JP2004275277A

JP2004275277A - 光照射装置

Info

Publication number: JP2004275277A
Application number: JP2003068194A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Takada; 光明高田; Aiichi Kobayashi; 愛一小林; Masanori Ono; 雅典大野
Original assignee: GC Corp; Stanley Electric Co Ltd; GC Dental Industiral Corp
Current assignee: GC Corp; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】装置を小型化すると共に光の利用効率を向上させる。
【解決手段】歯科用光照射装置の光学系は、第１レンズ１１１、第２レンズ１２及び第３レンズ１３を備える。第１レンズ１１１及び第２レンズ１２は、光の屈折を分担してＬＥＤパッケージ１１２からの光線を光軸に略平行な光線に変換している。第３レンズ１３は、第２レンズ１２から射出される光線をライトガイド２０の入射面２０Ａに集光させる。これにより、光学系を小型化でき、且つ、光の利用効率を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の点光源から光を集光して照射する光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯科保存修復用の歯科材料として光重合型レジンが普及している。光重合型レジンは、患者の口腔内の歯牙に充填され、光照射装置から照射される光によって硬化される。このような光照射装置として、ハロゲンランプやキセノンランプを光源として用いるものの他、複数の発光ダイオードを備えたものが知られている。
【０００３】
特許文献１には、複数の発光ダイオードを備え、これらの発光ダイオードから照射される光を集光させて、集光させた光を出力する装置が開示されている。より具体的には、個々の発光ダイオードと照射口とを光ファイバーを介して接続するもの、各発光ダイオードからの照射光を１個の集光レンズを介して光照射ヘッドの入射口に導くもの、さらには、各発光ダイオードからの照射光を反射鏡で反射して光照射ヘッドの入射口に導くもの等の態様がある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９７９５２２号公報（図１、図２、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、個々の発光ダイオードと照射口とを光ファイバーを介して接続するタイプは、光ファイバーの端面と発光ダイオードとの間の距離が長くなると、光の利用効率が低下し、また、位置決めに高い精度が要求されるといった問題があった。
【０００６】
また、１個の集光レンズを用いて各発光ダイオードからの照射光を光照射ヘッドの入射口に導くタイプは、光軸から離れた位置に配置された発光ダイオードの照射光を入射口に集光させることが困難であり、光の利用効率が低下するといった問題があった。さらに、反射鏡を用いるタイプは、装置が大型化するといった問題があった。
【０００７】
これらの不都合を回避するために、発光ダイオードをなるべく密に配置することも考えられるが、そのような配置では放熱が問題となる。即ち、光出力を大きくしようとすると、発光ダイオード数が増加し、発生する熱を効率良く冷却することが困難となる。くわえて、発熱によって光出力の低下を招くことにもなる。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型で光の利用効率が高い光照射装置を提供することを解決課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明の課題を解決するための手段について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
本発明に係る光照射装置（１００）は、複数の点光源（Ｄ１〜Ｄ８）と、入射面（２０Ａ）と出射面（２０Ｂ）とを有し前記入射面（２０Ａ）に入射した光を前記出射面（２０Ｂ）に導光する導光部（２０）と、前記複数の点光源（Ｄ１〜Ｄ８）からの光線を前記導光部（２０）の入射面（２０Ａ）に集光させる光学系とを備え、前記導光部（２０）の出射面（２０Ｂ）から光を照射するものであって、前記複数の点光源（Ｄ１〜Ｄ８）は前記光学系の光軸と垂直な面に配設されており、前記光学系は、前記点光源（Ｄ１〜Ｄ８）から前記導光部（２０）の入射面（２０Ａ）へ向けて順に配設された第１レンズ（１１１）、第２レンズ（１２）、及び第３レンズ（１３）を有し、前記第１レンズ（１１１）及び前記第２レンズ（１２）は、前記光軸近傍に配置された前記点光源からの光を前記光軸に略平行な光に変換するように入射面及び出射面が形成されており、前記第３レンズ（１３）は、前記第２レンズ（１２）から出射される光を前記導光部（２０）の入射面（２０Ａ）に導入部（２０）の開口数（ＮＡ）を考慮した入光可能な入射角に集光させるように入射面及び出射面が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
仮に１枚のレンズのみで複数の点光源からの光線を光軸に平行な光線へ変換しようとすると、当該レンズの出射面で内部反射が増加し、光の利用効率が低下する。この発明によれば、第１レンズ及び第２レンズを用いて、点光源からの光を光軸に平行な光線へ変換するので、光の屈折を第１レンズと第２レンズで分担させることができる。この結果、第１レンズの出射面の曲率を下げて内部反射を防止し、複数の点光源からの光を有効に利用することが可能となる。この結果、大きな出力を少ない数の点光源で得ることができるから、光学系を小型化し、ひいては装置全体を小型化することが可能となる。
【００１２】
ここで、前記第１レンズ（１１１）の入射面は平面又は凸であり、前記第１レンズ（１１１）の出射面は凸であることが好ましい。特に、第１レンズの入射面を平面にすると、生産性を向上させることができる。また、前記第１レンズ（１１１）の出射面は非球面としてもよい。これにより、大きな屈折率を得ることができる。
【００１３】
また、前記第２レンズ（１２）の入射面は平面又は凹であり、前記第２レンズ（１２）の出射面は凸であることが好ましい。第２レンズの出射面及び第３レンズの入射面を球面にすると、球面収差が発生する。このため、光軸から離れた外周部を通過する光のうち、導光部の入射面に当たらないものや、あるいは、入射角が入射可能な度を超えてしまうものが増加する。そこで、第２レンズの入射面を凹形状にすることによって、球面収差を減少させて、導光部への入射光量を増加させることが可能となる。換言すれば、第２レンズの入射面は、第２レンズの出射面と第３レンズの入射面で発生する球面収差を補正するように定めることが好ましい。
【００１４】
また、前記第３レンズ（１３）の入射面は凸であり、前記第３レンズ（１３）の出射面は平面であることが好ましい。また、前記複数の点光源（Ｄ１〜Ｄ８）は、前記光学系の第１焦点より内側（第１レンズ１１１寄り）に配設され、前記導光部（２０）の入射面（２０Ａ）は前記光学系の第２焦点に配設されることが好ましい。これにより、複数の点光源からの光を効率良く導光部へ入射させることができる。
【００１５】
さらに、前記点光源（Ｄ１〜Ｄ８）は発光ダイオードであることが好ましい。発光ダイオードとしては、発光量が最大となるピーク波長が同じものを用いてもよいし、あるいは異なるものを用いてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態においては、光照射装置の一例として、光重合型レジンを硬化させるための歯科用光照射装置を取り上げる。
【００１７】
図１は、実施形態に係る歯科用光照射装置の構成を示す断面図である。歯科用光照射装置１００は、本体１０とその端部に設けられたライトガイド２０とを備える。本体１０は砲弾型やペンシル型などの形状をしており、そこには図示したようにグリップ１０Ａが設けられている場合もある。本体１０やグリップ１０Ａには操作スイッチ等が設けられており（図示略）、歯科医が本体１０やグリップ１０Ａを保持しながら照射のオン・オフを操作できるようになっている。
【００１８】
また、本体１０は、ＬＥＤ発光部１１、第２レンズ１２、及び第３レンズ１３を内蔵する。ＬＥＤ発光部１１は、第１レンズ１１１及び複数の発光ダイオードが配設されたＬＥＤパッケージ１１２を有する。ＬＥＤパッケージ１１２に設けられた発光ダイオードは点光源として機能する。
【００１９】
一方、ライトガイド２０は、光伝送損失が少ないガラス製光ファイバー又はプラスチック製光ファイバーなどを束ねて一体となしている。このライトガイド２０の先端側は口腔内の歯牙に充填される光重合型レジンに光を照射し易くするため、図示するように若干湾曲していることが好ましい。このライトガイド２０は、その入射面２０Ａに入射する光を出射面２０Ｂから出射する導光部として機能する。
【００２０】
このような歯科用光照射装置１００において、複数の発光ダイオードから照射された光は、第１レンズ１１１、第２レンズ１２、及び第３レンズ１３で構成される光学系によって、ライトガイド２０の入射面２０Ａに集光され、ライトガイド２０を介してその出射面２０Ｂから出射される。
【００２１】
光学系の態様としては各種のものがあるが、本実施形態では、代表的な２つの態様について説明する。図２は、第１態様に係る光学系の光跡を示す説明図である。この図に示されるように、ＬＥＤパッケージ１１２の直近に配設される第１レンズ１１１は、その入射面及び出射面が凸形状をした凸レンズである。また、第２レンズ１２は入射面が平面である一方、出射面が凸形状をした凸レンズである。なお、この例において、第１レンズ１１１の出射面は非球面、第２レンズ１２の出射面は球面である。
【００２２】
第１レンズ１１１及び第２レンズ１２は、ＬＥＤパッケージ１１２に配設された複数の発光ダイオードからの光を光軸に対して略平行な光に変換する機能を有する。ところで、第１レンズ１１１のみを用いて、平行光線を作ることも可能であるが、そのような場合は、第１レンズ１１１の入射面及び出射面の曲率を大きく設定する必要があるため、第１レンズ１１１の出射面において内部反射される光が増加し、光の利用効率が低下する。このため、本実施形態では、第１レンズ１１１と第２レンズ１２とで光の屈折を分担させることによって、第１レンズ１１１の出射面における内部反射を防止している。これにより、光の利用効率を大幅に高めることができ、歯科用光照射装置１００を小型で大出力のものにできる。
【００２３】
第３レンズ１３は、入射面が球面で出射面が平面の凸レンズである。これにより、第３レンズ１３に入射する光軸に略並行な光がライトガイド２０の入射面２０Ａに集光される。ここで、ＬＥＤパッケージ１１２は、光学系の第１焦点より少し内側（第１レンズ１１１寄り）に配置され一方、ライトガイド２０の入射面２０Ａは、光学系の第２焦点に配置される。このため、光軸から離れた位置に配置された発光ダイオードから照射される光も入射面２０Ａに集光させることができる。
【００２４】
図３は、第２態様に係る光学系の光跡を示す説明図である。第２態様に係る光学系は、第１レンズ１１１の入射面が平面である点、及び第２レンズ１２の入射面が凹形状をしている点を除いて、図２に示す第１態様の光学系と同様である。第１レンズ１１１に入射面を平面としたのは、生産性の向上を図るためである。なお、この入射面は、球面、楕円面、非球面であってもよい。
【００２５】
また、第２レンズ１２の入射面を凹形状としたのは、球面収差を低減するためである。即ち、第２レンズ１２の出射面及び第３レンズ１３の入射面は球面となっているため、球面収差が発生する。この球面収差によって、第２レンズ１２及び第３レンズ１３の外周部を通ってきた光のうち、入射面２０Ａに当たらないものや、入射角が入射可能角を超えてしまうものが増加する。そこで、第２レンズ１２の入射面を凹面とすることで、球面収差を減少させている。これにより、入射面２０Ａに入射する光量を増加させ、光の利用効率を高めることができる。
【００２６】
次に、ＬＥＤ発光部１１について説明する。図４は、ＬＥＤ発光部１１の外観を示す斜視図であり、図５はＬＥＤ発光部１１の平面図である。これらの図に示されるように、ＬＥＤ発光部１１は、ヒートシンク１２０にＬＥＤモジュールＭがねじ止めして構成される。ＬＥＤモジュールＭには、第１レンズ１１１とＬＥＤパッケージ１１２とが一体に形成されている。
【００２７】
ＬＥＤパッケージ１１２は、発光ダイオードＤ１、及びＤ２〜Ｄ８を備える。このうち発光ダイオードＤ１は、発光波長が３５０ｎｍ〜４３０ｎｍの波長においてピークを有する一方、発光ダイオードＤ２〜Ｄ８は、発光波長が４３０ｎｍ〜５００ｎｍの波長においてピークを有する。
【００２８】
このように２種類のピーク波長を有する発光ダイオードを用いたのは、以下の理由による。歯科用光照射装置１００は、光重合型レジンを硬化させるために用いられるが、この光重合型レジンには、モノマー中に２種類の光重合触媒（例えば、カンファーキノンとアシルホスフインオキサイド等）が配合されている。光重合触媒は、光が照射されると、光を吸収してラジカルを発生し、これがモノマーの重合反応を開始させる。ところが、光重合触媒の種類によって反応する波長領域が異なる。そこで、光重合触媒の種類に応じた波長の光を照射できるように、２種類のピーク波長を有する発光ダイオードを用いたのである。これにより、光重合反応を予備硬化と完全硬化といったように２段階に分けて行うことが可能となり、さらに、光重合型レジンを十分に硬化させ未重合部分が残ってしまうといった不都合を解消できる。
【００２９】
また、この例において、発光ダイオードＤ１を発光ダイオードＤ２、Ｄ４、Ｄ６及びＤ８よりも中央よりに配置したのは、発光ダイオードＤ１からの光を照射スポットの中央に位置させるためである。上述した光学系によれば、光軸に近い入射光は光軸の近傍に集光される。従って、発光ダイオードＤ１を中央よりに配置することによって、発光ダイオードＤ１からの光を照射スポットの中央に位置させることができる。発光ダイオードＤ１〜Ｄ８のうち、異なる発光波長を有するのは発光ダイオードＤ１のみである。歯科医は、照射スポットの中央に光重合型レジンがくるように歯科用光照射装置１００を操作するので、発光ダイオードＤ１からの光を光重合型レジンに確実に照射することが可能となる。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下の変形が可能である。
（１）上述した光学系とライトガイド２０の入射面２０Ａの間に凹レンズを配置してもよい。この場合には、面積のより小さい入射面２０Ａであっても光学系を小型のまま開口数（ＮＡ）の小さいファイバーアレイに発光部１１からの光を集光させることができる。
【００３１】
（２）また、上述した歯科用光照射装置１００をＵＶ硬化樹脂用のスポット光源装置として利用してもよし、あるいは、ファイバー照明装置として利用してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、平行光線を得るための光の屈折を第１レンズと第２レンズで分担させるので、第１レンズの出射面における内部反射を防止し、複数の点光源からの光を有効に利用することが可能となる。この結果、大きな出力を少ない数の点光源で得ることができるから、光学系を小型化し、ひいては装置全体を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る歯科用光照射装置の機械的な構成を示す断面図である。
【図２】同装置に用いる第１態様に係る光学系の光跡を示す説明図である。
【図３】同装置に用いる第１態様に係る光学系の光跡を示す説明図である。
【図４】同装置に用いるＬＥＤ発光部１１の外観を示す斜視図である。
【図５】同装置に用いるＬＥＤ発光部１１の外観を示す平面図である。
【符号の説明】
１００歯科用光照射装置
Ｄ１〜Ｄ８発光ダイオード（点光源）
２０ライトガイド（導光部）
１１１第１レンズ
１２第２レンズ
１３第３レンズ

Claims

複数の点光源と、入射面と出射面とを有し前記入射面に入射した光を前記出射面に導光する導光部と、前記複数の点光源からの光線を前記導光部の入射面に集光させる光学系とを備え、前記導光部の出射面から光を照射する光照射装置であって、
前記複数の点光源は前記光学系の光軸と垂直な面に配設されており、
前記光学系は、前記点光源から前記導光部の入射面へ向けて順に配設された第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズを有し、
前記第１レンズ及び前記第２レンズは、前記光軸近傍に配置された前記点光源からの光を前記光軸に略平行な光に変換するように入射面及び出射面が形成されており、
前記第３レンズは、前記第２レンズから出射される光を前記導光部の入射面に集光させるように入射面及び出射面が形成されている
ことを特徴とする光照射装置。
前記第１レンズの入射面は平面又は凸であり、前記第１レンズの出射面は凸であることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
前記第２レンズの入射面は平面又は凹であり、前記第２レンズの出射面は凸であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光照射装置。
前記第３レンズの入射面は凸であり、前記第３レンズの出射面は平面であることを特徴とする請求項１乃至３うちいずれか１項に記載の光照射装置。
前記複数の点光源は、前記光学系の第１焦点より内側に配設され、前記導光部の入射面は前記光学系の第２焦点に配設されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光照射装置。
前記点光源は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の光照射装置。