(57)【要約】【課題】光源から出射される光に含まれる角度ムラが除去された照明光を生成する。【解決手段】光源２と、該光源２から出射された光Ｌが入射される入射面４ａと、該入射面４ａに入射された光Ｌを出射する出射面４ｂとを有し、光Ｌを内部において反射させながら入射面４ａから出射面４ｂまで導光する導光部材４と、該導光部材４の出射面４ｂから出射された光Ｌを照明対象に照射するケーラ照明部５であって、光源２からケーラ照明部５までの光学系全体の瞳面Ｐに照明対象が位置するようにレイアウトされたケーラ照明部５とを備える照明装置１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
該光源から出射された光が入射される入射面と、該入射面に入射された光を出射する出射面とを有し、前記光を内部において反射させながら前記入射面から前記出射面まで導光する導光部材と、
該導光部材の前記出射面から出射された前記光を照明対象に照射するケーラ照明部であって、前記光源から前記ケーラ照明部までの光学系全体の瞳面に前記照明対象が位置するようにレイアウトされたケーラ照明部とを備える照明装置。
【請求項２】
前記光源と前記導光部材との間に、前記光源と前記導光部材の前記入射面とが光学的に共役な位置関係となるように配置され、前記光源から出射された光を前記導光部材の入射面に集光するクリティカル照明部を備える請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記光源の直後段に配置され、前記光源からの光を略平行光束に変換するコリメート光学系を備える請求項１または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
互いに異なる色の光を出射する複数の前記光源と、
これら複数の光源からの複数の色の光を同一の光軸上に合成する合成部とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記瞳面に配置された入射面と、該入射面に入射された光を出射する出射面とを有し、前記光を内部において反射させながら前記入射面から前記出射面まで導光するもう１つの導光部材を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハロゲンランプのようなランプ光源に代えて、ＬＥＤやレーザダイオード（ＬＤ）に代表される半導体光源が普及しつつある（例えば、特許文献１参照。）。半導体光源は、ランプ光源と比べて発光効率、消費電力、寿命の点で優れ、また、環境対応の視点でも、水銀を使用しない点において有利である。また、半導体光源は、発光波長の幅が十分に狭いという特徴を活かして、様々な場面で利用されている。例えば、半導体光源は、内視鏡診断における狭帯域光観察（ＮＢＩ；Ｎａｒｒｏｗ  Ｂａｎｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ）用のような、特殊光を用いた観察用の光源に好適である。また、複数の半導体光源を組み合わせることによって任意の色の光を生成することができるため、例えば、色の高い再現性が求められるプロジェクタの光源や液晶ディスプレイのバックライトに好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５９０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば、ＬＥＤチップに搭載されるレンズの位置や封止材の形状が出射光軸に対して偏ることによって、半導体光源から出射される光の配光特性が出射光軸に対して非対称となる。すなわち、半導体光源から出射された光は、出射光軸を中心として明るさの分布が非対称となる、いわゆる角度ムラを含む。さらに、このような配光特性は、ＬＥＤチップや周辺部品をパッケージに実装するときの製造誤差に起因するため、個々の半導体光源によって異なる。特許文献１の光学構成においては、このような角度ムラを解消することができず、角度ムラを含んだ光がそのまま照明対象に照射されてしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光源から出射される光に含まれる角度ムラが除去された照明光を生成することができる照明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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源と、該光源から出射された光が入射される入射面と、該入射面に入射された光を出射する出射面とを有し、前記光を内部において反射させながら前記入射面から前記出射面まで導光する導光部材と、該導光部材の前記出射面から出射された前記光を照明対象に照射するケーラ照明部であって、前記光源から前記ケーラ照明部までの光学系全体の瞳面に前記照明対象が位置するようにレイアウトされたケーラ照明部とを備える照明装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、光源から出射された光は、導光部材を導光する間に反射を繰り返すことによって位置ムラを除去され、角度ムラを含む状態でケーラ照明部に入射する。位置ムラとは、例えば、光源の発光面に設けられた周辺素子によって光束の中に影が形成されることにより、光束内の一部において明るさが無秩序に異なることである。光に残存していた角度ムラは、ケーラ照明部において位置ムラに変換され、ケーラ照明部の瞳面において光は角度ムラを含まない状態となる。したがって、瞳面に投影された光から角度ムラが除去された照明光を生成することができる。
【０００８】
上記発明においては、前記光源と前記導光部材との間に、前記光源と前記導光部材の前記入射面とが光学的に共役な位置関係となるように配置され、前記光源から出射された光を前記導光部材の入射面に集光するクリティカル照明部を備えていてもよい。
このようにすることで、導光部材の入射面に集光される光のスポット径を、クリティカル照明部による結像倍率を調整することによって適切に設定することができる。
【０００９】
また、上記発明においては、前記光源の直後段に配置され、前記光源からの光を略平行光束に変換するコリメート光学系を備えていてもよい。
このようにすることで、光源から出射された光の進行方向を揃えることができる。
【００１０】
また、上記発明においては、互いに異なる色の光を出射する複数の前記光源と、これら複数の光源からの複数の色の光を同一の光軸上に合成する合成部とを備えていてもよい。
このようにすることで、照明領域の全体にわたって色ムラが抑えられた任意の色の光を生成することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記瞳面に配置された入射面と、該入射面に入射された光を出射する出射面とを有し、前記光を内部において反射させながら前記入射面から前記出射面まで導光するもう１つの導光部材を備えていてもよい。
このようにすることで、ケーラ照明部の瞳面からもう１つの導光部材に入射された光に含まれる位置ムラは、このもう１つの導光部材を導光する間に除去されるので、角度ムラのみならず位置ムラも除去された光を照明光として生成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光源から出射される光に含まれる角度ムラが除去された照明光を生成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る照明装置の全体構成図である。
【図２】光源から出射された光の配光特性（破線）と、ライトガイドから出射された光の配光特性（実線）とを示すグラフである。
【図３】ケーラ照明部の作用を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る照明装置の全体構成図である。
【図５】３つの光源の発光スペクトル（左縦軸）と、２つのダイクロイックミラーの透過率特性（右縦軸）とを示すグラフである。
【図６】３つの光源から出射された３つの光の配光特性を示すグラフである。
【図７】色ムラを説明する図であり、（ａ）照明対象と、（ｂ）３つの光源から出射された３つの光の強度分布と、（ｃ）３つの光が混合された光の色温度分布とを示している。
【図８】ライトガイドから出射された３つの光の配光特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る照明装置１について図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態に係る照明装置１は、図１に示されるように、ライトガイド７を備える内視鏡に適用されるものであって、単一の光源２と、該光源２側から順に該光源２の出射光軸（以下、単に光軸という。）Ａ上に配置されたクリティカル照明部３、ロッドインテグレータ（導光部材）４およびケーラ照明部５とを備えている。
【００１５】
光源２は、ＬＥＤやＬＤなどの半導体光源である。光源２が出射する光Ｌは、青、緑または赤などの単色光であってもよく、白色光であってもよい。このような光源２から出射された光Ｌは、パッケージの品位により、図２において破線で示されるように、配光特性が光軸Ａ（角度＝０°）に対して非対称となることがあり、いわゆる角度ムラを含むことがある。したがって、光Ｌをそのまま照明対象Ｘに照射した場合、光軸Ａを中心とする明るさの分布が非対称となる。また、半導体光源の光Ｌは、位置によって明るさが無秩序に異なる、いわゆる位置ムラを含むことがある。例えば、ＬＥＤ素子の発光面上には電力供給用のボンディングワイヤが設けられているが、このボンディングワイヤが光Ｌの中に影を形成することによって、光Ｌの光束の横断面において部分的に暗い領域が生じる。
【００１６】
クリティカル照明部３は、光源２からの光Ｌを用いてロッドインテグレータ４の入射面４ａをクリティカル照明する光学系であり、光源２（詳細には、例えば、ＬＥＤの発光面）とロッドインテグレータ４の入射面４ａとが光学的に共役な位置に配されるように構成されている。具体的には、クリティカル照明部３は、光軸Ａ上に配置された第１の集光レンズ（コリメート光学系）３１および第２の集光レンズ３２を備え、光源２からの光Ｌを第１の集光レンズ３１によって略平行光束にした後、第２の集光レンズ３２によってロッドインテグレータ４の入射面４ａに集光する。クリティカル照明部３の結像倍率は、入射面４ａ上に形成される光Ｌの像の寸法や各光源の発光面積に応じて、適宜設計される。
【００１７】
ロッドインテグレータ４は、例えば、ロッドレンズ、テーパロッド、角柱ロッド、内面ミラーのロッドパイプ等である。ロッドインテグレータ４の入射面４ａに入射した光Ｌは、ロッドインテグレータ４の側面において全反射を繰り返しながらロッドインテグレータ４の内部を出射面４ｂまで進む。
【００１８】
このときに、光Ｌに含まれる位置ムラは、ロッドインテグレータ４の内部を導光する間に均一化される。一方、光Ｌに含まれる角度ムラは、ロッドインテグレータ４の内部を導光する間も保存される。したがって、ロッドインテグレータ４の出射面４ｂからは、位置ムラが除去され角度ムラが残った光Ｌが出射される。ロッドインテグレータ４の光軸方向の寸法が大きいほど、位置ムラを均一化する効果がより高くなるので、ロッドインテグレータ４の光軸方向の寸法は十分に大きいことが好ましい。
【００１９】
ケーラ照明部５は、ロッドインテグレータ４の出射面４ｂからの光を用いて、後述するようにその後段に接続されるライトガイド７の入射面７ａをケーラ照明する光学系である。具体的には、ケーラ照明部５は、レンズ部の後側合成焦点面、すなわち瞳面Ｐに照明対象が位置するように配置されて、出射面４ｂ上の光を瞳面Ｐに投影する。なお、図１には、２枚のレンズからなるケーラ照明部５が示されているが、ケーラ照明部５のレンズ構成は適宜変更可能である。
【００２０】
図３は、ケーラ照明部５の作用を説明する図である。図３に示されるように、ロッドインテグレータ４の出射面４ｂの各位置から出射された光線のうち同一の出射角度を有する光線同士は、ケーラ照明部５によって瞳面Ｐの同一位置に集光される。これにより、光Ｌに含まれる角度情報が位置情報に変換され、すなわち角度ムラが位置ムラに変換され、光Ｌは瞳面Ｐにおいて角度ムラを含まない状態となる。したがって、ケーラ照明部５の瞳面Ｐにライトガイド７の入射面７ａを配置することにより、ライトガイド７には位置ムラを含み角度ムラが除去された光Ｌが入射されることになる。なお、同図において、ケーラ照明部５は、単一のレンズによって簡略化して示されている。
【００２１】
次に、このように構成された照明装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る照明装置１を内視鏡に適用するには、ライトガイド７の入射面７ａがケーラ照明部５の瞳面Ｐに配置されるように、照明装置１を内視鏡に接続する。ライトガイド７は、内視鏡が備える細長い挿入部の内部に該挿入部の略全長にわたって設けられており、照明装置１から入射面７ａに入射された光Ｌを挿入部の先端まで導き、該先端から生体組織などの照明対象Ｘに向かって照射するようになっている。
【００２２】
光源２から出射された光Ｌは、まず、クリティカル照明部３に入射され、適切な倍率でロッドインテグレータ４の入射面４ａに集光される。この段階における光Ｌには、角度ムラおよび位置ムラの両方が含まれるが、これらのうちの位置ムラがロッドインテグレータ４を導光する間に除去される。次に、角度ムラの残った光Ｌがロッドインテグレータ４からケーラ照明部５に入射され、該ケーラ照明部５において角度ムラが位置ムラに変換される。そして、位置ムラを含み角度ムラを除去された光Ｌが内視鏡のライトガイド７に入射される。
【００２３】
ライトガイド７に位置ムラを含む光Ｌが入射すると、光Ｌがライトガイド７の内部を全反射を繰り返しながら導光することによって、位置ムラが均一化される。したがって、ライトガイド７の出射面７ｂからは、角度ムラおよび位置ムラの両方が除去された光が照明光Ｌ’として照明対象Ｘに照射される。図２の実線は、ライトガイド７の出射面７ｂにおける光Ｌ（照明光Ｌ’）の配光特性を示している。図２から、照明光Ｌ’の配光特性は改善されて、光軸Ａに対して対称になっていることが分かる。
【００２４】
このように、本実施形態によれば、光Ｌに含まれる角度ムラおよび位置ムラのうち位置ムラがロッドインテグレータ４によって最初に除去され、次にケーラ照明部５によって角度ムラが位置ムラに変換され、次にライトガイド７によって位置ムラが除去される。これにより、角度ムラおよび位置ムラのない照明光Ｌ’を照明対象Ｘに照射することができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、内視鏡に適用する場合について説明したが、内視鏡以外の装置にも適用することもできる。例えば、照明装置１をプロジェクタに適用する場合には、ライトガイド７に代えて、プロジェクタが備える光変調素子（ＬＣＤまたはＬＣＯＳ）が用いられる。
【００２６】
また、本実施形態においては、ケーラ照明部５によって生成された位置ムラを除去するための構成として内視鏡が備えるライトガイド７を利用することとしたが、これに代えて、ケーラ照明部５の後段に、ロッドインテグレータやライトガイドのようなもう１つの導光部材を備えていてもよい。
このようにすることで、角度ムラおよび位置ムラの両方が除去された状態の光を照明光として他の装置に供給することができ、導光部材を備えていない任意の装置に適用することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る照明装置１について図４〜図８を参照して説明する。
本実施形態においては、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る照明装置１は、図４に示されるように、３つの光源２１，２２，２３と、これら光源２１，２２，２３からの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を同一の光軸Ａ上に合成する合成部６とを備えている点において、第１の実施形態と主に異なっている。
【００２８】
光源２１，２２，２３は、互いに異なる色の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を出射する。本実施形態においては、光源２１，２２，２３として、青、緑、赤の単色の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ出射するＬＥＤなどの半導体光源を想定している。このように異なる光源２１，２２，２３から出射される光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、一般に、互いに異なる配光特性を有する。
【００２９】
図５は、３つの光源２１，２２，２３が出射する光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のスペクトルを示し、図６は、これら３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の配光特性を示している。図６に示されるように、光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって配光特性が異なっている。また、個々の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３、特に緑および赤の光Ｌ２，Ｌ３において、光軸（角度＝０°）Ａに対して配光特性が非対称となっている。なお、図６において、縦軸は、個々の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の最大強度を１として規格化した強度を示している。
【００３０】
図７（ａ）に示されるように、異なる配光特性を有する３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を合成して白色光を生成して照明対象Ｘの領域Ｒに照射した場合、図７（ｂ）に示されるように、領域Ｒ内の位置によって３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の割合が異なることによって、領域Ｒ内の位置によって色が異なるいわゆる色ムラが発生する。例えば、領域Ｒの中心Ｒ１においては、青の光Ｌ３の割合が高く、赤の光Ｌ１の割合が少ないことによって、図７（ｃ）に示されるように、色温度が高くなる。一方、領域Ｒの周縁Ｒ２においては、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の割合が略同一であることによって、色温度が適切な値になる。
【００３１】
本実施形態において、クリティカル照明部３は、３つの光源２１，２２，２３（詳細には、例えば、各ＬＥＤの発光面）と、ロッドインテグレータ４の入射面４ａとが光学的に共役な位置に配されるように構成されている。クリティカル照明部３は、各光源２１，２２，２３の直後段に配置された３つの第１の集光レンズ３１と、後述するように合成部６によって光軸Ａ上に合成された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をロッドインテグレータ４の入射面４ａに集光する単一の第２の集光レンズ３２とを備えている。
【００３２】
合成部６は、光源２１の出射光軸Ａ上に直列に配置され、光源２２，２３からの光Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ光軸Ａに沿う方向に反射する第１のダイクロイックミラー６１および第２のダイクロイックミラー６２を備えている。２つのダイクロイックミラー６１，６２は、図５に示されるように、所定の波長よりも短い波長の光を選択的に透過させるショートパスフィルタの性質を有している。具体的には、第１のダイクロイックミラー６１は、光源２１からの青の光Ｌ１を透過し、光源２２からの緑の光Ｌ２を反射する。ロッドインテグレータ４側の第２のダイクロイックミラー６２は、ダイクロイックミラー６１からの青の光Ｌ１および緑の光Ｌ２を透過し、光源２３からの赤の光Ｌ３を反射する。
【００３３】
次に、このように構成された照明装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る照明装置１を内視鏡に適用するには、第１の実施形態と同様に、ライトガイド７の入射面７ａがケーラ照明部５の瞳面Ｐに配置されるように、照明装置１を内視鏡に接続する。
【００３４】
３つの光源２から出射された３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、まず、クリティカル照明部３に入射される。該クリティカル照明部３において、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は合成部６によって単一の光軸Ａ上に合成され、適切な倍率でロッドインテグレータ４の入射面４ａに集光される。ロッドインテグレータ４、ケーラ照明部５およびライトガイド７における作用は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に含まれる角度ムラおよび位置ムラのうち位置ムラがロッドインテグレータ４によって最初に除去され、次にケーラ照明部５によって角度ムラが位置ムラに変換され、次にライトガイド７によって位置ムラが除去される。これにより、角度ムラおよび位置ムラのない照明光Ｌ’を照明対象Ｘに照射することができる。
【００３６】
さらに、全ての光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の配光特性が、図８に示されるように、互いに略同一になるように改善されることにより、色ムラのない照明光Ｌ’を照明対象Ｘに照射することができる。図８は、ライトガイド７の出射面７ｂにおける３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の配光特性を示している。図８から、照明光Ｌ’は、いずれの角度においても３色の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を一定の割合で含んでおり、均一な色を有することが分かる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、色ムラに関して以下のような効果を奏する。すなわち、光源２１，２２，２３や集光レンズ３１，３２、ダイクロイックミラー６１，６２等の光学部品を組み立てるときに、光学部品の位置および角度にズレが発生し得る。この組立誤差に起因して各光源２１，２２，２３の光軸や配光特性が変化したり光量が低下したりし、照明光Ｌ’の色ムラが生じる。組立誤差が照明光Ｌ’の色ムラに与える影響は、色合成する光源２１，２２，２３の数が多いほど、大きくなる。
【００３８】
さらに、各光源２１，２２，２３から出射される光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の半値角は、ＬＥＤの仕様、特に発光波長によっても異なる。したがって、本実施形態のように複数の色の光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３から１つの照明光Ｌ’を生成する場合、色ムラがさらに顕著に現れる傾向がある。
この問題に対し、本発明によれば、組立誤差に起因する照明光Ｌ’の色ムラにも好適に対応できるので、光学部品を組み立てる際に要求される機械公差を緩和し、組み立て性を向上することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  照明装置
２，２１，２２，２３  光源
３  クリティカル照明部
３１  第１の集光レンズ（コリメート光学系）
３２  第２の集光レンズ
４  ロッドインテグレータ（導光部材）
４ａ  入射面
４ｂ  出射面
５  ケーラ照明部
６  合成部
６１，６２  ダイクロイックミラー
７  ライトガイド（導光部材）
７ａ  入射面
７ｂ  出射面
Ａ  光軸
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  光
Ｌ’  照明光
Ｐ  瞳面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014130761.tif 000008
【図７】
2014130761.tif 000009
【図８】
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