JP4498160B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば工場等において製品等の対象物の観測対象面に光を照射するものであって、その観測対象面の観測に好適に用いられる光照射装置に関する。

従来、例えば製品等の対象物の観測対象面に光を照射して好適な照明環境を作り出したうえで、この観測対象面をＣＣＤカメラ等の撮像手段により撮像し、外観検査や記号読取などの観測を行うシステムが知られている。

このようなシステムの光照射装置は、発光素子として点光源（略点光源）である発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という）などを用い、複数のＬＥＤを一定の密度で並べ設けている光源から照射された光を光拡散手段により拡散させ、拡散光を観測対象面に照射している。すなわち、この光照射装置は、前記光源と観測対象面との間の光路上に光拡散板を設けることにより、光源からの出射光を光拡散板で拡散させ、その拡散光を照射光として観測対象面に照射し、斑の少ない均一な光を対象物の観測対象面に照射するようにしている（特許文献1）。
特開２００３−０９８０９３号公報

ところで、ＬＥＤを密に配置すれば光のムラは小さくなるが、放熱が難しくなり、温度上昇の問題から、限界がある。特に連続して２００ｍＡ以上の電流を流すことの可能なパワーＬＥＤと称される高輝度ＬＥＤでは、熱の問題からＬＥＤ間のピッチを大きくとる必要がある。その結果、光のムラが大きくなるため、光拡散板をＬＥＤから遠ざけて配置するか、あるいは拡散作用の強い例えば分厚い光拡散板を用いる必要が生じる。

しかしながら、前者の場合であると、コンパクト化を図れず、また後者の場合であると、光拡散板での光透過効率が悪くなって、有効に光を観測対象面まで導くことができないといった不都合が生じる。

そこで、本発明は、コンパクト化が可能であって、光量ロスを可及的に抑えることができ、しかも均一な光を観測対象面に照射することができる光照射装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。

本発明の光照射装置は、所定の観測方向から観測される観測対象面に光を照射するものであって、複数の発光素子が第１の方向に沿って等間隔、かつ前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記間隔と異なる間隔または同一間隔で、格子点上に並べ設けられている光源と、その光源から前記観測対象面方向に所定の距離を設定して設けられ、透明な角柱状をなす屈折要素を並行に連ねてシート状に形成した屈折部材とを備え、前記光源から１又は複数枚の屈折部材を介して前記観測対象面に光を照射するよう構成されているとともに、前記観測対象面から前記屈折部材を介して観察される発光素子が虚像により増加し、かつそれら観察される発光素子が正方格子点又は正三角格子点上にほぼ均一に配置されるように構成されている。

このような光照射装置であれば、実際の発光素子の配置密度が低くとも、虚像により増加した発光素子によって、高密度化された発光素子から光が届くの同様に、より均一でよりムラの少ない光を観測対象面に向かって射出することが可能になる。したがって、光拡散板を場合によっては不要にでき、またよしんば光拡散板を介在させるにしても、従来に比べて光源に近づけることができるので、コンパクト化が可能になるうえ、光拡散作用の少ない、すなわちロスの少ない光拡散板を用いて、観測対象面で必要な均一な照度を得ることができる。なお、「ほぼ均一に配置される」とは、本発明の効果を得られる程度を限度として、観察される発光素子が正方格子点又は正三角格子点から若干ずれていても構わないという意味である。

前記光源を前記第１の方向と第２の方向とを直交させて発光素子が並べ設けられたものとし、前記屈折要素を三角柱状をなすものとするとともに、第１の方向と屈折要素の延伸方向とのなす角度が４５度となるように前記屈折部材を配置しているものであれば（請求項２）、観察される発光素子が虚像により倍増し、均一に高密度化されて配置されるので、光の減衰等を可及的に抑えつつ、観測対象面にさらに均一化した光を出射することができる。

このとき特に、その光源を第１の方向と第２の方向とを直交させ、さらにそれら方向に沿った発光素子間の間隔が全て等しく設定されたものとした場合には、従来ある、各発光素子を正方格子点上に配列した光源を変更することなくそのまま用いて、前記のとおり観測対象面にさらに均一化した光を出射することができる。

本発明の光照射装置は、前記光源を前記第１の方向と第２の方向とが直交し、第２の方向に沿った発光素子の間隔が、第１の方向に沿った間隔よりも小さく設定されたものとし、前記屈折要素を横断面台形状をなすものとするとともに、第２の方向と屈折要素の延伸方向とが一致するように前記屈折部材を配置しているものであってもよい（請求項３）。

また、本発明の光照射装置は、所定の観測方向から観測される観測対象面に光を照射するものであって、複数の発光素子が第１の方向に沿って等間隔、かつ前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記間隔と異なる間隔または同一間隔で、格子点上に並べ設けられている光源と、その光源から前記観測対象面方向に所定の距離を設定して設けられ、透明な概略半円柱状をなす屈折要素を並行に連ねてシート状に形成した屈折部材とを備え、前記光源から１又は複数枚の屈折部材を介して前記観測対象面に光を照射するよう構成されているとともに、前記屈折要素の延伸方向が、第２の方向と一致するように前記屈折部材が配置されている（請求項４）。このようなものであれば、屈折部材でのレンズ効果により発光素子が屈折要素の延伸方向と直交する方向に伸長され、隣り合う発光素子が重なって均一なライン光が形成されるとともに、そのライン光が発光素子の第２の方向の間隔に対応して等間隔に形成されるので、光量ロスを可及的に抑えつつ、観測対象面に複数の均一なライン光を出射しうる。

本発明の光照射装置は、複数の屈折部材を、それぞれの屈折要素の延伸方向が互いに異なるように配置しているものであってもよい（請求項５）。

所定の観測方向から観測される観測対象面に光を照射するものであって、複数の発光素子が第１の方向に沿って等間隔、かつ前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記間隔と異なる間隔または同一間隔で、格子点上に並べ設けられている光源と、その光源から前記観測対象面方向に所定の距離を設定して設けられ、透明な角錘状をなす屈折要素を平面的に連ねてシート状に形成した屈折部材とを備え、前記光源から１又は複数枚の屈折部材を介して前記観測対象面に光を照射するよう構成されているとともに、前記観測対象面から前記屈折部材を介して観察される発光素子が虚像により増加し、かつそれら観察される発光素子が正方格子点又は正三角格子点上に均一に配置されるように構成されていてもよい（請求項６）。

また、本発明の光照射装置は、前記屈折部材の観測対象面側に当該屈折部材を透過した光を拡散させる光拡散部材をさらに備えているものであってもよい（請求項７）。この場合、従来に比べ拡散効率の低い光拡散部材を設けることで足りるため、かかる光拡散部材での光の減衰等に起因する光量ロスを可及的に抑えつつ、より均一性の高い照射光を得ることができる。

さらに、本発明の光照射装置における発光素子としては、点光源（概略点光源）であって、その中でも発光ダイオードが好適に用いられる（請求項８）。

しかして、本発明によれば、光量ロスを可及的に抑えつつ、均一な光を観測対象面に照射することができ、コンパクトで質の高い光照射装置を創出することができる。また、観測対象面のどの所望の箇所にあっても照射光を均一にすることができるため、観測対象面をＣＣＤカメラ等で撮像するにあたり、影や観測対象面の光沢による影響などを可及的に抑え、外観検査や記号読取などの観測精度をさらに向上させることができる。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明の第１の実施形態を図１ないし図７に示す。

本実施形態にかかる光照射装置１は、図１に示すように、ケーシング２と、そのケーシング２内に設けられた光源３と、その光源３から観測対象面ＷＦ方向に所定の距離Ｄを設定して設けられた屈折部材４とを備え、光源３から光Ｌを出射し屈折部材４を介して観測対象面ＷＦに後述する均一な光Ｌ１およびＬ２を照射するよう構成されている。

以下、本実施形態にかかる光照射装置１の各部を詳述する。

ケーシング２は、図１に示すように、側壁部２１とその側壁部２１と一体に設けられた底面部２２とを有し、さらに底面部に対向して、ケーシング内部に収容される光源３からの光を観測対象面ＷＦへ出射するための光照射用開口部２３を有している。また、ケーシング２は、黒化処理を施した樹脂等からなるものである。

光源３は、一の基板３０１とその平面同一基板３０１上に設けられた複数の発光素子３０２とを有しており、前記ケーシング２にその基板３０１が固定支持され、ケーシング２内に収容されている。なお、発光素子３０２としては、ＬＥＤや半導体レーザなどを用いることができ、特にＬＥＤ（例えば連続して２００ｍＡ以上の電流を流すことの可能なパワーＬＥＤ等）が好適である。

具体的には光源３は、図７に示すように、複数の発光素子３０２が第１の方向Ｘ（図面の横方向）およびその第１の方向と直交する第２の方向Ｙ（図面の縦方向）に沿ってそれぞれ任意の間隔ｄ１で等間隔に並べられ、したがって発光素子３０２が正方格子点Ｔ１ＡないしＴ１Ｄ上に設けられて構成されている。本発明においてこの間隔ｄ１は、光照射装置１の用途に応じて要求される光量等に基づき、発光素子３０２が適切な密度（基板単位面積あたりの発光素子の数）で配置されるように適宜定めることができる。なお、この説明で用いる縦横及び上下左右の各方向は図面から見た便宜的な方向であって、各部材の絶対的な配置方向を定めるものではない。

屈折部材４は、図１に示すように、光源３と観測対象面ＷＦとの間に、その光入射面４１をケーシング２内に収容された光源３に向け、光出射面４２を観測対象面ＷＦに向けて配置されている。具体的には、屈折部材４は、ケーシング２内に収容された光源３から所定の距離Ｄを設定して、光源３と並行に設けられるとともに、屈折部材の光入射面４１周囲がケーシング２の光照射用開口部２３を形成する側壁部２１の上面２１１に接着され、その光照射用開口部２３を封止するように設けられている。

本実施形態にかかる屈折部材４は、透明な角柱状をなす屈折要素を並行に連ねてシート状に形成されたもので、図２および図３の拡大図に示すように、屈折要素として三角柱状をなすプリズム４０を並行に連ねたプリズムシートである。したがって、屈折部材４は、一の面４４ａが傾斜面で構成され、他の面４４ｂが水平面で構成されている。

各三角柱状をなすプリズム４０は、たとえば頂角４３が９０度で、断面二等辺三角形（直角二等辺三角形）状をなすものである。また、屈折部材４における各三角柱状をなすプリズム４０間の距離いわゆるピッチＰは、５０μｍに設定されている。もっとも、本発明では、頂角４３が９０度以外の角度であっても、また断面が二等辺三角形以外の三角形であっても、ピッチＰが５０μｍ以外のものであってもよい。

ところで、図４の拡大図に示すように、屈折率ｎ１の媒体（空気）５から、屈折率ｎ２の屈折部材４に入射した光Ｌは、その光入射面４１の法線Ｎａに対しθの角度で入射すると、その光入射面４１においてその法線Ｎａを基準にして角度θ１だけ屈折する。他方、そのシート状屈折部材４内を透過してきた光Ｌ２Ａがその光出射面４２の法線Ｎｂに対してθ２の角度で出ていくものとすると、その光は光出射面４２において、その法線Ｎｂを基準にして角度θ３屈折して出射される。

すなわち、一般論として光入射面４１および光出射面４２においては、それぞれ次の式が成立する。
（光入射面）ｎ１ｓｉｎθ＝ｎ２ｓｉｎθ１
（光出射面）ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ１ｓｉｎθ３

したがって、発光素子３０２から垂直に出射される方向の光Ｌをもとに説明すると、本実施形態のように、たとえば屈折率ｎ２が１．５の断面直角二等辺三角形状をなすプリズム４０を連ねて構成される屈折部材４を備えるものにおいては、屈折率ｎ１が１の空気５から前記角度θが４５度の角度で光Ｌが入射して、光入射面４１ではその法線Ｎａに対し前記角度θ１すなわち２８．１２度の方向に屈折し、シート状屈折部材４に入射する。他方、この入射した光Ｌ２Ａはシート状屈折部材４を透過して、光出射面４２から角度θ２すなわち１６．８８度の方向に出ていくとき、光出射面４２において法線Ｎｂを基準にして角度θ３すなわち２５．８２度の方向に屈折して前記シート状屈折部材４から出射される。そして観測対象面側から屈折部材４を介して光源３をみると、光Ｌ２の延長線上に虚像３０２ａおよび３０２ｂのみが、基板に対し少し斜めに互いに対称に傾いて見える。なお、この図４は、理解の簡単のために、屈折部材４を実際よりも大きく記載しており、図５等に示すように、屈折部材４に正対する発光素子３からの光Ｌは、より平行に近いものとなる。

また、こういった光の屈折は、図５の拡大図に示すように、三角柱状をなすプリズム４０において対称的に生ずる。したがって、発光素子３０２から出射された光Ｌは、まず光入射面４１で光Ｌ１ＡおよびＬ２Ａに対称的に二方向に屈折するとともに、光出射面４２で対称的に二方向に屈折して、Ｌ１およびＬ２の対称的な方向の光に分割され出射される。

そこで、こういった屈折部材４の特徴に基づいて、光源から所定の距離Ｄをおいて屈折部材を光源と対向させて構成するとともに、観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が虚像により増加し、かつそれら観察される発光素子が正方格子点上に均一に配置されるように構成している。かかる構成について図６および図７の模式図を参照して説明する。

まず、本実施形態では、図６に示すように、屈折部材４の頂角４３側の一の面４４aと光源３とを対向させ、したがって前記傾斜面が光入射面４１となり、前記水平面が光出射面４２となるように配置されている。また、図７に示すように、光源３における第１の方向Ｘと三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗとのなす角度が４５度となるように配置されている。

そして、本実施形態では、図６および図７に示すように、発光素子３０２から出射された光Ｌが、屈折部材４により屈折して、三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗに対してそれと直交する方向に対称的に二分割されてＬ１およびＬ２として出射され、観測対象面側から屈折部材４を介して光源３を観ると、実際に設けられた位置には発光素子３０２は存在せず、それぞれその実際の位置を中心として、延伸方向Ｗと直交する方向の対称的な位置に発光素子３０２の虚像３０２ａおよび３０２ｂのみが配置されるように構成している。そして、本実施形態では、これらの観察される発光素子３０２Ａが、虚像３０２ａおよび３０２ｂによって実際に設けられている発光素子３０２に対して見かけ上数が倍増して、実際より狭い等間隔に均一に配置されるよう構成している。すなわち、本実施形態では、観察される発光素子３０２Ａが、実際の発光素子３０２よりも高密度化され、かつ正方格子点Ｔ１ａないしＴ１ｄ上に配置されように構成している。なお、図面では説明の便宜を図って、実際の位置の発光素子３０２を破線で現している。

なお、光源３と屈折部材４との間の前記距離Ｄは、発光素子３０２から出射される光Ｌが屈折部材４の光出射面から出射される際の最終的な屈折角度θ３および実際に設けられている発光素子３０２とその虚像３０２ａ（または３０２ｂ）との間隔ｄ２に基づいて、ｔａｎθ３で設定することができる。

しかして、光源３の第１の方向Ｘと三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗとを相対的に所定の角度（４５度）傾けて配置されているものにあっては、観測対象面ＷＦから観察すると、観察される発光素子３０２Ａがその虚像３０２ａおよび３０２ｂによって実際の各発光素子３０２の間の間隔を埋め、高密度化されかつ均一に配置されるので、熱の問題等を発生させることなく、その観察される発光素子３０２Ａの密度で発光素子を基板３０１上に集積した場合と概ね同様の光ムラ減少に係る効果を享受しうる。なお、図４に示すように対をなす虚像３０２ａ、３０２ｂが、基板に対し斜めに傾くため、このことによっても光が拡がり、光ムラの減少が促進される。

また、本実施形態においては、光源３の第１の方向Ｘと三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗとを相対的に４５度傾けているため、第１の方向Ｘおよび第２の方向Ｙの二方向を合成した斜め４５度の位置（延伸方向Ｗと直交する方向の位置）に虚像３０２ａおよび３０２ｂを配置し、その斜め方向において実際の各発光素子３０２の間の間隔を埋め、二方向同時に均一性を高めることができるので、第２の方向Ｙと三角柱状のプリズム４０の延伸方向Ｗとを一致させて屈折部材４を配置している場合に比し、より効率よく均一性を高めることができる。

さらに、この実施形態においては、発光素子３０２を正方格子点Ｔ１ＡないしＴ１Ｄ上に並べた光源３と組み合わせることにより、観察される発光素子３０２Ａを虚像３０２ａおよび３０２ｂによって、実際の発光素子３０２が設けられているものよりさらに短い辺で構成される正方格子Ｔ１ａないしＴ１ｄ上に高密度化することができ、正方格子点上から均一に出射された光Ｌをさらに均一化して観測対象面ＷＦに出射することができる。

以下に再び図１を参照して本実施形態にかかる光照射装置１の作動を簡単に説明する。

本実施形態にかかる光照射装置１は、例えば製品等の対象物（ワーク）ＷＯの観測対象面（ワーク表面）ＷＦの外観検査や記号読取などの観測を行う表面観測システムＳにおいて、表面観測システム用光照射装置として使用され得る。このような表面観測システムＳは、観測対象面（ワーク表面）ＷＦに対し任意の角度から上述の均一な光Ｌ１およびＬ２を照射しうる複数の光照射装置１を配置するとともに、観測方向にＣＣＤカメラ等の撮像手段１０を備えて構成される。

具体的には、図１の表面観測システムＳは、観測対象面ＷＦの真上の鉛直方向に対して対称な位置に、観測対象面ＷＦに上方斜め約４５度から前記の均一な光Ｌ１およびＬ２を照射しうる複数の光照射装置１を配置するとともに、観測方向である観測対象面ＷＦの真上の鉛直方向に観測対象面ＷＦと対向して撮像手段１０を備えている。

この表面観測システムにおいては、まず、観測対象面ＷＦに対向してハの字状に設けられた各光照射装置１から、それぞれ観測対象面ＷＦ対して前記したのような均一な光Ｌ１およびＬ２を照射する。すなわち、各発光素子３０２に電圧を供給し各発光素子３０２から所定波長の光Ｌを出射させ、前記屈折部材４で屈折させて、光量ロスを抑えつつ対称的に二方向に分割し拡散させて、より均一化して観測対象面ＷＦに照射する。

そして、その均一化され、斑のない光Ｌ１およびＬ２の照射により観測対象面ＷＦで生じた反射光ＲＬ等を前記撮像手段１０において取得し、その撮像手段１０における取得データに基づいて、図示しないコンピュータなどの汎用の演算処理装置または専用の演算処理装置により画像処理等の処理を行い、その処理結果を適宜図示しない出力装置に出力することにより、外観検査や記号読取などの観測を可能にする。

次に、本発明にかかる他の実施形態について説明する。なお、これらの他の実施形態においても光照射装置としての基本的な形態および作動は上述のものと同様なので、各実施形態において異なるところを中心に説明し、重複説明を省略する。

第２の実施形態においては、図８に示すように複数の発光素子３０２は、第１の方向Ｘに沿って任意の間隔ｄ１で等間隔に並べられるとともに、その第１の方向と直交する第２の方向Ｙに沿って前記間隔ｄ１より小さい間隔ｄ１１で等間隔に並べられている。したがって、本実施形態の光源３１は発光素子３０２が長方形格子点Ｔ２ＡないしＴ２Ｄ上に設けられて構成されている。

また、本実施形態においても第1の実施形態同様、三角柱状をなすプリズム４０を並行に連ねてシート状にした屈折部材４を（図２および図３参照）、光源３１と並行に、かつ頂角４３を光源３１と対向させて配置している。また本実施形態も、図８に示すように、光源３１における第１の方向Ｘに対して三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗが４５度傾くように屈折部材４を配置するものである。

さらに、観測対象面ＷＦから屈折部材４を介して観察される発光素子３０２Ａが虚像３０２ａおよび３０２ｂにより倍増し、かつそれら観察される発光素子３０２Ａが正方格子点Ｔ２ａないしＴ２ｄ上に均一に配置されるように構成されている。すなわち、観察される発光素子３０２Ａが三角柱状をなすプリズムの延伸方向Ｗと直交する方向（斜め４５度方向）で高密度化され、光源３１において全体的に均一に配置される構成を有している。

しかして、本実施形態のものによっても、熱の問題等を発生させることなく、その観察される発光素子３０２Ａの密度で発光素子３０２を基板３０１上に集積した場合と概ね同様の効果を享受しうる。

ところで、本発明では、ここまでの実施形態のように第１の方向Ｘと三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗとが必ずしも４５度の角度をなすように設ける必要はない。図９の示すように第３の実施形態では、ここまでの実施形態と同様の屈折部材４と、発光素子３０２が並べ設けられる第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとが直交する光源３２とを備え、その第１の方向Ｘと三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗとが直交するように、すなわち第２の方向と並行になるように前記屈折部材４が設けられる例を示す。

本実施形態でも、光源３２から光Ｌで屈折部材４を介して観測対象面ＷＦを照明すると、観測対象面ＷＦから屈折部材４を介して観察される発光素子３０２Ａが虚像３０２ａおよび３０２ｂにより前記延伸方向と直交する方向において増加し、かつそれら観察される発光素子３０２Ａが正方格子点Ｔ３ａないしＴ３ｄ上に均一に配置されるように構成されている。

しかして、実際には発光素子３０２は長方形格子点Ｔ３ＡないしＴ３Ｄ上に配置されているにも関わらず、観察される発光素子３０２Ａは高密度化されかつ正方格子点Ｔ３ａないしＴ３ｄ上に現われるので、光量ロスを抑えつつ、均一に観測対象面ＷＦを照明することができる。したがって、本実施形態においても、熱の問題等を発生させることなく、その観察される発光素子３０２Ａと同じ密度で発光素子３０２を基板３０１上に集積した場合と概ね同様の効果を享受しうる。

第４の実施形態では、観察される発光素子３０２Ａが高密度化され、均一に配置される態様として正三角格子点Ｔ４ａないしＴ４ｃ上に配置される例を示す。

本実施形態では、図１０に示すように光源３３は、発光素子３０２を第１の方向Ｘおよびそれと直交する第２の方向Ｙに並べ、長方形格子点Ｔ４ＡないしＴ４Ｄ上に任意の密度で配設して構成されている。

そしてまた、ここまでの実施形態と同様の三角柱状をなすプリズム４０を連設した屈折部材４を、光源３３と観測対象面ＷＦとの間に並行に配置するとともに、光源３３の第１の方向Ｘと三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗとが１２０度の角度をなすように配置している。

さらに、本実施形態では、前記屈折部材４を介して観察される発光素子３０４は、前記延伸方向Ｗと直交する方向において虚像３０２ａおよび３０２ｂにより増加し、高密度化され、正三角格子点Ｔ４ａないしＴ４ｃ上に配置されるよう構成されている。

しかして、本実施形態においても、観察される発光素子３０２Ａは高密度化され、全体的に均一に配置されるので、光量ロスを抑えつつ、屈折部材４で光源３３から出射された光Ｌをさらに均一化して観測対象面ＷＦに出射することが可能となる。また、本実施形態においても、発光素子３０２を基板３０１上に高集積化した場合と概ね同様の効果を享受しうる。

第５の実施形態では、角柱状をなすプリズム４０による屈折部材４に換えて、図１１に示すように、屈折要素として横断面台形状をなす柱状のプリズム６０を並行に連設した屈折部材６を設けている。したがって、本実施形態にかかる屈折部材６は、一の面６４ａが傾斜面および水平面で構成され、他の面６４ｂが水平面で構成されている。

また、本実施形態における光源３４は、発光素子３０２が第１の方向Ｘに沿って基板３０１上に任意の間隔ｄ１で等間隔に載置され、また第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙに沿って第１の方向の間隔ｄ１より小さい間隔ｄ１１で載置されて構成されている。すなわち、この光源３４は長方形格子点Ｔ５ＡないしＴ５Ｄ上に複数の発光素子３０２を並べて構成されている

ところで、本実施形態における横断面台形状をなすプリズム６０を連設した屈折部材６では、図１２に示すように、発光素子３０２から出射された光Ｌのうちの光入射面６１側および光出射面６２側の水平面に法線方向から入射する光だけはそのまま直進して屈折部材６を透過し光Ｌ３として出射される。他方、それ以外の角度で入射する光は屈折部材６により屈折して、横断面台形状をなす柱状のプリズム６０の延伸方向Ｗに直交する方向に分割されてＬ１およびＬ２として出射される。

そこで本実施形態では、こういった屈折部材６の特徴に基づいて、図１２および図１３に示すように、所定の距離Ｄを設定して光源３４と対向させ、かつ横断面台形状をなす柱状のプリズム６０の延伸方向Ｗと第２の方向とが一致するように屈折部材６を配置し、さらに次のように構成している。なお、三角柱状をなすプリズムを設けた場合同様、いずれの面を光入射面６１として光源３１と対向させてもよいが、ここでは、台形の上底側の面（前記一の面６４ａ）を光源３１と対向させ、光入射面６１とするとともに、前記他の面６４ｂを光出射面６２としている。

すなわち、本実施形態では、観測対象面ＷＦから屈折部材６を介して光源３４を観ると、実際に設けられた発光素子３０２（図上塗りつぶして現す）の位置に発光素子３０２の像が配置され、その位置を中心として、横断面台形状をなす柱状のプリズム６０の延伸方向Ｗに直交する方向の対称的な位置に発光素子３０２の虚像３０２ａおよび３０２ｂが配置されるよう構成している。したがってこれを平面でみれば、それらの像により観察される発光素子３０２Ａでは見かけ上数が増加して、観察される発光素子３０２Ａが実際より狭い等間隔で正方格子点Ｔ５ａないしＴ５ｃ上に配置され、光源３４の全体にわたって均一に現われるように構成している。

そして、光源３４と屈折部材６との間の距離Ｄは、前記実施形態同様発光素子３０２から出射される光が屈折部材６の光出射面６２から出射される際の最終的な屈折角度θ３および実際に設けられている発光素子３０２とその虚像虚像３０２ａ（または３０２ｂ）との間隔ｄ２に基づいて、ｔａｎθ３で設定することができる。

しかして、本実施形態によっても、前記実施形態同様、観測対象面ＷＦから観察すると、観察される発光素子３０２Ａが高密度化されかつ均一に現われるので、光源３４から発生した光Ｌを屈折部材６でさらに均一にして、観測対象面ＷＦに照射することができる。

なお、この第５の実施形態では、横断面台形状をなす柱状のプリズム６０の延伸方向Ｗと発光素子３０２が設けられる第１の方向とが直交するように屈折部材６を配置している例を示したが、本発明においては、その角度を９０度以外の角度に設定して光源３４と観測対象面ＷＦとの間に屈折部材６を設け、屈折部材６を介して観察される発光素子３０２Ａが正方格子点または正三角格子点上に配置されるよう構成することも可能である。

第６の実施形態では、透明な概略半円柱状をなす屈折要素を並行に連ねてシート状に形成した屈折部材を、光源と観測対象面の間に光源と対向させて配置したものを示す。

本実施形態では、図１４に示すように、透明な概略半円柱状をなす屈折要素、すなわち蒲鉾型のレンズ７０を連設して屈折部材７を形成している。この屈折部材７は、いわゆるレンチキュラーレンズで構成される。したがって、本実施形態にかかる屈折部材７は、一の面７４ａが円柱側面のような曲面で構成され、他の面７４ｂが水平面で構成されている。

本実施形態における光源３５は、図１６に示すように、複数の発光素子３０２を第１の方向Ｘおよびそれと異なる第２の方向Ｙに沿って、それぞれ任意の間隔ｄ１およびｄ１１で等間隔に並べて構成される。本実施形態では、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとは直交する関係にあり、前記間隔ｄ１およびｄ１１では、間隔ｄ１１がｄ１小さく設定されている。したがって、各発光素子３０２は、長方形格子点Ｔ６ＡないしＴ６Ｄ上に並べ設けられている。

ところで、かかるレンチキュラーレンズを用いた屈折部材７は、発光素子３０２から出射された光Ｌは、図１５に示すように、屈折部材７でのレンズ効果により、透明な概略半円柱状をなす屈折要素の延伸方向、すなわち蒲鉾型のレンズ７０の延伸方向Ｗにおいて拡散され、光Ｌ１ないしＬ３のように出射される特徴を有している。

そこで、屈折部材７のこういった特徴を利用して、光源３５の各発光素子３０２から出射された光Ｌを蒲鉾型のレンズ７０の延伸方向Ｗと直交する方向において拡散させ、均一なライン光を得るべく、光源３２から所定の距離Ｄをおいて屈折部材７を配置し、次のように構成している。

まず、いずれの面を光入射面７１として配置してもよいが、ここでは図１５に示すように、屈折部材７の前記曲面側の面を光源３２と対向配置し光入射面７１とするとともに、前記水平面を観測対象面ＷＦと対向配置し光出射面７２としている。そしてまた、その配置にあたって、図１６に示すように、屈折部材７は、蒲鉾型のレンズ７０の延伸方向Ｗと光源３５における第２の方向Ｙとが一致し、その延伸方向Ｗと第１の方向Ｘとが９０度をなすようにしている。

さらに、本実施形態では、観測対象面ＷＦから屈折部材７を介して光源３５を観た場合、前記延伸方向Ｗと直交する方向において、観察される発光素子３０２Ａが実際に設けられた発光素子３０２の位置を基準に対称的に拡大伸長されて、隣の観察される発光素子３０２Ａの少なくとも一部と重なり合うように構成している。

しかして、本実施形態のものであれば、観察される発光素子３０２Ａは各発光素子３０２が実際に並べ設けられている間隔ｄ１を埋めるように配置され、隣り合う観察される発光素子３０２Ａどうしが重なって均一なライン光ＬＬ１ないしＬＬ４が形成されるとともに、そのライン光ＬＬ１ないしＬＬ４が発光素子の第２の方向の間隔ｄ１１に対応して等間隔に形成されるので、光量ロスを可及的に抑えつつ、観測対象面ＷＦに複数の均一なライン光ＬＬ１ないしＬＬ４を出射しうる。

なお、こういった透明な概略半円柱状をなす屈折要素を連接した屈折部材を設ける場合にあっても、屈折要素の延伸方向と光源の第１の方向のなす角度を９０度以外の角度に設定して、屈折部材を配置することも可能である。

第７の実施形態では、透明な角錘状をなす屈折要素を平面的に連ねてシート状に形成した屈折部材を備え、光源からこの屈折部材を介して前記観測対象面に光を照射するよう構成されているものの例を示す。

すなわち、図１７に示すように、屈折部材８は、透明な角錘状をなす屈折要素として正四角錘状をなすプリズム８０を平面的に縦および横方向に連ねてシート状に形成されている。したがって、屈折部材８は、一の面８４ａが、四角錘の頂点８３を有する傾斜面で構成され、他の面８４ｂが、水平面で構成されている。そして、屈折部材８の一の面８４ａが光源と対向配置され光入射面８１に設定され、他の面が観測対象面ＷＦと対向配置されて光出射面８２として設定される。

また、本実施形態における光源としては、今まで説明してきたような正方格子点上または長方形格子点上などの種々の格子点上に発光素子を配設したものを適用することができる。

しかして、本実施形態においても、観測対象面から前記屈折部材を介して観察される発光素子が虚像により増加し、高密度化され、かつそれら観察される発光素子が光源全体にわたって正方格子点又は正三角格子点上に均一に配置されるように構成することにより、光源３４から発生した光Ｌを屈折部材６でさらに均一にして、観測対象面ＷＦに照射することができる。

第８の実施形態では、複数の屈折部材を、それぞれの屈折要素の延伸方向が互いに異なるように配置しているものの例を示す。

たとえば、図１８に示すように、図２などに示す三角柱状をなすプリズム４０を連接した屈折部材（プリズムシート）４を２枚重ねて、三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗが直交するように設けている。そして、光源３は、前記第１の実施形態のものと同一のものであるので、ここではその説明を省略する。

ところで、このように三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗを直交させて、屈折部材４を２枚重ねて配置した場合、発光素子３０２から出射された光Ｌは、まず下側（光源３側）の第１の屈折部材４によって屈折して、三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗに直交する方向に分割される。次にその分割された光は、上側（観測対象面ＷＦ側）の第２の屈折部材４によって屈折して三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向Ｗに直交する方向に分割される。

そこで、こういった屈折部材４における特徴を考慮して、図１９に示すように、観測対象面ＷＦからこれらの屈折部材４、４を介して光源３３を観察した場合、実際に設けられた位置には発光素子３０２は存在せず、それぞれその実際の位置を中心として、斜め方向（光源３の第１の方向Ｘと４５度をなす方向）の対称的な位置に発光素子３０２の虚像３０２ａおよび３０２ｂのみが配置されるように構成している。そして、本実施形態では、これらの観察される発光素子３０２Ａが、虚像３０２ａおよび３０２ｂによって実際に設けられている発光素子３０２に対して見かけ上数が倍増して、実際より狭い等間隔に均一に配置されるよう構成している。すなわち、本実施形態では、観察される発光素子３０２Ａが、実際の発光素子３０２よりも高密度化され、かつ正方格子点Ｔ１ａないしＴ１ｄ上に配置されように構成している。

なお、光源３と屈折部材４との間の距離Ｄは、第１の実施形態で説明した場合と同様に設定しうるので、ここでの説明は省略する。

しかして、三角柱状をなすプリズム４０の延伸方向が直交するように屈折部材４を２枚並行に重ねて設けることにより、光源３４から発生した光Ｌを屈折部材６でさらに均一にして、観測対象面ＷＦに照射することができる。

なお、ここでは、２枚の三角柱状をなすプリズム４０による屈折部材４、４を配置する例を示したが、屈折部材としては、それに限られず今まで示した他の屈折部材を複数配置することもできる。また、その数は２以上であっても構わない。さらに、延伸方向Ｗを違える角度も、９０度に限られないのであって、その角度を９０度以外の角度に設定して複数の屈折部材を配置し、観察される発光素子３０２Ａが正方格子点または正三角格子点上に配置されるよう構成することも可能である。

第９の実施形態では、屈折部材の観測対象面側にその屈折部材を透過した光を拡散させる光拡散部材をさらに備えているものを示す。

たとえば、図２０に示すように、三角柱状をなすプリズム４０を連接した屈折部材（プリズムシート）４の光出射面４２に対向させ、光拡散部材としてシート状の光拡散板９をさらに配置している。なお、ここでは、三角柱状をなすプリズム４０の頂角４３側の傾斜面を光入射面４１とし、水平面を光出射面４２としているが、いずれを光入射面または光出射面とし光拡散板９と対向させるかは、任意に設定しうるものである。しかして図２１に示すように、屈折部材４の平面側を光入射面４１とした場合は、光入射面４１にほぼ垂直に光Ｌを照射することで、光入射面４２での屈折を抑えられるので、射出される光Ｌ１、Ｌ２の入射光Ｌに対する角度をより小さくできる。もちろんその角度は、傾斜面の角度を増減して調整してもよい。

光拡散板９としては、光透過性基板の表面にエンボス加工やシボ加工などの凹凸加工等により凹凸を設け、表面をすりガラス面状に構成したものや、その基板表面に白色塗料を隙間を空けて塗布したもの、光透過性基板中に光散乱を生じさせる粒子を含有させたものなど、光散乱を利用して光拡散性を持たせた種々のものを適用すればよい。

本実施形態においても、観察される発光素子３０２Ａが、虚像３０２ａおよび３０２ｂによって実際に設けられている発光素子３０２に対して見かけ上数が倍増して、実際より狭い等間隔に均一に配置され、実際の発光素子３０２よりも高密度化され、かつ正方格子点Ｔ１ａないしＴ１ｄ上に配置されように構成している。したがって、光源３４から発生した光Ｌを屈折部材４でさらに均一にして、屈折部材４から出射される。次いで、本実施形態では、その均一化された光Ｌ１およびＬ２は、光拡散板で散乱しさらに拡散され、均一に出射される。

しかして、まず屈折部材４により光の均一性を高め、その後光拡散板９を通して拡散光として照射するようにしているので、発光素子３０２から出射された光を直接光拡散板９で拡散させるものに比べより光減衰率が低い光拡散板９を設けることができる。したがって、かかる光拡散板９での光量ロスを可及的に抑えつつ、光強度に優れ均一性の高い光Ｌ１およびＬ２を観測対象面ＷＦへ照射することができる。

なお、三角柱状をなす屈折要素を連設した屈折部材でなくとも、ここまで説明してきた他の屈折要素を用いた屈折部材と光拡散部材とを組み合わされて配置することも可能である。

その他本発明は、上記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

以上の実施形態では、光源がそれぞれ正方または長方形格子点上に配置されている例を示しているが、光源は発光素子がそれら以外の格子点上に設けているものであってもよい。すなわち、発光素子を三角形格子点上などに配設しているものであってもよい。

さらに、任意の密度で長方形格子点上に発光素子を並べる場合であっても、第１の方向または第２の方向のいずれを長辺または短辺とするかは、相対的なものである。したがって、特に前記実施形態に示すように必ずしも第１の方向を長辺にし、また第２の方向を短辺に設定せずとも、その逆に設定し、縦長の長方形格子点上に集積してもかまわない。

また、屈折要素を並行に連ねた、いずれの屈折部材にあっても、そのピッチおよびその屈折要素の形状等は、観察される発光素子が正方格子もしくは正三角格子点上に配置され、または隣り合う観察される発光素子の少なくとも一部が重なり合い、全体的に均一に配置され、または均一なライン光を得られるよう最適に設定すればよい。

本発明の光照射装置では、観測対象面に対し任意の角度から均一な光を照射しうるので、さらにハーフミラー等の同軸観察手段を前記ケーシング２内に設け、光照射方向と観測方向とを同一方向に構成し、同軸型表面観測システム用光照明装置として用いることもできる。

そして、本発明のいずれの実施形態によっても、屈折部材における光の屈折を利用し光を拡散させて、光源で発生させた光よりも、さらに均一な光を観測対象面に照射することができ、光量ロスをも可及的に抑えた質の高い光照射装置を実現することができる。

したがって、本発明の光照射承知を表面観測システム用光照明装置として用いた場合にあっては、観測対象面をＣＣＤカメラ等で撮像するにあたり、影による影響や、観測対象面の光沢影響などを可及的に抑え外観検査や記号読取などの観測精度をさらに向上せしめることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる光照射装置の構造を示す断面図。 同実施形態にかかる光照射装置の屈折部材を示す拡大側面図。 同実施形態にかかる光照射装置の屈折部材を示す拡大斜視図。 同実施形態にかかる光照射装置の屈折部材における光の屈折を説明する模式図。 同実施形態にかかる光照射装置の屈折部材における光の屈折および拡散を説明する模式図。 同実施形態にかかる光照射装置において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が均一に配置される構成を説明する模式図。 同実施形態にかかる光照射装置において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第２の実施形態において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が正方格子点上に均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第３の実施形態において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が正方格子点上に均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第４の実施形態において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が正三角格子点上に均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第５の実施形態にかかる光照射装置の屈折部材を示す拡大側面図。 同実施形態にかかる光照射装置において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が均一に配置される構成を説明する模式図。 同実施形態において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が正方格子点上に均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第６の実施形態にかかる光照射装置の屈折部材を示す拡大側面図。 同実施形態にかかる光照射装置において光源と屈折部材との配置関係を示すとともに屈折部材による光の拡散を説明する模式図。 同実施形態において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が正方格子点上に均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第７の実施形態にかかる光照射装置の屈折部材を示す拡大側面図。 本発明の第８の実施形態にかかる光照射装置の屈折部材を示す拡大側面図。 同実施形態において観測対象面から屈折部材を介して観察される発光素子が正方格子点上に均一に配置される構成を説明する模式図。 本発明の第９の実施形態にかかる光照射装置の屈折部材および光拡散板を示す拡大側面図。 同実施形態における屈折部材での光の屈折および拡散を説明する模式図。

符号の説明

１・・・光照射装置
３・・・光源
３０２・・・発光素子
３０２Ａ・・・観察される発光素子
３０２ａ、３０２ｂ・・・虚像
４・・・屈折部材
４０・・・屈折要素
Ｄ・・・距離
Ｌ（Ｌ１、Ｌ２）・・・光
Ｔ１Ａ〜Ｔ１Ｄ、Ｔ４Ａ〜Ｔ４Ｄ・・・格子点
ＷＦ、・・・観測対象面
Ｘ・・・第１の方向
Ｙ・・・第２の方向

Claims (5)

1. 所定の観測方向から観測される観測対象面に光を照射するものであって、
   複数の発光素子が第１の方向に沿って等間隔、かつ前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って前記間隔と異なる間隔または同一間隔で、格子点上に並べ設けられている光源と、
   その光源から前記観測対象面方向に所定の距離を設定して設けられ、透明な角柱状をなす屈折要素を並行に連ねてシート状に形成した屈折部材とを備え、
   前記光源から１枚だけの屈折部材を介して前記観測対象面に光を照射するよう構成されているとともに、
   前記観測対象面から前記屈折部材を介して観察される発光素子が虚像により増加し、かつそれら観察される発光素子が正方格子点又は正三角格子点上にほぼ均一に配置されるように構成されていることを特徴とする光照射装置。
   
2. 前記光源を前記第１の方向と第２の方向とを直交させて発光素子が並べ設けられたものとし、
   前記屈折要素を三角柱状をなすものとするとともに、
   第１の方向と屈折要素の延伸方向とのなす角度が４５度となるように前記屈折部材を配置している請求項１記載の光照射装置。
3. 前記光源を前記第１の方向と第２の方向とが直交し、第２の方向に沿った発光素子の間隔が、第１の方向に沿った間隔よりも小さく設定されたものとし、
   前記屈折要素を横断面台形状をなすものとするとともに、第２の方向と屈折要素の延伸方向とが一致するように前記屈折部材を配置している請求項１記載の光照射装置。
4. 前記屈折部材の観測対象面側に配置されて当該屈折部材を透過した光を拡散させる光拡散部材をさらに備えている請求項１ないし３のいずれかに記載の光照射装置。
5. 前記発光素子が発光ダイオードで構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の光照射装置。