JP3060245B2 - 内視鏡照明光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内視鏡用照明光学系に
関するものである。

【０００２】

【従来技術】一般の内視鏡の照明光学系は、ライトガイ
ドの射出端面の前に、ライトガイド側に凹面を有する負
レンズを設けたもので、ライトガイドからの射出光をこ
の負レンズで拡げ、観察光学系の視野全体を照明するよ
うにしている。このような構成の照明光学系は、レンズ
の凹面で屈折した光がそのレンズの側面に当って乱発射
し消失するために視野周辺部への配光が不十分になる欠
点を有している。

【０００３】この欠点を解決するために、実開昭５７−
１７０７１号公報に記載された照明光学系は、負レンズ
の凹面に、形状を中心部が球面であってその外側を円錐
面にし、ライトガイドから射出する光線のうち光線高の
高い光線の屈折角を小さくして、光がレンズの側面に当
って消失するのを防止している。しかし、球面と円錐面
の組合わせという限られた形状であるため、配光を自由
にコントロールできず、組合わせる光源によっては、照
明むらを有する。

【０００４】更に、配光を改善することを目的とした照
明光学系として、特開昭６３−２３９４１５号公報に開
示された照明光学系や、特開昭６４−３６１６号公報に
記載された照明光学系が知られている。

【０００５】これらの照明光学系は、前記の実願昭５７
−１７０７１号公報に記載された照明光学系よりも複雑
な形状の非球面を用いてライトガイドからの射出光の光
線高に応じた屈折角を適正に設定することによって視野
全体の配光を改善したものである。

【０００６】そのうちの特開昭６４−３６１６号公報の
光学系は、図１６に示す構成を有しており、その配光は
図１７に示す通りである。この図において横軸は、ライ
トガイドから光軸に平行に射出する光の光線高、縦軸は
負レンズで屈折後の光線と光軸との間の角度である。以
下この図のような光線高ｈと屈折角Ａとの関係を示す図
をｈ−Ａ特性図と呼ぶことにする。

【０００７】上記の図からわかるように、この従来例
は、所定の値以上の光線高では、光線高の増加と共に屈
折角が減少するようにし、しかも減少の程度を適当に定
めることにより良好な配光を実現している。

【０００８】しかし、このような方法によっても充分な
配光が得られるのは、画角１２０°程度までであり、更
に超広角になると周辺光量が十分でなく、また照明むら
が発生しやすいという欠点を有している。

【０００９】この欠点を解消する手段として、負レンズ
の側面で光線が乱反射しないようにすることが考えられ
る。図１８は、上記の乱反射の防止のための構成を示す
図である。

【００１０】この図１８の光学系は、ライトガイド１の
前におかれた負レンズが単ファイバー２からなっている
ので、光線高の高い光線が凹面で屈折されレンズの側面
に当っても、単ファイバー２のコア３とクラッド４との
境界面で全反射し反対側の視野周辺に向かう。そのため
光線高と共に屈折角を大きくすることができ、視野周辺
まで光を届かせることができる。

【００１１】図１９は、照明レンズとして単ファイバー
を用いた照明光学系のｈ−Ａ特性図である。ここで横軸
は、最大値を１にするために、ライトガイドからの射出
光線高の最大値ｈmax で規格化した値である。図中太い
線で示した部分が、従来乱反射により失われていた部分
に対応している。

【００１２】この図１９からわかるように光線高の増大
とともに屈折角が増大を続けるため、非常に広い範囲に
照明光が届く。屈折角の最大値は、単ファイバーの開口
数で決まる角度である。ここで単ファイバーの開口数で
決まる角度とは単ファイバーのコア，クラッドの屈折率
を夫々ｎ0,ｎ1 、単ファイバーから物体までの空間の屈
折率をｎとするとき、次の式で与えられる角度Ａ0 のこ
とである。 ［（ｎ0 ）²−（ｎ1 ）²］^1/2＝ｎsin Ａ0 上記の光学系により広範囲の照明が可能になるが、配光
（光量分布）に関しては充分でない。この様子を示した
のが図２１である。定量的な評価をするために、例とし
て次のデータを有する照明レンズを用いたものについて
説明する。ｒ＝１．２７２、ｎ0 ＝１．８、ｎ1 ＝１．
５２、Ａ0 ＝７４．６° ｈmax ＝１．１０５ 上記データ中ｒは照明レンズの凹面の曲率半径、ｎ0 は
コアの屈折率、ｎ1はクラッドの屈折率、Ａ0 は光線高
が１の時（光線高は最大値を１として規格化している）
の屈折角である。尚照明レンズの射出面は平面である。

【００１３】図２０のカーブのうちＳ1 が上記のデータ
の照明レンズのものである。

【００１４】ライトガイドからの射出光の光線高の範囲
Δｈに含まれる光線の密度は、どの光線高でも同一であ
るとみなせるので、ｄｈ／ｄＡを計算すれば、ほぼその
方向に射出する光線の強度となる。図２１はこれを示す
ものである。この図は、上のような光の強度を平面上の
強度に換算するためにｄｈ／ｄＡにcos³Ａを掛け、これ
を屈折角０°の強度（軸方向の強度）を１として規格化
した値を縦軸に示し、射出角（屈折角）を横軸にとって
いる。

【００１５】この図の曲線ｂのように屈折角Ａの増大と
共に急激に光の強度が減少し、視野周辺が中心に比較し
て著しく暗くなっている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、非常
に広い視野角にわたって配光特性が良好である内視鏡照
明光学系を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の内視鏡照明光学
系は、図１に示すような構成を基本構成とするもので、
ライトガイドまたは発光素子の射出端の物体側に照明レ
ンズを配置し、前記照明レンズが少なくとも１面が非球
面である単ファイバーよりなり、次の条件を満足するこ
とを特徴としている。０＜ｈ＜１の範囲内で、 （１） d²A/dh²≦０である時は、A(h1) ≠A(h2) （２） d²A/dh²＞０である時は、A(h1) ＝A(h2) ここで、ｈはライトガイドの軸に平行に射出する光線の
光線高を光線高の最大値で規格化した値でh1，h2は異な
る任意のｈの値(h1 ≠h2) 、A(h)はライトガイドの軸に
平行な光線が光線高ｈの時の単ファイバーレンズ通過後
の光軸から測った屈折角である。

【００１８】図２はｈ−Ａ特性曲線のうちのいくつかの
パターンを示したものである。この図の各曲線のうち、
曲線ａは、光線高と共に直線的に屈折角が増加するも
の、曲線ｂは光線高の大きい部分で屈折角の増加が減少
しつつ屈折角が増加するもの、曲線ｃは、ある光線高を
境に屈折角が減少するもの、曲線ｄは、曲線ｃと同様の
もので減少の傾向が更に顕著で光線高が最大値において
屈折角がゼロ（軸と平行）になるものである。上記曲線
ａ〜曲線ｄの各曲線は夫々次のように表わされる。 （曲線ａ） Ａ＝７０°ｈ （曲線ｂ） Ａ＝７０°sin （π／２ｈ） （曲線ｃ） Ａ＝７０°sin （π／１．２５ｈ） （曲線ｄ） Ａ＝７０°sin （πｈ） 図３は図２にもとづいて図２１と同じように配光強度を
算出したものである。

【００１９】図２における曲線ｃ，曲線ｄのような特性
を持つ照明系は、一つの屈折角Ａに対して二つの光線高
が対応する部分がある。これはライトガイドの二つの部
分から出た光が同じ視野角で物体を照射することを意味
している。そのため二重に光が照射される領域では照明
光量が増加し、これが大きな照明むらの原因となること
がある。

【００２０】例えば、図２の曲線ｃの特性を持つもので
は、屈折角４０°まではｈの小さい光つまりライトガイ
ドの中心部から出た光で照射されるが、屈折角が４０°
以上の領域では、ライトガイドの中心部を除く輪帯状部
分からの射出光で二重に照射されることになる。そのた
めに４０°付近を境にして急激に照明光量が増大し、図
３の曲線ｃに示す６’のような中間に山を持った強度分
布となる。

【００２１】このように図３の強度分布のうち曲線ｃは
局部的に明るい所が出来るので好ましくなく曲線ａ，
ｂ，ｄのようになだらかに強度が減少するような特性を
持つものが望ましい。

【００２２】ところで、照明レンズの屈折面を非球面に
して所望の配光分布を得ようとする場合、図２の曲線ｄ
のようなｈ−Ａ特性を持たせようとすると、非球面形状
が非常に複雑な形となり、実際に製作することは困難で
ある。したがって実用性も考慮すると、図３において曲
線ａ，ｂのような強度分布は、光軸から離れるにつれて
曲率が徐々に緩くなり、かつ途中に変曲点を持たない非
球面により実現することができるので、非球面の製作が
容易であり実用的である。

【００２３】曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄのような特性は、０＜
ｈ＜１の範囲内でd²A/dh²≦０を満足するものである。
又曲線ａ，ｂは更に０＜ｈ＜１の範囲内で極値を持たな
いと云う条件が加わったものである。

【００２４】上記の条件は、ｈの異なる任意の値をh1，
h2（つまりh1≠h2）とするときにA(h1) ≠A(h2) なる関
係が成立することを意味するので、結局、曲線ａ，ｂで
示されるような特性を持たせるためには、次の条件を満
足すればよいことになる。即ち、０＜ｈ＜１の範囲内に
おいて， d²A/dh² ≦０、およびh1≠h2の時にA(h1) ≠A(h2) 以上のように上記条件を満足させることによって配光む
らのない良好な照明光学系を得ることが出来る。

【００２５】次に光線高の増大と共に屈折角が増加を続
ける（少なくとも減少傾向をもたない）タイプの照明光
学系について述べる。

【００２６】このようなタイプの照明光学系は、ｈ−Ａ
特性曲線が途中変曲点を持つようにすると、局部的に明
るいところが出来にくく配光むらが生じにくくなる。そ
のためｈ−Ａ特性曲線が変曲点を持つような設定をする
ことが望ましい。

【００２７】上記のように変曲点を持つような設定を行
なった場合、変曲点を除いた領域でd²A/dh² ＞０が成立
する、と云う条件を満足することを前提として検討す
る。上記の条件を満足する場合、光線高が高くなるにつ
れて屈折角が大になり、視野周辺における照明光の密度
が低くなるので、普通に光束を広げるだけでは視野周辺
が暗くなる。

【００２８】したがって上記の場合には、図４に示すよ
うなｈ−Ａ特性を持たせることが望ましい。この特性曲
線は、光線高の増加と共に屈折角が再度増加するような
特性である。この特性を実現するための構成の典型的な
ものは、図５に示すように、屈折面が段のついた二つの
球面からなるレンズである。

【００２９】ある程度定量的に説明するために、次のよ
うなデータを有するレンズを例として用いる。 Ｒ1 ＝１．２７２、Ｒ2 ＝０．８５５、ｈ1 ＝０．７４
１、 ｈ2 ＝１．１０５、ｎ0 ＝１．８、ｎ1 ＝１．５２、Ａ
0 ＝７４．６° ここでＲ1 は照明レンズの屈折面の中心部の球面の曲率
半径、Ｒ2 は中心部の外側の球面の曲率半径、ｈ1 は中
心部の球面の半径、ｈ2 は外側の球面の外周の半径であ
る。又ｎ0 ，ｎ1 ，Ａ0 は前述の通り夫々コアの屈折
率，クラッドの屈折率，光線高が１の時の屈折角であ
る。

【００３０】この照明レンズを用いた照明光学系の配光
特性を図３と同様に図示すると図６のようになる。この
図においてＳ2 は照明レンズの中心部の球面による球面
上物体上における配光特性、Ｓ1 は照明レンズの周辺部
の球面による球面上物体上の強度分布を示したものであ
る。

【００３１】この図からわかるように途中にわずかな盛
上がりをもつが、全体として光線高の増加と共になだら
かに減少する傾向をもった配光特性となり、配光の均一
性が良いことを示している。これは曲線Ｓ2 だけでは不
足する視野周辺での光量を、曲線Ｓ1 で補うことによっ
て実現し得たものである。

【００３２】即ち、０＜ｈ＜１の範囲内において、ｈ−
Ａ特性曲線が変曲点を持ち、かつd²A/dh² ＞０を満足す
ることによって、配光特性の良好な照明系を得ることが
出来る。

【００３３】ｈ−Ａ特性曲線が変曲点を持つことは、任
意の二つのｈの値h1，h2(h1 ≠h2) のときにA(h1) ＝A
(h2) なる関係が成立つことと同じであるので上記の条
件は次のようになる。

【００３４】０＜ｈ＜１の範囲内において、d²A/dh² ＞
０、および、h1≠h2のときにA(h1) ＝A(h2) なる関係が
成立つ、と言い換える事が出来る。結局、以上のこと
は、０＜ｈ＜１の範囲内において、d²A/dh² ＞０および
任意の異なるｈの値であるh1，ｈ2(h1≠h2) に対してＡ
(h1)＝Ａ(h2)と云う関係が成立つ部分を含むこと即ち前
掲の条件（２）を満足することが良好な照明系を得るた
めの条件となる。

【００３５】以上本発明の照明光学系について比較的定
性的に説明したが、上記のような配光特性を得るには、
照明レンズの屈折面に非球面を用いることによって実現
出来る。

【００３６】これまでの説明から明らかなように本発明
の特徴は、照明レンズとして単ファイバーを有するもの
で、その１面を非球面とし、この非球面を用いて前記条
件（１），（２）を満足する部分を含む配光特性を持つ
ようにしたものである。

【００３７】以上は単ファイバーに非球面を形成した照
明レンズを用いて画角１２０°〜１５０°のレベルの観
察系と組合わせて多大な効果の得られる照明光学系につ
いて説明した。しかし画角１２０°〜１５０°レベルの
観察光学系でなくてももちろん良い。また単ファイバー
のＮＡ（ＮＡ(S) にて示す）に関しても、ＮＡ(S)が大
きければ大きいほどコアとクラッドで全反射出来るＡの
角度が大きくなり、より広画角の観察系に対応できる。

【００３８】これまでの説明では、ライトガイドからの
光の入射角を０°として代表させて解析したものについ
て述べたが、ライトガイドのＮＡ（ＮＡ(L) にて示す）
の範囲で図６に示すような配光特性をもつので、次の条
件（３）を満足するようにすれば、観察系に対して配光
特性の劣化は生じない。 （３）｜ＮＡ(S) −sin|ω| ｜＜ＮＡ(L) ／２ ただしωは観察光学系の半画角である。

【００３９】条件（３）の範囲を越えると、光線がコア
とクラッドの境界で全反射せず、光量のロスが多すぎて
好ましくない。

【００４０】また配光面でも、観察光学系の画角２ω用
の照明レンズとしては、配光不足になる。

【００４１】尚単ファイバーのコアとクラッドの状態に
よっては、成形を行なうのが困難な場合がある。例えば
単ファイバーの成形は、一度ガラスの温度を転移点以上
まで高温にしてからプレスするため、コアとクラッドと
の転移点が近いと、コアとクラッドの境界が変形し、配
光むらの原因となる。そのため、クラッドの形状をなる
べく変形しないようにするには、コアの転移点をＴ(C
O)、クラッドの転移点をＴ(CL)とすると、下記の関係を
満足すればクラッドの変形がなく好ましい。 Ｔ(CO)＜Ｔ(CL) 次に本発明で用いられる照明レンズの形状について述べ
る。ここでは考え易くするために平凹レンズについて述
べる。その場合パワーを持つすなわちｈ−Ａ曲線に影響
するのは凹面のみである。

【００４２】条件（１）を満たす場合は、図２の曲線
ａ，ｂのような強度分布を持たせる必要がある。このよ
うな分布を非球面１面で達成するためには、光軸から離
れるにつれて曲率を徐々に緩くしかつ変曲点を持たない
ようにする。

【００４３】図７は、上記の内容を示す図であり、近軸
球面に対する非球面のずれ量Δｘを、非球面の各部分で
の光軸とのなす角θが単調に減少していく範囲内で単調
に増加するものである。

【００４４】又条件（２）を満足するものは、図５のよ
うに、Ｒ1 ＞Ｒ2 とし、Ｒ1 で周辺配光を向上させ得る
ような形状であることが必要である。また次の条件を満
足する必要がある。 （４）０．４≦h2/h1 ≦０．８ 上記の条件（４）の上限を越えると、Ｒ1 による周辺配
光の寄与が小さくなりすぎて、Ｒ2 のみによる配光特性
と同じになってしまう。上記条件の下限を越えると図６
でのＳ1 が低い画角から影響しはじめるために、配光む
らが生じやすい。

【００４５】上記条件（４）を満足する範囲内であれ
ば、最終的に平面で評価した場合に、ｃｏｓ ³ Ａが掛か
っているため、配光むらは許容できるレベルである。

【００４６】

【実施例】次に本発明の照明光学系の実施例を示す。

【００４７】実施例１の照明レンズは、図８に示す通り
で、このレンズは、ライトガイドの側の面が負のパワー
をもつ非球面を有する。

【００４８】この非球面は、次の式で表わされる。

【００４９】ここでｘ，ｙは光軸をｘ軸にとってライト
ガイドの方向を正方向にとり、ｙ軸を面と光軸との交点
を原点としてｘ軸に直交した方向にとった座標の値、Ｃ
は光軸近傍でこの非球面と接する球面の曲率半径の逆
数、Ｐは非球面の形状をあらわすパラメータ、Ｂ，Ｅ，
Ｆ，Ｇ，…は夫々２次，４次，６次，８次，…の非球面
係数である。Ｐ＝１でＢ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，…がすべて０の
場合は上記式は球面を表わす。

【００５０】この実施例１のレンズデータは下記の通り
である。Ｒ＝０．６１，Ｐ＝０．１，Ｅ＝−０．１３こ
の実施例１のｈ−Ａ特性を示すと図１３の通りである。

【００５１】この実施例１は、従来例に比べて、配光特
性を改善するためにd²A/dh² ≧０とし、かつ０＜ｈ＜１
の範囲での配光むらを防ぐためにh1≠h2のときにＡ(h1)
≠Ａ(h2)となるようにした。

【００５２】そのため非球面形状は、変曲点がなく中心
の曲率が周辺へ行くにつれて緩くなって行くものであ
る。

【００５３】この実施例は、照明レンズとして単ファイ
バーを用いたものであるが、このレンズをクラッドの代
りに屈折率１．４〜１．６の接着剤を用いて枠に接合す
るようにすれば単ファイバーの代りに非球面レンズとし
てもよい。

【００５４】またライトガイドの中心に図９に示すよう
にくさびを打込むことによりＡの小さい中心へ向かう光
線を減らして、周辺への配光を相対的に高めることもで
きる。

【００５５】また図１０に示すように単ファイバーの部
分と非球面の部分を分離しても同様の効果は得られる。
又非球面をもつレンズをプレスで作る場合、単ファイバ
ーの状態では作りづらいため、分離して作ることは有効
である。

【００５６】実施例２は、図１１に示す構成の照明レン
ズを有するものである。この実施例では非球面を凸面に
用いているが、コアとクラッドの屈折率は、実施例１と
同じである。又ｈ−Ａ特性は、図１３に示す実施例１と
同様の特性で、配光むらのない配光特性の良い照明系が
得られる。

【００５７】この実施例２もクラッドを接着剤に代えた
り、ライトガイドにくさびを入れて配光をあげたり、単
ファイバーと非球面部を分離することは可能である。

【００５８】この実施例の非球面のデータは、下記の通
りである。 Ｒ＝−０．５５，Ｐ＝０．１，Ｅ＝０．２ 実施例３は、図１２に示すもので、この図１２のｈ
（ａ）（＝０．７４）までは球面、ｈ(a) からｈ(b)
（＝１．１０５）までは、下記データの非球面である。 Ｒ＝０．６１，Ｐ＝０．１０５，Ｅ＝−０．０９１５ 又コアの屈折率は、約１．８、クラッドの屈折率は約
１．５２である。

【００５９】実施例３のｈ−Ａ特性は図１４に示す通り
で、Ｓ(a) はｈ(a) までの特性であり、Ｓ(b) はｈ(b)
までの特性である。Ｓ(a) の部分がd²A/dh² ＞０となっ
ているので、特に広角側での配光をＳ(b) で強めること
が出来る。

【００６０】この配光の計算結果を図１５に示す。図１
５でＳ(a) は図１４のＳ(a) の部分の球面配光特性であ
り、これに図１４のＳ(b) の部分の球面配光特性である
図１５のＳ(b) が加わっている。又Ｓはトータルの球面
配光特性にcos³Ａをかけて平面上の配光特性にしたもの
である。

【００６１】

【発明の効果】本発明の内視鏡照明光学系は、超広角の
内視鏡に用いるもので、しかも視野周辺まで明るく、光
量のロスの少ないかつ照明むらのない照明が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す図。

【図２】光線高と屈折角との関係（ｈ−Ａ特性）の各種
のパターンを示した図。

【図３】上記パターンの光学系の配光特性を示す図。

【図４】他のｈ−Ａ特性を示す図。

【図５】上記特性曲線を持たせるレンズの一例を示す
図。

【図６】上記レンズにおける配光特性を示す図。

【図７】非球面の近軸球面からのずれを示す図。

【図８】実施例１の断面図。

【図９】上記実施例のライトガイドの中心にくさびを設
けたものの断面図。

【図１０】上記実施例のレンズを単ファイバーと非球面
レンズを組合わせて構成した例の断面図。

【図１１】実施例２の断面図。

【図１２】実施例３の断面図。

【図１３】実施例１，２のｈ−Ａ特性を示す図。

【図１４】実施例３のｈ−Ａ特性を示す図。

【図１５】実施例３の配光特性を示す図。

【図１６】従来の内視鏡照明光学系の断面図。

【図１７】上記光学系の配光特性を示す図。

【図１８】他の従来例の断面図。

【図１９】上記従来例のｈ−Ａ特性を示す図。

【図２０】他の従来例のｈ−Ａ特性を示す図。

【図２１】上記従来例の配光特性を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 23/26 A61B 1/00 300 G02B 13/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ライトガイドまたは発光素子の射出端の物
   体側に照明レンズを配置した内視鏡照明光学系におい
   て、前記照明レンズが少なくとも１面を非球面にした単
   ファイバーよりなると共に次の条件を満足する内視鏡照
   明光学系。０＜ｈ＜１の範囲内で、 （１） d²A/dh²≦０である時には、h1≠h2のときＡ(h
   1) ≠Ａ(h2) （２） d²A/dh²＞０である時には、h1≠h2のときＡ(h
   1) ＝Ａ(h2) である部分を含む。ただし、ｈはライトガイドの軸に平
   行に射出する光線の光線高を光線高の最大値で規格化し
   た値、A(h)はライトガイドの軸に平行な光線が光線高ｈ
   のときに非球面単ファイバーレンズ通過後の光軸から測
   った屈折角である。
2. 【請求項２】ライトガイドまたは発光素子の出射端の物
   体側に照明レンズを配置した内視鏡照明光学系におい
   て、前記照明レンズは前記ライトガイドの出射端側に配
   置された非球面を有するレンズと、該レンズよりも物体
   側に配置された単ファイバーとからなると共に次の条件
   を満足する内視鏡照明光学系。０＜ｈ＜１の範囲内で、 （１） d²A/dh²≦０である時には、h1≠h2のときＡ(h
   1) ≠Ａ(h2) （２） d²A/dh²＞０である時には、h1≠h2のときＡ(h
   1) ＝Ａ(h2) である部分を含む。ただし、ｈはライトガイドの軸に平
   行に射出する光線の光線高を光線高の最大値で規格化し
   た値、A(h)はライトガイドの軸に平行な光線が光線高ｈ
   のときに非球面単ファイバーレンズ通過後の光軸から測
   った屈折角である。
3. 【請求項３】前記単ファイバーのクラッドは接着剤であ
   ることを特徴とする請求項１、２の内視鏡照明光学系。