(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-25
(45)【発行日】2022-04-04
(54)【発明の名称】同軸落射照明装置
(51)【国際特許分類】
G02B 21/12 20060101AFI20220328BHJP
F21V 5/00 20180101ALI20220328BHJP
F21K 9/61 20160101ALI20220328BHJP
F21V 3/00 20150101ALI20220328BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20220328BHJP
【ＦＩ】
G02B21/12
F21V5/00 510
F21K9/61
F21V3/00 320
G02B3/00 A
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2017135628
(22)【出願日】2017-07-11
(65)【公開番号】P2019020442
(43)【公開日】2019-02-07
【審査請求日】2020-05-22
(73)【特許権者】
【識別番号】506225949
【氏名又は名称】株式会社ヴイ・エス・テクノロジ－
(74)【代理人】
【識別番号】110001988
【氏名又は名称】特許業務法人小林国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】馬場 常夫
(72)【発明者】
【氏名】高橋 康平
【審査官】岡田 弘
(56)【参考文献】
【文献】実開昭５７－１７０１１３（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００６－２３７２８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１６６２１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０７９１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２２３４６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０４３５３１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特公昭４３－０２１２７８（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２００６／００９８８９５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ １９／００－２１／００
Ｇ０２Ｂ ２１／０６－２１／３６
Ｇ０２Ｂ １／００－１／０８
Ｇ０２Ｂ ３／００－３／１４
Ｂ６０Ｑ ３／００－３／８８
Ｆ２１Ｋ ９／００－９／９０
Ｆ２１Ｓ ２／００－４５／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに近接して配置される複数のＬＥＤ、及び前記ＬＥＤを覆う湾曲突出面を有し前記ＬＥＤからの光を集める光透過性樹脂製のレンズを有する光源と、前記レンズからの光を導く透明柱体の第１導光材と、
多数のマイクロレンズを有する光拡散フィルムからなり、前記第１導光材からの光を拡散する第１拡散材と、
前記第１拡散材からの光を導く透明柱体の第２導光材と、
多数のマイクロレンズを有する光拡散フィルムからなり、前記第２導光材からの光を拡散する第２拡散材と、
前記光源、前記第１導光材、前記第１拡散材、前記第２導光材、及び前記第２拡散材を互いに近接させて光路に保持するケースと、を有し、
前記光源は、発光色が互いに異なるＬＥＤが、光軸とは垂直な共通の基板上に並べられ、
当該同軸落射照明装置は、前記基板上の各位置のＬＥＤからの光を混色した照明光を出射し、
前記第２導光材は、単一の材料から形成され、光入射面及び光出射面が前記光軸とは垂直に設けられている、
同軸落射照明装置。
【請求項2】
前記ケースは先端部、基端部、蓋部を順に連結した有底筒状体であり、前記有底筒状体の筒心に光路を有し、前記光源及び前記第１導光材が前記基端部に配され、前記第２導光材及び前記第２拡散材が前記先端部に配され、前記第１拡散材が前記基端部又は前記先端部に配される請求項１記載の同軸落射照明装置。
【請求項3】
複数の前記ＬＥＤは三色光の各光をそれぞれ発光し、且つ前記各光の光量が個別に制御される請求項１または２記載の同軸落射照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、同軸落射照明装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
製品検査等において、人の目の代わりにカメラで被検査物を撮影し、得られた画像を認識し、位置決めや種別、計測、検査を行うマシンビジョン（Machine Vision）が広く利用されている。このマシンビジョンでは、カメラと同じ方向から被検査物に照明光を照射する場合に、同軸落射照明装置が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【0003】
照明装置の光源としては、例えば赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の三色のＬＥＤ（light emitting diode）が用いられる。そして、各色のＬＥＤの輝度を調節することにより、所望の色の光を得ている（例えば特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００６－３０８７０２号公報
【文献】特開２００４－３６３０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の照明装置では、ＬＥＤの前面に光拡散手段と透明な球状部材を配置する構成となっており、レンズに並行光を集めている。従って、光拡散板により拡散した光が球状部材により分光されるため、ＬＥＤの配置による配光特性の影響が強く出て、結果的に光を均一にミキシングできないという欠点がある。
【0006】
また、特許文献２に記載の照明装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色ＬＥＤによる照明光を混合するバンドルファイバが配され、その光入射端がＬＥＤの数に応じて分岐形成されている。そして、光射出端はそれらのファイバがランダムに束ねられた構成となっている。このように光ファイバを使用して光をミキシングしている点から、同軸落射照明装置としては大がかりになり、且つ製造コストも高くなるという問題がある。
【0007】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、小型であり且つ安定した光を供給することができる同軸落射照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、本発明の同軸落射照明装置は、光源、第１導光材、第１拡散材、第２導光材、第２拡散材、及びケースを有する。光源は、複数の発光素子とレンズとを有する。複数の発光素子は互いに近接して配置される。発光素子は、ＬＥＤと、ＬＥＤを覆う湾曲突出面を有しＬＥＤからの光を集める光透過性樹脂製のレンズとを有する。第１導光材は透明柱体であり、レンズからの光を導く。第１拡散材は第１導光材からの光を拡散する光拡散フィルムであり、多数のマイクロレンズを有する。第２導光材は透明柱体であり、第１拡散材からの光を導く。第２拡散材は、第２導光材からの光を拡散する光拡散フィルムであり、多数のマイクロレンズを有する。ケースは、光源、第１導光材、第１拡散材、第２導光材、及び第２拡散材を光路に保持する。
【0009】
ケースは先端部、基端部、蓋部を順に連結した有底筒状体であり、有底筒状体の筒心に光路を有し、光源及び第１導光材が基端部に配され、第２導光材及び第２拡散材が先端部に配され、第１拡散材が基端部又は先端部に配されることが好ましい。
【0010】
複数のＬＥＤは三色光の各光をそれぞれ発光し、且つ各光の光量が個別に制御されることが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、小型で安定した光を供給することができる同軸落射照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】同軸落射照明装置を有する検査装置を示す概略の側面図である。
【図2】同軸落射照明装置の光軸に沿う断面図である。
【図3】同軸落射照明装置を先端部、基端部、蓋部に分解して示す斜視図である。
【図10】比較例の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図１に示すように、本発明の同軸落射照明装置（以下、単に照明装置という）１０は検査装置１１に装着される。検査装置１１は、例えばＣＣＤ等のイメージエリアセンサ１２ａを有するカメラ１２と撮影レンズ１３とを有する。撮影レンズ１３は、イメージエリアセンサ１２ａに被検査物１５の光学像を結像する。
【0014】
撮影レンズ１３には、取付フランジ１４が設けられている。取付フランジ１４には照明装置１０の先端部２６ａが挿入され、図示しないネジによりに照明装置１０が撮影レンズ１３に固定される。この固定によって、撮影レンズ１３の撮影光軸ＣＬ１と照明装置１０の照明光軸ＣＬ２とが直交する。
【0015】
撮影光軸ＣＬ１と照明光軸ＣＬ２との交差位置で撮影レンズ１３には、ビームスプリッタ１７が配されている。ビームスプリッタ１７は、照明光を反射して、被検査物１５に照明光を照射する。また、ビームスプリッタ１７は、撮影光を透過する。これにより、照明光で照射された被検査物１５の画像はイメージエリアセンサ１２ａに結像し、撮像される。
【0016】
【0017】
ケース２６は、先端部２６ａ、基端部２６ｂ、蓋部２６ｃの３部品を順に連結した有底筒状体から構成されている。ケース２６は、光源２１、第１導光材２２、第１拡散材２３、第２導光材２４、及び第２拡散材２５を順に筒心（光路）に沿って保持している。
【0018】
先端部２６ａ及び基端部２６ｂは筒状に構成されている。基端部２６ｂには、筒心に沿って先端側から順に、第１拡散材収納穴３１と第１導光材収納孔３２と光源収納穴３３とが形成されている。蓋部２６ｃは、取付枠４０とこの取付枠４０に連続するフランジ４１とを有する。
【0019】
第１拡散材収納穴３１の内径は第１拡散材２３の外径と略同じであり、第１拡散材２３が収納される。第１導光材収納孔３２の内径は第１導光材２２の外径と略同じであり、第１導光材２２が収納される。光源収納穴３３の内径は取付枠４０の外径と略同じであり、蓋部２６ｃの取付枠４０が収納される。
【0020】
フランジ４１の外径は、基端部２６ｂの外径と略同じであり、基端部２６ｂの光源収納穴３３を塞ぐ。光源収納穴３３には段部３３ａが形成されている。この段部３３ａに取付枠４０の先端面４０ａが係止することで、光源収納穴３３内に光源２１が位置決めされる。
【0021】
基端部２６ｂの外周面には、複数の周溝３４の形成により例えば筒心方向に沿って３個の冷却フィン３５が形成されている。また、図２に示すように、筒心方向の中央の周溝３４には、ネジ孔３６が形成されている。ネジ孔３６には取付ネジ３７が取り付けられ、第１導光材２２を第１導光材収納孔３２に固定する。また、基端部２６ｂの外周面で基端近くには、外周方向に等ピッチでネジ孔３８が形成されている。ネジ孔３８には取付ネジ３９が挿入され、基端部２６ｂに蓋部２６ｃが固定される。
【0022】
図４に示すように、取付枠４０の先端面４０ａの中央には、取付ネジ４２により光源２１が取り付けられる。光源２１は、基板４５に発光素子４６～４８を取り付けて構成されている。
【0023】
発光素子４６～４８は、Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤからなるウェハー素子から構成されている。各発光素子４６～４８は、基板４５の中心に形成される直径が２．５ｍｍの同心円４９上で周方向に１２０°間隔で、基板４５にワイヤーボンディングされている。発光素子４６～４８は例えば一辺が１ｍｍの正方形の発光面を持ち、消費電力が１Ｗである。各発光素子４６～４８は、シリコン、ポリカーボネイト等の光透過性樹脂５０により一体的に覆われて、図２に示すように、表面は外側に突出した湾曲突出面５０ａとなっている。この湾曲突出面５０ａを有する光透過性樹脂５０がレンズ５１となって、第１導光材２２の入射面２２ａにむけて各発光素子４６～４８からの照射光が集光される。
【0024】
本実施形態では、発光素子４６～４８をワイヤーボンディングしてＲ，Ｇ，Ｂの発光部面積が極力小さくなるようにコンパクト化を図り、且つ発光素子４６～４８を覆う光透過性樹脂５０によるレンズ５１によって集光している。このため、高輝度であり照射出力が高い光源２１が得られる。なお、光透過性樹脂５０によりレンズ効果を出して集光性を高めているが、光透過性樹脂５０に代えて又は加えて個別のレンズを用いてもよい。
【0025】
図３に示すように、第１導光材２２は、透明なアクリル製の円柱体であり、例えば外径が６ｍｍで長さが２１ｍｍである。
【0026】
第１拡散材２３及び第２拡散材２５は、外径６ｍｍで厚みが０．１０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下の円盤状のポリカーボネイトやアクリル製の光拡散フィルムであり、例えば株式会社オプティカルソリューションズ製やクラレ製のものが用いられる。
【0027】
第１拡散材２３の入射面２３ａには、ミクロンサイズのマイクロレンズが例えばランダムな状態で多数配置されている。これにより、光源２１の輝度むらを無くして、任意の角度に拡散する均質度の高い光を得ることができる。しかも、光透過率が約９０％と高いため、光源２１の光を無駄にすることなく利用することができる。第１拡散材２３は本実施形態では拡散指向角が１５°以上３０°以下で厚みが０．１２ｍｍのクラレ製のマイクロレンズを用いている。
【0028】
ケース２６の先端部２６ａは、基端側で基端部２６ｂに嵌合する接続筒５３と、中間位置で中間筒５４と、先端側で撮影レンズ１３の取付フランジ１４に嵌合する嵌合筒５５とを有する。先端部２６ａには、筒心に沿って第２導光材２４及び第２拡散材２５を収納する収納孔６１が形成されている。中間筒５４の外周面にはネジ孔５８が形成されている。ネジ孔５８には取付ネジ５９が取り付けられ、第２導光材２４を収納孔６１に固定する。接続筒５３には、基端部嵌合穴５３ａが形成されている。第２導光材２４は、第１導光材２２と同様に、透明なアクリル製の円柱体であり、サイズは例えば外径が６ｍｍで長さが２３ｍｍである。
【0029】
第２拡散材２５も、第１拡散材２３と同様に、その入射面２５ａには微細なマイクロレンズが多数配されている。第２拡散材２５は、例えば拡散指向角が６０°で厚みが０．３５ｍｍのオプティカルソリューションズ製のマイクロレンズを用いている。
【0030】
図２に示すように、ケース２６の先端部２６ａの照射孔６０の内径は、第２導光材２４の収納孔６１の内径及び第２拡散材２５の外径よりも小さくなっている。これにより、第２拡散材２５が照射孔６０から脱落することがない。
【0031】
照明装置１０の組み立てに際しては、先端部２６ａの収納孔６１に先端から順に第２拡散材２５、第２導光材２４を収納し、これら２４，２５を取付ネジ５９で先端部２６ａに固定する。また、基端部２６ｂの第１拡散材収納穴３１に第１拡散材２３を配し、この状態で、先端部２６ａの基端側を基端部２６ｂに嵌合し、両部２６ａ，２６ｂを取付ネジ３９により固定する。
【0032】
次に、基端部２６ｂの第１導光材収納孔３２に第１導光材２２を収納する。第１導光材２２の収納後に、取付ネジ３７を締めつけて第１導光材２２を第１導光材収納孔３２に固定する。次に、光源２１が取り付けられた蓋部２６ｃを基端部２６ｂの光源収納穴３３に嵌合し、両部２６ｂ，２６ｃを取付ネジ３９により固定する。このようにして、３分割されたケース２６の先端部２６ａ、基端部２６ｂ、蓋部２６ｃを用いて、照明装置１０を構成するため、第１拡散材２３及び第２拡散材２５、第１導光材２２及び第２導光材２４をケース２６内に簡単に組み込むことができる。
【0033】
図１に示すように、照明装置１０の蓋部２６ｃからは電源線７０が出ている。電源線７０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各発光素子４６～４８（図２参照）を駆動するためのものであり、各発光素子４６～４８と光源コントローラ７１とを接続している。光源コントローラ７１は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各発光素子４６～４８を個別に駆動するものであり、周知のＬＥＤ駆動回路が用いられる。光源コントローラ７１の各つまみ７２～７４を調節することにより、各発光素子４６～４８への供給電力が制御され、Ｒ，Ｇ，Ｂの各発光素子４６～４８を個別の光量で駆動させることができる。従って、カメラ１２の感度特性にあった波長の光が供給可能になる。また、様々な撮影条件下で分光反射率の異なる材質が混在している被検査物１５であっても良好なコントラストが得られる。
【0034】
図１０は本実施形態の照明装置１０の効果を確認するための比較例の構成を示している。比較例は、本発明の第２拡散材２５と第２導光材２４と同じ材質のものを用いた１段構成であり、第２導光材２４の長さが１６ｍｍとなっている。また、光源２１は本実施形態と同じものを用いている。
【0035】
本実施形態では、導光材と拡散材とを連結したものを２段構成で用いており、全体としてコンパクト化を図りつつ照射むらのない均質な照明光を照射することができる。また、光源２１としてＲ，Ｇ，Ｂの三色光のＬＥＤを用いる光源の場合には、光の色むらを無くして、被検査物１５を均一に照明することができる。
【0036】
図５～図９は、各発光素子４６～４８の配置を変更した光源８１～８５の変形例１～５を示している。図５に示す変形例１の光源８１では、各発光素子４６～４８を可能な限り接近させたものであり、各発光素子４６～４８間の最小隙間は０．１ｍｍであり、同心円９１の直径は１．３８ｍｍである。各発光素子４６～４８は光透過性樹脂５０により覆われて第１実施形態とおなじように、レンズ効果を持たせている。なお、他の変形例２～５においても、同様に光透過性樹脂５０により各発光素子４６～４８が覆われている。
【0037】
図６に示す変形例２の光源８２では、照明光軸ＣＬ２を中心にした放射線方向で且つ同心円９２上に３個の発光素子４６～４８を配列したものであり、各発光素子４６～４８間の最小隙間は０．１ｍｍであり、同心円９２の直径は１．６９ｍｍである。
【0038】
図７に示す変形例３の光源８３では、照明光軸ＣＬ２を中心にした放射線方向で且つ同心円９３上に３個の発光素子４６～４８を配列したものであり、各発光素子４６～４８の各角部を近接させている。各発光素子４６～４８間の最小隙間は０．１ｍｍであり、同心円９３の直径は１．５２ｍｍである。
【0039】
図８に示す変形例４の光源８４では９個の発光素子４６～４８をマトリックス状に配列したものであり、各発光素子４６～４８の各辺を近接させている。各発光素子４６～４８間の各辺間の隙間は０．３ｍｍである。なお、各発光素子４６～４８の各辺を接近させる代わりに、各発光素子４６～４８を変形例４のものよりも４５度回転させて、各角を接近させるように、各発光素子４６～４８をマトリックスに配置してもよい。また、図９に示す変形例５の光源８５のように、変形例４の光源８４に対して、赤外線発光素子８７を加えてもよい。また、赤外線発光素子８７に代えて又は加えて紫外線発光素子を追加してもよい。
【0040】
実施形態及び変形例１～５での光源２１，８１～８５を用いることにより、コンパクトでありながら照射効率が高い光源が得られ、カメラ１２の感度特性に合わせた波長の光を被検査物１５に照射することができる。
【符号の説明】
【0041】
１０ 同軸落射照明装置
１１ 検査装置
１２ カメラ
１２ａ イメージエリアセンサ
１３ 撮影レンズ
１４ 取付フランジ
１５ 被検査物
１７ ビームスプリッタ
２１，８１～８５ 光源
２２ 第１導光材
２２ａ 入射面
２３ 第１拡散材
２４ 第２導光材
２５ 第２拡散材
２６ ケース
２６ａ 先端部
２６ｂ 基端部
２６ｃ 蓋部
３１ 第１拡散材収納穴
３２ 第１導光材収納孔
３３ 光源収納穴
３３ａ 段部
３４ 周溝
３５ 冷却フィン
３６，３８ ネジ孔
３７，３９，４２ 取付ネジ
４０ 取付枠
４０ａ 先端面
４１ フランジ
４５ 基板
４６～４８ 発光素子
４９，９１～９３ 同心円
５０ 光透過性樹脂
５０ａ 湾曲突出面
５１ レンズ
５３ 接続筒
５４ 中間筒
５５ 嵌合筒
６０ 照射孔
６１ 収納孔
７０ 電源線
７１ 光源コントローラ
７２～７４ つまみ
ＣＬ１ 撮影光軸
ＣＬ２ 照明光軸
１１ 検査装置
１２ カメラ
１２ａ イメージエリアセンサ
１３ 撮影レンズ
１４ 取付フランジ
１５ 被検査物
１７ ビームスプリッタ
２１，８１～８５ 光源
２２ 第１導光材
２２ａ 入射面
２３ 第１拡散材
２４ 第２導光材
２５ 第２拡散材
２６ ケース
２６ａ 先端部
２６ｂ 基端部
２６ｃ 蓋部
３１ 第１拡散材収納穴
３２ 第１導光材収納孔
３３ 光源収納穴
３３ａ 段部
３４ 周溝
３５ 冷却フィン
３６，３８ ネジ孔
３７，３９，４２ 取付ネジ
４０ 取付枠
４０ａ 先端面
４１ フランジ
４５ 基板
４６～４８ 発光素子
４９，９１～９３ 同心円
５０ 光透過性樹脂
５０ａ 湾曲突出面
５１ レンズ
５３ 接続筒
５４ 中間筒
５５ 嵌合筒
６０ 照射孔
６１ 収納孔
７０ 電源線
７１ 光源コントローラ
７２～７４ つまみ
ＣＬ１ 撮影光軸
ＣＬ２ 照明光軸
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】