JP2009122468A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプに光量変化が生じた場合でも照射光量を一定に維持することができる光源装置を提供する。
【解決手段】放電ランプ４を楕円反射鏡８の第一焦点Ｆ１に配置し、前記楕円反射鏡８の光軸Ｘ上に配置された導光ロッド７或いはバンドルファイバ２に向けて光を照射する光源装置１において、前記楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２と前記放電ランプ４との間の前記光軸Ｘ上に、前記放電ランプ４及び前記楕円反射鏡８からの光束を前記第二焦点Ｆ２よりも近い位置で集束する前記凸面状のコーンレンズ３０を配置し、前記凸面状のコーンレンズ３０の集束点Ｆ３から第二焦点Ｆ２の間に前記導光ロッド７の光入射端面７ｉｎ或いはバンドルファイバ２の光入射端２ｉｎを配置する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、被照射物に対して略均一な光量の光を照射するための技術に係り、特に、ＣＣＤカメラ等を使用した画像処理検査装置等のように検査対象物に照射される光量を一定に維持する必要のある検査装置に用いて好適な光源装置に関する。

例えばフラットパネルディスプレイ製造工程では、従来より、検査対象物となるガラス板や塗料塗布面に光を照射し、これをＣＣＤカメラ等で観察して傷や塗装不良等の欠陥を検知する画像処理検査装置が使用されている。
その際、光源装置に要求される条件として、検査対象物（被照射物）への光量は少なくとも検査時間中は変化しないこと、また、使用するカメラの受光感度性能レベルに応じて必要な光量の光を照射できることなどが挙げられる。
画像処理検査用の光源装置の光源としては、ハロゲンランプ、ＬＥＤ等の固体光素子、水銀ランプおよびメタルハライドランプ等の放電灯が使用されており、中でも、放電ランプは、立ち上り時間が遅いものの高光量が得られることから、この種の光源として最適である。このため、画像処理検査装置用の光源装置として、放電ランプを光源としたものが各種提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２３３９２７号公報

しかしながら、放電ランプは、１０００〜２０００時間点灯させると、電極先端部の形状が点灯と共に劣化変形するため、放電ランプ内での放電箇所（発光点）が点灯中に不規則に変化し、これにより点灯中に明るさが変化する事により、ちらつきが生じる、という問題がある。
特に、画像処理検査装置の光源装置として用いる場合には、放電ランプにちらつきが生じると、検査対象物（被照射物）への光量が検査時間中に大きく変化することとなり検査精度が悪くなる恐れがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、放電ランプに光量変化が生じた場合でも照射光量を一定に維持することができる光源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、放電ランプを楕円反射鏡の第一焦点に配置し、前記楕円反射鏡の光軸上に配置された導光部材に向けて光を照射する光源装置において、前記楕円反射鏡の第二焦点と前記放電ランプとの間の前記光軸上に、前記放電ランプ及び前記楕円反射鏡からの光束を前記第二焦点よりも近い位置で集束する凸面コーンレンズを配置し、前記凸面コーンレンズの集束点から前記第二焦点の間に前記導光部材の入射面を配置したことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記凸面コーンレンズの頂角を、前記凸面コーンレンズの屈折率、前記導光部材の開口数、及び、前記楕円反射鏡から前記凸面コーンレンズに入射する最大角度に基づいて、前記凸面コーンレンズから前記導光部材への入射角度が前記導光部材の開口数によって規定される最大入射角度に収まるように規定したことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、透過光量を調整する調光フィルタを前記凸面コーンレンズと前記導光部材の入射面との間に配置すると共に、一端から他端にかけて漸次拡開する１つの開口を前記調光フィルタに設け、前記開口への光の入射位置を可変して透過光量を調整することを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記導光部材は、前記入射面となる片端側から入射した光束を均一化して出射面となる他端側から出射する柱状のロッドインテグレータから成る導光ロッド、或いは、複数の光ファイバの素線を束ねてなるバンドルファイバであることを特徴とする。

本発明によれば、楕円反射鏡の第二焦点と放電ランプとの間の光軸上に、放電ランプ及び楕円反射鏡からの光束を前記第二焦点よりも近い位置で集束する凸面コーンレンズを配置し、この凸面コーンレンズの集束点に導光部材の入射面を配置する構成としたため、経時劣化に伴い放電ランプの発光点が変動した場合でも、導光部材の入射面での集束径の変動を抑制し導光部材に入射する光量変動を抑えることができる。
また、上記凸面コーンレンズを備える構成とすることで、放電ランプから光束の集束点までの距離が放電ランプから楕円反射鏡の第二焦点までの距離よりも短くなるため、装置の小型化が図られる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る光源装置１を示す図である。
光源装置１は、例えば検査対象物（被照射物）の表面を撮像して画像処理により製品検査を行う際に、光ファイバの素線が多数束ねられてなるバンドルファイバ２を介して検査対象物に照明光を照射するために用いられるものである。
具体的には、光源装置１は、図１に示すように、筐体３に、放電ランプ４と、放電ランプ４から照射された光を集光する楕円反射鏡８と、コーンレンズ３０と、光量コントローラ６とを内設して構成され、また、放電ランプ４の点灯回路１８や、楕円反射鏡８とコーンレンズ３０との間に配置された赤外線カットフィルタ１９等も内設され、さらに、光量調整用の操作子として光量コントロールつまみ２０が設けられている。

放電ランプ４は、水銀ランプ及びメタルハライドランプなどのショートアーク型のランプであり、楕円反射鏡８の第一焦点Ｆ１に配置され、放電ランプ４及び楕円反射鏡８により光源装置１の光源が構成され、この光源からは楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２で集束する光束が照射される。
コーンレンズ３０は、放電ランプ４と導光ロッド７との間に、楕円反射鏡８の光軸Ｘと同軸的に配された凸面コーン状光学素子（円錐レンズとも呼ばれる）である。具体的には、このコーンレンズ３０は、所定の厚みの円板状部材の一方の面を円錐形状に形成してなるものであり、円錐形状の面を光出射側に配することで、放電ランプ４及び楕円反射鏡８から第二焦点Ｆ２に向けて集束する光束の集束点Ｆ３を、楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２よりも放電ランプ４側に近い位置の集束点（コーンレンズ３０の焦点）Ｆ３とすると共に、この集束点Ｆ３の近傍で光束の集束径や集束の中心点の変化を緩やかにする機能を有する。なお、このコーンレンズ３０の詳細については、後に説明する。

導光ロッド７は、本実施形態では、断面が対辺間距離２１ｍｍの正六角形の長さ１２０ｍｍのガラス体で形成され遮光ケース１１に保持され、楕円反射鏡８の光軸Ｘと同軸的に配されると共に、上記コーンレンズ３０の集束点Ｆ３が光入射端面７ｉｎの中心、或いは、この中心軸上に位置するように配され、光出射端面７ｏｕｔにバンドルファイバ２の光入射端２ｉｎが対向して配されている。

光量コントローラ６は、光量コントロールつまみ２０の操作量に応じて照射光量を制御するものであり、照射光量の調整量に応じて調光フィルタ１６を所定角度回転させるステップモータ１７を備えている。すなわち、ユーザが導光ロッド７への照射量を可変する際には、別途に用意した照度計等により光量を測定し、その測定結果に応じて光量コントロールつまみ２０を操作して照射量を可変する。
調光フィルタ１６は、コーンレンズ３０と導光ロッド７との間に配置され、ステップモータ１７により回転されることで導光ロッド７に入射する光量を可変するものであり、図２に示すように、一端側から他端側にかけて開口率が徐々に増加するように漸次拡開した、いわゆるテーパー状のテーパー開口１６ａが形成されており、調光フィルタ１６の回転に伴って光の照射位置における開口面積が可変されることで、その回転方向及び回転角に応じて透過光量が増減するようになっている。

以上の構成の下、放電ランプ４から照射された光は、楕円反射鏡８でその第二焦点Ｆ２に向かって集束する光束となってコーンレンズ３０に入射され、このコーンレンズ３０でその集束点Ｆ３で集束し柱状の導光ロッド７に入射され、光出射端面７ｏｕｔに向って直進し、あるいは、側面で反射しながら光出射端面７ｏｕｔに向かう。
導光ロッド７は、ロッドインテグレータで形成されているので、光源からの光束の光量分布パターンの変化に起因する照射光量変化があっても、この光量分布パターンが均一化されて光出射端面７ｏｕｔから出射され、バンドルファイバ２により検査対象物（被照射物）まで案内され、照明光として照射される。
したがって、導光ロッド７に入射される光がガウシアン分布のような光量分布を有していても、出射される光の光量分布を均一化することができ、均一の光量分布を有する照明光が要求される場合に、別途、光を均一化する光学系を設ける必要がない。

ところで、一般に、コーンレンズ３０を光軸Ｘ上に配置せずに楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２での放電ランプ４の光量を測定した場合、図３に示すように、放電ランプ４の点灯時間の累積時間が短いうちは、出力が略一定に維持されるものの、点灯時間の累積時間が長くなり例えば１６００時間程度に達すると、点灯中に出力が数十％程度（図示例では２０％程度）変動するようになる。
第二焦点Ｆ２における放電ランプ４の出力変動の要因としては、放電ランプ４の電極の経時劣化に伴い陰極陽極間の相対位置が点灯中に不規則に変化し、これにより放電箇所が変化して発光点Ｈ（図４）が楕円反射鏡８の第一焦点Ｆ１に対して短時間のうちに変動することが挙げられる。
楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２における光量が変動すると、この第二焦点Ｆ２に導光ロッド７の光入射端面７ｉｎを配置した場合、導光ロッド７に入射する光量が時間的に変動することとなり、検査対象物（被照射物）に照射される光量も変動することとなる。

そこで本実施形態では、コーンレンズ３０を、放電ランプ４と導光ロッド７との間に配置して、導光ロッド７に入射する光量の変動を抑制し略一定に維持することとしている。
詳述すると、コーンレンズ３０は、図４に示すように、楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２よりも放電ランプ４側に近い位置の集束点Ｆ３で光源からの光束を集束させると共に、この集束点Ｆ３の近傍Ｌに多数の焦点を光軸Ｘ上に沿って形成し、この近傍Ｌでの光束の集束径や集束の中心位置の変化を緩やかにし、そして、この集束点Ｆ３の近傍Ｌ、より具体的には、集束点Ｆ３から第二焦点Ｆ２までの間に、導光ロッド７の光入射端面７ｉｎを配置する。

これにより、放電ランプ４の発光点Ｈが楕円反射鏡８の第一焦点Ｆ１に対して変動した場合でも、コーンレンズ３０の集束点Ｆ３における光量の変動が抑制されることとなる。したがって、この集束点Ｆ３での放電ランプ４の光量を測定した場合、点灯時間の累積時間が１６００時間に達し、ちらつきが生じ易くなった放電ランプ４であっても、図５に示すように、コーンレンズ３０を用いることで集束点Ｆ３での光量変動が抑えられ、導光ロッド７に入射する光量の時間的な変動が抑制されて略一定に維持されることとなる。
特に、従来においては、放電ランプ４のちらつきに伴う導光ロッド７への入射光量の変動を抑えるべく、導光ロッド７への入射光量をモニタリングして、入射光量が略一定となるように調光フィルタ１６の透過光量を調整するフィードバック制御を行っているが、本実施形態によれば、このようなフィードバック制御を行わずとも、導光ロッド７への入射光量の変動を抑えることができる。

また本実施形態では、上述したように、コーンレンズ３０と導光ロッド７との間に配される調光フィルタ１６のテーパー開口１６ａを１つの開口により形成しているため、例えば、開口率が徐々に変化する多数のスリットが円周上に配列形成された調光フィルタと比較して、放電ランプ４の発光点Ｈの変動に伴い調光フィルタ１６での照射位置が微小変動した場合でも、その変動に伴う透過光量の変動、すなわち、コーンレンズ３０の集束点Ｆ３である導光ロッド７の光入射端面７ｉｎでの光量変動が抑えられることとなる。

上記コーンレンズ３０の光学設計について説明すると、コーンレンズ３０の頂角αは、コーンレンズ３０の屈折率、楕円反射鏡８の光学特性及び導光ロッド７のＮＡ（開口数）に基づいて決定される。
すなわち、導光ロッド７への最大入射角度βは導光ロッド７のＮＡによって
最大入射角度β＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ） （１）
と規定されるため、コーンレンズ３０の集光時の角度がβ以内となるようにコーンレンズ３０の頂角αを設定する。

具体的には、コーンレンズ３０の屈折率をｎとすると、図６において、スネルの法則から次式（２）が成り立つ。
ｓｉｎθ₁＝ｎｓｉｎθ₂ （２）
また、幾何学的に次式（３）が求められる。
θ₁−（９０−α）≦β （３）
したがって、（２）及び（３）式に基づいて次式（４）が導かれる。
ｓｉｎ^-1（ｎｓｉｎθ₂）−（９０−α）≦β （４）

また、幾何学的に次式（５）が求められるから、
θ₂＝θ₃＋（９０−α） （５）
（４）及び（５）式により次式（６）が導かれる。
ｓｉｎ^-1｛ｎｓｉｎ（θ₃＋９０−α）｝−（９０−α）≦β （６）

また、スネルの法則に基づき、
ｓｉｎθ₄＝ｎｓｉｎθ₃ （７）
が成り立つため、（７）及び（６）式により次式（８）が導かれる。
ｓｉｎ^-1｛ｎｓｉｎ［ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₄／ｎ）＋９０−α）］｝
−（９０−α）≦β （８）
なお、θ₄はコーンレンズ３０に入射する最大角度であり、楕円反射鏡８の光学特性によって規定される。

したがって、導光ロッド７のＮＡ、コーンレンズ３０の屈折率ｎ、コーンレンズ３０に入射する最大角度θ₄を上記（８）式に代入することで、コーンレンズ３０の頂角αが求められ、例えば、ＮＡ＝０．５７、屈折率ｎ＝１．５、最大角度θ₄＝２３．６度である場合には、頂角αが７５度以上であれば、導光ロッド７に光束を入射させることができる。

このように本実施形態によれば、楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２と放電ランプ４との間の光軸Ｘ上に、放電ランプ４及び楕円反射鏡８からの光束を第二焦点Ｆ２よりも近い位置で集束するコーンレンズ３０を配置し、このコーンレンズ３０の集束点Ｆ３に導光ロッド７の光入射端面７ｉｎを配置する構成としたため、経時劣化に伴い放電ランプ４の発光点Ｈが変動した場合でも、導光ロッド７の光入射端面７ｉｎでの集束径や集束中心位置の変動を抑制し導光ロッド７に入射する光量変動を抑えることができる。

また、従来においては、放電ランプ４のちらつきに伴う導光ロッド７への入射光量の変動を抑えるべく、導光ロッド７への入射光量をモニタリングして、入射光量が略一定となるように調光フィルタ１６の透過光量等を調整するフィードバック制御を行っているが、本実施形態によれば、このようなフィードバック制御を行わずとも、上記のように導光ロッド７への入射光量の変動を抑えることができる。
さらに、楕円反射鏡８やコーンレンズ３０等の各光学素子の配置や特性が設計値から多少ずれた場合であっても、コーンレンズ３０の多焦点化による集束により、設計値からのずれが導光ロッド７に入射する光量に及ぼす影響を抑えることができる。
また、上記コーンレンズ３０を備える構成とすることで、放電ランプ４から光束の集束点Ｆ３までの距離が放電ランプ４から楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２までの距離よりも短くなるため、導光ロッド７を放電ランプ４により接近させて配置することができるから、光源装置１の小型化が容易となる。

また本実施形態によれば、透過光量を調整する調光フィルタ１６をコーンレンズ３０と導光ロッド７の光入射端面７ｉｎとの間に配置する構成としたため、例えば経時劣化に伴い放電ランプ４の出力が低下した場合でも、光量コントロールつまみ２０を操作して調光フィルタ１６により透過光量を調整することで、導光ロッド７に入射する光量を一定に維持することができる。
特に、調光フィルタ１６のテーパー開口１６ａを１つの開口により形成して透過光量を調整する構成としたため、放電ランプ４の発光点Ｈの変動に伴って調光フィルタ１６での照射位置が微小変動した場合でも、その変動に伴う透過光量の変動が抑えられ、導光ロッド７に入射する光量を一定に維持することができる。

また本実施形態によれば、コーンレンズ３０の頂角αを、このコーンレンズ３０の屈折率ｎ、導光ロッド７の開口数ＮＡ、及び、楕円反射鏡８からコーンレンズ３０への最大角度θ₄に基づいて、コーンレンズ３０から導光ロッド７への入射角度が導光ロッド７のＮＡによって規定される最大入射角度βに収まるように規定したため、コーンレンズ３０による集束光の略全ての光を導光ロッド７に入射させることができる。

なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。

例えば、導光ロッド７は正六角柱に限らず、任意の柱状のロッドインテグレータであればよく、特に照射光を長方形のスクリーンや基板にそのまま投影するような場合は、断面がそのスクリーン等の縦横比に等しい四角柱状のロッドインテグレータを使用すればよい。

また例えば、導光ロッド７を介してバンドルファイバ２に、放電ランプ４及び楕円反射鏡８からの光束を入射する構成としたが、これに限らず、放電ランプ４及び楕円反射鏡８からの光束を直接バンドルファイバ２に入射する構成としても良い。この場合、コーンレンズ３０の焦点である集束点Ｆ３から楕円反射鏡８の第二焦点Ｆ２の間にバンドルファイバ２の光入射端２ｉｎを集束点Ｆ３に合わせて配することとなる。

本発明の実施形態に係る光源装置の構成を示す図。 調光フィルタを示す図。 放電ランプの発光点の変動に伴う光量変動の一例を示す図。 コーンレンズの機能を説明するための図。 本実施形態の光源装置の光量変動の一例をコーンレンズの有無ごとに示す図。 コーンレンズの光学設計を説明するための図。

符号の説明

１ 光源装置
２ バンドルファイバ
４ 放電ランプ
７ 導光ロッド
８ 楕円反射鏡
１６ 調光フィルタ
１６ａ テーパー開口
３０ コーンレンズ
Ｆ１ 第一焦点
Ｆ２ 第二焦点
Ｆ３ 集束点
Ｈ 発光点
Ｘ 光軸

Claims (4)

1. 放電ランプを楕円反射鏡の第一焦点に配置し、前記楕円反射鏡の光軸上に配置された導光部材に向けて光を照射する光源装置において、
   前記楕円反射鏡の第二焦点と前記放電ランプとの間の前記光軸上に、前記放電ランプ及び前記楕円反射鏡からの光束を前記第二焦点よりも近い位置で集束する凸面コーンレンズを配置し、前記凸面コーンレンズの集束点から前記第二焦点の間に前記導光部材の入射面を配置した
   ことを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記凸面コーンレンズの頂角を、
   前記凸面コーンレンズの屈折率、前記導光部材の開口数、及び、前記楕円反射鏡から前記凸面コーンレンズに入射する最大角度に基づいて、前記凸面コーンレンズから前記導光部材への入射角度が前記導光部材の開口数によって規定される最大入射角度に収まるように規定したことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１又は２に記載の光源装置において、
   透過光量を調整する調光フィルタを前記凸面コーンレンズと前記導光部材の入射面との間に配置すると共に、
   一端から他端にかけて漸次拡開する１つの開口を前記調光フィルタに設け、前記開口への光の入射位置を可変して透過光量を調整することを特徴とする光源装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光源装置において、
   前記導光部材は、前記入射面となる片端側から入射した光束を均一化して出射面となる他端側から出射する柱状のロッドインテグレータから成る導光ロッド、或いは、複数の光ファイバの素線を束ねてなるバンドルファイバであることを特徴とする光源装置。

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