JP2001511908A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの識別可能な発光を備えた窒化ガリウム型のダイオードによって放射された光出力は、それぞれ異なる光パワーを備えた中央部分と環状部分とを有するレンズ形の単一光学素子（１０）によって制御される。ダイオードからの総出力光は、軸平行とされるか、または、共通焦点に結ばれよう。単一光学素子は、射出成形されるのが望ましく、環状部分は回折レンズとなっている。第１パート（１２）は、好ましくは回折レンズである第２パート（１４）への異なる光パワーを有する屈折レンズであることが望ましい。屈折レンズ（１２）の光パワー（第１光パワー）と回折レンズ（１４）の光パワー（第２光パワー）は、レンズ（１０）が使用される光源にマッチするよう選択される。

Description

【発明の詳細な説明】 光学素子技術分野 本発明は、単一の光学素子、より具体的には特殊な型の発光ダイオード（ＬＥ Ｄ）の構成に用いるのに適したレンズに関する。背景技術 ＬＥＤの特殊型の一つにおける典型的構成を図１ａに示す。発光材料はカップ 状の反射鏡に収容される。このようなＬＥＤから放出される光線は、図１ｂに示 すように、２つの空間構成を有する。構成要素のうち、一方は（Ｌ１と表示され た中央の要素）、ＬＥＤ上面の直接出射から生じ、他方（Ｌ２と表示された周縁 部の要素）は、ＬＥＤの側面から生じ、カップ状の反射鏡によって反射される。 これら２つの要素は、実質的な放射のないエリア（Ｄ１と表示）によって分離さ れている。これは円形に図示されているが、円形である必要はない。ＬＥＤの上 面から出射される光線Ｌ１は、通常、光線出力の総量の２０％にしかすぎない。 ＬＥＤの上面からの直接出射およびＬＥＤの側面からの間接出射（反射）を有 する効果は、図１ｃに示すように、装置が見かけ上、２個の光源Ｓ１とＳ２とを 備えているように見えることである。光源の一方（Ｓ１）は、上面からの直接出 射Ｌ１のためのものである。第２の光源（Ｓ２）は、間接出射Ｌ２のためのもの で、ＬＥＤ装置の背後にあるのが分かる。従って、第２の光源（Ｓ２）は仮想光 源（a virtual source）である。 直接出射Ｌ１の光線パターンは、ナロービームであり、一方、間接出射Ｌ２の 光線パターンは、直接出射を囲むような、かつ、それとは区切られた環状ビーム である。図１に示すようなＬＥＤ構成型からの光線出射は、高度の発散要素（間 接出射）Ｌ２を有し、空間的に不均一である。従って、この種のＬＥＤを平行光 線または集束光線の効果的光学光源として使用するのは困難である。また、従来 型の照明光源における一定の型式では、空間的に不均一な発光と類似の特性を示 す。 そこで、本発明の目的は、上記の不利益を回避するか、または軽減することに ある。発明の開示 上記の問題の一般的な解決法は、上述した２個の光パワーを有する単一の光学 素子のように、ＬＥＤまたは他の発光源を組合せて使用することである。２個の 光パワーのうち、一方は、ＬＥＤ発光の１つの要素を集束したり、軸平行にした りするのに用いられ、他方は、ＬＥＤ発光のもう１つの要素を集束したり、軸平 行にしたりするのに用いられる。従って、ＬＥＤ発光の２つの空間的要素は軸を 平行にしたり、共通焦点を結んだりすることが可能である。 本発明の１つの利点は、そうしたＬＥＤや他のソースから出射される光線の有 効比率を別の光学素子（例えば、ビームプロフィールを均一化させる導波管また はコンバイナー）に集束させたり、平行軸とさせたりすることであり、同時に、 従来はレーザーソースが使用されてきた多くの光学応用において、従来型の光源 を用いてＬＥＤまたは他の発光源とすることである。 本発明の第１実施例によれば、第１光パワー用の第１パート及び第２光パワー 用の第２パートを備え、第２パートは第１パートの周縁部に位置するよう構成さ れた単一の光学素子が提供される。 この単一光学素子は、ナロービームの光線と環状ビームの光線の両方を生成し 、一方のパートはナロービームを集束したり、軸平行としたりするのに使用さら 、他方のパートは環状ビームを集束したり、軸平行としたりするのに使用され、 ナロービームおよび環状ビームが確実に共通焦点を結んだり、軸平行となるため に、第１及び第２の光パワーが選択される、上述のＬＥＤのような光学光源と共 に用いられることが理解されよう。 第１パートは、屈折レンズまたは回折レンズの何れかであろう。第２パートも 同じく屈折レンズまたは回折レンズであろう。この単一光学素子は、射出成形に よって製造されることが望ましい。 本発明の第２実施例によれば、第１実施例による単一の光学素子が、直接光及 び反射光を生成する光源と結合して提供される。この時、直接光はナロービーム であり、反射光は環状ビームであって、この結合は、直接光および反射光ともに 、共通の焦点または共通の軸平行を生じる。 本発明の第３実施例によれば、少なくとも２個の、第１実施例による単一光学 素子を備え、かつ平行ビームを生成する光学系が提供される。単一の光学素子は 個々に、その入力と、各光学素子の出力を結合させるコンバイナーと、コンバイ ナーの出力を共通焦点に集束させるように配置された出力レンズとして上記に記 載されたＬＥＤまたは他の発光源と共働する。 各ＬＥＤ（または発光源）は、異なる色の光線を放出することが望ましい。 色付きＬＥＤの各々の発光強度を変えることで、コンバイナーの出力で生成さ れる色を変更することができる。そのため、この光学系により、特殊な空間的出 力特性を生成することが可能である。その一方、異なる色に色づけされたＬＥＤ は、順番に“ＯＮ”状態に切り替えられて、走査システムの一環として使用され るであろう。 本発明のこれらの又はその他の実施例は、図を参照しながら以下の説明を読む ことで明らかになろう。図面の簡単な説明 図１ａは、周知の特殊タイプのＬＥＤデバイスを断面図で示したものである。 図１ｂは、図１ａのＬＥＤからの発光光線の２つの要素を略図化したものであ る。 図１ｃは、直接出射の光源（ｓ１）と間接出射の外見上の光源（ｓ２）を示す 図１ａのＬＥＤデバイスの断面図である。 図２ａは、２つのパートを備えた本発明による単一の光学素子の正面図を概略 で示したものである。 図２ｂは、図２ａの単一光学素子の断面図を概略で示したものである。 図３は、本発明の１つの実施例により、ＬＥＤからの出射光線の焦点を光ファ イバーに合わせる図２の光学素子を示したものである。 図４は、本発明の別の実施例により、図２の光学素子を使用する２個のＬＥＤ の出力を結合するための光学系を示したものである。実施例の説明 図１ａは、本発明の実施例に使用されている特殊タイプのＬＥＤの構成を示し 、これは従来型光源の一定型の代表的なものである。本発明の実施例で使用した 特殊型のＬＥＤ構成のサンプルはニチアケミカル社（Nichia Chemical Compan y） から入手できる窒化ガリウム（Gallium Nitride）ＬＥＤまたはＧａＮ ＬＥＤ である。この種のＬＥＤは、“出射に優れる”単一の量子領域を有し、狭い帯域 （例えば、１０ｎｍの空間線幅）とハイパワー（例えば、数ミリワット）の光線 を出射する。図１ｂは、図１ａに図示した特殊型のＬＥＤ構成の特徴である光の 出射（Ｌ１とＬ２）の２つの要素を示す。図１ｃは、図１ｂの光出射において２ つの要素を産み出す光源ｓ１と見せかけの光源ｓ２を示す。 単一光学素子を２つの図で示した図２ａと図２ｂについて説明すると、この光 学素子は、２個の構成要素を有する二重焦点距離レンズ１０である。第１パート １２は通常円形で、レンズ１０の中央に位置し、第２パート１４は環状で、第１ パート１２の周縁部に沿って位置している。 第１パート１２は、回折レンズであることが望ましい第２パート１４とは異な る光パワーを有する屈折レンズであることが望まししい。図３の説明で言及する が、屈折レンズ１２の光パワー（第１光パワー）、及び、回折レンズ１４の光パ フー（第２光パワー）は、レンズ１０が使用される際の光源にマッチするように 選択される。 図３は、本発明の１つの実施例により、ＬＥＤ２０からの放射光線の焦点を光 ファイバ２２に合わせるレンズ１０を示している。ＬＥＤ２０から光ファイバ２ ２への光線結合を最大限とするために、レンズ１０からの出力（レンズ出力２４ ）のスポットサイズと角度はともに、光ファイバ２２の口径に適合するものであ るべきである。通常、スポットサイズは、光ファイバ２２の口径より小さいため （もちろん、開口数とスポットサイズの積は不変である）、この実施例において は、開口数のみ適合することが必要となる。 以下の式（１）により、求められるレンズ倍率（ＲＬＭ）は、光ファイバの開 口数（ＮＡ）により分割されたＬＥＤの開口数（ＮＡ）と等しい： また、求められる焦点距離は、以下の式（２）により与えられる： 直接光の場合｛すなわち、ＬＥＤ２０の上面から放射される光線（Ｌ７）｝、 式（１）と（２）を図３の実施例に適用すると、式（３）と（４）が与えられる ： 反射光の場合｛すなわち、ＬＥＤ２０の側面、反射鏡から出射される光線（Ｌ ２）｝、式（１）と（２）を図３の実施例に適用すると、式（５）と（６）が与 えられる： 式（１）〜（６）におけるパラメータの代表的数値はＧａＮ ＬＥＤのための 表１に与えられている。ＬＥＤ２０からレンズ１０までの所要距離と、レンズ１ ０から光ファイバー２２までの所要距離との値と共に式（３）〜（６）を用いる と、第１光パワーおよび第２光パワーの所要値が算出できる。光パワーは、言う までもなく、焦点距離の逆数である。 図４は、本発明の別の実施例による、２個のＬＥＤ出力を結合するための光学 系３０を示したものである。光学系３０は、対応第１レンズ１０ａを備えた第１ ＬＥＤ２０ａと、対応第２レンズ１０ｂを備えた第２ＬＥＤ２０ｂを有する。第 １レンズの出力（第１レンズ出力２４ａ）と第２レンズの出力（第２レンズ出力 ２４ｂ）は、共に、平行ビームである。これらのビームは、第２レンズ出力２４ ｂを伝達し、第１レンズ出力２４ａを反射して平行出力４２を生成するコンバイ ナー４０へ入力される。この平行出力４２は、第１レンズ出力２４ａと第２レン ズ出力２４ｂとの結合であり、結合されたレンズ出力２４ａと２４ｂとを光ファ イバー２２へ集束するために設けられた、望ましくは色消しレンズである出力レ ンズ１０ｃへ伝達される。レンズ１０ｃは、一重項または多重項素子たり得、単 一焦点距離レンズである。例えば、第１レンズ出力２４ａの通路あるいは第２レ ンズ出力２４ｂの通路などに付加的なレンズが含まれよう。そのため、複数のＬ ＥＤからの出射を結合するのに回折格子又はダイクロイック（二色性）ミラーが 用いられよう。 一例として、第１ＬＥＤ２０ａは望ましくは赤い光を放射し、第２ＬＥＤ２０ ｂは望ましくは青い光を出射するというように、２個のＬＥＤ（２０ａ、２０ｂ ）は異なる波長で光を放出する。このため、ＬＥＤ２０ａおよび２０ｂの発光強 度を個別コントローラによって（図示省略）変えることにより、コンバイナー４ ０の出力で生成される色を変えることが可能である。 本発明の範囲を超えることなく、上記の実施例にさまざまに改変を加えること ができる。例えば、レンズ１０の第１パート１２は、円形である必要はなく、だ 円形または他の形状であっても構わない。ＬＥＤがだ円形またはその他の形状の ナロービームを放射する場合に、こうしたことが求められよう。同様に、第２パ ート１４も、その外側周縁部に合わせて、円形である必要はなく、例えば、特殊 なレンズホルダーにフィットするような別の形状でも構わない。第１パートが屈 折レンズでなく、回折レンズであることもありえる。同様に、第２パートが回折 レンズでなく、屈折レンズであることもありえる。 光学系３０のその他の実施例として、２個のＬＥＤよりもっと多くのＬＥＤ が使用されることもある。一例として、緑のＬＥＤも使えば、原色である赤、緑 、青のＬＥＤが備わり、光学系は制御可能な空間的特性を有する平行出力４２を 生成するＬＥＤの各々についてその発光強度を調整する手段を含むことになる。 従って、特殊な空間的出力特性が各ＬＥＤの発光強度を調整することで選択でき る。これは、ＬＥＤからの発光を弱めたり強めたりするための個々のＬＥＤにお ける各駆動電圧あるいは電流を、増加させたり、減少させたりすることで達成さ れる。光学系３０の別の実施例では、２個のＬＥＤは赤色と青色の光線を出射せ ず、他の波長の光線（赤外線を含む）を出射する。 本発明の他の実施例においては、それぞれが青色の光を出射するＬＥＤのアレ ーを用いて、歯科複合材料をキュア（cure）する。ホログラフィー拡散物質とレ ンズ１０を組合せて用いることで、歯科複合材料を均一に硬化させる均質光線分 布を生じさせる。 本発明のその他の実施例においては、色付きＬＥＤのアレーを生物医学的な撮 像、細胞学、時間分解蛍光などに応用したり、蛍光顕微鏡検査などの顕微鏡検査 に用いたりする。符号の説明 Ｌ１、Ｌ２ 光の放射 Ｓ１ 光源 Ｓ２ 外見上の光源 １０ レンズ １２ 第１パート １４ 第２パート ２０ ＬＥＤ ２２ 光ファイバ ２４ レンズ出力 ３０ 光学系 ４０ コンバイナー ４２ 平行出力

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年２月１７日（１９９９．２．１７） 【補正内容】 補正後の請求の範囲 １．ＬＥＤと単一光学素子との組合せであって、ＬＥＤはカップ状の反射鏡に収 容された発光材を備え、発光材は、単一の量子井戸放射領域を有し、ＬＥＤから 放射される光は、ナロービーム（Ｌ１）であって、ＬＥＤ上面からの直接光から 生じる第１空間要素と、ＬＥＤ背後の仮想光源（Ｓ２）から見かけ上生じる環状 ビーム（Ｌ２）であって、カップ状の反射鏡によって反射される、ＬＥＤ側面か ら生じる第２空間要素とを有し、単一光学素子は、本質的に、第１光パワーを備 えた屈折レンズの形式の第１パート（１２）と、第２光パワーを備えた回折レン ズの形式の第２パート（１４）とから成り、第２パート（１４）は第１パート（ １２）の周縁部に沿って設置され、そのため、共通焦点あるいは共通の平行軸に 直接光または反射光を伝達するようにした組合せ。 ２．ＬＥＤが窒化ガリウムＬＥＤである請求項１に記載の組合せ。 ３．ＬＥＤからの光が共通焦点に集束され、かつ光ファイバ（２２）を含み、光 ファイバはファイバ入力で集束された光を受け取るように配置されている請求項 １または２に記載の組合せ。 ４．各ＬＥＤからの光が軸平行となる、少なくとも２個の請求項１または２に記 載の結合と；２個の平行ビームを結合させるために設けられたコンバイナー（４ ０）と；コンバイナーの出力を共通焦点に集束させるために配置された出力レン ズ（１０ｃ）と；所定の出力特性を共通焦点で生成するために、ＬＥＤの駆動電 圧あるいは電流を変更する個別のコントローラによって制御される各ＬＥＤの発 光強度とを含んで成る光学系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１光パワーを有する第１パート（１２）と、第２光パワーを有する第２パ ート（１４）とを備え、第２パート（１４）は、第１パート（１２）の周縁部に 沿って位置している単一光学素子。 ２．第１パート（１２）は屈折レンズであり、第２パート（１４）は回折レンズ である請求項１に記載の単一光学素子。 ３．要素（１０）は、射出成形で製造されている前記請求項の何れかに記載の単 一光学素子。 ４．直接光（Ｌ１）と反射光（Ｌ２）とを生成する光源（２０）と結合し、直接 光（Ｌ１）はナロービームで、反射光（Ｌ２）は環状ビームであって、この結合 が直接光（Ｌ１）および反射光（Ｌ２）共に共通焦点あるいは共通の軸平行を生 じる前記請求項の何れかに記載の単一光学素子。 ５．光が共通焦点に集束され、かつ光ファイバ（２２）を含み、光ファイバはフ ァイバ入力で集束された光を受け取るように配置されている請求項４に記載の組 合せ。 ６．光源（２０）が、単一の量子井戸出射領域を有するＬＥＤである請求項４ま たは５に記載の組合せ。 ７．ＬＥＤが、窒化ガリウムＬＥＤである請求項６に記載の組合せ。 ８．直接光および反射光をそれぞれ生成する光源（２０ａ、２０ｂ）と組合せた 、少なくとも２個の請求項１〜３の何れかに記載の単一光学素子であって、直接 光はナロービームであり、反射光は環状ビームであって、平行ビーム（２４ａ、 ２４ｂ）を生成するために配置した個々の単一光学素子（１０ａ、１０ｂ）と； ２個の平行ビームを結合させるコンバイナー（４０）と；コンバイナーの出力を 共通焦点に集束させるために配置された出力レンズ（１０ｃ）と、を備えて成る 光学系。 ９．異なる光源（２０ａ、２０ｂ）が異なる色の光を生成する請求項８に記載の 光学系。 １０．光学系から所定の出力特性を生成するために各光源（２０ａ、２０ｂ）の 発光強度を変更する手段を含んで成る請求項９に記載の光学系。