JP2005168857A - 硬性内視鏡の照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】配光角を十分に拡大することができ且つ射出端面での全反射に因る光量損失を抑えることができるライトガイドファイバーの傾斜角の条件を提示する。
【解決手段】
対物光学系１１を組み込んだ光学視管１００の外周には、対物光学系１１の光軸と平行に配置された多数のライトガイドファイバーからなる捻り無しファイバーバンドル１０１が設けられている。その外側には、区分管１０２を介して、対物光学系１１の外周に沿ってこの対物光学系１１の光軸と平行な方向に傾斜し且つその射出端面が対物光学系１１の光軸に直交する方向に形成された多数のライトガイドファイバーからなる捻りファイバーバンドル１０３が設けられている。この捻りファイバーバンドルを構成する各ライトガイドファイバーの中心軸がその射出端面の法線に対してなす角度θは、１５°＜θ＜２５°である。
【選択図】図３

Description

本発明は、対物光学系の外周に沿って、多数のライトガイドファイバーを、前記対物光学系を囲繞するように配置してなる硬性内視鏡の照明光学系に、関する。

硬性内視鏡は、その挿入部の中心に対物光学系及びリレー光学系を配置する構造を有しているので、必然的に、その照明光学系（硬性内視鏡の外に配置された光源装置からライトガイドファイババンドルを通じて伝送された照明光を挿入部の基端近傍から先端面まで導光する光学系）は、対物光学系の外周を囲繞するように配置された多数のライトガイドファイバから構成されることになる。

このような硬性内視鏡の照明光学系を構成する各ライトガイドファイバーは、従来、対物光学系の光軸と平行に配置されていた。また、このような硬性内視鏡の照明光学系の先端形状は円環状となるので、ファイバースコープの照明光学系において用いられるような配光レンズ（負のパワーを有する単レンズ）を硬性内視鏡の照明光学系に用いることはできない。その為、硬性内視鏡の照明光学系の配光角は、各ライトガイドファイバー単独の出射角（８０°程度）を超えることができなかった。

しかしながら、近年、硬性内視鏡にもその対物光学系の広角化が要請されるようになっている。例えば、本出願人は、先に出願した特願２０００−３４６４３９号において、共通の硬性内視鏡を通じて広角視野と拡大視野とを同時にモニタ表示することができる内視鏡システムを提案している。このような内視鏡システムに組み込まれる硬性内視鏡の対物光学系は、１２０°以上の広視野角を持つことが必要である。

そのため、従来の硬性内視鏡の照明光学系の構造を改良し、その配光角を拡げることが求められている。そのために用いられ得る照明光学系としては、例えば実公昭４６−２７９０４号（特許文献２）に開示されたような、各ライトガイドファイバが螺旋状に傾けて配置されてなる照明光学系が採用可能である。なお、このような照明光学系を構成するために螺旋状に配置されたライトガイドファイバであっても、事故防止等のためにその射出端面は対物光学系の光軸と直交する方向にカットされ、照明光学系全体として一枚の射出端面を形成するように形成されている。よって、各ライトガイドファイバの傾斜角は、その中心軸と射出端面の法線とがなす角度によって表されることになる。
実公昭４６−２７９０４号公報

上記公報には、各ライトガイドファイバーを傾斜させる事自体は記載されているものの具体的傾斜角についての開示がない。しかしながら、本出願人が検討してみたところ、傾斜角が小さ過ぎると、配光角を拡げられない一方、傾斜角が大き過ぎると、ライトガイドファイバー内を伝送される光束の一部が射出端面に対して全反射条件を満してしまうことに起因して、照明光の光量損失が生じて周辺照度が低下するという問題が、明らかになった。

そこで、本発明は、硬性内視鏡の照明光学系を構成する各ライトガイドファイバーを傾ける場合において、配光角を十分に拡大することができ且つ射出端面での全反射に因る光量損失を抑えられる傾斜角の条件を提示することを、課題とする。

上記の課題を解決するために案出された本発明による硬性内視鏡の照明光学系は、対物光学系の外周に沿って、多数のライトガイドファイバーを、前記対物光学系を囲繞するように配置してなる硬性内視鏡の照明光学系において、前記多数のライトガイドファイバーは、夫々、その先端における中心軸が前記対物光学系の光軸と平行な方向に対して傾斜する方向に向けて配置されているとともに、その射出端面が前記対物光学系の光軸と直交する方向に形成されており、その中心軸と射出端面の法線とがなす角度θが下記条件（１）を満たすことを特徴とする。

（１） １５°＜θ＜２５°
この角度θがこの条件（１）の下限を超えると、全ライトガイドファイバが対物光学系の光軸と平行に配置された従来の照明光学系と比較して、配光角を十分に拡げることができない。一方、角度θが条件（１）の上限を超えると、ライトガイド内においてコアとクラッドとの境界面にて反射されつつ進行してきた全光束のなかに、射出端面に対する入射角が全反射条件を満たすものが現れ、角度θが増加するにつれてこのような光束が増えてくるので、照明光の光量損失に起因する周辺照度の低下の問題を生じてしまう。よって、角度θを条件（１）の範囲内に限定することによって、光量損失を生じることなく配光角を拡げることが可能になるのである。

本発明において、各ライトガイドファイバは、少なくともその先端のみが上記条件（１）を満たしていれば良いので、それよりも光源側の部分が対物光学系の光軸に対して平行であるか傾斜しているを問わない。

また、多数のライトガイドファイバが対物光学系を囲繞するように配置されていれば、全方位に配光角を拡大することが可能になる。

また、多数のライトガイドファイバーが配置される円環状領域の内径をＤ、各ライトガイドファイバーの外径をＳとした場合に、下記条件（２）を満たせば、各ライトガイドファイバを対物光学系の外周に沿って螺旋状に配置した場合でも、各ライトガイドファイバが折れにくくなる。

（２） ０．００２＜Ｓ／Ｄ＜０．０２
この条件（２）の下限を超えると、各ライトガイドファイバーのファイバー径Ｓが円環状領域の内径Ｄに比較して小さくなりすぎるので、製造が困難となる。一方、条件（２）の上限を超えると、ファイバー径Ｓに比較して円環状領域（即ち、螺旋の内径）Ｄが小さくなりすぎるので、螺旋構造に起因した折れが発生し易くなってします。

なお、本発明においては、対物光学系を囲繞する全ファイバーが傾斜していても良いが、全ファイバーが内外二層に区分され、一方の層に属するライトガイドファイバーが条件（１）を満足する傾斜角で傾斜され、他方の層に属するライトガイドファイバーが対物光学系の光軸と平行な方向に向けられても良い。照明光学系を構成するライトガイドファイバのバンドルがこのような内外二重構造をとると、傾斜して配置されたライトガイドファイバのバンドルによって配光角が拡げられる一方、それによって照明光が届かなくなった中心部が、対物光学系の光軸と平行に配置されたライトガイドのバンドルによって照明されることになるので、中心照度が低下する所謂「中抜け」の問題も解決される。

以上に説明したように、本発明による硬性内視鏡装置の照明光学系によると、硬性内視鏡の照明光学系を構成する各ライトガイドファイバーを傾ける場合において、その傾斜角を適切に設定することにより、配光角を十分に拡大することができ、しかも、射出端面での全反射に因る光量損失を抑えることが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による照明光学系を内蔵した硬性内視鏡１０を組み込んだビデオ式硬性内視鏡１と、２台のモニター２，３と、光源装置４とから構成される内視鏡システムのシステム構成図である。

このビデオ式硬性内視鏡装置１は、患者の腹壁に嵌め込まれたトラカールを介して患者の体腔内に挿入される硬性内視鏡１０と、この硬性内視鏡１０の基端（接眼レンズ１３を収容するアイピース１０ａ）に接続されたビデオ撮影装置２０とから、構成されている。

硬性内視鏡１０は、体腔内の像を形成するリレーするための対物光学系１１，１２と、体腔内を照明するために光源装置４からライトガイドケーブル５を通じて伝送された照明光を先端部へ導く照明光学系（詳細については後述する）とを、体腔内に挿入される円筒状の管（挿入管）の内部に有している。そして、この対物光学系は、対物レンズ群１１と複数のリレーレンズ１２とから構成されている。なお、対物レンズ群１１は、広い範囲（例えば、１２０°以上の画角）の視野の像を形成可能なレトロフォーカス型の対物レンズとして、構成されている。この対物レンズ群１１により形成される体腔内部の像は、結像面１１ｉに結像する。この結像面１１ｉ上の像は、各リレーレンズ１２により夫々の結像面１２ｉに順次結像されてリレーされ、最終のリレーレンズ１２の結像面１２ｉに結像される。

この硬性内視鏡１０のアイピース１０ａは、上記挿入管よりも大径に形成されており、その外周面には、硬性内視鏡１０をビデオ撮影装置２０に対して固定するための雄ねじマウントが形成されている。また、その内部に収容されている接眼レンズ１３は、光軸方向へ位置調整可能に保持されており、ビデオ撮影装置１４に固定される場合には、プラスディオプトリの位置（即ち、結像面１２ｉに形成された像の実像を結像面１３ｉに再結像できる位置）に移動される。

ビデオ撮影装置２０のケーシングの一方の端面には、硬性内視鏡１０のアイピース１０ａが嵌め込まれる受け口２０ａが形成されている。この受け口２０ａの内周面には、硬性内視鏡１０の雄ねじマウントに係合する雌ねじマウントが、形成されている。

また、このビデオ撮影装置２０のケーシング内には、受け口２０ａに装着された硬性内視鏡１０からの被写体光の光路上に順番に配置された反射部材として、ハーフミラー２１，光軸シフトプリズム２４，フォーカスレンズ２５，拡大用再結像光学系（結像光学系）２６，及び、拡大用ＴＶカメラ３０が、配置されている。

ハーフミラー２１は、接眼レンズ１３の光軸に対して４５度傾けて配置されており、物体光の一部を透過させるとともに反射させることによって光軸を分岐し、分岐後の一方の光軸をへ、９０度折り曲げる。このように分岐された光軸の先には、ハーフミラー２１と共にこの光軸をクランク状に折り曲げる反射鏡２２が配置されている。この反射鏡２２によって折り曲げられた光軸上には、順番に、正のパワーを持つ一のレンズ群からなる広角用再結像光学系（結像光学系）２３及び広角用ＴＶカメラ４０が配置されている。なお、広角用ＴＶカメラ４０及び拡大用ＴＶカメラ３０は、共に、ビデオ撮影装置２０のケーシングの端部に装着されており、撮像面に形成された像をビデオ信号に変換する。そして、各ＴＶカメラ４０，３０から出力されたビデオ信号は、夫々、広角画像用モニタ３，拡大画像用モニタ２に入力されて、これらモニタ３，２上に画像を表示させる。

上記広角用再結像光学系２３は、結像面１３ｉに結像された像のほぼ全域を、広角用ＴＶカメラ４０の撮像面上に再結像させる。

また、光軸シフトプリズム２４は、アッベプリズム，ダハプリズム，ポロプリズム等の像反転プリズム（像を上下左右に反転させるプリズム）であり、図示せぬ移動機構によって光軸に直交する面内で移動させられることにより、自己の内部を通過した光軸を、その移動方向と同じ方向へ、その移動量の二倍の量だけシフトさせる。

フォーカスレンズ２５は、基準位置にある光軸シフトプリズム２４を通過した光軸と同軸に、配置されている。このフォーカスレンズ２５は、その光軸に沿って移動可能に保持されている。

拡大用再結像光学系２６の第１乃至第３レンズ群２６ａ〜２６ｃも、基準位置にある光軸シフトプリズム２４を通過した光軸に対して同軸となるように、フォーカスレンズ２５と拡大用ＴＶカメラ３０との間に配置されている。拡大用再結像光学系２６を構成する第３レンズ群２６ｃは、固定されているが、第１及び第２レンズ群２６ａ，２６ｂは、それらの光軸に沿って移動可能に保持されている。これら第１及び第２レンズ群２６ａ，２６ｂが光軸方向に移動されることにより、拡大用再結像光学系２６の倍率は、任意に調整される。

これらフォーカシングレンズ２５及び拡大用再結像光学系２６は、結像面１３ｉに形成された像を、広角用再結像光学系２３による倍率よりも大きい倍率にて、拡大用ＴＶカメラ３０の撮像面上に再結像させる。この拡大用再結像光学系２６によって形成された像は、拡大用ＴＶカメラ３０の撮像面よりも大きい。従って、対物光学系１１，１２によって形成された像の一部領域が、拡大されて、拡大用ＴＶカメラ３０によって撮像される。

以下、上述した硬性内視鏡１０の照明光学系について、詳細に説明する。図２は、硬性内視鏡１０の挿入管を斜め前方から見た状態を示す斜視図である。この図２に示されるように、この硬性内視鏡１０の挿入管は、同心の６重構造を有しており、その中心には、対物光学系１１，１２（図２はその先端を示すので対物レンズ群１１のみを表している）が配置されている。これら対物光学系１１，１２は、共に、一本の金属管である光学視管１００内に保持されている。この光学視管１００の外側には、対物光学系１１，１２の光軸と平行な方向に夫々の中心軸を向けて光学視管１００を囲繞するように配置された多数のライトガイドファイバーから構成されたファイバーバンドル（以下、「捻り無しファイバーバンドル１０１」という）が、設けられている。さらにこの捻り無しファイバーバンドル１０１の外側には、金属管である区分管１０２を介して、対物光学系１１，１２の外周に沿い且つ対物光学系１１，１２の光軸と平行な方向に対して夫々の中心軸が傾斜するように配置された多数のライトガイドファイバー（即ち、螺旋状に配置された多数のライトガイドファイバー）から構成されたファイバーバンドル（以下、「捻りファイバーバンドル１０３」）が、設けられている。この捻りファイバーバンドル１０３の外側は、金属管である外套管１０４に覆われている。

なお、捻り無しファイバーバンドル１０１及び捻りファイバーバンドル１０３の端面は、対物光学系１１，１２の光軸に直交した同一平面に沿ってカットされた射出端面として形成されている。この射出端面は、各管１００，１０２，１０４の端面と面一となっていても良いが、防水のためには、各管１００，１０２，１０４の端面よりも若干奥まって配置され、それによって生じた円環状のギャップに円環状のガラスが液密に嵌め込まれることが望ましい。

また、全ファイバーバンドル１０１，１０３の総端面積に占める捻り無しファイバーバンドル１０１の端面積の比率（α＝ｂ／［ａ＋ｂ］，但し、ａは捻りファイバーバンドル１０３の端面積，ｂは捻り無しファイバーバンドル１０３の端面積，以下、「面積配分α」という）は、０．３以下であることが望ましい。０．３を超えてしまうと、捻りファイバーバンドル１０３の占める比率が小さくなり過ぎてしまうので、周辺照度が下がってしまうからである。

図３は、捻りファイバーバンドル１０３を構成する個々のライトガイドファイバー２００の射出端近傍を拡大して示す縦断面図である。この図３に示すように、このライトガイドファイバー２００は、周知の如くコア２０１及びその外周を覆うクラッド２０２から構成されている。また、上記した射出端面２００ａの形成により、その中心軸（一点鎖線にて図示）は、対物光学系１１，１２の光軸に直交する方向に形成された射出端面２００ａの法線（二点鎖線にて図示）に対して角度θだけ傾いている。以下、この角度θを、「射出面傾斜角θ」と称することとする。

この射出面傾斜角θは、上述したように、ある程度以上大きくなってしまうと、このライトガイドファイバー２００内においてコア２０１とクラッド２０２との境界面にて反射されつつ伝導する光束の一部（破線にて例示）が射出端面２００ａに対して全反射条件を満たすようになるので、射出端面２００ａを透過する透過光量に対する光量損失を生じてしまう。このようにして生じた光量損失は、射出面傾斜角θが大きくなるにつれて大きくなる。図４は、コア２０１の屈折率が１．６４７であるライトガイドファイバ２００の場合における射出面傾斜角θに対する透過光量の特性を示すグラフであり、その横軸が射出面傾斜角θ［単位：°］に対応し、その縦軸が光量比（射出面傾斜角θ＝０°の時の透過光量に対する透過光量の比率）に対応する。この図４からは、θ＝１３°辺りからから光量比が緩やかに落ち始め、θ＝２０°辺りからθの増加に対してほぼ逆比例して光量比が下落し、θ＝２５°辺りで光量比が０．８となる。よって、射出面傾斜角θの取り得る範囲は、２５°辺りがほぼ上限となる。

次に、捻りファイバーバンドル１０３における各ライトガイドファイバー２００の射出面傾斜角θと面積配分αとを様々に組み合わせて、硬性内視鏡１０から射出される照明光の配光分布をシュミレーションをした結果を、図５のグラフに示す。図５において、横軸は、対物光学系１１，１２の光軸を基準（０°）とした挿入部先端面からの方向（即ち、配光角，単位：［°］）を示し、縦軸は、対物光学系１１，１２の光軸に直交させて挿入部先端面から１００ｍｍの位置に配置した半径１００ｍｍの球面スクリーン上の照明光の強度（具体的には、傾斜角θ＝０°の硬性内視鏡１０による配光角＝０°の点における照明光の強度を基準として正規化された強度の比率，以下「強度比」という）を示す。また、図５のグラフに示された破線は射出面傾斜角θ＝０°である硬性内視鏡１０の配光角−強度比特性を示し、実線は射出面傾斜角θ＝２０°且つ面積配分α＝０．１である硬性内視鏡１０の配光角−強度比特性を示し、二点鎖線は射出面傾斜角θ＝２５°且つ面積配分α＝０．１５である硬性内視鏡１０の配光角−強度比特性を示し、実線は射出面傾斜角θ＝３５°且つ面積配分α＝０．２である硬性内視鏡１０の配光角−強度比特性を示す。この図５から明らかなように、傾斜角θが３５°以上となると、強度比が配光角の全域において０．２以下となってしまうので、光量損失を無視することができない。なお、射出面傾斜角θ＝０°であると、配光角が＋／−４０°を超える部分で強度比が大きく下がってしまうので、配光角の拡大という効果が全く生じていないことが判る。別途シュミレーションをしたところでは、射出面傾斜角θ＝１５°を超えると、ある程度の配光角の拡大という効果が得られることが判った。そこで、本発明では、射出面傾斜角θの範囲として、１５°＜θ＜２５°を採用したのである。

なお、両ファイバーバンドル１０１，１０３の基端は、アイピース１０ａ内において束ねられ、ライトガイドケーブル５に連結されている。従って、光源装置４から生じた照明光は、ライトガイドケーブル５を通じて伝送され、両ファイバーバンドル１０１，１０３を通じてその射出端面から射出される。

本発明の実施の形態である内視鏡システムの全体構成図 硬性内視鏡の挿入管の先端面を示す斜視図 捻りファイバーバンドルを構成するライトガイドファイバーの射出端近傍を拡大して示す縦断面図 射出面傾斜角θに対する透過光量の特性を示すグラフ 硬性内視鏡の配光角−強度比特性を示すグラフ

符号の説明

１ ビデオ式硬性内視鏡装置
１０ 硬性内視鏡
１１ 対物レンズ系
１２ リレーレンズ径
１００ 光学視管
１０１ 捻り無しファイバーバンドル
１０３ 捻りファイバーバンドル
１０４ 外套管

Claims (5)

1. 対物光学系の外周に沿って、多数のライトガイドファイバーを配置してなる硬性内視鏡の照明光学系において、
   前記多数のライトガイドファイバーは、夫々、その先端における中心軸が前記対物光学系の光軸と平行な方向に対して傾斜する方向に向けて配置されているとともに、その射出端面が前記対物光学系の光軸と直交する方向に形成されており、その中心軸と射出端面の法線とがなす角度θが下記条件（１）を満たす
   ことを特徴とする硬性内視鏡の照明光学系。
   （１） １５°＜θ＜２５°
2. 前記多数のライトガイドファイバーが、前記対物光学系を囲繞するように円環状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の硬性内視鏡の照明光学系。
3. 前記多数のライトガイドファイバーが配置される円環状領域の内径をＤ、夫々の前記ライトガイドファイバーの外径をＳとした場合に、下記条件（２）を満たす
   ことを特徴とする請求項２記載の硬性内視鏡の照明光学系。
   （２） ０．００２＜Ｓ／Ｄ＜０．０２
4. 前記多数のライトガイドファイバーは、前記対物光学系を保持する光学視管を円環状に囲繞する
   ことを特徴とする請求項２記載の硬性内視鏡の照明光学系。
5. 前記対物光学系を囲繞するように配置され且つ夫々の中心軸が前記対物光学系の光軸と平行な方向へ向けられた多数のライトガイドファイバーを更に備える
   ことを特徴とする請求項２記載の硬性内視鏡の照明光学系。

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