JP2008293838A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さい面積の光源から発光されたのと等価な性質を持ち、分光器や一次元センサ用の光源として用いるのに好適な白色の光源装置を提供する。
【解決手段】励起ＬＥＤ１からの光は、正パワー光学系２でコリメートされ、一部は、ダイクロイックミラー３を通過し、平面ミラー７、ダイクロイックミラー８で反射され、開口絞り９を通して出力される。ダイクロイックミラー３で反射された光は、正パワー光学系４で集光され、蛍光体５上に励起ＬＥＤ１の像を結ぶ。これにより、蛍光体５から発生した蛍光は、正パワー光学系４でコリメートされ、ダイクロイックミラー３を透過し、平面ミラー６で反射され、ダイクロイックミラー８を透過して、開口絞り９を通して出力される。よって、開口絞り９からは、直接光と蛍光が混合された白色光が出力される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源装置に関するものである。

従来技術による白色ＬＥＤの一例は、特許第３２５７４５５号公報に示されている。その概略構造は図８に示すように、励起光を発光するＬＥＤ発光部１０１と基板部１０３、および蛍光体１０２からなる。さらに図示はしないが通常これら全体を透明な封止樹脂が覆っている。蛍光体１０２は透明媒質中に蛍光物質が混入されており拡散体状になっている。ＬＥＤ発光部１０１からの励起光が蛍光体１０２内部で拡散作用を受けると同時に、蛍光体１０２からは蛍光が発する。

ＬＥＤ発光部１０１の発光波長は青色や紫色など可視域短波長域か、あるいは可視域に近接する紫外域にあり、それより長波長域で発光する蛍光と混じり合って白色光を作り出すか、または蛍光成分だけで白色光を作り出すことで、連続スペクトラム白色光源として機能する。
特許第３２５７４５５号公報

このような従来技術における白色ＬＥＤは、発光部が蛍光体１０２全体となるので、もともとのＬＥＤ発光部よりも大きな面積で光る面光源であり、通常の照明光源用に作られるものである。

一方、より高度な光の制御を要求される装置では、なるべく点光源に近い小さな光源を求められることがしばしばある。たとえば、分光分析用光源の場合、分光器スリットや一次元センサに効率的に光を入射させるためには、同じ発光量なら発光源はなるべく小さい方がよい。あるいは単線のオプティカルファイバへ効率的に光を入射させる場合も同様に、同じ発光量なら発光源はなるべく小さい方がよい。

しかるに従来技術では光源部がもともとの発光領域よりも拡大された面積を持つ面光源状態なので、分光器やオプティカルファイバへの光入力が非効率になってしまう。また、蛍光体１０２の配置によっては、短波長の光を放出するＬＥＤ発光部１０１と蛍光体１０２の大きさや形状が異なることもあるため、遠方で光を受光する場合に、これらから発する光が分離され、白色光とならず、色模様が付いた光となってしまうこともあるという問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、小さい面積の光源から発光されたのと等価な性質を持ち、分光器や一次元センサ用の光源として用いるのに好適な白色の光源装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、光を放出する光源と、
前記光を励起光と光源光とに分割する光分割素子と、
前記励起光を受けて蛍光を発する蛍光体と、
前記光分割素子を経由した前記蛍光を反射偏向させる第一ミラーと、
前記光源光を反射偏向させる第二ミラーと、
前記第一ミラーによって反射偏向された前記蛍光と、前記第二ミラーによって反射偏向された前記光源光とを合成する光合成素子と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、小さい面積の光源から発光されたのと等価な性質を持ち、分光器や一次元センサ用の光源として用いるのに好適な白色の光源装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である光源装置の概要を示す図である。

光源である励起ＬＥＤ１を発した光束は、第一正パワー光学系２で平行光束にコリメートされ、第一ダイクロイックミラー３において、一部分が反射され残りが透過する。反射された光は励起光となり、透過した光は光源光となる。すなわち、光源から放出された光を光分割素子によって励起光と光源光とに分割している。第一ダイクロイックミラー３の分光特性の典型例を図２に示す。横軸は波長、縦軸Ｒは反射率、縦軸Ｔは透過率である。実線が反射率、破線が透過率を示す。

図２に示すように第一ダイクロイックミラー３の分光特性については、励起ＬＥＤ１の励起光波長領域Ｅにおいては一部透過と一部反射とし、この実施の形態においては、蛍光波長領域Ｆにおいて、ほとんどの成分が透過するよう設定している。本実施の形態を効率よく作用させるためには、蛍光波長領域Ｆでは、少なくとも５０％以上の光が透過し、５０％未満の光が反射するようにする必要があり、実用的には、蛍光波長領域Ｆでは、７０％以上の光が透過し、３０％未満の光が反射するようにすることが特に好ましい。なお、図３に示すように励起ＬＥＤ１は発光部１１と電子回路基板１２からなり、発光部１１の面積は微小である。

第一ダイクロイックミラー３によって反射された励起光反射光束は、第二正パワー光学系４によって励起ＬＥＤ１の発光部１１の像を形成する。蛍光体５は図４に示すように、蛍光物質膜５１、ミラー５２、ベース５３から構成されている。蛍光物質膜５１は薄い膜状であり、ミラー５２上に塗布されている。ベース５３はミラー５２、蛍光物質膜５１を保持している。蛍光物質膜５１面上に発光部１１像ができるよう蛍光体５を設置する。

蛍光物質膜５１のうち発光部１１像が形成されている部分が蛍光を発する。蛍光のうち一部はミラー５２で反射され蛍光物質膜５１を通り抜けて外部へ放出される。なお、ミラー５２は必須の構成要素ではない。又、ミラー５２の代わりに、プリズムシート等の反射体を使用することができる。

蛍光体５からの蛍光光束は、第二正パワー光学系４によって平行光束にコリメートされる。前記蛍光平行光束は第一ダイクロイックミラー３を透過し、第一平面ミラー６で反射され、第二ダイクロイックミラー８を透過し、開口絞り９を通過後、平行光束として外部へ出力される。第二ダイクロイックミラー８の分光特性の典型例を図５に示す。横軸は波長、縦軸Ｒは反射率、縦軸Ｔは透過率であり、実線が反射率、破線が透過率を示す。この実施の形態においては、第二ダイクロイックミラー８では、励起光波長領域Ｅにおいてはほとんどの成分が反射され、蛍光波長領域Ｆにおいてはほとんどの成分が透過する。本実施の形態を効率よく作用させるためには、励起光波長領域Ｅにおいては少なくとも５０％以上の光が反射され、蛍光波長領域Ｆにおいては少なくとも５０％以上の光が透過するようにする必要があり、実用的には、励起光波長領域Ｅにおいては少なくとも７０％以上の光が反射され、蛍光波長領域Ｆにおいては少なくとも７０％以上の光が透過するようにすることが好ましい。

励起ＬＥＤ１を発した光束のうち、第一ダイクロイックミラー３を透過した成分（光源光）については第二平面ミラー７で反射され、次に第二ダイクロイックミラー８で反射され、前記蛍光光束と重なって開口絞り９で同じ光束径となって出力される。すなわち、蛍光と光源光とが光合成素子によって合成され、出力される。励起ＬＥＤ１の発光成分の分光特性と蛍光の分光特性、および出力光の分光特性の典型例を図６に示す。横軸は波長、縦軸Ｐは光パワーである。破線は励起ＬＥＤ１の発光成分の分光特性、一点鎖線は蛍光の分光特性、実線は出力光の分光特性である。出力光は広い波長範囲に亘って分光成分を有しており、白色光であることが分かる。

図７に、ダイクロイックミラー部を構成するプリズム群の概要を示す。図１に示すプリズム群は、図７に示すように、二つの直角二等辺三角形のプリズム３１、３２と、二つの平行四辺形プリズム６１、７１を組み合わせて構成されている。直角二等辺三角形のプリズム３１の斜辺が第一ダイクロイックミラー３となり、平行四辺形プリズム７１の一辺が第二ダイクロイックミラー８となっている。また、平行四辺形プリズム６１の一辺が第一平面ミラー６、平行四辺形プリズム７１の一辺が第二平面ミラー７となっている。

励起ＬＥＤ１からの直接発光波長の選択、蛍光物質の選択調合による発光分光特性の調整、第一ダイクロイックミラー３、および第二ダイクロイックミラー８の分光特性設計によって出力光が所望の分光特性を持つよう設計する。特に出力光波長範囲を可視域に合わせ、分光特性のバランスを取ることで可視域白色光源となる。

開口絞り９越しに発光源を見た場合、励起ＬＥＤ１の発光部１１像と蛍光物質膜５１上にできる蛍光光源像はほとんど一致し、あたかも同一光源であるように機能する。また励起光束径と蛍光光束径も一致するので、単一な白色光源と等価な光源となる。

従って、遠距離においても、励起ＬＥＤ１が発する光と、蛍光物質膜５１が発する光が分離することが無く、従来技術では有り得た色模様のついた光となることがない。また、励起ＬＥＤ１の発光部１１像、蛍光物質膜５１上にできる蛍光光源像とも非常に小面積であるので、ＮＡの小さい光ファイバに入射させる場合でも、十分な光量を入射させることができ、分光器用の光源として使用する場合でも、ほぼ点光源として扱うことの可能な光源とすることができる。

なお、第二ダイクロイックミラー８を透過した蛍光の光束と、第二ダイクロイックミラー８で反射された励起ＬＥＤ１からの直接光（光源光）の光束がほぼ一致する場合には、開口絞り９は必ずしも設ける必要はない。

本実施の形態によれば、励起光源と蛍光光源を見かけ上同一形状、かつ同一位置に設定できるのみならず、共通光源の大きさは励起光源であるＬＥＤ発光部の大きさにとどめることができる。その結果、分光器や単線オプティカルファイバなど、なるべく小さな発光部を必要とする機器との相性の良い、連続スペクトラム白色光源が実現できる。

また、通常の白色ＬＥＤのように発光源ＬＥＤの発光波長と蛍光体の組成調整によって発光スペクトラムを決めるだけでなく、第一ダイクロイックミラー、第二ダイクロイックミラーの分光特性設計によっても発光スペクトラムバランスを調整する機能も併せ持つという効果もある。

以上の実施の形態においては、光源として励起ＬＥＤ１を用いており、この光源から放出される光は放射状に放出されるので、これを平行光とするために第一正パワー光学系２を用いている。しかし、光源として、レーザのように平行光を放出する光源を用いる場合は、第一正パワー光学系２を用いる必要はなく、単に、光源からの平行光束を、第一ダイクロイックミラー３に入射させればよい。

本発明の実施の形態の一例である光源装置の概要を示す図である。 第一ダイクロイックミラーの分光特性の典型例を示す図である。 励起ＬＥＤの詳細を示す図である。 蛍光体の詳細を示す図である。 第二ダイクロイックミラーの分光特性の典型例を示す図である。 励起ＬＥＤの発光成分の分光特性と蛍光の分光特性、および出力光の分光特性の典型例を示す図である。 ダイクロイックミラー部を構成するプリズム群の概要を示す図である。 従来の白色ＬＥＤの構造の例を示す図である。

符号の説明

１…励起ＬＥＤ、２…第一正パワー光学系、３…第一ダイクロイックミラー、４…第二正パワー光学系、５…蛍光体、６…第一平面ミラー、７…第二平面ミラー、８…第二ダイクロイックミラー、９…開口絞り、１１…発光部、１２…電子回路基板、３１…直角二等辺三角形のプリズム、３２…直角二等辺三角形のプリズム、５１…蛍光物質膜、５２…ミラー、５３…ベース、６１…平行四辺形プリズム、７１…平行四辺形プリズム

Claims (11)

1. 光を放出する光源と、
   前記光を励起光と光源光とに分割する光分割素子と、
   前記励起光を受けて蛍光を発する蛍光体と、
   前記光分割素子を経由した前記蛍光を反射偏向させる第一ミラーと、
   前記光源光を反射偏向させる第二ミラーと、
   前記第一ミラーによって反射偏向された前記蛍光と、前記第二ミラーによって反射偏向された前記光源光とを合成する光合成素子とを備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記光源と前記光分割素子との間に配置された正のパワーを有する第一正パワー光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記蛍光体と前記光分割素子との間に配置された正のパワーを有する第二正パワー光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記光分割素子は、前記光の一部を反射して前記励起光とし、前記光の一部を透過して前記光源光とにする第一ダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記第一ダイクロイックミラーの前記蛍光波長に対する透過率は、前記励起光波長に対する透過率よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記光合成素子は、前記第一ミラーによって反射偏向された前記蛍光の一部を通過させ、前記第二ミラーによって反射偏向された前記光源光の一部を、前記通過した蛍光と同じ方向へ重ねるように反射する第二ダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記光源は、前記光を放射状に放出することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光源装置。
8. 前記光源は、前記光を平行光束として放出することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光源装置。
9. 前記光合成素子で合成された光の中央部の光を通過させ、周縁部の光を遮光する開口をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の光源装置。
10. 前記蛍光体は、蛍光物質膜と、反射体とを有することを特徴とする請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の光源装置。
11. 前記蛍光物質膜は、前記反射体に密着していることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。

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