JP2011165765A

JP2011165765A - 照明装置

Info

Publication number: JP2011165765A
Application number: JP2010024525A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Morino; 剛志森野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】高い照度均一性を得ることができる。
【解決手段】複数の発光素子が基板に同一直線上に配列された１以上の発光素子アレイと、前記発光素子アレイの両端部の外側の前記基板の少なくともいずれか一方に、前記複数の発光素子の配列方向に垂直に接続される平面鏡と、前記発光素子アレイの最大照度と該発光素子アレイの最小照度との差が閾値以内となるように、前記複数の発光素子間の１以上に、前記複数の発光素子の配列方向に垂直に前記基板に接続される両面鏡であって、前記発光素子アレイの照射方向での前記平面鏡の長さよりも短い該照射方向での長さを有する両面鏡と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関し、より詳細には直線光源を用いた照明装置に関する。

印刷物やカード類といった被検物の表面の自動読み取りまたは印刷品質検査の方法としては、搬送装置で被検物を一方向に動かし、結像レンズとラインセンサからなる撮像手段を用いて被検物表面をスキャンする方法が多い。また装置よっては、撮像手段を搬送装置で一方向に動かし被検物の表面をスキャンする方法もある。

どちらの方法においても被検物の表面に光を照射する照明装置が必要であり、さらにこの照明装置には、ラインセンサの光源の配列方向に均一になるような照度分布が求められる。特に、高速かつ高精度な読み取りまたは検査を行う場合には、画像処理や信号処理の負担を軽減するために高い照度均一性が求められる。

このような照明装置としては、従来からハロゲン光源と光ファイバーとを用いたライトガイドを組み合わせた照明装置や蛍光灯を用いた光源装置が用いられている。また近年では、ＬＥＤ（Light-Emitting Diode）の光量および発光効率が飛躍的に向上したこともあり、ＬＥＤを直線状にあるいはマトリックス状に配列した光源装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特にＬＥＤを用いた光源装置に対しては、発光効率の向上に伴う光源装置の省エネルギー化や、水銀やハロゲン類を使用しないことによる環境負荷軽減、長寿命という特性を生かしたメンテナンスフリー化が期待されている。

特開２００７−７１７６３号公報

しかしながら、ＬＥＤ等に代表される発光素子を配列した光源装置では、被検物上の照度分布は１つ１つの発光素子による照度分布を空間的に重ね合わせた分布となる。それゆえ、ＬＥＤとレンズとを一体に成型した指向性の高い配光分布を持つ発光素子を用いる場合は、それぞれの発光素子の照度分布が狭い範囲でベル型の照度分布を形成するため、重ね合わせた照度分布は波状となり照度不均一性を生じてしまう問題がある。さらに、発光素子の指向性が高いために、個々の発光素子の位置ずれや角度ずれによって全体的な照度分布にムラが発生しやすい。

一方、ＬＥＤとレンズとが一体に成型されていない指向性の低い発光素子を用いた場合は、１つの発光素子が光を照射する領域が広くなる。よって、被検物の中心付近ではその中心から見て両方向から来る光が照射されるが、被検物の端部付近はその端から見てＬＥＤが存在する片方向から来る光しか照射されない。このため中心付近は照度分布が高く、端部に向かうにしたがって照度が落ちていくという照度不均一性が生じてしまう問題がある。

この照度不均一性を防ぐ方法としては、中心付近の発光素子は少量の電流を流すことで発光量を下げ、端付近の発光素子には多くの電流を流すことで発光量を上げて照度のバランスを取るという手段がある。しかしこの方法では、発光素子の明るさ性能を十分発揮させることができない。
また周辺の発光素子を稠密にして、端付近の発光量を増加し照度の低下を防ぐという方法もあるが、物理的に発光素子単体の大きさ以上に稠密にはできないため、光量の上昇に限度がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、高い照度均一性を得ることができる照明装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、複数の発光素子が基板に同一直線上に配列された１以上の発光素子アレイと、前記発光素子アレイの両端部の外側の前記基板の少なくともいずれか一方に、前記複数の発光素子の配列方向に垂直に接続される平面鏡と、前記発光素子アレイの最大照度と該発光素子アレイの最小照度との差が閾値以内となるように、前記複数の発光素子間の１以上に、前記複数の発光素子の配列方向に垂直に前記基板に接続される両面鏡であって、前記発光素子アレイの照射方向での前記平面鏡の長さよりも短い該照射方向での長さを有する両面鏡と、を具備することを特徴とする。

本発明の照明装置によれば、高い照度均一性を得ることができる。

第１の実施形態に係る照明装置を示す図。平面鏡および両面鏡を用いない場合の照明装置の照度分布のシミュレーション結果を示す図。第１の実施形態に係る照明装置の照度分布のシミュレーション結果を示す図。第２の実施形態に係る照明装置を示す図。第２の実施形態に係る照明装置の照度分布のシミュレーション結果を示す図。第３の実施形態に係る照明装置を示す図。平面鏡および両面鏡を用いない場合の照明装置の照度分布のシミュレーション結果を示す図。第１の実施形態の配置方法を用いた第３の実施形態に係る照明装置の照度分布のシミュレーション結果を示す図。第２の実施形態の配置方法を用いた第３の実施形態に係る照明装置の照度分布のシミュレーション結果を示す図。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る照明装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
第１の実施形態に係る照明装置について図１を参照して詳細に説明する。
第１の実施形態に係る照明装置１００は、基板１０１、発光素子１０２、平面鏡１０３、および両面鏡１０４を含む。

基板１０１は、被検物１０６に対して光を照射できるように発光素子１０２を固定し、さらに電源を供給できるものであればよい。

発光素子１０２は、例えばＬＥＤであり、発光素子１０２を等間隔に配列して複数の発光素子１０２を含む発光素子アレイ１０５として基板１０１に接続される。図１の例では、発光素子アレイ１０５として発光素子１０２−１、発光素子１０２−２などといった５個の発光素子１０２が配列されている。なお、これに限らず、発光素子１０２をｎ個（ｎは２以上の自然数）用いて発光素子１０２−１から発光素子１０２−ｎまで配列させた発光素子アレイ１０５でもよい。また、発光素子アレイ１０５を複数並列させてもよい。

平面鏡１０３は、発光素子アレイ１０５の端部の外側の基板に、発光素子１０２の配列方向に垂直となるように基板１０１と接続される。また平面鏡１０３は、発光素子アレイ１０５が存在する側に面した平面が鏡面となる。

両面鏡１０４は、両面が鏡面となっている平面鏡であり、発光素子アレイ１０５の端部側の発光素子１０２間に、発光素子１０２の配列方向に垂直となるように基板１０１に接続される。図１の例では、両面鏡１０４は、発光素子アレイ１０５の発光素子１０２の中で最も外側にある発光素子１０２−１と外側から２番目の位置にある発光素子１０２−２との間に配置されている。また、発光素子アレイ１０５の照射方向の両面鏡１０４の長さは、平面鏡１０３よりも短くする。この理由としては、両面鏡１０４の発光素子１０２の照射方向の長さを平面鏡１０３よりも長くすると、発光素子アレイ１０５の中心付近の発光素子１０２から発光素子アレイ１０５の端部に向かう光を両面鏡１０４が過度に遮ることとになり、逆に端部の照度が低下してしまうからである。
両面鏡１０４を基板１０１に接続する位置としては、例えば発光素子１０２−１と発光素子１０２−２との中間点付近に配置すれば放熱の影響を均整化できるため好ましい。さらに、この中間点付近に配置するのは、鏡を保持する手段と発光素子１０２との構造的な干渉を防ぐためにも好ましい。実際には、発光素子１０２の大きさや配光の広さ、発光素子１０２を配列する間隔を考慮して、発光素子アレイ１０５の最大照度と発光素子アレイ１０５の最小照度との差が閾値以内となるように発光素子１０２の間の適切な位置に両面鏡１０４を接続すればよい。すなわち、図１の例では発光素子１０２−１と発光素子１０２−２との間に両面鏡１０４を配置しているが、最大照度と最小照度との差が閾値以内であれば、発光素子１０２ー２と外側から３番目の位置にある発光素子との間に両面鏡１０４を配置してもよい。
また、両面鏡１０４の大きさは、一般的に大きければ大きいほど効果が高い。しかし、実際には光が照射される被検物１０６と発光素子１０２との距離は有限であり、照明装置１００全体の大きさも有限であるため、両面鏡１０４の大きさはこれらの条件に当てはまるように、かつ発光素子アレイ１０５の照射方向の平面鏡１０３の長さより短くなるように適切な大きさを選択すればよい。

このように平面鏡１０３および両面鏡１０４を配置することにより、被検物１０６上に照射される光としていくつかのパターンが考えられる。例えば、発光素子１０２にから発光した光のうち直接被検物１０６上に照射される光、平面鏡１０３によって反射されて被検物１０６上に照射される光、両面鏡１０４によって反射され被検物１０６上に照射される光、および平面鏡１０３および両面鏡１０４によって複数回反射され被検物１０６上に照射される光が存在する。
これらの光は、平面鏡１０３および両面鏡１０４を設置していない場合には、被検物１０６に照射されないか、例えば発光素子アレイ１０５の端部の発光素子１０２がもう一方の端部の真下にある被検物１０６上面付近を照射してしまい、この端部の真下にある被検物１０６上面への十分な照度が得られない。しかし、本実施形態では平面鏡１０３および両面鏡１０４を配置することで、平面鏡１０３および両面鏡１０４による合わせ鏡の効果により、発光素子アレイ１０５の端部付近の発光素子１０２の直下にある被検物１０６上の面を照射することができる。これによって、端部付近の照度分布の低下を防ぐことができ全体的な照度均一性を向上することができる。
なお、平面鏡１０３および両面鏡１０４は、発光素子アレイ１０５のどちらか一方の端部に接続されていればよい。また、２以上の発光素子アレイ１０５を並列させる場合は、１つの発光素子アレイ１０５の場合と同様に、２以上の発光素子アレイ１０５に平面鏡を接続し、発光素子１０２の間に両面鏡１０４を接続すればよい。この際、１つの発光素子アレイ１０５に平面鏡１０３および両面鏡１０４を接続した照明装置１００を複数並列させた状態のように、平面鏡１０３および両面鏡１０４の数が複数でもよいし、１枚の平面鏡１０３および両面鏡１０４で２以上の発光素子アレイ１０５全体にわたって接続されてもよい。

以上に示した効果を、第１の実施形態に係る照明装置１００の照度分布のシミュレーション結果である図２および図３を参照して説明する。
図２は平面鏡１０３および両面鏡１０４を設置しなかった場合の照明装置１００の照度分布を示す。横軸は、発光素子１０２の配列方向の相対位置を示し、発光素子アレイ１０５の端部を示す「０．００」から発光素子アレイ１０５の中心「０．５０」までの相対位置で表される。具体的には、発光素子アレイ１０５の端部から発光素子アレイ１０５の中心に向かう距離をＸ、発光素子アレイ１０５全体の長さをＬとすると、Ｘ／Ｌを計算することにより相対位置を算出する。縦軸は、照明装置１００の相対照度を示し、最大値が１である。図２に示すように、発光素子アレイ１０５の中心から発光素子アレイ１０５の端部に進むに従って徐々に相対照度が低下し、発光素子アレイ１０５の相対照度が約０．７２まで低下している。
一方、図３は平面鏡１０３および両面鏡１０４を設置した場合の照明装置１００の照度分布を示す。図３に示すように、平面鏡１０３および両面鏡１０４を設置することで、発光素子アレイ１０５の端部付近の相対照度が低下する特性が改善し、端部付近で約０．８４の相対照度を確保することができる。

以上に示した第１の実施形態によれば、発光素子アレイの端部に平面鏡を、発光素子アレイの端部付近の発光素子の間に、発光素子アレイの最大照度と最小照度との差が閾値以内となるように両面鏡をそれぞれ設置することで、発光素子アレイの端部における相対照度の低下を防ぐことができ、高い照度均一性を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る照明装置は、第１の実施形態に係る照明装置１００とほぼ同様であるが、両面鏡１０４の配置が異なる。
第２の実施形態に係る照明装置４００について図２を参照して説明する。
第１の実施形態に係る両面鏡１０４の場合は、発光素子１０２間のちょうど中間となるように配置され、図１を例とすると、発光素子１０２−１と発光素子１０２−２との中間点を通る直線ＡＡ’上に配置される。一方、第２の実施形態に係る両面鏡１０４は、図２に示すように直線ＡＡ’よりも発光素子１０２−１側に配置される。

このようにすることで、発光素子アレイ１０５の端部付近にある発光素子１０２から被検物１０６の中心へ向かう光を、両面鏡１０４を直線ＡＡ’上に配置する場合より被検物１０６の端部付近の面上に集めることができ、全体として照度均一性を高めることができる。また、照明装置４００と発光素子アレイ１０５に沿った筒状のシリンドリカルレンズや反射鏡などの集光手段とを組み合わせ、照射されるビームを絞って用いるような場合でも、さらに照度均一性を高めることができる。

以上に示した効果を、第２の実施形態に係る照明装置４００の照度分布のシミュレーション結果である図５を参照して説明する。
図５に示すように、発光素子アレイ１０５の端部付近の相対照度は約０．９０であり、図３に示した端部付近の相対照度よりもさらに高くなっている。さらに、発光素子アレイ１０５全体でも相対照度が０．９０以上であるため高い照度均一性が確保できる。

以上に示した第２の実施形態によれば、両面鏡を発光素子間の中間点よりも、発光素子アレイの端部にある発光素子側に配置することで、さらに照度均一性を改善することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、平面鏡１０３および両面鏡１０４をそれぞれ照明装置の両端部に用いる点が、第１の実施形態および第２の実施形態と異なる。

ここで一例として、第１の実施形態に係る平面鏡１０３および両面鏡１０４の配置方法を用いて、平面鏡１０３および両面鏡１０４を両端に配置した場合の照明装置６００を図６に示す。なお、第２の実施形態に係る平面鏡１０３および両面鏡１０４の配置方法でも同様に配置することができる。なお、照明装置の一方の端部には第１の実施形態に係る平面鏡１０３および両面鏡１０４の配置方法を用い、もう一方の端部には第２の実施形態に係る平面鏡１０３および両面鏡１０４の配置方法を用いてもよい。

第３の実施形態に係る照明装置６００の照度分布のシミュレーション結果を図７、図８および図９を参照して説明する。なお、図７から図９までの横軸は、発光素子アレイ１０５の一方の端部から、反対側の端部までの相対位置であるため「０．００」から「１．００」までとなっている。

図７は、平面鏡１０３および両面鏡１０４を照明装置の両端部に設置しない場合を示す。図７に示されるように、発光素子アレイの中心付近と比較して、照明装置の両端部の相対照度がかなり低下している。

図８は、第１の実施形態に係る平面鏡１０３および両面鏡１０４の設置方法を照明装置の両端部に用いた場合（照明装置６００）を示す。図８に示されるように、発光素子アレイ１０５の両端部の相対照度の低下が改善されており、端部付近で約０．８４の相対照度を確保できる。

さらに、図９は第２の実施形態に係る平面鏡１０３および両面鏡１０４の設置方法を照明装置の両端部に用いた場合であり、端部付近で約０．９０の相対照度を確保できる。

以上に示した第３の実施形態によれば、第１の実施形態および第２の実施形態に係る平面鏡および両面鏡を照明装置の両端に配置することで、照明装置全体として照度均一性を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００，４００，６００・・・照明装置、１０１・・・基板、１０２，１０２−１，１０２−２・・・発光素子、１０３・・・平面鏡、１０４・・・両面鏡、１０５・・・発光素子アレイ、１０６・・・被検物。

Claims

複数の発光素子が基板に同一直線上に配列された１以上の発光素子アレイと、
前記発光素子アレイの両端部の外側の前記基板の少なくともいずれか一方に、前記複数の発光素子の配列方向に垂直に接続される平面鏡と、
前記発光素子アレイの最大照度と該発光素子アレイの最小照度との差が閾値以内となるように、前記複数の発光素子間の１以上に、前記複数の発光素子の配列方向に垂直に前記基板に接続される両面鏡であって、前記発光素子アレイの照射方向での前記平面鏡の長さよりも短い該照射方向での長さを有する両面鏡と、を具備することを特徴とする照明装置。
前記両面鏡は、前記発光素子間の中間点よりも前記端部側に接続されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記両面鏡は、前記配列方向にある複数の発光素子のうちの最も外側の第１発光素子と外側から２番目の位置にある第２発光素子との間に接続されるか、または該第２発光素子と外側から３番目の位置にある第３発光素子との間に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
前記平面鏡は前記発光素子アレイの両端部の外側の前記基板に接続され、前記両面鏡は前記発光素子アレイの両端部にある発光素子と該発光素子よりも１つ中心寄りに配置している発光素子との間の前記基板に接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
２以上の前記発光素子アレイが並列する場合、前記平面鏡および前記両面鏡は、２以上の前記発光素子アレイで張られる平面に垂直かつ前記発光素子による光が射出する面上に接続されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。