JP4444272B2 - 固体光源 - Google Patents

Description

本発明は、照明を提供する固体光源に関する。

携帯用の光源は、薄暗い明かりのある、又は暗い環境を選択的に照らすのに、用いられる（例えば、坑夫のヘルメット、懐中電灯）。別の光源は、観察（例えば、顕微鏡）用の特定の領域に対して、高い強度の光を提供するのに用いられる。一般に、これらの光源は、白熱又は蛍光である。光源の中には、高い強度の光を必要とし、狭い領域を占めるものもある。

光源は、内視鏡（例えば、医療用、産業用）でも用いられる。医療用の内視鏡は、外科手術（例えば、腹腔鏡／胸腔鏡外科手術）中に体内の暗い領域（例えば、体腔、関節）を、小さな穴を通じて、検査するのに用いられる。一般に、内視鏡は、硬い、又は柔軟性のある細長い挿入チューブを備え、挿入チューブは、近位のハンドルから挿入チューブを通って、遠位にある内視鏡の観察用先端部へ延びる１組の光ファイバを備える。外部の光源は、内視鏡のハンドルに取り付けられたケーブル（例えば、ハンドルの側面にあるポストに取り付けられる。）を介して光ファイバに光を提供する。

別の光源は、外科手術器具（例えば、照光外科手術鉗子、照光棒、歯科用プローブ）で用いられる。

本発明によれば、光を放射する半導体光源と、光学素子を有する光学系とを備え、光学系は、半導体光源からの放射光を受け取る入力部を備え、光学系は、光学素子からの光を受け取る出力部を備え、光学系及び半導体光源は、全体として、照明経路を提供する、光を提供する固体光源が提供される。

本発明の１つの観点では、固体光源は、光を放射する半導体光源と、光ファイバ素子とを備える。光ファイバ素子は、半導体光源からの放射光を受け取る入力部を備える。光ファイバ素子は、半導体光源から受け取った光を放射する出力部も備える。半導体光源及び光ファイバ素子は、全体として、照明経路を提供する。

本発明の別の観点では、固体光源は、例えば内視鏡に光を提供し、光を放射する半導体光源と、光学素子を有する光学系とを備える。光学素子は、半導体光源からの放射光を受け取る入力部と、光学素子からの光を受け取り、かつ内視鏡によって受け取られるように構成される出力部とを備える。半導体光源及び光学素子は、全体として、照明経路を提供する。

これらの観点の実施形態は、次の特徴のうちの１以上を備えていてもよい。光ファイバ素子は、複数の光ファイバ線の形態であり、複数の光ファイバ線のそれぞれが半導体光源からの放射光を受け取ってもよい。光ファイバ線は、好ましくは、束の形態である。

半導体光源は、複数の表面を有していてもよく、各表面は、好ましくは、対応する光ファイバ束に光を放射する。固体光源は、複数の半導体光源と、光ファイバ線のアレイとを備えることもでき、各光ファイバ線は、対応する半導体光源に位置合わせをすることができる。

半導体光源は、異なる構成のもの（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、垂直共振器型面発光レーザー）であってもよい。半導体光源は、青色光又は紫外光を放射するように構成することができる。

蛍光体層は、半導体光源の照射経路に配置されてもよい。好ましくは、各半導体光源は、蛍光体層と接触している。また、蛍光体層は、光ファイバ素子の遠位端に配置することができる。別の実施形態では、半導体光源は、青色光を放射するように構成された第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）と、赤色光を放射するように構成された第２のＬＥＤと、緑色光を放射するように構成された第３のＬＥＤとを備え、各ＬＥＤからの重なり光が白色光を生成してもよい。固体光源は、第１のＬＥＤ、第２のＬＥＤ及び第３のＬＥＤからの光を受け取るように配置された混合器を備えてもよく、混合器は、その重なり光を光ファイバ線に送るように配置されてもよい。半導体光源は、黄色光を放射するように構成された第４のＬＥＤを備え、混合器が、第４のＬＥＤからの光を受け取るように構成することもできる。

半導体光源の別の実施形態では、固体光源は、半導体光源の上に配置された開口を有する枠を備え、ゲルが枠の内部に配置され、光ファイバ素子は、開口及びゲルを通って挿入される。

さらに別の実施形態では、固体光源は、半導体光源の上面に配置されたオーム性コンタクトをさらに備え、光ファイバ束は、オーム性コンタクトを受け入れるスプライス端(spliced-end)を備える。

別の実施形態は、半導体光源からの光を受け取るように構成された種々のレンズ構成を備えてもよい。半導体光源は、レンズと光学的に位置合わせされ、レンズは、光ファイバ素子と光学的に位置合わせされてもよい。一般に、半導体光源は、レンズからの第１の光学的共役面に配置され、光ファイバ線は、レンズからの第２の光学的共役面に配置される。１つのレンズの代わりに、固体光源は、レンズのアレイを備えることができる。同様に、１つの光ファイバ線の代わりに、固体光源は、各レンズに対応する光ファイバ線のアレイを備えることができる。さらに、１つの半導体光源の代わりに、固体光源は、各レンズに対応する半導体光源のアレイを備えることができる。

別の実施形態では、固体光源は、対応する半導体光源のアレイからの光を平行にするように構成されたレンズのアレイを備え、集光レンズが、レンズのアレイからの平行光を集束させるように構成されてもよい。好ましくは、集光レンズは、平行光を光ガイド(light
guide)に集束させる。

固体光源の光ファイバ素子の出力部は、内視鏡によって受け取られるように構成されてもよい。

従って、本発明は、ここで説明した固体光源を備える内視鏡を提供するものである。

各観点の利点の中で特に、固体光源は、白熱ランプと比較して、ワット当たりのルーメン（lumen per watt）が大きい出力を提供する。固体光源は、光を小さい領域に集中させ、その一方で、高い光束発散度(luminous emittance)を提供する。また、半導体光源は、さらに効率的に光のエネルギーを光学素子（例えば、光ファイバ）に結合させる。一般に、固体光源は、小型であり、電力の消費が少ない。さらに、固体光源は、白熱ランプ又はアークランプよりも素早く印加電圧の変化に応答する。

以下、添付図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。

図１を参照すると、固体光源２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ４（ここでは、ＬＥＤという。）を備える。ＬＥＤ４は、４×３のアレイ状に配列される。各ＬＥＤ４は、動作中に、対応する一対の光ファイバ束６ａ及び６ｂの端面領域に光を放射する（図３）。他の形態の照明源（例えば、白熱ランプ）と比較して、ＬＥＤ（及び他のこのような半導体光源）は、ワット当たりのルーメンが大きい出力を与え、電力及びスペースの消費が少ない。ＬＥＤはサイズが小さく、光度が高いので、光エネルギーを光ファイバ線に結合させる際に、ＬＥＤは、ランプよりもさらに効率的になる。

ＬＥＤ４並びに光ファイバ束６ａ及び６ｂは、充填用樹脂１２（例えば、シリコン接着剤）を用いて内側ハウジング８中に封入される。これにより、ＬＥＤ及び光ファイバ束は、固定され、外部環境から密閉される。光ファイバ束６ａ及び６ｂは、ＬＥＤから延び、内側ハウジング８の一端で単一の複合束１４にまとめられる。この実施形態では、複合束１４は、内側ハウジング８の壁１６の中に延びて、そこで終わる。固体光源２は、電源１８及び分配回路２０も備える。これらは、協力して、各ＬＥＤ４に電力を供給する。

内側ハウジング８（ＬＥＤ４並びに光ファイバ束６ａ及び６ｂを含む）は、電源１８及び分配回路２０と共に、外側の囲い２２に囲まれる。この実施形態では、外側の囲い２２は、出力コネクタ２６を有する壁２４を備える。光ガイド１０は、内側ハウジング２２からの複合束１４にしっかりと取り付けられる。

別の実施形態では、光ファイバ束６ａ（図２Ａ）及び６ｂ（図２Ａ）は、一緒に束ねられて、ハウジング８から光ガイド１０の遠位端１２に連続的に延びる単一の複合束を形成し、それによって、光透過率の低下につながりうる光学遷移をなくす。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、さらに別の実施形態では、光は、ＬＥＤ４の４つの表面（上面３５、下面３７、第１側面３９、及び第１側面に対向する第２側面（図示せず））から集められる。通常、ＬＥＤは、４π立体角で光を放射する。各面は、対応する光ファイバ束６ａ−６ｄに光を放射する。

図３を参照すると、各ＬＥＤ４は、光学的に透明な材料２６（例えば、サファイア）に成長し、又はこれに結合した半導体導体層３０ａ及び３０ｂを有する。ＬＥＤ４は、２つの半導体層３０ａ及び３０ｂの間に挟まれた発光領域２８を備える。

各ＬＥＤ４は、反射器カップ３８と共に、透明なエポキシ又はプラスチックの枠４０でさらに囲まれる。反射器カップ３８は、反射面４１を有する。さらに、反射器カップ３８は、テーパー形状を有しており、反射器カップの下部３３は、上部３１よりも狭い。ＬＥＤ４は、反射器カップ３８の下部の中心に位置している。反射器カップ３８の内部は、透明なシリコン又はゲル状材料４２で充填される。ＬＥＤは全方向に光を放射するので、反射器カップ３８は、ＬＥＤの側面から放射された相当量の光が反射されて光ファイバ束６ｂの露出面に向かうのを保証する。

光ファイバ束６ｂは、できるだけ多くの反射光を捕らえるために、光ファイバ束６ａよりも幅が広い。他の実施形態では、反射器カップを備えず、光ファイバ束６ｂは、光ファイバ束６ａと同様の幅である。

各ＬＥＤ４は、負極リード３４及び正極リード３６にも接続される。リード３４及び３６は、それぞれ、エポキシ枠４０の側面からはみ出る。リード３４及び３６は、オーム性
コンタクト３２（例えば、金ワイヤの形態）を介して、ＬＥＤ４に接続される。負極リード３４は、反射器カップ３８に隣接し、導電性バス４４ａに接続される。導電性バス４４ａは、プリント回路基板４７で絶縁されている。正極リード３６は、反射器カップ３８から距離５７の間隔が空けられ、導電性バス４４ｂに接続される。導電性バス４４ｂも、プリント回路基板４７で絶縁されている。導電性バス４４ａ及び４４ｂは、それぞれ、分配回路２０を介して電源１８からの電流を運び、順電流が各ＬＥＤ４に加えられる。電源１８は、多数の電流源を備え、回路を制御して、ＬＥＤ４を光らせるのに必要な順電流を維持する。

この実施形態では、ＬＥＤ４は、１辺が約０．２５ｍｍの正方形である。固体源２の、この実施形態での使用に適したＬＥＤ４は、日本の徳島にある日亜株式会社（Nichia Corporation）から入手することができる（型番は、ＮＳＣｘ又はＮＳＳｘ表面実装シリーズである。）。この製造業者からＬＥＤ４を入手した後、そのＬＥＤのエポキシ枠４０の上面にドリルで穴を開け、光ファイバ６ｂを挿入するためのチャネル５２を形成する。また、エポキシ枠４０の下面４３にドリルで第２の穴を開け、光ファイバ６ｂを挿入するためのチャネル５４を形成する。これらの穴は、光ファイバ束６ａ及び６ｂをできるだけＬＥＤ４に近づけて配置し、光損失を最小限にすることを確保するのに必要である。

光ファイバ束６ａ及び６ｂは、束の直径がそれぞれ０．３５ｍｍ、０．７ｍｍであり、好ましくは、大きい開口数（ＮＡ）（０．７５ＮＡ及びそれ以上）のガラスファイバを備える。各ガラスファイバは、それぞれ、直径が約３０−５０ミクロンである。光ファイバ束６ａ及び６ｂは、ばらばらのファイバから組み立てられ、例えば、端部で束ねられる。この実施形態用のばらばらのファイバは、Auburn, NYのSchott-Foster, LLCから入手可能である。また、その束は、他の方法、例えばファイバ融合テクノロジ(fiber fusion technology)から精密研磨(fine polished)され、又は作られる融合ガラス(fused glass)、例
えばファイバ光ガイドを用いて製造することができる。この実施形態に適した光ファイバ束６ａ及び６ｂは、Southbridge, MAのINCOM, Incから入手可能である。ファイバは、Ｌ
ＥＤのサイズ及び形状に合わせるため、断面が長方形に加工される。別の実施形態では、ファイバは、円形の断面を有する。さらに別の実施形態では、光ファイバ束の代わりに、単一のファイバ（例えば、プラスチックファイバ、石英ファイバ）が用いられる。

ＬＥＤ４の下面７６は、各ＬＥＤ４が光ファイバ束６ａのうちの対応するものに対して位置合わせされるように、光学的に透明な結合剤（例えば、North Brunswick, NJのNorland ProductsからのNorland61）で、光ファイバ束６ａに結合される。各ＬＥＤ４を各光ファイバ束６ａ上に配置することによって、ＬＥＤからの放射光の最大量が光ファイバ束６ａ及び６ｂに移され、光の損失が最小になる。結合剤は光学的に透明な接着剤であるので、光は邪魔されることなく、光ファイバ束６ａに移動する。光ファイバ束６ｂの光入射面には光学的接着剤６４（例えば、North Brunswick, NJのNorland ProductsからのNorland61）が存在し、光ファイバ束６ｂをＬＥＤ４に固定する。

チャネル５４は、プリント回路基板４７を通り、さらに下プレート５６を通って続き、長方形の光ファイバ束６ａのうちの対応するものを受け入れる。円形のチャネルに長方形の光ファイバ束を詰めたときに生じる隙間を埋めるために、下プレート５６内にある光ファイバ束６ａにファイバ端エポキシ６２ａを塗布する。ファイバ端エポキシ６２ａは、光ファイバ束６ａを確実に、密封し、かつ固定することにより、光ファイバで各プレートのチャネルを完全に充たすことを可能にする。下プレート５６と同様に、上プレート６０も同様のチャネル５２を有し、ファイバ端エポキシ６２ｂで密封された光ファイバ束６ｂを備える。スペーサ４２ａ及び４２ｂ（図１）は、内部ハウジング８の中で、反対の端部(opposite ends)に位置し、また、下プレート５６と上プレート６０の間にあり、エポキシ枠４０に加わる応力を低減する。

図４を参照すると、光ガイド１０の遠位端１２では、光ガイド１０の複合ファイバ６７は、フェルール６９により一緒に束ねられる。蛍光体層６８（例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ））は、光ガイド１６の光出射面７０上に位置する。蛍光体層６８は、ステンレス鋼からなる保護スリーブ６６で囲まれ、光学的に透明な保護カバー６０（例えば、光学グレードのサファイア、光学ガラス）で覆われる。

電源１８からの電流で励起されると、ＬＥＤ４は、青色光を放射する。青色光は、光ファイバ束６ａ及び６ｂを通り、さらに、複合束１４を通り、光ガイド１０の遠位端１２に移動する。青色光が蛍光体層６８を通過すると、青色光は、蛍光体層６８を励起させ、蛍光の緑色及び赤色光を発生させる。緑色光、赤色光及び青色光は、重なり合い、白色光を形成する。別の実施形態では、蛍光体層は、ＬＥＤの表面に直接塗布することができる。別の実施形態では、別の色（例えば、黄色）の光を放射するＬＥＤを追加して、白色光を形成することができる。

図１−４に関連して上述した実施形態では、ＬＥＤ４が、半導体光源として用いられた。しかし、別の実施形態では、別の半導体光源を用いることができる。例えば、ＬＥＤは、青色若しくはＵＶレーザーダイオード又は垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）で置き換えることができる。全方向に光を放射するＬＥＤとは対照的に、レーザーダイオードは、有利なことに、指向性を有する光を放射する。従って、高いＮＡを有する光ファイバを選択することの重要性は少なくなる。しかし、青色レーザーダイオード及び青色ＶＣＳＥＬは、ＬＥＤと比べて、入手しにくく、コストが高く、出力が低く、寿命が短い。

別の半導体光源は、赤色−緑色−青色（ＲＧＢ）蛍光体層と共に、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤを用いて、白色光を生み出す。ＵＶ光がＲＧＢ蛍光体層を通過するとき、蛍光体層は、赤色、緑色及び青色光が結合した光を放射し、白色光を形成する。

別の半導体光源は、赤色、緑色及び青色ＬＥＤを組み合わせて用い、白色光を生み出す。赤色、緑色及び青色ＬＥＤが比較的近くに位置すると、各ＬＥＤからの光は重なる。赤色、緑色及び青色光が適切な比率で重なると、白色光が形成される。赤色、緑色及び青色光は完全には重ならないので、赤色、緑色及び青色光並びにこれらの光の色の別の組み合わせが光ガイドの遠位端に現れることがある。この不均一性を低減するために、光ファイバを３本のファイバからなるグループ（すなわち、トリオ）に分ける。各トリオは、赤色、緑色及び青色光のそれぞれを１つずつ有する。一般に、拡散器（図示せず）が、光ガイドの遠位端に付け加えられ、遠位端に残存する赤色、緑色及び青色光を混合することにより、得られる光の均一性が高まる。

別の実施形態では、ＬＥＤは、それぞれが４色（例えば、赤色、黄色、青色、及び緑色）のうちの１つを放射し、又はそれぞれが複数色のうちの１つを発生させ、白色光を生成する。図５Ａを参照すると、断面が４角形又は６角形の混合器が光ガイド７５に加えられ、異なる色の光を混合し、白色光を形成する。光の色の混合を容易にする別の形状の断面を用いてもよい。各ＬＥＤは、光を１つのファイバに放射する。ファイバ７１は、混合器７３の入力端７２に取り付けられる。光ガイド７５は、混合器７７の出力端７４に取り付けられる。異なる色の光が混合器７３を通過するとき、各色の光は入力端７２から出力端７４へ移動する間に混合器の側面で反射し、光の色は混合される。図５Ｂを参照すると、混合器７３は、入力端７２に入るファイバが高いＮＡを有し、出力端７４では光ガイド７５が低いＮＡを有するように、テーパー形状にすることができる。

それぞれのＬＥＤが複数色のうちの１つを発生させるというこの実施形態では、選択する緑色、赤色及び青色ＬＥＤの数により、光ガイドの遠位端での色温度を制御することが
できるという利点がある。また、各ＬＥＤに対する順電流を調節することによっても、白色光の色温度を制御することもできる。別の構成では、特定の色を放射するＬＥＤについて、その選択する数を少なくすることも、利点がある。ＬＥＤを選択すること、及び順電流を調節することの組み合わせによっても、色温度を変化させることができる。例えば、赤色が支配的である体腔内での胸部外科手術においては、外科医が特徴を識別するのに適したコントラストを生成するために、内視鏡用の固体光源には、赤色光を放射するＬＥＤの数が少ないものが望まれている。

図６を参照すると、別の実施形態では、エポキシ枠４０は、異なるものに変更することができる。エポキシ枠４０の上部は、図３ではドリルで穴開けがされていたが、この構成では、研磨(polish down)されている。エポキシ枠は、その上面がオーム性コンタクト３
２の直上になるように、研磨される。この場合、枠の材料の厚さは、最小になるが、ファイバ束を載せることによるダメージをオーム性コンタクトに与えないようにするのに十分な厚さである。光ファイバ束６ｂも研磨される。光ファイバ束６ｂと上プレート６０は、互いに同一平面になるように配置される。別の実施形態では、ファイバ端エポキシは、フェルールに置き換えられる。さらに別の実施形態では、オーム性コンタクトがＬＥＤの上部に位置せず、エポキシ枠は、ＬＥＤの表面まで研磨することができる。これによって、光ファイバ束をＬＥＤの上面に直接結合させることができる。

図７Ａ−７Ｂを参照すると、固体光源では、ＬＥＤの別の配置を用いることができる。これらの構成により、オーム性コンタクトに妨げられることなく、光ファイバ束をＬＥＤの表面に接触させることができ、最大量の光が光ファイバ素子に結合される。例えば、ＬＥＤ４０１、フリップチップ半導体装置は、ファイバガラス材料４０３の上に配置される。ＬＥＤ４０１は、反射性の側面を有する反射器カップ内に配置される。ファイバガラス材料４０３とＬＥＤ４０１の間に位置しているのは、２つの導電性端子４０２ａ及び４０２ｂであり、２つ合わせて６角形になる。各端子４０２ａ及び４０２ｂは、それぞれ、オーム性コンタクト４０４を介して、導電性バス４２２ａ及び４２２ｂに接続される。導電性端子４２２ａ及び４２２ｂをこのように配置することで、ＬＥＤ４０１の表面に障害物が無くなる。ＬＥＤを保護するプラスチック枠にドリルを用いて開口を形成する。光ファイバ束４０６は、その開口及びシリコンゲル４１６を通り、ＬＥＤ４０１の表面上に、又はその近くに挿入される。エポキシの封止剤４１４は、光ファイバ束４０６をプラスチック枠４１２に固定する。この実施形態に適したＬＥＤは、San Jose, CAのLumileds Lightingによって製造されている。

図８Ａ−８Ｃを参照すると、別の実施形態は、ＬＥＤ５０１の表面上に１つのオーム性コンタクトを有し、このオーム性コンタクトは、ＬＥＤ表面への光ファイバ束５１０の直接の挿入を妨げる。この構成では、光ファイバ束５１０は、ＬＥＤに取り付けられる。ＬＥＤ５０１は、反射器カップ５１６の上に位置している。オーム性コンタクト５０８は、反射器カップを導電性バス５１６に接続させる。第２のオーム性コンタクト５０６は、ＬＥＤ５０１の上面を第２の導電性バス５１８に接続させる。光ファイバ束５１０は、光ファイバ束５１０がオーム性コンタクト５０６を囲って収める（fit around）ために、スプライス（splice）される。プラスチック枠にドリルを用いて開口を形成する。光ファイバ束５１０は、その開口及びシリコンゲル５１４を通り、ＬＥＤ５０１の表面上に、又はその近くに挿入される。エポキシ５１２は、光ファイバ束５１４をプラスチック枠５０２に固定する。光ファイバ束５０４は、オーム性コンタクト５０６を囲って収める。この実施形態に適したＬＥＤは、San Jose, CAのLumileds Lightingによって製造されている。

上記実施形態では、光ファイバ束の受光面は、ＬＥＤに近接した位置にある。しかし、半導体光源と光学系の別の構成を用いてもよい。

図９−１１を参照すると、例えば、固体光源１０１は、レンズアレイ８８を有する光学系１０３を備える。レンズアレイ８８は、対応するＬＥＤアレイ８６から光を受け取り、その光を対応する開口アレイ９０に集束させる。開口アレイ９０は、それぞれがファイバ線１００を有する開口を備える。

ＬＥＤアレイ８６は、開口９６のアレイを有するプレート８０を備える。各ＬＥＤ９４は、開口９６内に位置している。第２のプレート８２は、同様に、各ＬＥＤ９４に対応するレンズアレイ８８を備える。各レンズ９８は、開口９８内に位置している。第３のプレート８４は、開口アレイ９０内に位置する１組の光ファイバ線１００を備える。各ファイバ線１００は、レンズ９８の対応するものに位置合わせされている。

レンズ９８とファイバ線１００は、最大量の光がＬＥＤ９４からファイバ線１００に送られるように配置されている。従って、第１のプレート８０と第２のプレート８２は、間隔を空けて配置され、第１のプレートは、ＬＥＤ９４の活性領域が各レンズ９８の第１の光学的共役面１０６（図１０）にあるように、配置される。同様に、各レンズ９８の第２の光学的共役面１０４がそれぞれ対応するファイバ線１００の入口に合わさるように、第３のプレート８４及び第２のプレート８２は、間隔を空けて配置される。穴９２の位置合わせを行うことにより、それぞれ対応するＬＥＤ９６、レンズ９８及びファイバ線１００が適切に位置合わせされる。各プレートを位置合わせされた位置に保持するために、位置合わせ穴内にピン（図示せず）を配置する。

レンズ８８は、それぞれ、有効Ｆ数、Ｆを有し、各レンズは、開口数ＮＡの各レンズの像側に光線を形成し、ＮＡ_l＝１／（２Ｆ）となる。

各ファイバ線１００の光スループットを最大にするために、光学素子９８は、発光面８７の像が入射面９３を完全に覆うように、ＬＥＤ９４の発光面８７をファイバ線１００の入射面９３に投影する。像空間での開口数ＮＡ_lは、ファイバ線１００のＮＡ、ＮＡ_lgと
等しく、又は僅かに超えるようにする。すなわち、
ＮＡ_l ≧ＮＡ_lg ≡sin u
但し、ｕは、光ガイドの受光角。

動作中、各ＬＥＤ９４に電力が加えられると、各ＬＥＤから放射される光は、対応する光学素子９８によって受け取られる。光学素子は、その光を対応するファイバ線１００上に集束させる。各ファイバ線１００からの光が組み合わさったものは、複合束１１０を通って、光ガイドに送られる。

図１２を参照すると、光集中器（light concentrator）１５０が各ＬＥＤ１５２に付け加えられ、光線を反射して、ファイバ線１５６に導く。光集中器１５０は、放物線形の断面を有する内部キャビティを有する。別の実施形態では、さらに複雑な形状が用いられてもよい。ＬＥＤ１５２は、光集中器１５０の内部に配置される。

光集中器１５０の内面１５４は、鏡になっている。動作中、ＬＥＤ４２の側面から放射された光は、内面１５４で反射されてファイバ線１５６に導かれる。このように、光集中器１５０は、ＬＥＤの上面及び側面からの光を反射する。別の実施形態では、全反射系が用いられる。これらの実施形態では、光集中器は、透明誘電材料で充填される。

図１３Ａ及び１３Ｂを参照すると、レンズ光学系、例えば、光学系１４０の別の実施形態では、レンズアレイ１２３が用いられ、対応するＬＥＤアレイ１２１からの光を平行にする。次に、集光レンズ１２４がその光を光ガイド１２６に集束させる。

ＬＥＤアレイ１２１は、円形の２次元アレイ状に配列される。対応するレンズアレイ１２３は、ＬＥＤアレイ１２１の前に配置される。そして、各半導体光源１２０が、対応するレンズ１２２の光軸１３０に沿って配置される。レンズ１２２は、対応するＬＥＤ１２０によって放射された光を平行にする。レンズ１２２は、単レンズ（例えば、片面若しくは両面非球面レンズ）、複合レンズ、屈折率分布（ＧＲＩＮ）型レンズ又はこの組合せを表してもよい。別の実施形態では、レンズアレイは、接着又は融合などの手段によりＬＥＤアレイの一部としてもよい。別の実施形態では、ＬＥＤ及びレンズアレイは、長方形である。

小型のレンズアレイ構成を維持するために、レンズの焦点距離、ｆ_oe及びレンズの直径は、数ミリメートルのオーダーで選択される。実際の値は、ＬＥＤの発光面１２８のサイズに基づいて選択され、レンズ１２２の視野を決定する。ＬＥＤ１２０からの放射光の最大量を集めるために、レンズ１２２のＦ数（開口に対する焦点距離の比）は、入手可能なレンズのコストの制約内、及び光学収差を補正するために必要な設計パラメータ内で、できるだけ小さく維持される。

レンズアレイ１２３からの平行光は、集光レンズ１２４に移動する。集光レンズ１２４は、各ＬＥＤの発光面１２８の像を光ガイド１２６の入射面１３６に投影する。その像は、そのサイズが光ガイド１２６の入射面１３６にほぼ等しくなるように、拡大される。

この実施形態では、集光レンズ１２４は、ＬＥＤアレイ１２１又はレンズアレイ１２３と少なくとも同じ大きさである。また、レンズアレイ１２３及び集光レンズ１２４のサイズは、その像の開口数、ＮＡ_lが光ガイドのＮＡ、ＮＡ_lgに合うように、十分に大きく選
択される。ＬＥＤ及び光ガイド１２６に対するレンズアレイ１２３及び集光レンズ１２４の位置は、次の関係によって支配される。
Ｍ≡ｒ_lg／ｈ_se＝ｆ_foc／ｆ_oe
但し、Ｍは光学系１４０の倍率、ｒ_lgは光ガイド１２６の半径、ｈ_seは、光軸１３０から測定されたＬＥＤ１２０の高さ、ｆ_focは、集光レンズ１２４の焦点距離、ｆ_oeはレン
ズ１２２の焦点距離、そして
sin u≡ＮＡ_l＝ＮＡ_lg ＝Ｈ_array／ｆ_foc
但し、Ｈ_arrayは、集光レンズ１２４の軸１３８から最上部のレンズ１２２ａの上側の
エッジに向かって測定されるＬＥＤアレイ１２１の高さである。

前述の数式を組み合わせることにより、集光レンズ１２４の光軸１３８を含む断面にあるＬＥＤの最大数ｎは、次のように決定することができる。
ｎ＝（ｆ_foc×ＮＡ_lg）／ｒ_oe
但し、ｒ_oeは、レンズ１２２の開口半径である。

例えば、受光角が３０度、半径が２．５ｍｍの光ガイド１２６及び高さが０．１２５ｍｍのＬＥＤ１２０を与えると、倍率Ｍが２０になる。焦点距離が３ｍｍであり、Ｆ数が１に等しいレンズ１２２を与えると、レンズ１２２の半径は１．５ｍｍになり、集光レンズ１２４の焦点距離は６０ｍｍになる。従って、ＬＥＤの最大数ｎは２０になる。

図１４を参照すると、固体光源は、内視鏡システム２１０で照明を提供するのに用いることができる。内視鏡システム２１０は、固体光源２０２と、ビデオモニタ２０４と、カメラ２０６と、内視鏡２０８とを備える。固体光源２０２は、白色光を発生させ、その光を光ガイド２１６を介して内視鏡２０８の遠位端２１２に送る。光ガイド２１６は、複合ファイバを備え、光源２０２の出力コネクタ２１８と内視鏡２０８の光ポスト２２０の間に接続される。白色光は、内視鏡２０８の遠位端２１２で作業領域２１４を照らす。内視鏡２０８のハンドル２２２に接続されたビデオカメラ２０６は、ビデオモニタ２０４への
表示のために、作業領域２１４の画像を表すビデオ信号を発生させる。

別の実施形態では、固体光源は、ハンドル２０８に直接接続され、内視鏡を通って、光を放射する。この構成では、光ガイド２１６が不要になる。

図１５Ａ及び１５Ｂを参照すると、固体光源の別の実施形態では、光は、内視鏡３００の内部であって、内視鏡の主軸３０１の周囲近くを移動する。光ファイバ線のグループは、半導体光源から光を受け取った後、内視鏡３００（図示せず）のハンドルから移動する。光ファイバ線３０４は、遠位端に延び、各ファイバ線が蛍光体層３０２に接続される。各光ファイバ線は、内視鏡３００の外面を形成する外側チューブと、内視鏡の内部において光学系３１０からファイバ線を分離する内側チューブとの間にぎっしりと詰められる。サファイアリング３０６は、蛍光体リング３０４の上部に置かれ、蛍光体層３０２をダメージが保護している。

固体光源の実施形態は、内視鏡に限定されない。例えば、固体光源の別の実施形態は、懐中電灯、坑夫のヘルメット、顕微鏡などにも見出すことができる。

固体光源の１つの実施形態の断面の概略図である。 図２Ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）と１セットのファイバ束の断面側面図である。図２Ｂは、ＬＥＤと１セットのファイバ束の平面図である。 図１に示す固体光源の一部を拡大した断面側面図である。 光ガイドの遠位端での光ガイドの断面側面図である。 図５Ａは、混合ロッドの断面側面図である。図５Ｂは、テーパー形状を有する混合ロッドの別の実施形態の断面側面図である。 固体光源の別の実施形態の断面図である。 図７Ａは、半導体光源の別の実施形態の断面図である。図７Ｂは、図７Ａの半導体光源の平面図である。 図８Ａは、半導体光源の別の実施形態の断面図である。図８Ｂは、図８Ａの半導体光源の平面図である。図８Ｃは、図８Ａの拡大断面図である。 固体光源の別の実施形態の断面側面図である。 図７のＬＥＤプレート、レンズプレート及びファイバ線の分解図である。 図７−８の１つのレンズ、１つのＬＥＤ及び１つのファイバ線の概略図である。 光集中器を有するＬＥＤの断面図である。 図１３Ａは、固体光源のさらに別の実施形態の概略図である。 図１３Ｂは、図１３Ａの直線１３Ｂ−１３Ｂに沿ってとられた円形レンズアレイの概略図である。 照明を提供する固体光源を有する内視鏡システムのブロック図である。 図１５Ａは、環状に配列した照明用ファイバ線を有する内視鏡の断面側面図である。図１５Ｂは、図１５Ａの内視鏡の端面図である。

Claims (31)

1. 光を放射する半導体光源と、
   光学素子を有する光学系とを備え、
   前記光学系は、前記半導体光源からの放射光を受け取る入力部を備え、前記光学系は、前記光学素子からの光を受け取る出力部を備え、前記光学系及び前記半導体光源は、全体として、照明経路を提供し、
   前記光学素子は、前記半導体光源からの放射光を受け取る入力部と前記半導体光源から受け取った光を放射する出力部とを有する光ファイバ素子を備え、前記半導体光源及び前記光ファイバ素子は、全体として、照明経路を提供し、前記光ファイバ素子は、複数の光ファイバ線の形態であり、前記複数の光ファイバ線のそれぞれは、前記半導体光源からの放射光を受け取り、
   半導体光源上に配置された開口を有する枠をさらに備え、シリコンゲルが前記枠の内部に配置され、前記光ファイバ素子は、前記開口及びシリコンゲルを通って挿入され、前記光ファイバ素子の入力部が前記半導体光源の表面上又はその近くに固定される、光を提供する固体光源。
2. 出力部は、内視鏡によって受け取られるように構成される、請求項１に記載の固体光源。
3. 光ファイバ素子は、前記半導体光源から光ガイドの界面へ延びる光ファイバを備え、前記光ガイドは、前記出力部へ延びる、請求項１又は２に記載の固体光源。
4. 前記複数の光ファイバ線は、束の形態である、請求項１に記載の固体光源。
5. 前記半導体光源は、第１の面及び第２の面を備え、第１の面及び第２の面から反対方向に光を放射するように構成される、請求項１から４の何れか１つに記載の固体光源。
6. 前記半導体光源の第１の面は、第１の光ファイバ線に光を放射し、前記半導体光源の第２の面は、第２の光ファイバ線に光を放射する、請求項５に記載の固体光源。
7. 前記半導体光源は、第１の面に実質的に垂直である第３の面及び第４の面を備え、前記半導体光源は、第３の面及び第４の面から反対方向に光を放射するように構成され、前記半導体光源の第３の面は、第３の光ファイバ線に光を放射するように構成され、前記半導体光源の第４の面は、第４の光ファイバ線に光を放射するように構成される、請求項５又は６に記載の固体光源。
8. 複数の半導体光源をさらに備える、請求項１から７の何れか１つに記載の固体光源。
9. 前記光ファイバ素子は、光ファイバ線のアレイであり、各光ファイバ線は、複数の半導体光源のうちの対応するものに位置合わせされる、請求項８に記載の固体光源。
10. 前記半導体光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える、請求項１から９の何れか１つに記載の固体光源。
11. 前記半導体光源は、青色光を放射するように構成される、請求項１から１０の何れか１つに記載の固体光源。
12. 前記半導体光源は、紫外光を放射するように構成される、請求項１から１０の何れか１つに記載の固体光源。
13. 蛍光体層をさらに備え、前記蛍光体層は、照明経路に沿って配置される、請求項１から１２の何れか１つに記載の固体光源。
14. 各半導体光源は、蛍光体層に接触している、請求項１３に記載の固体光源。
15. 蛍光体層は、前記光ファイバ素子の遠位端に配置される、請求項１３又は１４に記載の固体光源。
16. 前記半導体光源に配置された光集中器をさらに備え、前記光集中器は、前記半導体光源の少なくとも１面からの光を反射する、請求項１から１５の何れか１つに記載の固体光源。
17. 前記半導体光源は、青色光を放射するように構成された第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）
    と、赤色光を放射するように構成された第２のＬＥＤと、緑色光を放射するように構成された第３のＬＥＤとを備え、各ＬＥＤからの重なり光が白色光を生成する、請求項１から１６の何れか１つに記載の固体光源。
18. 第１のＬＥＤ、第２のＬＥＤ及び第３のＬＥＤからの光を受け取るように配置され、かつ前記重なり光を前記光ファイバ素子に送るように配置された混合器をさらに備える、請求項１７に記載の固体光源。
19. 前記半導体光源は、黄色光を放射するように構成された第４のＬＥＤを備え、前記混合器は、第４のＬＥＤからの光を受け取る、請求項１８に記載の固体光源。
20. 前記半導体光源は、レーザーダイオードを備える、請求項１から１９の何れか１つに記載の固体光源。
21. 前記半導体光源は、垂直共振器型面発光レーザーを備える、請求項１から２０の何れか１つに記載の固体光源。
22. 前記半導体光源の上面に配置されたオーム性コンタクトをさらに備え、前記光ファイバ束は、前記オーム性コンタクトを受け入れるスプライス端を備える、請求項４に記載の固体光源。
23. 前記半導体光源からの光を受け取るレンズをさらに備える、請求項１から２２の何れか１つに記載の固体光源。
24. 前記半導体光源は、前記レンズと光学的に位置合わせされ、前記レンズは、前記光ファイバ素子と光学的に位置合わせされる、請求項２３に記載の固体光源。
25. 前記半導体光源は、前記レンズからの第１の光学的共役面に配置され、前記光ファイバ素子は、前記レンズからの第２の光学的共役面に配置される、請求項２３又は２４に記載の固体光源。
26. レンズアレイをさらに備える、請求項１から２５の何れか１つに記載の固体光源。
27. 前記レンズのそれぞれに対応する光ファイバ線のアレイをさらに備える、請求項２６に記載の固体光源。
28. 前記レンズのそれぞれに対応する半導体光源アレイをさらに備える、請求項２６又は２７に記載の固体光源。
29. 前記レンズアレイは、対応する半導体光源アレイからの光を平行にするように構成され、
    集光レンズは、前記レンズアレイからの平行光を集束させるように構成される、請求項２６から２８の何れか１つに記載の固体光源。
30. 前記集光レンズは、前記平行光を光ガイドに集束させる、請求項２９に記載の固体光源。
31. 請求項１から３０の何れか１つに記載の固体光源を備える内視鏡。

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