TW202227744A - Led光照射裝置及檢查系統 - Google Patents

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香山貴彦
吉村憲久
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日商Ｃｃｓ股份有限公司
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Abstract

本發明之目的在於提供一種可在具備遠心光學系統之系統中提升照度之均一性之LED光照射裝置。為達此目的，本發明包含：具備發光面之LED光源1、以其凸面與該發光面相向之方式設置的平凸透鏡2，以及以使從該平凸透鏡2之平面射出之光入射至入射端面之方式設置的棒狀透鏡3。

Description

LED光照射裝置及檢查系統
本發明係關於一種例如用於製品的損傷及污漬之檢測等之LED光照射裝置，及利用LED光照射裝置之檢查系統。
作為用於製品的檢查等之檢查系統之一例，有在LED光照射裝置及檢查對象亦即工件之間設置遠心光學系統，以使LED光照射裝置的發光面在工件上成像之方式構成者(專利文獻1)。
如此之檢查系統中，尋求例如盡可能提高照射於工件上一定區域之光的利用效率。於是，作為LED光照射裝置，會使用稱為聚光照明者。具體而言，如圖8所示之聚光照明100A，係將具備發光面之LED光源1A、平凸透鏡2A、棒狀透鏡3A按照此順序在光軸上並列設置者。平凸透鏡的方向，係設定為使從LED光源1A射出之光入射至平面，並使從凸面射出之光入射至棒狀透鏡3A之入射端面。此係由於一般認為不使平凸透鏡2A中產生急劇的折射，減低球面像差之影響，而盡可能減小光分布特性之偏差更能滿足所尋求之性能。
但，經過本案發明人戮力研究，首次發現在如上述之具備遠心光學系統之檢查系統中，比起透過以往的聚光照明100A供給光，當光分布特性中大幅存在偏差時反而更能提高於工件上之照度的均一性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2014－109520號公報
[發明欲解決之課題]
本發明係基於如上述之發現而完成，目的在於提供一種可在具備遠心光學系統之系統中使照度的均一性提升之LED光照射裝置。 [解決課題之手段]
亦即，依本發明之LED光照射裝置，其特徵在於包含：具備發光面之LED光源、以其凸面與該發光面相向之方式設置的平凸透鏡，以及以使從該平凸透鏡的平面射出之光入射至入射端面之方式設置的棒狀透鏡。
如此者，因該平凸透鏡之凸面與該發光面相向，故可藉由球面像差之影響，於從該棒狀透鏡之射出端面射出之光的光分布特性形成偏差。具體而言，可使光的強度在從光軸偏移既定角度之位置而非在光軸上為最高。然後，使具有如此光分布特性之光入射至遠心光學系統時，可使該遠心光學系統之聚焦面上的照度之均一性比以往更加提升。
換言之，以往認為，為提高光的利用效率必須盡可能使球面像差不發生，但本發明突破如此之技術常識，刻意使球面像差發生。此結果，本發明可實現在遠心光學系統中較佳之光分布特性。
欲在得到於遠心光學系統中較佳之光分布特性的同時亦提高光的利用效率，只要將該發光面與該平凸透鏡之前側主點之距離，設定為比該平凸透鏡之焦點距離的2倍更短即可。此係由於，藉由比2倍更短，亦即，使發光面與平凸透鏡接近，可使球面像差變大，且增加入射至平凸透鏡的光量。
具備依本發明之LED光照射裝置及「使從該棒狀透鏡之射出端面射出之光入射之遠心光學系統」之檢查系統，即可藉由將從該遠心光學系統射出之光照射於工件，於該工件之一定區域內照射高均一性的光。因此，可使對於工件上之損傷及污漬的檢測精度比以往更加提升。
欲使入射至工件上的各點之光線的方向一致，更加提升檢查精度時，只要將該遠心光學系統之聚焦位置設定於照射對象亦即工件即可。
作為可兼顧在該工件上之照度的均一性，以及從該LED光源射出之光的利用效率之具體態樣，可舉出以下述方式構成者：在將「從該發光面之與光軸之交點向該凸面畫出之切線」與「光軸」所成的角度設為θ，將該棒狀透鏡之入射端面上之光的入射開口徑設為D，將該發光面的直徑設為Y，並將評價值設為EV=D×θ×(1/Y)時，滿足250≦EV≦325。 [發明效果]
如此依本發明之LED光射出裝置，因該平凸透鏡之凸面與該LED光源之發光面相向，可得到「可利用球面像差而使例如用於檢查等之具備了遠心光學系統之系統中的照度之均一性提升」之具有偏差之光分布特性。又，本發明不僅適用於照射可見光之LED光源，亦可適用於射出紫外線或紅外線等可見光以外之光的LED光源，此情況可得到「可提升放射照度(可見光之情況為照度)之均一性」之光分布特性。
對於本發明之一實施態樣中的LED光照射裝置100，以及利用此LED光照射裝置100之檢查系統200，參照各圖進行說明。
如圖1所示，本實施態樣之LED光照射裝置100，係將用以射出近紅外線之LED光源1、玻璃製的平凸透鏡2及玻璃製的棒狀透鏡3，從基端側向前端側按照此順序收納於殼體4內之所謂的聚光照明。殼體4，係形成為前端側較細之略二段圓筒狀者，於設有LED光源1之基端側配置有散熱用支撐構件(未圖示)。
LED光源1具有既定面積之發光面。亦即，係以從具有既定大小之發光面整體射出光線之方式構成，而非點光源。
平凸透鏡2，在本實施態樣中係一邊的面亦即凸面形成為半球形之半球透鏡。又，凸面不限於形成為半球狀者，亦可為非球面。平凸透鏡2之另一邊的面為平面。又，平凸透鏡2如圖1所示，係以其凸面與LED光源1之發光面相向之方式設置，從發光面射出之光係以入射至凸面之方式構成。又，從平凸透鏡2之平面射出之光，入射至棒狀透鏡3之入射端面。
又，LED光源1與平凸透鏡2之距離，係設定為使LED光源1之發光面與平凸透鏡2之前側主點之距離比平凸透鏡2之焦點距離的2倍更短。此處，所謂前側主點係指圖1及圖6中所示之H。本實施態樣中，平凸透鏡2係半球透鏡，故前側主點位於半球透鏡之頂點。
利用如此之LED光照射裝置100，構成如圖2所示之具備遠心光學系統TL之檢查系統200。此檢查系統200，係基於攝影機8之拍攝影像對照射對象亦即工件W上之損傷及污漬進行檢測者。本實施態樣之檢查系統200，係以「使攝影機8之觀測光軸，與對工件W之檢查光之照射光軸為同軸」之方式構成之同軸照明。具體而言，檢查系統200，係「具備將各種光學儀器收納於內部之筒狀的鏡筒5，並在鏡筒5之中央部側面安裝有LED光照射裝置100」者。在鏡筒5中，在與工件W相向設置的一端部設有攝影透鏡6，而在另一端部安裝有攝影機8。又，在鏡筒5之中央部設有分光器7，其係以「使從LED光照射裝置100射出之光，向攝影透鏡6側反射」之方式構成。又，以「使在工件W反射之光再次回到鏡筒5內，並通過攝影透鏡6及分光器7入射至位於另一端部之攝影機8」之方式構成。
本實施態樣中，於攝影透鏡6之鏡筒5內側之焦點位置設有光圈ST，由攝影透鏡6及光圈ST構成遠心光學系統TL。又，如圖2之光線的軌跡所示，藉由將工件W配置於攝影透鏡6之鏡筒外側的焦點位置，使從LED光照射裝置100中的棒狀透鏡3之射出端面的各點射出之光的主光線、上光線及下光線以互相平行之狀態入射至攝影透鏡6。因此，從棒狀透鏡3之射出端面的各點射出之各角度成分，聚光在工件W上的1點。
圖3中顯示照射側之光線的軌跡。在圖3中，若將照射於工件W上之照射區域中最外側的點之光線的主光線與光軸形成的角設為Θ，並將從LED光照射裝置100射出之光分布特性設為I(Θ)，則工件W上之放射照度可由I(Θ)×cos 3Θ表示。因此，本案發明人發現若可由LED光照射裝置100實現成為I(Θ)
Figure 02_image001
1/cos 3Θ之光分布特性，工件W上之放射照度會完全均一。
基於如此之發現，為使從LED光照射裝置100射出之光的光分布特性接近I(Θ)
Figure 02_image001
1/cos 3Θ，在本實施態樣中使平凸透鏡2之凸面與LED光源1之發光面相向，而使球面像差的影響大幅展現。
圖4及圖5中，顯示在「如以往的LED光照射裝置100使平凸透鏡2之平面與LED光源1之發光面相向之情況」，以及「如本實施態樣使平凸透鏡2之凸面與LED光源1之發光面相向之情況」之光分布特性的模擬結果。如圖4及圖5所示，相較於使平凸透鏡2之平面與LED光源1之發光面相向之情況，在使平凸透鏡2之凸面與LED光源1之發光面相向之情況下，可利用平凸透鏡2中的球面像差，使例如對光軸±10deg之角度成分之光量比光軸上之光量更大(可接近成為I(Θ)
Figure 02_image001
1/cos3Θ之光分布特性)。
接著對於用以不僅提升工件W上之放射照度之均一度，亦提升從LED光源1射出之光的利用效率之構成進行說明。基於圖6之表示LED光照射裝置100的各設計參數之示意圖進行說明。
將「從LED光源1之發光面與光軸之交點向平凸透鏡2之凸面畫出之切線」與「光軸」所成的角度設為θ，將棒狀透鏡3之入射端面之光的入射開口徑設為D，將發光面之直徑設為Y，並將評價值設為EV=D×θ×(1/Y)。
圖7中顯示「表示工件W上之放射照度的均一度，及光的利用效率對評價值EV之變化」之模擬結果。3個圖表分別表示在LED光照射裝置100之構成中改變θ時、改變Y時以及改變D時之3種變化模式下的模擬結果。如從圖表可知，了解到只要以滿足250≦EV≦325之方式構成，可不受遠心光學系統TL之構成影響，而兼顧分別較佳之均一度及效率。因此，本實施態樣之LED光照射裝置100係以滿足如此之EV之方式構成。
如此構成之本實施態樣的LED光照射裝置100，即可藉由利用平凸透鏡2中的球面像差，使例如對光軸±10deg之角度成分的光量比光軸上的光量更大，且可接近成為I(Θ)
Figure 02_image001
1/cos3Θ之光分布特性。因實現了如此之光分布特性，在由LED光照射裝置100供給光之遠心光學系統TL的聚焦面OP上，可使放射照度之均一度比以往更加提升。因此，可在配置於聚焦面OP上之工件W的各點，分別使幾乎相同之光量，且幾乎相同之照射態樣的光入射。故，可使攝影機8進行攝影之條件與工件W上之各點一致，而可使檢查精度比以往更加提升。
對於其他實施態樣進行說明。
上述之實施態樣中係將LED光照射裝置用於檢查系統，但亦可將依本發明之LED光照射裝置用於其他之用途。換言之，可將LED光照射裝置用於光分布特性為「相較於光軸上之強度，其周圍之角度成分的強度更高時較佳」之用途。
又，並非必定要使從LED光照射裝置射出之光入射至遠心光學系統。亦即，亦可使用LED光照射裝置單體。從LED光源1射出之光不特別限定，除了近紅外線，亦可為可見光或紫外線，或近紅外線以外之紅外線。特別係本發明適用於「在可見光之情況經常利用之樹脂製的反射器透鏡所不適用」之紫外線或紅外線(包含近紅外線)，並可將該平凸透鏡2及棒狀透鏡3進行組合，而簡單地提高放射照度之均一性。
攝影透鏡不限於以1片透鏡構成，亦可係將複數片之透鏡組合而構成者。又，平凸透鏡，不限於其凸面以連續曲面形成者，亦可係例如菲涅爾透鏡這般由複數之分割而成的透鏡元件構成者。總而言之，在平凸透鏡中，凸面係其球面像差比另一面更為大幅發生者，並使如此之凸面與LED光源相向即可。
除此之外，亦可在不違反本發明之主旨的範圍內，進行各種變形或各實施態樣之一部分之互相組合。
100:LED光照射裝置 200:檢查系統 1:LED光源 2:平凸透鏡 3:棒狀透鏡 4:殼體 5:鏡筒 6:攝影透鏡 7:分光器 8:攝影機 TL:遠心光學系統 ST:光圈 W:工件 H:前側主點 OP:聚焦面 Θ,θ:角度 Y,D:直徑 100A:聚光照明 1A:LED光源 2A:平凸透鏡 3A:棒狀透鏡
圖1係表示本發明之一實施態樣中的LED光照射裝置的構成之示意圖。 圖2係表示使用同一實施態樣中的LED光照射裝置之檢查系統之示意圖。 圖3係表示同一實施態樣中的檢查系統之照射光學系統之示意圖。 圖4係關於以往的LED光照射裝置與實施態樣之LED光照射裝置之在光軸上的光分布特性之模擬結果。 圖5係關於以往的LED光照射裝置與實施態樣之LED光照射裝置之在距離光軸10deg之部分的光分布特性之模擬結果。 圖6係表示本實施態樣之LED光照射裝置之各設計參數之示意圖。 圖7係表示同一實施態樣中工件上之放射照度的均一度與光的利用效率對評價值之變化的模擬結果。 圖8係表示以往的LED光照射裝置的構成之示意圖。
100:LED光照射裝置
1:LED光源
2:平凸透鏡
3:棒狀透鏡
4:殼體
H:前側主點

Claims (5)

  1. 一種LED光照射裝置，包含： LED光源，具備發光面； 平凸透鏡，以使其凸面與該發光面相向之方式設置；以及， 棒狀透鏡，以使從該平凸透鏡之平面射出之光入射至入射端面之方式設置。
  2. 如請求項1所述之LED光照射裝置，其中， 該發光面與該平凸透鏡之前側主點的距離，係設定為比該平凸透鏡之焦點距離的2倍更短。
  3. 一種檢查系統，包含： 如請求項1所述之LED光照射裝置；以及， 遠心光學系統，供從該棒狀透鏡之射出端面射出之光入射至其中。
  4. 如請求項3所述之檢查系統，其中， 該遠心光學系統之聚焦位置係設定於照射對象亦即工件。
  5. 如請求項3所述之檢查系統，其中， 係以在將從該發光面與光軸之交點向該凸面畫出之切線與光軸所成的角度設為θ，將該棒狀透鏡之入射端面之光的入射開口徑設為D，將該發光面的直徑設為Y，並將評價值設為EV=D×θ×(1/Y)時，滿足250≦EV≦325之方式構成。
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