JP2006034723A - Ｌｅｄ光源装置とそれを用いた観察装置および内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡では構成を簡単にして小型化、特に挿入部が細いことが求められている。ＬＥＤは小型化に優位であるが従来のＬＥＤを用いた光源装置はＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）色のＬＥＤを用意し３本の光ファイバを用意しているため挿入部が太くなってしまう。またＬＥＤそれぞれに駆動回路が必要であり、白色を出すためには３個のＬＥＤの出力バランスの調整が必要であり色再現性が困難である。
【解決手段】ＬＥＤの出力光と光ファイバなどの導光部材の間に波長変換部材として配置した蛍光材を可動することにより、前記導光部材から出力される光を切り替え可能とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工業用あるいは医療用途の照明に用いられるＬＥＤ光源装置及びそれを用いた観察装置に関する。特に出力光を白色または青色、または紫色等に選択可能な照明光源に用いられ、出力光を選択することによって励起発光や屈折率を利用した検査、観察に用いられる観察装置に関する。

医療用の内視鏡では白色光で体内を照らし（照明光学系）ＣＣＤカメラなどにて体内画像を得ている。照明光学系はキセノンランプ等の高輝度ランプ、ランプ出力を集光する集光レンズ（反射ミラー等も含まれる）、集光した光を体内に導く光ファイバで構成されたライトガイド、さらにはライトガイドからの出力を体内に照射するための照明レンズで構成されている。

これら従来の照明光学系で用いられる高輝度ランプは発熱や、消費電力が大きく、形状が大きくなってしまうなどの問題からＬＥＤを用いた照明光学系が提案されている。

特許文献１ではＬＥＤを用いた内視鏡の光源装置が開示されている。ＬＥＤ発光部としてのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色と各々に対応する光ファイバを３本用意すれば、面順次式の内視鏡装置に用いることが出来る。面順次式内視鏡とはＲ，Ｇ，Ｂの照明光を切り替えて順次被写体に照射して被写体を撮像し観察するもので高画質な映像が得られる。

例えば、紫色や青色の光を当てると正常な組織は蛍光を出すが、癌の部分は蛍光を出しにくくなり暗く見えにくくなるため区別が出来る。青色の光を当てた場合の画像と、３色をそれぞれ当てて得られた画像を組み合わせた画像（白色光で得られた画像に相当）とを比較することで癌を発見することが出来る。

このように照明光の色を変えて励起発光する検査や屈折率を利用した検査や観察が行われている。その他にも紫外（ＵＶ）光を用いた場合の応用としては、樹脂を硬化させる作用や、光触媒を用いた殺菌作用等が考えられている。

上記のように紫外、紫、青色の範囲は励起発光、屈折率、ＵＶ硬化などを利用した検査、加工技術には優位な光であることがわかる。
特許第３０８８１６５号 「次世代照らす白色ＬＥＤ」平成１５年度応用物理学会関西支部シンポジウム、平成１５年１１月

内視鏡では構成を簡単にして小型化、特に挿入部が細いことが求められている。ＬＥＤは小型化に優位であるが従来のＬＥＤを用いた光源装置はＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）色のＬＥＤを用意し３本の光ファイバを用意しているため挿入部が太くなってしまう。またＬＥＤそれぞれに駆動回路が必要であり、白色を出すためには３個のＬＥＤの出力バランスの調整が必要であり色再現性が困難である。

上記課題を解決するために、従来３色で行われていた観察を、例えば白色光以外に青色または紫色があれば内視鏡としては十分機能すると言う考えに基づいて、一つのＬＥＤで白色及び青色（または紫色、またはＵＶ）の２色切り替えが出来る小型化可能な光源を開発することを課題とする。

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、ＬＥＤの出力光を導光部材を介して出射するようにしたＬＥＤ光源装置において、前記ＬＥＤの光路上に、蛍光材を選択的に配置可能としたことを特徴とする。

さらに前記ＬＥＤの出力光は青色系または紫外光であり、前記蛍光材を透過した光は白色光であることを特徴とする。

さらに前記蛍光材を光路上に選択的に配置するための移動手段を有することを特徴とする。

さらに前記導光部材が光ファイバであることを特徴とする。

さらに前記光ファイバがプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）からなり、その出射端を凹状としたことを特徴とする。

また前記ＬＥＤ光源装置の出力光を被測定物に照射することを特徴とする。

また前記記載のＬＥＤ光源装置を用いて、ＬＥＤ自体の出力光を被測定物に照射したときの映像と、前記蛍光材を介した白色光を被測定物に照射したときの映像とを比較観察するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤの出力光の光路上に波長変換部材として蛍光材を選択的に配置可能（すなわち可動）とすることで、一つのＬＥＤを用いて白色光と青色（または紫色）が選択可能となり、小型で挿入部が細い内視鏡用ＬＥＤ光源装置を提供できる。

またＬＥＤとしてＵＶ光を選択すれば、白色光とＵＶ光を選択的でき、一台で照明用白色光源と樹脂硬化用ＵＶ光源を供えた小型光源を提供出来る効果がある。

図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。ＬＥＤチップ１、反射鏡２、封止材３、集光レンズ４、ＰＯＦ５、蛍光基板６、リニア駆動モータ７で構成されている。

ＬＥＤチップ１は青色で発光し集光レンズ４で集められ蛍光基板６を通過しＰＯＦ５に導かれＰＯＦ５の出力端側からは白色光が出力される。

反射鏡２はＬＥＤチップ１からの出力光を反射し、集光レンズ４に集まる光束を増やすためのもので、封止材３はＬＥＤチップ１を保護する働きと、それ自身のもつ光の屈折率によりレンズ機能があり集光レンズ４に集めやすい効果をももたらす。またＰＯＦ５の先端は球面形状で凹状に研磨加工されている。

蛍光基板６は蛍光部６ａと透明部６ｂからなり、透明の樹脂またはガラスで出来ており、蛍光部６ａにはＬＥＤ光で蛍光を発生する蛍光材が塗布されている。リニア駆動モータ７により蛍光基板６を移動させることにより、ＬＥＤの光路上における蛍光材の出し入れが可能である。蛍光部６ａがＬＥＤの光路上にある場合は蛍光状態となり白色光が得られるが、光路上に透明部６ｂがある場合はＬＥＤチップ１からの出力がそのままＰＯＦ５から出力されることになる。

上記実施形態では、蛍光基板６を移動させる手段としてリニア駆動モータ７を用いているが、移動させる手段としては回転手段を用いるなどさまざまなバリエーションが考えられる。また透明部６ｂは、蛍光部６ａと屈折率が同程度になるようにして光学系の設計を容易にするために設けたものであり、無くてもかまわない。

ＬＥＤチップ１と蛍光材の選択については、非特許文献１に記されている。青色〜紫外ＬＥＤにはＧａＮ系化合物半導体が用いられ、白色ＬＥＤの方式には（１）青色ＬＥＤと黄色発光の蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）、（２）紫色、紫外ＬＥＤとＲ・Ｇ・Ｂ蛍光体、の２通りがある。

ここでは上記２通りの選択が可能である。なおＲ・Ｇ・Ｂ蛍光体とは赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の蛍光体３種類を組み合わせたものである。このように構成することで、一つのＬＥＤで白色光と青色（または紫色）の選択が可能となり、小型で挿入部が細い内視鏡用ＬＥＤ光源装置を提供できる。

またＬＥＤとしてＵＶ光を選択すれば、白色光とＵＶ光を選択的でき、一台で照明用白色光源と樹脂硬化用ＵＶ光源を供えた小型光源を提供出来る効果がある。

さらに図７（ｂ）に示すようにＰＯＦ５の先端部５ａを球面形状（半径５ｍｍ）で凹状にすることで出力ビーム８の広がりを大きくすることができる。ＰＯＦ先端５ａが平坦の場合（図７（ａ））、出力ビーム８の広がり角は３０度であるが、半径５ｍｍの凹面にすると（図７（ｂ））ビーム広がり角は５０度になる。

このようにＰＯＦ５の先端を加工することで照明レンズの機能を持たせられる効果がある。

図１の実施形態に基づき実施例を説明する。図２は使用したＬＥＤチップの発光スペクトラム波形である。ＬＥＤチップ１は青色ＬＥＤ（ＧａＮ）で、波長は４５０ｎｍ付近である。反射鏡２はアルミコーティングされ高い反射率を有している。封止材３は樹脂でありレンズ機能を持たせてＬＥＤチップ１からの出力光の広がりを狭める働きも有している。集光レンズ４はＬＥＤチップ１の光をＰＯＦ５に集光するもので、非球面コンデンサーレンズの構成であり、ＰＯＦ５に効率よく集光するように設計されている。ＰＯＦ５はφ２ｍｍの図６に示した透過損失波長特性を有するアクリル系ファイバである。長さは３ｍである。蛍光基板６はガラス基板で出来ており約半分の蛍光部６aにはＹＡＧ蛍光材が塗布されている。また蛍光基板６は、可動コイル型のリニア駆動モータ７により図１の上下方向に移動することが出来る。

このような状態でＬＥＤチップ１を点灯させる。蛍光基板６の蛍光部６ａがＬＥＤチップ１とＰＯＦ５の光路上にある場合にはＰＯＦ５の出力端から白色光が出力される。図３は出力される青色ＬＥＤを用いた白色光のスペクトラム波形である。ただしここで得られる白色光は青色と黄色が主に混合した擬似白色光である。

さらにＰＯＦ５の出力端から青色だけを取り出す場合には、透明部６ｂがＬＥＤチップ１とＰＯＦ５の光路上に来るようにリニア駆動モータ７を制御する。このとき得られる出力光は図３のような発光スペクトラムになる。

上記のように構成することで、一つのＬＥＤで青色及び白色の切り替えが可能であり、２色で観察することが出来、小型で挿入部が細い内視鏡用ＬＥＤ光源装置を提供できる。

ここでは青色ＬＥＤを用いたが上記ＬＥＤチップ１を紫色またはＵＶ光を用いてそれに前述したようその光に対応する蛍光体を選択すれば紫色、ＵＶ光さらに白色光の選択が可能となる。

図４は紫色ＬＥＤの発光スペクトラムであり、図５は紫色ＬＥＤを用いた白色光の発光スペクトラムを示す図である。このとき使用した蛍光体はＲ・Ｇ・Ｂ蛍光体である。図３のスペクトラムに比べ６３０ｎｍ付近の赤色が強化され、より太陽光に近いスペクトラムが得られている。

本発明におけるＬＥＤ光源装置及びそれを用いた観察装置の実施形態を示す図である。 青色ＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。 青色ＬＥＤを用いた場合の出力端の発光スペクトルを示す図である。 紫色ＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。 紫色ＬＥＤを用いた場合の出力端の発光スペクトラムを示す図である。 ＰＯＦの透過損失波長特性を示す図である。 （ａ）は本発明における出力端側ＰＯＦの形状が平坦の場合の出力光ビーム広がり角を示し、（ｂ）は本発明における出力端側ＰＯＦの形状が球面凹状の場合の出力光ビーム広がり角を示す。 従来のＬＥＤ光源装置の例を示す図である。

符号の説明

１：ＬＥＤチップ
２：反射鏡
３：封止材
４：集光レンズ
５：ＰＯＦ
５ａ:先端部
６：蛍光基板
６ａ：蛍光部
６ｂ：透明部
７：リニア駆動モータ
８：出力ビーム

Claims (7)

1. ＬＥＤの出力光を導光部材を介して出射するようにしたＬＥＤ光源装置において、前記ＬＥＤの光路上に、蛍光材を選択的に配置可能としたことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
2. 前記ＬＥＤの出力光は青色系または紫外光であり、前記蛍光材を透過した光は白色光であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。
3. 前記蛍光材を光路上に選択的に配置するための移動手段を有することを特徴とする請求項１または２記載のＬＥＤ光源装置。
4. 前記導光部材が光ファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。
5. 前記光ファイバがプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）からなり、その出射端を凹状としたことを特徴とする請求項４記載のＬＥＤ光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置の出力光を被測定物に照射することを特徴とする観察装置。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置を用いて、ＬＥＤ自体の出力光を被測定物に照射したときの映像と、前記蛍光材を介した白色光を被測定物に照射したときの映像とを比較観察するようにしたことを特徴とする内視鏡。

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