JP5285967B2

JP5285967B2 - 光源装置およびこれを用いた内視鏡装置

Info

Publication number: JP5285967B2
Application number: JP2008152932A
Authority: JP
Inventors: 明水由
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: JP2009297141A

Description

本発明は、光源装置およびこれを用いた内視鏡装置に関する。

レーザ光を利用した光源装置においては、レーザ光と、このレーザ光により励起される蛍光体等の波長変換物質から発生する可視光とによって白色光を得る各種の光源装置が提案されている。この種の光源装置においては、レーザ光が特定の波長領域にラインスペクトルを有するため、そのラインスペクトルの周辺波長領域に比較的広い範囲にわたって発光強度の低い波長領域が生じることがある。そこで、一般の照明では、演色性を向上させるために、ブロードな波長に発光する蛍光体が適宜選択される。
その他にも、上記のレーザ光に加えて他種のレーザ光を加えることで、発光強度の低下した波長領域を補填することもできる。例えば、特許文献１には励起光として青色レーザ光と、この青色レーザ光とは異なる励起波長のレーザ光を加える例が記載されている。

ところで、内視鏡用途の光源装置においては、演色性の高い白色を得る他に、特定の波長帯域の光の下で診断するための照明光が求められることがある。
内視鏡でのいわゆる分光診断と呼ばれる手法に於いては、特定の波長帯域の光を用いて、例えば粘膜層あるいは粘膜下層に発生する新生血管を観察し、癌の有無等を診断している。観察に用いる照明光は、波長が短いほど散乱特性が強くなり、短波長では比較的浅い層の情報、長波長では比較的深い層からの情報が得られるようになる。このため、光の深達度を表層に限定して表面微細構造を観察する場合には、照明光を狭帯域化することがコントラストを向上させる上で重要となる。例えば、狭帯域フィルタを用いて取り出した狭い波長帯域の光で照明する内視鏡が、特許文献２に記載されている。

また、上部消化管の内視鏡診断には、従来の経口内視鏡ではなく、患者にとってより負担の少ない経鼻内視鏡が用いられつつある。経鼻内視鏡は経口内視鏡よりさらに挿入部が細く、ライトガイドの太さを確保することが困難になるので、明るい画像を撮影するために、照明光の光量を稼いだり、撮像素子の感度を向上させる等の改良が必要となる。

そして、上記のような細い内視鏡に於いても、狭帯域での測定診断が要求され始めている。狭帯域診断に関しては、非特許文献１に記載されている。
特開２００６−１７３３２４号公報特公平６−４０１７４号公報「狭帯域フィルタ内蔵電子内視鏡システム(Narrow Band Imaging:NBI)の開発・臨床応用に関する試み」、佐野寧, 吉田茂昭 (国立がんセンター東病院), 小林正彦 (自衛隊中央病院)、Gastroenterol Endosc, 2000.9.20.

このように、分光診断に用いる内視鏡においては、コンパクト化を図りながら狭帯域の光を出射させることが求められている。特許文献１に記載の光源に於いては、狭帯域幅の緑色の発光を得るために、第２高調波発生による、いわゆるＤＰＳＳ緑SHGレーザを用い、光源側で、例えばプリズムなどを用いて合波させている。しかし、この方法では、青色レーザ光により緑色〜赤色の光を励起発光する蛍光体に対して、他のレーザ光で導入される例えば緑色の光等を吸収しないことが要求される。つまり、白色光を得るために光路途中に配置する蛍光体は、白色光生成用のレーザ光以外の、特定の波長帯域の光を得るためのレーザ光に対して吸収が小さいものしか適用できない。
さらに、このような緑レーザで照明する場合に、そのコヒーレンシーの高さから、スペックル（干渉）により撮影画像にノイズが重畳したり、動画でちらつきが発生しやすくなる。
また、白色光照明光学系と特定の波長帯域の照明光学系とを、別々の光路として設け、蛍光体の制約を解消することも考えられるが、特に内視鏡においては、光路となるライトガイドが嵩張り、また、挿入部先端に新たに照射窓を設ける必要も生じ、挿入部を細径化することが困難となる。
そして、特許文献１の光源は、上記特許文献２や非特許文献１のように可視波長域の光を照射するものであり、演色性を向上させるために発光波長幅を広くしている。そのため、特に内視鏡にとって有用となる、青色や緑色の狭帯域の撮像信号の取得については、それに適した蛍光体の組み合わせ、時系列的な励起光源の切り替え、信号算出方法等に課題が多く残されている。つまり、励起光の切り替えによる発光波長帯域を明確に分離し、かつ選択的に発光させることが依然として難しい構成となっている。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、レーザ光と蛍光体の励起発光光とを含んで形成される白色光と、特定の狭い可視波長帯域の光とを、コンパクト化を図りつつ簡単な構成で選択的に照射することができる光源装置およびこれを用いた内視鏡装置を提供することを目的とする。

本発明は、下記構成からなる。
（１）青色の第１のレーザ光を出射する第１光源と、
前記第１のレーザ光を光入射側に入射して伝送する光ファイバーと、
該光ファイバーの光出射側に配置され、前記第１のレーザ光により緑色〜黄色の光を励起発光する第１波長変換材と、を有し、
前記第１のレーザ光と前記第１波長変換材からの励起発光光とを混合して白色光を得る光源装置であって、
前記青色の第１のレーザ光の中心波長より短波長となる紫乃至近紫外の中心波長の第２のレーザ光を出射する第２光源と、
前記第２のレーザ光を前記光ファイバーの光入射側の光路に導入する光カップリング手段と、
前記光ファイバーの光出射側より光路前方に設けられ、前記青色の第１のレーザ光と前記紫乃至近紫外の中心波長の第２のレーザ光により赤色光を励起発光する第２波長変換材と、
を備えたことを特徴とする光源装置。

この光源装置によれば、第１光源による照明光学系と、第２光源による照明光学系とを光カップリング手段により同軸にされ、光ファイバーの光出射側に第１波長変換材と第２波長変換材とが配置されることで、第１波長変換材からは第１のレーザ光による励起発光光が得られ、第２波長変換材からは第２のレーザ光による励起発光光が得られる。つまり、第１のレーザ光の一部と第１波長変換材からの励起発光光とによって白色光が得られ、第２のレーザ光により特定の可視波長帯域の光が励起発光されて得られるので、これら白色光と特定の可視波長帯域の光とを簡素な構成で選択的に出射させることができる。
この光源装置によれば、第２のレーザ光により励起発光する第２波長変換材が、第１のレーザ光によっても励起発光することで、光源装置からの出射可能な光成分が増えて、光の利用効率を向上できる。また、出射光の組み合わせを多様にでき、光検出する際の設計自由度を向上できる。

（２）（１）記載の光源装置であって、
前記第１波長変換材と前記第２波長変換材の各蛍光物質を分散配置して一体に形成、あるいは前記第１波長変換材と前記第２波長変換材とを積層して一体に形成した波長変換部材を備えたことを特徴とする光源装置。

この光源装置によれば、各波長変換材が一体にされることでコンパクト化が図られる。そして、一体にされた第１波長変換材と第２波長変換材の蛍光物質から、それぞれ第１レーザ光による励起発光光と第２レーザ光による励起発光光が発生して、光路前方へ出射される。

（３）（１）又は（２）記載の光源装置と、
前記光源装置の光ファイバーの光出射部を内視鏡挿入部の先端側に配置して被検体を照明する照明光学系、および被検体からの光を受光して撮像信号を出力する撮像素子を含む撮像光学系を有する内視鏡と、
前記第１光源と前記第２光源からの各レーザ光の出射制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。

この内視鏡装置によれば、内視鏡挿入部を細径化でき、また、照射する光を、白色光と特定の可視波長帯域の光とを選択的に出射制御できるので、分光診断等を容易に行うことができる。

本発明の光源装置によれば、第１のレーザ光と蛍光物質の励起発光光とを含んで形成される白色光と、特定の狭い可視波長帯域の光とを簡単な構成で選択的に照射することができる。
また、この光源装置を用いた内視鏡装置によれば、照明光学系が簡素化されることで内視鏡挿入部の細径化が図られる。また、照射する光を、白色光と特定の可視波長帯域の光とを選択的に出射制御することを可能としたため、内視鏡による分光診断等を容易に行うことができる。

以下に、光源装置およびこれを用いた内視鏡装置ならびに画像処理方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に本実施形態の内視鏡装置の概念的な構成図を示した。
本実施形態の内視鏡装置１００は、主に、内視鏡１０、光源装置２０、画像処理装置３０、モニタ４０を備えて構成される。
内視鏡１０は、本体操作部１１と、この本体操作部１１に連設され、被検体（体腔）内に挿入される挿入部１３とを備える。挿入部１３の先端部には撮像光学系である固体撮像素子１５と撮像レンズ１７が配置され、また、撮像光学系の近傍には照明光学系である照明用光学部材１９とこれに接続される光ファイバー２１が配置されている。光ファイバー２１は詳細を後述する光源装置２０に接続され、固体撮像素子１５からの撮像信号は画像処理装置３０に入力される。

固体撮像素子１５は、ＣＣＤ(charge coupled device）やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の撮像素子が使用され、その撮像信号は、制御部２９からの指令に基づいて撮像信号処理部２７によって画像データに変換されて適宜の画像処理が施される。制御部２９は撮像信号処理部２７から出力される画像データを撮像画像表示手段であるモニタ４０に映出する。また、制御部２９には、撮像信号を保存するための第１のメモリ５１と、第２のメモリ５２が接続されている。これら第１のメモリ５１，第２のメモリ５２については後述する。
光ファイバー２１は、光源装置２０の後述する光源部３１からの出射光を、挿入部１３の先端まで導光する。光源装置２０は、光源部３１，光ファイバー２１，照明用光学部材１９を含んで構成される。

次に、光源部３１の構成例を説明する。
図２は図１に示す内視鏡装置に用いられる光源装置の光学系の構成図である。
本実施形態の光源装置２０は、中心波長４４５ｎｍの青色レーザ光源（第１光源）３３と、中心波長３７５ｎｍの近紫外レーザ光源（第２光源）３５と、青色レーザ光源３３および近紫外レーザ光源３５からのレーザ光をそれぞれ平行光化するコリメータレンズ３７，３７と、２本のレーザ光を偏光合波する光カップリング手段である偏光ビームスプリッタ３９と、偏光ビームスプリッタ３９で同一光軸上に合波されたレーザ光を集光する集光レンズ４１と、光ファイバー２１とを有する。そして、制御部２９は、青色レーザ光源３３と近紫外レーザ光源３５からの各レーザ光の出射制御を行う制御手段として機能する。

青色レーザ光源３３は、ブロードエリア型のＩｎＧａＮ系レーザダイオードである。

近紫外レーザ光源３５は、不可視光である近紫外線を出射するブロードエリア型のＩｎＧａN系半導体レーザである。なお、ここでは近紫外線を出射するレーザで説明するが、中心波長４０５ｎｍの紫色レーザを用いてもよく、紫乃至近紫外レーザ光源が利用可能である。

青色レーザ光源３３からのレーザ光と近紫外レーザ光源３５からのレーザ光は、偏光ビームスプリッタ３９で合波され、集光レンズ４１により光ファイバー２１に入力される。光ファイバー２１は入力されたレーザ光を、内視鏡１０の挿入部１３（図１参照）の先端側まで伝搬する。

一方、光ファイバー２１の光出射側には、照明用光学部材１９を構成する集光レンズ４３が配置されるとともに、第１波長変換材と第２波長変換材とが一体にされた波長変換部材４５が配置されている。波長変換部材４５は、複数種の蛍光物質を分散配置して一体に形成された一塊のブロックである。また、図示は省略するが、内視鏡１０の挿入部１３の先端表面には、カバーガラスやレンズを介して照明用光学部材１９が配置される。
波長変換部材４５を構成する第１波長変換材は、青色レーザ光源３３からのレーザ光の一部を吸収して緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光体（例えばYAG系蛍光体、あるいはBAM（BaMgAl₁₀O₃₇）等を含む蛍光体等）を含んで構成される。これにより、青色レーザ光源３３からのレーザ光と、このレーザ光から変換された緑色〜黄色の励起光とが合波されて、白色光が生成される。

波長変換部材４５を構成する第２波長変換材は、近紫外レーザ光源３５からのレーザ光を吸収して緑色に励起発光するダウンコンバージョン材料からなる。このダウンコンバージョン材料としては、例えば、緑色蛍光体であるLiTbW₂O₈（小田喜勉、“白色LED用蛍光体について”、電子情報通信学会技術研究報告ED2005-28, CFM2005-20,SDM2005-28, pp.69-74(2005-05)等を参照)や、ベータサイアロン（β−sialon:Eu)青色蛍光体（広崎尚登、解栄軍、佐久間健、“サイアロン系信蛍光体とそれを用いた白色ＬＥＤの開発”、応用物理学会誌第７４巻、第１１号、pp.1449-1452（２００５）、あるいは、山元明東京工科大パイオニクス学部、応用物理学会誌第76巻第３号、p.241（2007）を参照）等を用いることができる。ベータサイアロンは、β型窒化ケイ素結晶にアルミニウムと酸とが固溶したSi_6-zAl₂O₂N_8-z（ｚは固溶量）の組成で示される結晶である。ここでは、第２波長変換材として、これらLiTbW₂O₈とベータサイアロンとの双方を混在させたものとしている。また、双方の蛍光体を層状に重ねた構成としてもよい。
波長変換部材４５は、第１波長変換材と第２波長変換材が有する各蛍光体をランダムに分散配置して一体に形成したものである。なお、各蛍光体をランダムに分散させる以外にも、例えば、第１波長変換材と第２波長変換材とをそれぞれ微小ブロック化し、これら微少ブロック同士を接合した構成にしたり、それぞれを層状に重ねた積層構造とする等、蛍光体材料に応じて適宜な変更が可能である。

上記構成により、光ファイバー２１から出射される各レーザ光は、波長変換部材４５に照射され、波長変換部材４５は、第１波長変換材によって、青色レーザ光源３３からの青色レーザ光の一部を吸収して、この青色レーザ光よりも長波長の光（緑色〜黄色の光）を励起発光する。そして、近紫外レーザ光源３５からの近紫外レーザ光の一部乃至は全てを吸収して、狭帯域の緑色光、青色光に励起発光する。これにより、第１波長変換材が励起発光した緑色〜黄色光と青色レーザ光との合波による白色光、および第２波長変換材が励起発光した狭帯域の緑色光、青色光とが光路前方に出射される。これら各波長変換材は、青色レーザ光が第２波長変換材を吸収することなく透過し、また、近紫外レーザ光が第１波長変換材を吸収することなく透過するように選択される。

上記のように、近紫外レーザ光で励起発光させた緑色光、青色光を照射することで、レーザ光をそのまま照明光として出射する場合と比較すると、レーザ光によるスペックル（干渉）に起因して、撮影画像にノイズが重畳したり、動画像表示させた際のちらつきの発生を防止できる。
なお、波長変換部材４５の変換光出射側に、不要な近紫外光の出射を抑制するための近紫外光の選択反射膜を設けると、近紫外光が波長変換部材４５に再入射されて、緑発光、狭青色光をより強めることができる。また、近紫外光の代わりに紫色レーザを用いる場合は、同様に紫色光の選択反射膜を設ければよい。

図３は、青色レーザ光が第１波長変換材により波長変換された後の光のスペクトル分布を示すグラフである。青色レーザ光源３３からの青色レーザ光は、中心波長４４５ｎｍの輝線で表され、このレーザ光により第１波長変換材が励起発光する光によって、概ね４５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域で発光強度が増大する。この波長帯域の光と青色レーザ光とによって白色光が形成される。

図４は、第２波長変換材として用いるLiTbW₂O₈の励起スペクトルおよび発光スペクトルである。LiTbW₂O₈は、波長３７５ｎｍ付近にシャープな励起帯が存在し、中心波長３７５ｎｍの近紫外レーザ光が効率良く波長変換が可能となっている。そして、Tb^３+イオンの^５D_４→^７F₅遷移による波長５４４ｎｍを中心とする発光は、半値幅が２０ｎｍ程度の波長帯域の狭い高強度の光となっている。

図５は、同じく第２波長変換材として用いるベータサイアロンの励起スペクトルおよび発光スペクトルである。ベータサイアロンは、波長３５０〜４３０ｎｍの光を吸収して、４５０〜５２０ｎｍの青〜青緑色を発光する蛍光体であり、中心波長３７５ｎｍの近紫外レーザ光を効率よく波長変換することができる。したがって、光源装置２０は、図３に示す白色光と、図４に示す波長５４４ｎｍを中心とする緑色光および図５に示す４５０〜５２０ｎｍの青〜青緑色とを選択的に出射することができる。なお、第２波長変換材から発生する緑色、青色、他の波長域の発光は同時に出射されるが、固体撮像素子１５が有するカラーフィルタにより、例えば緑色光成分のみを固体撮像素子１５で検出することで、緑色光成分と他の光成分とを容易に分離することができる。また、青色光成分も同様に分離できる。したがって、後段の信号処理で混色の問題を生じることはない。

次に、上記構成の光源装置２０が内視鏡１０に組み込まれた内視鏡装置１００の使用態様例を説明する。
図１に示すように、内視鏡装置１００においては、内視鏡１０の挿入部１３を体腔内に挿入して、挿入部１３先端から照明光を照明用光学部材１９を通して照射させ、その反射光を、撮像レンズ１７を通して固体撮像素子１５で撮像する。撮像して得た撮像信号は、撮像信号処理部２７によって適宜な画像処理を施してモニタ４０に出力する。あるいは記録媒体に保存する。

このような固体撮像素子１５を用いた撮像の際、体腔内で白色の照明光を照射して観察する通常の内視鏡診断時には、制御部２は、図２に示す青色レーザ光源３３からのレーザ光の出力をONにし、近紫外レーザ光源３５をOFFにするか、あるいはシャッターにより出力を遮蔽する。この場合には、青色レーザ光源３３からのレーザ光と、波長変換部材４５の第１波長変換材の励起発光光とによって生成される白色照明光が被検体に照射される。また、内視鏡装置１００による分光診断を行う際は、制御部２は、近紫外レーザ光源３５の出力をONにして緑色光および青色光を被検体に照射する。そして、狭帯域の緑色光と青色光とを同時に照射した被検体からの反射光を撮像し、分光診断用の疑似カラー画像を生成する。例えば、撮像素子１５による緑検出信号（狭帯域の緑色光の反射光成分）を赤色の色調、青検出信号を青色と緑色の色調に変換して疑似カラー画像を生成する。この疑似カラー画像によれば、被検体の表層の表面微細構造（毛細血管や粘膜微細構造等）を明瞭に観察することができる。例えば、中心波長４４５ｎｍの青色レーザ光でピットおよび表層血管の描出、中心波長５３２ｎｍのベータサイアロンによる狭帯域の緑色光で深部の微細血管や発赤を観察できるようになる。

ここで、分光診断を行う場合の具体的な制御例を説明する。
図６は、撮像光学系により撮像して時系列的に得た複数のフレーム画像（ａ）と、これらフレーム画像を並べ替えて表示する様子（ｂ）を概念的に示す説明図である。ここでは、白色光による照明光下の観察像と、特定の可視波長帯域（緑色、青色）の光による照明光下の観察像とを、それぞれ別々にモニタ４０に表示する制御を行う。
制御部２９は、図６（ａ）に示すように、光源部３１からの出射光を制御して、第１フレーム目では、中心波長４４５ｎｍの青色レーザ光を出射させて白色光を被検体に照射する。撮像素子１５は、白色光で照明された被検体を撮像し、その撮像信号を第１のメモリ５１に保存する。

次に、制御部２９は、光源部３１による出射光を制御して、第２フレーム目では、中心波長３７５ｎｍの近紫外レーザ光を出射させ、第２波長変換材により発生する緑色光と青色光とを被検体に照射する。撮像素子１５は、緑色光と青色光で照明された被検体を撮像し、その撮像信号を第２のメモリ５３に保存する。

以降、同様にして、第３フレーム（奇数フレーム）では第１フレーム目と同様に、第４フレーム（偶数フレーム）では第２フレームと同様に照明・撮像・撮像信号保存の処理を行うことを繰り返す。つまり、白色光の照明と、特定の可視波長帯域の光を含む照明とを撮像素子１５の撮像フレーム毎に交互に切り換える。すると、図６（ｂ）に示すように、第１のメモリ５１には白色光による照明画像が蓄積され、第２のメモリ５３には緑色光と青色光による狭帯域診断用画像が蓄積される。これら２種類の撮像信号による画像情報を、図７に示すように、モニタ上の異なる表示領域５５、５７に、第１のメモリと第２のメモリに保存された撮像信号をそれぞれ表示する。各表示領域のサイズは図示例では同一にしているが、いずれか一方を他方より大きく表示したり、いずれか一方の画像表示領域内に、他方の画像を小さく表示する等、任意に設定することができる。

このように、白色光の照明下の撮像画像と、特定の可視波長帯域の光を含む照明下の撮像画像とを交互に撮像することで、双方を略同時に画像取得することができ、２種類の画像情報をリアルタイムで同時に表示させることができる。また、それぞれの撮像画像を並べて表示することで、観察位置とその部位の性状が同時に把握でき、分光診断による診断精度を一層高められる。

また、特定の可視波長帯域の光を照射して撮像する際に、上記のようにLiTbW₂O₈ の緑色励起光、ベータサイアロンによる青色励起光の照明光の組み合わせ以外にも、種々の光成分の組み合わせが可能である。
例えば、青色レーザ光源３３からのレーザ光を狭帯域の照明光を擬似的に単独で照射した場合の観察画像を得ることができる。その場合には、撮像光学系により撮像して時系列的に得た複数のフレーム画像に対して、撮像タイミングの異なるフレーム画像に跨った画像演算処理を行う。
つまり、それぞれ異なる特定の波長帯域光を検出した検出色画面（青、緑、赤の３原色の画面）を複数画面有して構成されるフレーム画像を、複数回にわたって撮像する一方、各フレーム画像の撮像タイミングに同期して複数種の光源からの光をそれぞれ異なる条件で照射する。第１光源により被検体を照明したときの観察画像を第１フレーム画像、第２光源により被検体を照明したときの観察画像を第２フレーム画像としたとき、第１フレーム画像と第２フレーム画像とを繰り返し撮像し、第１フレーム画像の特定の検出色画面の輝度情報と、第２フレーム画像の特定の検出画面の輝度情報とを演算処理して、光源装置からの特定の波長成分の光による観察画像を解析的に求める。

図８に、図６と同様に撮像した各フレーム画像に対して特定の検出色の画面に含まれる主要な光成分を示した。ここでは、第１波長変換材としてYAG蛍光体の代わりにベータサイアロン緑色蛍光体とCaAlSiN₃赤色蛍光体とを用い、波長３７５ｎｍ、４４５ｎｍのいずれの光であっても励起発光する蛍光体を用いている。図９にCaAlSiN₃赤色蛍光体の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示した。CaAlSiN₃赤色蛍光体は、４５０ｎｍの青色光で効率よく励起され、６５０ｎｍ付近の赤色光を発光する。この蛍光体の組み合わせよれば、青色レーザ光源３３（図２参照）と近紫外レーザ光源３５のいずれの光源からの光であっても、波長変換部材４５を励起発光させることができる。したがって、出射する光成分が増えることで、光の利用効率が向上する。

図８に示すように、中心波長４４５ｎｍのレーザ光を照射して撮像して得た撮像信号である第１フレームは、青色の検出光画面B１では、青色レーザ光源３３からの中心波長４４５ｎｍのレーザ光、第１波長変換材のベータサイアロンによる青色蛍光による照明光下での観察光が含まれ、緑色の検出光画面G１では、第１波長変換材のベータサイアロンによる緑光蛍光による照明光下での観察光が含まれ、赤色の検出光画面R1では、第１波長変換材のCaAlSiN₃による赤色蛍光による照明光下での観察光が含まれる。

また、次に中心波長３７５ｎｍのレーザ光を照射して撮像して得た撮像信号である第２フレームは、青色の検出光画面B２では、第２波長変換材のベータサイアロンによる青色蛍光による照明光下での観察光が含まれ、緑色の検出光画面G2では、第２波長変換材のベータサイアロンによる緑色蛍光、第２波長変換材のLiTbW₂O₈による狭帯幅の緑色蛍光による照明光下での観察光が含まれ、赤色の検出光画面R2では、第２波長変換材のCaAlSiN₃からの赤色蛍光による照明光下での観察光が含まれる。

そして、次に中心波長４４５ｎｍのレーザ光を照射して撮像して得た撮像信号である第３フレームは、第１フレームと同様の光成分となる。以降、同様に第４フレームは第２フレームと同様となり、第５フレームは第３フレーム（第１フレーム）と同様となって、これが繰り返される。

ここで、第２波長変換材のLiTbW₂O₈による狭帯域の緑色蛍光による観察光は、第１フレームのG1に含まれるが、ベータサイアロンによる青色蛍光による観察光に重畳されてブロードなスペクトルとなって、もともとの狭帯域の緑色蛍光による観察光は直接的に検出することはできない。そこで、第２フレームの緑色の検出光画面G２から第１フレームの緑色の検出光画面G1を減算して、ベータサイアロンの緑色蛍光成分を相殺することにより、LiTbW₂O₈による狭帯域の緑色蛍光成分のみによる観察光を選択的に抽出することができる。

同様に、狭波長帯域とされた４４５ｎｍのレーザ光も同様に、第１フレームのB1に含まれるが、ベータサイアロンによる青色蛍光と重畳されて直接的に検出することはできない。そこで、B1からB2を減算すれば、４４５ｎｍのレーザ光のみによる観察光を選択的に抽出することができる。

また、白色光による観察光画像についても、上記のフレーム間処理を実施することで、情報量をより多く含んだ画像として得ることが可能となる。白色光照明による観察光は、第１、第３フレーム（奇数フレーム）で得られるが、輝線成分となるレーザ光が混在する照明光よりも、むしろ第２フレームにおけるベータサイアロンによる比較的波長帯域幅の広い青色蛍光を用いた方が演色性を向上できる。そこで、白色光による観察光画像として、第１フレームをそのまま用いることなく、第１フレームのG1,R1と、第２フレームのB２を組み合わせることで、より演色性のよい白色光による観察光画像を得ることができる。

また、狭帯域照明光による観察光画像として、G2-G1で得られるLiTbW₂O₈による狭帯域の緑色蛍光成分と、B1-B2で得られる４４５ｎｍのレーザ光成分による観察光画像を得ることができる。
さらに、これらの組み合わせ以外にも、任意に設定できることは言うまでもない。例えば、中心波長４４５ｎｍの青色レーザ光で照明（白色照明）した観察画像を第１フレーム、中心波長４０５ｎｍの緑色レーザ光により緑色の狭波長帯域で照明した観察画像を第２フレーム、中心波長３７５ｎｍの近紫外レーザ光による青色の広波長帯域の励起発光光で照明した観察画像を第３フレームで取り込み、各フレームで相互に演算処理することも可能である。

上記のように、撮像して得られる各フレームの各検出光画面のそれぞれを適宜組み合わせて利用することで、診断に都合のよい画像情報を簡単に提供することができる。例えば、４４５ｎｍのレーザ光による観察光を演算（B1-B2）により求め、これを青色と緑色の色調に割り当て、LiTbW₂O₈による狭帯域の緑色蛍光による観察光を演算（G2-G1）により求め、これを赤色の色調に割り当てる。このように、特定の波長成分の光による観察画像を、それぞれ特定の色調に変換して疑似カラーの強調画像を生成することで、組織表層部の毛細血管や腺管構造（ピットパターン）等が強調表示され、毛細血管が集中する悪性腫瘍の発見等に大きく寄与できる。

以上説明した内視鏡にとって有用な、青色や緑色の狭帯域の撮像信号取得に適した蛍光体の組み合わせや、時系列的な励起光源の切り替え、信号算出方法により、励起光の切り替えにより発光波長帯域を明確に分離、かつ選択的に発光させることができる。

これにより、粘膜の深い部分に到達しにくい青色光が組織の表層部の毛細血管を、また、組織の内部にまで行き届く緑色光が深部の血管をそれぞれ鮮明に映し出した画像を簡単にして得ることができる。また、上述した説明においては、青色レーザ光源３３と近紫外レーザ光源３５とのいずれか一方をONに、他方をOFFにして照明光を得ていたが、この他にも、これらレーザ光源を共にONにして蛍光体を励起させ、その状態で撮像して得た撮像画像を適宜な演算処理を施すことにより、所望の発光波長帯域の光成分を取り出すこともできる。

以上説明したように、本実施形態の内視鏡装置１００によれば、照明光学系の光源としてレーザ光を用いることで、光ファイバーにより導光でき、高輝度の光を拡散を抑えて高効率で伝搬させることができる。また、白色光と特定の狭い可視波長帯域の光とを同一の光路から照射させる同軸照明構造としたため、新たに複数本の照明光学系を内視鏡の挿入部に設ける必要がなく、さらに導光路を光ファイバーで構成できるため、従前のライトガイド（光ファイバー束）を要することなく、内視鏡挿入部の細径化が図り易くなる。

また、特定の狭い可視波長帯域の光を生成する近紫外レーザ光源３５からのレーザ光は、不可視光であるため、第２波長変換材によって全てが波長変換されずに、一部の光が第２波長変換材をそのまま通過しても、出射される照明光の色バランスを崩すことがない。したがって、体腔内の観察画像に色味変化を及ぼすことなく内視鏡の診断精度を高く維持できる。そして、近紫外レーザ光源３５からの近紫外レーザ光は、第１波長変換材に対して吸収が殆どなく、光強度の低下が少ないため、光利用効率の高い照明光学系を構築できる。

上述の第２波長変換材の励起光は、波長帯域が半値幅で４０ｎｍ以下に設定されることが好ましい。これは次の理由による。
ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子は、カラーフィルタを備えており、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各原色（他にも補色としてシアン、マゼンタ、イエロー等の組み合わせもある）を特定検出色としてフルカラー画像情報を生成している。各検出色の光強度検出は、ある波長幅の有感度波長帯内の光強度を検出するが、実際には各検出色の波長が近接しており、有感度波長帯の一部が相互にオーバーラップしている。しかし、オーバーラップする領域が多いと混色が生じるため、通常、このオーバーラップする領域を狭めることがなされている。

有感度波長帯は、例えば、Ｂでは１００ｎｍ以下、Ｇでは８０ｎｍ以下、ＲではＧとの混色防止のため１００ｎｍ以下に設計される（本明細書では、これを実質的な有感度波長帯と呼称する）。したがって、撮像素子に混色の影響なく各検出色を検出するには、励起光の波長帯域をこの実質的な有感度波長帯よりも狭い波長幅にすればよい。換言すれば、波長変換部材４５が励起発光する特定の可視波長帯域の発光スペクトル曲線のピークの半値幅が、カラーフィルタの特定検出色を検出する波長帯域のスペクトル感度曲線のピークの半値幅より狭い波長幅にする。これにより、特定の波長帯域の励起光が複数の有感度波長帯に跨って検出されることがなくなる。また、観察したい被検体に合わせてスペクトルの中心をカラーフィルタの中心からずらす場合もあり、その場合には、励起光の波長帯域の幅をより狭くする必要がある。

このため、第２波長変換材４７の励起光の波長帯域の幅は、６０ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下に設定する。また、光強度の観点からは１０ｎｍ以上であることが好ましい。この励起光の波長帯域の幅は、第２波長変換材を適宜選定すること等により任意に設定できる。

また、撮像素子の光強度検出による理由の他に、狭帯域内視鏡（narrow band imaging :NBI)による診断を行う際に、狭帯域化が必要となる点も挙げられる。生体組織に照明光が照射されると、光は拡散的に伝播する。吸収や散乱特性が強いと、光は生体組織内の深くまで伝播されずに反射光として観察される。その吸収・散乱特性は、強い波長依存性を有し、波長が短いほど散乱特性が強くなり、光の生体組織への深達度は照射する光の波長によって決定される。特に、早期病変の診断に重要となる粘膜表面の微細構造の観察には、表面から浅い層内からの情報が重要となるので、その場合には、第２波長変換材の励起光の波長帯域を、所望の波長でしかも帯域を狭くすることで、観察目的とする層からの情報を選択的に抽出することが可能となる。

以上説明したように、各実施形態の内視鏡装置によれば、レーザ光と蛍光体の励起発光光とを含んで形成される白色光と、特定の狭い可視波長帯域の光とを、細径化を図りつつ簡単な構成で選択的に照射することができる。
なお、本光源装置およびこれを用いた内視鏡装置は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形や改良等が可能である。例えば、白色光と特定の狭い可視波長帯域の光とを、内視鏡１０の本体操作部１１に設けたスイッチ等により、簡単な手元操作により切り換え自在とすることで、使い勝手を向上することができる。

内視鏡装置の概念的な構成図である。図１の内視鏡装置に用いる光源装置の光学系の構成図である。青色レーザ光が第１波長変換材により波長変換された後の光のスペクトル分布を示すグラフである。第２波長変換材として用いるLiTbW₂O₈の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示すグラフである。第２波長変換材として用いるベータサイアロンの励起スペクトルおよび発光スペクトルを示すグラフである。撮像光学系により撮像して時系列的に得た複数のフレーム画像（ａ）と、これらフレーム画像を並べ替えて表示する様子（ｂ）を概念的に示す説明図である。モニタ上の異なる表示領域に、第１のメモリと第２のメモリに保存された撮像信号をそれぞれ表示した様子を模式的に示す説明図である。各フレーム画像に対する特定の検出色の画面に含まれる主要な光成分を示す説明図である。 CaAlSiN₃赤色蛍光体の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１０内視鏡
１１本体操作部
１３挿入部
１５固体撮像素子
１９照明用光学部材
２０光源装置
２１光ファイバー
２７撮像信号処理部
２９制御部
３０画像処理装置
３１光源部
３３青色レーザ光源
３５近紫外レーザ光源
３９偏光ビームスプリッタ
４５波長変換部材
５１第１のメモリ
５３第２のメモリ
５５，５７表示領域
１００内視鏡装置

Claims

青色の第１のレーザ光を出射する第１光源と、
前記第１のレーザ光を光入射側に入射して伝送する光ファイバーと、
該光ファイバーの光出射側に配置され、前記第１のレーザ光により緑色〜黄色の光を励起発光する第１波長変換材と、を有し、
前記第１のレーザ光と前記第１波長変換材からの励起発光光とを混合して白色光を得る光源装置であって、
前記青色の第１のレーザ光の中心波長より短波長となる紫乃至近紫外の中心波長の第２のレーザ光を出射する第２光源と、
前記第２のレーザ光を前記光ファイバーの光入射側の光路に導入する光カップリング手段と、
前記光ファイバーの光出射側より光路前方に設けられ、前記青色の第１のレーザ光と前記紫乃至近紫外の中心波長の第２のレーザ光により赤色光を励起発光する第２波長変換材と、
を備えたことを特徴とする光源装置。
請求項１記載の光源装置であって、
前記第１波長変換材と前記第２波長変換材の各蛍光物質を分散配置して一体に形成、あるいは前記第１波長変換材と前記第２波長変換材とを積層して一体に形成した波長変換部材を備えたことを特徴とする光源装置。
請求項１又は請求項２記載の光源装置と、
前記光源装置の光ファイバーの光出射部を内視鏡挿入部の先端側に配置して被検体を照明する照明光学系、および被検体からの光を受光して撮像信号を出力する撮像素子を含む撮像光学系を有する内視鏡と、
前記第１光源と前記第２光源からの各レーザ光の出射制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡装置。