照明の選定方法

照明の選定

画像処理ソフトウェアやカメラが優れていても、検査対象の明るさ、つまり光の情報をカメラで的確にとらえなければ、目的とする検査結果は得られません。そのために目的に適した照明を選択する必要があります。検出すべき異物や汚れ、文字やマーク、計測部品などが画像として明確になるように照明することが必須となります。
照明光は対象物にあたった後、表面の状態や形状により様々な形で反射し、結果としてカメラに入る光の情報(画像)に認識すべき対象が映らなかったり、あるいは、照明発光部そのものが映り込み、それを撮像してしまうことなどがあります。
的確に対象物を撮影するために、対象物や目的に依存した安定した照明をあてることが重要です。あらゆる対象物に適用できる照明はありません。
様々な照明条件に応じた各種光源や照明方式から、最適な方法や機器を選定する必要があります。

目的を達成するために

照明を選定する上でまず重要なことは、何を行うかです。
画像処理のアプリケーションは大きく分けると、「外観検査」「OCR」「寸法計測」「アライメント」の4つに分類されます。
画像処理を安定して撮像するためには、次の3つが大きな要素となります。

色とコントラスト

ワーク色に対し、対極の位置にある色を補色といいその色を際立たせる効果があります。隣にある色を類似色といい、色を吸収する(なじむ)効果があります。それらの効果を使い、背景や必要のない色を黒く映したい場合は補色のLEDを選定し、白くしたい場合は類似色を選定します。また、波長の持つ特性で短波長になるほど散乱率は大きくなりますので、微細な傷を浮かび上がらせることができます。
カラーカメラの場合は白色の照明を用いることが多くなります。
このように、ワークや波長の特性などから照明色を選定いたします。

発光スペクトル

発光スペクトル1
発光スペクトル2

ワークの色と照明色の関係

ワーク
ワーク
青色
青色
緑色
緑色
赤色
赤色
12色の色鉛筆に対し、それぞれB・G・Rの照明を当てた場合、それぞれの同系色の色が白くなる。

形状と状態

ワークの形状によっては、照明の照射角度が一定のため傾きのある面で照明の正反射光がカメラに入りハレーションを起こしてしまったり、表面状態が鏡面のような場合は照明発光部そのものが映り込んでしまいます。ワークの形状・状態に合わせ同軸落射照明方式、直射照明方式、間接照明方式、透過照明方式とレンズの組み合わせから均一で最適な照明を選ぶ必要があります。

同軸落射照明
ICパターン、LCDパターン・マーク、シリコンウェハーのIDコード、金メッキのマーク(アライメント)など鏡面

レンズの光軸に沿って真上から対象物に対して垂直に照明する方式。主に鏡面状の対象物(平坦で反射率の高いもの)に使用する。
例えば、ICのパターンや、LCDの電極、シリコンウェハーのコード、金メッキのマーク等、反射率がわずかに異なる領域の強調に適している。
光学レンズを通して、照射するか否かで、次の2つの方式があります。

同軸落射照明方式

ハーフミラーやビームスプリッターを鏡筒内部に内蔵し、光学レンズを通して照射する方式で、テレセントリック照明とも呼ばれる。
対象物に対し垂直に照射した正反射光を受けるので鏡面など反射率が高いものにのみ有効です。傷や異物などは乱反射するため暗く写り、鏡面部とのコントラストがつきやすくなります。鏡面部でないものや傾きがある正反射にしない対象物には不向きです。

スポット照明/高輝度スポット照明

スポット照明/高輝度スポット照明1
スポット照明/高輝度スポット照明2

疑似同軸落射照明方式

光学レンズを通さずにハーフミラーやビームスプリッターで照明光路をレンズの光軸と同じにし、対象物に垂直に照明する方式。光学レンズを通さないため、鏡面でない対象物にもある程度対応し、テレセントリックレンズ以外のレンズと組み合わせて使用することが可能です。
その場合はミラーサイズや開口部寸法をテレセントリックレンズに比べ大きくする必要があります。

疑似同軸落射照明

疑似同軸落射照明1
疑似同軸落射照明2
直射照明方式
鏡面でない凹凸の多い対象物、表面傷、クラックなどのエッジ

対象物に対し直接照明をあてる方式で、もっとも頻繁に使用されている照明方式です。主に鏡面でない対象の凸凹面の傷、クラックなどのエッジを検出するために使用されます。対象物に直接あてるので、明るさが必要なときに使用されワークの形状によってリング照明、ローアングル照明水平対向照明、バー照明、面発光照明、ライン照明など様々な形と角度で使用されます。

直射照明方式

リング状の照明(360°)から照射するため、影ができにくい照明方式。クランプが容易で設置が簡単であるため、表面の傷検査汚れ確認や2Dコードの読み取りなど、幅広いアプリケーションで利用されています。角度もフラットのタイプからワークに対し水平まで各種用意しております。
鏡面ワークの場合は偏光フィルターとの組み合わせで写り込みを防止したり、設置距離によっては照明の指向性により光の中抜けやムラなどが起こる場合があります。

リング/フラット/ローアングル/ローアングル水平

リング/フラット/ローアングル/ローアングル水平
ダイレクトリング照明
ダイレクトリング照明
ローアングルリング照明
ローアングルリング照明

直射照明方式

ライン

ライン1
ライン2

ラインの形状もしくはライン上に発光する照明方式。
ラインセンサーカメラで認識する際、必要な部分のみを照明するのに用いられます。
エリアカメラ用途では、シャープで直線性に優れるため、水平方向に近い照射角度から照明することで、微小な凹凸部を強調させて認識する方法などに用いられます。用途にあわせ、集光レンズ、拡散板、偏光フィルターを併用することがあります。

直接照明方式

バックライト/直下式透過照明

バックライト/直下式透過照明
バックライト照明
バックライト照明
ドーム照明
ドーム照明

レンズと照明の間に検査対象物を置き、そのシルエットを撮像するための照明です。
おもに対象物の形状測定や透明体の傷、異物混入等の検出に使用されます。コントラストがつきやすいため、安定した画像が得られます。ただし、発光面が対象物より大きくなり、さらに後側に照明の設置スペースが必要となります。まわり込みの光を減らすために、受光側のテレセントリックレンズのNAに合わせたコンデンサレンズを用いる方式もあります。

間接照明方式
凹凸や高さのある対象物、Rのついた鏡面対象物、プリント基板のはんだ接合部など

通常の照明方式では、指向性が一定であるために、対象物の形状によっては部分的に強く反射してしまうなど輝度むらが生じ、対象物が認識できないことがあります。また、曲面のある鏡面対象物では照明発光部が対象物に写り込んでしまうといった問題があります。これらの問題を解決するために、様々な方向から照射する間接照明方式を用います。

ドーム/無影リング/無影ローアングル

無影リング
無影リング
ドーム照明
ドーム照明
ダイレクトリング照明(参考)
ダイレクトリング照明(参考)

半球に近いドーム型の反射板に下方から光をあてて反射した光だけを対象物に照射するドームタイプや導光板を通すことで、拡散したやわらかい光で当てる間接照明方式。結果として様々な角度をもつ光が対象物にあたり平面や曲面であっても輝度ムラのない均一な照明を得ることができます。ただし、反射板にあてたり導光板を通すため全体的に照度が低く高倍率での撮像や高速での撮像には不向きです。

視野と照明設置距離

テレセントリックレンズは視野周辺部においても、画角がないので直射照明方式を採用する場合、照明サイズは視野+α程度のサイズが必要なのに対し、通常のレンズは画角があるので、直射照明や透過照明の場合は画角の影響を考慮し照明サイズを選定する必要があります。画角と中抜けを考慮した照明の選定が必要となります。

視野と照明設置距離
レンズの画角θにプラスθ’の照明サイズが必要

光源比較

項目 LED照明 ハロゲン光源+光ファイバー 蛍光灯照明
寿命 約30,000h 100w/約1,000h 150w/約50h 約2,000~5,000h
消費電力 ○ × △
絶対照明 数量、パワー素子使用で高輝度 高照度(数万Lux~) 明るいが集光性なし
照度コントロール 0~100%(電源等に依存) 0~100% 50~100%
照明のon/off 非常に応答性高い 不可(メカシャッター式で対応) 不可
ケーブル引き回し 細径の為容易 曲げRに依存 ケーブル径に依存
波長 波長域ごとの製作可能 可視域 250nm~可視
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