JP2010066588A - 非球面レンズ及び内視鏡用照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡用照明光学系に用いる高精度非球面レンズを、ガラスモールド成形であっても成形し易い形状とするとともに、射出された光が収束しないようにしたレンズを提案する。
【解決手段】内視鏡用照明光学系１０は、オプチカルファイバーバンドルからなるライトガイド２０の前に正のパワーを有するレンズ３０から構成される。レンズ３０は、非球面形状の入射面Ｐに、ライトガイド２０から射出された光が入射するように配置され、入射面が前記ライトガイド２０側に凸で正のパワーを持つとともに、光軸Ｚに平行に入射する光線の高さをｈ（範囲：０〜ｈ＿ｍａｘ）、入射面の光軸中心位置をｄ＝０としたときの高さｈにおける入射面の光軸方向の深さをｄ＝ｆ（ｈ）としたときに、ｆ（ｈ）のｈの一階微分が０以上で、かつ二階微分が０となるｈが、０＜ｈ＜ｈ＿ｍａｘに存在する非球面レンズを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡などの照明装置に適用可能な非球面レンズ及び内視鏡用照明光学系に関するものである。

近年内視鏡の光学系が広角化するにつれて照明系も広角なものが要求されるようになってきた。又観察対象物に対して適切な照度分布を与える照明用の光学系に対する要求も高まっている。このような要求に対して、広角な内視鏡用照明光学系の例として下記特許文献１記載のように、オプチカルファイバーバンドルからなるライトガイドの前に正のレンズ系を配置し、このレンズ系によりライトガイドからの光を一度集光させた後に発散させて広角な照明を可能にしたものが公知である。内視鏡による観察は、対象物体が平面状物体だけでなく球面状物体や管腔状物体等、様々であり、例えば、医療用内視鏡の場合、胃の内面はほぼ球面状であり、食道や気管岐の内面はほぼ管状である。

この特許文献１記載の技術は、１つの正レンズを含む照明光学系の焦点距離をｆ、光軸に平行に前記光学系に入射する光線の入射光線高をｈ、光線高ｈの光線が前記光学系から射出する際の射出角をθとするとき、ｈ＝ｆθの関係をほぼ満足するようにして、完全発散面の平面状物体、球面状物体、管腔状物体に対する相対的な照度分布の均一化を図るものであり、これによって、例えば、球面状物体を照明する時に照度分布が中心から周辺に行くにしたがって明るくなるとともに、周辺部ではレンズ内を通る光線がレンズ外周部の内面で乱反射して消滅したり全反射したりすることによって急激に暗くなってリング状の照度分布むらを持ってしまうといったそれまでの照明光学系を改善し、広角でかつ球面状物体に対してほぼ均一の照度分布を与え平面状物体や管腔状物体に対してもより良好な照度分布を与えるようにしたものである。

また、下記特許文献２記載の技術は、内視鏡用照明光学系に用いるレンズの一方の面を同心円状に複数の輪帯に区分し、各輪帯毎に基準曲面を光軸方向にシフトさせた面として交互に凸面と凹面を形成したもので、これによってレンズのパワーを保ちつつレンズの厚さを薄くすることができる。
特許第３０２００７４号公報 特開２００２−２４４０５０号公報

しかしながら、前述の特許文献１記載の方法では、レンズの中心から周辺までの透過光が光軸上に集光される配光のためレンズ周辺部の傾き角が大きくなり、ガラスモールド成形による成形では精度維持が難しく成形時間が長く掛かる。特許文献２記載の方法では、フレネルレンズの考え方を採用して薄型化を図っているが、同心円状の鋭利な部分が存在する複雑な形状なため、プリフォームを潰して成形するガラスモールド成形では精度維持が難しく成形時間が長く掛かってしまう。また、これらのレンズでは、射出面から射出された光が、一旦、集光された後に発散して広角範囲を照明する光学系であるため、設計仕様によっては、集光点に光エネルギーが集まって、胃壁などの被検体を損傷させる可能性も有る。

本発明は上記背景を考慮してなされたもので、その目的は、プリフォームをプレス成形するガラスモールド成形であっても精度が出し易く、成形し易いとともに、光エネルギーが一点に集中しないようにしたレンズ形状を提案することにある。

本発明による非球面レンズは、内視鏡用照明光学系に用いられる集光レンズであって、照明用光源からの光が入射する入射面が前記照明用光源側に凸に形成され、光軸に平行に入射する光線の高さをｈ（範囲：０〜ｈ＿ｍａｘ）、入射面の光軸中心位置をｄ＝０としたときの高さｈにおける入射面の光軸方向の深さをｄ＝ｆ（ｈ）としたときに、ｆ（ｈ）のｈの一階微分が０以上で、かつ二階微分が０となるｈが、０＜ｈ＜ｈ＿ｍａｘに存在する。

前記非球面レンズは、一階微分が０となるｈが、０＜ｈ≦ｈ＿ｍａｘ×０．１に存在することが好ましい。

前記非球面レンズは、前記入射面から入射した光の一部がレンズ内部で収束した後に発散する。

本発明による内視鏡用照明光学系は、前記非球面レンズを有するとともに、その内部において入射した光の一部が収束した後に発散することを特徴とする。

本発明によれば、プリフォームをプレス成形するガラスモールド成形であっても高精度で成形し易く、光エネルギーが一点に集中しないようにした非球面レンズ形状を提案することで、安価、且つ被検体を損傷させる可能性のない内視鏡用照明光学系を提供する。

図１に示すように、本発明による内視鏡用照明光学系１０は、内視鏡に備えられる照明装置に用いられ、照明用光源から照明光を導光するオプチカルファイバーバンドルからなるライトガイド２０の前に非球面レンズ（以下、レンズと言う。）３０が配置されている。レンズ３０は集光レンズであり、前記ライトガイド２０からの光を一度集光させた後に発散させて広角な照明光を射出する。レンズ３０は、前記照明用光源からの光が入射する入射面が前記ライトガイド２０側（照明用光源側）に凸に形成され、全体として正のパワーを持つとともに、光軸Ｚに平行に入射する光線の高さをｈ（範囲：０〜ｈ＿ｍａｘ）、入射面Ｐの光軸中心位置をｄ＝０としたときの入射面の各点における光軸方向の深さをｄ＝ｆ（ｈ）としたときに、ｆ（ｈ）のｈの一階微分が０以上で、かつ二階微分が０となるｈが、０＜ｈ＜ｈ＿ｍａｘに存在する。

図２に示すように、前記条件で規定されたレンズ３０の入射面Ｐの断面形状を表す曲線には変極点Ｑが存在し、光軸Ｚから変極点Ｑまでの入射光線（Ａで示す範囲の光線）は、前記レンズ３０の内部で略収束した後に発散し射出面Ｒによって更に発散されて第１の広角配光光線群を形成する。また、変極点Ｑより周辺側の入射光線（Ｂで示す範囲の光線）は、前記レンズ３０の内部で収束することなく発散し射出面Ｒで更に発散されて第２の広角配光光線群を形成する。前記レンズ３０の射出面Ｒから前記第１の広角配光光線群と前記第２の広角配光光線群とが射出され、前記内視鏡用照明光学系１０の照明光となる。前記第１の広角配光光線群は、入射光をレンズ内部で一旦収束させた後に発散させて射出することで、広角（例えば、全角１２０°）範囲の照明をすることが出来、前記第２の広角配光光線群は、入射光を収束させずに発散させて射出面からの距離によって決まる範囲を照明する。これによって、前記レンズ３０による照明光は、前述した球面状物体や管腔状物体に対して良好な照度分布を与えることができるるとともに、前記レンズ３０の外で光が収束することがない。

次に、前記レンズ３０とは形状の異なるレンズの実施形態について説明する。図３に示すレンズ４０は、前記条件の中で、特に、一階微分が０となるｈが、０＜ｈ≦ｈ＿ｍａｘ×０．１に存在する条件を満足するものであり、この条件で規定された入射面Ｖの形状は、光軸Ｚを中心とした０＜ｈ≦ｈ＿ｍａｘ×０．１の範囲内が光軸Ｚと直交する平面となり、入射光線（Ｅで示す範囲の光線）は、レンズ４０内を光軸Ｚと平行に進む。そして、それより外側の入射面は、前述の入射面Ｐと同様に断面形状を表す曲線には変極点Ｕが存在し、変極点Ｕより光軸Ｚ側の入射光線（Ｆで示す範囲の光線）は、レンズ４０の内部で略収束した後に発散し、射出面Ｗで更に発散されて第１の広角配光光線群を形成する。また、変極点Ｕより周辺側の入射光線（Ｇで示す範囲の光線）は、レンズ４０の内部で収束することなく発散し、射出面Ｗによって更に発散されて第２の広角配光光線群を形成する。レンズ４０の射出面Ｗから前記第１の広角配光光線群と前記第２の広角配光光線群とが合わせて射出され、照明光となる。レンズ４０は、光軸Ｚ付近の入射光を屈折させないことで中心付近の光量を落とさずにレンズ内で収束される光線の量を低減させることができるので、より好ましい。

例えば、図４に実施例として記載した各数値に基づいてレンズ４０の形状を作成することができる。この表に示されたザグ値で表す点をスプラインで繋ぐと図５に示すアのような曲線となり、この線を光軸Ｚを中心として回転させたときに形成される形状が前記レンズ４０の入射面Ｖとなる。図４に示す二階微分の値をグラフにした図６からも解るように、入射面Ｖの断面形状は、ｈ＝０．０５に変極点Ｕがあり、それより中心側は外側に凸の曲面を形成し、ｈ＝０．０５より周辺側は外側に凹の曲面を形成して、図３に示す断面形状となっている。

図３に示す形状及び図５に示す曲線アからも解るように、前記レンズ４０は、前述の特許文献１に記載されたレンズ形状（図５の曲線イ）に比べて、レンズ周辺部における光軸と直交する面に対する角度が小さく成形し易い形状となっている。また、図７に示すように、レンズ４０の配光特性カを特許文献１に記載されたレンズの配光特性キと比べてもほぼ同等である。

前記レンズ３０及び４０は、射出面にＭｇＦ_２等のコーティングを施すことによって、射出する光線のフレネル反射を少なくし、射出光量を増すことができる。また、コーティングは発水性があるため、照度分布を悪化させる水滴が付着し難くなる。

以上、図示した実施形態にしたがって説明してきたが、本発明による内視鏡用照明光学系１０は、前述の実施形態で示したレンズ３０，４０を用いていれば、その他に複数のレンズや保護ガラスなどを組み合わせて構成しても、差し支えない。図８に示すように、例えば、内視鏡用照明光学系５０がレンズ５１と保護ガラス５２から構成されている場合、レンズ５１に入射した光線がレンズ５１の内部で必ずしも収束しなければならないことはなく、一部の収束光がレンズ５１の射出面Ｓから外側で収束したとしても、保護ガラス５２の射出面Ｔの内側であれば内視鏡用照明光学系５０の内部で収束していることになるので、照明光が内視鏡用照明光学系５０の外で収束して高エネルギー点を作ることがなく問題とならない。

本発明による内視鏡用照明光学系の照明光の軌跡を説明する模式図である。 本発明による非球面レンズの照明光の軌跡を説明する模式図である。 本発明による別の非球面レンズの照明光の軌跡を説明する模式図である。 図３に示す非球面レンズの入射面における光線高さｈに対するザグ値ｄの一例を示す表である。 入射面形状を曲線で表した図である。 非球面レンズのザグ値ｄの二階微分の値を表すグラフである。 レンズの配光特性を現す図である。 別の実施形態の内視鏡用照明光学系を説明する模式図である。

符号の説明

１０，５０ 内視鏡用照明光学系
２０ ライトガイド
３０，４０，５１ レンズ（非球面レンズ）
５２ 保護ガラス
Ｑ，Ｕ 変極点
Ｐ，Ｖ 入射面
Ｒ，Ｓ，Ｗ 射出面（レンズの射出面）
Ｔ 射出面（保護ガラスの射出面）

Claims (4)

1. 内視鏡用照明光学系に用いられる集光レンズであって、
   照明用光源からの光が入射する入射面が前記照明用光源側に凸に形成され、光軸に平行に入射する光線の光軸からの高さをｈ（範囲：０〜ｈ＿ｍａｘ）、入射面の光軸中心位置をｄ＝０としたときの高さｈにおける入射面の光軸方向の深さをｄ＝ｆ（ｈ）としたときに、ｆ（ｈ）のｈの一階微分が０以上で、かつ二階微分が０となるｈが、０＜ｈ＜ｈ＿ｍａｘに存在することを特徴とする非球面レンズ。
2. 一階微分が０となるｈが、０＜ｈ≦ｈ＿ｍａｘ×０．１に存在することを特徴とする請求項１記載の非球面レンズ。
3. 前記入射面から入射した光の一部がレンズ内部で収束した後に発散することを特徴とする請求項１又は２記載の非球面レンズ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の非球面レンズを有し、
   入射した光の一部が光学系の内部で収束した後に発散することを特徴とする内視鏡用照明光学系。

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