JP6099831B2 - 光源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置に関するものである。
従来、単色光を発するLED(発光ダイオード)のような固体光源を複数個使用し、赤色、緑色および青色の単色光を合波して白色の照明光を生成する光源装置が知られている(例えば、特許文献1から3参照。)。
緑色LEDが発する緑色光は、赤色LEDおよび青色LEDがそれぞれ発する赤色光および青色光に比べて光量が小さく、さらに、ピーク波長が緑色の波長域のうち短波長側に偏っている。したがって、生成される照明光のスペクトルにおいて、緑色光のピーク波長と赤色光のピーク波長との間に欠落した波長域が生じ、理想的な色温度の照明光を生成することができない。そこで、特許文献3は、赤色、緑色、青色のLEDに加えて白色LEDを使用し、該白色LEDが発する白色光の一部の成分を用いて緑色の波長域のスペクトルを補正することによって、照明光の色温度を調整している。
特開2005−173625号公報 特開2005−157221号公報 特開2004−151173号公報
しかしながら、特許文献3のように緑色の波長域のスペクトルを補正したとしても、照明光の欠落した波長域を十分に補うことは難しく、波長欠落の少ない良好なスペクトル特性を有する照明光を生成することができない。特に、医療用内視鏡に適用される光源装置の場合、観察対象である内臓表面の粘膜を内視鏡映像を用いて正確に観察および診断するためには、緑色から赤色の波長域のスペクトル特性が重要となる。すなわち、粘膜は、緑色から赤色の波長域において比較的高い分光反射率を有するが、この分光反射率は一定ではない。したがって、緑色から赤色の波長域においてスペクトルの欠落が存在する照明光で粘膜を照明した場合、粘膜の微妙な色合いの違いを表現することができず、内視鏡映像において粘膜の色合いを正確に再現することができないという不都合がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、より良い色再現性を確保するために、波長欠落の少ない良好なスペクトル特性を有する照明光を生成することができる光源装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、互いに異なるピーク波長を赤色の波長域に有する長波長光をそれぞれ発する少なくとも2つの長波長光源と、500nmから580nmの緑色の波長域を含むとともに580nm以下にピーク波長を有し、前記長波長光の短波長側の波長域と重複する波長域を長波長側に有する広帯域光を発する単一の広帯域光源と、長波長側のピーク波長を有する一方の前記長波長光の、赤色の波長域中の第1の所定の波長よりも長い波長域と、短波長側のピーク波長を有する他方の前記長波長光の、前記第1の所定の波長以下の波長域とを合波するとともに、前記他方の長波長光の、第2の所定の波長よりも長い波長域と、前記広帯域光の、前記第2の所定の波長以下の波長域とを合波する合波部とを備え、前記第1の所定の波長は、前記一方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記他方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長であり、前記第2の所定の波長は、前記他方の長波長光のピーク波長と前記広帯域光のピーク波長との間の波長であるとともに、前記他方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記広帯域光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長である光源装置を提供する。
本発明によれば、長波長光源から射出された長波長光と、広帯域光源から射出された、赤色の波長域にまでスペクトルを有する広帯域光とが、合波部によって1つに合波されることによって、少なくとも緑色から赤色の波長域においてスペクトルに欠落が無い照明光が生成される。
この場合に、合波部によって合波される長波長光および広帯域光は、長波長光のピーク波長と広帯域光のピーク波長との間の波長域において、各々のピーク強度の10%以上の十分に高い強度を有する。これにより、波長欠落の少ない良好なスペクトル特性を有し、より良い色再現性を確保することが可能な照明光を生成することができる。
なお、本明細書において、「赤色の波長域」とは、約580nmから約760nmの波長域を意味し、橙色を含む。「緑色の波長域」とは、約500nmから約580nmの波長域を意味する。「青色の波長域」とは、約380nmから約500nmの波長域を意味し、紫色を含む。
上記発明においては、前記広帯域光が、500nmから580nmの範囲内に前記ピーク波長を有することが好ましい。
このようにすることで、照明光の、特に緑色から赤色の波長域においてより高いスペクトルの強度を確保し、より良好なスペクトル特性を得ることができる。
上記発明においては、互いに異なるピーク波長を青色の波長域に有する短波長光をそれぞれ発する少なくとも2つの短波長光源を備え、前記合波部が、長波長側のピーク波長を有する一方の前記短波長光の、前記青色の波長域中の第3の所定の波長よりも長い波長域と、短波長側のピーク波長を有する他方の前記短波長光の、前記第3の所定の波長以下の波長域とを合波し、前記第3の所定の波長は、前記一方の短波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記他方の短波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長であってもよい。
このようにすることで、特に青色の波長域における分光反射率が一定では無い物体を照明する際に、該物体の色合いをより正確に表現することができる。
上記発明においては、互いに異なるピーク波長を赤色の波長域に有する長波長光をそれぞれ発する少なくとも2つの長波長光源を備え、前記合波部が、長波長側のピーク波長を有する一方の前記長波長光の、前記赤色の波長域中の第2の所定の波長よりも長い波長域と、短波長側のピーク波長を有する他方の前記長波長光の、前記第2の所定の波長以下の波長域とを合波し、前記第2の所定の波長は、前記一方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記他方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長であ
このようにすることで、特に赤色の波長域における分光反射率が一定ではない物体を照明する際に、該物体の色合いをより正確に表現することができる。
上記発明においては、前記合波部によって合波される光の強度比を調整する強度比調整部を備えていてもよい。
このようにすることで、照明光によって照明された物体を撮像素子によって撮影する場合に、照明光のスペクトル特性を、撮像素子の分光感度特性に対して最適化することができる。
本発明によれば、より良い色再現性を確保するために、波長欠落の少ない良好なスペクトル特性を有する照明光を生成することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る光源装置の全体構成図である。 図1の光源装置が備える、青色、緑色および赤色のLEDの発光スペクトル(左軸)と、第1および第2のダイクロイックフィルタの分光透過率(右軸)とを示すグラフである。 図1の光源装置によって生成される照明光のスペクトル(左軸)と、粘膜の分光反射率(右軸)とを示すグラフである。 図1の光源装置の変形例を示す全体構成図である。 図4の光源装置が備える青色LEDおよび紫色LEDの発光スペクトル(左軸)と、第3のダイクロイックフィルタの分光透過率(右軸)とを示すグラフである。 図4の光源装置が備える青色LEDおよび紫色LEDの発光スペクトル(左軸)と、粘膜の分光反射率(右軸)とを示すグラフである。 図1の光源装置のもう1つの変形例を示す全体構成図である。 図7の光源装置が備える赤色LEDおよび橙色LEDの発光スペクトル(左軸)と、第4のダイクロイックフィルタの分光透過率(右軸)とを示すグラフである。 図7の光源装置が備える赤色LEDおよび橙色LEDの発光スペクトル(左軸)と、粘膜および血管の分光反射率(右軸)とを示すグラフである。 従来の光源装置の全体構成図である。 図10の光源装置が備える、青色、緑色および赤色のLEDの発光スペクトル(左軸)と、第1および第2のダイクロイックフィルタの分光透過率(右軸)とを示すグラフである。 図10の光源装置によって生成される照明光のスペクトル(左軸)と、粘膜の分光反射率(右軸)とを示すグラフである。
以下に、本発明の一実施形態に係る光源装置1について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光源装置1は、図1に示されるように、3個のLED21,22,23と、LED21,22,23から射出された3つの光Lb,Lg,Lrを1つに合波して白色の照明光Lwを生成する2個のダイクロイックフィルタ31,32と、各LED21,22,23の直後段に配置された3個のコリメータレンズ4と、ダイクロイックフィルタ(合波部)31,32によって生成された照明光Lwを収束させる収束レンズ5とを備えている。
図2は、LED21,22,23が発する光Lb,Lg,Lrのスペクトルと、ダイクロイックフィルタ31,32の光透過特性とを示している。図2において、光Lb,Lg,Lrの強度は、各々の最大値を1として規格化されている。
LED21,22,23は、青色光(短波長光)Lbを発する単一の青色LED(短波長光源)21と、緑色光(広帯域)Lgを発する単一の緑色LED(広帯域光源)22と、赤色光(長波長光)Lrを発する単一の赤色LED(長波長光源)23である。
青色光Lbは、約20nmから30nmの半値幅のスペクトルからなる狭帯域光であり、約460nmのピーク波長を有する。
赤色光Lrは、約20nmから30nmの半値幅のスペクトルからなる狭帯域光であり、約630nmにピーク波長を有する。
緑色光Lgは、約100nm以上の半値幅のスペクトルからなる広帯域光であり、約550nmのピーク波長を有する。すなわち、緑色光Lgは、赤色の波長域にもスペクトルを有し、緑色光Lgの長波長側の波長域は、赤色光Lrの、少なくとも短波長側の波長域と重複している。
緑色LED22は、その射出光軸が青色LED21の射出光軸Aと交差するように、配置されている。赤色LED23は、その射出光軸が、緑色LED22よりも青色LED21から離れた位置において該青色LED21の射出光軸Aと交差するように、配置されている。
第1のダイクロイックフィルタ31は、約500nmにカットオフ波長(所定の波長)λcut1を有するショートパスフィルタであり、カットオフ波長λcut1以下の波長を有する光を透過させ、カットオフ波長λcut1よりも長い波長を有する光を反射する。
第2のダイクロイックフィルタ32は、緑色光Lgのピーク波長と赤色光Lrのピーク波長との間にカットオフ波長λcut2を有するショートパスフィルタであり、カットオフ波長λcut2以下の波長を有する光を透過させ、カットオフ波長λcut2よりも長い波長を有する光を反射する。
第1のダイクロイックフィルタ31は、青色LED21の射出光軸Aと緑色LED22の射出光軸とが交差する位置に配置されている。第1のダイクロイックフィルタ31は、青色LED21から射出された青色光Lbの全部を出力光軸Aに沿って透過させる一方、緑色LED22から射出された緑色光Lgの大部分を出力光軸Aに沿って反射する。
第2のダイクロイックフィルタ32は、青色LED21の射出光軸Aと赤色LED23の射出光軸とが交差する位置に配置されている。第2のダイクロイックフィルタ32は、青色光Lbの全部を出力光軸Aに沿って透過させる一方、第1のダイクロイックフィルタ31によって反射された緑色光Lgのうち、カットオフ波長λcut2よりも長い波長域を反射し、カットオフ波長λcut2以下の波長域を出力光軸Aに沿って透過させる。さらに、第2のダイクロイックフィルタ32は、赤色LED23から射出された赤色光Lrのうち、カットオフ波長λcut2をよりも長い波長域を出力光軸Aに沿って反射し、カットオフ波長λcut2以下の波長域を透過させる。
以上のようにして、第2のダイクロイックフィルタ32の後段においては、青色、緑色および赤色の光Lb,Lg,Lrが合波されて白色の照明光Lwが生成される。生成された照明光Lwは、収束レンズ5によって光軸A上のカバーガラス6に収束され、該カバーガラス6から光源装置1の外部へ照明光Lwが出力される。
ここで、第2のダイクロイックフィルタ32のカットオフ波長λcut2は、該カットオフ波長λcut2における緑色光Lgの強度が該緑色光Lgピーク強度の10%以上であり、かつ、カットオフ波長λcut2における赤色光Lrの強度が該赤色光Lrのピーク強度の10%以上である波長に設定されている。図2に示される例では、カットオフ波長λcut2は、約615nmに設定されている。
カットオフ波長λcut2における各光Lr,Lgの強度が、各々のピーク強度の10%未満である場合、照明光Lwの、カットオフ波長λcut2およびその近傍に、強度が不足する波長域が生じ得る。その結果、後述する照明光Lwの良好な色再現性を確保することが困難となる。
各コリメータレンズ4は、各LED21,22,23の発光部に焦点が配置された凸レンズであり、LED21,22,23の発光部から拡散光束として射出される光Lb,Lg,Lrをそれぞれ受光し、略同一の光束径を有する平行光束に変換してダイクロイックフィルタ31,32へそれぞれ射出する。このように、青色光Lbと緑色光Lgと赤色光Lrとが合成されて、照明光Lwが生成される。
次に、このように構成された光源装置1の作用について、生体内を観察する医療用内視鏡の光源装置として使用する場合を例に挙げて説明する。符号7は、光源装置1に接続された内視鏡の照明用のライトガイドを示している。
各LED21,22,23から射出された3色の光Lb,Lg,Lrは、2つのダイクロイックフィルタ31,32によって同一の射出光軸A上に合波されることによって、第2のダイクロイックフィルタ32の後段において白色の照明光Lwを生成する。生成された照明光Lwは、収束レンズ5によって収束され、ライトガイド7へ入射する。
ライトガイド7に入射した照明光Lwは、内視鏡の先端に配置されたライトガイド7の先端まで該ライトガイド7を導光し、内視鏡の先端から観察対象へ向かって照射される。観察対象からの照明光Lwの反射光は、内視鏡の先端に内蔵されたCCDイメージセンサのような撮像素子によって受光され、カラー画像化される。
ここで、粘膜の分光反射率は、図3に示されるように、500nmから650nmの波長域において変化が大きい。図3において、照明光Lwの強度は、最大値を1として規格化されている。
ここで、従来の光源装置1’について図10から図12を参照して説明する。図10に示されるように、光源装置1’の基本構成は、本実施形態に係る光源装置1と略同じであり、青色LED21’、赤色LED23’、第1のダイクロイックフィルタ31’、コリメータレンズ4’および集束レンズ5’は、青色LED21、赤色LED23、第1のダイクロイックフィルタ31、コリメータレンズ4、および集束レンズ5とそれぞれ同様に構成されている。ただし、図11に示されるように、従来の光源装置1’の緑色LED22’および第2のダイクロイックフィルタ32’の光学特性が、緑色LED22および第2のダイクロイックフィルタ32の光学特性とそれぞれ異なっている。
図10および図11に示されるように、緑色LED22’として狭帯域の緑色光Lg’を発するLEDを使用した従来の光源装置1’の場合、生成される照明光Lw’のスペクトルは、図12に示されるように、粘膜の分光反射率が大きく変化する緑色から赤色の波長域において波長が欠落してしまう。これは、照明光Lw’を粘膜に照射した場合に、粘膜の色を正確に再現することができないことを意味している。
本実施形態によれば、広帯域の緑色光Lgと、赤色光Lrとを合波して生成された照明光Lwは、500nmから650nmの波長域全体にわたって波長欠落の少ない連続するスペクトルを有する。さらに、緑色光Lgと赤色光Lrとを合波する第2のダイクロイックフィルタ32のカットオフ波長λcut2は、両方の光Lg,Lrが、該光Lg,Lrのピーク強度の10%以上の強度を有する波長に設定されている。これにより、照明光Lwは、図3に示されるように、500nmから650nmの波長域において相対的に強度が低くなるカットオフ波長λcut2およびその近傍においても十分な強度を有し、500nmから650nmの波長域全体にわたって波長欠落の少ない良好なスペクトル特性を有する。
このような照明光Lwは、粘膜が有する、緑色から赤色の間の微妙な色合いの違いを再現するのに有利である。このように、特に緑色から赤色において演色性に優れた照明光Lwによって照明されている粘膜を撮影して得られた内視鏡のカラー画像において、粘膜の微妙な色合いも正確に再現することができるという利点がある。
本実施形態においては、3色のLED21,22,23を備えることとしたが、LEDの色は適宜増加することができる。
図4は、約410から420nmに単一のピーク波長を有する狭帯域の紫色光(短波長光)Lpを発する紫色LED(短波長光源)24と、紫色光Lpと青色光Lbとを射出光軸A上に合波する第3のダイクロイックフィルタ33とをさらに備えた構成を示している。
第3のダイクロイックフィルタ33は、図5に示されるように、青色光Lbのピーク波長と紫色光Lpのピーク波長との間にカットオフ波長λcut3を有するショートパスフィルタである。第3のダイクロイックフィルタ33は、紫色光Lpの略全部を射出光軸Aに沿って透過させ、青色光Lbの大部分を射出光軸Aに沿って反射する。本例においては、カットオフ波長λcut3が約440nmに設定されている。
ここで、青色光Lbの、所定の波長(図5および図6に示される例では、約430nm)以下の短波長域と、紫色光Lpの、所定の波長よりも長い長波長域とは、互いに重複している。所定の波長は、青色光Lbの強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、紫色光Lpの強度がそのピーク強度の10%以上となる波長に設定されている。これにより、照明光Lwは、青色の波長域の全ての波長において波長欠落の少ないスペクトル特性を有する。
図6に示されるように、粘膜の分光反射率は、青色の波長域においても、波長によって異なる。そこで、青色の波長域にピーク波長を有する2つのLED21,24を組み合わせることによって、照明光Lwの青色の波長域においても、波長欠落の少ない良好なスペクトル特性が得られる。このように、青色においても演色性に優れた照明光Lwで粘膜を照明することによって、粘膜が有する青色の微妙な色合いの違いも正確に表現することができるという利点がある。
なお、図5および図6において、光Lb,Lpの強度は、各々の最大値を1として規格化されている。
図7は、図4の構成にさらに、約600nmにピーク波長を有する狭帯域の橙色光(長波長光)Loを発する橙色LED(長波長光源)25と、橙色光Loを射出光軸A上に合波する第4のダイクロイックフィルタ34とをさらに備えた構成を示している。第4のダイクロイックフィルタ34は、緑色光Lgのピーク波長と、橙色光Loのピーク波長との間にカットオフ波長を有するショートパスフィルタである。カットオフ波長は、例えば、約580nmに設定される。
図8に示されるように、第2のダイクロイックフィルタ32のカットオフ波長(所定の波長)λcut2は、橙色光Loのピーク波長と赤色光Lrのピーク波長との間に位置する。該カットオフ波長λcut2における赤色光Lrの強度は、該赤色光Lrのピーク強度の10%以上であり、かつ、カットオフ波長λcut2における橙色光Loの強度は、該橙色光Loのピーク強度の10%以上である。
図9に示されるように、粘膜および該粘膜内に存在する血管の分光反射率は、赤色の波長域において、波長によって異なる。そこで、赤色の波長域にピーク波長を有する2つのLED23,25を組み合わせることによって、照明光Lwの赤色の波長域においても、波長欠落の少ない良好なスペクトル特性が得られる。このように、赤色においても演色性に優れた照明光Lwで粘膜を照明することによって、粘膜と血管との微妙な赤色の色合いの違いも正確に表現することができという利点がある。
なお、図8および図9において、光Lb,Loの強度は、各々の最大値を1として規格化されている。
さらに、本実施形態においては、ダイクロイックフィルタ31,32,33,34によって合波する光Lb,Lg,Lr,Lp,Loの強度比を調整する強度比調整部をさらに備えていてもよい。強度比調整部は、例えば、各LED21,22,23,24,25に電流を供給する電源(図示略)であり、各LED21,22,23,24,25に供給する電流の大きさを個別に調整することによって、各LED21,22,23,24,25の発光強度を互いに独立に調整し、それによって光Lb,Lg,Lr,Lp,Loの強度比を調整可能となっている。
撮像素子は、全ての波長の光に対して等しい検出感度を有するのではなく、波長毎に検出感度が異なる。このような撮像素子の分光感度特性に最適となるように、照明光Lwのスペクトル特性を調整することで、撮像素子によって取得される画像において、より良い色再現性を確保することができる。
また、本実施形態においては、広帯域光源として、広帯域の緑色光を発する緑色LED22を用いることとしたが、これに代えて、白色LEDのような、白色光を発する光源を使用してもよい。
1 光源装置
21 青色LED(短波長光源)
22 緑色LED(広帯域光源)
23 赤色LED(長波長光源)
24 紫色LED(短波長光源)
25 橙LED(長波長光源)
31,32,33,34 ダイクロイックフィルタ(合波部)
4 コリメータレンズ
5 収束レンズ
6 カバーガラス
7 ライトガイド

Claims (4)

  1. 互いに異なるピーク波長を赤色の波長域に有する長波長光をそれぞれ発する少なくとも2つの長波長光源と、
    500nmから580nmの緑色の波長域を含むとともに580nm以下にピーク波長を有し、前記長波長光の短波長側の波長域と重複する波長域を長波長側に有する広帯域光を発する単一の広帯域光源と、
    長波長側のピーク波長を有する一方の前記長波長光の、赤色の波長域中の第1の所定の波長よりも長い波長域と、短波長側のピーク波長を有する他方の前記長波長光の、前記第1の所定の波長以下の波長域とを合波するとともに、前記他方の長波長光の、第2の所定の波長よりも長い波長域と、前記広帯域光の、前記第2の所定の波長以下の波長域とを合波する合波部とを備え、
    前記第1の所定の波長は、前記一方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記他方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長であり、
    前記第2の所定の波長は、前記他方の長波長光のピーク波長と前記広帯域光のピーク波長との間の波長であるとともに、前記他方の長波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記広帯域光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長である光源装置。
  2. 前記広帯域光が、500nmから580nmの範囲内に前記ピーク波長を有する請求項1に記載の光源装置。
  3. 互いに異なるピーク波長を青色の波長域に有する短波長光をそれぞれ発する少なくとも2つの短波長光源を備え、
    前記合波部が、長波長側のピーク波長を有する一方の前記短波長光の、前記青色の波長域中の第3の所定の波長よりも長い波長域と、短波長側のピーク波長を有する他方の前記短波長光の、前記第3の所定の波長以下の波長域とを合波し、
    前記第3の所定の波長は、前記一方の短波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となり、かつ、前記他方の短波長光の強度がそのピーク強度の10%以上となる波長である請求項1に記載の光源装置。
  4. 前記合波部によって合波される光の強度比を調整する強度比調整部を備える請求項1に記載の光源装置。
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