JP2009110828A - Ｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤの配列方向の輝度むらを軽減することのできるＬＥＤ光源装置を提供する。
【解決手段】複数のＬＥＤ６を列状に配列してなるＬＥＤ光源装置１において、回転方物面或いは回転楕円面の反射面５２が前記ＬＥＤ６ごとに形成された反射体５４を備え、前記反射体５４の反射面５２のそれぞれは、前記回転方物面或いは前記回転楕円面の連接する一部がオーバーラップするように形成されている構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を列状に配列してなるＬＥＤ光源装置に関する。

従来、例えば液晶パネルのガラス基板等の透明体に生じた傷等の欠陥の有無を検査する検査装置として、ラインセンサに対して線状光源装置を対向配置し、それらの間を、検査対象の透明体を搬送し、透明体を透過した線状の光をラインセンサで受光し、ラインセンサにおける受光量の分布に基づいて欠陥を検出する装置が知られている。
また、近年では、長尺状の基板に、列状に発光素子を搭載した線状光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１９４１６１号公報

しかしながら、発光素子を列状に配列して光源を構成した場合、発光素子の配列方向に沿った輝度分布に大きな輝度むらが生じるといった問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤの配列方向の輝度むらを軽減することのできるＬＥＤ光源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数のＬＥＤを列状に配列してなるＬＥＤ光源装置において、回転方物面或いは回転楕円面の反射面が前記ＬＥＤごとに形成された反射体を備え、前記反射体の反射面のそれぞれは、前記回転方物面或いは前記回転楕円面の連接する一部がオーバーラップするように形成されていることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記反射面から放射された光を拡散し所定の均斉度を得る拡散材を有する特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記反射面から放射された光を円方向に拡散する円拡散材と、前記円拡散材と離間により拡散された光が入射され、前記ＬＥＤの配列方向に長軸を有する楕円方向に拡散する楕円拡散材とを備えることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記円拡散材により拡散された光のうち前記楕円拡散材から逸れる成分の光を前記楕円拡散材に向けて反射するミラー設けたことを特徴とする。

本発明によれば、反射体の反射面のそれぞれは、回転方物面或いは回転楕円面の一部がオーバーラップするように形成されているため、反射面によってＬＥＤの放射光が平行光化されて各反射面において面光源が形成されると共に、上記オーバーラップによって各面光源が重なり合うことで、ＬＥＤの配列方向における輝度むらが軽減される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１の構成を示す図である。
ＬＥＤ光源装置１は、ＬＥＤ６を列状に配列してなるＬＥＤモジュール８を有し、各ＬＥＤ６を点灯することで線状のライン光を照射する線状光源装置として構成されている。
より具体的には、ＬＥＤ光源装置１は、長尺状の取付フレーム４に、ＬＥＤモジュール８と、電装ボックス（図示せず）とを取り付けて構成され、さらにＬＥＤモジュール８には、放熱フィン３２Ａが形成された放熱板３２が取り付けられている。

図２はＬＥＤモジュール８の構成を示す図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
ＬＥＤモジュール８は、複数の発光素子たるＬＥＤ６を列状に一定の間隔で配列したものであり、複数のＬＥＤ６と、各ＬＥＤ６を一定の間隔で実装してなるＬＥＤ実装基板５０と、ＬＥＤ６ごとに反射面５２が形成された反射体５４とを備えている。
反射体５４は、直方体形状の例えばアルミニウム材に、長手方向に沿ってＬＥＤ６の配置間隔で回転楕円面或いは回転方物面の凹部を形成し、各凹部によって各ＬＥＤ６の上記反射面５２を構成したものである。反射面５２を構成する凹部のそれぞれは、反射体５４の底面によって切頭されて反射面５２ごとに略円形の開口部５６が形成される。このような反射体５４をＬＥＤ実装基板５０に重ねて配置することで、反射体５４の開口部５６からＬＥＤ６が反射面５２内に挿入され、反射面５２を構成する回転楕円面或いは回転方物面の回転中心軸上にＬＥＤ６が配置され、各ＬＥＤ６から放射された光が反射面５２によって略平行光化されて放射されることになる。

さらに詳述すると、ＬＥＤ６は、基本的に点光源の性質を有するため、光軸に対してｃｏｓθの配光特性で光を放出しており、このようなＬＥＤ６を列状に離間して配置すると、ＬＥＤ６の間が暗く、配列に沿った方向においては大きな輝度むらが生じ、線状光源としては不適切である。
これに対して、本実施形態では、上述したように、回転楕円面或いは回転方物面の反射面５２の回転中心軸上にＬＥＤ６を配置し、図３（Ａ）に示すように、ＬＥＤ６からの直接光ｋ２と反射面５２にて反射した反射光ｋ１とを同一方向にしているため、図３（Ｂ）に示すように、反射面５２内全体から平行光が取り出される。
これにより、反射面５２ごとに面光源が形成されるため、ＬＥＤ６を単純に配列した場合に比べて、ＬＥＤ６の配列に沿った方向における輝度むらが軽減されることとなる。

さらに、本実施形態では、反射面５２の各々を分離して離間配置するのではなく、例えば図２（Ａ）に示すように、隣接する反射面５２の間で、回転楕円面或いは回転方物面の一部が重複（オーバーラップ）するように各反射面５２を形成することとし、これにより、反射面５２のそれぞれの間には、図２（Ｂ）に示すように、オーバーラップによって切り落とされた切欠部５８が形成される。
そして、図２（Ｃ）に示すように、ＬＥＤ６から放射された光の一部ｋ３が反射面５２の切欠部５８を通じてＬＥＤ６の配列方向に進むため、ＬＥＤ６の間の輝度むらがより軽減されることとなる。
このとき、回転楕円面或いは回転方物面をオーバーラップさせながら各反射面５２を形成しているため、図４に示すように、ＬＥＤ６の配列方向における最小幅の箇所５２Ａに、オーバーラップに応じた長さの幅Ｘが生じ、ある程度の幅Ｘを有するライン状の光が形成されることとなる。

ここで、反射面５２同士をオーバーラップさせながら配列することでＬＥＤ６間の輝度むらが軽減されることは上述の通りであるが、本実施形態のように、反射面５２の底部に開口部５６を形成してＬＥＤ６を挿入配置した場合には、例えば図４に示すように、ＬＥＤ６と反射面５２との間に隙間が生じて輝度むらが発生する。また、ＬＥＤ６が有する電極等の未発光部分によっても輝度むらが生じる。
そこで、本実施形態では、ＬＥＤ６の配列方向に沿った輝度むらを更に低減するために、レンズ機能を有する拡散板（以下、「拡散レンズ」と言う）を設けることとしている。

図５は、ＬＥＤ光源装置１の断面をみた図である。
ＬＥＤ光源装置１は、上記放熱板３２が取り付けられるベースフレーム３０と、上記取付フレーム４との間に、略Ｌ字状のＬＥＤ支持フレーム３６によって上記ＬＥＤモジュール８を配置し、また、ＬＥＤモジュール８の下方にＬＥＤを駆動するドライバ回路８６（図８参照）を実装した回路基板３４を配置して構成されている。
そして、同図に示すように、ＬＥＤ光源装置１は、ＬＥＤモジュール８の光の放射方向に沿って互いに離間配置された円拡散レンズ６０及び楕円拡散レンズ６２を有している。
詳述すると、円拡散レンズ６０は、ＬＥＤモジュール８の上面に載置され、当該ＬＥＤモジュール８が放射する光を円に拡散する拡散板である。これにより、ＬＥＤモジュール８の各ＬＥＤ６から放射される光が反射面５２によって平行光化され、さらに、円拡散レンズ６０によって円方向に広げられながら拡散された後、楕円拡散レンズ６２に入射する。
楕円拡散レンズ６２は、取付フレーム４の一端から他端にかけて設けられ、円拡散レンズ６０によって拡散された拡散光を楕円に拡散する拡散板であり、楕円拡散の長軸方向がＬＥＤモジュール８の長手方向と同一になされている。これにより、ＬＥＤモジュール８の各ＬＥＤ６から放射された光がＬＥＤモジュール８の長手方向に広げられながら拡散され、ＬＥＤ６間の輝度むらが抑制される。

図６は、５個のＬＥＤ６を２０ｍｍピッチで列状に配列した場合のＬＥＤ配列方向における相対輝度の測定値を示すものであり、図６（Ａ）は単にＬＥＤ６を配列した場合、図６（Ｂ）はＬＥＤ６に上記反射体５４を設けた場合、図６（Ｃ）はＬＥＤ６に上記反射体５４及び円拡散レンズ６０を設けた場合、図６（Ｄ）はＬＥＤ６に上記反射体５４、円拡散レンズ６０及び楕円拡散レンズ６２を設けた場合をそれぞれ示す。
これらの図に示すように、ＬＥＤ６に上記反射体５４を設けることで、ＬＥＤ６同士の間にも輝度が確保されていることが示され、さらに、互いに離間配置された円拡散レンズ６０及び楕円拡散レンズ６２を併用することで、図８（Ｄ）に示すように、ＬＥＤ６の配列方向において略均一な輝度分布が得られる。
なお、上記拡散レンズの枚数は、ＬＥＤ光源装置１として要求されている輝度又は照度の均斉度[＝（最大値−最小値）／最大値]が実現される枚数（１〜複数枚）とすれば良い。

ここで、前掲図５に示すように、円拡散レンズ６０及び楕円拡散レンズ６２の間を離間させているため、円拡散レンズ６０による拡散光に、楕円拡散レンズ６２から逸れてベースフレーム３０及びＬＥＤ支持フレーム３６のそれぞれの面に入射して損失となる成分が生じる。そこで、円拡散レンズ６０及び楕円拡散レンズ６２の間であって、ベースフレーム３０及びＬＥＤ支持フレーム３６のそれぞれの対向面内にミラー６４を貼り付け、これら対向面に入射してきた光をミラー６４にて反射して楕円拡散レンズ６２に入射させることで、光量の損失を抑制することとしている。

次いでＬＥＤ光源装置１の光量制御について説明する。
一般に、ＬＥＤ６を点灯駆動する際には、定電圧Ｅに対して、電流制限抵抗ＲとＬＥＤ６を直列に接続し、Ｖｆを順電圧としたときの順電流Ｉｆ（＝（Ｅ−Ｖｆ）／Ｒ）を制御するか、或いは、常に一定の定電流でＬＥＤ６を点灯駆動しており、いずれにおいても、光束に比例する順電流を制御することで、点灯駆動を行っている。

しかしながら、光束と順電流との比例関係は温度が略一定の場合に成立し、ＬＥＤ６の発熱、或いは、周囲の温度により、光束と順電流との比例関係は崩れ、順電流が一定である場合には温度が高くなるほど光束が低下する。
例えば、ＬＥＤ６とＬＥＤ実装基板５０との結合点（以下、「ジャンクション」と称する）の温度が２５℃のときに、ＬＥＤ６を３Ｗ（ワット）で駆動したときの光束を１００％とし、そして、この状態でＬＥＤ６を駆動し続けると、空気中からジャンクションまでの熱抵抗が１５℃／Ｗ、周囲温度が２５℃である場合には、上記ジャンクションの温度は約７５℃に達し光束が約１５％低下する。
すなわち、従来の点灯駆動制御においては、ＬＥＤ６を点灯及び消灯を繰り返して使用する場合、安定した光束を得ることができない、という問題がある。
そこで、本実施形態では、各ＬＥＤ６の光量を監視し、この光量の変動を打ち消すように駆動電流（上記順電流）を増減するフィードバック制御を行うことで、光束の安定化を図る構成としている。

詳述すると、ＬＥＤモジュール８には、図７示すように、所定個数のＬＥＤ６の光量を検出する光受光素子７０が設けられている。この光受光素子７０は、上記ベースフレーム３０に取り付けられている。
具体的には、光受光素子７０は、図７（Ａ）に示すように、ＬＥＤモジュール８の長手方向に沿って、所定数（図示例では５個）のＬＥＤ６ごとに、ＬＥＤ６の配列方向の略中央であって、ＬＥＤ６（円拡散レンズ６０）から所定の高さＨの位置に配置されており、また図７（Ｂ）に示すように、断面方向においては、ＬＥＤ６の放射光を遮蔽することがないようにＬＥＤ６の光軸ｆから外れた位置であってＬＥＤ６の漏れ光ｋ４が入射する位置に配置されている。
上記高さＨは、所定数のＬＥＤ６の両端のＬＥＤ６から放射され、円拡散レンズ６０によって拡散された拡散光が到達し得る高さであり、このような高さＨに光受光素子７０を配設することで、所定数の各ＬＥＤ６の光量の変化を１つの光受光素子７０の受光量に影響させることができる。

図８は、フィードバック制御のためにＬＥＤユニット２が備える機能的構成を示すブロック図である。
ＬＥＤ光源装置１は、ＬＥＤ６、反射面５２を有する反射体５４、円拡散レンズ６０及び光受光素子７０の他に、この光受光素子７０の検出光量に応じた電圧信号を出力する増幅器８０と、ＬＥＤ６の発光により所望の光束が得られるときの電圧信号を基準電圧として出力する基準電圧回路８２と、増幅器８０からの電圧信号及び基準電圧の差分に応じた差分信号を出力する比較器８４と、上記差分信号に基づいて、所望の光束が得られるように駆動電流を補正してＬＥＤ６に出力するドライバ回路８６とを備え、これらの構成により、ＬＥＤ６の駆動電流がフィードバック制御される。

すなわち、発熱や周囲温度の上昇によりＬＥＤ６の光量が減少した場合には、電圧信号が基準電圧を下回るため、ドライバ回路８６により、電流値を増加させる補正が駆動電流に加えられ、ＬＥＤ６の発光が強められることになる。
したがって、ＬＥＤ６の発熱、或いは、周囲の温度により、光束と駆動電流との比例関係が崩れ、所望の光束が得られなくなり得る場合でも、所望の光束が得られるように駆動電流がフィードバック制御されるため、安定した光束を得ることができる。

このとき、光束の低下に応じて駆動電力を無制限に増大させると、ＬＥＤ６が破壊される危険性がある。そこで、ＬＥＤ光源装置１には、過電流保護回路８８が設けられており、この過電流保護回路８８によって駆動電流が所定のしきい値以下に抑えられ、これにより、過電流がＬＥＤ６に加えられて破壊される事が防止されている。なお、上記所定のしきい値は、ＬＥＤ６の破壊を引き起こす過電流値に対して所定のマージンを考慮して決定された値である。

図９は上記のフィードバック制御によって得られる特性を示す図であり、図９（Ａ）は立ち上がり特性を示し、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は温度特性を示す図である。これらの図においては、周囲温度が２５℃のときの測定値を１００％とした相対値により測定値を表記している。
図９（Ａ）に示すように、上記のフィードバック制御により、各ＬＥＤ６が点灯を開始してから光束（光量）が安定するまでの時間が約１ｍｓｅｃ以内に抑えられるようになり、立ち上がりが非常に速くなっていることが示されている。
また、ＬＥＤ６は温度が上昇すると光束が低下する特性を有することから、図９（Ｂ）に示すように、周囲温度が０℃〜４０℃の間で変化した場合、高温時には周囲温度の上昇に合わせて順電流が増加することが示される。これにより、図９（Ｃ）に示すように、周囲温度が０℃〜４０℃の間で変化した場合でも、相対輝度の変動が約５％程度の範囲内に抑えられ、約０．１２５％／℃の安定度が得られることとなる。

このように、本実施形態によれば、反射体５４の反射面５２のそれぞれが、回転方物面或いは回転楕円面の連接する一部をオーバーラップさせて形成されているため、反射面５２によってＬＥＤ６の放射光が平行光化されて各反射面において面光源が形成されると共に、さらに、上記オーバーラップによって各面光源が重なり合うことで、ＬＥＤ６の配列方向における輝度むらが軽減される。

また本実施形態によれば、反射面５２から放射された光を拡散し所定の均斉度を得る拡散としての円拡散レンズ６０及び楕円拡散レンズ６２を備える構成としたため、ＬＥＤ６の配列方向の輝度むらを抑え、所定の均斉度を得ることができる。

また本実施形態によれば、円拡散レンズ６０により拡散された拡散光のうち楕円拡散レンズ６２から逸れる成分の光を楕円拡散レンズ６２に入射するように反射するミラー６４設けたため、光量の損失を抑えることができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、直線状にＬＥＤ６を配列してＬＥＤモジュール８を構成したが、これに限らず、線状にＬＥＤ６が配列された構成であれば、曲線に沿ってＬＥＤ６を配列しても良い。

ＬＥＤ光源装置の構成を示す図。 ＬＥＤモジュールの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。 ＬＥＤモジュールの平行光について説明するための図。 ＬＥＤモジュールの反射面のオーバーラップを示す図。 ＬＥＤ光源装置の断面をみた図である。 ５個のＬＥＤを２０ｍｍピッチで列状に配列した場合のＬＥＤ配列方向における相対輝度の測定値を示す図。 光受光素子の配設箇所を説明するための図。 ＬＥＤ光源装置の機能的構成を示すブロック図。 フィードバック制御によって得られるＬＥＤ光源装置の特性を示す図であり、（Ａ）は立ち上がり特性、（Ｂ）及び（Ｃ）は温度特性を示す。

符号の説明

１ ＬＥＤ光源装置
４ 取付フレーム
６ ＬＥＤ
８ ＬＥＤモジュール
３６ ＬＥＤ支持フレーム
５２ 反射面
５４ 反射体
５８ 切欠部
６０ 円拡散レンズ
６２ 楕円拡散レンズ
６４ ミラー
７０ 光受光素子
８０ 増幅器
８２ 基準電圧回路
８４ 比較器
８６ ドライバ回路
８８ 過電流保護回路

Claims (4)

1. 複数のＬＥＤを列状に配列してなるＬＥＤ光源装置において、
   回転方物面或いは回転楕円面の反射面が前記ＬＥＤごとに形成された反射体を備え、
   前記反射体の反射面のそれぞれは、前記回転方物面或いは前記回転楕円面の連接する一部がオーバーラップするように形成されていることを特徴とするＬＥＤ光源装置。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ光源装置において、
   前記反射面から放射された光を拡散し所定の均斉度を得る拡散材を有する特徴とするＬＥＤ光源装置。
3. 請求項２に記載のＬＥＤ光源装置において、
   前記反射面から放射された光を円方向に拡散する円拡散材と、
   前記円拡散材と離間により拡散された光が入射され、前記ＬＥＤの配列方向に長軸を有する楕円方向に拡散する楕円拡散材と
   を備えることを特徴とするＬＥＤ光源装置。
4. 請求項３に記載のＬＥＤ光源装置において、
   前記円拡散材により拡散された光のうち前記楕円拡散材から逸れる成分の光を前記楕円拡散材に向けて反射するミラー設けた
   ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。

Images