(57)【要約】【課題】光利用効率を向上させる。【解決手段】内視鏡１０のライトガイド４３に照明光を供給する光源装置１３は、発光素子６６と、蛍光体３６と、導光ロッド４０とを備える。発光素子６６は、蛍光体３６の励起光を発するレーザダイオードＬＤ１を有する。導光ロッド４０は、入射端面７０および出射端面７１と、入射端面７０と出射端面７１を結び、入射端面７０から入射した光を全反射させながら出射端面７１へと導光する側面７２とを有し、入射端面７０よりも出射端面７１の面積が大きくなるように、側面７２が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。入射端面７０と蛍光体３６の発光面６９とは光学的接合されている。入射端面７０から出射端面７１に向かう途中までの範囲において、側面７２の全周には反射膜７３が形成されている。【選択図】図１１
2014132918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡のライトガイドに照明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、
前記発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する蛍光体と、
入射端面および出射端面と、前記入射端面と前記出射端面を結び、前記入射端面から入射した混合光を全反射させながら前記出射端面へと導光する側面とを有し、前記入射端面よりも前記出射端面の面積が大きくなるように、前記側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である導光ロッドとを備え、
前記発光面と前記入射端面は光学的接合されており、
前記入射端面から前記出射端面に向かう途中までの範囲において、前記側面の全周に反射膜が形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記反射膜は、誘電体多層膜のコーティング、金属膜のコーティング、または金属フイルムの接着のうちのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記反射膜は、前記誘電体多層膜のコーティングにより形成されることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項４】
前記導光ロッドに入射した光の前記側面における臨界角をθｃ、前記側面の光軸に対する傾斜角度をα、前記入射端面の面積をＳａとしたとき、前記反射膜の前記入射端面からの形成長さは、前記反射膜の前記出射端面側の終端における、前記入射端面と平行な前記導光ロッドの断面の面積Ｓｂが、以下の条件式１を満たすような長さであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
条件式１：Ｓｂ≧Ｓａ／ｃｏｓ２（θｃ−α）
【請求項５】
前記形成長さは、前記断面の面積Ｓｂが、以下の等式１を満たすような長さであることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
等式１：Ｓｂ＝Ｓａ／ｃｏｓ２（θｃ−α）
【請求項６】
前記導光ロッドは、光軸と直交する断面が正方形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】
前記導光ロッドに入射した光の前記側面における臨界角をθｃ、前記側面の光軸に対する傾斜角度をα、前記入射端面の辺の長さをｄａとしたとき、前記反射膜は以下の条件式２を満たす前記入射端面からの形成長さＬを有することを特徴とする請求項６記載の光源装置。
条件式２：Ｌ≧ｄａ・［{１／ｃｏｓ（θｃ−α）}−１］／（２ｔａｎα）
【請求項８】
前記反射膜は以下の等式２を満たす前記形成長さＬを有することを特徴とする請求項７記載の光源装置。
等式２：Ｌ＝ｄａ・［{１／ｃｏｓ（θｃ−α）}−１］／（２ｔａｎα）
【請求項９】
前記発光素子は、中心波長４４５ｎｍの励起光を発し、
前記蛍光体は、該励起光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を発し、
励起光と蛍光によって混合光として白色光が生成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記発光素子は、レーザダイオード、またはＬＥＤのいずれかを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１１】
照明光を導光するライトガイドが内蔵された内視鏡と、
前記ライトガイドに照明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、
前記発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する蛍光体と、
入射端面および出射端面と、前記入射端面と前記出射端面を結び、前記入射端面から入射した光を全反射させながら前記出射端面へと導光する側面とを有し、前記入射端面よりも前記出射端面の面積が大きくなるように、前記側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である導光ロッドとを備え、
前記発光面と前記入射端面は光学的接合されており、
前記入射端面から前記出射端面に向かう途中までの範囲において、前記側面の全周に反射膜が形成され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、内視鏡に照明光を供給するための光源装置、およびこれを用いた内視鏡システムに関する。
【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、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。内視鏡は生体内に挿入される挿入部を有し、挿入部の先端には、観察部位に照明光を照射する照明窓と、観察部位を撮影するための観察窓が配されている。内視鏡には、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いる。ライトガイドは、光源装置から供給された照明光を照明窓に導光する。観察窓の奥にはＣＣＤ等の撮像素子が配されている。照明光が照射された観察部位を撮像素子で撮像し、これにより得られた画像信号に基づきプロセッサ装置で観察画像を生成してモニタに表示することで、生体内を観察することができる。
【０００３】
従来、光源装置には、白色光を発するキセノンランプやハロゲンランプが光源として使用されてきたが、最近では、これらに代えて、レーザダイオード（ＬＤ）やＬＥＤ等の半導体で構成された発光素子と、発光素子が発する光により励起されて蛍光を発する蛍光体とを組み合わせて白色光を生成する光源を用いるものも提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の図１１には、紫外光を含む青色光を発するＬＥＤと、青色光により励起されて黄色の蛍光を発する蛍光体とを組み合わせて、青色光と黄色の蛍光の混合により白色光を生成する光源と、光源からの光を光軸方向に導光する導光ロッドとを備える光源モジュールが開示されている。青色光と蛍光の混合光が出射する蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面とは突き当てられている。また、蛍光体の周囲には、蛍光体の周辺方向に向かう光を導光ロッドの入射端面に向けて反射させる反射部材が設けられている。
【０００５】
発光素子の光は一部が蛍光体の励起に使用され、残りの光は蛍光体を透過して蛍光とともに蛍光体の発光面から出射する。一般に蛍光体は粉末状の蛍光材料をバインダで固めたものであり、蛍光材料やバインダにより入射した光を拡散させる拡散作用を有している。発光素子の光の発散角は、蛍光体への入射時点では比較的小さいが、蛍光体の拡散作用によって蛍光体の発光面から出射する際には広げられる。蛍光も発光面の全面から出射するため発散角は比較的大きい。
【０００６】
導光ロッドは、蛍光体の拡散作用によって発散角が広がった光の発散角を小さくし、内視鏡のライトガイドに効率よく入射させるために設けられている。導光ロッドは、入射端面および出射端面と、入射端面と出射端面を結び、入射端面から入射した光を全反射させながら出射端面へと導光する側面とを有し、入射端面よりも出射端面の面積が大きくなるように、側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。このように入射端面の面積よりも出射端面の面積が大きい先太の導光ロッドでは、入射光は側面で全反射を繰り返す過程で発散角が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２６６３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発光素子と導光ロッドの間に蛍光体を配置した、特許文献１の図１１に示す光源モジュールのような構成では、蛍光体から発せられる光をいかに余すところなく導光ロッドに入射させ、かつ導光ロッドに入射した光をいかに損失なく導光するかが光利用効率の向上のための鍵となる。
【０００９】
特許文献１では、光利用効率を向上させるために、蛍光体の周辺方向に向かう光を導光ロッドの入射端面に向けて反射させる反射部材を設けている。しかしながら、蛍光体と導光ロッドを組み合わせた光源モジュールにおいては、こうした反射部材を設けるだけでは光利用効率を向上させる対策としては不十分であった。
【００１０】
例えば、特許文献１では、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面を突き当てている。しかし、蛍光体が発する光を導光ロッドに効率よく入射させるためには、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面を単に突き当てるだけでは、伝播する光の波長に対して発光面と入射端面の間の隙間が大きすぎ、導光ロッドの入射端面での反射による光損失が大きいため、光利用効率を向上させるための対策としては不十分である。したがって、特許文献１のように反射部材を設けて蛍光体の周辺方向に向かう光を導光ロッドの入射端面に向けて反射させたとしても、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面を単に突き当てているだけでは光利用効率の大幅な改善は期待できない。
【００１１】
また、蛍光体の発光面から出射する光は発散角が大きいため、蛍光体から導光ロッドへ入射した光のうち、発散角が大きな高角成分については、導光ロッドの側面への入射角が臨界角よりも小さくなり、側面で全反射せずに側面から透過して光損失となってしまう。このため、仮に反射部材によって反射した光が運よく導光ロッドに入射したとしても、その光の発散角が大きい場合には側面から透過して結局光損失となってしまう。
【００１２】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、発光素子と導光ロッドの間に蛍光体を配置した構成において、光利用効率を向上させることができる光源装置、およびこれを用いた内視鏡システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の内視鏡のライトガイドに照明光を供給する光源装置は、半導体で構成された発光素子と、蛍光体と、導光ロッドとを備える。蛍光体は、発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する。導光ロッドは、入射端面および出射端面と、入射端面と出射端面を結び、入射端面から入射した光を全反射させながら出射端面へと導光する側面とを有し、入射端面よりも出射端面の面積が大きくなるように、側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。発光面と入射端面は光学的接合されている。入射端面から出射端面に向かう途中までの範囲において、側面の全周に反射膜が形成されている。
【００１４】
「光学的接合」とは、２つの光学部材の接合面（この場合は発光面と入射端面）同士を、光学的に透明な接着剤等で接合することを意味する。「光学的接合」には、２つの光学部材の接合面を鏡面研磨して平坦面とし、接合面同士を接触させることで、分子間力によって当該接合面同士が接合される現象、より詳しくは、２つの光学部材間で導光される光の波長よりも短い間隔で接合面同士が密着して接合される現象も含む。
【００１５】
反射膜は、誘電体多層膜のコーティング、金属膜のコーティング、または金属フイルムの接着のうちのいずれかにより形成される。より好ましくは、反射膜は、誘電体多層膜のコーティングにより形成される。
【００１６】
導光ロッドに入射した光の側面における臨界角をθｃ、側面の光軸に対する傾斜角度をα、入射端面の面積をＳａとしたとき、反射膜の入射端面からの形成長さは、反射膜の出射端面側の終端における、入射端面と平行な導光ロッドの断面の面積Ｓｂが、以下の条件式１を満たすような長さである。
条件式１：Ｓｂ≧Ｓａ／ｃｏｓ２（θｃ−α）
【００１７】
より好ましくは、反射膜の入射端面からの形成長さは、反射膜の出射端面側の終端における、入射端面と平行な導光ロッドの断面の面積Ｓｂが、以下の等式１を満たすような長さである。
等式１：Ｓｂ＝Ｓａ／ｃｏｓ２（θｃ−α）
【００１８】
導光ロッドは、光軸と直交する断面が正方形である。
【００１９】
導光ロッドに入射した光の側面における臨界角をθｃ、側面の光軸に対する傾斜角度をα、入射端面の辺の長さをｄａとしたとき、反射膜は以下の条件式２を満たす入射端面からの形成長さＬを有する。
条件式２：Ｌ≧ｄａ・［{１／ｃｏｓ（θｃ−α）}−１］／（２ｔａｎα）
【００２０】
より好ましくは、反射膜は以下の等式２を満たす形成長さＬを有する。
等式２：Ｌ＝ｄａ・［{１／ｃｏｓ（θｃ−α}−１］／（２ｔａｎα）
【００２１】
発光素子は、中心波長４４５ｎｍの励起光を発する。蛍光体は、該励起光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を発する。励起光と蛍光によって混合光として白色光が生成される。
【００２２】
発光素子は、レーザダイオード、またはＬＥＤのいずれかを有する。
【００２３】
また、本発明は、照明光を導光するライトガイドが内蔵された内視鏡と、ライトガイドに照明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、蛍光体と、導光ロッドとを備える。蛍光体は、発光素子の光および該光によって励起された蛍光の混合光を発する発光面を有する。導光ロッドは、入射端面および出射端面と、入射端面と出射端面を結び、入射端面から入射した光を全反射させながら出射端面へと導光する側面とを有し、入射端面よりも出射端面の面積が大きくなるように、側面が光軸に対して傾斜したテーパ形状である。発光面と入射端面は光学的接合されている。入射端面から出射端面に向かう途中までの範囲において、側面の全周に反射膜が形成されている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、蛍光体の発光面と導光ロッドの入射端面とを光学的接合させ、入射端面から出射端面に向かう途中までの範囲において、導光ロッドの側面の全周に反射膜を設けるので、蛍光体から発せられる光を余すところなく導光ロッドに入射させることができ、かつ導光ロッドに入射した光を損失なく導光することができる。したがって、発光素子と導光ロッドの間に蛍光体を配置した構成において、光利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】（Ａ）通常光観察モード、（Ｂ）血管強調観察モード、（Ｃ）酸素飽和度観察モードのそれぞれにおける照明光の照射タイミングおよび撮像タイミングを示す説明図である。
【図９】（Ａ）通常光観察モード、（Ｂ）血管強調観察モード、（Ｃ）酸素飽和度観察モードのそれぞれにおける画像処理手順を示す説明図である。
【図１０】光源モジュールの斜視図である。
【図１１】光源装置の要部斜視図である。
【図１２】導光ロッド内を光が伝播する様子を示す説明図である。
【図１３】反射膜の種類による反射率と製造コストの比較表である。
【図１４】導光ロッド内を光が伝播する様子を示す説明図であり、（Ａ）は反射膜が設けられていない場合、（Ｂ）は反射膜が設けられている場合をそれぞれ示す。
【図１５】反射膜の形成長さＬの条件式を導くための各種パラメータを示す説明図である。
【図１６】導光ロッドの側面の光軸に対する傾斜角度α、反射膜の形成長さＬ、および導光ロッドの全長の具体例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１において、内視鏡システム１０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画像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照明光を内視鏡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等の操作入力部１５が接続されている。
【００２７】
内視鏡システム１０は、照明光として白色光を使用し、白色光のもとで観察部位を観察するための通常光観察モードと、照明光として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強調観察モードおよび酸素飽和度観察モードとを備えている。血管強調観察モードおよび酸素飽和度観察モードは、血管のパターンや酸素飽和度等の性状を把握して、腫瘍の良悪鑑別等の診断を行うための特殊光観察モードである。血管強調観察モードおよび酸素飽和度観察モードでは、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。血管強調観察モードは、血管が強調された血管強調画像を表示する。酸素飽和度観察モードは、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を示す酸素飽和度画像を表示する。
【００２８】
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および光源装置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。
【００２９】
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、観察部位の像を取り込むための観察窓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て各種処置を行うための鉗子出口２５が設けられている。観察窓２３の奥には、撮像素子４４や結像用の対物光学系５１（ともに図３参照）が内蔵されている。
【００３０】
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、食道や腸等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。
【００３１】
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・送水ノズル２４から送気・送水を行う際に操作される送気・送水ボタン２８、静止画像を撮影するためのレリーズボタン（図示せず）等が設けられている。
【００３２】
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、プロセッサ装置１２および光源装置１３側の一端には、コネクタ２９が取り付けられている。コネクタ２９は、通信用コネクタ２９ａと光源用コネクタ２９ｂからなる複合タイプのコネクタである。通信用コネクタ２９ａと光源用コネクタ２９ｂはそれぞれ、プロセッサ装置１２と光源装置１３に着脱自在に接続される。通信用コネクタ２９ａには通信ケーブルの一端が配設されており、光源用コネクタ２９ｂにはライトガイド４３の入射端が配設されている。
【００３３】
図３において、光源装置１３は、それぞれ発光波長が異なる３種類の光源モジュール３１、３２、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等の制御を行う。
【００３４】
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、ＬＤ２、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）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Ｎ２を発光する。レーザダイオードＬＤ３は、青色領域において、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Ｎ３を発光する。レーザダイオードＬＤ１〜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。
【００３５】
光源モジュール３２、３３は、２本の光ファイバ３９ａ、３９ｂを介してカプラ３９ｃと接続されている。また、光源モジュール３１とカプラ３９ｃは、２本の光ファイバ３９ｄ、３９ｅを介してカプラ３９ｆと接続されている。これら４本の光ファイバ３９ａ、３９ｂ、３９ｄ、３９ｅおよび２個のカプラ３９ｃ、３９ｆは、光源モジュール３１〜３３の光路を１つの光路に統合する。光ファイバ３９ｄ、３９ａ、３９ｂの入射端は光源モジュール３１、３２、３３にそれぞれ対面している。内視鏡１１のライトガイド４３の入射端は１つであるため、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、光ファイバ３９ａ、３９ｂ、３９ｄ、３９ｅおよびカプラ３９ｃ、３９ｆによって光源モジュール３１〜３３の光の光路が統合される。
【００３６】
カプラ３９ｆには１本の光ファイバ３９ｇが接続され、光ファイバ３９ｇの出射端には蛍光体３６が接続されている。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（Ｇ）領域から赤色（Ｒ）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、吸収しなかった残りの狭帯域光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の混合光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。
【００３７】
光源モジュール３２は、血管強調観察用の光源である。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。このため狭帯域光Ｎ２は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、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、中深層血管強調用には、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。
【００４０】
光源モジュール３３は、酸素飽和度観察用の光源である。図５において、実線の吸光スペクトル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、一点鎖線の吸光スペクトル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、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、酸素飽和度が測定される。
【００４１】
図３において、光源制御部３４は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３に接続されたドライバ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、ドライバ３７から電流の駆動パルスを与えることによりレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３を点灯させる。そして、駆動パルスのデューティ比を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことにより、駆動電流値を変化させて各狭帯域光Ｎ１〜Ｎ３の発光量を制御する。駆動電流値の制御は、駆動パルスの振幅を変えるＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御等でもよい。
【００４２】
蛍光体３６の光路の下流側には、導光ロッド４０、および縮小光学系４１が設けられている。縮小光学系４１は、光源用コネクタ２９ｂが接続されるレセプタクルコネクタ４２の近傍に配置されている。導光ロッド４０から出射された光は、縮小光学系４１を経由して、光源用コネクタ２９ｂに配されたライトガイド４３の入射端に供給される。なお、図示は省略するが、光源用コネクタ２９ｂとレセプタクルコネクタ４２にはそれぞれ保護ガラスが設けられている。
【００４３】
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をバンドル化したファイババンドルである。光源用コネクタ２９ｂが光源装置１３に接続されたときに、光源用コネクタ２９ｂに配置されたライトガイド４３の入射端が光源装置１３の縮小光学系４１と対向する。先端部１９に位置するライトガイド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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。観察部位の像は、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。
【００４６】
撮像素子４４は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等からなり、フォトダイオード等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ＡＦＥ４５に出力される。
【００４７】
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、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。
【００４８】
図８に示すように、撮像素子４４は、１フレームの取得期間内で、画素に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を行う。図８（Ａ）に示すように、通常光観察モードにおいては、撮像素子４４の蓄積動作の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の混合光からなる白色光（Ｎ１＋ＦＬ）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は、白色光をマイクロカラーフイルタで色分離する。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成分に対応する反射光をＧ画素が、蛍光ＦＬの中のＲ成分に対応する反射光をＲ画素がそれぞれ受光する。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、通常光観察モードが設定されている間、繰り返される。
【００４９】
血管強調観察モードにおいては、図８（Ｂ）に示すように、光源モジュール３１に加えて、撮像素子４４の蓄積動作のタイミングに合わせて光源モジュール３２が点灯する。光源モジュール３１、３２が点灯すると、通常光観察モードと同様の白色光とともに、狭帯域光Ｎ２が追加されて、これらの混合光（Ｎ１＋ＦＬ＋Ｎ２）が照明光として観察部位に照射される。
【００５０】
通常光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の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が設定されている間、繰り返される。
【００５１】
酸素飽和度観察モードにおいては、図８（Ｃ）に示すように、まず、撮像素子４４の蓄積動作のタイミングに合わせて光源モジュール３１が点灯する。光源モジュール３１が点灯すると、通常光観察モードと同様に白色光が観察部位に照射される。次のフレームにおいては、光源モジュール３１が消灯したうえで光源モジュール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。
【００５２】
ただし、酸素飽和度観察モードでは、通常光観察モードや血管強調観察モードと異なり、白色光と狭帯域光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、酸素飽和度観察モードが設定されている間、繰り返される。
【００５３】
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）、およびアナログ／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。
【００５４】
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から入力される基準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。
【００５５】
プロセッサ装置１２は、コントローラ５６の他、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５７と、画像処理部５８と、フレームメモリ５９と、表示制御回路６０とを備えている。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等からなり、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。
【００５６】
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等の信号処理を施す。
【００５７】
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等のビデオ信号に変換してモニタ１４に出力する。
【００５８】
図９（Ａ）に示すように、通常光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、通常光観察用の表示画像を生成する。この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。
【００５９】
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。癌等の病変においては、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等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。
【００６０】
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等を施す。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。
【００６１】
血管強調観察用の表示画像は、通常光観察用と同様に、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、通常光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、通常光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。
【００６２】
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チャンネルおよび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等、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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Ｂ２／Ｇ１と、画像信号Ｒ１の画素値と画像信号Ｇ１の画素値の信号比Ｒ１／Ｇ１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Ｂ２／Ｇ１およびＲ１／Ｇ１と酸素飽和度およ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。
【００６５】
図１０において、光源モジュール３１は、発光素子６６と集光レンズ６８とを有する。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。破線で示すように発光素子６６と集光レンズ６８はケース６７に収容されており、該ケース６７には光ファイバ３９ｄの入射端が接続される接続部６７ａが設けられている。すなわち光源モジュール３１は、いわゆるレセプタクル型の半導体光源である。
【００６６】
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。集光レンズ６８は光ファイバ３９ｄの入射端と対向配置されており、レーザダイオードＬＤ１から発せられたレーザ光は集光レンズ６８によって光ファイバ３９ｄの入射端に集光される。
【００６７】
光源モジュール３２、３３も光源モジュール３１と同様に、レーザダイオードＬＤ２、ＬＤ３をそれぞれ有する発光素子と、レーザダイオードＬＤ２、ＬＤ３から発せられたレーザ光を光ファイバ３９ａ、３９ｂの入射端に集光する集光レンズとを備える。発光素子のステム等の構成は光源モジュール３１の発光素子６６と同様であるため図示を省略する。なお、集光レンズを発光素子の透明キャップ内に収容した構成としてもよい。
【００６８】
図１１において、蛍光体３６は、遮光性を有する円筒状の保護ケース６２内に充填されている。蛍光体３６の中心には、光ファイバ３９ｇの出射端が挿入される挿通孔が形成されている。光ファイバ３９ｇは、出射端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挿通孔に挿入される。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、保護ケース６２に倣う円筒状の形状を有する。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の発光面６９の全域となる。また、蛍光体３６を透過する狭帯域光Ｎ１〜Ｎ３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、狭帯域光Ｎ１〜Ｎ３は発光面６９の全域が発光点となる。
【００６９】
蛍光体３６には、入射光の発散角を変更するための導光ロッド４０が接合されている。蛍光体３６と導光ロッド４０は、蛍光体３６の発光面６９と導光ロッド４０の入射端面７０の中心が一致するように接合されており、発光面６９と入射端面７０は光学的接合されている。具体的には、発光面６９と入射端面７０とは、発光面６９と入射端面７０とを接触させたときの両者の間隔が、発光面６９から入射端面７０に導光される光の波長よりも短い間隔となるよう、鏡面研磨により極平坦な面とされ、そのうえで両者が接合されている。本例の場合は、図４に示すように蛍光ＦＬ、狭帯域光Ｎ１〜Ｎ３のうち、最短の波長がおよそ３５０ｎｍであるため、発光面６９と入射端面７０の間隔は、例えば３５０ｎｍ以下となっている。なお、光学的に透明な接着剤を用いて発光面６９と入射端面７０を接着した場合も上記光学的接合に含まれる。また、発光面６９と入射端面７０を光学的接合させたうえで、発光面６９と入射端面７０の周囲を接着剤により補強してもよい。
【００７０】
導光ロッド４０は、前記入射端面７０と、入射端面７０に入射した光を出射する出射端面７１と、入射端面７０と出射端面７１を結ぶ４つの側面７２とを有する。導光ロッド４０は、中実な透明ガラス等で形成され、ライトガイド４３の光軸Ｃと直交する断面形状が正方形で、側面７２が、入射端面７０よりも出射端面７１の面積が大きくなるように光軸Ｃに対して傾斜したテーパ形状を有している。図１２に示すように、導光ロッド４０は、入射端面７０から入射した光を、空気との界面となる４つの側面７２で全反射させながら、発散角を小さくしつつライトガイド４３の方向に伝播して出射端面７１から出射する。より具体的には、発散角β１で入射端面７０から入射した光は、入射角γ１、γ２で側面７２において２回全反射し、β１よりも小さい発散角β２（β２＜β１）で出射端面７１から出射する。
【００７１】
なお、側面７２における反射回数が多いほど発散角は小さくなり、また、導光ロッド４０の光軸Ｃ方向の長さ（全長）が長いほど、入射した光の側面７２における反射回数は増える。さらに、側面７２の光軸Ｃに対する傾斜角度α（図１５参照）が大きいほど、１回の反射による発散角の縮小量は大きくなる。
【００７２】
導光ロッド４０の全長や傾斜角度αは、縮小光学系４１を通してライトガイド４３に入射する光の発散角が、ファイババンドルであるライトガイド４３の素線となる光ファイバのＮＡ（開口数：Numerical Aperture）に適合するよう設定される。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Ｃ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。
【００７３】
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の正弦で定義される（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、入射光はライトガイド４３の光軸Ｃ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、入射光は全反射せずに透過してしまうため、ライトガイド４３内を導光されない。導光されない入射光線は光伝達損失となる。この光伝達損失を低減するために、導光ロッド４０および縮小光学系４１は、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。縮小光学系４１は、導光ロッド４０から出射した光をライトガイド４３に集光する。
【００７４】
ハッチングで示すように、入射端面７０から出射端面７１に向かう途中までの範囲の側面７２の全周には、反射膜７３が形成されている。反射膜７３は、側面７２に誘電体多層膜を蒸着によりコーティングすることで形成される。反射膜７３を誘電体多層膜とすれば、９９％以上の反射率を達成することができる。なお、誘電体多層膜のコーティングに代えて、アルミニウム等の金属膜を蒸着によりコーティングしたり、金属フイルムを接着したりして、反射膜７３を形成してもよい。金属膜や金属フイルムは誘電体多層膜と比べて反射率の点では多少劣るが、製造コストを安く抑えることができる。
【００７５】
反射膜７３の種類による反射率と製造コストの比較表を図１３に示す。「Ａ」は最も優れているものを示し、「Ｃ」が最も劣っているものを示す。誘電体多層膜は反射率の点で他より優れているが、製造コストは一番掛かる。金属膜は反射率、製造コストともに平均的である。金属フイルムは、製造コストは一番安く済むが、反射率の点で最も劣る。光利用効率を向上させる目的からすれば、反射膜７３を誘電体多層膜とすることが最も好ましい。
【００７６】
図１４（Ａ）に示すように、反射膜７３が設けられていない場合、入射端面７０に入射した光のうち、導光ロッド４０に入射した光の側面７２における臨界角θｃより小さい入射角γ１１（γ１１＜θｃ）で入射した光は、側面７２を透過して空気中に放射され、いわゆる漏れ光となる。図１４（Ｂ）に示すように、反射膜７３は、こうした普通は漏れ光となって光利用効率を低下させてしまう臨界角θｃより小さい入射角γ１１で入射した光を反射させて、導光ロッド４０内を伝播させるために設けられている。一方、臨界角θｃ以上の入射角γ１２（γ１２≧θｃ）の光は、反射膜７３の有無に関わらず側面７２で全反射を繰り返して導光ロッド４０内を伝播する。
【００７７】
図１４（Ｂ）において、臨界角θｃより小さい入射角γ１１で入射端面７０から入射した光は、反射膜７３で反射を繰り返しているうちに、入射端面７０よりも出射端面７１の面積が大きくなるように光軸Ｃに対して傾斜した側面７２の発散角を広げる作用によって、側面７２への入射角が徐々に大きくなって（γ１１＜γ２１＜γ３１＜γ４１）、臨界角θｃ以上（γ４１≧θｃ）となり、反射膜７３の助けを借りずに導光ロッド４０内をライトガイド４３に向けて伝播するようになる。このため反射膜７３は、導光ロッド４０の全体にわたって形成する必要はなく、臨界角θｃより小さい入射角で入射端面７０から入射した光の側面７２への入射角が臨界角θｃ以上となる反射回数を稼げる分の長さだけ入射端面７０から出射端面７１に向かう途中までの範囲に形成されていればよい。
【００７８】
図１５を参照して反射膜７３の入射端面７０からの形成長さＬの条件について考察する。まず、光源の発光面積と発散角の積であるエタンデューは保存されることが知られている。蛍光体３６の発光面６９の面積と導光ロッド４０の入射端面７０の面積をほぼ同じと考えると、導光ロッド４０の入射端面７０におけるエタンデューと、反射膜７３の出射端面７１側の終端における、入射端面７０と平行な導光ロッド４０の断面７４のエタンデューとの関係は次のようになる。すなわち、入射端面７０の面積をＳａ、断面７４の面積をＳｂ、入射端面７０における発光面６９から入射する光の発散角をΩａ、断面７４における光の発散角をΩｂとしたとき、エタンデューの保存より次式（１ａ）が成り立つ。
Ｓａ・ｓｉｎ２（Ωａ／２）＝Ｓｂ・ｓｉｎ２（Ωｂ／２）・・・（１ａ）
ここで発光面６９から出射する光の発散角はπ（単位：ｒａｄ）であり、発光面６９と入射端面７０は光学的接合されているため、発光面６９から出射する光は全て入射端面７０に入射する。したがってΩａ＝πである。このため式（１ａ）は次式（１ｂ）に書き換えられる。
Ｓａ＝Ｓｂ・ｓｉｎ２（Ωｂ／２）・・・（１ｂ）
【００７９】
また、導光ロッド４０の屈折率をｎとしたとき、臨界角θｃは、スネルの法則より次式（２）で表せる。
θｃ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）・・・（２）
【００８０】
側面７２の光軸に対する傾斜角度をαとしたとき、発散角Ωｂの光の側面７２への入射角γは、次式（３）となる。
γ＝π／２−（Ωｂ／２−α）・・・（３）
この入射角γの光が側面７２で全反射してライトガイド４３の方向に伝播すれば、反射膜７３の役割を果たすことができる。すなわち入射角γが臨界角θｃ以上であればよく、次式（４ａ）で表せる。
γ≧θｃ・・・（４ａ）
式（４ａ）のγに式（３）の右辺を代入してΩｂ／２について解くと、式（４ａ）は次式（４ｂ）となる。
Ωｂ／２≦π／２＋α−θｃ・・・（４ｂ）
式（１ｂ）よりｓｉｎ（Ωｂ／２）＝（Ｓａ／Ｓｂ）１／２であるため、結局式（４ｂ）は、次式（４ｃ）となる。
式（４ｂ）より、ｓｉｎ（Ωｂ／２）≦ｓｉｎ（π／２＋α−θｃ）
（Ｓａ／Ｓｂ）１／２≦ｃｏｓ（θｃ−α）・・・（４ｃ）
これをＳｂについて解くと、式（４ｃ）は次式（４ｄ）で表せる。
Ｓｂ≧Ｓａ／ｃｏｓ２（θｃ−α）・・・（４ｄ）
【００８１】
一方、入射端面７０、断面７４の辺の長さをそれぞれｄａ、ｄｂとすると、ｄｂは反射膜７３の形成長さＬと側面７２の光軸に対する傾斜角度αとで次式（５ａ）のように表せる。
ｄｂ＝ｄａ＋２Ｌ・ｔａｎα・・・（５ａ）
式（５ａ）をＬについて解くと、次式（５ｂ）となる。
Ｌ＝（ｄｂ−ｄａ）／（２ｔａｎα）・・・（５ｂ）
【００８２】
また、Ｓａ＝ｄａ２、Ｓｂ＝ｄｂ２であるので、式（４ｄ）は、次式（４ｅ）となる。
ｄｂ≧ｄａ／ｃｏｓ（θｃ−α）・・・（４ｅ）
この式（４ｅ）を変形すると、次式（４ｆ）となる。
（ｄｂ−ｄａ）／（２ｔａｎα）≧ｄａ・［｛１／ｃｏｓ（θｃ−α）｝−１］／（２ｔａｎα）・・・（４ｆ）
【００８３】
式（４ｆ）の左辺は式（５ｂ）の右辺に他ならない。したがって反射膜７３の形成長さＬの条件式は、次式（６）で表せる。
Ｌ≧ｄａ・［｛１／ｃｏｓ（θｃ−α）｝−１］／（２ｔａｎα）・・・（６）
反射膜７３は、式（６）の右辺以上、さらに好ましくは式（６）の右辺と等しい長さＬで形成されている。
【００８４】
反射膜７３の形成長さＬが式（６）の右辺よりも短いと、臨界角θｃより小さい入射角で入射端面７０から入射した光の側面７２への入射角が臨界角θｃ以上とならないうちに反射膜７３がなくなるので、図１４（Ａ）の入射角γ１１の光のように漏れ光となってしまい光損失が生じる。一方で、反射膜７３の形成長さＬが式（６）の右辺以上であると、臨界角θｃより小さい入射角で入射端面７０から入射した光の側面７２への入射角が臨界角θｃ以上となっているにも関わらず、それ以降の回の反射においても側面７２と比べて反射率が劣る反射膜７３によって反射されるため、その分光損失が生じる。反射率が比較的低い反射膜７３の場合は特に光損失が大きい。また、臨界角θｃより小さい入射角で入射端面７０から入射した光の側面７２への入射角が臨界角θｃ以上とする目的に寄与せず、反対に光損失が生じてしまう余分な反射膜７３の形成に無駄なコストが掛かる。したがって、反射膜７３は、次式（７）に示すように、式（６）の右辺と等しい長さＬで形成されることがより好ましい。
Ｌ＝ｄａ・［｛１／ｃｏｓ（θｃ−α）｝−１］／（２ｔａｎα）・・・（７）
上記の考え方を同様に式（４ｄ）にも適用すると、次式（８）に示すようになる。
Ｓｂ＝Ｓａ／ｃｏｓ２（θｃ−α）・・・（８）
【００８５】
導光ロッド４０の屈折率ｎ＝１．４６、ｄａ＝１ｍｍとし、出射端面７１から出射される光の発散角が半値半幅で１０°となるようにしたときの反射膜７３の形成長さＬを式（７）より計算した結果、および導光ロッド４０の全長を図１６の表に示す。表より、側面７２の光軸Ｃに対する傾斜角度αを大きくする程、導光ロッド４０の全長は短くて済み、これに伴って反射膜７３の形成長さＬも短くて済む。また、導光ロッド４０の全長に対する反射膜７３の形成長さＬは約３％〜約４％の割合であり、導光ロッド４０の全長の約１／３０〜約１／２５の長さに反射膜７３を形成すれば十分であることが分かる。
【００８６】
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。
【００８７】
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。通常光観察モードでは、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。
【００８８】
白色光の照射中に撮像素子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。画像処理部５８は、Ｂ、Ｇ、Ｒの画像信号に基づいて、通常光観察用の表示画像を生成する。表示制御回路６０は、通常光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。
【００８９】
血管強調観察を行う場合には、操作入力部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。
【００９０】
血管強調観察モードでは、光源モジュール３１に加えて光源モジュール３２が点灯して、白色光と狭帯域光Ｎ２が同時に観察部位に照射される。白色光および狭帯域光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、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。観察部位においてビームが照射されるスポットが白色光と狭帯域光Ｎ２とで略同じとなるため、色ムラのない表示画像が得られる。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。
【００９１】
酸素飽和度観察を行う場合には、操作入力部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。
【００９２】
酸素飽和度観察モードでは、光源モジュール３１と光源モジュール３３とが、１フレーム毎に交互に点灯し、白色光と狭帯域光Ｎ３が交互に観察部位に照射される。撮像素子４４は、白色光および狭帯域光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、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。
【００９３】
蛍光体３６の発光面６９と導光ロッド４０の入射端面７０が光学的接合されていないと、発光面６９と入射端面７０の間の空気層によって、発光面６９から発せられる光のうちの比較的発散角が大きい高角成分が入射端面７０に入射せず光損失となるが、本例では発光面６９と入射端面７０が光学的接合されているので、比較的発散角が大きい高角成分の光も含め、発光面６９から出射する光が余すところなく入射端面７０に入射する。また、普通は漏れ光となる臨界角θｃより小さい入射角の光が、反射膜７３で反射されることによって側面７２への入射角が臨界角θｃ以上の光となり、導光ロッド４０内をライトガイド４３に向けて伝播される。発光面６９と入射端面７０を光学的接合せず、かつ側面７２に反射膜７３を設けない場合と比べて、光利用効率が約２０％アップする。したがって、比較的低い駆動電力で観察に十分な光量を得ることができる。
【００９４】
反射膜７３の形成長さＬを式（６）の右辺以上とすることで、普通は漏れ光となる臨界角θｃより小さい入射角の光を導光ロッド４０内に閉じ込めて伝播させることができる。さらに反射膜７３の形成長さＬを式（６）の右辺と等しくすれば、反射膜７３で反射させることにより生じる光損失を最小限に抑えることができる。
【００９５】
上記実施形態では、光軸と直交する断面形状が正方形の導光ロッド４０を例示しているが、導光ロッドの形状はこれに限定されない。光軸と直交する断面形状が円形で略円錐状の導光ロッドを用いてもよい。略円錐状の導光ロッドの場合、式（６）は、入射端面の半径ｒａを用いて次式（９）に改められる。
Ｌ≧ｒａ・［｛１／ｃｏｓ（θｃ−α）｝−１］／ｔａｎα・・・（９）
同様に式（７）は、次式（１０）に改められる。
Ｌ＝ｒａ・［｛１／ｃｏｓ（θｃ−α）｝−１］／ｔａｎα・・・（１０）
この他にも光軸と直交する断面形状が長方形、あるいは多角形の導光ロッドを用いてもよい。光軸と直交する断面形状が正方形でない場合も上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９６】
狭帯域光Ｎ１〜Ｎ３、蛍光ＦＬの発光波長域は上記例に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、腫瘍を死滅させるための中心波長６３５ｎｍの治療光を狭帯域光Ｎ３として用いてもよい。あるいは、赤外線の波長域の蛍光ＦＬを発する蛍光体を用いてもよい。
【００９７】
上記実施形態では、発光素子６６と導光ロッド４０の間に蛍光体３６を配置した構成に、血管強調観察用や酸素飽和度観察用の光源を加えた構成を例示しているが、血管強調観察用や酸素飽和度観察用の光源はなくともよい。また、発光素子として、レーザダイオードを有するものを例示しているが、レーザダイオード以外のＬＥＤやＥＬ等を有する発光素子を用いてもよい。ＬＥＤやＥＬ等を有する発光素子を用いた場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９８】
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。
【００９９】
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や、配管の亀裂等を検査する工業内視鏡、あるいは挿入部が硬い棒状の硬性鏡等、他の形態の内視鏡に照明光を供給する光源装置およびこれを用いた内視鏡システムにも適用することができる。
【符号の説明】
【０１００】
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
３１〜３３  光源モジュール
３４  光源制御部
３６  蛍光体
４０  導光ロッド
４３  ライトガイド
４４  撮像素子
４６  撮像制御部
５６  コントローラ
５８  画像処理部
６６  発光素子
６９  発光面
７０  入射端面
７１  出射端面
７２  側面
７３  反射膜
ＬＤ１〜ＬＤ３  レーザダイオード
【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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