JP3873621B2

JP3873621B2 - ロッドレンズ

Info

Publication number: JP3873621B2
Application number: JP2000398779A
Authority: JP
Inventors: 伸彦田中; 之雄樋口
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002202403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率を有して光学特性に優れたロッドレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
硬性内視鏡等に用いられる観察光学系では、より多くの光を伝送し、明るい画像を得る必要があるため、これに用いられるリレーレンズ系の開口数（ＮＡ）を大きくする必要がある。
【０００３】
そこで、上記リレーレンズ系として、図４に示すように、端面が凸状に形成された略円柱状のロッドレンズ２１と凸レンズ２２とを用いたものが知られている。このようなロッドレンズ２１を用いたリレーレンズ系では、図５に示すように、凸レンズ２２のみで構成されたリレーレンズ系に比べ、光路長Ｌが、通常の凸レンズ２２のみを用いた時のＬ／ｎ（ｎは上記ロッドレンズ２１の素材の屈折率）と光学的にほぼ等しくなる。このため、ロッドレンズ２１を用いたリレーレンズ系においては、通常の凸レンズ２２のみを用いた場合と比べて、リレーレンズ系のＮＡがｎ倍、明るさがｎ²倍となることが知られている。したがって、ロッドレンズ２１には屈折率（ｎ）の高い材料が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、ロッドレンズ２１に用いられているガラスやプラスチックの屈折率（ｎ）は１．５程度（日本国特許第２８５９６２１号公報参照）までであり、また、光学レンズでは、屈折率（ｎ）が、最大１．８程度であるので、それらの様な素材を用いたロッドレンズ２１においては、さらなる明るさを実現できず、得られた画像の品質をさらに向上させることができないという問題を有している。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のロッドレンズは、以上の課題を解決するために、屈折率が１．９以上の透光性を備えた常誘電体からなる基材が略柱状に設けられ、基材の長手方向の端部に、レンズ状部が形成されていることを特徴としている。常誘電体とは、電界が印加されても誘電率が変化しないものであり、よって、複屈折を生じないものである。
【０００６】
上記構成によれば、基材が常誘電体である、つまり複屈折を示さないことから、常誘電体の原料から基材に作製するときその結晶軸の方向を考慮する必要がなく、上記作製を簡便化できる。
【０００７】
その上、上記構成では、屈折率が１．９以上であるので、上記構成を、例えば内視鏡のリレーレンズ系に用いた場合、従来より、上記リレーレンズ系を明るくできて得られた画像の品質を向上できる。
【０００８】
上記ロッドレンズでは、基材は、ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とするものであることを特徴としている。上記ペロブスカイト型結晶構造には、複合ペロブスカイト型結晶構造が含まれる。
【０００９】
上記構成によれば、基材が、ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とするものであるので、屈折率が１．９以上の透光性を備えた常誘電体とすることをより確実化できる。
【００１０】
上記ロッドレンズにおいては、基材は、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ3 系であることを特徴としている。上記ロッドレンズでは、基材は、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ3 系であってもよい。上記構成によれば、上記組成を備えることにより、屈折率が１．９以上の透光性を備えた常誘電体とすることにより確実化できる。
【００１１】
上記ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とするものとしては、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から１種以上を含み、ＢサイトにＺｒ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ａｌ、希土類の中から１種以上を含む一般式ＡＢＯ₃で表されるペロブスカイト型結晶構造を備えているものが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図１ないし図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００１３】
本発明に係るロッドレンズでは、図１に示すように、透光性セラミックスからなる、屈折率１．９以上の透光性を備えた常誘電体である基材１が略柱状、より好ましくは円柱状に形成されている。この基材１の少なくとも一方の端部（長手方向の端部）に、外向きに凸となるレンズ状部２が形成されている。レンズ状部２は、その表面が球面形状となっており、その中心軸が基材１の中心軸にほぼ一致しており、かつ、レンズ状部２の頂点が基材１の中心軸上に位置するようになっている。
【００１４】
このため、基材１が常誘電体である、つまり複屈折を示さないものであることから、上記ロッドレンズを作製するとき、複屈折を示すもの例えばＬｉＮｂＯ₃単結晶体を素材として用いた場合のように結晶軸の方向を考慮することを省けることから、上記作製を簡便化できる。
【００１５】
その上、上記ロッドレンズでは、基材１の屈折率が１．９以上であるので、上記ロッドレンズを、例えば内視鏡のリレーレンズ系（凸レンズ２２も含む）に用いた場合、従来より、上記リレーレンズ系を明るくできて得られた画像の品質を向上できる。なお、上記では、レンズ状部２が、外向きに凸の例を挙げたが、逆に凹状のレンズ形状にも適用可能である。
【００１６】
次に、上記基材１の素材としてのＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする透光性セラミックスについて以下に説明する。まず、原料粉末として、高純度のＢａＣＯ₃、ＳｎＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＣＯ₃およびＴａ₂Ｏ₅の各粉末を準備した。
【００１７】
続いて、上記各原料粉末を、Ｂａ〔（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z〕_vＯ_wなる組成式において、ｕ＝０．６７、ｘ＝０．１６、ｙ＝０．２９、ｚ＝０．５５、ｖ＝１．０２、となる組成が得られるようにそれぞれ秤量し、一緒にボールミルで１６時間湿式混合して混合物を得た。なお、ｗについては、焼成後において、ほぼ３となっている。ｘ、ｙ、ｚについては、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．００の関係を満たすものである。
【００１８】
この混合物を乾燥した後、１３００℃で３時間仮焼して仮焼物を得た。この仮焼物を水および有機バインダーと共に、ボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕して粉砕物を得た。有機バインダーとしては、結合剤としての機能を備え、かつ、焼結時に、焼結温度に達する前に、大気中で例えば５００℃程度で大気中の酸素と反応して炭酸ガスや水蒸気等にガス化して消失するものであればよく、例えばエチルセルロース等が挙げられる。
【００１９】
この粉砕物を乾燥した後、５０メッシュの網（篩）を通して造粒し、得られた造粒粉末を、例えば２０００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で、端部にレンズ状部２を備えた略柱状に成形して成形物を得た。その次に、この成形物を、同組成粉末中に埋め込んだ。
【００２０】
上記の同組成粉末は上記成形物と同組成系に調整したものを焼成して得られた焼成物を粉砕したものであり、特に透光性を備えていなくともよい。上記同組成系としては、上記成形物と各成分が同一であれば、それらの組成比が相違していてもよいが、略同一のものが好ましい。したがって、同組成粉末中に埋め込んだ成形物は、上記成形物と同組成系に近接して配置され、焼成されることになる。
【００２１】
この成形物を、焼成炉中において、上記同組成粉末と共に、まず、大気組成の雰囲気中にて、加熱して昇温させ成形物に含まれる有機バインダーを加熱により消失させる脱バインダーが生じる温度領域まで昇温させ、脱バインダー後、昇温させながら上記大気中に酸素を注入して酸素濃度を大気中の酸素濃度から上昇、例えば９５％（容量％）に設定して、焼成炉中の焼成雰囲気を調整した。
【００２２】
その後、上記焼成雰囲気を維持して、例えば１６００℃の焼成温度まで焼成炉内を昇温し、その焼成雰囲気および焼成温度を維持しながら２０時間、上記成形物を焼成して、上記成形物から焼結体を得た。
【００２３】
このようにして、図１に示すように、本実施の形態に係る、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする焼結体である透光性セラミックスからなる、端部にレンズ状部２を備えた基材１を作製した。
【００２４】
また、上記透光性セラミックスを用いて、直線透過率、および屈折率を測定するための試料を調製した。この試料は、前記造粒粉末を、例えば２０００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で、直径３０ｍｍ、厚さ１．８ｍｍの円板状に成形し、その成形物を同様に焼成して得られた焼結体の両面を鏡面研磨し、厚さ１．０ｍｍに仕上げて調製された。
【００２５】
上記試料について、直線透過率と屈折率をそれぞれ測定した。屈折率は、２．１であった。また、直線透過率は、図２に示すように、光の波長が３００ｎｍから９００ｎｍまでの範囲で４０％以上、３５０ｎｍから９００ｎｍまでの範囲で６０％以上、３８０ｎｍから９００ｎｍまでの範囲で７０％以上であった。
【００２６】
また、上記試料に対し、ＴＥモードおよびＴＭモードの光を用いて屈折率をそれぞれ測定した。その結果を表１に示した。この表１の結果から、上記試料については、複屈折を示さないことが確認された。
【００２７】
【表１】

【００２８】
直線透過率は、島津製分光光度計（ＵＶ−２００Ｓ）を用いて測定波長λが１８０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲で、また、屈折率はプリズムカプラー（Metricon社製、MODEL 2010）を用い、測定波長λが６３３ｎｍで測定した。
【００２９】
以下に、上記試料において、直線透過率がほぼ理論値であることについて説明する。まず、直線透過率の測定時には、空気中から試料に対し垂直に光が入射する。このため、屈折率（ｎ）が２．１の場合、試料の表面と背面とでの反射率の合計が２３％となる。よって、上記試料の直線透過率の理論値（理論最大値）は７７％となる。
【００３０】
上記試料では、その直線透過率が４００ｎｍ以上において、ほぼ７５％であり、理論値と同等の値を示した。このことは、上記試料の結晶内の欠陥がほとんど無いことを示しており、この試料が光学部品として利用可能であることを裏付けている。このような試料では、表面にＡＲ（反射防止膜）コートを施すことで、ほぼ１００％の直線透過率を有するものにできる。
【００３１】
続いて、ロッドレンズにおいて、例えば内視鏡の光学系つまりリレーレンズ系に、図５に示すような凸レンズ２２からのみ構成されたリレーレンズ系（各凸レンズ２２間は空気となる）、図４に示すようなガラス（屈折率１．５）からなるロッドレンズ２１を用いたリレーレンズ系、および上記の本発明に係るロッドレンズを用いたリレーレンズ系について、それぞれ光学系のＮＡ、および明るさを比較した。その結果を表２に示した。
【００３２】
【表２】

【００３３】
上記表２中の本発明とは、本実施の形態におけるＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系のものである。この表２の結果から、本発明に係るロッドレンズを用いることにより、光路長の短縮、ＮＡおよび明るさを増加させることが可能なことが判る。
【００３４】
上記透光性セラミックスの焼結体は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による分析の結果、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の結晶構造を有することが確認された。ここで、Ｂａは、複合ペロブスカイト型結晶構造のＡサイトに、また、ＭｇとＴａとがＢサイトに入ることは、それらのイオン半径と原子価とから制約されるものである。
【００３５】
上記焼成温度および焼成時間については、用いる組成により設定されるが、上記組成では１５５０℃〜１６５０℃の範囲内で、焼成時間を１０時間以上焼成すればよい。上記条件にて焼成すれば、透光性の高い焼結体である基材１が得られる。上記基材１は、常誘電体の多結晶体であるため、複屈折を示さないものである。
【００３６】
次に、前記の焼成雰囲気の酸素濃度の直線透過率に対する影響を調べた。まず、焼成雰囲気の酸素濃度を、種々代えて各試料をそれぞれ調製した。続いて、各試料の直線透過率を調べ、その結果を図３に示した。この結果では、酸素濃度と直線透過率との関係は正の相関を示し、焼成雰囲気の酸素濃度としては、４５％以上（直線透過率２０％以上が得られる範囲）が好ましく、７５％以上（直線透過率６０％以上が得られる範囲）がより好ましく、さらに９０％以上がより好ましいことが分かった。
【００３７】
また、上記では、基材１の透光性セラミックスとして、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系を用いた例を挙げたが、他の透光性セラミックスでもよく、例えば、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ₃系の透光性セラミックスを用いることもできる。この透光性セラミックスの製造方法に基づいて説明すると以下の通りである。まず、原料として、高純度のＢａＣＯ₃、ＺｒＯ₂、ＺｎＯおよびＴａ₂Ｏ₅を準備した。
【００３８】
続いて、これらの各原料を、Ｂａ（Ｚｒ_xＺｎ_yＴａ_z）_aＯ_wなる組成式において、ｘ＝０．０３、ｙ＝０．３２、ｚ＝０．６５、ａ＝１．０２、となる組成が得られるようにそれぞれ秤量し、それらを一緒にボールミルで１６時間湿式混合して混合物を得た。なお、ｗについては、焼成後において、ほぼ３となっている。
【００３９】
この混合物を乾燥した後、１２００℃で３時間仮焼して仮焼物を得た。この仮焼物を水および有機バインダーと共に、ボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕して粉砕物を得た。この粉砕物を用いて、焼成温度を１５００℃、焼成時間を１０時間に代えた以外は、前述のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系と同様にして試料を調製した。
【００４０】
上記焼成温度および焼成時間については、用いる組成により設定されるが、上記組成では１５００℃〜１６００℃の範囲内で、かつ、焼成時間を５時間以上であればよい。上記条件にて焼成すれば、透光性の高い焼結体が得られる。
【００４１】
この試料について同様に直線透過率と屈折率をそれぞれ測定した。上記試料の屈折率は２．１であった。また、直線透過率の結果では、直線透過率は４００ｎｍから９００ｎｍにおいて５０％以上であった。以上のように、上記では、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ₃系の透光性セラミックスの例を示しており、前記のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系とは相違する複合ペロブスカイト型結晶相を主結晶相とする材料系においても、高い直線透過率および高屈折率のものが得られていることが判る。
【００４２】
さらに、他のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする透光性セラミックスを用いた光導波路について説明すると以下の通りである。
【００４３】
まず、原料として、高純度のＢａＣＯ₃、ＭｇＣＯ₃およびＴａ₂Ｏ₅を準備した。続いて、上記各原料を、Ｂａ（Ｍｇ_yＴａ_z）_vＯ_wなる組成式において、ｙ＝０．３３、ｚ＝０．６７、ｖ＝１．０３となる組成が得られるようにそれぞれ秤量し、それらを一緒にボールミルで１６時間湿式混合して混合物を得た。なお、ｗについては、焼成後においてほぼ３となっていた。この混合物を乾燥した後、１３００℃で３時間仮焼して仮焼物を得た。この仮焼物を水および有機バインダーと共にボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕して粉砕物を得た。
【００４４】
この粉砕物を用いて、前記のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系と同様にして試料を調製した。その透光性セラミックスの直線透過率を測定した。その測定結果から、上記試料の直線透過率は２０％程度であり、前述の透光性セラミックスより若干直線透過率が低くなっているが、上記試料の透光性セラミックスは、反射防止コートを施すことにより、光導波路の基材１の素材として用いることが可能なものである。
【００４５】
なお、上記の各例では、特定の組成比を有する各透光性セラミックスの例を挙げたが、本発明のロッドレンズに用いる透光性セラミックスは、これらに限定されるものではない。
【００４６】
さらに、上記の各例では、成形物を上記成形物と同組成系に近接して配置させるために、上記成形物を同組成粉末中に埋め込んだ例を挙げたが、上記に特に限定されるものではなく、例えば、上記成形物と同組成系の焼結体の板やサヤを用いてもよい。上記の板を用いる場合には、板の上に成形物を載置して焼成すればよく、また、上記のサヤを用いる場合には、そのサヤの中に成形物を載置して焼成すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のロッドレンズは、以上のように、屈折率が１．９以上の透光性を備えた常誘電体からなる基材が略柱状に設けられ、基材の長手方向の端部に、レンズ状部が形成されている構成である。
【００４８】
それゆえ、上記構成は、基材が透光性を備えた常誘電体からなることによって、常誘電体の原料から基材に作製するときその結晶軸の方向を考慮する必要がなく、上記作製を簡便化できる。
【００４９】
その上、上記構成では、屈折率が１．９以上であるので、上記構成を、例えば内視鏡のリレーレンズ系に用いた場合、従来より、上記リレーレンズ系を明るくできて、上記内視鏡にて得られる画像品質を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロッドレンズを用いたリレーレンズ系の概略正面図である。
【図２】上記ロッドレンズに用いた透光性セラミックスに関する、各波長での直線透過率を示すグラフである。
【図３】上記ロッドレンズに用いた透光性セラミックスにおける焼成雰囲気の酸素濃度と、直線透過率との関係を示すグラフである。
【図４】従来のリレーレンズ系の概略正面図である。
【図５】従来の他のリレーレンズ系の概略正面図である。
【符号の説明】
１基材
２レンズ状部

Claims

Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ 3 系のペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする、屈折率が１．９以上の透光性を備えた常誘電体からなる基材が略柱状に設けられ、
基材の長手方向の端部に、レンズ状部が形成されていることを特徴とするロッドレンズ。
Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ 3 系のペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする、屈折率が１．９以上の透光性を備えた常誘電体からなる基材が略柱状に設けられ、
基材の長手方向の端部に、レンズ状部が形成されていることを特徴とするロッドレンズ。