JP2011033958A

JP2011033958A - 光源装置

Info

Publication number: JP2011033958A
Application number: JP2009182035A
Authority: JP
Inventors: Haruo Ito; 春雄伊藤; Kunio Ando; 邦郎安藤
Original assignee: I SYSTEMS KK; MEDIA TECHNOLOGY KK; Systems Kk I; Media Technology Corp
Current assignee: I SYSTEMS KK; MEDIA TECHNOLOGY KK; Systems Kk I; Media Technology Corp
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】固体発光素子が発光する射出光を簡単な集光光学系でライトガイドに効率よく入射させる光源装置を可能にする。
【解決手段】固体発光素子と、入射面に入射した光を出射面に導光する導光部材としてのライトガイドと、固体発光素子の発光面から射出される光を前記ライトガイドの入射面に集光させる集光部を持った照明システム用の光源装置で、固体発光素子の発光面と集光レンズ系の入射面を近接して配置し、集光レンズ系より射出された一部の光線の進行方向をライトガイド入射面の中央近傍に集めるための円筒状反射面を有する反射部材を前記集光レンズ系の射出面とライトガイドの入射面の間に配置して光源装置の集光部を構成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、体腔内の観察や機械装置の内部観察に適した内視鏡や、顕微鏡等の画像検査装置の披検物照明に用いられる導光部材としてのライトガイドに、発光ダイオードで代表される固体発光素子からの射出光を効率よく供給する照明システム用の光源装置に関する。

人体の体腔内やエンジン等の機器内部の観察に広く用いられている内視鏡や、顕微鏡等の画像検査装置の照明システムには、発光部材と発光部材から射出される光で観察物を照明する導光部材としての光学繊維束によるライトガイドが用いられたものが多い。

従来はこの発光部材にはキセノンランプやハロゲンランプ等が用いられていたが、近年発光ダイオードの著しい性能向上と形状が小型である特徴もあって、発光部材として発光ダイオードで代表される固体発光素子も使われるようになってきた。固体発光素子としては発光ダイオードのほかにＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などもあるが、以降の説明では固体発光素子を代表した用語として発光ダイオードを用いる。

発光ダイオードの発光面からの配光特性は発光面前方に対し広い角度の配光特性を持っている。図１は発光ダイオードが射出する配光特性の一例を示したもので、図中垂直軸１０１で示すＹ軸は、発光ダイオードの発光面に垂直に立てた軸で中心を１とした射出光の強さの相対比を示し、水平軸１０２で示すＸ軸は中心軸（垂直軸）からの光の射出方向を角度で示している。図１に示すように発光ダイオードの配光特性は広い角度を持ち、配光角７０°（±３５°）以内の光線を使う場合は全発光光量の５０％程度しか利用できないが、配光角１１０°（±５５°）程度以内の光線を使う場合は全発光光量の８０％程度が利用でき、配光角１２０°（±６０°）程度以内の光線を使う場合は全発光光量の８５％程度が利用できる。

一方、ライトガイドを構成する光ファイバーは図２に示すように円筒状の透明なコアー（芯）材２０１と、その外周を被覆する透明なクラッド材２０２で構成されている。この構造の光ファイバーは、コアー材の屈折率をｎ１とすると、クラッド材はコアー材より屈折率の低い材質、即ちｎ１＞ｎ２の屈折率ｎ２を持つクラッド材が選択され、光ファイバーの一端（入射端）に光が入射すると光はコアー内をクラッドとの界面で全反射を繰り返し多端（射出端）に伝達される。

光ファイバーで伝達できる光の入射角θ（受光角は２θ）は開口数（ＮＡ）できまり、図２にも示してあるが、開口数はＮＡ＝ｓｉｎθ＝（（ｎ１）^２−（ｎ２）^２）^１/２で示される。ｎ１＝１．６２程度の屈折率を持つコアー材とｎ２＝１．５１５程度の屈折率を持つクラッド材で構成する開口数ＮＡ＝０．５７（受光角２θ＝７０度）程度の光ファイバーが通常よく使われるライトガイドに用いられている。開口数ＮＡ＝０．８７（受光角２θ＝１２０度）の光ファイバーを用いたライトガイドも実用化されているが一般的ではない。

また、ライトガイドは可撓性を持たせるために、直径３０ミクロンから５０ミクロンの前記光学ファイバーを多数本束にした構造を持っている。

発光ダイオードとライトガイドを用いて照明システムを構成する場合は、発光ダイオードが発光する光を有効にライトガイドに入射させる手段が必要となる。一例としてＮＡ＝０．５７の開口数の光学ファイバーを用いたライトガイドを使用する場合を考えると、ライトガイドの受光角が７０°程度であるので、適切な光学系を用いて発光ダイオードの発光面から広い射出角で射出される光線をライトガイドの受光角（７０度）に整合させることが望ましい。

また、発光ダイオードとライトガイドを用いた照明システムでは、照明システムを組込む機器によってライトガイドの入射端の大きさ（直径）が異なるので、異なった径のライトガイドが装着できることも必要である。

内視鏡を例にとると、機器の外径が十数ミリの大腸鏡では照明手段としてのライトガイドの径は３ｍｍ前後あるが、機器の外径が５ミリ程度の気管支鏡の照明手段としてのライトガイドの径は２ｍｍ前後となる。

ライトガイドを照明システムに用いた光源装置では、このように入射端の大きさ（直径）が異なったものが装着される。機器の制約条件下で決められた入射面の直径が小さいライトガイドを装着した場合でも明るい照明を得るためには、発光ダイオードの発光面からの射出光を、出来るだけライトガイドの受光角を満足させながら、効率よくライトガイドの入射面の中心部近傍に集めることが重要な課題となる。

図３は発光ダイオード３０１の発光面からの射出光の様子を示したもので、３０１は発光ダイオード、３０２は発光ダイオード３０１の発光面を示し、発光面の中心に垂直に設定された軸３０３を光軸とする。図では発光点に垂直な０°の光線に対して右側に射出される光線を（＋）、左側に射出される光線を（−）とする。

発光面３０２を微小な発光点の集合と考えると、各発光点からは図１に示したような広範囲の配光で光が射出されるが、前述のように配光角１２０°（±６０°）程度以内の光線を使う場合は全発光光量の８５％程度が利用できるので、以下の説明では図３（Ａ）に示すように光軸３０３に対して±６０°以内の光線を対象とする。なお、理解を容易にするために発光ダイオードの発光面の形状は円形として説明する。

発光ダイオード３０１の発光面３０２を微小な発光点の集合と考えると、図３（Ｂ）に示すように発光面３０２は、発光面の中心より微小幅δを持った半径Ｒの円環の集合と考えられる。この円環状発光部は発光面の外周（周縁部）に近いほど、内周部に比べ発光面積２πＲ・δが大きくなり、この部分からの光量も大きくなる。

発光ダイオードの発光面からの射出光を効率よくライトガイドの入射面に集めるのは集光レンズ系を使うのが一般的である。

集光レンズ系を用いて発光素子からの射出光をライトガイドの入射面に有効に取込むために特許文献１に記載された集光光学系の構成や、特許文献２に記載されたような集光光学系の収差を少なくするような非球面形状を持ったものなどが提案されているが、基本的には図４に示すような一般的な集光光学系である。

一般的な集光光学系４０１は発光ダイオード３０１の発光面３０２（発光体）の中心Ｏａ点より射出された光はライトガイド４０２の中心部Ｏｂ点近傍に集まり、周縁部Ｐaより射出される光はライトガイド４０２の周縁部Ｐｂ近傍に集まるように構成されており、また発光ダイオードの広範囲にわたる配光特性を持った光束を十分に取り込ことは難しい。

図５に示すように、発光ダイオード３０１の発光面３０２の周縁部Ｐa点から射出される光線ほどライトガイド４０２の中心Ｏｂ近傍に集めることが出来れば、より大きなＲの値を持つ面積２πＲ・δ部分から射出される光線ほどライトガイド４０１の中心近傍に集めることが出来るので、中心部を明るくすることが出来、細い径のライトガイドが装着された場合でも十分明るい照明が可能になる。

しかし、前述のように発光ダイオードの発光面からの射出光を、出来るだけライトガイドの受光角を満足させながら、効率よくライトガイドの入射面の中心部に集めるという課題を解決する技術は開示されていない。

特開２０００−１００２１号公報特開２００３−２５５２３６号公報

前述のように、発光ダイオードの発光面から射出される広い配光特性光を持った光線を効率よくライトガイドに取り込み、特にライトガイド入射面の中心部が明るくなるようにした光源装置が重要な課題となる。

本発明は上述の問題点に着目してなされたもので、特に発光ダイオードの発光面より広範囲な方向に射出する光線を効率よく、さらに発光ダイオードの発光面周縁部からの光ほどライトガイドの入射面の中心近傍に送りこむことが可能な簡単で小型な集光光学系を持った光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明による光源装置は、固体発光素子と、入射面に入射した光を出射面に導光する導光部材としてのライトガイドと、固体発光素子の発光面から射出される光を前記ライトガイドの入射面に集光させる集光部を持った照明システム用の光源装置で、少なくとも、固体発光素子の発光面近傍に配置された正のパワーを持つ第１のレンズ系と、第１のレンズ系の射出面側に配置された正のパワーを持つ第２のレンズ系と、固体発光素子の発光面周縁部より射出される光線ほどライトガイド入射面の中央近傍に集める円筒状の反射面を持つ反射部材を前記第２のレンズ系とライトガイドの間に配置した集光部と固体発光素子とから構成されることを特徴としている。

請求項２に係わる発明は、集光部を構成する集光レンズとライトガイドの入射面の間に配置された円筒状反射面を有する反射部材の反射面を反射部材の射出面側に開いた傾斜面で形成することで、ライトガイドに入射する光線の入射角をさらに小さくすることを可能とした光源装置を特徴としている。

本発明による光源装置は、簡単な構成で発光ダイオードより射出される光をライトガイドの入射面内に効率よく、しかもライトガイドの入射面の中央近傍の光量が大きくなるように集めることが可能なため、入射面が小さい細いライトガイドでも明るい照明が得られるので、内視鏡や顕微鏡等の照明システムのみならず照明系を必要とする種々の産業機器での利用が可能となる。

発光ダイオードの配光特性の一例を示す説明図。ライトガイドを構成する光学ファイバーの開口数の説明図。発光ダイオードの発光状態を示す説明図。一般的な集光光学系の作用を示す説明図本発明による集光光学部の作用を示す説明図。本発明による第１の実施例の構成を示す説明図。本発明による第２の実施例の説明図。

以下、本発明による光源装置の実施の形態を図６、図７に基づいて説明する。

図６は本発明による光源装置の実施例を示すもので、図中３０１は発光ダイオード、６０１は正のパワーを持つ第１のレンズ系、６０２は正のパワーを持つ第２のレンズ系、６０３はガラスのような透明材質で構成された円筒状反射面を持つ反射部材を、４０１はライトガイドで、いずれも同一光軸６０４上に配置されている。なお以下の説明ではレンズ系の形状を示す曲率半径ｒｎ（ｎ＝１〜６）、厚さｄ、間隔等の単位はｍｍで示す。

この実施例では、発光ダイオード３０１の発光面３０２の大きさを２φとし、第１のレンズ系６０１は屈折率＝１．７６８、ｒ１＝∞、ｒ２＝２、厚さ＝１．６の半球に近い形状を持った平凸レンズで発光ダイオード３０１の発光面３０２（２φ）とは０．３の間隔をあけて発光ダイオード３０１の発光面３０２に対面して配置されている。

第１のレンズ系６０１は図６に示すように、発光ダイオード３０１の発光面３０２の周縁部Ｐａから±６０°で射出される光線を十分に取り込める直径をもち、−６０°の光線も曲面ｒ２で全反射しないで屈折可能なように、レンズの屈折率、曲率半径、厚さが選ばれている。

第２のレンズ系６０２は屈折率＝１．６２、ｒ３＝∞、ｒ４＝４．６、厚さ＝２．２の平凸レンズで第１レンズと光軸上で０．１の間隔を持って配置されている。この第２のレンズ系は、第1のレンズ系を通過後の発光ダイオードより射出された光線をライトガイドの開口数に整合させる機能を持っている。

円筒状反射面を持つ反射部材６０３は屈折率＝１．６２、ｒ５＝∞、ｒ６＝∞、厚さ＝７．２、直径＝４の透明な材質の円柱で、第２のレンズ系とは０．１の間隔を持って配置されおり、反射面６２０は円柱内部の全反射を利用している。

この実施例では、第１レンズ系６０１、第２レンズ系６０２は平凸レンズで示しているが、いずれも曲面は非球面を用いるなど球面と平面の構成に限定されず、第２レンズ系は複数個の合成レンズを用いることも出来る。また、反射部材は円筒状反射に限定されず、同等の効果を持つ多角柱状の反射面を持つものでもよい。

図６中、発光ダイオード３０１の発光面３０２左端Ｐａから射出される光線を太い鎖線で、発光ダイオード３０１の発光面３０２中央部Ｏａから射出される光線を細い実線で示し、光軸と平行となる射出角０度の光線に対し±３０度、±４５度、±６０度を順次示している。

特に発光ダイオードの端面Ｐａから光軸６０５方向に向かう光線６１１（射出角０度）、６１２（射出角３０度）、６１３（射出角４５度）、６１４（射出角６０度）は、第１のレンズ系６０１で屈折した後は光軸に対して３５度をこえるので、第２のレンズ系６０２で屈折した後で光軸に対し３５度以内になるようにして、ライトガイド６０４のＮＡとの整合性をともたせている。

また、円筒状反射面を持った反射部材６０３は、入射面（ｒ５）、射出面（ｒ６）ともに光軸６０５に対して直角な面で構成されるので、第２のレンズ系６０２で屈折した後の光線の光軸６０５に対する射出角は、円筒状反射面を持った反射部材６０３射出面からの射出角と同じになり、ライトガイド６０４の入射端に到達する。

一方発光面の中心Ｏａから射出される光は、図６中細い実線で示すように第１のレンズ系６０１、第２のレンズ系６０２、円柱状の反射部材６０３を通過後、ライトガイド６０４の入射面に到達する。

特に光線６１２、６１３、６１４は図６で示すように第２のレンズ系６０２を通過後光軸６０５（中心）より大きく離れる光路を示すので、円筒状反射面を持った反射部材６０３の内面で全反射させ光路の方向を光軸方向に変換させるので、反射部材６０３の厚みや径を適切に選ぶことで反射部材６０３の射出面の中心近傍に光線の集まる状態を選択可能となる。

本実施例では、反射部材６０３の厚みを７．２に設定しており、図６にみられるように発光ダイオード３０１の発光面の周縁部Ｐａから射出された光線の多くをライトガイド６０５の中心近傍（２φ〜３φ）に集めることができ、発光ダイオード３０１の発光面３０２からの射出角±６０°以内の光線をすべてライトガイドのＮＡ以内に集めることが可能となる。

なを、発光点が発光面の周縁部から中心部に向かって移動すると、反射部材６０３の射出面において、光線は中心近傍から全面に広がっていく。

以上説明した第１レンズ系、第２レンズ系、円筒状反射面を持った反射部材の作用で、図３（Ｂ）で説明した、光量の多い発光ダイオードの発光面外周部からの光線ほどライトガイドの中心部近傍に集めることが可能になる光源装置を実現できる。

図７は本発明による光源装置の第２の実施例を示すもので、図中符号は図６と同じものは説明を省略する。ここで第１の実施例の円筒状反射面を持った反射部材６０３の反射面６２０は実線で示し、反射部材の射出面側（図面で上方）にθだけ開いた傾斜面を与えた新しい反射面６２１を一点鎖線で、またこの反射面で反射された光線６１３ａも１点鎖線で示す。なお図面が煩雑になるのを避けるため、円筒状反射面で反射される光線は光線６１３で代表して示す。

よく知られているように、反射面で反射される光線の方向は、反射面が角度θ振れると
反射光線の方向は２θ振れる。

図７中の光線６１３は、新たな反射面６２１で反射した後は従来の光線６１３より２θだけ光線の傾斜がゆるやかな光線６１３ａへと光線の進行方向が変わる。

図７で示す第２の実施例について説明すると、傾斜を持った反射面６２１は反射面６２０とから２°の傾斜が与えられており、光線６１３ａは光線６１３に対して４°傾斜がゆるくなっている。したって円筒状反射面をもつ反射部材の射出面ｒ６から屈折して射出する光線の射出角度は、光軸６１３度の場合は約３３度であるのに対し、光線６１３ａでは約２６°となりライトガイド６０４に入射する入射角が緩和される。

図７に示すように、円筒状反射面に傾斜を持たせると形状は厳密には円錐台反射面になるが、ここで必要とする傾斜角は数度と非常にゆるい角度なので円筒状反射面の変形の一つとして円筒状反射面として扱うことにする。

このように、ライトガイドに入射する光線の入射角が緩和されると、導光部材としてのライトガイドが著しく屈曲して使われる場合などでは、光の伝送損失を少なくすることが出来るので利用価値が大きい。

３０１発光ダイオード
３０２発光面
４０１光学系
４０２ライトガイド
６０１第１のレンズ系
６０２第２のレンズ系
６０３反射部材
６０４ライトガイド

Claims

固体発光素子と、入射面に入射した光を出射面に導光する導光部材としてのライトガイドと、固体発光素子の発光面から射出される光を前記ライトガイドの入射面に集光させる集光部を持った照明システム用の光源装置で、少なくとも、固体発光素子の発光面近傍に配置された正のパワーを持つ第１のレンズ系と、第１のレンズ系の射出面側に配置された正のパワーを持つ第２のレンズ系と、固体発光素子の発光面周縁部より射出される光線ほどライトガイド入射面の中央近傍に集める円筒状の反射面を持つ反射部材を前記第２のレンズ系とライトガイドの間に配置した集光部と、固体発光素子とから構成されることを特徴とした光源装置。
集光部を構成する集光レンズとライトガイドの入射面の間に配置された円筒状反射面を有する反射部材の反射面を、反射部材の射出面側に開いた傾斜面で形成したことを特徴とした請求項１記載の光源装置。