JP2015223462A - 照明装置、照明方法及び内視鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本開示に係る照明装置は、レーザ光を射出する少なくとも1つのレーザ光源と、前記レーザ光源から射出された前記レーザ光を光ファイバに結合させる結合光学系と、前記光ファイバから射出された前記レーザ光を平行光束とするコリメート光学系と、前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に配置され、前記平行光束を拡散させることで2次光源を生成する拡散部材と、前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像するコンデンサ光学系と、を備える。
【選択図】図1A
Description
1.スペックルノイズについて
2.第1の実施の形態(照明装置全体のスペックルノイズを低減する例)
2.1.照明装置の構成について
2.2.内視鏡の構成について
2.3.コンデンサ光学系の具体例
3.第2の実施の形態(各光源のスペックルノイズを低減し、各光源で観察されるスペックルノイズのうち空間的な可干渉性に関係する部分を等しい程度にする例)
3.1.照明装置の構成について
3.2.内視鏡の構成について
3.3.検証例
4.第3の実施の形態(第1の実施の形態と第2の実施の形態の組み合わせ例)
本開示の実施形態に係る照明装置、照明方法及び内視鏡について説明するに先立ち、本開示で着目するスペックルノイズ(以下、単に「スペックル」ともいう。)について、簡単に説明する。
x:物体面上における位置
μ:複素コヒーレンス度(位置xと(x+Δx)との間の空間的な可干渉性を示すパラメータ)
S(ξ):光源の輝度分布
i:虚数単位
λ:波長
である。
L1:ラグランジェの不変量
φ1:光源の大きさ
NA1:光源の開口数(=n×sinΘ1)
n:屈折率
Θ1:光源の発散角
以下では、まず、照明装置全体での可干渉性を低減してスペックルノイズを発生しにくくすることが可能な照明装置及び照明方法と、この照明装置を有する内視鏡について、詳細に説明する。
まず、図1A〜図9Bを参照しながら、本開示の第1の実施形態に係る照明装置の構成について説明する。図1Aは、本実施形態に係る照明装置の構成を模式的に示した説明図であり、図1Bは、ライトガイドの入射端を模式的に示した説明図である。図2〜図3は、本実施形態に係る照明装置の構成を模式的に示した説明図である。図4〜図7及び図9A〜図9Bは、コレクタレンズの瞳位置とレーザ光との位置関係を説明するための説明図である。図8は、ダイクロイックミラーの光軸上でのシフト量とスペックルとの関係を示したグラフ図である。
Θ:拡散部材出射角度
Θw:入射光の画角
Θd:拡散部材の拡散角度
である。
Y:2次光源の大きさ
Y’:2次光源の像の大きさ
NAcond:コンデンサ光学系の入射開口数
NAcond’:コンデンサ光学系の出射開口数
次に、図2〜図9Bを参照しながら、本実施形態に係る照明装置の構成を具体的に説明する。
続いて、図10を参照しながら、本実施形態に係る照明装置1が照明光源として用いられる内視鏡10の構成について、簡単に説明する。図10は、本実施形態に係る照明装置を備えた内視鏡の構成を模式的に示した説明図である。
次に、図11〜図12Cを参照しながら、本実施形態に係る照明装置1におけるコンデンサ光学系150について、具体例を挙げながら説明する。図11は、本実施形態に係るコンデンサ光学系のレンズデータを示した説明図であり、図12A〜図12Cは、本実施形態に係るコンデンサ光学系のレンズ構成例を示した説明図である。
コリメート光学系焦点距離fcol=7.6
2次光源の大きさY=3.34
拡散板角度=23度
以下では、光源から射出されたレーザ光のスペックルノイズを低減することが可能な照明装置及び照明方法と、この照明装置を有する内視鏡について、詳細に説明する。
まず、図13A〜図19を参照しながら、本開示の第2の実施形態に係る照明装置の構成について説明する。図13A〜図17及び図19は、本開示の第2の実施形態に係る照明装置の構成を模式的に示した説明図である。図18A及び図18Bは、コレクタレンズの瞳位置とレーザ光との位置関係を説明するための説明図である。
次に、図14A〜図19を参照しながら、本実施形態に係る照明装置の構成を具体的に説明する。
まず、図14A〜図15を参照しながら、レーザ光源200として、1つのレーザ光源を用いる場合を例に挙げて、説明を行う。
θ ≦ θbeam ・・・(式201−2)
DA ≦ (WA/2) ・・・(式202−2)
続いて、図17〜図19を参照しながら、レーザ光源200として、複数のレーザ光源を用いる場合を例に挙げて、説明を行う。
続いて、図20を参照しながら、本実施形態に係る照明装置2が照明光源として用いられる内視鏡10の構成について、簡単に説明する。図20は、本実施形態に係る照明装置を備えた内視鏡の構成を模式的に示した説明図である。
以下では、図21〜図24を参照しながら、レーザ光源200(一次光源)の軸を光軸から平行移動させることでスペックルノイズを削減する場合について、スペックルノイズの削減度合いを具体的に検証した例を示す。
以下では、第1の実施形態で説明した、照明装置全体のスペックルノイズを低減するための方法と、第2の実施形態で説明した、光源から射出されたレーザ光のスペックルノイズを低減するための方法と、を組み合わせた例について、第3の実施形態として簡単に説明する。
まず、図25を参照しながら、本開示の第3の実施形態に係る照明装置の構成について説明する。図25は、本実施形態に係る照明装置の構成を模式的に示した説明図である。
続いて、図26を参照しながら、本実施形態に係る照明装置3が照明光源として用いられる内視鏡10の構成について、簡単に説明する。図26は、本実施形態に係る照明装置を備えた内視鏡の構成を模式的に示した説明図である。
(1)
レーザ光を射出する少なくとも1つのレーザ光源と、
前記レーザ光源から射出された前記レーザ光を光ファイバに結合させる結合光学系と、
前記光ファイバから射出された前記レーザ光を平行光束とするコリメート光学系と、
前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に配置され、前記平行光束を拡散させることで2次光源を生成する拡散部材と、
前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像するコンデンサ光学系と、
を備える、照明装置。
(2)
前記コンデンサ光学系により前記ライトガイドの入射端に結像される前記2次光源の像の大きさをY’とし、前記ライトガイドの入射端の直径をφLGとしたとき、以下の式1で表わされる関係が成立する、(1)に記載の照明装置。
0.8 ≦ Y’/φLG ≦ 1.2 ・・・(式1)
(3)
前記コンデンサ光学系の前記近軸横倍率は、0.4〜2.3である、(1)又は(2)に記載の照明装置。
(4)
前記コンデンサ光学系により前記ライトガイドの入射端に結像される前記2次光源の像の大きさをY’とし、前記ライトガイドの入射端の直径をφLGとしたとき、Y’=φLGの関係が成立する、(2)又は(3)に記載の照明装置。
(5)
複数の前記レーザ光源が設けられ、
前記結合光学系は、それぞれの前記レーザ光源から射出された前記レーザ光間で、前記光ファイバへの入射開口数を揃える開口数調整部を有する、(1)〜(4)の何れか1つに記載の照明装置。
(6)
前記開口数調整部は、
ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムを少なくとも有し、
前記ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムへの前記レーザ光の入射位置、又は、前記結合光学系の中心光軸に対する前記ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムの配置位置により、前記入射開口数を調整する、(5)に記載の照明装置。
(7)
前記結合光学系を透過した少なくとも1つの前記レーザ光は、前記光ファイバの入射端面に、当該入射端面の法線に対して斜め方向から入射する、(1)〜(6)の何れか1つに記載の照明装置。
(8)
複数の前記レーザ光源が設けられ、
少なくとも一つの前記レーザ光源では、前記コンデンサ光学系により前記ライトガイドの入射端に結像される前記2次光源の大きさをY’とし、前記ライトガイドの入射端の直径をφLGとしたとき、以下の式1で表わされる関係が成立し、
0.8 ≦ Y’/φLG ≦ 1.2 ・・・(式1)
前記少なくとも一つのレーザ光源以外のレーザ光源では、前記結合光学系は、それぞれの前記レーザ光源から射出された前記レーザ光間で、前記光ファイバへの入射開口数を揃える開口数調整部を有する、(1)〜(7)の何れか1つに記載の照明装置。
(9)
前記コンデンサ光学系は、前記2次光源が形成される側の面、及び、前記2次光源の像が形成される面がそれぞれ平面であるレンズ系からなる、(1)〜(8)の何れか1つに記載の照明装置。
(10)
前記コンデンサ光学系は、前記拡散部材の側から順に、平面を前記拡散部材側に向けた正の平凸レンズと、1枚以上の正レンズと、平面を前記コンデンサ光学系の後段側に向けた正の平凸レンズと、を有するレンズ系からなる、(9)に記載の照明装置。
(11)
前記コンデンサ光学系における前記2次光源が形成される側に最も位置する平凸レンズの前記拡散部材の側の面は、非球面である、(9)に記載の照明装置。
(12)
前記レーザ光源は、半導体レーザ又は固体レーザの少なくとも何れかである、(1)〜(11)の何れか1つに記載の照明装置。
(13)
前記拡散部材は、ホログラフィックパターンが施されたホログラフィック拡散板、又は、マイクロレンズアレイである、(1)〜(12)の何れか1つに記載の照明装置。
(14)
少なくとも1つのレーザ光源から射出されたレーザ光を、結合光学系を介して光ファイバに結合させることと、
光ファイバから射出された前記レーザ光を、コリメート光学系により平行光束とすることと、
前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に設けられた拡散部材により、前記平行光束を拡散させて2次光源を生成することと、
前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像させることと、
を含む、照明方法。
(15)
レーザ光を射出する少なくとも1つのレーザ光源、前記レーザ光源から射出された前記レーザ光を光ファイバに結合させる結合光学系、前記光ファイバから射出された前記レーザ光を平行光束とするコリメート光学系、前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に配置され、前記平行光束を拡散させることで2次光源を生成する拡散部材、及び、前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像するコンデンサ光学系を有する照明装置と、
前記照明装置から射出されたレーザ光が入射するライトガイドと、
を備える、内視鏡。
100,200,300 レーザ光源
110,210,310 結合光学系
120,220,320 光ファイバ
130,230,330 コリメート光学系
140,240,340 拡散部材
150,250,350 コンデンサ光学系
Claims (15)
- レーザ光を射出する少なくとも1つのレーザ光源と、
前記レーザ光源から射出された前記レーザ光を光ファイバに結合させる結合光学系と、
前記光ファイバから射出された前記レーザ光を平行光束とするコリメート光学系と、
前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に配置され、前記平行光束を拡散させることで2次光源を生成する拡散部材と、
前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像するコンデンサ光学系と、
を備える、照明装置。 - 前記コンデンサ光学系により前記ライトガイドの入射端に結像される前記2次光源の像の大きさをY’とし、前記ライトガイドの入射端の直径をφLGとしたとき、以下の式1で表わされる関係が成立する、請求項1に記載の照明装置。
0.8 ≦ Y’/φLG ≦ 1.2 ・・・(式1)
- 前記コンデンサ光学系の前記近軸横倍率は、0.4〜2.3である、請求項1に記載の照明装置。
- 前記コンデンサ光学系により前記ライトガイドの入射端に結像される前記2次光源の像の大きさをY’とし、前記ライトガイドの入射端の直径をφLGとしたとき、Y’=φLGの関係が成立する、請求項2に記載の照明装置。
- 複数の前記レーザ光源が設けられ、
前記結合光学系は、それぞれの前記レーザ光源から射出された前記レーザ光間で、前記光ファイバへの入射開口数を揃える開口数調整部を有する、請求項1に記載の照明装置。 - 前記開口数調整部は、
ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムを少なくとも有し、
前記ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムへの前記レーザ光の入射位置、又は、前記結合光学系の中心光軸に対する前記ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムの配置位置により、前記入射開口数を調整する、請求項5に記載の照明装置。 - 前記結合光学系を透過した少なくとも1つの前記レーザ光は、前記光ファイバの入射端面に、当該入射端面の法線に対して斜め方向から入射する、請求項1に記載の照明装置。
- 複数の前記レーザ光源が設けられ、
少なくとも一つの前記レーザ光源では、前記コンデンサ光学系により前記ライトガイドの入射端に結像される前記2次光源の大きさをY’とし、前記ライトガイドの入射端の直径をφLGとしたとき、以下の式1で表わされる関係が成立し、
0.8 ≦ Y’/φLG ≦ 1.2 ・・・(式1)
前記少なくとも一つのレーザ光源以外のレーザ光源では、前記結合光学系は、それぞれの前記レーザ光源から射出された前記レーザ光間で、前記光ファイバへの入射開口数を揃える開口数調整部を有する、請求項1に記載の照明装置。 - 前記コンデンサ光学系は、前記2次光源が形成される側の面、及び、前記2次光源の像が形成される面がそれぞれ平面であるレンズ系からなる、請求項1に記載の照明装置。
- 前記コンデンサ光学系は、前記拡散部材の側から順に、平面を前記拡散部材側に向けた正の平凸レンズと、1枚以上の正レンズと、平面を前記コンデンサ光学系の後段側に向けた正の平凸レンズと、を有するレンズ系からなる、請求項9に記載の照明装置。
- 前記コンデンサ光学系における前記2次光源が形成される側に最も位置する平凸レンズの前記拡散部材の側の面は、非球面である、請求項9に記載の照明装置。
- 前記レーザ光源は、半導体レーザ又は固体レーザの少なくとも何れかである、請求項1に記載の照明装置。
- 前記拡散部材は、ホログラフィックパターンが施されたホログラフィック拡散板、又は、マイクロレンズアレイである、請求項1に記載の照明装置。
- 少なくとも1つのレーザ光源から射出されたレーザ光を、結合光学系を介して光ファイバに結合させることと、
光ファイバから射出された前記レーザ光を、コリメート光学系により平行光束とすることと、
前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に設けられた拡散部材により、前記平行光束を拡散させて2次光源を生成することと、
前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像させることと、
を含む、照明方法。 - レーザ光を射出する少なくとも1つのレーザ光源、前記レーザ光源から射出された前記レーザ光を光ファイバに結合させる結合光学系、前記光ファイバから射出された前記レーザ光を平行光束とするコリメート光学系、前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に配置され、前記平行光束を拡散させることで2次光源を生成する拡散部材、及び、前記2次光源の像を所定の近軸横倍率でライトガイドの入射端に結像するコンデンサ光学系を有する照明装置と、
前記照明装置から射出されたレーザ光が入射するライトガイドと、
を備える、内視鏡。
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