レーザ光源装置
【課題】光ファイバに対して高い結合効率を維持し、高効率・低消費電力を図ることができるレーザ光源装置を提供すること。
【解決手段】ファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０２と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０１とを備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００は、レーザ光源１０１，１０２から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバ１２１と、光ファイバ１２１に結合させるファイバ結合光学系１１４と、レーザ光が光ファイバ１２１へ結合する位置を微動させるアクチュエータ１１８と、を備え、ファイバ結合光学系１１４を構成する光学部品が、アクチュエータ１１８に保持されている。
【解決手段】ファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０２と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０１とを備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００は、レーザ光源１０１，１０２から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバ１２１と、光ファイバ１２１に結合させるファイバ結合光学系１１４と、レーザ光が光ファイバ１２１へ結合する位置を微動させるアクチュエータ１１８と、を備え、ファイバ結合光学系１１４を構成する光学部品が、アクチュエータ１１８に保持されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力光が光ファイバより出力されるレーザ装置に係り、詳細には、高効率・低消費電力の医療用途などに使用するファイバ付レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療・計測用途において、光を光ファイバに導光した光源を用いる例が増えてきている。例えば、レーザ光を用いて治療部位の光凝固や除去、切開等を行う手術が盛んに実施されている。この手法によれば、治療部位に対して非接触で治療を施すことができるため、例えば眼科手術のように治療部位に直接触れることが好ましくない場合においても適切に処置を行うことが可能である。また、治療部位からの出血を防止できることや、細菌による汚染の可能性が極めて低いこと、日帰り手術が可能など多くの利点があり、歯科・眼科などを中心に普及が進んでいる。
【０００３】
また、照明光を照射し体腔内の内視鏡画像を得る内視鏡装置が広く用いられている。内視鏡装置は、光源装置からの照明光を光ファイバに導光し、体腔内を照明する。内視鏡装置は、体腔内の組織で反射された光をＣＣＤ等の撮像素子で捉え、ビデオプロセッサにより撮像素子からの撮像信号を信号処理することで観察モニタに内視鏡画像を表示し患部等の観察部位を観察するようになっている。このような内視鏡装置は、電子内視鏡と呼ばれる。
【０００４】
内視鏡装置において通常の生体組織観察を行う場合、照明光の波長を順次切り替える方法と、白色光で照明し撮像素子に入射する光の波長を切り替える方法との二通りがある。前者は、光源装置で可視光領域の白色光を発光し、赤・青・緑等特定の波長選択制を持つ回転光学フィルタを介することで、被写体を照明する光波長を順次切り替えて照射し、照明された被写体からの反射光をビデオプロセッサで合成しカラー画像を得ている。後者は、内視鏡の撮像手段の撮像面の前面に光波長フィルタを設け、光源装置で可視光領域の白色光を発光し、該白色光照明による被写体からの反射光を光波長フィルタにてＲＧＢの色成分毎に分離した後撮像し、ビデオプロセッサで画像処理することによってカラー画像を得ている。
【０００５】
特許文献１には、生体組織の像を撮像し信号処理する内視鏡装置が記載されている。生体組織は、照射される光の波長により光の吸収特性及び散乱特性が異なる。特許文献１に記載の内視鏡装置は、可視光領域の照明光を、離散的な分光特性の狭帯域なＲＧＢ面順次光を生体組織に照射し、生体組織の所望の深部の組織情報を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９５６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の内視鏡装置にあっては、光源に以下のような課題があった。
【０００８】
医療・計測機器に用いる光源として、現在はハロゲンランプ等のランプ光源が用いられている。ランプなどの発散角が大きな光源を使用した場合、光源から発した光をすべてファイバに結合させることが困難であり、多く見積もっても光源が発する光の５０％以下しか利用できないという課題があった。
【０００９】
さらに、伝搬（デリバリー）用光ファイバを使用し、医療・計測機器へ光学的に接続する。しかし、ファイバ端面の劣化等により、デリバリー用ファイバ自体を交換する必要があった。特に、内視鏡においては、使用後に滅菌作業を行うため、内視鏡本体を光源から取り外す作業が発生していた。
【００１０】
その際、光ファイバのコア位置にロット間の個体差が生じ、光ファイバのコアの位置ずれにより、結合効率が変化するという問題がある。光学的にロスが更に大きくなるばかりか、機器としての消費電力も増加するため、機器の高効率化の妨げとなっていた。
【００１１】
また、機器の高効率化が困難なため廃熱も多くなり、放熱機構が大型化し機器の小型化を困難にしていた。
【００１２】
本発明の目的は、光ファイバに対して高い結合効率を維持し、高効率・低消費電力を図ることができるレーザ光源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のレーザ光源装置は、波長帯域が異なる少なくとも二つの光源を有し、前記二つの光源が、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力する第１の光源と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力する第２の光源であり、前記第１及び第２の光源から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバと、前記光ファイバに結合させる結合光学系と、前記レーザ光が前記光ファイバへ結合する位置を微動させるアクチュエータと、を備え、前記結合光学系を構成する光学部品が、前記アクチュエータに保持されている構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発散角が３０°以下と小さな光源を使用するため、光源が発する光の利用効率を８０％以上に高めることができる。
【００１５】
また、レーザ光が光ファイバへ結合する位置を微動させるアクチュエータを備え、デリバリー用の光ファイバへレーザ光を結合させる結合光学系が、アクチュエータに保持されている。これにより、デリバリー用の光ファイバを交換した際、レーザ光源装置自身によるアライメントを可能にし、ファイバコアの位置補正を可能としている。その結果、高い結合効率を維持することが可能となり、レーザ光源装置自体の高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図
【図２】従来の光源をランプにした場合のファイバ付き光源装置の構成図
【図３】従来の光源をＬＥＤにした場合のファイバ付き光源装置の構成図
【図４】従来のファイバ付き光源を利用した電子内視鏡装置の構成図
【図５】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置を利用した電子内視鏡装置構成図
【図６】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置の光ファイバから出力された光の強度分布プロファイルを示す図
【図７】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図
【図８】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図
【図９】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図
【図１０】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図
【図１１】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバから出力される強度分布のプロファイルを示す図
【図１２】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のレーザ光源からコリメート光を合波する際における、ビーム直径の関係を示す模式図
【図１３】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のレーザ光の発光タイミングと発光時間幅を示す図
【図１４】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図である。本実施の形態は、本発明に係るレーザ光源装置を、高効率・低消費電力の医療用途などに使用するファイバ付きレーザ光源装置に適用した例である。
【００１９】
図１に示すように、ファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる２種類のレーザ光源１０１（第２の光源）及びレーザ光源１０２（第１の光源）を備える。
【００２０】
レーザ光源１０１は、固体レーザ媒質を励起して得られる赤外光を基本波とし、非線形光学結晶を用いて第２高調波を発生させ、波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を得る変換レーザ光源である。
【００２１】
レーザ光源１０２は、波長４４０ｎｍの青色レーザ光を発生する半導体レーザ光源である。
【００２２】
レーザ光源１０１の構成について説明する。
【００２３】
レーザ光源１０１は、内部共振器型波長変換レーザ光源である。励起レーザ光源１０３から発せられた光は、レーザ媒質１０４へ入射される。レーザ媒質１０４の端面１０５と出力ミラー１０６との間で光学的な共振器（光共振器１０７）が形成されており、レーザ媒質１０４から発せられた自然放出光が光共振器１０７内で共振することで基本波レーザ光１０８が発生する。光共振器１０７内に波長変換素子１０９を挿入することで、基本波レーザ光１０８を波長変換し緑色レーザ光１１０を発生させる。
【００２４】
本実施の形態では、波長変換素子１０９として分極反転構造を持つＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用した。分極反転構造ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用することにより、基本波から第２高調波である緑色レーザ光への変換効率を大幅に高めることができる。
【００２５】
レーザ光源１０１で発生した第２高調波である緑色レーザ光１１０は、コリメートレンズ１１１により平行光とし、青色ＬＤ光源１０２で発生したコリメートレンズ１１２で平行光にされた青色レーザ光とダイクロイックミラー１１３で同軸ビームとして合波される。合波された光は、ビームスプリッタ１１９で一部分離され、受光器１２０で光量がモニタされる。上記同軸ビームは、結合レンズ等のファイバ結合光学系１１４によりデリバリー用の光ファイバ１２１へ結合される。光ファイバ１２１は、コネクタ１１５により光源に接続されている。
【００２６】
励起レーザ光源１０３と青色ＬＤ光源１０２は、電源装置１１６及び制御装置１１７で駆動されている。
【００２７】
このように、ファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０２と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０１とを備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００は、レーザ光源１０１，１０２から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバ１２１と、光ファイバ１２１に結合させるファイバ結合光学系１１４と、レーザ光が光ファイバ１２１へ結合する位置を微動させるアクチュエータ１１８と、を備え、ファイバ結合光学系１１４を構成する光学部品が、アクチュエータ１１８に保持されている構成を採る。
【００２８】
本実施の形態では、レーザ光源１０１，１０２から発せられる光の発散角が３０°以下かつ、発光点が０．５ｍｍ以下となっていること、及びファイバ結合光学系１１４がアクチュエータ１１８により保持されていることを特徴としている。アクチュエータ１１８は、例えば電磁アクチュエータである。
【００２９】
以下、上述のように構成されたレーザ光源装置の作用について説明する。
【００３０】
本実施の形態と従来例とを対比して説明するため、まず、従来の光源について述べる。
【００３１】
図２及び図３は、従来のランプやＬＥＤなどから発せられた光を光ファイバに結合させたファイバ付き光源装置の概略構成を示す模式図である。図２は、光源をランプにした場合のファイバ付き光源装置の構成図、図３は、光源をＬＥＤにした場合のファイバ付き光源装置の構成図である。
【００３２】
図２に示すように、従来のファイバ付きレーザ光源装置２００は、光源にランプ光源２０１を用いている。ランプ光源２０１から発せられた光は、全周囲に発散されるため、反射ミラー２０２とコンデンサーレンズ２０３で一方向に集められる。ランプ光源２０１の光量は、フィラメント電流等で直接制御することが難しいため、直接アパーチャ２０４で調整される。アパーチャ２０４を通った光は、回転光学フィルタ２０６を通過し、波長成分毎に分離される。回転光学フィルタ２０６が１回転するタイミングは回転センサ２１２で検出され、必要な波長成分が出力されるタイミングを監視している。
【００３３】
分離された光は、ビームスプリッタ２０７で一部分離され、受光器２０８で光量がモニタされる。その後、結合レンズ２０９で光ファイバ１２１に結合される構造になっている。
【００３４】
光源制御部２１０は、光ファイバ１２１に入力される光量や、アパーチャの開度、回転光学フィルタ２０６のタイミングを制御する。
【００３５】
また、ランプから発せられる光は、可視光以外に赤外光も含まれるため、ランプ光源２００全体が発熱する。そこで、ヒートシンク２１４により放熱する構造となっている。
【００３６】
上記ファイバ付き光源装置２００は、反射ミラー２０２とコンデンサーレンズ２０３で集められる光量が限られている上、光量制御時にアパーチ２０４で遮光される光（２１３としてハッチングしている部分）、更に、ファイバ１２１への結合効率が小さいため、光利用効率は１０％程度となる。それ以外は、熱として放出されるため、装置の冷却スペースを要し小型化を難しくしている。
【００３７】
図３に示すように、従来のファイバ付き光源装置２５０は、光源にＬＥＤ光源２５１を用いている。
【００３８】
ＬＥＤ光源２５１は、ランプ光源２０１のように全周囲に光を放射しない。しかし、ＬＥＤチップからの発散角は、ほぼ１８０°であるため、やはりレンズで光を集める必要がある。ＬＥＤ２５１，２５２はそれぞれ、中心波長が異なるＬＥＤチップである。
【００３９】
ＬＥＤ２５１から出射された光は、コンデンサーレンズ２５３で集光され、ＬＥＤ２５２から出射された光は、コンデンサーレンズ２５４で集光される。集光された光は、ダイクロイックミラー２５５で合波される。合波した光の一部は、ビームスプリッタ２５６で一部分離され、受光器２５７で光量がモニタされる。その後、結合レンズ２５８で光ファイバ１２１に結合される構造となっている。
【００４０】
ＬＥＤ２５１，２５２から出力される光量は、光源制御部２５９からＬＥＤ電源回路２６０に制御指令を送ることで制御される。
【００４１】
ＬＥＤを使用する場合においても、発する波長によっては入力した電力から出力される光への変換効率が低い場合があり、かつ発散光源のため光ファイバ１２１への結合効率も４０〜５０％と小さい。そのため、光利用効率は３０％程度となり、ランプ光源よりは発熱量が小さいものの、利用されない光は熱として放出されるため、装置の冷却スペースを要し小型化を難しくしている。
【００４２】
以上、従来のファイバ付き光源装置について説明した。次に、この光源を用いた電子内視鏡装置について説明する。
【００４３】
図４は、従来のファイバ付き光源を利用した電子内視鏡装置３００の構成図である。
【００４４】
図４に示すように、電子内視鏡装置３００は、制御ボックス３０１、光源ボックス３０２、内視鏡本体３０３、光ファイバ／ケーブル３０４、及びモニタ画面３０５を備える。
【００４５】
上述したように、従来の光源は、結合光学系が大きく、冷却のために必要な体積も大きいために光源ボックス３０２が制御ボックス３０１とは別に配置されている。
【００４６】
図５は、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００を利用した電子内視鏡装置３５０の構成図である。
【００４７】
電子内視鏡装置３５０は、ファイバ付きレーザ光源装置１００を使用することで、光学系が小型化され、なおかつ放熱に要する体積も小さくできる。このため、制御ボックス３５１内に光源を配置することができる。
【００４８】
しかし、光源をレーザとすることで、光ファイバから出力される光の横モードに強度バラツキが生じるという新たな課題が発生することが判明した。
【００４９】
図６は、光ファイバから出力された光の強度分布プロファイルを示す図であり、強度分布（横モード）のバラツキの一例を示している。
【００５０】
図６（ａ）（ｂ）に示すようなバラツキは、ビーム品質（Ｍ２値）が２以下とビーム品質のよいレーザビームを使用する際に顕著に現れ、光ファイバ１２１の個体差によりプロファイルが変化することがわかった。
【００５１】
図７は、ファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図である。図７は、レーザ光がファイバ１２１（図１参照）のコア５０１のどの位置に入射するとどの位置から出射するのかを示している。図中、半円はファイバコアの中心からみた入射側と出射側を模式的に表している。
【００５２】
図７（ａ）に示すように、ファイバコアの中心から距離ｒだけ離れた点５０２に入射した場合、図７（ｂ）に示すように、出射側の光強度は半径ｒのリング状部５０３で大きくなることがわかった。
【００５３】
広がり角が大きくかつコヒーレント性が低いランプ光源及びＬＥＤ光源からの光は、光ファイバのコアからクラッドへの入射角が大きく、光が光ファイバを伝搬する間にファイバの外へ光が漏れながら均一化される。これに対し、レーザ光源では、広がり角が小さくコヒーレント性が高いため、光ファイバのコアからクラッドへの入射角が小さく、ファイバの外へ光が漏れない反面、出射ビームがリング状になりやすいという特徴がある。つまり、光ファイバ出射後のビームがリング状になるという現象は、レーザ光源特有の現象である。
【００５４】
本発明者らは、入射位置つまり中心から入射点までの距離ｒを時間的に変化させることで、強度分布のバラツキを改善させることを見出し、強度分布低減補正機構と命名した。本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００は、その強度分布低減補正機構を実現する構成である。
【００５５】
強度分布低減補正機構について説明する。
【００５６】
[構成例１]
図８は、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００Ａのファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図である。
【００５７】
図８に示すように、ファイバ付きレーザ光源装置１００Ａでは、照明用レーザビーム１１０をファイバ１２１へ光学的に結合させる結合レンズ等からなるファイバ結合光学系１１４は、アクチュエータ１１８で保持されている。この際、アクチュエータ１１８に与えている電圧信号に、正弦波あるいは矩形波を重畳することで、ファイバ結合光学系１１４で集光されるレーザビーム１１０が光ファイバ１２１へ結合する位置６０１を微動させることができる。
【００５８】
本発明者らは、この構成を用いて検討した結果、最大で±５μｍ程度、１００〜１ｋＨｚで振動させればよいことを見出した。これにより、強度分布を大幅に改善することができた。また、ファイバ１２１の入射面１２１ａへの入射角度をアクチュエータにより変化させることによっても同様の効果が得られることがわかった。
【００５９】
なお、上記構成例１と異なる構成で同様の効果が得られる方法として、後述する図１３で光強度制御方法を説明している。
【００６０】
[構成例２]
図９は、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂのファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図である。
【００６１】
図９に示すように、ファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂは、照明用レーザビーム１１０をコリメートするレンズ１１１と、ファイバ２０６に入射する前のレーザ光強度を測定する受光器１２０と、レーザビームを一度集光するレンズ１１０１と、再び平行光へ変換するコリメートレンズ１１０２、ファイバ２０６への結合レンズ等からなるファイバ結合光学系１１４と、ファイバコネクタ１１５と、ファイバ２０６と、を備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂは、強度分布低減補正機構として、ファイバ結合光学系１１４を振動させるアクチュエータ１１８と、光の進行方向から見て結合レンズの手前にマイクロレンズアレイ７０１と、を備える。拡散板の拡散角は、２°程度である。
【００６２】
図１０は、ファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図である。
【００６３】
図１０に示すように、ファイバに入射されるビームの入射ビーム位置８０２は、マイクロレンズアレイ７０１を設けた効果により、図７の入射ビーム位置５０２と比較してぼけた状態で合焦する。このため、出射側では、光強度が大きなリング上の部分に幅を持たせることが可能になり、アクチュエータ１１８の振幅をより小さくできるという効果がある。
【００６４】
ここで、図８のファイバ付きレーザ光源装置１００Ａには、図９のマイクロレンズ７０１が無い。図８の構成の場合、振幅は±５μｍ程度必要である。図９のように、ファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂは、マイクロレンズ７０１を備えることで、振幅を±２μｍ程度とすることができる。
【００６５】
図９の構成では、振幅が小さくできるため、レンズを振動させるための電力を削減することができる。また、より簡便な構成でアクチュエータを構成することができるという利点がある。
【００６６】
また、アクチュエータ１１８の消費電力を低減するためには、共振型のアクチュエータを使用することが望ましい。
【００６７】
アクチュエータ１１８は、電磁アクチュエータや圧電素子を使用することができる。１〜２ｋＨｚと周波数が高くなると併せて高周波の音も発生するため、アクチュエータ１１８は、１００〜１ｋＨｚの周波数とすることが実用上望ましい。
【００６８】
なお、アクチュエータ１１８は、レーザ点灯時のみ動作させることが望ましい。レーザ点灯時のみの動作とすることで、アクチュエータが発熱し、アクチュエータの周波数特性が変化することによる動作周波数変化を抑制することができる。
【００６９】
図１１は、ファイバ付きレーザ光源装置のファイバから出力される強度分布のプロファイルを示す図である。図１１は、図９の構成例２で強度分布を改善した後の回転光学フィルタ２０６から出射されるビームプロファイルを示している。
【００７０】
図１１に示すように、均一な強度分布、いわゆる「トップハット」形状のビームプロファイルが得られている。図９のような拡散板を用いる方法でも、同じような形状のプロファイルが得られており、同様の結果が得られていることを確認している。
【００７１】
ところで、従来でも、Ｍ２値が５以上のレーザビームを使用して、ファイバから出射されるビームプロファイルを時間平均してトップハット形状を得る方法がいくつか提案されている。
【００７２】
しかし、従来のように、ファイバを単純に振動させたりする方法では、本実施の形態のように、Ｍ２値が２以下で発散角３０°以下と小さなビーム品質のよいレーザ光を集光させる場合、図１１のようないわゆるフラットトップ形状とならず、三角形のような形状となることを確認している。このことからも、Ｍ２値で２以下のレーザビームを使用する場合は、本実施の形態が非常に有効であることが示されている。
【００７３】
なお、本実施の形態において使用したファイバとして使用した光ファイバは、コア径が５０μｍあるいは１０５μｍの石英系ステップインデックスファイバを使用しているが、使用形態にあわせてそれ以外の光ファイバを使用してもよい。
【００７４】
また、本実施の形態では、コア径が５０μｍのステップインデックスファイバを使用したが、光ファイバの屈曲損失の点からコア系３００μｍ以下の光ファイバを用いることが望ましい。本実施の形態のような強度分布のバラツキは、２００μｍ以下のコア径のファイバで顕著となるため、２００μｍ以下のファイバを用いることがより望ましい。
【００７５】
また、本実施の形態では、ファイバに入射されるレーザビームのビーム品質（Ｍ２値）が１．３、ビームの発散角が３°の波長変換レーザ光源を使用したが、Ｍ２値で２以下、発散角３０°以下のレーザビームであれば本構成の効果が十分に得られることを確認している。
【００７６】
また、本実施の形態では、ファイバに入射されるレーザビームは、波長変換レーザ光源や半導体レーザ光源を用いていたが、ファイバレーザ等他のレーザ光源、あるいはこれらの光源を基本波として波長変換した光源でも使用可能である。この際、活性層に対して水平方向／垂直方向のいずれかあるいは両方のＭ２値が２以下、かつ発散角が３０°以下であれば十分効果がある。このとき、ビームの走査方向はＭ２値が小さい軸方向に垂直な方向となっていることが望ましい。
【００７７】
図１２は、レーザ光源からコリメート光を合波する際における、ビーム直径の関係を示す模式図である。
【００７８】
図１２に示すように、波長変換レーザ光源のビーム１００１のビーム直径ｗ１は、半導体レーザ光源のビーム１００２のビーム直径ｗ２より大きい。波長変換レーザ光源１０１と半導体レーザ光源１０２とを合波する際には、半導体レーザ光源のｓｌｏｗ軸側のビーム直径ｗ２が波長変換レーザ光源のビーム直径以下となるように調整することが望ましい。
【００７９】
このようなビーム直径の関係としておくことで、光ファイバ１２１への結合効率を高めた状態で、光ファイバ１２１から出射された際、両者の光を均一に照射することが可能となる。特に、半導体レーザ光源が発するレーザビームは、楕円状のビーム形状となっており、ｆａｓｔ軸方向についての光ファイバとの結合ロスを低減できるため、特に有効である。
【００８０】
さらに、アクチュエータでの振動方向は、半導体レーザ光源のｓｌｏｗ軸側、つまり図１０で示すとｘ軸に平行であることが望ましい。このように振動方向を規定することで、光ファイバへの光結合効率を低下させることなく入射位置を変化させることができ、出射側ビームの強度分布を均一化する効果を大きくすることができる。
【００８１】
次に、本実施の形態の光源における、光強度制御方法について述べる。
【００８２】
半導体レーザを用いて光量を調整する場合、電流のみで光量制御すると量子シュタルク効果などで発振波長が変化する場合がある。内視鏡など画像取得のための照明として使用する際、照明光の色温度を変化させたい場合は、発光時間（デューティー比）を変化させ発光比率を変え、色温度を制御することが望ましい。また、照明の明るさ（輝度）を変化させたい場合は、電流を制御し発光ピーク値を制御する方法をとることが望ましい。
【００８３】
光強度制御の一例について説明する。
【００８４】
図１３は、レーザ光の発光タイミングと発光時間幅を示す図である。
【００８５】
図１３（ａ）は、定常時における時間に対するレーザ点灯タイミングと光出力との関係を示している。
【００８６】
図１３（ａ）において、バー１１０１，１１０３，１１０５は、緑色レーザ光を発生する波長変換レーザ光源の出力を示している。バー１１０１，１１０３，１１０５は、点灯時間幅がｄ１で、出力がＰ１で動作していることを示している。
【００８７】
また、バー１１０２，１１０４，１１０６は、青色レーザ光を発生する半導体ＬＤの出力を示している。バー１１０２，１１０４，１１０６は、青色レーザ光が点灯時間幅ｄ２で、出力がＰ２で動作していることを示している。
【００８８】
図１３（ｂ）は、色温度を変化させて、青みを増やした照明光とする場合のレーザ点灯タイミングを示している。
【００８９】
図１３（ｂ）に示すように、緑色レーザ光の点灯時間幅をｄ１からｄ１’へと変化させ、青色レーザ光の点灯時間幅をｄ２からｄ２’へと変化させている。このとき、緑色レーザ光の点灯時間と青色レーザ光の点灯時間の和（ｄ１＋ｄ２）は、次式（１）に示すように変化させない制御方法を採る。
【００９０】
ｄ１＋ｄ２＝ｄ１’＋ｄ２’ …（１）
【００９１】
図１３（ｃ）は、照明光の強度を変化させる場合のレーザ点灯タイミングを示している。
【００９２】
図１３（ｃ）では、色温度を変化させる場合と異なり、点灯時間幅を変化させずにピーク出力を変化させている。例えば、照明光の強度を小さくする場合、緑色レーザ光のピーク強度をＰ１からＰ１’へ変化させ、青色レーザ光のピーク強度をＰ２からＰ２’へ変化させている。
【００９３】
このとき、色温度の変化量を小さくするために、次式（２）に示すようにピーク強度の変化量を緑色レーザ光と青色レーザ光で略同一割合としている。
【００９４】
ｄ１’÷ｄ１≒ｄ２’÷ｄ２ …（２）
上述した光源制御方法を用いることで、照明光強度を落とさず色温度を変化させたり、色温度を変化させずに照明光強度を変化させたりすることが可能となる。
【００９５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０２と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０１とを備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００は、レーザ光源１０１，１０２から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバ１２１と、光ファイバ１２１に結合させるファイバ結合光学系１１４と、レーザ光が光ファイバ１２１へ結合する位置を微動させるアクチュエータ１１８と、を備え、ファイバ結合光学系１１４を構成する光学部品が、アクチュエータ１１８に保持されている構成を採る。
【００９６】
ファイバ付きレーザ光源装置１００は、発散角が３０°以下と小さな光源を使用するため、光源が発する光の利用効率を８０％以上に高めることができる。
【００９７】
例えば、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００は、図２の光源２００や図３の光源２５０と比較して、光源から発せられる光の発散角が３０°以下となっているレーザ光源を使用することで、光利用効率を９０％以上とすることができる。かつ、図２のような発散光源を用いた場合と比較して、レーザ光を集光したり、光ファイバに結合したりする光学部品の大きさを小さくすることが可能になる。具体的には、１０ｍｍ以下のレンズを用いても光利用効率を９０％以上とすることができるため、ランプやＬＥＤを用いた光源と比較して、光学系を小型化できるという効果がある。
【００９８】
さらに、デリバリー用の光ファイバ１２１へレーザ光を結合させるファイバ結合光学系１１４が、アクチュエータ１１８に保持されている。これにより、デリバリー用の光ファイバ１２１を交換した際、レーザ光源装置自身によるアライメントを可能にし、ファイバコアの位置補正を可能としている。その結果、高い結合効率を維持することが可能となり、レーザ光源装置自体の高効率化を図ることができる。
【００９９】
（実施の形態２）
実施の形態１では、２種類の光源を用いる場合について説明した。実施の形態２は、３種類以上の光源を用いる場合について説明する。
【０１００】
図１４は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図である。図１と同一構成部分には、同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【０１０１】
図１４に示すように、３つ以上の波長帯域を持つファイバ付きレーザ光源装置１２００は、図１のファイバ付きレーザ光源装置１００に加えて、半導体レーザ光源１２０１、コリメートレンズ１２０２、及びダイクロイックミラー１２０３を備える。
【０１０２】
ファイバ付きレーザ光源装置１２００は、半導体レーザ光源１２０１から発せられる光を光ファイバ１２１へ結合させるビームに合波させている。
【０１０３】
３種類以上の光源を用いる場合も、２種類の光源を用いる場合と同様の効果を得ることができる。
【０１０４】
例えば、半導体レーザ光源１２０１として、波長６３５〜６４５ｎｍの赤色半導体レーザを使用することで、光ファイバ１２１から白色光を出力させることができる。また、赤色レーザ光源以外にも、波長５５０ｎｍ〜５７０ｎｍの黄色レーザ光などの光源を追加し、４〜５種類の波長帯域を発生させる光源とすることで、内視鏡光源だけでなく顕微鏡用光源等に使用することも可能になる。
【０１０５】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【０１０６】
上記各実施の形態では、結合光学系を構成する結合レンズを変位させるアクチュエータとして、ムービングコイル型の電磁アクチュエータを使用したが、超音波モータを使用したアクチュエータを使用してもよい。
【０１０７】
上記各実施の形態では、レーザ光源装置、ファイバ付レーザ光源装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、レーザ光源、レーザ機器等であってもよい。
【０１０８】
さらに、上記レーザ光源装置を構成する各構成、例えばレーザ光源の種類・方法などは前述した実施の形態に限られない。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明のレーザ光源装置は、ビーム品質のよいレーザ光源を使用したファイバ付レーザ光源を実現することができ、レーザ機器の高効率化に伴う低消費電力化、及び、良好なビームプロファイルを持つファイバ付きレーザ光源を実現することができる。かかるレーザ光源装置は、内視鏡光源、顕微鏡用光源として有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１２００ ファイバ付きレーザ光源装置
１０１，１０２ レーザ光源
１０３ 励起レーザ光源
１０４ レーザ媒質
１０５ レーザ媒質端面
１０６ 出力ミラー
１０７ 光共振器
１０９ 波長変換素子（非線形光学素子）
１１１，１１２ コリメートレンズ
１１３ 誘電体多層膜ミラー（ダイクロイックミラー）
１１４ ファイバ結合光学系
１１５ コネクタ
１１６ 電源装置
１１７ 制御装置
１１８ アクチュエータ
１１９ ビームスプリッタ
１２０ 受光器
１２１ 光ファイバ
１２０１ 半導体レーザ光源
１２０２ コリメートレンズ
１２０３ ダイクロイックミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力光が光ファイバより出力されるレーザ装置に係り、詳細には、高効率・低消費電力の医療用途などに使用するファイバ付レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療・計測用途において、光を光ファイバに導光した光源を用いる例が増えてきている。例えば、レーザ光を用いて治療部位の光凝固や除去、切開等を行う手術が盛んに実施されている。この手法によれば、治療部位に対して非接触で治療を施すことができるため、例えば眼科手術のように治療部位に直接触れることが好ましくない場合においても適切に処置を行うことが可能である。また、治療部位からの出血を防止できることや、細菌による汚染の可能性が極めて低いこと、日帰り手術が可能など多くの利点があり、歯科・眼科などを中心に普及が進んでいる。
【０００３】
また、照明光を照射し体腔内の内視鏡画像を得る内視鏡装置が広く用いられている。内視鏡装置は、光源装置からの照明光を光ファイバに導光し、体腔内を照明する。内視鏡装置は、体腔内の組織で反射された光をＣＣＤ等の撮像素子で捉え、ビデオプロセッサにより撮像素子からの撮像信号を信号処理することで観察モニタに内視鏡画像を表示し患部等の観察部位を観察するようになっている。このような内視鏡装置は、電子内視鏡と呼ばれる。
【０００４】
内視鏡装置において通常の生体組織観察を行う場合、照明光の波長を順次切り替える方法と、白色光で照明し撮像素子に入射する光の波長を切り替える方法との二通りがある。前者は、光源装置で可視光領域の白色光を発光し、赤・青・緑等特定の波長選択制を持つ回転光学フィルタを介することで、被写体を照明する光波長を順次切り替えて照射し、照明された被写体からの反射光をビデオプロセッサで合成しカラー画像を得ている。後者は、内視鏡の撮像手段の撮像面の前面に光波長フィルタを設け、光源装置で可視光領域の白色光を発光し、該白色光照明による被写体からの反射光を光波長フィルタにてＲＧＢの色成分毎に分離した後撮像し、ビデオプロセッサで画像処理することによってカラー画像を得ている。
【０００５】
特許文献１には、生体組織の像を撮像し信号処理する内視鏡装置が記載されている。生体組織は、照射される光の波長により光の吸収特性及び散乱特性が異なる。特許文献１に記載の内視鏡装置は、可視光領域の照明光を、離散的な分光特性の狭帯域なＲＧＢ面順次光を生体組織に照射し、生体組織の所望の深部の組織情報を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９５６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の内視鏡装置にあっては、光源に以下のような課題があった。
【０００８】
医療・計測機器に用いる光源として、現在はハロゲンランプ等のランプ光源が用いられている。ランプなどの発散角が大きな光源を使用した場合、光源から発した光をすべてファイバに結合させることが困難であり、多く見積もっても光源が発する光の５０％以下しか利用できないという課題があった。
【０００９】
さらに、伝搬（デリバリー）用光ファイバを使用し、医療・計測機器へ光学的に接続する。しかし、ファイバ端面の劣化等により、デリバリー用ファイバ自体を交換する必要があった。特に、内視鏡においては、使用後に滅菌作業を行うため、内視鏡本体を光源から取り外す作業が発生していた。
【００１０】
その際、光ファイバのコア位置にロット間の個体差が生じ、光ファイバのコアの位置ずれにより、結合効率が変化するという問題がある。光学的にロスが更に大きくなるばかりか、機器としての消費電力も増加するため、機器の高効率化の妨げとなっていた。
【００１１】
また、機器の高効率化が困難なため廃熱も多くなり、放熱機構が大型化し機器の小型化を困難にしていた。
【００１２】
本発明の目的は、光ファイバに対して高い結合効率を維持し、高効率・低消費電力を図ることができるレーザ光源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のレーザ光源装置は、波長帯域が異なる少なくとも二つの光源を有し、前記二つの光源が、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力する第１の光源と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力する第２の光源であり、前記第１及び第２の光源から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバと、前記光ファイバに結合させる結合光学系と、前記レーザ光が前記光ファイバへ結合する位置を微動させるアクチュエータと、を備え、前記結合光学系を構成する光学部品が、前記アクチュエータに保持されている構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発散角が３０°以下と小さな光源を使用するため、光源が発する光の利用効率を８０％以上に高めることができる。
【００１５】
また、レーザ光が光ファイバへ結合する位置を微動させるアクチュエータを備え、デリバリー用の光ファイバへレーザ光を結合させる結合光学系が、アクチュエータに保持されている。これにより、デリバリー用の光ファイバを交換した際、レーザ光源装置自身によるアライメントを可能にし、ファイバコアの位置補正を可能としている。その結果、高い結合効率を維持することが可能となり、レーザ光源装置自体の高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図
【図２】従来の光源をランプにした場合のファイバ付き光源装置の構成図
【図３】従来の光源をＬＥＤにした場合のファイバ付き光源装置の構成図
【図４】従来のファイバ付き光源を利用した電子内視鏡装置の構成図
【図５】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置を利用した電子内視鏡装置構成図
【図６】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置の光ファイバから出力された光の強度分布プロファイルを示す図
【図７】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図
【図８】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図
【図９】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図
【図１０】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図
【図１１】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のファイバから出力される強度分布のプロファイルを示す図
【図１２】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のレーザ光源からコリメート光を合波する際における、ビーム直径の関係を示す模式図
【図１３】上記実施の形態１に係るレーザ光源装置のレーザ光の発光タイミングと発光時間幅を示す図
【図１４】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図である。本実施の形態は、本発明に係るレーザ光源装置を、高効率・低消費電力の医療用途などに使用するファイバ付きレーザ光源装置に適用した例である。
【００１９】
図１に示すように、ファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる２種類のレーザ光源１０１（第２の光源）及びレーザ光源１０２（第１の光源）を備える。
【００２０】
レーザ光源１０１は、固体レーザ媒質を励起して得られる赤外光を基本波とし、非線形光学結晶を用いて第２高調波を発生させ、波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を得る変換レーザ光源である。
【００２１】
レーザ光源１０２は、波長４４０ｎｍの青色レーザ光を発生する半導体レーザ光源である。
【００２２】
レーザ光源１０１の構成について説明する。
【００２３】
レーザ光源１０１は、内部共振器型波長変換レーザ光源である。励起レーザ光源１０３から発せられた光は、レーザ媒質１０４へ入射される。レーザ媒質１０４の端面１０５と出力ミラー１０６との間で光学的な共振器（光共振器１０７）が形成されており、レーザ媒質１０４から発せられた自然放出光が光共振器１０７内で共振することで基本波レーザ光１０８が発生する。光共振器１０７内に波長変換素子１０９を挿入することで、基本波レーザ光１０８を波長変換し緑色レーザ光１１０を発生させる。
【００２４】
本実施の形態では、波長変換素子１０９として分極反転構造を持つＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用した。分極反転構造ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用することにより、基本波から第２高調波である緑色レーザ光への変換効率を大幅に高めることができる。
【００２５】
レーザ光源１０１で発生した第２高調波である緑色レーザ光１１０は、コリメートレンズ１１１により平行光とし、青色ＬＤ光源１０２で発生したコリメートレンズ１１２で平行光にされた青色レーザ光とダイクロイックミラー１１３で同軸ビームとして合波される。合波された光は、ビームスプリッタ１１９で一部分離され、受光器１２０で光量がモニタされる。上記同軸ビームは、結合レンズ等のファイバ結合光学系１１４によりデリバリー用の光ファイバ１２１へ結合される。光ファイバ１２１は、コネクタ１１５により光源に接続されている。
【００２６】
励起レーザ光源１０３と青色ＬＤ光源１０２は、電源装置１１６及び制御装置１１７で駆動されている。
【００２７】
このように、ファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０２と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０１とを備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００は、レーザ光源１０１，１０２から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバ１２１と、光ファイバ１２１に結合させるファイバ結合光学系１１４と、レーザ光が光ファイバ１２１へ結合する位置を微動させるアクチュエータ１１８と、を備え、ファイバ結合光学系１１４を構成する光学部品が、アクチュエータ１１８に保持されている構成を採る。
【００２８】
本実施の形態では、レーザ光源１０１，１０２から発せられる光の発散角が３０°以下かつ、発光点が０．５ｍｍ以下となっていること、及びファイバ結合光学系１１４がアクチュエータ１１８により保持されていることを特徴としている。アクチュエータ１１８は、例えば電磁アクチュエータである。
【００２９】
以下、上述のように構成されたレーザ光源装置の作用について説明する。
【００３０】
本実施の形態と従来例とを対比して説明するため、まず、従来の光源について述べる。
【００３１】
図２及び図３は、従来のランプやＬＥＤなどから発せられた光を光ファイバに結合させたファイバ付き光源装置の概略構成を示す模式図である。図２は、光源をランプにした場合のファイバ付き光源装置の構成図、図３は、光源をＬＥＤにした場合のファイバ付き光源装置の構成図である。
【００３２】
図２に示すように、従来のファイバ付きレーザ光源装置２００は、光源にランプ光源２０１を用いている。ランプ光源２０１から発せられた光は、全周囲に発散されるため、反射ミラー２０２とコンデンサーレンズ２０３で一方向に集められる。ランプ光源２０１の光量は、フィラメント電流等で直接制御することが難しいため、直接アパーチャ２０４で調整される。アパーチャ２０４を通った光は、回転光学フィルタ２０６を通過し、波長成分毎に分離される。回転光学フィルタ２０６が１回転するタイミングは回転センサ２１２で検出され、必要な波長成分が出力されるタイミングを監視している。
【００３３】
分離された光は、ビームスプリッタ２０７で一部分離され、受光器２０８で光量がモニタされる。その後、結合レンズ２０９で光ファイバ１２１に結合される構造になっている。
【００３４】
光源制御部２１０は、光ファイバ１２１に入力される光量や、アパーチャの開度、回転光学フィルタ２０６のタイミングを制御する。
【００３５】
また、ランプから発せられる光は、可視光以外に赤外光も含まれるため、ランプ光源２００全体が発熱する。そこで、ヒートシンク２１４により放熱する構造となっている。
【００３６】
上記ファイバ付き光源装置２００は、反射ミラー２０２とコンデンサーレンズ２０３で集められる光量が限られている上、光量制御時にアパーチ２０４で遮光される光（２１３としてハッチングしている部分）、更に、ファイバ１２１への結合効率が小さいため、光利用効率は１０％程度となる。それ以外は、熱として放出されるため、装置の冷却スペースを要し小型化を難しくしている。
【００３７】
図３に示すように、従来のファイバ付き光源装置２５０は、光源にＬＥＤ光源２５１を用いている。
【００３８】
ＬＥＤ光源２５１は、ランプ光源２０１のように全周囲に光を放射しない。しかし、ＬＥＤチップからの発散角は、ほぼ１８０°であるため、やはりレンズで光を集める必要がある。ＬＥＤ２５１，２５２はそれぞれ、中心波長が異なるＬＥＤチップである。
【００３９】
ＬＥＤ２５１から出射された光は、コンデンサーレンズ２５３で集光され、ＬＥＤ２５２から出射された光は、コンデンサーレンズ２５４で集光される。集光された光は、ダイクロイックミラー２５５で合波される。合波した光の一部は、ビームスプリッタ２５６で一部分離され、受光器２５７で光量がモニタされる。その後、結合レンズ２５８で光ファイバ１２１に結合される構造となっている。
【００４０】
ＬＥＤ２５１，２５２から出力される光量は、光源制御部２５９からＬＥＤ電源回路２６０に制御指令を送ることで制御される。
【００４１】
ＬＥＤを使用する場合においても、発する波長によっては入力した電力から出力される光への変換効率が低い場合があり、かつ発散光源のため光ファイバ１２１への結合効率も４０〜５０％と小さい。そのため、光利用効率は３０％程度となり、ランプ光源よりは発熱量が小さいものの、利用されない光は熱として放出されるため、装置の冷却スペースを要し小型化を難しくしている。
【００４２】
以上、従来のファイバ付き光源装置について説明した。次に、この光源を用いた電子内視鏡装置について説明する。
【００４３】
図４は、従来のファイバ付き光源を利用した電子内視鏡装置３００の構成図である。
【００４４】
図４に示すように、電子内視鏡装置３００は、制御ボックス３０１、光源ボックス３０２、内視鏡本体３０３、光ファイバ／ケーブル３０４、及びモニタ画面３０５を備える。
【００４５】
上述したように、従来の光源は、結合光学系が大きく、冷却のために必要な体積も大きいために光源ボックス３０２が制御ボックス３０１とは別に配置されている。
【００４６】
図５は、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００を利用した電子内視鏡装置３５０の構成図である。
【００４７】
電子内視鏡装置３５０は、ファイバ付きレーザ光源装置１００を使用することで、光学系が小型化され、なおかつ放熱に要する体積も小さくできる。このため、制御ボックス３５１内に光源を配置することができる。
【００４８】
しかし、光源をレーザとすることで、光ファイバから出力される光の横モードに強度バラツキが生じるという新たな課題が発生することが判明した。
【００４９】
図６は、光ファイバから出力された光の強度分布プロファイルを示す図であり、強度分布（横モード）のバラツキの一例を示している。
【００５０】
図６（ａ）（ｂ）に示すようなバラツキは、ビーム品質（Ｍ２値）が２以下とビーム品質のよいレーザビームを使用する際に顕著に現れ、光ファイバ１２１の個体差によりプロファイルが変化することがわかった。
【００５１】
図７は、ファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図である。図７は、レーザ光がファイバ１２１（図１参照）のコア５０１のどの位置に入射するとどの位置から出射するのかを示している。図中、半円はファイバコアの中心からみた入射側と出射側を模式的に表している。
【００５２】
図７（ａ）に示すように、ファイバコアの中心から距離ｒだけ離れた点５０２に入射した場合、図７（ｂ）に示すように、出射側の光強度は半径ｒのリング状部５０３で大きくなることがわかった。
【００５３】
広がり角が大きくかつコヒーレント性が低いランプ光源及びＬＥＤ光源からの光は、光ファイバのコアからクラッドへの入射角が大きく、光が光ファイバを伝搬する間にファイバの外へ光が漏れながら均一化される。これに対し、レーザ光源では、広がり角が小さくコヒーレント性が高いため、光ファイバのコアからクラッドへの入射角が小さく、ファイバの外へ光が漏れない反面、出射ビームがリング状になりやすいという特徴がある。つまり、光ファイバ出射後のビームがリング状になるという現象は、レーザ光源特有の現象である。
【００５４】
本発明者らは、入射位置つまり中心から入射点までの距離ｒを時間的に変化させることで、強度分布のバラツキを改善させることを見出し、強度分布低減補正機構と命名した。本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００は、その強度分布低減補正機構を実現する構成である。
【００５５】
強度分布低減補正機構について説明する。
【００５６】
[構成例１]
図８は、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００Ａのファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図である。
【００５７】
図８に示すように、ファイバ付きレーザ光源装置１００Ａでは、照明用レーザビーム１１０をファイバ１２１へ光学的に結合させる結合レンズ等からなるファイバ結合光学系１１４は、アクチュエータ１１８で保持されている。この際、アクチュエータ１１８に与えている電圧信号に、正弦波あるいは矩形波を重畳することで、ファイバ結合光学系１１４で集光されるレーザビーム１１０が光ファイバ１２１へ結合する位置６０１を微動させることができる。
【００５８】
本発明者らは、この構成を用いて検討した結果、最大で±５μｍ程度、１００〜１ｋＨｚで振動させればよいことを見出した。これにより、強度分布を大幅に改善することができた。また、ファイバ１２１の入射面１２１ａへの入射角度をアクチュエータにより変化させることによっても同様の効果が得られることがわかった。
【００５９】
なお、上記構成例１と異なる構成で同様の効果が得られる方法として、後述する図１３で光強度制御方法を説明している。
【００６０】
[構成例２]
図９は、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂのファイバ結合部の構成と仕組みを説明する図である。
【００６１】
図９に示すように、ファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂは、照明用レーザビーム１１０をコリメートするレンズ１１１と、ファイバ２０６に入射する前のレーザ光強度を測定する受光器１２０と、レーザビームを一度集光するレンズ１１０１と、再び平行光へ変換するコリメートレンズ１１０２、ファイバ２０６への結合レンズ等からなるファイバ結合光学系１１４と、ファイバコネクタ１１５と、ファイバ２０６と、を備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂは、強度分布低減補正機構として、ファイバ結合光学系１１４を振動させるアクチュエータ１１８と、光の進行方向から見て結合レンズの手前にマイクロレンズアレイ７０１と、を備える。拡散板の拡散角は、２°程度である。
【００６２】
図１０は、ファイバのコアへの入射位置と出射位置との関係を示す模式図である。
【００６３】
図１０に示すように、ファイバに入射されるビームの入射ビーム位置８０２は、マイクロレンズアレイ７０１を設けた効果により、図７の入射ビーム位置５０２と比較してぼけた状態で合焦する。このため、出射側では、光強度が大きなリング上の部分に幅を持たせることが可能になり、アクチュエータ１１８の振幅をより小さくできるという効果がある。
【００６４】
ここで、図８のファイバ付きレーザ光源装置１００Ａには、図９のマイクロレンズ７０１が無い。図８の構成の場合、振幅は±５μｍ程度必要である。図９のように、ファイバ付きレーザ光源装置１００Ｂは、マイクロレンズ７０１を備えることで、振幅を±２μｍ程度とすることができる。
【００６５】
図９の構成では、振幅が小さくできるため、レンズを振動させるための電力を削減することができる。また、より簡便な構成でアクチュエータを構成することができるという利点がある。
【００６６】
また、アクチュエータ１１８の消費電力を低減するためには、共振型のアクチュエータを使用することが望ましい。
【００６７】
アクチュエータ１１８は、電磁アクチュエータや圧電素子を使用することができる。１〜２ｋＨｚと周波数が高くなると併せて高周波の音も発生するため、アクチュエータ１１８は、１００〜１ｋＨｚの周波数とすることが実用上望ましい。
【００６８】
なお、アクチュエータ１１８は、レーザ点灯時のみ動作させることが望ましい。レーザ点灯時のみの動作とすることで、アクチュエータが発熱し、アクチュエータの周波数特性が変化することによる動作周波数変化を抑制することができる。
【００６９】
図１１は、ファイバ付きレーザ光源装置のファイバから出力される強度分布のプロファイルを示す図である。図１１は、図９の構成例２で強度分布を改善した後の回転光学フィルタ２０６から出射されるビームプロファイルを示している。
【００７０】
図１１に示すように、均一な強度分布、いわゆる「トップハット」形状のビームプロファイルが得られている。図９のような拡散板を用いる方法でも、同じような形状のプロファイルが得られており、同様の結果が得られていることを確認している。
【００７１】
ところで、従来でも、Ｍ２値が５以上のレーザビームを使用して、ファイバから出射されるビームプロファイルを時間平均してトップハット形状を得る方法がいくつか提案されている。
【００７２】
しかし、従来のように、ファイバを単純に振動させたりする方法では、本実施の形態のように、Ｍ２値が２以下で発散角３０°以下と小さなビーム品質のよいレーザ光を集光させる場合、図１１のようないわゆるフラットトップ形状とならず、三角形のような形状となることを確認している。このことからも、Ｍ２値で２以下のレーザビームを使用する場合は、本実施の形態が非常に有効であることが示されている。
【００７３】
なお、本実施の形態において使用したファイバとして使用した光ファイバは、コア径が５０μｍあるいは１０５μｍの石英系ステップインデックスファイバを使用しているが、使用形態にあわせてそれ以外の光ファイバを使用してもよい。
【００７４】
また、本実施の形態では、コア径が５０μｍのステップインデックスファイバを使用したが、光ファイバの屈曲損失の点からコア系３００μｍ以下の光ファイバを用いることが望ましい。本実施の形態のような強度分布のバラツキは、２００μｍ以下のコア径のファイバで顕著となるため、２００μｍ以下のファイバを用いることがより望ましい。
【００７５】
また、本実施の形態では、ファイバに入射されるレーザビームのビーム品質（Ｍ２値）が１．３、ビームの発散角が３°の波長変換レーザ光源を使用したが、Ｍ２値で２以下、発散角３０°以下のレーザビームであれば本構成の効果が十分に得られることを確認している。
【００７６】
また、本実施の形態では、ファイバに入射されるレーザビームは、波長変換レーザ光源や半導体レーザ光源を用いていたが、ファイバレーザ等他のレーザ光源、あるいはこれらの光源を基本波として波長変換した光源でも使用可能である。この際、活性層に対して水平方向／垂直方向のいずれかあるいは両方のＭ２値が２以下、かつ発散角が３０°以下であれば十分効果がある。このとき、ビームの走査方向はＭ２値が小さい軸方向に垂直な方向となっていることが望ましい。
【００７７】
図１２は、レーザ光源からコリメート光を合波する際における、ビーム直径の関係を示す模式図である。
【００７８】
図１２に示すように、波長変換レーザ光源のビーム１００１のビーム直径ｗ１は、半導体レーザ光源のビーム１００２のビーム直径ｗ２より大きい。波長変換レーザ光源１０１と半導体レーザ光源１０２とを合波する際には、半導体レーザ光源のｓｌｏｗ軸側のビーム直径ｗ２が波長変換レーザ光源のビーム直径以下となるように調整することが望ましい。
【００７９】
このようなビーム直径の関係としておくことで、光ファイバ１２１への結合効率を高めた状態で、光ファイバ１２１から出射された際、両者の光を均一に照射することが可能となる。特に、半導体レーザ光源が発するレーザビームは、楕円状のビーム形状となっており、ｆａｓｔ軸方向についての光ファイバとの結合ロスを低減できるため、特に有効である。
【００８０】
さらに、アクチュエータでの振動方向は、半導体レーザ光源のｓｌｏｗ軸側、つまり図１０で示すとｘ軸に平行であることが望ましい。このように振動方向を規定することで、光ファイバへの光結合効率を低下させることなく入射位置を変化させることができ、出射側ビームの強度分布を均一化する効果を大きくすることができる。
【００８１】
次に、本実施の形態の光源における、光強度制御方法について述べる。
【００８２】
半導体レーザを用いて光量を調整する場合、電流のみで光量制御すると量子シュタルク効果などで発振波長が変化する場合がある。内視鏡など画像取得のための照明として使用する際、照明光の色温度を変化させたい場合は、発光時間（デューティー比）を変化させ発光比率を変え、色温度を制御することが望ましい。また、照明の明るさ（輝度）を変化させたい場合は、電流を制御し発光ピーク値を制御する方法をとることが望ましい。
【００８３】
光強度制御の一例について説明する。
【００８４】
図１３は、レーザ光の発光タイミングと発光時間幅を示す図である。
【００８５】
図１３（ａ）は、定常時における時間に対するレーザ点灯タイミングと光出力との関係を示している。
【００８６】
図１３（ａ）において、バー１１０１，１１０３，１１０５は、緑色レーザ光を発生する波長変換レーザ光源の出力を示している。バー１１０１，１１０３，１１０５は、点灯時間幅がｄ１で、出力がＰ１で動作していることを示している。
【００８７】
また、バー１１０２，１１０４，１１０６は、青色レーザ光を発生する半導体ＬＤの出力を示している。バー１１０２，１１０４，１１０６は、青色レーザ光が点灯時間幅ｄ２で、出力がＰ２で動作していることを示している。
【００８８】
図１３（ｂ）は、色温度を変化させて、青みを増やした照明光とする場合のレーザ点灯タイミングを示している。
【００８９】
図１３（ｂ）に示すように、緑色レーザ光の点灯時間幅をｄ１からｄ１’へと変化させ、青色レーザ光の点灯時間幅をｄ２からｄ２’へと変化させている。このとき、緑色レーザ光の点灯時間と青色レーザ光の点灯時間の和（ｄ１＋ｄ２）は、次式（１）に示すように変化させない制御方法を採る。
【００９０】
ｄ１＋ｄ２＝ｄ１’＋ｄ２’ …（１）
【００９１】
図１３（ｃ）は、照明光の強度を変化させる場合のレーザ点灯タイミングを示している。
【００９２】
図１３（ｃ）では、色温度を変化させる場合と異なり、点灯時間幅を変化させずにピーク出力を変化させている。例えば、照明光の強度を小さくする場合、緑色レーザ光のピーク強度をＰ１からＰ１’へ変化させ、青色レーザ光のピーク強度をＰ２からＰ２’へ変化させている。
【００９３】
このとき、色温度の変化量を小さくするために、次式（２）に示すようにピーク強度の変化量を緑色レーザ光と青色レーザ光で略同一割合としている。
【００９４】
ｄ１’÷ｄ１≒ｄ２’÷ｄ２ …（２）
上述した光源制御方法を用いることで、照明光強度を落とさず色温度を変化させたり、色温度を変化させずに照明光強度を変化させたりすることが可能となる。
【００９５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００は、波長帯域が異なる、４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０２と、５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源１０１とを備える。ファイバ付きレーザ光源装置１００は、レーザ光源１０１，１０２から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバ１２１と、光ファイバ１２１に結合させるファイバ結合光学系１１４と、レーザ光が光ファイバ１２１へ結合する位置を微動させるアクチュエータ１１８と、を備え、ファイバ結合光学系１１４を構成する光学部品が、アクチュエータ１１８に保持されている構成を採る。
【００９６】
ファイバ付きレーザ光源装置１００は、発散角が３０°以下と小さな光源を使用するため、光源が発する光の利用効率を８０％以上に高めることができる。
【００９７】
例えば、本実施の形態のファイバ付きレーザ光源装置１００は、図２の光源２００や図３の光源２５０と比較して、光源から発せられる光の発散角が３０°以下となっているレーザ光源を使用することで、光利用効率を９０％以上とすることができる。かつ、図２のような発散光源を用いた場合と比較して、レーザ光を集光したり、光ファイバに結合したりする光学部品の大きさを小さくすることが可能になる。具体的には、１０ｍｍ以下のレンズを用いても光利用効率を９０％以上とすることができるため、ランプやＬＥＤを用いた光源と比較して、光学系を小型化できるという効果がある。
【００９８】
さらに、デリバリー用の光ファイバ１２１へレーザ光を結合させるファイバ結合光学系１１４が、アクチュエータ１１８に保持されている。これにより、デリバリー用の光ファイバ１２１を交換した際、レーザ光源装置自身によるアライメントを可能にし、ファイバコアの位置補正を可能としている。その結果、高い結合効率を維持することが可能となり、レーザ光源装置自体の高効率化を図ることができる。
【００９９】
（実施の形態２）
実施の形態１では、２種類の光源を用いる場合について説明した。実施の形態２は、３種類以上の光源を用いる場合について説明する。
【０１００】
図１４は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の概略構成を示す模式図である。図１と同一構成部分には、同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【０１０１】
図１４に示すように、３つ以上の波長帯域を持つファイバ付きレーザ光源装置１２００は、図１のファイバ付きレーザ光源装置１００に加えて、半導体レーザ光源１２０１、コリメートレンズ１２０２、及びダイクロイックミラー１２０３を備える。
【０１０２】
ファイバ付きレーザ光源装置１２００は、半導体レーザ光源１２０１から発せられる光を光ファイバ１２１へ結合させるビームに合波させている。
【０１０３】
３種類以上の光源を用いる場合も、２種類の光源を用いる場合と同様の効果を得ることができる。
【０１０４】
例えば、半導体レーザ光源１２０１として、波長６３５〜６４５ｎｍの赤色半導体レーザを使用することで、光ファイバ１２１から白色光を出力させることができる。また、赤色レーザ光源以外にも、波長５５０ｎｍ〜５７０ｎｍの黄色レーザ光などの光源を追加し、４〜５種類の波長帯域を発生させる光源とすることで、内視鏡光源だけでなく顕微鏡用光源等に使用することも可能になる。
【０１０５】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【０１０６】
上記各実施の形態では、結合光学系を構成する結合レンズを変位させるアクチュエータとして、ムービングコイル型の電磁アクチュエータを使用したが、超音波モータを使用したアクチュエータを使用してもよい。
【０１０７】
上記各実施の形態では、レーザ光源装置、ファイバ付レーザ光源装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、レーザ光源、レーザ機器等であってもよい。
【０１０８】
さらに、上記レーザ光源装置を構成する各構成、例えばレーザ光源の種類・方法などは前述した実施の形態に限られない。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明のレーザ光源装置は、ビーム品質のよいレーザ光源を使用したファイバ付レーザ光源を実現することができ、レーザ機器の高効率化に伴う低消費電力化、及び、良好なビームプロファイルを持つファイバ付きレーザ光源を実現することができる。かかるレーザ光源装置は、内視鏡光源、顕微鏡用光源として有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１２００ ファイバ付きレーザ光源装置
１０１，１０２ レーザ光源
１０３ 励起レーザ光源
１０４ レーザ媒質
１０５ レーザ媒質端面
１０６ 出力ミラー
１０７ 光共振器
１０９ 波長変換素子（非線形光学素子）
１１１，１１２ コリメートレンズ
１１３ 誘電体多層膜ミラー（ダイクロイックミラー）
１１４ ファイバ結合光学系
１１５ コネクタ
１１６ 電源装置
１１７ 制御装置
１１８ アクチュエータ
１１９ ビームスプリッタ
１２０ 受光器
１２１ 光ファイバ
１２０１ 半導体レーザ光源
１２０２ コリメートレンズ
１２０３ ダイクロイックミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長帯域が異なる少なくとも二つの光源を有し、
前記二つの光源が、
４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力する第１の光源と、
５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力する第２の光源であり、
前記第１及び第２の光源から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバと、
前記光ファイバに結合させる結合光学系と、
前記レーザ光が前記光ファイバへ結合する位置を微動させるアクチュエータと、を備え、
前記結合光学系を構成する光学部品が、前記アクチュエータに保持されている、レーザ光源装置。
【請求項２】
レーザの出力と色温度を制御する制御部と、
レーザ光の強度をモニタする受光器と、を備える請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記光学部品は、前記光ファイバへの結合レンズである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記光学部品に入射する前に、前記レーザ光が通過するように設置されたマイクロレンズアレイを備える、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記第１の光源又は前記第２の光源から発せられるレーザビームのＭ２値が、２以下である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記第１の光源又は前記第２の光源のビームの広がり角が、３０°以下である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記第１の光源又は前記第２の光源は、半導体レーザである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記光ファイバへレーザビームを結合させる際、レーザビームの入射位置を前記光ファイバのコアにおける中心位置から外側方向に時間的に走査する機構を備える、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
レーザ光源が点灯している期間に１００〜１ｋＨｚの周波数で、前記アクチュエータを振動させる、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
半導体レーザ光源から発せられるレーザビームのｓｌｏｗ軸方向に、前記アクチュエータを振動させる、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、電磁アクチュエータである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
前記結合レンズにより前記光ファイバの端面に結合されるレーザビーム位置の変位量が±５μｍである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１３】
前記結合レンズにより前記光ファイバの端面に結合されるレーザビーム位置の変位量が±２μｍである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１４】
前記ファイバがコネクタにより着脱可能である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１】
波長帯域が異なる少なくとも二つの光源を有し、
前記二つの光源が、
４４０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光を出力する第１の光源と、
５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長の光を出力する第２の光源であり、
前記第１及び第２の光源から発せられたレーザ光を導波させる光ファイバと、
前記光ファイバに結合させる結合光学系と、
前記レーザ光が前記光ファイバへ結合する位置を微動させるアクチュエータと、を備え、
前記結合光学系を構成する光学部品が、前記アクチュエータに保持されている、レーザ光源装置。
【請求項２】
レーザの出力と色温度を制御する制御部と、
レーザ光の強度をモニタする受光器と、を備える請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記光学部品は、前記光ファイバへの結合レンズである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記光学部品に入射する前に、前記レーザ光が通過するように設置されたマイクロレンズアレイを備える、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記第１の光源又は前記第２の光源から発せられるレーザビームのＭ２値が、２以下である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記第１の光源又は前記第２の光源のビームの広がり角が、３０°以下である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記第１の光源又は前記第２の光源は、半導体レーザである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記光ファイバへレーザビームを結合させる際、レーザビームの入射位置を前記光ファイバのコアにおける中心位置から外側方向に時間的に走査する機構を備える、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
レーザ光源が点灯している期間に１００〜１ｋＨｚの周波数で、前記アクチュエータを振動させる、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
半導体レーザ光源から発せられるレーザビームのｓｌｏｗ軸方向に、前記アクチュエータを振動させる、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、電磁アクチュエータである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
前記結合レンズにより前記光ファイバの端面に結合されるレーザビーム位置の変位量が±５μｍである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１３】
前記結合レンズにより前記光ファイバの端面に結合されるレーザビーム位置の変位量が±２μｍである、請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項１４】
前記ファイバがコネクタにより着脱可能である、請求項１記載のレーザ光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−９９４５８（Ｐ２０１３−９９４５８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５５１５（Ｐ２０１１−２４５５１５）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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