JP6072213B2 - フルスペクトルｌｅｄ照明器 - Google Patents

Description

本発明は照明システム、特に内視鏡検査法のための照明システムに関し、より詳細には、発光ダイオード（ＬＥＤ）と半導体レーザとの少なくとも一方を用いたフルスペクトル照明システムに関する。

内視鏡検査法、顕微鏡検査法及び類似の光学的画像化応用のための照明システムは、一般的に好まれる光源として、長年用いられてきたアークランプ又はハロゲン技術を使用してきた。より最近では、発光ダイオード又はダイオードレーザのような、様々な形態の固体光源が、これらの画像化応用のいくつかにおいて用いられるように導入されてきている。これらの固体光源の出力の明るさ又は出力スペクトル限界のために、ＬＥＤとレーザダイオードとの少なくとも一方の使用は、最近まで、低い光レベルで十分であるか、又は狭いスペクトルの照明が要求され／望まれるような光学画像化応用に限られてきた。

固体光源で十分に明るく十分な可視スペクトルでの照明を達成することは、いくつかの理由のために挑戦的なものであった。

ａ）第１に、ＬＥＤ技術は進歩してきたが、全光出力の点では、ランプ技術の進歩に対してずっと遅れて始まったものである。次第に大きな光出力が現在では利用可能となっているが、例えば単一の蛍リン光体コート（「白色」）ＬＥＤからの光は、アークランプの光に対して数オーダの規模で弱いものである。

ｂ）代わりに、複数の異なる色（例えば赤色、緑色及び青色）のＬＥＤが、ダイクロイック（二色性の）ミラーを用いて、広いスペクトル範囲にわたる「ソース」放射へと結合されることができる。しかしながら、上述の画像化応用は概して、光を、液体、ファイバーオプティック、又はロッドレンズ光ガイドへと結びつけること（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を必要とする。このような光学光ガイドは、典型的には、直径数ｍｍの小さな物理的口径と、制約された／限定された開口数（ＮＡ）との双方を有している。さらに、エテンデュの考慮も、このように組み合わされたソースの照明システムの実用的な実装を急速に制約するものである。

ｃ）複数の異なる色のＬＥＤの構成についてのエテンデュの考慮が、ソース及びダイクロイックを慎重に等しくされた光学経路長で適切に配置することによって克服されたとしても、効果的な冷却及びコストに関して他の実装上の問題が生じる。

最後に、赤色及び青色のＬＥＤの出力輝度は、アークランプ又はハロゲンランプのスペクトルの赤色及び青色部分の輝度と実質的に同等の輝度を有する光を生み出すことができるレベルに到達したが、緑色ＬＥＤの出力は、ランプによって生み出される緑色光よりも実質的に小さい傾向がある。

それゆえ、この問題に対処し、光学光ガイドへと効果的に結合できるであろう、明るく、色のバランスが取れており、広いスペクトルの可視光出力を生み出すことができる固体光源を用いた、費用対効果が適切であり信頼できる照明器を提供することにより、他の従来技術の欠点を緩和することが、望まれており及び有利である。このような照明器及び結果として生じる光放射に、（例えば組織の蛍光励起のための）ＵＶ又はＮＩＲ照明のための他の光源を含めることもまた、望まれるだろう。

本発明の１つの態様によれば、明るく、色平衡（カラーバランス）され、広いスペクトルの、可視光出力を生み出す固体光源を用いた照明器が開示される。

本発明の１つの有利な特徴によれば、照明器は、可視スペクトル（例えば４００ｎｍから７００ｎｍ）にわたる複数の高出力ＬＥＤ光源を含んでもよい。これらのＬＥＤ光源は、別個に電力を供給されかつ制御される。これらのＬＥＤによって生み出された光は、ミラー、又はＬＥＤ光出力に波長が適切に合わせられたダイクロイックフィルタを用いて、単一ビームへと結合される。結合された光は、そして、高ＮＡ（例えば＞０．５の）レンズのような適切な光学要素を用いて、光学光ガイドへと結合される。

本発明の１つの有利な特徴によれば、照明器は、別々の高熱伝導性パッケージに収容されたＬＥＤ光源を含んでもよい。ＬＥＤダイは、端面発光又は面発光であってもよく、単一ダイ又は複数ダイ構成でパッケージされていてもよい。

本発明の１つの有利な特徴によれば、照明器は、赤色、緑色、及び青色のＬＥＤ光源の組み合わせを含んでいてもよい。代わりに、又はこれに加えて、これらのＬＥＤ光源の１以上は、適用例において（例えば内視鏡において）要求され又は望まれる、紫色、黄色、琥珀色／橙色のＬＥＤを含む、可視スペクトルの他の色合いを有していてもよい。代わりに、又はこれに加えて、単一のＬＥＤパッケージが、これらの色のダイの任意の組み合わせを有していてもよい。

本発明の１つの有利な特徴によれば、放射される光の緑色成分を増加させ、より色平衡された出力を与えるために、照明器は赤色及び青色のＬＥＤ光源に加えて、例えば長波長の緑色及び短波長の緑色のような少なくとも２つの緑色ＬＥＤ光源を有していてもよい。この２つの緑色ＬＥＤのピーク波長及びバンド幅は、組み合わせられた光学系が最大の正味の緑色光出力を生み出すことを保証するように、慎重に選択される。一実施形態において、長波長緑色は〜５３０ｎｍのピーク波長及び＋／−４０ｎｍのおおよそのＦＷＨＭバンド幅を有してもよく、短波長緑色は〜５１５ｎｍのピーク波長及び＋／−３７ｎｍのおおよそのＦＷＨＭバンド幅を有してもよい。

本発明の１つの有利な特徴によれば、ＬＥＤ光源は単一のヒートスプレッダ板と良好に熱的に接触しているヒートシンクに取り付けられてもよい。スプレッダ板は、例えば銅、アルミニウム、鉄、ダイヤモンド、金、又は銀等の高い熱伝導性を有する金属でありうる。スプレッダ板は、フィン状ヒートシンク若しくはヒートパイプのようなパッシブ冷却システム、又は熱電クーラー（ＴＥＣ）若しくは液体クーラーのようなアクティブ冷却システムに取り付けられ、又はこれらと一体化されていてもよい。ＬＥＤと板との間の熱的接触は、例えばはんだ付けによって、又は例えばタイプ１２０シリコン熱ジョイントコンパウンド（Ｗａｋｅｆｉｅｌｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ニューハンプシャー）のような熱伝導性コンパウンドの使用によって、与えられてもよい。この取り付け構成及び冷却構造は、組立体のコスト／複雑性と冷却効率との双方を最適化し、それゆえ固体源の寿命／信頼性をも最適化する。

本発明の１つの有利な特徴によれば、ＬＥＤ光源は、単一のヒートスプレッダ板上のヒートシンクの平坦な表面と共通な平面上に、光学経路長が波長と共に増加するように、例えば赤色ＬＥＤが最長の光学経路を有し、青色ＬＥＤが最短の光学経路を有するように、取り付けられてもよい。ＬＥＤ光源は、それぞれのＬＥＤ光源から光を収集する、非球面レンズ（例えばＮｅｗｐｏｒｔ ＫＰＡ０４０−Ｃ，アーバイン，カリフォルニア）で構成される混成収集群（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｇｒｏｕｐ）の焦点に又は焦点の近傍に位置する。非球面レンズの収集効率は、ＬＥＤと非球面レンズとの間に取り付けられた視野レンズ（ｆｉｅｌｄ ｌｅｎｓ）によって向上されてもよい。非球面レンズは、非球面レンズによって投射された光に対して直角に結合光ビーム経路へと光を反射するように配置されたミラー又はダイクロイックフィルタ（例えばＳｅｍｒｏｃｋ ＦＦ６７０−ＳＤｉ０１−２５ｘ３６，ロチェスター，ニューヨーク）へと、ほぼコリメートされたＬＥＤからの光ビームを投射する。ダイクロイックフィルタは、ＬＥＤ放射の波長の又はこの波長より長い実質的に全ての光を反射し、より短い波長の全ての光を透過するように設計されている。それぞれの非球面レンズのパワー及び位置、並びに任意の視野レンズのパワー及び位置は、それぞれのＬＥＤが光学経路長の違いを与えるために要求されるように、調整される。このように、光源の直線配置に伴うエテンデュ制約に対処することができ、光の結合ビームを光学光ガイドへと結合する際における高ＮＡレンズの能力を最大化しうる。

本発明の１つの有利な特徴によれば、ＬＥＤ光源に直接に取り付けられていない全ての光学要素（全ての残る集光レンズ、反射ミラー、ダイクロイックミラー、及びコリメート／コンデンスレンズ）が、結び合う機械的エンクロージャ内に取り付けられることができる。このエンクロージャは、アルミニウム又は同様の材料のような材料の単一ブロックから製造されてもよくかつ機械加工されてもよく、又は単一の要素として鋳造されかつ機械加工されてもよい。この機械的エンクロージャは、個々に製造され（例えば機械加工され）及び組み立てられた複数の要素で構成されていてもよい。このエンクロージャは、例えばそれぞれのＬＥＤ光源について１つの入力ポートとなるような、ヒートスプレッダ板上のＬＥＤ源の直線パターンと一致する直線の入力ポート列、及び単一の出力ポートを有する。全ての光学部品がエンクロージャ内に取り付けられると、ＬＥＤ光源を有するプレートがエンクロージャの入力ポートへと組み立てられ、かつ光ガイドが存在しない場合に出口開口をふさぐシャッタが出力ポートに位置するように取り付けられる。このエンクロージャは続けて完全に密閉され、光学要素はほこり及び他の汚染物質から保護される。

本発明の１つの有利な特徴によれば、照明器はレンズを有さない設計を用いてもよく、代わりにＬＥＤによって放射された光を伝播する磨かれた反射表面を有してもよい。光は、すると、前のとおりに、ダイクロイックフィルタを用いて結合されることができ、結合された光は反射表面を用いて光学光ガイドへと結合される。

本発明の１つの有利な特徴によれば、照明器はまた、１以上のダイオードレーザのような、組み合わせられた光学経路へと結合される他の光源を含んでもよい。一実施形態において、ダイオードレーザは、例えばインドシアニングリーン（ＩＣＧ）又は他のＮＩＲ励起蛍光剤の蛍光励起に適した８００から８２０ｎｍの波長範囲を放射するＮＩＲレーザとファイバ結合されてもよい。代わりに、又はこれに加えて、１以上のファイバ結合されたダイオードレーザが、ＩＣＧの蛍光を模する目的で、８３０ｎｍのＮＩＲ光を生み出してもよい。レーザによって放射されたＮＩＲ光は、ＮＩＲを反射するがより短い波長を透過する追加のダイクロイックミラーをＬＥＤ光学経路に導入することによって、光学経路へと結合されることができる。代わりに、又はこれに加えて、照明器は、組織の自己蛍光励起のための１以上のＵＶダイオードレーザを含んでもよい。これらのレーザは青色ＬＥＤチャネルへと結合されてもよく、青色ＬＥＤダイクロイックフィルタの前で、結合ビームのチャネルへと直接結合されてもよい。照明器はまた、高出力ＮＩＲ又はＵＶ ＬＥＤを、ダイオードレーザの代わりに含んでいてもよい。

システムはまた、収集群から光ガイドへの共役面の画像化を提供する（すなわちラウンドコーンを光ガイドへとフィッティングする）。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、以下の本発明の現在において好ましい例示的な実施形態の説明を読むことにより、より容易に明らかなものとなるだろう。

高い熱伝導性を有する基板を備えるＬＥＤパッケージを示す。 集光（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）、結合（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）、及びコンデンス（ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ）光学系を備える、ヒートスプレッダ上に配置された直線状ＬＥＤアレイを備える照明器の破断図を示す。 熱交換器及びファンを備える、ヒートスプレッダ上に配置された直線状ＬＥＤアレイを備える照明器の破断図を示す。 エンクロージャ中での、照明器の例示的なエアーフローパターンを示す。

全ての図面にわたって、同じ又は対応する要素は、一般的に同じ参照符号で示されているだろう。これらの説明される実施形態は、本発明を説明するものと理解され、どのような方法であれ限定するものとしては理解されない。図面は必ずしも縮尺通りではなく、実施形態は時には図式シンボル、仮想線、概略表面及び断片図によって表されていることが、理解されるべきである。いくつかの場合には、本発明の理解のために必要ではない、又は他の細部を理解することを困難にするような細部は、省略されているかもしれない。

図面に、特に図１に注意を向けると、図２に示されるヒートスプレッダを取り付けるためのマウント穴を有する、高熱伝導性を有する基板を含むＬＥＤパッケージが示されている。このＬＥＤパッケージはまた、ＬＥＤに電力を供給するための電気端子を含む。

図２は、ヒートスプレッダ上に配置されたＬＥＤの直線状アレイを備え、集光光学系（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃｓ）、結合光学系（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃ）及びコンデンス光学系（ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ）を備える、照明器の破断図を示す。ＬＥＤは、「白色光」出力ポートから、次第に増加する光学経路長を有するように配置されている。非球面レンズ、及び任意的には視野レンズ、のような集光光学系が、それぞれのＬＥＤの前面に配置されてもよい。赤色ＬＥＤからの光は、ミラーによって９０°の角度で反射される。さらなるダイクロイックミラーが、このミラーと「白色光」出力ポートとの間の結合ビーム経路に配置される。これらのダイクロイックミラーは、例示的な長波長緑色ＬＥＤ（ピーク波長は〜５３０ｎｍにあり、おおよそのＦＷＨＭバンド幅は＋／−４０ｎｍである）と、例示的な短波長緑色ＬＥＤ（ピーク波長は〜５１５ｎｍにあり、おおよそのＦＷＨＭバンド幅は＋／−３７ｎｍである）と、例示的な青色ＬＥＤ（ピーク波長は〜４６０ｎｍにあり、おおよそのＦＷＨＭバンド幅は＋／−２５ｎｍである）と、によって放射された光を、伝播する結合ビーム、すなわち赤色、赤色＋長緑色、赤色＋長緑色＋短緑色にすでに存在する波長は透過させながら、このリストされた順に、９０°の角度で反射するように構成されている。レーザによって放射された光は、結合ビームへと適切に追加されることができる。図３は、ヒートスプレッダ上の直線状ＬＥＤアレイと、ＬＥＤレーザ熱交換器と、ＬＥＤレーザ熱交換ファンとを備える、照明器の破断図を概略的に示す。

図４は、エンクロージャ中での照明器周辺の例示的なエアーフローパターンを概略的に示す。

詳細に示され及び記載された現在の好適な実施形態と組み合わせて本発明が説明され及び記載されたが、本発明の精神及び範囲からどのような形であれ逸脱することなく様々な修正及び構成上の変形がなされてもよいために、この示された詳細に限定されることは意図されていない。当業者が本発明及び様々な実施形態を想定される特定の使用法に適している様々な修正とともに最もよく用いることを可能とするように、本発明の原理及び実用的な応用を説明するために、実施形態は選択され及び説明された。

Claims (22)

1. 画像化される物体の照明のための光ガイドへと光出力を与える装置であって、
   それぞれが独立に電力を供給されかつ独立に制御される複数の固体発光源と、
   前記複数の固体発光源を熱的に結合し、前記複数の固体発光源によって生成された熱の伝導を提供するヒートシンクと、を備え、
   前記ヒートシンクは、高い熱伝導性と、平坦な表面を有する、金属から形成されるヒートスプレッダ板を含み、
   それぞれの前記固体発光源は、共通の光学的平面に沿って前記固体発光源を配向させるために、前記平坦な表面に直接取り付けられ、
   前記装置はさらに、前記複数の固体発光源に同時に電力を供給する間に、前記複数の固体発光源からの放射を集光し、コリメートし、及び結合して、前記共通の光学的平面に沿って形成され、出力において前記光ガイドへと光学的に結合される結合光ビームとする光学要素と、を備え、
   それぞれの前記発光源は、他の発光源によって放射される波長とは異なる波長の光を放射し、
   それぞれの前記発光源から放射された光がそれぞれの前記発光源から前記出力へ進む光学経路長が、前記出力に対して最も近い発光源から前記出力に対して最も遠い発光源までそれぞれの前記固体発光源から放出された前記光の波長とともに増加する
   ことを特徴とする装置。
2. 前記ヒートシンクは、パッシブ冷却システムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記パッシブ冷却システムは、フィン状ヒートシンク若しくはヒートパイプであることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記ヒートシンクは、アクティブ冷却システムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記アクティブ冷却システムは、熱電クーラー若しくは液体クーラーであることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記固体発光源は、発光ダイオードとダイオードレーザとを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記光学要素は、前記複数の固体発光源のそれぞれからの前記放射を収集及びコリメートするように構成された、フィールドレンズ及び非球面レンズを含むことを特徴とする、請求項１又は６に記載の装置。
8. ダイクロイックフィルタをさらに含み、前記ダイクロイックフィルタが、前記複数の固体発光源のそれぞれからの前記コリメートされた放射を、出力ポートへの共通の経路に沿って導かれる前記結合光ビームへと結合するように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. それぞれの前記複数の固体発光源の光学経路長が、波長とともに増加するように、前記光学要素が配置されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. それぞれの前記固体発光源は、実質的に混成収集群（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｇｒｏｕｐ）の焦点に位置することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 画像化される物体の照明のための光ガイドへと光出力を与える装置であって、
    それぞれが独立に電力を供給されかつ独立に制御され、かつそれぞれが他の発光源によって放射される波長とは異なる波長の光を放射する複数の固体発光源と、
    金属から形成され、高い熱伝導性を有し、実質的に平坦に構成されている単一のヒートスプレッダ板と、
    ヒートシンクであって、前記ヒートシンクと前記単一のヒートスプレッダ板との間に共通の平面配置を形成するように、前記単一のヒートスプレッダ板の第１の平坦な表面に取り付けられるヒートシンクと、
    前記複数の固体発光源に同時に電力を供給する間に、前記複数の固体発光源からの放射を集光し、コリメートし、及び結合して、共通の光学的平面に沿って形成され、前記光ガイドへと光学的に結合される結合光ビームとする光学要素と、を備え、
    共通の光学的平面に沿って前記固体発光源を配向させるために、前記複数の固体発光源は、前記単一のヒートスプレッダ板の第２の平坦な表面に直接取り付けられ、前記第２の平坦な表面は、前記第１の平坦な表面と実質的に平行であり、前記ヒートスプレッダ板は、前記複数の固体発光源と前記ヒートシンクを熱的に結合し、前記複数の固体発光源によって生成された熱の伝導を提供するように構成され、
    それぞれの前記発光源から放射された光がそれぞれの前記発光源から出力へ進む光学経路長が、それぞれの前記固体発光源から放出された前記光の波長に基づいて異なる
    ことを特徴とする装置。
12. 前記ヒートシンクは、パッシブ冷却システムを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記パッシブ冷却システムは、フィン状ヒートシンク若しくはヒートパイプであることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記ヒートシンクは、アクティブ冷却システムを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
15. 前記アクティブ冷却システムは、熱電クーラー若しくは液体クーラーであることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 前記固体発光源は、発光ダイオードとダイオードレーザとを含むことを特徴とする、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記光学要素は、前記複数の固体発光源のそれぞれからの前記放射を収集及びコリメートするように構成された、フィールドレンズ及び非球面レンズを含むことを特徴とする、請求項１１又は１６に記載の装置。
18. ダイクロイックフィルタをさらに含み、前記ダイクロイックフィルタが、前記複数の固体発光源のそれぞれからの前記コリメートされた放射を、出力ポートへの共通の経路に沿って導かれる前記結合光ビームへと結合するように構成されていることを特徴とする、請求項１１から１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記複数の固体発光源のそれぞれと関連する相対光学経路長が、前記波長の相対的な違いに基づくように、前記光学要素が配置されていることを特徴とする、請求項１１から１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記複数の固体発光源の光学経路長が、前記波長とともに増加するように、前記光学要素が配置されていることを特徴とする、請求項１１から１９のいずれか１項に記載の装置。
21. それぞれの前記固体発光源は、実質的に混成収集群（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｇｒｏｕｐ）の焦点に位置することを特徴とする、請求項１１から２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記発光源から前記出力への光学経路長が、前記出力に対して最も近い発光源から前記出力に対して最も遠い発光源までそれぞれの前記発光源から放出された前記光の波長とともに増加することを特徴とする、請求項１１から２１のいずれか１項に記載の装置。