JP6537751B2

JP6537751B2 - 内視鏡光源装置

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Publication number: JP6537751B2
Application number: JP2018563735A
Authority: JP
Inventors: 藤原　和人; 和人藤原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: JPWO2018221014A1; CN110691545A; WO2018221014A1; US20200093359A1; CN110691545B; US11051684B2

Description

本発明は、内視鏡光源装置に関する。

波長の異なる光をそれぞれ射出する複数の半導体光源からの光をコリメートして合波することにより、広帯域の照明光を射出する光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１４−７０５７号公報

しかしながら、ＬＥＤのような半導体光源は面積を持っているので、完全なコリメート光を生成することは難しく、光路長が異なる等の要因により、内視鏡の挿入部内に備えられるライトガイド径に応じた光の伝送効率がＬＥＤ毎に異なる場合がある。
すなわち、ライトガイド径が異なるスコープを組み合わせた場合に、光の伝送効率の相違に基づいて各色の光量バランスが変動するため、スコープによって色再現性が異なってしまうという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ライトガイド径が異なるスコープを組み合わせてもスコープの先端から射出される光の光量バランスの変動を抑えることができる内視鏡光源装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、複数の固体光源と、各該固体光源から射出された光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメートレンズと、各該コリメートレンズにより略平行光にされた光を合波する合波光学部材と、少なくとも１つの前記固体光源と前記コリメートレンズとの間に配置され、各前記固体光源からの周辺光量を調節可能な絞りと、前記合波光学部材により合波された各前記固体光源からの光を集光して内視鏡のライトガイドの端面に入射させる集光レンズとを備え、前記絞りが、各前記固体光源から前記集光レンズまでの光路長が短いほど多くの周辺光を遮光する内視鏡光源装置を提供する。

本態様によれば、複数の固体光源からそれぞれ射出された光が、コリメートレンズによってそれぞれ略平行光に変換された後、合波光学部材によって合波され集光レンズによって集光されて内視鏡のライトガイドの他面に入射される。少なくとも１つの固体光源とコリメートレンズとの間に配置された絞りにより、固体光源からの周辺光量が調節されてコリメートレンズに入射される。これにより、周辺光量を固体光源毎に調節することができる。

すなわち、内視鏡のスコープを付け替えることによりライトガイドの太さが変化しても複数の固体光源からの光の光量バランスを変化させないようにすることができる。特に、固体光源として波長の異なる光を射出するものを採用する場合には、ライトガイドの太さによってカラーバランスの異なる光が射出されることを防止することができ、色再現性を向上することができる。

上記態様においては、前記絞りが、各前記固体光源から前記集光レンズまでの光路長が短いほど多くの周辺光を遮光する。
このようにすることで、光路長が長いほど集光レンズによって周辺光がけられるため、絞りを配置しておかないと、装着するスコープのライトガイドが太いほど光路長が長い固体光源からの光の光量が低下して光量バランスが悪くなる。絞りを配置して、光路長が短いほど多くの周辺光を遮光しておくことにより、装着するスコープのライトガイドが太い場合に、光路長が長い固体光源からの光の光量バランスが低下することが防止され、光量バランスを一定に維持することができる。

上記態様においては、前記絞りが、各前記固体光源と各前記コリメートレンズとの組合せ毎に、開口径が異なっていてもよい。
このようにすることで、光路長が短いほど固体光源からの周辺光を多く遮光するように装着する絞りの開口径を小さくすることにより、装着するスコープのライトガイドが太い場合に、光路長が長い固体光源からの光の光量バランスが低下することが防止され、光量バランスを一定に維持することができる。

上記態様においては、前記絞りが、各前記固体光源と各前記コリメートレンズとの組合せ毎に、各前記固体光源からの異なる距離に配置されていてもよい。
このようにすることで、光路長が短いほど固体光源からの周辺光を多く遮光するように装着する絞りの位置を固体光源から離すことにより、装着するスコープのライトガイドが太い場合に、光路長が長い固体光源からの光の光量バランスが低下することが防止され、光量バランスを一定に維持することができる。

上記態様においては、前記絞りが以下の条件式を満足してもよい。
φ／L≧１．５ＮＡβ／√（１−ＮＡβ）^２）
ここで、φは前記絞りの開口径、ＮＡは前記ライトガイドの開口数、βは前記固体光源が前記ライトガイドに結像する際の近軸倍率の絶対値、Ｌは前記固体光源と前記絞りとの間の光路長である。

このようにすることで、観察に支障のない程度に色ムラの少ない配光を得ることができる。

本発明によれば、ライトガイド径が異なるスコープを組み合わせてもスコープの先端から射出される光のカラーバランスの変動を抑えることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る内視鏡光源装置を示す模式図である。図１の内視鏡光源装置の参考例として、絞りを有しない場合の光路長の短い側の光路を真っ直ぐに延ばして、ＬＥＤ各部からの光線を示す図である。図１の内視鏡光源装置の参考例として、光路長の長い側の光路を真っ直ぐに延ばして、ＬＥＤ各部からの光線を示す図である。図２Ａおよび図２Ｂの場合に内視鏡から射出される光の光量バランスと、ライトガイド径との関係を示す図である。図１の内視鏡光源装置の光路長の短い側の光路を真っ直ぐに延ばして、ＬＥＤ各部からの光線を示す図である。図３および図２Ｂの場合に内視鏡から射出される光の光量バランスとライトガイド径との関係を示す図である。数式（１）と数式（６）を満たす場合の光源射出光の配光を示す図である。図６の場合の内視鏡から射出される光の配光を示す図である。図１の内視鏡光源装置の変形例を示す図である。図１の内視鏡光源装置の第１実施例を示す図である。図９の内視鏡光源装置の光路長の長い側のＬＥＤの分光特性を示す図である。図９の内視鏡光源装置の光路長の短い側のＬＥＤの分光特性を示す図である。図９の内視鏡光源装置のミラーの反射率特性を示す図である。図９の内視鏡光源装置のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。図９の内視鏡光源装置の光源出射光の分光特性を示す図である。図１の内視鏡光源装置の第２実施例を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光路長の最も長い側のＬＥＤの分光特性を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光路長の２番目に長い側のＬＥＤの分光特性を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光路長の最も短い側のＬＥＤの分光特性を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光路長の最も長い側のダイクロイックミラーの反射率特性を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光路長の２番目に長い側のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光路長の最も短い側のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。図１４の内視鏡光源装置の光源出射光の分光特性を示す図である。

本発明の一実施形態に係る内視鏡光源装置１０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡光源装置１０は、図１に示されるように、波長の異なる光を射出する複数のＬＥＤ（固体光源）１，２と、各ＬＥＤ１，２から射出された光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメートレンズ１１と、各コリメートレンズ１１により略平行光にされた光を合波するダイクロイックミラー（合波光学部材）４と、光路長が短い方のＬＥＤ２とコリメートレンズ１１との間に配置された絞り（光量調節機構）５とを備えている。図中、符号６はミラーである。

光路長の長い側のＬＥＤ１から射出された第１の光はコリメートレンズ１１によって略平行光にされた後、ミラー６によって偏向されてダイクロイックミラー４を透過し集光レンズ７によって集光されて内視鏡のスコープ９のライトガイド８の入射端に入射される。
一方、光路長の短い側のＬＥＤ２から射出された第２の光はコリメートレンズ１１によって略平行光にされた後、ダイクロイックミラー４によって偏向されることにより、第１の光と合波されて集光レンズ７によって集光され、内視鏡のスコープ９のライトガイド８の入射端に入射される。

この場合において、ＬＥＤ１，２は大きさを持っているので、各コリメートレンズ１１はＬＥＤ１，２からの光から完全なコリメート光を作ることができず、図２Ａのように光路長が短い場合と比較して、図２Ｂのように光路長が長いほど周辺光（図中の斜線部分）が集光レンズ７によってけられるようになる。その結果、絞り５を配置していなければ、図３に示されるように、周辺光まで入射させるような太いライトガイド８を備えたスコープ９が装着された場合には、集光レンズ７によって周辺光がけられている光路長が長い側の第１の光の方が、光路長が短い側の第２の光と比較して光量が低下する。

これに対して、本実施形態に係る内視鏡光源装置１０は、光路長が短い側のＬＥＤ２とコリメートレンズ１１との間に、第２の光の周辺光を遮断する絞り５を設けているので、絞り５の開口面積を適宜調節することにより、図４に示されるように第２の光の周辺光を予め遮断しておくことができる。すなわち、周辺光まで入射させるような太いライトガイド８を備えたスコープ９が装着された場合でも、図５に示されるように、集光レンズ７によって周辺光がけられている光路長が長い側の第１の光の光量バランスの低下を防止することができる。

逆に、周辺光を入射させないような細いライトガイド８を備えたスコープ９が装着された場合には、軸上の光のみがライトガイド８の入射端に入射されるので、図３および図５に示されるように、光路長の如何に関わらず、絞り５の影響を受けることなく、均一な光量バランスを達成することができる。

絞り５は、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
φ／L≧２ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）（１）
ここで、
φは絞り５の開口径、
ＮＡはライトガイド８の開口数、
βはＬＥＤ２がライトガイド８に結像する際の近軸倍率の絶対値、
ＬはＬＥＤ２と絞り５との間の光路長
である。

ここで、条件式（１）の導出過程について説明する。
ライトガイド８のＮＡをＮＡｌｇとすると、光学系としてはＮＡｌｇで集光させると効率がよい。ＮＡｌｇ以上の光はライトガイド８で取り込めないためロスになり、熱エネルギとなってしまう。

このとき、発光面の面積をＳｌｅｄ、ライトガイド８に取り込まれる光の光源側ＮＡをＮＡｌｅｄ、集光面の結像面積をＳｌｅｄ′とすると、エタンデュが保存されることから、以下の条件式が成り立つ。
π×Ｓｌｅｄ×ＮＡｌｅｄ^２＝π×Ｓｌｅｄ′×ＮＡｌｇ^２（２）

ここで、ＬＥＤ２側に開口径φの絞り５を入れても上記が成立するためにはＬＥＤ２側のＮＡの光線をけらないようにする必要がある。このためには、ＬＥＤ２と絞り５との距離Ｌを用いて、以下の条件式が成り立つ必要がある。
（φ／２）／√（Ｌ^２＋（φ／２）^２）≧ＮＡｌｅｄ（３）

条件式（３）に条件式（２）を代入すると、式（４）の通りとなる。
π×Ｓｌｅｄ×（φ／２）^２／（Ｌ^２＋（φ／２）^２）≧π×Ｓｌｅｄ′×ＮＡｌｇ^２
（４）

ここで、光学系の近軸横倍率の絶対値βを用いると、
Ｓｌｅｄ′＝β^２×Ｓｌｅｄ（５）
となる。
式（５）を式（４）に代入して変形することにより、条件式（１）を得ることができる。

なお、絞り５の開口径φが条件式（１）を下回ると配光が狭くなるが、内視鏡画像としては以下の条件式（６）を満足していれば観察に支障のない配光特性を得ることができる。
φ／L≧１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）（６）

ここで、条件式（１）を満たす場合と、条件式（６）を満たす場合とで、スコープ９から出る配光の差を確認した。
絞り５として開口径φ＝２２ｍｍ、
ＬＥＤ２と絞り５との距離Ｌ＝１２．５５ｍｍ、
光学系近軸倍率の絶対値β＝０．９８
ライトガイド８の開口数ＮＡ＝０．５
とすると、条件式（１）を満足している。

ここで、条件式（６）を丁度満足する絞り５の開口径φを算出すると、
φ＝１３．６８ｍｍ
となる。
絞り５の開口径φ＝２２ｍｍと、φ＝１３．６８ｍｍの場合の光源射出光の配光は図６に示す通りとなる。

光源射出光の配光が図６に示す通りである場合、内視鏡からの配光を計算すると、図７の通りとなる。
なお、内視鏡の照明光学系としては、特許０５８９７２２４号の実施例１のレンズデータを使用した。

この図７によれば、条件式（１）を満たす場合と、条件式（６）を満たす場合とで配光（照明できている範囲）に差がないため、条件式（６）を満たす場合でも観察に支障はない。

なお、本実施形態においては、２つのＬＥＤ１，２からの光を合波する場合について説明したが、３以上の複数のＬＥＤ１，２，３からの光を合波する場合に適用してもよい。この場合に、ＬＥＤ２，３からの光路長が短い程、絞り５の開口径を小さくして、より多くの周辺光を遮光することにより、装着するスコープ９のライトガイド径が太くなっても光路長が長いＬＥＤ１からの光の光量バランスが低下する不都合の発生を防止することができる。
また、光路長が最も長いＬＥＤ１とコリメートレンズ１１との間にも絞り５を配置してもよい。

また、本実施形態においては、絞り５の開口径を異ならせることにより、周辺光の射光量を調節することとしたが、これに代えて、図８に示されるように、ＬＥＤ１，２，３からの絞り５の距離Ｌを異ならせることにしてもよい。ＬＥＤ１，２，３からの光路長が短いほどＬＥＤ１，２，３からの絞り５の距離Ｌを大きくすることにより、より多くの周辺光を遮光することができる。
そして、このようにすることにより、各ＬＥＤ１，２，３に対して同じ形状の絞り５を使用することができ、コストを低減することができるという利点がある。

（第１実施例）
本実施形態に係る内視鏡光源装置１０の第１実施例について以下に説明する。
本実施例においては、図９に示されるように、２つのＬＥＤ１，２を備えるとともに、各ＬＥＤ１，２とこれらに対応するコリメートレンズ１１との間にそれぞれ絞り５を配置している。
ＬＥＤ１，２としては、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す分光特性を有するものを使用し、ミラー６としては図１１に示す反射率特性、ダイクロイックミラー４としては図１２に示す透過率特性を有するものを使用し、光源射出光としては図１３に示す分光特性を有する光を射出するようになっている。

光路長が長い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝３４ｍｍ、距離Ｌ＝１２．５５ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９４とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝２．７１、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝１．０２となり、条件式（６）を満足している。

また、光路長が短い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝２２ｍｍ、距離Ｌ＝１２．５５ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９８とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝１．７５、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝１．１０となり、条件式（６）を満足している。

（第２実施例）
本実施形態に係る内視鏡光源装置１０の第２実施例について以下に説明する。
本実施例においては、図１４に示されるように、３つのＬＥＤ１，２，３を備えるとともに、各ＬＥＤ１，２，３とこれらに対応するコリメートレンズ１１との間にそれぞれ絞り５を配置している。
ＬＥＤ１，２，３としては、図１５Ａから図１５Ｃに示す分光特性を有するものを使用し、ダイクロイックミラー６としては図１６に示す反射率特性を有するものを使用し、ダイクロイックミラー４としては図１７Ａおよび図１７Ｂに示す透過率特性を有するものを使用し、光源射出光としては図１８に示す分光特性を有する光を射出するようになっている。

光路長が最も長い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝３４ｍｍ、距離Ｌ＝１２．５５ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９１とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝２．７１、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝０．９８となり、条件式（６）を満足している。

光路長が２番目に長い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝２９ｍｍ、距離Ｌ＝１２．５５ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９４とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝２．３１、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝１．０２となり、条件式（６）を満足している。

また、光路長が最も短い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝２１ｍｍ、距離Ｌ＝１２．５５ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９４とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝１．６７、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝１．１０となり、条件式（６）を満足している。

（第３実施例）
本実施形態に係る内視鏡光源装置１０の第３実施例について以下に説明する。
本実施例においては、図８に示されるように、３つのＬＥＤ１，２，３を備えるとともに、各ＬＥＤ１，２，３とこれらに対応するコリメートレンズ１１との間にそれぞれ絞り５を配置している。
各ＬＥＤ１，２，３の分光特性、ミラー６の反射率特性、各ダイクロイックミラー４の透過率特性および光源射出光の分光特性は第２実施例と同じである。

光路長が最も長い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝２１ｍｍ、距離Ｌ＝７．７５ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９１とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝２．７１、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝０．９８となり、条件式（６）を満足している。

光路長が２番目に長い側の光路に配置された絞り５の開口径φ＝２１ｍｍ、距離Ｌ＝９．０９ｍｍ、近軸倍率絶対値β＝０．９４とし、内視鏡のライトガイドファイバの開口数ＮＡ＝０．５とすることにより、φ／Ｌ＝２．３１、１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）＝１．０２となり、条件式（６）を満足している。

１，２，３ＬＥＤ（固体光源）
４ダイクロイックミラー（合波光学部材）
５絞り（光量調節機構）
７集光レンズ
８ライトガイド
１０内視鏡光源装置
１１コリメートレンズ
Ｌ距離

Claims

複数の固体光源と、
各該固体光源から射出された光をそれぞれ略平行光にする複数のコリメートレンズと、
各該コリメートレンズにより略平行光にされた光を合波する合波光学部材と、
少なくとも１つの前記固体光源と前記コリメートレンズとの間に配置され、各前記固体光源からの周辺光量を調節可能な絞りと、
前記合波光学部材により合波された各前記固体光源からの光を集光して内視鏡のライトガイドの端面に入射させる集光レンズとを備え、
前記絞りが、各前記固体光源から前記集光レンズまでの光路長が短いほど多くの周辺光を遮光する内視鏡光源装置。
前記絞りが、各前記固体光源と各前記コリメートレンズとの組合せ毎に、開口径が異なる請求項１に記載の内視鏡光源装置。
前記絞りが、各前記固体光源と各前記コリメートレンズとの組合せ毎に、各前記固体光源からの異なる距離に配置される請求項１に記載の内視鏡光源装置。
前記絞りが以下の条件式を満足する請求項２に記載の内視鏡光源装置。
φ／L≧１．５ＮＡβ／√（１−（ＮＡβ）^２）
ここで、
φは前記絞りの開口径、
ＮＡは前記ライトガイドの開口数、
βは前記固体光源が前記ライトガイドに結像する際の近軸倍率の絶対値、
Ｌは前記固体光源と前記絞りとの間の光路長
である。