JP7325717B2

JP7325717B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP7325717B2
Application number: JP2019184223A
Authority: JP
Inventors: 竹夫松島
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2039-10-07
Also published as: JP2021061148A

Description

この発明は光源装置に関するものであり、特に、発光波長域が異なる複数の光源部を備えてなる光源装置に係わるものである。

従来から、放電ランプやフィラメントランプは、広域の発光スペクトルを有しており、この広域スペクトルの特徴を生かして様々な分野、用途に応用されている。例えば、舞台照明装置用の光源や、ソーラシミュレータ用の光源等が挙げられる。
ところで、近年、長寿命化、省エネ、高速応答性などの観点から、ランプ光源に変わるＬＥＤ光源への切り替えが進んでいる。
例えば、特開２０１４－０７５２１６（特許文献１）では、キセノンランプに変わり、ＬＥＤを用いたソーラシミュレータ用の光源装置が記載されている。このようなＬＥＤを用いた光源装置では、ＬＥＤの発光スペクトルの発光波長範囲が比較的狭小であることから、広域の波長域の光を再現するためには、発光域の異なる複数のＬＥＤを組み合わせた構成としなければならないという課題がある。

また、特許４９０３４０７（特許文献２）には、複数のＬＥＤを用いて任意の色度を再現する装置構成が記載されている。当該装置構成では、光源部として複数色の光源と、各光源からの光を合成する光合成手段が設けられている。ここで、より多様な色味を再現するためには、発光域の異なる発光体の種類を増やすことが有効であると考えられる。
このように、広域にわたって任意の光スペクトルを作り出すためには、異なる発光波長域を持つ多くのＬＥＤ光を混光させ、ムラのない均一な照射光とすることが求められる。
例えば、特許文献１の構成は、インテグレータ光学系を用いて複数のＬＥＤ光を混光させている。しかしながら特許文献１に記載の構成では、インテグレータ光学系が光を取り込める入射角度範囲内に、ＬＥＤから光を出射させなければならず、設置できるＬＥＤの個数に制約が生じ、十分な種類のＬＥＤ光を混光させることが難しい。
また用途によって、照射面における光の入射角度や広がり角に制約がある場合が考えられる。例えば、ソーラシミュレータ用の光源として考えた場合、照射面の最大入射角は１５度以内とすることがＪＩＳ規格（ＪＩＳ８９１２）で定められており、この場合、インテグレータ光学系へ取り込まれる有効光の入射角度範囲はより狭くなり、多数のＬＥＤ光を混光させることがより困難となる。

また、多数のＬＥＤ光を合成する手段としては、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムなどの合成光学素子を用いた光合成手段が考えられる。
その例が図４に示されており、合成光学素子としてダイクロイックミラー４、５を用い、第１光源部１、第２光源部２、第３光源部３のそれぞれの出射光を合成し、その先の評価面Ｅに光を照射する構成が記載されている。尚、ここでの評価面Ｅとは、各光源部からの光を合成した後の光路における任意の場所に照射される領域を示すものである。
ここにおいて、第１ダイクロイックミラー４は、第１光源部１からの光６を透過し、これより長波長の第２光源部２からの光７を反射する。同様に、第２ダイクロイックミラー５は、第１光源部１および第２光源部２からの光６、７を透過し、これより長波長の第３光源部３からの光８を反射する。

図５は、各光源部から出射される光の波形（発光スペクトル）を示すグラフ（Ａ）と、各合成光学素子の波長に対する透過率を示すグラフ（Ｂ）と、各合成光学素子を介して評価面に照射される光のスペクトルを示すグラフ（Ｃ）が記載されている。
これにより、図５に示すように、第１光源部１から出射され第一ダイクロイックミラー４および第１ダイクロイックミラー５を透過する光６と、第２光源部２から出射され第１ダイクロイックミラー４で反射し、第２ダイクロイックミラー５を透過する光７と、第３光源３から出射され第２ダイクロイックミラー５で反射する光８が、合成光として得られるものである。
しかしながら、図５（Ｃ）に示されるように、評価面Ｅで得られる合成光の光スペクトルは、各光源部（１、２、３）からの光（６、７、８）がそのまま反映されたものであって、評価面Ｅにおいて連続的な光スペクトルを得ることはできない。

また、各光源部（１、２、３）におけるそれぞれの照射光の発光波長域を、隣接する波長域で重なるよう構成することで、各照射光の合成光が連続的な光スペクトルを得ることが考えられる。
図６にその例が示されていて、図６（Ａ）に示すように、各光源部１、２、３は、それぞれ発光波長域が異なる複数の発光体（ＬＥＤ）で構成され、各光源部に設けられる発光体の種類や個数、点灯条件等によって、光源部全体の照射光の発光波長域が定められる。例えば、第１光源部１は、複数の発光体（６ａ、６ｂ、６ｃ）を備え、各発光体の発光スペクトルの積算値（積算スペクトル）が、第１光源部全体の照射光の発光波長域を定める。そして、第１光源部１の発光波長域の長波長側で隣接した発光波長域を有する第２光源部２を配置し、該第２光源部の発光波長域より長波長側で隣接した発光波長域を有する第３光源部３を配置したものである。
こうすることで、図６（Ｂ）に示すように、各光源部の合成光の積算スペクトルを得て、これにより評価面で連続的な光スペクトルを得ようとするものである。

ここで各光源部の合成光を得るため、合成光学素子を用いることを考える。
図６（Ｃ）に示すように、合成光学素子は、波長によって透過率特性や反射率特性が異なる光学部材であり、特定の波長域を境目に光の透過又は反射を選択することを可能とするものである。
しかしながら、この波長特性（透過率特性や反射率特性）はある波長を境目に急峻に切り替わるものではなく、合成光学素子の透過率が５０％となる波長を特定波長としたとき、当該特定波長の近傍の波長域で緩やかに変化するものである。そのため当該特定波長の近傍の波長領域内の光は、全てが透過又は反射されるものではなく、当該特定波長領域（合成波長域）では部分的に放射強度が落ち込んでしまう。
そのため、図６（Ｄ）に示すように、評価面での合成光の光スペクトルは、この特定波長領域で部分的な光強度の低下が発生し、所望の光スペクトルを得ることができないという問題がある。

このような不具合を解消しようとして、上記のような特定波長領域における光強度の低下を見越して各光源部の光スペクトルを決定することも考えられるが、当該ダイクロイックミラーの透過率特性や反射率特性等の波長特性は、使用環境の違い（温度依存性、耐候性）等の変化によって、当該特定波長領域が変動してしまうという問題があり、合成光を所望の光スペクトルに調整することは非常に煩雑かつ困難である。

特開２０１４－０７５２１６号公報特許４９０３４０７号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光波長域が異なる複数の発光体で構成された光源部を複数備えるとともに、各光源部の発光波長域がそれぞれ異なる光源装置において、前記複数の光源部の合成光に部分的な光強度低下を生じさせず、連続スペクトルの光を作り出すことが可能な構成を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明の光源装置は、発光波長域が異なる光源部を複数備え、前記各光源部はそれぞれ発光波長域が異なる複数の発光体で構成され、前記各光源部の出射光の光路上には、当該出射光を合成する合成光学素子が設けられてなり、発光波長域が隣接する光源部間において、同じ発光波長域となる共通発光体をそれぞれ備えており、前記合成光学素子の透過率が５０％となる波長を特定波長としたとき、前記合成光学素子の特定波長は、前記共通発光体の発光波長域内に設定されていることを特徴とする光源装置。
また、前記共通発光体は独立して放射強度を制御可能に構成されていることを特徴とする。
また、発光波長域が隣接する前記光源部間の各共通発光体は、発光波長域の８０％以上が重畳するように構成されているものであってもよい。

この発明の光源装置によれば、それぞれ発光波長域が異なる複数の光源部のうち、隣接する光源部間において同じ発光波長域となる共通発光体をそれぞれ備えていることにより、光源部の出射光の光路上に設けられた合成光学素子による合成光として、部分的な光強度の低下を起こさず、所望の連続スペクトル光を得ることができるものである。

本発明の光源装置の実施例の構成説明図本発明の光源装置における作用の説明図本発明の光源装置の他の実施例の構成説明図本発明の対象とする光源装置の説明図従来の光源装置における作用の説明図従来の他の光源装置における作用の説明図

本発明の基本的構成図は、図４に示されたものであり、発光波長域が異なる第１光源部１、第２光源部２、第３光源部３を備えており、当該各光源部１、２、３の出射光６、７、８の光路上には、当該出射光６、７、８を合成する第１合成光学素子（ダイクロイックミラー）４、第２合成光学素子（ダイクロイックミラー）５が設けられている。ここで、第１合成光学素子４は、第１光源部１からの出射光６を透過し、第２光源部２からの出射光７を反射するものであり、第２合成光学素子５は、第１光源部１からの出射光６および第２光源装置２からの出射光７を透過し、第３光源部３からの出射光８を反射するものである。
合成光学素子としては、ダイクロイックミラーの他、ダイクロイックフィルタやダイクロイックプリズム等の、波長によって透過や反射が異なる波長特性を有する光学素子が用いられる。

図１に、本発明の具体的構成例が示されており、各光源装置１、２、３は、それぞれ発光波長域が異なる複数の発光体（ＬＥＤ）１０で構成されている。
そして、第１光源部１と第２光源部２は、同じ発光波長域を有する共通発光体１０Ａ（１０Ａ１，１０Ａ２）を有する。ここでの「同じ発光波長域」とは、多少のズレを許容するものであるが、少なくとも各共通発光体１０Ａ（１０Ａ１，１０Ａ２）の発光波長域の８０％以上が重畳する場合を指すものである。またここでの発光体の「発光波長域」とは、発光スペクトルの半値全幅を指すものである。
このとき、第１光源部１における共通発光体１０Ａ１は、該光源部１における光スペクトルにおいて長波長側の発光波長域を有するものであり、一方、第２光源部２における共通発光体１０Ａ２は、該光源部２における光スペクトルにおいて短波長側の発光波長域を有するものである。
また、第２光源部２と第３光源部３は、同じ発光波長域を有する共通発光体１０Ｂ（１０Ｂ１，１０Ｂ２）を有する。この共通発光体１０Ｂについても前述の共通発光体１０Ａと同様に、第２光源部２においてはその長波長側の発光波長域を有し、第３光源部３においてはその短波長側の発光波長域を有するものである。

この共通発光体１０Ａ、１０Ｂの発光波長域には、合成光学素子４、５の合成波長域内の特定波長（ＳＡ、ＳＢ）が設定されている。尚、合成光学素子の「合成波長域内」とは、合成光学素子の反射開始波長ＲＳから透過限度波長ＴＳの間の波長領域を指すものである。
上記構成での各光源部１、２、３からの出射光６、７、８と、その光路中に配置された第１合成光学素子４および第２合成光学素子５の全体的な作用については、図４の説明と同様であり、各光源部１、２、３からの出射光６、７、８は前記第１、第２合成光学素子４、５によって合成され、集光光学系１１によって集光されてインテグレータ光学系１２に向かうものである。インテグレータ光学系としては、フライアイインテグレータや、ロッドインテグレータ等の光学部材が用いられる。
インテグレータ光学系１２を介して評価面Ｅに照射される合成光の光スペクトルは、部分的な光強度の低下はなく、所望の連続スペクトル光を得ることができる。ここで所望の連続スペクトル光とは、用途に応じて適宜求められる光スペクトルを意味しており、例えば、ソーラシミュレータ用光源としては、太陽光の光スペクトルに近似した光スペクトルが所望される。

次にこの光源装置の特徴的な作用について図２を用いて説明すると以下のようである。
図２（Ａ）は各光源部１、２、３における発光体１０からの発光スペクトルを示している。
そして、第１光源部１と第２光源部２において同程度の発光波長域を有する共通発光体１０Ａ（１０Ａ１、１０Ａ２）を有することから、図２（Ｂ）に示すように、光源部での合成波の積算スペクトルは、共通発光体１０Ａ１、１０Ａ２からの放射強度が重畳されたスペクトルとなる。

ところで、図２（Ｃ）に示すように、第１合成光学素子４は、合成波長域（Ｍａ、Ｍｂ）において透過率特性や反射率特性は緩やかに変化することから、当該合成波長域内（Ｍａ、Ｍｂ）においては、第１光源部１からの出射光は１００％透過するわけではない。
ここで、一例として当該波長における透過率を６０％のものとして説明する。
第１光源部１の共通発光体１０Ａ１からの出射光６は、この第１合成光学素子４を６０％透過し、４０％が反射される。

一方、第２光源部２の共通発光体１０Ａ２からの共通波長の出射光７は、第１合成光学素子４によって４０％が反射され、６０％が透過する。
これにより、第１光源部１の共通発光体１０Ａ１からの６０％の出射光６と、第２光源部２の共通発光体１０Ａ２からの４０％の反射光７とが合成されて１００％の光となって前方に向かうものである。
第２光源部２の共通発光体１０Ｂ１と第３光源部３の共通発光体１０Ｂ２の関係も同様である。
その結果、図２（Ｄ）に示すように、光源部間の境界波長領域、即ち、合成光学素子における合成波長域での強度低下がなく、評価面での照度分布が均一な発光スペクトルが得られる。

図１の実施例では、合成光学素子はダイクロイックミラーで説明したが、図３に示すように、ダイクロイックプリズムであってもよい。また、この実施例では、第２合成光学素子５から出射した光は、集光光学系を経ることなく、直接インテグレータ光学系１２に導くものが示されている。

以上の実施例では、光源部が３つの場合を説明したが、これに限られず、２つであっても、あるいは、４つ以上であってもよい。その場合、当然に合成光学素子の数もそれぞれに対応したものとなる。
また、共通発光体はそれぞれひとつとして例を示したが、共通発光体自体が複数の発光体からなるものであってもよい。
更に、共通発光体はその発光波長域が全く共通である必要はなく、８０％以上が重畳するものであれば、本発明の目的を達成することができる。
また、各光源部に設けられる共通発光体は、それぞれが独立して放射強度を制御可能に構成されることが好適であり、これにより、合成光学素子の合成波長域内における光スペクトルの調整が可能となる。
また、光源部を構成する複数の発光体は、独立して放射強度を制御可能に構成されていることが好適であり、これにより、評価面での照度均一性をより綿密に調整することが可能となる。
また、発光体はＬＥＤを例示したが、ＬＤ、ＬＥＤ等の励起光源により発光する蛍光体等で構成してもよい。

以上説明したように、本発明の光源装置では、複数の発光体からなる光源部を複数備え、合成光学素子によって光源部からの出射光を合成するものであり、隣接する光源部間において、同じ発光波長域となる共通発光体をそれぞれ備えていることにより、合成光学素子の合成波長域での照度低下を招くことがなく、評価面において所望の光スペクトルを得ることができるという効果を奏するものである。

１：第１光源部
２：第２光源部
３：第３光源部
４：第１合成光学素子
５：第２合成光学素子
６：第１光源部からの出射光
７：第２光源部からの出射光
８：第３光源部からの出射光
１０：発光体
１０Ａ、１０Ｂ：共通発光体
１１：集光光学系
１２：インテグレータ光学系

Claims

発光波長域が異なる光源部を複数備え、前記各光源部はそれぞれ発光波長域が異なる複数の発光体で構成され、前記各光源部の出射光の光路上には、当該出射光を合成する合成光学素子が設けられてなる光源装置であって、
発光波長域が隣接する光源部間において、同じ発光波長域となる共通発光体をそれぞれ備えており、
前記合成光学素子の透過率が５０％となる波長を特定波長としたとき、前記合成光学素子の特定波長は、前記共通発光体の発光波長域内に設定されていることを特徴とする光源装置。
前記共通発光体は独立して放射強度を制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
発光波長域が隣接する前記光源部間の各共通発光体は、発光波長域の８０％以上が重畳するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。