JP2001117012A - 照明レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｆナンバーが小さくレンズ枚数の少ない２群
ズームタイプの照明レンズを提供すること。 【解決手段】 光源装置１０６から発した照明光は、コ
ンデンサレンズ１０７により収束されてライトガイドフ
ァイバーバンドル１０５の入射端面１０５ａに入射す
る。ライトガイドファイバーバンドル１０５により伝達
された照明光は、その射出端面から発散光として射出
し、照明レンズ３１０、プリズム３２０を介して対象物
を照明する。照明レンズ３１０は、照明光の入射側から
順に、３枚の正レンズのみで構成される第１群Ｇ1と１
枚の負レンズのみで構成される第２群Ｇ2とが配列され
ることにより構成された２群タイプのズームレンズであ
る。第１群Ｇ1と第２群Ｇ2とは、対象物に照射される照
明光の発散度を変化させるように、それぞれ光軸方向に
移動可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源から導かれた
照明光を対象物に照射する照明レンズに関し、特に、照
明光の発散度を変化させることにより対象物までの距離
を変えずに照明領域を変化させることが可能な照明レン
ズに関する。

【０００２】

【従来の技術】手術用顕微鏡には、対象物を照明する照
明光学系が付属している。照明光学系は、照明光を発す
る光源と、この光源から発する照明光を顕微鏡の観察光
学系の近傍に導くライトガイドファイバーと、このライ
トガイドファイバーから射出する照明光により対象物を
照明する照明レンズとを備えている。

【０００３】手術用顕微鏡は、観察倍率を変化させるた
めに一般にズームレンズを備えており、このような変倍
式の手術用顕微鏡に適用して対象物を効率的に照明する
ためには、照明光学系の照明領域も可変であることが望
ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
照明レンズは、固定して配置された単一、または複数枚
のレンズから構成され、照明領域を変化させることがで
きなかった。照明領域を可変とするためには、照明レン
ズにもズームレンズを用いる必要がある。ズームレンズ
としては、２群タイプが最も構成が単純であり、撮影レ
ンズとしては従来から種々の２群タイプズームレンズが
知られている。

【０００５】ただし、一般に、撮影レンズは、収差を良
好に補正するために構成枚数が照明レンズより多く、コ
ストが高くなる。また、ファイバーバンドルから発する
発散光を効率よく取り込むためには、入射側のＦナンバ
ーを小さくする必要があるが、Ｆナンバーの小さな撮影
レンズは特に構成レンズ枚数が多くなる傾向がある。

【０００６】本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、Ｆナンバーが小さくレンズ枚
数の少ない２群ズームタイプの照明レンズを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の照明レンズは、
照明光の入射側から順に、正レンズのみで構成される第
１群と負レンズのみで構成される第２群とが配列されて
構成され、第１群と第２群とが、対象物に照射される照
明光の発散度を変化させるように、それぞれ光軸方向に
移動可能であることを特徴とする。

【０００８】照明光学系は、対象物を均一に照明するこ
とができればよく、結像を目的とする撮影光学系と比較
して収差補正の要求レベルは低い。本発明は、このよう
な照明系と撮影系と相違点に着目し、撮影レンズで公知
の２群タイプのズームレンズを基本としつつ、第１群を
正レンズのみ、第２群を負レンズのみで構成しても照明
光学系としては充分な性能が得られることを見いだして
なされたものである。このような構成によれば、全体の
レンズ構成枚数を公知の２群タイプズームレンズと比較
して大幅に削減することができる。

【０００９】なお、第１群は、２枚以上、望ましくは３
枚の正レンズから構成されることが望ましい。ファイバ
ーバンドルから射出する発散光を効率よく取り込むため
には、前述のようにＦナンバーを小さく保つ必要があ
り、Ｆナンバーを小さくしても照明の均一性を崩さない
ためには、全系の球面収差をある程度小さく抑える必要
がある。そこで、特に球面収差の発生量が大きい第１群
については、上記のように２枚以上としてパワーを分散
させ、球面収差の発生を小さく抑えることが望ましい。

【００１０】また、第２群は、１枚の負レンズから構成
されることが望ましい。これにより、照明レンズ全体の
サイズ、重量を小さく抑えることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
かかる照明レンズの実施の形態を説明する。図１は、実
施形態の照明レンズが適用された照明光学系３００の説
明図である。なお、図１に示す照明光学系は、後述する
実施例１に対応する照明レンズを利用しているが、これ
に代えて実施例２，３の照明レンズを用いることもでき
る。

【００１２】照明光学系３００は、照明光を発する光源
装置１０６、コンデンサレンズ１０７、ライトガイドフ
ァイバーバンドル１０５、照明レンズ３１０、プリズム
３２０を備えている。光源装置１０６から発した照明光
は、コンデンサレンズ１０７により収束されてライトガ
イドファイバーバンドル１０５の入射端面１０５ａに入
射する。ライトガイドファイバーバンドル１０５により
伝達された照明光は、その射出端面１０５ｂから発散光
として射出し、照明レンズ３１０、プリズム３２０を介
して対象物を照明する。

【００１３】照明レンズ３１０は、照明光の入射側から
順に、３枚の正レンズのみで構成される第１群Ｇ1、絞
りＳ、及び１枚の負レンズのみで構成される第２群Ｇ2
が配列されることにより構成された２群タイプのズーム
レンズである。第１群Ｇ1は、正メニスカスの第１レン
ズ３１１，正メニスカスの第２レンズ３１２、両凸の第
３レンズ３１３から構成され、第２群Ｇ2は両凹の第４
レンズ３１４により構成されている。第１群Ｇ1と第２
群Ｇ2とは、対象物に照射される照明光の発散度を変化
させるように、それぞれ光軸方向に移動可能である。な
お、プリズム３２０は、照明領域を照明光学系とは別に
設けられる撮影光学系の撮影範囲に合わせるため、照明
光の射出方向を照明レンズ３１０の光軸に対して傾ける
作用を有する。

【００１４】上記のように照明レンズ３１０の第１群Ｇ
1を正レンズのみ、第２群Ｇ2を負レンズのみで構成して
も照明レンズとしては充分な性能が得られる。このよう
な構成によれば、全体のレンズ構成枚数を公知の２群タ
イプズームレンズと比較して大幅に削減することができ
る。また、第１群Ｇ1の正のパワーを２枚のメニスカス
レンズと１枚の両凸レンズとに分散させているため、球
面収差の発生量を抑えることができ、Ｆナンバーを小さ
くしても照明の均一性を保つことが可能となる。

【００１５】次に、上記の照明光学系３００の適用例と
して、照明光学系３００を組み込んだ立体視顕微鏡の構
成について図２に基づいて説明する。顕微鏡光学系は、
被写体の像を電子的に撮影する撮影光学系２００と、照
明用光学系３００とから構成されている。撮影光学系２
００は、単一の光軸を持つ大径のクローズアップ光学系
２１０、及び左右一対のズーム光学系２２０，２３０か
ら構成される対物光学系と、この対物光学系により形成
された被写体の一次像をリレーして被写体の二次像を形
成する左右一対のリレー光学系２４０，２５０と、これ
らのリレー光学系２４０，２５０からの被写体光を互い
に近接させる輻輳寄せプリズム２６０とを備えている。
また、ズーム光学系２２０，２３０による一次像の形成
位置には、視野絞り２７０，２７１がそれぞれ配置され
ており、リレー光学系２４０，２５０には光路を直角に
偏向するペンタプリズム２７２，２７３がそれぞれ配置
されている。

【００１６】リレー光学系２４０，２５０によってリレ
ーされた被写体光は、ハイビジョンＣＣＤカメラ１０２
内に導入され、ハイビジョンサイズ（縦横のアスペクト
比＝９：１６）の撮像面を有するＣＣＤにおける左右の
各撮像領域（縦横のアスペクト比＝９：８）に夫々二次
像として再結像される。ＣＣＤの出力信号は、画像プロ
セッサによってハイビジョン信号として生成され、図示
せぬディスプレイに表示される。術者は、所定の立体視
ビューアを用いてディスプレイを観察することにより、
被写体を立体的に観察することができる。

【００１７】クローズアップ光学系２１０は、物体側か
ら順に負の第１レンズ群２１１と正の第２レンズ群２１
２とが配列されることにより構成される。第２レンズ群
２１２は、光軸方向に移動可能であり、その移動調整に
より異なる距離の被写体に対して焦点を合わせることが
できる。すなわち、クローズアップ光学系２１０は、被
写体がその焦点位置に位置するよう調整され、被写体か
らの発散光をほぼ平行光に変換するコリメート機能を有
する。

【００１８】クローズアップ光学系２１０の第１，第２
レンズ群２１１，２１２は、光軸方向から見た平面形状
がいずれもＤカットされたほぼ半円形状であり、このカ
ットされた部分に照明光学系３００の照明レンズ３１０
及びプリズム３２０が配置されている。

【００１９】一対のズーム光学系２２０，２３０は、ク
ローズアップ光学系２１０のそれぞれ異なる位置を透過
した無限遠結像の被写体光を視野絞り２７０，２７１の
位置にそれぞれ結像させる。一方のズーム光学系２２０
は、クローズアップ光学系２１０側から順に、正、負、
負、正のパワーをそれぞれ有する第１〜第４レンズ群２
２１，２２２，２２３，２２４により構成され、第１，
第４レンズ群２２１，２２４を固定し、第２，第３レン
ズ群２２２，２２３を光軸方向に移動させてズーミング
を行う。

【００２０】他方のズーム光学系２３０も、上記のズー
ム光学系２２０と同一構成であり、第１〜第４レンズ群
２３１，２３２，２３３，２３４から構成される。これ
らのズーム光学系２２０，２３０は、図示せぬ駆動機構
により連動し、左右の画像の撮影倍率を同時に変化させ
ることができる。ズーム光学系２２０，２３０の光軸Ａ
ｘ2，Ａｘ3は、クローズアップ光学系２１０の光軸Ａｘ
1に対して平行であり、ズーム光学系２２０，２３０の
光軸Ａｘ2，Ａｘ3を含む平面が、この平面と平行なクロ
ーズアップ光学系２１０のメリディオナル面に対し、Ｄ
カット部の反対側に所定距離だけ離れている。

【００２１】視野絞り２７０，２７１は、ズーム光学系
２２０，２３０により形成される一次像の位置に配置さ
れている。視野絞り２７０，２７１は、外形が円形状で
左右方向のそれぞれ内側に半円形の開口を有している。
各視野絞り２７０，２７１は、この開口の直線状のエッ
ジがＣＣＤ上での左右画像の境界線に相当する方向に一
致し、それより内側の光束のみを透過させるように配置
されている。

【００２２】リレー光学系２４０，２５０は、上述のよ
うにズーム光学系２２０，２３０により形成された一次
像を再結像させる作用を持ち、いずれも３枚の正レンズ
群により構成される。一方のリレー光学系２４０は、単
一の正メニスカスレンズから構成される第１レンズ群２
４１と、負、正の貼合わせで構成され、全体として正の
パワーを持つ第２レンズ群２４２と、単一の両凸レンズ
から構成される第３レンズ群２４３とから構成されてい
る。第１レンズ群２４１と第２レンズ群２４２との間に
は、光路を直角に偏向するペンタプリズム２７２が配置
され、第２レンズ群２４２と第３レンズ群２４３との間
には光量調節用の明るさ絞り２４４が設けられている。

【００２３】他方のリレー光学系２５０も、上記のリレ
ー光学系２４０と同一構成であり、第１、第２、第３レ
ンズ群２５１，２５２，２５３から構成され、第１レン
ズ群２５１と第２レンズ群２５２との間には、ペンタプ
リズム２７３が配置され、第２レンズ群２５２と第３レ
ンズ群２５３との間には明るさ絞り２５４が設けられて
いる。

【００２４】視野絞り２７０，２７１を通過した発散光
は、リレー光学系の第１レンズ群２４１，２５１及び第
２レンズ群２４２，２５２により再びほぼ平行光に変換
され、明るさ絞り２４４，２５４を通過した後、第３レ
ンズ群２４３，２５３により再度ＣＣＤ上に結像して二
次像を形成する。

【００２５】リレー光学系２４０，２５０とＣＣＤカメ
ラ１０２との間に配置された輻輳寄せプリズム２６０
は、それぞれのリレー光学系２４０，２５０からの被写
体光の左右の間隔を狭める機能を有する。立体視による
立体感を得るためには左右のズーム光学系２２０，２３
０、リレー光学系２４０，２５０の間には所定の基線長
が必要である。他方、ＣＣＤ上の隣接した領域に二次像
を形成するためには光軸間の距離を基線長より小さくす
る必要がある。そこで、輻輳寄せプリズム２６０によ
り、リレー光学系の光軸をそれぞれ内側にシフトさせる
ことにより、所定の基線長を確保しつつ同一ＣＣＤ上へ
の結像を可能としている。

【００２６】照明光学系３００は、ライトガイドファイ
バーバンドル１０５、照明レンズ３１０、プリズム３２
０とを備えている。照明レンズ３１０の光軸Ａｘ4は、
クローズアップ光学系２１０の光軸Ａｘ1と平行であ
り、かつ、所定量偏心しているため、このままでは照明
範囲の中心と撮影範囲の中心とが一致せず、照明光量が
無駄になる。プリズム３２０を設けることにより、上記
の不一致を解消でき、照明光量を有効に利用することが
できる。

【００２７】以下、上記の実施形態にかかる照明レンズ
３１０の具体的な実施例を３例説明する。

【００２８】

【実施例１】図３は、実施例１にかかる照明レンズの最
短焦点距離におけるレンズ配置を示し、図４は、図３の
状態でレンズから400mm離れた対象物上での照度分布の
シミュレーション結果を示すグラフである。また、図５
は、実施例１の照明レンズの最長焦点距離におけるレン
ズ配置、図６は、図５の状態での図４と同様のシミュレ
ーション結果を示すグラフである。

【００２９】実施例１では、第１群Ｇ1が３枚の正レン
ズ、第２群Ｇ2が１枚の負レンズから構成される。実施
例１の照明レンズの具体的な数値構成は、表１に示され
る。表中、ｒは曲率半径(単位：mm)、ｄはレンズ厚若し
くは空気間隔(単位：mm)、ｎ_eはe-line(546nm)での屈折
率、ν_eは546nmを中心とした部分分散値である。面番号
０はライトガイドファイバーバンドル１０５の射出端面
１０５ｂ、面番号１〜６が第１群Ｇ1、Ｓは絞り、面番
号７、８が第２レンズ群Ｇ2、面番号９，１０がプリズ
ムを示す。また、ズーミングに伴う焦点距離ｆ(単位：m
m)、FナンバーFno、レンズ群間隔の変化は、表２に示さ
れる。表２中、d0は射出端面１０５ｂと第１面との距
離、dsは絞りと第７面との距離、d8は第８面と第９面と
の間の距離を示す。

【００３０】

【表１】 面番号 ｒ ｄ ｎ_e ν_e 0 ∞ 可変 1 -21.599 8.720 1.77621 49.3 2 -18.000 0.200 3 -79.392 5.190 1.77621 49.3 4 -33.000 0.200 5 91.368 4.390 1.77621 49.3 6 -116.725 0.200 S ∞ 可変 7 -32.300 3.430 1.51825 63.9 8 189.000 可変 9 ∞ 2.000 1.51825 63.9 10 ∞ 400.000

【００３１】

【表２】 f 11.0 30.0 Fno 1.1 1.4 d0 15.720 23.277 ds 70.813 6.128 d8 5.288 62.415

【００３２】実施例１の構成では、焦点距離fが最短の1
1.0mmとなるとき、図３に示すように第１群Ｇ1と第２群
Ｇ2との間隔が最大となり、射出端面１０５ｂの一点か
ら発した光は照明レンズを射出した後に平行光となる。
したがって、射出端面１０５ｂの最も周縁部から発した
光が、照明レンズの射出後にはその光軸に対して最大の
角度を持つ平行光となり、この角度が照明光束全体での
最大開き角となる。ライトガイドファイバーバンドル１
０５の直径を４ｍｍとすると、最大開き角は１０．５度
となり、レンズから400mm離れた対象物上で直径約１６
５ｍｍの照明領域が得られる(図４参照)。なお、ここで
は照明領域は、照度がピーク値の１／２を越える領域と
して定義されている。

【００３３】一方、焦点距離fが最長の30.0mmとなると
き、図５に示すように第１群Ｇ1と第２群Ｇ2との間隔が
最小となり、射出端面１０５ｂの最も周縁部から発した
光の光軸に対する角度、すなわち最大開き角は３．９度
となり、レンズから400mm離れた対象物上で直径約６０
ｍｍの照明領域が得られる(図６参照)。

【００３４】

【実施例２】図７は、実施例２にかかる照明レンズの最
短焦点距離におけるレンズ配置を示し、図８は、図７の
状態でレンズから400mm離れた対象物上での照度分布の
シミュレーション結果を示すグラフである。また、図９
は、実施例２の照明レンズの最長焦点距離における図８
と同様のシミュレーション結果を示すグラフである。

【００３５】実施例２では、第１群Ｇ1が２枚の正レン
ズ、第２群Ｇ2が１枚の負レンズから構成される。実施
例２の照明レンズの具体的な数値構成は、表３に示され
る。面番号０はライトガイドファイバーバンドル１０５
の射出端面１０５ｂ、面番号１〜４が第１群Ｇ1、Ｓは
絞り、面番号５、６が第２レンズ群Ｇ2、面番号７，８
がプリズムを示す。また、ズーミングに伴う焦点距離ｆ
(単位：mm)、FナンバーFno、レンズ群間隔の変化は、表
４に示される。

【００３６】

【表３】 面番号 ｒ ｄ ｎ_e ν_e 光源 ∞ 可変 1 -26.383 8.720 1.88814 40.5 2 -18.289 0.200 3 120.279 4.470 1.88814 40.5 4 -55.132 0.200 絞り ∞ 可変 5 -26.875 3.000 1.69979 55.3 6 -81.509 可変 7 ∞ 2.000 1.51825 63.9 8 ∞ 400.000

【００３７】

【表４】 f 11.0 30.0 Fno 1.1 1.3 d0 17.152 23.876 ds 75.765 5.150 d6 5.000 68.891

【００３８】実施例２の構成では、焦点距離fが最短の1
1.0mmとなるとき照明領域が最大となり、焦点距離が最
長の30.0mmとなるとき照明領域が最小となる。各焦点距
離における照明領域の大きさは、実施例１と同様である
(図８，図９参照)。

【００３９】

【実施例３】図１０は、実施例３にかかる照明レンズの
最短焦点距離におけるレンズ配置を示し、図１１は、図
１０の状態でレンズから400mm離れた対象物上での照度
分布のシミュレーション結果を示すグラフである。ま
た、図１２は、実施例３の照明レンズの最長焦点距離に
おける図１１と同様のシミュレーション結果を示すグラ
フである。

【００４０】実施例３では、第１群Ｇ1が３枚の正レン
ズ、第２群Ｇ2が２枚の負レンズから構成される。実施
例３の照明レンズの具体的な数値構成は、表５に示され
る。面番号０はライトガイドファイバーバンドル１０５
の射出端面１０５ｂ、面番号１〜６が第１群Ｇ1、Ｓは
絞り、面番号７〜１０が第２レンズ群Ｇ2、面番号１
１，１２がプリズムを示す。また、ズーミングに伴う焦
点距離ｆ(単位：mm)、FナンバーFno、レンズ群間隔の変
化は、表６に示される。

【００４１】

【表５】 面番号 ｒ ｄ ｎ_e ν_e 0 ∞ 可変 1 -19.483 8.720 1.77621 49.3 2 -17.476 0.200 3 -90.440 4.460 1.77621 49.3 4 -33.210 0.200 5 86.538 3.930 1.77621 49.3 6 -120.704 0.000 絞り ∞ 可変 7 -56.458 3.000 1.51825 63.9 8 ∞ 3.130 9 -28.085 3.000 1.51825 63.9 10 -63.352 可変 11 ∞ 2.000 1.51825 63.9 12 ∞ 400.000

【００４２】

【表６】 f 11.0 30.0 Fno 1.1 1.4 d0 15.671 23.344 ds 66.860 5.079 d10 5.000 59.108

【００４３】実施例３の構成では、焦点距離fが最短の1
1.0mmとなるとき照明領域が最大となり、焦点距離が最
長の30.0mmとなるとき照明領域が最小となる。各焦点距
離における照明領域の大きさは、実施例１と同様である
(図１１，図１２参照)。

【００４４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、正レンズのみから構成される第１群と負レンズのみ
から構成される第２群とから成る単純な構成で、照明系
としては充分な性能を有する２群ズームタイプの照明レ
ンズを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の照明レンズが適用された
照明光学系の説明図。

【図２】 実施形態の照明光学系を組み込んだ立体視顕
微鏡内の光学構成を示す説明図。

【図３】 実施例１にかかる照明レンズの最短焦点距離
におけるレンズ配置を示すレンズ図。

【図４】 実施例１にかかる照明レンズの最短焦点距離
における対象物上での照度分布のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図５】 実施例１にかかる照明レンズの最長焦点距離
におけるレンズ配置を示すレンズ図。

【図６】 実施例１にかかる照明レンズの最長焦点距離
における対象物上での照度分布のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図７】 実施例２にかかる照明レンズの最短焦点距離
におけるレンズ配置を示すレンズ図。

【図８】 実施例２にかかる照明レンズの最短焦点距離
における対象物上での照度分布のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図９】 実施例２にかかる照明レンズの最長焦点距離
における対象物上での照度分布のシミュレーション結果
を示すグラフ。

【図１０】 実施例３にかかる照明レンズの最短焦点距
離におけるレンズ配置を示すレンズ図。

【図１１】 実施例３にかかる照明レンズの最短焦点距
離における対象物上での照度分布のシミュレーション結
果を示すグラフ。

【図１２】 実施例３にかかる照明レンズの最長焦点距
離における対象物上での照度分布のシミュレーション結
果を示すグラフ。

【符号の説明】

１０５ ライトガイドファイバーバンドル １０６ 光源装置 １０７ コンデンサレンズ ３００ 照明光学系 ３１０ 照明レンズ Ｇ1 第１群 Ｇ2 第２群 ３２０ プリズム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H087 KA09 LA24 PA03 PA04 PA05 PA17 PB03 PB04 PB05 QA03 QA06 QA12 QA21 QA25 QA26 QA37 QA39 QA41 QA42 QA45 RA36 RA41 SA06 SA10 SA62 SA63 SB03 SB04 SB12 SB13

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から導かれた照明光を対象物に照射
   する照明レンズにおいて、 照明光の入射側から順に、正レンズのみで構成される第
   １群と負レンズのみで構成される第２群とが配列されて
   構成され、前記第１群と前記第２群とは、前記対象物に
   照射される照明光の発散度を変化させるように、それぞ
   れ光軸方向に移動可能であることを特徴とする照明レン
   ズ。
2. 【請求項２】 前記第１群は、２枚以上の正レンズから
   構成されることを特徴とする請求項１に記載の照明レン
   ズ。
3. 【請求項３】 前記第１群は、３枚の正レンズから構成
   されることを特徴とする請求項２に記載の照明レンズ。
4. 【請求項４】 前記第２群は、１枚の負レンズから構成
   されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   の照明レンズ。