JP2016014632A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い指向性を維持しつつ、検査対象のキズや異物を検出するのに適した光を、従来の照明装置よりも簡便な調整で得ることができる、照明装置を提供する。【解決手段】複数のレンズ４の中心軸からずれた位置に複数の発光体２を基板３に直線状に配列し、該複数のレンズは該複数の発光体が放射した光が透過するよう、該複数の発光体の前方に、該複数の発光体の配列方向と同じ方向に並列して設けられる。該複数のレンズは、該複数の発光体が放射した光を、該複数の発光体の配列方向にコリメート、もしくは集光できる向きに設けられている。レンズを透過した光が任意の角度で照射されるよう、該複数のレンズが、該複数の発光体の配列方向に移動可能となっており、レンズと発光体の位置関係を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は照明装置に関し、特に画像処理検査装置に組み込むのに有用な照明装置に関する。

工業製品等の検査工程では、搬送中の検査対象物に、その搬送方向と直交するライン状照射光を当て、その反射光や透過光をＣＣＤカメラなどで捉える、いわゆる画像処理検査装置が使用されている。
この装置は、検査対象物中のキズや異物から発せられる散乱光を捉えて、キズや異物を検出している。
しかし、照射光と同じ向きのキズや異物からは、散乱光は殆ど発せられない。仮に微小の散乱光が発せられても、このような散乱光は、直進光により打ち消されてしまう。
従って、この装置では、散乱光が捉えにくい、すなわちキズや異物が検出されない場合があるという基本的問題があった。

この問題を解決するための方法の１つとして、キズや異物に対して斜め方向から光を照射する方法が知られている。
キズや異物に対して適切な角度で光を照射することで、検出精度が改善される。

キズや異物に対して斜め方向から光を照射する照明装置として、特許文献１〜３に記載されたものなどが知られている。

特許文献１には、ライトガイドの出射端面に対して、光ファイバの光出射端部分を一定角度で傾斜させてライン状に配列したライン状ライトガイドをライン状照明に用いることが記載されている。光ファイバの光出射端部分を傾斜させることで光の出射方向を変化させ、検査対象の搬送方向に発生したキズを検出可能としている。

特許文献２には、発光部の前方に中空柱状体の並列集合体を多段に積層した光抽出部品を配することで、特定方向の光のみを抽出し、検査対象に対して斜めの光を照射する照明装置が記載されている。

特許文献３には、発光部の前方にプリズムシートと集光レンズを設け、発光部の放射特性と要求される出射特性に合わせて、特定方向に２つのピーク、すなわち検査対象に対して２方向に斜めの光を照射する照明装置が記載されている。

上述の通り、キズや異物を検出するためには、キズや異物の状態・形状に応じた適切な角度で光を照射する必要がある。
特許文献１〜３に記載の照明装置では、予め発生するキズや異物の特徴を把握した上で、ライン状ライトガイド、光抽出部品、プリズムシートと言った、照射角度を決定づける部品の設計、または選定を行う必要がある。

しかしながら、これらの特許文献に記載の照明装置は、照明装置を完成させないと、所望する照射角度が得られるか不透明である点が問題となっている。
特に、設計、選定された部品を使用して完成させた照明装置で期待通りの照明角度が得られない場合、照射角度を決定づける部品の修正、あるいは再設計、再選定を行う必要があるため、時間的・金銭的に不経済である。

また、このような照明装置では照射光に高い指向性が求められることが多く、特許文献１〜３においても、斜め方向から光を照射するとともに、照射光の指向性の改善にも視点が向けられている。

特開平７−１０４１３１号公報 特開２００９−２８９７３８号公報 特開２０１０−２０５５６０号公報

本発明の課題は、従来の照明装置よりも簡便な方法で照射光の角度を調整でき、キズや異物の状態・形状に応じた角度で光を照射できる照明装置を提供することである。

発明者は、照明装置の光学系を鋭意検討した結果、発光体が発する放射光がレンズを透過し、照射光として検査対象に向かう際、発光体とレンズの位置関係によって照射光の角度が変化することに着目して、レンズの中心軸からずれた位置に発光体を直線状に配列することによって、上記の課題を解決できることを見出した。

本発明の照明装置は、複数の発光体と、複数のレンズを有する照明装置であって、以下（ａ）〜（ｄ）の特徴を有するものである。

（ａ）該複数の発光体は直線状に配列されている。
（ｂ）該複数のレンズは該複数の発光体が放射した光が透過するよう、該複数の発光体の前方に、該複数の発光体の配列方向と同じ方向に並列して設けられる。
（ｃ）該複数のレンズは、該複数の発光体が放射した光を、該複数の発光体の配列方向にコリメート、もしくは集光できる向きに設けられている。
（ｄ）該複数の発光体は、該複数のレンズの幅方向の中心軸上からずれた場所に位置する。

本発明の照明装置は、以下に示す優れた効果を有する。

・発光体とレンズの位置関係のみで照射光の角度を調整できるため、従来の照明装置に必要とされた照射角度を決定づけるための追加部品が不要となる。

・照明装置の組立て途中で照射角度の確認、調整が可能であり、完成した照明装置で所望する照射角度が得られないという事態を回避できる。

本発明の照明装置の基本的構成である。 発光体の配列ピッチを一定とし、複数のレンズの幅を発光体の配列ピッチと等しくし、複数のレンズが互いに接触して隣り合うように構成した、本発明の態様の１つである。 発光体の配列ピッチを一定とし、複数のレンズの幅を発光体の配列ピッチと等しくし、複数のレンズが互いに接触して隣り合うように構成した状態で、発光体を複数のレンズが隣り合う境界面の延長線上に位置するように配置した、本発明の態様の１つである。 レンズを発光体の配列方向へ移動可能に構成した、本発明の態様の１つである。 レンズを移動させて、発光体をレンズの中心軸上に配置した、本発明の態様の１つである。 発光体の配列ピッチを一定とし、複数のレンズの幅を発光体の配列ピッチと等しくし、複数のレンズが互いに接触して隣り合うように構成した状態で、レンズを移動させて、各発光体を各レンズの中心軸上に配置した、本発明の態様の１つである。 一体型のレンズを使用した、本発明の態様の１つである。 アパーチャーと第２のレンズを設けた、本発明の態様の１つである。 拡散板を設けた、本発明の態様の１つである。 プリント基板などを移動可能とした、本発明の態様の１つである。 本発明の実施例で、照射光を片側斜光とした照明装置である。 本発明の指向性を測定する方法の模式図である。 本発明の実施例において、照射光を片側斜光とした場合の光強度である。 本発明の実施例で、照射光を両側斜光とした照明装置である。 本発明の実施例で、レンズを移動させて照射光を平行光とした照明装置である。 本発明の実施例において、照射光を両側斜光とした場合の光強度である。 本発明の実施例において、照射光を平行光とした場合の光強度である。

以下、本発明の照明装置について図１を参照しながら述べる。
図１において、１は本発明の照明装置、２は発光体、３はＬＥＤを実装するプリント基板、４はレンズである。
本発明で特徴的なことは、複数の発光体２を直線状に配列し、これらの発光体２が発する放射光が透過するよう、複数のレンズ４を発光体２の前方に設け、これらのレンズ４は発光体２の配列方向と同じ方向に並列していると共に、放射光を発光体２の配列方向にコリメート、もしくは集光できる向きに設けられ、かつ、複数の発光体２は、複数のレンズ４の幅方向の中心軸上からずれた場所に位置していることである。

放射光を発光体２の配列方向にコリメート、もしくは集光できる向きにレンズ４を設け、発光体２の位置をレンズ４の幅方向の中心軸からずれた場所に位置させることで、レンズ４を透過した光は、図１に示すように、ずれの量に従って一定の角度で照射される、いわゆる斜光となる。

ずれの量によって斜光の照射角度が変わるが、ずれの量は照明装置１の組立て過程で調整可能であり、照射角度も組立て過程で確認可能であるため、従来の照明装置より所望する照射角度を簡便に得ることができる。

なお、図１に示した状態は、厳密には角度の異なるもう一つの斜光が照射されるが、レンズ面に対して平行に近い角度で照射されるため、検査対象に到達しにくく、実際に照明装置１を使用する場面ではキズや異物の検出に寄与しない。

複数の発光体２は、通常、直線状に一列配列すれば十分だが、直線の幅方向に照射範囲を拡大したい時などは、二列、三列と、発光体２を複数列配列しても良い。

発光体２としては、放射光の指向性に優れたＬＥＤを使用するのが好ましい。

レンズ４としては、図１に示したシリンドリカルレンズをはじめ、ロッドレンズ、リニアフレネルレンズなどが利用できる。

本発明においては、図２に示したように発光体２の配列ピッチを一定とし、複数のレンズ４の幅を発光体２の配列ピッチに等しくするとともに、複数のレンズ４が互いに接触して隣り合うように構成するのが好ましい。
この構成とすることで、各発光体２に対する各レンズ４の位置関係は全て同じとなり、照明装置１は一定の角度方向に指向性を有する片側斜光を照射できる。

発光体２の配列ピッチを一定とする際、配列ピッチは１５ｍｍ以上、３５ｍｍ以下とするのが好ましい。適切な配列ピッチとすることで、発光体２からの放射光の重畳、あるいは光量不足範囲の発生に起因する照射光の輝度ムラが低減できる。

また、発光体２の配列ピッチを一定とし、複数のレンズ４の幅を発光体２の配列ピッチに等しくするとともに、複数のレンズ４が互いに接触して隣り合うようにした構成において、図３に示したように、複数の発光体２を、該複数のレンズが隣り合う境界面の延長線上に位置するように配置して構成しても良い。
この構成の場合、各発光体２から発せられた放射光は、左右両側のレンズに入光し、照明装置１は左右両側に等しい角度を有する両側斜光を照射する。

加えて、本発明においては、照明装置１の組立て後においても、図４に示したように複数のレンズ４を発光体２の配列方向へ移動可能に構成するのも好ましい。
レンズ４を移動可能とすることで、照明装置１を実際に使用する場面で、照射光の角度調整が必要になった場合、その場で調整が可能となる。

なお、レンズ４を移動可能に構成する際は、図５に示したように、発光体２が、レンズ４の幅方向の中心軸上に位置できるように移動可能としても良い。
レンズ４を移動させて、発光体２がレンズ４の幅方向の中心軸上に位置する状態とした場合、レンズ４として上述のシリンドリカルレンズ、ロッドレンズ、リニアフレネルレンズを使用している時は、放射光はレンズ４を透過することでコリメートされ、照明装置１はいわゆる平行光を照射することになる。

先述の、発光体２の配列ピッチを一定とし、複数のレンズ４の幅を発光体２の配列ピッチに等しくするとともに、複数のレンズ４が互いに接触して隣り合うようにした構成において、レンズ４を移動可能に構成した際は、照明装置１はレンズ移動によって、片側斜光（図２の状態）と両側斜光（図３の状態）を切替え可能となり、片側斜光の照射角度の調整も可能となる。

この場合においても、図６に示したように各発光体２が、各レンズ４の幅方向の中心軸上に位置できるように、レンズを移動可能としても良い。
この構成として、各発光体２が各レンズ４の幅方向の中心軸上に位置する状態とした場合、レンズ４として上述のロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズを使用している時は、放射光は各レンズ４を透過することでコリメートされ、照明装置１はいわゆる平行光を照射することになる。
すなわち、照明装置１は、平行光（図６の状態）、片側斜光（図２の状態）、両側斜光（図３の状態）を切替え可能な照明装置となる。

なお、使用するレンズ４の枚数は、使用する発光体２の個数より１つ以上多くするのが好ましい。レンズ４の枚数を使用する発光体２の個数より１つ以上多くすることで、全発光体２の放射光を両側斜光に利用できる。
特別な意図が無ければ、レンズ４の枚数は、使用する発光体２の個数より１つ多ければ十分である。

各レンズ４は、連結手段を使用して隣り合うレンズを連結しても良い。連結手段としては、ガラス製のレンズを使用する際は融着接続、樹脂製のレンズを使用する際は樹脂に対応した接着剤など、レンズ材料に適したものを選択して使用すれば良い。

また、発光体２の配列ピッチを一定とし、複数のレンズ４の幅を発光体２の配列ピッチに等しくするとともに、複数のレンズ４が互いに接触して隣り合うようにした構成においては、複数のレンズ４の代わりに、並列した複数のレンズ４と略同一のレンズ機能を有する一体型のレンズ４ａに置換えても良い。
一体型のレンズ４ａを使用することで、複数のレンズ４を使用する場合よりも、取扱いが容易となる。

例えば、図７に示したように、シリンドリカルレンズを複数使用する代わりに、レンズ表面がシリンドリカルレンズを平面上に複数並べた形状を有する一体型レンズ４ａを使用することができる。
なお、略同一のレンズ機能とは、照明装置１を使用する場面において、発光体２との位置関係によって定まる照射光の照射角度が、複数のレンズ４を使用する場合と同等であることを指す。
また、複数のレンズ４を使用する場合と同様、一体型レンズ４ａを発光体２の配列方向へ移動可能に構成しても良い。

本発明は必要に応じて、図８に示したように発光体２とレンズ４の間に、アパーチャー５を設けても良い。
アパーチャー５は原則として各発光体２に対して設ける。アパーチャー５を設けることで、一定以上の角度で広がる発光体２の放射光を遮光し、照射光の指向性を高めることができる。

アパーチャー５としては、発光体２の配列ピッチと等しいピッチで穴を開けた金属板などが利用できる。

加えて、レンズ４を透過した光を、検査対象におけるキズや異物の検出により適した照射光とするために、図８に示したようにレンズ４の前方に第２のレンズ６を設けても良い。
なお、図８ではアパーチャー５と第２のレンズ６の両方を記載しているが、必ずしも両方とも設ける必要は無く、照明装置１に要求される特性に応じて、必要なものだけを設ければ良い。

例えば、上述のロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズなどを使用した場合、レンズ４を透過した光は発光体２の配列方向に直交する方向に広がりを有する光となる。
検査対象によっては、発光体２の配列方向に直交する方向へ光が広がるよりも、ライン状に集光した方が好都合な場合も存在する。
このような場合は、レンズ４の前方に、リニアフレネルレンズ６を設けて、発光体２の配列方向に直交する方向に光を集光し、ライン状の照射光とする。

また、レンズ４を透過した光の輝度ムラを抑制するために、図９に示したようにレンズ４の前方に拡散板７を設けても良い。
図９ではアパーチャー５と第２のレンズ６は記載されてないが、照明装置１に要求される特性に応じて、いずれか一方、もしくは両方を、追加しても良い。
なお、第２のレンズ６と拡散板７の両方を設ける場合、原則として、拡散板７は第２のレンズ６の前方に設ける。

さらに、本発明においては、図１０に示したように、プリント基板３、アパーチャー５、第２のレンズ６、拡散板７を光軸方向に移動可能としても良い。
プリント基板３、アパーチャー５、第２のレンズ６、拡散板７を光軸方向に移動可能とすることで、照射光のさらなる微調整が可能となる。
なお、必ずしもプリント基板３、アパーチャー５、第２のレンズ６、拡散板７の全てを移動可能とする必要は無く、照明装置１に要求される特性に応じて、必要なものだけを移動可能とすれば良い。

以下、本発明の照明装置の実施例を述べる。

（実施例１）
第１の実施例として、照射角度１８°の片側斜光を照射する照明装置１を、図１１を参照しながら述べる。

長さ１１５ｍｍ、幅３０ｍｍのプリント基板３上に、発光体２を２５ｍｍピッチで直線状に配列した。
発光体２として、発光面がφ５の白色ＬＥＤを使用した。
プリント基板３にはＬＥＤ２の点灯に必要な電気回路が設けられ、接続ケーブル（図示せず）を通して電源装置（図示せず）に接続される。
またプリント基板３のＬＥＤ実装面の反対の面には、ＬＥＤ２の放熱に使用するヒートシンクが取り付けられている。

レンズ４として、焦点距離２０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、幅２５ｍｍのアクリル樹脂製リニアフレネルレンズ４を５枚連結したものを使用した。連結にはアクリル樹脂用接着剤を使用した。

アパーチャー５として、黒アルマイト処理を施した長さ１１５ｍｍ、幅３０ｍｍのアルミ板に、２５ｍｍピッチでφ５ｍｍの穴を４箇所開けたものを準備した。

第２のレンズ６として、焦点距離３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、幅６０ｍｍのアクリル樹脂製リニアフレネルネルレンズを使用する。

事前に光量のシミュレーションを行って各構成要素の位置関係を検証し、プリント基板３とアパーチャー５の間の距離は７ｍｍ、プリント基板５とレンズ４の間の距離は２０ｍｍ、プリント基板５と第２のレンズ６の間の距離は３０ｍｍに設定した。

以上のプリント基板３、レンズ４、アパーチャー５、第２のレンズ６を筐体に収容して照明装置１を作成する。
この際、リニアフレネルレンズ４を筐体へ固定する前に照射角度の確認を行い、照射角度が１８°になるよう、リニアフレネルレンズ４の中心軸をＬＥＤ２が設置された位置からずらし、その位置でリニアフレネルレンズ４を筐体へ固定する。

続いて、作成した照明装置１の照射光の指向性を調べた。
測定方法は以下の通り（図１２参照）である。

・照明装置１の発光面の幅方向の中心を原点とする
・原点から、発光面の幅方向の中心軸上に所定の距離だけ離して、照度計の受光素子の受光面が原点を向くように設置する。
・発光面の幅方向の中心軸上での照度測定値を角度０°での結果とする。
・原点と受光面の距離を一定に保ちながら、受光面が常に原点を向くよう、円を描くように受光面を移動させて、各位置（角度）における照度を測定する。
・発光面から見て受光面が原点の上側にある場合の照度を角度０°〜９０°での結果、下側にある場合の照度を０°〜−９０°での結果とする。

得られた照度の測定値を、以下の式に従って光強度に換算して、指向性の高低を評価する。

ある角度における光強度＝（その角度での照度測定値）／（−９０°〜９０°の範囲で測定された照度の最大値）

すなわち、−９０°〜９０°の範囲で照度が最大値となる角度で光強度は１となり、その角度が照射光の出射角度となる。

光強度が１となる角度を中心として、その前後の光強度が０．５以上となる範囲（角度）、いわゆる半値幅を、指向性を示す値として評価する。
すなわち、半値幅が大きい場合は、光の広がり角度が大きく、光が拡散している状態にあたるため指向性は低く、逆に半値幅が小さい場合は、光の広がり角度が小さく、光が集中しているため、指向性が高いという判断となる。

図１３は片側斜光で、出射角度を１８°とした照明装置１の測定結果である。
比較例として、片側斜光を得るのに好適な、特許文献１に記載されたライン状ライトガイドを使用した照明装置で、同様の測定を行った場合の結果も併記した。
使用した光ファイバは入手が容易な光ファイバの中で、開口数が小さい構成となっている石英ガラス製光ファイバである。
比較例では指向性が±１３°であるのに対し、本発明では±５°と、高い指向性を得ることができた。

（実施例２）
第２の実施例として、両側斜光、片側斜光、平行光の切替えが可能な照明装置１を、図１４、１５を参照しながら述べる。

使用する部品、基本的な構成は、実施例１と同じであるが、実施例２ではレンズ４の移動機構が追加される。以下、移動機構について述べる。

筐体内のレンズ取付け位置には凹型の溝が設けられており、レンズ４の下端がこの凹型溝に収容され、凹型溝に沿ってレンズ４はＬＥＤの配列方向に移動可能となる。

レンズ４の上端は保持部材に固定される。保持部材にはレンズ４を移動させるのに使用する円柱状の取っ手が設けられている。
この取っ手は、筐体上部に設けられた、レンズの移動方向が長軸となっている略楕円形の穴を通じて筐体から突出し、この取っ手を移動させることでレンズ４を移動できる。

レンズ４の移動範囲は、図１４に示した、複数のＬＥＤ２が連結したリニアフレネルレンズ４が隣り合う境界面の延長線上に位置する場所から、図１５に示した、複数のＬＥＤ２が各リニアフレネルレンズ４の中心軸上に位置する場所まで移動できるように構成した。

すなわち、実施例２の照明装置１はレンズ４の移動によって両側斜光（図１４の状態）と平行光（図１５の状態）を切り替えることができ、その切替え途中には図１１に示した片側斜光を照射する状態にもできるので、照明装置１は、両側斜光、片側斜光、平行光を切替え可能で、かつ片側斜光の照射角度を可変可能な照明装置となる。

実施例２の照明装置１において、照射光を両側斜光、平行光とした場合の指向性について、以下に説明する。指向性の測定方法は実施例１の時と同様である。

図１６は両側斜光の結果である。本実施例において両側斜光を行う場合、出射角度は３５°となる。
比較例として、両側斜光を得るのに好適な、特許文献３に記載された照明装置で、同様の測定を行った場合の結果も併記した。
プリズムシートは３５°近辺に照射光の強度ピークが出るものを選定した。比較例では指向性が±２０°であるのに対し、本発明では±５°と、比較例と比べてから非常に高い指向性を得ることができた。

図１７は平行光の場合、すなわち出射角度が０°の時の結果である。指向性は±７°であり、平行光を照射する際にも高い指向性が得られている。

以上の通り、本発明の実施例２の照明装置１は、平行光、片側斜光、両側斜光の各照射状態で高い指向性を有し、検査用照明として有用である。加えて、レンズ４を移動させることによって斜光の角度を変化させることができるため、キズや異物などの変化によって照射光の調整が必要な場合でも、従来の照明装置よりも簡便に調整が可能であるため、調整に掛かる手間、時間を少なくすることができる。

以上述べた実施例は本発明の一例であり、発光体に対するレンズの位置を調整して任意の斜光を得るという本発明の技術的思想の範囲内において、他の態様を取っても良い。
例えば、検査対象の大きさ、種類に応じてＬＥＤの数を増減したり、使用するレンズを変更したりするなど、種々の変更が可能である。
加えて、ＬＥＤの放熱構造や電源装置なども、公知のものから適宜選択して利用すれば良い。

本発明の照明装置はキズや異物の検出を主目的としたものであるが、用途はこれに限定されるものでない。照射光の角度を簡便に調整できるという特徴を利用して、屋内用照明、装飾用照明、実験用照明などにも好適に利用可能である。

１ 照明装置
２ ＬＥＤ
３ 基板
４ レンズ
４ａ 一体型レンズ
５ アパーチャー
６ 第２のレンズ
７ 拡散板

Claims (9)

1. 複数の発光体と、複数のレンズを有する照明装置であって、以下（ａ）〜（ｄ）の特徴を有するもの。
   
   （ａ）該複数の発光体は直線状に配列されている。
   （ｂ）該複数のレンズは該複数の発光体が放射した光が透過するよう、該複数の発光体の前方に、該複数の発光体の配列方向と同じ方向に並列して設けられる。
   （ｃ）該複数のレンズは、該複数の発光体が放射した光を、該複数の発光体の配列方向にコリメート、もしくは集光できる向きに設けられている。
   （ｄ）該複数の発光体は、該複数のレンズの幅方向の中心軸上からずれた場所に位置する。
2. 該複数の発光体は一定のピッチで配列されており、該複数のレンズの幅が、該一定のピッチに等しいとともに、該複数のレンズが、接触するように隣り合っていることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 該複数の発光体が、その配列方向において、該複数のレンズが隣り合う境界面の延長線上に位置することを特徴とする、請求項２に記載の照明装置。
4. 該複数のレンズが、該複数の発光体の配列方向に移動可能となっている、請求項１に記載の照明装置。
5. 該複数のレンズが、該複数の発光体の配列方向に移動可能となっており、請求項２に記載の照明装置から、請求項３に記載された照明装置へと、該複数の発光体と該複数のレンズとの位置関係を切り替え可能となっていることを特徴とする、照明装置。
6. 該複数のレンズを、並列した該複数のレンズと略同一のレンズ機能を有する一体型のレンズに置換えたことを特徴とする、請求項２、３、５のいずれかに記載の照明装置。
7. 該複数の発光体と該複数のレンズの間に、各発光体に対応するアパーチャーが設けられていることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載の照明装置。
8. 該複数のレンズを透過した光が透過するよう、該複数のレンズの前方に第２のレンズが設けられたことを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載の照明装置。
9. 該複数のレンズを透過した光が透過するよう、該複数のレンズの前方に拡散板が設けられたことを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載の照明装置。
   

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