JP4241335B2

JP4241335B2 - 線状照明装置

Info

Publication number: JP4241335B2
Application number: JP2003388610A
Authority: JP
Inventors: 邦夫黒田; 健岩井; 雄三中山
Original assignee: Kyoto Denkiki Co Ltd
Current assignee: Kyoto Denkiki Co Ltd
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: JP2005149996A

Description

本発明は、被検査物の形状認識や検査を行う画像処理装置等に好適な照明装置に関し、更に詳しくは、照明対象物を線状（一次元状）に照明する線状照明装置に関する。

ＣＣＤカメラ等の撮像装置によって目的の画像を得るためには、その目的に見合った最適な照明が必要である。そのような照明を行う装置の一つとして、複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）を直線状に並べた線状光源と、断面が凹状のシリンドリカル反射面を有する反射鏡とを組み合わせ、被検査物を線状又は帯状に照明する線状照明装置が知られている（例えば特許文献１など参照）。

こうした線状照明装置では、１個のＬＥＤにより照明面上に形成される光スポットは略円形又は長円形状であって、これが一次元状に連なることによって全体として線状の光スポットが形成される。したがって、１個のＬＥＤによる照明範囲は狭い範囲でよく、配光を狭くしてより多くの光束を包含させたようなＬＥＤを利用しつつ所望の形状の線状領域を照明することが多い。また、ＬＥＤの個数を増やして線状光源を長くすることによって、照明対象の線状領域を長く延ばすことができる。

しかしながら、従来のこうした線状照明装置には次のような問題がある。一般に画像処理等を目的とする照明装置の場合に、照明範囲内での照度の均一性を必要とすることが多い。上記線状照明装置では、各ＬＥＤの発光強度にばらつきがあると照明範囲内での照度にむらが生じるため、各ＬＥＤの発光強度をできるだけ揃える必要がある。通常、同一種類のＬＥＤであっても特性には個体差があるから、できるだけ特性の揃ったＬＥＤを選別して使用するといった工夫が必要となり、それがコストを増加させる大きな要因となる。

また、複数個のＬＥＤの発光強度が初期的には揃っていたとしても、経時的な劣化による発光光量の変化の度合はそれぞれ異なるため、時間を経るに伴い照度むらが必然的に大きくなってゆく。そのため、長期間に亘る照明の安定性を考えた場合、大きな問題となる。さらにまた、照明範囲内で隣接するＬＥＤによる光スポットの重なり状態によって照度むらが起こり、複数個のＬＥＤを設計通りに高い寸法精度且つ傾きで固定することが必要となり、組立工程上でもコストが高くつく。

特開２００２−９３２２７号公報

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、低廉なコストで以て、長期間に亘り安定的に照明範囲内の照度の高い均一性を確保することができる線状照明装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、照射目的点を含む線状領域を照明する線状照明装置において、
a)１個のＬＥＤと、
b)該ＬＥＤからの光束の範囲を線状に制限する開口を有する規制板と、
c)該開口の長手方向に対して直交する断面において該開口を一方の焦点とし前記照射目的点を他方の焦点とする楕円曲線の一部で形成されるシリンドリカル凹型反射面を有する反射鏡と、
を備え、前記１個のＬＥＤは、前記開口の長手方向及び短手方向のそれぞれ略中央の軸上に配置され、前記開口は、その長手方向に延伸する両縁端部が前記光束の通過方向に段差を有して形成されていることを特徴とする。

本発明に係る線状照明装置では、発光源として、所定距離離間した照射面での照度分布が所定範囲で略一様であって且つ高輝度であるＬＥＤを１個のみ使用し、このＬＥＤから出射された光を規制板の開口を通して取り出して略線状の光束とする。このＬＥＤは少なくとも規制板の開口の範囲に対して照度分布が略一様な発光特性を有し、その開口の長手方向及び短手方向のそれぞれ略中央の軸上に配置された構成であるため、開口を通過する線状の光束の照度は略均一となる。この光束を反射鏡のシリンドリカル凹型反射面に照射し、その反射光を照射目的点を含む照明面に導く。開口の長手方向に対し直交する断面において該開口は照射目的点と共役な位置であるため、照射目的点の近傍には開口を投影した線状の光スポットが形成される。

照明面における線状の照明領域内の照度の均一性は、規制板の開口の範囲でのＬＥＤの照度分布の均一性に依存する。したがって、前述したようにその開口の範囲においてＬＥＤの照度分布が略一様な発光特性を有することにより、照明面上の線状領域内での照度の均一性を高くすることができる。

上述したような本発明に係る線状照明装置の構成において、規制板の開口は短手方向にも或る程度のサイズを有し、またＬＥＤの発光領域も点ではなく或る程度の面積を有している。そのため、実際には、規制板の開口の長手方向に対し直交する断面において、開口の短手方向の１点から発した光が照射目的点の１点に収束すると単純には捉えることができず、該断面上で開口の短手方向にサイズを有する像が照射目的点を含む照明面付近に投影されることになる。その場合、ＬＥＤからの発光光軸に直交して規制板の開口面が配置されると、その開口の短手方向にサイズを有する像は、照明面付近では上記発光光軸に平行な面上では収束せずに若干広がった集光状態となる。その結果、上記発光光軸に平行に照明面を配置すると、その面上に形成される線状の照明領域内では互いに対向する長手方向の両縁端で若干の焦点ボケが生じてしまうことになる。

そこで、本発明に係る線状照明装置では、規制板開口の短手方向にサイズを有する像をＬＥＤからの発光光軸に平行な照明面上に鮮明に、つまり焦点ボケなく収束させるには、ＬＥＤからの発光光軸に直交して規制板の開口面を配置するのではなく、互いに共役な楕円の２焦点を通る直線に対して所定角度だけ傾けるように配置する。すなわち、規制板開口にあって長手方向に延伸する両縁端部を、光束の通過方向に段差を有するべく形成する構成としている。これによって、開口の短手方向にサイズを有する像をＬＥＤからの発光光軸に平行な照明面上に投影したときに、その短手方向の両端部、つまり長手方向に延伸する両縁端部に相当する箇所が焦点ボケすることがなく、輪郭が明瞭である線状領域内全体を略均一な照度で以て照明することができる。

また、本発明に係る線状照明装置において線状照明領域内での照度を高くしたい場合に、前記ＬＥＤ、規制板、及び反射鏡を１組とする照射手段を複数組有し、それら複数組の照射手段にあって、各規制板の開口の長手方向は同一方向であって且つ前記照射目的点である他方の焦点を共有するように配置されている構成とすることが好ましい。

この構成によれば、複数の照射手段から同一の照明領域に向けてそれぞれ独立に光を照射し、照明領域においてそれら複数の方向からの光束が重なることによって照度を高くすることができる。

また、その一態様として、前記照射手段を２組有し、その２組の照射手段に含まれる規制板の開口の長手方向に対して直交する断面において、該２組の照射手段は前記照射目的点を通過する直線を軸として線対称に配置されている構成とすることができる。この構成によれば、照明面に設置された対象物に対しその鉛直上方には照射手段が配置されないので、この位置にＣＣＤカメラ等の撮像手段を配置し、対象物を真上から撮像することが可能となる。また、光が両方向から当たるため、照明の片寄り現象が解消され対象物が凹凸を有するものであっても影が出来ず、良好な画像を得ることができる。

さらに具体的な一態様として、前記規制板の開口の長手方向に対して直交する断面において、２組の照射手段に含まれる２個のＬＥＤが線対称の軸側に向かって配置される構成とすることができる。また、別の態様として、前記規制板の開口の長手方向に対して直交する断面において、２組の照射手段に含まれる２個のＬＥＤが線対称の軸側に背を向けて配置される構成としてもよい。

前者の態様では、線対称の軸に対して狭い角度で照明面を照明するのに有利である。一方、後者の態様では、線対称の軸に対して広い角度で照明面を照明するのに有利である。両態様とも、装置全体のサイズはほぼ同程度であるので、所望の照明角度に応じていずれかを適宜に選択すればよい。

上述したように本発明に係る線状照明装置では、照明対象である照明面上の線状領域内での照度の均一性を非常に高くすることができる。また、経時的な劣化がＬＥＤに生じて発光光量が減少した場合でも照度の均一性は殆ど損なわれないため、長期間に亘って高い照度均一性を確保することができる。また、従来のように特性の揃ったＬＥＤを複数個用意する必要がなく、また組立時の精度もそれほど厳しくする必要がないので、全体としてコストを大幅に低減することが可能である。さらにまた、規制板をその開口の形状やサイズが相違するものに交換することによって、様々な形状やサイズの線状領域を照明することができ、各種の用途に広く対応することができる。

以下、本発明の一実施例である線状照明装置について図面を参照して説明する。図１は本実施例による線状照明装置の光学系配置を説明するための光路図、図２はスリットの拡大図であって（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面平面図、図３はＬＥＤの配光特性を説明するための図であり、（ｂ）はＬＥＤとスリットとの関係を示す概略図、（ａ）は（ｂ）に示すスリット開口長手方向におけるＬＥＤの照度分布を示す図である。また、図４は本実施例による線状照明装置においてスリット開口に段差を設けた理由を説明するための光路図、図５は本実施例による線状照明装置における光路の詳細図であって、（ａ）はスリット開口近傍の光路を示す図、（ｂ）は照明面近傍における光路を示す図である。なお、図１は、本実施例の光学系配置を、発光源であるＬＥＤ２を含み、スリット４の開口の長手方向に対して直交する断面図で以て示したものである。この図１では図面が煩雑になるのを避けるため代表的な光路のみを記載しているが、記載のもの以外に多数の光路を通る光が存在することは当然である。

図１に示す照明手段１は、照明面１０上を照明するための主要な光学部品として、ＬＥＤ２、スリット（本発明における規制板）４及び反射鏡５を備える。詳しく説明すると、発光源である唯一のＬＥＤ２は、基板３を介してそれに直交する方向に発光光軸Ｐが指向するようにケーシング６に取り付けられている。ＬＥＤ２から発する光は、発光光軸Ｐを中心に角度ωで立体角状に広がった配光をなす。このＬＥＤ２は広配光であって、しかもＬＥＤ２から所定距離だけ離間した、発光光軸Ｐに直交する平面上で照度分布が略均一となる。

すなわち、図３（ｂ）に示すようにＬＥＤ２から距離Ｄだけ離れた平面Ｂ上において、図３（ａ）に示すような照度分布となる。ＬＥＤ２の発光部（チップ）から平面Ｂまでの距離は発光光軸Ｐから離れるに従い長くなるから、一般には、発光光軸Ｐ付近で照度が最大となり周辺部に向かうに従って照度が低下するのが普通である。それに対し、このＬＥＤ２では、例えばチップの前方に配置された樹脂やガラス製のレンズに所定の特性を持たせることにより、このような配光特性を実現している。

このＬＥＤ２の前方には、後述する楕円曲線Ａの中心点及び照射目的点を通る直線である軸Ｃに沿ってスリット４が設けられ、さらにその前方には反射鏡５が設けられている。スリット４に形成されている線状の開口４１は、図１の紙面に直交する方向が長手方向であり、ＬＥＤ２はその開口４１の長手方向及び短手方向のそれぞれ中央から発光光軸Ｐに沿ってやや後退した位置に設けられている。反射鏡５の断面は図１中に点線で示す楕円曲線Ａの一部を構成しており、この断面が開口４１の長手方向に移動することで反射鏡５のシリンドリカル凹型反射面が形成される。

ＬＥＤ２、スリット４及び反射鏡５を内装するケーシング６は、反射鏡５による反射光の出射方向が広く開口しているが、その開口部には光損失が殆ど無い、ガラス又は合成樹脂製の透明板７が取り付けられている。この透明板７はＬＥＤ２や反射鏡５の反射面の汚れや機械的な損傷を防止する保護を目的としているものであるから、照明装置としての機能に必須ではない。また、ＬＥＤ２及びスリット４の部分には非透明の遮光板８が介挿されており、これによって外光がケーシング６内に侵入することを軽減し、またケーシング６内でスリット４などに当たって反射した光がケーシング６内から漏洩することも防止している。

反射鏡５のシリンドリカル凹型反射面を構成する楕円曲線Ａは２つの焦点を有しており、その一方の焦点（第１焦点）Ｆ１に開口４１が位置するようにスリット４が配置され、他方の焦点（第２焦点）Ｆ２に照射目的点が位置するように照明面１０が軸Ｃに略直交した状態で配置される。これによって、スリット４の開口４１の位置に線状の光源を配置したものとみなすことができ、その線状光源の像を照射目的点を含む照明面１０上に結像させることができる。

但し、実際には、図２（ｂ）に示すようにスリット４の開口４１は長手方向にｄ２なるサイズを有するのみならず短手方向にも或るサイズｄ１を有する。また、ＬＥＤ２のチップも或る程度の面積を有している。そのため、図４に示すように、仮にスリット４の開口４１の短手方向が完全に軸Ｃと平行となっている場合、開口４１の短手範囲内に存在する焦点ｆ１１に対する他の焦点は照射対象点Ｆ２（ｆ１１’）となるものの、開口４１上の他の点ｆ１２、ｆ１３に対する他の収束点ｆ１２’、ｆ１３’は軸Ｃに直交する照明面１０上には存在せず、傾いた照明面１０’上に存在することになる。そのため、仮に照明面を符号１０’のような状態に配置すればスリット４の開口４１の投影像を焦点ボケなく、つまり鮮明な輪郭を有して投影することが可能であるが、照明面を符号１０のような状態に配置すると、スリット４の開口４１の中心の焦点ｆ１１に対する像はボケがないものの、両端部の焦点ｆ１２、ｆ１３に対する像は若干のボケが生じ、線状照明範囲の輪郭が不鮮明になる。

そこで、この実施例の線状照明装置では、照明面を符号１０の位置に配置しても鮮明な投影像が得られるように、スリット４の開口４１の形状を工夫している。すなわち、図２（ａ）に示すように、スリット４の開口４１の互いに対向する長辺４２、４３は光の通過方向にｄ３だけ段差を有するように形成されている。これによって、図５（ａ）に示すように、開口４１の開口面は軸Ｃに垂直ではなく角度θだけ傾き、この面上の点Ｆ１２、Ｆ１３もＦ１１に対して軸Ｃ上からずれる。それによって、図１及び図５（ｂ）に描出したように軸Ｃに直交して配置された照明面１０上に、それぞれの点Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３に対する他の収束点Ｆ１１’、Ｆ１２’、Ｆ１３’を位置させることができ、線状照明領域の輪郭をも鮮明にすることができる。

なお、点Ｆ１２、Ｆ１３及び角度θは次のようにして求めることができる。すなわち、図５（ｂ）に描いたように、照明面１０上の照明幅の縁の点Ｆ１２’、Ｆ１３’から光が出射すると考え、その光が反射鏡５の反射面で反射された後にスリット４のどの付近に集光するのかを求めればよい。この集光した点がＦ１２、Ｆ１３となる。そして、このＦ１２、Ｆ１１、Ｆ１３を結んだ線と軸Ｃとの挟角が角度θとなる。こうした求め方は、光学設計で言われるところの光線追跡を逆に辿った追跡方法である。

また、上記説明した光学的配置は多少ずれても実用上は差し支えないことが多く、むしろ、照射範囲を多少広げる等のために意図的に焦点を外すという利用方法も考えられる。また、スリット４の開口４１のサイズは、ＬＥＤ２の配光で照度分布が略均一である範囲であれば、目的に応じて適宜に変更することができる。

上記実施例の線状照明装置では、ＬＥＤ２、スリット４及び反射鏡５を含む照明手段１を１組のみ利用しているため、線状照明領域内の照度を上げるためにはＬＥＤ２の輝度を高める必要があるが、これは素子の特性上の制約がある。そこで、線状照明領域内の照度を上げる方法として、より有効であるのは複数の照明手段を用いることである。次に、２組の照明手段を用いた実施例について説明する。図６及び図７は、２組の照明手段１ａ、１ｂを用いたそれぞれ異なる構成の線状照明装置の光路図であり、図１と同様にスリット開口の長手方向に対して直交する断面における光学的配置を描いたものである。なお、図６及び図７中の各構成要素の符号は、２組の照明手段１ａ、１ｂのいずれに属するのかを示すａ又はｂを除いて図１で説明した構成要素と同一又は相当するものを指し示す。

図６に示す線状照明装置においては、２組の照明手段１ａ、１ｂは、それぞれの照射目的点である楕円曲線Ａａ、Ａｂの第２焦点Ｆ２ａ、Ｆ２ｂがほぼ一致するように、それぞれのＬＥＤ２ａ、２ｂが向い合って配置される。すなわち、２組の照明手段１ａ、１ｂは、照射目的点を通る直線Ｑを軸として線対称で、且つ反射鏡５ａ、５ｂがＬＥＤ２ａ、２ｂよりも内側（直線Ｑに近い側）に配置されている。したがって、両照明手段１ａ、１ｂのスリット４ａ、４ｂの開口、反射鏡５ａ、５ｂは同一方向（図６中の紙面に直交する方向）に延在しており、両照明手段１ａ、１ｂから照射された線状の光束は、照明面１０上においてほぼ完全に重なる。それ故に、照明面１０上の線状照明領域内の照度は両照明手段１ａ、１ｂによる照度の和となり、ＬＥＤ２の特性を含め、同一構成の照明手段を２組使用すれば、照度は２倍になる。

このように本実施例の構成による線状照明装置では、同一の照明手段１ａ、１ｂを軸Ｃの両側に対称に配置するだけで、手間をかけずに容易に照明面１０上の線状照明領域内の照度を上げることができる。この場合でも、いずれか一方の照明手段のＬＥＤの発光強度が経時劣化等で低下してきても照度の均一性が損なわれることはない。

また、この構成では、各照明手段１ａ、１ｂは照明面１０に直交する直線Ｑから或る程度離れているので、照明手段に邪魔されることなく垂直に照射面１０を見ることができる。したがって、例えば照明面１０上の被検査物を明るく照明しながら、直線Ｑ上に設置したＣＣＤカメラ等で被検査物を真上から撮影する、或いは拡大レンズ等を通して真上から目視で観察するのに非常に便利である。また、その際に２組の照明手段１ａ、１ｂは被検査物を両側の斜め上方から照らすので、照明の片寄り現象が無くなり被検査物が凹凸を有するものであっても一方向に強い影が出来ず、良好な画像を得ることができる。

一方、図７に示す線状照明装置においては、２組の照明手段１ａ、１ｂは、照射目的点を通る直線Ｑを軸として線対称で、且つＬＥＤ２ａ、２ｂが背中合わせに配置されている。したがって、基本的には図６の構成と同様の効果を奏する。線対称の軸Ｑに対して狭い角度で照明面１０を照明する場合には、図６のような構成が好ましく、他方、広い角度で照明面１０を照明する場合には、図７のような構成が好ましい。図６、図７のいずれの構成とも、装置全体のサイズはほぼ同じであるので、照明の角度を使い分ける際に選択することができる。

なお、上記実施例は本発明の単に一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を加えても、本願の特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による線状照明装置の光学系配置を説明するための光路図。本実施例による線状照明装置におけるスリットの拡大図であって縦断面図（ａ）及び正面平面図（ｂ）。本実施例による線状照明装置におけるＬＥＤの配光特性を説明するための図であり、（ｂ）はＬＥＤとスリットとの関係を示す概略図、（ａ）は（ｂ）に示すスリット開口長手方向におけるＬＥＤの照度分布を示す図。本実施例による線状照明装置におけるスリット開口に段差を設けた理由を説明するための光路図。本実施例による線状照明装置における光路の詳細図であり、（ａ）はスリット開口近傍の光路を示す図、（ｂ）は照明面近傍における光路を示す図。本発明の他の実施例による線状照明装置の光学系配置を説明するための光路図。図６の変形例による線状照明装置の光学系配置を説明するための光路図。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ…照明手段
２、２ａ、２ｂ…ＬＥＤ
４、４ａ、４ｂ…スリット
４１…開口
４２、４３…長辺
５、５ａ、５ｂ…反射鏡
１０…照明面

Claims

照射目的点を含む線状領域を照明する線状照明装置において、
a)１個のＬＥＤと、
b)該ＬＥＤからの光束の範囲を線状に制限する開口を有する規制板と、
c)該開口の長手方向に対して直交する断面において該開口を一方の焦点とし前記照射目的点を他方の焦点とする楕円曲線の一部で形成されるシリンドリカル凹型反射面を有する反射鏡と、
を備え、前記１個のＬＥＤは、前記開口の長手方向及び短手方向のそれぞれ略中央の軸上に配置され、前記開口は、その長手方向に延伸する両縁端部が前記光束の通過方向に段差を有して形成されていることを特徴とする線状照明装置。
前記ＬＥＤ、規制板、及び反射鏡を１組とする照射手段を複数組有し、それら複数組の照射手段にあって、各規制板の開口の長手方向は同一方向であって且つ前記照射目的点である他方の焦点を共有するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の線状照明装置。
前記照射手段を２組有し、その２組の照射手段に含まれる規制板の開口の長手方向に対して直交する断面において、該２組の照射手段は前記照射目的点を通過する直線を軸として線対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の線状照明装置。