JP2010205560A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照射効率に優れるとともに、構成が簡単で低コストで精度良く傷や異物を検出できるＬＥＤ照明装置を提供することにある。
【解決手段】
発光部８の前方に、プリズムシート１、および集光レンズ７を配設し、その際、発光部８の放射特性と要求される出射特性に合わせ、特定方向に２つのピークを持った出射特性を示す出射光が照射面に重畳するようプリズムシート１の形状と頂角を設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＬＥＤ照明装置に関し、更に詳しくは、画像処理検査装置に組み込むのに有用なＬＥＤ照明装置に関する。

工業製品等の検査工程では、搬送中の検査対象物に、該搬送方向と直行するライン状照射光を当て、その反射光や透過光をＣＣＤカメラなどでとらえる、いわゆる画像処理検査装置が使用されている。この装置は、検査対象物中の傷や異物から発せられる散乱光を捉えて、前記傷や異物を検出している。しかし、照射光と同じ向きの傷や異物からは、散乱光は殆ど発せられない。仮に微小の散乱光が発せられても、このような散乱光は、直進光により打ち消されてしまう。従って、この装置では、散乱光が捉えにくい、すなわち傷や異物が検出されない場合があるという基本的問題があった。

そこで、本発明者は、散乱発光部の前方に、中空柱状体の並列集合体を多段に積層し、該拡散光のうち、特定方向の光（斜光）のみ出射・抽出する構造とした光抽出部品を配した照明装置を提案した。（特許文献１参照）

しかし、上記の提案では、光抽出部品が直進光に近い光は、取り込めず、直進光を有効に使用していないので、必然的に効率が悪いという問題があった。
また、左右両方向の斜光を得るため、中空柱状体を多段化する必要があり、スペースが必要で製作コストが掛かるという問題、さらには、光抽出部品が光源装置の出射側に露出しているので、埃等が付着し汚れ易いという問題もあった。

これに対して、最近では、プリズムシートを使用し、特定方向の斜光を得る検査用光源装置が提案されている。（特許文献２参照）

しかしながら、この提案の光源装置においては、左右両方向の斜光を得るため、傾斜方向の異なる複数の鋸歯プリズムシートを互い違いに配置した多段構造にする必要がありプリズムシート自体の構造が複雑になるとともに製作コストが掛かるという問題があった。
また、同提案では、ＬＥＤからなる発光部を２つ設け、左右２方向別々の放射光を得る必要があるので、自ずと発光部の構成も複雑になるとともに、プリズムシート同様、発光部の製作コストが掛かるという問題があった。
さらには、この提案の光源装置では、上述したように、多段構造のプリズムシートでは出射光も多段化され出射光が不均一になり易いという懸念もあった。

特願２００８−１１８９８３号 特開２００８−３０４３０６号公報

従って、本発明の課題は照射効率に優れるとともに、構成が簡単で低コストで精度良く傷や異物を検出できるＬＥＤ照明装置を提供することにある。

本発明者は、ＬＥＤ光源の放射特性に適合する特定のプリズムシートを配することにより、上記の課題を一挙に解決するに至った。

本発明において、以下のような顕著な効果が奏される。
１． ＬＥＤ光源の放射特性に合わせた特定のプリズムシートにより均一でしかも特
定範囲の出射特性を持った出射光が高精度で得られる。
２．左右対称のプリズムシートを採用したので、従来の中空柱状体では捨てていた直進光に近い入射光も出射光として有効に活用できるので照射効率が良い。
３． 従来の光抽出部品や鋸歯状プリズムを使用した場合のように光源からの左右２
方向の入射光に対応するための多段構造が不要なので、構造が簡略化されるとともに小型化できる。
４． 発光部の前方にレンズを配置することにより、光を集光し、より高光量の出射
光が得られる。また、レンズと拡散板を併用することにより、より高光量でムラのない出射光が得られる。
５． プリズムシートの凹凸が形成された面が露出しないので、プリズムシートが汚
れにくい。

本発明に係る照明装置の一例を示す斜視図である。 図１の一部破断斜視図である。 本発明で使用するプリズムシートの全体形状を示す斜視図である。 ＬＥＤ光源の一般的な放射特性を示す図である。 本発明の照明装置の出射特性を示す図である。 本発明で使用するプリズムシートにより１方向の入射光から２方向の出射光（斜光）が得られることを説明する図である。 本発明で使用するプリズムシートの別の態様を示す側面図である。 本発明の照明装置の別の態様を示す一部破断斜視図である。

本発明を、プリズム部が左右対称な斜面からなる左右対称型プリズムシートを採用した態様につき、添付図面を参照しながら説明する。
図１において、１はプリズムシート（以下、プリズムシート１とする。）、２、３は固定板、４は右側面板、５は左側面板である。以下、図２〜図４により、本発明の部材について詳述する。

図２は、図１に向かって前方の固定板２の右半分と右側面板４を取り除いた際の内部状態を示す。該図で、７はレンズ、８はＬＥＤ素子、そして、９はＬＥＤを載置・配列する基板である。この態様では、ＬＥＤ８をライン状に横一列に配列して発光部とし、その放射光の進行方向に沿って、レンズ７、プリズムシート１が配置されている。このとき、プリズムシート１のプリズム部の稜線は同シートの長手方向と直交し、プリズム部はＬＥＤ側に面している。また各部品は、その特性に応じて所望の間隔で配置してもよい。また、ＬＥＤはライン状以外にも、面状に配置したり、ライン状に配列したＬＥＤからの出射光を導光板により面状に発光させたりしてもよい。また、発光部の発熱量が大きくなる場合には、放熱フィンを配置するなど、適宜、放熱手段を設けるとよい。

先ず、本発明では、プリズムシート面の法線方向に対して左右対称な２方向にピークをもつ出射光が得られるが、特徴的なのは、この出射光が同一ライン上を照射する点にある。
これを実現するため、本発明では特定形状のプリズムシート１を使用した点にある。
図３には、本発明で使用するプリズムシート１の全体像が示されている。
この態様では、プリズムシート１のプリズム部１ｄは頂角θを挟んで平坦な２つの左右対称な斜面１ａおよび１ｂで構成され、その２斜面から形成される稜線は同シートの長手方向と直交する幅方向と平行にある間隔で連続的に並んでいる。
詳細は後述するが、従来の１枚の鋸状プリズムが斜面の片側しか利用できないのに対して本発明のプリズムシート１では１枚で異なる２つの斜面を同時に利用でき、しかも、左右両方向の入射光がプリズムシート１の長手方向に沿った同一直線上に出射し、後述する文献２のように出射光がプリズムシート１の幅方向において左右互い違いの出射とはならないので均一で高精度な左右両方向の斜光が得られる。

これに対して、文献２の従来方法では右斜面と左斜面の鋸状プリズムをプリズムシート１の幅方向に交互に配置した多段構造となっているので構造が複雑化するだけでなく、カメラの視野範囲内において検査対象物のミクロな照射範囲では左右２方向の斜光が、本発明のように照射面で重畳することなく、どちらかしか照射されないので、左右両方向の照射とは異なる照射条件となり場合によっては、帯状の縞模様が見えるなどの問題が発生する。これを避けるために視野範囲を狭めれば左右どちらかの照射範囲しか検出しなくなるため光が有効に使えないという問題も発生する。更に左右の斜光が検査対象物上で重なるように集光した場合は、照明と検査対象物の距離の設定がシビアになるなどの問題も発生する。

さらに、本発明で特徴的なのは、プリズムシート１の頂角θを調整することで、要求される２方向の出射角度を得ることができることにある。またプリズムシートの透過効率を上げるため、言い換えれば反射による戻り光を少なくするために適する放射分布特性をもったＬＥＤを選定したり、レンズを用いてＬＥＤの放射分布特性を最適化したりすると良い。

ここで、図６により上述したプリズムシート１に入射したＬＥＤ発光部８の１方向の斜光から左右２方向の斜光が得られることを詳細に説明する。
同図ではプリズムシート１の長手方向中央を中心線として、発光部８の放射特性により直進光（ａ）と入射角度が異なる（ｂ）および（ｃ）がプリズムシート１の左斜面１ａと右斜面１ｂにそれぞれ入射してから出射するまでの様子がスネルの法則に従って記載されている。
先ず直進光（ａ）は、プリズムシート１の出射端面からおのおの左方向の斜光Ａと右方向の斜光Ｂの左右２方向の斜光となって出射する。
同様にして、（ｂ）で示す入射光は左方向の斜光Ｃと右方向の斜光Ｄとなって出射する。一方（ｃ）で示す入射光はプリズムシート１の右斜面１ｂに入射した光は、かろうじて屈折して出射光Ｅとなって出射する。
もう一方の左斜面１ｂに入射した光は、全反射光Ｆとなってプリズムシート１から出射しなくなり透過効率を悪くする要因となっている。
また、図４で示したようにＬＥＤの一般的な放射特性は直進する光の成分を多く含み、放射角度が大きくなるほど光の成分が少なくなる。従って、プリズムシート１から出射される斜光のピークは、おのずとＬＥＤからの直進光が斜光に変換される左方向の斜光Ａと右方向の斜光Ｂと一致することになる。
それゆえ、本発明では、照射効率を最大とすべく、上記（ｃ）のような全反射を生じない範囲内でプリズムシート１の頂角θとLEDの放射特性を設定している。

上記の説明では、本発明では、１方向の光が２方向に変換されることを説明するため、プリズムシート１の左半分側に入射する発光部８からの左方向の斜光で説明したが、プリズムシート１の右半分側に入射する発光部８からの右方向の光も同様にして左右２方向の斜光に変換される。
従って、実際のプリズムシート１では、図４で示した発光部８の放射特性によりこれらが合成されるので、図５に示す２箇所にピークを有する出射特性が得られるのである。

以下、図４〜図６によりＬＥＤの放射特性と本発明の照明装置の出射特性との関連性につき、更に詳しく説明する。
ＬＥＤの放射特性は一般的には放射角が０度を中心（ピーク）とし、左右０度〜６０度までの間で正規分布に近い放射特性となっている。
一方、本発明の照明装置で得ようとしている出射光の出射特性は図５に示すように、例えば左右両側２５度近辺に２つのピークを有する出射特性である。
この出射特性を得つつ、尚且つ、全反射を生じさせることなく最大の出射効率を得るためには図３に示すプリズムシート１の頂角θはスネルの法則により計算すると９０度近辺に設定すればよい。

上記の説明では、照明装置の出射光の出射特性を図５に示すように左右両側２５度近辺に２つのピークを示す出射特性としたが、これは一例であって、一般的に照射対象物により要求される出射特性は変化する。
この要求に応えるためには２５度の場合と同様にしてプリズムシート１の頂角θをスネルの法則により算出して設定すれば良い。

ここで、照明装置の出射特性のピーク値を５度〜７０度とした場合にはプリズムシート１の頂角θは２０度〜１６０度とする必要がある。
次に、ピッチｐについては、大き過ぎると光量のムラが出るので１０μｍ〜５ｍｍが好ましい範囲であり、その中でも特に好ましい範囲は２０μｍ〜１００μｍである。
厚さｔは、あまり余り厚いと透過ロスが増え、薄過ぎると、プリズム部を形成しにくくなったり、撓んだり、あるいは強度が低下するので３０μｍ〜５ｍｍが好ましい範囲である。

なお、プリズムを構成する材質は、色および表面状態も含めて、透過性に優れ、光を反射しないものであればよく、アクリル、ポリカーボネイト、ポリエステル、エポキシ等が使用可能であるが、その中でも、アクリルやポリエステルが特に好ましい。

なお、上記の説明では、単層のプリズムシート１について説明したが、必ずしも１枚（１層）のプリズムシートである必要は無く、図７に示すように、基材１ｃ上に基材とは別の材料からなるプリズム部１ｄが形成された多層プリズムシートを使用しても良い。この際、基材１ｃとプリズム部１ｄの屈折率の関係では 基材の屈折率＞プリズム部の屈折率であることが望ましい。但し、屈折率差が大きすぎると全反射が生じるので０．４以内であることが好ましい。

次に、本発明のその余の構成要件について触れる。発光部は、標準的な光量が得られるＬＥＤや高輝度タイプ等、市販されている各種仕様のものから構成され、光量ムラを少なくするためにＬＥＤは高密度実装が好ましい。ライン照明の場合、レンズ７は発光部から拡散される光をライン状に整形する機能を持つものであればよく、小型化、軽量化の観点から、リニアフレネルレンズが好ましく用いられる。
なお、図８に示す本発明の照明装置の別の態様においては、レンズ７とプリズムシート１との間に拡散板６を挿入した態様が示されているが、拡散板６は、ＬＥＤ間にみられる光量低下現象を軽減したり、ＬＥＤ同士の光量バラツキを少なくしたりするためのもので、ディフューザーとして公知のものから適宜選択される。
また、ここでは、リニアフレネルレンズについて詳細は割愛するが、リニアフレネルレンズはプリズムシートの長手方向と直交する方向に集光するだけであり長手方向の出射角度には影響しない。

（実施例１）
白色で発光面がφ５ｍｍのパワー型ＬＥＤ８を２７個用いて、幅２０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのガラスエポキシ製のＬＥＤ取付け基板９にライン状一列に配置した。そして、ＬＥＤ８から２０ｍｍの間隔で該ＬＥＤに平行にアクリル製リニアフレネルレンズ７を配置した。このリニアフレネルレンズから１０ｍｍの間隔で該レンズに平行にプリズムシート１を配置した。

プリズムシート１は、幅２５ｍｍ、長さ２００ｍｍの左右対称な２平面から構成され、プリズム部１ｃの頂角θが９０°、ピッチｐが５０μｍ、厚さ３０μｍ、屈折率１．４９のアクリル製で、基材１ｄが厚さ１２５μｍ、屈折率１．６６のポリエステル製の２層構造のプリズムシートを使用した。この際、プリズムシート１のプリズム部１ｃをＬＥＤ８側に向け基材１ｄを照射面側に向けて配置した。

なお、発光部であるパワー型ＬＥＤ８の放射特性は図４に示すような放射角が０度を中心（ピーク）とし、左右それぞれ１８度でピークの半値となるような正規分布に近い放射特性のものを使用した。

ついで、発光部（ＬＥＤ８）、フレネルレンズ７、およびプリズムシート1を、黒アルマイト処理を施したアルミ製の筐体にセットし、照明装置を作成した。
この結果、図５に示すような、左右２５度近辺に２つのピークを有し、左右５度〜７０度に渡る出射分布特性を示す均一な照明装置が実現できた。

（実施例２）
発光部（ＬＥＤ８）、フレネルレンズ７および発光部であるパワー型ＬＥＤ８の放射特性は実施例１と同一とし、出射光の出射特性を左右両側４５度近辺に２つのピークを有した出射特性とした。この場合には、プリズムシート１の頂角θは４８度に設定した。プリズムシート１の幅、長さ、厚さ、屈折率、材質は実施例１と同一とした。さらに、フレネルレンズ７、筐体についても実施例１と同一とした。
この場合においても、左右４５度近辺に２つのピークを有し、実施例１の場合より多少照射分布範囲が狭い３５度〜７５度に渡る分布特性を示す照明装置が実現できた。

上記の説明では、左右対称な２平面（斜面）からなるプリズムシート１について説明したが、本発明の範囲内であれば、要求される出射特性に応じて、左右非対称としたり、平面でなく曲面あるいは平面と曲面の複合化したりする等の各種の変形態様が可能である。
さらに、光源の放射特性についても０度を中心（ピーク）とし、左右それぞれ０度〜６０度の正規分布に近い放射特性に限定して説明したが、本発明の照明装置は、これに限らず、左右アンバランスな放射特性を有する光源あるいは正規分布でない放射特性等色々な放射特性を有した光源に対しても応用可能であることを付記しておく。

本発明の照明装置は、簡易且つ経済的な構造で照射効率が最適となるような斜光が得られるので、傷や異物の検出のみならず、顕微鏡用、商品展示用、屋内照明用あるいは医療用の照明装置としても使用できる。

１ プリズムシート
１ａ プリズムシートの左斜面
１ｂ プリズムシートの右斜面
１ｃ 基材
１ｄ プリズム部
２、３ 固定板
４ 右側面版
５ 左側面板
６ 拡散板
７ レンズ
８ ＬＥＤ
９ 基板
θ プリズムシートの頂角
ｐ プリズムシートのピッチ
ｔ プリズムシートの厚さ

Claims (11)

1. 一定の放射角を有するＬＥＤ発光部、該発光部の前方に、プリズムシートを配置した照明装置であって、該プリズムシートに入射したＬＥＤ光から、特定方向に複数のピークを持った出射特性を示す出射光が照射面に重畳するようにしたことを特徴とした照明装置。
2. 該プリズムシートの頂角および該ＬＥＤ発光部の放射角に基づいて１方向の光から２方向の斜光を得る範囲に設定されていることを特徴とした請求項１に記載の照明装置。
3. 該特定の方向の複数のピークが左右対称の２方向である請求項１または２に記載の照明装置。
4. 該出射光の出射角が５度〜７０度である請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置
5. 該プリズムシートの頂角が２０度〜１６０度の左右対称型プリズムである請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置。
6. 該プリズムシートのピッチが１０μｍ〜５ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の照明装置。
7. 該プリズムシートの厚さが３０μｍ〜５ｍｍである請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置。
8. 該プリズムシートが基材とプリズム部が別体である２層構造である請求項１〜７のいずれかに記載の照明装置。
9. 該基材とプリズム部との屈折率の差が０．４以内である請求項８に記載の照明装置。
10. 該発光部と平行に少なくとも1つの拡散板を具備する請求項１〜９のいずれかに記載の照明装置。
11. 該発光部と平行に少なくとも１つの集光レンズを具備する請求項１〜１０のいずれかに記載の照明装置。