JP2001188174A - 集光照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発熱が及びエネルギーロスの少なく、必要な照
野に高い照度が得られる集光照明装置を得る事。 【解決手段】複数のＬＥＤなどの発光素子を光源として
採用し、各発光素子の光束を同一の照野に重複照射せし
める光学系を構築した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、光学顕微鏡あるい
は光学実体顕微鏡用の照明装置、警察や消防などでの捜
査や現場検証での照明装置、緊急時やアウトドアーでの
携帯照明装置（懐中電灯やヘッドランプ）等、集光照明
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、集光照明装置用の光源としては、
タングステンランプ、ハロゲンランプ等の白熱電球（以
下、白熱球と総称する）、あるいはキセノンランプ、メ
タルハライドランプ、水銀ランプ等の放電ランプ（以
下、放電灯と総称する）など単体で照度の高い光源が多
く使われていた。しかし、これらはいずれもフィラメン
トの白熱や、放電による発熱の為、熱を逃す為の構造や
冷却ファンなどの装置が必要であり、機構的にも大型複
雑となり高額でもあった。顕微鏡の場合では、波長域中
に含有する赤外線や紫外線による標本の劣化や、冷却フ
ァンの振動による画像のブレ等が問題になっていた。ま
た、これら白熱球及び放電灯は消費電力も多いため、携
帯用照明装置として乾電池やバッテリーなどを用いる場
合、長時間の連続使用ができないという問題もあった。

【０００３】光学顕微鏡分野では、発熱の少ない照明方
法として、円形の蛍光管を用いたり、多数のＬＥＤを円
形（ドーナツ状）に複数列並べたリング照明もあるが、
これらの照明法は光が拡散する為、広い照野に対しての
照明には有効であるが、必要な部分に集光し照度を上げ
る事ができず、短時間露光を理想とする顕微鏡撮影での
使用には向いていなかった。

【０００４】最近では、実体顕微鏡による観察対象に、
蛍光処理を施しての蛍光観察も盛んに行われるようにな
っている。また、警察の鑑識捜査に於いても、蛍光を応
用した観察技術が増加している(例えば、特公平６−１
４３４７公報参照)。それらの蛍光用の励起光源には、
主に水銀ランプあるいはメタルハライドランプ等の高輝
度光源からシャープカットフィルターで特定波長を選択
し照射する方法がとられている。この場合も、光源の発
熱や、紫外光により標本や試薬の劣化を引起こす事が問
題となっている。また、蛍光に有効な波長領域の割合
が、全発光量に対してきわめて少ないため、必要な励起
光量を得る為には大きな電力消費が必要だった。このた
め、犯罪捜査上での携帯用照明装置等では頻繁にバッテ
リーの交換を余儀なくされるなどの煩雑さが支障となっ
ていた。

【０００５】劇場用などで使われるスポットライト等の
投光照明装置では、光源の発熱や発生する赤外線の照射
による発熱のため様々な問題をもたらしている。例え
ば、投影パターンの焼付きを防止するため、実公平８−
８４８３号広報の提案では冷却ファンや熱吸収コーティ
ングによる回避方法が提案されている。しかし冷却ファ
ンの雑音や振動が二次的な問題となり、冷却ファンを用
いずに絞り機構の発熱による焼付きを防止すると言う視
点から、特開平７−９９００２号で示されるような手段
が提案されている。また、特開平７−２０１２０２号で
問題提起されているように、光源に放電球を用いた場合
では電圧を５０パーセント未満にすると放電が停止して
消灯してしまい、電圧による簡単な光量調整が行えなか
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来技術の
問題点を整理すると、白熱球及び放電灯では、以下が問
題となる。 （１）光源の発熱により照明装置が高温になる為、熱を
逃す為の構造や冷却ファンなどの装置が必要となる。 （２）機構的にも大型複雑となり高額である。 （３）冷却ファンの使用は音と振動を発生する。 （４）消費電力が大きい。 （５）蛍光用の励起光源としては、全光量からごく一部
の波長を選択透過させるためエネルギーロスが大きい。 （６）バッテリーを用いた携帯用照明装置としては連続
使用時間が短い。 （７）放電灯の場合、電圧を下げすぎると消灯してしま
い、光量調整が難しい。 （８）光源の波長域中に含有する紫外光などの有害光
が、標本や試薬の劣化を招く。

【０００７】また、円形の蛍光管によるリングライト、
あるいは多数のＬＥＤを円環形に並べたリング照明で
は、以下が問題となる。 （９）広い照野の照明としてしか使えず、集光し照度を
上げる事が難しい。 （１０）光が拡散する為、蛍光用の励起光源としては照
度が不足する。

【０００８】本発明は前述のような従来技術の問題点を
克服するためになされたものであり、以下の項目を満た
す集光照明装置を得る事を課題とした。 （１）発熱を少なくし、かつ高い照度を得ること。 （２）機構的にコンパクトで廉価に製造出来ること。 （３）消費電力を少なくし、携帯照明装置として使用す
る場合長時間の使用が可能なこと。 （４）照野の大きさ、照度、照射距離を自在に調整出来
ること。 （５）エネルギーロスの少ない蛍光用の励起光源として
使用可能な事。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、複数のＬＥＤなどの高光度発光素子を光
源として採用し、各光源の光束を同一の照野に重複照射
せしめる光学系を構築した。

【００１０】また、この光学系の相対位置調整により照
野の大きさと照射距離を、自在に変更出来るようにし
た。

【００１１】この投光照明装置において、ＬＥＤなどの
発光素子の特色である高い色純度を応用し、蛍光観察用
の励起光源とした。

【００１２】

【発明の実施の形態】前玉の径により規制される一定の
面積内に、狭指向性で高光度のＬＥＤを多数配置し光源
とし、その照射方向でハウジングの中心軸と同軸上に適
度な屈折率と口径を備えた凸レンズ・後玉を配置し、Ｌ
ＥＤ群に対する結像光学系を形成する。この一次結像光
学系中の後玉以降でハウジングの中心軸と同軸上に、さ
らに別の凸レンズ・前玉を配置して、各ＬＥＤの発光点
の中心と後玉の中心点を結ぶ直線上の光路をハウジング
の中心軸の方向に曲げ、ハウジングの中心軸上の一点で
交叉させる。こうして、各ＬＥＤから発せられた光束
は、この交叉点を中心とする同一の照野に全て重複照射
することになり、高照度の照射を実現する。

【００１３】この交差面においての各ＬＥＤの像は、い
ったん結像した後のいわゆるボケ像であるが、光源であ
る各ＬＥＤが前玉の有効径外周から後玉の中心を通る対
角線の内側に配置されていれば、ＬＥＤの持つ指向性
（侠指向性ＬＥＤの場合、約１０度）の為、光量の大部
分がこの範囲に有効照射される。この交差面は、同時に
後玉の位置に対する前玉の焦点面である為、後玉の取付
け形状（通常円形）を反映し照野の境界が鮮明となり、
必要な範囲外の光をカットするという集光照明装置とし
て重要な機能を具備することになる。

【００１４】前項の機構において、後玉により形成する
一次光学系には通常拡大投影系を採用するが、極めて狭
い照野に集光する事のみが目的で、作動距離も長く取る
必要が無い場合、縮小光学系を用いてもよい。

【００１５】この機構において、前玉の位置を後玉に近
づければ、各ＬＥＤの光束の交差位置は遠方になり、面
積の大きい照野を得ることができ、また前玉の位置を後
玉から遠ざければ、光束の交叉位置は手前になり、面積
が小さく高い照度の照野を得る事が出来る。

【００１６】この機構において、光源に青色等の高色純
度の単色ＬＥＤを用いることにより、シャープカットフ
ィルターをほとんど必要とせず、また、使用した場合で
も発光量の大半のエネルギーを活用出来るため、エネル
ギーロスのきわめて少ない蛍光用の集光照明装置とする
事ができる。

【００１７】各ＬＥＤからの光束が交叉し重複照射する
面が、前玉によるの後玉の位置に対する結像面と一致す
るため、照野の形状が後玉周囲形状を鮮明に反映され
る。この点を利用し、後玉に極めて近接する位置に、絞
り機構あるいは（または同時に）投光形状パターン挿入
機構を配置する事もできる。これにより照射距離と照度
を変化させず、絞りを開閉するだけで照野の大きさを変
える事がきる。また、投影パターンを挿入することによ
り、照野の形状を任意に変化させる事ができる。

【００１８】

【実施例】実施例を図面により説明すると、図１は後玉
により形成する結像光学系を示している。このなかで
（１）は光源となるＬＥＤ群で有り、後述する一定の範
囲内に設置される。（説明を簡略化する為、ＬＥＤの数
は最小限にしている。）この光源の照射方向、ハウジン
グの中心軸と同軸上に後玉（Ｌ２）配置し、（Ｆ２）を
結像面とする結像光学系を構築する。

【００１９】図２は図１に前玉を加えた効果を示したも
のである。後玉による一次結像光学系中に、前玉（Ｌ１
ａ）を配置して、各ＬＥＤの発光点の中心と後玉の中心
点を結ぶ直線上の光路（図１のＡ、Ｂ、Ｃ）をハウジン
グの中心軸の方向に曲げ（Ａａ、Ｃａ）、中心軸上の一
点（７ａ）において交叉させる。こうして、各ＬＥＤの
光束はこの一点を中心とした同心円（６ａ）に重複して
照射することになり高照度の照野を実現する。この交差
面における各ＬＥＤの像は、いったん（Ｆ１ａ）の面に
おいて結像した後でありボケ像であるが、侠指向性のＬ
ＥＤを使用した場合、光量のほぼ全てが放射角１０度以
内に含有される為、この範囲にＬＥＤの発光量の大部分
が照射されることになる。この時、各ＬＥＤの設置範囲
は前玉の有効径外周から後玉の中心を通る対角線の内側
にあればよい。（厳密にはＬＥＤの指向角度も考慮する
必要がある。）またこの重複照射面（Ｆ３ａ）は後玉の
位置に対する前玉の焦点（結像面）と一致するため、照
野の境界が鮮明になり、必要な範囲外の光をカットする
ことができ、集光照明装置として重要な機能を具備する
ことができる。ＬＥＤの指向性について、表１（東芝Ｌ
ＥＤカタログ、１９８９年版より抜粋）に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】図３は図２と同一の集光照明装置であり、
前部筒体を図１の位置（４ａ）より前方（４ｂ）へ移動
している。前玉と後玉の間隔を長くすることにより、光
路の交差位置（７ｂ）が手前になり、小さな照野（６
ｂ）に高い照度を得るようになっている。

【００２２】各ＬＥＤの取付け角度を調整し、ＬＥＤの
光束の中心軸を後玉の中心に向かうようすると、重複照
射する照野の中心において最も照度を高くする事ができ
る。また、各ＬＥＤの取付け角度をハウジングの中心軸
に対しやや平行に調整し、ＬＥＤの光束が後玉の有効径
に対しまんべんなく透過するようにすれば、照野全体に
比較的均等な照度を得る事ができる。ＬＥＤから発せら
れる光束を効率的に利用するためには、侠指向性のＬＥ
Ｄを用いて後玉に入射する光束の割合を高くすることが
得策であるが、より均質で平坦な照野を得る事を目的と
する場合は、ある程度広い指向性をもったＬＥＤを用い
てもよい。このようにＬＥＤの取付け角度を調整した
り、使用するＬＥＤの指向性を選択することによリ、照
野の特性を変化させ、様々なニーズに対応することがで
きる。

【００２３】これらの実施例において通常光源には、近
年飛躍的に開発が進み光度も高まっている白色ＬＥＤを
用いる。これを蛍光用の集光照明装置とするには、光源
のＬＥＤを青色等の高色純度の単色ＬＥＤに置換えれば
良い。例えば、現在実用化している青色ＬＥＤのピーク
波長は４７０ｎｍであり色純度も非常に高く、警察鑑識
などで使われるＢＢＤなどの蛍光剤に対するＢｌｕｅ励
起用の光源としては理想的である。また緑色ＬＥＤのピ
ーク波長は５２５ｎｍであり色純度が高く、様々な蛍光
試薬に対するＧｒｅｅｎ励起用の光源として有効であ
る。ＬＥＤの発光材料と各発光スペクトル分布を表２
（シャープＬＥＤ総合カタログ、１９９５年３より抜
粋）に示す。また代表的な蛍光試薬の励起波長と蛍光波
長の関係を表３（Ｏｒｉｇｉｎｓ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ
ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｆ
ｅｗｄｅｒｉｃｋ Ｈ．Ｋａｓｔｅｎより抜粋）に示
す。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】図４は舞台用などの投光照明装置（スポッ
トライト）に応用した実施例である。装置は架台（２
７）に支持された後部筒体（２５）とその先端に前後に
スライドできるように取付けられた前部筒体（２４）と
からなっている。（２１）は光源のＬＥＤ群であり、
（２３）はＬＥＤの電源ユニットである。ＡＣ電源の得
られない場合はこの中にバッテリーを内蔵し電源とする
事ができる。（Ｌ２２）は一次結像光学系を形成するた
めの後玉であり、後玉による一次結像光学系中に、前玉
（Ｌ２１）を配置して、各ＬＥＤの光路をハウジングの
中心軸方向に曲げ、その交差点を中心とした同一円上に
重複照射し高照度を実現するのは前述の各項と同様であ
る。ここでは重複照射の照野を遠方に得るために、距離
調整凹レンズ（Ｌ２３）を配置している。（２８）は投
光形状パターンであり、後玉の光源側に穿かれたスリッ
ト（３０）に挿入することにより、照野にその形状を鮮
明に形成する事ができる。熱の影響をほとんどうけない
為、投光形状パターンの替りにスライドなどのフィルム
を挿入する事も可能である。また、後玉のすぐ手前側に
は開口絞り（２９）が配置されておりこの絞りの開閉に
より、照野の径を容易に変化させる事ができる。

【００２７】本発明はその実施例において、ＬＥＤを光
源として採用する事を前提として述べてきたが、当然Ｅ
Ｌ素子など、ＬＥＤと同様な性能を持つ他の発光素子を
光源として採用しても良い。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような優れた効果を奏する。

【００２９】本発明は、集光照明装置の光源としてＬＥ
Ｄなどの発光素子を用いる為（特殊な目的で、赤外線含
有のＬＥＤを用いぬ限り）、発熱がきわめて少なく、赤
外線や紫外線を含まない、理想的な冷光源を得る事がで
きる。

【００３０】光源からの発熱が極めて少ないため、冷却
する為の構造や冷却ファンを必要としない。このため振
動や騒音の影響を受ける事が無くなる。また集光照明装
置を開発する上で、装置をコンパクトに設計でき、廉価
に製造することが可能となる。

【００３１】従来の多数のＬＥＤを円環形（ドーナツ
状）に集合させた形態の照明装置では、必要な照野に光
を集中させたり、ある程度の離れて照射する事は不可能
であったが、本発明により、自在なワーキングディスタ
ンスで自在な照野に光を集中する事ができる。

【００３２】また、この集光方式は、極めて狭い範囲に
大きな光量を投入する事が可能であり、光通信用ファイ
バーケーブルなどへの光信号の入力装置としての応用も
可能である。

【００３３】蛍光用の励起光源として用いた場合、シャ
ープカットフィルターをほとんど必要とせず、発光量の
大半を励起エネルギーとして活用できる為、極めて効率
的であり、消費電力を低くする事ができる。このため、
ＡＣ電源の得られない野外の警察の鑑識捜査などで、バ
ッテリー電源による長時間の連続使用が可能となるな
ど、社会的貢献も大きい。

【００３４】野外のＬＥＤ画像表示装置や最近では交通
信号標識にも用いられている通り、発光素子の信頼性、
寿命、衝撃に対する耐久性などは他の光源に比べて極め
て安定しており、半永久的にランプ交換不要の集光照明
装置となる。

【００３５】近年、ＬＥＤなどの発光素子の開発は飛躍
的に進み光量もますます上ってきており、近い将来最も
効率の良い理想的な光源となると考えられる。複数のＬ
ＥＤなどの発光素子の光束をコントロールして自在な照
野を得ることの出来る本発明は、光を必要とする様々な
分野に多くの利便を供する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】後玉による一次結像光学系の光路を示した縦断
面図である。

【図２】図１に前玉を加え、重複照射の実現を示した集
光照明装置の縦断面図である。

【図３】前玉を遠方にスライドした時の光路と照野の変
化を示した集光照明装置の縦断面図である。

【図４】舞台用投光照明装置（スポットライト）への応
用例を示した斜視縦断面図である。

【符号の説明】

１、２１ ＬＥＤ ２ ＬＥＤ基盤 ３、２３ ＬＥＤ電源ユニット部 ４ａ、４ｂ、２４ 前部筒体 ５、２５ 後部筒体 ６ａ、６ｂ 重複照射範囲（照野） ７ａ、７ｂ 各ＬＥＤと後玉の中心を結ぶ光路が再交差
する位置 ２７ 架台 ２８ 投射形状パターン ２９ 開口絞機構 ３０ 投射形状パターン挿入スリット Ａ、Ｂ、Ｃ 各ＬＥＤと後玉の中心を結ぶ光路 Ａａ、Ｃａ、Ａｂ、Ｃｂ 前玉により曲げられた、各Ｌ
ＥＤと後玉の中心を結ぶ光路 Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２１ 前玉 Ｌ２、Ｌ２２ 後玉 Ｌ２３ 投光距離調整凹レンズ Ｆ１ａ、Ｆ１ｂ 前玉によるＬＥＤの結像面 Ｆ２ 後玉によるＬＥＤの結像面 Ｆ３ａ、Ｆ３ｂ 重複照射位置＝前玉による後玉位置の
結像面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 顕微鏡照明装置、携帯用照明装置などの
   照明装置において、複数のＬＥＤなどの発光素子を光源
   とし、その光束の照射方向に、適度な焦点距離を持つ凸
   レンズ（Ｌ２）（以降、後玉と呼ぶ）を配して結像光学
   系を形成し、この一次結像光学系中に、各発光素子の発
   光点の中心と後玉の中心点を結ぶ直線上の光路（Ａ、
   Ｂ、Ｃ）を、ハウジングの中心軸の方向に曲げることが
   できる焦点距離を持つ凸レンズ（Ｌ１）（以降、前玉と
   呼ぶ）を配して中心軸の一点（７）において交差せし
   め、この交差点を中心とする同一の照野（６）に各発光
   素子の光束を重複照射せしめる事により高照度の照射を
   実現する事を特徴とする集光照明装置。
2. 【請求項２】 請求項１の集光照明装置において、レン
   ズ位置を可動にし、照野の大きさと照射距離を自在に調
   整出来るようにした事を特徴とする集光照明装置。
3. 【請求項３】 請求項１及び請求項２の集光照明装置に
   おいて、光源に青色等の単色発光素子用い、蛍光用の励
   起光源とした集光照明装置。