テレセントリック照明のコーシャル配置と半透鏡での均一度確保
テレセントリック照明の基礎知識
テレセントリック照明は、産業用検査や精密測定の現場で欠かせない照明技術です。
その特徴は、被写体に対してほぼ平行な光を照射することで、影や歪みを最小限に抑え、正確な寸法計測や外観検査を実現できる点です。
他の照明方式と異なり、テレセントリック照明は斜めからの光が入りにくいため、エッジ部分や微細な凹凸による光の回り込みが抑えられます。
そのため、高品位な画像データの取得や、信頼性の高い自動検査システムの構築に最適です。
ここでは、テレセントリック照明のコーシャル配置と、半透鏡を利用した均一度確保のポイントについて解説します。
コーシャル配置の概要と重要性
テレセントリック照明は、「コーシャル（同軸）配置」で用いられることが多いです。
コーシャル配置とは、照明光がレンズの光軸と一致した状態で被写体を照らす方式を指します。
このレイアウトにより、レンズと照明の中心線が重なり、光が被写体上で最も均等に分布する環境を作り出せます。
特に透明体・半透明体や、反射率の高い金属部品の検査においては、このコーシャル配置による照明の均一性やコントラストの高さが大きなメリットになります。
また、物体の厚みや表面形状が微細な場合でも、正確なエッジ検出が可能です。
適切なコーシャル配置を実現するためには、光学系・照明系のアライメント（整列）と、使用する反射ミラーや半透鏡の選定が極めて重要です。
半透鏡（ビームスプリッター）の役割と選定ポイント
コーシャル配置を取る際、不可欠なのが半透鏡（ビームスプリッター）です。
これは、照明光の一部を被写体へ透過させ、もう一方の光を反射させてカメラに取り込むための光学素子です。
使用する半透鏡の透過率と反射率のバランスは、照明強度とカメラ感度に大きく影響します。
適切な選定により、被写体全体に対して均一な照度分布を確保し、高コントラストな画像取得を実現可能です。
また、半透鏡の素材やコーティングも、波長特性に応じた最適化が必要です。
例えば、可視光域での検査には、ARコーティングやマルチレイヤー薄膜コーティングを施したタイプを選ぶことで、余分な反射やゴーストの発生を低減できます。
加えて、半透鏡の取付角度や設置位置も、厳密に調整することで、光路長の差異や斜め入射による輝度ムラの発生を最小限に抑えることが重要です。
均一度確保のためのテクニック
テレセントリック照明で重要なのが、「照明の均一度」です。
均一度の高い照明は、画像処理システムや検査アルゴリズムにとって最適なワーク環境を作り出します。
ここでは主な均一度確保のテクニックを紹介します。
照明ユニットの選定と調整
照明ユニットには、リングタイプや平行光源、バーライトなどさまざまな種類があります。
テレセントリック用途では、特に均一性に優れる平行光源を選択し、照度ムラやドリフトを起こさない高精度設計の製品が推奨されます。
さらに、照明ユニット自体の設置角度や距離も均一度に影響するため、現場で微調整が行えるような機構の採用が効果的です。
半透鏡と光学系の高精度アライメント
半透鏡の取付は、必ず光軸に対して正確な45度配置とする必要があります。
1度のズレが、光路に数百ミクロンの誤差を与え、大きな均一度低下につながる事例もあります。
光学部品の高精度マウントを使用し、現場での微調整を繰り返すことで理想的なアライメントを維持します。
さらに、半透鏡の選定時は「波長依存性」や「角度分散特性」も考慮し、検査ワークごとの最適化が肝心です。
光路内の反射と散乱のコントロール
光学ユニット内外の反射率や、迷光（不要な光の混入）の管理も均一度向上の鍵となります。
照明・カメラまわりの内壁や周辺部材には、低反射塗装（艶消し黒や特殊コーティング）を施し、散乱光の混入を防ぎます。
また、照明の直進性を妨げるパーツやケーブル類も、配置設計段階で避けるよう留意しましょう。
テレセントリック照明のコーシャル配置事例
産業用画像検査の現場では、より高度な検査精度が求められるシーンが増えています。
ここでは、テレセントリック照明のコーシャル配置と半透鏡利用による実際のアプリケーション事例を紹介します。
半導体ウェハ外観検査装置
半導体ウェハ上のパターン寸法や欠陥検出には、絶対的な均一度とコントラストが必要です。
コーシャル照明構成は、レンズの光軸と平行に高輝度LED照明を配置し、その経路に高透過・低反射半透鏡を設置します。
これにより、ウェハ表面の微細なチップや線幅を高感度で検出でき、工程全体の自動検査精度が飛躍的に向上しています。
自動車部品の傷検査装置
金属部品やレンズ、成形プラスチックなどの外観検査では、照度ムラや反射光が検出を妨げる要素になります。
コーシャル配置と半透鏡、さらに高均一度な平行光源の組み合わせによって、対象物上の微細キズやエッジ欠け、成形バリの判別精度が向上しました。
現場では、繰り返し作業やロットごとの部品変更にも安定した画像データが取得できるようになっています。
照明均一度の評価と測定方法
テレセントリック照明システムの現場導入時や定期点検時には、照度の均一度評価が欠かせません。
主な評価・測定手法には次のようなものがあります。
照度分布の定量測定
被写体上に均一な白色ターゲットを配置し、カメラで取得した画像の輝度分布（グレースケール値）をヒストグラム解析します。
画面全域での明度のばらつき（最大/最小比、標準偏差）から、均一度を定量的に評価します。
許容範囲外の場合は、照明光源や半透鏡、アライメントを再調整することが推奨されます。
輝度ムラマップの活用
特殊なソフトウェアを用いて、ワーク上の輝度ムラマップや等高線図を作成し、視覚的に問題箇所や改善ポイントを抽出します。
これにより、現場オペレーターや機械設計者が共通認識を持ちやすくなり、保守管理やトラブル時の対策も早期対応が可能です。
まとめ：安定した画像検査システムには照明設計と均一度確保が不可欠
テレセントリック照明によるコーシャル配置と、半透鏡の適切な選定・設計は、精密画像検査や自動寸法測定の成否を左右する要素です。
照明均一度の確保は、システム導入時だけでなく、定期的な評価・メンテナンスによって測定精度や検出信頼性を持続できます。
最新のテレセントリック照明ユニットや高性能半透鏡を活用することで、今後ますます高度化する自動検査ニーズにも柔軟かつ高精度に対応できるでしょう。
照明設計に課題や疑問がある場合は、必ず専門メーカーや代理店に相談し、現場ごとに最適なコーシャル配置・半透鏡構成を模索することが大切です。