(57)【要約】【課題】発光部の大きさに起因する入射角の増大を抑えることができる光源装置を提供すること。【解決手段】光源６と、前記光源６よりも遠方の集光箇所Ｓａに前記光源６の光を集める集光反射面１０とを備えた光源装置１であって、前記集光反射面１０には、前記光源６の発光部７Ａの中心を第１焦点Ｓ１とし、前記集光箇所Ｓａの中心を第２焦点Ｓ２とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面１４、１４、・・・を含み、各々の楕円反射面１４、１４、・・・が、前記発光部７Ａから離れるほど曲率が大きくなり、前記発光部７Ａから離れた楕円反射面１４で反射された光成分Ｈａほど前記集光箇所Ｓａに入射する入射角θが小さくなるように連ねられた構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、
前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、
各々の楕円反射面が、前記発光部から離れるほど曲率が大きくなり、前記発光部から離れた楕円反射面で反射された光成分ほど前記集光箇所に入射する入射角が小さくなるように連ねられたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、
前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、
各々の楕円反射面が、前記第１焦点からの距離と、前記第２焦点までの距離との比が略等しくなるように連ねられていることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
光源と、前記光源の光を平行光化する平行光化反射面とを備えた光源装置であって、
前記平行光化反射面には、前記光源の発光部の中心を焦点とし、互いに曲率が異なる複数の放物反射面を含み、
各々の放物反射面が、同軸に、かつ、前記光源から遠いほど前記曲率が大きくなるように連ねられたことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記第２焦点を鏡像反転した位置に作る平面反射面を前記第１焦点の位置に合わせて設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項５】
前記平面反射面の裏側に前記光源を冷却する放熱手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記集光反射面、又は前記平行光化反射面は、前記光源の光軸を軸とする回転体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
【請求項７】
複数の前記光源を列状に並べて配置し、それぞれの光軸を挟んで、前記集光反射面、又は前記平行光化反射面を対面配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に係り、特に出射光を集光する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光ファイバの素線を束ねて成るライトガイド（「バンドルファイバ」とも称される）と、このライトガイドに光を入射する光源装置とを備え、ライトガイドから均一な光を出射可能にした光源システムが知られている。この光源システムは、分析や検査用、画像処理用等の各種の用途に広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
また近年では、ライトガイドに光を入射する光源装置として、ＬＥＤを光源とした装置も実施されている（例えば、特許文献２参照）。ＬＥＤ等の発光素子を光源に用いることで、ランプ交換が不要となる等のメンテナンスの面でメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２２４６８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８１７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、例えばＣＯＢ型ＬＥＤ（ＣＯＢ：Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ）のように、多数の発光素子を集積することで高出化した高出力型発光素子が開発されている。
しかしながら、このような高出力型発光素子は、一般的な発光素子に比べて発光部が比較的大きい。このため、理想的な点光源の光を所定範囲に集光するように光学設計された反射型集光光学系を用いて、高出力型発光素子の光を集光制御した場合、発光部の大きさに起因して、集光箇所での光束断面が所定範囲よりも大きくなる、という問題がある。
【０００５】
ライトガイドは、一般に、入射面（受光面）に入射した光の全てを導光できるのではなく、入射角が所定の最大入射角θｍａｘを超えている入射光は入射面に入射しても導光されない。そこで光源装置は、ライトガイドの入射面において、入射光の入射角θが最大入射角θｍａｘを超えないように反射型集光光学系を用いて出射光を集光制御している。
しかしながら、光源装置の光源の発光部が点光源よりも大きくなるほど、集光箇所での集光光束には、入射角θが反射型集光光学系の設計値よりも大きい成分が多く含まれることとなる。このため、ライトガイドに入射しても導光されない光成分が多くなり、効率低下を招くという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、発光部の大きさに起因する入射角の増大を抑えることができる光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、各々の楕円反射面が、前記発光部から離れるほど曲率が大きくなり、前記発光部から離れた楕円反射面で反射された光成分ほど前記集光箇所に入射する入射角が小さくなるように連ねられたことを特徴とする。
【０００８】
また上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、各々の楕円反射面が、前記第１焦点からの距離と、前記第２焦点までの距離との比が略等しくなるように連ねられていることを特徴とする。
【０００９】
また上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源の光を平行光化する平行光化反射面とを備えた光源装置であって、前記平行光化反射面には、前記光源の発光部の中心を焦点とし、互いに曲率が異なる複数の放物反射面を含み、各々の放物反射面が、同軸に、かつ、前記光源から遠いほど前記曲率が大きくなるように連ねられたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記光源装置において、前記第２焦点を鏡像反転した位置に作る平面反射面を前記第１焦点の位置に合わせて設けたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、上記光源装置において、前記平面反射面の裏側に前記光源を冷却する放熱手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、上記光源装置において、前記集光反射面、又は前記平行光化反射面は、前記光源の光軸を軸とする回転体であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、上記光源装置において、複数の前記光源を列状に並べて配置し、それぞれの光軸を挟んで、前記集光反射面、又は前記平行光化反射面を対面配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、集光反射面には、光源の発光部の中心を第１焦点とし、集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、各々の楕円反射面が、前記発光部から離れるほど曲率が大きくなり、前記発光部から離れた楕円反射面で反射された光成分ほど前記集光箇所に入射する入射角が小さくなるように連ねられた構成とした。
この構成の集光反射面によれば、発光部が大きさを有している場合であっても、第２焦点での光束の拡がりを抑え、また、第２焦点に光束に含まれる各光成分の入射角の増大を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光源装置の模式図である。
【図２】集光反射面を単一の楕円反射面のみで構成した場合の説明図である。
【図３】集光反射面を単一の楕円反射面のみで構成した場合に、角度β１の光成分Ｈａ１と、この角度β１よりも小さな角度β２の光成分Ｈａ２の反射を示す説明図である。
【図４】光成分の角度β、反射点ＰＨａ、及び、反射点ＰＨａから第１焦点Ｓ１までの距離Ｌ１Ｈａと、ズレ量δとの関係の説明図である。
【図５】集光反射面の一部拡大図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る光源装置の模式図である。
【図７】平行光化反射面を単一の放物反射面のみで構成した場合の説明図である。
【図８】本発明の変形例に係る光源装置の模式図である。
【図９】本変形例の他の態様を示す図である。
【図１０】本発明の応用例に係る光源装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】光源装置の組立図である。
【図１２】第２焦点における集束光の光束断面を示す図であり、（Ａ）は本応用例に係る光源装置の光束断面Ｗを示し、（Ｂ）は図２に示した単一の楕円反射面で集光反射面を構成した場合の光束断面Ｗを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る光源装置１の模式図である。
光源装置１は、ライトガイド４の端面４Ａに光を入射する装置であり、光源６と、集光光学系２とを備えている。この集光光学系２は、光源６の光をライトガイド４の端面４Ａに集光する反射型の光学系である。
ライトガイド４は、少なくとも一方向に延在する導光部材であり、一端側の端面４Ａに入射した光を全反射によって内部を伝搬させながら他端側に導光し、当該他端側の端面（図示せず）から出射し、目的の照射物に照射される。このライトガイド４の具体例としては、例えば複数の光ファイバの素線を束ねて成るバンドルファイバや導光ロッドが挙げられる。
またライトガイド４には開口数ＮＡが設定されている。開口数ＮＡは、内部を伝搬可能な入射光の最大入射角θｍａｘを規定し、開口数ＮＡと最大入射角θｍａｘとの間には、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（最大入射角θｍａｘ）の関係が成立する。
【００１７】
光源６は、実装基板８に実装された発光素子を備え、この発光素子にはＬＥＤ７が用いられている。ＬＥＤ７は、発光部７Ａを表面に向けて実装基板８に実装されており、この光源６では、実装基板８の実装面の法線方向に光軸Ｋを一致させてＬＥＤ７が実装されている。ＬＥＤ７は、発光部７Ａの放射角αが非常に広く、発光部７Ａの光軸Ｋに対して略垂直な方向まで（発光部７Ａの発光面に略水平な方向）まで光を放射し、この発光部７Ａに対面して上記集光光学系２が設けられている。
なお、ＬＥＤ７は、１個のＬＥＤの素子から成るものに限らず、複数のＬＥＤの素子を集積して高出力化したものでも良い。集積化したＬＥＤの例としては、例えばＣＯＢ型ＬＥＤ等が挙げられる。
【００１８】
集光光学系２は、光源６の光を当該光源６の側に反射し、当該光源６を超えた箇所に位置する所定の集光箇所Ｓａに所定の光束断面径Ｄで光束を集束させる反射型の光学系であり、この集光箇所Ｓａに上記ライトガイド４の端面４Ａが配置されている。すなわち、集光箇所Ｓａにおける光束の所定の光束断面径Ｄは、少なくともライトガイド４の端面４Ａの大きさ、より正確には、当該端面４Ａに含まれる入射可能範囲内に設定されている。
この集光光学系２は、光源６とライトガイド４の結合効率を高めるために、集光箇所Ｓａにおいて、光束に含まれる光成分の各々の入射角θが上記最大入射角θｍａｘを超えないように設計されている。これにより、理想的には、集光光学系２によって集束した光の全てがライトガイド４の端面４Ａに入射し、その内部を全反射により伝搬して他端側に導光されることとなる。
【００１９】
集光光学系２の構成について詳述すると、集光光学系２は、光源６の周囲に、１又は複数（図示例では１対）の集光反射面１０を有する。それぞれの集光反射面１０は、互いに光学的に同一な構成、及び機能を有し、それぞれが光源６の光を反射し、集光箇所Ｓａに所定の光束断面径Ｄで、上記最大入射角θｍａｘを超えない光成分から成る光束を集束する。
【００２０】
ところで、集光機能を有する反射面には、一般的に楕円反射面が用いられる。
図２は、集光反射面１０を単一の楕円反射面１４のみで構成した場合の説明図である。
同図に示すように、楕円反射面１４の形状を、光源６の発光部７Ａの中心を第１焦点Ｓ１とし、集光箇所Ｓａの中心を第２焦点Ｓ２とする形状にすることで、発光部７Ａの光が第２焦点Ｓ２に集光される。
また、楕円反射面１４を、光軸Ｋ（楕円反射面１４の長軸）との交点Ｍから第１焦点Ｓ１までの大きさとした場合、第２焦点Ｓ２での入射角θが最大となる光成分は、第１焦点Ｓ１から光軸Ｋに垂直方向（楕円反射面１４の短軸方向）に放射されて光成分Ｈｘである。この光成分Ｈｘの入射角θＨｘは、楕円反射面１４における光成分Ｈｘの反射点をＰＨｘ、当該反射点ＰＨｘと第１焦点Ｓ１の距離をＬ１Ｈｘ、反射点ＰＨｘと第２焦点Ｓ２の距離をＬ２Ｈｘとした場合、Ａｒｃｓｉｎ（距離Ｌ１Ｈｘ／距離Ｌ２Ｈｘ）により求められる。
したがって、入射角θＨｘがライトガイド４の最大入射角θｍａｘを超えないように楕円反射面１４を設計することで、第２焦点Ｓ２に集光する光成分のそれぞれの入射角θを最大入射角θｍａｘ以下に抑えることができる。
【００２１】
しかしながら、発光部７Ａは大きさを有することから、発光部７Ａの光が全て第２焦点Ｓ２に集光される訳ではない。すなわち、発光部７Ａの端部７Ａｔから出射した光成分は第２焦点Ｓ２から逸れてしまい、このような光成分の入射角θが最大入射角θｍａｘを超えることがあり、結合効率の低下の要因となる。
詳述すると、発光部７Ａの中心、すなわち第１焦点Ｓ１から出射した光成分をＨａとし、発光部７Ａの端部７Ａｔから出射し、楕円反射面１４において光成分Ｈａと同じ反射点ＰＨａに入射する光成分をＨｂとする。この場合、図２に示すように、発光部７Ａの中心（すなわち、第１焦点Ｓ１）から端部７Ａｔまでの距離ｄに起因して、光成分Ｈｂは、集光箇所Ｓａにおいて第２焦点Ｓ２からズレ量δだけ離れた位置に入射する。このズレ量δは、距離ｄが大きいほど、すなわち発光部７Ａが大きくなるほど大きくなる。例えばＬＥＤ７がＣＯＢ型ＬＥＤ等である場合、ＣＯＢ型ＬＥＤ等は、発光部７Ａが比較的大きな面状を成し、いわゆる面状光源となることから、発光部７Ａの大きさに起因するズレ量δは無視できないほど大きくなる。
【００２２】
さらに、ズレ量δは、発光部７Ａの大きさが同じであっても、楕円反射面１４における反射点ＰＨａの位置によっても相違する。すなわち、光成分Ｈａと光軸Ｋとが成す角度をβとすると、光成分Ｈａに対応する光成分Ｈｂのズレ量δは、光成分Ｈａの角度βが小さいほど大きくなる。この理由は、次の通りである。
すなわち、楕円反射面１４においては、楕円の特性により、第１焦点Ｓ１から反射点ＰＨａまでの距離Ｌ１Ｈａは、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど短くなり、反射点ＰＨａが発光部７Ａに近付く。一方、第１焦点Ｓ１、反射点ＰＨａ、及び端部７Ａｔの３点から成る角度をγとすると、この角度γが大きいほど、光成分Ｈｂのズレ量δは大きくなる。
図３に示すように、角度β１の光成分Ｈａ１と、この角度β１よりも小さな角度β２の光成分Ｈａ２を例にすると、これらの光成分Ｈａ１、Ｈａ２では、光成分Ｈａ１の反射点ＰＨａ１よりも光成分Ｈａ２の反射点ＰＨａ２が発光部７Ａに近付く。このため、光成分Ｈａ１についての角度γ１よりも光成分Ｈａ２についての角度γ２が大きくなる。
この結果、角度β１の光成分Ｈａ１に対応する光成分Ｈｂ１のズレ量δ１に対し、角度β１よりも小さな角度β２の光成分Ｈａ２に対応する光成分Ｈｂ２のズレ量δ２が大きくなる。
また、光成分Ｈｂの入射角θは、ズレ量δが大きい大きくなるほど、対応する光成分Ｈａの入射角θよりも大きくなることから、最大入射角θｍａｘを超えるような光成分Ｈｂも多分に生じることになる。
【００２３】
以上の事から、大きさを有する発光部７Ａの光を楕円反射面１４で反射しても、発光部７Ａの大きさ（距離ｄ）によっては、集光箇所Ｓａにおける光束を所定の光束断面径Ｄに収めることができない。係る光をライトガイド４に単に入射させるだけであれば、当該ライトガイド４の端面４Ａを大きくすれば可能である。しかしながら、上記の通り、集光箇所Ｓａの光束の光成分には、最大入射角θｍａｘを超えるような光成分Ｈｂも多分に含まれることから、ライトガイド４に入射しても導光することがなく、結局は無駄な光となる。
【００２４】
そこで、この光源装置１では、光成分Ｈｂのズレ量δを小さくすべく、集光反射面１０を次のように構成している。
すなわち、単一の楕円反射面１４において、光成分Ｈｂのズレ量δは、角度βが小さくなるほど、換言すれば反射点ＰＨａが光軸Ｋに近付くほど、その反射点ＰＨａと発光部７Ａ（第１焦点Ｓ１）の距離Ｌ１Ｈａが短くなる事に起因して増大する。
つまり、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、その光成分Ｈａの反射点ＰＨａと発光部７Ａ（第１焦点Ｓ１）の距離Ｌ１Ｈａを長くできれば、その反射点ＰＨａに入射する光成分Ｈｂのズレ量δの増大が抑えられることになる。
したがって、光源６に対して単一の楕円反射面１４を配置するのではなく、図４に示すように、光源６に対し、それぞれが第１焦点Ｓ１、及び第２焦点Ｓ２を焦点とし、曲率が光源６から離れるについて順次に大きくなる（短軸、及び長軸が順次に長くなる）複数の楕円反射面１４、１４、・・・を配置する。これらの楕円反射面１４、１４、・・・によれば、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、その光成分Ｈａは、光源６から離れた楕円反射面１４で反射されることとなる。これにより、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、反射点ＰＨａと第１焦点Ｓ１の距離Ｌ１Ｈａが長くなる。この結果、光成分Ｈａの角度βが小さくなっても、角度γの増大が抑えられるから、対応する光成分Ｈｂのズレ量δの増大も抑えられることとなる。
【００２５】
この光源装置１の集光反射面１０は、以上のようにしてズレ量δの増大を抑えるべく、次ように構成されている。すなわち、前掲図１に示すように、集光反射面１０は、複数の楕円反射面１４を備え、それぞれが共に同じ第１焦点Ｓ１、及び第２焦点Ｓ２を焦点とし、かつ、曲率が互いに異なっている。なお、上述の通り、第１焦点Ｓ１は、発光部７Ａの中心であり、第２焦点Ｓ２は集光箇所Ｓａの中心である。そして、第１焦点Ｓ１から反射点ＰＨａまでの距離Ｌ１Ｈａが大きくなるにしたがって大きな曲率の楕円反射面１４が位置するように、それぞれの楕円反射面１４を階段状に連設して上記集光反射面１０が構成される。
【００２６】
図５は集光反射面１０の一部拡大図である。
この集光反射面１０では、同図に示すように、それぞれの楕円反射面１４の上端Ｑａと下端Ｑｂとを連結面１６によって連結して構成されている。このとき、この集光反射面１０では、それぞれ楕円反射面１４の上端Ｑａを結ぶ線Ｅと、光軸Ｋの方向とが成す角度εが上記最大入射角θｍａｘとなり、なおかつ、楕円反射面１４の反射光が連結面１６に入射しないように、各楕円反射面１４の上端Ｑａから下端Ｑｂまでの長さ（反射面の広さ）が規定されている。
【００２７】
なお、上述したように、ライトガイド４の端面４Ａに入射させる光の入射角θは、最大入射角θｍａｘ以下であることが必要である。
集光反射面１０にあっては、角度β＝９０の光成分である上記光成分Ｈｘの入射角θＨｘが最大入射角θｍａｘを超えないように、当該光成分Ｈｘを反射する楕円反射面１４が形成されている。この光成分Ｈｘを反射する楕円反射面１４は、図１に示すように、集光反射面１０の上端部１０Ａに位置する。その下に連設される各々の楕円反射面１４は、上記の通り、共に同じ第２焦点Ｓ２を有することから、下端部１０Ｂ（すなわち光軸Ｋ）に近い楕円反射面１４で反射された光成分Ｈａほど入射角θは小さくなる。このとき、光軸Ｋに近い楕円反射面１４であっても、第１焦点Ｓ１たる発光部７Ａからの距離Ｌ１Ｈａが図２、図３に示す単一の楕円反射面１４に比べて延長される位置に設けられる。このため、光軸Ｋに近い楕円反射面１４においても、発光部７Ａの端部７Ａｔの光成分Ｈｂのズレ量δが抑えられるから、所定の光束断面径Ｄの範囲に光束を収めることができる。また、その光成分Ｈｂの入射角θについても最大入射角θｍａｘ以下に収められる。
【００２８】
このように構成された集光反射面１０にあっては、それぞれの楕円反射面１４は、ともに同じ第１焦点Ｓ１、第２焦点Ｓ２を焦点としているので、反射点ＰＨａから第１焦点Ｓ１までの上記距離Ｌ１Ｈａと、反射点ＰＨａから第２焦点Ｓ２までの距離Ｌ２Ｈａとの比が各々等しくなる。
換言すれば、この集光反射面１０は、共に同じ第１焦点Ｓ１、第２焦点Ｓ２を有し、かつ、それぞれの距離Ｌ１Ｈａ、距離Ｌ２Ｈａとの比が各々等しくなる複数の楕円反射面１４、１４、・・・を連設して構成しているとも表現できる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、集光反射面１０には、光源６の発光部７Ａの中心を第１焦点Ｓ１とし、集光箇所Ｓａの中心を第２焦点Ｓ２とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面１４、１４、・・・を含み、各々の楕円反射面１４、１４、・・・が、発光部７Ａから離れるほど曲率が大きくなり、発光部７Ａから離れた楕円反射面１４で反射された光成分Ｈｂほど集光箇所Ｓａに入射する入射角θが小さくなるように連ねられた構成としている。
換言すれば、集光反射面１０には、光源６の発光部７Ａの中心を第１焦点Ｓ１とし、集光箇所Ｓａの中心を第２焦点Ｓ２とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面１４、１４、・・・を含み、各々の楕円反射面１４、１４、・・・が、第１焦点Ｓ１からの距離Ｌ１Ｈａと、第２焦点Ｓ２までの距離Ｌ２Ｈａとの比が略等しくなるように連ねられた構成としている。
この構成の集光反射面１０によれば、発光部７Ａが大きさを有している場合であっても、所定の光束断面径Ｄの範囲に光束を収めることができ、また、光束に含まれる各光成分の入射角θを最大入射角θｍａｘに収めることができる。
【００３０】
なお、この光源装置１では、１又は複数の集光反射面１０を、光軸Ｋの周りに配置する場合を例示した。しかしながら、これに限らず、集光反射面１０を、光軸Ｋを軸とした１個の回転体によって構成しても良い。
【００３１】
［第２実施形態］
図６は、本実施形態に係る光源装置１００の模式図である。なお、同図において、第１実施形態と同じ部材については同一の符号を付して、その説明を省略する。
同図に示すように、この光源装置１００は、光源６の光を平行光化する平行光化光学系１０２を備え、この平行光化光学系１０２が光源６に対面配置される平行光化反射面１１０を備えている点で、第１実施形態の光源装置１と構成を大きく異にしている。
詳述すると、ライトガイド４の端面４Ａが比較的大きい場合、当該発光部７Ａの光を集光する必要はなく、略平行光化して端面４Ａに入射することで、その入射角θを非常に小さくできる。特に、光源６がＬＥＤ７である場合、放射角αのうち、光軸Ｋの近傍の放射角αｈに光量が集中することから、この放射角αｈの範囲の平行光によって端面４Ａでの光束断面径Ｄが規定される。換言すれば、平行光化反射面１１０による全ての平行光が端面４Ａに入射せずとも、この光束断面径Ｄが端面４Ａに含まれれば、十分な効率が得られるとも言える。
【００３２】
ところで、平行光化機能を有する反射面には、一般的に放物反射面が用いられる。
図７は、平行光化反射面１１０を単一の放物反射面１１４のみで構成した場合の説明図である。
同図に示すように、放物反射面１１４の形状を、光源６の発光部７Ａの中心を焦点Ｓとする放物面形状にすることで、発光部７Ａの光を平行光化して端面４Ａに照射することができる。
【００３３】
しかしながら、発光部７Ａは大きさを有することから、発光部７Ａの端部７Ａｔから出射した光成分Ｈｂは完全には平行光化されず、焦点Ｓから出射した光成分Ｈａの平行光からズレ量δだけ逸れてしまい、この光成分Ｈｂの入射角θが最大入射角θｍａｘを超えてしまうことがある。
特に、この光成分Ｈｂのズレ量δは、第１実施形態の楕円反射面１４と同様の理由により、反射点ＰＨａが光軸Ｋに近付くほど、すなわち光成分Ｈａの角度βが小さいほど顕著になる。上述した通り、ＬＥＤ７にあっては、光軸Ｋの近傍に光量が集中するため、係るズレは、端面４Ａでの光束断面径Ｄの増大に大きく影響を与える。
【００３４】
そこで、この光源装置１００の平行光化反射面１１０では、前掲図６に示すように、光源６に対し、それぞれが共に焦点Ｓを焦点とし、曲率が光源６から離れるについて順次に大きくなる複数の放物反射面１１４、１１４、・・・を、互いに光軸Ｋを同軸にして配置する。
これにより、平行光化反射面１１０では、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、その光成分Ｈａは、光源６から離れた放物反射面１１４で反射される。これにより、第１実施形態で説明した理由と同様の理由により、光成分Ｈａの角度βが小さくなっても、対応する光成分Ｈｂのズレ量δの増大が抑えられることとなる。
この結果、ライトガイド４の端面４Ａにおいて、入射角θの増大、及び光束断面径Ｄの拡がりが抑えられ、光源６とライトガイド４の結合効率を良好にできる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、平行光化反射面１１０には、光源６の発光部７Ａの中心を焦点Ｓとし、ライトガイド４の端面４Ａに平行光を照射する、互いに曲率が異なる複数の放物反射面１１４、１１４、・・・を含み、各々の放物反射面１１４、１１４、・・・が、同軸に、かつ、光源６から遠いほど曲率が大きくなるように連ねられる構成とした。
この構成によれば、発光部７Ａが大きさを有している場合であっても、光束断面径Ｄの拡がりを抑え、かつ平行光の光束に含まれる各光成分の入射角θの増大を抑えることができる。
【００３６】
なお、この第２実施形態において、平行光化反射面１１０の放物反射面１１４、１１４、・・・の各々を光軸Ｋを軸に回転させた回転放物面とした。しかしながら、これに限らず、第１実施形態と同様に、互いに光学的に同一な構成、及び機能を有する１又は複数の平行光化反射面１１０を、光軸Ｋの周りに配置した構成としても良い。
【００３７】
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したものであって、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。
【００３８】
［変形例］
例えば、上述した第１、及び第２実施形態において、第１焦点Ｓ１、又は焦点Ｓに平坦な反射面を配置することで、集光箇所Ｓａ、又は照射箇所を鏡像反転した位置に設けても良い。この例について、第１実施形態を例に説明する。
図８は、本変形例に係る光源装置３００の構成を示す模式図である。なお、同図において、第１実施形態と同じ部材については同一の符号を付して、その説明を省略する。
この図に示すように、光源装置３００は、第１焦点Ｓ１の直近に、法線方向ｇを光軸Ｋに平行にして、集光反射面１０と対面配置された平面ミラー３３０を備えている点で、第１実施形態の光源装置１００と構成を大きく異にする。
【００３９】
この構成によれば、集光反射面１０の第２焦点Ｓ２が平面ミラー３３０によって鏡像反転した位置に第２焦点Ｓ２ａとして設定される。この鏡像の第２焦点Ｓ２ａは、光源６の光軸Ｋ上であって、発光部７Ａの照射方向の側に位置する。この光源装置３００では、光軸Ｋを挟んで一対の集光反射面１０を備え、集光反射面１０の下端側には、光軸Ｋを含んで隙間１９が設けられており、この隙間１９から平面ミラー３３０で反射した光が出射される。また、この鏡像の第２焦点Ｓ２ａには、平面ミラー３３０の反射光（すなわち、集光反射面１０の反射光）のみならず、発光部７Ａの直射光Ｈｓも到達することとなり、第２焦点Ｓ２ａの照度が高められる。これにより、非常に高輝度な光源が構成される。また、平面ミラー３３０の背後に冷却機構を配置して、光源６を冷却するといった事も可能となる。
【００４０】
なお、この光源装置３００において、図９に示すように、多数の光源６を、光の出射方向を同じくし、かつ光軸Ｋを互いに平行にして、列状に並べて配置し、各光源６の光軸Ｋを挟んで集光反射面４１０を対面配置することで、ライン状に延びた光を出射する構成としても良い。この集光反射面４１０においては、階段状に連設される楕円反射面４１４の各々が光源６の配列方向ｍに延びるように形成される。
また、係る平面ミラー３３０は、第２実施形態についても適用可能であることは勿論である。
【００４１】
［応用例］
上述した光源装置３００の応用例として、ライトガイドの一態様たるバンドルファイバに光を入射する光源装置５００を説明する。
図１０は本応用例に係る光源装置５００の構成を示す斜視図であり、図１１は光源装置５００の組立図である。
これらの図に示すように、箱型のケース体５５０を備え、ケース体５５０の裏面には冷却ファン５５２が設けられ、またケース体５５０の上面５５０Ａにはファイバコネクタ５５４が設けられている。ケース体５５０は、上下に分離可能な上ケース５６０と、下ケース５６２とを備え、図１１に示すように、下ケース５６２の底面５６２Ａには、冷却ファン５５２の冷却風を導入／排出する開口５６４が形成されている。下ケース５６２の底面５６２Ａには、熱伝導性に優れた金属材等から成る通風板５６８が開口５６４を覆って取り付けられる。通風板５６８の面内には多数の貫通孔５６９が形成され、また、上ケース５６０の側面にも多数の貫通孔５７１が形成されており、これらの貫通孔５６９、５７１によって冷却ファン５５２による冷却風がケース体５５０の内部を冷却し外部に放出される。
【００４２】
このケース体５５０には、光源モジュール５０６と、集光光学ユニット５０２と、平面ミラー５３０とが収められている。
光源モジュール５０６は、第１及び第２実施形態の光源６に対応し、集光光学ユニット５０２は、第１実施形態の集光光学系２に対応し、また平面ミラー５３０は変形例の平面ミラー３３０に対応するものである。
この光源モジュール５０６は、図１１に拡大して示すように、実装基板５０８の上面に、ＬＥＤチップ５０７を実装したものである。このＬＥＤチップ５０７は、平面視矩形状の複数のＣＯＢ型ＬＥＤ５０９を略隙間無く格子状に並べることで、実装基板５０８の実装面の法線方向を光軸Ｋとした平面視矩形状の面上光源を構成したものである。このように、ＬＥＤチップ５０７は、複数のＣＯＢ型ＬＥＤ５０９を備えるため、非常に高出力な光源となる。このようなＬＥＤチップ５０７では、発熱が非常に大きくなるが、上述の通り、直下の冷却ファン５５２により冷却されて放熱することで適切な温度に維持される。なお、光源モジュール５０６の放熱手段としては、冷却ファン５５２に限らず、例えば光源モジュール５０６と熱的に結合される放熱フィン等を、通風板５６８の裏面（すなわち、平面ミラー５３０の裏面側）に設けても良い。
【００４３】
平面ミラー５３０は、面内に露出孔５３０Ａが形成された円板状の反射鏡であり、光源モジュール５０６を覆い、露出孔５３０ＡからＬＥＤチップ５０７を露出させるように取り付けられる。
集光光学ユニット５０２は、集光反射面５１０が内部に形成されたユニットである。この集光反射面５１０は、第１実施形態で説明した集光反射面１０を、光軸Ｋを軸にして回転した回転曲面形状を成している。この集光光学ユニット５０２では、光軸Ｋを境に２つのブロック５０２Ａ、５０２Ｂに２分割可能に構成されている。
この集光反射面５１０は、光軸Ｋに同軸に貫通孔５１９が形成されており、この貫通孔５１９と同軸に、上記ファイバコネクタ５５４が取り付けられている。この集光反射面５１０では、貫通孔５１９の位置に第２焦点Ｓ２が設定されており、ファイバコネクタ５５４にバンドルファイバが装着されると、このバンドルファイバの端面が第２焦点Ｓ２に位置するように構成されている。
【００４４】
集光光学ユニット５０２は、集光反射面５１０の光源モジュール５０６側の開口端５１０Ａに上記ＬＥＤチップ５０７が位置するように、上記通風板５６８に取り付けられることで、集光反射面５１０の各楕円反射面１４の第１焦点Ｓ１に５０７の発光部５０７Ａの中心が配置される。また、集光光学ユニット５０２と通風板５６８を組んだ状態では、集光反射面５１０の開口端５１０Ａが平面ミラー５３０によって閉じられた状態となる。換言すれば、楕円反射面５１４と平面ミラー５３０から形成される全面が反射面の空間内に光源モジュール５０６が収められた状態となる。
そして、光源モジュール５０６の光が集光反射面５１０によって貫通孔５１９の第２焦点Ｓ２に集まめられ、光源モジュール５０６の直射光Ｈｓとともに、バンドルファイバに入射されることとなる。
【００４５】
図１２は第２焦点Ｓ２における集束光の光束断面Ｗを示す図であり、図１２（Ａ）は光源装置５００の光束断面Ｗを示し、図１２（Ｂ）は前掲図２に示した単一の楕円反射面１４で集光反射面１０を構成した場合の光束断面Ｗを示す。
この図に示すように、単一の楕円反射面１４で集光反射面１０を構成した場合（図１２Ｂ）に比べ、光源装置５００によれば、光束断面Ｗでの光の拡がりΔが十分に抑えられていることがわかる。
つまり、光源装置５００によれば、ライトガイド４の端面４Ａに応じた所定の光束断面径Ｄに、入射角θの増大を十分に抑えた光成分を集束させ、ライトガイド４との結合効率を十分に高められる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１００、３００、５００  光源装置
２  集光光学系
４  ライトガイド
４Ａ  端面
６  光源
７  ＬＥＤ
７Ａ、５０７Ａ  発光部
７Ａｔ  端部
８、５０８  実装基板
１０、４１０、５１０  集光反射面
１４、４１４、５１４  楕円反射面
１０２  平行光化光学系
１１０  平行光化反射面
１１４  放物反射面
３３０、５３０  平面ミラー
５０２  集光光学ユニット
５０６  光源モジュール
５０７  ＬＥＤチップ
５１９  貫通孔
５５２  冷却ファン（放熱手段）
５６８  通風板
Ｄ  光束断面径
Ｈａ、Ｈｂ  光成分
Ｋ  光軸
Ｌ１Ｈａ  距離（第１焦点からの距離）
Ｌ２Ｈａ  距離（第２焦点までの距離）
ＰＨａ  反射点
Ｓ  焦点
Ｓ１  第１焦点
Ｓ２、Ｓ２ａ  第２焦点
Ｓａ  集光箇所
ｄ  距離
θ  入射角
θｍａｘ  最大入射角
【図１】
2014238964.tif 000003
【図２】
2014238964.tif 000004
【図３】
2014238964.tif 000005
【図４】
2014238964.tif 000006
【図５】
2014238964.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014238964.tif 000009
【図８】
2014238964.tif 000010
【図９】
2014238964.tif 000011
【図１０】
2014238964.tif 000012
【図１１】
2014238964.tif 000013
【図１２】
2014238964.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月18日(2014.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、
前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、
各々の楕円反射面が、前記発光部から離れるほど曲率が小さくなり、前記発光部から離れた楕円反射面で反射された光成分ほど前記集光箇所に入射する入射角が小さくなるように連ねられたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、
前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、
各々の楕円反射面が、前記第１焦点からの距離と、前記第２焦点までの距離との比が略等しくなるように連ねられていることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
光源と、前記光源の光を平行光化する平行光化反射面とを備えた光源装置であって、
前記平行光化反射面には、前記光源の発光部の中心を焦点とし、互いに曲率が異なる複数の放物反射面を含み、
各々の放物反射面が、同軸に、かつ、前記光源から遠いほど前記曲率が小さくなるように連ねられたことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記第２焦点を鏡像反転した位置に作る平面反射面を前記第１焦点の位置に合わせて設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項５】
前記平面反射面の裏側に前記光源を冷却する放熱手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記集光反射面、又は前記平行光化反射面は、前記光源の光軸を軸とする回転体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
【請求項７】
複数の前記光源を列状に並べて配置し、それぞれの光軸を挟んで、前記集光反射面、又は前記平行光化反射面を対面配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源よりも遠方の集光箇所に前記光源の光を集める集光反射面とを備えた光源装置であって、前記集光反射面には、前記光源の発光部の中心を第１焦点とし、前記集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、各々の楕円反射面が、前記発光部から離れるほど曲率が小さくなり、前記発光部から離れた楕円反射面で反射された光成分ほど前記集光箇所に入射する入射角が小さくなるように連ねられたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源の光を平行光化する平行光化反射面とを備えた光源装置であって、前記平行光化反射面には、前記光源の発光部の中心を焦点とし、互いに曲率が異なる複数の放物反射面を含み、各々の放物反射面が、同軸に、かつ、前記光源から遠いほど前記曲率が小さくなるように連ねられたことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明によれば、集光反射面には、光源の発光部の中心を第１焦点とし、集光箇所の中心を第２焦点とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面を含み、各々の楕円反射面が、前記発光部から離れるほど曲率が小さくなり、前記発光部から離れた楕円反射面で反射された光成分ほど前記集光箇所に入射する入射角が小さくなるように連ねられた構成とした。
この構成の集光反射面によれば、発光部が大きさを有している場合であっても、第２焦点での光束の拡がりを抑え、また、第２焦点に光束に含まれる各光成分の入射角の増大を抑えることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
そこで、この光源装置１では、光成分Ｈｂのズレ量δを小さくすべく、集光反射面１０を次のように構成している。
すなわち、単一の楕円反射面１４において、光成分Ｈｂのズレ量δは、角度βが小さくなるほど、換言すれば反射点ＰＨａが光軸Ｋに近付くほど、その反射点ＰＨａと発光部７Ａ（第１焦点Ｓ１）の距離Ｌ１Ｈａが短くなる事に起因して増大する。
つまり、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、その光成分Ｈａの反射点ＰＨａと発光部７Ａ（第１焦点Ｓ１）の距離Ｌ１Ｈａを長くできれば、その反射点ＰＨａに入射する光成分Ｈｂのズレ量δの増大が抑えられることになる。
したがって、光源６に対して単一の楕円反射面１４を配置するのではなく、図４に示すように、光源６に対し、それぞれが第１焦点Ｓ１、及び第２焦点Ｓ２を焦点とし、曲率が光源６から離れるについて順次に小さくなる（短軸、及び長軸が順次に長くなる）複数の楕円反射面１４、１４、・・・を配置する。これらの楕円反射面１４、１４、・・・によれば、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、その光成分Ｈａは、光源６から離れた楕円反射面１４で反射されることとなる。これにより、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、反射点ＰＨａと第１焦点Ｓ１の距離Ｌ１Ｈａが長くなる。この結果、光成分Ｈａの角度βが小さくなっても、角度γの増大が抑えられるから、対応する光成分Ｈｂのズレ量δの増大も抑えられることとなる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
この光源装置１の集光反射面１０は、以上のようにしてズレ量δの増大を抑えるべく、次ように構成されている。すなわち、前掲図１に示すように、集光反射面１０は、複数の楕円反射面１４を備え、それぞれが共に同じ第１焦点Ｓ１、及び第２焦点Ｓ２を焦点とし、かつ、曲率が互いに異なっている。なお、上述の通り、第１焦点Ｓ１は、発光部７Ａの中心であり、第２焦点Ｓ２は集光箇所Ｓａの中心である。そして、第１焦点Ｓ１から反射点ＰＨａまでの距離Ｌ１Ｈａが大きくなるにしたがって小さな曲率の楕円反射面１４が位置するように、それぞれの楕円反射面１４を階段状に連設して上記集光反射面１０が構成される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、集光反射面１０には、光源６の発光部７Ａの中心を第１焦点Ｓ１とし、集光箇所Ｓａの中心を第２焦点Ｓ２とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面１４、１４、・・・を含み、各々の楕円反射面１４、１４、・・・が、発光部７Ａから離れるほど曲率が小さくなり、発光部７Ａから離れた楕円反射面１４で反射された光成分Ｈｂほど集光箇所Ｓａに入射する入射角θが小さくなるように連ねられた構成としている。
換言すれば、集光反射面１０には、光源６の発光部７Ａの中心を第１焦点Ｓ１とし、集光箇所Ｓａの中心を第２焦点Ｓ２とする、互いに曲率が異なる複数の楕円反射面１４、１４、・・・を含み、各々の楕円反射面１４、１４、・・・が、第１焦点Ｓ１からの距離Ｌ１Ｈａと、第２焦点Ｓ２までの距離Ｌ２Ｈａとの比が略等しくなるように連ねられた構成としている。
この構成の集光反射面１０によれば、発光部７Ａが大きさを有している場合であっても、所定の光束断面径Ｄの範囲に光束を収めることができ、また、光束に含まれる各光成分の入射角θを最大入射角θｍａｘに収めることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
そこで、この光源装置１００の平行光化反射面１１０では、前掲図６に示すように、光源６に対し、それぞれが共に焦点Ｓを焦点とし、曲率が光源６から離れるについて順次に小さくなる複数の放物反射面１１４、１１４、・・・を、互いに光軸Ｋを同軸にして配置する。
これにより、平行光化反射面１１０では、光成分Ｈａの角度βが小さくなるほど、その光成分Ｈａは、光源６から離れた放物反射面１１４で反射される。これにより、第１実施形態で説明した理由と同様の理由により、光成分Ｈａの角度βが小さくなっても、対応する光成分Ｈｂのズレ量δの増大が抑えられることとなる。
この結果、ライトガイド４の端面４Ａにおいて、入射角θの増大、及び光束断面径Ｄの拡がりが抑えられ、光源６とライトガイド４の結合効率を良好にできる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、平行光化反射面１１０には、光源６の発光部７Ａの中心を焦点Ｓとし、ライトガイド４の端面４Ａに平行光を照射する、互いに曲率が異なる複数の放物反射面１１４、１１４、・・・を含み、各々の放物反射面１１４、１１４、・・・が、同軸に、かつ、光源６から遠いほど曲率が小さくなるように連ねられる構成とした。
この構成によれば、発光部７Ａが大きさを有している場合であっても、光束断面径Ｄの拡がりを抑え、かつ平行光の光束に含まれる各光成分の入射角θの増大を抑えることができる。