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設計例:LEDを用いたバックライト照明ユニット

顕微鏡や映像装置に用いられるバックライト照明ユニットの設計例です。 一般にバックライト照明には、以下の3点が重要視されます。

・照射領域内での照度一様性
・高い照射効率
・照射NA/入射瞳位置の後置光学系へのマッチング

特に、3番目の仕様はバックライト照明ユニットに特有で、ここでいう後置光学系とは顕微鏡なら対物レンズ、 映像装置なら投射レンズに当たります。

図1は、照射側のNA(後置光学系のNA)を0.2、入射瞳位置を無限遠(=テレセントリック)、 照射領域を6.4mm x 4.8mm(矩形1/2、インチサイズ)として設計した結果です。 光源として、2x2のマトリクス状に並べられた明るさの異なる4つのLEDを想定しています (図1(a)参照)。これは、ニアフィールドにおける輝度ムラが大きな一個のLEDを 使用しているとも考えることもできます。光源から発せられた 光線群は、リフレクタとレンズからなるコンデンサユニットによって、前方に導かれその後フライアイレンズに 入射します。フライアイレンズでは、複数の光源像を生成し、 それらをフィールドレンズによって被照面上で再び重ね合わせることで、高い照度一様性を得ることが できます。光源面上では照度に大きな非一様性が存在しているのにも関わらず、 最適化の結果、 本設計の照明ユニット通過後には、中心照度に対して視野端の照度が85%以上の 平坦な照度分布が達成できていることが分かります(図2)。しかも、仕様である 照射領域6.4mm x 4.8mm、NA=0.2の範囲内に、光源から発せられた全エネルギーの 50%強が集中しており、非常に高効率の解が得られています。

図1 : 照明ユニットの光路図および照度分布の解析結果
吹き出し内の照度分布の解析結果はそれぞれ以下の位置のものである。
(a)LED発光直後、(b)リフレクタユニット射出後、(c)フライアイレンズ射出後、(d)照射面

図2 : 照射面での照度分布(左)と照度分布の断面図(右)
全面に渡って高い一様性が達成できていることが分かる。