JP5891773B2 - 照射装置 - Google Patents
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Description
例えば、検査対象物が眼鏡レンズなど光透過性の光学部材の場合には、照射装置の照射によって検査対象物を透過した透過光をスクリーンに投射し、スクリーン上の照度パターンを検査者が目視観察することで、レンズ表面のキズや塵の付着、レンズ内部の泡や脈理等といった各種の欠陥を検査している(例えば、特許文献1参照)。
そこで、例えば、特許文献2に開示されている上記の光学系の構成に、平行光を拡げるための投射レンズを最終段に付加する構成も考え得るが、投射レンズの作成コストが高く、装置自体の価格上昇に繋がる。
一方、回転放物面反射鏡とランプを組み合せた光学系の構成では、回転放物面反射鏡の有効反射領域の面積で、光照射範囲の面積が決定されていることから、回転放物面反射鏡を大きくし有効反射領域を拡げることで光照射範囲を拡張することも可能であるが、そうすると、装置サイズが大きくなるという欠点がある。
<第1実施形態>
図1は、本実施形態に係る照射装置10を備える検査システム1の構成を模式的に示す図である。
検査システム1は、例えば液晶パネルに用いられるガラス基板、或いは各種の光学部品といった透光性材を検査対象物2とし、当該検査対象物2の表面のキズや塵等の付着、内部の気泡や脈理等の発生といった各種の欠陥を目視で観察して検査可能にするシステムである。すなわち、図1に示すように、検査システム1は、検査対象物2の少なくとも検査対象領域R1の全体に検査光3を均一な光度で出射する照射装置10と、検査対象物2の透過光を投射するスクリーン4とを備え、このスクリーン4に投射された透過光による照度パターンを検査者が目視観察し、欠陥の有無を検査する。
スクリーン4は、照射装置10の光軸Kに対して投射面4Aが垂直になるように、当該照射装置10から距離L1だけ離れた位置に配置され、これら照射装置10とスクリーン4との間に検査対象物2が配置される。照射装置10から検査対象物2までの距離L2は、検査対象領域R1の全域に検査光3が照射され、またスクリーン4の上に目視観察に十分な照度で照度パターンが投射されるように決定される。
本実施形態の照射装置10では、光出射口15と点光源6との間の距離を光軸Kに沿って可変することで検査光3の拡がり角αが調整可能に構成されており、拡がり角αの調整により検査光3の照射範囲を拡大/縮小自在になされている。なお、係る構成については、後に詳述する。
照射装置10は、直方の箱形の装置本体14を有し、この正面14Aには、上記光出射口15が先端面に形成された筒体16と、集光型放電ランプユニット5をオン/オフする点灯スイッチ18と、光量を調整するための回転操作子である調光操作子20と、装置本体14に外気を導入する外気導入口22とが設けられている。また、図2に示すように、装置本体14には電源ケーブル23が接続され、この電源ケーブル23には商用の交流電力を直流電力に変換して装置本体14に供給するAC/DC電源アダプタ26が設けられている。 図3に示すように、装置本体14の背面14Bには、例えばコンピュータ端末や画像処理検査装置のコントローラとの間で通信するための信号線が接続される接続コネクタ28と、装置本体14の内部の熱を排気する排気口29とが設けられている。
装置本体14には、正面14Aから背面14B側にかけて、上記筒体16と、調光板40と、波長選択フィルタ42と、上記光源の一例たる集光型放電ランプユニット5と、排気ファン46とが、当該集光型放電ランプユニット5の光軸Kの直線上に配置されるように光源基台24に取り付けられている。
回転楕円反射鏡47は、内表面に誘電体多層膜を蒸着して可視光を反射し赤外線を透過する、いわゆるコールドミラーとして構成されている。本実施形態では、その楕円面47Aと光軸Kとの交点P0から第1焦点f1までの距離が8mm、第2焦点f2までの距離が68mm、有効反射面の最大径が45mm、第2焦点f2におけるマージナル光線(図6)と光軸Kとの角度が30°となるように形成されている。
装置本体14には、前掲図2、及び図3に示すように、集光型放電ランプユニット5を覆う位置にスライドカバー17が設けられており、このスライドカバー17をスライドさせて集光型放電ランプユニット5にアクセスし、適宜に交換自在に構成されている。
この筒体16には、上記光学系7が内設されており、光学系7は、集光型放電ランプユニット5側から順に、光学ガラス(BK7、屈折率n=1.517)で形成され同一球径の入射球レンズ50、及び点光源形成球レンズ51と、所望の光を通過させるためのアパーチャ52とを、光軸K上に設けて構成されている。この光学系7の詳細については、後に詳述する。
具体的には、図5に示すように、所定直径の円周40Aに沿って順次に開口幅が漸次に広がる調光スリット41(孔でも良い)が形成されている。この調光板40の円周40Aに光軸を合わせて配置し、当該調光板40を円周40Aの中心Oを軸に回転させることで、調光板40を透過する光量が可変される。この調光板40の回転は、調光操作子20の回転操作量に基づいて図示せぬモータによって制御される。
波長選択フィルタ42は、光軸Kに配置されるフィルタ材43と、このフィルタ材43を担持する板状の担持板45とを備えている。この担持板45の上端には摘み部45Aが形成されており、この摘み部45Aを摘んで装置本体14から波長選択フィルタ42を抜き差し自在に設けられている。これにより、波長選択フィルタ42を所望の透過特性を有するものに簡単に交換できる。
上記フィルタ材43は、光軸Kに対して傾斜角βで入射面が90度±θ(θ>0)に傾斜して配置されており、フィルタ材43の入射面で反射した光が集光型放電ランプユニット5の回転楕円反射鏡47に入射しないように構成されている。これにより、フィルタ材43から回転楕円反射鏡47に入射した光が第1焦点f1で集光し放電ランプ48が破損されることがない。
光学系7は、上述の通り、入射球レンズ50、及び点光源形成球レンズ51と、アパーチャ52とを、光軸K上に設けて構成されている。
入射球レンズ50は、第2焦点f2で集光し拡がる光を光軸Kの方向に屈折させることで曲げ発散を抑えて点光源形成球レンズ51に入射する。
点光源形成球レンズ51は、集光型放電ランプユニット5から入射球レンズ50を通じて入射する光を焦点Sで集光して仮想的な点光源6を形成する。
アパーチャ52は、光出射口15に設けられた絞りであり、筒体16の先端側の端部開口に設けられ、筒体16の内面16A等での内面反射に起因した光成分を遮蔽しつつ、点光源6から発散する光の成分を出射する内面反射遮蔽部材として機能する。
レンズホルダー60は、図7、及び図8に示すように、筒体16に嵌合する略円柱状のホルダ本体63を有し、ホルダ本体63の外周面には、全周に亘ってU溝74(図7(B))が形成され、また、ホルダ本体63の背面中央に凹部を形成して入射球レンズ50、又は点光源形成球レンズ51を収納する収納部64が形成されている。
ホルダ本体63のU溝74に係合する係合片(図示せず)を筒体16の内面16Aに設けることで、レンズホルダー60が筒体16の正確な位置に位置決めされる。なお、本実施形態では、入射球レンズ50を収めたレンズホルダー60のみが筒体16の内面16Aに設けた係止片によって決められた位置に配置され、点光源形成球レンズ51を収めたレンズホルダー60にあっては移動自在に構成されている。
すなわち、上記収納部64よりも小さな入射球レンズ50、又は点光源形成球レンズ51を収納部64に収納した場合でも、入射球レンズ50、又は点光源形成球レンズ51が押さえ付けられるまで蓋体65を開口64Aに挿入することで、しっかり固定されることから、収納可能な入射球レンズ50、又は点光源形成球レンズ51の大きさに、ある程度の自由度を持たせ、所望の大きさの入射球レンズ50、又は点光源形成球レンズ51に自由に交換可能になる。
詳述すると、光源に集光型放電ランプユニット5を用いることで、高強度の検査光3が得られるものの、放電ランプ48のアークに幅があり第1焦点f1から外れた箇所での発光による光成分も含まれることに起因して、検査光3には照度ムラが生じる。この照度ムラの要因となる光成分を遮蔽すべく、筒体16の入射側には、第1開口66が設けられている。すなわち、この第1開口66の開口径は、回転楕円反射鏡47の第1焦点f1にのみ発光点が点で局在していると仮定したときに、第2焦点f2からの光の拡がり角、及び第2焦点f2から第1開口66までの距離に基づいて、例えばレイトレーシング等の光学的解析手法によって求められる第1開口66の位置での光線の径と同等の大きさに形成されている。これにより、発光点が大きさを有することにより第1焦点f1から外れた位置で光が発せられていても、当該光の成分を概ね第1開口66で遮蔽し、第1焦点f1で発光した光成分のみが筒体16に入射して取り込まれることとなる。
第1開口66を通過した光は入射球レンズ50に入射し、当該入射球レンズ50で光軸Kの方向に屈折により曲げられることで発散が抑えられ光軸Kに略平行な略平行光(より正確には、点光源形成球レンズ51に向かって緩やかに集光する光)となって第2開口67から出射される。
ここで、筒体16の内面16Aは鏡面に仕上げられているため、入射球レンズ50と点光源形成球レンズ51との間の内面16Aでの内面反射により、光軸Kとの成す角度が比較的大きな光成分である拡散光成分が発生する。係る拡散光成分が点光源形成球レンズ51に多分に入射すると点光源6の集光性を劣化させ検査光3に照度ムラを生じさせる要因となる。そこで、本実施形態では、内面反射に起因して発生し照度ムラの要因となる拡散光成分の点光源形成球レンズ51への入射を遮蔽する内面反射遮蔽部材として第2開口67が機能する。これにより、点光源6の集光性の劣化や照度ムラの発生が抑制される。
また点光源形成球レンズ51を収めたレンズホルダー60の第2開口67は、点光源形成球レンズ51を通った光のうち、焦点Sで焦点を結ぶ光成分を通すように構成されている。
そこで本実施形態では、上記アパーチャ52が迷光となる光成分(すなわち、点光源形成球レンズ51と光出射口15の間での内面反射による光成分)を遮蔽する遮蔽部材として機能し、点光源6から拡散する光のみを検査光3として取り出すこととしている。
また点光源形成球レンズ51の入射側、及び光出射口15のそれぞれには、筒体16の内面反射に起因し、照度ムラの要因となる光成分(上記拡散光成分や迷光成分)を遮蔽する第2開口67、及びアパーチャ52を設けたため、当該内面反射による照度ムラや投射像のボケの発生が抑えられる。
また、上記第1開口66がレンズホルダー60に形成されているため、部品点数が削減でき且つ、筒体16の中の構造を変える事無く、レンズホルダー60に収納する入射球レンズ50又は点光源形成球レンズ51の径に対応して開口径を設定作製することが可能となる。
具体的には、前掲図2及び図3に示すように、筒体16の外周面に光軸Kに平行にガイドスリット70を形成し、このガイドスリット70から摘み71を有するネジ72を挿入し、図6に示すように、レンズホルダー60の外周面に設けたネジ孔73に螺合して、摘み71の操作によってレンズホルダー60をガイドスリット70に沿って移動し任意の位置に配置可能に成されている。
このように、点光源形成球レンズ51の焦点Sの位置がアパーチャ52の手前で変更されることで、アパーチャ52の光出射口15から出射される検査光3の拡がり角αが可変し、これにより検査対象物2の大きさに合わせて照射範囲の調整が可能になる。
入射球レンズ50から発散する方向(光軸Kから離れる方向)の光Lout1は、スクリーン4上の分布を悪くする原因となる。すなわち、入射球レンズ50を第2焦点f2近傍に配置して、光軸Kと交差しない光線Lin1が入射球レンズ50に入射するようにした場合、図10(A)に示すように、スクリーン4の投射像に中抜け82や、リング状の光量集中84が発生することから、可能な限り入射球レンズ50に入射する光のうち、光線Lin1の割合を減らす必要がある。
そこで、図11に示すように、回転楕円反射鏡47の第1焦点f1に放電ランプ48の陰極の先端があり、また、この第1焦点f1から光軸Kに沿って回転楕円反射鏡47側に移動した位置に陽極の先端Aがあると仮定し、この陽極の先端Aから照射される光線M1が回転楕円反射鏡47で反射されて光軸Kと交差する交差位置Cを算出し、この交差位置Cに基づいて、上記光線Lin1の割合を減らすような入射球レンズ50の配置が決定される。
光線M4と光軸Kとが成す角は、φ2−φ1となり、上記(1)式を用いると、次の(2)〜(4)式が導かれる。
本実施形態では、係る条件を満たすべく、各変数を以下のように設定している。すなわち、レンズホルダー60の第1開口66の開口径Q1を5mm、アパーチャ52の開口径Q3(図6)を10mm、入射球レンズ50及び点光源形成球レンズ51の屈折率nを1.517(材質BK7)、入射球レンズ50及び点光源形成球レンズ51の径Dを10mm、第2焦点f2から入射球レンズ50までの距離d1を41mm、入射球レンズ50から点光源形成球レンズ51間の可変距離d2を5〜20mmとしている。
これにより、図12に示すように、放電ランプ48の第2焦点f2を通過する光線M3は勿論のこと、放電ランプ48の陽極の先端Aから出た光線M4も入射球レンズ50の手前の交差位置Cで光軸Kと交差して入射球レンズ50に入射する。そして、第2焦点f2を通る光線M3のみならず、放電ランプ48の陽極の先端Aから出た光線M4(より正確にはアークの光線全部)を含め、光軸Kと交差した光が入射球レンズ50に入射されることで、上述のように、中抜け82や、リング状の光量集中84が発生することなく、スクリーン4に投射することができる。
上述の通り、本実施形態で用いた放電ランプ48は、100W直流型超高圧水銀ランプであって、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。
また、電極間に生ずるアークによる発光点は、放電ランプ48の先端側、すなわち陰極先端部近傍が最も明るく、その部分が第1焦点f1に一致するように配されている。したがって、第1焦点f1に位置する発光点先端側から照射された光は、回転楕円反射鏡47の有効反射領域で反射され、第2焦点f2に集光された後、再び発散されて第1開口66を通過し入射球レンズ50に達する。
このとき、マージナル光線LMは光軸Kから離れる方向に進行しながら入射球レンズ50に入射され、入射球レンズ50の入射面と出射面で、光軸Kに近づく方向に2度屈折され、点光源形成球レンズ51の有効径領域に導かれる。
この検査光3がターゲット80に照射することで、図13(C)に示すように、中抜け82の発生を防止しつつ、傷81に対応した箇所にシャープな影83が得られることとなる。
この構成によれば、集光型放電ランプユニット5から発せられて拡散する光を効率良く点光源形成球レンズ51に入射し、点光源6の光量を上げることができる。
特に本実施形態によれば、集光型放電ランプユニット5の光を光軸Kに近付く方向に屈折させて発散を抑える光学系と、点光源6を形成する光学系とを、同軸に設けた一対の球レンズである入射球レンズ50、及び点光源形成球レンズ51により構成したため、これらの光学系をコンパクトに構成でき、入射球レンズ50、及び点光源形成球レンズ51を収めた筒体16の全長(装置本体正面からの突出量)が抑えられる。
これに加え、照射装置10には、第2焦点f2で集光し発散する光のうち第1焦点f1と発光点のズレに起因する成分を遮蔽する入射用遮蔽部材としての第1開口66が設けられている。これにより、照度ムラの要因と成る光成分を第1開口66で遮蔽し、照度ムラを抑えた検査光3を得ることができる。
また、当該第1開口66が設けられることで、上記調光板40や波長選択フィルタ42によって第2焦点f2での集光性が劣化し種々の光成分が生じたとしても、検査光3に照度ムラを生じさせるような光成分を第1開口66で遮蔽することができる。
<第2実施形態>
上述した第1実施形態では、据え置き型の照射装置10を例示した。これに対して、本実施形態では、ユーザが手で持って使用するハンディ型の照射装置について説明する。
ハンディ型照射装置110は、ユーザが把持可能な大きさの円筒状の筐体190を備え、この筐体190には、光源の一例たるLED光源部105と、電源108と、光学系ヘッドユニット109とが設けられている。
LED光源部105は、発光素子の一例たるLED111と、このLED111を実装したLED回路基板112とを備えている。LED回路基板112は、LED111を筐体190の長軸Gと同軸に配置するように当該筐体190の先端部の開口116Aに嵌め込み固定されている。LED111は、砲弾型白色LEDであり、光軸Zが長軸Gと同軸となるように配置されている。なお、LED111に代えて、他の発光素子を用いて光源を構成しても良い。
電源108は、LED光源部105に電力を供給する一次電池又は二次電池等であり、本実施形態では、乾電池型の充電可能な二次電池が用いられている。二次電池は、筒体116の後端部の開口116Bから挿入され、当該開口116Bが蓋体113で閉じられることで筐体190に収められる。
点光源形成ユニット130は、第1実施形態と同様に点光源形成球レンズ51を備え、この点光源形成球レンズ51をレンズホルダー60に収め筒体116にスライド移動可能に設け、また筒体116の先端にキャップ状のアパーチャ152を冠着して構成されている。アパーチャ152は、第1実施形態のアパーチャ52に相当する部材である。またアパーチャ152と筒体116の間に球レンズ保護カバー191が挟み込まれている。この球レンズ保護カバー191の両面にARコートが施されている。なお、球レンズ保護カバー191に重ねて、或いは球レンズ保護カバー191に代えて、第1実施形態で説明した波長選択フィルタ42に相当するフィルタ材を設けることもできる。
点光源形成ユニット130の筒体116は筐体190の先端部に同軸に装着され、LED111の光軸Z上に点光源形成球レンズ51が配置されている。これにより、LED111の光が点光源形成球レンズ51を通って当該点光源形成球レンズ51の焦点Sで集光し仮想的な点光源6が筒体116の中で形成され、この点光源6から発散する光がアパーチャ152を通って点光源形成ユニット130から出射される。
具体的には、筒体116の外周面に光軸Zに平行にガイドスリット170を形成し、摘み71を有するネジ72をレンズホルダー60の外周面に設け、この摘み71をガイドスリット170から突出させることで、摘み71の操作によってレンズホルダー60をガイドスリット170に沿って任意の位置に移動可能になっている。
また点光源形成球レンズ51が、第1実施形態と同様に入射側に第2開口67を有するレンズホルダー60に収められていることから、LED111の光のうち、光軸Zから大きく離れる光成分の点光源形成球レンズ51への入射が抑制されることから、焦点Sでの集光性の劣化が抑えられ、照度ムラの発生が抑制される。
さらに点光源形成ユニット130の出射側には、約8mmの開口径のアパーチャ152が設けられることで、焦点Sで集光した仮想的な点光源6からの光のみを検査光として取り出すことができ、照度ムラの発生がより確実に抑えられる。
また筒体116と筐体190とを一体に構成しても良い。
なお、図16では、反射ユニット131を取り外した状態のハンディ型照射装置110を例示しているが、反射ユニット131を装着しても良いことは勿論である。
また、筒体16の内面16Aを鏡面に仕上げた場合を例示したが、これに限らず、内面16Aを非反射に加工することで、迷光を抑制しても良い。
また第1実施形態では、点光源形成球レンズ51を光軸Kに沿って可変することで点光源6の位置を光軸Kに沿って可変し、拡がり角αを調整可能にしたが、これに限らない。すなわち、点光源形成球レンズ51とアパーチャ52の間の距離を可変することでも、拡がり角αを調整することができる。
具体的には、点光源形成球レンズ51を固定しつつ、アパーチャ52を光軸に沿って移動可能に設け、点光源形成球レンズ51、及びアパーチャ52の両方を光軸Kに沿って移動可能に設け、或いは、上述の実施形態のように、アパーチャ52を固定しつつ、点光源形成球レンズ51を光軸Kに沿って移動可能に設け、て、点光源形成球レンズ51とアパーチャ52の間の距離を可変し、拡がり角αを調整することができる。なお、この場合において、アパーチャ52の絞り径を可変にしても良い。
上述した各実施形態では、検査装置として好適な照射装置を例示したが、本発明に係る照射装置を、画像を投射するプロジェクタ装置(画像投射装置)に応用することも可能である。
2 検査対象物
3 検査光
5 集光型放電ランプユニット(光源)
6 点光源
7 光学系
10 照射装置
14 装置本体
15 光出射口
16、116 筒体
40 調光板
41 調光スリット
42 波長選択フィルタ
47 回転楕円反射鏡
48 放電ランプ
50 平行光形成用球レンズ(平行光形成用光学系)
51 点光源形成球レンズ
52 アパーチャ(第3絞り)
66 第1開口(第1絞り)
67 第2開口(第2絞り)
80 ターゲット
110 ハンディ型照射装置
111 LED(発光素子、光源)
190 筐体
f1 第1焦点
f2 第2焦点
K、Z 光軸
S 焦点
Q1〜Q3 開口径
Claims (7)
- 検査対象物からの透過光又は反射光に基づく検査のための光を前記検査対象物に照射する照射装置において、
光源が発する光が通されて点光源を形成する点光源形成球レンズと、
前記点光源形成球レンズを収め、内部に形成された前記点光源から発散する光を端部開口から出射する筒体と、
前記筒体内の点光源形成球レンズの入射側、及び前記端部開口のそれぞれに設けられ、前記筒体の内面反射によって生じた光成分を遮蔽する内面反射遮蔽部材と、を備え、
前記端部開口から出射する光を前記検査対象物に照射する
ことを特徴とする照射装置。 - 検査対象物からの透過光又は反射光に基づく検査のための光を前記検査対象物に照射する照射装置において、
光源が発する光を点光源形成球レンズに通して点光源を形成し、当該点光源から発散する光を前記検査対象物に照射するとともに、
前記光源と前記点光源形成球レンズの間に、周方向に沿って開口幅が漸増する調光スリットを形成した調光板を設けたことを特徴とする照射装置。 - 検査対象物からの透過光又は反射光に基づく検査のための光を前記検査対象物に照射する照射装置において、
前記光源から発せられた発散する光を光軸の方向に曲げて発散を抑えて出射する入射用球レンズを有し、
前記入射用球レンズから出射された光を点光源形成球レンズに通して点光源を形成し、当該点光源から発散する光を前記検査対象物に照射する
ことを特徴とする照射装置。 - 検査対象物からの透過光又は反射光に基づく検査のための光を前記検査対象物に照射する照射装置において、
第1焦点、及び第2焦点を有する回転楕円反射鏡、及び前記第1焦点に発光点を位置させた放電ランプを有する光源と、
前記光源が発する光が通されて点光源を形成する点光源形成球レンズと、
前記光源の第2焦点と前記点光源形成球レンズの間に設けられ、前記第2焦点で集光し発散する光のうち前記第1焦点と前記発光点のズレに起因する成分を遮蔽する入射用遮蔽部材と、を備え、
前記点光源形成球レンズによって形成された点光源から発散する光を前記検査対象物に照射することを特徴とする照射装置。 - 前記点光源の形成位置を光軸に沿って可変したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の照射装置。
- 前記光源と前記点光源形成球レンズの間に、波長選択フィルタを設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の照射装置。
- 把持可能な大きさの筐体に、発光素子で構成された光源を設けてハンディー型に構成したことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の照射装置。
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