JP2007150748A - ライン光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで集光性の良いライン光源装置を提供する。
【解決手段】放物柱面状の反射板１１の焦点に光源１２の発光点１２Ｈを位置させ、また、開口部１１Ｋの方向に光を照射するように直線状に複数の光源１２を配列させるので、各光源１２から照射された光は、反射板１１で反射して軸１１Ｊと平行な方向に進む。そのため、光源１２から照射された光をレンズ１３で集光して、効率良く対象物１５に照射することができる。また、レンズ１３の主軸は、平行四辺形状のシリンドリカルフレネルレンズ１３の端部を通過するように構成することで、光源１２から照射された光をレンズ１３の端部に対向する位置に集光することができ、対象物１５を撮像するライン型イメージセンサ１６を、ライン光源装置１の近傍に配置しても問題なく対象物１５の画像を撮像することができ、ライン型イメージセンサ１６とライン光源装置１とをコンパクトに一体化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源から照射された光をレンズで効率良く集光して、直線状の光を照射するライン光源装置に関する。

製造ラインを連続して高速に流れる対象物、例えばオフセット印刷物・フィルム・樹脂板などの検査には、ＣＣＤラインセンサ（ライン型イメージセンサ）が従来使用されている。ライン型イメージセンサは、高速で移動する対象物の主走査方向の画像をスキャン（撮像）し、対象物が一定距離移動する毎にスキャンした画像を読み出して、各画像を順番に並べていくことにより全体の画像を形成させて出力する。

ライン型イメージセンサで対象物を撮像する際には、インキ濃度の変化や汚れなどを容易に検出できるように、対象物に対して照明で光を照射する。ラインセンサ用の長尺タイプの光源としては、ハロゲンタイプやキセノンタイプといった高輝度ランプから照射された光を、出射側がライン状に配置された光ファイバ等で導いて照射するものや、断面が楕円形である反射板の一方の焦点にＬＥＤ等を設置し、他方の焦点を光の照射位置に設定するというものがあった（例えば、特許文献１，２参照。）。
特開２００２−２８６９８１公報 特開２００３−１９５４２７公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明のように、光源からの光を光ファイバでライン状に導く構成の場合には、発光部本体（光源）を別の場所に設置する必要がある。また、ハロゲンタイプやキセノンタイプといった高輝度ランプを点灯中は高温となるため、発光部本体を通気性の良い場所に設置する必要があり、設置場所が限定されるという問題があった。

一方、特許文献２に記載の発明のように、断面が楕円形である反射板の一方の焦点に光源を設置する構成は、光源が点光源ではなくある程度の面積を有しているので、焦点距離が短い場合にはこの光源の面積が無視できず集光性が悪くなる。また、光源の面積を無視できる程度に焦点距離を長くするには、反射板の断面の楕円の形状をかなり大きくしなければならず、実用的でないという問題があった。

そこで、本発明は、コンパクトで集光性の良いライン光源装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１）長手方向の軸に垂直の断面が放物線形である放物柱面状の反射板と、
前記放物線の焦点に位置する発光点から、放物線の頂点に対向する開口部の方向に光を照射するように前記軸に沿って直線状に配列された複数の点状の光源と、
前記複数の光源から照射された光を、前記長手方向の軸と直交する方向にのみ集束して、前記長手方向の軸と平行に直線状の光を照射するレンズと、
を備えたことを特徴とする。

この構成においては、放物柱面状の反射板の焦点に、複数の点状光源の発光点を位置させ、また、開口部の方向に光を照射するように直線状に複数の点状光源を配列させるので、複数の点状光源から照射された光は、放物柱面で反射して軸と直交する方向に進み、レンズによって収束されて、長手方向の軸と平行に直線状の光を照射する。したがって、複数の点状光源から照射された光をレンズで集光して、効率良く直線状の光を対象物に照射することができる。

（２）前記レンズは、複数のエレメントを連結して成り、各エレメントは、１組の対角が鋭角の平行四辺形状であり、複数個を直線状に隣接して配列したことを特徴とする。

この構成においては、レンズは、複数のエレメントを連結したものであり、複数の光源から照射された光を、複数の点状光源が配列された軸の長手方向と直交する（短手）方向に集束させるので、その形状が長方形状であると、複数個を直線状に隣接して配列した場合に、当接面において影が発生する。この構成においては、レンズの各エレメントを平行四辺形状に形成しているので、複数個のエレメントを直線状に隣接して配列した場合に、境界の影が薄くなるので、影の影響を抑制できる。

（３）前記レンズは、シリンドリカルフレネルレンズであり、前記レンズの主軸は、前記反射板の放物線の軸と平行で、かつ前記レンズの端部を通過することを特徴とする。

この構成においては、レンズの主軸は、平行四辺形状のシリンドリカルフレネルレンズの端部を通過するので、光源から照射された光をレンズの端部に対向する位置に集光することができる。したがって、対象物を撮像するイメージセンサを、ライン光源装置の近傍に配置しても問題なく対象物の画像を撮像することができ、イメージセンサとライン光源装置とをコンパクトに一体化することが可能となる。

（４）前記光源は、光の指向特性の範囲が９０°以上の広指向性型ＬＥＤであり、
前記指向特性の範囲の中心軸が、前記反射板の両端部の放物線における軸と一致することを特徴とする。

この構成においては、光源の指向特性の範囲が９０°以上なので、光源から発して反射板で反射した光は平行光となりレンズに到達する。また、反射板において、焦点から開口部に設置されたレンズまでの長さが、焦点から反射板までの最短距離に比べて十分に長ければ、光源から直接レンズに到達する光を放物線の軸にほぼ平行と見なすことができる。したがって、光源から照射された光の大半が放物線の軸に平行な光となるので、光を効率良く集光して対象物に照射することができる。また、ＬＥＤは高輝度ランプなどに比べて発光時の発熱量が少ないので、設置場所を自由に選ぶことができる。

（５）前記光源は、光の指向特性の範囲が２０°以下の狭指向性型ＬＥＤであり、
前記指向特性の範囲の中心軸が、前記反射板の両端部の放物線における軸に対して、所定の角度で傾斜していることを特徴とする。

この構成においては、光源の指向特性の範囲の中心軸を放物線の軸に対して所定の角度傾けて配置する。これにより、光源である狭指向性型ＬＥＤから照射された光は、その大半が反射板で反射して、レンズの入射面に対して垂直な光となり、レンズにより光を効率良く集光して対象物に照射することができる。また、ＬＥＤは高輝度ランプなどに比べて発光時の発熱量が少ないので、設置場所を自由に選ぶことができる。

本発明によれば、指向特性の範囲が広い光源を使用しても、指向特性の範囲狭い光源を使用しても、確実にライン状に光を照射することができるライン光源装置を得ることができる。また、１組の対角が鋭角の平行四辺形状のシリンドリカルレンズを使用することで、複数のレンズを直線状に隣接して配列可能であり、ライン状に長手方向の長さを確保（延長）しても、隣接部における光量の低下を抑えることができるので、任意の長さの高効率なライン光源装置を実現できる。

図１は、ライン光源装置の反射板の形状を示す斜視透過図である。ライン光源装置１は、図１に示すように、両端部が放物線形である放物柱面状の反射板１１を備えている。同図において、ｘ軸方向が反射板１１の短手方向、ｚ軸方向が反射板１１の長手方向、ｙ軸方向が両端部（断面）における放物線の軸１１Ｊの方向である。

図２は、ライン光源装置の概略の構成図であり、図２（Ａ）がライン光源装置を図１のｙ軸方向から見た図であり、図２（Ｂ）がライン光源装置を図１のｚ軸方向から見た図である。

ライン光源装置１は、反射板１１、ｎ個の点状光源である広指向性型ＬＥＤ１２−１〜１２−ｎ（広指向性型ＬＥＤ１２−１〜１２−ｎを総称して広指向性型ＬＥＤ１２と称する。）、及びシリンドリカルフレネルレンズ１３を備えている。ここで、広指向性型ＬＥＤ１２としては、表面実装型ＬＥＤが好適である。

反射板１１は、前記のように断面が放物線形の放物柱面状に形成され、放射線の焦点１１Ｆの位置に配置された複数の広指向性型ＬＥＤ１２から出射された光を反射して、ｘｚ平面と平行に反射板１１の開口部１１Ｋに取り付けられたシリンドリカルフレネルレンズ１３へ導く。反射板１１の放物線における頂点１１Ｔには、ｎ個の孔１１Ａ１〜１１Ａｎ（孔１１Ａ１〜１１Ａｎを総称して孔１１Ａと称する。）が所定の間隔で形成されており、広指向性型ＬＥＤ１２の発光点１２Ｈが放物線の焦点１１Ｆに位置するように、広指向性型ＬＥＤ１２がこの孔１１Ａから挿入される。

広指向性型ＬＥＤ１２は、光の指向特性の範囲が９０°以上あり、この指向特性の範囲の中心軸１２Ｊが、反射板１１の両端部の放物線における軸１１Ｊと重なっている。また、広指向性型ＬＥＤ１２は、前記のように、反射板１１の両端部の放物線における焦点Ｆに発光点１２Ｈが位置するように、反射板１１の頂点１１Ｔに設けられた孔１１Ａから挿入されて、開口部１１Ｋの方向に光を照射するように取り付けられている。

シリンドリカルフレネルレンズ１３は、図２（Ｂ）に示すように、反射板１１の開口部１１Ｋに、ｘｚ平面と平行配置されている。シリンドリカルフレネルレンズ１３の主軸は、反射板１１の放物線の軸１１Ｊに平行で、かつ、このレンズ１３の端部を辺１３Ｌに沿って通過する。

広指向性型ＬＥＤ１２の発光点１２Ｈは、前記のように反射板１１の放射線の焦点１１Ｆに位置するので、広指向性型ＬＥＤ１２から照射された光は、放物柱面状の反射板１１で反射して、放射線の軸１１Ｊと平行な方向に進んで、シリンドリカルフレネルレンズ１３に入射する。また、反射板１１で反射しない光は、反射板１１の開口部へ直接向かうが、焦点から反射板１１の開口部１１Ｋまでの長さが反射板１１と焦点との最短距離に比べて十分に長ければ、反射板１１で反射しない光も放物線の軸１１Ｊとほぼ平行であると見なすことができる。

このように、広指向性型ＬＥＤ１２から照射された光は、その大半がシリンドリカルフレネルレンズ１３に対して垂直に入射することにより、シリンドリカルフレネルレンズ１３の主軸１３Ｊ上の焦点１３Ｆに集光する。また、シリンドリカルフレネルレンズ１３は、反射板１１の放射線の焦点１１Ｆにおいて所定の間隔で直線状に配列された各広指向性型ＬＥＤ１２−１〜１２−ｎから照射された光を集光するので、ライン光源装置１は、図１におけるｚ軸方向に直線状の光を照射する。

なお、光源である広指向性型ＬＥＤ１２が理想的な点光源であれば、発光点１２Ｈを焦点１１Ｆに置き、反射板１１に光を照射するように広指向性型ＬＥＤ１２を配置するだけで良いが、現実には発光点１２Ｈは面積を特ったものであるから、広指向性型ＬＥＤ１２の配置の仕方によって反射板１１との関係は大きく異なる。そこで、この影響を小さくするために、広指向性型ＬＥＤ１２の指向特性の範囲の中心軸１２Ｊを、反射板１１の放物線の軸１１Ｊに平行となるように構成している。

また、連続紙などの対象物１５を撮像するライン型イメージセンサ１６は、その焦点がシリンドリカルフレネルレンズ１３の焦点１３Ｆと一致させて配置する。

図３は、ライン光源装置の図２とは異なる概略の構成図であり、図３（Ａ）がライン光源装置を図１のｙ軸方向から見た図であり、図３（Ｂ）がライン光源装置を図１のｚ軸方向から見た図である。図３に示すように、ライン光源装置１には、狭指向性型ＬＥＤのような指向特性の範囲が狭い光源を使用しても、適切に直線状の光を照射することができる。

図３に示した構成は、図２に示した複数の広指向性型ＬＥＤ１２−１〜１２ｎに代えて、複数の狭指向性型ＬＥＤ２２−１〜２２−ｎ（狭指向性型ＬＥＤ２２−１〜２２−ｎを総称して狭指向性型ＬＥＤ２２と称する。）を取り付けたものであり、反射板１１及びシリンドリカルフレネルレンズ１３は図２と同様である。ここで、狭指向性型ＬＥＤ２２としては、砲弾型ＬＥＤが好適である。

点状光源である狭指向性型ＬＥＤ２２は、光の指向特性の範囲が２０°以下であり、広指向性型ＬＥＤ１２と同様に、反射板１１の両端部の放物線における焦点１１Ｆに発光点２２Ｈが位置するように、反射板１１の頂点１１Ｔに形成された孔１１Ａから、それぞれ挿入されている。

ここで、狭指向性型ＬＥＤ２２のように指向特性の範囲が狭い光源を、図２に示した広指向性型ＬＥＤ１２のように、放物柱面状の反射板１１に放物線の軸１１Ｊと平行に、かつ開口部１１Ｋの方向に光を照射するように取り付けると、光源から照射した光は、反射板１１で反射せずに直接開口部１１Ｋへ向かう。また、指向特性の範囲が狭い光源から照射された光は、放物線の軸１１Ｊにほぼ平行な成分もあるが、全光線における平行な成分の割合は少ない。そのため、この光源から出射された光は、シリンドリカルフレネルレンズ１３に入射すると、このレンズ１３の焦点１３Ｆとは少しずれた位置で収束するので、ライン光源装置１からは直線状の光線が照射されるものの対象物１５に対して効率良く光を照射できなくなってしまう。

これを避けるため、本発明では図３に示したように、光源の指向特性の範囲の中心軸２２Ｊを放物線の軸１１Ｊに対して例えば２５°前後傾けて光源を配置する。これにより、光源である狭指向性型ＬＥＤ２２から照射された光は、その大半が反射板１１で反射して、放物線の軸１１Ｊと平行な光、つまりシリンドリカルフレネルレンズ１３の入射面に対して垂直な光となる。

このように、狭指向性型ＬＥＤ２２のように指向特性の範囲が狭い光源を使用した場合でも、この光源から照射された光が反射板１１の開口部１１Ｋへ達する時には放物線の軸１１Ｊと平行な光となるので、この平行光がシリンドリカルフレネルレンズ１３に入射すると、このレンズ１３の焦点１３Ｆに集光させることができる。

なお、光源の指向特性の範囲の中心軸２２Ｊの傾斜角を２５°前後としているのは、前記のように反射板１１に対して狭指向性型ＬＥＤ２２から光を照射するのであれば、放物反射面の軸に平行な方が効率が良いためである。すなわち、狭指向性型ＬＥＤ２２は、前記のように点状光源であるが、実際には、発光部にある程度の面積を有しており、反射板１１の両端部の放物線における焦点１１Ｆを通って反射板に当たった光は軸と平行になるが、焦点１１Ｆを通らずに反射板に当たった光は軸と平行にはならない。そのため、発光部の面積が焦点１１Ｆを中心として軸に垂直に広がり、ＬＥＤの発光中心軸が放物反射面の軸に平行な場合と、発光部の面積が焦点を中心として軸に平行に広がり、ＬＥＤの発光中心軸が放物反射面の軸に垂直な場合と、では、前者の方が誤差が少なくなり、効率が良いからである。

次に、図１に示したような構成の反射板１１を使用してライン状に集光させる場合、集光用のレンズであるシリンドリカルフレネルレンズ１３も長尺のものが必要になる。しかし、長尺のレンズは、品質上・製造上・取り扱い上の点でデメリットが多い。そのため、本発明のライン光源装置１では、短尺のシリンドリカルフレネルレンズであるレンズエレメント１３Ｅを複数個隣接して配列している。

図４は、シリンドリカルフレネルレンズの概観図である。図４（Ａ）に示すように、短尺のシリンドリカルフレネルレンズを長方形状に形成したレンズエレメント１３Ｅを隣接させると、レンズの厚みのために、レンズエレメント１３Ｅを隣接させた境界１３Ｓで光が反射して、光を収束させた直線状の光に、レンズエレメント１３Ｅの境界１３Ｓに対応する影が発生する。

このような影は、対象物１５を撮像するライン型イメージセンサ１６において、画素解像度を低く設定されていた場合、例えば１画素が数ｍｍ単位の画像の場合には、前記のような境界１３Ｓに対応する影はあまり影響しない。しかし、対象物１５を高解像度で撮像する必要があり、ライン型イメージセンサ１６の画素解像度が高く設定されていた場合、例えば１画素が１ｍｍ以下の画像の場合には、レンズエレメント１３Ｅの境界１３Ｓによる影の影響は避けられない。

そこで、本発明では、図４（Ｂ）に示すように、シリンドリカルフレネルレンズを短尺で、かつ１組の対角が鋭角の平行四辺形状に形成したレンズエレメント１３Ｅを複数個、直線状に隣接して配列する。これにより、各レンズエレメント１３Ｅの境界１３Ｓにおいて発生する影は、境界１３Ｓが斜めであるためにその幅は広くなるが、影の濃さは影の幅に反比例して薄くなる。したがって、各レンズエレメント１３Ｅの境界１３Ｓにおいて発生する影による影響は、無視できるようになる。

以上のように、ライン光源装置１を構成にすることにより、ワイドな指向特性範囲の光源と、ナローな指向特性範囲の光源と、のいずれを使用しても、また両者を混在させても、同じ焦点に高効率に集光させることができる。

ライン光源装置の反射板の形状を示す斜視透過図である。 ライン光源装置の概略の構成図である。 ライン光源装置の図２とは異なる概略の構成図である。 シリンドリカルフレネルレンズの概観図である。

符号の説明

１：ライン光源装置 １１：反射板 １１Ａ，１１Ａ１〜１１Ａｎ：孔 １１Ｆ：焦点 １１Ｊ：軸 １１Ｋ：開口部 １１Ｔ：頂点 １２，１２−１〜１２−ｎ：広指向性型ＬＥＤ １２：光源 １２Ｊ：中心軸 １２Ｈ：発光点 １３：シリンドリカルフレネルレンズ １３Ｅ：レンズエレメント １３Ｊ：主軸 １３Ｓ：境界 １３Ｆ：焦点 １５：対象物 １６：ライン型イメージセンサ ２２−１〜２２−ｎ：狭指向性型ＬＥＤ ２２Ｊ：中心軸 ２２Ｈ：発光点

Claims (5)

1. 長手方向の軸に垂直の断面が放物線形である放物柱面状の反射板と、
   前記放物線の焦点に位置する発光点から、放物線の頂点に対向する開口部の方向に光を照射するように前記軸に沿って直線状に配列された複数の点状の光源と、
   前記複数の光源から照射された光を、前記長手方向の軸と直交する方向にのみ集束して、前記長手方向の軸と平行に直線状の光を照射するレンズと、
   を備えたことを特徴とするライン光源装置。
2. 前記レンズは、複数のエレメントを連結して成り、各エレメントは、１組の対角が鋭角の平行四辺形状であり、複数個を直線状に隣接して配列したことを特徴とする請求項１に記載のライン光源装置。
3. 前記レンズは、シリンドリカルフレネルレンズであり、前記レンズの主軸は、前記反射板の放物線の軸と平行で、かつ前記レンズの端部を通過することを特徴とする請求項２に記載のライン光源装置。
4. 前記光源は、光の指向特性の範囲が９０°以上の広指向性型ＬＥＤであり、
   前記指向特性の範囲の中心軸が、前記反射板の両端部の放物線における軸と一致することを特徴とする請求項１乃至３のいずれに記載のライン光源装置。
5. 前記光源は、光の指向特性の範囲が２０°以下の狭指向性型ＬＥＤであり、
   前記指向特性の範囲の中心軸が、前記反射板の両端部の放物線における軸に対して、所定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のライン光源装置。

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