JP7257654B2 - 調光電源装置および撮像装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 画像センシング展２０１８ 平成３０年６月１３日～１５日

本発明は、調光電源装置およびその調光電源装置を用いた撮像装置に関するものである。

従来、発光ダイオードなどの光源を調光するために調光電源装置が使用されている。その調光電源装置においては、パルス幅変調（ＰＷＭ）された信号を利用して光源を調光するものが存在する（下記特許文献１参照）。また、調光電源装置を用いた撮像装置にあっては、調光電源装置により調光された光源の光を被照射物に照射し、反射光をカメラの受光素子で受光する。これにより、受光量に応じて画像データを生成し、その画像データをコンピュータで画像処理することで被照射物の形状、色、傷などを検査することができる。

しかし、光源の点灯とカメラの露光が同期されるように考慮する必要がある。同期されなければ、撮影時の光量が少なくなり、被照射物が鮮明に写らない。光源を常時点灯させれば上記のようなことは無いが、光源の負荷が大きくなり、消費電力も大きくなる。また、カメラの性能に合わせて適宜光源の点灯と消灯を制御できることが望ましい。

特開２０１８－８８３９０号公報

本発明の目的は、光源への負荷が小さく、柔軟性の有る調光電源装置およびその調光電源装置を用いた撮像装置を提供することにある。

本発明の調光電源装置は、光源を調光し、光源の発光と光源で発光された光の反射光を受光するカメラの撮影とが同期されるようトリガー入力される装置である。調光電源装置は、レジスタ部、ロジック部、データ書き込み部を備える。レジスタ部は、光源の点灯と消灯の時間、点灯周波数および点灯期間のデータを保持する。ロジック部は、トリガー入力されるとレジスタ部に保持されたデータに基づいて光源を調光する。データ書き込み部は、ロジック部にトリガー入力される前またはロジック部による光源の調光後にレジスタ部にデータを書き込む。

レジスタ部は、パルス幅レジスタ、点灯期間レジスタ、分解能レジスタを備える。パルス幅レジスタは、光源の点灯と消灯の１サイクルに占める点灯時間のデータ、または、１サイクルに占める消灯時間のデータを保持する。点灯期間レジスタは、光源が点灯するサイクル数のデータを保持する。分解能レジスタは、光源の点灯と消灯の１サイクルあたりのクロックの数のデータを保持する。

また、レジスタ部はクロックの周期のデータを保持する周波数レジスタを備える。さらにレジスタ部は、ロジック部を駆動させるためのトリガーのパルス幅のデータを保持したトリガー時間レジスタを備える。

本発明の撮像装置は、上記の調光電源装置と、調光電源装置で調光される光源と、光源で発光された光の反射光を受光するカメラとを備える。光源の発光とカメラの受光は同期される。

本発明によれば、光源への負荷が小さく、柔軟性の有る調光電源装置およびその調光電源装置を用いた撮像装置を提供することができる。

調光電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 基準クロックに基づいて生成された動作クロックを示す波形図である。 動作クロックが異なると点灯時間が異なることを示す波形図である。 トリガーの後に点灯期間が４サイクルの場合を示す波形図である。 １サイクルの動作クロック数の違いを示す波形図である。 光源の一例を示す回路図である。 撮像装置の構成を示す模式構成図である。

本発明の実施形態に係る調光電源装置および撮像装置について図面を参照して説明する。

図１に示す調光電源装置１０は、調光用ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１２によって光源１４を調光する装置である。調光用ＦＰＧＡ１２は、データを保持（記憶）するレジスタ部１６、そのレジスタ部１６に保持されたデータに基づいて光源１４を調光するロジック部１８、レジスタ部１６のデータを書き換えるデータ書き込み部２０を備える。

レジスタ部１６は光源１４の点灯と消灯の時間、点灯周波数および点灯期間のデータを保持する回路であり、たとえば複数のフリップフロップ(flip-flop)で構成することができる。レジスタ部１６はパルス幅レジスタ２２、点灯期間レジスタ２４、分解能レジスタ２６、周波数レジスタ２８を備える。それらのレジスタ２２、２４、２６、２８に保持されたデータによって、光源１４の点灯と消灯の時間、点灯周波数および点灯時間が決定される。

レジスタ部１６に外部の発振回路から基準クロックが入力される。基準クロックは数十Ｈｚ～数ＭＨｚのパルス列である。レジスタ部１６は基準クロックが入力されると、保持されているデータをロジック部１８に出力する。ロジック部１８はそのデータによって光源１４を調光する。

周波数レジスタ２８で保持されるデータは動作クロックの１周期における基準クロックのクロック数（周期）である。図２に２周期の基準クロックで１周期の動作クロックａと３周期の基準クロックで１周期の動作クロックｂを示している。動作クロックの１周期あたりの基準クロックのクロック数が多くなれば、動作クロックの１周期が長くなり、後に説明する１サイクルが長くなる。たとえば動作クロックａ、ｂの４周期分を光源１４の点灯時間とする調光出力ａ、ｂを図３に示す。動作クロックａの周期よりも動作クロックｂの周期が長く、調光出力ａの周期よりも調光出力ｂの周期が長くなっている。なお、調光出力ａ、ｂはロジック部１８から光源ドライバ３２への信号出力である。

光源１４の１回の点灯と消灯を１サイクルとする。パルス幅レジスタ２２は、１サイクルあたりの点灯時間のデータを保持する。１サイクルの時間Ｔ０ａ、Ｔ０ｂと光源１４の点灯時間Ｔ１ａ、Ｔ１ｂは動作クロックａ、ｂのクロック数（周期）である。図３の調光出力ａ、ｂは、１サイクルＴ０ａ、Ｔ０ｂの動作クロックのクロック数が８であり、点灯時間Ｔ１ａ、Ｔ１ｂの動作クロックのクロック数が４である。なお、動作クロックａとｂは共に1サイクルＴ０ａ、Ｔ０ｂあたりの点灯時間Ｔ１ａ、Ｔ１ｂの比率が５０％であるが、実際には５０％に限定されない。

図４に示すように、１回の点灯時間Ｔ１ｃと消灯時間Ｔ２ｃを１サイクルＴ０ｃとした場合に、光源１４が点灯するサイクル数を点灯期間ＴＬｃとする。点灯期間レジスタ２４は、光源１４の点灯期間のデータを保持する。図４の調光出力ｃの場合、光源１４の点灯期間ＴＬｃは４サイクルである。図４の場合、光源１４は点灯期間ＴＬｃの間に一定周期で４回点灯する。点灯時間Ｔ１ｃの合計に応じて光源１４の総光量が変動する。

分解能レジスタ２６は、光源１４の点灯と消灯の１サイクルＴ０ｃあたりの動作クロックのクロック数（周期）のデータを保持する。動作クロックのクロック数が多くなれば、１サイクルＴ０ｃが長くなる。図５は同じ動作クロックｃでクロック数が４の場合と５の場合の調光出力ｃ、ｄを示している。調光出力ｃのクロック数よりも調光出力ｄのクロック数が多く、１サイクルの長さはＴ０ｃ＜Ｔ０ｄとなっている。

さらに、レジスタ部１６はトリガー時間レジスタ３０を備える。トリガー時間レジスタ３０は、図４に示すように、トリガーの最小（最短）のパルス幅Ｔｄのデータを保持する。たとえば、パルス幅Ｔｄのデータとして基準クロックのパルス幅を用いる。ロジック部１８にトリガーが入力されても、保持されたデータのパルス幅Ｔｄよりも短いトリガーは無効にし、ロジック部１８は起動しない。

ロジック部１８はトリガー入力されることで起動し、レジスタ部１６から出力されたデータに基づいて光源１４を調光するためのロジック回路（logic circuit）である。ロジック部１８は、トリガー時間レジスタ３０に記憶されたパルス幅Ｔｄ以上のトリガーが入力されると起動する。パルス幅レジスタ２２、点灯期間レジスタ２４、分解能レジスタ２６および周波数レジスタ２８に格納されたデータは、基準クロックに合わせてロジック部１８に出力される。ロジック部１８に入力されたデータによって、光源１４の点灯と消灯の時間、点灯期間および点灯周波数が決定される。なお、点灯周波数は1サイクルあたりの動作クロックのクロック数である。それらのデータを使用して、ロジック部１８は光源１４を調光することができる。ロジック部１８はトリガーが入力されてから所望の遅延時間Ｔｄｌの後に調光する。また、調光時にデータ書き込み部２０に信号を入力し、データ書き込み部２０にロジック部１８が調光状態であることを認識させる。

データ書き込み部２０はＣＰＵなどの回路で構成される。データ書き込み部２０はＬＡＮ等の通信手段を介してデータ更新手段である外部のコンピュータ等に接続されている。コンピュータ等からデータ書き込み部２０にレジスタ部１６で保持されるデータが入力される。データ書き込み部２０は入力されたデータをレジスタ部１６に書き込んで、保持されているデータを更新する。ロジック部１８からデータ書き込み部２０に信号が入力されているときは、ロジック部１８が駆動しており、レジスタ部１６のデータを書き換えることはしない。調光途中でデータが書き換えられて、調光内容を変更してしまう事態を防止している。

レジスタ部１６で保持されるデータが書き換えられることで、光源１４を種々の方法で発光させることできる。たとえば、パルス幅変調によって光源１４を発光させていたのを、パルス周波数変調になるようにデータを書き換えることができ、その逆も可能である。

レジスタ部１６、ロジック部１８およびデータ書き込み部２０は１つの調光用ＦＰＧＡ１２に搭載されている。１つの調光用ＦＰＧＡ１２にまとめられることで、回路の配線がまとめられ、構成が簡略化されている。

光源ドライバ３２は、調光用ＦＰＧＡ１２のロジック部１８からの調光データに応じて光源１４に所定の電力を出力するための回路である。調光用ＦＰＧＡ１２と光源ドライバ３２は筐体３４に収納されている。光源ドライバ３２は出力部である端子３６を介して光源１４に電力供給する。

このように、光源１４は、端子３６を介して調光電源装置１０の光源ドライバ３２に接続されており、調光電源装置１０によって調光される。光源１４は、図６に示すように、複数の発光ダイオードを直並列に並べた回路で構成することができる。なお、光源１４は、図６の回路構成に限定されず、種々の回路構成を採用することができる。

次に、撮像装置について説明する。図7に示すように、撮像装置３８は、調光電源装置１０、光源１４およびカメラ４０を備える。カメラ４０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳの撮像素子を備える。光源１４は、たとえば複数の発光ダイオードを中央空間４４が存在するようにリング状に並べたものを使用し、被照射物４２に光Ｌ１を照射する。これによる反射光Ｌ２は、中央空間４４を通過し、カメラ４０の撮像素子で受光される。カメラ４０の受光のタイミングと光源１４の発光のタイミングが同期するように、ロジック部１８にトリガーを入力するための装置とカメラ４０の撮影を制御する装置を同一の制御装置、たとえば同一のコンピュータ４６またはＰＬＣであってもよい。コンピュータ４６またはＰＬＣが光源１４の発光とカメラ４０の撮影が同期するように調光電源装置１０にトリガーを出力し、カメラ４０に撮影を制御する信号を出力する。

コンピュータ４６は、カメラ４０の受光素子で受光された光量に応じて画像データを作成し、作成された画像データを画像処理してもよい。画像処理によって、被照射物４２の形状、色、傷などの外観を検査する。検査はコンピュータ４６に画像処理プログラムを記憶させておき、その画像処理プログラムで行ってもよい。

被照射物４２が載置されている台４８はコンベヤにして、移送されている被照射物４２に対して光源１４から光Ｌ１を照射し、カメラ３８で受光してもよい。

以上のように、調光電源装置１０は、光源１４の点灯と消灯のデューティー比、点灯周波数、点灯期間を制御できる。本実施形態の調光出力はパルス幅変調とパルス周波数変調の少なくともいずれかされた信号になっている。カメラ４０の露光時間（受光時間）に光源１４が点灯されるように調光することができ、カメラ４０の露光に必要な光量を得ることができる。消灯時間を設けていることで、光源１４への負担が小さく、低消費電力になる。カメラ４０の露光に合わせて光源１４の点灯時間を調整できるため、調光電源装置１０を種々のカメラ４０に柔軟に適合できる。

以上、一実施形態を説明したが本願は上記の実施形態に限定されるものではない。たとえば、パルス幅レジスタ２２は、光源１４の点灯と消灯の１サイクルに占める点灯時間のデータではなく、１サイクルに占める消灯時間のデータを保持してもよい。消灯時間は動作クロックのクロック数であり、図３の調光出力ａ、ｂの場合、消灯時間Ｔ２ａ、Ｔ２ｂの動作クロックのクロック数は４である。

点灯周波数は1サイクルあたりの動作クロックのクロック数としたが、1動作クロック当たりの基本クロック数がわかっているため、1サイクルあたりの基本クロック数であってもよい。

上記の実施形態において基準クロックと動作クロックが同一周期になり、動作クロックの周期を変更しないのであれば、図１の周波数レジスタ２８を省略してもよい。また、パルス幅レジスタ２２、点灯期間レジスタ２４、分解能レジスタ２６で光源１４の点灯と消灯の時間、点灯周波数および点灯期間を変更するのであれば、周波数レジスタ２８を省略することが可能である。

光源１４は発光ダイオードをリング状に並べた構成に限定されない。光源１４は発光ダイオードをライン状に並べてもよいし、四角形や三角形などの所定の形状になるように並べてもよい。

カメラ４０の撮像素子は、方形のＣＣＤまたはＣＭＯＳに限定されず、ライン状に受光ダイオードを並べたラインセンサであってもよい。カメラ４０の撮像素子はカラー画像または白黒画像のいずれを生成できるものであってもよい。コンピュータ４６で画像データを生成せず、カメラ４０の画像エンジンで画像データを生成してもよい。

調光電源装置１０とカメラ４０を組み合わせず、調光電源装置１０を単に光源１４を調光するだけの装置として使用してもよい。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：調光電源装置
１２：調光ＦＰＧＡ
１４：光源
１６：レジスタ部
１８：ロジック部
２０：データ書き込み部
２２：パルス幅レジスタ
２４：点灯期間レジスタ
２６：分解能レジスタ
２８：周波数レジスタ
３０：トリガー時間レジスタ
３２：光源ドライバ
３４：筐体
３６：端子
３８：撮像装置
４０：カメラ
４２：被照射物
４４：リング状の光源の中央空間
４６：コンピュータ
４８：載置台
Ｔ０ａ、Ｔ０ｂ、Ｔ０ｃ、Ｔ０ｄ：１サイクル
Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃ：点灯時間
Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃ：消灯時間
ＴＬｃ：点灯期間
Ｔｄ：トリガーのパルス幅
Ｔｄｌ：遅延時間

Claims (3)

1. 光源を調光し、該光源の発光と該光源で発光された光の反射光を受光するカメラの撮影とが同期されるようトリガー入力される調光電源装置であって、
   前記光源の点灯と消灯の時間、点灯周波数および点灯期間のデータを保持したレジスタ部と、
   前記トリガー入力されると前記レジスタ部に保持されたデータに基づいて光源を調光するロジック部と、
   前記ロジック部が光源を調光中に、該ロジック部から光源を調光中であることの信号が入力され、該信号の入力されていない前記点灯期間外にレジスタ部にデータを書き込むデータ書き込み部と、
   を備え、
   前記レジスタ部が、
   前記光源の点灯と消灯の１サイクルに占める点灯時間のデータ、または、１サイクルに占める消灯時間のデータを保持したパルス幅レジスタと、
   前記光源が点灯するサイクル数のデータを保持した点灯期間レジスタと、
   前記光源の点灯と消灯の１サイクルあたりのクロックの数のデータを保持した分解能レジスタと、
   前記クロックの周期のデータを保持した周波数レジスタと、
   を備えたことを特徴とする調光電源装置。
2. 請求項１に記載の調光電源装置であって、
   前記レジスタ部が、前記ロジック部を駆動させるためのトリガーのパルス幅のデータを保持するトリガー時間レジスタを備えたことを特徴とする調光電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の調光電源装置と、
   前記調光電源装置で調光される光源と、
   前記光源で発光された光の反射光を受光するカメラと、
   を備え、
   前記光源の発光とカメラの受光が同期されたことを特徴とする撮像装置。
   

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