JP3539324B2 - Lighting equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線状の光源から発せられた光を一方向に収束して対象に照射する照明装置であって、特に幅広い範囲を一度に照射できる照明装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、ラインセンサカメラを用いた測定装置に適した照明装置として、測定対象を線状に照明する装置が用いられている。このような装置の例として、例えば特開平9−311279に開示された照明装置が知られている。この装置は、光ファイバ束を利用したラインライトガイドから発せられた光をシリンドリカルレンズで集光することにより、光量を有効に使用して、対象物を線状に照明するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような照明装置についても、次に述べるような問題があった。すなわち、通常、ラインライトガイドにはファイバ総量から決まる幅の制約があり、例えば、鋼板のように幅の広い帯状の対象を照明するためには、ラインライトガイドとシリンドリカルレンズを組にして、それらを複数組、照射対象の幅方向に並べる必要があった。その際、ラインライトガイドやシリンドリカルレンズをできるだけ密接するように並べるが、高い分解能で検査を行うような場合には、隣り合うラインライトガイドやシリンドリカルレンズの間で、隙間の影響を受けることを避けることができなかった。また、たとえ径の細いファイバを隙間なく並べられたとしても、シリンドリカルレンズに関して隙間の影響がでないようするためには一本ものを用いる以外なく、その場合にはレンズ単体のコストが非常に高くなるといった問題があった。
本発明は、これらの課題を解決した幅広い範囲を一度に照射できる照明装置をに提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、線状光源より発せられた光をシリンドリカルレンズにて一方向に集光して対象物に照射する照明装置であって、前記シリンドリカルレンズが、端面を研磨した複数本のシリンドリカルレンズを該端面で突き合わせて構成したものからなるものにおいて、前記線状光源から発せられる光量の角度特性は、前記シリンドリカルレンズの突き合わせ面に対して左右対称であり、前記線状光源から発せられた光が前記シリンドリカルレンズに入射する入射角の最大値θ 1 が、n 2 2 /n 1 2 − sin 2 θ 1 >1、となるようにしたものである。ただし、n 1 は空気の屈折率、n 2 はシリンドリカルレンズの屈折率である。
【0008】
【発明の実施の形態】
いま、図1に示すような屈折率n2 のシリンドリカルレンズ10を用いて、シリンドリカルレンズ10の平面11よりシリンドリカルレンズの主軸に沿って、屈折率n1 の媒体から入射角θ1 で光が入射する場合を考える。
その場合、図2に示すように、シリンドリカルレンズの平面11より入射した光線1は、下記のスネルの法則により、
n1・sinθ1=n2・sinθ2 ・・・(式1)
を満たす角θ2 で屈折し、その後、シリンドリカルレンズの凸面12に到達した光線1は、再度屈折角θ1 で屈折し、レンズ凸面12から出射される。
【0009】
一方、シリンドリカルレンズ10の平面11よりシリンドリカルレンズの主軸に沿って、屈折率n1 の媒体から入射角θ1 で光が入射した後、シリンドリカルレンズ10の凸面12に到達する前に端面13に到達する光線2は、端面13に対しては、入射角π/2−θ2 で入射することになる。これが端面13から屈折角θ3で出射するとすると、スネルの法則により、
n2・sin(π/2−θ2)=n1・sinθ3 ・・・(式2)
ゆえに、
sinθ3=n2/n1・cosθ2 ・・・(式3)
(式1)より、
cosθ2=(1−n1 2/n2 2・sin2θ1)1/2 ・・・(式4)
(式3)及び(式4)より、
sinθ3 =(n2 2/n1 2−sin2θ1)1/2 ・・・(式5)
光線2がシリンドリカルレンズ10の端面13で全反射を起こし、端面13から光が漏れない条件は、sinθ3>1である。この全反射条件を書き換えれば、
n2 2/n1 2−sin2θ1>1 ・・・(式6)
となる。
【0010】
その場合に、図3に示すように、端面13を完全に研磨した2本のシリンドリカルレンズ10,10を突き合わせると、端面13へ入射された光線2及び光線3は、それぞれ全反射され折り返されるが、もし光線2と光線3の光量が全く等しければ、見た目には光線2’はあたかも光線3が屈折して出射したものであるごとく、そして、光線3’も全く同様に光線2が屈折して出射したものであるごとく観察される。これは即ち、あたかもシリンドリカルレンズの継ぎ目がない一本のシリンドリカルレンズと、全く同じ状態である。従って、隣り合うシリンドリカルレンズの端面の突き合わせ目に入射する全ての光が、その合わせ目に対して角度特性及び光量に関して左右対称であれば、完全に一本のシリンドリカルレンズを用いているのと同様の光源の特性とすることができる。その結果、分割したシリンドリカルレンズを用いても、長尺の一本もののシリンドリカルレンズを用いた場合と全く同じ光学状態を実現することができる。
【0011】
上記の例では、シリンドリカルレンズを2本突き合わせた場合について説明したが、3本以上突き合わせた場合でも、それぞれの合わせ目に対して角度特性及び光量に関する光源の特性が左右対称であれば同様に作用する。
【0012】
通常シリンドリカルレンズは端面面取りをしてあるのが普通であるが、本発明の場合には、面取りされた面での光の散乱・予期せぬ方向への屈折を避けるために、端面面取りをせずに端面どうしを合わせる方がよく、これにより合わせ目も目立たなくなる。なお、ガラスの場合は面取りをしないと「欠け」が生じる恐れもあるので、シリンドリカルレンズの素材としては、アクリル等の樹脂を用いるのが望ましい。
【0013】
また、上記の原理を利用した複数本のシリンドリカルレンズを突き合わせしてなるシリンドリカルレンズを用いた場合、複数本のシリンドリカルレンズに剛性を持たせる必要が生じるが、それには、例えば、一体型のホルダを利用して複数本のシリンドリカルレンズを保持するようにすることで、ホルダの剛性と同等の剛性を得ることが可能になる。その場合、金属のホルダを用いるのが通常であるが、特にアクリル等の樹脂製のシリンドリカルレンズを用いた場合には、シリンドリカルレンズに対して熱膨張係数の差が大きくなるため、温度変化が生じた場合にレンズがゆがんだり、破損したりすることが懸念される。そのために、樹脂製のシリンドリカルレンズを用いた場合、図4に示すように、膨張の影響が小さなシリンドリカレンズ10の径方向では、僅かな熱膨脹の差を考慮するのみでシリンドリカルレンズ10をホルダ15にほぼ確実に保持し(図4(a)参照)、一方、膨張の影響が大きな長手方向では、シリンドリカルレンズ10とホルダ15の間に生じる大きな熱膨張の差を考慮して、予めシリンドリカレンズ10をホルダ15に対して余裕を持たせて固定する必要がある。この長手方向の固定方法として、例えば、ホルダ15の左右両端にバネやラバー等の弾性体を配して、これらによりシリンドリカルレンズ10をホルダ15に固定し、シリンドリカルレンズ10の熱による長さ方向の寸法変化をその弾性力により吸収する等の方法が考えられる(図4(b)参照)。なお、図4(b)中、16は締付力調整用のバネ、17はバネを保持するためのネジ、18はシリンドリカルレンズ10とバネ16との間に置かれた押さえ板である。
【0014】
上記のような複数本のシリンドリカルレンズを用いる場合、線状光源としては、例えば図5に示すように、光ファイバをバンドル20にして取り込み、その光ファイバを出射端でライン状に幅方向ぎりぎりまで並べた(図中、このライン状光ファイバは21で表されている)複数のラインライトガイド22を密接させて使用することができる。ただし、本発明を実施するためには、左右のラインライトガイドの出射光量を等しくしておくこと、ラインライトガイドの出射端のファイバの出射角度特性及びファイバ自身の向きをそろえておくことが必須であることは言うまでもない。
【0015】
最後に、これまで説明してきたシリンドリカルレンズ、およびラインライトガイドを用いた、本発明に係る照明装置の実施例の概略構成を図6に示しておく。ここにおいて、光源23から発せられた光は光ファイババンドル20を介し、光ファイバがライン上に並べられたラインライトガイド22に入る。そして、このラインライトガイド22から出た光は、シリンドリカルレンズ10を通して集光され、検査等が行われる幅広の対象物(例えば鋼板)24に照射される。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の照明装置によれば、複数本のシリンドリカルレンズを使用して、シリンドリカルレンズの継ぎ目の影響を受けずに、しかも一本もののシリンドリカルレンズを用いたと同等の効果で鋼板のように幅の広い対象物を照明することが可能となり、従って、幅広い範囲を一度に照射するための装置をより安価に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シリンドリカルレンズの斜視図。
【図2】シリンドリカルレンズの平面からその主軸に沿って光が入射した場合の光路を示す模式図。
【図3】2つのシリンドリカルレンズの端面を研磨してそれを突き合わせした状態で、シリンドリカルレンズの平面からその主軸に沿って光が入射した場合の光路を示す模式図。
【図4】複数のシリンドリカルレンズとそれらを保持するホルダとの関係を示す構造図。
【図5】複数のラインライトガイドを並べて使用する際の例示図である。
【図6】本発明に係る照明装置の実施例を示す装置の構成図である。
【符号の説明】
10 シリンドリカルレンズ、11 シリンドリカルレンズの平面、12 シリンドリカルレンズの凸面、13 シリンドリカルレンズの端面、15 ホルダ、16バネ、17、ネジ、20、光ファイバのバンドル、22 ラインライトガイド、23 光源、24 鋼板。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an illuminating device that irradiates an object with light emitted from a linear light source converged in one direction, and particularly to an illuminating device that can irradiate a wide range at a time.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an illumination device suitable for a measurement device using a line sensor camera, a device that linearly illuminates a measurement target has been used. As an example of such a device, for example, a lighting device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-31279 is known. In this apparatus, light emitted from a line light guide using an optical fiber bundle is condensed by a cylindrical lens, thereby illuminating an object linearly using light quantity effectively.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a lighting device also has the following problems. That is, a line light guide usually has a width limitation determined by the total amount of fibers.For example, in order to illuminate a wide band-shaped object such as a steel plate, a line light guide and a cylindrical lens are paired, and Were required to be arranged in the width direction of the irradiation target. At this time, line light guides and cylindrical lenses are arranged as closely as possible, but when performing inspection with high resolution, avoid being affected by gaps between adjacent line light guides and cylindrical lenses. I couldn't do that. Further, even if fibers having a small diameter are arranged without gaps, in order to prevent the influence of the gaps on the cylindrical lens, there is no choice but to use a single fiber, in which case the cost of the lens alone becomes extremely high There was a problem.
It is an object of the present invention to provide a lighting device which can solve a wide range at a time by solving these problems.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an illumination device that irradiates an object by condensing light emitted from a linear light source in one direction by a cylindrical lens, wherein the cylindrical lens includes a plurality of cylindrical lenses whose end surfaces are polished. Consists of abutted end facesWherein the angular characteristic of the amount of light emitted from the linear light source is bilaterally symmetric with respect to the abutting surface of the cylindrical lens, and the maximum angle of incidence at which light emitted from the linear light source is incident on the cylindrical lens. Value θ 1 Is n Two Two / N 1 Two − sin Two θ 1 > 1. Where n 1 Is the refractive index of air, n Two Is the refractive index of the cylindrical lens.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Now, the refractive index n as shown in FIG.TwoAnd the refractive index n along the principal axis of the cylindrical lens from the
In that case, as shown in FIG. 2, the light ray 1 incident from the
n1・ Sin θ1= NTwo・ Sin θTwo ... (Equation 1)
Angle θ that satisfiesTwo Then, the light ray 1 that has reached the
[0009]
On the other hand, from the
nTwo・ Sin (π / 2-θTwo) = N1・ Sin θThree ... (Equation 2)
therefore,
sinθThree= NTwo/ N1・ CosθTwo ... (Equation 3)
From (Equation 1),
cosθTwo= (1-n1 Two/ NTwo Two・ SinTwoθ1)1/2 ... (Equation 4)
From (Equation 3) and (Equation 4),
sinθThree = (NTwo Two/ N1 Two−sinTwoθ1)1/2 ... (Equation 5)
The condition that the
nTwo Two/ N1 Two−sinTwoθ1> 1 (Equation 6)
It becomes.
[0010]
In this case, as shown in FIG. 3, when the two
[0011]
In the above example, the case where two cylindrical lenses are butted is described. However, even when three or more cylindrical lenses are butted, if the characteristics of the light source with respect to the angle characteristics and the amount of light are symmetric with respect to each joint, the same effect is obtained. I do.
[0012]
Normally, the cylindrical lens is usually chamfered, but in the case of the present invention, the chamfered surface is chamfered to avoid scattering of light on the chamfered surface and refraction in an unexpected direction. It is better to match the end faces without the joints, so that the seams are less noticeable. In the case of glass, if chipping is not performed, "chips" may occur. Therefore, it is preferable to use resin such as acrylic as a material of the cylindrical lens.
[0013]
In addition, when a cylindrical lens formed by abutting a plurality of cylindrical lenses utilizing the above principle is used, it is necessary to make the plurality of cylindrical lenses rigid.For example, an integrated holder is used. By holding a plurality of cylindrical lenses by using the same, it is possible to obtain rigidity equivalent to the rigidity of the holder. In that case, it is usual to use a metal holder, but especially when a resin-made cylindrical lens such as acryl is used, a difference in thermal expansion coefficient with respect to the cylindrical lens becomes large, so that a temperature change occurs. In such a case, the lens may be distorted or damaged. Therefore, when a cylindrical lens made of resin is used, as shown in FIG. 4, in the radial direction of the
[0014]
In the case of using a plurality of cylindrical lenses as described above, as a linear light source, for example, as shown in FIG. 5, an optical fiber is taken in a
[0015]
Finally, FIG. 6 shows a schematic configuration of an embodiment of the illumination device according to the present invention using the above-described cylindrical lens and line light guide. Here, the light emitted from the
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the illuminating device of the present invention, the use of a plurality of cylindrical lenses, without being affected by seams of the cylindrical lenses, and with the same effect as using one cylindrical lens Thus, it is possible to illuminate a wide object as described above, so that a device for irradiating a wide range at a time can be realized at lower cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a cylindrical lens.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an optical path when light enters from a plane of a cylindrical lens along a main axis thereof.
FIG. 3 is a schematic view showing an optical path when light enters from a plane of a cylindrical lens along a main axis thereof in a state where end faces of two cylindrical lenses are polished and abutted against each other.
FIG. 4 is a structural diagram showing a relationship between a plurality of cylindrical lenses and a holder for holding them.
FIG. 5 is an exemplary diagram when a plurality of line light guides are used side by side.
FIG. 6 is a configuration diagram of a device showing an embodiment of a lighting device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (1)
前記シリンドリカルレンズが、端面を研磨した複数本のシリンドリカルレンズを該端面で突き合わせて構成したものからなるものにおいて、
前記線状光源から発せられる光量の角度特性は、前記シリンドリカルレンズの突き合わせ面に対して左右対称であり、
前記線状光源から発せられた光が前記シリンドリカルレンズに入射する入射角の最大値θ 1 が、
n 2 2 /n 1 2 − sin 2 θ 1 >1
ただし、n 1 は空気の屈折率、n 2 はシリンドリカルレンズの屈折率、
の関係を満たすことを特徴とする照明装置。 An illumination device that condenses light emitted from a linear light source in one direction by a cylindrical lens and irradiates the object with light,
In the above-mentioned cylindrical lens, a plurality of cylindrical lenses whose end faces are polished are formed by abutting on the end faces ,
The angle characteristic of the amount of light emitted from the linear light source is symmetric with respect to the butting surface of the cylindrical lens,
The maximum value of the incident angle θ 1 at which light emitted from the linear light source enters the cylindrical lens. But,
n 2 2 / n 1 2 − sin 2 θ 1 > 1
Where n 1 Is the refractive index of air, n 2 Is the refractive index of the cylindrical lens,
A lighting device characterized by satisfying the following relationship:
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