JP5417143B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体などへ紫外線を照射する紫外線照射装置に関する。

近年化粧品業界では、紫外線の影響を低減するための製品が多く製造されており、紫外線対策の化粧品市場が活発化している。これらの化粧品開発に欠かせない試験方法として、SPF 試験（Sun Protection Factor：紫外線防御指数試験）やUVA試験（Protection Factor of UVA：防御指数試験）等が知られている。SPF 試験とは、人体に紫外線を照射し、化粧品の効果を測定するための試験であり、このような試験を目的とした紫外線照射装置も多く導入されている。

上述の紫外線照射装置として、例えば下記特許文献１や下記特許文献２に開示されている。下記特許文献１には、１つの光源１１から複数の紫外線を得ることができる紫外線照射装置１０が記載されている。この紫外線照射装置１０は、図４Ａに示すように、光源１１と、光を収束させるレンズ１２、１３と、レンズ１２を通過した光を反射する反射鏡１４と、その反射された光を通過させる光学フィルタ１７と、光量を調整する光量調整部材１５と、入射した光を所定箇所に導光する光ファイバ１６を備えている。光源１１から出射した光は、軸Ｘ１１上に沿って水平方向に導光され、各反射鏡１４へと入射する。反射鏡１４に入射した光は直角方向に角度を変えて軸Ｘ１２上に沿って垂直方向に導光される。すなわち、光源１１の周囲に配置させた複数の反射鏡１４（図４Ｂ）が、光源から出射した光路の角度を変えて、光ファイバ１６へと導く役割を果たしている。

しかし、上述の紫外線照射装置１０は、光源１１から出射した光の光路（軸Ｘ１１）と、光ファイバ１６に入射させる光の光路（軸Ｘ１２）とが、同一軸上にないため、光源１１を配置する際の光軸調整が困難であった。特に、この紫外線照射装置１０では、１つの光源１１から出射する光を複数の光ファイバ１６に導く構成であるため、光路が光ファイバ１６の数だけ存在することになる。このため、光源１１の光軸調整は、複数の光ファイバ（すなわち、複数の光軸）との位置関係を考慮しなければならず極めて困難な作業であった。また、一度光軸調整を行った後も、試験作業現場では装置を移動することも多く、その際に光軸が僅かにずれてしまうということがあった。

また、光源の交換をする場合にも、上述の光軸調整作業には長い時間と熟練した技術が必要であり、ユーザー側だけでは交換が困難で、装置メーカーからの人員を待たなければならない。そのため長時間にわたって照射装置が使えないなどという問題があった。

下記特許文献２に示す紫外線照射装置は、光源からの紫外線を集光するレンズ系として、楕円面鏡を用いている。このような楕円面鏡は、光源の周りをできる限り囲むように配置することで、光を効率よく集光することが期待される。

しかし、特許文献２に示す装置によれば、楕円面鏡を用いて多くの光を集光しようとすると、集光効率は高くなる一方、楕円面鏡の大型化を避けることはできず、装置全体の大型化につながるという問題があった。さらに、紫外線の照射実験は通常複数本の紫外線を人体の所要部位に照射して行われるため、紫外線の本数と同じ数の光源が必要となる。このため、装置の大型化や高コスト、さらに光源の交換頻度の多さが問題となっていた。

ＵＳ２００７/０２０６９０１ 特開２００８−０７６６１０

本発明は上述の問題点を解消するもので、光源から出射した光が光ファイバに入射されるまでの光路が同一軸上にあるため、光源の軸調整が容易であり、さらに一度軸調整を行えば移動に伴う光軸のズレが発生しにくい。

また、光源と反射鏡が一体となった光源ユニットであるため、光源の交換の際の光軸調整をユーザー側で行う必要がなく、光源の交換を容易に短時間で行うことができる。さらに、少ない光源で所要の紫外線を得ることができ、効率のよい集光と装置の小型化を両立させた紫外線照射装置を提供することができる。

本発明の紫外線照射装置１は、光源３、及び該光源３から出射した光を集光させる反射鏡４とからなる光源ユニット２と、前記反射鏡４で集光された光の光路中に設けた光学フィルタ５と、前記光学フィルタ５を通過した光を複数の光に分岐する分岐レンズ６と、前記分岐レンズ６で分岐された光を入射させる光ファイバ８と、前記分岐レンズ６と前記光ファイバ８の間に設けた光量調整部材７を備えている。さらに、前記光源３と、前記反射鏡４と、前記光学フィルタ５と、前記分岐レンズ６とを同軸上に配置し、光量調整部材７と前記光ファイバ８を前記軸上又は該軸に対して軸対称に配置している。

複数本の紫外線を必要とする照射装置１であっても、分岐レンズ６を用いることで１つの光源３から複数の光束を生成することができ、光源３の数に伴う装置１の大型化や高コスト等の問題点を解消することができる。また、前記光源３と、前記反射鏡４と、前記光学フィルタ５と、前記分岐レンズ６を同軸上に配置しているため、光源の光軸調整が容易であり、一度軸調整を行えば移動に伴う光軸のズレが発生するのを防止することができる。

また本発明の紫外線照射装置１は、光源ユニット２を光源３と前記反射鏡４を一体に固定し、装置本体から着脱可能に構成することもできる。これにより、光源３を交換する場合には、光源ユニット２ごと交換できる構成となっており、光源３の光軸を合わせるための位置調整という困難な作業を行う必要がない。したがって、例えばユーザー側が予備用の光源ユニット２を準備しておくか、あるいは、例えばメーカー側に光源３の交換や修理の必要がある光源ユニット２を送り、メーカー側で交換・修理した光源ユニット２をユーザー側に返品するようにすればよい。ユーザー側で困難な光源３の軸調整を行う必要がないとともに、メーカー側にとっても光軸調整を行うためにユーザーの下に出向くという負担を軽減することができる。

また、本発明の紫外線照射装置１は、前記反射鏡４を、焦点に前記光源３が配置されるように設けられた楕円面鏡４Ａと、中心に前記光源３が配置されるように設けられた球面鏡４Ｂで構成し、前記球面鏡４Ｂは、前記光源３から出射した光を集光するとともに、その集光した光を前記楕円面鏡４Ａに反射し、前記楕円面鏡４Ａは、前記光源３から出射した光及び前記球面鏡４Ｂから反射した光を集光するとともに、その集光した光を前方に反射するようにしてもよい。球面鏡４Ｂが、光源３から側方部へと出射される光を集光することができるため、十分な光量を確保することが可能となる。また、楕円面鏡４Ａと球面鏡４Ｂを組み合わせることで、反射鏡４を小型化することができ、装置１の大型化という問題点を解消することができる。

さらに、本発明の紫外線照射装置１は、前記分岐レンズ６を、光を分岐する数と同数の収束レンズ６Ａを同一平面上に一体に配置してもよい。収束レンズ６Ａには、球面レンズやフレネルレンズを用いることができる。

本発明の照射装置１によれば、光源３の光軸調整が容易であり、また一度軸調整を行えば移動に伴う光軸のズレが発生するのを防止することができる。また、光源３の交換の際の光軸の調整をユーザー側で行う必要がなく、光源３の交換を容易に短時間で行うことができる、メンテナンス性に優れた紫外線照射装置１を提供することを目的とする。また、分岐レンズ６を用いることで、光源３の数を削減することができ、装置１の小型化を実現することが可能となる。さらに、集光するための反射鏡４を２枚用いることで、高い集光効率と、装置１の小型化を両立させることが可能である。

本実施形態に係る紫外線照射装置の構成要素の配置図 本実施形態の紫外線照射装置に用いられる反射鏡の概略構成図 本実施形態の紫外線照射装置に用いられる分岐レンズの概略構成図 従来の紫外線照射装置の構成要素の配置図

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。図１は、本実施形態に係る紫外線照射装置１の構成要素の配置図である。図２は、本実施形態の紫外線照射装置１に用いられる反射鏡４の概略構成図である。図３は、本実施形態の紫外線照射装置１に用いられる分岐レンズ６の概略構成図である。

本発明の紫外線照射装置１は１つの光源から複数の紫外線を得ることができるもので、本実施形態では、３本の紫外線を照射する紫外線照射装置１を例に説明しているが、紫外線の照射数は任意に変更することができる。例えば６本の紫外線を照射することができる紫外線照射装置１も可能である。また、ＳＰＦ試験を目的とした紫外線照射装置１について説明するが、紫外線の照射を必要とするものであれば目的は問わず、例えば日焼け止めのＰＦＡ試験用、美白試験用、化学反応実験研究用、フォトパッチ試験用等様々な目的に利用することができる。

本実施形態の紫外線照射装置１は、光源３、及び該光源３から出射した光を収束させる反射鏡４とからなる光源ユニット２と、前記反射鏡４で収束された光の光路中に設けた光学フィルタ５と、前記光学フィルタ５を通過した光を複数の光に分岐する分岐レンズ６と、前記分岐レンズ６で分岐された光を入射させる光ファイバ８と、前記分岐レンズ６と前記光ファイバ８の間に設けた光彩絞り７を備えている。

前記光源３と、前記反射鏡４と、前記光学フィルタ５と、前記分岐レンズ６は、同一の軸Ｘ１上に配置されている。これにより、光源から出射した光は、反射鏡４、光学フィルタ５、分岐レンズ６の順に光路の角度を変えることなく（すなわち同一軸Ｘ１上に）通過することが可能となっている。

また、光量調整部材である光彩絞り７と前記光ファイバ８を前記軸Ｘ１上に対して軸対称に複数配置している。このため、光ファイバ８の光軸Ｘ２と前記軸Ｘ１は軸方向が平行に形成されるため、分岐レンズ６から光ファイバ８へと入射する際の光路についても同一の軸方向を確保することができ、反射鏡等で光路の角度を変更する必要はない。以上より、光源を配設する際の光軸調整は、１つの軸方向（Ｘ１方向及びＸ２方向）のみを微調整すれば良いため、容易に交換作業を行うことができる。以下、本紫外線照射装置１の各構成部材について説明する。

光源ユニット２は、装置本体に着脱可能に設けられており、紫外線を照射する光源３と、光源３からの光を集光する反射鏡４により構成されている。光源３は、１００Ｗのキセノンショートアークランプが用いられているが、どのような構成であってもよい。

反射鏡４は、光源３から出射された光を集光するとともに、集光した光を照射方向である軸Ｘ１方向へ（すなわち、前方へ）反射する。図２に示すように、本実施形態の反射鏡４は光源３の後方（すなわち、照射方向と反対方向）に配置された楕円面鏡４Ａと、この楕円面鏡４Ａに連設された球面鏡４Ｂで構成されている。楕円面鏡４Ａの焦点Ａ１に光源３が配置するように設けられているため、光源３から出射した光を焦点Ａ２へ集光することが可能となっている。球面鏡４Ｂは、中央部には光を出射するための開口部４Ｃが形成された略円筒状をしている。球面鏡４Ｂの中心位置に光源３が配置するように設けられているため、光源３から出射した光を反射することが可能となっている。

以下、光源から出射した光が、楕円面鏡４Ａ及び球面鏡４Ｂによりどのように反射されるかについて図２を用いて説明する。光源３から楕円面鏡４Ａに入射した光は、光路Ｙ１に示すように焦点Ａ２（すなわち、前方方向）へ反射される。光源３から球面鏡４Ｂに入射した光は、逆方向へと反射されて楕円面鏡４Ａへ入射し、さらに楕円面鏡４Ａから上述と同様前方へ反射される（光路Ｙ２）。すなわち、楕円面鏡４Ａは光源３からの直接光だけでなく、球面鏡４Ｂからの反射光も集光し、前方へと出射する。

球面鏡４Ｂは、光源３の側方部を囲うように設けられているため光源３から側方部へと放たれる光束をも集光することができる。従来のように１枚の楕円面鏡のみを使用する場合、光源３の側方部付近の光も集光しようとすると大型化を招いてしまう。これに対して本実施形態では、光源の側方部の光を集光するのは略円筒状の球面鏡４Ｂを別途用いているため大型化を避けることができる。

以上のように、球面鏡４Ｂが光源３の側方部に出射する光束も有効光として集光できるために、光束の取り込み効率が増加し、反射鏡を小さくしても充分な紫外線強度が得られる。

光源３と反射鏡４との位置関係は、調整ねじ、調整ゲージなどで、光源３の位置を上下左右前後に自在に調整することで、最適に設定することが可能になっている。本実施形態の光源３は、楕円面鏡４Ａのほぼ焦点に位置し、かつ、球面鏡４Ｂのほぼ中心位置を占めるように配置されている。反射鏡４で反射された光が光軸方向で最大になるように調整されている。光源３の軸調整後は、調整ねじで押さえて反射鏡４との位置関係を固定し、光源ユニット２としての光量を安定確保している。

以上のように、光源ユニット２は、光源３と反射鏡４は一体化しているため、光源３の交換の際の光軸調整をユーザー側で行う必要がなく、光源３の交換を容易に短時間で行うことができる。すなわち、光源ユニットを予備で持っておくか、光源ユニットのみをメーカーへ送り、メーカー側で光源交換・光軸調整をすることで、ユーザーにかける負担を少なくすることができ、メンテナンス性にも優れている。

光源ユニット２にはシャッターが設けられており、シャッターを開閉することで照射時間（すなわち照射量）が調整される。シャッターは、シャッタータイムコントローラーにより制御されており、本実施形態では１秒単位で９９９９秒までコントロール時間を設定することができる。

光源ユニット２からの光は、光学フィルタ５を通過して、分岐レンズ６に入射される。光学フィルタ５は、狭波長フィルタ５Ａと長波長フィルタ５Ｂとからなる紫外線フィルタで構成されており、必要とする波長領域の紫外線を選択することができるようになっている。狭波長フィルタ５Ａは、近紫外線ＵＶＡを透過するフィルタで、通過波長領域は３２０〜４００ｎｍとなっている。長波長フィルタ５Ｂは、近紫外線ＵＶＡおよび近紫外線ＵＶＢを透過するフィルタで、通過波長領域は２９０〜４００ｎｍとなっている。狭波長フィルタ５Ａを透過させるか、長波長フィルタ５Ｂを透過させるかは、切り替えレバーで選択可能となっている。

光学フィルタ５を通過した光は、分岐レンズ６の中央付近に入射される。分岐レンズ６は、前記光学フィルタ５を通過する光の光軸Ｘ１上に設けられている。図３は、図１に示す分岐レンズ６を矢印方向から見た図である。図３に示すように、本実施形態の分岐レンズ６は、３つの球面レンズ６Ａが加工により同一平面上に一体に配置されている。合成石英からなる前記球面レンズ６Ａは、直線状に２片切削され、その切削面を球面レンズ６Ａの切削面とそれぞれ突き合わせることで、３つの球面レンズ６Ａが一体に形成されている。球面レンズ以外に、フレネルレンズ等の収束レンズを用いてもよい。

分岐レンズ６の中央付近に入射した光は、３つの球面レンズ６Ａにより３本の光束に分岐される。すなわち、１つの光源３から３本の光束を生成することが可能で、これにより光源３の数を削減することができ、装置の小型化、コストの削減を実現する。

球面レンズ６Ａの数は、分岐する光の数と同数となっており、１つの光源の光を何本の光束に分岐するかにより、必要とする球面レンズ６Ａの数は変わってくる。例えば１本の光束から４本の光束に分岐させる場合は、４つの球面レンズ６Ａを加工して一体化した分岐レンズ６を用いればよい。

液体ファイバ８は、分岐レンズ６から分岐された各光束が入射し、その入射した光を所定箇所に導光する光ファイバである。その構成は特に限定されないが、コアを形成する透明液体を、クラッドを形成する可撓性の中空筒状容器に封入することにより構成されコア―クラッド型の液体ファイバが用いられている。ＵＶ通過とＩＲ吸収をしながら照射面強度を安定化させることができるという利点からコア―クラッド型の液体ファイバを用いているが、プラスチック製光ファイバやガラス製光ファイバ等を用いてもよい。

液体ファイバ８は、その端面が各球面レンズ６Ａの焦点に合致するように配置されている。液体ファイバ８の本数は、球面レンズ６Ａの数に対応しているため、本実施形態では３本で構成されている。また、各液体ファイバ８の入射光前には光彩絞り７が取り付けられており、各液体ファイバ８の分岐光ごとに入射光量の微調整が可能となっている。この液体ファイバ８に入射した光は出射端まで導光され、例えば人体の所望箇所に紫外線として照射される。

以上のように、本発明の紫外線照射装置によれば、光源の交換の際の光軸の調整をユーザー側で行う必要がなく、光源の交換を容易に行うことができる。また、少ない光源で所要の紫外線を得ることができるとともに、効率のよい集光と小型化とを両立させることも可能である。

１ 紫外線照射装置
２ 光源ユニット
３ 光源
４ 反射鏡
４Ａ 楕円面鏡
４Ｂ 球面鏡
５ 光学フィルタ
５Ａ 短波長フィルタ
５Ｂ 長波長フィルタ
６ 分岐レンズ
６Ａ 球面レンズ
７ 彩光絞り
８ 液体ファイバ

Claims (4)

1. 光源、及び該光源から出射した光を集光する反射鏡とからなる光源ユニットと、前記反射鏡で集光した光の光路中に設けた光学フィルタと、前記光学フィルタを通過した光を複数の光に分岐する分岐レンズと、前記分岐レンズで分岐された光を、各各入射させる光ファイバと、前記分岐レンズと前記光ファイバの間に設けた光量調整部材を備えるとともに、
   前記光源と、前記反射鏡と、前記光学フィルタと、前記分岐レンズとを同一の軸上に配置し、
   前記光量調整部材と前記光ファイバを前記軸上又は該軸に対して軸対称に配置している
   ことを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記光源と前記反射鏡が一体に固定された前記光源ユニットが、装置本体から着脱可能であることを特徴とする請求項１記載の紫外線照射装置。
3. 前記反射鏡が、焦点に前記光源が配置されるように設けられた楕円面鏡と、中心に前記光源が配置されるように設けられた球面鏡を備え、
   前記球面鏡は、前記光源から出射した光を集光するとともに、その集光した光を前記楕円面鏡に反射し、
   前記楕円面鏡は、前記光源から出射した光及び前記球面鏡から反射した光を集光するとともに、その集光した光を前方に反射する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の紫外線照射装置。
4. 前記分岐レンズが、
   光を分岐する数と同数の収束レンズを同一平面上に一体に配置した
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外線照射装置。

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