光（４８，６１）が周囲で台鏡（２３，５１）の鏡面（３０，５３）上に 入射し、この鏡面からセンサとしてのＣＣＤマトリックス素子に入射し、このセ ンサは反射した光から、対象物（３４，３４′，５４）の所定の幅の周囲領域（ ４９，５５，５６）に相当する閉じた周囲帯（４７，５８，５９）を検出するこ とを特徴とする装置。