JP2008027874A - 光照射システム及び光制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤの立ち上がりを迅速化することにより、ＯＮ期間のパルス幅が極めて短く設定される場合にあってもデューティ比に基づいて所望の明るさに調光しえ、速いシャッタースピードでの撮像においても好適に採用しうる光照射システム及び光制御装置を提供する。
【解決手段】対象物に対し光を照射するＬＥＤと、そのＬＥＤに対しＯＮ期間とＯＦＦ期間とを設けて電流を供給することにより、前記ＬＥＤを調光する駆動部３２２であって、動作電流指示値に基づいて前記ＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、待機電流指示値に基づいて前記ＯＦＦ期間で少なくとも前記ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に待機電流を積極的に供給する駆動部３２２と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、たとえば製品などの対象物に対し発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」ともいう。）により光を照射する光照射システム及びＬＥＤを調光するための光制御装置に関する。

従来、ＬＥＤの調光（明るさ制御）方式としては、連続電流制御の他に、ＰＷＭ制御が知られている（特許文献１）。

また、より精密な明るさ制御をするために、ＰＷＭ制御を基本としつつ、そのＯＮ期間（Ｈｉｇｈ期間）の電流を定電流制御するようにした組み合わせ方式のものも近時開発されてきている。

ところが、ＬＥＤをＰＷＭ制御方式で調光すると、その繰り返し基本周波数（分解能）を大きくしたときの、低いデューティ比でのＬＥＤの明るさが、デューティ比に比例しなくなる。これは、図８に示すようにＬＥＤの発光の立ち上がりＬが、入力信号である制御電流ＯＮ期間のパルス幅Ｗに追いつかなくなることに起因する。特に前記組み合わせ方式では、フィードバック制御をしているため、立ち上がりに長い時間がかかり、その現象が顕著になる。その結果、例えば速いシャッタースピードでの撮像においては、かかる制御方式のものでは所望の調光ができなくなるという不具合を発生する。
特開２００１−１５３８０８号公報

そこで、本発明は、これらの不具合を解決すべく図ったものであって、ＬＥＤの立ち上がりを迅速化することにより、ＯＮ期間のパルス幅が極めて短く設定される場合にあってもパルス幅又はデューティ比に基づいて所望の明るさに調光し得、速いシャッタースピードでの撮像においても好適に採用しうる光照射システム及び光制御装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。

本発明では、光照射システムは、対象物に対し光を照射するＬＥＤと、
そのＬＥＤに対しＯＮ期間とＯＦＦ期間とを設けて電流を供給することにより、前記ＬＥＤを調光する駆動部であって、動作電流指示値に基づいて前記ＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、待機電流指示値に基づいて前記ＯＦＦ期間で少なくとも前記ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に前記動作電流より小さい待機電流を供給する駆動部と、を備えている（請求項１）。

このような光照射システムであれば、ＬＥＤに対して、ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に待機電流を積極的にバイアスしているので、ゼロから立ち上げる場合に比べＬＥＤの立ち上がりの傾きを大きくし、ＬＥＤの立ち上がりを迅速化しうる。したがって、ＬＥＤをＯＮ期間のパルス幅内で余裕をもって立ち上げ、ＯＮ期間がきめ細かく極めて短く設定される場合にあっても、パルス幅又はデューティ比に基づいて所望の明るさに調光し得、速いシャッタースピードでの撮像においても好適に採用しうる光照射システムをえることができる。

待機電流指示値は、少なくとも０＜待機電流指示値＜動作電流指示値となり、好ましくは、ＬＥＤの非飽和領域の下限近傍の値に設定される。待機電流はＯＦＦ期間に亘って供給しても構わないが、ＯＮ期間の立ち上がり特性が、待機電流をＯＦＦ期間に亘って供給した場合と実質的に変わらない所定時間だけ、前記ＯＮ期間の立ち上がり前に待機電流を少なくとも供給すればよい。また、待機電流の値は、ＬＥＤが目視では発光が認められない程度にしてもよいし、わずかに薄暗く光っているように設定しても構わない。薄暗く光らせておけば、故障を速やかに検知できるという利点もある。

また、対象物に光を照射するＬＥＤに対し、ＯＮ期間とＯＦＦ期間とを設けて電流を供給することにより、前記ＬＥＤを調光する駆動部であって、動作電流指示値に基づいて前記ＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、待機電流指示値に基づいて前記ＯＦＦ期間で少なくとも前記ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に前記動作電流より小さい待機電流を供給する駆動部を備えている光制御装置であれば（請求項２）、前述した光照射システムの場合と同様のＬＥＤの調光を実現することができる。

より好適には、前記動作電流指示値と前記待機電流指示値と前記ＯＮ期間及び前記ＯＦＦ期間を設定するＯＮ／ＯＦＦ信号とが入力され、前記ＯＦＦ期間に亘って待機電流指示値をセットし、前記ＯＮ期間に亘って前記動作電流指示値をセットする二値信号出力部をさらに備えているものがよい。

また、少なくとも前記ＯＮ期間において前記発光ダイオードを流れる電流を検出し、その検出電流値が前記動作電流指示値に近づくように制御するフィードバック制御部をさらに備えているもの（請求項３）において、本発明の効果が特に顕著になる。すなわち、このような電流フィードバック制御構成であると、従来ではＬＥＤの立ち上がりの遅れがボトルネックとなって、ＯＮ期間の正確な光量、波長制御ができるというこの方式の特長を活かし切れない。しかし本発明によれば、待機電流のバイアスにより、ＬＥＤの立ち上がりを迅速化できるので、ＯＮ期間の正確な光量、波長制御と併せて、非常に質の高い、しかも多用途に用いることのできる光照射システム等を提供できる。

前記フィードバック制御部の具体的実施態様としては、前記発光ダイオードに供給する前記動作電流及び前記待機電流を検出し検出電流値を出力する検出部と、その検出電流値を前記動作電流指示値及び前記待機電流指示値と比較して、その差分に応じた値の制御信号を前記駆動部に出力する補正部で構成されているものを挙げることができる（請求項５）。

前記ＯＮ期間と前記ＯＦＦ期間が、１サイクル内でＯＮ期間とＯＦＦ期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号に基づいて設定され、前記駆動部が、前記ＯＮ期間と前記ＯＦＦ期間との比によって前記ＬＥＤを調光するものであっても（請求項６）、ＬＥＤに対して待機電流をオフセットして供給しておくことにより、その繰り返し基本周波数を高くきめ細かく設定したときの低いデューティ比における場合でも、ＬＥＤの明るさ制御をデューティ比に基づいて確実に行いうる。したがって、シャッタースピードが速い撮像のときでも、それに充分対応したきめの細かいＰＷＭ制御によるＬＥＤの調光が可能になる。

前記駆動部が、前記ＯＮ期間と前記ＯＦＦ期間とを設けて前記ＬＥＤをフラッシュ発光せるものであっても（請求項７）、待機電流をオフセットすることにより、ＬＥＤの立ち上がりを迅速化することができる。したがって、シャッタースピードが速い撮像に対応すべく、フラッシュ発光期間を極めて短く設定しなければならないようなときでも、それに充分対応したフラッシュ発光を実現しうる。

前記ＬＥＤが、近接させて配置した複数のＬＥＤを電気的直列に接続したＬＥＤ群であり、そのＬＥＤ群をさらに複数電気的並列に接続して構成されるものにおいては、待機電流を印加しＬＥＤを薄っすら発光させておくことにより、一つのＬＥＤに不良や故障発生等が発生している場合であっても、直列に接続された一群全体で動作状況を確認できるため、ＬＥＤの動作状況を容易に判別することができる。

しかして、本発明によれば、ＬＥＤに対して、ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に待機電流をバイアスしているので、ＬＥＤの立ち上がりを迅速化しうる。したがって、ＬＥＤをＯＮ期間のパルス幅内で余裕をもって立ち上げうる。しかして、ＯＮ期間がきめ細かく極短く設定される場合にあっても、デューティ比に基づいて所望の明るさに調光しえ、速いシャッタースピードでの撮像等においても好適に採用しうる光照射システム又は光制御装置を提供することができる。

以下に本発明の実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。

図１は、本実施形態にかかる光照射システム１００の全体を示す模式図である。かかる光照射システム１００は、製品等（ワークともいう）の表面検査などに用いられるものであり、照明装置１と、その照明装置１と電気ケーブル４によって接続される電源２と、前記電源２と例えば同一筐体内に収納された光制御装置３とを備えている。

照明装置１は、図１〜図３に示すように、例えば、底面が面発光する円盤状のものであり、ワークの表面検査やマーク検出をするために、その底面をワークに近接させてこれを照明する。この照明装置１の中央には観察孔Ｈが貫通させてあり、この観察孔Ｈを介して照明されているワーク表面の撮像又は目視を行うことができる。

この照明装置１の底面には、前述した面発光のために、多数のＬＥＤ１１が同心円状に敷設されている。その回路構成としては、図４に示すように、数個のＬＥＤ１１を複数個直列させてＬＥＤ直列回路を形成し、そのＬＥＤ直列回路を並列に複数接続するようにしている。そしてこれらＬＥＤ１１への電力供給のために、プラス端子１２とマイナス端子１３からなる接続端子を設け、それに前記電気ケーブル４が接続されるように構成している。

電源２は、ＬＥＤ１１に一定の電圧を供給する定電圧直流タイプのもので構成されており、その定電圧ラインが前記照明装置１のプラス端子１２に電気ケーブル４を介して接続されている。

光制御装置３は、ＣＰＵまたはディスクリート部品で構成したデジタル／アナログ混成回路であり、図５にその機能ブロック図を示すように、二値信号出力部３１と定電流制御部３２とを主として備えている。

これら各部について図５を参照して説明する。

二値信号出力部３１は、動作電流指示値と待機電流指示値とＯＮ期間及びＯＦＦ期間を設定するＰＷＭ（Pulse Width Modulator）信号とを受け付け、それら入力信号に基づいて、ＯＦＦ期間に待機電流指示値をセットし、ＯＮ期間に動作電流指示値をセットするものである。

より具体的に説明すると、二値信号出力部３１には、１サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号（図６参照）が図示しないＰＷＭコントローラから入力される。本実施形態でのＰＷＭ信号のスイッチング周波数は例えば数十ｋＨｚで、１サイクルは数〜数十μｓ、そして２５６階調の調光が可能である。つまり、ＯＮ信号のパルス幅の最短期間は、数十〜数百ｎｓのオーダである。さらに、二値信号出力部３１には、図示しない電流指示回路から、２つの値（電圧値）、すなわち動作電流指示値及び待機電流指示値を有する電流指示信号が入力される。

そして、ＰＷＭ信号のＯＦＦ期間においては待機電流指示値を、またＯＮ期間においては動作電流指示値を電圧値とする二値信号を、前記定電流制御部３２へ出力する。

なお、待機電流指示値は、少なくとも０＜待機電流指示値＜動作電流指示値となるように設定され、本実施形態では、待機電流指示値に応じてＬＥＤ１１に流される電流値（待機電流値）が、その非飽和領域の下限近傍の値となるように設定されている。この待機電流値をわかりやすく言い換えると、ＬＥＤ１１が目視では発光が認められない程度、又はわずかに薄暗く光って認識できる程度の電流値のことである。薄暗く光らせておけば、故障を速やかに検知できるという利点もある。

定電流制御部３２は、ＬＥＤ１１に流れる実際の電流を検出する検出部３２３と、前記検出部で検出された検出電流値を前記動作電流指示値及び前記待機電流指示値と比較し、その差分に応じた値の制御信号を出力する補正部３２１と、ＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、ＯＦＦ期間に待機電流をバイアス供給することにより、ＯＮ期間とＯＦＦ期間とを設けてＬＥＤ１１に電力を供給する駆動部３２２と、を備えている。

検出部３２３は、前記駆動部３２２と電気的に直列に接続された電流検出抵抗を含んだ検出回路で構成されており、前記電流検出抵抗の端子間の電圧値を測定し、これを増幅するなどして検出信号を生成し、補正部３２１に出力する。

補正部３２１は、前記二値信号出力部３１から出力された二値信号の値（動作電流指示値及び待機電流指示値）と、前記検出部３２３から出力された検出電流値とを受けて、それらを比較し、その差分に応じた値の制御信号を駆動部３２２に出力するものであり、オペアンプを含んだ比較増幅回路で構成される。なおこの検出部３２３及び補正部３２１が請求の範囲に記載したフィードバック制御部を構成する。

駆動部３２２は、主としてＦＥＴやトランジスタなどの増幅回路から構成されたものであり、ＬＥＤ１１の下流に直列に接続されている。そして、前記制御信号の値に応じた電流をＬＥＤ１１に対し供給する。すなわち、動作電流指示値に基づいてＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、待機電流指示値に基づいてＯＦＦ期間で少なくともＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間（本実施形態においては、ＯＦＦ期間と等しい期間）に待機電流を供給する。

このように構成した本実施形態にかかる光照射システムの動作について主に図６及び図７を参照して説明する。

まず二値信号出力部３１から、ＰＷＭ信号に同期した二値信号（Ｈｉｇｈレベルとして動作電流指示値、Ｌｏｗレベルとして待機電流指示値）が出力される。また、その一方で検出部３２３から、実際にＬＥＤ１１に流れている電流値が測定されて出力される。

そして補正部３２１が、その動作電流指示値及び待機電流指示値と、実際にＬＥＤ１１に流れている検出電流値とを比較し、その差分値を有する制御信号を駆動部３２２に出力する。

駆動部３２２は、その制御信号の値を増幅し、その値でもってＬＥＤを駆動する。

このように、二値信号出力部３１から出力された二値信号の値を目標とする、ＬＥＤ１１に対する電流フィードバック制御が行われ、その結果として、ＬＥＤ１１には、図６に示すように、１サイクルでＨｉｇｈレベルの期間（ＯＮ期間）とＬｏｗレベルの期間（ＯＦＦ期間）とが切り替わる電流（動作電流と待機電流）が供給されることとなる。

このとき駆動部３２２は、ＯＦＦ期間において、積極的に待機電流をオフセットしてＬＥＤ１１に供給するので、図６に示すように、ＯＮ期間のＬＥＤ１１の立ち上がりの傾きが大きくなり、したがって、ＬＥＤ１１は、ＯＮ期間のパルス幅Ｗ内で余裕をもって迅速に立ち上がる。

すなわち、この光照射システムによれば、ＯＮ時のＬＥＤ１１の発光立ち上がり時間を従来に比べ大幅に向上させることができるので、ＰＷＭ制御の周波数を従来より速く設定しても、デューティ比に比例した光量調節を行うことができる。また、ＰＷＭ制御の周波数を速くできる結果、その用途を、より速いシャッタースピードでの撮像など、従来に比べ大幅に広げることができる。

特にこの実施形態では、フィードバック電流制御の欠点である発光立ち上がり時間の遅さを解消できるので、フィードバック電流制御の利点、すなわちＬＥＤ個々の特性に依存しない確実に制御された所望の明るさを維持できるという点と、ＰＷＭ制御の利点、すなわち調光しても波長変動のない高品質の光を提供できるという点を双方活かして、従来では考えられなかった分野に、この光照射システムを適用することが可能になる。

また、本実施形態のように多数のＬＥＤ１１からなる光照射システムにおいては、以上のように待機電流を印加し、ＬＥＤ１１を薄っすらと発光させておけば、実際の動作に先立って目視などによりＬＥＤ１１の状況を確認して、容易にその故障等を判別することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば駆動部３２２は、ＯＦＦ期間に亘って、ＬＥＤに待機電流を供給するようにしているが、待機電流指示値に基づいて前記ＯＦＦ期間で少なくとも前記ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間において待機電流を供給するものであれば構わない。

さらに、不定期に１回乃至数回パルス発光させる形態、すなわちフラッシュ発光させる形態のものにあっては、ＰＷＭ信号に換え、１サイクル内でＯＮ期間（フラッシュ発光期間）とＯＦＦ期間とが切り替わる所定周波数のフラッシュ発光駆動信号が入力されるように構成することができる。この場合でも、フラッシュ発光期間立ち上がり前の所定期間において前述の待機電流を積極的にオフセットすることにより、ＬＥＤの立ち上がりを迅速化することができる。それにより、シャッタースピードが速い撮像に対応すべく、フラッシュ発光期間を極めて短く設定しなければならないようなときでも、パルス幅に基づいて調光されたフラッシュ発光を実現しうる。また、フラッシュ発光させる形態のものにおいては、特にＬＥＤの動作状況の確認が困難な場合が多いが、待機電流を積極的にオフセットしておくことにより、前述したようにＬＥＤの動作状況の確認が容易になるという利点が顕著になる。

さらに前記実施形態では、フィードバックによる電流制御を行っている例を挙げたが、オープンループで電流値を制御するものでも構わない。その他に、ＯＦＦ期間のみオープンループ制御するようにしたものや、ＯＮ期間のみオープンループ制御するようにしたものも考えられる。

加えて、駆動部を照明装置側に配置しても構わない。ケーブルによる浮遊容量が減少するのでより速い制御が可能になる。

また、パワー型のＬＥＤを一列に並べたライン光照明システムなどでは、画像装置側でのスキャンが速いため、従来のＰＷＭ制御では追従できず、連続電流制御による調光を行っていたが、その場合、特に低電流領域で使用したときに、各ＬＥＤには非常に低い電圧しか作用しないため、各ＬＥＤのＶｆの違いにより、不点灯のものが現れて、明暗のバラツキが顕著に生じ、調光における線形性も悪化するという大きな問題が生じていた。

しかし、この実施形態によれば、高速化の結果、このような場合でもＰＷＭ制御を用いることができるので、微小光量まで、各ＬＥＤの明るさのバランスを保ちながら、線形性よく、確実に調光することができる。

さらに、連続電流でパワーＬＥＤを制御すると、低電流領域等で色味がシフトしてしまうところ、ＰＷＭ制御により、その現象を抑制して光質を向上させることができる。

本発明は、以上に述べた以外にも、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施しうる。

本発明にかかる光照射システムの一実施形態を示す全体概略構成図。 同実施形態における光制御装置の平面図。 同実施形態における光制御装置の縦断面図。 同実施形態における光照射装置の概略回路図。 同実施形態における光照射システムの機能ブロック図。 同実施形態におけるＯＮ期間及びＯＦＦ期間を示す図。 同実施形態における光照射システム及び光制御装置の動作を示す図。 本発明の従来技術を示す図

符号の説明

１ ・・・照明装置
１１ ・・・発光ダイオード（ＬＥＤ）
２ ・・・電源
３ ・・・光制御装置
３１ ・・・二値信号出力部
３２ ・・・定電流制御部
３２１・・・補正部
３２２・・・駆動部
３２３・・・検出部
４ ・・・電気ケーブル
Ｗ ・・・入力パルス幅
Ｌ ・・・発光ダイオード（ＬＥＤ）の光量の立ち上がり

Claims (8)

1. 対象物に対し光を照射する発光ダイオードと、
   その発光ダイオードに対しＯＮ期間とＯＦＦ期間とを設けて電流を供給することにより、前記発光ダイオードを調光する駆動部であって、動作電流指示値に基づいて前記ＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、待機電流指示値に基づいて前記ＯＦＦ期間で少なくとも前記ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に前記動作電流より小さい待機電流を供給する駆動部と、
   を備える光照射システム。
2. 対象物に光を照射する発光ダイオードに対し、ＯＮ期間とＯＦＦ期間とを設けて電流を供給することにより、前記発光ダイオードを調光する駆動部であって、動作電流指示値に基づいて前記ＯＮ期間に動作電流を供給するとともに、待機電流指示値に基づいて前記ＯＦＦ期間で少なくとも前記ＯＮ期間の立ち上がり前の所定期間に前記動作電流より小さい待機電流を供給する駆動部を備える光制御装置。
3. 前記動作電流指示値と前記待機電流指示値と前記ＯＮ期間及び前記ＯＦＦ期間を設定するＯＮ／ＯＦＦ信号とが入力され、前記ＯＦＦ期間に亘って待機電流指示値をセットし、前記ＯＮ期間に亘って前記動作電流指示値をセットする二値信号出力部をさらに備える請求項２記載の光制御装置。
4. 少なくとも前記ＯＮ期間において前記発光ダイオードを流れる電流を検出し、その検出電流値が前記動作電流指示値に近づくように制御するフィードバック制御部をさらに備える請求項２又は３記載の光制御装置。
5. 前記フィードバック制御部は、前記発光ダイオードに供給する前記動作電流及び前記待機電流を検出し検出電流値を出力する検出部と、その検出電流値を前記動作電流指示値及び前記待機電流指示値と比較して、その差分に応じた値の制御信号を前記駆動部に出力する補正部で構成されている請求項４記載の光制御装置。
6. 前記ＯＮ期間と前記ＯＦＦ期間は、１サイクル内でＯＮ期間とＯＦＦ期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号に基づいて設定され、前記駆動部は、前記ＯＮ期間と前記ＯＦＦ期間との比によって前記発光ダイオードを調光するものである請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の光制御装置。
7. 前記駆動部は、前記ＯＮ期間と前記ＯＦＦ期間とを設けて前記発光ダイオードをフラッシュ発光させるものである請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の光制御装置。
8. 前記発光ダイオードは、近接させて配置した複数の発光ダイオードを電気的直列に接続した発光ダイオード群であり、その発光ダイオード群をさらに複数電気的並列に接続して構成される請求項２乃至請求項７のいずれかに記載の光制御装置。