WO2020149071A1 - 医療用光源装置、医療用照明光の生成方法及び医療用観察システム - Google Patents

医療用光源装置、医療用照明光の生成方法及び医療用観察システム Download PDF

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WO2020149071A1
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medical
light
phosphor
source device
excitation light
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智之 大木
出志 小林
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ソニー株式会社
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/06—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements
    • A61B1/07—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements using light-conductive means, e.g. optical fibres
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/12—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with cooling or rinsing arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/26—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes using light guides

Definitions

  • the present disclosure relates to a medical light source device, a method for generating medical illumination light, and a medical observation system.
  • Lamp sources such as xenon lamps and halogen lamps are widely used as medical light sources used in endoscopes and surgical microscopes.
  • the lamp light source has a short life and needs to be replaced in about 500 hours. Therefore, replacement with a semiconductor light source, which has a longer life than the lamp light source and can be used for 20,000 hours or more before replacement, has begun. Further, in recent years, various image acquisition techniques using a semiconductor light source have been developed.
  • Patent Document 1 white illumination light from a phosphor light source excited by a semiconductor laser light and a light band having a wavelength band narrower than the white illumination light and having an anisotropic emission angle distribution are provided.
  • a method is disclosed in which a narrow-band light whose distribution can be adjusted is combined with the narrow-band light, and the combined light is combined with a light guide provided in the image acquisition device.
  • a WLED White light emitting diode
  • a blue LED blue LED to emit white light
  • the light emitting point can be reduced while maintaining the brightness, but the conversion efficiency is lowered due to the high temperature of the phosphor, or the fluorescence is reduced.
  • the conversion efficiency may decrease due to heat damage to the phosphor such as burning of the body.
  • a medical light source device a method for generating medical illumination light, and a medical observation system that enable generation of illumination light with high brightness and excellent color rendering while suppressing a temperature rise of the phosphor are provided. suggest.
  • a semiconductor laser that emits excitation light, a light guide that the excitation light directly enters, a phosphor that is directly irradiated by the excitation light that is emitted from the light guide, and a cooling that cools at least the phosphor.
  • a medical light source device including: a member.
  • the excitation light is emitted by the semiconductor laser, that the excitation light is directly incident on the light guide, and that the excitation light emitted from the light guide is directly irradiated on the phosphor,
  • a cooling member cools at least the phosphor, and a method for generating medical illumination light is provided.
  • a medical observation device for observing an observation object, and a medical light source device for generating light guided to the medical observation device, and the medical light source device, A semiconductor laser that emits excitation light, a light guide that the excitation light directly enters, a phosphor that the excitation light emitted from the light guide directly irradiates, and a cooling member that cools at least the phosphor, A medical observation system is provided.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a medical observation system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the medical observation system according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the shape of the light flux emitted from the phosphor according to the present embodiment on the emission surface of the phosphor.
  • the medical observation system 1 includes a medical light source device 10 and a medical observation device 20, as shown in FIG.
  • the medical light source device 10 generates light guided to the medical observation device 20.
  • the medical light source device 10 includes a semiconductor laser 110, a light guide 120, a phosphor 130, and a cooling member 150. Further, the medical light source device 10 may further include a parallel optical system 140, if necessary, in addition to the above configuration.
  • the semiconductor laser 110 one that can oscillate laser light that can excite the phosphor 130 is used.
  • a semiconductor laser is not particularly limited and may be appropriately selected according to the phosphor 130 used.
  • a semiconductor laser 110 for example, a semiconductor laser having an oscillation wavelength band of 405 nm band or 450 nm band is used.
  • the specific structure of such a semiconductor laser 110 is not particularly limited, and known semiconductor lasers having various structures can be used.
  • a semiconductor laser for example, a GaInN quantum well structure laser is used. One can cite a diode.
  • the semiconductor laser 110 emits excitation light for exciting the phosphor 130 to the light guide 120.
  • the light guide 120 guides the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 to the phosphor 130.
  • optical elements that function as the light guide 120.
  • the optical element functioning as a light guide include an optical element having a polygonal prism, a rod integrator, an optical fiber, and a hollow mirror.
  • the light guide 120 an optical element having a polygonal columnar shape (more specifically, a cross section of an optical element that functions as a light guide cut at a right angle to the optical axis direction) is used as the present embodiment. It is preferable that the shape is a polygonal shape).
  • the optical element having a polygonal prism shape is used as the light guide 120, the excitation light incident on the inside of the light guide 120 is reflected multiple times by the polygonal edge on the inner surface of the light guide 120.
  • the intensity distribution of the light emitted from 120 is made more uniform.
  • a rod integrator is used for the light guide 120 will be described as an example.
  • the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 is directly incident on the light guide 120 according to the present embodiment, and the excitation light transmitted through the light guide 120 is emitted toward the phosphor 130. That is, in the medical light source device 10 according to the present embodiment, the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 enters the light guide 120 without passing through other optical elements such as various lenses and filters. Thereby, the excitation light can be efficiently coupled to the light guide 120 while suppressing the energy loss of the excitation light emitted from the semiconductor laser 110.
  • the excitation light has a uniform intensity distribution inside it according to the shape of the rod integrator.
  • the excitation light emitted from the rod integrator having a quadrangular cross section as shown in FIG. 3 has a quadrangular uniform intensity.
  • the intensity distribution of the excitation light directly incident on the rod integrator becomes uniform over the entire cross-sectional shape of the rod integrator.
  • the length of the rod integrator is preferably determined according to the emission angle of the excitation light emitted from the semiconductor laser 110. If the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 has a radiation angle of a certain size, the excitation light incident on the rod integrator is appropriately reflected in the rod integrator, so that the output from the rod integrator is output. The intensity distribution of the excitation light on the side becomes uniform over the entire cross-sectional shape of the rod integrator. However, as the emission angle of the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 becomes smaller, the number of reflections of the excitation light in the rod integrator decreases, so that the intensity distribution of the excitation light at the exit side of the rod integrator decreases. May not be uniform.
  • the emission angle of the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 is relatively small, it is preferable to increase the number of times the excitation light is reflected in the rod integrator by lengthening the rod integrator. This makes it possible to more reliably make the intensity distribution of the excitation light uniform.
  • the phosphor 130 is excited by the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 and emits fluorescence of a predetermined wavelength.
  • a phosphor 130 is not particularly limited, and a yellow phosphor that emits yellow fluorescence, a red phosphor that emits red fluorescence, a green phosphor that emits green fluorescence, and a blue fluorescence that emits blue fluorescence. It is possible to use at least one of various known phosphors such as a body. As the phosphor 130, a mixture of particles of the above various phosphors may be used so that the generated fluorescence has a higher color rendering property.
  • the phosphor 130 is directly irradiated with the light emitted from the light guide 120 and having a uniform intensity distribution. That is, the excitation light emitted from the emission end of the light guide 120 and having a uniform intensity distribution is directly applied to the phosphor 130 without passing through other optical elements such as various lenses and filters.
  • the intensity distribution of the excitation light directly applied to the phosphor 130 is made uniform by the light guide 120, the energy density of the excitation light on the incident surface of the phosphor 130 is appropriate. The value is suppressed. As a result, it is possible to reliably reduce the possibility of heat damage to the phosphor 130, and it is possible to efficiently and stably obtain light with high color rendering properties.
  • the fluorescence emitted from the excitation light emitted from the light guide 120 from the phosphor 130 and the excitation light passing through the phosphor 130 without exciting the phosphor 130 are: The light is combined and emitted as illumination light to the outside of the medical light source device 10.
  • the parallel optical system 140 is an optical system that converts the illumination light emitted from the phosphor 130 into parallel light (collimated light).
  • a known one can be used as the parallel optical system 140.
  • an optical system having at least two collimating lenses L may be used as the parallel optical system 140. Note that, although the medical light source device 10 including the parallel optical system 140 is illustrated in FIG. 2, the medical light source device according to the present disclosure is not limited to the mode illustrated in FIG. Need not be provided.
  • the cooling member 150 cools at least the phosphor 130 and, if necessary, the semiconductor laser 110.
  • the cooling member 150 is provided so as to contact the phosphor 130.
  • the cooling member 150 has, for example, a heat absorbing unit 151, a cooling unit 152, a heat sink 153, and a fan 154.
  • the heat absorbing portion 151 is, for example, a plate-shaped member, and the phosphor 130 is installed on the upper surface of the heat absorbing portion 151, as shown in FIG.
  • the heat absorbing part 151 absorbs the heat of the phosphor 130.
  • a material having a high thermal conductivity is preferably used for the heat absorbing portion 151, and examples of such a material having high thermal conductivity include copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, iron, iron alloy, or stainless steel. Etc. can be mentioned.
  • the heat absorption part 151 is not limited to the embodiment shown in FIG. 2, and may be provided so as to contact at least the heat of the phosphor 130 so that the heat can be absorbed. Therefore, the heat absorbing portion 151 may have a shape other than a plate shape, such as a column shape or a block shape. Further, the heat absorbing part 151 is not limited in its installation position as long as it does not block the optical path of the excitation light.
  • the cooling unit 152 cools the heat absorbing unit 151.
  • the cooling unit 152 is, for example, a Peltier device, and is provided such that the cooling surface of the Peltier device contacts the heat absorbing unit 151. By supplying a direct current to the Peltier element, the temperature of the cooling surface is lowered, and the heat absorbing section 151 is cooled.
  • the heat sink 153 absorbs the heat of the cooling unit 152.
  • a known heat sink may be used as the heat sink 153.
  • the heat sink 153 is provided, for example, as shown in FIG. 2, on the opposite side of the cooling unit 152 from the heat absorbing unit 151.
  • the heat generated by the Peltier element is absorbed by the heat sink 153.
  • the fan 154 radiates the heat of the heat sink 153.
  • the fan 154 is not particularly limited as long as it can radiate the heat of the heat sink 153, and a known fan may be used as the fan 154.
  • the heat conducted to the heat sink 153 by the fan 154 is forcedly cooled by air.
  • the temperature of the phosphor 130 rises.
  • the cooling member 150 so as to be in contact with the phosphor 130, the temperature rise of the phosphor 130 due to the excitation light can be suppressed, and the color rendering of the generated light can be ensured while being efficient and stable. It becomes possible to obtain fluorescence.
  • the medical observation device 20 is a device for observing an observation object.
  • the medical observation device 20 may be, for example, a known medical endoscope or medical microscope.
  • the light guide 120 described above is provided so that the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 directly enters, for example, as shown in FIG. It is provided so that the excitation light emitted from the light guide 120 is directly irradiated.
  • the medical light source device 10 is arranged such that the fluorescent light and the excitation light emitted from the phosphor 130 are incident on an incident portion (not shown) provided in the medical observation device 20.
  • a parallel optical system 140 may be provided between the phosphor 130 and the medical observation device 20.
  • the heat absorbing section 151 is preferably provided so as to be in contact with the semiconductor laser 110 in addition to the phosphor 130.
  • the semiconductor laser 110 that generates excitation light can control the amount of light emission by adjusting the applied current to the semiconductor laser 110, but the semiconductor laser 110 becomes hotter as the applied current increases. It is known that when the temperature of the semiconductor laser 110 rises, the laser wavelength shifts to the long wavelength side. Therefore, by providing the heat absorbing portion 151 so as to be in contact with the semiconductor laser 110, it is possible to absorb the heat of the semiconductor laser 110 and suppress the wavelength shift of the laser.
  • the medical light source device 10 can be a single unit, and the medical light source device 10 can be a replacement part that can be easily attached to and detached from the medical observation system 1.
  • the semiconductor laser 110 and the phosphor 130 are provided so as to contact the same heat absorbing portion 151, the number of parts of the medical light source device 10 can be reduced, and the medical light source device 10 can be miniaturized. It becomes possible.
  • the medical light source device 10 may include a detection unit (not shown) that detects the temperature of the semiconductor laser 110.
  • a thermistor may be used for the detection unit, and the cooling member 150 may be controlled based on the detection of the temperature of the semiconductor laser 110 by the thermistor.
  • the configuration of the medical observation system 1 has been described above.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of excitation light incident on the light guide according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of excitation light emitted from the light guide according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the fluorescence spectrum of the phosphor according to this embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the fluorescence spectrum of another phosphor according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the spectrum of the illumination light generated by the medical observation device according to the present embodiment.
  • the method for generating medical illumination light is as follows: the semiconductor laser 110 emits excitation light, the excitation light directly enters the light guide 120, and the excitation light emitted from the light guide 120 directly irradiates the phosphor 130. And that the cooling member 150 cools at least the phosphor 130.
  • the excitation light emitted from the semiconductor laser 110 directly enters the light guide 120.
  • the light incident on the light guide 120 has a uniform intensity distribution inside and is emitted from the side opposite to the side on which the excitation light is incident.
  • the right excitation light having the intensity distribution as shown in FIG. 4 is incident on the light guide 120, and the intensity of the excitation light is spatially made uniform inside the light guide 120, so that the light guide 120 as shown in FIG.
  • Excitation light having a uniform intensity distribution in a shape corresponding to the cross-sectional shape of the guide 120 is emitted. For example, as shown in FIG.
  • a near field pattern is an ellipse, and the maximum illuminance is 1.7 ⁇ 10 3 W/cm 2 (1.7 ⁇ 10 1 W) in the central portion. / mm 2) and a pump light, as shown in FIG. 5, the excitation light maximum intensity is uniform in the 1.0 ⁇ 10 2 W / cm 2 (1.0W / mm 2). Since the rod illuminator suppresses the maximum illuminance of the excitation light, it is possible to suppress the temperature rise and burning of the phosphor 130, and as a result, it is possible to suppress the reduction of the fluorescence conversion efficiency.
  • the excitation light emitted from the light guide 120 directly irradiates the phosphor 130.
  • the phosphor 130 is excited by the excitation light and emits fluorescence.
  • the illumination light which is a combination of the fluorescence emitted by the phosphor 130 due to the excitation light and the excitation light that has passed through the phosphor 130 without exciting the phosphor 130, is emitted.
  • a semiconductor laser 110 having an oscillation wavelength of 405 nm is used for a phosphor 130 composed of a phosphor having a fluorescence spectrum as shown in FIG. 6 and a phosphor having a fluorescence spectrum as shown in FIG.
  • the excitation light emitted from the light guide 120 is irradiated, the fluorescence of the phosphor 130 and the excitation light that has passed through the phosphor 130 are combined, and the high color rendering illumination having the spectrum as shown in FIG. Light is generated. Then, the generated illumination light enters the medical observation device 20.
  • the cooling member 150 can suppress a decrease in conversion efficiency of the phosphor 130. Further, the cooling member 150 cools the semiconductor laser 110, so that the temperature rise of the semiconductor laser 110 is suppressed and the wavelength shift of the excitation light due to the temperature rise is suppressed. As a result, it is possible to prevent a change in the tint of the illumination light. As a result, even in medical applications in which the brightness is frequently changed, it is possible to maintain a predetermined tint, and medical treatment can be smoothly performed.
  • the power density of the excitation light with which the phosphor 130 is irradiated on the incident surface of the phosphor 130 is preferably 150 W/mm 2 or less.
  • the power density of the excitation light with which the phosphor 130 is irradiated on the incident surface of the phosphor 130 is 10 W/mm 2 or less.
  • the lower limit of the power density of the excitation light with which the phosphor 130 is irradiated on the incident surface of the phosphor 130 may be such that illuminance sufficient for a medical light source can be obtained.
  • the maximum length of the thickness of the light flux emitted from the phosphor 130 on the emission surface of the phosphor 130 is smaller than the inner diameter of the incident portion of the medical observation apparatus 20 on which the light flux is incident.
  • the maximum length of the thickness of the light flux emitted from the phosphor 130 on the emission surface of the phosphor 130 is, for example, the length of the portion indicated by Lmax in FIG.
  • the shape and size of the light flux emitted from the phosphor 130 on the emission surface of the phosphor 130 is substantially equal to the shape and size of the light flux emitted from the rod integrator. Therefore, by using a thinner rod integrator, it becomes possible to further reduce the size of the luminous flux of the excitation light, and as a result, it is possible to efficiently guide the light to the medical observation device 20 having a smaller incident portion. Become.
  • the illumination light emitted from the phosphor 130 may be collimated by the parallel optical system 140 and then enter the medical observation device 20. This allows the illumination light to more efficiently enter the medical observation device.
  • the method for generating medical illumination light, and the medical observation system according to the present disclosure while suppressing the temperature rise of the phosphor, the illumination light having high brightness and excellent color rendering properties is provided. Can be generated. Further, by using a semiconductor laser as a light source of excitation light, it becomes possible to generate illumination light with low etendue and high efficiency.
  • the effects described in the present specification are merely explanatory or exemplifying ones, and are not limiting. That is, the technique according to the present disclosure may have other effects that are apparent to those skilled in the art from the description of the present specification, in addition to or instead of the above effects.
  • the cooling member further cools the semiconductor laser.
  • the cooling member further includes a heat absorbing portion provided so as to be in contact with the semiconductor laser and the phosphor.
  • the medical light source device according to any one of (1) to (6), wherein the light guide is an optical system of a polygonal prism.
  • the light guide has a rod integrator.
  • That the semiconductor laser emits excitation light That the excitation light is directly incident on the light guide, Directly irradiating the phosphor with the excitation light emitted from the light guide, A cooling member cools at least the phosphor, and a method for generating medical illumination light.

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Abstract

本開示に係る医療用光源装置は、励起光を出射する半導体レーザと、前記励起光が直接入射するライトガイドと、前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を備える。

Description

医療用光源装置、医療用照明光の生成方法及び医療用観察システム
　本開示は、医療用光源装置、医療用照明光の生成方法及び医療用観察システムに関する。
　内視鏡や手術用顕微鏡に用いられる医療用の光源として、キセノンランプやハロゲンランプ等のランプ光源が広く普及している。しかし、ランプ光源は、その寿命が短く、５００時間程度で交換が必要である。そのため、ランプ光源より寿命が長く、その交換まで２万時間以上使用することが可能な半導体光源への置き換えが始まっている。また、近年、半導体光源を使用した種々の画像取得技術の開発が行われている。
　例えば、以下の特許文献１には、半導体レーザ光で励起された蛍光体光源による白色照明光と、当該白色照明光よりも狭い波長帯域であり、放射角分布が異方性を有するように光量分布の調整を可能な狭帯域光と、を合波し、合波後の光を画像取得装置に設けられたライトガイドへ結合させる方法が開示されている。
国際公開第２０１８／１３９１０１号
　ところで、医療用の光源として、青色ＬＥＤを用いて蛍光体を励起して白色光を発するＷＬＥＤ（Ｗｈｉｔｅ　ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）光源が期待されている。ＷＬＥＤ光源を医療用光源として用いるには、蛍光体の種類を増やして演色性を担保し、蛍光体の種類を増やすことで低下する輝度を補償するために、発光点のサイズを大きくすることが求められる。しかし、発光点を大きくした結果、内視鏡等が有する細いライトガイドに効率よく導光させることが困難となっている。また、青色ＬＥＤの代わりに半導体レーザを用いて蛍光体を励起した場合、輝度を維持したまま発光点を小さくすることはできるものの、蛍光体が高温になることで変換効率が低下したり、蛍光体が焼ける等の蛍光体の熱損傷により変換効率が低下したりすることがある。
　そこで、本開示では、蛍光体の温度上昇を抑制しつつ、高輝度かつ演色性に優れる照明光の生成を可能とする、医療用光源装置、医療用照明光の生成方法及び医療用観察システムを提案する。
　本開示によれば、励起光を出射する半導体レーザと、前記励起光が直接入射するライトガイドと、前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を備える、医療用光源装置が提供される。
　また、本開示によれば、半導体レーザによって励起光が出射することと、前記励起光が直接ライトガイドに入射することと、前記ライトガイドから出射した励起光が蛍光体に直接照射することと、冷却部材が少なくとも前記蛍光体を冷却することと、を備える、医療用照明光の生成方法が提供される。
　また、本開示によれば、観察対象物を観察する医療用観察装置と、前記医療用観察装置に導光される光を生成する医療用光源装置と、を備え、前記医療用光源装置は、励起光を出射する半導体レーザと、前記励起光が直接入射するライトガイドと、前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を有する、医療用観察システムが提供される。
本開示の一実施形態に係る医療用観察システムの概略構成を示すブロック図である。 同実施形態に係る医療用観察システムの一例を模式的に示した図である。 同実施形態に係る蛍光体から出射する光束の蛍光体の出射面での形状の一例を示した図である。 同実施形態に係るライトガイドに入射する励起光の一例を示した図である。 同実施形態に係るライトガイドから出射する励起光の一例を示した図である。 同実施形態に係る蛍光体の蛍光スペクトルの一例を示した図である。 同実施形態に係る別の蛍光体の蛍光スペクトルの一例を示した図である。 同実施形態に係る医療用観察装置によって生成された照明光のスペクトルの一例を示した図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図中の各構成要素の比率、寸法は、実際の各構成要素の比率、寸法を表すものではない。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　＜１．医療用観察システムの構成＞
　＜２．医療用照明光の生成方法＞
　＜３．結び＞
　＜１．医療用観察システムの構成＞
　まず、図１～図３を参照して、本開示の一実施形態に係る医療用観察システムの概略構成について説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る医療用観察システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態に係る医療用観察システムの一例を模式的に示した図である。図３は、本実施形態に係る蛍光体から出射する光束の蛍光体の出射面での形状の一例を示した図である。
　本実施形態に係る医療用観察システム１は、図１に示すように、医療用光源装置１０と、医療用観察装置２０と、を備える。
　医療用光源装置１０は、医療用観察装置２０に導光される光を生成する。医療用光源装置１０は、図２に示すように、半導体レーザ１１０、ライトガイド１２０、蛍光体１３０、及び冷却部材１５０を備える。また、医療用光源装置１０は、上記の構成に加え、必要に応じて平行光学系１４０を更に備えてもよい。
　半導体レーザ１１０には、蛍光体１３０を励起可能なレーザ光を発振可能なものが用いられる。このような半導体レーザは、特に限定されるものではなく、用いる蛍光体１３０に応じて適宜選択すればよい。このような半導体レーザ１１０として、例えば、発振波長帯が４０５ｎｍ帯又は４５０ｎｍ帯の半導体レーザが用いられる。このような半導体レーザ１１０の具体的な構造については、特に限定されるものではなく、公知の各種の構造を有する半導体レーザを使用可能であるが、かかる半導体レーザとして、例えば、ＧａＩｎＮ量子井戸構造レーザダイオードを挙げることができる。半導体レーザ１１０は、蛍光体１３０を励起するための励起光を、ライトガイド１２０に出射する。
　ライトガイド１２０は、半導体レーザ１１０が出射した励起光を蛍光体１３０に導光する。ライトガイド１２０として機能する光学素子には、様々な種類のものが存在する。ライトガイドとして機能する光学素子としては、例えば、多角形柱体の光学素子、ロッドインテグレータ、光ファイバ、中空ミラー等を挙げることができる。その中でも、本実施形態では、ライトガイド１２０として、多角形柱体の光学素子（より詳細には、ライトガイドとして機能する光学素子を光軸方向に対して直角となるように切断したときの断面形状が、多角形形状となるもの）が用いられることが好ましい。多角形柱体の光学素子がライトガイド１２０として用いられることで、ライトガイド１２０の内部に入射した励起光は、ライトガイド１２０の内面において、多角形状の縁部で複数回反射する結果、ライトガイド１２０から出射した光の強度分布がより均一化される。以下では、ライトガイド１２０にロッドインテグレータが用いられる場合を例に挙げて説明する。
　本実施形態に係るライトガイド１２０には、半導体レーザ１１０から出射された励起光が直接入射し、ライトガイド１２０を透過した励起光は、蛍光体１３０に向けて出射される。すなわち、本実施形態に係る医療用光源装置１０では、半導体レーザ１１０から出射した励起光は、各種のレンズやフィルタ等といった他の光学素子を介することなく、ライトガイド１２０に入射する。これにより、半導体レーザ１１０から出射された励起光のエネルギー損失を抑制しながら、励起光をライトガイド１２０へと効率良く結合させることができる。
　励起光は、ロッドインテグレータの形状に応じてその内部で強度分布が均一化される。例えば、図３に示したような断面形状が四角形状であるロッドインテグレータから出射した励起光は、四角形状に均一化された強度を有するようになる。換言すれば、ロッドインテグレータに直接入射した励起光の強度分布は、ロッドインテグレータの断面形状の全体にわたって均一化されるようになる。
　ロッドインテグレータの長さは、半導体レーザ１１０から出射される励起光の放射角の大きさに応じて定めることが好ましい。半導体レーザ１１０から出射される励起光が、ある程度の大きさの放射角を有していれば、ロッドインテグレータに入射した励起光は、ロッドインテグレータ内で適切に反射されることで、ロッドインテグレータの出側での励起光の強度分布は、ロッドインテグレータの断面形状の全体にわたって均一化されるようになる。しかしながら、半導体レーザ１１０から出射される励起光の放射角の大きさが小さくなるほど、ロッドインテグレータ内での励起光の反射回数が減少していくため、ロッドインテグレータの出側での励起光の強度分布が均一化しなくなる可能性がある。そのため、半導体レーザ１１０から出射される励起光の放射角が相対的に小さい場合には、ロッドインテグレータを長くすることで、ロッドインテグレータ内で励起光が反射する回数を増やすことが好ましい。これにより、励起光の強度分布をより確実に均一化することが可能となる。
　蛍光体１３０は、半導体レーザ１１０から出射された励起光によって励起されて、所定波長の蛍光を発する。このような蛍光体１３０は、特に限定されるものではなく、黄色の蛍光を発する黄色蛍光体、赤色の蛍光を発する赤色蛍光体、緑色の蛍光を発する緑色蛍光体、青色の蛍光を発する青色蛍光体等のような、公知の各種の蛍光体の少なくともいずれかを用いることが可能である。生成される蛍光がより高い演色性を有するように、蛍光体１３０として、上記のような各種の蛍光体の粒子を適宜混合したものを用いてもよい。
　本実施形態において、蛍光体１３０には、ライトガイド１２０から出射した、強度分布が均一化した光が、直接照射する。すなわち、ライトガイド１２０の出射端から出射した、強度分布が均一化された励起光が、各種のレンズやフィルタ等といった他の光学素子を介することなく、蛍光体１３０に直接照射される。ここで、本実施形態では、蛍光体１３０に直接照射される励起光の強度分布が、ライトガイド１２０によって均一化されているため、蛍光体１３０の入射面における励起光のエネルギー密度が、適切な値に抑制されている。その結果、蛍光体１３０に熱損傷が生じる可能性を確実に低減することが可能となり、演色性の高い光を、効率的かつ安定的に得ることが可能となる。
　本実施形態に係る医療用光源装置１０では、蛍光体１３０からの、ライトガイド１２０から出射した励起光により発する蛍光と、蛍光体１３０を励起せずに蛍光体１３０を通過した励起光と、が合波されて、照明光として、医療用光源装置１０の外部に出射される。
　平行光学系１４０は、蛍光体１３０から出射した照明光を平行光（コリメート光）とする光学系である。かかる平行光学系１４０には、公知のものを使用することができ、例えば、少なくとも２つのコリメートレンズＬを有する光学系を、平行光学系１４０として用いてもよい。なお、図２では、平行光学系１４０が備えられた医療用光源装置１０が示されているが、本開示に係る医療用光源装置は、図２に示した態様に限られず、平行光学系１４０は備えられなくてもよい。
　冷却部材１５０は、少なくとも蛍光体１３０を冷却し、必要に応じて半導体レーザ１１０を冷却する。冷却部材１５０は、蛍光体１３０に接触するように設けられる。冷却部材１５０は、例えば、吸熱部１５１、冷却部１５２、ヒートシンク１５３、及びファン１５４を有する。
　吸熱部１５１は、例えば、板状の部材であり、図２に示したように、吸熱部１５１の上面には蛍光体１３０が設置される。吸熱部１５１は、蛍光体１３０が有する熱を吸熱する。吸熱部１５１には、熱伝導率が高い材料が使用されることが好ましく、このような高熱伝導性の材料として、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、又はステンレス鋼等を挙げることができる。吸熱部１５１に高熱伝導性の材料が使用されることで、吸熱効率をより向上させることが可能となり、吸熱部１５１の更なる小型化が可能となる。
　吸熱部１５１は、図２に示した態様に限られず、少なくとも蛍光体１３０の熱を吸熱可能に接触するように設けられればよい。したがって、吸熱部１５１は、柱状、又はブロック状等、板状以外の形状であってもよい。また、吸熱部１５１は、励起光の光路を遮らなければ、その設置位置は限定されない。
　冷却部１５２は、吸熱部１５１を冷却する。冷却部１５２は、例えば、ペルチェ素子であり、ペルチェ素子の冷却面が吸熱部１５１と接触するように設けられる。ペルチェ素子に直流電流を流すことで、その冷却面の温度が下がり、吸熱部１５１を冷却する。
　ヒートシンク１５３は、冷却部１５２の熱を吸熱する。ヒートシンク１５３には、公知のヒートシンクが用いられてよい。ヒートシンク１５３は、例えば、図２に示したように、冷却部１５２の吸熱部１５１とは反対側に設けられる。冷却部１５２にペルチェ素子が用いられる場合、ペルチェ素子で発生する熱は、ヒートシンク１５３によって吸熱される。
　ファン１５４は、ヒートシンク１５３の熱を放熱する。ファン１５４は、ヒートシンク１５３の熱を放熱することができれば特段制限されず、ファン１５４には公知のファンが用いられてよい。ファン１５４によって、ヒートシンク１５３に伝導された熱は、強制空冷される。
　蛍光体１３０に所定のエネルギー密度を有する励起光が照射されることで、蛍光体１３０の温度は上昇していく。しかしながら、蛍光体１３０に接触するように冷却部材１５０を設けることで、励起光による蛍光体１３０の温度上昇を抑制することができ、発生する光の演色性を担保しながら、効率的かつ安定的に蛍光を得ることが可能となる。
　医療用観察装置２０は、観察対象物を観察する装置である。医療用観察装置２０は、例えば、公知の医療用内視鏡又は医療用顕微鏡であってもよい。
　医療用光源装置１０の構成の一例として、上述したライトガイド１２０は、例えば、図２に示したように、半導体レーザ１１０から出射した励起光が直接入射するように設けられ、蛍光体１３０は、ライトガイド１２０から出射した励起光が直接照射するように設けられる。医療用光源装置１０は、蛍光体１３０から出射した蛍光及び励起光が医療用観察装置２０に設けられる入射部（図示せず。）に入射するように配置される。なお、蛍光体１３０と医療用観察装置２０との間には、平行光学系１４０が設けられてもよい。
　上記吸熱部１５１は、蛍光体１３０に加えて、半導体レーザ１１０と接触するように設けられることが好ましい。励起光を発生させる半導体レーザ１１０は、半導体レーザ１１０への印加電流が調整されることで、発光量を制御することができるが、印加電流が増加するほど半導体レーザ１１０が高温となる。半導体レーザ１１０の温度が上昇すると、レーザの波長が長波長側にシフトすることが知られている。そのため、吸熱部１５１が半導体レーザ１１０と接触するように設けられることで、半導体レーザ１１０の熱を吸熱することが可能となり、レーザの波長のシフトを抑制することが可能となる。
　また、吸熱部１５１が半導体レーザ１１０及び蛍光体１３０に接触するように設けられることで、双方から生じる熱を同一の排熱機構で排熱することが可能となる。その結果、医療用光源装置１０を一つのユニットとすることが可能となり、医療用光源装置１０は、医療用観察システム１に容易に着脱することが可能な交換パーツとすることが可能となる。
　また、半導体レーザ１１０及び蛍光体１３０が同一の吸熱部１５１に接触するように設けられることで、医療用光源装置１０の部品数を少数にすることができ、医療用光源装置１０を小型化することが可能となる。
　なお、医療用光源装置１０は、半導体レーザ１１０の温度を検出する検出部（図示せず。）を備えてもよい。検出部には、例えば、サーミスタが用いられてもよく、サーミスタによる半導体レーザ１１０の温度の検出に基づいて、冷却部材１５０が制御されてもよい。以上、医療用観察システム１の構成を説明した。
＜２．医療用照明光の生成方法＞
　続いて、図４～図８を参照して、医療用光源装置１０によって生成される医療用照明光の生成方法を説明する。図４は、本実施形態に係るライトガイドに入射する励起光の一例を示した図である。図５は、本実施形態に係るライトガイドから出射する励起光の一例を示した図である。図６は、本実施形態に係る蛍光体の蛍光スペクトルの一例を示した図である。図７は、本実施形態に係る別の蛍光体の蛍光スペクトルの一例を示した図である。図８は、本実施形態に係る医療用観察装置によって生成された照明光のスペクトルの一例を示した図である。
　医療用照明光の生成方法は、半導体レーザ１１０が励起光を出射することと、前記励起光が直接ライトガイド１２０に入射することと、ライトガイド１２０から出射した励起光が蛍光体１３０に直接照射することと、冷却部材１５０が少なくとも蛍光体１３０を冷却することと、を備える。
　半導体レーザ１１０から出射した励起光は、ライトガイド１２０に直接入射する。ライトガイド１２０に入射した光は、その内部で強度分布が均一化され、励起光が入射した側とは反対側から出射する。ライトガイド１２０には、例えば、図４に示したような強度分布を有す恵右励起光が入射し、その内部で励起光の強度が空間的に均一化し、図５に示したようにライトガイド１２０の断面形状に応じた形状に均一な強度分布を有する励起光を出射する。例えば、図４に示したような、近視野像（ＮＦＰ：ｎｅａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｐａｔｔｅｒｎ）が長円形であり、中央部分で最大照度が１．７×１０３Ｗ／ｃｍ２（１．７×１０１Ｗ／ｍｍ２）であった励起光は、図５に示したように、最大強度が１．０×１０２Ｗ／ｃｍ２（１．０Ｗ／ｍｍ２）の均一化された励起光となる。ロッドインテグレータによって、励起光の最大照度が抑制されることで、蛍光体１３０の温度上昇及び焼けを抑制することが可能となり、その結果、蛍光変換効率の低減を抑制することが可能となる。
　ライトガイド１２０から出射した励起光は、蛍光体１３０に直接照射する。蛍光体１３０は、当該励起光によって励起されて蛍光を発する。蛍光体１３０の出射面からは、励起光により蛍光体１３０が発する蛍光と、蛍光体１３０を励起せずに蛍光体１３０を通過した励起光とが合波した照明光が出射する。例えば、図６に示したような蛍光スペクトルを有する蛍光体と、図７に示したような蛍光スペクトルを有する蛍光体とで構成される蛍光体１３０に、発振波長が４０５ｎｍの半導体レーザ１１０を使用してライトガイド１２０から出射した励起光を照射すると、この蛍光体１３０の蛍光と蛍光体１３０を通過した励起光とが合波し、図８に示したようなスペクトルを有する高演色性の照明光が生成する。そして、生成された照明光は、医療用観察装置２０に入射する。
　冷却部材１５０は、蛍光体１３０を冷却することで、蛍光体１３０の変換効率の低減を抑制することが可能となる。更に冷却部材１５０が半導体レーザ１１０を冷却することで半導体レーザ１１０の温度上昇が抑制され、温度上昇による励起光の波長シフトが抑制される。その結果、照明光の色味の変化を防止することが可能となる。これにより、明るさの変更が頻繁に行われる医療用途においても、所定の色味を維持することが可能となり、医療行為が円滑に行われることが可能となる。
　上述した、蛍光体１３０に照射する励起光の蛍光体１３０の入射面でのパワー密度は、１５０Ｗ／ｍｍ２以下であることが好ましい。蛍光体１３０の入射面での励起光のパワー密度を１５０Ｗ／ｍｍ２以下とすることで、蛍光体１３０の温度上昇を抑制することが可能となり、その結果、変換効率の低減を抑制することが可能となる。より好ましくは、蛍光体１３０に照射する励起光の蛍光体１３０の入射面でのパワー密度は、１０Ｗ／ｍｍ２以下である。蛍光体１３０に照射する励起光の蛍光体１３０の入射面でのパワー密度の下限は、医療用の光源として十分な照度が得られる程度であればよい。
　また、蛍光体１３０から出射する光束の蛍光体１３０の出射面での太さの最大長は、医療用観察装置２０における当該光束が入射する入射部の内径よりも小さいことが好ましい。蛍光体１３０から出射する光束の蛍光体１３０の出射面での太さの最大長は、例えば、図３におけるＬｍａｘで示される部分の長さである。これにより、蛍光体１３０から出射する光束に対する医療用観察装置２０に入射する光束の割合が大きくなるため、光束が医療用観察装置２０に入射する際のパワー密度の低下が抑制される。
　また、蛍光体１３０から出射する光束の蛍光体１３０の出射面での形状及び大きさは、ロッドインテグレータから出射した光束の形状及び大きさとほぼ等しい。そのため、より細いロッドインテグレータを用いることで、励起光の光束のサイズをより小さくすることが可能となり、その結果、より小さい入射部を有する医療用観察装置２０に効率よく導光することが可能となる。
　なお、蛍光体１３０から出射した照明光は、平行光学系１４０によってコリメートされたのち、医療用観察装置２０に入射してもよい。これにより、照明光がより効率よく医療用観察装置に入射することが可能となる。
　以上のように、本開示に係る医療用光源装置、医療用照明光の生成方法及び医療用観察システムによれば、蛍光体の温度上昇を抑制しつつ、高輝度かつ演色性に優れる照明光の生成を可能となる。また、励起光の光源として半導体レーザを使用することで、低エテンデュかつ高効率の照明光を発生することが可能となる。
　＜３．結び＞
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　励起光を出射する半導体レーザと、
　前記励起光が直接入射するライトガイドと、
　前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、
　少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を備える、医療用光源装置。
（２）
　前記冷却部材は、更に前記半導体レーザを冷却する、（１）に記載の医療用光源装置。
（３）
　前記冷却部材は、前記半導体レーザ及び前記蛍光体と接触するように設けられる吸熱部を更に備える、（１）又は（２）に記載の医療用光源装置。
（４）
　前記蛍光体に照射する励起光の前記蛍光体における前記励起光の入射面でのパワー密度は、１５０Ｗ／ｍｍ２以下である、（１）～（３）のいずれか１項に記載の医療用光源装置。
（５）
　前記蛍光体から出射する光束の前記蛍光体の出射面での太さの最大長は、観察対象を撮像する医療用観察装置に設けられ、前記光束が入射する入射部の内径よりも小さい、（１）～（４）のいずれか１項に記載の医療用光源装置。
（６）
　前記蛍光体から出射した光を平行光とする平行光学系を更に備える、（１）～（５）のいずれか１項に記載の医療用光源装置。
（７）
　前記ライトガイドは、多角形柱体の光学系である、（１）～（６）のいずれか１項に記載の医療用光源装置。
（８）
　前記ライトガイドは、ロッドインテグレータを有する、（１）～（７）のいずれか１項に記載の医療用光源装置。
（９）
　半導体レーザが励起光を出射することと、
　前記励起光が直接ライトガイドに入射することと、
　前記ライトガイドから出射した励起光が蛍光体に直接照射することと、
　冷却部材が少なくとも前記蛍光体を冷却することと、を備える、医療用照明光の生成方法。
（１０）
　観察対象物を観察する医療用観察装置と
　前記医療用観察装置に導光される光を生成する医療用光源装置と、
を備え、
　前記医療用光源装置は、
　励起光を出射する半導体レーザと、
　前記励起光が直接入射するライトガイドと、
　前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、
　少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を有する、医療用観察システム。
（１１）
　前記医療用観察装置は、医療用内視鏡又は医療用顕微鏡である、（１０）に記載の医療用観察システム。
　１　　　　　医療用観察システム
　１０　　　　医療用光源装置
　２０　　　　医療用観察装置
　１１０　　　半導体レーザ
　１２０　　　ライトガイド
　１３０　　　蛍光体
　１４０　　　平行光学系
　１５０　　　冷却部材
　１５１　　　吸熱部
　１５２　　　冷却部
　１５３　　　ヒートシンク
　１５４　　　ファン

Claims (11)

  1. 　励起光を出射する半導体レーザと、
    　前記励起光が直接入射するライトガイドと、
    　前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、
    　少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を備える、医療用光源装置。
  2. 　前記冷却部材は、更に前記半導体レーザを冷却する、請求項１に記載の医療用光源装置。
  3. 　前記冷却部材は、前記半導体レーザ及び前記蛍光体と接触するように設けられる吸熱部を備える、請求項１に記載の医療用光源装置。
  4. 　前記蛍光体に照射する励起光の前記蛍光体における前記励起光の入射面でのパワー密度は、１５０Ｗ／ｍｍ２以下である、請求項１に記載の医療用光源装置。
  5. 　前記蛍光体から出射する光束の前記蛍光体の出射面での太さの最大長は、観察対象を撮像する医療用観察装置に設けられ、前記光束が入射する入射部の内径よりも小さい、請求項１に記載の医療用光源装置。
  6. 　前記蛍光体から出射した光を平行光とする平行光学系を更に備える、請求項１に記載の医療用光源装置。
  7. 　前記ライトガイドは、多角形柱体の光学系である、請求項１に記載の医療用光源装置。
  8. 　前記ライトガイドは、ロッドインテグレータを有する、請求項１に記載の医療用光源装置。
  9. 　半導体レーザが励起光を出射することと、
    　前記励起光が直接ライトガイドに入射することと、
    　前記ライトガイドから出射した励起光が蛍光体に直接照射することと、
    　冷却部材が少なくとも前記蛍光体を冷却することと、を備える、医療用照明光の生成方法。
  10. 　観察対象物を観察する医療用観察装置と
    　前記医療用観察装置に導光される光を生成する医療用光源装置と、
    を備え、
    　前記医療用光源装置は、
    　励起光を出射する半導体レーザと、
    　前記励起光が直接入射するライトガイドと、
    　前記ライトガイドから出射した励起光が直接照射する蛍光体と、
    　少なくとも前記蛍光体を冷却する冷却部材と、を有する、医療用観察システム。
  11. 　前記医療用観察装置は、医療用内視鏡又は医療用顕微鏡である、請求項１０に記載の医療用観察システム。
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