CN102884367A - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

光源装置(1)具备：光源部(10)，其射出中央区域的光量比周围区域的光量强的光束；聚光光学系统(30)，其会聚所入射的光束；配光校正光学元件(20)，其配设在光源部(10)与聚光光学系统(30)之间，中央部具有比周围部强的负的放大率；连接部(40)，其能够装卸自如地连接于光导件(2D)，该光导件(2D)用于引导由聚光光学系统(30)会聚的光束。

Description

光源装置
技术区域
本发明涉及对光导件提供光的光源装置，特别是涉及内窥镜用的光源装置。
背景技术
关于对光导件提供光的光源装置的出射光，不仅光强度分布特性重要，包含角度分布特性的配光(angular distribution)特性也重要。即，为了确保内窥镜图像的明亮度，要求光源装置具有使来自光源的光高效地耦合入光导件的聚光性能，不仅如此，为了确保内窥镜图像的外周部的明亮度，还要求光源装置具有使入射角大的光束相对于光轴附近的光束能够保持相对强度的广配光特性。
在要求照射明亮光的内窥镜用光源装置中，使用氙气灯或者金属卤化物灯等放电灯作为光源灯。但是，在使用具有在光路中配设放电电极的放电灯的光源灯的情况下，放电电极和内部装设有放电电极的光阀遮断光，因此产生了所射出的光束的中央区域变暗、即所谓的中空现象。与此相对地，在使用具有通过将放电电极、光阀以及反射镜开口直径等细径化来改善所射出的光而使得射出更为明亮的光的放电灯的光源灯的情况下，与上相反地所射出的光束的中央区域的光量比周围区域的光量强。
申请人在日本特开2003-331622号公报中公开了一种具有积分(integrator)部的光源装置。积分部由入射侧积分透镜、出射侧积分透镜以及积分用聚光透镜构成。入射到入射侧积分透镜的照明光在被分割为多个光轴的光束之后，入射到相向的出射侧积分透镜，在此各光束被扩散后通过积分用聚光透镜而被合成为大致同心，并向聚光透镜侧射出。
但是，积分部需要隔开间隔地配置多个透镜，因此光源装置难以实现小型化。
本发明的目的在于提供一种具有广配光特性的小型的光源装置。
发明内容
用于解决问题的方案
本发明的实施例的光源装置具备：光源部，其射出中央区域的光量比周围区域的光量强的光束；聚光光学系统，其会聚所入射的光束；配光校正光学元件，其配设在上述光源部与上述聚光光学系统之间，中央部具有比周围部强的负的放大率；以及连接部，其能够装卸自如地连接于光导件，该光导件用于引导由上述聚光光学系统会聚的光束。
附图说明
图1是第一实施方式的光源装置的结构图。
图2是第一实施方式的光源装置的光学系统的结构图。
图3A是用于说明由光源部射出的光束的强度分布的图。
图3B是用于说明由光源部射出的光束的强度分布的图。
图4A是第一实施方式的光源装置的配光校正光学元件的主视图。
图4B是第一实施方式的光源装置的配光校正光学元件的截面图。
图5是光源装置的配光特性图。
图6是光源装置的配光特性图。
图7是光源装置的配光特性图。
图8是光源装置的配光特性图。
图9是第二实施方式的光源装置的光学系统的结构图。
图10是光源装置的配光特性图。
图11是第三实施方式的光源装置的光学系统的结构图。
具体实施方式
<第一实施方式>
如图1所示，第一实施方式的光源装置1与内窥镜2、CCU(照相机控制单元)3、监视器4等一起构成内窥镜系统5。内窥镜2具有：操作部2B，其配设在插入体腔内的细长的插入部2A的基端侧；以及光导件线缆2C，其连接于操作部2B的侧面部。
在光导件线缆2C的延伸出的前端部设置有光导件连接器2C1，光导件连接器2C1能够与光源装置1的连接部40相连接。在光导件线缆2C中贯穿有光导件2D。
光源装置1产生的光经由光导件2D被引导至插入部2A的前端部，并经由照明光学系统2E朝向被摄体射出。利用配设在前端部的CCD等摄像元件(未图示)对所照射的被摄体进行摄像，摄像信号在通过CCU 3进行信号处理之后作为内窥镜图像显示在监视器4的画面上。
如图1和图2所示，光源装置1具备光源部10、滤波部15、作为配光校正光学系统的配光校正光学元件(以下也称为“校正元件”)20、聚光光学系统30以及连接部40。光源部10具有包括氙气灯或者金属卤化物灯等放电灯的光源11和抛物面形状的反射镜12。光源11在光路中具有细径的电极11A。
而且，如图3A所示，利用产生中空现象的光源部射出的光束在光轴O的附近、即中央区域的光量比在周围区域的光量少。与此相对地，如图3B所示，利用光源部10射出的光束在中央区域的光量比在周围区域的光量强。此外，图3A和图3B所示的有效光束直径(ED)是具有由光源部射出的光束的95%的光量的光束的外径(以下也简单称为“直径”)。
光源部10是具有细径的放电电极11A和光阀并射出强光量的光束的规格，因此例如具有如下的中央的相对强度高的光束分布，即有效光束直径(ED)的中央±30%的直径内的光束密度相对于中央(光轴上)的光束密度为80%以下。此外，如果是射出中央区域的光量比周围区域的光量强的光束的光源装置，则可以使用发光二极管等作为光源，也可以不具有反射镜12。
滤波部15具有紫外线截止滤波器15A(L2)、红外线截止滤波器15B(L4)。例如，紫外线截止滤波器15A是使可视光透过而遮断紫外光的滤波器，红外线截止滤波器15B是使可视光透过而遮断红外光的滤波器。
如图4A和图4B所示，校正元件20(L6)是一片大致平板状的玻璃。校正元件20在一个表面的中央部形成有凹部23，中央部成为负的放大率的透镜。例如像后述那样，凹部23的壁面是曲率半径为40mm的球面，深度为280μm。
如果为了使校正元件20的中央部的形状是构成负的放大率的透镜的形状，则既可以是圆锥形状，也可以是菲涅耳透镜或者是衍射光栅。但是，基于制造容易性的观点优选采用球面形状。即，在平板玻璃一面的中央形成有球面状的凹部的校正元件20易于制造且廉价。
聚光光学系统30由前透镜群30F和后透镜群30R构成，前透镜群30F具有透镜L8、L10、L12，后透镜群30R具有L14、L16、L18。聚光光学系统30是所谓的中继光学系统，即在由前透镜群30F将入射的光束会聚到焦点F10之后，光束扩散并再次会聚到后透镜群30R的焦点F11。关于作为中继光学系统的聚光光学系统30，由于前透镜群30F与后透镜群30R之间的光束的相对于光轴O的角度小，因此适于在前透镜群30F与后透镜群30R之间配设滤色器等。此外，后透镜群30R的有效半径比前透镜群30F的有效半径小，因此作为中继光学系统的聚光光学系统30具有负的焦距。负的焦距意味着聚光光学系统30的主平面的位置处于后透镜群30R的后侧焦点F11的后侧。
在下面的表1中表示构成光源装置1的光学构件的数值数据。在数值数据中，r表示各面的曲率半径，d表示各光学构件的壁厚或者空气间隔，n表示各光学构件的e线的折射率，ν表示各光学构件的e线的阿贝数、ER表示有效半径。r、d、以及ER的单位是mm。
[表1]
Figure BDA00002362870200051
光源装置1的光学构件是以下结构。
光源部10的有效光束的直径(ED)：30mm
校正元件20的外形(RD)：38mm(表1：ER6×2)
校正元件20的中央区域的直径(φ)：8mm
校正元件20的中央区域的曲率半径(r6)：40mm(表1：*1)
校正元件20的周围区域的曲率半径(r6A)：∞(表1：*1)
校正元件20的中央区域的焦距：fc=-84.6mm
聚光光学系统30的焦距：f＝-19.2mm
聚光光学系统30的前侧焦点位置F1：距离光源部10的出射面(L1)103.6mm
校正元件20的配置位置：距离光源部10的出射面(L1)93.2mm
所连接的光导件2D的直径(LD)：0.8mm
其中，“校正元件20的配置位置”是“校正元件20的最靠近光源部10的面(r6)的位置”。
以下记载了通过实验获得的各数值的结果。图5表示光源装置的连接部40的配光特性。图5中(A)是上述结构的光源装置1的配光特性，图5中(B)是没有配置校正元件时的配光特性。在图5所示的配光特性中，以最高光量将光量标准化，但在(A)光源装置1的情况下的光量是202.2流明(lm)，与此相对地，在(B)不存在校正元件的情况下的光量是178.7流明。
此外，在光源装置1中各参数如下。
校正元件20的中央区域的焦距fc与聚光光学系统30的焦距f的比的绝对值FR是(FR=AB S(fc/f)=AB S(-84.6mm/-19.2mm)=4.4)。此外，AB S(X)表示X的绝对值。
当用与聚光光学系统30的前侧焦点位置F1的关系来表示校正元件20的配置位置时，(93.2-103.6=-10.4mm)。在此，配置位置的值为负意味着：在光轴O上与聚光光学系统30的前侧焦点位置F1相比，校正元件20的配置位置更靠近光源部10侧。当用相对于聚光光学系统30的焦距f的绝对值的比S P来表示配置位置时为(SP=-10.4mm/ABS(-19.2mm)=-0.54)。
校正元件20的中央区域的直径φ是8mm，光源部10射出的光束的有效光束直径ED是30mm。当用相对于由光源部10射出的光束的有效光束直径ED的值LR来表示校正元件20的中央区域的直径φ时为LR=8/30*100=27%。
接着，说明在变更了光学系统的一部分参数情况下，具有与光源装置1相同的基本结构的光源装置的配光特性等。
<校正元件的中央部的焦距(fc)>
图6表示当φ=8mm时，校正元件20的中央部的焦距fc为(C)-42.3mm、(D)-105.7mm时的配光特性。此外，在图6中，(A)、(B)与图5相同，(A)是校正元件20的焦距为-84.6mm的情况，(B)是没有配置校正元件20的情况。
当将校正元件20的中央区域的焦距fc与聚光光学系统30的焦距f的比的绝对值用FR表示时，(A)FR=4.4、(C)FR=2.2、(D)FR=5.5。
<校正元件的中央区域的直径(φ)>
图7表示将校正元件20的中央区域的直径φ和校正元件20的中央区域的焦距fc进行变更时的配光特性。在图7中，(A)是φ=8mm、fc=-42.3mm的情况，(C)是φ=6.4mm、fc=-105.7mm的情况，(D)是φ=5.6mm、fc=-42.3mm的情况，(B)是没有配置校正元件20的情况。
当用相对于由光源部10射出的光束的有效光束直径ED的值LR来表示校正元件20的中央区域的直径φ时，(A)LR=27%、(C)LR=21%、(D)(LR)=19%。
<校正元件的配置位置>
图8表示当fc=-84.6mm时改变校正元件20的配置位置的情况下的配光特性。配置位置与聚光光学系统30的前侧焦点位置F1相距(A)-10.1mm、(C)+6mm、(D)-16.9mm，(B)是没有配置校正元件20的情况。
当用相对于聚光光学系统30的焦距f的比SP来表示配置位置时，(A)SP=-0.54、(C)SP=+0.31、(D)SP=-0.88。
<所连接的光导件2D的直径(LD)>
图2表示将所连接的光导件(LG)2C的直径(LD)进行变更时的聚光光量(单位：流明)。
[表2]
LG直径φ(mm) 0.8 1.5 2.6 3.4 4.5
具有校正元件20 202 674 1248 1415 1520
不具有校正元件 179 661 1315 1444 1516
即，为了获得配光特性与聚光光量之间的平衡良好的光源装置，校正元件20的条件如下。
(式1：条件1)2.2<AB S(fc/f)<5.5，优选为(式2：条件2)3.0<ABS(fc/f)<5.0
(式1)和(式2)用于限定校正元件20的中央区域的焦距fc与聚光光学系统30的焦距f的比的绝对值FR。图6示出了(A)FR=4.4、(C)FR=2.2、(D)FR=5.6这三种情况，但进一步详细地研究后得到以下结果：在满足(式1)的情况下，光源装置的配光特性得到改善。例如，(B)在没有配置校正元件20的情况下，角度为15度的窄角成分的光强度(以下称为“LM 15”)为最大光强度(以下称为“LM”)的60%，但是在满足(式1)的情况下，配光特性改善为80%以上。并且在满足(式2)的情况下，光源装置的配光特性获得更大改善，例如LM15为LM的90%以上。
(条件3)校正元件配设在与聚光光学系统的前侧焦点位置相距(-0.8×ABS(f))~(+0.3×ABS(f))的位置处。
(条件3)对校正元件20的配置位置相对于聚光光学系统30的焦距f的比SP进行限定。图8示出了(A)SP=+0.31、(B)SP=-0.54、(C)SP=-0.88这三种情况，但进一步详细地研究后得到以下结果：在满足(条件3)的情况下，光源装置的配光特性得到改善。例如，(B)在没有配置校正元件20的情况下，LM15为LM的50%，但是在满足(条件3)的情况下，LM15为LM的60%以上。
(条件4)校正元件的中央区域的直径为光源部射出的上述光束的有效光束的直径的15%~50%，优选为(条件5)20%~30%。
(条件4)和(条件5)对校正元件20的中央区域的直径(φ)相对于光源部10射出的光束的有效光束直径E D的值L R进行限定。图8示出了(A)LR=27%、(C)LR=21%、(D)LR=19%这三种情况，进一步详细地研究后得到以下结果：在满足(条件4)的情况下，光源装置的配光特性得到改善。例如，(B)在没有配置校正元件20的情况下，LM15为LM的55%，但是在满足(条件4)的情况下，LM15为LM的70%以上。并且在满足(条件5)的情况下，光源装置的配光特性获得更大的改善，例如LM15为LM的80%以上。
此外，利用具有如下那样的中央的相对强度高的光束分布的光源部10来进行上述测量，该光束分布为有效光束直径(ED)的中央±30%的直径内的光束密度相对于中央(光轴上)的光束密度为80%以下。但是，在改变光源部的规格并且进行测量后的结果能够确认以下情况：如果是射出中央区域的光量比周围区域的光量强的光束的光源部，则与光的程度无关地，条件1~条件5有效。
通过增强中央部的放大率(缩短焦距)或者将配光校正光学元件配置在更靠近光源的位置，能够获得上述配光校正光学元件的配光校正的效果，但这取决于与聚光性能的折衷关系。在满足上述条件的范围内能够在确保聚光性能的同时获得广配光。
或者，将没有安装配光校正光学元件的状态下的聚光光学系统的聚光特性进行稍微过度校正，来使安装有配光校正光学元件的状态下的中央部的光束的聚光位置与周围部的光束的聚光位置之间的偏差减小，由此能够确保效率。
如以上说明，光源装置1具有广配光特性。另外，公知的光源装置的积分部的多个透镜都是复杂形状且要求具有耐热性，因此需要使用多个高价的玻璃透镜，透镜之间需要进行高精度地对准。并且，使具有积分部的光源装置小型化并不容易。与此相对地，在光源装置1中，校正元件20由一个透镜构件构成，因此能够实现小型化和低成本化。
(第二实施方式)
接着，说明第二实施方式的光源装置1A。本实施方式的光源装置1A与第一实施方式的光源装置1相似，因此对相同的构成要素附加相同的附图标记并省略说明。
图9表示光源装置1A的光学系统的结构。光源装置1的聚光光学系统30A具有透镜L6、L8、L10。即，与作为中继光学系统的聚光光学系统30相比结构简单且能够实现小型化。另外，在光源装置1中，作为滤波器，具有一个红外线或紫外线截止滤波器15C。
下面的表3表示构成光源装置1A的光学构件的数值数据等。
[表3]
Figure BDA00002362870200111
光源装置1A的光学构件是以下结构。
光源部10A的有效光束的直径(ED)：30mm
校正元件20A的外形(RD)：38mm(表2：ER4×2)
校正元件20A的中央区域的直径(φ)：8mm
校正元件20A的中央区域的r(r6)：-33.1mm(表2：*2)
校正元件20A的周围区域的r(r6A)：∞(表2：*2)
校正元件20A的中央区域的焦距：fc=-70.0mm
聚光光学系统30A的焦距：f＝22.9mm
聚光光学系统30A的前侧焦距F1：距离光源部10的出射面(L1)47.7mm
校正元件20A的配置位置：距离光源部10的出射面(L1)36.4mm
所连接的光导件2DA的直径(LD)：2.2mm
图10表示光源装置1A的连接部40的配光特性。在图10中，(A)是上述结构的光源装置1A的配光特性，(B)是没有配置校正元件20时的配光特性。
在图10所示的配光特性中，以最高光量将光量标准化，(A)光源装置1A的情况下的光量是772流明，与此相对地(B)不存在校正元件的情况下的光量是753流明。
此外，在光源装置1A中各参数如下。
校正元件20A的中央区域的焦距fc与聚光光学系统30的焦距f的比的绝对值FR=ABS(-70/22.9)=3.1
校正元件20A的中央区域的直径φ相对于由光源部10射出的光束的有效光束直径ED的值LR=8/30*100=27%
校正元件20A的配置位置相对于聚光光学系统30A的焦距f的比SP=(36.4-47.7)/22.9=-0.49
<所连接的光导件2D的直径(LD)>
表4表示将所连接的光导件(LG)2C的直径(LD)进行变更时的聚光光量(单位：流明)。
[表4]
LG直径φ(mm) 2.2 3.0 3.8 4.6
具有校正元件20 772 1072 1288 1450
不具有校正元件 753 1083 1327 1500
如以上说明那样，光源装置1A满足了已经说明的(条件2)、(条件3)以及(条件4)。而且，如图9所示，光源装置1A具有广配光特性，聚光性能不易劣化。另外，即使在光源装置1A中也能够分别确认(条件1)~(条件5)有效。
光源装置1A具有第一实施方式的光源装置1所具有的效果，并且结构简单且小型。
(第三实施方式)
接着，说明第三实施方式的光源装置1B。本实施方式的光源装置1B与第一实施方式的光源装置1等相似，因此对相同的构成要素附加相同的附图标记并省略说明。
如图11所示，光源装置1B具有校正元件20B，该校正元件20B在一个表面上形成紫外线截止膜24，在另一个表面上形成红外线截止膜25。换句话说，校正元件20B是由一片玻璃形成的大致平板状，除了具有配光校正光学功能以外，还具有紫外线截止滤波功能和红外线截止滤波功能。另外也可以是，在校正元件20B上层叠形成紫外线截止膜或红外线截止膜，也可以仅形成紫外线截止膜24和红外线截止膜25中的某一个。
紫外线截止膜24和红外线截止膜25可以使用公知的膜。校正元件20B的中央部的形状是负的放大率的透镜，凹部23的深度浅，凸部23的壁面是球面。因此，作为形成紫外线截止膜24和红外线截止膜25的方法，即使使用公知的溅射法等真空成膜法或者溶液涂布法等，也能够在校正元件20B上形成均匀的膜。光源装置1B具有光源装置1、1A所具有的效果，并且结构简单，因此更易于实现小型化。
如上所述，本发明并不限定于上述实施例，在不改变本发明的宗旨的范围内能够进行各种变更、改变等。
本申请主张2010年6月10日在日本申请的特愿2010-133170号的优先权。本申请的说明书、权利要求书以及说明书附图引用了上述公开内容。

Claims (8)

1.一种光源装置，其特征在于，具备：
光源部，其射出中央区域的光量比周围区域的光量强的光束；
聚光光学系统，其会聚所入射的光束；
配光校正光学元件，其配设在上述光源部与上述聚光光学部之间，中央部具有比周围部强的负的放大率；以及
连接部，其能够装卸自如地连接于光导件，该光导件用于引导由上述聚光光学系统会聚的光束。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
满足下面的(式1)，
(式1)2.2<ABS(fc/f)<5.5
其中，fc是上述配光校正光学元件的中央部的焦距，f是上述聚光光学系统的焦距。
3.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，
满足下面的(式2)，
(式2)3.0<AB S(fc/f)<5.0。
4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，
上述配光校正光学元件配设在与上述聚光光学系统的前侧焦点位置相距(-0.8×ABS(f))~(+0.3×ABS(f))的位置处。
5.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，
上述配光校正光学元件的上述中央区域的直径为由上述光源部射出的上述光束的有效光束的直径的15%~50%。
6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于，
上述配光校正光学元件的上述中央区域的直径为由上述光源部射出的上述光束的有效光束的直径的20%~30%。
7.根据权利要求6所述的光源装置，其特征在于，
上述聚光光学系统具有负的焦距。
8.根据权利要求7所述的光源装置，其特征在于，
在上述配光校正光学元件的至少一个表面上形成有紫外线截止膜和红外线截止膜中的至少一个。
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