JP6044611B2 - 導光部品、及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源の光を受光体に導く導光技術に関する。

産業用の機器として広く用いられている内視鏡は、通常、観察箇所に照明光を導光するライトガイドを備え、このライトガイドに照明光を入射する光源装置が知られている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。
また近年では、発光点が小さいながらも単位面積当たりの光量が大きいＬＥＤが実用化されている。

特開２０１２−１０５７１５号公報 特開２０１１−２００３８０号公報

しかしながら、光源装置は、一般に、光源の光をライトガイドの入射面に集光する集光光学系を備えているものの、従来の集光光学系では、ライトガイドにおけるＬＥＤの発光の利用効率が低く、ＬＥＤの発光を内視鏡の照明光として効率良く利用することが困難である。特に、発光点が大きくなるほど集光点における集光性が低下することから、この問題は顕著になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、光源の発光点が大きい場合でも、集光性の低下を抑制できる導光部品、及び光源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の発光点を含む光源から少なくとも受光点の近傍まで延び、前記光源と前記受光点とを結ぶ線を中心とする筒状であり、前記光源の光を集光して前記受光点に配置されるライトガイドの端面に導く反射面と、前記受光点の側の前記反射面の端部に内設された光制御素子と、を備えた導光部品であって、前記反射面は、前記発光点を第１焦点とし、前記受光点を第２焦点とする楕円反射面を前記光源の発光点ごとに重畳して成る面、或いは、円上に密集配置された複数の前記発光点の当該円の中心を第１焦点とし、前記受光点を第２焦点とする楕円反射面の前記発光点の側に、前記光源の光を反射させて前記受光点の側の反射面に入射させ、なおかつ、前記受光点の側の反射面に入射させて当該反射面で反射させた光が、前記ライトガイドの入射端面内に収まり、かつ当該ライトガイドの最大入射角θｍａｘ以下（ただし、ライトガイドの開口数をＮＡとした場合に、θｍａｘ＝Ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ））となる一葉双曲反射面を設けた面であり、前記光制御素子は、前記受光点の側の端部の反射面に指向する光を屈折させることにより、出射光の出射角を、前記ライトガイドの前記最大入射角θｍａｘ以下とすることを特徴とする。

また本発明は、上記導光部品において、前記光制御素子は、前記受光点の側の端部の反射面に指向する光を屈折させて集光する第１レンズ体と、前記第１レンズ体から入射した光の出射角を前記ライトガイドの最大入射角θｍａｘ以下にする第２レンズ体と、を備えることを特徴とする。

また本発明は、上記導光部品において、前記第１レンズ体よりも屈折率が大きな前記第２レンズ体が、前記第１レンズの出射側に収められて一体化されていることを特徴とする。

また本発明は、上記のいずれかに記載の導光部品と、前記光源と、を備え、前記導光部品は、２つの前記反射面と、それぞれの前記反射面の光路を合成する光路合成光学素子と、を備え、一方の前記反射面に他方の前記反射面が接続され、それぞれの前記反射面の光路が前記光路合成光学素子により合成され、共通の前記受光点に集光するものであり、２つの反射面のそれぞれに、波長帯域が互いに異なる光源を備えることを特徴とする光源装置を提供する。

本発明によれば、複数の発光点を含むことで、光源のみかけの発光点が大きい場合でも、光制御素子が出射光を制御することから、受光点での集光性の低下が抑制され、ライトガイドにおける光源の利用効率の低下が抑えられる。

本発明の実施形態に係る光源装置の正面側の構成を示す斜視図である。 光源装置の内部構造を示す図である。 光源装置の組み立て構造の説明図である。 内蔵部品ユニットの分解斜視図である。 集光型導光器が備える反射面の構成を模式的に示す図である。 楕円反射面の説明図である。 ＬＥＤパッケージの発光面の構成を示す模式図である。 重畳楕円面の中心軸に垂直な面の断面図である。 回転体（第１反射面）の中心軸を含む面の断面図である。 反射面の第２焦点における照度分布を示す図である。 反射面の配光特性を示す図である。 集光型導光器の断面図である。 光制御素子の分解図である。 光制御素子が内設された反射面の配光特性を示す図である。 本発明の変形例に係る集光型導光器の断面図である。 同変形例に係る光制御素子の分解図である。 本発明の変形例に係る第１反射面の説明図である。 本発明の変形例に係る反射面の模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る光源装置１の正面側の構成を示す斜視図であり、図２は光源装置１の内部構造を示す図である。なお、図２では、光源装置１の内部構造を示すために、光源装置１の上面の図示を省略している。
光源装置１は、人体内部を観察するための内視鏡が備えるライトガイド２（図２）に光を入射するものであり、ライトガイド２に入射した光は、当該ライトガイド２によって内視鏡の観察箇所に導光されて照明光として照射される。

光源装置１は、図１に示すように、略直方体形状を成し、光源装置１の正面１Ａには、通気孔４と、装着穴５とが設けられており、この装着穴５に上記ライトガイド２が装着される。光源装置１の底面１Ｂには、脚６が四隅に設けられている。また図２に示すように、光源装置１の背面１Ｃには、冷却用の空気を内部に吸い込んで導入する吸気孔１１と、電源線や制御線等の配線が接続されるコネクタ３８が設けられている。

光源装置１は、ケース体３を備え、このケース体３には、図２に示すように、２つの光源ユニット７Ａ、７Ｂと、集光型導光器８と、ホルダーユニット９と、放熱ファン１０とが収められている。
具体的には、ケース体３の中には正面３Ａの側に載置ステージ１２が設けられており、この載置ステージ１２にホルダーユニット９が組み付けられて載置されている。また、ケース体３の中には、載置ステージ１２から背面３Ｃの側に延びるフレーム板１３が設けられており、このフレーム板１３に、上記光源ユニット７Ａ、７Ｂ、集光型導光器８、及び放熱ファン１０が組み付けられている。

図３は、光源装置１の組み立て構造を説明するための説明図である。
ケース体３の背面にはユニット挿入口１５が設けられ、このユニット挿入口１５から内蔵部品ユニット１６が挿入されて内部に組み込まれる。内蔵部品ユニット１６は、上記フレーム板１３に、光源ユニット７Ａ、７Ｂ、集光型導光器８、及び放熱ファン１０を予め組み付けたユニット体である。この内蔵部品ユニット１６にはバックパネル１７が組み付けられており、このバックパネル１７がケース体３のユニット挿入口１５を閉塞して光源装置１の上記背面１Ｃを構成する。

図４は内蔵部品ユニット１６の分解斜視図である。
フレーム板１３の両縁にはガイド片１８、１８が設けられ、また図３に示すように、ケース体３の内側にはガイド片１８、１８を案内するガイド溝１９が設けられている。内蔵部品ユニット１６の挿入時には、ガイド片１８、１８がガイド溝１９に沿って案内されることで、ケース体３の内部で正確に位置決めされる。
また、ケース体３に内蔵部品ユニット１６を組み付けた際に、このケース体３の中に予め固定されているホルダーユニット９と、内蔵部品ユニット１６の集光型導光器８との位置ズレを防止するために、フレーム板１３の先端部１３Ｂ、すなわちホルダーユニット９を固定する載置ステージ１２との当接面には、２本の位置決めピン２０が設けられている。内蔵部品ユニット１６をケース体３に挿入したときには、これら位置決めピン２０が載置ステージ１２の位置決め穴（図示せず）に係合し、ホルダーユニット９に対し集光型導光器８が正確に位置決めされる。

次いで、内蔵部品ユニット１６の各部について詳述する。
光源ユニット７Ａ、及び光源ユニット７Ｂのそれぞれは、光源装置１の光源を構成するユニットであり、互いに発光波長を異にする。すなわち図４に示すように、光源ユニット７Ａは第１波長帯域Δλ１の光を放射するＬＥＤユニット２１Ａを備え、光源ユニット７Ｂは第１波長帯域Δλ１と異なる第２波長帯域Δλ２の光を放射するＬＥＤユニット２１Ｂを備えている。第１波長帯域Δλ１、及び第２波長帯域Δλ２については後述する。

ＬＥＤユニット２１Ａは第１波長帯域Δλ１の光を放射するＬＥＤパッケージ２４Ａと、このＬＥＤパッケージ２４Ａを実装したＬＥＤ基板２３とを備えている。またＬＥＤユニット２１Ｂは、ＬＥＤユニット２１Ａと同様に、第２波長帯域Δλ２の光を放射するＬＥＤパッケージ２４ＢをＬＥＤ基板２３に実装して構成されている。

ＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂは、発光素子の一例たる複数のＬＥＤチップ２６（図７）と、これらのＬＥＤチップ２６を覆う樹脂製の砲弾型のレンズ体３９とを備えている。各ＬＥＤチップ２６は略１ｍｍ角の平面視正方形を成し、それぞれの上面が発光面（図７）となって発光する。ＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂでは、これらＬＥＤチップ２６の発光面２７が集まってＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂのみかけの発光面２９（図７）が形成される。

また光源ユニット７Ａ、７Ｂは、図４に示すように、ＬＥＤユニット２１Ａ、２１Ｂの発熱を放熱する放熱ユニット２２を備えている。
放熱ユニット２２は、ＬＥＤユニット２１Ａ、２１ＢのＬＥＤ基板２３が載置される高熱伝導性材から形成されたユニット体であり、多数の放熱フィン２５を一体に備えている。

これら光源ユニット７Ａ、７Ｂは、それぞれのＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂの光軸Ｋがフレーム板１３の上面１３Ａに対して略平行、かつ互いの光軸Ｋが９０度で交差するように、当該上面１３Ａに略垂直に立てて取り付けられている。
この光源装置１では、光源ユニット７Ａがバックパネル１７に対面して配置され、このバックパネル１７には吸い込み式の上記放熱ファン１０が設けられている。放熱ファン１０は吸気孔１１から外気を吸い込み、当該外気は光源ユニット７Ａ、７Ｂの放熱ユニット２２に吹き付けられて空冷し、光源装置１の正面１Ａの通気孔４から外部に放出される。

これら光源ユニット７Ａ、７Ｂは、例えばフレーム板１３の裏側等に配置されたＬＥＤドライブ回路（図示せず）によって点灯制御されており、この光源装置１では、２つの光源ユニット７Ａ、７Ｂを同時に点灯し、或いは一方のみを点灯することが可能になっている。

集光型導光器８は、光源ユニット７Ａ、７Ｂの光を合成し、かつ集光しながらホルダーユニット９に導光して入射する導光部品であり、図３に示すように、略直方体形状を成し、フレーム板１３に四隅をネジ止めして固定されている。
この集光型導光器８は、図４に示すように、上下に接合される一対の板材３０、３１を有し、各々の板材３０、３１の接合面には、表面に反射金属膜が蒸着された凹部が形成されている。これら板材３０、３１は例えば樹脂材を材料として金型等を用いて成形され、凹部の形状が正確に形成されている。これら凹部は、両者の合わせによって、導光機能、及び集光機能を有した反射面４０を構成する。この反射面４０には、光制御素子６０が内設されている。これら反射面４０、及び光制御素子６０の詳細は後述する。

集光型導光器８には、光源ユニット７Ａ、７Ｂのそれぞれの配置位置に対応して、光を反射面４０に取り込む光源側開口３２、３３が設けられ、また前面には出射開口たる受光側開口３４が設けられ、この受光側開口３４にホルダーユニット９が接続されている。
光源側開口３２、３３には、ＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂのレンズ体３９が挿入され、光源側開口３２、３３からの光漏れが抑制されている。

ホルダーユニット９は、ライトガイド２の入射端を、集光型導光器８の出射端（後述する第２焦点ｆ２）に対し位置決めして保持するものであり、前掲図２に示すように、ケース体３の載置ステージ１２に予め固定して組み付けられている。

図５は、集光型導光器８が備える反射面４０の構成を模式的に示す図である。
反射面４０は、光源ユニット７Ａ、７ＢのＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂが放射する光をライトガイド２の入射端面３５に集光する集光光学系であり、ＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂからライトガイド２の入射端面３５の近傍（手前）までの間の全てを包囲する形状を成している。
具体的には、反射面４０は、入射端面３５の近傍まで延びる長細い筒状の第１反射面５０と、この第１反射面５０の側面に垂直に接続された筒状の第２反射面５１とを備え、第１反射面５０の端部にはＬＥＤパッケージ２４Ａが配置され、第２反射面５１の端部にはＬＥＤパッケージ２４Ｂが配置されている。

第１反射面５０は、中心軸Ｌ１を有した筒状の集光反射面であり、この例では、中心軸Ｌ１に沿った長さが略１５０ｍｍ、中心軸Ｌ１に垂直な方向における最大幅が略３３．８ｍｍの葉巻型や楕円体に似た曲面形状を成している。
この第１反射面５０は、中心軸Ｌ１上の両端が開口し、それぞれが上記光源側開口３２、及び受光側開口３４として形成されている。光源側開口３２には、中心軸Ｌ１に光軸Ｋを合わせてＬＥＤパッケージ２４Ａが配置され、ＬＥＤパッケージ２４Ａの光が光源側開口３２から第１反射面５０に入射される。受光側開口３４には、距離Ｗで離間した位置にライトガイド２の入射端面３５が配置され、この入射端面３５には、第１反射面５０によって集光されながら導光したＬＥＤパッケージ２４Ａの光が入射される。

第２反射面５１は、中心軸Ｌ２を有した集光反射面であり、第１反射面５０に接続されていない側の端部が開口し、光源側開口３３として形成されている。光源側開口３３には、中心軸Ｌ２に光軸Ｋを合わせてＬＥＤパッケージ２４Ｂが配置され第２反射面５１に光が入射される。この第２反射面５１は、その中心軸Ｌ２が上記第１反射面５０の中心軸Ｌ１に垂直に交差するように、当該第２反射面５１は第１反射面５０の側面に連結されている。

第１反射面５０の中心軸Ｌ１上には中心軸Ｌ２との交点Ｍにダイクロイックミラー５５が配置されている。ダイクロイックミラー５５は、中心軸Ｌ１、Ｌ２の各々に対して４５度の入射角度で設けられ、第２反射面５１の光路を第１反射面５０の光路に合成する光路合成光学素子である。第１反射面５０には、前掲図４に示すように、ミラー挿入溝４３が設けられ、このミラー挿入溝４３にダイクロイックミラー５５の縁部を挿入して設けられる。
なお、ダイクロイックミラー５５に代えて、例えばプリズムやハーフミラー等の他の光路合成光学素子を用いることもできる。

反射面４０にあっては、ダイクロイックミラー５５が交点Ｍに配置されることで、第２反射面５１が交点Ｍからみて第１反射面５０と幾何光学的に等価（すなわち、同一構造）とみなせるように構成される。したがって、第２反射面５１の光源側開口３３から入射した光は、第１反射面５０と同様に、第２反射面５１の受光側開口３４に向けて集光されながら導光され、ライトガイド２の入射端面３５に入射されることとなる。

反射面４０には、上述の通り、第１波長帯域Δλ１を放射するＬＥＤパッケージ２４Ａの光、及び第２波長帯域Δλ２を放射するＬＥＤパッケージ２４Ｂの光が入射されることから、両者を点滅状態に応じて、第１波長帯域Δλ１の光、第２波長帯域Δλ２の光、及び第１、及び第２波長帯域Δλ１、Δλ２を合成した波長帯域の光のいずれかが受光側開口３４に入射される。

ここで、第２反射面５１は、第１反射面５０と幾何光学的に等価であるから、集光型導光器８の反射面４０の導光機能、集光機能、及び光路については、図５における第１反射面５０によって説明される。
第１反射面５０は、光源側開口３２の発光を受光側開口３４に集光する集光反射面であるが、一般には、発光点の光を受光点に集光する反射型光学系として楕円反射面が知られており、第１反射面５０を説明する前に、この楕円反射面について概説する。

図６は楕円反射面７０の説明図である。
楕円反射面７０は、第１焦点ｆ１、及び第２焦点ｆ２の２つの焦点を有し、第１焦点ｆ１の発光を第２焦点ｆ２に集光する反射面である。したがって、楕円反射面７０の第１焦点ｆ１にＬＥＤパッケージ２４Ａを配置し、第２焦点ｆ２にライトガイド２の入射端面３５を配置すれば、理想的には、ＬＥＤパッケージ２４Ａの全ての光が入射端面３５に集光することとなる。

しかしながら、ＬＥＤパッケージ２４Ａの発光面２９は、図５に示すように、第１反射面５０の光学設計上、点とみなせる程に小さくはなく、ある大きさＤ１を有する。このため、図６に示すように、第１焦点ｆ１の発光面２９から第２焦点ｆ２に向かう反射光には、発光面２９の大きさＤ１に応じた角度γで拡がり、第２焦点ｆ２から外れる成分が生じる。この結果、ライトガイド２の入射端面３５の開口径Ｄ２（図５）の範囲に入射しない成分が生じてロスとなることから、光の利用効率が低下することになる。

光の利用効率の低下は、ライトガイド２の開口数ＮＡが小さくなるほど、ライトガイド２の入射端面３５の開口径Ｄ２が小さくなるほど、及び、ＬＥＤパッケージ２４Ａの発光面２９の大きさＤ１が大きくなるほど顕著となる。

一般に、内視鏡では、ライトガイド２の開口数ＮＡが小さいほど、照明光の指向性が高められるから、狭い範囲に光量を集めて照射できる。この光源装置１では、開口数ＮＡが０．２〜０．３５（最大入射角θｍａｘ＝Ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）＝１１．５°〜２０°）、開口径Ｄ２が約４ｍｍのライトガイド２が用いられており、一般的なライトガイドよりも開口数ＮＡ、及び開口径Ｄ２が共に小さくなっている。さらに、この光源装置１では、ＬＥＤパッケージ２４Ａの発光面２９の大きさＤ１が略２〜３ｍｍであり、何ら対策を施さなければ、光の利用効率の低下が顕著となる。

そこで、この集光型導光器８では、第１反射面５０、及び第２反射面５１を楕円反射面７０とするのではなく、次のようにして、発光面２９が大きさＤ１を有する場合でも、集光性の低下が抑えられるようにしている。

図７はＬＥＤパッケージ２４Ａの発光面２９の構成を示す模式図である。
ＬＥＤパッケージ２４Ａは、上述の通り、複数（図示例では４つ）の発光素子の一例たるＬＥＤチップ２６を備えている。それぞれのＬＥＤチップ２６は、１ｍｍ四方の平面視略矩形の発光面２７を有し、これらの発光面２７を格子状に隣接配置することで、２〜３ｍｍ四方に亘るＬＥＤパッケージ２４Ａのみかけの発光面２９が形成されている。なお、ＬＥＤパッケージ２４Ｂの構成も、ＬＥＤチップ２６の発光波長帯域が異なる点を除きＬＥＤパッケージ２４Ａと同じである。

ここで、ＬＥＤチップ２６の発光面２７は、その大きさＤ３が光学設計上、１つの点とみなせる程度、或いは、光の利用効率が妥当な範囲に収まる程度に小さいものが用いられており、当該ＬＥＤチップ２６の発光面２７は発光点Ｐとみなせるようになっている。
したがって、ＬＥＤパッケージ２４Ａが１個のＬＥＤチップ２６のみを備えると仮定した場合には、第１反射面５０に図６に示した楕円反射面７０を用いるだけで、当該ＬＥＤパッケージ２４Ａの光をライトガイド２の入射端面３５に効率良く入射させることができる。
しかしながら、ＬＥＤパッケージ２４Ａは、複数のＬＥＤチップ２６を備えることから、１つのＬＥＤチップ２６に対して楕円反射面７０を設定すると、他のＬＥＤチップ２６に対して十分な集光作用が得られない。

そこで、図８に示すように、それぞれのＬＥＤチップ２６（すなわち発光点Ｐ）ごとに規定される楕円反射面７０の全てを重畳した曲面である重畳楕円面８０を形成する。この重畳楕円面８０によれば、第２焦点ｆ２への集光作用が全てのＬＥＤチップ２６に対して得られることから、ＬＥＤパッケージ２４Ａが複数のＬＥＤチップ２６を備える場合であっても、第２焦点ｆ２に光を集め、光の利用効率の低下が抑制されるのである。
特に、図７に示すように、ＬＥＤパッケージ２４Ａにおいて、中心Ｏを中心とした円上に各ＬＥＤチップ２６の発光面２７を配置することで、全てのＬＥＤチップ２６に対して均等に第２焦点ｆ２への集光作用が得られる。

ここで、重畳楕円面８０は、図８に示すように、各楕円反射面７０を合成した図形の輪郭を結んで形成されることから、各楕円反射面７０を繋ぐ境界線８１を面内に有し、形状が複雑化する。これに加え、この重畳楕円面８０は、各楕円反射面７０によって中心軸Ｌ１の周りに異方性を有することになる。このため、ＬＥＤパッケージ２４Ａの各ＬＥＤチップ２６を、重畳楕円面８０の各楕円反射面７０の第１焦点ｆ１に合わせて配置されていなければ、かえって集光性が低下してしまうこととなり、重畳楕円面８０とＬＥＤパッケージ２４Ａの位置合わせが煩雑となる。

そこで、第１反射面５０では、次のようにして、集光性の低下を抑制しつつ、中心軸Ｌ１の周りの異方性を無くすようにしている。
すなわち、図９に示すように、いずれかのＬＥＤチップ２６の発光面２７（発光点Ｐ）を第１焦点ｆ１とし、ライトガイド２の入射端面３５を第２焦点とする楕円曲線８３を規定し、ＬＥＤパッケージ２４Ａの発光面２９の中心Ｏと第２焦点ｆ２を結ぶ直線（第１反射面５０の中心軸Ｌ１）を中心に回転させた回転体８５を第１反射面５０としている。

ＬＥＤパッケージ２４Ａにあっては、上述の通り、各ＬＥＤチップ２６の発光面２７（中心Ｐ）が中心Ｏを中心とした円上に配置されているから、楕円曲線８３を回転させた回転体８５にあっては、回転に伴う第１焦点ｆ１の軌跡Ｑ（図７）が全てのＬＥＤチップ２６の発光面２７の発光点Ｐを通過することになる。すなわち、この回転体８５は、重畳楕円面８０と同様に、ＬＥＤチップ２６の発光面２７（発光点Ｐ）ごとに規定される全ての楕円反射面７０の成分を含むように重畳されたものと言える。

したがって、この回転体８５の形状を第１反射面５０の形状とすることで、ＬＥＤパッケージ２４Ａが複数のＬＥＤチップ２６を有する場合であっても集光性の低下が抑制される。これに加え、回転体８５は、中心軸Ｌ１周りの回転体形状であるから中心軸Ｌ１の周りに異方性が無く、ＬＥＤパッケージ２４Ａの各ＬＥＤチップ２６と第１反射面５０の中心軸Ｌ１周りの位置合わせが不要となる。

なお、この集光型導光器８の反射面４０は、上述の通り、第１反射面５０の他に、第２反射面５１を有し、この第２反射面５１も第１反射面５０と同様に、上記回転体８５によって構成されている。

図１０は反射面４０の第２焦点ｆ２における照度分布を示す図である。
第１反射面５０、及び第２反射面５１を単純な楕円反射面７０とした場合には、上述の通り、ＬＥＤパッケージ２４Ａの発光面２９の大きさＤ１に起因して第２焦点ｆ２における集光性が劣化し、図１０に破線で示すような分布となる。
これに対して、この集光型導光器８によれば、第１反射面５０、及び第２反射面５１が上記回転体８５によって構成されていることから、図１０に示すように、第２焦点ｆ２においては、中心軸Ｌ１に尖ったピークを有する照度分布となり、良好な集光性が得られる。

図１１は反射面４０の配光特性を示す図である。
発明者は、第１反射面５０、及び第２反射面５１（すなわち反射面４０）が単純な楕円反射面７０である場合、実験やシミュレーションにより、配光特性の半値角（２α）が約４６°以上の値となる、との知見を得ている。
これに対して、この反射面４０は、半値角（２α）が約２６度となり、楕円反射面７０に比べて集光性が高められていることが分かる。
なお、半値角に用いられる角度は、光軸Ｋと光線が成す角（以下、「出射角」という）αの角度である。本実施形態の説明においては、この出射角αは、ライトガイド２への上記入射角θと同じである。

このように、集光型導光器８にあっては、複数のＬＥＤチップ２６を備えたＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂを光源に用いた場合であっても、第２焦点ｆ２における集光性が良好に維持されるので、この第２焦点ｆ２に配置されたライトガイド２に効率良く光が入射されることとなる。

上述のように、反射面４０の配光特性は半値角（２α）が良好であることから、図１１に示されるように、出射角αのピーク範囲Ｗｐは大凡２０°の範囲に収められる。しかしながら、この反射面４０では、ピーク範囲Ｗｐの両サイドの範囲（以下、「サイドローブ範囲」という）Ｗａの光強度も比較的大きく、出射角αが２０°を超える光成分も出射光に多く含まれることが分かる。
この光源装置１は、上述のとおり、開口数ＮＡが０．２〜０．３５（最大入射角θｍａｘ＝Ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）＝１１．５°〜２０°）のライトガイド２の光源に用いられるものである。したがって、第２焦点ｆ２での照度分布において、中心軸Ｌ１に鋭いピークを有しても、そのピークに含まれる光に出射角αが２０°を超える光成分が多分に含まれると、その光成分はライトガイド２に入射しても導光せずにロスとなる。

そこで、この光源装置１は、上記集光型導光器８が上記反射面４０に内設された上記光制御素子６０を備えることで、サイドローブ範囲Ｗａの光強度が低減されるようになっている。

図１２は、集光型導光器８の断面図である。なお、この図には、反射面４０の光軸Ｋを含むように切った集光型導光器８の断面がＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂとともに示されている。
光制御素子６０は、反射面４０内で受光側開口３４に指向する光が透過する透過型光学素子であり、受光点である第２焦点ｆ２の側の反射面４０の端部（以下、「受光点側端部」という）４８に設けられている。
この光制御素子６０は、受光点側端部４８の反射面４０に指向する光成分Ｈ１を制御し、この光成分Ｈ１の出射角αが所定角度（この光源装置１では、上記最大入射角θｍａｘ）以下となるような角度で第２焦点ｆ２に指向するように制御する機能を備えている。
詳述すると、一般的な楕円反射面７０において、反射光が第２焦点ｆ２に入射する入射角θは、第１焦点ｆ１から離れた箇所で反射するほど、すなわち第２焦点ｆ２に近付いた箇所で反射するほど大きくなる。

この反射面４０も楕円反射面７０を基本とすることから、反射光の入射角θは、第２焦点ｆ２に近付いた箇所で反射するほど大きくなり、第２焦点ｆ２の側の端部の所定範囲Ｙで反射する光は、最大入射角θｍａｘを超えてしまうことになる。
そこで、光制御素子６０は、この所定範囲Ｙの反射面４０に指向する光成分Ｈ１の当該指向方向を制御し、最大入射角θｍａｘ以下で第２焦点ｆ２に入射するようにする。これにより、配光特性において、ピーク範囲Ｐｗの光強度が高められ、サイドローブ範囲Ｗａの光強度が低減されるので、ライトガイド２でのロスを抑え、効率が高められる。

図１３は光制御素子６０の分解図である。
光制御素子６０は、この図１３に示すように、第１レンズ体６１と、第２レンズ体６２とを備えている。第１レンズ体６１は、光成分Ｈ１に対し、受光点側端部４８の反射面４０への入射を妨げる方向に屈折を与えるものであり、第２レンズ体６２は第１レンズ体６１の出射光の出射角αを最大入射角θｍａｘ以下となるように制御するものである。

さらに詳述すると、第１レンズ体６１は、入射光を集光する機能を有する透過型光学素子であり、略円錘状の胴部６１Ｃを有し、一方の端面が凸面の入射面６１Ａとして形成され、縮径した他方の端面が出射面６１Ｂとして形成されている。入射面６１Ａは、図１３に示すように、所定範囲Ｙに光が進入する進入位置Ｙａに合せて配置され、出射面６１Ｂは、第２焦点ｆ２の手前（より正確には、受光側開口３４から第２レンズ体６２の配置スペースを確保する程度に離間した位置）に配置される。また胴部６１Ｃは反射面４０に係合する形状に形成されており、第１レンズ体６１が当該反射面４０に嵌め込み固定される。

入射面６１Ａは、光軸Ｋに対して所定範囲Ｙの反射面４０に入射する、すなわち胴部６１Ｃの周面に入射する角度の光成分（上記光成分Ｈ１に相当）に対して光軸Ｋに集光するような屈折角の屈折を与える曲面に形成されている。
さらに、この入射面６１Ａの曲面は、胴部６１Ｃの周面に入射しない角度の光成分、すなわち第２焦点Ｆ１を指向する光成分Ｈ２（図１２）に対しては、光成分Ｈ１に与える屈折角よりも小さな屈折を与える曲面ともなっている。
出射面６１Ｂは、第１レンズ体６１と第２レンズ体６２とを接続する面であり、第２レンズ体６２の入射面６２Ａが隙間無く嵌め合わされる。

第２レンズ体６２は、第１レンズ体６１から入射した光を第２焦点ｆ２に集光する機能を有した透過型光学素子であり、第２レンズ体６２にはドラムレンズが用いられている。
この第２レンズ体６２は、入射面６２Ａ、及び出射面６２Ｂが凸面に形成され、第１レンズ体６１の屈折率ｎ１よりも大きな屈折率ｎ２を有している。
第２レンズ体６２は、出射光の出射角αが最大入射角θｍａｘを超えず、かつ第２焦点ｆ２に集光するように、入射面６２Ａ、及び出射面６２Ｂの凸面の曲率と、屈折率ｎ２とが設定されている。

かかる光制御素子６０によれば、第１レンズ体６１において、光成分Ｈ１が集光するように屈折されることで胴部６１Ｃへの入射が抑えられ、その他の光成分Ｈ２とともに第２レンズ体６２に入射される。そして、第２レンズ体６２において、光成分Ｈ１、Ｈ２が第２焦点ｆ２に焦点を合わせ、かつて出射角αが最大入射角θｍａｘ（この実施形態では、〜２０°）を超えないように集光されることとなる。
また集光型導光器８の受光側開口３４に光制御素子６０が設けられ、当該光制御素子６０が第２焦点ｆ２に光を集めることから、第２焦点ｆ２での集光性が高められる。

図１４は、光制御素子６０が内設された反射面４０（すなわち、集光型導光器８）の配光特性を示す図である。
図１４と図１１の対比から明らかなように、光制御素子６０が反射面４０に内設されている場合の配光特性は、光制御素子６０が設けられていない場合に比べ、サイドローブ範囲Ｗａの光強度が大きく抑制され、出射角αが２０°以下の範囲であるピーク範囲Ｗｐに光強度が集められることが分かる。

そして、上述のとおり、この集光型導光器８にあっては、複数のＬＥＤチップ２６を備えたＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂを光源に用いた場合であっても、第２焦点ｆ２における集光性が良好に維持されるので、この第２焦点ｆ２に配置されたライトガイド２に光が集められて入射され、入射した光がライトガイド２をロスなく導光することとなる。

この光源装置１では、上述の通り、ＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂのそれぞれは、放射する光の波長帯域が異なり、ＬＥＤパッケージ２４Ａは第１波長帯域Δλ１の光を放射し、ＬＥＤパッケージ２４Ｂは第２波長帯域Δλ２の光を放射する。
これら第１波長帯域Δλ１、及び第２波長帯域Δλ２は、光源装置１の使用目的等に応じて決定されており、この光源装置１では、内視鏡という用途、及びライトガイド２の材質に基づき、第１波長帯域Δλ１には波長７００ｎｍ以下（近赤外波長以下の可視光）の波長帯域が設定され、第２波長帯域Δλ２には波長７００ｎｍ以上（近赤外波長以上）の波長帯域が設定されている。なお、第１波長帯域Δλ１と第２波長帯域Δλ２は、一部が重複した帯域、すなわち完全に離れた帯域でなくても良い。

第１波長帯域Δλ１の光を発するＬＥＤパッケージ２４Ａは、赤色光（Ｒ）を発するＬＥＤチップ２６、緑色光（Ｇ）を発するＬＥＤチップ２６、青色光（Ｂ）を発するＬＥＤチップ２６、及び白色光を発するＬＥＤチップ２６の合計４つのＬＥＤチップ２６を、図７に示すように、格子状に配列して構成される。このように、発光色が異なるＬＥＤチップ２６を組み合わせることで、所望の波長帯域の光を容易に得ることができる。
一方、第２波長帯域Δλ２の光を発するＬＥＤパッケージ２４Ｂは、同一の近赤外光（ＩＲ）を発する４つのＬＥＤチップ２６を、図７に示すように、格子状に配列して構成される。このように、同一発光色のＬＥＤチップ２６を組み合わせることで、光出力を容易に高めることができる。

そして、ＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂのそれぞれが複数のＬＥＤチップ２６を備えることにより、それぞれが大きな発光面２９を有した場合でも、上記集光型導光器８を用いることで、それぞれの発光面２９からの光の第２焦点ｆ２への集光性を良好に維持し、ライトガイド２へ効率良く入射させ、また、このライトガイド２をロスなく導光させることができるのである。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１焦点ｆ１の光を、受光点たる第２焦点ｆ２に集光して導光する楕円反射面７０を基本とした曲面の反射面４０に光制御素子６０を受光点側端部４８に内設し、この光制御素子６０が受光点側端部４８の反射面４０に指向する光成分Ｈ１を屈折させ、出射角αが所定角度以下となるように制御する構成とした。
これにより、受光点側端部４８での光成分Ｈ１の反射が抑えられ、さらに出射角αが所定角度以下となるように制御されるので、配光特性において、ピーク範囲Ｐｗに光強度を集め、サイドローブ範囲Ｗａの光強度を大きく低減させた特性が得られる。
なお、出射角αの所定角度は、光源装置１の用途に基づいて設定されるものであり、この光源装置１では、ライトガイド２の最大入射角θｍａｘに基づいて設定されている。

また本実施形態によれば、光制御素子６０は、受光点側端部４８の反射面４０に指向する光成分Ｈ１を屈折させ集光する第１レンズ体６１と、この第１レンズ体６１によって集光される光の出射角αを所定角度以下にする第２レンズ体６２と、を備える構成とした。
この構成によれば、第１レンズ体６１によって、受光点側端部４８の反射面４０に指向する光成分Ｈ１の反射が確実に抑えられるとともに、第２レンズ体６２によって、出射光の出射角αが正確に制御されて所定角度以下に抑えられる。
すなわち、この光制御素子６０によれば、光成分Ｈ１の反射の抑制と、出射光の出射角αの制御とを、それぞれ正確に行うことができる。

また本実施形態によれば、集光型導光器８の反射面４０（第１反射面５０）を、ＬＥＤパッケージ２４Ａが備えるＬＥＤチップ２６の発光面２７を第１焦点ｆ１、及び受光点たるライトガイド２の入射端面３５を第２焦点ｆ２として、ＬＥＤチップ２６ごとに規定される楕円反射面７０の各々を重畳して形成した。
これにより、第２焦点ｆ２への集光作用が全てのＬＥＤチップ２６に対して得られ、ＬＥＤパッケージ２４Ａが複数のＬＥＤチップ２６を備える場合であっても集光性が良好に維持され、光の利用効率の低下が抑制される。

特に、本実施形態によれば、ＬＥＤパッケージ２４Ａにおいて、中心Ｏを中心とした円上に各ＬＥＤチップ２６を配置し、この円上に配置された各ＬＥＤチップ２６に対応して楕円反射面７０を規定するようにしたから、全てのＬＥＤチップ２６に対して均等に第２焦点ｆ２への集光作用を得ることができる。

また本実施形態によれば、反射面４０（第１反射面５０）の形状を、いずれかのＬＥＤチップ２６を第１焦点ｆ１、及び受光点たるライトガイド２の入射端面３５を第２焦点ｆ２として規定される楕円曲線８３を、各ＬＥＤチップ２６の配置の中心Ｏと第２焦点ｆ２を結ぶ直線（すなわち、中心軸Ｌ１）を中心に回転させた回転体８５の形状とした。
この回転体８５は、ＬＥＤチップ２６の発光面２７ごとに規定される楕円反射面７０の全ての成分を含むものであるから、この回転体８５の形状を第１反射面５０の形状とすることで、ＬＥＤパッケージ２４Ａが複数のＬＥＤチップ２６を有する場合であっても集光性の低下が抑制される。これに加え、回転体８５は、中心軸Ｌ１周りの回転体形状であるから中心軸Ｌ１の周りに異方性が無く、ＬＥＤパッケージ２４Ａの各ＬＥＤチップ２６と第１反射面５０の中心軸Ｌ１周りの位置合わせを不要にできる。

また本実施形態によれば、反射面４０は、第１反射面５０と、第２反射面５１とを備え、第１反射面５０、及び第２反射面５１のそれぞれの光路を合成するダイクロイックミラー５５を備え、第１反射面５０に第２反射面５１が接続され、第１反射面５０、及び第２反射面５１のそれぞれの光路がダイクロイックミラー５５により合成され、共通の受光点たるライトガイド２の入射端面３５に集光する構成とした。
これにより、第１反射面５０、及び第２反射面５１のそれぞれに配置した光源を、簡単に合成して効率良くライトガイド２に入射させることができる。

特に、本実施形態の光源装置１では、第１反射面５０、及び第２反射面５１のそれぞれに配置する光源の発光波長を異ならせたので、ライトガイド２に入射する光の波長を使用目的に応じて選択することができる。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。

本発明に係る光制御素子は、光成分Ｈ１に対して、受光点側端部４８の反射面４０への入射を阻止する屈折を与え、かつ、出射光の出射角αが所定角度以下となるように制御する機能を備えていれば良く、上述した光制御素子６０に限らない。

図１５は、本変形例に係る集光型導光器１０８の断面図である。また、図１６は本変形例に係る光制御素子１６０の分解図である。なお、図１５には、反射面４０の光軸Ｋを含むように切った集光型導光器１０８の断面がＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂとともに示されている。
本変形例の集光型導光器１０８は、光制御素子１６０の構造が光制御素子６０と異なっており、その他は、集光型導光器８と同様である。

光制御素子１６０は、光成分Ｈ１に対し、受光点側端部４８の反射面４０への入射を妨げる方向に屈折を与える第１レンズ体１６１と、第１レンズ体１６１の出射光の出射角αを調整する第２レンズ体１６２とを備えている。
第１レンズ体１６１は、入射光を集光する機能を有する透過型光学素子であり、反射面４０に係合するように湾曲する略円錘状の胴部１６１Ｃを有し、一方の端面が凸面の入射面１６１Ａとして形成されている。この入射面１６１Ａは、光軸Ｋを含む中央部１６１Ａ１と、その周辺部１６１Ａ２とで曲率が異なる凸面に形成されている。この第１レンズ体１６１では、中央部１６１Ａ１は、周辺部１６１Ａ２に比べて曲率が大きく形成されている。
このように入射面１６１Ａが２つの曲率を備えることで、光成分Ｈ１と、その他の光成分Ｈ２に対とのそれぞれに対して屈折を与える制御が正確に行われる。

この入射面１６１Ａの焦点は、中央部１６１Ａ１、及び周辺部１６１Ａ２のいずれも、胴部１６１Ｃの中の光軸Ｋの上に設定されている。そして、この胴部１６１Ｃには、入射面１６１Ａの反対側の端面から光軸Ｋに沿って凹む挿入穴１６１Ｄが設けられている。この挿入穴Ｄには、第２レンズ体１６２が隙間無く（空気層を介在させることなく）嵌挿され、これにより第１レンズ体１６１に第２レンズ体１６２が収められて、光制御素子１６０が一体化されている。
このように光制御素子１６０が一体化されることで、第１レンズ体１６１、及び第２レンズ体１６２の位置ズレを防止し、光源装置１や集光型導光器１０８の組み立てが容易となる。

第２レンズ体１６２は、第１レンズ体１６１から入射する光を、所定の光束径Ｄｒの出射面１６２Ｂから出射する機能を有した透過型光学素子である。具体的には、この第２レンズ体１６２には、略円錐状のレンズが用いられ、外周面が入射面１６２Ａとして形成され、底面が上記光束径Ｄｒの径を有した出射面１６２Ｂとして形成され、屈折率ｎ１よりも小さな屈折率ｎ２を有している。この光束径Ｄｒは、受光点での照射範囲に基づいて設定され、この集光型導光器１０８では、ライトガイド２の入射端面３５の径に基づいて設定される。

第２レンズ体１６２の入射面１６２Ａは、第１レンズ体１６１から入射する光に対し、出射面１６２Ｂを指向し、かつ、出射角αが所定角度以下となる屈折を与える曲面（テーパー面、放物面、あるいは楕円面）に形成されている。
したがって、この第２レンズ体１６２の出射面１６２Ｂからは、出射角αが所定角度以下であり、なおかつ、所定の光束径Ｄｒの出射光が出射される。
これにより、この集光型導光器１０８によれば、ライトガイド２の入射端面３５の範囲内に光が集まり、かつライトガイド２の中をロスなく導光する光を出射することができる。

例えば、上述した実施形態において、円上に配置した複数のＬＥＤチップ２６を備えるＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂにおいて、これらＬＥＤチップ２６の内側に、他のＬＥＤチップ２６が配置されていても良い。

また例えば、複数のＬＥＤチップ２６を備えたＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂに代えて、図１７に示すように、多数のＬＥＤを密集配置して、１つの大きな発光面１２９を形成した面発光光源たるＣＯＢ型ＬＥＤ１２４（ＣＯＢ：Chip on Board）を用いることもできる。
この場合、第１反射面１５０の形状は、発光面１２９の内であって、当該発光面１２９の中心Ｏを外れた位置を第１焦点ｆ１、及び受光点たるライトガイド２の入射端面３５を第２焦点ｆ２とする楕円曲線を、発光面１２９の中心Ｏと第２焦点ｆ２を結ぶ直線を中心に回転させた回転体１８５の形状とされる。このとき、発光面１２９における第１焦点ｆ１の位置は、発光面１２９の中心Ｏから外縁１２９Ａの中間地点とすることが望ましい。

また上述した実施形態において、発光素子はＬＥＤに限らず、他の素子であっても良い。

また上述した実施形態において、ダイクロイックミラー５５により２つのＬＥＤパッケージ２４Ａ、２４Ｂの光を合成する構成したが、これに限らない。すなわち、例えばダイクロイックミラー５５に代えてダイクロイックプリズムを用いる等して３つ以上の光を合成しても良い。また反射面４０に第２反射面５１を設けずに、第１反射面５０のみで反射面４０を構成しても良い。

また例えば上述した実施形態において、光源の大きさが集光性を阻害しない程度である場合には、反射面４０を楕円反射面７０としてもよい。
また、反射面４０を楕円反射面７０とする場合には、発光点（第１焦点ｆ１）の側に、受光点（第２焦点ｆ２）の側の反射面４０に向けて光源の光を反射し、当該受光点の側の反射面４０での反射により受光点に所定の入射角度で指向する光を得る曲面反射面を設けても良い。係る反射面には、特願２０１２−２３２２９２に開示された技術を用いることができる。

図１８は本変形例に係る反射面１４０の模式図である。
この反射面４０は、図１８に示すように、楕円反射面７０のうち、第１焦点ｆ１の側の反射領域Ｒｃを双曲反射面１４０Ａとした複合楕円鏡の構成となっている。
双曲反射面１４０Ａは、その反射光（一次反射光）を上記楕円反射面７０での反射（二次反射光）を用いて第２焦点ｆ２に指向する反射光を得るものである。この双曲反射面１４０Ａは、楕円反射面７０の上記受光点側端部４８での反射光がライトガイド２の入射端面３５内に収まり、かつ最大入射角θｍａｘ以下で入射するように当該反射領域Ｒａに光を入射するように設計されている。
これにより、反射領域Ｒｃでの反射光（一次反射光）が、楕円反射面７０での反射により最大入射角θｍａｘ以下の角度で、かつライトガイド２の開口径Ｄ２の範囲内に向かう反射光Ｅとなるので、反射領域Ｒｃでの反射光の多くをライトガイド２に入射させることができ、ＬＥＤパッケージ２４、２４Ｂの発光の利用効率が高められる。
さらに、この反射面１４の受光点側端部４８に、上記光制御素子６０、１６０が内設されることで、ライトガイド２に効率良く光を入射し、ロスなく導光させることができる。

１ 光源装置
７Ａ、７Ｂ 光源ユニット
８、１０８ 集光型導光器（導光部品）
２４Ａ、２４Ｂ ＬＥＤパッケージ
２６ ＬＥＤチップ
２７ 発光面（発光点）
２９ みかけの発光面
１２９ 面発光光源の発光面
３２、３３ 光源側開口
３４ 受光側開口
３５ 入射端面
４０、１４０ 反射面
４８ 受光点側端部
５０、１５０ 第１反射面（反射面）
５１ 第２反射面
５５ ダイクロイックミラー（光路合成光学素子）
６０、１６０ 光制御素子
６１、１６１ 第１レンズ体
６２、１６２ 第２レンズ体
７０ 楕円反射面
８０ 重畳楕円面
８１ 境界線
８３ 楕円曲線
８５、１８５ 回転体
ｆ１ 第１焦点
ｆ２ 第２焦点
Ｋ 光軸
Ｌ１、Ｌ２ 中心軸
Ｍ 交点
Ｏ 配置の中心
Ｐ 発光点
Ｙ 所定範囲
Ｙａ 進入位置
Ｗａ サイドローブ範囲
Ｗｐ ピーク範囲
θｍａｘ 最大入射角

Claims (4)

1. 複数の発光点を含む光源から少なくとも受光点の近傍まで延び、前記光源と前記受光点とを結ぶ線を中心とする筒状であり、前記光源の光を集光して前記受光点に配置されるライトガイドの端面に導く反射面と、
   前記受光点の側の前記反射面の端部に内設された光制御素子と、を備えた導光部品であって、
   前記反射面は、
   前記発光点を第１焦点とし、前記受光点を第２焦点とする楕円反射面を前記光源の発光点ごとに重畳して成る面、或いは、
   円上に密集配置された複数の前記発光点の当該円の中心を第１焦点とし、前記受光点を第２焦点とする楕円反射面の前記発光点の側に、前記光源の光を反射させて前記受光点の側の反射面に入射させ、なおかつ、前記受光点の側の反射面に入射させて当該反射面で反射させた光が、前記ライトガイドの入射端面内に収まり、かつ当該ライトガイドの最大入射角θｍａｘ以下（ただし、ライトガイドの開口数をＮＡとした場合に、θｍａｘ＝Ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ））となる一葉双曲反射面を設けた面であり、
   前記光制御素子は、
   前記受光点の側の端部の反射面に指向する光を屈折させることにより、出射光の出射角を、前記ライトガイドの前記最大入射角θｍａｘ以下とする
   ことを特徴とする導光部品。
2. 前記光制御素子は、
   前記受光点の側の端部の反射面に指向する光を屈折させて集光する第１レンズ体と、
   前記第１レンズ体から入射した光の出射角を前記ライトガイドの最大入射角θｍａｘ以下にする第２レンズ体と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の導光部品。
3. 前記第１レンズ体よりも屈折率が大きな前記第２レンズ体が、前記第１レンズの出射側に収められて一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の導光部品。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の導光部品と、
   前記光源と、を備え、
   前記導光部品は、
   ２つの前記反射面と、
   それぞれの前記反射面の光路を合成する光路合成光学素子と、を備え、
   一方の前記反射面に他方の前記反射面が接続され、それぞれの前記反射面の光路が前記光路合成光学素子により合成され、共通の前記受光点に集光するものであり、２つの反射面のそれぞれに、波長帯域が互いに異なる光源を備える
   ことを特徴とする光源装置。