JP3222233B2

JP3222233B2 - 内視鏡観察システム

Info

Publication number: JP3222233B2
Application number: JP34944992A
Authority: JP
Inventors: 勝也小野
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH06202007A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に、微細径のイメー
ジガイドを用いる内視鏡観察システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】被写体の像をイメージガイドを用いて伝
送する一般的な内視鏡観察システムは、そのイメージガ
イドの入射端面に前記被写体を結像させる対物レンズ系
と、前記イメージガイドの出射端面の像を拡大観察する
ための接眼レンズ、あるいはその像をＣＣＤ等の受光面
に結像させるためのリレーレンズ系とにより構成され
る。この場合、対物レンズの明るさは、Ｆナンバが２〜
４、出射側の開口数（ＮＡ）が0.25〜0.125 程度のもの
であり、これは、被写界深度と照明系の明るさのバラン
スを取って決めている。また、接眼レンズあるいはリレ
ーレンズのＦナンバは２、その入射側の開口数（ＮＡ）
は0.25程度のものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、血管
用内視鏡として挿入部の外径が数百μｍの細径内視鏡が
実用化されている。このような種類の内視鏡はイメージ
ガイドもライトガイドも非常に細いため明るさが不足し
がちである。一般に、複数の観察光学系を連結して光学
システムを構築する場合、一番暗い光学系の明るさによ
って光学システムの明るさが決定する。

【０００４】そのため、このような光学システムにおい
ては、被写体の像を伝搬するイメージガイドの前側に位
置する光学系の出射側開口数（ＮＡ）と、そのイメージ
ガイドの後ろ側に位置する光学系の入射側開口数（Ｎ
Ａ）をマッチングさせるようにする。例えば、内視鏡シ
ステムにおいて一番物体側に近い光学系は対物レンズで
あり、その対物レンズの出射側開口数が０．２５なら
ば、イメージガイドの開口数は、０．２５以上、また、
接眼レンズまたはリレーレンズの入射側の開口数は、
０．２５に設計する。この際、光学系の組立誤差等を考
慮して、後ろ側の光学系（この場合、イメージガイドや
接眼レンズ等）の明るさに余裕を持たせるのが普通であ
る。そして、この光学システムを明るくするためには、
個々の光学系の明るさの全てを上げる必要がある。

【０００５】ところが、イメージガイドが細径である
と、接眼レンズやリレーレンズが高倍率になる。このた
め、従来以上に明るく、つまり、入射側開口数を大きく
すると、接眼レンズやリレーレンズの部品精度や組立精
度を非常に厳しくする必要があり、好ましくないという
事情がある。

【０００６】本発明は前記課題に着目してなされたもの
で、部品精度や組立精度が従来並でなおかつ血管用内視
鏡など、極細径のイメージガイドを用いる内視鏡観察シ
ステムにおいても、充分に明るい観察ができ得るように
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、対
物光学系で取り込んだ像をイメージガイドで伝送し、光
学系(リレー光学系を含む。)を通じて観察あるいは結像
する内視鏡観察システムにおいて、前記対物光学系の最
大射出開口数を、前記イメージガイドの射出端側に位置
する光学系の最大入射開口数よりも大きくした。また、
本発明は、前記イメージガイドの規格化周波数を１０以
下としたものである。さらに、本発明は、前記対物光学
系の最大射出開口数を、前記イメージガイドの開口数よ
りも小さくしたものである。これらによれば、極細径の
イメージガイドであったとしても、極力明るい観察が容
易かつ確実にできるようになる。

【０００８】以下、本発明に到達した経緯を述べる。コ
アー径が波長に対して充分大きい光ファイバーにおける
光の伝搬は、一般に幾何光学的に扱えることが知られて
いる。図１で示すように、コアー１とクラッド２からな
る光ファイバーを想定した場合、この光ファイバーのコ
アー１に入射角θで入射した光線は、その光ファイバー
の出射端から、同じ角度θで射出される。このようにコ
アー１の径が波長に対して充分大きい光ファイバーにあ
っては、光線の入射する角度θが、光ファイバー内で保
持されると考えられるため、従前は、接眼レンズまたは
リレーレンズの入射側開口数（ＮＡ）と対物レンズの射
出側開口数（ＮＡ）とが同じ値になるように設計されて
きた。

【０００９】ところが、コアー径が波長の数倍程度の、
いわゆる微細径の光ファイバーを用いる場合には、光フ
ァイバーを伝搬する光を幾何光学的に扱うことが適当で
なく、内視鏡観察システムを波動光学的に扱う必要があ
ると考えられる。そこで、内視鏡観察システムを波動光
学的な着眼で検討を行う。

【００１０】微細径の光ファイバー内では、波動方程式
から導かれる固有方程式を満足する特定の状態（モー
ド）の光のみが伝搬する。これらの個々のモードは、光
ファイバーの出射端面上でモードパターンと呼ばれる固
有の強度分布が現れる。図２および図３はその出射端面
上で、ファイバー中心から半径方向の距離ｒ（μｍ）を
横軸とし、縦軸を強度（ピークを１に規格化して表示）
とした個々のモードの強度パターンの例を示す。

【００１１】次に、図４で示すような座標系を想定し、
光ファイバー３の出射端面ａから光が出射するとき、配
光測定面ｂ上での配光（強度）Ｉは、個々のモードパタ
ーンのフラウンホーファー回折の和であり、これは、次
の（１）式で表すことができる。

【００１２】

【数１】ここで、ｖ_nは、ファイバーの出射端面ａ上での個々の
モードの振幅を表す関数であり、ｕ_nは配光測定面ｂで
の個々のモードの振幅、ａ_nはモード関数の大きさを表
す係数、λは波長、ｚ_iは図１で示す座標系においてフ
ァイバーの出射端面ａから配光測定面ｂまでの距離、ｘ
_o、ｙ_oは出射端面ａ上の座標、ｘ_i、ｙ_iは配光測定
面ｂでの座標、ｎは各モードを示す添字である。

【００１３】図５および図６は前述した光ファイバーで
の各モードパターンにそれぞれ対応した配光測定面ｂ上
での個々のモードパターンを示す。横軸は出射角度θで
あり、縦軸は任意スケールでピークを１に規格化して表
示する。ところで、対物レンズのＦナンバまたは開口数
が変わると、光ファイバー内を伝搬する各モードの強度
の比率が変わるため、光ファイバーの出射端面ａ上のモ
ードパターンも変化する。すると、配光測定面ｂ上での
個々のモードの配光パターンも、それに応じて変わる。
出射端面ａ上での各モードパターンを合成した強度分
布、配光測定面ｂ上での各モードパターンを合成した強
度分布も、それに応じてそれぞれ変わる。

【００１４】各開口数に応じた光ファイバーの出射端面
ａ上の合成強度分布は図７〜図１０における各分図
（ａ）で示される。この各分図（ａ）はある１つのファ
イバー中心から半径方向の距離ｒ（μｍ）を横軸とし、
縦軸を強度（ピークを１に規格化）として強度パターン
を表示する。ここでは隣りのファイバーについての強度
パターンも合わせて表示している。

【００１５】また、各モードに対応して実際に得られた
合成のモードパターンをモード関数でフィッテングした
配光測定面ｂ上での強度分布とその配光は、同じく図７
〜図１０における各分図（ｂ）で示される。この各分図
（ｂ）において、横軸は出射角度θであり、縦軸は任意
スケールでピークを１に規格化して強度分布を表示す
る。

【００１６】そして、この各分図（ｂ）における実線は
前記（１）式による計算値、点線は実測値を示す。ここ
で、両者は略一致している。これらの測定及び計算に用
いたイメージガイドの仕様は以下の通りである。

【００１７】コアー径 …２．２２μｍＮＡ …０．５画素数 …約３，０００長さ …１．５ｍＶ値 …６．３４（λ＝５５０ｎｍ）ところで、接眼レンズやリレーレンズを通して得られる
像の明るさは、それらレンズ系の開口の内側を通ってき
た光の総量である。それは、前記（１）式で得られた配
光強度のうち、開口の内側に相当する部分を積分したも
のとなる。よって、この開口の内側に相当する範囲（例
えばＦナンバが２のときは片側が、１４．５゜以内）に
おける光量であり、この光量が増えれば、得られる像は
明るくなる。

【００１８】しかるに、幾何光学的に扱える光ファイバ
ーにおいては、対物レンズの出射開口数（ＮＡ）を接眼
レンズ、あるいはリレーレンズの入射側の最大開口数
（ＮＡ）より大きくしても、得られる像は明るくなるこ
とがない。これは、対物レンズの開口のうち接眼レンズ
の最大の開口より大きい部分の光は、全て接眼レンズ側
の開口の外側を通り、けられてしまうからである。

【００１９】これに対して、コアー径が数μｍのＶ値の
小さい（例えば１０以下）の光ファイバーの場合には、
対物レンズの開口数を大きくすると、一部のモード（例
えば高次のモード）の強度分が増すことが分かった。

【００２０】すなわち、そのような種類の光ファイバー
において個々のモードの配光を調べてみると、その各モ
ードは、全て接眼レンズの最大の開口（例えば、Ｆナン
バが２ならば片側１４．５゜）の内側に強度を持つた
め、接眼レンズの最大開口より対物レンズの開口を大き
くしたとき、得られる像の明るさが増すことになる。

【００２１】なお、後述する図１１で示すように、イメ
ージガイドの出射側Ｆナンバを「２」に固定し、対物レ
ンズのＦナンバを変化させたときの出射側総光量比を示
す。これによると、対物レンズが出射側光学系のＦナン
バより明るくなっても、依然として光量が増加していく
ことが分かる。このように接眼レンズの最大の開口より
対物レンズの開口を大きくすれば、得られる像の明るさ
が増す。これらの効果はＶ値の小さい（例えば１０以下
程度）の光ファイバーの場合において、特に顕著であ
る。

【００２２】

【実施例】以下、実施例に基づいて更に具体的に説明す
る。図１２は本発明の一実施例を適用した血管用内視鏡
システムの概略的な構成を示す。この内視鏡１０は手元
部１１から可撓性の延長管１２および把持部１３を介し
て可撓性の挿入部１４を延出している。これらの内部に
はイメージガイドファイバ１５とライトガイドファイバ
１６が配設されており、同図の分図（ｂ）で示すように
イメージガイドファイバ１５を中心に配置し、ライトガ
イドファイバ１６はその外側に同心的に配置されてい
る。

【００２３】同図の分図（ｃ）で示すように、挿入部１
４の先端部においてイメージガイドファイバ１５の入射
先端面の前方には、対物光学系を構成する２つの対物レ
ンズ１７と絞り１８が設けられている。この絞り１８の
開口は固定であり、このため、対物光学系の開口数はそ
の対物レンズ１７のＦナンバによって定まり、それが対
物光学系の最大射出開口数である。

【００２４】内視鏡１０の手元部１１における接眼部に
はイメージガイドファイバ１５の出射端面が配置されて
いる。内視鏡１０の接眼部にはＴＶカメラ２０が着脱自
在に取り付けられており、ＴＶカメラ２０にはフォーカ
ス調整・イメージサイズ調節機構２１およびリレーレン
ズ２２が設けられており、これらが接眼光学系を構成し
ている。これを通じて前記内視鏡側のイメージガイドフ
ァイバ１５の出射端面の像を固体撮像素子２３の受像面
に結像するようになっている。固体撮像素子２３からの
撮像信号はビデオ信号処理回路２４で映像信号に変換さ
れ、観察モニタ２５に伝送される。一方、前記ライトガ
イドファイバ１６の手元側はケーブル２６を通じてコネ
クタ２７に導かれ、ランプ２８を有した光源装置２９に
対して着脱自在に接続される。

【００２５】このような構成のシステムは、内視鏡部が
独立しているため、ディスポ（使い捨て）化に適してい
る。また、使用部位が異なり、必要な明るさが異なる場
合でも、内視鏡部を取り替えるだけで対応できる。さら
に、ＴＶカメラ２０や光源装置２９のスペックアップも
システム全体を変更せずに、個々のパーツを変更するの
みで対応できるため、非常に経済的である。

【００２６】ＴＶカメラのリレー光学系の（最大）入射
側開口数（ＮＡ）は、0.25であり、対物レンズ１７の出
射側開口数（ＮＡ）は、約0.36（Ｆナンバ１．４）であ
る。イメージガイドファイバ１５はコアー径２μｍ、30
00画素、開口数0.5 、長さ3.5 ｍの多成分系のものを
使用する。なお、リレーレンズ系ではなく、接眼レンズ
を用いて物体像を観察するシステムの場合は、リレーレ
ンズのＮＡの代わりに接眼レンズのＮＡ（またはＦナン
バ）を考えればよい。この場合、接眼レンズのＦナンバ
としては射出側から入射側へ光線を逆追跡するときの値
を用いればよく、入射側開口数とは以下の（２）式の関
係で結ばれている。

【００２７】

【数２】この場合、内視鏡１０の対物レンズ１７のＦナンバを変
えたときの画像の明るさの変動を、図１１の実線で示
す。対物レンズ１７のＦナンバがリレーレンズ２２のＦ
ナンバより明るくなっても光量が増加していることがわ
かる。

【００２８】ファイバーの開口数（ＮＡ）より、対物レ
ンズの出射側開口数（ＮＡ）（１／２Ｆナンバ）が小さ
いとき、光量の増加の割合は大きく、ファイバーの開口
数を超えると増加の割合は小さくなる。また、対物レン
ズの出射側開口数は、イメージガイドの開口数を超える
と、フレアやクロストークによる画質の劣化が目立つよ
うになるので、イメージガイドの開口数以下であること
が望ましい。この様な光量の増加は、比較的、規格化周
波数Ｖの値の小さいファイバーで顕著であり、特に、Ｖ
値が１０以下のファイバーでの効果が大きい。また、Ｖ
値がこれより大きくなると幾何光学的領域に近付くため
効果が少なくなってしまう。ここでの規格化周波数Ｖ
は、次の（３）式で定義される。λは波長、ａはコアー
半径、ｎ₁，ｎ₂はそれぞれコアとクラッドの屈折率を
表す。

【００２９】

【数３】また、使用するイメージガイドファイバ１５は、石英系
のイメージガイドでも良い。石英系のファイバーは一般
に多成分系に比べて開口数（ＮＡ）は小さいが、内部透
過率が高いため長尺の内視鏡においては明るい像が得易
い。図１１の点線はＮＡ0.35の石英系イメージガイドを
用い、対物レンズ１７のＦナンバを変えたときの明るさ
の変動を示す。多成分系のイメージガイドファイバ１５
のときと比べて、対物レンズ１７のＦナンバが1.4 以上
では明るさの増加が少なくなるが、これはイメージガイ
ドファイバ１５の開口数が多成分系よりも小さいためで
ある。なお、Ｆナンバが小さいときの両者の明るさの差
は、内部透過率とコアー占有率の差によるものである。

【００３０】なお、以上は、イメージガイドを中心に説
明したが、本発明はライトガイドにも適用できるもので
ある。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コアー径が数μｍで、Ｖ値が比較的小さいイメージガイ
ドを用いた内視鏡観察システムにおいても、接眼レンズ
あるいはリレーレンズ等の接眼光学系の明るさは、従来
システム並のまま、対物レンズ等の対物光学系の明るさ
のみ、明るくすることにより、従来のシステムより明る
い内視鏡観察システムを簡単に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【０００１】

【図１】幾何光学的なファイバーにおける光の伝搬とそ
の入射角と出射角の関係を説明する図。

【０００２】

【図２】光ファイバーの出射端面上でのモードパターン
の強度分布を示す図。

【０００３】

【図３】光ファイバーの出射端面上でのモードパターン
の強度分布を示す図。

【０００４】

【図４】ファイバー端面から出射する光の配光測定面上
での配光（強度）を求める座標系を示す図。

【０００５】

【図５】光ファイバーでの各モードパターンにそれぞれ
対応した配光測定面上での個々のモードパターンを示す
図。

【０００６】

【図６】光ファイバーでの各モードパターンにそれぞれ
対応した配光測定面上での個々のモードパターンを示す
図。

【０００７】

【図７】開口数が０．１３の場合であって、（ａ）は出
射端面上で合成のモードパターンを示す図、（ｂ）は配
光測定面上での配光を示す図。

【０００８】

【図８】開口数が０．２５の場合であって、（ａ）は出
射端面上で合成のモードパターンを示す図、（ｂ）は配
光測定面上での配光を示す図。

【０００９】

【図９】開口数が０．４０の場合であって、（ａ）は出
射端面上で合成のモードパターンを示す図、（ｂ）は配
光測定面上での配光を示す図。

【００１０】

【図１０】開口数が０．５５の場合であって、（ａ）は
出射端面上で合成のモードパターンを示す図、（ｂ）は
配光測定面上での配光を示す図。

【００１１】

【図１１】接眼ＦＮｏ．２のときの対物ＦＮｏ．と出射
総光量比の関係を示す図。

【００１２】

【図１２】内視鏡観察システムの概略的な構成の一例を
示す説明図。

【００１３】

【符号の説明】

１…コアー、２…クラッド、３…光ファイバー、１０…
内視鏡、１５…イメージガイドファイバ、１６…ライト
ガイドファイバ、１７…対物レンズ、２１…フォーカス
調整・イメージサイズ調節機構、２２…リレーレンズ、
ａ…出射端面、ｂ…配光測定面。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イメージガイドと、該イメージガイドの入
射端側に配置された対物光学系と、前記イメージガイド
の射出端側に配置された光学系を含む内視鏡観察システ
ムにおいて、前記対物光学系の最大射出開口数を、前記イメージガイ
ドの射出端側に位置する光学系の最大入射開口数よりも
大きくしたことを特徴とする内視鏡観察システム。
【請求項２】前記イメージガイドの規格化周波数が１０
以下であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡観
察システム。
【請求項３】前記対物光学系の最大射出開口数が前記イ
メージガイドの開口数より小さいことを特徴とする請求
項１または請求項２に記載の内視鏡観察システム。