光源设备和内窥镜系统的制作方法
【专利摘要】提供一种用于为结合在内窥镜中的光导装置供应光束的光源设备。半导体的发光装置，例如，激光二极管产生所述光束。光均化器均化所述光束在径向方向上的辐照度分布。将短焦距透镜设置在所述光均化器与所述光导装置之间，用于扩大所述光束的发散角。此外，所述光均化器是设置为在所述光束的光轴方向上延伸的透明光导棒。所述光均化器的直径在其光轴方向上是不变的。所述光均化器的直径等于或小于所述短焦距透镜的直径。
【专利说明】光源设备和内窥镜系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光源设备和一种内窥镜系统。更具体地，本发明涉及一种光源设备和一种内窥镜系统，其中可以扩大用来自光源单元的的光束照明的面积，并且可以减少中心与外周之间光量上的差异。
【背景技术】
[0002]用于体腔的诊断的内窥镜系统广泛地用在医疗领域中。内窥镜系统包括内窥镜、光源设备和处理设备。内窥镜包括细长管和末端装置。细长管进入体腔中。末端装置设置在细长管的远端处，对体腔中的对象成像，并输出图像信号。光源设备为内窥镜供应用于照明的光。处理设备对由内窥镜输出的图像信号进行处理。在末端装置中形成有照明窗和成像窗。照明窗将光发射到对象。成像窗接收来自对象的对象光以进行成像。光导装置装入在细长管中，并具有其中多个光纤成束的纤维束。光导装置将由光源设备产生的光沿远侧方向引导到末端装置中的照明窗。
[0003]此外，JP-A2011-041758公开了一种其中代替氙气灯或卤素灯的半导体的发光装置(例如，激光二极管(LD)和发光二极管(LED))用作光源的光源设备。
[0004]半导体的发光装置发射特征性地从发射点以圆锥形状散布而传播的光束。发光装置的光束以比氙灯或卤素灯的发散角更小的发散角传播，因为该光束的方向性更高。
[0005]在图46中，显示来自作为光源的激光二极管的光束的强度分布。在强度分布图中，横轴表示输出射线角9i。纵轴表示强度I。强度I是每单元立体角(以sr或球面度计)的辐射通量(以流明计)。强度I的单位是流明Ar。激光二极管的发散角9表示为半峰半宽度(HWHM)，其为在指示相对于强度I的最大值的一半的条件下的全宽度的一半。激光二极管的发散角9的具体值为大约10度的半峰半宽度，即半峰全宽度为大约20度。
[0006]激光二极管的强度分布是其中强度I从曲线的顶点以陡峭倾斜度突然下降的高斯分布。相反，氙灯或卤素灯的强度分布是其中曲线的顶点在原始位置(输出射线角Qi=0)相对平坦，并且具有大输出射线角e i值的高角度分量缓慢地下降的顶帽分布。在高斯分布中，因为在高角度分量上更突然的下降，发散角e小于顶帽分布。LED和激光二极管的发散角e小于氙灯和卤素灯的发散角0。其中，激光二极管的发散角e还小于LED的发散角Q。
[0007]在内窥镜中的光导装置中通过期间保持光束的发散角。如果入射至光导装置的发散角小，从光导装置出射的光束的发散角也小。所关心的对象由具有小发散角的光束照明。出现的问题是在所关心的对象上用光束照明的面积小。为了保持用于内窥镜成像的视野的大面积的目的，照明的面积优选大。此外，在中心和外周之间的光量上的差异相当大的问题在所关心的对象的区域中的辐照度分布上是严重的， 因为外周光量远小于中心光量。在这种光量上的很大差异的条件下所关心的对象的视觉识别将是困难的。
[0008]JP-A2011-041758和其他技术文献未公开用于解决上述问题的技术。
【发明内容】
[0009]考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种光源设备和内窥镜系统，其中可以扩大用来自光源单元的的光束照明的面积，并且可以减小中心与外周之间光量上的差异。
[0010]为了实现本发明的以上及其它目的和优点，提供一种用于为结合在内窥镜中的光导装置供应光束的光源设备。半导体的发光装置产生光束。光均化器均化光束在径向方向上的辐照度分布。透镜设置在光均化器与光导装置之间，用于扩大光束的发散角。
[0011]光均化器是设置为在光束的光轴方向上延伸的透明光导棒。
[0012]光均化器的直径在其光轴方向上是不变的。
[0013]光均化器的直径等于或小于透镜的直径。
[0014]光均化器的直径等于透镜的直径。
[0015]透镜是短焦距透镜。
[0016]发光装置是激光二极管。
[0017]光束是蓝色波长范围的窄带光。
[0018]光束的束剖面是椭圆形的。光均化器包括束成形装置，所述束成形装置用于将椭圆形束剖面的光束束成形为圆形束剖面。
[0019]光均化器包括用于接收来自发光装置的光束的入射的入射端面。出射端面向透镜发射光束。反射界面设置为从入射端面延伸至出射端面，用于内反射光束和构成束成形装置。
[0020]光束包括分别沿椭圆形形状的长轴和短轴在径向方向上定位的第一和第二分量。反射界面通过反射将第一和第二分量中的至少一个绕光轴方向扭转。
[0021]在另一个优选的实施方案中，光束包括分别沿椭圆形形状的长轴和短轴在径向方向上定位的第一和第二分量。反射界面包括第一部分，所述第一部分用于接收第一和第二分量中的至少一个在非垂直方向上的入射。
[0022]光均化器包括用于接收来自发光装置的光束的入射的入射端面。出射端面向透镜发射光束。反射界面设置为从入射端面延伸至出射端面，用于内反射光束。
[0023]光均化器是圆柱形并且在光轴方向上延伸。
[0024]在再另一个优选的实施方案中，光均化器是在光轴方向上延伸的多边形棱柱的形式，并且反射界面包括平面。
[0025]反射界面的至少一部分是曲面。
[0026]光束包括分别沿椭圆形形状的长轴和短轴在径向方向上定位的第一和第二分量。第一和第二分量中的至少一个由曲面在反射点处反射，并且在与所述反射点处曲面的切线非垂直的方向上传播。
[0027]光均化器在与光轴方向横切的横截面中的形状为圆形，偏心圈或椭圆形，并且横截面中的所述形状的中心偏离发光装置的发射中心。
[0028]同样，提供了内窥镜系统，其包括其内部具有光导装置的内窥镜，和为光导装置供应光束的光源设备。光源设备包括用于产生光束的半导体的发光装置。光均化器均化光束在径向方向上的辐照度分布。透镜设置在光均化器与光导装置之间，用于扩大光束的发散角。
[0029]因此，因为透镜与用于扩大光束的发散角的光均化器的组合的作用，可以扩大用来自光源装置的光束照明的面积，并且可以减小中心与外周之间光量上的差异。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]本发明的以上目的和优点当结合附图阅读时将从以下详细说明变得更加清楚，其中:
[0031]图1是显示内窥镜系统的立体图；
[0032]图2是显示内窥镜的末端装置的前视图；
[0033]图3是示意性地显示内窥镜系统的方框图；
[0034]图4是显示光的光谱分布的图；
[0035]图5是显示血红蛋白的吸收光谱的图；
[0036]图6是显示组织的散射系数的图；
[0037]图7是显示微型滤色器的光谱分布的图；
[0038]图8A是显示通过光进行照明和成像的时序图；
[0039]图SB是显示在血管增强模式中的照明和成像的时序图；
[0040]图8C是显示在氧饱和度监测模式中的照明和成像的时序图；
[0041]图9A是显示在正常成像模式中的图像处理的流程图；
[0042]图9B是显示在血管增强模式中的图像处理的流程图；
[0043]图9C是显示在氧饱和度监测模式中的图像处理的流程图；
[0044]图10是显示光学路由装置和光源单元的立体图；
[0045]图11是显示光纤的布置的截面说明图；
[0046]图12是显示用于光测量的光传感器和输出调节装置的截面说明图；
[0047]图13是显示第一光源单元的立体图；
[0048]图14是显示第一光源单元的发散角校正器的截面说明图；
[0049]图15是显示第二光源单元的立体图；
[0050]图16是显示第二光源单元的发散角校正器的截面说明图；
[0051]图17A-17E是显示在图22的结构中的点处的强度分布和辐照度分布的图；
[0052]图18是显示第一和第二光源单元的光斑直径的侧视示意图；
[0053]图19是显示比较例I的截面示意图；
[0054]图20A-20E是显示根据比较例I的强度分布和辐照度分布的图；
[0055]图21是显示比较例2的截面示意图；
[0056]图22A-22E是显示根据比较例2的强度分布和辐照度分布的图；
[0057]图23是显示半球形透镜和光均化器的直径的截面示意图；
[0058]图24是显示另一个优选的六方柱形式的光均化器的立体图；
[0059]图25是显示光束的形状的立体图；
[0060]图26是显示光束的强度分布的图；
[0061]图27是显示光均化器与光束之间的关系的横截面示意图；
[0062]图28是显示光束中短轴的分量的轨迹的立体图；
[0063]图29是显示短轴分量的反射和扭转的横截面示意图；
[0064]图30是显示光束中长轴分量的轨迹的立体图；[0065]图31是显示长轴分量的反射和扭转的横截面示意图；
[0066]图32是显不光束中中间分量的反射和扭转的横截面不意图；
[0067]图33是显示没有绕光轴的扭转的光分量的横截面示意图；
[0068]图34是显示入射光束和出射光束的形状的横截面示意图；
[0069]图35是显示出射光束的强度分布的图；
[0070] 图36是显示其中图27的结构不同地定向的再另一个优选的光均化器的横截面示意图；
[0071]图37是显示其中图30的结构不同地定向的另一个优选的光均化器的横截面示意图；
[0072]图38是显示以非同心方式定向的再另一个优选的光均化器的横截面示意图；
[0073]图39是显示另一个优选的四边形棱柱形式的光均化器的横截面示意图；
[0074]图40是显示其中图39的结构不同地定向的再另一个优选的光均化器的横截面示意图；
[0075]图41是显示其中图39的结构水平地(法向地)定向的另一个优选的光均化器的横截面示意图；
[0076]图42是显示再另一个优选的三棱柱形式的光均化器的横截面示意图；
[0077]图43是显示另一个优选的圆柱体形状的光均化器的立体图；
[0078]图44是显示光均化器的入射端面的横截面示意图；
[0079]图45是显示其中图44的结构在没有偏离的情况下定向的再另一个优选的光均化器的横截面示意图；
[0080]图46是显示激光二极管的强度分布的图。
【具体实施方式】
[0081]在图1中，内窥镜系统10包括内窥镜11、处理设备12、光源设备13和监视器显示面板14。内窥镜11对体腔内的对象成像，并产生图像信号。处理设备12根据图像信号产生对象图像。光源设备13为内窥镜11供应用于给对象照明的光。显示面板14显示图像。用于处理设备12的输入界面15 (控制台单元)包括诸如键盘、鼠标等的各种元件。
[0082]内窥镜系统10可在正常成像模式(彩色成像模式)和特殊成像模式中操作。在正常成像模式中，通过白光对感兴趣对象进行成像。在特殊成像模式中，特殊光用于对感兴趣区中的血管进行成像。在特殊成像模式中，识别血管或氧饱和度水平的图案以诊断在良性状态与恶性状态之间的肿瘤。特殊光的示例是具有高波段的窄带光，因为在血液血红蛋白中具有高吸收率。特殊成像模式的示例包括血管增强模式和氧饱和度监测模式。在血管增强模式中，输出和显示血管被增强的血管增强图像。在氧饱和度监测模式中，输出和显示血液血红蛋白的氧饱和度水平(S02水平)的特殊图像。
[0083]内窥镜11包括细长管16、手柄17和通用电缆18。细长管16进入身体的胃肠道中。手柄17设置在细长管16的近端上。通用电缆18在手柄17与处理设备12和光源设备13之间延伸用于进行连接。
[0084]细长管16包括在近侧方向上布置的末端装置19、转向装置20和柔性管装置21。在图2中，末端装置19的远侧表面具有照明窗22、成像窗23、用于空气和水的流体供应喷嘴24的喷嘴喷口和远侧器械开口 25。照明窗22将光施加到体腔中的对象。成像窗23接收由对象反射的光。流体供应喷嘴24喷射空气和/或水以用于清洁成像窗23。远侧器械开口 25使诸如钳子、电灼装置等的医疗器械突出。成像单元44与用于成像的透镜系统一起设置在成像窗23的后面。参见图3。[0085]转向装置20包括彼此串联连接的多个连接构件。转向轮26安装在手柄17上，并且旋转以使转向装置20上下左右转向。医生或操作者根据需要弯曲转向装置20以便引导末端装置19。柔性管装置21是柔性的以平滑地进入诸如食道、肠道等的弯曲形式的体腔中。细长管16包括图3的通讯线路和光导装置43。通讯线路发送用于驱动成像单元44的驱动信号和由成像单元44输出的图像信号。光导装置43将由光源设备13供应的光引导到照明窗22。
[0086]近侧器械开口 27形成在手柄17中用于使医疗器械进入。此外，手柄17具有转向轮26、流体供应钮、记录钮等。流体供应钮可压下以用于水和/或空气的供应。记录钮可压下以用于记录静止图像。
[0087]通用电缆18具有从细长管16延伸的通讯线路、光导装置43等。近侧连接器28在处理设备12和光源设备13的一侧安装在通用电缆18的近端上。近侧连接器28为组合形式并包括用于通信的第一连接插头28a和用于照明的第二连接插头28b。通讯线路的端部容纳在与处理设备12以可拆卸的方式连接的第一连接插头28a中。光导装置43的入射端部容纳在与光源设备13以可拆卸的方式连接的第二连接插头28b中。
[0088]在图3中，光源设备13包括第一光源单元31或模块、第二光源单元32或模块、第三光源单元33或模块和照明控制单元34。光源单元31-33发射彼此之间不同波长的光。照明控制单元34控制光源单元31-33。照明控制单元34控制光源设备13中的元件的驱动和同步的顺序。
[0089]光源单元31-33具有用于发射预定波长的窄带光的激光二极管LD1-LD3作为半导体的发光元件。在图4中，激光二极管LDl发射在蓝色范围内在440nm加上或减去IOnm的有限波带中为445nm的中心波长的窄带光NI。激光二极管LD2发射在蓝色范围内在410nm加上或减去IOnm的有限波带中为405nm的中心波长的窄带光N2。激光二极管LD3发射在蓝色范围内在470nm加上或减去IOnm的有限波带中为473nm的中心波长的窄带光N3。激光二极管LD1-LD3的可用示例为InGaN型、InGaNAs型、GaNAs型等。优选类型的激光二极管LD1-LD3是条带宽度(波导的宽度)较大的用于高输出结构的宽区域类型。
[0090]第一光源单兀31发射白光用于正常成像。突光体36与激光二极管LDl结合设置在第一光源单元31中。在图4中，荧光体36通过由激光二极管LDl发射的蓝色范围内的445nm的窄带光NI被激发，并发射在从绿色到红色的波长带中的荧光FL。荧光体36部分地吸收窄带光NI以发射荧光FL，并使剩余的窄带光NI通过。窄带光NI的透过分量被荧光体36漫射。透射分量与荧光FL混合以获得白光。荧光体36的示例是YAG型、BAM型(BgMgAlltlO17型)等。第一光源单元31的数量是两个以用于获得大光量的白光。
[0091]第二光源单元32进行照明以用于血管增强的目的。在图5中，显示了血液血红蛋白的吸收光谱。血液中的吸收系数U a依对波长有依赖性，在450nm以下的波长带中急剧上升，并在接近405nm的波长处达到第一峰值。此外，吸收系数在530nm-560nm的波长处达到低于第一峰值的第二峰值。当具有高吸收系数U a的波长的光被施加到感兴趣对象时，由于在血管中的特征性高吸收性，因此可以形成在血管与其周围的其它组织之间具有清楚的高对比度的图像。
[0092]在图6中，组织对光的散射特性对波长有依赖性。散射系数U s根据波长的缩短而增加。散射影响光在身体的组织内的穿透深度。根据散射的高度，在组织的粘膜的表面附近反射的光增加，并且到达中等深层或深层的光减小。因此，穿透深度根据波长的减小而减小，而根据波长的增加而增加。考虑血红蛋白的吸收和组织对光的散射特性选择用于血管增强的光的波长。
[0093]由第二光源单元32发射的405nm的窄带光N2具有小的穿透深度，并且由于在表层血管中的高吸收性而用于强调表层血管(surface vessels).可以通过利用窄带光N2通过显示图像上的高对比度对表层血管进行成像。此外，由第一光源单元31发射的白光中的绿色分量用于强调深层血管和中等深层血管。在图5的吸收光谱中，吸收系数在530nm-560nm的绿色区域中的变化比在450nm或更低的蓝色区域中的变化更加渐进缓和。用于深层血管和中等深层血管的光的波带不需要如蓝色光的波带那样窄。如随后所述，使用由成像单元44中的绿色微型滤色器从白色分离的绿色分量。
[0094]第三光源单元33用于氧饱和度监测。在图5中，吸收光谱Hb对应于没有与氧结合的脱氧血红蛋白。吸收光谱ffi02对应于与氧结合的氧合血红蛋白。脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白具有彼此不同的吸收特性。除了相等吸收系数Pa的等吸光点(光谱Hb与Hb02之间的交点)之外，吸收系数Pa存在差异。由于吸收系数系数Pa的差异，即使在施加相等强度和相等波长的光时当氧饱和度水平改变时反射率也改变。在氧饱和度监测模式中，在吸收系数U a存在差异的情况下，由473nm波长的第三光源单元33发射的窄带光N3用于测量氧饱和度水平。
[0095]驱动器37由照明控制单元34控制以打开和关闭激光二极管LD1-LD3并控制其光量。为此，照明控制单元34产生驱动激光二极管LD1-LD3的驱动脉冲。驱动脉冲的占空因子根据PWM(脉宽调制)控制以改变驱动电流。要注意的是用于激光二极管LD1-LD3的驱动电流(或电力)的控制可以是改变幅度的PAM(脉冲幅度调制)控制以代替PWM控制。
[0096]用于引导光的光学路由装置41设置在光源单元31-33的下游。光学路由装置41使来自光源单元31-33的光路在一个方向上对准。当内窥镜11的光导装置43的入射端为单个时，来自光源单元31-33的光路由光学路由装置41对准以用于将来自所述光源单元31-33的光供应到内窥镜11。光学路由装置41具有四个输入光纤端41a、41b、41c和41d(分支波导)、路由部49和输出光纤端41e(端部波导)。
[0097]第一光源单兀31与光学路由装置41的输入光纤端41a和41b相对。第二光源单兀32和第三光源单兀33分别与光学路由装置41的输入光纤端41c和41d相对。
[0098]插座连接器42或配合连接器被设置成与内窥镜11的第二连接插头28b连接。光学路由装置41的输出光纤端41e靠近插座连接器42定位。光均化器50设置在输出光纤端41e的下游。来自光源单元31-33的光在进入光学路由装置41时通过光均化器50并被供应给内窥镜11的设置在第二连接插头28b中的光导装置43。
[0099]除了光导装置43和成像单元44之外，内窥镜11还包括模拟处理单元45 (AFE)和成像控制单元46。光导装置43是包括成束在一起的多个光纤(在图18中通过附图标记81指代)的光纤束。当近侧连接器28以连接的方式连接到光源设备13时，光导装置43的入射端面与光均化器50的出射端面相对。光导装置43的出射端面在照明窗22上游被分支成两个部分，用于将光引导到照明窗22两者。
[0100]照明透镜48设置在照明窗22的后面。由光源设备13产生的光通过光导装置43被引导到照明透镜48，并且通过照明窗22朝向感兴趣区发射。照明透镜48的示例是增加由光导装置43输出的光的发散角的凹透镜。可以以放大的方式将光施加到感兴趣区。
[0101]物镜系统51和成像单元44设置在成像窗23的后面。由对象反射的对象光通过成像窗23入射在透镜系统51上。成像表面44a设置在成像单元44上，其中光通过透镜系统51被聚焦。
[0102]成像单元44是CXD或CMOS图像传感器。成像表面44a具有诸如以多个阵列布置的光电二极管的多个光电元件。成像单元44对由成像表面44a接收到的光进行光电转换，并根据在各个像素处接收到的光的光量存储信号电荷。信号电荷通过放大器被转换成电压信号，并被读取。电压信号是由成像单元44输出给模拟处理单元45的图像信号。
[0103]成像单元44是全色型。由B、G和R三色形成的微型滤色器设置在成像表面44a上，并分别被赋予像素。在图7中，显示了微型滤色器的光谱分布。由第一光源单元31发射的白光被微型滤色器分离成B、G和R光分量。微型滤色器的布置的示例是拜耳布置。
[0104]在图8A、8B和8C中，成像单元44在正常成像模式中执行存储和读取，并且在存储时在一个帧的采集的时间段内存储信号电荷，并在读取时读取存储的信号电荷。在图8A中，激光二极管LDl在正常成像模式中根据存储的顺序被打开。从窄带光NI和荧光FL获得的白光被施加到感兴趣对象。来自对象的反射光通过成像单元44接收。在成像单元44中，白色色彩在色彩分离时通 过微型滤色器被分离。对应于窄带光NI的反射光通过B像素接收。荧光FL中的G分量通过G像素接收。荧光FL中的R分量通过R像素接收。成像单元44根据读取的顺序、根据具有B、G和R像素的像素值的帧率依次地输出一个帧的图像信号B、G和R。成像的操作在正常成像模式期间被重复。
[0105]在血管增强模式中，除了第一光源单元31之外，第二光源单元32根据存储的顺序被打开，如图8B所示。当第一光源单元31打开时，窄带光NI和荧光FL的组合的白光(NI+FL)以类似于正常成像模式的方式被施加到感兴趣对象。当第二光源单元32被打开时，窄带光N2和白光(N1+FL)被施加到感兴趣对象。
[0106]在添加白光和窄带光N2之后的光以类似于正常成像模式的方式在成像单元44中被B、G和R微型滤色器分离。除了窄带光NI之外，成像单元44中的B像素还接收窄带光N2。G像素接收荧光FL中的G分量。R像素接收荧光FL中的R分量。在血管增强模式中，成像单元44根据读取的顺序中的帧率依次输出图像信号B、G和R。成像的这些步骤在血管增强模式期间被重复。
[0107]在氧饱和度监测模式中，第一光源单元31根据如图8C所示的存储的顺序被打开。响应时，白光(N1+FL)以类似于正常成像模式的方式被施加到感兴趣对象。在第二帧中，第一光源单元31关闭。第三光源单元33打开以将窄带光N3施加到感兴趣对象。此外，在氧饱和度监测模式中，成像单元44根据读取的顺序中的帧率输出图像信号B、G和R。
[0108]在氧饱和度监测模式中，白光(N1+FL)和窄带光N3以不同于正常成像模式和血管增强模式的方式被交替使用以用于发射。对应于白光的图像信号B、G和R在第一帧处被输出。对应于窄带光N3的图像信号B、G和R在第二帧处被输出。对于帧中的每一个来说,基于图像信号B、G和R的信息与照明光一致性变化。这种成像顺序在氧饱和度监测模式中被重复。
[0109]在图3中，模拟处理单元45包括相关双采样电路(⑶S)、自动增益控制装置(AGC)和A/D转换器(所有都未示出)。相关双采样电路在相关双采样中处理来自成像单元44的模拟形式的图像信号，并消除由于重置信号电荷产生的电噪声。自动增益控制装置放大在相关双采样电路中消除噪声之后的图像信号。A/D转换器将来自自动增益控制装置的放大图像信号转换成对应于预定位数的灰度等级的数字图像信号。数字图像信号被输入到处理设备12。
[0110]控制器56装入在处理设备12中。成像控制单元46与控制器56连接，与来自控制器56的基础时钟信号同步，并将驱动信号输出到成像单元44。成像单元44根据来自成像控制单元46的驱动信号以预定帧率将图像信号输出到模拟处理单元45。
[0111]除了控制器56之外，处理设备12还包括数字信号处理器57 (DSP)、图像处理单元58、帧存储器59和显示控制单元60。控制器56具有ROM、RAM等。ROM存储控制程序和控制所需的各种数据。RAM是用于装载控制程序的工作存储器。CPU运行控制程序以控制处理设备12的各种元件。
[0112]数字信号处理器57接收来自成像单元44的图像信号。数字信号处理器57将所述图像信号分离成图像信号B、G和R，并以像素内插法处理这些图像信号。此外，数字信号处理器57在诸如白平衡校正的信号处理中处理图像信号B、G和R。
[0113]帧存储器59存储由数字信号处理器57输出的图像数据和由图像处理单元58处理的处理数据。显示控制单元60从帧存储器59读取处理的图像数据，将该图像数据转换成诸如合成信号和分量信号的视频信号，并将所述视频信号输出给显示面板14。
[0114]在图9A中，图像处理单元58在正常成像模式中在数字信号处理器57中在分色之后根据图像信号B、G和R产生用于正常成像的图像。图像被显示在显示面板14上。图像处理单元58在帧存储器59中的图像信号B、G和R被更新的每一次时更新图像。
[0115]在图9B中，图像处理单元58在血管增强模式中根据图像信号B、G和R产生用于血管增强的图像。图像信号B在血管增强模式中具有白光中的B分量的信息(荧光FL的一部分和窄带光NI)和窄带光N2的信息。因此，表层血管以高对比度被成像。已知的是在肿瘤或其它病变中具有血管的特征性图案，例如，表层血管的密度在病变中高于正常组织中密度。因此，优选的是在血管增强模式中对表层血管进行清楚地成像以便诊断肿瘤等的良性状态和恶性状态。
[0116]为了增强表层血管，根据图像信号B检测表层血管的区域，并且对表层血管的区域进行处理以用于诸如边缘增强的图像处理。处理后的图像信号B与由图像信号B、G和R产生的全色图像组合在一起。因此，表层血管被可靠地增强。可以在血管增强中类似地处理中等深层血管和深层血管的图像的区域。为此，从大量地含有中等深层血管和深层血管的区域的信息的图像信号G提取所述中等深层血管和所述深层血管的区域。提取的区域被处理以用于边缘增强。边缘增强之后的图像信号G与由图像信号B、G和R产生的全色图像组合在一起。
[0117]由于B、G和R图像信号，感兴趣对象的血管增强图像是类似于常规图像的全色图像。然而，在血管增强模式中图像信号B的蓝色密度高于在正常成像模式中图像信号B的蓝色密度。在血管增强中可以通过色彩平衡校正血管增强图像以接近正常成像模式的常规图像。图像处理单元58在帧存储器59中的B、G和R图像信号被更新的每一次时产生血管增强图像。
[0118]可以使用在血管增强中产生显示图像的其它方法。例如，感兴趣对象可以以伪色表示来显示。图像仅由图像信号B和G产生而不使用图像信号R，以便将图像信号B分配给显示面板14的B和G通道，并将与图像信号G相关联的信号分配给显示面板14的R通道。
[0119]在图9C中，图像处理单元58在氧饱和度监测模式中处理通过利用白光获得的图像信号Gl和Rl和通过利用窄带光N3获得的图像信号B2，用于获得氧饱和度水平。除了氧饱和度水平之外，图像信号B2的像素值还包括血液量或密度的信息。为了较高精度，需要从像素信号B2的像素值分离血液量的信息。图像处理单元58在与血液量高度相关的图像信号B和R之间进行算术运算，并从氧饱和度水平分离血液量的信息。
[0120]具体地，图像处理单元58参照在相同点处的图像信号B2、G1和Rl的像素值，并获得图像信号B2的像素值与图像信号Gl的像素值的比值B/G，和图像信号Rl的像素值与图像信号Gl的像素值的比值R/G。图像信号Gl用作用于标准化图像信号B2和Rl的像素值的、感兴趣对象的亮度水 平的参考信号。然后，根据初始制定的比值B/G与R/G、氧饱和度水平和血液量之间的相关性的表确定清除血液量的信息之后的氧饱和度水平。在色彩转换中根据氧饱和度水平的确定值处理基于图像信号B2、G1和Rl的全色图像，使得产生用于氧饱和度监测模式的显示图像。
[0121]在图10中，光源设备13中的光学路由装置41是通过以类似于内窥镜11的光导装置43的方式使多个光纤成束获得的光纤束。所有光纤在光学路由装置41的输出光纤端41e处被会聚，但是在中间路由部49处被分成四组。输入光纤端41a-41d通过使每一组的光纤成束而形成。
[0122]通过分别改变成束光纤的数量，输入光纤端41a和41b的直径Dl不同于输入光纤端41c和41d的直径D2。直径Dl大于直径D2。这是因为与没有荧光体36的第二光源单兀32和第三光源单兀33相比第一光源单兀31具有突光体36。与输入光纤端41a和41b相关联的第一光源单兀31的光通量的光束直径大于与输入光纤端41c和41d相关联的第二光源单元32和第三光源单元33的光通量的光束直径。此外，所述不同的再一个理由在于发射用于正常成像的白光的第一光源单元31应该被构造成用于比用于特殊光成像的第二光源单元32和第三光源单元33更高的光量。
[0123]具体地，内窥镜11的光导装置43的直径大约为2mm。光学路由装置41的输出光纤端41e的直径也大约为2mm。输入光纤端41a和41b的直径Dl大约为1.0mm-1.4mm。输入光纤端41c和41d的直径D2大约为0.5mm-0.8mm。
[0124]光均化器50设置在光学路由装置41的输出光纤端41e处。光均化器50将来自光源单元31-33的多个色彩的光的分布均化。光均化器50为沿光轴方向的圆柱形形状的光导棒，并且由石英玻璃或其它透明材料形成。光均化器50包括入射端面50a、出射端面50c和反射界面50b或周边表面。入射端面50a接收从光学路由装置41出射的光。反射界面50b沿光轴方向从入射端面50a管状地延伸，并且通过完全内反射沿光轴方向传播入射光。出射端面50c发射轴向光。
[0125]在图11中，分别定位在输出光纤端41e中的由假想线表示的区域a、b、c和d中的光纤被分配给输入光纤端41a_41d的光路。用于输入光纤端41a_41d的光纤在输出光纤端41e处局部不均匀地被分布。通过输入光纤端41a_41d入射的光沿光纤中的每一个传播。在相邻光纤之间没有光透射。由第一光源单兀31产生的白光通过区域a和b从输出光纤端41e出射。由第二光源单元32产生的窄带光N2通过区域c出射。由第三光源单元33产生的窄带光N3通过区域d出射。简而言之，多种颜色的光在不同的区域被不均匀地分布。因此，多种颜色的光的光量的分布在从输出光纤端41e出射的光束的横截面中是不均匀的。
[0126]在图12中，光均化器50通过反射界面50b以全反射方式传播入射光。光的入射位置和出射位置在垂直于光轴方向的横截面中被改变。这在均化引导至光导装置43的光束的横截面中的光的光量上是有效的，因为输出光纤端41e处的多种颜色的光的不均匀性被消除。光均化器50和输出光纤端41e —体式地彼此热熔接。
[0127]在图13和图14中，第一光源单元31中的每一个都包括激光光源61、荧光体转换的波长转换器62、单个光纤的光纤63、和发散角校正器64。光纤63将来自激光光源61的光引导到波长转换器62。发散角校正器64安装在波长转换器62的端部上。激光光源61为插座形式，并包括发光装置66或激光二极管LD1、和用于容纳发光装置66的光源壳体67。光纤连接器67a设置在光源壳体67中以用于连接光纤63的一个端部。聚光透镜68装入在光源壳体67中。
[0128]发光装置66包括作为杆的支撑盘66a、激光二极管LD1、透明盖66b和导线66c或线路。激光二极管LDl是半导体芯片(发光元件)，并连接到支撑盘66a的表面。透明盖66b是由树脂形成的圆柱形部件，并覆盖激光二极管LD1。导线66c从支撑盘66a的第二表面延伸。
[0129]激光二极管LDl包 括由P型半导体形成的P层和由通过活性层安装在P层上由N型半导体形成的N层，所述活性层根据激光振荡发射激光。激光通常平直传播，但是是光束形状的直径从发射点圆锥形增加的发散光。激光在光纤63的入射端处通过聚光透镜68被会聚。
[0130]光纤63的出射端与波长转换器62连接。用于保护的容器62a是具有光密特性的圆柱形部件，并被填充有突光体36以构成波长转换器62。光纤孔形成在突光体36的中心处并容纳光纤63的进入。用于连接的插芯(未不出)安装在光纤63的端部上，与光纤一起进入荧光体36中。
[0131]荧光体36包括粉末形式的荧光体材料和荧光体材料分散在里面并且硬化的由树脂形成的粘合剂。由于分散，荧光FL在激发时的发射点设置在荧光体36的整个出射端面上。透射通过荧光体36的激光由于粘合剂的光散射的作用而漫射，使得荧光FL的发射点设置在整个出射端面上。
[0132]由荧光体36发射的光是以类似于激光二极管LDl的方式从发射点圆锥形地传播的发散光。荧光体36的发射点的面积和发散角大于激光二极管LDl的发射点的面积和发散角。
[0133]荧光体36具有出射端面36a。发散角校正器64设置在波长转换器62的下游以用于校正由出射端面36a发射的光的发散角。发散角校正器64由不透明材料形成圆筒形，并且通过限制来自荧光体36的发散光的通过缩小发散角。发散角校正器64的内表面64a涂有反射材料，并且是作为反射器操作的用于发散角校正器64的镜面。光通过内表面64a被反射并沿光轴方向传播。因为通过内表面64a进行的光吸收低，因此光透射的损失较低。
[0134] 考虑到输入光纤端41a和41b的直径Dl,发散角校正器64相对于横向方向和光轴方向的倾斜角被预先确定。直径和倾斜角被如此确定，使得从第一光源单元31到输入光纤端41a和41b的光束的光斑直径大致等于输入光纤端41a和41b的直径Dl。
[0135]根据作为光纤束的元件(例如，光学路由装置41、内窥镜11的光导装置43等)的光纤的数值孔径(NA)确定发散角。如现有技术公知的，光纤包括具有高折射率的芯和具有低折射率的覆层。进入光纤中时入射光沿光轴方向传播。需要使入射在入射端面上的光满足全反射条件以便进行传播。
[0136]NA是光纤用于会聚光的能力的值,并且被定义为NA = sin 0 max,其中0 max是最大接收角。NA根据最大接收角0 max的增加而增加。如果入射在光纤中的光的入射角等于或小于最大接收角9 max，则在光纤中的芯体和覆层之间的界面上发生全反射。入射光沿光轴方向传播。如果入射角变得大于最大接收角9 max，则入射光由于在没有全反射的情况下通过而不能传播。在光的透射时发生损失。为了减少光的损失，发散角校正器64调节来自第一光源单元31的光束的发散角使之等于或小于最大接收角0max。
[0137]在图15中，第二光源单元32包括发光装置71和发散角校正器72。发光装置71具有激光二极管LD2，并且在结构上与第一光源单元31中的发光装置66相同。发散角校正器72包括光均化器73和半球形透镜74。光均化器73在结构上与第一光源单兀31的光均化器50相同，但是具有与光均化器50不同的尺寸，并且是光轴方向上圆柱形的光导棒，并且由石英玻璃或其他透明材料形成。光均化器73可以被称为光管或光隧道，并且在光轴方向上纵向延伸。光均化器73在横截面上看的形状是圆形。
[0138]光均化器73包括入射端面73a、出射端面73c和反射界面73b或周边表面。入射端面73a接收从激光二极管LD2出射的光束。反射界面73b是圆柱形的并且在光轴方向上从入射端面73a管状延伸。出射端面73c发射轴向导向的光束。光均化器73的直径从入射端面73a至出射端面73c是不变的。反射界面73b与光轴方向平行延伸。光均化器73的入射端面73a热焊接至发光装置71的远端面，以将光均化器73与发光装置71 一体式地组合在一起。归因于热焊接，光程表面与空气的接触面积比其中在未一体化的情况下光程的各部分之间限定小空间的比较结构要小。光均化器73的直径的具体值等于输入光纤端41c的直径D2，例如，大约1.0_。
[0139]在图16中，光均化器73在光束通过入射端面73a进入之后通过在反射界面73b上的全内反射在光轴方向上引导光束。光束中包括的光分量在入射端面73a处光轴上的点上成为入射，并且之后在设置在外周中偏离光轴的点处离开出射端面73c。类似地，在光束中包含的多个光分量通过入射位置和在径向方向上与入射位置不同的离开位置。简言之，光束中的光分量在光均化器73中在径向方向上漫射。光均化器73的出射端面73c发射其辐照度分布在径向方向上平坦的光束。
[0140]因为光均化器73具有恒定的直径，在光束的通过中发散角得到保持。光束中的射线被反射界面73b内反射的反射角0 0依赖于入射至入射端面73a上的射线的入射角。反射角0 0在延伸至反射界面73b的范围内是恒定的。
[0141]半球形透镜74直接设置在光均化器73的出射端面73c的下游。半球形透镜74是其第一表面是平面，并且第二表面是半球形的凸透镜，并且与出射端面73c相反。半球形透镜74的直径为光均化器73的直径的大约1.5倍大。例如，光均化器73具有大约1_的直径，半球形透镜74具有大约1.5mm的直径。半球形透镜74折射入射光，并且将光束的发散角从第一发散角P I扩大至第二发散角3 2。
[0142]通过参考图17A-17E描述光均化器73和半球形透镜74的操作细节。在图17A和17D中，关于来自光均化器73上游，即在图16中的点Al处的激光二极管LD2的光束的强度分布和辐照度分布显示模拟结果。在图17B和17E中，关于来自光均化器73下游和半球形透镜74上游，即在图16中的点BI处的激光二极管LD2的光束的强度分布和辐照度分布显示模拟结果。在图17C中，关于来自半球形透镜74下游，即图16中的点Cl处的激光二极管LD2的光束的强度分布显示模拟结果。应注意通过将光均化器73和半球形透镜74的直径设定为实际直径的两倍长进行模拟以获得在图17A-17E中显示的结果。
[0143]在图17A、17B和17C中，在点A1、B1和Cl处光束的强度分布显示在图中。以与图46类似的方式，横轴表示输出射线角0i。纵轴表示强度I。强度I是每单位立体角(以sr或球面度计)的辐射通量(以流明计)。强度I的单位是流明/sr。在图17D和17E中，在点Al和BI处光束的辐照度分布作为从点Al和BI处强度分布的算术运算的结果显示。横轴表示在与光轴垂直相交的径向方向上的位置(以毫米计)。纵轴表示辐照度E。辐照度E是每单位面积的辐射通量，并且以流明/m2表示。
[0144]在点Al处的激光二极管LD2的光束强度分布与在图46中所显示的相同。这是其中强度I从曲线的顶点以陡峭的倾斜度突然地下降的高斯分布。同样，点Al处的辐照度分布是与强度分布类似的方式的高斯分布。
[0145]在点Al处的辐 照度分布中，来自激光二极管LD2的光束具有顶点处的高中心光量，但具有比中心光量相对低的外周光量。光均化器73通过漫射的功能在增加激光二极管LD2的外周光量上是有效的。在点BI处的辐照度分布中，光均化器73的出射端面73c发射顶帽形状的辐照度分布的光束，其中辐照度在径向方向上是不变的。
[0146]因为光均化器73的直径是不变的，在通过的过程中保持光束的发散角。点BI处的强度分布等于在光均化器73的上游设置的点Al处的强度分布。光均化器73扩大在径向方向上光束发射的区域以均化辐照度而不改变强度分布。因此，与进入之前的点比较外周光量相对于中心光量增加。
[0147]顶帽辐照度分布的光束在外周光量通过光均化器73增强之后进入半球形透镜74。在光轴上向半球形透镜74入射的光分量直地通过。然而，在径向方向上向半球形透镜74的周边部分入射的其他光分量被折射。半球形透镜74的曲率半径是恒定的。半球形透镜74 —部分的折射率根据该部分在径向方向上距光轴的距离而增加。对应于光分量通过半球形透镜74折射的增强，在从半球形透镜74出射之后其输出射线角0 i增加为高角度分量。作为结果，对应于通过半球形透镜74的外周的光的外周光量的增强，高角度分量在出射之后增加。在第二光源单元32中，光均化器73增加外周光量。如在点Cl处的强度分布中显示的，与在向半球形透镜74入射之前的点BI处的高斯形状的强度分布比较，获得接近具有增加的高角度分量的顶帽分布的强度分布。
[0148]由于在点Cl处的强度分布中高角度分量增加，发散角(62成为大至作为半峰半宽度的大约30度(半峰全宽度为大约60度)。
[0149]在第二光源单元32中，确定发散角校正器72的校正量以使得发散角P 2基本上等于从第一光源单元31出射的发散角a。具体地，确定半球形透镜74的曲率半径和直径以获得校正量作为目标值。
[0150]在通过光学路由装置41、光均化器50和内窥镜11的光导装置43的经过中也保持发散角。如图18中所示，关于从光导装置43中的光纤81中的每一个出射的光，将来自第二光源单元32 (图16中的(62)的光的发散角P设定为等于来自第一光源单元31的光的发散角a。因此，在所关心的对象SB处，可以将来自第一光源单元31的光的光斑直径SD a设定为等于来自第二光源单兀32的光的光斑直径SD 0。如果光斑直径SDP与光斑直径SDa不同，可能出现归因于这些之间的重叠情况而导致的色彩不均匀。因为将光斑直径SDP设定为等于光斑直径SDa，发散角校正器72将发散角P设定为等于发散角a以防止这种色彩不均匀。
[0151]对于第三光源单元33，重复第二光源单元32，但是不同在于设置图10的发光装置76或激光二极管LD3代替发光装置71。将与发散角校正器72相关的元件指定为相同的附图标记。
[0152]现在描述实施方案的操作。为了诊断，内窥镜11连接到处理设备12和光源设备
13。用于处理设备12和光源设备13的电源打开以启动内窥镜系统10。
[0153]内窥镜11的细长管16进入身体的胃肠道中以开始所关心的对象的成像。在正常成像模式中，在图8A中第一光源单元31被打开。来自激光二极管LDl的窄带光NI和来自突光体36的突光FL混合在一起，以便将白光施加到所述所关心的对象。
[0154]在图10中，由第一光源单元31发射的白光进入光学路由装置41的输入光纤端41a和41b。在图11中，从输入光纤端41a和41b传播的白光在输出光纤端41e处不均匀地分布。然而，如图12中所不,光均化器50将白光光量的分布均化。没有光束的横截面中光量的不均匀性的白光进入内`窥镜11的光导装置43。白光通过光导装置43传输并通过照明窗口 22施加至胃肠道中所关心的对象。
[0155]在图8A和9A中，成像单元44将由白光(N1+FL)照明的所关心的对象成像。数字信号处理器57产生图像信号B、G和R。在正常成像模式中，图像处理单元58根据图像信号B、G和R建立显示图像。显示控制单元60将用于正常成像的图像转换为视频信号，并且驱动显示面板14以显示图像。在正常成像模式中重复这些步骤。
[0156]对于血管增强成像，操作输入界面15以改变至血管增强模式，以使得处理设备12开始血管增强的功能。
[0157]在血管增强模式中，除图8B中的第一光源单元31之外，也将第二光源单元32打开，以将白光(N1+FL)和窄带光N2施加至所关心的对象。将来自激光二极管LD2的窄带光N2的光束通过光均化器73转换为在点BI处的顶帽形状的平坦的辐照度分布。参见图16和17E。之后光束通过半球形透镜74以用在点Cl处的强度分布扩大发散角。参见图16和17C。因此，将来自第二光源单元32的窄带光N2的发散角设定为等于来自第一光源单元31的白光的发散角。在这之后，窄带光N2的光束成为光学路由装置41的输入光纤端41c上的入射。
[0158]白光和窄带光N2进入光学路由装置41的输入光纤端41a、41b和41c，传播至输出光纤端41e，并且入射在光均化器50上。在进入内窥镜11的光导装置43中之前，将白光和窄带光N2的光量分布均化。白光和窄带光N2穿过光导装置43并且通过照明窗口 22被施加至胃肠道中所关心的对象。[0159]在图8B和9B中，成像单元44将由白光(N1+FL)和窄带光N2照射的所关心的对象成像。数字信号处理器57产生B、G和R的图像信号。在血管增强模式中，图像处理单元58根据B、G和R图像信号以与正常成像模式类似的方式产生用于血管增强的显示图像。显示控制单元60将用于血管增强模式的图像转换为视频信号，并且驱动显示面板14以显示图像。在血管增强模式中重复这些步骤。将表层血管成像并以高对比度显示，因为图像信号B通过使用白光和窄带光N2建立。
[0160]在血管增强模式中，使用由第一和第二光源单元31和32发射的白光和窄带光N2。第一和第二光源单元31和32通过发散角校正器64和72校正以将它们的发散角设定为彼此相等。在图18中，至所关心的对象SB的白光和窄带光N2的光束斑的全部区域彼此重叠。可以减少色彩不均匀性。
[0161]同样，通过发散角校正器72仅驱动第二光源单元32而不驱动第一光源单元31扩大发散角。可以获得大面积的视野，因为窄带光N2的光束斑可以大于没有发散角校正器72的比较例照明。光束斑中中心与外周之间光量上的差异可以通过扩大发散角减小。可以获得高视觉识别性的图像。
[0162]对于氧饱和度监测，操作输入界面15以改变至氧饱和度监测模式，以使得处理设备12开始氧饱和度监测的功能。
[0163]在氧饱和度监测模式中，如图SC中所示将第一光源单元31和第三光源单元33从一帧至另一帧彼此交替打开。将白光(N1+FL)和窄带光N3交替地施加至所关心的对象。
[0164]白光和窄带光N3进入光学路由装置41的输入光纤端41a、41b和41d，传播至输出光纤端41e，并且入射在光均化器50上。在进入内窥镜11的光导装置43中之前，白光和窄带光N3的光量分布被均化。白光和窄带光N3通过光导装置43并且在胃肠道中通过照明窗口 22施加至所关心的对象。
[0165]在图8C和9C中，成像单元44根据白光(N1+FL)和窄带光N3的使用将第一和第二图像信号发送至数字信号处理器57。数字信号处理器57根据通过白光的使用形成的第一图像信号产生图像信号B1、Gl和R1，并且根据通过窄带光N3的使用形成的第二图像信号产生图像信号B2。图像处理单元58进行图像信号B2、Gl和Rl的算术运算以确定氧饱和度水平，从其分离血液量的信息。对应于图像信号B1、G1和Rl的全彩色图像在对应于氧饱和度水平的色彩转换中进行转换，并且形成用于氧饱和度监测的显示图像。
[0166]在氧饱和度监测模式中使用第一和第三光源单元31和33。在第三光源单元33中，窄带光N3的发散角由发散角校正器72以与第二光源单元32相似的方式扩大。光斑直径在来自第一和第三光源单元31和33的白光与窄带光N3之间相等。在显示图像中未出现色彩不均匀性。在氧饱和度监测模式中，与血管增强模式不同，以帧顺序方式获得对应于白光和窄带光N3的图像信号。由对应于这些的图像信号进行图像之间的算术运算，以使得通过校正白光和窄带光N3的色彩不均匀，算术运算上的可靠性可以更高。
[0167]如之前所述，发散角校正器72扩大激光二极管的发散角。发散角校正器72包括串联设置的半球形透镜74和光均化器73。通过参考比较例I的图19和20A-20E描述光均化器73与折射光的半球形透镜74的组合的重要性。
[0168]在比较例I中，提供图19的第二光源单元200。重复第二光源单元32，但是不同之处在于具有平凸透镜201代替光均化器73。将与实施方案的那些类似的元件用相同的附图标记指代。[0169]图20A-20C是在图19中的点A2、B2和C2处的光束的强度分布图。图20D和20E是在点A2和B2处光束的辐照度分布图。在图20A和20D中，点A2处的强度分布和辐照度分布与图17A和17D中的点Al处的那些相同。
[0170]平凸透镜201具有与半球形透镜74的直径相等的直径，并且使来自激光二极管LD2的光束进行准直。在图20B中，显示点B2处的强度分布。因为光束的准直，从平凸透镜201出射的光束的发散角小至零度。在平凸透镜201中没有在径向方向上以光均化器73的方式漫射光的功能。即使在光的准直之后，辐照度分布不以图20E的方式在点B2处成为平坦的。以与在进入之前在点A2处的辐照度分布类似的方式，分布保持为指示辐照度的峰的在外周光量与中心光量之间具有大差异的高斯分布。
[0171]从平凸透镜201出射的光束以高斯形状的辐照度分布进入半球形透镜74。在半球形透镜74上入射的光束的光量在光轴处高，但在其周边部分低。如上所述，半球形透镜74使得光轴上的光分量直线传播，但是折射周边部分中的光分量。外周中的光分量在出射之后成为强度分布中的高角度分量以促成发散角的扩大。
[0172]在比较例I的第二光源单元200中，在半球形透镜74上入射的光的外周光量低于第二光源单元32中，以使得在出射后存在高角度分量上较小的增加。在图20C中的强度分布中，从半球形透镜74出射的光束的发散角(62在第二光源单元200中为大约14度。用在第二光源单元200中的半球形透镜74扩大发散角的作用小于在第二光源单元32中。点C2处的强度分布是接近高斯的，如在与图17C中点Cl处的强度分布比较中能够清楚地明白的。在高斯强度分布中不能减少光束斑中中心与外周之间光量上的差异。通过使用比较例I的第二光源单元200不可能获得本发明的减少光量差异的效果。
[0173]在比较例中，第二光源单元200具有包括半球形透镜74和平凸透镜201的两组件结构。然而，对其中将半球形透镜74和平凸透镜201被一体化的具有单透镜组件的第二光源单元200仍然留下相同的问题。
[0174]在激光二极管LD2中，在本发明中高斯形状的辐照度分布的光束的发散角被扩大。在进入半球形透镜74中之前，辐照度分布由光均化器73改变为顶帽分布用于增加外周光量。因此，发散角可以由半球形透镜74有效地扩大。改变发散角之后的强度分布在图17C的点Cl处接近顶帽分布。能够减少光束斑的中心与外周之间光量上的差异。
[0175]光均化器73在半球形透镜74的上游的放置在本发明中是非常重要的。如果将光均化器73设置在半球形透镜74的下游将不会产生效果。在图21和22A-22E中，显示了实例的细节。
[0176]在图21中，显示比较例2。第二光源单元210具有另外设置在透镜光学器件的下游的光均化器73，所示透镜光学器件包括比较例I的半球形透镜74和平凸透镜201。在第二光源单元210中重复第二光源单元32或200的元件。
[0177]图22A-22C是图21中的点A3、B3和C3处光束的强度分布图。图22D和22E是点A3和B3处光束的辐照度分布的图。在图22A和22D中，点A3处的强度分布和辐照度分布与图17A和17D中点Al处的那些和图20A和20D中点A2处的那些相同。在图22B中，点B3处的强度分布与图20C中点C2处的那些相同。在图22E中，点B3处的辐照度分布与图22D中点A3处的那些相同。这是因为平凸透镜201和半球形透镜74不具有以光均化器73的方式放射状漫射入射光的功能。
[0178]在第二光源单元210中，具有点B3的强度分布的光束进入光均化器73。在穿过光均化器73的过程中，保持光束的发散角。在通过之前和之后的条件之间不发生强度分布上的改变。图22C中点C3处的强度分布与图22B中点B3处的强度分布相同。因此，以与比较例I的第二光源单元200类似的方式从比较例2的第二光源单元210未获得本发明的效果。
[0179]在本实施方案中，光均化器73是具有恒定直径的圆柱体。然而，光均化器可以形成为在其纵向上具有改变的直径。例如，光均化器73可以是以锥体的平截头体的形式呈锥形减缩的。入射端面73a具有大直径。出射端面73c具有小直径。反射界面73b成形为从入射端面73a至出射端面73c逐渐减小的直径。图16中的反射角0 0在光分量在反射界面73b上每次内反射时降低。因此，光束的发散角P增加。除了使用半球形透镜74之外，通过形成锥形形状能够构造具有扩大发散角的功能的光均化器73。
[0180]然而，光均化器73的直径必须非常小，因为具有小束直径的光束的发散角扩大，如激光束。实际上困难的是形成具有小直径的锥形形状的光均化器73。因此，考虑到适合于制造，优选的是保持光均化器73的直径在纵向上不变。作为本发明的特征的优点，归因于容易制造，光均化器73的部件的成本会是很低的。
[0181]半球形透镜74的优选的实例是具有短焦距，即具有小曲率半径的短焦距透镜。来自透镜的光的出射角的最大值根据焦距的缩短(曲率半径的减小)而增加。因此，扩大发散角的效果可以根据焦距的缩短而增加。在用于点BI和Cl处的强度分布的图17B和17C中，半球形透镜74是短焦距透镜，其激光束的大约10度的发散角3 I增加大约20度扩大至出射光束的大约30度的发散角P 2，如以半峰半宽度所表示的。考虑到用于在内窥镜中照明所需的发散角，激光束的发散角P I所扩大的角度的增加在短焦距透镜中可以为优选大约10度以上，如以半峰半宽度所表示的。
[0182]在短焦距透镜的使用中存在益处，其在于如图23中所示从半球形透镜74的出射表面至输入光纤端41c的间隔K可以被缩短。将从半球形透镜74出射的光束会聚为具有最小化直径的光束腰W，并且之后发散以进入输入光纤端41c。因为输入光纤端41c是光纤束，为了光在所有光纤上或光纤束中的单根光纤上入射的目的，在进入输入光纤端41c中后的出射光束的光斑直径优选等于输入光纤端41c的直径D2。从半球形透镜74的出射表面至光束腰W的距离根据焦距的减小而减小。因此，可以缩短间隔K。
[0183]光均化器73的直径Dh优选等于或小于半球形透镜74的直径Dr。如果直径Dh大于直径Dr,发生光的损失,因为在来自光均化器73的出射光束中包括的光分量可能无法在半球形透镜74上入射。在本实施方案中，半球形透镜74的直径Dr为光均化器73的直径Dh的大约1.5倍多，并且大于后者。这在防止光的损失上是有效的。
[0184]考虑到扩大发散角的效果，可以优选将半球形透镜74的直径Dr设定为等于光均化器73的直径Dh。如上所述，根据在径向方向上离光轴的距离，半球形透镜74的一部分具有更高折射率。对应于在半球形透镜74的外周上入射的光的外周光量上的增加，高角度分量增加。因为光均化器73的出射端面73c设置为接近于半球形透镜74的入射表面。半球形透镜74的外周光量根据光均化器73的直径Dh与半球形透镜74的直径Dr的接近程度而增加。当光均化器73的直径Dh等于半球形透镜74的直径Dr时，外周光量最高，并且高角度分量最大。扩大发散角的效果成为最大。作为结果，用于该目的，直径Dh优选等于直径Dr。
[0185]在以上实施方案中，在发散角校正器72中包括半球形透镜74。然而，用于半球形透镜74的透镜光学器件可以是不具有半球形表面的透镜，并且可以是具有比半球形透镜74曲率半径的更大的曲率半径的球形透镜。同样，透镜光学器件可以是不具有完全的球形表面并且用于如上所述扩大发散角的效果的目的非球面透镜。
[0186]在图24中，图示了第二光源单元101的另一个优选的结构。发散角校正器102除了扩大发散角的功能之外还具有束成形来自激光二极管LD的光束的束剖面的功能。光均化器103被包括在发散角校正器102中，并且是六方柱的形状。
[0187]在图25中，由激光二极管LD发射的光束BM以使得其束剖面是椭圆形的方式传播。激光二极管LD包括P型半导体的P层和安装在具有活性层K的P层上的N型半导体的N层，其从发射点OP作为发散光发射激光光束BM。第一发射点在水平方向或与活性层K平行的X方向上发射光。第二发射点在垂直方向或与活性层K垂直的Y方向上发射光。散光AAs限定在光轴方向上的第一和第二发射点之间。因此，光束BM的束剖面是在Y方向上具有长轴的椭圆形。
[0188]将来自激光二极管LD的光束的束剖面成形为椭圆形。在图17A-17E中对于第一实施方案示意性地显示其强度分布。为了更高的精度，如图26中所示强度分布是各向异性的。强度在假想线的X方向和实线的Y方向之间是不同的。发散角在X与Y方向之间是不同的。在光均化器103上入射的光束在Y方向上的发散角0 yin大于光束在X方向上的发散角0xin。例如,发散角Qyin为大约12度。发散角0 xin为大约6度，小于发散角9 yin。
[0189]如果光束的束剖面是椭圆形，光束斑的束斑形状在所关心的对象上也是椭圆形的。束斑形状优选是真正的圆形，以使得对于束剖面以真正的圆形形状的束成形是优选的。在这点上，发散角校正器102具有在第二光源单元101中束成形的功能。
[0190]在图24中，发散角校正器102包括半球形透镜74和光均化器103。重复上面的实施方案的光均化器73，但是如在横截面中看到的光均化器103的形状不同。虽然光均化器73是圆柱体，但光均化器103是六方柱的形状。
[0191]在第二光源单元101中，除了光均化器103中的结构不同以外，第二光源单元32相同。光均化器103由石英玻璃或其他透明材料形成，并且包括入射端面103a、出射端面103c和反射界面103b或周边表面。入射端面103a接收从激光二极管LD出射的光束。反射界面103b延伸自入射端面103a，并且以全反射将光束反射以将其在光轴方向上引导。出射端面103c发射轴向导向的光束。当光束通过时，光束的辐照度在光均化器103的径向方向上被均化，在转化为平坦的辐照度分布之后用于在半球形透镜74上入射。
[0192]在图27中，相对于发光装置71设置光均化器103以使得其中心的光轴A与来自激光二极管LD2的入射光束BMin的发射中心OP对齐。入射光束BMin以将长轴LA引导为Y方向(垂直)并且将短轴SA引导为X方向(水平)的定向进入光均化器103。入射光束BMin中的射线从发射中心OP放射状传播。
[0193]在图26中，椭圆形束剖面的入射光束BMin的强度分布在X与Y方向之间是各向异性的。其在长轴LA的方向上的发散角0 yin大。其在短轴SA的方向上的发散角0 xin小。
[0194]光均化器103相对长轴和短轴LA和SA关于光轴A以角CpL倾斜。使得AX为与光轴A正交(垂直)以通过光均化器103的六边形截面中的两个相对的边线S的中点的轴。使得AY为与轴AX并且与光轴A正交(垂直)的轴，以通过光均化器103的六边形截面的两个相对的顶点。角fL在轴AY与长轴LA之间限定，或者在轴AX与短轴SA之间限定。在本实例中，角fL是15度。
[0195]入射光束BMin的长轴和短轴LA和SA两者成为与倾斜的光均化器103的反射界面103b的六边形的边线S非正交的。入射光束BMin中分别平行于长轴和短轴LA和SA的光分量成为在边线S上非正交地入射。光分量在这些方向上的轨迹描述在下面。
[0196]使得RS为图28和29中入射光束BMin中短轴的光分量。分量RS从发射中心OP进入光均化器103的入射端面103a。当光轴A穿过发射中心OP时，在与光轴A(Z方向)垂直的平面中从光轴A在平行于短轴SA的X方向上引导短轴的分量RS。分量RS成为在构成反射界面103b的六边形的一个边线S上入射。分量RS在反射点Pl处的反射为完全内反射。分量RS在反射点Pl处根据在角CpL处六边形的倾斜度以角(pL反射。这是因为分量RS成为关于边线S非正交地(以不同于直角的入射角)入射，即以关于边线S的法线H的角CpL入射。简言之，归因于在反射点Pl处的反射导致发生短轴分量RS绕光轴A的扭转。
[0197]来自反射点Pl的短轴的分量RS成为在第二反射点P2处在第二边线S上的入射。因为归因于在反射点Pl处的反射导致发生分量RS绕光轴A的扭转，分量RS成为在反射点P2上与第二边线S非正交地入射。分量RS以关于第二边线S的法线等于或大于0度的反射角反射，并且向反射点P3传播。同样，分量RS成为在反射点P3上与第三边线S非正交地入射。在反射点P3处发生分量RS绕光轴A的扭转。
[0198]短轴的分量RS在反射点P1-P3中的每一个处绕光轴A重复进行扭转。如通过图29中的假想线的弯曲箭头所指示的，短轴的分量RS在光均化器103内通过绕光轴A旋转在光轴A的方向上传播。短轴的分量RS的传播方向在通过光均化器103的过程中改变,并且因此与进入的传播方向不同。如果作为在反射点P1-P3处反射的结果的光的扭转角为绕光轴A为90度，当进入时传播方向平行于X方向的短轴的分量RS当出射时成为正交(垂直)于Y方向。
[0199]在图28中，在入射时短轴的分量RS的发散角0 X在通过中相对于与光轴A平行的平面也得到保持，以使得分量RS以所保持的发散角0 X出射。这是因为光均化器103从入射端面103a至出射端面103c具有恒定的直径。反射界面103b与光轴平行延伸。
[0200]在图30和31中，显示与分量RS正交(垂直)的长轴的分量RL的轨迹。在与光轴A垂直的平面中从光轴A在Y方向上引导分量RL。分量RL根据角fL的倾斜度成为在第一反射的反射点Pl上的入射。这是因为分量RL关于边线S成为非正交的入射，即相对于边线S的法线H以角-L入射。简言之，归因于以分量RS的方式在反射点Pl处反射，导致发生长轴的分量RL绕光轴A的扭转。
[0201]通过在反射点P2和P3处的反射将长轴的分量RL绕光轴A重复扭转。如通过图31中的假想线的弯曲箭头所指示的，分量RL通过绕光轴A旋转而传播。分量RL的传播方向在穿过光均化器103的过程中以与分量RS类似的方式改变。分量RL出射的传播方向与在入射时不同。使得通过在通过中的反射点P1-P3的三次反射绕光轴A的扭转角为90度。其入射的传播方向与Y方向平行的分量RL成为在出射时平行于X方向的分量。
[0202] 同样，在图30中，光在与光轴方向平行的平面中通过中保持发散角0 J。长轴的分量RL以与短轴的分量RS类似的方式在保持发散角Q y的条件出射。
[0203]上面已经描述了入射光束BMin中长轴和短轴的分量RL和RS。此外，在分量RL与RS之间的入射光束BMin中的中间光分量类似地绕光轴A扭转。
[0204]在图32中，中间光分量Rl在入射光束BMin中长轴和短轴的分量RL和RS之间的传播方向上传播。光分量Rl成为以类似于分量RL和RS的方式在边线S上非正交地入射。在反射点P1-P3中的每一个处绕光轴A发生扭转以改变传播方向。光分量Rl最初传播以在与分量RL和RS的方向不同的方向上入射。在第一反射的反射点Pl上的光分量Rl的入射角与分量RL和RS的入射角不同。因此，光分量Rl以一定的扭转角扭转，并且扭转方向与分量RL和RS的那些不同。扭转方向由弓形弯曲的箭头指示。
[0205]在图33中，存在中间光分量R2，其成为在边线S上正交地(垂直地)，或与边线S的法线平行地入射。光分量R2关于法线的入射角为O。其在反射点Pl的反射角也为O。光分量R2的原点是光轴A或发射中心0P。因为反射角是0，在反射点Pl处反射之后光分量R2的轨迹等于其入射至反射点Pl的轨迹。因此，光分量R2将不绕光轴A扭转，因为入射的第一边线S和与第一边线S相对的第二边线S之间相互反射。
[0206]虽然在光均化器103中未发生光R2绕光轴A的扭转，包括长轴和短轴的分量RL和RS的入射光束BMin的分量绕光轴A扭转地进行传播，因为这些分量相对于边线S成为非正交地入射。同样，扭转角彼此不同。换言之，在入射光束BMin中包括的分量通过在光均化器103中内反射在垂直于光轴A的平面中以多个方向传播。
[0207]根据漫射，通过以真正的圆形束剖面进行束成形将入射光束BMin成形为出射光束BMout，入射光束BMin成形为椭圆形，出射光束BMout通过出射端面103c出射。参见图34。
[0208]在图35中，图示了在对于图26的测量条件下测量的出射光束BMout的强度分布。在图26中，与Y方向上的发散角0 yin相比，X方向上入射光束BMin的发散角0 xin小。然而，操作光均化器103以扩大出射光束BMout在X方向上的发散角0 xout，并且减小Y方向上的发散角Qyout。在图35中，发散角0 xout成为等于发散角eyout。简言之，出射光束BMout的形式以真正的圆形方式成形。具体地，入射光束BMin在Y方向(LA)上的发散角e yin为大约12度。X方向(SA)上入射光束BMin的发散角9 xin为大约6度。光均化器103以发散角0 yout = 0 xout =大约10度将入射光束BMin成形为圆形形状的出射光束BMout。
[0209]出射光束BMout的发散角通过在半球形透镜74上入射被扩大。如用第一实施方案已经描述的，光均化器103有效地在径向方向上均化辐照度。出射光束BMout的发散角可以由半球形透镜74可靠地扩大。
[0210]传统地，存在已知的束成形方法，包括其中使用两个圆柱体透镜以减小长轴方向上光束的尺寸的方法。然而，在该方法中存在归因于两个透镜所导致的空气与透镜之间界面的数目高达四个的缺点。在大菲涅尔损失的情况下，光透射上的损失相当大。与此相反，在本发明中的光均化器103中，空气与光学器件之间的界面的数目为二，包括入射和出射面。光透射上的损失可以通过使用光均化器103的单个光学器件减少。此外，将束成形的功能一起设置在光均化器上用于修正发散角。因此，与原始分开的用于光均化器的组件和用于束成形的部分相比较在不增加部件的数目的情况下可以简化结构。
[0211]在以上实施方案中，光均化器103结合具有激光二极管LD2的第二光源单元。然而，光均化器103可以结合具有激光二极管LD3的第三光源单元。
[0212]在图14中，来自第一光源单元31中激光二极管LDl的光束中的射线在荧光体36中漫射。因此，由荧光体36的出射端面的整个区域全方向地发射射线。因为发散角校正器64在横截面中成形为圆形，从荧光体36出射的光束的束剖面由发散角校正器64成形为圆形。而且，由该光束激发的荧光的束剖面由发散角校正器64成形为圆形。第一光源单元31发射包括为圆形束剖面的光束的激光和荧光的混合光。
[0213]在包括激光二极管和荧光体如第一光源单元的光源单元中，操作荧光体用于束成形。具有用于束成形的功能的光均化器103有效地与不具有荧光体的光源单元，例如，第二和第三光源单元组合使用。
[0214]在具有带有和不带有荧光体的光源单元的光源设备中，光均化器103将来自第二和第三光源单元的光束成形为真正的圆形束剖面。可以将由第二和第三光源单元产生的光束的束斑形状设定为等于由第一光源单元产生的光束的束斑形状。因此，可以减少归因于多种光源单元的束斑形状上的不同所导致的色彩不均匀。
[0215]在以上实施方案中，如图27中所示，光均化器103中轴AX和AY的角<pL为15度。然而，角攀L可以不是15度,并且可以是0-60度的范围内的预定值。
[0216]在图36中，图示了^pL-0的实例。入射光束BMin中短轴分量RS与轴AX对齐。入射光束BMin中长轴分量RL与轴AY对齐。来自光轴A的分量RS成为在六边形的边线S上正交地(垂直地)入射。第一次反射的反射点Pxl处的反射角(相对于边线S的法线)为O。分量RS在两个相反的反射点Pxl之间来回传播。不发生绕光轴A的扭转。
[0217]因为长轴分量RL成为在六边形的顶点上入射，六边形的顶点是第一反射点Pyl。因为反射角在反射点Pyl处等于或大于0度，对分量RL发生绕光轴A的扭转。长轴和短轴的分量RL与RS之间的中间分量成为相对于边线S非正交地(具有不同于直角的角)入射，并且因此具有绕光轴A的扭`转。因此，光束BM的束剖面基本上以真正的圆形方式成形，因为入射光束BMin中的光分量在与光轴A垂直的平面上漫射。
[0218]在图37中，图示了(pL=30度的实例。与图36的实例相反，长轴的分量RL成为与边线S正交地(垂直地)入射。未发生绕光轴A的扭转。然而，短轴的分量RS成为与边线S非正交地入射(以不同于直角的角)，因为六边形的顶点是第一反射点Pxl。发生绕光轴A的扭转。长轴和短轴的分量RL和RS之间的中间分量成为具有绕光轴A的扭转的入射。因此，光束BM的束剖面基本上以真正的圆形方式成形。
[0219]根据实验和模拟的结果，发现如果长轴和短轴的分量RL和RS中的仅至少一个发生绕光轴A的扭转，则获得束成形的效果。需注意到的是，为了良好的束成形效果，在边线S上非正交地入射的那些是显著优选的。如图27中所示，作为实验或模拟的结果，角CpL的最优选的实例是15度。[0220]在图38中，入射光束BMin的发射中心OP偏离作为光均化器103的六边形的中心的光轴A。简言之，光均化器103与发光装置71非同心。因此，长轴和短轴的分量RL和RS中的一个可以在边线S上非正交地入射。当分量RL和RS中的一个绕光轴A发生扭转时，可以获得束成形的效果。然而，与不具有发射中心OP与光轴A的偏离的结构比较，缺点在于光均化器103的横截面的面积必须相对于入射光束BMin的横截面的面积扩大。优选的是将发射中心OP与光轴A对齐，因为图38的实例的缺点对于引导单个发光装置71的入射光束BMin可以是严重的。
[0221]在以上实施方案中，横截面中光均化器的形状是六边形。然而，本发明的光均化器如在横截面中观察可以成形为四边形或三角形。
[0222]在图39中，光均化器110是四边形棱柱形状的光导棒。将光均化器103重复但在形状上不同。光均化器110通过将光轴A与激光二极管LD2的发射中心OP对准进行设置。同样，设置光均化器110以使得四边形中彼此正交(垂直)的两个对角线分别与X和Y方向(入射光束BMin的短轴和长轴的方向)对准。该定向定义为将水平定向(参见图41)绕光轴A旋转45度。在水平定向上，将四边形的两个对边设定为分别与X和Y方向平行。
[0223]因此，入射光束BMin的短轴和长轴的分量RS和RL的第一次反射的反射点Pxl和Pyl是四边形彼此相对的顶点。由光轴A径向限定的分量RS和RL进入反射点Pxl和Pyl，并且绕光轴A扭转。因此，进行原始为椭圆形形状的入射光束BMin的束成形以形成真正的圆形形状。
[0224]在变体结构的图40中，光均化器110相对于图39的原始位置绕光轴A以倾斜角tpL倾斜。角fL的实例是5度。变体结构的定向从图41的水平定向倾斜大约40度。分量RS和RL在第一次反射的反射点Pxl和Pyl处成为在边线S上非正交地入射。可以获得束成形的效果以将椭圆形形状 的入射光束BMin成形为真正的圆形形状。
[0225]当横截面中的形状是四边形时，在其中四边形的两个相邻边线分别与X和Y方向平行的水平定向的条件下无法获得良好的束成形效果。这是作为实验和模拟的结果的发现。其原因在于在反射点处不发生绕光轴A的扭转，因为长轴和短轴的分量RL和RS两者都成为在边线S上正交地(垂直地)入射。
[0226]当光均化器110水平地定向时，短轴和长轴的分量RS和RL在第一次反射的反射点Pxl和Pyl处成为与边线S正交地(垂直地)入射。长轴和短轴的分量RL和RS不发生绕光轴A的扭转。这与第二次反射等相同。短轴的分量RS在X方向上出射。长轴的分量RL在Y方向上出射。
[0227]入射光束BMin中长轴和短轴的分量RL与RS之间的中间光分量成为在边线S上非正交地入射，以引起绕光轴A的扭转。然而，对于限定椭圆形形状的分量RL和RS未发生扭转。因此，入射光束BMin将不以真正的圆形形状成形。
[0228]虽然通过光均化器110在水平定向上的布置不能获得束成形的效果，光均化器110从水平定向仅很小的倾斜可以产生良好的束成形效果，因为长轴和短轴的分量RL和RS可以成为在边线S上非正交地入射。根据实验和模拟的结果，发现如图39中所示最优选的倾斜度是距水平定向45度。注意到的是，如果使用光均化器110用于校正发散角而不考虑第一实施方案的方式中的束成形，光均化器110可以以水平定向设置。
[0229]同样，入射光束BMin的发射中心OP可以以对于六边形形式的光均化器103描述的方式偏离作为光均化器110的中心的光轴A。这是因为长轴和短轴的分量RL和RS中的一个可以在不同于水平定向的定向的条件下在边线S上非正交地入射。注意到，与不具有偏离的条件相反，存在的缺点在于横截面中光均化器103的面积应当大于入射光束BMin的束剖面。为了引导来自单一发光装置71的光束的目的，光轴A优选与发射中心OP对齐。
[0230]在本实施方案中，四边形是正四边形(正方形)。然而，四边形可以是矩形四边形，平行四边形等。在不同的形状中，对于生产率而言，正四边形是最优选的，因为可以最容易地制造该形状的光均化器110。
[0231]在图42中，光均化器116是三棱柱形式的光导棒。将光均化器103或110重复但是具有不同的形式。光均化器116通过将发射中心OP与光轴A对齐定位。将光均化器116的第一顶点向上引导。将与第一顶点相对的光均化器116的第一边线向下引导并且与X方向平行。这是光均化器116的水平定向。
[0232]这是因为，入射光束BMin的长轴分量RL的第一和第二射线成为分别在三角的顶点和在边线S上的第一次反射的反射点Pyl上的入射。分量RL的第二射线与边线S正交(垂直)，但是第一射线在入射中在顶点上非正交地传播。其发生绕光轴A的扭转。分量RS成为两个相邻边线S上 的入射。两个相邻边线不正交于X方向或短轴分量RS的传播方向，其成为在反射点Pxl上非正交地入射。因此，发生绕光轴A的扭转。最终，分量RL和RS两者绕光轴A扭转。获得束成形的效果以真正的圆形形状形成入射光束BMin的束剖面。
[0233]虽然六边形和四边形是左右对称的，三角形仅是旋转对称的。对于长轴和短轴的分量RL和RS两者可以通过绕光轴A扭转改变传播方向，而与倾斜角无关。因此，为了束成形的目的，可以将三角形的光均化器116以与水平定向不同的定向放置。例如，光均化器116可以定向为具有距水平定向30或180度的旋转位移。
[0234]应注意，对于如在横截面上看为三角形形状的光均化器116，发射中心OP可以关于光轴A偏离。根据一个实施方案,如在横截面上观察光均化器116的形状为正三角形,但可以是直角三角形、等腰三角形等。在不同的形状中，对于生产率来说，正三角形是最优选的，因为这种形状的光均化器116可以最容易地制造。
[0235]在以上实施方案中，光均化器的横截面的形状的多边形是六边形、四边形和三角形。然而，光均化器的横截面的形状的多边形可以是五边形，七边形或其他具有八条边线以上的多边形。应注意与激光二极管组合的光均化器具有数_以下这样的小直径。因此，光均化器的横截面的形状的多边形可以是六边形或具有六条边线以下的其他多边形。
[0236]在以上实施方案中，使用如在横截面上观察到的多边形形状用于束成形的功能。然而，也可以使用圆柱体形状用于束成形的目的。在图43和44中，对于变体结构，为了束成形的目的，设置第一实施方案的光均化器73以使得激光二极管LD2的发射中心OP偏离光均化器73的光轴A。
[0237]因为横截面中光均化器73的形状是真正的圆形，用于内反射的反射界面73b是曲面。
[0238]在图44中，发射中心OP在X和Y方向两者上偏离光均化器73的光轴A。简言之，光均化器73与发光装置71是非同心的。第一次反射中短轴分量RS的反射点是Pxl。因为反射点Pxl处反射界面73b的切线TL与短轴分量RS不正交(垂直)，反射角由短轴分量RS在反射点Pxl处的反射限定。发生分量RS绕光轴A的扭转以改变传播方向。第一次反射中长轴分量RL的反射点是Pyl。因为反射点Pyl处反射界面73b的切线TL不正交(垂直)于长轴分量RL，反射角由长轴分量RL在反射点Pyl处的反射限定。因此，因为绕光轴A发生扭转，传播方向改变。获得束成形的效果以将束成形为真正的圆形束剖面。
[0239]因为光均化器73在横截面上具有真正的圆形形状，为了有效束成形的目的，非常重要的是从光轴A偏离发射中心0P。在图45中，发射中心OP与光均化器73的光轴A对齐。短轴和长轴分量RS和RL的第一次反射的反射点Pxl和Pyl处反射界面73b的切线TL与分量RS和RL正交(垂直)。因此，不发生绕光轴A的扭转。关于在长轴和短轴分量RL和RS之间传播的中间光分量，在传播方向上不发生改变。因此，没有束成形的效果。椭圆形形状的光束以与入射光束BMin相同的形状从出射端面出射。
[0240]在图44中， 发射中心OP在X和Y方向两者上偏离。然而，可以仅在来自光均化器73的光轴A的分量RS的X方向上，或仅在分量RL的Y方向上使发射中心OP偏离。根据实验和模拟的结果，发现在一个方向上的偏离在束成形上是有效的。注意到，因为在束成形中的高效，在X和Y两个方向上的偏离是最优选的。
[0241]在一个实施方案中，横截面中光均化器73的形状是真正的圆形。然而，本发明中的横截面中光均化器的形状可以是椭圆形。同样，本发明中的横截面中光均化器的形状可以是由曲线和直线构成的偏心圆。
[0242]在以上实施方案中，光均化器是光导棒。然而，本发明的光均化器可以是包括圆柱形管和涂布至圆柱形管的内部用于镜面的反射涂层的镜面管。在镜面管中可以反射入射光束以将其在光轴方向上引导。可以通过将光均化器在截面中的形状合适地成形来获得均化光束在径向方向上的辐照度的效果，以及束成形的效果。注意到，鉴于传输光中的效率，光导棒优于镜面管，因为在镜面反射中的反射损失比完全内反射中的损失更高。
[0243]在以上实施方案中，发散角校正器包括光均化器和透镜作为两个光学器件。然而，发散角校正器可以包括与光均化器和透镜一起的附加的光学器件。在以上实施方案中，来自发散角校正器中的透镜的光束成为在内窥镜的光导装置的入射端面上入射。然而，在透镜与光导装置之间可以加入一个或多个光学器件，以使得光束可以间接地进入至光导装置。
[0244]在以上实施方案中，将用于窄带光的第二和第三光源单元32和33与发散角校正器结合使用。然而，不限制用于校正发散角的光束的颜色或波长，并且可以适宜地确定。例如，光源设备可以包括用于产生蓝色、绿色和红色光通量的三个光源以发射白光。光均化器可以结合三个光源中的至少一个。
[0245]在以上实施方案的第一光源单元31中，半导体的发光装置是具有荧光体的激光二极管。然而，发光装置可以是发光二极管(LED)、电致发光(EL) LED、电致发光(EL)元件，等。此外，第一光源单元31可以具有灯如氙灯和卤素灯。
[0246]在以上实施方案中，与具有光均化器的发散角校正器组合的半导体的发光装置是激光二极管。然而，发光装置可以是发光二极管(LED)、电致发光(EL)LED、电致发光(EL)元件等。来自发光二极管(LED)和EL元件的束的发散角大于激光二极管的束的发散角。可能需要扩大来自发光二极管(LED)和EL元件的束的发散角，尤其是如果将发光二极管(LED)和EL元件与具有相对大发散角的光源组合使用。本发明的特征对于这样的结构是有效的。
[0247]在以上实施例中，同时获得由多种颜色形成的图像。使用蓝色、绿色和红色的微型滤色器并分离白色光。然而，可以在帧顺序成像中使用本发明的特征，其中使用没有滤色器的单色成像单元并且依次地获得各种颜色图像。
[0248]在以上实施例中，处理设备初始与光源设备分离。然而，在单个组合设备中处理设备可以与光源设备结合。此外，本发明的内窥镜系统可以包括具有与处理设备结合的超声波换能器的超声波内窥镜。
[0249]虽然已经通过参照附图的本发明的优选实施例充分地描述了本发明，但是各种变化和修改对本领域的技术人员是显而易见的。因此，除非另有说明这些变化和修改背离了本发明的保护范围，否则 所述变化和修改应该被解释为包括在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于为结合在内窥镜中的光导装置供应光束的光源设备，所述光源设备包括: 半导体的发光装置，所述半导体的发光装置用于产生所述光束； 光均化器，所述光均化器用于均化所述光束在径向方向上的辐照度分布；以及 透镜，所述透镜设置在所述光均化器与所述光导装置之间，用于扩大所述光束的发散角。
2.如权利要求1所述的光源设备，其中所述光均化器是设置为在所述光束的光轴方向上延伸的透明光导棒。
3.如权利要求1所述的光源设备，其中所述光均化器的直径在其光轴方向上是不变的。
4.如权利要求3所述的光源设备，其中所述光均化器的所述直径等于或小于所述透镜的直径。
5.如权利要求3所述的光源设备，其中所述光均化器的所述直径等于所述透镜的直径。
6.如权利要求3所述的光源设备，其中所述透镜是短焦距透镜。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的光源设备，其中所述发光装置是激光二极管。
8.如权利要求1-6中的任一项所述的光源设备，其中所述光束是蓝色的波长范围的窄带光。
9.如权利要求1-6中的任一项所述的光源设备，其中所述光束的束剖面是椭圆形的； 所述光均化器包括束成形装置，所述束成形装置用于将所述椭圆形束剖面的所述光束束成形为圆形束剖面。
10.如权利要求9所述的光源设备，其中所述光均化器包括: 入射端面，所述入射端面用于接收来自所述发光装置的所述光束的入射； 出射端面，所述出射端面用于向所述透镜发射所述光束； 反射界面，所述反射界面设置为从所述入射端面延伸至所述出射端面，用于内反射所述光束并构成所述束成形装置。
11.如权利要求10所述的光源设备，其中所述光束包括分别沿所述椭圆形形状的长轴和短轴在径向方向上定位的第一和第二分量； 所述反射界面通过反射将所述第一和第二分量中的至少一个绕所述光轴方向扭转。
12.如权利要求10所述的光源设备，其中所述光束包括分别沿所述椭圆形形状的长轴和短轴在径向方向上定位的第一和第二分量； 所述反射界面包括第一部分，所述第一部分用于接收所述第一和第二分量中的至少一个在非垂直方向上的入射。
13.如权利要求1-6中的任一项所述的光源设备，其中所述光均化器包括: 入射端面，所述入射端面用于接收来自所述发光装置的所述光束的入射； 出射端面，所述出射端面用于向所述透镜发射所述光束； 反射界面，所述反射界面设置为从所述入射端面延伸至所述出射端面，用于内反射所述光束。
14.如权利要求13所述的光源设备，其中所述光均化器是圆柱形的并且在所述光轴方向上延伸。
15.如权利要求13所述的光源设备，其中所述光均化器是在所述光轴方向上延伸的多边形棱柱的形式，并且所述反射界面包括平面。
16.如权利要求13所述的光源设备，其中所述反射界面的至少一部分是曲面。
17.如权利要求16所述的光源设备，其中所述光束包括分别沿所述椭圆形形状的长轴和短轴在径向方向上定位的第一和第二分量； 所述第一和第二分量中的至少一个由所述曲面在反射点处反射，并且在与所述反射点处所述曲面的切线非垂直的方向上传播。
18.如权利要求1-6中的任一项所述的光源设备,其中所述光均化器在与所述光轴方向横切的横截面中的形状是圆形、偏心圈或椭圆形，并且所述横截面中的所述形状的中心偏离所述发光装置的发射中心。
19.一种内窥镜系统,所述内窥镜系统包括其内部具有光导装置的内窥镜，和为所述光导装置供应光束的光源设备，所述内窥镜系统包括: 所述光源设备，所述光源设备包括: 半导体的发光装置，所述半导体的发光装置用于产生所述光束； 光均化器，所述光均化器用于均化所述光束在径向方向上的辐照度分布；以及 透镜，所述透镜设置在所述光均化器与所述光导装置之间，用于扩大所述光束的发散角。
【文档编号】A61B1/00GK103519771SQ201310273577
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月2日
【发明者】大桥永治, 森本美范, 井上敏之 申请人:富士胶片株式会社