JP4740681B2

JP4740681B2 - 光源装置とそれを用いた内視鏡及び内視鏡融合型光学的干渉断層装置

Info

Publication number: JP4740681B2
Application number: JP2005221284A
Authority: JP
Inventors: 弘美安島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2007029653A

Description

本発明は、例えば、工業用あるいは医療用途の照明に用いられる光源装置とそれを用いた内視鏡及び内視鏡融合型光学的干渉断層装置に関する。

医療用の内視鏡は、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るものであるが、この体内を照らす照明の光源としてはキセノンランプ等が多く用いられている。この従来の内視鏡の照明光学系は、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ライトガイド、さらにはライト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。

非特許文献１によれば、この照明光学系では、ライトガイドにはＮＡ（開口数）０．６程度の多成分ガラスファイバが用いられ、視野範囲を均一に照射するために、内視鏡先端部のライトガイドファイバの出射端面側で照明レンズを用いてＮＡを０．８７程度まで変換している。しかしながら、これら従来の照明光学系で用いられる高輝度ランプは発熱や、消費電力が大きく、形状が大きくなってしまうなどの問題がある。そこで、最近では、ＬＥＤを用いた照明光学系も提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１で提案された内視鏡用照明光源は、複数のＬＥＤを並べ反射板を用いてＬＥＤの出射光を光ガラスファイバに導入するものであり、該文献１では、その構成と組み立て方法が提案されている。また、光ガラスファイバを蛍光ファイバにすることで、光源として個体発光素子（LED,LD,SLD等）を使用した内視鏡用照明光源が提案されている（特許文献２）。

さらに、非特許文献３には内視鏡融合型ＯＣＴの光プローブが開示されている。この光プローブは、市販されている肺用内視鏡の先端にミラーを配置し、照明光の光軸を内視鏡長手方向に対し側方照射に変換している。ＯＣＴ（光コヒーレンストモグラフィー）とは、広帯域光源の低干渉性を利用した光コヒーレンス断層画像化法であり、生体への無侵襲性と数１０μｍの空間分解能をもち医療応用に注目されているものである。
特開２００３−２３５７９６号特開２００３−１９１１２号「光学系の仕組みと応用」オプトロニクス社編集部偏 pp205-252(2003年) 「次世代照らす白色ＬＥＤ」平成１５年度応用物理学会関西支部シンポジウム、平成１５年１１月「内視鏡融合型ＯＣＴの光プローブ特性」第５１回応用物理学関係連合講演会予稿集 29a-K-10(2004.3)

しかしながら、これらの医療機器に用いられる内視鏡用光源としては、より小型で、低消費電力が求められ、さらに内視鏡融合型ＯＣＴの光プローブでは、小型で側方照射型プローブが求められている。

そこで、本発明は、小型、高出力、低消費電力であり、かつファイバの側方から照射することができる光源装置とそれを用いた内視鏡及び内視鏡融合型光学的干渉断層装置を提供することを目的とする。

本発明はこれらの課題を解決するためのものである。すなわち、本発明に係る光源装置は、光を出射する発光素子と、入射端と出射端とを有し、前記発光素子が出射する前記光が前記入射端から入射される導光部材と、前記導光部材の光軸に対して傾斜し且つ前記出射端から離れて設けられた反射部材と、前記導光部材の出射端と前記反射部材との間に設けられ且つ前記反射部材に接着され、前記出射端から出力される前記光によって励起されて蛍光を出射する蛍光体を含む蛍光部材とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る内視鏡は、前記蛍光部材と前記反射部材とが先端部に備えられた本発明に係る光源装置と、前記先端部に設けられて該先端部から出射される光によって照射される領域を撮像するための撮像素子とを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る内視鏡融合型光学的干渉断層装置は、前記蛍光部材と前記反射部材とが先端部に備えられた本発明に係る光源装置と、前記先端部に設けられて該先端部から出射される光により照射される領域を撮像するための撮像素子とを含む内視鏡部と、所定の波長域の光を出射する広帯域光用光源と、前記先端部に設けられて前記広帯域光を集光するための第２の集光レンズと、前記第２の集光レンズによって集光された光を前記照射される領域の少なくとも一部に向けて反射する第２の反射部材とを含んでなる光学的干渉断層計と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る光源装置によれば、導光部材の光軸に対して側方に照射させることが可能で、かつ反射ミラー配置することで高出力の側方照射光源が構成できる。また、さらに蛍光体の蛍光が導光部材を通過することがないので、導光部材と発光素子の光結合がしやすく、さらに導光部材の透過損失の波長依存性によらず理想的な発光スペクトラムを得ることが出来る。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置を表す模式図であり、（ａ）はその全体図であり、（ｂ）はその要部拡大断面図である。この第１の実施の形態の光源装置は、（１）発光素子１及び集光レンズ２を含む光源コネクタ部１２と、（２）蛍光体含有部４、反射ミラー５及びホルダー６がホルダー６の収容部８内に設けられてなり、光を照射する部分である先端部２２と、が光ファイバ３で接続されることにより構成されている。

以上のように構成された第１の実施の形態の光源装置において、発光素子１から出力された励起光は集光レンズ２でファイバ３の一方端（入射端）に集光され、ファイバ３を伝播してファイバ３の他方端（出射端）から出力されて蛍光体含有部４に含まれる蛍光体を励起する。そして、励起光を受けた蛍光体が蛍光を発し、その傾向が照射光として出力される。

ここで、特に第１の実施の形態の光源装置は、以下のような特徴を有している。

まず、第１に、先端部２２に蛍光体含有部４を設けて、その蛍光を光ファイバを通過させることなく直接照射光として出力している。これにより、照射光（蛍光）は、伝送損失の波長依存性を有する光ファイバを通過することなく出射され、所望の色になるように調整された発光色の蛍光がそのまま照射されるので、演色性に優れた照明を実現できる。

また、照射光を出射する開口窓８ａを光ファイバ３の光軸に平行になるように設けて、ホルダー６の側面から照射光を出力するようにしている。これにより、例えば、照明を挿入する方向に対して横方向を照らす照明とできる。

さらに、蛍光体含有部４の後方に、蛍光体から開口窓８ａとは反対側に向けて放射された蛍光を反射する反射ミラー５を、光ファイバの光軸に対して傾斜（例えば４５°）して設けている。これにより、開口窓８ａから出射される照射光を多くでき、無駄なく蛍光を取り出すことができるので、高輝度で高効率の光源装置とできる。

また、第１の本実施の形態の光源装置において、主要な要素は以下のように構成される。

＜ホルダー６＞
ホルダー６は、ステンレス、アルミナ、コバルト、真鍮金属材料などからなり、蛍光体含有部４と反射ミラー５が設けられる収容部８と、１つの側面から収容部８に貫通し、光ファイバ３を挿入するための貫通孔６ａとを有している。ここで、収容部８は、その開口部（開口窓８ａ）が、貫通孔６ａが設けられる１つの側面に直交する側面に位置するように形成され、好ましくは開口窓８ａが貫通孔６ａと平行になるように配置する。また、収容部８は、貫通孔６ａの軸に対して傾いた実装面８ｂを有している。尚、本明細書において「軸に対して傾いた面」とは、軸に直交する面と軸に平行な面を除いた面をいい、本発明において好ましくは４５°の角度で貫通孔６ａの軸に交わるように実装面８ｂを設ける。

＜反射ミラー５＞
反射ミラー５は、例えば、ガラスなどからなる基板に誘電体多層膜を蒸着させたもの、基板にアルミニウムなどの反射率の高い金属を蒸着したもの、アルミニウム板などにより構成することができる。この反射ミラー５は、その反射面を上にして収容部８の実装面８ｂに設けられる。

＜蛍光体含有部４＞
蛍光体含有部４は、例えば、シリコン樹脂に蛍光体を分散させて反射ミラー５の反射面上に塗布するようにして形成できるし、例えば、熱硬化性の透明樹脂に蛍光体を分散させて反射ミラー５の反射面上で硬化させるようにして形成してもよい。さらに、蛍光体を含有させた板状の蛍光体含有部４をあらかじめ作製して反射ミラー５の反射面上に例えば、透明の接着剤を用いて接着するようにしてもよい。尚、図１（ｂ）においては、直方体形状の蛍光体含有層４を示しているが、本発明はこれに限られるものではない。

＜発光ダイオードと蛍光体との組み合わせ＞
発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせて白色ＬＥＤを作成する方式には、（１）青色ＬＥＤと黄色発光の蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）とを組み合わせる方式、（２）紫色又は紫外ＬＥＤとＲ・Ｇ・Ｂ蛍光体とを組み合わせる方式等がある。内視鏡用の光源装置では、赤み成分を比較的多い演色性の良い光源装置を構成することが可能な上記（２）の方式が適している。ここで、Ｒ・Ｇ・Ｂ蛍光体とは赤色（Ｒ），緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の蛍光体３種類を組み合わせたものである。尚、蛍光体からは発光素子１から出力される波長よりも長い波長の光が出力される（ストークスの原理と呼ばれている）。また、青色ＬＥＤの発光波長は４５０ｎｍ以下であり、紫外ＬＥＤの発光長波は４００ｎｍ以下であり、蛍光体と組み合わせた発光波長はおおむね４００〜７００ｎｍとなる。蛍光体との組み合わせにより照射光として出射される光の発光色は、発光素子１の発光波長、蛍光体の種類及び蛍光体含有部４における蛍光体の含有量を適宜調整することにより所望の発光色にできる。

［第２の実施の形態］
本発明に係る第２の実施の形態の光源装置は、先端部２３の構造が図１の先端部２２と異なっている以外は、第１の実施の形態と同様に構成される。この第２の実施の形態の光源装置において、先端部２３は、光ファイバ３の端面を斜めにカットして出射端面３ｃとし、その出射端面３ｃ上に、蛍光体含有部４及び反射ミラー５を配置することにより構成される。

具体的には、第２の実施の形態では、光ファイバ３の出射側の先端が、例えば光軸に対して４５°の角度で傾斜するように切断されている。この光ファイバの傾斜した出射端面に蛍光体含有部４を構成する蛍光体を含んだ樹脂（例えば、シリコン樹脂や透明の熱硬化性樹脂）を塗布し、その上に反射ミラー５を密着させることにより先端部２３が構成される。また、第２の実施の形態において、照射光を出射する開口窓３ａは、図２に示すように、光ファイバ３の被覆部３ｂの一部を除去することにより形成し、その開口窓３ａを介して光ファイバの側面から照射光を出力する。

以上のように構成された第２の実施の形態の光源装置は、第１の実施の形態の光源装置と同様の作用効果を有し、さらに先端部２３を第１の実施の形態の先端部より小さくでき、かつ構成を簡単にできる。

また、本発明に係る光源装置は、発光素子として発光ダイオードを用いる場合、光ファイバ３の端面への結合効率を高めるため高輝度のものが好ましいことはいうまでもなく、発光ダイオードであるならば例えばＥＥＬＥＤ（Edge Emitting ＬＥＤ）が好ましく、半導体レーザーを用いることもできる。また、光ファイバ３は単芯のＰＯＦ（プラッチック光ファイバ）あるいは石英系ガラスファイバなどでもよい。

また、以上説明した第１と第２の実施の形態の光源装置では、発光素子１を光源コネクタ部１２に設け、蛍光体を先端部２２，２３に設けているので、発光素子１の光を光ファイバの入射面に集光することが容易で、発光素子１の光を効率良く光ファイバ３に入射できるという利点もある。すなわち、ＬＥＤチップの近傍に蛍光体を付けた白色ＬＥＤもあるが、この配光特性は、蛍光体をつけない場合に比べて広がってしまう。このように配光特性が広がってしまうと光ファイバとの光結合が難しくなる。これに対して、本発明では、発光素子と光ファイバの間に蛍光体が存在しないので、光ファイバと発光素子の光結合がしやすくなる。

以上説明したように本発明に係る第１と第２の実施の形態の光源装置は、光ファイバ３の透過損失の波長依存性により発光色が変化しないように構成でき、さらに反射ミラー５で高出力化が実現できるので、例えば、内視鏡用照明光源として適している。

［第３の実施の形態］
本発明に係る第３の実施形態は、本発明に係る光源装置を備えた内視鏡融合型光学的干渉断層計（ＯＣＴ）であり、本発明に係る光源装置で被写体１１を照らしながらＣＣＤカメラ１０で被写体１１表面を観察しつつ、光ファイバ７、対物レンズ８、ガルバノミラー９を含んで構成される光学的干渉断層計（ＯＣＴ）により、被写体１１の断層撮影を行うものである。尚、この第３の実施の形態は、第２の実施の形態で示した構成の小型の光源装置を用いて構成している。また、光源コネクタ部は図示していないが、図１における光源コネクタ部１２と同様なものでよい。

ここで、光学的干渉断層計（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）は、光ファイバ７、対物レンズ８及びガルバノミラー９の他に、図示されていない広帯域光源（例えばＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源）を含んで構成されている。また、被写体１１は、例えば、人体の消化器官や呼吸器官の内部壁である。さらに、図３では、制御機構は省略している。

以上のように構成された本発明に係る第３の実施形態の内視鏡融合型光学的干渉断層計は、小型で高出力の本発明に係る光源装置を含んで構成されているので、体内に挿入する先端部分が小さい操作性に優れたものとできる。

以下、簡単に光学的干渉断層計の構成と原理を説明する。図４は、光学干渉断層計の構成を表す模式図である。

上記光学干渉断層計において、光源５１は、ＡＳＥ光源やＳＬＤ光源などの低コヒーレントな所定の範囲にある波長の光を放射する広帯域光源であって、その発光波長は、例えば、１５６０ｎｍ帯（例えば、１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）や１３００ｎｍ帯（例えば、１２８０ｎｍ〜１３２０ｎｍ）である。また、カプラ５３は、２本の光ファイバを融着延伸して作製したものであり、光源５１の光を試料光路５４と参照光路５５に分配している。

分配された光のうち、試料光路５４を伝送された光は、ファイバ先端から試料５６に照射される。また、参照光路５５を伝送された光は、リニア駆動のモータに取り付けられている可動ミラー５７によって反射されて参照光路５５に戻される。そして、検出器５２は、フォトダイオード等からなり、試料光路５４及び参照光路５５からカプラを経由して戻ってくる試料５６及び可動ミラー５７の反射光を検出する。

以上のように構成された光学干渉断層計の光学系は、マイケルソン干渉計の構成に基づいており、試料５６からの反射光と可動ミラー５７の反射光は干渉を起こしこれを検出器５２で検出することにより断層像が得られる。すなわち、光源として低コヒーレント光源を使用しているために、干渉が起こるのは試料光路長と参照光路長が一致したときだけ干渉が起こる。そこで可動ミラー５７の移動距離とそのとき検出器で検出される干渉強度から試料５６の反射点を求めることができる。この試料５６の反射点とは試料５６の屈折率が変化する部分であるから、この屈折率が変化する点に基づいてから試料５６の断層撮影が行うことが可能になる。

以上のように構成された内視鏡融合型光学的干渉断層計（ＯＣＴ）では、内視鏡部により本発明に係る光源装置で被写体１１を照射してＣＣＤカメラで観察しながら、光学的干渉断層計の試料光路の先端を測定部位に導いて、ＯＣＴにより測定部位において垂直方向の断層撮影を行う。従って、先端部の進行方向である光ファイバの軸方向に対して前方照射ではなく側方照射が可能な本発明に係る光源装置によれば、消化器官の壁面を容易に照らすことができる。また、本発明に係る光源装置を用いることにより、図３に示すように非特許文献２で示されている内視鏡融合型ＯＣＴに比較して挿入部分を細くできる。すなわち、非特許文献２で示されている内視鏡融合型ＯＣＴでは、通常の内視鏡より挿入部が太くなってしまうが、本発明に係る第３の内視鏡融合型ＯＣＴでは、挿入部分を、ＯＣＴを含まない普通の内視鏡と同程度にできる。

また、本発明に係る光源装置は、光ファイバと発光素子の結合効率を高めることができ、かつ蛍光体を内視鏡の先端部分に配置しているので、光ファイバは従来品よりも細径のものを使うことができ、挿入部をさらに細くすることができる。このように、第３の実施の形態の内視鏡融合型ＯＣＴの場合には、挿入部を細くでき、患者の負担を少なくできる効果がある。

以下、本発明に係る実施例に関して説明する。

本実施例は、図１の実施形態に基づいた実施例である。図５に、実施例に用いた発光素子である紫外ＬＥＤチップの発光スペクトラムを示す。図５に示すように、この発光素子（紫色ＬＥＤ）は、波長３８０ｎｍ付近にピークがある。また、集光レンズ２は発光素子１の光を光ファイバ３に集光するもので、ここでは、ボールレンズを用い、光ファイバ３に効率よく集光するように設計する。光ファイバ３はφ１ｍｍのアクリル系プラスチックファイバ（アクリル系ＰＯＦ）を用い、長さは３ｍとした。図６には、光ファイバ３の透過損失の波長特性を示す。反射ミラー５は光沢アルミ材を削りだしたものを用いた。

蛍光体含有部４は、シリコン樹脂の中に蛍光体を混合してバルク状にしたものを用い、固定しやすくしている。ここで、蛍光体は、Ｒ（赤色）成分としてＥｕをドープしたＬａ_２０_２Ｓ、Ｇ（緑色）成分としてＥｕをドープしたＳｒＡｌ_２０_４、Ｂ（青色）成分としてＥｕをドープしたＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７を用いている。

以上のように構成された光源装置において、光ファイバ３の先端に配置された蛍光体含有部４から出射される発光スペクトラムは図７のようになった。この発光スペクトラムは光ファイバ３の損失特性の波長依存性の影響を受けていないことは明らかである。

アクリル系ＰＯＦを使用する場合、図６に示すように、６００ｎｍ以上では損失が大きくなる傾向があるので、６００ｎｍ以上のＬＥＤ光は用いないほうがよいこともわかる。図６には、４００ｎｍ以下の波長特性は示していないが、より短波長側では損失が大きくなるためＬＥＤ光の実用範囲は３００ｎｍ以上であることが好ましい。

以上の実施例により、高出力でかつ光ファイバ３の損失波長特性を受けることのない光源装置が実現できた。また、蛍光材４と発光素子１の波長とを適切に選択することで演色性のよい光源装置を実現できることが確認された。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置を表す模式図であり、（ａ）はその全体図であり、（ｂ）はその要部拡大断面図である。本発明の第２の実施形態に係る光源装置を表す模式図であり、（ａ）はその全体図であり、（ｂ）はその要部拡大断面図である。本発明の第３の実施形態に係る内視鏡融合型光学的干渉断層計の体内挿入状態における先端構造および断面構造を表す断面図である。光学干渉断層計の構成を表す模式図である。紫色ＬＥＤの発光スペクトルを表す図である。アクリル系プラスチックファイバの透過損失の波長依存特性を表す図である。紫色ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤの発光スペクトルを表す図である。

符号の説明

１：発光素子、
２：集光レンズ、
３，７：光ファイバ、
４：蛍光体含有部、
５：反射ミラー、
６：ホルダー、
８：対物レンズ
９：ガルバノミラー。

Claims

光を出射する発光素子と、
入射端と出射端とを有し、前記発光素子が出射する前記光が前記入射端から入射される導光部材と、
前記導光部材の光軸に対して傾斜し且つ前記出射端から離れて設けられた反射部材と、
前記導光部材の出射端と前記反射部材との間に設けられ且つ前記反射部材に接着され、前記出射端から出力される前記光によって励起されて蛍光を出射する蛍光体を含む蛍光部材とを備えることを特徴とする、光源装置。
隣接する第１の面と第２の面と、前記第１の面で開口する収容部と、前記第２の面から前記収容部に貫通する貫通孔とを有する保持部材をさらに有し、
記蛍光部材と前記反射部材とが前記収容部に設けられ、前記出射端が前記収容部内において前記蛍光部材に対向するように前記導光部材が前記貫通孔に挿入される、請求項１に記載の光源装置。
前記蛍光部材における前記導光部材との対向面は、該導光部材の光軸方向に対して傾斜している、請求項１又は２に記載の光源装置。
前記出射端は前記導光部材の光軸に対して傾斜して設けられており、前記反射部材は前記蛍光部材を介して前記出射端に設けられている、請求項１記載の光源装置。
前記発光素子から出射される光を、前記入射面に集光させるための集光レンズを更に備える、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光源装置。
前記発光素子から出射される光のピーク波長が４５０ｎｍ以下である、請求項１〜５のいずれか一つに記載の光源装置。
前記蛍光部材と前記反射部材とが先端部に備えられた請求項１〜６のいずれか一つに記載の光源装置と、前記先端部に設けられて該先端部から出射される光によって照射される領域を撮像するための撮像素子とを備えることを特徴とする、内視鏡。
前記蛍光部材と前記反射部材とが先端部に備えられた請求項１〜６のいずれか一つに記載の光源装置と、前記先端部に設けられて該先端部から出射される光により照射される領域を撮像するための撮像素子とを含む内視鏡部と、
所定の波長域の光を出射する広帯域光用光源と、前記先端部に設けられて前記広帯域光を集光するための第２の集光レンズと、前記第２の集光レンズによって集光された光を前記照射される領域の少なくとも一部に向けて反射する第２の反射部材とを含んでなる光学的干渉断層計と、を備えることを特徴とする、内視鏡融合型光学的干渉断層装置。