JP4652973B2 - ライン照明装置およびライン照明方法 - Google Patents

Description

この発明は、ライン照明装置およびライン照明方法に関する。

ライン状の照明光は、物体の寸法測定、物体表面の傷の検査、物体の色識別、物体の欠陥検査あるいはスキャナー用の走査光などに広く利用されている。
ライン状の照明光を実現するのに、従来、ＬＥＤ等の安価な微小光源を「線上に複数個配列」する方法が知られているが、配列される複数の微小光源の「発光強度のバラツキ」がライン状の照明光の強度分布（シェーディング）を劣化させるので、発光強度の揃った微小光源を選別する必要があり、微小光源の選別が面倒である。

また、単一の光源を用いてライン状の照明光を実現する方法として、光源からの光を光ファイバ束に通し、光ファイバ束の光射出端部側を密接してライン状に配列し、光ファイバ束から射出する光をシリンドリカルレンズや鋸歯状の集光レンズを用いてライン状に結像させる方法が特許文献１に開示されている。

特開平６−２３０２２７号公報

この発明は、従来に無い新規なライン照明装置およびライン照明方法の実現を課題とする。

この発明のライン照明装置は「ライン状の照明光を生成する装置」であって、単一の光源と、１以上の共軸レンズと、シリンドリカルレンズアレイとを有する（請求項１）。

「単一の光源」は、軸対称で発散性の光束を放射する。
「１以上の共軸レンズ」の個々は光軸対称なレンズである。共軸レンズが２以上ある場合、これらは同一光軸上に配置される。
「シリンドリカルレンズアレイ」は、複数のシリンドリカルレンズをアレイ配列してなる。

単一の光源から放射される光束は、１以上の共軸レンズとシリンドリカルレンズアレイとにより「１本のライン像に結像」される。
「ライン像」は「ライン状の照明光」となる像である。

請求項１記載のライン照明装置の「シリンドリカルレンズアレイの個々のシリンドリカルレンズ」は、パワー方向において非円弧形状（非球面形状の光軸を含む断面内のプロファイル形状）をなすことが好ましい（請求項２）。
「パワー方向」はシリンドリカルレンズ面のパワーの最大の方向、即ち、最大曲率を持つ方向であり、上記シリンドリカルレンズ面の母線と光軸とに直交する方向である。

請求項１または２記載のライン照明装置において、１以上の共軸レンズは、１以上の非球面を含むことが好ましい（請求項３）。

請求項１〜３に記載のライン照明装置は何れも、１以上の共軸レンズが光源側に、シリンドリカルレンズアレイが像側に配置される。
即ち、１以上の共軸レンズは、その光軸を、単一の光源からの発散性の光束の対称軸と合致させて、シリンドリカルレンズの配列方向（パワー方向）に直交する方向において上記発散光束を集光させるように、光源側に配される。
シリンドリカルレンズアレイは、シリンドリカルレンズの配列方向を上記光軸と直交させ、シリンドリカルレンズが「光軸の両側に対称的に配列」するようにして、像側に配置される。

このように配列される以上の共軸レンズと、シリンドリカルレンズアレイの個々のシリンドリカルレンズとの組み合わせにより、上記配列方向における「別個の結像光学系」がを構成される。
そして、１以上の共軸レンズと、個々のシリンドリカルレンズとの組み合わせによる個々の結像光学系が、シリンドリカルレンズの配列方向に長いライン像を、互いに重畳して結像させることにより、単一の光源からの発散性の光束を１本のライン像に結像させる。

なお、参考技術として、シリンドリカルレンズアレイが複数のアレイ領域を有し、アレイ領域ごとに、シリンドリカルレンズの配列方向が異なる構成とすることにより、光源からの光束を、アレイ領域ごとにライン像に結像させることができ「互いに方向の異なる複数のライン像」を得ることができる。

上記請求項１〜３の任意の１に記載のライン照明装置における「単一の光源」には特に制限が無いが、安価で取り扱いが容易であり、発光強度の変更も容易であり、実質的な点光源を実現できることからＬＤもしくはＬＥＤ、または単一光ファイバ（１本の光ファイバ）の出力端面（光ファイバを伝搬する光が射出する端面）が好適である（請求項４）。単一光ファイバの出力端面から射出する光は、ＬＤもしくはＬＥＤからの光を伝搬したものでもよく、この場合、２以上のＬＤや２以上のＬＥＤからの光を単一の光束として合成した光でもよい。

この発明のライン照明方法は、上記請求項１〜４の任意の１に記載のライン照明装置を用いる照明方法である（請求項５）。

若干説明を補足する。
上記の如く、シリンドリカルレンズアレイは「シリンドリカルレンズがパワー方向へ１列に配列した構成」である。シリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの数をｎ個とすると、これらｎ個のシリンドリカルレンズは、互いに母線方向を平行にして、母線と光軸とに直交するパワー方向へ密接して配列される。

上記１以上の共軸レンズとシリンドリカルレンズアレイとによる光学系は「１以上の共軸レンズと個々のシリンドリカルレンズの組み合わせごと」に別個の結像光学系を構成する。即ち、１以上の共軸レンズと個々のシリンドリカルレンズとの組み合わせにより、ｎ組の別個の結像光学系が構成される。

シリンドリカルレンズは母線方向にはパワーを持たないので、単一の光源から放射された光束は、シリンドリカルレンズアレイにおける「シリンドリカルレンズの母線方向」においては、１以上の共軸レンズのみによって集光される。

一方、シリンドリカルレンズの母線と光軸とに直交するパワー方向においては、１以上の共軸レンズと個々のシリンドリカルレンズの組み合わせによる個別の結像作用が作用するが、この「１以上の共軸レンズと個々のシリンドリカルレンズとの個別の結像作用」を、光源からの光束が「シリンドリカルレンズのパワー方向に長く伸びる」ように設定するのである。そうすると、１以上の共軸レンズと個々のシリンドリカルレンズとの個別の結像作用により、光源からの光束は個々のシリンドリカルレンズに応じて「シリンドリカルレンズのパワー方向に長いライン状の像」として結像することになる。

このように「ライン状の像」は個々のシリンドリカルレンズに応じて結像するので「ｎ個のライン状の像」が結像するが、これらｎ個の「ライン状の像」は長さ方向においては同一直線上にあるので、「ｎ個のライン状の像」が長さ方向において互いに重なりあうように上記結像作用を設定する。このようにして「ｎ個のライン状の像」が長さ方向に互いに重畳して「ライン像」を構成する。

単一の光源から放射される光束は発散性であり「光束光軸からの角度」により強度が異なる。個々のシリンドリカルレンズの結像に関与するのは、光束光軸からの角度が「ある範囲内にある光束部分」であり、この部分の光強度は光束部分ごとに異なるし、また、１つの光束部分の中でも異なる。

従って、１個のシリンドリカルレンズが結像に関与した「ライン状の像」は、個々にその強度が異なるのみならず、ライン長さ方向においても一般に光強度が変化する。しかしながら、これらｎ個の「ライン状の像」を互いに長手方向に重ね合わせて結像させると、「個々のライン状の像における光強度の不均一」が全体として均され、ライン状の像の重ね合わせにより得られる「ライン像」は長手方向に強度の一様な線状の像となる。この点に関しては、具体的な実施例に即して説明する。

この発明によれば、新規なライン照明装置およびライン照明方法を実現できる。この発明のライン照明装置は、単一の光源を用いるので、ＬＥＤ等を複数個配列する方法と異なり「発光強度の揃った微小光源を選別」する面倒がない。

また、単一の光源と１以上の共軸レンズとシリンドリカルレンズアレイとにより構成できるので、構成が簡素で組み付けも容易であり、部品点数も比較的少ないため低コストで実現でき、可動部を含まないので環境に対する信頼性が高い。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、ライン照明装置の実施の１形態を説明するための図である。
図において、符号１は光源、符号２は共軸レンズ、符号３はシリンドリカルレンズアレイを示している。図の如く、共軸レンズ２の光軸方向に平行にＺ方向を定め、図１（ａ）の上下方向をＸ方向、図１（ｂ）の上下方向をＹ方向として、直交３方向を定義する。
光源１は、単一光ファイバ即ち、１本の光ファイバの出力端面である。

図１（ａ）は、上下方向であるＸ方向が、シリンドリカルレンズアレイ３におけるシリンドリカルレンズ３−１、３−２、・・３−ｉ、・・の配列方向（シリンドリカルレンズ３−ｉの母線と光軸とに直交するパワー方向）であり、図１（ｂ）は、シリンドリカルレンズの母線方向に平行なＹ方向の様子を示している。

シリンドリカルレンズ３を構成する各シリンドリカルレンズ３−ｉ（ｉ＝１、２、・・・）は、母線方向にはパワーを持たないので、図１（ｂ）に示すように、光源１からの発散性の光束はＹ方向においては「共軸レンズ２のみの結像作用」により、結像位置Ｐに結像する。

一方、シリンドリカルレンズ３−ｉの配列方向であるＸ方向においては、光源１からの光束は共軸レンズ２により集光光束に変換されてシリンドリカルレンズアレイ３に入射するが、シリンドリカルレンズ３−ｉに入射する光束部分は、共軸レンズ２の光学作用とシリンドリカルレンズ３−ｉの光学作用とを受け、図１（ａ）のＸ方向に「光束断面」を伸ばされる。そして、Ｙ方向の結像位置Ｐにおいて、Ｘ方向に長いライン像ＬＩとして結像する。ライン像ＬＩは、共軸レンズ２と個々のシリンドリカルレンズ３−ｉの結像作用による前述の「ライン状の像」が重畳されたものである。

このようにして得られるライン像ＬＩは「像長さ方向（Ｘ方向）の光強度の分布」が均一に近いものとなる。この光強度均一化の作用を、図２を参照して説明する。
図２（ａ）、（ｂ）の最上の図は、共軸レンズ２を透過してシリンドリカルレンズアレイ３に入射するときの光強度分布の代表的な２例を示している。図２（ａ）に示すのは単純な一山型の分布であり、以下このタイプの分布を「凸型」と呼ぶ。図２（ｂ）に示すのは２山型の分布であり、以下このタイプの分布を「凹型」と呼ぶ。

図２（ａ）のように、凸型の分布を持つ光束がシリンドリカルレンズアレイに入射すると、シリンドリカルレンズ３−ｉの作用を個別に受けるが、シリンドリカルレンズ３−ｉ（ｉ＝１、２、・・）は、入射する光束部分をＸ方向（図の左右方向）に引き伸ばし、ライン状の像Ｌ１１、・・Ｌ１ｉ、・・を結像する。図２（ａ）に図示されているライン状の像はＬ１１、Ｌ１ｉの２つのみであるが、シリンドリカルレンズ３−ｉごとに「ライン状の像」が形成される。
図２（ａ）の中段において、符号Ｌ１ｉ（ｉ＝１、２、・・）で示すのは、ライン状の像Ｌ１ｉの光強度の分布であり上下方向が光強度に対応する。

これらのライン状の像Ｌ１ｉ（ｉ＝１、２、・・）が互いに重畳して、図１に示すライン像ＬＩを構成する。このとき、個々のライン状の像Ｌ１ｉ（ｉ＝１、２、・・）の光強度は像長手方向（Ｘ方向）に均一ではないが、凸型の分布が「Ｘ方向に対称な分布」であるので、ライン状のある像Ｌ１ｉに対して、長手方向の光強度分布が逆になる像が存在することになり、従って、ライン状の像Ｌ１ｉの全てが重畳して形成されるライン像ＬＩの光強度分布は、図２（ａ）最下段に示すように長手方向（Ｘ方向）に均一化される。

図２（ｂ）のように、凹型の分布を持つ光束がシリンドリカルレンズアレイに入射すると、シリンドリカルレンズ３−ｉの作用を個別に受けるが、シリンドリカルレンズ３−ｉ（ｉ＝１、２、・・）は、入射する光束部分をＸ方向（図の左右方向）に引き伸ばし、ライン状の像Ｌ２１、・・Ｌ２ｉ、・・を結像する。図２（ａ）に図示されているライン状の像はＬ１１、Ｌ１ｉの２つのみであるが、シリンドリカルレンズ３−ｉごとにライン状の像が形成される。
図２の中段において、符号Ｌ２ｉ（ｉ＝１、２、・・・）で示すのは、ライン状の像Ｌ２ｉの光強度の分布であり、上下方向が光強度に対応する。

これらライン状の像Ｌ２ｉ（ｉ＝１、２、・・）が互いに重畳して、図１に示すライン像ＬＩを構成する。このとき、個々のライン状の像Ｌ２ｉ（ｉ＝１、２、・・）の光強度は像長手方向（Ｘ方向）に均一ではないが、凹型の分布が「Ｘ方向に対称な分布」であるので、ライン状のある像Ｌ２ｉに対して、長手方向の光強度分布が逆になる像が存在することになり、従って、ライン状の像Ｌ２ｉの全てが重畳して形成されるライン像ＬＩの光強度分布は、図２（ｂ）最下段に示すように長手方向に均一化される。

単一の光源から放射される発散光束は軸対象であるので、シリンドリカルレンズアレイに入射する光束のＸ方向の光強度分布が、Ｘ方向に対称な形状である。
光強度分布がこのような対称性を持たない任意の分布の場合は、シリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの数を大きくし、各シリンドリカルレンズに入射する光束のＸ方向の光強度が、個々のシリンドリカルレンズ内では実質的に一定になるようにすることが考えられる。

このようにすると「各シリンドリカルレンズによるライン状の像」は、互いに光強度は異なるが、各像の内部では光強度がＸ方向に略一定となる。従って、これらを重畳させることにより、シリンドリカルレンズアレイへの入射光束がＸ方向にどのような分布を持っていても「長手方向に均一な光強度を持つライン像ＬＩ」を実現できる。

以下、具体的なシミュレーションの結果を実施例として示す。
図１に示す実施の形態において、光源１として「単一光ファイバの出力端面」を用い、光源１から１ｍ離れた位置に長さ：８００ｍｍ、幅：３．５ｍｍのライン像を形成する場合を想定した。

実施例１
共軸レンズ２を平凸レンズとし、凸面を光源側に向けた。
共軸レンズ２の凸面は、曲率半径：６４．１８６７７ｍｍの球面とした。レンズ肉厚は１０ｍｍである。レンズ径は６０ｍｍである。
シリンドリカルレンズアレイ３は、６個の「平凸のシリンドリカルレンズ」をＸ方向へ配列した構成とし、凸面を光源側に向けた。

各シリンドリカルレンズの凸面は、Ｘ方向の曲率半径：１３．０ｍｍで、レンズ肉厚は１３ｍｍである。シリンドリカルレンズ１つあたりの幅は１０ｍｍ、長さは６０ｍｍであり、シリンドリカルレンズアレイ３としての大きさは６０ｍｍ×６０ｍｍである。
材質は、共軸レンズ２、シリンドリカルレンズアレイ３とも、日本ゼオン社の「ＺＥＯＮＥＸ ３３０ｒ（商品名）」である。

これら共軸レンズ２と、シリンドリカルレンズアレイ３とを、光源１の発光源（光ファイバの出力端面）とライン像ＬＩとの間隔が１ｍで、ライン像ＬＩの長さが８００ｍｍ、幅が３．５ｍｍとなるように、共軸レンズ２とシリンドリカルレンズアレイ３の位置関係を最適化した。

光源１である「単一光ファイバの出力端面」におけるＸ方向の発光強度の角度分布として、図３（ａ）に示す「凹型の分布」と、図３（ｂ）に示す「凸形の分布」を設定した。

実施例１においては、凹型の分布について、ライン像ＬＩの光強度分布をシミュレーションにより調べた。図４はその結果である。結像されたライン像ＬＩの光強度分布は、長手方向（Ｘ方向）において図４（ａ）に示す如くであり、幅方向（Ｙ方向）において図４（ｂ）に示す如くである。縦軸の光強度は最大強度を１に規格化した値である。

図４の結果から「長さ：８００ｍｍに亘り光強度が略一定（０．８〜１．０）で、幅：３．５ｍｍの範囲内で０．３以上の光強度を持つライン像」が結像されることが分かる。

実施例２
実施例１において、共軸レンズ２の凸面を非球面化し、さらに、シリンドリカルレンズアレイの各シリンドリカルレンズ面を非円弧形状とした。
非球面あるいは非円弧の形状は、円錐定数：ｋと「４次の非球面係数」：Ａを用いる周知の非球面形状（非円弧形状）とした。

共軸レンズ２は、近軸曲率半径：６４．１８６７７ｍｍ、円錐定数：ｋ＝−０．６７４５７、非球面係数：Ａ＝−０．６７４２５の形状とした。レンズ肉厚は１０ｍｍである。シリンドリカルレンズ３−ｉのレンズ面は、近軸曲率半径：１３．０ｍｍ、円錐定数：ｋ＝−１とした。レンズ肉厚は１０ｍｍである。

このとき、図３（ａ）に示す［凹型の分布］に対するライン像ＬＩの光強度分布は、長手方向（Ｘ方向）につき図５（ａ）、幅方向（Ｙ方向）につき図５（ｂ）に示す如くである。また、図３（ｂ）に示す如き「凸型の分布」に対するライン像ＬＩの光強度分布は、長手方向（Ｘ方向）につき図６（ａ）、幅方向（Ｙ方向）につき図６（ｂ）に示す如くである。

これら図５、図６から、実施例２においては、長手方向の８００ｍｍに亘って極めて均一性が高く、幅方向においても十分に集光した「良好なライン像」が得られることが分かる。図５、図６の結果を、図４の結果と対比すると、共軸レンズのレンズ面に非球面を採用し、シリンドリカルレンズに非円弧形状を採用することの効果が明確に理解される。

なお、実施例１において、共軸レンズ２の凸面のみを実施例２のように非球面化した場合、ライン像ＬＩの光強度分布は長手方向（Ｘ方向）に付いては、入射光束の分布が凹型の場合は図４（ａ）の如くであり、幅方向（Ｙ方向）の光強度分布は図５（ｂ）の如くである。即ち、ライン像ＬＩの光強度の「Ｘ方向の分布」はシリンドリカルレンズのレンズ面形状が影響し、「Ｙ方向の分布」には共軸レンズ２のレンズ面形状が影響するのであり、これらは互いに独立している。

また、図５、図６の場合を対比すると、これらの間には「光源における光強度の角度分布」が凹型か凸型かの差があるが、これら分布の差異にかかわらず、Ｘ、Ｙ方向とも光強度分布は同一である。

即ち、共軸レンズのレンズ面を非球面化し、シリンドリカルレンズのレンズ面を非円弧化すると、光源における光強度の角度分布にかかわらず、良好なライン像を得ることができる。

上に実施の形態を説明したライン照明装置およびその実施例１は、ライン状の照明光を生成する装置であって、発散性の光束を放射する単一の光源１と、共軸レンズ２と、複数のシリンドリカルレンズ３−ｉ（ｉ＝１、２、・・）をアレイ配列してなるシリンドリカルレンズアレイ３とを有し、１以上の共軸レンズ２とシリンドリカルレンズアレイ３により、単一の光源１からの発散性の光束をライン像ＬＩに結像させるライン照明装置である。

また、実施例２は、シリンドリカルレンズアレイ３の個々のシリンドリカルレンズ３−ｉ（ｉ＝１、２、・・）が、レンズ配列方向であるパワー方向（Ｘ方向）において非円弧形状をなし、共軸レンズ２おける光源側のレンズ面が非球面形状である。また、実施例１、２とも、共軸レンズ２が光源１側に配置され、シリンドリカルレンズアレイ３が像ＬＩ側に配置されている。

さらに、シリンドリカルレンズアレイ３は、シリンドリカルレンズ３−ｉ（ｉ＝１、２、・・）をパワー方向（Ｘ方向）へ１列に配列してなり、光源１からの光束を単一のライン像ＬＩに結像させる。そして、単一の光源１は「単一光ファイバの出力端面」である。

従って、上記実施の形態、実施例１、２のライン照明装置を用いることにより良好なライン像によるライン照明方法を実施できる。

上には、シリンドリカルレンズアレイにおけるシリンドリカルレンズを「Ｘ方向にパワーを持つ凸シリンドリカル面」とした場合を説明したが、シリンドリカルレンズ面の形態はこれに限らず種々のものが許容される。いくつか例を挙げると、図７（ａ）に示すように、凹シリンドリカルレンズによるシリンドリカルレンズアレイ７１や、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズとを組み合わせたシリンドリカルレンズアレイ７２等が可能である。

また、シリンドリカルレンズアレイに、図７（ｃ）のように、２つアレイ領域を設け、各アレイ領域に「母線が互いに直交する方向を向いた２種のシリンドリカルレンズ７１Ａ、７１Ｂ」をアレイ配列することも類似技術として考えられ。この場合には、互いに直交するライン像を結像させることができる。このように母線方向が異なる複数種のシリンドリカルレンズ面を配列形成することにより「く字状」、「Ｌ字状」、「＊印状」等のライン像を照明光として生成できる。

ライン照明装置の実施の１形態を説明するための図である。 ライン像の光強度分布が長手方向に均一化される原理を説明するための図である。 実施例に関わる光源の、光強度の角度分布の２例を示す図である。 実施例１におけるライン像の光強度分布を示す図である。 実施例２におけるライン像の光強度分布を示す図である。 実施例２におけるライン像の光強度分布を示す図である。 シリンドリカルレンズアレイの変形例を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 共軸レンズ
３ シリンドリカルレンズアレイ
ＬＩ ライン像
Ｐ 結像位置

Claims (5)

1. ライン状の照明光を生成する装置であって、
   軸対称で発散性の光束を放射する単一の光源と、
   １以上の共軸レンズと、
   複数のシリンドリカルレンズを、パワー方向へ１列にアレイ配列してなるシリンドリカルレンズアレイとを有し、
   上記１以上の共軸レンズが、その光軸を、上記単一の光源からの発散性の光束の対称軸と合致させて、上記シリンドリカルレンズの配列方向に直交する方向において上記発散光束を集光させるように、上記光源側に配され、
   上記シリンドリカルレンズアレイが、シリンドリカルレンズの配列方向を上記光軸と直交させ、上記シリンドリカルレンズが上記光軸の両側に対称的に配列するようにして、像側に配置されることにより、
   上記１以上の共軸レンズと、上記シリンドリカルレンズアレイの個々のシリンドリカルレンズとの組み合わせにより、上記配列方向における別個の結像光学系を構成され、
   上記１以上の共軸レンズと、個々のシリンドリカルレンズとの組み合わせによる個々の結像光学系が、上記シリンドリカルレンズの配列方向に長いライン像を、互いに重畳して結像させることにより、上記単一の光源からの発散性の光束を１本のライン像に結像させることを特徴とするライン照明装置。
2. 請求項１記載のライン照明装置において、
   シリンドリカルレンズアレイの個々のシリンドリカルレンズが、パワー方向において非円弧形状をなすことを特徴とするライン照明装置。
3. 請求項１または２記載のライン照明装置において、
   １以上の共軸レンズにおける１以上のレンズ面が非球面であることを特徴とするライン照明装置。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載のライン照明装置において、
   単一の光源が、ＬＤもしくはＬＥＤまたは単一光ファイバの出力端面であることを特徴とするライン照明装置。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載のライン照明装置を用いるライン照明方法。

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