JP2013125708A

JP2013125708A - 光照射装置

Info

Publication number: JP2013125708A
Application number: JP2011275020A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tanaka; 隆田中; Naoya Matsuo; 直哉松尾
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-24

Abstract

【課題】回折光学素子により照射範囲を制御するとともに多品種に展開することが容易であって、多品種で量産することが比較的容易である光照射装置を提供する。
【解決手段】光照射装置１は、光源２と、光源２から放射された光の伝播方向を制御する集光部３とを備える。集光部３は、入射光を回折させる回折格子パターン４１が形成された回折光学素子４と、凸面状のレンズ５とを有する。回折光学素子４は、光源２から放射された光の入射面に回折格子パターン４１が形成された少なくとも１個の基本格子からなり、複数個の基本格子が一体に配列された格子基板から切り離して形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から放射された光の照射範囲を制御する光照射装置に関する。

従来から、光源から放射された光の強度プロフィールを所望形状とするために、回折光学素子を用いることが提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、２枚のレンズの間に回折光学素子を配置した装置が記載され、一方のレンズを通して回折光学素子に入射した楕円形状の強度プロフィールを持つ光を、矩形の強度プロフィールを持つ光に整形する旨の記載がある。すなわち、特許文献１に記載された装置は、光を照射する際の形状や強度分布を制御するために回折光学素子を利用している。

特開２００７−１９９０８８号公報

ところで、回折光学素子は、光源から放射された光に対して透明な材料からなる基材の表面に、光を回折させるように回折格子パターンが形成されている。回折格子パターンは、微細な凹凸や微細なスリットにより形成されている。また、この種の回折光学素子は、光源の発光面に合わせて１枚ずつ形成されている。このため、多品種で量産することが難しいという問題を有している。

本発明は上記の点に鑑みて為された発明であり、本発明の目的は、回折光学素子により照射範囲を制御するとともに多品種に展開することが容易であって、多品種で量産することが比較的容易である光照射装置を提供することにある。

本発明の光照射装置は、光源と、前記光源から放射された光の伝播方向を制御する集光部とを備え、前記集光部は、入射光を回折させる回折格子が形成された回折光学素子と、凸面状のレンズとを有し、前記回折光学素子は、前記回折格子が一の面に形成された少なくとも１個の基本格子からなり、複数個の基本格子が一体に配列された格子基板から切り離して形成されていることを特徴とする。

この光照射装置において、前記レンズは、前記基本格子の他の面に形成されていることが好ましい。

この光照射装置において、前記レンズは、前記基本格子の入射面に形成されており、前記回折格子は、前記基本格子の出射面に形成されていることが好ましい。

この光照射装置において、前記回折格子は、前記基本格子の入射面に形成されており、前記レンズは、前記基本格子の出射面に形成されていることが好ましい。

この光照射装置において、前記回折光学素子と前記レンズとが別体に設けられていることが好ましい。

この光照射装置において、前記回折光学素子は回折型ディフューザであることが好ましい。

この光照射装置において、前記回折光学素子はビーム整形素子であることが好ましい。

本発明では、回折光学素子により照射範囲を制御するとともに多品種に展開することが容易であって、多品種で量産することが比較的容易である。

実施形態１に係る光照射装置の構成を示す断面図である。同上に係る回折光学素子の例を示す正面図である。同上に用いられる格子基板を示す斜視図である。同上に用いられる格子基板を示す側面図である。実施形態２に係る光照射装置の構成を示す断面図である。実施形態３に係る光照射装置の構成を示す断面図である。

（実施形態１）
実施形態１に係る光照射装置１は、図１に示すように、電力供給されると光を放射する光源２と、光源２から放射された光の伝播方向を制御する集光部３とを備えている。本実施形態の集光部３は、回折光学素子（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）４とレンズ５とを一体に備えた構成であり、後述の基本格子６（図２参照）が光源２の発光面（図１の上面）に重ねて配置されている。ここに、集光部３は光源２の発光面に密着させているが、集光部３を光源２の発光面から離して配置させてもよい。光源２は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）を想定しているが、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子、半導体レーザなどでもよい。

集光部３は、光源２から放射された光を透過させるために、光源２から放射された光に対して透明な材料が基材として選択されている。すなわち、光源２が赤外領域の光を放射する場合、合成樹脂（ポリエチレンなど）やシリコンなどを基材に用いることが可能であり、光源２が紫外領域の光を放射する場合、石英ガラスなどを基材に用いることが可能である。光源２が可視光域の光を放射する場合は、ガラスや合成樹脂（ポリカーボネートなど）を基材に用いることが可能である。なお、集光部３の基材は、用途などに応じて種々選択することができる。

回折光学素子４は、光源２に対して光の放射方向に設けられており、光源２から放射されてレンズ５を通過した光を回折する。本実施形態の回折光学素子４は、光源２から放射された光を透過させる際に、回折を利用して光の伝播方向を制御するように、光の出射面（図１の上面）に回折格子パターン４１が形成されている。すなわち、後述の基本格子６（図２参照）の出射面に回折格子パターン４１が形成されている。

また、回折光学素子４は、図２に示すように、回折格子パターン４１が形成された少なくとも１個の基本格子６を備えている。基本格子６は、基材の表面に回折格子パターン４１として微細な凹凸が形成されている。

図２（ａ）に示す回折光学素子４は、回折型ディフューザを形成するように基本格子６の回折格子パターン４１が設定されている。図２（ａ）に示す例では、回折光学素子４は、複数個（図示例では２５個）の基本格子６，６，……が一体に配列されている。すなわち、回折光学素子４は、縦横に同数個（図示例は５個）ずつの基本格子６，６，……が配列された形状を有している。なお、基本格子６の個数は、光源２の発光面の形状や出射する光線束の断面形状に応じて適宜に設定される。なお、基本格子６の個数は１個であってもよい。

図２（ａ）に示す回折光学素子４は、回折ディフューザを形成するために、光軸を有していないから、回折光学素子４を構成する基本格子６の個数は任意である。また、この回折光学素子４には光軸が設けられないから、光源２に対して回折光学素子４の位置がずれていたとしても光の伝播方向に対する影響はほとんど生じない。例えば、光源２の発光面よりも面積が大きい回折光学素子４を用いることも可能である。

一方、図２（ｂ）に示す回折光学素子４は、所望の断面形状の平行光線束を出射するビーム整形素子を形成するように回折格子パターン４１が設定されている。つまり、基本格子６は中央に光軸を有し、回折光学素子４を透過した光の断面形状が、例えば、円形、楕円形、長方形など光軸を対称軸とする適宜の形状になる回折格子パターン４１が設定されている。また、図２（ｂ）に示す回折光学素子４は光軸を有しているから基本格子６を１個だけ備えている。この回折光学素子４は、基本格子６の光軸を光源２の発光面の中央に一致させるように配置される。

ところで、回折光学素子４は、図３に示すように、複数個の基本格子６，６，……が一体に配列された格子基板７から切り離して形成されている。図示例の格子基板７は、９×９個の基本格子６，６，……を一体に配列して形成されており、必要な個数の基本格子６を格子基板７から切り離すことにより、回折光学素子４が形成される。したがって、図２（ｂ）の例のように１個の基本格子６からなる回折光学素子４を形成する場合、図示例では８１個の回折光学素子４を切り出すことができる。

回折光学素子４が回折型ディフューザである場合、上述した構成のように、基本格子６を複数個用いることが可能であるから、光源２の発光面のサイズに応じて適宜のサイズになるように格子基板７から切り離して回折光学素子４が形成される。すなわち、格子基板７を加工可能な最大サイズで形成し、一方、格子基板７を形成する基本格子６は回折格子パターン４１を同形状として比較的小さいサイズで形成しておくことが望ましい。このような格子基板７を用いると、光源２の発光面のサイズが異なっていても適宜サイズの回折光学素子４を形成して光源２に適合させることが可能になる。

格子基板７を形成するすべての基本格子６を同形状に形成する場合、個々の基本格子６がそれぞれ独立して回折ディフューザとして機能するように形成されていることが好ましい。すなわち、各基本格子６に形成される回折格子パターン４１が周期構造を有し、回折ディフューザとして機能させるのに必要な１周期の整数倍の回折格子パターン４１が１個の基本格子６に形成されていることが好ましい。この場合、格子基板７には複数周期の回折格子パターン４１が２次元で配列されることになる。

回折格子パターン４１の１周期のサイズは、光源２の発光面から放射された光が回折光学素子４に投影されるサイズに応じて決定される。すなわち、回折光学素子４に投影されるサイズよりも１周期のサイズが小さくなるように回折格子パターン４１が設定される。なお、光源２の発光面が正方形である場合を想定しているが、長方形、円形、楕円形などである場合でも同様であって、回折格子パターン４１の１周期のサイズは、光源２から回折光学素子４に光が投影されるサイズよりも小さく設定される。

上述の構成によって、回折光学素子４を格子基板７から切り出す部位にかかわらず、格子基板７から切り出された回折光学素子４のサイズが等しければ、その回折光学素子４には同周期分の回折格子パターン４１が含まれることになる。回折ディフューザとして機能させる場合、回折格子パターン４１の位相は影響しないから、回折光学素子４のサイズが等しければ、回折格子パターン４１の位相が異なっていても回折ディフューザとして同機能が得られる。すなわち、格子基板７から回折光学素子４を切り出す際に、サイズに着目するだけで、切り出す位置を考慮する必要がないから、回折光学素子４の製造が容易になる。

なお、複数の基本格子６，６，……を２次元配列することにより周期構造の回折格子パターン４１を形成した格子基板７から回折光学素子４を切り出す構成では、回折光学素子４のサイズを光源２の発光面のサイズよりも大きくしてもよい。この場合、光源２の発光面の全周にわたって回折光学素子４の周縁との間にマージンが形成されるように、光源２と回折光学素子４との位置を合わせる。つまり、光源２の発光面の全周にわたって回折光学素子４の周部が突出した形になる。このように、光源２に対して回折光学素子４がマージンを有していることによって、厳密な位置合わせが不要になり、量産が容易になる。

また、格子基板７を形成する基本格子６は、必ずしも同形状でなくてもよく、格子基板７を構成する基本格子６の個数および配置は、光照射装置１を量産する際に、回折光学素子４の効率のよい取数になるように設計される。すなわち、多品種で量産することが容易になる。

レンズ５は、図４に示すように、凸面状を有し、光源２からの光線束を集める素子である。本実施形態のレンズ５は、基本格子６の基材を加熱し成形することによって、基本格子６の入射面（図４の下面）に形成される。

この構成では、レンズ５を光源２と回折格子パターン４１（回折光学素子４）との間に配置することにより、レンズ５の光軸を中心として光線束の広がりが調節されるから、回折格子パターン４１を通った光線束の発散角が調節されることになる。

上述した構成の光照射装置１は、紫外線照射による乾燥および硬化の用途一般に用いられる。上記用途としては、紫外線インクの乾燥および硬化、紫外線接着剤の硬化、紫外線樹脂の乾燥および硬化などがある。この光照射装置１は、例えば印刷機において、印刷用紙の上の印刷インクを紫外線によって定着させるための紫外線照射装置に用いられる。この場合、光源２は、印刷インクが付着した印刷用紙に紫外線を照射できるように取り付けられる。

光照射装置１から放射される光のビーム形状は、長距離で、できるだけ高効率、均一かつ高強度な照射強度分布を有することが好ましい。配光パターンは、例えば円形、矩形または横長ライン形状などであり、用途などによって異なる。

以上説明した本実施形態の光照射装置１では、回折光学素子４を効率的な取り数で形成することができ、加工することができる。また、回折光学素子４のサイズを細かく調整することができる。さらに、回折光学素子４を様々な形で形成することができる。

また、本実施形態の光照射装置１では、回折光学素子４の回折格子パターン４１とレンズ５とが基材の表裏に形成されているから、調節箇所が少なくなり、光照射装置１の組立作業が容易になる。

（実施形態２）
実施形態２に係る光照射装置１は、図５に示すように、光源２側から順に回折光学素子４の回折格子パターン４１とレンズ５とが形成されている点で、実施形態１に係る光照射装置１（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の光照射装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の集光部３は、図５に示すように、入射面（図５の下面）に回折格子パターン４１が形成されており、出射面（図５の上面）にレンズ５が形成されている。なお、実施形態１の集光部３（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。

なお、本実施形態において、光照射装置１の用途、光照射装置１から放射される光のビーム形状および配光パターンは、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
実施形態３に係る光照射装置１は、図６に示すように、回折光学素子４とレンズ５とが別体である点で、実施形態１に係る光照射装置１（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の光照射装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の集光部３は、図６に示すように、回折光学素子４とレンズ５とが別体に設けられている。すなわち、本実施形態の集光部３は、回折光学素子４とレンズ５とが貼り合わせた構造である。なお、実施形態１の集光部３（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。

図６の例では、回折光学素子４は、入射面（図６の下面）に回折格子パターン４１が形成されており、レンズ５は、出射面（図６の上面）側に凸になるように形成されている。なお、回折光学素子４の回折格子パターン４１およびレンズ５の位置関係は、上記に限定されず、用途などに応じて適宜設定される。

以上説明した本実施形態の光照射装置１では、回折光学素子４とレンズ５とが別体に設けられ、レンズ５には光軸があるが、回折型ディフューザである回折光学素子４には光軸がないから、回折光学素子４とレンズ５との位置合わせは容易である。

また、本実施形態の光照射装置１では、回折光学素子４とレンズ５とが別体に設けられていることによって、レンズ５を配置してから、その後、回折光学素子４を配置することができる。これにより、回折光学素子４とレンズ５とを一体にした一体構造よりも、高効率で、より集光性の高い光学特性を実現することができる。

さらに、本実施形態の光照射装置１では、回折光学素子４およびレンズ５の単体での製造コストが安価で歩留まりもよいので、回折光学素子４とレンズ５との一体構造よりも、集光部３全体としての製造コストを安価にし、歩留まりをよくすることができる。

また、本実施形態の光照射装置１では、集光部３の外側（出射側）が平面になるため、保護カバーの機能を集光部３に持たせることができる。

なお、本実施形態の変形例として、レンズ５を両面レンズ構造としたり、回折光学素子４の両面に回折格子パターン４１を形成したりしてもよい。これにより、さらに集光性の高い光学特性を実現することができる。

また、本実施形態において、光照射装置１の用途、光照射装置１から放射される光のビーム形状および配光パターンは、実施形態１と同様である。

なお、各実施形態の光照射装置１は、１個の光源２のみを備える構成に限定されず、複数個の光源２を備える構成であってもよい。

１光照射装置
２光源
３集光部
４回折光学素子
４１回折格子パターン
５レンズ
６基本格子
７格子基板

Claims

光源と、
前記光源から放射された光の伝播方向を制御する集光部とを備え、
前記集光部は、入射光を回折させる回折格子が形成された回折光学素子と、凸面状のレンズとを有し、
前記回折光学素子は、前記回折格子が一の面に形成された少なくとも１個の基本格子からなり、複数個の基本格子が一体に配列された格子基板から切り離して形成されている
ことを特徴とする光照射装置。
前記レンズは、前記基本格子の他の面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光照射装置。
前記レンズは、前記基本格子の入射面に形成されており、
前記回折格子は、前記基本格子の出射面に形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の光照射装置。
前記回折格子は、前記基本格子の入射面に形成されており、
前記レンズは、前記基本格子の出射面に形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の光照射装置。
前記回折光学素子と前記レンズとが別体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光照射装置。
前記回折光学素子は回折型ディフューザであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光照射装置。
前記回折光学素子はビーム整形素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光照射装置。