JP2013123477A - 複数の導光部材を有する照射モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】様々な目的に対し個別の専用システムを構築することなく対応可能とすること。
【解決手段】光源モジュールと機械的に着脱可能な照射モジュール１８を、第１の光源モジュール１２から射出された第１の光源光が入射する第１の光源光入射端７４と、第１の光源光入射端に入射した第１の光源光を導光する第１の導光部材６６と、第１の光源モジュールとは異なる第２の光源モジュール１４から射出された第２の光源光が入射する第２の光源光入射端７６と、第２の光源光入射端に入射した第２の光源光を導光する第２の導光部材６８と、を備えるものとし、第１の導光部材と第２の導光部材とが、導光する光源光の光学特性に対応し、光学特性が互いに異なる、光学仕様を有するものにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の導光部材を有する照射モジュールに関する。

２種類の光源とこれに対応する２種類の導光部材とを搭載した光源システムの一例として、例えば、特許文献１には、レーザ光源と一般照明光源を組み合わせた蛍光内視鏡装置が開示されている。この蛍光内視鏡装置は、生体組織に一般照明光とレーザ光とを照射可能に構成され、一般照明を照射した時に得られるイメージ光と、レーザ光照射時に得られる蛍光とを、イメージバンドルを経由してＴＶカメラで観察することができる。より詳しくは、レーザ光はレーザ伝送用光ファイバを用いて内視鏡先端に導光され、一般照明光は一般照明用光ファイババンドルを用いて内視鏡先端に導光される。上記特許文献１では、レーザ伝送用光ファイバの周りに一般照明用光ファイババンドの素線が取り巻く構造が示されている。

特開平１０−３３７２７１号公報

上述の蛍光内視鏡装置の構成例に見られるように、２種類の光源とこれに対応する２種類の導光部材とを搭載した光源システムでは、次の問題点がある。すなわち、それぞれの光源に対応した、専用かつ特殊な導光機構が必要であり、目的（上記特許文献１の場合、一般照明光源系と蛍光観察用レーザ光源系）に応じた専用の光源システムをその都度構築する必要があるため、高価となり、コストパフォーマンスが良くない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、様々な目的に対し、個別の専用システムを構築することなく対応できる照射モジュールを提供することを目的とする。

本発明の照射モジュールの一態様は、光源モジュールと機械的に着脱可能な照射モジュールにおいて、
第１の光源モジュールから射出された第１の光源光が入射する第１の光源光入射端と、
前記第１の光源光入射端に入射した前記第１の光源光を導光する第１の導光部材と、
前記第１の光源モジュールとは異なる第２の光源モジュールから射出された第２の光源光が入射する第２の光源光入射端と、
前記第２の光源光入射端に入射した前記第２の光源光を導光する第２の導光部材と、
を具備し、
前記第１の導光部材と前記第２の導光部材とは、導光する光源光の光学特性に対応し、光学特性が互いに異なる、光学仕様を有することを特徴とする。

本発明によれば、目的に応じた照明光を射出する複数の導光ルートを有することにより、言い換えると、光源の種類に応じて、光源から射出された光を適切に導光する複数の導光部材を有することにより、様々な目的に対し、個別の専用システムを構築することなく対応できる照射モジュールを提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る複数の導光部材を有する照射モジュールの適用された光源システムの構成を示す図である。 図２は、第２の光源モジュールの変形例の構成を示す図である。 図３（Ａ）は、第１の導光部材としての単線光ファイバの断面を示す図であり、図３（Ｂ）は、第２の導光部材としてのライトガイドの断面を示す図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係る複数の導光部材を有する照射モジュールの構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る複数の導光部材を有する照射モジュールの適用された光源システムの構成を図１に示す。

図１に示すように、この光源システム１０は、３つの光源モジュール（第１の光源モジュール１２、第２の光源モジュール１４、第３の光源モジュール１６）と、本実施形態に係る一つの照射モジュール１８とにより構成されており、照射モジュール１８に対し、３つの光源モジュール１２，１４，１６から適切な光源モジュールを選択して組み合わせることで、目的に応じた照明光を射出可能な光源装置を構築できるように構成されている。

次に、上記光源システム１０を構成する各要素について順に説明する。

まず、光源モジュール１２，１４，１６について説明する。
第１乃至第３の光源モジュール１２，１４，１６は、それぞれ、光源光を射出する光源と、光源から射出された光源光を照射モジュール１８の後述する光源光入射端に向けて射出する光源光射出端と、光源光射出端を照射モジュール１８の後述する接続ユニットに取り付けるための固定部Ａと、を有している。また、光源を駆動する光源駆動ユニット２０と電気的に接続し、光源を発光させるための電力や制御信号をその光源駆動ユニット２０から受け取るための電気端子を有している。
以下、個々の光源モジュール１２，１４，１６について、説明する。

まず、第１の光源モジュール１２について説明する。
第１の光源モジュール１２には、第１の光源として、青色のレーザ光を射出するＩｎＧａＮ系の青色半導体レーザ光源２２が搭載されている。青色半導体レーザ光源２２から射出された青色レーザ光は、レンズ２４を介して集光され、大部分がレーザ光導光用光ファイバ２６に入射する。レーザ光導光用光ファイバ２６の射出端は、第１の光源光射出端２８となっている。第１の光源光射出端２８は、照射モジュール１８に設けられた接続ユニット（後述）の後述する第１の光源光入射端と光学的に接続可能に構成されている。第１の光源モジュール１２と接続ユニットとは、機械的に保持可能な接続機構を有している。すなわち、第１の光源モジュール１２の第１の光源光射出端２８近傍に設けられた第１の固定部Ａ３０は、接続ユニットの第１の光源光入射端近傍に設けられた後述する第１の固定部Ｂと噛み合うように構成されており、第１の光源モジュール１２と接続ユニットとが機械的に保持される。

また、第１の光源モジュール１２は、第１の光源である青色半導体レーザ光源２２から発生した熱を放熱するための、ペルチェ素子と放熱フィンを組み合わせた放熱機構３２を有している。図では簡単のため、放熱フィンのみを記載し、ペルチェ素子およびその制御系は省略した。

また、接続ケーブル３４を経由して光源駆動ユニット２０と電気的に接続するための電気端子３６を有している。

次に、第２の光源モジュール１４について説明する。
第２の光源モジュール１４には、第２の光源である白色光源として、放電ランプの一種である、Ｘｅランプ３８が搭載されている。Ｘｅランプ３８から放出されたランプ光のうち、前方に放出された成分は、フィルタ４０、レンズ４２を介して、また、後方に放出された成分はミラー４４、フィルタ４０、レンズ４２を介して集光され、これらの一部が導光ロッド４６に入射する。２枚のレンズ４２のうち、Ｘｅランプ３８側のレンズは、ランプ光を略平行光にする機能を有し、略平行光化されたランプ光をフィルタ４０に照射する。フィルタ４０は、Ｘｅランプ３８から放出されるランプ光から、不要な紫外線、赤外線を除去する機能を有するバンドパスフィルタ、またはローパスフィルタとハイパスフィルタの組み合わせである。２枚のレンズ４２のうち、導光ロッド４６側に配置されたレンズは、フィルタにより不要な成分が除去されたランプ光を導光ロッド４６の入射端に集光する機能を有している。また、ミラー４４は、後方に放出されたランプ光をレンズ４２の方向に反射し、レンズ４２上に集光する機能を有する凹面ミラーである。導光ロッド４６の射出端は、第２の光源光射出端４８となっている。第２の光源光射出端４８は、照射モジュール１８の接続ユニット（後述）の後述する第２の光源光入射端と光学的に接続可能に構成されている。第２の光源モジュール１４と接続ユニットとは、機械的に保持可能な接続機構を有している。すなわち、第２の光源モジュール１４に搭載された第２の固定部Ａ５０と接続ユニットに搭載された後述する第２の固定部Ｂとが噛み合って、両者を機械的に保持する接続機構を構成している。また、第２の光源モジュール１４は、Ｘｅランプ３８から発生した熱、及びランプ光が照射され、その一部を吸収することにより温度が上昇する部材の熱を放熱するための、冷却ファンと放熱フィン５２を組み合わせた放熱機構が搭載されている。なお、図では簡単のため、放熱フィン５２のみを記載し、冷却ファンおよび関連する制御系等は省略した。

また、接続ケーブル５４を経由して光源駆動ユニット２０と電気的に接続するための電気端子５６を有している。

次に、第３の光源モジュール１６について説明する。
第３の光源モジュール１６は基本的に、第２の光源モジュール１４に搭載されていた第２の光源であるＸｅランプ３８に代えて、第３の光源としてＬＥＤ５８を搭載したものである。第３の光源モジュール１６は、Ｘｅランプ３８がＬＥＤ５８となっている点、及び、光源光を導光ロッド４６に入射させるための光学系の構成が第２の光源モジュール１４と異なっている。第３の光源モジュール１６は、ＲＧＢ３色のＬＥＤ５８が同一の基板上に搭載され、それぞれのＬＥＤ５８から発生したＬＥＤ光は、合波光学系６０により一つの光路に集められ、導光ロッド４６に入射するように構成されている。合波光学系６０は、ダイクロイックミラー等を用いて構成されている。ＬＥＤ５８が搭載された基板は、熱伝導率の高い、アルミニウム基板や、窒化アルミニウム基板等が用いられており、その裏面には放熱フィン５２が設けられている。なお、ＬＥＤ５８の場合でも、冷却ファンを用いることで、より効率的に放熱することができるため、これを搭載しても良い。また、ＬＥＤ５８の場合でも、目的に応じて、集光レンズや不要なＬＥＤ光をカットするフィルタを用いても良い。

そして、上記第２の光源モジュール１４と同様に、接続ケーブル５４を経由して光源駆動ユニット２０と電気的に接続するための電気端子５６を有している。

このような第３の光源モジュール１６では、ＲＧＢ光の光量比を調整することで、様々な色の照明光を実現できる。等しい光量で混合することで白色光を実現できる。

なお、第３の光源モジュール１６は、基本的な機能構成は第２の光源モジュール１４と同様のため、これ以降の説明では、代表として第２の光源モジュール１４を用いる例を説明し、第３の光源モジュール１６の構成や動作についての説明は省略する。

次に、光源駆動ユニット２０につて説明する。
光源駆動ユニット２０は、上記のような構成の光源モジュール１２，１４（１６）に電力を供給し、また、光源モジュール１２，１４（１６）に搭載される光源の発光状態を制御するユニットである。本実施形態における光源システム１０では、一つの光源駆動ユニット２０を有しており、第１の光源モジュール１２、第２の光源モジュール１４の両方と接続ケーブル３４，５４、電気端子３６，５６を経由して電気的に接続可能となっている。

光源駆動ユニット２０は、接続された光源モジュール１２，１４（１６）の種類を判別する機能を有している。すなわち、光源駆動ユニット２０と光源モジュール１２，１４（１６）との接続ケーブル３４，５４には、電力を供給する電力配線、光源の駆動状態を制御する制御信号配線に加え、接続された光源モジュール１２，１４（１６）の種類を判別する判別信号配線が搭載されている。光源駆動ユニット２０は、判別信号配線を経由して受信する判別信号を元に、接続されている光源モジュール１２，１４（１６）の種類を判別する。例えば、接続した光源モジュールが青色半導体レーザ光源２２を搭載した第１の光源モジュール１２である場合、判別信号配線を経由してそれを検出し、レーザ光源に応じた電力と制御信号を、それぞれ電力配線、制御信号配線から供給する。

接続された光源モジュール１２，１４（１６）の判別方法としては、例えば、光源モジュール１２，１４（１６）内の図示しない記憶メモリに、光源の種類や駆動情報を予め記憶しておき、それを光源駆動ユニット２０から読み出す方法がある。また、別の方法としては、接続ケーブル３４，５４と接続する電気端子３６，５６の端子部に光源モジュール特有の凹凸など形状的な特徴を設けておき、接続ケーブル３４，５４に搭載された図示しないセンサにより形状を検出し、その検出された形状に基づいて光源モジュール１２，１４（１６）の種類を判別する方法が考えられる。さらに、光源モジュール１２，１４（１６）から判別信号配線を通して固有の電気信号パターンを出力するように構成しておき、その電気信号パターンから接続された光源モジュール１２，１４（１６）の種類を判別する方法などが考えられる。

このとき、光源モジュール１２，１４（１６）の制御は、光源モジュール１２，１４（１６）の種類のみではなく、光源モジュール１２，１４（１６）と接続された、照射モジュール１８の種類に応じて適切に調整することが望ましい。このためには、光源モジュール１２，１４（１６）に接続された照射モジュール１８の種類の情報を光源駆動ユニット２０に送信する必要がある。この照射モジュール１８の情報は、光源モジュール１２，１４（１６）、接続ケーブル３４，５４を経由して行ってもかまわないし、光源駆動ユニット２０と接続ユニット（後述）とを直接接続して行ってもかまわない。

なお、本実施形態では、光源駆動ユニット２０から、二つの光源モジュールに向け、２本の接続ケーブル３４，５４を接続する例を示したが、これに限らない。例えば、第２の光源モジュール１４と光源駆動ユニット２０を接続ケーブル５４で接続しておき、第１の光源モジュール１２の制御は、接続ケーブル５４、第２の光源モジュール１４、照射モジュール１８の接続ユニットを経由して、制御する方法も可能である。この場合、第１の光源モジュール１２と接続ユニットの接続部には、第１の光源光入射端（後述）に加え、制御信号を送信する制御信号送信端子や電力供給を行うための電力供給端子である、電気接続端子が設けられている。このとき、接続された光源モジュールの種類の判別信号は、この接続を利用することが望ましい。

さらに、本実施形態では、光源駆動ユニット２０は、光源モジュール１２，１４（１６）とは独立したユニットとした例を示したが、これに限らない。図２に、第２の光源モジュール１４の変形例を示す。図２に示す構成では、第２の光源モジュール１４の内部に光源駆動ユニット２０が搭載されている。第２の光源モジュール１４は、第１の光源モジュール１２と比較して大型であり、大電力を使用するため、光源駆動ユニット２０を搭載しても、構成に大きな影響を与えない。この場合、第１の光源モジュール１２を制御するための接続ケーブル３４は用いず、照射モジュール１８の接続ユニットを経由して制御する構成が望ましい。

なお、光源駆動ユニット２０を第１の光源モジュール１２に搭載することも可能である。こうすることで、第１の光源モジュール１２＋光源駆動ユニット２０のサイズと、第２の光源モジュール１４のサイズとの差が小さくなるため、保管等の管理が行い易いなどのメリットがある。

次に、照射モジュール１８について説明する。
本第１実施形態に係る照射モジュール１８は、接続ユニット６２と導光ユニット６４とを有している。導光ユニット６４には、第１の導光部材６６と第２の導光部材６８との２種類の導光部材が搭載されている。光源モジュール１２及び１４（１６）から射出され、接続ユニット６２の後述する光源光入射端から入射した光源光は、これら導光部材６６，６８を経由してそれら導光部材の光射出端まで導光され、後述する光変換ユニットにより照明光に変換されるか、または直接、照明対象物に向けて照射される。本実施形態では、第１、第２の２種類の導光部材６６，６８を有する導光ユニット６４の例を示している。第１、第２の導光部材６６，６８の光射出端には、それぞれ第１、第２の光変換ユニット７０，７２が接続されており、光源光はここで照明光に変換されて照明対象物に照射される。
ここで、本実施形態の照射モジュール１８が有する要素について説明する。

まず、接続ユニット６２について説明する。
接続ユニット６２は、光源モジュール１２，１４または１６と光学的にも機械的にも接続し、光源モジュール１２，１４または１６から射出された光源光を、導光ユニット６４に伝えるための接続機能を有している。本実施形態では、接続ユニット６２は略直方体であり、その異なる二つの平面上に、第１の光源光入射端７４、第２の光源光入射端７６の、二つの光源光入射端が設けられている。

接続ユニット６２に設けられた二つの光源光入射端７４，７６は、第１、第２の導光部材６６，６８の光源光入射端であり、光源から射出された光源光が入射するという共通の機能を有している。一方、第１の光源光入射端７４近傍に設けられた第１の固定部Ｂ７８は、第１の光源モジュール１２に設けられた第１の固定部Ａ３０とは機械的に接続可能となっているが、第２の光源モジュール１４に設けられた第２の固定部Ａ５０とは機械的に接続不可能となっており、第２の光源光入射端７６近傍に設けられた第２の固定部Ｂ８０は、第２の光源モジュール１４に設けられた第２の固定部Ａ５０と機械的に接続可能となっているが、第１の光源モジュール１２に設けられた第１の固定部Ａ３０とは機械的に接続不可能となっている点が異なっている。

本実施形態では、第１の光源光入射端７４は、第１の光源である青色半導体レーザ光源２２が搭載された第１の光源モジュール１２から射出された第１の光源光である青色レーザ光が入射する光源光入射端である。このため、第１の光源光入射端７４は、レーザ光の導光に適した単線光ファイバの端部であり、フェルールにより保持されている。図３（Ａ）に示すように、単線光ファイバ８２は、屈折率が高いコア８４を、それより屈折率が低いクラッド８６によりカバーして構成された、一本の光ファイバである。レーザ光を導光するには、コア径が数μｍから２００μｍ程度の光ファイバが適している。照明用途としては、マルチモード光ファイバが適している。なお、単線光ファイバ８２の有効な入射領域とは、図３（Ａ）に示すように、そのコア８４の領域を言う。

第１の光源光入射端７４は、第１の光源モジュール１２のレーザ光導光用光ファイバ２６と、互いの中心軸が略一致するように対峙して、接続機構により機械的に保持される。単線光ファイバ８２は、接続ユニット６２の内部を通過し、導光ユニット６４まで延びている。すなわち、第１の導光部材６６である単線光ファイバ８２は、接続ユニット６２内を、第１の光源光入射端７４から導光ユニット６４の先端部付近まで、略直線状に延びている。

これに対して、第２の光源光入射端７６は、ランプ光源である第２の光源モジュール１４またはＬＥＤ光源である第３の光源モジュール１６と接続するように構成されている。

第２の光源光入射端７６は、Ｘｅランプ３８やＬＥＤ５８等の、青色半導体レーザ光源２２と比較して発光領域の大きな光源からの第２または第３の光源光を効率よく受光する必要があるため、第１の光源光入射端７４と比較して、大きな入射領域を有するライトガイドの端部としている。ここで、図３（Ｂ）に示すように、ライトガイド８８は、バンドルファイバにより構成され、バンドルファイバの有効な入射領域とは、束ねられた光ファイバ素線９０が配置された領域９２を言う。通常、バンドルファイバは、束ねられた光ファイバ素線９０の周囲を金属等のケース９４により略円形に保持されて構成される。このとき、バンドルファイバの有効な入射領域の径とは、略円形に保持された、光ファイバ素線９０が配置されたバンドルファイバ径を言う。Ｘｅランプ３８やＬＥＤ５８からの第２または第３の光源光を導光するには、有効な入射領域の径は数百μｍ以上が望ましい。また、太すぎると導光ユニット６４の径が太くなるため、用途によっては問題となる場合がある。このため、３ｍｍ程度かそれ以下にすると、細い穴内などを照明する場合にも、穴内への導光ユニット６４の挿入性が高く、適用範囲が制限される恐れが小さい。

また、第１の光源モジュール１２と第２の光源モジュール１４との両方を、接続ユニット６２に同時に接続することを可能とするため、本実施形態に係る照射モジュール１８では、略直方体形状を有する接続ユニット６２の、互いに直交する二つの面に第１、第２の光源光入射端７４，７６を設けている。導光ユニット６４内では、第１の導光部材６６と第２の導光部材６８が並列して配置されるため、接続ユニット６２内で、少なくとも一方の光路を曲げる必要がある。本実施形態では、第２の導光部材６８に屈曲可能なバンドルファイバを用いているため、図１に示すように、バンドルファイバを屈曲させて搭載している。

次に、導光ユニット６４について説明する。
導光ユニット６４は、光源から放射された光源光を照明光射出端まで導光するものである。所望の位置、方向に照明光を射出することを可能にするために、本実施形態における導光部材６６，６８は、自在に湾曲可能な単線光ファイバ８２、ライトガイド８８が選択されている。

導光ユニット６４には、第１の導光部材６６と第２の導光部材６８の二つの導光部材が並列して搭載されており、導光ユニット被覆９６により被覆されている。導光ユニット６４の一端は、接続ユニット６２に接続されている。導光ユニット６４に搭載された導光部材のうち、第１の導光部材６６である単線光ファイバ８２は、第１の光源光入射端７４から接続ユニット６２内を通過して、導光ユニット６４に搭載された第１の光変換ユニット７０まで延びている。また、第２の導光部材６８であるライトガイド８８は、第２の光源光入射端７６から接続ユニット６２内を通過して、導光ユニット６４内に搭載された第２の光変換ユニット７２まで延びている。

前述したように、第２の導光部材６８であるライトガイド８８は、青色半導体レーザ光源２２と比較して大きな発光領域を有するＸｅランプ３８やＬＥＤ５８からの第２または第３の光源光を導光するため、有効な入射領域の大きなバンドルファイバが用いられている。バンドルファイバは、光ファイバ素線９０を数百本から数千本束ねて構成されている。バンドルファイバは、接続ユニット６２内を通過して第２の光源光入射端７６まで延びている。すなわち、バンドルファイバは、接続ユニット６２内で図１に示すように屈曲して配置されている。

なお、第１及び第２の導光部材６６，６８は、導光する光源光の光学特性に応じて、その光学仕様が設定されることが望ましい。本実施形態の場合、第１の導光部材６６は、第１の光源光としての青色のレーザ光を導光することを目的としている。レーザ光は、発光点が小さく、レンズ等により小さな入射領域にも容易に入射させることが可能である。従って、第１の導光部材６６に要求される光学仕様は、青色領域の波長である、３７０ｎｍ〜５００ｎｍの波長域の光透過率が高いことが望ましい。また、開口数ＮＡについては、それほど大きくなくても良い。例えば、第１の導光部材６６としては、０．２〜０．４程度のＮＡを有する、一般的なレーザ光導光用の単線光ファイバを用いることができる。

一方、第２の導光部材６８は、Ｘｅランプ３８やＬＥＤ５８からの光のように、発光点が大きく、放射角も広く、さらに波長範囲の広い第２または第３の光源光を導光することが想定されている。従って、第２の導光部材６８に要求される光学仕様は、広い放射角に対応するため、開口数ＮＡの大きいことが望ましい。従って、第２の導光部材６８としては、第１の導光部材６６よりも開口数ＮＡの大きな光ファイバ素線９０を用いることが望ましい。また、広い波長範囲の光を導光するため、可視光から近赤外域の光に対し、比較的平坦であることが望ましいが、視感度の比較的低い青色領域の光に対して、特に高い透過率である必要性は少ない。

以上をまとめると、第１の導光部材６６と第２の導光部材６８に要求される光学仕様について、比較すると、下記のようになる。
（１）有効な入射領域は、第１の導光部材６６より第２の導光部材６８が大きいことが望ましい。
（２）開口数ＮＡは、第１の導光部材６６より第２の導光部材６８のほうが大きいことが望ましい。
（３）光透過率は、青色領域においては、第２の導光部材６８より第１の導光部材６６が高いことが望ましい。

なお、上記（３）の光透過率については、本実施形態では青色半導体レーザ光源２２を用いたため、青色領域の透過率として設定した。それ以外の領域の光源を用いる場合は、その光源のピーク波長の透過率が高いことが望ましい。従って、上記（３）は、以下となる。
（３’）光透過率は、第１の導光部材６６が導光する光源光のピーク波長である波長λにおいて、第２の導光部材６８より第１の導光部材６６が高いことが望ましい。

なお、本実施形態では、青色半導体レーザ光源２２と組み合わせて青色レーザ光を導光するための第１の導光部材６６として単線光ファイバ８２を、Ｘｅランプ３８やＬＥＤ５８等の光源と組み合わせランプ光、ＬＥＤ光を導光するための第２の導光部材６８としては、光ファイバ素線９０を束ねたバンドルファイバを用いたライトガイド８８とする例を示したが、これに限らない。例えば、基板上やフィルム上に、屈折率の異なる部材をパターニング、積層した光導波路を用いることができる。光導波路は、複数の導光路を分離、結合したり、様々な複雑な光路をパターニングしたりすることが可能である。このとき、有効な入射領域は、入射端面における、屈折率の高い領域である導光領域を意味する。円形で無い導光路の場合は、径の代わりにその面積を用いて光学仕様を検討できる。

また、別の導光路の例としては、バンドルファイバの代わりに、数百ミクロン以上のコア径を有する単線光ファイバを用いることができる。有効な入射領域が同じ場合、太径の単線光ファイバを用いることで、バンドルファイバの場合と比較しても、発光領域の大きなＸｅランプ３８やＬＥＤ５８からの光をより効率的に導光することが可能となる。ただし、コア径の太い単線の光ファイバは曲がりにくくなるため、導光ユニット６４に可撓性が要求される場合には適さない。

本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、光源の発光領域の大きさや、光源装置の使用目的に応じて様々な光学仕様の導光部材を用いることが可能である。

次に、光変換ユニット７０，７２について説明する。
光変換ユニット７０，７２は、光源から射出された光源光を所望の照明光に変換する機能を有している。例えば、導光部材６６，６８から射出された光源光の配光角を制御したり、波長やスペクトル形状、光量を制御したりする機能を有している。

光変換ユニット７０，７２は、導光ユニット６４の照明光射出端側に設けられている。

本実施の形態では、第１の光変換ユニット７０として、第１の光源である青色半導体レーザ光源２２から射出された青色レーザ光の一部を吸収して黄色蛍光に変換して射出し、残りの青色レーザ光を散乱して射出する、スペクトル変換部材が搭載されている。このようなスペクトル変換部材は、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅなどの蛍光体粉末を樹脂やガラス中に分散させた波長変換部材を用いることができる。波長変換部材により、青色レーザ光の光学的性質であるピーク波長、スペクトル形状、配光角を変換することができる。

第１の光変換ユニット７０は、第１の導光部材６６とは光学的に接続されており、第１の導光部材６６により導光された第１の光源光である青色レーザ光が入射するように構成されている。また、第１の光変換ユニット７０は、第２の導光部材６８とは光学的に接続されておらず、第２の導光部材６８により導光された第２または第３の光源光であるランプ光やＬＥＤ光が入射しないように構成されている。

また、第２の光変換ユニット７２としては、第２の光源であるＸｅランプ３８からの第２の光源光の射出角を拡げる、配光変換部材の一種である放射角変換部材が搭載されている。放射角変換部材には、例えば、１枚の凹レンズまたは、複数のレンズの組み合わせにより所望の放射角に変換するレンズ群が用いられる。放射角変換部材により、Ｘｅランプ３８からのランプ光のピーク波長、スペクトル形状はほとんど変化せず、放射角のみを変換することができる。

第２の光変換ユニット７２は、第２の導光部材６８とは光学的に接続されており、第２の導光部材６８により導光された第２または第３の光源光であるランプ光やＬＥＤ光が入射するように構成されている。また、第２の光変換ユニット７２は、第１の導光部材６６とは光学的に接続されておらず、第１の導光部材６６により導光された第１の光源光である青色レーザ光は入射しないように構成されている。すなわち、Ｘｅランプ３８から射出される第２の光源光であるランプ光は、第１の光変換ユニット７０に搭載されるスペクトル変換部材が吸収し、黄色蛍光に変換できる青色成分を含んでいる。このため、第２の導光部材６８と第１の光変換ユニット７０とが光学的に接続されていると、Ｘｅランプ３８からの第２の光源光のみを照射したい場合であっても、黄色蛍光が含まれた照明光が照射されてしまう。これを避けるために、第１の光変換ユニット７０は、第２の導光部材６８とは光学的に独立に構成されている。

なお、本実施形態では、光変換ユニット７０，７２として、上述のスペクトル変換部材、配光変換部材を搭載した導光ユニット６４の例を示したが、これに限らない。例えば、下記のような様々な光学部材を光変換ユニットとして用いることができる。また、これらを組み合わせて用いることもできる。

（１）配光変換部材として、凹レンズのほか、凸レンズや、凸レンズと凹レンズの組み合わせのように、放射角を変換する放射角変換部材や、ホログラムレンズ、回折格子などのように、放射角を変えたり、または、放射する光の方向を変換したりする配光変換部材を用いることができる。

（２）配光変換部材として、アルミナなど高屈折率、高反射率の粒子を樹脂やガラス中に分散させたもの、屈折率の異なる複数の透明な部材を混合したものや、スリガラス等の散乱板、表面に微小な凹凸を設けた拡散板などを用いることができる。

（３）スペクトル変換部材として、蛍光体のほかに、光半導体やＳＨＧ（２次高調波）を生成する部材、エレクトロルミネッセンス材料などを用いることができる。

（４）光源光の一部を透過し、一部を遮断する光透過変調部材として、様々な光学フィルタや、色素、光共振器（エタロン）など、波長選択性のある部材を用いることができる。

（５）光源光の一部を透過し、一部を遮断する光透過変調部材として、光スイッチやエレクトロクロミック、液晶デバイスなど、空間選択性のある部材を用いることができる。

例えば、レーザ光の安全性やスペックル除去に対しては（２）が好適である。また、ランプ光やＬＥＤ光の放射角を調整する場合には、（１）や（２）を用いることが可能である。

次に、本実施形態に係る照射モジュール１８を適用した光源システム１０の動作について説明する。

はじめに、第１の光源モジュール１２を本実施形態に係る照射モジュール１８と組み合わせた場合の動作について説明する。

第１の光源モジュール１２を照射モジュール１８に接続して光源装置を構成する。第１の光源モジュール１２に搭載された第１の光源である青色半導体レーザ光源２２は、第１の光源モジュール１２に接続された光源駆動ユニット２０からの制御信号に応じた青色レーザ光を第１の光源光として射出する。この青色半導体レーザ光源２２から射出された第１の光源光である青色レーザ光は、レーザ光導光用ファイバ２６、第１の光源光射出端２８、第１の光源光入射端７４、第１の導光部材６６を経由して、第１の光変換ユニット７０に搭載されたスペクトル変換部材に照射される。スペクトル変換部材は、青色レーザ光の一部を吸収して黄色蛍光に波長変換し、また残りの一部を拡散して外部に射出する。外部に射出される青色レーザ光と黄色蛍光の光量比は、その混合光が白色光となるように、スペクトル変換部材における蛍光体の厚さ、濃度、形状等が調整されている。青色半導体レーザ光源２２は、Ｘｅランプ３８、ＬＥＤ５８等と比較して桁違いの小型化、省電力化が可能であるため、この組み合わせによる光源装置は、小型、高効率な光源装置となる。従って、小型化したい用途や、バッテリー駆動などが要求される用途に対して非常に有効である。

次に、第２の光源モジュール１４を、本実施形態に係る照射モジュール１８と組み合わせた光源装置の動作について説明する。

第２の光源モジュール１４と照射モジュール１８を接続して光源装置を構成する。第２の光源モジュール１４に搭載された第２の光源であるＸｅランプ３８は、第２の光源モジュール１４に接続された光源駆動ユニット２０からの制御信号に応じたランプ光を第２の光源光として射出する。このＸｅランプ３８から射出された第２の光源光であるランプ光は、導光ロッド４６、第２の光源光射出端４８、第２の光源光入射端７６、第２の導光部材６８を経由して、第２の光変換ユニット７２に搭載された放射角制御部材に照射される。放射角制御部材である凹レンズは、ランプ光を所望の広がり角に広げて図示しない照明対象物に向けて射出する。

Ｘｅランプ３８からの第２の光源光であるランプ光は、太陽光に比較的近いスペクトルを有する白色光であるため、太陽光に近い光を用いた観察が必要な場合に有効である。

次に、第３の光源モジュール１６と本実施形態に係る照射モジュール１８を組み合わせた光源装置の動作について説明する。

第３の光源モジュール１６と照射モジュール１８を接続して光源装置を構成する。第３の光源モジュール１６に搭載された第３の光源であるＬＥＤ５８は、第３の光源モジュール１６に接続された光源駆動ユニット２０から出力される制御信号に応じてＬＥＤ光を第３の光源光として射出する。その後の動作は、第２の光源モジュール１４を接続した場合と同様に動作する。

第３の光源であるＬＥＤ５８は、様々な発光色のものが利用可能であり、また、本実施形態のように合波光学系６０を用いることで、照明に要求される様々な色の光を混合して射出することが可能である。また、Ｘｅランプ３８である第２の光源と比べると小型、省電力な光源を実現できる。

以上のように、本第１実施形態では、複数の導光部材６６，６８を搭載した照射モジュール１８を、適切な光源モジュール１２，１４，１６と組み合わせることで、一つの照射モジュール１８から、目的に応じた様々な照明光を射出することが可能となる。

すなわち、効率よく明るい白色光が必要な場合は、第１の光源モジュール１２を照射モジュール１８と組み合わせることでそれを実現できる。また、太陽光に近いスペクトルの光が必要な場合は第２の光源モジュール１４を用いればよい。

このとき、ＬＥＤ５８とＸｅランプ３８など、類似した特性の光を放射する光源に対し、共通の導光部材（第２の導光部材６８）を使用可能とすることで、導光部材の数を不必要に増やす必要はない。ＬＥＤ５８とＸｅランプ３８は発光領域が比較的大きく、光学特性が近いため、導光部材としてはその光学特性に応じた光学仕様を有するバンドルファイバが適している点が共通している。また、両光源とも、光源モジュール１４，１６の第２の光源光射出端４８から射出された第２または第３の光源光のスペクトル、ピーク波長を変換せずに照明対象物に照射する点が共通しており、光変換部材も共通の第２の光変換ユニット７２を用いることができる。

一方、半導体レーザ光源と第１の光変換ユニット７０のスペクトル変換部材との組み合わせにおいては、半導体レーザ光源の波長に応じて第１の光変換ユニット７０の振る舞いは異なる。例えば、本実施形態で例示したＹＡＧ；Ｃｅ蛍光体を用いたスペクトル変換部材は、青色レーザ光を吸収して黄色蛍光に波長変換するが、青紫色レーザ光や、緑色より長波長のレーザ光は吸収せず、波長変換しない。しかし、このスペクトル変換部材は、入射するレーザ光の波長に関わらず、レーザ光を拡散する拡散ユニットとして機能する。この結果、青色レーザ光を入射した場合、第１の光変換ユニット７０からは上述の動作により白色の照明光が射出されるが、青紫色レーザ光や、緑色より長波長のレーザ光を入射した場合はレーザ光を拡散する配光変換部材として機能する。このように、単線光ファイバの導光路を用いる場合でも、レーザ光の波長と光変換ユニットを適切に組み合わせることで、複数の照明光を射出することが可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る照射モジュール１８について、図４を参照しながら説明する。

本実施形態に係る照射モジュール１８は、導光ユニット６４の構成が第１実施形態とは異なっており、それ以外は第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と同様の部分についてはその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、照射モジュール１８の導光ユニット６４に搭載された、第２の光変換ユニット７２が、第１の導光部材６６と第２の導光部材６８の両方と光学的に接続されている点が第１実施形態とは異なっている。

すなわち、第１の導光部材６６が導光し、該第１の導光部材６６の光射出端である第１の光射出端９８から射出された第１の光源光である青色レーザ光は、第１の光変換ユニット７０に入射し、ここで第１実施形態と同様に白色光に変換されて射出される。第１の光変換ユニット７０から射出された白色光は、その後、第２の光変換ユニット７２に入射してその配光角が変換され、照明光として照明対象物に照射される。なお、第２の導光部材６８が導光し、該第２の導光部材６８の光射出端である第２の光射出端１００から射出された第２の光源光であるランプ光は、第２の光変換ユニット７２に入射し、これによりその配光角が変換されて、照明対象物に射出される構成となっている点は、第１実施形態と同様である。

以上のような構成の本第２実施形態に係る照射モジュール１８を適用した光源システム１０の基本的な動作は、上記第１実施形態のそれと同様である。

以上のように、本第２実施形態に係る照射モジュール１８によると、第１の光変換ユニット７０から射出された射出光と、第２の導光部材６８の第２の光射出端１００から射出された第２の光源光であるランプ光とを共通の光変換ユニット（第２の光変換ユニット７２）により光変換する構成となるため、二つの照明光の性質、例えば配光角などを同じ特性にすることができる。また、第１の光変換ユニット７０は、配光角を調整する機能を持つ必要が無いため、これを小型化し易い。さらに、第２の導光部材６８は、ランプ等発光領域の大きい光源に対応するため、入射領域を大きく構成したバンドルファイバであり、一方、第１の導光部材６６はレーザ等発光領域の小さい光源に対応するため、入射領域は小さくて良い単線の光ファイバであるため、二つの導光部材６６，６８の太さは大きく異なっている。本実施形態の構成によると、第１の導光部材６６と第２の導光部材６８とを近接配置し易いため、照射モジュール１８を細径化し易い。

なお、本実施形態で示した第１の光変換ユニット７０、第２の光変換ユニット７２は、それぞれスペクトル変換部材と配光変換部材を用いた例を示したが、これに限らない。上記第１実施形態で説明した様々な光変換素子を、単独または適切に組み合わせて使用することが可能である。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、上記実施形態では、第１の導光部材６６は、青色半導体レーザ光源２２からの青紫色半導体レーザ光を第１の光変換ユニット７０に搭載したＹＡＧ：Ｃｅを有するスペクトル変換部材まで導光し、ここで白色光に変換する例を示したが、これに限らない。そのようなスペクトル変換部材に代えて、例えば、青紫色半導体レーザ光を受光して白色光に変換する既存の一つまたは複数の蛍光体と組み合わせることが可能である。これにより、よりスペクトルのブロードな白色光を実現することが可能となる。また、白色だけでなく、所望の色にスペクトル変換する蛍光体と組み合わせることで、様々な色の照明光を実現することができる。なお、これらの中で、レーザ光の拡散光を外部に射出するか、射出しない様にするかは、必要に応じて適宜選択できる。

また、上述した実施形態では、第１の導光部材６６である単線光ファイバ８２と組み合わせる第１の光源は半導体レーザ光源を用いる例を示したが、これに限らない。例えば、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や、様々なレーザ光源など、発光領域が小さく、有効な入射領域の小さい導光部材と光結合させ易い光源であれば、どのような光源も用いることができる。また、第２の導光部材６８であるライトガイド８８と組み合わせる光源は、Ｘｅランプ３８とＬＥＤ５８を用いる例を示したが、これに限らない。例えば、蛍光管やＥＬ発光材料など、比較的発光領域が大きい光源であれば、どのような光源でも用いることができる。

さらに、青色半導体レーザ光源２２に限らず、他の色の半導体レーザや固体レーザ、ガスレーザ等、様々なレーザ光源を用いることも可能である。このとき、レーザ光をそのままの色で射出したい場合は、拡散板等の配光変換ユニットと組み合わせて用いることも可能である。

また、白色レーザやスーパーコンティニューム光源などを用いることも可能である。

ランプについても、Ｘｅランプ３８を用いる例のみを示したが、これに限らない。例えば、Ｘｅ以外の放電タイプのランプや、ハロゲンランプのようなフィラメントタイプのランプなど、様々なランプを用いることができる。

また、上述した実施形態では、照射モジュール１８と接続される光源モジュール１２，１４，１６は、それぞれ一つの光源を有していたが、これに限らない。例えば、半導体レーザとランプの両方を有する光源モジュールも実現可能である。このとき、光源モジュールと照射モジュール１８の接続は、一つの機械的な接続部に二つの光源光入射端を設けても構わないし、それぞれ独立に設けてもかまわない。

１０…光源システム、 １２…第１の光源モジュール、 １４…第２の光源モジュール、 １６…第３の光源モジュール、 １８…照射モジュール、 ２０…光源駆動ユニット、 ２２…青色半導体レーザ光源、 ２４，４２…レンズ、 ２６…レーザ光導光用光ファイバ、 ２８…第１の光源光射出端、 ３０…第１の固定部Ａ、 ３２…放熱機構、 ３４，５４…接続ケーブル、 ３６，５６…電気端子、 ３８…Ｘｅランプ、 ４０…フィルタ、 ４４…ミラー、 ４６…導光ロッド、 ４８…第２の光源光射出端、 ５０…第２の固定部Ａ、 ５２…放熱フィン、 ５８…ＬＥＤ、 ６０…合波光学系、 ６２…接続ユニット、 ６４…導光ユニット、 ６６…第１の導光部材、 ６８…第２の導光部材、 ７０…第１の光変換ユニット、 ７２…第２の光変換ユニット、 ７４…第１の光源光入射端、 ７６…第２の光源光入射端、 ７８…第１の固定部Ｂ、 ８０…第２の固定部Ｂ、 ８２…単線光ファイバ、 ８４…コア、 ８６…クラッド、 ８８…ライトガイド、 ９０…光ファイバ素線、 ９２…光ファイバ素線が配置された領域、 ９４…ケース、 ９６…導光ユニット被覆、 ９８…第１の光射出端、 １００…第２の光射出端。

Claims (18)

1. 光源モジュールと機械的に着脱可能な照射モジュールにおいて、
   第１の光源モジュールから射出された第１の光源光が入射する第１の光源光入射端と、
   前記第１の光源光入射端に入射した前記第１の光源光を導光する第１の導光部材と、
   前記第１の光源モジュールとは異なる第２の光源モジュールから射出された第２の光源光が入射する第２の光源光入射端と、
   前記第２の光源光入射端に入射した前記第２の光源光を導光する第２の導光部材と、
   を具備し、
   前記第１の導光部材と前記第２の導光部材とは、導光する光源光の光学特性に対応し、光学特性が互いに異なる、光学仕様を有することを特徴とする照射モジュール。
2. 前記第１の導光部材と前記第２の導光部材は、その光射出端近傍で並列配置されており、
   前記第１の導光部材の前記光射出端と光学的に接続されると共に前記第２の導光部材とは光学的に分離され、前記第１の導光部材の前記光射出端から射出された前記第１の光源光の光学特性のうち、ピーク波長、スペクトル形状、配光角、光量の少なくとも一つを変換して第１の変換光として射出する、第１の光変換ユニットをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の照射モジュール。
3. 前記第２の導光部材の前記光射出端と光学的に接続され、前記第２の導光部材の前記光射出端から射出された前記第２の光源光の光学特性のうち、ピーク波長、スペクトル形状、配光角、光量の少なくとも一つを変換して第２の変換光として射出する、第２の光変換ユニットをさらに具備することを特徴とする請求項２に記載の照射モジュール。
4. 前記第２の光変換ユニットは、前記第１の導光部材の前記光射出端と光学的に分離されていることを特徴とする請求項３に記載の照射モジュール。
5. 前記第２の光変換ユニットは、さらに前記第１の導光部材の前記光射出端とも光学的に接続されており、前記第１の導光部材の前記光射出端から射出された前記第１の変換光と、第２の導光部材の前記光射出端から射出された前記第２の光源光との両方を受光し、それぞれ光変換して射出することを特徴とする請求項３に記載の照射モジュール。
6. 前記第２の光変換ユニットは、入射した光を所望の配光角に調整する、一枚または複数のレンズか、または拡散板であることを特徴とする請求項４または５に記載の照射モジュール。
7. 前記第１の光変換ユニットは、前記第１の導光部材の前記光射出端から射出された前記第１の光源光の光学特性のうち、ピーク波長、スペクトル形状、配光角の全てを変換する機能を有する波長変換ユニットであることを特徴とする請求項３に記載の照射モジュール。
8. 前記第１の光変換ユニットは、前記第１の導光部材の前記光射出端から射出された前記第１の光源光の光学特性のうち、ピーク波長及びスペクトル形状は変換せず、配光角を変換する機能を有する配光角変換ユニットであることを特徴とする請求項３に記載の照射モジュール。
9. 前記第１及び第２の導光部材の光学仕様は、光源光入射領域を含み、
   前記第１の導光部材の有効な光源光入射領域は、前記第２の導光部材の有効な光源光入射領域と比較して、大きな領域であることを特徴とする請求項１に記載の照射モジュール。
10. 前記第１の導光部材は、一本の光ファイバよりなる単線光ファイバであり、
    前記第２の導光部材は、光ファイバ素線を束ねて構成されたライトガイドであり、
    前記第１の導光部材である前記単線光ファイバのコア径は、前記第２の導光部材である前記ライトガイドの光ファイバ素線が束ねられてなるバンドルファイバ径と比較して、細い径であることを特徴とする請求項９に記載の照射モジュール。
11. 前記第１の導光部材及び前記第２の導光部材はともに単線光ファイバであり、
    前記第１の導光部材である前記単線光ファイバのコア径は、前記第２の導光部材である前記単線光ファイバのコア径と比較して、細いコア径であることを特徴とする請求項９に記載の照射モジュール。
12. 前記第１の導光部材の開口数は、前記第２の導光部材の開口数と比較して、小さな開口数であることを特徴とする請求項９に記載の照射モジュール。
13. 前記第１の導光部材が導光する前記第１の光源光は、半導体レーザ光源またはスーパールミネッセント光源からの光であることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れかに記載の照射モジュール。
14. 前記第２の導光部材が導光する前記第２の光源光は、ＬＥＤ光源またはランプ光源からの光であることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れかに記載の照射モジュール。
15. 前記導光部材の光学仕様は、光透過率の波長依存性を含み、
    前記第１の導光部材の導光する前記第１の光源光のピーク波長である波長λにおける光透過率は、前記第２の導光部材の前記波長λにおける光透過率と比較して、高い光透過率であることを特徴とする請求項１に記載の照射モジュール。
16. 前記第１の導光部材が導光する前記第１の光源光は、波長３７０ｎｍ〜５００ｎｍの青色領域光であり、
    前記第１の導光部材の前記射出端側に、前記第１の導光部材と光学的に接続された、前記青色領域光を吸収して白色光を射出する、第１の波長変換ユニットをさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の照射モジュール。
17. 前記第２の導光部材が導光する前記第２の光源光は、白色光であることを特徴とする請求項１６に記載の照射モジュール。
18. 前記青色領域光は、半導体レーザ光源からの光であり、
    前記白色光は、ＬＥＤ光源またはランプ光源からの光であることを特徴とする請求項１７に記載の照射モジュール。

Images