JP4817632B2 - Ｌｅｄファイバ光源装置及びそれを用いた内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、工業用あるいは医療用途のＬＥＤファイバ光源装置およびこれを用いた内視鏡である。主ランプと副ランプを有する医療用の内視鏡用照明光源に用いられる。

医療用の内視鏡では白色光で体内を照らし（照明光学系）ＣＣＤカメラなどにて体内画像を得ている。照明光学系はキセノンランプ等の高輝度ランプ、ランプ出力を集光する集光レンズ（反射ミラー等も含まれる）、集光した光を体内に導く光ファイバで構成されたライトガイド、さらにはライトガイドからの出力を体内に照射するための照明レンズで構成されている。

特許文献１では停電等により商用電源から電力が供給されなくなっても、副ランプを点灯して内視鏡検査の検査続行を可能にする方式が開示されている。図示していないが主ランプはキセノンランプまたはハロゲンランプである。副ランプはＬＥＤであり、副ランプは主ランプの光路から退避していて停電時は副ランプを主ランプの光路上に移動させて使用する構造となっている。

上記のように照明光学系で用いられる高輝度ランプは発熱や、消費電力が大きく、形状が大きくなってしまうなどの問題から高出力ＬＥＤの開発状況に合わせてＬＥＤを用いた照明光学系も提案されつつある。

特許文献２では複数のＬＥＤ用いた内視鏡用照明光源が提案されている。複数のＬＥＤを並べ反射鏡を用いてＬＥＤの出射光を光ガラスファイバに導入する組み立て方法が提案されている。このように複数のＬＥＤを用いることで高出力化を試みているが、集光効率については非常に悪いと考えられ、また停電時の対策は施されていない。

図４に特許文献３で開示されている３色のＬＥＤを用いた内視鏡の光源装置を示す。

ＬＥＤ発光部としてのＲ（赤）３０Ｒ、Ｇ（緑）３０Ｇ、Ｂ（青）３０Ｂの３色と各々に対応する光ファイバを３本（３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ）用意すれば、面順次式の内視鏡装置に用いることが出来る。面順次式内視鏡とはＲ，Ｇ，Ｂの照明光を切り替えて順次被写体に照射して被写体を撮像し観察するもので高画質な映像が得られる。

例えば、紫色や青色の光を当てると正常な組織は蛍光を出すが、癌の部分は蛍光を出しにくくなり暗く見えにくくなるため区別が出来る。青色の光を当てた場合の画像と、３色をそれぞれ当てて得られた画像を組み合わせた画像（白色光で得られた画像に相当）とを比較することで癌を発見することが出来る。

また非特許文献１によれば内視鏡の侠帯域イメージング（ＮＢＩ：Narrow Band Imaging）について論じられ、内視鏡検査の光源波長依存性について述べられている。内視鏡は被測定部の表皮検査であり、表皮を検査しやすくするため光源波長を変更できる手段を有することは重要である。
特開２００２−７２１０６号 特開２００３−２３５７９６号 特許第３０８８１６５号 「生体用光研究の現状と将来展望」ｐ43-51、光産業技術振興協会、２００４年3月

内視鏡用の光源では、主ランプが点灯しなくても副ランプが点灯するバックアップ構成や、高輝度光源でかつ光源波長を変更できることが求められている。

従来のバックアップ構成は副ランプをメカニカルに移動させるために構成が複雑になる。またＬＥＤは小型化に優位であるが、現状のＬＥＤ出力では輝度を高めるため複数個のＬＥＤを使用することになる。従来のＬＥＤを用いた光源装置の特許文献２では複数のＬＥＤの出力がコリメートされてなくまたＬＥＤ全体の大きな光源を集光するため集光効率が非常に悪い。また特許文献３ではＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）色のＬＥＤを用意し光源波長の変更を可能としているが、３本の光ファイバを用意しているため挿入部が太くなってしまう。

上記要求を解決するために、まず高輝度かつ光源波長を変更するために波長の異なる複数個のＬＥＤを束ねる手法を開発することを課題とする。

次にバックアップ構成として主ランプと副ランプを同一光路上に集光するようにレイアウトすることで、副ランプのメカニカル移動をなくす構造を開発することを課題とする。

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、複数のＬＥＤと、該複数のＬＥＤの出力光を束ねる導光手段と、束ねられた前記導光手段からの各出力光をコリメートする
コリメートレンズあるいは反射ミラーからなるコリメート手段と、前記コリメート手段からの出力光を集光する集光レンズあるいは集光ミラーからなる集光手段と、前記集光手段の焦点付近に配置された光ファイバとを有し、前記複数のＬＥＤは、常時使用するＬＥＤからなる主ランプと、前記主ランプと切り替えて使用可能な他のＬＥＤからなる副ランプとを有することを特徴とする。

また、前記主ランプの不具合を検出する手段と、この不具合に応じて前記副ランプの点灯に自動的に切り替える手段を有することを特徴とする。

また、前記主ランプ及び副ランプは赤色ＬＥＤと、黄色蛍光体を青色ＬＥＤで励起する白色ＬＥＤとを含むことを特徴とする。

また、前記主ランプ及び副ランプは、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑ＬＥＤ、橙ＬＥＤ、シアンＬＥＤのうちから３色以上を含むことを特徴とする。

また、前記コリメート手段と集光手段の間に前記複数のＬＥＤからの出力光を合波する波長合成ミラーを配置したことを特徴とする。

また、前記ＬＥＤファイバ光源装置を光源として用いたことを特徴とする。

本発明によれば、主ランプと副ランプを切り替える際の可動部が無くなり内視鏡用光源装置の小型化、信頼性向上が実現できる。

また使用するＬＥＤを赤色ＬＥＤ及び青色を主に含むＬＥＤあるいはいくつかの色のＬＥＤを集光レンズ、あるいは波長合成ミラーで束ねることで、光源の波長変更が可能でかつ、高輝度の内視鏡用光源装置を提供できる。

図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。

図１（ａ）は全体の構成図であり、図１（ｂ）はＬＥＤ１ａ、１ｂのレイアウトを詳細に示したものである。

まず本発明は、固定された複数のＬＥＤと、前記ＬＥＤからの各出力光をコリメートするコリメートレンズあるいは反射ミラーからなるコリメート手段と、前記コリメート手段からの出力光を集光する集光レンズあるいは集光ミラーからなる集光手段とを有し、前記集光手段の焦点付近に光ファイバの一端を配置し、前記複数のＬＥＤのうち常時使用する一部のＬＥＤからなる主ランプと、前記主ランプと切り替えて使用可能な他のＬＥＤからなる副ランプとを有することが必要である。

さらに、前記複数のＬＥＤと前記コリメート手段の間に光ファイバを介した導光手段を有する。

主ランプとしてＬＥＤ１ａ、副ランプとしてＬＥＤ１ｂを使用していて、図１（ａ）のＬＥＤは図１（ｂ）の断面図を表しているため、ＬＥＤは２個だけ記されている。

図１（ａ）は、ＬＥＤ１ａ、１ｂ、コリメータレンズ２、集光レンズ３、光ファイバ４、ＬＥＤドライバ５、ＬＥＤ異常検出回路６、光ファイバ７ａ、７ｂで構成されている。

ＬＥＤ１ａ、１ｂは白色で発光しそれぞれ光ファイバ７ａ、７ｂを介してコリメータレンズ２で平行光に近い光になり、集光レンズ３で集められ光ファイバ４の一端に導かれ光ファイバ４の出力端側からは白色光が出力される。

ここで使用するＬＥＤはその発熱対策のためヒートシンクなどが必要で、外径１０ｍｍ以上の大きさを想定している。ＬＥＤの外径が大きい場合、光ファイバ７ａ、７ｂでＬＥＤ１ａ、１ｂの出力光を集め、さらにファイバ７ａ、７ｂ同士を近づけてコリメータレンズ２に配置することで、集光レンズ３では光ビームを小さい状態で集光できる
また本発明は前記主ランプの不具合を検出する手段と、この不具合に応じて前記副ランプの点灯に自動的に切り替える手段を有することが好ましい。

ＬＥＤドライバ５は図示していない商用電源の供給を受けて通常主ランプとしてＬＥＤ１ａを点灯させているが、ＬＥＤ異常検出回路６でＬＥＤ１ａの不具合を検出すると、副ランプであるＬＥＤ１ｂを点灯させＬＥＤ１ａを消灯させる。

またこのように構成することでメカニカルな動作をせずに主ランプと副ランプの切り替えが可能となる。

なおＬＥＤ異常検出回路６の詳細説明は省略するが、内視鏡に内蔵されているＣＣＤカメラの輝度信号から判断することができ、またはＬＥＤ１の光量の一部をモニターする回路を付加することでも可能である。

上記形態ではコリメータ手段としてコリメータレンズ２を使用しているが、放物面形状の反射ミラーを加えることで集光度を高めることも可能である。

また本発明は前記主ランプ及び副ランプは赤色ＬＥＤと、黄色蛍光体を青色ＬＥＤで励起する白色ＬＥＤとを含むことが好ましい。

また本発明は前記主ランプ及び副ランプは、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑ＬＥＤ、橙ＬＥＤ、シアンＬＥＤのうちから３色以上を含むことが好ましい。

上記形態ではＬＥＤは白色ＬＥＤを用いているが、ＬＥＤの数量を増やすことや、複数の色、例えば赤色ＬＥＤと黄色蛍光体を青色ＬＥＤで励起する白色ＬＥＤを組み合わせたものや、赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤを使用し、面順次式の内視鏡光源として赤色、緑色、青色ＬＥＤの点灯を順次切り替えて使用することも出来るので、用途に応じて応用が利く。

このように、主ランプと副ランプを光ファイバ７で導光し集光レンズ３により光ファイバ４の一端に集光する構成としたので、光ファイバ４にはＬＥＤ１光が集光しやすくなり、主ランプ１ａが故障したとき副ランプ１ｂに切り替える為の可動部が無くなり装置の小型化、信頼性向上の効果がある。

また複数のＬＥＤの出力を束ねることが可能となり光源装置の出力（輝度）を高められ、点灯するＬＥＤを選択することで光源の波長を変更でき、可動部の無い面順次式の光源を提供できる効果がある。

図１の実施形態に基づき実施例を説明する。

図２は使用した白色ＬＥＤの発光スペクトラム波形である。

ＬＥＤ１は青色ＬＥＤに黄色蛍光体を塗布したもので白色光を出力する。１つのＬＥＤの出力は１２０ルーメンの高光束ＬＥＤであるが、ＬＥＤ１からの出力ビーム広がり角は全方位（１２０度以上）である。ここで光ファイバ７は外径φ２ｍｍのプラッチックファイバ（ＰＯＦ）であり、ＬＥＤ１の端面に直接配置され、コリメータレンズ２に導かれている。

なおＬＥＤ１は砲弾型であり砲弾型レンズ部（φ５ｍｍ）でヒートシンク（φ２０ｍｍ）が取り付けられている。そのため各ＬＥＤ間は２０ｍｍ間隔で配置している。

コリメータレンズ２及び集光レンズ３も平凸レンズを使用している。

光ファイバ４はφ２ｍｍのライトガイド用の多成分ガラスバンドルファイバで長さは３ｍである。従ってこの光学系は、光源サイズはφ２ｍｍのファイバ７を２本束ねたサイズ４ｍｍ、像側はファイバ４の２ｍｍサイズの倍率０．５のレンズ系である。

比較例として光ファイバ７を用いない場合は、光源サイズ２０ｍｍでレンズ系倍率は０．１が必要となり、倍率差で５倍でありファイバ４の端面に集光できる光量は１／２５（ファイバ７のロスが無い場合）と少なくなる。

すなわち光ファイバ７にはＬＥＤ１ａ、１ｂを近づけて配置することと等価であるため、コリメータレンズ２、集光レンズ３のサイズを小さく出来、その結果光ファイバ４に集光しやすくなる効果がある。

また通常はＬＥＤ１０ａを点灯しているが、ＬＥＤ異常検出回路で図示していないＣＣＤカメラの輝度信号の低下を受けると異常と判断しＬＥＤ１ｂに切り替える。

比較例として特許文献１ではメカニカルな手段を用いて主ランプ、副ランプを切り替えているため装置が複雑となるが、本方式は電気信号だけの切り替えで可能であり、高輝度で信頼性の高い光源を提供できる効果がある。

比較例として特許文献３の開示されている方式では３本の光ファイバを用いているため内視鏡の挿入部が太くなってしまうが、本方式では前述の挿入部は１本のファイバであるため細くでき、被検者の負担が少なく操作性がよくなる効果がある。

また主ランプと副ランプも内蔵しているため先述のようにメカニカル可動部が無く信頼性も向上する効果がある。

本発明におけるＬＥＤファイバ光源装置の第１の実施形態を示す模式図である。 使用した白色ＬＥＤの発光スペクトルを示すグラフである。 使用した赤色ＬＥＤの発光スペクトルを示すグラフである。 従来技術の３色のＬＥＤを用いた内視鏡の光源装置を示す模式図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ：ＬＥＤ
２：コリメータレンズ
３：集光レンズ
４：光ファイバ
５:ＬＥＤドライバ
６：ＬＥＤ異常検出回路
７ａ、７ｂ：光ファイバ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：ＬＥＤ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：コリメータレンズ
１２ａ、１２ｂ：波長合成ミラー

Claims (6)

1. 複数のＬＥＤと、該複数のＬＥＤの出力光を束ねる導光手段と、束ねられた前記導光手段からの各出力光をコリメートするコリメートレンズあるいは反射ミラーからなるコリメート手段と、前記コリメート手段からの出力光を集光する集光レンズあるいは集光ミラーからなる集光手段と、前記集光手段の焦点付近に配置された光ファイバとを有し、前記複数のＬＥＤは、常時使用するＬＥＤからなる主ランプと、前記主ランプと切り替えて使用可能な他のＬＥＤからなる副ランプとを有することを特徴とするＬＥＤファイバ光源装置。
2. 前記主ランプの不具合を検出する手段と、この不具合に応じて前記副ランプの点灯に自動的に切り替える手段を有することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤファイバ光源装置。
3. 前記主ランプ及び副ランプは赤色ＬＥＤと、黄色蛍光体を青色ＬＥＤで励起する白色ＬＥＤとを含むことを特徴とする請求項１または２記載のＬＥＤファイバ光源装置。
4. 前記主ランプ及び副ランプは、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑ＬＥＤ、橙ＬＥＤ、シアンＬＥＤのうちから３色以上を含むことを特徴とする請求項１または２記載のＬＥＤファイバ光源装置。
5. 前記コリメート手段と集光手段の間に前記複数のＬＥＤからの出力光を合波する波長合成ミラーを配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤファイバ光源装置。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のＬＥＤファイバ光源装置を光源として用いたことを特徴とする内視鏡。
   

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