JP6511331B2

JP6511331B2 - 光測定装置および光測定方法

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Publication number: JP6511331B2
Application number: JP2015096029A
Authority: JP
Inventors: 鉄美越智
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-05-08
Also published as: JP2016211970A

Description

本発明は、光測定装置および光測定方法に関し、特に、紫外光の測定に関する。

紫外光は、樹脂硬化の分野や、医療や食品分野における滅菌もしくは殺菌処理などで広く用いられている。紫外光による滅菌もしくは殺菌効果を適切に得るには、紫外光を所定の強度で処理対象に照射することが必要とされる。紫外光の強度を測定する方法として、シリコンフォトディテクタなどの受光素子により紫外光を直接検出する方法や、蛍光体を用いて紫外光を可視光に変換し、変換した可視光の強度から紫外光の強度を間接的に検出する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第００／１１４４０号

紫外光による滅菌もしくは殺菌効果を広い面積で得られるように、複数の紫外光源をアレイ状に配置した紫外光発光装置が用いられることがある。このような発光装置の特性を評価するためには、紫外光の面強度分布を測定できることが望ましい。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、紫外光の面強度分布が得られる光測定技術を提供することにある。

本発明のある態様の光測定装置は、紫外光を可視光に変換する波長変換材料を含み、第１主面と、第１主面の反対側に設けられ、第１主面に入射する紫外光を可視光に変換して出射させる第２主面と、を有する波長変換板を備える。

この態様によると、波長変換板の第１主面に入射する紫外光が可視光に変換され、第１主面に入射する紫外光の面強度分布に対応した面強度分布を有する可視光が第２主面から出射される。このため、紫外光の強度分布を第２主面における可視光の面強度分布として可視化することができる。

波長変換板は、紫外光を透過させる透明基板と、透明基板上に設けられる波長変換材料を含む波長変換層とを有し、第１主面、透明基板、波長変換層および第２主面が順に配置されてもよい。

第２主面から出射される可視光の強度分布を測定する撮像素子と、撮像素子からの信号を用いて第２主面から出射される可視光の面強度分布を示すデータを生成する信号処理部と、をさらに備えてもよい。

波長変換板は、アレイ状に配置される複数の紫外光源に対向して配置され、信号処理部は、複数の紫外光源の発光強度を制御するためのフィードバック信号を出力してもよい。

波長変換板の第１主面および第２主面は、曲面で構成されてもよい。

波長変換材料は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を可視光に変換してもよい。

本発明の別の態様は、光測定方法である。この方法は、紫外光を可視光に変換する波長変換材料を含み、第１主面と、第１主面の反対側に設けられ、第１主面に入射する紫外光を可視光に変換して出射させる第２主面と、を有する波長変換板を、アレイ状に配置される複数の紫外光源に第１主面が対向するように配置することと、第２主面から出射される可視光を観測することと、を備える。

本発明の光測定装置および光測定方法によれば、紫外光の面強度分布を簡易に得ることができる。

実施の形態に係る光測定装置の構成を概略的に示す図である。発光装置の構成を概略的に示す正面図である。変形例に係る光測定装置の構成を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、実施の形態に係る光測定装置１０の構成を概略的に示す図である。光測定装置１０は、発光装置５０から出力される紫外光の強度を測定する装置であり、発光装置５０から出力される紫外光の面強度分布を可視化する装置である。

発光装置５０は、複数の紫外光源５２と、本体部５４と、駆動部５６を備える。

紫外光源５２は、紫外線ランプや紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）などである。本実施の形態では、紫外光源５２としてＵＶ−ＬＥＤを使用し、その中心波長またはピーク波長が約２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外領域に含まれるＬＥＤを用いる。発光装置５０を殺菌用途に用いる場合、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ付近の紫外光を発するものを用いることが好ましい。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。なお、樹脂硬化など他の用途に用いる場合には、用途に適した波長の紫外光を発する光源を選択すればよい。

複数の紫外光源５２は、図２に示すように、本体部５４の表面５５にアレイ状に配置される。紫外光源５２は、例えば、四方格子状または六方格子状に配置される。これにより、複数の紫外光源５２は、表面５５に対向する被照射体に向けて面状に紫外光を放射する。したがって、発光装置５０は、紫外光の面発光装置と言うことができる。

本体部５４は、複数の紫外光源５２を固定する。本体部５４は、例えば、紫外光源５２が直接取り付けられる実装基板と、実装基板と熱的に接続されるヒートシンクを有する。本体部５４は、ヒートシンクを空冷または水冷するための冷却機構を有してもよい。また、本体部５４は、紫外光源５２から放射される紫外光を反射して被照射体に向かわせる反射機構を有してもよい。このような反射機構は、紫外光の反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）の反射面を有することが望ましい。

駆動部５６は、複数の紫外光源５２を発光させるための駆動電流を生成し、紫外光源５２に供給する。駆動部５６は、例えば、所定の発光強度が得られるような定電流を紫外光源５２に供給する。駆動部５６は、本体部５４に取り付けられる複数の紫外光源５２の発光強度を個別に調整できるように、それぞれの紫外光源５２に異なる値の駆動電流を供給可能に構成される。また、駆動部５６は、後述する信号処理部４０からのフィードバック信号に基づいてそれぞれの紫外光源５２の駆動電流を制御する。

光測定装置１０は、波長変換板２０と、撮像部３０と、信号処理部４０を備える。

波長変換板２０は、紫外光６１が入射される第１主面２１と、透明基板２４と、波長変換層２６と、可視光６２が出射される第２主面２２を有する。第１主面２１、透明基板２４、波長変換層２６および第２主面２２は、この順に配置される。波長変換板２０は、複数の紫外光源５２に対向するように配置され、例えば、発光装置５０の表面５５の全体を覆うように設けられる。

透明基板２４は、紫外光を透過する材料で構成される板状部材であり、石英（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等で構成される。なお透明基板２４は、紫外光の透過率の高い樹脂材料で構成されてもよい。透明基板２４を樹脂材料とする場合、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂や、透明性のシリコーン樹脂などを用いればよい。

波長変換層２６は、紫外光を可視光に変換する波長変換材料を含む層である。本実施の形態では、波長変換材料として、紫外光を励起光として可視光の蛍光を発する蛍光体を用いる。蛍光体は、波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外光に対して高い励起効率を有するものが望ましい。このような蛍光体として、例えば、ネモト・ルミマテリアル社製の蛍光体（例えば、青色蛍光体：Ｄ１２３０、緑色蛍光体：Ｄ１１６４、赤色蛍光体：Ｄ１１２０）が挙げられる。

波長変換層２６は、上述の蛍光体をシリコン（Ｓｉ）等を主成分とするバインダに混合したものを透明基板２４の表面に塗布して焼成することにより形成できる。波長変換層２６は、入射する紫外光６１の強度に比例する可視光６２を出射できるように、蛍光体の濃度が第２主面２２において均一となるように形成されることが望ましい。なお、透明基板２４の表面には、バインダとの密着性を高めるための微細な凹凸構造が設けられてもよい。

撮像部３０は、波長フィルタ３２と、撮像レンズ３４と、撮像素子３６を有する。つまり、撮像部３０は、例えば、第２主面２２の可視光画像を取得するためのカメラである。

波長フィルタ３２は、可視光を透過させ、紫外光を遮断するローパスフィルタである。波長フィルタ３２を設けることで、撮像素子３６や撮像部３０の封止に用いる樹脂材料などに紫外光が照射されて劣化してしまうのを防ぐ。なお、波長フィルタ３２は、波長変換層２６から出力される可視光の波長を選択的に通過させるバンドパスフィルタであってもよい。

撮像レンズ３４は、波長変換板２０から出射される可視光を撮像素子３６に結像させる。撮像レンズ３４は、一枚のレンズで構成されてもよいし、複数のレンズからなるレンズ群により構成されてもよい。撮像レンズ３４は、撮像素子３６に結像させる像の倍率を変えられるようにズーム機能を有してもよい。

撮像素子３６は、入射する光の強度に応じた電気信号を生成する光電変換素子である。本実施の形態において、撮像素子３６は、撮像レンズ３４により結像される像に対応した画像信号の生成が可能な二次元イメージセンサであり、例えば、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどである。撮像素子３６は、グレースケールの画像信号が生成可能となるように構成されてもよいし、カラーの画像信号が生成可能となるように構成されてもよい。撮像素子３６が生成する画像信号は、信号処理部４０に送られる。

信号処理部４０は、撮像素子３６からの信号を用いて第２主面２２から出射される可視光６２の面強度分布を示すデータを生成する。信号処理部４０は、第２主面２２における面強度分布データとして、光強度の強弱が各画素の輝度値に対応するグレースケール画像データを生成する。撮像素子３６がカラー画像を測定可能な場合、信号処理部４０は、第２主面２２を目視した場合に対応するカラー画像データを生成してもよい。信号処理部４０は、生成した画像データを図示しないディスプレイ等に出力して可視化してもよいし、さらなるデータ処理のために外部のコンピュータ等に画像データを出力してもよい。

信号処理部４０は、生成した画像データを解析して、第２主面２２から出射される可視光の面強度分布が所望の値となるように複数の紫外光源５２の発光強度を制御するためのフィードバック信号を駆動部５６に出力する。信号処理部４０は、例えば、紫外光源５２の点灯および消灯を個別に制御するための点灯指示信号を駆動部５６に出力し、点灯中の紫外光源５２が画像データのどの位置にあるのかを割り出す。信号処理部４０は、紫外光源５２の位置の割り出すことによって複数の紫外光源５２のそれぞれの寄与に基づく強度を算出し、これらの強度が均一となるようにフィードバック信号を出力する。信号処理部４０は、第２主面２２から出射される可視光の強度分布が不均一な所望の分布となるようにフィードバック信号を出力してもよい。

つづいて、本実施の形態に係る光計測方法について述べる。まず、波長変換板２０を用意し、波長変換板２０の第１主面２１がアレイ状に配置される複数の紫外光源５２に対向するように波長変換板２０を配置する。つづいて、波長変換板２０の第２主面２２から出射される可視光６２を観測する。第２主面２２から出射される可視光６２は、目視により確認してもよいし、撮像部３０などに含まれる撮像素子を用いて測定してもよい。

光測定装置１０は、発光装置５０の紫外光強度の測定が必要なときに一時的に発光装置５０の前面に配置してもよいし、発光装置５０の前面に常時配置して発光装置５０にフィードバック信号を供給してもよい。後者の場合、光測定装置１０は、発光装置５０が設けられる機器等に組み込まれてもよい。また光測定装置１０は、発光装置５０と波長変換板２０の間に紫外光の照射対象が位置する配置で、発光装置５０が出力する紫外光の面強度分布を測定してもよい。

本実施の形態によれば、発光装置５０からの紫外光６１の強度分布を可視光６２を介して測定するため、可視光用の撮像素子やカメラを用いて紫外光の面強度分布を得ることができる。一般に、紫外光用の撮像素子は、汎用的な可視光用の撮像素子と比べてコストが高い。また、シリコンフォトディテクタなどを用いた紫外光用の受光素子は、半導体素子部分を樹脂材料等で封止している場合があり、紫外光の照射を受けて樹脂材料が劣化することで封止性が低下し、受光素子としての特性が低下してしまう。そうすると、測定される紫外光の強度が安定せず、測定装置としての信頼性が低下してしまう。また、受光素子を頻繁に交換する必要が生じ、メンテナンスコストも高くなる。

一方、本実施の形態によれば、波長変換板２０により紫外光６１を可視光６２に変換して測定するため、紫外光により撮像素子が劣化する影響を低減できる。これにより、測定装置としての信頼性を高めることができる。また、可視光用の撮像素子を用いることで、光測定装置１０のコストを下げることができる。また、紫外光６１を可視光６２に変換することにより、発光装置５０の面強度分布を目視で確認する場合の安全性を高めることができる。

また本実施の形態によれば、可視光６２の観測対象となる第２主面２２に波長変換層２６を設けることで、波長変換板２０に入射する紫外光６１の面強度分布を精度良く可視光６２の面強度分布に変換できる。仮に、透明基板２４のような厚みのある基材に波長変換材料を混ぜて波長変換板を形成すると、紫外光が進行する厚さ方向の異なる位置で紫外光から可視光への変換が生じる。このとき、発光装置５０から出力される紫外光は平行光とは限らないため、紫外光の進行方向の位置に応じて面強度分布は異なりうる。その結果、形状の異なる面強度分布を有する可視光が厚さ方向に重畳され、ピントがぼけたような面強度分布を有する可視光が生成される。そうすると、測定しようとする紫外光の面強度分布と、実際に観測する可視光の面強度分布のずれが大きくなってしまう。

一方、本実施の形態によれば、相対的に厚さの小さい波長変換層２６を第２主面２２に設けるため、波長変換層２６に入射する紫外光６１の面強度分布と波長変換層２６から出射する可視光６２の面強度分布とのずれを小さくすることができる。これにより、発光装置５０から出力される紫外光の面強度分布を精度良く測定することができる。また、波長変換板２０の位置を紫外光の進行方向に変化させることで、異なる観測面における紫外光の面強度分布を簡単に測定することができる。

図３は、変形例に係る光測定装置１１０の構成を概略的に示す図である。本変形例では、複数の紫外光源５２が曲面１５５に設けられる発光装置１５０を測定対象とする点で上述の実施の形態と異なる。また、光測定装置１１０の波長変換板１２０は、湾曲する本体部１５４に対応した形状の曲面で構成される第１主面１２１および第２主面１２２を有する。以下、本変形例について上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。

発光装置１５０は、曲面１５５を有する本体部１５４を備える。複数の紫外光源５２は、曲面１５５に取り付けられている。本変形例における曲面１５５は、凹面となるように形成されている。したがって、発光装置１５０は、被照射物に向けて集光させるように紫外光を出力することができる。

波長変換板１２０は、順に配置される第１主面１２１、透明基板１２４、波長変換層１２６、第２主面１２２を有する。第１主面１２１は、発光装置１５０の曲面１５５と対向し、凹面である曲面１５５に対応した形状の凸面で構成される。第２主面１２２は、第１主面１２１との距離が一定となるように設けられ、第１主面１２１に対応した形状の凹面で構成される。透明基板１２４および波長変換層１２６も同様に、湾曲した形状を有する。

第２主面１２２から出射される可視光６２は、撮像部３０により測定される。撮像部３０により測定した画像信号は、信号処理部４０に送られて画像データの生成および解析がなされる。

本変形例によれば、第１主面１２１および第２主面１２２が曲面で構成される波長変換板１２０を用いることにより、紫外光の面強度分布を測定しようとする観測面を曲面にできる。これにより、被照射物に向けて集光するような紫外光を出力する発光装置１５０について、紫外光の面強度分布を好適に測定することができる。

さらなる変形例においては、波長変換板の第１主面が凹面であり、第２主面が凸面となる光測定装置を用いてもよい。また、測定対象とする発光装置の形状に対応して、不均一に湾曲した曲面を有する波長変換板を用いてもよい。また、上述の実施の形態のように平面上に複数の紫外光源５２が配置される発光装置５０について、第１主面および第２主面が曲面で構成される波長変換板を用いてもよい。逆に、変形例に係る発光装置１５０について、上述の実施の形態のような第１主面２１および第２主面２２が平面で構成される波長変換板２０を用いてもよい。つまり、測定しようとする観測面の形状に応じて、適切な形状を有する波長変換板を用いればよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態および変形例においては、二次元の光強度が計測可能な撮像部３０を用いて可視光の面強度分布を測定することとした。さらなる変形例においては、線状に一列に配置される複数の受光素子や、アレイ状に配置される複数の受光素子を用いて光強度分布を計測してもよい。また、第２主面２２から出射される可視光の進行方向に交差する方向に受光素子を移動させ、測定対象をスキャンするように受光素子を移動させることにより面強度分布を計測してもよい。

さらなる変形例においては、波長変換層に複数種類の蛍光体が含まれるようにしてもよい。具体的には、励起波長および蛍光波長がそれぞれ異なる複数種類の蛍光体を波長変換層に含ませ、測定する可視光の波長ごとの強度から発光装置から出力される紫外光の波長ごとの強度を算出してもよい。

さらなる変形例においては、波長変換層を第２主面ではなく紫外光が入射する第１主面に設けてもよい。この場合、波長変換板の透明基板として、硼珪酸ガラスなどの紫外光の透過率が低く可視光の透過率が高い材料を用いてもよい。

１０…光測定装置、２０…波長変換板、２１…第１主面、２２…第２主面、２４…透明基板、２６…波長変換層、３６…撮像素子、４０…信号処理部、５２…紫外光源、６１…紫外光、６２…可視光。

Claims

紫外光を可視光に変換する波長変換材料を含み、第１主面と、前記第１主面の反対側に設けられ、前記第１主面に入射する紫外光を可視光に変換して出射させる第２主面と、を有する波長変換板と、
前記第２主面から出射される可視光の面強度分布を測定する撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を用いて前記第２主面から出射される可視光の面強度分布を示すデータを生成する信号処理部と、を備え、
前記波長変換板は、アレイ状に配置される複数の紫外光源に対向して配置され、
前記信号処理部は、前記複数の紫外光源の一部を点灯させる点灯指示信号を出力し、前記複数の紫外光源の一部が点灯した状態で撮像される前記第２主面から出射される可視光の面強度分布に基づいて点灯中の紫外光源の位置を特定し、特定した紫外光源の位置に基づいて前記複数の紫外光源のそれぞれの発光強度を制御するためのフィードバック信号を出力することを特徴とする光測定装置。
前記波長変換材料は、紫外光により励起され、可視光である蛍光を発する蛍光体であって、励起波長および蛍光波長がそれぞれ異なる複数種類の蛍光体を含み、
前記信号処理部は、測定する可視光の波長ごとの面強度分布に基づいて前記複数の紫外光源のそれぞれの発光強度を制御するためのフィードバック信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の光測定装置。
前記波長変換板は、紫外光を透過させる透明基板と、前記透明基板上に設けられる前記波長変換材料を含む波長変換層とを有し、前記第１主面、前記透明基板、前記波長変換層および前記第２主面が順に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の光測定装置。
前記波長変換板の前記第１主面および前記第２主面は、曲面で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光測定装置。
前記波長変換材料は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を可視光に変換することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光測定装置。
紫外光を可視光に変換する波長変換材料を含み、第１主面と、前記第１主面の反対側に設けられ、前記第１主面に入射する紫外光を可視光に変換して出射させる第２主面と、を有する波長変換板を、アレイ状に配置される複数の紫外光源に前記第１主面が対向するように配置することと、
前記複数の紫外光源の一部が点灯した状態で前記第２主面から出射される可視光の面強度分布を測定することと、
測定された前記面強度分布に基づいて点灯中の紫外光源の位置を特定し、特定した紫外光源の位置に基づいて前記複数の紫外光源のそれぞれの発光強度を制御するためのフィードバック信号を生成することと、を備えることを特徴とする光測定方法。