JP4656864B2

JP4656864B2 - 内視鏡用光源装置

Info

Publication number: JP4656864B2
Application number: JP2004162232A
Authority: JP
Inventors: 稔村山; 雅彦佐々木
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP2005342033A

Description

本発明は、内視鏡により、体腔壁を可視光による通常観察と、体腔壁の生体組織を励起することによって発生する自家蛍光による蛍光観察とを可能とするため、可視光及び励起光を発生して内視鏡のライトガイドに入射させる内視鏡用光源装置に関する。

この種の内視鏡用光源装置は、例えば特許文献１及び２に開示されている。特許文献１の図１には、それぞれ平行な白色光、励起光を発する白色光源２１及び励起光源２２、これらの光源からの光の光路を合成するダイクロイックミラー２４、ＲＧＢの各色フィルターを備えたホイールＷ、平行なＲＧＢの各色光、励起光を集光させて内視鏡のライトガイド１２に入射させる集光レンズＣを備えている。

また、特許文献２の図２には、それぞれ平行な白色光、励起光を発する白色光源部２１及び励起光源部２２、これらの光源部からの光をそれぞれ収束光とする集光レンズＣ１，Ｃ２、収束光の光路中でこれらの光路を合成するプリズム２６を備えている。ライトガイド１３の端面には、調整レンズ１３ａが設けられており、収束する白色光、励起光をさらに屈折させてライトガイド１３に入射させている。
特開２００２−６５６０２号公報図１特開２００３−６１９０９号公報図２

光路中に配置されるダイクロイックミラーやホイールは光束径より大きくなければならないが、特許文献１に開示された光源装置では、ダイクロイックミラー２４やホイールＷが光束径の大きい部分に配置されているため、これらの素子のサイズが大きくなるという問題がある。

また、特許文献２に開示された光源装置では、収束光中にプリズム２６、ホイール２４，２５，２８を配置するためのスペースを確保しなければならないため、集光レンズＣ１，Ｃ２の焦点距離を長くしてバックフォーカスを大きく確保しなければならず、収束角度が小さくなり、調整レンズ１３ａが設けられていない場合には、ライトガイド１３の開口数(NA)に合わせて集光させるのが困難となる。内視鏡のライトガイドには、このような調整レンズが設けられたものと、設けられていないものとがあり、特許文献２の光源装置は、調整レンズが設けられていないライトガイドに対してはＮＡに合わせた角度で入射させることができない。ライトガイドからの射出光は入射角とほぼ同一の角度で射出するため、入射角度が小さくなると、体腔内での照射範囲が狭くなるという問題がある。また、集光レンズＣ１、Ｃ２で集光されるスポットが大きいため、調整レンズがない場合はライトガイドに取り込める光量が少なくなり、調整レンズを設ける場合では調整レンズが大きくなるという問題がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光路中に配置されるダイクロイックミラーやホイールのサイズを小さく抑えることができ、しかも、ライトガイドのＮＡに合わせた入射角度で可視光、励起光をライトガイドに入射させることができる内視鏡用光源装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる内視鏡用光源装置は、体腔壁を観察するための可視光と、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を発光させるための励起光とを内視鏡のライトガイドに導入するためのものであり、可視光を発する可視光源と、可視光源から発した可視光をほぼ平行光束にする収斂光学系と、収斂光学系により平行光にされた可視光を収束光にする第１集光レンズと、第１集光レンズにより収束光とされた可視光をさらに収束させてライトガイドに入射させる第２集光レンズと、励起光を発する励起光源と、励起光源から発した励起光を第１集光レンズにより収束光とされた可視光と同一の収束度で収束させる励起光用集光レンズと、第１集光レンズと第２集光レンズとの間に配置され、励起光用集光レンズにより収束光とされた励起光の光路と可視光の光路とを合成する光路合成素子とを備えた、励起光用集光レンズにより収束光とされた励起光の光路と可視光の光路とが垂直に交差し、光路合成素子が、各光路に対して４５°傾いた姿勢で第１集光レンズと第２集光レンズとの間に配置された板状光学素子である装置であって、以下の条件(１)を満たすことを特徴とする。

(１) 1.2 < d・( 2・f₁ + D₁ ) / (2・D₁・f₁) < 2.0
ただし、
ｄ：第１集光レンズと第２集光レンズとの間隔、
f₁：第１集光レンズの焦点距離、
D₁：第１集光レンズの第１面に入射する平行光束の直径である。

また、内視鏡用光源装置は、以下の条件(２)を満たすことが望ましい。

(２) 0.55 < f₂ / f < 0.80
ただし、
f₂：第２集光レンズの焦点距離、
f：第１集光レンズと第２集光レンズの合成焦点距離である。

さらに、上記の第１集光レンズは、可視光源側に凸面を向けたメニスカスレンズであることが望ましい。ライトガイドの端面には、調整レンズが設けられていてもよい。

また、励起光源としては、半導体レーザーを用いることができる。この場合、半導体レーザーと光路合成素子との間に、半導体レーザーから発した励起光を平行光束にするコリメートレンズを設けることが望ましい。

さらに、上記の光路合成素子としては、特定の波長以上の光を透過させて特定の波長以下の光を反射させるダイクロイックミラー、または、特定波長以上の光を反射させて特定波長以下の光を透過させるダイクロイックミラーを用いることができる。

請求項１の構成によれば、第１集光レンズと第２集光レンズとの間で光束径が縮小された光路中に光路合成素子が配置されるため、光路合成素子のサイズを小さくすることができる。また、集光レンズを２つに分けて二段階で集光させることにより、光路合成素子の配置スペースを確保しつつ、ライトガイドのＮＡに合わせて光束のライトガイドへの入射角度を設定することができる。また、条件(１)を満たすことにより、光路合成素子の配置スペースを確保するのに必要十分な間隔を確保することができる。

請求項２のように条件(２)を満たす場合には、第２集光レンズのバックフォーカスを確保しつつ、ライトガイドのＮＡに合わせてライトガイドへの入射角度を設定することができる。

請求項３のように第１集光レンズを可視光源側に凸面を向けたメニスカスレンズとすることにより、第１集光レンズのパワーを大きくすることなく、第１面で光束径を小さくすることができ、収束光中に配置される光路合成素子のサイズを小さくすることができる。すなわち、第１集光レンズは、光路合成素子を配置するために比較的長い焦点距離が求められるため、強いパワーを持たせることができない。このため、両凸レンズを用いると、光束径を小さくすることができない。これに対して、メニスカスレンズを用いれば、全体のパワーを強くせずに、第１面のパワーを比較的強く設定することができるため、第１面で光束径を絞ることができる。

請求項４のように励起光源として半導体レーザーを用いた場合には、半導体レーザーを直接オンオフすることにより励起光のオンオフを切り替えることができ、別部材としてシャッターを設ける必要がない。

請求項５のように光路合成素子としてダイクロイックミラーを用いた場合には、特定波長を励起光の波長の上限に設定することにより、ハーフミラー等を用いた場合と比較して、光量の損失を抑えつつ光路を合成することができる。

以下、本発明にかかる内視鏡用光源装置の実施例を３例、図面に基づいて説明する。いずれの実施例の光源装置も、体腔壁を観察するための可視光と、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を発光させるための励起光とを内視鏡のライトガイドに導入するためのものである。

図１は、実施例１に係る内視鏡用光源装置１の光学系を示す説明図である。実施例１の内視鏡用光源装置１は、可視光である白色光を発する白色(可視)光源(放電管ランプ)１０と、白色光源１０から発した白色光をほぼ平行光束にする収斂光学系であるリフレクタ(放物面鏡)１１と、このリフレクタ１１により平行光にされた白色光を収束光にする第１集光レンズ２０と、第１集光レンズ２０により収束光とされた白色光をさらに収束させてライトガイド４０に入射させる第２集光レンズ３０とを備えている。

また、内視鏡用光源装置１は、励起光を発する励起光源としての半導体レーザー５０と、この半導体レーザー５０から発した発散光を集光させるカップリングレンズ５１と、集光された励起光を伝達する励起光用ライトガイド５２と、励起光用ライトガイド５２から射出する励起光を平行光にするコリメートレンズ５３と、平行光とされた励起光を第１集光レンズ２０により収束光とされた白色光と同一の収束度で収束させる励起光用集光レンズ５４とを備えている。なお、励起光は、生体の自家蛍光を励起する紫外域側の短波長の光である。

白色光源１０からライトガイド４０までの光路は直線的であり、この光路に対して垂直に交差する励起光の光路を、光路合成素子であるダイクロイックミラー６１により合成している。すなわち、ダイクロイックミラー６１は、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間に配置され、励起光源から発した励起光の光路と白色光の光路とを合成する。ダイクロイックミラー６１は、この例では、特定の波長以上の光を透過させて特定の波長以下の光を反射させる特性を有し、これにより白色光の大部分を透過させ、励起光を反射させる。

白色光源１０と第１集光レンズ２０との間には、赤外線をカットして可視光を透過させる赤外カットフィルタ１２が配置されている。第１集光レンズ２０は、凸面を白色光源１０側に向けて配置された１枚の正メニスカスレンズから構成されている。

そして、第１集光レンズ２０とダイクロイックミラー６１との間には、白色光を断続的にオンオフするためのシャッターである回転ホイール６２が配置されている。回転ホイール６２は、図２に平面形状を示すように、中心角９０°の扇形の窓６２ａが中心を軸として点対称に２箇所形成されている。窓６２ａのサイズは、白色光の径より大きく設定されており、モータ６３を駆動して回転ホイール６２を回転させることにより、白色光が断続的にオンオフされる。なお、ダイクロイックミラー６１、回転ホイール６２及びモータ６３は、ユニット６０として図１中の上下方向に一体にスライド可能に構成されており、図１に示した光路中に配置された位置と、光路から待避させた位置との間で切替が可能である。

内視鏡用光源装置１の光学系を構成する各光学素子は、以下の条件(１)、(２)を満たすよう設定される。

(１) 1.2 < d・( 2・f₁ + D₁ ) / (2・D₁・f₁) < 2.0
(２) 0.55 < f₂ / f < 0.80
ただし、
ｄ：第１集光レンズと第２集光レンズとの間隔、
f₁：第１集光レンズの焦点距離、
D₁：第１集光レンズの第１面に入射する平行光束の直径、
f₂：第２集光レンズの焦点距離、
f：第１集光レンズと第２集光レンズの合成焦点距離である。

条件(１)は、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間隔を規定する。この条件を満たすことにより、ダイクロイックミラー６１や回転ホイール６１の配置スペースを確保するのに必要十分な間隔を確保することができる。上記条件(１)の比が1.2より小さいと、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間隔が狭くなりすぎ、ダイクロイックミラー６１や回転ホイール６２を配置するのが困難になる。比が2.0を上回ると、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間隔が必要以上に大きくなり，装置が大型化する。

条件(２)は、第２集光レンズ３０の焦点距離を規定する。この条件を満たすことにより、第２集光レンズ３０のバックフォーカスを確保しつつ、ライトガイド４０のＮＡに合わせて入射角度を設定することができる。条件(２)の比が0.55より小さくなると、第２集光レンズ３０のバックフォーカスが短くなり，ライトガイド４０の端面にカバーガラスや調整レンズが設けられている場合には必要な間隔を確保できなくなる。比が0.80を上回ると、ライトガイド４０への集光角度が小さくなり，ライトガイドへの集光効率が低下するとともに，ライトガイド４０からの射出角が小さくなり広い照明範囲を確保することができない。

実施例１では、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との合成焦点距離f = 23.3mm、第１集光レンズ２０の焦点距離 f₁ = 120.3mm、第２集光レンズ３０の焦点距離 f₂= 14.6mm、第１集光レンズ２０の第１面に入射する平行光束の直径 D₁ = 25mm、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間隔 d = 38mmである。したがって、d・( 2・f₁ + D₁ ) / (2・D₁・f₁) = 1.68、f₂ / f = 0.63となり、条件(１)及び(２)を共に満たしている。なお、第２集光レンズ３０は非球面レンズである。

実施例１の構成によれば、第１集光レンズ２０により光束が収束光となって光束径が縮小された光路中にダイクロイックミラー６１や回転ホイール６２が配置されるため、これらの素子のサイズを小さくすることができる。また、ダイクロイックミラー６１の後段に第２集光レンズ３０が設けられているため、この第２集光レンズ３０のパワーを適宜選択することにより、ライトガイド４０のＮＡに合わせて光束のライトガイド４０への入射角度を設定することができる。なお、ＮＡが小さいライトガイド４０には端面にカバーガラスを取り付け、ＮＡが大きいライトガイドには端面に調整レンズ(集光レンズ)を取り付けることにより、光源装置側の集光角度を一定にして変更することなく、ＮＡの異なるライトガイドに対応することができる。

内視鏡用光源装置１に接続されたライトガイド４０は、図示せぬ内視鏡装置の挿入部を通して内視鏡先端に達し、配光レンズを介して体腔内に白色光、励起光を照射する。内視鏡装置には、撮像素子が備えられ、白色光により照明された体腔内の画像と、励起光により励起された組織が発する自家蛍光による画像とを撮影する。通常の観察時には、内視鏡用光源装置１から白色光を連続的に発光させ、白色光により照明された体腔内の画像をカラー撮影し、これをモニタに表示する。一方、自家蛍光を観察する際には、蛍光画像と参照画像とを交互に撮影し、内視鏡装置内の演算回路で蛍光画像のデータと参照画像のデータを演算することにより、病変部の強調された特定画像を生成し、これをモニタに表示する。

内視鏡用光源装置１内では、自家蛍光の観察時には、ユニット６０は図１に示す位置に設定され、撮像素子の撮影タイミングに同期してモータ６３を駆動して回転ホイール６２を回転させると共に、半導体レーザー５０のオンオフを切り替える。すなわち、回転ホイール６２の窓６２ａが光路中に位置するタイミング(白色光が透過するタイミング)では、半導体レーザー５０をオフする。白色光源１０から発した白色光は、ダイクロイックミラー６１を透過してライトガイド４０に入射する。一方、回転ホイール６２の窓以外の部分が光路中に位置するタイミング(白色光が遮断されるタイミング)では、半導体レーザー５０をオンする。半導体レーザー５０からの励起光は、ダイクロイックミラー６１で反射され、ライトガイド４０に入射する。

一方、通常の観察時には、白色光源１０を連続的に点灯し、半導体レーザー５０をオフにして、ユニット６０を図１中の下側にスライドさせてダイクロイックミラー６１と回転ホイール６２とを光路中から待避させる。白色光でのカラー画像撮影時に白色光の光路にダイクロイックミラー６１が配置されていると、白色光に含まれる短波長側の成分がダイクロイックミラー６１により反射されてライトガイド４０に入射せず、撮像素子により撮影された画像データの色再現性が悪化する。また、通常の観察時に回転ホイール６２を光路中に配置するには、窓６２ａが光路に一致する位置で回転ホイール６２を停止させる必要があるが、モータ６３により停止位置を厳密に制御するのは困難である。

そこで、通常の観察時には、ダイクロイックミラー６１と回転ホイール６２とを一体のユニット６０として光路から待避させる必要がある。また、このようにユニット６０をスライド可能とする場合、駆動系の負荷を小さくし、光源装置内の占有スペースを小さくするためには、ダイクロイックミラー６１や回転ホイール６２はできる限り小型化することが望ましい。上記の実施例１の構成によれば、光路合成部分の光束径を小さくできるため、このような要請にも応えることができる。

図３は、実施例２に係る内視鏡用光源装置２の光学系を示す説明図である。実施例２の内視鏡用光源装置２は、実施例１の装置との共通部分が多いため、対応する部材には同一符号を付して重複した説明は省略する。実施例１との相違点は、ライトガイド４０の端面に調整レンズ４１が設けられている点である。

実施例２では、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との合成焦点距離f = 22.8mm、第１集光レンズ２０の焦点距離 f₁ = 87.9mm、第２集光レンズ３０の焦点距離 f₂= 13.5mm、第１集光レンズ２０の第１面に入射する平行光束の直径 D₁ = 25.4mm、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間隔 d = 40mmである。したがって、d・( 2・f₁ + D₁ ) / (2・D₁・f₁) = 1.80、f₂ / f = 0.59となり、条件(１)及び(２)を共に満たしている。なお、第２集光レンズ３０は非球面レンズである。

実施例２の構成によっても、第１集光レンズ２０により光束が収束光となって光束径が縮小された光路中にダイクロイックミラー６１や回転ホイール６２が配置されるため、これらの素子のサイズを小さくすることができる。また、ダイクロイックミラー６１の後段に第２集光レンズ３０が設けられているため、この第２集光レンズ３０のパワーを適宜選択することにより、ライトガイド４０のＮＡに合わせて光束のライトガイド４０への入射角度を設定することができる。さらに、ＮＡの大きなライトガイドに対しては、上記のようにライトガイド４０の端面に調整レンズ４１を設けることにより、ライトガイド４０への入射効率を高めることができる。なお、自家蛍光の観察時、通常の観察時の作用は実施例１と同一である。

図４は、実施例３に係る内視鏡用光源装置３の光学系を示す説明図である。実施例３の内視鏡用光源装置３は、実施例１の装置との共通部分が多いため、対応する部材には同一符号を付して重複した説明は省略する。実施例１との相違点は、ライトガイド４０の端面に調整レンズ４１が設けられている点と、励起光源である半導体レーザー５０が励起光用ライトガイドを介さずに直接コリメートレンズ５３に励起光を入射させる点である。

実施例３では、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との合成焦点距離f = 20.0mm、第１集光レンズ２０の焦点距離 f₁ = 237.2mm、第２集光レンズ３０の焦点距離 f₂= 13.7mm、第１集光レンズ２０の第１面に入射する平行光束の直径 D₁ = 25mm、第１集光レンズ２０と第２集光レンズ３０との間隔 d = 32.5mmである。したがって、d・( 2・f₁ + D₁ ) / (2・D₁・f₁)= 1.37、f₂ / f = 0.69となり、条件(１)及び(２)を共に満たしている。なお、第２集光レンズ３０とコリメートレンズ５３とは非球面レンズである。

実施例３の構成によっても、光路合成部分での光束径を小さく抑えることができ、ダイクロイックミラー６１や回転ホイール６２のサイズを小さくすることができる。また、集光レンズ３０のパワーを適宜選択することにより、ライトガイド４０のＮＡに合わせて光束のライトガイド４０への入射角度を設定することができる。なお、自家蛍光の観察時、通常の観察時の作用は実施例１と同一である。

上記の各実施例では、励起光源として単一の半導体レーザーを用いた例についてのみ説明したが、複数の半導体レーザーからのレーザー光を合成して用いてもよいし、固体レーザーや気体レーザー、あるいは、キセノンランプ等の放電管を用いることも可能である。ただし、放電管を用いる場合には、励起光用の光路にも回転ホイールと同様のシャッターが必要となる。

また、上記の各実施例では、白色光の光路を直線にして励起光の光路を光路合成素子により折り返しているが、反対に、励起光の光路を直線状にして、白色光の光路を折り曲げるようにしてもよい。後者の場合には、光路合成素子として、特定波長以上の光を反射させて特定波長以下の光を透過させるダイクロイックミラーを用いる。

さらに、各実施例は、内視鏡装置がカラー撮像素子を使用していることを前提として、可視光として白色光をライトガイドに入射させているが、モノクロ撮像素子を用いた面順次方式によりカラー画像を撮影する場合には、白色光源とライトガイドとの間にＲ，Ｇ，Ｂのフィルターを設け、可視光の各色成分を順次入射させるようにすればよい。

本発明の実施例１に係る内視鏡用光源装置の光学系を示す説明図である。図１の光学系に設けられている回転ホイールの正面図である。本発明の実施例２に係る内視鏡用光源装置の光学系を示す説明図である。本発明の実施例３に係る内視鏡用光源装置の光学系を示す説明図である。

符号の説明

１０白色光源
１１リフレクタ(放物面鏡)
１２赤外カットフィルタ
２０第１集光レンズ
３０第２集光レンズ
４０ライトガイド
５０半導体レーザー(励起光源)
５１カップリングレンズ
５２励起光用ライトガイド
５３コリメートレンズ
５４励起光用集光レンズ
６１ダイクロイックミラー
６２回転ホイール
６３モータ

Claims

体腔壁を観察するための可視光と、体腔壁の生体組織を励起して自家蛍光を発光させるための励起光とを内視鏡のライトガイドに導入するための内視鏡用光源装置であって、
前記可視光を発する可視光源と、
前記可視光源から発した可視光をほぼ平行光束にする収斂光学系と、
該収斂光学系により平行光にされた可視光を収束光にする第１集光レンズと、
該第１集光レンズにより収束光とされた可視光をさらに収束させて前記ライトガイドに入射させる第２集光レンズと、
前記励起光を発する励起光源と、
該励起光源から発した励起光を前記第１集光レンズにより収束光とされた可視光と同一の収束度で収束させる励起光用集光レンズと、
前記第１集光レンズと前記第２集光レンズとの間に配置され、前記励起光用集光レンズにより収束光とされた励起光の光路と前記可視光の光路とを合成する光路合成素子とを備え、
前記励起光用集光レンズにより収束光とされた励起光の光路と前記可視光の光路とが垂直に交差し、
前記光路合成素子が、前記励起光用集光レンズにより収束光とされた励起光の光路、前記可視光の光路のそれぞれに対して４５°傾いた姿勢で前記第１集光レンズと前記第２集光レンズとの間に配置された板状光学素子であり、
以下の条件(１)を満たすことを特徴とする内視鏡用光源装置。
(１) 1.2 < d・( 2・f₁ + D₁ ) / (2・D₁・f₁)< 2.0
ただし、
ｄ：第１集光レンズと第２集光レンズとの間隔、
f₁：第１集光レンズの焦点距離、
D₁：第１集光レンズの第１面に入射する平行光束の直径である。
さらに、以下の条件(２)を満たすことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用光源装置。
(２) 0.55 < f₂ / f < 0.80
ただし、
f₂：第２集光レンズの焦点距離、
f：第１集光レンズと第２集光レンズの合成焦点距離である。
前記第１集光レンズは、前記可視光源側に凸面を向けたメニスカスレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の内視鏡用光源装置。
前記励起光源は、半導体レーザーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内視鏡用光源装置。
前記光路合成素子は、特定の波長以上の光を透過させて特定の波長以下の光を反射させる、または、特定波長以上の光を反射させて特定波長以下の光を透過させるダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内視鏡用光源装置。