JP5225799B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
発明者らは、このようなLEDの特性を利用した照明装置を開発し、画像測定機や光学顕微鏡等の光学測定機の照明に適用している(例えば、特許文献1参照)。
このような照明装置を備えることで、光学測定機は、光軸と所定角度で交差する方向に照明光を照射し、この照明光の進行方向にあるワークを照明するとともに、ワークを反射する光のうちの光軸方向に進行する反射光によってワークの観察を行う斜め照明、いわゆるリング照明を構成している。
照明装置の光量を増加させる手段として、まず、従来よりも高い輝度のLEDを採用することが挙げられるが、LEDからの発熱量が従来のものよりも多くなってしまう。次に、複数のLED素子を従来よりも密集して配列させ、LEDの集積度を高めることが挙げられるが、この場合にも照明装置からの発熱量が多くなってしまう。照明装置が従来の放熱特性のままで、LEDまたは照明装置からの発熱量だけが多くなると、照明装置の温度が上昇し、LEDの寿命の低下や、LEDの発光効率の低下といったLED自体への影響が生じてしまう。また、照明装置の温度上昇により、照明装置が取り付けられる光学測定機などの温度も上昇するため、測定精度が低下してしまうという問題が生じる。
このように、発光ダイオードを光源とする光源モジュールにおいて、光源モジュールの放熱効果が向上されるので、発光ダイオードの光量を増加させても光源モジュール自体の温度上昇を抑制することができ、発光ダイオードの寿命の低下や、発光ダイオードの発光効率の低下といった発光ダイオード自体に与える影響を抑えることができる。従って、従来よりも光源モジュールの照明光の明るさを向上させることができる。
また、複数の発光ダイオードからの出射光の指向性を高めるためにレンズアレイを配置し、レンズアレイを基板とともにフレームに固定することで、基板とフレームとレンズアレイとを有する光源のモジュール化を容易に達成することができる。さらに、基板やレンズアレイ以外の光学部品などを光源モジュールに付加させる際にも、フレームを共通の支持手段として使用することにより、光源モジュールの小型化を図ることができる。
また、本発明の照明装置では、放熱効果に優れた上記光源モジュールを光軸の周囲に沿ってリング状に配列して照明装置を構成したので、光源モジュールの照明光の光量を増加させても照明装置自体の温度上昇を抑制することができる。このような照明装置を例えば光学測定機などの照明として使用すれば、光学測定機などの温度上昇も抑制することができ、測定精度を維持することができる。
ここで、複数の光源モジュールを用いるとともに、各光源モジュールを個別に駆動制御できる制御手段を備えてもよい。これによって、各光源モジュールから照射される照明光の光量を個別に制御することができる。
なお、ここで、「光軸の周囲に沿ってリング状に配列」とは、光軸を中心とする円環状や三角形、四角形または五角形以上の多角形状の配列を含む。また、光軸の周囲に沿った楕円形状や長円形状の配列も含まれる。
さらに、ケースには、仕切板、吸気口および排気口が設けられるとともに、前記吸気口から外部空気を吸入し、かつ、前記内部空間内の空気を前記排気口から排出するファンを設けたので、このケース内部に収納されたファンによって、ケース内に吸気口から外部の空気が取り込まれ、ケース内の空気が排気口から排出される。このようなケース内の空気の循環によって、発生熱を外部へ効率よく排熱することができ、照明装置の放熱性能が向上され、ケース内部の温度上昇を抑制することができる。
この構成によれば、発光ダイオードおよび基板の発生熱が、フレームを構成する板状部材の表面に形成された放熱用のフィンから放熱される。この際、板状部材における発光ダイオード側とは反対側の面は、発光ダイオード側の面よりも低温となるので、この反対側の面にフィンを形成することで、フレームが吸収した熱が効率よくフィンから外部に放出され、光源モジュールの放熱性能が向上される。
この構成によれば、金属製の基材に、絶縁層および外層回路を順番に積層させて基板を多層基板として構成するので、基板を効率よく製造することができるとともに、基板の薄型化を図ることができる。
この構成によれば、異なる発光色を有する発光ダイオードから出射された出射光が、その前方に配置した合成手段によって所定の色合いの照明光に合成されるため、合成手段によって予め所定の色合いに合成された照明光が照射され、被測定物の表面色に応じた均一な色合いの照明光を照射することができる。従って、光学系により得られる像のコントラストが強調され、被測定物のエッジ等を検出する精度の向上を十分に図ることができる。
ここで、合成手段の例としては、光の波長に応じて、その光を透過または反射する特性を有したダイクロイックミラー(以降、DCMと示す)を挙げることができる。DCMの場合、発光ダイオードから出射された互いに異なる発光色を有する出射光を選択的に反射または透過することが可能で、発光色の異なる出射光を合成し、所定の色合いを有する照明光を生成することが容易となる。
図1は、対物レンズ2に取り付けられて被測定物(以降、ワークWと呼ぶ。)に照明光L1を照射している状態のリング照明装置1の縦断面図である。
図1において、リング照明装置1は、図示しない画像測定装置の測定台3上のワークWを照らす照明に用いられる照明装置であり、画像測定装置等の拡大光学系である対物レンズ2に取り付けられている。画像測定装置は、図示しない駆動装置によって、測定台3を水平面内の直交二軸方向、すなわち、図1中の左右方向および紙面に垂直な前後方向に駆動制御し、また、対物レンズ2を鉛直方向、すなわち、図1中の上下方向に駆動制御する。このように、水平面内の直交二軸方向における測定台3の位置決めを実行することで、ワークWの位置を対物レンズ2の光軸P上となる位置に調整することができる。また、鉛直方向における対物レンズ2の位置決めを実行することで、ワークWに対する対物レンズ2の合焦位置を調節することできる。
この際、リング照明装置1は、対物レンズ2に取り付けられているので、ワークWとの距離(作動距離)に応じた照明角度θ1でワークWに照明光L1を照射するようになっている。ここで、対物レンズ2の光軸Pは、本発明の光学系の光軸に相当する。
光源モジュール20は、光源としての複数の発光ダイオード(以降、LED21と呼ぶ。)と、LED21を実装するとともに金属製(例えば、アルミニウム製)の基材221を有する基板22と、光源モジュール20の枠材としての金属製(例えば、アルミニウム製)のフレーム23と、LED21の出射光L2(図1参照)の指向性を向上させるためのレンズアレイ24と、合成手段としてのミラー群25とを有して構成されている。
LED21は、基板22に形成された図示しない制御回路に接続され、基板22を介して電源の供給を受ける。
外層回路223には、3色のLED21R,21G,21Bが実装されるとともに、各LED21を駆動制御する制御回路が形成されている。LED21を駆動する際に、LED21および外層回路223から発生する熱は、金属製の基材221に伝わり、基材221の裏側表面、すなわち、LED21の実装面とは反対側の基板22の他方の表面S2から放出される。この基材221は、基板22の発生熱を放熱する機能を有する。
フレーム23は、リング照明装置1のケース本体13(図1参照)に固定されるとともに、基板22、レンズアレイ24、ミラー群25を支持するためのものである。なお、フレーム23は、基材221に直に接した状態で基板22を支持している。
また、フレーム23は、コ字状に一体形成された3つの片部231,232,233を有する。すなわち、フレーム23は、基板22の一方の第2辺22Bに沿って配置された第1片部231と、基板22の第1辺22Aに沿って配置された第2片部232と、基板22の他方の第2辺22Bに沿って形成された第3片部233とを有する。3つの片部231,232,233は、基板22の一方の表面S1よりLED21側に設けられ、かつ、一方の表面S1の略垂直方向に延設された板状部材である。
前述の基板22での発生熱については、その一部が、基材221から直接、フレーム23に伝わり、フィン234から放出される。すなわち、フィン234は、基板22からの発生熱およびLED21からの発生熱を吸収して外部に放出するために設けられている。このように、フレーム23は、光源モジュール20のヒートシンク(以降、放熱板と示す。)を構成している。
緑色LED21Gおよび青色LED21Bから出射された出射光L2が入射する2枚目のミラー252および3枚目のミラー253はそれぞれ、ダイクロイックミラー(以降、DCMと示す。)であり、所定の波長より短い波長の光を反射し、当該所定の波長より長い波長の光を透過する特性、または所定の波長より短い波長の光を透過し、当該所定の波長より長い波長の光を反射する特性を有している。すなわち、2枚目のミラー252および3枚目のミラー253は、光の波長に応じた反射から透過、または、透過から反射の特性移行の回数が所定の波長における1回のみのDCMである。このようなDCMを用いることで、各LED21から出射された3色の発光色を有する出射光L2を選択的に反射または透過することが可能で、3種類の出射光L2を合成し、所定の色合いを有する照明光L1(図1参照)を生成することが容易となる。
3枚目のミラー253は、2枚目のミラー252を透過した赤色の出射光L2および2枚目のミラー252で反射された緑色の出射光L2を透過し、青色LED21Bから出射された赤色や緑色の出射光L2よりも波長の短い青色の出射光L2を、1枚目のミラー251で反射された赤色の出射光L2および2枚目のミラー252で反射された緑色の出射光L2と同じ向きへ反射するように設置されている。このため、3枚目のミラー253で透過された赤色および緑色の出射光L2と、3枚目のミラー253で反射された青色の出射光L2とが、合成して照明光L1となる。照明光L1の進行方向は、基板22における赤色LED21Rから青色LED21Bへの向きと同一の向きである。
ケース本体13には、図5に示すように、光軸P周りに4つの光源モジュール20がリング状に配置されている。4つの光源モジュール20は、LED21が実装された基板22の一方の表面S1(図2参照)が内方を向く姿勢で配置されている。なお、リング照明装置1は、4つの光源モジュール20を個別に駆動制御できる図示しない制御手段を備えており、各光源モジュール20から照射される照明光L1の光量が個別に制御される。
また、図1に戻って、光源モジュール20は、合成された照明光L1の進行方向が光軸Pと略平行となるように配置されている。光源モジュール20から発せられる照明光L1は、ケース本体13のスリット15を通過して、照明光L1の進行方向の前方に設置された反射鏡30に入射される。
第1反射鏡31は、金属製の反射鏡本体からなり、スリット15を通過した照明光L1を、光軸Pから離れる方向へ反射する、鏡面仕上げされた第1反射面311を備えている。第1反射鏡31は、ケース本体13の下面に取り付けられている。
このため、第2反射面321は、光軸Pに沿った断面方向に関して、光軸Pから離れる方向に窪んだ凹状の曲率を有した曲面状に形成されている。具体的には、第2反射面321の光軸Pに沿った断面形状は、放物線となっており、第2反射鏡32は、放物ミラーを構成している。
また、第2反射面321は、光軸Pと略直交する断面方向に関しても、第1反射面311を反射した照明光L1をワークWの方向へ集光させるために、光軸Pから離れる方向に窪んだ凹状の曲率を有した曲面状に形成されている。
ケース10は、光軸Pを中心とするリング状に形成され、4つの光源モジュール20を収納する内部空間を有する。この内部空間には、さらに3つのファン40が収納されている。また、内部空間を仕切る仕切板50が設けられている。
仕切板50は、4つの光源モジュール20のうちの隣り合う任意の2つの光源モジュール20間に配置されている。3つのファン40は、仕切板50が配置されていない光源モジュール20間にそれぞれ1つずつ配置されている。そして、仕切板50によって仕切られた内部空間に連通する吸気口141および排気口142が、当該仕切板50を挟む位置であるカバー14の外周面にそれぞれ形成されている。3つのファン40を駆動制御する図示しない制御手段が設けられ、制御手段によって各ファン40を駆動すると、吸気口141から外部空気が吸入され、内部空間内の空気が排気口142から排出されるようになっている。
先ず、ワークWの大きさや形状、測定範囲に応じて設定される合焦位置に対物レンズ2を位置調整し、リング照明装置1を対物レンズ2に取り付ける。
ワークWの色合いに応じて、照明光L1の色合いを調節するには、光源として配列されたR,G,B各色のLED21のうち、適切な色のLED21を選択し、点灯または消灯制御を行う。すなわち、R,G,B各色のLED21を全て点灯すれば、ミラー群25によって合成される照明光L1は白色となり、いずれか1色のみを点灯すれば、当該1色の照明光L1となる。また、R,G,B各色のLED21のうち、いずれか2色を選択し点灯すれば、当該選択された2色が合成された照明光L1となる。さらに、選択したいずれかのLED21を部分的に点灯または消灯すれば、中間色の照明光L1を合成することもできる。
発光ダイオード(LED)21を実装する外層回路223は、アルミニウム製の基材221に積層されているので、LED21および外層回路223にて発生する熱は、基材221に伝わって、LED21の実装面とは反対側の表面、すなわち、基板22の他方の表面S2から外部に放熱される。また、基板22の一方の表面S1の周縁に沿って、アルミニウム製のフレーム23を取り付けたので、発生熱の一部が、基材221からフレーム23に伝わって、フレーム23のフィン234から外部に効率的に放熱される。さらに、フレーム23を一方の表面S1よりもLED21側に設けたので、実装された全てのLED21がフレーム23に囲まれた状態となり、LED21にて発生する熱がフレーム23に伝わって、フレーム23のフィン234から外部に放熱される。また、R,G,B各色のLED21毎に所定の駆動電流にて点灯させることで所望の照度及び色合いの照明光L1を合成することができる。
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
(1)光源モジュール20の放熱効果が向上されるので、LED21の光量を増加させても光源モジュール20自体の温度上昇を抑制することができ、LED21の寿命の低下や、LED21の発光効率の低下といったLED21自体に与える影響を抑えることができる。従って、従来よりも光源モジュール20の照明光の明るさを向上できる。
一方、従来の光量を維持することが条件の場合には、LED21として高輝度LEDを用いることで、LED21の数量を削減でき、光源モジュール20の小型化を図ることができる。
なお、LED21として従来のLEDを用いる場合であっても、LED21の集積度を向上させることで、照明光L1の光量を増加させることができる。
(8)ケース10のリング状の内部空間に4つの光源モジュール20を収納したので、光源モジュール20からの照明光L1が外部に漏れることを防ぐことができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述の各実施形態では、画像測定装置に用いられるリング照明装置について説明を行ったが、測定顕微鏡、工具顕微鏡、投影機、三次元画像測定機等に用いてもよい。なお、本発明の光源モジュールは、リング照明装置以外の照明装置に適用してもよい。
前述の各実施形態では、リング照明装置を対物レンズに取り付けたが、これに限らず、測定装置等の本体や測定台に取り付けてもよく、また、これらの測定装置等とは別にリング測定装置を支持する部材を設け、この部材に取り付けてもよい。
また、前記実施形態では、フィンを有するフレームについて説明したが、フィンのない金属製のフレームであっても、金属製のフレーム自体が、表面からの放熱によって、発生熱を放出するので、本発明の効果を奏することができる。
なお、合成手段としては、ミラー群に限らず、プリズムなどを利用してもよい。
また、前記実施形態では、光源モジュールをケース本体に取り付ける際、光源モジュールの基板の実装面が光軸に平行となる姿勢(縦姿勢)で取り付けられているが、これに限らず、当該実装面が光軸に垂直となる姿勢(横姿勢)で取り付けられてもよい。
R,G,B各色のLEDの配列は、前述の各実施形態で示した順に限らず、異なった配列としてもよく、その際、R,G,B各色のLEDの配列に応じた、反射または透過の特性を有するDCMを使用することができる。
R,G,B各色のLEDに加えて、白色のLEDを用いてもよい。この場合、光源モジュールは合成手段を備えていなくてもよく、LEDからの出射光を照明光として集光手段に入射させてもよい。
10…ケース
20,20A…光源モジュール
21…発光ダイオード(LED)
22,22C…基板
23…フレーム
24…レンズアレイ
25…ミラー群(合成手段)
30…反射鏡(集光手段)
40…ファン
141…吸気口
142…排気口
221,221A…基材
222…絶縁層
223…外層回路
231…第1片部(板状部材)
232…第2片部(板状部材)
233…第3片部(板状部材)
234…フィン
241…集光レンズ
L1…照明光
L2…出射光
P…光軸
S1…一方の表面(一方の面)
T1…反対側の表面(反対側の面)。
Claims (4)
- 光学系の光軸を中心とするリング状の内部空間を有するケースと、このケースの内部空間に前記光学系の光軸の周囲に沿ってリング状に配列された複数の光源モジュールと、 前記光源モジュールから照射される照明光の進行方向の前方に配置され、当該照明光を前記光軸に沿った所定の位置に集光する集光手段とを備え、
前記各光源モジュールは、金属製の基材を有する基板と、前記基板の一方の面に実装される複数の発光ダイオードと、前記基板の一方の面の周縁に沿って当該一方の面よりも前記発光ダイオード側に設けられるとともに、前記発光ダイオードおよび前記基板にて発生する熱を吸収して外部に放出する金属製のフレームと、前記基板の一方の面に対向して、かつ、複数の前記発光ダイオードと所定の間隔を離して前記フレームに固定されるとともに、前記各発光ダイオードに対応して配列された複数の集光レンズを有するレンズアレイとを備え、
前記ケースには、前記リング状の内部空間を仕切る仕切板が設けられるとともに、この仕切板で仕切られた内部空間に連通する吸気口および排気口が前記仕切板を挟んで配置され、更に、前記吸気口から外部空気を吸入し、かつ、前記内部空間内の空気を前記排気口から排出するファンが収納されている、
ことを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置において、
前記フレームは、前記一方の面の周縁から当該一方の面の略垂直方向に延設された板状部材によって構成され、
前記板状部材の前記発光ダイオード側とは反対側の面には、放熱用のフィンが形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項1または請求項2に記載の照明装置において、
前記基板は、前記基材と、
前記発光ダイオードを実装する外層回路と、
前記基材および前記外層回路の間に介在される絶縁層とを有して構成されることを特徴とする照明装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の照明装置において、
複数の前記発光ダイオードは、互いに異なる発光色を有する少なくとも2種類から構成され、
前記発光ダイオードの発光方向前方には、当該発光ダイオードから出射されて互いに異なる発光色を有する出射光を合成して照明光を生成する合成手段が設けられることを特徴とする照明装置。
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