JP2014132918A - Light source device and endoscope system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内視鏡に照明光を供給するための光源装置、およびこれを用いた内視鏡システムに関する。 The present invention relates to a light source device for supplying illumination light to an endoscope, and an endoscope system using the same.
医療分野において、内視鏡システムを用いた内視鏡診断が普及している。内視鏡システムは、内視鏡と、内視鏡に照明光を供給するための光源装置と、内視鏡が出力する画像信号を処理するプロセッサ装置とを備えている。内視鏡は生体内に挿入される挿入部を有し、挿入部の先端には、観察部位に照明光を照射する照明窓と、観察部位を撮影するための観察窓が配されている。内視鏡には、光ファイバをバンドル化したファイババンドルからなるライトガイドが内蔵されている。ライトガイドは、光源装置から供給された照明光を照明窓に導光する。観察窓の奥にはCCD等の撮像素子が配されている。照明光が照射された観察部位を撮像素子で撮像し、これにより得られた画像信号に基づきプロセッサ装置で観察画像を生成してモニタに表示することで、生体内を観察することができる。 In the medical field, endoscopic diagnosis using an endoscopic system is widespread. The endoscope system includes an endoscope, a light source device for supplying illumination light to the endoscope, and a processor device that processes an image signal output from the endoscope. The endoscope has an insertion part that is inserted into a living body, and an illumination window that irradiates the observation part with illumination light and an observation window for photographing the observation part are arranged at the tip of the insertion part. The endoscope has a built-in light guide made of a fiber bundle in which optical fibers are bundled. The light guide guides the illumination light supplied from the light source device to the illumination window. An imaging element such as a CCD is disposed in the back of the observation window. The inside of the living body can be observed by imaging an observation site irradiated with illumination light with an imaging device, generating an observation image with a processor device based on an image signal obtained thereby, and displaying the observation image on a monitor.
従来、光源装置には、白色光を発するキセノンランプやハロゲンランプが光源として使用されてきたが、最近では、これらに代えて、レーザダイオード(LD)やLED等の半導体で構成された発光素子と、発光素子が発する光により励起されて蛍光を発する蛍光体とを組み合わせて白色光を生成する光源を用いるものも提案されている(特許文献1参照)。 Conventionally, xenon lamps and halogen lamps that emit white light have been used as light sources in light source devices, but recently, instead of these, light-emitting elements composed of semiconductors such as laser diodes (LDs) and LEDs, A light source that generates white light by combining with a phosphor that emits fluorescence when excited by light emitted from a light emitting element has also been proposed (see Patent Document 1).
特許文献1の図11には、紫外光を含む青色光を発するLEDと、青色光により励起されて黄色の蛍光を発する蛍光体とを組み合わせて、青色光と黄色の蛍光の混合により白色光を生成する光源と、光源からの光を光軸方向に導光する導光ロッドとを備える光源モジュールが開示されている。青色光と蛍光の混合光が出射する蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面とは突き当てられている。また、蛍光体の周囲には、蛍光体の周辺方向に向かう光を導光ロッドの入射端面に向けて反射させる反射部材が設けられている。
In FIG. 11 of
発光素子の光は一部が蛍光体の励起に使用され、残りの光は蛍光体を透過して蛍光とともに蛍光体の発光面から出射する。一般に蛍光体は粉末状の蛍光材料をバインダで固めたものであり、蛍光材料やバインダにより入射した光を拡散させる拡散作用を有している。発光素子の光の発散角は、蛍光体への入射時点では比較的小さいが、蛍光体の拡散作用によって蛍光体の発光面から出射する際には広げられる。蛍光も発光面の全面から出射するため発散角は比較的大きい。 A part of the light of the light emitting element is used for exciting the phosphor, and the remaining light is transmitted through the phosphor and emitted from the light emitting surface of the phosphor together with the fluorescence. In general, a phosphor is a powdery fluorescent material hardened with a binder, and has a diffusing action of diffusing incident light by the fluorescent material or the binder. The light divergence angle of the light emitting element is relatively small at the time of incidence on the phosphor, but is widened when emitted from the light emitting surface of the phosphor due to the diffusion action of the phosphor. Since the fluorescence is also emitted from the entire light emitting surface, the divergence angle is relatively large.
導光ロッドは、蛍光体の拡散作用によって発散角が広がった光の発散角を小さくし、内視鏡のライトガイドに効率よく入射させるために設けられている。導光ロッドは、入射端面および出射端面と、入射端面と出射端面を結び、入射端面から入射した光を全反射させながら出射端面へと導光する側面とを有し、入射端面よりも出射端面の面積が大きくなるように、側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。このように入射端面の面積よりも出射端面の面積が大きい先太の導光ロッドでは、入射光は側面で全反射を繰り返す過程で発散角が小さくなる。 The light guide rod is provided in order to reduce the divergence angle of the light whose divergence angle is widened by the diffusing action of the phosphor and efficiently enter the light guide of the endoscope. The light guide rod has an incident end face and an exit end face, a side face that connects the entrance end face and the exit end face, and guides light incident from the entrance end face to the exit end face while totally reflecting the light, and the exit end face is more than the entrance end face. The side surface has a tapered shape inclined with respect to the optical axis so that the surface area becomes larger. In this way, in the thick light guide rod having the exit end face area larger than the entrance end face area, the divergence angle of the incident light becomes small in the process of repeating total reflection on the side face.
発光素子と導光ロッドの間に蛍光体を配置した、特許文献1の図11に示す光源モジュールのような構成では、蛍光体から発せられる光をいかに余すところなく導光ロッドに入射させ、かつ導光ロッドに入射した光をいかに損失なく導光するかが光利用効率の向上のための鍵となる。
In a configuration such as the light source module shown in FIG. 11 of
特許文献1では、光利用効率を向上させるために、蛍光体の周辺方向に向かう光を導光ロッドの入射端面に向けて反射させる反射部材を設けている。しかしながら、蛍光体と導光ロッドを組み合わせた光源モジュールにおいては、こうした反射部材を設けるだけでは光利用効率を向上させる対策としては不十分であった。
In
例えば、特許文献1では、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面を突き当てている。しかし、蛍光体が発する光を導光ロッドに効率よく入射させるためには、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面を単に突き当てるだけでは、伝播する光の波長に対して発光面と入射端面の間の隙間が大きすぎ、導光ロッドの入射端面での反射による光損失が大きいため、光利用効率を向上させるための対策としては不十分である。したがって、特許文献1のように反射部材を設けて蛍光体の周辺方向に向かう光を導光ロッドの入射端面に向けて反射させたとしても、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面を単に突き当てているだけでは光利用効率の大幅な改善は期待できない。
For example, in
また、蛍光体の発光面から出射する光は発散角が大きいため、蛍光体から導光ロッドへ入射した光のうち、発散角が大きな高角成分については、導光ロッドの側面への入射角が臨界角よりも小さくなり、側面で全反射せずに側面から透過して光損失となってしまう。このため、仮に反射部材によって反射した光が運よく導光ロッドに入射したとしても、その光の発散角が大きい場合には側面から透過して結局光損失となってしまう。 In addition, since the light emitted from the light emitting surface of the phosphor has a large divergence angle, the high angle component having a large divergence angle out of the light incident from the phosphor to the light guide rod has an incident angle on the side surface of the light guide rod. It becomes smaller than the critical angle, and it is transmitted from the side surface without being totally reflected on the side surface, resulting in light loss. For this reason, even if the light reflected by the reflecting member is fortunately incident on the light guide rod, if the divergence angle of the light is large, it is transmitted from the side surface and eventually results in light loss.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、発光素子と導光ロッドの間に蛍光体を配置した構成において、光利用効率を向上させることができる光源装置、およびこれを用いた内視鏡システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a configuration in which a phosphor is disposed between a light emitting element and a light guide rod, a light source device capable of improving light utilization efficiency, and an internal view using the light source device An object is to provide a mirror system.
上記目的を達成するために、本発明の内視鏡のライトガイドに照明光を供給する光源装置は、半導体で構成された発光素子と、蛍光体と、導光ロッドとを備える。蛍光体は、発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する。導光ロッドは、入射端面および出射端面と、入射端面と出射端面を結び、入射端面から入射した光を全反射させながら出射端面へと導光する側面とを有し、入射端面よりも出射端面の面積が大きくなるように、側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。発光面と入射端面は光学的接合されている。入射端面から出射端面に向かう途中までの範囲において、側面の全周に反射膜が形成されている。 In order to achieve the above object, a light source device for supplying illumination light to a light guide of an endoscope of the present invention includes a light emitting element made of a semiconductor, a phosphor, and a light guide rod. The phosphor has a light emitting surface that emits mixed light of light emitted from the light emitting element and fluorescence excited by the light. The light guide rod has an incident end face and an exit end face, a side face that connects the entrance end face and the exit end face, and guides the light incident from the entrance end face to the exit end face while totally reflecting the light, and the exit end face is more than the entrance end face. The side surface has a tapered shape inclined with respect to the optical axis so that the surface area becomes larger. The light emitting surface and the incident end surface are optically joined. A reflection film is formed on the entire circumference of the side surface in the range from the incident end surface to the exit end surface.
「光学的接合」とは、2つの光学部材の接合面(この場合は発光面と入射端面)同士を、光学的に透明な接着剤等で接合することを意味する。「光学的接合」には、2つの光学部材の接合面を鏡面研磨して平坦面とし、接合面同士を接触させることで、分子間力によって当該接合面同士が接合される現象、より詳しくは、2つの光学部材間で導光される光の波長よりも短い間隔で接合面同士が密着して接合される現象も含む。 “Optical bonding” means that the bonding surfaces (in this case, the light emitting surface and the incident end surface) of two optical members are bonded to each other with an optically transparent adhesive or the like. “Optical bonding” is a phenomenon in which the bonding surfaces of two optical members are mirror-polished to form a flat surface, and the bonding surfaces are brought into contact with each other by intermolecular force. It also includes a phenomenon in which the bonding surfaces are closely bonded at an interval shorter than the wavelength of the light guided between the two optical members.
反射膜は、誘電体多層膜のコーティング、金属膜のコーティング、または金属フイルムの接着のうちのいずれかにより形成される。より好ましくは、反射膜は、誘電体多層膜のコーティングにより形成される。 The reflective film is formed by any one of dielectric multilayer coating, metal film coating, or metal film adhesion. More preferably, the reflective film is formed by coating a dielectric multilayer film.
導光ロッドに入射した光の側面における臨界角をθc、側面の光軸に対する傾斜角度をα、入射端面の面積をSaとしたとき、反射膜の入射端面からの形成長さは、反射膜の出射端面側の終端における、入射端面と平行な導光ロッドの断面の面積Sbが、以下の条件式1を満たすような長さである。
条件式1:Sb≧Sa/cos2(θc−α)
When the critical angle at the side surface of the light incident on the light guide rod is θc, the inclination angle with respect to the optical axis of the side surface is α, and the area of the incident end surface is Sa, the formation length of the reflective film from the incident end surface is The area Sb of the cross section of the light guide rod parallel to the incident end face at the end on the exit end face side is a length that satisfies the following
Conditional expression 1: Sb ≧ Sa / cos 2 (θc−α)
より好ましくは、反射膜の入射端面からの形成長さは、反射膜の出射端面側の終端における、入射端面と平行な導光ロッドの断面の面積Sbが、以下の等式1を満たすような長さである。
等式1:Sb=Sa/cos2(θc−α)
More preferably, the formation length of the reflecting film from the incident end face is such that the area Sb of the cross section of the light guide rod parallel to the incident end face at the end of the reflecting film on the exit end face side satisfies the following
Equation 1: Sb = Sa / cos 2 (θc−α)
導光ロッドは、光軸と直交する断面が正方形である。 The light guide rod has a square cross section perpendicular to the optical axis.
導光ロッドに入射した光の側面における臨界角をθc、側面の光軸に対する傾斜角度をα、入射端面の辺の長さをdaとしたとき、反射膜は以下の条件式2を満たす入射端面からの形成長さLを有する。
条件式2:L≧da・[{1/cos(θc−α)}−1]/(2tanα)
When the critical angle at the side surface of the light incident on the light guide rod is θc, the inclination angle with respect to the optical axis of the side surface is α, and the length of the side of the incident end surface is da, the reflecting film satisfies the following
Conditional expression 2: L ≧ da · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / (2 tan α)
より好ましくは、反射膜は以下の等式2を満たす形成長さLを有する。
等式2:L=da・[{1/cos(θc−α}−1]/(2tanα)
More preferably, the reflective film has a formation length L that satisfies
Equation 2: L = da · [{1 / cos (θc−α} −1] / (2 tan α)
発光素子は、中心波長445nmの励起光を発する。蛍光体は、該励起光によって励起されて緑色領域から赤色領域に渡る波長域の蛍光を発する。励起光と蛍光によって混合光として白色光が生成される。 The light emitting element emits excitation light having a center wavelength of 445 nm. The phosphor is excited by the excitation light and emits fluorescence in a wavelength region extending from the green region to the red region. White light is generated as mixed light by the excitation light and fluorescence.
発光素子は、レーザダイオード、またはLEDのいずれかを有する。 The light emitting element has either a laser diode or an LED.
また、本発明は、照明光を導光するライトガイドが内蔵された内視鏡と、ライトガイドに照明光を供給する光源装置とを有する内視鏡システムにおいて、光源装置は、半導体で構成された発光素子と、蛍光体と、導光ロッドとを備える。蛍光体は、発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する。導光ロッドは、入射端面および出射端面と、入射端面と出射端面を結び、入射端面から入射した光を全反射させながら出射端面へと導光する側面とを有し、入射端面よりも出射端面の面積が大きくなるように、側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。発光面と入射端面は光学的接合されている。入射端面から出射端面に向かう途中までの範囲において、側面の全周に反射膜が形成されている。 Further, the present invention provides an endoscope system including an endoscope in which a light guide that guides illumination light is incorporated and a light source device that supplies illumination light to the light guide, wherein the light source device is formed of a semiconductor. A light emitting device, a phosphor, and a light guide rod. The phosphor has a light emitting surface that emits mixed light of light emitted from the light emitting element and fluorescence excited by the light. The light guide rod has an incident end face and an exit end face, a side face that connects the entrance end face and the exit end face, and guides light incident from the entrance end face to the exit end face while totally reflecting the light, and the exit end face is more than the entrance end face. The side surface has a tapered shape inclined with respect to the optical axis so that the surface area becomes larger. The light emitting surface and the incident end surface are optically joined. A reflection film is formed on the entire circumference of the side surface in the range from the incident end surface to the exit end surface.
本発明によれば、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面とを光学的接合させ、入射端面から出射端面に向かう途中までの範囲において、導光ロッドの側面の全周に反射膜を設けるので、蛍光体から発せられる光を余すところなく導光ロッドに入射させることができ、かつ導光ロッドに入射した光を損失なく導光することができる。したがって、発光素子と導光ロッドの間に蛍光体を配置した構成において、光利用効率を向上させることができる。 According to the present invention, the light emitting surface of the phosphor and the incident end surface of the light guide rod are optically joined, and the reflective film is provided on the entire circumference of the side surface of the light guide rod in a range from the incident end surface to the middle of the exit end surface. Since it is provided, the light emitted from the phosphor can be incident on the light guide rod without any excess, and the light incident on the light guide rod can be guided without loss. Therefore, in the configuration in which the phosphor is disposed between the light emitting element and the light guide rod, the light utilization efficiency can be improved.
図1において、内視鏡システム10は、生体内の観察部位を撮像する内視鏡11と、撮像により得られた画像信号に基づいて観察部位の観察画像を生成するプロセッサ装置12と、観察部位を照射する照明光を内視鏡11に供給する光源装置13と、観察画像を表示するモニタ14とを備えている。プロセッサ装置12には、キーボードやマウス等の操作入力部15が接続されている。
In FIG. 1, an
内視鏡システム10は、照明光として白色光を使用し、白色光のもとで観察部位を観察するための通常光観察モードと、照明光として特殊光を利用して観察部位に存在する血管の性状を観察するための血管強調観察モードおよび酸素飽和度観察モードとを備えている。血管強調観察モードおよび酸素飽和度観察モードは、血管のパターンや酸素飽和度等の性状を把握して、腫瘍の良悪鑑別等の診断を行うための特殊光観察モードである。血管強調観察モードおよび酸素飽和度観察モードでは、特殊光として、血中ヘモグロビンに対する吸光度が高い波長域の狭帯域光が利用される。血管強調観察モードは、血管が強調された血管強調画像を表示する。酸素飽和度観察モードは、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を示す酸素飽和度画像を表示する。
The
内視鏡11は、生体の消化管内に挿入される挿入部16と、挿入部16の基端部分に設けられた操作部17と、操作部17とプロセッサ装置12および光源装置13との間を連結するユニバーサルコード18とを備えている。
The
挿入部16は、先端から順に連設された、先端部19、湾曲部20、可撓管部21からなる。図2に示すように、先端部19の先端面には、観察部位に照明光を照射する照明窓22、観察部位の像を取り込むための観察窓23、観察窓23を洗浄するために送気・送水を行うための送気・送水ノズル24、鉗子や電気メスといった処置具を突出させて各種処置を行うための鉗子出口25が設けられている。観察窓23の奥には、撮像素子44や結像用の対物光学系51(ともに図3参照)が内蔵されている。
The
湾曲部20は、連結された複数の湾曲駒からなり、操作部17のアングルノブ26を操作することにより、上下左右方向に湾曲動作する。湾曲部20が湾曲することにより、先端部19の向きが所望の方向に向けられる。可撓管部21は、食道や腸等曲がりくねった管道に挿入できるように可撓性を有している。挿入部16には、撮像素子44を駆動する駆動信号や撮像素子44が出力する画像信号を通信する通信ケーブルや、光源装置13から供給される照明光を照明窓22に導光するライトガイド43(図3参照)が挿通されている。
The bending
操作部17には、アンブルノブ26の他、処置具を挿入するための鉗子口27、送気・送水ノズル24から送気・送水を行う際に操作される送気・送水ボタン28、静止画像を撮影するためのレリーズボタン(図示せず)等が設けられている。
In addition to the
ユニバーサルコード18には、挿入部16から延設される通信ケーブルやライトガイド43が挿通されており、プロセッサ装置12および光源装置13側の一端には、コネクタ29が取り付けられている。コネクタ29は、通信用コネクタ29aと光源用コネクタ29bからなる複合タイプのコネクタである。通信用コネクタ29aと光源用コネクタ29bはそれぞれ、プロセッサ装置12と光源装置13に着脱自在に接続される。通信用コネクタ29aには通信ケーブルの一端が配設されており、光源用コネクタ29bにはライトガイド43の入射端が配設されている。
A communication cable and a light guide 43 extending from the
図3において、光源装置13は、それぞれ発光波長が異なる3種類の光源モジュール31、32、33と、これらを駆動制御する光源制御部34とを備えている。光源制御部34は、光源装置13の各部の駆動タイミングや同期タイミング等の制御を行う。
In FIG. 3, the light source device 13 includes three types of
光源モジュール31〜33は、特定の波長域の狭帯域光をそれぞれ発光するレーザダイオードLD1、LD2、LD3を有している。図4に示すように、レーザダイオードLD1は、青色(B)領域において、例えば波長域が440±10nmに制限され、中心波長が445nmの狭帯域光N1を発光する。レーザダイオードLD2は、青色領域において、例えば波長域が410±10nmに制限され、中心波長が405nmの狭帯域光N2を発光する。レーザダイオードLD3は、青色領域において、例えば波長域が470±10nmに制限され、中心波長が473nmの狭帯域光N3を発光する。レーザダイオードLD1〜LD3としては、InGaN系、InGaNAs系、GaNAs系のものを用いることができる。また、レーザダイオードLD1〜LD3としては、高出力化が可能なストライプ幅(導波路の幅)が広いブロードエリア型のレーザダイオードが好ましい。
The
光源モジュール32、33は、2本の光ファイバ39a、39bを介してカプラ39cと接続されている。また、光源モジュール31とカプラ39cは、2本の光ファイバ39d、39eを介してカプラ39fと接続されている。これら4本の光ファイバ39a、39b、39d、39eおよび2個のカプラ39c、39fは、光源モジュール31〜33の光路を1つの光路に統合する。光ファイバ39d、39a、39bの入射端は光源モジュール31、32、33にそれぞれ対面している。内視鏡11のライトガイド43の入射端は1つであるため、光源モジュール31〜33の光を内視鏡11に供給する前段において、光ファイバ39a、39b、39d、39eおよびカプラ39c、39fによって光源モジュール31〜33の光の光路が統合される。
The
カプラ39fには1本の光ファイバ39gが接続され、光ファイバ39gの出射端には蛍光体36が接続されている。図4に示すように、蛍光体36は、レーザダイオードLD1が発する445nmの青色領域の狭帯域光N1によって励起されて、緑色(G)領域から赤色(R)領域に渡る波長域の蛍光FLを発光する。蛍光体36は、狭帯域光N1の一部を吸収して蛍光FLを発光するとともに、吸収しなかった残りの狭帯域光N1を透過させる。蛍光体36を透過する狭帯域光N1は、蛍光体36によって拡散される。透過する狭帯域光N1と励起される蛍光FLの混合光によって白色光が生成される。蛍光体36としては、例えば、YAG系、BAM(BgMgAl10O17)系等の蛍光体が使用される。
One
光源モジュール32は、血管強調観察用の光源である。血中ヘモグロビンの吸光スペクトルを表す図5において、血液のヘモグロビンの吸光係数μaは、波長依存性を有しており、波長が450nm以下の領域において急激に上昇し、405nm付近においてピークを有している。また、波長が450nm以下と比較すると低い値ではあるが、波長が530nm〜560nmにおいてもピークを有している。吸光係数μaが大きな波長の光を観察部位に照射すると、血管においては吸収が大きいので、血管とそれ以外の部分とのコントラストが大きな像が得られる。
The
また、図6に示すように、生体組織の光の散乱特性にも波長依存性があり、短波長になるほど散乱係数μSは大きくなる。散乱は生体組織内への光の深達度に影響する。すなわち、散乱が大きいほど、生体組織の粘膜表層付近で反射される光が多く、中深層に到達する光が少ない。そのため、短波長であるほど深達度は低く、長波長になるほど深達度は高い。こうしたヘモグロビンの吸光特性と生体組織の光の散乱特性を鑑みて、血管強調用の光の波長が選択される。 Further, as shown in FIG. 6, the light scattering characteristics of the living tissue also have wavelength dependence, and the scattering coefficient μS increases as the wavelength becomes shorter. Scattering affects the depth of light penetration into living tissue. That is, the greater the scattering, the more light that is reflected near the mucosal surface layer of the biological tissue and the less light that reaches the mid-depth layer. Therefore, the shorter the wavelength, the lower the depth of penetration, and the longer the wavelength, the higher the depth of penetration. In view of such light absorption characteristics of hemoglobin and light scattering characteristics of living tissue, the wavelength of light for blood vessel enhancement is selected.
光源モジュール32が発する405nmの狭帯域光N2は、深達度が低いので、表層血管による吸収が大きい。このため狭帯域光N2は表層血管強調用の光として用いられる。狭帯域光N2を用いることにより、観察画像において表層血管を高コントラストで描出することができる。また、中深層血管強調用の光としては、光源モジュール31が発する白色光の緑色成分が用いられる。図5に示す吸光スペクトルにおいて、450nm以下の青色領域と比較して、530nm〜560nmの緑色領域においては、吸光係数は緩やかに変化するので、中深層血管強調用の光は、青色領域ほど狭帯域であることは要求されない。そのため、後述するように、中深層血管強調用には、撮像素子44のG色のマイクロカラーフイルタによって白色光から色分離した緑色成分が用いられる。
Since the 405 nm narrow-band light N2 emitted from the
光源モジュール33は、酸素飽和度観察用の光源である。図5において、実線の吸光スペクトルHbは酸素と結合していない還元ヘモグロビンの吸光スペクトルを示し、一点鎖線の吸光スペクトルHbO2は、酸素と結合した酸化ヘモグロビンの吸光スペクトルを示す。このように還元ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンは、異なる吸光特性を持っており、同じ吸光係数μaを示す等吸収点(各スペクトルHb、HbO2の交点)を除いて、吸光係数μaに差が生じる。吸光係数μaに差があると、同じ光強度かつ同じ波長の光を照射しても、酸素飽和度が変化すれば、反射率が変化する。酸素飽和度観察モードにおいては、吸光係数μaに差がある波長として、光源モジュール33が発する波長473nmの狭帯域光N3が用いられ、酸素飽和度が測定される。
The
図3において、光源制御部34は、レーザダイオードLD1〜LD3に接続されたドライバ37を介してレーザダイオードLD1〜LD3の点灯、消灯、光量の制御を行う。具体的には、光源制御部34は、ドライバ37から電流の駆動パルスを与えることによりレーザダイオードLD1〜LD3を点灯させる。そして、駆動パルスのデューティ比を制御するPWM(Pulse Width Modulation)制御を行うことにより、駆動電流値を変化させて各狭帯域光N1〜N3の発光量を制御する。駆動電流値の制御は、駆動パルスの振幅を変えるPAM(Pulse Amplitude Modulation)制御等でもよい。
In FIG. 3, the light
蛍光体36の光路の下流側には、導光ロッド40、および縮小光学系41が設けられている。縮小光学系41は、光源用コネクタ29bが接続されるレセプタクルコネクタ42の近傍に配置されている。導光ロッド40から出射された光は、縮小光学系41を経由して、光源用コネクタ29bに配されたライトガイド43の入射端に供給される。なお、図示は省略するが、光源用コネクタ29bとレセプタクルコネクタ42にはそれぞれ保護ガラスが設けられている。
A
内視鏡11は、ライトガイド43、撮像素子44、アナログ処理回路45(AFE:Analog Front End)、撮像制御部46を備えている。ライトガイド43は、複数本の光ファイバをバンドル化したファイババンドルである。光源用コネクタ29bが光源装置13に接続されたときに、光源用コネクタ29bに配置されたライトガイド43の入射端が光源装置13の縮小光学系41と対向する。先端部19に位置するライトガイド43の出射端は、2つの照明窓22に光が導光されるように、照明窓22の前段で2本に分岐している。
The
照明窓22の奥には、照射レンズ48が配置されている。光源装置13から供給された光はライトガイド43により照射レンズ48に導光されて照明窓22から観察部位に向けて照射される。照射レンズ48は凹レンズからなり、ライトガイド43から出射する光の発散角を広げる。これにより、観察部位の広い範囲に照明光を照射することができる。
An irradiation lens 48 is disposed behind the
観察窓23の奥には、対物光学系51と撮像素子44が配置されている。観察部位の像は、観察窓23を通して対物光学系51に入射し、対物光学系51によって撮像素子44の撮像面44aに結像される。
In the back of the
撮像素子44は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等からなり、フォトダイオード等の画素を構成する複数の光電変換素子がマトリックスに配列された撮像面44aを有している。撮像素子44は、撮像面44aで受光した光を光電変換して、各画素においてそれぞれの受光量に応じた信号電荷を蓄積する。信号電荷はアンプによって電圧信号に変換されて読み出される。電圧信号は画像信号として撮像素子44からAFE45に出力される。
The
撮像素子44は、カラー撮像素子であり、撮像面44aには、図7に示すような分光特性を有するB、G、Rの3色のマイクロカラーフイルタが各画素に割り当てられている。マイクロカラーフイルタによって、光源モジュール31が発光する白色光がB、G、Rの3色に分光される。マイクロカラーフイルタの配列は例えばベイヤー配列である。
The
図8に示すように、撮像素子44は、1フレームの取得期間内で、画素に信号電荷を蓄積する蓄積動作と、蓄積した信号電荷を読み出す読み出し動作を行う。図8(A)に示すように、通常光観察モードにおいては、撮像素子44の蓄積動作のタイミングに合わせてレーザダイオードLD1が点灯し、照明光として狭帯域光N1と蛍光FLの混合光からなる白色光(N1+FL)が観察部位に照射され、その反射光が撮像素子44に入射する。撮像素子44は、白色光をマイクロカラーフイルタで色分離する。狭帯域光N1に対応する反射光をB画素が受光し、蛍光FLの中のG成分に対応する反射光をG画素が、蛍光FLの中のR成分に対応する反射光をR画素がそれぞれ受光する。撮像素子44は、読み出しタイミングに合わせて、B、G、Rの各画素の画素値が混在した1フレーム分の画像信号B、G、Rをフレームレートに従って順次出力する。こうした撮像動作は、通常光観察モードが設定されている間、繰り返される。
As shown in FIG. 8, the
血管強調観察モードにおいては、図8(B)に示すように、光源モジュール31に加えて、撮像素子44の蓄積動作のタイミングに合わせて光源モジュール32が点灯する。光源モジュール31、32が点灯すると、通常光観察モードと同様の白色光とともに、狭帯域光N2が追加されて、これらの混合光(N1+FL+N2)が照明光として観察部位に照射される。
In the blood vessel enhancement observation mode, as shown in FIG. 8B, in addition to the
通常光観察モードと同様に、白色光に狭帯域光N2が追加された照明光は、撮像素子44のB、G、Rのマイクロカラーフイルタで分光される。撮像素子44のB画素は、狭帯域光N1に加えて、狭帯域光N2を受光する。G画素は、蛍光FLのG成分を受光する。R画素は、蛍光FLのR成分を受光する。血管強調観察モードにおいても、撮像素子44は、読み出しタイミングに合わせて、画像信号B、G、Rをフレームレートに従って順次出力する。こうした撮像動作は、血管強調観察モードが設定されている間、繰り返される。
As in the normal light observation mode, the illumination light in which the narrow band light N2 is added to the white light is split by the B, G, and R micro color filters of the
酸素飽和度観察モードにおいては、図8(C)に示すように、まず、撮像素子44の蓄積動作のタイミングに合わせて光源モジュール31が点灯する。光源モジュール31が点灯すると、通常光観察モードと同様に白色光が観察部位に照射される。次のフレームにおいては、光源モジュール31が消灯したうえで光源モジュール33が点灯して、狭帯域光N3が観察部位に照射される。酸素飽和度観察モードにおいても、撮像素子44は、読み出しタイミングに合わせて、画像信号B、G、Rをフレームレートに従って順次出力する。
In the oxygen saturation observation mode, as shown in FIG. 8C, first, the
ただし、酸素飽和度観察モードでは、通常光観察モードや血管強調観察モードと異なり、白色光と狭帯域光N3が交互に照射されるので、最初のフレームで白色光に対応する画像信号B、G、Rが出力され、次のフレームでは狭帯域光N3に対応する画像信号B、G、Rが出力されるというように、各照明光に対応して画像信号B、G、Rが担持する情報も1フレームおきに変化する。こうした撮像動作は、酸素飽和度観察モードが設定されている間、繰り返される。 However, in the oxygen saturation observation mode, unlike the normal light observation mode and the blood vessel enhancement observation mode, the white light and the narrowband light N3 are alternately irradiated. Therefore, the image signals B and G corresponding to the white light in the first frame are used. , R are output, and in the next frame, the image signals B, G, R corresponding to the narrowband light N3 are output, and the information carried by the image signals B, G, R corresponding to each illumination light Also changes every other frame. Such an imaging operation is repeated while the oxygen saturation observation mode is set.
図3において、AFE45は、相関二重サンプリング回路(CDS)、自動ゲイン制御回路(AGC)、およびアナログ/デジタル変換器(A/D)(いずれも図示省略)から構成されている。CDSは、撮像素子44からのアナログの画像信号に対して相関二重サンプリング処理を施し、信号電荷のリセットに起因するノイズを除去する。AGCは、CDSによりノイズが除去された画像信号を増幅する。A/Dは、AGCで増幅された画像信号を、所定のビット数に応じた階調値を持つデジタルな画像信号に変換してプロセッサ装置12に入力する。
In FIG. 3, the
撮像制御部46は、プロセッサ装置12内のコントローラ56に接続されており、コントローラ56から入力される基準クロック信号に同期して、撮像素子44に対して駆動信号を入力する。撮像素子44は、撮像制御部46からの駆動信号に基づいて、所定のフレームレートで画像信号をAFE45に出力する。
The
プロセッサ装置12は、コントローラ56の他、DSP(Digital Signal Processor)57と、画像処理部58と、フレームメモリ59と、表示制御回路60とを備えている。コントローラ56は、CPU、制御プログラムや制御に必要な設定データを記憶するROM、プログラムをロードして作業メモリとして機能するRAM等からなり、CPUが制御プログラムを実行することにより、プロセッサ装置12の各部を制御する。
In addition to the
DSP57は、撮像素子44が出力する画像信号を取得する。DSP57は、B、G、Rの各画素に対応する信号が混在した画像信号を、B、G、Rの画像信号に分離し、各色の画像信号に対して画素補間処理を行う。この他、DSP57は、ガンマ補正や、B、G、Rの各画像信号に対してホワイトバランス補正等の信号処理を施す。
The
フレームメモリ59は、DSP57が出力する画像データや、画像処理部58が処理した処理済みのデータを記憶する。表示制御回路60は、フレームメモリ59から画像処理済みの画像データを読み出して、コンポジット信号やコンポーネント信号等のビデオ信号に変換してモニタ14に出力する。
The
図9(A)に示すように、通常光観察モードにおいては、画像処理部58は、DSP57によってB、G、Rの各色に色分離された画像信号B、G、Rに基づいて、通常光観察用の表示画像を生成する。この表示画像が観察画像としてモニタ14に出力される。画像処理部58は、フレームメモリ59内の画像信号B、G、Rが更新される毎に、表示画像を更新する。
As shown in FIG. 9A, in the normal light observation mode, the
図9(B)に示すように、血管強調観察モードにおいては、画像処理部58は、画像信号B、G、Rに基づいて、血管強調観察用の表示画像を生成する。血管強調観察モードにおける画像信号Bには、白色光のB成分(狭帯域光N1と蛍光FLの一部を含む)に加えて、狭帯域光N2の情報が含まれているため、表層血管が高コントラストで描出される。癌等の病変においては、正常組織と比較して、表層血管の密集度が高くなる傾向がある等血管のパターンに特徴があるため、腫瘍の良悪鑑別を目的とする血管強調観察においては、表層血管が鮮明に描出されることが好ましい。
As shown in FIG. 9B, in the blood vessel enhancement observation mode, the
また、より表層血管を強調する場合には、例えば、画像信号Bに基づいて表層血管の領域を抽出して、抽出した領域に対して輪郭強調処理等を施す。そして、輪郭強調処理が施された画像信号Bを、画像信号B、G、Rから生成したフルカラー画像に合成する。こうすることで、より表層血管が強調される。表層血管に加えて中深層血管に対しても同様の処理を行ってもよい。中深層血管を強調する場合には、中深層血管の情報が多く含まれている画像信号Gから中深層血管の領域を抽出して、抽出した領域に対して輪郭強調処理を施して、強調処理済みの画像信号Gを、画像信号B、G、Rから生成したフルカラー画像に合成する。 When emphasizing the superficial blood vessels, for example, a superficial blood vessel region is extracted based on the image signal B, and contour enhancement processing or the like is performed on the extracted region. Then, the image signal B that has undergone the contour enhancement processing is combined with a full-color image generated from the image signals B, G, and R. By doing so, the superficial blood vessels are more emphasized. The same processing may be performed on the middle- and deep-layer blood vessels in addition to the surface blood vessels. When emphasizing the middle-and-deep blood vessel, the region of the middle-and-deep blood vessel is extracted from the image signal G that includes a lot of information about the middle-and-deep blood vessel, and contour enhancement processing is performed on the extracted region. The completed image signal G is combined with a full-color image generated from the image signals B, G, and R.
血管強調観察用の表示画像は、通常光観察用と同様に、三色の画像信号B、G、Rに基づいて生成されるため観察部位をフルカラーで表示することが可能となるが、血管強調観察モードにおける画像信号Bは、通常光観察モードにおける画像信号Bと比較すると、青色の濃度が高い。そのため、血管強調観察用の表示画像を生成する場合には、通常光観察用の表示画像と同様の色味になるように色補正を行ってもよい。画像処理部58は、フレームメモリ59内の画像信号B、G、Rが更新される毎に、血管強調観察用の表示画像を生成する。
The display image for blood vessel enhancement observation is generated based on the three color image signals B, G, and R, as in the case of normal light observation, so that the observation site can be displayed in full color. The image signal B in the observation mode has a higher blue density than the image signal B in the normal light observation mode. For this reason, when a display image for blood vessel enhancement observation is generated, color correction may be performed so that the same color as that of the display image for normal light observation is obtained. The
なお、血管強調観察用の表示画像を生成する方式としては、画像信号Rを使わずに、画像信号B、Gの二色のみで生成して、画像信号Bをモニタ14のBチャンネルおよびGチャンネルに、画像信号Gに対応する信号をモニタ14のRチャンネルに割り当てる方式等、観察部位を疑似カラーで表示する方式を採用してもよい。
As a method for generating a display image for blood vessel enhancement observation, the image signal R is generated using only two colors of the image signals B and G without using the image signal R, and the image signal B is generated by the B channel and the G channel of the
図9(C)に示すように、酸素飽和度観察モードにおいては、画像処理部58は、白色光のもとで取得された画像信号G1、R1と、狭帯域光N3のもとで取得された画像信号B2に基づいて、酸素飽和度算出処理を行う。画像信号B2の画素値には、酸素飽和度に加えて血液量の情報も含まれている。より正確に酸素飽和度を求めるためには、画像信号B2の画素値から血液量の情報を分離する必要がある。画像処理部58は、血液量に対して高い相関を示す画像信号Rを利用して、画像信号Bとの間で画像間演算を行って、酸素飽和度と血液量の情報を分離する。
As shown in FIG. 9C, in the oxygen saturation observation mode, the
具体的には、画像処理部58は、各画像信号B2、G1、R1の同じ位置の画素値を照合して、画像信号B2の画素値と画像信号G1の画素値の信号比B2/G1と、画像信号R1の画素値と画像信号G1の画素値の信号比R1/G1を求める。画像信号G1は、画像信号B2と画像信号R1の画素値を規格化するために、観察部位の明るさレベルを表す参照信号として用いられる。そして、予め作成された、信号比B2/G1およびR1/G1と酸素飽和度および血液量との相関関係を記憶したテーブルに基づいて、血液量の情報が分離された酸素飽和度を算出する。そして、画像信号B1、G1、R1に基づいて生成されるフルカラー画像に対して、算出した酸素飽和度の値に応じた色変換を行って、酸素飽和度観察用の表示画像を生成する。
Specifically, the
図10において、光源モジュール31は、発光素子66と集光レンズ68とを有する。発光素子66は、支持体となる円板状のステム66aの一面に半導体チップであるレーザダイオードLD1が取り付けられて、樹脂製の円筒状の透明キャップ66bでレーザダイオードLD1を覆ったものである。ステム66aの裏面からは、リード線66cが延びている。破線で示すように発光素子66と集光レンズ68はケース67に収容されており、該ケース67には光ファイバ39dの入射端が接続される接続部67aが設けられている。すなわち光源モジュール31は、いわゆるレセプタクル型の半導体光源である。
In FIG. 10, the
レーザダイオードLD1は、P型半導体からなるP層とN型半導体からなるN層が活性層を挟んで接合された半導体チップであり、レーザ発振により活性層からレーザ光を発する。レーザ光は直進性が高いが、ビーム形状が発光点から略円錐状に広がる発散光である。集光レンズ68は光ファイバ39dの入射端と対向配置されており、レーザダイオードLD1から発せられたレーザ光は集光レンズ68によって光ファイバ39dの入射端に集光される。
The laser diode LD1 is a semiconductor chip in which a P layer made of a P-type semiconductor and an N layer made of an N-type semiconductor are joined with an active layer interposed therebetween, and emits laser light from the active layer by laser oscillation. Laser light is highly divergent, but is divergent light whose beam shape spreads from the light emitting point in a substantially conical shape. The condensing
光源モジュール32、33も光源モジュール31と同様に、レーザダイオードLD2、LD3をそれぞれ有する発光素子と、レーザダイオードLD2、LD3から発せられたレーザ光を光ファイバ39a、39bの入射端に集光する集光レンズとを備える。発光素子のステム等の構成は光源モジュール31の発光素子66と同様であるため図示を省略する。なお、集光レンズを発光素子の透明キャップ内に収容した構成としてもよい。
Similarly to the
図11において、蛍光体36は、遮光性を有する円筒状の保護ケース62内に充填されている。蛍光体36の中心には、光ファイバ39gの出射端が挿入される挿通孔が形成されている。光ファイバ39gは、出射端に接続用のフェルール(図示せず)が取り付けられた状態で挿通孔に挿入される。蛍光体36は、粉末状の蛍光材料を、樹脂材料からなるバインダに分散して固めたもので、保護ケース62に倣う円筒状の形状を有する。蛍光材料は分散されているため、励起された蛍光FLの発光点は、蛍光体36の発光面69の全域となる。また、蛍光体36を透過する狭帯域光N1〜N3もバインダの光拡散作用により蛍光体36内で拡散するため、狭帯域光N1〜N3は発光面69の全域が発光点となる。
In FIG. 11, the
蛍光体36には、入射光の発散角を変更するための導光ロッド40が接合されている。蛍光体36と導光ロッド40は、蛍光体36の発光面69と導光ロッド40の入射端面70の中心が一致するように接合されており、発光面69と入射端面70は光学的接合されている。具体的には、発光面69と入射端面70とは、発光面69と入射端面70とを接触させたときの両者の間隔が、発光面69から入射端面70に導光される光の波長よりも短い間隔となるよう、鏡面研磨により極平坦な面とされ、そのうえで両者が接合されている。本例の場合は、図4に示すように蛍光FL、狭帯域光N1〜N3のうち、最短の波長がおよそ350nmであるため、発光面69と入射端面70の間隔は、例えば350nm以下となっている。なお、光学的に透明な接着剤を用いて発光面69と入射端面70を接着した場合も上記光学的接合に含まれる。また、発光面69と入射端面70を光学的接合させたうえで、発光面69と入射端面70の周囲を接着剤により補強してもよい。
A
導光ロッド40は、前記入射端面70と、入射端面70に入射した光を出射する出射端面71と、入射端面70と出射端面71を結ぶ4つの側面72とを有する。導光ロッド40は、中実な透明ガラス等で形成され、ライトガイド43の光軸Cと直交する断面形状が正方形で、側面72が、入射端面70よりも出射端面71の面積が大きくなるように光軸Cに対して傾斜したテーパ形状を有している。図12に示すように、導光ロッド40は、入射端面70から入射した光を、空気との界面となる4つの側面72で全反射させながら、発散角を小さくしつつライトガイド43の方向に伝播して出射端面71から出射する。より具体的には、発散角β1で入射端面70から入射した光は、入射角γ1、γ2で側面72において2回全反射し、β1よりも小さい発散角β2(β2<β1)で出射端面71から出射する。
The
なお、側面72における反射回数が多いほど発散角は小さくなり、また、導光ロッド40の光軸C方向の長さ(全長)が長いほど、入射した光の側面72における反射回数は増える。さらに、側面72の光軸Cに対する傾斜角度α(図15参照)が大きいほど、1回の反射による発散角の縮小量は大きくなる。
The divergence angle decreases as the number of reflections on the
導光ロッド40の全長や傾斜角度αは、縮小光学系41を通してライトガイド43に入射する光の発散角が、ファイババンドルであるライトガイド43の素線となる光ファイバのNA(開口数:Numerical Aperture)に適合するよう設定される。周知のように、光ファイバは、屈折率の高いコアと、コアの周囲に配された、屈折率が低いクラッドとからなり、光ファイバの入射端から入射した光は、コアとクラッドの境界において全反射しながら光軸C方向に伝播する。光を伝播させるためには、全反射条件を満たす入射角で、光ファイバの入射端に光を入射させることが必要である。
The total length and the inclination angle α of the
NAは、光ファイバがどれだけ光を集めることができるかを表す指標であり、最大受光角θmaxの正弦で定義される(NA=sinθmax)。最大受光角θmaxが大きいほどNAの値は大きい。光ファイバに入射する光線の入射角が最大受光角θmax以下であれば、光ファイバ内においてコアとクラッドの境界で全反射が生じるため、入射光はライトガイド43の光軸C方向に伝播して導光される。入射角が最大受光角θmaxを越えると、入射光は全反射せずに透過してしまうため、ライトガイド43内を導光されない。導光されない入射光線は光伝達損失となる。この光伝達損失を低減するために、導光ロッド40および縮小光学系41は、光源モジュール31のビームの発散角を、最大受光角θmax以下に規制する。縮小光学系41は、導光ロッド40から出射した光をライトガイド43に集光する。
NA is an index representing how much light can be collected by the optical fiber, and is defined by the sine of the maximum light receiving angle θmax (NA = sin θmax). The larger the maximum light receiving angle θmax, the larger the NA value. If the incident angle of the light beam incident on the optical fiber is equal to or smaller than the maximum light receiving angle θmax, total reflection occurs at the boundary between the core and the clad within the optical fiber, so that the incident light propagates in the optical axis C direction of the light guide 43. Light is guided. When the incident angle exceeds the maximum light receiving angle θmax, the incident light is transmitted without being totally reflected, so that the light guide 43 is not guided. Incident light that is not guided becomes a light transmission loss. In order to reduce this light transmission loss, the
ハッチングで示すように、入射端面70から出射端面71に向かう途中までの範囲の側面72の全周には、反射膜73が形成されている。反射膜73は、側面72に誘電体多層膜を蒸着によりコーティングすることで形成される。反射膜73を誘電体多層膜とすれば、99%以上の反射率を達成することができる。なお、誘電体多層膜のコーティングに代えて、アルミニウム等の金属膜を蒸着によりコーティングしたり、金属フイルムを接着したりして、反射膜73を形成してもよい。金属膜や金属フイルムは誘電体多層膜と比べて反射率の点では多少劣るが、製造コストを安く抑えることができる。
As shown by hatching, a
反射膜73の種類による反射率と製造コストの比較表を図13に示す。「A」は最も優れているものを示し、「C」が最も劣っているものを示す。誘電体多層膜は反射率の点で他より優れているが、製造コストは一番掛かる。金属膜は反射率、製造コストともに平均的である。金属フイルムは、製造コストは一番安く済むが、反射率の点で最も劣る。光利用効率を向上させる目的からすれば、反射膜73を誘電体多層膜とすることが最も好ましい。
FIG. 13 shows a comparison table of reflectance and manufacturing cost according to the type of the
図14(A)に示すように、反射膜73が設けられていない場合、入射端面70に入射した光のうち、導光ロッド40に入射した光の側面72における臨界角θcより小さい入射角γ11(γ11<θc)で入射した光は、側面72を透過して空気中に放射され、いわゆる漏れ光となる。図14(B)に示すように、反射膜73は、こうした普通は漏れ光となって光利用効率を低下させてしまう臨界角θcより小さい入射角γ11で入射した光を反射させて、導光ロッド40内を伝播させるために設けられている。一方、臨界角θc以上の入射角γ12(γ12≧θc)の光は、反射膜73の有無に関わらず側面72で全反射を繰り返して導光ロッド40内を伝播する。
As shown in FIG. 14A, when the
図14(B)において、臨界角θcより小さい入射角γ11で入射端面70から入射した光は、反射膜73で反射を繰り返しているうちに、入射端面70よりも出射端面71の面積が大きくなるように光軸Cに対して傾斜した側面72の発散角を広げる作用によって、側面72への入射角が徐々に大きくなって(γ11<γ21<γ31<γ41)、臨界角θc以上(γ41≧θc)となり、反射膜73の助けを借りずに導光ロッド40内をライトガイド43に向けて伝播するようになる。このため反射膜73は、導光ロッド40の全体にわたって形成する必要はなく、臨界角θcより小さい入射角で入射端面70から入射した光の側面72への入射角が臨界角θc以上となる反射回数を稼げる分の長さだけ入射端面70から出射端面71に向かう途中までの範囲に形成されていればよい。
In FIG. 14B, the light incident from the
図15を参照して反射膜73の入射端面70からの形成長さLの条件について考察する。まず、光源の発光面積と発散角の積であるエタンデューは保存されることが知られている。蛍光体36の発光面69の面積と導光ロッド40の入射端面70の面積をほぼ同じと考えると、導光ロッド40の入射端面70におけるエタンデューと、反射膜73の出射端面71側の終端における、入射端面70と平行な導光ロッド40の断面74のエタンデューとの関係は次のようになる。すなわち、入射端面70の面積をSa、断面74の面積をSb、入射端面70における発光面69から入射する光の発散角をΩa、断面74における光の発散角をΩbとしたとき、エタンデューの保存より次式(1a)が成り立つ。
Sa・sin2(Ωa/2)=Sb・sin2(Ωb/2)・・・(1a)
ここで発光面69から出射する光の発散角はπ(単位:rad)であり、発光面69と入射端面70は光学的接合されているため、発光面69から出射する光は全て入射端面70に入射する。したがってΩa=πである。このため式(1a)は次式(1b)に書き換えられる。
Sa=Sb・sin2(Ωb/2)・・・(1b)
With reference to FIG. 15, the conditions of the formation length L from the
Sa · sin 2 (Ωa / 2) = Sb · sin 2 (Ωb / 2) (1a)
Here, the divergence angle of the light emitted from the
Sa = Sb · sin 2 (Ωb / 2) (1b)
また、導光ロッド40の屈折率をnとしたとき、臨界角θcは、スネルの法則より次式(2)で表せる。
θc=sin−1(1/n)・・・(2)
When the refractive index of the
θc = sin −1 (1 / n) (2)
側面72の光軸に対する傾斜角度をαとしたとき、発散角Ωbの光の側面72への入射角γは、次式(3)となる。
γ=π/2−(Ωb/2−α)・・・(3)
この入射角γの光が側面72で全反射してライトガイド43の方向に伝播すれば、反射膜73の役割を果たすことができる。すなわち入射角γが臨界角θc以上であればよく、次式(4a)で表せる。
γ≧θc・・・(4a)
式(4a)のγに式(3)の右辺を代入してΩb/2について解くと、式(4a)は次式(4b)となる。
Ωb/2≦π/2+α−θc・・・(4b)
式(1b)よりsin(Ωb/2)=(Sa/Sb)1/2であるため、結局式(4b)は、次式(4c)となる。
式(4b)より、sin(Ωb/2)≦sin(π/2+α−θc)
(Sa/Sb)1/2≦cos(θc−α)・・・(4c)
これをSbについて解くと、式(4c)は次式(4d)で表せる。
Sb≧Sa/cos2(θc−α)・・・(4d)
When the inclination angle of the
γ = π / 2− (Ωb / 2−α) (3)
If the light having the incident angle γ is totally reflected by the
γ ≧ θc (4a)
Substituting the right side of equation (3) into γ of equation (4a) and solving for Ωb / 2, equation (4a) becomes the following equation (4b).
Ωb / 2 ≦ π / 2 + α−θc (4b)
Since sin (Ωb / 2) = (Sa / Sb) 1/2 from the equation (1b), the equation (4b) becomes the following equation (4c) after all.
From equation (4b), sin (Ωb / 2) ≦ sin (π / 2 + α−θc)
(Sa / Sb) 1/2 ≦ cos (θc−α) (4c)
Solving this for Sb, equation (4c) can be expressed by the following equation (4d).
Sb ≧ Sa / cos 2 (θc−α) (4d)
一方、入射端面70、断面74の辺の長さをそれぞれda、dbとすると、dbは反射膜73の形成長さLと側面72の光軸に対する傾斜角度αとで次式(5a)のように表せる。
db=da+2L・tanα・・・(5a)
式(5a)をLについて解くと、次式(5b)となる。
L=(db−da)/(2tanα)・・・(5b)
On the other hand, assuming that the lengths of the sides of the
db = da + 2L · tan α (5a)
When equation (5a) is solved for L, the following equation (5b) is obtained.
L = (db−da) / (2 tan α) (5b)
また、Sa=da2、Sb=db2であるので、式(4d)は、次式(4e)となる。
db≧da/cos(θc−α)・・・(4e)
この式(4e)を変形すると、次式(4f)となる。
(db−da)/(2tanα)≧da・[{1/cos(θc−α)}−1]/(2tanα)・・・(4f)
Further, since Sa = da 2 and Sb = db 2 , the expression (4d) becomes the following expression (4e).
db ≧ da / cos (θc−α) (4e)
When this equation (4e) is modified, the following equation (4f) is obtained.
(Db-da) / (2 tan α) ≧ da · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / (2 tan α) (4f)
式(4f)の左辺は式(5b)の右辺に他ならない。したがって反射膜73の形成長さLの条件式は、次式(6)で表せる。
L≧da・[{1/cos(θc−α)}−1]/(2tanα)・・・(6)
反射膜73は、式(6)の右辺以上、さらに好ましくは式(6)の右辺と等しい長さLで形成されている。
The left side of equation (4f) is nothing but the right side of equation (5b). Therefore, the conditional expression for the formation length L of the
L ≧ da · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / (2 tan α) (6)
The
反射膜73の形成長さLが式(6)の右辺よりも短いと、臨界角θcより小さい入射角で入射端面70から入射した光の側面72への入射角が臨界角θc以上とならないうちに反射膜73がなくなるので、図14(A)の入射角γ11の光のように漏れ光となってしまい光損失が生じる。一方で、反射膜73の形成長さLが式(6)の右辺以上であると、臨界角θcより小さい入射角で入射端面70から入射した光の側面72への入射角が臨界角θc以上となっているにも関わらず、それ以降の回の反射においても側面72と比べて反射率が劣る反射膜73によって反射されるため、その分光損失が生じる。反射率が比較的低い反射膜73の場合は特に光損失が大きい。また、臨界角θcより小さい入射角で入射端面70から入射した光の側面72への入射角が臨界角θc以上とする目的に寄与せず、反対に光損失が生じてしまう余分な反射膜73の形成に無駄なコストが掛かる。したがって、反射膜73は、次式(7)に示すように、式(6)の右辺と等しい長さLで形成されることがより好ましい。
L=da・[{1/cos(θc−α)}−1]/(2tanα)・・・(7)
上記の考え方を同様に式(4d)にも適用すると、次式(8)に示すようになる。
Sb=Sa/cos2(θc−α)・・・(8)
If the formation length L of the
L = da · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / (2 tan α) (7)
When the above concept is similarly applied to the equation (4d), the following equation (8) is obtained.
Sb = Sa / cos 2 (θc−α) (8)
導光ロッド40の屈折率n=1.46、da=1mmとし、出射端面71から出射される光の発散角が半値半幅で10°となるようにしたときの反射膜73の形成長さLを式(7)より計算した結果、および導光ロッド40の全長を図16の表に示す。表より、側面72の光軸Cに対する傾斜角度αを大きくする程、導光ロッド40の全長は短くて済み、これに伴って反射膜73の形成長さLも短くて済む。また、導光ロッド40の全長に対する反射膜73の形成長さLは約3%〜約4%の割合であり、導光ロッド40の全長の約1/30〜約1/25の長さに反射膜73を形成すれば十分であることが分かる。
The formation length L of the
以下、上記構成による作用について説明する。内視鏡診断を行う場合には、内視鏡11をプロセッサ装置12と光源装置13に接続し、プロセッサ装置12と光源装置13の電源を入れて、内視鏡システム10を起動する。
Hereinafter, the operation of the above configuration will be described. When performing an endoscopic diagnosis, the
内視鏡11の挿入部16を被検者の消化管内に挿入して、消化管内の観察が開始される。通常光観察モードでは、光源モジュール31が点灯して、レーザダイオードLD1が発する狭帯域光N1と、蛍光体36が発する蛍光FLとが混合された白色光が観察部位に照射される。
The
白色光の照射中に撮像素子44によって観察部位が撮像されて、DSP57によってB、G、Rの画像信号が生成される。画像処理部58は、B、G、Rの画像信号に基づいて、通常光観察用の表示画像を生成する。表示制御回路60は、通常光観察用の表示画像をビデオ信号に変換してモニタ14に表示する。
The observation site is imaged by the
血管強調観察を行う場合には、操作入力部15によってモード切り換え操作が行われて、プロセッサ装置12が血管強調観察モードに設定される。
When blood vessel enhancement observation is performed, a mode switching operation is performed by the
血管強調観察モードでは、光源モジュール31に加えて光源モジュール32が点灯して、白色光と狭帯域光N2が同時に観察部位に照射される。白色光および狭帯域光N2を照射中に撮像素子44によって観察部位が撮像されて、DSP57によってB、G、Rの画像信号が生成される。血管強調観察モードにおいては、画像処理部58は、B、G、Rの画像信号に基づいて、血管強調観察用の表示画像を生成する。表示制御回路60は、血管強調観察用の表示画像をビデオ信号に変換してモニタ14に表示する。観察部位においてビームが照射されるスポットが白色光と狭帯域光N2とで略同じとなるため、色ムラのない表示画像が得られる。血管強調観察モードでは、画像信号Bに、白色光のB成分に加えて、狭帯域光N2が含まれているので、観察画像において表層血管が高コントラストで描出される。
In the blood vessel enhancement observation mode, the
酸素飽和度観察を行う場合には、操作入力部15からモード切り換え操作が行われて、プロセッサ装置12の動作モードが酸素飽和度観察モードに設定される。
When performing oxygen saturation observation, mode switching operation is performed from the
酸素飽和度観察モードでは、光源モジュール31と光源モジュール33とが、1フレーム毎に交互に点灯し、白色光と狭帯域光N3が交互に観察部位に照射される。撮像素子44は、白色光および狭帯域光N3に対応する画像信号をDSP57に順次出力する。DSP57は、白色光の元で取得した画像信号に基づいて、B1、G1、R1の各色の画像信号を生成して、狭帯域光N3の元で取得した画像信号に基づいて、B2の画像信号を生成する。画像処理部58は、画像信号B2、G1、R1の画像間演算を行うことにより、酸素飽和度を算出する。そして、画像信号B1、G1、R1に基づいて生成されるフルカラー画像に対して、算出した酸素飽和度の値に応じた色変換を行って、酸素飽和度観察用の表示画像を生成する。
In the oxygen saturation observation mode, the
蛍光体36の発光面69と導光ロッド40の入射端面70が光学的接合されていないと、発光面69と入射端面70の間の空気層によって、発光面69から発せられる光のうちの比較的発散角が大きい高角成分が入射端面70に入射せず光損失となるが、本例では発光面69と入射端面70が光学的接合されているので、比較的発散角が大きい高角成分の光も含め、発光面69から出射する光が余すところなく入射端面70に入射する。また、普通は漏れ光となる臨界角θcより小さい入射角の光が、反射膜73で反射されることによって側面72への入射角が臨界角θc以上の光となり、導光ロッド40内をライトガイド43に向けて伝播される。発光面69と入射端面70を光学的接合せず、かつ側面72に反射膜73を設けない場合と比べて、光利用効率が約20%アップする。したがって、比較的低い駆動電力で観察に十分な光量を得ることができる。
If the
反射膜73の形成長さLを式(6)の右辺以上とすることで、普通は漏れ光となる臨界角θcより小さい入射角の光を導光ロッド40内に閉じ込めて伝播させることができる。さらに反射膜73の形成長さLを式(6)の右辺と等しくすれば、反射膜73で反射させることにより生じる光損失を最小限に抑えることができる。
By setting the formation length L of the
上記実施形態では、光軸と直交する断面形状が正方形の導光ロッド40を例示しているが、導光ロッドの形状はこれに限定されない。光軸と直交する断面形状が円形で略円錐状の導光ロッドを用いてもよい。略円錐状の導光ロッドの場合、式(6)は、入射端面の半径raを用いて次式(9)に改められる。
L≧ra・[{1/cos(θc−α)}−1]/tanα・・・(9)
同様に式(7)は、次式(10)に改められる。
L=ra・[{1/cos(θc−α)}−1]/tanα・・・(10)
この他にも光軸と直交する断面形状が長方形、あるいは多角形の導光ロッドを用いてもよい。光軸と直交する断面形状が正方形でない場合も上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the said embodiment, although the cross-sectional shape orthogonal to an optical axis has illustrated the
L ≧ ra · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / tan α (9)
Similarly, Expression (7) is changed to the following Expression (10).
L = ra · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / tan α (10)
In addition, a light guide rod having a rectangular or polygonal cross-sectional shape orthogonal to the optical axis may be used. Even when the cross-sectional shape orthogonal to the optical axis is not square, the same effect as the above embodiment can be obtained.
狭帯域光N1〜N3、蛍光FLの発光波長域は上記例に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、腫瘍を死滅させるための中心波長635nmの治療光を狭帯域光N3として用いてもよい。あるいは、赤外線の波長域の蛍光FLを発する蛍光体を用いてもよい。 The emission wavelength ranges of the narrowband light N1 to N3 and the fluorescence FL are not limited to the above examples, and can be changed as appropriate. For example, treatment light having a center wavelength of 635 nm for killing the tumor may be used as the narrowband light N3. Alternatively, a phosphor that emits fluorescence FL in the infrared wavelength region may be used.
上記実施形態では、発光素子66と導光ロッド40の間に蛍光体36を配置した構成に、血管強調観察用や酸素飽和度観察用の光源を加えた構成を例示しているが、血管強調観察用や酸素飽和度観察用の光源はなくともよい。また、発光素子として、レーザダイオードを有するものを例示しているが、レーザダイオード以外のLEDやEL等を有する発光素子を用いてもよい。LEDやEL等を有する発光素子を用いた場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, a configuration in which a light source for blood vessel enhancement observation and oxygen saturation observation is added to the configuration in which the
上記実施形態では、B、G、Rのマイクロカラーフイルタが設けられたカラー撮像素子を用いて、白色光をマイクロカラーフイルタで色分離して複数色の画像を同時に取得する同時方式を例に説明したが、カラーフイルタが設けられていないモノクロ撮像素子を用いて、各色の画像を順次取得する面順次方式に適用してもよい。 In the above-described embodiment, an example of a simultaneous method in which white light is color-separated by a micro color filter and a plurality of color images are simultaneously acquired using a color image sensor provided with B, G, and R micro color filters is described. However, the present invention may be applied to a frame sequential method in which images of respective colors are sequentially acquired using a monochrome imaging element not provided with a color filter.
上記実施形態では、光源装置とプロセッサ装置が別体で構成される例で説明したが、2つの装置を一体で構成してもよい。また、本発明は、撮像素子と超音波トランスデューサが先端部に内蔵された超音波内視鏡や、配管の亀裂等を検査する工業内視鏡、あるいは挿入部が硬い棒状の硬性鏡等、他の形態の内視鏡に照明光を供給する光源装置およびこれを用いた内視鏡システムにも適用することができる。 In the above embodiment, the example in which the light source device and the processor device are configured separately is described, but the two devices may be configured integrally. The present invention also provides an ultrasonic endoscope in which an image pickup element and an ultrasonic transducer are built in the tip, an industrial endoscope for inspecting cracks in piping, a rod-shaped rigid endoscope with a hard insertion portion, and the like. The present invention can also be applied to a light source device that supplies illumination light to an endoscope of the form and an endoscope system using the same.
10 内視鏡システム
11 内視鏡
12 プロセッサ装置
13 光源装置
31〜33 光源モジュール
34 光源制御部
36 蛍光体
40 導光ロッド
43 ライトガイド
44 撮像素子
46 撮像制御部
56 コントローラ
58 画像処理部
66 発光素子
69 発光面
70 入射端面
71 出射端面
72 側面
73 反射膜
LD1〜LD3 レーザダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (11)
半導体で構成された発光素子と、
前記発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する蛍光体と、
入射端面および出射端面と、前記入射端面と前記出射端面を結び、前記入射端面から入射した混合光を全反射させながら前記出射端面へと導光する側面とを有し、前記入射端面よりも前記出射端面の面積が大きくなるように、前記側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である導光ロッドとを備え、
前記発光面と前記入射端面は光学的接合されており、
前記入射端面から前記出射端面に向かう途中までの範囲において、前記側面の全周に反射膜が形成されていることを特徴とする光源装置。 In a light source device that supplies illumination light to a light guide of an endoscope,
A light emitting device composed of a semiconductor;
A phosphor having a light emitting surface that emits mixed light of the light emitted from the light emitting element and the fluorescence excited by the light;
An incident end face and an exit end face; and a side face that connects the incident end face and the exit end face and guides mixed light incident from the incident end face to the exit end face while totally reflecting the mixed light. A light guide rod having a tapered shape in which the side surface is inclined with respect to the optical axis so that the area of the emission end surface is increased;
The light emitting surface and the incident end surface are optically bonded,
In the range from the incident end face to the exit end face, a reflection film is formed on the entire circumference of the side face.
条件式1:Sb≧Sa/cos2(θc−α) The length of formation of the reflective film from the incident end surface when the critical angle of the side surface of the light incident on the light guide rod is θc, the inclination angle of the side surface with respect to the optical axis is α, and the area of the incident end surface is Sa. The length Sb of the cross section of the light guide rod parallel to the incident end face at the end of the reflecting film on the output end face side satisfies the following conditional expression 1. The light source device according to claim 1.
Conditional expression 1: Sb ≧ Sa / cos 2 (θc−α)
等式1:Sb=Sa/cos2(θc−α) 5. The light source device according to claim 4, wherein the formation length is a length such that an area Sb of the cross section satisfies Equation 1 below.
Equation 1: Sb = Sa / cos 2 (θc−α)
条件式2:L≧da・[{1/cos(θc−α)}−1]/(2tanα) When the critical angle at the side surface of the light incident on the light guide rod is θc, the inclination angle with respect to the optical axis of the side surface is α, and the length of the side of the incident end surface is da, the reflective film has the following conditional expression: The light source device according to claim 6, wherein the light source device has a formation length L from the incident end surface that satisfies 2.
Conditional expression 2: L ≧ da · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / (2 tan α)
等式2:L=da・[{1/cos(θc−α)}−1]/(2tanα) The light source device according to claim 7, wherein the reflective film has the formation length L that satisfies Equation 2 below.
Equation 2: L = da · [{1 / cos (θc−α)} − 1] / (2 tan α)
前記蛍光体は、該励起光によって励起されて緑色領域から赤色領域に渡る波長域の蛍光を発し、
励起光と蛍光によって混合光として白色光が生成されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の光源装置。 The light emitting element emits excitation light having a central wavelength of 445 nm,
The phosphor is excited by the excitation light and emits fluorescence in a wavelength region extending from a green region to a red region,
The light source device according to claim 1, wherein white light is generated as mixed light by excitation light and fluorescence.
前記ライトガイドに照明光を供給する光源装置とを有する内視鏡システムにおいて、
前記光源装置は、半導体で構成された発光素子と、
前記発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する蛍光体と、
入射端面および出射端面と、前記入射端面と前記出射端面を結び、前記入射端面から入射した光を全反射させながら前記出射端面へと導光する側面とを有し、前記入射端面よりも前記出射端面の面積が大きくなるように、前記側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である導光ロッドとを備え、
前記発光面と前記入射端面は光学的接合されており、
前記入射端面から前記出射端面に向かう途中までの範囲において、前記側面の全周に反射膜が形成されていることを特徴とする内視鏡システム。 An endoscope with a built-in light guide for guiding illumination light;
In an endoscope system having a light source device that supplies illumination light to the light guide,
The light source device includes a light emitting element made of a semiconductor,
A phosphor having a light emitting surface that emits mixed light of the light emitted from the light emitting element and the fluorescence excited by the light;
An incident end face and an outgoing end face; and a side face that connects the incident end face and the outgoing end face and guides light incident from the incident end face to the outgoing end face while totally reflecting the incident end face; A light guide rod having a tapered shape in which the side surface is inclined with respect to the optical axis so as to increase the area of the end surface;
The light emitting surface and the incident end surface are optically bonded,
An endoscope system, wherein a reflective film is formed on the entire periphery of the side surface in a range from the incident end surface to the exit end surface.
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