JPH04134303A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内視鏡やレーザーメス等を初めとする光学装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の側視型内視鏡の光学系は、例えば第２９図に示し
た如く、凹レンズｌとプリズム２と凸レンズ３とから成
る対物レンズ４と、イメージガイドファイバー束５とか
ら構成され、凹レンズｌを通った物体からの光はプリズ
ム２により９０°偏向され、レンズ３を通ってイメージ
ガイドファイバー束５の入射端面に結像せしめられるよ
うになっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上述の如き光学系では、プリズム２は正反射
（入射角＝反射角）により光の偏向を行うものであるた
め、９０°の偏向角を得るためには必ず頂角θを４５°
にしなければならず、その結果内視鏡先端部の長手方向
に沿う長さｌを短くするのには限界があった。又、プリ
ズム２とレンズ１．３は、何れも光軸方向においてかな
りの厚みを有していた。又、これらは偏向作用及び結像
作用の何れか一方の機能しか有していないため、光学系
の構成要素数を減らすことには限界があった。従って、
光学系の光軸方向の長さを短（して光学系を小型化する
ことは非常に困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑み、光学系を非常に小型にし
得る光学装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による光学装置は、オフアクシス型ホログラム光
学素子を用いていることを特徴としている。

〔作　用〕

オフアクシス型ホログラム光学素子は回折作用により光
の偏向を行うものであるため、プリズムのように正反射
関係に縛られることなく、光の偏向方向を設定すること
かできる。即ち、オフアクシス型ホログラム光学素子を
プリズムの代わりに用いれば、オフアクシス型ホログラ
ム光学素子をかなり立てても９０°の偏向角を得ること
かできる。又、オフアクシス型ホログラム光学素子は、
偏向作用と結像作用の両方の機能を有しているので、光
学系の構成要素数を減らすことができる。

又、オファクンス型に限らないがホログラム光学素子は
光軸方向の厚みか非常に薄い。従って、光学系を非常に
小型にすることかできる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基つき上記従来例と同一の部材
には同一符号を付して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による光学装置の第１実施例の光学系を
示しており、これは側視型の内視鏡の光学系において、
偏向素子として通常のプリズムの代わりに斜面に反射型
のオフアクシス型ホログラム光学素子６を設けて成るプ
リズム７を用いたものである。このオフアクシス型ホロ
グラム光学素子６を有するプリズム７は、第２図に示し
た如く、プリズム７の斜面に感光層を設けた後、一つの
レーザ光源からのレーザ光を二元路に分けて二つの平面
波を作り、正反射方向から外れた二つの方向（完成後の
プリズム７の入射方向と反射方向）から感光層に照射し
て露光させてから現像し、それらの干渉パターンを記録
することによって形成される。即ち干渉パターンの記録
された感光層かオフアクシス型ホログラム光学素子６と
なる。尚、プリズム７は、プラスチック成形により作成
したホログラムや計算機を用いて作成したホログラムを
斜面に貼り付けることによっても形成できる。

本実施例は上述の如（構成されており、偏向素子として
斜面にオフアクシス型ホログラム光学素子６を有するプ
リズム７を用いているので、プリズム７の頂角θを４５
°よりも小さくしても９０°の偏向角を得ることかでき
る。例えば、頂角θは４０°、３５°、３０’、　・・
・・と選ふことがてきる。従って、内視鏡先端部の長手
方向に沿う長さｌを従来例（第２９図）よりも短くでき
るので、光学系を小型化でき、長手方向先端硬性部の長
さを短くてきる。

第３図は第２実施例の光学系を示しており、これは直視
型の電子内視鏡の光学系において、対物レンズ７中にオ
フアクシス型ホログラムレンズ８を設けたものであって
、鉗子孔９かあるためにＣＣＤ等の固体撮像素子１０を
対物レンズ７の光軸に対して偏心させて配置しなければ
ならない場合にオフアクシス型ホログラムレンズ８によ
って結像位置を光軸と直交する方向にずらし、固体撮像
素子１０の中心Ｃに結像させるようにしたものである。

このオフアクシス型ホログラムレンズ８は、第４図に示
した如く、薄いガラス板ｌｌ上に感光層１２を形成し、
一つのレーザ光源からのレーザ光を二元路に分けて点Ａ
（対物レンズ７からホログラムレンズ８を除くレンズ系
による物体の像点）と点Ｃとに夫々収束する二つの球面
波を感光層１２に照射して露光させてから現像し、それ
らの干渉パターンを記録することによって形成される。

そして、ホログラムレンズ８の焦点距離ｆは次式（１）
により決定される。

ｆ　　　　　　ａｂ　　　λ、 但し、λ。は再生時の波長、λ、はホログラムレンズ８
を作成する時の波長（例えばＨｅ−Ｎｅレーザでは６３
２８人である）、ａは感光層１２から点Ａまでの距離、
ｂは感光層１２がら点Ｃまでの距離である。尚、オフア
クシス型ホログラム光学素子８は、プラスチック成形法
や計算機を用いた作成法によっても作ることかできる。

第５図は第３実施例の光学系を示しており、これは直視
型の電子内視鏡の光学系において、対物レンズ７中に互
いのガラス板の部分を貼り合わせた二つのオフアクシス
型ホログラムレンズ１３゜１４を設けたものであって、
第２実施例と同様にホログラムレンズ１３．１４によっ
て結像位置を光軸と直交する方向にずらし、固体撮像素
子ＩＯの中心Ｃに結像させるようにしたものである。但
し、本実施例は固体撮像素子１０の正面から結像光が入
射するようにできるので、カラーモザイクフィルタを入
射面に備えた単板カラー固体撮像素子を用いる場合には
色のクロストークが発生しに＜＜、第２実施例よりも有
利である。これらのオフアクシス型ホログラムレンズ１
３．１４は、第６図に示した如く、比較的厚肉のガラス
板１５上に感光層１６を形成し、一つのレーザ光源から
のレーザ光を二元路に分けて点Ｃに収束する球面波とＢ
方向（光がホログラムレンズ１３に入射する方向又はホ
ログラムレンズ１４から射−出する方向）に向う平面波
を感光層１６に照射して露光させてから現像し、それら
の干渉パターンを記録することによって形成される。尚
、−枚の共通のガラス板１５の前後面に干渉パターンを
形成することにより二つのホログラムレンズ１３．１４
を作成しても良く、その場合実装寸法が小さ（なるとい
う利点がある。

第７図は第４実施例の光学系を示しており、これは側視
型の電子内視鏡の光学系において、対物レンズ７中にオ
フアクシス型ホログラムレンズ１７を用いたものであっ
て、ライトカイト１８が邪魔になるために固体撮像素子
１０を対物レンズ７の光軸に対して偏心させて配置しな
ければならない場合にオフアクシス型ホログラムレンズ
１７によって結像位置を光軸と直交する方向にずらし、
固体撮像素子ｌＯの中心Ｃに結像させるようにしたもの
である。このオフアクシス型ホログラムレンズ１７の作
り方は、第２実施例のオフアクシス型ホログラムレンズ
８と同じである。

第８図は第５実施例を示しており、これは治療用のレー
ザメス即ちＹＡＧレーザ光源１９と石英製の単ファイバ
ー２０とから成るレーザメスの単ファイバー２０の射出
端面にオフアクシス型ホログラムレンズ２１を設けたも
のであって、レーザ光源１９からのレーザ光を単ファイ
バー２０に入射し、単ファイバー２０を射出する時ホロ
グラムレンズ２１により偏向且つ集光せしめて患部等を
カットするようになっている。これは、オフアクシス型
ホログラムレンズ２１が光軸方向の厚みが薄く面もレー
ザ光を偏向させることができるので、従来のガラスプリ
ズムを用いたものよりも有利である。又、従来のガラス
レンズを用いたものよりコンパクトになり、内視鏡の鉗
子孔に入れることが可能になるという利点もある。

尚、オフアクシス型ホログラムレンズ２１の代わりにオ
ンライン型ホログラムレンズを用いても同様な効果が得
られる。

第９図は第６実施例を示しており、これは円錐状の接触
型レーザ・プローブ即ちＹＡＧレーザ光源１９と単ファ
イバー２０と円錐状のプローブ（単ファイバー）２２と
から成るレーザプローブの単ファイバー２０の射出端面
とプローブ２２との間にオフアクシス型ホログラムレン
ズ２３を着脱自在に設けたものであって、ホログラムレ
ンズ２３を選択することによりプローブ２２の先端面に
おけるレーザ光の強度分布を用途によって変えることか
できる。第１Ｏ図は第７実施例を示して呻り、これは太
陽光をオフアクシス型ホログラムレンズ２４によって偏
向させつつライトガイド１８の入射端面に集光せしめ、
ライトガイド１８の射出端面に配置されたホログラムレ
ンズ２５によって拡散して室内２６を照明するようにし
たものである。尚、ホログラムレンズ２４．２５はプラ
スチック成形で作ると安価になる。

又、オフアクシス型ホログラムレンズ２４の代わりにオ
ンライン型ホログラムレンズを用い且つライトガイド１
８の入射端部を曲げても同様な効果が得られる。

第１１図は第８実施例を示しており、これは自動車のヘ
ッドライト用のレンズとしてオフアクシス型ホログラム
レンズ２７を着脱自在に設けたものであって、ホログラ
ムレンズ２７を選択することにより必要に応じて照明光
の配光を自由に選ぶことができる。又、ホログラムレン
ズ２７をプラスチック成形で作れば、ガラスレンズに比
べ遥かに軽く薄くできる。

第１２図は第９実施例を示しており、これは自動車のハ
ックミラーやサイトミラーとして凸面鏡として機能を有
するオファクンス型ホログラム反射鏡２８を用いたもの
である。このオファクンス型ホログラム反射鏡２８は、
第１３図に示した如く、カラス板１９上に感光層１２を
形成し、一つのレーザ光源からのレーザ光を三元路に分
けて視点Ｓと物体の像点Ｉとに夫々収束する二つの球面
波を感光層３０に照射して露光させてから現像し、それ
らの干渉パターンを記録することによって形成される。

第１４図は第１０実施例を示しており、これは腕時計の
日付を拡大して読むレンズとしてオフアクシス型ホログ
ラムレンズ３１を用いたものであって、ホログラムレン
ズ３１の偏向作用により使用者の眼の方向から楽に日付
が読み取れるという利点かある。

第１５図は第１１実施例を示しており、これは電子機器
等の表示に用いられるＬＥＤ３２の光をいろいろな方向
に拡散させるためのレンズとじてオフアクシス型ホログ
ラムレンズ３３を用いたものであって、眼の方向に光を
偏向させて見易くすることかできる。

第１６図は第１２実施例を示しており、これはｌ眼しフ
カメラの光学系において、文字等を表示するＬＥＤ３４
から出た光か結像レンズ３５によりフォーカシングスク
リーン３６上に結像せしめられる際に作用するフィール
ドレンズとしてオフアクシス型ホログラムレンズ３７を
フォーカンングスクリーン３６と一体に形成して成るも
のである。図中、３８は撮影レンズ、３９はビームスプ
リッタ、４０はクイックリターンミラー　４１はフォー
カシングスクリーン３６上に一体に設けられていてフィ
ールドレンズとして作用するフレネルレンズ、４２はプ
ンタプリズム、４３は接眼レンズ、４４はフィルム、４
５は焦点検出光学系である。

本実施例は上述の如く構成されているので、ＬＥＤ３４
から出た光は結像レンズ３５の作用を受けつつクイック
リターンミラー４０て反射され、オフアクシス型ホログ
ラムレンズ３７を通ってフォーカシングスクリーン３６
上に結像せしめられる。そして、その像かペンタプリズ
ム４２．接眼レンズ４３を介して観察される。尚、フレ
ネルレンズ４１の代わりにインライン型ホログラムレン
ズを用いても良いことは云うまでもない。又、ホログラ
ムレンズ３７をプラスチック成形により作れば、安価に
なる。

第１７図は第１３実施例を示しており、これは硬性鏡４
６（或はファイバースコープ）に取付けられるテレビカ
メラ４７の光学系において、硬性鏡４６からの光をファ
インダー光路Ｏ１と撮像光路０２とに分けるために二つ
のプリズム４８．４９の接合面に設けられたビームスプ
リッタとしてオファクンス型ホログラムミラー５０を用
いたものである。そして、ホログラムミラー５０を透過
した光の像はプリズム４８を通って肉眼で観察され、ホ
ログラムミラー４８で反射された光はプリズム４９て一
回反射された後撮影レンズ５１により固体撮像素子ＩＯ
に結像せしめられ、固体撮像素子１０から出力された信
号は信号処理回路５２て映像信号となり、ＴＶモニター
５３に画像として表示されるようになっている。このオ
ファクンス型ホログラムミラー５０は、第１８図に示し
た如く、カラス板５４上に感光層５５を形成し、つのレ
ーザ光源からのレーザ光を二元路に分けて二つの方向（
ファインダー光路Ｏ１の方向と撮像光路０２の方向）か
ら平面波を感光層５５に照射して露光させてから現像し
、それらの干渉パターンを記録することによって形成さ
れる。これを二つのプリズム４８．４９の接合面に貼り
付ければ良い。

第１９図は第１４実施例を示しており、これは第１３実
施例においてプリズム４９と撮像レンズ５１との間に他
のプリズム５６を付加して光路を下げると共に、プリズ
ム４９．５６にＡｆｆの反射面Ｒを設けたものである。

尚、Ｐは全反射面である。本実施例によれば、固体撮像
素子１０の位置が下がるので、観察者の顔の邪魔になり
難いという利点がある。

第２０図は第１５実施例を示しており、これは第１３実
施例においてプリズム４９の全反射面Ｐを斜めにして光
路を下げると共に、硬性鏡４６とプリズム４９との間に
他のプリズム５７を配置して硬性鏡４６を射出した光が
曲がらずにオフアクシス型ホログラムミラー５０に入射
するようにしたものである。本実施例によればプリズム
４９の横方向の長さが短くなり、コンパクトに構成でき
るという利点がある。

尚、上記第１３乃至第１５実施例は、ホログラムミラー
５０により反射の法則を満たさぬ方向へも光を分割して
送ることができるので、設計の自由度が増え、テレビカ
メラをコンパクトに構成できるという利点がある。

第２１図は第１６実施例を示しており、これは立体形状
測定用の内視鏡において、照明用ライトガイド１８の前
側にホログラムレンズ５８を配置したものである。ホロ
グラムレンズ５８は、物体をほぼ均一に照明するために
ライトガイド１８の射出光の配光角を広げる役割と計測
用のパターン（図では十字）を作る役割とを有している
。このホログラムレンズ５８は、第２２図に示した如く
、ガラス板５９上に感光層６０を形成し、一つのレーザ
光源からのレーザ光を二元路り、Ｍに分け、光路りの光
をほぼ平行光にしてハーフミラ−６１を介して感光層６
０に当て、光路Ｍの光を十字形の暗いパターンを持つチ
ャート６２に入射し、レンズ６３によってチャート６２
の像が物点に結像するような光にして感光層６０に当て
て、感光層６０を露光させてから現像し、それらの干渉
パターンを記録することにより形成される。

第２３図は第１７実施例を示しており、これは内視鏡の
鉗子孔９を経由して立体形状測定用のパターンを投影す
るようにした光学系において、半導体レーザ光源６４か
らのレーザ光をライトガイド１８を介してホログラムレ
ンズ５８により物体面に十字パターンを投影するように
したものである。この場合、ホログラムレンズ５８は単
にパターンを作る役割だけを有していても良い。

第２４図は第１８実施例を示しており、これは硬性鏡の
リレーレンズ系にホログラムレンズ６５を用いたもので
ある。ホログラムレンズ６５は凸レンズの場合質のアツ
ベ数を持つので、凹レンズを用いずに色収差の除去がで
きるという利点がある。この点について以下に詳細に説
明する。

ホログラムレンズの焦点距離ｆの波長依存性は波長λに
逆比例するので、次式が成り立つ。

λＣ 但し、λ、はホログラムレンズ作成時の波長、λ０は再
生時の波長である。

一般にｄ線に対するアツベ数νｄは、次式を満足する。

但し、ｆＦ、ｆ、、ｆ、は夫々Ｆ線。

Ｃ線、ｄ線に対する焦点距離である。

式（３）に式（２）を代入すると、 １　　　１　　　　　λ４　（λ。−λＦ　）λ、　　
　λ。

５８７．６　　Ｘ　（６５６，３−４８６，１）・・・
・（４） となり、ホログラムレンズが実効的に負のアツベ数をも
つことがわかる。但し、シ、Ｈは実効的なホログラムレ
ンズのアツベ数である。

ここで、本実施例（第２４図）のリレー系でのホログラ
ムレンズ６５のｄ線の焦点距離をｆａ’、通常のレンズ
６６のｄ線の焦点距離及びアツベ数を夫々ｆａＬ＋　　
シ、Ｌとすれば、像面、物体面近くのレンズは軸上色収
差にあまり影響しないことを考慮して、 が軸上色収差を除去する条件式となる。

又、リレー系の中央付近の結像レンズがｌ、ｓ（つかの
レンズの組み合わせから成る時は、１番目のレンズのｄ
線のアツベ数及び焦点距離を夫々νｄＬ′、ｆｄＬ゛と
すれば、 ｈ、ｎ１ホログラムレンズ６５におけるマージナル光線
６８の高さをｈ８とすれば、 が軸上色収差除去の条件となる。

第２５図（Ａ）及び（Ｂ）に示した如く、ホログラムレ
ンズ６５を凹レンズ、凸レンズと組み合わせて用いると
、色収差以外の収差の補正ができるので好ましい。

第２６図は第１９実施例を示しており、これは硬性鏡の
リレーレンズ系において不均質媒質のリレーレンズ６７
の例えば射出端面にホログラムレンズ６５を接合するこ
とにより、レンズ枠の構造を簡単にしたものである。ホ
ログラムレンズ６５は色収差の除去にも使用できるが、
その場合ホログラムレンズ６５はマージナル光線６８の
高い位置（図中のｐ、ｑ、ｒなど）の近傍に配置するの
が良い。

ここで、マージナル光線６８の高さの最大値をがホログ
ラムレンズ６５を効果的に色収差補正に使用し得る条件
となる。

第２７図は第２０実施例を示しており、これはニュート
ン式反射望遠鏡において、球面反射鏡６９の表面に反射
型ホログラムレンズ光学素子７０を形成して球面収差を
効果的に除去するようにしたものである。尚、７１は斜
鏡である。

第２８図は第２１実施例を示しており、これはバーシェ
ル型の反射望遠鏡において、凹面反射鏡７２の表面にオ
フアクシス型ホログラム光学素子７３を形成して球面収
差を補正するようにしたものである。尚、凹面反射鏡７
２は球面鏡でも非球面鏡でも良い。

尚、上記各実施例において、位相タイプのホログラム光
学系素子を用いる方が、光の損失が少なくて良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学装置の第１実施例の光学系を
示す図、第２図は第１実施例のオフアクシス型ホログラ
ム光学素子の作成方法を示す図、第３図は第２実施例の
光学系を示す図、第４図は第２実施例のオフアクシス型
ホログラムレンズの作成方法を示す図、第５図は第３実
施例の光学系を示す図、第６図は第３実施例のオフアク
シス型ホログラムレンズ子の作成方法を示す図、第７図
乃至第１０図は夫々第４乃至第７実施例の光学系を示す
図、第１１図及び第１２図は夫々第８及び第９実施例の
概略図、第１３図は第９実施例のオフアクシス型反射鏡
の作成方法を示す図、第１４図及び第１５図は夫々第１
Ｏ及び第１１実施例の概略図、第１６図及び第１７図は
夫々第１２及び第１３実施例の光学系を示す図、第１８
図は第１３実施例のオフアクシス型ホログラムミラーの
作成方法を示す図、第１９乃至第２１図は夫々第１４乃
至第１６実施例の光学系を示す図、第２２図は第１６実
施例のホログラムレンズの作成方法を示す図、第２３図
及び第２４図は夫々第１７及び第１８実施例の光学系を
示す図、第２５図（Ａ）及び（Ｂ）は夫々第１８実施例
の変形例を示す図、第２６図乃至第２８図は夫々第１９
乃至第２１実施例の光学系を示す図、第２９図は従来例
の光学系を示す図である。 ｌ・・・・凹レンズ、３・・・・凸レンズ、４・・・・
対物レンズ、５・・・・イメージガイドファイバー束、
６゜７３・・・・オフアクシス型ホログラム光学素子、
７゜４８．４９，５６．５７・・・・プリズム、８，１
３゜１４．１７，２１，２３，２４，２７，３１，３３
．３７・・・・オフアクシス型ホログラムレンズ、９・
・・・鉗子孔、ｌＯ・・・・固体撮像素子、１１，１５
．１９，５４．５９・・・・ガラス板、１２，１６゜３
０．５５．６０・・・・感光層、１８・・・・ライトガ
イド、１９・・・・ＹＡＧレーザ光源、２０・・・・単
ファイバー　２２・・・・プローブ、２５，５８．６５
・・・・ホログラムレンズ、２６・・・・室内、２８・
・・・オフアクシス型ホログラム反射鏡、３２．３４・
・・・ＬＥＤ、３５・・・・結像レンズ、３６・・・・
フォーカシングスクリーン、３８・・・・撮影レンズ、
３９・・・・ビームスプリッタ、４０・・・・クイック
リターンミラー　４１・・・・フレネルレンズ、４２・
・・・ペンタプリズム、４３・・・・接眼レンズ、４４
・・・・フィルム、４５・・・・焦点検出光学系１．４
６・・・・硬性鏡、４７・・・・テレビカメラ、５０・
・・・オフアクシス型ホログラムミラー　５１・・・・
撮像レンズ、５２・・・・信号処理回路、５３・・・・
ＴＶモニター　６１・・・・ハーフミラ−６２・・・・
チャート、６３゜６６・・・・レンズ、６４・・・・半
導体レーザ光源、６７・・・・リレーレンズ、６８・・
・・マージナル光線、６９・・・・球面反射鏡、７０・
・・・反射型ホログラム光学素子、７１・・・・斜鏡、
７２・・・・凹面反射鏡。 第１ 矛３図 第２図 １？４図 １８図 矛９図 第１３図 第１５図 七（戸　１４　図 七（戸　１６　図 第２５図 第２６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）オフアクシス型ホログラム光学素子を用いた結像
   光学装置。
2. （２）オフアクシス型ホログラム光学素子を用いたレー
   ザーメス。