(57)【要約】高輝度照射システム（１０）は、光源が個々に動作する場合に可能であるよりも高い輝度を有する集光出力（１６）を提供する１以上の集光路に沿った高速連続移動のための、複数の、空間的に分割された、連続パルス光源（１２）を備える。複数の光源にはそれ以外によるよりもはるかに高いレベルで光を出力することを可能にするレートでパルスが付与される。これらの比較的高い出力パルスを付与された光源を高速に組み合わせることにより、比較的大きな光量を結合して単一の出力にすることができ、それにより高輝度集中光源が提供される。
2005536835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予定されたパターンで空間的に分割された複数の変調可能光源と、
所定のシーケンスで該光源を励起することにより空間的かつ時間的に分割された複数の光パルスを提供する駆動手段と、
該複数の光パルスの出力を１以上の集光路に沿った高速連続移動のために直列的に受け取り再方向付けすることにより、該光源が個々に動作する場合に可能であるよりも高い輝度を有する集光出力を提供する走査手段と、
を含む高輝度照射システム
【請求項２】
前記光源の各々が所定の発光領域Ａｅから所定の立体角Ωｅに亘って照射し、前記集光路が所定の集光角度Ωｃおよび集光領域Ａｃに亘って照射光を集め、ΩｅとＡｅとの積がΩｃとＡｃとの積に実質的に等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
反射および吸光による損失を除いて、前記光源の各々により発光された光パワーの実質的にすべてが結合されて前記集光路になる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源の各々が発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の光源の各々に対して、該複数の光源の対応する１つからの照射光を集めて所与の方向に方向付ける複合放物線状集光器（ＣＰＣ）をさらに含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＣＰＣの各々が、内部全反射および反射コーティングの一方によって動作するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＬＥＤの１以上が、他のＬＥＤが照射を発するスペクトル領域とは異なる所定のスペクトル領域に亘って照射光を発することにより前記集光出力の色コンテントを制御する、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記光源の１以上が、他の光源が照射を発するスペクトル領域とは異なる所定のスペクトル領域に亘って照射光を発することにより前記集光出力の色コンテントを制御する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記光源の各々がレーザダイオードを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の光源が、レーザ発光ダイオード、キセノンフラッシュランプ、およびレーザダイオードからなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の光源が、各々が所与の方向に照射光を発するように構成された光源のアレイと、複合放物線状集光器（ＣＰＣ）のアレイとを含み、該光源のアレイおよび該ＣＰＣのアレイが、各該光源が該ＣＰＣの対応する１つに照射光を発し、該ＣＰＣの出力がすべて所与の方向に向けられるように互いに配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＣＰＣのアレイの個々のＣＰＣが、内部全反射および反射コーティングの一方によって動作するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＣＰＣのアレイが単一の射出成形された物体として製造される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ＣＰＣからの前記出力を受け取り平行光にして複数の平行ビームとして下流へ移動させるコリメート光学部品をさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記走査手段が、フォーカスレンズと、再撮像レンズおよび複合放物線状集光器の一方と、該フォーカスレンズと該再撮像レンズとの間に設けられた走査サブシステムとを含み、該フォーカスレンズ、前記駆動手段、該走査サブシステムおよび該再撮像レンズが、前記光源の１つが該駆動手段によってシーケンスされた場合に該フォーカスレンズが対応する平行ビームを該走査サブシステムに撮像し且つ該再撮像レンズが前記集光路の入口にその像を再撮像するように、互いに構成かつ配置されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記走査サブシステムが少なくとも１つの傾斜軸を有する走査ミラーを含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光源の各々が所定の発光領域Ａｅから所定の立体角Ωｅに亘って照射し、前記集光路が所定の集光角度Ωｃおよび集光領域Ａｃに亘って照射光を集め、ΩｅとＡｅとの積がΩｃとＡｃとの積に実質的に等しい、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
反射および吸光による損失を除いて、前記光源の各々により発光された光パワーの実質的にすべてが結合されて前記集光路になる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記システムが、初期レッグと該初期レッグに対して所定の角度で配置された最終レッグとを含む折れ曲がった光路を有し、前記光源が、該初期レッグに概して平行な方向に照射光を発し且つ該最終レッグに沿って照射光を集めるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムが光軸を有し、前記光源が該光軸まわりに放射状に配置されることにより該光軸に対して概して角度を有する方向の路に沿って照射光を発し、前記集光路が該光軸に沿って配置され、前記走査手段が該光軸に沿って位置することにより該光源の各々からの照射光を直列的に集めて概して該光軸に沿って該集光路に向けて方向付ける、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記光源が前記光軸まわりに配置されることにより該光軸に概して直交するように照射光を発し、前記走査手段が回転プリズムである、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記走査手段が、ミラー、プリズム、回折格子、音響光学変調器、波長分割多重器、二色エレメント、フレネルミラー、およびペリクルミラーからなる群より選択される光学コンポーネントを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記走査手段が、ステッパモータ、ＤＣサーボモータ、ボイスコイル、検流計、および微小電子機械デバイス（ＭＥＭＳ）からなる群より選択されるアクチュエータを含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記集光出力の輝度が、前記光源の個々が連続的に動作した場合の輝度よりも少なくとも２倍高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記集光出力の輝度が、前記光源の個々が連続的に動作した場合の輝度よりも少なくとも１桁高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記集光出力の輝度が、前記光源の個々が連続的に動作した場合の輝度よりも約２０倍高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記複数の光源が８０％未満のデューティサイクルで動作するＬＥＤを含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記システムが、初期レッグと該初期レッグに対してオフセットした位置に該初期レッグに平行に配置された最終レッグとを含む折れ曲がった光路を有し、前記光源が、該初期レッグに概して平行な方向に照射光を発し且つ該最終レッグに沿って照射光を集めるように配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記走査手段が前記最終レッグまわりに固定的に配置されているドーナツ型ミラーと該最終レッグに沿って且つ該最終レッグ上に設けられた回転プリズムエレメントとを含み、該ドーナツ型ミラーおよび該回転プリズムエレメントが、前記複数の光源が前記駆動手段によってシーケンスされている間に該回転プリズムエレメントが該複数の光源の各々を走査することにより該複数の光源の出力を前記集光路に沿って方向付けるように、互いに構成され配置されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記複数の光源の各々がそれ自体、光源のサブシステムアレイを含み、トリプレットレンズをさらに含むことにより、該光源のサブシステムアレイの各々からの出力を前記回転アレイ上に収束し、その後前記最終レッグに向けてさらに収束し、該最終レッグ上に実質的にフォーカスされる、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
高輝度照射システムであって、
予定されたパターンで空間的に分割された複数の変調可能光源であって、該複数の光源が、各々が所与の方向に照射光を発するように構成された光源のアレイと、複合放物線状集光器（ＣＰＣ）のアレイとを含み、該光源のアレイおよび該ＣＰＣのアレイが、各該光源が該ＣＰＣの対応する１つに照射光を発し、該ＣＰＣの出力がすべて所与の方向に向けられるように互いに配置されている、複数の変調可能光源と、
該ＣＰＣからの出力を受け取り平行光にして複数の平行ビームとして下流へ移動させるコリメート光学部品と、
所定のシーケンスで該光源を励起することにより空間的かつ時間的に分割された複数の光パルスを提供する駆動手段と、
該複数の光パルスの出力を１以上の集光路に沿った高速連続移動のために直列的に受け取り再方向付けすることにより、該光源が個々に動作する場合に可能であるよりも高い輝度を有する集光出力を提供する走査手段であって、フォーカスレンズと、再撮像レンズと、該フォーカスレンズと該再撮像レンズとの間に設けられた走査サブシステムとを含み、該フォーカスレンズ、前記駆動手段、該走査サブシステムおよび該再撮像レンズが、該光源の１つが該駆動手段によってシーケンスされた場合に該フォーカスレンズが対応する平行ビームを該走査サブシステムに撮像し且つ該再撮像レンズが該集光路の入口にその像を再撮像するように、互いに構成かつ配列されている、走査手段と、
を含むシステム。
【請求項３２】
前記走査サブシステムが２軸走査ミラーを含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
高輝度照射源を提供する方法であって、
複数の変調可能光源を、予定されたパターンで空間的に分割されるように搭載する工程と、
所定のシーケンスで該光源を励起することにより、空間的かつ時間的に分割され且つ該光源が連続的に動作することにより生成されるよりも高い強度の複数の光パルスを提供する工程と、
該光源の出力を走査することにより、該出力を１以上の集光路に沿った高速連続移動のために直列的に受け取り再方向付けし、それにより、該光源が個々に動作する場合に可能であるよりも高い輝度を有する集光出力を提供する工程と、
を含む方法。
【請求項３４】
前記光源の各々が所定の発光領域Ａｅから所定の立体角Ωｅに亘って照射し、前記集光路が所定の集光角度Ωｃおよび集光領域Ａｃに亘って照射光を集め、ΩｅとＡｅとの積がΩｃとＡｃとの積に実質的に等しい、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
反射および吸光による損失を除いて、前記光源の各々により発光された光パワーの実質的にすべてが結合されて前記集光路になる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記光源の各々が発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記複数の光源の各々に対して、該複数の光源の対応する１つからの照射光を集めて所与の方向に方向付ける複合放物線状集光器（ＣＰＣ）をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ＣＰＣの各々が、内部全反射および反射コーティングの一方によって動作するように構成されている、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記ＬＥＤの１以上が、他のＬＥＤが照射光を発するスペクトル領域とは異なる所定のスペクトル領域に亘って照射光を発することにより前記集光出力の色コンテントを制御する、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記光源の１以上が、他の光源が照射光を発するスペクトル領域とは異なる所定のスペクトル領域に亘って照射光を発することにより前記集光出力の色コンテントを制御する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記光源の各々がレーザダイオードを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
前記複数の光源が、レーザ発光ダイオード、キセノンフラッシュランプ、およびレーザダイオードからなる群より選択される、請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
前記集光出力の輝度が、前記光源の個々が連続的に動作した場合の輝度よりも少なくとも２倍高い、請求項３３に記載の方法。
【請求項４４】
前記集光出力の輝度が、前記光源の個々が連続的に動作した場合の輝度よりも少なくとも１桁高い、請求項３３に記載の方法。
【請求項４５】
前記集光出力の輝度が、前記光源の個々が連続的に動作した場合の輝度よりも約２０倍高い、請求項３３に記載の方法。
【請求項４６】
前記複数の光源が８０％未満のデューティサイクルで動作するＬＥＤを含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は概して高輝度光源に関し、特に複数の光源の出力を有利に結合して、個々の光源の出力から得られる輝度よりも高い輝度を有する単一の出力にする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度集中光源の使用は数多い。これらの適用のほとんどはレーザ光源の使用を必要とし、レーザ光源は今のところ高価であり比較的複雑である。したがってレーザ光源は高価で複雑すぎるため、高輝度集中光源を必要とする多くの問題には適用されていない。
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は高輝度を達成する別の可能性のある光源である。しかし、単一のＬＥＤまたは連続的に動作する単一のＬＥＤアレイ（ＣＷ）は、所与の開口度、例えば光ファイバの開口度でスポット焦点に像形成される場合、得られる輝度に限界がある。さらにダメージを与えるほどの高レベルの熱が生成されるため、ピーク近傍のパワーレベルでＣＷ動作された場合、ＬＥＤの光出力パワーには限界がある。それでもＬＥＤは魅力あるレーザの代替物である。なぜならＬＥＤはそれほど複雑でも高価でもなく、紫外光から中赤外光スペクトルまでの広い範囲で入手可能であり、低減されたデューティサイクルで変調されることにより熱ダメージを受けることなくピークパワーを上昇させ得るからである。変調されることにより低減されたデューティサイクルの動作でピークパワーを上昇させ得る他の光照射源は、レーザダイオード、キセノンフラッシュランプなどである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の主な目的は、低価格の高輝度集中光源を提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、出力を直列的に結合することにより単一の光源で得られるよりも高い輝度を有する出力にする、比較的低価格の光源を複数用いた、低価格の高輝度光源を提供することである。
【０００６】
本発明のさらに別の目的は、複数のＬＥＤの出力を直列的に結合することにより単一のＬＥＤで得られ得るよりも高い輝度を有する単一の光源を提供する、低価格の高輝度光源を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、異なる色の複数のＬＥＤの出力を直列的に結合することにより単一のＬＥＤで得られるよりも高い輝度および異なる色を有する単一の光源を提供する、低価格の高輝度光源を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、複数のＬＥＤの出力を直列的に結合することにより低価格の高輝度光源を提供する、様々な異なる装置を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、複数のＬＥＤの出力を直列的に結合することにより低価格の高輝度光源を提供する、比較的小型で軽量の装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、部分的に、添付の図面を参照して以下の記載を読むことにより明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の要旨）
本発明は複数の光源を直列的に結合して単一の出力にする装置および方法に関する。複数の光源にはそれ以外によるよりもはるかに高いレベルで光を出力することを可能にするレートでパルスが付与される。これらの比較的高い出力パルスを付与された光源を高速に組み合わせることにより、比較的大きな光量を結合して単一の出力にすることができ、それにより高輝度集中光源が提供される。
【００１２】
本発明は概して、予定されたパターンで空間的に分割された複数の変調可能光源を含む高輝度照射システムを含む。所定のシーケンスで光源を励起することにより空間的かつ時間的に分割された複数の光パルスを提供するために駆動手段が設けられる。走査手段は、複数の光パルスの出力を１以上の集光路に沿った高速連続移動のために直列的に受け取り再方向付けすることにより、光源が個々に動作する場合に可能であるよりも高い輝度を有する集光出力を提供する。
【００１３】
光源は、ＬＥＤ、レーザダイオード（ＬＤ）、またはキセノンフラッシュチューブを含み得るが、ＬＥＤが好ましい。一局面において、ＬＥＤアレイが複合放物線状集光器およびコリメータ光学部品と共に用いられて、後に光ファイバケーブルという形態の下流集光器の出力に方向付けられる連続的平行ビームを提供する。走査は好ましくは、平行ビームの像を走査エレメント上に形成するフォーカスレンズにより行われ、その後その像は集光ファイバの入口瞳に再形成される。上記再形成は、光源発光立体角とその発光領域との積が、ファイバケーブルの受取の集光領域と立体角との積に実質的に等しく、それにより光結合を保証するように行われる。
【００１４】
別の実施形態では、音響光学変調器（ＡＯＭ）および回折構造が、走査機能および回折エレメントとの色混合を提供するように構成され得る。所望の色を提供するために蛍光体層もまた用いられ得る。
【００１５】
高輝度照射光源を提供する方法は、複数の変調可能光源を、予定されたパターンで空間的に分割されるように搭載する工程と、その後所定のシーケンスで光源を励起することにより、空間的かつ時間的に分割され且つ光源が連続的に動作することにより生成されるよりも高い強度の複数の光パルスを提供する工程とを含む。光源の出力は走査されて、出力を１以上の集光路に沿った高速連続移動のために直列的に受け取り再方向付けし、それにより、光源が個々に動作する場合に可能であるよりも高い輝度を有する集光出力を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、広範囲の適用においてレーザに代わって用いられ得る簡単で低価格の高輝度集中光源の様々な実施形態を提供する。
【００１７】
本発明を白光に適用した実施例は、ＬＣＤ投影システム（メタルハライドまたは高圧水銀アークランプ代替物）、外科用ヘッドライト、エンドスコープ照射、ビデオシステム照射、主要外科用予備ライト、高輝度産業用照射、遠距離光送達、自動車内部光エンジン、および／または建築用ライティングなどを含むがこれらに限定されない。
【００１８】
本発明を単一の色に適用した場合の実施例は、フォトダイナミック治療（ＰＤＴ）、アドヒーシブ治癒システム、および／または医療または歯科治癒などを含むがこれらに限定されない。
【００１９】
本発明は、変調されることにより低減されたデューティサイクルでピークパワーを上昇させ得る任意の光照射源に適用され、ＬＥＤ、レーザダイオード、キセノンフラッシュランプなどに限定されない。
【００２０】
しかし発光ダイオード（ＬＥＤ）は好ましい光源である。なぜならＬＥＤは紫外光から中赤外光スペクトルまでの範囲の複数の色または波長で入手可能であり、混合して他の色を合成することができるからである。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態を図１に示す。図１に見られるように、本発明は、２つの主要構成要件、すなわち光源１２および走査システムまたは集光および方向付けシステム１６を含むライティングシステム１０である。光源１２は複数の個々の光源を含む。個々の光源１２の機能は、比較的短時間に亘って高パワーの光を提供することである。走査システム１６の目的は、個々の光源からの出力を光学的に結合して、１８で示す単一の高輝度出力にすることである。
【００２２】
図２は、本発明の好ましい実施形態のシステムタイミング図である。図示するように、各光源１２（ＬＳ−１、ＬＳ−２などの符号を付している）は異なる時間にオンにされ、短期間そのまま保持され、その後オフにされる。スキャナ１６（ＳＰ）は個々の相のタイミングと同期して動作し、各相を光学的に結合して出力１８にする。したがってスキャナは、一度に１パルスで直列的に動作し、各パルスを連続的に結合して出力１８にする。このプロセスは高速に連続して反復され、図２の下部に「システム出力」として示される形態のほぼ連続的な出力を生成する。図２からわかるように、システム出力は個々の光源により提供され得るＣＷ出力よりも実質的に高い。パルスレートは、視覚的な適用の場合、人間の視覚システムフリッカよりも高くなければならず、他の適用の場合、必要に応じて高くされ得る。
【００２３】
システム出力のピークが光源ＣＷを動作させることによる出力よりもはるかに高い理由は、個々の光源の動作特性と関係がある。発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオードなどの光源が連続的パワーで動作する場合、図３に示すように、これらから抽出され得る光量に限界がある。これからわかるように、光パワーは、限界に達するまで、電気入力パワーに比例して増加する。この限界を超えて電気パワーが増加した場合、これ以上の光量は抽出されないか、または抽出される光量が減少する。光パワー出力の限界に関する主要メカニズムの１つは、装置内の熱生成である。同一の装置に短期間パルスが与えられその後装置が一定期間オフにされた後再びパルスが与えられると、同一の平均電気パワーおよび熱負荷を維持しながら、はるかに高いピーク光パワーで動作し得る。
【００２４】
図４は、ピーク光パワーとデューティサイクル（オン時間とオフ時間との割合）との関係を示す。図４が示すように、デューティサイクルが低いと、高いピーク光パワーが個々のデバイスから抽出され得る。したがって図２に示す出力信号の平均パワーは、単一の光源の連続的出力の何倍も高い。図４が示すように、デューティーサイクルが１００から１まで変化するのに対して、ピーク相対パワーは約２から９０を越える値まで変化し得、これにより出力１８の総輝度は個々の光源に対する入力のいずれよりもはるかに高くなる。
【００２５】
図５は、本発明の好ましい実施形態を示す。ここにおいて、本発明の好ましい実施形態は概してシステム２０で示され、システム２０は主要構成要件を含む本体２１を有する。システム２０は光源としてのＬＥＤダイまたはチップ２８と、ボイスコイル作動式２軸スキャナ２４とを含む。図５に示すように、ＬＥＤチップ２８を冷却するためにヒートシク２２が設けられている。光ファイバケーブル２６は本体２１上または本体２１内の補完的に構成された構造を光学的および機械的に結合し、集光システム光出力１８の出力として提供する。従って光ファイバケーブル２６の遠位端から発する光は、その特性を必要とする任意の高感度下流適用に用いられ得る高輝度集中光源である。
【００２６】
図６は、図５に示すシステム２０の断面図であり、図７は、図５および図６に示すヒートシンク２２およびＬＥＤダイ２８のより詳細な図である。
【００２７】
図５、図６および図７に示すシステム２０において、ＬＥＤ２８は、熱をヒートシンク２２まで効率的に通過させる周知のヘッダ上に搭載されている。別の実施形態では、ヒートシンク２２は、熱をより効率的に除去するファン、液体冷却熱交換機、またはＴＥ冷却器でもあり得る。
【００２８】
図６および図７から最もよくわかるように、ＬＥＤは、個々の発光領域を含む１次元または２次元のアレイという形態を取り得る。個々の発光領域の各々は結合して光学エレメントアレイ３０の対応する光学エレメントになる。コリメートレンズアレイ３２は、個々のＬＥＤがオンになると、光学エレメントアレイ３０からの出力に対して作用して一連の平行ビームを提供する。平行ビームは各々、フォーカスレンズサブシステムを通過する。フォーカスレンズサブシステムは、フィールドレンズ３４と２つの収束レンズ３６および３８とを含む。これらはすべて、各平行ビームの像をミラー４２に形成するように構成されている。ミラー４２は２次元配置を実現するように搭載され、ボイスコイル４０などによって、光軸に対して傾くように作動され得る。
【００２９】
ミラー４２上に形成された像はその後、再撮像レンズサブシステムによって光ファイバケーブル２６のコアに再度像形成される。再撮像レンズサブシステムは、３つのエレメント、４４、４６および４８を含む。ミラー４２の位置を制御する信号を提供するために象限検出器５８が設けられている。様々なシステム機能を制御し、図２のタイミング図により必要とされるように、ＬＥＤとミラー４２とを互いに駆動させるために周知のシステム電子部品が設けられている。システム電子部品は、この目的のために設けられた電子部品領域５６に配置されている。
【００３０】
図７に示すように、ダイ２８の各ＬＥＤの出力は非撮像集中器によって効率的に結合される。非撮像集中器は例えば、集光アレイ３０のエレメントとして一体的に形成された複合放物線状集光器（ＣＰＣ）６０であるがこれに限定されない。各ＣＰＣは内部全反射（ＴＩＲ）により動作するように構成されるか、または例えばＵＶ光などにより必要とされる反射表面を備え得る。各ＣＰＣは、チップ２８内の対応するＬＥＤアレイからの光をすべて効率的に集め、実質的にその１００％を出射瞳から発する。出射瞳の直径は好ましくは１．５ｍｍである。コリメートレンズアレイ３２はコリメートレンズエレメント６４のアレイ（典型的には）を含み、コリメートレンズエレメント６４は、対応するＣＰＣの出射瞳から発する光の個々の平行ビームを形成する。したがって、図７に示す各コリメートレンズ６４は、対応する集光器の出射瞳上の光出射点を集めて、それを図８ａ、図８ｂおよび図８ｃに示すように無限にフォーカスする。図８ａ、図８ｂおよび図８ｃは、ＯＮ軸ＬＥＤ発光、オフ軸ＬＥＤ発光、およびオフ軸のより低いＬＥＤ発光に対応する光線をトレースした図である。
【００３１】
要約すると、図６に示すフォーカスレンズが、２軸スキャナ２４内のミラー上に像を形成する。スキャナ２４は集光器の外面の像の各々が再撮像レンズを介して図８に示す出力ファイバコアに向かうように方向づけるように作用する。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態において、再撮像レンズシステムは概して、光ファイバの開口に効率的に結合させる画像空間内のテレセントリックレンズである。換言すると、光がＣＰＣから発される立体角Ωｅにその発光領域Ａｅを乗じた値が、光ファイバコアの集光角度Ωｃにその集光領域Ａｃを乗じた値と実質的に等しい。好ましくは、Ａｅ＝Ａｃ、すなわち１体１の撮像に対してもＡｃ＝１．５ｍｍである。あるいは再撮像レンズをＣＰＣに置換してもよい。
【００３３】
好ましい実施形態において、光学システムの焦点距離は１．７８ｍｍであり、ＣＰＣの出力のセミフィールド角度は３０度であり、光ファイバケーブルのＮＡは０．５であり、これにより、３０度のセミフィールド受取角度も提供される。
【００３４】
好ましい光学システム用の構成または規定データを図８ｄの表１に従来の形態で示す。ここにおいて、データは焦点距離を１００ｍｍとして換算したものである。当業者であれば、収差は線形に換算できないことに注意しながらも、この構成データは再換算され得ることを理解する。
【００３５】
図６に示すように、象限検出器５８はスキャナミラー４２に対して角度を有する位置であるが、有効光束（図８ａ〜図８ｃを参照）の外に設けられている。平行光源（図示せず）はミラー４２に対して同一であるが逆の角度に位置している。ミラー４２が空間を移動すると、光源からの平行光もまた移動して変更された様式で象限検出器上に来る。新しい位置は電子部品によって、ミラー４２の位置を表すと理解される。このミラーの位置信号はその後、周知のスキャナ制御電子部品により、ミラー４２の動作を制御するために用いられる。上記の制御およびＬＥＤ駆動電子部品（図示せず）は、ハウジング２１内に収容されている。
【００３６】
本発明の別の実施形態において、ミラー制御光学部品は、ミラー４２の背面から反射することにより、スキャナミラーシステムに組み込まれる。
【００３７】
上記したように、本発明は概して複数の光源１２とスキャナ１６とを含む。スキャナ１６内に、アクチュエータおよび走査エレメントがある。光源の例は、発光ダイオード、レーザダイオード、および／またはキセノンフラッシュランプなどを含むがこれらに限定されない。アクチュエータの例は、ステッピングモータ、ＤＣサーボモータ、ボイスコイル、検流計、および／または微小電子機械デバイス（ＭＥＭＳ）などを含むがこれらに限定されない。走査エレメント（および／または走査システム）の例は、ミラー、プリズム、回折格子、音響光学変調器、波長分割多重器、二色エレメント、フレネルミラー、および／またはペリクル型ミラーなどを含むがこれらに限定されない。これらの例を図９に示す。図９はさらに上記のエレメントが有利に組み合わされて本発明が実施され得る様々な可能性をツリー構造で示す。
【００３８】
図１０は本発明の別の実施形態の断面図を示す。ここにおいて、本発明の別の実施形態は概してシステム１００として示されている。システム１００は１軸走査アクチュエータ（エンコーダ付きＤＣサーボモータ）１０８と走査エレメントとしてのプリズム１０６およびそのホルダとを用いる。光源はＬＥＤダイ１０２であり、ＬＥＤダイ１０２は、内側を向いた状態で回転中心まわりに放射状に配列されるか、またはシステムの光軸または光路に対して直交する方向に配列されている。各ＬＥＤ１０２は、光集コンポーネント１０３とコリメートレンズ１０４とを含む。コリメートレンズ１０４は、平行光をプリズム１０６方向に向け、プリズム１０６は光をフォーカスレンズ１１０に反射する。フォーカスレンズ１１０は光を出力光ファイバ１１２のコアにフォーカスする。
【００３９】
図１１は、システム１２０として示される本発明の別の実施形態を示す。システム１２０では、図１０に示すシステムに類似の複数の光源１２２および１２４が、平行光ビーム１２６および１２８がそれぞれ音響光学変調器すなわちＡＯＭ１３０方向に向くように配置されている。ＡＯＭ１３０は、ＫＤＰまたはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）であり得、各光源からの光をフォーカスレンズ１３４に向け更にその後出力エレメント１３６に向けるように周知の様式で変調される。出力エレメント１３６は上記同様ファイバであり得る。２つのＡＯＭを互いに９０度に配置し光源の２次元構成からの光を集めるように構成することも可能であり得る。
【００４０】
図１２は本発明の別の実施形態を示す。ここにおいて本発明の別の実施形態は概してシステム１４０として示されている。いくつかの局面では、システム１４０は図１０に示すシステム１００と類似している。しかしシステム１４０は、静止ミラー１４８が追加されている点でシステム１００と異なる。静止ミラー１４８は、好ましくはドーナツ形態であり、システム１４０の光軸を囲む。静止ミラー１４８を用いることによって、全体的なシステムパッケージを小型化することができる。この構成において、平行光ビーム１４６は光源アセンブリ１４２または１４４から出射する。光源アセンブリ１４２または１４４は各々、光を平行にするレンズを備えた何らかの光源からなる。この平行光束１４６は静止ミラー１４８から反射し、その後、回転ミラー１５０から反射して出力光ファイバシステム１５６に入る。この出力システム１５６は、光を光ファイバに再フォーカスして出力させるレンズからなる。回転サーボ１５２は、シャフト１５４を介してミラー１５０に接続されており、光源１４２および１４４のタイミングおよびデューティサイクルに合わせてミラー１５０の位置を選択的に制御する。
【００４１】
これまで本発明を、１波長または１波長帯に亘る光を発光する光源に関して述べてきたが、本発明は波長帯または波長を混合することにより色を合成し得る。図１３は、概してシステム１６０で示される、本発明の別の実施形態を示す。システム１６０は、光学的に分散的なエレメントを用いて複数の波長の光を結合して単一の光源にする。
【００４２】
図１３に示すシステム１６０は、図１２に示すシステム１４０の変形例である。各光源が複数の光源１６２の群および複数の光源１６４の群に置き換わり、回転ミラーが回転回折格子１６８に置き換わっている。これらの複数の光源群は回転軸まわりに放射状に配置されている。各光源１６２および１６４は異なる波長のものであり、これにより異なるスペクトル内容または色を有する複数の出力ビーム１６４を提供する。各光源１６２からの光は光源からの分散する光束として移動し、静止ミラー１６６から実質的に１００％反射し、その後回折格子１６８から反射する。回折格子１６８は光を平行にしてそれを出力光ファイバシステム１７２方向に反射して、そのプロセスにおいてファイバのＮＡを合致させるように作用する。その後光は光ファイバシステム１７２の一部を構成する出力ファイバにフォーカスされる。本発明の別の実施形態では、各群内のすべての光源が同時にオンになる。本発明のさらに別の実施形態では、各群内のすべての光源がパルスを受け、および／または別々にオンになる。
【００４３】
図１４において概してシステム１８０として示されている、本発明のさらに別の実施形態は、光学的に分散的なエレメントを用いる。図１４に示すシステム１８０は図１３に示すシステム１６０と同様であるが、回折格子が波長分割多重器すなわちＷＤＭに置き換えられている。ＷＤＭは、クックトリプレット１８４と格子１８６とを含み、共通の焦点を有する複数の異なる波長の光源１８８を組み合わせて、回転ミラー１９２から反射する単一の出力光束１９８にする。ＷＤＭからの出力光束１９８は、回転ミラーから反射してファイバ出力２００となるが、回転ミラーの位置はシャフト１９６を介してサーボ１９４によって制御される。
【００４４】
本発明の別の実施形態の変形例において、複数波長システムは、色が組み合わされてこれらの選択された波長の任意の混合体を形成するように構成されている。例えば、混合体は白光源を形成し得る。
【００４５】
本発明の別の実施形態において、単一波長システム２１０は、図１５に示すように、ＬＥＤ２１２の面上に設けられて白光源を形成する蛍光体充填エポキシ層２１４を含む。ここでも、冷却の目的のためにヒートシンクヘッダ２１６が設けられ、ＣＰＣ２１８がＬＥＤ２１２の出射面により発された光を集めて再方向付けするように作用する。
【００４６】
別の実施形態において、図１５に示す光源２１０は走査白光システムを構成する。
【００４７】
当業者には、本発明の教示に基づいて、本発明に対する他の変更が明らかであり、そのような変更は本発明の範囲内であると意図される。
【００４８】
本発明の構成、動作および方法は、他の目的および利点と共に、図面を参照して上記の詳細な説明を読むことにより最もよく理解され得る。図面において、各構成要件には参照レーベルまたは参照符号を付す。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明の走査光システムの概要構成を示す高レベルの模式的ブロック図である。
【図２】図２は、本発明のシステムの模式的タイミング図であり、個々の光源のパルスの相対的なシーケンス、個々の光源により提供される光パルスに対する本発明のスキャナの位置、および単一高輝度光源として現れる個々の光源の結合された出力を示す図である。
【図３】図３は、電気入力パワーに対する、本発明において用いられる個々の光源の連続的光パワー出力を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明において用いられる個々の光源のデューティサイクルに対する、ピーク光パワーを示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の好ましい実施形態の外観を示す模式的斜視図である。
【図６】図６は、図５の実施形態の、概して図５の６−６線に沿った断面図である。
【図７】図７は、図６の一部である、本発明を実施するために用いられる集光光学部品およびＬＥＤ光源をより詳細に示す拡大断面図である。
【図８ａ】図８ａは、本発明の光学システムの一部の模式的側面図であり、軸方向に設けられたＬＥＤから発したある光束が、システムの出力において作用する光ファイバの入力に向かうために取る光路を示す図である。
【図８ｂ】図８ｂは、本発明の光学システムの一部の模式的側面図であり、軸から外れた位置に設けられたＬＥＤから発したある光束が、システムの出力において作用する光ファイバの入力に向かうために取る光路を示す図である。
【図８ｃ】図８ｃは、本発明の光学システムの一部の模式的側面図であり、軸から外れた位置であって図８ｂに示す位置とは異なる位置に設けられたＬＥＤから発したある光束が、システムの出力において作用する光ファイバの入力に向かうために取る光路を示す図である。
【図８ｄ】図８ｄは、本発明を実施する設計用のレンズ規定データを示す表である。
【図９】図９は、異なる光源、アクチュエータ、および走査エレメントを組み合わせることにより本発明を実施する様々な可能性をツリー構成で示す図である。
【図１０】図１０は、放射状に設けられた個々の光源からの出力を直列的に結合して高輝度単一光源を提供するためにプリズムとサーボモータとが用いられた、本発明の回転式実施形態の模式的断面図である。
【図１１】図１１は、軸から外れた位置に設けられた個々の光源からの出力を直列的に結合して高輝度単一光源を提供するためにＡＯＭが用いられた、本発明の別の実施形態の模式的側面図である。
【図１２】図１２は、軸から外れた位置に設けられた個々の光源からの出力を直列的に結合して高輝度単一光源を提供するために回転ミラーと折れ曲がったミラーとが用いられた、本発明のさらに別の実施形態の模式的側面図である。
【図１３】図１３は、軸から外れた位置に設けられた複数波長の個々の光源からの出力を直列的に結合して高輝度単一光源を提供するために回転回折格子が用いられた、本発明のさらに別の実施形態の模式的側面図である。
【図１４】図１４は、本発明の複数波長分割多重器実施形態の模式的側面図である。
【図１５】図１５は、本発明と共に用いられ得る色変換された光源を提供する、蛍光体層を備えたＬＥＤの模式的側面図である。
【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８ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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