JP6018851B2 - 内視鏡の照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡に設けられる照明光学系に関する。

近年の電子内視鏡では横長のアスペクト比を有する撮像素子に対応させるべく、内視鏡の挿入部の先端に設けられた照明用の光学系における照明の範囲を横長にすることを求められる場合がある。横長の照明範囲を得るために、観察光学系（対物光学系）の両側に一対のライトガイドを配し、それぞれのライトガイドから出射する照明光をレンズを用いて配光するものが知られている。例えば、特許文献１や特許文献２の内視鏡では、観察光学系の両側（左右）に、上下方向に長い出射端面形状のライトガイドを設け、これらのライトガイドの出射端面を透明部材からなる先端部で覆っている。先端部はライトガイドの出射端面に対向する部分に光を拡散させるための凹面を有しており、視野範囲の周辺光量の不足を防ぐべく、集光効果を有する斜面部が先端部の出射側の外周縁部に形成されている。

特開２００９-２０７５２９号公報 特許第４７０４３８６号

特許文献１や特許文献２の照明光学系は、ライトガイドから先端部に入射する光が最初に凹面によって拡散される発散光学系であるため、両側のライトガイドの配置間隔に対して先端部の有効径が大きくなりがちである。また、有効径の大きい先端部の周縁部に集光用の斜面部が形成されているため、この周縁部に粘膜などの異物が付着しやすく、異物が付着した場合に配光に悪影響が生じるおそれがある。

また、観察光学系と照明光学系の位置が異なることが原因で、観察対象に近接した場合に視野範囲の一部への配光が不足することがある。例えば、ライトガイドを観察光学系の両側に配置した構成の場合、観察対象への近接状態で視野範囲の中心部で照明光量が不足するおそれがあるため、その対策が求められる。

本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、有効径が小さく、視野範囲の全体に亘って適切な配光分布を得ることが可能な内視鏡の照明光学系を提供することを目的とする。

本発明は、観察光学系を挟んで配置され先端の出射端面から照明光を出射させる一対のライトガイドと、この一対のライトガイドから出射する光を透過させる透明部材からなる配光部材とを備えた内視鏡の照明光学系において、以下のように構成したことを特徴とする。配光部材と一対のライトガイドの出射端面は、互いの位置が変化しない固定状態で取り付けられる。配光部材は、一対のライトガイドの出射端面に対向し、該一対のライトガイドからそれぞれ出射する光束を配光部材内部で一旦集光させる正のパワーを有する凸レンズ部を備える。配光部材の凸レンズ部は、配光部材を固定状態で取り付けたときに、一対のライトガイドのそれぞれから出射される光束を、観察光学系の視野範囲において、観察光学系の光軸近傍で該観察光学系の視野角よりも大きく、かつ視野範囲の周縁側で視野角に略一致する配光角で、配光部材の出射端面から出射させる配光特性を有している。

配光部材の凸レンズ部の具体的構成として、各ライトガイドの出射端面に対向する面を、観察光学系の光軸と一対のライトガイドとを含む断面上で観察光学系の光軸に近い側と遠い側が対称形状をなす凸面に設定した上で、この断面上における凸レンズ部の中心が、ライトガイドの中心に対して観察光学系の光軸に近い側に偏心して位置している形態を選択可能である。

配光部材の凸レンズ部の異なる形態として、各ライトガイドの出射端面に対向する面を、観察光学系の光軸と一対のライトガイドとを含む断面上で、観察光学系の光軸に近い側と遠い側が非対称形状となる非球面に設定し、該非球面における観察光学系の光軸から遠い側の正のパワーを、観察光学系の光軸に近い側の正のパワーよりも強くさせることも可能である。

さらに別の態様として、凸レンズ部が、各ライトガイドの出射端面に対向する面として、観察光学系の光軸と一対のライトガイドとを含む断面に沿って並列する複数の凸面を有し、観察光学系の光軸から遠い位置にある凸面の方が、観察光学系の光軸に近い位置にある凸面よりも強い正のパワーを有する構成にしてもよい。

配光部材には観察光学系の光路前方に位置する光軸方向への貫通部を形成するとよい。この場合、凸レンズ部は貫通部を環状に囲む形状にすると形成が容易である。

本発明の内視鏡の照明光学系によると、ライトガイドから出射された光束が配光部材の凸レンズ部によって一旦集光されるため、配光部材の有効径を小さくすることができる。また、配光部材の凸レンズ部は、配光部材の出射端面から出射される光束の配光角を、観察光学系の光軸に近い視野範囲の中心側で視野角よりも大きくし、視野範囲の周縁側で視野角に略一致させる配光特性を有しているため、観察対象に近接したときにも視野範囲の中心部での光量不足が起こりにくく、全体に亘って適切な配光分布を得ることができる。

本発明の第1の実施形態を示す観察光学系と照明光学系の断面図である。 図１の照明光学系を構成するライトガイドと観察光学系の位置関係を示す正面図である。 図１の照明光学系を構成するカバーレンズの正面図である。 図１の照明光学系による配光分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す観察光学系と照明光学系の断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す観察光学系と照明光学系の断面図である。

図１は内視鏡の挿入部先端における観察光学系１０と照明光学系２０を示したものである。観察光学系１０は円筒状の支持体１２内に保持された対物レンズ群１４と撮像素子１６からなる。対物レンズ群１４を通して被写体像が撮像素子１６の撮像面上に結ばれ、光電変換により得られる画像信号が不図示の画像処理装置に送られて画像が表示、記録される。図中のＯ１は観察光学系１０（対物レンズ群１４）の光軸である。撮像素子１６は横長矩形の撮像面を有しており、各図における矢印Ｌ方向が撮像素子１６の撮像面の長辺方向、矢印Ｓが短辺方向である。

照明光学系２０は、構成要素として、一対のライトガイド２２、２４とカバーレンズ（配光部材）２６を有する。図２に示すように、ライトガイド２２とライトガイド２４は撮像素子１６の長辺方向に観察光学系１０を挟んで位置しており、ライトガイド２２とライトガイド２４のそれぞれの出射端面は観察光学系１０の光軸Ｏ１を中心として対称な形状になっている。詳しくは、ライトガイド２２とライトガイド２４の出射端面はそれぞれ、光軸Ｏ１を中心とする円弧状辺２２ａ、２４ａと、円弧状辺２２ａ、２４ａの両端を結ぶ弦状辺２２ｂ、２４ｂに囲まれる非円形をなす。弦状辺２２ｂ、２４ｂは、観察光学系１０を挟んで互いに平行な関係で位置している。一対のライトガイド２２、２４とカバーレンズ２６は、各ライトガイド２２、２４の出射端面とカバーレンズ２６の互いの位置関係が変化しない固定状態で挿入部先端に取り付けられる。

カバーレンズ２６は透明部材で形成されており、図３に示すように、光軸方向に貫通する円形の貫通穴２８を中心に有する円環状の本体部３０を有し、図１に示すように、本体部３０の一方の端面（挿入部の先端を向く側と反対の端面）上に凸レンズ部３２が形成されている。本体部３０は、挿入部先端に設けた図示を省略する支持部材に保持され、該保持状態で支持体１２が貫通穴２８に挿入される。つまり、本体部３０は観察光学系１０の前方を塞がない形状になっている。また、支持部材に本体部３０を保持させた状態で、凸レンズ部３２がライトガイド２２とライトガイド２４の出射端面に対向して位置する。凸レンズ部３２は観察光学系１０の光軸Ｏ１を中心とする円環状の領域に形成されている。図３において、凸レンズ部３２のうちライトガイド２２とライトガイド２４の出射端面に対向して位置する部分を、破線のハッチングを付して示す。なお、ライトガイド２２とライトガイド２４の出射端面から外れた位置では凸レンズ部３２を省略することも可能である。

図１に示すように、凸レンズ部３２は、ライトガイド２２やライトガイド２４の出射端面に対向する面を凸面３４とした凸レンズである。ライトガイド２２やライトガイド２４から出射される光束は、凸面３４を通る際に屈折されてカバーレンズ２６内で一旦集光され、発散される。カバーレンズ２６において凸レンズ部３２と反対側に形成された出射端面３６は光軸Ｏ１と略直交する平面である。

図１は、撮像素子１６の撮像面の長手方向Ｌと平行で観察光学系１０の光軸Ｏ１を含む断面位置を示しており、図１に示す２２Ｋ、２４Ｋはそれぞれ、当該断面上における、光軸Ｏ１と直交する面内でのライトガイド２２とライトガイド２４の中心を示している。また、図１に示すＯ２は、当該断面上における、光軸Ｏ１と直交する面内での凸レンズ部３２の中心を示している。凸レンズ部３２は、中心Ｏ２に関して、観察光学系１０の光軸Ｏ１に近い側と遠い側が対称形状の凸面３４を有している。凸レンズ部３２は、ライトガイド２２の中心２２Ｋやライトガイド２４の中心２４Ｋよりも自身の中心Ｏ２が観察光学系１０の光軸Ｏ１に近い側に位置するように偏心している。つまり、凸レンズ部３２が、ライトガイド２２やライトガイド２４の出射端面よりも全体的に観察光学系１０に近い側に偏心して位置している。

内視鏡では一般に、観察光学系の視野角に一致させて照明光学系の配光角が設定されている。観察光学系によって観察される対象物の距離がある程度離れている場合は、照明の範囲が視野範囲をカバーする。しかし、観察光学系の両側に一対の照明光学系を配置した構成で、照明光学系の配光角を観察光学系の視野角と同等に設定すると、対象物に近接して観察する場合に、内視鏡先端における観察光学系と照明光学系の配置位置がずれていることに起因して、視野範囲の中心部に配光されずに暗くなってしまうおそれがある。これを防ぐには、照明光学系の配光角を視野角よりも大きく設定するとよい。但し、観察光学系が設けられている側と反対側に配光を広げても、視野範囲の中心部の明るさ向上に無関係であり、しかも配光角を大きくする分、無駄な配光が生じてしまう。本実施形態の照明光学系２０では、ライトガイド２２とライトガイド２４の出射端面に対する凸レンズ部３２の上記位置設定により、ライトガイド２２とライトガイド２４からそれぞれ出射された光が、カバーレンズ２６によって図４に示す配光分布２２Ｐ、２４Ｐで配光される。この配光分布２２Ｐ、２４Ｐは、視野範囲の中央側、すなわち観察光学系の光軸近傍で観察光学系の視野角よりも配光角が大きく、視野範囲の周縁側では観察光学系の視野角と略同じ配光角である。これにより、観察対象物への近接時に視野範囲の中心部へ確実に配光することができると共に、視野範囲の周辺への無駄な配光を最小限に抑えることができる。

観察光学系１０の光軸Ｏ１と一対のライトガイド２２、２４とを含む断面は無数に設定可能であり、図１はその無数の断面位置の一つを示したものである。非円形の出射端面を持つライトガイド２２、２４の中心の位置は選択する断面位置によって変化するが、本実施形態では、図１の断面位置に限らず、観察光学系１０の光軸Ｏ１と一対のライトガイド２２、２４とを含むいずれの断面位置でも、ライトガイド２２、２４の中心よりも光軸Ｏ１に近い側に凸レンズ部３２の中心Ｏ２が位置する。望ましくは本実施形態のように構成するとよいが、ライトガイドの形状などの条件によって、全ての断面位置で凸レンズ部の中心をライトガイドの中心よりも観察光学系の光軸に近い側に位置させることが難しい場合は、少なくとも図１のように撮像素子の撮像面の長手方向と平行で観察光学系の光軸を通る断面位置において、凸レンズ部の中心をライトガイドの中心よりも観察光学系の光軸に近い側に位置させるとよい。

なお、それぞれが非円形の出射端面を持つライトガイド２２とライトガイド２４の重心は、図１の断面上において中心２２Ｋ、２４Ｋよりも光軸Ｏ１に近く位置する。前述のように本実施形態では、凸レンズ部３２の中心Ｏ２の位置が、ライトガイド２２の中心２２Ｋやライトガイド２４の中心２４Ｋよりも観察光学系１０の光軸Ｏ１に近い側に設定されているが、好ましい配光角を得るための条件設定として、ライトガイド２２とライトガイド２４の重心と凸レンズ部３２の中心Ｏ２の関係を用いることもできる。つまり、ライトガイド２２とライトガイド２４の重心よりも観察光学系１０の光軸Ｏ１に近い側に凸レンズ部３２の中心Ｏ２を位置させる構成にしてもよい。

図４と同様の配光分布を得る照明光学系の異なる実施形態を図５と図６に示す。ここでは、先の実施形態と共通する要素を省略して説明する。図５に示す第２の実施形態の照明光学系１２０では、カバーレンズ２６における凸レンズ部１３２において、ライトガイド２２やライトガイド２４の出射端面に対向する面が非球面の凸面１３４として形成されている。詳細には、図５の断面上において凸面１３４は、ライトガイド２２の中心２２Ｋやライトガイド２４の中心２４Ｋの位置を基準として、観察光学系１０の光軸Ｏ１から遠い外側部分の曲率が、観察光学系１０の光軸Ｏ１に近い内側部分の曲率よりも大きくなっている。つまり凸レンズ部１３２は、図５の断面上において、観察光学系１０の光軸Ｏ１に遠い側の正のパワーが、観察光学系１０の光軸Ｏ１から近い側の正のパワーよりも強い非軸対称の非球面レンズである。

図６に示す第３の実施形態の照明光学系２２０では、カバーレンズ２６における凸レンズ部２３２が、観察光学系１０の光軸Ｏ１に近い側に位置する内側凸レンズ部２３２Ａと、観察光学系１０の光軸Ｏ１から遠い側に位置する外側凸レンズ部２３２Ｂで構成されている。外側凸レンズ部２３２Ｂの凸面２３４Ｂの曲率は、内側凸レンズ部２３２Ａの凸面２３４Ａの曲率よりも大きい。つまり、観察光学系１０の光軸Ｏ１を中心とする視野範囲の外側に位置する外側凸レンズ部２３２Ｂの正のパワーが、視野範囲の内側に位置する内側凸レンズ部２３２Ａの正のパワーよりも強くなっている。

以上の各実施形態の照明光学系では、ライトガイド２２やライトガイド２４の出射端面から出射された光束が、カバーレンズ２６の凸レンズ部３２、１３２及び２３２によって一旦集光されてから拡散される。このカバーレンズ２６によると、ライトガイド２２やライトガイド２４の出射端面に対向する面を凹面とするよりも有効径を小さくすることができる。カバーレンズ２６の有効径が小さいことにより、内視鏡挿入部の小径化に寄与する。また、有効径が小さい本実施形態のカバーレンズ２６では、その周辺部における外面形状や周辺部への異物の付着が照明効果に影響しにくく、効率の良い配光と視野周辺での光量ロスの抑制を図ることができる。特に、外部に露出する配光用レンズでは周辺部に異物が付着しやすいため、カバーレンズ２６のように有効径を小さくすることの効果が高い。

また、前述のように、カバーレンズ２６の凸レンズ部３２、１３２及び２３２は、出射端面３６から出射される光束の配光角が、視野範囲の中央側（観察光学系の光軸近傍）で視野角よりも大きく、視野範囲の周縁側で視野角相当になる配光特性を有している。そのため、内視鏡の挿入部先端が観察対象に近接したときに視野範囲の中心部での光量不足が起こりにくく、かつ視野範囲周辺への照明光の無駄な広がりを防ぎ、視野の全体に亘って適切な配光分布を得ることができる。

以上、図示実施形態に基いて本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲における改変が可能である。例えば、図示実施形態は電子内視鏡への適用例であるが、電子内視鏡以外のファイバースコープの照明光学系としても適用が可能である。

また、本発明はライトガイドの出射端面が真円状の照明光学系にも適用が可能である。

１０ 観察光学系
１４ 対物レンズ群
１６ 撮像素子
２０ １２０ ２２０ 照明光学系
２２ ２４ ライトガイド
２２Ｋ ２４Ｋ ライトガイドの中心
２６ カバーレンズ（配光部材）
２８ 貫通穴
３０ 本体部
３２ １３２ ２３２ 凸レンズ部
３４ １３４ ２３４Ａ ２３４Ｂ 凸面
３６ 出射端面
２３２Ａ 内側側凸レンズ部
２３２Ｂ 外側側凸レンズ部
Ｏ１ 観察光学系の光軸
Ｏ２ 凸レンズ部の中心

Claims (5)

1. 観察光学系を挟んで配置され先端の出射端面から照明光を出射させる一対のライトガイドと、上記一対のライトガイドから出射する光を透過させる透明部材からなる配光部材とを備え、
   上記配光部材と上記一対のライトガイドの上記出射端面は、互いの位置が変化しない固定状態で取り付けられること；
   上記配光部材は、上記一対のライトガイドの上記出射端面に対向し、該一対のライトガイドからそれぞれ出射する光束を上記配光部材内部で一旦集光させる正のパワーを有する凸レンズ部を備えること；及び
   上記凸レンズ部は、上記配光部材を上記固定状態で取り付けたときに、上記一対のライトガイドのそれぞれから出射される光束を、上記観察光学系の視野範囲において、上記観察光学系の光軸近傍で該観察光学系の視野角よりも大きく、かつ上記視野範囲の周縁側で上記視野角に略一致する配光角で、上記配光部材の出射端面から出射させる配光特性を有していること；
   を特徴とする内視鏡の照明光学系。
2. 請求項１記載の内視鏡の照明光学系において、上記凸レンズ部は、上記一対のライトガイドのそれぞれの上記出射端面に対向する面として、上記観察光学系の光軸と上記一対のライトガイドとを含む断面上で上記観察光学系の光軸に近い側と遠い側が対称形状をなす凸面を有し、上記断面上における上記凸レンズ部の中心が、上記ライトガイドの中心に対して上記観察光学系の光軸に近い側に偏心して位置する内視鏡の照明光学系。
3. 請求項１記載の内視鏡の照明光学系において、上記凸レンズ部は、上記一対のライトガイドのそれぞれの上記出射端面に対向する面として、上記観察光学系の光軸と上記一対のライトガイドとを含む断面上で上記観察光学系の光軸に近い側と遠い側が非対称形状となる非球面を有し、該非球面は、上記断面上で上記観察光学系の光軸から遠い側の正のパワーが、上記観察光学系の光軸に近い側の正のパワーよりも強い内視鏡の照明光学系。
4. 請求項１記載の内視鏡の照明光学系において、上記凸レンズ部は、上記一対のライトガイドのそれぞれの上記出射端面に対向する面として、上記観察光学系の光軸と上記一対のライトガイドとを含む断面に沿って並列する複数の凸面を有し、上記断面上で上記観察光学系の光軸から遠い位置にある凸面の方が、上記観察光学系の光軸に近い位置にある凸面よりも正のパワーが強い内視鏡の照明光学系。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の内視鏡の照明光学系において、上記配光部材は、上記観察光学系の光路前方に光軸方向への貫通部を有し、上記凸レンズ部は上記貫通部を環状に囲んで形成されている内視鏡の照明光学系。

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