(57)【要約】【課題】  異なる波長の光を重ね合わせて生成した光により、高効率で色ムラや照度ムラの無い照明を行える検査用光源装置を実現することを目的とする。【解決手段】  複数の光源からの出射光を合成して被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、入射光が内部のみを伝導するように形成された多角柱を備え、前記複数の光源からの出射光を前記多角柱の一方の底面に入射し、前記多角柱の他方の底面からの出射光を前記被検査対象に照射する構成である。【選択図】                    図１
2005214688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源からの出射光を合成して被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
入射光が内部のみを伝導するように形成された多角柱を備え、
前記複数の光源からの出射光を前記多角柱の一方の底面に入射し、前記多角柱の他方の底面からの出射光を前記被検査対象に照射することを特徴とする検査用光源装置。
【請求項２】
複数の光源からの出射光を合成して被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
バンドルファイバと、
入射光が内部のみを伝導するように形成された多角柱と、
を備え、
前記バンドルファイバの他方の端面に前記多角柱の一方の底面を近接させ、前記複数の光源からの出射光を前記バンドルファイバの一方の端面に入射し、前記バンドルファイバの他方の端面からの出射光を前記多角柱の一方の底面に入射し、前記多角柱の他方の底面からの出射光を前記被検査対象に照射することを特徴とする検査用光源装置。
【請求項３】
前記多角柱の出射側底面の像を前記被検査対象上に結像させる少なくとも１つの結像光学系を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の検査用光源装置。
【請求項４】
前記複数の光源からの出射光を、前記多角柱または前記バンドルファイバに入射する際に集光する少なくとも1つの集光光学系を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の検査用光源装置。
【請求項５】
前記多角柱は、側面に平面鏡を設け反射面を内部に向けて構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の検査用光源装置。
【請求項６】
前記複数の光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の検査用光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査用光源装置に関し、詳しくは、検査用光源装置の光量の改善と照度や色の均一化のための改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、受光素子の検査では所定の光源を用いて被検査対象である受光素子に既知の色や光量の光を照射し、受光素子から出力された電気信号をモニタするという構成が用いられている。ここで用いられる検査用光源装置には、それぞれ波長の異なる光を放射する複数個の発光素子を用いて光の重ね合わせを行う構成のものがある。
このような検査用光源装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開５９−２１４７３４号公報
【０００４】
図４は、従来の検査用光源装置の一例を示した構成図である。
図４において、発光部４１，４２は集光レンズ４３，４４と組み合わされて半透鏡またはバンドパスフィルタ４５に光を入射できるように配置される。半透鏡またはバンドパスフィルタ４５は、発光部４１の光の半分を透過し、発光部４２の光の半分を反射することにより、これらの光は同一光路で重なって被検査対象４６に入射する。
【０００５】
図５は、従来の検査用光源装置の他の例を示した構成図である。
図５において、発光部５１，５２は集光レンズ５３，５４と組み合わされてバンドルファイバ５５の受光端面に光を入射できるように配置される。２つの発光部５１，５２からバンドルファイバ５５の受光端面に入射した光はバンドルファイバ５５内で重ね合わせられ、レンズ５６を介して被検査対象５７に導かれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来例で示した検査用光源装置には以下のような問題がある。
図４で半透鏡を用いた構成の検査用光源装置では、合成する異なる波長の光が増えるたびに透過率の２乗に準じて透過率が減少し、半透鏡２枚を用いた３色の構成では、全く損失が無く透過率および反射率を５０％とした場合でも（０．５）２＝０．２５となり、集光効率は著しく悪くなる。
【０００７】
また、図４において半透鏡の代わりにバンドパスフィルタを用いた構成の検査用光源装置では、透過率は、概ね良好となり、ＲＧＢのように波長の離れた光の合成には問題ない。しかし、波長の近い光を重ね合わせて波長的に連続な光を合成することが出来ず分光的に歯抜けの加算にしか使えない。さらに、高価なバンドパスフィルタを、重ね合わせる光の数分だけそれぞれ特性を変えて用意し、光学系を構成することは、コスト、光学系サイズとも増大する。
【０００８】
一方、図５のようにバンドルファイバを用いる構成では、受光端面入射する光の立体角はそのバンドルファイバの開口数（ＮＡ）で決まり、且つ、小断面積であるため多くの発光素子からの光を同時に取り込むことは出来ない。
【０００９】
さらに、バンドルファイバはファイバが束になっている構造のため、出射端面の色度や光度の分布は厳密にはファイバ１本１本の異なる色度や光度をもつ粒々の集合体であり、その端面を結像したのでは被検査対象の位置での照度分布は図６のようなる。
【００１０】
図６は、バンドルファイバの端面を結像させた様子を示した図である。
図６のようにバンドルファイバの蜂の巣状端面が写り込み、色度、光量の異なるまだら模様になることは避けられず、レンズで平行光に近くすることはあっても被照射面に結像させることは出来ない。つまり、照明効率の最も良い結像光学系が使えないため効率を落としている。
【００１１】
加えて、バンドルファイバに光を導き自由な距離を自在に引き回し対象物に照明する技術は一般的ではあるが、出射端での光量分布が一定とはならない。出射端での光量分布に差があるということは、波長の異なる光を放射する複数個の発光素子を用いて光の重ね合わせをすれば、照射部では色ムラ、照度ムラが発生し、受光素子の検査のような用途には使えない。
【００１２】
図７はバンドルファイバの出射端面での光量の分布を示した図である。
バンドルファイバに任意の入射角で導光し、出射端面で光量の分布を計算した結果を横軸に端面の径、縦軸に光量をとってグラフ化した。ランダムにファイバを交差させてため特定部のみ輝度が高くなることは無いが、凸凹の差は解消せず均一にならない。従来の導光部材を使った方式では、単に光を導くことはできるが、出射端面での均一化は図れない。
【００１３】
本発明は、このような従来の検査用光源装置が有していた問題を解決しようとするものであり、異なる波長の光を重ね合わせて生成した光により、高効率で色ムラや照度ムラの無い照明を行える検査用光源装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は次の通りの構成になった検査用光源装置である。
【００１５】
（１）複数の光源からの出射光を合成して被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
入射光が内部のみを伝導するように形成された多角柱を備え、
前記複数の光源からの出射光を前記多角柱の一方の底面に入射し、前記多角柱の他方の底面からの出射光を前記被検査対象に照射することを特徴とする検査用光源装置。
【００１６】
（２）複数の光源からの出射光を合成して被検査対象に所定の光信号を照射する検査用光源装置において、
バンドルファイバと、
入射光が内部のみを伝導するように形成された多角柱と、
を備え、
前記バンドルファイバの他方の端面に前記多角柱の一方の底面を近接させ、前記複数の光源からの出射光を前記バンドルファイバの一方の端面に入射し、前記バンドルファイバの他方の端面からの出射光を前記多角柱の一方の底面に入射し、前記多角柱の他方の底面からの出射光を前記被検査対象に照射することを特徴とする検査用光源装置。
【００１７】
（３）前記多角柱の出射側底面の像を前記被検査対象上に結像させる少なくとも１つの結像光学系を備えたことを特徴とする（１）または（２）に記載の検査用光源装置。
【００１８】
（４）前記複数の光源からの出射光を、前記多角柱または前記バンドルファイバに入射する際に集光する少なくとも１つの集光光学系を備えたことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の検査用光源装置。
【００１９】
（５）前記多角柱は、側面に平面鏡を設け反射面を内部に向けて構成したことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の検査用光源装置。
【００２０】
（６）前記複数の光源は、発光ダイオードであることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の検査用光源装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、以下のような効果がある。
【００２２】
請求項１に記載の発明によれば、異なる波長の光を重ね合わせて生成した光束を多角柱に通すことにより、高照明効率で色ムラや照度ムラの無い照明を行える検査用光源装置を実現することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、バンドルファイバの出射光を多角柱に通すことにより、バンドルファイバのみでは実現できない水準で色度や照度の均一化を実現することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、被検査対象上の照度を最も強くでき、照明効率を向上させることができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、ＬＥＤランプの光を集光レンズを介して多角柱に入射させることにより、入射効率を向上させることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、多角柱を角柱の内側面に平面鏡を設けて反射面を内部に向け、空洞とした構成にすることにより、簡単な構造で安価に多角柱が製作できる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、光源としてＬＥＤランプを用いることにより、長寿命となる。また、所望の色度、照度に瞬時に切換えが可能となる。さらに、分光フィルタを使わないことから、安価に構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の検査用光源装置の一実施例を示す構成図である。図１では光源として発光素子であるＬＥＤランプを用いた場合を示している。
なお、ＬＥＤランプの出射光を制御する手段として、例えば順方向電流を調整して各ＬＥＤランプに対して所望の輝度を発生させ、照明の色度や照度を制御する技術は周知であるため図示および説明を省略する。
【００２９】
図１において、ＬＥＤランプ１Ａから１Ｅは、異なる発光分光分布を持つ異なった種類のＬＥＤランプを複数配置したものである。ＬＥＤランプは、分光分布の組み合わせにより可視光の波長範囲を隙間無く埋めるような発光波長のものが選択される。ＬＥＤ１Ａから１Ｅは、後述するボールレンズ３に対向するようにボールレンズの中心を頂点とした円錐状に配置される。この場合、ボールレンズへの入射角がなるべく小さくなるように配置するほうが良い。
また、ＬＥＤランプの位置により入射効率が異なるため、被検査対象に照射される光量をモニタし、各ＬＥＤの光量が所望の光量になるように順方向電流を制御すれば良い。
【００３０】
集光レンズ２Ａから２Ｅは、それぞれのＬＥＤランプにより光束の発散角が異なるために個別に最適化した光学系であり、これらが必要に応じて配置され、ボールレンズ３にＬＥＤランプの光束を集光し入射させる。これにより入射効率を向上させることができる。
【００３１】
ボールレンズ３は、角柱ロッド４の端面４Ａ（角柱の一方の底面）の直前に配置される。このボールレンズ３は、その断面積の最大部が角柱ロッドの断面積より２倍程度大きいボールレンズとする。これにより、ＬＥＤランプの光束はボールレンズの出射直後の位置で絞られ、角柱ロッド４に効率よく入射される。
【００３２】
角柱ロッド４は、硝材（光学ガラス材料）やプラスチック（例えば透明な塩化ビニールやアクリル）などで製作し端面４Ａ，４Ｂを鏡面研磨した多角柱状のもので、ボールレンズ３から出射された光束を端面４Ａから取り込み、端面４Ｂ（角柱の他方の底面）から出射する。角柱ロッド４に入った光束は、柱の側面で反射を繰り返し、出射面では光束の分布が空間的に均一になるため、色度および照度の分布が均一となる。結像光学系５は、例えば凸レンズであり、角柱ロッド４の出射端４Ｂを受光素子である被検査対象６に結像させる。このときの光量分布を図２に示す。
なお、角柱ロッドは、角柱の内側面に平面鏡を設けて反射面を内部に向け、空洞とした構成のものであっても良い。この様に構成すると、簡単な構造で安価に角柱ロッドが製作できる。
【００３３】
図２は角柱ロットの出射端面での光量の分布を示した図である。前出の図７に示したものと同条件で計算した。光量分布の差が１／３以下に減少しており、光量分布が一定であることがわかる。
【００３４】
光量分布が一定であるということは、色ムラが発生しないことであり、ひいては被検査対象上で色ムラ、照度ムラのない完全に均一な照明を得ることが出来、受光素子の検査に対しても最適なものとなる。
【００３５】
以上により、色度および照度が均一な照明部が周辺の隅々まで得られ、余裕照明部を削減することができ、分布、照明エリアともに最大値を得られる。ここで、余裕照明部とは、検査エリア内を均一に照明するために、不均一な周辺部は検査エリア外に追い出すように光束を大きめに設定した結果、検査エリア外に出た光束のことをいう。
【００３６】
なお、ボールレンズを使用しない場合は、角柱ロッド入口での効率を考え、角柱ロッドの断面積をある程度大きくすればよい。しかし、この場合は被検査対象が比較的小さく導光した光を縮小して使う場合においては、結像光学系で被検査対象に照明する際に照射効率が著しく悪くなることから、両者のバランスを取って角柱ロット入射効率を犠牲にせざるを得ない。
【００３７】
また、本実施例ではボールレンズを角柱ロットの直前に配した光学系としたが、フィッシュアイレンズのような広角レンズで集光するものであっても良い。この時広角レンズの結像面に角柱ロットの入射端を置くことが好ましく最も効率よく入射できる。いずれにしても直接斜めからの光を角柱ロットに入れる場合には、角柱ロット入射面の投影断面積は入射角をθとするとＣＯＳθに準じて小さくなり、入射角が大きくなるに連れて集光効率が悪くなるが、ボールレンズ、広角レンズなどにより投影断面積の減少を抑えロス無く集光が可能となる。
【００３８】
さらに、ボールレンズには角柱ロットに入る光を効率よく拡散させる効果があるため、角柱ロットの短小化に貢献している。拡散的な意味では拡散板、単レンズ、撮影レンズなど屈折作用のある素子はボールレンズと同等と見なすことができる。
【００３９】
一方、ハロゲンランプのように点光源と見なせないランプで、ある程度の絶対光量が必要な場合は、バンドルファイバを用いることが多いが、入射端の光量分布を保ったまま出射端に到達するため、出射端では均一な照度分布が得られない。
【００４０】
そこで、ファイバ素線をランダムに編むことで出射端の照度分布を均一化することが一般的となっている。これにより分布の均一化の多少の改善は見られるものの、波長の異なる光の重ね合わせをした上で光量も均一化する必要のある場合は、ファイバ素線それぞれで色、光量が異なっていたのでは均一化は図れない。この問題を解決するための構成を図を用いて以下に説明する。  
【００４１】
図３は、本発明の検査用光源装置の他の実施例を示した構成図である。図３で前出の図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図３において、ボールレンズ３は、バンドルファイバ７の一方の端面（入射端面）の直前に配置され、ＬＥＤランプの光束はボールレンズの出射直後の位置で絞られ、バンドルファイバ７の入射端面に効率よく入射され、他方の端面（出射端面）から出射される。角柱ロッド４は、その入射端面（角柱の一方の底面）がバンドルファイバ７の出射端面に近接して配置され、出射端面（角柱の他方の底面）から均一分布の色度および照度で被検査対象６を照明する。
バンドルファイバ７の出射端面と角柱ロッド４の入射端面とは、接触している状態が望ましいが、許容できる入射効率に応じて距離をとっても良い。  
【００４２】
以上のように、バンドルファイバ７で光を容易に導ける利点を残し、正確に均一化を得るためにボールレンズ３と角柱ロット４の中間にバンドルファイバ７を挿入することで、設計的な自由度を大幅に改善し、正確な均一性は損なわない光学系とすることができる。
【００４３】
また、従来はバンドルファイバの端面を結像させると前出の図６のように結像してしまうことから、意図的に結像させないようにしていたが、硝材やプラスチックで製作し端面を鏡面研磨した角柱ロットを中間に入れることで照度が均一な出射端を結像関係で被検査対象物に照明できることにより、均一精度、効率ともに最大値を得られる。
【００４４】
さらに、角柱ロッドは断面寸法に対して１５倍程度以上の長さを有するものであれば均一化が図られるため、一般的に市販されているバンドルファイバφ４、φ６ｍｍ程度のものであれば１００ｍｍ程度の角柱ロッドで足りることになり、既存のバンドルファイバを改造して先端に角柱ロットを一体で形成することでサイズアップなしで質の高い均一照明が得られることになる。既に入射端、出射端に硝材で円柱のエンドキャップをしたような形態のものもあるが、これは本発明が意図する目的の効用は無く、角柱にすることに意義がある。照射エリアを円形で欲しい場合は四角形にこだわることなく底面を多角形とした多角柱にすれば良い。
【００４５】
加えて、バンドルファイバは光源部との接続が簡単であることがその他の光学系に対して大きな特徴となっているが、本発明においてもそのユーティリティー性は兼ね備えており、被検査対象に照明装置の設置が容易になる。
【００４６】
また、従来、ライトガイド（バンドルファイバ）を用いた照明器具が目視検査、自動検査、画像検査、ラボユースと幅広く一般的に用いられている。この種の照明器具はライトガイドを交換することで多目的に対応し、操作性が良いためＬＥＤ照明と並んで支持されている。一方、自動検査、画像検査においては、より微細化、高機能化、高生産性（閾値の厳しい管理）が求められ、より均一で安定した照明装置が必要とされている。このため、従来の一般的な安価な照明装置では不十分となり、高額な特殊照明を必要とする被検査対象に対しては多額の検査コストが発生している。
【００４７】
ライトガイドを用いた照明装置の大きな特徴は、バンドルファイバと光源部の接続、分離が容易であり、対象物に応じて交換できることにある。そこで、高価な光源部はそのままで本発明を用いたバンドルファイバに置き換えるだけで均一性が改善され、市場の要求に合致した高精度なファイバユニットが実現できる。
【００４８】
なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の検査用光源装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明における角柱ロットの出射端面での光量の分布を示した図である。
【図３】本発明の検査用光源装置の他の実施例を示した構成図である。
【図４】従来の検査用光源装置の一例を示した構成図である。
【図５】従来の検査用光源装置の他の例を示した構成図である。
【図６】従来の検査用光源装置におけるバンドルファイバの端面を結像させた様子を示した図である。
【図７】従来の検査用光源装置におけるバンドルファイバの出射端面での光量の分布を示した図である。
【符号の説明】
【００５０】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ  ＬＥＤランプ
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ  集光レンズ
３  ボールレンズ
４  角柱ロッド
５  結像光学系
６  被検査対象
【図１】
2005214688.tif 000003
【図２】
2005214688.tif 000004
【図３】
2005214688.tif 000005
【図４】
2005214688.tif 000006
【図５】
2005214688.tif 000007
【図６】
2005214688.tif 000008
【図７】
2005214688.tif 000009