JP2015170708A5

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Publication number: JP2015170708A5
Application number: JP2014044170A
Authority: JP
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2034-03-06

Description

又、温度制御回路１１は、入力部１０から入力された所定の実効光量に従って各ＬＤ１−１〜１−３が発光するように連続的な駆動波形で各駆動回路１４−１〜１４−３を駆動し、当該駆動により各ＬＤ１−１〜１−３が発光したときの予想発熱量を当該各ＬＤ１−１〜１−３の駆動特性情報から導出する。
ここで、各ＬＤ１−１〜１−３のうち予想発熱量が最も大きいＬＤ１−１、１−２又は〜１−３を第１の発光素子とし、当該第１の発光素子に含まれないＬＤを第２の発光素子とすると、上記温度制御回路１１は、第１の発光素子の駆動条件を当該第１の発光素子の発光効率が最も高くなるように設定する。

駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３を印加している期間をＴ１、印加していない期間をＴ２とすると、デューティー比Ｄは、
Ｄ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２） …（１）
となる。
期間Ｔ１に印加している電流をピーク電流と呼ぶ。（Ｔ１＋Ｔ２）は、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３の周期となる。
駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３の周期（Ｔ１＋Ｔ２）は、各ＬＤ１−１〜１−３が熱的に応答しない周期、すなわち各ＬＤ１−１〜１−３の温度がパルス駆動の一つ一つに応答できないような速度となる周期、熱的に応答できないような速度となる周期に設定、又は当該駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３に応答した各ＬＤ１−１〜１−３の温度の変動量が問題にならない量になるように短く設定された周期である。
［ＬＤ１−１〜１−３の特性とパルス駆動時の発熱量の説明］
３個のＬＤ１−１〜１−３の特性について説明をする。これらＬＤ１−１〜１−３は、同一の特性を持つ。
ここでの説明は、実効光量というような積分値的な議論ではなく、各時点々での値についての議論である。
各ＬＤ１−１〜１−３より発生する発熱量Ｑは、当該ＬＤ１−１〜１−３に印加する電力をＰin、ＬＤ１−１〜１−３の光出力をＰout、ＬＤ１−１〜１−３の順方向電圧をＶf、ＬＤ１−１〜１−３の駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３をＩdrvとすると、
Ｑ＝Ｐin−Ｐout
＝Ｖf・Ｉdrv−Ｐout …（２）
なる関係を有する。

一方、各ＬＤ１−１〜１−３は、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３が閾値電流に到達するまでレーザ光を発光せず、閾値電流を超えるとレーザ光を発光し、かつレーザ光の出力光量は、図４に示すように閾値電流を超えた電流量に略比例して増加する特性を持つ。
各ＬＤ１−１〜１−３の発光効率は、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３及びレーザ光の出力（光出力Ｐout）により異なる特性を有する。
光出力Ｐoutと、スロープ効率ηと、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３（Ｉdrv）と、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３の閾値電流Ｉthとは、
Ｐout＝η×（Idrv−Ith） …（３）
なる関係を有する。

よって、ＬＤ１−１〜１−３から発する発熱は、図４に示すように閾値電流Ｉthまでの駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３により決まる発熱量Ｑ１と、閾値電流Ｉthを超えた駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３により決まる発熱量Ｑ２との総和（Ｑall＝Ｑ１＋Ｑ２）となる。
ここで、
Ｑ１＝Ｉth×Ｖf
Ｑ２＝（Ｉdrv−Ｉth)×Ｖf−Ｐout
＝Ｐout（Ｖf／η−１）
＝Ｐout×Ｋ …（４）
Ｑ１は光出力Ｐoutに依らず一定となり、Ｑ２は光出力Ｐoutの光量に比例する。

次に、上記各ＬＤ１−１〜１−３の特性に基づいて実効光量について説明する。
先に述べた様に、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３のようなパルス状の駆動電流の波形により各ＬＤ１−１〜１−３を駆動すると、各ＬＤ１−１〜１−３から発光されるレーザ光も、駆動電流パルスＰＩ１〜ＰＩ３に応じたパルス状の光となって出力される。
実効光量をＰeffとすると、当該実効光量Ｐeffは、図３に示すようにパルス駆動を行ったときに、パルス駆動の周期よりも十分長い期間で光量を積分した値に相当する。例えば肉眼や撮像素子などでは、パルス状の光それぞれを区別して感じず、パルス状の光を積分した実効光量Ｐeffに相当する光を感じることになる。
実効光量Ｐeffは、
Ｐeff＝Ｄ×Ｐout …（５）
により表される。ここでの光出力Poutは、パルス状の光出力のピーク光量、すなわちピーク出力に相当する。

次に、実効光量Ｐeff3が最大であるＬＤ１−３について、より発熱を低減できるようにパルス駆動のデューティー比Ｄを高効率になるように決める。すなわち、温度制御回路１１は、実効光量（Ｐeff3）が最も高いＬＤ１−３について、記憶素子１３に記憶されている駆動特性情報、すなわち閾値電流Ｉthと、ＬＤ１−３の順方向電圧Ｖfと、スロープ効率ηと、ＬＤ１−３の出力光量の最大定格値Ｐmaxとに基づいて周期的なパルス波形のピーク電流値又はデューティー比を導出する。

本実施の形態におけるＬＤ１−１〜１−３では、各ＬＤ１−１〜１−３の出力光量の最大定格値Ｐmaxにおいて発光効率が最大になるので、温度制御回路１１は、記憶素子１３に記憶されている駆動特性情報から実効光量Ｐeff3が最大であるＬＤ１−３の出力光量の最大定格値Ｐmaxを読み込み、ＬＤ１−３の出力光量の最大定格値Ｐmaxとなる電流値を導出し、実効光量設定回路１２にピーク電流値として出力する。

各ＬＤ１−１〜１−３と放熱先の大気との熱コンダクタンス、又は当該各ＬＤ１−１〜１−３と放熱器３との熱コンダクタンスが異なる場合、それぞれの値を設計値又は実測値から求め、その値に反比例するように各ＬＤ１−１〜１−３の発熱量を設定してもよい。
本実施の形態では、複数のＬＤ１−１〜１−３等を１つの放熱器３に接続しているが、これに限らず、各ＬＤ１−１〜１−３は、図６に示すようにそれぞれ別々の放熱器３−１〜３−３に接続してもよい。

［第２の変形例］
図８は光源装置２０の第２の変形例の構成図を示す。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
この光源装置２０には、各ＬＤ１−１〜１−３のそれぞれ近傍に温度検出器としての温度センサ３０−１〜３０−３が配置されている。図９は温度センサ３０−１〜３０−３の配置図を示す。これら温度センサ３０−１〜３０−３は、マウント部材２上で、かつ各ＬＤ１−１〜１−３に接触するように設けられている。これら温度センサ３０−１〜３０−３は、それぞれ各ＬＤ１−１〜１−３の温度を検出してその電気信号を出力する。これら温度センサ３０−１〜３０−３は、例えば、サーミスタや熱電対、非接触で温度を測定するセンサなど一般的な温度センサであれば何でもよい。これら温度センサ３０−１〜３０−３から出力される電気信号は、温度制御回路１１に送られる。
この温度制御回路１１は、温度センサ３０−１〜３０−３から出力された各電気信号を入力し、これら電気信号（各ＬＤ１−１〜１−３の温度）に基づいて各ＬＤ１−１〜１−３の温度がそれぞれ所定の温度の状態になるように駆動条件である周期的なパルス波形のピーク電流値又はデューティー比を調整する。所定の温度の状態とは、温度センサ３０−１〜３０−３により検出される各ＬＤ１−１〜１−３の温度が所定の温度となる状態である。

各ＬＤ１−１〜１−３は、それぞれ種類の異なるものであり、その特性も異なる。記憶素子１３に記憶されている各ＬＤ１−１〜１−３の各駆動特性情報は、それぞれ各ＬＤ１−１〜１−３毎に記憶されている。
各ＬＤ１−１〜１−３は、当該各ＬＤ１−１〜１−３とペルチェ素子４０との熱コンダクタンスが等しくなるように配置される。

なお、各ＬＤ１−１〜１−３の順方向電圧Ｖfは、駆動電流により変動する特性を持つ場合がある。この場合、記憶素子１３に有するＬＤ１−１〜１−３の駆動特性情報として順方向電圧Ｖfと駆動電流のテーブルデータとを保存しておくのが良い。効率が最大で、かつピークが定格のときには最適である。

Claims

光を発光する発光素子と、
前記発光素子に駆動波形を印加する駆動部と、
前記発光素子から発光する前記光の所定の実効光量を入力する入力部と、
前記発光素子の駆動条件を設定する温度制御部と、
前記温度制御部により設定された前記駆動条件に従い、前記所定の実効光量で前記発光素子が発光するように前記駆動部を駆動する実効光量設定部と、を具備し、
前記温度制御部は、前記駆動条件を調整して前記発光素子から発光される前記光の実効光量を変えず、前記発光素子の発熱量を増減して、前記発光素子を所定の発熱状態に制御する、
ことを特徴とする光源装置。
前記駆動波形は、周期的なパルス波形を有し、
前記駆動条件は、前記周期的なパルス波形のピーク電流値又はデューティー比のいずれか一方が設定され、
前記実効光量設定部は、前記発光素子から発光される前記光の実効光量が前記所定の実効光量になるように、前記ピーク電流値又は前記デューティー比のうち前記駆動条件として設定されなかった前記デューティー比又は前記ピーク電流値を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記発光素子は、複数であり、
前記所定の発熱状態は、前記複数の発光素子の前記発熱量が等しくなる状態であり、
前記温度制御部は、前記複数の発光素子の前記各発熱量が等しくなるように前記駆動条件を調整する、
ことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
前記温度制御部は、
前記入力部から入力された前記所定の実効光量に従って前記発光素子が発光するように連続的な前記駆動波形で前記駆動部を駆動し、当該駆動により前記発光素子が発光したときの予想発熱量を当該発光素子の駆動特性から導出し、
前記複数の発光素子のうち前記予想発熱量が最も大きい前記発光素子を第１の発光素子とし、前記第１の発光素子に含まれない前記発光素子を第２の発光素子として、前記第１の発光素子の前記駆動条件を当該第１の発光素子の発光効率が最も高くなるように設定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
前記発光素子の温度を検出する温度検出器を含み、
前記所定の発熱状態は、前記温度検出器により検出される前記発光素子の温度が所定の温度となる状態であり、
前記温度制御部は、前記温度検出器により検出される前記発光素子の温度が前記所定の温度の状態になるように前記駆動条件を調整する、
ことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
前記発光素子の温度を検出する温度検出器と前記発光素子の温度を調整する温度調整素子とを含み、
前記温度調整素子の個数は、前記発光素子の個数よりも少なく、
前記温度検出器は、前記第１の発光素子の近傍に設置され、
前記温度制御部は、前記温度検出器により検出される前記第１の発光素子の温度に基づいて当該第１の発光素子が所定の温度になるように前記温度調整素子を駆動制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
前記複数の発光素子は、前記温度調整素子との間の各熱コンダクタンスが等しくなるように配置されることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
前記周期的なパルス波形の周期は、前記発光素子が熱的に応答しない周期であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
撮像装置と組み合わされ、
前記周期的なパルス波形の周期は、前記撮像装置の撮像フレーム周期の自然数分の１に設定される、
ことを特徴とする請求項２記載の光源装置。
前記発光素子は、複数であり、
前記複数の発光素子の駆動特性を記憶する記憶手段を含み、
前記温度制御部は、前記記憶手段に記憶された前記駆動特性に基づいて前記駆動条件を導出することを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
請求項１乃至１０のうちいずれか１項記載の光源装置を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
発光素子から発光する光の所定の実効光量を入力し、
前記発光素子の駆動条件を設定し、
前記駆動条件に従い、前記所定の実効光量で前記発光素子が発光するように前記駆動条件に従って前記発光素子に駆動波形を印加する駆動部を駆動し、
前記発光素子に対する制御では、前記駆動条件を調整して前記発光素子から発光される前記光の実効光量を変えず、前記発光素子の発熱量を増減して、前記発光素子を所定の発熱状態に制御する、
ことを特徴とする光源制御方法。