JP2003518323A - 光ファイバ照明システムのための色補正 - Google Patents
光ファイバ照明システムのための色補正Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
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- G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
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- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
光ファイバ照明システム（１００）であって、フィルタ（３０）を用いてアークランプ（１０）の出力スペクトルが修正されてスペクトル内のスパイクの大きさが減じられ、結果として得られる出力が白色光の所望の色度および演色評価数を有する。
Description
【０００１】
この発明は、医学的処置の間に一般に用いられる光ファイバ照明システムに関
する。
する。
【０００２】
外科手術中、医師の視界を良好なものにするために照明が提供される。照明が
適切な色温度および演色評価数値で十分な光エネルギを有することが重要である
。照明は典型的には、照明器内に設けられたランプによって提供され、ファイバ
束を用いることによって外科手術部位に光が向けられる。
適切な色温度および演色評価数値で十分な光エネルギを有することが重要である
。照明は典型的には、照明器内に設けられたランプによって提供され、ファイバ
束を用いることによって外科手術部位に光が向けられる。
【０００３】
このような照明器システムのために、これまでハロゲンランプが用いられてき
た。それらは低コストではあるが、光の量は通常、望まれるものよりも少なく、
色温度は通常低い。キセノンアークランプを用いるよりハイエンドのシステムに
よって、太陽光線とほぼ同じであるより望ましい色温度と十分な量の光とが提供
される。欠点は、そのランプ本来の低い効率性と必要とされる複雑でかつ高価な
安定器とのために、これらのシステムが高価になりがちなことである。このよう
な目的のために、キセノンランプと比較してより高い効率の、すなわち約２倍か
ら３倍より効率的なランプであるという理由で、メタルハロゲンランプおよび水
銀灯も用いられており、結果としてより低いコストの照明器が提供されている。
た。それらは低コストではあるが、光の量は通常、望まれるものよりも少なく、
色温度は通常低い。キセノンアークランプを用いるよりハイエンドのシステムに
よって、太陽光線とほぼ同じであるより望ましい色温度と十分な量の光とが提供
される。欠点は、そのランプ本来の低い効率性と必要とされる複雑でかつ高価な
安定器とのために、これらのシステムが高価になりがちなことである。このよう
な目的のために、キセノンランプと比較してより高い効率の、すなわち約２倍か
ら３倍より効率的なランプであるという理由で、メタルハロゲンランプおよび水
銀灯も用いられており、結果としてより低いコストの照明器が提供されている。
【０００４】
放電球内でメタルハロゲンおよび／または水銀を使用することにより、出力ス
ペクトルは、用いられる材料の特性に対応した鋭いスペクトルスパイクを含む。
これらのスパイクの効果が、色温度、色度、および演色評価数という点に関して
出力特性を変化させる。メタルハロゲンランプシステム内でフィルタを用いて出
力の色温度は補正されてきたが、色度および演色評価数はほとんど留意されてい
ない。
ペクトルは、用いられる材料の特性に対応した鋭いスペクトルスパイクを含む。
これらのスパイクの効果が、色温度、色度、および演色評価数という点に関して
出力特性を変化させる。メタルハロゲンランプシステム内でフィルタを用いて出
力の色温度は補正されてきたが、色度および演色評価数はほとんど留意されてい
ない。
【０００５】
したがって、この発明の目的は、メタルハロゲンランプおよび水銀灯等の、そ
れらのスペクトルにスパイクがあるランプの出力が補正されて所望の色温度、色
度、および演色評価数［“ＣＲＩ”］を備えた光出力が低コストで提供されるよ
うに、色補正システムを含む照明システムを提供することである。
れらのスペクトルにスパイクがあるランプの出力が補正されて所望の色温度、色
度、および演色評価数［“ＣＲＩ”］を備えた光出力が低コストで提供されるよ
うに、色補正システムを含む照明システムを提供することである。
【０００６】
この目的を達成するために、この発明は、外科手術部位の重要な特徴をはっき
りと見ることができるように、色温度、色度、およびＣＲＩという点に関して白
色光の所望の特性を有する十分な光エネルギを提供するような、外科手術区域で
用いられる光ファイバ照明器を提供する。照明器は、通常出力スペクトルにスパ
イクがある高い効率のアークランプと、アークランプから放出される光を出力フ
ァイバの出力束へと集束させるための光凝縮(condensing)および集光システムと
を含む。アークランプと出力光ファイバとの間には光学フィルタリングシステム
が設けられ、これによりアークランプの出力が修正されて所望の特性を備えた光
ファイバでの出力が生成される。
りと見ることができるように、色温度、色度、およびＣＲＩという点に関して白
色光の所望の特性を有する十分な光エネルギを提供するような、外科手術区域で
用いられる光ファイバ照明器を提供する。照明器は、通常出力スペクトルにスパ
イクがある高い効率のアークランプと、アークランプから放出される光を出力フ
ァイバの出力束へと集束させるための光凝縮(condensing)および集光システムと
を含む。アークランプと出力光ファイバとの間には光学フィルタリングシステム
が設けられ、これによりアークランプの出力が修正されて所望の特性を備えた光
ファイバでの出力が生成される。
【０００７】
図１は、先行技術で公知の一般的な光ファイバ照明器の内部の構成要素を示す
。例示された照明器は、光源１０、放物形状の１次リフレクタ４０ａ、焦点合わ
せレンズ２１０、および出力光ファイバ６０を含む、軸上（on-axis）放物面リ
フレクタ照明システム２００である。用途に応じて、光源１０は、キセノンアー
ク、水銀キセノンアーク、メタルハロゲンアーク、またはハロゲンランプを含む
ランプの群から選ばれ得る。照明システム２００では、光源１０の放出区域は放
物面リフレクタ４０ａの焦点で光軸８０上に置かれ、これにより出力２０が平行
になる。放物面リフレクタ４０ａは、ある特定の所望の波長を優先的に反射させ
るようにコーティングされ得る。たとえば、可視応用では、リフレクタ４０ａが
スペクトルの可視部分のみを出力２０として向けるように、冷コーティングが用
いられてＵＶおよび赤外線が伝達され得る。次に、焦点合わせレンズ２１０によ
って、平行な出力２０が出力光ファイバ６０へのより小さなスポット７０へ集束
される。
。例示された照明器は、光源１０、放物形状の１次リフレクタ４０ａ、焦点合わ
せレンズ２１０、および出力光ファイバ６０を含む、軸上（on-axis）放物面リ
フレクタ照明システム２００である。用途に応じて、光源１０は、キセノンアー
ク、水銀キセノンアーク、メタルハロゲンアーク、またはハロゲンランプを含む
ランプの群から選ばれ得る。照明システム２００では、光源１０の放出区域は放
物面リフレクタ４０ａの焦点で光軸８０上に置かれ、これにより出力２０が平行
になる。放物面リフレクタ４０ａは、ある特定の所望の波長を優先的に反射させ
るようにコーティングされ得る。たとえば、可視応用では、リフレクタ４０ａが
スペクトルの可視部分のみを出力２０として向けるように、冷コーティングが用
いられてＵＶおよび赤外線が伝達され得る。次に、焦点合わせレンズ２１０によ
って、平行な出力２０が出力光ファイバ６０へのより小さなスポット７０へ集束
される。
【０００８】
図２は、軸上楕円リフレクタ照明システム３００の構成を示す。照明システム
３００は、光出力２０を向けるような楕円リフレクタ４０ｂを用いる。ランプ１
０の放出区域は楕円リフレクタ４０ｂの一方の焦点で光軸８０上に置かれ、出力
光ファイバ６０は楕円リフレクタ４０ｂの他方の焦点で光軸８０上に置かれる。
用途に応じて、楕円リフレクタ４０ｂの表面も上述のようにコーティングされ得
る。
３００は、光出力２０を向けるような楕円リフレクタ４０ｂを用いる。ランプ１
０の放出区域は楕円リフレクタ４０ｂの一方の焦点で光軸８０上に置かれ、出力
光ファイバ６０は楕円リフレクタ４０ｂの他方の焦点で光軸８０上に置かれる。
用途に応じて、楕円リフレクタ４０ｂの表面も上述のようにコーティングされ得
る。
【０００９】
図１および図２で示される公知の照明システム２００および３００の両者は、
以下のような共通の欠点を持つ。すなわち、それは、システムの倍率が１よりも
大きく、かつ倍率が角度とともに変化し、したがって出力焦点スポット７０の輝
度が減じられることである。
以下のような共通の欠点を持つ。すなわち、それは、システムの倍率が１よりも
大きく、かつ倍率が角度とともに変化し、したがって出力焦点スポット７０の輝
度が減じられることである。
【００１０】
図３は、公知の軸外れ（off-axis）照明システム４００を示し、ここでは１次
リフレクタ４０が放出区域を出力光ファイバ６０に約１の、かつすべての角度で
実質的に一定の倍率で結像させるため、焦点出力スポット７０での出力２０の輝
度が保たれる。したがって、軸外れ照明システム４００は、特に小さな面積(ete
ndue)で、同じランプ１０を備える上述のシステムよりもさらに高い出力を有す
る。
リフレクタ４０が放出区域を出力光ファイバ６０に約１の、かつすべての角度で
実質的に一定の倍率で結像させるため、焦点出力スポット７０での出力２０の輝
度が保たれる。したがって、軸外れ照明システム４００は、特に小さな面積(ete
ndue)で、同じランプ１０を備える上述のシステムよりもさらに高い出力を有す
る。
【００１１】
軸外れ照明システム４００では、図３で示されるようなリトロリフレクタ５０
を含むことによって、出力２０をさらに増大させることもできる。リトロリフレ
クタ５０は、１次鏡４０の反対側で放出された光を出力７０の方向に反射させる
。上述の軸上照明システム２００および３００でのリフレクタと同様に、軸外れ
照明システム４００でのリフレクタ４０および５０も特定の放射範囲を選択的に
伝達および反射できるようにコーティングされ得る。
を含むことによって、出力２０をさらに増大させることもできる。リトロリフレ
クタ５０は、１次鏡４０の反対側で放出された光を出力７０の方向に反射させる
。上述の軸上照明システム２００および３００でのリフレクタと同様に、軸外れ
照明システム４００でのリフレクタ４０および５０も特定の放射範囲を選択的に
伝達および反射できるようにコーティングされ得る。
【００１２】
光の視覚的な局面を理解するために、図４Ａは、色温度が５５００°Ｋである
典型的な黒体放射源の出力スペクトルを示す。例示されるスペクトルはまた直射
日光から測定された出力を示す。５５００°Ｋの黒体放射源の出力放射はすべて
の波長で同じわけではないが、演色評価数、すなわち、ある特定の照明が観察さ
れている(viewed)物体の元の色をどの程度保つかという尺度は、定義上では１０
０％である。
典型的な黒体放射源の出力スペクトルを示す。例示されるスペクトルはまた直射
日光から測定された出力を示す。５５００°Ｋの黒体放射源の出力放射はすべて
の波長で同じわけではないが、演色評価数、すなわち、ある特定の照明が観察さ
れている(viewed)物体の元の色をどの程度保つかという尺度は、定義上では１０
０％である。
【００１３】
図４Ｂは、パワーが可視スペクトル上で一定である白色光の出力スペクトルを
示す。図４Ｂで示される光源の色温度は５４５５°Ｋであると計算され、演色評
価数は９５．１１％である。このことは、このような光源で照らされる物体の色
は図４Ａの黒体放射が生成する標準的な光源と比較してわずかにずれている(off
)ことを意味する。これらの２つの点での、さらにはこれらに近い照明が優れた
照明であると考えられる。一般に、この領域内にある種々の照明は、５５００°
Ｋオーダの色温度と８５％を超えるＣＲＩとを有し、事実上どれがどれであるか
の区別がつけられない。
示す。図４Ｂで示される光源の色温度は５４５５°Ｋであると計算され、演色評
価数は９５．１１％である。このことは、このような光源で照らされる物体の色
は図４Ａの黒体放射が生成する標準的な光源と比較してわずかにずれている(off
)ことを意味する。これらの２つの点での、さらにはこれらに近い照明が優れた
照明であると考えられる。一般に、この領域内にある種々の照明は、５５００°
Ｋオーダの色温度と８５％を超えるＣＲＩとを有し、事実上どれがどれであるか
の区別がつけられない。
【００１４】
通常の種類のランプ１０は、キセノンアークランプである。それは、陽極およ
び陰極が高圧のキセノンガスによって充填された電球からなる。ランプがガスに
電流をかけて点火されると、アークは、優れた色温度および演色評価数を有し、
かつ可視スペクトル上でほぼ均一である出力で放射を放出するようになる。キセ
ノン電球の出力は白色光または太陽光線のそれに非常に近く、色温度は約６２０
０°Ｋ、色度座標はＸ＝０．３０、Ｙ＝０．３０、ＣＲＩは約０．９３である。
キセノンランプの出力特性は一般に非常に望ましいものだが、照明用にキセノン
ランプを用いることについての不利な点は、電力を光出力に変換する時の電球の
本来の効率性が低いこと、ならびにランプおよび付随の安定器が比較的高価なこ
とである。
び陰極が高圧のキセノンガスによって充填された電球からなる。ランプがガスに
電流をかけて点火されると、アークは、優れた色温度および演色評価数を有し、
かつ可視スペクトル上でほぼ均一である出力で放射を放出するようになる。キセ
ノン電球の出力は白色光または太陽光線のそれに非常に近く、色温度は約６２０
０°Ｋ、色度座標はＸ＝０．３０、Ｙ＝０．３０、ＣＲＩは約０．９３である。
キセノンランプの出力特性は一般に非常に望ましいものだが、照明用にキセノン
ランプを用いることについての不利な点は、電力を光出力に変換する時の電球の
本来の効率性が低いこと、ならびにランプおよび付随の安定器が比較的高価なこ
とである。
【００１５】
効率性がより高く、かつコストがより低い応用のために、メタルハロゲンラン
プが通常用いられる。ランプの効率性を上げるために、通常メタルハロゲン、水
銀、ナトリウム等の少量のドーパントが電球に導入される。これらの少量のドー
パントによって放出プロセスで付加的な遷移エネルギレベルが提供され、アーク
電球内で効率的な電子量子レベル遷移が生成されてより多くの光エネルギが生成
される。ドープされた電球の欠点は、余分な光がこれらのドーパント遷移のスペ
クトル特性をもたらすことである。特に、電球は、スペクトル内のスパイクとし
て出力に現われる、ある特定の波長に集中した光エネルギを放出する。典型的な
メタルハロゲン電球の出力スペクトルが図５で示される。このスペクトルと図４
Ａおよび図４Ｂのスペクトルとの間の主な差は、スパイク５００ｂおよび５００
ｇの存在である。図５のスペクトルでは、スペクトルの青領域に２つのスパイク
５００ｂが存在し、緑領域に２つのスパイク５００ｇが存在する。スパイクは事
実上、ある特定の波長で提供される余分な光であり、対応する色を優先的に強調
して照明される物体の元の色コンテント(color content)を歪ませる。この色の
歪みによって物体の見え方が変わる。たとえば、患者の外科手術中、この照明に
よって、赤みをおびた肉組織(flesh tissue)が青みをおびたように見えてしまう
おそれがある。このようなメタルハロゲンランプの対応する特性は通常、５２２
５°Ｋの範囲内の色温度と、図８で示されるＸ＝０．３４、Ｙ＝０．３６の近似
色度座標と、６８％付近のＣＲＩとを有する。
プが通常用いられる。ランプの効率性を上げるために、通常メタルハロゲン、水
銀、ナトリウム等の少量のドーパントが電球に導入される。これらの少量のドー
パントによって放出プロセスで付加的な遷移エネルギレベルが提供され、アーク
電球内で効率的な電子量子レベル遷移が生成されてより多くの光エネルギが生成
される。ドープされた電球の欠点は、余分な光がこれらのドーパント遷移のスペ
クトル特性をもたらすことである。特に、電球は、スペクトル内のスパイクとし
て出力に現われる、ある特定の波長に集中した光エネルギを放出する。典型的な
メタルハロゲン電球の出力スペクトルが図５で示される。このスペクトルと図４
Ａおよび図４Ｂのスペクトルとの間の主な差は、スパイク５００ｂおよび５００
ｇの存在である。図５のスペクトルでは、スペクトルの青領域に２つのスパイク
５００ｂが存在し、緑領域に２つのスパイク５００ｇが存在する。スパイクは事
実上、ある特定の波長で提供される余分な光であり、対応する色を優先的に強調
して照明される物体の元の色コンテント(color content)を歪ませる。この色の
歪みによって物体の見え方が変わる。たとえば、患者の外科手術中、この照明に
よって、赤みをおびた肉組織(flesh tissue)が青みをおびたように見えてしまう
おそれがある。このようなメタルハロゲンランプの対応する特性は通常、５２２
５°Ｋの範囲内の色温度と、図８で示されるＸ＝０．３４、Ｙ＝０．３６の近似
色度座標と、６８％付近のＣＲＩとを有する。
【００１６】
所望の色温度、色度、およびＣＲＩを有する十分な光エネルギを備えた光出力
を低いコストで達成するために、この発明は、ガスおよびドーパントで充填され
る光源１０と、アークランプから出力光ファイバへと光を結合させるためのシス
テムと、アークランプと出力光ファイバとの間に置かれる光フィルタ３０とを有
する、照明システム１００を提供する。
を低いコストで達成するために、この発明は、ガスおよびドーパントで充填され
る光源１０と、アークランプから出力光ファイバへと光を結合させるためのシス
テムと、アークランプと出力光ファイバとの間に置かれる光フィルタ３０とを有
する、照明システム１００を提供する。
【００１７】
図６は、この発明の実施例で用いられる例示的な光フィルタ３０の特性を示す
。フィルタは、種々の波長の光を伝達し、さらにはスパイク５００ｂおよび５０
０ｇに対応する減衰ピーク６００ｂおよび６００ｇで見られるように光エネルギ
を減衰してランプ１０のスペクトル出力を修正するように設計される。フィルタ
３０の基本的な機能は、スパイク５００ｂおよび５００ｇでの過剰なパワーを減
衰させ、残りのスペクトルでは最小の変化を維持することである。フィルタリン
グ後の図５のメタルハロゲンランプの出力のスペクトルが図７で示され、スパイ
ク５００ｂおよび５００ｇの減少が例示される。特に、フィルタ後のスパイク５
５０ｂおよび５５０ｇは元のスパイク５００ｂおよび５００ｇよりもずっと小さ
い。図８は、フィルタリング前およびフィルタリング後のランプ１０の出力の色
度を示す。フィルタリング後、色度は白色光（ＷＨＩＴＥ）点と黒体放射（ＳＯ
ＬＡＲ）点との間にある。図７のスペクトルから計算されるような演色評価数は
９０％を超える。
。フィルタは、種々の波長の光を伝達し、さらにはスパイク５００ｂおよび５０
０ｇに対応する減衰ピーク６００ｂおよび６００ｇで見られるように光エネルギ
を減衰してランプ１０のスペクトル出力を修正するように設計される。フィルタ
３０の基本的な機能は、スパイク５００ｂおよび５００ｇでの過剰なパワーを減
衰させ、残りのスペクトルでは最小の変化を維持することである。フィルタリン
グ後の図５のメタルハロゲンランプの出力のスペクトルが図７で示され、スパイ
ク５００ｂおよび５００ｇの減少が例示される。特に、フィルタ後のスパイク５
５０ｂおよび５５０ｇは元のスパイク５００ｂおよび５００ｇよりもずっと小さ
い。図８は、フィルタリング前およびフィルタリング後のランプ１０の出力の色
度を示す。フィルタリング後、色度は白色光（ＷＨＩＴＥ）点と黒体放射（ＳＯ
ＬＡＲ）点との間にある。図７のスペクトルから計算されるような演色評価数は
９０％を超える。
【００１８】
図９Ａは、青色および緑色波長のフィルタリングという点に関してフィルタ内
の減衰量を変えることによってフィルタの製造中に行なわれるＣＲＩの最適化を
示す。図９Ｂは色温度の最適化を示す。これらの最適化から、図６で示されるよ
うに、フィルタの所望の減衰曲線が決定され得る。
の減衰量を変えることによってフィルタの製造中に行なわれるＣＲＩの最適化を
示す。図９Ｂは色温度の最適化を示す。これらの最適化から、図６で示されるよ
うに、フィルタの所望の減衰曲線が決定され得る。
【００１９】
図１０は、この発明の好ましい実施例でのフィルタ付きの照明システム１００
を示す。この実施例では、光源１０は光軸８０から外れたところに置かれる。光
源１０として、ショートアーク２７０Ｗメタルハロゲンアークランプが用いられ
得る。光源１０は環状１次リフレクタ４０の焦点のうちの１つに置かれ、別の焦
点に出力焦点スポット７０が置かれる。出力を増大させるために、光源１０から
の出力光２０のうちのより多くの量がリフレクタ４０に向けられるように、リト
ロリフレクタ５０がランプ１０付近に、１次リフレクタ４０に対向する側に置か
れ得る。出力焦点スポット７０と１次リフレクタ鏡４０との間でフィルタ３０が
用いられて光源１０の出力２０のスペクトルが修正される。出力焦点スポット７
０では、溶融束が用いられて集束された光２０が焦点スポット７０から出力光フ
ァイバ６０に結合され得る。この事例で用いられる光ファイバ６０は好ましくは
、融解温度が低い１．５ｍｍのプラスチックファイバである。
を示す。この実施例では、光源１０は光軸８０から外れたところに置かれる。光
源１０として、ショートアーク２７０Ｗメタルハロゲンアークランプが用いられ
得る。光源１０は環状１次リフレクタ４０の焦点のうちの１つに置かれ、別の焦
点に出力焦点スポット７０が置かれる。出力を増大させるために、光源１０から
の出力光２０のうちのより多くの量がリフレクタ４０に向けられるように、リト
ロリフレクタ５０がランプ１０付近に、１次リフレクタ４０に対向する側に置か
れ得る。出力焦点スポット７０と１次リフレクタ鏡４０との間でフィルタ３０が
用いられて光源１０の出力２０のスペクトルが修正される。出力焦点スポット７
０では、溶融束が用いられて集束された光２０が焦点スポット７０から出力光フ
ァイバ６０に結合され得る。この事例で用いられる光ファイバ６０は好ましくは
、融解温度が低い１．５ｍｍのプラスチックファイバである。
【００２０】
多層誘電体コーティングを用いて作られるフィルタ３０では、フィルタリング
特性は入射角に依存し、小さな角度では漸進的な変化が生じ、より大きな角度で
は急峻な変化が生じる。ある実施例では、フィルタ３０はガラス基板の上部に多
層誘電体コーティングを有する。角度によるフィルタリング特性の変化は、放射
方向に変化する均一でない色として出力に現われる。「青方偏移(blue shift)」
として公知であるように、フィルタリング応答は、入射角が大きくなるにつれて
より短い波長へとシフトする。角度依存性は以下によっておおよそ示される。 Δλ／λ0＝（θi）2／２（ｎ*）2 式中、Δλは波長の変化であり、θiはラジアンでの入射角であり、ｎ*は誘電体
フィルタの有効屈折率であり、λ0は０度入射でのピーク応答波長である。した
がって、波長シフトは入射角と屈折率との２次関数である。
特性は入射角に依存し、小さな角度では漸進的な変化が生じ、より大きな角度で
は急峻な変化が生じる。ある実施例では、フィルタ３０はガラス基板の上部に多
層誘電体コーティングを有する。角度によるフィルタリング特性の変化は、放射
方向に変化する均一でない色として出力に現われる。「青方偏移(blue shift)」
として公知であるように、フィルタリング応答は、入射角が大きくなるにつれて
より短い波長へとシフトする。角度依存性は以下によっておおよそ示される。 Δλ／λ0＝（θi）2／２（ｎ*）2 式中、Δλは波長の変化であり、θiはラジアンでの入射角であり、ｎ*は誘電体
フィルタの有効屈折率であり、λ0は０度入射でのピーク応答波長である。した
がって、波長シフトは入射角と屈折率との２次関数である。
【００２１】
焦点からの距離Ｄにおける平坦な(flat)フィルタ３０では、θi、すなわちフ
ィルタ上の入射角は、θi＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Ｄ）であり、式中、Ｈは、図１
１で示されるように、光線の切片の高さである。
ィルタ上の入射角は、θi＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Ｄ）であり、式中、Ｈは、図１
１で示されるように、光線の切片の高さである。
【００２２】
収束光ビームでは、外側の高い入射角光線が波長内でシフトされ、結果として
ビーム断面上に色のばらつきが生じる。この問題に対する解決策は、図１１で示
されるような湾曲したフィルタ３０ａを使用することである。図１１は、丸い光
フィルタ３０ａを実現する代替のフィルタ付き照明システム１００ａを示す。
ビーム断面上に色のばらつきが生じる。この問題に対する解決策は、図１１で示
されるような湾曲したフィルタ３０ａを使用することである。図１１は、丸い光
フィルタ３０ａを実現する代替のフィルタ付き照明システム１００ａを示す。
【００２３】
Ｄに等しい曲率半径を備えた球状の湾曲した基板フィルタ３０ａでは、入射角
はすべての光線の切片の高さで０°である。残念ながら、高開口数収束ビームは
この条件を満たすためには大きく湾曲したフィルタ３０ａを必要とするので、湾
曲したフィルタ３０ａの曲率中心９０は一般に出力焦点スポット７０には存在し
ないことになる。これによって、堆積のためのコーティング角度が急であるため
に、均一なコーティングの製作が問題となる。より実際的な解決策は、角度補償
(angle compensation)およびコーティング堆積の均一性の要件とひきかえに、非
線形波長シフトを利用することである。半径Ｒ＞Ｄの基板を用いると、光線の高
さＨでの光の入射角の変化は以下によって示される。 θi＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／（Ｄ−ＳＡＧ））−ａｒｃｓｉｎ（Ｈ／Ｒ） 式中、ＳＡＧ＝（Ｒ−（Ｒ2−Ｈ2）1/2）であり、いかなる所与の光線の高さＨ
でも入射角が減じられる。ＲをＤの近くに設定する一方で、コーティング堆積の
ためにａｒｃｓｉｎ（Ｈ／Ｒ）＜３０°を保つことによって、大部分の波長シフ
トが除去され得る。
はすべての光線の切片の高さで０°である。残念ながら、高開口数収束ビームは
この条件を満たすためには大きく湾曲したフィルタ３０ａを必要とするので、湾
曲したフィルタ３０ａの曲率中心９０は一般に出力焦点スポット７０には存在し
ないことになる。これによって、堆積のためのコーティング角度が急であるため
に、均一なコーティングの製作が問題となる。より実際的な解決策は、角度補償
(angle compensation)およびコーティング堆積の均一性の要件とひきかえに、非
線形波長シフトを利用することである。半径Ｒ＞Ｄの基板を用いると、光線の高
さＨでの光の入射角の変化は以下によって示される。 θi＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／（Ｄ−ＳＡＧ））−ａｒｃｓｉｎ（Ｈ／Ｒ） 式中、ＳＡＧ＝（Ｒ−（Ｒ2−Ｈ2）1/2）であり、いかなる所与の光線の高さＨ
でも入射角が減じられる。ＲをＤの近くに設定する一方で、コーティング堆積の
ためにａｒｃｓｉｎ（Ｈ／Ｒ）＜３０°を保つことによって、大部分の波長シフ
トが除去され得る。
【００２４】
ＴｉＯ2およびＴａ2Ｏ2等のハイインデックスコーティング材料を選択するこ
とによってｎ*を最大にすることはまた、角度による波長シフトを最小にするよ
うに働く。このようなハイインデックス材料を用いることによって、角度の効果
を１／３以上も減じることができる。
とによってｎ*を最大にすることはまた、角度による波長シフトを最小にするよ
うに働く。このようなハイインデックス材料を用いることによって、角度の効果
を１／３以上も減じることができる。
【００２５】
高パワー応用では、溶融ファイバ束から作られたホモジナイザ７５を出力光フ
ァイバ６０の前の焦点スポット７０に置いてもよい。溶融ファイバ束を丸いクラ
ッディングされたロッドに置き換えることもできる。用途に応じて、複合的にク
ラッディングされたロッド、多角形断面を備えたロッド、および多角形断面を備
えた複合的にクラッディングされたロッドまたは溶融束をホモジナイザ７５とし
て用いて出力強度プロファイルを均質化することもできる。
ァイバ６０の前の焦点スポット７０に置いてもよい。溶融ファイバ束を丸いクラ
ッディングされたロッドに置き換えることもできる。用途に応じて、複合的にク
ラッディングされたロッド、多角形断面を備えたロッド、および多角形断面を備
えた複合的にクラッディングされたロッドまたは溶融束をホモジナイザ７５とし
て用いて出力強度プロファイルを均質化することもできる。
【００２６】
これらの構成要素に小さな入力端部からより大きな出力端部へと、またはその
逆に、テーパをつけることにより、出力がさらに改善され得る。テーパリングに
よって事実上面積が開口数の組合せへと変化させられ、したがって設計者が集束
された光の出力をある特定の光ファイバ６０により良く一致させることが可能と
なり、このようにしてシステムの最終的な全出力が増大する。
逆に、テーパをつけることにより、出力がさらに改善され得る。テーパリングに
よって事実上面積が開口数の組合せへと変化させられ、したがって設計者が集束
された光の出力をある特定の光ファイバ６０により良く一致させることが可能と
なり、このようにしてシステムの最終的な全出力が増大する。
【００２７】
別の応用では、出力光ファイバ６０はファイバ束または大きなコアファイバで
あり得る。ファイバ束は一般に、直径約３ｍｍおよび５ｍｍで入手可能である。
これらのサイズのファイバ束は、一般の照明、外科手術用ヘッドライト、および
内視鏡照明のために用いられる。大きなコアファイバは、直径約３ｍｍから直径
で最大約１８ｍｍの範囲にあり得る。より小さなサイズでは、大きなコアファイ
バはファイバ束と同様の照明で用いられる。より大きなサイズでは、大きなコア
ファイバは、光がファイバ側からその長さに沿って外へと拡散される装飾用ライ
ティングで用いられる。
あり得る。ファイバ束は一般に、直径約３ｍｍおよび５ｍｍで入手可能である。
これらのサイズのファイバ束は、一般の照明、外科手術用ヘッドライト、および
内視鏡照明のために用いられる。大きなコアファイバは、直径約３ｍｍから直径
で最大約１８ｍｍの範囲にあり得る。より小さなサイズでは、大きなコアファイ
バはファイバ束と同様の照明で用いられる。より大きなサイズでは、大きなコア
ファイバは、光がファイバ側からその長さに沿って外へと拡散される装飾用ライ
ティングで用いられる。
【００２８】
上述の実施例は光学結合システムの一部ではないフィルタからなるが、同じ効
果をもたらす適切な誘電体層を用いて１次リフレクタをコーティングすることに
よって同じフィルタリング方式が実現され得る。これらの事例では、フィルタリ
ング機能は、図１の放物面リフレクタ４０ａ、図２の楕円リフレクタ４０ｂ、お
よび図３の１次鏡４０におけるコーティングと統合される。
果をもたらす適切な誘電体層を用いて１次リフレクタをコーティングすることに
よって同じフィルタリング方式が実現され得る。これらの事例では、フィルタリ
ング機能は、図１の放物面リフレクタ４０ａ、図２の楕円リフレクタ４０ｂ、お
よび図３の１次鏡４０におけるコーティングと統合される。
【００２９】
ここでかなりの詳細にわたり例示され説明されているが、この発明は、請求項
が必要とし得るようなものを除き、述べられてきたような詳細事項に限定されて
いるわけではない。この発明はこのように説明されてきたが、この発明の実施例
はこの発明の思想および範囲から逸脱することなしに多くの方法で変更または変
形され得ることが当業者にとって明らかだろう。したがって、このような変形の
すべてが前掲の請求項の範囲内に含まれると意図される。
が必要とし得るようなものを除き、述べられてきたような詳細事項に限定されて
いるわけではない。この発明はこのように説明されてきたが、この発明の実施例
はこの発明の思想および範囲から逸脱することなしに多くの方法で変更または変
形され得ることが当業者にとって明らかだろう。したがって、このような変形の
すべてが前掲の請求項の範囲内に含まれると意図される。
【図１】 放物面リフレクタを備える公知の光ファイバ照明器の概略図であ
る。
る。
【図２】 楕円リフレクタを備える公知の光ファイバ照明器の概略図である
。
。
【図３】 軸外れ環状リフレクタを備える公知の光ファイバ照明器の概略図
である。
である。
【図４Ａ】 色温度が５５００°Ｋである典型的な太陽の黒体放射のスペク
トルを示す図である。
トルを示す図である。
【図４Ｂ】 均一な出力パワーを備えた白色光源のスペクトルを示す図であ
る。
る。
【図５】 典型的なメタルハロゲンランプの出力スペクトルを示す図である
。
。
【図６】 この発明の実施例に従った光ファイバのスペクトル透過率を示す
図である。
図である。
【図７】 図６の光フィルタを用いてフィルタリングした後の図５のメタル
ハロゲンランプの出力スペクトルを示す図である。
ハロゲンランプの出力スペクトルを示す図である。
【図８】 太陽光線（ＳＯＬＡＲ）と、白色光（ＷＨＩＴＥ）と、メタルハ
ロゲンランプ（ＭＨ）と、フィルタリング後のメタルハロゲンランプ（ＦＭＨ）
との座標を示す相関色温度および色度座標を示すグラフである。
ロゲンランプ（ＭＨ）と、フィルタリング後のメタルハロゲンランプ（ＦＭＨ）
との座標を示す相関色温度および色度座標を示すグラフである。
【図９Ａ】 長波長ノッチ反射率に対するＣＲＩの関係を示すグラフである
。
。
【図９Ｂ】 長波長ノッチ反射率に対する色温度の関係を示すグラフである
。
。
【図１０】 この発明の実施例に従った平坦な光フィルタを備える軸外れ照
明器の概略図である。
明器の概略図である。
【図１１】 この発明の実施例に従った湾曲したフィルタを備える軸外れ照
明器の概略図である。
明器の概略図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｇ０２Ｂ 6/42 Ｆ２１Ｙ 101:00
// Ｆ２１Ｙ 101:00 Ｆ２１Ｓ 1/00 Ｆ
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ
，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，
ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ
Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ
，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，
ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，
ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ
Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ
，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，
ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ
Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ
，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，
ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ
Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ
，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，
ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
Claims (27)
- 【請求項１】 光ファイバ照明システムであって、 ガスおよびドーパントで充填されるアークランプを含み、前記アークランプは
、前記ドーパントの特性であるスパイクがあるスペクトルを有する光を放出し、
前記システムはさらに、 前記アークランプからの光を出力光ファイバシステムに結合するための光学シ
ステムと、 前記アークランプが放出する前記光の前記スペクトルが修正されて白色光のそ
れに実質的に等しい色度および演色評価数が提供されるように、前記アークラン
プと前記出力光ファイバシステムとの間に置かれるフィルタ装置とを含む、光フ
ァイバ照明システム。 - 【請求項２】 前記ドーパントはメタルハロゲンまたは水銀からなる群より
選択される、請求項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項３】 前記ガスはキセノンである、請求項１に記載の光ファイバ照
明システム。 - 【請求項４】 前記光学システムは軸外れリフレクタシステムである、請求
項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項５】 前記光学システムは軸上リフレクタシステムである、請求項
１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項６】 前記出力光ファイバシステムは単一のファイバである、請求
項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項７】 前記出力光ファイバシステムはファイバ束である、請求項１
に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項８】 前記フィルタ装置は、前記スペクトル内の前記スパイクが減
じられるように、１つ以上のフィルタからなる、請求項１に記載の光ファイバ照
明システム。 - 【請求項９】 前記フィルタ装置は湾曲した基板上のフィルタである、請求
項１に記載の光ファイバ照明。 - 【請求項１０】 前記フィルタ装置は平坦な基板上のフィルタである、請求
項１に記載の光ファイバ照明。 - 【請求項１１】 前記湾曲した基板は、前記基板と前記出力光ファイバシス
テムとの間の距離よりも大きな曲率半径を有する、請求項９に記載の光ファイバ
照明。 - 【請求項１２】 前記フィルタ装置は結合のための前記光学システムの一部
である、請求項１に記載の光ファイバ照明。 - 【請求項１３】 前記色度はＸ＝０．３３およびＹ＝０．３３に実質的に等
しい座標を有する、請求項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項１４】 前記演色評価数は０．８５から１．００の間の範囲内にあ
る、請求項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項１５】 前記光学システムと前記出力光ファイバシステムとの間に
置かれた、入力端部および出力端部を備えるホモジナイザをさらに含み、前記入
力端部は、前記出力端部での強度プロファイルが前記入力端部よりもより均一に
なるように、前記光学システムから光を受取り光を前記出力端部から前記出力光
ファイバシステムへと結合する、請求項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項１６】 前記ホモジナイザは、溶融ファイバ束、クラッディングさ
れたロッド、テーパをつけられた溶融束、およびテーパをつけられたクラッディ
ングされたロッドからなる群より選ばれる、請求項１５に記載の光ファイバ照明
システム。 - 【請求項１７】 請求項１に記載の光ファイバ照明システムであって、 前記ランプは、スパイクをそのスペクトル内に備える光を放出するメタルハロ
ゲンアークランプであり、前記システムはさらに、 出力ターゲットを含み、前記出力ターゲットは前記光ファイバシステムを含む
少なくとも１つのファイバを含み、 前記光学システムは、前記メタルハロゲンアークランプからの光を前記出力タ
ーゲットに結合するための軸外れリフレクタシステムを含み、前記軸外れリフレ
クタシステムは実質的にすべてのＵＶおよび赤外線をフィルタして除外し、 前記フィルタ装置は、前記メタルハロゲンアークランプの前記スペクトル内の
前記スパイクが減じられ、さらには前記出力ターゲットでの光の色度が約０．３
０から約０．３５の範囲内のＸ値と約０．３０から約０．３５の範囲内のＹ値と
を有し、演色評価数が約０．８５から約１．００の範囲内にくるように、前記軸
外れリフレクタシステムと前記出力ターゲットとの間に置かれるフィルタを含む
、請求項１に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項１８】 前記フィルタはガラス基板の上部に多層誘電体コーティン
グを有する、請求項１７に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項１９】 前記ガラス基板は湾曲している、請求項１８に記載の光フ
ァイバ照明システム。 - 【請求項２０】 前記ターゲットは出力光ファイバである、請求項１７に記
載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項２１】 前記ターゲットはホモジナイザと出力光ファイバとを含む
、請求項１７に記載の光ファイバ照明システム。 - 【請求項２２】 前記ホモジナイザは、溶融ファイバ束、クラッディングさ
れたロッド、テーパをつけられた溶融束、およびテーパをつけられたクラッディ
ングされたロッドからなる群より選ばれる、請求項２１に記載の光ファイバ照明
システム。 - 【請求項２３】 請求項１に記載の光ファイバ照明システムであって、 前記ランプは、スパイクをそのスペクトル内に備える光を放出するメタルハロ
ゲンアークランプであり、前記システムはさらに、 出力ターゲットを含み、前記出力ターゲットは前記光ファイバシステムを含む
少なくとも１つのファイバを含み、 前記光学システムは前記メタルハロゲンアークランプからの光を前記出力ター
ゲットに結合するためのリフレクタシステムを含み、前記リフレクタシステムは
、前記出力ターゲットでの光の色度が約０．３０から約０．３５の範囲内のＸ値
と約０．３０から約０．３５の範囲内のＹ値とを有し、さらには演色評価数が約
０．８５から約１．００の範囲内にくるように、実質的にすべてのＵＶと赤外線
とそのスペクトル内の前記スパイクとをフィルタして除外する、請求項１に記載
の光ファイバ照明システム。 - 【請求項２４】 前記リフレクタシステムは軸外れ凹面リフレクタである、
請求項２３に記載の光ファイバ照明器システム。 - 【請求項２５】 前記リフレクタシステムは軸上放物面リフレクタである、
請求項２３に記載の光ファイバ照明器システム。 - 【請求項２６】 前記リフレクタシステムは軸上楕円リフレクタである、請
求項２３に記載の光ファイバ照明器システム。 - 【請求項２７】 請求項１に従った光ファイバ照明システム内で色を補正す
るための方法であって、 ガスおよびドーパントで充填されたアークランプを提供するステップを含み、
前記アークランプは前記ドーパントの特性であるスパイクがあるスペクトルを有
する光を放出し、前記方法はさらに、 前記アークランプからの光を出力光ファイバシステムに結合するための光学シ
ステムを提供するステップと、 前記アークランプが放出する前記光の前記スペクトルが修正されて白色光のそ
れに実質的に等しい色度および演色評価数が提供されるように、前記アークラン
プと前記出力光ファイバシステムとの間に位置付けられるフィルタ装置を提供す
るステップとを含む、方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/466,136 | 1999-12-21 | ||
| US09/466,136 US6494606B1 (en) | 1999-12-21 | 1999-12-21 | Color correction for fiber optic illumination systems |
| PCT/US2000/033512 WO2001046617A1 (en) | 1999-12-21 | 2000-12-12 | Color correction for fiber optic illumination systems |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001547489A Pending JP2003518323A (ja) | 1999-12-21 | 2000-12-12 | 光ファイバ照明システムのための色補正 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1242771A1 (ja) |
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| KR (1) | KR20020070358A (ja) |
| CN (1) | CN1409808A (ja) |
| AU (1) | AU2083401A (ja) |
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| MX (1) | MXPA02006042A (ja) |
| WO (1) | WO2001046617A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| WO2014038289A1 (ja) * | 2012-09-05 | 2014-03-13 | 山下電装株式会社 | ソーラシミュレータ |
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