JP3686660B2 - 光照射装置及び光学ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤを光源として光を柱状ライトガイドから射出する光照射装置及びそれに用いられる光学ユニットに関するものであって、特に歯科医療用や製品検査用等に好適に用いられるものに関する。

近時、パワーＬＥＤと称されるような高輝度ＬＥＤが開発され、ＬＥＤの用途が大きく拡大しつつある。例えば、ＬＥＤから射出される光を透明ロッドに導き、その先端から導出して歯科医療に用いるようにした光照射装置や、同様にＬＥＤから射出される光を光ファイバ束に導き、各光ファイバの先端から導出して製品の欠陥やマーク検出に用いるようにした光照射装置などが開発されてきている。

ところで、このような光照射装置においては、ＬＥＤから射出された光をできるだけ無駄なく透明ロッド等のライトガイドに導くために、これらの間に光学ユニットを介在させている。この光学ユニットとして例えば前記特許文献１に示されるように、透明中実な椀状のボディを利用したものが知られている。このボディの基端面には凹部が設けられていて、その凹部内にＬＥＤを配設するようにしてある。ＬＥＤから出た光は、ボディの湾曲側面で全反射し、あるいは直接、ボディの先端面から射出される。一方、前記先端面は平坦になっていて、その先端面をライトガイドの光導入面に密着接続し、ＬＥＤから出る略全ての光がライトガイドに導入されるように構成してある。
特開２００３−２２７９７４号公報

ところが、前記の形状のボディによれば、前記湾曲側面で光を全反射させなければならないといった設計上の理由から、先端面においてある程度の径が必要となり、そのために、その先端面に密着接続するライトガイドにも同様の径が必要となって、ライトガイドを光導入部分において一定以上細くすることができない。そのために例えば歯科医療用等、細い径のライトガイドが必要である場合には、ライトガイドの径を先端部あるいは途中から絞るといったことがなされているが、その結果、絞り部分で光の伝達にロスが生じたり、指向性が変わったりする不具合が生じる。

また、湾曲側面で反射された光と、直接ＬＥＤから湾曲側面に到達する光とがボディ内部で混ざり合うために、前記先端面から射出される光の方向や光量が均一となるように設計することが難しい。その結果、このボディからライトガイドを介して出力される光を対象物に照射したときに、光度にムラができ、部分的に暗く見えるといった不具合が生じ得る。

本発明はかかる不具合に鑑みなされたものであって、コンパクトな構成でありながら、ＬＥＤからでた光を効率よく、しかも細い径をはじめとする種々の径のライトガイドに無理なく導入でき、加えてそのライトガイドから照射対象領域に照射される光を非常に均一性の高いものにできる光学ユニット及びその光学ユニットを用いた光照射装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明は、光源であるＬＥＤと、そのＬＥＤから射出される光を受光して先端から射出する光ファイバやグラスロッド等の柱状ライトガイドと、前記ＬＥＤ及びライトガイド間に介在して光の伝達を行う光学ユニットとを備えたものであって、

前記光学ユニットが、光軸を中心とした回転体形状をなすボディの基端面に開口させたＬＥＤを収容するための凹部と、前記ボディの先端面中央部に形成した中央凸レンズ部と、その中央凸レンズ部の周囲に形成したリング状凸レンズ部と、前記ボディの側面に形成され、ＬＥＤからの光を内方へ全反射する湾曲膨出面とを備え、

前記凹部の底面が、基端面側に向かって膨らませた凸レンズ形状であるとともに、当該凹部の側面が、基端面側に向かうに連れて徐々に拡がるテーパ面であり、前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記凹部の側面を通過する略全ての光は、前記湾曲膨出面に到達して全反射され、前記リング状凸レンズ部を介して互いに相寄る向きの光として外部に放射される一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光は、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射されるように構成するとともに、

それら外部へ放射された光に含まれる各角度の光強度が略一定となるようにし、前記先端面から所定距離離間した位置に設定した前記ライトガイドの受光面にその光を入射するようにした光照射装置又はその光学ユニットであることを特徴とする。

このようなものであれば、ボディからでた光が光軸に向かって相寄る向きに進み、しかも、ボディとライトガイドとは離間しているため、その離間距離を適宣設定することで非常に細いライトガイドにも容易に光を導入できる。

また、外部へ放射された光に含まれる各角度の光強度を略一定としているため、ライトガイドから射出された光の照射面における照度が均一で検査等に好適なものとなる。

さらに、ＬＥＤからでた光のうち、一定角度以上拡がる光（前記凹部の側面を通過する光）の経路とそうでない光（前記凹部の底面を通過する光）の経路とが前記ボディ内で完全に分離するようにしているため、ボディ先端面から射出される光の方向や光量の均一性までをも考慮した設計が非常に容易になり、上述した効果を無理なく実現できる。

加えて、前記一定角度以上拡がる光については、凹部側面での屈折角度、湾曲膨出面での全反射角度、リング状凸レンズ部での屈折角度という３つのパラメータで射出方向を設定できるため、ボディの形状や大きさの設計自由度が非常に大きくなるうえ、さらに各部位での屈折或いは反射で光量ロスが生じるような不具合を可及的に抑制することができる。

一方、それら外部へ放射された略全ての光が、前記先端面から所定距離離間した位置に設定した前記ライトガイドの受光面に収まり、なおかつその一定有効径内での照度が略均一となるように構成したものであれば、例えばライトガイドが光ファイバ束の場合に各光ファイバに均一に光を導入できる。

好ましくは、前記各凸レンズ部から出る光の集光位置を略同一位置に設定しているものがよい。

さらに、前記先端面と前記ライトガイドの受光面との離間距離を変更可能に構成しておけば、組み立て上での微調整に有効であるうえ、ライトガイドの径の変更にも容易に対応できる。
本発明の効果を一層顕著にするためにＬＥＤが点光源と見なせることが理想的であるが、このためには前記ＬＥＤが、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合してなり、平坦な基板上に搭載されていることが望ましい。
また、ＬＥＤからの光を確実に光学ユニットで反射させて射出し、かつ放熱を効率的に行うためには、前記ＬＥＤが、スペーサを介し前記基板上に搭載され、前記ＬＥＤの側面のうち、前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体との境界部分に近い面を前記基板側となるようにしていることが望ましい。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光照射装置１は、図１〜図４に示すように、光源であるＬＥＤ２１と、そのＬＥＤ２１から射出される光Ｌを受光して、図示しない先端面から射出する柱状ライトガイドである光ファイバ束３と、前記ＬＥＤ２１及び光ファイバ束３間に介在する光学ユニット４と、これらＬＥＤ２１、光学ユニット４及び少なくとも光ファイバ束３の光導入部位を収容保持する図示しないケーシングとを備えたもので、例えば歯科医療において、歯に詰め込んだ樹脂を光ファイバ束３の先端から出る光Ｌによって硬化させる際に好適に用いられる。

各部を詳述する。ＬＥＤ２１は、図６〜図８に示すように、２００ｍＡ以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーＬＥＤと称される面実装タイプのもので、基板２２上にスペーサＳＰを介して搭載されてＬＥＤパッケージ２を形成している。なお、符号２４は、ＬＥＤ２１を保護するために取り付けられた半球状の透明中実樹脂カバーである。

具体的にこのＬＥＤ２１は、表面実装型の非常に小さい矩形ブロック状をなすもので、ＰＮ接合構造をなし、一方の半導体層（例えばＰ層）２１１の底面に、極めて薄い（数十μｍ）他方の半導体層（例えばＮ層）２１２を設けてなる。一般的にＬＥＤは、Ｐ層とＮ層との境界部分が発光し、かつその部分で発熱も生じるが、このＬＥＤ２１は、通常のＬＥＤに比べ消費電力や発生熱量が遙かに多いことから、放熱を効率よく行うため、通常のＬＥＤとは逆に、前記境界部分に近い面、すなわちこの実施形態では底面を、基板２２側に密着させる接合面に設定している。

基板２２は、平面視略円形状をなす板状のもので、アルミニウムを素材とする放熱部材２２１によって主として構成され、その放熱部材２２１の頂面に薄層状をなす絶縁体２２２を被覆し、さらにその絶縁体２２２上に配線パターンＣを設けてなる。絶縁体２２２は、例えばポリイミド樹脂やエポキシ系樹脂等を素材としたものであり、熱伝導を阻害しないように、数十μｍの極めて薄い層にしている。配線パターンＣは銅箔に金（銀）メッキを施してなるやはり数μｍの薄いもので、本実施形態では、正負一対の配線パターンＣ（１）、Ｃ（２）を設け、それぞれをワイヤＷを介して前記Ｐ層２１１及びＮ層２２２に接続している。

スペーサＳＰは、前記ＬＥＤ２１よりも面積が大きい中実矩形ブロック体状をなす例えば窒化アルミニウムを素材とする絶縁性のものであり、その頂面に前記ＬＥＤ２１を、金−スズ合金を用いてボンディングするようにしてある。そしてＬＥＤ２１を取り付けてなるこのスペーサＳＰを、基板２２上に、クリーム半田等を用いて半田付けするようにしている。

光ファイバ束３は、図１等に示すように、その光ファイバの光導入端面を揃えて密に束ね受光面３ａとしたもので、本実施形態ではプラスチックファイバを用いている。

光学ユニット４は、図１〜図４に示すように、その基端面４ａから先端面４ｂに向かうに連れ徐々に断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明なボディ４１を備えたものである。

このボディ基端面４ａには、前記ＬＥＤ２１を収容するための凹部４２が開口させてある。この凹部４２の底面４２ａは、前記基端面４ａ側に向かって膨らませた凸レンズ形状にしてあり、その側面４２ｂは、基端面４ａ側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としてある。一方、前記ボディ先端面４ｂには、その中央部を膨出させることにより中央凸レンズ部４３が形成してあり、この中央凸レンズ部４３の周囲には、それとは異なる曲率のリング状凸レンズ部４４が形成してある。さらに前記ボディ４１の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した湾曲膨出面４５が設けてある。

しかして本実施形態では、図４に特に示すように、前記ＬＥＤ２１から射出された光Ｌのうち、凹部４２の側面４２ｂを通過した略全ての光Ｌが、前記湾曲膨出面４５に到達し、そこで全反射されて前記リング状凸レンズ部４４を介し、光軸に向かって互いに相寄る向きの光Ｌとして外部に放射されるようにしてある。また一方で、前記ＬＥＤ２１から射出された光Ｌのうち、凹部４２の底面４２ａを通過した略全ての光Ｌが、前記中央凸レンズ部４３を介し、やはり光軸に向かって互いに相寄る向きの光Ｌとして外部に放射されるように構成してある。なお、これら各凸レンズ部４３、４４から出る光Ｌの集光位置が略同一位置となるようにしてある。

そして、ＬＥＤ２１から射出され、光学ユニット４のボディ先端面４ｂから外部へ放射される略全ての光Ｌが、図５に示すように、前記先端面４ｂから所定距離離間した位置に設定した前記光ファイバ束３の受光面３ａに収まり、なおかつその一定有効径内での照度が、略均一又は滑らかに変化するように構成している。この図５では、ＬＥＤから出た光線のうち、側方に進むものほど、光学ユニットを出たときに間隔が狭くなっているが、ＬＥＤから出る光は、側方のものほど強度が弱いため、実際の照度は、前述したように略均一なものとなる。

加えて本実施形態では、それら外部へ放射された光Ｌに含まれる各角度の光強度が略一定又は角度に応じて滑らかに変化するようにしている。

このように構成した本実施形態によれば、単一のボディ４１のみで、ＬＥＤ２１からでた光Ｌを略漏れなく、そのボディ先端面４ｂから射出できるという基本的な効果を得ることができる。

また、ボディ４１からでた光Ｌが光軸に向かって相寄る向きに進み、しかも、ボディ４１と光ファイバ束３の受光面３ａとを離間させているため、その離間距離を適宣設定することで非常に細い光ファイバ束３にも容易に光を導入できる。

さらに、外部へ放射された光Ｌに含まれる各角度の光強度を略一定としているため、光ファイバ束３から射出された光Ｌの照射面における照度が均一なものとなる。同時に、外部へ放射された光Ｌの照度を、光ファイバ束３の受光面３ａにおける一定有効径内で略均一となるようにしてあるため、各光ファイバに均一に光Ｌを導入できる。

そしてＬＥＤ２１からでた光Ｌのうち、一定角度以上拡がる光Ｌ（前記凹部側面４２ｂを通過する光）の経路と、そうでない光Ｌ（前記凹部底面４２ａを通過する光）の経路とが前記ボディ４１内で完全に分離するようにしているため、上述したようにボディ先端面４ｂから射出される光Ｌの方向や光量の均一性までをも考慮した設計を無理なく可能であるのは、からこそである。

特に、前記一定角度以上拡がる光Ｌについては、凹部側面４２ｂでの屈折角度、湾曲膨出面４５での全反射角度、リング状凸レンズ部４４での屈折角度という３つのパラメータで射出方向を設定できるため、ボディ４１の形状や大きさの設計自由度が非常に大きくなるうえ、各部位での屈折或いは反射で光量ロスが生じるような不具合を可及的に抑制することができる。一方、一定角度以内の光Ｌについても、やはり凹部底面４２ａと、中央凸レンズ部４３との２箇所での屈折角度を設定できるため、射出方向の設定にあたって自由度が大きく無理も生じにくい。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば光ファイバ束の代わりにロッドレンズや単体の光ファイバを用いてもよいし、光ファイバ束の光導入端面と光学ユニットの間にロッドレンズを介在させてもよい。このようにすれば、光ファイバ束へ導入される光の均一性がより向上する。

さらに、ボディ先端面と前記ライトガイドの受光面との離間距離を変更可能に構成しておけば、組み立て上での微調整に有効であるうえ、ライトガイドの径の変更にも容易に対応できる。

また、図示しないが、ケーシングがフィン等の放熱構造を一体に具備しており、ＬＥＤ、光学ユニット及びライトガイドをそのケーシングに組み込んだ際に、それらの位置決めを行う位置決め構造を備え、さらにその位置決めに伴ってＬＥＤをケーシングに密着させる密着押圧構造を有する光照射装置であれば、より好適である。このようなものであれば、例えばコンパクト性を保ちつつ、有効に放熱を行い、なおかつ位置決め構造により、ＬＥＤから射出された光を光学ユニットで効果的にライトガイドに伝達することができる。

具体的には、ＬＥＤ及び光学ユニットと、これらＬＥＤ及び光学ユニットを内蔵するとともに放熱部を有してなるケーシングとを具備し、そのケーシングが所定軸線に沿って直列に結合した第１ケーシング要素と第２ケーシング要素とを有するものであって、前記ケーシング要素同士の結合に伴って前記第１ケーシング要素側に設けた第１押圧面と前記第２ケーシング要素側に設けた第２押圧面との間でＬＥＤ及び光学ユニットを狭圧固定する密着押圧構造と、同結合に伴ってＬＥＤ及び光学ユニットの光軸を前記軸線に一致するように当該ＬＥＤ及び光学ユニットの位置決めを行う位置決め構造とを具備するものを挙げることができる。

加えて各凸レンズ部にフレネルレンズ構造を採用してもよいし、凹部底面のみならず凹部側面も湾曲させてレンズ面としてもよい。

もちろん、本発明は歯科医療用の光照射装置に限られず、樹脂硬化等の素材形態変更目的で用いてもよいし、例えば光ファイバ束の先端部を離散配置して、製品検査やアラインメントマーク検出等の目的で使用するようにしてもよい。

その他、本発明は前記実施形態等に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態における光照射装置の模式的全体図。 同実施形態における光学ユニットの平面図。 同実施形態における光学ユニットの底面図。 同実施形態における光照射装置の動作を示す動作説明図。 同実施形態における受光面での照度と位置の関係を示す照度グラフ。 同実施形態におけるＬＥＤパッケージを示す部分縦断面図。 同実施形態におけるＬＥＤパッケージを示す平面図。 同実施形態におけるＬＥＤを示す拡大部分縦断面図。

符号の説明

Ｌ…光
２１…ＬＥＤ
３…ライトガイド（光ファイバ束）
４…光学ユニット
４１…ボディ
４２…凹部
４３…中央凸レンズ部
４４…リング状凸レンズ部
４５…湾曲膨出面
４ａ…基端面
４ｂ…先端面

Claims (11)

1. 光源であるＬＥＤと、そのＬＥＤから射出される光を受光して先端から射出する柱状ライトガイドと、前記ＬＥＤ及びライトガイド間に介在して光の伝達を行う光学ユニットとを備えた光照射装置であって、
   前記光学ユニットが、光軸を中心とした回転体形状をなすボディの基端面に開口させたＬＥＤを収容するための凹部と、前記ボディの先端面中央部に形成した中央凸レンズ部と、その中央凸レンズ部の周囲に形成したリング状凸レンズ部と、前記ボディの側面に形成され、ＬＥＤからの光を内方へ全反射する湾曲膨出面とを備え、
   前記凹部の底面が、基端面側に向かって膨らませた凸レンズ形状であるとともに、当該凹部の側面が、基端面側に向かうに連れて徐々に拡がるテーパ面であり、
   前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記凹部の側面を通過する略全ての光を、前記湾曲膨出面で全反射させて前記リング状凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射する一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光を、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射するように構成するとともに、
   それら外部へ放射された光に含まれる各角度の光強度が略一定となるようにし、前記先端面から所定距離離間した位置に設定した前記ライトガイドの受光面にその光を入射するようにしたものであることを特徴とする光照射装置。
2. 光源であるＬＥＤと、そのＬＥＤから射出される光を受光して先端から射出する光ファイバやグラスロッド等の柱状ライトガイドと、前記ＬＥＤ及びライトガイド間に介在して光の伝達を行う光学ユニットとを備えた光照射装置であって、
   前記光学ユニットが、光軸を中心とした回転体形状をなすボディの基端面に開口させたＬＥＤを収容するための凹部と、前記ボディの先端面中央部に形成した中央凸レンズ部と、その中央凸レンズ部の周囲に形成したリング状凸レンズ部と、前記ボディの側面に形成され、ＬＥＤからの光を内方へ全反射する湾曲膨出面とを備え、
   前記凹部の底面が、基端面側に向かって膨らませた凸レンズ形状であるとともに、当該凹部の側面が、基端面側に向かうに連れて徐々に拡がるテーパ面であり、
   前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記凹部の側面を通過する略全ての光を、前記湾曲膨出面で全反射させて、前記リング状凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射する一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光を、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射するように構成するとともに、
   それら外部へ放射された略全ての光が、前記先端面から所定距離離間した位置に設定した前記ライトガイドの受光面に収まり、なおかつその一定径内での照度が略均一となるように構成したものであることを特徴とする光照射装置。
3. 前記ＬＥＤが、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合してなり、平坦な基板上に搭載されている請求項１又は２記載の光照射装置。
4. 前記ＬＥＤが、スペーサを介し前記基板上に搭載され、前記ＬＥＤの側面のうち、前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体との境界部分に近い面を前記基板側となるようにしている請求項１、２又は３記載の光照射装置。
5. 前記ライトガイドがロッドレンズである請求項１、２、３又は４記載の光照射装置。
6. 前記ライトガイドが光ファイバ束である請求項１、２、３又は４記載の光照射装置。
7. 前記ＬＥＤが２００ｍＡ以上の電流を連続して流すことのできるパワーＬＥＤである請求項１、２、３、４、５又は６記載の光照射装置。
8. 前記各凸レンズ部から出る光の集光位置を略同一位置に設定している請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の光照射装置。
9. 前記先端面と前記ライトガイドの受光面との離間距離を変更可能に構成している請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の光照射装置。
10. 光軸を中心とした回転体形状をなす透明なボディを備えたものであって、
    前記ボディの基端面に開口させたＬＥＤを収容するための凹部と、前記ボディの先端面中央部に形成した中央凸レンズ部と、その中央凸レンズ部の周囲に形成したリング状凸レンズ部と、前記ボディの側面に形成され、ＬＥＤからの光を内方へ全反射する湾曲膨出面とを備え、
    前記凹部の底面が、基端面側に向かって膨らませた凸レンズ形状であるとともに、当該凹部の側面が、基端面側に向かうに連れて徐々に拡がるテーパ面であり、
    前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記凹部の側面を通過する略全ての光は、前記湾曲膨出面に到達して全反射され、前記リング状凸レンズ部を介して互いに相寄る向きの光として外部に放射される一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光は、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射されるように構成するとともに、
    それら外部へ放射された光に含まれる各角度の光強度が略一定となるようにしたことを特徴とする光学ユニット。
11. 光軸を中心とした回転体形状をなす透明なボディを備えたものであって、
    前記ボディの基端面に開口させたＬＥＤを収容するための凹部と、前記ボディの先端面中央部に形成した中央凸レンズ部と、その中央凸レンズ部の周囲に形成したリング状凸レンズ部と、前記ボディの側面に形成され、ＬＥＤからの光を内方へ全反射する湾曲膨出面とを備え、
    前記凹部の底面が、基端面側に向かって膨らませた凸レンズ形状であるとともに、当該凹部の側面が、基端面側に向かうに連れて徐々に拡がるテーパ面であり、
    前記ＬＥＤから射出された光のうち、前記凹部の側面を通過する略全ての光は、前記湾曲膨出面に到達して全反射され、前記リング状凸レンズ部を介して互いに相寄る向きの光として外部に放射される一方、前記凹部の底面を通過する略全ての光は、前記中央凸レンズ部を介し互いに相寄る向きの光として外部に放射されるように構成するとともに、
    それら外部へ放射された略全ての光が、一定径内での照度が略均一となるように構成したものであることを特徴とする光学ユニット。