JP4199478B2 - 内視鏡照明光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内視鏡の先端部に組み込まれ、光ファイバー束等の面光源から発した照明光を発散させて観察対象である物体面を照明するための内視鏡照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食道や胃等の管状の対象を観察するための内視鏡の照明光学系は、対象物をできるだけ均一に照明するため、球面状の物体面に対して均一な照度分布が得られるよう設計される。この種の内視鏡照明光学系としては、従来、特許第３０２００７４号に記載されたものが知られている。
【０００３】
この特許に開示される内視鏡照明光学系の配光レンズは、面光源から光軸に平行に射出される光線が配光レンズに入射する高さをｈ、配光レンズの焦点距離をｆ、配光レンズから射出する光線の射出角(単位：ラジアン)をθとして、ｈ＝ｆθとなるような配光特性を有する。このような配光特性は、面光源の輝度分布が均一である場合には、球面状の物体面に対して均一な照度分布をもたらす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常は面光源にも輝度分布の偏りがあり、中心から周辺部に向けて徐々に輝度が低下する場合が多い。このような輝度分布のある面光源を利用すると、上述した特許第３０２００７４号の照明光学系では、物体面上の照度分布にも偏りが生じ、周辺部が中心部と比較して暗くなるという問題がある。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、面光源に中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある場合に、球面状の物体面に対して均一な照度分布が得られる内視鏡照明光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる内視鏡照明光学系は、上記の目的を達成させるため、中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある面光源から発した照明光を発散させて物体面を照明する構成において、少なくとも１枚の配光レンズを含み、この配光レンズを含む全系の配光特性が以下の条件(１)を満たすことを特徴とする。
1.73×10-2・θ+1.21×10-6・θ3-1.61×10-10・θ5≦ｈ／|ｆ|
≦1.82×10-2・θ-3.53×10-8・θ3+8.79×10-10・θ5…(１)
ただし、ｈは面光源から光軸に平行に射出される光線が内視鏡照明光学系に入射する高さ、ｆは内視鏡照明光学系の焦点距離、θは内視鏡照明光学系から射出する光線の射出角(単位：度)である。
【０００７】
上記の条件(１)を満たすことにより、面光源に中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある場合に、球面状の物体上において均一な照度分布を得ることができる。なお、配光レンズは、非球面正レンズ、あるいは、非球面負レンズとすることが望ましい。また、負レンズとする場合には、レンズのコバ面を鏡面にすることが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる内視鏡照明光学系の実施形態を６例説明する。いずれも、光源から発して光ファイバー束により伝達された照明光を発散させて物体面を照明する内視鏡照明光学系であり、単一の配光レンズを備える。第１〜第５の実施形態の配光レンズは、平凸の非球面正レンズであり、第６の実施形態の配光レンズは、平凹の非球面負レンズである。
【０００９】
【第１の実施形態】
図１は、第１の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ａを示す側面図である。配光レンズ１０ａの図１中左側となる第１面１１ａは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ａは平面である。図２は、図１に示す配光レンズ１０ａを含む内視鏡照明光学系の先端部を示す説明図である。図示せぬ光源から発した照明光は、光ファイバー束２０により伝達されて面光源となるファイバー端面２１から射出され、配光レンズ１０ａを介して物体面３０を照明する。
【００１０】
配光レンズ１０ａの配光特性は、以下の条件(１)を満たす。
1.73×10-2・θ+1.21×10-6・θ3-1.61×10-10・θ5≦ｈ／|ｆ|
≦1.82×10-2・θ-3.53×10-8・θ3+8.79×10-10・θ5…(１)
ただし、ｈは面光源から光軸に平行に射出される光線が配光レンズ１０ａに入射する高さ、θは配光レンズ１０ａから射出する光線の射出角(単位：度)である。条件(１)の下限はｈ＝ｆθに近い配光特性、上限はｈ＝ｆtanθに近い配光特性を、それぞれ最小二乗法で多項式近似したものである。このような配光特性を有することにより、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、図２に示すような球面状の物体面３０において均一な照度分布を得ることができる。
【００１１】
条件(１)の下限を下回る場合には、配光特性がｈ＝ｆθに近くなり、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いると物体面上で周辺部が中心部より暗くなる。また、条件(１)の上限を越える場合には、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いても物体面上で中心部が周辺部より暗くなる。
【００１２】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第１の実施形態の配光レンズ１０ａの具体的な構成を表１に示す。表中の記号ｆは焦点距離(単位:mm)、FnoはＦナンバー、ｒは曲率半径(単位:mm)、ｄは光軸上の面間隔(単位:mm)、ｎは屈折率、νdはアッベ数である。また、第１面１１ａの形状は、光軸Ａｘからの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をκ、４次、６次、８次の非球面係数をA4,A6,A8として、以下の式で表される。
Ｘ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+κ)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8
これらの円錐係数、非球面係数は表１の下段に示されている。
【００１３】
【表１】
【００１４】
上記の構成により、以下の表２に示す配光特性を得ることができる。表中の「下限」、「上限」はそれぞれ該当する射出角θにおける条件(１)の下限、上限の値であり、条件式の欄の「○」は、ｈ／|ｆ|の値が上限と下限との間にあること、すなわち条件(１)を満たすことを意味する。
【００１５】
【表２】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.254 0.267 0.278 ○
0.538 0.537 29.205 0.531 0.549 ○
0.807 0.806 41.418 0.781 0.858 ○
1.076 1.075 52.216 1.011 1.286 ○
1.345 1.344 62.330 1.218 1.952 ○
【００１６】
表２からわかるように、第１の実施形態の配光レンズ１０ａは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。図３は、配光レンズ１０ａ自体の配光特性、すなわち、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ａを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。評価対象の物体面３０は、図２に示すように、配光レンズ１０ａの第２面１２ａと光軸Ａｘとの交点を中心とする半径１００ｍｍの球面である。第１の実施形態によれば、図３に示すように、射出角度４０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、均一な照度分布を得ることができる。
【００１７】
図４は、光源の輝度分布、配光レンズの配光特性、およびこれらをトータルした球面状の物体面上での照度分布を示すグラフであり、(Ａ)は条件(１)を満たす第１の実施形態の配光レンズ１０ａを利用した照明光学系、(Ｂ)は条件(１)の下限を下回って配光特性がｈ＝ｆθを満たすようになった照明光学系、(Ｃ)は条件(１)の上限を越える照明光学系を用いた場合をそれぞれ示す。各グラフで一点鎖線は配光レンズの配光特性、点線は面光源の輝度分布、実線は配光レンズの特性と光源の特性とをトータルした物体面上での照度分布をそれぞれ示している。なお、光源の輝度分布はｈに対応するθを横軸としてプロットしている。
【００１８】
図４(Ａ)に示すように、第１の実施形態では、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、このような面光源の輝度分布を配光レンズ１０ａの特性により補正することができ、トータルの照度分布は射出角４５度程度まで均一となり、広い視野範囲にわたり球面状の物体面をむらなく照明することができる。これに対して配光特性がｈ＝ｆθを満たす場合には、図４(Ｂ)に示すように、配光レンズ自体の配光特性はほぼフラットになるため、面光源の持つ輝度のムラが補正されず、トータルでは物体面の周辺部が中心部より暗くなるような分布を持つ。他方、配光特性が条件(１)の上限を越える場合には、図４(Ｃ)に示すように、配光レンズの配光特性が射出角２０度以上の領域で高くなるため、面光源の持つ輝度のムラに対して、トータルでは物体面の中心部が周辺部より暗くなりはじめる。
【００１９】
【第２の実施形態】
図５は、第２の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｂを示す側面図である。配光レンズ１０ｂの図５中左側となる第１面１１ｂは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｂは平面である。第２の実施形態の配光レンズ１０ｂは、第１の実施形態と比較して屈折率の低い材料を用いているため第１面の曲率が大きくなっている。図６は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｂを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００２０】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第２の実施形態の配光レンズ１０ｂの具体的な構成を表３、表３の構成による配光特性を表４に示す。
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.209 0.267 0.277 ○
0.538 0.539 29.112 0.529 0.547 ○
0.807 0.808 41.294 0.779 0.854 ○
1.076 1.077 52.041 1.008 1.277 ○
1.345 1.346 61.965 1.211 1.922 ○
【００２３】
表４からわかるように、第２の実施形態の配光レンズ１０ｂは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。このため、図６に示すように、射出角度３０度以上で照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、均一な照度分布を得ることができる。
【００２４】
【第３の実施形態】
図７は、第３の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｃを示す側面図である。配光レンズ１０ｃの図７中左側となる第１面１１ｃは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｃは平面である。第３の実施形態の配光レンズ１０ｃは、第１の実施形態と比較して屈折率の高い材料を用いているため第１面の曲率が小さくなっている。図８は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｃを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００２５】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第３の実施形態の配光レンズ１０ｃの具体的な構成を表５、表５の構成による配光特性を表６に示す。
【００２６】
【表５】
【００２７】
【表６】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.253 0.267 0.278 ○
0.538 0.538 29.271 0.532 0.550 ○
0.807 0.807 41.550 0.784 0.862 ○
1.076 1.076 52.287 1.013 1.289 ○
1.345 1.345 62.067 1.213 1.930 ○
【００２８】
表６からわかるように、第３の実施形態の配光レンズ１０ｃは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。このため、図８に示すように、射出角度３０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、均一な照度分布を得ることができる。
【００２９】
【第４の実施形態】
図９は、第４の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｄを示す側面図である。配光レンズ１０ｄの図９中左側となる第１面１１ｄは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｄは平面である。図１０は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｄを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００３０】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第４の実施形態の配光レンズ１０ｄの具体的な構成を表７、表７の構成による配光特性を表８に示す。
【００３１】
【表７】
【００３２】
【表８】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.309 0.268 0.279 ○
0.538 0.537 29.384 0.534 0.553 ○
0.807 0.806 40.922 0.771 0.843 ○
1.076 1.075 48.474 0.932 1.113 ○
1.345 1.344 54.312 1.055 1.398 ○
【００３３】
表８からわかるように、第４の実施形態の配光レンズ１０ｄは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値の中間より特にｈが大きい領域で上限側に近くなるような特性を有する。このため、図１０に示すように、射出角度３０度以上で照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、ほぼ均一ではあるものの、やや周辺部側が明るい照度分布が得られる。
【００３４】
なお、第４の実施形態では、焦点距離を１ｍｍに正規化しているため、高さ1.345mmからの光線の射出角度が５０度程度になる。射出角度の範囲を第１〜３の実施形態と同様の範囲まで拡大するためには、焦点距離を短くするか、面光源の大きさを大きくすればよい。
【００３５】
【第５の実施形態】
図１１は、第５の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｅを示す側面図である。配光レンズ１０ｅの図１１中左側となる第１面１１ｅは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｅは平面である。図１２は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｅを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００３６】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第５の実施形態の配光レンズ１０ｅの具体的な構成を表９、表９の構成による配光特性を表１０に示す。
【００３７】
【表９】
【００３８】
【表１０】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.272 0.268 0.278 ○
0.538 0.537 29.307 0.533 0.551 ○
0.807 0.806 41.706 0.787 0.867 ○
1.076 1.075 53.344 1.035 1.345 ○
1.345 1.344 67.791 1.317 2.481 ○
【００３９】
表１０からわかるように、第５の実施形態の配光レンズ１０ｅは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値の中間より下限側に近くなるような特性、すなわちｈ＝ｆθに近づくような特性を有する。このため、図１２に示すように、射出角度３０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、ほぼ均一ではあるものの、やや中心部側が明るい照度分布が得られる。
【００４０】
なお、第５の実施形態では、焦点距離を１ｍｍに正規化しているため、高さ1.345mmからの光線の射出角度が７０度近くなる。射出角度の範囲を第１の実施形態と同様の範囲まで縮小するためには、焦点距離を長くするか、面光源の大きさを小さくすればよい。
【００４１】
【第６の実施形態】
図１３は、第６の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｆを示す側面図である。配光レンズ１０ｆの図１３中左側となる第１面１１ｆは光軸Ａｘに対して回転対称な凹の非球面であり、右側となる第２面１２ｆは平面である。また、周囲のコバ面１３ｆは内側から入射する光が反射するように鏡面加工されている。図１４は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｆを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００４２】
焦点距離を約−１mmに正規化した場合の第６の実施形態の配光レンズ１０ｆの具体的な構成を表１１、表１１の構成による配光特性を表１２に示す。
【００４３】
【表１１】
【００４４】
【表１２】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.254 0.267 0.278 ○
0.538 0.537 29.205 0.531 0.549 ○
0.807 0.806 41.418 0.781 0.858 ○
1.076 1.075 52.216 1.011 1.286 ○
1.345 1.344 62.330 1.218 1.952 ○
【００４５】
表１２からわかるように、第６の実施形態の配光レンズ１０ｆは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。このため、図１４に示されるように、射出角度４０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、ほぼ均一な照度分布を得ることができる。
【００４６】
第６の実施形態の平凹の配光レンズ１０ｆは、第１の実施形態の平凸の配光レンズ１０ａと同一の屈折率を有し、第１面は凹凸の違いはあるものの、形状自体は共通である。このような共通形状の平凹レンズと平凸レンズとでは、配光レンズとしての配光特性はほぼ同一となる。
【００４７】
すなわち、図１５(Ａ)に示すように平凸の配光レンズ１０ａを用いた場合、面光源２１上で高さｈ1の点から光軸Ａｘに対して平行に発した光線Ｌ1が、配光レンズ１０ａにより屈折されて射出角αで射出し、高さｈ2の点から発した光線Ｌ2が同じく射出角βで射出するものとする。これを図１５(Ｂ)に示す平凹の配光レンズ１０ｆについて見ると、光線Ｌ1は屈折されて射出角αで射出し、光線Ｌ2はコバ面１３ｆで反射され、射出角βで射出する。したがって、物体面がレンズから１００ｍｍ程度離れている場合には、平凸レンズを用いても平凹レンズを用いても同一の照度分布が得られる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、所定の配光特性を満たすよう配光レンズを設計することにより、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、球面状の物体面上でほぼ均一な照度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図２】 図１に示す配光レンズを含む内視鏡照明光学系の先端部を示す説明図である。
【図３】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図１の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図４】 (Ａ)は図１の配光レンズを利用した照明光学系、(Ｂ)はｈ＝ｆθを満たす照明光学系、(Ｃ)は条件(1)の上限を越える照明光学系を用いた場合の照度分布をそれぞれ示すグラフである。
【図５】 第２の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図６】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図５の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図７】 第３の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図８】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図７の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図９】 第４の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図１０】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図９の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図１１】 第５の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図１２】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図１１の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図１３】 第６の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図１４】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図１３の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図１５】 (Ａ)は図１に示す配光レンズを用いた場合の光線の進み方、(Ｂ)は図１３に示す配光レンズを用いた場合の光線の進み方をそれぞれ示す説明図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 配光レンズ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 第１面
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ 第２面
【発明の属する技術分野】
この発明は、内視鏡の先端部に組み込まれ、光ファイバー束等の面光源から発した照明光を発散させて観察対象である物体面を照明するための内視鏡照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食道や胃等の管状の対象を観察するための内視鏡の照明光学系は、対象物をできるだけ均一に照明するため、球面状の物体面に対して均一な照度分布が得られるよう設計される。この種の内視鏡照明光学系としては、従来、特許第３０２００７４号に記載されたものが知られている。
【０００３】
この特許に開示される内視鏡照明光学系の配光レンズは、面光源から光軸に平行に射出される光線が配光レンズに入射する高さをｈ、配光レンズの焦点距離をｆ、配光レンズから射出する光線の射出角(単位：ラジアン)をθとして、ｈ＝ｆθとなるような配光特性を有する。このような配光特性は、面光源の輝度分布が均一である場合には、球面状の物体面に対して均一な照度分布をもたらす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常は面光源にも輝度分布の偏りがあり、中心から周辺部に向けて徐々に輝度が低下する場合が多い。このような輝度分布のある面光源を利用すると、上述した特許第３０２００７４号の照明光学系では、物体面上の照度分布にも偏りが生じ、周辺部が中心部と比較して暗くなるという問題がある。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、面光源に中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある場合に、球面状の物体面に対して均一な照度分布が得られる内視鏡照明光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる内視鏡照明光学系は、上記の目的を達成させるため、中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある面光源から発した照明光を発散させて物体面を照明する構成において、少なくとも１枚の配光レンズを含み、この配光レンズを含む全系の配光特性が以下の条件(１)を満たすことを特徴とする。
1.73×10-2・θ+1.21×10-6・θ3-1.61×10-10・θ5≦ｈ／|ｆ|
≦1.82×10-2・θ-3.53×10-8・θ3+8.79×10-10・θ5…(１)
ただし、ｈは面光源から光軸に平行に射出される光線が内視鏡照明光学系に入射する高さ、ｆは内視鏡照明光学系の焦点距離、θは内視鏡照明光学系から射出する光線の射出角(単位：度)である。
【０００７】
上記の条件(１)を満たすことにより、面光源に中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある場合に、球面状の物体上において均一な照度分布を得ることができる。なお、配光レンズは、非球面正レンズ、あるいは、非球面負レンズとすることが望ましい。また、負レンズとする場合には、レンズのコバ面を鏡面にすることが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる内視鏡照明光学系の実施形態を６例説明する。いずれも、光源から発して光ファイバー束により伝達された照明光を発散させて物体面を照明する内視鏡照明光学系であり、単一の配光レンズを備える。第１〜第５の実施形態の配光レンズは、平凸の非球面正レンズであり、第６の実施形態の配光レンズは、平凹の非球面負レンズである。
【０００９】
【第１の実施形態】
図１は、第１の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ａを示す側面図である。配光レンズ１０ａの図１中左側となる第１面１１ａは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ａは平面である。図２は、図１に示す配光レンズ１０ａを含む内視鏡照明光学系の先端部を示す説明図である。図示せぬ光源から発した照明光は、光ファイバー束２０により伝達されて面光源となるファイバー端面２１から射出され、配光レンズ１０ａを介して物体面３０を照明する。
【００１０】
配光レンズ１０ａの配光特性は、以下の条件(１)を満たす。
1.73×10-2・θ+1.21×10-6・θ3-1.61×10-10・θ5≦ｈ／|ｆ|
≦1.82×10-2・θ-3.53×10-8・θ3+8.79×10-10・θ5…(１)
ただし、ｈは面光源から光軸に平行に射出される光線が配光レンズ１０ａに入射する高さ、θは配光レンズ１０ａから射出する光線の射出角(単位：度)である。条件(１)の下限はｈ＝ｆθに近い配光特性、上限はｈ＝ｆtanθに近い配光特性を、それぞれ最小二乗法で多項式近似したものである。このような配光特性を有することにより、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、図２に示すような球面状の物体面３０において均一な照度分布を得ることができる。
【００１１】
条件(１)の下限を下回る場合には、配光特性がｈ＝ｆθに近くなり、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いると物体面上で周辺部が中心部より暗くなる。また、条件(１)の上限を越える場合には、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いても物体面上で中心部が周辺部より暗くなる。
【００１２】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第１の実施形態の配光レンズ１０ａの具体的な構成を表１に示す。表中の記号ｆは焦点距離(単位:mm)、FnoはＦナンバー、ｒは曲率半径(単位:mm)、ｄは光軸上の面間隔(単位:mm)、ｎは屈折率、νdはアッベ数である。また、第１面１１ａの形状は、光軸Ａｘからの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をκ、４次、６次、８次の非球面係数をA4,A6,A8として、以下の式で表される。
Ｘ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+κ)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8
これらの円錐係数、非球面係数は表１の下段に示されている。
【００１３】
【表１】
【００１４】
上記の構成により、以下の表２に示す配光特性を得ることができる。表中の「下限」、「上限」はそれぞれ該当する射出角θにおける条件(１)の下限、上限の値であり、条件式の欄の「○」は、ｈ／|ｆ|の値が上限と下限との間にあること、すなわち条件(１)を満たすことを意味する。
【００１５】
【表２】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.254 0.267 0.278 ○
0.538 0.537 29.205 0.531 0.549 ○
0.807 0.806 41.418 0.781 0.858 ○
1.076 1.075 52.216 1.011 1.286 ○
1.345 1.344 62.330 1.218 1.952 ○
【００１６】
表２からわかるように、第１の実施形態の配光レンズ１０ａは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。図３は、配光レンズ１０ａ自体の配光特性、すなわち、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ａを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。評価対象の物体面３０は、図２に示すように、配光レンズ１０ａの第２面１２ａと光軸Ａｘとの交点を中心とする半径１００ｍｍの球面である。第１の実施形態によれば、図３に示すように、射出角度４０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、均一な照度分布を得ることができる。
【００１７】
図４は、光源の輝度分布、配光レンズの配光特性、およびこれらをトータルした球面状の物体面上での照度分布を示すグラフであり、(Ａ)は条件(１)を満たす第１の実施形態の配光レンズ１０ａを利用した照明光学系、(Ｂ)は条件(１)の下限を下回って配光特性がｈ＝ｆθを満たすようになった照明光学系、(Ｃ)は条件(１)の上限を越える照明光学系を用いた場合をそれぞれ示す。各グラフで一点鎖線は配光レンズの配光特性、点線は面光源の輝度分布、実線は配光レンズの特性と光源の特性とをトータルした物体面上での照度分布をそれぞれ示している。なお、光源の輝度分布はｈに対応するθを横軸としてプロットしている。
【００１８】
図４(Ａ)に示すように、第１の実施形態では、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、このような面光源の輝度分布を配光レンズ１０ａの特性により補正することができ、トータルの照度分布は射出角４５度程度まで均一となり、広い視野範囲にわたり球面状の物体面をむらなく照明することができる。これに対して配光特性がｈ＝ｆθを満たす場合には、図４(Ｂ)に示すように、配光レンズ自体の配光特性はほぼフラットになるため、面光源の持つ輝度のムラが補正されず、トータルでは物体面の周辺部が中心部より暗くなるような分布を持つ。他方、配光特性が条件(１)の上限を越える場合には、図４(Ｃ)に示すように、配光レンズの配光特性が射出角２０度以上の領域で高くなるため、面光源の持つ輝度のムラに対して、トータルでは物体面の中心部が周辺部より暗くなりはじめる。
【００１９】
【第２の実施形態】
図５は、第２の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｂを示す側面図である。配光レンズ１０ｂの図５中左側となる第１面１１ｂは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｂは平面である。第２の実施形態の配光レンズ１０ｂは、第１の実施形態と比較して屈折率の低い材料を用いているため第１面の曲率が大きくなっている。図６は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｂを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００２０】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第２の実施形態の配光レンズ１０ｂの具体的な構成を表３、表３の構成による配光特性を表４に示す。
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.209 0.267 0.277 ○
0.538 0.539 29.112 0.529 0.547 ○
0.807 0.808 41.294 0.779 0.854 ○
1.076 1.077 52.041 1.008 1.277 ○
1.345 1.346 61.965 1.211 1.922 ○
【００２３】
表４からわかるように、第２の実施形態の配光レンズ１０ｂは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。このため、図６に示すように、射出角度３０度以上で照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、均一な照度分布を得ることができる。
【００２４】
【第３の実施形態】
図７は、第３の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｃを示す側面図である。配光レンズ１０ｃの図７中左側となる第１面１１ｃは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｃは平面である。第３の実施形態の配光レンズ１０ｃは、第１の実施形態と比較して屈折率の高い材料を用いているため第１面の曲率が小さくなっている。図８は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｃを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００２５】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第３の実施形態の配光レンズ１０ｃの具体的な構成を表５、表５の構成による配光特性を表６に示す。
【００２６】
【表５】
【００２７】
【表６】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.253 0.267 0.278 ○
0.538 0.538 29.271 0.532 0.550 ○
0.807 0.807 41.550 0.784 0.862 ○
1.076 1.076 52.287 1.013 1.289 ○
1.345 1.345 62.067 1.213 1.930 ○
【００２８】
表６からわかるように、第３の実施形態の配光レンズ１０ｃは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。このため、図８に示すように、射出角度３０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、均一な照度分布を得ることができる。
【００２９】
【第４の実施形態】
図９は、第４の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｄを示す側面図である。配光レンズ１０ｄの図９中左側となる第１面１１ｄは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｄは平面である。図１０は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｄを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００３０】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第４の実施形態の配光レンズ１０ｄの具体的な構成を表７、表７の構成による配光特性を表８に示す。
【００３１】
【表７】
【００３２】
【表８】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.309 0.268 0.279 ○
0.538 0.537 29.384 0.534 0.553 ○
0.807 0.806 40.922 0.771 0.843 ○
1.076 1.075 48.474 0.932 1.113 ○
1.345 1.344 54.312 1.055 1.398 ○
【００３３】
表８からわかるように、第４の実施形態の配光レンズ１０ｄは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値の中間より特にｈが大きい領域で上限側に近くなるような特性を有する。このため、図１０に示すように、射出角度３０度以上で照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、ほぼ均一ではあるものの、やや周辺部側が明るい照度分布が得られる。
【００３４】
なお、第４の実施形態では、焦点距離を１ｍｍに正規化しているため、高さ1.345mmからの光線の射出角度が５０度程度になる。射出角度の範囲を第１〜３の実施形態と同様の範囲まで拡大するためには、焦点距離を短くするか、面光源の大きさを大きくすればよい。
【００３５】
【第５の実施形態】
図１１は、第５の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｅを示す側面図である。配光レンズ１０ｅの図１１中左側となる第１面１１ｅは光軸Ａｘに対して回転対称な凸の非球面であり、右側となる第２面１２ｅは平面である。図１２は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｅを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００３６】
焦点距離を約１mmに正規化した場合の第５の実施形態の配光レンズ１０ｅの具体的な構成を表９、表９の構成による配光特性を表１０に示す。
【００３７】
【表９】
【００３８】
【表１０】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.272 0.268 0.278 ○
0.538 0.537 29.307 0.533 0.551 ○
0.807 0.806 41.706 0.787 0.867 ○
1.076 1.075 53.344 1.035 1.345 ○
1.345 1.344 67.791 1.317 2.481 ○
【００３９】
表１０からわかるように、第５の実施形態の配光レンズ１０ｅは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値の中間より下限側に近くなるような特性、すなわちｈ＝ｆθに近づくような特性を有する。このため、図１２に示すように、射出角度３０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、ほぼ均一ではあるものの、やや中心部側が明るい照度分布が得られる。
【００４０】
なお、第５の実施形態では、焦点距離を１ｍｍに正規化しているため、高さ1.345mmからの光線の射出角度が７０度近くなる。射出角度の範囲を第１の実施形態と同様の範囲まで縮小するためには、焦点距離を長くするか、面光源の大きさを小さくすればよい。
【００４１】
【第６の実施形態】
図１３は、第６の実施形態にかかる照明光学系の配光レンズ１０ｆを示す側面図である。配光レンズ１０ｆの図１３中左側となる第１面１１ｆは光軸Ａｘに対して回転対称な凹の非球面であり、右側となる第２面１２ｆは平面である。また、周囲のコバ面１３ｆは内側から入射する光が反射するように鏡面加工されている。図１４は、輝度分布が均一な面光源から発した光を配光レンズ１０ｆを用いて球面状の物体面に照射した場合の射出角θと物体面３０上での相対照度との関係を示すグラフである。
【００４２】
焦点距離を約−１mmに正規化した場合の第６の実施形態の配光レンズ１０ｆの具体的な構成を表１１、表１１の構成による配光特性を表１２に示す。
【００４３】
【表１１】
【００４４】
【表１２】
ｈ(mm) h/|f| θ(°) 下限 上限 条件式
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 ○
0.269 0.269 15.254 0.267 0.278 ○
0.538 0.537 29.205 0.531 0.549 ○
0.807 0.806 41.418 0.781 0.858 ○
1.076 1.075 52.216 1.011 1.286 ○
1.345 1.344 62.330 1.218 1.952 ○
【００４５】
表１２からわかるように、第６の実施形態の配光レンズ１０ｆは、条件(１)の中間項ｈ／|ｆ|の値が上限値、下限値のほぼ中間となるような特性を有する。このため、図１４に示されるように、射出角度４０度以上でやや照度が高くなる配光特性が得られ、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、ほぼ均一な照度分布を得ることができる。
【００４６】
第６の実施形態の平凹の配光レンズ１０ｆは、第１の実施形態の平凸の配光レンズ１０ａと同一の屈折率を有し、第１面は凹凸の違いはあるものの、形状自体は共通である。このような共通形状の平凹レンズと平凸レンズとでは、配光レンズとしての配光特性はほぼ同一となる。
【００４７】
すなわち、図１５(Ａ)に示すように平凸の配光レンズ１０ａを用いた場合、面光源２１上で高さｈ1の点から光軸Ａｘに対して平行に発した光線Ｌ1が、配光レンズ１０ａにより屈折されて射出角αで射出し、高さｈ2の点から発した光線Ｌ2が同じく射出角βで射出するものとする。これを図１５(Ｂ)に示す平凹の配光レンズ１０ｆについて見ると、光線Ｌ1は屈折されて射出角αで射出し、光線Ｌ2はコバ面１３ｆで反射され、射出角βで射出する。したがって、物体面がレンズから１００ｍｍ程度離れている場合には、平凸レンズを用いても平凹レンズを用いても同一の照度分布が得られる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、所定の配光特性を満たすよう配光レンズを設計することにより、中心から周辺に向けて輝度が低下する面光源を用いた場合に、球面状の物体面上でほぼ均一な照度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図２】 図１に示す配光レンズを含む内視鏡照明光学系の先端部を示す説明図である。
【図３】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図１の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図４】 (Ａ)は図１の配光レンズを利用した照明光学系、(Ｂ)はｈ＝ｆθを満たす照明光学系、(Ｃ)は条件(1)の上限を越える照明光学系を用いた場合の照度分布をそれぞれ示すグラフである。
【図５】 第２の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図６】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図５の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図７】 第３の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図８】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図７の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図９】 第４の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図１０】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図９の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図１１】 第５の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図１２】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図１１の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図１３】 第６の実施形態の照明光学系の配光レンズを示す側面図である。
【図１４】 輝度分布が均一な面光源から発した光を図１３の配光レンズを用いて球面状の物体面に照射した場合の照度分布を示すグラフである。
【図１５】 (Ａ)は図１に示す配光レンズを用いた場合の光線の進み方、(Ｂ)は図１３に示す配光レンズを用いた場合の光線の進み方をそれぞれ示す説明図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 配光レンズ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 第１面
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ 第２面
Claims (4)
- 中心から周辺に向けて光量が小さくなる輝度分布がある面光源から発した照明光を発散させて物体面を照明する内視鏡照明光学系において、
少なくとも１枚の配光レンズを含み、該配光レンズを含む全系の配光特性が以下の条件(１)を満たすことを特徴とする内視鏡照明光学系。
1.73×10-2・θ+1.21×10-6・θ3-1.61×10-10・θ5≦ｈ／|ｆ|
≦1.82×10-2・θ-3.53×10-8・θ3+8.79×10-10・θ5…(１)
ただし、ｈは面光源から光軸に平行に射出される光線が内視鏡照明光学系に入射する高さ、ｆは内視鏡照明光学系の焦点距離、θは内視鏡照明光学系から射出する光線の射出角(単位：度)である。 - 前記配光レンズは、非球面正レンズであることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡照明光学系。
- 前記配光レンズは、非球面負レンズであることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡照明光学系。
- 前記配光レンズのコバ面は、該コバ面に達した光線が裏面反射されるよう鏡面加工されていることを特徴とする請求項３に記載の内視鏡照明光学系。
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