JP2013507746A - Ｌｅｄモジュール、ｌｅｄモジュールの動作方法、ｌｅｄモジュールを含む照明装置 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤモジュール（２）において、たとえば内視鏡、ボロスコープおよび顕微鏡等の導光体の用途に必要な、典型的には８０・１０^６ｃｄ／ｍ^２以上の高い輝度を、少なくとも１．４Ａの動作電流で動作するように構成された少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）によって実現することである。ＬＥＤチップ面積は、有利には１．５ｍｍ^２以上である。さらに、必要な場合には２つ以上のＬＥＤチップを高密度でパッケージングし、ＬＥＤアレイを構成することもできる。前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）から放出された光は光結合部品（４）によって、細長い導光体（５）内に結合される。

Description

本発明は、１つまたは複数の発光ダイオードチップを含むモジュールに関する。以下、このモジュールを略してＬＥＤモジュール（ＬＥＤ：発光ダイオード）と称する。ここでは発光ダイオードという用語は、ＬＥＤのうち、光を放出する部分を指す。

さらに本発明は、前記ＬＥＤモジュールを有する照明装置にも関し、該ＬＥＤモジュールを有する照明装置は、細長い導光体とともに使用されるように構成されている。このような用途にはとりわけ光ファイバ技術が含まれる。これはとりわけ、たとえば内視鏡、ボロスコープおよび顕微鏡等である、医療分野や工業分野における診断、監視および手術用の光ファイバ技術である。

背景技術
従来は、内視鏡にもボロスコープにも、主にハロゲンランプまたは放電ランプが使用され、とりわけ、約１００〜３００Ｗの出力を有するキセノン放電ランプが使用されていた。内視鏡ないしはボロスコープから出射した、このようなランプの光による熱負荷を低減するためには、ランプと導光体との間に赤外線フィルタを使用する。さらに、適切な反射器を介して、ランプの光を細長い導光体の入射面に集束させる。その際に前記導光体の入射面において実現可能な高い輝度が、システムの機能性に決定的に重要である。

内視鏡、ボロスコープおよび顕微鏡用の導光体として使用される光ファイバ束は典型的には、５ｍｍ未満の直径と、典型的には０．５〜０．７の開口数とを有する。さらに、上述の用途では典型的には、８０・１０^６ｃｄ／ｍ^２以上の輝度が必要とされる。ＬＥＤをベースとする従来のランプに代わる代替品の前提条件は、非常に高い輝度を有するコンパクトなＬＥＤ装置である。

発明の概要
本発明の課題は、細い導光体に光を入力結合させるのに適した、とりわけ光ファイバ部品に光を入力結合させるのに適したＬＥＤモジュールを提供することである。

本発明の別の側面は、上述のＬＥＤモジュールをベースとして、たとえばファイバ束または液体コア導光体等である細長い導光体の入力端において、とりわけ内視鏡、ボロスコープや顕微鏡に十分に高い輝度を実現できる、光結合部品を有する照明装置を提供することである。

さらに、本願特許請求の範囲は、本願発明のＬＥＤモジュールの動作方法と、内視鏡、ボロスコープおよび顕微鏡用の本願発明のＬＥＤモジュールの使用も対象とする。

前記課題は、支持体上に配置された少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを含む次のようなＬＥＤモジュール、すなわち、該少なくとも１つのＬＥＤチップが少なくとも１．４Ａの電流強度で動作するように構成されたＬＥＤモジュールによって解決される。

本発明の照明装置、本発明のＬＥＤモジュールの動作方法および本発明のＬＥＤモジュールの使用に関しては、各独立請求項を参照されたい。

特に有利な実施形態は、各従属請求項に示されている。

本発明の基本的思想は、ＬＥＤモジュールにおいて、たとえば内視鏡、ボロスコープおよび顕微鏡等の導光体の用途に必要な、典型的には８０・１０^６ｃｄ／ｍ^２以上の高い輝度を、少なくとも１．４Ａの動作電流で動作するように構成された少なくとも１つのＬＥＤチップによって実現することである。

さらに、前記少なくとも１つのＬＥＤのチップの面積が少なくとも１．５ｍｍ^２であるようにするのが有利であることが判明している。さらに、２つ以上のＬＥＤチップを相互に高い密度で配置してアレイを構成することにより、相応に大きな光発光面積を実現するのが有利である導光体の用途もある。

また、ＬＥＤチップを支持体上に直接配置することも有利である。このことにより、ＬＥＤチップからの放熱を改善することができる。というのも、前記支持体は有利には、熱伝導性が特に良好な材料から成り、たとえば銅から成るからである。さらに、前記ＬＥＤ支持体は有利には、前記（複数の）ＬＥＤの損失熱を周辺または冷媒に良好に放出する放熱部材上に配置される。さらには、個別のＬＥＤチップはケーシングも１次光学系も有さないのが有利である。このことにより、２つ以上のＬＥＤチップを相互に比較的高い密度で配置してＬＥＤアレイを構成することができる（マルチチップオンボード技術）。その際に外部の影響から保護するためには、前記ＬＥＤアレイ全体にケーシングまたは保護層または保護ガス等を設けることが有利である場合がある。

一般的に本発明では、大部分が、典型的には９０％以上がＬＥＤチップの上部カバー面を介して放射される面発光型のＬＥＤチップが有利である。このようなＬＥＤチップはとりわけ、薄膜技術のＬＥＤチップである（たとえば、OSRAM 社の ThinGaN（登録商標））。蛍光材変換によって５０ｎｍ以上のスペクトル半値幅を有する光をとりわけ白色光を放出するＬＥＤチップが有利であり、たとえば、OSRAM Opto Semiconductor 社の超白色型のＬＥＤまたは暖白色型のＬＥＤが有利である。基本的には、適用領域に応じて、人間の眼で見える可視光だけでなく、紫外（ＵＶ）光または赤外（ＩＲ）光を放出するＬＥＤチップも使用することができる。

本発明の照明装置は、上述のＬＥＤモジュールと光結合部品とを有する。前記光結合部品はたとえば非結像光学部品として形成され、入力結合面と出力結合面とを有する。その際には、動作中のＬＥＤないしはＬＥＤアレイから放出された光が前記光結合部品の入力結合面に入力結合するように、該光結合部品はＬＥＤモジュールに対して配置される。

１つの実施形態では、前記光結合部品の入力結合面は出力結合面より小さい。入力結合損失を可能な限り小さく抑えるためには、前記光結合部品の入力結合面を方形に成形し、ＬＥＤチップ面ないしは前記ＬＥＤアレイ全体の面に適合するのが有利である。入力結合損失をさらに低減するためには、前記光結合部品の入力結合面および／または出力結合面に反射層を設けることができる。本発明のＬＥＤモジュールによって動作中に、たとえば内視鏡、ボロスコープまたは顕微鏡等の多くの光ファイバ用途に必要とされる８０・１０^６ｃｄ／ｍ^２以上の輝度を実現できるようにするためには、前記少なくとも１つのＬＥＤチップまたは場合によってはＬＥＤアレイの各ＬＥＤチップを、１．４Ａ以上の電流で動作させる。

導光体の端部における輝度値をどれだけ大きくできるかに応じて、場合によっては、最大動作電流が少なくとも１．４Ａである適切な数のＬＥＤチップを高密度のＬＥＤアレイに配置する。とりわけ非結像光学部品である、本発明の照明装置の光結合部品により、前記ＬＥＤアレイから放出された光は導光体に入力結合される。

上述の照明装置は有利には、内視鏡、ボロスコープまたは顕微鏡において使用するために構成されている。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

本発明のＬＥＤモジュールと細長い導光体とを有する照明装置を示す。

本発明の有利な実施形態
図１は、内視鏡において使用される本発明の照明装置１の概略的な側面図である。照明装置１は、ＬＥＤモジュール２と、該ＬＥＤモジュール２が配置された放熱部材３と、光結合部品４とを有する。また同図には、光ファイバ６を有する導光体５も示しており、該光ファイバ６は外被７によって包囲されている。OSRAM Opto Semiconductor 社の Power-OSTAR 型のＬＥＤモジュール２は、表面に金メッキが施された銅から成るプレート形の支持体８と、総じて４つのＬＥＤチップ９とから構成される。前記４つの各ＬＥＤチップ９はそれぞれ２ｍｍ^２の面積を有し、動作中に白色光を放出する。放熱を改善するために、前記放熱部材３と反対側の前記支持体８の面に直接、前記４つのＬＥＤチップ９がはんだ付けされている。その場合には、前記４つのＬＥＤチップ９は相互間に７０μｍの間隔をおいて、高密度で前記支持体８に配置されてパッケージングされ、２×２アレイを構成する。前記４つのＬＥＤチップ８はそれぞれ、最大６Ａの直流電流でドライバ電子回路によって別個に制御される（図示されていない）。このことにより、８０・１０^６ｃｄ／ｍ^２を超える輝度が実現される。調光では、ＬＥＤの輝度を５％〜１００％の間で調整することができる。光結合部品４は細長い非結像光学部品として構成されており、前記４つのＬＥＤチップ９に対向している入力結合面１０と、導光体５の入力端に対向している出力結合面１１とを有する。前記入力結合面１０と前記ＬＥＤチップ４との間、および、前記出力結合面１１と前記導光体５との間にそれぞれ、エアギャップが設けられている。前記エアギャップは位置揃えや機械的公差に必要であり、損失を小さく抑えるためには、該エアギャップは０．５ｍｍを超えてはならない。光結合部品４の入力結合面１０は前記４つのＬＥＤチップ９から成るＬＥＤアレイの総面積より幾らか大きい。この実施例では、前記光結合部品の断面は円形である。入力結合効率をさらに改善するためには、前記光結合部品の断面を前記ＬＥＤアレイ全体の方形面に適合することもできる。前記光結合部品４の出力結合面１１は前記導光体５の入射面１２に適合されており、該出力結合面１１は前記入力結合面１０より幾らか大きい。

Claims (15)

1. 支持体（８）上に配置された少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（９）を含むＬＥＤモジュール（２）であって、
   前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）は、少なくとも１．４Ａの電流強度で動作するように構成されていることを特徴とする、ＬＥＤモジュール。
2. 前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）の面積は少なくとも１．５ｍｍ^２である、請求項１記載のＬＥＤモジュール。
3. ２つ以上の前記ＬＥＤチップ（９）が相互に高密度で配置されてＬＥＤアレイを構成する、請求項１または２記載のＬＥＤモジュール。
4. 前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）の光を、スペクトル半値幅が５０ｎｍ以上である光に変換する少なくとも１つの蛍光体が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
5. 少なくとも１つのＬＥＤチップは紫外（ＵＶ）光または赤外（ＩＲ）光を放出する、請求項１から４までのいずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
6. 請求項１から４までのいずれか１項記載のＬＥＤモジュール（２）と、入力結合面（１０）および出力結合面（１１）を有する光結合部品（４）とを備えた照明装置（１）であって、
   前記光結合部品（４）は、前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）から動作中に放出された光を該光結合部品（４）の入力結合面（１０）に結合するように、前記ＬＥＤモジュール（２）に対して配置されていることを特徴とする、照明装置。
7. 前記光結合部品（４）の入力結合面（１０）は、該光結合部品（４）の出力結合面（１１）より小さい、請求項６記載の照明装置。
8. 前記光結合部品（４）の入力結合面（１０）は方形に成形されており、前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）の面に適合されている、請求項６または７記載の照明装置。
9. 前記入力結合面（１０）および／または前記出力結合面（１１）に反射防止層が設けられている、請求項６から８までのいずれか１項記載の照明装置。
10. 前記光結合部品（４）は非結像光学部品として構成されている、請求項６から９までのいずれか１項記載の照明装置。
11. 請求項１から５までのいずれか１項記載のＬＥＤモジュール（２）の動作方法であって、
    前記少なくとも１つのＬＥＤチップ（９）、または場合によっては各ＬＥＤチップを、１．４Ａ以上の電流で動作させることを特徴とする、動作方法。
12. 少なくとも８０・１０^６ｃｄ／ｍ^２の輝度を実現するように、前記ＬＥＤチップ（９）の電流の大きさおよび／または数が選択される、請求項１１記載の動作方法。
13. 前記ＬＥＤモジュール（２）が、請求項６から１０までのいずれか１項記載の照明装置（１）に組み付けられている、請求項１１または１２記載の動作方法。
14. 内視鏡またはボロスコープにおける、請求項６から１０までのいずれか１項記載の照明装置の使用。
15. 顕微鏡における、請求項６から１０までのいずれか１項記載の照明装置の使用。

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