(57)【要約】【課題】  複数個の発光ダイオードが発光する射出光を、合成して高出力の発光部を可能にする。【解決手段】複数個の発光ダイオードモジュールと、光の入射面と光の射出面を持つ透明物質による複数個のロッド状導光部材で構成された集光装置において、１個の発光ダイオードモジュールに対して1個の前記導光部材の入射面を近接して装着し、前記発光ダイオードモジュールを装着した複数個の導光部材の射出面近傍部を一体に束ねた構造持つことを特徴とした集光装置。【選択図】  図５
2012113971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の固体発光素子モジュールと、光の入射面と光の射出面を持つ透明物質による複数個の導光部材で構成された集光装置において、
１個の固体発光素子モジュールに対して1個の前記導光部材の入射面を近接して装着し、前記固体発光素子モジュールを装着した複数個の導光部材の射出面近傍部を一体に束ねた構造を持つことを特徴とした集光装置。
【請求項２】
隣接して配置される発光ダイオードモジュールは、発光部に垂直に設定された垂直軸方向の異なった位置で、前記垂直軸方向から見た場合パッケージの一部が互いに重なるような位置に配置した構造を特徴とした請求項１記載の集光装置。
【請求項３】
複数個の導光部材の射出面近傍部を一体に束ね熱融着した構造を特徴とする請求項１又は請求項２記載の集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の固体発光素子（発光ダイオード）からの射出光を効率よく合成する集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクターや、内視鏡等の光学機器に使用される光源装置には、発光部材として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。なお、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。
【０００３】
しかし、発光ダイオードはキセノンランプやハロゲンランプのような高輝度ランプに比較して光量が少ないため、前記高輝度ランプと同じように扱うためには、複数個の固体発光素子の射出光を効率よく合成させることが必要となっているが有効な技術手段が開示されていない。
【０００４】
複数の発光ダイオードからの射出光を合成する手段としては、特開２００７−１１４６０３号公報（図１）に提示されているように、複数個の発光ダイオードと集光レンズを組み合わせたユニットをそれぞれの光軸を傾け所定の光学装置の入射面に集光する手段が述べられているが、前記ユニットの光軸を傾けて配置するため、広範囲の配光特性を示す発光ダイオードの射出光を有効に利用するには適していない
【０００５】
また、特開２００６−３１４６８６号公報（図３）、特開平５−１４６４０３号公報（図４）では3個の光学ファイバー束を用いたライトガイドの入射面に3個の発光ダイオードを対面させ各ライトガイドの射出端を一体に束ねて発光ダイオードの射出光を合成する手段が提示されている。いずれ場合もＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のような発光波長域の異なった発光ダイオードの射出光を合成する場合の事例として提示されている。
【０００６】
光学ファイバー束を用いた導光部材としてのライトガイドは形態がフレキシブルであるので入射端と射出端の間の経路を自在な形状に選択すること、各光学ファイバーを射出端で混合することが容易であるので利用しやすいが、発光ダイオードの射出光量を合成して有効利用する目的には適していない。
【０００７】
図７は理解を容易にするために、前記ライトガイドの入射端部を誇張して図示したもので、図７（Ａ）はライトガイドの入射端面の様子を、図７（Ｂ）は入射端部の断面の一部を示している。図７（Ａ）、（Ｂ）に示すようにライトガイドを構成する光学ファイバーは、光学ファイバー７０１のコアーと呼ばれる光線を伝達する部分７０２と、クラッドと呼ばれるコアーの外周を被覆する部分７０３で構成されており、光学ファイバーの入射端に入射した光は、コアー７０２とクラッド７０３の境界面で全反射を繰り返し射出端に伝達される。
【０００８】
なお、クラッド７０３部分は光の取り込みには直接寄与しない。さらにこれら光学ファイバー７０１を束にした場合は各光学ファイバー間に間隙７０４が生じるので、各光学ファイバーを束にした外径７０５をライトガイドの入射端面とすると、入射端面７０５の面積のうち光の取り込みに寄与できる部分は減少し、ライトガイドの光の伝達率は良くても６０〜７０％程度となることを考慮すると、発光ダイオードの射出光を効率よく合成する目的とした用途には適していない。
【０００９】
このように、これまでに開示されている発光ダイオードの集光光学系では、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合成する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】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１１４６０３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１４６８６号公報
【特許文献３】特開平５−１４６４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
光源の発光部として用いる発光ダイオードは、発光ダイオードの素子単体では光量が少ないため一個または複数個の発光素子をパッケージの中心部にまとめて配置した構造のものが用いられる。以下発光部を持つ発光ダイオード素子を発光ダイオードと呼び、パッケージに発光ダイオードを装着したものを発光ダイオードモジュールと呼ぶ。
【００１２】
図２はこの一例を示すもので、約５ｍｍ×６ｍｍのパッケージ３０１の中心部に１ｍｍ×１ｍｍの発光ダイオード３０２を4個配置して発光ダイオードモジュールを形成している。この例に近い製品としてはオスラム社のＬＥ  ＵＷ Ｓ２Ｗがある。パッケージの中心部に配置する発光素子の大きさ、数を増加させれば総光量は増加するが発熱の問題を無視できなくなり一個のパッケージに装着する素子の数量には実用的な限界がある。
【００１３】
しかし、このような発光ダイオードモジュールを複数個用いて、各モジュールからの発光ダイオードの射出光を効率よく合成し小面積内に集光することが出来れば発熱の問題は回避でき、従来のキセノンランプやハロゲンランプの様な発光体を用いた光源に対抗できる明るい発光部を得ることが出来、コンデンサーレンズ等の集光光学系とともに使用することで、明るい光源装置が期待できる。
【００１４】
しかし、発光ダイオードに比べ、大きな形状のパッケージを持った発光ダイオードモジュールの射出光を限定された小面積の開口部に効率よく集光することは従来の光合成技術の光学系ではできない。
【００１５】
本発明は、複数個の発光ダイオードモジュールの発光部からの射出光を効率よく、小面積の開口部に集める集光装置を提供することで、明るい発光部を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明による請求項１に係る集光装置は、複数個の発光ダイオードモジュールと、光の入射面と光の射出面を持つ透明物質による複数個のロッド状導光部材で構成された集光装置において、１個の発光ダイオードモジュールに対して1個の前記導光部材の入射面を近接して装着し、前記発光ダイオードモジュールを装着した複数個の導光部材の射出面近傍部を一体に束ねた構造持つことを特徴としている。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の集光装置で、隣接して配置される発光ダイオードモジュールは、発光部に垂直に設定された垂直軸方向の異なった位置で、前記垂直軸方向から見た場合パッケージの一部が互いに重なるような位置に配置した構造を特徴としている。
【００１８】
請求項３に係わる発明は、請求項１、２記載の集光装置で、近接して束ねた複数個のロッド状導光部材の射出端部を熱融着することで一体構造としたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による集光装置は、簡単な構成で複数個の発光ダイオードモジュールのパッケージに装着された発光部としての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、比較的小面積の発光部分を必要とする医用機器や照明系等、種々の産業機器等の広い分野での利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】透明物質によるロッド状導光部材の説明図である。
【図２】発光ダイオードモジュールの説明図である。
【図３】本発明で使用するロッド状導光部材の基本形状の説明図である。
【図４】本発明による集光装置の基本構成の説明図である。
【図５】本発明による一応用例の説明図である。
【図６】複数個の導光部材の射出部を熱融着した実施例の説明図である。
【図７】光学ファイバー束を用いたライトガイドの構造説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は本発明に用いる、ガラスまたはプラスチック等の透明物質で形成されたロッド状導光部材の先端部１０１の部分構造をしめすもので、図１（Ａ）は導光部材の入射端面１０２を示し、図１（Ｂ）１０１は入射端部の断面の一部を示している。
【００２３】
すでに述べたように、導光部材としてよく用いられる光学ファイバーは図７に示すように屈折率ｎ１の透明物質で形成されたコアー部７０２の外周を覆う、ｎ１＞ｎ２の屈折率ｎ２の透明物資で形成されるクラッド部７０３より構成され、コアー部とクラッド部の境界面での全反射を利用して導光部材としての機能を持ち、光学ファイバーの開口数ＮＡは、ＮＡ＝（（ｎ１）２−（ｎ２）２）１/２となる。
【００２４】
本発明で用いているロッド状導光部材１０１は、図１で示すような前記光学ファイバーのクラッド部に相当する物質として、ロッド状導光部材を囲む空気（ｎ＝１）を利用した単純なロッド棒１０１を導光部材として利用することでロッド状導光部材の入射端の利用効率を高め、また特殊な加工を必要とする光学ファイバーに比べコストが削減できる。
【００２５】
また、図１に示すロッド状導光部材の開口数は、ロッド状導光部材の屈折率をｎ１とすると、ＮＡ＝（（ｎ１）２−（１）２）１/２となる。このことはロッド状導光部材１０１（屈折率ｎ１）として光学樹脂の様な比較的屈折率の低い材質を用いても十分大きな開口数が得られるので、発光ダイオードの様な広い配光分布を持つ射出光を充分に取り込むことができるので集光装置を構成するうえで利用価値が高い。
【００２６】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）には本発明で用いるロッド状導光部材の機械的形状を説明するもので図３（Ａ）は光の入射面３１０と射出面３１１が直線状の反射面３１３で連結される直線状の透明物質で形成されたロッド状の導光部材３０１を示し、３０２は入射面３２０と射出面３２１が湾曲した反射面３２３で連結され、さらに入射面３２０に垂直に設定された入射面３２０の中心軸３２４と射出面３２１に垂直に設定された射出面３２１の中心軸３２５が同一直線状にない湾曲した構造を持つ透明物質で形成されたロッド状の導光部材を示している。なを、図中３２１、３２２はそれぞれ、ロッド状導光部材３０１、３０２の断面形状をしめしている。
【実施例１】
【００２７】
図４は本発明の基本的な概念を説明する集光装置の断面構造を示すもので、図４（Ａ）の４１０、図４（Ｂ）の４２０、図４（Ｃ）の４３０はいずれも２個の発光ダイオードモジュール４１５ａ、４１５ｂからの射出光を合成する場合を示している。
【００２８】
図４（Ａ）は、図３（Ａ）で示した類似の直線状のロッド状導光部材４１１と、図３（Ｂ）で示した類似の湾曲したロッド状導光部材４１２を用いた場合を示しており、図中５１５ａ、５１５ｂは発光ダイオードモジュールを示し、５１６ａ、５１６ｂは発光ダイオードを示している。
【００２９】
図４（Ａ）中、４１１aは直線状のロッド状導光部材４１１の入射面を示しており発光ダイオード４１６ａに近接して配置されており、４１２ａは湾曲したロッド状導光部材４１２の入射面を示しており発光ダイオード４１６ｂに近接して配置されている。ロッド状導光部材４１１の射出面４１１ｂと湾曲したロッド状導光部材４１２の射出面４１２ｂは一体に結束されており、発光ダイオード５１６ａと５１６ｂが近接して配置された効果を持つ。
【００３０】
図４（Ｂ）は図４（Ａ）で示された直線状のロッド状導光４１１を湾曲したロッド状導光部材４２１で置換えた状態を示すもので、図４（Ａ）中の湾曲したロッド状導光部材４１２も湾曲量の少ない湾曲したロッド状部材４２１に置換えて示してある。なお、発光ダイオードモジュール、発光ダイオードは図４（Ａ）の場合と同じ符号を使用している。
【００３１】
図４（Ｂ）で示すように、２個の湾曲したロッド状導光部材を使用することで、ロッド状導光部材の湾曲の程度を小さくすることができる。
【００３２】
図４（Ｃ）は、隣接して配置される発光ダイオードモジュール４１６ａ、４１６ｂは、発光部に垂直に設定された垂直軸方向の異なった位置で、前記垂直軸方向から見た場合パッケージの一部が互いに重なるような位置に配置した構造４３０を示している。
【００３３】
図４（Ｃ）では、隣接した発光ダイオードモジュール４１５ａと４１５ｂは発光ダイオード４１６ａの中心に設定された中心軸４３５と発光ダイオード４１６ｂの中心に設定された中心軸４３６が距離Ｘだけ離れるような位置に配置し、さらに発光ダイオードモジュール４１５ａと４１５ｂが機械的に干渉しないよう、発光ダイオードの中心軸方向に距離Ｙだけずらして配置されている。
【００３４】
さらに詳しく説明すると、図５（Ｃ）で示すように、隣接する発光ダイオードモジュール４１６ａと４１６ｂのパッケージは、パケージ部分は垂直軸方向から見た場合、互いに重なる部分を持つが、パッケージが発光ダイオード部分に重ならないような距離Ｘだけ離して配置することが必要な条件となる。
【００３５】
４３１aは湾曲したロッド状導光部材４３１の入射面で発光ダイオード４１６ａに近接して配置されており、４３２ａは湾曲したロッド状導光部材４３２の入射面で発光ダイオード４１６ｂに近接して配置されている。湾曲したロッド状導光部材４３１の射出面５３１ｂと湾曲したロッド状導光部材４３２の射出面４３２ｂは一体に結束されており、発光ダイオード４１６ａと４１６ｂが近接して配置された効果を持つのは、図５（Ａ）、（Ｂ）の場合と同じである。
【００３６】
複数個の発光ダイオードモジュールを用いた集光装置の１例として、３個の発光ダイオードモジュールと、３個の湾曲したロッド状導光部材より構成される集光装置を立体的に表示したものを図５に示す。図５中、４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃは３個の発光ダイオードモジュールを示す。各発光ダイオードモジュールの中央部近傍には発光ダイオードが配置さているが、図面の煩雑になるのを避けるために図示していない。
【００３７】
３個の湾曲したロッド状導光部材５１１、５１２、５１３のそれぞれの入射面は、発光ダイオードモジュール４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃに装着された発光ダイオードに近接して配置されている。ロッド状導光部材５１１、５１２、５１３の射出面５１１ｂ、５１２ｂ、５１３ｂは図６（Ａ）に示すように、外接円６０１が最小になるような形状で一体に結束されるのが望ましい。
【００３８】
本発明のように１個の固体発光素子モジュールに対して1個の前記導光部材の入射面を近接して装着し、前記固体発光素子モジュールを装着した複数個の導光部材の射出面近傍部を一体に束ねた構造を持つことは、必要に応じて発光ダイオードモジュール数を増やした集光装置を構成することが容易であることは言うまでもない。
【００３９】
特に、集光する発光ダイオードモジュールの数が多い場合には、図５（Ｃ）に示したように隣接して配置される発光ダイオードモジュールは、発光部に垂直に設定された垂直軸方向の異なった位置で、前記垂直軸方向から見た場合パッケージの一部が互いに重なるような位置に配置した構造を採用することで集光装置を小型に纏めることができる。
【実施例２】
【００４０】
図６は本発明による集光装置の他の実施例を示すもので、図６（Ａ）で示す３個の発光ダイオードモジュールの射出光を合成する集光装置のロッド状導光部材の射出端部５１１ｂ、５１２ｂ、５１３ｃを熱融着で一体化した状態を示している。
【００４１】
一例として、ロッド状導光部材の直径を２×２ｍｍの発光面をカバーする２．８ｍｍとすると、図６（Ａ）に示すように２．８ｍｍの直径のロッド状導光部５１１，５１２、５１３の射出端部５１１ｂ、５１２ｂ、５１３ｃを単純に機械的に一体化した場合は６０１で示す仮想的な直径約６ｍｍの外接円が見かけ上の発光部となる。
【００４２】
この射出端部を熱融着で一体化すると、円形の射出端部５１１ｂ，５１２ｂ、５１３ｂは図６（Ｂ）の６０２に示す５１１ｃ、５１２ｃ、５１３ｃの様な扇形状に変形でき、外径も約４．９ｍｍと小さくまとめることが可能になる。
【００４３】
このことは、複数個の発光ダイオードを用いた集光装置の発光部を小さく、高輝度にすることに効果があり、多くの光学機器に利用可能となり、その実用的な価値は非常に高い。
【符号の説明】
【００４４】
１０１  透明物質によるロッド状導光部材
２０１  発光ダイオードモジュールのパッケージ
２０２  発光ダイオード
３０１、３０２、４１１、４１２、４２１、４３１、４３２、５１１、５１２、５１３、  ロッド状導光部材
４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ  発光ダイオードモジュール    
【図１】
2012113971.tif 000003
【図２】
2012113971.tif 000004
【図３】
2012113971.tif 000005
【図４】
2012113971.tif 000006
【図５】
2012113971.tif 000007
【図６】
2012113971.tif 000008
【図７】
2012113971.tif 000009