CN112955805B - 光学系统装置及双凸透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学系统装置及双凸透镜，其将从光源照射的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，该光学系统装置(1)具备：双凸透镜(20)，其被设于照射光的照射方向上，具有位于所述照射方向上的入射侧的第一面(21)和位于照射方向上的射出侧的第二面(22)，第二面(22)被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，第一面(21)被形成将由第二面(22)射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径；以及光圈(30)，其配置在光源与所述双凸透镜(20)之间，使所述照射光的一部分通过。

Description

光学系统装置及双凸透镜
技术领域
本发明涉及将从光源照射出来的照射光进行平行化及均匀化的光学系统装置及双凸透镜。
背景技术
以往，使用了许多紫外线LED等的紫外线发光元件的紫外光照射装置，被用于紫外线固化型树脂的固化等，为了实现这样的紫外线固化型树脂的固化，要使固化不产生不均，因此要求在照射面上具有均匀的照度。此外，在使用掩膜并利用LED光进行曝光的情况下，因为在曝光对象与掩膜之间产生间隙，并且LED光的辐射角度为120°左右，因此为了提高精度，需要以照射光相对于照射面呈垂直的方式将照射光平行化。通常而言，针对这样照射光的平行化使用抛物面镜等。
照射面上的照度均匀化通常使用蝇眼透镜等，作为与其关联的技术，已知有如下的光照射装置，其特征在于，具备：在平面上排列有多个发光元件的LED阵列光源；分别将从各发光元件射出的光进行准直的第一照明光学系统；使从第一照明光学系统射出的光聚光于焦点位置的第二照明光学系统；以及蝇眼积分器，其具有在平面上排列的多个透镜，并提高从第二照明光学系统射出的光在各透镜的入射面处入射的照度的均匀性，蝇眼积分器的入射面配置在第二照明光学系统的焦点位置，各发光元件的发光面与蝇眼积分器的入射面为共轭关系，各发光元件的图像被成像于蝇眼积分器的入射面(例如，参照专利文献1)。
【专利文献1】日本特开2016－200787号公报
发明内容
在将照射光平行化、且使照射光所产生的照射面上的照度均匀化的情况下，需要具有使照度均匀的装置和使照射光平行化的装置这二者，由此存在导致装置大型化的问题。
本发明是为了解决上述问题点而开发出来，其目的在于提供一种光学系统装置、双凸透镜，以更省空间的方式将照射光平行化且使照射光所产生的照射面上的照度均匀化为目的。
为了解决上述课题，本发明的一方案是一种光学系统装置，其将从光源照射出来的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，其中，所述光学系统装置具备：双凸透镜，其被设于所述照射光的照射方向上，具有位于所述照射方向上的入射侧的第一面和位于所述照射方向上的射出侧的第二面，所述第二面被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，所述第一面被形成将由第二面射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径；以及光圈，其被配置在所述光源与所述双凸透镜之间，且使所述照射光的一部分通过。
此外，本发明的一方案是一种光学系统装置，其将从光源照射出来的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，其中，所述光学系统装置具备：凹凸透镜，其被设于所述照射光的照射方向上，具有位于所述照射方向上的入射侧并形成凹面的第一面、和位于所述照射方向上的射出侧并形成凸面的第二面，所述第二面被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，所述第一面别形成将由第二面射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径；至少一个以上照射部，其作为所述光源；光圈，其被配置在所述照射部与所述凹凸透镜之间，且使所述照射光的一部分通过；以及配光角变换部，其被配置在所述照射部与所述光圈之间，并将从所述照射部照射出来的照射光的配光角度变窄。
此外，本发明的一方案是一种双凸透镜，其将入射的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，其特征在于，具有位于所述照射方向上的入射侧的第一面和位于所述照射方向上的射出侧的第二面，所述第二面被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，所述第一面被形成将由第二面射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径。
根据本发明，能够以更省空间的方式将照射光平行化、且将由照射光所产生的照射面上的照度均匀化。
附图说明
图1是表示第一实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略立体图。
图2是表示第一实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。
图3是表示光线追踪的模拟结果的图。
图4是表示相对于照射面的X轴坐标的非相干辐射照度的曲线图。
图5是表示第一面的入射侧的曲率半径与透镜直径之间关系的曲线图。
图6是表示第一面的透镜直径所对应的入射侧的曲率半径的图。
图7是表示第二实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。
图8是表示第三实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。
图9是表示第四实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。
附图标记的说明
1，1a，1b，1c光学系统装置
10照射部
20双凸透镜
30光圈
40光吸收部
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
＜第一实施方式＞
首先，说明第一实施方式涉及的光学系统装置。图1是表示本实施方式涉及的光学系统装置的概略立体图。此外，图2是表示光学系统装置的构成的概略侧视图。需要说明的是，在图2中，示出了光圈(aperture)及光吸收部的截面，所述截面是由经过光轴且与光轴平行的平面剖切而成的截面。
如图1及图2所示，本实施方式涉及的光学系统装置1具备：作为照射紫外线光的紫外线LED光源的照射部10；被配置成能够供由照射部10产生的照射光入射的双凸透镜20；在照射部10与双凸透镜20之间配置于照射部10侧的光圈30；以及，在照射部10与双凸透镜20之间配置于双凸透镜20侧的光吸收部40。通过该光学系统装置1，利用由照射部10产生的照射光，形成与双凸透镜20的光轴方向正交的照射面。
光圈30是具有与双凸透镜20的光轴方向正交的平面的板状部件，并形成有沿光轴方向贯通的孔部31。该孔部31形成为圆状，该圆的中心与双凸透镜20的光轴一致。通过这样的光圈30，由照射部10产生的照射光的一部分会从孔部31射出，结果限定相对于双凸透镜20的入射光的光源的尺寸。
光吸收部40是形成为中空的方筒状、且在其内壁面形成有光吸收面的部件，并在入射侧即照射部10和光圈30侧及射出侧即双凸透镜20侧分别形成有开口，而这些开口是被形成作为入射侧开口部41、射出侧开口部42。对于入射侧开口部41，以使得仅通过孔部31的照射光入射到光吸收部40内的方式配置有光圈30。此外，自射出侧开口部42射出的照射光会入射到双凸透镜20。此外，光吸收部40的内壁表面、即光吸收面的反射率显著地低，优选是为4％以下，由此，入射到光吸收部40的照射光中的照射到内壁的照射光几乎都被内壁表面吸收，而不会从射出侧开口部42射出。需要说明的是，光吸收部40不限于中空的方筒状，作为在入射侧及射出侧开口的筒状部件，只要是形成为能够从射出侧开口部42仅射出以能够利用双凸透镜20平行化的角度入射的照射光即可。需要说明的是，光吸收部40的光轴方向长度、即从入射侧开口部41到射出侧开口部42的距离为基于双凸透镜20的焦距的长度。
双凸透镜20是双凸透镜，具有朝向照射光的入射侧的第一面21和朝向射出侧的第二面22的曲面，第一面21和第二面22的形状不同。这些第一面21及第二面22在本实施方式中为了提高精度而均形成为非球面，但也可以形成为球面。第一面21主要具有使自双凸透镜20射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的功能，第二面22主要具有使入射于双凸透镜20的照射光平行化的功能。
关于第二面22的曲率半径r2，在设光角度为θ、光源的大小(孔部31的直径)为X、双凸透镜20的焦距为f的情况下，假定第一面21为平面且设为f＝r2/2，并且在以X＝2的方式形成了孔部31之后，根据X×f×tanθ这一公式、即r2×tanθ这一公式来决定第二面22的曲率半径r2，以限定光角度θ。在此，光角度θ是正交于照射面的垂线与从双凸透镜20射出的照射光所夹的角度，在θ＝0时为理想的平行光，但实际上是设定为例如1°等的尽可能接近0的值。
第一面21的曲率半径r1是以下方式来决定：关于来自被形成为如上述方式来决定的曲率半径r2的第二面22的射出光，在与光轴正交的平面上的照度分布均匀。也就是说，第一面21的曲率半径r1是基于第二面的曲率半径r2而决定。
在此，对第一面的曲率半径与透镜直径之间的关系进行说明。图5是表示第一面的入射侧的曲率半径与透镜直径之间的关系的曲线图。图6是表示第一面的透镜直径所对应的入射侧的曲率半径的图。
如图5所示，在将使自双凸透镜20射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的第一面21，其入射侧的曲率半径r1与透镜直径d之间成立r1＝5.64×d这一公式，将其设为具体值则成为图6所示。需要说明的是，实际上，在具有该透镜直径d的第一面21中，可以设为上式中的一次系数5.64±15％的范围内的曲率半径r1。
接着，说明光学系统装置的效果。图3是表示光线追踪的模拟结果的图。此外，图4是表示相对于照射面的X轴坐标的非相干辐射照度的曲线图。需要说明的是，图4中的X坐标值是作为平面的照射面上的其中一方的轴的值。
如图3所示，根据针对光学系统装置1中的照射光的光线追踪的模拟结果可知，在利用照射部照射的照射光中，仅是不朝向光吸收部40的内壁的照射光向双凸透镜20入射而被平行化。
此外，如图4所示可知，通过光学系统装置1，利用双凸透镜20中的第一面21使得照射面上的照度均匀化。
＜第二实施方式＞
接着，说明第二实施方式涉及的光学系统装置。图7是表示本实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。需要说明的是，在图7中，与图2同样，示出了光圈及光吸收部的截面，所述截面是由经过光轴且与光轴平行的平面剖切而成的截面。
如图7所示，本实施方式涉及的光学系统装置1a与第一实施方式的不同点在于，具备两个照射部10a、10b来代替照射部10，并且还具有导光部50。
两个照射部10a、10b分别是照射波长互不相同的光的LED光源，并与照射部10同样地，以使照射光经由光圈30的孔部31入射于光吸收部40的入射侧开口部41的方式配置。
导光部50以位于照射部10a、10b与光圈30之间的方式配置。该导光部50形成为中空的筒状，且其内壁表面形成为将照射光全反射的光反射面，在入射侧即照射部10a、10b侧形成有第一开口部51，并且在射出侧即光圈30侧形成有第二开口部52。通过该导光部50，从照射部10a、10b分别向第一开口部51入射的光在导光部50内混合，并从第二开口部52向光圈30的孔部31入射。
作为这样的导光部50，可举出例如进行聚光或NA(NumericalAperture)变换的CPC(Compound Parabolic Concentrator：复合抛物面聚光器)、或是进行导光、均匀化的光导管。
根据本实施方式涉及的光学系统装置1a，能够将混合了波长互不相同的光而成的射出光平行化且将照射面上的照度均匀化。需要说明的是，在本实施方式中，光学系统装置1a设为具有两个照射部10a、10b，但只要具有至少两个以上的照射部即可。
＜第三实施方式＞
接着，说明第三实施方式涉及的光学系统装置。图8是表示本实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。需要说明的是，在图8中，与图2同样，示出了光圈及光吸收部的截面，所述截面是由经过光轴且与光轴平行的平面剖切而成的截面。
如图8所示，本实施方式涉及的光学系统装置1b与第二实施方式的不同点在于，还具有两个配光角变换部60a、60b。
配光角变换部60a与照射部10a对应地设置，配光角变换部60b与照射部10b对应地设置，配光角变换部60a、60b均是将照射部10a、10b的配光角度变窄的平凸透镜，并以其平面部朝向入射侧、其凸面部朝向射出侧的方式设置于照射部10a、10b。在此，配光角变换部60a、60b分别以其平面部紧贴于照射部10a、10b的发光面的方式设置。
根据本实施方式涉及的光学系统装置1b，与照射部10a、10b分别对应地设置配光角变换部60a、60b来变窄照射部10a、10b的配光角度，由此能够提高照射面上的照度。
需要说明的是，光学系统装置1b中也可以具备将入射侧形成为凹面的凹凸透镜(未图示)来代替双凸透镜20。该凹凸透镜与双凸透镜20的不同点在于，朝向入射侧的第一面形成为凹面。此外，第一面与双凸透镜20的第一面21同样，主要具有使自凹凸透镜射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的功能。第一面的曲率半径也与双凸透镜20的第一面21同样，是以来自第二面的射出光在正交于光轴的平面上的照度分布成为均匀的方式来决定。根据具有这样的凹凸透镜的光学系统装置1b，能够将由配光角变换部60a而使其配光角度变窄的照射光扩散，从而在射出侧的第二面平衡良好地进行配光。
＜第四实施方式＞
接着，说明第四实施方式涉及的光学系统装置。图9是表示本实施方式涉及的光学系统装置的构成的概略侧视图。需要说明的是，在图9中，与图2同样地，示出了光圈及光吸收部的截面，所述截面是由经过光轴且与光轴平行的平面剖切而成的截面。
如图9所示，本实施方式涉及的光学系统装置1c与第三实施方式的不同点在于，具备导光部50a来代替导光部50，而且还具有旋转驱动部70。
导光部50a与导光部50的不同点在于，其轴向朝向光轴方向，并可绕着旋转轴旋转地设置于光学系统装置1c，且在其外周壁形成有齿轮。导光部50a的旋转轴，在与由光学系统装置1c所形成的照射方向正交的平面上，优选其轴心位置位于与光轴大致一致的位置。
旋转驱动部70是经由形成于导光部50a的齿轮而驱动导光部50a使其绕其旋转轴旋转的驱动装置，例如构成为超声波电动机、直流电动机。
根据本实施方式涉及的光学系统装置1c，能够根据导光部50a被旋转，将规定期间的照射面上的照度均匀化。
需要说明的是，上述四个实施方式分别能够与其他实施方式组合。例如，第三实施方式涉及的光学系统装置1b中的导光部50，也可以代替第四实施方式涉及的光学系统装置1c中的导光部50a来构成。
本发明在不脱离发明要旨或主要特征的情况下，能够以其他的各种方式来实施。因此，上述的实施方式在所有方面均不过是简单例示，而不被限定性解释。本发明的范围由权利要求书示出，而不受说明书正文的限制。而且，属于权利要求书的等同范围的全部变形、各种改进、代替以及改性均包含于本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种光学系统装置，将从光源照射出来的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，其中，所述光学系统装置具备：
双凸透镜，其被设于所述照射光的照射方向上，具有位于所述照射方向上的入射侧的第一面和位于所述照射方向上的射出侧的第二面，所述第二面被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，所述第一面被形成将由第二面射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径；
光圈，其被配置在所述光源与所述双凸透镜之间，且使所述照射光的一部分通过；
照射部，至少两个以上，其作为所述光源；以及
导光部，其被配置在至少两个以上的所述照射部与所述光圈之间，具有供由所述至少两个以上的照射部照射出来的照射光入射的第一开口、和将从该第一开口入射的照射光射出的第二开口，所述导光部形成为从所述第一开口贯通到所述第二开口的筒状，并在内壁表面将光全反射。
2.根据权利要求1所述的光学系统装置，其特征在于，
所述光圈使所述照射光的一部分从孔部通过，
双凸透镜的所述第二面的曲率半径是基于将所述第一面假定为平面的情况下的焦距和所述孔部的大小来决定。
3.根据权利要求1所述的光学系统装置，其特征在于，还具备：
光吸收体，所述光吸收体被配置在所述光圈与所述双凸透镜之间，具有供通过了所述光圈的照射光入射的入射侧开口和将从该入射侧开口入射的照射光射出的射出侧开口，所述光吸收体形成为从所述入射侧开口贯通到射出侧开口的筒状，并在内壁表面吸收光。
4.根据权利要求2所述的光学系统装置，其特征在于，还具备：
光吸收体，所述光吸收体被配置在所述光圈与所述双凸透镜之间，具有供通过了所述光圈的照射光入射的入射侧开口和将从该入射侧开口入射的照射光射出的射出侧开口，所述光吸收体形成为从所述入射侧开口贯通到射出侧开口的筒状，并在内壁表面吸收光。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光学系统装置，其特征在于，还具备：
配光角变换部，其被配置在所述照射部与所述光圈之间，并将由所述照射部照射出来的照射光的配光角度变窄。
6.根据权利要求1～4所述的光学系统装置，其特征在于，
至少两个以上的所述照射部射出波长互不相同的照射光。
7.根据权利要求1～4所述的光学系统装置，其特征在于，还具备：
配光角变换部，至少两个以上，分别相对于至少两个以上的所述照射部设置，且被配置在至少两个以上的所述照射部与所述导光部之间，并分别将由所述至少两个以上照射部照射出来的照射光的配光角度变窄。
8.根据权利要求6所述的光学系统装置，其特征在于，还具备：
配光角变换部，至少两个以上，分别相对于至少两个以上的所述照射部设置，且被配置在至少两个以上的所述照射部与所述导光部之间，并分别将由所述至少两个以上照射部照射出来的照射光的配光角度变窄。
9.根据权利要求1～4所述的光学系统装置，其特征在于，
所述导光部被设置成朝向所述光学系统装置的光轴并可绕着旋转轴旋转，
所述光学系统装置还具备驱动所述导光部旋转的旋转驱动部。
10.根据权利要求6所述的光学系统装置，其特征在于，
所述导光部被设置成朝向所述光学系统装置的光轴并可绕着旋转轴旋转，
所述光学系统装置还具备驱动所述导光部旋转的旋转驱动部。
11.根据权利要求7所述的光学系统装置，其特征在于，
所述导光部被设置成朝向所述光学系统装置的光轴并可绕着旋转轴旋转，
所述光学系统装置还具备驱动所述导光部旋转的旋转驱动部。
12.根据权利要求8所述的光学系统装置，其特征在于，
所述导光部被设置成朝向所述光学系统装置的光轴并可绕着旋转轴旋转，
所述光学系统装置还具备驱动所述导光部旋转的旋转驱动部。
13.一种光学系统装置，将从光源照射出来的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，其中，所述光学系统装置具备：
凹凸透镜，其被设于所述照射光的照射方向上，具有位于所述照射方向上的入射侧且形成为凹面的第一面、和位于所述照射方向上的射出侧并形成凸面的第二面，所述第二面被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，所述第一面被形成将由第二面射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径；
照射部，至少一个以上，其作为所述光源；
光圈，其被配置在所述照射部与所述凹凸透镜之间，且使所述照射光的一部分通过；
配光角变换部，其被配置在所述照射部与所述光圈之间，并将由所述照射部照射出来的照射光的配光角度变窄；以及
导光部，其被配置在所述照射部与所述光圈之间，具有供由所述照射部照射出来的照射光入射的第一开口、和将从该第一开口入射的照射光射出的第二开口，所述导光部形成为从所述第一开口贯通到所述第二开口的筒状，并在内壁表面将光全反射。
14.一种双凸透镜，将入射的照射光平行化且将由该照射光所产生的照射面上的照度均匀化，其特征在于，
所述双凸透镜具有位于照射方向上的入射侧的第一面和位于所述照射方向上的射出侧的第二面，所述第二面被形成将所入射的照射光平行化的曲率半径，所述第一面被形成将由第二面射出的照射光所产生的照射面上的照度均匀化的曲率半径。
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