JP5180269B2

JP5180269B2 - 照明装置

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Publication number: JP5180269B2
Application number: JP2010202644A
Authority: JP
Inventors: 修司祢津; 金保五味; 賢博永田
Original assignee: 株式会社永田製作所
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP2012059584A

Description

本発明は照明装置に係り、特に、光学レンズ等の光学部材の検査用照明として好適な照明装置の構造に関する。

一般に、光学レンズの検査時においては、光学レンズ等の光学部材に照明装置から放出される光を照射した状態で光学部材の表面の傷や汚れ等を検査することが行われている。この場合に、照明装置により照明された光学部材を撮影して得た画像に基づいて検査を行うこともある。このような検査用の照明装置としては、近年、光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いたものが多く提供されるようになってきている。また、光学部材の傷や汚れを高いコントラストで検出できるようにするために、発光部分の形状を輪帯状に構成したもの（輪帯照明）、光学レンズ等の表面を粗面状にして乱反射させるなどの光拡散手段を用いるものなどが提案されている（以下の特許文献１乃至３参照）。

特開２００７−１０３８０号公報特開２００８−１３９７０８号公報特開２００８−１０８６１８号公報

しかしながら、上記従来の検査用照明装置においては、複数の樹脂レンズ付きのＬＥＤ素子を用いているために、装置が大型化する割には光強度が不十分であり、しかも、ＬＥＤ素子の樹脂レンズによる指向性を前提に装置を設計しなければならないという問題点がある。また、照明光の出射部のレンズ面等を粗面化して光を拡散させる場合には、照明光が出射部において散乱することで、充分な集光性を得ることができないとともに照明効率が低下するという問題点がある。

また、樹脂レンズが付随しない複数のＬＥＤチップを配列させた照明用の大光量のＬＥＤ光源（例えば、マルチチップ方式のＬＥＤ光源）を用いることも考えられるが、この場合には、光強度は十分に得られるものの、ＬＥＤ光源の発光パターンが投射されやすくなり、均一な照明を行うことが難しいという問題点が予想される。特に、ランプ用のＬＥＤ光源の場合、単に室内等を照明する用途であれば問題は生じないものの、検査用照明として用いる場合には発光パターンが検査対象物に投射されやすくなり、均一な照度が得られないことにより正確な検査或いは判定が難しくなるという問題が考えられる。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、充分な照明強度が得られるとともにＬＥＤの発光パターンが投射されにくい照明装置を提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の照明装置は、複数のＬＥＤチップが面上に配列されてなり、チップ毎のレンズ構造を有しないＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源と対向する側に凹曲面状の光入射面を備えるとともに前記ＬＥＤ光源とは反対側に凸曲面状の光出射面を備えた、前記光入射面及び前記光出射面がそれぞれ連続した一つの曲面で構成された凸メニスカスレンズである、直列に配置された複数の入射側レンズと、該入射側レンズに対して前記ＬＥＤ光源とは反対側に配置された集光レンズとを具備し、前記複数の入射側レンズのうちの少なくとも一つの入射側レンズの前記光入射面が粗面であるとともに、前記複数の入射側レンズの前記光出射面が平滑面であり、前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源に最も近い前記入射側レンズの有効径は前記ＬＥＤ光源の発光領域の外接円径よりも大きく、相互に隣接する入射側レンズ間において前記ＬＥＤ光源とは反対側にある入射側レンズの有効径は前記ＬＥＤ光源の側にある入射側レンズの有効径よりも大きく、前記集光レンズの有効径は前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源から最も離れた入射側レンズの有効径よりも大きく、相互に隣接する入射側レンズ間において前記ＬＥＤ光源の側の入射側レンズの有効径内から出射する発散光束が前記ＬＥＤ光源とは反対側の入射側レンズの有効径内に入射し、前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源から最も離れた入射側レンズの有効径内から出射する発散光束が前記集光レンズ（２２）の有効径内に入射することを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤ光源の放出光は、複数の入射側レンズの光入射面のうち少なくとも一つが粗面であることから、入射側レンズを通過する際に散乱され、その後、入射側レンズの光出射面から出射された光が集光レンズにより集光された後に出射される。ここで、入射側レンズの光入射面が凹曲面状であることから、照明装置の光軸方向の距離を抑制しつつＬＥＤ光源と光入射面との間の距離を確保しやすくなるとともに、ＬＥＤ光源からの放出光を広い角度範囲で取り込むことができ、しかも、入射側レンズの光学面が粗面であることでＬＥＤ光源に近い場所で散乱させることができるため、照明光の出射効率を確保しつつ照度分布の均一性を得ることができる。また、入射側レンズは凹曲面状の光入射面を有するために集光度に制約を受けるが、複数の入射側レンズを用いるとともに集光レンズを別途設けることにより集光性を高めることができるため、必要な照度を容易に得ることができる。さらに、入射側レンズの粗面で光を散乱させた後に集光レンズで集光するので、照明光の出射時における効率の低下を抑制できる。

本発明において、前記入射側レンズの前記光入射面が粗面であり、前記光出射面は平滑面であることにより、上記の効果に加えて、入射側レンズの凹曲面状の光入射面で上記放出光を散乱させることができるため、よりＬＥＤ光源に近い場所で散乱させることができ、しかも光出射面が凸曲面状であるために散乱光を効率的に集光して集光レンズへ向けて出射できる。したがって、充分な散乱効果を得てより均一な照明が可能になると同時に、効率的に照射対象に光を集光することができるため照度を高めることができる。

本発明において、複数の前記入射側レンズが直列に配列され、前記ＬＥＤ光源に最も近い前記入射側レンズの前記光入射面が粗面であり、前記複数の入射側レンズの他の光学面が平滑面であることが好ましい。これによれば、上述のように複数の入射側レンズを用いることによってさらに照明効率を高めることができるだけでなく、最も近い光入射面が粗面とされ、他の光学面が平滑面とされることで、光の効率利用と照明分布の均一化をより高次元で両立できる。

本発明において、前記ＬＥＤ光源の周囲で、かつ、前記入射側レンズの前記光入射面に対向する位置に配置された光検出器と、前記光検出器により検出された光量に基づいて前記ＬＥＤ光源を制御駆動する制御駆動手段と、をさらに具備することが好ましい。これによれば、上記粗面で散乱された光によって高精度かつ安定的にＬＥＤ光源の発光量を計測できる。

本発明によれば、充分な照明強度が効率的に得られるとともに均一な照度分布が実現できる照明装置を提供できるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係る実施形態の照明装置の分解斜視図。同実施形態の照明装置を斜め前方より見た状態を示す斜視図。同実施形態の照明装置の本体を斜め後方から見た状態を示す斜視図。同実施形態の照明装置の縦断面図。同実施形態のＬＥＤ光源近傍の正面図。同実施形態のＬＥＤ光源近傍の断面図（ａ）及びＬＥＤ光源の模式的断面図。同実施形態の光学系の概略構成図。同実施形態のＬＥＤ光源側の入射側レンズによる光散乱状態を示す概略構成図。入射側レンズに平滑な光入射面を備えた平凸レンズを用いた場合（比較例１）の照度分布を示す写真。入射側レンズに平滑な光入射面を備えたメニスカスレンズを用いた場合（比較例２）の照度分布を示す写真。入射側レンズに粗面化された光入射面を備えた平凸レンズを用いた場合（比較例３）の照度分布を示す写真。入射側レンズに粗面化されたメニスカスレンズを用いた場合（実施例）の照度分布を示す写真。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る照明装置の実施形態の分解斜視図、図２は同実施形態を斜め前方から見た外観斜視図、図３は同実施形態の本体を斜め後方から見た斜視図、図４は同実施形態の本体の縦断面図である。なお、本実施形態の照明装置は、光学部材の検査用照明装置の他に、医療用、歯科用の照明装置としても好適である。

この照明装置１０は、図２に示すように、円筒状の本体１０Ａと、本体１０Ａを適宜の場所において支持し若しくは取り付けるための保持具１０Ｂとを有する。本体１０Ａは図示例では円筒状の鏡筒状に構成されている。本体１０Ａは、内部に収容空間を備えた主ケース部（本体ハウジング）１１と、この主ケース部１１の後部開口を閉鎖する後部板１２とを有する。また、主ケース部１１の前部には照明ケース部１３が取り付けられ、この照明ケース部１３の前部に出射ケース部１４が装着される。主ケース部１１と照明ケース部１３はネジ構造等で着脱可能に構成され、また、照明ケース部１３と出射ケース部１４もネジ構造等で着脱可能に構成されている。

図１に示すように、主ケース部１１の前部には板状の支持部１１ａが設けられ、その周囲に前方へ突出する円筒状の周囲枠１１ｂが設けられ、この周囲枠１１ｂの外周面上に照明ケース部１３と螺合する雄ネジ部が形成される。支持部１１ａの外面上にはＬＥＤ光源１５が取り付けられている。また、主ケース部１１の内部には回路基板１６が収容される。この回路基板１６にはＬＥＤ光源１５を制御する光源制御回路及び光源駆動回路からなる制御駆動回路１６ａが形成される。また、回路基板１６には前方へ突出する突き出し部が設けられ、この突き出し部の先端に光検出器１７が実装されている。この光検出器１７は、支持部１１ａに設けられた開口部１１ｃを通して支持部１１ａの前方に露出した位置に配置される。さらに、ＬＥＤ光源１５は支持部１１ａに設けられた別の開口部１１ｄを通して回路基板１６に接続される配線１６ｂに接続される。

回路基板１６は後部板１２に取り付けられ、図３に示すように、回路基板１６の後部に実装された電源スイッチ１８Ａ及び光量設定スイッチ１８Ｂが後部板１２の複数の開口部を通して後方へ露出している。また、後部板１２上には電源コード１９Ｂを接続する電源コネクタ１９Ａも設けられている。さらに、後部板１２の開口部を通して外部の電源スイッチ１８Ｃ（図２参照）に接続される配線１６ｂが導出される。

上記制御駆動回路１６ａの光源制御回路は、光検出器１７の検出信号に基づいてＬＥＤ光源１５の放出光量を検出し、この検出された放出光量に応じてＬＥＤ光源１５の上記光源駆動回路に対する制御信号を出力する。当該光源駆動回路は、上記の制御信号に基づいてＬＥＤ光源１５の駆動態様を決定する。例えば、光源駆動回路が定電流回路であれば、当該定電流回路の電流値が設定される。

ＬＥＤ光源１５の前方には入射側レンズ鏡筒２１が配置される。この入射側レンズ鏡筒２１は、上記主ケース部１１の周囲枠１１ｂの内側に嵌合される。入射側レンズ鏡筒２１の内部には、図４に示すように、凸メニスカスレンズである入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂが直列に保持されている。入射側レンズ鏡筒２１の前方には照明ケース部１３を介して出射ケース部１４に保持された両凸レンズである集光レンズ２２が配置される。

主ケース部１１と照明ケース部１３は共にアルミニウム（合金）等の金属といった熱伝動性の高い素材で形成されるとともに、その外周面には凹凸状（リング状）の放熱フィン１１ｆ、１３ｆが一体に設けられている。また、後部板１２や出射ケース部１４も同様に金属で構成されることが好ましい。これは、ＬＥＤ光源１５において生ずる熱を上記支持部１１ａから外周部に伝達させた後に効率的に放散させるためである。

また、本体１０Ａの内部の迷光を低減するために、少なくとも、主ケース部１１の上記支持部１１ａの外面、周囲枠１１ｂの内面、入射側レンズ鏡筒２１の内外面、照明ケース部１３の内面及び出射ケース部１４の内面は、黒色アルマイト処理、黒色アクリル樹脂塗装等の艶消し黒色塗装などといった反射防止処理が施されて光反射を抑制した面とされている。本実施形態では、主ケース部１１、後部板１２、照明ケース部１３及び出射ケース部１４の全表面に上記の反射防止処理が施されている。

図４に示すように、本実施形態においては、ＬＥＤ光源１５の光出射範囲の径よりも、入射側レンズ２１Ａの有効径（ＬＥＤ光源１５から放出された光束が自由に通過できる区域の直径、以下同様。）が大きく、入射側レンズ２１Ａの有効径よりもＬＥＤ光源１５とは反対側に配置される入射側レンズ２１Ｂの有効径が大きく構成され、さらに、入射側レンズ２１Ｂの有効径よりも集光レンズ２２の有効径が大きくなるように構成されている。照明ケース部１３は、入射側レンズ鏡筒２１の前部から集光レンズ２２へ向けて漸次拡径する内面１３ａを有している。図示例の場合、内面１３ａは前方へ向けて広がる円錐面状に構成される。

より具体的に述べると、内面１３ａは、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの有効径内から集光用レンズ２２の有効径内に向かう光束を遮光しないように構成される。すなわち、図７に示すように、内面１３ａは、入射側レンズ２１Ｂの有効径を示す円上から集光レンズ２２の有効径を示す円上に向かう円錐面、或いは、当該円錐面の外側に沿った円錐面となっている。このため、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂで集光された有効径内を通過した光束以外の迷光の少なくとも一部は内面１３ａによって遮断される。

また、出射ケース部１４の内部には、集光レンズ２２の周囲から前方へ突出する遮光面１４ａが設けられている。図示例では、遮光面１４ａは光軸２０と平行な円筒面となっている。ただし、この遮光面１４ａは、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂから集光レンズ２２へと向かう有効径内を通過した光束以外の迷光の少なくとも一部を遮断できるものであれば特に限定されない。この場合、遮光面１４ａは、上記の有効径内を通過して集光レンズ２２から出射した光束の全てを通過させることが可能となるように構成されることがより望ましい。

図５は主ケース部１１の支持部１１ａ上の構造を拡大して示す拡大部分平面図、図６（ａ）は同構造を拡大して示す断面図、図６（ｂ）はＬＥＤ光源１５の拡大断面図である。

支持部１１ａ上にはＬＥＤ光源１５が密接固定されている。ＬＥＤ光源１５は、アルミニウムやアルミニウム合金等で構成された基板１５１と、この基板１５１上に絶縁膜１５２を介して所定のパターンに形成された配線層１５３Ａ、１５３Ｂとを有する。また、基板１５１上には絶縁層１５４を介してＬＥＤチップ１５５が形成されている。基板１５１上においては領域１５Ａ内に複数のＬＥＤチップ１５５が配置されている。これらのＬＥＤチップ１５５は配線層１５３Ａ、１５３Ｂの隣接する配線部分に金ワイヤ１５６Ａ、１５６Ｂ等の導電部材を介して導電接続されている。図示例の場合、複数のＬＥＤチップ１５５はいずれも配線層１５３Ａと１５３Ｂの間に並列に接続される。

上記配線層１５３Ａと１５３Ｂはそれぞれ配線１６ｂを介して上記の制御駆動回路１６ａに接続される。光源制御回路１６ａ内の上記光源制御回路が光検出器１７の検出信号に応じて所定の制御信号を出力したとき、上記光源駆動回路は当該制御信号に応じてＬＥＤ光源１５の配線層１５３Ａと１５３Ｂの間に所定の電力（電流）を供給する。

複数のＬＥＤチップ１５５が配列されてなる上記領域１５Ａを含む範囲には、ＹＡＧなどの蛍光材料を分散させた透明樹脂よりなる透光性樹脂層１５７が形成される。透光性樹脂層１５７は、ＬＥＤチップ１５５の発光特性に応じて、照明装置の照明光として要求される照明特性（出射光強度の波長依存性や出射角依存性）を実現する。

なお、本実施形態に用いられるＬＥＤ光源１５は、上記蛍光材料を用いた白色ダイオードであるが、照明光として要求される種々の照明特性が得られるものであれば、種々の蛍光体方式、例えば三色ＬＥＤ方式であってもよいなど、上記の形式に限定されるものではない。例えば、黄色のフィルタを光学系に設けることで白色化したものであってもよく、複数色のＬＥＤを樹脂封止なしで配列させたものであってもよい。これらのように樹脂封止しないことで光源寿命を延ばすことができる場合がある。

また、本実施形態のＬＥＤ光源１５は、多数のＬＥＤチップを小面積内に高密度で配列させて高い輝度を実現するものであるが、複数のＬＥＤチップが設置面（図示例では平面）上に配列されているものであれば、ＬＥＤチップの個数や輝度についても何ら限定されるものではない。ただし、ＬＥＤ光源１５として必要な輝度を得る観点からは、ＬＥＤチップ１５５の配置密度は１０個／ｃｍ^２以上であることが好ましく、５０個／ｃｍ^２以上であることが望ましい。一般的には、上記配置密度は５０〜１５０個／ｃｍ^２の範囲内が好ましい。ＬＥＤチップ１５５の単体の平面サイズは一般的には０．２〜２．０ｍｍ角程度である。なお、本実施形態のＬＥＤチップ１５５は半導体チップそのもので構成されるが、ＬＥＤ光源１５は、当該半導体チップを封止した表面実装型のパッケージＬＥＤ（０．６〜７．０ｍｍ角程度）を基板上に実装した構造であってもよい。ＬＥＤ光源１５の表面（基板１５１の表面、すなわち、少なくとも上記領域１５Ａの発光素子以外の表面部分）は反射面とされ、ＬＥＤチップ１５５から放出される光や入射レンズ２１Ａの側から入射する光を反射するように構成される。

図７は本実施形態の光学系の全体構成を示す図である。ＬＥＤ光源１５の発光領域１５ａ（上記の領域１５Ａとほぼ対応する平面）からは、比較的広い範囲に光が放出される。この放出角範囲（例えば、最も光強度の高い方向（光軸２０上）の光強度の半分の光強度となる角度範囲、すなわち半値角）は、光軸２０を中心とした約１１０〜１２０度程度の範囲である。なお、入射側レンズ２１Ａの有効径とＬＥＤ光源１５からの距離を適宜に設定することで、上記の放出角範囲内の光が全て入射側レンズ２１Ａの有効径内を通過するように構成することが好ましい。図示例では１４０度の放出角の範囲内の光が光学系の有効径内を通過できるように構成される。

上記の放出光は最初に入射側レンズ２１Ａに入射する。入射側レンズ２１Ａはメニスカスレンズであり、その光入射面２１ａ−１は凹曲面状（図示例では凹球面、以下同様。）とされ、光出射面２１ａ−２は凸曲面状（図示例では凸球面、以下同様。）とされている。光入射面２１ａ−１が凹曲面状とされることで、上述のように広い放出角を有するＬＥＤ光源１５の放出光を効率的に入射側レンズ２１Ａ内に入射させることができる。また、入射側レンズ２１Ａは光入射面２１ａ−１の曲率よりも光出射面２１ａ−２の曲率の方が大きい凸メニスカスレンズとなっているため、集光能を有し、広い範囲にて入射した上記放出光をより小さな角度範囲に収束させることができる。

入射側レンズ２１Ａの有効径２１ａｒは、上記発光領域１５ａの外径１５ｒ（光軸２０を中心として最も外側に位置する部分を通る円を描いた時の直径）よりも大きく設定されている。また、発光領域１５ａは、入射側レンズ２１Ａ（並びに２１Ｂ）の光入射面２１ａ−１（同２１ｂ−１）の曲率中心よりも光軸２０に沿った入射側レンズ２１Ａ（同２１Ｂ）の側の位置に配置されている。これによって、より広い角度範囲の放出光が入射側レンズ２１Ａ（同２１Ｂ）内に入射できるように構成できる。また、このように広い角度範囲の放出光が入射側レンズ２１Ａ内に入射できるように構成しても、光入射面２１ａ−１が凹曲面状に構成されることにより、光軸２０上の発光領域１５ａと入射側レンズ２１Ａとの距離を確保することができるため、後述する粗面による散乱効果と合わせて、基板１５１による反射によりＬＥＤ光源１５の放出光を充分に拡散させることができる。

なお、本実施形態では外径１５ｒ内から放出された上記放出角範囲の光が全て光学系に入射するように構成されることが好ましい。この場合、図示例のように発光領域１５ａが円形ではなくても、外径１５ｒは発光領域１５ａの内接円ではなく外接円（半径方向の最も外側にある点（角部）を通過する円）とすることが望ましい。これは、ＬＥＤ光源１５から放出される光を最大限効率的に照明光として利用することができるようになる（光の利用効率を増大できる）からである。また、このようにすると光学系に発光領域１５ａの発光パターンを反映した光がそのまま取り込まれることとなるが、発光領域１５ａの発光パターン形状による照明分布への影響は粗面による照度分布の均一化によってなくすことができるため、問題は生じない。

上記の入射側レンズ２１Ａを通過した光は、その後、入射側レンズ２１Ｂを通過する。入射側レンズ２１Ｂはメニスカスレンズであり、光入射面２１ｂ−１は凹曲面状であり、光出射面２１ｂ−２は凸曲面状である。この入射側レンズ２１Ｂも光入射面２１ｂ−１の曲率よりも光出射面２１ｂ−２の曲率の方が大きな凸メニスカスレンズとなっているため、集光能を有し、広い範囲にて入射した上記出射光をより小さな角度範囲に収束させることができる。この入射側レンズ２１Ｂの有効径２１ｂｒは上記入射側レンズ２１Ａの有効径２１ａｒよりも大きく設定されている。これにより、入射側レンズ２１Ａの集光性が低くても、入射側レンズ２１Ａからのより広い角度範囲の出射光が入射側レンズ２１Ｂに入射できるように構成でき、光の利用効率を高めることができる。

光入射面２１ｂ−１の曲率は光入射面２１ａ−１の曲率よりも小さい。これは、入射側レンズ２１Ａの集光性によりＬＥＤ光源１５の放出光の入射角よりも入射側レンズ２１Ａからの出射光の出射角が小さくなるため、入射側レンズ２１Ａの有効径内を通過した光を全て取り込むために要する曲率が小さくなるからである。また、このように光入射面２１ｂ−１の曲率が小さくなることによって入射側レンズ２１Ｂの集光性を高めることも容易になる。ここで、入射側レンズ２１Ａの有効径内を通過した光が全て入射側レンズ２１Ｂの有効径内を通過するように構成することが好ましく、例えば、上記放射角範囲内の光束が全て入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの有効径内を通過するように構成することが望ましい。

なお、本実施形態では、二つの入射側レンズ２１Ａと２１Ｂを直列に配列させているが、三以上の入射側レンズを直列に配列させても構わない。これらのレンズ群の構成は、例えば照明装置１０を検査用照明として用いる場合には、ＬＥＤ光源１５の発光輝度及び発光領域１５ａの大きさと、検査時に要求される照度及び照明範囲との関係によって決められる。

上記の入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの前方には集光レンズ２２が配置される。集光レンズ２２は集光性を有していれば特に限定されるものではないが、本実施形態では光入射面２２ａと２２ｂのいずれもが凸曲面状である両凸レンズとなっている。これによって充分な集光性能を得ることができる。なお、集光レンズは、集光性を有する光学系であればよく、単一のレンズと、複数のレンズを含むレンズ群のいずれでも構成できる。集光レンズ２２の有効径２２ｒは上記入射側レンズ２１Ｂの有効径２１ｂｒよりも大きい。これにより、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの集光性が低くても、光の利用効率の低下を抑制できる。本実施形態では、入射側レンズ２１Ｂの有効径内から出射した光の全てが集光レンズ２２の有効径内を通過するように構成される。

上記の光学系において、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの各光学面の少なくとも一つは粗面となっている。図８には、入射側レンズ２１Ａの光入射面２１ａ−１を粗面とし、他の光学面を平滑面とした例について示してある。この場合、ＬＥＤ光源１５から放出された光は最初の光学面である光入射面２１ａ−１上で散乱し、その散乱光のうち、周囲の内面（支持部１１ａ、周囲枠１１ｂの内面、照明ケース１３の内面等）で吸収されないもの、例えば、そのまま入射側レンズ２１Ａ内に散乱される光やＬＥＤ光源１５によって入射側レンズ２１Ａの側に反射された光など、が入射側レンズ２１Ｂに入射され、最終的に集光レンズ２２で集光されて出射される。

上記粗面は、ガラス基材で構成された入射側レンズを例えば粒度＃１０００番（ＪＩＳＲ６００１）の研摩材で研摩することで形成することができ、また、フロスト剤を用いたフロストエッチング処理などで形成することも可能である。なお、樹脂成形で入射側レンズを形成する場合には型面を粗面状とすることで上記粗面を形成することも可能である。

上記のように入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの光学面を粗面とすることで、ＬＥＤ光源１５の放出光を集光して照射した場合でも、ＬＥＤ光源１５の発光面１５ａの発光パターン形状が投射されることを防止でき、均一で高い照度が実現可能になる。このような照明態様は、光学レンズの傷、埃、焼け、泡、その他の汚れなどを検査する場合に極めて有効である。例えば、目視で上記検査を行う場合には、「目合わせ」という作業を行って判断基準を統一して検査を行うものの、照明装置の照度の大小やばらつき、発光パターンの投射などが存在すると、正確な検査を行うことができない。また、照明された光学レンズを撮影した画像を元に検査を行う場合でも、照明条件がばらついたり、発光パターンが投射されたりすると、画像処理による判定においても検査精度が低下することになる。

本実施形態では、特に、最初の入射側レンズ２１Ａの光入射面２１ａ−１を粗面とすることで、光をＬＥＤ光源１５の近くで散乱させることで充分な光拡散作用を得ることができるとともに、その後、入射レンズ２１Ａの光出射面２１ａ−２と、入射レンズ２１Ｂ及び集光レンズ２２とで集光するようにしているので、高い照度で均一な照明を行うことが可能になっている。

特に、本実施形態では、高輝度のＬＥＤ光源１５（図示例の場合には青色発光ダイオードからなるＬＥＤチップ１５５）から放出される光を用いているため、白熱電球、蛍光灯、ハロゲンランプ等の他の光源と比べて短波長領域の光強度が高い波長分布を有する。具体的には、当該波長分布は、波長４５０ｎｍのピーク強度（この強度を１００％とする）と、波長５６０ｎｍのより幅広のピーク（強度６６％）とを有する。このため、粗面による散乱強度も高くなる特徴を有している。また、後述するようにＬＥＤチップ１５５から放出される光を樹脂レンズなどの集光素子を介在させずに（必要に応じて上記の蛍光材料を分散させた透光性樹脂層１５７を介して）そのまま粗面で散乱させることで高い散乱度を実現できる。

また、本実施形態では、複数のＬＥＤチップ１５５を高密度で面上に配列させてなるＬＥＤ光源１５を用いているため、ＬＥＤチップ１５５毎に樹脂レンズ等を設けることができず、実際にチップ毎のレンズ構造を有していない。その結果、発光パターン形状がＬＥＤチップ１５５の配列パターンに基づいて特殊な形状となっているとともに、ＬＥＤ光源１５から放出される光の視野角（放出角範囲）は１１０〜１２０度程度と極めて広くなっている。したがって、発光パターン形状がそのまま投射されることによって照明ムラを引き起こす虞があるとともに、上記の広い範囲へ放出される光を効率的に集光しないと高い照度を得ることができない。

本実施形態では、ＬＥＤ光源１５に隣接する凹曲面状の光入射面２１ａ−１を備えた入射側レンズ２１Ａを配置することで、ＬＥＤ光源から広い角度範囲で放出された放出光を有効に取り込むことができるとともに、凸曲面状の光出射面２１ａ−２により集光して出射させることができる。したがって、広い放出角範囲を有するＬＥＤ光源１５の放出光を効率的に取り込むとともに効率的に集光することが可能になる。

また、本実施形態ではさらにもう一つの入射側レンズ２１Ｂを設け、この入射側レンズ２１ＢについてもＬＥＤ光源１５の側に凹曲面状の光入射面２１ｂ−１を備えることで、入射側レンズ２１Ａから出射された光を広範囲に取り込むことができ、なおかつ、凸曲面状の光出射面２１ｂ−２により集光して出射させることができる。したがって、コンパクトな光学系でＬＥＤ光源１５の放出光を効率的に取り込むとともに効率的に集光することができる。

本実施形態では、上記入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂに対してＬＥＤ光源１５とは反対側にさらに集光レンズ２２を配置しているので、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂから出射した光をさらに集光することができるため、検査工程に適した高い照度を実現することができる。なお、この集光レンズ２２としては、図示例のような両凸レンズに限らず、平凸レンズや凸メニスカスレンズなど、結果として集光性を呈するレンズであれば如何なるものであっても構わない。

本実施形態では、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂのいずれかの光学面を粗面とすることにより、集光レンズ２２による最終的な集光前にＬＥＤ光源１５の放出光を散乱させることで、ＬＥＤ光源１５の発光パターンを消失させることができる。これによって、ＬＥＤ光源１５の放出光を集光して高い照度を実現しても、ＬＥＤ光源１５の発光パターンが結像するといったことがなくなるため、検査工程において有害な発光パターンに起因する照度のばらつきや波長の分散を防止することができる。

特に、本実施形態では、入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの光入射面２１ａ−１、２１ｂ−１を粗面とすることで、光出射面２１ａ−２、２１ｂ−２による集光前にＬＥＤ光源１５の放出光を散乱させることができるため、効率的な集光を妨げにくいという利点がある。この利点は、本実施形態のように複数の入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂを用いる場合においてＬＥＤ光源１５に隣接する（に最も近い）入射側レンズ２１Ａの光入射面２１ａ−１を粗面にすることによってさらに強化される。

また、本実施形態においては、粗面として形成された入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの凹曲面状の光入射面２１ａ−１、２１ｂ−１がＬＥＤ光源１５側に向いていることにより、ＬＥＤ光源１５の側に向かう散乱光が外側（光軸２０より離れる側）に散乱しにくくなるので、このような散乱光がＬＥＤ光源１５若しくはその周囲において反射されて再度入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂの側に戻ることで照明成分として用いることが可能になるため、さらに効率的な照明が実現できるという効果もある。この利点も、本実施形態のように複数の入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂを用いる場合においてＬＥＤ光源１５に隣接する（に最も近い）入射側レンズ２１Ａの光入射面２１ａ−１を粗面にすることによってさらに強化される。

本実施形態では、上述のようにＬＥＤ光源１５の周囲に配置された光検出器１７でＬＥＤ光源１５の放出光量を検出している。この場合、凹曲面状の光入射面２１ａ−１が粗面であることにより、ＬＥＤ光源１５の光が当該光入射面２１ａ−１で散乱されてなる散乱光が光検出器１７で主体的に検出されることとなるため、光検出器１７の検出光量がＬＥＤ光源１５内の複数のＬＥＤチップ１５５間のばらつきや経時変化の差による影響を受けにくくなることから、検出光量の高精度化や安定化を図ることができる。この利点も、本実施形態のように複数の入射側レンズ２１Ａ、２１Ｂを用いる場合においてＬＥＤ光源１５に隣接する（に最も近い）入射側レンズ２１Ａの光入射面２１ａ−１を粗面にすることによって検出光量が増大することでさらに強化される。

図９乃至図１２には、実施例と比較例の照明態様を示す写真を示す。ここで、本実施形態の構成を有する実施例の各レンズはいずれも光学ガラスＢＫ７の球面レンズを用い、各光学面について、ＬＥＤ光源１５の発光領域１５ａの発光面（上記有効径としての口径９．０００ｍｍ）又は隣接する光学面からの光軸２０上の距離と曲率半径をそれぞれ示すと次のとおりである。口径２３．０００ｍｍの入射レンズ２１Ａにおいて、光入射面２１ａ−１と上記発光面との距離は６．０００ｍｍ、光入射面２１ａ−１の曲率半径が−１５．０００ｍｍ、光出射面２１ａ−２と上記光入射面２１ａ−１との距離は５．０００ｍｍ、光出射面２１ａ−２の曲率半径が−１２．０００ｍｍ、口径３２．０００ｍｍの入射レンズ２１Ｂにおいて、光入射面２１ｂ−１と上記光出射面２１ａ−２との距離は１．０００ｍｍ、光入射面２１ｂ−１の曲率半径が−４０．０００ｍｍ、光出射面１２ｂ−２と上記光入射面２１ｂ−１との距離は９．０００ｍｍ、光出射面２１ｂ−１の曲率半径が−１７．０００ｍｍ、口径５０．０００ｍｍの集光レンズ２２において、光入射面２２ａと上記光出射面２１ｂ−２との距離は８．９５０ｍｍ、光入射面２２ａの曲率半径が８１．１３０ｍｍ、光出射面２２ｂと上記光入射面２２ａとの距離は１１．０００ｍｍ、光出射面２２ｂの曲率半径が−８１．３１３ｍｍである。なお、この光学系の焦点距離は１０００．０００ｍｍとした。

一方、上記実施例の光入射面２１ａ−１を平坦な平滑面に変更した、平凸レンズの入射側レンズを用いた場合を比較例１とし、実施例の光入射面２１ａ−１を凹曲面状のままで平滑面に変更した場合を比較例２とし、実施例の光入射面２１ａ−１を粗面であるが平坦面に変更した、平凸レンズを用いた場合を比較例３として、それぞれ実施例と共に照度及び照度分布を調べた。他の光学面は実施例と同じである。ここで、図９は比較例１、図１０は比較例２、図１１は比較例３、図１２は実施例の照明パターンを撮影した写真であり、それぞれ、装置前端から３００ｍｍの距離に設置した灰色に塗装した被照明板（金属板）に照射した照明スポットを暗室内で撮影したものである。なお、各写真の上部中央に見られる輝点は被照明板からの直接反射光が写りこんだものである。

また、以下の表１には、それぞれ装置前端からの距離において最も照度の高い部分（照明範囲の中央部）を照度計で計測した照度データと、照度分布の均一性（発光パターンの消失度合）の程度及び光の照明効率の程度をそれぞれ４段階で評価した結果を示す。なお、表中の例えば８０．００ｋＬは８万ルクスを示す。また、備考欄には光入射面２１ａ−１の光学面の態様（凹曲面状か平坦か、平滑面か粗面か）を示した。

上記の結果、図９乃至図１２に示すように、実施例（図１２）では発光パターンが完全に消失しているのに対して、比較例１〜３（図９〜図１１）はいずれも発光パターンが残存しており、特に、比較例１及び２では発光パターンの形状もはっきりと反映されている。また、実施例、比較例１及び２では照明の全光束量が高いのに対し、比較例３では照度が低下し光束量も少なくなっている。なお、実施例の中心部の照度データは比較例１及び２と比べると低いが、これは照明範囲が広いとともに照度分布が均一であるためである。実施例の照度若しくは光効率（照明範囲に照射される全光束の強度、或いは、ＬＥＤ光源の放出光から照明光を得る際の光の利用効率若しくは割合）は比較例１より高く比較例２と同様に良好である。

尚、本発明の照明装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０…照明装置、１０Ａ…本体、１０Ｂ…保持具、１１…主ケース部、１２…後部板、１３…照明ケース部、１４…出射ケース部、１１ａ…支持部、１１ｂ…周囲枠、１５…ＬＥＤ光源、１５５…ＬＥＤチップ、１５ａ…発光領域、１６…回路基板、１６ａ…制御駆動回路、１７…光検出器、２０…光軸、２１…入射側レンズ鏡筒、２１Ａ、２１Ｂ…入射側レンズ、２２…集光レンズ

Claims

複数のＬＥＤチップ（１５５）が面上に配列されてなり、チップ毎のレンズ構造を有しないＬＥＤ光源（１５）と、
該ＬＥＤ光源と対向する側に凹曲面状の光入射面（２１ａ−１，２１ｂ−１）を備えるとともに前記ＬＥＤ光源とは反対側に凸曲面状の光出射面（２１ａ−２，２１ｂ−２）を備えた、前記光入射面及び前記光出射面がそれぞれ連続した一つの曲面で構成された凸メニスカスレンズである、直列に配置された複数の入射側レンズ（２１Ａ、２１Ｂ）と、
該入射側レンズに対して前記ＬＥＤ光源とは反対側に配置された集光レンズ（２２）とを具備し、
前記複数の入射側レンズのうちの少なくとも一つの入射側レンズ（２１Ａ）の前記光入射面（２１ａ−１）が粗面であるとともに、前記複数の入射側レンズ（２１Ａ，２１Ｂ）の前記光出射面（２１ａ−２、２１ｂ−２）が平滑面であり、
前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源に最も近い前記入射側レンズ（２１Ａ）の有効径（２１ａｒ）は前記ＬＥＤ光源の発光領域（１５ａ）の外接円径（１５ｒ）よりも大きく、相互に隣接する入射側レンズ間において前記ＬＥＤ光源とは反対側にある入射側レンズ（２１Ｂ）の有効径（２１ｂｒ）は前記ＬＥＤ光源の側にある入射側レンズ（２１Ａ）の有効径（２１ａｒ）よりも大きく、前記集光レンズの有効径（２２ｒ）は前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源から最も離れた入射側レンズ（２１Ｂ）の有効径（２１ｂｒ）よりも大きく、
相互に隣接する入射側レンズ間において前記ＬＥＤ光源の側の入射側レンズ（２１Ａ）の有効径内から出射する発散光束が前記ＬＥＤ光源とは反対側の入射側レンズ（２１Ｂ）の有効径内に入射し、前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源から最も離れた入射側レンズ（２１Ｂ）の有効径（２１ｂｒ）内から出射する発散光束が前記集光レンズ（２２）の有効径（２２ｒ）内に入射することを特徴とする照明装置。
前記複数の入射側レンズのうちの前記ＬＥＤ光源に最も近い前記入射側レンズ（２１Ａ）の光入射面（２１ａ−１）が粗面であり、前記複数の入射側レンズのうちの他の入射側レンズ（２１Ｂ）の光入射面（２１ｂ−１）が平滑面であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記ＬＥＤ光源、前記入射側レンズ及び前記集光レンズを収容するケース体（１１，１３，１４）をさらに具備し、
前記ケース体には、反射防止処理が施されて光反射が抑制された面で構成されるとともに前記入射側レンズから前記集光レンズへ向けて漸次拡径する内面（１３ａ）が設けられ、前記複数の入射側レンズの有効径内から前記集光レンズの有効径内に向かう光束が遮光されないように構成され、かつ、前記複数の入射側レンズ（２１Ａ，２１Ｂ）の有効径内を通過した光束以外の迷光の少なくとも一部が前記内面（１３ａ）によって遮断されることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
前記ケース体は、前記ＬＥＤ光源を保持する主ケース部（１１）と、照明ケース部（１３）と、前記集光レンズを保持する出射ケース部（１４）とを有し、前記主ケース部（１１）の前部には前記照明ケース部（１３）が取り付けられ、前記照明ケース部の前部には前記出射ケース部（１４）が装着され、
前記主ケース部（１１）の前面には前記ＬＥＤ光源を支持する板状の支持部（１１ａ）が設けられ、前記支持部（１１ａ）の周囲に前方へ突出する周囲枠（１１ｂ）が設けられ、前記周囲枠（１１ｂ）の内側には、前記複数の入射側レンズ（２１Ａ，２１Ｂ）を保持する入射側レンズ鏡筒（２１）が嵌合されることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。