JP7221688B2

JP7221688B2 - 紫外線照射装置、及び紫外線探傷装置

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Publication number: JP7221688B2
Application number: JP2018248136A
Authority: JP
Inventors: 謙二松本; 祐太加藤
Original assignee: Marktec Corp
Current assignee: Marktec Corp
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: JP2020106493A

Description

本発明は、紫外線を照射する紫外線照射装置、及び被検査物の表面に紫外線を照射して被検査物の表面状態を解析する紫外線探傷装置に関するものであり、より詳細には蛍光磁粉探傷や蛍光浸透探傷等の蛍光体の励起に用いる紫外線照射装置に関する。

鋼材等の被検査物の表面の探傷検査としては、非破壊検査方法の一種である、磁粉探傷試験や浸透探傷試験が知られている。磁粉探傷試験では、被検査物の表面に磁粉または磁粉を含有する磁粉溶液を適用するとともに、被検査物に磁場を印加する等して被検査物を磁化する。被検査物の表面のクラック等の欠陥には磁束が集中するため、この磁束に磁粉が引き寄せられて磁粉による指示模様が形成される。そして、この磁粉指示模様を観測することで欠陥を検査する。磁粉探傷試験には、欠陥の検出精度を向上させるために、磁粉に蛍光体を含有した蛍光磁粉を用いる蛍光磁粉探傷試験がある。

一方で、浸透探傷試験では、まず、浸透液を被検査物の表面に適用して表面のクラック等の欠陥にこの浸透液を浸透させる。次に、表面に付着している余剰浸透液を除去し、現像剤粉末を表面に塗布して欠陥に浸透している浸透液を毛細管現象により表面に吸い出す。そして、この吸い上げられた浸透液による浸透指示模様を観察することで欠陥を検査する。浸透探傷試験には、欠陥の検出精度を向上させるために、蛍光体を含有する蛍光浸透液を用いる蛍光磁粉探傷試験がある。

磁粉探傷試験や浸透探傷試験において蛍光磁粉や蛍光浸透液を用いる場合には、被検査物に紫外線を照射して含有した蛍光磁粉や蛍光浸透液の蛍光体を励起させる必要がある。紫外線を照射する紫外線照射装置としては、光源に紫外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いるものが知られている。

ＬＥＤは基本的に点光源であるために均一配光を得にくく、被検査物の表面のクラック等の欠陥の検出にばらつきがでてしまい、検査精度が低下するという問題があった。このため、多くのＬＥＤを線上に並べて光源にすることで高い紫外線放射照度かつ均一な紫外線放射照度分布を得ることが考えられるが、円形配光の集合となるため均一配光を得にくく、また多くのＬＥＤが必要となることからコストアップを招くという問題が生じていた。

そこで、特許文献１では、ＬＥＤ光源を用いつつ、導光板、集光体、及びＬＥＤから放射状に出射された光を集光して平行光に変換する一般的なリニアフレネルレンズなどによって輝度の均一性に優れたに面状照明装置を用いた光源ユニットが開示されている。

特許文献１に記載された技術は、上述の導光板等を用いることである程度均一な配光を得ることはできるが、航空機や車両の運転者等に対して、その前方視野内に画像情報を提供する手段としてヘッドアップディスプレイ（ＨｅａｄＵｐＤｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）に用いることを想定した技術であり、比較的照射距離が小さい場合では効果を発揮するが、照射距離を大きくすると紫外線放射照度が大幅に低下してしまう。

特許文献２では、照射面に沿ったライン方向に列設された紫外線ＬＥＤと、この複数個のＬＥＤの前方においてライン方向に沿って配設され、ライン方向と直交する方向にのみ集光するシリンダーレンズ（シリンドリカルレンズ）と、その光軸が各ＬＥＤの光軸と一致する状態で複数個のＬＥＤに各々対応して列設され、その光軸の全周方向に集光することによりＬＥＤより出射された紫外線の光束を挟角とするためのメニスカスレンズとを備え、照射領域における均一な照度分布を得ることができる紫外線照射装置が開示されている。

特許文献２に記載された技術は、ライン方向の照度は、列設された紫外線ＬＥＤの配光を互いに重ねることで均一な照度分布とし、ライン方向と直交する方向においては、照射面の範囲内にシリンダーレンズ及びメニスカスレンズで集光することで照射面における照度の向上を図っている。

特開２００７－７３４６９号公報特開２０１１－６０７９８号公報

しかしながら、ライン方向と直交する方向における集光は、ＬＥＤから出射された紫外線を照射面上に単に集光させる技術であることから、ＬＥＤの紫外線放射照度が中心（角度ゼロ）で最も強く、角度が大きくなるにしたがって低下するＬＥＤの指向特性によって均一配光が得られにくい点についての改善は考慮されていない。

また、被照射面の長手方向の配光は、少ないＬＥＤを一列に並べることで比較的容易に均一配光を得ることができるが、幅方向の配光は、スペースやコスト等の観点から多くのＬＥＤを並べるわけにはいかず、光学素子の焦点を多少ずらしても均一配光までは得られない。更に、焦点をずらすことで単位面積当たりの紫外線放射照度が低下してしまう。

そこで、紫外線ＬＥＤによって紫外線が照射される被照射面の幅方向において、少ないＬＥＤで高い紫外線放射照度かつ均一な紫外線放射照度分布が得られる紫外線照射装置、及び紫外線探傷装置の開発が望まれる。

本発明の目的は、紫外線を照射する紫外線照射装置、及び被検査物の表面に紫外線を照射して被検査物の表面状態を解析する紫外線探傷装置において、少ないＬＥＤで被照射面の照射領域における高い紫外線放射照度かつ均一な紫外線放射照度分布を実現でき、紫外線探傷検査の精度を向上させる紫外線照射装置、及び紫外線探傷装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の紫外線照射装置では、
被照射面を紫外線により照射する紫外線ＬＥＤと、
前記被照射面上の任意の一方向にのみ集光する改良型リニアフレネルレンズと、
を備える紫外線照射装置において、
前記紫外線ＬＥＤの光源の中心を原点、前記被照射面上の任意の一方向に平行な方向をＸ軸方向、そのＸ軸方向に直交する前記被照射面上の方向をＹ軸方向、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向と直交する前記紫外線ＬＥＤの光軸に平行な方向をＺ軸方向、としたＸＹＺ三次元直交座標系を用いたときに、
前記改良型リニアフレネルレンズは、前記Ｘ軸方向にのみ集光するレンズであり、前記Ｚ軸負方向に前記紫外線ＬＥＤと前記被照射面との間に位置し、
前記被照射面は、前記Ｚ軸負方向に前記改良型リニアフレネルレンズから所定の距離離れて位置し、
前記改良型リニアフレネルレンズの前記Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度は、
前記紫外線ＬＥＤから出射されたビームのＸＺ平面内の軌跡について、
前記紫外線ＬＥＤから前記Ｘ軸方向正の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから前記被照射面における照射領域の前記Ｘ軸方向の負の最大値点から正の最大値点に向けて出射するビームに変換し、
前記紫外線ＬＥＤから前記Ｘ軸方向負の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから前記被照射面における照射領域の前記Ｘ軸方向の正の最大値点から負の最大値点に向けて出射するビームに変換するように形成され、
前記改良型リニアフレネルレンズは、前記Ｘ軸方向において、正の領域と負の領域が互いにミラー対称に形成されることを特徴とする。

更に、前記改良型リニアフレネルレンズの前記Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度は、入射角度が小さいビームから前記紫外線ＬＥＤの指向角で入射するビームまでを変換するように形成されることを特徴とする。

更に、前記紫外線照射装置は、前記紫外線ＬＥＤと前記改良型リニアフレネルレンズとを取り囲み、前記紫外線ＬＥＤから発せられた紫外線を出射する紫外線出射口を有する筐体を更に備え、前記紫外線出射口には、可視光を遮断可能な紫外線透過フィルタが配置されることを特徴とする。

更に、前記紫外線ＬＥＤと前記改良型リニアフレネルレンズとの間に凸レンズが配置されることを特徴とする。

更に、上述された紫外線照射装置を、前記Ｙ軸方向に複数直線状一列に並べて配置することを特徴とする。

本発明の紫外線照射装置によれば、被照射面を紫外線により照射する紫外線ＬＥＤと、前記被照射面上の任意の一方向にのみ集光する改良型リニアフレネルレンズと、を備える紫外線照射装置において、前記紫外線ＬＥＤの光源の中心を原点、前記被照射面上の任意の一方向に平行な方向をＸ軸方向、そのＸ軸方向に直交する前記被照射面上の方向をＹ軸方向、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向と直交する前記紫外線ＬＥＤの光軸に平行な方向をＺ軸方向、としたＸＹＺ三次元直交座標系を用いたときに、前記改良型リニアフレネルレンズは、前記Ｘ軸方向にのみ集光するレンズであり、前記Ｚ軸負方向に前記紫外線ＬＥＤと前記被照射面との間に位置し、前記被照射面は、前記Ｚ軸負方向に前記改良型リニアフレネルレンズから所定の距離離れて位置し、前記改良型リニアフレネルレンズの前記Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度は、前記紫外線ＬＥＤから出射されたビームのＸＺ平面内の軌跡について、前記紫外線ＬＥＤから前記Ｘ軸方向正の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから前記被照射面における照射領域の前記Ｘ軸方向の負の最大値点から正の最大値点に向けて出射するビームに変換し、前記紫外線ＬＥＤから前記Ｘ軸方向負の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから前記被照射面における照射領域の前記Ｘ軸方向の正の最大値点から負の最大値点に向けて出射するビームに変換するように形成され、前記改良型リニアフレネルレンズは、前記Ｘ軸方向において、正の領域と負の領域が互いにミラー対称に形成されるので、少ないＬＥＤで被照射面の照射領域における高い紫外線放射照度かつ均一な紫外線放射照度分布を実現することで、探傷検査の精度を向上させることができる。

更に、本発明の紫外線照射装置によれば、前記改良型リニアフレネルレンズの前記Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度は、入射角度が小さいビームから前記紫外線ＬＥＤの指向角で入射するビームまでを変換するように形成されるので、被照射面の照射領域におけるより高い紫外線放射照度かつ均一な紫外線放射照度分布を実現する。

更に、本発明の紫外線照射装置によれば、前記紫外線照射装置は、前記紫外線ＬＥＤと前記改良型リニアフレネルレンズとを取り囲み、前記紫外線ＬＥＤから発せられた紫外線を出射する紫外線出射口を有する筐体を更に備え、前記紫外線出射口には、可視光を遮断可能な紫外線透過フィルタが配置されるので、被検査物の表面がグラインダー等で切削された金属光沢面の場合に、可視光の反射によって眩しくなることがなく、検査作業を改善することができる。

更に、本発明の紫外線照射装置によれば、前記紫外線ＬＥＤと前記改良型リニアフレネルレンズとの間に凸レンズが配置されるので、改良型リニアフレネルレンズのフレネル角度や照射装置と被照射面までの距離を調節することなく、紫外線ＬＥＤから改良型リニアフレネルレンズへ入射する紫外線の入射角を小さくすることで照射範囲を狭くして紫外線放射照度を上げることができる。

更に、本発明の紫外線探傷装置によれば、上述された紫外線照射装置を、前記Ｙ軸方向に複数直線状一列に並べて配置するので、被照射面の照射範囲の幅方向及び長手方向ともに均一な紫外線放射照度分布とすることができる。

本実施形態に係る紫外線照射装置の一例が示された幅方向（Ｘ軸方向）の一部断面側面図である。図１の紫外線照射装置の幅方向と直交する長手方向（Ｙ軸方向）の一部断面側面図である。図１の紫外線照射装置における改良型リニアフレネルレンズの斜視図である。図３の改良型リニアフレネルレンズを図３の矢印方向から見た図である。図４の改良型リニアフレネルレンズの中心付近及び端部付近の溝の形状、及び紫外線ビームの屈折イメージを示す拡大図である。図１の紫外線照射装置において、通常のリニアフレネルレンズを用いた場合の紫外線ビームの照射イメージを示す図であり、下方のグラフは被照射面の各位置における相対紫外線放射照度を示している。図１の紫外線照射装置における紫外線ビームの照射イメージを示す図であり、図７（ａ）はＸ軸方向正の領域の改良型リニアフレネルレンズに入射した紫外線ビームの照射イメージ、図７（ｂ）はＸ軸方向負の領域の改良型リニアフレネルレンズに入射した紫外線ビームの照射イメージ、図７（ｃ）はＸ軸方向における紫外線ビームの照射イメージ、であり、下方のグラフは被照射面の各位置における相対紫外線放射照度を示している。なお、図７（ｃ）の破線は合成前のＸ軸方向の正負各領域における紫外線放射照度を示している。また、図７（ａ）～図７（ｃ）では、紫外線ビームの照射イメージを説明する便宜上、紫外線保護フィルタを含む筐体は省略している。別の実施形態に係る紫外線照射装置での一例が示された図あり、図８（ａ）はＸ軸方向正の領域の凸レンズに入射した紫外線ビームの照射イメージ、図８（ｂ）はＸ軸方向負の領域の凸レンズに入射した紫外線ビームの照射イメージ、図８（ｃ）はＸ軸方向における紫外線ビームの照射イメージ、である。なお、図８（ａ）～図８（ｃ）では、紫外線ビームの照射イメージを説明する便宜上、紫外線保護フィルタを含む筐体は省略している。本実施形態に係る紫外線照射装置を複数備えた一例としての紫外線探傷装置であり、図９（ａ）は長手方向（Ｙ軸方向）の側面図、図９（ｂ）は幅方向（Ｘ軸方向）の側面図である。

以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態の詳細を説明する。図１は本実施形態に係る紫外線照射装置の一例が示された幅方向（Ｘ軸方向）の一部断面側面図であり、図２は図１の紫外線照射装置の幅方向と直交する長手方向（Ｙ軸方向）の一部断面側面図である。

この紫外線照射装置２は、磁粉探傷試験や浸透探傷試験において蛍光磁粉や蛍光浸透液を用いる場合に、被検査物に紫外線を照射して含有した蛍光磁粉や蛍光浸透液の蛍光体を励起させるために被検査物の表面に紫外線を照射するものであり、被照射面３を紫外線により照射する紫外線ＬＥＤ１０と、被照射面３上の任意の一方向（幅方向）にのみ集光する改良型リニアフレネルレンズ２０と、を備える。なお、以下では、説明の便宜上、図１及び図２の紫外線照射装置２において、紫外線ＬＥＤ１０の光源の中心を原点、被照射面３上の任意の一方向に平行な方向をＸ軸方向（幅方向）、そのＸ軸方向に直交する被照射面３上の方向に平行な方向をＹ軸方向（長手方向）、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する紫外線ＬＥＤ１０の光軸に平行な方向をＺ軸方向、としたＸＹＺ三次元直交座標系を用いて、紫外線照射装置２の具体的な構成について説明する。

紫外線照射装置２は、紫外線ＬＥＤ１０と改良型リニアフレネルレンズ２０とを取り囲み、紫外線ＬＥＤ１０から発せられた紫外線を出射する紫外線出射口４１を有する筐体４０を更に備えてもよい。紫外線出射口４１には、可視光を遮断することができる紫外線透過フィルタ３０を配置することが好ましい。この紫外線透過フィルタ３０は、紫外線ＬＥＤ１０から発せられる僅かな可視光を可視光の波長範囲である、概ね４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲でカットするものであり、被検査物から検出された欠陥がグラインダー等で切削された被検査物表面の金属光沢面を検査する際に、金属光沢面に可視光が反射して作業員が眩しくなることを防止することで検査作業を改善することができる。

図１に示すように、改良型リニアフレネルレンズ２０は、Ｘ軸方向にのみ集光するレンズであり、Ｚ軸負方向に、紫外線ＬＥＤ１０と被照射面３との間に位置し、被照射面３は、Ｚ軸負方向に改良型リニアフレネルレンズ２０から所定の距離離れて位置するものとする。

図３及び図４に示すように、改良型リニアフレネルレンズ２０は、蒲鉾形状のレンズ（例えばシリンドリカルレンズ）の表面を複数の直線で区分けし、それら区分けされた各区間（フレネル面２１）の高さを概ね一様にするために、隣り合う区間の間に段差がつけられたレンズにおいて、各フレネル面２１のフレネル角度αを特別に調整して形成したものである。また、改良型リニアフレネルレンズ２０には、フレネル面２１および段差を付けるためのライズ面２２が交互に形成されている。なお、上記フレネル角度αを調整する構成については後記で詳細に説明する。

このようなフレネル面２１およびライズ面２２を形成するために、改良型リニアフレネルレンズ２０の一方の面には、図３に示すように、複数本の溝２４が、直線状に互いに平行に（かつ、Ｙ軸方向に平行に）形成される。そして、各溝２４は、１つのフレネル面２１と１つのライズ面２２の組（例えば、図４に示すように、フレネル面２１ａとライズ面２２ａの組、フレネル面２１ｂとライズ面２２ｂの組）によって構成されている。

このフレネル面２１のそれぞれは、非球面レンズの形状に一致する面になっており、ライズ面２２のそれぞれは、改良型リニアフレネルレンズの上面２５にほぼ垂直に切り立った略平面になっている。切削加工によって製作される改良型リニアフレネルレンズ２０は、図３及び図４に示すレンズで構成される。

また、改良型リニアフレネルレンズ２０は、図３に示すように、中央面２６を対称面として面対称な形状となっている。中央面２６は、改良型リニアフレネルレンズの上面２５に対して垂直かつ溝２４と平行な面であり、Ｘ軸方向（溝２４に垂直かつ改良型リニアフレネルレンズの上面２５に平行な方向）における改良型リニアフレネルレンズ２０の中央に位置している。更に、Ｘ軸方向（幅方向）の最も中央側に位置する溝２４間には、改良型リニアフレネルレンズの上面２５に平行な平坦面２９が形成されている。

改良型リニアフレネルレンズ２０が、中央面２６を対称面として面対称となっているので、中央面２６から一方側２７に配置される各溝の向きは、中央面２６から他方側２８に配置された各溝２４の向きとは逆になっている。より具体的には、図４に示すように、一方側２７では、右側（Ｘ軸正の方向）に向かって下がるように各フレネル面２１が傾斜しているが、他方側２８では、左側（Ｘ軸負の方向）に向かって下がるよう各フレネル面２１が傾斜している。

なお、図３及び図４では、溝２４の形状を説明する便宜上、改良型リニアフレネルレンズ２０全体のサイズに対するフレネル面（例えばフレネル面２１ａ、２１ｂ）およびライズ面（例えばライズ面２２ａ、２２ｂ）のサイズの比率を誇張して記載している。

ここで、各溝２４におけるフレネル面２１のフレネル角度αを調整する構成について詳細に説明する。

図１及び図３に示すように、改良型リニアフレネルレンズ２０のＸ軸方向正負の各領域の各溝２４におけるフレネル角度αは、紫外線ＬＥＤ１０から出射されたビームのＸＺ平面内の軌跡について、紫外線ＬＥＤ１０からＸ軸方向正の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから順に被照射面３における照射領域のＸ軸方向の負の最大値点３ａから正の最大値点３ｂに向けて出射するビームに変換し、紫外線ＬＥＤ１０からＸ軸方向負の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから順に被照射面３における照射領域のＸ軸方向の正の最大値点３ｂから負の最大値点３ａに向けて出射するビームに変換するように形成される。更に、改良型リニアフレネルレンズ２０における各溝２４のフレネル角度αは、Ｘ軸方向において、正の領域と負の領域が互いにミラー対称に形成される。

なお、改良型リニアフレネルレンズ２０の中心部２６ａ付近に入射角度が３～５度くらいで入射するＸ軸方向正負の各領域におけるビーム同士は紫外線放射照度が高く、その紫外線放射照度の差が僅かであるため、ビームの照射方向を入射角度の小さいビームから順に定めずに、ビーム同士の間で入れ替わる構成としてもよい。すなわち、Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度αは、５度より大きな入射角度で入射したビームを変換するように形成されてもよい。
この構成により、改良型リニアフレネルレンズ２０のフレネル角度αの調節が容易になる。

更に、改良型リニアフレネルレンズ２０の両端部付近に入射するＸ軸方向正負の各領域におけるビーム同士は紫外線放射照度が低く、その紫外線放射照度の差が僅かであるため、ビームの照射方向を入射角度の小さいビームから順に定めずに、ビーム同士の間で入れ替わる構成としてもよい。

更に、フレネル角度αは、紫外線ＬＥＤ１０から出射された紫外線のＸＺ平面内の軌跡について、改良型リニアフレネルレンズ２０の正の領域に入射した紫外線と、負の領域に入射した紫外線とを、それぞれ被照射面３の幅方向全域に投影し、被照射面３の幅方向全域において合成された紫外線の放射照度分布が均一にできる構成であれば良く、上述の構成に限定されるものではない。

図６に示すように、通常のリニアフレネルレンズ９を使用した場合には、ＬＥＤから照射された紫外線は中心部２６ａの紫外線放射照度が強い円形の配光となり、Ｘ軸方向（幅方向）の配光は多少焦点をずらしても均一に近づけることはできない。
本構成とすることで、紫外線ＬＥＤ１０から照射される紫外線の半分であるＸ軸方向正の領域に入射する紫外線をリニアフレネルレンズの一方（図１の改良型リニアフレネルレンズ２０のＸ軸方向正の領域）を利用して被照射面３の全面（Ｘ軸方向の負の最大値点３ａから正の最大値点３ｂまでの範囲）に半円状に投影し、もう半分の紫外線であるＸ軸方向負の領域に入射する紫外線をリニアフレネルレンズの他方（図１の改良型リニアフレネルレンズ２０のＸ軸方向負の領域）を利用して被照射面３の全面（Ｘ軸方向の正の最大値点３ｂから負の最大値点３ａまでの範囲）に半円状に投影される。

被照射面３において、図１及び図７（ａ）～（ｃ）に示すように、これらの紫外線が合成される。ここで、被照射面３の両端部（Ｘ軸方向の負の最大値点３ａ、正の最大値点３ｂを含む領域）では、改良型リニアフレネルレンズ２０の一方の側からのＬＥＤ中心付近の高い紫外線放射照度のビームと、改良型リニアフレネルレンズ２０の他方の側からの低い紫外線放射照度のビームが合成され、被照射面３の中心付近では改良型リニアフレネルレンズ２０の両側から中間程度の紫外線放射照度のビームが合成されることによって、被照射面３の幅方向（Ｘ軸方向）において均一な配光分布を得ることができる。

また、改良型リニアフレネルレンズ２０のＸ軸方向正負の各領域のフレネル角度αは、被照射面３の照射領域におけるより高い紫外線放射照度かつ均一な紫外線放射照度分布を実現する観点から、入射角度が小さいビームから紫外線ＬＥＤ１０の指向角で入射するビームまでを変換するように形成されることが好ましい。

図７（ａ）～図７（ｃ）は、上述した紫外線照射装置２による被照射面３上の幅方向（Ｘ軸方向）の紫外線放射照度分布を示すグラフである。なお、これらの図において横軸は被照射面３上の位置を、縦軸は相対紫外線放射照度を示している。

本発明によれば、幅方向（Ｘ軸方向）について、改良型リニアフレネルレンズ２０の上述の構成によって異なる紫外線放射照度の紫外線を合成させることで、紫外線放射照度の均一性と、紫外線放射照度の向上とを図っている（図７（ｃ）において、破線は合成前の正負の各領域の改良型リニアフレネルレンズ２０の配光による相対紫外線放射照度分布を示している）。
なお、本発明においては、被照射面３の照射幅全域において、紫外線放射照度の平均値の±１０パーセントの範囲に紫外線放射照度が収まっている場合に、紫外線放射照度が均一化されているとしている。

フレネル角度αは、図５及び図７に示すように、改良型リニアフレネルレンズ２０から被照射面３までの距離ｄ３、被照射面３の照射幅ｄ１、媒質１の屈折率（空気の屈折率）、媒質２の屈折率（改良型リニアフレネルレンズ２０の屈折率）、改良型リニアフレネルレンズ２０への紫外線ビームの入射角、改良型リニアフレネルレンズ２０入射面での紫外線ビームの屈折角、媒質１（空気）への紫外線ビームの入射角、及び改良型リニアフレネルレンズ２０出射面での紫外線ビームの屈折角から定まる値であり、これらの間には、スネルの法則（式１）から、以下の関係式が成立し、各溝２４におけるフレネル角度αを算出することができる。

ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２・・・・・（式１）
α＝θ_２＋θ_３
ただし、各符号は、以下のものを示す。
ｎ_１：媒質１の屈折率（空気の屈折率１．０）
ｎ_２：媒質２の屈折率（改良型リニアフレネルレンズの屈折率）
θ_１：改良型リニアフレネルレンズへの紫外線ビームの入射角
θ_２：改良型リニアフレネルレンズ入射面での紫外線ビームの屈折角
θ_３：媒質１への紫外線ビームの入射角
θ_４：改良型リニアフレネルレンズ出射面での紫外線ビームの屈折角
α：フレネル角度

被照射面３の寸法は限定されるものではないが、例えば、改良型リニアフレネルレンズ２０から被照射面３までの距離ｄ３が６００ｍｍで、被照射面３の照射幅ｄ１が５０ｍｍ～２００ｍｍの照射範囲を照射する場合には、幅方向に均一に照射する観点から、Ｘ軸方向の中心（ゼロ点）付近のフレネル角度αｍｉｎは、４度～３７度で構成されるのが好ましい。また、幅方向の両端部におけるフレネル角度αｍａｘは、幅方向に均一に照射する観点から、２２度～５２度で構成されるのが好ましい。図４においては、Ｘ軸方向の中心部２６ａ付近のフレネル角度αは約１４度となっており、中心からＸ軸方向外側に離れていくにしたがってフレネル角度αは大きくなり、両端部で約４７度となっている。なお、各フレネル角度αの具体例については後記の実施例を参照されたい。

ここで、本発明の改良型リニアフレネルレンズ２０の典型的な寸法及び材質について説明する。改良型リニアフレネルレンズ２０における各溝２４のＸ軸方向の一辺の長さ（ピッチｐｔ）は、約０．３ｍｍである。各フレネル面２１およびライズ面２２のサイズは、フレネル面２１のＸ軸方向の長さが約０．２５ｍｍ～０．４０ｍｍであり、ライズ面２２のＺ軸方向の高さが約０．０５ｍｍ～０．１５ｍｍである。この場合、改良型リニアフレネルレンズ２０にはフレネル面２１およびライズ面２２がそれぞれ約１６２個形成される。なお、これらの寸法は限定されるものではなく、均一な紫外線放射照度分布を得る観点から適宜設計することができる。

改良型リニアフレネルレンズ２０の材質としては、従来用いられる透明な樹脂を用いることができ、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、スチレン樹脂、アクリルスチレン共重合樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂、シリコン樹脂等が用いられ、これらの樹脂と、フレネルレンズの逆形状を有する金型を用いて、プレス成形法、重合成形法等の方法により成形すればよい。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図８に示すように、紫外線ＬＥＤ１０と改良型リニアフレネルレンズ２０との間において、その光軸が紫外線ＬＥＤ１０の光軸と一致するように凸レンズ５０が配置されることが好ましい。上記のように構成される紫外線照射装置２は、紫外線ＬＥＤ１０から発せられた紫外線の改良型リニアフレネルレンズ２０への入射角を小さくすることで、図８に示すように、照射幅ｄ１をｄ２のように狭め、紫外線放射照度を高めることができる。

より具体的には、指向角が約６０度のＬＥＤとアクリル樹脂製の改良型リニアフレネルレンズ２０を用いた紫外線照射装置２の場合、例えば、改良型リニアフレネルレンズ２０から被照射面３までの距離ｄ３が６００ｍｍで得られる最も狭い照射範囲は約２６０ｍｍの照射幅となる。そこで、上記構成の位置に凸レンズ５０を配置することで、２６０ｍｍ未満の照射幅を得ることができる。

なお、上記構成において凸レンズ５０に用いるレンズの種類は、通常の凸レンズ、又は通常のリニアフレネルレンズを使用すればよく、材質として、例えば、樹脂を用いることができるが、耐熱性のあるシリコン又はガラス製のレンズがより好ましい。

次に、本実施形態に係る紫外線照射装置２を複数備えた一例としての紫外線探傷装置１について説明する。
紫外線照射装置２は、図９（ａ）に示すように、被検査物４の長手方向（Ｙ軸方向）に複数直線状一列に並べて配置してもよい。図９（ａ）においては、紫外線ＬＥＤ１０と改良型リニアフレネルレンズ２０等のユニットが５つ備えられた紫外線照射装置２を２個並べて配置しており、紫外線ＬＥＤ１０が１０個で均一となる。各紫外線は各紫外線ＬＥＤ１０から出射され、改良型リニアフレネルレンズ２０を通過した紫外線の配光全角の端縁が、被照射面３において、その紫外線ＬＥＤ１０の隣、又はさらに先隣に配置された紫外線ＬＥＤ１０の光軸とほぼ一致するように配置されるのが好ましい。

図９（ａ）では、紫外線の配光全角の最も外側の部分が、被照射面３において、その紫外線ＬＥＤ１０の隣、又はさらに先隣の紫外線ＬＥＤ１０の光軸上に位置するように、紫外線照射装置２が構成されている。このような構成を採用することにより、被照射面３の長手方向の紫外線放射照度は、２個、又は３個の紫外線ＬＥＤ１０の配光が互いに重なることになり、これにより全領域にわたって隣接する紫外線ＬＥＤ１０の配光が重ね合わされて、均一な紫外線放射照度分布が得られる。

また、図９（ｂ）に示すように、長手方向と直交する幅方向においては、各紫外線ＬＥＤ１０から出射されて改良型リニアフレネルレンズ２０を通過した紫外線は、本発明のフレネル角度αを調整する上述の構成によってＸ軸方向正負の各領域に入射した紫外線が合成され、被照射面３上で均一な紫外線放射照度分布を得ることが可能となる。
従って、被照射面３の照射領域の幅方向及び長手方向の両方向において、均一な紫外線放射照度分布を得ることが可能となる。

以下に実施例を示して、本開示を更に詳細、且つ具体的に説明する。しかしながら、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１、図２及び図７に示される本実施形態に係る紫外線照射装置２が用いられた。すなわち、紫外線照射装置２は、被照射面３を紫外線により照射する紫外線ＬＥＤ１０と、被照射面３上の任意の一方向にのみ集光する改良型リニアフレネルレンズ２０と、を備え、紫外線ＬＥＤ１０光源の中心を原点、被照射面３上の任意の一方向に平行な方向をＸ軸方向、そのＸ軸方向に直交する被照射面３上の方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する紫外線ＬＥＤ１０の光軸に平行な方向をＺ軸方向、としたＸＹＺ三次元直交座標系を用いたときに、改良型リニアフレネルレンズ２０は、Ｘ軸方向にのみ集光するレンズであり、Ｚ軸負方向に紫外線ＬＥＤ１０と被照射面３との間に位置し、被照射面３は、Ｚ軸負方向に改良型リニアフレネルレンズ２０から所定の距離離れて位置し、改良型リニアフレネルレンズ２０のＸ軸方向正負の各領域のフレネル角度αは、紫外線ＬＥＤ１０から出射されたビームのＸＺ平面内の軌跡について、紫外線ＬＥＤ１０からＸ軸方向正の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから被照射面３における照射領域のＸ軸方向の負の最大値点３ａから正の最大値点３ｂに向けて出射するビームに変換し、紫外線ＬＥＤ１０からＸ軸方向負の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから被照射面３における照射領域のＸ軸方向の正の最大値点３ｂから負の最大値点３ａに向けて出射するビームに変換するように形成され、改良型リニアフレネルレンズ２０は、Ｘ軸方向において、正の領域と負の領域が互いにミラー対称に形成されるといった特徴を有している。

実施例１の紫外線照射装置２に用いられる改良型リニアフレネルレンズ２０は、アクリル樹脂製であり、改良型リニアフレネルレンズ２０から６００ｍｍの離れた距離に位置する被照射面３のＸ軸方向の照射幅２００ｍｍの照射範囲における紫外線放射照度の均一化を目的として、面長５０ｍｍ、厚さｔ＝０．３ｍｍ、ピッチｐｔ＝０．３ｍｍ、中心部２６ａからの距離ｄ、フレネル角度α、及びライズ面の高さｈは、表１～表３に示すように、フレネル角度αが１４．０４７度～４７．１９２度で連続的に変化するように構成し、加工によって作製した。この改良型リニアフレネルレンズ２０の幅方向における中心付近及び端部付近の溝２４のフレネル角度αを示す拡大図を図５に示す。なお、紫外線ＬＥＤ１０は、ピーク波長が３６５ｎｍであるものが用いられた。

＜評価方法＞
（紫外線放射照度分布試験）
実施例１の紫外線照射装置２を用いた場合における被照射面３の紫外線放射照度分布が測定された。改良型リニアフレネルレンズ２０から６００ｍｍの離れた距離に位置する被照射面３のＸ軸方向の照射幅２００ｍｍの領域における紫外線放射照度分布を測定し、図７（ｃ）の下図に示すような紫外線放射照度分布が得られた。すなわち、照射幅全域において、紫外線放射照度の平均値の±１０パーセントの範囲に紫外線放射照度が収まっており、紫外線放射照度が均一化されていることが確認できた。

本開示は、紫外線を照射する紫外線照射装置、及び紫外線照射装置を備える紫外線探傷装置に好適に利用することができる。しかしながら、本開示は、上述された実施形態、及び実施例に限定されるものではない。本開示の紫外線照射装置は、紫外線を利用する、コンタミネーションチェック、漏洩検査、脱脂洗浄の確認等のいるあらゆる試験や検査に有用である。また、本開示の紫外線探傷装置は、蛍光磁粉探傷装置に限定されるものではなく、蛍光浸透液を用いて被検査物の表面の欠陥を探傷する浸透探傷装置であっても良く、紫外線を利用して欠陥を探傷するあらゆる紫外線探傷装置に適用することができる。

１紫外線探傷装置
２紫外線照射装置
３被照射面
３ａ被照射面における照射領域のＸ軸方向の負の最大値点
３ｂ被照射面における照射領域のＸ軸方向の正の最大値点
４被検査物
９通常のリニアフレネルレンズ
１０紫外線ＬＥＤ
２０改良型リニアフレネルレンズ
２１（２１ａ，２１ｂ）フレネル面
２２（２２ａ，２２ｂ）ライズ面
２４溝
２５改良型リニアフレネルレンズの上面
２６中央面
２６ａ中心部
２７一方側
２８他方側
２９平坦面
３０紫外線透過フィルタ
４０筐体
４１紫外線出射口
５０凸レンズ
α フレネル角度
ｄ中心部からの距離
ｄ１被照射面の照射幅
ｄ２凸レンズを追加した場合に得られる被照射面の照射幅
ｄ３改良型リニアフレネルレンズから被照射面までの距離
ｈライズ面の高さ
ｐｔ改良型リニアフレネルレンズのピッチ
ｔ改良型リニアフレネルレンズの厚さ

Claims

被照射面を紫外線により照射する紫外線ＬＥＤと、
前記被照射面上の任意の一方向にのみ集光する改良型リニアフレネルレンズと、
を備える紫外線照射装置において、
前記紫外線ＬＥＤの光源の中心を原点、前記被照射面上の任意の一方向に平行な方向をＸ軸方向、そのＸ軸方向に直交する前記被照射面上の方向をＹ軸方向、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向と直交する前記紫外線ＬＥＤの光軸に平行な方向をＺ軸方向、としたＸＹＺ三次元直交座標系を用いたときに、
前記改良型リニアフレネルレンズは、前記Ｘ軸方向にのみ集光するレンズであり、前記Ｚ軸負方向に前記紫外線ＬＥＤと前記被照射面との間に位置し、
前記被照射面は、前記Ｚ軸負方向に前記改良型リニアフレネルレンズから所定の距離離れて位置し、
前記改良型リニアフレネルレンズの前記Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度は、
前記紫外線ＬＥＤから出射されたビームのＸＺ平面内の軌跡について、
前記紫外線ＬＥＤから前記Ｘ軸方向正の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから前記被照射面における照射領域の前記Ｘ軸方向の負の最大値点から正の最大値点に向けて出射するビームに変換し、
前記紫外線ＬＥＤから前記Ｘ軸方向負の領域に入射したビームを、入射角度が小さいビームから前記被照射面における照射領域の前記Ｘ軸方向の正の最大値点から負の最大値点に向けて出射するビームに変換するように形成され、
前記改良型リニアフレネルレンズは、前記Ｘ軸方向において、正の領域と負の領域が互いにミラー対称に形成されることを特徴とする、
紫外線照射装置。
前記改良型リニアフレネルレンズの前記Ｘ軸方向正負の各領域のフレネル角度は、入射角度が小さいビームから前記紫外線ＬＥＤの指向角で入射するビームまでを変換するように形成されることを特徴とする、
請求項１に記載の紫外線照射装置。
前記紫外線照射装置は、前記紫外線ＬＥＤと前記改良型リニアフレネルレンズとを取り囲み、前記紫外線ＬＥＤから発せられた紫外線を出射する紫外線出射口を有する筐体を更に備え、
前記紫外線出射口には、可視光を遮断可能な紫外線透過フィルタが配置されることを特徴とする、
請求項１または２に記載の紫外線照射装置。
前記紫外線ＬＥＤと前記改良型リニアフレネルレンズとの間に凸レンズが配置されることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の紫外線照射装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の前記紫外線照射装置を、前記Ｙ軸方向に複数直線状一列に並べて配置することを特徴とする紫外線探傷装置。