CN111751977A - 波长变换部件、光源装置及照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供波长变换部件、光源装置及照明装置。波长变换部件(30)包括第一波长变换件(34)和第二波长变换件(36)。并且，第二波长变换件(36)的发光波长比第一波长变换件(34)的发光波长长；在第二波长变换件(36)中，将从激励光停止到荧光停止为止的时间设为余辉时间，余辉时间比第一波长变换件(34)的发光时间长，并且是1s以下。由波长变换部件(30)和光源部(14)构成光源装置(15)。此外，包括波长变换部件(30)、光源装置(15)、以及配置在光源部(14)与波长变换部件之间的导光部而构成照明装置。

Description

波长变换部件、光源装置及照明装置
技术领域
本发明涉及波长变换部件、光源装置及照明装置。
背景技术
在内视镜等的医疗用摄像装置中，近年来考察了与基于白色光的通常观察另行地进行基于特殊光的特殊光观察的观察方法。例如，在PDD(Photodynamic Diagnosis，光动力诊断)中，如果将吲哚菁绿(ICG)水溶液注射到血管中，并通过近红外光的照射提高ICG的能量状态，则由于发出波长比所照射的近红外光稍长的近红外荧光，所以能够利用它进行淋巴腺等的状态观察。这里，进行基于白色光的观察和基于近红外光的观察。
为了输出如白色光或近红外光那样波长不同的光，需要多个光源，以往使用放电灯与滤色器的组合等。近年来，进行了关于以下这样的光源装置及照明装置的开发：作为光源而使用将来自LED或激光二极管等的固体发光元件的输出光变换为红色、绿色、蓝色的光的波长变换部件，作为光的三原色将它们通过分时技术作为希望的显色性的光进行输出。
日本特开2006－117857涉及能够利用于内视镜的光源装置。这里，作为以往技术，叙述了一种彩色投影机，该彩色投影机以输出紫色或紫外光的固体发光元件为激励光源，使用将激励光变换为红色、绿色、蓝色的荧光的3个荧光体，将固体发光元件分时驱动而输出与图像数据对应的荧光色。在此情况下，由于依赖于图像数据而3个荧光体的发光时间不同，所以3个荧光体的温度上升不同，发光效率变化。
在以往技术中，采取将3个荧光体分别设置于旋转体、并调整旋转体的旋转速度而使温度上升均匀化的方法，所以对于3个荧光体分别需要固体发光元件和旋转体。所以，在日本特开2006－117857中，公开了在旋转体的径向上相互分离的4个环状带分别配置红色、绿色、蓝色、焦茶色的荧光体而将旋转体集中为1个的技术。
日本特许第6059406号叙述了一种光源装置，该光源装置在将激光向标本照射而用显微镜观察标本的显微镜系统中，将多个激光合波而构成适合于标本观察的波长的光。这里，作为仅将从激光源射出的波长的激光反射并使其他波长的光透射的波长选择光学元件而使用陷波滤波器。例如，将具有相互不同的波长的3个激光源与3个陷波滤波器组合，将各陷波滤波器的反射光轴对准，向光纤的纤芯的小的口径入射，将3个波长的激光合波。
作为与本发明关联的技术，在日本特许第5543760号中叙述了将蓄光性材料的余辉时间延长的技术。这里，使用两个蓄光性材料，如果向各自照射激励光，则即使停止激励光的照射，两个蓄光性材料也分别在一定时间发生余辉。并且，叙述了通过在激励光的照射停止后也用一侧的蓄光性材料的余辉将另一侧的蓄光性材料照射，另一侧的蓄光性材料的余辉的持续时间被延长。叙述了激励光的照射时间根据光源的种类、照射强度、距光源的距离而不同，例如是10分钟至1小时左右。
发明内容
在内视镜等的医疗用摄像装置中，为了使用白色光和特殊光拍摄对象物而进行适当的观察，希望降低白色光与特殊光之间的噪声。作为多个波长的光之间的噪声降低法而使用分时发光，但在以往技术中，虽然有使用配置有荧光体的旋转体和其驱动装置的方法、使用多个光源和多个光学镜正确地进行光轴对准的方法等，但都是复杂的结构，成本较高。
所以，希望有能够以便宜且可靠性高的结构抑制多个波长的光之间的噪声的波长变换部件、使用波长变换部件的光源装置及使用波长变换部件的照明装置。
有关本发明的波长变换部件包括第一波长变换件和第二波长变换件；第二波长变换件的发光波长比第一波长变换件的发光波长长；在第二波长变换件中，将从激励光停止到荧光停止为止的时间设为余辉时间，余辉时间比第一波长变换件的发光时间长，并且是1s以下。
有关本发明的光源装置具备上述波长变换部件和光源部。此外，有关本发明的照明装置具备上述波长变换部件、光源部、以及设置在波长变换部件与光源之间的导光部。
发明效果
根据上述结构的波长变换部件、光源装置及照明装置，能够以便宜且可靠性高的结构抑制多个波长的光之间的噪声。
附图说明
附图不是作为限制的，是单纯的例示，表示本发明的1个或多个实施方式。在附图中，同样的标号表示相同或类似的要素。
图1是包括有关实施方式的波长变换部件的照明装置的立体图。
图2是图1的A部的剖视图。
图3是从图1的照明装置将实施方式的光源装置的结构部分抽取表示的图。
图4是表示在图3的光源装置中波长变换部件被激励的情况下的白色光与近红外光的发光时间的关系的图。
图5是将包括有关实施方式的波长变换部件的照明装置应用于内视镜系统的情况下的结构图。
图6是在图5的结构中用相同的时间轴表示照明装置的照明光的发光次序与摄像装置的摄像次序的关系的图。
具体实施方式
以下，使用附图详细地说明有关本发明的实施方式。以下所述的波长等是用于说明的例示，可以根据波长变换部件、光源装置及照明装置的规格等而适当变更。以下，在全部的图中对于对应的要素赋予相同的标号，省略重复的说明。
图1是包括波长变换部件的照明装置10的立体图。照明装置10在应用于内视镜系统50(参照图5)的情况下，是用来将光向观察对象物照明的装置。照明装置10包括用于散热的翅片部12、配置激励光源的光源部14、配置有通过激励而输出具有相互不同的波长的多个光的波长变换部件的波长变换部16、以及包括对于内视镜系统50的光纤56(参照图5)的连接口的光纤连接部18。
图2是包括图1中的光源部14的一部分和波长变换部16、光纤连接部18的A部的剖视图。
光源部14包括作为激励光源的激光源52和聚光透镜系统54(参照图5)。作为激光源52而使用蓝色激光器。这是用于说明的例示，光源部14的激励光源只要是能够激励荧光体的光源就可以，根据照明装置10、内视镜系统50的规格，也可以使用蓝色激光器以外的激光源52或LED光源。聚光透镜系统54是将从激光源52射出的激光束聚拢向预先设定的焦点位置22聚光的光学元件。被聚光透镜系统54聚拢的激光20入射至波长变换部16。
波长变换部16是将波长变换部件30包围而配置的部件。波长变换部件30在波长变换部16中配置在光纤连接部18侧。光源部14的被聚光透镜系统54聚拢而入射的激光20的焦点位置22在波长变换部16中是光源部14侧。导光部24是将激光20从光源部14侧的激光20的焦点位置22向波长变换部件30一边均匀化一边引导的导光部件。作为该导光部24，例如可以使用将被称作镜杆(Mirror Rod)的4片镜子贴合的筒体。导光部24优选的是也设置在从波长变换部件30到光纤连接部18之间。
图3是将照明装置10中的导光部24和光纤连接部18省略、作为光源装置15的结构而抽出表示的图。光源装置15包括光源部14和波长变换部件30而构成。
波长变换部件30是将具有单一的波长的激光20变换为具有相互不同的波长的多个光、将变换后的多个光输出的光学元件。这里，为了变换为具有相互不同的两个波长的光，在透明基板32之上层叠第一波长变换件34和第二波长变换件36，构成1个板状的波长变换部件30。
透明基板32是将第一波长变换件34和第二波长变换件36层叠支承、并使激光20透射的光学基板。作为该透明基板32而使用蓝宝石基板。根据情况，可以使用玻璃基板。
第一波长变换件34配置在透明基板32侧，最先承接向透明基板32入射的激光20。第二波长变换件36被堆叠配置在第一波长变换件34之上，承接经过了第一波长变换件34的激光20。
第一波长变换件34和第二波长变换件36分别包含被激光20激励的荧光材料，但包含的荧光材料不同，根据其含有的荧光材料的差异而具有以下的关系。即，第二波长变换件36的发光波长比第一波长变换件34的发光波长长，第二波长变换件36的发光时间比第一波长变换件34的发光时间长。
第一波长变换件34包含射出与蓝色为互补色关系的黄色的波长的荧光的荧光材料。由于人的眼睛中的识别颜色的锥体细胞如果感觉到黄色的波长的光则识别为白色光，所以射出黄色的波长的荧光的荧光材料疑似地射出白色荧光。所以，以下只要没有特别说明，就将白色荧光称作白色光44。作为该第一波长变换件34，可以使用被蓝色的波长450nm附近的光激励而发出550nm附近的波长的黄色的光的YAG：Ce类荧光体。这是用于说明的例示，只要是被从光源部14射出的光激励而射出白色光44的荧光体就可以。
第二波长变换件36包含射出近红外的波长的荧光的荧光材料，该荧光材料使激光20的照射停止后的荧光的发光持续时间比第一波长变换件34的发光持续时间长。作为该第二波长变换件36，使用具有式(1)的组成的GSG(Ga，Sc，Ga)类荧光体。
[数式1]
(Gd1-xLax)3(Ga1-y-zScyCrz)2Ga3012···(1)
这里，x、y、z优选的是式(2)的范围。
[数式2]
0.1≤x≤0.6
0.4≤y≤0.8···(2)
0.001≤z≤0.1
具有式(1)的组成的第二波长变换件36根据式(2)的参数的选择，射出作为峰值波长λp而具有约770nm到约820nm的波长的近红外荧光。以下，只要没有特别说明，就将近红外荧光称作近红外光46。此外，第二波长变换件36中，激光20的照射停止后的近红外光46的发光持续时间与作为第一波长变换件34的YAG：Ce类荧光体的白色光44的发光持续时间相比充分长。
在光源装置15中光源部14间歇点亮的情况下，在点亮期间中射出激光20，将波长变换部件30激励。图4是表示在第一波长变换件34和第二波长变换件36被激光20激励的情况下、第一波长变换件34射出的白色光44的发光时间与第二波长变换件36射出的近红外光46的发光时间的关系的图。图4的横轴是时间，纵轴表示激励光40的ON/OFF状态和白色光44及近红外光46的光强度。激励光40的ON/OFF，是将光源部14的激光源52间歇点亮的情况下的点亮状态设为ON状态，将灭掉状态设为OFF状态。光强度的单位是任意的。
在图4中，时间t1是激励光40从OFF状态切换为ON状态的时间，时间t2是激励光40从ON状态切换为OFF状态的时间。时间t1到时间t2的期间是第一波长变换件34和第二波长变换件36被激光20激励的期间。
第一波长变换件34从时间t1开始白色光44的发光，如果白色光44的光强度迅速变高而达到峰值，则维持白色光44的光强度的峰值，直到激励光40的照射停止的时间t2。在时间t2以后，随着时间经过而白色光44的光强度下降，在时间t3实质上不再发光。白色光44的发光时间是从时间t1到时间t3的期间。
第二波长变换件36从时间t1开始近红外光46的发光，随着时间经过而近红外光46的光强度变高，但与白色光44的光强度的上升相比，近红外光46的光强度的上升缓慢。近红外光46的光强度达到峰值是激励光40的照射停止的时间t2附近。因而，在近红外光46达到峰值的前后，激励光40的照射消失，所以即使达到峰值，也不原样维持峰值，而是随着时间经过而近红外光46的光强度下降。近红外光46的光强度的下降与白色光44的光强度的下降相比相当缓慢，在与时间t3相比相当晚的时间t4，实质上不再发光。近红外光46的发光时间是从时间t1到时间t4的期间。
层叠有第一波长变换件34和第二波长变换件36的波长变换部件30的整体的发光状态，是白色光44与近红外光46混合的状态。如图4所示，波长变换部件30的整体的发光状态为，在从时间t1到时间t2的期间，白色光44的光强度比近红外光46的光强度高，在人的眼睛中，白色光状态为支配性的。相对于此，从时间t2的紧接着之后，近红外光46的光强度变得比白色光44的光强度高，所以近红外光状态成为支配性的。换言之，在近红外光46为支配性的期间中，存在白色光44的光强度相对于近红外光46的光强度能够忽视的状态，近红外光46与白色光44之间的噪声被抑制。为了使得白色光44的光强度相对于近红外光46的光强度能够忽视，虽然取决于近红外光46相对于白色光44的S/N比的规格，但例如相对于近红外光46的光强度，将白色光44的光强度设为50％以下，优选的是设为10％以下。
在上述中，假设第二波长变换件36中包含的荧光体被激光20激励而射出近红外光46，但如图4所示，在从时间t1到时间t3的期间，受到第一波长变换件34的荧光体射出的白色光44的照射。通过该白色光44的照射，第二波长变换件36的荧光体也被激励。通过受到该白色光44的激励的影响，虽然近红外光46的发光效率稍稍下降，但发光时间与单独受到仅激光20的激励的情况相比变长。
此外，在上述中，波长变换部件30从激光20入射的一侧起依次层叠有透明基板32、第一波长变换件34、第二波长变换件36而构成。该层叠顺序是从第二波长变换件36射出的近红外光46不被第一波长变换件34吸收的构造。如果从激光20入射的一侧起依次层叠透明基板32、第二波长变换件36、第一波长变换件34，则从第二波长变换件36射出的近红外光46在穿过第一波长变换件34时被吸收，近红外光46的发光效率下降。
作为白色光44的发光时间的(t3－t1)及作为近红外光46的发光时间的(t4－t1)都被设定为内视镜系统50中的图像数据的1帧期间TF左右。高速度相机等的摄像系统中的图像数据的1帧期间TF例如是(1/60)s，但在内视镜系统50中取决于规格，有(1/30)s或(1/15)s的情况。如果将从激励光停止到荧光停止的时间设为余辉时间，则第一波长变换件34中包含的荧光材料及第二波长变换件36中包含的荧光材料的余辉时间再长也是1s以下，与蓄光性材料的发光时间或余辉时间达到几小时相比压倒性地短。
上述中，波长变换部件30为将第一波长变换件34与第二波长变换件36层叠而构成的板状。代之，也可以将混合了受到激光20的激励而射出白色光44的第一荧光体和射出近红外光46的第二荧光体的混合体成形为板状，作为波长变换部件30。作为波长变换部件30而使用层叠体型的情况下，与使用混合体型的情况相比，光源装置15、照明装置10的组装精度等提高，但从成本方面，使用混合体型比使用层叠体型的情况有利。
图5是包括使用波长变换部16的照明装置10的内视镜系统50的结构图。内视镜系统50是如下系统：将从照明装置10射出的白色光44和近红外光46经由光纤56向对象物8照射，并且，依存于被照射的对象物8的形状等的光经由光纤56返回到摄像装置60，经由图像变换部62显示在显示部64上。
照明装置10中作为光源部14而包括激光源52和聚光透镜系统54。激光源52在未图视的控制部的控制下，按照每个规定的帧期间TF闪烁，在点亮期间中将蓝色的激光20作为激励光40射出。点亮期间是图4中的激励光40的ON期间(从时间t1到时间t2)。激光20被聚光透镜系统54聚拢，经由波长变换部16的导光部24向波长变换部件30入射。如在图3中叙述那样，将导光部24省略而包括光源部14和波长变换部件30的部分是光源装置15。从波长变换部16以图4所述的发光关系射出白色光44和近红外光46，照射对象物8。对象物8是生物体。
从被照射的对象物8将与被照射的白色光44及近红外光46对应的白色光45及近红外光47向光纤56引导。
摄像装置60包括在图5中表示为R、G、B、IR的4种摄像元件。表示为R的摄像元件检测红色光，表示为G的摄像元件检测绿色光，表示为B的摄像元件检测蓝色光，表示为IR的摄像元件检测近红外光。4种摄像元件检测到的4种光的强度被传送给图像变换部62，经过适当的图像信号处理，作为表示对象物8的形状等的图像数据被向显示部64传送，作为图像被显示。图像数据的传送按照每个帧期间TF进行。
在图像变换部62中，能够将表示为IR的摄像元件检测到的形状等作为添加了特殊的着色的图像数据向显示部64传送。例如，如果向作为对象物8的生物体的血管注射吲哚菁绿(ICG)水溶液，并照射近红外光46，则ICG的能量状态变高，发出波长比所照射的近红外光46稍长的近红外光47。利用该性质，能够进行淋巴腺等的状态观察。在图5的显示部64中，在对象物8的生物体上，与基于白色光45的内脏等的形状66一起，将基于近红外光47的淋巴腺的形状部分用着色部68表示。
图6是对于内视镜系统50表示摄像装置60的4种摄像元件各自的检测定时与照明装置10的照射定时的关系的图。图6的横轴是时间，在时间轴上表示帧期间TF。关于纵轴，从纸面的上方侧朝向下方侧表示摄像元件的检测定时、照明装置10的照射定时、从波长变换部16射出的白色光44及近红外光46的光强度。最下段的特性图与图4相同。
在摄像装置60中，4种摄像元件在帧期间TF中以表示为R的摄像元件、表示为G的摄像元件、表示为B的摄像元件、表示为IR的摄像元件的顺序动作，以红色光、绿色光、蓝色光、近红外光的顺序以时间序列进行检测。与此对应，在摄像装置60的表示为R的摄像元件的动作期间、表示为G的摄像元件的动作期间及表示为B的摄像元件的动作期间，由照明装置10持续进行白色光44的照射。此外，持续摄像装置60的表示为IR的摄像元件的动作期间，由照明装置10进行近红外光46的照射。
在以往技术中，使用了用来分时照射以在白色光44的照射后进行近红外光46的照射的复杂的结构。相对于此，在照明装置10中，使用包括射出白色光44的第一波长变换件34和射出近红外光46的第二波长变换件36的波长变换部16，从1个激光源52向波长变换部16供给激励光40。这里，在第二波长变换件36中使用式(1)的组成的荧光体，以使从第二波长变换件36射出的近红外光46的发光时间比从第一波长变换件34射出的白色光44的发光时间长。由此，形成白色光44为支配性的期间和近红外光46为支配性的期间。在照明装置10中将作为白色光44为支配性的期间的从时间t1到时间t2的期间分配给跨摄像装置60的表示为R的摄像元件的动作期间、表示为G的摄像元件的动作期间及表示为B的摄像元件的动作期间的期间。通过这样，从时间t2的紧接着之后到帧期间TF的结束时间tFE为止的期间，成为近红外光46为支配性的期间。摄像装置60的表示为IR的摄像元件在近红外光46为支配性的期间中动作。
根据上述结构，通过使用具有作为荧光体的材料特性的发光时间较适当的组成的荧光体进行控制，形成白色光44为支配性的期间和近红外光46为支配性的期间。由此，在上述结构的波长变换部件30、光源装置15及照明装置10中，能够以便宜且可靠性高的结构实现多个波长的光之间的噪声的抑制。

Claims (7)

1.一种波长变换部件，其特征在于，
包括第一波长变换件和第二波长变换件；
上述第二波长变换件的发光波长比上述第一波长变换件的发光波长长；
在上述第二波长变换件中，将从激励光停止到荧光停止为止的时间设为余辉时间，上述余辉时间比上述第一波长变换件的发光时间长，并且是1s以下。
2.如权利要求1所述的波长变换部件，其特征在于，
上述第一波长变换件和上述第二波长变换件构成为层叠体。
3.如权利要求1所述的波长变换部件，其特征在于，
上述第一波长变换件和上述第二波长变换件构成为混合体。
4.如权利要求1所述的波长变换部件，其特征在于，
上述第二波长变换件也被上述第一波长变换件的发光激励。
5.一种光源装置，其特征在于，具备：
权利要求1～4中任一项所述的波长变换部件；以及
光源部。
6.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，
在上述光源部间歇点亮的情况下，存在上述第一波长变换件的发光的光强度是上述第二波长变换件的发光的光强度的50％以下的状态。
7.一种照明装置，其特征在于，具备：
权利要求1～4中任一项所述的波长变换部件；
光源部；以及
导光部，设置在上述波长变换部件与上述光源部之间。
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