JP5086531B2

JP5086531B2 - 照明光学系

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Description

本発明は、照明光学系に関し、特に、広角な配光特性が必要となる視野範囲の広い内視鏡や、あるいは、径が細い小型の内視鏡に用いられる照明光学系に関するものである。

なお、説明に先立ち、本明細書で使用する用語を以下に定義する。

本発明における光学面の表面粗さの定義は、“JIS B 0601:2001 (ISO 4287:1997)”によるもので、そこで定義されている粗さ曲線を求めるための基準長さｌｒ（カットオフ値λｃに等しい）は、０．０８ｍｍで計算している。

また、そこで定義されている“算術平均粗さ”Ｒａは以下の式になる。ここで、Ｚ（ｘ）は縦座標値で、粗さ曲線の位置ｘにおける高さである。

また、本発明における“砂目状の面”と“鏡面”の定義は、表面粗さの尺度である算術平均粗さＲａに基づき区別して行っている。

即ち、本発明において、鏡面はＲａ＜０．００５μｍの面であり、砂目状の面はＲａ≧０．００５μｍの面である。

従来、内視鏡用照明光学系の性能は、観察対象物の画像の隅々まで十分に明るく、かつ、明暗の照明ムラがないことが求められている。また、通常の内視鏡の視野角は１２０°〜１４０°程度までであるところ、近年では、病変部や、故障部位がより迅速に発見できるように、１４０°を超える広範囲の視野角での観察（広角化）が望まれてきている。また、一方では、受診者への苦痛を低減するため、及び、体内における径のより細い部位を観察可能にするため、内視鏡挿入部のさらなる細径化が従来から望まれ続けている。

ここで、内視鏡照明光学系の照明ムラに関して説明する。照明ムラには、内視鏡先端部に光源からの光を伝送する手段として用いられるライトガイドファイバ束の断面が網目状になっていることが原因で発生する配光ムラと、照明レンズの材質である硝子の色分散特性が原因で発生する色ムラがある。

まず、配光ムラについて説明する。

通常、ライトガイドファイバ束は、細径の単ファイバを複数束ねた状態に構成され、コア部分のみが光を透過するようになっている。このため、ライトガイドファイバ束の出射端面は、図１３(a)に示すように網目状になる。照明光学系には、図１３(b)に示すように、ライトガイドファイバ束１の出射端面からの光が入射し、照明光学系を出射した光が物体面４に投影されることになる。

このため、物体面４上に投影された照明光は、図１３(c)に示すように、網目状の配光ムラを生じることになる。特に、正のパワーを有する照明光学系では、ライトガイドファイバ束１の出射端面の共役面が、負のパワーの照明光学系に比較して物体面方向に近づくため、配光ムラがより生じやすい。

この網目状の配光ムラは、照明光学系、照射物体、及び、ライトガイドファイバ束１の配置を調整することにより、ある程度まで、ぼかして目立たなくすることはできる。しかし、それでも図１４に示すような放射状の配光ムラは依然として残る。なお、図１４では、配光ムラが生じる周辺部が見やすいように、輝度が飽和する中心部を黒く遮光してある。

次に、色ムラについて説明する。図１５は照明光学系が凸レンズである場合における色ムラの発生状態を示す模式図である。

図１５に示すように、図示しないライトガイド束から射出された光線は、レンズ面を介してプリズム作用により色が分離し、物体の照明範囲の外側で所定の色をおびた状態となる。これが色ムラである。

このような照明ムラの問題点を鑑みて考案された従来の内視鏡用照明光学系としては、例えば、次の特許文献１に開示されたものがある。

特開平６−１４８５１９号公報

特許文献１の内視鏡用照明光学系は、図１６(a)に示すような構成である。なお、特許文献１には図１６(b)に示すような構成の内視鏡照明光学系も開示されている。

図１６(b)に示す内視鏡用照明光学系は、凸レンズを３枚用い、そのうちの２枚の凸レンズは、レンズコバが全反射するように、太径の単ファイバで構成されている。このように構成すれば、上述の配光ムラは軽減され、かつ、ある程度広角な照射範囲を得ることができる。

しかし、図１６(b)に示す内視鏡用照明光学系には、構成レンズ枚数が多い点や、１４０°を超える照射範囲を達成することが難しい点、さらには、細径化しようとすると構成レンズも比例して小さくなり精度よく作成するのが難しくなる点等の欠点がある。

また、図１６(a)に示す内視鏡用照明光学系６は、ライトガイドファイバ束１側の面を非球面で構成した平凸レンズ２と、単ファイバ５とで構成されている。そて、この内視鏡用照明光学系では、照明光学系の構成光学部品数を減らしつつ、単ファイバ５を介して網目状の配光ムラを防止し、正パワーのレンズを使用することで径が太くなることを避け、非球面を介して色ムラを観察領域外に追いやることで観察視野内での色ムラを防止している。

しかし、図１６(a)に示す内視鏡用照明光学系には、色ムラを防止するために、色ムラが生じている光を観察領域外に追いやり、利用しないため、光量ロスが生じ、観察像が暗くなるという欠点がある。

これらの欠点を鑑みて考案された従来の内視鏡用照明光学系としては、例えば、次の特許文献２に開示されたものがある。

特開２０００−１９３８９４号公報

特許文献２の内視鏡用照明光学系は、図１７に示すように、ライトガイドファイバ束１側の面１１ａを非球面で、かつ、光拡散面である砂目状の面に形成した平凸レンズ１１のみで構成されている。そして、この照明光学系では、ライトガイドファイバ束１を介した配光ムラ（網目状・放射状ムラ、色ムラ）防止を砂目状の面の光拡散作用で行っている。また、単ファイバを備えない構成とすることで硬質部を短くしている。さらに、砂目状の面の光拡散作用を利用して、配光のより一層の広角化を達成している。

しかし、特許文献２の内視鏡用照明光学系では、砂目状の面の光拡散作用による光量ロスが多い。また、照射される光量が、製造されるレンズの砂目状の面のバラツキの影響により大きくバラツク点で好ましくない。次に、この点について述べる。

内視鏡に用いられるような照明光学系に要求される性能の主要件は、(1)先端より物体へ照射される総光量、(2)配光ムラ、(3)配光分布の３点である。このうち、光拡散面である砂目状の面の状態が影響するものは、(1)の総光量と(2)の配光ムラである。

特許文献２の照明光学系では、用いる砂目状の面の透過率が３０％〜６５％であることが述べられているが、この方法で実際に内視鏡を構成した場合、本件出願人の実験検討結果では、上記(2)の配光ムラに関しては抑えることが可能であるが、(1)の総光量に関しては不十分となり、従来の砂目状の面を用いていない内視鏡の観察画面に対しては、明るさが暗くなりすぎてしまい、観察距離範囲の低下や、得られた画像の明るさ不足を補うために電気系を用いて強度を増幅することに伴う画質の低下を招くことになる。

このように、十分な照明の光学性能を得るためには、砂目状の面の出来栄えを精密かつ詳細に評価する必要があるが、砂目状の面の評価は、研磨面の場合と大きく異なり容易ではない。

例えば、面の曲率半径、非球面の形状、及び、面のウネリ具合を評価する場合、研磨面については、従来、光の干渉現象を利用した評価方法・装置が利用されている。そして、研磨面の場合は、ニュートンゲージを使用して加工現場で簡単に評価し、悪い場合は修正加工を施すことが可能である。

しかし、砂目状の面について評価をする場合は、鏡面ではないため、反射光・透過光はともに干渉縞が見えず、従来から加工現場で用いられてきた評価方法・装置を使用することができない。そこで、コストがかからず、簡易でかつ精度のよい新しい方法が必要となる。

また、砂目状の面の場合は、表面粗さが光学性能を決める大きな要因となる。粗さを評価する測定機は、触針式のものが主流である。この場合、砂目状の面への触針のひっかかりや、触針の径が大きく深くまで入り込まないことなどの理由から、本件出願人の実験検討結果では、内視鏡用照明光学系に用いられる砂目状の面の粗さに関しては、その測定精度は十分ではないことがわかっている。このため、面の粗さの品質を保証するには、測定回数を１回だけでなく数回繰り返し測定し、かつ、砂目状の面の１カ所だけでなく、数カ所を評価する必要がある。しかし、これでは、評価に時間がかかりコストの増大を招くことになってしまう。

このように、特許文献２に開示された内視鏡用照明光学系では、砂目状の面の品質のバラツキが大きくなるか、あるいは、砂目状の面の品質のバラツキを抑えようとして評価に時間がかかり製造コストが上がってしまうという問題がある。

また、さらに別の従来の内視鏡用照明光学系として、例えば、次の特許文献３に開示されたものがある。

特開２００１−２９２９５６号公報

図１８は特許文献３に記載の内視鏡用照明光学系の構成を示す説明図で、(b)が正面図、(a)が横断面図である。照明光学系は、配光を広げる役目の平凹レンズＬと平行平板ロッド部材のＩＬとで構成されている。特許文献３には、内視鏡を細径化にするためには、正面の形状が、縦横比が１となる円形状ではない、細長い概略長方形状（かまぼこ形状）の照明光学系（Ｌ，ＩＬ）を用いることが良いことが述べられている。そして、この場合において、短辺方向で配光ムラの発生が起こりやすくなるのを砂目状の面を用いることで回避している。

しかし、特許文献３に開示された内視鏡用照明光学系では、砂目状の面を加工時の研削工程に使用される砥粒の番手（＃３００〜＃２０００）のみで規定している。上述したように、このような加工時の研削砥粒の番手のみでの管理では、得られる光学性能のバラツキがますます大きくなってしまう。

本発明は上述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、(1)射出総光量が十分に確保でき、(2)配光ムラがなく、(3)配光分布を広く確保できるといった照明光学系に要求される性能の主要件を確保でき、かつ、細径で全長が短く小型化でき、製造バラツキがなく、低コストの照明光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による照明光学系は、光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記砂目状の面は、前記砂目状の面が形成された後の砂目状態の調整工程において、スポンジシートの表面に研磨材を混入したシートを貼り付けた研磨シートを用いて研磨されるとともに、研磨の都度、積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置と、配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかとを用いて光学性能の評価が行なわれ、積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置で評価される、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ₀ とし、配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかで評価される、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ₀としたとき、次の条件式を満足するまで、前記砂目状の面の研磨に用いる研磨シートの砥粒の粗さが調整されながら、前記砂目状の面の研磨及び前記光学性能の評価が繰り返されることによって砂目状態が調整されていることを特徴としている。
０．７０ ≦ Ｘ ≦ ０．９５
０．３０ ≦ Ｖ ≦ ０．７０
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ₀、Ｖ＝ξ／ξ₀である。
また、本発明による照明光学系は、光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記砂目状の面は、前記砂目状の面が形成された後の砂目状態の調整工程において、スポンジシートの表面に研磨材を混入したシートを貼り付けた研磨シートを用いて研磨されるとともに、研磨の都度、積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置と、配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかとを用いて光学性能の評価が行なわれ、積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置で評価される、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ ₀ とし、配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかで評価される、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ ₀ としたとき、次の条件式を満足するまで、前記砂目状の面の研磨に用いる研磨シートの砥粒の粗さが調整されながら、前記砂目状の面の研磨及び前記光学性能の評価が繰り返されることによって砂目状態が調整されていることを特徴としている。
０．８５ ≦ Ｘ＜１．００
０．６０ ≦ Ｖ ≦ ０．９５
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ ₀ 、Ｖ＝ξ／ξ ₀ である。

また、本発明による照明光学系は、正のパワーのレンズ一つで構成され、かつ、次の条件式を満足することを特徴としている。
−２＜ √Ｓｘ × Φ１＜２
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する正のパワーのレンズの光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は正のパワーのレンズのパワーである。

また、本発明による照明光学系は、物体側より、一つの正のパワーのレンズと、単ファイバとで構成され、かつ、次の条件式を満足することを特徴としている。
−２＜ √Ｓｘ × Φ１＜２
√Ｓｘ／ｄｒ＜１
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワー、ｄｒは前記単ファイバの光軸方向の長さである。

また、本発明による照明光学系は、外形が円形状ではない形状に形成された光学部材が少なくとも１つ含まれていて、かつ、次の条件式を満足することを特徴としている。
−２＜ √Ｓｘ × Φ１＜２
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワーである。

本発明の照明光学系によれば、(1)射出総光量が十分に確保でき、(2)配光ムラがなく、(3)配光分布を広く確保できるといった照明光学系に要求される性能の主要件を確保でき、かつ、細径で全長が短く小型化でき、製造バラツキがなく、低コストの照明光学系が得られる。

実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。

本発明の照明光学系は、光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ₀としたとき、総光量比Ｘ（＝Ｌ／Ｌ₀）が、次の条件式(1)を満足している。

０．７０≦Ｘ≦０．９５・・・(1)
条件式(1)を満足すれば、従来の照明光学系において配光ムラを抑えるために用いられた砂目状の面における欠点であった光量損失を少なく抑えることができる。また、管理が難しい砂目状の面の製造誤差による射出総光量のバラツキも抑えることができる。

さらには、次の条件式(1')を満足するのが望ましい。

０．７８≦Ｘ≦０．９２・・・(1')
また、本発明の照明光学系は、光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ₀としたとき、配光ムラ比Ｖ（＝ξ／ξ₀）が、次の条件式(2)を満足している。

０．３０≦Ｖ≦０．７０・・・(2)
条件式(2)を満足すれば、実際の使用において配光ムラを原因とした問題を起こさずに済む。

さらには、次の条件式(2')を満足するのが望ましい。

０．３５≦Ｖ≦０．６０・・・(2')
さらには、本発明の照明光学系においては、光量比Ｘ、及び、配光ムラ比Ｖが上記条件式(1),(2)を両方とも満足するのが望ましい。

このようにすれば、必要とされる性能を十分に無駄なく効率よく得ることができる。

また、さらには、上記本発明の照明光学系は、１枚の正のパワーのレンズで構成するのが望ましい。

このように構成すれば、外径・全長が小さく、かつ、製造コストが安価な照明光学系が得られる。

また、さらには、上記本発明の照明光学系は、物体側より、１枚の正のパワーのレンズと、単ファイバとで構成するのが望ましい。

このようにすれば、単ファイバの配光ムラを軽減する効果により、砂目状の面での光量損失を小さくすることが可能となり、より明るい照明光学系が得られる。

さらには、上記本発明の照明光学系においては、前記単ファイバの光軸方向の長さをｄｒとし、照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値をＳｘとしたとき、次の条件式(3)を満足するのが望ましい。

√Ｓｘ／ｄｒ＜１・・・(3)
本発明の照明光学系において、条件式(3)は、概念としては、照明光束の開口数（ＮＡ）のようなものであり、配光ムラ発生の尺度となるものである。

条件式(3)を満足しないと、照明光学系は、得られる明るさの割に、外形が大型化してしまう。

さらには、上記本発明の照明光学系は、次の条件式(4)を満足するのが望ましい。

−２＜√Ｓｘ×Φ１＜２・・・(4)
ただし、Ｓｘは照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワーである。

本発明の照明光学系において、条件式(4)も上記条件式(3)と同様に、概念としては、照明光束の開口数（ＮＡ）のようなものであり、配光ムラ発生の尺度となるものである。

条件式(4)を満足しないと、照明光学系は、得られる明るさの割に、外形が大型化してしまう。

さらには、上記本発明の照明光学系においては、断面形状が円形ではない形状の光学部材を少なくとも１つ含んで構成するのが望ましい。

照明光学系を配置するスペースには制限があり、特に内視鏡などの光学装置における照明光学系の配置スペースは狭い範囲に限定されたものとなる。このため、断面形状が円形ではない形状の光学部材を含めると、配置スペース面で有利となる。なお、光学部材の外形を円形状ではない形状にすると、配光ムラが発生しやすくなるが、上述した本発明の他の構成要件を備えることで、配光ムラを防ぐことができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。実施例の説明に先立ち、まず、本発明の照明光学系が適用される内視鏡の概略構成の一例を図１に示す。図１中、２０は操作部、２１は体腔内等への挿入部である。２２はユニバーサルコードである。ユニバーサルコード２２の内部には、光源１０からの光を伝送するライトガイドファイバ束が装備されている。挿入部２１の先端には、先端硬質部が設けられている。図２に示すように、先端硬質部２１ｃは、ライトガイドファイバ束１の先端部と、十分な光量で観察ができるように物体に光を照射する本発明の照明光学系２と、観察画像を取得する撮像素子４を備えた対物光学系３とで構成されており、体腔内の観察を行うための機構が備わっている。

図３は本発明の照明光学系の基本的な構成例を示す光軸に沿う断面図である。本発明の照明光学系は、図示しない光源装置からの光を導くライトガイドファイバ束１の出射端面側（物体側）に配置された正のパワーを有する平凸レンズ２で構成されている。平凸レンズ２の物体側から数えて第２面である凸面ｒ2には、砂目状の面が形成されている。

従来の照明光学系では、砂目状の面の性能は、加工に用いられる研削砥粒の番手といった間接的な項目で管理されていた。このため、必要とされる光学性能は製造ごとにバラツキが大きく、砂目状の面の能力を使い切っていない、最適化されていないものとなっていた。

しかるに、本発明の照明光学系では、従来技術とは異なり、必要とされる光学性能を直接管理するようにしている。この点に関し、以下に説明する。

図１９、及び図２０はそれぞれ、触針式の粗さ計で計った算術平均粗さ（Ｒａ）と総光量比との関係、及び、触針式の粗さ計で計った算術平均粗さ（Ｒａ）と配光ムラ比との関係を示すグラフである。

図１９、図２０に示すように、大局的にみれば、表面粗さ（Ｒａ）に対し、総光量比、配光ムラ比は、それぞれ相関関係があるが、細かくみれば、同じ表面粗さ（Ｒａ）に対して、光量比、配光ムラ比は、ともに５〜８％程度のバラツキが生じている。このバラツキが生じる主要因は、砂目状の面の粗さを計測する粗さ計の精度と、砂目状の面自体の粗さの均一性の程度である。砂目状の面を、表面粗さで管理するのでは、より細い径、より広い配光特性という高い性能レベルの安定した品質確保が可能な所望の精度を得ることができない。ましてや、加工砥石の番手だけでは、所望の性能を安定して得ることは難しい。

この点に関する本発明の照明光学系の利点を、図６にフローチャートで示す照明光学系を構成する砂目状の面を備えた平凸レンズの製造工程を用いて説明する。

まず、材料となる硝子を適切な大きさに切出し、平面を研磨する。研磨した硝子を、図７(a)に示すように、平面側が下になるようにして、加工ヤトイに接着固定する。

次に、１次加工として凸非球面の砂目状の面の形成工程に入る。図７(a)は１次加工の様子を示す説明図である。加工ヤトイと素材は、ヤトイの中心軸を中心として矢印ｃに示す方向に回転する。砥石が、回転軸を中心として回転しながら、矢印ｂ方向に素材面の周りを旋回し、かつ、加工ヤトイが矢印ｄ方向（図において上下方向）に動くことで、砂目状の面と凸非球面とが同時に形成される。これらの加工ヤトイと素材、及び砥石の回転や動きの方向、量及び速度の制御は、加工前に予め検討しておいた最適な条件に設定したコンピュータ制御で行われる。また、砥石の砥粒も同様に最適な条件に設定されている。また、レンズのコバ（外形）も、この砂目状の面の形成の後に、引き続きこの加工装置で形成する。

次に、２次加工として砂目状の面の調整工程に入る。図７(b)は２次加工の様子を示す説明図である。２次加工は、１次加工とは異なり、加工治具には、砥石ではなく研磨シートと呼ばれるスポンジシートの表面に研磨材を混入したシートを貼り付けたものを用いる。この研磨シートを矢印ｅ方向に加工治具を旋回させ、かつ、加工ヤトイも１次加工と同様に矢印ｃ方向に回転させて、砂目の状態を所望の光学性能がでるように調整する。もちろんこれらの加工条件も予め検討しておいた最適な条件に設定されている。このときの２次加工の条件としては、研磨シートとして、砂目状の面を磨くものを用いる。

次に、作成したレンズを加工ヤトイからはずし、光学性能の評価を行う。なお、光学性能の評価方法・装置の説明については後述する。この評価結果が所望の範囲に入っていたときは、砂目状の面の形成を終了する。所望の光学性能の範囲に入っていないときは、再度、２次加工を行い所望の光学性能がでるように調整を行う。このときの２次加工の条件としては、光学性能が砂目状の面を磨く場合は、上述の研磨シートを用いる。逆に、砂目状の面を粗くする場合は、研磨シートの砥粒を粗いものを用いる。

このように、本発明の照明光学系のように、照明光学系を構成する光学部材自体の光学性能を直接的に評価することで、従来の技術において光学性能のバラツキの大きかった砂目状の面の照明レンズを、製造誤差を抑えて、安定して、安価に供給できるようになる。

ここで、上述の加工工程において用いられる光学性能の評価方法・装置に関して述べる。

まず、光学性能(1)の総光量の評価方法・装置に関して述べる。総光量は、照明光学系から物体に向かって射出される全光束のことである。また、光束に関しては“最新光学技術、ハンドブック朝倉書店発行初版第１刷”の第３２５，３２６頁に記載されているように、一般的に認知されているものである。また、同著書の、第３３２，３３４頁に一般的な測定方法が述べられている。一般的な測定方法には、射出光の配光分布を測定し積分することから求める配光測定法と、積分球を使用した球形光束計法がある。

図８は本発明の照明光学系を構成する光学部材の総光量の評価方法・装置を示す説明図である。図８の評価方法・装置は、上記球形光束計法に基づくものである。この方法・装置では、砂目状の面を通常のレンズ面である鏡面に置き換えた基準光学系の射出総光量と、本発明の砂目状の面を有するレンズの射出総光量とを測定し、その比を評価する。図８中、４１、４２，４３は積分球光量計であり、４１はレンズから射出される光を取込む積分球、４２は積分球４１での光量を計測する光センサ、４３は光センサ４２からの値を光量値として計算し、表示するコントローラ部である。４４は評価対象である本発明の砂目状の面を有する平凸レンズ、４５は比較の基準となる砂目状の面を鏡面に置き換えて構成した平凸レンズである。４７は本発明の内視鏡に用いられるのと材質・素線径等が同じであるライトガイドファイバ束であり、他端が図示されていない光源に接続されている。

ライトガイドファイバ束４７の軸は、積分球４２の入射ポート４２ａに、同軸で、かつ、入射ポート４２ａ面に対し垂直になる状態で、固定されている。レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動するようになっており、基準レンズ４５の総光量を測定する場合は、基準レンズ４５の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドし、評価対象レンズ４４の総光量を測定する場合は、評価対象レンズ４４の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドする切替機構を構成している。このパレット４６の切替を介して、基準レンズ４５の総光量Ｌ₀と評価対象レンズ４４の総光量Ｌとを求め、総光量比Ｘ（＝Ｌ／Ｌ₀）を計算する。

なお、本発明における基準レンズ（又は基準光学系）とは、砂目状の面をすべて鏡面に置き換えたレンズ（光学系）である。

ただし、砂目状の面が非球面の場合には、非球面をそのまま鏡面にしたものは勿論よいが、非球面との最小二乗誤差が最小となる付近で球面形状の鏡面にしたものを基準レンズ（又は基準光学系）としてもよい。

また、砂目状の面を鏡面に置き換えた面には、反射防止コートを施さないものとする。

次に、光学性能(2)の配光ムラの評価方法・装置に関して述べる。図９は本発明の照明光学系を構成する光学部材の配光ムラの評価方法・装置を示す説明図である。配光ムラの評価方法・装置では、砂目状の面を通常のレンズ面である鏡面に置き換えた基準レンズの配光ムラの値ξ₀と、本発明の砂目状の面を有するレンズの配光ムラの量ξとを測定し、その比を評価する。図９中、４４は評価対象である本発明の砂目状の面を有する平凸レンズ、４５は比較の基準となる砂目状の面を鏡面として構成した平凸レンズである。４７は本発明の照明光学系に用いられるのと材質・素線径等が同じであるライトガイドファイバ束であり、他端が図示されていない光源に接続されている。

レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動するようになっており、基準レンズ４５の配光ムラ量を測定する場合は、基準レンズ４５の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドし、評価対象レンズ４４の配光ムラ量を測定する場合は、評価対象レンズ４４の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドする切替機構を構成している。５４は評価対象レンズ４４を通して投影された配光像を映す半透明のスクリーンである。５５はスクリーン５４上に投影された配光画像をスクリーンの裏側から取り込む電子撮像カメラである。５６は電子撮像カメラ５５で取り込まれた配光画像から配光ムラのレベルを解析するための画像ボード付きパーソナルコンピュータで、配光ムラ解析を行うプログラムソフトが装備されている。

図１０は図９に示した配光ムラ評価装置における、配光ムラが大きいレンズの配光ムラを評価したときの画像解析例の画像及びグラフを示す図であり、(a)は実際の配光ムラ画像（図１０(a)は配光ムラのでる周辺部が見やすいように、輝度が飽和する中心部を黒く遮光してある。）、(b)はムラを強調させるために画像処理を施した画像を示している。

また、画像処理は、局所閾値的二値化と呼ばれている手法を使用し、エッジを平滑化している。局所閾値的二値化とは、二値化の閾値を対象の画像ピクセルの周辺の平均値により決める手法である。本発明では一辺４１ピクセル四方の範囲での平均値で閾値を決めている。図１０(c)は放射状の縞を定量評価しやすくするために座標変換した画像を示している。座標変換は、横軸を極座標の角度、縦軸を極座標の動径方向として行っている。原点は図１０(b)中、Ｏ点であり、変換する範囲はＤで示す輪帯部分である。配光ムラの評価値ξには、この図１０(c)の画像の縦縞の目立ち具合を表す量を選ぶ。

この例では、図１０(c)の画像を２次元フーリエ変換し、横軸方向の振幅強度を用いた。図１０(d)は図１０(c)の画像の横軸方向の大きさを１として、２次元フーリエ変換を施した結果を示すグラフである。縦軸は振幅強度Ａ、横軸は周波数ｆを表す。この図に示す周波数５から周波数３０までに対する振幅強度Ａ(f)の値の総和を周波数１刻みでとったものを評価値ξとしている。即ち、次の式(I)のとおりである。

・・・(I)
さらに、配光ムラの評価方法・装置の別の形態として、評価対象レンズの砂目状の面による拡散具合をピンホール像のボケ具合を表すＭＴＦ値を配光ムラの評価値ξとする方法を用いることができる。このＭＴＦを用いた配光ムラの測定方法・装置を図１１を用いて示す。図１１中、４４は評価対象である本発明の砂目状の面を有する平凸レンズ、４５は比較の基準となる砂目状の面を鏡面として構成した平凸レンズである。レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動して測定対象の切替を行うようになっている。６２は顕微鏡対物レンズである。６３は直径２０ミクロン程度のピンホール光源である。６７は電子撮像素子を備えた結像光学系である。

この例では、評価対象レンズが平凸レンズであるので、ピンホール像がボケてはいるが、符号６５付近を最良結像位置とした像を形成する。この画像を顕微鏡対物レンズ６２、及び、結像光学系６７で取込み、取込んだ画像を画像ボード付きパーソナルコンピュータ６４でフーリエ変換し、評価対象レンズのＭＴＦ値を計算させるプログラムソフトを介してＭＴＦを求める。顕微鏡対物レンズ６２、及び結像光学系６７は、最良結像位置を探すために、図１１中、矢印ａ方向にパーソナルコンピュータ６４の制御により可動に構成されている。

図１２に、上述した図１１の装置を用いて、本発明の照明レンズと基準レンズとのＭＴＦを測定した結果を示す。図の横軸は空間周波数で、縦軸がＭＴＦ（単位％）である。図１２中、破線で示した曲線(a)は砂目状の面を通常のレンズ面である鏡面とした基準レンズのＭＴＦであり、実線で示した曲線(b)は本発明の照明光学系に用いる砂目状の面を備えた平凸レンズのＭＴＦである。評価する空間周波数は、５〜１０本／ｍｍのいずれかを用いればよい。本発明の各実施例では、７本／ｍｍで評価したＭＴＦ値を配光ムラの評価値ξとしている。

前述の特徴を有することで、本発明の目的を達成することができるが、さらには、以下の観点により、より効果のある照明系を達成することが可能である。

ある種の内視鏡は、外径を細くする必要上、画素数の少ないCCDを用いた電子画像である。そのため、観察モニタを通した配光ムラは、直接目視で見るよりも目立たなくなる。

そこで、下記の条件式を両立させ、前述の内視鏡照明光学系に適用することで、明るい照明で配光ムラは実使用上は問題なく、また、管理が難しい砂目状の面の製造誤差による射出総光量のバラツキも抑えることができる。

０．８５≦Ｘ≦１．００
０．６０≦Ｖ≦０．９５
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ₀、Ｖ＝ξ／ξ₀である。

配光ムラ画像を解析するフーリエ変換の別の方法として、テクスチャ解析が使用できる。測定装置としては、図９に示すものと同じであり、図１０(b)のムラ画像を強調させる閾値的二値化までは同じであるが、その後のムラ量を数値化する方法としてテクスチャ解析を利用することが相違点である。

テクスチャ解析は、高木幹雄他１名監修「画像解析ハンドブック」ｐｐ．５１７〜５２３（（財）東京大学出版会１９９１年１月１７日初版発行）でいうテクスチャ特徴の抽出であり、テクスチャとは、細かな模様パターンが一様に分布している状態であり、統計的なテクスチャ特徴の計算法には、第１次統計量、第２次統計量、高次統計量があるが、本発明においては、第２次統計量の中、同時生起行列を用いてコントラストを計算させ配光ムラを数値化するテクスチャ解析を使用している。

また、その際、図１０（ｂ）の配光ムラ強調画像から生成する同時生起行列は、そのパラメータである画素間距離は８で、画素方向は、０°、４５°、９０°、１３５°のものを、それぞれ求める。そして、それぞれの同時生起行列から計算されるコントラストの平均をとり、配光ムラ値ξを算出する。

（実施例１）
図３は本発明の実施例１にかかる照明光学系の構成を示す光軸に沿う断面図である。図３中、ｒ1、ｒ2…は面番号、ｄ1、ｄ2は面間隔を示している。

実施例１の照明光学系は、平凸レンズ２の１枚だけを用いて、内視鏡用の照明光学系として構成されている。

平凸レンズ２の凸面ｒ2は、非球面に形成され、かつ、その非球面が砂目状に形成されており、この砂目状の面で配光ムラ、色ムラの発生を抑えている。

また、平凸レンズ２は、凸面ｒ2がライトガイドファイバ束１の端面ｒ3と接触するように配置されている。

実施例１の照明光学系によれば、レンズ構成枚数も少なくコストが安くできる。また、レンズ全長も短くなり、硬質部の長さを短くできる。特に、照明光学系を広角化のために２本以上用いて傾けて配置する場合には、挿入部の外径を細くできる。また、砂目状の面は、内視鏡の外部とは接触していないので、砂目状の面に粘液、水、ゴミ等が付着して、光学性能を落とすことはない。

実施例１の平凸レンズ２の砂目状の面は、以下の手順で製作する。

まず、基準レンズとして実施例１の平凸レンズと外形が同形状であり、かつ、凸面が砂目状の面ではなく通常の鏡面である基準レンズを製作する。実施例１の平凸レンズ２が非球面レンズであるため、基準レンズは金型プレス加工や、非球面研削・研磨加工などにより製作する。実施例１の平凸レンズ２における砂目状の面は、上述した１次加工、２次加工と、積分光量計を使用した総光量比の評価および、上述の配光ムラの評価を経る加工工程を介して製作する。この加工工程により、総光量比がＸ＝０．８０（Ｌ＝６．６ルーメン、Ｌ₀＝８．３ルーメン）、かつ、配光ムラ比が、ムラ画像の２次元フーリエ変換から求めた場合はＶ＝０．４３（ξ＝１３、ξ₀＝３０）、ＭＴＦから求めた場合はＶ＝０．４（ξ＝１０、ξ₀＝２５）となる内視鏡用照明光学系を得ることができる。

次に、実施例１の照明光学系を構成する光学部材の数値データを示す。なお、数値データ中、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、Ｎｄはｄ線での屈折率、Ｖｄはｄ線でのアッべ数である。

また、非球面係数Ｚｆ(y)は、光軸方向をＺｆ、光軸からの高さをｙとして、光の進行方向を正としたとき、次式にて表される。

ただし、Ｒはレンズの曲率半径、ｋは円錐係数、Ａ₂は２次の非球面係数、Ａ₄は４次の非球面係数、Ａ_nはｎ次の非球面係数である。

なお、これらの記号は、以下の各実施例において共通である。
数値データ１（単位はｍｍ）
ｒｄＮｄＶｄ
第１面 ∞ 1.85 1.883 40.76
第２面（砂目、非球面） -0.675 0 1
第３面（ライトガイドファイバ束端面）

非球面係数（第２面）
ｋ＝-0.625、Ａ４＝-4.4671×10^-2

平凸レンズ２の最大外径：φ１．５
ライトガイドファイバ束１の径：φ１．４５
ライトガイドファイバ束１の平均コア間隔：０．０６
平凸レンズ２のパワーΦｌ：１．３０９
平凸レンズ２の最大断面積Ｓｘ：１．７６７ｍｍ²
√Ｓｘ×Φｌ：１．７４

（実施例２）
図４は本発明の実施例２にかかる照明光学系の構成を示す光軸に沿う断面図である。図４中、ｒ1、ｒ2…は面番号、ｄ1、ｄ2は面間隔を示している。

実施例２の照明光学系は、平凸レンズ２と、単ファイバ３とからなり、内視鏡用の照明光学系として構成されている。

平凸レンズ２の凸面ｒ2は、球面に形成され、かつ、その球面が砂目状に形成されており、この砂目状の面で配光ムラ色ムラの発生を抑えている。ただし、単ファイバ３も配光ムラを低減する機能があるため、実施例１の平凸レンズ２の非球面の形成された凸面ｒ2ほどには、砂目状の面を粗くする必要はなく、その分光量ロスを抑えることができ、射出総光量を上げることができる。実施例２の照明光学系におけるこの特徴は、内視鏡が細径化されてくることによりライトガイドファイバ束の構成ファイバ本数が少なくなり、照明光量に余裕がなくなってくるような場合において、非常に有効である。

平凸レンズ２と単ファイバ３は、単ファイバ３の端面ｒ4とライトガイドファイバ束１の端面ｒ5、および単ファイバ３の端面ｒ3と平凸レンズ２の凸面ｒ2とが、それぞれ接触するように配置されている。

実施例２の平凸レンズ２の砂目状の面は、実施例１と同様に、上述した１次加工、２次加工と、積分光量計を使用した総光量比の評価および上述の配光ムラの評価を経る加工工程を介して製作する。この加工工程により、総光量比がＸ＝０．８５（Ｌ＝６．０ルーメン、Ｌ₀＝７．１ルーメン）、かつ、配光ムラ比が、ムラ画像の２次元フーリエ変換から求めた場合はＶ＝０．５（ξ＝１３、ξ₀＝２６）、ＭＴＦから求めた場合はＶ＝０．５（ξ＝２０、ξ₀＝４０）となる内視鏡用照明光学系を得ることができる。

なお、単ファイバ３の長さは、配光ムラが発生しないように平凸レンズ２の焦点距離より長くする必要がある。

次に、実施例２の照明光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ２（単位はｍｍ）
ｒｄＮｄＶｄ
第１面 ∞ 1.4 1.883 40.76
第２面（砂目、球面） -0.58 0 1
第３面（単ファイバ端面）∞ 2.7 1.80518 25.42
第４面 ∞ 0 1
第５面（ライトガイドファイバ束端面）

平凸レンズ２の最大外径：φ１
ライトガイドファイバ束１の径：φ０．９５
ライトガイドファイバ束１の平均コア間隔：０．０６
照明光学系のパワーΦｌ：１．５２２
平凸レンズ２及び単ファイバ３の最大断面積Ｓｘ：０．７８５ｍｍ²
単ファイバ３の光軸方向の長さｄｒ：２．７
ｄｒ×Φｌ：４．１１
√Ｓｘ×Φｌ：１．３４９
√Ｓｘ／ｄｒ：０．３２８

（実施例３）
図５は本発明の実施例３にかかる照明光学系の構成を示す説明図で、(a)は光軸に沿う断面図、(b)は(a)における左側よりみた正面図である。図５(a)中、ｒ1、ｒ2…は面番号、ｄ1、ｄ2は面間隔を示している。

実施例３の照明光学系は、平行平板２と、単ファイバ３とからなり、内視鏡用の照明光学系として構成されている。

平行平板２のライトガイドファイバ束１側の面ｒ2は、砂目状に形成されている。ただし、平行平板２および単ファイバ３は、外形が円形ではなく、図５(a)，(b)に示すように細長いかまぼこ形状に形成されている。

照明光学系の設置スペースの確保が難しい内視鏡の場合、ハウジング内部の内周に沿うようにして、ライトガイドファイバ束を配置するとともに、ライトガイドファイバ束の外形をこのようなかまぼこ形状に細長く形成することがある。

一方、パワーをもった照明光学系を構成するレンズをかまぼこ形状に細長く加工するのはコストがかかる。実施例３の照明光学系のように、断面が円形ではない形状に形成した平行平板を照明光学系を構成する光学部材として用いると、低コストでありながら設置スペースを確保できる。

また、実施例３の照明光学系によれば、平行平板が、砂目状の面を有するので、断面を円形ではない形状に形成したことにより発生しやすくなる配光ムラを抑えることができ、また、砂目状の面拡散作用で、配光分布をより広くすることができる。

実施例３の照明光学系における平行平板２の砂目状の面の形成に際しては、基準平行平板として実施例３と同じ形状をした砂目状の面のない平行平板を製作する。これを上述した１次加工、２次加工と、積分光量計を使用した総光量比の評価および上述の配光ムラの評価を経る加工工程を介して製作する。この加工工程により、総光量比がＸ＝０．７３（Ｌ＝１１．７ルーメン、Ｌ₀＝１６．０ルーメン）、かつ、ムラ画像の２次元フーリエ変換から求めた配光ムラ比が、Ｖ＝０．３５（ξ＝７、ξ₀＝２０）となる内視鏡用照明光学系を得ることができる。

次に、実施例３の照明光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
数値データ３（単位はｍｍ）
ｒｄＮｄＶｄ
第１面 ∞ 0.4 1.883 40.76
第２面（砂目） 0 0 1
第３面（単ファイバ端面）∞ 2 1.80518 25.42
第４面 ∞ 0 1
第５面（ライトガイドファイバ束端面）

平行平板２の最大外径：φ１．５×２．６
ライトガイドファイバ束１の径：φ１．５×２．６
ライトガイドファイバ束１の平均コア間隔：０．０８
照明光学系のパワーΦｌ：０．０
平行平板２及び単ファイバ３の最大断面積Ｓｘ：３．５９４ｍｍ²
単ファイバ３の光軸方向の長さｄｒ：２
ｄｒ×Φｌ：０．０
√Ｓｘ×Φｌ：０．０
√Ｓｘ／ｄｒ：０．９４８

（実施例４）
実施例４は、実施例２と構成および、製作工程はほぼ同じで、断面図は、図４と同一である。実施例２との相違点は、平凸レンズ２の凸面ｒ2が砂目状に形成されているが、その砂目の表面粗さが実施例２よりも細かくなっている点である。加工工程中の２次加工での研磨シートを用いた砂目状の面の研磨時間を長くとることにより、このより細かな砂目状の面を得ることを達成している。

このことにより、本実施例の平凸レンズ２では、総光量比がＸ＝０．９２（Ｌ＝６．５ルーメン、Ｌ₀＝７．１ルーメン）、かつ、配光ムラ比が、ムラ画像のテクスチャ解析のコントラスト量から得た場合であるが、Ｖ＝０．８９（ξ＝４０５、ξ₀＝４５４）となる。図２１は本実施例の平凸レンズ２の図１０（ｂ）に対応する配光ムラの強調画像であり、図２２は本実施例の平凸レンズの砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系の配光ムラの強調画像である。

単ファイバ３は配光ムラをより抑えるために配置したが、その長さは、配光ムラ軽減効果を発揮させるためには、平凸レンズの焦点距離より長くする必要がある。

次に、実施例２の照明光学系を構成する光学部材の数値データを示す（実施例２と同じ）。
数値データ４（単位はｍｍ）
ｒｄＮｄＶｄ
第１面 ∞ 1.4 1.883 40.76
第２面（砂目、球面） -0.58 0 1
第３面（単ファイバ端面）∞ 2.7 1.80518 25.42
第４面 ∞ 0 1
第５面（ライトガイドファイバ束端面）

平凸レンズ２の最大外径：φ１
ライトガイドファイバ束１の径：φ０．９５
ライトガイドファイバ束１の平均コア間隔：０．０６
照明光学系のパワーΦｌ：１．５２２
平凸レンズ２及び単ファイバ３の最大断面積Ｓｘ：０．７８５ｍｍ²
単ファイバ３の光軸方向の長さｄｒ：２．７
ｄｒ×Φｌ：４．１１
√Ｓｘ×Φｌ：１．３４９
√Ｓｘ／ｄｒ：０．３２８
これにより、より照明が明るく、配光も良好であり、配光ムラも実用状問題とならない内視鏡照明光学系を得ることができる。

なお、単ファイバ３を省いて砂目状の面をもつ平凸レンズ２とライトガイドとで照明光学系を構成することも可能。その際は配光ムラがやや強くはなるが、使用する内視鏡の種類・用途を限定することによって、実使用の上での問題は起こらない。

以上説明したように、本発明の照明光学系は、特許請求の範囲に記載した特徴と併せて以下に示す特徴を有している。
（１）光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ₀としたとき、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。

０．７８≦Ｘ≦０．９２
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ₀である。
（２）光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ₀としとき、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。

０．３５≦Ｖ≦０．６０
ただし、Ｖ＝ξ／ξ₀である。
（３）光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ₀、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ₀としたとき、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。

０．７８≦Ｘ≦０．９２
０．３５≦Ｖ≦０．６０
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ₀、Ｖ＝ξ／ξ₀である。
（４）前記照明光学系の総光量Ｌ、および前記基準光学系の総光量Ｌ₀が、次の積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置で評価されることを特徴とする請求項１、３、上記（１）、（３）のいずれかに記載の照明光学系。

図８は上記球形光束計法に基づいた本発明の照明光学系の評価装置の模式図である。この方法・装置では、砂目状の面を通常のレンズ面である鏡面とした基準光学系の射出総光量と本発明の砂目状の面を有するレンズの射出総光量とを測定し、その比を評価する。図８中、４１、４２，４３は積分球光量計であり、４１はレンズから射出される光を取込む積分球、４２は積分球４１での光量を計測する光センサ、４３は光センサ４２からの値を光量値として計算し、表示するコントローラ部である。４４は評価対象である本発明の砂目状の面を有する平凸レンズである。４５は比較の基準となる砂目状の面を鏡面に置き換えて構成した平凸レンズである。４７は本発明の照明光学系に用いられるのと材質・素線径等が同じであるライトガイドファイバ束であり、他端が図示されていない光源に接続されている。

ライトガイドファイバ束４７の軸は、積分球４２の入射ポート４２ａに、同軸で、かつ、入射ポート４２ａの面に対し垂直になる状態で、固定されている。レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動するようになっており、基準レンズ４５の総光量を測定する場合は、基準レンズ４５の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドし、評価対象レンズ４４の総光量を測定する場合は、評価対象レンズ４４の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドする切替機構を構成している。このパレット４６の切替を介して、基準レンズ４５の総光量Ｌ₀と評価対象レンズ４４の総光量Ｌとを求め、総光量比Ｘ（＝Ｌ／Ｌ₀）を計算する。
（５）前記照明光学系の配光ムラの評価値ξ、および、基準光学系の配光ムラの評価値ξ₀が、次の配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置で評価されることを特徴とする請求項２、３、上記（２），（３）のいずれかに記載の照明光学系。

図９に上記配光ムラの評価方法・装置の模式図を示す。配光ムラの評価方法・装置では、砂目状の面を通常のレンズ面である鏡面に置き換えた場合の基準レンズの配光ムラの値ξ₀と本発明の砂目状の面を有するレンズの配光ムラの量ξとを測定し、その比を評価する。図９中、４４は評価対象である本発明の砂目状の面を有する評価対象の平凸レンズ、４５は比較の基準となる砂目状の面が鏡面で構成された平凸レンズである。４７は本発明の照明光学系に用いられるのと材質・素線径等が同じであるライトガイドファイバ束であり、他端が図示されていない光源に接続されている。

レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動するようになっていて、基準レンズ４５の配光ムラ量を測定する場合は、基準レンズ４５の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドし、評価対象レンズ４４の配光ムラ量を測定する場合は、評価対象レンズ４４の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドする切替機構を構成している。５４は評価対象レンズ４４を通して投影された配光像を映す半透明のスクリーンである。５５はスクリーン５４上に投影された配光画像をスクリーン裏側から取り込む電子撮像カメラである。５６は電子撮像カメラ５５で取り込まれた配光画像から配光ムラのレベルを解析するための画像ボード付きパーソナルコンピュータで、配光ムラ解析を行うプログラムソフトが装備されている。

図１０は図９に示した配光ムラ評価装置における、配光ムラが大きいレンズの配光ムラを評価したときの画像解析例を示す画像であり、配光ムラ画像が解析処理されていく様子を示している。処理手順は、図１０(a)に示す実際の配光ムラ画像（図１０(a)は配光ムラのでる周辺部が見やすいように、輝度が飽和する中心部を黒く遮光してある。）を、図１０(b)に示すように、ムラを強調させるために画像処理を施す。また、画像処理は、局所閾値的二値化と呼ばれている手法を使用し、エッジを平滑化する。局所閾値的二値化とは、二値化の閾値を対象の画像ピクセルの周辺の平均値により決めるものである。本発明では一辺４１ピクセル四方の範囲での平均値で閾値を決めている。

次に、図１０(c)に示すように、放射状の縞を定量評価しやすくするために座標変換する。座標変換は、横軸を極座標の角度、縦軸を極座標の動径方向として行う。原点は図１０(ｂ)中、Ｏ点であり、変換する範囲はＤで示す輪帯部分である。配光ムラの評価値ξには、図１０(c)の画像を２次元フーリエ変換し、横軸方向の振幅強度を用いる。具体的には、前述の式(I)で表したξを用いる。
（６）前記照明光学系の配光ムラの評価値ξ、および、基準光学系の配光ムラの評価値ξ₀が、次のＭＴＦを用いた測定方法および装置で評価されることを特徴とする請求項２、３、上記（２），（３）に記載の照明光学系。

図１１は上記ＭＴＦを用いた測定方法および装置の模式図である。図１１中、４４は評価対象レンズである本発明の砂目状の面を有する平凸レンズ、４５は比較の基準となる砂目状の面を鏡面として構成した平凸レンズである。レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動して測定対象の切替を行うようになっている。６２は顕微鏡対物レンズである。６３は直径２０ミクロン程度のピンホール光源である。６７は電子撮像素子を備えた結像光学系である。

この例では評価対象レンズが平凸レンズであるので、ピンホール像がボケてはいるが、符号６５付近を最良結像位置とした像を形成する。この画像を顕微鏡対物レンズ６２、及び、結像光学系６７で取込み、取込んだ画像を画像ボード付きパーソナルコンピュータ６４でフーリエ変換し、評価対象レンズのＭＴＦ値を計算させるプログラムソフトを介してＭＴＦを求める。顕微鏡対物レンズ６２、及び結像光学系６７は、最良結像位置を探すために、図中ａで示す方向にパーソナルコンピュータ６４の制御により可動に構成されている。

評価する空間周波数は、５〜１０本／ｍｍのいずれか、または、その周波数範囲のＭＴＦの平均値を用いて配光ムラの評価値ξとする。
（７）正のパワーのレンズ一つで構成されていることを特徴とする請求項１〜３、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の照明光学系。
（８）物体側より、一つの正のパワーのレンズと、単ファイバとで構成されていることを特徴とする請求項１〜３、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の照明光学系。
（９）外形が円形状ではない形状に形成された光学部材が少なくとも１つ含まれていることを特徴とする請求項１〜３、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の照明光学系。
（１０）前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値をＳｘ、前記単ファイバの光軸方向の長さをｄｒとしたとき、次の条件式を満足することを特徴とする上記（８）に記載の照明光学系。

√Ｓｘ／ｄｒ＜１・・・(3)
（１１）次の条件式を満足することを特徴とする上記（７）〜（１０）のいずれかに記載の照明光学系。

−２＜√Ｓｘ×Φ１＜２・・・(4)
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワーである。
（１２）光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ₀、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ₀としたとき、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。

０．８５≦Ｘ≦１．００
０．６０≦Ｖ≦０．９５
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ₀、Ｖ＝ξ／ξ₀である。
（１３）前記照明光学系の配光ムラの評価値ξ、および、基準光学系の配光ムラの評価値ξ₀が、次の配光ムラ画像を取得しテクスチャー解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置で評価されることを特徴とする請求項２、３、上記（２），（３）、（１２）のいずれかに記載の照明光学系。

図１０(a)、10(b)は図９に示した配光ムラ評価装置における、配光ムラが大きいレンズの配光ムラを評価したときの画像解析例を示す画像であり、配光ムラ画像が解析処理されていく様子を示している。処理手順は、図１０(a)に示す実際の配光ムラ画像（図１０(a)は配光ムラのでる周辺部が見やすいように、輝度が飽和する中心部を黒く遮光してある。）を、図１０(b)に示すように、ムラを強調させるために画像処理を施す。また、画像処理は、局所閾値的二値化と呼ばれている手法を使用し、エッジを平滑化する。局所閾値的二値化とは、二値化の閾値を対象の画像ピクセルの周辺の平均値により決めるものである。本発明では一辺４１ピクセル四方の範囲での平均値で閾値を決めている。

次に、高木幹雄他１名監修「画像解析ハンドブック」ｐｐ．５１７〜５２３（（財）東京大学出版会１９９１年１月１７日初版発行）でいうテクスチャ特徴の抽出というテクスチャ解析を行い配光ムラ値のξ、および、ξ₀を求める。本発明においては、第２次統計量の中の同時生起行列を用いてコントラストを計算させ配光ムラ値とする。その際、図１０（ｂ）のムラ強調画像から生成する同時生起行列は、そのパラメータである画素間距離は８とし、画素の方向は、０°、４５°、９０°、１３５°のものを、それぞれ求めて、それぞれの同時生起行列から計算されるコントラストの平均をとり、配光ムラ値ξとする。
（１４）前記照明光学系の総光量Ｌ、および前記基準光学系の総光量Ｌ₀が、次の積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置で評価されることを特徴とする上記（１２）に記載の照明光学系。

ライトガイドファイバ束４７の軸は、積分球４２の入射ポート４２ａに、同軸で、かつ、入射ポート４２ａの面に対し垂直になる状態で、固定されている。レンズ４４，４５は、パレット４６に設置されている。パレット４６は、水平方向に移動するようになっており、基準レンズ４５の総光量を測定する場合は、基準レンズ４５の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドし、評価対象レンズ４４の総光量を測定する場合は、評価対象レンズ４４の光軸がライトガイドファイバ束４７の軸上に位置するようにスライドする切替機構を構成している。このパレット４６の切替を介して、基準レンズ４５の総光量Ｌ₀と評価対象レンズ４４の総光量Ｌとを求め、総光量比Ｘ（＝Ｌ／Ｌ₀）を計算する。
（１５）前記照明光学系の配光ムラの評価値ξ、および、基準光学系の配光ムラの評価値ξ₀が、次の配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置で評価されることを特徴とする上記（１２）に記載の照明光学系。

次に、図１０(c)に示すように、放射状の縞を定量評価しやすくするために座標変換する。座標変換は、横軸を極座標の角度、縦軸を極座標の動径方向として行う。原点は図１０(ｂ)中、Ｏ点であり、変換する範囲はＤで示す輪帯部分である。配光ムラの評価値ξには、図１０(c)の画像を２次元フーリエ変換し、横軸方向の振幅強度を用いる。具体的には、図１０(c)の画像の横軸方向の大きさを１としたときの、周波数５から３０本の１本刻みでの総和を評価値ξとする。
（１６）前記照明光学系の配光ムラの評価値ξ、および、基準光学系の配光ムラの評価値ξ₀が、次のＭＴＦを用いた測定方法および装置で評価されることを特徴とする上記（１２）に記載の照明光学系。

評価する空間周波数は、５〜１０本／ｍｍのいずれか、または、その周波数範囲のＭＴＦの平均値を用いて配光ムラの評価値ξとする。
（１７）正のパワーのレンズ一つで構成されていることを特徴とする上記（１２）〜（１６）のいずれかに記載の照明光学系。
（１８）物体側より、一つの正のパワーのレンズと、単ファイバとで構成されていることを特徴とする上記（１２）〜（１６）のいずれかに記載の照明光学系。
（１９）外形が円形状ではない形状に形成された光学部材が少なくとも１つ含まれていることを特徴とする上記（１２）〜（１６）のいずれかに記載の照明光学系。
（２０）前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値をＳｘ、前記単ファイバの光軸方向の長さをｄｒとしたとき、次の条件式を満足することを特徴とする上記（１８）に記載の照明光学系。

√Ｓｘ／ｄｒ＜１・・・(3)
（２１）次の条件式を満足することを特徴とする上記（１７）〜（２０）のいずれかに記載の照明光学系。

−２＜√Ｓｘ×Φ１＜２・・・(4)
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワーである。

本発明の照明光学系が適用される内視鏡の一例を示す概略構成図である。本発明の照明光学系を備えた内視鏡先端部の一例を示す説明図である。本発明の実施例１にかかる照明光学系の構成を示す光軸に沿う断面図である。本発明の実施例２にかかる照明光学系の構成を示す光軸に沿う断面図である。本発明の実施例３にかかる照明光学系の構成を示す説明図で、(a)は光軸に沿う断面図、(b)は(a)における左側よりみた正面図である。本発明の照明光学系を構成する砂目状の面を備えた平凸レンズの製造工程を示すフローチャートである。本発明の照明光学系を構成する砂目状の面を備えた平凸レンズの製造工程を示す説明図で、(a)は１次加工の説明図、(b)は２次加工の説明図である。本発明の照明光学系を構成する光学部材の総光量の評価方法・装置を示す説明図である。本発明の照明光学系を構成する光学部材の配光ムラの評価方法・装置を示す説明図である。図９に示した配光ムラの評価装置における、配光ムラが大きいレンズの配光ムラを評価したときの画像解析例の画像及びグラフを示す図であり、(a)は実際の配光ムラ画像、(b)はムラを強調させるために画像処理を施した画像、(c)は放射状の縞を定量評価しやすくするために座標変換した画像、(d)は(c)の画像の横軸方向の大きさを１として、２次元フーリエ変換を施した結果を示すグラフである。本発明の照明光学系を構成する光学部材のＭＴＦを用いた評価ムラの測定方法・装置を示す説明図である。図１１の装置を用いて、本発明の照明レンズと基準レンズとのＭＴＦを測定した結果を示すグラフである。 (a)はライトガイドファイバ束の構成を示す説明図で、(b)は(a)のライトガイドファイバを備えた従来の照明光学系の概略構成を示す光軸に沿う断面図、(c)は(b)に示した従来の照明光学系における配光ムラの説明図である。照明光の周辺に発生する放射状の配光ムラを示す説明図である。色ムラを示す説明図である。 (a)，(b)は従来の他の照明光学系の概略構成を示す光軸に沿う断面図である。従来のさらに他の照明光学系の概略構成を示す光軸に沿う断面図である。従来のさらに他の照明光学系の構成を示す説明図で、(a)は横断面図、(b)は正面図である。照明光学系を構成する砂目状の面を触針式の粗さ計で計った算術平均粗さ（Ｒａ）と総光量比との関係を示すグラフである。照明光学系を構成する砂目状の面を触針式の粗さ計で計った算術平均粗さ（Ｒａ）と配光ムラ比との関係を示すグラフである。実施例４の平凸レンズの図１０（ｂ）に対応する配光ムラの強調画像である。実施例４の平凸レンズの砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系の配光ムラの強調画像である。

符号の説明

１ライトガイドファイバ束
２照明光学系
３，５単ファイバ
４物体面
６内視鏡用照明光学系
１０光源
１１平凸レンズ
１１ａライトガイドファイバ束１側の面
２０操作部
２１挿入部
２１ｃ先端硬質部
２２ユニバーサルコード
３０プロセッサ
４０モニタ
４１積分球
４２光センサ
４２ａ入射ポート
４３コントローラ部
４４平凸レンズ（評価対象レンズ）
４５平凸レンズ（基準レンズ）
４６パレット
４７ライトガイドファイバ束
５４スクリーン
５５電子撮像カメラ
５６画像ボード付きパーソナルコンピュータ
６２顕微鏡対物レンズ
６３ピンホール光源
６７結像光学系

Claims

光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、
前記砂目状の面は、前記砂目状の面が形成された後の砂目状態の調整工程において、スポンジシートの表面に研磨材を混入したシートを貼り付けた研磨シートを用いて研磨されるとともに、研磨の都度、積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置と、配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかとを用いて光学性能の評価が行なわれ、
積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置で評価される、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ₀ とし、
配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかで評価される、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ₀としたとき、次の条件式を満足するまで、前記砂目状の面の研磨に用いる研磨シートの砥粒の粗さが調整されながら、前記砂目状の面の研磨及び前記光学性能の評価が繰り返されることによって砂目状態が調整されている
ことを特徴とする照明光学系。
０．７０ ≦ Ｘ ≦ ０．９５
０．３０ ≦ Ｖ ≦ ０．７０
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ₀、Ｖ＝ξ／ξ₀である。
光源装置からの光を物体へ照射する照明光学系であって、該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体側の面を除く少なくとも１面以上を砂目状の面で構成した照明光学系において、
前記砂目状の面は、前記砂目状の面が形成された後の砂目状態の調整工程において、スポンジシートの表面に研磨材を混入したシートを貼り付けた研磨シートを用いて研磨されるとともに、研磨の都度、積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置と、配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかとを用いて光学性能の評価が行なわれ、
積分光量計を用いた球形光束計法に基づいた測定方法および装置で評価される、前記照明光学系が物体へ射出する総光量をＬ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が射出する総光量をＬ ₀ とし、
配光ムラ画像を取得しフーリエ変換を用いた測定方法および装置、ＭＴＦを用いた測定方法および装置、並びに配光ムラ画像を取得しテクスチャ解析のコントラスト量を用いた測定方法および装置のいずれかで評価される、前記照明光学系が物体へ投影する配光ムラの評価値をξ、前記照明光学系におけるすべての砂目状の面を鏡面に置き換えた基準光学系が投影する配光ムラの評価値をξ ₀ としたとき、次の条件式を満足するまで、前記砂目状の面の研磨に用いる研磨シートの砥粒の粗さが調整されながら、前記砂目状の面の研磨及び前記光学性能の評価が繰り返されることによって砂目状態が調整されている
ことを特徴とする照明光学系。
０．８５ ≦ Ｘ＜１．００
０．６０ ≦ Ｖ ≦ ０．９５
ただし、Ｘ＝Ｌ／Ｌ ₀ 、Ｖ＝ξ／ξ ₀ である。
請求項１又は２に記載の照明光学系において、正のパワーのレンズ一つで構成され、かつ、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。
−２＜ √Ｓｘ × Φ１＜２
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する正のパワーのレンズの光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は正のパワーのレンズのパワーである。
請求項１又は２に記載の照明光学系において、物体側より、一つの正のパワーのレンズと、単ファイバとで構成され、かつ、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。
−２＜ √Ｓｘ × Φ１＜２
√Ｓｘ／ｄｒ＜１
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワー、ｄｒは前記単ファイバの光軸方向の長さである。
請求項１又は２に記載の照明光学系において、外形が円形状ではない形状に形成された光学部材が少なくとも１つ含まれていて、かつ、次の条件式を満足することを特徴とする照明光学系。
−２＜ √Ｓｘ × Φ１＜２
ただし、Ｓｘは前記照明光学系を構成する光学部材の光軸に垂直な断面の面積の最大値、Φ１は照明光学系のパワーである。