JP2010085305A

JP2010085305A - 照明光光源装置

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Publication number: JP2010085305A
Application number: JP2008256138A
Authority: JP
Inventors: Masahito Ikui; 昌仁生井; Yutaka Shindo; 裕新藤
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: JP5359161B2

Abstract

【課題】高い照度から低い照度まで連続的に広い範囲で照度を設定でき、かつ高精度で照度をＦＢ制御できる照明用の光源装置を提供すること。
【解決手段】ランプ１からの光は集光鏡２で集光され、開口の大きさを変化させて通過光量を変化させる調光フィルタ３に入射する。調光フィルタ３を通過した光の一部は石英板５により分岐され照度計の受光器６に入射する。石英板５の光出射側には光の透過率が一定の減光フィルタ７が挿入／退避可能に設けられる。制御部２０のＦＢ制御部２１は、受光器６からの信号に基づき調光フィルタ３を回転させて、被照射物１０表面での照度が設定された値になるように制御する。減光フィルタ制御部２２は、低い照度領域で照度を制御する場合、減光フィルタ７を光路に挿入する。これにより低い照度領域で照度を制御する際にも、Ｓ／Ｎ比を低下させることなく、高精度に照度の制御をすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネルの検査用の光源装置や内視鏡や顕微鏡の光源装置等に使用される照明用の光源装置に関し、特に、照度を精度よく微調整することができる照明光源装置に関するものである。

液晶パネルの製造工程において、パネルにＲＧＢの画素を形成した後、これらの画素が正しく形成されているかどうか検査が行われる。この検査においては、パネルに可視領域の光を含む照明光を照射し、画素の状態を検査する。
上記の照明用の光源ランプとして、可視領域（４５０ｎｍ〜８００ｎｍ付近）の光を効率よく放射するプロジエクタに使用される水銀ランプを利用することが考えられるが、このような照明用の光源に対しては、以下のような要望がある。
（１）可視領域（４５０ｎｍ〜８００ｎｍ付近）の光を、光照射面（例えば液晶パネルの表面）において、高い照度から低い照度まで、連続的に設定が可能であること。
例えば、最大照度を１００とすると、１００〜５の範囲で９５段階に（したがって、実際はほぼ連続的に）照度の設定ができること。
（２）照度を高精度に制御することができ、設定した照度に対して、例えば照度の変化が例えば±３％を超えないこと。
即ち、設定照度が１００のときは、照度の範囲が９７〜１０３の範囲内に入り、設定照度が１０のときは９．７〜１０．３の範囲内に入るように制御できること。

上記（１）の要望である、高い照度から低い照度まで連続的に広い範囲で照度を設定可能にするには、以下の「電力調整」、「減光フィルタ」、「調光フィルタ」を用いる方法が考えられる。
（ａ）「電力調整」による方法
電力調整は、ランプに供給する電力を調整することにより、照度を制御する方法であり、ランプ電力を調整することにより、照度を連続的に変化方させることができる。
しかし、上記した水銀ランプは低い照度に設定するために電力を低くすると、安定した点灯が得にくくなる。そのため照度が不安定になる。場合によってはランプは消えてしまう。例えば、ランプの定格電力を１００とすると、７０以下では不安定となり、点灯しないことがある。したがって、この方式は採用できない。

（ｂ）「減光フィルタ」を用いる方法
減光フィルタとは、蒸着膜等を使い、透過率が例えば５０％や３０％に設定されたフィルタのことである。しかし、このようなフィルタでは段階的にしか照度を切り替えることができない。連続的に照度を切り替えるためには、その分多数の減光フィルタが必要である。上記のように９５段階で照度を切り替えるためには９５枚の減光フィルタが必要になる。コストや取り付ける場所の問題から現実的ではない。
（ｃ）「調光フィルタ」を用いる方法
調光フィルタは、開口の大きさを（実質的に）連続的に変化させて通過する光の量を変えるフィルタであり、例えば、特許文献１の図３には、遮光板に勾玉形の開口を設け、遮光板を回転させることにより、その開口を通過する光の量を連続的に変化させるものが示されている。調光フィルタとしては、上記構造のものの他、カメラのレンズに使われているような「絞り」構造のものでもよい。
このようなフィルタを使用すれば、被照射物を低い照度で照明することも可能である。したがって、この第１の要望にこたえるためには、調光フィルタを使用することが考えられる。

上記（２）の要望である、設定した照度を精度良く一定に保つためには、フィードバック制御（ＦＢ制御）を行うのが一般的である。この場合、被照射物に照射される光の照度を測定し、その測定結果をフィードバックする。したがって、照度の変化を±３％以下に抑えるということは、フィードバック制御の精度（ＦＢ精度）を±３％以下にするということである。
特開平８−１９５３３８号公報

上述したように、高い照度から低い照度まで、連続的に広い範囲で照度を設定するためには、「調光フィルタ」を用いることが考えられ、また、設定した照度を精度良く一定に保つためには、フィードバック制御（ＦＢ制御）を行うのが望ましいと考えられる。
図４（ａ）は、上記調光フィルタを使って照度のＦＢ制御を行う照明用光源装置の構成例である。
ランプ１から放射された可視領域の光は、集光鏡２により反射され、調光フィルタ３を介して被照射物１０（検査対象である液晶パネル）に照射される。
調光フィルタ３は、図４（ｂ）に示すように、遮光板３ａに勾玉形の開口３ｂが形成され、遮光板３ａを回転軸３ｄを中心にして回転させることにより、その開口を通過する光の量を連続的に変化させるものである。
なお、調光フィルタは、図４（ｃ）に示すように、遮光板３ａの開口に金属製の網目３ｃを形成し、この網目の大きさにより開口率を変化させるものでも良い。なお、同図は網目の粗さの変化が４段階で示したが、これはわかりやすくするための一例であり、実際は連続的に変化させている。この場合も、遮光板３ａを回転させることにより、通過する光の量が連続的に変化する。

調光フィルタ３の回転軸３ｄには調光フィルタ駆動機構としてモータ４が取り付けられている。モータ４が回転することにより、調光フィルタ３が回転し、調光フィルタ３を通過する光の量が連続的に変化する。
調光フィルタ３の光出射側には、石英板５があり、調光フィルタ３を通過した光の一部（４％程度）を表面反射により取り出し、照度計の受光器６により受光する。
受光器６は受光した光の強さに応じた信号を制御部２０に出力する。制御部２０は入力した信号により、被照射物表面での照度を演算し、被照射物表面での照度が、設定された値になるように、調光フィルタ３を回転させて通過する光の量を調節する。
受光器６が受光する光の強さと被照射物表面での照度とは、あらかじめ測定実験を行うことにより関連付けられている。

しかし、このような照度によるＦＢ制御は、低い照度では、受光器に取り込む光量が少なくなり精度が低くなる。
例えば、調光フィルタ３が全開の時の照度を１００とすると、その場合の受光器６からの出力信号のＳ／Ｎ比は２５０であった。しかし、調光フィルタ３の開口を絞り、照度５とすると、受光器からの出力信号のＳ／Ｎ比は１３となった。
一般に、Ｓ／Ｎ比が小さくなると、ＦＢ制御した場合にその精度が落ちるので、照度変化を±３％以内に保つことが困難になる。ＦＢ制御を精度良く行うためには、Ｓ／Ｎ比が３５以上であることが望ましい。
上記のように、高い照度から低い照度まで、連続的に広い範囲で照度を設定するためだけであれば調光フィルタを使えばよい。しかし、低い照度の領域ではＳ／Ｎ比が小さくなるので、ＦＢ精度を±３％以下にするのは難しい。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、高い照度から低い照度まで連続的に広い範囲で照度を設定でき、かつ高精度で照度をＦＢ制御できる照明用の光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明においては、挿入退避可能な減光フィルタを追加して、ランプ→調光フィルタ→受光器→減光フィルタの順に配置する。そして、低い照度領域で照度を制御する場合には、減光フィルタを挿入する。これにより、低い照度領域で照度を制御する際にも、受光器に入射する光量を低下させることなく、すなわちＳ／Ｎ比を低下させることなく、照度の制御をすることができる。このため、低い照度領域でもＦＢ精度を低下させることなく、高精度に照度を制御することができる。
なお、上記減光フィルタの透過率は、予めわかっているとし、減光フィルタが挿入されているときは、減光フィルタの出射側の光量が設定した照度に応じた値になるように、減光フィルタの入射側の光量を制御する。
すなわち、本発明においては、次のように上記課題を解決する。
光源装置を、可視光を含む光を放射する光源ランプと、上記光源ランプから出射する光が通過する開口が連続的に変化する調光フィルタと、上記調光フィルタを連続的に駆動させる調光フィルタ駆動機構と、上記光源ランプから出射する光を減光する減光フィルタと、上記減光フィルタを、上記調光フィルタの光出射側において光路に挿入退避させる減光フィルタ駆動機構と、上記調光フィルタを通過した後であって、上記減光フィルタに入射する前の光を受光し、受光した光の強さに応じた信号を出力する受光器とから構成し、上記受光器からの信号に基づいて調光フィルタ駆動機構により調光フィルタを通過する光量を制御する第１の制御部と、減光フィルタ駆動機構により減光フィルタの挿入退避を制御する第２の制御部とを設ける。
そして、高い照度領域で照度を制御する場合には、上記第２の制御部により減光フィルタを退避させ、第１の制御部は、受光器からフィードバックされる光量に基づき調光フィルタを制御して、被照射面が設定した照度になるように制御する。
また、低い照度領域で照度を制御する場合には、上記第２の制御部により減光フィルタを挿入し、第１の制御部は、受光器からフィードバックされる光量に基づき調光フィルタを制御して、減光フィルタを介して被照射面に照射される照度が設定した照度になるように制御する。

本発明においては、被照射物の照度を低く設定する場合は、減光フィルタと調光フィルタとを組み合わせて行い、調光フィルタ通過後であって減光フィルタに入射する前の光を分岐して取り出して、受光器に入射させて、受光器の出力に基づき照度のＦＢ制御を行っている。
このため、調光フィルタのみで照度を調整する場合に比べて、被照射物の相対照度を低く設定しても、調光フィルタ開口を絞らなくて良く、受光器に入射する光の量が小さくならない。したがって、受光器から出力する信号のＳ／Ｎ比も小さくならず、精度の良いＦＢ制御ができる。

図１（ａ）は本発明の実施例の光源装置の構成を示す図であり、前記図４に示したものと同様の構成であるが、本実施例では、ランプ１からの光を減光する減光フィルタ７が追加され、ランプ１→調光フィルタ３→石英板５（受光器６への光の分岐）→減光フィルタ７の順に配置される。
図１（ａ）において、ランプ１から放射した光は集光鏡２によって反射され、調光フィルタ３に入射する。ランプ１は輝度が高く演色性の良い、例えばプロジェクタの光源に使用する水銀ランプを使用する。
調光フィルタ３は、前記図４（ｂ）に示した、遮光板に勾玉状の開口を形成したもの、また図４（ｃ）に示した、遮光板の開口に金属製の網目を形成し、この網目の大きさにより開口率を変化させるものを使用することができる。調光フィルタの中心の回転軸には調光フィルタ駆動機構であるモータ４が取り付けられている。いずれも、このモータ４により遮光板が回転し、通過する光の量が連続的に変化する。

調光フィルタの他の例を図２に示す。図２（ａ）は、遮光板３ａに左右で開口の大きさが異なる長孔３ｅを形成したものであり、図２（ｂ）は、遮光板３ａに形成した長孔に、左右で開口率の異なる網目３ｆを取り付けたものである。いずれも、エアシリンダ９を調光フィルタ駆動機構とし、調光フィルタを図面左右に移動させ、通過する光の量を連続的に変化させる。
また、図２（ｃ）に示すような、数枚の板（絞り羽根３ｇ）を重ね合わせた虹彩絞りも、調光フィルタとして使用することができる。

図１（ａ）に戻り、調光フィルタ３の光出射側の光路内には石英板５が置かれ、調光フィルタ３を通過した光の一部（４％程度）が石英板５の表面で反射し、照度計の受光器６に入射する。
なお、石英板５を使用しなくても、例えば光ファイバで光を取り出し、受光器６に入射させるようにしても良い。図１（ｂ）にその場合の構成例を示す。図１（ｂ）は調光フィルタ３、減光フィルタ７、光ファイバ５ａを含む部分の構成を示した図であり、その他の構成は省略されている。同図に示すように、石英板５の代わりに、光ファイバ５ａを設け、光ファイバ５ａで取り出した光を受光器６に入射させる。
図１（ａ）に戻り、石英板５の光出射側（石英板５と被照射物１０との間）に、減光フィルタ７を設ける。減光フィルタ７は、入射光に対する出射光の割合があらかじめ設定されているフィルタである。減光フィルタ７は、減光フィルタ挿入退避機構８により、照明光の光路に挿入退避する。

図３に減光フィルタ７の例を示す。図３（ａ）は、枠７ａ内に金属の網目状の開口７ｂが形成したものであり、網目の開口７ｂの大きさにより、例えば透過率３０％というように、通過する光の量が設定される。
図３（ｂ）は、網目の替わりに偏光板７ｃを用いたものであり、透過率は、偏光板自体に吸収がなければ５０％になる。図４（ｃ）は石英やガラス板上に蒸着膜７ｄを形成したものであり、膜の厚さにより透過率を適宜設定できる。また、光吸収型のガラス板を用いても良い。

上記構成から分かるように、照度のＦＢ制御を行うための光は、調光フィルタ３の通過後であって、減光フィルタ７に入射する前の光を分岐して取り出し、受光器６に入射させる。受光器６は受光した光量に応じた信号を制御部２０に出力する。
制御部２０は、第１の制御部であるＦＢ制御部２１と、第２の制御部である減光フィルタ制御部２２から構成される。
第１の制御部であるＦＢ制御部２１は、受光器６により検出された光量に応じた信号により、被照射物１０表面での照度を演算し、被照射物１０表面での照度が、外部から与えられる設定された照度Ｓ１になるように、モータ４を駆動して調光フィルタを回転させて、調光フィルタを通過する光量をＦＢ制御する。

第２の制御部である減光フィルタ制御部２２は、外部から与えられる設定照度Ｓ１が、減光フィルタの透過率により定まるあらかじめ定められた閾値Ｓ２超えているか否か判定し、設定照度Ｓ１が閾値Ｓ２を超えているときには、減光フィルタ７を光路から退避させ、設定照度Ｓ１が閾値Ｓ２以下のときには減光フィルタ７を光路中に挿入する。
ＦＢ制御部２１は、減光フィルタ制御部２２から送信される減光フィルタ７の挿入／退避信号を受信し、減光フィルタ７が挿入されているときは、減光フィルタ７の透過率を掛け合わせて被照射物１０表面での照度を演算し、被照射物１０表面での照度が、外部から与えられる設定された照度Ｓ１になるように、調光フィルタ３を通過する光の量を調節する。

次に、本実施例の光源用照明装置の動作を説明する。なお、本実施例においては、減光フィルタは、透過率が３０％のものを使用するものとし、また、被照射物（液晶パネル）に照射する光の相対照度を、最大照度の時を１００として１００段階に分け、１ステップ刻みで１００〜５の範囲で変化させる場合について説明する。
１００〜５の相対照度において、設定される照度が高い１００〜３０の範囲においては、減光フィルタ挿入退避機構８により減光フィルタ７を光路から退避させて、従来と同様に制御を行う。
すなわち、ＦＢ制御部２１は、減光フィルタ制御部２２から送信される減光フィルタ７の挿入／退避信号により減光フィルタ７が挿入されているか否か判定し、減光フィルタ７が挿入されていなときには、調光フィルタ３の透過率を１００％〜３０％の範囲で回転させ、被照射物１０表面での照度が、設定された照度になるように制御する。
受光器６は、調光フィルタ３を通過した光の強さに応じた信号を制御部２０のＦＢ制御部２１に出力する。
ＦＢ制御部２１は受光器６から入力した信号により、被照射物１０表面での照度を演算し、被照射物１０表面での照度が、設定された値Ｓ１になるように、調光フィルタ３を回転させて通過する光の量を調節し、照度が一定になるようにＦＢ制御する。
相対照度１００〜３０の範囲であれば、受光器６に入射する光の量は多いので、受光器６から出力される信号のＳ／Ｎ比は大きく、精度の良いＦＢ制御が可能である。

設定照度が低い３０〜５の範囲においては、減光フィルタ挿入退避機構８により減光フイルタ７を光路に挿入する。
ＦＢ制御部２１は、減光フィルタ制御部２２から送信される挿入／退避信号により減光フィルタ７が挿入されているか否か判定し、減光フィルタ７が挿入されているときには、受光器６から調光フィルタ３を通過した光の強さに応じた信号を受信し、受光器６から入力した信号に、透過率が３０％の減光フィルタが挿入されていることを掛け合わせて（要は０．３倍して）被照射物１０表面での照度を演算する。そして、被照射物１０表面での照度が、設定された値になるように、調光フィルタ３を回転させて通過する光の量を調節する。
本実施例の場合、減光フィルタ７の透過率は３０％であるので、例えば、被照射物１０表面の相対照度を３０にする場合には、調光フィルタ３は、１００％の光が通過する全開の位置になるように回転する。
また、被照射物１０表面の相対照度を５にする場合は、３０％通過の減光フィルタを挿入した状態で、調光フィルタ３を１７％通過とする位置に回転させる。これにより、被照射物１０表面の相対照度は、［調光フィルタ１７％通過］×［減光フィルタ３０％通過］＝約５％となる。

即ち、照度のＦＢ制御行うために受光器６に入射する光は、調光フィルタ３通過後であって、減光フィルタ７に入射する前の光を分岐して取り出したものであるので、被照射物の相対照度が５であっても、調光フィルタ３を通過する光の量は１７であり、調光フィルタ３のみで照度を調整する場合に比べて、受光器６に入射する光の量が小さくならない。このため、相対照度５における受光器からの出力信号のＳ／Ｎ比は、例えば３８となり、上記したＦＢ制御を精度良く行うためのＳ／Ｎ比である３５以上を得ることができた。なお、上記実施例においては、減光フィルタとして透過率が３０％のものを使用したが、それ以外の透過率のものでも良い。
また、本実施例においては、照明光源装置を液晶パネルの検査に適用する場合を例にして説明したが、本発明の照明光源装置は、内視鏡や顕微鏡の光源装置としても使用することができる。また、蛍光分析といった分析装置の光源装置としても使用することもできる。

本発明の実施例の光源装置の構成を示す図である。調光フィルタのその他の例を示す図である。減光フィルタのその他の例を示す図である。照明用光源装置の構成例および調光フィルタの構成例を示す図である。

符号の説明

１ランプ
２集光鏡
３調光フィルタ
４モータ
５石英板
６受光器
７減光フィルタ
８減光フィルタ挿入退避機構
９エアシリンダ
１０被照射物
２０制御部
２１ＦＢ制御部
２２減光フィルタ挿入退避制御部

Claims

可視光を含む光を放射する光源ランプと、
上記光源ランプから出射する光が通過する、開口が連続的に変化する調光フィルタと、上記調光フィルタを連続的に駆動させる調光フィルタ駆動機構と、
上記光源ランプから出射する光を減光する減光フィルタと、
上記減光フィルタを、上記調光フィルタの光出射側において光路に挿入退避させる減光フィルタ駆動機構と、
上記調光フィルタを通過した後であって、上記減光フィルタに入射する前の光を受光し、受光した光の強さに応じた信号を出力する受光器と、
上記受光器からの信号に基づいて上記調光フィルタ駆動機構を制御して、調光フィルタを通過する光量を制御する第１の制御部と、
上記減光フィルタ駆動機構を制御して、減光フィルタの挿入退避を制御する第２の制御部とを備えた
ことを特徴とする照明光源装置。