JP2010277850A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源自体の光量ムラにより生じる光照射対象に到達した時の光量ムラ、又は、光学系を製作したときに生じる組立誤差等の誤差に起因する光照射対象に到達した時の光量ムラを軽減し、光照射対象に到達した時の光の均一度をさらに向上させるとともに、光源から射出された光を高い使用効率にて光照射対象に照射することができる光照射装置を提供する。
【解決手段】光を射出する光源１と、前記光源１から射出された光を平行化するための第１光学素子４と、前記第１光学素子４によって平行化された光を集光し、光照射対象７に照射するための第２光学素子６と、を具備する光照射装置であって、前記光源１に近接又は密接させて設けられ、微小な屈折要素２１をアレイ状に並べた屈折拡散シート２と、前記第１光学素子４の光射出側に近接又は密接させて設けられ、入射した光を拡散させる光拡散板５と、を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、光照射対象に均一な光を照射する光照射装置に関するものである。

製品に異物が混入していないかどうか等を検査するために、検査光を検査対象に照射し、その反射光、散乱光、透過光等を撮像する事が従来から行われている。このような検査においては、検査対象から異物や欠陥を精度よく検出するための前提として、照射される検査光は光量ムラがなく、均一であることが求められる。例えば、不均一な光が検査対象に照射されてしまうと、検査対象から得られた光が異物や欠陥によるものか、それとも検査光の不均一さによって生じているものかの判別を行うことは困難になってしまい、検査の信頼性が損なわれてしまう。

このような検査光の光量が不均一になる原因として、光源から射出された光自体に光軸に対して垂直な面において光量にばらつきがある、すなわち、光量ムラが存在していることから、複数の光学素子を介した後に光が光照射対象に到達した時にも光量ムラが発生してしまうことが考えられる。また、製作精度によって各光学素子間の位置関係には必ず誤差が含まれているので、設計通りに光が整形、照射されるとは限らないことも、光照射対象に対して光量ムラが発生する原因であると考えられる。

例えば、光照射対象等に到達した時の光量ムラを小さくするための構成を有した光照射装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている光照射装置１００Ａは、図４に示すように光源１Ａと、光ファイバを束ねることにより一方を円筒状の光導入端３１Ａとし、もう一端を一列に並べて光射出端３２Ａとして、入射した光を平行光に変換するライトガイド３Ａと、前記ライトガイド３Ａから照射された光を光照射対象７Ａに結像させるための光学素子４Ａ、６Ａを備えたものであって、前記光源１Ａとライトガイド３Ａの光導入端３１Ａとの間にマイクロレンズアレイ２Ａを設けるとともに、前記光学素子６Ａと光照射対象７Ａとの間に光拡散板５Ａが設けられている。

このような構成によって、マイクロレンズアレイ２Ａや光拡散板５Ａによって光を拡散、重畳することにより、光軸に対して垂直な面において場所による光量のばらつきを軽減し、光照射対象に到達した時の光の強度を均一にすることができると考えられていた。

また、このような照射装置においては特許文献２に示されるように、光源から射出された光をライトガイド３Ａの導入端３１Ａに導入する場合には、マイクロレンズアレイ２Ａ等を光導入端３１Ａの近傍に設けることが行われている。同様に光照射対象７Ａの近傍に光拡散板５Ａを設けることにより光量ムラを軽減する場合にも、できるだけ光照射対象７Ａの近くに光拡散板５Ａを設けることが行われている。

このような構成が用いられているのは、仮に光学素子又は光照射対象から離れた地点においてマイクロレンズアレイや光拡散板により光が拡散されてしまうと光束が大きくなるため、光学素子又は光照射対象に入射しない光束成分が増加し、光の使用効率が低下してしまうと考えられていたからである。

しかしながら、光照射対象に到達した時の光の強度の均一度及び効率に対する要求は年々高くなってきており、上述したような光照射装置ではそのような要求に応えることが難しくなっている。

特開平１０−３１９３６０号公報 特開２００８−２０９２０２号公報

本願発明者らは、光の均一度と高効率での光の使用を両立させた光照射装置を開発するべく、鋭意検討の結果、上述したような従来の固定概念とは逆に、光を拡散させる要素を光源の近傍に設ける、又は光照射対象から離れた位置にある光学素子の近傍に設ける方が光照射対象に到達した時の光量のムラをより抑えることができるとともに、光の使用効率も高いまま保つことができることを発見したのである。

つまり、本発明は上記発見に基づいてなされたものであり、光源自体の光量ムラにより生じる光照射対象に到達した時の光量ムラ、又は、光学系を製作したときに生じる組立誤差等の誤差に起因する光照射対象に到達した時の光量ムラを軽減し、光照射対象に到達した時の光の均一度をさらに向上させるとともに、光源から射出された光を高い使用効率にて光照射対象に照射することができる光照射装置を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明の光照射装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光を平行化するための第１光学素子と、前記第１光学素子にて平行化された光を集光し、光照射対象に照射するための第２光学素子と、を具備する光照射装置であって、前記光源に近接又は密接させて設けられ、微小な屈折要素をアレイ状に並べた屈折拡散シートと、前記第１光学素子の光射出側に近接又は密接させて設けられ、入射した光を拡散させる光拡散板と、を備えたことを特徴とする。

ここで、「密接させる」とは、ある物体の一部のみを別の物体に対して接触させてその一部のみでぴったりとくっつかせること、もしくは、ある物体と別の物体を面全体で接触させて、その面全体を隙間なくぴったりとくっつかせることを含む概念である。

このようなものであれば、前記屈折拡散シートが前記光源に近接又は密接させて設けられ、前記光拡散板が前記第１光学素子の光射出側に近接又は密接させて設けられているので、前記光源から屈折拡散シートが離して設けられており、前記光拡散板が光照射対象の近傍に設けられている場合に比べて、光照射対象に到達した時の光のムラを抑えることができ、光の均一度を向上させることができるとともに、光を高い使用効率で使用する事ができる。

言い換えると、光源から射出された光自体にある光量ムラや、組立誤差等により光源と次に入射する光学系との光軸が光量ムラを低減することができ、しかも、光源から射出された光を無駄なく使用できる。

例えば、一方向に長い光照射対象に光を照射するのに好適な実施の態様としては、前記第１光学素子及び前記第２光学素子がシリンドリカルレンズであり、前記光照射対象に照射される光がライン光であるものが挙げられる。

前記屈折拡散シート及び前記光拡散板を用いてライン光を均一な強度で光量ムラなく光照射対象に照射しやすくするには、複数の光ファイバを束ね、一方を概略円筒形状の光入射端とし、もう一方を平面状に並べて光射出端としたライトガイドが、前記光拡散シート及び前記第１光学素子との間に設けられるものであればよい。

このように、本発明によれば、前記屈折拡散シートが前記光源に近接又は密接させて設けられており、前記第１光学素子に前記光拡散板が近接又は密接させて設けられているので、光源自体の光量ムラや、組立精度や光源が動いてしまうこと等によって各部材間で光軸がずれていることに起因する光量ムラを低減することができ、光照射対象に均一な光を照射するとともに、高効率で光源からの光を使用することができる。

本発明の一実施形態に係る光照射装置の構成を示す模式図。 同実施形態における光源の模式的拡大図。 同実施形態における屈折拡散シートの模式的拡大図。 従来の光照射装置の構成を示す模式図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の光照射装置１００は、例えば、光照射対象７である試験管状の透明体の中に収容されている液体中に、異物が混入していないかどうかを検査する検査装置に用いられるものである。

すなわち、図１（ａ）の平面図、図１（ｂ）の側面図に示すように本実施形態の光照射装置１００は、光を射出する光源１と、前記光源１から射出された光をライン光へと変換するライトガイド３と、前記ライトガイド３を通過した前記光源１から射出された光を平行化するための第１光学素子４と、前記第１光学素子４によって平行化された光を集光し、光照射対象７に照射するための第２光学素子６と、を備えたものである。

さらに、本実施形態の光照射装置１００は、微小な屈折要素をアレイ状に並べた屈折拡散シート２を前記光源１に密接させて設けてあるとともに、光を拡散する光拡散板５を前記第１光学素子４の光射出側に近接させて設けてある。

各部材について光路の順に説明する。
前記光源１は、ＬＥＤ１１と光学ユニット１２とから構成してあり、図２（ａ）に示すように、基端から先端に向かうに連れ徐々に断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明のボディ１２１と、そのボディ１２１の先端部外周縁に設けた鍔部１２６とを一体成型した透明樹脂製のものである。

このボディ１２１の基端面には、図３に詳細に示すように、前記ＬＥＤ１１を収容するための凹部１２２が開口させてある。この凹部１２２は、前記ＬＥＤ１１を覆うモールド部１３の外周にがたなく外嵌して、この光学ユニット１２の光軸Ｃ上にＬＥＤ１１を位置づける。この凹部１２２の底面１２２ａは、基端側に向かって膨らませた凸レンズ形状にしてあり、その側面１２２ｂは、光軸Ｃにほぼ平行である。一方、前記ボディ１２１の先端面には、その中央部を膨出させることにより中央凸レンズ部１２３が形成してあり、この中央凸レンズ部１２３の周囲には、それとは異なる曲率のリング状凸レンズ部１２４が形成してある。さらに前記ボディ１２１の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した反射要素である湾曲膨出面１２５が設けてある。

そして図２（ｂ）に示すように、前記ＬＥＤ１１から射出された光のうち、凹部１２２の側面１２２ｂを通過した略全ての光が、前記湾曲膨出面１２５に到達し、そこで全反射されて前記リング状凸レンズ部１２４を介し、光軸Ｃに向かって互いに相寄る向きの光として外部に放射されるようにしてある。また一方で、前記ＬＥＤ１１から射出された光のうち、凹部１２２の底面１２ａを屈折して通過した略全ての光が、前記中央凸レンズ部１２３を介し、やはり光軸Ｃに向かって互いに相寄る向きの光として外部に放射されるように構成してある。このことから底面１２２ａと中央凸レンズ部１２３とが屈折要素として作用する。なお、これら各凸レンズ部１２３、１２４から出る光の集光位置が略同一位置となるようにしてある。

このようにして、ＬＥＤ１１から射出され、ボディ１２１の先端面から外部へ放射される略全ての光が、ボディ１２１の先端面から所定距離離間した位置に設定した所定集光領域に収まり、なおかつその一定有効径内での照度が、略均一又は滑らかに変化するように構成している。この図２（ｂ）では、ＬＥＤ１１から出た光線のうち、側方に進むものほど、光学ユニット１を出たときに間隔が狭くなっているが、ＬＥＤ１１から出る光は、側方のものほど強度が弱いため、実際の照度は略均一なものとなる。

前記屈折拡散シート２は、図３（ａ）の側面図、図３（ｂ）の平面図に示すように透明シートに微小な屈折要素であるマイクロレンズ２１３１をアレイ状に並べて形成してあるものである。後述する光拡散板５と比較すると、当該屈折拡散シート２の厚さは、前記光拡散板５よりも薄いものであり、又光を拡散させる原理が主としてマイクロレンズ２１３１の屈折によるという点が異なっているものである。前記光源１から射出された光は略照度が一定であるが、この屈折拡散シート２によって光が拡散、重畳されることにより残っている光量ムラをさらに低減される。

図１に示すように前記ライトガイド３は、複数の光ファイバを束ね、一方を概略円筒形状の光入射端とし、もう一方を平面状に並べて光射出端３２としたものであり、光源１からの光をライン光へと変換するように構成してある。前記光射出端３２は１列に並べられるものであってもよいし、複数列並べられているものであってもよい。すなわち、光射出端３２から射出されるライン光にどのような幅を持たせるかによって、列数を調節すればよい。

前記ライトガイド３から射出されたライン光は、その短辺方向の幅が広がりながら進行し、前記第１光学素子４である第１シリンドリカルレンズ４に入射する。そして、この第１光学素子４によって、ライン光は、平行化された後に、第１光学素子４の射出側、すなわち、第１シリンドリカルレンズ４の平坦面側に近接して設けてある前記光拡散板５に入射する。

前記光拡散板５は、前記屈折拡散シート２よりも厚みを有したものであり、本実施形態では透明基材の内部にある拡散粒子（図示しない）により光を拡散、重畳させて、光量ムラを低減するものである。

前記光拡散板５を通過した光は、第２光学素子６である第２シリンドリカルレンズ６により集光されて、前記光照射対象７にライン光を照射するようにしてある。

しかして、本実施形態の光照射装置１００は、光を拡散させる部材を、光を入射させる又は照射させる部材にできる限り近づけて設けているものとは全く異なるものである。すなわち、本実施形態の光照射装置１００は、前記光源１には前記屈折拡散シート２を密接させて設けておき、前記第１光学素子４の光射出側には光拡散板５を設けておいたほうが、光量ムラをより低減することができるとともに、しかも、前記光源１から射出された光が高効率で前記光照射対象７に到達させることができる。

従って、光照射対象７に光量ムラなく高効率でライン光を照射することができるので、例えば、試験管状の透明管中における内容物に異物が混入していないか同課の検査を精度よく行うことできる。

また、前記光源１と、前記ライトガイド３の光導入端３１について、組立誤差等の製作上の誤差があったとしても、屈折拡散シート２又は光拡散板５により光が均一化されているので、光照射対象７に到達したときにもその影響が表れるのを防ぐことができる。

本発明のその他の実施形態について説明する。

前記実施形態では屈折拡散シートは、光源に密接させて設けてあったが、近接させて設けてあってもよい。近接させているとは、例えば、少なくとも光源の近傍であり、隙間があいている状態を設けてある状態を指すものである。

前記光拡散板は、前記第１光学素子に密接させて設けてあってもよい。

前記実施形態では、ライン光を形成するためにライトガイドを用いていたが、光源自体がライン光を照射するようなものであっても構わない。この場合、ライトガイドは不要であるので、光源、屈折拡散シート、第１光学素子、光拡散板、第２光学素子の順に設けた光学系を有する光照射装置であればよい。

前記第１光学素子及び前記第２光学素子はシリンドリカルレンズに限られるものではない。

前記光拡散板により光を拡散させるには、内部にある拡散粒子だけに限られるものではない。例えば、透明基材の表面に形成した凹凸（マイクロレンズよりも大きい凹凸）等により光を拡散させるものであってもよい。なお、屈折拡散シートを光拡散板に置き換えた場合は、光量ムラを低減する効果や光の使用効率が低下することを本願発明者らは確認しており、マイクロレンズをアレイ状に並べたシート状態を用いることが好ましい。前記マイクロレンズは微小な屈折要素であればよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００・・・光照射装置
１・・・光源
２・・・屈折拡散シート
３・・・ライトガイド
４・・・第１光学素子
５・・・光拡散板
６・・・第２光学素子
７・・・光照射対象

Claims (3)

1. 光を射出する光源と、
   前記光源から射出された光を平行化するための第１光学素子と、
   前記第１光学素子によって平行化された光を集光し、光照射対象に照射するための第２光学素子と、を具備する光照射装置であって、
   前記光源に近接又は密接させて設けられ、微小な屈折要素をアレイ状に並べた屈折拡散シートと、
   前記第１光学素子の光射出側に近接又は密接させて設けられ、入射した光を拡散させる光拡散板と、を備えたことを特徴とする光照射装置。
2. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子がシリンドリカルレンズであり、前記光照射対象に照射される光がライン光である請求項１記載の光照射装置。
3. 複数の光ファイバを束ね、一方を概略円筒形状の光入射端とし、もう一方を平面状に並べて光射出端としたライトガイドが、前記光拡散シート及び前記第１光学素子との間に設けられる請求項１又は２記載の光照射装置