JP4147037B2 - 照明システムおよびそれを有する内視鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体腔内を観察、処置等するために利用される医療用内視鏡や配管内部を検査、修理等するために利用される工業用内視鏡において、観察部位を照明するための照明システムおよびそれを有する内視鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内視鏡観察においては、観察部位を照明するための照明システムが必要であり、内視鏡本体には、内視鏡本体と一体または別体の光源装置からの光を内視鏡先端部まで伝える為の光ファイバー束が設けられている。光源装置内には、光源ランプと光源ランプからの光の配光具合をコントロールする光学系を有する光源部分と、光源ランプを発光させる為の電源（電池）等が含まれる。内視鏡本体に光源装置を一体に備えるタイプの内視鏡は、それらを外部に有し内視鏡本体と更にフレキシブルな光ファイバー束等で結ばれるタイプの内視鏡と区別されて、特に携帯内視鏡と呼ばれることがある。
【０００３】
携帯内視鏡の利便性、操作性の向上、あるいは消費電力の削減を図るため、光源装置の小型化、省電力化が要求されており、近年では、携帯内視鏡の光源ランプとして発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型省電力光源ランプの採用が必須である。
【０００４】
小型光源を使用した場合、観察部位に光を十分照射させるため、光源から放射される光をできるだけ効率よく集光させて光ファイバー束の入射面に入射させる必要がある。照明光の光量損失を抑える構成として、２つ以上の光学部品（例えば２個以上のレンズや１つの凹面鏡と１つ以上のレンズの組み合わせ）から成る集光光学系を所定の条件式を満たすように配置する構成が知られている（特開２０００−１００２１号参照）。また、できるだけ多くの光を入射面に入射させるため、集光光学系を設ける代わりに複数のＬＥＤを入射面に向けて配置する構成も知られている（例えば、特開２００１−７８９６１号参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
集光光学系として２つ以上の光学部品を使った場合、光源装置の小型化、ローコスト化が不十分となる。また、複数のＬＥＤ光源を配置した場合、光源装置の小型化実現が困難となり、また、光ファイバー束の開口数（ＮＡ）の制限から光ファイバー束を伝わっていくことのできない光が多くなり、集光効率が悪化する。
【０００６】
そこで本発明では、簡素な構成によって光源からの光を効率よく集光させることができる照明システムおよびそれを有する内視鏡を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の照明システムを有する内視鏡は、観察部位へ光を照射するため光を発光する光源ランプと、光ファイバー束によって構成され、光源からの光を観察部位へ伝達するライトガイドと、光源ランプとライトガイドの入射端との間に設けられ、光源ランプからの光をライトガイドの入射端へ集光させる集光光学系とを備える。光源ランプとしては、消費電力の抑制、光源システムの小型化を考慮して、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型光源が適用可能である。集光光学系の近軸焦点距離は光源システムの小型化を考慮して、以下の式を満たすように規定される。ただし、近軸焦点距離をｆ（単位はミリ：ｍｍ）で表す。
４．５＜ｆ＜７．０ ・・・・・（１）
【０００８】
本発明の携帯内視鏡は、以下の式を満たすように、光源、集光光学系およびライトガイドが構成、配置されている。
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））× ｔａｎω｜＜ｈ ・・・・・（２）
（ −３０°≦ ω ≦ ３０°）
ただし、入射端から近軸焦点距離と光源ランプの集光光学系に対する位置とに従って定められる近軸像面までの距離をｄ（ｍｍ）、入射端への光の入射角をω、集光光学系の構成および入射角に従って定められる球面収差の量をＳＡ（ω）（ｍｍ）、入射端の半径をｈ（ｍｍ）と表す。入射角ωは、集光光学系における光の射出角に相当する角度であり、集光光学系の光軸に対する角度である。ライトガイドの入射端付近におけるライトガイド中心は、光軸上にあるものとする。ここでは、球面収差は、入射端への入射角度ωそれぞれの結像位置に対する近軸像面からの距離を球面収差として規定する。
【０００９】
内視鏡で使用されるライトガイドの開口数（ＮＡ）はたいてい入射角３０°以下に応じた値であることから、３０°以下で入射する光を漏れることなく取り込むことが望ましい。集光光学系を球面のみで構成すると球面収差が生じており、集光光学系から射出する光は光軸上において１点（近軸像点）に集まらず、結像位置がずれる。球面収差によってライトガイドの入射端へ入射しない光、あるいは球面収差によって開口数ＮＡの限度を超えて入射する光が生じた場合、光源からの光を十分取り込むことができずに光量損失を招き、観察部位を十分照明できない。特に、光源として発光ダイオードなど単独では発光量の少ない小型光源を使用する場合、光量損失は大きな問題となる。一方、集光光学系に非球面を導入すれば、球面収差はある程度補正することが可能であり、光量損失を防止するという観点からは球面収差をできるだけゼロに補正することが好ましい。しかし、球面収差を補正し過ぎた場合、レンズの中心部と周辺部の形状変化があまりにも激しくなり、製造することが困難になったり、製造時のレンズ偏心による性能劣化が著しくなるという問題点が発生する。実際問題、球面収差をそこまで補正する必要はなく、むしろ、球面収差の発生量を考慮して照明システム全体のバランスを取ることが重要である。本発明では、（２）式を満たす光源システムが構成されている。すなわち、球面収差によって入射端への入射角ωに応じて、光軸上での結像位置が異っていても、所定範囲（半量３０°以下）の角度で集光光学系から射出した光はすべて、ライトガイドの入射端へ入射し、ライトガイド内を伝わっていく。その結果、本願の照明システムを有する内視鏡の使用においても観察部位に光が十分照射され、オペレータは鮮明な光学画像を観察することができる。
【００１０】
携帯内視鏡のような集光光学系の配置スペースの制限が厳しい場合には、集光光学系は、１枚の光学レンズから構成されることが望ましい。これにより、簡素な構成による光源システムを携帯内視鏡内に設けることができる。レンズ形状に関しては、球面、非球面形状の凸レンズどちらを適用させてもよい。
【００１１】
光源としては、消費電力を抑えながら光源から放射される光を十分取り込むため、放射角に関して光の指向性の強いレンズ付き電球を用いることが好ましい。より具体的には砲弾型の発光ダイオード単一で光源を構成すると消費電力を抑えてある程度の光量が得られ、指向性も高く、小型化にも有利である。しかしながら、発光ダイオードを使用した場合においても平行光、収束光が射出されるのではなく、光は発散する。光源装置の小型化要求を満たしながら光量損失を抑えるため、集光光学系は発光ダイオードの近傍に配置させるのが好ましい。近傍に配置することにより、集光光学系の径を大きくすることなく発光ダイオードから放射される光を入射端に向けて屈折させることができる。
【００１２】
発光ダイオードの放射角が３０°に近い場合、球面レンズでは集光効率が悪くなる。したがって、集光光学系は、球面収差をある程度抑えるため、少なくとも一面に非球面を有する１枚の非球面レンズであることが望ましい。この場合、非球面量が以下の式を満たすように非球面形状を形成するのがよい。
０．００００５５ｘ4＋０．００００６ｘ6 ≦ ｄＳ
ｄＳ ≦ ０．００４８ｘ4＋０．００００６ｘ6 ・・・（３）
ただし、ｘは光軸からの高さ（単位はｍｍ）、ｄＳは高さｘにおける非球面量（ｍｍ）を表す。非球面量ｄＳは、任意のｘにおける近軸球面と非球面との光軸方向に沿った差を表す。具体的には、非球面レンズの光軸における曲率半径によって球面形状を規定した場合、高さｘにおける球面形状の座標位置と非球面形状の座標位置との差（距離）として定義される。非球面量ｄＳの符号は、近軸曲率半径の緩くなる方向を正とする。
【００１３】
非球面量ｄＳが小さ過ぎると、光軸から離れた距離を通る光に関して球面収差が大きくなり、ライトガイドの開口数の制限を超えた角度で光が入射してしまい、ロスが発生する。一方、非球面量ｄＳが大き過ぎると、入射端における光のスポットが広がり、効率よく集光できない。（３）式の下限値、上限値の範囲内に非球面量が定められるように非球面形状を形成することにより、光を効率よく、またムラ無く集光させることができる。
【００１４】
さらに、光を効率よく集光させるため、非球面レンズのサグ量Ｓｘが以下の式を満たすことが望ましい。
０．０９＜Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））＜０．２ （ｘ＞２） ・・（４）
【００１５】
（４）式の下限値以下になる場合、光軸から離れた場所を通る光は大きく屈折されてしまい、光の入射角が大きくなる。一方、（４）式の上限値以上になった場合、入射端における光のスポットが広がってしまい、効率よく集光できない。（４）式を満たすようにサグ量、すなわち非球面形状を形成することにより、光を効率よく集光させることができる。
【００１６】
本発明の照明システムは、観察部位へ光を照射するため光を発光する光源ランプと、光ファイバー束によって構成され、光源からの光を観察部位へ伝達するライトガイドと、光源ランプとライトガイドの入射端との間に設けられ、光源からの光をライトガイドの入射端へ集光させる集光光学系とを備え、入射端から近軸焦点距離と光源ランプの集光光学系に対する位置とに従って定められる近軸像面までの距離をｄ（ｍｍ）、入射端への光の入射角をω、集光光学系の構成および入射角に従って定められる球面収差の量をＳＡ（ω）（ｍｍ）、入射端の半径をｈ（ｍｍ）と表した場合、次式を満たすことを特徴とする。
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））× ｔａｎω｜＜ｈ ・・・・・（５）
すなわち、球面収差によって入射角および結像位置が異なる集光光学系の通過光が漏れることなく入射端へ入射してライトガイド内を伝わっていくように、集光光学系が構成および配置されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を参照して、本発明の実施形態である照明システムを備えた携帯内視鏡について説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態である携帯内視鏡の概略的概観図である。
【００１９】
携帯内視鏡１０には、オペレータが保持する剛性の操作部１１と、操作部１１と一体的に繋がった可撓性の挿入部１２とが備えられており、検査、処置等を行う場合、オペレータは操作部１１を保持し、挿入部１２を体内へ挿入する。操作部１１には、観察用の接眼部１３と電池内蔵の光源ユニット２０とが設けられている。発光ダイオード（Light Emitting Diode、ここでは図示せず）を有する光源ユニット２０は着脱自在に操作部１１に取り付けられており、ナット２３を回転させることにより装着部１４から取り外すことが可能である。
【００２０】
携帯内視鏡１０内には、発光ダイオードから放射される光を挿入部１２の先端部１８まで伝達するための光ファイバー束であるライトガイド（ここでは図示せず）と、観察部位の画像を光学的に伝達するための光ファイバー束であるイメージガイド（図示せず）が設けられており、ライトガイドは装着部１４から先端部１８まで延びており、イメージガイドは先端部１８から接眼部１３まで延びている。発光ダイオードから放射された光は、ライトガイドを伝って先端部１８から射出し、これにより観察部位に光が照射される。観察部位において反射した光は、先端部１８内に設けられた対物レンズ（図示せず）を介してイメージガイドの端面に入射する。そして、観察部位の光学画像がイメージガイドを介して接眼部１３へ伝達される。これにより、オペレータは接眼部１３を通して観察部位の画像を確認することができる。
【００２１】
図２は、光源ユニット２０と装着部１４における内部構造を示した図である。
【００２２】
光源ユニット２０には発光ダイオード２２が取り付けられており、装着部１４内には集光レンズ２４が設けられている。光源ユニット２０が装着部１４に接続されると、発光ダイオード２２から放射される光は、凸レンズである集光レンズ２４を介してライトガイド２６の入射端２６Ａに入射する。発光ダイオード２２は、先端部に半球状レンズ２２Ｂを備えた砲弾型の発光ダイオードであり、半球状レンズ２２Ｂ内に発光素子（図示せず）が設けられている。また、ライトガイド２６の断面形状は実質的に円であり、集光レンズ２４の光軸Ｅが入射端２６Ａ近傍におけるライトガイド２６の中心軸を通る。本実施形態では、光軸Ｅがライトガイド２６の中心軸、発光ダイオード２２の発光中心通るように、発光ダイオード２２および集光レンズ２４およびライトガイド２６が位置決めされている。
【００２３】
発光ダイオード２２の配光特性（光の放射方向特性）に関しては、指向性が強いために中心強度が高い。光軸Ｅからおよそ３０度までの放射光によって、発光ダイオード２２から放射される光のほぼ全光量がカバーされる。集光レンズ２４は、光軸Ｅからの放射角度が大きい光をできるだけ取り込むため、発光ダイオード２２の近傍に配置されている。光軸Ｅから所定の角度で放射された光は、凸レンズである集光レンズ２４において屈折され、入射端２６Ａに向かって進む。ライトガイド２６の開口数（ＮＡ）は入射角３０度の光を取り込めるように定められており、集光レンズ２４のパワー（屈折力）は、発光ダイオード２２からの光が光軸Ｅからの射出角３０°以下で入射端２６Ａに向けて射出するように定められている。したがって、発光ダイオード２２から放射される光は、ほぼ集光レンズ２４を介して入射端２６Ａへ入射する。
【００２４】
図３は、入射端２６Ａへ入射する光とその入射角度に従った球面収差とを示した図である。
【００２５】
集光レンズ２４の位置に従って近軸像点Ｏ、近軸（ガウス）像面ＧＰを規定した場合、入射角ωで入射する光に対し、近軸像点ＧＰからの球面収差ＳＡ（ω）が生じる。ただし本実施形態では、入射端２６Ａへの入射角度ωそれぞれに対する近軸像面ＧＰからの収差量を、球面収差として規定する。発光ダイオード２２から所定の角度で放射された光は、集光レンズ２４の曲面形状および屈折率に従い、集光レンズ２４から所定の射出角、すなわち所定の入射角ωで入射端２６Ａに入射する。図３には、所定の入射角ωに対する球面収差ＳＡ（ω）が曲線Ｓによって表されており、入射角ωが大きいほど球面収差ＳＡ（ω）の量が増加する。
【００２６】
本実施形態では、集光レンズ２４の近軸焦点距離ｆ（ｍｍ）は以下の式を満たすように定められる。
４．５＜ｆ＜７．０ ・・・・・（６）
この近軸焦点距離ｆの範囲は、携帯内視鏡１０における装着部１４（光源部分）のスペースおよび開口数ＮＡの条件に従って定められている。上限値（＝７．０）を超えた場合、入射端２６Ａにおける光のスポットが広がって集光レンズ２４からの射出光を十分取り込むことができず、また、近軸焦点距離が長くなることにより光源部の構成を小型化することができない。一方、下限値（＝４．５）を超えた場合、近軸焦点距離が短すぎることにより集光レンズ２４からの光の射出角が開口数ＮＡを超えてしまい、光を十分取り込むことが出来ない。
【００２７】
さらに、本実施形態では、以下の式を満たすように集光レンズ２４が配置されている。
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜＜ｈ ・・・・・・（７）
ただし、（ −３０°≦ ω ≦ ３０°）
ただし、入射端２６Ａから近軸像面ＧＰまでの光軸Ｅに沿った距離（以下では、近軸像面距離という）をｄ、入射端２６Ａの半径（以下では、入射端半径という）をｈとして表す。
【００２８】
（７）式は、集光レンズ２４の球面収差ＳＡ（ω）を考慮し、集光レンズ２４からの射出角、すなわち光の入射角ωが３０°以下の光がすべてライトガイド２６を伝わっていくための条件式である。例えば、入射角ω0で光が入射端２６Ａに入射する場合、｜（ｄ＋ＳＡ（ω0）×ｔａｎω0｜の値は入射端２６Ａの半径ｈ以下となる（図３参照）。集光レンズ２４は、（７）式の条件の下、光軸Ｅに沿って所定の範囲（以下では、許容範囲という）内に配置される。
【００２９】
このように第１の実施形態によれば、発光ダイオード２２、集光レンズ２４、ライトガイド２６を備えた照明システムに関し、集光レンズ２４の形状および配置が、（７）式を満たすように定められる。したがって、発光ダイオード２２から放射した光は、光量損失することなく入射端２６Ａに入射し、ライトガイド２６内を通って先端部１８から射出する。
【００３０】
本実施形態では、照明システムを独自に備えた携帯内視鏡が示されているが、他のファイバー照明装置に関しても同様の照明システムを適用させてもよい。すなわち、独自に光源を内蔵していないファイバスコープが接続される光源装置や、撮像素子を有するビデオスコープが接続されるプロセッサに対しても、同様の照明システムを適用させればよい。この場合、（６）式に示した近軸焦点距離ｆの範囲、および（７）式に示した入射角ωの角度制限は、光源、集光レンズのサイズ、ライトガイドの開口数および径の大きさなどに従って定めればよい。
【００３１】
第１の実施形態では、携帯内視鏡内において発光ダイオードの近傍に単一の集光レンズを配置する簡素な構成が適用されているが、ライトガイド入射端の直前に集光効率を上げるため、テーパ付ロッドレンズなどの集光レンズ（以下では、付随集光レンズという）を設けてもよい。ライトガイドの径の太さが異なる場合、特に、径の太いライトガイドに合わせて構成されている照明装置に対して径の細いライトガイドを有するファイバスコープ（ビデオスコープ）が接続された場合、光量損失することなく効率よく集光させることができる。
【００３２】
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、効率よく光を集光させる形状を有する非球面レンズが適用される。
【００３３】
図４は、第２の実施形態である非球面の集光レンズを示した図である。
【００３４】
集光レンズ２４’は、前側（発光ダイオード側）のみ非球面である前側片面非球面レンズである。集光レンズ２４’の非球面形状は、サグ量を算出する次式によって表される。
ただし、非球面形状の光軸Ｅ上での曲率をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次成分の非球面係数をＡ４、Ａ６として表す。集光レンズ２４’における光軸Ｅからの高さをｘとして表す場合、Ｓｘは、高さｘにおけるサグ量を示す。
【００３５】
第２の実施形態の集光レンズ２４’は、（６）、（７）式を満たすとともに、以下の条件式を満たす。
０．００００５５ｘ4＋０．００００６ｘ6 ≦ ｄＳ
ｄＳ ≦ ０．００４８ｘ4＋０．００００６ｘ6 ・・・・（９）
ただし、ｄＳは高さｘにおける非球面量を表しており、高さｘの単位をミリ（ｍｍ）で表す。非球面量ｄＳは、集光レンズ２４’の光軸Ｅ（近軸）における曲率半径Ｒ（＝１／Ｃ）によって球面形状Ｕを規定した場合、高さｘにおける球面形状の座標位置と集光レンズ２４Ａの非球面形状の座標位置との差（距離）として定義される（図４参照）。ここでは、光軸Ｅにおける曲率よりも曲率が緩くなる方向を正とする。また、
【００３６】
非球面量ｄＳが小さ過ぎると、光軸Ｅから離れた所を通る光に関して球面収差がアンダー側（負側）に大きくなり、ライトガイド２６の開口数ＮＡを超えた角度で光が入射する。一方、非球面量ｄＳが大き過ぎると、入射端２６Ａにおける光のスポットが広がってしまい、効率よく集光できない。（９）式の下限値、上限値は、効率よく集光できる非球面形状の範囲を表す。
【００３７】
さらに、集光レンズ２４’は、以下の条件式を満たす。
ここでも、高さｘの単位はミリ（ｍｍ）で表される。
【００３８】
（１０）式の下限値以下になる場合、光軸Ｅから離れた場所を通る光が大きく屈折され、光の入射角ωがおおきくなってしまう。一方、（１０）式の上限値以上になった場合、入射端２６Ａにおける光のスポットが広がってしまい、効率よく集光できない。
【００３９】
このように第２の実施形態によれば、非球面レンズである集光レンズ２４’の非球面形状は、（９）、（１０）式を満たすように定められている。なお、第２の実施形態では、前側片面非球面レンズを集光レンズとしているが、後側（ライトガイド側）だけ非球面である後側片面非球面レンズ、あるいは両側非球面である両面非球面レンズを適用してもよい。両面非球面レンズの場合、非球面量は両面の非球面量を加算した値となる。
【００４０】
【実施例】
以下では、集光レンズの実施例を示す。図５は第１の実施例である集光レンズを、図６は第２の実施例である集光レンズを、図７は第３の実施例である集光レンズを、図８は、第４の実施例である集光レンズを示した図である。図９は、第１〜第４の実施例の集光レンズが（９）式を満たすことを表すグラフを示した図であり、図１０は、第１〜第４の実施例の集光レンズが（１０）式を満たすことを表すグラフを示した図である。最初に、図５を用いて、第１の実施例である集光レンズについて説明する。
【００４１】
図５に示す第１の実施例における集光レンズ２４Ａは、前側片面非球面レンズである。集光レンズの近軸焦点距離ｆ＝５．５８ｍｍ、ライトガイド２６Ｘの半径ｈ＝０．８ｍｍであり、像面距離ｄ＝１．１７ｍｍと規定される。集光レンズ２４Ａ，発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｘの構成、配置は、表１に示すように定められている。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１では、発光ダイオード２２”内の発光素子２２Ａ（第０面）、発光ダイオード２２”の先端部（第１面）、集光レンズ２４Ａ（第２面、第３面）それぞれに対する曲率半径Ｒ、レンズ厚さ（もしくは集光レンズ２４Ａとの間隔）Ｄ、ｄ線（５８８ｎｍ）での屈折率ｎ、アッべ数ν、そして非球面形状に関する４次成分係数および６次成分係数が表されている。このような条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図５に示すような曲線Ｓ１となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ表２に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値は、いずれもｈ（＝０．８ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００４６】
次に、図６を用いて、第２の実施例である集光レンズについて説明する。
【００４７】
第２実施例である集光レンズ２４Ｂも、第１実施例集光レンズ２４Ａと同様に前側片面非球面レンズである。集光レンズの近軸焦点距離ｆ＝５．９３ｍｍ、ライトガイド２６Ｙの半径ｈ＝０．６ｍｍであり、像面距離ｄ＝３．０４ｍｍと規定される。集光レンズ２４Ｂ，発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｙの構成、配置は、表３に示すように定められている。
【００４８】
【表３】
【００４９】
表３に示す条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図６に示すような曲線Ｓ２となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ以下の表４に示す。｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値はいずれもｈ（＝０．６ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００５０】
【表４】
【００５１】
次に、図７を用いて、第３の実施例である集光レンズについて説明する。
【００５２】
第３実施例である集光レンズ２４Ｃは、後側が非球面である後側片面非球面レンズである。近軸焦点距離ｆ＝５．８５ｍｍ、ライトガイド２６Ｚの半径ｈ＝０．６ｍｍであり、像面距離ｄ＝３．００ｍｍと規定される。集光レンズ２４Ｃ，発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｚの構成、配置は、表５に示すように定められている。
【００５３】
【表５】
【００５４】
表５に示す条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図７に示すような曲線Ｓ３となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ以下の表６に示す。｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値はいずれもｈ（＝０．６ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００５５】
【表６】
【００５６】
次に、図８を用いて、第４の実施例である集光レンズについて説明する。
【００５７】
第４実施例である集光レンズ２４Ｄは、両面が非球面形状である両面非球面レンズである。集光レンズの近軸焦点距離ｆ＝６．６１ｍｍ、ライトガイド２６Ｗの半径ｈ＝０．５ｍｍであり、像面距離ｄ＝１．００ｍｍと規定される。なお、第４実施例では、ライトガイド２６Ｗの直前に付随集光レンズ４０が配置されていて、集光レンズ２４Dと付随集光レンズ４０との合成焦点距離ｆ’＝６．１４ｍｍである。集光レンズ２４Ｄ，付随集光レンズ４０、発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｗの構成、配置は、表７に示すように定められている。
【００５８】
【表７】
【００５９】
表７に示す条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図８に示すような曲線Ｓ４となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ以下の表８に示す。｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値はいずれもｈ（＝０．５ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００６０】
【表８】
【００６１】
次に、図９、図１０を用いて、第１〜第４の実施例である集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄが、それぞれ（９）、（１０）式を満たすことを示す。
【００６２】
図９では、実施例１〜４の集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄの非球面量ｄＳを示したグラフが表されており、０．５ｍｍ間隔によって高さｘにおける非球面量が以下の表９に示されている。図９には（９）式の上限値および下限値がそれぞれ曲線Ｍ１、Ｍ２で示されており、集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄいずれもが（９）式を満たす。
【００６３】
【表９】
【００６４】
図１０では、実施例１〜４の集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄにおけるサグ量に関連する（１０）式に示された値「Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））」が表されている。図１０には（１０）式の上限値および下限値がそれぞれ曲線Ｍ３、Ｍ４で示されており、集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄに対する高さｘ（＞２ｍｍ）での「Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））」の値はいずれも（１０）式を満たす。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、簡素な構成によって光源からの光を効率よく集光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態である携帯内視鏡の概略的概観図である。
【図２】携帯内視鏡の光源部分における概略的内部構成を示した図である。
【図３】集光レンズの球面収差とライトガイドに入射する光との関係を示した図である。
【図４】第２の実施形態である携帯内視鏡の光源部分における概略的内部構成を示した図である
【図５】第１の実施例である集光レンズを示した図である。
【図６】第２の実施例である集光レンズを示した図である。
【図７】第３の実施例である集光レンズを示した図である。
【図８】第４の実施例である集光レンズを示した図である。
【図９】第１〜第４の実施例である集光レンズの非球面量を表すグラフを示した図である。
【図１０】第１〜第４の実施例である集光レンズのサグ量に関する値を表すグラフを示した図である。
【符号の説明】
１０ 携帯内視鏡
２２ 発光ダイオード（光源）
２４、２４’ 集光レンズ（集光光学系）
２６ ライトガイド
２６Ａ ライトガイドの入射端
ｆ 近軸焦点距離
ｄ 像面距離
ω 入射角（射出角）
ＳＡ 球面収差
ｈ 入射端の径の大きさ（入射端の半径）
ｄＳ 非球面量
Ｓｘ サグ量
ＧＰ 近軸像面
【発明の属する技術分野】
本発明は、体腔内を観察、処置等するために利用される医療用内視鏡や配管内部を検査、修理等するために利用される工業用内視鏡において、観察部位を照明するための照明システムおよびそれを有する内視鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内視鏡観察においては、観察部位を照明するための照明システムが必要であり、内視鏡本体には、内視鏡本体と一体または別体の光源装置からの光を内視鏡先端部まで伝える為の光ファイバー束が設けられている。光源装置内には、光源ランプと光源ランプからの光の配光具合をコントロールする光学系を有する光源部分と、光源ランプを発光させる為の電源（電池）等が含まれる。内視鏡本体に光源装置を一体に備えるタイプの内視鏡は、それらを外部に有し内視鏡本体と更にフレキシブルな光ファイバー束等で結ばれるタイプの内視鏡と区別されて、特に携帯内視鏡と呼ばれることがある。
【０００３】
携帯内視鏡の利便性、操作性の向上、あるいは消費電力の削減を図るため、光源装置の小型化、省電力化が要求されており、近年では、携帯内視鏡の光源ランプとして発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型省電力光源ランプの採用が必須である。
【０００４】
小型光源を使用した場合、観察部位に光を十分照射させるため、光源から放射される光をできるだけ効率よく集光させて光ファイバー束の入射面に入射させる必要がある。照明光の光量損失を抑える構成として、２つ以上の光学部品（例えば２個以上のレンズや１つの凹面鏡と１つ以上のレンズの組み合わせ）から成る集光光学系を所定の条件式を満たすように配置する構成が知られている（特開２０００−１００２１号参照）。また、できるだけ多くの光を入射面に入射させるため、集光光学系を設ける代わりに複数のＬＥＤを入射面に向けて配置する構成も知られている（例えば、特開２００１−７８９６１号参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
集光光学系として２つ以上の光学部品を使った場合、光源装置の小型化、ローコスト化が不十分となる。また、複数のＬＥＤ光源を配置した場合、光源装置の小型化実現が困難となり、また、光ファイバー束の開口数（ＮＡ）の制限から光ファイバー束を伝わっていくことのできない光が多くなり、集光効率が悪化する。
【０００６】
そこで本発明では、簡素な構成によって光源からの光を効率よく集光させることができる照明システムおよびそれを有する内視鏡を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の照明システムを有する内視鏡は、観察部位へ光を照射するため光を発光する光源ランプと、光ファイバー束によって構成され、光源からの光を観察部位へ伝達するライトガイドと、光源ランプとライトガイドの入射端との間に設けられ、光源ランプからの光をライトガイドの入射端へ集光させる集光光学系とを備える。光源ランプとしては、消費電力の抑制、光源システムの小型化を考慮して、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型光源が適用可能である。集光光学系の近軸焦点距離は光源システムの小型化を考慮して、以下の式を満たすように規定される。ただし、近軸焦点距離をｆ（単位はミリ：ｍｍ）で表す。
４．５＜ｆ＜７．０ ・・・・・（１）
【０００８】
本発明の携帯内視鏡は、以下の式を満たすように、光源、集光光学系およびライトガイドが構成、配置されている。
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））× ｔａｎω｜＜ｈ ・・・・・（２）
（ −３０°≦ ω ≦ ３０°）
ただし、入射端から近軸焦点距離と光源ランプの集光光学系に対する位置とに従って定められる近軸像面までの距離をｄ（ｍｍ）、入射端への光の入射角をω、集光光学系の構成および入射角に従って定められる球面収差の量をＳＡ（ω）（ｍｍ）、入射端の半径をｈ（ｍｍ）と表す。入射角ωは、集光光学系における光の射出角に相当する角度であり、集光光学系の光軸に対する角度である。ライトガイドの入射端付近におけるライトガイド中心は、光軸上にあるものとする。ここでは、球面収差は、入射端への入射角度ωそれぞれの結像位置に対する近軸像面からの距離を球面収差として規定する。
【０００９】
内視鏡で使用されるライトガイドの開口数（ＮＡ）はたいてい入射角３０°以下に応じた値であることから、３０°以下で入射する光を漏れることなく取り込むことが望ましい。集光光学系を球面のみで構成すると球面収差が生じており、集光光学系から射出する光は光軸上において１点（近軸像点）に集まらず、結像位置がずれる。球面収差によってライトガイドの入射端へ入射しない光、あるいは球面収差によって開口数ＮＡの限度を超えて入射する光が生じた場合、光源からの光を十分取り込むことができずに光量損失を招き、観察部位を十分照明できない。特に、光源として発光ダイオードなど単独では発光量の少ない小型光源を使用する場合、光量損失は大きな問題となる。一方、集光光学系に非球面を導入すれば、球面収差はある程度補正することが可能であり、光量損失を防止するという観点からは球面収差をできるだけゼロに補正することが好ましい。しかし、球面収差を補正し過ぎた場合、レンズの中心部と周辺部の形状変化があまりにも激しくなり、製造することが困難になったり、製造時のレンズ偏心による性能劣化が著しくなるという問題点が発生する。実際問題、球面収差をそこまで補正する必要はなく、むしろ、球面収差の発生量を考慮して照明システム全体のバランスを取ることが重要である。本発明では、（２）式を満たす光源システムが構成されている。すなわち、球面収差によって入射端への入射角ωに応じて、光軸上での結像位置が異っていても、所定範囲（半量３０°以下）の角度で集光光学系から射出した光はすべて、ライトガイドの入射端へ入射し、ライトガイド内を伝わっていく。その結果、本願の照明システムを有する内視鏡の使用においても観察部位に光が十分照射され、オペレータは鮮明な光学画像を観察することができる。
【００１０】
携帯内視鏡のような集光光学系の配置スペースの制限が厳しい場合には、集光光学系は、１枚の光学レンズから構成されることが望ましい。これにより、簡素な構成による光源システムを携帯内視鏡内に設けることができる。レンズ形状に関しては、球面、非球面形状の凸レンズどちらを適用させてもよい。
【００１１】
光源としては、消費電力を抑えながら光源から放射される光を十分取り込むため、放射角に関して光の指向性の強いレンズ付き電球を用いることが好ましい。より具体的には砲弾型の発光ダイオード単一で光源を構成すると消費電力を抑えてある程度の光量が得られ、指向性も高く、小型化にも有利である。しかしながら、発光ダイオードを使用した場合においても平行光、収束光が射出されるのではなく、光は発散する。光源装置の小型化要求を満たしながら光量損失を抑えるため、集光光学系は発光ダイオードの近傍に配置させるのが好ましい。近傍に配置することにより、集光光学系の径を大きくすることなく発光ダイオードから放射される光を入射端に向けて屈折させることができる。
【００１２】
発光ダイオードの放射角が３０°に近い場合、球面レンズでは集光効率が悪くなる。したがって、集光光学系は、球面収差をある程度抑えるため、少なくとも一面に非球面を有する１枚の非球面レンズであることが望ましい。この場合、非球面量が以下の式を満たすように非球面形状を形成するのがよい。
０．００００５５ｘ4＋０．００００６ｘ6 ≦ ｄＳ
ｄＳ ≦ ０．００４８ｘ4＋０．００００６ｘ6 ・・・（３）
ただし、ｘは光軸からの高さ（単位はｍｍ）、ｄＳは高さｘにおける非球面量（ｍｍ）を表す。非球面量ｄＳは、任意のｘにおける近軸球面と非球面との光軸方向に沿った差を表す。具体的には、非球面レンズの光軸における曲率半径によって球面形状を規定した場合、高さｘにおける球面形状の座標位置と非球面形状の座標位置との差（距離）として定義される。非球面量ｄＳの符号は、近軸曲率半径の緩くなる方向を正とする。
【００１３】
非球面量ｄＳが小さ過ぎると、光軸から離れた距離を通る光に関して球面収差が大きくなり、ライトガイドの開口数の制限を超えた角度で光が入射してしまい、ロスが発生する。一方、非球面量ｄＳが大き過ぎると、入射端における光のスポットが広がり、効率よく集光できない。（３）式の下限値、上限値の範囲内に非球面量が定められるように非球面形状を形成することにより、光を効率よく、またムラ無く集光させることができる。
【００１４】
さらに、光を効率よく集光させるため、非球面レンズのサグ量Ｓｘが以下の式を満たすことが望ましい。
０．０９＜Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））＜０．２ （ｘ＞２） ・・（４）
【００１５】
（４）式の下限値以下になる場合、光軸から離れた場所を通る光は大きく屈折されてしまい、光の入射角が大きくなる。一方、（４）式の上限値以上になった場合、入射端における光のスポットが広がってしまい、効率よく集光できない。（４）式を満たすようにサグ量、すなわち非球面形状を形成することにより、光を効率よく集光させることができる。
【００１６】
本発明の照明システムは、観察部位へ光を照射するため光を発光する光源ランプと、光ファイバー束によって構成され、光源からの光を観察部位へ伝達するライトガイドと、光源ランプとライトガイドの入射端との間に設けられ、光源からの光をライトガイドの入射端へ集光させる集光光学系とを備え、入射端から近軸焦点距離と光源ランプの集光光学系に対する位置とに従って定められる近軸像面までの距離をｄ（ｍｍ）、入射端への光の入射角をω、集光光学系の構成および入射角に従って定められる球面収差の量をＳＡ（ω）（ｍｍ）、入射端の半径をｈ（ｍｍ）と表した場合、次式を満たすことを特徴とする。
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））× ｔａｎω｜＜ｈ ・・・・・（５）
すなわち、球面収差によって入射角および結像位置が異なる集光光学系の通過光が漏れることなく入射端へ入射してライトガイド内を伝わっていくように、集光光学系が構成および配置されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を参照して、本発明の実施形態である照明システムを備えた携帯内視鏡について説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態である携帯内視鏡の概略的概観図である。
【００１９】
携帯内視鏡１０には、オペレータが保持する剛性の操作部１１と、操作部１１と一体的に繋がった可撓性の挿入部１２とが備えられており、検査、処置等を行う場合、オペレータは操作部１１を保持し、挿入部１２を体内へ挿入する。操作部１１には、観察用の接眼部１３と電池内蔵の光源ユニット２０とが設けられている。発光ダイオード（Light Emitting Diode、ここでは図示せず）を有する光源ユニット２０は着脱自在に操作部１１に取り付けられており、ナット２３を回転させることにより装着部１４から取り外すことが可能である。
【００２０】
携帯内視鏡１０内には、発光ダイオードから放射される光を挿入部１２の先端部１８まで伝達するための光ファイバー束であるライトガイド（ここでは図示せず）と、観察部位の画像を光学的に伝達するための光ファイバー束であるイメージガイド（図示せず）が設けられており、ライトガイドは装着部１４から先端部１８まで延びており、イメージガイドは先端部１８から接眼部１３まで延びている。発光ダイオードから放射された光は、ライトガイドを伝って先端部１８から射出し、これにより観察部位に光が照射される。観察部位において反射した光は、先端部１８内に設けられた対物レンズ（図示せず）を介してイメージガイドの端面に入射する。そして、観察部位の光学画像がイメージガイドを介して接眼部１３へ伝達される。これにより、オペレータは接眼部１３を通して観察部位の画像を確認することができる。
【００２１】
図２は、光源ユニット２０と装着部１４における内部構造を示した図である。
【００２２】
光源ユニット２０には発光ダイオード２２が取り付けられており、装着部１４内には集光レンズ２４が設けられている。光源ユニット２０が装着部１４に接続されると、発光ダイオード２２から放射される光は、凸レンズである集光レンズ２４を介してライトガイド２６の入射端２６Ａに入射する。発光ダイオード２２は、先端部に半球状レンズ２２Ｂを備えた砲弾型の発光ダイオードであり、半球状レンズ２２Ｂ内に発光素子（図示せず）が設けられている。また、ライトガイド２６の断面形状は実質的に円であり、集光レンズ２４の光軸Ｅが入射端２６Ａ近傍におけるライトガイド２６の中心軸を通る。本実施形態では、光軸Ｅがライトガイド２６の中心軸、発光ダイオード２２の発光中心通るように、発光ダイオード２２および集光レンズ２４およびライトガイド２６が位置決めされている。
【００２３】
発光ダイオード２２の配光特性（光の放射方向特性）に関しては、指向性が強いために中心強度が高い。光軸Ｅからおよそ３０度までの放射光によって、発光ダイオード２２から放射される光のほぼ全光量がカバーされる。集光レンズ２４は、光軸Ｅからの放射角度が大きい光をできるだけ取り込むため、発光ダイオード２２の近傍に配置されている。光軸Ｅから所定の角度で放射された光は、凸レンズである集光レンズ２４において屈折され、入射端２６Ａに向かって進む。ライトガイド２６の開口数（ＮＡ）は入射角３０度の光を取り込めるように定められており、集光レンズ２４のパワー（屈折力）は、発光ダイオード２２からの光が光軸Ｅからの射出角３０°以下で入射端２６Ａに向けて射出するように定められている。したがって、発光ダイオード２２から放射される光は、ほぼ集光レンズ２４を介して入射端２６Ａへ入射する。
【００２４】
図３は、入射端２６Ａへ入射する光とその入射角度に従った球面収差とを示した図である。
【００２５】
集光レンズ２４の位置に従って近軸像点Ｏ、近軸（ガウス）像面ＧＰを規定した場合、入射角ωで入射する光に対し、近軸像点ＧＰからの球面収差ＳＡ（ω）が生じる。ただし本実施形態では、入射端２６Ａへの入射角度ωそれぞれに対する近軸像面ＧＰからの収差量を、球面収差として規定する。発光ダイオード２２から所定の角度で放射された光は、集光レンズ２４の曲面形状および屈折率に従い、集光レンズ２４から所定の射出角、すなわち所定の入射角ωで入射端２６Ａに入射する。図３には、所定の入射角ωに対する球面収差ＳＡ（ω）が曲線Ｓによって表されており、入射角ωが大きいほど球面収差ＳＡ（ω）の量が増加する。
【００２６】
本実施形態では、集光レンズ２４の近軸焦点距離ｆ（ｍｍ）は以下の式を満たすように定められる。
４．５＜ｆ＜７．０ ・・・・・（６）
この近軸焦点距離ｆの範囲は、携帯内視鏡１０における装着部１４（光源部分）のスペースおよび開口数ＮＡの条件に従って定められている。上限値（＝７．０）を超えた場合、入射端２６Ａにおける光のスポットが広がって集光レンズ２４からの射出光を十分取り込むことができず、また、近軸焦点距離が長くなることにより光源部の構成を小型化することができない。一方、下限値（＝４．５）を超えた場合、近軸焦点距離が短すぎることにより集光レンズ２４からの光の射出角が開口数ＮＡを超えてしまい、光を十分取り込むことが出来ない。
【００２７】
さらに、本実施形態では、以下の式を満たすように集光レンズ２４が配置されている。
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜＜ｈ ・・・・・・（７）
ただし、（ −３０°≦ ω ≦ ３０°）
ただし、入射端２６Ａから近軸像面ＧＰまでの光軸Ｅに沿った距離（以下では、近軸像面距離という）をｄ、入射端２６Ａの半径（以下では、入射端半径という）をｈとして表す。
【００２８】
（７）式は、集光レンズ２４の球面収差ＳＡ（ω）を考慮し、集光レンズ２４からの射出角、すなわち光の入射角ωが３０°以下の光がすべてライトガイド２６を伝わっていくための条件式である。例えば、入射角ω0で光が入射端２６Ａに入射する場合、｜（ｄ＋ＳＡ（ω0）×ｔａｎω0｜の値は入射端２６Ａの半径ｈ以下となる（図３参照）。集光レンズ２４は、（７）式の条件の下、光軸Ｅに沿って所定の範囲（以下では、許容範囲という）内に配置される。
【００２９】
このように第１の実施形態によれば、発光ダイオード２２、集光レンズ２４、ライトガイド２６を備えた照明システムに関し、集光レンズ２４の形状および配置が、（７）式を満たすように定められる。したがって、発光ダイオード２２から放射した光は、光量損失することなく入射端２６Ａに入射し、ライトガイド２６内を通って先端部１８から射出する。
【００３０】
本実施形態では、照明システムを独自に備えた携帯内視鏡が示されているが、他のファイバー照明装置に関しても同様の照明システムを適用させてもよい。すなわち、独自に光源を内蔵していないファイバスコープが接続される光源装置や、撮像素子を有するビデオスコープが接続されるプロセッサに対しても、同様の照明システムを適用させればよい。この場合、（６）式に示した近軸焦点距離ｆの範囲、および（７）式に示した入射角ωの角度制限は、光源、集光レンズのサイズ、ライトガイドの開口数および径の大きさなどに従って定めればよい。
【００３１】
第１の実施形態では、携帯内視鏡内において発光ダイオードの近傍に単一の集光レンズを配置する簡素な構成が適用されているが、ライトガイド入射端の直前に集光効率を上げるため、テーパ付ロッドレンズなどの集光レンズ（以下では、付随集光レンズという）を設けてもよい。ライトガイドの径の太さが異なる場合、特に、径の太いライトガイドに合わせて構成されている照明装置に対して径の細いライトガイドを有するファイバスコープ（ビデオスコープ）が接続された場合、光量損失することなく効率よく集光させることができる。
【００３２】
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、効率よく光を集光させる形状を有する非球面レンズが適用される。
【００３３】
図４は、第２の実施形態である非球面の集光レンズを示した図である。
【００３４】
集光レンズ２４’は、前側（発光ダイオード側）のみ非球面である前側片面非球面レンズである。集光レンズ２４’の非球面形状は、サグ量を算出する次式によって表される。
【００３５】
第２の実施形態の集光レンズ２４’は、（６）、（７）式を満たすとともに、以下の条件式を満たす。
０．００００５５ｘ4＋０．００００６ｘ6 ≦ ｄＳ
ｄＳ ≦ ０．００４８ｘ4＋０．００００６ｘ6 ・・・・（９）
ただし、ｄＳは高さｘにおける非球面量を表しており、高さｘの単位をミリ（ｍｍ）で表す。非球面量ｄＳは、集光レンズ２４’の光軸Ｅ（近軸）における曲率半径Ｒ（＝１／Ｃ）によって球面形状Ｕを規定した場合、高さｘにおける球面形状の座標位置と集光レンズ２４Ａの非球面形状の座標位置との差（距離）として定義される（図４参照）。ここでは、光軸Ｅにおける曲率よりも曲率が緩くなる方向を正とする。また、
【００３６】
非球面量ｄＳが小さ過ぎると、光軸Ｅから離れた所を通る光に関して球面収差がアンダー側（負側）に大きくなり、ライトガイド２６の開口数ＮＡを超えた角度で光が入射する。一方、非球面量ｄＳが大き過ぎると、入射端２６Ａにおける光のスポットが広がってしまい、効率よく集光できない。（９）式の下限値、上限値は、効率よく集光できる非球面形状の範囲を表す。
【００３７】
さらに、集光レンズ２４’は、以下の条件式を満たす。
【００３８】
（１０）式の下限値以下になる場合、光軸Ｅから離れた場所を通る光が大きく屈折され、光の入射角ωがおおきくなってしまう。一方、（１０）式の上限値以上になった場合、入射端２６Ａにおける光のスポットが広がってしまい、効率よく集光できない。
【００３９】
このように第２の実施形態によれば、非球面レンズである集光レンズ２４’の非球面形状は、（９）、（１０）式を満たすように定められている。なお、第２の実施形態では、前側片面非球面レンズを集光レンズとしているが、後側（ライトガイド側）だけ非球面である後側片面非球面レンズ、あるいは両側非球面である両面非球面レンズを適用してもよい。両面非球面レンズの場合、非球面量は両面の非球面量を加算した値となる。
【００４０】
【実施例】
以下では、集光レンズの実施例を示す。図５は第１の実施例である集光レンズを、図６は第２の実施例である集光レンズを、図７は第３の実施例である集光レンズを、図８は、第４の実施例である集光レンズを示した図である。図９は、第１〜第４の実施例の集光レンズが（９）式を満たすことを表すグラフを示した図であり、図１０は、第１〜第４の実施例の集光レンズが（１０）式を満たすことを表すグラフを示した図である。最初に、図５を用いて、第１の実施例である集光レンズについて説明する。
【００４１】
図５に示す第１の実施例における集光レンズ２４Ａは、前側片面非球面レンズである。集光レンズの近軸焦点距離ｆ＝５．５８ｍｍ、ライトガイド２６Ｘの半径ｈ＝０．８ｍｍであり、像面距離ｄ＝１．１７ｍｍと規定される。集光レンズ２４Ａ，発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｘの構成、配置は、表１に示すように定められている。
【００４２】
【表１】
表１では、発光ダイオード２２”内の発光素子２２Ａ（第０面）、発光ダイオード２２”の先端部（第１面）、集光レンズ２４Ａ（第２面、第３面）それぞれに対する曲率半径Ｒ、レンズ厚さ（もしくは集光レンズ２４Ａとの間隔）Ｄ、ｄ線（５８８ｎｍ）での屈折率ｎ、アッべ数ν、そして非球面形状に関する４次成分係数および６次成分係数が表されている。このような条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図５に示すような曲線Ｓ１となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ表２に示す。
【００４４】
【表２】
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値は、いずれもｈ（＝０．８ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００４６】
次に、図６を用いて、第２の実施例である集光レンズについて説明する。
【００４７】
第２実施例である集光レンズ２４Ｂも、第１実施例集光レンズ２４Ａと同様に前側片面非球面レンズである。集光レンズの近軸焦点距離ｆ＝５．９３ｍｍ、ライトガイド２６Ｙの半径ｈ＝０．６ｍｍであり、像面距離ｄ＝３．０４ｍｍと規定される。集光レンズ２４Ｂ，発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｙの構成、配置は、表３に示すように定められている。
【００４８】
【表３】
表３に示す条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図６に示すような曲線Ｓ２となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ以下の表４に示す。｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値はいずれもｈ（＝０．６ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００５０】
【表４】
次に、図７を用いて、第３の実施例である集光レンズについて説明する。
【００５２】
第３実施例である集光レンズ２４Ｃは、後側が非球面である後側片面非球面レンズである。近軸焦点距離ｆ＝５．８５ｍｍ、ライトガイド２６Ｚの半径ｈ＝０．６ｍｍであり、像面距離ｄ＝３．００ｍｍと規定される。集光レンズ２４Ｃ，発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｚの構成、配置は、表５に示すように定められている。
【００５３】
【表５】
表５に示す条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図７に示すような曲線Ｓ３となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ以下の表６に示す。｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値はいずれもｈ（＝０．６ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００５５】
【表６】
次に、図８を用いて、第４の実施例である集光レンズについて説明する。
【００５７】
第４実施例である集光レンズ２４Ｄは、両面が非球面形状である両面非球面レンズである。集光レンズの近軸焦点距離ｆ＝６．６１ｍｍ、ライトガイド２６Ｗの半径ｈ＝０．５ｍｍであり、像面距離ｄ＝１．００ｍｍと規定される。なお、第４実施例では、ライトガイド２６Ｗの直前に付随集光レンズ４０が配置されていて、集光レンズ２４Dと付随集光レンズ４０との合成焦点距離ｆ’＝６．１４ｍｍである。集光レンズ２４Ｄ，付随集光レンズ４０、発光ダイオード２２”、ライトガイド２６Ｗの構成、配置は、表７に示すように定められている。
【００５８】
【表７】
表７に示す条件下において、球面収差ＳＡ（ω）は図８に示すような曲線Ｓ４となる。入射角ωそれぞれに対応する球面収差ＳＡ（ω）、（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎωの値をそれぞれ以下の表８に示す。｜（ｄ＋ＳＡ（ω））×ｔａｎω｜の値はいずれもｈ（＝０．５ｍｍ）より小さい値であり、条件式（７）が満たされている。
【００６０】
【表８】
次に、図９、図１０を用いて、第１〜第４の実施例である集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄが、それぞれ（９）、（１０）式を満たすことを示す。
【００６２】
図９では、実施例１〜４の集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄの非球面量ｄＳを示したグラフが表されており、０．５ｍｍ間隔によって高さｘにおける非球面量が以下の表９に示されている。図９には（９）式の上限値および下限値がそれぞれ曲線Ｍ１、Ｍ２で示されており、集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄいずれもが（９）式を満たす。
【００６３】
【表９】
図１０では、実施例１〜４の集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄにおけるサグ量に関連する（１０）式に示された値「Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））」が表されている。図１０には（１０）式の上限値および下限値がそれぞれ曲線Ｍ３、Ｍ４で示されており、集光レンズ２４Ａ〜２４Ｄに対する高さｘ（＞２ｍｍ）での「Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））」の値はいずれも（１０）式を満たす。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、簡素な構成によって光源からの光を効率よく集光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態である携帯内視鏡の概略的概観図である。
【図２】携帯内視鏡の光源部分における概略的内部構成を示した図である。
【図３】集光レンズの球面収差とライトガイドに入射する光との関係を示した図である。
【図４】第２の実施形態である携帯内視鏡の光源部分における概略的内部構成を示した図である
【図５】第１の実施例である集光レンズを示した図である。
【図６】第２の実施例である集光レンズを示した図である。
【図７】第３の実施例である集光レンズを示した図である。
【図８】第４の実施例である集光レンズを示した図である。
【図９】第１〜第４の実施例である集光レンズの非球面量を表すグラフを示した図である。
【図１０】第１〜第４の実施例である集光レンズのサグ量に関する値を表すグラフを示した図である。
【符号の説明】
１０ 携帯内視鏡
２２ 発光ダイオード（光源）
２４、２４’ 集光レンズ（集光光学系）
２６ ライトガイド
２６Ａ ライトガイドの入射端
ｆ 近軸焦点距離
ｄ 像面距離
ω 入射角（射出角）
ＳＡ 球面収差
ｈ 入射端の径の大きさ（入射端の半径）
ｄＳ 非球面量
Ｓｘ サグ量
ＧＰ 近軸像面
Claims (2)
- 観察部位へ光を照射するため光を発光する光源ランプと、
光ファイバー束によって構成され、前記光源ランプからの光を前記観察部位へ伝達するライトガイドと、
前記光源ランプと前記ライトガイドの入射端との間に設けられ、前記光源ランプからの光を前記ライトガイドの入射端へ集光させる集光光学系とを備え、
前記集光光学系の近軸焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記入射端から前記近軸焦点距離と前記光源ランプの集光光学系に対する位置とに従って定められる近軸像面までの距離をｄ（ｍｍ）、前記入射端への光の入射角をω、前記集光光学系の構成および前記入射角に従って定められる球面収差の量をＳＡ（ω）（ｍｍ）、前記入射端の半径をｈ（ｍｍ）と表した場合、
４．５＜ｆ＜７．０
および
｜（ｄ＋ＳＡ（ω））× ｔａｎω｜＜ｈ （ −３０°≦ω≦ ３０°）
を満たし、
前記集光光学系が、１枚の光学レンズであって少なくとも一面に非球面を有するレンズであり、
前記集光光学系の非球面量およびサグ量が、それぞれ以下の式を満たすことを特徴とする照明システムを有する携帯内視鏡。
０．００００５５ｘ 4 ＋０．００００６ｘ 6 ≦ ｄＳ
ｄＳ ≦０．００４８ｘ 4 ＋０．００００６ｘ 6
０．０９＜Ｓｘ／（ｆ×（ｘ−１．２））＜０．２ （ｘ＞２）
ただし、ｘ（ｍｍ）は光軸からの高さ、ｄＳ（ｍｍ）は非球面量を表し、光軸からの高さｘ（ｍｍ）におけるサグ量をＳｘ（ｍｍ）と表す。 - 前記光源ランプが単一の砲弾型の発光ダイオードであり、前記集光光学系が前記発光ダイオードの近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明システムを有する携帯内視鏡。
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