JP4199532B2 - Ｌｅｄ光源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、照明光学系において、光源として発光部であるＬＥＤチップを備えた光源（ＬＥＤ光源）が用いられる場合がある。ＬＥＤ光源は、ハロゲンランプ等に比べると、発熱量が小さい反面、単体の輝度が低く十分な光量が得られないという問題がある。例えば、チップ封入一体型のＬＥＤ光源では、ＬＥＤチップからの出射角度の大きい光は、前方に照射されず、十分な光量が得られない。そこで、複数のＬＥＤチップを並べることにより光量をアップさせ、さらに、輝度むらや色調むらを解消すべく、複数のＬＥＤチップの周囲の反射面を所定の角度で形成することが行われている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２５９８３３８号公報
【０００４】
ところで、ＬＥＤ光源を光源として用いる場合、出射光を所定の領域に集光させて用いる場合がある。例えば、近年、医療機器である内視鏡の光源としてＬＥＤ光源は注目されている。上述のように、ＬＥＤ光源は他の光源と比べて発熱量が小さいため、共に搭載される他の電子機器への影響等を考慮し、安全性が求められる内視鏡の光源として有用だからである。このような内視鏡において、ＬＥＤ光源の出射光は、微細なグラスファイバーを束ねたライトガイドに入射させられ、このライトガイドにより内視鏡の挿入部の先端まで導かれる。従って、ＬＥＤ光源の出射光はライトガイドの入射面に集光させなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の特許文献１に記載されたＬＥＤ光源は、ＬＥＤチップからの出射角度の大きい光も前方へ導かれるよう構成されているが、出射光が所定の領域に集光するようには構成されておらず、ライトガイドと共に用いる場合は十分な光量を供給することができない。このように、出射光を受ける側が所定の限られた領域である場合には、従来のＬＥＤ光源では依然として十分な光量が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は以上の問題を解決するものであり、ＬＥＤ光源の出射光の集光効率を上げ、光量を上げることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＬＥＤ光源は、ＬＥＤ発光部と、光軸がＬＥＤ発光部の中心を貫くよう、ＬＥＤ発光部の出射光の光路上に配設される集光光学系と、集光光学系の入射側に位置する第１の反射領域と集光光学系の出射側に位置する第２の反射領域とを有する反射部材とを備え、第１の反射領域において光軸に対する角度が最も大きい部分の角度が、第２の反射領域において光軸に対する角度が最も小さい部分の角度より小さいことを特徴とする。
【０００８】
以上の構成により、ＬＥＤ発光部からの出射角度が相対的に小さく、集光光学系に直接入射する光は、集光光学系により集光され前方に導かれ、出射角度が相対的に大きく、集光光学系に直接入射しない光は、第１の反射領域で反射され、集光光学系を透過し、第２の反射領域で反射され前方に導かれる。従って、ＬＥＤ発光部の出射光の集光効率が向上し、その結果、前方に照射される光束の光量が増加する。
【０００９】
例えば、第１の反射領域は、集光光学系の光軸に平行な第１の反射面であり、第２の反射領域は、光軸との成す角度が１５°〜３０°の第２の反射面である。
【００１０】
例えば、第１の反射領域と第２の反射領域は、連続したテーパー状の面を形成する。
【００１１】
好ましくは、集光光学系の焦点距離と、ＬＥＤ発光部の中心からＬＥＤ発光部の端部までの長さは、以下の関係を有する。
１．５＜ｆ／ａ＜５．０
（ただし、ｆ：集光光学系の焦点距離、
ａ：ＬＥＤ発光部の中心からＬＥＤ発光部の端部までの長さ）
【００１２】
好ましくは、第２の反射領域の第１の反射領域と反対側の端部は、集光光学系においてＬＥＤ発光部から最も離れた面よりも、さらにＬＥＤ発光部よりも離れた位置に位置する。
【００１３】
好ましくは、ＬＥＤ発光部は、集光光学系の前側焦点位置より集光光学系から離れた位置に位置する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る第１実施形態が適用されるＬＥＤ光源１０の断面図である。ケース１１は略円筒状を呈する。ＬＥＤチップ１２は、ケース１１の底面の略中央に配設される。ケース１１の内壁面には、第１の反射面１３と第２の反射面１４が形成される。ボールレンズ１５は、球状を呈する光学素子であり、ケース１１の内壁面において、第１の反射面１３と第２の反射面１４の境界部分に接するよう配設される。ボールレンズ１５は、ボールレンズ１５の光軸ＯＰ１がＬＥＤチップ１２の中心部を貫くよう位置づけられる。すなわち、ＬＥＤチップ１２の中心から出射される光は、ボールレンズ１５に入射すると、その中心を通って出射する。尚、ＬＥＤチップ１２とボールレンズ１５の間は空気が存在する。
【００１５】
一般に、ＬＥＤチップ１２の出射光のうち、光軸ＯＰ１に対する角度（以下、出射角度）が７０°より大きいものは、発光強度が弱い。また、出射角度が４０°より小さい出射光は、直接ボールレンズ１５に入射するため、ボールレンズ１５による集光が可能である。換言すれば、出射角度が４０°より大きい出射光は、ボールレンズ１５による集光が困難である。従って、第２の反射面１４は、ＬＥＤチップ１２の出射光のうち、出射角度が４０°〜７０°の範囲にある光を集光することができるよう、形成される。具体的には、第２の反射面１４は、光軸ＯＰ１との成す角度が１５°〜３０°となるよう形成されるのが望ましく、第１実施形態では約１５°となるよう形成されている。一方、第１の反射面１３は、ボールレンズ１５の光軸ＯＰ１に平行となるよう形成される。すなわち、第１の反射面１３の光軸ＯＰ１に対する角度は、第２の反射面１４の光軸ＯＰ１に対する角度より小さい。
【００１６】
また、ボールレンズ１５の焦点距離をｆとし、ＬＥＤチップ１２の中心から端部までの距離をａとすると、以下の式（１）の関係を満たすよう、ＬＥＤチップ１２とボールレンズ１５は配置される。
【００１７】
１．５＜ｆ／ａ＜５．０ ・・・・・（１）
【００１８】
具体的には、距離ａは０．４ｍｍであるＬＥＤチップと、焦点距離ｆが１．０８ｍｍであるボールレンズを用いる。その結果、ｆ／ａは２．７ｍｍとなり、式（１）を満たす。
【００１９】
第１の反射面１３で反射する光線のうち、光軸ＯＰ１に対する角度が比較的大きい（例えば７０°）光線は、第２の反射面１４において第１の反射面１３に比較的近い位置で反射する。一方、第１の反射面１３で反射する光線のうち、光軸ＯＰ１に対する角度が比較的小さい（例えば４０°）光線は、第２の反射面１４において第１の反射面１３から比較的離れた位置で反射する。そのため、第２の反射面１４の光軸ＯＰ１に沿った寸法が短いと、光軸ＯＰ１に対する角度が４０°のような強度的に強い光線が集光できなくなり、光量の損失が大きい。そこで、本実施形態では、ケース１１の開口部、すなわち第２の反射面１４の第１の反射面１３と反対側の端部により規定される開口部１１ａは、ボールレンズ１５の出射面、すなわちＬＥＤチップ１２から最も離れた面よりも、さらにＬＥＤチップ１２よりも離れた位置に位置している。
【００２０】
また、ＬＥＤチップ１２をボールレンズ１５の前側焦点位置よりもボールレンズ１５に近い位置に配置すると、光軸ＯＰ１付近の光線が発散してしまいファイバ２０に入射しない。そこで、本実施形態では、ＬＥＤチップ１２をボールレンズ１５の前側焦点位置よりもボールレンズ１５から離れた位置に配置し、ボールレンズ１５に直接入射する光線を集光状態にしている。
【００２１】
第１実施形態において、ＬＥＤ光源１０は内視鏡の光源として用いられる。図１のライトガイド２０は、ＬＥＤ光源１０から出射される光を、内視鏡の挿入部の先端に導くためのファイバーバンドルである。ＬＥＤチップ１２の中心から出射された光がライトガイド２０の入射面２１の中心に入射するよう、ＬＥＤ光源１０とライトガイド２０は相対的に位置付けられる。
【００２２】
第１実施形態の光学データは表１に示される。表中の記号ｒはレンズ各面の曲率半径、ｄは光軸上間隔（レンズ厚またはレンズ間隔）、ｎは屈折率である。また、第０面は、面光源としてのＬＥＤチップ１２の位置、ｄ２はボールレンズ１５の第２面からライトガイド２０の入射面２１までの距離である。
【００２３】
【表１】

【００２４】
図１に示すように、ＬＥＤチップ１２の中心部近傍から出射される光のうち、出射角度が４０°より小さく、ボールレンズ１５に直接入射する光（破線Ｌ１で代表的に図示）は、ボールレンズ１５により集光されてライトガイド２０に入射する。ＬＥＤチップ１２の中心から出射される光のうち、出射角度が４０°から７０°で、ボールレンズに直接入射しない光（破線Ｌ２で代表的に図示）は、第１の反射面１３で反射されてボールレンズ１５に入射し、ボールレンズ１５を透過した後、第２の反射面１４で反射され、ライトガイド２０に入射する。
【００２５】
ＬＥＤチップ１２の端部から出射される光も、同様の態様でライトガイド２０に導かれる。すなわち、図２に示すように、ＬＥＤチップ１２の端部から出射される光のうち、出射角度が４０°より小さい出射光（破線Ｌ３で代表的に図示）は、ボールレンズ１５により集光されてライトガイド２０に入射し、出射角度が４０°〜７０°の出射光（破線Ｌ４、Ｌ５で代表的に図示）は、第１の反射面１３で反射されてボールレンズ１５に入射し、ボールレンズ１５を透過した後、第２の反射面１４で反射され、ライトガイド２０に導かれる。
【００２６】
このように、ＬＥＤチップ１２の出射光の一部は、第１及び第２の反射面１３、１４で反射させられた後、ライトガイド２０に導かれる。従って、高い反射率を得るために、これらの反射面にアルミニウム、銀、クローム等の金属膜を蒸着することが望ましい。
【００２７】
図３は、従来のチップ封入一体型のＬＥＤ光源３０の内部構成を示す図である。ＬＥＤチップ３１を封入する樹脂ケース３２は、円柱状の基部３２ａと、光学面が形成された先端部３２ｂとを有する。ＬＥＤチップ３１から出射される光のうち、基部３２ａと先端部３２ｂとの境界付近に当たる光（破線Ｌ６）は全反射され、出射角度がより大きく、基部３２ａに入射する光は、そのまま外部に出射してしまう。ＬＥＤチップ３１から出射される光のうち、出射角度がより小さく、先端部３２ｂに入射する光のみが前方に照射される。このように、このタイプのＬＥＤ光源３０は、ＬＥＤチップ３１から出射される光の損失が大きく、かつ、集光効率も悪い。
【００２８】
これに比して、第１実施形態によれば、第１及び第２の反射面１３、１４とボールレンズ１５が組み合わされて構成されているため、ＬＥＤチップ１２の出射光のうち発光強度の強い出射角度が７０°以下の出射光の損失が抑えられると共に、ライトガイド２０への集光効率も向上される。従って、ライトガイド２０の入射面に入射する光量が増大する。
【００２９】
尚、ケース１１内に配設される集光光学系は、ボールレンズ１５に限るものではない。入射光を集光する性質を有する光学素子であればよく、図４に示すＬＥＤ光源４０ように、正レンズ４５を用いてもよい。この変形例の光学データは表２に示される。
【００３０】
【表２】

【００３１】
この変形例では、中心から端部までの距離ａが０．６ｍｍのＬＥＤチップ４２と、焦点距離ｆが２．５２ｍｍのレンズ４５を用いる（ｆ／ａは４．２）。また、第１の反射面４３は、レンズ４５の光軸ＯＰ２と平行であり、第２の反射面４４は光軸ＯＰ２に対する角度が１７°となるよう形成する。
【００３２】
図５は、本発明に係る第２実施形態が適用されるＬＥＤ光源５０の断面図である。第１実施形態と同様の部材には同一の符号が付されている。ケース５１の内壁面はテーパー状に形成されている。内壁面は、ボールレンズ１５の入射側に位置する第１の反射領域５２と、出射側に位置する第２の反射領域５３とで構成される。第１の反射領域５２において、ボールレンズ１５の光軸ＯＰ１に対して最も大きい角度を有する面のその角度は、第２の反射領域５３において、光軸ＯＰ１に対して最も小さい角度を有する面のその角度よりも小さくなるよう、内壁面は形成されている。その他の構成は第１実施形態と同様であり、ＬＥＤ光源５０は、内視鏡に設けられるライトガイドの入射面の近傍に配設される。
【００３３】
ＬＥＤ光源５０は、第１実施形態のＬＥＤ光源１０と同様の集光能力を示す。すなわち、ＬＥＤチップ１２から出射される光のうち、出射角度が相対的に小さく、直接ボールレンズ１５に入射する光は、ボールレンズ１５により集光され、ライトガイド（図５では図示せず）に入射し、出射角度が相対的に大きく、直接ボールレンズ１５に入射しない光は、第１の反射領域５２で反射され、ボールレンズ１５に入射し、ボールレンズ１５を透過した後、第２の反射領域５３で反射され、ライトガイドに導かれる。
【００３４】
尚、第１及び第２実施形態では、ケース１１、４１、５１内にＬＥＤチップ１２、４２を１つ配設しているが、これに限るものではなく、複数のＬＥＤチップをケース底面に配設してもよい。複数のＬＥＤチップを配設する場合、上述の式（１）における距離ａは、複数のＬＥＤチップが占める領域の中心から、周辺部に配設されたＬＥＤチップの端部までの距離となる。
【００３５】
また、第１及び第２実施形態では、ＬＥＤ光源１０、４０、５０を内視鏡の照明光を供給する光源として用いる場合を例にとって説明したが、これに限るものではない。ＬＥＤ光源の出射光を集光して用いるための光源として、他の器具にも適用可能である。
【００３６】
また、第１及び第２実施形態では、ＬＥＤチップ１２（４２）とレンズ１５（４５）との間は空気であるが、レンズ１５（４５）より屈折率の低い、例えばエポキシ系樹脂等で充填しても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＬＥＤチップを搭載するＬＥＤ光源の集光効率を向上させ、光量をアップすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態が適用されるＬＥＤ光源の断面図である。
【図２】第１実施形態のＬＥＤ光源において、ＬＥＤチップの端部からの出射光がライトガイドへ集光される状態を示す図である。
【図３】従来のチップ封入一体型のＬＥＤ光源の内部構成を示す図である。
【図４】第１実施形態の変形例を示す図である。
【図５】本発明に係る第２実施形態が適用されるＬＥＤ光源の断面図である。
【符号の説明】
１０、４０、５０ ＬＥＤ光源
１１ ケース
１２、４２ ＬＥＤチップ
１３ 第１の反射面
１４ 第２の反射面
１５ ボールレンズ
２０ ライトガイド

Claims (6)

1. ＬＥＤ発光部と、
   光軸が前記ＬＥＤ発光部の中心を貫くよう、前記ＬＥＤ発光部の出射光の光路上に配設される集光光学系と、
   前記集光光学系の入射側に位置する略円筒状の第１の反射領域と、前記集光光学系の出射側に位置し前記ＬＥＤ発光部方向に狭小となる円錐台状の第２の反射領域とを有する反射部材とを備え、
   前記第１および第２の反射領域は、前記ＬＥＤ発光部からの出射角度が相対的に大きい前記出射光が前記第１の反射領域で反射されて前記集光光学系を透過した後に前記第２の反射領域で反射されることにより前記反射部材の前方にある入射面に集光され、かつ前記出射角度が相対的に小さい前記出射光が前記集光光学系に直接入射して前記入射面に集光されるように配置され、
   前記第１の反射領域は、前記光軸と平行もしくは前記ＬＥＤ発光部から遠い領域ほど前記光軸から離れるように配置され、
   前記第２の反射領域は、前記ＬＥＤ発光部から遠い領域ほど前記光軸から離れるように配置されており、
   前記光軸を含む前記第１もしくは第２の反射領域の断面において、前記第１もしくは第２の反射領域と交わる、前記光軸に平行な直線と、前記第１もしくは第２の反射領域の表面であって前記光軸に平行な直線よりも前記光軸から離れた領域とが成す角度である傾き角度が、前記第１の反射領域においては前記第２の反射領域よりも小さいことを特徴とするＬＥＤ光源。
2. ＬＥＤ発光部と、
   光軸が前記ＬＥＤ発光部の中心を貫くよう、前記ＬＥＤ発光部の出射光の光路上に配設される集光光学系と、
   前記集光光学系の入射側に位置する第１の反射領域と前記集光光学系の出射側に位置する第２の反射領域とを有する反射部材とを備え、
   前記反射部材は、前記第１および第２の反射領域における接線と前記光軸とが成す鋭角の傾き角度が連続的に変化したテーパー状を有しており、かつ前記ＬＥＤ発光部からの出射角度が相対的に大きい前記出射光が前記第１の反射領域で反射されて前記集光光学系を透過した後に前記第２の反射領域で反射されることにより前記反射部材の前方にある入射面に集光され、かつ前記出射角度が相対的に小さい前記出射光が前記集光光学系に直接入射して前記入射面に集光されるように構成され、
   前記第１の反射領域は、前記光軸と平行もしくは前記ＬＥＤ発光部から遠い領域ほど前記光軸から離れるように配置され、
   前記第２の反射領域は、前記ＬＥＤ発光部から遠い領域ほど前記光軸から離れるように配置されており、
   前記傾き角度が、前記第１の反射領域において最大である最大角度となるのは前記集光光学系に最も近い位置であり、前記第２の反射領域において最小である最小角度となるのは前記集光光学系に最も近い位置であり、前記最大角度が前記最小角度よりも小さいことを特徴とするＬＥＤ光源。
3. 前記第１の反射領域は、前記光軸に平行な第１の反射面であり、前記第２の反射領域は、前記傾き角度が１５°〜３０°の第２の反射面であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源。
4. 前記集光光学系の焦点距離と、前記ＬＥＤ発光部の中心から前記ＬＥＤ発光部の端部までの長さが以下の関係にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
   １．５＜ｆ／ａ＜５．０
   （ただし、ｆ：前記集光光学系の焦点距離、
   ａ：前記ＬＥＤ発光部の中心から前記ＬＥＤ発光部の端部までの長さ）
5. 前記出射角度が４０°以上の前記出射光が、前記第１の反射領域で反 射されて前記集光光学系を透過した後に前記第２の反射領域で反射されることにより集光され、前記出射角度が４０°よりも小さい前記出射光が、前記集光光学系に直接入射して集光されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＬＥＤ光源。
6. 前記集光光学系から前記集光光学系の焦点距離よりも遠い位置に前記ＬＥＤ発光部が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＬＥＤ光源。

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