JPWO2016208015A1 - 光源装置と内視鏡装置 - Google Patents
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Abstract
Description
照明光の特性が安定するためには、温度が光源毎に制御され、各光源の温度が一定に保たれる必要がある。このために、ペルチェ素子と温度検出回路駆動回路とを有する調整部が各光源に備えられる必要があるが、光源装置が大型になる。1つの調整部が各光源に共有される場合、複数の光源が1つの調整部によって一斉に加熱または冷却される。このため各光源の発熱量に差が存在する状態では、各光源の温度は一定に保たれない。
このため、照明光の総光量が変化しても、簡素な構成で照明光の特性を安定できる光源装置が望まれている。
[構成]
図1Aと図1Bと図1Cと図1Dと図2と図3Aと図3Bとを参照して第1の実施形態について説明する。
[光源装置10]
図1Aに示すように、本実施形態では、光源装置10は、例えば3つの光源発熱ユニット20,30,40を有する。
第1光源発熱ユニット20は、中心波長が例えば530nmの緑色の第1レーザ光を出射する第1光源21のみを有する。
第2光源発熱ユニット30は、中心波長が例えば638nmの赤色の第2レーザ光を出射する第2光源31と、第2光源31に隣接且つ熱的に接続され、発熱によって第2光源31の発熱量Q2aを調整する第2熱量調整素子33とを有する。なお第2光源発熱ユニット30は、第2光源31と第2熱量調整素子33との少なくとも一方を有していてもよい。
第3光源発熱ユニット40は、中心波長が例えば445nmの青色の第3レーザ光を出射する第3光源41と、第3光源41に隣接且つ熱的に接続され、発熱によって第3光源41の発熱量Q3aを調整する第3熱量調整素子43とを有する。なお第3光源発熱ユニット40は、第3光源41と第3熱量調整素子43との少なくとも一方を有していてもよい。
光源21,31,41は、駆動によって発熱する。
この場合、LDとヒータ抵抗部材とが併用されることで、光源発熱ユニット30,40の光量の可変レンジが大きく変わり、光源発熱ユニット30,40の発熱量Q2,Q3は制御可能となる。
計測部93によって検出された光源発熱ユニット20の温度が標準温度Tsに比べて高い場合、温度制御部95は、調整部99にかける印加電圧を上げて、放熱量を増加させ、実装部材91の温度を下げる。光源発熱ユニット20の温度が標準温度Tsに比べて低い場合、温度制御部95は、印加電圧を下げて、実装部材91の温度を標準温度Tsに近づけ、温度を安定化させる。
駆動部103が光源21,31,41の発熱量Q1a,Q2a,Q3aと熱量調整素子33,43の発熱量Qv2,Qv3とを制御し、光源発熱ユニット20,30,40の温度差がこの制御によって抑制されることについて、説明する。
光変換効率ηjは、出力光量Pjに影響されることなく一定であると仮定した場合、前記したように、
ηj=Pj/((Idj−Ithj)×Vdj)であり、
(Idj−Ithj)×Vdj=Pj/ηj となる。
QjL=Vdj×(Idj−Ithj)−Pj であり、
=Pj×(1/ηj−1) ・・・式(1) となる。
なお下限状態は、閾値電流Ithよりも低い駆動電流を基準としてもよい。しかし、この場合、光源21,31の駆動電圧Vdの変化が大きいため、下限状態は閾値電流Ithよりも大きい駆動電流を基準にすることが好ましい。下限状態は、光源がOFFの状態を含む。
熱量調整素子33の発熱量Qv2を零として照明光が最大光量状態におけるK1と、熱量調整素子33の発熱量Qv2を零として照明光の出力光量が零且つ光源21,31が閾値状態である照明光が最小光量状態におけるK1とが駆動部103によって算出される。2つのK1のうち大きい方がK1maxとして駆動部103によって決定される。
一般的に、光源発熱ユニット20,30,40それぞれと調整部99との間の各温度差は、光源発熱ユニット20,30,40それぞれの発熱量Q1,Q2,Q3と、光源発熱ユニット20,30,40それぞれと調整部99との間における熱抵抗R1,R2,R3それぞれとの積で決まる。このため、発熱量Q1,Q2,Q3と、熱抵抗R1,R2,R3との積がそれぞれ一定に設定されれば、照明光の総光量が変化しても光源発熱ユニット20,30,40それぞれの温度差はさらに抑えられることになる。結果として、照明光の総光量が可変しても、照明光における光量比の変動は許容範囲内に制御され、照明光の特性はさら安定する。
j=1,2,3としたとき、第j熱接続部材の熱抵抗が第j光源発熱ユニットの熱抵抗よりも大きいため、第j光源発熱ユニットの熱抵抗は第j光源発熱ユニットと調整部99との間の熱抵抗Rjに比べて小さく無視できる。
これにより、光源発熱ユニット20の温度T1と光源発熱ユニット30の温度T2とは、調整部99によって、標準温度Tsに近い温度に制御される。温度T1,T2と標準温度Tsとの差ΔTで発生する光量比と発熱量比との微小変動量は、許容量と定義でき、照明光における光量比は略一定にさらに制御される。
Q1=Q1a=Q1s+Q1L
=Ith1×Vd1+P1×(1/η1−1)
=Ith1×Vd1+P1×κ1・・・式(4)
Q2=Q2a+Qv2=Q2s+Q2L+Qv2
=Ith2×Vd2+P2×(1/η2−1)+Qv2
=Ith2×Vd2+P2×κ2+Qv2・・・式(5)
κj=(1/ηj−1) (j=1,2) とする。
P1:P2:P3=1:X0:Y0であり、この光量比は一定である。
光源21,31の閾値状態において、出力光量P1,P2が零である場合、発熱量比K1は下記式(6),(7)を用いる駆動部103によって算出される。出力光量が互いに零であり、光源発熱ユニット30の熱量調整素子33を動作させない場合、発熱量比K1は、最小発熱量比K1minとなる。すなわち、
K1min=Q2s/Q1s=(Ith2×Vd2)/(Ith1×Vd1)・・・式(6)
K1min≦ K1= Q2/Q1 ≦1・・・式(7)
なお熱量調整素子33がヒータ抵抗部材である場合、光の利用効率を考慮して、熱量調整素子33の発熱量Qv2が小さいことが好ましい。
また熱量調整素子33がLDである場合、発熱量Qv2は、LDの閾値状態の発熱量Qs以上に設定される必要がある。
光源21,31の駆動状態において、K1は下記式(8)を用いる駆動部103によって算出される。
Q2m=Ith2×Vd2+X0×κ2×Pm1+Qv2・・・式(10)
Qv2は、K1=Q2m/Q1mを用いる駆動部103によって算出される。
本実施形態では、発熱量比が一定となるように、駆動部103が熱量調整素子33,43の発熱量Qv2,Qv3を算出する。このため光源発熱ユニット20,30,40の温度差が抑制される。よって本実施形態では、光源発熱ユニット20,30,40の温度は標準温度Tsに制御でき、照明光の総光量が可変しても、簡単な構成で、光量比が一定といった照明光の特性を安定できる光源装置10を提供できる。
図4Aと図4Bと図4Cと図4Dとを用いて、第1の実施形態の変形例1について説明する。
本変形例では、光源装置10は複数の照明モードからいずれか1つの照明モードに切り替え、光源制御部100は切り替えられた照明モードに応じて光源と熱量調整素子とを制御する。複数の照明モードは、例えば白色光モードと第1特殊光モードとである。
以下に第1の実施形態とは異なる部分を説明する。
図4Aと図4Bとに示すように、第3光源発熱ユニット40は、中心波長が例えば445nmの青色の第3レーザ光を出射する第3光源41と、中心波長が例えば405nmの青紫色の第4レーザ光を出射する第4光源45と、第3光源41及び第4光源45に隣接且つ熱的に接続され、発熱によって光源41,45の発熱量Q3a,Q4aを調整する第3熱量調整素子43とを有する。
第1特殊光モードでは、光源21,45が駆動し、緑色の第1レーザ光と青紫色の第4レーザ光とが合成されて、照明光が生成される。なお第1レーザ光と第4レーザ光との光量比は、例えば1:0.8に予め設定されている。記録部101は、第1特殊光モードにおける光源21,45の特性を有する第3情報テーブル101c(図4C参照)を記録する。
光源発熱ユニット20は、白色光モードと第1特殊光モードとのどちらであっても、同じ駆動条件で駆動する。
本変形例では、白色光モードと第1特殊光モードとにおいて、照明光の総光量が可変しても、光量比が許容範囲内で略一定となり、安定した照明光の特性を有する光源装置10を提供できる。本変形例では、白色光モードと第1特殊光モードとの一方が他方に切り替わるため、安定した特性を有する照明光を対象物に照明でき、画像を基に診断及び分析できる。
図5と図6Aと図6Bと図7Aと図7Bと図7Cと図7Dとを用いて、第1の実施形態の変形例2について説明する。
本変形例では、複数の照明モードは、例えば白色光モードと第2特殊光モードとである。
第2特殊光モードでは、特定の波長を有するレーザ光を出射する光源が選択され及び駆動し、他の光源がOFFになる。第2特殊光モードでは、熱量調整素子も駆動する。また第2特殊光モードでは、白色モード時の光源発熱ユニットの発熱量比が保たれつつ、特定の波長を有するレーザ光の光量がすべて同一になり、合波した照明光が対象物に照明する。特定波長を有するレーザ光を出射する光源の出力は全て同一に設定されるが、標準温度Tsと実際の光源の温度T1との差で、駆動電圧に変動が発生する。この駆動電圧の変動に伴う光源の出力の変動量を許容変動量とし、各特定波長の光源の光出力が略一定に制御された状態で照明光が対象物を照明し、対象物によって反射された特定波長毎の反射光量を基に観察などが実施される。
以下に第1の実施形態とは異なる部分を説明する。
図6Aと図6Bとに示すように、第1光源発熱ユニット20は、中心波長が638nmの赤色の第5レーザ光を出射する第5光源27aと、中心波長が660nmの赤色の第6レーザ光を出射する第6光源27bとを有する。
第2光源発熱ユニット30は、中心波長が例えば473nmの青色の第7レーザ光を出射する第7光源37と、第7光源37に隣接且つ熱的に接続され、発熱によって第7光源37の発熱量Q7aを調整する第2熱量調整素子33とを有する。
第3光源発熱ユニット40は、中心波長が例えば530nmの緑色の第8レーザ光を出射する第8光源47と、第8光源47に隣接且つ熱的に接続され、発熱によって第8光源47の発熱量Q8aを調整する第3熱量調整素子43とを有する。
図5に示すように、k中のヘモグロビンは、酸素と結合していない還元ヘモグロビン301と酸素と結合した酸化ヘモグロビン303とを有する。還元ヘモグロビン301の吸光係数は、酸化ヘモグロビン303の吸光係数とは異なる。還元ヘモグロビン301と酸化ヘモグロビン303とにおいて、等吸収点を除き、吸光度に差が生じる。なお等吸収点は、図5における還元ヘモグロビン301と酸化ヘモグロビン303との交点の1つである。本変形例では光源37が出射するレーザ光の波長は、この交点に対応する波長である473mmに設定される。
本変形例では、白色光モードにおいて、第1の実施形態とは異なり、白色光が4つの光源から出射される互いに波長が異なる光によって生成される。よって、白色光の特性が安定する。
[構成]
本実施形態では、図8Aと図8Bとに示すように、光源発熱ユニット20は、複数の光源21a,21bを有する。光源21a,21bは、互いに同じ色を有するが、中心波長が互いに異なる波長を有するレーザ光を出射する。この点は、光源発熱ユニット30,40についても同様である。光源発熱ユニット30の光源を光源31a,31bと称し、光源発熱ユニット40の光源を光源41a,41bと称する。各光源それぞれに対応してレンズなどの光学素子が配置されており、各光源それぞれから出射されたレーザ光は光学素子によって各導光部材に集光される。
光源31aは中心波長が例えば600nmの赤色の第2レーザ光aを出射し、光源31bは中心波長が例えば650nmの赤色の第2レーザ光bを出射する。
光源41aは中心波長が例えば450nmの青色の第3レーザ光aを出射し、光源41bは中心波長が例えば400nmの青色の第3レーザ光bを出射する。
本実施形態では、光源装置10は、照明光の総光量が可変しても、各光源から出力される光を所望の状態(例えば色度座標を一定)に制御し、所望の状態を維持された白色の照明光を生成する。
光源発熱ユニット30において、第2レーザ光a,bの色度座標をλ2A(X2A,Y2A),λ2B(X2B,Y2B)、第2レーザ光a,bの出力光量をP2A,P2Bと称する。
光源発熱ユニット40において、第3レーザ光a,bの色度座標をλ3A(X3A,Y3A),λ3B(X3B,Y3B)、第3レーザ光a,bの出力光量をP3A,P3Bと称する。
(X,Y)=(ΣλiA(XiA,YiA)×PiA+λiB(XiB,YiB)×PiB)/Σ(PiA+PiB) (i=1,2,3) ・・・式(11) となる。
これにより、光源発熱ユニット20,30,40の温度T1,T2,T3は、調整部99によって、標準温度Tsに近い温度に制御される。
本実施形態では、各光源発熱ユニットにおける2つの光源から出射されるレーザ光は互いに同じ色である。2つの光源を1つの光源とみなした場合、2つのレーザ光のドミナント波長は光源発熱ユニットから出射される光の標準波長としてみなされ、本実施形態の照明光は3つの光源発熱ユニットにおける3つの標準波長によって構成されると想定される。このため光源発熱ユニットにおける光量比が算出される必要がある。
ここで、2つの光源の発振スペクトル波長強度分布に対して、短波長側から波長毎に、スペクトル強度と視感度係数との積をその波長の強度と定義した場合、ドミナント波長とは、2つの光源の波長域全体の強度(総和)に対して、短波長側から積算して、総和の50%となる波長をドミナント波長と定める。
X1=r1×X1o,Y1=r1×Y1o となる。
r1=r11+r12
X1=r1×X1o 〜(r11×X1A) +(r12×X1B)
Y1=r1×Y1o 〜(r11×Y1A) +(r12×Y1B)・・・式(12)
同様に光源発熱ユニット30,40の各光量比が設定されると、6つの互いに異なる波長で構成される照明光の色度座標(X,Y)を所望の色度座標(0.33,0.33)近傍に設定できる。
本実施形態では、各光源発熱ユニットの光量比と発熱量とが制御されることにより、照明光の色度座標(X,Y)を所望の色度座標(0.33,0.33)近傍に設定できる。
[構成]
本実施形態では、内視鏡装置200において、図9Aに示すカラーフィルター207を透過した反射光を、撮像部201が撮像する際に、撮像部201が撮像する反射光における光量比(PB:PG:PR)が一定となるように、駆動部103は光源21,31,41から出射される光量比(P1:P2:P3)を制御する。
光源31は、波長λ2と光量P2を有する赤色のレーザ光を出射する。
光源41は、波長λ3と光量P3を有する青色のレーザ光を出射する。
撮像部201が受光する反射光において、駆動部103は、カラーフィルター207を透過した後に撮像部201が受光する青レーザ光の光量PBを、青色のレーザ光の光量P3と緑色のレーザ光の光量P1との和を基に算出する。カラーフィルター207は、青色のレーザ光の波長λ3に対して透過率がFb(λ3)を有し、緑色のレーザ光の波長λ1に対して透過率がFg(λ1)を有しているとする。この場合、駆動部103は、光量PBを、下記式(13)を用いて算出する。
PB=Fb(λ3)×P3+Fg(λ1)×P1・・・式(13)
撮像部201が受光する反射光において、駆動部103は、カラーフィルター207を透過した後に撮像部201が受光する緑色レーザ光の光量PGを、緑色のレーザ光の光量P1を基に算出する。カラーフィルター207は、緑色のレーザ光の波長λ1に対して透過率がFg(λ1)を有しているとする。この場合、駆動部103は、光量PGを、下記式(14)を用いて算出する。
PG=Fg(λ1)×P1・・・式(14)
撮像部201が受光する反射光において、駆動部103は、カラーフィルター207を透過した後に撮像部201が受光する赤色レーザ光の光量PRを、赤色のレーザ光の光量P2を基に算出する。カラーフィルター207は、赤色のレーザ光の波長λ2に対して透過率がFr(λ2)を有しているとする。この場合、駆動部103は、PRを、下記式(15)を用いて算出する。
PR=Fr(λ2)×P2・・・式(15)
カラーフィルター207を透過した光量比、すなわちPB:PG:PRが1:1:1と一定となるように、駆動部103は下記式(15),(16)を用いて、各光量P1,P2,P3を制御する。
P3/P1=(Fg(λ1)−Fb(λ1))/Fb(λ3)・・・式(17)
各光源の光量比が制御されることによって、撮像部201が受光する反射光の光量比が略一定となる。
このため、画像処理部203が画像を生成する際に実施される色味の調整において、光量に対する重み付け画像処理が容易となる。
本発明の内視鏡装置の一態様は、上記の光源装置と、照明光が対象物を照明した際に前記対象物によって反射された後にカラーフィルターを透過した反射光を撮像する撮像部と、を有し、前記撮像部が撮像する前記反射光における光量比が一定となるように、前記光源制御部は前記第1光源及び前記第2光源から出射される光の光量比を制御する。
Claims (14)
- 複数の光源それぞれから出射され且つ互いに異なる波長を有する光の合成によって照明光を生成する光源装置であって、
少なくとも1つの前記光源に対して隣接且つ熱的に接続され、発熱によって前記光源の発熱量を調整する熱量調整素子と、
前記光源と前記熱量調整素子との少なくとも一方を有する複数の光源発熱ユニットと、
前記光源発熱ユニットの発熱量は前記光源の発熱量と前記熱量調整素子の発熱量との総和である場合において、前記光源発熱ユニットそれぞれの発熱量の比が一定となり且つ前記照明光の状態が所望の状態となるように、前記光源と前記熱量調整素子とを制御する光源制御部と、
を具備する光源装置。 - 1つの放熱部材と、
前記放熱部材と前記光源発熱ユニットそれぞれとを熱的に接続する熱接続部材と、
をさらに具備し、
前記熱接続部材それぞれの熱抵抗は、前記光源発熱ユニットそれぞれにおける熱抵抗よりも大きく、
1つの前記光源発熱ユニットと1つの前記熱接続部材とが1つのユニットであるとした場合に、1つの前記ユニットにおける前記光源発熱ユニットの発熱量と前記熱接続部材の熱抵抗との積が、前記ユニットそれぞれにおいて等しくなるように、前記熱接続部材それぞれが構成される請求項1に記載の光源装置。 - 前記光源制御部は、前記照明光の状態が前記所望の状態を維持されるために、前記光源それぞれの出力光量を制御し、前記出力光量に対応する前記光源の駆動を制御し、発熱量が最も高い第1光源の発熱量を基準に、前記第1光源が所属する前記光源発熱ユニット以外の前記光源発熱ユニットが有する前記熱量調整素子の発熱量を制御する請求項1または請求項2に記載の光源装置。
- 前記光源発熱ユニットは、前記光源と前記熱量調整素子とを有する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光源装置。
- 前記光源は、レーザ光源であり、
前記所望の状態は、所望の光量比である請求項4に記載の光源装置。 - 前記光源装置は、複数の照明モードからいずれかの照明モードに切り替え、
前記光源制御部は、切り替えられた照明モードに応じて、前記光源と前記熱量調整素子とを制御する請求項5に記載の光源装置。 - 前記光源制御部は、前記所望の状態を維持された前記照明光の総光量が可変するように、前記光源と前記熱量調整素子とを制御する請求項5に記載の光源装置。
- 前記照明光が対象物を照明した際に前記対象物によって反射された後にカラーフィルターを透過した反射光を撮像する撮像部を有する内視鏡装置に前記光源装置が組み込まれた際に、
前記撮像部が撮像する前記反射光における光量比が一定となるように、前記光源制御部は前記光源それぞれから出射される光量比を制御する請求項5に記載の光源装置。 - 前記光源は、レーザ光源であり、
前記所望の状態は、所望の色度座標である請求項4に記載の光源装置。 - 前記光源は、前記熱量調整素子を兼ね、
前記照明光の色度座標は、前記光源発熱ユニットそれぞれから出射される光の波長に対応する色度座標と、前記照明光全体に占める光量比との積の総和で決まり、
前記光源制御部は、前記照明光の色度座標が前記所望の色度座標に近傍するように、前記光源と前記熱量調整素子とを制御する請求項6に記載の光源装置。 - 前記光源発熱ユニットが互いに同じ色を有し且つ互いに異なる波長を有する光を出射する2つの光源を有する場合の前記光源発熱ユニットから出射される光の標準波長を2つの光のドミナント波長であると定義し、
実際の照明光の色度座標が予め設定された前記照明光の色度座標に近似するように、前記光源発熱ユニットから出射される前記光の前記標準波長と前記光源の光量比とを基に、前記実際の照明光の色度座標を前記光源制御部は制御する請求項10に記載の光源装置。 - 前記照明光は、前記照明光の色度座標が前記所望の色度座標(0.33,0.33)に近傍する白色光である請求項11に記載の光源装置。
- 前記放熱部材は、前記光源発熱ユニットから外部に伝導される熱の伝導量を調整する調整部である請求項2に記載の光源装置。
- 前記光源は、前記熱量調整素子を兼ねる請求項1に記載の光源装置。
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