CN101238590B - 光学单元及光照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不需要对棒状透镜和聚光透镜进行轴对合，同时能减少成形工序道数或零部件数量、便于装配、并降低成本的光学单元等。为此，设置聚光部(41)、以及作为一体形成于聚光部(41)的顶端侧并与所述聚光部(41)轴一致的光传递部(42)。聚光部(41)做成以光轴(C)为中心从基端向顶端略微扩大的旋转体形状，包括：在基端面(41a)开口的收容发光元件(21)用的凹部(43)、向内反射从所述发光元件出射的光的侧周面(41c)、以及将来自发光元件(21)的光导出到光传递部(42)的顶端面(41b)。光传递部(42)呈大致圆柱形，包括：导入来自所述聚光部(41)的光的基端面(42a)、向内反射从所述基端面(42a)导入的光的侧周面(42c)、以及向外出射从所述基端面(42a)导入的光的顶端面(42b)。

Description

光学单元及光照射装置

技术领域

本发明涉及具有紧凑结构的光学单元，具体涉及在工厂等照射光来检测产品的损伤或标记等(统称为产品检查)所用的点状光照射装置或适合用于这种光照射装置等的、使光分布均匀的光学单元。

背景技术

最近，在这种光照射装置的光源上如专利文献1等所示，正在采用能小型化而且发热低的LED，与卤素光源相比，其在发光强度稳定性、寿命、快速响应特性等方面均相当优越。

尤其是，在以尽量用均匀的照度对一定区域照射光为目的而制作的称为点状光照射装置的光照射装置上，为了使LED发出的光量不均匀的光成均匀的面发光状态，在套筒的顶端内设置称为棒状透镜的柱状光传递元件，使LED发出的光通过该棒状透镜减少光量不均匀，再向外射出。

这时，因为要使LED发出的光聚光于棒状透镜的基端面即光导入面，所以本申请的发明者正在研发再在LED周围设置反射面使LED发出的光几乎全部向前方射出的聚光透镜。

专利文献1：日本专利公开2003-240721号公报

发明内容

然而，当棒状透镜和聚光透镜两镜的轴与光轴不一致时，就不能有效地传递自光源出射的光，但是，使轴高精度地对合一致是较难的。

另外，光照射装置零部件数量越多，加工成形工序道数或装配工序道数亦越多，成本也增加。

本发明为解决上述问题而提出，其主要目的在于提供一种棒状透镜和聚光透镜之间不需要轴对合，同时能减少加工成形工序道数、零部件数量，并便于装配、能降低成本的光学单元及采用该光学单元构成的光照射装置。

即本发明的光学单元为从基端侧导入从发光元件出射的光再将所述光从顶端侧出射的光学单元，其特点在于，包括：聚光部；以及作为一体形成于所述聚光部的顶端侧，并和所述聚光部轴一致的光传递部，所述聚光部形成以光轴为中心从基端向顶端大致逐渐展开的旋转体形状，包括：在基端面开口的收容发光元件用的凹部；向内反射来自所述发光元件的光的侧周面；以及将来自所述发光元件的光导出到所述光传递部的顶端面，所述光传递部形成大致圆柱形，包括：导入来自所述聚光部的光的基端面；向内反射从所述基端面导入的光的侧周面；以及向外射出从所述基端面导入的光的顶端面。

若是这样的光学单元，因为将棒状透镜和聚光透镜做成一体，所以不需要轴对合，从发光元件出射的光的传递效率相当好。

另外，通过将棒状透镜和聚光透镜做成一体，能减少零部件数量，通过这样，在装入到光照射装置之际，能便于装配、降低成本。

在上述各构成中，为了保持取决于安装的光传递部顶端部的直径，同时只加大光传递部的基端面，能有效地导入从发光元件出射的光，最好所述光传递部的基端部形成其断面随着朝所述聚光部的顶端渐渐扩大的形状。此外，若是这样的光学单元，因为谋求与现有棒状透镜的安装部分的形状通用，所以例如套筒的保持结构和现有的相同，也能原封不动地沿用。

还有，也可以对所述光传递部的侧周面不作任何加工，利用折射率差进行全反射，可以在侧周面上蒸镀金属被覆膜、或用镜面覆盖等使光反射。

另外，本发明的光照射装置的特点在于具有上述构成的光学单元、及发光元件，将从所述发光元件出射的光从所述光学单元出射。

若是这样的光照射装置，因为装入的光学单元是能小型化的结构，所以通过将它们组合，能提供非常紧凑、高效、而且光量不均匀少的光照射装置。

最好本发明的光照射装置构成为，所述发光元件无松动地嵌入所述光学单元的凹部，使所述发光元件的轴和所述聚光部的轴对合。

另外，最好所述发光元件构成为在轴向上按压而固定。

再有，最好本发明的光照射装置具有壳体，其构成为所述光传递部在与轴正交的方向上无松动地嵌入所述壳体，从而进行所述壳体和所述光学单元在与轴正交方向上的定位。

这时，最好所述光学单元构成为，通过弹性变形构件在轴向上以一定的力按压所述聚光部的顶端面来固定。

弹性变形构件按压所述光学单元的力传递给嵌入其基端凹部的LED等发光元件，但发光元件的散热效率通常取决于和与其连接设置着的导热体按紧的力。而且，该散热效率对发光元件的寿命有较大的影响。因此，当按压光学单元的力变化时，发光元件的寿命会产生波动。但是，若是这样的光照射装置，因为发光元件和传热体间按紧的力也为一定，所以能获得每一批发光元件的寿命无差异、性能均匀的光照射装置。

这样的光照射装置是一种使所述壳体和所述第2壳体在轴向靠近，将所述光学单元夹在它们之间而固定的光照射装置，其结构做成相对所述壳体安装所述第2壳体，使得所述外壳的顶端面和所述光学单元的顶端面成同一面或在轴向上相隔一定距离。

LED适合用作所述发光元件。若是这样的发光元件，则其发光强度稳定性、寿命、快速响应特性等俱优，能小型化、发热也低。

根据本申请，因为不需要对棒状透镜和聚光透镜进行轴对合，同时，成形工序道数、零部件数量也减少，便于装配，所以能降低成本。

附图说明

图1为示意地表示本发明一实施方式的光照射装置的构成的立体图。

图2为同上实施方式的光照射装置的示意性的断面图。

图3为同上实施方式的光学单元的断面图。

图4为表示在同上实施方式(部分变形)的光学单元内行进的光线的动作说明图。

图5为示意地表示本发明另一实施方式的光照射装置的断面图。

图6为示意地表示本发明另一实施方式的光学单元的断面图。

标号说明

21…发光元件、41…聚光部、41a…基端面、41b…顶端面、41c…侧周面、42…光传递部、42a…基端面、42b…顶端面、42c…侧周面、43…凹部、C…光轴

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

本实施方式的光照射装置1如图1、图2所示，从其顶端面42b照射光，具有：壳体3；装于该壳体3内的光学单元4；收容于所述光学单元4的基端凹部43的光源体2；从外部对所述光源体2供电的电缆束5；以及作为第2壳体按压固定所述光源体2并保持所述电缆束5的底盖7。

光源体2如图2所示，由发光元件即LED元件21和保持其的保持构件22组成，光源体2是将LED元件21和保持构件22形成一体作为所谓的功率LED的光源体。

LED元件21能在规定时间连续流过大于等于200mA(例如最好为200mA～2A)的电流，即使是单体与现有的元件相比能以非常大的发光量发光。保持构件22包括：利用管芯焊接等安装着所述LED元件21的用金属制(例如铜制)的导热性良好的块状导体23；与所述导体23外配合并支持其的树脂框架24；以及为用于保护所述LED元件21的半球状实心透明的树脂注塑模部25。本实施方式中，该光源体2还有玻璃环氧配线基板26，通过该配线基板26连接所述LED元件21和从电缆束5延伸的引线51、52。配线基板26做成圆环形，将树脂框架24装在其中心孔附近，使所述光源体2的底面、更具体为使导体23的底面露出。

光学单元4如图2、图3所示，做成其基端侧随着从基端向顶端断面积渐渐扩大的旋转体形状，是将顶端侧断面圆形的聚光部41和设置于该聚光部41顶端的圆柱形的光传递部42一体地成形，使它们互相的轴一致的透明树脂制的光学单元。

在聚光部41的基端面上如图3中具体所示，开设有收容所述LED元件21用的凹部43。该凹部43与所述树脂注塑模部25的外周无松动地外配合，LED元件21配置在该光学单元4的轴线C1上。凹部43的底面43a做成朝基端侧鼓出的凸透镜形状，其侧面43b和轴线C1大致平行(也可以为根据制造、折射的关系向基端侧渐渐地扩大的锥形面)。在所述聚光部41的侧面设置反射要素即侧周面41c，侧周面41c的基端侧做成其断面轮廓呈抛物线，侧周面41c的顶端侧做成圆筒形状。

然后，如图4所示，其结构做成，从所述LED元件21出射的光中，通过凹部43侧面43b的几乎所有的光到达所述侧周面41c的断面轮廓呈抛物线状的基端侧，在那里全反射，作为朝向光轴C互相相向靠近的光导向所述光传递部42。另一方面，从所述LED元件21出射的光中，折射后通过凹部43底面43a的几乎所有的光，仍然作为朝着光轴C互相相向靠近的光导向所述光传递部42。还有，图4示出的实施方式中，聚光部41的基端较前述的实施方式短，光传递部42从基端到顶端其与轴垂直的方向的断面积为大小均匀的圆柱形。

通过这样，从LED元件21出射并从聚光部41的顶端面向外射出的几乎所有的光都被导同所述光传递部42。

该光传递部42呈圆柱形，具有：导入来自所述聚光部41的光的基端面42a；将自所述基端面导入的光向内反射的侧周面42c；以及将自所述基端面导入的光向外出射的顶端面42b。光传递部42嵌入壳体3的小直径部3c。

还有，本实施方式中，所述光传递部42的基端部为随着向所述聚光部41的顶端面41b其断面渐渐扩大的切去头部的圆锥形。

光传递部42的基端部由于是随着向所述聚光部41的顶端面41b其断面渐渐扩大的切去头部的圆锥形，所以能以更大的面积接受自所述聚光部41导出的光。因此，其优点是能将更多的光导入光传递部42。即LED元件21若是理想的点光源，则如前述图4所示，利用光学单元4的聚光部41使所有的光成为靠向光轴C的光，但是实际上一定含有偏离光轴C扩大散开的光。但是，由于光传递部42的基端部为随着向所述聚光部41的顶端面41b其断面渐渐扩大的切去头部的圆锥形，所以能将这种扩大散开的光引导到光传递部42的内部，抑制这部分的光量损失提高光传递效率。

即使光传递部42的基端部为随着向所述聚光部41的顶端面41b其断面渐渐扩大的切去头部的圆锥形，但光传递部42的形状仍做成和现有的棒状透镜几乎相同的形状，所以不必特意从现有的形状对所述壳体3的小直径部3c进行改造。

壳体3如图1、图2所示，做成旋转体形状。而且在外周上设置多条凹槽形成作为散热部的散热片F。

壳体3有沿轴线L方向贯穿的中心孔，该中心孔具有形成于基端部的大直径部3a，和从该大直径部3a的顶端开始形成有阶梯差的小直径部3c。大直径部3a为一定内径的圆筒形，做成和所述聚光部41的顶端面41b大致相同的直径、能收容所述聚光部41的全部。小直径部3c呈与大直径部3a连续地设置的圆筒形且具有一定内径。小直径部3c做成和光传递部42直径大致相同，与其几乎无松动地外配合。

底盖7的断面为圆形，设置有从底面7a贯通底盖7的电缆穿插孔7b，电缆束5通过该电缆穿插孔7b从外部插入，利用焊接等使引线51、52与光源体2的基板26连接。该电缆穿插孔7b做成一直延伸到底盖7的底面7a的端部的U字形缺口。

在壳体3上在其侧面设置螺孔81，底盖7的侧面开设有内螺纹孔82。而且，将底盖7嵌入壳体3的大直径部3a，然后，使设于壳体3的螺孔81和设于底盖7的内螺纹孔82对准重合，将螺丝8边旋转边插进对准重合好的螺孔81及内螺纹孔82并拧紧，将底盖7固定在壳体3上。

本实施方式的光照射装置1包括：在将底盖7嵌入壳体3后，通过壳体3的按压面61和底盖7的按压面62紧压固定光源体2及光学单元4的紧压固定结构、以及随着前述紧压固定结构的固定，将光源体2无松动地嵌入聚光部41的基端凹部43，使光源体2的光轴C和光学单元4的轴线C1一致的轴对合结构。

还有，本实施方式的光照射装置1具有将光学单元4的光传递部42或侧周面41c无松动地嵌入壳体3，并使所述光学单元的轴线C1与壳体3的轴线L一致的定位结构。

紧压固定结构具有设置于壳体3的按压面61、以及与其相对设置于底盖7的按压面62，利用按压面61、62的接近在该按压面61、62之间紧压固定前述光源体2。设置于壳体3的按压面61设置在利用所述大直径部3a和小直径部3c间的阶梯差形成的凹部3b的底面。这一按压面61朝底盖7侧，通过弹性变形构件即O形圈R，按压光学单元4的聚光部41的顶端面41b。设置在底盖7的按压面62让由氮化铝等有电绝缘性能的材料组成的导热板27介于其间，按压光源体2的导体23的底面。

轴对合结构为通过伴随着光源体2的紧压固定的光学单元4的基端凹部43与保持构件22的树脂注塑模部25间的配合，使保持于保持构件22的LED元件21的光轴C和光学单元4的轴线C1一致的结构。

定位结构为利用壳体3的小直径部3c与光学单元4的光传递部42间的配合，使光学单元4的轴线C1和壳体3的轴线L一致的结构。

以下，说明这种构成的光照射装置1的装配方法的一个例子。

首先，利用焊接等将引线51、52和光源体2的基板26连接。接着，使光学单元4的基端凹部43与树脂注塑模部25外配合。

另一方面，在壳体3上将O形圈R嵌入其凹部3b与按压面61接触或靠近，然后，将光学单元4从光传递部42插入壳体3内部，将光学单元4的光传递部42嵌入壳体3的小直径部3c，将光传递部42的顶端面42b和壳体3的顶端面按压成平面进行安装，使光传递部42的顶端面42b和壳体3的顶端面成一个面。

这一状态下，拧紧壳体3和底盖7。即将电缆束5嵌入设于底盖7的电缆穿插孔7b的缺口部分后，将底盖7嵌入壳体3的大直径部3a。然后，使设于壳体3的螺孔81和设于底盖7的内螺纹孔82对准重合，将螺丝8边旋转边插进对准重合好的螺孔81及内螺纹孔82并旋紧，在轴方向上固定底盖7。但是，在将底盖7嵌入壳体3的大直径部3a的过程中，按压面61通过O形圈R向底盖7按压光学单元4的聚光部41，其另一方面，按压面62通过导热板27向壳体3侧按压导体23的底面，所以利用这些按压面61、62将光源体2及光学单元4紧压固定。

另外，在紧压固定过程中光学单元4的基端凹部43与保持构件22的树脂注塑模部25牢靠地嵌合，又因光学单元4的光传递部42和壳体3的小直径部3c嵌合，所以保持构件22所保持的LED元件21的光轴C、光学单元4的轴线C1、及壳体3的轴线L就一致。

还有，在壳体3的螺孔81和底盖7的内螺纹孔82重合的规定位置，O形圈R稍作弹性变形，保持这一变形使按压弹性力作用到光学单元4从而不出现松动。因而，利用这样的构成，能力求无松动地且在并不过大的紧压力作用的范围内保持光学单元4。另外，利用O形圈R的弹性变形，即使聚光部轴向的尺寸精度不高也能防止光学单元4的顶端从壳体3的顶端凸出。

另外，本实施方式中，如图2所示，底盖7还兼有利用电缆穿插孔7b保持电缆束5的作用，电缆束5插进电缆穿插孔7b并用束紧带9固定于底盖7上。

通过这样，因为电缆束5保持在电缆穿插孔7b中，所以装配之后即使有某些拉伸力或按压力作用于电缆束5，这些多余的力不会作用于和光源体2的连接部分，避免产生由此而引发的断线或接触不良等问题。还由于电缆束5将电缆穿插孔7b完全堵没，所以也能防止光从该电缆穿插孔7b漏出。

这样，根据本实施方式的光照射装置1，由于装配非常简单，在此时光学单元4及光源体2的固定及定位能同时完成，在此基础上，能获得以可避免电缆束5断线为主的各种效果。

还有，本发明并不限于前述实施方式。

如图5所示，壳体3和底盖7也可以通过螺纹进给机构10互相螺合而并列地紧固。本实施方式中，底盖7在外周上设置多条凹槽形成作为散热部的散热片F，大直径部3a形成于底盖7侧。壳体3和底盖7利用在其结合部分形成的螺纹部11、12互相紧固。即在壳体3的基端部上形成内螺纹部11。再在底盖7的顶端部上设置与所述内螺纹部11螺纹连接的外螺纹部12。

而且，本实施方式的光照射装置1利用伴随着壳体3及底盖7的螺合紧固的按压面61、62的靠近，紧压光源体2及光学单元4来固定。

以下说明这种结构的光照射装置1的装配方法的一个例子。

首先，利用焊接等将从电缆束5延伸的引线51、52与光源体2的基板26连接后，将光源体2及导热板27插入底盖7临时设置，电缆束5从电缆穿插孔7b的缺口部分插入。

另一方面，在壳体3上将O形圈R嵌入其凹部3b使其与按压面61接触或靠近，同时，将光学单元4的光传递部42嵌入壳体3的小直径部3c，将光传递部42的顶端面42b和壳体3的顶端面按压成平面进行安装，使光传递部42的顶端面42b和壳体3的顶端面按压成一个面。这时，与壳体3的按压面61邻接形成的小凸起31由于不与聚光部41的顶端面41b接触，所以在两者之间形成极小的间隙。又因严格地控制壳体3和光学单元4的尺寸，所以对于这一间隙的高度，每一件产品都无误差始终为一定，按压面61通过O形圈R按压光学单元4的力也被控制成始终保持一定。

在该状态下，拧紧壳体3和底盖7。即通过使壳体3旋转，使其内螺纹部11和底盖7的外螺纹部12螺合。但是在壳体3和底盖7通过这一拧紧互相靠近的过程中，光学单元4的基端凹部43与光源体2的树脂注塑模部25外配合，另外，按压面61通过O形圈R向底盖7侧按压聚光部41的顶端面41b，另一方面，按压面62通过导热体27将导体23的底面向壳体3侧按压，所以利用这些按压面61、62能将光学单元4及光源体2紧压固定。在这期间，由于按压光传递部42的顶端面42b和壳体3的顶端面使它们变成一个面的平面，所以在光源体2的尺寸有误差的情况下，能根据内螺纹部11和外螺纹部12的螺合程度进行调整。因而，外螺纹部12的顶端不与壳体3接触，可以产生微小的间隙，在这种情况下，在使内螺纹部11与外螺纹部12螺合后，对螺纹进给机构10进行停止转动的处理，将壳体3和底盖7固定。

根据这样的实施方式，利用尺寸精度高的壳体3和光学单元4，按压面61按压光学单元4及光源体2的力保持一定，利用螺纹进给机构10能吸收光源体2的尺寸误差。

又，在光传递部42的断面积充分大的情况下，可以不将光传递部42的基端部做成朝着所述聚光部41的顶端面41b断面渐渐地扩大的切去头部的圆锥形。

再有，所述光传递部42的基端部其断面不限于圆形，也可以为多角形，不限于像切去头部圆锥形那样直线地扩大的形状，可以为边弯曲边扩大的形状。

关于所述聚光部41也可以如图6所示，侧周面41c从基端一直连续至顶端且断面轮廓呈抛物线形状。另外，凹部43的底部43a可以是平面。

再有，例如也可以用盘簧代替O形圈R，当然紧压结构可以根据LED元件21的形态、壳体3或底盖7的形态而改变。另外，基板26也能视情况而不需要。

当然，本光照射装置不仅用于照明，例如也可以用于促进化学反应那样的用途。

另外，光源体2可采用通常的LED，也可用卤素灯或钨丝灯。

本发明的其它形式在不背离本发明的主要内容的范围内可以作各种变形，并不限于前述实施方式，可以对前述的各种构成的一部分或全部作适当组合而构成。

工业上的实用性

如此地根据本发明，不需要对棒状透镜和聚光透镜进行轴对合，同时通过采用紧凑的结构，减少成形工序道数或零部件数量、能便于装配、并降低成本。

Claims (9)

1.一种光学单元，为一种从基端侧导入从发光元件出射的光再将所述光从顶端侧出射的光学单元，其特征在于，具有：

聚光部、以及作为一体形成于所述聚光部的顶端侧且与所述聚光部轴一致的光传递部，

所述聚光部形成以光轴为中心从基端向顶端大致逐渐展开的旋转体形状，具有：在基端面开口的收容发光元件用的凹部；向内反射来自所述发光元件的光的侧周面；以及将来自所述发光元件的光导出到所述光传递部的顶端面，

所述光传递部形成大致圆柱形，具有：导入来自所述聚光部的光的基端面；向内反射从所述基端面导入的光的侧周面；以及向外出射从所述基端面导入的光的顶端面。

2.如权利要求1所述的光学单元，其特征在于，

所述光传递部的基端部形成其断面随着朝所述聚光部的顶端渐渐扩大的形状。

3.一种光照射装置，是一种具有权利要求1所述的光学单元、及发光元件的光照射装置，其特征在于，

将自所述发光元件出射的光从所述光学单元出射。

4.如权利要求3所述的光照射装置，其特征在于，

构成为所述发光元件无松动地嵌入所述光学单元的凹部，使所述发光元件的轴与所述聚光部的轴对合。

5.如权利要求4所述的光照射装置，其特征在于，

构成为所述发光元件在轴向上按压而固定。

6.如权利要求3所述的光照射装置，其特征在于，

所述光照射装置具有壳体，构成为所述光传递部无松动地嵌入所述壳体，从而对所述壳体和所述光学单元的位置进行定位。

7.如权利要求6所述的光照射装置，其特征在于，

所述光学单元构成为，通过弹性变形构件在轴向上以一定的力按压所述聚光部的顶端面来固定。

8.如权利要求7所述的光照射装置，是一种进一步包括第2壳体，并使所述壳体和所述第2壳体在轴向靠近，将所述光学单元夹在它们之间而固定的光照射装置，其特征在于，

相对所述壳体安装所述第2壳体，使所述外壳的顶端面和所述光学单元的顶端面成同一面或在轴向上相隔一定距离。

9.如权利要求3所述的光照射装置，其特征在于， 

所述发光元件为LED。

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