JP2006255296A

JP2006255296A - ファイバ用の光源及びファイバ光源装置とそれを用いた内視鏡

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Publication number: JP2006255296A
Application number: JP2005079765A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Yasujima; 弘美安島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP5238123B2

Abstract

【課題】構成が簡単でかつ小型の光源装置であってしかも光源部と伝達部間の着脱が容易なファイバ光源装置を提供する。
【解決手段】先端面と貫通孔とを有するファイバ保持部と、入射端面を有しその入射端面が先端面と同一平面上に位置するように貫通孔に挿入された光ファイバとを有してなる光伝達ユニットと、発光素子と、発光素子が設けられる底面及び入射端面に対向する開口端部を有する凹部と凹部の周りに位置する平坦面とを有するマウント部とを含んでなるファイバ用光源とを設け、ファイバ保持部の先端面に平坦面を圧接させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子を用いたファイバ光源装置とこれを用いた内視鏡、ファイバ用の光源に関するものである。

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。その照明は、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光ガイド、さらには光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。

上記のように照明光学系で用いられる高輝度ランプは発熱や、消費電力が大きい、また寿命が短いなどの問題があるため、高出力ＬＥＤを用いた照明光学系も提案されている。
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ている。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、集光効率が十分高いとは言えない。

また、図６に、特許文献２に開示されている照明光学装置を示す。この装置は、光源と該光源の背後（周囲）に設けられた楕円面鏡により構成され、該光源の発光部の投影像を光軸に対して垂直になるように構成され、代表的光源としてはハロゲンランプを想定している。

また、図７に、特許文献３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（赤色）３０Ｒ、Ｇ（緑色）３０Ｇ、Ｂ（青色）３０Ｂの３色と各々に対応する光ファイバを３本（３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ）用意し、ＬＥＤ発光部に前記光ファイバを接続している。
特開２００３−２３５７９６号公報特許第３０５８２５１号特許第３０８８１６５号

しかしながら、従来の光源装置は、発光ダイオードを使用しているものであっても、複数の発光ダイオードをアレイ状に配列して用いる等により光学系の構成が複雑で大きくなるという問題があった。

そこで、本発明は、構成が簡単でかつ小型の光源装置であってしかも光源部と伝達部間の着脱が容易なファイバ光源装置とそれを用いた内視鏡を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、光ファイバへの着脱が容易でかつ構成が簡単な小型の光源を提供することを第２の目的とする。

以上の目的を達成するためには、本発明に係る第１のファイバ光源装置は、先端面と貫通孔とを有するファイバ保持部と、入射端面を有しその入射端面が前記先端面と同一平面上に位置するように前記貫通孔に挿入された光ファイバとを有してなる光伝達ユニットと、
発光素子と、前記発光素子が設けられる底面及び前記入射端面に対向する開口端部を有する凹部と前記凹部の周りに位置する平坦面とを有するマウント部とを含んでなるファイバ用光源とを備え、
前記ファイバ保持部の先端面に前記平坦面を圧接させることを特徴とする。

本発明に係る第１のファイバ光源装置では、前記凹部の開口端部の形状と前記光ファイバの入射端面の形状とが実質的に同一形状であることが好ましい。

また、本発明に係る第１のファイバ光源装置において、前記光伝達ユニットは、前記ファイバ保持部が挿入される貫通孔が設けられた底部と円筒部とを有するカップ状の締め付け具を含んでなり、
前記ファイバ用光源は、前記マウント部が先端部に設けられた円柱形状の光源保持部を含んでなり、
前記締め付け具の円筒部の内周に形成されたねじ部と前記光源保持部の外周に形成されたねじ部によって、前記ファイバ保持部の先端面に前記平坦面を圧接させるようにすることが好ましい。

上記第１のファイバ光源装置は、前記ファイバ保持部は、先端部分に前記先端面を含んでなる鍔部を有してなり、前記締め付け具の底面と前記鍔部の間に弾性体を設けることがさらに好ましい。

本発明に係る第１のファイバ光源装置では、前記凹部内に蛍光体を設け、前記発光素子の発光する光を前記蛍光体を介して前記光ファイバに入射させるようにしてもよい。

また、本発明に係る第１のファイバ光源装置では、前記光ファイバの出射端面に蛍光体を設けるようにしてもよい。

本発明に係る第１のファイバ光源装置において、前記光ファイバは複数のファイバを束ねたバンドル光ファイバであることが好ましい。

本発明に係る第１のファイバ光源装置では、前記凹部の内面に、前記発光素子から出射される光を反射させる反射部を有することがさらに好ましい。

本発明に係る内視鏡は、本発明に係る第１のファイバ光源装置を用いてなることを特徴とする。

本発明に係る光源は、先端面と貫通孔とを有するファイバ保持部と、入射端面を有しその入射端面が前記先端面と同一平面上に位置するように前記貫通孔に挿入された光ファイバとを有してなる光伝達ユニットに光を入射する光源であって、
発光素子と、前記発光素子が設けられる底面と前記入射端面に対向する開口端部とを有する凹部と、前記凹部の周りの平坦面とを有するマウント部とを有し、前記ファイバ保持部の先端面に前記平坦面を圧接させるファイバ用の光源である。

本発明に係る第２のファイバ光源装置は、入射端面と出射端面とを有する光ファイバと、該光ファイバの入射端面に光を入射する発光素子とを備え、前記出射端面に蛍光体が設けられたことを特徴とする。

以上の本発明に係る第１のファイバ光源装置によれば、構成が簡単でかつ小型の光源装置であってしかも光源部と伝達部間の着脱が容易なファイバ光源装置が提供できる。
また、本発明に係る光源によれば、光ファイバとの着脱が容易でかつ構成が簡単な小型の光源を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態のファイバ光源装置について説明する。
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１のファイバ光源装置は、光伝達ユニットとファイバ用光源部とからなっており、両者の着脱が極めて簡単にできる構造となっている。
本実施の形態１において、光伝達ユニットは、光ファイバ９と、光ファイバ９が挿入される貫通孔を有するファイバ保持部８とを有しており、光ファイバ９は、その入射端面がファイバ保持部８の先端面と同一平面上に位置するようにファイバ保持部８の貫通孔に挿入される。尚、ファイバ保持部８の貫通孔は、光ファイバ９を保持するために光ファイバ９の縦断面形状に実質的に等しい断面形状を有している。また、ファイバ保持部材８は例えば、ステンレス材で出来ており、光ファイバ９とは接着材で接合される。

また、実施の形態１において、ファイバ用光源部は、発光素子１と、発光素子１が設けられる底面を有する凹部が設けられたマウント部２５とを有しており、マウント部２５の凹部の開口端部が光ファイバ９の入射端面に対向し、凹部の周りに位置する平坦面がファイバ保持部８の先端面に圧接される。このようにして、本発明に係る実施の形態１のファイバ光源装置では、発光素子１の出射面と光ファイバ９の入射端面とを近接して対向させて配置し、レンズを介することなく発光素子１の光が光ファイバ９に効率良く入射されるように構成している。

また、本実施の形態１では、マウント部２５はマウント基板２と凹部を構成するための側壁部５が接合されることにより構成されているが、ここで特に本実施の形態１では、側壁部５を、放熱性が良くしかも発光素子の光を効果的に反射させることが可能な例えばアルミ材などの金属で構成し、発光素子１の発熱を効果的に放出でき、かつ発光素子１の側面又は横方向に出射される光を効率良く光ファイバ９に結合させている。本発明では、凹部の側壁を傾斜させて、開口端部側が凹部の底面より広がっている方が好ましく、これによって、発光素子１の側面又は横方向に出射される光をより効率良く光ファイバ９に結合させることができる。

尚、本実施の形態１では、マウント部２５をマウント基板２と凹部を構成するための側壁部５とを接合することにより構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、底部と側壁部とを一体で構成してもよく、例えば、マウント部２５を一体化されたセラミックで構成する場合には、例えば、凹部の側面に金属層を形成することにより、前述の反射機能を持たせることができる。

また、本実施の形態１において、凹部の周りに位置する平坦面とファイバ保持部８の先端面とを圧接させるための構造として、以下の構造を採用している。
すなわち、光伝達ユニットは、底部と円筒部を有するカップ状の締め付け具１０をさらに有していて、ファイバ保持部８が締め付け具１０の底部に形成された貫通孔に挿入されている。ここで、締め付け具１０の円筒部の内周にめねじ部が設けられている。また、図１に示されている符号１３を付して示すものは、ファイバ保持部８が締め付け具１０の貫通孔から抜け落ちるのを防止するための止め金具である。

一方、ファイバ用光源は、マウント部２５をその先端部分で保持できるようにした円柱形状の光源保持部を含んでいて、その外周部分には、おねじ部が形成されている。
そして、締め付け具に形成されためねじ部と光源保持部６に形成されたおねじ部によって、前記ファイバ保持部の先端面に前記平坦面を圧接させることがてきるようになっている。

また、本実施の形態１では、ファイバ保持部は、先端部分に鍔部を含むことにより、先端面の面積を大きくしており、光源側のマウント部平坦面により確実に圧接させるようにしている。
さらに、本実施の形態１では、ファイバ保持部の鍔部と前記締め付け具１０の底面の間に弾性体であるコイルバネを設けて、ファイバ保持部の先端面と光源側のマウント部平坦面により確実にかつ一定の力で圧接させると同時に、該先端面と該平坦面の間に必要以上の力がかからないようにして破損を防止している。

本実施の形態１では、マウント部２５の凹部の開口端部の形状と、光ファイバの入射端面の形状とを実質的に同一形状に設定することが好ましく、これにより、効率よく発光素子が発光する光が光ファイバ９に入射される。ここで、本発明において、光ファイバ９は、例えば、数千本の石英系の光ファイバを束ねて作られたバンドル光ファイバであり、その径は１〜２ｍｍ程度であり、発光素子１として角型の発光ダイオードチップ（ベアチップ）を使用する場合には、一辺が光ファイバの径と同程度のものを使用する。

また、本実施の形態１では、マウント部２５の凹部内に蛍光体７を設け、発光素子１の発光する光を前記蛍光体を介して前記光ファイバに入射させている。これにより、例えば、青色で発光する発光ダイオードを発光素子１として用い、蛍光体７を通過することで白色にしてその白色光を光ファイバ９に入射させることができる。尚、発光素子１の発光面の中心が光ファイバ９の光軸上に位置するように発光素子１がマウントされていることが好ましいことは言うまでもない。

図１の実施形態１のレンズを介することなく光源と光ファイバ９とを直接接続することが他の方式に比べて集光効率が良いことをシミュレーションにて確認した。
尚、ここでいう直接接続とは、発光素子１上に封止材３を介して形成された蛍光体４に光ファイバ９の入射端面を接触させた場合をいう。
以下、シミュレーションの結果について説明する。

図３Ａは、径が２ｍｍの光ファイバ９に対して、発光素子１である発光ダイオードチップのチップサイズを変化させたときの集光効率の変化をシミュレーションしたものである。その結果を系列１として図３Ａに示す。系列２〜４は比較するために用いた光学系であり、その内容は以下の通りである。
系列２は図４Ａに示す、放物面鏡と集光レンズを用いる場合、
系列３は図４Ｂに示す、楕円面鏡と集光レンズを用いる場合、
系列４は図４Ｃに示す、コンデンサーレンズを用いた場合である。

図３Ａに示すように、上記４つの系列のうち、最も集光効率の良いのは本発明に係るファイバ直接接続方式の系列１であることがわかる。尚、このシミュレーションでは、蛍光体４の表面と光ファイバ９の入射端面間の空隙は０．２２ｍｍとし、発光素子１である発光ダイオード（ＬＥＤ光源）の配光パターンはランバーシャンであるとした。また、各部品（レンズ、楕円面鏡、放物面鏡、光ファイバ）による損失は無視（損失が無い）している。
また、発光素子チップの形状は、正方形とし、１ｍｍ角、２ｍｍ角、３ｍｍ角、４ｍｍ角のものについてそれぞれシミュレーションをした。また、光ファイバはφ２ｍｍ、ＮＡ０．６のガラス棒とした。

また、図３Ａから明らかなように、レンズ及び／又は鏡を用いて構成した系列２〜４では、発光ダイオードの発光面が大きくなるにしたがって、集光効率が低下するのに対して、本発明の構成に係る系列１では、発光ダイオードの発光面の一辺と光ファイバの径が等しい場合に集光効率が最も高くなるというと特徴的に特性を示した。一般的に発光面が大きい大面積発光ダイオードは輝度が高いので、本発明の直接接続方式による構成は、発光面が大きい高輝度の発光ダイオードを用いる場合に特に有効であることが示された。
また、内視鏡に要求される光ファイバからの出力輝度はかなり大きなものであり、それを実現するためには大きなＬＥＤが必要になるが、図３Ａに示すように、光ファイバ９の径より発光ダイオードチップを大きくしても集光効率が低下してしまうので、発光ダイオードチップの一辺の長さは光ファイバの直径をほぼ等しくすることが好ましい。

尚、ここでいう、集光効率とはＬＥＤの出力が光ファイバ４からの出力度合いを示したもので、例えば、集光効率５０％ならば発光ダイオードの出力光のうち、半分の５０％が光ファイバ９の出射端面から出力されていることを示している。

また、図３Ｂは、発光ダイオードチップの形状を、円形とした場合において、径を順次変化させてシミュレーションした結果を示すものである。図３Ａと図３Ｂとを比較することによりわかるように、発光ダイオードチップの形状は、正方形あるいは円形でもほぼ同様の値を示すことがわかる。

図５は、蛍光体表面と光ファイバ９の入射端面間のギャップを変化させた場合における集光効率の変化をシミュレーションしたものである。光ファイバ９の入射端面とのギャップが０．１ｍｍずれることで集光効率が２〜３％ずれることがわかる。また、ギャップを０．２〜０．３ｍｍに保持できれば集光効率は４０％確保できることがわかった。但しギャップは蛍光体４と同じ屈折率の透明材が充填されているものとしている。

このことから、発光面と光ファイバ９の入射端面とは微小のギャップを保って突き当てることが必要であり、ギャップを一定に保つ機構（ギャップが無い場合も含め）は重要である。また、本実施の形態１のファイバ光源装置は、例えば、複数種類の内視鏡に適用可能であり、容易に光ファイバを着脱できることが必要となるが、図１に示すように構成すれば、光ファイバの着脱が容易であり、かつ発光素子１及び光ファイバ９の端面間ギャップを一定に保つことができ、安定した出力が得られる。

実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２のファイバ光源装置は、図２に示すように、蛍光体４が光ファイバ９の出射端面に設けられている以外は、実施の形態１と同様に構成される。
以上のように構成された本発明に係る実施の形態２のファイバ光源装置は、発光素子１と光ファイバ９を近づけることができ、集光効率を向上させることができる。
また、発光素子１と光ファイバ９の間に光を散乱させることになる蛍光体が無いので、集光効率をさらに向上させることができる。特に蛍光体７を含む層を厚くする必要が在る場合には有効である。

さらに、発光素子１と光ファイバ９の間に蛍光体４がある場合には、例えば、白色光のような比較的広い範囲の波長成分が含まれる光が光ファイバを通過することになり、光ファイバの伝送損失の波長依存性（分散特性）により、色調が変化する可能性がある。
しかしながら、本実施の形態２のように、蛍光体４を光ファイバ９の出射端面に設けるようにすると、光ファイバ９には発光ダイオードから出射される狭い波長範囲の光のみが伝送されることになり、光ファイバの波長依存性の影響を少なくでき、安定した色調の光が照射される。

以上詳細に説明したように、本発明のファイバ光源装置によれば、構成が簡単でかつ小型の光源装置であってかつ光源部と伝達部間の着脱が容易なファイバ光源装置を提供することができる。
また、本発明のファイバ光源装置は、発光素子と光ファイバの結合効率が高くかつ大面積の発光素子であっても効率よくその発光を光ファイバに導くことができるので、小型で高輝度であり内視鏡の光源に適している。

本発明に係る実施の形態１のファイバ光源装置の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態２のファイバ光源装置の構成を示す断面図である。角形の発光ダイオードチップの一辺の長さに対する集光効率を示すグラフである。丸形の発光ダイオードチップの径に対する集光効率を示すグラフである。本発明との比較に用いた系列２の構成を示す模式図である。本発明との比較に用いた系列３の構成を示す模式図である。本発明との比較に用いた系列４の構成を示す模式図である。実施の形態１におけるギャップに対する集光効率を示すグラフである。特許文献２で開示されている光源と光ファイバ間の光学系を示す模式図である。特許文献３で開示されている光源と光ファイバ間の光学系を示す模式図である。

符号の説明

１：発光素子、２：マウント基板、３：封止材、４：蛍光体、５：側壁部、６：光源保持部材、７：発光素子の配線、８：光ファイバ保持部材、９：光ファイバ、１０：締め付け部、１１：コイルばね、２５：マウント部。

Claims

先端面と貫通孔とを有するファイバ保持部と、入射端面を有しその入射端面が前記先端面と同一平面上に位置するように前記貫通孔に挿入された光ファイバとを有してなる光伝達ユニットと、
発光素子と、前記発光素子が設けられる底面及び前記入射端面に対向する開口端部を有する凹部と前記凹部の周りに位置する平坦面とを有するマウント部とを含んでなるファイバ用光源とを備え、
前記ファイバ保持部の先端面に前記マウント部の平坦面を圧接させるファイバ光源装置。
前記凹部の開口端部の形状と前記光ファイバの入射端面の形状とが実質的に同一形状である請求項１記載のファイバ光源装置。
前記光伝達ユニットは、前記ファイバ保持部が挿入される貫通孔が設けられた底部と円筒部とを有するカップ状の締め付け具を含んでなり、
前記ファイバ用光源は、前記マウント部が先端部に設けられた円柱形状の光源保持部を含んでなり、
前記締め付け具の円筒部の内周に形成されたねじ部と前記光源保持部の外周に形成されたねじ部によって、前記ファイバ保持部の先端面に前記平坦面を圧接させるようにした請求項１又は２に記載のファイバ光源装置。
前記ファイバ保持部は、先端部分に前記先端面を含んでなる鍔部を有してなり、前記締め付け具の底面と前記鍔部の間に弾性体を設けた請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のファイバ光源装置。
前記凹部内に蛍光体を設け、前記発光素子の発光する光を前記蛍光体を介して前記光ファイバに入射させた請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のファイバ光源装置。
前記光ファイバの出射端面に蛍光体を設けた請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のファイバ光源装置。
前記光ファイバは複数のファイバを束ねたバンドル光ファイバである請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載のファイバ光源装置。
前記凹部の内面に、前記発光素子から出射される光を反射させる反射部を有する請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のファイバ光源装置。
請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載のファイバ光源装置を用いてなる内視鏡。
先端面と貫通孔とを有するファイバ保持部と、入射端面を有しその入射端面が前記先端面と同一平面上に位置するように前記貫通孔に挿入された光ファイバとを有してなる光伝達ユニットに光を入射する光源であって、
発光素子と、
前記発光素子が設けられる底面と前記入射端面に対向する開口端部とを有する凹部と、前記凹部の周りの平坦面とを有するマウント部とを有し、
前記ファイバ保持部の先端面に前記平坦面を圧接させるファイバ用の光源。
入射端面と出射端面とを有する光ファイバと、該光ファイバの入射端面に光を入射する発光素子とを備え、前記出射端面に蛍光体が設けられたファイバ光源装置。