JP2014160777A - 光源ユニット及び照射装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】焦点F1から焦点F2の間に出射開口31を設けた複数の楕円反射面35を、楕円反射面35の長軸を互いに平行に、かつ、一部をオーバーラップさせながら並べて配置し、焦点F1のそれぞれにLED9を配置し、楕円反射面35の焦点F1の側の端部を放物反射面37とする。
【選択図】図4
Description
すなわち、複数のLEDを離間配置して、この離間配置の方向に延びる光を照射する場合には、光の延びる方向における照度ムラは解消されるものの、この延びる方向と直交する光の幅方向の輪郭にボケが生じる。
図1は本発明の実施形態に係る光源ユニット3を有する照射装置1の構成を説明する図であり、図1の(A)は、正面図を示し、図1の(B)は底面図を示している。図2は照射装置1の上方から見た斜視図である。図3は照射装置1を底面側から見た斜視図である。図4は図1のIV−IV矢視断面図である。
図1の(A)及び(B)において、照射装置1は、光源ユニット3を、ケース体5に収容した構成を有している。照射装置1は、底面に形成された装置側出射開口7から例えば、環状の紫外線を露光対象に向けて照射する構成を有している。
光源ユニット3は、複数のLED9(発光素子)と、LED基板12と、冷却体11と、反射体13と、カバーガラス15とを備えている。
冷却体11は、基板取付片17と給排水片19を同軸に重ねて構成した扁平な円柱形状を有し、給排水片19をケース体5の底面に向けケース体5の底部内壁面に取り付けられている。
また、図3に示すように、冷却体11の基板取付片17側の端面が、基板取付面17Aとされている。基板取付面17Aには、一枚基板として作製されたLED基板12の裏面が取り付けられている。LED基板12には、複数のLED9が環状に並ぶように取り付けられている。LED基板12の下方には、反射体13が設けられ、反射体13の下方には、カバーガラス15が設けられている。
柱状反射部27は、筒状反射部25に囲繞されるように筒状反射部25と同軸に配置され、底面部24と一体化されている。
これにより、反射体13には、環状の凹部29が形成される。凹部29の開口が光源ユニット3の出射開口31を構成している。
筒状反射部25の内周面には、内側反射面26が、LED9の数だけ周方向に連続して設けられている。柱状反射部27の外周面には、外側反射面28が、LED9の数だけ周方向に連続して設けられている。反射面30の各々が、互いに相対する内側反射面26と外側反射面28によって構成され、複数の反射面30が周方向に連続して配置される。
反射体13は、出射開口31をケース体5の開口と同じ方向に向けて、ケース体5に同軸に設けられている。このとき、出射開口31に、環状に並べられた複数のLED9の光軸が通過する位置に配置される。
反射体13の底面部24には、図2及び図4に示すように、LED9の光を凹部29に通す通過孔33が、各LED9と対面する位置に形成されている。後述するように、LED9の光は、反射面30に反射された後に出射開口31に向かう成分と、出射開口31に直接向かう成分を有する。
このカバーガラス15を支持した円筒状のキャップ34が、ケース体5の開口側に嵌められている。キャップ34は、一端側の開口縁部から内周側に延出されるフランジ34Aを有しており、フランジ34Aにカバーガラス15の周縁が支持されている。そして、キャップ34がケース体5に嵌められて、カバーガラス15が、出射開口31を覆っている。
また、給排水片19には、一対の出入口ポート43,45が突設され、ケース体5の底部を貫通している。出入口ポート43,45の一端が、流路41に開口しており、一方の出入口ポート43から流路41に流し込まれた冷却媒体は、流路41を流れて他方の出入口ポート45から排出されるようになっている。これにより、LED9が発する熱は、共通のLED基板12を介して冷却体11に伝導されるが、冷却体11に伝導された熱は、冷却水が奪って外部に持ち出すので、LED9が効果的に冷却される。
また、給排水片19には、LED9に電源を供給するための端子台23が取り付けられケース体5の底部から突出されている。端子台23は、各LED9と電気的に接続されており、外部からLED9の点灯を制御可能となっている。
図5は図1のV−V矢視要部断面図である。図6は図1の(A)の要部拡大図である。
図4及び図5において、筒状反射部25及び柱状反射部27のうち、出射開口31を含む主要な領域が楕円面反射鏡部30Aとされ、LED9側に配置される残りの領域が、放物面反射鏡部30Bとされている。
反射面30は、楕円面反射鏡部30Aの領域に位置する楕円反射面35と、楕円反射面35に連なり、放物面反射鏡部30Bの領域に位置する放物反射面37とを備えている。
複数の反射面30は、楕円反射面35の長軸を互いに平行に、かつ、図6の破線に示すように、隣接する反射面30の楕円反射面35の一部をオーバーラップさせて、環状に並べられている。オーバーラップした反射面30の部分は省略されており、上述したように反射面30が、内側反射面26と外側反射面28により構成される。
楕円反射面35の長軸方向は、図5に示すように、LED9の光軸Kの方向に一致しており、楕円反射面35は、一対の焦点F1及び焦点F2のうち、一方の焦点F1から発せられる光を他方の焦点F2に集光する。また、楕円反射面35の端部に位置する出射開口31は、焦点F1から焦点F2の間の範囲内に位置している。この実施形態の楕円反射面35は完全な楕円形ではなく、焦点F1と焦点F2を囲む楕円反射面において、焦点F2側に位置する半分を省略した形状である。これにより、出射開口31が、焦点F1と焦点F2との間を二等分する中間部に形成されている。
従って、楕円反射面35は、放物反射面37との境界から出射開口31に向かって口開き状とされている。即ち、出射開口31の径D3が、放物反射面37と楕円反射面35との境界における放物反射面37の開口38の径D2より大きくなっている。
しかしながら、各LED9は、実際には、発光面9Aが点ではなく、径D1を有する。
図7は反射面30の全領域を楕円反射面35で構成した場合の光路の一部を示す図である。
図7に示すように、反射面30の全てが楕円反射面35により構成されている場合、LED9の発光面9Aのうち、焦点F1から離れた位置から出射された光L2,L3は、複数回、楕円反射面35に反射した後、出射開口31から出射される場合がある。例えば、初めて反射面30に反射された光L2,L3は、焦点F2には向かわずに、反射した位置より、さらに出射開口31側に位置する反射面30の部位でもう一度反射されて、出射開口31から出射される。LED9の光L2,L3が、このような光路を通って出射開口31から出射されると、光軸Kに対して、大きな角度αをもって出射開口31から出射される光の成分が発生することがある。この場合、出射される光の輪郭がボケ、さらに、複数回の反射による損失により、出射する光の光量が低下する。焦点F1からずれたLED9の発光面9Aから出射する光L1,L2は、特に、LED9の近傍で、楕円反射面35により反射されると、複数回反射されやすい。
このように反射面30を構成した光源ユニット3において各LED9から出射される光の光路について説明する。
図8は光源ユニット3の各LED9から出射された光の光路を説明する要部断面図であり、LED9の並びの方向に直交する断面を示している。
図8において、各LED9の光は、放物反射面37に反射されて出射開口31から出射される光O1の成分、及び楕円反射面35に反射されて出射開口31から出射される光O2の成分、及び出射開口31から直接出射される光O3の成分を有する。
放物反射面37は、反射した光を光軸Kと平行な方向に向かわせる平行光にする。出射開口31の径D3が、放物反射面37と楕円反射面35との境界における放物反射面37の開口38の径D2より大きいので、放物反射面37に反射された光O1は、楕円反射面35に反射されることなく、出射開口31から出射される。
光O3は、出射開口31の径D3により決まる広がり角を有するが、LED9から出射開口31までの距離が長いため、拡がり角は小さい。なお、ここでいう広がり角は、LED9の並び方向に直交する径方向についてのものである。
ここで、照射装置1は、光源ユニット3の光を、例えば、出射開口31の前方に、出射開口31から所定の距離Gの位置に置かれた露光対象Sに対して露光(照射)する。
各LED9の光(O1、O2、O3)は、反射面30の並びの方向に直交する光の幅方向には、大きく広がることなく露光対象Sに到達するので、光の幅方向の両側の輪郭がボケることが抑制される。また、楕円反射面35のLED9側の端部を放物反射面37としたことで、LED9の発光面9Aが、径D1の大きさを有することに起因して、発光面9Aの近傍から出射開口31の間で、複数回の反射を生じる光の成分を単一の楕円反射面35に比べて抑えられる。このため、光の反射による損失を避け、露光対象Sに対して、大きな光量の光が照射される。
図9は楕円反射面35の焦点F1と放物反射面37の焦点F3について説明する図であり、楕円反射面35及び放物反射面37が、それぞれの焦点F1,F3を囲む位置まで延ばされた状態を仮想的に図示している。
図9において、放物反射面の焦点F3は、出射開口31に向けられるLED9の発光面9Aの裏側の中心に設定されている。即ち、放物反射面37の焦点F3を、楕円反射面35の長軸に沿って焦点F1から遠ざかる方向にずらした点に設定して設計されている。
LED9の光を有効に使うためには、通過孔33の開口は、LED9の発光面9Aと略同じ面積を確保する必要がある。
通過孔33は、反射体13の底面部24側に位置する放物反射面37の端部と連続する。このため、通過孔33の開口の大きさは、底面部24側の放物反射面37の端部の内径と同じ大きさとなる。
放物反射面37の焦点F3を、楕円反射面35の焦点F1と同じに設定すると、底面部24における放物反射面37の内径が小さく、通過孔33の開口を、LED9の発光面9Aに相当する面積にまで大きくできない。そこで、放物反射面37の焦点F3を、LED9の発光面9Aの中心に設定された焦点F1に対して、出射開口31から逆側に離れる方向にずらしている。これにより、底面部24における放物反射面37の内径を大きくとることができる。即ち、通過孔33の開口を、LED9の発光面9Aの面積に相当する大きさまで広げることが可能になる。
図10は光源ユニット3において、1つのLED9を点灯させた場合の照度分布を示す図である。図10は、例えば、図6に示すように、黒塗り表示されたLED9が点灯され、他のLED9は消灯されている場合の照度分布を示している。
図11は光源ユニット3が出射する光の照度分布について説明する図であり、図11の(A)は図6のXI−XI矢視断面図に相当している。図11の(B)は露光対象Sの照射面におけるLED9の並びの方向に沿った照度分布を、LED9との位置関係とともに示している。図11では、説明の便宜上、周方向に並ぶ反射面30のうちの一つを、隣接する反射面30とのオーバーラップする部分も含めて実線で仮想的に図示し、この反射面30に隣接する反射面30を破線にて仮想的に図示している。また、図11の(A)には、反射面30の両端、隣接する反射面30のオーバーラップが開始される部位X、及び楕円面反射鏡部30Aと放物面反射鏡部30Bの境界Yでの反射面30の断面の開口形状を併せて示している。
図12は光源ユニット3が出射する光の照度分布図である。
ここで、図11の(A)に示すように、隣接する反射面30のオーバーラップが開始される部位Xでの反射面30の開口38(径D4)と入射開口32と間は、隣接する反射面30との間が分離されている。一方で、隣接する反射面30がオーバーラップする残りの主要領域では、前述したように、オーバーラップする反射面30の領域は省略され、反射面30を構成する内側反射面26と外側反射面28が環状に連ねられる。
これにより、LED9の光は、点灯したLED9の前方に位置する出射開口31だけでなく、前方に位置する出射開口31の両側からも出射される成分を有する。従って、一つのLED9が点灯した場合の照射領域は、図10に示すように周方向に延び、また、照度分布T1は、図11の(B)に示すように、光軸Kから周方向の両側に離れるにつれて照度が小さくなる。
全てのLED9を点灯した場合、図11の(B)に示すように、照射領域EBに対応する高い照度が、LED9の並びの方向にLED9の配列間隔と同じ間隔で現れる。また、隣接するLED9の光は、各LED9の照射領域EBの両側をオーバーラップさせて出射開口31から出射されている。
これらをトータルした環状の光の照度分布T2における均斉度(=最小照度/最大照度)は、照度の高い照射領域EBの間に位置する照射領域の照度が補われるので、周方向の全域に亘って大きな値に維持できる。この上、前述したように、各LED9の光は、環状に延びる光の延び方向に直交する幅方向W(径方向)に広がることを反射面30によって抑制される。このため、図12に示すように、光源ユニット3が作る環状の照射領域ECでは、光の幅方向Wの両側での輪郭のボケが抑制される。
さらに、複数回反射した後に出射する光の成分を抑制できるので、複数回の反射による損失が抑えられ、出射する光の光量が低下することも抑制できる。
例えば上述した実施態様では、LED9を環状に並べて、環状の光を作るものとして説明したが、所定の幅で直線状に延びる光や、所定の幅で曲線状に延びる光を作るものであってもよい。
また、発光素子の一例としてLED4を例示したが、これに限らず、有機EL等の他の発光素子でも良い。
また、LED4、紫外線を出射する紫外線LEDであるものとして説明したが、紫外線を出射するものによらず、光源ユニット3の用途に応じて異なる種類の光を出射するものを用いてもよい。
また、カバーガラス15を出射開口31を覆うように設けるものとして説明したが、LED9の並びの方向に入射された光を拡散させる光学部材を配置してもよい。例えば、LED9の並びの方向に短軸方向を向け、出射開口31から出射する光の延びる方向に並んで配置した複数の楕円レンズを有する光成形フィルタを出射開口31を覆うように設けてもよい。光成形フィルタへの入射光は、LED9の並びの方向に拡散されて出射されるので、光の輪郭のボケの発生を抑制しつつ、光の照度ムラを一層低減できる。
3 光源ユニット
9 LED(発光素子)
11 冷却体
12 LED基板(基板)
35 楕円反射面
37 放物反射面
31 出射開口
F1 第1焦点
F2 第2焦点
F3 第3焦点
Claims (5)
- 第1焦点から第2焦点の間に出射開口を設けた複数の楕円反射面を、前記楕円反射面の長軸を互いに平行に、かつ、一部をオーバーラップさせながら並べて配置し、前記第1焦点のそれぞれに発光素子を配置し、前記楕円反射面の前記第1焦点の側の端部を放物反射面としたことを特徴とする光源ユニット。
- 前記放物反射面の焦点を、前記楕円反射面の長軸に沿って前記第1焦点から遠ざかる方向にずらしたことを特徴とする請求項1に記載の光源ユニット。
- 前記発光素子のそれぞれを同一の基板に実装し、当該基板の裏側に、冷媒が流れる冷却体を設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光源ユニット。
- 前記楕円反射面を環状に等間隔に並べて配置したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光源ユニット。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の光源ユニットを備えたことを特徴とする照射装置。
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