JP2014530665A - Ｌｅｄ照明器 - Google Patents

Abstract

発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる照明器の輝度及び色度を高めるための例示的な照明装置が開示される。照明装置は、第１の波長範囲において光を発するように構成された第１光源を含む。第１光源に関連付けられた第１ダイクロイック光学素子は、第１光源から発せられた光の全波長範囲未満を光学的に遮るように構成される。照明装置は、第１ダイクロイック光学素子によって光学的に遮られた波長範囲に実質的に対応する第２の波長範囲において光を発するように構成された第２光源も含む。

Description

解剖学的には、眼は、二つの別個の部分、すなわち前部及び後部に分けられる。前部は、水晶体を含み、角膜（角膜内皮）の最外層から水晶体嚢の後方に延在する。後部は水晶体嚢の背後の眼の部分を含む。後部は前方のガラス面（hyaloid face）（硝子体の一部）から網膜に延在し、後方のガラス面は網膜と直接接触している。後部は前部よりもはるかに大きい。

後部は、硝子体、すなわち無色透明のゲル状物質を含む。硝子体は、眼の容積の約３分の２を構成し、出生前にその形状が与えられる。硝子体は１％のコラーゲン及びヒアルロン酸ナトリウムと９９％の水とから成る。硝子体の前方境界は前方のガラス面であり、前方のガラス面は水晶体の後嚢と接し、一方、後方のガラス面は硝子体の後方境界を成し且つ網膜に接触している。硝子体は、房水のような自由流動性がなく、通常の解剖学的付着部位を有する。これら部位のうちの１つが硝子体基部であり、硝子体基部は鋸状の縁の上に横たわる幅約３〜４ｍｍの広い帯である。視神経頭、黄斑、及び血管アーケード（vascular arcade）も付着部位である。硝子体の主な機能は、網膜を所定の位置に保持すること、眼球の完全性及び形状を維持すること、運動による衝撃を吸収すること、及び水晶体後部を支持することである。房水とは対照的に、硝子体は連続的に入れ替わることがない。硝子体は、シネレシス（syneresis）として知られる過程において加齢に伴って徐々に流動化する。シネレシスは硝子体の収縮をもたらし、このことは硝子体の正常な付着部位に圧力又は引張力を及ぼしうる。十分な引張力が適用された場合、硝子体はそれ自体を網膜との付着状態から引っ張って網膜裂傷や網膜裂孔を作り出す可能性がある。

硝子体網膜手術と呼ばれる様々な外科手術は、通常、眼の後部において行われる。硝子体網膜手術は、後部の多くの深刻な疾患に対処するのに適する。硝子体網膜手術は例えば、加齢黄斑変性症（ＡＭＤ）、糖尿病性網膜症及び糖尿病性硝子体出血、黄斑円孔、網膜剥離、網膜上膜、ＣＭＶ網膜炎、及び他の多くの眼の疾患に対処する。

外科医は、後部の鮮明な画像を提供するように設計された顕微鏡及び特殊レンズを用いて硝子体網膜手術を行う。長さでちょうど１ミリ程度のいくつかの小さな切開創が強膜上の毛様体扁平部（pars plana）において作られる。外科医は、切開創を通して、マイクロ手術器具、例えば、眼の内部を照射する光ファイバ光源と、手術中に眼の形状を維持するための注入ラインと、硝子体を切断して除去するための器具とを挿入する。

斯かる手術処置の間、眼の内部を適切に照明することは重要である。典型的には、細い光ファイバを眼内に挿入して照明を提供する。ハロゲンタングステンランプ又は高圧アークランプ（メタルハライド、キセノン）のような光源を使用して、光ファイバによって眼内に運ばれる光を生成することできる。光は、いくつかの光学素子（典型的にはレンズ、ミラー及び減衰器）を通過して、光を眼内に運ぶ光ファイバに送られる。アークランプの利点は、小さな発光範囲（１ｍｍ未満）と、日光に近い色温度と、典型的にはハロゲンランプよりも長い寿命（すなわち４００時間対５０時間）とである。アークランプの不利な点は、高いコストと、パワーの低下と、システムの複雑さと、システムの寿命に亘って数回ランプを交換する必要性とである。

ハロゲンタングステンランプ及び高圧アークランプの制約のいくつかを克服する努力において、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような他の光源が、光ファイバを通して眼内に送られる光を生成するのに使用されうる。ＬＥＤベースの照明器は、かなり低いコスト及び複雑さで提供され、５０，０００〜１００，０００時間の特徴的な寿命を呈し、このことは、器具の全寿命の間、ＬＥＤの交換を必要とすることなく、非常に小さな出力降下で眼科ファイバ照明器を作動させることを可能とする。しかしながら、ＬＥＤ光源は、概して、ハロゲンタングステンランプ及び高圧アークランプと比べて低い発光効率及び減少した光束を呈する。

図１は、眼の内部の生体構造を示す眼の断面図である。 図２は、内部照明器と共に用いられうる例示的な照明プローブの概略図であり、図１の眼の内部領域を示す。 図３は、図２の照明プローブに光を供給するための内部照明器と共に用いられうる例示的な照明器の概略部分断面図である。 図４は、図３の照明器と共に用いられうる例示的な非ドーム形発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略図である。 図５は、図３の照明器と共に用いられうる例示的なドーム形発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略図である。 図６は、図３の照明器の所定の個々の特徴が有する例示的な相対的な効果を色度上にグラフで描く色度図である。 図７は、反射光学素子と共に用いられる図５の例示的なドーム形ＬＥＤの概略部分断面図である。 図８は、反射光学素子と共に用いられる図４の例示的な非ドーム形ＬＥＤの概略部分断面図である。 図９は、図３の例示的な照明器を用いるときに実現されうる色度の相対的な変化をグラフで描く色度図である。

以下、後の論考及び図面を参照して、開示されるシステム及び方法への例証的なアプローチが詳細に記載される。図面がいくつかの可能なアプローチを表すが、図面は必ずしも寸法が合わされてなく、所定の特徴が、本開示をより良く示し且つ説明すべく、誇張され、除去され、又は部分的に断面にされうる。さらに、本明細書において説明される記載は、網羅的であることが意図されてなく、あるいはその反対に、図に示され且つ以下の詳細な説明に開示された正確な形態及び構成に特許請求の範囲を限定し又は制限することも意図されていない。

図１は眼２０の生体構造を示し、眼２０は、角膜２２、虹彩２４、瞳孔２６、水晶体２８、水晶体嚢３０、小帯３２、毛様体３４、強膜３６、硝子体領域３８、網膜４０、黄斑４２及び視神経４４を含む。角膜２２は、眼２０の表面上の透明なドーム形状の構造体であり、窓として作用して光を眼内に通す。眼の着色部分に相当する虹彩２４は、瞳孔２６を囲む筋肉であり、弛緩し且つ収縮して、眼２０に入る光の量を制御する。瞳孔２６は虹彩２４における円形の中心開口である。水晶体２８は、眼２０の内側の構造体であり、網膜４０上に光の焦点を合わせることを補助する。水晶体嚢３０は、水晶体３０を包む弾性の袋であり、眼が種々の距離における物体上に焦点を合わせるとき、水晶体２８の形状を制御することを補助する。小帯３２は、眼２０の内側に水晶体嚢３０を取り付ける細長い帯であり、水晶体２８を所定位置に保持する。毛様体３４は、水晶体２８に取り付けられた筋肉範囲であり、焦点を合わせるために収縮し且つ弛緩して水晶体のサイズを制御する。強膜３６は、眼２０の強靱な最外層であり、眼の形状を維持する。硝子体領域３８は、眼２０の背面に向かって配設されたゲルが充填された大きな区域であり、眼の曲率を維持することを補助する。網膜４０は、眼２０の背面における感光性の神経層であり、光を受容し、その光を信号に変換して脳に送る。黄斑４２は、眼２０の背面における範囲であり、眺められた画像において細かい詳細部を検出するための受容体を含む。視神経４４は眼２０から脳へ信号を送る。

図２を参照すると、眼２０の内部を照明するための眼科内部照明器（endoilluminator）４６が強膜３６を通って硝子体領域３８内に挿入されることが示される。内部照明器４６はハンドピース４８及びプローブ５０を含む。プローブ５０は、硝子体網膜手術のような様々な内部光学処置の間、眼２０の硝子体領域３８の内部を照明すべく、照明器からの光を搬送するための光ファイバケーブル５２を含むことができる。

内部照明器４６は、様々な光源、例えばハロゲンタングステンランプ及び高圧アークランプ（メタルハライド及びキセノン）を用いることができる。発光ダイオード（ＬＥＤ）が内部照明器４６のための光源として用いられてもよい。ＬＥＤは、ハロゲンタングステンランプ及び高圧アークランプと比べてかなり低いコスト及び複雑さを提供することができる。ＬＥＤは、５０，０００〜１００，０００時間の特徴的な寿命を有し、このことは、器具の寿命の間、ＬＥＤの交換を必要とすることなく、最小の出力降下で眼科内部照明器４６を作動させることを可能とするだろう。

図３を参照すると、内部照明器４６は、特定の光束及び色度で光を生成するための照明器５４を用いることができる。照明器５４によって作り出された光は光ファイバケーブル５２を通ってプローブ５０に送られ、光ファイバケーブル５２は、照明器５４に光学的に接続された端部５６を有する。図３に示される例示的な形態は第１光チャネル５５及び第２光チャネル５７を用いる。第１光チャネル５５は第１光源５８を含み、第２光チャネル５７は第２光源６０を含む。特定の用途の設計要件に応じて、追加の光源が用いられてもよい。光源５８及び６０は同様に構成され又は異なる形態を有してもよい。

光源５８は、概して広帯域の白色光を発光するように構成された一つ以上のＬＥＤを含んでもよい。ＬＥＤは様々な形態で製造される。例示的に構成されたＬＥＤ６２が図４に示される。ＬＥＤ６２は、電磁スペクトルの特定の範囲において電磁放射を電磁スペクトル内の別の範囲に変換することができる波長変換材料６５で、概して単色のＬＥＤダイ６４を被覆することによって生成され、この変換は、限定されるものではないが、高エネルギー粒子線、Ｘ線及び紫外線の低エネルギーフォトンへの変換を含む。任意の適切なタイプの波長変換材料又は波長変換基板を用いることができる。変換のために利用される発光過程は、用いられる波長変換材料のタイプに応じて、遅い発光（燐光）又は早い発光（蛍光）に基づく。

ＬＥＤダイ６４は、概して、用いられる半導体ダイオード材料に応じて、紫外線（ＵＶ）、紫色光又は青色光のような比較的狭い範囲の波長の光を発する。例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）は、概して、およそ４５０ｎｍ＜λ＜５００ｎｍの波長（λ）を有する青色光を生成する。比較的狭い光の帯域は概して照明に適さない。所望のスペクトルに亘って光を生成すべく、波長変換材料６５として例えば種々の色の燐光体を用いることによって、発せられるスペクトルを調整することができる。所望の波長範囲内の光を生成すべく、用いられる燐光体コーティングの数及びタイプを変更することができる。概して広帯域の白色光を生成すべく青色の半導体ダイオード材料と共に用いられうる燐光体材料は、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｅ³⁺：ＹＡＧ）である。燐光体コーティングによって、ＬＥＤダイ６４から発せられた青色光の一部がストークスシフトを受けるようになる。ストークスシフトした光は、ＩｎＧａＮ半導体から直接発せられた青色光よりも、黄色のスペクトルに向かう傾向がある、より高い波長範囲において発光する。半導体から発せられた青色光の全てがストークスシフトを受けるわけではない。変換されない青色光と、ストークスシフトした光とが、概して広帯域の白色光として現れる光を生成するように結合する。ＬＥＤダイ６４から発せられた青色光の一部をより高い波長の光に変換するための燐光体コーティングがＬＥＤダイの表面８０上に堆積される。これは、広帯域の白色光を生成するのに用いられうる様々な半導体／燐光体の組合せの単なる一つの例である。

続けて図４を参照すると、ＬＥＤダイ６４はカソード６６及びアノード６８に電気的に接続される。ＬＥＤダイ６４、カソード６６及びアノード６８は基板７２上に支持される。カソード６６及びアノード６８に電流を印加することによって、ＬＥＤダイ６４は、用いられる半導体ダイオード材料に対応する波長範囲内の光を発するようになる。

光源５８と共に用いられるＬＥＤは、光源から発せられた光を更に制御するためのレンズを含むように構成されてもよい。レンズを用いるＬＥＤは「ドーム形（domed）」ＬＥＤと称される。ドーム形ＬＥＤ８１の例が図５に示される。ドーム形ＬＥＤ８１は、図４に示される非ドーム形ＬＥＤ６２と同様の形態を有するが、ＬＥＤダイ６４に取り付けられたレンズ８２が追加される。波長変換材料６５を作るのに使用される材料は典型的には高屈折率を有し、このことによって、ＬＥＤダイ６４から直接発せられた光の一部が、波長変換材料／空気面界面（すなわち波長変換材料６５の表面８３）において反射されてＬＥＤ上に戻される（すなわち再利用される）。ＬＥＤダイ６４によって生成された光を再利用することによって、再利用された光の一部がストークスシフトを受けるので、ＬＥＤから発せられた光の色度は（例えば燐光体としてＣｅ³⁺：ＹＡＧを用いたとき）黄色のスペクトルに向かってシフトする。光の再利用は、ドーム形ＬＥＤ８１を生成すべくレンズ８２を非ドーム形ＬＥＤ６２に取り付けることによって低減されうる。レンズ８２は、ドーム形ＬＥＤ８１内の光の再利用を低減する傾向がある凸状の外面８４を含む。

便宜上、ＬＥＤダイ６４によって生成された波長範囲を有する光は以後「変換されない光」と称され、一方、燐光体コーティング（すなわち波長変換材料６５）から発せられたストロークシフトした光の範囲内の波長を有する光は以後「変換された光」と称される。さらに、ＬＥＤダイ６４によって生成される範囲内の波長を有する光（すなわち変換されない光）は図面を通じて実線によって表され、ストロークシフトした光の範囲内の波長を有する光（すなわち変換された光）は図面を通じて小さな破線によって表される。

続けて図３を参照すると、光チャネル５５は、光チャネルから発せられる光束を高めるための様々な特徴と、対応する光ビームのサイズ及び方向を制御するための様々な特徴とを含むことができる。例えば、光チャネル５５は、光源５８に近接して配置された一つ以上の反射光学素子８６を含んでもよい。反射光学素子８６は、変換された光と変換されない光の両方を反射して光源５８に向かって戻すように広帯域反射器として構成されうる。反射光学素子８６は、概して光源５８から離間され、光源５８に対して概して凹形状を有する。反射光学素子８６は、近位端部８８を画定する第１周縁と、反対側の遠位端部９０を画定する第２周縁とを含む。近位端部８８は光源５８の概して近傍において光軸９２に沿って軸線方向に配置されうる。遠位端部９０は、近位端部８８と光源５８との間の軸線方向距離よりも大きい光源５８からの軸線方向距離において光軸９２に沿って配置されうる。反射光学素子８６の湾曲によって、近位端部８８と光軸９２との間の径方向距離は遠位端部９０と光軸９２との間の径方向距離よりも大きい。

続けて図３を参照すると、ダイクロイックミラー９６が反射光学素子８６の開口９４内に配置される。ダイクロイックミラー９６は、変換された光がダイクロイックミラー９６を通過し、且つ変換されない光が反射されて光源５８に向かって戻されることを可能とするように構成される。反射光学素子８６及びダイクロイックミラー９６は共に光チャネル５５から発せられる光束を高めるように作用し、このことによって、照明器５４の作動効率が改善されうる。また、ダイクロイックミラー９６及び反射光学素子８６は共に、反射光学素子８６における開口９４を通して、変換された光を外に向けるように作用する。

ダイクロイックミラー９６は光源５８に対して概して凹形状を有する。例えば、ダイクロイックミラー９６は、波長変換材料６５の外面８３に沿って配置され且つＬＥＤダイ６４に対して概して中心に位置する湾曲の中心を有する略球状の反射器として構成される。ダイクロイックミラー９６は光源５８から概して離される。図３に示される例示的な形態では、ダイクロイックミラー９６全体は、実質的に、反射光学素子８６の遠位端部９０よりも光源５８から遠い距離に位置付けられる。ダイクロイックミラー９６は、反射光学素子８６の遠位端部９０に対して、光軸９２に沿った他の場所に位置付けられてもよく、他の場所は、光源５８により近い位置又は光源５８からより遠く離れた位置を含む。例えば、ダイクロイックミラー９６の全て又は一部は光源５８と反射光学素子８６の遠位端部９０との間で光軸９２に沿って位置付けられる。ダイクロイックミラー９６は、図３に示されるように反射光学素子８６に重ならないような大きさで作られ、又は反射光学素子８６に重なるような大きさで作られ、この場合、ダイクロイックミラー９６の縁９８が反射光学素子８６の遠位端部９０よりも光軸９２から遠い距離にあるだろう。第１反射光学素子８６及びダイクロイックミラー９４は、例えば個々の光学素子に関連付けられた光学コーティングを連続的な不断の基板材料に適用することによって一体的に形成されてもよい。

反射光学素子８６と共に光源５８として非ドーム形ＬＥＤ６２（図４）を用いることによって、光チャネル５５から発せられた光束は高められるが、例えば反射光学素子８６を有することなくドーム形ＬＥＤ８１を用いる同様の形態とは対照的に、光チャネル５５から発せられた光の色度は黄色の波長範囲に向かってシフトしうる。前述のように、レンズ無しのＬＥＤを作動させることによって、ＬＥＤダイ６４から発せられた光の一部が再利用されるので、発せられた光の波長は黄色の波長範囲に向かってシフトしうる。非ドーム形ＬＥＤ６２（図４）又はドーム形ＬＥＤ８１（図５）と共に反射光学素子８６を用いることも、光チャネル５５から発せられた光の色度が黄色の波長範囲に向かってシフトすることをもたらす傾向がある。

非ドーム形ＬＥＤ６２又はドーム形ＬＥＤ８１と共に反射光学素子８６を用いるときに起こりうる色度の代表的なシフトが、図６に示される色度図上に表されている。典型的には人間の眼に可視な色の範囲を特定するＣＩＥ１９３１色空間が色度図に含まれる。ドーム形ＬＥＤ８１（図５）から発せられた光の例示的な色度が中実の黒四角として色度チャート上に示される。非ドーム形ＬＥＤ６２（図４）から発せられた光の例示的な色度が未充填の四角形として色度チャート上に示される。例えば図７に示されるようにドーム形ＬＥＤ８１と共に反射光学素子８６（図３）を用いること、又は例えば図８に示されるように非ドーム形ＬＥＤ６２と共に反射光学素子８６（図３）を用いることは、対応するＬＥＤから発せられた光の再利用を増大し、このことによって、発せられた光の色度が黄色の周波数範囲に向かってシフトするようになる。反射光学素子８６と組み合わされて使用されたとき（図７）のドーム形ＬＥＤ８１から発せられた光の例示的な色度が中実の黒三角として色度チャート上に示される。反射光学素子８６と組み合わされて使用されたとき（図８）の非ドーム形ＬＥＤ６２から発せられた光の例示的な色度が未充填の三角として色度チャート上に示される。両方の例におけるドーム形ＬＥＤ８１及び非ドーム形ＬＥＤ６２と共に反射光学素子８６を用いることは、概して、光チャネル５５から発せられる光の色度の、黄色の波長範囲に向かう測定可能なシフトを生むだろう。

続けて図３を参照すると、非ドーム形ＬＥＤ６２及び／又は反射光学素子８６を用いるとき、光チャネル５５から発せられた光の黄色の波長範囲に向かう色度シフトは、第２光源６０を含む第２光チャネル５７を用いることによって少なくとも部分的に弱められる。光チャネル５５から発せられた青色波長の不十分な光をより多くの白色の波長範囲に向かって戻るようにシフトさせるために、光源６０は、狭帯域の青色光を発するように構成された一つ以上のＬＥＤを含むことができる。第２光源６０から発せられた光は、概して、ダイクロイックミラー９６によって遮られた光と同様の波長範囲であるだろう。光源６０と共に用いられるＬＥＤは様々な形態において製造され、様々な形態の例は図４及び図５に示される。ＬＥＤダイ６４は、概して、光源５８と共に用いられる半導体ダイオード材料と同様の波長範囲内の光を発するように選択されてもよい。このことは、光源５８及び６０の両方について同一の半導体ダイオード材料を用いることによって、又は代替的に、同様の波長範囲内の光を発する異なる半導体材料を用いることによって実現されうる。光源５８と共に用いられるＬＥＤとは異なり、光源６０と共に用いられるＬＥＤは、光チャネル５７から発せられた光が、概して、光源５８と共に用いられた半導体ダイオード材料から発せられた光と同一の波長範囲を有するので、概して、半導体ダイオード材料から発せられた光を別の波長範囲に変換するための波長変換材料又は波長変換基板を用いない。

続けて図３を参照すると、光チャネル５７は、光チャネル５７から発せられる光束を高めるための様々な特徴と、対応する光ビームのサイズ及び方向を制御するための様々な特徴とを含むことができる。例えば、光チャネル５７は、光源６０に近接して配置された一つ以上の第２反射光学素子１００を含んでもよい。反射光学素子１００は、反射器に到達するほぼ全ての光を反射して光源６０に向かって戻すのに十分な帯域幅を有する広帯域の又は狭帯域の反射器として構成されうる。反射光学素子１００は、概して光源６０から離間され、光源６０に対して概して凹形状を有する。反射光学素子１００は、近位端部１０２を画定する第１周縁と、反対側の遠位端部１０４を画定する第２周縁とを含む。近位端部１０２は光源６０の概して近傍において光軸１０６に沿って軸線方向に配置されうる。遠位端部１０４は、近位端部１０２と光源６０との間の軸線方向距離よりも大きな光源６０からの軸線方向距離において光軸１０６に沿って配置されうる。反射光学素子１００の湾曲によって、近位端部１０２と光軸１０６との間の径方向距離は遠位端部１０４と光軸１０６との間の径方向距離よりも大きい。

続けて図３を参照すると、反射光学素子１００は光学的に透明な開口１０８を含み、光源６０によって生成される光は開口１０８を通って光チャネル５７から発せられる。開口１０８は、図３に示されるように反射光学素子１００を完全に通って延在する開口として構成される。代替的に、開口１０８は、反射コーティングが適用されない、開口１０８に対応する領域を、反射光学素子１００の実質的に光学的に透明な基板に提供することによって形成されてもよい。後者の形態では、反射光学素子１００の光学的に透明な基板は開口１０８を覆うが、開口１０８に対応する領域が反射コーティングを有しないので、光源６０から発せられた光は、コーティングされてない基板材料を通過することができるだろう。

光源６０は広い角度に亘って光を発することができる。開口１０８を通過する光チャネル５７からの光束を最大にするのを補助すべく、反射光学素子１００は、選択された発光角度αを超える光源６０から発せられた光の少なくとも一部を光源６０に向かって戻るように向け直すように作用することができる。このことは、選択された最大値よりも大きな発光角度において、光源６０から発せられた光の一部が光チャネル５７内で再利用され且つ反射光学素子１００における開口１０８を通して向け直されることを可能とする。光源６０から発せられた光の少なくとも一部を再利用することによって、光チャネル５７から発せられた光束を増大することができる。

照明器５４は、光チャネル５５から発せられた黄色シフトした広帯域の光ビームと、光チャネル５７から発せられた狭帯域の青色光ビームとを、光ファイバケーブル５２への送達に適した広帯域の単一白色光ビームに結合するための一つ以上の光学素子を含むことができる。光ファイバケーブル５２は概して単一の光ファイバを含むが、複数の光ファイバが用いられてもよい。光ファイバケーブル５２は、典型的には、ファイバ軸線１１２に対して所定の角度を成す最大発光角度１１０を含み、最大発光角度１１０において、光は光ファイバワイヤに入ってその長さに沿って進む。光ファイバケーブル５２についての開口数（ＮＡ）が、ファイバの最大発光角度に基づいて決定されうる。ＮＡは光ファイバケーブルの最大発光角度の正弦に相当する。光チャネル５５及び５７を光ファイバケーブル５２に光学的に接続するための光学素子は、光ファイバケーブル５２の開口数に適合する開口数を得るように構成されうる。このことは、光ファイバケーブル５２に送達される光が光ファイバケーブル５２に入り且つ光ファイバケーブル５２に沿って進むことができることを確実なものとすることを補助する。

図３に示される照明器５４の例示的な形態では、第１コリメータレンズ１１４が、光チャネル５５から発せられた発散光ビームを受容する。コリメータレンズ１１４を通過する光は、概して平行にされた光ビームを形成するように屈折する。光チャネル５５からコリメータレンズ１１４に到達する光ビームの最大入射角度θは、反射光学素子８６における開口９４のサイズを変更することによって少なくとも部分的に制御されうる。最大入射角度は概して開口９４のサイズと共に増大する。

第２コリメータレンズ１１６は、光チャネル５７から発せられた発散光ビームを受容する。第２コリメータレンズ１１６を通過する光は、概して平行にされた光ビームを形成するように屈折する。光チャネル５７からコリメータレンズ１１６に到達する光ビームの最大入射角度αは、反射光学素子１００における開口１０８のサイズを変更することによって少なくとも部分的に制御されうる。最大入射角度は概して開口１０８のサイズと共に増大する。

照明器５４は、平行にされた広帯域の単一白色光ビームを形成すべく、光チャネル５５から発せられた黄色にシフトした広帯域の光ビームと、光チャネル５７から発せられた狭帯域の青色光ビームとを結合するためのダイクロイックフィルタ１１８を含むことができる。ダイクロイックフィルタ１１８は第１コリメータレンズ１１４及び第２コリメータレンズ１１６の下流側に配置される。ダイクロイックフィルタ１１８は、光チャネル５５から発せられた光の波長範囲に含まれる光を選択的に通し、一方、光チャネル５７から発せられた光の波長範囲に含まれる光を反射するように構成される。第１コリメータレンズ１１４からの平行光ビームはダイクロイックフィルタ１１８を通過し、一方、第２コリメータレンズ１１６からの平行光ビームはダイクロイックフィルタ１１８から反射され、このことによって、二つの別個の光ビームが、結合して、概して広帯域の白色光として現れる単一の平行光ビームを形成することができる。結果として生じる広帯域の白色光ビームが、長い破線によって図３に表される。ダイクロイックフィルタ１１８からの広帯域の白色平行光ビームは集光レンズ１２０を通過し、集光レンズ１２０は光ファイバケーブル５２への送達のために平行光ビームを集光するように作用する。

図３は、光チャネル５５から発せられた光と、光チャネル５７から発せられた光とを結合し、結果として生じる光ビームを光ファイバケーブル５２への伝送のために集光するための光学配置の単なる一つの例を示す。他の配置が用いられてもよい。

照明器５４を用いるときに生じうる色度及び光束の相対的な改善の代表例が、図９に示される色度図に表されている。典型的には人間の眼に可視な色の範囲を特定するＣＩＥ１９３１色空間が色度図に含まれる。照明器の異なる三つの形態についての例示的な色度レベルが色度図上にプロットされる。照明器の三つの形態は、形態Ａ、Ｂ及びＣとして特定される。図３を参照すると、「形態Ａ」は、ダイクロイックミラー９６、ダイクロイックフィルタ１１８及び第２光チャネル５７を有することなく、概して、非ドーム形ＬＥＤ６２（図４）として構成されたＬＥＤ光源５８と、反射光学素子８６と、第１コリメータレンズ１１４と、集光レンズ１２０とから成る。「形態Ｂ」は、「形態Ａ」と同様であるが、ダイクロイックミラー９６も含む。「形態Ｃ」は、実質的に図３に示された形態である。「形態Ａ」についての光束を１００％と仮定すると、「形態Ｂ」に到達すべく「形態Ａ」にダイクロイックミラー９６を追加することによって、典型的には約１．８％だけ光束が増大するが、対応して、色度も、より長い黄色の波長に向かってシフトする。光チャネル５７及びダイクロイックフィルタ１１８を含むように「形態Ｂ」を修正することによって、「形態Ａ」と比較して光束が９．２％増大し、一方、それと同時に、色度が実質的に白色光波長に向かってシフトする。

本明細書に記載された例示的なＬＥＤ照明器が広範な用途を有することが理解されるだろう。上述の形態は、方法及び装置の原理並びにいくつかの実用的な用途を示すべく、選択されて記載された。前述の記載によって、当業者は、様々な形態において、考えられる特定の使用に適した様々な修正と共に、方法及び機器を利用することができる。特許法の規定に従って、開示されたＬＥＤ照明器の原理及び動作モードが例示的な形態において説明されて示されてきた。

本方法及び本機器の範囲は以下の請求項によって定義されることが意図されている。しかしながら、開示されたＬＥＤ照明器が、その思想及び範囲から逸脱することなく、具体的に説明され且つ示されたものとは違って実施されうることが理解されなければならない。本明細書に記載された形態の様々な代替形態が、以下の請求項の範囲に定義されるような思想及び範囲から逸脱することなく、請求項を実施するのに用いられうることが当業者によって理解されるべきである。開示されたＬＥＤ照明器の範囲は、上記の記載を参照することなく決定されるべきであるが、代わりに、斯かる請求項が権利化される全範囲の均等範囲と共に、添付の請求項を参照して決定されるべきである。本明細書において論じられた技術分野において将来的に進歩が生じ、開示されたシステム及び方法が斯かる将来の例に取り込まれることが予期され且つ意図されている。さらに、請求項中に使用される全ての用語は、本明細書において明確な反対の指示がなされない限り、これらの最も広範且つ妥当な構成と、当業者によって理解されるようなこれらの通常の意味とが与えられることが意図されている。特に「一つの」、「その」、「前記」等のような単数の冠詞の使用は、請求項が明確な反対の限定について言及しない限り、一つ以上の指示された要素について言及しているように読まれるべきである。以下の請求項は、これら請求項の範囲及びこれらによって保護対象とされるこれらの均等物の範囲内で、装置の範囲並びに方法及び機器の範囲を定義することが意図されている。要するに、装置が修正及び変形可能であり以下の請求項によってのみ限定されることが理解されるべきである。

Claims (20)

1. 第１の波長範囲において光を発するように構成された第１光源と、
   前記第１光源に関連付けられた第１ダイクロイック光学素子であって、前記第１光源から発せられた前記光の全波長範囲未満を光学的に遮るように構成された第１ダイクロイック光学素子と、
   前記第１ダイクロイック光学素子によって光学的に遮られた波長範囲に実質的に相当する第２の波長範囲において光を発するように構成された第２光源と
   を具備する、照明装置。
2. 前記第１ダイクロイック光学素子が、前記第１光源から発せられた前記第１の波長範囲に実質的に相当する第３の波長範囲において発せられた光を通すように構成され、前記第３の波長範囲が、前記第１ダイクロイック光学素子によって遮られた前記第２の波長範囲よりも小さい、請求項１に記載の照明装置。
3. さらに、前記第１光源の光路及び前記第２光源の光路に配設された光学システムであって、前記第１ダイクロイック光学素子を通過する光と、前記第２光源から発せられた光とを光学的に結合するように構成された光学システムを具備する、請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光学システムが、前記第１光源の光路及び前記第２光源の光路に配設された第２ダイクロイック光学素子を具備する、請求項３に記載の照明装置。
5. 前記第２ダイクロイック光学素子が、前記第３の波長範囲内の光を通し且つ前記第２の波長範囲内の光を反射するように構成され、且つ、該第２ダイクロイック光学素子を通過する光と、該第２ダイクロイック光学素子から反射された光とを光学的に結合するように作用する、請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光学システムが、さらに、
   前記第１光源と前記第２ダイクロイック光学素子との間の光路に配設された第１コリメータレンズと、
   前記第２光源と前記第２ダイクロイック光学素子との間の光路に配設された第２コリメータレンズと
   を具備する、請求項４に記載の照明装置。
7. 前記光学システムが、さらに、前記第１光源及び第２光源を光ファイバケーブルに光学的に接続するための集光レンズであって、前記第２ダイクロイック光学素子と前記光ファイバケーブルとの間の光路に配設された集光レンズを含む、請求項６に記載の照明装置。
8. 前記第１光源が発光ダイオードを含み、該発光ダイオードが、実質的に前記第２の波長範囲において光を発するように構成された半導体材料と、実質的に前記第３の波長範囲において光を発するように構成された波長変換材料とを有する、請求項２に記載の照明装置。
9. 前記第２光源が発光ダイオードを含み、該発光ダイオードが、実質的に前記第２の波長範囲において光を発するように構成された半導体材料を有する、請求項８に記載の照明装置。
10. さらに、前記第１光源に近接して配置された第１反射光学素子であって、前記第１の波長範囲全体に亘って前記第１光源から発せられた光を反射するように構成された第１反射光学素子を具備する、請求項１に記載の照明装置。
11. さらに、前記第２光源に近接して配置された第２反射光学素子であって、前記第２の波長範囲全体に亘って前記第２光源から発せられた光を反射するように構成された第２反射光学素子を具備する、請求項１０に記載の照明装置。
12. 前記反射光学素子が、前記第１光源の光軸に沿った第１の軸線方向の点に配置された第１の領域と、前記第１光源の光軸に沿った第２の軸線方向の点に配置された第２の領域とを含み、前記第１の軸線方向の点から前記第１光源までの前記光軸に沿った距離が、前記第２の軸線方向の点から前記第１光源までの前記光軸に沿った距離よりも小さく、前記第１の軸線方向の点から前記反射光学素子の第１の領域までの距離が前記第２の軸線方向の点から前記反射光学素子の第２の領域までの距離よりも大きい、請求項１０に記載の照明装置。
13. 前記反射光学素子が近位端部と反対側の遠位端部とを含み、前記反射光学素子の遠位端部から前記第１光源までの前記光軸に沿った距離が、前記反射光学素子の近位端部から前記第１光源までの前記光軸に沿った距離よりも大きく、前記第１ダイクロイック光学素子の少なくとも一部が前記第１光源からの所定の距離において前記光軸に沿って配置され、前記所定の距離が、前記第１光源から前記反射光学素子の遠位端部までの前記光軸に沿った距離よりも大きい、請求項１２に記載の照明装置。
14. 第１の波長範囲における光の第１の部分と、第２の波長範囲における光の第２の部分とを発するように構成された第１光源と、
    前記第１光源に光学的に関連付けられた第１反射素子であって、前記第１の波長範囲及び第２の波長範囲において光を反射するように構成された第１反射素子と、
    前記第１光源に光学的に関連付けられた第１ダイクロイック素子であって、前記第１の波長範囲における光を遮り且つ前記第２の波長範囲における光を通すように構成された第１ダイクロイック素子と、
    前記第１の波長範囲における光を発するように構成された第２光源と、
    前記第２光源に光学的に関連付けられた第２反射素子であって、少なくとも前記第１の波長範囲における光を反射するように構成された第２反射素子と
    を具備する、照明装置。
15. さらに、前記第１光源の光路及び前記第２光源の光路に配設された第２ダイクロイック素子を具備する、請求項１４に記載の照明装置。
16. 前記第２ダイクロイック素子が、前記第２の波長範囲内の光を通し且つ前記第１の波長範囲内の光を反射するように構成され、且つ、前記第１ダイクロイック素子を通過する光と、前記第２光源から発せられた光とを光学的に結合するように作用する、請求項１５に記載の照明装置。
17. さらに、
    前記第１光源と前記第２ダイクロイック素子との間の光路に配設された第１コリメータレンズと、
    前記第２光源と前記第２ダイクロイック素子との間の光路に配設された第２コリメータレンズと
    を具備する、請求項１５に記載の照明装置。
18. さらに、前記第１光源及び第２光源を光ファイバワイヤに光学的に接続するための集光レンズであって、前記第２ダイクロイック素子と前記光ファイバワイヤとの間の光路に配設された集光レンズを具備する、請求項１７に記載の照明装置。
19. 前記第２反射素子が、前記第２光源から発せられた光が該第２反射素子をすり抜けることを可能とする開口を含む、請求項１４に記載の照明装置。
20. 前記第１光源及び第２光源の少なくとも一方が発光ダイオードを含む、請求項１４に記載の照明装置。

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