JP5494015B2 - Ｌｅｄ光源装置及び積層型ｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を備えたＬＥＤ光源装置に関する。

従来、ＬＥＤ素子とダイクロイックミラーとを対向配置して成る複数の反射型ＬＥＤユニットを、同一光軸に沿って光を放射するように積層配置し、各反射型ＬＥＤユニットの光の波長を異ならせ、各反射型ＬＥＤユニットの光を同一光軸上で混合することで白色光を出力する積層型ＬＥＤ光源装置が知られている。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開平１０−２４２５２４号公報 特開２００６−３１８９９５号公報

しかしながら、従来の反射型ＬＥＤユニットにおいては、光軸上にＬＥＤ素子が対向配置されているため、ＬＥＤ素子の影による照度ムラが生じ易い。したがって、例えば反射型ＬＥＤユニットの出力を高めるために複数のＬＥＤ素子を配置すると、これらＬＥＤ素子の影の影響が大きくなり照度ムラが顕著になることから、反射型ＬＥＤユニット単体の高出力化は困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、照度ムラを抑えつつ、ユニット単体での高出力化が可能なＬＥＤ光源装置及び積層型ＬＥＤ光源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、前方に光を反射する平面状反射面を有した反射鏡を設けた基体に当該前方に平行光を照射する複数のＬＥＤ光源を当該反射鏡の周囲に設けたＬＥＤユニットと、前記ＬＥＤユニットの前方に配置され、前記ＬＥＤ光源のそれぞれの平行光を前記反射鏡の平面状反射面に集光させながら反射する反射面と、前記反射鏡の平面状反射面から前方に向けて集光しながら反射される反射光を平行光化し前方の所定の開口に通す光学系と、を備えたことを特徴とするＬＥＤ光源装置を提供する。

また本発明は、上記ＬＥＤ光源装置において、前記基体に、後方から入射する光を通す開口を設け、当該開口には、前記反射面の反射光を反射するとともに後方から入射する光を透過する特性を有した前記平面状反射面の反射鏡を設け、前記ＬＥＤ光源の光に後方から入射する光を混合して前方の所定の開口に出力することを特徴とする。

また本発明は、上記ＬＥＤ光源装置において、前記基体の開口に、後方から入射する光を前記前方の所定の開口に通す平凸レンズを、平らな面を前方に向けて設けて前記光学系を構成し、当該平らな面にダイクロイックミラーを設けて前記平面状反射面の反射鏡を構成したことを特徴とする。

また上記目的を達成するために、本発明は、上記した複数のＬＥＤ光源装置複数を、それぞれ後段のＬＥＤ光源装置の光が前段のＬＥＤ光源装置の開口に後方から入射するように積層配置したことを特徴とする積層型ＬＥＤ光源装置を提供する。

本発明によれば、ＬＥＤユニットの基体に設けた反射鏡の周囲に、複数のＬＥＤ光源を配置し、それぞれのＬＥＤ光源の光を、ＬＥＤユニットの前方に配置した反射面で上記反射鏡に折り返すように反射し、当該反射鏡から前方の開口に光を出力し、当該開口から光を出射可能に構成した。
この構成により、ＬＥＤ光源が出力光の光軸上に位置することがないため当該ＬＥＤ光源の影が生じることがなく、ＬＥＤ光源を大型化して高出力化し、或いは、多数のＬＥＤ光源を反射鏡の周囲に配置して高出力化しても照度ムラを生じることがない。これにより、照度ムラを生じさせることなくＬＥＤユニット単体での高出力化を容易に実現できる。

本発明の第１実施形態に係る積層型ＬＥＤ光源装置の斜視図である。 積層型ＬＥＤ光源装置を背面側からみた斜視図である。 積層型ＬＥＤ光源装置の側面視構成の説明図である。 ＬＥＤユニットの構成を示す斜視図であり、（Ａ）はＬＥＤユニットの正面構成を示す斜視図、（Ｂ）はＬＥＤユニットの背面構成を示す斜視図である。 ＬＥＤ光源装置の構成を模式的に示す図である。 積層型ＬＥＤ光源装置の光出力の説明図である。 第１実施形態の変形例に係るＬＥＤ光源装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る積層型ＬＥＤ光源装置の主要部の構成を示す斜視図である。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、内視鏡装置の光源に本発明を適用した場合を示す。
図１は本実施形態に係る積層型ＬＥＤ光源装置１の斜視図であり、図２は積層型ＬＥＤ光源装置１を背面側からみた斜視図である。図３は積層型ＬＥＤ光源装置１の側面視構成の説明図である。
これらの図に示すように、積層型ＬＥＤ光源装置１は、前後に延びた直方体形状の筐体２を有する。この筐体２は、矩形板状のベース板４の前後に正面板６及び背面板８をそれぞれ設け、側面をケース体１０で覆って構成されている。正面板６には、図１に示すように、光ファイバー１２のアタッチメント１４が接続されるファイバー受け口１６、及び電源スイッチ１８が設けられている。背面板８には、図２に示すように、排気用のファンモータ２０、空気取入口２２、電源端子台２４及び制御信号入力部２６が設けられており、また、ファンモータ２０の筐体２内部側には装置放熱板１３が配設されている。

ベース板４は、矩形の板材の左右両縁を下側に折り曲げて成る断面コ字状の部材であり、このベース板４により筐体２の内部が上下に仕切られている。ベース板４の上面３２には、複数（図示例では４つ）のＬＥＤ光源装置３が積層配置され、それぞれがネジ等で着脱自在に取り付けられている。またベース板４の底面３０には、図２に示すように、ＬＥＤドライブ基板６７や装置制御基板６９が配設されている。ＬＥＤドライブ基板６７は、ＬＥＤ光源装置３が備える各ＬＥＤ素子６０（図４）の駆動回路を実装した基板であり、装置制御基板６９は、ファンモータ２０の駆動や制御信号入力部２６からの入力信号処理といった各種制御処理のための回路を実装した基板である。

背面板８の空気取入口２２は、ベース板４の上面３２よりも下方に形成されており、空気取入口２２からベース板４の下側に外気が取り込まれる。またベース板４の正面側には、上下の空間を連通する連通孔９が形成されており、これにより、筐体２の内部には、空気取入口２２からベース板４の下側を通って連通孔９に至り、ベース板４の上側を通ってファンモータ２０から外部に至る冷却風路が形成される。
この冷却風路によって、ベース板４の下側に配置した各ＬＥＤドライブ基板６７及び装置制御基板６９と、ベース板４の上側に配置した各ＬＥＤ光源装置３が効率良く冷却される。
また、直線状に延びる複数本のヒートパイプ１１が、積層配置された各ＬＥＤ光源装置３の後述する基体５０を貫通して設けられており、各ＬＥＤ光源装置３が均等に冷却される。また、直線状のヒートパイプ１１が各ＬＥＤ光源装置３を貫通することで、それぞれの位置決めが容易となる。

ＬＥＤ光源装置３は、それぞれ前方に向けて光を出力する光源装置であり、それぞれの光軸Ｋを重ねて積層配置されており、ファイバー受け口１６には各ＬＥＤ光源装置３の光を合せた光が入射する。ＬＥＤ光源装置３は、それぞれＬＥＤユニット４０と、このＬＥＤユニット４０の前方に対向配置された反射面５４とを備え、本実施形態では、反射面５４が前方のＬＥＤユニット４０の背面に一体に設けられており、部品点数の削減及びコンパクト化が図られている。

図４はＬＥＤユニット４０の構成を示す斜視図であり、図４（Ａ）はＬＥＤユニット４０の正面構成を示す斜視図、図４（Ｂ）はＬＥＤユニット４０の背面構成を示す斜視図である。また図５はＬＥＤ光源装置３の構成を模式的に示す図である。図６は、積層型ＬＥＤ光源装置１の光出力の説明図である。
ＬＥＤユニット４０は、金属製の略正方形の板状の基体５０を有し、この基体５０の略中央には、前後に貫通して後方（背面側）から入射する光を前方（正面側）に通す開口５１が設けられている。また基体５０の正面５０Ａには前方のＬＥＤユニット４０に向けて光を放射する発光部５２が設けられており、基体５０の背面５２Ｂには後方のＬＥＤユニット４０の発光部５２に対面し（すなわち、発光部５２の前方に位置し）、当該発光部５２の光を当該後方のＬＥＤユニット４０の開口５１に向けて反射する背面視円環状の凹面の反射面５４が設けられている。

発光部５２は、ＬＥＤ素子６０と、このＬＥＤ素子６０の光を前方に向けて反射する凹面の反射面６２との対から成る複数のＬＥＤ光源６３を有し、各対から成るＬＥＤ光源６３が開口５１の周りに略等間隔に配置されている。より具体的には、発光部５２は、開口５１を通過する光を通すように円環状に形成された反射体６４を有し、この反射体６４の周面に略等間隔に反射面６２を形成し、各反射面６２の対向位置にＬＥＤ素子６０をＬＥＤ支持板６６で支持して構成されている。各ＬＥＤ支持板６６は基体５０にネジ等で取り付けられており、発光部５２が一体のユニットとして構成されている。

各ＬＥＤ光源６３は、前方のＬＥＤユニット４０の反射面５４に向けて光を放射し、この反射面５４で反射される。図５に示すように、ＬＥＤ光源６３は、平行光を前方に放射するように反射面６２の凹面形状が規定されている。反射面５４は、ＬＥＤ光源６３の平行光を開口５１に向けて当該開口５１で集光するように反射する。
なお、積層配置したＬＥＤ光源装置３のうち、最後尾のＬＥＤ光源装置３が備えるＬＥＤユニット４０Ｄについては、後方からの光の入射がないため、基体５０の背面５０Ｂには反射面５４が設けられておらず、また、開口５１も閉塞されている（図６）。

開口５１には、平凸レンズ５７が当該平らな面を正面側に向けて嵌め込まれており、この平凸レンズ５７の平らな面には、その面上に誘電体の多層膜などの薄膜を蒸着して形成したダイクロイックミラー５６が設けられている。平凸レンズ５７は、図６に示すように、ダイクロイックミラー５６に集光し反射されて入射してくる光を平行化し、光束径Ｄを変えずに前方のＬＥＤ光源装置３の開口５１（先頭のＬＥＤ光源装置３においては、ライトガイド用口金７０）を通過させる光学系を構成する透過型光学素子である。
このとき、平凸レンズ５７に既に平行光化されている光が入射した場合、その光は平凸レンズ５７の焦点距離Ｘの点で一旦集光した後、再度拡がることから、各ＬＥＤ光源装置３を平凸レンズ５７の間が焦点距離Ｘの２倍の位置になるように配置することで、各ＬＥＤ光源装置３の出力光が前方の各ＬＥＤ光源装置３の開口５１のそれぞれを通過するときには、通過時の光束径Ｄを常に一定に維持することができる。これにより、後段のＬＥＤ光源装置３の出力光を前段のＬＥＤ光源装置３の開口５１に遮蔽されることなく出力することができ、効率の良い積層型ＬＥＤ光源装置１が得られる。
なお、ＬＥＤ光源装置３のうち、最後尾のＬＥＤ光源装置３が備えるＬＥＤユニット４０Ｄについては、後方の光を透過する必要がないため、図６に示すように、他のユニット４０の開口５１に相当する位置、すなわちＬＥＤ光源６３の並びの中央に、前方に向けて光りを反射する反射鏡５５がダイクロイックミラー５６に代えて設けられている。

ＬＥＤ光源装置３のうち、先頭のＬＥＤ光源装置３の反射面５４は、先頭ユニット４２の背面に設けられている。当該先頭ユニット４２は、図１〜図３に示すように、発光部５２を有しない以外は、ＬＥＤユニット４０と略同一の構成を有する。すなわち、先頭ユニット４２は、図３に示すように、略中央に開口５１が形成された基体５０を有し、基体５０の背面５０Ｂに上記反射面５４が設けられるとともに、開口５１には平凸レンズ５７が設けられている。この平凸レンズ５７には、前方からの光が入射することがないためダイクロイックミラー５６は設けられていない。
そして、各ＬＥＤ光源装置３が前方のＬＥＤ光源装置３の開口５１（最前のＬＥＤ光源装置３にあっては前方のライトガイド用口金７０）に光を入射することで、各ＬＥＤ光源装置３の光を混合した光がライトガイド用口金７０に出力され、ファイバー受け口１６に入射されることとなる。

ファイバー受け口１６は、図６に示すように、先頭ユニット４２の開口５１に向かって当該開口５１と同軸に延び、当該開口５１と少なくとも同径以上の径の筒状の上記ライトガイド用口金７０を備え、このライトガイド用口金７０には、球状の集光レンズ７２が内設されている。この集光レンズ７２は、最前のＬＥＤ光源装置３の開口５１が出力した光を、ファイバー受け口１６から挿入された光ファイバー１２の端面に集めるものであり、これにより、光ファイバー１２へのカップリング効率が高められている。

各ＬＥＤ光源装置３においては、ＬＥＤユニット４０及び先頭ユニット４２のそれぞれが、開口５１から出射する光の光軸Ｋを同軸にして積層配置されている。それぞれのＬＥＤユニット４０ごとに、ＬＥＤ素子６０の発光波長が異なっており、同図に示すように、最後尾のＬＥＤユニット４０Ｄから最前のＬＥＤユニット４０Ａの順に、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、赤色光（Ｒ）、及び遠赤外光（ＩＲ）を発光するように構成されている。この発光色の順番は、前後のＬＥＤユニット４０のダイクロイックミラー５６の反射特性及び透過特性によって規定され、波長順に積層されている。
この積層型ＬＥＤ光源装置１においては、これら青色光、緑色光、赤色光、及び遠赤外光の４色の光が光軸Ｋに沿って混合されるため、白色光の出力が得られる。また、ＬＥＤドライブ基板６７によりＬＥＤユニット４０ごとに調光する構成とすることでフルカラーの光源が実現できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＬＥＤユニット４０の基体５０に設けた反射鏡５５或いはダイクロイックミラー５６の周囲に複数のＬＥＤ光源６３を配置し、これらのＬＥＤ光源６３の光を、各ＬＥＤユニット４０の前方に配置した反射面５４で折り返すように反射鏡５５或いはダイクロイックミラー５６に入射して、その反射光を光出力とする構成とした。
この構成により、ＬＥＤ光源６３が光出力の光軸Ｋ上に位置することがないため、当該ＬＥＤ光源６３が影になることがない。したがって、ＬＥＤ光源６３を大型化して高出力化し、或いは、多数のＬＥＤ光源６３を開口５１の周囲に配置して高出力化しても照度ムラを生じることがない。これにより、照度ムラを生じさせることなくＬＥＤユニット４０単体での高出力化が実現できる。
これに加え、本発明によれば、反射鏡５５又はダイクロイックミラー５６の反射光を前方の開口５１に通す光学系としての平凸レンズ５７を備えるため、前方の開口５１に遮蔽されることなく反射鏡５５又はダイクロイックミラー５６の反射光をＬＥＤ光源装置３から出射させることができる。
さらに、係るＬＥＤ光源装置３を同軸に積層配置する構成においては、ＬＥＤ光源装置３のそれぞれを平凸レンズ５７の焦点距離Ｘの約２倍の位置に合わせて配置することで、各ＬＥＤ光源装置３が出射する光が前段に位置する全ての各ＬＥＤ光源装置３の開口５１を通過するときの光束径Ｄを略一定にすることができ、効率の良い積層型の光源装置が実現できる。

また本実施形態によれば、上記の平凸レンズ５７を備えるため、ダイクロイックミラー５６に凹面鏡を用いて反射光を平行光としたりする必要がない。このため、ダイクロイックミラー５６の反射面を平面とすることができることから、凹面に薄膜を蒸着して形成したダイクロイックミラーに比べ、ミラー面内での反射特性及び透過特性にムラが少ない平面型のダイクロイックミラー５６を用いることができ、結果として照度ムラの発生を抑制することができる。
また本実施形態によれば、平凸レンズ５７の平らな面にダイクロイックミラー５６を設けることで、部品点数を削減できる。

なお、本実施形態のＬＥＤ光源装置３では、ＬＥＤユニット４０の背面５０Ｂに、反射面５４を一体に設け、ＬＥＤユニット４０のそれぞれの前方に反射面５４が配置される構成とした。しかしながら、これに限らず、各ＬＥＤユニット４０のそれぞれの前方に反射面５４が配置される構成であれば、ＬＥＤユニット４０と反射面５４とを別体で構成してもよい。

また本実施形態において、各ＬＥＤユニット４０を同軸上に配置したが、これに限らない。すなわち、各ＬＥＤユニット４０は、前方の開口５１に平行光を入射するように、反射面５４及び反射面６２が形成されていれば、各ＬＥＤユニット４０が同軸に配置されている必要はない。

また、ＬＥＤ光源装置３が平凸レンズ５７を備えることで、平行光を出力する構成としたが、他の光学系により平行光を出力する構成としてもよい。
例えば、図７（Ａ）に示すように、平凸レンズ５７に代えて、入射光を平行光して反射する凸面のダイクロイックミラー５６Ａを備えてＬＥＤ光源装置１０３を構成しても良いし、図７（Ｂ）に示すように、平凸レンズ５７に代えて、入射光を平行光して反射する凹面のダイクロイックミラー５６Ｂを備えてＬＥＤ光源装置２０３を構成しても良い。また、図７（Ｃ）に示すように、平凸レンズ５７に代えて、平面状のダイクロイックミラー５６Ｃ、及び当該ダイクロイックミラー５６Ｃで反射及び透過した光を平行光化する凹レンズ５７Ａを備えてＬＥＤ光源装置３０３を構成しても良い。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、複数のＬＥＤユニット４０を前後に積層配置した構成の積層型ＬＥＤ光源装置１を例示した。これに対して、本実施形態では、ランプ光源と、ＬＥＤユニットとを前後に配置して積層した積層型ＬＥＤ光源装置について例示する。
図８は、本実施形態に係る積層型ＬＥＤ光源装置１００の主要部の構成を示す斜視図である。
同図に示すように、積層型ＬＥＤ光源装置１００は、ＬＥＤユニット１４０、及びＬＥＤユニット１４０の前方に配置された反射鏡１５４を有するＬＥＤ光源装置４０３と、当該ＬＥＤユニット１４０の後方から光を入射するランプ光源１９０と、を備えている。
ランプ光源１９０は、白色光を放射する白色ランプ１９１と、この白色放射光を平行光化してＬＥＤユニット１４０に入射する凹面鏡１９２とを備えている。

ＬＥＤユニット１４０は、前後に貫通する開口１５１を設けた基体１５０を有し、この基体１５０の前面（正面側）には、前方に向けて平行光を放射するＬＥＤ光源たる多数の反射型ＬＥＤチップ１６０が開口１５１の周囲に格子状に設けられて発光部１５２が構成され、また開口５１には、平面状のダイクロイックミラー１５６が設けられている。

反射鏡１５４は、ＬＥＤユニット１４０の各反射型ＬＥＤチップ１６０の光を当該ＬＥＤユニット１４０のダイクロイックミラー１５６上で集光するように入射する。また、反射鏡１５４には、ＬＥＤユニット１４０の開口５１と同軸上に後方から入射する光を通す開口１９４が形成されており、ＬＥＤユニット１４０の開口５１から反射鏡１５４の開口１９４の間には、ダイクロイックミラー１５６の反射光及び透過光を反射鏡１５４の開口１９４に入射するための集光レンズ１９５、１９６、及び、上記集光レンズ７２が設けられている。

これにより、ＬＥＤユニット１４０の各反射型ＬＥＤチップ１６０の光が反射鏡１５４でダイクロイックミラー１５６に入射され、後方から入射する白色平行光と混合して反射鏡１５４の開口１９４に向けて反射される。

このように本実施形態によれば、第１実施形態で説明した効果に加え、ＬＥＤユニット１４０に入射する光の光源にランプ光源１９０を使用するため、装置コストを抑えることができる。
また、ＬＥＤユニット１４０のＬＥＤ光源として、ＬＥＤ素子と反射鏡とが一体となった反射型ＬＥＤチップ１６０を用いる構成としたため、ＬＥＤユニット１４０の発光部１５２の構成が簡単になる。
なお、本実施形態において、ランプ光源１９０の代わりに、白色ＬＥＤを用いてもよく、この場合には、白色ＬＥＤを基体１５０の背面側に一体に設けてもよい。

上述した第１及び第２実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。

例えば、上述した各実施形態では、ＬＥＤ光源装置３の後方に、他のＬＥＤ光源装置３やランプ光源１９０などの他の光源を積層配置して構成した積層型のＬＥＤ光源装置について例示した。
しかしながら、これに限らず、例えば赤色、青色及び緑色といったように、互いの光混合時に白色光となる波長の光を出力する全てのＬＥＤ光源６３を、反射鏡５５或いはダイクロイックミラー５６の周囲に配置して、単体のＬＥＤ光源装置３で白色光を出力する構成としてもよい。

また上述した実施形態では、本発明を内視鏡の光源装置に適用した場合を例示したが、これに限らず、本発明に係るＬＥＤ光源装置及び積層型ＬＥＤ光源装置は、プロジェクタ用光源、大型フルカラー表示板等に応用することができる。

１、１００ 積層型ＬＥＤ光源装置
３、１０３、２０３、３０３、４０３ ＬＥＤ光源装置
２ 筐体
４ ベース板
４０、４０Ａ〜４０Ｄ、１４０ ＬＥＤユニット
４２ 先頭ユニット
５０、１５０ 基体
５１、１５１ 開口
５２、１５２ 発光部
５４、１５４ 反射面
５６、１５６ ダイクロイックミラー
５７ 平凸レンズ
１６０ 反射型ＬＥＤチップ
１９０ ランプ光源
Ｋ 光軸

Claims (4)

1. 前方に光を反射する平面状反射面を有した反射鏡を設けた基体に当該前方に平行光を照射する複数のＬＥＤ光源を当該反射鏡の周囲に設けたＬＥＤユニットと、
   前記ＬＥＤユニットの前方に配置され、前記ＬＥＤ光源のそれぞれの平行光を前記反射鏡の平面状反射面に集光させながら反射する反射面と、
   前記反射鏡の平面状反射面から前方に向けて集光しながら反射される反射光を平行光化し前方の所定の開口に通す光学系と、
   を備えたことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
2. 前記基体に、後方から入射する光を通す開口を設け、当該開口には、前記反射面の反射光を反射するとともに後方から入射する光を透過する特性を有した前記平面状反射面の反射鏡を設け、前記ＬＥＤ光源の光に後方から入射する光を混合して前方の所定の開口に出力することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
3. 前記基体の開口に、後方から入射する光を前記前方の所定の開口に通す平凸レンズを、平らな面を前方に向けて設けて前記光学系を構成し、当該平らな面にダイクロイックミラーを設けて前記平面状反射面の反射鏡を構成したことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ光源装置。
4. 請求項２又は３に記載の複数のＬＥＤ光源装置を、それぞれ後段のＬＥＤ光源装置の光が前段のＬＥＤ光源装置の開口に後方から入射するように積層配置したことを特徴とする積層型ＬＥＤ光源装置。

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