JP2010051606A - 照明光学系及びこれを用いる内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】照明範囲の中央部の照度を向上する。
【解決手段】内視鏡の照明光学系３３は、照明レンズ３４とファイバーバンドル３０とからなる。照明レンズ３４は、ファイバーバンドル３０の出射端面３０ａに対面する入射面ｒ２が凸の曲面になっている。ファイバーバンドル３０は、複数の光ファイバ３１を円形に結束させ周りを保護チューブ３２で被着した構造になっており、出射端面３０ａは、周辺部の光ファイバ群３１ａの出射端を中央部の光ファイバ群３１ｂの出射端よりも入射面ｒ２に近づけた面になっている。入射面ｒ２との間隔を短くすることで周辺部の光ファイバ群３１ａの出射端から出射される照明光の多くを照明レンズ３４に入射させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の光ファイバを束ねたファイバーバンドルと照明レンズとを有する照明光学系、及びこれを用いる内視鏡に関するものである。

従来、医療用に用いられる電子内視鏡は、体内に挿入される挿入部の先端に観察光学系と照明光学系とが内蔵されており、照明光学系で被写体を照明し、照明された被写体の画像情報を観察光学系で映像信号として取り出し、モニタ等によりその画像を表示する。挿入部には、先端部から基端部へと貫通する内部空間にファイバーバンドルが収容されている。ファイバーバンドルは、光が入射する入射端面と光を出射する出射端面とを有し、光を基端部から先端部へと導く。出射端面から出射される光は、照明レンズを通して被写体に向けて照射される。ファイバーバンドルは、例えば２万〜３万本程度の細径の光ファイバを円形となるように結束させ、これらの外周に保護チューブを被着した構成になっている。

従来、内視鏡用の照明光学系としては、図１４に示すように、物体側の面を平面ｒ１、ファイバーバンドル１の出射端面１ａに相対する面を凸の曲面ｒ２にした照明レンズ２を配置し、その照明レンズ２により周辺部の光ファイバ３の各出射端から出射される照明光を非球面の曲面ｒ２により光軸中心に向けて屈折させることで、コンパクトで広範囲に至って均一な光量を維持するようにした光学系が知られている（特許文献１）。このファイバーバンドル１の出射端面１ａは、照明レンズ２の光軸２ａと直交する方向にカットされている。ファイバーバンドル１の出射端面１ａと照明レンズ２とは、出射端面１ａの中心と曲面ｒ２の中心（曲面ｒ２のうちの光軸２ａが通る位置）とが密接するように位置決めされている。

なお、複数の光ファイバからなるライトガイド（フィバーバンドル）の出射端面に、該端面の面積より大きい入射端面を有するガラスロッドを対向配置して、照明光の効率を向上し、かつ均一な照明が得られるライトガイドが知られている（特許文献２）。

また、対物光学系の外周に沿って捻りファイバーバンドルを配置し、前記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出射端を、その端面における中心軸とその出射端の法線とがなす角度θが１５°＜θ＜２５°となるように傾斜面に作って、出射端での全反射に因る光量損失を抑え、照明光の配光角を拡大するようにした照明光学系が知られている（特許文献３）。
特開平５−１１９２７２号公報 特開２００４−２３３６９９号公報 特開２００５−１６８８５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内視鏡用の照明光学系では、ファイバーバンドルの出射端面１ａとこれに相対する照明レンズ２の曲面ｒ２との間隔が、光軸２ａから周辺部に至るほど広くなる。各光ファイバ３の出射端から出射する照明光は、ある程度の広がりをもっている。このため、照明レンズ２には、出射端面１ａの周辺部に配される光ファイバ３の出射端から出射される照明光の多くを取り込めない不都合が生じる。このような不都合によりその光を効率良く利用する事ができず、よって、照明範囲のうちの撮像素子で撮像するのに必要な照度が得られる中央部の周辺照度が低下し、かつその中央部の範囲が狭くなる現象が発生する。

特許文献２に記載のライトガイドでは、出射端面の面積より大きい入射端面を有するガラスロッドを対向配置するため、先端が大型化するという問題があった。特許文献３に記載の照明光学系では、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出射端に傾斜角度をつけるため、中央の照度が多く減少するという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、各光ファイバの出射端から出射する照明光を効率良く照明レンズに入射させて、照明範囲のうちの中央部の周辺照度を向上させ、かつ中央部の範囲が広がるように工夫した照明光学系、及びこれを用いる内視鏡を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、照明光が出射する出射端面が複数本の光ファイバで束ねられているファイバーバンドルと；前記出射端面に対面し、照明光が入射する入射面の形状が前記出射端面に向かって凸となる曲面状に形成された照明レンズと；を備え、前記出射端面を構成する前記複数本の光ファイバの出射端を、前記出射端面の中央部よりも外周側で前記照明レンズの入射面に近づけたことを特徴とするものである。ファイバーバンドルの出射端面の形状としては、複数本の光ファイバを束ねた形状であれば、例えば円形や矩形等の形状でもよい。照明レンズとしては、出射端面に対面し、照明光が入射する入射面の形状が前記出射端面に向かって凸となる曲面になっていれば、単レンズでもよいし、複数のレンズを組み合わせたものでもよい。出射端面の配列としては、各光ファイバの出射端をランダム又は同心円状に配列したものでよい。

出射端面の面形状としては、各光ファイバの出射端が前記曲面に沿う形状になっていればよく、例えば照明レンズの入射面に近づくように周辺部のみの光ファイバの出射端をずらした面形状にてもよいし、各光ファイバの出射端を複数の同心円で分けた範囲毎に段階的にずらした形状にしてもよいし、光ファイバの出射端の全てを各々ずらした形状にしてもよい。

照明レンズの入射面に近づけられて突出している光ファイバの周面は、他の光ファイバの出射端から露呈している。このため、他の光ファイバの先端から出射される照明光の一部が、突出する光ファイバの周面に入射して迷光となり光量が損失するおそれがある。そこで、突出した光ファイバの周面を砂目状等の拡散加工、又は鏡面状等の反射加工を施すのが好適である。

また、照明レンズの曲面とファイバーバンドルの出射端面とのいずれか一方を他方に対して当接することで、前記一方が位置決めされるようにするのが好適である。

本発明によれば、ファイバーバンドルの出射端面を構成する複数本の光ファイバの出射端を、出射端面の中央部よりも外周側で照明レンズの入射面に近づけたため、周辺部の光ファイバの出射端とそれに対面する照明レンズの入射面との間隔が狭まり、よって、周辺部の光ファイバの出射端から出射される照明光の多くを照明レンズに取り込むことができる。これにより、照明レンズの周辺に入射する光が、凸となる曲面状に形成された入射面で光軸方向に屈折するため、照明範囲のうちの撮像素子が撮像するのに必要な照度が得られる中央部の周辺光量が向上し、さらに、その中央部の範囲が広がる効果がある。

電子内視鏡１０は、図１に示すように、挿入部１１、挿入部１１の基端部に接続されている手元操作部１２、及び、ユニバーサルコネクタ１３などを備えている。挿入部１１は、フレキシブルな管状に形成されており、先端部１４、湾曲部１５、及び、可撓管部１６とで構成されている。先端部１４には、硬質な金属材料等で形成されており、撮像素子や照明光学系等が内蔵されている。

ユニバーサルコネクタ１３は、手元操作部１２から延設されたユニバーサルケーブル１８の先端に設けられており、プロセッサ装置１９、及び、光源装置２０に接続される。プロセッサ装置１９には、電源回路、撮像素子から得られる撮像信号を画像処理してコンポジット信号やＲＧＢコンポーネント信号にエンコードするための画像処理回路等が設けられている。光源装置２０には、光源が内蔵されており、その光は、手元操作部１２を通って挿入部１１の内部空間に収容したファイバーバンドルによって基端部から先端部１４へと導かれて照明光学系に入射する。

可撓管部１６は、手元操作部１２と湾曲部１５との間を細径で長尺状に繋ぐ部分であり、可撓性を有している。これらの間の湾曲部１５は、手元操作部１２に設けられた湾曲操作ノブ１２ａの操作に連動して挿入部１１の内部空間に収容されたアングルワイヤが牽引されて先端部１４を上下左右に湾曲動作する。これにより、先端部１４が体腔内の所望の方向に向けられ、照明光学系から放たれる照明光を観察部位に照射し、その反射光を撮像素子で撮像して、画像処理回路を介してモニタ２１に表示する。

先端部１４の先端面１４ａには、図２に示すように、観察窓２３、照明窓２４，２５等が露呈して設けられている。観察窓２３には、体腔内の被観察部位の像光を取り込むための対物光学系の一部が露呈され、対物光学系の奧には撮像素子が内蔵されている。照明窓２４，２５には、照明光学系が露呈しており、照明光学系の奧にファイバーバンドルの出射端面が配されている。照明窓２４，２５は、観察窓２３を挟んだ両側に設けられており、撮像素子で撮像する被写体を影が出ないように照明する。なお、符号２６は送気送水ノズルの出口、符号２７，２８は鉗子出口である。

ファイバーバンドル３０の出射端面３０ａは、図３に示すように、複数本の光ファイバ（ファイバ素線）３１を円形となるように結束して作られている。出射端面３０ａの周りには、弾性自在な材質で形成した保護チューブ３２が被着されている。各光ファイバ３１の出射端はランダム、又は同心円状に密着して配列されている。なお、実際には、例えば内径２．３６ｍｍの保護チューブの内部に、２万〜３万本程度の細径の光ファイバを結束して作られているが、図示では煩雑化を防ぐために、光ファイバ３１の径を大きく記載している。この出射端面３０ａは、照明光学系に対する疑似面光源となる。

照明光学系３３は、図４に示すように、ファイバーバンドル３０と、単レンズ（以下「照明レンズ」と称す）３４で構成されている。照明レンズ３４は、物体側の面（出射面）が平面ｒ１、疑似面光源側の面が凸を出射端面３０ａに向けて湾曲した曲面（入射面）ｒ２になっている正レンズである。入射面ｒ２としては球面、あるいは非球面であってもよい。なお、照明レンズ３４としては、２枚のレンズを張り合わせて作っても良いし、複数のレンズで構成したものでもよい。この場合、出射端面３０ａに対面する入射面ｒ２が出射端面に向かって凸となる曲面状になっていればよい。

出射端面３０ａは、複数の光ファイバ３１のうちの周辺部にある光ファイバ群３１ａの出射端を、中央部の光ファイバ群３１ｂよりも入射面ｒ２に近づくように長さ方向にずらした面になっている。周辺部は、例えば図３に薄墨で示した範囲、すなわち、直径Ｄ１を越えて直径Ｄ２未満の範囲としている。この範囲に含まれる光ファイバ群３１ａの出射端を光ファイバ群３１ｂの出射端よりも入射面ｒ２に近づくように突出して出射端面３０ａを作っている。なお、保護チューブ３２を除くファイバーバンドル３０の直径Ｄ２は、照明レンズ３４の外径と略同じになっている。

これにより、周辺部の光ファイバ群３１ａの出射端から出射される照明光のうちの多くが照明レンズ３４の入射面ｒ２に入射する。入射面ｒ２の周辺部に入射した光は、凸となる曲面によって光軸方向に屈折するから、照射範囲のうちの中央部の照度を向上することができ、また、その中央部の範囲を広げることができる。さらに、光ファイバ群３１ａが他の光ファイバ群に対してずれているため、出射端面３０ａでの発熱を抑えることができる。

組立は、ファイバーバンドル３０を内部空間に収容した挿入部１１と、照明レンズ３４を内蔵した先端部１４とを別々に作っておき、その後に、先端部１４を挿入部１１に取り付ける手順となっている。このとき、先端部１４に内蔵した照明レンズ３４は光軸方向に僅かに動くように固定されており、よって、光軸方向での位置決めを高精度に行う必要がある。そこで、挿入部１１の先端に配されるファイバーバンドル３０の出射端面３０ａに照明レンズ３４の入射面ｒ２を当接させて光軸方向の位置決めを行うようにしている。これにより、内部の光ファイバ群３１ｂの出射端を、入射面ｒ２と光軸の交点を通り且つ光軸に直交な面に対して密接又は近傍に配することができる。なお、逆に照明レンズ３４を固定し、その入射面ｒ２に出射端面３０ａを当接させてファイバーバンドル３０を位置決めしてもよい。

ところで、各光ファイバ３１は、周知のように、屈折率の高い透明部材からなるコアの外周に屈折率の低い透明部材からなるクラッドを被覆して形成されている。このため、前述したように周辺部の光ファイバ群３１ａの出射端を突出させると、内部の光ファイバ群３１ｂの出射端から出射される照明光が光ファイバ群３１ａの出射端の周面（グラッド）に侵入して迷光となり周辺部の光ファイバ群３１ａの照度を低下させるおそれがある。そこで、図５に示すように、光ファイバ３１の出射端の周面（図５に細線でハッチングを施した範囲）３１ｃに、砂目状等の拡散加工や鏡面状等の反射加工を施すのが好適である。この加工は、全部の光ファイバ３１の出射端の先端側のみに施しておいてもよい。

鏡面処理を施す場合には、鏡面処理を施した周面３１ｃで照明有効エリア外に向かう光線を反射し、照明エリアに戻せるので照明効率を改善することができる。砂面処理を施す場合には、砂面処理を施した周面３１ｃに当たった照明光が乱反射し、これらの光線の一部が照明エリアに戻るため照明効率を改善することができる。なお、照明効率改善効果は、前記周面３１ｃが鏡面処理を施した場合に高いが、強い反射光による照明ムラの懸念が有り、砂面処理を施した場合は照明効率改善効果が劣るがマット面の拡散効果により照明ムラの発生が少ない。上記周面３１ｃに施す処理は、目的と効果により適宜選択すればよい。

このような出射端面３０ａは、複数の光ファイバ３１の出射端を円形に束ねて、入射面ｒ２と略同じ曲面をもつジグに押し当てて作る。これにより、周辺部の光ファイバが入射面ｒ２に近づくように突出した面になる。その後に、その先端をエポキシ樹脂等で結束し、保護チューブ３２を被せて固定する。最後に、逆側の入射端面を長さ方向に対して直交する方向に切断し、その入射端面の周りを結束すればよい。また、他の作り方としては、出射端面３０ａ及び入射端面を長さ方向に対して直交方向にそれぞれ切断して平面の状態で結束し、その後に、出射端面３０ａのみを研磨して周辺部のみが突出する面に仕上げても良い。

なお、上記実施形態では、出射端面３０ａを円形に作っているが、本発明ではこれに限らず、矩形や多角形等の形状に作っても良い。また、上記各実施形態では、保護チューブの内部に複数本の光ファイバ３１を収容した断面構造のファイバーバンドル３０としているが、本発明ではこれに限らず、例えば図６に示すように、内部に複数の光ファイバ３７を結束してその周りに内側保護チューブ３８を被着し、その内側保護チューブ３８の周りに複数の光ファイバ３９を結束してその周りを外側保護チューブ４０で被着した被覆二重型の構造のファイバーバンドル４１を用いても良い。この場合には、内側保護チューブ３８と外側保護チューブ４０との間に配される光ファイバ群３９の出射端を入射面ｒ２に向けて近寄るように突出させればよい。

図７及び図８に示すファイバーバンドル４３は、同心円で分けた複数の範囲、例えば中心から直径Ｄ１以下の第１範囲、直径Ｄ１を越え直径Ｄ２以下の第２範囲、直径Ｄ２を越え直径Ｄ３未満の第３範囲に含まれる光ファイバ群４４，４５，４６のうちの最内側の第１範囲を除く第２及び第３範囲に含まれる光ファイバ群４５，４６を、入射面ｒ２に近づくように段階的にずらしてもよい。この場合、図９に示すように、前記範囲毎に保護チューブ４８〜５０で被覆した被覆３重型のファイバーバンドル４７を用いても良い。なお、段階的にずらす範囲の数として２つに限らず、３つ以上にしてもよい。

また、図１０に示すように、全ての光ファイバ５２の出射端を、照明レンズ３４の入射面ｒ２に沿うように、長さ方向にずらして出射端面５３ａを作ったファイバーバンドル５３を用いても良い。

出射端面の形状の違いによる照度変化をシミュレーションにより調べてみた。シミュレーションは、前述した形状の出射端面をもつファイバーバンドルを使用した照明光学系と、従来技術で説明したファイバーバンドルを使用した照明光学系、すなわち、光軸に対して直交方向に切断した平坦な出射面をもつファイバーバンドルを用いた照明光学系とで照度の変化を比較した。なお、下記各実施例では、図１１に示す配光特性を有するファイバーバンドル３０，４３を使用した。

［実施例１］
実施例１の照明光学系では、図３及び図４で説明したファイバーバンドル３０を用いたものであり、周辺部の光ファイバ群３１ａの出射端を、内部の光ファイバ群３１ｂの出射端に対して０．４５ｍｍだけ入射面ｒ２に向けて近寄るように突出させた。

［実施例２］
実施例２の照明光学系では、図７及び図８で説明したファイバーバンドル４３を用いたものであり、第２範囲に含まれ、かつかかる光ファイバ群４５の出射端は、第１範囲に含まれる光ファイバ群４４の出射端に対して０．２ｍｍだけ入射面ｒ２に向けて突出させ、さらに、第３範囲に含まれる光ファイバ群４６の出射端は、第１範囲に含まれる光ファイバ群４４の先端に対して０．４５ｍｍだけ入射面ｒ２に向けて突出させた。

ここで、各実施例で用いた照明レンズ３４の数値データを以下に示す。
単位：ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ ｖｄ 有効径
物体側
１ ∞ ２．６６ １．７８４７２ ２５．７１ ２．３６
２＊ １．２５ ２．３６
疑似面光源側

非球面データ
第２面
Ｋ＝−０．２

この実施例では、入射面ｒ２を非球面にした照明レンズを用いている。各光ファイバの出射端は非球面に密接しているものと仮定すると、光ファイバの出射端の突出量に対する光軸からの高さは、［数１］に示す非球面式を用いて算出することができる。

［数１］
Ｘ＝（Ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）² ｝^1/2 ］
ただし、Ｘは面頂点からの深さ（光ファイバの突出量）、Ｙは光軸からの高さ、Ｒは曲率半径、Ｋは非球面係数である。

実施例１の照明光学系は、図１２に示すように、照明範囲のうちの撮像素子で撮像するのに必要な照度が得られる中央部の範囲（略＋／−４５dｅｇの配光角の範囲）が、従来技術で説明した照明光学系に比べて広がることが分かった。また、実施例２の照明光学系も、図１３に示すように、照明範囲のうちの中央部の範囲（略＋／−３０dｅｇの配光角の範囲）が、従来技術で説明した照明光学系に比べて広がることが分かった。そして、実施例２の照明光学系は、実施例１の照明光学系に対して、中央部の強度が強くなることが分かった。

上記各実施形態では、内視鏡用の照明光学系として説明しているが、本発明では内視鏡用に限ることはなく、他の照明光学系にも用いることができる。

電子内視鏡の使用状態を示す説明図である。 先端部の端面を示す説明図である。 ファイバーバンドルの出射面を示す説明図である。 ファイバーバンドルと照明レンズからなる照明光学系を示す断面図である。 突出した光ファイバの周面に拡散又は反射加工を施した出射端を示す斜視図である。 保護チューブで二重に仕切ったファイバーバンドルの他の例の出射端を示す説明図である。 段階的に光ファイバ群を突出させたファイバーバンドルの別の例の出射端を示す説明図である。 図７で説明したファイバーバンドルを用いた照明光学系を示す断面図である。 保護チューブで三重に仕切ったファイバーバンドルの例の出射端を示す説明図である。 全部の光ファイバ群を突出させたファイバーバンドルの例の出射端を示す説明図である。 本実施例で使用したファイバーバンドルの配光特性を示すグラフである。 図４で説明した照明光学系の配光特性を示すグラフであり、従来技術で説明した照明光学系の配光特性と比較して記載している。 図８で説明した照明光学系の配光特性を示すグラフであり、従来技術で説明した照明光学系の配光特性と比較して記載している。 従来技術で説明した照明光学系を示す断面図である。

符号の説明

ｒ１ 平面
ｒ２ 凸の曲面
１，３０，４１，４３，４７，５３ ファイバーバンドル
２，３４ 照明レンズ
１０ 電子内視鏡
２３ 観察窓
２４，２５ 照明窓
３１ 光ファイバ
３１ａ，３９ 周辺部に配される光ファイバ群
３１ｂ，３８ 内部に配される光ファイバ群
３１ｃ 光ファイバの先端周面

Claims (6)

1. 照明光が出射する出射端面が複数本の光ファイバで束ねられているファイバーバンドルと、
   前記出射端面に対面し、照明光が入射する入射面の形状が前記出射端面に向かって凸となる曲面状に形成された照明レンズと、を備え、
   前記出射端面を構成する前記複数本の光ファイバの出射端が、前記出射端面の中央部よりも外周側で前記照明レンズの入射面に近づけられていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記出射端面は、複数の光ファイバの出射端を複数の同心円で分けた範囲毎に前記曲面に沿うように段階的にずらした面になっていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記出射端面は、複数の光ファイバの出射端を前記曲面に沿うように各々ずらした面になっていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
4. 前記曲面に沿うようにずらした光ファイバの周面を砂目状又は鏡面状に加工していることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の照明光学系。
5. 体内に挿入され且つ先端部から基端部へと貫通する内部空間を有する挿入部と、
   前記内部空間に収容されており、前記基端部から先端部に向けて照明光を導くとともに、前記照明光が出射する出射端面が複数本の光ファイバで束ねられているファイバーバンドルと、
   前記先端部の先端面に設けられた照明窓と、
   前記照明窓を通して被写体に向けて照明光を照射するとともに、前記ファイバーバンドルの出射端面に対面し、前記照明光が入射する入射面の形状が前記出射端面に向かって凸となる曲面状に形成された照明レンズと、を備え、
   前記出射端面を構成する前記複数本の光ファイバの出射端が、前記出射端面の中央部よりも外周側で前記照明レンズの入射面に近づけられていることを特徴とする内視鏡。
6. 前記照明レンズとファイバーバンドルとは、前記曲面と前記出射端面とのいずれか一方を他方に対して当接することで、前記一方が位置決めされることを特徴とする請求項５記載の内視鏡。

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