JP5310359B2 - 光源装置 - Google Patents
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Description
この検査装置は、放電ランプから照射された光をライトガイドで照射位置まで伝送し、その光出射端から照射させて検査対象物を照明しながら、その画像をCCDカメラ等の撮像装置で取り込んで所定の画像処理及び画像解析を行うことにより、対象物の良否判定を行っている。また、照明された検査対象物を人が検査する目視検査にも使用される。
すなわち、ランプ電力が高いメタルハライドランプは電極間距離が長いため放電ランプの輝点が大きくなってしまい、これを第二焦点に点状に集光することができないことから一部がライトガイド有効径の外側に漏洩してしまい、特に、ライトガイドの有効径が小さくなればなるほど損失が大きくなるという問題があった。これは、メタルハライドランプにおいて、ランプ電力を高くすることによる明るさ向上に限界がある事を示唆している。
しかしながら、光入射端面有効径が細いφ5mm以下のライトガイドを接続した場合に、光源として電極間距離の初期値が2〜2.5mm程度のメタルハライドランプ(定格230W)を使用した場合、ランプの累積点灯時間が経つにつれ電極が放電磨耗して変形するため、ライトガイド光入射端面の有効径より小さい範囲に集光することができなくなって入射効率が落ち、その結果、照度維持率が悪くなる傾向にある。
具体的には、電極間距離が1〜1.5mmと現在使用されているメタルハライドランプよりも短い90W直流型超高圧水銀ランプを試作し、ライトガイドの有効径より小さい範囲に集光することができるようにして、光利用率を向上させ、ライトガイド光入射端面に効率良く光を入射させるようにした。
そして、このような電極間距離の短い直流型超高圧水銀ランプを使用すれば、ランプへの給電回路が小型になり、且つ、ランプからの発生熱量も抑えられ、装置本体の小型化が可能となる。
図8は、このときのライトガイド入射端面位置における光強度分布を示し、に示すように、光強度最大値を100%としたときの相対値で、10%刻みの強度分布範囲を表している。
ライトガイド25の有効径の範囲25aの円内において、中心近傍が明るく、周辺が暗いことがわかる。ランプユニットのバラツキを考慮し、ランプユニットの試料数を増やして同様の計測を行っても、概ねこの傾向が観察できた。
また、ライトガイド25の入射端面25inを第二焦点f2から光軸Zに沿って前後方向に移動させても、ランプユニット24に中抜け部分があるため、光用度分布のムラを解消することはできない。
ライトガイド25として、光ファイバ素線を並行配列したバンドルファイバを用いる場合は入射端における光強度分布のムラがそのまま出射端における出射光の光強度分布のムラとなるため、図7の光学系では、光源装置21に接続されたライトガイド25から出射される光にもムラが生じることになる。
しかしながら、光源からの照明光を効率良く、損失無く、均等にという条件を満たすためには、ライトガイド光学繊維束と光源との間に配置する光学反射体の全長を長くする必要があり、本発明の目的の一つである小型な光源装置を提供することができない。
前記放電ランプは、発光点先端側が前記反射鏡の第一焦点に位置され、
前記ライトガイド挿通支持孔には、所定の有効径を有するライトガイドの入射端面を前記反射鏡の第二焦点から予め設定された距離だけ離れた位置に位置決めする入射基準面が設定され、
前記第二焦点と入射基準面の間に、第二焦点を通過して発散する光を光軸に沿う方向に屈折させる球レンズが配され,
当該球レンズは、前記入射基準面に、放電ランプの発光点先端側から照射された光で中央部分の光強度が低い光強度分布の光像を形成すると共に、放電ランプの発光点後端側から照射された光で前記中央部分の光強度が高い光強度分布の光像を形成する位置に配されたことを特徴としている。
また、請求項2及び3の発明のように、前記放電ランプの電極間距離が1.5mm以下であり、球レンズの直径D、第二焦点から球レンズまでの距離d1、球レンズからライトガイド入射端までの距離d2が、以下の式1〜式3を満たすようにしてもよい。
(式1) sin−1{2d(n−1)/(nD)}≦α
(式2) 0.05D≦d1tanα≦0.2D
(式3) 0.15d≦d2≦d
d:ライトガイドの有効径
n:球レンズの屈折率
α:マージナル光線と光軸との角度
さらに、請求項4の発明のように前記球レンズの一部或いは全体に反射防止膜を施し、請求項5の発明のように前記球レンズの一部或いは全体に紫外線と赤外線を反射する膜を施し、請求項6の発明のように前記球レンズの一部或いは全体に波長選択膜を施してもよい。
発散光束は、凸レンズである球レンズを透過することによって、光軸に沿う方向に屈折されるので、ライトガイドの有効径外に漏洩する光が少なくなり、光の利用効率が向上する。
ここで、第一焦点から発した光だけを考えた場合、入射基準面において中央部に光強度の低いいわゆる中抜部分が形成されるが、放電ランプ発光点は理想的な点ではなく電極間距離に応じた長さと幅を有する楕円球状の輝点と考えられる。
このため、第一焦点から外れた部分から照射された光は、第二焦点に集光されず、これが中抜部分を照射して全体の光強度分布を均一化するものと考えられる。
請求項5の発明によれば球レンズの一部或いは全体に紫外線と赤外線を反射する膜を施すことにより、ライトガイド入射端面の紫外線劣化及び熱損傷を回避することができる。
請求項6の発明によれば球レンズの一部或いは全体に波長選択膜を施すことにより、必要な波長の光のみを分離してライトガイドから選択的に出射させることができる。
また、この場合に、電極間に生ずるアークの発光点は、放電ランプの先端側、すなわち陰極先端部近傍が最も明るいため、その部分が第一焦点f1に一致するように配されている。
また、本例では、ライトガイド5は、ジャケットを含めた外径が10mm、光伝送路の有効径が5mmのバンドルファイバが用いられている。
球レンズ8は、光学ガラス(BK7、屈折率n=1.517)で形成され、その表面の一部あるいは全体には、必要に応じて反射防止膜、紫外線反射膜、赤外線反射膜、波長選択膜が施されている。
反射防止膜は光利用効率をさらに向上させたい場合に有効であり、紫外線反射膜及び赤外線反射膜はライトガイド入射端面の紫外線劣化及び熱損傷の回避に有効である。また、波長選択膜は所望する任意の波長の光のみを分離してライトガイドから選択的に出射することができる。
(式1) sin−1{2d(n−1)/(nD)}≦α
(式2) 0.05D≦d1tanα≦0.2D
(式3) 0.15d≦d2≦d
d:ライトガイドの有効径
n:球レンズの屈折率
α:マージナル光線と光軸との角度
を満たす位置に配されている。
マージナル光線LMは、第二焦点に集光される光線のうち、反射鏡2の有効反射領域の最大外径部分で反射された光をいうものとする。
式1は、図2に示すように、ライトガイド5側から球レンズ8にライトガイド5の有効径dに等しい平行光束を入射させたときに、収差を無視して球レンズ8の焦点f7に集光する光の角度(球レンズ8の開口角)γがマージナル角α以下と規定したものである。
球レンズ径D,屈折率n、平行光束径dとしたときの、球レンズの開口NAは式4で表される。
(式4) NA=2d(n−1)/(nD)
このとき、開口角γは式5で表され、
(式5)γ=sin−1{2d(n−1)/(nD)}
開口角γ≦マージナル角αから式1が導き出せる。
したがって、使用するライトガイド5の有効径d、使用する反射鏡2の内面形状から算出されるα、球レンズ8の屈折率nが既知であれば、球レンズ8の直径Dを変数として数式1を満たすように球レンズ径Dを選定すればよい。
図3に示すように、光軸Zと球レンズ8と接し光軸7に直交する垂直面SVにおけるマージナル光線LMの高さhは、
(式6)h=d1tanα
で表され、その高さhが球レンズ径Dの0.05〜0.2倍の範囲であるように、球レンズ8を光軸Z上に配置すればよい。
すなわち、各変数(α、d1、D)を変えながら入射基準面Sにおける光強度分布をシミュレーションし、良好な光強度分布が得られる場合と得られない場合を、図4に示すようにグラフ上にプロットした。
その結果、h=0.2Dの直線と、h=0.05Dの直線で挟まれた部分では、良好な光強度分布が得られた。ここで、光強度分布が良好であるか否かは、図5に示すように、ライトガイド5の有効径dの領域5a内に、最大光強度を100%としたときに80%未満の領域が存在せず、且つ、90%以上の領域が1/3以上の面積を占めているか否かを条件として判断した。
また、h=0.2Dの直線より上の部分と、h=0.05Dの直線より下の部分では良好な光強度分布が得られず、例えば、図8に示すように、周辺に光強度60〜80%の暗い領域が形成されることが観察された。
距離d2の上限値を有効径dに等しくしたのは、これ以上長くしたときに、式2のときと同様、入射基準面Sにおいて良好な光強度分布が得られなかったからである。
また、下限値を0.15dとしたのは光学的要請ではなく、組立容易性などの見地からである。
すなわち、光学的にはd2=0としても問題ないが、この場合、ライトガイド5の光入射面5inが球レンズ8に接触するため、傷付き易くなるだけでなく、設計公差あるいは熱膨張により無理な応力がレンズに加わる可能性がある。
そこで、実用上の隙間を設けることとし、例えば、有効径5mmのライトガイドを使用した場合でも0.75mm程度の隙間が形成されていれば、上述したような問題が生じることはないため、下限値を0.15dとした。
ライトガイドの有効径d:5mm
球レンズ8の屈折率n :1.517(材質BK7)
球レンズ8の径D :10mm
マージナル光線LMと光軸Zとのなす角α:30°
第二焦点f2から球レンズまでの距離d1:3mm
球レンズ8から入射基準面Sまでの距離d2:3mm
図6は累積点灯時間が短い寿命初期の放電ランプ3の光線図を示す。
放電ランプ3の点灯後、十分に安定させた状態、つまり放電ランプ3に封入されている水銀等が十分蒸発した状態において、電極間(図示せず)に形成されるアークは、光軸Zに対して垂直方向の幅が収縮して、電極先端付近に形成される輝点が安定する。
本実施例で採用した90W直流型超高圧水銀ランプは、電極間距離が1.0〜1.5mmであり、その電極間に形成されるアークによる発光点は、理想的な点ではなく、楕円球状の立体的な領域となる。
このとき、マージナル光線LMは光軸Zから離れる方向に進行しながら球レンズ8に入射され、その入射面と出射面で、光軸Zに近づく方向に2度屈折され、ライトガイド5の有効径領域に導かれる。
そして、球レンズ8を出射した光が、入射基準面S上で、第一焦点f1から照射された光の中抜部分の光強度不足を補うような光強度分布で照射される。
このとき、反射鏡2の有効反射領域で反射された光は、光軸Zに近づきながら第二焦点f2もしくはその近傍に集光された後、再び光軸Zから遠ざかるように発散されるが、その発散光を球レンズ8により光軸Zに沿う方向に屈折されるので、光軸Zに対して平行に近い光がライトガイド5に入射される。
その結果、ライトガイドの有効径が小さい場合や、ライトガイドのNA(開口数)が小さい場合にも有効であるだけでなく、放電ランプ3の寿命末期に達するまで、光の利用効率を維持し、入射基準面S上における照度低下及び照度ムラが抑制される。
2 回転楕円反射鏡
f1 第一焦点
f2 第二焦点
3 放電ランプ
4 ランプユニット
5 ライトガイド
5in 入射端面
Z 光軸
6 ライトガイド挿通支持孔
S 入射基準面
8 球レンズ
Claims (6)
- 回転楕円反射鏡の第一焦点に放電ランプの発光点を位置させたランプユニットと、照射対象物に光を照射するライトガイドの入射端面を前記反射鏡の光軸と同軸的に位置させるライトガイド挿通支持孔を備えた光源装置において、
前記放電ランプは、発光点先端側が前記反射鏡の第一焦点に位置され、
前記ライトガイド挿通支持孔には、所定の有効径を有するライトガイドの入射端面を前記反射鏡の第二焦点から予め設定された距離だけ離れた位置に位置決めする入射基準面が設定され、
前記第二焦点と入射基準面の間に、第二焦点を通過して発散する光を光軸に沿う方向に屈折させる球レンズが配され,
当該球レンズは、前記入射基準面に、放電ランプの発光点先端側から照射された光で中央部分の光強度が低い光強度分布の光像を形成すると共に、放電ランプの発光点後端側から照射された光で前記中央部分の光強度が高い光強度分布の光像を形成する位置に配されたことを特徴とする光源装置。 - 回転楕円反射鏡の第一焦点に放電ランプの発光点を位置させたランプユニットと、照射対象物に光を照射するライトガイドの入射端面を前記反射鏡の光軸と同軸的に位置させるライトガイド挿通支持孔を備えた光源装置において、
前記ライトガイド挿通支持孔には、所定の有効径を有するライトガイドの入射端面を前記反射鏡の第二焦点から予め設定された距離だけ離れた位置に位置決めする入射基準面が設定され、
前記第二焦点と入射基準面の間に、第二焦点を通過して発散する光を光軸に沿う方向に屈折させる球レンズが配され、
前記放電ランプの電極間距離が1.5mm以下であり、球レンズの直径D、第二焦点から球レンズまでの距離d 1 、球レンズからライトガイド入射端までの距離d 2 が、以下の式1〜式3を満たすことを特徴とする光源装置。
(式1) sin −1 {2d(n−1)/(nD)}≦α
(式2) 0.05D≦d 1 tanα≦0.2D
(式3) 0.15d≦d 2 ≦d
d:ライトガイドの有効径
n:球レンズの屈折率
α:マージナル光線と光軸との角度 - 前記放電ランプの電極間距離が1.5mm以下であり、球レンズの直径D、第二焦点から球レンズまでの距離d1、球レンズからライトガイド入射端までの距離d2が、以下の式1〜式3を満たす請求項1記載の光源装置。
(式1) sin−1{2d(n−1)/(nD)}≦α
(式2) 0.05D≦d1tanα≦0.2D
(式3) 0.15d≦d2≦d
d:ライトガイドの有効径
n:球レンズの屈折率
α:マージナル光線と光軸との角度 - 前記球レンズの一部或いは全体に反射防止膜が施されていることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の光源装置。
- 前記球レンズの一部あるいは全体に紫外線と赤外線を反射する膜が施されていることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の光源装置。
- 前記球レンズの一部あるいは全体に波長選択膜が施されていることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の光源装置。
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