JP6749084B2

JP6749084B2 - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP6749084B2
Application number: JP2015202721A
Authority: JP
Inventors: 修司鹿野; 堅治梅津
Original assignee: U-technology Co.,Ltd.
Current assignee: U-technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: JP2017076492A

Description

本発明は、内視鏡等に用いられるＬＥＤ照明装置に関する。

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２００〜３００ｌｍ／ｍｍ^２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）

特開２００９−１９８７３６号公報特開２００７−１４８４１８号公報特表２０１３−５１５３４６号公報

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（開口数：Numerical Aperture）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。

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。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、特許文献１に記載の発明では、輝度１００Ｍｃｄ／ｍ^２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ入力は１１３ｌｍ／ｍｍ^２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。

また、特許文献２の図７は、ＬＥＤと光ファイバを突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ＮＡ^２＝０．６^２＝０．３６
となる。

したがって、特許文献２に記載の発明では、輝度１００Ｍｃｄ／ｍ^２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ入力は１１３ｌｍ／ｍｍ^２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。

さらに、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。

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、前記半球ミラーの前記開口部の寸法が照射寸法にほぼ等しく、前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記ＬＥＤと前記半球ミラーの間隔をt、照射ＮＡをＮＡobjectとした時に、sin(tan^-1ｄLED/２t)≒ＮＡobjectが成り立つことを特徴とする。

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、前記平凸ミラーの前記開口部の寸法が照射寸法にほぼ等しく、前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの間隔をt、前記平凸レンズミラーの屈折率をn、照射ＮＡをＮＡobjectとした時に、nsin(tan^-1ｄLED/２t)≒ＮＡobjectが成り立つことを特徴とする

さらに、本発明は、前記ミラー開口部の位置に光ファイバを配置し、前記照射ＮＡが光ファイバＮＡにほぼ等しいことを特徴とする。

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。

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。従来の光ファイバ用ＬＥＤ照明装置における光線追跡図である。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。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてＮＡ０．６の光ファイバ入力の計算値である。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてＮＡ０．２の光ファイバ入力の計算値である。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。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における照射面の照度分布図である。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置におけるの遠視野照度分布図である。本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてＮＡ０．６の光ファイバ入力の計算値である。本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置におけてＮＡ０．２の光ファイバ入力の計算値である本発明の第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。本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における照射面の照度分布図である。本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置におけるの遠視野照度分布図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の断面図である。本発明の第３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。本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における照度分布のモンテカルロシミュレーション結果を示す図である。

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。

まず、図１及び図２により、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置における光線追跡図と従来の光ファイバ用ＬＥＤ照明装置における光線追跡図について説明する。

図２は従来の突合せ結合光ファイバ用ＬＥＤ光源の光線追跡図を示している。
ＬＥＤ１の直径：ｄLEDが４ｍｍ、光ファイバ８の直径：ｄfiberが３ｍｍ、光ファイバＮＡ：ＮＡfiberが０．６であり、ＬＥＤ１と光ファイバ８の間隔は十分小さく、ＬＥＤ１の法線と光ファイバ８の光軸は一致して配置されている。

光ファイバ径より外側でＬＥＤ１から出射した光線６２は光ファイバ１の端面２に入射せず、光ファイバで導光されることは無い。光ファイバ径よりも内側でＬＥＤ１から出射した光線は光ファイバ８の端面に入射するが、光ファイバＮＡよりも大きなＮＡで入射した光線６は光ファイバ８の側面より外部に出てしまい、光ファイバ８の出射端９まで導光されることは無い。導光される光線５は光ファイバ径よりも内側から出射し、光ファイバ８のＮＡ以下のＮＡで光ファイバ８に入射した光線である。

従って、この光学系の効率は
光ファイバ８で導光される光量／ＬＥＤ１の出力光量
＝（ｄfiber／ｄLED）＾２ｘＮＡfiber＾２
＝（３／４）＾２ｘ０．６＾２＝０．２０３
となる。

本発明はＬＥＤ１と光ファイバ８の間隔を最適化し入射ＮＡと光ファイバ８のＮＡを一致させ、更に光ファイバ８で導光出来ない大きなＮＡの光をミラー３でＬＥＤ１に戻し、ＬＥＤ１の拡散効果を利用して光ファイバ８で導光出来るように変換することにより光ファイバ８への光の入力を増加させるものである。

図１は本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置４の光線追跡図を示している。発光部が平面且つ点対称形状、発光角度分布がランベルト分布で、発光面が拡散面であるＬＥＤ１と、内面が反射面３ａを形成し、中心に開口部３ｂがある半球ミラー３からなる光源装置で、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の間隔は半球ミラー３の曲率半径以下であり、半球ミラー３の開口部３ｂに光ファイバ８を配置し、半球ミラー３の開口部径が光ファイバ径に等しい。

ＬＥＤ１から出射し、半球ミラー３の開口部３ｂを通る光線は、直接光ファイバ８の端面に入射する。これらの光線の内、光ファイバ８で導光される光は光ファイバ８のＮＡ以下のＮＡで入射しなければならない。図１でＬＥＤの上端から光ファイバ中心に向かう光線の場合、光ファイバ８の光軸となす角度θの正弦が光ファイバ８のＮＡ以下でなければ導光されない。

すなわち、以下の関係が成り立つ。
sinθ＝sin(tan^-1ｄLED/２t)≦ＮＡfiber
ここで、tはＬＥＤ１と半球ミラー３の中心との間隔である。
この条件ではＬＥＤ１の上端から光ファイバ８の下端に入射した光線６１の入射ＮＡは光ファイバＮＡより大きくなり導光されない。逆にＬＥＤ１の上端から出射し、光ファイバ８の上端に入射した光線５１は光ファイバ８のＮＡによる導光制限に十分余裕がある。ＬＥＤ１から出射する全ての光線について高い入射効率を得るには、
sin(tan^-1ｄLED/２t)≒ＮＡfiber
であることが望ましい。

光ファイバ８で導光できない光線６は、反射面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の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、反射面３ａにより開口部３ｂ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に戻された光線は拡散し、開口部３ｂと反射面３ａに向かって出射される。開口部３ｂに向かった光線は光ファイバ８の入力の増加に寄与する。反射面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。

図３は本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置４の光線追跡図を示している。発光部が平面且つ点対称形状、発光角度分布がランベルト分布で、発光面が拡散面であるＬＥＤ１と、凸面内面周辺が反射面７ａを形成し、中心に反射面の開口部７ｂがある平凸レンズミラー７からなる光源装置で、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、ミラー開口部７ｂに光ファイバ８を配置し、ミラー開口部径が光ファイバ径に等しい。

ＬＥＤ１から出射し平凸レンズミラー７の開口部７ｂを通る光線は、直接光ファイバ８の端面に入射する。これらの光線の内、光ファイバ８で導光される光は光ファイバ８のＮＡ以下のＮＡで入射しなければならない。図３でＬＥＤ１の上端から光ファイバ８の中心に向かう光線の場合、レンズ内で光ファイバ８の光軸となす角度θの正弦が光ファイバ８のＮＡ以下でなければ導光されない。

すなわち、以下の関係が成り立つ。
ｎsinθ＝ｎsin(tan-1ｄLED/２t)≦ＮＡfiber
ここで、ｎはレンズの屈折率、tはＬＥＤ１と反射面の中心との距離である。また、ＬＥＤ及び光ファイバと平凸レンズミラーの間隔はｔに比べて十分小さいものとする。

この条件ではＬＥＤ１の上端から光ファイバ８の下端に入射した光線６１の入射ＮＡは光ファイバＮＡより大きくなり導光されない。逆にＬＥＤ１の上端から出射し、光ファイバ８の上端に入射した光線５１は光ファイバ８のＮＡによる導光制限に十分余裕がある。ＬＥＤ１から出射する全ての光線について高い入射効率を得るには、
ｎsin(tan^-1ｄLED/２t)≒ＮＡfiber
であることが望ましい

光ファイバ８で導光できない光線６は、反射面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、反射面７ａにより開口部７ｂ以外に出射されたほとんどの光線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に戻された光線は拡散し、開口部７ｂと反射面７ａに向かって出射される。開口部７ｂに向かった光線は光ファイバ８の入力の増加に寄与する。反射面７ａに向かった光も、ＬＥＤ１−反射面７ａ間で反射・拡散を繰り返すうちにいずれは開口部７ｂから出射する。

図４、図５は本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてＮＡ０．６及びＮＡ０．２の光ファイバ８に対する入射効率（光ファイバ入射光束／ＬＥＤの出力光束）のミラー曲率半径：ｒをパラメーターとしたモンテカルロシミュレーションの結果を示す図である。但し、ＬＥＤ径：４ｍｍ、ミラー開口径＝ファイバ径：３ｍｍ、ミラー３及びＬＥＤ１の反射率は０．９５である。

ＮＡが０．６の光ファイバ８に対してはＬＥＤ１−ミラー３の中心間距離：ｔが２．８ｍｍに効率のピークがある。ＮＡが０．２の光ファイバ８に対してはｔが長いほど効率が良い。入射ＮＡを０．６を目標とした場合、０．６のＮＡに対する入射効率を優先するが、同じ効率であれば出射端で光軸方向の成分が多いＮＡ０．２の光ファイバ８に対する効率が高いほうが望ましい。そこでｒ＝３．５ｍｍ、ｔ＝３ｍｍを選んだ。ミラー３の中心と光ファイバ８との間隔は０ｍｍ、Φ３ｍｍ開口と光ファイバ８との間隔は０．３４ｍｍである。

図６は上記の設計のＬＥＤ光源装置のモンテカルロ光線追跡図である。ＬＥＤ１−ミラー３間を多くの光線が往復し、開口部に達した光線のみが光ファイバ８に入力されるのが分かる。

図７は光ファイバ８の入射端面の照度分布である。ミラー３から間隔がある為、照度分布が多少広がっている。図８は光ファイバ８を取り去り、光ファイバ８の端面位置にΦ３ｍｍの絞りを置き、絞りから１００ｍｍはなれた位置の照度分布である。光ファイバ８に入射出来ないＮＡ０．６以上（ｘ軸座標７５ｍｍ以上、−７５ｍｍ以下）の光線も４％含まれている。１０％ＮＡ（中心照度に対して１０％照度の角度の正弦）は０．６２、０．６光ファイバ８に対する入射効率は０．３５で、従来の突合せ法の１．７倍である。輝度１００Ｍｃｄ／ｍ^２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ８への入力は１９０ｌｍ／ｍｍ^２になり、キセノンランプに近づく。

本発明において
sin(tan^-1ｄLED/２t)＝sin（tan^-1４/(２x３)
＝０．５５≒０．６＝ＮＡfiber設計値目標
≒０．６２＝１０％ＮＡ計算値
が成り立つ。

図９、図１０は本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてＮＡ０．６及びＮＡ０．２の光ファイバ８に対する入射効率のミラー曲率半径：ｒをパラメーターとしたモンテカルロシミュレーションの結果を示す図である。但し、ＬＥＤ径：４ｍｍ、ミラー７の開口径＝ファイバ径：３ｍｍ、ＬＥＤ１−平凸レンズ７の間隔：０．１ｍｍ、平凸レンズ７−光ファイバ８の間隔：０．５ｍｍ、平凸レンズ７の屈折率：１．５１６、反射面７ａ及びＬＥＤ１の反射率は０．９５である。

図１１は設計目標ＮＡ０．６に対してｒ＝６、ｔ＝４．７ｍｍを選択したＬＥＤ光源装置のモンテカルロ光線追跡図である。

図１２は光ファイバ８の入射端面の照度分布である。図１３は光ファイバ８の端面位置にΦ３ｍｍの絞りを置き、絞りから１００ｍｍはなれた位置の照度分布である。光ファイバ８に入射出来ないＮＡ０．６以上の光線も３％含まれている。１０％ＮＡは０．６、０．６の光ファイバ８に対する入射効率は０．４で、従来の突き合せ法の２倍である。輝度１００Ｍｃｄ／ｍ^２のＬＥＤを用いた場合、光ファイバ入力は２２６ｌｍ／ｍｍ^２になり更にキセノンランプに近づく。

本発明において
ｎsin(tan^-1ｄLED/２t)＝１．５１６ｘsin（tan^-1４/(２x４．７)
＝０．５９≒０．６＝ＮＡfiber設計値目標
≒０．６＝１０％ＮＡ計算値
が成り立つ。

図１４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。

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ＬＥＤ１の外部に出力され、光線３２ｂ、３３ｂは拡散層に入り、以下光線２１ａと同様にふるまう。

図１４のＬＥＤ１の各層の厚さがＬＥＤ１の直径に対して十分に薄ければ、このＬＥＤ１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。

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。

図１５は本発明の第３の実施例を示す。本発明によるＬＥＤ光源装置４をシュリーレン法装置４０の光源に応用した例である。ミラー開口部がシュリーレン装置光源のピンホールになる。４１は凸レンズ、４２は被検体、４３はナイフエッジ、４４はスクリーンである。ＬＥＤ光源装置は、ＬＥＤ直径：４ｍｍ、平凸レンズミラーは曲率半径：１０ｍｍ、厚さ：９．２ｍｍ、ミラー開口径：１ｍｍ、ＬＥＤ−平凸レンズミラーの間隔は０．２ｍｍである。

図１６はミラーから１００ｍｍ離れた位置の照度分布のモンテカルロシミュレーション結果で、１０％ＮＡは０．３３９である。本発明において
ｎsin(tan^-1ｄLED/２t)＝１．５１６ｘsin（tan^-1４/(２x９．４)
＝０．３１５≒０．３３９＝１０％ＮＡ計算値
が成り立つ。ＬＥＤ及びミラーの反射率を０．９５とした場合、ミラー開口部の輝度はＬＥＤの輝度の６倍、反射率０．９でも４倍の画期的な輝度になる。

１ＬＥＤ
３半球ミラー
３ａ反射面
３ｂ開口部
７平凸レンズミラー
７ａ反射面
７ｂ開口部
８光ファイバ

Claims

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から出射し、前記開口部に達しない光を前記ＬＥＤに直接戻し、
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、
前記半球ミラーの前記開口部の寸法が該開口部から照射される照射範囲に等しく、
前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記ＬＥＤと前記半球ミラーとの間隔をt、前記開口部から照射される光のＮＡをＮＡobjectとした時に、
sin(tan^−１ｄLED/２t)≦ＮＡobject
が成り立つことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
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から出射し、前記開口部に達しない光を前記ＬＥＤに直接戻し、
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、
前記平凸レンズミラーの前記開口部の寸法が該開口部から照射される照射範囲に等しく、
前記ＬＥＤ寸法をｄLED、前記ＬＥＤと前記平凸レンズミラーの反射面との間隔をt、前記平凸レンズミラーの屈折率をn、前記開口部から照射される光のＮＡをＮＡobjectとした時に、
nsin(tan^−１ｄLED/２t)≦ＮＡobject
が成り立つことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記ミラー開口部の位置に光ファイバを配置し、前記開口部から照射される光のＮＡが光ファイバ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。