JP2017054750A - 照明装置およびレンズユニット - Google Patents

Abstract

【課題】広い配光の指向性を有する発光素子を用いても、光の利用効率を低下させずに、ライン状に連なり且つ所定の傾斜方向に狭い指向性を有する光を照射することができる照明装置およびそのレンズを提供する。
【解決手段】各々の光軸をＸ方向に向け且つＸ方向と交差するＹ方向に並んだ複数の発光素子（２１）と、複数の発光素子の光軸の方向に配置され且つＹ方向に並んだ複数のレンズ部（３１）とを備えた照明装置である。複数のレンズ部の各々はＸ方向に沿った一方側と他方側とにそれぞれ凸曲面形状の入射面と凸曲面形状の出射面とを有し、入射面の曲率中心はレンズ部の中央より出射面に近い位置にあり、出射面の曲率中心はレンズ部の中央より入射面に近い位置にあり、複数の発光素子の各々は、複数のレンズユニットに設けられた複数のレンズ部のうち隣接する各組のレンズ部の２つの入射面に挟まれた谷部に対向するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、傾斜した光を照射する照明装置および傾斜した光を生成するレンズユニットに関する。

以前より、板状またはシート状の被検査物に、ライン状に連なり且つ傾斜した光を照射して、被検査物にキズ等の欠陥がないか検査する検査装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。
従来、このような光を得るために、次のような方式が採用されていた。例えば、特許文献１の照明装置では、傾斜して配列された複数の光ファイバを用いて光を照射する方式が採用されている。また、特許文献２の照明装置では、複数のプリズムが形成されたプリズムシートを介して光を照射する方式が採用されている。その他、レンズ付きの狭い指向性を有する複数の発光ダイオードを一列に且つ傾斜させて実装し、これらから光を照射する方式、並びに導光体の一部に遮光マスクを設けて導光体から照射される光を傾斜方向の光に制限する方式などが知られている。

特開２００８−２１６１４８号公報 特開２０１０−２０５５６０号公報

しかしながら、複数の光ファイバを利用する方式では、複数の光ファイバを配列する実装工程が非常に煩雑であり、さらに、光ファイバへ光を入射させる際に光のロスが多く発生するという課題があった。
また、プリズムシートを用いる方式では、一つの光源から照射された光が複数のプリズムに到達して屈折されるため、外部へ照射する光に様々な傾斜方向の成分が混入し、所望の傾斜方向に配光の指向性を絞ることができないという課題があった。特に、高輝度で広い指向性を有する発光ダイオードとプリズムシートとを組み合わせると、発光ダイオードから照射された光が隣接する多くのプリズムに届いてしまい、外部へ照射する光の指向性を所望の傾斜方向に絞ることが難しかった。

また、複数の発光ダイオードを傾斜して配列する方式では、実装工程が非常に煩雑になり、さらに、発光ダイオードの放熱対策が難しくなることから、超高輝度の発光ダイオードを適用しにくいという課題があった。また、遮光マスクを利用する方法では、遮光により光のロスが生じるという課題、遮光部の発熱、遮光部の乱反射により照射する光に様々な傾斜方向の光が混入するという課題があった。
そこで、本発明者は、レンズを用いて、所望の傾斜方向に狭い指向性を有する光を高効率に生成することを検討した。具体的には、広い指向性を有する高輝度タイプの複数の発光ダイオードを一列に配列し、一つの発光ダイオードに一つのレンズを対応させて、複数のレンズをそれぞれ複数の発光ダイオードの光軸の方向に配列し、個々のレンズにより所望の傾斜方向に狭い指向性を有する光を生成するというものである。

しかしながら、発光ダイオードからは放射状に光が照射される。このため、単純な形状のレンズを単純に配置しただけでは、隣接するレンズへ光が多く混入してしまい、光の利用効率を低下させずに、所定の傾斜方向に狭い指向性を有するように光を照射することは容易でなかった。
さらに、レンズを樹脂から型成形する場合、レンズの設計形状に厚い部分があると、ヒケ等の歪みによって、レンズを所望の形状に成形することが難しくなるという課題も生じた。
本発明は、広い配光の指向性を有する発光素子を用いても、光の利用効率を低下させずに、ライン状に連なり且つ所定の傾斜方向に狭い指向性を有する光を照射することができる照明装置およびそのレンズユニットを提供することを目的としている。

本発明に係る照明装置は、上記目的を達成するため、各々の光軸をＸ方向に向け且つ前記Ｘ方向と交差するＹ方向に並んだ複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の光軸の方向に配置され且つ前記Ｙ方向に並んだ複数のレンズ部と、
を備え、
前記複数のレンズ部の各々は前記Ｘ方向に沿った一方側と他方側とにそれぞれ凸曲面形状の入射面と凸曲面形状の出射面とを有し、
前記入射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記出射面に近い位置にあり、
前記出射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記入射面に近い位置にあり、
前記複数の発光素子の各々は、前記複数のレンズユニットに設けられた前記複数のレンズ部のうち隣接する各組のレンズ部の２つの前記入射面に挟まれた谷部に対向するように配置されていることを特徴としている。

この構成によれば、先ず、各発光素子は、隣接する２つのレンズ部の２つの入射面に挟まれた谷部へ対向するように配置されている。よって、発光素子から指向性の広い光が照射されても、光の大部分を隣接する２つのレンズ部の２つの入射面に取り込むことができる。そして、一方の入射面に取り込まれた光は、一方のレンズ部により所定の傾斜方向へ屈折させて外部へ照射することができる。ここで、一方のレンズ部は、放射状に広がる発光素子の光の全範囲でなく、半分の範囲の光に屈折作用を及ぼせばよい。他方のレンズ部も同様である。よって、全範囲の光に屈折作用を及ぼす場合と比較して、レンズの面積を大きくせず、且つ入射面と出射面との曲率をさほど大きくしなくても、入射光を所定の傾斜角度に屈折させて外部へ照射することができる。よって、入射面の曲率中心および出射面の曲率中心を本構成のように設定して、レンズ部の厚みを低減することができる。これにより、レンズ部を樹脂の型成形により形成する場合でも、ヒケの発生等を回避して正確なレンズ形状の成形が可能となる。よって、このような複数のレンズ部と複数の発光素子とが並んで設けられることで、光の利用効率を低下させずに、ライン状に連なり２つの傾斜方向に狭い指向性を有する光を照射することができる。

好ましくは、前記複数のレンズ部は連続する所定個ごとに一体化されて複数のレンズユニットを構成し、
前記複数のレンズユニットの前記Ｙ方向の複数の端部のうち、隣接する第１端部および第２端部には、Ｘ方向に沿ってＹ方向に高さが変わる段差が設けられ、
前記第１端部と前記第２端部との間に前記Ｘ方向に直進的に貫通できる隙間が生じないように前記第１端部の前記段差と前記第２端部の前記段差とが組み合わさるように構成されるとよい。

この構成によれば、発光素子とレンズ部の数を増やして、光のライン状に連なる方向の全長を長くする場合に、１つのレンズユニットの長さを変更しなくても、レンズユニットの数を増やして対応することができる。複数のレンズユニットを用いる場合、２つのレンズユニットの間に隙間が生じると、この隙間を光が通過して、照射光に不要な照射方向の光が混入することが考えられる。しかしながら、上記構成によれば、隣接する２つのレンズユニットの各端部に段差が設けられ、一方の端部の段差と他方の端部の段差とが組み合わさることで、これらの間を直進的に貫通する隙間が生じない。よって、２つのレンズユニットの間を光が直進的に通過し、外部に照射される光に不要な方向の光が混入してしまうことを回避できる。従って、レンズユニットの増減により光のライン状に連なる方向の設計長を容易に増減することができ、且つ、所望の傾斜方向に狭い指向性で光を照射することができる。

さらに好ましくは、前記複数の発光素子の各々は、前記複数のレンズ部の配列間隔と同一の間隔ごとに配置されているとよい。
この構成によれば、１つのレンズ部の入射面に２つの隣接した発光素子から光が入射し、一方から入射した光は第１の傾斜方向へ照射され、他方から入射した光は第２の傾斜方向へ照射される。よって、この構成によれば、発光素子の配置間隔を短くして、単位面積当たりの照射光の強度を向上できる。

また、本発明に係るレンズユニットは、Ｘ方向に光軸を向けて前記Ｘ方向と交差するＹ方向に並んだ複数の発光素子から光を入射するように想定されたレンズユニットであって、
前記Ｙ方向に並んで一体化された複数のレンズ部を備え、
前記複数のレンズ部の各々は、
前記Ｘ方向に沿った一方側と他方側とにそれぞれ凸曲面形状の入射面と凸曲面形状の出射面とを有し、
前記入射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記出射面に近い位置にあり、
前記出射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記入射面に近い位置にあり、
前記複数のレンズ部のうち最も端に配置された最端レンズ部の前記Ｙ方向の端部にはＸ方向に沿ってＹ方向に高さが変わる段差が設けられているとよい。

この構成によれば、複数の発光素子とレンズユニットとを組み合わせて使用することで、Ｙ方向にライン状に連なり２方向に傾斜した光を照射することができる。さらに、複数のレンズユニットをＹ方向に並べて使用することで、光のライン状に連なる長さを容易に増加させることができる。

本発明の照明装置およびレンズユニットによれば、広い配光の指向性を有する発光素子を用いても、光の利用効率を低下させずに、ライン状に連なり且つ２方向に傾斜した狭い指向性を有する光を照射することができる。

本発明の実施の形態の照明装置を示す斜視図である。 複数の発光素子が実装された基板とレンズ群とを示す側面図である。 レンズユニットを示す斜視図である。 レンズユニットを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 レンズの屈折作用を説明する図である。 発光素子の照射光の強度分布とレンズを通過した光の強度分布とを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態の照明装置を示す斜視図である。図２は、複数の発光素子が実装された基板とレンズ群とを示す側面図である。図１において基板２０およびレンズ群３０は簡略化して表わしている。
本発明の実施の形態の照明装置１は、Ｙ方向にライン状に連なり、且つ２つの傾斜方向Ａ１、Ａ２に狭い指向性を有する光を照射する装置である。照明装置１は、例えば被検査物に光を照射して、キズ等の欠陥の有無を検査する検査装置に適用される。被検査物にキズ等の欠陥があると、照明装置１の傾斜した光により、欠陥が十分なコントラストで映しだされ、欠陥の有無を容易に検査することができる。２つの傾斜方向Ａ１、Ａ２は、具体的には、Ｘ方向からＹ方向へ向けて所定角度（例えば３０°）で傾斜した方向Ａ１と、Ｘ方向からＹ方向の逆方向へ向けて所定角度（例えば３０°）で傾斜した方向Ａ２である。

照明装置１は、筐体１０と、基板２０と、レンズ群３０と、シリンドリカルレンズ４０とを備えている。
筐体１０は、基板２０、レンズ群３０、およびシリンドリカルレンズ４０を収容する。筐体１０は、上部に開口部１０ａを有し、開口部１０ａから外部へ光を照射する。
基板２０は、複数の発光素子２１を備えている（図２を参照）。複数の発光素子２１は、Ｙ方向に且つ一直線上に一定間隔で並ぶように配置され、基板２０に実装されている。各発光素子２１の光軸（配光の中心）は、Ｘ方向に向けられている。特に制限されないが、この実施の形態においては、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交した３軸方向を示している。
各発光素子２１は、例えば高輝度のＬＥＤ（発光ダイオード）であり、下部には熱放散部が設けられている。発光素子２１から発生した熱は、熱放散部から基板２０と筐体１０とを伝導して効率的に放熱される。発光素子２１は、例えば板状のＬＥＤチップの周囲を半球ドーム状の導光体ｄ（図５を参照）で覆って構成される。導光体ｄは、ＬＥＤチップから放射状に照射される光を少ない反射で外部へ導くための部材であり、集光作用のあるレンズとは異なる。このため、発光素子２１は比較的に広い配光の指向性を有している

レンズ群３０は、Ｙ方向に一定間隔で並ぶように配置された複数のレンズ部３１を含んでいる。複数のレンズ部３１は所定個ごとに一体化されている。一体化された所定個のレンズ部３１をレンズユニット３０Ａと呼ぶ。
図３は、レンズユニットを示す斜視図である。図４は、レンズユニットを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。

レンズユニット３０Ａは、複数のレンズ部３１と、固定用の張出部３８とを備え、例えば透明樹脂の射出成型により形成されている。図４では煩雑を避けるために１つのレンズ部のみに符号を付している。図４（ａ）の１点鎖線で区分けして示したように、１つのレンズ部３１は、互いに対向する１つの入射面３２と１つの出射面３３とに挟まれた部分である。
複数のレンズ部３１の各々は、Ｘ方向の一方に凸曲面形状の入射面３２を有し、Ｘ方向の他方に凸曲面形状の出射面３３を有する。入射面３２および出射面３３の曲面は、具体的にはＺ方向に曲率のない円筒面状の曲面であるが、加えてＺ方向にも集光する向きの曲率を有する曲面としてもよい。図４（ａ）に示すように、入射面３２の曲率中心Ｏａはレンズ部３１の中心Ｏよりも出射面３３に近い位置にあり、出射面３３の曲率中心Ｏｂはレンズ部３１の中心Ｏよりも入射面３２に近い位置にある。なお、曲率中心Ｏａ、Ｏｂは、１点でなく、入射面３２または出射面３３の各部ごとに曲率中心の位置が異なってもよい。この場合でも、各曲率中心は上述の条件を満たすように設定される。

隣接するレンズ部３１、３１の境界には、２つの異なる曲面が交わることで谷部が形成されている。入射面３２、３２の間には入射側の谷部３４ａが形成され、出射面３３、３３の間には出射側の谷部３４ｂが形成されている。

張出部３８は、Ｚ方向に張り出すように設けられている。張出部３８には、固定用の孔部３８ａが設けられている。筐体１０内において、図示略の固定ピンが張出部３８の孔部３８ａに挿入されることで、レンズユニット３０Ａが筐体１０内で保持される。

レンズユニット３０ＡのＹ方向に沿った一方の端部３５と他方の端部３６とには、それぞれ小さな段差３５ａ、３６ａが設けられている。段差３５ａ、３６ａは、Ｘ方向に沿ってＹ方向に高さが変化する段差である。段差３５ａ、３６ａは、２つのレンズユニット３０Ａの端部３５、３６が対向して近接したときに、これらの間にＸ方向に貫通する隙間が生じないように、一方の段差３５ａと他方の段差３６ａとが組み合うように設けられている。
シリンドリカルレンズ４０（図１を参照）は、Ｚ方向の集光を行う。レンズ群３０を通過した光は、Ｘ−Ｚ平面上で放射状に広がる成分を残しており、シリンドリカルレンズ４０を通過することでＸ−Ｚ平面上でも平行に近い光を生成する。

＜レンズ部の作用＞
続いて、レンズ部３１の作用について説明する。
図５は、レンズ部３１の屈折作用を説明する図である。
各発光素子２１は、各レンズ部３１の配置間隔と同じ間隔で配列される。各発光素子２１の光軸Ｌ０は、隣接する一対のレンズ部３１の境界である谷部３４ａ、３４ｂと重なるように配置される。また、レンズユニット３０Ａの端部３５、３６では、隣接する２つのレンズユニット３０Ａ、３０Ａの段差３５ａ、３６ａが組み合う箇所に光軸Ｌ０が重なるように発光素子２１が配置される。

発光素子２１は、比較的に広い配光の指向性を有している。上述したように１つの発光素子２１は隣接する２つのレンズ部３１、３１の中間部分に対向して配置される。よって、発光素子２１の照射光のうち半分の範囲は、隣接する２つのレンズ部３１、３１の一方の入射面３２に大部分が入射し、照射光の他の半分の範囲は、隣接する２つのレンズ部３１、３１の他方の入射面３２に大部分が入射する。

一方のレンズ部３１の入射面３２に入射した光Ｓ１１〜Ｓ１２は、入射面３２および出射面３３における屈折により、Ｘ−Ｙ平面上においてＸ方向から反時計方向に所定角度θで傾斜し、且つ、平行光にされて外部に照射される。
他方のレンズ部３１の入射面３２に入射した光Ｓ２１〜Ｓ２２は、入射面３２および出射面３３における屈折により、Ｘ−Ｙ平面上においてＸ方向から時計方向に所定角度θで傾斜し、且つ、平行光にされて外部に照射される。

レンズユニット３０Ａの端部３５、３６の部分においては、隣接するレンズ部３１、３１の間に隙間または境界面が生じるため、一部で光の反射又は屈折が生じて光が拡散する。しかしながら、段差３５ａ、３６ａが組み合わされていることで、発光素子２１の光軸Ｌ０に近い強度の高い光が、そのままＸ方向に直進的に進んで外部に照射されてしまうことがない。よって、端部３５、３６に対向して配置された発光素子２１から照射される光についても、大部分が、同様に２つの傾斜方向Ａ１、Ａ２を向き平行光にされて外部に照射される。

図６は、発光素子の照射光の強度分布とレンズを通過した光の強度分布とを示したグラフである。図６のグラフの横軸はＸ方向をゼロ度としたＸ−Ｙ平面上の傾斜角度を示している。縦軸は最高強度を１００％としたときの光の強度の割合を示している。
本実施の形態の複数のレンズ部３１によれば、図６のグラフに示すように、発光素子２１の広い指向性を有する光から、２つの所定角度（例えば、３０°および−３０°）で傾斜した狭い指向性を有する光を生成することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上記実施の形態では、発光素子２１の光軸Ｌ０が入射側の谷部３４ａと出射側の谷部３４ｂとに重なるように発光素子２１を配置している。しかしながら、発光素子２１は、発光方向が谷部３４ａに向くように谷部３４ａに対向させて配置すれば、光軸Ｌ０が谷部３４ａ，３４ｂから僅かにずれていてもよい。また、上記実施の形態では、シリンドリカルレンズ４０によりＺ方向の集光を行う構成としたが、各レンズ部３１にＺ方向に光を集光する曲率を設けて、シリンドリカルレンズ４０を省略してもよい。また、上記実施の形態では、光の傾斜方向をＸ軸に対称な２方向とした。しかしながら、光の傾斜方向は、例えばＸ方向を０°として一方の傾斜方向を３５°とし、他方の傾斜方向を−２５°にするなど、Ｘ軸に非対称な傾斜方向としてもよい。例えば、各レンズ部３１と各発光素子２１との相対位置および相対角度の一方または両方を変化させることで、このような光の傾斜方向を実現できる。また、発光素子の発光色としては白色を適用してよいし、或いは、被検査物の欠陥コントラストをより際立たせるために、白色以外、例えば青色、緑色、赤色、近紫外光、または近赤外光などを適用することができる。
その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
さらに、本発明は、被検査物の欠陥を検査する検査装置に照明装置を適用する例を示したが、例えばライトアップ用の照明など、様々な用途において本発明の照明装置を適用してもよい。

１ 照明装置
１０ 筐体
２０ 基板
２１ 発光素子
ｄ 導光体
３０ レンズ群
３０Ａ レンズユニット
３１ レンズ部
３２ 入射面
３３ 出射面
３４ａ、３４ｂ 谷部
３５、３６ 端部
３５ａ、３６ａ 段差
４０ シリンドリカルレンズ
Ｏａ、Ｏｂ 曲率中心
Ｏ レンズ部の中心

Claims (4)

1. 各々の光軸をＸ方向に向け且つ前記Ｘ方向と交差するＹ方向に並んだ複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子の光軸の方向に配置され且つ前記Ｙ方向に並んだ複数のレンズ部と、
   を備え、
   前記複数のレンズ部の各々は前記Ｘ方向に沿った一方側と他方側とにそれぞれ凸曲面形状の入射面と凸曲面形状の出射面とを有し、
   前記入射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記出射面に近い位置にあり、
   前記出射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記入射面に近い位置にあり、
   前記複数の発光素子の各々は、前記複数のレンズユニットに設けられた前記複数のレンズ部のうち隣接する各組のレンズ部の２つの前記入射面に挟まれた谷部に対向するように配置されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記複数のレンズ部は連続する所定個ごとに一体化されて複数のレンズユニットを構成し、
   前記複数のレンズユニットの前記Ｙ方向の複数の端部のうち、隣接する第１端部および第２端部には、Ｘ方向に沿ってＹ方向に高さが変わる段差が設けられ、
   前記第１端部と前記第２端部との間に前記Ｘ方向に直進的に貫通できる隙間が生じないように前記第１端部の前記段差と前記第２端部の前記段差とが組み合わさっていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記複数の発光素子の各々は、前記複数のレンズ部の配列間隔と同一の間隔ごとに配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置。
4. Ｘ方向に光軸を向けて前記Ｘ方向と交差するＹ方向に並んだ複数の発光素子から光を入射するように想定されたレンズユニットであって、
   前記Ｙ方向に並んで一体化された複数のレンズ部を備え、
   前記複数のレンズ部の各々は、
   前記Ｘ方向に沿った一方側と他方側とにそれぞれ凸曲面形状の入射面と凸曲面形状の出射面とを有し、
   前記入射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記出射面に近い位置にあり、
   前記出射面の曲率中心は前記レンズ部の中央より前記入射面に近い位置にあり、
   前記複数のレンズ部のうち最も端に配置された最端レンズ部の前記Ｙ方向の端部にはＸ方向に沿ってＹ方向に高さが変わる段差が設けられていることを特徴とするレンズユニット。

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