(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤと半球ミラーと集光レンズとを備え、該集光レンズにより光ファイバ端面にＬＥＤ像を結像集光するＬＥＤ照明装置であって、
前記ＬＥＤは、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、
前記半球ミラーは、その内面が反射面を形成し、中心に円形開口部があり、該反射面がＬＥＤに向けて配置され、
前記ＬＥＤの法線と前記半球ミラーの光軸が一致し、
前記ＬＥＤと前記半球ミラーの間隔は前記半球ミラーの曲率半径以下であり、
前記集光レンズと前記光ファイバは、その光軸を前記ＬＥＤの法線と一致して配置され、
前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記半球ミラーの曲率半径をｒ、前記半球ミラーの円形開口部径をＤ、前記集光レンズにより前記光ファイバ端面に結像集光された集光像の寸法をｄimage、集光光ＮＡをＮＡimage、前記集光レンズの焦点距離をｆとした時に、
ｄLED・Ｄ／２ｒ＝ｄimage・ＮＡimage、及び
ｆ＝ｒ・dimage／ｄLED
であり、前記集光光ＮＡが光ファイバＮＡに等しいことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
【請求項２】
ＬＥＤと平凸レンズミラーと集光レンズとを備え、該集光レンズにより光ファイバ端面にＬＥＤ像を結像集光するＬＥＤ照明装置であって、
前記ＬＥＤは、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、
前記平凸レンズミラーは、その凸面内面周辺が反射面を形成し、中心に該反射面の円形開口部があり、前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの平面側が向かい合って平行に間隔を置いて配置され、
前記ＬＥＤの法線と前記平凸レンズミラーの光軸が一致し、
前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの球面との間隔は該平凸レンズミラーの曲率半径以下であり、
前記集光レンズと前記光ファイバは、その光軸を前記ＬＥＤの法線と一致して配置され、
前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記平凸レンズミラーの曲率半径をｒ、前記平凸レンズミラーの円形開口部径をＤ、前記集光レンズにより前記光ファイバ端面に結像集光された集光像の寸法をｄimage、集光光ＮＡをＮＡimage、前記平凸レンズミラーの屈折率をｎ、前記集光レンズの焦点距離をｆとした時に、
ｄLED・ｎＤ／２ｒ＝ｄimage・ＮＡimage、及び
ｆ＝ｒ・dimage／ｄLED／ｎ
であり、前記集光光ＮＡが光ファイバＮＡに等しいことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡等に用いられるＬＥＤ照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡の照明光は光ファイバで光源から先端まで導かれ照射される。光源は１００〜３００Ｗ程度のキセノンランプが多く使用され、直径１〜３ｍｍの光ファイバに対して３００ｌｍ／ｍｍ２以上の入力が要求される。近年、長寿命化や高効率化の為、光源にＬＥＤ照明装置を採用する取り組みが行われている。（特許文献１，２，３参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９８７３６号公報
【特許文献２】特開２００７−１４８４１８号公報
【特許文献３】特表２０１３−５１５３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、ＬＥＤの出力光をレンズ光学系で光ファイバ端面に結像する照明装置および内視鏡装置に関するもので、光学系の入射ＮＡと出射ＮＡの最適化について記載している。この方式では、理想光学系を用いＬＥＤ全光束を光ファイバ端面に光ファイバＮＡと同じＮＡで集光した場合、エタンデュ保存則より、
ＬＥＤ径ｘＬＥＤＮＡ＝光ファイバ径ｘ光ファイバＮＡ
の関係が成り立つ。
【０００５】
発光角度分布がランベルト分布のチップＬＥＤでは、ＬＥＤＮＡ＝１であるため、
ＬＥＤ径＝光ファイバ径ｘ光ファイバＮＡ
となる。
【０００６】
したがって、例えば、直径１ｍｍのＬＥＤの全光束を直径１．６７ｍｍ、ＮＡ０．６の光ファイバに入射することができる。しかしながら、輝度１００Ｍｃｄ／ｍ２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ入力は１１３ｌｍ／ｍｍ２になり、キセノンランプと比較すると少ないという課題があった。
【０００７】
特許文献２の図７は、ＬＥＤと光ファイバを付き合わせるものであり、ＬＥＤと光ファイバの形状が同じであれば光ファイバ端面には全光束が一旦入射するが、光ファイバのＮＡ以上の光線は光ファイバの外に漏れ出し、出射端まで導光されない。この方法の入射効率は、光ファイバＮＡ＝０．６の場合、
光ファイバ入力／ＬＥＤ出力＝光ファイバＮＡ２＝０．６２＝０．３６
【０００８】
となる。したがって、輝度１００Ｍｃｄ／ｍ２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ入力は１１３ｌｍ／ｍｍ２になり、キセノンランプと比較すると少ないという課題があった。
【０００９】
特許文献３の図２は、ＬＥＤ光の一部を半球ミラーでＬＥＤに戻し、ＬＥＤの輝度を上げる方法としては有効であるが、ＬＥＤ形状、配置、集光レンズ等に問題があるため、効率を低下させてしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ＬＥＤと半球ミラーとを備えるＬＥＤ照明装置であって、前記ＬＥＤは、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布がランベルト分布で、発光面が拡散面であり、前記半球ミラーは、その内面が反射面を形成し、中心に円形開口部があり、該反射面が前記ＬＥＤに向けて配置され、前記ＬＥＤの法線と前記半球ミラーの光軸が一致し、前記ＬＥＤと前記半球ミラーの間隔は前記半球ミラーの曲率半径以下であり、前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記半球ミラーの曲率半径をｒ、前記半球ミラーの円形開口部径をＤ、集光像寸法をｄimage、集光光ＮＡをＮＡimagとした時に、ｄLED・Ｄ／２ｒ≒ｄimage・ＮＡimageであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、ＬＥＤと半球ミラーと集光レンズとを備え、該集光レンズにより光ファイバ端面にＬＥＤ像を結像集光するＬＥＤ照明装置であって、  前記ＬＥＤは、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、  前記半球ミラーは、その内面が反射面を形成し、中心に円形開口部があり、該反射面がＬＥＤに向けて配置され、  前記ＬＥＤの法線と前記半球ミラーの光軸が一致し、  前記ＬＥＤと前記半球ミラーの間隔は前記半球ミラーの曲率半径以下であり、  前記集光レンズと前記光ファイバは、その光軸を前記ＬＥＤの法線と一致して配置され、  前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記半球ミラーの曲率半径をｒ、前記半球ミラーの円形開口部径をＤ、前記集光レンズにより前記光ファイバ端面に結像集光された集光像の寸法をｄimage、集光光ＮＡをＮＡimage、前記集光レンズの焦点距離をｆとした時に、ｄLED・Ｄ／２ｒ＝ｄimage・ＮＡimage、及びｆ＝ｒ・dimage／ｄLEDであり、前記集光光ＮＡが光ファイバＮＡに等しいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、ＬＥＤと平凸レンズミラーとを備えるＬＥＤ照明装置であって、前記ＬＥＤは、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、前記平凸レンズミラーは、その凸面内面周辺が反射面を形成し、中心に該反射面の円形開口部があり、前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの平面側が向かい合って平行に間隔を置いて配置され、前記ＬＥＤの法線と前記平凸レンズミラーの光軸が一致し、前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの球面との間隔は該平凸レンズミラーの曲率半径以下であり、前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記平凸レンズミラー曲率半径をｒ、前記平凸レンズミラーの円形開口部径をＤ、集光像寸法をｄimage、集光光ＮＡをＮＡimage、前記平凸レンズミラーの屈折率をｎとした時に、ｄLED・ｎＤ／２ｒ≒ｄimage・ＮＡimageであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、ＬＥＤと平凸レンズミラーと集光レンズとを備え、該集光レンズにより光ファイバ端面にＬＥＤ像を結像集光するＬＥＤ照明装置であって、前記ＬＥＤは、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、  前記平凸レンズミラーは、その凸面内面周辺が反射面を形成し、中心に該反射面の円形開口部があり、前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの平面側が向かい合って平行に間隔を置いて配置され、  前記ＬＥＤの法線と前記平凸レンズミラーの光軸が一致し、  前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの球面との間隔は該平凸レンズミラーの曲率半径以下であり、  前記集光レンズと前記光ファイバは、その光軸を前記ＬＥＤの法線と一致して配置され、  前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記平凸レンズミラーの曲率半径をｒ、前記平凸レンズミラーの円形開口部径をＤ、前記集光レンズにより前記光ファイバ端面に結像集光された集光像の寸法をｄimage、集光光ＮＡをＮＡimage、前記平凸レンズミラーの屈折率をｎ、前記集光レンズの焦点距離をｆとした時に、ｄLED・ｎＤ／２ｒ＝ｄimage・ＮＡimage、及びｆ＝ｒ・dimage／ｄLED／ｎであり、前記集光光ＮＡが光ファイバＮＡに等しいことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記集光像の位置に光ファイバを配置し、前記集光光ＮＡが光ファイバＮＡにほぼ等しいことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によればＬＥＤ出力を変えることなく、入力の大きなＬＥＤ照明装置を実現することができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図である。
【図１ｂ】従来の光ファイバ用ＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置において半球ミラーによるＬＥＤ光の帰還率の計算値を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置において平凸レンズミラーによるＬＥＤ光の帰還率の計算値を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における光線追跡図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置におけるモンテカルロ・シミュレーション光線追跡図である。
【図８】本発明の半球ミラーの反射率＝０とした時のモンテカルロ・シミュレーション光線追跡図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における像面の照度分布図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における光線追跡図である
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置におけるモンテカルロ・シミュレーション光線追跡図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における像面の照度分布図である。
【図１３】本発明に係るＬＥＤ照明装置の断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置について詳細に説明する。
【００１８】
まず、図１ａ及び図１ｂにより、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図と従来の光ファイバ用ＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図について説明する。
【００１９】
図１ｂは従来の光ファイバ用ＬＥＤ光源の近軸近似光線追跡図を示している。この場合、ＬＥＤ１の直径が４ｍｍ、光ファイバ８の直径が３ｍｍ、光ファイバＮＡが０．６、
集光レンズ４の焦点距離が７．５ｍｍ、結像倍率が０．７５である。ＬＥＤ像は光ファイバ径に一致して結像されるが、
ｓｉｎ（θｆｉｂｅｒ）＞０．６＝ファイバＮＡ
の光６は光ファイバ８で導光されず、光ファイバ出射端面９まで到達しない。
【００２０】
この時、
ｓｉｎ（θＬＥＤ）＝ｓｉｎ（θｆｉｂｅｒ）・結像倍率
の関係が成り立つ。したがって、ＬＥＤ１から出射するＮＡ＝０．４５以上の光は光ファイバで導光できなない。
【００２１】
本発明は光ファイバで導光出来ない大きなＮＡの光をミラーでＬＥＤに戻し、ＬＥＤの拡散効果を利用して光ファイバで導光出来るように変換することにより光ファイバ光入力を増加するものである。
【００２２】
図１ａは本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図である。ＬＥＤ１は、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、半球ミラー３は内面が反射面３ａを形成し、中心に円形開口部３ｂがあり、反射面３ａがＬＥＤ１に向けて配置され、ＬＥＤ１の法線と半球ミラー３の光軸が一致し、ＬＥＤ１と半球ミラー３との間隔は半球ミラー３の曲率半径以下であり、集光レンズ４と光ファイバ８は光軸をＬＥＤ１の法線と一致させて配置されている。
【００２３】
ＬＥＤ１の出射光の内、光ファイバ８で導光可能な光線５のみがミラー開口部３ｂを通過し、集光レンズ４を通って光ファイバ入射端面２に結像する。ＬＥＤ１と光ファイバ入射端面２は共役関係であり、いずれも平面であることが望ましい。
【００２４】
光ファイバ８で導光できない光線６は、ミラー３ａによりＬＥＤ１上にＬＥＤ１像を点対称に結像させる。ＬＥＤ１とＬＥＤ１像が一致するにはＬＥＤ１形状は点対称形でなければならない。ＬＥＤ１の発光角度分布がランベルト分布であれば、半球ミラー３により開口部以外に出射された全ての光線６をＬＥＤ１側に戻すことができる。ＬＥＤ１表面が拡散面であれば、ＬＥＤ１に戻された光は拡散し、開口部３ｂとミラー３ａに向かって出射される。開口部３ｂに向かった光は集光レンズ４により集光され、光ファイバ入力の増加に寄与する。ミラー３ａに向かった光も、ＬＥＤ１−ミラー３間で反射・拡散を繰り返すうちにいずれは開口部３ｂから出射する。集光レンズ４はＬＥＤ１の主光線と光ファイバ８光軸が平行になるように結像する必要がある。主光線と光ファイバ８光軸が平行でないと損失が生じる。
【００２５】
これらの条件を満たし、光ファイバ入力を上げるには、
ＬＥＤ寸法：ｄLED
半球ミラー曲率半径：ｒ
半球ミラー円形開口部の径：Ｄ
集光像２寸法（≒光ファイバの寸法）：ｄimage
集光光ＮＡ（≒光ファイバのＮＡ）：ＮＡimage
集光レンズ焦点距離：ｆ
とした時に、
ｄLED・Ｄ／２ｒ≒ｄimage・ＮＡimage、及び
ｆ≒ｒ・dimage／ｄLED
である必要がある。
【００２６】
図２は本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における近軸近似光線追跡図である。ＬＥＤ１は、その発光部が平面且つ点対称形状を有し、発光角度分布はランベルト分布で、発光面が拡散面であり、平凸レンズミラー７は凸面内面周辺が反射面７ａを形成し、中心に反射面の円形開口部７ｂがあり、ＬＥＤ１と平凸レンズミラー７の平面側が向かい合って平行に間隔を置いて配置され、ＬＥＤ１の法線と平凸レンズミラー７の光軸が一致し、ＬＥＤ１と平凸レンズミラー７の球面の間隔は平凸レンズミラー７の曲率半径以下であり、集光レンズ４と光ファイバ８は光軸をＬＥＤ１の法線と一致させて配置されている。
【００２７】
ＬＥＤ１の出射光の内、光ファイバ８で導光可能光線５のみがミラー開口部７ｂを通過し、集光レンズ４を通って光ファイバ端面２に結像する。ＬＥＤ１と光ファイバ入射端面２は共役関係であり、いずれも平面であることが望ましい。
【００２８】
光ファイバ８で導光できない光線６は、ミラー７ａによりＬＥＤ１上にＬＥＤ１像を点対称に結像させる。ＬＥＤ１とＬＥＤ１像が一致するにはＬＥＤ１形状は点対称形でなければならない。ＬＥＤ１の発光角度分布がランベルト分布であれば、平凸レンズミラー７により開口部以外に出射されたほぼ全ての光線６をＬＥＤ１側に戻すことができる。ＬＥＤ１表面が拡散面であれば、ＬＥＤ１に戻された光は拡散し、開口部３ｂとミラー３ａに向かって出射される。開口部７ｂに向かった光は集光レンズ４により集光され、光ファイバ入力の増加に寄与する
【００２９】
光ファイバ入力を上げるには、
ＬＥＤ寸法：ｄLED
平凸レンズミラー曲率半径：ｒ
平凸レンズミラー円形開口部径：Ｄ
集光像寸法（≒光ファイバの寸法）：ｄimage
集光光ＮＡ（≒光ファイバのＮＡ）：ＮＡimage
平凸レンズ屈折率：ｎ
集光レンズ焦点距離：ｆ
とした時に、
ｄLED・Ｄ／２ｎｒ≒ｄimage・ＮＡimage、及び
ｆ≒ｒ・dimage／ｄLED／ｎ
である必要がある。
【００３０】
図３は本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置において半球ミラーによるＬＥＤ光の帰還率（ＬＥＤに戻る光束／ＬＥＤの出力光束）のＬＥＤ径をパラメーターとした計算値を示す図である。但し、ミラー曲率半径＝１０ｍｍ、ミラー開口部径＝０ｍｍ、ミラーの反射率＝１とした。開口部があってもほぼ同様の比率で変化する。横軸はＬＥＤとミラー中心の間隔である。１０ｍｍでミラー曲率半径と一致し、ＬＥＤはミラー曲率円の中心に位置することになる。ＬＥＤ径が小さいほど、この位置で帰還率＝１に近づくがメリットがあるが、僅かな位置ずれで帰還率＝０に近づいてしまい、位置合わせが難しいいデメリットもある。
【００３１】
このグラフはｚ方向（光軸方向）の特性であるがｘ、ｙ方向でも同様の特性となる。実用的な組み立て精度を±０．１ｍｍとすると、曲率半径１０ｍｍのミラーには直径３〜５ｍｍのＬＥＤが適しているといえる。
【００３２】
図４は本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置において平凸レンズミラーによるＬＥＤ光の帰還率のＬＥＤ径をパラメーターとした計算値を示す図である。但し、ミラー曲率半径＝１０ｍｍ、ミラー開口部径＝０ｍｍ、ミラーの反射率＝１、ＬＥＤ−平凸レンズ第１面間隔＝０．２ｍｍとした。開口部があってもほぼ同様の比率で変化する。横軸はＬＥＤとミラー面中心の間隔で、ミラー曲率半径よりも短い間隔で帰還率が高くなっている。ミラー面曲率半径１０ｍｍでは３ｍｍ以上のＬＥＤが適しているといえる。但し、あまり径が大きいと、開口部の中心を通る主光線の傾きが大きくなり集光レンズの設計が難しくなる。
【００３３】
図５、図６は本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における半球ミラー３と集光レンズ４の光線追跡図で、表１はレンズデータである。
【００３４】
【表１】
0006659240.tif 000002
表の表記と図の記号の関係は、例えば４行２列目の９９．６は“ｒ２＝９９．６”を、４行３列目の１は“ｄ２＝１表す。
【００３５】
ＬＥＤ直径：ｄLED＝４ｍｍ、
半球ミラー曲率半径：ｒ＝１０ｍｍ、
半球ミラー円形開口部径：Ｄ＝９ｍｍ、
集光像直径：ｄimage＝３ｍｍ
集光光ＮＡ：ＮＡimage＝０．５６
集光レンズ焦点距離：ｆ＝７．３ｍｍ
であり
ｄLED・Ｄ／２ｒ＝４ｘ９／（２ｘ１０）＝１．８
≒１．６８＝３ｘ０．５６＝ｄimage・ＮＡimage
ｆ＝７．３≒７．５＝１０ｘ３／４＝ｒ・dimage／ｄLED
が成り立つ。ＬＥＤ−像間距離は５１．１ｍｍである。
【００３６】
図７、図８は光線２０本のモンテカルロ・シミュレーションによる光線追跡である。図７はミラーの反射率＝０．９５で、図８は比較のため、ミラーの反射率＝０とした時のものである。ＬＥＤと半球ミラー間で反射、拡散を繰り返す光線が多いのがわかる。
【００３７】
図９は光線１００万本のモンテカルロ・シミュレーションによる像面の照度分布である。ＬＥＤ反射率＝０．９５で、半球ミラー反射率＝０．９５とした時、集光効率（像面φ３ｍｍに集光した光束／ＬＥＤの出力光束）は０．５６で半球ミラーがない場合の約３倍となった。輝度１００Ｍｃｄ／ｍ２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ入力は３１０ｌｍ／ｍｍ２となり、キセノンランプと同等の入力となる。
図１０は平凸レンズミラー７と集光レンズ４の実施例で、表２はレンズデータである。
【００３８】
【表２】
0006659240.tif 000003
ＬＥＤ直径：ｄLED＝４ｍｍ、
平凸レンズミラー曲率半径：ｒ＝１０ｍｍ、
平凸レンズミラー円形開口部径：Ｄ＝６．３ｍｍ、
集光像直径：ｄimage＝３．０５ｍｍ
集光光ＮＡ：ＮＡimage＝０．５５
平凸レンズ屈折率：ｎ＝１．５１７
集光レンズ焦点距離：ｆ＝４．８５ｍｍ
であり
ｄLED・ｎＤ／２ｒ＝４ｘ１．５２ｘ６．３／（２ｘ１０）
＝１．９２≒１．６８＝３．０５ｘ０．５５＝ｄimage・ＮＡimage
ｆ＝４．８５≒４．９４＝１０ｘ３／４／１．５１７＝ｒ・dimage／ｄLED／ｎ
が成り立つ。ＬＥＤ−像間距離は３０．３ｍｍで、半球ミラー方式よりも４０％短い。
【００３９】
図１１は光線２０本のモンテカルロ・シミュレーションによる光線追跡である。平凸レンズミラーの周辺部が使われていないのがわかる。
【００４０】
図１２は光線１００万本のモンテカルロ・シミュレーションによる像面の照度分布である。ＬＥＤ反射率＝０．９５、半球ミラー反射率＝０．９５とした時、集光効率（像面φ３ｍｍに集光した光束／ＬＥＤの出力光束）は０．５６で半球ミラー方式と同じ結果となった。
【００４１】
図１０の平凸レンズミラー方式が図５の半球ミラー方式より優れている点は、
・平凸レンズミラー第1面７ｃの凸レンズ効果によりＬＥＤ光はミラー中心に集まる為、ミラー径を小さく出来る。
・同じ理由で反射コートが難しいミラー外周部を使う必要がなく、製造が容易である。
・ミラーより外側に構造物が無く、小型に設計できる。
・ミラーが外側にあるため冷却しやすい。
・平凸レンズの効果により集光レンズの焦点距離を短く、小型に設計できる。
等がある
【００４２】
図１３に本発明に係る白色ＬＥＤの光学的断面図を示す。ＬＥＤ１は図面左、裏面側からミラー層１２、半導体１１（中央にＰＮ接合１１ｂ、表面に拡散層１１ｄ）、蛍光層１３からなる。ＰＮ接合で青色光線２１ａ、２１ｂが発生する。２１ａは拡散層で拡散し、表面に向かう光線２２ａと裏面に向かう光線２２ｂに分かれる。光線２２ａは蛍光層で蛍光拡散する黄色光線２３ａ、２３ｂと拡散する青色光線２４ａ、２４ｂに分かれる。光線２３ａ、２４ａはＬＥＤから白色光として出力される。裏面方向に向かった光線２１ｂ、２２ｂはミラー層で反射し光線２５、２６となって拡散層に入射し、以下光線２１ａと同様にふるまう。光線２３ｂ、２４ｂは拡散層に入り、以下光線２１ａと同様にふるまう。
【００４３】
外部から蛍光層に入射した光線３１は蛍光拡散光線３２ａ、３２ｂと拡散光線３３ａ、３３ｂに分かれる。光線３２ａ、３３ａはＬＥＤ外部に出力され、光線３２ｂ、３３ｂは拡散層に入り、以下光線２１ａと同様にふるまう。
【００４４】
図１３のＬＥＤ各層の厚さがＬＥＤの直径に対して十分に薄ければ、このＬＥＤを光学的にマクロに見ると、ランベルト分布で発光する面発光体であり、拡散反射面であり、蛍光拡散反射面である。
【００４５】
本発明に青色ＬＥＤと黄色蛍光体を使用したＬＥＤを使う場合、ＬＥＤ単体のよりも本発明の出力光の色温度が下がる。これはミラーとＬＥＤの間で反射、拡散を繰り返す青色光が蛍光物質に吸収され、黄色い蛍光を出すため、相対的に青色が減り、黄色が増すために起こる。同じ色温度を得るには、蛍光物質の量を減らす必要がある。
【００４６】
本発明に係る集光光ＮＡは用いられる光ファイバＮＡとほぼ等しいことが望ましい。光ファイバ出力光を上げたい場合は集光光ＮＡを光ファイバのＮＡより大きめにすると良い。これは光ファイバがバンドルファイバの場合、入射端で個々の光ファイバに多少傾きがあり、その傾きの分だけ大きなＮＡの光を導光することが出来るからである。例えばＮＡ＝０．６の光ファイバが３度傾いている場合、集光光ＮＡを
ｓｉｎ（ｓｉｎ−１０．６＋３）＝０．６４
以上にすると光ファイバに最大の光を入射することが出来る。
【００４７】
但し、入射効率（光ファイバ出力端光束／光ファイバ入力端光束）は下がってしまう。逆に入射効率を上げたい場合は集光光ＮＡを光ファイバＮＡより下げた方が望ましい。
【００４８】
図１４は本発明をプロジェクタに応用した近軸近似光線追跡図である。図１５はプロジェクタ部４０の拡大図である。ＬＥＤ１は集光レンズ４により液晶パネル４２に結像され、液晶パネルは投影レンズ４３によりスクリーン４１に結像される。集光レンズ４は主光線の方向ならびに出射ＮＡを投影レンズ４３のＮＡに合わせるよう設計されなければならない。
【００４９】
本実施例の設計値は
ＬＥＤ対角寸法：ｄLED＝５ｍｍ、（４ｘ３ｍｍ）
平凸レンズミラー曲率半径：ｒ＝１０ｍｍ、
平凸レンズミラー円形開口部の径：Ｄ＝５．４７ｍｍ、
集光像対角寸法：ｄimage＝２０ｍｍ（≒液晶パネル対角寸法）
集光光ＮＡ：ＮＡimage＝０．１０９（≒投影レンズのＮＡ＝０．１、Ｆ値＝５）
平凸レンズの屈折率：ｎ＝１．５１７
であり
ｄLED・ｎＤ／２ｒ＝５ｘ１．５１７ｘ５．４７／（２ｘ１０）
＝２．０７≒２．１８＝２０ｘ０．１０９＝ｄimage・ＮＡimage
が成り立つ。
【００５０】
このように、本発明によればＬＥＤ出力を変えることなく、光ファイバ入力の大きな照明装置を実現することができる。ミラー３ａ、７ａ及びＬＥＤ１の反射率が１、ミラー３ａ、７ａの収差がゼロであれば
ミラーがある場合の光ファイバ入力／ミラーが無い場合の光ファイバ入力
＝増加率＝（ＬＥＤ寸法／像寸法／像ＮＡ）２
となる。
【００５１】
ＬＥＤ径＝４ｍｍ、
集光像径＝光ファイバ径＝３ｍｍ、
集光光ＮＡ＝光ファイバＮＡ＝０．６
の場合
増加率＝（４／３／０．６）２＝４．９倍
となる。
【００５２】
なお、上記した本発明の実施の形態の説明は、本発明に係るＬＥＤ照明装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。さらに、上記した本発明の各実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、且つ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の各実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１      ＬＥＤ
３      半球ミラー
３ａ    反射面
３ｂ    開口部
４      集光レンズ
７      平凸レンズミラー
７ａ    反射面
７ｂ    ミラー開口部
８      光ファイバ
【図１ａ】
0006659240.tif 000004
【図１ｂ】
0006659240.tif 000005
【図２】
0006659240.tif 000006
【図３】
0006659240.tif 000007
【図４】
0006659240.tif 000008
【図５】
0006659240.tif 000009
【図６】
0006659240.tif 000010
【図７】
0006659240.tif 000011
【図８】
0006659240.tif 000012
【図９】
0006659240.tif 000013
【図１０】
0006659240.tif 000014
【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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