(57)【要約】【課題】明るさや入射効率を高めることができるライン照明装置を提供する。【解決手段】発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る組を複数有している。各開口数変換レンズ１２は、正の屈折力を有し、発光ダイオード１１の出射光の開口数を小さくするよう、発光ダイオード１１から焦点距離より短い間隔で配置されている。発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る各組は、直線状に配置され、その配列方向に対して垂直の同じ方向に向かって各発光ダイオード１１からの光を出射可能に設けられている。シリンドリカルレンズ１３が、１方向にのみ正の屈折力を有し、各開口数変換レンズ１２を通過した各発光ダイオード１１からの出射光が、各組の配列方向に対して平行な直線状に集光されるよう配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードと、
正の屈折力を有し、前記発光ダイオードの出射光の開口数を小さくするよう、前記発光ダイオードから焦点距離より短い間隔で配置された開口数変換レンズと、
１方向にのみ正の屈折力を有し、前記開口数変換レンズを通過した前記発光ダイオードからの出射光が直線状に集光されるよう配置されたシリンドリカルレンズとを、
有することを特徴とするライン照明装置。
【請求項２】
前記発光ダイオードと前記開口数変換レンズとを複数組有し、各組は直線状に配置され、その配列方向に対して垂直の同じ方向に向かって各発光ダイオードからの光を出射可能に設けられ、
前記シリンドリカルレンズは、各開口数変換レンズを通過した各発光ダイオードからの出射光が、前記配列方向に対して平行な直線状に集光されるよう配置されていることを
特徴とする請求項１記載のライン照明装置。
【請求項３】
各組が互いに平行な複数列の直線状に配置され、
前記シリンドリカルレンズは、各開口数変換レンズを通過した各発光ダイオードからの出射光が、前記配列方向に対して平行な直線帯状領域に集光されるよう配置されていることを
特徴とする請求項２記載のライン照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライン照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
平面欠陥検査装置や画像読み取り装置等で使用されるラインカメラは、２次元カメラに比べて解像度が高く、被写体や撮像系を移動する系と組み合わせて、高解像度の２次元画像を得ることができる。このようなラインカメラには、一般的に、撮影時に被写体を照らすためのライン照明装置が装備されている。例えば液晶用ガラス欠陥検査装置の場合、ラインカメラの撮像範囲は１×３００ｍｍ程度の非常に細長い領域であるため、ライン照明装置は、５×３００ｍｍ程度の範囲を照明できればよい。
【０００３】
近年、ラインカメラの高解像度化、読み取りの高速化が進んでおり、それに対応したライン照明装置として、より明るく、より効率の良いものが求められている。そこで、このような要求に応じるものとして、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いたライン照明装置が開発されている。
【０００４】
ＬＥＤを用いたライン照明装置として、例えば、凹面反射鏡内に小型ＬＥＤチップを配置し、アクリルモールドレンズと一体成型した砲弾型ＬＥＤを直線上に配置し、この出力光をシリンドリカルレンズで集光するもの（例えば、特許文献１参照）や、セラミック等の基板に直線状にＬＥＤを配列してボンディングし、カバーガラスや半球形状のシリコーンでモールドした光源基板を備え、その光源基板上に直線状に配列されたＬＥＤの出力光を棒レンズや平凸シリンドリカルレンズで集光するもの（例えば、特許文献２または３参照）がある。
【０００５】
なお、砲弾型ＬＥＤを除き、チップＬＥＤ光の出射パターンは、ランベルト分布をしている。ＬＥＤ光が入射する光学系の入射開口数をＮＡｉｎとすると、ＬＥＤ光が光学系に入射する効率ηｉｎは、ランベルト分布を入射開口数に対する角度まで積分した値であり、
ηｉｎ＝ｓｉｎ２θ＝ＮＡｉｎ２
となる。図７に、ＬＥＤの法線と出射光との成す角度θに対するＬＥＤ出力光の光度および入射効率のグラフを示す。図７に示すように、ＮＡｉｎ＝１であれば入射効率は１００％となり、これに近いほど効率が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０１３１１号公報
【特許文献２】特開２００９−２８８２０６号公報
【特許文献３】特開２００１−２１５１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のライン照明装置では、砲弾型ＬＥＤからＬＥＤチップ正面の法線方向に出射する光は、直接レンズで偏向され砲弾前方へ出射されるが、法線方向からある程度の角度を持って出射される光やチップ側面から出射される光は、ＬＥＤチップ側面の反射鏡によって砲弾前方へ反射された後、レンズで偏向されるため、これら２つの経路を持つ光を一つのレンズで結像することはできず、明るさや入射効率を上げるのは困難であるという課題があった。
【０００８】
また、特許文献２に記載の棒レンズを利用したライン照明装置では、棒レンズの入射開口数が０．５程度であるため、図７から入射効率は２５％程度となり、非常に低いという課題があった。
【０００９】
また、特許文献２や３に記載の棒レンズや平凸シリンドリカルレンズのような、１方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズのみから成る光学系には、以下に示すように、集光に問題がある。すなわち、棒レンズを例にすると、図８に示すように、棒レンズ５２はＹ方向に正の屈折力を有し、Ｘ方向には屈折力を持たないため、１つの発光点５１から出た光はＸ方向に直線上に集光される。しかし、図８および図９に示すように、ＹＺ平面上に出射した光線Ａと、ＹＺ平面と３０度の角度を持つ平面上で出射した光線Ｂとを比較すると、光線Ｂは、発光点５１から棒レンズ５２までの距離が光線Ａよりも長く、レンズの曲率が光線Ａよりも小さく、レンズ内を通過する長さが光線Ａよりも長いため、光線Ａよりも手前で集光し、像面湾曲が発生する。このように、シリンドリカルレンズに入射する光の開口数ＮＡが大きくなると、像面湾曲が発生し、その像面湾曲による収差が増えて照度が落ちるという課題があった。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、明るさや入射効率を高めることができるライン照明装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係るライン照明装置は、発光ダイオードと、正の屈折力を有し、前記発光ダイオードの出射光の開口数を小さくするよう、前記発光ダイオードから焦点距離より短い間隔で配置された開口数変換レンズと、１方向にのみ正の屈折力を有し、前記開口数変換レンズを通過した前記発光ダイオードからの出射光が直線状に集光されるよう配置されたシリンドリカルレンズとを、有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るライン照明装置は、正の屈折力を有する開口数変換レンズが、発光ダイオードの出射光の開口数ＮＡを小さくするよう、発光ダイオードから焦点距離より短い間隔で配置されており、その開口数変換レンズを通過した発光ダイオードからの出射光がシリンドリカルレンズに入射するよう構成されているため、像面湾曲の発生を抑制することができる。このため、収差を減少させて、照度を高めることができる。また、シリンドリカルレンズにより集光された光の直線性を高めることもできる。開口数変換レンズの出射開口数は、シリンドリカルレンズの像面湾曲収差を低く抑えるよう、０．３以下であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係るライン照明装置は、開口数変換レンズの入射開口数を高めに設定することにより、入射効率を高めることができる。本発明に係るライン照明装置で、シリンドリカルレンズは、開口数変換レンズを通過した発光ダイオードからの出射光を直線状に集光可能であれば、例えば棒レンズや平凸シリンドリカルレンズ、シリンドリカルフレネルレンズなど、いかなるものであってもよい。
【００１４】
本発明に係るライン照明装置は、前記発光ダイオードと前記開口数変換レンズとを複数組有し、各組は直線状に配置され、その配列方向に対して垂直の同じ方向に向かって各発光ダイオードからの光を出射可能に設けられ、前記シリンドリカルレンズは、各開口数変換レンズを通過した各発光ダイオードからの出射光が、前記配列方向に対して平行な直線状に集光されるよう配置されていることが好ましい。この場合、集光される直線状の光を長くすることができる。また、直線状に配置する発光ダイオードと開口数変換レンズとの組の数や各組の間隔により、集光される直線状の光の明るさや長さを調節することができる。なお、１つの発光ダイオードの配列方向の照射幅は、発光ダイオード配置間隔の２〜４倍であることが好ましい。これは、発光ダイオード配置間隔が狭いと配列方向での光の均一性が落ち、発光ダイオード配置間隔が長すぎると配列方向の照射端で、照射範囲以外を照射することになり、効率が悪くなるためである。
【００１５】
また、この場合、各組が互いに平行な複数列の直線状に配置され、前記シリンドリカルレンズは、各開口数変換レンズを通過した各発光ダイオードからの出射光が、前記配列方向に対して平行な直線帯状領域に集光されるよう配置されていてもよい。この場合、発光ダイオードと開口数変換レンズとの組による列の数や各列の間隔により、集光される直線帯状領域の明るさや幅を調節することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、明るさや入射効率を高めることができるライン照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態のライン照明装置を示す斜視図である。
【図２】（ａ）図１に示すライン照明装置の光線追跡側面図、（ｂ）従来のシリンドリカルレンズのみの照明装置の光線追跡側面図である。
【図３】（ａ）図２（ａ）に示すライン照明装置の、１個の発光ダイオードから出た光のスポットダイヤグラム、（ｂ）図２（ｂ）に示す従来の照明装置の、１個の発光ダイオードから出た光のスポットダイヤグラムである。
【図４】（ａ）図２（ａ）に示すライン照明装置の、発光ダイオードを直線状に無限に配置したときのＹ方向の照度分布を示すグラフ、（ｂ）図２（ｂ）に示す従来の照明装置の、発光ダイオードを直線状に無限に配置したときのＹ方向の照度分布を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態のライン照明装置を示す光線追跡側面図である。
【図６】図５に示すライン照明装置の、Ｙ方向の照度分布を示すグラフである。
【図７】ＬＥＤの法線とＬＥＤ出射光との成す角度に対する、ＬＥＤ出力光の光度および入射効率の変化を示すグラフである。
【図８】従来の棒レンズを用いたライン照射装置を示す光線追跡側面図である。
【図９】図８に示す従来のライン照明装置の、像面湾曲を説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４に、本発明の第１の実施の形態のライン照明装置を示す。
図１および図２（ａ）に示すように、ライン照明装置１０は、複数の発光ダイオード１１と複数の開口数変換レンズ１２とシリンドリカルレンズ１３とを有している。
【００１９】
各発光ダイオード１１は、所定の間隔を開けて直線状に配置されている。各発光ダイオード１１は、その配列方向に対して垂直の同じ方向に向かって光を出射可能に配置されている。また、発光ダイオード１１の底辺は、配列方向と平行である。
【００２０】
各開口数変換レンズ１２は、それぞれ各発光ダイオード１１に対応して配置されている。各開口数変換レンズ１２は、正の屈折力を有し、面１２ａの側を発光ダイオード１１に向けて、発光ダイオード１１との間隔が焦点距離より短くなるよう配置されている。これにより、各開口数変換レンズ１２は、発光ダイオード１１の出射光の開口数を小さくするよう構成されている。
【００２１】
シリンドリカルレンズ１３は、１方向にのみ正の屈折力を有している。シリンドリカルレンズ１３は、各発光ダイオード１１との間に各開口数変換レンズ１２を挟むよう、各開口数変換レンズ１２の面１２ｂの側に配置されている。シリンドリカルレンズ１３は、その面１３ａの側を各開口数変換レンズ１２に向けて、発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る各組の配列方向と平行を成すよう配置されている。これにより、シリンドリカルレンズ１３は、各開口数変換レンズ１２を通過した各発光ダイオード１１からの出射光が、配列方向に対して平行な直線状に集光されるよう構成されている。
【００２２】
図１に示す具体的な一例では、各発光ダイオード１１は、寸法Ｌ＝１ｍｍ角である。また、各開口数変換レンズ１２は、入射開口数０．７（入射効率：約５０％）であり、出射開口数１の発光ダイオード１１の光を開口数０．２程度の光に変換可能になっている。シリンドリカルレンズ１３は、出射面１３ｂから照射面１４までの距離が１００ｍｍの位置に配置されている。また、光学系のＹ方向の結像倍率が５倍である。
【００２３】
また、各開口数変換レンズ１２の面１２ａの曲率半径ｒ１（ｍｍ）および面１２ｂの曲率半径ｒ２（ｍｍ）、シリンドリカルレンズ１３の面１３ａのＹ方向の曲率半径ｒ３（ｍｍ）および面１３ｂのＹ方向の曲率半径ｒ４（ｍｍ）、光軸における発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２との間隔ｄ０（ｍｍ）、開口数変換レンズ１２の中心厚ｄ１（ｍｍ）、光軸における開口数変換レンズ１２とシリンドリカルレンズ１３との間隔ｄ２（ｍｍ）、シリンドリカルレンズ１３の中心厚ｄ３（ｍｍ）、光軸におけるシリンドリカルレンズ１３と照射面１４との間隔ｄ４（ｍｍ）、開口数変換レンズ１２の屈折率ｎ１、シリンドリカルレンズ１３の屈折率ｎ２、開口数変換レンズ１２のアッベ数ν１、シリンドリカルレンズ１３のアッベ数ν２、開口数変換レンズ１２の面１２ｂの円錐定数ｋ２、シリンドリカルレンズ１３の面１３ｂの円錐定数ｋ４を、以下に示す。
【００２４】
ｄ０＝３
ｒ１＝−１６        ｄ１＝８        ｎ１＝１．４９２    ν１＝５７．４４
ｒ２＝−６．３      ｄ２＝２２．３  ｋ２＝−０．１９
ｒ３＝７７．１      ｄ３＝１０      ｎ２＝１．４９２    ν２＝５７．４４
ｒ４＝−２０．１    ｄ４＝１００    ｋ４＝−１．２６
【００２５】
比較のために、開口数変換レンズ１２を有さない、従来のシリンドリカルレンズ６３のみで設計した照明装置６０を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示す従来の照明装置６０は、図１と同一条件、すなわち各発光ダイオード６１の寸法Ｌ＝１ｍｍ角、入射開口数０．７、Ｙ方向の結像倍率５倍、面６３ｂから照射面６４までの距離１００ｍｍ、で設計している。
【００２６】
従来の照明装置６０の光学系の各定数、すなわち、シリンドリカルレンズ６３の面６３ａのＹ方向の曲率半径ｒ１（ｍｍ）および面６３ｂのＹ方向の曲率半径ｒ２（ｍｍ）、光軸における発光ダイオード６１とシリンドリカルレンズ６３との間隔ｄ０（ｍｍ）、シリンドリカルレンズ６３の中心厚ｄ１（ｍｍ）、光軸におけるシリンドリカルレンズ６３と照射面６４との間隔ｄ２（ｍｍ）、シリンドリカルレンズ６３の屈折率ｎ１、シリンドリカルレンズ６３のアッベ数ν１、シリンドリカルレンズ６３の面６３ｂの円錐定数ｋ２を、以下に示す。
【００２７】
ｄ０＝１３．９
ｒ１＝−１２５      ｄ１＝１０      ｎ１＝１．８８３    ν１＝４０．７７
ｒ２＝−１３．１    ｄ２＝１００    ｋ２＝−０．６９
【００２８】
図２（ａ）に示すライン照明装置１０および図２（ｂ）に示す照明装置６０において、１個の発光ダイオード１１、６１から出た光のスポットダイヤグラムを、それぞれ図３（ａ）および（ｂ）に示す。図３に示すように、ライン照明装置１０では、全域にわたって収差がほとんど無く、幅５ｍｍの直線上に分布しているが、従来の照明装置６０では、光軸付近では収差が無いが、その周辺では像面湾曲による収差によりスポットが広がっていることが確認できる。
【００２９】
また、図２（ａ）に示すライン照明装置１０および図２（ｂ）に示す照明装置６０において、全光束１００ルーメン（ｌｍ）の発光ダイオード１１，６１を１０ｍｍ間隔で無限に配置したときの、Ｙ方向の照度分布を、それぞれ図４（ａ）および（ｂ）に示す。図４に示すように、ライン照明装置１０は、５ｍｍ幅のみを効率よく照射しており、５ｍｍ幅の照射部の照度が、従来の照明装置６０の約２倍であることが確認できる。
【００３０】
このように、ライン照明装置１０は、正の屈折力を有する開口数変換レンズ１２が、発光ダイオード１１の出射光の開口数を小さくするよう、発光ダイオード１１から焦点距離より短い間隔で配置されており、その開口数変換レンズ１２を通過した発光ダイオード１１からの出射光がシリンドリカルレンズ１３に入射するよう構成されているため、像面湾曲の発生を抑制することができる。このため、収差を減少させて、照度を高めることができる。また、シリンドリカルレンズ１３により集光された光の直線性を高めることもできる。
【００３１】
また、ライン照明装置１０は、開口数変換レンズ１２の入射開口数を高めに設定することにより、入射効率を高めることができる。ライン照明装置１０は、直線状に配置された発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る組の数や各組の間隔により、集光される直線状の光の明るさや長さを調節することができる。なお、ライン照明装置１０は、集光される光が途中で途切れず直線状に連続するよう、発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る各組の間隔が調整されていることが好ましい。
【００３２】
なお、図１および図２（ａ）に示す実施例では、従来との比較のために、開口数変換レンズ１２の入射ＮＡを０．７で計算したが、実用的には容易にＮＡ０．９以上の開口数変換レンズ１２を設計可能である。撮像系との干渉等の条件を考えると、シリンドリカルレンズ１３の出射ＮＡは、０．２程度が望ましい。従って、Ｙ方向の結像倍率は、５倍程度となる。照射幅を５ｍｍとすると、チップＬＥＤのサイズは１ｍｍとなる。これらの条件の範囲を考慮すると、発光ダイオード１１のチップサイズは、０．５〜２ｍｍが望ましい。
【００３３】
図５および図６に、本発明の第２の実施の形態のライン照明装置を示す。
図５に示すように、ライン照明装置２０は、複数の発光ダイオード１１と複数の開口数変換レンズ１２とシリンドリカルレンズ１３とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のライン照明装置１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３４】
図５に示すように、ライン照明装置２０は、発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る各組が互いに平行な２列の直線状に配置されている。シリンドリカルレンズ１３は、各開口数変換レンズ１２を通過した各発光ダイオード１１からの出射光が、発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る組の各列の配列方向に対して平行な直線帯状領域に集光されるよう配置されている。
【００３５】
図５に示す具体的な一例では、ライン照明装置２０は、図２（ａ）に示すライン照明装置１０と同じ各発光ダイオード１１と各開口数変換レンズ１２とシリンドリカルレンズ１３とを用い、発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２とから成る組を、直線状に２列に配置して構成されている。各列の間隔は、５ｍｍである。このときのＹ方向の照度分布を、図６に示す。図６に示すように、ライン照明装置２０は、図４（ａ）と比べて、２倍の幅を有する直線帯状の領域を効率よく照射していることが確認できる。
【００３６】
このように、ライン照明装置２０は、発光ダイオード１１と開口数変換レンズ１２から成る組による各列の間隔により、集光される直線帯状領域の明るさや幅を調節することができる。また、列の数を増やすことにより、集光される直線帯状領域の明るさや幅を調節することもできる。また、Ｚ方向の配置を変えることにより、照射面１４の深度を深くすることもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０、２０  ライン照明装置
１１  発光ダイオード
１２  開口数変換レンズ
１２ａ  （入射）面
１２ｂ  （出射）面
１３  シリンドリカルレンズ
１３ａ  （入射）面
１３ｂ  （出射）面
１４  照射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014010428.tif 000009
【図８】
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【図９】
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