JP3030585B2 - 照明光学系 - Google Patents
照明光学系Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内視鏡などに適用可能
な照明光学系に関するものである。
な照明光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】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光学
系の要求も高まっている。
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光学
系の要求も高まっている。
【０００３】上記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特開昭５６−２０４２８号公報
に記載された光学系が知られている。それは図７に示す
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１の前に正のレンズ系２を配置し、このレンズ系２
によりライトガイド１より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である。
用照明光学系の例として特開昭５６−２０４２８号公報
に記載された光学系が知られている。それは図７に示す
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１の前に正のレンズ系２を配置し、このレンズ系２
によりライトガイド１より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である。
【０００４】この従来例は、ライトガイドより光軸に平
行に発した光線がレンズ系への入射高ｈと、この入射光
線高ｈに対する照明光学系からの射出角θとの関係が、
ほぼｈ＝ｆsin θになっている。尚ｆは照明光学系の焦
点距離である。
行に発した光線がレンズ系への入射高ｈと、この入射光
線高ｈに対する照明光学系からの射出角θとの関係が、
ほぼｈ＝ｆsin θになっている。尚ｆは照明光学系の焦
点距離である。
【０００５】この従来例による平面状物体上における相
対的照度分布は、次のようにして求められる。
対的照度分布は、次のようにして求められる。
【０００６】一般に、光源からの光をレンズ系を用いて
物体に照射した場合、物体表面がレンズの光軸に垂直な
完全拡散面からなる平面であるとすると、レンズの光
軸に対して角度θをなす方向の物体上の相対照度は次の
式（１）で表わされる。 Ｆ（θ）＝（β／βM ×β／βS ）-1 （１） ただしβは物体面に対する近軸倍率、βM ，βS は夫々
物体面に対するメリジオナル方向およびサジタル方向の
倍率である。
物体に照射した場合、物体表面がレンズの光軸に垂直な
完全拡散面からなる平面であるとすると、レンズの光
軸に対して角度θをなす方向の物体上の相対照度は次の
式（１）で表わされる。 Ｆ（θ）＝（β／βM ×β／βS ）-1 （１） ただしβは物体面に対する近軸倍率、βM ，βS は夫々
物体面に対するメリジオナル方向およびサジタル方向の
倍率である。
【０００７】上記式のβM ，βS は、物体距離がレンズ
系の射出瞳位置より十分離れている時には、夫々次の式
（２），（３）で与えられる。 βM ＝βcos2θ {dA（θ)/ｄθ} （２） βS ＝β {A(θ))/tanθ} （３） ただしＡ（θ）＝h/f である。
系の射出瞳位置より十分離れている時には、夫々次の式
（２），（３）で与えられる。 βM ＝βcos2θ {dA（θ)/ｄθ} （２） βS ＝β {A(θ))/tanθ} （３） ただしＡ（θ）＝h/f である。
【０００８】上記の式（２），（３）より、前記の従来
例における完全拡散面の平面状物体を照明した時の相対
的照度分布は、Ｆ（θ）＝cos4θとなり、図１０に示す
ような中心から周辺に行くにしたがってcos4θに比例し
て暗くなる。
例における完全拡散面の平面状物体を照明した時の相対
的照度分布は、Ｆ（θ）＝cos4θとなり、図１０に示す
ような中心から周辺に行くにしたがってcos4θに比例し
て暗くなる。
【０００９】またこの従来例により球面状物体又は管腔
状物体を照明した時の相対的な照度分布は、以下のよう
にして求められる。
状物体を照明した時の相対的な照度分布は、以下のよう
にして求められる。
【００１０】一般に完全拡散面の球面状物体の相対的な
照度分布と管腔状物体の相対的な照度分布は、夫々下記
式（５），（６）にて与えられる。 Ｇ（θ）＝Ｆ（θ）×1/cos3θ （５） Ｈ（θ）＝Ｆ（θ）×tan3θ （６） ただし、Ｇ（θ），Ｈ（θ）は夫々完全拡散面の球面状
物体および管腔状物体の相対的な照度分布である。
照度分布と管腔状物体の相対的な照度分布は、夫々下記
式（５），（６）にて与えられる。 Ｇ（θ）＝Ｆ（θ）×1/cos3θ （５） Ｈ（θ）＝Ｆ（θ）×tan3θ （６） ただし、Ｇ（θ），Ｈ（θ）は夫々完全拡散面の球面状
物体および管腔状物体の相対的な照度分布である。
【００１１】上記の式（５），（６）より、上記従来例
における完全拡散の球面状物体および管腔状物体の相対
的な照度分布は、夫々Ｇ（θ）＝cos θ，Ｈ（θ）＝co
sθ・sin3θとなり、図１０に示すようになる。
における完全拡散の球面状物体および管腔状物体の相対
的な照度分布は、夫々Ｇ（θ）＝cos θ，Ｈ（θ）＝co
sθ・sin3θとなり、図１０に示すようになる。
【００１２】上記の図１０から明らかなように、球面状
物体の場合は、中心から周辺に行くにつれて、cos θに
したがって照度が下るが、実用上は問題のない照度分布
が得られる。また管腔状物体の照度分布は、視野周辺で
急激に明るくなることはなく適正な照度分布が得られて
いる。
物体の場合は、中心から周辺に行くにつれて、cos θに
したがって照度が下るが、実用上は問題のない照度分布
が得られる。また管腔状物体の照度分布は、視野周辺で
急激に明るくなることはなく適正な照度分布が得られて
いる。
【００１３】しかし上記従来例のようにほぼｈ＝ｆsin
θの関係を満足する照明光学系は、視野角が１１０°以
上の広角な観察光学系に対し適用した場合、広角化に伴
って物体側から数えて第２面、第３面のパワーが強くな
りすぎてｈとsin θとが比例しなくなり、入射光線高の
高い光線は物体側から数えて第１面または第３面で全反
射する。また、入射光線高の高い光線ほど全反射を起こ
しやすいため、１１０°以上の広画角域での照度はあま
り増加せず、光量だけが急激に減少してしまう。
θの関係を満足する照明光学系は、視野角が１１０°以
上の広角な観察光学系に対し適用した場合、広角化に伴
って物体側から数えて第２面、第３面のパワーが強くな
りすぎてｈとsin θとが比例しなくなり、入射光線高の
高い光線は物体側から数えて第１面または第３面で全反
射する。また、入射光線高の高い光線ほど全反射を起こ
しやすいため、１１０°以上の広画角域での照度はあま
り増加せず、光量だけが急激に減少してしまう。
【００１４】又視野角が１１０°以上の広角な観察光学
系に適用できる照明光学系の例として、特開昭５８−９
５７０６号公報に記載された光学系がある。それは図８
に示す構成で、図７に示す従来例と比べ、レンズ枚数が
多く、コスト高になる欠点がある。
系に適用できる照明光学系の例として、特開昭５８−９
５７０６号公報に記載された光学系がある。それは図８
に示す構成で、図７に示す従来例と比べ、レンズ枚数が
多く、コスト高になる欠点がある。
【００１５】更に平面状物体照明時に均一な照度分布と
なる照明光学系として入射高ｈと射出角θとの間に、ｈ
とtan θとがほぼ比例する光学系が知られている。それ
は、図９に示す特開昭６２−１７８２０７号公報に記載
されたものである。
なる照明光学系として入射高ｈと射出角θとの間に、ｈ
とtan θとがほぼ比例する光学系が知られている。それ
は、図９に示す特開昭６２−１７８２０７号公報に記載
されたものである。
【００１６】しかし、内視鏡による観察は、対象物体が
平面状物体だけでなく前述のように球面状物体と管腔状
物体等の様々である。
平面状物体だけでなく前述のように球面状物体と管腔状
物体等の様々である。
【００１７】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。
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。
【００１８】ｈがtan θに比例する照明光学系により球
面状物体を照明する時、式（１），式（５）より照度分
布は、図１１に示すような中心から周辺に行くにしたが
って1/cos3θに比例して明るくなってしまう。更に周辺
部ではレンズ内を通る光線がレンズ外周部の内面にて乱
反射して消滅したり、全反射したりすることによって、
図１２に示すように急激に暗くなる。そのため球面状物
体を照明した時の照度分布は、リング状となる。
面状物体を照明する時、式（１），式（５）より照度分
布は、図１１に示すような中心から周辺に行くにしたが
って1/cos3θに比例して明るくなってしまう。更に周辺
部ではレンズ内を通る光線がレンズ外周部の内面にて乱
反射して消滅したり、全反射したりすることによって、
図１２に示すように急激に暗くなる。そのため球面状物
体を照明した時の照度分布は、リング状となる。
【００１９】この従来例の照明光学系により管状物体を
照明した時、式（１），式（６）によりその照度分布
は、視野周辺に行くにしたがってtan3θに比例して急激
に明るくなり、適正な明るさで観察できる範囲が非常に
狭くなり、観察しにくい照明であり好ましくない。
照明した時、式（１），式（６）によりその照度分布
は、視野周辺に行くにしたがってtan3θに比例して急激
に明るくなり、適正な明るさで観察できる範囲が非常に
狭くなり、観察しにくい照明であり好ましくない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
問題点に鑑み、１１０°以上の広画角の内視鏡にも使用
し得て、しかも平面状物体、球面上物体、管腔状物体の
いずれに対しても適正な照度分布を与え、しかも光量ロ
スの少ない安価な照明光学系を提供することを目的とす
るものである。
問題点に鑑み、１１０°以上の広画角の内視鏡にも使用
し得て、しかも平面状物体、球面上物体、管腔状物体の
いずれに対しても適正な照度分布を与え、しかも光量ロ
スの少ない安価な照明光学系を提供することを目的とす
るものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明の照明光学系は、
入射面が非球面で射出面が平面である正レンズを最も物
体側に含み、この非球面が光軸から離れるにつれて近似
曲率よりも曲率が弱くなるような形状を持ち光源から光
軸に対して平行に発した光線のこの光学系への入射光線
高ｈと、この光学系から射出する際の射出角θとの関係
がほぼｈ＝ｆｓｉｎθとなるようにし、更に次の条件
（Ａ），（Ｂ）を満足することを特徴とするものであ
る。
入射面が非球面で射出面が平面である正レンズを最も物
体側に含み、この非球面が光軸から離れるにつれて近似
曲率よりも曲率が弱くなるような形状を持ち光源から光
軸に対して平行に発した光線のこの光学系への入射光線
高ｈと、この光学系から射出する際の射出角θとの関係
がほぼｈ＝ｆｓｉｎθとなるようにし、更に次の条件
（Ａ），（Ｂ）を満足することを特徴とするものであ
る。
【００２２】ただしｆは照明光学系の焦点距離、ｆ1 は
非球面を有する正レンズの焦点距離、Ｆ(h) は非球面を
表わす関数、ｎは非球面を有する正レンズのｄ線に対す
る屈折率である。
非球面を有する正レンズの焦点距離、Ｆ(h) は非球面を
表わす関数、ｎは非球面を有する正レンズのｄ線に対す
る屈折率である。
【００２３】本発明の照明光学系は、上記のような構成
を有することによって、視野角が１１０°以上の広角の
内視鏡に対して用いることが出来、かつ球面状物体、平
面状物体、管腔状物体のいずれに対しても適正な照度分
布を与え、しかも光量ロスの少ない安価な内視鏡用照明
光学系を得られるようにした。
を有することによって、視野角が１１０°以上の広角の
内視鏡に対して用いることが出来、かつ球面状物体、平
面状物体、管腔状物体のいずれに対しても適正な照度分
布を与え、しかも光量ロスの少ない安価な内視鏡用照明
光学系を得られるようにした。
【００２４】前述のように、内視鏡等による観察を行な
う場合、観察対象としては、平面状物体だけでなく球面
状物体や管腔状物体等さまざまな対象がある。このよう
な様々な物体を照明する場合、平面状物体のみ均一な照
度分布が与えられるようにしたのでは、内視鏡等による
観察の場合不十分である。そこで平面状物体、球面状物
体、管腔状物体等のいずれの物体に対しても適正な照度
分布が与えられる照明光学系を得るためには、光学系へ
の入射光線高ｈとこの光線高ｈに対する照明光学系から
の射出角θとの関係がほぼｈ＝ｆsin θになればよい。
う場合、観察対象としては、平面状物体だけでなく球面
状物体や管腔状物体等さまざまな対象がある。このよう
な様々な物体を照明する場合、平面状物体のみ均一な照
度分布が与えられるようにしたのでは、内視鏡等による
観察の場合不十分である。そこで平面状物体、球面状物
体、管腔状物体等のいずれの物体に対しても適正な照度
分布が与えられる照明光学系を得るためには、光学系へ
の入射光線高ｈとこの光線高ｈに対する照明光学系から
の射出角θとの関係がほぼｈ＝ｆsin θになればよい。
【００２５】この時球面状物体に対する相対的な照度分
布と、管腔状物体に対する相対的な照度分布はそれぞれ
Ｇ（θ）＝cos θ，Ｈ（θ）＝cos θsin3θとなり、図
１０に示すように球面状の照度分布は中心から周辺に行
くにしたがってcos θにしたがって照度が低下するが、
実用上は問題がない。
布と、管腔状物体に対する相対的な照度分布はそれぞれ
Ｇ（θ）＝cos θ，Ｈ（θ）＝cos θsin3θとなり、図
１０に示すように球面状の照度分布は中心から周辺に行
くにしたがってcos θにしたがって照度が低下するが、
実用上は問題がない。
【００２６】また管腔状物体の照度分布は、視野周辺で
急激に明るくはならず、適正な照度分布が得られる。
急激に明るくはならず、適正な照度分布が得られる。
【００２７】上記のような特徴を有する少なくとも一つ
の正レンズを含む照明光学系で、１１０°を越える広角
な観察光学系に対応でき、かつレンズ枚数の少ない照明
光学系は、光学系の少なくとも一つの面を非球面にし、
その非球面が、光軸から垂直方向に行くにしたがって、
近似曲率よりも曲率が弱くなる曲面で構成する必要があ
る。
の正レンズを含む照明光学系で、１１０°を越える広角
な観察光学系に対応でき、かつレンズ枚数の少ない照明
光学系は、光学系の少なくとも一つの面を非球面にし、
その非球面が、光軸から垂直方向に行くにしたがって、
近似曲率よりも曲率が弱くなる曲面で構成する必要があ
る。
【００２８】例えば、図５に示すように、照明レンズの
物体側の面が平面で入射光線側の面が非球面になってい
る単レンズでも上記の関係を満足し、かつ光量ロスの少
ない照明光学系になし得る。
物体側の面が平面で入射光線側の面が非球面になってい
る単レンズでも上記の関係を満足し、かつ光量ロスの少
ない照明光学系になし得る。
【００２９】図５に示す照明光学系において、入射光線
高ｈとその入射光線高ｈに対する照明光学系からの射出
高θとの関係が、ｈ＝ｆsin θになる時の非球面の形状
は、次のようにして求められる。
高ｈとその入射光線高ｈに対する照明光学系からの射出
高θとの関係が、ｈ＝ｆsin θになる時の非球面の形状
は、次のようにして求められる。
【００３０】上記関係におけるｆは非球面の形状を次の
式（７）で表わした時の近似曲率を有するレンズ系の焦
点距離である。
式（７）で表わした時の近似曲率を有するレンズ系の焦
点距離である。
【００３１】ただしｘ，ｈは、光軸をｘ軸とし物体側を
負の方向にとりｈ軸を面と光軸との交点を原点としてｘ
軸に直交する方向にとった時の座標値、Ｃは光軸近傍で
非球面と接する円の曲率（近似曲率）半径の逆数、ｐは
円錐定数、Ｅ，Ｆ，Ｇ・・・はそれぞれ４次，６次，８
次，・・・の非球面係数である。
負の方向にとりｈ軸を面と光軸との交点を原点としてｘ
軸に直交する方向にとった時の座標値、Ｃは光軸近傍で
非球面と接する円の曲率（近似曲率）半径の逆数、ｐは
円錐定数、Ｅ，Ｆ，Ｇ・・・はそれぞれ４次，６次，８
次，・・・の非球面係数である。
【００３２】図５において、求めようとする面の関数を
Ｆ(h) とおき、座標（ｈ，ｘ）＝（ｈ，Ｆ(h) ）の位置
でのＦ(h) の接線のｈ軸に対する傾き角をω、座標
（ｈ，ｘ）＝（ｈ，Ｆ(h) ）の位置でのＦ(h) の接線の
法線をｌとすると光線がｈで光軸と平行に入射する光線
の法線ｌに対する屈折角をα、その光線の照明レンズの
物体側の面への入射角をβ、その射出角をθ、照明レン
ズの硝材のｄ線に対する屈折率をｎとすると、次の式が
定義できる。 ｈ＝ｆ 1 sin θ （８） α＋β＝ω （９） ｎsin α＝sin ω （１０） ｎsin β＝sin θ （１１） tan ω＝ｄＦ(h) ／ｄｈ （１２） 上記式のうち式（８）〜（１１）により次の式（１３）
が導かれる。
Ｆ(h) とおき、座標（ｈ，ｘ）＝（ｈ，Ｆ(h) ）の位置
でのＦ(h) の接線のｈ軸に対する傾き角をω、座標
（ｈ，ｘ）＝（ｈ，Ｆ(h) ）の位置でのＦ(h) の接線の
法線をｌとすると光線がｈで光軸と平行に入射する光線
の法線ｌに対する屈折角をα、その光線の照明レンズの
物体側の面への入射角をβ、その射出角をθ、照明レン
ズの硝材のｄ線に対する屈折率をｎとすると、次の式が
定義できる。 ｈ＝ｆ 1 sin θ （８） α＋β＝ω （９） ｎsin α＝sin ω （１０） ｎsin β＝sin θ （１１） tan ω＝ｄＦ(h) ／ｄｈ （１２） 上記式のうち式（８）〜（１１）により次の式（１３）
が導かれる。
【００３３】又式（１２），（１３）から次の式（１
４）が得られる。
４）が得られる。
【００３４】式（１４）から求めようとする関数Ｆ(h)
は次の式（１５）で表わされる。 単レンズで物体側の面が平面の照明光学系の場合、入射
光線高ｈ，射出角θとの関係は、非球面の面の傾きによ
り決まるため式（８）を満足する照明光学系は、式（１
４）を満足するものであればよい。ここで式（１４）
は、図６に示すように同じ焦点距離の球面レンズの面の
傾きの増加量に比べて少ない値をとっている。尚図中縦
軸は傾き量、横軸はｈ、又カーブＳ，ＡＳ１，ＡＳ２は
夫々、球面、ｈ＝ｆｓｉｎθの関係を満足する非球面お
よびｈ＝ｆθの関係を満足する非球面について示してい
る。
は次の式（１５）で表わされる。 単レンズで物体側の面が平面の照明光学系の場合、入射
光線高ｈ，射出角θとの関係は、非球面の面の傾きによ
り決まるため式（８）を満足する照明光学系は、式（１
４）を満足するものであればよい。ここで式（１４）
は、図６に示すように同じ焦点距離の球面レンズの面の
傾きの増加量に比べて少ない値をとっている。尚図中縦
軸は傾き量、横軸はｈ、又カーブＳ，ＡＳ１，ＡＳ２は
夫々、球面、ｈ＝ｆｓｉｎθの関係を満足する非球面お
よびｈ＝ｆθの関係を満足する非球面について示してい
る。
【００３５】以上のことから、条件（Ａ）は少なくとも
１面が非球面である正レンズが、ほぼ式（８）を満足す
るように入射光線高ｈと非球面上の座標（ｈ，Ｆ(h) ）
での面の傾きｄＦ(h) ／ｄｈの関係を規定するものであ
る。
１面が非球面である正レンズが、ほぼ式（８）を満足す
るように入射光線高ｈと非球面上の座標（ｈ，Ｆ(h) ）
での面の傾きｄＦ(h) ／ｄｈの関係を規定するものであ
る。
【００３６】上記の非球面を有する正レンズを含んだ照
明光学系において、条件（Ａ）の下限を越えると、非球
面以外のレンズ面にパワーがある場合、その面でのパワ
ーが強くなりすぎて、光量のロスが多くなる。又条件
（Ａ）の上限を越えると、非球面以外のレンズ面にパワ
ーがある場合、非球面の近似曲率が強くなりすぎて、や
はり光量のロスが多くなる。更に非球面レンズをプレス
成形で加工する場合、成形用型の加工性が悪くなる。
明光学系において、条件（Ａ）の下限を越えると、非球
面以外のレンズ面にパワーがある場合、その面でのパワ
ーが強くなりすぎて、光量のロスが多くなる。又条件
（Ａ）の上限を越えると、非球面以外のレンズ面にパワ
ーがある場合、非球面の近似曲率が強くなりすぎて、や
はり光量のロスが多くなる。更に非球面レンズをプレス
成形で加工する場合、成形用型の加工性が悪くなる。
【００３７】条件（Ｂ）は、非球面を有するレンズに使
用する硝材を規定するものである。
用する硝材を規定するものである。
【００３８】この条件（Ｂ）の下限を越えると、非球面
に入射する光線高の値が大きい領域での非球面の面の傾
きが急速に増大し、レンズの加工性が悪くなる。
に入射する光線高の値が大きい領域での非球面の面の傾
きが急速に増大し、レンズの加工性が悪くなる。
【００３９】又条件（Ｂ）は、広い照度分布を得ながら
もレンズの外径を増大させないために比較的屈折率の高
い硝材を使用することを示している。
もレンズの外径を増大させないために比較的屈折率の高
い硝材を使用することを示している。
【００４０】なお、本発明の照明レンズの物体側の面
に、ＭgＦ2 、ＳiＯ2 等のコーティングを施すことによ
って、照明レンズから射出する光線のフレネル反射を少
なくし、照明レンズからの射出光量を増すこともでき
る。
に、ＭgＦ2 、ＳiＯ2 等のコーティングを施すことによ
って、照明レンズから射出する光線のフレネル反射を少
なくし、照明レンズからの射出光量を増すこともでき
る。
【００４１】また内視鏡による観察時には、水滴が照明
レンズの物体側の面上に乗り、照度分布を悪化させるこ
とがよく起る。しかし、照明レンズを物体側の面にコー
ティングを施すことによりコーティングの発水性により
水滴を排除しやすくする効果が得られる。
レンズの物体側の面上に乗り、照度分布を悪化させるこ
とがよく起る。しかし、照明レンズを物体側の面にコー
ティングを施すことによりコーティングの発水性により
水滴を排除しやすくする効果が得られる。
【００４２】また、入射側の光源としてファイバーバン
ドルを用いる場合、ファイバーバンドルの射出端は、す
べての部分が一様に光っているのではなく、各ファイバ
ーのコアーの部分のみが光っているため、正レンズを用
いて照明する場合は、このファイバーバンドルの端面が
そのまま物体面上に投影されるので、コアーの部分だけ
が明るく照明され、丁度物体面上に網をかぶせたように
照明され、非常に観察しにくくなることがある。このよ
うな場合、ファイバーバンドルの中で、各ファイバー１
本、１本を融着させ光ファイバーの密度を高くした融着
ファイバーを用いればよい。又ファイバーバンドルと本
発明の照明光学系との間に筒状反射鏡を挿入しても良
い。又筒状反射鏡の代りに単ファイバーを挿入してもよ
い。
ドルを用いる場合、ファイバーバンドルの射出端は、す
べての部分が一様に光っているのではなく、各ファイバ
ーのコアーの部分のみが光っているため、正レンズを用
いて照明する場合は、このファイバーバンドルの端面が
そのまま物体面上に投影されるので、コアーの部分だけ
が明るく照明され、丁度物体面上に網をかぶせたように
照明され、非常に観察しにくくなることがある。このよ
うな場合、ファイバーバンドルの中で、各ファイバー１
本、１本を融着させ光ファイバーの密度を高くした融着
ファイバーを用いればよい。又ファイバーバンドルと本
発明の照明光学系との間に筒状反射鏡を挿入しても良
い。又筒状反射鏡の代りに単ファイバーを挿入してもよ
い。
【００４３】上記の網状の照度むらは、ファイバーバン
ドルの端面の像が無限大に結像する時、最も目立つの
で、単ファイバーを挿入した場合、次の条件を満足する
ことが望ましい。ＦB ＜０ここでＦB は、非球面を近似
曲率で表わした時の照明光学系全系の後側焦点位置で、
全系の最終面（例えば後に示す実施例２等の場合は
ｒ4）から測って光源側をプラス、物体側（面ｒ1側）を
マイナスとする。
ドルの端面の像が無限大に結像する時、最も目立つの
で、単ファイバーを挿入した場合、次の条件を満足する
ことが望ましい。ＦB ＜０ここでＦB は、非球面を近似
曲率で表わした時の照明光学系全系の後側焦点位置で、
全系の最終面（例えば後に示す実施例２等の場合は
ｒ4）から測って光源側をプラス、物体側（面ｒ1側）を
マイナスとする。
【００４４】また、ガラスの非球面レンズは、通常プレ
ス成形により作られるが、その時用いられる成形用型
は、非球面凸レンズの場合凹面型となる。そのため内視
鏡用等の小さなレンズ用の型は、型研磨用の砥石が型の
内面と干渉し研磨出来なかったり、プレス成形時にレン
ズの焼きつきや中心部分のレンズのひけ等をおこすこと
がある。
ス成形により作られるが、その時用いられる成形用型
は、非球面凸レンズの場合凹面型となる。そのため内視
鏡用等の小さなレンズ用の型は、型研磨用の砥石が型の
内面と干渉し研磨出来なかったり、プレス成形時にレン
ズの焼きつきや中心部分のレンズのひけ等をおこすこと
がある。
【００４５】本発明の照明レンズの物体側の面に凸面あ
るいは凹面をもうけて非球面側の面のパワーを小さくし
たり、非球面レンズの硝材の屈折率を高くして面の曲率
を弱くして加工性を向上させてもよい。
るいは凹面をもうけて非球面側の面のパワーを小さくし
たり、非球面レンズの硝材の屈折率を高くして面の曲率
を弱くして加工性を向上させてもよい。
【００４６】ところで、図７に示すような従来例の場
合、物体側の面から順にｒ1 ，ｒ2，ｒ3 ，ｒ4 とする
と面ｒ2 のパワーと面ｒ3 のパワーとはほぼ等しくなっ
ている。それは、球面レンズ系で面ｒ1 および面ｒ3 で
の光線の全反射の量を少なくし、少しでも広い照度分布
を得ようとするためである。球面レンズの場合、レンズ
周辺に行くにしたがって面のパワーが急激に強くなる。
そのため入射光線高の高い光線の全反射の量を少なくす
るためには、面ｒ3 のパワーをあまり強くすることは出
来ない。また広い照度分布を得るためには、面ｒ2 のパ
ワーを強くする必要がある。しかし面ｒ2 のパワーを強
くしすぎると面ｒ1 での全反射の量が多くなるため、あ
まり面ｒ2 のパワーを強くすることは出来ない。そのた
め照度分布と光量とのバランスをとるためほぼ面ｒ2 と
面ｒ3 のパワーを等しくしている。
合、物体側の面から順にｒ1 ，ｒ2，ｒ3 ，ｒ4 とする
と面ｒ2 のパワーと面ｒ3 のパワーとはほぼ等しくなっ
ている。それは、球面レンズ系で面ｒ1 および面ｒ3 で
の光線の全反射の量を少なくし、少しでも広い照度分布
を得ようとするためである。球面レンズの場合、レンズ
周辺に行くにしたがって面のパワーが急激に強くなる。
そのため入射光線高の高い光線の全反射の量を少なくす
るためには、面ｒ3 のパワーをあまり強くすることは出
来ない。また広い照度分布を得るためには、面ｒ2 のパ
ワーを強くする必要がある。しかし面ｒ2 のパワーを強
くしすぎると面ｒ1 での全反射の量が多くなるため、あ
まり面ｒ2 のパワーを強くすることは出来ない。そのた
め照度分布と光量とのバランスをとるためほぼ面ｒ2 と
面ｒ3 のパワーを等しくしている。
【００４７】しかし、本発明においては、非球面を有す
る照明レンズと光源との間に凸レンズを挿入する場合、
物体側の面から順にｒ1 ，ｒ2 （非球面）、ｒ3 ，ｒ4
とすると面ｒ2 はレンズの周辺に行くにしたがって近似
曲率と比べ面のパワーは、それ程強くならないため、広
い照度分布を得るために面ｒ2 のパワーを強くしても、
面ｒ1 での光線の全反射の量はあまり増加しない。その
ため面ｒ3 のパワーをあまり強くする必要がなくなり、
面ｒ3 での全反射の量も少なくできる。
る照明レンズと光源との間に凸レンズを挿入する場合、
物体側の面から順にｒ1 ，ｒ2 （非球面）、ｒ3 ，ｒ4
とすると面ｒ2 はレンズの周辺に行くにしたがって近似
曲率と比べ面のパワーは、それ程強くならないため、広
い照度分布を得るために面ｒ2 のパワーを強くしても、
面ｒ1 での光線の全反射の量はあまり増加しない。その
ため面ｒ3 のパワーをあまり強くする必要がなくなり、
面ｒ3 での全反射の量も少なくできる。
【００４８】そこで、本発明においては、非球面を有す
る照明レンズと光源との間に設けた凸レンズの物体側の
面のパワーをφ3、非球面を有する照明レンズの非球面
の近似曲率における面のパワーをφ2 とすると次の関係
を満足することが望ましい。φ3 ＜φ2本発明におい
て、非球面を有する照明レンズと光源との間に凸レンズ
を設けたことによって非球面を有する照明レンズの加工
性が向上するばかりでなく、面ｒ3 の働きで面ｒ2 で有
効径外になっていた光線をｒ2 に入射させることが出
来、照明レンズから射出する光量を増加させることが出
来る。
る照明レンズと光源との間に設けた凸レンズの物体側の
面のパワーをφ3、非球面を有する照明レンズの非球面
の近似曲率における面のパワーをφ2 とすると次の関係
を満足することが望ましい。φ3 ＜φ2本発明におい
て、非球面を有する照明レンズと光源との間に凸レンズ
を設けたことによって非球面を有する照明レンズの加工
性が向上するばかりでなく、面ｒ3 の働きで面ｒ2 で有
効径外になっていた光線をｒ2 に入射させることが出
来、照明レンズから射出する光量を増加させることが出
来る。
【００４９】また、その時の非球面の形状は、入射光線
高ｈと、この入射光線高ｈに対する照明光学系からの射
出角θとの関係がほぼ式（４）のｈ＝ｆｓｉｎθを満足
させることが可能であり、平面状物体、球面状物体、管
腔状物体に対しても適正な照度分布を与えることが可能
である。
高ｈと、この入射光線高ｈに対する照明光学系からの射
出角θとの関係がほぼ式（４）のｈ＝ｆｓｉｎθを満足
させることが可能であり、平面状物体、球面状物体、管
腔状物体に対しても適正な照度分布を与えることが可能
である。
【００５０】また、非球面を有する正レンズと、光源と
の間に単ファイバーや凸レンズを挿入する場合、単ファ
イバーまたは凸レンズの物体側の面の像が物体面に結像
するように配置すると、単ファイバーや凸レンズ等の物
体側の面の汚れ等が投影され、配光むらの原因になる。
の間に単ファイバーや凸レンズを挿入する場合、単ファ
イバーまたは凸レンズの物体側の面の像が物体面に結像
するように配置すると、単ファイバーや凸レンズ等の物
体側の面の汚れ等が投影され、配光むらの原因になる。
【００５１】そこで前記の面ｒ1 ，ｒ2 （非球面），ｒ
3 ，ｒ4 において、面ｒ2 から面ｒ3 までの間隔をｙと
した時、次の関係を満足するように単ファイバーまたは
凸レンズを配置することが望ましい。０≦ｙ＜ｆBここ
で、ｆBは非球面を含むレンズ単体の後側焦点距離で、
ｙ，ｆB共その光源側の面ｒ2から測って光源側（面ｒ4
側）をプラス、物体側（面ｒ1側）をマイナスとする。
3 ，ｒ4 において、面ｒ2 から面ｒ3 までの間隔をｙと
した時、次の関係を満足するように単ファイバーまたは
凸レンズを配置することが望ましい。０≦ｙ＜ｆBここ
で、ｆBは非球面を含むレンズ単体の後側焦点距離で、
ｙ，ｆB共その光源側の面ｒ2から測って光源側（面ｒ4
側）をプラス、物体側（面ｒ1側）をマイナスとする。
【００５２】また、凸レンズを用いた照明光学系の場
合、光源から射出角０°で射出した最も強度の強い光線
がほぼ１点に集光するところが存在する。例えば医療用
の内視鏡の場合、その集光点が照明レンズの最も物体側
の面よりも外側に存在すると人体を焼いてしまう可能性
がある。また工業用の内視鏡の場合には観察対象周辺に
可燃性のものがあるとそれに引火する可能性があり、そ
のため、本発明の照明光学系の場合は、以下の条件を満
足することが望ましい。ＦF ＞０ここでＦF は非球面を
近似曲率で表わした時の照明光学系の前側焦点位置であ
る。
合、光源から射出角０°で射出した最も強度の強い光線
がほぼ１点に集光するところが存在する。例えば医療用
の内視鏡の場合、その集光点が照明レンズの最も物体側
の面よりも外側に存在すると人体を焼いてしまう可能性
がある。また工業用の内視鏡の場合には観察対象周辺に
可燃性のものがあるとそれに引火する可能性があり、そ
のため、本発明の照明光学系の場合は、以下の条件を満
足することが望ましい。ＦF ＞０ここでＦF は非球面を
近似曲率で表わした時の照明光学系の前側焦点位置であ
る。
【００５３】また、本発明の光学系において、１１０°
以上の広角な照度分布を得て、かつ光量ロスを少なくす
るためには、光源から光軸に対して平行に発する最も光
線高の高い光線が、照明光学系の最も物体側の面で全反
射したり、照明レンズの外周部に当ったりしないように
することが望ましい。そのため例えば、照明光学系の最
も物体側の面に接して単ファイバーを配置したり、物体
側の照明レンズを単ファイバーで構成してもよい。
以上の広角な照度分布を得て、かつ光量ロスを少なくす
るためには、光源から光軸に対して平行に発する最も光
線高の高い光線が、照明光学系の最も物体側の面で全反
射したり、照明レンズの外周部に当ったりしないように
することが望ましい。そのため例えば、照明光学系の最
も物体側の面に接して単ファイバーを配置したり、物体
側の照明レンズを単ファイバーで構成してもよい。
【００５４】
【実施例】次に本発明のの照明光学系の照明レンズの実
施例を示す。 実施例１ ｒ1 ＝∞ ＥＲ1 ＝0.93 ｄ1 ＝2.3 ｎ1 ＝1.78472 ν1 ＝25.71 ｒ2 ＝-0.7848 （非球面） ＥＲ2 ＝0.93 非球面係数 Ｐ＝0.3637，Ｅ＝-0.27091×10-1 ｆ＝１，Ｄ＝0.91 ，ＦF ＝0.289 実施例２ ｒ1 ＝∞ ＥＲ1 ＝1.13 ｄ1 ＝2.2 ｎ1 ＝1.78472 ν1 ＝25.71 ｒ2 ＝-0.7849 （非球面） ＥＲ2 ＝1.13 ｄ2 ＝0 ｒ3 ＝∞ ＥＲ3 ＝1 ｄ3 ＝3.4 ｎ3 ＝1.72825 ν3 ＝28.46 （単ファイバー） ｒ4 ＝∞ ＥＲ4 ＝1 非球面係数 Ｐ＝0.3279，Ｅ＝-0.48352×10-1，Ｆ＝0.59201 ×10-1 ｆ＝ｆ1 ＝１，Ｄ＝0.837 ，ｆF ＝0.232 ，ｆB ＝-0.967 ただしｒ1 ，ｒ2 ，・・・ はレンズ各面の曲率半径、ｄ
1 ，ｄ2 ，・・・ は各レンズの肉厚およびレンズ間隔、ｎ
1 ，ｎ2 ，・・・ は各レンズの屈折率、ν1 ，ν2 ，・・・
は各レンズのアッベ数、φ2、φ3は夫々面ｒ2、ｒ3のパ
ワー、ＥＲ1、ＥＲ2、・・・はレンズ各面の有効半径、
Ｄは光源から照明光学系に入射する入射光線の最大光線
高、ｆ、ＦF、ＦBは夫々非球面を近似曲率で表わした時
の照明光学系の焦点距離、前側焦点位置、および後側焦
点位置、ｆ1、ｆBは夫々非球面レンズ単体の焦点距離お
よび後側焦点位置である。
施例を示す。 実施例１ ｒ1 ＝∞ ＥＲ1 ＝0.93 ｄ1 ＝2.3 ｎ1 ＝1.78472 ν1 ＝25.71 ｒ2 ＝-0.7848 （非球面） ＥＲ2 ＝0.93 非球面係数 Ｐ＝0.3637，Ｅ＝-0.27091×10-1 ｆ＝１，Ｄ＝0.91 ，ＦF ＝0.289 実施例２ ｒ1 ＝∞ ＥＲ1 ＝1.13 ｄ1 ＝2.2 ｎ1 ＝1.78472 ν1 ＝25.71 ｒ2 ＝-0.7849 （非球面） ＥＲ2 ＝1.13 ｄ2 ＝0 ｒ3 ＝∞ ＥＲ3 ＝1 ｄ3 ＝3.4 ｎ3 ＝1.72825 ν3 ＝28.46 （単ファイバー） ｒ4 ＝∞ ＥＲ4 ＝1 非球面係数 Ｐ＝0.3279，Ｅ＝-0.48352×10-1，Ｆ＝0.59201 ×10-1 ｆ＝ｆ1 ＝１，Ｄ＝0.837 ，ｆF ＝0.232 ，ｆB ＝-0.967 ただしｒ1 ，ｒ2 ，・・・ はレンズ各面の曲率半径、ｄ
1 ，ｄ2 ，・・・ は各レンズの肉厚およびレンズ間隔、ｎ
1 ，ｎ2 ，・・・ は各レンズの屈折率、ν1 ，ν2 ，・・・
は各レンズのアッベ数、φ2、φ3は夫々面ｒ2、ｒ3のパ
ワー、ＥＲ1、ＥＲ2、・・・はレンズ各面の有効半径、
Ｄは光源から照明光学系に入射する入射光線の最大光線
高、ｆ、ＦF、ＦBは夫々非球面を近似曲率で表わした時
の照明光学系の焦点距離、前側焦点位置、および後側焦
点位置、ｆ1、ｆBは夫々非球面レンズ単体の焦点距離お
よび後側焦点位置である。
【００５５】実施例１は、図１に示す構成で、非球面
（ｒ2 ）を有する正レンズ１枚よりなる。この実施例の
照明光学系の入射光線高ｈとこの入射光線高ｈに対する
照明光学系からの射出角θとの関係は、図３に示すよう
にほぼｈ＝ｆsin θにしてある。この光学系は、観察視
野角が１５０°程度まで対応することが可能である。実
施例２は、図２に示す通りの構成で、非球面を有する正
レンズとこの正レンズと光源との間に単ファイバーを配
置したものである。この実施例２のｈとθとの関係は、
図４に示す通りである。
（ｒ2 ）を有する正レンズ１枚よりなる。この実施例の
照明光学系の入射光線高ｈとこの入射光線高ｈに対する
照明光学系からの射出角θとの関係は、図３に示すよう
にほぼｈ＝ｆsin θにしてある。この光学系は、観察視
野角が１５０°程度まで対応することが可能である。実
施例２は、図２に示す通りの構成で、非球面を有する正
レンズとこの正レンズと光源との間に単ファイバーを配
置したものである。この実施例２のｈとθとの関係は、
図４に示す通りである。
【００５６】この実施例２は、単ファイバーを挿入した
ことによって、ファイバーバンドルの網目状のむらが映
りにくくなり、又光源の大きさを変化させてもほとんど
照度分布が変化しない等の利点を有している。光源の大
きさを変化させてもほとんど照度を変化させないために
は、単ファイバーが次の条件を満足することが望まし
い。 ２ｄ＜Ｌ ただしｄは単ファイバーのコアー半径、Ｌは単ファイバ
ーの長さである。
ことによって、ファイバーバンドルの網目状のむらが映
りにくくなり、又光源の大きさを変化させてもほとんど
照度分布が変化しない等の利点を有している。光源の大
きさを変化させてもほとんど照度を変化させないために
は、単ファイバーが次の条件を満足することが望まし
い。 ２ｄ＜Ｌ ただしｄは単ファイバーのコアー半径、Ｌは単ファイバ
ーの長さである。
【００５７】この実施例の光学系も、視野角が１５０°
程度まで対応することが出来る。
程度まで対応することが出来る。
【００５８】
【発明の効果】本発明の照明光学系は、視野角が１１０
°以上の広角の内視鏡にも用い得るもので、又平面状物
体、球面状物体、管腔状物体に対しても良好な照度分布
を与えしかも光量のロスの少ない安価なものである。
°以上の広角の内視鏡にも用い得るもので、又平面状物
体、球面状物体、管腔状物体に対しても良好な照度分布
を与えしかも光量のロスの少ない安価なものである。
【００５９】尚図５、６において曲線Ａは実施例、曲線
Ｂはｈ＝ｆｓｉｎθ、曲線Ｃはｈ＝ｆθである。また、
図１０における曲線Ｆ（θ）、Ｇ（θ）、Ｈ（θ）およ
び図１２における曲線ａ，ｂ，ｃは夫々平面状物体、球
面状物体、管腔状物体の相対的照度分布である。
Ｂはｈ＝ｆｓｉｎθ、曲線Ｃはｈ＝ｆθである。また、
図１０における曲線Ｆ（θ）、Ｇ（θ）、Ｈ（θ）およ
び図１２における曲線ａ，ｂ，ｃは夫々平面状物体、球
面状物体、管腔状物体の相対的照度分布である。
【図１】本発明の実施例１の断面図
【図２】本発明の実施例２の断面図
【図３】実施例１のｈとθとの関係を示す図
【図４】実施例２のｈとθとの関係を示す図
【図５】非球面を有する照明レンズにおける光線の入射
と射出の状況を示す図
と射出の状況を示す図
【図６】球面等におけるｈと面の傾きとの関係を示す図
【図７】従来の照明光学系の構成を示す図
【図８】他の従来の照明光学系の構成を示す図
【図９】更に他の照明系の構成を示す図
【図１０】従来の照明系による各物体に対する照度分布
【図１１】ｔａｎθに比例する照明系の照度分布を示す
図
図
【図１２】上記の図１１に示す照明光学系で全反射等の
影響を考慮した時の照度分布を示す図
影響を考慮した時の照度分布を示す図
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−23216（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−178207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−20428（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−95706（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04
Claims (4)
- 【請求項１】入射面が非球面で射出面が平面である正レ
ンズを最も物体側に含み、前記非球面が光軸から離れる
にしたがって近似曲率よりも曲率が弱くなる曲面である
光学系で、光軸に平行に発した光線の光学系への入射光
線高ｈとこの入射光線高ｈに対する光学系からの射出角
θとの関係がほぼｈ＝ｆｓｉｎθになるようにし、以下
の条件を満足することを特徴とする照明光学系。 ただし、ｆは照明光学系の焦点距離、ｆ1は非球面を有
する正レンズの焦点距離、Ｆ（ｈ）は非球面形状を表わ
す関数、ｎは非球面を有する正レンズのｄ線に対する屈
折率である。 - 【請求項２】光源としてファイバー束を備え、このファ
イバー束からの射出光が前記照明光学系に入射するよう
に配置されていることを特徴とする請求項１の照明光学
系。 - 【請求項３】前記ファイバー束と前記非球面を持つ正レ
ンズとの間に別の正レンズがあることを特徴とする請求
項２の照明光学系。 - 【請求項４】前記ファイバー束と前記非球面を持つ正レ
ンズとの間に筒状反射鏡又は単ファイバー等の筒状反射
部材が配置されていることを特徴とする請求項２の照明
光学系。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3305531A JP3030585B2 (ja) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | 照明光学系 |
| US07/965,691 US5485316A (en) | 1991-10-25 | 1992-10-23 | Illumination optical system for endoscopes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3305531A JP3030585B2 (ja) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | 照明光学系 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05157967A JPH05157967A (ja) | 1993-06-25 |
| JP3030585B2 true JP3030585B2 (ja) | 2000-04-10 |
Family
ID=17946275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3305531A Expired - Fee Related JP3030585B2 (ja) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | 照明光学系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3030585B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06273678A (ja) * | 1993-03-18 | 1994-09-30 | Toshiba Corp | 内視鏡用拡散照明光学系 |
| JP3450543B2 (ja) * | 1995-08-31 | 2003-09-29 | ペンタックス株式会社 | 内視鏡対物レンズ |
| JP4727959B2 (ja) | 2004-09-03 | 2011-07-20 | オリンパス株式会社 | 内視鏡先端部光学系 |
| JP4874032B2 (ja) | 2006-08-25 | 2012-02-08 | Ｈｏｙａ株式会社 | 内視鏡照明光学系 |
| JP5133550B2 (ja) | 2006-10-18 | 2013-01-30 | ペンタックスリコーイメージング株式会社 | 手振補正機能付カメラにおけるジャイロセンサ取付構造 |
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| JP2018194746A (ja) * | 2017-05-19 | 2018-12-06 | 富士フイルム株式会社 | 照明用レンズおよび内視鏡用照明光学系 |
-
1991
- 1991-10-25 JP JP3305531A patent/JP3030585B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05157967A (ja) | 1993-06-25 |
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