(57)【要約】【課題】固体発光素子が発光する射出光を、照明系を構成するライトガイドに効率よく入射させる小型で簡単な集光光学系を持った光源装置を可能にする。【解決手段】正のパワーを持つ集光レンズ系と透明な円柱状反射部材と固体発光素子より構成される光源装置において、前記集光レンズ系は少なくとも、平面を有する平凸レンズを含み、前記平凸レンズは  固体発光素子の発光面の像が虚像になるように空気間隙を持って平凸レンズの平面側を固体発光素子の発光面に対面して配置し、円柱状反射部材を集光レンズの光軸と同じ軸をもって集光レンズの射出部側に配置した光源装置を構成する。【選択図】  図５
2011210381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正のパワーを持つ集光レンズ系と透明な円柱状反射部材より成る集光光学系と固体発光素子より構成される光源装置において、前記集光レンズ系は少なくとも、平面を有する平凸レンズを含み、前記平凸レンズは固体発光素子の発光面の像が虚像になるように空気間隔を持って平凸レンズの平面側を固体発光素子の発光面に対面して配置し、円柱状反射部材を集光レンズの光軸と同じ軸をもって集光レンズの射出部側に配置したことを特徴とす
る光源装置。
【請求項２】
集光レンズ系は一個の平凸レンズで構成され、前記平凸レンズは、発光面の一辺の１倍から１．５倍の範囲の曲率半径を持ち、平凸レンズの頂点から固体撮像素子の発光面までの距離を平凸レンズの曲率半径以内とし、円柱状反射部材の直径を前記平凸レンズの直径と同等としたことを特徴とした請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
集光レンズ系は請求項２で記載した平凸レンズの射出面側に、平凸レンズの射出面側に平凸レンズと光軸を共有するように平凸レンズよりパワーの小さい凸レンズを配置したことを特徴とする請求項２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、狭所の観察用照明や、内視鏡等に組み込まれて被検物の照明に利用されている導光部材としてのライトガイドに、固体発光素子（発光ダイオード）からの射出光を効率よく供給する照明システム用の光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的限られた狭所領域の照明装置や、内視鏡等に組み込まれた照明部には、導光部材としての光学繊維束で構成されたライトガイドを用いた照明システムが利用されている。
【０００３】
ライトガイドを利用した照明システム用の光源装置は、発光部材と、発光部材から射出される光を集め前期ライトガイドに供給する集光光学系を用いた光源装置より構成されている。
【０００４】
従来はこの発光部材にはキセノンランプやハロゲンランプ等が用いられていたが、近年発光ダイオードの著しい性能向上と形状が小型である特徴もあって、発光部材として発光ダイオードで代表される固体発光素子も使われるようになってきた。以降の説明では固体発光素子を代表した用語として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる。
【０００５】
また、前記光源装置に使用される集光光学系は、特開２００４−２７５２７７号公報(図２)、特開２００３−１３５３８０号公報(図４)に提示されているような正のパワーを持った凸レンズ系より構成され、発光部材の発光面からの射出光を実像系で集光させているものが多い。
【０００６】
発光部材として発光ダイオードを用いた場合、発光ダイオードの発光面からの配光特性は発光面前方に対し広い角度の配光特性を持っている。図１は発光ダイオードが射出する光の配光特性の一例を示したもので、図中垂直軸１０１で示すＹ軸は発光ダイオードの発光面に垂直に立てた軸を示し、水平軸１０２で示すＸ軸は垂直軸からの光の射出方向を角度で示し、垂直軸方向を１とした射出光の強さの相対比を示している。
【０００７】
図１に示すように発光ダイオードの配光特性は広い角度を持ち、配光角７０°（±３５°）以内の光線を使う場合は全発光光量の５０％程度しか利用できないが、配光角１１０°（±５５°）程度以内の光線を使う場合は全発光光量の８０％程度が利用でき、配光角１２０°（±６０°）程度以内の光線を使う場合は全発光光量の８５％程度が利用できる。
【０００８】
照明系に使用されるライトガイドを構成する光ファイバーは開口数ＮＡ＝０．５７（受光角２θ＝７０度）程度の光ファイバーが通常よく使われる。また一般的ではないが、開口数ＮＡ＝０．８７（受光角２θ＝１２０度）の様な大きい受光角を持った光ファイバーを用いたライトガイドも実用化されている。
【０００９】
発光ダイオードとライトガイドを用いて照明システムを構成する場合は、発光ダイオードが発光する光を有効にライトガイドに入射させる手段が必要となる。一例としてＮＡ＝０．５７の開口数の光ファイバーを用いたライトガイドを使用する場合を考えると、ライトガイドの受光角が７０°程度であるので、適切な集光光学系を用いて発光ダイオードの発光面から広い射出角で射出される光線をライトガイドの受光角（７０度）に整合させることが望ましい。
【００１０】
一方、正のパワーを持った凸レンズ系による実像系の集光光学系では、図２に示す様に集光光学系２０１の焦点距離をｆ‘とすると等倍でも４ｆ’の共役長が必要となり２倍の結像では４．５ｆ‘の共役長が必要となる。物点（ＯＢＪＥＣＴ）の位置に発光ダイオードの発光面があるとすると、発光面から射出される広い配光角（１２０°）を持った光線を効率よく取込むには、開口の大きなレンズ系２０１が要求され一般には形状も大きくなる。
【００１１】
図３は発光ダイオードの発光面からの射出光の様子を示したもので、３０１は発光ダイオード、３０２は発光ダイオード３０１の発光面を示し、発光面３０２を微小な発光点の集合と考え、発光面の中心に垂直に設定された軸３０３を光軸とする。図では発光面上の各発光点で発光面に垂直な０°の光線に対して時計回り方向に射出される光線を（＋）、反時計回り方向に射出される光線を（−）とし、±６０方向の光線を矢印で示してある。
【００１２】
発光面３０２を微小な発光点の集合と考えると、各発光点からは図１に示したような広範囲の配光で光が射出されるが、前述のように配光角１２０°（±６０°）程度以内の射出光線を使う場合は全発光光量の８５％程度が利用できるので、以下の説明では図３（Ａ）に示すように光軸３０３に対して±６０°以内の光線を対象とする。
【００１３】
発光ダイオードは方形の形状をしたものが多く、複数個の発光ダイオードを直列に接続しパッケージに装着したもの、例えばオスラム社のＬＥＷＥ−２Ａもあるが、この様な場合は複数個の発光体の集合を発光ダイオードの発光面として取り扱う。
【００１４】
また、発光ダイオードのチップの表面に蛍光体を装着した白色発光ダイオードも蛍光面を含めて発光面として取り扱う。
【００１５】
発光ダイオード３０１の発光面３０２を微小な発光点の集合と考えると、図３（Ｂ）に示すように発光面３０２は、微小幅Δを持った半径ｒの円環の集合と考えられる。この円環状発光部は発光面の外側（内接円）に近いほど、内周部に比べ発光面積２πｒ×Δが大きくなり、この部分からの光量も大きくなる。
【００１６】
従って、小型で効率のよい集光光学系では、少なくとも中心から発光面の周縁（内接円）近くまでの射出光を損失なく取り込むことが重要な課題となる。
【００１７】
なお、以降の説明図面では発光ダイオードは３０１、発光ダイオードの発光面は３０２の符号で取り扱うことにする。
【００１８】
すでに述べたように、凸レンズ系による実像系の集光光学系では発光面の内接円近くの射出光を１２０°（±６０°）程度まで取込もうとするとレンズの開口が大きくなり、小型の発光ダイオードを用いながら、効率のよい小型の照明装置を構成することは困難である。
【００１９】
これまでに開示されている照明用の集光光学系では、発光ダイオードの発光面からの広い配光角の射出光を小型の形状を保ちながら効率よく取込むという課題を解決する技術は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００４−２７５２７７号公報(図２)
【特許文献２】特開２００３−１３５３８０号公報(図４)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述のように、発光ダイオードの発光面から射出される広い配光特性を持った射出光線を効率よく集光する集光光学系を小型軽量に構成することが重要な課題となる。
【００２２】
本発明は上述の問題点に着目してなされたもので、特に発光ダイオードの発光面より広範囲な方向に射出する光線を効率よく、さらに前述のような発光ダイオードの発光面周縁部からの光も効率よく集めることが可能な簡単で小型な集光光学系を持った光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために本発明による請求項１に係る光源装置は、正のパワーを持つ集光レンズ系と透明な円柱状反射部材より成る集光光学系と固体発光素子より構成される光源装置において、前記集光レンズ系は少なくとも平面を有する平凸レンズを含み、前記平凸レンズは固体発光素子の発光面の像が虚像になるように空気間隔を持って平凸レンズの平面側を固体発光素子の発光面に対面して配置し、円柱状反射部材を集光レンズ系の光軸と同じ軸をもって集光レンズ系の射出部側に配置したことを特徴としている。
【００２４】
請求項２に係わる発明は、集光レンズ系は一個の平凸レンズで構成され、前記平凸レンズは、発光面の一辺の１倍から１．５倍の範囲の曲率半径を持ち、平凸レンズの頂点から固体撮像素子の発光面までの距離を平凸レンズの曲率半径と同等以内とし、円柱状反射部材の直径を前記平凸レンズの直径と同程度としたことを特徴としている。
【００２５】
請求項３に係わる発明は、集光レンズ系は請求項２で記載した平凸レンズの射出面側に、平凸レンズと光軸を共有するように前記平凸レンズよりパワーの小さい凸レンズを配置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による光源装置は、簡単な構成で発光ダイオードより射出される射出光を小型、高効率で集光することが可能なので、照明用にライトガイドを組み込んだ内視鏡や顕微鏡等の照明用光源のみならず、ライトガイドを装着した照明系等種々の産業機器での利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】発光ダイオードの配光特性の一例を示す説明図。
【図２】実像を形成する集光光学系の説明図。
【図３】発光ダイオードの発光状態を示す説明図。
【図４】虚像を形成する集光光学系の説明図。
【図５】本発明による第１の実施例を示す説明図。
【図６】本発明による第２の実施例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明による光源装置の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２９】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）は本発明の基本的な概念を説明するためのもので、図４（Ａ）は集光レンズ系４０１で２倍の虚像を結像した場合の結像関係を示している。
図中４０１は集光レンズ系を、４０２は発光ダイオードの発光面に相当するＯＢＪＥＣＴを、４０３は発光ダイオードの発光面の像に相当するＩＭＡＧＥを示している。
【００３０】
図４（Ａ）で、物点ｏは像点ｏ‘に結像し、この場合物点ｏからの光線は集光レンズ系４０１を通過した後４０４、４０５で示すような発散光となる。
【００３１】
ここで、図４（Ｂ）で示すように、集光レンズ系４０１の光軸と軸を同じく設定した円筒状反射部材（ハッチングで示す）の反射面４０６を集光レンズ系４０１の射出面側に配置すると光線４０４、４０５は集光レンズ系４０１の光軸方向４１０に向かって進むので、集光レンズ系の開口を小さく抑え、円筒状反射部材の開口を集光レンズ４０１の開口と同程度にすることで円筒状反射部材の開口も小さくすることが可能になり、集光レンズ系４０１を通過した光線は円筒状反射部材の開口の中に収めることができ効率のよい集光光学系が構成できる。
【００３２】
なお、図４（Ｂ）では、図の煩雑さを避けるために、円筒状反射部材は中空状で示してあるが、実際はガラス等の透明物質で構成した円柱状反射部材が用いられ、反射面は円柱状反射部材の内面の全反射を用いる。
【００３３】
この様に、照明用の集光レンズ系４０１を通過した光は、円筒状反射部材の開口内で一様に混合するのでむらのない照明装置が得られる。以下具体的な実施例の形態について説明する。
【実施例１】
【００３４】
図５は本発明による光源装置の１実施例を示すもので、図中３０１で示す集光レンズ（平凸レンズ）と円柱状反射面５０３を持った円柱状反射部材５０２で集光光学系を構成している。
【００３５】
図中３０１は発光ダイオード、５０１は正のパワーを持つ平凸レンズ、５０２はガラスのような透明材質で構成された円柱状反射面５０３を持つ円柱状反射部材を、５０４はライトガイドを示し、いずれも光軸５１０上に配置されている。なお以下の説明ではレンズ系の形状を示す曲率半径をｒｎ（ｎ＝１〜４）とし、厚さ、間隔等の単位はｍｍで示す。
【００３６】
この実施例では、発光ダイオード３０１の発光面３０２の大きさを２×２とし、平凸レンズ５０１は屈折率＝１．７６８、ｒ１＝∞、ｒ２＝２．８、厚さ＝１．７の半球に近い形状を持ち、平凸レンズ５０１の平面側（ｒ１）を０．８の空気間隔を持って発光ダイオード３０１の発光面３０２に対面して配置されている。
【００３７】
図５中、発光ダイオード３０１の発光面３０２の左端Ｐａから射出される光線を鎖線で、発光ダイオード３０１の発光面３０２中央部Ｏａから射出される光線を実線で示し、左端Ｐａから射出される光線は、光軸と平行となる射出角０度の光線に対し±３０度、±４５度、±６０度を順次示しており、中央部Ｏａから射出される光線は図面の煩雑さを避けるため、光軸と平行となる射出角０度の光線に対し、±４５度、±６０度を順次示している。
【００３８】
図５では、平凸レンズと発光面３０２の間隔ｄ１が０．８と比較的大きな値となっており、点Pａから射出される−６０°の光線を取込むために平凸レンズも大きくなりｒ１＝２．８となっている。また、たとえば平凸レンズと発光面の間隔ｄ１を０．３と小さく設定すると平凸レンズの曲率半径ｒ２もｒ２＝２と小さくすることが出来るが、Ｐａから射出された光線の一部が平凸レンズ通過後、光軸に対して３５°を超え、ＮＡ＝０．５７（受光角２θ＝７０度）のライトガイドの受光角の許容範囲を超えることになり発光ダイオードの利用効率が悪くなる。
【００３９】
但し、特殊な例として開口数ＮＡ＝０．８７（受光角２θ＝１２０度）の様な大きい受光角を持った光ファイバーを用いたライトガイドには適用可能であり、より小型の光源装置として利用価値がある。
【００４０】
ｒ２＝２、ｄ１＝０．３とした場合の実施例は実施例２で示すが、本発明での検討の結果、発光ダイオードの発光面の一辺（内接円の直径と同等）をＷとすると、平凸レンズの曲率半径ｒ２として、ｒ２＝１．５Ｗ〜Ｗとし、平凸レンズの頂点から発光面までの距離（ｄ１＋ｄ２）をｒ２以内にすることが適当であることがわかった。但し平凸レンズの屈折率としてはＮ＞１．６とする。
【００４１】
このような条件で、発光ダイオードの発光面と平凸レンズを構成すると、平凸レンズの結像は虚像の結像関係となる。
【００４２】
平凸レンズ５０１は図５に示すように、発光ダイオード３０１の発光面３０２の周縁部Ｐａから±６０°で射出される光線を十分に取り込める直径を持ち、発光面３０２の内接円内の光線が曲面ｒ２で全反射しないで屈折可能なように、レンズの屈折率、曲率半径、厚さが選ばれ、発光面３０２の虚像を形成する配置となっている。
【００４３】
円柱状反射面５０３を持つ円柱状反射部材５０２は、集光レンズ５０１とほぼ同等の開口を持つ屈折率＝１．５１７、ｒ３＝∞、ｒ４＝∞、厚さ＝４．５、直径＝４．７の透明な材質の円柱で、平凸レンズ５０１とは０．２の間隔を持って平凸レンズ５０１の光軸と円柱状反射部材５０２の中心軸が合致するよう配置されおり、反射面５０３は円柱内部の全反射を利用している。
【００４４】
円柱状反射部材５０２の直径は厳密に決められるものではなく、機械的な取付け構造等で変わるが、円柱状反射部材の直径は平凸レンズ５０１の直径と同等であれば、集光レンズ５０３を通過した光線は十分に利用可能である。  
【００４５】
この実施例では、円筒状反射部材５０２の射出面５０３に対面してライトガイド５０４が配置されており、発光面３０２の各点より発光面に垂直な軸に対して±６０°の光線は円筒状反射部材５０２の射出面ｒ４から光軸に対して３５°以内の射出角で射出されているので、ＮＡ＝０．５７（受光角２θ＝７０度）のライトガイドに整合しており、発光ダイオードからの放射光を効率よく利用することが可能になっている。
【実施例２】
【００４６】
図６は本発明による光源装置の第２の実施例を示すもので、図中３０１は発光ダイオード、３０２は発光面、６０１は正のパワーを持つ第１の平凸レンズ、６０２は正のパワーを持つ第２の平凸レンズ、６０３はガラスのような透明材質で構成された円柱状反射面６０６を持つ円柱状反射部材を示し、６０５はライトガイドで、いずれも同一光軸６０４上に配置されている。なお以下の説明ではレンズ系の形状を示す曲率半径ｒｎ（ｎ＝１〜６）、厚さ、間隔等の単位はｍｍで示す。
【００４７】
この実施例では、発光ダイオード３０１の発光面３０２の大きさを２×２とし、第１の平凸レンズ６０１は屈折率＝１．７６８、ｒ１＝∞、ｒ２＝２、厚さ＝１．６の半球に近い形状を持ち、平凸レンズの平面側ｒ１と、発光ダイオード３０１の発光面３０２とは０．３の間隔をあけて対面して配置されている。
【００４８】
第１の平凸レンズ６０１は図６に示すように、発光ダイオード３０１の発光面３０２の周縁部Ｐａから±６０°で射出される光線を十分に取り込める直径をもち、−６０°の光線も曲面ｒ２で全反射しないで屈折可能なように、レンズの屈折率、曲率半径、厚さが選ばれている。
【００４９】
第２のレンズ系６０２は屈折率＝１．６２、ｒ３＝∞、ｒ４＝４．６、厚さ＝２．２の平凸レンズで第１レンズ６０１と光軸上で０．１の間隔を持って配置されている。この第２の平凸レンズは、第1の平凸レンズを通過後の発光ダイオードより射出された光線をライトガイド６０５の開口数に整合させる作用を持っている。
【００５０】
このように、第２の平凸レンズは第１の平凸レンズを通過した光線の光軸に対する射出角のわずかな修正を行なう作用を目的としているので、第１の平凸レンズより小さいパワーであることが重要である。
【００５１】
円筒柱状反射面６０６を持つ円柱状反射部材６０３は平凸レンズ６０１、６０２とほぼ同等な開口を持つ、屈折率＝１．６２、ｒ５＝∞、ｒ６＝∞、厚さ＝５．７、直径＝４の透明な材質の円柱で、第２のレンズ系とは０．１の間隔を持ち、平凸レンズ６０１の光軸と円柱状反射部材６０３の中心軸が合致するよう配置されおり、反射面６２０は円柱内部の全反射を利用している。
【００５２】
図６中、発光ダイオード３０１の発光面３０２の左端Ｐａから射出される光線を鎖線で、発光ダイオード３０１の発光面３０２中央部Ｏａから射出される光線を実線で示し、光軸と平行となる射出角０度の光線に対し±３０度、±４５度、±６０度を順次示している。
【００５３】
特に発光ダイオードの端面Ｐａから光軸６０４方向に向かう光線６１１（射出角０度）、６１２（射出角３０度）、６１３（射出角４５度）、６１４（射出角６０度）は、第１のレンズ６０１で屈折した後は光軸に対して３５度をこえるので、第２のレンズ６０２で屈折した後で光軸に対し３５度以内になるようにして、ライトガイド６０４のＮＡとの整合性をもたせている。
【００５４】
また、円柱状反射面を持った反射部材６０３は、入射面（ｒ５）、射出面（ｒ６）ともに光軸６０４に対して直角な平面で構成されるので、第２のレンズ系６０２で屈折した後の光線の光軸６０５に対する射出角は、円柱状反射面を持った円柱状反射部材６０３射出面からの射出角と同じになり、ライトガイド６０５の入射端に到達する。
【００５５】
一方発光面の中心Ｏａから射出される光は、図６中実線で示すように第１のレンズ６０１、第２のレンズ６０２、円柱状反射部材６０３を通過後、ライトガイド６０４の入射面に到達する。
【００５６】
特に光線６１２、６１３、６１４は図６で示すように第２のレンズ６０２を通過後光軸６０５（中心）より大きく離れる光路を示すので、円柱状反射面を持った反射部材６０３の内面で全反射させ光路の方向を光軸方向に変換させるので、円柱状反射部材６０３の厚みや径を適切に選ぶことで反射部材６０３の射出面の中心近傍に光線の集まる状態を選択可能となる。
【００５７】
円柱状反射部材５０２の直径は実施例１の場合と同様厳密に決められるものではなく、機械的な取付け構造等で変わるが、円柱状反射部材の直径は平凸レンズ６０２の直径と同等であれば、集光レンズ５０３を通過した光線は十分に利用可能である。  
【００５８】
本実施例では、円柱状反射部材６０３の厚みを５．７に設定しており、図６にみられるように発光ダイオード３０１の発光面の周縁部Ｐａから射出された光線の多くをライトガイド６０５の中心方向に集めることができ、ライトガイドのＮＡ以内に集めることが可能となる。
【００５９】
上記実施例２では、実施例１に比べて発光ダイオードからの射出光を小さい開口に集めることが可能になるので、内視鏡に組み込まれている小径のライトガイドを照明装置の光源としての利用効果は高い。
【符号の説明】
【００６０】
３０１  発光ダイオード
３０２  発光ダイオードの発光面
５０１、６０２、６０３  平凸レンズ  
５０２、６０３  円柱状反射部材    
５０３、６０６  円柱状反射面
５１０、６０４  光軸
５０４、６０５  ライトガイド
ｆ‘  焦点距離
【図１】
2011210381.tif 000003
【図２】
2011210381.tif 000004
【図３】
2011210381.tif 000005
【図４】
2011210381.tif 000006
【図５】
2011210381.tif 000007
【図６】
2011210381.tif 000008