JP2008076610A - 集光光学系および紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
実効的な許容入射角度を拡大して入射光束のロスを低減した集光光学系およびこれを備えた紫外線照射装置を提供する。
【解決手段】
集光光学系ＯＣＳは、光源ＬＳと、光源から放射された光を集光する集光手段ＣＭと、多数の光ファイバ素線２４が集合して形成されていて先端が球面２１ａを形成するように突出し、各光ファイバ素線の先端面が上記球面の接線にほぼ平行になるように偏向している光入射端２１を一端に備えるとともに他端が光出射端２２になっていて、光入射端が集光手段による集光点近傍に配置された導光装置ＬＧとを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光した光を所定距離離れた位置まで導光する集光光学系およびこれを備えた紫外線照射装置に関する。

楕円反射鏡を用いて集光した光を所定距離離れた位置まで導光する集光光学系を備えた紫外線照射装置は既知である（例えば特許文献１参照。）。既知のこの種導光装置は、導光手段として光ファイバを用いている。これにより導光装置に可とう性を付与することができ、使い勝手がよくなる。

特開２００４−３１１９６３号公報

ところが、光ファイバは、光入射端に入射する光の入射角度に制限があり、一般に入射ＮＡが０．２程度である。したがって、許容入射角度を超えた入射光は、光ファイバに入射することができないため、このような場合には入射光束にロスを生じ、導光性能が低下する。

本発明は、実効的な許容入射角度を拡大して入射光束のロスを低減した集光光学系およびこれを備えた紫外線照射装置を提供することを目的とする。

本発明の集光光学系は、光源と；光源から放射された光を集光する集光手段と；多数の光ファイバ素線が集合して形成されていて先端が球面を形成するように突出し、各光ファイバ素線の先端面が上記球面の接線にほぼ平行になるように偏向している光入射端を一端に備えるとともに他端が光出射端になっていて、光入射端が集光手段による集光点近傍に配置された導光装置と；を具備していることを特徴としている。

本発明によれば、導光装置の集光点近傍に配置される光入射端は、多数の光ファイバ素線が集合して形成されていて先端が球面を形成して突出し、各光ファイバ素線の先端面が上記球面の接線にほぼ平行になるように偏向しているので、集光光線の光入射端に対する実効的な許容入射角度が拡大されるために、入射角の大きな光もロスなく入射する集光光学系およびこれを備えた紫外線照射装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本発明の集光光学系を実施するための一形態を示す配置図および導光装置の要部拡大概略図である。

本発明の集光光学系ＯＣＳは、光源ＬＳ、集光手段ＣＭおよび導光装置ＬＧを具備して構成されている。

光源ＬＳは、集光しようとする光を発生する手段であり、どのような構成のものであってもよい。光の波長は、紫外光、可視光および赤外光のいずれを主体として発光するものであってもよい。また、光源の種類としては、ショートアーク形放電ランプ、白熱電球および発光ダイオードなどを所望により選択的に用いることができる。

集光手段ＣＭは、光源ＬＳから放射した光を集光するための手段であり、反射鏡およびレンズのいずれか一方または両方を組み合わせて用いることを許容する。図示形態においては、反射鏡として好適な楕円反射鏡が使用されている。レンズの場合は、凸レンズが好適である。

導光装置ＬＧは、その一端に光入射端２１を、また他端に光出射端２２を備えている。なお、光入射端２１および光出射端２２の間は所望長さの中間部２３が介在して全体として一体化されている。中間部２３は、光入射端２１から内部に入射した光を光出射端２２まで導光する。

光入射端２１は、本発明における特徴部分であり、先端が球面２１ａを形成して突出するとともに多数の光ファイバ素線２４が集合して形成されていて、各光ファイバ素線２４の先端面が位置する部位の球面２１ａの接線にほぼ平行になるように偏向している。すなわち、光入射端２１は、導光装置ＬＧの要部拡大概略図に示すように各光ファイバ素線２３の先端面が好ましくは球面２１ａの一部を形成するように位置に応じて適度に偏向している。これに対して、分離線２５により中間部２３と画成される光入射端２１の背面は、各光ファイバ素線２３が並行状態で配列されている。そして、光入射端２１の背面の直径は、中間部２３の直径に等しくなっている。

したがって、光入射端２１は、その先端において多数の光ファイバ素線２４が偏向しているために放射状に広がっている。図１に示す形態において、光入射端２１は、その直径が導光部２３の直径に等しくなっているが、所望により導光部２３の直径より大きくすることができる。

なお、本発明において、球面２１ａは、その形状が真球面の一部をなしているものに限定されるのではない。例えば、楕円球面形状や回転放物面形状などの一部をなしているものである場合も球面の概念に含まれる。

また、光入射端２１は、集光手段ＣＭによる集光点近傍、例えば楕円反射鏡の第２焦点の前方で、かつ近傍に配置される。

光出射端２２は、導光した光を出射する手段であり、多数の光ファイバ素線２４を束ねた集合体および単一の導光体のいずれで構成してもよい。また、光出射端２２は、集光手段ＣＭにより集光され、かつ導光装置ＬＧにより離間位置に導かれた光が出射する部分であるから、光を照射して利用するのに都合のよい位置に配置される。

中間部２３は、光入射端２１から入射した光を光出射端２２に導光するための導光手段であり、光出射端２２と同様に多数の光ファイバ素線２４を束ねた集合体および単一の導光体のいずれで構成してもよい。

導光装置ＬＧは、上述の３つの機能部分２１、２２、２３を備えて構成されているので、各機能部分相互を以下のように構成することができる。すなわち、光出射端２１、中間部２３および光出射端２２を連続した多数の光ファイバ素線２４により一体的に形成することができる。また、所望により光入射端２１のみを上述の構成とし、導光部２３および光出射端２２を単一の導光体、例えば石英ガラスロッドにより構成することができる。さらに、光入射端２１および光出射端２２を多数の光ファイバ素線を束ねて構成し、中間の導光部２３を単一の導光体で構成することもできる。

また、導光装置ＬＧは、所望により金属または合成樹脂製の外装（図示しない。）を備えていることが許容される。

そうして、本発明の集光光学系ＯＣＳにおいては、光源ＬＳから放射された光は、集光手段ＣＭで集光され、その集光点近傍に配置された導光装置ＬＧの光入射端２１からその内部に入射する。このとき、光線は、集光角度θで光入射端２１に向かって集光していくので、最外側の光線は光入射端２１の光軸に対して比較的大きな入射角となり、光線が光軸側に近づくにしたがい順次入射角が小さくなる。

しかしながら、それぞれの光線が入射する部位に配置された光ファイバ素線２４の先端面は、いずれも球面２１ａの接線に平行になるように偏向しているので、各光ファイバ素線２４に対する入射角が極めて小さくなる。

上記の結果、実効的な許容入射角が拡大されるので、本発明によれば、入射ロスが低減する。

図２および図３は、本発明の紫外線照射装置を実施するための一形態を示し、図２は全体の正面断面図、図３は光源としてのショートアーク形水銀放電ランプを示す正面図である。なお、図１と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

本形態の紫外線照射装置ＵＶＩは、集光光学系ＯＣＳおよび紫外線照射装置本体ＵＶＢを具備して構成されている。

〔集光光学系ＯＣＳについて〕 集光光学系ＯＣＳは、図１に示す本発明の一形態を用いている。なお、光源ＬＳにはショートアーク形水銀放電ランプが、また集光手段ＣＭとして楕円反射鏡が、それぞれ採用されている。以下、ショートアーク形水銀放電ランプについて図３を参照して、また楕円反射鏡について図１を参照して、それぞれ詳細に説明する。なお、図１においては、導光装置ＬＧの光入射端１１の球面１１ａの図示を省略している。

（ショートアーク形水銀ランプについて） ショートアーク形水銀ランプは、透光性気密容器１、一対の電極２Ｋ、２Ａ、外部リード構体３、４および放電媒体を備えている。

透光性気密容器１は、耐火性を有する石英ガラスなどから形成され、例えば包囲部１ａおよび一対の封止部１ｂ、１ｂを備えている。包囲部１ａの内部には放電空間１ｃが形成されている。封止部１ｂは、透光性気密容器１を気密に封止するとともに、後述する一対の電極２Ｋ、２Ａを放電空間１ｃ内に封装している。さらに詳述すれば、透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合、封止部１ｂは、その内部に例えば封着金属箔（図示しない。）が気密に埋設されている。なお、封着金属箔は、例えばモリブデン箔からなり、所要の電流容量を得るために、１枚または互いに離間した並列状態で複数枚が用いられる。

一対の電極２Ｋ、２Ａは、耐火性で導電性の金属、例えばタングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）またはタングステン−レニウム合金など、からなる。そして、直流点灯の場合、陰極２Ｋと陽極２Ａで構成される。また、一対の電極２Ｋ、２Ａは、包囲部１ａの内径より小さい電極間距離、例えば２．８ｍｍとなるようにそれぞれ先端が離間対向して配置されている。

放電媒体は、水銀および希ガスを主体として構成されている。なお、水銀は、点灯時に蒸発して超高圧水銀蒸気状態を呈する。希ガスは、例えばアルゴンガスからなり、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用する。

外部リード構体３、４は、一対の電極２Ｋ、２Ａを点灯回路に接続して受電するための手段である。また、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置ＵＶＩの内部に装着する際に、取付手段として外部リード構体３、４を利用することができる。この場合、外部リード構体３、４は、図示のような口金構造を採用することができる。

本形態においては、外部リード構体３の口金部分３ａから図２において右側へ突出しているボルト部分３ｂを、図示しないナットを用いて支持することによって、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置ＵＶＩの内部に装着することができる。また、同時に点灯回路の出力端の負極側に接続するように構成されている。

他方、外部リード構体４は、口金部分４ａから外部へ延在する可とう性の被覆導体４ｂを備えている。なお、被覆導体４ｂの先端には、接続端子４ｃが配設されている。

さらに、外部リード構体３、４は、図示しないが、それらの一端が封止部１ｂ、１ｂ内に延在して封着金属箔に溶接されている。

そうして、ショートアーク形水銀ランプは、点灯されると透光性気密容器１の内部に超高圧水銀蒸気放電が生起して紫外線を発生する。

ショートアーク形水銀ランプは、上述した基幹的な構造に加えて、所望により以下の構成を付加することが許容される。

１．（陰極保温膜５について） 陰極保温膜５は、陰極２Ｋに水銀が付着するのを防止するために陰極２Ｋを保温するための手段である。そして、例えば主として陰極２Ｋ側の封止部の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、陰極２Ｋに水銀が付着すると、始動電圧過昇や点灯不良を生じやすくなる。

２．（陽極保温膜６について） 陽極保温膜６は、気密容器１の温度上昇を早めるための手段である。そして、例えば陽極２Ａの主として基端部分に対向する気密容器１の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、気密容器１の温度上昇を早めることで光束立ち上がりが速くなる。

３．（トリガーワイヤ７について） トリガーワイヤ７は、始動時に電極近傍の電位傾度を大きくしてショートアーク形水銀ランプＳＨＬの始動性を良好にするための手段である。そして、例えば基端が陰極２Ｋ側の外部リード構体３に接続し、中間が包囲部１ａの外面に近接して延在し、先端が陽極２Ａ側の封止部１ｂの包囲部１ａに隣接する部位に巻き付けられている。

（楕円反射鏡について） 楕円反射鏡は、前述のように集光手段ＣＭとして用いられていて、第１焦点ｆ１および第２焦点ｆ２を有し、例えば反射面が椀形の回転楕円体形状をなしている。また、その第１焦点ｆ１に光源ＬＳとしてのショートアーク形水銀ランプの発光中心が位置するように配置されることによって、ショートアーク形水銀ランプから放射される紫外線を反射して楕円反射鏡の前方に位置する第２焦点ｆ２に集光する。

また、楕円反射鏡は、好適には椀形のガラス基体の内面に紫外線反射・赤外線透過性被膜を被着させてなされる構成のものを採用することができる。そして、ショートアーク形水銀ランプの発光部が内部に収納される。

〔紫外線照射装置本体ＵＶＢについて〕 紫外線照射装置本体ＵＶＢは、紫外線照射装置ＵＶＩから集光光学系ＯＣＳを除外した残余の部分により構成されていて、例えばハウジングＨ、ミラーＭ１および紫外線通過量制御機構ＵＶＣなどを具備することができる。

（ミラーＭ１について） ミラーＭ１は、集光手段ＣＭとしての楕円反射鏡から出射した反射紫外線の進行方向をほぼ９０°の角度で変更させる場合に用いられる光学手段であり、紫外線照射装置ＵＶＩをコンパクトに構成するなどの理由で採用される。この反射手段には平面反射鏡を用いることができる。なお、所望によりミラーＭ１の傾斜角を微調整する角度調整手段を付加することができる。

また、ミラーＭ１を用いる場合には、楕円反射鏡の開口と第２焦点ｆ２との間に位置して、好ましくは第２焦点ｆ２になるべく接近した位置になるように、ミラーＭ１が配設される。

（円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣについて） 円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣは、図示しないワークに照射される紫外線を制御するための手段であり、本形態においては回転中心の周り節動回転可能な紫外線制御用の調光板Ｐ１および／またはシャッター板Ｐ２を備えている。なお、節動回転とは、複数ステップのうち１ステップごとに節動し得る１回転以下のいわゆる回動を含む意味である。

また、円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣは、光源ＣＭすなわち楕円反射鏡とミラーＭ１とを結ぶ第１の光軸ＬＸ１に対して直角で、かつミラーＭ１と導光装置ＬＧとを結ぶ第２の光軸ＬＸ２を含む平面Ｐを挟んで楕円反射鏡の反対側に回転中心が位置する。そして、円盤部Ｐ１またはＰ２の作用部がミラーＭ１と導光装置ＬＧとの間に介在して紫外線の通過量を制御する光学制御機構である。

したがって、本形態の円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣによれば、導光装置ＬＧの光出射端２から出射する紫外線量を制御することができる。紫外線の制御は、調光および通過・遮断の切り換え（シャッター動作）のいずれか一方または両方が可能なように構成することができる。調光を行うときには調光機構ＤＰが、また通過・遮断の切り換え（シャッター動作）を行うときにはシャッター機構ＳＰが、それぞれ配設される。両方を行う際には、調光機構ＤＰの調光板Ｐ１とシャッター機構ＳＰのシャッター板Ｐ２の作用部が近接するように配設される。

調光機構ＤＰは、例えば回転中心の周りに回転する調光板Ｐ１およびこの調光板Ｐ１を所定角度だけ節動回転させるための駆動回転を行う節動回転駆動手段（図示しない。）、例えばステッピングモータを備えている。そして、調光板Ｐ１には複数ステップの節動回転位置がディジタル的に設定され、そのステップごとに節動させて所定のステップ位置に到達するように構成するとともに、各ステップ位置には１個または複数個の透孔からなり、開口面積がステップ数に応じて順次変化して、通過紫外線量が０〜１００％を規定している開口ＯＰ１が環状に配置されている。

シャッター機構ＳＰは、回転中心の周りに回転するシャッター板Ｐ２およびこのシャッター板Ｐ２を所定角度だけ節動回転駆動を行う節動回転駆動手段ＳＭ２、例えばステッピングモータを備えている。そして、シャッター板Ｐ２には第１の節動回転位置において無開口になっていて紫外線を遮断（オフ）し、第２の節動回転位置においてシャッター開口ＯＰ２が形成されていて紫外線を通過（オン）させるように構成されている。

〔紫外線照射装置ＵＶＩの動作について〕 本形態においては、光源ＬＳすなわちショートアーク形水銀ランプから放射された紫外線は、集光手段ＣＭすなわち楕円反射鏡内において、第１焦点ｆ１から出射して楕円反射鏡の反射面で反射して楕円反射鏡から下方へ集光しながら出射する。そして、ミラーＭ１に入射し、反射して、第１の光軸ＬＸ１に対してほぼ９０°方向に向きが変更され、さらに集光しながら第２焦点ｆ２に収斂する。

第２焦点ｆ２に収斂した紫外線は、円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣすなわち調光機構ＤＰまたは／およびシャッター機構ＳＰを通過して導光装置ＬＧ内にその光入射端２１から入射する。そして、導光装置ＬＧ内を、内面全反射を繰り返しながら導光されて光出射端２２から均一に整えられた紫外線を出射する。

〔紫外線照射装置のその他の構成について〕 本形態の紫外線照射装置ＵＶＩにおいては、さらに以下の構成を具備している。

１．（光照射部光学系について） 以上説明した集光光学系ＯＣＳに加えて紫外線を図示しないワークに照射しやすくするために、光照射部光学系として導光装置ＬＧの光出射端２２に集光レンズＬＵおよびミラーＭ２を配設することができる。これにより、ワークに向けて照射口ＩＲＯからスポット状に出射する紫外線の向きを下方へ変更することができる。

２．（排気機構ＡＳについて） 紫外線照射装置から外部へ塵埃などが放散されないように排気機構ＡＳを具備することができる。排気機構ＡＳを排気ダクト（図示しない。）に接続すれば、紫外線照射装置内が低圧になり、内部から塵埃などの不純物が放散しなくなる。

３．（光源位置微調整機構ＬＸＲについて） 光源位置微調整機構ＬＸＲは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬの管軸位置を微調整する機構である。なお、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、後述するハウジングＨの天井から吊持されている。

４．（ハウジングＨについて） ハウジングＨは、以上の各手段を内部の所定位置に収納している。

本発明の集光光学系を実施するための一形態を示す配置図および導光装置 本発明の紫外線照射装置を実施するための一形態を示す正面断面図 同じく光源としてのショートアーク形水銀放電ランプを示す拡大正面図

符号の説明

ＬＳ…光源、２１…光入射端、２２…光出射端、２３…中間部、２１ａ…球面、２４…光ファイバ素線、２５…分離線、θ…集光角度、ＣＭ…集光手段、ＬＧ…導光装置、ＯＣＳ…集光光学系

Claims (2)

1. 光源と；
   光源から放射された光を集光する集光手段と；
   多数の光ファイバ素線が集合して形成されていて先端が球面を形成するように突出し、各光ファイバ素線の先端面が位置する上記球面の部位の接線にほぼ平行になるように偏向している光入射端を一端に備えるとともに他端が光出射端になっていて、光入射端が集光手段による集光点近傍に配置された導光装置と；
   を具備していることを特徴とする集光光学系。
2. 紫外線照射装置本体と；
   紫外線を発生する光源が用いられていて紫外線照射装置本体に配設された請求項１記載の集光光学系と；
   集光光学系の光源を点灯する点灯回路と；
   を具備していることを特徴とする紫外線照射装置。

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