JP7510657B2

JP7510657B2 - Light emitting diode lighting device

Info

Publication number: JP7510657B2
Application number: JP2020143937A
Authority: JP
Inventors: 芳彦山田; 良蔵伊藤
Original assignee: 応用電機株式会社
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2024-07-04
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: JP2022039098A

Description

本発明は、例えば、固体撮像素子等の光学デバイスのテストや、顕微鏡、プロジェクタ、その他種々の照明光源として利用可能な発光ダイオード照明装置に関する。 The present invention relates to a light-emitting diode lighting device that can be used, for example, for testing optical devices such as solid-state image sensors, and as a light source for microscopes, projectors, and various other devices.

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の半導体の集積回路で設けられる固体撮像素子（イメージセンサ）は、光を電気信号に変換する特性を利用して、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、携帯電話、自動車の先進運転支援システム等の各種センサ、その他種々の産業機器等に広く活用されている。固体撮像素子は、ウエハ完成後や製品出荷前にその光電特性が正常か否かの検査が必要であるが、固体撮像素子の検査を行うための照明光を照射する照明装置が種々開発されており、本出願人も先の出願で光源装置として提案している（特許文献１参照）。従来の照明装置は、光源と、光源からの光を照度分布の均一な光として生成する多数のレンズやフィルタを有した照明光学系と該照明光学系を通過した照明光を検査対象の固体撮像素子に対して投影する投影光学系とを含む光学系と、を有しており、検査対象の固体撮像素子の受光面に均一な照明光を照射するようになっている。固体撮像素子の光学スト用の照明装置の光源としては、可視光範囲で太陽光と近似した分光スペクトルが比較的簡単に得られるハロゲンランプが多く使用されていた。 Solid-state imaging elements (image sensors) made of semiconductor integrated circuits such as CCD and CMOS are widely used in various sensors such as digital still cameras, video cameras, mobile phones, and advanced driving assistance systems for automobiles, as well as various other industrial equipment, by utilizing their characteristic of converting light into an electrical signal. Solid-state imaging elements need to be inspected for normal photoelectric characteristics after the completion of the wafer or before product shipment. Various lighting devices that irradiate illumination light for inspecting solid-state imaging elements have been developed, and the applicant also proposed one as a light source device in a previous application (see Patent Document 1). Conventional lighting devices have an optical system that includes a light source, an illumination optical system having a number of lenses and filters that generate light from the light source as light with a uniform illuminance distribution, and a projection optical system that projects the illumination light that has passed through the illumination optical system onto the solid-state imaging element to be inspected, and are designed to irradiate the light receiving surface of the solid-state imaging element to be inspected with uniform illumination light. Halogen lamps, which can relatively easily obtain a spectrum that is close to that of sunlight in the visible light range, have been used as light sources for lighting devices for optical storage of solid-state imaging elements.

特許第５１８１１７４号公報Patent No. 5181174

近年では、特に自動車産業で利用されている車載用イメージセンサ等では、例えば、３０万ルクス以上の高照度条件下での利用が実用化されつつあり、それに伴って、該イメージセンサの光学テストでも高照度条件下を再現したテストがますます重要となってきている。この高照度条件下でのテストを行える照明装置としては、ハロゲンランプやメタルハライドランプ等で実現されている。しかしながら、これらのハロゲンランプやメタルハライドランプでは、高照度を実現することができるが、高照度となる範囲は照射範囲の中心部にのみに限定され、広い範囲を均一的に高照度で照明することはできなかった。そのため、イメージセンサの高照度条件下での光学テストでは、狭い照明範囲でしかテストを行うことができず、同時にテストできる個数が比較的少数に限られてしまい、テスト効率が悪いものであった。イメージセンサの需要の拡大から、該イメージセンサの光学テストの高効率化が求められていることから、効率を向上するため、広い範囲に並べられた多数個のイメージセンサの全てに均一的な高照度の光を照射して、多数個の光学テストを同時に行えるような広照野を均一に高照度で照明できる照明装置を望む声が高まっている。また、省エネルギーで環境負荷が小さく、かつ長寿命で利便性が高いことから広く利用されている発光ダイオードを光源として、広照野を高い均一性を保持して高照度で照明できるような照明装置は存在していなかった。 In recent years, in particular in the automotive industry, image sensors for vehicles are being used under high illuminance conditions of, for example, 300,000 lux or more. Accordingly, optical tests of the image sensors that reproduce high illuminance conditions are becoming increasingly important. Illumination devices that can perform tests under such high illuminance conditions are realized by halogen lamps, metal halide lamps, etc. However, although these halogen lamps and metal halide lamps can achieve high illuminance, the high illuminance range is limited to only the center of the illumination range, and it is not possible to illuminate a wide range with high illuminance uniformly. Therefore, in optical tests of image sensors under high illuminance conditions, tests can only be performed in a narrow illumination range, and the number of items that can be tested simultaneously is limited to a relatively small number, resulting in poor test efficiency. As demand for image sensors expands, there is a demand for more efficient optical testing of the image sensors. To improve efficiency, there is a growing demand for a lighting device that can illuminate a wide field with uniform high illuminance by irradiating a large number of image sensors arranged over a wide area with uniform high illuminance light, allowing multiple optical tests to be performed simultaneously. Furthermore, there was no lighting device that could illuminate a wide field with high illuminance while maintaining high uniformity using light-emitting diodes as light sources, which are widely used because they are energy-saving, have a small environmental impact, have a long life, and are highly convenient.

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その一つの目的は、発光ダイオードを光源として利用しながら、広照野を高い均一性で、かつ高照度での照明を実現できる発光ダイオード照明装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems with the conventional technology, and one of its objectives is to provide a light-emitting diode lighting device that can provide high-intensity illumination over a wide field with high uniformity while using light-emitting diodes as a light source.

上記課題を解決するために本発明は、所定の指向半角で設定された複数の発光ダイオード１２を有する光源部１４と、光源部１４からの光の強度分布を均一化する均一化光学系部１６と、均一化光学系部１６からの均一化された光を照射対象面Ｓに照射する投影光学系部１８と、を備え、光源部１４は、照射対象面Ｓで得ようとする目的の照野の面積Ａと投影光学系部１８のＦナンバーに基づいたエタンデュをもとに、発光面積Ａ１が設定され、光源部１４は、設定される発光面積Ａ１内に複数の発光ダイオード１２が並設されて発光領域を形成するとともに、それぞれの発光ダイオード１２から所定の離隔した位置ｄに配置され該発光ダイオード１２からの光を平行光束とする複数の第１レンズ２０と、複数の第１レンズ２０から離隔した後方に配置され、各第１レンズ２０からの光を集光する第２レンズ２２と、を含む発光ダイオード照明装置１０から構成される。 In order to solve the above problems, the present invention provides a light-emitting diode lighting device 10 comprising a light source unit 14 having a plurality of light-emitting diodes 12 set at a predetermined directivity half angle, a homogenizing optical system unit 16 that homogenizes the intensity distribution of light from the light source unit 14, and a projection optical system unit 18 that irradiates an irradiation target surface S with the homogenized light from the homogenizing optical system unit 16, wherein the light source unit 14 has a light-emitting area A1 set based on an etendue based on an area A of a target illumination field to be obtained on the irradiation target surface S and an F-number of the projection optical system unit 18, and the light source unit 14 is configured with a light-emitting diode lighting device 10 including: a plurality of first lenses 20 that are arranged at positions d spaced a predetermined distance from each of the light-emitting diodes 12 and that convert the light from the light-emitting diodes 12 into a parallel beam; and a second lens 22 that is arranged rearwardly and spaced apart from the plurality of first lenses 20 and that collects the light from each of the first lenses 20.

光源部の光束が３０００ルーメン以上に設定されたこととしてもよい。 The luminous flux of the light source unit may be set to 3000 lumens or more.

また、発光ダイオード１２と第１レンズ２０との離隔距離ｄが、０．５ｍｍ以上でかつ２ｍｍ以下に設定されたこととしてもよい。 The distance d between the light-emitting diode 12 and the first lens 20 may be set to 0.5 mm or more and 2 mm or less.

また、各第１レンズは、その光軸が発光ダイオードの中心に一致するように設定されるとともに、各第１レンズどうしが密接状に配列されていることとしてもよい。 Moreover, each of the first lenses may be set so that its optical axis coincides with the center of the light emitting diode, and the first lenses may be arranged closely to one another .

また、均一化光学系部１６は、光源部１４からの光が入射されるロッドホモジナイザ３０と、該ロッドホモジナイザ３０から照射された光が入射されるフライアイレンズ３２と、を有することとしてもよい。 The homogenization optical system unit 16 may also have a rod homogenizer 30 onto which light from the light source unit 14 is incident, and a fly-eye lens 32 onto which the light irradiated from the rod homogenizer 30 is incident.

本発明の発光ダイオード照明装置によれば、所定の指向半角で設定された複数の発光ダイオードを有する光源部と、光源部からの光の強度分布を均一化する均一化光学系部と、均一化光学系部からの均一化された光を照射対象面に照射する投影光学系部と、を備え、光源部は、照射対象面で得ようとする目的の照野の面積と投影光学系部のＦナンバーに基づいたエタンデュをもとに、発光面積が設定されることから、照射対象面で必要となる広い照野及び高照度条件を実現できるように、照射対象面での照射する範囲面積を含む照射条件に応じて発光ダイオードを光源とした光源部を具体的に設計して、発光ダイオードの光を無駄なく効率的に導いて、広照野で均一的に、かつ高照度で照明できる照明装置を提供することができる。 The LED lighting device of the present invention includes a light source section having multiple LEDs set at a predetermined directivity half angle, a homogenizing optical system section that homogenizes the intensity distribution of light from the light source section, and a projection optical system section that irradiates the homogenized light from the homogenizing optical system section onto the irradiation target surface. The light source section has a light-emitting area set based on the etendue based on the area of the target illumination field to be obtained on the irradiation target surface and the F-number of the projection optical system section. Therefore, in order to realize the wide illumination field and high illumination conditions required on the irradiation target surface, the light source section using LEDs as light sources can be specifically designed according to the illumination conditions including the area of the range to be irradiated on the irradiation target surface, and the light from the LEDs can be efficiently guided without waste to provide a lighting device that can illuminate a wide illumination field uniformly and with high illuminance.

光源部の光束が３０００ルーメン以上に設定された構成とすることにより、照射対象面を、例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍ以上の広い照野で、かつ３０万ルクス以上の高照度で、均一的に照明できる照明装置を具体的に実現することができる。 By configuring the light source unit to have a luminous flux of 3,000 lumens or more, it is possible to specifically realize a lighting device that can uniformly illuminate the target surface with a wide illumination field of, for example, 100 mm x 100 mm or more and with a high illuminance of 300,000 lux or more.

また、光源部は、設定される発光面積内に複数の発光ダイオードが並設されて発光領域を形成するとともに、それぞれの発光ダイオードから所定の離隔した位置に配置され該発光ダイオードからの光を平行光束とする複数の第１レンズと、複数の第１レンズから離隔した後方に配置され、各第１レンズからの光を集光する第２レンズと、を含む構成とすることにより、複数の発光ダイオードからの光を極めて効率よく集光することができ、均一的な光を射出できる光源部を実現して、広い照野であっても高い均一性、高照度条件を満たして照明することができる。 The light source unit is configured to include a plurality of light-emitting diodes arranged side by side within a set light-emitting area to form a light-emitting region, a plurality of first lenses arranged at a predetermined distance from each of the light-emitting diodes to convert the light from the light-emitting diodes into a parallel beam, and a second lens arranged at a distance behind the plurality of first lenses to collect the light from each of the first lenses. This makes it possible to collect light from the plurality of light-emitting diodes extremely efficiently, thereby realizing a light source unit that can emit uniform light, and achieving illumination that satisfies high uniformity and high illuminance conditions even in a wide illumination field.

発光ダイオードと第１レンズとの離隔距離が、０．５ｍｍ以上でかつ２ｍｍ以下に設定された構成とすることにより、第２レンズでの集光効率がよいとともに、光源部の発光密度を比較的高く保持でき、設定される発光面積内に複数の発光ダイオードの配列構成を設計でき、照射対象面を広い照野かつ高照度で照明しうる光源部を具体的に実現することができる。 By configuring the distance between the light-emitting diode and the first lens to be 0.5 mm or more and 2 mm or less, the light collection efficiency at the second lens is good, the light emission density of the light source unit can be kept relatively high, and an arrangement of multiple light-emitting diodes can be designed within a set light-emitting area, making it possible to specifically realize a light source unit that can illuminate the target surface with a wide illumination field and high illuminance.

また、第１レンズの有効径は、複数の発光ダイオードの中心間距離と略同じに設定された構成とすることにより、発光ダイオードの光をほとんど無駄なく照明に利用して効率的に光を照射できるとともに、第１レンズの配置構成を効率よく設計することができる。 In addition, by configuring the effective diameter of the first lens to be approximately the same as the center-to-center distance of the multiple light-emitting diodes, the light from the light-emitting diodes can be used for illumination with almost no waste, allowing for efficient light irradiation and allowing the arrangement of the first lens to be designed efficiently.

また、均一化光学系部は、光源部からの光が入射されるロッドホモジナイザと、該ロッドホモジナイザから照射された光が入射されるフライアイレンズと、を有する構成とすることにより、２段階で光を均一化して、より均一性が高い照明を実現することができる。 The homogenizing optical system unit is configured to have a rod homogenizer into which light from the light source unit is incident, and a fly-eye lens into which the light irradiated from the rod homogenizer is incident, thereby homogenizing the light in two stages and achieving more uniform illumination.

本発明の一実施形態に係る発光ダイオード照明装置の概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a light-emitting diode lighting device according to an embodiment of the present invention; 図１の発光ダイオード照明装置の光源部の正面説明図である。FIG. 2 is a front view illustrating a light source unit of the light-emitting diode lighting device of FIG. 1 . 図１の発光ダイオード照明装置の光源部の側面説明図である。FIG. 2 is a side view illustrating a light source unit of the light-emitting diode lighting device of FIG. 1 . 図１の発光ダイオード照明装置の投影光学系部のＦナンバーと光源部の発光面積の関係をあらわした表である。2 is a table showing the relationship between the F-number of a projection optical system unit and the light-emitting area of a light source unit of the light-emitting diode illumination device of FIG. 1 . 図１の発光ダイオード照明装置の発光ダイオードとレンズとの距離と明るさの対応関係を示したグラフである。2 is a graph showing the relationship between the distance between the light emitting diode and the lens of the light emitting diode lighting device of FIG. 1 and the brightness.

以下添付図面を参照しつつ本発明の発光ダイオード照明装置の実施形態について説明する。本発明に係る発光ダイオード照明装置は、例えば、固体撮像素子であるイメージセンサ等の光学デバイスをテストするための照明光や顕微鏡、プロジェクタ、その他種々の照明光に利用することができる発光ダイオードを光源とした照明装置である。図１ないし図５は、本発明の発光ダイオード照明装置の一実施形態を示している。図１、図２、図３に示すように、本実施形態に係る発光ダイオード照明装置１０は、発光ダイオード１２を有する光源部１４と、均一化光学系部１６と、光を照射対象面に照射する投影光学系部１８と、を備える。本実施形態では、発光ダイオード照明装置１０は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子であるイメージセンサの光学テストに利用される光学テスト用照明装置の態様で説明する。 Hereinafter, an embodiment of the light-emitting diode illumination device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The light-emitting diode illumination device according to the present invention is an illumination device using a light-emitting diode as a light source, which can be used for illumination light for testing optical devices such as image sensors, which are solid-state imaging elements, microscopes, projectors, and various other illumination lights. Figures 1 to 5 show an embodiment of the light-emitting diode illumination device of the present invention. As shown in Figures 1, 2, and 3, the light-emitting diode illumination device 10 according to this embodiment includes a light source unit 14 having a light-emitting diode 12, a homogenizing optical system unit 16, and a projection optical system unit 18 that irradiates the light to an illumination target surface. In this embodiment, the light-emitting diode illumination device 10 will be described as an optical test illumination device used for optical testing of image sensors, which are solid-state imaging elements such as CCDs and CMOSs.

光源部１４は、発光ダイオード１２を有する光源手段である。本実施形態では、発光ダイオード１２は、例えば、従来周知の波長４００～７５０ｎｍの可視領域で連続光スペクトルを持つ白色発光ダイオードからなる。光源部１４は、例えば、投影光学系部１８からの光を照射する照射対象面Ｓを０．０１ｍ^２以上の比較的広い面積Ａの照明範囲（照野）で、かつ３０万ルクス以上の高い照度で照明するのに必要な光量で設計され、該光源部１４の光束が３０００ルーメン以上に設定される。図２、図３に示すように、光源部１４は、複数の発光ダイオード１２が並設されて高照度でかつ所定の発光面積Ａ１となる発光領域を形成している。この光源部１４の発光領域は、目的とする照射対象面側の条件に基づいて設定されるが、後述のように照射対象面Ｓの光束の断面積Ａと投影光学系部１８のＦナンバーに基づいて発光面積Ａ１が設定されることとなる。本実施形態では、例えば、発光ダイオード１２は、指向角がδの面発光体からなり、４つの発光ダイオード１２を２×２の配置構成に配列することにより、発光面積Ａ１の発光領域の光源部１４を形成する例を示している。なお、発光ダイオード１２の指向角δは、面発光体では１８０°となるが、実質的な光の９０％以上は、１１０°～１６０°の範囲内となるものを利用するとよく、本実施形態では、指向角δ＝１６０°のものが用いられる。この配置構成では、発光ダイオード１２はその発光中心がａだけ離隔して配置されている。各光源部１４は、その光が広がる角度の指向半角が一般的な発光ダイオードの指向角に合わせて設定され、例えば、５５度（又は６０度）に設定されている。 The light source unit 14 is a light source means having a light emitting diode 12. In this embodiment, the light emitting diode 12 is, for example, a white light emitting diode having a continuous light spectrum in the visible region of wavelengths of 400 to 750 nm, which is well known in the art. The light source unit 14 is designed, for example, with a light amount required to illuminate the irradiation target surface S, which is irradiated with light from the projection optical system unit 18, in an illumination range (illumination field) of a relatively wide area A of 0.01 ^m2 or more and with a high illuminance of 300,000 lux or more, and the luminous flux of the light source unit 14 is set to 3,000 lumens or more. As shown in Figures 2 and 3, the light source unit 14 has a light emitting area with high illuminance and a predetermined light emitting area A1 formed by arranging a plurality of light emitting diodes 12 side by side. The light emitting area of the light source unit 14 is set based on the conditions of the target irradiation target surface side, and the light emitting area A1 is set based on the cross-sectional area A of the light flux of the irradiation target surface S and the F-number of the projection optical system unit 18, as described later. In this embodiment, for example, the light emitting diode 12 is a surface light emitter with a directivity angle δ, and four light emitting diodes 12 are arranged in a 2×2 configuration to form a light source unit 14 with a light emitting area of a light emitting area A1. The directivity angle δ of the light emitting diode 12 is 180° in the surface light emitter, but it is preferable to use one in which 90% or more of the actual light is within the range of 110° to 160°, and in this embodiment, one with a directivity angle δ = 160° is used. In this arrangement, the light emitting diodes 12 are arranged with their light emission centers spaced apart by a. The directivity half angle of the angle at which the light spreads in each light source unit 14 is set to match the directivity angle of a general light emitting diode, for example, 55 degrees (or 60 degrees).

光源部１４は、それぞれの発光ダイオード１２の後方にそれぞれ配置された４つの第１レンズ２０と、それらの第１レンズ２０の後方に配置された第２レンズ２２と、を含む。第１レンズ２０は、発光ダイオード１２からの光を平行光束とするレンズである。なお、本実施形態では、光軸Ｘに沿った方向で光源部１４側を前方、光が進む方向を後方としている。第１レンズ２０は、発光ダイオード１２の配置構成に対応して２×２の配置構成で配列されている。各第１レンズ２０は、その光軸が発光ダイオード１２の中心に一致するとともに発光ダイオード１２からの光を無駄なく入射させるためにレンズ有効径が複数の発光ダイオードの中心間距離ａと略同じ程度の大きさで設定されており、各レンズどうしが密接して配列されている。第１レンズ２０は、その焦点距離位置又はその近傍に発光ダイオード１２が配置されるように、該発光ダイオード１２から距離ｄだけ離隔して配置されている。このような配置構成では、複数の発光ダイオード１２の間隔ａすなわち第１レンズ２０の有効径ａと、発光ダイオード１２と第１レンズ２０との離隔距離ｄ（第１レンズの焦点距離ｄ）と、の関係は、図３に示すように、近似的にａ＝２ｄ×ｔａｎ（δ／２）となる。発光ダイオード１２の間隔ａが小さいほど発光密度が小さく集光効率は向上するが、該間隔ａが大きくなると発光密度が低下する。図５のグラフに示すように、発光ダイオード１２と第１レンズ２０との離隔距離ｄが小さいと出射される光が明るく、該離隔距離ｄが大きくなるにしたがって次第に暗くなることが計算でもわかっている。発光ダイオード１２と第１レンズ２０との離隔距離ｄは、例えば、発光ダイオードの実質的なサイズやレンズ設計等の物理的な制限から０．５ｍｍ以上が必要となる。一方で、図５のグラフに示すように、２．５ｍｍ以上では、ほとんど明るさがなくなる。これにより、発光ダイオード１２と第１レンズ２０との離隔距離ｄは、例えば、２ｍｍ以下に設定されると実用的な明るさを得ることができる。すなわち、それぞれの発光ダイオード１２と第１レンズ２０との離隔距離ｄは、０．５ｍｍ以上でかつ２ｍｍ以下の範囲で設定されると好適であり、第１レンズ２０も焦点距離がそのような範囲に設定されたレンズ設計のものを用いるとよい。 The light source unit 14 includes four first lenses 20 arranged behind each light-emitting diode 12, and a second lens 22 arranged behind the first lenses 20. The first lenses 20 are lenses that convert light from the light-emitting diodes 12 into parallel beams. In this embodiment, the light source unit 14 side in the direction along the optical axis X is the front, and the direction in which the light travels is the rear. The first lenses 20 are arranged in a 2 x 2 arrangement corresponding to the arrangement of the light-emitting diodes 12. Each first lens 20 has an optical axis that coincides with the center of the light-emitting diode 12, and the effective lens diameter is set to be approximately the same as the center distance a of the multiple light-emitting diodes in order to allow the light from the light-emitting diodes 12 to be incident without waste, and the lenses are arranged closely together. The first lenses 20 are arranged at a distance d from the light-emitting diodes 12 so that the light-emitting diodes 12 are arranged at or near the focal distance position of the first lenses 20. In such an arrangement, the relationship between the interval a between the plurality of light-emitting diodes 12, i.e., the effective diameter a of the first lens 20, and the distance d between the light-emitting diodes 12 and the first lens 20 (the focal length d of the first lens) is approximately a=2d×tan(δ/2) as shown in FIG. 3. The smaller the interval a between the light-emitting diodes 12, the lower the light emission density and the higher the light collection efficiency, but the larger the interval a, the lower the light emission density. As shown in the graph of FIG. 5, it is known by calculation that when the distance d between the light-emitting diodes 12 and the first lens 20 is small, the emitted light is bright, and as the distance d increases, the light becomes gradually darker. The distance d between the light-emitting diodes 12 and the first lens 20 must be, for example, 0.5 mm or more due to physical limitations such as the substantial size of the light-emitting diodes and the lens design. On the other hand, as shown in the graph of FIG. 5, when the distance is 2.5 mm or more, the light is almost not bright. As a result, practical brightness can be obtained when the separation distance d between the light-emitting diode 12 and the first lens 20 is set to, for example, 2 mm or less. In other words, it is preferable that the separation distance d between each light-emitting diode 12 and the first lens 20 is set in the range of 0.5 mm or more and 2 mm or less, and it is preferable to use a lens design for the first lens 20 whose focal length is set in such a range.

第２レンズ２２は、第１レンズ２０から離隔した後方に配置され、各第１レンズ２０からの光を集光する集光レンズである。第２レンズ２２からの光が光源部１４の光として出射される。第２レンズ２２は、例えば、並設された４つの第１レンズ２０からの平行光を全て入射して該第２レンズ２２の焦点で結ぶように、第１レンズ２０の有効径ａの２倍（２ａ）よりも大きな有効径で形成されるとともに、第２レンズ２２の光軸が４つの第１レンズ２０の各中心を通る円の中心に設定されている。第２レンズ２２は、第１レンズから数ｍｍ程度離隔した位置に設置される。このように光源部１４では、複数の発光ダイオード１２からの光を第１レンズ２０にて平行光にし、第２レンズ２２でそれらの平行光を集光する構成とすることにより、所定の対向半角で高い均一性かつ高い照度の光源部を実現することができる。 The second lens 22 is a condensing lens that is disposed behind the first lens 20 and condenses the light from each of the first lenses 20. The light from the second lens 22 is emitted as the light of the light source unit 14. The second lens 22 is formed with an effective diameter larger than twice the effective diameter a of the first lens 20 (2a) so that all the parallel light from the four first lenses 20 arranged in parallel are incident and focused at the focal point of the second lens 22, and the optical axis of the second lens 22 is set at the center of a circle passing through the centers of the four first lenses 20. The second lens 22 is installed at a position spaced apart from the first lens by about several mm. In this way, the light source unit 14 is configured to convert the light from the multiple light-emitting diodes 12 into parallel light by the first lens 20 and condense the parallel light by the second lens 22, thereby realizing a light source unit with high uniformity and high illuminance at a predetermined opposing half angle.

図１に示すように、光源部１４からの光は、所定の面積Ａとなる照射対象面を均一的な平行光で照射するための照明用光学系２４を介して外部に出射される。本実施形態では、照明用光学系２４は、例えば、光を通さない図示しない筐体内に収容されており、コレクター光学系部２６、均一性光学系部１６、リレー光学系部２８、投影光学系部１８を含む。光源部１４の第２レンズ２２から出射された光は、コレクター光学系部２６を介して、均一性光学系部１６に入射される。コレクター光学系部２６は、例えば、複数のレンズなどを組み合わせたレンズ群で構成されている。 As shown in FIG. 1, light from the light source unit 14 is emitted to the outside via an illumination optical system 24 for irradiating an illumination target surface of a predetermined area A with uniform parallel light. In this embodiment, the illumination optical system 24 is housed, for example, in a light-tight housing (not shown), and includes a collector optical system unit 26, a uniformity optical system unit 16, a relay optical system unit 28, and a projection optical system unit 18. Light emitted from the second lens 22 of the light source unit 14 is incident on the uniformity optical system unit 16 via the collector optical system unit 26. The collector optical system unit 26 is composed of, for example, a lens group combining multiple lenses.

均一化光学系部１６は、光源部１４からの光の強度分布を均一化するための光均一化手段である。均一性光学系部１６は、例えば、ロッドホモジナイザ３０と、フライアイレンズ３２と、を組み合わせて構成されている。ロッドホモジナイザ３０は、コレクター光学系部２６を介して入射される光源部１４からの光の強度分布を均一化して出射する。フライアイレンズ３２は、該ロッドホモジナイザ２６から照射された均一的な光をさらに均一して出射する。これにより、均一化光学系部１６では、２段階で光を均一化して均一性が高い光を得ることができる。 The homogenization optical system unit 16 is a light homogenization means for homogenizing the intensity distribution of the light from the light source unit 14. The homogenization optical system unit 16 is configured, for example, by combining a rod homogenizer 30 and a fly's eye lens 32. The rod homogenizer 30 homogenizes the intensity distribution of the light from the light source unit 14 that is incident via the collector optical system unit 26 and outputs the light. The fly's eye lens 32 further homogenizes the uniform light irradiated from the rod homogenizer 26 and outputs the light. In this way, the homogenization optical system unit 16 can homogenize the light in two stages to obtain light with high uniformity.

均一性光学系部１６からの光は、リレー光学系部２８を介して投影光学系部１８に入射される。リレー光学系部２８は、複数のレンズを組み合わせて構成されているとともに、光源部１４からの光軸Ｘを下方向に折り曲げるミラー３４を有している。投影光学系部１８は、鏡筒内に複数の投影レンズ系が収容されるとともに所定のＦナンバーの開口絞りが設置されており、均一化光学系部１６で生成した強度が均一な平行光を外部への照射光として照射対象面Ｓに向けて照射する。投影光学系部１８から照射された照射光の照射対象面Ｓに、検査対象のイメージセンサが設置されて、該イメージセンサの光電特性検査等の光学テストを行えるようになっている。なお、光学系２４には、上述の各光学系部の他に種々のレンズ、フィルタ等の光学素子を有することとしてもよい。 The light from the uniformity optical system unit 16 is incident on the projection optical system unit 18 via the relay optical system unit 28. The relay optical system unit 28 is composed of a combination of multiple lenses, and has a mirror 34 that bends the optical axis X from the light source unit 14 downward. The projection optical system unit 18 houses multiple projection lens systems in a lens barrel and has an aperture stop with a predetermined F-number, and irradiates parallel light with uniform intensity generated by the uniformization optical system unit 16 toward the irradiation target surface S as irradiation light to the outside. An image sensor to be inspected is installed on the irradiation target surface S of the irradiation light irradiated from the projection optical system unit 18, so that optical tests such as photoelectric characteristic inspection of the image sensor can be performed. In addition to the above-mentioned optical system units, the optical system 24 may have various optical elements such as lenses and filters.

上述したように本実施形態の発光ダイオード照明装置１０では、投影光学系部１８から照射対象面Ｓへ照射する光が、要求される広照野で高照度の条件を満たすように光源部１４の光束の大きさや発光面積が設定される。本実施形態では、多数個のＣＣＤ等のイメージセンサを同時に配置できるように、照射対象面Ｓに照射する光の条件は、例えば、照野を１００ｍｍ×１００ｍｍ角（一辺が１００ｍｍの正方形）＝０．０１ｍ^２）以上の発光面積Ａ（すなわち照射光の光束の断面積）となるように設定するとともに、照射対象面Ｓに照射する光を、例えば、高照度での光学テストを行うために３０万ルクス以上とする。この場合、照射対象面Ｓで得ようとする光の光束Φ＝照度×発光面積Ａとなることから、３０００ルーメン以上となる。よって、照明用光学系２４で光量のロスがないとすると、光源部１４で発光される光の光束を３０００ルーメン以上に設定されることとなる。また、高照度でかつ該照野で光の最も明るい場所と最も暗い場所の差が２％以内となるような高い均一性が得られるように、上述の均一性光学系部１６や光源部１４の第１レンズ２０と第２レンズ２２の配置構成が設計される。 As described above, in the light-emitting diode illumination device 10 of this embodiment, the size of the light flux and the light-emitting area of the light source unit 14 are set so that the light irradiated from the projection optical system unit 18 to the irradiation target surface S satisfies the required conditions of wide illumination and high illuminance. In this embodiment, in order to simultaneously arrange a large number of image sensors such as CCDs, the conditions of the light irradiated to the irradiation target surface S are set so that the illumination field has a light-emitting area A (i.e., the cross-sectional area of the light flux of the irradiated light) of 100 mm x 100 mm square (a square with one side of 100 mm) = 0.01 m ² ) or more, and the light irradiated to the irradiation target surface S is set to 300,000 lux or more in order to perform an optical test at high illuminance. In this case, the light flux Φ of the light to be obtained on the irradiation target surface S = illuminance x light-emitting area A, so that it is 3000 lumens or more. Therefore, if there is no loss of light in the illumination optical system 24, the light flux of the light emitted by the light source unit 14 is set to 3000 lumens or more. In addition, the arrangement of the above-mentioned uniformity optical system unit 16 and the first lens 20 and second lens 22 of the light source unit 14 is designed so as to obtain high illuminance and high uniformity such that the difference between the brightest and darkest points in the illumination field is within 2%.

さらに、投影光学系部１８のＦナンバーが変更されることによって、照射対象面Ｓへ照射する角度を含む光の条件が変更されることから、該Ｆナンバーに応じて光源部１４の発光面積Ａ１が設計される。具体的には、照射対象面Ｓで得ようとする照野が１００ｍｍ×１００ｍｍ角とすると該照野の面積Ａすなわち光束の断面積は０．０１ｍ^２となる。投影光学系部１８のＦナンバーの値をＦとすると、照射対象面ＳでのエタンデュＥは、該照射対象面での光束の断面積Ａと立体角ＮＡの積から、エタンデュＥ＝Ａ×π×（ＮＡ）^２＝Ａ×π×（１／２×Ｆ）^２となる。一方、設計する光源部１４のエタンデュＥ１は、光源部１４の発光面積Ａ１、立体角ＮＡ１とすると、Ｅ１＝Ａ１×π×（ＮＡ１）^２となる。光源部１４の指向半角を５５°で設計したとすると、ＮＡ１＝ｓｉｎ５５°＝０．８１９となる。エタンデュの保存の法則により、照射対象面ＳのエタンデュＥと光源部１４のエタンデュＥ１が等しく（Ｅ＝Ｅ１）なることから、Ａ×π×（１／２×Ｆ）^２＝Ａ１×π×（ｓｉｎ５５°）^２の関係式により、光源部１４の発光面積Ａ１を求めることができる。例えば、投影光学系部１８のＦナンバーの値Ｆを１１、１３、１６、２２とすると、図４の表に示すように、それぞれのＦナンバーの値に対応して光源部１４の発光面積Ａ１を導出することができる。例えば、ＦナンバーのＦ値が１１の場合には、光源部１４の発光面積Ａ１は、約３０．８ｍｍ^２となり、正方形形状の面発光光源とすると一辺が約５．５ｍｍの正方形の範囲内に上述のように４つの発光ダイオードや第１レンズ２０等を配列して光源部１４を設計することとなる。同様にＦ値が１３の場合には、光源部１４の発光面積Ａ１は約２２．０５ｍｍ^２となり、一辺が約４．７ｍｍの正方形の光源部を設計する。Ｆ値が１６の場合には、光源部１４の発光面積Ａ１は約１４．５６ｍｍ^２となり、一辺が約３．８ｍｍの正方形の光源部を設計することとなり、Ｆ値が２２の場合には、光源部１４の発光面積Ａ１は、約７．７ｍｍ^２となり、一辺が約２．８ｍｍの正方形の光源部を設計することとなる。すなわち、光源部１４は、照射対象面Ｓで得ようとする目的の照野の光束の断面積（発光面積Ａ）と、投影光学系部１８のＦナンバーに基づいたエタンデュＥと、を元にして、該光源部１４の発光面積Ａ１が設定され、該発光面積Ａ１内に複数の発光ダイオード１２を配列して、所要の条件を満たす高照度の該光源部１４が形成される。なお、本実施形態では、４つの発光ダイオード１２を発光面積Ａ１以内に配列して光源部１４を構成する例で説明したが、発光ダイオードの個数は任意の複数個でもよい。また、光源部１４は、所定の発光面積Ａ１の円形状の発光部で形成してもよい。また、例えば、指向半角５５°で３０００ルーメン以上の発光ダイオードで光源部１４を構成することとしてもよい。なお、光源部１４の発光形状は、正方形形状に限らず、円形状等任意の形状としてもよい。また、照射対象面Ｓは、正方形形状に限らず円形状、その他の形状でもよい。 Furthermore, by changing the F-number of the projection optical system unit 18, the light conditions including the angle of irradiation on the irradiation target surface S are changed, so the light emission area A1 of the light source unit 14 is designed according to the F-number. Specifically, if the illumination field to be obtained on the irradiation target surface S is 100 mm x 100 mm square, the area A of the illumination field, i.e., the cross-sectional area of the light beam, is 0.01 ^m2 . If the F-number value of the projection optical system unit 18 is F, the etendue E on the irradiation target surface S is the product of the cross-sectional area A of the light beam on the irradiation target surface and the solid angle NA, and is given by Etendue E = A x π x (NA) ² = A x π x (1/2 x F) ^2. On the other hand, the etendue E1 of the light source unit 14 to be designed is given by E1 = A1 x π x (NA1) ² , where A1 is the light emission area of the light source unit 14 and NA1 is the solid angle. If the light source unit 14 is designed to have a half angle of directivity of 55°, then NA1 = sin55° = 0.819. According to the law of conservation of etendue, the etendue E of the irradiation target surface S and the etendue E1 of the light source unit 14 are equal (E = E1), and therefore the light-emitting area A1 of the light source unit 14 can be calculated from the relational expression A x π x (1/2 x F) ² = A1 x π x (sin55°) ² . For example, if the F-number value F of the projection optical system unit 18 is 11, 13, 16, or 22, then the light-emitting area A1 of the light source unit 14 can be derived in accordance with each F-number value, as shown in the table of FIG. For example, when the F-number is 11, the light emitting area A1 of the light source unit 14 is about 30.8 ^mm2 , and when the light source unit 14 is a square surface-emitting light source, the light source unit 14 is designed by arranging four light emitting diodes and the first lens 20, etc., within the range of a square with a side of about 5.5 mm as described above. Similarly, when the F-number is 13, the light emitting area A1 of the light source unit 14 is about 22.05 ^mm2 , and a square light source unit with a side of about 4.7 mm is designed. When the F-number is 16, the light emitting area A1 of the light source unit 14 is about 14.56 ^mm2 , and a square light source unit with a side of about 3.8 mm is designed, and when the F-number is 22, the light emitting area A1 of the light source unit 14 is about 7.7 ^mm2 , and a square light source unit with a side of about 2.8 mm is designed. That is, the light source unit 14 has a light-emitting area A1 set based on the cross-sectional area (light-emitting area A) of the light flux of the target illumination field to be obtained on the irradiation target surface S and the etendue E based on the F-number of the projection optical system unit 18, and a plurality of light-emitting diodes 12 are arranged within the light-emitting area A1 to form the light source unit 14 with high illuminance that satisfies the required conditions. In the present embodiment, the light source unit 14 is formed by arranging four light-emitting diodes 12 within the light-emitting area A1, but the number of light-emitting diodes may be any number. The light source unit 14 may be formed of a circular light-emitting unit with a predetermined light-emitting area A1. For example, the light source unit 14 may be formed of light-emitting diodes with a directivity half angle of 55° and 3000 lumens or more. The light-emitting shape of the light source unit 14 is not limited to a square shape, and may be any shape such as a circle. The irradiation target surface S is not limited to a square shape, and may be a circle or other shape.

上述のように、複数の発光ダイオード１２を有する光源部１４と、均一化光学系部１６と、投影光学系部１８と、を備えた照明装置１０において、光源部１４の設定方法としては、例えば、投影光学系部１８からの光の照射対象面Ｓでの照野が０．０１ｍ^２以上の範囲でかつ該照野内で均一的に３０万ルクス以上の照度で照射するように、光源部１４からの照明光の光束を３０００ルーメン以上に設定するとともに、投影光学系部１８から照射対象面Sで得ようとする目的の照野の面積Ａと投影光学系部１８のＦナンバーの値Ｆで求められるエタンデュＥをもとに、エタンデュの保存の法則から、光源部１４の発光面積Ａ１を算出して、該光源部１４に条件を満たすように該発光面積Ａ１内に複数の発光ダイオードを配列することで、光源部１４が設計される。例えば、光源部１４の発光面積が大きすぎても、その発光部分の一部しか入力されず照明対象面側で高照度の照明を得ることができなくなる。上述のような光源部の設定方法により、光源部１４と照射対象面Ｓ側のエタンデュとの関係により、光源部からの光を効率よく照射対象面に照射することができ、広照野を均一的に、高照度で照明できる照明装置の光源を実現できる。 As described above, in the illumination device 10 including the light source unit 14 having a plurality of light-emitting diodes 12, the uniformization optical system unit 16, and the projection optical system unit 18, the light source unit 14 is set, for example, to 3,000 lumens or more of luminous flux of illumination light from the light source unit 14 so that the illumination field on the illumination target surface S of the light from the projection optical system unit 18 is 0.01 ^m2 or more and uniformly irradiated with an illuminance of 300,000 lux or more within the illumination field, and the light-emitting area A1 of the light source unit 14 is calculated based on the law of conservation of etendue based on the etendue E calculated from the area A of the target illumination field to be obtained on the illumination target surface S from the projection optical system unit 18 and the F-number value F of the projection optical system unit 18, and the light-emitting area A1 of the light source unit 14 is arranged within the light-emitting area A1 so as to satisfy the conditions of the light source unit 14, thereby designing the light source unit 14. For example, if the light-emitting area of the light source unit 14 is too large, only a part of the light-emitting portion is input, and high-illuminance illumination cannot be obtained on the illumination target surface side. By using the method of setting the light source unit as described above, the light from the light source unit can be efficiently irradiated onto the surface to be irradiated, depending on the relationship between the light source unit 14 and the etendue on the side of the surface to be irradiated S, and a light source for an illumination device can be realized that can uniformly illuminate a wide field with high illuminance.

以上説明した本発明の発光ダイオード照明装置は、上記した実施形態のみの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の本質を逸脱しない範囲において、任意の改変を行ってもよい。 The light-emitting diode lighting device of the present invention described above is not limited to the configuration of the above embodiment, and any modification may be made without departing from the essence of the present invention as described in the claims.

本発明の発光ダイオード照明装置は、例えば、固体撮像素子やレンズ等の光学素子のテスト用の照明や、顕微鏡やプロジェクタ等の光学機器類の照明、その他種々の照明装置として利用することができる。 The light-emitting diode lighting device of the present invention can be used, for example, as lighting for testing optical elements such as solid-state image sensors and lenses, lighting for optical instruments such as microscopes and projectors, and various other lighting devices.

１０発光ダイオード照明装置１２発光ダイオード１４光源部１６均一性光学系部１８投影光学系部２０第１レンズ２２第２レンズ３０ロッドホモジナイザ３２フライアイレンズＳ照射対象面
REFERENCE SIGNS LIST 10 Light-emitting diode illumination device 12 Light-emitting diode 14 Light source section 16 Uniformity optical system section 18 Projection optical system section 20 First lens 22 Second lens 30 Rod homogenizer 32 Fly's eye lens S Illumination target surface

Claims

A light source unit having a plurality of light emitting diodes set at a predetermined directional half angle;
a homogenizing optical system unit that homogenizes the intensity distribution of light from the light source unit;
a projection optical system unit that irradiates an irradiation target surface with the homogenized light from the homogenization optical system unit,
The light source unit has a light emitting area set based on the etendue, which is based on the area of the target illumination field to be obtained on the irradiation target surface and the F-number of the projection optical system unit.
The light source unit has a plurality of light emitting diodes arranged in parallel within a set light emitting area to form a light emitting region,
a plurality of first lenses disposed at positions spaced a predetermined distance from the respective light emitting diodes and configured to convert light from the light emitting diodes into parallel beams;
a second lens disposed rearwardly and spaced apart from the plurality of first lenses, the second lens concentrating light from each of the first lenses .

The light-emitting diode lighting device according to claim 1, characterized in that the luminous flux of the light source unit is set to 3000 lumens or more.

2. The light-emitting diode lighting device according to claim 1 , wherein a distance between the light-emitting diode and the first lens is set to be not less than 0.5 mm and not more than 2 mm.

2. The light-emitting diode lighting device according to claim 1 , wherein the optical axis of each of the first lenses is set to coincide with the center of the light-emitting diode, and the first lenses are arranged closely to each other .

The homogenizing optical system unit includes a rod homogenizer into which light from the light source unit is incident,
5. The light-emitting diode illuminating device according to claim 1 , further comprising: a fly-eye lens onto which the light emitted from the rod homogenizer is incident.