(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光用のライトガイドが内部に配設された内視鏡に対して光を供給する光源装置において、
半導体で構成された発光素子と、
前記発光素子が発するビームの径方向において照度分布を均一にするホモジナイザと、
前記ホモジナイザから出射したビームの発散角を拡大して、前記ライトガイドの入射端に入射させるレンズとを備えていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記ホモジナイザは、透明材料で形成され長手方向が前記ビームの光軸方向と一致する柱状体からなる導光ロッドであることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記ホモジナイザの径は、前記軸方向において一定であることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項４】
前記ホモジナイザの径は、前記レンズの径以下であることを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項５】
前記ホモジナイザの径は、前記レンズの径と同じであることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【請求項６】
前記レンズは短焦点レンズであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記発光素子は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記発光素子が発するビームの断面形状は楕円形であり、
前記ホモジナイザは、前記発光素子と対向し前記ビームが入射する入射端と、前記ビームが出射する出射端と、前記入射端から前記出射端に向かって延びる側面部とを有しており、前記側面部の内面における反射によって前記ビームの断面形状を真円形に整形するビーム整形機能を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記ホモジナイザは、前記ビームに含まれる光線のうち前記略楕円形の長軸及び短軸のそれぞれと平行な長軸成分及び短軸成分の少なくとも一方に対して、前記側面部の前記内面の反射により光軸周りの捩れを生じさせることを特徴とする請求項８記載の光源装置。
【請求項１０】
前記ホモジナイザにおいて、前記側面部の内面は、前記ビームに含まれる光線のうち前記略楕円形の長軸及び短軸のそれぞれと平行な長軸成分及び短軸成分の少なくとも一方が、垂直以外の角度で入射する部分を有することを特徴とする請求項９記載の光源装置。
【請求項１１】
前記ホモジナイザは、透明材料で形成され長手方向が前記ビームの光軸方向と一致する柱状体からなる導光ロッドであり、前記内面は空気との境界面であり、前記反射は全反射であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記ホモジナイザにおいて、前記光軸と直交する断面形状は多角形であり、前記内面は平面で構成されていることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記内面の少なくとも一部は曲面で構成されていることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記長軸成分及び短軸成分の少なくとも一方の光線が反射する前記曲面の反射点において、前記光線と前記反射点における接線とは直交しないことを特徴とする請求項１３記載の光源装置。
【請求項１５】
前記ホモジナイザにおいて、光軸と直交する断面形状は、円形、長円形及び楕円形のいずれかであり、
前記断面の中心に対して、前記発光素子の発光中心をオフセットさせて配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光源装置。
【請求項１６】
導光用のライトガイドが内部に配設された内視鏡と前記内視鏡に光を供給する光源装置とを有する内視鏡システムにおいて、
前記光源装置は、
半導体で構成された発光素子と、
前記発光素子が発するビームの径方向において照度分布を均一にするホモジナイザと、
前記ホモジナイザから出射したビームの発散角を拡大して、前記ライトガイドの入射端に入射させるレンズとを備えていることを特徴とする内視鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡に光を供給するための光源装置、及び光源装置を用いた内視鏡システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
医療分野において、内視鏡システムを用いた内視鏡診断が普及している。内視鏡システムは、生体内に挿入される挿入部を有し、挿入部の先端に観察部位に照明光を照射する照明窓と前記観察部位を撮影するための観察窓が配された内視鏡と、内視鏡に照明光を供給するための光源装置と、内視鏡が出力する画像信号を処理するプロセッサ装置とを備えている。内視鏡内には、光ファイバをバンドル化したファイババンドルからなるライトガイドが内蔵されており、ライトガイドは、光源装置から供給された光を、挿入部先端の照明窓に導光する。
【０００３】
光源装置としては、白色光を発するキセノンランプやハロゲンランプを使用するものが一般的であるが、これらに代えて、レーザダイオード（ＬＤ）やＬＥＤ（Light-Emitting Diode）のような半導体で構成された発光素子を用いる光源装置も提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０４１７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体で構成された発光素子は、発光点から円錐状に広がるビームを発するが、キセノンランプやハロゲンランプなどに比べてビームの指向性が高く、ビームの広がり角（発散角）が狭い。
【０００６】
図４６において、発光素子の１つであるレーザダイオードが発するビームの放射強度分布（以下、単に強度分布という）を示す。強度分布は、横軸に放射角度θｉ、縦軸に強度Ｉをとったグラフである。ここで、放射強度（以下、単に強度という）Ｉは、単位立体角（ステラジアン：ｓｒ）当たりの放射束（ｌｕｍｅｎ）であり、単位はｌｕｍｅｎ／ｓｒである。レーザダイオードの発散角θは、例えば、強度Ｉの最大値（max）に対して半値（half）を示すときの全幅の１／２である半値半幅（half width at half maximum, HWHM）で表される。レーザダイオードの発散角θの具体的な値は、半値半幅で約１０°である（半値全幅で約２０°）。
【０００７】
レーザダイオードの強度分布は、山形の頂点付近から強度Ｉが急激に落ち込む急峻な傾斜を持つガウシアン分布となる。これに対して、ハロゲンランプやキセノンランプの強度分布は、基準位置（放射角度θｉが０°）である山形の頂点付近が比較的フラットで、放射角度θｉが大きな高角成分の落ち込みが緩やかなトップハット型の分布となる。ガウシアン分布は、トップハット型の分布と比較して、高角成分の落ち込みが大きいため発散角θが小さくなる。ハロゲンランプやキセノンランプと比べれば、ＬＥＤもレーザダイオードのどちらも発散角θは小さいが、ＬＥＤとレーザダイオードを比べれば、レーザダイオードの方がより発散角θは小さい。
【０００８】
内視鏡内のライトガイドでは導光過程においてビームの発散角は保存されるため、ライトガイドへ入射するビームの発散角が小さいと、ライトガイドから出射するビームの発散角も小さく、観察部位に対しては発散角が小さいままビームが照射される。ビームの発散角が小さいと、観察部位においてビームが照射される照射領域が小さくなってしまうという問題がある。観察には広い視野が確保されるのが望ましいので、照射領域は大きい方がよい。また、発散角が小さいと、照射領域における照度分布においては、中心部分の中心光量に対して周辺部分の周辺光量が極端に低い、中心と周辺の光量差が大きな分布となる。照射領域における中心と周辺の光量差が大きいと、観察部位の視認性の低下を招くため、光量差は少ない方がよい。
【０００９】
特許文献１には、このような課題やその解決策について明示も示唆もされていない。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、半導体で構成された発光素子を用いる内視鏡用の光源装置及び内視鏡システムにおいて、発光素子が発するビームの照射領域を広げ、かつ、照射領域において中心と周辺の光量差を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光源装置は、導光用のライトガイドが内部に配設された内視鏡に対して光を供給する光源装置において、半導体で構成された発光素子と、発光素子が発するビームの径方向において照度分布を均一にするホモジナイザと、ホモジナイザから出射したビームの発散角を拡大して、ライトガイドの入射端に入射させるレンズとを備えていることを特徴とする。
【００１２】
ホモジナイザは、透明材料で形成され長手方向がビームの光軸方向と一致する柱状体からなる導光ロッドであることが好ましい。ホモジナイザの径は、光軸方向において一定であることが好ましい。
【００１３】
ホモジナイザの径は、レンズの径以下で設定されることが好ましい。ホモジナイザの径は、レンズの径と同じであることが好ましい。ここで、同じには、完全に同じ場合に加えて、ほぼ同じ場合も含む。レンズは短焦点レンズであることが好ましい。発光素子は、例えばレーザダイオードである。
【００１４】
発光素子が発するビームは断面形状が楕円形であり、ホモジナイザは、ビームが入射する入射端と、ビームが出射する出射端と、入射端から出射端に向かって延びる側面部とを有しており、側面部の内面における反射によってビームの断面形状を真円形に整形するビーム整形機能を有することが好ましい。なお、楕円形は完全な楕円形の他に、ほぼ楕円形状のものを含む。真円形についても同様である。
【００１５】
ホモジナイザは、ビームに含まれる光線のうち楕円形の長軸及び短軸のそれぞれと平行な長軸成分及び短軸成分の少なくとも一方に対して、側面部の内面の反射により光軸周りの捩れを生じさせる。
【００１６】
ホモジナイザにおいて、側面部の内面は、ビームに含まれる光線のうち略楕円形の長軸及び短軸のそれぞれと平行な長軸成分及び短軸成分の少なくとも一方が、垂直以外の角度で入射する部分を有する。
【００１７】
ホモジナイザは、透明材料で形成され長手方向が光軸方向と一致する柱状体からなる導光ロッドであり、内面は空気との境界面であり、反射は全反射であることが好ましい。
【００１８】
ホモジナイザにおいて、例えば、光軸と直交する断面形状は多角形であり、内面は平面で構成されている。
【００１９】
内面の少なくとも一部は曲面で構成されていてもよい。この場合には、長軸成分及び短軸成分の少なくとも一方の光線が反射する曲面の反射点において、光線と反射点における接線とは直交しない。また、この場合には、ホモジナイザにおいて、光軸と直交する断面形状は、円形、長円形及び楕円形のいずれかであり、断面の中心に対して、発光素子の発光中心をオフセットさせて配置されていることが好ましい。
【００２０】
本発明の内視鏡システムにおいて、導光用のライトガイドが内部に配設された内視鏡と内視鏡に光を供給する光源装置とを有する内視鏡システムにおいて、光源装置は、半導体で構成された発光素子と、発光素子が発するビームの径方向において照度分布を均一にするホモジナイザと、ホモジナイザから出射したビームの発散角を拡大して、ライトガイドの入射端に入射させるレンズとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体で構成された発光素子を用いる内視鏡用の光源装置及び内視鏡システムにおいて、発光素子が発するビームの照射領域を広げ、かつ、照射領域において中心と周辺の光量差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の内視鏡システムの外観図である。
【図２】内視鏡の先端部の正面図である。
【図３】内視鏡システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図４】照明光の分光スペクトルを示すグラフである。
【図５】ヘモグロビンの吸収スペクトルを示すグラフである。
【図６】生体組織の散乱係数を示すグラフである。
【図７】撮像素子のカラーマイクロフイルタの分光特性を示すグラフである。
【図８】照明光の照射タイミング及び撮像タイミングを示す説明図である。
【図９】通常観察モード及び血管情報観察モードにおける画像処理手順を示す説明図である。
【図１０】分岐型ライトガイドと光源モジュールの斜視図である。
【図１１】分岐型ライトガイドの出射端における光ファイバの配置の説明図である。
【図１２】ホモジナイザの説明図である。
【図１３】第１光源モジュールの斜視図である。
【図１４】第１光源モジュールの発散角補正部の説明図である。
【図１５】第２光源モジュールの斜視図である。
【図１６】第２光源モジュールの発散角補正部の側面図である。
【図１７】図１６の各点における強度分布及び照度分布を示すグラフである。
【図１８】第１光源モジュールと第２光源モジュールの各照射スポット径の説明図である。
【図１９】比較例１の説明図である。
【図２０】図１９の各点における強度分布及び照度分布を示すグラフである。
【図２１】比較例２の説明図である。
【図２２】図２２の各点における強度分布及び照度分布を示すグラフである。
【図２３】半球レンズとホモジナイザの径の関係を示す説明図である。
【図２４】断面が六角形のホモジナイザの例である。
【図２５】ビームの断面形状の説明図である。
【図２６】ビームの強度分布を示すグラフである。
【図２７】ホモジナイザの断面と入射ビームの関係を示す説明図である。
【図２８】光線の短軸成分の軌跡の説明図である。
【図２９】光線の短軸成分の内部反射と光軸周りの捩れの説明図である。
【図３０】光線の長軸成分の軌跡の説明図である。
【図３１】光線の長軸成分の内部反射と光軸周りの捩れの説明図である。
【図３２】光線の他の成分の内部反射と光軸周りの捩れの説明図である。
【図３３】光軸周りの捩れが生じない光線の説明図である。
【図３４】入射ビームと出射ビームの形状の説明図である。
【図３５】出射ビームの強度分布を示すグラフである。
【図３６】図２７とは別の姿勢で配置したホモジナイザの説明図である。
【図３７】図３０とは別の姿勢で配置したホモジナイザの説明図である。
【図３８】中心をオフセットさせて配置したホモジナイザの説明図である。
【図３９】断面が四角形のホモジナイザの説明図である。
【図４０】図３９とは別の姿勢で配置したホモジナイザの説明図である。
【図４１】図４０とは別の姿勢で配置したホモジナイザの説明図である。
【図４２】断面が三角形のホモジナイザの説明図である。
【図４３】断面が真円のホモジナイザの斜視図である。
【図４４】図４３のホモジナイザの入射端の説明図である
【図４５】図４３のホモジナイザをオフセットさせずに配置した例の説明図である。
【図４６】レーザダイオードの強度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
「第１実施形態」
図１に示すように、本発明の第１実施形態の内視鏡システム１０（以下、内視鏡システムという）は、生体内の観察部位を撮像する内視鏡１１と、撮像により得られた信号に基づいて観察部位の観察画像を生成するプロセッサ装置１２と、観察部位を照射する光を内視鏡１１に供給する光源装置１３と、観察画像を表示するモニタ１４とを備えている。プロセッサ装置１２には、キーボードやマウスなどの操作入力部であるコンソール１５が設けられている。
【００２４】
内視鏡システム１０は、白色光のもとで観察部位を観察するための通常観察モードと、特殊光を利用して観察部位に存在する血管の性状を観察するための血管情報観察モードを備えている。血管情報観察モードは、血管のパターンや酸素飽和度などの性状を把握して、腫瘍の良悪鑑別などの診断を行うための特殊光観察モードであり、特殊光として、血中ヘモグロビンに対する吸光度が高い波長域の狭帯域光が利用される。血管情報観察モードには、血管が強調された血管強調画像を表示する血管強調観察モードと、血中ヘモグロビンの酸素飽和度が表示された酸素飽和度画像を表示する酸素飽和度観察モードがある。
【００２５】
内視鏡１１は、生体の消化管内に挿入される挿入部１６と、挿入部１６の基端部分に設けられた操作部１７と、操作部１７とプロセッサ装置１２及び光源装置１３との間を連結するユニバーサルコード１８とを備えている。
【００２６】
挿入部１６は、先端から順に連設された、先端部１９、湾曲部２０、可撓管部２１からなる。図２に示すように、先端部１９の先端面には、観察部位に照明光を照射する照明窓２２、観察部位で反射した像光が入射する観察窓２３、観察窓２３を洗浄するために送気・送水を行うための送気・送水ノズル２４、鉗子や電気メスといった処置具を突出させる鉗子出口２５などが設けられている。観察窓２３の奥には、撮像素子４４（図３参照）や結像用の光学系が内蔵されている。
【００２７】
湾曲部２０は、連結された複数の湾曲駒からなり、操作部１７のアングルノブ２６を操作することにより、上下左右方向に湾曲動作する。湾曲部２０が湾曲することにより、先端部１９の向きが所望の方向に向けられる。可撓管部２１は、食道や腸など曲がりくねった管道に挿入できるように可撓性を有している。挿入部１６には、撮像素子４４を駆動する駆動信号や撮像素子４４が出力する画像信号を通信する通信ケーブルや、光源装置１３から供給される照明光を照明窓２２に導光するライトガイド４３（図３参照）が挿通されている。
【００２８】
操作部１７には、アンブルノブ２６の他、処置具を挿入するための鉗子口２７、送気・送水操作を行う送気・送水ボタン、静止画像を撮影するためのレリーズボタンなどが設けられている。
【００２９】
ユニバーサルコード１８には、挿入部１６から延設される通信ケーブルやライトガイド４３が挿通されており、一端には、プロセッサ装置１２および光源装置１３側にコネクタ２８が取り付けられている。コネクタ２８は、通信用コネクタ２８ａと光源用コネクタ２８ｂからなる複合タイプのコネクタである。通信用コネクタ２８ａには通信ケーブルの一端が配設されており、通信用コネクタ２８ａはプロセッサ装置１２に着脱自在に接続される。光源用コネクタ２８ｂにはライトガイド４３の入射端が配設されており、光源用コネクタ２８ｂは光源装置１３に着脱自在に接続される。
【００３０】
図３に示すように、光源装置１３は、それぞれ発光波長が異なる３種類の第１〜第３の光源モジュール３１〜３３と、これらを駆動制御する光源制御部３４とを備えている。光源制御部３４は、光源装置１３の各部の駆動タイミングや同期タイミングなどの制御を行う。
【００３１】
第１〜第３光源モジュール３１〜３３は、特定の波長域の狭帯域光をそれぞれ発光するレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３を有している。図４に示すように、レーザダイオードＬＤ１は、青色（Ｂ色）領域において、例えば波長域が４４０±１０ｎｍに制限され、中心波長が４４５ｎｍの狭帯域光Ｎ１を発光する。レーザダイオードＬＤ２は、青色（Ｂ色）領域において、例えば波長域が４１０±１０ｎｍに制限され、中心波長が４０５ｎｍの狭帯域光である狭帯域光Ｎ２を発光する。レーザダイオードＬＤ３は、青色（Ｂ色）領域において、例えば波長域が４７０±１０ｎｍに制限され、中心波長が４７３ｎｍの狭帯域光である狭帯域光Ｎ３を発光する。レーザダイオードＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３としては、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＧａＮＡｓ系、ＧａＮＡｓ系のものを用いることができる。また、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３としては、高出力化が可能なストライプ幅（導波路の幅）が広いブロードエリア型のレーザダイオードが好ましい。
【００３２】
第１光源モジュール３１は、通常観察用の白色光を発する光源部である。第１光源モジュール３１は、レーザダイオードＬＤ１に加えて、蛍光体３６を有している。図４に示すように、蛍光体３６は、レーザダイオードＬＤ１が発する４４５ｎｍの青色領域の狭帯域光Ｎ１によって励起されて、緑色領域から赤色領域に渡る波長域の蛍光ＦＬを発光する。蛍光体３６は、狭帯域光Ｎ１の一部を吸収して蛍光ＦＬを発光するとともに、残りの狭帯域光Ｎ１を透過させる。蛍光体３６を透過する狭帯域光Ｎ１は、蛍光体３６によって拡散される。透過する狭帯域光Ｎ１と励起される蛍光ＦＬによって白色光が生成される。蛍光体３６としては、例えば、ＹＡＧ系、ＢＡＭ（ＢｇＭｇＡｌ１０Ｏ１７）系等の蛍光体が使用される。第１光源モジュール３１は、白色光の光量が多くなるように２個設けられている。
【００３３】
第２光源モジュール３２は、血管強調観察用の光源部である。血中ヘモグロビンの吸光スペクトルを表す図５において、血液のヘモグロビンの吸光係数μａは、波長依存性を有しており、波長が４５０ｎｍ以下の領域において急激に上昇し、４０５ｎｍ付近においてピークを有している。また、波長が４５０ｎｍ以下と比較すると低い値ではあるが、波長が５３０ｎｍ〜５６０ｎｍにおいてもピークを有している。吸光係数μａが大きな波長の光を観察部位に照射すると、血管においては吸収が大きいので、血管とそれ以外の部分とのコントラストが大きな像が得られる。
【００３４】
また、図６に示すように、生体組織の光の散乱特性にも波長依存性があり、短波長になるほど散乱係数μＳは大きくなる。散乱は生体組織内への光の深達度に影響する。すなわち、散乱が大きいほど、生体組織の粘膜表層付近で反射される光が多く、中深層に到達する光が少ない。そのため、短波長であるほど深達度は低く、長波長になるほど深達度は高い。こうしたヘモグロビンの吸光特性と生体組織の光の散乱特性を鑑みて、血管強調用の光の波長が選択される。
【００３５】
第２光源モジュール３２が発する４０５ｎｍの狭帯域光Ｎ２は、深達度が低いので、表層血管による吸収が大きいため、表層血管強調用の光として用いられる。狭帯域光Ｎ２を用いることにより、観察画像において表層血管を高コントラストで描出することができる。また、中深層血管強調用の光としては、第１光源モジュール３１が発する白色光の緑色成分が用いられる。図５に示す吸光スペクトルにおいて、４５０ｎｍ以下の青色領域と比較して、５３０ｎｍ〜５６０ｎｍの緑色領域においては、吸光係数は緩やかに変化するので、中深層血管強調用の光は、青色領域ほど狭帯域であることは要求されない。そのため、後述するように、撮像素子４４のＧ色のマイクロカラーフイルタによって白色光から色分離した緑色成分が用いられる。
【００３６】
第３光源モジュール３３は、酸素飽和度観察用の光源部である。図５において、吸光スペクトルＨｂは酸素と結合していない還元ヘモグロビンの吸光スペクトルを示し、吸光スペクトルＨｂＯ２は、酸素と結合した酸化ヘモグロビンの吸光スペクトルを示す。このように還元ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンは、異なる吸光特性を持っており、同じ吸光係数μａを示す等吸収点（各スペクトルＨｂ、ＨｂＯ２の交点）を除いて、吸光係数μａに差が生じる。吸光係数μａに差があると、同じ光強度かつ同じ波長の光を照射しても、酸素飽和度が変化すれば、反射率が変化する。酸素飽和度観察モードにおいては、吸光係数μａに差がある波長として、第３光源モジュール３３が発する波長４７３ｎｍの狭帯域光Ｎ３が用いられて、酸素飽和度が測定される。
【００３７】
光源制御部３４は、ドライバ３７を介してレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３の点灯、消灯、光量の制御を行う。具体的には、光源制御部３４は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３に対して駆動パルスを与えることにより、点灯させる。そして、駆動パルスのデューティ比を制御するＰＷＭ制御を行うことにより、駆動電流値を変化させて発光量を制御する。駆動電流値の制御は、駆動パルスの振幅を変えるＰＡＭ制御などでもよい。
【００３８】
第１〜第３の光源モジュール３１〜３３の光路の下流側には、分岐型ライトガイド４１が設けられている。分岐型ライトガイド４１は、後で詳述するように、第１〜第３の光源モジュール３１〜３３の光路を１つの光路に統合する光路統合部である。内視鏡１１のライトガイド４３の入射端は１つであるため、分岐型ライトガイド４１によって、第１〜第３の光源モジュール３１〜３３の光を内視鏡１１に供給する前段において、各モジュール３１〜３３の光の光路が統合される。分岐型ライトガイド４１は、入射端が複数に分岐した分岐部４１ａ〜４１ｄを有し、各分岐部４１ａ〜４１ｄから入射した光を、１つの出射端４１ｅから出射する。
【００３９】
２つの第１光源モジュール３１はそれぞれ、分岐型ライトガイド４１の分岐部４１ａ、４１ｂの入射面と対向するように配置され、第２及び第３光源モジュール３２、３３はそれぞれ、分岐部４１ｃ、４１ｄの入射面と対向するように配置される。
【００４０】
分岐型ライトガイド４１の出射端４１ｅは、内視鏡１１のコネクタ２８ｂが接続されるレセプタクルコネクタ４２の近くに配置されている。出射端４１ｅには、後述するホモジナイザ５０が設けられており、分岐型ライトガイド４１に入射した第１〜第３の光源モジュール３１〜３３の光は、ホモジナイザ５０を経由して、コネクタ２８ｂに配された内視鏡１１のライトガイド４３に供給される。
【００４１】
内視鏡１１は、ライトガイド４３、撮像素子４４、アナログ処理回路４５（ＡＦＥ：Analog Front End）、撮像制御部４６を備えている。ライトガイド４３は、複数本の光ファイバ（図１８の符号８１参照）をバンドル化したファイババンドルであり、コネクタ２８が光源装置１３に接続されたときに、ライトガイド４３の入射端が光源装置１３のホモジナイザ５０の出射端と対向する。ライトガイド４３の出射端は、２つの照明窓２２に光が導光されるように、照明窓２２の前段で２本に分岐している。
【００４２】
照明窓２２の奥には、照射レンズ４８が配置されている。光源装置１３から供給された光はライトガイド４３により照射レンズ４８に導光されて照明窓２２から観察部位に向けて照射される。照射レンズ４８は凹レンズからなり、ライトガイド４３から出射する光の発散角を広げる。これにより、観察部位の広い範囲に照明光を照射することができる。
【００４３】
観察窓２３の奥には、対物光学系５１と撮像素子４４が配置されている。観察部位で反射した像光は、観察窓２３を通して対物光学系５１に入射し、対物光学系５１によって撮像素子４４の撮像面４４ａに結像される。
【００４４】
撮像素子４４は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどからなり、フォトダイオードなどの画素を構成する複数の光電変換素子がマトリックスに配列された撮像面４４ａを有している。撮像素子４４は、撮像面４４ａで受光した光を光電変換して、各画素においてそれぞれの受光量に応じた信号電荷を蓄積する。信号電荷はアンプによって電圧信号に変換されて読み出される。電圧信号は画像信号として撮像素子４４から出力されて、画像信号はＡＦＥ４５に送られる。
【００４５】
撮像素子４４は、カラー撮像素子であり、撮像面４４ａには、図７に示すような分光特性を有するＢ、Ｇ、Ｒの３色のマイクロカラーフイルタが各画素に割り当てられている。マイクロカラーフイルタによって、第１光源モジュール３１が発光する白色光がＢ、Ｇ、Ｒの３色に分光される。マイクロカラーフイルタの配列は例えばベイヤー配列である。
【００４６】
図８に示すように、通常観察モードにおいては、撮像素子４４は、１フレームの取得期間内で、信号電荷を蓄積する蓄積動作と、蓄積した信号電荷を読み出す読み出し動作が行なわれる。図８（Ａ）に示すように、通常観察モードにおいては、蓄積タイミングに合わせてレーザダイオードＬＤ１が点灯し、照明光として狭帯域光Ｎ１と蛍光ＦＬとからなる白色光が観察部位に照射され、その反射光が撮像素子４４に入射する。撮像素子４４において、白色光はマイクロカラーフイルタで色分離されて、狭帯域光Ｎ１に対応する反射光をＢ画素が受光し、蛍光ＦＬの中のＧ成分をＧ画素が、蛍光ＦＬの中のＲ成分に対応する反射光をＲ画素が受光する。撮像素子４４は、読み出しタイミングに合わせて、Ｂ、Ｇ、Ｒの各画素の画素値が混在した１フレーム分の画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒをフレームレートに従って順次出力する。こうした撮像動作は、通常観察モードに設定されている間、繰り返される。
【００４７】
血管強調観察モードにおいては、図８（Ｂ）に示すように、蓄積タイミングに合わせて第１光源モジュール３１に加えて、第２光源モジュール３２が点灯する。第１光源モジュール３１が点灯すると、通常観察モードと同様に、照明光として狭帯域光Ｎ１と蛍光ＦＬとからなる白色光（Ｎ１＋ＦＬ）が観察部位に照射される。第２光源モジュール３２が点灯すると、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）に、狭帯域光Ｎ２が追加されて、これらが照明光として観察部位に照射される。
【００４８】
通常観察モードと同様に、白色光に狭帯域光Ｎ２が追加された照明光は、撮像素子４４のＢ，Ｇ，Ｒのマイクロカラーフイルタで分光される。撮像素子４４において、Ｂ画素は、狭帯域光Ｎ１に加えて、狭帯域光Ｎ２を受光する。Ｇ画素は、蛍光ＦＬのＧ成分を受光する。Ｒ画素は、蛍光ＦＬのＲ成分を受光する。血管強調観察モードにおいても、撮像素子４４は、読み出しタイミングに合わせて、画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒをフレームレートに従って順次出力する。こうした撮像動作は、血管強調観察モードに設定されている間、繰り返される。
【００４９】
酸素飽和度観察モードにおいては、図８（Ｃ）に示すように、蓄積タイミングに合わせて第１光源モジュール３１が点灯する。第１光源モジュール３１が点灯すると、通常観察モードと同様に、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）が観察部位に照射される。次のフレームにおいては、第１光源モジュール３１が消灯して、第３光源モジュール３３が点灯して、狭帯域光Ｎ３が観察部位に照射される。酸素飽和度観察モードにおいても、撮像素子４４は、読み出しタイミングに合わせて、画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒをフレームレートに従って順次出力する。
【００５０】
ただし、酸素飽和度観察モードでは、通常観察モードや血管強調観察モードと異なり、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）と狭帯域光Ｎ３が交互に照射されるので、最初のフレームで白色光に対応する画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒが出力され、次のフレームでは狭帯域光Ｎ３に対応する画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒが出力されるというように、各照明光に対応して画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒが担持する情報も１フレームおきに変化する。こうした撮像動作は、血管強調観察モードに設定されている間、繰り返される。
【００５１】
図３において、ＡＦＥ４５は、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）、自動ゲイン制御回路（ＡＧＣ）、及びアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）（いずれも図示省略）から構成されている。ＣＤＳは、撮像素子４４からのアナログの画像信号に対して相関二重サンプリング処理を施し、信号電荷のリセットに起因するノイズを除去する。ＡＧＣは、ＣＤＳによりノイズが除去された画像信号を増幅する。Ａ／Ｄは、ＡＧＣで増幅された画像信号を、所定のビット数に応じた階調値を持つデジタルな画像信号に変換してプロセッサ装置１２に入力する。
【００５２】
撮像制御部４６は、プロセッサ装置１２内のコントローラ５６に接続されており、コントローラ５６から入力されるベースクロック信号に同期して、撮像素子４４に対して駆動信号を入力する。撮像素子４４は、撮像制御部４６からの駆動信号に基づいて、所定のフレームレートで画像信号をＡＦＥ４５に出力する。
【００５３】
プロセッサ装置１２は、コントローラ５６の他、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５７、画像処理部５８と、フレームメモリ５９と、表示制御回路６０を備えている。コントローラ５６は、ＣＰＵ、制御プログラムや制御に必要な設定データを記憶するＲＯＭ、プログラムをロードして作業メモリとして機能するＲＡＭなどからなり、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより、プロセッサ装置１２の各部を制御する。
【００５４】
ＤＳＰ５７は、撮像素子４４が出力する画像信号を取得する。ＤＳＰ５７は、Ｂ、Ｇ、Ｒの各画素に対応する信号が混在した画像信号を、Ｂ、Ｇ、Ｒの画像信号に分離し、各色の画像信号に対して画素補間処理を行う。この他、ＤＳＰ５７は、ガンマ補正や、Ｂ、Ｇ、Ｒの各画像信号に対してホワイトバランス補正などの信号処理を施す。
【００５５】
フレームメモリ５９は、ＤＳＰ５７が出力する画像データや、画像処理部５８が処理した処理済みのデータを記憶する。表示制御回路６０は、フレームメモリ５９から画像処理済みの画像データを読み出して、コンポジット信号やコンポーネント信号などのビデオ信号に変換してモニタ１４に出力する。
【００５６】
図９（Ａ）に示すように、通常観察モードにおいては、画像処理部５８は、ＤＳＰ５７によってＢ、Ｇ、Ｒの各色に色分離された画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒに基づいて、通常観察用の表示画像を生成する。表示画像が、観察画像としてモニタ１４に出力される。画像処理部５８は、フレームメモリ５９内の画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒが更新される毎に、表示画像を更新する。
【００５７】
図９（Ｂ）に示すように、血管強調観察モードにおいては、画像処理部５８は、画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒに基づいて、血管強調観察用の表示画像を生成する。血管強調観察モードにおける画像信号Ｂには、白色光のＢ成分（狭帯域光Ｎ１と蛍光ＦＬの一部を含む）に加えて、狭帯域光Ｎ２の情報が含まれているため、表層血管が高コントラストで描出される。癌などの病変においては、正常組織と比較して、表層血管の密集度が高くなる傾向があるなど血管のパターンに特徴があるため、腫瘍の良悪鑑別を目的とする血管強調観察においては、表層血管が鮮明に描出されることが好ましい。
【００５８】
また、より表層血管を強調する場合には、例えば、画像信号Ｂに基づいて表層血管の領域を抽出して、抽出した領域に対して輪郭強調処理などを施す。そして、輪郭強調処理が施された画像信号Ｂを、画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒから生成したフルカラー画像に合成する。こうすることで、より表層血管が強調される。表層血管に加えて中深層血管に対しても同様の処理を行ってもよい。中深層血管を強調する場合には、中深層血管の情報が多く含まれている画像信号Ｇから中深層血管の領域を抽出して、抽出した領域に対して輪郭強調処理を施して、強調処理済みの画像信号Ｇを、画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒから生成したフルカラー画像に合成する。
【００５９】
血管強調観察用の表示画像は、通常観察用と同様に、三色の画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒに基づいて生成されるため観察部位をフルカラーで表示することが可能となるが、血管強調観察モードにおける画像信号Ｂは、通常観察モードにおける画像信号Ｂと比較すると、青色の濃度が高い。そのため、血管強調観察用の表示画像を生成する場合には、通常観察用の表示画像と同様の色味になるように色補正を行ってもよい。画像処理部５８は、フレームメモリ５９内の画像信号Ｂ、Ｇ、Ｒが更新される毎に、血管強調観察用の表示画像を生成する。
【００６０】
なお、血管強調観察用の表示画像を生成する方式としては、画像信号Ｒを使わずに、画像信号Ｂ、Ｇの二色のみで生成して、画像信号Ｂをモニタ１４のＢチャンネル及びＧチャンネルに、画像信号Ｇに対応する信号をモニタ１４のＲチャンネルに割り当てる方式など、観察部位を疑似カラーで表示する方式を採用してもよい。
【００６１】
図９（Ｃ）に示すように、酸素飽和度観察モードにおいては、画像処理部５８は、白色光のもとで取得された画像信号Ｇ１、Ｒ１と、狭帯域光Ｎ３のもとで取得された画像信号Ｂ２に基づいて、酸素飽和度算出処理を行う。画像信号Ｂ２の画素値には、酸素飽和度に加えて血液量（濃度）の情報も含まれている。より正確に酸素飽和度を求めるためには、画像信号Ｂ２の画素値から血液量の情報を分離する必要がある。画像処理部５８は、血液量に対して高い相関を示す画像信号Ｒを利用して、画像信号Ｂとの間で画像間演算を行って、酸素飽和度と血液量の情報を分離する。
【００６２】
具体的には、画像処理部５８は、各画像信号Ｂ２、Ｇ１、Ｒ１の同じ位置の画素値を照合して、画像信号Ｂ２の画素値と画像信号Ｇ１の画素値の信号比Ｂ／Ｇと、画像信号Ｒ１の画素値と画像信号Ｇ１の画素値の信号比Ｒ／Ｇを求める。画像信号Ｇ１は、画像信号Ｂ２と画像信号Ｒ１の画素値を規格化するために、観察部位の明るさレベルを表す参照信号として用いられる。そして、予め作成された、信号比Ｂ／Ｇ及びＲ／Ｇと酸素飽和度及び血液量との相関関係を記憶したテーブルに基づいて、血液量の情報が分離された、酸素飽和度を算出する。そして、画像信号Ｂ１、Ｇ１、Ｒ１に基づいて生成されるフルカラー画像に対して、算出した酸素飽和度の値に応じた色変換を行って、酸素飽和度観察用の表示画像を生成する。
【００６３】
図１０において、光源装置１３に設けられる分岐型ライトガイド４１は、内視鏡１１のライトガイド４３と同様に、複数本の光ファイバをバンドル化したファイババンドルである。分岐型ライトガイド４１は、出射端４１ｅにおいて全ての光ファイバが１つに束ねられており、入射端に向かう途中で全ての光ファイバを４つに分割して、分割された各光ファイバをそれぞれ束ねることで複数の分岐部４１ａ〜４１ｄが形成される。
【００６４】
分岐部４１ａ、４１ｂと分岐部４１ｃ、４１ｄは、光ファイバを束ねる本数を変えることで太さが変えられており、それぞれの直径はＤ１、Ｄ２となっている。分岐部４１ａ、４１ｂの直径Ｄ１の方が、分岐部４１ｃ、４１ｄの直径Ｄ２よりも太い。このように太さが違う理由は、１つには、分岐部４１ａ、４１ｂと対向する第１光源モジュール３１が蛍光体３６を使用しているため、蛍光体３６を使用しない第２光源モジュール３２、３３と比較して、発光するビームの直径が大きくなるためである。もう１つの理由は、第１光源モジュール３１は通常観察用の白色光を発光するので、特殊光観察用の第２光源モジュール３２、３３よりも大きな光量を確保するためである。
【００６５】
具体的な寸法は、内視鏡１１のライトガイド４３の直径が約２ｍｍ程度であり、分岐型ライトガイド４１の出射端４１ｅの直径もそれに合わせて約２ｍｍ程度である。分岐部４１ａ、４１ｂの直径Ｄ１は、約１．０〜１．４ｍｍ程度であり、分岐部４１ｃ、４１ｄの直径Ｄ２は、約０．５〜０．８ｍｍ程度である。
【００６６】
分岐型ライトガイド４１の出射端４１ｅにはホモジナイザ５０が設けられている。ホモジナイザ５０は、内視鏡１１のライトガイド４３の前段において、第１〜第３の光源モジュール３１〜３３が発し、出射端４１ｅが出射する各色の光の光量分布を均一化するものである。ホモジナイザ５０は、透明ガラスなどの透明材料で形成され、光軸と直交する断面形状が円形の柱状体であり、入射端５０ａから入射した光を、空気との界面となる内部側面５０ｂで全反射させながら光軸方向に伝播して出射端５０ｃから出射する。
【００６７】
図１１に示すように、分岐型ライトガイド４１は、例えば、出射端４１ｅにおいて二点鎖線で区画された各領域ａ〜ｄに一端が位置する光ファイバが、それぞれ各分岐部４１ａ〜４１ｄに割り当てられており、出射端４１ｅにおいて各分岐部４１ａ〜４１ｄに対応するそれぞれの光ファイバが居所的に偏在している。分岐部４１ａ〜４１ｄから入射した光は、それぞれの光ファイバ内で伝播され、当然ながら光ファイバ間で伝播は無い。そのため、出射端４１ｅにおいては、左上、右上の領域ａ、ｂから第１光源モジュール３１が発する白色光が出射し、領域ｃから第２光源モジュール３２が発する狭帯域光Ｎ２が出射し、領域ｄから第３光源モジュール３３が発する狭帯域光Ｎ３が出射するというように、各色の光が偏在することになる。そのため、出射端４１ｅから出射するビームの断面内においては、各色の光量分布が不均一になる。
【００６８】
図１２に示すように、ホモジナイザ５０は、入射端５０ａの端面から入射した光を側面５０ｂで全反射させながら光を光軸方向に伝播するため、光軸と直交する断面内において光の入射位置と出射位置が変化する。こうした作用により、分岐型ライトガイド４１の出射端４１ｅにおける各色の光の偏在が解消されて、ライトガイド４３に入射する入射ビームの断面内において各色の光の光量分布が均一化される。ホモジナイザ５０と出射端４１ｅは、端面同士を突き当てて熱融着されて一体化される。
【００６９】
図１３及び図１４に示すように、第１光源モジュール３１は、レーザモジュール６１と、蛍光部６２と、レーザモジュール６１の光を蛍光部６２に導光する単線の光ファイバ６３と、蛍光部６２の先端に取り付けられる発散角補正部６４とを備えている。レーザモジュール６１は、レーザダイオードＬＤ１を有する発光素子６６と、発光素子６６を収容するケース６７とを備えており、ケース６７には光ファイバ６３の一端を接続する接続部６７ａが設けられ、ケース６７内に集光レンズ６８が内蔵された、いわゆるレセプタクル型のモジュールである。
【００７０】
発光素子６６は、支持体となる円板状のステム６６ａの一面に半導体チップであるレーザダイオードＬＤ１が取り付けられて、樹脂製の円筒状の透明キャップ６６ｂでレーザダイオードＬＤ１を覆ったものである。ステム６６ａの裏面からは、リード線６６ｃが延びている。
【００７１】
レーザダイオードＬＤ１は、Ｐ型半導体からなるＰ層とＮ型半導体からなるＮ層が活性層を挟んで接合された半導体チップであり、レーザ発振により活性層からレーザ光を発する。レーザ光は直進性が高いが、ビーム形状が発光点から略円錐状に広がる発散光である。レーザ光は集光レンズ６８によって光ファイバ６３の入射端に集光される。
【００７２】
光ファイバ６３の出射端は、蛍光部６２に接続される。蛍光部６２は、遮光性を有する円筒状の保護ケース６２ａ内に蛍光体３６を充填したものである。蛍光体３６の中心には、光ファイバ６３が挿入される挿通孔が形成されている。光ファイバ６３は、その端部に接続用のフェルール（図示せず）が取り付けられた状態で蛍光体３６に挿入される。
【００７３】
蛍光体３６は、粉末状の蛍光材料を、樹脂材料からなるバインダに分散して固めたものである。蛍光材料は分散されているため、励起された蛍光ＦＬの発光点は、蛍光体３６の出射端面の全域となる。また、蛍光体３６を透過するレーザ光もバインダの光拡散作用により蛍光体３６内で拡散するため、出射端面の全域が発光点となる。
【００７４】
蛍光体３６から発する光は、レーザダイオードＬＤ１と同様に、発光点から略円錐状に広がる発散光であるが、レーザダイオードＬＤ１と比較すると、発光点の面積及びビームの発散角が大きい。
【００７５】
蛍光部６２の前方には、蛍光体３６の出射端面３６ａから発する光の発散角を補正する発散角補正部６４が設けられている。発散角補正部６４は、遮光性の材料で形成された円筒形状をしており、蛍光体３６が発する発散光の広がりを規制して発散角を小さくする。また、発散角補正部６４は、内壁面６４ａに反射材がコーティングされることにより鏡面が形成されたリフレクタである。そのため、光を内壁面６４ａで鏡面反射させながら光軸方向に伝播する。内壁面６４ａを鏡面にすることで光の吸収を減らしているため、光伝達損失が少ない。
【００７６】
発散角補正部６４は、分岐部４１ａ、４１ｂの直径Ｄ１を考慮して、直径や光軸に対する傾斜角が設定されており、直径や傾斜角は、第１光源モジュール３１から分岐部４１ａ、４１ｂに入射するビームのスポット径が分岐部４１ａ、４１ｂの直径Ｄ１とほぼ一致するように、設定される。
【００７７】
また、発散角は、分岐型ライトガイド４１や内視鏡１１のライトガイド４３などのファイババンドルの素線となる光ファイバのＮＡ（開口数：Numerical Aperture）に合わせて設定される。周知のように、光ファイバは、屈折率の高いコアと、コアの周囲に配された、屈折率が低いクラッドとからなり、光ファイバの入射端から入射した入射光は、コアとクラッドの境界において全反射しながら光軸方向に伝播する。光を伝播させるためには、全反射条件を満たす入射角で、光ファイバの入射端に光を入射させることが必要である。
【００７８】
ＮＡは、光ファイバがどれだけ光を集めることができるかを表す指標であり、最大受光角θmaxのｓｉｎで定義される（ＮＡ＝ｓｉｎθmax）。最大受光角θmaxが大きいほどＮＡの値は大きい。光ファイバに入射する入射光線の入射角が最大受光角θmax以下であれば、光ファイバ内においてコアとクラッドの境界で全反射が生じるため、入射光線は光軸方向に伝播して導光される。入射角が最大受光角θmaxを越えると、全反射せずに透過してしまうため、導光されない。導光されない入射光線は光伝達損失となる。光伝達損失を低減するために、発散角補正部６４は、第１光源モジュール３１のビームの発散角を、最大受光角θmax以下に規制する。
【００７９】
図１５に示すように、第２光源モジュール３２は、発光素子７１と、発散角補正部７２とを有する。発光素子７１は、レーザダイオードＬＤ２を備えており、その形態は、第１光源モジュール３１の発光素子６６と同様である。発散角補正部７２は、ホモジナイザ７３と、半球レンズ７４とを有する。ホモジナイザ７３は、サイズは異なるものの、機能的には第１光源モジュール３１のホモジナイザ５０と同様の光学素子であり、石英などの透明材料で形成された柱状体である導光ロッドからなり、ライトパイプ、ライトトンネルなどとも呼ばれる。ホモジナイザ７３は、長手方向が光軸と一致している。ホモジナイザ７３は、光軸と直交する断面形状が、例えば円形であり、全体形状が円柱形の導光ロッドである。
【００８０】
ホモジナイザ７３は、レーザダイオードＬＤ２のビームが入射する入射端７３ａと、ビームが出射する出射端７３ｃと、入射端７３ａから出射端７３ｃに向けて長手方向（光軸方向）に延びる側面部７３ｂとを有している。ホモジナイザ７３は、入射端７３ａから出射端７３ｃまで、光軸と直交する方向の径は一定であり、側面部７３ｂは光軸と平行である。ホモジナイザ７３の入射端７３ａの端面と発光素子７１の先端面は熱融着されており、ホモジナイザ７３と発光素子７１は一体化されている。熱融着により一体化されているため、各部が一体化されておらず各部の間に空気が介在している場合と比較して、その光路中において空気との境界面が少ない。ホモジナイザ７３の具体的な寸法は、分岐部４１ｃの直径Ｄ２の寸法とほぼ同様であり、例えば、約１．０ｍｍ程度である。
【００８１】
図１６に示すように、ホモジナイザ７３は、入射端７３の端面から入射したビームを側面部７３ｂの内面で全反射させながら光軸方向に伝播させる。そのため、入射端７３ａの端面において光軸付近から入射した光線が、出射端７３ｃにおいては光軸から離れた周辺から出射するというように、光軸と直交する径方向の断面内においてビームに含まれる光線の入射位置と出射位置は変化する。これは、ホモジナイザ７３の内部において、入射するビームに含まれる光線が径方向において分散することを意味する。これにより、ホモジナイザ７３の出射端７３ｃからは、その径方向において照度が均一なフラットな照度分布を持つビームが出射される。
【００８２】
なお、ホモジナイザ７３は径が一定であるのでビームの導光過程において発散角は保存される。つまり、入射したビームに含まれる各光線が側面部７３ｂの内面で反射する反射角θ０の大きさは、入射端７３ａの端面に入射する各光線の入射角で決まり、出射端７３ｂに至るまで反射角θ０は一定である。
【００８３】
半球レンズ７４は、ホモジナイザ７３の出射端７３ｃの直後に配置されている。半球レンズ７４は、レンズ面の一方の面が平面で他方の面が半球面で形成された凸レンズであり、半球面がホモジナイザ７３の出射端７３ｃと対向するように配置されている。半球レンズ７４の直径は、例えば、ホモジナイザ７３の径の約１．５倍であり、ホモジナイザ７３の径が約１ｍｍの場合には、約１．５ｍｍである。半球レンズ７４は、入射した光線を屈折させることにより、入射前のビームの発散角β１から出射後の発散角β２に、ビームの発散角を広げる。
【００８４】
図１７を参照しながら、ホモジナイザ７３と半球レンズ７４の作用についてより具体的に説明する。図１７は、第２光源モジュール３２において、ホモジナイザ７３の入射前（図１６におけるＡ１）におけるレーザダイオードＬＤ２のビームの強度分布及び照度分布、ホモジナイザ７３の出射後、半球レンズ７４への入射前（図１６におけるＢ１）のビームの強度分布及び照度分布、半球レンズ７４の出射後（図１６におけるＣ１）における強度分布を示すシミュレーション結果である。なお、図１７に示すシミュレーション結果は、ホモジナイザ７３及び半球レンズ７４の径を実寸の約２倍に設定してシミュレーションを行っている。
【００８５】
図１７において、左の列のグラフは各点Ａ１〜Ｃ１におけるビームの強度分布を表すグラフであり、図４６に示したグラフと同様に、横軸に放射角度θｉ、縦軸に強度Ｉをとったグラフである。上述のとおり、強度Ｉは、単位立体角（ステラジアン：ｓｒ）当たりの放射束（ｌｕｍｅｎ）であり、単位はｌｕｍｅｎ／ｓｒである。右の列のグラフは点Ａ１、Ｂ１における強度分布に基づいて計算された、点Ａ１、Ｂ１点における照度分布であり、横軸に、光軸位置を基準（０）としたときの光軸と直交する径方向の位置（単位はミリ）、縦軸に照度Ｅをとったグラフである。ここで、照度Ｅは、単位面積当たりに照射された放射束であり、単位はｌｕｍｅｎ／ｍ２である。
【００８６】
Ａ１におけるレーザダイオードＬＤ２のビームの強度分布は、図４６に示したグラフと同じであり、山形の頂点付近から強度Ｉが急激に落ち込む急峻な傾斜を持つガウシアン型の分布となる。Ａ１における照度分布も、強度分布を反映して、同様なガウシアン型の分布となる。
【００８７】
Ａ１における照度分布に示すように、レーザダイオードＬＤ２のビームは頂点付近の中心光量は高いがそれに比べて周辺光量が低い。ホモジナイザ７３は、上述の分散作用によって、レーザダイオードＬＤ２の周辺光量を上げる役割を果たす。Ｂ１における照度分布に示すように、ホモジナイザ７３の出射端７３ｃからは、径方向において照度が一様なトップハット型の照度分布を持つビームが出射される。
【００８８】
ただし、ホモジナイザ７３は径が一定であるのでビームの導光過程において発散角は保存される。そのため、Ｂ１における強度分布は、ホモジナイザ７３への入射前のＡ１における強度分布と同じである。つまり、ホモジナイザ７３は、ビームの強度分布を変えずに、ビームの発光面積を径方向に広げて照度を均一にする。これにより、入射前と比較して、中心光量に対する周辺光量が相対的に増加する。
【００８９】
このように、ホモジナイザ７３の作用により、周辺光量が増加したトップハット型の照度分布を持つビームが半球レンズ７４に入射する。半球レンズ７４は、光軸位置に入射した光線は直進させるが、径方向の周辺に入射した光線を屈折させる。半球レンズ７４は、レンズの曲率が一定であるため、半球レンズ７４の入射位置が周辺に行くほど（光軸からの径方向の距離である入射高さが高いほど）、屈折が強い（光線が大きく曲げられる）。半球レンズ７４に入射した光線は、屈折が強いほど、出射後において放射強度θｉが大きな高角成分になる。つまり、半球レンズ７４の周辺に入射する周辺光量が多いほど出射後において高角成分は増加する。第２光源モジュール３２においては、ホモジナイザ７３の作用によって周辺光量を増加させているため、Ｃ１における強度分布に示すように、半球レンズ７４に入射する前のＢ１におけるガウシアン型の強度分布と比較して、高角成分が増加したトップハット型に近い強度分布が得られる。
【００９０】
Ｃ１における強度分布に示すように、高角成分が増加したため、発散角β２は半値半幅で約３０°（半値全幅で約６０°）に拡大される。
【００９１】
第２光源モジュール３２において、発散角補正部７２の補正量は、発散角β２が、第１光源モジュール３１が出射する発散角αとほぼ一致するように設定される。具体的には、目標とする補正量が得られるように、半球レンズ７４の曲率及び直径が決められる。
【００９２】
発散角は、分岐型ライトガイド４１、ホモジナイザ５０及び内視鏡１１のライトガイド４３での導光過程においても保存される。そのため、図１８に示すように、ライトガイド４３の１本１本の光ファイバ８１が出射する、第１光源モジュール３１の光の発散角αと、第２光源モジュール３２の光の発散角β（図１６におけるβ２）を一致させることで、観察部位ＳＢにおける、第１光源モジュール３１の光の照射スポット径ＳＤαと、第２光源モジュール３２の光の照射スポット径ＳＤβを同じにすることができる。照射スポット径ＳＤα、ＳＤβが一致していないと、両者の重なり方にムラが生じるため、色ムラの原因となる。発散角補正部７２により、発散角βを発散角αと一致させることにより、照射スポット径ＳＤα、ＳＤβを一致させることができるため、上記色ムラが防止される。
【００９３】
第３光源モジュール３３については、第２光源モジュール３２の発光素子７１の代わりに、レーザダイオードＬＤ３（図３参照）を有する発光素子７６（図１０参照）を備えている点を除いて、第２光源モジュール３２と同様の構成を有する。発散角補正部７２については、同様の構成及び作用を有するため、説明を省略する。
【００９４】
以下、上記構成による作用について説明する。内視鏡診断を行う場合には、内視鏡１１をプロセッサ装置１２と光源装置１３に接続し、プロセッサ装置１２と光源装置１３の電源を入れて、内視鏡システム１０を起動する。
【００９５】
内視鏡１１の挿入部１６を被検者の消化管内に挿入して、消化管内の観察が開始される。通常観察モードでは、図８（Ａ）に示すように、第１光源モジュール３１が点灯して、レーザダイオードＬＤ１が発する狭帯域光Ｎ１と、蛍光体３６が発する蛍光ＦＬとが混合された白色光が観察部位に照射される。
【００９６】
図１０に示すように、第１光源モジュール３１が発する白色光は、分岐型ライトガイド４１の各分岐部４１ａ、４１ｂに入射する。図１１に示すように、各分岐部４１ａ、４１ｂから導光された白色光は、出射端４１ｅの端面において偏在しているが、図１２に示すように、ホモジナイザ５０によって光量分布が均一化される。これにより、ビームの断面において光量ムラの無い白色光が、内視鏡１１のライトガイド４３に入射する。白色光は、ライトガイド４３を通じて照明窓２２から消化管内の観察部位に照射される。
【００９７】
図８（Ａ）及び図９（Ａ）に示すように、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）を照射中に撮像素子４４によって観察部位が撮像されて、ＤＳＰ５７によってＢ、Ｇ、Ｒの画像信号が生成される。通常観察モードにおいては、画像処理部５８は、Ｂ、Ｇ、Ｒの画像信号に基づいて、通常観察用の表示画像を生成する。表示制御回路６０は、通常観察用の表示画像をビデオ信号に変換してモニタ１４に表示する。通常観察モードにおいては、こうした処理が繰り返される。
【００９８】
血管強調観察を行う場合には、コンソール１５によってモード切り換え操作が行われて、プロセッサ装置１２が血管強調観察モードに設定される。
【００９９】
血管強調観察モードでは、図８（Ｂ）に示すように、第１光源モジュール３１に加えて、第２光源モジュール３２が点灯して、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）と狭帯域光Ｎ２が観察部位に照射される。レーザダイオードＬＤ２が発する狭帯域光Ｎ２のビームは、図１６及び図１７に示すように、ホモジナイザ７３の作用によりトップハット型のフラットな照度分布（Ｂ１における照度分布）に変換された後、半球レンズ７４の作用によって、発散角が広げられる（Ｃ１における強度分布参照）。これにより、第２光源モジュール３２の狹帯域光Ｎ２の発散角は、第１光源モジュール３１が発する白色光の発散角と一致する。この後、狹帯域光Ｎ２のビームは、分岐型ライトガイド４１の分岐部４１ｃに入射する。
【０１００】
白色光及び狭帯域光Ｎ２は、それぞれ、分岐型ライトガイド４１の分岐部４１ａ、４１ｂ、４１ｃに入射して、出射端４１ｅに導光されて、ホモジナイザ５０に入射する。そして、白色光及び狭帯域光Ｎ２は、ホモジナイザ５０で光量分布が均一化された後、内視鏡１１のライトガイド４３に供給される。白色光及び狭帯域光Ｎ２は、ライトガイド４３を通じて照明窓２２から消化管内の観察部位に照射される。
【０１０１】
図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）に示すように、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）及び狭帯域光Ｎ２を照射中に撮像素子４４によって観察部位が撮像されて、ＤＳＰ５７によってＢ、Ｇ、Ｒの画像信号が生成される。血管強調観察モードにおいては通常観察モードと同様に、画像処理部５８は、Ｂ、Ｇ、Ｒの画像信号に基づいて、血管強調観察用の表示画像を生成する。表示制御回路６０は、血管強調観察用の表示画像をビデオ信号に変換してモニタ１４に表示する。血管強調観察モードにおいては、こうした処理が繰り返される。血管強調観察モードでは、画像信号Ｂに、白色光のＢ成分に加えて、狭帯域光Ｎ２が含まれているので、観察画像において表層血管が高コントラストで描出される。
【０１０２】
血管強調観察モードでは、第１及び第２光源モジュール３１、３２が発する白色光と狭帯域光Ｎ２が用いられるが、各光源モジュール３１、３２は、発散角補正部６４、７２によってそれぞれの発散角がほぼ一致するように補正される。これにより、図１８に示すように、観察部位ＳＢに照射される、白色光及び狭帯域光Ｎ２の照射スポットの全域が重なるため色ムラが低減される。
【０１０３】
また、第１光源モジュール３１を点灯させずに、第２光源モジュール３２だけを単独で点灯させる場合においても、発散角補正部７２によって発散角が拡大されることにより、発散角補正部７２を使用しない場合と比べて、狹帯域光Ｎ２の照射スポットが広がって大きな視野を確保することができる。また、発散角が拡大されることにより、照射スポット内における中心と周辺の光量差が低減されるため、視認性の高い観察画像が得られる。
【０１０４】
酸素飽和度観察を行う場合には、コンソール１５からモード切り換え操作が行われて、プロセッサ装置１２の動作モードが酸素飽和度観察モードに設定される。
【０１０５】
酸素飽和度観察モードでは、図８（Ｃ）に示すように、第１光源モジュール３１と、第３光源モジュール３３が１フレーム毎に交互に点灯し、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）と、狭帯域光Ｎ３が交互に観察部位に照射される。
【０１０６】
補正後の白色光及び狭帯域光Ｎ３は、それぞれの照射タイミングにおいて、分岐型ライトガイド４１の分岐部４１ａ、４１ｂ、４１ｄに入射して、出射端４１ｅに導光されてホモジナイザ５０に入射する。そして、白色光及び狭帯域光Ｎ３は、ホモジナイザ５０で光量分布が均一化された後、内視鏡１１のライトガイド４３に供給される。白色光及び狭帯域光Ｎ３は、ライトガイド４３を通じて照明窓２２から消化管内の観察部位に順次照射される。
【０１０７】
図８（Ｃ）及び図９（Ｃ）に示すように、撮像素子４４は、白色光（Ｎ１＋ＦＬ）及び狭帯域光Ｎ３に対応する画像信号をＤＳＰ５７に順次出力する。ＤＳＰ５７は、白色光の元で取得した画像信号に基づいて、Ｂ１、Ｇ１、Ｒ１の各色の画像信号を生成して、狭帯域光Ｎ３の元で取得した画像信号に基づいて、Ｂ２の画像信号を生成する。画像処理部５８は、画像信号Ｂ２、Ｇ１、Ｒ１の画像間演算を行うことにより、血液量の情報が分離された、酸素飽和度を算出する。そして、画像信号Ｂ１、Ｇ１、Ｒ１に基づいて生成されるフルカラー画像に対して、算出した酸素飽和度の値に応じた色変換を行って、酸素飽和度観察用の表示画像を生成する。
【０１０８】
このように酸素飽和度観察モードでは、第１及び第３光源モジュール３１、３３が用いられる。第３光源モジュール３３は、第２光源モジュール３２と同様に、発散角補正部７２によって狭帯域光Ｎ３の発散角が広げられる。そのため、各光源モジュール３１、３３が発する白色光及び狭帯域光Ｎ３は、照射スポットの大きさが一致するため、観察画像における色ムラは生じない。また、酸素飽和度観察モードにおいては、血管強調観察モードと異なり、白色光と狭帯域光Ｎ３に対応する画像信号は面順次で取得されるが、それぞれの画像信号に基づいて画像間演算が行われるため、白色光と狭帯域光Ｎ３の色ムラを解消することで、画像間演算の信頼性も向上する。
【０１０９】
以上説明したように、本発明では、発散角補正部７２によって、レーザダイオードの発散角を広げている。発散角補正部７２は、半球レンズ７４と半球レンズ７４に入射させる前段に配置されるホモジナイザ７３とで構成されるが、光線を屈折させる半球レンズ７４に加えてホモジナイザ７３が必要な理由について、以下に、比較例１を示す図１９及び図２０を参照しながら説明する。
【０１１０】
図１９において、比較例の第２光源モジュール２００は、ホモジナイザ７３の代わりに、平凸レンズ２０１を設けている点で、本発明の第２光源モジュール３２と異なる。他の構成は同様であるので、同一部材には同一符号を示して説明を省略する。
【０１１１】
図２０において、左の列は、図１９における各点Ａ２〜Ｃ２におけるビームの強度分布を示すグラフである。右の列は、各点Ａ２及びＢ２におけるビームの照度分布を示すグラフである。図２０において、Ａ２における強度分布及び照度分布は、図１７におけるＡ１における強度分布及び照度分布と同じである。
【０１１２】
平凸レンズ２０１は、半球レンズ７４と同じ径であり、レーザダイオードＬＤ２のビームをコリメート（平行光化）するためのレンズである。平凸レンズ２０１を出射後のビームは、図２０のＢ２における強度分布に示すように、光線がコリメートされるため発散角はほぼ０°になる。平凸レンズ２０１は、ホモジナイザ７３のように光線を径方向に分散させる機能は無いため、Ｂ２における照度分布に示すように、光線がコリメートされても、照度分布はフラットにはならず、入射する前のＡ２における照度分布と同様に、照度のピークを示す中心光量と周辺光量の差が大きなガウシアン型の分布のままである。
【０１１３】
平凸レンズ２０１を出射したビームは、半球レンズ７４に入射するが、入射するビームはガウシアン型の照度分布なので、半球レンズ７４に入射する光量は、光軸付近では高いが周辺では低い。上述のとおり、半球レンズ７４は、光軸に入射した光線は直進させ、周辺に入射した光線を屈折させる。そして、周辺に入射した光線が、発散角の拡大に寄与する、出射後の強度分布における高角成分となる。
【０１１４】
比較例１の第２光源モジュール２００は、本発明の第２光源モジュール３２と比較して、半球レンズ７４に入射する周辺光量が少ないため出射後の高角成分の増加が少ない。Ｃ２における強度分布に示すように、第２光源モジュール２００においては、半球レンズ７４の出射後におけるビームの発散角β２は約１４°であり、本発明の第１光源モジュール３２と比較して、半球レンズ７４による発散角拡大効果は小さい。また、Ｃ２における強度分布は、図１７のＣ１における照度分布と比較して明らかなように、依然としてガウシアン型の分布に近い。ガウシアン型の強度分布のビームでは、照射スポットにおいて中心と周辺の光量差を低減することができないため、比較例１の第２光源モジュール２００では、光量差を低減するという本発明の効果を得ることができない。
【０１１５】
なお、第２光源モジュール２００について、半球レンズ７４と平凸レンズ２０１の２枚構成のレンズ群を使用した例で説明しているが、両者の機能を１枚で実現するレンズを用いても、結果は同じである。
【０１１６】
本発明は、レーザダイオードＬＤ２のようにガウシアン型の照度分布を有するビームの発散角を拡大する場合において、半球レンズ７４に入射させる前段において、ホモジナイザ７３によって照度分布をトップハット型に変換して周辺光量を増加させているため、半球レンズ７４によって効果的に発散角を拡大させることができる。このため、発散角補正後の強度分布は、図１７のＣ１における強度分布のようにトップハット型に近い分布となるため、照射スポットにおける中心と周辺の光量差を低減することができる。
【０１１７】
なお、本発明では、半球レンズ７４の前段にホモジナイザ７３を配置しているが、両者の位置関係は重要であり、両者を逆に配置しても効果は無い。この点について、図２１及び２２を参照しながら説明する。
【０１１８】
図２１において、第２光源モジュール２１０は、ホモジナイザ７３を、比較例１の半球レンズ７４及び平凸レンズ２０１を有するレンズ群の後段に配置した比較例２である。第２光源モジュール２１０を構成する個々の部材の説明は、第２光源モジュール３２、２００において説明済みなので省略する。
【０１１９】
図２２において、左の列は、図２１における各点Ａ３〜Ｃ３におけるビームの強度分布を示すグラフである。右の列は、各点Ａ３及びＢ３におけるビームの照度分布を示すグラフである。図２１において、Ａ３における強度分布及び照度分布は、図１７のＡ１及び図２０のＡ２における強度分布及び照度分布と同じである。また、Ｂ３における強度分布は、図２０のＣ２における強度分布と同じである。Ｂ３における照度分布は、Ａ３における照度分布とほぼ同じである。理由は、上述のとおり、平凸レンズ２０１や半球レンズ７４は、ホモジナイザ７３のように入射した光線を径方向に分散する機能は持たないからである。
【０１２０】
第２光源モジュール２１０では、Ｂ３の照度分布を有するビームがホモジナイザ７３に入射する。ホモジナイザ７３の導光過程においては、ビームの発散角は保存されるので、入射前後において強度分布に変化は無い。そのため、Ｃ３における強度分布は、Ｂ３と同様になる。したがって、比較例２の第２光源モジュール２１０も、比較例１の第２光源モジュール２００と同様に、本発明の効果は得られない。
【０１２１】
本例においては、ホモジナイザ７３は、その径が長手方向において一定である例で説明しているが、長手方向において変化させてもよい。例えば、ホモジナイザ７３を、入射端７３ａの径よりも出射端７３ｃの径が細くなるように、側面部７３ｂにテーパを付けて、ホモジナイザ７３の全体形状を先細形状にしてもよい。こうすると、図１６における反射角θ０は、ホモジナイザ７３内を伝播する光線が側面部７３ｂの内面における反射を繰り返す毎に小さくなる。これは、ビームの発散角βが大きくなることを意味する。このようにホモジナイザ７３にテーパを付けることで、半球レンズ７４に加えて、ホモジナイザ７３自体に発散角拡大機能を付与することができる。
【０１２２】
しかしながら、レーザビームのようにビーム径が小さいビームの発散角を拡大する場合には、ホモジナイザ７３の径も非常に細くなる。細径のホモジナイザ７３に対してテーパを付けることは、製造上の難易度が高い。そのため、製造適性を考慮すると、本例で示したように、ホモジナイザ７３の径は、長手方向において一定であることが好ましい。製造が容易であれば、その分部品コストも安くて済むため、コスト的なメリットが大きい。
【０１２３】
また、本例において、半球レンズ７４は、焦点距離が短い短焦点レンズであることが好ましい。焦点距離が短い（曲率半径が小さい）ほど、レンズ出射後における光線の出射角の最大値は大きくなるので、より大きな発散角拡大効果を得るためには、焦点距離が短いほどよい。本例の半球レンズ７４としては、図１７のＢ１、Ｃ１における強度分布に示すように、半値半幅が約１０°のレーザビームの発散角β１を、半値半幅を約２０°拡大して、出射ビームの発散角β２を約３０°にする短焦点レンズの例で示している。内視鏡の照明光に必要な発散角を考慮すると、内視鏡の短焦点レンズとしては、レーザビームの発散角β１を、少なくとも半値半幅で約１０°以上拡大できる短焦点レンズが好ましい。
【０１２４】
また、短焦点レンズを使うと、図２３に示すように、半球レンズ７４の出射面から分岐部４１ｃの入射面までの間隔Ｋを短くできるというメリットもある。半球レンズ７４を出射したビームは、ビーム径が最小になるビームウエストＷに集束した後、発散して分岐部４１ｃに入射する。分岐部４１ｃはファイババンドルであるため、バンドルの素線となるすべての光ファイバに光線を入射させるためには、分岐部４１ｃへの入射時点での出射ビームのスポット径は、分岐部４１ｃの直径Ｄ２と同程度になることが好ましい。焦点距離が短いほど、半球レンズ７４の出射面からビームウエストＷまでの距離が短くなるので、間隔Ｋも短くすることができる。
【０１２５】
また、ホモジナイザ７３の直径Ｄｈは、半球レンズ７４の直径Ｄｒ以下に設定されることが好ましい。というのは、直径Ｄｈが、半球レンズ７４の直径Ｄｒよりも大きいと、ホモジナイザ７３が出射するビームのうち、半球レンズ７４に入射しないビームが発生して光損失が生じるからである。上述したとおり、本例においては、半球レンズ７４の直径Ｄｒは、ホモジナイザ７３の直径Ｄｈの約１．５倍であり、ホモジナイザ７３の直径Ｄｈは半球レンズ７４の直径Ｄｒ以下である。こうすることで、光損失が防止される。
【０１２６】
さらに、発散角拡大効果を考慮すると、半球レンズ７４の直径Ｄｒとホモジナイザ７３の直径Ｄｈは、ほぼ同じであることが好ましい。上述したとおり、半球レンズ７４は、径方向において光軸から離れた周辺ほど屈折力が大きく、周辺に入射する周辺光量が多いほど高角成分が増加する。ホモジナイザ７３の出射端７３ｃと、半球レンズ７４の入射面は近接して配置されるため、ホモジナイザ７３の直径Ｄｈが、半球レンズ７４の直径Ｄｒに近づくほど、半球レンズ７４に入射する周辺光量は増加する。ホモジナイザ７３の直径Ｄｈが半球レンズ７４の直径Ｄｒと等しいときに、周辺光量は最大となるので、高角成分も最大となる。これにより、発散角拡大効果も最大となる。したがって、発散角拡大効果を考慮すると、直径Ｄｒと直径Ｄｈは、ほぼ同じであることが好ましい。
【０１２７】
上記例においては、発散角補正部７２を構成するレンズとして、半球レンズ７４を使用しているが、レンズ面は半球面でなくてもよく、半球レンズ７４よりも曲率半径が大きな球面レンズでもよい。また、レンズ面は完全な球面でなくてもよく、目標とする発散角拡大効果が得られるのであれば、非球面レンズを使用してもよい。
【０１２８】
「第２実施形態」
図２４に示す第２実施形態の第２光源モジュール１０１は、発散角補正部１０２に、発散角拡大機能に加えて、レーザダイオードＬＤが発するビームの断面形状を整形するビーム整形機能を付与したものである。具体的には、発散角補正部１０２を構成するホモジナイザ１０３の断面形状を六角形にすることで、ビーム整形機能が付与される。
【０１２９】
図２５に示すように、レーザダイオードＬＤが発するビームＢＭは、光軸と直交する断面形状が略楕円形状になることが知られている。具体的には、レーザダイオードＬＤは、Ｐ型半導体からなるＰ層（Ｐ）、活性層（Ｋ）、Ｎ型半導体からなるＮ層（Ｎ）が積層された構造を有しており、活性層Ｋの発光点ＯＰから、発散光であるビームＢＭを発する。活性層Ｋと平行な水平方向（Ｘ方向）に広がる光を発する発光点と活性層に対して垂直な垂直方向（Ｙ方向）に広がる光を発する発光点との間には、光軸方向における非点隔差ΔＡｓがあるため、レーザダイオードＬＤのビームＢＭの断面形状は、Ｙ方向に長い縦長の略楕円形状になる。
【０１３０】
第１実施形態においては簡略的に示したが（図１７参照）、レーザダイオードＬＤのビームの強度分布は、断面形状が略楕円形をしているため、より正確には図２６に示すように、強度分布は異方性を有しており、Ｘ方向（点線で示す）とＹ方向（実線で示す）で強度分布が異なる。強度分布が異なるため、Ｘ方向とＹ方向で発散角も異なり、ホモジナイザ１０３に入射する入射ビームは、Ｙ方向の発散角θｙｉｎがＸ方向の発散角θｘｉｎよりも大きい。例えば、発散角θｙｉｎは約１２°であり、発散角θｘｉｎは、その半分の約６°である。
【０１３１】
ビームの断面形状が楕円形だと、観察部位における照射スポットの形状も楕円形となってしまう。照射スポットの形状は真円形が好ましいため、ビームの断面形状を真円形に整形することが好ましい。そのため、第２光源モジュール１０１では、発散角補正部１０２にビーム整形機能が付与される。
【０１３２】
図２４において、発散角補正部１０２は、半球レンズ７４とホモジナイザ１０３とで構成される。第１実施形態との相違点は、ホモジナイザ１０３の光軸と直交する断面の形状のみであり、第１実施形態のホモジナイザ７３が円形であるのに対して、第２実施形態のホモジナイザ１０３は、断面形状が六角形であり、全体形状が六角柱である。
【０１３３】
他の点については、第１実施形態の第２光源モジュール３１と同様である。例えば、ホモジナイザ１０３は、第１実施形態と同様に石英などの透明材料で形成されており、入射端１０３ａ、側面部１０３ｂ、出射端１０３ｃを有する。そして、レーザダイオードＬＤが発するビームは、入射端１０３ａに入射して、側面部１０３ｂの内面において全反射しながら光軸方向に伝播して、出射端７３ｃから出射する。この導光過程において、ホモジナイザ１０３の径方向の照度を一様にして、入射したビームの照度分布をフラットな照度分布に変換して、半球レンズ７４に入射する。
【０１３４】
図２７に示すように、ホモジナイザ１０３は、六角形の中心を通る光軸Ａと、レーザダイオードＬＤ２から入射する入射ビームＢＭｉｎの発光中心ＯＰがほぼ一致するように、発光素子７１との相対的な位置が位置決めされている。入射ビームＢＭｉｎは、例えば、長軸ＬＡが垂直方向（Ｙ方向）に、短軸ＳＡが水平方向（Ｘ方向）に位置するような縦長の状態で、ホモジナイザ１０３に入射する。入射ビームＢＭｉｎに含まれる光線は、発光中心ＯＰから放射状に広がる。
【０１３５】
図２６に示したように、断面形状が略楕円形をしている入射ビームＢＭｉｎの強度分布はＸ方向とＹ方向で異方性を有するので、長軸ＬＡ方向の発散角θｙｉｎが広く、短軸ＳＡ方向の発散角θｘｉｎが狭くなる。
【０１３６】
また、ホモジナイザ１０３は、長軸ＬＡ及び短軸ＳＡに対して、光軸Ａ周りに角度φＬだけ傾いた姿勢で配置されている。角度φＬは、ホモジナイザ１０３の六角形の断面内において、対向する２つの辺Ｓの中点同士を結び、光軸Ａを通る軸をＡ１とし、軸Ａ１と直交し、対向する２つの頂点同士を結び、光軸Ａを通る軸をＡ２としたときに、軸Ａ１及び軸Ａ２が、長軸ＬＡ及び短軸ＳＡのそれぞれとの間で成す角度である。角度φＬは、本例においては１５°である。
【０１３７】
このようにホモジナイザ１０３を傾けると、入射ビームＢＭｉｎの長軸ＬＡ及び短軸ＳＡの両方が、ホモジナイザ１０３の側面部１０３ｂの内面を構成する、六角形の各辺Ｓと直交しない状態となる。これにより、入射ビームＢＭｉｎに含まれる光線のうち、長軸ＬＡ及び短軸ＳＡのそれぞれと平行な長軸成分及び短軸成分の両方が、各辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射することになる。このように、各辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射した場合の光線の軌跡は、次のようになる。
【０１３８】
図２８、２９に示すように、入射ビームＢＭｉｎの光線の短軸成分をＲＳとすると、短軸成分ＲＳは、発光中心ＯＰからホモジナイザ１０３の入射端１０３ａに入射する。発光中心ＯＰと光軸Ａは一致しているため、ホモジナイザ１０３の通る光軸Ａ（Ｚ方向）と直交する断面内においては、短軸成分ＲＳは、光軸Ａを基点として短軸ＳＡと平行なＸ方向に放射される。そして、側面部１０３ｂの内面を構成する、六角形の一つの辺Ｓに入射する。ここを１回目の反射点Ｐ１として短軸成分ＲＳは全反射する。ここで、六角形の角度φＬの傾斜により、短軸成分ＲＳは、辺Ｓに対して垂直以外の角度、つまり、辺Ｓの法線Ｈに対して角度φＬの入射角が付いた状態で入射するため、反射点Ｐ１において反射角φＬの角度で反射する。これは反射点Ｐ１での反射により短軸成分ＲＳに対して光軸Ａ周りで捩れが生じることを意味する。
【０１３９】
反射点Ｐ１で反射した短軸成分ＲＳは別の辺Ｓに入射して、ここが２回目の反射点Ｐ２となる。反射点Ｐ１における反射により、短軸成分ＲＳは光軸Ａ周りの捩れが生じているため、反射点Ｐ２においても、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射する。そして、辺Ｓの法線に対して０°以上の反射角で反射して、反射点Ｐ３に向かう。同様に反射点Ｐ３においても、短軸成分ＲＳは、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射し、反射点Ｐ３においても光軸Ａ周りの捩れが生じる。
【０１４０】
短軸成分ＲＳは、反射点Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれにおいて、光軸Ａ周りの捩れを繰り返す。そのため、図２９に示す二点鎖線の円弧状の矢印に示すように、短軸成分ＲＳは、ホモジナイザ１０３内を、あたかも光軸Ａ周りを旋回しながら光軸Ａ方向に進行することになる。このように、短軸成分ＲＳの放射方向は、ホモジナイザ１０３内の導光中に変化するため、入射時点の放射方向とは、異なる方向に出射する。例えば、仮に導光中の反射点Ｐ１〜Ｐ３の３回の反射による光軸Ａ周りの捩れ角が９０°だとすると、入射時点におけるＸ方向と平行な短軸成分ＲＳの放射方向が、出射時点においてはＹ方向と直交する成分となる。
【０１４１】
一方、図２８に示すように、短軸成分ＲＳは、光軸Ａと平行な面内においては、入射時点における発散角θｘが導光中においても保存されて、発散角θｘが保持された状態で出射される。これは、ホモジナイザ１０３は、入射端１０３ａから出射端１０３ｃまで太さが一定であり、側面部１０３ｂが光軸と平行であるためである。
【０１４２】
図３０、３１は、短軸成分ＲＳと直交する長軸成分ＲＬの軌跡を示している。長軸成分ＲＬは、光軸Ａと直交する断面内においては、光軸Ａを基点としてＹ方向に放射される。そして、ホモジナイザ１０３に入射後の１回目の反射点Ｐ１において、角度φＬの傾斜により、辺Ｓに対して垂直以外の角度、つまり、辺Ｓの法線Ｈに対して角度φＬの入射角が付いた状態で入射する。そのため、長軸成分ＲＬは、短軸成分ＲＳと同様に、反射点Ｐ１での反射により光軸Ａ周りで捩れが生じる。
【０１４３】
これにより、長軸成分ＲＬは、反射点Ｐ２、Ｐ３で反射を繰り返す毎に、光軸Ａ周りの捩れを繰り返すため、図３１に示す二点鎖線の円弧状の矢印に示すように、あたかも、光軸Ａ周りを旋回しながら進行する。そのため、長軸成分ＲＬも、短軸成分ＲＳと同様に、その放射方向がホモジナイザ１０３内の導光中に変化するため、入射時点の放射方向とは、異なる方向に出射する。例えば、仮に導光中の反射点Ｐ１〜Ｐ３の３回の反射による光軸Ａ周りの捩れ角が９０°だとすると、入射時点における放射方向がＹ方向と平行な長軸成分ＲＬは、出射時点においてはＸ方向と平行な成分となる。
【０１４４】
一方、図３０に示すように、長軸成分ＲＬについても、短軸成分ＲＳと同様に、光軸と平行な面内においては、入射時点における発散角θｙが導光中においても保存されて、発散角θｙが保持された状態で出射される。
【０１４５】
以上の説明では、入射ビームＢＭｉｎに含まれる光線のうちの短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬについて説明したが、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの間の中間成分の多くについても、同様に、光軸Ａ周りの捩れが生じる。
【０１４６】
例えば、図３２に示す光線Ｒ１は、入射ビームＢＭｉｎにおける放射方向が短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬとの間にある中間成分である。光線Ｒ１は、短軸成分ＲＳや長軸成分ＲＬと同様に、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射するため、反射点Ｐ１〜Ｐ３における反射により、光軸Ａ周りで捩れが生じて放射方向が変化する。ただし、光線Ｒ１は、入射時点における放射方向が短軸成分ＲＳや長軸成分ＲＬと異なるので、１回目の反射点Ｐ１における辺Ｓに対する入射角は短軸成分ＲＳや長軸成分ＲＬと異なる。そのため、光線Ｒ１の光軸Ａ周りの捩れ角の大きさや、捩れの向き（円弧状の矢印で示すように光線Ｒ１が光軸Ａ周りに旋回する向き）が異なる。
【０１４７】
また、中間成分の中にも、図３３に示す光線Ｒ２のように、辺Ｓに対して垂直（辺Ｓの法線と平行）に入射する光線もある。この場合には、辺Ｓの法線に対する光線Ｒ２の入射角は０°であり反射点Ｐ１における反射角も０°になる。光線Ｒ２の基点は、光軸Ａ（発光中心ＯＰ）であるため、反射角が０°の場合には、光線Ｒ２の反射点Ｐ１における反射後の軌跡も反射点Ｐ１への入射軌跡と同じ軌跡となる。そのため、光線Ｒ２は、最初に入射した辺Ｓとそれに対向する辺Ｓの２辺の間で反射を繰り返すのみとなり、光軸Ａ周りの捩れは生じない。
【０１４８】
このように、入射ビームＢＭｉｎに含まれる光線には、ホモジナイザ１０３内において、光線Ｒ２のように光軸Ａ周りの捩れが生じない光線もあるが、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬを含むほとんどの光線が辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射するため、それらの光線は、光軸Ａ周りの捩れが生じる。また、捩れ角の大きさは様々である。これは、入射ビームＢＭｉｎに含まれる各光線の放射方向が、ホモジナイザ１０３内の内部反射によって、光軸Ａと直交する断面内において分散されることを意味する。
【０１４９】
こうした分散作用により、図３４に示すように、入射時点においては断面形状が略楕円形をした入射ビームＢＭｉｎが、出射端１０３ｃから出射する出射時点の出射ビームＢＭｏｕｔにおいては、その断面形状が真円形に整形されることになる。
【０１５０】
図３５は、出射ビームＢＭｏｕｔの強度分布を、図２６と同じ条件で測定したグラフである。図２６に示すように、入射ビームＢＭｉｎにおいては、Ｘ方向の発散角θｘｉｎが狭く、Ｙ方向の発散角θｙｉｎが広いというように、両者に差があるが、ホモジナイザ１０３の作用により、出射ビームＢＭｏｕｔにおいては、Ｘ方向の発散角θｘｏｕｔが広げられる一方、Ｙ方向の発散角θｙｏｕｔが狭められて、図３５に示すように、両者がほぼ一致する。これにより、出射ビームＢＭｏｕｔの断面形状が略真円形に整形されていることが分かる。具体的には、入射時点において、Ｙ方向（長軸ＬＡ方向）の発散角θｙｉｎが約１２°、Ｘ方向（短軸ＳＡ方向）の発散角θｘｉｎが約６°であった入射ビームＢＭｉｎが、ホモジナイザ１０３の整形作用により、発散角θｙｏｕｔ＝θｘｏｕｔが約１０°の略真円形の出射ビームＢＭｏｕｔに整形される。
【０１５１】
出射ビームＢＭｏｕｔは、半球レンズ７４に入射して発散角が広げられる。第１実施形態で述べたとおり、ホモジナイザ１０３は、径方向において照度を均一にする作用があるため、出射ビームＢＭｏｕｔは半球レンズ７４において効果的に発散角が広げられる。
【０１５２】
このようなビーム整形の方法としては、シリンドリカルレンズを２枚使用して、ビームの長軸方向の広がりを縮小する方法などが知られている。しかしながら、シリンドリカルレンズを２枚使用する方法は、空気とレンズ面との境界面の数が多くなるため（２枚のレンズを使用するため境界面は４つ）、フレネルロスが多くなり光伝達損失が大きいという欠点がある。これに対して、本例のホモジナイザ１０３を使用する方法は、ホモジナイザ１０３という１つの光学素子を用いれば済むため、境界面の数は入射面と出射面の２つで済むため、光伝達損失を減らすことができる。また、本例のように、発散角補正部を構成するホモジナイザにビーム整形機能を付与すれば、両者を別々の部品で実現する場合と比べて、部品点数の増加が無く、構成の簡略化という点でも有利である。
【０１５３】
上記例では、レーザダイオードＬＤ２を有する第２光源モジュールにホモジナイザ１０３を設けた例に説明したが、もちろん、レーザダイオードＬＤ３を有する第３光源モジュールに設けてもよい。
【０１５４】
なお、第１光源モジュール３１については、レーザダイオードＬＤ１が発するビームに含まれる光線は、図１４で示したとおり、蛍光体３６内で拡散される。そのため、蛍光体３６の出射端面のほぼ全域から四方八方に出射される。発散角補正部６４は断面形状が略真円形をしているので、蛍光体３６から出射したビームは、発散角補正部６４により、ビームの断面形状が略真円形に整形される。また、ビームによって励起された蛍光についても、同様に、発散角補正部６４の作用により、略真円形に整形される。そのため、第１光源モジュール３１からは、レーザ光及び蛍光が混合された混合光が出射されるが、混合光は、断面形状が略真円形状のビームとして出射される。
【０１５５】
このように、第１光源モジュールのように、レーザダイオードＬＤを有する発光素子と蛍光体の組み合わせで構成される光源モジュールについては、蛍光体がビーム整形部の役割を果たす。そのため、ビーム整形機能を有するホモジナイザ１０３は、第２及び第３光源モジュールのように、蛍光体を使用しない光源モジュールに対して有効である。
【０１５６】
また、第１光源モジュールのように蛍光体を使用する光源モジュールと、第２及び第３光源モジュールのように蛍光体を使用しない光源モジュールの両方を組み合わせて使用する光源装置においては、ホモジナイザ１０３により第２光源モジュール及び第３光源モジュールのビームを略真円形にすることで、第２及び第３光源モジュールが発するビームの照射スポットの形状を、第１光源モジュールが発するビームの照射スポットの形状と一致させることができる。このため、異なる光源モジュールの各照射スポットの形状が異なることに起因する色ムラを低減させることができる。
【０１５７】
上記例において、図２７に示したように、六角形の断面形状を持つホモジナイザ１０３において、Ｘ方向及びＹ方向に対する、六角形の軸Ａ１、軸Ａ２の角度φＬを１５°傾けた例で説明したが、角度φＬは、１５°でなくてもよく、０°〜６０°の範囲の任意の角度でよい。
【０１５８】
図３６は、角度φＬ＝０°の例である。角度φＬが０°の場合には、入射ビームＢＭｉｎに含まれる光線の短軸成分ＲＳと軸Ａ２が、長軸成分ＲＬと軸Ａ１がそれぞれ一致する。この場合、光軸Ａを基点とする短軸成分ＲＳは、六角形の辺Ｓに対して垂直に入射するので、１回目の反射点Ｐｘ１における反射角（辺Ｓの法線に対する角度）は０°になる。そのため、短軸成分ＲＳは、対向する２つの反射点Ｐｘ１の２点間を往復することになり、光軸Ａ周りの捩れは生じない。
【０１５９】
一方、長軸成分ＲＬは、六角形の頂点に入射するため、頂点が１回目の反射点Ｐｙ１になる。反射点Ｐｙ１においては反射角が０°以上になるため、長軸成分ＲＬは光軸Ａ周りで捩れる。また、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの間の中間成分についても、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射するため、光軸Ａ周りで捩れる。これにより、入射ビームＢＭｉｎに含まれる光線が、光軸Ａと直交する断面内において分散されるため、ビームＢＭの断面形状が略真円形に整形される。
【０１６０】
また、図３７は、角度φＬ＝３０°の例である。この場合、図３６の例とは反対に、長軸成分ＲＬについては、辺Ｓに対して垂直に入射するため、光軸Ａ周りの捩れは生じないが、短軸成分ＲＳについては、六角形の頂点が１回目の反射点Ｐｘ１であり、辺Ｓに対して垂直以外の角度に入射することになるので、光軸Ａ周りの捩れが生じる。また、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの間の中間成分は、図３６の例と同様に、光軸Ａ周りの捩れが生じる。これにより、ビームＢＭの断面形状が略真円形に整形される。
【０１６１】
このように、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの少なくとも一方に対して光軸Ａ周りの捩れが生じれば、ビーム整形の効果が得られることが実験やシミュレーションにより分かっている。もちろん、図２７に示すように、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの両方が辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射する方が、整形効果が高いので好ましい。その中でも、図２７で示したように、角度φＬが１５°の場合が最も好ましいことが実験やシミュレーションにより分かっている。
【０１６２】
また、図３８に示すように、ホモジナイザ１０３の六角形の中心である光軸Ａに対して、入射ビームＢＭｉｎの発光中心ＯＰをオフセットさせてもよい。こうしても、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの一方を、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射させることができるからである。これにより、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの一方について、光軸Ａ周りの捩れが生じるため、ビーム整形効果が得られる。ただし、光軸Ａに対して発光中心ＯＰをオフセットした場合、オフセットが無い場合と比較すると、入射ビームＢＭｉｎの大きさに対してホモジナイザ１０３の断面積を大きくしなければならないというデメリットがある。１つの発光素子７１の入射ビームを導光する場合には、デメリットが大きいので、光軸Ａと発光中心ＯＰは一致していることが好ましい。
【０１６３】
また、上記例においては、断面形状が六角形のホモジナイザを使用した例で説明したが、以下に示すように、断面形状は四角形や三角形でもよい。
【０１６４】
図３９に示すホモジナイザ１１０は、断面形状が四角形の四角柱の導光ロッドである。ホモジナイザ１１０は、断面形状が異なる点を除いて、材質や導光機能についてはホモジナイザ１０３と同様である。ホモジナイザ１１０は、光軸ＡとレーザダイオードＬＤ２の発光中心ＯＰとを一致させて配置されている。また、ホモジナイザ１１０は、四角形の対向する２つの頂点をそれぞれ結ぶ直交する２つの軸が、Ｘ方向（入射ビームＢＭｉｎの短軸方向）とＹ方向（入射ビームＢＭｉｎの長軸方向）のそれぞれと一致するように配置される。これは、四角形の対向する２つの辺を、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれと平行になるように配置した正姿勢（図４１参照）に対して、光軸Ａ周りに４５°回転させた姿勢である。
【０１６５】
ホモジナイザ１１０をこのような姿勢とすることにより、入射ビームＢＭｉｎの短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの１回目の反射点Ｐｘ１、Ｐｙ１は、四角形の対向する２つの頂点となる。そのため、光軸Ａを基点として放射される、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬは、反射点Ｐｙ１、Ｐｘ１のそれぞれに入射して、光軸Ａ周りの捩れが生じる。これにより、略楕円形の入射ビームＢＭｉｎを略真円形にするビーム整形効果が生じる。
【０１６６】
また、図４０に示すように、ホモジナイザ１１０は、図３９の姿勢を基準として、その姿勢から光軸Ａ周りに角度φＬ傾けた姿勢でもよい。角度φＬは例えば５°である。この姿勢は、正姿勢（図４１参照）に対しては、約４０°傾けた姿勢である。この姿勢の場合には、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬは、１回目の反射点Ｐｘ１、Ｐｙ１において、それぞれ辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射することになる。これにより、略楕円形の入射ビームＢＭｉｎを略真円形にするビーム整形効果が生じる。
【０１６７】
なお、断面が四角形の場合には、図４１に示すように、四角形の対向する２辺がＸ方向及びＹ方向のそれぞれと平行となる正姿勢では、良好なビーム整形効果が得られないことが実験やシミュレーションの結果から分かっている。これは、以下に示すように、正姿勢においては、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの両方が辺Ｓに対して垂直に入射するため、反射点における光軸Ａ周りの捩れが生じないことが理由と考えられる。
【０１６８】
ホモジナイザ１１０が正姿勢の場合には、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬは、１回目の反射点Ｐｘ１、Ｐｙ１において、辺Ｓに対して垂直に入射することになる。そのため、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬは、その光軸Ａ周りの捩れが生じることはない。これは２回目以降の反射においても同様であり、出射時点においても短軸成分ＲＳはＸ方向に、長軸成分ＲＬはＹ方向に出射される。
【０１６９】
もちろん、正姿勢の場合でも、入射ビームＢＭｉｎの光線のうち、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの間の中間成分については、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射するため、光軸Ａ周りの捩れが生じる。しかし、略楕円形を規定する短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬについては、光軸Ａ周りの捩れが生じないため、略真円形に整形されることはない。
【０１７０】
以上のとおり、ホモジナイザ１１０は、正姿勢で配置した場合には良好なビーム整形効果は得られないが、正姿勢から少しでも傾いた姿勢であれば、短軸成分ＲＳ及び長軸成分ＲＬの両方が、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射することになるため、良好なビーム整形効果が得られる。実験やシミュレーションの結果によれば、その中でも最も好ましい姿勢は、図３９に示すように、正姿勢に対して４５°傾けた姿勢である。なお、第１実施形態のように、ビーム整形を考慮せずに、ホモジナイザ１１０を発散角補正のみに使用する場合には、図４１に示す正姿勢で配置してもよい。
【０１７１】
また、六角形のホモジナイザ１０３において述べたとおり、ホモジナイザ１１０の四角形の中心である光軸Ａに対して、入射ビームＢＭｉｎの発光中心ＯＰをオフセットさせてもよい。こうしても、正姿勢以外であれば、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの一方を、辺Ｓに対して垂直以外の角度で入射させることができるからである。ただし、オフセットが無い場合と比較すると、入射ビームＢＭｉｎの大きさに対してホモジナイザ１０３の断面積を大きくしなければならないというデメリットがあるので、１つの発光素子７１のビームを導光する場合には、光軸Ａと発光中心ＯＰは一致していることが好ましい。
【０１７２】
また、本例においては、四角形として正方形を例示したが、長方形でもよいし、平行四辺形でもよい。もちろん、正方形が最も作成が容易であると考えられるので、製造適性を考慮すると、正方形が最も好ましい。
【０１７３】
図４２に示すホモジナイザ１１６は、断面形状が三角形の三角柱の導光ロッドである。ホモジナイザ１１６は、断面形状が異なる点を除いて、材質や導光機能についてはホモジナイザ１０３、１１０と同様である。ホモジナイザ１１６は、発光中心ＯＰと光軸Ａを一致させた状態で配置される。ホモジナイザ１１６は、例えば、１つの頂点を上方に、頂点に対向する１つの辺を下方にし、下方の辺がＸ方向と平行となる正姿勢で配置されている。
【０１７４】
このようにホモジナイザ１１６を配置すると、入射ビームＢＭｉｎの長軸成分ＲＬは、一方が頂点、他方が辺Ｓが１回目の反射点Ｐｙ１となる。長軸成分ＲＬは、辺Ｓに対しては、垂直で入射することになるが、頂点においては垂直以外の角度になるため、光軸Ａ周りの捩れが生じる。一方、短軸成分ＲＳは、対向２つの辺Ｓに入射する。対向する２つの辺は、短軸成分ＲＳの放射方向であるＸ方向に対して垂直では無いため、反射点Ｐｘ１に対しては垂直以外の角度で入射することになる。そのため、光軸Ａ周りの捩れが生じる。このように、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの両方に関して光軸Ａ周りの捩れが生じる。そのため、入射ビームＢＭｉｎの断面形状を略真円形にするビーム整形作用が生じる。
【０１７５】
なお、三角形は、六角形や四角形と異なり、点対象であるので、どのような傾斜角度でも、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの両方に関して、光軸Ａ周りの捩れを生じさせて放射方向を変化させることができる。したがって、ホモジナイザ１１６のように断面形状が三角形の場合には、正姿勢以外でもよく、正姿勢から３０°、１８０°回転させた姿勢など、どのような姿勢で配置しても、ビーム整形効果が得られる。
【０１７６】
なお、ホモジナイザ１１６のように断面形状が三角形の場合には、光軸Ａに対して、発光中心ＯＰをオフセットしてもよい。また、本例では正三角形の例で説明したが、正三角形でなくてもよく、直角三角形や二等辺三角形でもよい。もちろん、正三角形が最も作成が容易であると考えられるので、製造適性を考慮すると正三角形が最も好ましい。
【０１７７】
ビーム整形効果がある断面形状として、六角形、四角形、三角形を例に説明したが、五角形でもよいし、六角形以上の多角形でもよい。しかし、ホモジナイザをレーザダイオードのビームに適用することを考えると、直径が数ｍｍ、あるいはそれ以下となるため、製造適性を考えると、六角形以下であることが好ましい。
【０１７８】
また、ホモジナイザにビーム整形機能を付与するために断面形状を多角形にする例を説明したが、第１実施形態で示したホモジナイザ７３のように、断面形状が円形の場合でも、図４３及び図４４に示すように、ホモジナイザ７３の光軸Ａに対して、レーザダイオードＬＤ２の発光中心ＯＰをオフセットさせて配置すれば、ビーム整形効果が得られる。
【０１７９】
ホモジナイザ７３は、断面形状が真円であるため、内部反射面となる、側面部７３ｂの内面は、曲面で構成される。
【０１８０】
図４４に示すように、ホモジナイザ７３の光軸Ａに対して、発光中心ＯＰが、Ｘ方向及びＹ方向の両方においてオフセットされている。オフセットにより、短軸成分ＲＳの１回目の反射点はＰｘ１となるが、反射点Ｐｘ１の接線ＴＬと、短軸成分ＲＳは直交しないため、短軸成分ＲＳは、反射点Ｐｘ１で反射すると反射角が付く。そのため、光軸Ａ周りの捩れが生じて放射方向が変化する。長軸成分ＲＬについても、１回目の反射点はＰｙ１となるが、反射点Ｐｙ１の接線ＴＬと長軸成分ＲＬは直交しないため、長軸成分ＲＬは、反射点Ｐｙ１で反射すると反射角が付く。そのため、光軸Ａ周りの捩れが生じで放射方向が変化する。これにより、ビームの断面形状を略真円形にするビーム整形効果が得られる。
【０１８１】
ホモジナイザ７３のように、断面形状が真円の場合には、光軸Ａに対して、発光中心ＯＰをオフセットさせることが、ビーム整形効果を得るための必須条件である。図４５のように、ホモジナイザ７３の光軸Ａと発光中心ＯＰを一致させると、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの１回目の反射点となるＰｘ１、Ｐｙ１において、その接線ＴＬが短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬと直交することになる。そのため、光軸Ａ周りの捩れは生じない。さらに、ホモジナイザ７３の断面形状が真円形の場合には、オフセットが無く、光軸Ａと発光中心ＯＰが一致していると、短軸成分ＲＳと長軸成分ＲＬの間の中間成分についても放射方向の変化が生じないため、ビーム整形効果は期待できず、出射端においては、入射ビームＢＭｉｎと同じ、略楕円形のビームが出射することになる。
【０１８２】
また、図４４の例では、ホモジナイザ７３の光軸Ａに対して、発光中心ＯＰをＸ方向とＹ方向の両方においてオフセットしているが、短軸成分ＲＳと平行なＸ方向にのみオフセットさせてもよいし、長軸成分ＲＬと平行なＹ方向にのみオフセットさせてもよい。このように一方向のみオフセットさせても、ビーム整形効果があることが、実験やシミュレーションによって確認されている。もちろん、Ｘ方向とＹ方向の２方向においてオフセットさせる方が、ビーム整形効果は高いので好ましい。
【０１８３】
また、本例においては、断面形状が真円形を例に説明したが、楕円形でもよい。また、側面部の内面の一部が平面となる長円形でもよい。
【０１８４】
上記実施形態では、ホモジナイザとして柱状体で構成された導光ロッドの形態で説明したが、円筒状の内面に鏡面を形成したミラーパイプの形態でもよい。ミラーパイプでも、入射ビームを、内部の側面部の内面である鏡面によって反射することにより光軸方向に導光することができる。これにより、ビームの径方向の照度を均一にする効果や、断面形状等を工夫することでビーム整形効果を得ることが可能である。なお、鏡面反射は、全反射と比べて反射ロスが大きいため、光伝達効率を考えると、ミラーパイプよりも導光ロッドの方が有利である。
【０１８５】
上記実施形態では、ホモジナイザとレンズの２つの光学素子で発散角補正部を構成した例で説明したが、発散角補正部は、ホモジナイザとレンズの他の光学素子を加えた構成としてもよい。また、発散角補正部を構成するレンズから、内視鏡のライトガイドの入射端に直接ビームを入射させる例で説明したが、例えば、レンズとライトガイドの間に、１つ以上の光学素子を介在させて、間接的にビームを入射させる構成としてもよい。
【０１８６】
上記実施形態では、ホモジナイザとレンズで構成される発散角補正部を用いる光源部として、狭帯域光を発する光源モジュール３２、３３を例に説明したが、ビームの色や発光波長は上記例に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、Ｂ、Ｇ、Ｒの単色光を発する３つの光源部を用いて白色光を生成する光源装置において、Ｂ、Ｇ、Ｒの少なくとも１つの光源部にホモジナイザを使用してもよい。
【０１８７】
また、第１光源モジュール３１として、蛍光体とレーザダイオードからなる発光素子を組み合わせた光源部を例示しているが、レーザダイオード以外のＬＥＤやＥＬなどの発光素子を用いたものでもよく、キセノンランプやハロゲンランプなどの光源でもよい。
【０１８８】
上記実施形態では、ホモジナイザとレンズで構成される発散角補正部を用いる光源部の発光素子としてレーザダイオードを例示したが、ＬＥＤやＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などのレーザダイオード以外の発光素子に上記発散角補正部を適用してもよい。ＬＥＤやＥＬが発するビームの発散角は、レーザダイオードと比較して大きいが、ＬＥＤやＥＬを、より発散角が広い光源部と組み合わせて使用する場合には、発散角の拡大が必要な場合もある。そのような場合には、本発明は有効である。
【０１８９】
上記実施形態では、Ｂ、Ｇ、Ｒのマイクロカラーフイルタが設けられたカラー撮像素子を用いて、白色光をマイクロカラーフイルタで色分離して複数色の画像を同時に取得する同時方式を例に説明したが、カラーフイルタが設けられていないモノクロ撮像素子を用いて、各色の画像を順次取得する面順次方式に適用してもよい。
【０１９０】
上記実施形態では、光源装置とプロセッサ装置が別体で構成される例で説明したが、２つの装置を一体で構成してもよい。また、本発明は、撮像素子と超音波トランスデューサが先端部に内蔵された超音波内視鏡と画像処理を行うプロセッサ装置からなるシステム等、他の形態の内視鏡システムにも適用することができる。
【符号の説明】
【０１９１】
１０  内視鏡システム
１１  内視鏡
１２  プロセッサ装置
１３  光源装置
２８  コネクタ
３１  第１光源モジュール
３２  第２光源モジュール
３３  第３光源モジュール
３６  蛍光体
４３  内視鏡のライトガイド
５０  ホモジナイザ
６１  レーザモジュール
６２  蛍光部
６４、７２  発散角補正部
６６、７１、７６  発光素子
７３、１０３、１１０、１１６  ホモジナイザ
７４  半球レンズ
Ａ  光軸
ＢＭ  ビーム
ＢＭｉｎ  入射ビーム
ＢＭｏｕｔ  出射ビーム
ＬＤ１〜ＬＤ３  レーザダイオード
ＯＰ  発光中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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