特許 7515070 光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】光源装置

(51)【国際特許分類】

   F21V 33/00 20060101AFI20240705BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

F21V33/00 400

F21S2/00 482

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022514301

(86)(22)【出願日】2020-04-09

(86)【国際出願番号】 JP2020016807

(87)【国際公開番号】W WO2021205671

(87)【国際公開日】2021-10-14

【審査請求日】2023-03-31

(73)【特許権者】

【識別番号】518302427

【氏名又は名称】株式会社ＵＳＫテクノロジー

(72)【発明者】

【氏名】萩原 守

【審査官】野木 新治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０３４２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７２１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６４６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６１６１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｖ ３３／００

Ｆ２１Ｓ ２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配光角が、５０°未満、あるいは８０°より大きい、複数の発光ダイオードを平面上に配列した、前記複数の発光ダイオードのピッチが８．５ｍｍ以上２０ｍｍ未満である光源領域と、
前記平面と平行であって、前記複数の発光ダイオードからの光を照射され、前記光源領域の中心を通る中心軸を前記光の照射時に通す点を中心とし、前記複数の発光ダイオードとの光学的距離が８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である照射面と、を含み、
前記照射面において、光量がピーク値の６０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離が、前記複数の発光ダイオードの配光角を５０°、及び６０°にしたときの光量がピーク値の６０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離より大きくなる前記照射面の光量の均一性の向上を図る光源装置。

【請求項2】

配光角が、５０°未満、あるいは８０°より大きい、複数の発光ダイオードを平面上に配列した、前記複数の発光ダイオードのピッチが８．５ｍｍ以上２０ｍｍ未満である光源領域と、
前記平面と平行であって、前記複数の発光ダイオードからの光を照射され、前記光源領域の中心を通る中心軸を前記光の照射時に通す点を中心とし、前記複数の発光ダイオードとの光学的距離が８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である照射面と、を含み、
前記照射面において、光量がピーク値の８０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離が、前記複数の発光ダイオードの配光角を５０°、６０°、及び８０°にしたときの光量がピーク値の８０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離より大きくなる前記照射面の光量の均一性の向上を図る光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の発光ダイオードを平面上に配列した光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、紫外線を発光する発光ダイオードを用いた光源装置は、水等の流体を殺菌する（細菌を不活化する）流体殺菌装置や、紫外線硬化樹脂を硬化させる樹脂 硬化装置に用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５７３２１５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の殺菌装置や樹脂硬化装置等に用いられる光源装置では、例えば、殺菌をもれなく行う、あるいは樹脂を均一に硬化させるといった目的のために、発光ダイオードからの光を照射する照射面において、均一な光を照射することが望まれる場合がある。

【0005】

そこで、本発明は、照射面での光量の均一性を向上させることが可能な光源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題を解決することを目的として、配光角が、５０°未満、あるいは８０°より大きい、複数の発光ダイオードを平面上に配列した、前記複数の発光ダイオードのピッチが８．５ｍｍ以上２０ｍｍ未満である光源領域と、前記平面と平行であって、前記複数の発光ダイオードからの光を照射され、前記光源領域の中心を通る中心軸を前記光の照射時に通す点を中心とし、前記複数の発光ダイオードとの光学的距離が８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である照射面と、を含み、前記照射面において、光量がピーク値の６０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離が、前記複数の発光ダイオードの配光角を５０°、及び６０°にしたときの光量がピーク値の６０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離より大きくなる前記照射面の光量の均一性の向上を図る光源装置を提供し、また、配光角が、５０°未満、あるいは８０°より大きい、複数の発光ダイオードを平面上に配列した、前記複数の発光ダイオードのピッチが８．５ｍｍ以上２０ｍｍ未満である光源領域と、前記平面と平行であって、前記複数の発光ダイオードからの光を照射され、前記光源領域の中心を通る中心軸を前記光の照射時に通す点を中心とし、前記複数の発光ダイオードとの光学的距離が８０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である照射面と、を含み、前記照射面において、光量がピーク値の８０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離が、前記複数の発光ダイオードの配光角を５０°、６０°、及び８０°にしたときの光量がピーク値の８０％となる位置の前記照射面の前記中心からの距離より大きくなる前記照射面の光量の均一性の向上を図る光源装置を提供する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、照射面での光量の均一性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施の形態に係る光源装置の概略構成図である。

【図2A】配光角２０°の発光ダイオードの相対光度と角度との関係を示すグラフ図である。

【図2B】配光角２０°の発光ダイオードの相対光度と角度との関係を示すグラフ図である。

【図2C】配光角１４０°の発光ダイオードの相対光度と角度との関係を示すグラフ図である。

【図2D】配光角１４０°の発光ダイオードの相対光度と角度との関係を示すグラフ図である。

【図3A】発光ダイオードの配置を示す図である。

【図3B】図３Ａにおいて配光角を２０°としたときの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図3C】図３Ａにおいて配光角を５０°としたときの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図3D】図３Ａにおいて配光角を１４０°としたときの光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図4】光量がピーク値の６０％あるいは８０％となる中心からの距離と配光角との関係を示すグラフ図である。

【図5A】配光角を２０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を５０ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図5B】配光角を２０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を８０ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図5C】配光角を２０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を１００ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図5D】配光角を２０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を１５０ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図5E】配光角を２０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を２００ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図6A】図５Ａにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図6B】図５Ｂにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図6C】図５Ｃにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図6D】図５Ｄにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図6E】図５Ｅにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図7】配光角を２０°とした場合において、光量がピーク値の６０％あるいは８０％となる中心からの距離と、発光ダイオードから照射面までの光学的距離との関係を示すグラフ図である。

【図8A】配光角を１４０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を５０ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図8B】配光角を１４０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を８０ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図8C】配光角を１４０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を１００ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図8D】配光角を１４０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を１５０ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図8E】配光角を１４０°とした場合において、発光ダイオードから照射面までの光学的距離を２００ｍｍとした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図9A】図８Ａにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図9B】図８Ｂにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図9C】図８Ｃにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図9D】図８Ｄにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図9E】図８Ｅにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図10】配光角を１４０°とした場合において、光量がピーク値の６０％あるいは８０％となる中心からの距離と、発光ダイオードから照射面までの光学的距離との関係を示すグラフ図である。

【図11A】ＬＥＤピッチを８．５ｍｍとした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図11B】ＬＥＤピッチを１０ｍｍとした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図11C】ＬＥＤピッチを１２ｍｍとした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図11D】ＬＥＤピッチを１５ｍｍとした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図11E】ＬＥＤピッチを２０ｍｍとした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図12A】図１１Ａにおいて、配光角を２０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図12B】図１１Ｂにおいて、配光角を２０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図12C】図１１Ｃにおいて、配光角を２０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図12D】図１１Ｄにおいて、配光角を２０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図12E】図１１Ｅにおいて、配光角を２０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図13A】図１２Ａにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図13B】図１２Ｂにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図13C】図１２Ｃにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図13D】図１２Ｄにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図13E】図１２Ｅにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図14A】配光角を２０°とした場合において、光量がピーク値の６０％あるいは８０％となる中心からの距離と、ＬＥＤピッチとの関係を示すグラフ図である。

【図14B】配光角を２０°とした場合において、ＬＥＤピッチと面内光量分布比との関係を示すグラフ図である。

【図15A】図１１Ａにおいて、配光角を１４０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図15B】図１１Ｂにおいて、配光角を１４０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図15C】図１１Ｃにおいて、配光角を１４０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図15D】図１１Ｄにおいて、配光角を１４０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図15E】図１１Ｅにおいて、配光角を１４０°とした際の光量分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図16A】図１５Ａにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図16B】図１５Ｂにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図16C】図１５Ｃにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図16D】図１５Ｄにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図16E】図１５Ｅにおいて、中心軸を通る断面での光量分布を示すグラフ図である。

【図17A】配光角を１４０°とした場合において、光量がピーク値の６０％あるいは８０％となる中心からの距離と、ＬＥＤピッチとの関係を示すグラフ図である。

【図17B】配光角を１４０°とした場合において、ＬＥＤピッチと面内光量分布比との関係を示すグラフ図である。

【図18A】発光ダイオードの使用数を７個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図18B】発光ダイオードの使用数を１９個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図18C】発光ダイオードの使用数を３７個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図18D】発光ダイオードの使用数を６１個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図18E】発光ダイオードの使用数を９１個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図18F】発光ダイオードの使用数を１２７個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図18G】発光ダイオードの使用数を１６９個とした際の各発光ダイオードの配置を説明する図である。

【図19A】配光角を２０°とした場合において、中心軸を通る断面での光量分布のシミュレーション結果を示すグラフ図である。

【図19B】図１９Ａの横軸を光源領域の半径で規格化したグラフ図である。

【図20A】配光角を１４０°とした場合において、中心軸を通る断面での光量分布のシミュレーション結果を示すグラフ図である。

【図20B】図２０Ａの横軸を光源領域の半径で規格化したグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

【0010】

図１は、本実施の形態に係る光源装置の概略構成図である。図１に示すように、光源装置１は、複数の発光ダイオード２を平面上に配列した装置である。

【0011】

ここでは、発光ダイオード２として、発光ダイオードチップを樹脂封止した樹脂封止型のものを用いる場合を示しているが、発光ダイオード２の具体的な構成はとくに限定されるものではない。例えば、発光ダイオード２は、発光ダイオードチップを中空パッケージにガラス等で蓋をすることにより封入したものであってもよいし、チップオンボードのようなチップを覆うものがないものであってもよい。また、発光ダイオード２の発光波長についても、特に限定されるものではない。

【0012】

複数の発光ダイオード２は、複数の発光ダイオード２が配置されている平面に対して垂直な中心軸Ｃを中心として、周方向及び径方向に等間隔に配置されている。以下、径方向における発光ダイオードの配置ピッチをＬＥＤピッチと呼称する。具体的な発光ダイオード２の数や、好適な配置ピッチ等については、後に検討する。

【0013】

また、光源装置１からの光が照射される照射面３は、複数の発光ダイオード２が配置されている平面に対して平行な面であるとする。以下、各発光ダイオード２から照射面３までの、上記平面に垂直な方向（照射面３に垂直な方向）に沿った光学的距離を、Ｄとする。光学的距離とは、光が進む経路に沿った距離をｄ、光が通過する媒体の屈折率をｎとしたとき、Ｄ＝ｄ×ｎで表されるものである。光源装置１からの光が照射される対象物については、特に限定されず、気体、液体、あるいは固体のいずれであってもよい。

【0014】

（好適な配光角の検討）
本実施の形態に係る光源装置１では、各発光ダイオード２の配光角を、５０°未満、あるいは８０°より大きくする。以下、その理由について説明する。

【0015】

配光角は、指向角とも呼ばれるものであり、発光ダイオード２の光強度（光量）がピーク値あるいは最大値の半分以上となる角度範囲である。配光角の測定は、発光ダイオード２からの距離を一定に維持しつつ受光器を移動させ、各角度での光強度を測定することにより行う。例えば、図２Ａ，図２Ｂに示すように、配光角２０°の発光ダイオード２では、発光ダイオード２の正面を０°とした場合、プラスマイナス１０°の角度範囲が、ピーク値の半分以上の光強度が得られる領域となる。同様に、図２Ｃ，図２Ｄに示すように、配光角１４０°の発光ダイオード２では、発光ダイオード２の正面を０°とした場合、プラスマイナス７０°の角度範囲が、最大値の半分以上の光強度が得られる領域となる。なお、本明細書において、ピーク値は正面（０°）での光強度、最大値は光強度が最大となる値を表すものとする。

【0016】

なお、発光ダイオード２において、配光角を調整する手段については、特に限定するものではない。例えば、凹面鏡形状のリフレクタ等の反射機構を有していてもよいし、レンズ等の透過型の集光機構を有していてもよい。以下のシミュレーションでは、全ての発光ダイオード２の配光角が同じであると仮定するが、製造上の公差等による多少の誤差は許容される。

【0017】

以下、図３Ａに示すように、中心に１つの発光ダイオード２を配置すると共に、ＬＥＤピッチ（径方向における配置ピッチ）を１０ｍｍとし、直径６０ｍｍの範囲に発光ダイオード２を配置した場合について検討する。直径１０ｍｍの円周上には６個、直径２０ｍｍの円周上には１２個、直径３０ｍｍの円周上には１８個、直径４０ｍｍの円周上には２４個、直径５０ｍｍの円周上には３０個、直径６０ｍｍの円周上には３６個の発光ダイオード２がそれぞれ周方向に等間隔に配置されており、合計１２７個の発光ダイオード２が用いられている。光源領域の半径、すなわち発光ダイオード２が配置されている領域の半径は、６０ｍｍとなる。

【0018】

図３Ａのように発光ダイオード２を配置した場合について、各発光ダイオード２の配光角を変化させて、照射面３での光量分布をシミュレーションした。配光角を２０°、５０°、及び１４０°とした場合における照射面での光量分布は、図３Ｂ～図３Ｄのようになる。図３Ｂ～図３Ｄでは、光量分布を三次元表示したグラフと併せて、中心軸Ｃを通る断面における光量の分布のグラフも併せて示している。なお、発光ダイオード２と照射面３との光学的距離Ｄは１００ｍｍとした。また、配光角を異ならせた場合であっても、１つの発光ダイオード２の明るさ（発光される全体の光量）は一定であるとして、シミュレーションを行った。各配光角での演算結果をまとめて図４に示す。

【0019】

ここで、照射面３での光量分布の均一性を評価する指標について説明しておく。水殺菌あるいは樹脂硬化などの光源の均一性が必要な応用において、紫外光の光出力を増加させると、水殺菌あるいは樹脂硬化性能（効果性能）は、単に光出力の増加に応じて向上するだけでなく、光が照射される領域（深度）が増すことにより光出力を増加させた以上に向上する。そのために、効果性能の均一性を６７％（光量の均一性１．５倍以内）得ようとすると、光源には少なくとも８０％以上の均一性が必要となり、効果性能の均一性を５０％（光量の均一性２．０倍以内）得ようとすると、光源には少なくとも６０％以上の均一性が必要となる。

【0020】

そこで、本実施の形態では、照射面３での光量分布の均一性を評価する指標として、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」、及び、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」を用いた。なお、ここでいう「中心」とは、発光ダイオード２が配置されている領域の中心、すなわち中心軸Ｃの位置を意味する。これらの距離の値が大きいほど、照射面３の広い範囲が均一に照射されていることとなり、照射面３にて良好な光量の均一性が得られていることになる。

【0021】

図４に示すように、配光角が小さい領域、及び大きい領域については良好な結果が得られている。しかし、その中間領域、すなわち配光角を５０°、６０°、及び８０°とした場合には、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」が低下し、照射面３での光量の均一性が低下していることが分かる。

【0022】

本実施の形態では、光源領域の半径が６０ｍｍである場合、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」が４４ｍｍ以上となる場合に、照射面３での光量の均一性について合格であるとする。図４に示すように、配光角が５０°未満、もしくは８０°より大きい場合に、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」が４４ｍｍ以上となり、照射面３における光量の均一性が向上している。そこで、本実施の形態に係る光源装置１においては、各発光ダイオード２の配光角を、５０°未満、あるいは８０°より大きく設定した。

【0023】

また、図４のグラフより、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」が４４ｍｍ以上となる場合、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」は、配光角５０°未満の領域では５８ｍｍ以上、配光角８０°超の領域では６０ｍｍ以上に対応することになる。よって、配光角が５０°未満の場合には、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」が５８ｍｍ以上であること、配光角が８０°より大きい場合には、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」が６０ｍｍ以上であることを、合格の基準に設定した。

【0024】

（発光ダイオード２と照射面３との光学的距離Ｄの検討）
まず、発光ダイオード２の配光角を５０°未満とした場合において、好適な光学的距離Ｄについて検討する。発光ダイオード２の配光角を２０°とし、発光ダイオード２と照射面３との光学的距離Ｄを５０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、及び２００ｍｍとした場合の照射面３での光量分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図５Ａ～図５Ｅに示す。また、それぞれの場合の中心軸Ｃを通る断面での光量分布を図６Ａ～図６Ｅに示す。

【0025】

また、図６Ａ～図６Ｅより、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」を演算した結果を、図７にまとめて示す。図７に示すように、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」は、いずれの場合も合格基準の５８ｍｍ以上となっている。また、図７に示すように、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」についても、いずれの場合も合格基準の４４ｍｍ以上となっている。ただし、図７の傾向から、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」は、光学的距離Ｄが増加するほど低下しており、光学的距離Ｄが２００ｍｍを超えると、合格基準を下回ると考えられる。

【0026】

よって、各発光ダイオード２の配光角が５０°未満である場合、各発光ダイオード２から照射面３までの光学的距離Ｄは、２００ｍｍ以下であることが望ましい。

【0027】

次に、発光ダイオード２の配光角を８０°より大きくした場合において、好適な光学的距離Ｄについて検討する。発光ダイオード２の配光角を１４０°とし、発光ダイオード２と照射面３との光学的距離Ｄを５０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、及び２００ｍｍとした場合の照射面３での光量分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図８Ａ～図８Ｅに示す。また、それぞれの場合の中心軸Ｃを通る断面での光量分布を図９Ａ～図９Ｅに示す。

【0028】

また、図９Ａ～図９Ｅより、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」を演算した結果を、図１０にまとめて示す。図１０に示すように、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」は、光学的距離Ｄが５０ｍｍの場合に不合格となっており、光学的距離Ｄが８０ｍｍ以上の場合に合格となっている。

【0029】

よって、各発光ダイオード２の配光角が８０°より大きい場合、各発光ダイオード２から照射面３までの光学的距離Ｄは、８０ｍｍ以上であることが望ましい。

【0030】

（ＬＥＤピッチの検討）
次に、ＬＥＤピッチ、すなわち発光ダイオード２の径方向における配置ピッチについて検討する。ここでは、図１１Ａ～図１１Ｅに示すように、ＬＥＤピッチを８．５ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、及び２０ｍｍとした場合について検討を行った。いずれの場合も、発光ダイオード２を配置する領域（光源領域）は直径６０ｍｍで一定とし、配置する発光ダイオード２の数を増減して密度を調整することによって、ＬＥＤピッチを調整した。発光ダイオード２の使用数は、ＬＥＤピッチ８．５ｍｍの場合１６９個、ＬＥＤピッチ１０ｍｍの場合１２７個、ＬＥＤピッチ１２ｍｍの場合９１個、ＬＥＤピッチ１５ｍｍの場合６１個、ＬＥＤピッチ２０ｍｍの場合３７個である。これらは発光ダイオード２の総数が異なるため、シミュレーションは総光量が同じとして行った。

【0031】

まず、発光ダイオード２の配光角を５０°未満とした場合について検討する。発光ダイオード２の配光角を２０°とし、ＬＥＤピッチを８．５ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、及び２０ｍｍとした場合の照射面３での光量分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図１２Ａ～図１２Ｅに示す。また、それぞれの場合の中心軸Ｃを通る断面での光量分布を図１３Ａ～図１３Ｅに示す。

【0032】

また、図１３Ａ～図１３Ｅより、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」を演算した結果を、図１４Ａにまとめて示す。図１４Ａに示すように、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」は、いずれの場合も合格基準の５８ｍｍ以上となっている。また、図１４Ａに示すように、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」についても、いずれの場合も合格基準の４４ｍｍ以上となっている。また、図１４Ａの傾向から、ＬＥＤピッチが８．５ｍｍ未満となると、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」が合格値である５８ｍｍを下回ると考えられる。よって、各発光ダイオード２の配光角が５０°未満である場合、ＬＥＤピッチは８．５ｍｍ以上であることが望ましいといえる。

【0033】

ここで、図１２Ａ～図１２Ｅのシミュレーション結果を参照すると、ＬＥＤピッチが大きくなるほど照射面３内での光量のばらつきが大きくなっていることがわかる。そこで、この光量のばらつきを評価するために、評価基準として照射面３の面内光量分布比を用いた。面内光量分布比は、図１３Ａ～図１３Ｅの光量分布において、ピーク値と、ピーク直近の光量の落ち込みにおけるボトム値を用い、ボトム値／ピーク値により演算した。本実施の形態では、面内光量分布比が８０％（０．８）以上であることを、合格基準とした。

【0034】

面内光量分布比の演算結果をまとめて図１４Ｂに示す。図１４Ｂに示すように、ＬＥＤピッチを２０ｍｍとした場合には、面内光量分布比が８０％を下回っていることが分かる。よって、ＬＥＤピッチは、２０ｍｍ未満、より好ましくは１５ｍｍ以下とすることが望ましいといえる。

【0035】

以上の結果より、各発光ダイオード２の配光角が５０°未満である場合、ＬＥＤピッチは８．５ｍｍ以上２０ｍｍ未満、より好ましくは８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることが望ましい。

【0036】

次に、発光ダイオード２の配光角を８０°より大きくした場合について検討する。発光ダイオード２の配光角を１４０°とし、ＬＥＤピッチを８．５ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、及び２０ｍｍとした場合の照射面３での光量分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図１５Ａ～図１５Ｅに示す。また、それぞれの場合の中心軸Ｃを通る断面での光量分布を図１６Ａ～図１６Ｅに示す。

【0037】

また、図１６Ａ～図１６Ｅより、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」を演算した結果を、図１７Ａにまとめて示す。図１７Ａに示すように、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」は、いずれの場合も合格基準の６０ｍｍ以上となっている。また、図１７Ａに示すように、「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」についても、いずれの場合も合格基準の４４ｍｍ以上となっている。また、図１７Ａの傾向から、ＬＥＤピッチが８．５ｍｍを大きく下回ると、「光量がピーク値の６０％となる中心からの距離」、及び「光量がピーク値の８０％となる中心からの距離」が合格値を下回ると考えられる。よって、各発光ダイオード２の配光角が８０°より大きい場合、ＬＥＤピッチは８．５ｍｍ以上であることが望ましいといえる。

【0038】

また、図１６Ａ～図１６Ｅの各光量分布において、面内光量分布比を求めた。面内光量分布比の演算結果をまとめて図１７Ｂに示す。図１７Ｂに示すように、この例では、ＬＥＤピッチにかかわらず良好な結果が得られている。また、図１７Ｂの傾向から、ＬＥＤピッチが２０ｍｍを大きく上回ると、面内光量分布比が合格値を下回ると考えられる。よって、ＬＥＤピッチは、２０ｍｍ以下とすることが望ましいといえる。

【0039】

以上の結果より、各発光ダイオード２の配光角が８０°より大きい場合、ＬＥＤピッチは８．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが望ましい。

【0040】

（発光ダイオード２の使用数の検討）
次に、ＬＥＤピッチを一定とし、使用する発光ダイオード２の数を変えた場合について検討する。ここでは、図１８Ａ～図１８Ｇに示すように、ＬＥＤピッチを１０ｍｍで一定とし、中心の発光ダイオード２の周囲に円状に配置する発光ダイオード２を、１周、２周、３周、４周、５周、６周、及び７周とした場合について検討した。使用される発光ダイオード２の数は、１周の場合７個、２周の場合１９個、３周の場合３７個、４周の場合６１個、５周の場合９１個、６周の場合１２７個、７周の場合１６９個である。

【0041】

配光角を２０°とした場合について、中心軸Ｃを通る断面での光量分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図１９Ａにまとめて示す。なお、図１９Ａでは、縦軸をピーク値で規格化した光量としている。

【0042】

図１９Ａのシミュレーション結果では、光源について実際のシミュレーションに用いた直径を用いてプロットした。これを、図１９Ａの横軸である中心からの距離を、光源領域の半径（発光ダイオード２を配置する領域の半径）で除することにより、横軸の規格化を行った。なお、図１８Ａ～図１８Ｇに示されるように、光源領域の半径は、１周の場合１０ｍｍ、２周の場合２０ｍｍ、３周の３０ｍｍ、４周の場合４０ｍｍ、５周の場合５０ｍｍ、６周の場合６０ｍｍ、７周の場合７０ｍｍである。

【0043】

横軸の規格化を行ったシミュレーション結果を図１９Ｂに示す。図１９Ｂに示すように、発光ダイオードの使用数にかかわらず、光量がピーク値の６０％となる距離（中心からの距離／光源領域の半径）はほぼ一定となっていることが分かる。

【0044】

同様に、配光角を１４０°とした場合のシミュレーション結果を図２０Ａに示し、その横軸を規格化したグラフを図２０Ｂに示す。図２０Ｂに示すように、配光角を１４０°とした場合には、規格化された光量と距離（中心からの距離／光源領域の半径）との関係がほぼ一致することが分かる。

【0045】

以上より、ＬＥＤピッチが一定である場合には、使用する発光ダイオード２の数は、照射面３の光量の均一性に寄与しないことが分かった。換言すれば、本実施の形態による評価は、使用する発光ダイオード２の数によらず有効であることが分かった。

【0046】

（より望ましい条件）
以上のシミュレーション結果をまとめると、照射面３での光量の均一性をより向上させるためには、以下の（１），（２）のいずれかの条件を満たすことが望ましいといえる。

【0047】

（１）各発光ダイオードの配光角が５０°未満であり、かつ、各発光ダイオード２から照射面３までの光学的距離Ｄが２００ｍｍ以下であり、かつ、ＬＥＤピッチが８．５ｍｍ以上２０ｍｍ未満である。

【0048】

（２）各発光ダイオードの配光角が８０°より大きく、かつ、各発光ダイオード２から照射面３までの光学的距離Ｄが８０ｍｍ以上であり、かつ、ＬＥＤピッチが８．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。

【0049】

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る光源装置１は、複数の発光ダイオード２を平面上に配列した装置であって、各発光ダイオード２の配光角が、５０°未満、あるいは８０°より大きい。これにより、照射面３での光量の均一性を向上させることが可能になる。

【0050】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【0051】

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、各発光ダイオード２の配光角が一定であると仮定してシミュレーションを行ったが、発光ダイオード２の配光角が一定であることは必須ではない。

【0052】

また、上記実施の形態では、照射面３の位置（発光ダイオード２から照射面３までの光学的距離Ｄ）を規定したが、対象物への光の照射は、照射面３を含んだ位置で行われていればよく、例えば、照射面３の前後の領域においても対象物への光の照射が行われていてもよい。一例として、流水に発光ダイオード２からの紫外光を照射して殺菌（あるいは細菌の不活化）を行う場合、設定した照射面３の前後においても流水に紫外光が照射されることになるが、このような場合も本発明に含まれる。この例では、設定したある照射面３において紫外光の光量を均一にすることで、殺菌のもれを抑制することが可能になる。光源装置１の用途は、殺菌用途に限定されず、例えば、紫外線硬化樹脂を硬化させる樹脂硬化装置や、可視光を照射する照明等にも適用することができる。

【0053】

上記実施の形態では、複数の発光ダイオード２が周方向及び径方向に等間隔に配置する場合について説明したが、必ずしも発光ダイオード２を等間隔に配置することは必須ではなく、上記実施の形態で述べたように、照射面３での光量の均一性を維持できる範囲で発光ダイオードのピッチを適宜変化させても構わない。また、発光ダイオード２は全体として円形状に配置されている必要はなく、例えば全体として矩形状に配置されていてもよい。

【符号の説明】

【0054】

１ 光源装置
２ 発光ダイオード
３ 照射面

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図8E】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図11E】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図12E】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図13E】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図15D】

【図15E】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図16D】

【図16E】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図18D】

【図18E】

【図18F】

【図18G】

【図19A】

【図19B】

【図20A】

【図20B】