JP2006073767A - Ｌｅｄ照明装置および照明制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色および照射角度を任意に変更できるＬＥＤ照明装置およびこの装置を使用した照明制御装置を提供すること。。
【解決手段】ＬＥＤ照明装置１０は、複数色のＬＥＤがそれぞれ多数、中央の開口部分の周囲に均一に配置され、ＬＥＤの前面に光拡散樹脂板を備えている。ＬＥＤ駆動装置２１は各色のＬＥＤを独立して駆動する。所望の色の光が広範囲の角度で均一に照射されるため、試料との距離に応じて任意の角度の照射が可能になる。また、コントローラ２３によって照明装置１０の位置および色を順次変更して画像内の指定された２点のコントラストを検出することにより、試料に最適な照明位置（照射角度）および照明色を自動的に検出することができる。。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）照明装置およびこのＬＥＤ照明装置を使用した照明制御装置に関するものであり、特に、製品検査等に好適なＬＥＤ照明装置およびこのＬＥＤ照明装置を使用した照明制御装置に関するものである。

従来、カメラによって製品の画像を取り込んで、製品の傷や印刷された文字等を識別する場合に、照明光の照射角度によって傷や文字と背景とのコントラストが大きく変化することが知られている。そこで、例えばＬＥＤを使用した製品検査等のための照明装置が各種提案されている。

下記の特許文献１には、本発明者が先に出願したＬＥＤ照明器が記載されている。このＬＥＤ照明器は、半ドーナツ型の光拡散樹脂板の内部にＬＥＤ素子を配列して発光させることにより、光拡散樹脂板内での乱反射により光拡散樹脂板の形状に沿った光が外部の広範囲に均一に照射されるものである。そして、このＬＥＤ照明器と試料との距離を変えることにより、試料への光の照射角度を変えることができる。
実用新案登録第３０８５０５８号

上記した従来の照明装置においては、単色のＬＥＤを使用していたため、照明色を変更するためには照明装置を交換する必要があった。また、この照明装置を使用した製品検査装置においては、照明装置と試料との距離は作業者がモニタを見ながら手動によって調整していたので、最適な照明位置および照明色を決定し、あるいは再現するために熟練が必要であり、手間がかかると共に調整された点が真の最適点か否かが不明であるという問題点があった。本発明は、上記した課題を解決することを目的とする。

本発明のＬＥＤ照明装置は、中央の開口部分の周囲に配置され、異なる色の光を発光するＬＥＤ素子をそれぞれ複数個備えたＬＥＤ発光手段と、前記ＬＥＤ発光手段のそれぞれの色のＬＥＤ素子をそれぞれ完全に独立して駆動可能な配線手段と、前記ＬＥＤ発光手段の少なくとも前面に配置された光拡散手段とを備えたことを主要な特徴とする。
また、上記したＬＥＤ照明装置において、前記光拡散手段は、全体形状がドーナツを中心軸と垂直な平面で切断した半ドーナツ型であってもよい。

また、上記したＬＥＤ照明装置において、前記ＬＥＤ発光手段の各ＬＥＤ素子は、円盤状の基板の上の複数の同心円上にそれぞれ同じ色配列パターンで繰り返し配置され、隣接する同心円における色配列パターンが色配列パターンの繰り返し中心角度の半分だけずれていてもよい。あるいは、上記したＬＥＤ照明装置において、前記ＬＥＤ発光手段の各ＬＥＤ素子は、正方形あるいは長方形の基板の上の複数の異なる大きさの正方形あるいは長方形上にそれぞれ同じ色配列パターンで繰り返し配置され、隣接する正方形または長方形上における色配列パターンが色配列パターンの繰り返し間隔の半分だけずれていてもよい。

また、上記したＬＥＤ照明装置において、前記異なる色の光を発光するＬＥＤ素子は赤、緑、青、白の光を発光するＬＥＤ素子であってもよい。更に、上記したＬＥＤ照明装置において、前記基板は金属製の基台によって支持されていてもよい。

本発明の照明制御装置は、前記したＬＥＤ照明装置と、前記ＬＥＤ照明装置を駆動する駆動手段と、前記ＬＥＤ照明装置と試料との距離を変化させる移動手段と、前記ＬＥＤ照明装置の中央の開口部分を介して試料を撮影するカメラ手段と、前記カメラ手段から出力される画像データを表示するモニタ手段と、前記カメラ手段から出力される画像データを取り込み、画像の所望の２点間のコントラストが最大になるように前記駆動手段および前記移動手段を制御する制御手段とを備えたことを主要な特徴とする。

本発明のＬＥＤ照明装置は上記のような特徴によって、所望の色の光が広範囲の角度で均一に照射されるため、照射される光はＬＥＤ照明装置と照射対象物である試料との距離に応じた任意の角度の照射が可能になるという効果がある。また、試料に最適な発光色を選択可能であるので、１台のＬＥＤ照明装置で様々な試料の検査に対応可能であるという効果がある。

また、本発明の照明制御装置は、上記のような特徴によって、試料に最適な照明位置（照射角度）および照明色を自動的に検出することができ、検査の効率および精度が向上するという効果がある。また、試料に最適な照明位置（照射角度）および照明色の情報をコントローラが記憶しているので、同じ照明状態を容易に再現可能であるという効果がある。

以下実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明のＬＥＤ照明装置を使用した照明制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。本発明の照明装置１０は、支持装置１６に固着されており、支持装置１６は、基盤１３に固着されている支持棒１４に嵌合しており、ステッピングモータ１７によって上下に移動可能に構成されている。照明装置１０は中央に開口部を有するドーナツ状の形状を有しており、内部に複数の発光色のＬＥＤが配置されている。

カメラ１２は、本発明の照明装置１０の中央の開口部から試料１１を撮影し、モニタ２０およびコントローラ２３にビデオ信号等によって画像データを出力する。カメラ１２は例えばＣＣＤ撮像素子を使用したビデオカメラであってもよく、モノクロであってもよいが、カラーカメラの方が好ましい。また、赤外線あるいは紫外線に感度を有するものであってもよい。カメラ１２はカメラ支持装置１５によって手動で高さ調整が可能に構成されている。

ＬＥＤ駆動装置２１は、詳細は後述するが、コントローラ２３の制御あるいは作業者の手動設定により、照明装置１０の各発光色毎に独立してＬＥＤを定電流駆動する。モータ駆動装置２２はコントローラ２３の制御あるいは作業者の手動設定によりステッピングモータ１７を所定の角度だけ回転駆動する。

コントローラ２３は例えばモニタ、キーボード、マウス等を備えた周知のパソコンに後述する処理を実行するプログラムを作成してインストールすることによって実現される。なお、画像の取り込みは周知のビデオキャプチャーインターフェイスカードを装着することによって実施可能である。なお、コントローラ２３の備えているモニタ装置にカメラ画像を表示するようにすれば専用のモニタ２０はなくてもよい。

図２は、本発明の照明装置を使用して異なる角度から照明光を照射した場合のそれぞれの試料画像例を示す説明図である。図２（ａ）は、照明装置１０と試料１１との距離を例えば１２０ミリメートルにした場合の試料撮影画像例を示してしる。この場合の試料への照射角度は８０度程度となる。試料の中央部の表面全体が明るく撮影されている。

図２（ｂ）は、照明装置１０と試料１１との距離を例えば４０ミリメートルにした場合の試料撮影画像例を示してしる。この場合の照射角度は５０度程度となる。試料の周辺の円形部分が明るく撮影されている。図２（ｃ）は、照明装置１０と試料１１との距離を例えば５ミリメートルにした場合の試料撮影画像例を示してしる。この場合の照射角度は１０度程度となる。試料の周辺の六角形の部分が明るく撮影されている。

このように、製品の傷や印刷された文字等を識別する場合に、照明光の照射角度によって傷や文字と背景とのコントラストが大きく変化するので、製品検査の精度を向上させるために、例えば識別すべき領域のコントラストが最大となるような照明を行う必要がある。

図３は、本発明の照明装置１０の構成を示す平面図および断面図である。また、図４は、本発明の照明装置１０の構成を示す拡大断面図である。照明装置１０は、多数のＬＥＤ３１が装着されたプリント配線基板３０、光拡散樹脂板３４、ブラケット（基台）３２、絶縁シート３３からなる。プリント配線基板３０は中央に開口部を有する円盤形状（リング状）であり、表面には多数の表面実装型のＬＥＤ３１が装着されており、裏面には図示しない各色ごとのリード線が接続されている。

図５は、プリント配線基板３０上におけるＬＥＤ３１の実装配置を示す平面図である。図５（ａ）はプリント配線基板３０全体を示しており、図５（ｂ）はプリント配線基板３０の一部を拡大したものである。図５（ｂ）において、白いＬＥＤ３０はＲ（赤色）のＬＥＤであることを示しており、斜線のハッチングはＧ（緑色）、黒はＢ（青色）のＬＥＤであることを示している。

各ＬＥＤ３０は５個の同心円上にそれぞれＲＧＢの順の色配列パターンの繰り返しで配置されており、それぞれの円に配置されているＬＥＤの個数および配置順は同じである。但し、内側から１番目、３番目、５番目の円のＬＥＤ配置は同じ、即ち同じ角度位置に同じ色のＬＥＤが配置されているが、内側から２番目、４番目の円のＬＥＤ配置は１番目、３番目、５番目の円のＬＥＤ配置とは繰り返し中心角度の半分だけずれている。即ち、隣接する円における配置が繰り返し中心角度の半分だけずれている。このような配置とすることにより、任意の発光色においてほぼ均一な照射光が得られる。なお、色配列はＲＢＧでもよい。

各ＬＥＤ３０は円上において等間隔に配置され、隣接する円のＬＥＤは互いにＬＥＤ配置間隔の半分だけずれて配置されている。このような配置とすることにより高密度実装が可能となる。なお、ＬＥＤ３０としては集光レンズ付きの砲弾型のＬＥＤを使用してもよいが、集光レンズのないチップタイプの方が照射角度が広いのでより好ましい。

ＬＥＤ３０が配置される円の数は２以上の任意の正数である。また１つの円上に配置されるＬＥＤ３０の数Ｎは発光色数をｎとすればｎの正数倍の数とする。例えばｎが３（ＲＧＢ）であればＮは３６であってもよい。またＲＧＢにＷ（白）を加えてもよい。

ＬＥＤ照明装置１０の形状が長方形、正方形あるいは直線形状である実施例も考えられるが、この場合にも、同じ配列パターンで配置すればよい。例えば正方形の場合には、ＲＧＢのＬＥＤ３０は、正方形の基板の上の複数の異なる大きさの正方形上にそれぞれ同じ配列パターンで繰り返し配置され、隣接する正方形上における配置パターンが配置パターンの繰り返し間隔の半分だけずれているようにする。長方形や直線形状の場合にも正方形の場合の１辺の配置と同様にすればよい。

プリント配線基板３０は絶縁用のシート３３を挟んで、図示しないネジあるいは接着剤等によってブラケット３２に固着されている。ブラケット３２は、ＬＥＤ照明装置１０を固定するための基台であり、例えばネジを切った孔を設けることにより支持装置１６にネジで固定する。ブラケット３２は放熱効果を持たせるために例えばアルミニウム等の金属により作成される。なお、ブラケット３２への放熱効果を高めるために、プリント配線基板３０、絶縁用のシート３３、ブラケット３２の隙間にシリコングリス等を充填してもよい。更に、ＬＥＤ照明装置１０の内部全体にシリコングリスあるいは樹脂などを充填してもよい。

光拡散手段である光拡散樹脂板３４は例えば乳白色などの光を拡散する素材でできた樹脂板を、全体形状がドーナツを中心軸と垂直な平面で切断した半ドーナツ型に成型あるいは切削したものである。なお、光拡散樹脂板３４の断面形状は半円形以外にも考えられる。図７は、本発明のＬＥＤ照明装置１０の他の実施例の構成を示す断面図である。図７（ａ）は光拡散樹脂板３４の断面形状を円を４等分した形状としたものである。この場合、光拡散樹脂板３４の外周部分の円筒内面は光を反射する鏡面としてもよい。この他、図７（ａ）の円周部分を直線とし、断面が直角三角形となる円錐側面形状も採用可能である。

図７（ｂ）は、単一照射角度ではなく、様々な角度から照明光を照射するための実施例である。この実施例においてはＬＥＤ照明装置１０を図１とは逆方向に装着し、ＬＥＤ照明装置１０の試料と反対側に、内面が全て光を反射する鏡面であり、一方の端面に開口部が設けられ、他方の端部は開放された円筒形の反射カバー５１を装着する。このような構成により、様々な角度から照明光を照射することができる。

図６は、本発明の照明装置１０およびＬＥＤ駆動装置２１の回路を示す回路図である。照明装置１０において、ＬＥＤ３１は同じ発光色のＬＥＤ３１を例えば３個直列接続した直列回路を複数回路並列に接続している。なお、直列接続するＬＥＤの個数は任意である。また、各ＬＥＤの輝度を揃えるために、直列回路に更に直列に抵抗を入れてもよい。

ＬＥＤ駆動装置２１は、３個の可変定電流電源回路４０、４１、４２および、コントローラ２３からの制御信号に基づき、３個の可変定電流電源回路４０、４１、４２をそれぞれ所望の電流値に制御する制御回路４３からなる。

なお、各色のＬＥＤ駆動電流が他の色のＬＥＤに影響を与えないように、照明装置１０の各色のＬＥＤ回路とＬＥＤ駆動装置２１内の３個の可変定電流電源回路４０、４１、４２の間を接続するリード線は、各色それぞれ完全に独立している。

図８は、コントローラ２３におけるコントラストスキャン処理の内容を示すフローチャートである。コントローラ２３が起動されると、Ｓ１０においては、コントローラ２３が各種パラメータの初期化を行うと共に、モータ駆動装置２２を制御して、照明装置１０を初期高さに移動し、カメラ１２によって試料１１を撮影して、位置指定用の画像を取り込む。

Ｓ１１においては、カメラ１２で取り込んだ位置指定用の画像をコントローラ２３のモニタに表示し、作業者に区別したい２点の位置を指定するように要求する。ここで作業者は、例えば文字部分と背景部分など区別したい２点の位置をマウス等を使用して指定する。コントローラ２３は指定された２点の位置座標を記憶する。

Ｓ１２においては、照明色指定情報を初期化する。照明色指定情報は、例えばＲＧＢ各色をどの輝度で発光させるかを指定する情報であり、例えばＲＧＢそれぞれに１ビットを割り当て、各色のオン（輝度１００％）／オフ（輝度０％）を制御するものでもよい。また、各色毎に２ビットを割り当て、輝度を１００％、６７％、３３％、０％の４段階制御するようにしてもよいし、更に多ビットを割り当ててもよい。

Ｓ１３においては、ＬＥＤ駆動装置２１を制御することにより、照明装置１０を照明色指定情報の指定色でオンする。Ｓ１４においてはカメラ１２によって撮影された画像データを取り込む。Ｓ１５においては、ＬＥＤ駆動装置２１を制御することにより、照明装置１０をオフする。

Ｓ１６においては、取り込んだ画像のＳ１０において指定された２点の輝度データを抽出して、その差（コントラスト）を計算する。Ｓ１７においては、差データと過去の差の最高値とを比較することによって、現在の差が最高か否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ１９に移行するが、肯定の場合にはＳ１８に移行する。

Ｓ１８においては、現在の照明装置１０の高さ情報および照明色指定情報を所定の領域に記憶する。Ｓ１９においては、全ての色についてコントラストの測定処理が完了したか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ２０に移行するが、肯定の場合にはＳ２１に移行する。Ｓ２０においては、照明色指定情報をまだコントラストの測定処理が行われていない照明色に対応する情報に変更し、Ｓ１３に戻る。

Ｓ２１においては、照明装置１０の高さ情報がコントラストスキャン処理を終了する所定の最終高さか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ２２に移行するが、肯定の場合にはＳ２３に移行する。Ｓ２２においては、モータ駆動装置２２を制御してモータ１７を駆動し、照明装置１０の高さを変更する。なお、照明装置１０と試料１１との距離が離れるほど移動距離に対する照射角度の変化は小さくなる。そこで、照射角度の変化が一定となるように、照明装置１０と試料１１との距離が離れるほど移動距離を大きくしてもよい。

Ｓ２３においては、所定の領域に記憶されている、コントラストが最高となる照明装置１０の高さ情報および照明色指定情報をコントローラ２３のモニタに表示する。また、コントラストが最高となる照明装置１０の高さ情報および照明色指定情報に基づき、ＬＥＤ駆動装置２１およびモータ駆動装置２２を制御して、コントラストが最高となる照明状態を再現する。以上のような構成および処理によって、コントラストが最高となる照明状態を自動的に検出し、また再現することができる。

以上実施例を説明したが、本発明の装置には更に以下のような変形例も考えられる。実施例においては２点間のコントラストが最大になる照明状態を検出する例を開示したが、場合によっては、不要な背景やノイズをキャンセルしたい場合もある。この場合には、２点間のコントラストが最低（同じ輝度）となる照明状態を決定するようにしてもよい。

実施例においては、照明装置１０を移動させて照射角度を変える例を開示したが、例えば複数個の照明装置をそれぞれ異なる距離に重ねて配置し、スイッチによって駆動する照明装置を切り替えることによって照射角度を変えることが可能である。この場合に、試料に近い照明装置ほど径を大きくしてもよい。更に円筒形、円錐形、四角錐、直方体のいずれかの内面に複数の色のＬＥＤを配置し、スイッチによって駆動するＬＥＤを選択することにより、可動部分なしで照明光の色および照射角度を変更可能である。また、例えば全てのＬＥＤを発光させることにより、様々な角度から照明光を照射することができる。

実施例においてはＲＧＢの３色のＬＥＤを使用する例を開示したが、これ以外に白（Ｗ）色のＬＥＤを加えてもよい。この場合に、配列としてはＲＧＢＷとしてもよいし、白を増やしてＲＷＧＷＢＷという配置パターンとしてもよい。更に、用途によって赤外線ＬＥＤや紫外線ＬＥＤを加えてもよく、この場合にはカメラも必要な波長領域において感度のあるものを使用する。

自動でコントラスト調整を行う場合には輝度の差が最大になるようにする例を開示したが、カラーカメラであればＲＧＢそれぞれの輝度が得られるので、ＲＧＢそれぞれについてコントラストを計算して、各色のコントラスト差のいずれかが最大のものを検出するようにしてもよい。

本発明のＬＥＤ照明装置を使用した照明制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の照明装置を使用して異なる角度から照明光を照射した場合のそれぞれの試料画像例を示す説明図である。 本発明の照明装置１０の構成を示す平面図および断面図である。 本発明の照明装置１０の構成を示す拡大断面図である。 プリント配線基板３０上におけるＬＥＤ３１の実装配置を示す平面図である。 本発明の照明装置１０およびＬＥＤ駆動装置２１の回路を示す回路図である。 本発明のＬＥＤ照明装置１０の他の実施例の構成を示す断面図である。 コントローラ２３におけるコントラストスキャン処理の内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 照明装置
１１ 試料
１２ カメラ
１３ 基盤
１４ 支持棒
１５ カメラ支持装置
１６ 支持装置
１７ ステッピングモータ
２０ モニタ
２１ ＬＥＤ駆動装置
２２ モータ駆動装置
２３ コントローラ

Claims (7)

1. 中央の開口部分の周囲に配置され、異なる色の光を発光するＬＥＤ素子をそれぞれ複数個備えたＬＥＤ発光手段と、
   前記ＬＥＤ発光手段のそれぞれの色のＬＥＤ素子をそれぞれ完全に独立して駆動可能な配線手段と、
   前記ＬＥＤ発光手段の少なくとも前面に配置された光拡散手段と
   を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記光拡散手段は、全体形状がドーナツを中心軸と垂直な平面で切断した半ドーナツ型であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記ＬＥＤ発光手段の各ＬＥＤ素子は、円盤状の基板の上の複数の同心円上にそれぞれ同じ色配列パターンで繰り返し配置され、隣接する同心円における色配列パターンが色配列パターンの繰り返し中心角度の半分だけずれていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記ＬＥＤ発光手段の各ＬＥＤ素子は、正方形あるいは長方形の基板の上の複数の異なる大きさの正方形あるいは長方形上にそれぞれ同じ色配列パターンで繰り返し配置され、隣接する正方形または長方形上における色配列パターンが色配列パターンの繰り返し間隔の半分だけずれていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記異なる色の光を発光するＬＥＤ素子は赤、緑、青、白の光を発光するＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
6. 前記基板は金属製の基台によって支持されることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載されたＬＥＤ照明装置と、
   前記ＬＥＤ照明装置を駆動する駆動手段と、
   前記ＬＥＤ照明装置と試料との距離を変化させる移動手段と、
   前記ＬＥＤ照明装置の中央の開口部分を介して試料を撮影するカメラ手段と、
   前記カメラ手段から出力される画像データを表示するモニタ手段と、
   前記カメラ手段から出力される画像データを取り込み、画像の所望の２点間のコントラストが最大になるように前記駆動手段および前記移動手段を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする照明制御装置。
   

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