(57)【要約】【課題】光量をほとんど低下させずに、光センサが精度良く検出できる光量を確保する。【解決手段】可視光を放射する光源１０１と、光源１０１の光を光均一化部１０３に集光する集光部１０２と、光を均一化する光均一化部１０３と、光均一化部１０３内を全反射する光の一部を取り出す光取得部１０４と、光取得部１０４が取り出した光を受光する光センサ１０５と、光センサ１０５の出力に応じて光源１０１の光量を調節する光源光量コントローラ１０６を備える光源装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光を放射する光源と、
前記光源の可視光を集光して光を照射する集光部と、
入射面に入射した前記集光部からの光を側面で全反射させて均一化し、出射面から出射する光均一化部と、
前記光均一化部の側面に配置し、前記光均一化部内部を全反射する光を一部取り出す光取得部と、
前記光取得部によって取り出した光を受光し、電気信号に変換する光センサと、
前記光センサの電気信号に応じて前記光源の光量を変化させる光源光量コントローラと、
を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記光取得部は、入射した光と垂線とのなす角度が臨界角未満となる出射面を備え、入射した光が出射面から外部へ出射するプリズムであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記光取得部は、前記光均一化部の屈折率以上の屈折率を持つこと
を特徴とする請求項１及び請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記光取得部は、前記光均一化部の入射面の垂線と前記光均一化部の入射面へ入射する入射光との最大のなす角度を持つ入射光が前記光均一化部側面において側面の垂線となす角度より大きく、９０度より小さい臨界角となる屈折率を持つこと
を特徴とする請求項１及び請求項２に記載の光源装置。
【請求項５】
前記光取得部の入射面の一辺が、前記光均一化部の入射面と同一平面上に位置すること
を特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に関し、詳細には光量をモニタし、光量のコントロールを行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタや検査対象物となる硝子板や塗料塗布面に光を照射してＣＣＤカメラなどで観察して傷や塗装不良を検査する検査装置などにおいては、光源の光量を一定に制御し、かつ均一な光を出射する光源装置が必要である。そのために、光量をモニタし、フィードバック制御によって光量を調整する技術が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は従来の光源装置の構成を示した図である。光源１０１の光は集光部１０２を介して光均一化部１０３の入射面に集光し、光均一化部１０３で均一化した後、光均一化部１０３の出射面から出射する。そして、光均一化部１０３の内部の欠陥６０１や表面の傷によって乱反射した漏れ光を光センサ１０５が受光し、電気信号に変換して出力する。そして、光センサ１０５の出力に応じて光源光量コントローラ１０６が光源１０１の光量を調節する。
【特許文献１】特開２００５−２３３９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、光均一化部１０３に偶然ある欠陥や表面の傷によって乱反射する光の漏れ光を利用するため、光センサ１０５が受光する光量は小さく、検出精度が悪い。光均一化部１０３が欠陥や表面の傷が少ない品質の良いものであれば漏れ光量はさらに低下して光源をフィードバック制御することが困難になる。
【０００５】
従って、本発明は光量をほとんど低下させずに、かつ光センサ１０５が精度良く検出できる光量を確保する光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の光源装置は、可視光を放射する光源と、前記光源の可視光を集光して光を照射する集光部と、入射面に入射した前記集光部からの光を側面で全反射させて均一化し、出射面から出射する光均一化部と、前記光均一化部の側面に配置し、前記光均一化部内部を全反射する光を一部取り出す光取得部と、前記光取得部によって取り出した光を受光し、電気信号に変換する光センサと、前記光センサの電気信号に応じて前記光源の光量を変化させる光源光量コントローラとを備えることを特徴とするものである。
【０００７】
さらに光源装置において、前記光取得部は、入射した光と垂線とのなす角度が臨界角未満となる出射面を備え、入射した光が出射面から外部へ出射するプリズムであることを特徴とするものである。
【０００８】
さらに光源装置において、前記光取得部は、前記光均一化部の屈折率以上の屈折率を持つことを特徴とするものである。
【０００９】
さらに光源装置において、前記光取得部は、前記光均一化部の入射面の垂線と前記光均一化部の入射面へ入射する入射光との最大のなす角度を持つ入射光が前記光均一化部側面において側面の垂線となす角度より大きく、９０度より小さい臨界角となる屈折率を持つことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに光源装置において、前記光取得部の入射面の一辺が、前記光均一化部の入射面と同一平面上に位置することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明の光源装置によると、光量及び均一度にほとんど影響を与えず、光センサが十分な光量を受光することができるため、精度の良い光量の制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の光源装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
以下に、本発明の請求項１ないし請求項５に記載された発明の実施の形態について、図１ないし図５を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例１における光源装置の構成図である。
図１において、光源１０１は、可視光を放射する光源であって、例えば、水銀灯、ナトリウム灯、発光ダイオードやレーザーなどであり、可視光を放射する光源であれば何れも適用可能である。また、一つの光源ではなく、複数の光源を集光させたものでも良い。
【００１５】
集光部１０２は、光源１０１の放射光を光均一化部入射面１０３ａに集光する。集光部１０２は例えば、集光レンズや楕円ミラーなどである。光均一化部１０３は、光均一化部入射面１０３ａからの入射光を側面で全反射させて光均一化部出射面１０３ｂに導き、光均一化部出射面１０３ｂから出射する。光は光均一化部１０３内部で複数回反射することにより均一化され、光均一化部出射面１０３ｂは一様な光量分布となる。なお、本実施例においては、一例として角柱のロッドプリズムを使用している。光取得部１０４は、光均一化部１０３の側面に配置し、光均一化部１０３内部を全反射する光の一部を取り出す。光センサ１０５は、光取得部１０４から出射した光を受光する。光センサ１０５は、例えばフォトダイオードであり、受光した光の光量を電気信号に変換して出力する。光源光量コントローラ１０６は、光センサ１０５の出力に応じて光源１０１の光量を制御する。光源光量コントローラ１０６は、例えば、光センサ１０５からの電気信号をＡ／Ｄ変換（アナログ値からデジタル値への変換）を行う。そして、各光源の光量が予め定められた値となるように、入力をＡ／Ｄ変換後の光センサ１０５からの電気信号（デジタル値）、出力を各光源の駆動信号とした比例動作と積分動作を組み合わせたＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御を行う。
【００１６】
次に、光均一化部１０３から光取得部１０４が光を取り出す原理について図２を用いて詳しく説明する。
図２は図１の光均一化部１０３、光取得部１０４及び光センサ１０５を拡大した図である。
【００１７】
図２において、最大入射角光線２０１は光均一化部入射面１０３ａに入射する光線において、入射角２０２が最大の光線である。入射角２０２は、光均一化部入射面１０３ａの垂線２０６と最大入射角光線２０１とのなす角である。出射角２０３は、光均一化部入射面１０３ａを透過後の最大入射角光線２０１と垂線２０６とのなす角である。入射角２０４は、光取得部１０４に光線が入射する光取得部入射面１０４ａの垂線２０７と最大入射角光線２０１とのなす角である。入射角２０５は、光取得部１０４の出射面、光取得部出射面１０４ｂの垂線２０８と最大入射角光線２０１とのなす角である。
【００１８】
本実施例においては、空気の屈折率を１、光均一化部１０３の屈折率を１．５とした時、最大入射角光線２０１が２４度の入射角２０２で光均一化部入射面１０３ａに入射すると、出射角２０３は１６度となる。そして、入射角２０４は７４度となり、臨界角が約４１．８度のため、光取得部１０４が無い場合は最大入射角光線２０１含む光均一化部１０３に入射した全ての光は全反射する。しかし、光取得部１０４が有り、その屈折率が光均一化部１０３の屈折率以上である場合は、最大入射角光線２０１含む光均一化部１０３に入射した全ての光は光取得部入射面１０４ａを透過する。なおここでは、光取得部１０４の屈折率は１．５とする。そして、入射角２０５が臨界角の４１．８度未満となる光取得部出射面１０４ｂを設けて、最大入射角光線２０１含む光均一化部１０３に入射した全ての光を出射する。光センサ１０５は、光取得部出射面１０４ｂから出射した光を受光する。
【００１９】
次に光均一化部１０３及び光取得部１０４の外観の一例を説明する。図３は、光均一化部１０３及び光取得部１０４の外観図である。図３に示すように、光均一化部１０３は、８．５ｍｍ×５．２ｍｍ×５０ｍｍの角柱である。光取得部入射面１０４ａは、５ｍｍ×５ｍｍであり、この面に入射する光が光取得部１０４の内部へ導かれる。
【００２０】
次に、図３の光取得部１０４をＺ軸方向に前後させた時、光均一化部出射面１０３ｂにおける光の損失や均一度がどのように変化するかについて説明する。図４は、光取得部１０４のＺ軸方向の位置に対する光均一化部出射面１０３ｂにおける光量及び均一度を示すグラフである。
【００２１】
図４において横軸はＺ軸位置、縦軸は光量及び均一度である。また、横軸のＺ軸位置の０は図３において辺３０１が辺３０２の位置に配置されている時である。光量４０１は、光取得部１０４無しの時の光量を１００％としてプロットしている。参照軸は左の縦軸である。ここで損失した光量が光取得部１０４、ひいては光センサへ入射する光量である。水平均一度４０２及び垂直均一度４０３は、図３において光均一化部出射面１０３ｂの中心を通り、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ引いた線、線３０３及び線３０４の光量の均一度を光取得部１０４無しの時の均一度を１００％としてプロットしており、大きい値は均一度が良く、小さい値は均一度が悪い。参照軸は右の縦軸である。
【００２２】
図４の光量４０１を見ると、Ｚ軸位置が０ｍｍの時が最も光量が大きく、Ｚ軸位置が大きくなるにつれて急激に光量が低下し、その後は９７％付近を中心に波打ちながら収束している。この波打つのは、光源の発光部分の状態やレンズの性能により、光均一化部入射面１０３ａの光量分布が、中心が明るく周辺が暗いためである。明るい中心の光が光均一化部１０３の側面に到達し、そこに光取得部１０４が有り、光が取り出されると光量の損失が大きくなる。従って、最初に光量が底辺（実線で囲まれた部分）になる時のＺ軸位置は、光均一化部入射面１０３ａの中心から出射した光が側面に達したＺ軸位置となっており、図３において出射角２０３は１６度なので５．２／２／ｔａｎ（１６度）＝９．１ｍｍとなる。僅かに計算値より異なり、底辺が平坦になっているのは、光均一化部１０３が角柱であり、光均一化部入射面１０３ａの中心から光均一化部１０３の側面までの距離が一律でないためである。
【００２３】
ここで、光センサ１０５が受光する光量を考える。光センサ１０５は、本実施例においては例えば最大０．８ｍＷの光を受光できるとする。つまり、０．８ｍＷ以上の光を光センサ１０５に導くことができれば、光量は十分であると言える。一方、光取得部１０４に入射する光量は以下の式で与えられる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
また、本実施例においては、光源の光量を８００ｍＷ、光均一化部１０３への集光効率を０．５とする。光取得部１０４へ入射する光量は、光均一化部出射面１０３ｂにおける光量の損失であり、光取得部１０４へ入射する光量が光センサ１０５の受光する光量とほぼ等価である。図４において光センサ１０５が受光する光量が最も小さいＺ軸位置は０ｍｍであり、この時の光量が９９．２５％であるので、光取得部１０４入射光量率は０．００７５である。
【００２６】
数１より光取得部１０４に入射する光量、つまり光センサ１０５が受光する光量は３ｍＷとなり、Ｚ軸位置がどこでも光センサ１０５に十分な光量の光が届くことが分かる。なお、光センサ１０５の出力が飽和しないようにするには、光センサ１０５の受光部の前に減光フィルタなどを置いて、入射光量を調整すれば良い。
【００２７】
以上のように、本実施例においては、光均一化部１０３の側面に光均一化部１０３以上の屈折率を持つ光取得部１０４を配置することにより、光均一化部１０３内部を全反射する光の一部を取り出し、光センサ１０５で十分な光量を受光できる。
【００２８】
さらに、光取得部１０４を適切なＺ軸位置に配置することで、光均一化部出射面１０３ｂにおいてより光量の損失なく、より均一度を高くできる。
【００２９】
図４において、水平均一度４０２及び垂直均一度４０３を見ると、Ｚ軸位置がそれぞれ１８ｍｍ及び１２ｍｍ以下では均一度が光取得部１０４無しの時と同等を維持しているが、それ以上では均一度が波打ちながら悪化している。つまり、光取得部１０４によって光均一化部出射面１０３ｂの光量のムラが大きくなっている。従って、Ｚ軸位置は水平及び垂直均一度が光取得部１０４無しの時と同等である範囲を選択すると良い。本実施例においては、１２ｍｍ以下が好ましい。
【００３０】
さらに、光量の損失をより少なくするために、１２ｍｍ以下において光量損失が許容できるＺ軸位置を選択すればよい。もし、機構上などの他の制約が無い場合は、最も光量損失の少ない０ｍｍを選択するのが好ましい。
【００３１】
また、光取得部１０４の屈折率を適切に選択することにより、さらに光量損失を少なくすることができる。図５は、光均一化部１０３と光取得部１０４の境界と境界への入射光の様子を表した図である。
【００３２】
図５において、境界５０１は、光均一化部１０３と光取得部１０４の境界であり、紙面上境界５０１より上が光均一化部１０３、下が光取得部１０４の領域である。光均一化部１０３の側面には、角度範囲５０２の光線が入射する。臨界線５０３は、境界５０１に入射した光の臨界角を示す線であり、臨界角は入射角２０４と角度範囲５０５を足した角度である。
【００３３】
ここで、臨界線５０３が図５に示すように、最大入射角光線２０１と境界５０１の間になるように光均一化部１０３に対する光取得部１０４の屈折率を選択すると、臨界角以上の角度範囲５０４の光線は全反射して角度範囲５０６に出射し、角度範囲５０５の光線は境界５０１を透過して角度範囲５０７に出射する。
【００３４】
例えば、光均一化部１０３の屈折率１．５に対して、光取得部１０４の屈折率を１．４９とすると、入射角２０４が７４度に対して臨界角は８３．４度となるので角度範囲５０５は９．４度、角度範囲５０４は６．６度となる。そして、角度範囲５０６は角度範囲５０４の反射なので同じく６．６度、角度範囲５０７は角度範囲５０５の透過であるので計算より１４．６度となる。光源の配向特性がどの角度においても一定であるとすると、光取得部１０４への入射光量は３ｍＷに９．４度／１６度を掛けて１．８ｍＷとなり、光センサ１０５が光量検出するに当たって十分な光量である。また、光均一化部出射面１０３ｂの光量は、９９．５６％となり、より光量の損失を少なくできる。
【００３５】
以上のように、光取得部１０４の屈折率を臨界角が入射角２０４より大きく９０度未満となるように選択することにより、光センサ１０５が光量検出するに当たって十分な光量の範囲で、光量の損失を少なくすることができる。また、光量の損失が少なくなることにより、均一度に与える影響もより低減される。
【００３６】
なお、本実施例は本発明の一例を示したものであり、これに限るものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明にかかる光源装置は、光均一化部を使用する光学システムに有用で、特に光を一定かつ均一に照射する装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１における光源装置の構成図
【図２】本発明の実施例１における光均一化部１０３、光取得部１０４及び光センサ１０５の拡大図
【図３】本発明の実施例１における光均一化部１０３及び光取得部１０４の外観図
【図４】本発明の実施例１における光均一化部出射面１０３ｂにおける光量及び均一度を示すグラフ
【図５】本発明の実施例１における光均一化部１０３と光取得部１０４の境界と境界への入射光の様子を表す図
【図６】従来の光源装置の構成図
【符号の説明】
【００３９】
１０１  光源
１０２  集光部
１０３  光均一化部
１０３ａ  光均一化部入射面
１０３ｂ  光均一化部出射面
１０４  光取得部
１０４ａ  光取得部入射面
１０４ｂ  光取得部出射面
１０５  光センサ
１０６  光源光量コントローラ
２０１  最大入射角光線
２０２  入射角
２０３  出射角
２０４  入射角
２０５  入射角
２０６  垂線
２０７  垂線
２０８  垂線
３０１  辺
３０２  辺
３０３  線
３０４  線
４０１  光量
４０２  水平均一度
４０３  垂直均一度
５０１  境界
５０２  角度範囲
５０３  臨界線
５０４  角度範囲
５０５  角度範囲
５０６  角度範囲
５０７  角度範囲
６０１  欠陥
【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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