JP2006228694A - 複数ｌｅｄ光源集光構造 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の超高輝度ＬＥＤの光の拡散を制御して狭い範囲に正確に光を集中して強力な照度を得ること、及び発熱による性能劣化起こさないための冷却構造を単純な構造により低コストで実現すること。
【解決手段】金属塊などの固体塊に、作動距離の一点で交わるような角度にシリンダー状の穴を掘削してそこに指向性を制御する光学系を設け、さらに金属塊の高い熱伝導率を利用して強制空冷のための機構を設けた。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

発明が属する技術分野

本発明は、光硬化樹脂の硬化用光源、光学顕微鏡のスポット照明装置、あるいは実体顕微鏡用のリング照明装置、警察や消防などでの捜査や現場検証での照明装置等、光照射照明装置に関するものである。

従来光硬樹脂の硬化用光源として、また実体顕微鏡の蛍光励起用光源として水銀ランプなどの強力な放電ランプが使用されていた。

光硬化樹脂の硬化用光源の場合も、蛍光励起用光源の場合も、ある特定の狭い波長の光に対してのみ反応するため、全出力波長の内バンドパスフィルターにより必要な波長のみを選択し対象に照射し、残りの波長はすべて捨てていたため出力の割に使用する電力が大きく発熱量も非常に大きかった。

ＣＤやＤＶＤのピックアップに使われるマイクロレンズの接着には、多くの場合ＵＶ硬化接着剤が使用されるが、熱の発生は取付け精度に大きく影響があり、大きな問題となっていた。

蛍光励起用光源の場合でも、熱の発生は検体に変性を与える可能性があり、発熱の少ない光源が求められていた。

一方ＬＥＤは、単色の狭い波長で発光する光源であることが知られているが、単体では水銀ランプなどに比べ光量が少ないという難点があった。

実体顕微鏡用などの光源として、複数個の砲弾型ＬＥＤをリング状又はドーム状に並べ、ある作動距離で集光する照明装置が存在した。

実体顕微鏡用照明装置やＣＣＤカメラ用のリング照明として広い視野で満遍なく照射すればよい場合などでは一定の効果が認められているが、ＬＥＤの指向性に依存しており狭い範囲に集中集光して高輝度の照明装置とすることは難しく、光硬化樹脂用などの光源や蛍光励起用光源としては充分な光量が得られていなかった。

近年、従来の砲弾型ＬＥＤに比べ格段に高出力のチップ型ＬＥＤが開発されたが、その多くは砲弾型のような指向性を狭めるためのレンズが付加されていないため、そのままでは光の拡散が大きく高い照度を有効に利用することが出来なかった。

リング又はドーム型などの複数個の光源素子を並べて集光する装置において、チップ型ＬＥＤを採用してより狭い範囲に光を集中するためには、ＬＥＤの１つ１つに指向性を制御するための光学系を付加することが必要だが、正確に作動距離の一点に集中させるためには各々の光軸の角度を調整する機構が別途必要で構造が複雑となり、結果として製品のコストを高くしてしまうという問題がある。

また、チップ型ＬＥＤ素子は複数の素子を狭い基板上に配置して高出力を得るようにしているため、ＬＥＤとは言え発熱量が多く複数個を並べると発熱のため出力そのものが下がるという問題も生じている。

発明が解決しようとする課題

本発明は、リング又はドーム型など複数個の光源素子を並べて集光する装置における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）複数の超高輝度チップ型ＬＥＤの光の拡散を制御してより狭い範囲に光を集中し強力な照度を得ること。
（２）光を制御する光学系の光軸のコントロールを単純な構造で実現すること。
（３）ＬＥＤからの発熱を冷却する構造も単純化してよりコンパクトな装置とすること。
（４）熱の発生が水銀ランプなどの光源に比べ格段に低く、光硬化樹脂用、及び顕微鏡蛍光観察などにおける励起用光源としても充分強力な照明装置を得ること。

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、複数光源素子の光軸を一点に集中する手段として、金属塊やセラミック塊などの耐熱性固体塊にハニカム形状（後述のドーム型照明の場合）ないしリボルバー形状（後述のリング照明の場合）にシリンダー穴を掘削し、シリンダーの中心軸が適切な作動距離の一点で交わるような角度に掘削することによりＬＥＤ取付け位置と角度を正確にならしめる構造を構築した。

また、発光素子の指向性を制御するために、各シリンダー孔の適切な位置に指向性調整レンズを設置した。

金属塊などで作られたシリンダーの熱伝導率が高いことを利用して、冷却フィン構造を設けることにより発熱部の表面積を大きくして冷却効果を高め、さらに金属塊中に冷却用の穴を複数掘削してファンによる強制冷却の空気を通わせ、熱の上昇を抑えた。

シリンダー内のＬＥＤ設置部に水平方向（光軸に対して直角）に多少取り付け位置的自由度を持たせて光軸の微調整が出来るようにした。

必要な照野面積と作動距離を得るために、必要な光学系を設置できる長さのシリンダー孔を開けられる厚さであり必要なＬＥＤの数を配置できる面積を持つ金属塊に、光軸となるシリンダー孔の中心軸が想定した作動距離で一点に集まる角度にシリンダー孔を掘削する。

あけられたシリンダーの一端に光源のＬＥＤを設置して、その直前に設置された一次集光レンズとシリンダーの先端に設置された二次集光レンズにより光の広がりを調整し、想定した作動距離で必要な照野面積になるようする。

シリンダー孔の一端にはＬＥＤを設置する構造を設けるが、その際各ＬＥＤは水平方向に多少の自由度を持たせ可動にして光軸の微調整を可能にする。

金属塊は外周の鏡筒の構造と密着させて熱を伝えやすくし、さらに外周の鏡筒には冷却フィン構造を設けて表面積を増やして冷却効果を高める。

金属塊のシリンダー孔が開けられている部分とは別に冷却用の空気孔を開けておき、マイクロモーターファンを用いて強制冷却を行う。

実施例を図面により説明すると、図１は、ハニカム形状ドームタイプの基本的な構造であり、金属塊（１）に対し、中心軸が集光範囲（７）の中心で交差する角度に複数のシリンダー孔（２）が掘削される。

光源となる指向角の広いチップタイプのＬＥＤ（４）は、ＬＥＤの直前に設置された集光レンズＡ（５）とシリンダー孔の先端に設置された集光レンズＢ（６）により指向角を調整され、集光範囲（７）において想定された照野範囲で集光され重複照射される。

光源のチップタイプＬＥＤは発熱により出力が落ちることがあるが、金属塊自体の熱伝導率の高さと装置外周に設けられた冷却フィン構造（８）、さらに装置の後方に設置された空冷マイクロモーターファン（１０）がシリンダー孔の合間に開けられた通気孔（３）を通して外部から空気を吸引して強制冷却され、高い出力が維持される。

ＬＥＤの設置する構造には水平方向に多少の自由度があり、わずかに設置位置をずらすことで光軸の調整を容易に行うことが出来る。

図２はハニカム形状にシリンダー孔が掘削されたドームタイプ（Ａドームタイプ）とリボルバー形状のリングタイプ（Ｂリングタイプ）を表したものである。

Ａのドームタイプは。一定のサイズの中でより多くのＬＥＤを配置するため効率的なハニカム状にシリンダー孔（１２）を掘削したタイプでありすでに述べてきたとおりである。

Ｂのリングタイプは、中心部を貫通する空洞を空けてリボルバー形状にシリンダー孔（１２）を配置し、実体顕微鏡や撮像装置などへの取り付けを可能にしたタイプであり、金属塊にシリンダーを掘削して指向角を調整するためのレンズ（１５）を配置する点や、熱交換のための空冷モーターファンの設置及び通気孔（１３）の配置はドームタイプと同様に設備される。

本発明は、その実施例においてチップ型ＬＥＤを光源として採用する事を前提として述べてきたが、当然砲弾型ＬＥＤも指向性をより狭める必要がある場合にもそのまま応用できるし、またＥＬ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。

本発明は、特許文献１に記載された発明、集光照明装置の後玉への一次集光機構としても応用できる。

特開２００１−１８８１７４公報

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。

複数の超高輝度チップ型ＬＥＤの光の拡散を制御し、より狭い範囲に光を集中し強力な照度を得ることが出来る。

光を制御する光学系の光軸のコントロールは、シリンダーの掘削角度で決められるため単純で強靭な構造で実現することが出来るだけでなく、ＬＥＤの取付け位置の調整で容易に光軸の微調整が可能である。

チップ型のＬＥＤの問題点である広い指向性を制御し、必要な照射範囲に集光するためにはレンズによる光学系の設置が不可欠であるが、シリンダーの構造上レンズの設置が容易で、構造によるコストも大幅に削減することが期待できる。

光源のチップタイプＬＥＤは、発熱により出力が落ちることがあるが、金属塊の熱伝導率の高さを利用した放熱機構を容易に組み込めて、ＬＥＤの持つ能力を高いレベルで長時間持続することが出来る。

複数のＬＥＤからの光を効率的に集光することにより、水銀ランプなどの放電管を光源に持つ光源に劣らない高照度を実現することが出来る。

ＬＥＤは単色発光のため、必要な波長を得るのに無駄なエネルギーを消費しないため、放電管を光源に持つ光源に比べ発熱も格段に少なく、消費電力も低くする事ができるため経済的に有利なだけでなく、環境問題にも大きな役割を果たすことが出来る。

ＣＤやＤＶＤのピックアップに使われるマイクロレンズの取付けで、ＵＶ硬化接着剤の使用頻度が高まっているが、水銀ランプなどの放電管照明に比べて発熱による狂いなどが生じないため、精度の高い接着が可能となる。

また、紫外線ＬＥＤや青色ＬＥＤなどの単色ＬＥＤの使用により、赤外線による検体の損傷を生じない実体顕微鏡の蛍光励起用照明装置としても有用である。

例えばピーク波長４７０ｎｍ青色ＬＥＤは、警察鑑識などで使われるＢＢＤなどの蛍光剤に対する青色励起用の光源としては理想的であるし、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ばかりでなく、水銀ランプのような放電管式の光源に比べて光の成分中にも熱線である赤外線をまったく持たないため、検体を熱で変性する心配をすることがなく使用できる光源となる。

ＬＥＤの発光材料と各発光スペクトル分布を表１（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２（Ｏｒｉｇｉｎｓ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｆｅｗｄｅｒｉｃｋ Ｈ．Ｋａｓｔｅｎより抜粋）に示す。

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、複数のＬＥＤなどの発光素子の光束をコントロールして強力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。

金属塊に対し、作動距離の一点で交差する角度に掘削された複数のシリンダーとそこに設置された、チップ型ＬＥＤ、及び指向性の制御のためのレンズ光学系、さらに冷却構造を示した本発明の基本構造を示した図である。 ハニカム形状のドームタイプとリボルバー形状のリングタイプを表した図である。

符号の説明

１、１１、金属塊
２、１２、シリンダー孔
３、１３、空冷用通気孔
４、光源ＬＥＤ
５、１５、指向性制御用一次レンズ
６、指向性制御用、再集光レンズ
７、照野（スポット範囲）
８、冷却用フィン機構
９、配線基盤等、電源部
１０、空気冷却用マイクロファン
Ａ、ハニカム形状ドーム照明タイプ装置
Ｂ、リボルバー形状のリングタイプ照明装置

Claims (2)

1. チップ型ＬＥＤなど指向性の広い発光素子を光源とする照明装置において、複数の光源素子の光軸を一点に集中する手段として、金属塊などの耐熱性固体塊にハニカム形状ないしリボルバー形状に穴を掘削してシリンダー孔とし、各シリンダー孔の中心軸が設定された作動距離の一点で交わるような角度を持たせることにより、ＬＥＤ取付け位置と光軸角度を正確にならしめることを特長としたＬＥＤ取付け構造。
2. 請求項１のＬＥＤ取付け構造において、シリンダー孔の適切な位置にＬＥＤの指向性を調整するレンズを設置することを特徴とする集光照明装置の構造。

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