JP2018505514A - 高放射輝度発光ダイオード光エンジン - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのＬＥＤダイと、テーパ状集光光学とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）高放射輝度照明システムが、説明される。光を回収するテーパ状集光光学の出力端における反射面の開口が、光を隣接する光ファイバ束に放出するように構成される。開口を包囲する反射面は、テーパ状集光光学を通して光を戻るように反射し、増加した放射輝度をもたらす。システムは、近接場および遠方場において均一な高強度を提供し、高演色評価数ならびに安定した調節可能な強度および相関演色を伴う外科手術用および顕微鏡照明を含む用途に対して好適である。照明は、白色光を含む、１つ以上の色を含むことができる。システムは、温度および光学性能を改良しており、概して、従来システムに対してよりコンパクトかつより低コストである。

Description

（関連出願）
本願は、米国仮出願第６２／０８６，３６８号（２０１４年１２月２日出願、名称「Ｈｉｇｈ Ｒａｄｉａｎｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅ」）のより早い出願日の利益を主張し、上記出願の全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本発明は、概して、外科手術用照明用途のための一般的着目領域に及ぶ約３，０００ケルビン〜８，０００ケルビンの相関色温度（ＣＣＴ）の範囲にわたって８５を上回る高平均演色評価数（ＣＲＩ）およびＲ９値によって特徴付けられる光の高放射輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）源に関する。高放射輝度ＬＥＤ光源は、蛍光顕微鏡法の視野のための高放射輝度狭帯域蛍光励起照明を提供するために使用されることができる。高放射輝度ＬＥＤ光源は、顕微鏡照明もしくは外科手術用ヘッドライトにおいて使用されるもの等の標準的な３ミリメートルの液体光ガイド、または内視鏡外科手術用途において使用されるもの等の２〜５ミリメートル直径の光ファイバ光ガイドに結合されることができる。高放射輝度ＬＥＤ光源は、時間および温度にわたって光仕様を維持するために、その全スペクトルにわたる光学電力の閉ループ制御を含むことができる。

高放射輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）光源は、外科手術用および顕微鏡の照明における困難な用途のために高い需要がある。外科手術用および顕微鏡の照明分野における従来技術は、典型的には、タングステンもしくはタングステンハロゲン、金属ハライド、ショートアークキセノンランプ、ショートアーク水銀ランプ、またはより最近では、事前包装された高輝度白色ＬＥＤを組み込むシステムを利用する。タングステンハロゲン源は、より要求の多い外科手術用途の多くに対して十分な放射輝度を有しておらず、わずか約数百時間またはそれを下回る非常に短い寿命を有する。金属ハライド、ショートアークキセノンランプ、およびショートアーク水銀ランプは、アークを開始するために約数十キロボルトの高電圧を要求し、それは、手術室におけるＥＭＩの懸念に関連する問題となり得る。アークランプはまた、アークフリッカに悩まされ、アークフリッカは、源の放射輝度をさらに低減させる均質化光学を必要とする。さらに、金属ハライド、キセノンランプ、および水銀ランプは、毒性の懸念に起因して規制当局によって市場から除外されている有毒性の水銀を使用する。ＬＥＤベースの外科手術用照明源は、長寿命および高放射輝度の利益を提供するが、商業的に利用可能なユニットは、約６５〜８０の非常に低いＣＲＩに悩まされ、ユーザ調節可能なＣＣＴを有していない。加えて、それらは、典型的には、白色ＬＥＤダイのみから作製されるので、ＣＣＴは、概して、強度の増加とともに増加し、したがって、安定していない。

本明細書に説明されるＬＥＤ光源の実施形態は、いかなる水銀も含まず、ＣＣＴにおいて制御可能かつ安定しており、広い範囲のＣＣＴにわたって８５〜９８に及ぶＣＲＩを有する。複数の色のＬＥＤダイに対する閉ループ制御が、時間および温度変動にわたって調節可能かつ安定したＣＲＩおよびＣＣＴを取得するために使用される。タングステン、金属ハライド、ならびにキセノンおよび水銀両方のショートアークランプの深刻な制限は、それらがわずか約数百からおよそ数千時間の短い寿命によって特徴付けられ、その寿命にわたってそれらの出力が５０パーセント以上劣化し得ることである。最初の１００時間以内に、キセノンショートアークランプは、その初期強度の約２０〜２５パーセント劣化することが知られている。閉ループＬＥＤベースのシステムでは、強度は、２０，０００時間を超え得る製品の寿命の間、安定したままであり得る。放射輝度という用語は、単位立体角あたり単位面積あたりの光学電力を指し、それは、固定面積を有し、固定範囲の角度にわたって伝送される光ファイバへの入力を測定するために好ましいメトリックである。光学電力に対する眼の応答は、放射測定用語の放射輝度と同等の光度である輝度として説明される。

外科手術用照明は、ヒトの眼による直視による観血術部位の光ファイバ照明等の直接視覚用途、深部心腔外科手術において使用されるような外科手術用ヘッドランプ、およびある範囲のファイバ直径にわたる内視鏡手術を含む。本発明の実施形態は、頭上外科手術用照明のための直接結合光ファイバシステムとして使用されることができる。顕微鏡照明は、広スペクトル一般的顕微鏡照明と、ＵＶＡおよび赤外スペクトル領域間に及ぶ狭帯域蛍光励起照明とを含み、それに対して本発明は理想的に好適であり、全ての既存のランプ技術よりも優れている。限定ではないが、劇場照明、可視および不可視両方の軍事用途のための高強度スポットライト、ならびに産業プロセスおよび制御を含む、本発明の実施形態の多くの他の使用法が存在する。

事前包装されたＬＥＤは、各々が関連付けられる熱インピーダンスを伴う１つ以上の熱および電気伝導性材料の上面に配置されているＬＥＤもしくはＬＥＤアレイと、電気リードと、熱バックプレーンとを備えているデバイスとして定義され、それらは、次いで、追加の熱インピーダンスを伴うまた別の電気基板に取り付けられることが意図される。事前包装されたデバイスの例は、Ｐｈｉｌｉｐｓによって販売されるＬｕｘｅｏｎ^ＴＭおよびＲｅｂｅｌ^ＴＭ製品ライン、ＯｓｒａｍのＤｒａｇｏｎ^ＴＭおよびＯｓｔａｒ^ＴＭ製品ライン、ならびにＣＲＥＥのＸ−Ｌａｍｐ^ＴＭ製品ラインを含む。対照的に、本発明の実施形態は、かなり低い熱インピーダンス、したがって、より低いＬＥＤ接合部温度をもたらし、より高い放射輝度およびより長い寿命をもたらす。

本明細書に説明される高放射輝度光ファイバ結合システムの実施形態は、広帯域白色光を含む紫外線と近赤外線との間の波長の範囲を対象とする１つ以上の異なるスペクトル領域を伴うＬＥＤ光源を含む。ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、または複数のＬＥＤアレイは、チップオンボード（ＣＯＢ）技術を含む高熱伝導性回路基板に搭載され、好ましい実施形態では、改良された熱性能のために、ダイヤモンド熱スプレッダに直接搭載され、それは、次いで、ＣＯＢに搭載される。光回収反射特徴、光学電力監視、および各色ＬＥＤタイプの独立した閉ループ制御を組み込む高効率非結像集光光学と併せて、本発明の結果として生じるＬＥＤベースの光ファイバ高放射輝度光源は、タングステンハロゲン、金属ハライド、ショートアークキセノンおよびショートアーク水銀ランプシステム、または他のＬＥＤベースのシステムを含む、典型的な商業的に利用可能なシステムが性能において匹敵するものではない。

典型的には、紫外線、青色、青−緑色、緑色、琥珀色、赤色、赤外線、または蛍光体コーティング青色（白色光用）ＬＥＤもしくは他の蛍光体コーティングＬＥＤ色から放出される光学電力は、概して、別様に「テーパ」と称される、４つの側面のテーパ状集光光学の形態の１つ以上の非結像集光器によって集光され、それは、所与の光ファイバサイズに結合するようにサイズ決定された放出開口および開口数（ＮＡ）を伴う鏡面を直接または別個の要素として組み込み、それ鏡面開口とＬＥＤアレイとの間を循環するように光学電力を再利用することによって、光学光ガイドへの高放射輝度入力をもたらす。光学出力は、近接場および遠方場の両方における高い均一性ならびにＬＥＤタイプの各々から放出される光学電力の閉ループ制御によってもたらされる時間および温度とともに調節可能かつ安定したスペクトルによって特徴付けられる。

一側面では、第１の実施形態は、エタンデュ（面積、立体角、屈折率の二乗の積）がアレイ内の全てのＬＥＤによって共有される単一非結像テーパを利用する。このアプローチは、今日商業的に利用可能ないかなるものにも優る優れた結果をもたらす。光学出力が、閉ループ電流制御において監視および使用され、ユーザ設定可能なＣＣＴ値の範囲にわたって安定したＣＲＩを達成する。システムは、色バンディング効果を防止するために厳格な外科手術用照明用途によって要求されるような、近接場および遠方場の両方における高い均一性によって特徴付けられる。

別の側面では、第２の一般的実施形態は、複数のテーパ、好ましい実施形態では、４つのテーパを利用し、それは、改良された熱拡散をもたらし、それによって、単一テーパ実施形態に対してより高い放射輝度およびより長い寿命をもたらすが、しかしながら、より多くの物理量およびコストを犠牲にする。この複数テーパアプローチはまた、典型的には、顕微鏡に結合される液体光ガイドに結合される、蛍光顕微鏡励起への用途のために、各テーパ上に独立したスペクトルバンドパス励起フィルタを具備することもできる。

別の側面では、第３の一般的実施形態は、説明される第１の実施形態のものと同一のサイズの２つ以上のＬＥＤアレイによって共有される代わりに、それらによってエタンデュが完全に満たされることを可能にする、ダイクロイックビームカプラを組み込み、それは、複雑性およびコストを追加するが、さらに高い放射輝度を達成することが可能である。ビームカプラは、２つの形態において示される。第１の形態は、２つのプリズム半体から成る導光立方体に組み込まれ、ダイクロイックコーティングが、２つの斜辺を伴う斜辺のうちの１つの上に堆積され、次いで、光学的に固結され、屈折率整合され、一緒になってビーム合成立方体を形成する。ビームカプラの第２の形態は、光軸に対して４５度の薄いダイクロイックコーティングされたウィンドウと、コリメートレンズおよび集束レンズの対の使用とを含み、上に概説されるような第１の実施形態において説明されるタイプの２つ以上の単一テーパの出力を、光ガイドに結合され得る各源の共通画像に再結像する。

本発明の構造、動作、および方法論は、その他の目的および利点とともに、各部品が、種々の図面においてその部品を識別する割り当てられた番号または標識を有する、図面と併せて以下の発明を実施するための形態を読み取ることによって、最も深く理解され得る。
図１は、多色ＬＥＤアレイを伴うＬＥＤ基板と、集光光学と、光学筐体と、光ファイバカプラと、熱シンクおよびファンと、ＬＥＤ電流ドライバおよびコントローラとを備えている高放射輝度ＬＥＤモジュールの好ましい実施形態の図式的等角図である。 図２は、電流ドライバおよびコントローラが除去された、図１のシステムの図式的等角図である。 図３は、熱シンクモジュールおよびファン、電流ドライバおよびコントローラが除去された、図１のシステムの図式的等角図である。 図４Ａおよび４Ｂは、ＬＥＤ基板、テーパ状集光光学、光学ホルダ、および光ファイバインターフェースの詳細を示す、それぞれ、図３のシステムの図式的等角および側面断面図を示す。 図５Ａおよび５Ｂは、ＬＥＤ基板、ＬＥＤアレイ、テーパ状光学、および光学筐体の詳細を示す、それぞれ、図１のＬＥＤモジュールの図式的等角および等角断面図を示す。 図６Ａおよび６Ｂは、それぞれ、光学光線経路の有無による、図５Ａのシステムの断面側面図を示す。 図７Ａおよび７Ｂは、テーパ、ＬＥＤ基板、および光センサの詳細を示すために機械的筐体が除去された、それぞれ、図５Ａのシステムの図式的等角および上面図を示す。 図８は、図７Ａのシステムの図式的等角断面図である。 図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ、図５ＡのシステムのＬＥＤ基板およびＬＥＤダイアレイの図式的等角図および図式的等角拡大図を示す。 図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ、図５ＡのＬＥＤ基板およびＬＥＤダイアレイの図式的上面図および図式的上面拡大図を示す。 図１１Ａおよび１１Ｂは、下層回路トレースおよびダイヤモンド熱スプレッダの詳細を示すためにマスクが除去された、それぞれ、図５Ａのシステムの図式的等角図および拡大断面等角図を示す。 図１２Ａおよび１２Ｂは、いかなるダイヤモンド熱スプレッダも伴わず、ＬＥＤダイが銅基板に直接取り付けられる、それぞれ、図５Ａの代替実施形態の図式的図および拡大図を示す。 図１３Ａおよび１３Ｂは、それぞれ、実線および隠線を伴う、図４Ａの反射開口を伴うテーパ状光学の図式的等角図を示す。 図１４Ａおよび１４Ｂは、それぞれ、実線および隠線を用いて示される、４つの類似するテーパのアレイを備え、各テーパは、固有のＬＥＤアレイと結合され、直線均質化光パイプに互いに結合される、集光光学システムの代替実施形態の図式的等角図を示す。 図１５Ａ−１５Ｅは、それぞれ、４つの類似するテーパのアレイを備え、各テーパは、異なるＬＥＤアレイと結合され、開口を伴う反射鏡が、４つの異なるスペクトルバンドパスフィルタを備え、実線および隠線を用いて示される直線均質化光パイプに互いに結合される、集光光学システムの代替実施形態の図式的等角図、側面図、および端面図、ならびにスペクトルバンドパスフィルタを伴う反射鏡の詳細図を示す。 図１６Ａ−１６Ｄは、テーパがそれらのそれぞれの出力開口から変位させられた入力開口を有し、それによって、ＬＥＤダイアレイ間の中心間変位を増加させることによって熱性能を改良する、図１５Ａのシステムの代替実施形態の図式的等角図、側面図、および正面端面図を示す。 図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、図１６Ａのテーパの隠線図式的等角図および正面端面図を示す。 図１８Ａ−１８Ｃは、それぞれ、テーパ間に配置されている共通反射開口の詳細、および出力正方形断面均質化コンバイナの図式的図、およびそのそれぞれの円形出力反射開口の詳細である、図１７のシステムの図式的正面端面図を示す。 図１９Ａ−１９Ｅは、より鋭いスペクトル応答を伴うバンドパスフィルタ、鏡面開口、および逆テーパの組み込みのためにテーパ出力サイズがより低い遠方場角に対して増加される、それぞれ、１５Ａのシステムの代替実施形態のＬＥＤダイの有無による、図式的等角図、等角隠線図、側面図、および端面図を示す。 図２０は、色温度および演色評価数に対する制御のための４つの色のダイタイプの各々に対する独立した閉ループ電流制御を伴う、ＬＥＤモジュールの好ましい実施形態のフローチャートブロック図を示す。 図２１Ａおよび２１Ｂは、それぞれ、ＬＥＤ電流駆動１およびＬＥＤ電流駆動２のプロットを示す。 図２１Ｃおよび２１Ｄは、それぞれ、ＬＥＤ電流駆動３のプロットとＬＥＤ電流駆動１、ＬＥＤ電流駆動２、およびＬＥＤ電流駆動３の合成プロットとを示す。 図２１Ｅおよび２１Ｆは、それぞれ、ＬＥＤ電流駆動１、ＬＥＤ電流駆動２、およびＬＥＤ電流駆動３の総和ならびにその電力スペクトル密度のプロットを示す。 図２２Ａ−２２Ｈは、２５ｍｍ〜１００ｍｍのテーパ長に対して、それぞれ、テーパ入力における単一の偏心ＬＥＤに関する図５のシステムのテーパからの遠方場およびファイバからの遠方場のグレースケール画像を示す。 図２３は、テーパからの遠方場均一性対テーパ長に関する図２１からの横断的データを示す。 図２４Ａ−２４Ｌは、それぞれ、異なる色に対応する３つの異なるＬＥＤダイ構成に関する、入力開口におけるＬＥＤダイ配列、出力開口における遠方場および近接場、ならびにファイバ束を通した遠方場を示す。 図２５Ａおよび２５Ｂは、入力における単一ダイのテーパへの出力に関する、それぞれ、フルスケールおよびフルスケールの９０％における図５Ａのシステムの近接場正規化強度プロットを示す。 図２６Ａ−２６Ｃは、関連付けられる色温度、演色評価数、およびＲ９値を示す、それぞれ、３つの異なるＬＥＤスペクトルのプロットを示す。 図２７は、２つのＬＥＤ基板および関連付けられるテーパと、ダイクロイック合成立方体ビームスプリッタと、出力結合逆テーパとから成る、図５Ａの代替実施形態のシステムの図式的等角図である。 図２８Ａおよび２８Ｂは、それぞれ、光線経路の有無による、図２７のシステムの図式的側面図を示す。 図２９は、４つのＬＥＤ基板および関連付けられるテーパと、３セットのダイクロイック合成立方体ビームスプリッタと、出力結合逆テーパとを組み込む、図２７のシステムの代替実施形態の図式的等角図である。 図３０Ａおよび３０Ｂは、それぞれ、光線経路の有無による、図２９のシステムの図式的側面図を示す。 図３１Ａおよび３１Ｂは、それぞれ、図式的等角図および光線経路が示される側面図において、レンズおよびダイクロイックビームコンバイナのシステムを使用して、複数のＬＥＤ基板およびスペクトル帯域を光ファイバに二色的に結合するための代替実施形態を示す。

本発明の実施形態は、外科手術内視鏡検査、外科手術用ヘッドランプ、白色光および蛍光励起の両方のための顕微鏡照明、ならびに劇場照明等における高強度スポットライト等、光ガイドに結合するまたはスポットに再結像するための高放射輝度照明の汎用源を含む用途のための光ファイバ結合照明に対して好適な固定直径および角度空間内に高放射輝度照明等を生産するように構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）照明に関する。特に、改良された外科手術、顕微鏡法、およびスポットライトシステムのためのＬＥＤベースの光源のこれらの実施形態は、従来技術に対して、より高い演色評価数（ＣＲＩ）、高ＣＲＩを維持しながらのより広い範囲の相関色温度（ＣＣＴ）の制御、より低いコスト、より高い放射強度、および延長された寿命を有する。これらの実施形態は、高度に均一な近接場および遠方場放射輝度プロファイルを有し、それらは、これらの実施形態をＬＥＤおよびキセノンショートアークランプベースのシステムの両方のための従来技術に対する優れた代替物および改良物にする。したがって、実施形態は、例えば、動脈と静脈との間を区別することが重要である、外科手術等の重要な用途のために必要なより高い放射輝度、高ＣＲＩにおける色温度制御を提供する。

本明細書で使用される場合、語句「光連通」とは、１つ以上の光学構成要素から１つ以上の他の光学構成要素に光を伝送する能力、または１つ以上の光学構成要素において１つ以上の他の光学構成要素から光を受光する能力を指す。単語「サブセット」は、合計数を下回る要素の数もしくは集合、または同要素の集合を意味する。

ここで図１を参照すると、概して、システム１０と指定される、高放射輝度ＬＥＤ光ファイバ光源の好ましい実施形態の外側の図式的等角図が、示される。ＬＥＤ光源システム１０は、その出射開口における出力ファイバ束アセンブリ３８を有する光学筐体３６に嵌合されるＬＥＤ基板２８と、各ＬＥＤ色タイプの出力電力を監視するために筐体３６内に配置されている光センサ３４と、熱シンク板３２とを備え、熱シンク板３２は、熱パイプ１８および２４に接続され、順に、熱パイプ１８および２４は、ファン２０によって冷却され、電流源１２によって給電される熱ヒートフィンアセンブリ２２に接続される。ＬＥＤ基板２８上の電気コネクタ３０が、電気コネクタ１６によって電流源１２に接続する。電流源およびコントローラ１２は、熱シンク１４に接続され、それは、熱パイプ１８によって熱パイプアセンブリに接続される。ＬＥＤ基板２８は、ＸＹ面内にあるように画定され、出力は、光学Ｚ軸に沿って方向付けられる。ブラケット２６が、熱シンク板３２を熱パイプアセンブリ１８および２４に保持するように作用し、ブラケット２６の上面および底面における搭載用孔を用いて、システム１０と関連付けられる封入体との間に機械的インターフェースを提供する。

ここで図２を参照すると、図１のシステム１０と同等であるが、フィンアセンブリ２２およびＬＥＤ基板熱パイプ２４を含む下方の部品の詳細を示すために、電流源１２ならびに関連付けられる熱シンクおよび熱パイプが除去されたシステム４０の図式的等角図が、示される。熱パイプは、広く使用される技術であり、内部に低圧水蒸気を伴う銅管を備え、熱源が、一方の端部上の熱シンクに取り付けられ、フィン付きラジエータが、低温側に取り付けられ、ファンがフィンを過ぎて空気を排出し、熱を空気に逃散させる。熱パイプは、約５，０００Ｗ／ｍ−Ｋ以上の極めて高い有効熱伝導率によって特徴付けられ、それは、利用可能な最も伝導率の高い金属材料のうちの１つである純粋銅よりも１桁を上回って高い。熱パイプは、低コストであり、信頼性が高く、コンピュータ産業によって商品化されているが、現在、ここで示されるシステム等の高電力ＬＥＤ技術に効果的に適用されている。

ここで図３を参照すると、光ファイバインターフェース３８のさらなる詳細を示すために熱シンクアセンブリが除去された、図２のシステム５０の図式的等角図が、示される。光ファイバアセンブリ３８は、４つの一般的ファイバカプラアダプタとともに筐体３６に取り付き、それと整列するファイバカプラホルダ５２であって、４つの一般的ファイバカプラアダプタは、限定ではないが、集合的に５６と指定され、アダプタホルダ５４によってカプラホルダ５２とインターフェースをとる、Ｓｔｏｒｔｚ、Ｗｏｌｆ、ＡＣＭＩ、およびＯｌｙｍｐｕｓを含む、ファイバカプラホルダ５２と、光ファイバ束６０を損傷から保護する作用をする光ファイバジャケット５８とをさらに備えている。

ここで図４Ａを参照すると、図３のシステムの図式的等角断面図７０が示され、図は、ダイヤモンド熱スプレッダ７４に取り付けられたＬＥＤアレイ７２を示し、ＬＥＤアレイ７２は、順に、高伝導率はんだを用いてＬＥＤ基板２８に搭載され、ＬＥＤアレイ７２の放射光学電力は、テーパ状の集光光学７６の入力開口７８によって実質的に集光される。テーパ状集光光学７６の出力開口８０において放出される均質化された出力は、開口数（ＮＡ）の比率とも称される入力対出力半正弦角の比率によって発散角が実質的に低減させられる。開口数は、屈折率と光学電力の半角度範囲の正弦との積に等しい。ＬＥＤアレイ７２と入力開口７８との間の媒体は、空気であるので、屈折率は、１である。ＬＥＤアレイ７２と入力開口７８との間の媒体が空気であることが、２つの理由から重要である。第１に、光量の殆どは、白色ＬＥＤダイに由来し、白色ＬＥＤダイは、蛍光体をＬＥＤダイに結合するシリコーンゴムに起因してすでに効果的に屈折率整合されているので、それらは、さらに屈折率整合されることによって有意により高い出力電力効率を達成しない。第２に、エタンデュは、屈折率の二乗、放出面積、および立体角範囲の積であるので、出力開口における放射輝度は、入力媒体を屈折率１として維持することによって、それがダイ面積を最大化するので、最大化される。開口８０によって放出される光学電力は、入力面９０において光ファイバ束６０に入射する。テーパ７６は、センタリング開口８４によって筐体３６内に保持され、それは、順に、保持リング８６によってその中に保持される。筐体３６、センタリング開口８４、保持具９０、および光ファイバホルダ５４は、好ましい実施形態では、アルミニウムから作製されるが、限定ではないが、鋼およびエンジニアリングプラスチックを含む他の材料からも作製され得る。ＬＥＤ基板２８は、回路基板を形成するために、積層誘電体を伴う金属コアと、銅箔層とから成る。基板は、好ましくは、優れた熱伝導および熱拡散を提供する、約３６０Ｗ／ｍ−Ｋの高熱伝導率を有する銅から作製され、Ｔｈｅ Ｂｅｒｇｕｉｓｔ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ，ＭＮ）による仕様を設計するように製造される。代替基板材料は、アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、シリコン、シリコンカーバイド、黒鉛、および多結晶ＣＶＤダイヤモンド、ならびに蒸気チャンバとも称される平面熱パイプを含む。銅の追加の利点は、所望される場合、ＬＥＤダイが銅に直接取り付けられ得るように、熱性能に影響を及ぼすであろう追加の誘電コーティングを全く要求することなく容易に金属膜化され得ることであり、さらに、熱スプレッダ７４を受け取るために容易にはんだ付けされ得る表面を表すことである。ダイヤモンド熱スプレッダ７４は、有意に高い熱伝導率によって特徴付けられ、それによって、銅基板９２に入射する熱流束が実質的に低減させられ、それによって、ＬＥＤ ＣＯＢ２８の裏側とＬＥＤダイアレイ７２の上部との間のデルタＴ（ΔＴ）とも称される温度差を減少させるように、ＬＥＤダイアレイの真下の熱を拡散するように作用する。ダイヤモンド熱スプレッダ７４は、以下により詳細に説明される。テーパ保持具８２は、ＬＥＤアレイ７２に対してテーパを中心に置くように作用し、保持ナット８８によって加えられる力によって、テーパを出力保持具８４に向かって順方向に押し付ける。ワイヤボンドまたはＬＥＤダイへの損傷を防止するために、テーパ７６がＬＥＤダイの方向に移動することを防止されることを確実にすることが重要である。

図４Ｂは、図４Ａの断面システム７０の図式的側面図を示す。テーパ７６は、その入力側７８において光を集光する非結像光学を備え、テーパ７６は、近接場において（つまり、テーパの出力面８０の実質的に近くで）高度に均一である光をその出力側８０において放出し、放出される光は、テーパが十分に長くない限り、比較的に不良な遠方場均一性、つまり、テーパの出力面寸法と比較して大きい距離における強度パターンによって特徴付けられる。以下に説明されるように、実践的な長さと遠方場均一性との間に、トレードオフが存在する。

図５Ａおよび５Ｂは、ＬＥＤ基板２８と、集光光学７６と、筐体３６と、光学保持構成要素８４、８６、８２、および８８と、光センサ３４と、放出開口８０とを備えている、システム１００の図式的等角図および断面図をそれぞれ示す。マルチピン電気コネクタ３０が、ＬＥＤ基板２８上のトレースに、続いてＬＥＤアレイ７２に電流を入力する手段を提供する。光センサ３４は、テーパ７６の側面を横断して見る視野を有する。好ましい実施形態では、各ＬＥＤダイからの小さいが有限の散乱光は、４つの波長群の各々の光学電力を監視するための光信号を提供するために十分な強度で光センサ３４に到達する。所望される場合、ＴｉＯ_２等の散乱材料の小ドットが、光センサ３４と反対側にテーパ状光学７６上に置かれ、シリコーン等の好適な透明低屈折率材料とともに定位置に保持されることにより、開口８０を通した合計出力における無視できる減少とともに光センサ３４への光のより高い散乱およびサンプリングをもたらす。光センサは、紫外線（ＵＶ）から近赤外線（ＮＩＲ）にかけて広いスペクトル応答を伴う周知のシリコンＰＩＮフォトダイオードタイプのものであり、浜松ホトニクス（浜松、日本）を含む多くの企業によって生産される。適切に高い利得帯域幅かつ低い雑音トランスインピーダンスの増幅器が、以下に詳細に説明される閉ループ制御システムによってサンプリングされるべき電圧に光電流を変換するために使用される。代替実施形態は、各ＬＥＤ色のおおよその中心波長に対応する個々のバンドパスフィルタを伴う光センサアレイ、入力開口を光センサアレイ上に結像するためのプリズムまたはグレーティング等のあるタイプの分散要素を含み、直接または光パイプもしくは光ファイバを用いて接続される分光器を含む、光学電力をサンプリングするための他の手段を使用する。代替として、光センサまたはフォトダイオードアレイは、ファイバもしく光学光パイプ等の手段または光センサ開口の場所からの光をサンプリングするための鏡面光偏向器を使用することによって、ＬＥＤ基板２８上に直接置かれることができる。

図６Ａは、光学構成要素のさらなる詳細を示す、図５Ａのシステムの図式的断面図を示す。テーパ７６の略円形出力開口８０は、高鏡面反射鏡面１０２を用いて形成され、テーパの正方形出力開口と一致し、嵌合光ファイバ束開口よりもわずかに大きい直径を有する。好ましい実施形態では、ミラーは、テーパ７６の出力面上に真空蒸着されるが、代替として、テーパ保持具８４に隣り合う面上に置かれることができるか、またはそれは、別個の鏡面要素であり得、標準的内視鏡の５．０ｍｍ直径の束を収容するために、約５．２ｍｍの有効開口直径を有するであろう。代替として、システムは、それも医療用照明および顕微鏡法の標準である３．０ｍｍを含む任意の実践的サイズにスケール変更されることができる。テーパ７６の出力面上にミラーを直接置くことの利点は、ミラーがテーパの一部になり、組立に関する部品表（ＢＯＭ）においてより少ない部品を表すことである。しかしながら、表面鏡よりも高い反射率の裏面鏡を作製することはより困難であるので、別個のミラーが、より良好な性能をもたらし得る。コンプライアント構成要素１０４が、テーパ保持およびセンタリング構成要素８２と関連付けられるねじ山付き保持具８８との間に配置されるように示され、熱膨張差等の時間および温度とともに起こり得る任意の変動を吸収し、テーパ７６が常時出射保持具８４に対して付勢され、テーパ７６がＬＥＤアレイ７２上のワイヤボンドから安全な距離を維持することを確実にする。

図６Ｂは、光線経路が示される、図６Ａのシステムを示す。光線経路１１０は、光学Ｚ軸に対してある角度でＬＥＤアレイ７２から出射し、ミラー１０２に衝突することに先立って、テーパ７２の壁に４回衝突するように示される。ミラー１０２において、光線は、ミラーから反射し、ここでは光線経路１０８として指定され、ＬＥＤアレイ７２に戻るルート上でさらに５回テーパ７６の側面に入射する。その後、光線は、テーパ７６に戻るように拡散して反射し、ミラー１０２におけるテーパ開口８０から外に方向付けられ、光線は、図４Ａの嵌合光ファイバ束６０に自由に入射する。この様式では、入力開口７８に近いＬＥＤアレイ７２からテーパ７６に入射する光は、より小さい遠方場角度範囲を伴う開口８０において、ミラー１０２の非鏡面中心直径８０に対応する直径を経由してテーパ７６から出射する。遠方場角の減少は、エタンデュの保存と実質的に一貫し、または代替として、上に説明されるような光学不変量の保存で述べられている。ミラー１０２に衝突する光線は、ＬＥＤアレイ７２に戻るように反射され、ＬＥＤダイ面から拡散して反射され、それによって、ＬＥＤダイアレイ７２に戻り入射する光学電力は、開口８０から出射する機会を有し、それによって、エタンデュ整合システムからもたらされる合計放射輝度を増加させる。したがって、ＬＥＤアレイ７２は、別様に角度および面積の両方が整合されるエタンデュ整合システムに対するであろうものよりも大きい。テーパ７６の入力開口におけるフレネル損失、Ｓｃｈｏｔｔ Ｎ−ＢＫ７、溶融シリカ、またはプラスチックおよびシリコーンを含む、他の好適な低吸収および散乱光学透明材料等、この場合ではガラスであるテーパ７６のバルク材料内の弱い散乱および吸収、ならびにミラー反射率損失を含む、有限な損失がシステムにおいて存在する事実に起因して、ミラーとＬＥＤアレイとの間を前後する光線の各通過は、比例的により多くの光を失う。それにもかかわらず、放射輝度の増加は、有意であり得、単回通過エタンデュ整合システムに対して約１５０％〜２００％以上のものであり得る。したがって、入力電力は、以前は輝度とも称された放射輝度に対してトレードオフされるが、それは、Ｃｅｒｍａｘ（登録商標）キセノンショートアークランプとしてＥｘｃｅｌｉｔａｓ（以前はＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ）（Ｆｒｅｍｏｎｔ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造および販売されるタイプの３００ワットのショートアークキセノンランプ等、競合するランプ技術に対して同等またはより良好な性能を達成するために必要である。

ここで図７Ａを参照すると、ＬＥＤ基板２８およびテーパ状光学７６および関連付けられる反射開口１０２のさらなる詳細を示すために、筐体および光学保持構成要素が除去された、図５Ａのシステムを表すシステム１２０の図式的等角図が示される。光センサ３４は、テーパ状光学７６の光学Ｚ軸に直交する視野方向で示される。光学入力開口７８は、最適に、ＬＥＤアレイ７２から、約１００〜２００ミクロン近接近して位置付けられる。辺１２２および１２４を有する正方形断面を伴う出力面が、その面上の鏡面開口１０２とともに示され、鏡面開口１０２は、開口８０を出射しない光がテーパ状光学７６に戻るように方向付けられるように反射し、それは、ＬＥＤアレイおよびテーパ７６の壁からの複数の反射によって、光が開口８０からファイバ束または他の光学構成要素に放出される別の機会を可能にし、それによって、放射輝度を増強する。図７Ｂは、光学Ｚ軸に直接沿って見た、システム１２０の図式的上面図を示す。辺１２２および１２４によって画定されるテーパの端部における面積に対する円形開口８０の面積の比率は、約４０％である。したがって、いかなる吸収または散乱損失も伴わない理想的なシステムに対して、放射輝度は、約２５０％改良される。放射輝度における理想的な２５０％増加と規定された１００％〜２００％増加との間の差異は、ＬＥＤ、ガラス、およびミラーコーティングにおける散乱および吸収に関する実際の有限な損失に起因する。

図８は、図７Ａのシステム１２０の図式的断面図を表す。ＬＥＤ基板２８の銅基材９２は、光学テーパ７６の入力開口７８に近接近するダイヤモンド熱スプレッダ７４およびＬＥＤダイアレイ７２とともに見られ得る。

図９Ａは、好ましい実施形態のＬＥＤ基板アセンブリの下層詳細を示すために、光学および光学筐体構成要素が除去された、図５Ａのシステム１００からのＬＥＤ基板アセンブリシステム１３０の図式的等角図を示す。ＬＥＤ基板２８は、銅基層９２から成り、銅基層９２は、それにはんだ付けされ、ＬＥＤアレイ７２が高熱伝導性はんだによって直接取り付けられる、上側ダイヤモンド熱スプレッダ７４の裏側と、図２のシステムの熱シンク板３２との間で熱を分散するように作用する。ＬＥＤ基板２８の上面層は、１つ以上の電気的に絶縁された誘電層および銅箔層から成り、銅箔層は、コネクタ３０からＬＥＤダイアレイ７２に電流をもたらすためのトレースとして作用する。各ＬＥＤダイ色は、異なるトレースに取り付けられ、複合白色光または有色照明の制御のための各色の別個の電流制御を可能にし、相関色温度（ＣＣＴ）および演色評価数（ＣＲＩ）に対する最適な制御を有する。代替として、異なるトレースは、ヘモグロビンまたは他の固有もしくは外的造影剤の吸収差に起因する生物学的組織のより高いコントラストを達成すること、または蛍光撮像、もしくは近赤外線における深部組織撮像を目的として任意の個々の色の制御を可能にする。例えば、緑色または青−緑色光のみ、ヘモグロビンのスペクトル的に選択的な吸収に起因して、広い白色光照明に対してヘモグロビンのより高いコントラストをもたらす。例えば、青色光のみ、固有または外的蛍光体のいずれかのより長い波長の蛍光放出の直視のためのカメラまたは眼鏡上の関連付けられる放出フィルタとともに使用されることができ、それは、重要な生物学的状態を識別することにおいて有用である。近赤外光のみの使用は、７００ｎｍ〜９８０ｎｍの生物学的成分の比例的により低い吸収および散乱、特に、血液を通して撮像する能力に起因して、より深部の組織への血液を通して撮像するために使用されることができる。基板を熱シンクに固定するために、ねじが通過することを可能にするように使用される、４つの孔１３２が、基板２８内にある。所望される場合、キネマティック孔１３４およびスロット１３６が、ＬＥＤ基板２８を搭載用構造および熱シンクに繰り返しかつ正確に整列させるために使用される。２つの孔１３８は、ＬＥＤ基板２８への嵌合光学筐体のキネマティック取り付けのために使用され、関連付けられる光学の入力開口がＬＥＤダイアレイ７２と正確に並ぶことを確実にする。２つの孔１４０は、ＬＥＤ基板２８の裏側のねじが、図５Ａの筐体３６を基板２８に固定することを可能にする。

図９Ｂは、システム１３０のＬＥＤアレイ７２および関連付けられる構成要素の図式的等角拡大図を示す。ワイヤボンド１４８が、ダイヤモンド熱スプレッダ７４の上面金属膜化層をＬＥＤダイアレイ７２の個々のＬＥＤダイ上のボンドパッドに取り付ける。ＬＥＤダイアレイ７２は、複数の個々のＬＥＤダイ１４４および１４６から成り、複数の個々のＬＥＤダイ１４４および１４６は、異なるサイズのダイであり、以下に説明される種々の特定のスペクトル放出特性のダイであり得る。ワイヤボンド１５０が、いくつかの場所においてダイヤモンド熱スプレッダ７４上のトレースを金属コア基板１４２上のトレースに取り付ける。サーミスタ１５２が、ＬＥＤダイアレイ７２に近接して位置付けられ、ＬＥＤダイアレイの温度を監視する。実際のＬＥＤ接合部温度とサーミスタ１５２との間の任意のオフセットは、接合部温度の正確な決定が容易に成され得るように、較正されることができる。温度読み取り値は、ある程度の色制御のために温度に基づいて電流を修正すること、または温度が突然増加する場合にアラートを鳴らし、冷却システムにおける故障機構を示すことを含む、いくつかの方法において使用されることができる。各ＬＥＤの出力を監視するための代替方法は、光センサ１５４をＬＥＤアレイ７２に近接近して配置することである。

図１０Ａは、図９Ａおよび９Ｂのシステム１３０の図式的上面図である。図１０Ｂは、図１０Ａのシステム１３０の図式的接近図のシステム１４０を示す。標準的５ｍｍ内視鏡光ファイバ束のために設計されるこの好ましい実施形態は、白色ＬＥＤダイとも称される蛍光体を伴う青色ダイ、白色ダイのために使用されるものと類似するピーク波長に対応するが蛍光体を伴わない青色ダイ、青−緑色ダイ、および赤色ダイから成る合計２５個のＬＥＤダイを有する。各々の具体的数は、所望されるＣＣＴ、および色の各々の効率に依存する。好ましい実施形態では、１５個の白色、各４個の青−緑色および赤色、ならびに各２個の青色ＬＥＤダイであり、合計で２５個の合計ダイがある。ＬＥＤダイサイズは、１つの辺が約１ミリメートルが工業規格であり、厚さは、約１００μｍ〜２５０μｍで変動する。ＬＥＤダイアレイ７２と図５Ｂのテーパ７６との間の最小間隙厚さは、ダイ高さおよびワイヤボンド高さによって決定づけられ、約１００μｍ〜２００μｍである。ＬＥＤダイは、光学電力密度およびシステムレベル放射輝度を最大化するように密充填され、それは、必然的に、全てのダイが、各ＬＥＤダイの底部接点である共通アノードに一緒に電気的に接続されることを要求する。色グループ間では、ＬＥＤダイカソードは、別個であるが、しかしながら、グループ内では、それらは、一緒に接続されることができる。しかしながら、同一の色の個々のＬＥＤダイ間の順方向電圧の増加がダイ間の電流密度の差異につながらないように、各ＬＥＤダイを電流源を用いて駆動することが最良であり、ダイ間の電流密度の差異は、効率および寿命に影響を及ぼし得る。しかしながら、色グループ内のＬＥＤダイが、順方向電圧に対して密接にビン分割される場合、概して、色グループ内で共通カソードを有することは、許容可能である。

図１１Ａおよび１１Ｂは、ＬＥＤダイの上部との電気接続を成すトレースの詳細を示すために、ＬＥＤ基板２８の上側マスク層が除去された、図９Ａのシステム１３０の図式的等角図および図式的拡大断面図をそれぞれ示す。銅基板のポケット内のダイヤモンド熱スプレッダ７４の差し込みが、図１１Ｂに明確に示される。はんだ隙間が実質的にない高熱伝導率はんだが、熱性能を最適化するために、熱スプレッダ７４の底部とベース銅９２内のポケットの上部との間に望ましい。ダイヤモンド熱スプレッダは、化学蒸着（ＣＶＤ）のプロセスから作製され、スプレッダの平面内における約１８００Ｗ／ｍ−Ｋ、および厚さ方向に沿った約６００Ｗ／ｍ−Ｋの非常に高い熱伝導率によって特徴付けられ、それは、両方の場合において４００Ｗ／ｍ−Ｋにおける純粋銅よりもはるかに高い。ＡＷＩＮ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｚｈｕｂｅｉ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ）等の企業が、そのような製品を商業的に生産する。

図１２Ａおよび１２Ｂは、いかなるダイヤモンド熱スプレッダも含まず、ＬＥＤダイがはんだによって直接ベース銅層に取り付けられる点において図９Ａのシステム１３０とは異なる、ＬＥＤ基板システム１５０の図式的等角図および拡大図をそれぞれ表す。これは、ＬＥＤダイ接合部温度を最小化することに対して熱的観点からあまり良好に機能しないが、この構成は、ダイヤモンド熱スプレッダの高コストに起因して、有意なコスト削減を表す。その他の点では、システム１５０の全ての構成要素は、図９Ａのシステム１３０のものと同じである。概して、ベース銅層を被覆する誘電層は、レーザアブレーション等の手段によってＬＥＤダイアレイのエリアにおいて除去され、次いで、銅基層は、銅トレース上のものと類似する金属膜化を用いてコーティングされ、ＬＥＤダイがそれに直接はんだ付けされることを可能にする。

ここで図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、光学テーパ７６と、端部ミラー１０２とを備えている、システム１６０の図式的等角および隠線図がそれぞれ示される。直線壁側面１６６、１６８、１７０、および１７２が、正方形辺１６２および１６４から成るより小さい入力開口７８と、等しい長さの辺１２２および１２４を備えているより大きい出力面とを接合する。入力と出力面との間の距離は、以下に詳細に議論されるように、個々のＬＥＤダイまたはＬＥＤダイの組み合わせに起因して、出力開口８０における光の均一性の程度および遠方場分布に影響を及ぼす。青色および青−緑色ダイ等のＧａＮ ＬＥＤダイの拡散反射率は、典型的には、約８０％であり、白色ＬＥＤダイのものは、９０パーセントもの高率に近づき、青色およびより短い波長の光を除いて、それは、蛍光体によって部分的に吸収され、そして、より長い波長の緑および赤色光として前方に部分的に散乱され、赤色ＬＥＤのものは、典型的には、約６０％またはそれを上回る。したがって、ミラー１０２からの光の戻り経路上におけるＬＥＤダイによる光の高拡散反射率と結合された約９０％を上回る高反射率ミラーコーティング１０２の組み合わせは、開口８０からの放射輝度の増加をもたらす。つまり、出射開口８０に向かう第１の通過で放出しない光は、開口８０から再方向付けられる機会を有し、それによって、開口８０において放出される単位立体角あたり単位面積あたりの電力を増加させる。この複数通過光のさらなる利益は、それがさらに近接場分布および遠方場分布の両方を均質化させることである。好ましい実施形態では、テーパ７６は、Ｓｃｈｏｔｔ Ｎ−ＢＫ７等の低吸収低コストガラスから作製される。任意のガラス、結晶性材料、プラスチック、またはシリコーンが、それがＬＥＤダイによって放出される波長の十分に低い吸収および散乱によって特徴付けられることを前提として使用され得る。しかしながら、他の材料に対するプラスチックの不利点は、青色および紫外波長におけるイオン化光子へのばく露に起因して、経時的に黄変するであろうことである。先に記載されるように、ミラー１０２は、代替として、別個の要素であり得るか、または、それが十分に高い鏡面反射率コーティングを有する場合、テーパ保持構成要素と組み合わせられることができる。代替として、六角形断面光学、または八角形以上のもの等のさらに数の多い非結像ホモジナイザが、テーパ７６の正方形断面の代わりに使用されることができるが、しかしながら、側面の数が増加するにつれて、外面は、円形断面に近似し始め、それは、光ファイバのものに類似する様式において半径方向に混合することに良好に働かない。３、５、および７等の奇数の側も、混合することに同様に良好に働かない。さらに、さらなる数の側面のテーパと比較して、４つの側面のテーパを作製することが、はるかに容易かつ低コストである。加えて、六角形、八角形、または他の数の側面ではなく、正方形アレイのＬＥＤダイを形成することがより容易であるので、正方形断面が、好ましい形状である。また、入力側における正方形から丸形出力側に遷移することも可能であるが、それは、作製することが困難であり、混合することにおいて同様に上手くいかない。

ここで図１４Ａおよび１４Ｂを参照すると、各々が図１３Ａのテーパ７６のそれの４分の１出力面面積を備えている４つの対称テーパ１９２、１９４、１９６、および１９８と、図１３Ａのテーパ７６のそれと同一の端部ミラー１０２および開口８０を伴う隣り合う直線混合区分光学１８２とを備えているテーパシステム１８０の代替実施形態が、図式的等角および図式的等角隠線図においてそれぞれ示される。各テーパのための比例的により小さい入力開口２００が、各テーパに対して１つ、図７ＡのシステムのＬＥＤアレイ７２のものの４分の１と同等な面積を有するＬＥＤアレイ２０６に嵌合される。ＬＥＤダイアレイは、各光学に対して９つのダイアレイとして示され、したがって、個々のダイサイズは、図７Ａのシステムのアレイに対して同等なダイ面積を達成するように比例的により小さいであろう。図１４Ａおよび１４Ｂの各テーパの入力開口サイズと出力開口サイズとの比率は、図７Ａの光学テーパ７６のそれと実質的に同一であり、長さは、その２分の１であり、それは、４つのテーパ１９２、１９４、１９６、および１９８の各々の出射開口において類似する近接場および遠方場分布をもたらすであろう。互いに直交し、それらの対向する側面に平行なまっすぐな側面１８４および１８６を伴う非テーパ状光学区分１８２の目的は、各テーパ出力のそれぞれの近接場が出射開口８０において実質的に均質化されるように、それらを空間的に混合することである。ミラー１０２は、開口８０から出射しない任意の光を反射し、それが、テーパの全てを下って戻るように伝搬し、それらのそれぞれのＬＥＤダイアレイに向かって後ろに拡散して反射し、開口８０から外へ再方向付けられる機会を有し、それによって、図７Ａのシステム１２０に関して説明されるものと類似する様式において放射輝度を増加させる。図７Ａのシステム１２０のものに優るシステム１８０の利点は、４つのＬＥＤアレイ２０６の各々のＬＥＤダイが、それらが取り付くであろう図７のＬＥＤ基板２８に類似したＬＥＤ基板上に、４つのダイアレイを受け取る４つのポケットを用いて空間的に広がり、それによって、ＬＥＤ基板および熱シンクへの熱流束が、低減させられることである。例えば、図１０ＢのＬＥＤアレイ７２の中心におけるＬＥＤダイ（それに対して、２列のＬＥＤダイが全ての側に存在する）を検討する。中心ダイは、別のＬＥＤダイ熱源を含まない冷却のための唯一の経路が、ＬＥＤ基板の中に直接あるので、外側ＬＥＤダイよりも不良な熱条件を有し、したがって、図１０Ｂのアレイ７２の最中心ＬＥＤダイは、より高い接合部温度であり、それによって、熱的に影響を受ける光学出力および寿命を低減させるであろう。図７Ａのシステム１２０に優るシステム１８０の主要利点は、より良好な熱性能に起因する照明の増加した放射輝度および維持であるが、しかしながら、不利点は、より複雑かつ高価なシステムのそれであるので、使用する最良のものの選定は、システム性能およびコスト要件に依存する。システム１８０は、空間的に分離するＬＥＤダイに起因する改良された熱性能が、高価な構成要素であるダイヤモンド熱スプレッダ７４の排除を可能にし得るので、図７のシステム１２０よりも高価でないこともある。したがって、システム１８０は、より安価であり、同等またはより良好な性能のシステムであり得る。

ここで図１５Ａ、１５Ｂ、および１５Ｃを参照すると、図１４Ａのシステム１８０の代替実施形態のシステム２１０が、それぞれ、図式的等角図、隠線図、および側面図において示される。システム２１０は、図１４Ａのシステム１８０において描写されるものと同じＬＥＤアレイおよびテーパを備えているが、しかしながら、それらは、出力開口２２４を伴うより小さい直線壁正方形断面光学２２０に結合される。追加の要素２１２が存在し、それは、好ましい実施形態では、図１５Ｅに詳細に示される、厚さ約２００μｍの顕微鏡カバースリップに厚さが類似する、４つの個々の開口２３８、２４０、２４２、および２４４を伴う薄いガラス板を備え、それらは、コーティングされないか、一方もしくは両方の側において反射防止コーティングを用いてコーティングされるか、または薄フィルム誘電スペクトルバンドパスフィルタを備え、それぞれ、４つのテーパ１９２、１９４、１９６、および１９８の各々からのスペクトル出力を最適化もしくは修正することができる。追加の要素はまた、４つの開口から成る面積を除き、辺２３２および辺２３４によって画定されるエリアに広がる外側高鏡面反射率コーティング２３６も含む。図１５Ｄは、システム２１０の正面端面図式的図を示し、要素２１２の辺がテーパ出力開口の範囲を越えて延び、要素２１２のそれぞれの開口から出射するその光を除いて、各テーパ出力から出射する全ての光の反射率がそれらのそれぞれのＬＥＤダイに向かって戻ることを確実にすることを示す。各それぞれのテーパの開口は、テーパに対して中心に置かれないが、内側縁に向かって偏らせられる。このように、所望される場合、さらに大きいテーパおよびＬＥＤダイアレイが、同一の集光および均質化光学要素２１８とともに使用され、ウォールプラグ効率を犠牲にしてさらに高い放射輝度を生産することができる。システムは、各開口２３８、２４０、２４２、および２４４をコーティングすることによって、または代替として、異なる狭スペクトルバンドパスフィルタを用いて要素２１２の近位面に隣接する個々のテーパの各々の出力面をコーティングすることによって、多スペクトル帯域源を備えているであろう。例えば、好ましい実施形態では、蛍光顕微鏡励起のために使用されるフィルタが、使用されることができ、Ｓｅｍｒｏｃｋ，Ｉｎｃ．（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，ＮＹ）を含む企業によって生産されるもの等、約１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、および３０ｎｍのＦＷＨＭのスペクトル幅を伴う周知の蛍光体ＤＡＰＩ、ＧＦＰ、Ｃｙ３、およびＣｙ５に対応する、４０２ｎｍ、４９０ｎｍ、５５５ｎｍ、および６４５ｎｍに近接する中心波長を伴う。５８９ｎｍの中心波長および幅１８ｎｍのＦＷＨＭにおけるＴｅｘＲｅｄ等、多くの他の組み合わせも、同様に使用されることができる。システムは、他のシステムの場合のようにどんなダイクロイックビームコンバイナも使用しないので、個々のスペクトル出力は、１０ｎｍ〜２０ｎｍ以上のものにわたる伝送において１０％〜９０％遷移し得る入射角を伴う有限カットオンスペクトル性質に起因するダイクロイックビームコンバイナを組み込むシステムの制限である、それらがどの程度互いに対して近接して集中するかの問題を伴わずに重複することができ、それは、スペクトルバンドパス中心間に最小の効果的な分離を与える。テーパが正方形の代わりに矩形断面を有することができない具体的な理由はないので、合成および均質化光学要素２１８に入力され得るテーパおよびフィルタの数は、４個ずつに限定されず、６個、８個、１０個等に所望に応じてさらに拡張されるか、またはさらには２個もしくは３個に低減させられ得ることが、当業者に明白であろう。しかしながら、個々のＬＥＤアレイおよびそれぞれのテーパは、それらが共通出力エタンデュ（面積）を共有するので、比例的に小さくなるであろう。しかしながら、従来のダイクロイックビーム合成蛍光光源の損失は、非常に有意であり得るので、そのようなシステムは出力エタンデュを共有しないが、これらのシステムは、図１５Ａのシステム２１０に対してさらなるシステム損失、複雑性、サイズ、およびコストに悩まされる。

ここで図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、および１６Ｄのシステム２５０を参照すると、４つの入力テーパ２５２、２５４、２５６、および２５８が、図１５Ａのシステム２１０のテーパ１９２、１９４、１９６、および１９８に取って代わり、図１５Ａのシステム１８０の代替実施形態の図式的等角図、側面図、および２つの上面図が、それぞれ示される。出力遠方場および近接場強度分布は、システム２５０のテーパの近接場および遠方場強度分布の両方がシステム２１０のテーパと実質的に類似するように、主として、所与のテーパに対する出力対入力開口サイズの比率および合計長さによって決定される。しかしながら、入力および出力開口の中心の位置は、システムの中心から離れるＺ光軸を見下ろす開口の平面において変位させられるので、個々の関連付けられるＬＥＤダイアレイは、システム２５０に対するそれらの間の距離がシステム２１０のそれより大きいように変位させられる。それぞれのＬＥＤダイアレイ間のこの増加した距離は、熱性能をさらに改良し、したがって、改良された熱性能は、図１４Ａのシステム１８０から図１５Ａのシステム２１０へ、図１６Ａのシステム２５０へと進歩する。これは、それぞれの銅金属コアＬＥＤ基板上の個々のアレイ間の距離が大きくなるほど、熱の改良された熱拡散をもたらすという事実に起因し、したがって、関連付けられる熱シンクに入射する熱流束は、低減させられ、それは、ＬＥＤダイ接合部とそれぞれの熱シンクとの間のより低い温度差ΔＴにつながる。これは、各それぞれのＬＥＤダイアレイにおいて、ＬＥＤダイに対する改良された温度影響強度および寿命をもたらす。図１６Ｃおよび１６Ｄは、それぞれ、ＬＥＤダイアレイ２０４の有無による、テーパ２５２、２５４、２５６、および２５８の上面後部図式的図を示し、２つの開口が２つの直交する辺を共有するように、入力開口が出力開口に対して変位させられていることを示す。入力開口は中心からさらに離れて変位させられ得るが、しかしながら、変位が示されるものを越えて増加するにつれて、テーパの長さは、鏡面開口２１２の開口から類似する出力を有するために増加するであろうことが、当業者に明白であろう。要素２１２の反射開口は、要素２１２の外側正方形縁と正方形破線の外側縁との間に延びている。出力開口２２４をもたらす要素２１８の鏡面開口２２６は、破線円の外側と破線正方形との間で反射性であり、それは、図１５Ａのシステム２１０におけるその機能と同じである合成および均質化光学要素２１８の出力面の面積の約２５％に達する。要するに、図１５Ａのシステム２１０と図１６Ａのシステム２５０との間の唯一の有意な差異は、システム２５０が中心光学および機械的軸から偏心した入力テーパ開口を有し、それによって、改良された熱拡散に起因してさらに熱性能を改良することである。

図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、図式的等角隠線図および上面後部図において、図１６Ａのシステム２５０の４つの同じテーパのうちの１つ、この場合では、テーパ２５４のさらなる詳細を示す。図１７Ａの壁２７２および２７６は両方とも、入力開口２７０および出射２９２に互いに垂直である。図１７Ｂの上面図から、入力開口縁２６０および２６２が、それぞれ、出力開口縁２９０および２８８と並んでいる。側面２７４および２７８は、端面と２つの側面２７４および２７６とに対して傾けられている。図１７Ｂを参照すると、縁２８４の投影に対応する、頂点２９４から２９６に延びている線に沿って入力開口２７０がシフトされる程度は、変動し得る。これらの２つの点が遠いほど、４つのそれぞれのＬＥＤアレイがテーパ２５２、２５４、２５６、および２５８に入射する４つの開口は、より遠くなり、熱条件は、より良好になる。図１７Ｂに示される距離をどの程度越えるかには限界があり、開口中心は、全体的性能を最大化することに対して変位させられることができる。例えば、変位がテーパ長の約５％を超える場合、要素２６４の反射開口から出射する光の量は、減少し始め、それは、入力開口を変位させることによって達成される利益を低減させ始める。

図１８Ａの図式的上面図システム３００は、鏡面開口２２６を、その入力開口側から透明テーパを通して見るように示す。図１８Ｂの要素２１２は、明確化のために図１８Ａに示されない。また、Ｂ２７０ガラス等の透明材料から作製され得る要素２１２は、各それぞれの隣り合うテーパから光を通過させる中心開口エリア３０２を除いて、１つの面上に堆積される反射性ミラーを有する。鏡面エリア２１２は、中間において薄い断面とともに示されず、それは、テーパ整列およびコーティング欠陥に応じて随意である。図１８Ｃのシステム３１０は、ＬＥＤダイアレイが示されない、図１６Ａのシステム２５０の上面透明図式的図を示す。これは、２つの鏡面開口２１２ならびに２２６の詳細および相対位置を示す。

図１９Ａ−１９Ｅは、それぞれ、図１５Ａのシステム２１０の代替実施形態３２０の図式的等角図、等角隠線図、側面図、ＬＥＤダイを伴う正面端面図、およびＬＥＤダイを伴わない正面端面図を示す。３２２、３２４、３２６、および３２８と番号付けられるシステム３２０の４つのテーパは、図１５Ａのシステム２１０のそれよりも大きい出力対入力開口サイズの比率を有する。好ましい実施形態では、システム３２０テーパは、約３の比率を有し、約２０°半角の遠方場角をもたらす。出力面（大きい側）上に堆積された多層誘電バンドパスコーティングは、最大約２０°のＦＷＨＭ受光角とともに設計されることができるが、若干より大きいＦＷＨＭ受光角が、拡大される波長の関数としてのカットオンおよびカットオフ伝送である、通過帯域の縁におけるより不良なスペクトル遷移をもたらし得る。システム３２０の目的は、低伝送率から高伝送率にかけて鮮明なスペクトル伝送遷移を伴う高性能照明を可能にし、顕微鏡法または他の蛍光もしくは分光法用途のためのファイバまたは液体光ガイド結合蛍光励起照明等の用途に対して好適な照明を提供することである。４つのテーパ３２２、３２４、３２６、および３２８の各々は、所与の蛍光用途に対して場所３３０にＬＥＤアレイを有し、つまり、各テーパは、異なる波長帯域ＬＥＤダイアレイで構成され、合計で１〜４つの励起スペクトルプロファイル、または要求される場合、システム３２０が４つを上回るテーパに拡張され得るので、それを上回るプロファイルを提供する。テーパの各々は、各テーパの近接入力開口３３６へのＬＥＤ放出を受け取るための入力開口辺寸法３３２および３３４を有する。ミラー要素３３８は、辺３５８および３６０の正方形孔を有し、受け取る共通逆テーパ３４０を位置付け、最大４つの異なるスペクトルを含む４つのテーパ面と対面して並ぶ。ミラー要素３３８の第２の機能は、図１５Ａおよび１６Ａのシステムに関して先に説明されるものと類似する様式において、テーパ３４０に通らない各テーパから出射する光をＬＥＤアレイに向かって戻るように反射し、光が出射テーパ３４０から出るように再方向付けられることを可能にすることである。ミラー開口３３８は、テーパ３２２、３２４、３２６、および３２８の出力に面する裏側３６２上を、約９２％またはそれよりも良好な鏡面反射率を伴う高反射率保護広帯域ミラーを用いてコーティングされる。側面３４２および３４４を伴うテーパ３４０は、液体光ガイドまたは光ファイバ光束に整合するために要求されるそれに遠方場角を戻すような入力対出力開口サイズの比率を有し、それは、好ましい実施形態では、約２の比率である。テーパ状光学３４０の出力面は、光ガイド入力開口寸法に実質的に整合するための円形放出開口３４６を有し、先に説明されるように、正方形辺３５０および３５２と、鏡面部分３４８とを有する。好ましい実施形態では、５つの入力テーパは、ＢＫ−７または溶融シリカ等の高伝送率ガラスから作製されるが、真空蒸着多層フィルムまたは高反射率ミラーがその出力面上に堆積されることを可能にする、多くの他の誘電高伝送材料から作製されることもできる。逆テーパ３４０の入力面上の全ての４つのバンドパスフィルタをコーティングすることが妥当であり得るが、しかしながら、それは、複数のコーティングを達成するためにマスキングを要求し、したがって、より高価かつより柔軟性の低いアプローチであり得る。入力テーパの出力面が、バンドパス励起フィルタを用いてコーティングされる場合、これらのフィルタは、種々の周知の生物学的蛍光体に対応する２０を上回る異なる一般的バンドパス中心波長および幅仕様から選択され、混合および整合されることができる。テーパ３４０の長さは、十分に良好な混合された遠方場分布を取得するために、約３ミリメートルの出力開口および約２ミリメートルの入力から出力への面サイズに対して、約１００ｍｍであろう。したがって、４つの入力テーパから約２０°またはそれを下回る出力半角を要求する、鮮明なスペクトル遷移のための要件は、比較的に長い光学経路をもたらす。しかしながら、ダイクロイックビームコンバイナを使用するシステムと比較して、それは、よりコンパクトかつより単純である。

ここで図２０を参照すると、図１の照明システム１０のシステムブロック図が、示される。「ＬＥＤモジュール」と標識化される破線内の要素は、図５Ａのシステム１００に対応する。同一のＬＥＤ金属コア基板上に、蛍光体コーティング青色ＬＥＤダイから成る白色ダイと、青色ダイと、青−緑色ダイと、赤色ダイとを含む４つの異なるタイプのＬＥＤダイが存在する。白色ダイは、光度の大部分を提供する一方、青色ダイは、スペクトルの短い側の色温度を平衡させ、赤色ダイは、可視スペクトルの長い側の色温度を平衡させる。青−緑色ダイは、青色励起スペクトルと蛍光体放出との間のスペクトル強度における降下を埋め、それは、主として、緑色であり、より少ない程度に赤色であるが、概して、青−緑色領域において非常に低い。スペクトルの青−緑色部分は、色温度を調節することにおいて有意な役割を果たさないが、外科手術照明用途、特に、直接的なヒトの眼による可視化を伴うもののために、ＣＲＩを許容可能に高いレベルにすることが要求される。反射開口を伴うテーパは、光学出力開口において、高い均一性を伴う近接場および遠方場の両方において４つの異なるダイスペクトルを光ファイバ束、光ガイド、または他の光学構成要素もしくはシステムに効率的に結合するように作用する。金属コアＣＯＢ ＬＥＤ基板の温度は、温度感知デバイスによって監視され、それは、好ましい実施形態では、温度が増加するとともに抵抗が減少する負温度係数（ＮＴＣ）タイプサーミスタである。抵抗は、電圧に変換され、信号プロセッサに読み取られる。

図２０をさらに参照すると、ＬＥＤ光センサは、フォトダイオードセンサと、光電流を信号プロセッサによって読み取られる電圧に変換する関連付けられるトランスインピーダンス増幅器とを備えている。４つの独立したＬＥＤ電流供給源が、白色、青色、青−緑色、および赤色の４つのタイプのＬＥＤダイの各々を駆動する。安定した色性能を達成するために強度を制御する多くの方法が存在するので、各色ダイに対して強度を調整する制御信号は、いくつかの形態をとることができる。目的は、ユーザが、最大ＣＲＩを維持しながら、強度およびＣＣＴの両方を設定することを可能にすることであり、好ましい実施形態では、時間および温度変化とともにこれらのパラメータを維持する。ＬＥＤダイは、時間が増加するとともに放射測定および光度測定電力を変化させ、それは、接合部温度ならびにダイ電極構造、エピタキシャル層、および反射層への電流影響の両方に関連する。短期間の変化は、主として、数分から数時間または数日の時間スケールにおける接合部温度の変化による。数ヶ月から数年の時間スケールにおいて、出力は、概して、経時的に減少する。基本的な制御レベルは、スペクトル出力が強度およびＣＣＴの全制御範囲にわたる電流および基板温度の関数として測定される初期特性評価に基づく。そのような較正は、ユーザがダイヤルインできるようにルックアップテーブルを生成するために使用されることができるか、またはグラフィックユーザインターフェース（ＧＵＩ）が、各色に対してレベルを設定し、所望されるスペクトル出力条件を達成するために、つまり、最大ＣＲＩを維持しながら所与のＣＣＴに対して所望される強度を達成するために使用されることができる。そのようなアプローチは、短期間では良好に機能することができるが、経時的なＬＥＤダイ効率に対する変化に対して所与の電流における減少した出力を調節するために、周期的較正を要求するであろう。より良好なアプローチは、所与の光センサ信号が合計スペクトル電力への実際の電力寄与に対応するように、４つのそれぞれのスペクトル源の各々によって放出される光学電力を監視する手段を使用することである。単一フォトダイオード、４つのエミッタタイプの各々のピークスペクトル出力に対応するスペクトルの一部をサンプリングするための独立したスペクトルバンドパスフィルタまたは線形連続可変バンドパスフィルタを伴うフォトダイオードアレイ、および、直接または光ファイバを通してのいずれかで結合される線形フォトダイオードアレイまたは電荷結合デバイス（ＣＣＤ）上にスペクトルをマッピングするためのグレーティング、プリズム、または他のスペクトル分散要素を使用する分光器の使用を含む、各スペクトル帯域からの光学電力を監視する多くの構成およびアプローチが存在する。ＬＥＤ源のそれぞれのスペクトル放出間にスペクトル重複が存在するので、クロストークがあり、それは、全てが同時に直接測定される場合、異なるＬＥＤ源間を結合している。それは、任意の連続ＤＣ信号に対して、全ての４つのスペクトル帯域へのスペクトル感度を伴う単一フォトダイオードの使用を妨げるであろう。しかしながら、周知のロックイン検出技法が使用される場合、いかなるフィルタも伴わない単一光センサが、容易に使用されることができる。ロックイン技法は、周知のロックイン検出技法に従って、異なる非高調波周波数において４つの信号の各々を変調することと、単一の全スペクトルフォトダイオードまたは他のタイプの高帯域幅光センサを用いて全ての信号の合計を同時に検出することと、異なる周波数および位相において各信号対する出力を測定することとを含む。代替として、複合信号の電力スペクトル密度は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の使用によって算出されることができる。この技法は、４つのＬＥＤタイプの４つの基本電流駆動周波数に対応する、周波数対強度に対する４つの異なるピークを生産する。このように、４つの色帯域の各々の光度測定または放射測定電力は、単一の低コスト光センサによって連続的に監視されることができる。信号は、次いで、強度に対するループを閉にし、全スペクトル分布に対する一定の出力を維持するために使用されることができ、それによって、経年劣化および温度に起因するＬＥＤダイ性能の変化は、補償されることができる。この技法は、光センサ応答が時間および温度とともに一定であると仮定し、それは、関連温度範囲にわたって、実質的に当てはまる。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、所与の信号の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）を実質的に近似することができ、適当なコンピュータによって容易に算出されることができる周知のアルゴリズムである。経年劣化影響に起因するＬＥＤ効率の変化および温度に起因する変化は、数分から数年の長時間定数とともに起こるので、アルゴリズムは、ミリ秒で反応することは要求されないが、秒と同程度に緩慢に反応することができ、依然として、一定なスペクトル光学出力を維持することに優れた役割を果たす。しかしながら、専用デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）も、使用されることができ、非常に小型かつ安価なマイクロプロセッサが、容易に利用可能であり、それは、小型カードベースのコンピュータと同様にタスクを容易に遂行することができる。いかなるスペクトルバンドパスフィルタも伴わない単一フォトダイオードを使用する別のアプローチは、１度に１つのＬＥＤ色源以外を全てオフにし、フォトダイオード信号をサンプリングし、次いで、次のものに変更し、以下同様にすることである。いずれか１つの測定中の他の３つのサンプルのオフ時間は、約数マイクロ秒であり得、サンプル間の時間は、長く、約数十または数百ミリ秒であり得、したがって、サンプリングのデューティサイクルは非常に低いので、観察者または標準的カメラの視点から、いかなる検出可能な変化も連続光出力に存在しない。これは、各色帯域に対するサンプリング時間が非常に短いように、電流源が十分に短い立ち上がりおよび立ち下り時間とともに設計されることを要求する。それはまた、十分に高い帯域幅の光センサを要求し、幸いにも、これらは両方とも、容易に利用可能であるか、または容易に設計および製作され得る回路要素を用いて容易に達成可能である。単一光センサを伴うこのパルス化サンプリングアプローチはまた、閉ループ強度制御も可能にする。各々が独立したスペクトルバンドパスフィルタを伴う４つのフォトダイオードの単純な組が、単一フォトダイオードの代わりに使用されることができ、それによって、信号は、４つの信号またはパルス化サンプリングの変調を全く要求することなく連続的に読み取られることができる。このアプローチの不利点は、スペクトルバンドパスフィルタが比較的に高価であり、システムコストを増加させ得、例えば、青色バンドパスが青色チャネルだけではなく、青−緑色および白色チャネルにも応答するであろうから、光センサ間にクロストークが存在することである。その結果、それぞれの信号の畳み込みを解くことが望ましく、それは、例えば、信号の変化が３つの重複するスペクトル源のうちのいずれか１つの変化に起因する場合、青色光センサのみの出力から把握しないであろうから、多変量分析を要求するであろう。４つを上回る別個のスペクトル帯域測定が、正常に信号の畳み込みを解くために要求され得る。これは、線形連続可変スペクトルバンドパスフィルタを伴うフォトダイオードアレイまたは分光器を使用する動機であり、その両方は、より高価な解決策であるが、比較的に実装することが容易である。十分に多い数の異なるスペクトル位置を用いてスペクトル全体をサンプリングすることによって、単純な差異アルゴリズムを使用し、高ＣＲＩを維持しながら任意の所望される強度およびＣＣＴを取得することが適している。

図２１Ａ−２１Ｆは、３つの独立した源の場合のための電力スペクトル密度ＦＦＴ検出技法を例証するが、しかしながら、方法は、照明源に関連する任意の恣意的な数に拡張されることができる。個別のロックインチャネルに優るＦＦＴアプローチの利益は、ロックインアプローチに対して、異なるロックイン回路が各駆動周波数に対して使用され、ＦＦＴがアルゴリズムを変更することなく任意の数に拡張され得ることである。その結果、増加する数のチャネルに対してＦＦＴアプローチを使用することが、より効率的であり、殆どのデバイスはある形態のコンピュータまたはマイクロプロセッサを組み込むので、ＦＦＴアプローチの使用は、よりコスト効果が高く、拡張可能であり得る。図２１Ａは、例えば、秒あたり１０００サイクル（Ｈｚ）の周波数において第１のＬＥＤ色を駆動するための、正規化方形波変調電流信号を表す。図２１Ｂは、秒あたり１２００サイクルのわずかにより高い基本周波数において第２のＬＥＤ色を駆動するための、類似する正規化方形波変調電流信号を表す。同様に、図２１Ｃは、秒あたり１４００サイクルの周波数において第３のＬＥＤ色を駆動するための正規化方形波変調電流信号を表す。この技法は、所望される場合、所与の光源システム、またはさらには各個々のＬＥＤダイのための独立したスペクトル源のさらなる合計数に拡張されることができる。合計で３つが、明確化のためにこの例において使用される。図２１Ｄは、第１のＬＥＤ色が実線によって示され、第２のＬＥＤ色が点線によって示され、第３のＬＥＤ色が長い破線によって示される単一プロット上の全３つの電流駆動波形を表す。図２１Ｅは、スペクトルバンドパスフィルタを伴わない単一フォトダイオードを監視するとき、オシロスコープ上の信号がどのように見えるかに対応する３つの信号の数学的総和を表す。そのような一見ランダム化された信号から意味を見出すことは、困難であることを理解されたい。しかしながら、図２１Ｆは、周波数の関数としての電流スペクトル密度振幅を表す。上に説明されるように、ＦＦＴアルゴリズムが、図２１Ｅの時間領域から図２１Ｆの周波数領域に変換するために使用されることができ、３つの基本駆動周波数が、容易に明白である。３つのピークの各々のピーク強度は、３つの異なるＬＥＤスペクトルを含む３つの個々のＬＥＤ色の各々に対する平均光学電力に比例する。基本周波数は、約２５０ミリ秒の応答時間を有するヒトの眼または約１６ミリ秒以上のフレーム間時間を伴う標準的ビデオのいずれかによって強度変調が見えないように、周波数が十分に高くなるように選定されることができる。好ましくは、ドライバ周波数は、用途が視覚使用のみの場合であるヒトの眼の応答時間、または使用され得るカメラのものの逆数をはるかに上回り、約１０倍以上である。方法は、光学サンプリングのコストを最小化し、多数の独立した源に拡張され得る、比較的に単純かつ簡潔な信号処理技法である。

図２２Ａ−２２Ｈは、それぞれ、２５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍ、および１００ｍｍの長さのテーパに対して、図５Ｂのシステムのテーパ７６の長さの関数として、単一軸外れＬＥＤダイに対するグレーレベル遠方場強度分布を示し、分布は、図５Ａのシステムのテーパから放出される場合、および、腹腔鏡照明のために最も一般的に使用されるタイプの２メートル長の光ファイバガラス束による標準的５ミリメートル直径を通過した後に観察されるであろうような場合の両方に対するものである。テーパから出射する遠方場は、０°とガラス内のカットオフ角との間の角度の範囲にわたってテーパを通過するＬＥＤ光の複数のミラー反射の結果であり、カットオフ角は、その屈折率の関数であり、カットオフ角は、ＢＫ７等の標準的ガラスに対して、テーパの前面の空気ガラス界面に対する法線から約４１．２３°である。このカレイドスコープ効果は、漸次的に長いテーパに対して増加する反射をもたらし、それは、スポットの数の増加をもたらし、したがって、５ミリメートルの出射開口に対して２５ｍｍ〜１００ｍｍのテーパ長に移動するにつれて増加した遠方場均一性をもたらす。図２２のグレースケール画像は、遠方場において現れるであろうように、つまり、照明がテーパから出射する場合、少なくとも約２５０ｍｍ〜５００ｍｍ離れて、放出開口の直径を約５０〜１００倍上回る距離でスクリーンに伝送されることを可能にされる、図５Ｂのテーパ７６の入力開口における単一ＬＥＤダイからの遠方場を表す。光ファイバは、角度空間、つまり、遠方場強度分布を接線方向に混合することに良好な役割を果たすが、半径方向に角度混合することに良好な役割を果たさない。それは、光軸に対してある角度でレーザポインタを光ファイバに照射し、出力においてリングがある距離におけるスクリーン上に投影されることに留意することによって観察され、それは、光が接線方向において非常に良好に混合され、半径方向において非常に不良に混合されることを意味する。したがって、照明システム、つまり、図５Ｂのシステムのテーパ状光学の出射開口から出射する遠方場において高度な均一性を有することが、重要である。図２２Ａおよび２２Ｃの遠方場分布は、それぞれ、図２２Ｂおよび２２Ｄのグレースケール画像に示されるように、光ファイバを通過した後に顕著な非均一性をもたらす。出力開口の直径とテーパ長との比率に対する１５の値に対応する７５ｍｍのテーパ長に対する図２２Ｅの遠方場分布は、図２２Ｆに関するファイバから出射する遠方場のグレースケール画像によって例証されるように、ほぼ許容可能な遠方場均一性をもたらす。１００ｍｍのテーパ長は、それぞれ、図２２Ｇおよび２２Ｈのグレースケール画像によって示されるように、テーパから直接出射する場合および光ファイバから出射する場合の両方において、最高かつ非常に許容可能な遠方場均一性をもたらす。種々の用途では、異なるレベルの性能（例えば、遠方場均一性）も、許容可能であり得ることを認識されたい。したがって、１０またはそれを下回る値が、出力開口の直径とテーパ長との比率に対して許容可能であり得る。任意の所与の長さに対する遠方場の特定の形状は、テーパの入力開口におけるＬＥＤダイの位置の関数である。２つのＬＥＤダイが全く同一の空間を占有し得ることはないので、所与の長さのテーパに対して異なる色ダイに対する遠方場分布は、異なる。その結果、従来のキセノンショートアークランプをＬＥＤ照明に置き換える外科手術照明用途のために、光ファイバ束から出射する照明の色バンディングが存在しないように、遠方場において十分に多数の個々のスポットを有することが必要である。

図２３のプロットは、２５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍ、および１００ｍｍのテーパ長に対する、図２２Ｂ、２２Ｄ、２２Ｆ、および２２Ｈのグレースケール画像の中央を通る強度スライスを表す。

図２４Ａは、図５Ａのシステムにおいて使用され得る白色ＬＥＤダイの一構成を表し、それは、５×５のＬＥＤダイのアレイを備え、色最適化のために、各赤色および青−緑色ＬＥＤダイに対して２つの包含を可能にするために４つの白色ダイが除去されている。より多数の白色ダイが、図２４Ｂのグレースケール強度画像によって表されるような高度に均一な遠方場をもたらす。所与の光ファイバ束における全てのファイバが、類似する強度分布に見えることを確実にするために、近接場均一性が十分に高く、実質的にテレセントリックであること、つまり、テーパの放出開口の出力面における任意の所与の点から発生する光線の中心が、全ての位置に対して、光軸と類似し、それと整列させられるべきであることも重要である。この条件は、高遠方場均一性が明白である、図２２Ｇおよび２２Ｈによって説明される１００ｍｍテーパ長に対して実質的に達成される。図２４Ｃのグレースケール強度画像は、図２４Ａに対する白色ＬＥＤダイの分布の結果を示し、それは、予期されるように高度に均一である。図２４Ａ−２４Ｌの全ての図は、１００ｍｍの公称テーパ長を表す。予期されるように、光ファイバ束を通過した後、遠方場は、図２４Ｄのグレースケール強度画像によって同様に示されるように、高度に均一である。図２４Ｅは、図２４Ａの白色ダイと併せて使用される２つの赤色ダイの入力開口における相対位置を表し、図２４Ｇおよび２４Ｈにおいて高度に均一な近接場および遠方場を示す。同様に、図２４Ｉは、それぞれ、図２４Ａおよび２４Ｅの白色および赤色構成と併せて使用される２つの青−緑色ダイの相対位置を表す。青−緑色ダイの近接場および遠方場も、それぞれ、図２４Ｋおよび２４Ｌのグレースケール画像に示されるように、高度に均一である。図２４Ｆおよび２４Ｊは、２つの遠方場分布が１８０°位相不一致であり、つまり、図２４Ｆの光スポットが図２４Ｊの暗スポットに該当するように位置付けられ、逆もまた同様であることを示す。しかしながら、光ファイバ束を伝送される接線遠方場混合効果は、全ての３つの色源に対して実質的に類似する遠方場分布をもたらすので、いかなる色バンディングも、１００ｍｍのテーパ長において明白ではない。最適な遠方場混合および均一性に対して、各異なる色ＬＥＤダイが、図２４Ａ、２４Ｅ、および２４Ｉに例証されるような高度な１回または２回対称性を有するように、それを配列することが最良である。色の数が多くなるほど、対称性の目的を満たすことはより困難になる。したがって、最も一般的に有用な構成に対して、より長いテーパが、概して、より良好であるが、それは、包装サイズおよびコストに対する実践的制限とトレードオフされる必要がある。

図２５Ａは、それぞれ、２５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍ、および１００ｍｍのテーパ長に対し、図２２Ａ、図２２Ｃ、図２２Ｅ、および図２２Ｇの遠方場分布に対応する、図５Ｂのテーパの入力における単一軸外れＬＥＤダイの近接場強度分布を表す。この図は、５ミリメートル出射開口の直径に沿った位置の関数としての高度な強度均一性を示す。図２５Ｂは、図２５Ａのものと同一のデータを拡大したスケール上で表す。全ての近接場分布が、非常に良好であり、許容可能であり得るが、１００ｍｍ長が、最良である。この用途に対する性能は、近接場均一性が２５ｍｍ長に対しても許容可能であるので、テーパ長の関数としての遠方場均一性に対する要件によって駆動されることも明白である。

ここで図２６Ａを参照すると、白色、青−緑色、および赤色を含む３つの異なるタイプのＬＥＤダイを備えているＬＥＤ源のスペクトル電力分布が、示される。白色ＬＥＤダイによって放出される青色強度は、蛍光体からの緑−赤色放出に比例して実質的に固定されるので、青色のみである第４のＬＥＤ色が、例えば、蛍光体生成光の量が高ＣＲＩを達成するために適正であるが、多少なりとも青色がＣＣＴをシフトさせるために要求される場合、スペクトルを平衡させることに役立つように追加されることができる。図２６Ａの分布は、５７００ケルビンのＣＣＴ、９８ＣＲＩ、および９７の飽和赤色Ｒ９値に対応する。図２６Ａに対するＬＥＤのピーク放射測定波長は、約４４５ｎｍの青色ピーク、約４８５ｎｍの青−緑色ピーク、約５５５ｎｍの典型的な白色ピーク、および約６３０ｎｍの赤色ＬＥＤピークに対応する。最良なショートアークキセノンランプの典型的なＣＲＩは、約９２またはそれを下回り、Ｒ９は、赤外線が組織を乾燥させることを防止するために、約６８０ｎｍを上回る波長のフィルタ処理からもたらされる、９０を十分に下回るものであり得るので、このＬＥＤ源は、工業規格のショートアークキセノンランプによって取得され得るＣＲＩに優る。代替として、６３０ｎｍの赤色ピーク波長は、図２６Ｂのプロットによって示されるように、約６６０ｎｍのピーク波長を伴うより深い赤色ＬＥＤと置換されることができる。しかしながら、図２６Ａのそれに対して色を平衡させるために要求される赤色の相対量は、より多くなるが、非常に高い９５のＣＲＩおよび９６のＲ９値が、依然として、取得されることができる。より深い赤色におけるより多い光学電力の使用は、大した懸念事項ではないが、しかしながら、より深い赤色ＬＥＤダイは、６３０ｎｍのＬＥＤダイに対してより効率的であるので、この増加は、実質的により多くの入力電力を犠牲にして成り立つわけではない。代替構成は、同一システムにおいて６３０ｎｍの赤色およびより深い６６０ｎｍの赤色の両方を使用することであり、それは、２つの赤色ＬＥＤダイタイプの各々から要求される相対量を減少させる。図２６Ｃは、それもまたほぼ完全な９８のＣＲＩおよび９７のＲ９値をもたらすことを示す。全ての３つのスペクトルは、５７００ケルビンのＣＣＴに対して最適化され、それは、典型的なショートアークキセノンランプシステムによって生産するものに非常に近い。所望される場合、ＬＥＤ色の各々からの相対寄与は、約３５００ケルビン〜８０００ケルビンに及ぶ最適ＣＲＩを伴うスペクトルを生産するように修正されることができ、それは、任意の所与の外科医に有利であり得るおおよその範囲に対応する。

図２７の図式的等角図システム３７０は、ダイクロイックビーム合成表面３９４が、２つの実質的にスペクトル的に分離されたＬＥＤ源を１つの共通開口に結合し得るように、異なるスペクトルによって特徴付けられる２つの異なるＬＥＤダイアレイ３７１および４１４を伴う、２つの類似するＬＥＤ基板２８を備えている、図７Ａのシステム１２０の代替実施形態を示す。単一テーパを備えている、図７Ａのシステム１２０のものに優るこのアプローチの利点は、２つのテーパとスペクトルビーム合成要素とを使用することによって、２つのアレイからのダイの各々が、共有する代わりに全ての利用可能なエタンデュを使用し、ここでは２倍の合計数のＬＥＤダイが存在するので、逆テーパ４００の放出開口４０６における合計光学電力が増加されることである。第１のＬＥＤアレイ３７１によって放出される光は、例えば、スペクトルの青色および青−緑色部分から成り、入力開口３７６において側面３７８および３８０を伴うテーパ３７２に入射し、大きい放出開口３８２において出射する。放出開口対入力開口寸法の比率は、図１９のシステム３２０の集光テーパと類似し、入射角に対するそのスペクトル波長感度に起因して、ダイクロイックコンバイナ３９４のスペクトルバンドパスの勾配を最適化する。図１９のシステム３２０のテーパ３４０のそれと同様に機能する逆テーパ状集光光学４００（「逆テーパ」）は、サイズおよびミラーコーディングにおいて同じ入力開口および出力開口を有するが、システム３２０のテーパが行うように、それも近接場を混合するように機能する必要がないので、長さはより短い。同様に、テーパ３７４は、青−緑色よりも長い色、つまり、緑色、琥珀色、および赤色を有するスペクトルコンテンツのＬＥＤアレイ４１４から、側面３８６および３８８を伴う入射開口３８４ならびに出射開口３９０へと光を集光する。２つの三角形ガラス要素３９２および３９６を備えている立方体ビームコンバイナは、３８２および３９０に対応する入力面において屈折率整合されてはならず、そうでなければ、２つのそれぞれのテーパの出力は、完全に内部反射されず、光が、システムから漏出する。例えば、ＬＥＤアレイ３７１からの開口３８２から出射する青色および青−緑色光は、ビームコンバイナ３９４を通して伝送され、要素３９６の３９０における側に衝突すると、３９０において屈折率整合が存在する場合、テーパ３７４に直接通過する。同様に、テーパ３７４によって放出される光線は、ビーム合成ダイクロイック表面３９４から反射し、次いで、これが要素３９６に屈折率整合されている場合、それ自身の出射開口に戻る。加えて、ビームコンバイナ３９４に当たることに先立って開口３９８に衝突する、テーパ３７４によって放出される光は、完全に内部反射されないであろうが、出力テーパ４００の壁を直接通過するであろう。したがって、立方体コンバイナ内の導光を維持するために、立方体コンバイナは、３つのそれぞれのテーパのどれとも屈折率整合されないが、立方体コンバイナは、そのそれぞれの２つの半体３９２と３９６との間で屈折率整合され、そうでなければ、テーパ３７２からの光は、コーティング３９４に近接する３９２の出力面において上向きに完全に内部反射され、３９２の上部の上かつ外に方向付けられるが、逆テーパ４００および出口開口４０６に向かって誘導されない。逆テーパ４００は、ビームコンバイナによって伝送される遠方場角を、内視鏡光ファイバ束または類似する用途によって要求されるより大きい角度に変換するように作用する。しかしながら、両方のスペクトル源がすでに利用可能な全エタンデュを占有しているので、逆テーパは、図１９のシステム３２０の逆テーパに対する場合のように近接場を均質化するために要求されない。入力開口３９８ならびに側面４０２および４０４を伴う逆テーパ４００は、図５Ｂのシステムのものと同じ出力開口サイズを有し、実質的に類似する出力開口４０６と、辺４１０および４１２を有する鏡面４０８とを伴い、鏡面４０８は、放出開口の外側の光がそれぞれの源に向かって戻るように反射するように作用し、光は、放出開口４０６から出射する追加の機会を有する。２つのスペクトル帯域の各々は、ＬＥＤアレイあたり１つずつの光センサ３４によって監視される。光の最大割合は、緑色スペクトルに由来するので、ＬＥＤダイの代替配列は、第１のアレイ３７１において広い緑色光を生産するために、全て白色ダイまたは蛍光体コーティング青色ダイを有する。このアプローチの利点は、赤色および琥珀色ダイの若干より低い反射率と比較して、ＬＥＤアレイへの戻り経路上の蛍光体から戻った蛍光体生成光の非常に高い拡散反射率の認識であり、それは、蛍光体生成光のより最適な効率をもたらすであろう。第２のアレイは、次いで、青色、青−緑色、および赤色ダイを有するであろうが、それらはより低い割合において必要とされるので、全体的に改良された性能をもたらし得る。ビームコンバイナ３９４は、次いで、スペクトルの緑色部分以外の全てを反射し、緑色を通過させる必要がある。それは、ダイクロイックコーティングの若干複雑な部分であるが、容易に生産されることができる。

図２８Ａおよび２８Ｂは、それぞれ、光学経路を示す光線の有無による、図２９のシステム３７０の図式的側面図を示す。図２８Ｂの光線経路４１６は、ＬＥＤアレイ３７１によって放出され、テーパ３７２の出力開口からのまっすぐな壁を有する延長であるかのような３９２および３９６を備えているビームコンバイナ立方体を通過し、全内部反射によって逆テーパ４００の入力開口３９８へ誘導される。図６Ｂのシステム１００の光線と類似する様式において、ミラー開口４０８は、放出開口４０６から出射しない光線をＬＥＤアレイ３７１に戻るように反射し、それらは、開口４０６の外へ再方向付けられる機会を有し、それによって、出射開口４０６における放射輝度を増加させる。光線４２０は、光軸に沿ってＬＥＤアレイ４１４から方向付けられ、ダイクロイックビームコンバイナ表面３９４から反射し、逆テーパ４００に入り、放出開口４０６から出るように示される。光線セット４２２を中心にした光線は、類似する様式において３９４から反射し、一部は放出開口４０６から伝送され、一部はミラー４０８によってアレイ４１４に向かって戻るように反射され、それらは、アレイ４１４から３９４に向かって拡散して戻るように反射し、その後、出射開口４０６から通過する別の機会を有し、それによって、スペクトルの長い波長側の放射輝度を増加させる。所望される場合、この一般的アプローチは、追加の数のＬＥＤアレイに拡張されることができる。

図２９は、集光光学テーパとともに、２つの追加のビームコンバイナおよび２つの追加の関連付けられるＬＥＤアレイが存在する、図２７のシステム３７０の代替実施形態を表すシステム４３０の図式的等角図を示す。４つの異なるＬＥＤアレイ４３５、４３７、４３２、および４３４の各々は、異なるＬＥＤ基板２８上にあり、それぞれ、入力開口３７６、３８４、４５２、および４５４を伴う、関連付けられるテーパ３７２、３７４、４３８、および４３６を伴う。各集光テーパおよび逆テーパ４００ならびに全てのその関連付けられる部品は、図２７のシステム３７０のそれと機能において同じである。各テーパは、そのそれぞれのＬＥＤアレイにおける各色タイプのＬＥＤダイの出力を監視するために、関連付けられる光センサ３４を有する。概して、より長い波長を通過させ、より短い波長を反射するようなダイクロイックビームコンバイナ（ダイクロイックビームスプリッタとも称される）を有することがより容易であり、より良好な性能をもたらす。したがって、色の任意の組み合わせが、機能するように作製され得るが、ＬＥＤアレイ４３５を最長波長にすることが効率的であり、それは、内視鏡外科手術用照明または外科手術用ヘッドライトの用途に対して、約６６０ｎｍおよび６３０ｎｍを中心とする両方のＬＥＤであり得る赤色、および、蛍光体から約５９０ｎｍの直接ＬＥＤ放出または約５８０ｎｍ〜５９０ｎｍをピークとする放出のいずれかであり得る琥珀色であろう。ＬＥＤアレイ４３７は、次いで、緑色であり、それは、直接的緑色または生成される蛍光体であり得る。概して、ヒトの眼がその最高感度を有する、約５５５ｎｍを中心とする直接放出を伴う、いかなる効率的緑色ＬＥＤ源も利用可能ではないので、それらの波長は、例えば、Ｃｅｒｉｕｍ ＹＡＧまたはＳｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｈｉｏｇａｌｌａｔｅ：Ｃｅｒｉｕｍ等の蛍光体から生成される。ＬＥＤアレイ４５２は、約５０５ｎｍおよび４８５ｎｍを中心とする、それぞれ、直接ＬＥＤシアン色および青−緑色放出であろう。ＬＥＤアレイ４３４は、約４７５ｎｍ〜約４４５ｎｍを中心とするピーク放射測定放出を伴う青色ＬＥＤダイの範囲から成り得る青色であろう。これらの波長のいずれかは、代替として、商業的に利用可能な青色から赤色の蛍光体によって生産されることができ、非常に高いウォールプラグ効率の紫外線ＬＥＤが、励起として使用されることができ、ならびにより長いスペクトルのための青色ＬＥＤまたは緑色ＬＥＤも、使用されることができる。しかしながら、標準的無機ＬＥＤ蛍光体の１つの不利点は、蛍光体が、概して、約４０ｎｍ〜８０ｎｍのＦＷＨＭを伴う比較的に広いスペクトル放出を有することである。それは、赤色および琥珀色を伝送し、緑色を反射するであろう個々のダイクロイックビームコンバイナ３９５、赤色、琥珀色、および緑色を伝送し、シアン色および青−緑色を反射するであろうビームコンバイナ３９７、ならびに反射されるであろう青色を除く全ての波長を伝送するであろうビームコンバイナ３９９が、鮮明なスペクトル遷移を有するであろう事実に起因して、より低い効率をもたらし得、それは、帯域外蛍光体放出をカットオフするであろう。多いに有望な新しいクラスの蛍光体は、ナノ蛍光体と称される。ナノ蛍光体は、約２０ｎｍ〜３０ｎｍの比較的に狭い放出スペクトル幅を有し、それは、直接ＬＥＤ放出に匹敵するか、またはいくつかの場合では、それよりも狭い。加えて、ナノ粒子は、励起光の波長よりもはるかに小さいので、光散乱の量は、無視できる。標準的無機ＬＥＤ蛍光体では、放出される光の５０％以上のものは、後方に散乱され、それは、ＬＥＤダイによって実質的に再吸収され、それによって、有意な光学電力損失をもたらす。ナノ蛍光体は、比較的に有意ではない散乱に起因して、後方散乱に起因して多くの電力を失うことはない。燐光または蛍光は、球体または２πステラジアンの立体角に放出されるにもかかわらず、ＬＥＤダイに向かって戻るように方向付けられ、続けて拡散して反射される放出は、ナノ蛍光体コーティングから出る際のナノ蛍光体に起因して、散乱損失に遭遇しない。最近開発されたナノ蛍光体のいくつかは、ロバストであり、低熱消光性を有し、したがって、このタイプの用途のための蛍光体として有力な候補である。これらのナノ蛍光体はまた、３６０ｎｍ〜４０５ｎｍのＵＶＡ紫外線スペクトル領域において高い励起効率を有し、現在、いくつかの極めて高いウォールプラグ効率のＵＶ ＬＥＤが、利用可能である。約２０°またはそれを下回る出力半角遠方場をもたらすテーパ出力対入力比率の使用に対する、図２７のシステム３７０に関して議論されるものと同一の議論が、ここでもシステム４３０に対して同様に適用される。エタンデュが異なるスペクトル領域間で共有されないように、スペクトルを異なる領域に分割し、ダイクロイックビームコンバイナを使用することのさらなる利点は、ＬＥＤアレイおよびそのための熱源が空間的に分離されることであり、それは、ＬＥＤダイのために、より良好な熱性能およびそのためのより低い接合部温度ならびにより長い寿命をもたらす。

ここで図３０Ａおよび３０Ｂを参照すると、それぞれ、光線の有無による、図２９のシステム４３０の図式的側面図が、示される。図３０Ａを参照すると、ＬＥＤアレイ４３２が、示される向きから１８０°に位置付けられ得、したがって、ＬＥＤアレイ４３２が、ＬＥＤアレイ４３５と出力開口４０６との間を通る水平軸の上側にあることが、当業者によって理解されるはずである。より大きい熱シンクが、次いで、ＬＥＤアレイ４３７および４３４のために使用され得るので、それは、熱性能におけるさらなる改良を表すであろうが、しかしながら、熱利益は、増加する包装複雑性、サイズ、およびコストに対して考慮される必要がある。さらに、全てのＬＥＤ源が同一平面内に存在することは必要ではなく、例えば、ＬＥＤアレイ４３２は、示されるものから９０度ページの向こうに位置付けられることができ、ＬＥＤアレイ４３４は、示されるものから９０°ページのこちら側に位置付けられ得るが、再び、熱利益が、複雑性、サイズ、およびコスト考慮事項に対して考慮されなければならない。加えて、正方形断面結合光ガイド４４０および４４６が、さらに外に熱源を拡散するようにより長く作製されることができるが、それは、全体的包装サイズをより長くもする。異なる経路の遠方場混合は、主として、集光テーパ３７２、４７４、４３８、および４３６、ならびに逆テーパ４００の機能であるが、直線区分４４０および４４６によって無視できるほどの影響を受ける。近接場は、要素４４０および４４６の長さによって影響を受けるが、しかしながら、近接場は、さらなる長さから利益を享受しないほどすでに十分に均一であり、したがって、結合光ガイド４４０および４４６の長さが、ＬＥＤアレイ４３７、４３２、ならびに４３４の個々のＬＥＤ基板および関連付けられる熱シンクのために必要とされるサイズ以外のいずれかによって決定されるべきいかなる実践的理由も存在しない。要素４４０および４４６は、排除され得、それは、ＬＥＤアレイを、立方体ビームコンバイナを構成するプリズム要素、つまり、要素３９２、４９６、４４２、４４４、４４８、および４５０のサイズによって決定されるような中心間距離に置くであろうことが、当業者によって理解されるはずである。一実施形態は、接触しているが、互いに屈折率整合されず、３つの異なるＬＥＤアレイ３８４、４３２、および４３４の全てを同一ＬＥＤ基板上に置くこれらの要素を有する。代替として、出射開口４０６から最も遠く離れたアレイは、ダイクロイックコーティングの代わりに、ビームコンバイナ上に鏡面コーティングを使用することができる。それは、全てのＬＥＤアレイが単一ＬＥＤ基板上に置かれることを可能にし、それは、熱観点から所与の用途に対して良好に機能するならば、コストを低下させ、包装サイズを低減させることができる。図３０Ｂは、ＬＥＤアレイ４３５から放出される光線４５６が、コンバイナ３９５を通して伝送され、３つのビームコンバイナならびに結合光ガイド４４０および４４６を、それらが表面３８２から３９８に延びている単一正方形断面光パイプであるかのように通過し、次いで、逆テーパ４００を通過し、開口４０６から出るか、またはＬＥＤアレイ４３５に戻る復路のためにミラー４０８によって反射され、次いで、出射開口４０６に向かって戻る、図３０と同じシステム４３０の図を示す。光線４５８は、ＬＥＤアレイ４３７から出射し、ビームコンバイナ３９５から反射し、次いで、光線４６５によって表される出射開口４０６に向かって類似する経路を辿る。ＬＥＤアレイ４３７から到達した、ミラー４０８から戻るように反射する光の一部は、ビーム合成ダイクロイックコーティング３９５によってＬＥＤアレイ４３７に戻るように方向付けられ、それは、出射開口４０６に向かって拡散して戻るように反射し、上記の他の実施形態に関して説明されるものと類似する様式において放射輝度を増加させる。同様に、ＬＥＤアレイ４３２からの光線４６２は、ビームコンバイナ３９７から反射し、ビームコンバイナ３９９を通して逆テーパ４００に伝送され、開口４０６から部分的に出射し、ミラー４０８によってＬＥＤアレイ４３２に部分的に戻るように反射され、次いで、光線４６４によって表される出射開口４０６を通過する別の機会のために、類似する経路に沿って拡散して戻るように反射される。光線４６６は、ビームコンバイナ３９９から反射し、逆テーパ４００を通過し、次いで、光線４６８によって表される開口４０６から部分的に放出され、ＬＥＤアレイ４３４に戻る追加の通過のために部分的に反射される。

別の実施形態が、図３１Ａおよび３１Ｂによって表され、図は、それぞれ、システム４７０の図式的等角図および光線が示される正面側面図を示し、システムは、３つのテーパの出射開口を入力開口４８４における単一光ガイド４８２に結像するために、それぞれ、結像レンズ４７２および４７４、ミラー４７６、ならびにダイクロイックビーム合成要素４７８および４８０と組み合わせて、３つの異なる色ＬＥＤアレイ４７１、４７３、および４７４を伴う、図５Ａおよび５Ｂのシステム１００のものと同じテーパを使用する。一好ましい実施形態では、レンズは、球面収差に起因する損失を最小化するために、非球面である。２つのレンズの第１のセットは、ダイクロイックコーティングの角度依存性を考慮して、ビームカプラを通した発散角を最小化するように無限に結像し、２つのレンズの第２のセットも同じであるが、第１のものの鏡像は、全ての３つのビーム経路に共通であり、３つの出射開口を光ファイバ束４８２の入力開口４８４に戻すように結像する。再び、最長波長ＬＥＤアレイは、４７１である。光線４８６は、反射ミラー４７６から反射し、２つのロングパスダイクロイックビームカプラ４７８および４８０を通過し、４８４に結像される。ＬＥＤアレイ４７３の光線４８８は、ビームコンバイナ４７８から反射され、４８０を通過し、ファイバ束４８２の入射開口４８４に結像される。同様に、光線４９０は、ＬＥＤアレイ４７５およびその関連付けられる出射開口８０から出射し、ダイクロイックビームコンバイナ４８０から反射し、開口４８４に結像される。各それぞれのテーパのミラー１０２は、各テーパからの放射輝度を、図５Ａのシステム１００のものに関して説明される同一の方法で増加するように作用する。図２９Ａの光パイプビームコンバイナを使用することに優るこのアプローチの１つの利点は、ダイクロイックビームコンバイナを通して取得され得るはるかに低い発散角が、増加される鮮明性、つまり、波長の関数としての低伝送率から高伝送率へのより迅速な遷移をもたらすことであり、それは、各ＬＥＤアレイに対してより高い効率の結合を可能にする。各色に対するレンズ４７２および４７４の第１の組の焦点位置は、それら全てが重複し、ファイバ束４８２の開口４８４に焦点を合わせるようにシフトされることができるので、各ＬＥＤアレイに対するレンズのシステム、つまり、集光側のレンズ要素４７２および４７４と、結像集束側の反転レンズ要素４７４および４７２との対称に組が広い範囲で色補正されることは必要ではない。システムに対して、図３０Ａおよび３０Ｂに関して説明されるように、全てのＬＥＤ源が同一平面内に存在することは必要ではないが、しかしながら、そうである場合、それは、最もコンパクトな配列に対応する可能性が高い。所望される場合、全てのＬＥＤアレイ４７１、４７３、および４７５を単一金属コア基板上に配置することが可能であるが、しかしながら、中心間間隔は、レンズ４７４の直径に従って制限され、それは、順に、ダイクロイックビームコンバイナを通した発散角によって影響を受ける。レンズ４７４の直径は、最大でそれらがビームコンバイナを通した光軸に対して２０°の半角発散入射をもたらす数字まで低減させられることができる。レンズは、着目スペクトル範囲に対して高い伝送率および低い蛍光性を有する任意のガラスから作製されることができる。しかしながら、プラスチックレンズが、より低コストであり、球面収差補正のための非球面のより容易な使用を可能にする。レンズは、ＬＥＤの適用可能なスペクトル範囲にわたって反射防止コーティングされることができる。

Claims (28)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）光源であって、
   少なくとも１つのＬＥＤダイと、
   第１の端部における入力開口と、第２の端部における出力開口と、ある長さとを有するテーパ状集光光学と
   を備え、
   前記入力開口は、前記少なくとも１つのＬＥＤダイと光連通し、それから光を受光し、前記出力開口は、前記第２の端部に配置されている反射面における非反射性円形領域によって画定され、前記開口に入射する前記テーパ状集光光学を通して伝送される光は、前記テーパ状集光光学の第２の端部から放出され、前記第２の端部に入射し、前記開口に入射しない前記テーパ状集光光学を通して伝送される光は、前記テーパ状集光光学に戻るように反射される、ＬＥＤ光源。
2. 前記反射面は、表面鏡の表面上に配置され、前記表面鏡は、前記反射面が前記テーパ状集光光学の前記第２の端部に隣接して配置されているように位置付けられている、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
3. 前記反射面は、前記テーパ状集光光学の前記第２の端部上に形成されている、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
4. 前記出力開口の直径に対する前記テーパ状集光光学の長さの比率は、少なくとも１０の値を有する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
5. 前記少なくとも１つのＬＥＤダイは、少なくとも１対のＬＥＤダイを備え、前記対における各ＬＥＤダイは、同一の色を有し、前記テーパ状集光光学の前記入力開口に関して、前記対における他方のＬＥＤに直径方向に対向して配置されている、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
6. 前記テーパ状集光光学の前記出力開口に隣接して入力開口を有する光ファイバ束をさらに備え、前記光ファイバ束の前記入力開口の直径は、前記テーパ状集光光学の前記出力開口の直径にほぼ等しい、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
7. 前記テーパ状集光光学は、各々が前記第１の端部から前記第２の端部に延びている複数の側面を有し、前記ＬＥＤ光源は、前記側面のうちの１つを通した視野を有する光センサをさらに備え、前記光センサは、受光された光学電力に応答して光信号を生成するように構成されている、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
8. 前記少なくとも１つのＬＥＤダイは、矩形構成に配列されている複数のダイである、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
9. 前記テーパ状集光光学は、４つの側面を有する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
10. 前記少なくとも１つのＬＥＤダイは、白色ＬＥＤダイ、青色ＬＥＤダイ、青−緑色ＬＥＤダイ、および赤色ＬＥＤダイの各々のうちの少なくとも１つを有する複数のＬＥＤダイを含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
11. 前記少なくとも１つのＬＥＤダイは、第１の色を有する少なくとも１つのＬＥＤダイと、第２の色を有する少なくとも１つのＬＥＤダイとを含む複数のＬＥＤダイを含み、前記第１の色を有する少なくとも１つのＬＥＤダイによって放出される光の強度および前記第２の色を有する少なくとも１つのＬＥＤダイによって放出される光の強度は、独立して制御可能である、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
12. 前記第１の色は、緑色光、青−緑色光、および青色光、および赤外光から成る群からの色である、請求項１１に記載のＬＥＤ光源。
13. 前記第１の色は、赤外光を含む、請求項１１に記載のＬＥＤ光源。
14. 前記赤外光の波長は、約７００ｎｍ〜約９８０ｎｍのスペクトル範囲内である、請求項１３に記載のＬＥＤ光源。
15. 発光ダイオード（ＬＥＤ）光源であって、
    複数のＬＥＤダイと、
    複数のテーパ状集光光学であって、前記複数のテーパ状集光光学の各々は、第１の端部における入力開口と、第２の端部における出力開口と、ある長さとを有し、前記入力開口の各々は、前記複数のＬＥＤダイの一部と光連通し、それから光を受光する、複数のテーパ状集光光学と、
    前記テーパ状集光光学の前記第２の端部に隣接した第１の端部において入力開口を有する合成および均質化光学要素と
    を備え、
    前記合成および均質化光学要素は、前記第１の端部に対向する第２の端部に配置されている反射面における非反射性円形領域によって画定される出力開口を有し、前記出力開口の直径と前記長さとの比率は、少なくとも１０の値を有し、前記開口に入射する前記テーパ状集光光学と前記合成および均質化光学要素とを通して伝送される光は、前記合成および均質化光学要素の前記第２の端部から放出され、前記合成および均質化光学要素の第２の端部に入射し、前記開口に入射しない前記テーパ状集光光学と前記合成および均質化光学要素とを通して伝送される光は、前記合成および均質化光学要素と前記テーパ状集光光学とを通して後方に反射される、ＬＥＤ光源。
16. 前記テーパ状集光光学の各々に対して、前記テーパ状集光光学の前記入力開口と前記合成および均質化光学要素の出力開口との間に画定される距離の前記合成および均質化光学要素の前記出力開口の直径に対する比率は、少なくとも１０の値を有する、請求項１５に記載のＬＥＤ光源。
17. 前記テーパ状集光光学のうちのそれぞれのものの前記第２の端部における各出力開口は、スペクトルバンドパスフィルタを形成するためにコーティングされている、請求項１５に記載のＬＥＤ光源。
18. 各スペクトルバンドパスフィルタのスペクトルバンドパスは、他のスペクトルバンドパスフィルタのスペクトルバンドパスとは異なる、請求項１７に記載のＬＥＤ光源。
19. 発光ダイオード（ＬＥＤ）光源であって、
    第１のスペクトルを有する少なくとも１つの第１のＬＥＤダイおよび第２のスペクトルを有する少なくとも１つの第２のＬＥＤダイであって、前記第１のスペクトルおよび前記第２のスペクトルは、異なる、第１のスペクトルを有する少なくとも１つの第１のＬＥＤダイおよび第２のスペクトルを有する少なくとも１つの第２のＬＥＤダイと、
    第１のテーパ状集光光学および第２のテーパ状集光光学であって、各々は、ある長さを有し、各々は、それぞれ、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイおよび前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイと光連通する入力開口を第１の端部に有し、それから光を受光し、各々は、出力開口を第２の端部に有し、前記出力開口のサイズと前記長さとの比率は、少なくとも１０の値を有する、第１のテーパ状集光光学および第２のテーパ状集光光学と、
    スペクトルビーム合成要素と
    を備え、
    前記スペクトルビーム合成要素は、前記第１のテーパ状集光光学の前記出力開口と連通する第１の入力開口と、前記第２のテーパ状集光光学の前記出力開口と連通する第２の入力開口と、出力開口とを有し、前記出力開口は、前記第１のテーパ状集光光学の前記出力開口から放出される前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイからの光と、前記第２のテーパ状集光光学の前記出力開口から放出される前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイからの光との合成物を提供する、ＬＥＤ光源。
20. 前記スペクトルビーム合成要素の前記出力開口と光連通する第１の端部における入力開口と、第２の端部における出力開口とを有する逆テーパ状集光光学をさらに備え、前記逆テーパ状集光光学の入力開口のサイズは、前記逆テーパ状集光光学の出力開口のサイズより大きい、請求項１９に記載のＬＥＤ光源。
21. 前記逆テーパ状集光光学は、前記第２の端部に配置されている反射面を有し、前記反射面は、前記反射面の中に開口を画定する非反射性円形領域を有し、前記開口に入射する前記逆テーパ状集光光学を通して伝送される光は、前記逆テーパ状集光光学の前記第２の端部から放出され、前記第２の端部に入射し、前記開口に入射しない前記逆テーパ状集光光学を通して伝送される光は、前記逆テーパ状集光光学の中に後方に反射される、請求項１９に記載のＬＥＤ光源。
22. 各テーパの前記第２の端部と、前記スペクトルビーム合成要素の前記第１および第２の入力開口のうちの対応する１つとの間に配置されている少なくとも１つの結像レンズと、
    前記スペクトルビーム合成要素の前記出力開口と光連通している少なくとも１つの結像レンズと
    をさらに備え、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイおよび前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイからの光は、前記スペクトルビーム合成要素において実質的に平行にされる、請求項１９に記載のＬＥＤ光源。
23. 前記スペクトルビーム合成要素は、ダイクロイック面を備えている、請求項１９に記載のＬＥＤ光源。
24. 発光ダイオード（ＬＥＤ）光源であって、
    第１の端部における入力開口と、第２の端部における出力開口と、ある長さとを有するテーパ状集光光学であって、前記出力開口は、前記第２の端部に配置されている反射面における非反射性円形領域によって画定され、前記開口に入射する前記テーパ状集光光学を通して伝送される光は、前記テーパ状集光光学から放出され、前記開口の中ではない第２の表面に入射する前記テーパ状集光光学を通して伝送される光は、前記テーパ状集光光学の中へ後方に反射される、テーパ状集光光学と、
    前記テーパ状集光光学の前記入力開口と光連通している複数の対のＬＥＤダイと
    を備え、
    各対における前記ＬＥＤダイの各々は、前記対における他方のＬＥＤダイと同一の色の光を放出し、各対における前記ＬＥＤダイの各々は、前記テーパ状集光光学の前記入力開口に関して、前記対における他方のＬＥＤに直径方向に対向して配置されている、
    ＬＥＤ光源。
25. 発光ダイオード（ＬＥＤ）源の色を制御する方法であって、前記方法は、
    第１の色を有する少なくとも１つの第１のＬＥＤダイと、第２の色を有する少なくとも１つの第２のＬＥＤダイと、テーパ状集光光学とを備え、前記テーパ状集光光学は、第１の端部における入力開口と、第２の端部における出力開口と、ある長さとを有し、前記入力開口は、前記少なくとも１つの第１および第２のＬＥＤダイと光連通し、それから光を受光し、前記出力開口は、前記第２の端部に配置されている反射面における非反射性円形領域によって画定される、システムに対して、
    前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイから放出される光の強度を第１の周波数において変調し、前記第２の色における前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイから放出される光の強度を第２の周波数において変調することと、
    前記第１および第２の周波数において変調された光を検出することと、
    前記検出された光から、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイからの光の強度および前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイからの光の強度を決定することと、
    前記決定された強度に応答して、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤからの光および前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイからの光の強度を制御することと
    を含む、方法。
26. 前記検出された光から、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイからの光の強度および前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイからの光の強度を決定することは、前記検出された光に応答する信号にロックイン検出プロセスを実施することを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記検出された光から、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイからの光の強度および前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイからの光の強度を決定することは、前記検出された光に応答する信号に高速フーリエ変換を実施することを含む、請求項２５に記載の方法。
28. 前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイから放出される光の強度を第１の周波数において変調し、前記第２の色における前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイから放出される光の強度を第２の周波数において変調することとは、前記少なくとも１つの第１のＬＥＤダイおよび前記少なくとも１つの第２のＬＥＤダイのうちの１つのみが非ゼロ強度を有するように強度を変調することを含む、請求項２５に記載の方法。