JP2006122251A - Ｌｅｄファイバ光源装置及びそれを用いた内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡用の光源では高輝度光源でかつ光源波長を変更できることであり、上記要求を解決するために、高輝度かつ光源波長を変更するために波長の異なる複数個のＬＥＤを束ねる手法を開発することを課題とする。
【解決手段】ＬＥＤからの出力光を集光する集光レンズあるいは集光ミラーからなる集光手段を有し、前記集光手段の焦点付近に光軸に対してテーパ状であるテーパ導光部材の一方端を配置し、前記テーパ導光部材の他方端に光ファイバの端面を配置し、前記テーパ導光部材は一方端より他方端が小さくなる円筒テーパ状の形状であり、前記テーパ導光部材に入射する光線は前記テーパ導光部材の内部での反射回数が多くても１回となる長さであること。
【選択図】図１

Description

本発明は、工業用あるいは医療用途の内視鏡照明用に用いられるＬＥＤファイバ光源装置およびこれを用いた内視鏡である。

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。

特許文献１では複数のＬＥＤ用いた内視鏡用照明光源が提案され、複数のＬＥＤを並べ反射鏡を用いてＬＥＤの出射光を光ガラスファイバに導入する組み立て方法が提案されている。このように複数のＬＥＤを用いることで高出力化を試みているが、集光効率については非常に悪いと考えられる。

図６に特許文献２で開示されている３色のＬＥＤを用いた内視鏡の光源装置を示す。ＬＥＤ発光部としてのＲ（赤）３０Ｒ、Ｇ（緑）３０Ｇ、Ｂ（青）３０Ｂの３色と各々に対応する光ファイバを３本（３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ）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。

また非特許文献１によれば内視鏡の侠帯域イメージング（ＮＢＩ：Narrow Band Imaging）について論じられ、内視鏡検査の光源波長依存性について述べられている。内視鏡は被測定部の表皮検査であり、表皮を検査しやすくするため光源波長を変更できる手段を有することは重要である。
特開２００３−２３５７９６号 特許第３０８８１６５号 「生体用光研究の現状と将来展望」ｐ43-51、光産業技術振興協会、２００４年3月

内視鏡用の光源では高輝度光源でかつ光源波長を変更できることが求められている。

ＬＥＤは小型化に優位であるが、現状のＬＥＤ出力では輝度を高めるため複数個のＬＥＤを使用することになる。従来のＬＥＤを用いた光源装置の特許文献１では複数のＬＥＤの出力がコリメートされてなく、またＬＥＤ全体の大きな光源を集光するためビーム径が光ガラスファイバの径に対して大きくなり光集光効率が非常に悪い。

また特許文献２ではＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）色のＬＥＤを光源波長の変更を可能としているが、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などの問題があった。

上記要求を解決して高輝度かつ光源波長を変更するために波長の異なる複数個のＬＥＤを束ねる手法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からの出力光を集光する集光レンズあるいは集光ミラーからなる集光手段を有し、前記集光手段の焦点付近に光軸に対して一方端より他方端が小さくなる円筒テーパ状のテーパ導光部材の一方端を配置し、他方端に光ファイバの端面を配置し、前記テーパ導光部材の一方端に入射する光線は、前記テーパ導光部材の内部での反射回数が１回以下となる長さであることを特徴とする。

また、前記テーパ導光部材は、中空で周辺を反射体とする構造、あるいはガラス、プラッチクのいずれかからなる中実の構造であり、光軸と垂直な断面形状は真円、長円、楕円のいずれかの形状であることを特徴とする。

また、前記ＬＥＤ（ＬＥＤチップも含む）が複数個のＬＥＤ群からなり、前記複数個のＬＥＤ郡の中心付近は光軸に対して凸上に配置され、前記ＬＥＤ郡の中心付近から出力される光が、前記光ファイバの端面付近に結象することを特徴とする。

上記ＬＥＤファイバ光源装置を光源として用いたことを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤの出力を集光レンズにより光ファイバの一端に集光する構成とし、テーパ型の導光部材を用いて大きな光源サイズでも、光源サイズより小さな光ファイバに光結合することが出来るので光源の高出力化が可能である。

また使用するＬＥＤを赤色ＬＥＤ及び青色を主に含むＬＥＤあるいはいくつかの色のＬＥＤを集光レンズ、あるいは集光ミラーなどで束ねることで光源の波長変更が可能でかつ、高輝度の内視鏡用光源装置を提供できる効果がある。

図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。図１（ａ）は全体の構成図であり、図１（ｂ）はＬＥＤ１ａ、１ｂ、１ｃのレイアウトを光軸側から示したものである。

中心のＬＥＤ１ｂが周辺のＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｃに対して突出した配置であるのでＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｃの光を妨げてしまう原因ともなるので、ＬＥＤ１と光ファイバ４との結合効率を見て突出量を決める。したがってここで使用しているＬＥＤは３個であるため光軸側から見れば図１（ａ）に示すように一列に配置してある。

図１（ａ）は、ＬＥＤ１ａ、１ｂ、１ｃ、コリメータレンズ２、集光レンズ３、光ファイバ４、テーパ導光部材５で構成されている。

ＬＥＤ１ａ、１ｂ、１ｃは白色で発光しそれぞれコリメータレンズ２で平行光に近い光になり、集光レンズ３で集められ、テーパ導光部材５でさらに集光され光ファイバ４の一端に導かれ光ファイバ４の他方端側からは白色光が出力される。

テーパ導光部材５は一部の光を屈折、あるいは反射させて光ファイバ４の一方端に集光しやすくするため長円筒形の光軸方向に対してテーパ状としている。テーパ導光部材５は金属を削りだして内部を空洞で周辺を反射体とする構造である。反射体の材料は可視光領域で反射特性の優れたアルミニウムを研磨して作成するか、アルミニウムや銀などの金属コーティングが適する。金属コーティングの手段としては蒸着または銀の場合はめっき処理も可能である。これにより集光レンズ３から光ファイバ４に直接入力できない光はテーパ導光部材５で一度屈折あるいは反射して光ファイバ４に導かれている。

またテーパ導光部材５の材料としては中実のガラスロッド、あるいはプラッチックロッドでも上記内部空洞の金属性のものと同じような振る舞いをする。ガラスロッドやプラッチックロッドの反射面は反射膜を付けないで、光を全反射角よりも大きな入射角になるようにして全反射させることが特徴となる。

図２はテーパ導光部材５の動作を説明する図であり、光軸と垂直方向に対する断面を現している。ＬＥＤ１ｃの集光位置６とＬＥＤ１ａの集光位置７に集められた光を光ファイバ集光位置８に集めやすくするため長円形状で光軸方向にテーパを持たせている。

またテーパ導光部材５の長さは、入射光線の反射回数が多くても一回となる長さである。

テーパ導光部材５の内部での反射回数が増えるにつれ、光ファイバ４への入射角が急激に大きくなり、光ファイバ４のＮＡ（開口数）の条件を超えた段階で光の導入が出来なくなる。

さらに反射を繰り返すたびに光線の出力が低下するため、反射は多くても一回が望ましい。

上記形態でテーパ導光部材５の断面は長円形としているが、集光しやすい形状である楕円形としてもよい。なおＬＥＤの配置を三角位置に配置する場合や、４個以上の使用する場合にはＬＥＤの数に合わせた円筒形状が適するが、簡易的にはテーパ導光部材５の断面を円形状にするだけでも効果がある。

また上記形態ではコリメータ手段としてコリメータレンズ２を使用しているが放物面形状の反射ミラーを使用することも可能である。その場合、放物面鏡はＬＥＤ１の背面及び周囲に配置される。ＬＥＤ１の背光パターンによってコリメータレンズあるいは放物面鏡のうち最適なほうを選択する。例えばＬＥＤ１の背光パターンの発光強度が中心付近よりも周辺が大きい場合はコリメートレンズ２で集光するよりも放物面鏡で集光したほうが集光効率を向上できる。

さらに上記形態ではＬＥＤは白色ＬＥＤを用いているが、ＬＥＤの数量を増やすことや、複数の色、例えば赤色ＬＥＤと黄色蛍光体を青色ＬＥＤで励起する白色ＬＥＤを組み合わせたものでもよい。また赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤを使用し、面順次式の内視鏡光源として赤色、緑色、青色ＬＥＤの点灯を順次切り替えて使用することも出来る。

このように複数のＬＥＤの出力を束ねること、あるいはＬＥＤ光源サイズより小さな径の光ファイバに光結合することが出来るので光源装置の出力（輝度）を高められ、点灯するＬＥＤを選択することで光源の波長を変更でき、可動部の無い面順次式の光源または、先述の侠帯域イメージング用光源を提供できる効果がある。

図１の実施形態に基づき実施例を説明する。ＬＥＤ１ａ、１ｂ、１ｃは外径３ｍｍ、中央のＬＥＤ１ｂ及び周辺のＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｃとコリメートレンズ２との距離はそれぞれ３８ｍｍ、４２ｍｍであり、ＬＥＤ１ｂが４ｍｍ突出している。但しテーパ導光部材５はガラスロッドであり、長さを１５ｍｍとし、光軸と垂直方向の断面形状は簡単に製造したいため円形で径７ｍｍから５ｍｍの範囲で傾斜するテーパ状としている。光ファイバ４は２ｍｍの多成分ガラスファイバをバンドルしたものである。

図３（ａ）はＬＥＤ１ｂの光線追跡図、図３（ｂ）はＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｃの光線追跡図である。図３（ａ）では集光レンズ３からの全部の光が光ファイバ４に結合しているが、図３（ｂ）では一部の光を除いて光ファイバ４に結合している。ＬＥＤ１を全部点灯した場合は図３（ａ）、図３（ｂ）を合わせたものとなり、ＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｂ、ＬＥＤ１ｃの光が光ファイバ４に結合されることになる。

比較例としてテーパ導光部材５を用いない場合を図５に示す。中心の光源（ＬＥＤ１ｂ）の光は光ファイバ４に結合されているが、周辺の光源（ＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｃ）の光はまったく結合できない。本実施例では周辺の光源も結合できているのでその有効性がわかる。

また光ファイバ４に結合させようとして集光レンズ３のＮＡを大きくすればよいが、光ファイバ４のＮＡで制限されてしまい現実は結合が不可能である。

また比較例としてＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｂ、ＬＥＤ１ｃを同一平面状に配置した場合の光線追跡図を図４に示す。中心のＬＥＤ１ｂの光がテーパ導光部材５の他方端から漏れていることがわかる。したがって中心のＬＥＤ１ｂの配置は周辺のＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｃの光を妨害しない程度に前方に突出させたほうがよい。

図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ図４（ａ）、図５（ａ）における実施例において光ファイバ４から出力される出力光のスポットダイアグラムである。それぞれの図においてＬＥＤ１ａ、ＬＥＤ１ｂ、ＬＥＤ１ｃによるスポットダイアグラムを示している。図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の合計及び図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の合計における相対的な光量はそれぞれ３１３２及び２４８２であった。テーパ導光部材５を用いた図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の合計の出力はそれを用いない場合に比べ約１．２６倍の効果が確認できた。

また比較例として特許文献２の開示されている方式では３本の光ファイバを用いているため内視鏡の挿入部が太くなってしまうが、本方式では前述の挿入部は１本のファイバであるため細くでき、被検者の負担が少なく操作性がよくなる効果がある。

上記のようにテーパ型の導光部材を用いて大きな光源サイズでも、光源サイズより小さな光ファイバに光結合することが出来るので光源を高出力化できる効果がある。

また使用するＬＥＤを赤色ＬＥＤ及び青色を主に含むＬＥＤあるいはいくつかの色のＬＥＤを用いれば光源の波長変更が可能でかつ、高輝度の内視鏡用光源装置を提供でき効果がある。

本発明におけるＬＥＤファイバ光源装置の実施形態を示す模式図である。 本発明におけるテーパ部導光部材の断面形状を示す模式図である。 （ａ）は本発明におけるＬＥＤ１ｂの光線追跡を示す模式図、（ｂ）は本発明におけるＬＥＤ１ａ、１ｃの光線追跡を示す模式図である。 ＬＥＤ１ａ、１ｂ、１ｃを同一平面状に配置した場合の光線追跡を示す模式図である。 本発明のテーパ導光部材を用いない場合の光線追跡を示す模式図である。 従来技術の光源装置を示す模式図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ：ＬＥＤ
２：コリメータレンズ
３：集光レンズ
４：光ファイバ
５：テーパ導光部材
６：ＬＥＤ１ｃの集光位置
７：ＬＥＤ１ｄの集光位置
８：光ファイバ４の集光位置

Claims (4)

1. ＬＥＤからの出力光を集光する集光レンズあるいは集光ミラーからなる集光手段を有し、前記集光手段の焦点付近に光軸に対して一方端より他方端が小さくなる円筒テーパ状のテーパ導光部材の一方端を配置し、他方端に光ファイバの端面を配置し、前記テーパ導光部材の一方端に入射する光線は、前記テーパ導光部材の内部での反射回数が１回以下となる長さであることを特徴するＬＥＤファイバ光源装置。
2. 前記テーパ導光部材は、中空で周辺を反射体とする構造、あるいはガラス、プラッチクのいずれかからなる中実の構造であり、光軸と垂直な断面形状は真円、長円、楕円のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤファイバ光源装置。
3. 前記ＬＥＤ（ＬＥＤチップも含む）が複数個のＬＥＤ群からなり、前記複数個のＬＥＤ郡の中心付近は光軸に対して凸上に配置され、前記ＬＥＤ郡の中心付近から出力される光が、前記光ファイバの端面付近に結象することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のＬＥＤファイバ光源装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のＬＥＤファイバ光源装置を光源として用いたことを特徴とする内視鏡装置。

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