照明裝置、方法與醫療成像系統與流程
本申請要求于2014年5月30日提交的日本在先專利申請JP2014-111994以及于2014年5月30日提交的日本在先專利申請JP2014-111995的利益，各申請的全部內容通過引用結合于此。
技術領域
本公開涉及照明設備、照明方法以及內窺鏡。
背景技術：
內窺鏡的光學系統包括光源、聚光光學系統、光導以及照明光學系統，其中光導是將光纖捆扎的束光纖。通常，諸如氙氣燈或者鹵素燈的燈光源通常用作內窺鏡用的光源。通過將來自這種燈光源的光與光導耦合并且將光導連接至將被插入到物體中的內窺鏡插入部位的末端，光從光導的末端射出至觀察部位。
然而，具體地，諸如氙氣燈的燈光源的功耗或者熱值是相當大的。由于燈光源的配光角度非常寬，光效率很差。因此，作為內窺鏡用的光源，最近已使用激光器，代替燈光源。
使用激光器作為光源獲得的優勢的實例是：(1)例如，由于光源的電光轉換效率高并且對光導的光耦合效率高，所以可以預期照明設備的功耗低，(2)因為激光的指向性提高，所以可以實現具有小直徑的內窺鏡插入部位并且對于具有小直徑的光導的光耦合效率高，以及(3)因為波長寬度窄，與諸如血管的組織諸的光吸收特性組合，易于重點觀察特定組織。
然而，當利用從使用激光器作為光源的照明設備射出的光照明物體以觀察照射野時，由于激光在一些情況下的相干性提高的原因而出現明暗斑點。該現象的出現是因為在物體的粗糙面上出現隨機光干涉并且出現具有隨機強度分布的干涉圖案。這種斑點稱為斑點噪聲并且會干擾照射野的觀察。
因此，為了獲得較少斑點噪聲出現的觀察圖像，以下的PTL1至PTL5中已經提出了示例性的各種技術。
例如，以下的PTL1公開了一種內窺鏡系統，其使用具有的光路差長等于或者大于相干長度的多個光纖被捆扎的束光纖作為噪聲減少設備。
例如，以下的PTL2公開了一種內窺鏡用的光源設備，其中使用輸出具有被光纖調制的強度的激光的多個輸出模塊來捆扎光纖，并且進一步執行到單個光纖的光耦合。
例如，以下的PTL3公開了一種包括高頻疊加單元的照明設備，該高頻疊加單元通過在供應給用作光源的半導體激光器的驅動電流上疊加高頻信號來使半導體層進行多模式震蕩。
例如，以下的PTL4公開了一種內窺鏡，其中使光纖振動的加振單元布置在內窺鏡插入部位內。
例如，以下的PTL5公開了一種對獲得的捕捉圖像進行圖像處理并且輸出該圖像作為觀察圖像的內窺鏡系統。
引用列表
專利文獻
PTL1：JP 2008-043493A
PTL2：JP 2009-240560A
PTL3：JP 2010-042153A
PTL4：JP 2010-172651A
PTL5：JP 2012-005785A
技術實現要素：
技術問題
然而，除了在以上PTL1中配線長度大于或等于相干長度的束光纖設備、在以上PTL2中的多個光纖光源設備和多個強度調制設備、在以上PTL3中的高頻疊加電路、在以上PTL4中的機械振動施加單元以及在PTL5中的圖像處理設備之外，還使用了設備以及用于實現照明設備的功能的配置。因此，整個設備的尺寸會增加并且可能必須額外增加成本以減小斑點噪聲。
期望提供能夠根據更簡單的方法減小斑點噪聲的照明設備、照明方法以及內窺鏡。
問題的解決方案
一些實施方式涉及照明裝置，包括：被配置為光學地處理激光以產生照明光的光學裝置，光學裝置包括：被配置為對激光進行準直的至少一個準直器；以及被配置為擴散激光的擴散器(diffuser，漫射器)。
一些實施方式涉及醫療成像系統，包括：被配置為射出激光的至少一個激光源；照明裝置，包括：被配置為光學地處理激光以產生照明光的光學裝置，光學裝置包括被配置為對激光進行準直的至少一個準直器以及被配置為使激光進行擴散的擴散器；以及被配置為接收照明光的醫療成像設備。
一些實施方式涉及照明方法，包括：至少部分通過：A)對激光進行準直；以及B)使激光擴散而光學地處理激光以產生照明光。
本發明的有益效果
根據以上描述的本公開的實施方式，能夠根據更簡單的方法減小斑點噪聲。
應當注意，以上描述的效果不必是限制性的，并且與以上效果一起或代替以上效果，可以表現出期望被引入本說明書中的任何效果或者從本說明書中可以預期的其他效果。
附圖說明
[圖1A]圖1A是示意性地示出根據本公開的第一實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖1B]圖1B是示意性地示出光導的入射端的說明性示圖。
[圖2]圖2是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖3]圖3是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖4]圖4是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖5]圖5是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖6]圖6是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖7]圖7是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖8]圖8是示出斑點與分色鏡的光軸上的偏移量之間的關系的圖表。
[圖9A]圖9A是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖9B]圖9B是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖10]圖10是示意性地示出包括根據實施方式的照明設備的內窺鏡的配置的說明性示圖。
[圖11]圖11是示出根據實施方式的聚光器的透鏡數據的說明性示圖。
[圖12A]圖12A是示出根據實施方式的聚光器的透鏡配置實例的說明性示圖。
[圖12B]圖12B是示出根據實施方式的聚光器的透鏡配置實例的說明性示圖。
[圖12C]圖12C是示出根據實施方式的聚光器的透鏡配置實例的說明性示圖。
[圖13A]圖13A是示意性地示出根據本公開的第二實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖13B]圖13B是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖14A]圖14A是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖14B]圖14B是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖14C]圖14C是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖15]圖15是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖16]圖16是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖17]圖17是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖18A]圖18A是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖18B]圖18B是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
[圖19]圖19是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖20]圖20是示意性地示出包括根據實施方式的照明設備的內窺鏡的配置的說明性示圖。
[圖21]圖21是示意性地示出用于驗證斑點與分色鏡的光軸上的偏移量之間的關系的設備配置的說明性示圖。
[圖22]圖22是示出斑點與分色鏡的光軸上的偏移量之間的關系的圖表。
[圖23]圖23是示意性地示出用于驗證斑點與分色鏡的光軸上的偏移量之間的關系的設備配置的說明性示圖。
[圖24]圖24是示出斑點與分色鏡的光軸上的偏移量之間的關系的圖表。
[圖25]圖25是示意性地示出根據本公開的第三實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
[圖26]圖26是示意性地示出包括根據實施方式的照明設備的內窺鏡的配置的說明性示圖。
具體實施方式
在下文中，將參照附圖詳細地描述本公開的優選實施方式。應當注意，在本說明書和附圖中，具有基本上相同功能和結構的結構元件以相同的參考標號表示，并且省略對這些結構元件的重復性解釋。
將按以下順序進行描述。
1.斑點噪聲
2.第一實施方式(降低整個照明設備的斑點噪聲的實例)
2.1.照明設備的配置
2.2.內窺鏡的配置
2.3聚光器的具體實例
3.第二實施方式(通過減小各光源的斑點噪聲，在各光源中觀察到的與斑點噪聲的空間相干性相關的部分幾乎相等的實例)
3.1.照明設備的配置
3.2.內窺鏡的配置
3.3.驗證實例
4.第三實施方式(第一實施方式與第二實施方式的組合實例)
斑點噪聲
在描述根據本公開的實施方式的照明設備、照明方法以及內窺鏡之前，將簡要描述本公開的實施方式將要聚焦的斑點噪聲(在下文中也簡稱為“斑點”)。
己知斑點噪聲取決于：(a)照亮觀察部位的光源的波長寬度，(b)照亮觀察部位的光源的亮度分布，以及(c)觀察部位的表面粗糙度。在三個因素中，(a)與光源的時間相干性相關并且(b)與光源的空間相干性相關。相應地，本文中視為問題的斑點與光源的空間相干性相關。
己知通過具有亮度分布S(xi)的光源照明的物體面的相干性遵從如以下表達式1表達的Van Cittert Zernike定理。
[數學式1]
在此，在以上的表達式1中，
x是物體面上的位置，
mu是復數相干度(表示位置x與(x+x的變量)之間的空間相干性的參數)，
S(xi)是光源的亮度分布，
i是虛數單位，以及
lambda是波長。
如從以上表達式1的形式很明顯，通過光源的亮度分布S(xi)的傅里葉變換給出物體面的空間相干性。就是說，光源的亮度分布的空間頻譜是相干程度。因此，當光源是點光源時，亮度分布S(xi)可以視為delta函數。在物體面上的所有點互相干涉，并且相干性增加。這種光源(點光源)稱為相干光源。另一方面，當光源是尺寸無限大的均勻光源時，亮度分布S(xi)等于1。因此，傅里葉變換變成delta函數。干涉僅出現在物體面上的同一位置并且相干性降低。無限大尺寸的光源稱為非相干光源。在照明設備中實際使用的光源是介于空間相干光源和非相干光源之間的部分相干光源。因此，當光源的尺寸明顯更大并且光源的亮度分布更加均勻時，相干性降低。
近幾年，對于用作光源的激光器，由于它的發光原理的原因，波長寬度更窄并且發光部的尺寸小于燈光源的發光部的尺寸。因此，光的空間相干性和時間相干性高。結果，當激光器用作光源時，斑點噪聲趨于能顯著觀察到。
在此，為了使用激光獲得白光，可以考慮使用射出作為光的三原色的R(紅光)、G(綠光)以及B(藍光)的激光設備，或者可以考慮添加由B激光設備射出的光和藍光激發用的熒光物質。然而，由于每一個顏色的激光設備的近視野圖案(NFP，near-field pattern)或者遠視野圖案(FFP)不同，出現顏色不均勻并且出現源于波束形狀的空間相干性中的差異。結果，在每一個顏色中觀察到的斑點噪聲的尺寸會不同。
對于在整個光學系統中保持的一個不變量，有通過下面表達式2所表達的拉格朗日不變量。
[數學式2]
L1：拉格朗日不變量
光源的尺寸
NA1：光源的數值孔徑(＝nxsinΘ1)
n：折射率
Θ1：光源的發散角
在此，在使用激光器的光學系統中，由于上述拉格朗日不變量較小，難以使大的發散角和光導的耦合所需的激光源的尺寸兼容。
因此，當使用激光實現內窺鏡用的照明光源時，必須充分考慮上述幾點。
當使用相干光源諸如激光，并且通過僅聚焦于提高到光導的光耦合效率而在光導的入射端處束直徑被設為較小時，如從上述描述中很明顯相干性增加并且更容易出現斑點噪聲。作為減少斑點的防范措施，如在以上PTL1至PTL5中所公開，在現有技術中嘗試通過進一步向照明設備添加機構來減少斑點噪聲。
本發明人通過密集的調查，提出通過著眼于激光的亮度分布和光束直徑而更簡單地減少斑點噪聲的構思，并且因此，已完成以下描述的根據本公開的實施方式的照明設備和照明方法。以下將詳細描述根據本公開的實施方式的照明設備和照明方法以及使用該照明設備的內窺鏡。
第一實施方式
在下文中，將詳細描述能夠通過減少整個照明設備中的相干性降低斑點噪聲的照明設備和照明方法以及包括該照明設備的內窺鏡。
照明設備的配置
首先，將參考圖1A至圖9B描述根據本公開第一實施方式的照明設備的配置。圖1A是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。圖1B是示意性地示出光導的入射端的說明性示圖。圖2和圖3是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。圖4至圖7以及圖9A至圖9B是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。圖8是示出斑點與分色鏡的光軸上的偏移量之間的關系的圖表。
如圖1A中示意性地示出，根據實施方式的照明設備1包括：激光源100、耦合光學系統110、光纖120、準直器130、擴散器140以及聚光器150。
在照明設備1中安裝有至少一個激光源100并且激光源100射出具有預定波長的激光。在根據實施方式的照明設備1中，各種半導體激光器或者固態激光器可以用作激光源100，并且還可以使用激光器與波長轉換機構的組合。根據在照明對象中觀察到的物體或者現象，可以適當地選擇從激光源100射出的激光的波長。波長的實例包括從約400nm至約700nm的波長的可見光波段或者用于ICG(Indocyanine green)熒光成像的近紅外波段。當激光用作熒光激發用的激發光時，觀察到的熒光可以包括利用激發光照射的部位的自發熒光或者源自于向照射部位導入的各種熒光試劑的化學劑熒光。
耦合光學系統110是將從激光源100射出的激光與安裝在后級的光纖120進行光學地耦合的光學系統。耦合光學系統110的配置不具體限制。耦合光學系統110可以與現有技術的各種光學元件適當組合以將激光與光纖120光學地耦合，并且耦合光學系統110包括將激光與光纖120光學地耦合的至少一個集光透鏡(集光器透鏡)。
當多個激光源100組合以實現白色照明光時，耦合光學系統110中除了集光透鏡之外，還進一步安裝有至少一個分色鏡或者分色棱鏡。從多個激光源100射出的多束激光被分色鏡或者分色棱鏡多路復用(multiplexed)，以生成白光。多路復用光通過集光透鏡聚光以耦合至光纖120。
當多個激光源100組合使用時，優選地調準(align，使…一致)激光入射到光纖120上的數值孔徑。然而，因為每一個激光的FFP不同，實際上難以調準入射的數值孔徑。因此，在這種情況下，在耦合光學系統110中，安裝有數值孔徑調節單元，調準從激光源100射出的激光之間的入射的數值孔徑。稍后將再次詳細描述數值孔徑調節單元。
光纖120將通過耦合光學系統110引導的激光引導至安裝在后級處的準直器130。從光纖120射出的光變成旋轉對稱光束，其有助于亮度分布的均勻性。光纖120不具體限制，而是可以使用現有技術的多模光纖(例如階躍折射率型多模光纖)。光纖120的芯直徑也不具體限制。例如，可以使用具有約1mm芯直徑的光纖。
在根據實施方式的光纖120中，光引導至光纖120的入射端使得在光纖的入射端處多個光源之間的數值孔徑盡可能地一致。這時，例如，通過優化使從激光源射出的激光準直的透鏡的焦距，從光纖120的射出端射出的激光優選地變成實心光束而不是具有空心形式的光束，對于實心光束在光纖的中心光軸附近的光量等于在光纖的周邊部的光量，在空心形式的光束中，在光纖的中心光軸附近的光量小于周邊部的光量。
準直器130安裝在光纖120的出射端的下游并且將從光纖120出射的激光轉換為平行光通量。通過由準直器130將激光轉換為平行光通量，在安裝在后級處的擴散器140中，通過擴散器140的擴散角度可以容易地控制激光的擴散狀態。準直器130的配置不具體限制，而是可以適當組合現有技術的光學元件，使得現有技術的光學系統被配置為將激光轉換為平行光通量。
擴散器140安裝在準直器130的后側焦點位置附近，并且使從準直器130出射的平行光通量擴散以生成二次光源。即擴散器140中的光的出射端用作二次光源。
可以通過準直器130的焦距控制由擴散器140生成的二次光源的尺寸。可以通過擴散板的擴散角度控制出射光的NA。通過兩構成要件的作用，可以放大以上表達式2表示的拉格朗日不變量，并且因此，期望的光源尺寸和期望的照明范圍可以兼容。
當期望調節二次光源的尺寸時，可以通過來自光纖的出射NA和準直器的焦距優化二次光源的尺寸。后側焦點位置附近落入的實際范圍不具體限制。例如，優選的是焦距加上或者減去約10％的后側焦點位置起的上游和下游(包含后側焦點位置)的范圍。
通過擴散器140的擴散角度控制從擴散器140射出的光的發散角。進一步，當視角omega(度)的平行光通量透過擴散器(例如擴散板)傳輸時，出射角度近似為以下表達式101。
[數學式3]
在此，在以上表達式101中，
theta是擴散器的出射角，
thetaw是入射光的視角，以及
thetad是擴散器的擴散角。
假設擴散器的擴散角thetad等于23度并且假設光纖120(多模光纖)的芯直徑w等于1mm。當fcol是準直器130的焦距時，給出入射光的視角thetaw為thetaw＝atan{(w/2)/fcol}。因此，例如，當參考準直器的焦距設定fcol＝7.9mm時，thetaw等于3.6度。當thetad和thetaw代入以上表達式101中時，擴散器的出射角theta等于23.27度。本結果表示當多模光纖的芯直徑在擴散器的出射角theta下約為上述直徑時，視角thetaw的影響很少呈現并且軸上光和軸外光都控制在擴散器140中所設定的擴散角下。
在實施方式中，擴散器140的擴散角不具體限制，而是可以根據要實現的照明設備1的尺寸、可應用于照明設備1的擴散器的特征值等適當決定。例如，擴散角thetad可被設為約23度。
具體的擴散器140的種類不具體限制，而是可以使用現有技術的擴散元件。例如，擴散器的實例包括蒙砂(frost)型毛玻璃、通過將光學擴散材料擴散到玻璃中使用擴散特性的乳白色型擴散板以及全息擴散板。全息擴散板是特別優選的，因為全息圖案應用于預定的基板并且任意角度設為出射光的擴散角。
從擴散器140出射的光引導至聚光器150。聚光器150以預定的近軸橫向放大倍率形成至照明對象的由擴散器140形成的二次光源的像。照明對象的的實例包括位于聚光器150下游并且安裝在內窺鏡單元中的光導的入射端。如圖1B中示意性地示出，包括光纖芯部和光纖包層部的多個光纖被構造為在光導的入射端捆扎成束。在此，根據實施方式的聚光器150與現有技術的聚光器不同，并且聚光器150形成二次光源的像使得照明對象(例如，安裝在內窺鏡單元中的光導的入射端)的面積盡可能地填滿。因此，總的來說，照明設備1可以減小斑點噪聲。
聚光器150的像形成放大倍率(近軸橫向放大倍率)beta通過聚光器的焦距f以及焦點位置F與物體面之間的距離X，由以下表達式102表達。
[數學式4]
β＝f/X ...(表達式102)
在此，當聚光器150為等光程時，聚光器150的像形成放大倍率beta以及聚光器150的入射數值孔徑和出射數值孔徑滿足如以下表達式103表達的關系表達式。
[數學式5]
β＝Y/Y＝NAcond/NAcond′ ...(表達式103)
Y：二次光源的尺寸
Y'：二次光源的像的尺寸
NAcond：聚光光學系統的入射數值孔徑
NAcond'：聚光光學系統的出射數值孔徑
另一方面，當NAL是作為將光纖捆扎的束光纖的光導的可允許的數值孔徑、n1是光纖的芯部的折射率、并且n2是包層部的折射率時，給出以下表達式104。普通光導的可允許的數值孔徑NAL處于大于或等于0.56并且小于或等于0.88的范圍內。
[數學式6]
優選地滿足以下表達式105的關系以便使聚光器150將來自光源的光聚光并且以便促使光有效地入射到安裝在聚光器150的后級處的光導上。
[數學式7]
NAcond′≤NAL
...(表達式105)
進一步，在根據實施方式的照明設備1中，優選地控制二次光源的像的尺寸使得當phiLG是透射穿過聚光器150的二次光源入射到其上的光導的入射端的直徑并且Y'是二次光源的像的尺寸時，建立由以下表達式106表達的關系。就是說，二次光源的像優選地填滿光導的入射端。通過滿足如以下表達式106表達的關系表達式，能夠在滿足如以上表達式105表達的關系表達式的同時設計減少斑點噪聲。二次光源的像的尺寸通過多模光纖的射出NA和準直器的焦距限定。
[數學式8]
當Y'/phiLG小于0.8時，二次光源的像變得小于光導的入射端的直徑。光導的入射端和射出端通常是共軛的。因此，當利用從光導射出的光照亮被照射面時，光源的尺寸從被照射面觀察時明顯變小并且斑點可能劣化。當控制二次光源以便就光耦合效率而言充分小于芯直徑時，當光斑尺寸小時斑點劣化的概率很高。當內窺鏡配置為使得光導在中途分支并且在多個出射端進行照明時，在分支出射端之間的亮度分布可能不同并且存在斑點可能劣化的問題。
相反，當Y'/phiLG大于1.2時，二次光源或者二次光源的像變得大于光導的入射端的直徑。在這種情況下，在光導的入射端面上出現激光的光暈并且光耦合效率可能降低。
更優選地在二次光源的像的尺寸Y'與光導的入射端的直徑phiLG之間成立Y'＝phiLG的關系，其中在光導的入射端處形成通過聚光器形成的二次光源的像。
可以適當地決定聚光器150的近軸橫向放大倍率beta，使得二次光源的像的尺寸Y'滿足以上表達式106的范圍并且更優選地大于或等于0.4且小于或等于2.3。
當近軸橫向放大倍率beta小于0.4時，擴散器140的有效直徑變得太大并且存在設備尺寸增加的可能性。因此，不希望近軸橫向放大倍率beta小于0.4。相反，當近軸橫向放大倍率beta大于2.3時，對于擴散器140必須有大擴散角并且存在透射率劣化的可能性。對于擴散器140必須單獨具有特殊結構，并且因此，存在成本增加的可能性。當聚光器150的近軸橫向放大倍率beta處于上述范圍內時，能夠實現設備的最小化同時抑制照明設備的制造成本。作為調節二次光源的像的尺寸Y'使得滿足表達式106的方法，可以安裝能夠調節集光透鏡與光導的入射端面之間的間隔的機構。
以上已參考圖1A和圖1B詳細描述根據實施方式的照明設備1的配置。
照明設備的具體實例
接下來，將參考圖2至圖9B具體描述根據實施方式的照明設備的配置。
圖2示意性地示出當射出紅光、綠光以及藍光的激光源用作激光源100并且全息擴散板141用作擴散器140時的照明設備1的配置。圖3示意性地示出當使用射出紅光、綠光以及藍光的激光源并且微透鏡陣列143用作擴散器140時的照明設備1的配置。
如圖2和圖3所示，從RGB激光源射出的激光束通過反射鏡M或者分色鏡DM多路復用以引導至集光透鏡L。如圖2和圖3所示，當多個激光器用作光源時，例如，如圖4中示意性地示出，在集光透鏡L的瞳孔位置處出現每一個顏色的光束直徑的差異。
如上所述，當RGB顏色通過集光透鏡L耦合至光纖120時，優選地校準(align)入射至各個顏色光纖的數值孔徑。這是由于以下原因。通常，由于透鏡的功率位置(power placement)根據入射的數值孔徑最大的激光來決定，入射的數值孔徑小的激光的光束直徑在擴散板的位置處可以變得小。即在光導的入射端的亮度分布可以變得非均勻。例如，為了調準各個顏色的入射的數值孔徑，存在匹配在集光透鏡L的瞳孔位置處的各顏色的光束視直徑的方法。例如，在該方法中，如圖5中示意性地示出，具有最小光束直徑的激光的端部可以位于入射數值孔徑最大所處的位置(即具有最大光束直徑的激光的端部)處。通過這樣做，具有最大光束直徑的激光和具有最小光束直徑的激光在某點彼此接觸。在圖5中，兩束激光的的端部在xi軸的正方向上彼此接觸，但是位置不限于圖5中示出的情況。端部可以在xi軸的負方向上彼此接觸。
當為了保證輸出、減小時間相干性等而將具有相同波長或者相近波長的多個激光多路復用時，如圖6中示意性地示出，具有最小光束直徑的光束可以至少布置在瞳孔的中心處以及入射的數值孔徑最大所在的位置處。
如圖5和圖6中示意性地示出，通過使數值孔徑相等，在擴散器140的位置處形成的二次光源的光量分布變得均勻，并且因此，能夠減小由于顏色而出現的斑點的量的差異。換言之，通過擴散器140形成的顏色的二次光源的最大光束直徑基本上相等，并且因此，能夠減小由于顏色而出現的斑點的量的差異。
為了實現圖5中示出的情況，可以使用安裝為耦合光學系統110的一個組成要件的分色鏡DM，作為數值孔徑調節單元，調節激光入射在集光透鏡L上的位置。
具體地，如圖7所示，當存在射出具有更大光束直徑的激光的激光源A和射出具有更小光束直徑的激光的激光源B時，通過在分色鏡DM的布置位置的光軸方向上相對于耦合光學系統110的中心光軸移動分色鏡DM，可以偏移光束位置，如圖5所示。因此，如圖5所示，可以匹配相互的光束位置。
實際上，圖8中示出通過移動具有以上配置的分色鏡獲得的結果。圖8的橫軸表示分色鏡DM相對于耦合光學系統110的中心光軸的偏移量，并且圖8的縱軸表示對應于斑點的量的斑點對比率(SCR)。如從圖8中很明顯，可以理解的是，通過偏移，在光導的入射端的亮度分布接近均勻并且因此減小斑點對比度。
為了實現圖6中示出的情況，例如，可以使用反射鏡M或者lambda/2-波長板或者偏振分束器PBS作為數值孔徑調節單元，進一步調節激光入射在分色鏡DM上的位置，如圖9A和圖9B所示。
還可以通過設定聚光器150的近軸橫向放大倍率而不設置數值孔徑調節單元，實現射出具有大光束直徑的激光的激光源，從而滿足以上表達式106。還可以通過使用數值孔徑調節單元調節數值孔徑，實現射出具有小光束直徑的激光的激光源，從而滿足以上表達式106。
以上已參考圖2至圖9B具體描述了根據實施方式的照明設備的配置。
內窺鏡的配置
接下來，將參考圖10簡要描述根據實施方式的照明設備1用作照明光源的內窺鏡10的配置。圖10是示意性地示出包括根據實施方式的照明設備的內窺鏡的配置的說明性示圖。
通過使用上述照明設備1作為光源，通過聚光器在包括于任意內窺鏡單元900內的光導901中形成光源的像，使得可以獲得具有減小的斑點噪聲的照明光。引導至光導901的照明光通過光導901引導至內窺鏡體903，以引導至內窺鏡的末端部(distal end portion)。
在此，其上安裝有照明設備1的內窺鏡單元900不具體限制，而是可以使用任意內窺鏡單元，只要內窺鏡單元900包括普通光導901即可。相反，當期望使用包括特定光導901的內窺鏡單元900時，可以根據光導901的可允許的入射數值孔徑NAL，設定根據實施方式的照明設備1的二次光源的像的尺寸Y'或者聚光器150的近軸橫向放大倍率beta。
以上已參考圖10簡要描述了包括根據實施方式的照明設備1的內窺鏡10。
聚光器的具體實例
接下來，將參考圖11至圖12C描述根據實施方式的照明設備1中的聚光器150的具體實例。圖11是示出根據實施方式的聚光器的透鏡數據的說明性示圖。圖12A至圖12C是示出根據實施方式的聚光器的配置實例的說明性示圖。
圖11中示出根據實施方式的聚光器150的具體實例的透鏡數據，并且圖12A至圖12C中示出透鏡配置示圖。在圖11示出的表中，f是焦距，S1至H是聚光透鏡系統的第一表面與前側主點位置之間的距離，beta是近軸橫向放大倍率，OBJ是第一表面與物體面之間的距離，以及X是焦點位置F到物體面之間的距離。在圖11的上側的表中，列A至列C的透鏡數據分別對應于圖12A至圖12C中示出的透鏡配置示圖。
在圖11至圖12C示出的聚光器150中，假設使用具有入射在光導上的入射面的直徑phiLG＝2.0并且可允許的數值孔徑LAL＝0.57的情況下的光導901。以下是照明設備1的其他設定值。
多模光纖出射數值孔徑NAM＝0.22
準直器焦距fcol＝7.6
二次光源的尺寸Y＝3.34
擴散板角度＝23度
如圖12A至圖12C所示，在根據實施方式的聚光器150的每一個具體實例中，在二次光源側上的入射面(位于圖12A至圖12C中的圖的右側的表面)和在第二光源的像側上的出射面(位于圖12A至圖12C中的圖的左側的表面)通過平面透鏡系統形成。如從圖11的下側的表和圖12A至圖12C中很明顯，聚光器150通過透鏡系統形成，該透鏡系統按從擴散器140的側起依次包括具有平面定向為朝著擴散器的正的平凸透鏡、一個或多個正透鏡以及具有平面定向為朝著聚光器150的后端的正的平凸透鏡。在擴散器140的側上位于離二次光源的像側最近的平凸透鏡的表面(對應于圖11的下側示出的透鏡數據中的表面編號S＝7)被設為非球面。
關于光軸旋轉對稱的非球面通過以下表達式107表達。在此，在以下表達式107中，C是曲率(1/r)，h是從光軸起的高度，以及K是圓錐常數。表面編號S＝7的非球面數據在圖11的下側示出。
[數學式9]
在根據實施方式的聚光器150中，可以通過使用圖11至圖12C中示出的透鏡實現低成本。
具體地，在圖12B中示出的透鏡配置的情況下，由于beta等于0.6并且Y等于3.34，因此Y'等于2并且滿足表達式106。進一步，NA等于0.57，表達式105成立，并且因此，照明光可以高效地耦合至光導。即使在具有小拉格朗日不變量的激光器用作光源的照明光學系統中，光源的大尺寸與在通過光學系統耦合至光導的時候所必須的大發散角也可以兼容。
以上已參考圖1至圖12C詳細描述根據本公開的第一實施方式的照明設備、照明方法以及內窺鏡。
第二實施方式
在下文中，將詳細描述能夠減少從光源射出的激光的斑點噪聲的照明設備和照明方法以及包括該照明設備的內窺鏡。
例如，當獲得白光源時，使用射出紅色激光、綠色激光以及藍色激光的激光源。然而，由于每一個顏色(每一個波長)的各激光源的光束形狀不同，源于光束形狀的空間相干性存在差異。因此，出現在各顏色(波長)中觀察到的的斑點噪聲的尺寸不同的現象。
因此，鑒于以上提及的情況，將在下方提出能夠根據更簡單的方法使在各顏色(波長)中觀察到的斑點噪聲的尺寸相等以減小斑點噪聲的照明設備、照明方法以及內窺鏡。
照明設備的配置
首先，將參考圖13A至圖19描述根據本公開的第二實施方式的照明設備的配置。圖13A至圖17以及圖19是示意性地示出根據本公開的第二實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。圖18A和圖18B是用于描述集光透鏡的瞳孔位置與激光之間的位置關系的說明性示圖。
如圖13A中示意性地示出，根據實施方式的照明設備2至少包括激光源200、光纖220以及擴散器240。如圖13B中示意性地示出，根據實施方式的照明設備2優選地進一步包括在激光源200與光纖220之間的耦合光學系統210，并且優選地進一步包括在光纖220與擴散器240之間的準直器230。
至少一個激光源200安裝在照明設備2中并且射出具有預定波長的激光。在根據實施方式的照明設備2中，各種半導體激光器或者固態激光器可以用作激光源200，并且也可以使用激光器與波長轉換機構的組合。可以根據在照明對象中觀察到哪種物體或者現象來適當地選擇從激光源200射出的激光的波長。波長的實例包括從約400nm至約700nm的波長的可見光波段或者用于ICG(吲哚菁綠)熒光成像的近紅外波段。當激光用作激發光用于熒光激發時，觀察到的熒光可以包括利用激發光照射的部位的自發熒光或者來源于導入到照射部位中的各種熒光試劑的化學劑熒光。
耦合光學系統210是將從激光源200射出的激光與安裝在后級處的光纖220光學地耦合的光學系統。耦合光學系統210的配置不具體限制。耦合光學系統210可以利用現有技術的各種光學元件適當組合以將激光與光纖220光學地耦合，并且耦合光學系統210包括將激光與光纖220光學地耦合的至少一個集光透鏡(集光器透鏡)。
耦合光學系統210優選地進一步包括使得從激光源200射出的激光在激光源200與集光透鏡之間基本上平行(換言之，將激光轉換為大致平行的光通量)的準直透鏡。在此，“基本上平行”指從準直透鏡出射的光的輻射角最小的狀態，并且該狀態在準直透鏡的焦距的位置與從激光源200射出的激光的光束腰位置一致時實現。
當通過組合諸如紅色半導體激光器、射出綠光的半導體激發固態激光器以及藍色反應激光器的多個激光源200實現白色照明光時，除了集光透鏡之外，至少一個分色鏡或者分色棱鏡進一步安裝在耦合光學系統210中。從多個激光源200射出的多束激光通過分色鏡或者分色棱鏡多路復用以生成白光。多路復用光通過集光透鏡聚光以耦合至光纖220。
本文中，在根據實施方式的照明設備2中，激光在相對于入射端面的法線以斜方向上入射到光纖220的入射端面上。更具體地，當激光(或者多路復用光)的聚光角或者輻射角小于光纖220的數值孔徑(即可允許的入射角)時，在光纖220的數值孔徑(可允許的入射角)的范圍內的角度作用于激光，并且因此，激光在相對于入射端面的法線的傾斜方向上入射。更優選地，在根據實施方式的照明設備2中，在激光的入射端面上的角度分量包括入射端面的法線方向。因此，能夠減小從激光源200射出的激光的斑點噪聲。在下方將再次詳細描述促使激光入射到光纖220上的方法。
光纖220將通過耦合光學系統210引導的激光引導至安裝在圖13A中的后級處的擴散器240或者安裝在圖13B中的后級處的準直器230。光纖220不具體限制，而是可以使用現有技術的多模光纖(例如階躍折射率型多模光纖)。光纖220的芯直徑也不具體限制。例如，可以使用具有約1mm芯直徑的光纖。
在根據實施方式的光纖220中，在相對于入射端面的法線的傾斜方向上引導激光使得入射角在光纖的可允許的數值孔徑的范圍內盡可能地大。因此，從光纖220的射出端射出的激光的輻射角大于在入射端面上的激光的聚光角。
當入射在光纖220上的激光的入射角分量不包括入射端面的法線方向時，從光纖220的射出端射出的激光的遠視野圖案(強度分布)變成空心形式，在空心形式中在光纖的中心光軸附近的光量小于周邊部的光量。相反，當入射在光纖220上的激光的入射角分量包括入射端面的法線方向時，遠視野圖案變成實心形式，在實心形式中在光纖的中心光軸附近的光量等于周邊部的光量。因此，根據實施方式的照明設備2更優選地配置為，使得入射在光纖220上的激光的入射角分量包括入射端面的法線方向并且從光纖220的射出端射出的激光的遠視野圖案(強度分布)變成實心形式。
準直器230安裝在光纖220的出射端的下游并且促使從光纖220射出的激光是基本上平行的。通過準直器230促使從光纖220射出的激光為基本上平行，可以通過安裝在后級處的擴散器240中的擴散器240的擴散角容易地控制激光的擴散狀態。準直器230的配置不具體限制，而是可以適當組合現有技術的光學元件使得現有技術的光學系統配置為將激光轉換為平行光通量。
擴散器240安裝在光纖220的后級處(當安裝了準直器230時在準直器230的后級處)并且使從光纖220或者準直器230射出的激光擴散以生成二次光源。即擴散器240中的光的射出端用作二次光源。
在此，從擴散器240射出的光的發散角通過擴散器240的擴散角控制，如上述第一實施方式所描述。
在實施方式中，擴散器240的擴散角不具體限制，而是可以根據要實現的照明設備2的尺寸、可應用于照明設備2的擴散器的特征值等適當決定。
具體的擴散器240的種類不具體限制，而是可以使用現有技術的擴散元件。例如，擴散器的實例包括蒙砂型毛玻璃、通過將光學擴散材料擴散到玻璃中的使用擴散特性的乳白色型擴散板、全息擴散板、諸如微透鏡陣列的擴散板以及將多個光纖捆綁的束光纖。特別優選的是全息擴散板，因為全息圖案應用于預定的基板并且任意角度被設為出射光的擴散角。微透鏡陣列可以將任意角度設為出射光的擴散角。束光纖的擴散效果是受制約的。對于相對于入射端面的法線成角theta入射的光，射出的光束以相對于出射端面的法線具有角(角度theta)的圓錐形分散。
以上已參考圖13A和圖13B詳細描述根據實施方式的照明設備2的配置。
照明設備的具體實例
接下來，將參考圖14A至圖19具體描述根據實施方式的照明設備的配置。
激光源的數量是1的情況
首先，將參考圖14A至圖15描述使用一個激光源為激光源200的情況作為實例。
從一個激光源200射出的激光引導至安裝為耦合光學系統210的準直透鏡CL并且變得基本上平行，以轉換為平行光通量。轉換為平行光通量的激光被引導至集光透鏡L。集光透鏡L將入射平行光通量光學地耦合至多模單芯的光纖220。在此，激光源200、準直透鏡CL以及集光透鏡L的中心光軸相對于光纖220的光軸(換言之，光纖220的入射端面的法線)以傾斜方向入射在光纖220的入射端面上。在兩個光軸之間形成的角度的大小是theta。通過促使激光以傾斜方向入射到光纖220的入射端面上，能夠減小來源于激光源200的斑點噪聲。
進一步，當如圖14B所示thetabeam是在光纖220的入射端面上的激光的聚光角并且如圖14C所示thetafiber是光纖220的可允許的入射角時，優選地滿足由以下表達式201和表達式201-2表達的關系以減小根據實施方式的照明設備2中的斑點。在此，在表達式中假設thetabeam小于thetafiber。
[數學式10]
(θ+θbeam)≤θfiber ...(表達式201)
θ≤θbeam ...(表達式201-2)
當滿足以上由表達式201表達的關系時，激光通過光纖220傳播而沒有損耗。進一步，當選擇更大的theta時，從光纖220射出的激光的輻射角進一步增加。
當滿足由以上表達式201-2表達的關系時，入射到光纖220上的激光的角分量包括入射端面的法線方向并且從光纖220的射出端射出的激光的遠視野圖案(強度分布)變成實心形式而不是空心形式。
在以上表達式201中，(theta+thetabeam)更優選地等于thetafiber。在這種情況下，theta是最大值并且可以獲得對應于光纖220的可允許的入射角的最大輻射角。當由(theta+thetabeam)等于thetafiber表達的關系與表達式201-2同時實現時，從光纖220射出的激光具有最大輻射角和實心形式的遠視野圖案(強度分布)。
引導至光纖220的激光從光纖220的出射端射出以引導至擴散器240。在擴散器240中，將來自光纖220的光束投射在擴散器240的擴散表面(擴散器240的出射端面)上形成二次光源。二次光源的擴散表面上的強度分布(或者光束尺寸)與來自光纖220的光在擴散表面上形成的強度分布(或者光束尺寸)相同。來自二次光源的光輻射至觀測場使得利用光照亮照明對象。當照明設備2用作內窺鏡用的光源時，在許多情況下，二次光源的輻射角設為很大以獲得高視角，并且因此，選擇具有大擴散角的擴散器。
隨著二次光源的光束尺寸變大并且遠視野圖案變成實心形式(均勻強度分布)，在照明對象中觀察到的斑點減少。因此，通過滿足以上表達式201并且選擇更大的theta，能夠進一步減小斑點噪聲。進一步，通過滿足由以上表達式201-2表達的關系，能夠進一步減小斑點噪聲。
在根據實施方式的照明設備2中，如圖14A至14C中，示出激光源200、準直透鏡CL以及集光透鏡L共同的中心光軸與光纖220的光軸彼此交叉的情況。然而，如圖15所示，激光的平行光通量的中心軸可以與通過集光透鏡L和光纖220形成的光軸平行并且在該光軸的偏離位置處入射到集光透鏡L上。
在這種情況下，如圖15所示，當WA是平行光通量的光束寬度、f是集光透鏡L的焦距、thetafiber是光纖220的可允許的入射角以及DA是與通過集光透鏡L和光纖220形成的光軸的中心間的偏移量時，由以下表達式202和表達式202-2表達的關系成立。然后，優選地減少斑點。在此，在表達式中假設(WA/2)小于(fx sin(thetafiber))。
[數學式11]
(WA/2)+DA≤(fxsin(θfiber)) ...(表達式202)
DA≤(WA/2) ...(表達式202-2)
當滿足以上由表達式202表達的關系時，激光通過光纖220傳播而沒有損耗。進一步，當選擇更大的DA時，從光纖220射出的激光的輻射角進一步增加。
當滿足由以上表達式202-2表達的關系時，入射到光纖220上的激光的角分量包括入射端面的法線方向并且從光纖220的射出端射出的激光的遠視野圖案(強度分布)變成實心形式而不是空心形式。
在以上表達式202中，(WA/2)+DA更優選地等于(fxsin(thetafiber))。在這種情況下，可以獲得對應于光纖220的可允許的入射角的最大輻射角。當由(WA/2)+DA＝(fxsin(thetafiber))表達的關系與表達式202-2同時實現時，從光纖220射出的激光具有最大輻射角和實心形式的遠視野圖案(強度分布)。
引導至光纖220的激光從光纖220的出射端射出以引導至擴散器240。在擴散器240中，投射來自光纖220的光束以在擴散器240的擴散表面(擴散器240的出射端面)上形成二次光源。在二次光源的擴散表面上的強度分布(或者光束尺寸)與來自光纖220的光在擴散表面上形成的強度分布(或者光束尺寸)相同。來自二次光源的光輻射至觀測場使得利用光照亮照明對象。當照明設備2用作光源用于內窺鏡時，在許多情況下，二次光源的輻射角設為很大以獲得高視角，并且因此，選擇具有大擴散角的擴散器。
當二次光源的光束尺寸更大并且遠視野圖案變成實心形式(均勻強度分布)時在照明對象中觀察到的斑點減少。因此，通過滿足以上表達式202并且選擇更大的DA，能夠進一步減小斑點噪聲。進一步，通過滿足以上表達式202-2表達的關系，能夠進一步減小斑點噪聲。
如圖16所示，準直透鏡(即準直器)230可以布置在光纖220與擴散器240之間。圖16示出激光的平行光通量的中心軸平行于通過集光透鏡L和光纖220形成的光軸并且在該光軸的偏離位置處入射到集光透鏡L上的情況。然而，即使在激光以傾斜方向入射到光纖220的入射端面上時，準直器230當然可以按相同方式布置。
存在多個激光源的情況
接下來，將參考圖17至圖19描述多個激光源用作激光源200的情況作為實例。
在下文中，將描述使用射出紅色激光的紅色激光源(Red)、綠色激光源(Green)以及藍色激光源(Blue)實現白光的情況。
如圖17所示，從紅色激光源射出的紅色激光通過準直透鏡CL轉換為平行光通量，隨后通過反射鏡M反射，并且在透射兩個分色鏡DM的同時被引導至集光透鏡L。
從綠色激光源射出的綠色激光通過準直透鏡CL轉換為平行光通量，隨后通過分色鏡DM反射，并且在透射用于藍色激光的分色鏡DM的同時被引導至集光透鏡L。
從藍色激光源射出的藍色激光通過準直透鏡CL轉換為平行光通量，隨后通過分色鏡DM反射，并且被引導至集光透鏡L。
進一步，如圖17所示，假設C1是紅色激光的光軸，假設C2是綠色激光的光軸，并且假設C3是藍色激光的光軸。紅色激光的光軸C1設置為與反射鏡M、分色鏡DM、集光透鏡L以及光纖220的光軸C0相同。
圖18A示出在圖17的橫截面A-A上的光束布置實例。在圖18A中，激光源200(主光源)的光束截面形狀是正圓。在此，具有最大光束寬度的光束被設置為與光束中心軸C1和中心光軸C0一致。在圖18A中，具有最大光束寬度的光束是紅色光束并且假設W1是最大光束寬度。即在圖18A中，激光的光束寬度滿足W1>W2并且W1>W3。
在圖18A中，紅色光束的光束寬度在透射后級處的集光透鏡L以及光纖220的范圍內選擇。即當假設W0是在集光透鏡L和光纖220中決定的可允許的透射光束寬度時，滿足W0>W1的關系。
在圖18A中，由W0表示可允許的光束寬度，并且在由光束寬度W0成形的半徑為R0的可允許的外圓周圓內部傳播的光束(激光)可以透射光纖220。可允許外圓周圓的的形狀是由集光透鏡L和光纖220決定的形狀。當關于光軸中心C0旋轉對稱的常規透鏡用作集光透鏡L時，W0具有半徑R0＝W0/2的正圓形狀。
在此，如圖17和圖18A所示，寬度比最大光束寬度更窄的綠色主光源光束和藍色主光源光束的光束中心位置(即C2和C3)與C0不一致。綠色主光源光束和藍色主光源光束布置在與中心光軸C0平行地移動后的位置。
設定綠色主光源光束和藍色主光源光束的平行移動的范圍使得綠色主光源光束和藍色主光源光束位于通過紅色主光源光束成形的最大半徑(圖18A中R1＝W1/2)表示的圓(光束的最大外圓周圓)的內部。即當D2是綠色主光源光束從中心光軸C0平行移動的距離時，D2的范圍是大于0且小于或等于(R1-W2/2)的范圍。當D3是藍色主光源光束的平行移動的距離時，D3的范圍是大于0且小于或等于(R1-W3/2)的范圍。
在此，在根據實施方式的照明設備2中，如圖18A所示，(在圖18A中點P和點Q處)剩余的光束優選地在圓(光束的最大外圓周圓)中內切，其該圓通過最大光束寬度成形并且在相對于光軸的橫截面上具有中心在C0的最大半徑。
在圖17A示出的實例中，綠色主光源光束和藍色主光源光束優選地設置為在由R1表示的光束的最大外圓周圓中內切。即綠色主光源光束的平行移動的距離D2是D2＝(R1-W2/2)并且藍色主光源光束的平行移動的距離D3是D3＝(R1-W3/2)。
在圖18A中，可以優選地布置具有窄光束寬度的綠色主光源光束和藍色主光源光束，使得綠色主光源光束和藍色主光源光束存在于從半徑R0延伸至半徑R1并且中心在C0上的范圍內。即紅色主光源光束、綠色主光源光束以及藍色主光源光束中的每一個包含在W2大于或等于(W1/2)并且W3大于或等于(W1/2)的關系下的光軸中心C0。
這是因為防止在從光纖220的出射端輻射的光的遠視圖像中(即圖17中的光學系統的擴散器240的光學強度分布中)的中心位置處的亮度劣化并且實現實心形式。
被光纖220引導的激光從光纖220的出射端射出以引導至擴散器240。在擴散器240中，投射來自光纖220的光束以在擴散器240的擴散表面(擴散器240的出射端面)上形成二次光源。二次光源的擴散表面上的強度分布(或者光束尺寸)與通過來自光纖220的光在擴散表面上形成的強度分布(或者光束尺寸)相同。
通過上述操作，紅色主光源光束、綠色主光源光束以及藍色主光源光束在二次光源的擴散表面上具有基本上相同的強度分布(或者光束尺寸)。因此，在具有每一個顏色(波長)的情況下，照明對象中觀察到的斑點噪聲的幅度可幾乎相等。
圖18B示出在圖17的橫截面A-A上的另一光束布置實例。在圖18B示出的實例中，每一個主光源光束的截面形狀是橢圓的。
即使在圖18B示出的實例中，寬度比最大光束寬度更窄的綠色主光源光束和藍色主光源光束的光束中心位置(即C2和C3)也與C0不一致。綠色主光源光束和藍色主光源光束布置在沿中心光軸C0平行移動后的位置。
即使在這種情況下，設置綠色主光源光束和藍色主光源光束的平行移動的范圍，使得綠色主光源光束和藍色主光源光束位于通過紅色主光源光束成形的最大半徑(R1＝W1/2)并且中心在C0上表示的光束的最大外圓周圓的內部。如圖17B所示，各主光源光束優選地布置為使得綠色主光源光束和藍色主光源光束在中心在C0上的最大外圓周圓中內切。
更優選地，可以布置具有窄光束寬度的綠色主光源光束和藍色主光源光束，使得綠色主光源光束和藍色主光源光束存在于從半徑R0延伸至半徑R1并且中心在C0上的范圍內。即紅色主光源光束、綠色主光源光束以及藍色主光源光束中的每一個包含光軸中心C0。這是因為防止在從光纖220的出射端輻射的光的遠視圖像中(即圖17中的光學系統的擴散器240的光學強度分布中)的中心位置處的亮度劣化并且實現實心形式。
通過上述操作，紅色主光源光束、綠色主光源光束以及藍色主光源光束在二次光源的擴散表面上具有基本上相同的強度分布(或者光束尺寸)。因此，在具有每一個顏色(波長)情況下，照明對象中觀察到的斑點噪聲的幅度可幾乎相等。
如第一實施方式中所描述，以上描述的圖17至圖18B中示出的光束的平行移動可以通過移動分色鏡DM來調節。
如圖19所示，準直透鏡(即準直器)230可以布置在光纖220與擴散器240之間。
以上已參考圖17至圖19具體描述了根據實施方式的照明設備的配置。
內窺鏡的配置
接下來，將參考圖20簡要描述根據實施方式的照明設備2用作照明光源的內窺鏡10的配置。圖20是示意性地示出包括根據實施方式的照明設備的內窺鏡的配置的說明性示圖。
通過將使用上述照明設備2作為光源射出的二次光源耦合至被包括在任意內窺鏡單元900中的光導901，可以獲得具有減小的斑點噪聲的拍攝的圖像。從二次光源引導至光導901的照明光通過光導901引導至內窺鏡體903，以引導至內窺鏡的末端部。
在此，其上安裝有照明設備2的內窺鏡單元900不具體限制，而是可以使用任意內窺鏡單元，只要內窺鏡單元900包括普通光導901即可。
通過將照明設備2的光纖220延伸直至內窺鏡的末端部并且安裝擴散器240，可以利用來自二次光源的照明光照亮觀測場。
以上已參考圖20簡要描述了包括根據實施方式的照明設備2的內窺鏡10。
驗證實例
在下文中，參照圖21至圖24，將描述在通過與光軸平行地移動激光源200(主光源)的軸而減小斑點噪聲的情況下，具體驗證斑點噪聲的減小程度的實例。
在圖21示出的實例中，用于綠色射出的半導體激發固態激光器用作激光源200。該激光器是輻射準直光束的激光源。在圖21中，通過使用具有1mm寬度的狹縫形成具有1mm光束寬度的主光源光束。通過使用具有1mm芯直徑的階躍折射率型多模光纖作為光纖220以及具有30mm焦距的集光透鏡L而使主光源光束聚光在光纖220的入射端面上。
照亮照射野的二次光源通過在距光纖220的出射端面5mm的位置處放置全息擴散板作為擴散器240而形成。通過在距二次光源的位置300mm的位置處放置測試圖并且利用CCD照相機對測試圖成像來測量斑點。
在圖21示出的實例中，通過在光軸方向上移動分色鏡DM以移動入射在集光透鏡L上的光的光軸中心，在每一個移動位置處測量斑點的量。圖22中示出獲得的測量結果。圖22的橫軸表示與光纖220的中心光軸C0的偏離量并且圖22的縱軸表示對應于斑點的量的斑點對比率(SCR)。
如從圖22中示出的結果很明顯，可以理解斑點的量隨著偏移量增加而減少。
在圖23示出的實例中，束光纖用作擴散器240。進一步，用于輻射準直光束的綠色射出用的半導體激發固態激光器用作激光源200。該激光器是輻射準直光束的激光源。在圖23示出的實例中，通過使用具有1mm寬度的狹縫形成具有1mm光束寬度的主光源光束。通過使用具有1mm芯直徑的階躍折射率型多模光纖作為光纖220以及具有30mm焦距的集光透鏡L而使主光源光束聚光在光纖220的入射端面上。
通過在距光纖220的出射端面10mm的位置處放置具有5mm束直徑的束光纖作為擴散器240而在束光纖的出射端面上形成照亮照射野的二次光源。通過在距二次光源的位置300mm的位置處放置測試圖并且利用CCD照相機對測試圖成像來測量斑點。
在圖23示出的實例中，通過在光軸方向上移動分色鏡DM以移動入射在集光透鏡L上的光的光軸中心，在每一個移動位置處測量斑點的量。圖24中示出獲得的測量結果。圖24的橫軸表示從光纖220的中心光軸C0的偏離量并且圖24的縱軸表示對應于斑點的量的斑點對比率(SCR)。
如從圖24中示出的結果很明顯，可以理解斑點的量隨著偏移量增加而減少。
第三實施方式
在下文中，將根據第三實施方式簡要描述如第一實施方式中描述的減小整個照明設備的斑點噪聲的方法以及如第二實施方式中描述的減少從光源射出的激光的斑點噪聲的方法的組合實例。
照明設備的配置
首先，將參考圖25描述根據本公開的第三實施方式的照明設備的配置。圖25是示意性地示出根據實施方式的照明設備的配置的說明性示圖。
如圖25中示意性地示出，根據實施方式的照明設備3包括激光源300、耦合光學系統310、光纖320、準直器330、擴散器340以及聚光器350。
至少一個激光源300安裝在照明設備3中并且射出具有預定波長的激光。在根據實施方式的照明設備3中，各種半導體激光器或者固態激光器可以用作激光源300，并且還可以使用激光器與波長轉換機構的組合。可以根據在照明對象中觀察到的物體或者現象適當地選擇從激光源300射出的激光的波長。波長的實例包括從約400nm至約700nm的波長的可見光波段或者用于ICG(吲哚菁綠)熒光成像的近紅外波段。當假設激光是用于熒光激發的激發光時，觀察到的熒光可以包括利用激發光輻射的部位的自發熒光或者來源于導入到輻射部位中的各種熒光試劑的化學劑熒光。
耦合光學系統310是將從激光源300射出的激光與安裝在后級處的光纖320光學地耦合的光學系統。耦合光學系統310的配置不具體限制。耦合光學系統310可以與現有技術的各種光學元件適當組合以將激光與光纖320光學地耦合，并且耦合光學系統310包括將激光與光纖320光學地耦合的至少一個集光透鏡(集光器透鏡)。
當多個激光源300組合以實現白色照明光時，除了耦合光學系統310中的集光透鏡之外，還進一步安裝有至少一個分色鏡或者分色棱鏡。通過分色鏡或者分色棱鏡多路復用從多個激光源300射出的多個激光的光束，以生成白光。多路復用光通過集光透鏡聚光以耦合至光纖320。
當組合使用多個激光源300時，優選地調準激光入射到的光纖320上的數值孔徑。然而，因為每一個激光的FFP不同，實際上難以調準入射的數值孔徑。因此，在這種情況下，在耦合光學系統310中，使用與第一實施方式和第二實施方式中描述的相同的方法安裝數值孔徑調節單元。
光纖320將通過耦合光學系統310引導的激光引導至安裝在后級處的準直器330。從光纖320射出的光變成旋轉對稱光束，其有助于亮度分布的均勻性。光纖320不具體限制，而是可以使用現有技術的多模光纖(例如階躍折射率型多模光纖)。光纖320的芯直徑也不具體限制。例如，可以使用具有約1mm芯直徑的光纖。
在根據實施方式的光纖320中，光引導至光纖320的入射端使得在光纖的入射端處多個光源之間的數值孔徑盡可能地一致。這時，例如，通過優化對從激光源射出的激光進行準直的透鏡的焦距，從光纖320的射出端射出的激光優選地變成實心光束而不是具有空心形式的光束，其中實心光束中在光纖的中心光軸附近的光量等于在光纖的周邊部的光量，空心形式光束中在光纖的中心光軸附近的光量小于周邊部的光量。
準直器330安裝在光纖320的出射端的下游并且將從光纖320射出的激光轉換為平行光通量。通過由準直器330將激光轉換為平行光通量，通過安裝在后級處的擴散器340中的擴散器340的擴散角可以容易地控制激光的擴散狀態。準直器330的配置不具體限制，而是可以適當組合現有技術的光學元件，使得現有技術的光學系統被配置為將激光轉換為平行光通量。
擴散器340安裝在準直器330的后側焦點位置附近，并且使從準直器330射出的平行光通量擴散以生成二次光源。即擴散器340中的光的射出端用作二次光源。
可以通過準直器330的焦距控制由擴散器340生成的二次光源的大小。可以通過擴散板的擴散角控制出射光的NA。通過兩個組成要件的效果，可以放大以上表達式2表示的拉格朗日不變量，并且因此，期望的光源大小和期望的照明范圍可以兼容。
當期望調節二次光源的尺寸時，可以通過來自光纖的出射NA和準直器的焦距優化二次光源的尺寸。
從擴散器340射出的光引導至聚光器350。聚光器350以預定的近軸橫向放大倍率形成至照明對象的通過擴散器340形成的二次光源的像。照明對象的的實例包括位于聚光器350下游并且安裝在內窺鏡單元中的光導的入射端。在此，根據實施方式的聚光器350與現有技術的聚光器不同，并且形成二次光源的像使得照明對象(例如，安裝在內窺鏡單元中的光導的入射端)的面積盡可能地填滿。因此，總的來說，照明設備3可以減小斑點噪聲。
聚光器350的像形成放大倍率(橫向放大倍率)beta通過聚光器的焦距f以及焦點位置F與物體面之間的距離X由以上表達式102表達。
進一步，在根據實施方式的照明設備3中，優選地控制二次光源的像的尺寸使得當phiLG是透射過聚光器350的二次光源入射到的光導的入射端的直徑并且Y'是二次光源的像的尺寸時，以上表達式106表達的關系成立。
可以適當地決定聚光器350的近軸橫向放大倍率beta，使得二次光源的像的大小Y'滿足以上表達式106的范圍并且更優選地滿足大于或等于0.4且小于或等于2.3。
以上已參考圖25詳細描述了根據實施方式的照明設備3的配置。
內窺鏡的配置
接下來，將參考圖26簡要描述根據實施方式的照明設備3用作照明光源的內窺鏡10的配置。圖26是示意性地示出包括根據實施方式的照明設備的內窺鏡的配置的說明性示圖。
通過使用上述照明設備3作為光源，通過聚光器在被包括于任意內窺鏡單元900內的光導901中形成光源的像，使得可以獲得具有減小的斑點噪聲的照明光。引導至光導901的照明光，通過光導901引導至內窺鏡體903，以引導至內窺鏡的末端部。
在此，其上安裝有照明設備3的內窺鏡單元900不具體限制，而是只要內窺鏡單元900包括普通光導901，就可以使用任意內窺鏡單元。相反，當期望使用包括具體的光導901的內窺鏡單元900時，可以根據光導901的可允許的入射的數值孔徑NAL，設定根據實施方式的照明設備3的二次光源的像的尺寸Y'或者聚光器350的近軸橫向放大倍率beta。
以上已參考圖26簡要描述了包括根據實施方式的照明設備3的內窺鏡10。
應當理解，只要它們在所附權利要求或其等同物的范圍內，通過本領域中的技術人員根據設計要求和其他因素可以出現各種修改、組合、子組合以及變更。
例如，除了上述第三實施方式中描述的技術精神之外，在第一實施方式中描述的各種技術精神可以應用于第二實施方式并且在第二實施方式中描述的各種技術精神可以應用于第二實施方式也可以應用于第一實施方式。
本說明書中描述的效果僅是說明性的和示范性的，并非限制性的。換言之，伴隨或者代替基于本說明書的效果，根據本公開的技術可以表現出對于本領域中的技術人員很明顯的其他效果。
另外，本技術也可以如下配置。
(1)一種照明設備，包括：
被配置為射出激光的至少一個激光源；
耦合光學系統，被配置為將從激光源射出的激光耦合至光纖；
準直光學系統，被配置為將從光纖射出的激光轉換為平行光通量；
擴散構件，布置在準直光學系統的后側焦點位置附近并且被配置為通過擴散平行光通量生成二次光源；以及
聚光光學系統，被配置為在光導的入射端處以預定的近軸橫向放大倍率形成二次光源的像。
(2)根據(1)的照明設備，其中，當Y'是通過聚光光學系統在光導的入射端處形成的二次光源的像的尺寸并且phiLG是光導的入射端的直徑時，以下表達式1表達的關系成立：
[數學式12]
(3)根據(1)或(2)的照明設備，其中，聚光光學系統的近軸橫向放大倍率處于0.4至2.3的范圍內。
(4)根據(2)或(3)的照明設備，其中，當Y'是通過聚光光學系統在光導的入射端處形成的二次光源的像的尺寸并且phiLG是光導的入射端的直徑時，Y'＝phiLG的關系成立。
(5)根據(1)至(4)中任一項的照明設備，
其中，安裝有多個激光源，并且
其中，耦合光學系統包括被配置為調準從激光源射出的激光的光束之間的在光纖上的入射的數值孔徑的數值孔徑調節單元。
(6)根據(5)的照明設備，
其中，數值孔徑調節單元至少包括分色鏡或分色棱鏡，并且根據激光入射在分色鏡或分色棱鏡上的位置或者根據分色鏡或分色棱鏡相對于耦合光學系統的中心光軸的定位位置調節入射的數值孔徑。
(7)根據(1)至(6)中任一項的照明設備，其中，透射耦合光學系統的激光的光束中的至少一個，以相對于入射端面的法線的傾斜方向入射到光纖的入射端面上。
(8)根據(1)至(7)中任一項的照明設備，
其中，安裝有多個激光源，
其中，當Y'是通過聚光光學系統在光導的入射端處形成的二次光源的像的尺寸并且phiLG是光導的入射端的直徑時，在激光源中的至少一個內，以下表達式1表達的關系成立：
[數學式13]
以及
其中，在除了激光源中的該至少一個以外的激光源內，耦合光學系統包括被配置為調準從激光源射出的激光的光束之間的在光纖上的入射的數值孔徑的數值孔徑調節單元。
(9)根據(1)至(8)中任一項的照明設備，其中，聚光光學系統通過透鏡系統形成，在透鏡系統中，在形成二次光源側上的表面是平面并且形成二次光源的像的表面是平面。
(10)根據(9)的照明設備，其中，聚光光學系統通過透鏡系統形成，透鏡系統從擴散構件的一側起依次包括具有平面定向朝著擴散構件的正的平凸透鏡、一個或多個正透鏡、以及具有平面定向為朝著聚光光學系統的后端的正的平凸透鏡。
(11)根據(9)的照明設備，其中，在擴散構件的側上的位于離形成聚光光學系統中的二次光源的側最近的平凸透鏡的表面是非球面表面。
(12)根據(1)至(11)中任一項的照明設備，其中，激光源是半導體激光器和固態激光器中的至少一個。
(13)根據(1)至(12)中任一項的照明設備，其中，擴散構件是應用全息圖案的全息擴散板或者微透鏡陣列。
(14)一種照明方法，包括：
將通過至少一個激光源射出的激光經由耦合光學系統耦合至光纖；
通過準直光學系統將從光纖射出的激光轉換為平行光通量；
通過布置在準直光學系統的后側焦點位置附近的擴散構件擴散平行光通量以生成二次光源；以及
在光導的入射端處以預定的近軸橫向放大倍率形成二次光源的像。
(15)一種內窺鏡，包括：
照明設備，包括：射出激光的至少一個激光源、將從激光源射出的激光耦合至光纖的耦合光學系統、將從光纖射出的激光轉換為平行光通量的準直光學系統、布置在準直光學系統的后側焦點位置附近并且通過擴散平行光通量生成二次光源的擴散構件，以及在光導的入射端處以預定的近軸橫向放大倍率形成二次光源的像的聚光光學系統；以及
光導，從照明設備射出的激光入射到光導上。
(16)一種照明設備，包括：
被配置為射出激光的至少一個激光源；
光纖，從激光源射出的激光入射到光纖上；以及
擴散構件，被配置為通過擴散從光纖射出的激光生成二次光源，
其中，激光以相對于入射端面的法線傾斜的方向入射到光纖的入射端面上。
(17)根據(16)的照明設備，其中，激光經由至少包括聚光透鏡的耦合光學系統入射到光纖上，并且激光平行于通過聚光透鏡和光纖形成的光軸且在偏離光軸的中心的位置處入射到聚光透鏡上。
(18)根據(16)的照明設備，其中，激光經由將激光轉換為平行光通量的準直透鏡以及至少包括安裝在準直透鏡的后端處的聚光透鏡的耦合光學系統入射到光纖上，并且平行于通過聚光透鏡和光纖形成的光軸且在偏離光軸的中心的位置處入射到聚光透鏡上。
(19)根據(18)的照明設備，
其中，安裝有多個激光源，并且
其中，至少平行光通量的光束寬度窄的激光平行于通過聚光透鏡和光纖形成的光軸并且在偏離光軸的中心的位置處入射。
(20)根據(16)至(19)中任一項的照明設備，其中，將從光纖射出的激光轉換為平行光通量的準直透鏡布置在光纖與擴散構件之間。
(21)根據(16)至(20)中任一項的照明設備，其中，當thetafiber是光纖的可允許的入射角、thetabeam是在光纖的入射端面上的激光的聚光角以及theta是在光纖的入射端面上的光纖的光軸與激光的中心光軸之間形成的角度時，以下表達式2表達的關系成立：
[數學式14]
(θ+θbeam)≤θfiber ...(表達式2)。
(22)根據(16)至(21)中任一項的照明設備，其中，當thetabeam是在光纖的入射端面上的激光的聚光角并且theta是在光纖的入射端面上的光纖的光軸與激光的中心光軸之間形成的角度時，以下表達式2-2表達的關系成立：
[數學式15]
θ≤θbeam ...(表達式2-2)。
(23)根據(18)至(20)中任一項的照明設備，其中，當WA是平行光通量的光束寬度、f是聚光透鏡的焦距、thetafiber是光纖的可允許的入射角以及DA是距光軸的中心的偏移量時，以下表達式3表達的關系成立：
[數學式16]
(WA/2)+DA≤(fxsin(θfiber)) ...(表達式3)。
(24)根據(18)至(20)以及(23)中任一項的照明設備，其中，當WA是平行光通量的光束寬度并且DA是距光軸的中心的偏移量時，以下表達式3-2表達的關系成立：
[數學式17]
(25)根據(19)、(20)以及(23)中任一項的照明設備，其中，在垂直于光軸的橫截面上，平行光通量中的每一個在中心在光軸上的圓中內切。
(26)根據(19)、(20)以及(24)中任一項的照明設備，其中，在垂直于光軸的橫截面上，平行光通量中的每一個包括光軸。
(27)根據(19)、(20)、(25)以及(26)中任一項的照明設備，其中，從多個激光源射出的激光的波長至少形成白光。
(28)根據(16)至(27)中任一項的照明設備，其中，擴散構件是擴散板或者束光纖。
(29)根據(16)至(28)中任一項的照明設備，其中，激光源是半導體激光器和固態激光器中的一個。
(30)一種照明方法，包括：
將從至少一個激光源射出的激光引導至光纖；以及
通過擴散元件擴散從光纖射出的激光生成二次光源，
其中，激光以相對于入射端面的法線傾斜的方向入射到光纖的入射端面上。
(31)一種內窺鏡，包括：
照明設備，包括被配置為射出激光的至少一個激光源、從激光源射出的激光入射到的光纖、以及被配置為通過擴散從光纖射出的激光生成二次光源的擴散元件，
其中，激光以相對于入射端面的法線傾斜的方向入射到光纖的入射端面上。
(32)一種照明裝置，包括：
被配置為光學地處理激光以產生照明光的光學裝置，光學裝置包括：
被配置為對激光進行準直的至少一個準直器；以及
被配置為擴散激光的擴散器。
(33)根據(32)的照明裝置，其中，光學裝置進一步包括：
光纖；以及
被配置為將激光提供至光纖的至少一個集光器。
(34)根據(33)的照明裝置，其中，擴散器被配置為從光纖直接或者間接地接收激光。
(35)根據(32)至(34)中任一項的照明裝置，進一步包括：
多個激光源，包括：
第一激光源，被配置為射出第一波長的第一激光；以及
第二激光源，被配置為射出第二波長的第二激光，
其中，光學裝置被配置為組合第一激光和第二激光以產生照明光。
(36)根據(35)的照明裝置，其中，多個激光源進一步包括被配置為射出第三波長的第三激光的第三激光源，其中，光學裝置被配置為組合第一激光、第二激光以及第三激光以產生照明光，其中，照明光包括白光。
(37)根據(32)至(36)中任一項的照明裝置，其中，光學裝置被配置為處理激光使得減小照明光中的斑點噪聲。
(38)根據(32)至(37)中任一項的照明裝置進一步包括被配置為接收激光的聚光器。
(39)根據(38)的照明裝置，其中，聚光器被配置為從擴散器接收光。
(40)根據(38)或者(39)的照明裝置，其中，聚光器被配置為將激光提供至光導。
(41)根據(32)的照明裝置，其中，光學裝置進一步包括：
光纖；
被配置為將激光提供至光纖的至少一個集光器；以及
聚光器；
其中，至少一個準直器被配置為從光纖接收激光。
(42)根據(41)的照明裝置，其中，聚光器被配置為將激光提供至光導。
(43)根據(32)的照明裝置，其中，光學裝置進一步包括：
光纖；以及
至少一個集光器，被配置為從至少一個準直器接收激光并且將激光提供至光纖，
其中，擴散器被配置為從光纖接收激光。
(44)根據(43)的照明裝置，其中，光纖被配置為以相對于光纖的入射端面的法線傾斜的角接收激光。
(45)根據(44)的照明裝置，其中，至少一個準直器包括準直透鏡，并且其中，來自準直透鏡的平行光通量的中心軸與至少一個集光器的光軸成一直線。
(46)根據(42)中任一項的照明裝置，其中，至少一個準直器包括至少一個準直透鏡，并且其中，來自至少一個準直透鏡的平行光通量的中心軸相對于至少一個集光器的光軸在位置上偏移。
(47)根據(46)的照明裝置，其中，至少一個準直透鏡包括被配置為對第一波長的第一激光進行準直的第一準直透鏡和被配置為對第二波長的第二激光進行準直的第二準直透鏡，其中，在來自第一準直透鏡和第二準直透鏡的第一激光和第二激光到達至少一個集光器的位置處，來自第一準直透鏡的平行光通量的中心軸相對于來自第二準直透鏡的平行光通量的中心軸在位置上偏移。
(48)根據(32)的照明裝置，其中，至少一個準直器是至少一個第一準直器，并且照明裝置進一步包括：
光纖；
至少一個集光器，被配置為將激光提供至光纖；以及
至少一個第二準直器，被配置為從光纖接收激光，
其中，至少一個第一準直器包括被配置為對第一波長的第一激光進行準直的第一準直透鏡和被配置為對第二波長的第二激光進行準直的第二準直透鏡，
其中，在來自第一準直透鏡和第二準直透鏡的第一激光和第二激光到達至少一個集光器的位置處，來自第一準直透鏡的平行光通量的中心軸相對于來自第二準直透鏡的平行光通量的中心軸在位置上偏移。
其中，擴散器被配置為從至少一個第二準直器接收激光。
(49)一種醫療成像系統，包括：
被配置為射出激光的至少一個激光源；
照明裝置，包括：
光學裝置，被配置為光學地處理激光以產生照明光，光學裝置包括：
被配置為對激光進行準直的至少一個準直器；以及
被配置為擴散激光的擴散器；以及
被配置為接收照明光的醫療成像設備。
(50)根據(49)的醫療成像系統，其中，醫療成像設備是內窺鏡。
(51)一種照明方法，包括：
光學地處理激光以產生照明光，至少部分通過：
A)對激光進行準直；以及
B)擴散激光。
參考符號列表
1，2，3 照明設備
100，200，300 激光源
110，210，310 耦合光學系統
120，220，320 光纖
130，230，330 準直器
140，240，340 擴散器
150，250，350 聚光器
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