JP7220363B2 - 波長変換部材、光源装置、及び照明装置 - Google Patents

Description

本開示は、波長変換部材、光源装置、及び照明装置に関する。

内視鏡等の医療用撮像装置においては、近年、白色光による通常観察とは別に、特殊光による特殊光観察を行う観察方法が考案されている。例えば、ＰＤＤ（Ｐｈｏｔｏｄｙｎａｍｉｃ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）では、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）水溶液を血管に注射し、近赤外光の照射によってＩＣＧのエネルギー状態を高めると、照射した近赤外光よりも若干波長の長い近赤外蛍光を発するので、これを利用して、リンパ腺などの状態観察を行うことができる。ここでは、白色光による観察と、近赤外光による観察とが行われる。

白色光や近赤外光のように波長の異なる光を出力するには、複数の光源が必要で、従来は、放電ランプとカラーフィルタの組み合わせ等が用いられてきた。近年、光源として、ＬＥＤや、レーザダイオード等の固体発光素子からの出力光を、赤色、緑色、青色の光に変換する波長変換部材を用いて、光の三原色とし、これらを時分割技術で所望の演色性の光として出力する光源装置や照明装置に関することが行われる。

特許文献１は、内視鏡に利用できる光源装置に関するものである。ここでは、従来技術として、紫色または紫外光を出力する固体発光素子を励起光源とし、励起光を、赤色、緑色、青色の蛍光に変換する３つの蛍光体を用い、固体発光素子を時分割駆動して画像データに対応する蛍光色を出力するカラープロジェクタを述べている。この場合、画像データに依存して３つの蛍光体の発光時間が異なるため、３つの蛍光体の温度上昇が異なり、発光効率が変化する。

従来技術では、３つの蛍光体のそれぞれを回転体に設け、回転体の回転速度を調整して温度上昇を均一化する方法をとっているため、３つの蛍光体のそれぞれに固体発光素子と回転体とを必要とする。そこで、特許文献１では、回転体の径方向に互いに分離した４つの環状帯のそれぞれに、赤色、緑色、青色、アンバー色の蛍光体を配置して回転体を１つにまとめることが開示されている。

特許文献２は、レーザ光を標本に照射して顕微鏡で標本を観察する顕微鏡システムにおいて、複数のレーザ光を合波して標本観察に適した波長の光とする光源装置が述べられている。ここでは、レーザ光源から出射される波長のレーザ光のみを反射して他の波長の光を透過させる波長選択光学素子としてノッチフィルタを用いる。例えば、互いに異なる波長を有する３つのレーザ光源と、３つのノッチフィルタとを組み合わせ、各ノッチフィルタの反射光軸を合わせて、光ファイバのファイバコアの小さい口径に入射させて、３つの波長のレーザ光を合波している。

本開示に関連する技術として、特許文献３には、蓄光性材料の残光時間を延長する技術が述べられている。ここでは、２つの蓄光性材料を用いており、それぞれに励起光を照射すると、励起光の照射を停止しても、２つの蓄光性材料はそれぞれ残光を一定時間発生する。そして、励起光の照射停止後も、一方側の蓄光性材料の残光によって他方側の蓄光性材料が照射されることで、他方側の蓄光性材料の残光の持続時間が延長されると述べている。励起光の照射時間は、光源の種類、照射強度、光源からの距離によって異なるが、例えば１０分から１時間程度であると述べている。

特開２００６－１１７８５７号公報 特許第６０５９４０６号 特許第５５４３７６０号

内視鏡等の医療用撮像装置において、白色光と特殊光とを用いて対象物を撮像して適切な観察を行うためには、白色光と特殊光との間のノイズを低減することが望ましい。複数の波長の光の間のノイズ低減法として時分割発光が用いられるが、従来技術では、蛍光体を配置した回転体とその駆動装置を用いる方法や、複数の光源と複数の光学ミラーを用い正確に光軸合わせを行う方法等があるが、いずれも複雑な構成でコストが高い。

そこで、安価でかつ信頼性の高い構成で、複数の波長の光の間のノイズを抑制できる波長変換部材、波長変換部材を用いる光源装置、及び、波長変換部材を用いる照明装置が要望される。

本開示に係る波長変換部材は、第一の波長変換材と、第二の波長変換材と、を含み、第二の波長変換材の発光波長は、第一の波長変換材の発光波長よりも長波長であり、第二の波長変換材において、励起光が停止してから蛍光が停止するまでの時間を残光時間として、残光時間は、第一の波長変換材の発光時間よりも長く、且つ、１ｓ以下である。

本開示に係る光源装置は、上記波長変換部材と、光源部と、を備える。また、本開示に係る照明装置は、上記波長変換部材と、光源部と、波長変換部材と光源との間に設けられたライトガイドと、を備える。

上記構成の波長変換部材、光源装置、及び、照明装置によれば、安価でかつ信頼性の高い構成で、複数の波長の光の間のノイズを抑制できる。

実施の形態に係る波長変換部材を含む照明装置の斜視図である。 図１のＡ部の断面図である。 図１の照明装置から、実施の形態の光源装置の構成部分を抜き出して示す図である。 図３の光源装置において、波長変換部材が励起された場合の白色光と近赤外光の発光時間の関係を示す図である。 実施の形態に係る波長変換部材を含む照明装置を内視鏡システムに適用した場合の構成図である。 図５の構成において、照明装置の照明光の発光シーケンスと、撮像装置の撮像シーケンスとの関係を同じ時間軸で示す図である。

以下に図面を用いて、本開示に係る実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる波長等は、説明のための例示であって、波長変換部材、光源装置及び照明装置の仕様等に応じて適宜変更が可能である。以下では全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、波長変換部材を含む照明装置１０の斜視図である。照明装置１０は、内視鏡システム５０（図５参照）に適用する場合において、観察対象物に光を照明するための装置となる。照明装置１０は、放熱のためのフィン部１２、励起光源が配置される光源部１４、励起によって互いに異なる波長を有する複数の光を出力する波長変換部材が配置される波長変換部１６、及び、内視鏡システム５０における光ファイバ５６（図５参照）に対する接続口を含む光ファイバ接続部１８を含む。

図２は、図１における光源部１４の一部と、波長変換部１６、光ファイバ接続部１８を含むＡ部の断面図である。

光源部１４は、励起光源としてのレーザ光源５２と集光レンズ系５４（図５参照）を含む。レーザ光源５２としては、青色レーザを用いる。これは説明のための例示であって、光源部１４の励起光源は蛍光体を励起できる光源であればよく、照明装置１０、内視鏡システム５０の仕様によっては、青色レーザ以外のレーザ光源５２、あるいは、ＬＥＤ光源を用いてもよい。集光レンズ系５４は、レーザ光源５２から出射されるレーザビームを絞ってあらかじめ定めた焦点位置２２に集光する光学素子である。集光レンズ系５４で絞られたレーザ光２０は、波長変換部１６に入射される。

波長変換部１６は、波長変換部材３０を包み込んで配置する部材である。波長変換部材３０は、波長変換部１６において光ファイバ接続部１８側に配置される。光源部１４における集光レンズ系５４で絞られて入射されたレーザ光２０の焦点位置２２は、波長変換部１６において光源部１４側である。ライトガイド２４は、光源部１４側のレーザ光２０の焦点位置２２から波長変換部材３０へレーザ光２０を均一化しながら導く導光部材である。かかるライトガイド２４としては、例えば、ミラーロッドと呼ばれる鏡を４枚張り合わせた筒体を用いることができる。ライトガイド２４は波長変換部材３０から光ファイバ接続部１８との間にも設けることが好ましい。

図３は、照明装置１０におけるライトガイド２４と光ファイバ接続部１８とを省略して、光源装置１５の構成として抜き出して示す図である。光源装置１５は、光源部１４と波長変換部材３０を含んで構成される。

波長変換部材３０は、単一の波長を有するレーザ光２０を、互いに異なる波長を有する複数の光に変換して、変換された複数の光を出力する光学素子である。ここでは、互いに異なる２つの波長を有する光に変換するために、透明基板３２の上に、第一の波長変換材３４と、第二の波長変換材３６とを積層して、１つのプレート状の波長変換部材３０を構成する。

透明基板３２は、第一の波長変換材３４と第二の波長変換材３６とを積層して支持し、且つ、レーザ光２０を透過する光学基板である。かかる透明基板３２としては、サファイア基板を用いる。場合によっては、ガラス基板を用いることができる。

第一の波長変換材３４は、透明基板３２側に配置され、透明基板３２に入射するレーザ光２０を最初に受け止める。第二の波長変換材３６は、第一の波長変換材３４の上に積み重ねられて配置され、第一の波長変換材３４を通ったレーザ光２０を受け止める。

第一の波長変換材３４と第二の波長変換材３６は、それぞれ、レーザ光２０によって励起される蛍光材料を含むが、含まれる蛍光材料が相違し、その含有する蛍光材料の相違によって、次の関係を有する。すなわち、第二の波長変換材３６の発光波長は、第一の波長変換材３４の発光波長よりも長波長であり、第二の波長変換材３６の発光時間は、第一の波長変換材３４の発光時間よりも長い。

第一の波長変換材３４は、青色と補色関係にある黄色の波長の蛍光を出射する蛍光材料を含む。人間の目における色を認識する錐体細胞は、黄色の波長の光を感じると白色光と認識するので、黄色の波長の蛍光を出射する蛍光材料は、疑似的に白色蛍光を出射することになる。そこで、以下では、特に断らない限り、白色蛍光を白色光４４と呼ぶ。かかる第一の波長変換材３４としては、青色の波長４５０ｎｍ近辺の光で励起されて、５５０ｎｍ近辺の波長の黄色を発光するＹＡＧ：Ｃｅ系蛍光体を用いることができる。これは説明のための例示であって、光源部１４から出射される光で励起され、白色光４４を出射する蛍光体であればよい。

第二の波長変換材３６は、近赤外の波長の蛍光を出射する蛍光材料で、レーザ光２０の照射が停止した後の蛍光の発光継続時間が、第一の波長変換材３４の発光継続時間よりも長くなる蛍光材料を含む。かかる第二の波長変換材３６としては、式（１）の組成を有するＧＳＧ（Ｇａ，Ｓｃ，Ｇａ）系蛍光体が用いられる。

ここで、ｘ，ｙ，ｚは、式（２）の範囲が好ましい。

式（１）の組成を有する第二の波長変換材３６は、式（２）のパラメータの選択によって、ピーク波長λｐとして、約７７０ｎｍから約８２０ｎｍの波長を有する近赤外蛍光を出射する。以下では、特に断らない限り、近赤外蛍光を近赤外光４６と呼ぶ。また、第二の波長変換材３６は、レーザ光２０の照射が停止した後の近赤外光４６の発光継続時間が、第一の波長変換材３４であるＹＡＧ：Ｃｅ系蛍光体の白色光４４の発光継続時間より十分に長くなる。

光源装置１５において光源部１４が間欠点灯する場合には、点灯期間においてレーザ光２０が出射されて、波長変換部材３０を励起する。図４は、第一の波長変換材３４と第二の波長変換材３６とがレーザ光２０によって励起された場合に、第一の波長変換材３４が出射する白色光４４の発光時間と第二の波長変換材３６が出射する近赤外光４６の発光時間の関係を示す図である。図４の横軸は時間で、縦軸は、励起光４０のＯＮ／ＯＦＦ状態と、白色光４４及び近赤外光４６の光強度を示す。励起光４０のＯＮ／ＯＦＦは、光源部１４におけるレーザ光源５２の間欠点灯する場合の点灯状態をＯＮ状態とし、消灯状態をＯＦＦ状態とする。光強度の単位は任意である。

図４において、時間ｔ１は、励起光４０がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる時間であり、時間ｔ２は、励起光４０がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる時間である。時間ｔ１から時間ｔ２の期間が、第一の波長変換材３４と第二の波長変換材３６とがレーザ光２０によって励起される期間である。

第一の波長変換材３４は、時間ｔ１から白色光４４の発光を開始して迅速に白色光４４の光強度が高くなりピークに達すると、励起光４０の照射が停止する時間ｔ２まで、白色光４４の光強度のピークを維持する。時間ｔ２以降は、時間経過とともに白色光４４の光強度が低下し、時間ｔ３で実質的に発光がなくなる。白色光４４の発光時間は、時間ｔ１から時間ｔ３の期間である。

第二の波長変換材３６は、時間ｔ１から近赤外光４６の発光を開始し、時間経過とともに近赤外光４６の光強度が高くなるが、白色光４４の光強度の立上りに比較して近赤外光４６の光強度の立上りは緩やかである。近赤外光４６の光強度がピークに達するのは、励起光４０の照射が停止する時間ｔ２近辺である。したがって、近赤外光４６は、ピークに達する前後で励起光４０の照射がなくなるので、ピークに達してもそのままピークを維持することがなく、時間経過とともに近赤外光４６の光強度が低下する。近赤外光４６の光強度の低下は、白色光４４の光強度の低下に比べかなり緩やかであり、時間ｔ３よりもかなり遅い時間ｔ４で実質的に発光がなくなる。近赤外光４６の発光時間は、時間ｔ１から時間ｔ４の期間である。

第一の波長変換材３４と第二の波長変換材３６とが積層された波長変換部材３０の全体の発光状態は、白色光４４と近赤外光４６とが混合した状態である。図４に示すように、波長変換部材３０の全体の発光状態は、時間ｔ１から時間ｔ２の期間は、白色光４４の光強度が近赤外光４６の光強度より高く、人間の目では白色光状態が支配的となる。これに対し、時間ｔ２の直後からは、近赤外光４６の光強度が白色光４４の光強度よりも高くなるので、近赤外光状態が支配的となる。換言すれば、近赤外光４６が支配的な期間においては、近赤外光４６の光強度に対して、白色光４４の光強度が無視できる状態が存在し、近赤外光４６と白色光４４の間のノイズが抑制される。近赤外光４６の光強度に対して白色光４４の光強度を無視できるようにするには、近赤外光４６の白色光４４に対するＳ／Ｎ比の仕様によるが、例えば、近赤外光４６の光強度に対して、白色光４４の光強度を５０％以下、好ましくは１０％以下とする。

上記では、第二の波長変換材３６に含まれる蛍光体は、レーザ光２０によって励起されて近赤外光４６を出射するものとしたが、図４に示すように、時間ｔ１から時間ｔ３までの期間は、第一の波長変換材３４の蛍光体が出射する白色光４４の照射を受ける。この白色光４４の照射によっても第二の波長変換材３６の蛍光体は励起される。この白色光４４の励起の影響を受けることで、近赤外光４６の発光効率はやや低下するが、発光時間は、単独にレーザ光２０のみの励起を受ける場合に比べて長くなる。

また、上記では、波長変換部材３０は、レーザ光２０の入射する側から順に透明基板３２、第一の波長変換材３４、第二の波長変換材３６を積層して構成した。この積層順序は、第二の波長変換材３６から出射される近赤外光４６が第一の波長変換材３４によって吸収されない構造である。レーザ光２０が入射する側から順に透明基板３２、第二の波長変換材３６、第一の波長変換材３４と積層すると、第二の波長変換材３６から出射した近赤外光４６が第一の波長変換材３４を通過する際に吸収されて近赤外光４６の発光効率が低下する。

白色光４４の発光時間である（ｔ３－ｔ１）、及び近赤外光４６の発光時間である（ｔ４－ｔ１）は、いずれも、内視鏡システム５０における画像データの１フレーム期間Ｔ_Ｆ程度に設定される。高速度カメラ等の撮像システムにおける画像データの１フレーム期間Ｔ_Ｆは、例えば、（１／６０）ｓであるが、内視鏡システム５０では、仕様によるが、（１／３０）ｓあるいは（１／１５）ｓの場合がある。励起光が停止してから蛍光が停止するまでの時間を残光時間とすると、第一の波長変換材３４に含まれる蛍光材料及び第二の波長変換材３６に含まれる蛍光材料の残光時間は、長くても１ｓ以下であり、蓄光性材料の発光時間あるいは残光時間が数時間に及ぶのに比べて圧倒的に短い。

上記では、波長変換部材３０は、第一の波長変換材３４と第二の波長変換材３６とが積層されて構成されたプレート状のものとした。これに代えて、レーザ光２０の励起を受けて白色光４４を出射する第一の蛍光体と、近赤外光４６を出射する第二の蛍光体とが混合された混合体をプレート状に成形して波長変換部材３０としてもよい。波長変換部材３０として積層体型を用いる方が混合体型を用いる場合に比べ、光源装置１５、照明装置１０の組立精度等が向上するが、コスト面からは、混合体型を用いる方が積層体型を用いる場合に比べ有利になる。

図５は、波長変換部１６を用いた照明装置１０を含む内視鏡システム５０の構成図である。内視鏡システム５０は、照明装置１０から出射される白色光４４と近赤外光４６とが光ファイバ５６を介して対象物８に照射される。そして、照射された対象物８の形状等に依存した光が光ファイバ５６を介して撮像装置６０に戻され、画像変換部６２を介して表示部６４に表示されるシステムである。

照明装置１０は、光源部１４としてレーザ光源５２と集光レンズ系５４とを含む。レーザ光源５２は、図視しない制御部の制御の下で、所定のフレーム期間Ｔ_Ｆごとに点滅し、点灯期間において青色のレーザ光２０を励起光４０として出射する。点灯期間は、図４における励起光４０のＯＮ期間である（時間ｔ１から時間ｔ２）である。レーザ光２０は集光レンズ系５４で絞られ、波長変換部１６のライトガイド２４を介して波長変換部材３０に入射する。図３で述べたように、ライトガイド２４を省略して光源部１４と波長変換部材３０とを含む部分が光源装置１５である。波長変換部１６からは図４で述べた発光関係で、白色光４４と近赤外光４６とが出射され、対象物８を照射する。対象物８は、生体である。

照射された対象物８からは、照射された白色光４４及び近赤外光４６に対応する白色光４５及び近赤外光４７が光ファイバ５６に導かれる。

撮像装置６０は、図５においてＲ，Ｇ，Ｂ，ＩＲと示す４種類の撮像素子を含む。Ｒと示す撮像素子は赤色光を検出し、Ｇと示す撮像素子は緑色光を検出し、Ｂと示す撮像素子は青色光を検出し、ＩＲと示す撮像素子は近赤外光を検出する。４種類の撮像素子が検出した４種類の光の強度は、画像変換部６２に伝送され、適当な画像信号処理を経て、対象物８の形状等を示す画像データとして表示部６４に伝送され、画像として表示される。画像データの伝送は、フレーム期間Ｔ_Ｆごとに行われる。

画像変換部６２では、ＩＲと示す撮像素子が検出した形状等を特殊な着色を加えた画像データとして表示部６４に伝送することができる。例えば、対象物８である生体の血管にインドシアニングリーン（ＩＣＧ）水溶液を注射し、近赤外光４６を照射すると、ＩＣＧのエネルギー状態が高まり、照射した近赤外光４６よりも若干波長の長い近赤外光４７を発する。これを利用して、リンパ腺などの状態観察を行うことができる。図５の表示部６４では、対象物８の生体において、白色光４５に基づいた内臓等の形状６６と共に、近赤外光４７に基づいたリンパ腺の形状部分を着色部６８で示す。

図６は、内視鏡システム５０について、撮像装置６０における４種類の撮像素子のそれぞれの検出タイミングと、照明装置１０の照射タイミングとの関係を示す図である。図６の横軸は時間で、時間軸にフレーム期間Ｔ_Ｆを示す。縦軸は、紙面の上方側から下方側に向かって、撮像素子の検出タイミング、照明装置１０の照射タイミング、波長変換部１６から出射される白色光４４及び近赤外光４６の光強度である。最下段の特性図は、図４と同じである。

撮像装置６０において、４種類の撮像素子は、フレーム期間Ｔ_Ｆにおいて、Ｒと示す撮像素子、Ｇと示す撮像素子、Ｂと示す撮像素子、ＩＲと示す撮像素子の順に作動し、赤色光、緑色光、青色光、近赤外光の順に時系列で検出が行われる。これに対応し、撮像装置６０におけるＲと示す撮像素子の動作期間、Ｇと示す撮像素子の動作期間、及びＢと示す撮像素子の動作期間にわたって、照明装置１０では白色光４４の照射が行われる。また、撮像装置６０におけるＩＲと示す撮像素子の動作期間にわたって、照明装置１０では近赤外光４６の照射が行われる。

従来技術では、白色光４４の照射の後に近赤外光４６の照射が行われるように時分割照射のための複雑な構成が用いられる。これに対し、照明装置１０においては、白色光４４を出射する第一の波長変換材３４と近赤外光４６を出射する第二の波長変換材３６とを含む波長変換部１６を用い、１つのレーザ光源５２から励起光４０を波長変換部１６に供給する。ここで、第一の波長変換材３４から出射される白色光４４の発光時間に比べ、第二の波長変換材３６から出射される近赤外光４６の発光時間が長くなるように、式（１）の組成の蛍光体を第二の波長変換材３６に用いる。これによって、白色光４４が支配的な期間と、近赤外光４６が支配的な期間とを作り出す。照明装置１０において白色光４４が支配的な期間である時間ｔ１から時間ｔ２の期間を、撮像装置６０におけるＲと示す撮像素子の動作期間、Ｇと示す撮像素子の動作期間、及びＢと示す撮像素子の動作期間にわたる期間に宛がう。こうすることで、時間ｔ２の直後からフレーム期間Ｔ_Ｆの終了時間ｔ_ＦＥまでの期間は、近赤外光４６が支配的な期間となる。撮像装置６０におけるＩＲと示す撮像素子は、近赤外光４６が支配的な期間で動作することになる。

上記構成によれば、蛍光体の材料特性としての発光時間を適切な構成式を有する蛍光体を用いることで制御して白色光４４が支配的な期間と近赤外光４６が支配的な期間を作り出す。これによって、上記構成の波長変換部材３０、光源装置１５、及び、照明装置１０において、安価でかつ信頼性の高い構成で、複数の波長の光の間のノイズの抑制が可能になる。

８ 対象物、１０ 照明装置、１２ フィン部、１４ 光源部、１５ 光源装置、１６ 波長変換部、１８ 光ファイバ接続部、２０ レーザ光、２２ 焦点位置、２４ ライトガイド、３０ 波長変換部材、３２ 透明基板、３４ 第一の波長変換材、３６ 第二の波長変換材、４０ 励起光、４４，４５ 白色光、４６，４７ 近赤外光、５０ 内視鏡システム、５２ レーザ光源、５４ 集光レンズ系、５６ 光ファイバ、６０ 撮像装置、６２ 画像変換部、６４ 表示部、６６ 形状、６８ 着色部。

Claims (7)

1. ５５０ｎｍ近辺の波長の黄色を発光する第一の波長変換材と、
   ピーク波長として７７０ｎｍから８２０ｎｍの波長を有する近赤外光を出射する第二の波長変換材と、
   を含み、
   前記第二の波長変換材の発光波長は、前記第一の波長変換材の発光波長よりも長波長であり、
   前記第二の波長変換材において、励起光が停止してから蛍光が停止するまでの時間を残光時間として、前記残光時間は、前記第一の波長変換材の発光時間よりも長く、且つ、１ｓ以下である、波長変換部材。
2. 前記第一の波長変換材と前記第二の波長変換材とは、積層体として構成されている、請求項１に記載の波長変換部材。
3. 前記第一の波長変換材と前記第二の波長変換材とは、混合体として構成されている、請求項１に記載の波長変換部材。
4. 前記第二の波長変換材は、前記第一の波長変換材の発光によっても励起されている、請求項１に記載の波長変換部材。
5. 請求項１から４のいずれか１に記載の波長変換部材と、
   光源部と、
   を備える、光源装置。
6. 前記光源部が間欠点灯する場合に、前記第一の波長変換材の発光の光強度が前記第二の波長変換材の発光の光強度の５０％以下である状態が存在する、請求項５に記載の光源装置。
7. 請求項１から４のいずれか１に記載の波長変換部材と、
   光源部と、
   前記波長変換部材と前記光源部との間に設けられたライトガイドと、
   を備える、照明装置。

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