JP2005195444A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な光学系を必要とせずに必要な全てのＬＥＤを点灯させたままの状態で動作点の変動に対応した電流の再設定を可能にし、低コストで検査の中断時間の無い光源装置を実現する。
【解決手段】 光源装置において、
発光素子に駆動電流を供給する定電流発生手段と、
前記発光素子の印加電圧を測定する印加電圧測定手段と、
前記発光素子の光出力を検出する光出力測定手段と、
前記印加電圧、前記駆動電流および前記光出力の相関関係に基づく特性データを記憶する記憶制御手段と、
前記印加電圧と前記特性データに基づいて前記光出力を制御する制御手段と、
を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光素子の検査に用いる光源装置に関し、詳しくは、検査用光源のスペクトラム分布や光量の安定化のための改良に関するものである。

従来、ＣＣＤ（charge-coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）センサなどの受光素子の検査では所定の光源を用いて検査対象である受光素子に既知の色や光量の光を照射し、受光素子から出力された電気信号をモニタするという構成が用いられている。
このような検査では、検査結果の安定性を確保するために光源の光量を例えばフォトダイオードでモニタして一定になるように補正をかけるような構成をとっていた。

第１の従来例として、可視光域を覆うように選択されたスペクトラム範囲の異なる複数のＬＥＤ（発光ダイオード）ランプと、それらＬＥＤの光量をモニタする少なくとも１つのフォトダイオードと、それぞれのＬＥＤを駆動する回路から構成されるものがある。具体的動作は、それぞれのＬＥＤを個別に点灯し、そのときのフォトダイオードの出力をそのＬＥＤの受け持つスペクトラム範囲の所定レベルと比較し、その所定レベルと一致するようにＬＥＤの駆動電流を決める。その後、それぞれのＬＥＤをそれぞれに求めた駆動電流で点灯すれば所定のスペクトラム分布の光出力が得られる構成のものがある。

第２の従来例として、可視光のうち緑と青の光を透過するフィルタをつけたフォトダイオードと、緑と赤の光を透過するフィルタをつけたフォトダイオードを有し、それぞれのフォトダイオードは、緑と青のＬＥＤと、緑と赤のＬＥＤの出射光量を検出し、その光量が基準電圧で与えられる所定のスペクトラム分布になるように青と赤のＬＥＤを駆動する電流を制御するものがある（例えば特許文献１参照。）。

特開２００１−３３２７６４号公報

図６は、従来の光源装置の一例を示す構成図である。
ＬＥＤ６１，６２，６３は、ドライバ６４，６５，６６から駆動電流を供給され所定のスペクトラムの光を出力する。ドライバ６４，６５，６６は、例えばトランジスタで、Ｄ／Ａ変換器６７，６８，６９からベース電流を供給されることにより、駆動電流が制御される。Ｄ／Ａ変換器６７，６８，６９は、ＣＰＵ（central processing unit）７０から入力されるデジタルデータに応じたアナログ出力（ベース電流）をドライバ６４，６５，６６に出力する。

フォトダイオード６７は、ＬＥＤ６１，６２，６３を切換えて発光させたときの、光出力を検出して電流信号を発生し、オペアンプとコンデンサを使用して構成したＩＶ変換器６８から電圧を出力する。Ａ／Ｄ変換器６９は、Ｉ／Ｖ変換器６８の出力電圧をデジタルデータに変換して、ＣＰＵ７０に送る。ＣＰＵ７０は、Ｉ／Ｖ変換器６８のデジタルデータに基づいて各ＬＥＤの光出力が所定の値になるように各Ｄ／Ａ変換器にデータを出力し各ＬＥＤに流れる駆動電流を制御する。

図６では、複数種類のＬＥＤに対してＩ／Ｖ変換器を１つとした構成を示したが、第２の従来例で述べたように複数のＩ／Ｖ変換器を用いてＬＥＤの点灯を切換えさせないように構成したものもある。

しかしながら、従来の光源装置では、ＬＥＤの動作点（駆動電流と光出力の関係）は周囲温度の変化やＬＥＤ自身の発熱により簡単に変化してしまう。従って、所定のスペクトラム分布を維持するためには、各ＬＥＤを駆動する電流を頻繁に設定し直す必要がある。

第１の従来例の場合、光出力をモニタし電流を再設定する期間はそれぞれのＬＥＤを別々に点灯しなければならないため、所定のスペクトラム分布が得られない。個々のＬＥＤの点灯時間はＬＥＤが温度的に安定する状態で実施しなければならないため、再設定にかかる時間は長時間になる。この時間は検査が実施できないため、検査の中断時間となり検査のタクトタイムの増大につながる。

また、第２の従来例の場合、各ＬＥＤを点灯した状態で所定のスペクトラムとの比較が可能なため、上記のような検査の中断は発生しないがＬＥＤの種類とほぼ同等の数の異なった分光透過率をもつフィルタをつけたフォトダイオードが必要となる。特に可視広域のような広帯域の全体をカバーするＬＥＤを用いるような場合は分光器と同等の光学系が必要になり、それに伴うコストの増大が発生するという問題がある。

本発明は、このような従来の光源装置が有していた問題を解決しようとするものであり、複雑な光学系を必要とせずに必要な全てのＬＥＤを点灯させたままの状態で動作点の変動に対応した電流の再設定を可能にし、低コストで検査の中断時間の無い光源装置を実現することを目的とする。

本発明は次の通りの構成になった光源装置である。

（１）光源装置において、
発光素子に駆動電流を供給する定電流発生手段と、
前記発光素子の印加電圧を測定する印加電圧測定手段と、
前記発光素子の光出力を測定する光出力測定手段と、
前記印加電圧、前記駆動電流および前記光出力の相関関係に基づく特性データを記憶する記憶制御手段と、
前記印加電圧と前記特性データに基づいて前記光出力を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする光源装置。

（２）前記制御手段は、
前記印加電圧と前記特性データに基づき前記定電流発生手段の出力電流を演算する演算手段を有することを特徴とする（１）に記載の光源装置。

（３）前記発光素子は、発光スペクトラムの異なる複数の発光ダイオードであって、
この発光ダイオードの光出力を任意に設定し、それらの光出力を合成混合することにより、所定のスペクトラム分布をもった光を出力することを特徴とする（１）または（２）に記載の光源装置。

（４）前記特性データは、一定周期または任意のタイミングで更新されること特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の光源装置。

（５）前記印加電圧測定手段および前記光出力測定手段は、
前記複数の発光ダイオードの印加電圧および前記光出力検出手段の出力電圧を切換える切換え手段と、
この切換え手段の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器で変換されたデジタルデータに基づいて各電圧値を算出する演算手段と、
により構成されることを特徴とする（３）に記載の光源装置。

（６）光源装置において、
発光素子に駆動電流を供給する定電流発生手段と、
前記発光素子の周囲温度を測定する温度測定手段と、
前記発光素子の光出力を測定する光出力測定手段と、
前記周囲温度、前記駆動電流および前記光出力の相関関係に基づく特性データを記憶する記憶制御手段と、
前記周囲温度と前記特性データに基づいて前記光出力を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする光源装置。

本発明によれば、以下のような効果がある。

請求項１、請求項２および請求項６に記載の発明によれば、複雑な光学系を必要とせずに必要な全ての発光素子を点灯させたままの状態で動作点の変動に対応した電流の再設定を可能にし、低コストで検査の中断時間の無い光源装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明によれば、任意に設定したスペクトラムをもった光出力を安定させて検査対象に照射することができる。

請求項４に記載の発明によれば、長期の使用や機械的な衝撃などにより記憶しておいた光出力の特性データが変化した場合にも新たに特性データを測定し再校正することができるため長期に渡って安定した光出力が得られる。

請求項５に記載の発明によれば、ＬＥＤの数によらずに１つのＡ／Ｄ変換器により、各ＬＥＤおよびＩ／Ｖ変換器の出力を測定することができる。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明の光源装置の一実施例を示す構成図である。

図１において、ＬＥＤの種類は３種類で図示してあるが、最低１種類から必要なスペクトラム領域全体をカバーするように数十種類以上用いたとしても動作は同様である。

ＬＥＤ１，５，９は、ドライバ２，６，１０から供給される定電流で駆動される。ドライバ２，６，１０は、例えばトランジスタで、ベースへの入力電流を制御することによりＬＥＤ１，５，９の駆動電流が決定される。ＣＰＵ１６は、ＬＥＤ１，５，９の駆動電流を決定するためにＤ／Ａ換器３，７，１１にデジタルデータを設定する。Ｄ／Ａ変換器３，７，１１は、設定されたデータに基づいてドライバ２，６，１０へ駆動電流を決定するための制御信号（ベース電流）を出力する。Ａ／Ｄ変換器４，８，１２は、ＬＥＤ１，５，９に印加される電圧をデジタルデータに変換し、ＣＰＵ１６に出力する。

フォトダイオード１３は、発光ダイオードの発光波長範囲で感度を持ち、ＬＥＤ１，５，９からの出射光を受光できる位置に設置されている。その受光電流はコンデンサとオペアンプで構成されるＩ／Ｖ変換器１４で電圧値に変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１５でデジタルデータに変換されてＣＰＵ１６に取り込まれる。

本光源装置の出荷時にＤ／Ａ変換器３に設定するデジタルデータ（ＬＥＤ１の駆動電流）を一定間隔で変えながら、そのときのＬＥＤ１の印加電圧をＡ／Ｄ変換器４およびＣＰＵ１６で測定すると共に、ＬＥＤ１の光出力をＩ／Ｖ変換器１４とＡ／Ｄ変換器１５とＣＰＵ１６により測定し、図２のような対応表を作成する。ＬＥＤ５、ＬＥＤ９についても同様に作成し、装置内の図示しない不揮発性のメモリやハードディスクに保存しておく。

ここで、定電流発生手段は、ドライバとＤ／Ａ変換器とＣＰＵにより構成され、電圧測定手段はＡ／Ｄ変換器とＣＰＵにより構成され、光出力測定手段はＩ／Ｖ変換器とＡ／Ｄ変換器とＣＰＵにより構成される。また、不揮発性のメモリやハードディスクが記憶手段に相当し、ＣＰＵは制御手段や演算手段の役割を担う。

図３は、ＬＥＤの駆動特性の一例を示した図である。
図３（ａ）は、横軸に周囲温度、縦軸に順方向電圧をとり、駆動電流が５ｍＡ，１０ｍＡ，３０ｍＡのときの周囲温度に対するＬＥＤの印加電圧の特性を示した図である。図３（ｂ）は、横軸に周囲温度、縦軸に相対光出力をとり、駆動電流１０ｍＡのときの周囲温度に対するＬＥＤの相対光出力の特性を示した図である。
この図３（ａ），（ｂ）のグラフから図４に示すようなＬＥＤへの印加電圧に対する相対光出力の関係を求めることができる。

図４は、横軸に順方向電圧、縦軸に相対光出力をとり、駆動電流１０ｍＡのときの順方向電圧に対する相対光出力の特性を示した図である。この関係は、実際に周囲温度を変化させながら測定により求めることもできる。また、図４には、駆動電流１０ｍＡ一定の場合を示してあるが、使用する駆動電流の範囲で駆動電流を変えてＬＥＤへの印加電圧に対する相対光出力関係を求めておくのがよい。求めた特性データは、装置内の不揮発性メモリやハードディスクなどに保存しておく。

本光源装置の運転時に各ＬＥＤを所定の光出力に設定し、所定のスペクトラム分布を実現し、それを一定に保つには次の手順による。
一例として、ＬＥＤ１に１ｍＷの光出力を設定したい場合を考える。予め求めてある図２の関係を利用してＬＥＤ１の駆動電流値を決める。この場合１０ｍＡに設定すればよいことになるので、ＣＰＵ１６からＤ／Ａ変換器３に、ＬＥＤ１の駆動電流が１０ｍＡになるようなデジタルデータを設定する。ここで、図２で示した値を求めた時点のＬＥＤ１の周囲温度が２０℃で、現在のＬＥＤ１の周囲温度が４０℃に上昇していたとする。

このとき、図３（ｂ）によると光出力は４％の低下がある。図３（ａ）のＬＥＤの印加電圧を見ると３．４０Ｖになる。この電圧はＡ／Ｄ変換器４で測定できる。あらかじめ求めておいた図２の表の値と比較すると３．５５−３．４０＝０．１５Ｖの低下があることを確認できるので、あらかじめ求めておいた図４のＬＥＤの印加電圧とＬＥＤの光出力の関係から４％の光出力の低下があることを知ることができる。この分の光出力を補正するためには図２の表の値から増加させる電流値を算出してその電流値でＬＥＤ１を駆動すれば良い。

この補正を全ての種類のＬＥＤに対して温度変化よりも十分細かい周期（数秒〜数十秒）で実施すれば、各ＬＥＤの光出力はいつも一定と見なすことができる。
図２に示した特性データは、装置に内蔵している構成要素（フォトダイオード１３，Ｉ／Ｖ変換器１４，Ａ／Ｄ変換器１５，ＣＰＵ１６）で再測定できるので、装置の定期点検時や任意のタイミングで再測定することもできる。

これにより、定期的にＬＥＤの光出力を校正することができ、長期間にわたって安定な光出力得られる。従来は、長期間の使用や何らかの機械的衝撃が加わったような場合（例えばあるＬＥＤにゴミが付いたり、あるＬＥＤの光軸がずれたりしたときなど）ではＬＥＤの駆動電圧のモニタとそれによるＬＥＤの駆動電流の制御だけでは絶対輝度を一定に保つことができないが、本発明ではＬＥＤの動作点を再校正することにより、このような問題を解決することができる。

図５は本発明の光源装置の他の実施例を示す構成図である。なお、図１と同等の構成要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図５において、図１と相違する点は、ＬＥＤ１，ＬＥＤ５，ＬＥＤ９の各印加電圧およびＩ／Ｖ変換器１４の出力電圧を、ＣＰＵ１９の制御により切換えスイッチ１７で切換えてＡ／Ｄ変換器１８でデジタルデータに変換し、ＣＰＵ１９に取り込み各電圧値を算出するように構成した点である。これにより、各ＬＥＤの印加電圧の測定およびＩ／Ｖ変換器の電圧の測定を、１つのＡ／Ｄ変換器で実現することが可能である。

また、図１および図５において図示しないがＬＥＤの光量を微小な光量から最大光量まで細かく設定したい場合には、Ｄ／Ａ変換器３，Ｄ／Ａ変換器７，Ｄ／Ａ変換器１１の出力側に、ＣＰＵからの制御により切換えることのできるレンジ切換回路を付加してもよい。この場合、Ｉ／Ｖ変換器１４のＩ／Ｖ変換効率のレンジもＣＰＵからの制御により切換えられるようにしてもよい。

さらに、本実施例では構成する部品点数を減らすため、ＬＥＤの温度の変化による動作点の検出にＬＥＤそのものの印加電圧を用いているが図３（ａ），（ｂ）に示すように、ＬＥＤの温度を検出して駆動電流の補正を行うこともできる。

例えばＬＥＤの周辺に少なくとも１つの温度検出器を設置し、この温度検出器の出力をＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換してＣＰＵで温度を算出し、予め周囲温度と駆動電流と光出力の相関関係の特性データを求めて不揮発性メモリやハードディスクなどの記憶手段に記憶しておく。温度検出器でＬＥＤの周囲温度をモニタし、特性データに基づいて温度変化に応じて駆動電流を制御し、光出力を一定に保つようにする。このような動作点の補正を実施するように構成してもよい。ここで、温度検出器、Ａ／Ｄ変換器およびＣＰＵが温度測定手段に相当する。

なお、複数のＬＥＤがある場合に温度検出器は全部のＬＥＤ平均的な温度を検出するような位置に１つ配置することもできるし、それぞれのＬＥＤ毎にＬＥＤの近傍に温度検出器を配置し、それぞれの動作点の変化を検出することも可能である。それぞれのＬＥＤ毎に温度検出をすることにより、動作点の検出精度は向上する。

以上により、全てのＬＥＤを点灯させたままの状態で光出力が各ＬＥＤに所定の値になるように電流の制御をすることができるため、光出力の再設定のために検査を中断させる必要が無い。

また、光センサは光出力とＬＥＤの駆動電流の関係を求めるために最低１つあればよく、分光透過率の異なるフィルタなどの高価な分光光学系は不要となる。
さらに、低価格で連続的にＬＥＤの発光スペクトラム分布を一定の値に制御することのできる光源装置を実現できる。

加えて、各ＬＥＤへの印加電圧がある範囲を越えているかどうかを確認することにより、ＬＥＤの故障を確認することもできる。

上記実施例では被検査撮像素子に所定の光照射を行う撮像素子検査用の光源の例について説明したが、装置に拡散透過板を備えていて、その拡散透過板を背面から照射することにより、面光源を形成することも可能である。

この場合、上記の面光源は任意の分光分布、任意の輝度を安定して発光することが可能であり、撮像素子を内部に含むデジタルカメラのような撮像装置の検査や評価に用いることが可能になる。

従来このような撮像装置の評価は標準の光源と標準の色板を用いて行っていたが、色の変更には色板の交換や光源の交換が必要であり、かつ任意の色を作り出すことはできなかった。上記の実施例を用いると任意の色が設定可能な光源を実現できる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の光源装置の一実施例を示す構成図である。 ＬＥＤの駆動電流、印加電圧および光出力の対応表を示した図である。 ＬＥＤの駆動特性の一例を示した図である。 ＬＥＤへの印加電圧に対する相対光出力の関係を示した図である。 本発明の光源装置の他の実施例を示す構成図である。 従来の光源の一例を示す構成図である。

符号の説明

１、５、９ ＬＥＤ
２、６、１０ ドライバ
３、７、１１ Ｄ／Ａ変換器
４、８、１２、１８ Ａ／Ｄ変換器
１３ フォトダイオード
１４ Ｉ／Ｖ変換器
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６、１９ ＣＰＵ
１７ 切換えスイッチ

Claims (6)

1. 光源装置において、
   発光素子に駆動電流を供給する定電流発生手段と、
   前記発光素子の印加電圧を測定する印加電圧測定手段と、
   前記発光素子の光出力を測定する光出力測定手段と、
   前記印加電圧、前記駆動電流および前記光出力の相関関係に基づく特性データを記憶する記憶制御手段と、
   前記印加電圧と前記特性データに基づいて前記光出力を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光源装置。
2. 前記制御手段は、
   前記印加電圧と前記特性データに基づき前記定電流発生手段の出力電流を演算する演算手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記発光素子は、発光スペクトラムの異なる複数の発光ダイオードであって、
   この発光ダイオードの光出力を任意に設定し、それらの光出力を合成混合することにより、所定のスペクトラム分布をもった光を出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記特性データは、一定周期または任意のタイミングで更新されること特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光源装置。
5. 前記印加電圧測定手段および前記光出力測定手段は、
   前記複数の発光ダイオードの印加電圧および前記光出力検出手段の出力電圧を切換える切換え手段と、
   この切換え手段の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器で変換されたデジタルデータに基づいて各電圧値を算出する演算手段と、
   により構成されることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
6. 光源装置において、
   発光素子に駆動電流を供給する定電流発生手段と、
   前記発光素子の周囲温度を測定する温度測定手段と、
   前記発光素子の光出力を測定する光出力測定手段と、
   前記周囲温度、前記駆動電流および前記光出力の相関関係に基づく特性データを記憶する記憶制御手段と、
   前記周囲温度と前記特性データに基づいて前記光出力を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光源装置。
   
   
   

Images