JP2008166499A

JP2008166499A - 光照射ユニット

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Publication number: JP2008166499A
Application number: JP2006354527A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Nakada; 重範仲田
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP5157166B2

Abstract

【課題】ＬＥＤパッケージを複数並べて配置するとき、出射する光の輝度を向上させる。
【解決手段】発光ダイオードのチップ１を内蔵する発光ダイオードパッケージ２を複数配列した光照射ユニットにおいて、複数の発光ダイオードパッケージ２の光出射側に、光透過性の平行平板４を傾けて配置したことを特徴とする光照射ユニットである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発光ダイオードパッケージを備えた光照射ユニットに係わり、特に、発光ダイオードパッケージから出射する光の輝度を向上させる構造を備えた光照射ユニットに関する。

従来、紫外線照射装置から出射される、３６５ｎｍを中心とした波長３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の紫外線を、この波長に感度を有する接着剤、塗料、インク、レジスト等に照射して、硬化または乾燥、または逆に、溶融または軟化させるなど、さまざまな処理が行われている。
このような光処理には、光ディスク用のピックアップレンズの接着や、電子部品の基板への接着などのように、小さな領域に光を照射する場合がある。このような光を照射する場合、紫外線を光ファイバを多数束ねて構成した導光ファイバで導いたり、集光レンズで集光したりして、スポット状の紫外線にして微小域に照射している。
このような紫外線を放射する光源としては、従来はキセノンランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが使用されてきた。

しかし、最近は、例えば、非特許文献１に示されるように、紫外線を高出力で放射する発光材料を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）が開発されてきており、このような紫外線を放射するＬＥＤ（以下、ＵＶ−ＬＥＤと呼ぶ）を光源として用いた紫外線照射装置が提案され始めている。
紫外線を放射するＬＥＤは、基本的には特許文献１の図１や図３に示されるように、紫外線を発光するダイオードのチップが、箱体内にパッケージされた構造を有している。また、同公報の図５に示されるように、光の利用効率を高めるために、箱体から光が出射される部分に集光レンズが設けられている。
特開２００３−１９７９７４号公報ＮＩＫＫＥＩＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ２００２．１０．２１ｐ２８〜ｐ２９ＯｐｌｕｓＥＶｏｌ．２６、Ｎｏ．３ｐ２８３〜ｐ２８５

上記した光処理を短時間で行う場合、高い照度と高い出力（放射束〉が必要とされる。高い照度は処理時間を短縮するために必要であり、高い出力は、必要とする面積全体、例えば、光硬化型の接着剤が塗布されている領域に、必要とするパワーを短時間で供給するために必要である。
高い照度を得るためには、光源の輝度が高くなければならない。ここで、輝度Ｂ、放射束（出力）Ｆ、光源の面積Ｓ、発散角度ωとするとき、次のような関係がある。
Ｂ∝Ｆ／（Ｓ・ω）
また、円板状光源の場合、照度Ｅ、光源の視角（半角）θとするとき、次のような関係がある。
Ｅ＝πＢｓｉｎ^２θ
紫外線を放射するＵＶ−ＬＥＤチップは、輝度Ｂが高く、例えば、φ２ｍｍといった狭い範囲においては高い照度Ｅが得られる。しかし、現在のところ１個の出力（放射束）Ｆはまだ小さく、例えば、φ１０ｍｍ以上の範囲に対して光を照射するには、出力Ｆが不足する。
そのため、光処理用の光源として使用する場合は、ＬＥＤパッケージを複数並べて配置し、出力（放射束）Ｆを高くすることが考えられる。

ＬＥＤパッケージを複数並べて配置すると、放射束（出力）Ｆは高くなる。しかし、発光しているのはＬＥＤパッケージの中のＬＥＤチップの部分のみであり、ＬＥＤチップはパッケージ中に収納されているので、パッケージの幅以下にＬＥＤチップ同士を接近させることができない。そのため、発光しているＬＥＤチップとＬＥＤチップとの間には、発光していない部分が生じる。光源の面積Ｓは、発光していない部分も含めたＬＥＤパッケージを並べた領域全体に広がるので、上記式から示されるように、光源全体としての輝度Ｂが低下する。輝度Ｂが低下すると、照射領域での照度Ｅが低下する。ＬＥＤパッケージが１個の場合では、必要とされる照度Ｅが得られていたとしても、複数のＬＥＤパッケージを配置すると、光源の面積Ｓが拡がることによる輝度Ｂの低下が原因で、むしろ照度Ｅが不足する。
本発明の目的は、ＬＥＤパッケージを複数並べて配置するとき、出射する光の輝度を向上させる構造を備えた光照射ユニットを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次に示すような手段を採用した。
第１の手段は、発光ダイオードのチップを内蔵する発光ダイオードパッケージを複数配列した光照射ユニットにおいて、前記複数の発光ダイオードパッケージの光出射側に、光透過性の平行平板を傾けて配置したことを特徴とする光照射ユニットである。

本発明によれば、発光ダイオードのチップを内蔵する発光ダイオードパッケージを複数配列した光照射ユニットにおいて、前記複数の発光ダイオードパッケージの光出射側に、光透過性の平行平板を傾けて配置したので、平行平板が、ＬＥＤチップから放射される光を、並べて配置したＬＥＤパッケージの幅以下に接近されるので、光源の面積を小さくすることができ、従来に比べて輝度を高くすることができる。

本発明の第１の実施形態を図１および図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図であり、図１（ａ）は光照射ユニットの平面図、図１（ｂ）は光照射ユニットの正面図、図１（ｃ）は光照射ユニットの斜視図である。
これらの図において、１は１ｍｍ角程度の大きさを有し、光を放射する発光ダイオードからなるＬＥＤチップ、２はＬＥＤパッケージ、３は集光レンズ、４は光透過性の平行平板である。
なお、通常、ＬＥＤ素子というと、発光体である発光ダイオードのチップを指す場合もあるし、発光ダイオードのチップをパッケージした箱体を指す場合もある。ここでは、両者を区別するため、発光体自体、即ち、発光ダイオードのチップのことをＬＥＤチップと呼び、ＬＥＤチップをパッケージした箱体構造物をＬＥＤパッケージと呼ぶ。また、ＬＥＤチップ１から放射される光が紫外線の場合、平行平板４の材質は、紫外線の透過率が高い石英を用いることが望ましい。

これらの図に示すように、ＬＥＤパッケージ２は、ＬＥＤチップ１を内蔵する箱体であり、箱体の容器は金属製で、ＬＥＤチップ１からの光が出射する光出射口が設けられている。光出射口には集光レンズ３が取り付けられており、集光レンズ３によりＬＥＤチップ１から放射された光を取り込んで一方向に集光して出射する。本実施形態においては、ＬＥＤパッケージ２は、同一平面に２個接近して並べられており、ＬＥＤパッケージ２の光出射側には、それぞれのＬＥＤパッケージ２に対応して、２枚の光透過性の平行平板４が配置されている。平行平板４は、２個のＬＥＤパッケージ２から出射した光の光路が、互いに近づくように、並んだ２個のＬＥＤパッケージ２の内側（中心部側）に傾けて設けられている。即ち、２枚の平行平板４は、２個のＬＥＤパッケージ２が接する部分（境界線）の上で、Ｖ字状に組み合わされて構成されている。
図１（ｂ）において、空気の屈折率ｎ＝１、平行平板４の屈折率ｎ＝１．５、平行平板４に入射する光の入射角θ１＝６０°、平行平板４に入射した光の屈折角θ２＝３５．３°のとき、ＬＥＤパッケージ２から出射した光は平行平板４を透過後、隣接するＬＥＤパッケージ２側にｘ＝１．２８ｍｍシフトして出射していることを示している。

以下に、平行平板４を傾けて配置することにより、本発明を適用しない場合に比べて、輝度を高くすることができる理由を図２を用いて説明する。
図２（ａ）はシフトする距離ｘを算出するための説明図、図２（ｂ）は光照射ユニットの正面図、図２（ｃ）は光照射ユニットの側面図、図２（ｄ）は光照射ユニットを上から見て、光源発光部が中心部に接近する状況を説明するための図である。
図２（ａ）に示すように、斜めに配置された透過性の平行平板４に入射した光は、平行平板４の屈折率の大きさに応じて透過後、出射した光の光軸はシフトする。以下に、シフトする距離をｘを求める。平行平板４の厚さをｄ、平行平板４に入射した光の通過する距離をＬ、平行平板４に入射する光の入射角をθ１、平行平板４に入射した光の屈折角をθ２、平行平板４に入射したために変化した光の角度をθ３としたとき、
θ１＝θ２＋θ３、ｄ＝Ｌｃｏｓθ２、ｘ＝Ｌｓｉｎθ３の関係が成り立ち、Ｌ＝ｄ／ｃｏｓθ２、θ３＝θ１−θ２となるので、光軸がシフトする距離ｘ＝（ｄ／ｃｏｓθ２）×ｓｉｎ（θ１−θ２）＝ｓｉｎ（θ１−θ２）ｄ／ｃｏｓθ２で表すことができる。

例えば、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、屈折率ｎ＝１．５ｍｍ、厚みｄ＝２．５ｍｍの透過性の平行平板４を水平面に対して６０°傾けて配置した場合、ＬＥＤパッケージ２から出射する光の光軸は、並べて配置した２個のＬＥＤパッケージ２の中心部側に約１．２８ｍｍシフトする。
即ち、従来の光照射ユニットのように、平行平板を用いない場合、ＬＥＤパッケージ２のサイズが７ｍｍ角、集光レンズ３の外形をφ５、ＬＥＤチップ１からの光が並べたＬＥＤパッケージ２の間に一様に広がっているとすると、光源の大きさは、ＬＥＤパッケージ２を並べた方向（横方向）の長さは２．５ｍｍ＋７ｍｍ＋２．５ｍｍ＝１２ｍｍとなり、それと直交する方向（縦方向）の長さは５ｍｍとなり、光源の面積は６０ｍｍ^２になる。
一方、図２（ｄ）に示すように、平行平板４を用い、光軸を内側に１．２８ｍｍシフトさせた場合、平行平板４を通過後の光源の大きさは、横方向の長さが１２ｍｍ−（１．２８ｍｍ×２）＝９．４４ｍｍとなり、縦方向の長さには変化がないが、光源の面積は４７．２ｍｍ^２と小さくなる。その結果、ＬＥＤパッケージ２の出射側に傾斜する透過性の平行平板４を配置した場合は、配置しない場合に比べて、輝度を６０／４７．２≒１．３倍高くすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図３ないし図６を用いて説明する。
図３は、本実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図であり、図３（ａ）は光照射ユニットの平面図、図３（ｂ）は光照射ユニットの正面図、図３（ｃ）は光照射ユニットの斜視図である。なお、これらの図に示される符号の構成は図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の光照射ユニットは、第１の実施形態と同様に、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＬＥＤパッケージ２が同一平面に４個接近して並べられており、ＬＥＤパッケージ２の光出射側には、それぞれのＬＥＤパッケージ２に対応して、４枚の光透過性の平行平板４が配置されている。４枚の平行平板４は、４個のＬＥＤパッケージ２から出射した光の光路が、互いに近づくように、並んだ４個のＬＥＤパッケージ２の中心方向に傾けて設けられている。即ち、４枚の平行平板４は、４個のＬＥＤパッケージ２が境界線上で、Ｖ字状に組み合わされて、外形は四角錐状に構成されている。

図４は、光照射ユニットを上から見て、光源発光部が中央部に接近する状況を説明するための図である。
同図に示すように、例えば、ＬＥＤパッケージ２同士は隙間なく並べ、屈折率ｎ＝１．５ｍｍ、厚みｄ＝４ｍｍの透過性の平行平板４が水平面に対して６０°傾けて配置した場合、ＬＥＤパッケージ２から出射する光の光軸は、並べて配置した４個のＬＥＤパッケージ２の中心部側に約２．０５ｍｍシフトさせることができる。
従来の光照射ユニットのように、平行平板を用いない場合、光源の大きさは、縦横方向の長さは共に２．５ｍｍ＋７ｍｍ＋２．５ｍｍ＝１２ｍｍとなり、その面積は１４４ｍｍ^２となる。
一方、図４に示すように、平行平板４を用い、４個のＬＥＤパッケージ２からの光を、４個並んだＬＥＤパッケージ２の中心の方向に互いに接近させ、光軸を内側に２．０５ｍｍシフトさせて場合、光源の大きさは、縦横方向の長さは共に１２ｍｍ−（２．０５ｍｍ×２）＝７．９ｍｍとなり、面積は６２．４ｍｍ^２となる。その結果、ＬＥＤパッケージ２の出射側に傾斜する透過性の平行平板４を配置した場合は、配置しない場合に比べて、輝度を１４４／６２．４≒２．３倍高くすることができる。

図５および図６は、本実施形態の発明に係る光照射ユニットを内蔵した光源装置の一例を示す図であり、図５は光源装置の正面断面図、図６は光源装置の斜視図である。
これらの図において、５はヒートシンク、６はプレート、７は平行平板４の支持部材、８は凸レンズ、９は筒状部材である。
図５に示すように、ＬＥＤパッケージ２の光出射口に集光レンズ３を取り付けた４個のＬＥＤパッケージ２がプレート６上に並べて取り付けられ、プレート６は、筒状部材９内に収納される。プレート６のＬＥＤパッケージ２の並べられた側とは反対側にはヒートシンク５が取り付けられ、ＬＥＤ点灯時に発生する熱を放散する。ＬＥＤパッケージ２の光出射側には、４枚の平行平板４が各ＬＥＤパッケージ２に合わせて配置されている。４枚の平行平板４は、隣り合う２枚と接し、各ＬＥＤパッケージ２からの光を、光照射ユニットの中心方向にシフトさせるように、内側に向けて傾け、中央部の一番下がった部分で４枚が接している。
４枚の平行平板４は、開いている側の端部で平行平板４の支持部材７により支持されている。平行平板４の光出射側には、凸レンズ８が設けられており、平行平板４により互いに光路が接近し輝度が高くなった光は、凸レンズ８により集光され、不図示の被処理物に高い照度で照射される。
なお、平行平板とは両面が平行で曲率を有していない平面板のことであるが、本願において使用するものについては、両面の平行度は高い精度は必要ない。被照射側から見た光源部の面積を小さくする作用があれば、多少の傾斜（ウェッジ）があっても使用できる。
また、凸レンズ８としては、目的のエリア（サイズ）に所定の距離で集光できるものであれば、形状や方式は問わない。例えば、フレネルレンズ等も使用できる。
また、平行平板は１枚１枚別々のものを、ホルダーにより機械的に固定しても良いし、接着剤により接着しても良い。また、型によるモールド成形により製作しても良い。

次に、本発明の第３の実施形態を図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図であり、図７（ａ）は光照射ユニットの平面図、図７（ｂ）は光照射ユニットの正面図、図３（ｃ）は光照射ユニットの斜視図である。なお、これらの図に示される符号の構成は図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
本実施形態の光照射ユニットは、第１および第２の実施形態と同様に、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＬＥＤパッケージ２は、同一平面に３個接近して並べられており、ＬＥＤパッケージ２の光出射側には、それぞれのＬＥＤパッケージ２に対応して、３枚の光透過性の平行平板４が配置されている。３枚の平行平板４は、３個のＬＥＤパッケージ２から出射した光の光路が、互いに近づくように、並んだ３個のＬＥＤパッケージ２の中心方向に傾けて設けられている。即ち、３枚の平行平板４は、３個のＬＥＤパッケージ２が境界線上で、Ｖ状に組み合わされて、外形は三角錐状に構成されている。
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＬＥＤパッケージ２の光出射側に平行平板４を傾けて配置することにより、３個のＬＥＤパッケージ２からの光は、３個並んだＬＥＤパッケージ２の中心の方向にシフトして互いに接近する。これにより、光源の大きさは、平行平板４を配置しない場合に比べて小さくなり、輝度を高くすることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図８を用いて説明する。
図８は、本実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図である。なお、これらの図に示される符号の構成は図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
同図に示すように、上記の各実施形態においては、並べて配置した複数のＬＥＤパッケージのそれぞれに対応して平行平板を設けた場合について示したが、平行平板は必ずしも全てのＬＥＤパッケージに対応して設ける必要はない。
即ち、同図に示すように、第１の実施形態において、並べて配置された２個のＬＥＤパッケージ２のうち、１個のＬＥＤパッケージ２に対してのみ平行平板４を傾けて配置してもよい。このように構成しても、同図に示すように、平行平板４を配置したＬＥＤパッケージから出射した光の光軸は、並べて配置した２個のＬＥＤパッケージ２の中心部側にシフトし、光源の大きさは小さくなる。したがって、平行平板を配置しない場合に比べて、輝度を高くすることができる。
例えば、ＬＥＤパッケージ２の光出射側にスペースが少なく、複数のＬＥＤパッケージ２の全てに平行平板４を配置できなくても、一部のＬＥＤパッケージ２に対して平行平板４を傾けて配置すれば、従来に比べて、光源の面積を小さくすることができ、輝度を高くすることができる。

上記の各実施形態では、光照射ユニットによって紫外線を照射する場合について説明したが、光照射ユニットの用途はこれに限られるものではない。即ち、ＬＥＤチップが紫外線を放射するものではない場合でも、この構成は他の用途においても有効である。
例えば、近年、非特許文献２に示されるように、プロジェクター用の光源としてＬＥＤが使用されるようになってきており、このような場合、１個のＬＥＤパッケージではスクリーン面での照度が不足するので、複数のＬＥＤパッケージを配列して高出力化することが考えられる。

しかし、単にＬＥＤパッケージの数を増やしただけではスクリーン面での照度は増加しないことがある。これはプロジェクター等に使用される光学デバイスの有効取り込み角度に、限界があるためである。これはＥｔｅｎｄｕｅと呼ばれ、光源部設計の指標とされている。なお、非特許文献２には、Ｅｔｅｎｄｕｅについて詳細に説明されている。
非特許文献２によれば、プロジェクターで使用している映像を作る素子であるライトバルブには、通常、最大取り込み角度があり、液晶のライトバルブの場合、１２°程度である。その角度より外側に進む光は、ライトバルブに取り込まれずに、光の損失となる。

ＬＥＤパッケージを複数個配列した場合、上記したように、パッケージの幅分光源が大きくなるので、上記の映像を作る素子であるライトバルブから見た立体角が非常に大きくなる。即ち、ＬＥＤパッケージの数を増やしても、増やしたＬＥＤパッケージからライトバルブに向かう光の角度が、ライトバルブの最大取り込み角度よりも大きくなり、ライトバルブに取り込まれないので、光出力を増やすことができない。

しかし、上記の各実施形態の発明のように、ＬＥＤパッケージの光出力側に平行平板を配置し、複数のＬＥＤパッケージからの光を接近させると、ＬＥＤパッケージを複数個配列した場合の光源の、ライトバルブから見た立体角の増加を小さくすることができる。したがって、増やしたＬＥＤパッケージからライトバルブに向かう光の角度が、ライトバルブの最大取り込み角度よりも小さくなり、ライトバルブの中に取り込まれることにより、光の出力が大きくなり、スクリーン面での照度を増加させることができる。

また、非特許文献２には、ＲＧＢ三原色のＬＥＤを配列する場合に、緑のＬＥＤ輝度が不足するため、緑のＬＥＤの輝度が全体の明るさを決めるという旨のことが書かれている。しかし、第２の実施形態の発明によれば、４つのＬＥＤパッケージからの光を接近させることができる。したがって、輝度の低い緑色のＬＥＤパッケージを２個、赤と青のＬＥＤパッケージを１個ずつ配列することにより、緑の輝度を高くすることができるので、緑のＬＥＤの輝度が、照度の律速条件にならないようにすることができる。

また、上記の各実施形態において使用される平行平板の厚み、傾きは、実際のＬＥＤパッケージと配列すべきＬＥＤの個数、許容されるユニットサイズ等により適宜に設計される。特に、ブリュースタ角と呼ばれる角度に設定すると、Ｐ偏向の反射率がゼロになるため適している。
なお、平行平板の屈折率をｎとすると、空気（ｎ＝１）から入射する場合のブリュースタ角θ_Ｂは、θ_Ｂ＝ａｒｃｔａｎｎ（ｔａｎ^−１ｎ）で表される。
ｎ＝１．５の場合、ブリュースタ角θ_Ｂ＝５６°であり、上記の各実施形態で説明した６０°はブリュースタ角θ_Ｂ＝５６°に近く、反射損失が少ない。

第１の実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図である。平行平板４を傾けて配置することにより輝度を高くすることができる理由を説明するための図である。第２の実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図である。光照射ユニットを上から見て、光源発光部が中央部に接近する状況を説明するための図である。第２の実施形態の発明に係る光照射ユニットを内蔵した光源装置の構成を示す正面断面図である。第２の実施形態の発明に係る光照射ユニットを内蔵した光源装置の斜視図である。第３の実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図である。第４の実施形態の発明に係る光照射ユニットの構成を示す図である。

符号の説明

１ＬＥＤチップ
２ＬＥＤパッケージ
３集光レンズ
４平行平板
５ヒートシンク
６プレート
７平行平板支持部材
８凸レンズ
９筒状部材

Claims

発光ダイオードのチップを内蔵する発光ダイオードパッケージを複数配列した光照射ユニットにおいて、
前記複数の発光ダイオードパッケージの光出射側に、光透過性の平行平板を傾けて配置したことを特徴とする光照射ユニット。