JP2005347223A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 テーパーファイバーとライトガイドの形状および位置関係を最適化することにより、光の利用効率を高めて、小型で低消費電力、低コストの光源装置を提供する。
【解決手段】 発光体１１からの光を投射させるライトガイド１２と、発光体１１とライトガイド１２の間に配置され、発光体側に位置する大径端部１３ｂとライトガイド側に位置する小径端部１３ｃを有するテーパーファイバー１３とを備え、テーパーファイバー１３の小径端部１３ｃの直径（Ｄ２）は、ライトガイドの直径（Ｄ０）に比して、小径端部とライトガイドの間の距離（Ｌ）の２倍の距離（２Ｌ）を加算した値（Ｄ２＋２Ｌ）に等しいか、あるいは小さい｛（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０｝関係を満たすように形成した光源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、医療用内視鏡、工業用内視鏡、画像検査装置、及び顕微鏡観察装置等により観察する被写体に投射する照明光を生成供給する光源装置に関する。

従来から医療用内視鏡、工業用内視鏡、画像検査装置、及び顕微鏡観察装置等を用いて、体腔内や管状物内を観察検査する際に、光源ランプからの光を体腔内や管状物内に挿入する挿入部に内蔵されているライトガイドにより導光して被写体に投射している。

この光源ランプからの光をライトガイドに効率よく入射させるために、光源ランプとライトガイドの間にテーパーファイバーを用いた光源装置が、例えば、特許文献１に開示されている。

この特許文献１に開示されている光源装置は、図５に示すように、光源ランプ５１とライトガイド５２の基端面である入力端５２ａの間に、光端側へしだいに縮径状のテーパーファイバー５３を介装し、かつ、光源ランプ５１は光の出射角２θ１が２０゜以下の光成分の比率が前方全光量の１／２以上の低出射角の高輝度ランプが用いられ、テーパーファイバー５３の入射端５３ａの外径Ｄ1、テーパーファイバー５３の入射の開口数ＮＡ1、テーパーファイバー５３の出射端５３ｂの外径Ｄ２、テーパーファイバー５３の出射の開口数ＮＡ２、ライトガイドの外径Ｄ０、コア／クラッド間の屈折率より定まるテーパーファイバー５３の固有の開口数ＮＡ０としたとき、次の数式１乃至数式３を満たすように設定されている。
[数１]
０．９≦Ｄ２／Ｄ０≦１．５
[数２]
１．１≧（Ｄ１・ＮＡ１）／（Ｄ２・ＮＡ２）≧０．７
[数３]
ＮＡ２≦１．１・ＮＡ０
また、テーパーファイバー５３は、多成分ガラスファイバー母材から作られ、そのテーパーファイバー固有の開口数ＮＡ０を０．４以上とした光源装置である。

このような構成の光源装置は、光源ランプ５１の光をライトガイド５２に有効に伝達でき、光源ランプ５１の全発光光束量の約５％〜１０％をライトガイド５２へ送ることが可能となり、結合効率が著しく向上できるとしている。
特許番号第２９７５３０１号公報

前述した特許文献１に開示されている光源装置は、テーパーファイバー５３の出射端５３ｂの外径Ｄ2は、数式１に示すように、ライトガイド５２の外径Ｄ0の０．９倍から１．５倍の間に規制されている。このために、テーパーファイバー５３の出射端５３ｂから拡がりを有して出射される光の一部だけがライトガイド５２に入射されるに過ぎない。

このため、ライトガイド５２に入射される光の利用効率が低く、ライトガイド５２の出射端から被写体に出射される光を所定の強さにするために、光源ランプ５１への印加電流を増加させて放射させる光を強くする必要があり、光源装置の大型化や消費電流の増大並びにコストの高騰という課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、テーパーファイバーとライトガイドの形状および位置関係を最適化することにより、光の利用効率を高めて、小型で低消費電力、低コストの光源装置を提供することを目的としている。

本発明の光源装置は、発光体と、この発光体からの光を導光して被写体に投射させるライトガイドと、前記発光体とライトガイドの間に配置され、前記発光体側に位置する大径端部と前記ライトガイド側に位置する小径端部を有し、前記発光体からの光を前記ライトガイドの入射面に集光入射させるテーパーファイバーとを備え、前記テーパーファイバーの小径端部の直径（Ｄ２）は、前記ライトガイドの直径（Ｄ０）に比して、前記小径端部の直径（Ｄ２）に前記ライトガイドの入射面と前記小径端部との間の距離（Ｌ）の２倍の距離（２Ｌ）を加算した値（Ｄ２＋２Ｌ）に等しいか、あるいは小さく｛（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０｝形成したことを特徴とする。

本発明の光源装置の発光体は、発光素子からの光により発光波長が長波長、かつ広波長の光を発光する蛍光体が発光素子の周囲に充填されていることを特徴としている。

本発明の光源装置のテーパーファイバーの大径部には、前記発光素子からの光により発光波長が長波長、かつ広波長の光を発光する蛍光体が密接配置され、この蛍光体に前記発光素子からの光が光ファイバーを用いて投射されることを特徴としている。

また、本発明の光源装置の蛍光体は、前記発光素子からの紫外光あるいは青色光が投射されると、白色光あるいは黄色光を発光放射することを特徴としている。

本発明の光源装置は、テーパーファイバーの小径部から出射される少なくとも４５度の角度の範囲の光は、すべてライトガイドの入射端に入射させることができるため、発光体からの光の利用効率が高く、光源装置の小型化と消費電力の低減、並びにコスト低減が可能な光源装置を提供することができると共に、発光体の発光素子の発光波長よりも長く広い波長を発光する蛍光体を発光素子の周囲に設けたことにより白色光を効率よく発光することができ、光の強さの調整も容易となる効果を有している。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態である光源装置の主要部の構成を示す断面図である。

この光源装置は、前述したように、医療用内視鏡、工業用内視鏡、画像検査装置、及び顕微鏡観察装置等に照明光を生成供給するもので、例えば、医療用内視鏡を例に説明すると、図示しいないが、内視鏡は、術者が把持操作するための操作部、この操作部から延出されて体腔内に挿入される可撓性の細長い挿入部、及び操作部から挿入部に内蔵され、かつ、操作部から延出されたライトガイドから構成されている。この内視鏡のライトガイドの基端に入射された照明光は、ライトガイドにより導光され、挿入部の先端に位置しているライトガイドの先端から体腔内の被写体に対して投射される。このライトガイドの基端は、ライトガイドコネクタにより光源装置に接続されるようになっており、光源装置には、光源ランプ、及び発光ダイオード等の発光体と、この発光体の点灯／消灯と点灯電流の供給制御等の点灯制御するための駆動機能が内蔵されている。

このような光源装置において、本発明の第１の実施形態の光源装置は、図１に示すように、光源装置に内蔵されている発光体１１、この発光体１１から放射された光が入射されて導光する、図示していないライトガイドコネクタにより接続されたライトガイド１２、発光体１とライトガイド１２の間に設けられるテーパーファイバー１３、及び発光体１１の点灯制御するための駆動回路１４からなっている。

発光体１１は、発光ダイオードであり、基板１１ａの中心部に配置された発光ダイオードチップ（以下、ＬＥＤチップと称する）１１ｂと、基板１１ａに対して、略４５度の角度に配置され、ＬＥＤチップ１１ｂから放射された光を反射させる反射ミラー１１ｃと、ＬＥＤチップ１１ｂの周囲と反射ミラー１１ｃの間に充填された蛍光体１１ｄからなっている。

ＬＥＤチップ１１ｂは、主発光波長として４００ｎｍ〜４５０ｎｍ付近の波長の光を放射し、蛍光体１１ｄは、ＬＥＤチップ１１ｂの４００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長の光を受けて、その４００ｎｍ〜４５０ｎｍよりも長い波長、かつ広い範囲の波長の光を発光するようになっている。

この蛍光体１１ｄにより発光された光の一部は、反射ミラー１１ｃにより前方に反射されて、ＬＥＤチップ１１ｂからの光と蛍光体１１ｄの光が混合されて白色光が出射されるようになっている。

ライトガイド１２の基端は、図示していないライトガイドコネクタ内の中心に配置されており、ライトガイドコネクタにより光源装置と着脱自在になっている。このライトガイド１２は、多数の細径のガラスファイバ―１２ａを屈曲可能な状態に束ね合わせており、ガラスファイバー１２ａは、中央のコアに対して屈折率の小さいクラッドが被覆されている。このライトガイド１２の直径をＤ０とする。

発光体１１とライトガイド１２の間に設けられたテーパーファイバー１３は、多数の細径のガラスファイバ―１３ａを熱融着により固着したロッドを、加熱炉内において再度加熱軟化させた状態で引き伸ばし、その引き伸ばし速度を変化させることにより円錐状に形成し、かつ、その円錐形状の頭部部分を底辺と平行に切り取った断面形状が台形状に作成されている。なお、このテーパーファイバー１３のガラスファイバ―１３ａは、ライトガイド１２のガラスファイバー１２ａと同様にコアとクラッドから構成されている。なお、発光体１１ｂ、テーパーファイバー１３、及びライトガイド１２は同一光軸上に配置される。

このテーパーファイバー１３は、発光体１１の側に円錐形状の底辺である大径端部１３ｂ、ライトガイド１２の側に円錐形状の頭部分を切り取り形成された小径端部１３ｃが位置するように配置される。つまり、このテーパーファイバー１３は、発光体１１側からライトガイド１２側に従い、直径が縮小される形状に形成されて配置している。

このテーパーファイバー１３の大径端部１３ｂの直径Ｄ１は、発光体１１から出射される光の直径より大きく形成されている。また、この大径端部１３ｂと発光体１１は、極力近接させて配置している。

このテーパーファイバー１３の小径端部１３ｃの直径をＤ２とし、この小径端部１３ｃとライトガイド１２の基端の入射面１２ｂとの間は、間隔Ｌを設けて配置されている。この間隔Ｌを設ける理由は、図示していない、光源装置を構成する他の部品の寸法公差や組立て時のバラツキ、及びライトガイド１２の着脱時の衝撃等によりライトガイド１２の入射面１２ｂとテーパーファイバー１３の小径端部１３ｃとが接触して相互の破損を防止するために設けられており、この間隔Ｌは０．３ｍｍ以上に設定されていることが望ましい。

このライトガイド１２の外径Ｄ0に対して、テーパーファイバー１３の小径端部１３ｃの外径Ｄ２と間隔Ｌの２倍の加算値と等しいか、あるいは小さい関係（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０となるように形成されている。

すなわち、発光体１１から放射された光は、反射ミラー１１ｃにより反射されてテーパーファイバー１３の大径端部１３ｂに略全光量が入射されて、このテーパーファイバー１３により集光されて小径端部１３ｃから出射される。この小径端部１３ｃから出射される光は、小径端部１３ｃの外径Ｄ２、この小径端部１３ｃとライトガイド１２の入射面１２ｂとの間の距離Ｌ、及びライトガイド１２の外径Ｄ０との（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０の関係により光軸から約４５度以内の光はすべてライトガイド１２の入射面１２ｂに入射される。

このテーパーファイバー１３の小径端部１３ｃから出射される約４５度以上の大きい角度の光は、ライトガイド１２の先端から図示していない被写体に放射させて照明するためには有効でないので、ライトガイド１２に入射させる必要はない。

以上説明したように、発光体１１からの放射光の直径よりも大きい直径Ｄ１の大径端部１３ｂと、ライトガイド１２の直径Ｄ０よりも小さい直径Ｄ２の小径端部１３ｃを有するテーパーファイバー１３を発光体１１とライトガイド１２の間に配置させ、このテーパーファィバー１３とライトガイド１２の間の距離Ｌとの位置関係を（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０の関係に形成したことで、発光体１１からの光の略全光量がテーパーファイバー１３の大径端部１３ｂに入射させることができ、このテーパーファィバー１３の小径端部１３ｃから出射される約４５度以内の光は、ライトガイド１２の入射端面１２ｂに入射させることことができるために、発光体１１からの発光量に対して、ライトガイド１２に入射させる利用光量効率が向上する。

なお、発光体１１のＬＥＤチップ１１ｂから放射から放射される光の光量は、図示していない内視鏡の操作部に設けた操作スイッチにより駆動回路１４から発光体１１のＬＥＤチップ１１ｂに印加させる電流量により制御可能である。また、発光体１１のＬＥＤチップ１１ｂの発光量は、一定電流を時間分割したパルス駆動をおこなうことにより調整制御が可能である。

次に、本発明の第２の実施形態の光源装置について、図２と図３を用いて説明する。図２は本発明の第２の実施形態である光源装置の主要部の構成を示す断面図、図３は本発明の第２の実施形態である光源装置に用いるテーパーファイバーの外観を示す斜視図である。なお、図１と同一部分は、同一符号を付して詳細説明は省略する。

この第２の実施形態の光源装置は、異なる波長の光を発光する３つの発光体２１，２２，２３が設けられている。この３つの発光体２１〜２３の構成は、前述した発光体１１と同じように、基板にＬＥＤチップと反射ミラーが設けられ、ＬＥＤチップの周囲に蛍光体が充填されている。これら発光体２１〜２３の発光体２１は赤色成分の多い光、発光体２２は緑色成分の多い光、発光体２３は青色成分の多い光を発光する。なお、それぞれの発光体２１〜２３の発光スペクトルは、急峻でなく、拡がりを有しており、それぞれの色成分を混合した光の演色性が良くなるようになっている。

テーパーファイバー２４は、前述したテーパーファイバー１３の円錐形状を図３に示すように、複数の細径のガラスファィバー２４ａを扁平な形状に形成した扁平円錐形状である。この扁平円錐形状のテーパーファイバー２４は、前述した円錐形状に形成したテーパーファイバー１３を再度加熱軟化させて、プレスにより押し潰して扁平に形成する。従って、このテーパーファイバー２４の大径端部２４ｂと小径端部２４ｃは、略長方形状である。

このテーパーファイバー２４の大径端部２４ｂの長辺部分の長さは、３つの発光体２１〜２３を並べた長さよりも大きく、小径端部２４ｃの長辺部分の長さＡは、テーパーファイバー２４の小径端部２４ｃとライトガイド１２の入射面１２ｂとの間の距離Ｌと、ライトガイド１２の外形Ｄ０との関係が（Ａ＋２Ｌ）≦Ｄ０となるように形成されている。

このテーパーファィバー２４の小径端部２４ｃとライトガイド１２の関係により、テーパーファイバー２４の小径端部２４ｃから出射される光のうち、光軸から約４５度以内の光は、すべてライトガイド１２の入射面１２ｂに入射されて、発光体２１〜２３から放射された光の利用効率が向上する。

また、異なる色成分の発光体２１〜２３を設けたことにより、図示していない被写体が所望の色調および明るさになるように、駆動回路１４から発光体２１〜２３それぞれに独立して電流を印加し、その印加する電流の電流値を変化させたり、あるいは、一定電流を時間分割したパルス駆動をおこなうことにより、発光体２１の赤色、発光体２２の緑色、及び発光体２３の青色の発光強さを調整し、その光を混合して光の色調を形成する。つまり、赤緑青の光の三原色の混合制御することにより、すべての色調の合成色が生成でき、所望の色調により被写体の照明が可能となる。

次に、本発明の第３の実施形態である光源装置について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第３の実施形態である光源装置の主要部の構成を示す断面図である。なお、図１と同じ部分は、同一符号を付して詳細説明は省略する。

この第３の実施形態の光源装置は、テーパーファイバー１３の大径端部１３ｂに密接させて保持枠３１内に充填された蛍光体３２が設けられている。この蛍光体３２は、紫外光あるいは青色光を受けると、白色あるいは黄色に蛍光するものである。この蛍光体３２のテーパーファイバー１３の大径端部１３ｂと密接されている側と反対側には、誘電多層膜３２ａが設けられている。この誘電多層膜３２ａには、３本のプラスチック光ファイバー３３、３４、３５の先端部が蛍光体３２に対向して配置されている。

この誘電多層膜３２ａは、青色より短波長の光を透過し、青色よりも長波長の光を反射させるものである。プラスチック光ファイバー３３〜３５の基端部のそれぞれには、赤、緑、青の発光モジュール３６、３７、３８が接続されている。この発光モジュール３６〜３８は、それぞれレーザーダイオード（以下、ＬＤと称する））３６ａ、３７ａ、３８ａ、およびこの各ＬＤ３６ａ，３７ａ，３８ａから放射されたレーザー光を集光する集光レンズ３６ｂ，３７ｂ，３８ｂからなり、集光レンズ３６ｂ，３７ｂ，３８ｂにより集光されたレーザー光は、プラスチック光ファイバー３３〜３５の基端に入射されるようになっている。また、ＬＤ３６ａ，３７ａ，３８ａは、駆動回路１４から印加された電流によりそれぞれが独立して発光するようになっている。

このＬＤ３６ａ，３７ａ，３８ａからのレーザー光は、集光レンズ３６ｂ，３７ｂ，３８ｂにより集光されてプラスチック光ファイバー３３，３４，３５の基端に入射され、プラスチック光ファィバー３３，３４，３５の内部を伝達して先端から誘電多層膜３２ａを介して蛍光体３２に照射される。

この蛍光体３２は、プラスいチック光ファィバー３３，３４，３５から照射された赤、緑、青のレーザー光の強さに比例して白色あるいは黄色に発光する。この蛍光体３２に生成された白色あるいは黄色のうちプラスチック光ファイバー３３，３４，３５の先端側に向かった光は、誘電多層膜３２ａにおいて反射されることから蛍光体３２で生成された白色あるいは黄色の全ての光はテーパーファイバー１３の大径端部１３ｂに入射される。

また、ＬＤ３６ａ，３７ａ，３８ａから少なくとも一つのＬＤ３６ａ，３７ａ，３８ａに印加する電流の電流値を変化させたり、あるいは一定電流を時間分割したパルス駆動を駆動回路１４から行うことにより発光レーザー光の強さを制御することができる。また、ＬＤ３６ａ，３７ａ，３８ａの個々の電流をオン／オフ制御して点灯／消灯状態を組合わせることにより、広い範囲で光の強さを調整することが可能となる。

以上説明したように、本発明の光源装置は、発光体から放射された光の略全光量をテーパーファイバーに投射させることができ、このテーパーファイバーにより集光された光は、ライトガイドに被写体投射に有効な光として入射させることができ、発光体からの光を被写体に投射させる光の利用効率が向上し、小型で低コストの光源装置が提供可能となった。

［付記］
以上詳述した本発明の実施形態によれば、以下のごとき構成を得ることができる。

（付記１） 発光体と、この発光体からの光を導光して被写体に投射させるライトガイドと、前記発光体とライトガイドの間に配置され、前記発光体側に位置する大径部と前記ライトガイド側に位置する小径部を有し、前記発光体からの光を前記ライトガイドの入射面に集光入射させるテーパーファイバーと、を備え、前記テーパーファイバーの小径部の直径（Ｄ２）は、前記ライトガイドの直径（Ｄ０）に比して、前記小径部の直径（Ｄ２）に前記ライトガイドの入射面と前記小径部との間の距離（Ｌ）の２倍の距離（２Ｌ）を加算した値（Ｄ２＋２Ｌ）に等しいか、あるいは小さく｛（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０｝形成したことを特徴とする光源装置。

（付記２） 前記発光体は、発光素子からの光により発光波長が長波長、かつ広波長の光を発光する蛍光体が発光素子の周囲に充填されていることを特徴とした付記１記載の光源装置。

（付記３） 前記テーパーファイバーの大径部には、前記発光素子からの光により発光波長が長波長、かつ広波長の光を発光する蛍光体が密接配置され、この蛍光体に前記発光素子からの光が光ファイバーを用いて投射されることを特徴とした付記１記載の光源装置。

（付記４） 前記蛍光体は、前記発光素子からの紫外光あるいは青色光が投射されると、白色光あるいは黄色光を発光放射することを特徴とした付記２または３のいずれかに記載の光源装置。

（付記５） テーパーファイバーの小径端部に対向してライトガイドの入射面を配置し、前記テーパーファイバーの大径端部に対向して発光体を配置したライトガイド光源装置において、前記ライトガイドの直径をＤ０、前記テーパーファイバーの小径端部の直径をＤ２、前記テーパーファイバーの小径端部と前記ライトガイドの入射面の間隔をＬとしたとき、以下の数式が成り立つように構成したことを特徴とするライトガイド光源装置。
[数５]（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０
[数６] Ｌ≧０．３（ｍｍ）

（付記６） 前記発光体は、内部に蛍光体を有する少なくとも１つのＬＥＤ（発光ダイオード）であることを特徴とする付記５記載のライトガイド光源装置。

（付記７） 前記発光体は、前記テーパーファイバーの大径端部に密接した蛍光体であり、光ファイバーを介して少なくとも１つのＬＤ（半導体レーザー）の光を受光することを特徴とする付記５記載のライトガイド光源装置。

（付記８） 前記蛍光体は、紫外光あるいは青色光を受光すると、白色光あるいは黄色光を発光することを特徴とする付記６または７のいずれかに記載のライトガイド光源装置。

本発明の第１の実施形態である光源装置の主要部の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施形態である光源装置の主要部の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施形態である光源装置に用いるテーパーファイバーの外観を示す斜視図。 本発明の第３の実施形態である光源装置の主要部の構成を示す断面図。 従来の光源装置の主要部の構成を示す断面図。

符号の説明

１１ 発光体
１１ａ 基板
１１ｂ 発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）
１１ｃ 反射ミラー
１１ｄ 蛍光体
１２ ライトガイド
１３ テーパーファイバー
１３ｂ 大径端部
１３ｃ 小径端部
１４ 駆動回路
代理人 弁理士 伊藤 進

Claims (4)

1. 発光体と、この発光体からの光を導光して被写体に投射させるライトガイドと、前記発光体とライトガイドの間に配置され、前記発光体側に位置する大径端部と前記ライトガイド側に位置する小径端部を有し、前記発光体からの光を前記ライトガイドの入射面に集光入射させるテーパーファイバーとを備え、前記テーパーファイバーの小径端部の直径（Ｄ２）は、前記ライトガイドの直径（Ｄ０）に比して、前記小径端部の直径（Ｄ２）に前記ライトガイドの入射面と前記小径端部との間の距離（Ｌ）の２倍の距離（２Ｌ）を加算した値（Ｄ２＋２Ｌ）に等しいか、あるいは小さく｛（Ｄ２＋２Ｌ）≦Ｄ０｝形成したことを特徴とする光源装置。
2. 前記発光体は、発光素子からの光により発光波長が長波長、かつ広波長の光を発光する蛍光体が発光素子の周囲に充填されていることを特徴とした請求項１記載の光源装置。
3. 前記テーパーファイバーの大径部には、前記発光素子からの光により発光波長が長波長、かつ広波長の光を発光する蛍光体が密接配置され、この蛍光体に前記発光素子からの光が光ファイバーを用いて投射されることを特徴とした請求項１記載の光源装置。
4. 前記蛍光体は、前記発光素子からの紫外光あるいは青色光が投射されると、白色光あるいは黄色光を発光放射することを特徴とした請求項２または３のいずれかに記載の光源装置。

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