JP2005233927A

JP2005233927A - 光源装置とそれに使用する光量モニタ

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Publication number: JP2005233927A
Application number: JP2004189404A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kitafuji; 藤明博北; Hiroki Otsuka; 塚宏樹大; Tetsuo Kokubo; 哲夫小久保; Daisuke Ogawa; 川大輔小; Masahiro Sakai; 井雅寛酒
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: CN1576690A; KR100655638B1; TW200502508A; KR20050004094A; CN100441941C; JP4604572B2; TWI268326B

Abstract

【課題】
ランプ光量に起因する照射光量変化があっても、光量分布パターンの変化に起因する照射光量変化があっても、これを正確に検出して、照射光量を一定に維持できるようにすることを課題としている。
【解決手段】
ランプ（４）の光を反射鏡（５）で集光して光出射口（６）から出射させ、直接的又は間接的に被照射物に対し照射する際に、被照射物に照射される光の照射光量を検出する光量モニタ（Ｍ）と、その検出光量に応じて照射光量をフィードバック制御する光量コントローラ（７）を備えた光源装置（１）において、光量モニタ（Ｍ）が、反射鏡（５）で集光された光を光出射口（６）に導く光路となる導光ロッド（８）と、その導光ロッド（８）の周面（８ａ）からの漏光量を照射光量として検出する光センサ（９）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光量コントローラを備えた光源装置に関し、特に、ＣＣＤカメラ等を使用した画像処理検査装置等のように検査対象物に照射される光量を一定に維持する必要のある検査装置の光源に用いて好適なものである。

例えばフラットパネルディスプレイ製造工程では、従来より、検査対象物となるガラス板や塗料塗布面に光を照射し、これをＣＣＤカメラ等で観察して傷や塗装不良等の欠陥を検知する画像処理検査装置が使用されている。

その際、光源装置に要求される条件として、検査対象物（被照射物）への光量は少なくとも検査時間中は変化しないこと、また、使用するカメラの受光感度性能レベルに応じて必要な光量の光を照射できることなどが挙げられる。

画像処理検査用の光源装置の光源としては、ハロゲンランプ、ＬＥＤ等の固体光素子、水銀ランプおよびメタルハライドランプ等放電灯が使用されており、中でも、水銀ランプやメタルハライドランプ等の放電灯は、立ち上り時間が遅いものの高光量が得られることから、この種の光源として最適である。
しかしながら、これらの放電灯は１０００〜２０００時間点灯させると検査対象物への照射光量が次第に減衰していくために、使用するにあたっては、カメラ側の明るさが変わらぬようにその都度光量調整が必要となる。

そのため従来は、図１１に示すように、ランプ３１から照射されて赤外線カットフィルタ３７を透過した光の光量分布を均一化してバンドルファイバ３２に導くミキシングロッド３３の光出射端３３outに検出用光ファイバ３４の一端を接続し、該検出用光ファイバ３４の他端に接続した受光素子３５で検出された光量に基づいて駆動回路３６から出力されるランプ３１の供給電力をコントロールしている。
特開２００１ー３０７５２３

ところが、発明者の実験によれば、ミキシングロッド３３の光出射端３３outから出射される光の光量を検出した場合、ランプ自体３１の発光量の変化を精度よく検出することができるものの、実際にラインに使用してみると、検査対象物への照射光量が変化しているにも拘わらず、この照射光量変化を検出できない場合があることが判明した。
さらに原因を追求したところ、検査対象物への照射光量が経時的に減衰していく原因は、ランプ３１自体の発光量の変化よりも、むしろ電極の変化に伴い放電箇所が変化したり、発光点が第一焦点から外れてしまうなど、ランプの光量分布パターンの変化による影響の方が強いことが判明した。
すなわち、ランプ３１の発光量にはほとんど変化が無くても、光量分布パターンが変化すると、バンドルファイバ等を介して検査対象物に照射される照射光量に変化を生じるのである。

そして、ミキシングロッド３３の光出射端３３outから光を導出させてその光量を検出する場合、発光点が第一焦点からずれるなどして照射光量が変化しても、ランプ３１自体の発光量に変化がなければこれを検出することができず、結局、検査対象物への照射光量を一定に維持することができないという致命的な欠陥を生じた。
これは、ランプ３１から照射された強い光の一部が、光出射端部３３outの検出用光ファイバ３４を接続する部分にも直接照射されてしまうことが原因と考えられる。

現に、この装置では、ランプ３１により光量分布パターンが異なっても、バンドルファイバ３２に入射される光量と、検出用光ファイバの光量との比が変化しないという特性を有しているため、光量分布パターンの変化に起因する照射光量の変化を検出することは到底不可能であった。

そこで本発明は、ランプ光量変化に起因する照射光量変化があっても、光量分布パターンの変化に起因する照射光量変化があっても、これを正確に検出して、照射光量を一定に維持できるようにすることを課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、ランプの光を反射鏡で集光して光出射口から出射させ、直接的又は間接的に被照射物に対し照射する際に、被照射物に照射される光の照射光量を検出する光量モニタと、その検出光量に応じて照射光量をフィードバック制御する光量コントローラを備えた光源装置において、前記光量モニタが、反射鏡で集光された光を光出射口に導く光路となる導光ロッドと、その導光ロッドの周面からの漏光量を前記照射光量として検出する光センサとを備えたことを特徴とする。

導光ロッドには無数の内部欠陥があるだけでなく、その外表面にも細かなキズがあるので、反射鏡で集光された光が導光ロッドに入射されると、内部欠陥やキズで乱反射を起こし、その光の一部が周面から漏れる。
そして、発明者の実験によれば、この導光ロッドの周面に光センサを設けて導光ロッドからの漏光量と、導光ロッドの光出射口に接続したバンドルファイバ先端から被照射物への照射光量を検出したところ、ランプ自体の発光量変化に起因する照射光量変化はもちろんのこと、光量分布パターンの変化に起因する照射光量変化があっても、これを正確に検出することができた。
すなわち、原因は不明でも、被照射物に照射される光の照射光量を確実に検出することができた。
したがって、検出光量が変化したときに、ランプから導光ロッドへ入射される光量を調整すれば、光量が一定に維持することができる。
この場合に、光量調整は、請求項２に記載されたように、調光フィルタにより導光ロッドへの入射光量を可変制御すればよい。

なお、請求項４のように、光量モニタの導光ロッドの周面が、光センサで検出する漏光を外部に導き出す部分を除き遮光材で覆われていれば、外部から入射される光の影響を受けることなく正確に光量を検出することができる。

また、請求項５のように、光センサの光検出面を導光ロッドの周面に対向して配し、導光ロッドの周面と光検出面との隙間に光拡散面で囲まれた光拡散空間を形成すれば、その光拡散空間内に漏れ出た光が平均化されるので、より正確に検出できる。

さらに、請求項６のように、導光ロッドに外装される遮光パイプの内周面に形成した環状凹溝からなる光拡散空間を形成して、その光拡散空間に光センサを取り付ければ、導光ロッドの全周からの漏光が光拡散空間内で拡散されて、その全体の漏光量を光センサで検出できるので、検出精度が向上する。

導光ロッドの端面周縁部には大きな欠けやキズが生じやすく、そのような欠けやキズがあると検出精度に影響を与えるため、請求項７のように、導光ロッドの口径より小径の透光部が形成されたアパーチャを導光ロッドの光入射側端面に取り付けて、その端面周縁部を覆うようにすれば、その欠けやキズを透過する光を遮断することができ、結果として検出精度が向上する。

さらにまた、請求項８のように、導光ロッドの光出射端面に照射光量に影響を与えない程度にフロスト処理を施しておけば、導光ロッドを透過する光の一部が導光ロッド内に戻され、戻り光が導光ロッドの内部欠陥やキズで乱反射を起こし、その一部が漏光となるので、漏光の光量が大きくなり検出精度が向上する。

本例では、ランプ自体の発光量変化に起因する照射光量変化はもちろんのこと、光量分布パターンの変化に起因する照射光量変化があっても、これを正確に検出して、照射光量を一定に維持するという課題を極めて簡単な構成で実現した。

図１は本発明に係る光源装置を示す説明図、図２は調光フィルタを示す説明図、図３〜図８は光量モニタを示す説明図、図９はフロスト処理による光損失と検出光量及び照射光量の関係を示すグラフ、図１０は照射光量と検出光量の関係を示すグラフである。

図１に示す光源装置１は、例えば検査対象物（被照射物）の表面を撮像して画像処理により製品検査を行う際に、バンドルファイバ２を介して検査対象物に照明光を照射するために用いられる。
この光源装置１は、筐体３内に配されたメタルハライドランプ４から照射された光を楕円反射鏡５で集光して、赤外線カットフィルタ２０を透過させて、光出射口６から出射させ、光出射口６に接続されたバンドルファイバ２を介して検査対象物に照射するようになっている。

また、筐体３内には、検査対象物に照射される光の照射光量を検出する光量モニタＭと、その検出光量に応じて照射光量をフィードバック制御する光量コントローラ７が設けられている他、ランプ４の点灯回路２１、冷却ファン２２が配されている。

光量モニタＭは、反射鏡５で集光された光を光出射口６に導く光路となる導光ロッド８と、その導光ロッド８の周面８ａからの漏光量を照射光量として検出するシリコンフォトセルなどの光電変換型の光センサ９とを備えている。
導光ロッド８は透光性のガラス体で形成され、本例では、直径１２.４ｍｍ，長さ４０ｍｍの円柱ロッドで構成し、光入射端面８inの中心に反射鏡５の第二焦点が位置するように取り付けられている。

光量コントローラ７は、その入力側に光量モニタＭの光センサ９が接続されると共に、出力側に調光フィルタ１０を所定角度回転させるステップモータ１１を備えている。
この調光フィルタ１０は、開口率が徐々に変化する多数のスリットが円周上に配列形成され（図２参照）、回転に伴ってその回転方向に応じて透過光量が漸増／漸減するようになっている。

図３〜図８は、本発明に係る光量モニタＭ_１〜Ｍ_６の例を示す。
図３（ａ）に示す光量モニタＭ_１は、導光ロッド８の周面８ａに光センサ９の光検出面９ａを当接させている。
これにより、導光ロッド８内を透過する光が、図３（ｂ）に示すように、その導光ロッド８内の欠陥Ｃに当ったり、導光ロッド８内を全反射しながら進行する光が周面８ａ上のキズに当ったりして乱反射すると、その一部が光センサ９側に漏れるので、光センサ９ではその漏光量が検出される。

図４（ａ）に示す光量モニタＭ_２は、光センサ９を装着する装着孔１２を管壁１３ａに貫通形成した遮光パイプ（遮光材）１３が導光ロッド８に外装されて、光センサ９により検出する漏光を外部に導き出す部分を除き、導光ロッド８の周面８ａが遮光材で覆われている。
これによれば、光センサ９で漏光量が検出されるのは光量モニタＭ_１と同様であるが、図４（ｂ）に示すように周面８ａが、導光ロッド８外の明るさの変化や、筐体３内に漏れて入ってくる外光の影響を受けることがない。
また、装着孔１２の内面が光拡散面１２ａで形成され、光センサ９の光検出面９ａを導光ロッド８の周面８ａに対向して装着したときに、光検出面９ａと導光ロッド８の周面８ａとの隙間（例えば８ｍｍ程度）が光拡散面１２ａで囲まれた光拡散空間１４になっている。
これにより、装着孔１２からの漏光が光拡散空間１４で散乱して平均化されるので、より検出精度が高くなると考えられる。

図５（ａ）に示す光量モニタＭ_３は、導光ロッド８に外装される遮光パイプ１５の内周面に、その周方向に沿って形成された環状凹溝１６の内面を光拡散面１６ａとする環状の光拡散空間１７が形成され、光センサ９が導光ロッド８の周面に対向して所定の隙間（例えば８ｍｍ程度）をもって光拡散空間１７に取り付けられている。
これによれば、図５（ｂ）に示すように、導光ロッド８の周面８ａの全周にわたって光拡散空間１７が形成されており、光センサ９に対向する部分のみならず、導光ロッド８の全周からの漏光が光拡散空間１７内で拡散されて、その全体の漏光量を光センサで検出できるので、検出精度が向上する。

図６（ａ）に示す光量モニタＭ_４は、前記光量モニタＭ_３の導光ロッド８の光入射端面８inに、導光ロッド８の口径より小径の透光部１８ａが形成されたアパーチャ１８が装着され、これにより導光ロッド８の光入射側端面周縁部８ｂが覆われている。
これによれば、図６（ｂ）に示すように、導光ロッド８の端面周縁部８ｂに大きな欠けやキズが生じていても、その欠けやキズを透過する光を遮断することができるので、検出精度に悪影響を及ぼすことがなく、結果として検出精度が向上する。

図７（ａ）に示す光量モニタＭ_５は、前記光量モニタＭ_３の導光ロッド８の光出射端面８outに、照射光量が著しく低下しない程度に、導光ロッド８を透過する光の一部を導光ロッド８内に戻すフロスト処理を施してなる。
これによれば、図７（ｂ）に示すように、導光ロッド８を透過する光の一部が導光ロッド８内に戻され、戻り光が導光ロッド８の内部欠陥やキズで乱反射を起こし、その一部が漏光となるので、漏光量が大きくなり、より検出精度が向上する。
フロスト処理は、光出射端面８outを粗すことにより形成されるが、フロスト処理することにより光出射端面８outを通過する光は乱反射されて光量ロスを生じるが、その分、検出光量が向上する。

図９はフロスト処理による光損失に対する検出光量及び照射光量の変化を示すグラフで、横軸がフロスト処理を施したときの導光ロッドの透過光の光損失、縦軸左側のスケールが照射光量、縦軸右側のスケールが検出光量で、いずれもフロスト処理を行わなかった場合（光損失０）を１００％としたときの光量を示している。
これによれば、フロスト処理により表面が粗されて光損失大になるほど、検出光量が上昇して検出精度は向上するが、バンドルファイバ２からの照射光量は低下する。
したがって、例えば、照射光量を９０％以上確保し、検出光量を２００％以上確保しようとすると、フロスト処理による光損失は４.５〜５.５％程度に抑える必要がある。

さらに、図８（ａ）に示す光量モニタＭ_６は、前記光量モニタＭ_５の導光ロッド８の光入射端面８inに、光量モニタＭ_４で用いたアパーチャ１８を装着してなる。
これによれば、図８（ｂ）に示すように、アパーチャ１８により外乱が除かれ、さらに、フロスト処理により漏光量が大きくなり、より検出精度が向上する。

図１０はこのように形成された各光量モニタＭ_１〜Ｍ_６を用いて、バンドルファイバ２から照射された照射光量と、光量モニタＭ_１〜Ｍ_６の検出光量を示すグラフである。
照射光量の変化は、大きく分けて、ランプ４の光量変化に起因する場合と、バンドルファイバ２に入射される光量分布の変化に起因する場合がある。
そこで、ランプ４から導光ロッド８へ入射される光量を変化させたときの照射光量に対する光量モニタＭ_１〜Ｍ_６の検出光量を測定すると共に、反射鏡５の第二焦点の位置を導光ロッド８の中心からずらすことにより光量分布を変化させたときの照射光量に対する検出光量を測定した。

グラフの横軸は照射光量、縦軸は検出光量を表わし、照射光量はランプ４を定格電圧で点灯させたときに、バンドルファイバ２の光出射端に配した光センサにより検出された光量を１００として正規化した値、検出光量は照射光量１００のときの光量モニタＭ_１〜Ｍ_６により検出された光量を１００として正規化した値である。

破線Ｌ_０は、調光フィルタ１０を回転させて導光ロッド８への入射光量を変化させたときの照射光量に対する光量モニタＭ_１〜Ｍ_６の検出光量を示している。
この場合は、どの光量モニタＭ_１〜Ｍ_６も測定結果は一致し、検出光量は照射光量に正確に追従している。

また、実線Ｌ_１〜Ｌ_６は、反射鏡５の第二焦点の位置を導光ロッド８の中心からずらすことにより変化する照射光量変化に対する光量モニタＭ_１〜Ｍ_６の検出光量変化を示す。
この場合、導光ロッド８の光入射端面８inにアパーチャ１８を装着し、光出射端面８outにフロスト処理を施した光量モニタＭ_６の検出光量が照射光量に正確に追従している（実線Ｌ_６参照）。
したがって、光量モニタＭ_６は照射光量の変化がランプ４の光量変化に起因する場合も、光量分布変化に起因する場合も漏光量を照射光量として検出することが可能となる。

また、それ以外の光量モニタＭ_１〜Ｍ_５は、全範囲にわたって検出光量が照射光量に正確に追従するものではないが、照射光量１００％近傍の範囲では、光量モニタＭ_６と同様、検出光量が照射光量に正確に追従している（実線Ｌ_１〜Ｌ_５参照）。
すなわち、光センサ９で検出される漏光量は、バンドルファイバ２から照射される照射光量と対応しているので、照射光量変化がランプ４の光量変化に起因する場合も、光量分布変化に起因する場合も、漏光量を照射光量として検出することが可能となる。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
１５００〜２０００時間点灯後の照射光量は、初期光量と比して４０％程度の減光が予想されるので、当初より調光フィルタ１０でランプ４の光量を６０％程度の光量に落としておく。
この状態で光量モニタＭ（Ｍ_１〜Ｍ_６）の光センサ９で検出された検出光量Ｑ_０を１００％として光量コントローラ７に記憶しておき、検出光量Ｑが変化したときに当初記憶した検出光量Ｑ_０に等しくなるように調光フィルタ１０を回転させる。
検出光量Ｑは経時的に低下する傾向にあるので、例えば検出光量Ｑが１％低下したときに、調光フィルタ１０をそのスリット１０ａが大きくなる方向に回転させて、検出光量Ｑ＝１００（％）となるように光量調整を行う。

この場合に、検出光量Ｑは常に１００（％）に維持されており、検出光量Ｑが１％変化するたびに光量調整されるので、検出光量Ｑは常に１００（％）近傍で変化し、したがって、どの光量モニタＭ_１〜Ｍ_６を使用する場合も、照射光量変化を正確に検出することができる。
しかも、その原因がランプ４の光量変化に起因するものであっても、光量分布の変化に起因するものであっても、その原因にかかわらず照射光量を正確に検出できる。

このようにして、検出光量に応じて徐々に調光フィルタ１０により導光ロッド８への入射光量を増大させることにより、１５００〜２０００時間点灯後でも、当初照射光量と略等しい光量で照射することができる。

なお上述の説明では、光量コントローラ７として導光ロッド８への入射光量を可変制御する調光フィルタ１０を用いたが、本発明はこれに限らず、ランプ光量を可変制御する調光回路であってもよい。
また、本発明は、可視光を照射するランプ４を用いる場合に限らず、紫外線ランプ、赤外線ランプを光源とする光照射装置にも適用し得る。

以上述べたように、本発明に係る光源装置によれば、ランプ光量の変化に起因する照射光量変化も、光量分布の変化に起因する照射光量変化も同様に検出することができるので、その検出光量に基づいて照射光量を一定に維持するようにコントロールすることができるという大変優れた効果を奏する。

本発明は、検査対象物（被照射物）への光量は少なくとも検査時間中は変化しないこと、また、使用するカメラの受光感度性能レベルに応じて必要な光量の光を照射できることが要請される画像処理検査装置等の光源装置等に用途に適用できる。

本発明に係る光源装置を示す説明図。調光フィルタを示す説明図。光量モニタを示す説明図。光量モニタを示す説明図。光量モニタを示す説明図。光量モニタを示す説明図。光量モニタを示す説明図。光量モニタを示す説明図。フロスト処理による光損失と検出光量及び照射光量の関係を示すグラフ。照射光量と検出光量の関係を示すグラフ。従来装置を示す説明図。

符号の説明

１光源装置
４ランプ
５反射鏡５
６光出射口６
Ｍ（Ｍ_１〜Ｍ_６）光量モニタ
７光量コントローラ
８導光ロッド
８ａ周面
９光センサ
９ａ光検出面
１０調光フィルタ
１２ａ、１６ａ光拡散面
１３、１５遮光パイプ（遮光材）１３
１４、１７光拡散空間
１６環状凹溝
１８アパーチャ

Claims

ランプの光を反射鏡で集光して光出射口から出射させ、直接的又は間接的に被照射物に対し照射する際に、被照射物に照射される光の照射光量を検出する光量モニタと、その検出光量に応じて照射光量をフィードバック制御する光量コントローラを備えた光源装置において、
前記光量モニタが、反射鏡で集光された光を光出射口に導く光路となる導光ロッドと、その導光ロッドの周面からの漏光量を前記照射光量として検出する光センサとを備えたことを特徴とする光源装置。
前記光量コントローラが導光ロッドへの入射光量を可変制御する調光フィルタを備えている請求項１記載の光源装置。
光源から出射されて被照射物に照射される光の照射光量を検出する光量モニタであって、光源から出射された光を導く光路となる導光ロッドと、その導光ロッドの周面からの漏光量を前記照射光量として検出する光センサとを備えたことを特徴とする光量モニタ。
前記導光ロッドの周面は、光センサで検出する漏光を外部に導き出す部分を除き、遮光材で覆われてなる請求項３記載の光量モニタ。
前記光センサの光検出面が導光ロッドの周面に対向して配されると共に、光検出面と導光ロッド周面との隙間に光拡散面で囲まれた光拡散空間が形成されてなる請求項３記載の光量モニタ。
前記導光ロッドに外装される遮光パイプの内周面に、その周方向に沿って形成された環状凹溝の内面を光拡散面とする光拡散空間が形成され、前記光センサが前記導光ロッドの周面に対向して該光拡散空間に取り付けられてなる請求項３記載の光量モニタ。
前記導光ロッドの口径より小径の透光部が形成されたアパーチャにより、導光ロッドの光入射側端面周縁部が覆われて成る請求項３記載の光量モニタ。
前記導光導光ロッドの光出射端面に、導光ロッドを透過する光の一部を導光ロッド内に戻すフロスト処理が施されてなる請求項３記載の光量モニタ。