(57)【要約】【課題】複数の半導体光源からの光を合成して出力光を生成する光源装置において、個々の半導体光源からの光の角度特性に差異があっても色むらを低減した出力光を生成する。【解決手段】互いに異なる波長の光Ｌ１，Ｌ２を出力する複数の半導体光源２１，２２と、該複数の半導体光源２１，２２からの各光Ｌ１，Ｌ２を平行光にする複数の光平行化部３１，３２と、これら光平行化部３１，３２によって生成された複数の平行光Ｌ１，Ｌ２を単一の光路に合成する合成部４と、単一の光路上に入射端７ａが配置されたライトガイド７と、合成部４によって合成された平行光Ｌ１，Ｌ２を入射端７ａに集光する集光部５と、入射端７ａに入射する複数の光Ｌ１，Ｌ２の開口数を略一致させるようにこれら複数の光Ｌ１，Ｌ２の光束径を調節する配光特性調節部６とを備える光源装置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】
互いに異なる波長の光を出力する複数の半導体光源と、
該複数の半導体光源から出力された各光を平行光にする複数の光平行化部と、
該複数の光平行化部によって生成された複数の平行光を単一の光路に合成する合成部と、
前記単一の光路上に入射端が配置され該入射端に入射された光を出射端に導光するライトガイドと、
前記合成部によって合成された平行光を前記ライトガイドの入射端に集光する集光部と、
前記ライトガイドの前記入射端に入射する前記複数の光の開口数を略一致させるようにこれら複数の光の光束径を調節する配光特性調節部とを備える光源装置。
【請求項２】
前記配光特性調節部が、開口絞りを備える請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記開口絞りが、前記光平行化部と前記集光部との間に配置されている請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記開口絞りが、前記合成部と前記集光部との間に配置されている請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記開口絞りが、前記光平行化部と前記合成部との間に配置されている請求項３に記載の光源装置。
【請求項６】
前記開口絞りが、前記複数の光平行化部と前記合成部との間の複数の光路にそれぞれ配置され、各々の前記開口絞りの開口径が略同一である請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記配光特性調節部が、前記開口絞りの開口部に設けられ該開口部を透過する光の光量を調節するフィルタを備え、
該フィルタが、略同一の光束径に変換された複数の光の空間的な強度分布を一致させるような光透過率の分布を有する請求項５または請求項６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、光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、異なる波長帯域の光を出力する複数の光源を組み合わせた光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、可視光全域に発光スペクトルを有する白色光源と、比較的狭い波長帯域の光を出力する励起光源とを用いている。２つの光源から別々に出力される白色光および励起光は空間的な強度分布が互いに異なるため、白色光および励起光を試料の同一位置に照射して正確に解析するためには、照射位置におけるこれらの光の空間的な強度分布を一致させることが必要となる。特許文献１では、白色光および励起光をライトガイドの入射端に集光するレンズの焦点位置を入射端から光軸方向にずらすことにより、入射端における白色光および励起光の強度分布の差異が最小となるようにしている。
【０００３】
一方、近年、上述の白色光源や励起光源のようなランプ型の光源に代えて、長寿命、高効率、高レスポンスなどの特徴を有するＬＥＤのような半導体光源が用いられるようになってきている。半導体光源から出力される光の波長帯域は狭いため、広い波長帯域の光が必要な場合には、複数の半導体光源を組み合わせて複数の波長の光を合成して用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４２４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体光源の場合、チップの材質や構造、またはパッケージの構造などに依存して出力される光の角度特性が異なる。光の角度特性はライトガイドを導光している間も保存される。したがって、特許文献１のようにライトガイドの入射端における光の強度分布を調節しただけでは、ライトガイドから出射された後の各光の角度特性の差異によって光の強度分布間に差異が生じ、その結果試料の照射位置において色むらが生じてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の半導体光源からの光を合成して出力光を生成する光源装置において、個々の半導体光源からの光の角度特性に差異があっても色むらを低減した出力光を生成す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、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、互いに異なる波長の光を出力する複数の半導体光源と、該複数の半導体光源から出力された各光を平行光にする複数の光平行化部と、該複数の光平行化部によって生成された複数の平行光を単一の光路に合成する合成部と、前記単一の光路上に入射端が配置され該入射端に入射された光を出射端に導光するライトガイドと、前記合成部によって合成された平行光を前記ライトガイドの入射端に集光する集光部と、前記ライトガイドの前記入射端に入射する前記複数の光の開口数を略一致させるようにこれら複数の光の光束径を調節する配光特性調節部とを備える光源装置を提供する。
【０００８】
本発明によれば、複数の半導体光源から出力された複数の異なる波長の光は、光平行化部によって平行光とされた後、合成部によって１つに合成され、ライトガイドの入射端に入射される。これにより、ライトガイドの出射端からは、個々の半導体光源から出力される光に対して広い波長帯域を有する出力光を出射することができる。
【０００９】
この場合に、複数の光は、ライトガイドの入射端に入射される際の開口数が配光特性調節部によって互いに略一致するように調節されることにより、ライトガイドの入射端への入射角度に関して少なくとも開口数に相当する角度の近傍の領域において角度特性が互いに略同一となるように補正される。これにより、個々の半導体光源からの光の角度特性に差異があっても色むらを低減した出力光を生成することができる。
【００１０】
上記発明においては、前記配光特性調節部が、開口絞りを備えることとしてもよい。
このようにすることで、簡便な構成でありながらライトガイドの入射端に入射する複数の光の開口数を精度良く一致させることができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記開口絞りが、前記光平行化部と前記集光部との間に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、複数の光が平行光とされている位置に開口絞りを配置することにより、開口絞りの光軸方向の位置精度を緩くすることができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記開口絞りが、前記合成部と前記集光部との間に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、単一の開口絞りを用いて複数の光の開口数を精度よく一致させることができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記開口絞りが、前記光平行化部と前記合成部との間に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、ライトガイドに入射されない光をより前段側において除去することにより迷光の発生を抑制することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記開口絞りが、前記複数の光平行化部と前記合成部との間の複数の光路にそれぞれ配置され、各々の前記開口絞りの開口径が略同一であることとしてもよい。
このようにすることで、複数の光の開口数を精度良く一致させることができるとともに、ライトガイドに入射されない光をより前段側において除去することにより迷光の発生を抑制することができる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記配光特性調節部が、前記開口絞りの開口部に設けられ該開口部を透過する光の光量を調節するフィルタを備え、該フィルタが、略同一の光束径に変換された複数の光の空間的な強度分布を一致させるような光透過率の分布を有することとしてもよい。
このようにすることで、出力光の色を光束全体にわたってさらに均一とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の半導体光源からの光を合成して出力光を生成する光源装置において、個々の半導体光源からの光の角度特性に差異があっても色むらを低減した出力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】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る光源装置の全体構成図である。
【図２】図１の光源装置が備える（ａ）第１のＬＥＤの発光スペクトル、（ｂ）第２のＬＥＤの発光スペクトルおよび（ｃ）ライトガイドの出射端から出射される出力光のスペクトルを示すグラフである。
【図３】第１のＬＥＤから出力される第１の光の角度特性を示すグラフである。
【図４】第２のＬＥＤから出力される第２の光の角度特性を示すグラフである。
【図５】図１の光源装置により生成される出力光の角度特性を示すグラフである。
【図６】開口絞りを備えない光源装置により生成される出力光の角度特性を示すグラフである。
【図７】図１の光源装置の変形例を示す全体構成図である。
【図８】図１の光源装置のもう１つの変形例を示す全体構成図である。
【図９】図１の光源装置のもう１つの変形例を示す全体構成図である。
【図１０】図９の光源装置に備えられるフィルタの一例を示す図である。
【図１１】図１の光源装置のもう１つの変形例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る光源装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光源装置１は、図１に示されるように、互いに異なる波長の光Ｌ１，Ｌ２を出力する２つのＬＥＤ（発光ダイオード、半導体光源）２１，２２と、各ＬＥＤ２１，２２からの光Ｌ１，Ｌ２を平行光とする２つのコリメータレンズ（光平行化部）３１，３２と、これらコリメータレンズ３１，３２を通過した光Ｌ１，Ｌ２を単一の光路に合成するダイクロイックミラー（合成部）４と、該ダイクロイックミラー４によって合成された光を集束するコンデンサレンズ（集光部）５と、ダイクロイックミラー４とコンデンサレンズ５との間に配置された開口絞り（配光特性調節部）６と、コンデンサレンズ５によって集束された光が入射されるライトガイド７とを備えている。
【００１９】
図２（ａ）は、第１のＬＥＤ２１から出力される第１の光Ｌ１の発光スペクトルを示し、図２（ｂ）は、第２のＬＥＤ２２から出力される第２の光Ｌ２の発光スペクトルを示している。図３および図４は、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２の角度特性をそれぞれ示している。図３および図４に示されるように、第１の光Ｌ１は第２の光Ｌ２に比べて広い角度特性を有している。すなわち、第２の光Ｌ２は光束径を略一定に維持したまま進むのに対し、第１の光Ｌ１は進行するに従って光束径が徐々に広がっていく角度特性を有している。
【００２０】
コリメータレンズ３１，３２は、前側焦点位置が各ＬＥＤ２１，２２の発光点となる図示しないチップの位置と一致するように配置されている。コリメータレンズ３１，３２としては、例えば、焦点距離が１４ｍｍ、直径が１９ｍｍのものが用いられる。
ダイクロイックミラー４は、一方のコリメータレンズ３１によって平行光とされた第１の光Ｌ１を透過し、他方のコリメータレンズ３２によって平行光とされた第２の光Ｌ２を反射することにより、２つの光Ｌ１，Ｌ２を同一の光路上に合成する。
コンデンサレンズ５は、コリメータレンズ３１，３２と同一の仕様のものが用いられてもよく、異なる仕様のものが用いられてもよい。
【００２１】
開口絞り６は、ライトガイド７の入射端７ａに入射する２つの光Ｌ１，Ｌ２の開口数を略一致させるように、これらの光Ｌ１，Ｌ２の光束径を調節する。光Ｌ１，Ｌ２の開口数は、出力光について観察、計測等の使用目的に応じて定められる色の均一性の精度を満たす程度、すなわち色むらの許容範囲に収まる程度に一致していればよい。本実施形態では、開口絞り６は、ダイクロイックミラー４によって合成された光Ｌ１，Ｌ２の光軸に開口部６ａの中心が一致するように配置されている。開口部６ａの直径（開口径）は、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２のうち狭い角度特性を有する方の光の光束径以下、好ましくは該光束径と同一とされている。本実施形態においては、開口部６ａの直径は、平行光とされた第２の光Ｌ２の光束径と同一とされており、例えば、１０ｍｍとされている。
【００２２】
ライトガイド７は、入射端７ａである基端が、コンデンサレンズ５の焦点位置に配置されている。ライトガイド７としては、例えば、直径が２ｍｍ、開口数が０．５であるマルチモードファイバが用いられ、入射端７ａに対して３０°より小さい入射角度で入射した光がライトガイド７によって導光されるようになっている。
【００２３】
次に、このように構成された光源装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る光源装置１は、発光スペクトルの波長帯域が狭くかつ互いに異なるＬＥＤ２１，２２を２つ組み合わせることにより、広い波長帯域の出力光を生成するものである。各ＬＥＤ２１，２２から出力された互いに異なる波長の第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、コリメータレンズ３１，３２によってそれぞれ平行光とされた後、ダイクロイックミラー４によって１つに合成される。合成された光Ｌ１，Ｌ２は、コンデンサレンズ５によって集束されてライトガイド７に入射される。これにより、ライトガイド７の図示しない出射端からは、図２（ｃ）に示されるように、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とが合成されて波長帯域が拡大された出力光が出射される。
【００２４】
ここで、平行光とされた第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、ダイクロイックミラー４によって１つに合成された後、開口絞り６によって光束径が互いに同一となるように調節されてからコンデンサレンズ５に入射される。すなわち、開口絞り６に入射した光Ｌ１，Ｌ２のうち、第２の光Ｌ２は全光束が開口絞り６の開口部６ａを通過する。一方、第１の光Ｌ１は、第２の光Ｌ２の光束からはみ出した周辺部が開口絞り６によって遮断され、第２の光Ｌ２の光束と重畳している中央部分のみが開口部６ａを通過する。これにより、開口絞り６からは、２つの光Ｌ１，Ｌ２が、ライトガイド７の入射端７ａへの入射角度に関して少なくとも開口数に相当する角度の近傍の領域において、角度特性が揃った状態で出力されることとなる。そして、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、コンデンサレンズ５により同一の開口数をなしてライトガイド７の入射端７ａに入射される。
【００２５】
このように、本実施形態によれば、互いに異なる角度特性を有する２つの光Ｌ１，Ｌ２は、コリメータレンズ３１，３２およびダイクロイックミラー４によってライトガイド７の入射端７ａに対する指向方向が揃えられ、さらに入射端７ａに入射する際の開口数が開口絞り６によって一致させられる。これにより、ライトガイド７から出射される出力光は、少なくとも光束の周辺部における角度特性が揃った状態で２つの光Ｌ１，Ｌ２が合成された光となるので、出力光の色むらを低減することができるという利点がある。
【００２６】
さらに、ＬＥＤ２１，２２の配光特性上、ライトガイド７の入射端への入射角度が小さい領域においても２つの光Ｌ１，Ｌ２の角度特性がほぼ揃っている場合は、光束全体にわたって角度特性が揃った状態で互いに重畳させることができる。この場合は、ライトガイド７から出射される出力光を、光束全体にわたって２つの光Ｌ１，Ｌ２が均一に合成された色むらのない光とすることができる。
【００２７】
図５は、本実施形態に係る光源装置１において、ライトガイド７に入射される光Ｌ１，Ｌ２の角度特性を示すグラフである。図５に示されるように、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２の角度特性は略一致している。この角度特性は、ライトガイド７を導光している間も保存されるので、ライトガイド７から出力される光も図５と同様の角度特性を有することとなる。したがって、ライトガイド７から出射される出力光は、いずれの角度においても２つの光Ｌ１，Ｌ２が略同一の割合で合成された、光束全体にわたって色むらが低減された光となる。
【００２８】
図６は、比較例として、図１の構成において開口絞り６を省いた場合のライトガイド７に入射される各光Ｌ１，Ｌ２の角度特性を示すグラフである。図６に示されるように、開口絞り６を備えない光源装置においては、入射端７ａへの入射角度が大きい領域において、第２の光Ｌ２に比べて第１の光Ｌ１の方が相対的に光量が多くなり、光束の中心部と周辺部とでは色に差異が生じることとなる。なお、図５および図６において、縦軸は、光束の中心位置に対応する角度０°における各光Ｌ１，Ｌ２の強度を１として規格化したときの強度を表している。
【００２９】
また、２つの光Ｌ１，Ｌ２の角度特性のばらつきを低減する方法として、２つのコリメータレンズ３１，３２の焦点距離を調節する方法も存在するが、この方法においては厳しい設計条件が要求される。これに対し、本実施形態によれば、簡易な光路構成でありながら２つの光Ｌ１，Ｌ２の角度特性のばらつきを補正することができるという利点がある。特に、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２が平行光とされている位置に開口絞り６を配置することにより、開口絞り６の位置精度を緩くすることができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、２つのＬＥＤ２１，２２を備えることとしたが、ＬＥＤの数は適宜選択可能である。図７は、３つのＬＥＤ２１，２２，２３を備えた変形例に係る光源装置１００の全体構成を示している。光源装置１００は、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を単一の光路に合成するために２つのダイクロイックミラー４１，２４を備えている。ここで、開口絞り６の開口部６ａの直径（開口径）は、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち最も狭い角度特性を有する光の光束径以下、好ましくは該光束径と同一とされている。このようにすることで、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が少なくとも光束の周辺部における角度特性が揃った状態で合成された出力光を生成することができる。この変形例においても、３つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が平行光とされて合成された後に開口絞り６を通過するように、後段側のダイクロイックミラー４２とコンデンサレンズ５との間に開口絞り６が配置されることが好ましい。
【００３１】
また、本実施形態においては、開口絞り６をダイクロイックミラー４とコンデンサレンズ５との間に配置することとしたが、これに代えて、図８に示されるように、コンデンサレンズ５とライトガイド７との間に配置することとしてもよい。この変形例に係る光源装置２００においては、開口絞り６の開口部６ａの直径は、開口絞り６の光軸方向の位置によって決まる。
【００３２】
このようにした場合も、より広い角度特性を有する第１の光Ｌ１のうち光束の周辺部を開口絞り６によって除去することにより、２つの光Ｌ１，Ｌ２の開口数を一致させることができる。また、ライトガイド７の入射端７ａにより近い位置に開口絞り６を配置することにより、ライトガイド７への集光性の一致性を向上することができる。
【００３３】
また、本実施形態においては、図９に示されるように、２つの開口絞り６１，６２を各コリメータレンズ３１，３２とダイクロイックミラー４との間の複数の光路に配置することとしてもよい。この場合、開口絞り６１，６２のそれぞれの開口部６１ａ，６２ａの開口径は、略同一とされる。開口部６１ａ，６２ａの開口径は、出力光について観察、計測等の使用目的に応じて定められる色の均一性の精度を満たす程度に一致していればよい。
このようにした場合も、２つの光Ｌ１，Ｌ２の開口数を一致させることができる。また、最終的にライトガイド７に入射されない不要な光が光路のより前段において除去されることとなるので、迷光の発生を抑制することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、開口絞り６をコリメータレンズ３１，３２とダイクロイックミラー４との間のいずれか一方の光路に配置することとしてもよい。この場合、開口絞り６が配置されるべき光路は、２つの光Ｌ１，Ｌ２のうち広い角度特性を有する方の光が通過する光路である。また、開口絞り６の開口部６ａの直径（開口径）は、開口絞り６が配置されていない光路を通る光、すなわち狭い角度特性を有する方の光であって、コリメータレンズにより平行光とされた光の光束径と同一とされている。
このようにした場合も、２つの光Ｌ１，Ｌ２の開口数を一致させることができるとともに、迷光の発生を抑制することができる。
【００３５】
また、図９に示される変形例に係る光源装置３００においては、図１０に示されるような光透過率の分布を有するフィルタ（配光特性調節部）８１，８２が開口部６１ａ，６１ｂに備えられていてもよい。図１０において、異なるハッチングは光透過率の違いを表している。
【００３６】
このようにフィルタ８１，８２を備えることにより、各光Ｌ１，Ｌ２の角度特性の形状（プロファイル）を補正することができる。すなわち、開口部６ａにおいて光Ｌ１，Ｌ２が１００％通過する場合には、ライトガイド７の入射端７ａに入射する２つの光Ｌ１，Ｌ２の開口数を一致させることはできるが、角度特性のプロファイルを一致させることはできない。そこで、フィルタ８１，８２によって光Ｌ１，Ｌ２の各位置における光量を独立に補正することにより、２つの角度特性のプロファイルも一致させ、光束全体にわたってさらに色が均一な出力光を生成することができる。
【００３７】
また、本実施形態においては、開口絞り６が他の光学素子３１，３２，４，５と別体で構成されていることとしたが、これに代えて、他の光学素子３１，３２，４，５と一体に構成されていてもよい。図１１は、図１に示される光路構成において、開口絞り６’をダイクロイックミラー４と一体に構成した例を示している。すなわち、開口絞り６’は、ダイクロイックミラー４の一方の面に設けられた、第１の光Ｌ１を遮断する遮光膜６ｂから構成されている。このようにすることで、光源装置４００の光路構成をさらに簡易にすることができる。
【００３８】
また、本実施形態においては、合成部としてダイクロイックミラー４を用いることとしたが、合成部の構成はこれに限定されるものではなく、波長帯域の異なる複数の光を単一の光路に合成する他の光学素子を用いることとしてもよい。例えば、回折の分光依存性を利用した回折型の光学素子を用いてもよく、ハーフミラーを用いてもよい。また、本実施形態においては、ＬＥＤ２１，２２に代えてＬＤ（レーザダイオード）を用いることとしてもよい。
【００３９】
また、本実施形態においては、光平行化部としてコリメータレンズ３１，３２を用いることとしたが、光平行化部の構成はこれに限定されるものではなく、コリメートミラーを用いることとしてもよい。また、本実施形態においては、集光部としてコンデンサレンズ５を用いることとしたが、集光部の構成はこれに限定されるものではなく、集光ミラーを用いることとしてもよい。また、ライトガイド７の具体例として、マルチモードファイバに代えて、光学ロッドを用いてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１，１００，２００，３００，４００  光源装置
２１，２２，２３  ＬＥＤ（半導体光源）
３１，３２，３３  コリメータレンズ（光平行化部）
４，４１，４２  ダイクロイックミラー（合成部）
５  コンデンサレンズ（集光部）
６，６’  開口絞り（配光特性調節部）
６ａ  開口部
７  ライトガイド
７ａ  入射端
８１，８２  フィルタ（配光特性調節部）
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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