JP6281028B1 - 内視鏡照明光学系 - Google Patents

Abstract

挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる内視鏡照明光学系を提供すること。照明光学系１０は、透明樹脂部材１と、照明光を出射する照明部材２と、を有し、透明樹脂部材１は、撮像部材５が配置される貫通孔４と、照明部材２が配置される非貫通孔３と、内部光学面７と、を有し、照明光は、内部光学面７を介して透明樹脂部材１に入射すると共に、透明樹脂部材１の外面６から物体に向かって出射し、透明樹脂部材１の外面６は、照明光が通過する曲面領域８を有し、曲面領域８は、領域内に形成された貫通孔４との境界を有し、曲面領域８では、曲面領域８の各点の境界からの変位が、物体から離れる方向に発生しており、貫通孔４の中心軸を含む平面で定義される断面内での曲面領域８の形状は、曲面領域８内の各点における傾斜角が、中心軸から離れるにつれて連続的かつ単調に増加する形状になっており、条件式（１）、（２）を満足する。

Description

本発明は、内視鏡照明光学系に関する。

例えば、泌尿器系臓器を対象とする内視鏡として、泌尿器用内視鏡がある。泌尿器用内視鏡では、尿道内への挿入を容易にするために、外径は７ｍｍ以下であることが好ましい。このように、泌尿器用内視鏡の外径は、胃や大腸検診等で広く知られる消化管用内視鏡よりも細径である。また、泌尿器系臓器は、通常は尿で満たされている。そのため、泌尿器用内視鏡に用いられる対物光学系では、水中観察を想定した光学設計が行われる。

例えば特許文献１には、内視鏡による水中観察に関する記載がある。泌尿器系臓器を内視鏡観察する場合、観察空間を満たしている媒質は、水を主成分とする灌流液や尿である。特許文献１では、それら媒質の屈折率を水の屈折率と同等とみなして差し支えないことが示されている。

更に特許文献１では、水中観察時の画角（以下、「水中画角」という）が、空気中観察時の画角（以下、「空気中画角」という）に対して狭角化されることが挙げられている。特許文献１では、空気中画角と水中画角の関係が以下のように示されている。
空気中画角 １８０° １６０° １４０° １２０°
水中画角 ９７．２° ９５．３° ８９．７° ８１．０°

上記の空気中画角と水中画角は、水のｄ線における屈折率を１．３３３、内視鏡対物光学系の最も物体側のレンズを平面として算出している。

泌尿器用内視鏡の一つに、膀胱用内視鏡がある。膀胱用内視鏡では、膀胱内面全域の病変を探索するために、術者は内視鏡の先端湾曲操作、挿入部挿脱、挿入部捩りの組合せ操作を行う。水中画角が広いと、これらの操作頻度を少なくすることができる。

しかしながら、上記のように、空気中画角が１２０°の膀胱用内視鏡であっても、実用時は水中画角が８１°に狭まる。水中画角が狭いと、術者が行う操作の頻度を増加させることとなる。そのため、膀胱内面全域の病変探索を効率良く行うことが困難になる。

このような理由から、水中観察を行う内視鏡では、水中画角の広角化が望まれている。水中画角を広角化する際には、照明光学系において、その水中画角に対応した配光を確保する必要がある。

膀胱用内視鏡では、尿道経由で挿入可能な細い外径を維持しつつ、灌流や処置を行うチャンネルを確保することが必須となる。このため、膀胱用内視鏡では、狭い内視鏡先端空間に、様々な機能を持つ構成を実装可能であることが必須である。更に、挿入性を向上させるためには、挿入部の先端形状は、先細であることが望ましい。

従来の内視鏡照明光学系として、特許文献１〜特許文献６に開示された内視鏡照明光学系が知られている。これらの内視鏡照明光学系では、水中観察を想定した設計が行われているか、又は、挿入部の先端形状に特徴を備えている。

国際公開第２０１５／０１５９９６号 国際公開第２０１０／１１３５５０号 特開２０１３−１８８３７５号公報 特開２００９−２０７５２９号公報 特開２００７−３２５７９４号公報 特開２００６−０７２０９８号公報

特許文献１の内視鏡照明光学系では、配光ムラが生じ易い。また、挿入部の先端形状が十分に先細になっているとは言えないので、挿入性が高いとは言い難い。

特許文献２〜特許文献６の内視鏡照明光学系では、照明レンズを含む内視鏡先端形状に工夫が施されている。しかしながら、これらの内視鏡照明光学系では、水中における配光が十分に広いとは言い難い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる内視鏡照明光学系を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る内視鏡照明光学系は、
透明樹脂部材と、照明光を出射する照明部材と、を備え、
透明樹脂部材は、
撮像部材が配置される貫通孔と、
照明部材が配置される非貫通孔と、
非貫通孔によって透明樹脂部材の内部に形成される内部光学面と、
内部光学面を介して透明樹脂部材に入射される照明光が物体に向かって出射される外面と、を有し、
外面は、照明光が通過する曲面領域を有し、
曲面領域は、貫通孔との境界を有し、
曲面領域では、曲面領域の各点の前記境界からの変位が、物体から離れる方向に発生しており、
貫通孔の中心軸を含む平面で定義される断面内での曲面領域の形状は、曲面領域内の各点における傾斜角が、中心軸から離れるにつれて連続的かつ単調に増加する形状になっており、
以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする内視鏡照明光学系。
０．０２＜Ｚiax／Ｄs＜０．０８ （１）
１０°＜Ａiax＜３５° （２）
ここで、
Ｚiaxは、境界を基準にして、所定の位置までの距離を前記中心軸に沿って測ったときの距離、
所定の位置は、内部光学面の重心を通り、且つ、中心軸と平行な軸が曲面領域と交差する位置、
距離の正負は、境界が所定の位置よりも物体側に位置する場合を正とし、
Ｄsは、透明樹脂部材の最大外径、
Ａiaxは、中心軸と所定の位置を含む平面で定義される断面内での曲面領域の形状における、所定の位置での傾斜角、
傾斜角は、断面形状における接線と前記中心軸に垂直な軸とのなす角、
である。

本発明は、挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる内視鏡照明光学系を提供できるという効果を奏する。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。 透明樹脂部材の断面形状を示す図である。 透明樹脂部材を示す図である。 実施例１に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。 ライトガイドから出射する光の配光特性を示す図である。 実施例１に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。 実施例１の水中における配光特性を示すグラフである。 実施例２に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。 実施例２に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。 実施例２の水中における配光特性を示すグラフである。 実施例３に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。 実施例３に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。 実施例３の水中における配光特性を示すグラフである。 実施例４に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。 実施例４に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。 実施例４の水中における配光特性を示すグラフである。 比較例に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。 比較例に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。 比較例の水中における配光特性を示すグラフである。 比較例の配光グラフである。 比較例の配光グラフである。 対物光学系のレンズ断面図と光路を示す図である。 撮像範囲を示す図である。

以下に、実施形態に係る内視鏡照明光学系を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、この発明が限定されるものではない。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系は、透明樹脂部材と、照明光を出射する照明部材と、を有し、透明樹脂部材は、撮像部材が配置される貫通孔と、照明部材が配置される非貫通孔と、内部光学面と、を有し、内部光学面は、非貫通孔によって透明樹脂部材の内部に形成され、照明光は、内部光学面を介して透明樹脂部材に入射すると共に、透明樹脂部材の外面から物体に向かって出射し、照明部材は、ライトガイド又は発光体であり、透明樹脂部材の外面は、照明光が通過する曲面領域を有し、曲面領域は、領域内に形成された貫通孔との境界を有し、曲面領域では、曲面領域の各点の境界からの変位が、物体から離れる方向に発生しており、貫通孔の中心軸を含む平面で定義される断面内での曲面領域の形状は、曲面領域内の各点における傾斜角が、中心軸から離れるにつれて連続的かつ単調に増加する形状になっており、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
０．０２＜Ｚiax／Ｄs＜０．０８ （１）
１０°＜Ａiax＜３５° （２）
ここで、
Ｚiaxは、境界を基準にして、所定の位置までの距離を中心軸に沿って測ったときの距離、
所定の位置は、内部光学面の重心を通り、且つ、中心軸と平行な軸が曲面領域と交差する位置、
距離の正負は、境界が所定の位置よりも物体側に位置する場合を正とし、
Ｄsは、透明樹脂部材の最大外径、
Ａiaxは、中心軸と所定の位置を含む平面で定義される断面内での曲面領域の形状における、所定の位置での傾斜角、
傾斜角は、断面形状における接線と中心軸に垂直な軸とのなす角、
である。

図１は、本実施形態に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。

図１（ａ）では、被写体（物体）は、透明樹脂部材１の下側に位置し、図１（ｃ）では、被写体（物体）は、透明樹脂部材１の左側に位置している。よって、以下の説明では、被写体が位置する側を「物体側」とし、被写体の像が位置する側を「像側」とする。また、被写体が位置する空間を「物体空間」という。

また、以下の説明では、上下、左右を用いている。上下は、図１（ｂ）における紙面内の上下、左右は、図１（ｂ）における紙面内の左右を意味している。

内視鏡照明光学系１０は、透明樹脂部材１と、照明部材２と、を有する。内視鏡照明光学系１０は、例えば、内視鏡の挿入部の先端に配置される。

透明樹脂部材１には、非貫通孔３と、貫通孔４と、が形成されている。非貫通孔３は、照明部材２を配置するための孔である。貫通孔４は、撮像部材５を配置するための孔である。

非貫通孔３では、孔が透明樹脂部材１の外面６まで到達していない。透明樹脂部材１の内部では、照明部材２に対向する位置に、内部光学面７が形成されている。内部光学面７の形状は、像側に向かって凹になっている。また、外面６には、内部光学面７に対向する位置に、曲面領域８が位置している。

照明部材２を出射した照明光は、内部光学面７を介して透明樹脂部材１の内部に入射する。照明光は、内部光学面７にて屈折作用又は散乱作用を受けた後に、曲面領域８から物体空間に出射し、被写体を照明する。

照明部材２には、例えば、ライトガイドが用いられる。ライトガイドを、発光ダイオードのような発光体に置き換えても良い。発光ダイオードのなかには、完全拡散に近い配光特性を有するものがある。このような発光ダイオードを用いる場合は、内部光学面７の形状を、像側に向かって凹ではなく、像側に向かって凸にするか、又は平面にしても良い。このように、内部光学面７では、内部光学面７と組合せるライトガイドや発光体に合せて面形状を変えて、配光特性が最適化されるようにすれば良い。

内部光学面７の形状が、３Ｄ−ＣＡＤソフトウェアでモデリング可能な形状であれば、内部光学面７は光学設計が可能である。よって、内部光学面７は、単一の数式で定義される面や、屈折面に限定されない。また、軸対称性の有無にこだわる必要も無い。

このようなことから、内部光学面７は、粗面、拡散面、周期性を有する面でも良い。拡散面としては、例えば、ホログラフィック拡散面がある。周期性を有する面としては、例えば、マイクロレンズアレーやフレネル面等がある。

内部光学面７が上述のような面であっても、曲面領域８が満足すべき望ましい条件に変わりはない。曲面領域８が満足すべき望ましい条件については、後述する。

透明樹脂部材１には、２つの非貫通孔３と１つの貫通孔４が形成されている。２つの非貫通孔３は、貫通孔４を挟むように、貫通孔４の左側と右側に形成されている。この場合、２つの照明部材２によって、撮像部材５の撮像領域に対して、左右方向から照明光が照射される。

内視鏡照明光学系１０では、内部光学面７と照明部材２との組合せが、２組用いられている。しかしながら、組み合わせの数は、１組だけ、もしくは、３組以上でも良い。また、複数の内部光学面７が存在する場合は、各々の内部光学面７と対向する位置における曲面領域８が、後述する望ましい条件を満足していれば良い。

外面６は、曲面領域８を有する。照明光は、曲面領域８を通過して、物体に照射される。曲面領域８内には、貫通孔４が形成されている。貫通孔４の開口部４ａは平面になっている。このように、曲面領域８には、平面が含まれている。

曲面領域８全体の形状の特徴について説明する。曲面領域８内の平面は、曲面領域８に貫通孔４が形成されることで生じる。曲面領域８全体の本来の形状、すなわち、貫通孔４が形成される前の曲面領域８全体の形状は、二点鎖線で示されるように、物体側に凸の曲面である。

上述のように、曲面領域８には、貫通孔４によって開口部４ａが形成されている。曲面領域８は、開口部４ａとの境界９を有する。曲面領域８では、曲面領域８の各点の境界からの変位が、物体から離れる方向に発生している。言い換えると、境界９を含む平面を基準面とすると、曲面領域８の各点の基準面からの変位は像側に向かって発生している。

曲面領域８の断面形状の特徴について説明する。図２は、透明樹脂部材の断面形状を示す図である。図２（ａ）は、図１（ｂ）におけるＡ−Ａ間の断面形状を示し、図２（ｂ）は、図１（ｂ）におけるＢ−Ｂ間の断面形状を示している。

貫通孔４の中心軸ＡＸｏを含む平面で定義される断面（以下「所定の断面」という）は、無数に存在する。図２（ａ）に示す断面形状は、無数に存在する断面のうちの１つの断面における形状である。

曲面領域８の形状の特徴は、傾斜角で表すことができる。傾斜角は、断面形状における接線と中心軸ＡＸｏに垂直な軸とのなす角である。断面形状における接線とは、曲面領域８の断面形状を表す線上の任意の１点における接線のことである。

所定の断面内での曲面領域８の形状は、２点鎖線で示すように曲線である。この曲線から分かるように、所定の断面内での曲面領域８の形状では、曲面領域８内の各点における傾斜角が、中心軸ＡＸｏから離れるにつれて連続的かつ単調に増加している。

曲面領域８の形状の特徴は、変位で表すことができる。上述のように、曲面領域８全体では、曲面領域８の各点の境界９からの変位が、物体から離れる方向に発生している。よって、所定の断面内での曲面領域８の形状においても、断面形状を表す線上の各点の境界からの変位が、物体から離れる方向に発生している。また、変位量は、断面形状を表す線上の点の位置が中心軸ＡＸｏから離れるにつれて、連続的かつ単調に増加している。

図２（ｂ）に示す断面形状は、中心軸ＡＸｏを含まない断面における形状である。よって、図２（ｂ）に示す断面形状は、所定の断面における形状ではない。しかしながら、曲面領域８全体では、曲面領域８の各点の境界からの変位が、物体から離れる方向に発生している。図２（ｂ）に示すように、所定の断面以外の断面においても、曲面領域８内の各点における傾斜角が、中心軸ＡＸｏから離れるにつれて連続的かつ単調に増加している。また、変位量も、断面形状を表す線上の点の位置が中心軸ＡＸｏから離れるにつれて、連続的かつ単調に増加している。

透明樹脂部材１は、内視鏡の挿入部先端に設けられている。また、貫通孔４には、撮像部材５が配置される。よって、挿入部や撮像部材５を用いて、透明樹脂部材１の特徴を説明することができる。

境界９は、曲面領域８における撮像部材５との境界になる。また、挿入部の一端には透明樹脂部材１が設けられ、他端には操作部が設けられている。操作部が配置されている側を、挿入部手元側という。

曲面領域全体の特徴は、次のとおりである。曲面領域は、撮像部材との境界付近から挿入部外周に向かって、挿入部手元側に変位する形状である。

曲面領域の断面形状の特徴は、次のとおりである。撮像部材の中心軸を通る平面で定義される断面内の形状に関し、少なくとも中心軸から内部光学面に向かう方位において、撮像部材の中心軸から外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する。

曲面領域は、撮像部材との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位し、かつ、撮像部材の中心軸から内部光学面に向かう方位において、撮像部材の中心軸から外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状となる。

図１（ａ）や図１（ｃ）に示すように、物体空間側から見た外径断面において、曲面領域８は内部光学面７を十分に覆うだけでなく、透明樹脂部材１の外面６側の非常に広い範囲を占めている。これにより、曲面領域８の全面を、光学有効範囲とみなして光学設計できる。また、曲面領域８は、変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状である。そのため、その範囲内で屈折の不連続性が生じづらく、配光ムラの発生を抑制できる。

曲面領域８は、撮像部材５を物体空間側に突出させた先細り形状と言えるので、内視鏡としての挿入性改善に寄与する。例えば、膀胱用内視鏡の場合には、尿道への挿入性が向上する。曲面領域８の形状は、光学的な作用のみならず、挿入性向上を目的としたスムースな先細り形状の実現にも寄与できる。

内部光学面７は、照明部材２から出射する光を拡散させて角度分布を広げる作用を有している。よって、内部光学面７が、照明系全体の配光特性をほぼ定めることとなる。内部光学面７には、従来から知られる各種形状の光学屈折面や散乱面を用いることができる。但し、射出成形用の金型製造や射出成形では、転写性や離型性等が重要になる。転写性や離型性等を考慮すると、内部光学面７は屈折面タイプが望ましい。

また、屈折面が正の屈折力を有する凸面形状の場合、屈折面での集光作用や結像作用に伴い、様々な課題が生じ易い。課題としては、例えば、生体に対する熱的安全性、透明樹脂実装時の樹脂熱的変性、ライトガイド端面の網目の投影によるムラ発生等がある。従って、内部光学面７では、屈折面が負の屈折力を有する凹面形状を用いる。内部光学面７がいかなる面であっても、屈折力と拡散性を高めるには、透明樹脂部材１の屈折率は高い方が望ましい。

例えば、透明樹脂部材１の外周付近の形状や撮像部材５付近の形状は、非光学的制約で定まる形状になっている。透明樹脂部材１の外径断面内では、照明部材２の位置と内部光学面７の位置は、非光学的制約で定まる形状から離れているのが望ましい。また、照明部材２の位置と内部光学面７の位置は、撮像部材５に対して適度な距離を保つのが望ましい。

曲面領域８は、撮像部材５から離れるほど挿入部手元側に後退する。そのため、内部光学面７の位置での樹脂肉厚を同条件で確保しようとすると、照明部材２と内部光学面７も、挿入部手元側に後退することとなる。

照明部材２と内部光学面７が挿入部手元側に後退し過ぎると、非光学的制約で定まる部分、例えば、撮像部材５や外周部等に到達する光が増加する。また、照明部材２と内部光学面７が撮像部材５に近づきすぎると、撮像部材５方向の光が撮像部材５で遮光されてしまう。よって、透明樹脂部材１の外径断面内において、照明部材２と内部光学面７は、透明樹脂部材１の上下中心付近で撮像部材５の境界部と外周の中間付近に位置することが望ましい。

曲面領域８の形状については、特に数式定義や軸対称性にこだわるものではない。曲面領域８の形状は、３Ｄ−ＣＡＤソフトウェアでモデリング可能な形状で、上述の曲面領域８に関する望ましい条件を満足していれば良い。

このような特徴的な形状を曲面領域が備えることにより、本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、配光角が広い場合であっても、配光ムラの発生を抑制できる。

配光ムラを発生させる要因は、二つある。一つ目の要因として、照明光における光線の屈折角（以下、「屈折角」という）が不連続的に変化する部分が、透明樹脂部材の外面に形成されていることが挙げられる。透明樹脂部材がこのような部分を有していると、この部分で屈折角が不連続的に変化する。

このような部分は、照明光が透過する領域の一部に、明瞭な光学有効範囲が設けられることで生じる。この光学有効範囲は、ライトガイドと対向する位置に設けられる。光学有効範囲とそれ以外の領域（以下、「非有効範囲」という）とでは、面形状や面の法線の向きが大きく異なる。そのため、光学有効範囲と非有効範囲とでは、屈折角が大きく異なる。その結果、光学有効範囲と非有効範囲との境界で、屈折角が不連続的に変化する。

照明範囲を均一な明るさで照明するためには、様々な角度で物体に向かう光線が照明光に含まれていることが好ましい。しかしながら、屈折角が不連続的に変化する部分では、特定の角度の光線が抜け落ちるか、又は、特定の角度の光線が多く発生する。その結果、照明範囲の一部に暗部又明部が発生し、これが配光ムラとして現れる。

上述のように、本実施形態に係る内視鏡照明光学系の特徴は、曲面領域８の形状にある。曲面領域８では、領域全体が滑らかな形状を有している。すなわち、曲面領域８では、内部光学面７（照明部材２）と対向する位置、及びこの位置の近傍に明瞭な光学有効範囲は形成されていない。よって、曲面領域８は、光学有効範囲と非有効範囲との境界を持たない。すなわち、曲面領域８には、屈折角が不連続的に変化する部分が存在しない。そのため、配光角が広い場合であっても、配光ムラの発生を抑制できる。

また、透明樹脂部材１の外周付近の形状や撮像部材５付近の形状は、非光学的制約で定まる形状になっている。このような形状を持つ場所では、光学的な制御、例えば、屈折角の制御が難しい。本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、非光学的制約で定まる部分まで曲面領域８を延長できる。よって、光学的な連続性を確保しづらいそれらの境界を、非貫通孔３の軸から遠ざけることができる。

照明部材２を大きな角度で出射した照明光は、透明樹脂部材１の外面６側では、非貫通孔３の軸から離れた場所に到達する。この場所に到達した照明光は、照明範囲に向かう。ここで、この場所は、曲面領域８に含まれていないので、光線の屈折が最適化されていない。そのため、この場所では、特定の角度の光線が抜け落ち易くなるか、又は、特定の角度の光線が多く発生し易くなる。

しかしながら、この場所に到達した照明光の光強度は弱い。よって、この場所に到達した照明光で、特定の角度の光線の欠落や、特定の角度の光線の多発が生じても、正常な照明光、すなわち、曲面領域８を通過した照明光に対する影響は非常に小さいものになる。このように、照明部材２を大きな角度で出射した照明光は、配光ムラの要因とはなりづらい。よって、本実施形態に係る内視鏡照明光学系によれば、配光ムラ発生要因を抑制できる。

配光ムラの大小は、配光角の広狭とトレードオフ関係にある。照明部材２から出射した光が外面６を通過する場所は、配光角を広角にすればするほど、非貫通孔３の軸から離れた場所になる。そのため、非光学的制約で定まる形状によって形成される境界部の影響を受け易くなる。よって、空気中よりも更に広角となる水中での広角配光を実現する際には、曲面領域８の形状のような特徴的な工夫が、照明光学系に施されていなければ、水中観察に適応可能な広い配光角の確保と配光ムラの抑制との両立が困難となる。

二つ目の要因として、屈折角が特定の角度に集中することが挙げられる。これは、例えば、屈折角が一定となる部分が、広い範囲にわたって透明樹脂部材の外面に形成されていることで生じる。特定の角度の光線が増えると、特定の角度における光の強度が高まる。そうすると、他の角度における光の強度が相対的に低下する。その結果、照明範囲の一部に暗部又明部が発生し、これが配光ムラとして現れる。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、曲面領域８において、傾斜角を連続的に変化させている。このようにすることで、光の屈折角を連続的に変化させることができる。そのため、特定の角度における光の強度が高くならない。よって、配光ムラを抑制できる。

曲面領域８と内部光学面７の形状定義式について説明する。曲面領域８の形状と内部光学面７の形状は、軸対称な形状でも非軸対称な形状でも良い。

また、光学面の形状が３Ｄ−ＣＡＤソフトウェアでモデリング可能な形状であれば、実際の光学設計において光学系の設計が可能である。よって、曲面領域８と内部光学面７の形状定義式については、定義式が単一の数式で表されていることにこだわる必要は無い。例えば、スプライン定義を用いて、曲面領域８と内部光学面７の形状を定義しても良い。

但し、ここでは、説明を簡易化するため、曲面領域８と内部光学面７の両方を軸対称な面形状とし、かつ、面の形状が単一の数式で定義可能なものとする。数式で定義する軸対称な面形状としては、球面と非球面のいずれでも良い。ここでは、球面と非球面の両方に適用可能な定義式を用いる。面のローカル座標として光軸方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な軸をＳ軸とした場合、Ｓ−Ｚ断面内の軸対称非球面定義式を数式（Ａ）に示す。

ここで、
Ｓは、Ｚ軸からの距離、
Ｚ’（Ｓ）は、Ｓの関数として求まるＺ座標、
Ｒは、Ｓ−Ｚ断面内での球面項の中心曲率半径、
Ｋは、Ｓ−Ｚ断面内の２次曲面特性を定める係数、
である。

数式（Ａ）では、Ｓ＝０の際にＺ’＝０となるので、Ｚ’の原点は数式で定義される面とＺ軸の交点になる。内部光学面７はこの数式のみで定義可能である。

曲面領域８に関しては、Ｚ軸の原点のとり方に工夫が必要である。曲面領域８は中心軸ＡＸｏ上に曲率中心を有する球面である。貫通孔４の内側には、曲面領域８の物理的な面が存在しない。図２（ａ）に示すように、二点鎖線で示す曲面領域８（球面）とＺ軸（中心軸ＡＸｏ）との交点Ｐｃは、開口部４ａよりも物体空間側に飛び出た位置にある。

交点Ｐｃは、曲面領域８の物体側端を表している。また、開口部４ａの位置は、撮像部材５の先端面の位置を表している。以下では、曲面領域８の物体側端と、撮像部材５の先端面を用いて説明する。

上述のように、曲面領域８の物体側端は、撮像部材５の先端面よりも物体空間側に位置している。そこで、撮像部材５の先端面と曲面領域８の物体側端を合わせ、撮像部材５の先端面を曲面領域８のＺ座標における原点とする。上述の条件式（１）や後述の条件式（３）では、撮像部材５の先端面を基準としたＺ座標を用いている。Ｚ座標の原点シフトは、数式（Ａ）にて撮像部材５の半径をＳとして求めたＺ’を減算すればよい。

撮像部材５の先端面を基準としたＺ座標を、数式（Ｂ）を用いて算出できる。

ここで、
Ｚ（Ｓ）は、Ｓの関数として求まる撮像部材の先端面を基準としたＺ座標、
Ｓicは、撮像部材の先端面の半径、
Ｚ’(Ｓic）は、撮像部材の半径位置でのＺ’
である。

数式（Ａ）において、Ｋ＝０とすることで、曲面領域８は球面となる。また、Ｋ≠０とすることで、曲面領域８の面として、二次曲面型の非球面を定義できる。このように、数式（Ａ）は、球面と非球面の両方を表現できる。

通常の非球面定義式では、偶数次多項式項が用いられる。数式（Ａ）においては、説明を簡易化するため、偶数次多項式項は省略している。但し、偶数次多項式項を含めた形状で定義しても問題は無い。

数式（Ａ）を用いて曲面領域８を設計する場合は、ＲとＫのパラメータを変動させて、先細り形状と照明光学特性の最適化を行う。曲面領域８のＺ軸オフセット値となる数式（Ｂ）のＺ’(Ｓic）は、Ｒの値の変更やＫの値の変更に伴って変化する。よって、Ｚ’(Ｓic）は、Ｒの値の変更やＫの値の変更と同期させる。照明光学特性は、例えば、中心照度や配光特性で決まる。よって、照明光学特性を最適化することで、配光特性も最適にすることができる。

曲面領域８が球面の場合は、Ｒの値が小さいほど先細り傾向が強まるので、挿入性が向上する。但し、これに伴い、内部光学面７も像側に移動する。そうすると、撮像部材５に照明光が当りやすくなる。この場合、配光特性に悪影響が生じるので、Ｒの値の設定で、先細り形状と照明光学特性について適度なバランスをとる必要がある。

曲面領域８が非球面の場合は、大きめのＲを維持したまま、Ｋ＞０（Ｓ軸方向を長軸とする楕円形状）にする。このようにすることで、内部光学面７をさほど左側に移動させずに、曲面領域８の外周側において変位を増大させることができる。これにより、先細り形状と照明光学特性の最適化において、自由度を高めることができる。

数式（Ａ）により内部光学面７を設計する場合は、ＲとＫを変化させて、照明光学特性の最適化を行う。内部光学面７が球面の場合は、Ｒの値が小さいほど配光が向上するが、中心照度も低下する。よって、Ｒの値の設定で、照明光学特性の最適化、例えば、配光特性と中心照度について適度なバランスをとる必要がある。

内部光学面７が非球面の場合は、中心照度を維持したまま、Ｋの値を変化させることで、広角側での照度分布を制御することが可能となる。Ｋ＜０にすることで、内部光学面７の周辺部での曲率が小さくなる。その結果、広角側での照度分布を向上させることができる。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系は、上述の条件式（１）、（２）を満足する。

条件式（１）のＺiaxとＤsについて、図３を用いて説明する。図３は、透明樹脂部材を示す図である。図３（ａ）は、正面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＣ−Ｃ間の断面形状を示す図である。

透明樹脂部材１には、非貫通孔３と貫通孔４とが形成されている。曲面領域８には、貫通孔４により開口部４ａが形成されている。これにより、曲面領域８には、開口部４ａとの境界９が形成される。

Ｚiaxは、曲面領域８における貫通孔４の境界９を基準にして、所定の位置までの距離を中心軸ＡＸｏに沿って測ったときの距離である。所定の位置は、内部光学面７の重心を通り、且つ、中心軸ＡＸｏと平行な軸ＡＸｉが曲面領域８と交差する位置Ｐ１である。距離の正負は、境界９が所定の位置よりも物体側に位置する場合を正とする。

図３（ａ）に示すように、Ｄsは、透明樹脂部材１の最大外径である。

貫通孔４には、撮像部材５が配置される。この場合、境界９を含む面ＰＬｉは、撮像部材５の先端面に置き換えることができる。よって、撮像部材５の先端面を、Ｚiaxを求めるときの基準にすることができる。また、透明樹脂部材１は、内視鏡の挿入部の先端に設けられている。中心軸ＡＸｏや軸ＡＸｉは、挿入部の軸に置き換えることができる。よって、Ｚiaxは、以下のように、撮像部材５や挿入部の軸を用いて定義することができる。

条件式（１）は、曲面領域の適切な変位を示すものである。内部光学面に対向する位置での曲面領域の軸方向変位を示すパラメータとしてＺiaxを定義した。Ｚiaxの定義における内部光学面の重心は、内部光学面が円形の場合はその中心軸と一致する。よって、Ｚiaxは、曲面領域の内部光学面重心に対向する位置での挿入部軸方向変位であって、内部光学面の中心軸上での撮像部材先端面基準での変位である。

透明樹脂部材の最大外径Ｄsは、内視鏡挿入部寸法の基準としてふさわしい。Ｚiaxは長さの次元を有するため、透明樹脂部材の最大外径Ｄsで規格化した。

条件式（１）の下限値を下回ると、Ｚiaxの値が小さくなり過ぎてしまう。この場合、透明樹脂部材において、先細り傾向が不足する。そのため、挿入性が低下する。

照明光の一部は、内部光学面を透過後に、貫通孔の開口部周辺や、外面の外周部周辺に到達する。このような場所では、光学的に屈折角を制御することが難しい。条件式（１）の上限値を上回ると、Ｚiaxの値が大きくなり過ぎてしまう。この場合、内部光学面の位置が、貫通孔の開口部から遠ざかる。そうすると、貫通孔の開口部周辺や、外面の外周部周辺に到達する照明光が増加する。その結果、配光ムラが増大する。

内部光学面の位置の変化は、内視鏡の挿入部を基準として表すこともできる。内視鏡の挿入部の一端には透明樹脂部材が設けられ、他端には操作部が設けられている。操作部が配置されている側を、挿入部手元側という。条件式（１）の上限値を上回ると、内部光学面の位置が、挿入部手元側に後退し過ぎることとなる。

条件式（１）の好ましい下限値は０．０３である。また、条件式（１）の好ましい上限値は０．０７である。Ｚiax／Ｄsの値が０．０３から０．０７までの範囲内であれば、先細り傾向の不足や、内部光学面の後退による光学的な悪影響は生じない。

条件式（２）のＡiaxについて説明する。傾斜角は、断面形状における接線と中心軸ＡＸｏに垂直な軸とのなす角である。図３（ｂ）に示すように、面ＰＬｉは、中心軸ＡＸｏに垂直な軸を含んでいる。よって、傾斜角は、断面形状における接線と面ＰＬｉとのなす角ということができる。

Ａiaxについて説明する。Ａiaxは、所定の位置での傾斜角である。この場合の断面は、図３（ａ）においてＣ−Ｃで示すように、中心軸ＡＸｏと所定の位置（位置Ｐ１）とを含む断面になる。更に、曲面領域８の断面形状を示す点のうち、位置Ｐ１における傾斜角になる。

貫通孔４には、撮像部材５が配置される。この場合、中心軸ＡＸｏは撮像部材５の中心軸に置き換えることができる。よって、Ａiaxは、以下のように、撮像部材５の中心軸を用いて定義することができる。

条件式（２）は、曲面領域の適切な傾斜角を示すものである。内部光学面に対向する位置での曲面領域の軸方向変位を示すパラメータとしてＡiaxを定義した。条件式（１）のＺiaxと同様に、内部光学面の重心は、内部光学面が円形の場合はその中心軸と一致する。よって、Ａiaxは、撮像部材の中心軸を通る平面で定義される断面内の形状における、曲面領域の内部光学面重心に対向する位置での傾斜角であって、内部光学面の中心軸上での傾斜角である。

Ａiaxは、外面において内部光学面に対向する位置での傾斜角である。そのため、光学的な屈折作用にも強く影響し、かつ、先細り傾向にも影響する。

条件式（２）の下限値を下回ると、傾斜角が小さくなり過ぎてしまう。この場合、透明樹脂部材（挿入部）における先細り傾向が不足するので、挿入性が悪化する。

透明樹脂部材内には、複数の部材が配置される。複数の部材の各々の位置は、機能や作用等を考慮して決まる。他の部材の位置との関係から、内部光学面は、透明樹脂部材の外径中心よりも外周側に近い場所に位置する。この場合、所定の位置は、透明樹脂部材の外周に近い位置になる。

条件式（２）の下限値を下回ることは、所定の位置における接線が、中心軸とほぼ垂直になることを意味する。これは、曲面領域において外周近傍に位置する領域では、面の法線が中心軸に対して並行に近いことを意味する。言い換えると、この領域は、円柱の端面に近い面になっていることになる。曲面領域に対する円柱の端面の占める割合が多い場合、透明樹脂部材の形状が先細になっているとは言い難い。よって、そのような形状では挿入性が悪化する。

条件式（２）の上限値を上回ると、傾斜角が大きくなり過ぎるので、内部光学面の位置が、貫通孔の開口部から遠ざかる。あるいは、内部光学面の位置が、挿入部手元側に後退し過ぎることとなる。この場合、曲面領域での照明光に対する屈折作用が大きくなり過ぎる。

二つの非貫通孔が貫通孔を挟むように形成されている場合、貫通孔の両側から照明が行われる。この場合、一方の側から照射された照明光と、他方の側から照射された照明光とが重なる領域（以下、「重複領域」という）が生じる。曲面領域での照明光に対する屈折作用が大きくなり過ぎと、重複領域が減少する。その結果、重複領域の境界付近での配光ムラが発生し易くなる。

条件式（２）の好ましい下限値は１６°である。また、条件式（２）の好ましい上限値は３２°である。Ａiaxの値が１６°から３２°の範囲内であれば、先細り傾向の不足や、配光ムラや配光不足が生じない。

以上のように、本実施形態に係る内視鏡照明光学系によれば、挿入性の改善と配光ムラの低減とを実現することができる。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系は、非貫通孔を複数有し、少なくとも２つの非貫通孔は、中心軸を含む平面で定義される断面の少なくとも一つに対して鏡像対称となるように形成されていることが望ましい。

このようにすることで、配光の対称性が得られる。膀胱用内視鏡では、膀胱が被写体になる。膀胱は、左右対称に近い形状を持つ臓器である。よって、膀胱内の広角観察においては、膀胱の左側の内壁と右側の内壁が、各々、画像の左端付近と右端付近に捉えられているような観察が想定される。膀胱の左側の内壁から右側の内壁までを明瞭に観察できるためには、撮像範囲が均一に照明されていることが望ましい。

このような広角観察では、撮像範囲のアスペクト比は、横長のアスペクト比になる。すなわち、上下方向（垂直方向）の幅に比べて、左右方向（水平方向）の幅が広くなる。このような撮像範囲を１つの方向から照明することは可能である。しかしながら、複数の方向から照明することで、より均一な照明が可能になる。

このようなことから、本実施形態に係る内視鏡照明光学系は、非貫通孔を複数有する。これにより、透明樹脂部材に複数の照明部材を配置することができる。この場合、複数の方向から照明が行えるので、より均一な照明が可能になる。

また、少なくとも２つの非貫通孔は、中心軸を含む平面で定義される断面の少なくとも一つに対して鏡像対称となるように形成されている。このようにすることで、撮像範囲に対して略対称な位置から、照明光を照射することができる。よって、より均一な照明が可能になる。

非貫通孔の数が奇数の場合、例えば、非貫通孔が３つの場合、２つの非貫通孔を鏡像対称となるように形成する。残り一つの貫通孔は、２つの貫通孔から略等距離の位置に形成すれば良い。例えば、図１（ｂ）では、Ａ−Ａで示す直線上に形成すれば良い。更に、貫通孔の近傍に、非貫通孔を形成すれば良い。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、曲面領域の形状は、中心軸付近に対称軸を有する軸対称な形状で、対称軸からの距離を変数とする関数式で定義可能であり、以下の条件式（３）、（４）を満足することが望ましい。
０．１５＜Ｚ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］＜０．５５ （３）
０．４＜Ａ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］＜０．８ （４）
ここで、
Ｚ［ｒ］は、対称軸から距離ｒだけ離れた曲面領域上の点における変位を表す関数、
変位は、境界を基準にして、曲面領域上の点までの距離を中心軸に沿って測ったときの距離、
Ａ［ｒ］は、対称軸から距離ｒだけ離れた曲面領域上の点におけるＺ［ｒ］の微係数に基づく傾斜角を表す関数、
Ｌは、対称軸から内部光学面の重心までの距離、
Ｄsは、透明樹脂部材の最大外径、
である。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、曲面領域の形状は、中心軸付近に対称軸を有する軸対称な形状である。そこで、対称軸からの距離を基準にして、曲面領域上の点における変位や傾斜角を求めることができる。

Ｚ［ｒ］は変位を表す関数で、距離を変数としている。Ｚ［ｒ］は、対称軸から距離ｒだけ離れた曲面領域上の点における変位を表している。変位は、境界を基準にして、曲面領域上の点までの距離を中心軸に沿って測ったときの距離である。

Ａ［ｒ］は、傾斜角を表す関数で、距離を変数としている。Ａ［ｒ］は、対称軸から距離ｒだけ離れた曲面領域上の点におけるＺ［ｒ］の微係数に基づく傾斜角を表している。

上述のように、撮像部材５の先端面を、変位や傾斜角を求める際の基準にすることができる。中心軸ＡＸｏは、挿入部の軸に置き換えることができる。よって、Ｚ［ｒ］やＡ［ｒ］は、以下のように、撮像部材５や挿入部の軸を用いて定義することができる。

Ｚ［ｒ］は、曲面領域対称軸からの距離ｒにおける挿入部軸方向変位であって、撮像部材先端面基準での変位である。Ａ［ｒ］は、曲面領域対称軸からの距離ｒにおけるＺ［ｒ］の微係数に基づく傾斜角であって、撮像部先端面基準での傾斜角である。

条件式（３）は、曲面領域が軸対称な関数式で定義された場合の変位傾向を、２つの変位値を基に規定するものである。条件式（１）で定義したＺiaxは、面形状が数式で定義されるか否かに依存せずに定まる値であった。

これに対して、条件式（３）におけるＺ［Ｌ］やＺ［Ｄs／２］は、例えば数式（Ａ）の形で面形状が定義された場合に、数式（Ｂ）のＳを、Ｌ又はＤs／２に置き換えることで算出可能である。また、数式（Ａ）を別の軸対称な関数式に置き換えた際にも算出可能である。

Ｚ［Ｌ］は、条件式（１）のＺiaxを関数式に置き換えたものに相当する。Ｚ［Ｌ］は、関数Ｚ［ｒ］の変数ｒに、Ｌを代入したものである。Ｌは、対称軸から内部光学面の重心までの距離である。よって、Ｚ［Ｌ］は、曲面領域において内部光学面と対向する場所の変位、又はその付近の変位を表している。そのため、Ｚ［Ｌ］の値は、光学特性への影響が大きい。

Ｚ［Ｄs／２］は、関数Ｚ［ｒ］の変数ｒに、Ｄs／２を代入したものである。Ｄs／２は、透明樹脂部材の最大半径である。よって、Ｚ［Ｄs／２］は、曲面領域において透明樹脂部材の最大半径の位置での変位を示している。

別の言い方をすると、Ｚ［Ｄs／２］は、透明樹脂部材の最大半径を数式（Ｂ）のＳとして入力した際の曲面領域の軸方向変位である。Ｚ［Ｄs／２］は、撮像部材の中心軸と透明樹脂部材の外径中心を仮に一致させた場合の変位に相当する。曲面領域における変位は、外周側に向かって変化する。Ｚ［Ｄs／２］は、外周側に向かって形状が変化するときの変位度合を示すパラメータとなる。

条件式（３）のＺ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］は、外周側に向けての変位で規格化した、光学的影響が大きい変位の比率を示すものとなる。よって、Ｚ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］は、曲面領域における形状変化の傾向を最適化するためのひとつの指針となる。

Ｚ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］の値が相対的に小さい場合、曲面領域の形状は、内部光学面と対向する場所から外周側に向けて急峻に変位する形状になる。そのため、先細り傾向は弱まる。また、Ｚ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］の値が相対的に大きい場合、曲面領域の形状は、内部光学面と対向する場所から撮像部材側で急峻に変位する形状になる。そのため、先細り傾向は強まる。

条件式（３）の下限値を下回ると、曲面領域において、内部光学面に対向する場所から外周側に向けての変位の変化が、急峻になり過ぎる。この場合、先細り傾向が不足するので、挿入性が悪化する。更に、内部光学面に対向する場所から外周側に向けて形状が急峻に変化すると、その付近での屈折力の変化が大きくなる。そのため、配光ムラを生じ易くなる。

条件式（３）の上限値を上回ると、内部光学面に対向する場所から撮像部材側に向けて形状が急峻に変化する。この場合、その付近での屈折力の変化が大きくなる。そのため、配光ムラを生じ易くなる。

条件式（３）の好ましい下限値は０．２５である。また、条件式（３）の好ましい上限値は０．４である。Ｚ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］の値が０．２５から０．４までの範囲内であれば、内部光学面に対向する場所から外周側、又は、内部光学面に対向する場所から撮像部材側のいずれに対しても、形状の急峻な変化の発生を、より抑制することができる。その結果、配光ムラを生じるような過度な屈折力の変化の発生も抑制することができる。

条件式（４）は、曲面領域が軸対称な関数式で定義された場合の傾斜角の変化傾向を、２つの傾斜角値を基に規定するものである。条件式（２）で定義したＡiaxは、面形状が数式で定義されるか否かに依存せずに定まる値であった。

これに対して、条件式（４）におけるＡ［Ｌ］やＡ［Ｄs／２］は、例えば数式（Ａ）の形で面形状が定義された場合に、数式（Ａ）を微分して、ＳをＬもしくはＤs／２に置き換えることで算出可能である。また、数式（Ａ）を別の軸対称な関数式に置き換えた際にも算出可能である。

Ａ［Ｌ］は、条件式（２）のＡiaxを関数式に置き換えたものに相当する。Ａ［Ｌ］は、関数Ａ［ｒ］の変数ｒに、Ｌを代入したものである。よって、Ａ［Ｌ］は、曲面領域において内部光学面の対向する場所の傾斜角、またはその付近の傾斜角を表している。そのため、Ａ［Ｌ］の値は、光学特性への影響が大きい。

Ａ［Ｄs／２］は、関数Ａ［ｒ］の変数ｒに、Ｄs／２を代入したものである。Ｄs／２は、透明樹脂部材の最大半径である。よってＡ［Ｄs／2］は、透明樹脂部材の最大半径に相当する位置における曲面領域の傾斜角を表している。Ａ［Ｄs／２］は、撮像部材の中心軸と透明樹脂部材の外径中心を仮に一致させた場合の傾斜角に相当する。曲面領域における傾斜角は、外周側に向かって変化する。よって、Ａ［Ｄs／２］は、外周側に向かって傾斜角が変化するときの傾斜傾向を示すパラメータとなる。

条件式（４）のＡ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］は、外周側に向けての傾斜角で規格化した、光学的影響が大きい傾斜角の比率を示すものとなる。よって、条件式（３）と同様に、Ａ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］は、曲面領域における形状変化の傾向を最適化するためのもうひとつの指針となる。

条件式（３）の場合と同様に、Ａ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］の値が相対的に小さい場合、曲面領域の形状は、内部光学面と対向する場所から外周側に向けて急峻に変位形状になる。そのため、先細り傾向は弱まる。また、Ａ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］の値が相対的に大きい場合、曲面領域の形状は、内部光学面と対向する場所から撮像部材側で急峻に変位する形状になる。そのため、先細り傾向は強まる。

条件式（４）の下限値を下回ると、曲面領域において、内部光学面に対向する場所から外周側に向けての傾斜角の変化が、急峻になり過ぎる。この場合、先細り傾向が不足するので、挿入性が悪化する。

更に、内部光学面から外周側に向けて傾斜角が急峻に変化すると、その付近での屈折力の変化が大きくなる。そのため、配光ムラを生じ易くなる。

条件式（４）の上限値を上回ると、内部光学面に対向する場所から撮像部材側に向けて傾斜角が急峻に変化する。この場合、その付近での屈折力の変化が大きくなる。そのため、配光ムラを生じ易くなる。

条件式（４）の好ましい下限値は０．５である。また、条件式（４）の好ましい上限値は０．７５である。範囲内で更に望ましいＡ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］の値が０．５から０．７５までの範囲内であれば、内部光学面に対向する場所から外周側、又は、内部光学面に対向する場所から撮像部材側のいずれに対しても、傾斜角の急峻な変化の発生を、より抑制することができる。その結果、配光ムラを生じるような過度な屈折力の変化の発生も抑制することができる。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、曲面領域は、中心軸付近に対称軸を有する球面もしくは非球面であり、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
０．５５＜Ｒoax／Ｄs＜２ （５）
ここで、
Ｒoaxは、球面中心部における曲率半径絶対値、又は非球面中心部における曲率半径絶対値、
Ｄsは、透明樹脂部材の最大外径、
である。

曲面領域は、球面又は非球面であることが望ましい。球面と非球面は、どちらも中心軸付近に対称軸を有することが望ましい。条件式（５）は、曲面領域の形状として、球面又は非球面を用いた際の望ましい曲率半径絶対値を規定するものである。

Ｒoaxは長さの次元を有するため、条件式（１）の場合と同様に、透明樹脂部材の最大外径Ｄsで規格化した。

曲面領域の形状に関しては、光学的に重要な位置での変位と傾斜角の望ましい条件を、条件式（１）や条件式（２）で規定した。また、曲面領域の形状が軸対称で、かつ関数定義可能であるという前提で、条件式（３）、条件式（４）では、曲面領域における変位と傾斜角の変化傾向に関する望ましい条件を規定した。

条件式（５）は、曲面領域の形状が、球面又は非球面に限定される場合に好ましい条件式である。球面又は非球面において、中心曲率半径は基本となるパラメータである。Ｒoaxは、変位や傾斜角、及び、それらの変化傾向をまとめて規定するのに最適なパラメータである。

Ｒoax／Ｄsの値が相対的に小さい場合、曲面領域が強い凸形状となる。この場合、先細り傾向が強まるので挿入性は向上する。但し、曲面領域における正の屈折力が大きくなるので、配光角が狭められてしまうという光学的な悪影響が生じる。更に、内部光学面の位置が、貫通孔の開口部から遠ざかる。そうすると、貫通孔の開口部周辺や、外面の外周部周辺に到達する照明光が増加する。その結果、配光ムラが増大する。

別の言い方をすると、照明部材と内部光学面が挿入部手元側に後退するので、撮像部材や外周部等に到達する光が増加する。

また、Ｒoax／Ｄsの値が相対的に大きい場合、先細り傾向が弱まる。この場合、挿入性が悪化する。

条件式（５）の下限値を下回ると、配光角が狭められてしまうという光学的な悪影響が生じる。更に、内部光学面の位置が、貫通孔の開口部から遠ざかる。そうすると、貫通孔の開口部周辺や、外面の外周部周辺に到達する照明光が増加する。その結果、配光ムラが増大する。

別の言い方をすると、照明部材と内部光学面が挿入部手元側に後退し過ぎるので、撮像部材や外周部等に到達する光が増加する。撮像部材や外周部では、光学的に屈折性を制御することが難しい。

条件式（５）の上限値を上回ると、先細り傾向が弱くなり過ぎてしまう。この場合、挿入性が悪化する。

条件式（５）の好ましい下限値は０．６である。また、条件式（５）の好ましい上限値は１．２である。Ｒoax／Ｄsの値が０．６から１．２の範囲内であれば、先細り傾向と光学特性を、良好にバランスさせることができる。

ここで、本実施形態に係る内視鏡照明光学系の望ましい構成を以下にまとめる。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系の構成は、
挿入部先端に撮像部材を保持する機能と照明光学機能を有する透明樹脂部材を有し、
透明樹脂部材は、内面側に照明光を透明樹脂部材に入射させる内部光学面を有し、
内部光学面に対向する位置に、照明光を出射するライトガイドもしくは発光体を有し、
透明樹脂部材の外面には、内部光学面経由の照明光を物体空間に出射させる曲面領域を有し、
曲面領域は撮像部材との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位する形状であり、
撮像部材の中心軸を通る平面で定義される断面内の形状に関し、少なくとも中心軸から内部光学面に向かう方位において、撮像部材の中心軸から外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加し、条件式（１）〜（２）を満足する構成が望ましい。
内部光学面、ライトガイド又は発光体、及び曲面領域は、撮像部材の中心軸を通る平面で定義される断面の少なくとも一つに対して鏡像対称であるのが望ましい。
曲面領域の挿入部軸方向変位は、撮像部材の中心軸付近に対称軸を有する軸対称な形状で、対称軸から距離を変数とする関数式で定義可能とし、条件式（３）〜（４）を満足する構成が望ましい。
更に、曲面領域は、撮像部材の中心軸付近に対称軸を有する球面もしくは非球面である場合は、条件式（５）を満足するのが望ましい。

以下に、内視鏡照明光学系の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

実施例１に係る内視鏡照明光学系と、比較例に係る内視鏡照明光学系と、を対比させながら説明する。図４は、実施例１に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は正面図、図４（ｃ）は側面図である。図１７は、比較例に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。図１７（ａ）は上面図、図１７（ｂ）は正面図、図１７（ｃ）は側面図である。上述の内視鏡照明光学系１０と同じ構成については、詳細な説明を省略する。

実施例１について説明する。内視鏡照明光学系１００は、内視鏡の挿入部の先端に配置される。内視鏡照明光学系１００は、透明樹脂部材１０１と、照明部材１０２と、を有する。

中心軸ＡＸｏと直交する断面における透明樹脂部材１０１の形状は、略円形である。透明樹脂部材１０１には、非貫通孔１０３と、貫通孔１０４と、が形成されている。非貫通孔１０３は、照明部材１０２を配置するための孔である。貫通孔１０４は、撮像部材１０５を配置するための孔である。

非貫通孔１０３では、孔が透明樹脂部材１０１の外面１０６まで到達していない。透明樹脂部材１０１の内部では、照明部材１０２に対向する位置に、内部光学面１０７が形成されている。内部光学面１０７の形状は、像側に向かって凹になっている。また、外面１０６には、内部光学面１０７に対向する位置に、曲面領域１０８が位置している。

撮像部材１０５は、観察機能を有する。撮像部材１０５は、固体撮像素子１０９と対物光学系（不図示）とを有する。固体撮像素子１０９は、撮像面を有する。図４（ｂ）には、撮像面における撮像有効範囲１１０が長方形で示されている。対物光学系は、撮像面上に被写体像を形成する。図４（ｂ）において、上下方向（垂直方向）は、画像の垂直方向に対応し、左右方向（水平方向）は、画像の水平方向に対応する。固体撮像素子１０９は、水平方向に横長なアスペクト比を持つ画像の信号を出力する。

透明樹脂部材１０１内には、チャンネル開口部１１１が形成されている。一般的に、チャンネルは、処置具を挿入する経路として知られている。泌尿器用内視鏡では、尿等の濁った液が観察の障害となる。そのため、濁った液を、透明性の高い生理食塩水等と置き換える必要がある。この置き換えを灌流と言い、この灌流にもチャンネルが使用される。

チャンネル開口部１１１の直径は、灌流能力と処置能力の両方を左右するため、非常に重要である。膀胱用内視鏡では、６．５ｍｍ程度の内視鏡外径に対して、２ｍｍ以上のチャンネル径（直径）が必要である。

透明樹脂部材１０１の直径内では、固体撮像素子１０９とチャンネル開口部１１１が、断面積の大きい構造物である。固体撮像素子１０９とチャンネル開口部１１１を上下方向に配置すると、照明部材１０２を配置できるのは、左右方向の空間に限られてしまう。

照明部材１０２としてライトガイドを用いる場合、透明樹脂部材１０１の内部には、先端が２つに分岐したライトガイドを配置する。透明樹脂部材１０１内において、これら２本のライトガイドは撮像部材１０５とチャンネル開口部１１１の軸を結んだ線に対して、左右対称に配置可能である。

透明樹脂部材１０１の外径断面内では、照明部材１０２と内部光学面１０７の位置は、非光学的な制約で形状が定まる部分、例えば、チャンネル開口部１１１、撮像部材１０５及び外周部から離れているのが望ましい。また、照明部材１０２と内部光学面１０７の位置は、撮像部材１０５に対して適度な距離を保つのが望ましい。

照明部材１０２と内部光学面１０７が挿入部手元側に後退し過ぎると、光学的に屈折性を制御し難い部分、例えば、撮像部材１０５、チャンネル開口部１１１及び外周部等に到達する光が増加する。また、照明部材１０２と内部光学面１０７が撮像部材１０５に近づきすぎると、撮像部材１０５方向の光が撮像部材１０５で遮光されてしまう。よって、撮像部材１０５とチャンネル開口部１１１の外径断面内位置において、照明部材１０２と内部光学面１０７は、透明樹脂部材１０１の上下中心付近で撮像部材１０５の境界部と外周の中間付近に位置することが望ましい。

図４（ａ）、（ｃ）における、「Ｒ５．０」は、曲面領域１０８が、曲率半径が５．０ｍｍの球面であることを表している。球面は、撮像部材１０５の中心軸ＡＸｏ上に曲率中心を有している。球面は、撮像部材１０５の外周付近で接するように曲率中心の位置を定めている。

曲面領域１０８は、撮像部材１０５との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位し、かつ、撮像部材１０５の中心軸ＡＸｏから内部光学面１０７に向かう方位において、撮像部材１０５の中心軸ＡＸｏから外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状になっている。

更に、内視鏡照明光学系１００は、条件式（１）、（２）を満足する。よって、内視鏡照明光学系１００では、挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる。

水中観察では、物体空間は水で満たされる。そのため、曲面領域１０８から物体空間に出射する光の屈折は、透明樹脂部材１０１と水の屈折率差に応じて定まる。透明樹脂部材１０１の素材としては、可視域の透過率と屈折率が共に高く、かつ、各種耐久性の高い素材を用いる。このような素材としては、ポリサルホン系樹脂（代表的な屈折率１．６３５）、又は、ポリフェニルサルホン系樹脂（代表的な屈折率１．６７５）がある。

これらの素材では、水（屈折率１．３３３）より屈折率が高いため、曲面領域１０８と水との間で屈折が生じる。曲面領域１０８は、物体側に凸状の球面を有するため、水中観察時にも正の屈折力を有する。このように、曲面領域１０８は、集光型の屈折作用を有する。よって、曲面領域１０８は、照明光を拡散させて配光を広げる作用を有していない。

比較例について説明する。内視鏡照明光学系５００は、透明樹脂部材５０１と、照明部材５０２と、を有する。透明樹脂部材５０１には、非貫通孔５０３と、貫通孔５０４と、が形成されている。貫通孔５０３には、照明部材５０２が配置され、貫通孔５０４には、撮像部材５０５が配置される。

撮像部材５０５は、固体撮像素子５０９を有する。固体撮像素子５０９は、撮像面を有する。図１７（ｂ）には、撮像面における撮像有効範囲５１０が長方形で示されている。

透明樹脂部材５０１の内部には、内部光学面５０７が形成されている。また、透明樹脂部材５０１には、チャンネル開口部５１１が形成されている。また、外面５０６は、傾斜平面部５１２と、非光学形状部５１３と、を有する。

比較例では、透明樹脂部材５０１の外面５０６形状とそれに依存する内部光学面５０７の挿入部軸方向位置とを除くと、内視鏡照明光学系の構成は実施例１と同じである。内部光学面５０７の形状と照明部材５０２が同一であるため、外面で屈折する前の照明光の配光特性は、比較例と実施例１〜４とで同一である。

上述のように、実施例１では、透明樹脂部材１０１の外面１０６は、曲面領域１０８を有する。曲面領域１０８は、撮像部材１０５との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位し、かつ、撮像部材１０５の中心軸ＡＸｏから内部光学面１０７に向かう方位において、撮像部材１０５の中心軸ＡＸｏから外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状になっている。そして、条件式（１）、（２）を満足する。

また、曲面領域１０８は、曲率半径が５．０ｍｍの球面である。曲面領域１０８では、曲率半径が５．０ｍｍの球面がほぼ先端外面を占めている。透明樹脂部材１０１の形状は、先細りした滑らかな形状なので、挿入性が良い。

そのため、実施例１では、挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる。

これに対して、比較例では、透明樹脂部材５０１の外面５０６は、傾斜平面部５１２と非光学形状部５１３とに分離している。傾斜平面部５１２は、撮像部材５０５の中心側に向かって１５°傾斜している。よって、透明樹脂部材５０１は、わずかながらではあるが先細り形状になっている。

傾斜平面部５１２は、外面５０６側での光学有効範囲と位置付けられる。この異型有効範囲を、傾斜した平面として光学設計ソフトでモデリングすることで、異型有効範囲について簡易的な光学設計が可能である。しかし、比較例はこの外面５０６の形状に起因して、配光ムラが生じ易い欠陥を有する。

配光ムラの原因は、内部光学面５０７に比較的近い位置に、非光学形状部５１３が無視し得ない面積で存在し、かつ、傾斜平面部５１２と非光学形状部５１３での屈折に関する不連続性が高いためである。

更に、比較例の透明樹脂部材５０１の形状は、先細りしているとは言い難く、かつ、形状が角張っている。そのため、実施例１の透明樹脂部材１０１を用いた場合よりも挿入性が劣る。

物体空間における照明光の様子について説明する。実施例１と比較例のいずれにおいても、ライトガイドから出射する光の配光特性は同じである。図５は、ライトガイドから出射する光の配光特性を示す図である。

図５に示す配光特性を持つ光は、シミュレーションの光源データとして用いられる。ライトガイドからは配光角が８０°程度の光が出射する想定である。後述の実施例２〜４においても、図５に示す配光特性を有するライトガイドが用いられている。

図６は、実施例１に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。図６（ａ）は、水平方向における光線の拡散を示す光線図、図６（ｂ）は、垂直方向における光線の拡散を示す光線図である。図７は、実施例１の水中における配光特性を示すグラフである。

図１８は、比較例に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。図１８（ａ）は、水平方向における光線の拡散を示す光線図、図１８（ｂ）は、垂直方向における光線の拡散を示す光線図である。図１９は、比較例の水中における配光特性を示すグラフである。

実施例１の光線図と比較例の光線図では、水中に出射する光線の様子が示されている。また、配光グラフにおいて、横軸は水中における角度、縦軸は相対強度、実線は水平方向の配光特性を示し、破線は垂直方向の配光特性を示している。また、配光特性は、水中のFarField角度分布を、モンテカルロ法によるシミュレーションで求めたもので、０°方向を１に規格化している。後述の実施例２〜４についても同様である。

図６（ａ）、（ｂ）の光線図によれば、実施例１では、水中の物体空間側に向けて、水平方向と垂直方向で、共に、ほぼ満遍なく光が拡散している。図６（ａ）、（ｂ）はモンテカルロ法で多数の光線を追跡した結果の中から、表示上黒潰れしない少数の光線を選択したものである。従って、図６（ａ）、（ｂ）の光線密度の粗密は、強度分布の強弱や配光ムラを表現するものではない。

一方、比較例について、実施例１における光線の拡散と比較しても、格別の差異は見当たらない。すなわち、図１８（ａ）、（ｂ）に示す光線図からだけでは、実施例１との差は明確にならない。但し、図１９に示す水中における配光グラフでは、非光学形状部５１３による配光ムラへの悪影響が顕著に見られる。そのため、配光グラフを用いて説明する。

図７の配光グラフによれば、実施例１では、±９０°の範囲で、相対強度はなだらかに変化している。相対強度は、水平方向と垂直方向の両方で、なだらかに変化している。また、水平方向における相対強度と垂直方向における相対強度との差は、各角度において大きくない。

一方、図１９の配光グラフによれば、比較例では、水平方向の＋４５°付近において肩が生じている。この肩の部分では、６０°から４５°にかけて滑らかに増加していた相対強度が、４５°から３０°にかけては、相対強度の増加が僅かになっている。これは、この角度方向に強度の高い光を集める傾向があることを表している。

また、水平方向における相対強度と垂直方向における相対強度との差は、±４５°付近において大きくなっている。±４５°付近では、水平方向における相対強度が、垂直方向における相対強度よりも大きい。

図２０も、比較例の配光グラフである。図２０では、非光学形状部５１３を遮光し、傾斜平面部５１２のみで照明を行っている。図２０に示す配光グラフから、傾斜平面部５１２から出射した光が、どの角度に、どの程度の強度で照明範囲に向かったかが明らかとなる。図２０に示す配光グラフでは、水平方向における＋４５°付近において肩は生じていない。また、水平方向における相対強度と垂直方向における相対強度との差は、±４５°付近で大きくなっていない。

図２１も、比較例の配光グラフである。図２１では、傾斜平面部５１２を遮光し、非光学形状部５１３だけで照明を行っている。図２１に示す配光グラフから、非光学形状部５１３から出射した光が、どの角度に、どの程度の強度で照明範囲に向かったかが明らかとなる。

図２１に示す配光グラフでは、水平方向の±４５°付近で相対強度が大きくなっている。相対強度のピークは±４５°で生じる。このピークにおける相対強度は、図１９に示す配光グラフにおける０°方向の相対強度の２０％であることがわかる。±４５°付近で相対強度を持つ光が、図１９に示す配光グラフにおいて、水平方向の±４５°付近で肩を生じさせた光と考えられる。

このように、非光学形状部５１３から出射する光は、不要光とみなせる光である。この光が、配光ムラを形成したと考えられる。

配光グラフを、実施例１と比較例とで比較すると、実施例１の配光グラフでは、比較例の配光グラフに見られたような肩は無い。よって、実施例１に係る内視鏡照明光学系では、実害となる配光ムラは生じない。

また、図２０に示すように、非光学形状部５１３を遮光すると、配光ムラを消失させることができる。ただし、この場合、配光グラフから分かるように、水平方向における配光角は、実施例１に比べて狭くなる。このように、実施例１に係る内視鏡照明光学系では、水平方向において４５°以上の配光角が確保できている。よって、この点で、実施例１に係る内視鏡照明光学系の方が優れている。この理由は、曲面領域１０８が、配光ムラを生じない滑らかな形状で、かつ、光学有効範囲を拡大できるためである。

図７に示す配光グラフでは、±４０°以内でリップルが見られる。このリップルは、モンテカルロ法の光線本数に依存する誤差である。よって、このリップルは、配光ムラを形成するものではない。

比較例では、傾斜平面部５１２が光学有効範囲に相当する。比較例では、傾斜平面部５１２と非光学形状部５１３が分離した形状になっている。そのため、その不連続性に伴なって配光ムラが発生することが避けられない。

非光学形状部５１３が遮光できれば配光ムラが抑制できることは、シミュレーション上では明らかである。しかし、内視鏡先端部に要求されるサイズの範囲内で、透明樹脂部材において、遮光部材を加えた多段階の複合成形を行うことは現実的ではない。透明樹脂部材の価値は、それ自身が一つの透明素材で一体成形できることにより、枠機能と光学機能を複合した小型かつ複雑な形状でも製造可能なことにある。

比較例において、透明樹脂部材５０１の外面５０６側の形状を変更せずに、配光ムラを低減する方法としては、内部光学面５０７の工夫により、非光学形状部５１３を透過して配光ムラを生じる不要光を減少させることが考えられる。

具体的には、内部光学面５０７における発散作用を弱める。このようにすると、傾斜平面部５１２を透過する光の比率が増加するので、非光学形状部５１３を透過する光の比率が相対的に減少する。但し、この方法では配光角が狭くなるため、水中での広角観察に対応した十分な配光角を実現できない。よって、水中での広角観察に必要な配光の確保と配光ムラの回避を両立できるためには、実施例１において曲面領域１０８で示したように、外面１０６の形状を工夫することが必須である。

実施例２に係る内視鏡照明光学系について説明する。図８は、実施例２に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は正面図、図８（ｃ）は側面図である。図９は、実施例２に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。図９（ａ）は、水平方向における光線の拡散を示す光線図、図９（ｂ）は、垂直方向における光線の拡散を示す光線図である。図１０は、実施例２の水中における配光特性を示すグラフである。これら全ての図は、実施例１と同じ条件で作成している。

内視鏡照明光学系２００は、内視鏡の挿入部の先端に配置されている。内視鏡照明光学系２００は、透明樹脂部材２０１と、照明部材２０２と、を有する。

透明樹脂部材２０１には、非貫通孔２０３と、貫通孔２０４と、が形成されている。非貫通孔２０３は、照明部材２０２を配置するための孔である。貫通孔２０４は、撮像部材２０５を配置するための孔である。

非貫通孔２０３では、孔が透明樹脂部材２０１の外面２０６まで到達していない。透明樹脂部材２０１の内部では、照明部材２０２に対向する位置に、内部光学面２０７が形成されている。内部光学面２０７の形状は、像側に向かって凹になっている。また、外面２０６には、内部光学面２０７に対向する位置に、曲面領域２０８が位置している。

撮像部材２０５は、固体撮像素子２０９と対物光学系とを有する。図８（ｂ）には、撮像面における撮像有効範囲２１０が長方形で示されている。透明樹脂部材２０１内には、チャンネル開口部２１１が形成されている。

図８（ａ）、（ｃ）における、「Ｒ７．１」は、曲面領域２０８が、曲率半径が７．１ｍｍの球面であることを表している。球面は、撮像部材２０５の中心軸ＡＸｏ上に曲率中心を有している。球面は、撮像部材２０５の外周付近で接するように曲率中心の位置を定めている。

曲面領域２０８は、撮像部材２０５との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位し、かつ、撮像部材２０５の中心軸ＡＸｏから内部光学面２０７に向かう方位において、撮像部材２０５の中心軸ＡＸｏから外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状になっている。

図８（ａ）、（ｃ）に示す通り、曲率半径が７．１ｍｍの球面が、先端外面の多くを占めている。但し、実施例２における球面は、実施例１における球面と比較して、曲率半径が大きい。そのため、曲面領域２０８は、照明光が届かないチャンネル開口部２１１側の外周付近で、別の曲面に分離している。このようにして、外面２０６が、先細りした滑らかな形状になるよう補正している。

実施例２における透明樹脂部材２０１は、実施例１における透明樹脂部材１０１よりも先細り傾向は劣る。しかしながら、比較例における透明樹脂部材５０１よりも、先細り形状としては優れている。

図９（ａ）、（ｂ）の光線図によれば、実施例２では、水中の物体空間側に向けて、水平方向と垂直方向で、共に、ほぼ満遍なく光が拡散している。図１０に示す配光グラフによれば、比較例の配光グラフに見られたような肩は無い。よって、実施例２に係る内視鏡照明光学系では、実害となる配光ムラは生じない。

また、図１９に示す比較例における配光グラフと比較すると、実施例２に係る内視鏡照明光学系では、水平方向において４５°以上の配光角が確保できている。よって、この点で、実施例２に係る内視鏡照明光学系の方が優れている。

実施例３に係る内視鏡照明光学系について説明する。図１１は、実施例３に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ）は正面図、図１１（ｃ）は側面図である。図１２は、実施例３に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。図１２（ａ）は、水平方向における光線の拡散を示す光線図、図１２（ｂ）は、垂直方向における光線の拡散を示す光線図である。図１３は、実施例３の水中における配光特性を示すグラフである。これら全ての図は他の実施例と同条件で作成している。

内視鏡照明光学系３００は、内視鏡の挿入部の先端に配置されている。内視鏡照明光学系３００は、透明樹脂部材３０１と、照明部材３０２と、を有する。

透明樹脂部材３０１には、非貫通孔３０３と、貫通孔３０４と、が形成されている。非貫通孔３０３は、照明部材３０２を配置するための孔である。貫通孔３０４は、撮像部材３０５を配置するための孔である。

非貫通孔３０３では、孔が透明樹脂部材３０１の外面３０６まで到達していない。透明樹脂部材３０１の内部では、照明部材３０２に対向する位置に、内部光学面３０７が形成されている。内部光学面３０７の形状は、像側に向かって凹になっている。また、外面３０６には、内部光学面３０７に対向する位置に、曲面領域３０８が位置している。

撮像部材３０５は、固体撮像素子３０９と対物光学系とを有する。図１１（ｂ）には、撮像面における撮像有効範囲３１０が長方形で示されている。透明樹脂部材３０１内には、チャンネル開口部３１１が形成されている

図１１（ａ）、（ｃ）における、「Ｒ４．３５」は、曲面領域３０８が、曲率半径が４．３５ｍｍの球面であることを表している。球面は、撮像部材３０５の中心軸ＡＸｏ上に曲率中心を有している。球面は、撮像部材３０５の外周付近で接するように曲率中心の位置を定めている。

曲面領域３０８は、撮像部材３０５との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位し、かつ、撮像部材３０５の中心軸ＡＸｏから内部光学面３０７に向かう方位において、撮像部材３０５の中心軸ＡＸｏから外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状になっている。

図１１（ａ）、（ｃ）に示す通り、曲率半径が４．３５ｍｍの球面が、先端外面の多くを占めている。実施例３における球面は、実施例１における球面と比較して、曲率半径が小さい。よって、実施例３における透明樹脂部材３０１は、実施例１における透明樹脂部材１０１よりも先細りした滑らかな形状になっている。実施例３における透明樹脂部材３０１は、挿入性に優れている。

図１２（ａ）、（ｂ）の光線図によれば、実施例３では、水中の物体空間側に向けて、水平方向と垂直方向で、共に、ほぼ満遍なく光が拡散している。図１３に示す配光グラフによれば、比較例の配光グラフに見られたような肩は無い。よって、実施例３に係る内視鏡照明光学系では、実害となる配光ムラは生じない。

また、図１９に示す比較例における配光グラフと比較すると、実施例３に係る内視鏡照明光学系では、水平方向において４５°以上の配光角が確保できている。よって、この点で、実施例３に係る内視鏡照明光学系の方が優れている。

実施例４に係る内視鏡照明光学系について説明する。図１４は、実施例４に係る内視鏡照明光学系の構成概略図である。図１４（ａ）は上面図、図１４（ｂ）は正面図、図１４（ｃ）は側面図である。図１５は、実施例４に係る内視鏡照明光学系における照明光を示す図である。図１５（ａ）は、水平方向における光線の拡散を示す光線図、図１５（ｂ）は、垂直方向における光線の拡散を示す光線図である。図１６は、実施例４の水中における配光特性を示すグラフである。これら全ての図は他の実施例と同条件で作成している。

内視鏡照明光学系４００は、内視鏡の挿入部の先端に位置する。内視鏡照明光学系４００は、透明樹脂部材４０１と、照明部材４０２と、を有する。

透明樹脂部材４０１には、非貫通孔４０３と、貫通孔４０４と、が形成されている。非貫通孔４０３は、照明部材４０２を配置するための孔である。貫通孔４０４は、撮像部材４０５を配置するための孔である。

非貫通孔４０３では、孔が透明樹脂部材４０１の外面４０６まで到達していない。透明樹脂部材４０１の内部では、照明部材４０２に対向する位置に、内部光学面４０７が形成されている。内部光学面４０７の形状は、像側に向かって凹になっている。また、外面４０６には、内部光学面４０７に対向する位置に、曲面領域４０８が位置している。

撮像部材４０５は、固体撮像素子４０９と対物光学系とを有する。図１４（ｂ）には、撮像面における撮像有効範囲４１０が長方形で示されている。透明樹脂部材４０１内には、チャンネル開口部４１１が形成されている。

実施例４では、曲面領域４０８は軸対称非球面である。曲面領域４０８は、数式（Ａ）のパラメータにおいて、Ｒ＝５．０ｍｍ、Ｋ＝０．３７で定義される非球面である。Ｋの値が正であるため、曲面領域４０８は、外周に近づくに従い、曲率半径が５．０ｍｍの基準球面よりも変位が増大する形状になっている。

曲面領域４０８は、撮像部材４０５との境界付近から挿入部外周に向かって挿入部手元側に変位し、かつ、撮像部材４０５の中心軸ＡＸｏから内部光学面４０７に向かう方位において、撮像部材４０５の中心軸ＡＸｏから外周に向かうに従って変位と傾斜角が連続的かつ単調増加する形状になっている。

図１４（ａ）、（ｂ）に示す通り、非球面が先端外面の多くを占めている。実施例４における非球面は、実施例１における球面と比較して、中心軸ＡＸｏに沿う方向の変位が大きい。よって、実施例４における透明樹脂部材４０１は、同じ中心曲率半径の実施例１における透明樹脂部材１０１よりも先細りした滑らかな形状になっている。実施例４における透明樹脂部材４０１は、挿入性に優れている。

図１５（ａ）、（ｂ）の光線図によれば、実施例４では、水中の物体空間側に向けて、水平方向と垂直方向で、共に、ほぼ満遍なく光が拡散している。図１６に示す配光グラフによれば、比較例の配光グラフに見られたような肩は無い。よって、実施例４に係る内視鏡照明光学系では、実害となる配光ムラは生じない。

また、図１９に示す比較例における配光グラフと比較すると、実施例４に係る内視鏡照明光学系では、水平方向において４５°以上の配光角が確保できている。よって、この点で、実施例４に係る内視鏡照明光学系の方が優れている。

実施例４における配光特性は、実施例１〜３とほぼ同等である。よって、実施例４では、非球面の自由度を有効活用して、光学的な弊害を生じさせずに、挿入性改善を実現している。

以上のように、実施例１〜４は、夫々、異なる構成を有する。しかしながら、実施例１〜４は、夫々、条件式（１）、（２）を満足している。条件式（１）、（２）は、曲面領域の形状の定義方法に依存しない基本要件として好適である。

また、全ての実施例は、曲面領域が軸対称な関数式で定義された場合の条件式（３）、（４）を満足している。条件式（３）、（４）は、軸対称な関数式を用いて最適設計を行う際の要件として好適である。

更に、全ての実施例は、曲面領域が球面もしくは軸対称非球面で定義された場合の条件式（５）も満足している。条件式（５）は、曲面領域の曲率半径を適切に設定する条件として実用的である。

各実施例における条件式の値を以下に掲げる。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
(1)Ziax/Ds 0.053 0.036 0.062 0.054
(2)Aiax(=A[L]) 26.1° 18.0° 30.3° 27.1°
(3)Z[L]/Z[Ds/2] 0.331 0.346 0.319 0.317
(4)A[L]/A[Ds/2] 0.643 0.661 0.627 0.602
(5)Roax/Ds 0.769 1.092 0.669 0.769

各実施例におけるパラメータの値を以下に掲げる。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
Ziax(=Z[L]) 0.343mm 0.233mm 0.404mm 0.353mm
Ds 6.5mm 6.5mm 6.5mm 6.5mm
Aiax(=A[L]) 26.1° 18.0° 30.3° 27.1°
Z[Ds/2] 1.035mm 0.672mm 1.268mm 1.115mm
A[Ds/2] 40.5° 27.2° 48.3° 45.0°
Roax 5mm 7.1mm 4.35mm 5mm

本発明の各実施例について説明する。比較例の説明で述べた通り、透明樹脂部材の外面形状とそれに依存する内部光学面の挿入部軸方向位置を除いて、各実施例と比較例は同構成である。また、内部光学面の形状とライトガイドが同一であるため、外面で屈折する以前の配光特性は各実施例と比較例は同一である。曲面領域は、実施例１〜３が球面であり、実施例４が軸対称非球面である。

全ての実施例では、対物光学系における視野（水中水平画角が１１８．７°、水中垂直画角が７６．３°）の少し内側の範囲を、照明範囲として想定している。全ての実施例では、水中にて以下の配光特性が得られるように設計している。配光特性では、中心における照度に対する照度比を用いている。
画面水平方向の水中５７°方向における照度比： ２０％以上。
画面垂直方向の水中３６°方向における照度比： ６０％以上。

各実施例の配光特性と比較例の配光特性を、以下に示す。各数値は、照度比を％で表している。実施例１の中心における照度を１００％としている。水平方向の値は、角度５７°方向における値である。垂直方向の値は、角度３６°方向における値である。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 比較例
中心 100.0 99.0 108.2 103.5 99.4
水平方向 23.9 24.7 22.7 23.1 25.7
垂直方向 71.0 72.0 71.7 75.0 66.6

上記に示す通り、全ての実施例は、目標とする高い配光を実現している。また、中心における照度比は、全実施例で約１００％になっている。よって、中心においても、照度は全実施例でほぼ同等になっている。このように、照明光学系に求められる効率性については、各実施例で大きな差異は無い。比較例の配光特性でも、中心における照度比に関しては、各実施例とほぼ同等である。ただし、上述のように、配光ムラに関しては、比較例と各実施例とで大きな差が生じている。

各実施例と比較例は、透明樹脂部材やチャンネル開口部等に関して、仕様が共通する部分がある。共通仕様を表１に示す。ＸＹ座標系については、次のように定義する。透明樹脂部材における最大外径の中心を、ＸＹ座標の原点とする。外径断面における上方向をＹ軸の正とし、左方向をＸ軸の正とする。外径断面は、透明樹脂部材を物体空間側から見たときの断面である。

各実施例と比較例について、透明樹脂部材の光学有効範囲に関する仕様を、表２に示す。Ｒは曲率半径、Ｋは２次曲面特性を定める係数。θは傾斜角である。傾斜は、撮像部中心に向かって生じている。Φは直径、ＹＵは上端、ＹＬは下端、ＸＬは左端、ＸＲは右端である。

比較例は、２つの光学有効範囲を有する。２つの光学有効範囲は、左右対称に設けられている。外径寸法は、一方の光学有効範囲における寸法である。Ｘ１は撮像側端、ＸＲは外周側端である。

対物光学系の実施例について説明する。この対物光学系は、例えば、実施例１〜４の撮像部材に用いられる。図２２は、対物光学系のレンズ断面図と光路を示す図である。図２２（ａ）は、対物光学系の水中におけるレンズ断面図と光路を示している。図２２（ｂ）は、対物光学系の空気中におけるレンズ断面図と光路を示している。

対物光学系は、物体側から順に、物体側が平面である平凹負レンズＬ１と、物体側が平面である平凹負レンズＬ２と、平行平板Ｆ１と、物体側が平面である平凸正レンズＬ３と、両凹負レンズＬ４と、両凸正レンズＬ５と、両凸正レンズＬ６と、負メニスカスレンズＬ７と、カバーガラスＣＧと、からなる。ここで、両凹負レンズＬ４と両凸正レンズＬ５は接合されている。両凸正レンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７は接合されている。

明るさ絞りＳは、平凸正レンズＬ３の物体側面に配置されている。

以下に、対物光学系の数値データを示す。記号は、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数、ＦｎｏはＦナンバー、また、焦点距離はｄ線における値である。ＳＴＯは、明るさ絞り、ＩＰは像面である。

数値実施例
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 ∞ 0.25 1.76820 71.79
2 0.639 0.27
3 ∞ 0.25 2.00330 28.27
4 1.961 0.11
5 ∞ 0.30 1.52134 74.98
6 ∞ 0.03
7 ∞(STO) 0.87 2.00330 28.27
8 -1.243 0.05
9 -9.813 0.30 2.00330 28.27
10 1.717 0.86 1.72916 54.68
11 -1.345 0.05
12 2.838 0.87 1.48749 70.23
13 -1.108 0.30 1.92286 18.90
14 -2.439 0.28
15 ∞ 1.10 1.51633 64.14
16 ∞(IP)

各種データ
焦点距離（ｍｍ） 0.56
Ｆｎｏ． 4.153
水中物体距離（ｍｍ） 9
最大レンズ外径（ｍｍ） 2.2

水中観察時の像高と画角
像高(ｍｍ) 画角(°)
対角 0.751 129.4
水平 0.706 118.7
垂直 0.482 76.3

図２２（ａ）におけるＩｗは、水中観察状態での対角方向の最大像高で、Ｉｗの値は０．７５１ｍｍである。この像高は、固体撮像素子の有効撮像エリアに一致させることを想定した像高である。このように像高を設定することで、水中観察状態において固体撮像素子の有効撮像エリア全体を使用する。この際の水中画角は１２９．４°であり、水中観察としては非常に広角であり、水中にある被写体を固体撮像素子の有効撮像エリア全てを使用して観察できる。

これに対して、図２２（ｂ）におけるＩａは、空気中最大像高に相当する像高である。対物光学系の最も物体側に位置するレンズ面が平面であることから、空気中観察状態では、空気中画角１８０°の光線までしかレンズに入射できない。最も物体側に位置する平面とほぼ平行に入射した主光線は、像面上ではＩｗより低い位置に到達する。そのため、空気中最大像高に相当するＩａの値は、０．５９９５ｍｍとなる。これにより、空気中観察状態における画像は、固体撮像素子の有効撮像エリアを部分的に使用した画像となるが、水中観察用途の内視鏡においては実用上問題無い。

図２３は撮像範囲を示す図である。図２３（ａ）は、水中観察時の撮像範囲を示す図である。図２３（ｂ）は、空気中観察の撮像範囲を示す図である。図２３（ａ）、（ｂ）は上述したように空気中観察状態での有効撮像エリアが水中観察状態よりも狭くなることを示した図である。

図２３（ａ）は、水中観察状態での固体撮像素子上の撮像エリアを示している。八角形の電気的視野マスクを用いることで、斜線を付した八角マスクＭＫ内の有効撮像エリアを全て活用できることを示している。八角マスクＭＫ内での最大像高がＩｗである。

図２３（ｂ）は、空気中観察状態での固体撮像素子上の撮像エリアを示している。斜線を付した半径Ｉａの円ＣＲＣ内が空気中観察状態での撮像エリアとなり、八角マスクＭＫと円ＣＲＣで挟まれた斜線の無い領域は、被写体像が結像されない光学的無効領域となる。

このような対物光学系によれば、最も物体側が平面の状態でも水中状態での広角観察が可能である。更に、物体側が平面であると、照明光学系からの直接光入射に起因するフレアに対して特殊な構成を必要とせず、照明光学系の構成に余計な制約を生じない。そのため、物体側が平面であることが好ましい。

対物光学系内でレンズ外径が最大になるのは、物体側端のレンズである。このレンズの外径（直径）は、２．２ｍｍである。膀胱用内視鏡では、内径が２．２ｍｍのチャンネルが必要となる。レンズの外径が、２．２ｍｍであれば、チャンネルや湾曲機構と合わせても、先端部外径φ７ｍｍ未満の膀胱用内視鏡を実現できる。

上述の対物光学系は、例えば、実施例１の内視鏡照明光学系に用いることができる。実施例１の内視鏡照明光学系は、条件式（１）、（２）を満足している。Ａiaxの値が上限値の３５°以上となる場合、その位置から撮像部材方位で物体空間に出射可能な光線の撮像部材中心軸に対する最大角は５５°である。上述の対物光学系では、水平方向の水中半画角が５９．４°である。よって、前記最大角度５５°の照明光は、対物光学系の水平端付近の視野内側に照射される。

視野の右側端を例にすると、右側の内部光学面から出射する照明光は、視野の右側端に問題なく到達する。一方、左側の内部光学面から出射する照明光は、視野の右側端まで到達しない。この場合、視野の右側端より少し内側に照度の境界が形成される。この境界で照度が変化する。この変化が、配光ムラとして視認される。

左側からの照明による照明領域と、右側からの照明による照明領域との重なりによって、境界部が生じることがある。この境界部が水平視野内に入ることは、物体距離が短い場合によく生じることである。境界部は、照明領域に向かう照明光における各光線の角度（以下、「角度特性」という）、照明部材の位置、撮像部材の位置等で決まる。但し、角度特性だけで境界部が定まってしまう場合は、あらゆる物体距離で配光ムラとして視認されるため望ましくない。

実施例１は、内部光学面と照明部材の組合せを２つ有している。実施例１では、これらが左右対称に配置されている。しかしながら、内部光学面と照明部材の組合せが一つしかない場合は、単純に画像の特定部分に照明光が到達し得なくなる。そのため、１つの組み合わせだけで照明を行うよりも、複数の組み合わせで照明を行う方が好ましいといえる。

各実施例によれば、挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる内視鏡照明光学系を提供できる。

挿入部の外径が細くなると、照明部材と撮像部材との距離が短くなる。挿入部にチャンネル開口部が設けられている場合、照明部材と撮像部材との距離が更に短くなる。また、水中における観察画角の広角化に対応して配光角を広角化すると、撮像部材の近傍やチャンネル開口部の近傍を照明光が通過するようになる。

本実施形態に係る内視鏡照明光学系では、外面の多くの領域が曲面領域で占められている。よって、挿入部の外径が細くなった場合や配光角が広角になった場合であっても、高い挿入性を確保しつつ、配光ムラの低減を実現できる。その結果、広角な細径内視鏡への実装も容易にすることができる。

以上のように、本発明は、挿入性の改善と配光ムラの低減を実現できる内視鏡照明光学系に適している。

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ 透明樹脂部材
２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２ 照明部材
３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３ 非貫通孔
４、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４ 貫通孔
４ａ 開口部
５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５ 撮像部材
６、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６ 外面
７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７ 内部光学面
８、１０８、２０８、３０８、４０８ 曲面領域
９ 境界
１０、１００、２００、３００、４００、５００ 内視鏡照明光学系
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９ 固体撮像素子
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ 撮像有効範囲
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１ チャンネル開口部
５１２ 傾斜平面部
５１３ 非光学形状部
ＡＸｏ 中心軸
ＡＸｉ 中心軸ＡＸｏと平行な軸
Ｐｃ 曲面領域とＺ軸との交点
Ｐ１ 軸ＡＸｉが曲面領域８と交差する位置
ＰＬｉ 境界９を含む面
ＡＸ 光軸
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７ レンズ
Ｆ 平行平板
ＣＧ カバーガラス
Ｉａ 最大像高（空気中）
Ｉｗ 最大像高（水中）
ＭＫ 八角マスク
ＣＲＣ 半径Ｉａの円

Claims (5)

1. 透明樹脂部材と、照明光を出射する照明部材と、を備え、
   前記透明樹脂部材は、
   撮像部材が配置される貫通孔と、
   前記照明部材が配置される非貫通孔と、
   前記非貫通孔によって当該透明樹脂部材の内部に形成される内部光学面と、
   前記内部光学面を介して前記透明樹脂部材に入射される前記照明光が物体に向かって出射される外面と、を有し、
   前記外面は、前記照明光が通過する曲面領域を有し、
   前記曲面領域は、前記貫通孔との境界を有し、
   前記曲面領域では、前記曲面領域の各点の前記境界からの変位が、物体から離れる方向に発生しており、
   前記貫通孔の中心軸を含む平面で定義される断面内での前記曲面領域の形状は、前記曲面領域内の各点における傾斜角が、前記中心軸から離れるにつれて連続的かつ単調に増加する形状になっており、
   以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする内視鏡照明光学系。
   ０．０２＜Ｚiax／Ｄs＜０．０８ （１）
   １０°＜Ａiax＜３５° （２）
   ここで、
   Ｚiaxは、前記境界を基準にして、所定の位置までの距離を前記中心軸に沿って測ったときの距離、
   前記所定の位置は、前記内部光学面の重心を通り、且つ、前記中心軸と平行な軸が前記曲面領域と交差する位置、
   距離の正負は、前記境界が前記所定の位置よりも物体側に位置する場合を正とし、
   Ｄsは、前記透明樹脂部材の最大外径、
   Ａiaxは、前記中心軸と前記所定の位置を含む平面で定義される断面内での前記曲面領域の形状における、前記所定の位置での傾斜角、
   前記傾斜角は、断面形状における接線と前記中心軸に垂直な軸とのなす角、
   である。
2. 前記非貫通孔を複数有し、
   少なくとも２つの前記非貫通孔は、前記中心軸を含む平面で定義される断面の少なくとも一つに対して鏡像対称となるように形成されてい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。
3. 前記曲面領域の形状は、前記中心軸付近に対称軸を有する軸対称な形状で、前記対称軸からの距離を変数とする関数式で定義可能であり、
   以下の条件式（３）、（４）を満足す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。
   ０．１５＜Ｚ［Ｌ］／Ｚ［Ｄs／２］＜０．５５ （３）
   ０．４＜Ａ［Ｌ］／Ａ［Ｄs／２］＜０．８ （４）
   ここで、
   Ｚ［ｒ］は、前記対称軸から距離ｒだけ離れた前記曲面領域上の点における変位を表す関数、
   前記変位は、前記境界を基準にして、前記曲面領域上の点までの距離を前記中心軸に沿って測ったときの距離、
   Ａ［ｒ］は、前記対称軸から距離ｒだけ離れた前記曲面領域上の点におけるＺ［ｒ］の微係数に基づく傾斜角を表す関数、
   Ｌは、前記対称軸から前記内部光学面の重心までの距離、
   Ｄsは、前記透明樹脂部材の最大外径、
   である。
4. 前記曲面領域は、前記中心軸付近に対称軸を有する球面もしくは非球面であり、
   以下の条件式（５）を満足す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。
   ０．５５＜Ｒoax／Ｄs＜２ （５）
   ここで、
   Ｒoaxは、前記球面中心部における曲率半径絶対値、又は前記非球面中心部における曲率半径絶対値、
   Ｄsは、前記透明樹脂部材の最大外径、
   である。
5. 前記照明部材は、ライトガイド又は発光体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。

Images