JPH04142506A - 内視鏡照明光学系 - 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、内視鏡における、観察物体をライトガイド又
は発光素子による照明の際に用いる光学系に関するもの
である。

〔従来の技術］ 従来知られている内視鏡照明光学系は、一般に第１７図
に示す光学系である。つまりこの図に示すようにライト
ガイド１の出射端面の前方つまり物体側に照明レンズ３
を配置し、ライトガイドから出射した光４を広い範囲に
拡散するようにしたものである。しかしライトガイドの
出射端面から広角度で出射した光が照明レンズの外周部
内面で乱反射して消滅したり、外周部内面で全反射して
視野中心部やライトガイドに向かったりすることによっ
て、視野周辺部への配光が不十分になり広い範囲にわた
っての均一な照明が出来ない。

上記の欠点を解消するためになされた従来例として、特
開昭６４−３６１６号公報に記載された光学系がある。

この内視鏡照明光学系は、ライトガイド側が非球面であ
る照明レンズをライトガイドの前に配置している。この
従来例は、用いている非球面が、その接線とライトガイ
ド端面とのなす角の小さい部分がライトガイドの面積に
占める割合いが大きいため、中央付近の配光が上り、周
辺の配光が相対的に下がる欠点がある。

例えば第１８図における非球面の接線Ｔとライトガイド
１の端面１ａとのなす角θが小さいと光線はあまり曲げ
られない。この接線の向きしたがって角θは非球面上の
場所によって異なるが、角θの小さい部分が多いと非球
面上であまり光線を屈折しない部分が多く、光線の多く
はほぼまっすぐ進むことになり、中心付近の光量が大に
なり、周辺の相対配光が下がる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、光学系中に非球面を設けると共にこの
非球面をその接線とライトガイド端面等の光源端面との
なす角が大きい部分が多くなる形状として視野周辺まで
明るく照明出来、光量ロスの少ない内視鏡照明光学系を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明の内視鏡照明光学系は、ライトガイド又は発光素
子の出射端の物体側に少なくとも一つの非球面を有する
もので、次の条件（１）を満足するようにしたものであ
る。

（１）Ｓ≦０．１２３゜ ただしＳｏは光源の面積、Ｓは非球面における接線と光
源の端面とのなす角θがθ≦１５°となる部分の光源の
面積である。

即ち本発明の内視鏡照明光学系は、例えば第１図に示す
ような構成のもので、ライトガイド１の射出端面の前に
ライトガイド側の面が非球面である非球面レンズ２を配
置したもので、この非球面が前記条件（１）を満足する
ものである。

この非球面の形状の例としては、第２図に示すような座
標系において次のような曲面を表わす多項式を二つ以上
組合わせて表わされる。

ｘ　、　＝ａｏ＋ａ＋ｙ＋ａｚｙ２＋ａ、、ｙ’＋ａ４
ｙ’＋ａｓＹ５＋ａ６ｙ”＋・・・ ただしｙは光軸（Ｘ軸）よりはかった半径である。

本発明の内視鏡照明光学系は、上記のような非球面を設
けしかも前記条件（１）を満足するようにしてその目的
を達成するようにした。

この条件（１）より外れると周辺への相対配光が低下し
て−様な照明が出来なくなる。

前述の従来例（特開昭６４−３６１６号）の場合、非球
面の接線とライトガイドの端面とのなす角が１５゜以下
である部分の面積のライトガイド端面の全面積に対する
比率が１３％である。このライトガイドから出射し、非
球面の接線とライトガイドの端面とがなす角が１５°以
下である面で屈折される光線は、レンズ端面より出射し
ても、レンズの射出面が平面の場合、屈折角が約１２°
にすぎず、視野の中心付近を照明することになり、中心
に対しての視野周辺での配光が相対的に低くなる。更に
レンズ５の射出面が凸面の場合は、屈折角がもっと小さ
くなる。又射出面が凹面であると屈折角は大きくなるが
、凹面に水がたまり、又ゴミが付着し好ましくない。そ
のため射出面は平面、凸面、きわめて緩い凹面が望まし
いが、これらの面は平面として考えればよい。

尚説明では、ライトガイドの一本のオプチカルファイバ
ーから出線の強度は、ライトガイドの軸に平行に近い光
線はど強いので、光線は主光線で代表させている。

この従来例の照明レンズから５０１１Ｉｆｆｌ離れた位
置の平面での光軸上の強度を１．０とした時の各角度で
の相対配光強度（以後平面での相対配光と呼ぶ）を示す
と次の通りである。

角　度（度）　相対配光 ０　　　　　１　、０００ ５　　　　　０．９６８ １０　　　　　０．８８７ １５　　　　　０．７７１ ２０　　　　　０．６５６ ２５　　　　　０．５５９ ３０　　　　　０．４７３ ３５　　　　　０．３９６ ４０　　　　　０．３０７ ４５　　　　　０．２１８ ５０　　　　　０．１２７ ５５　　　　　０、０６０ ６００．０２７ ６５　　　　　０．０１１ ７０　　　　　０．００３ 本発明は、非球面の形状を条件（１）を満足するものと
することによって周辺での配光の改善を行なうもので、
後に示す各実施例のように大幅に改善されている。

ここで非球面の接線とライトガイドとのなす角が１５°
以下であるライトガイドの面積が、ライトガイドの全面
積に占める割合が下記の通りであることが最も望ましい
。

Ｓ≦０．０８３゜ しかし条件（１）を満足すれば実用上充分である。

更に前述の第１７図に示す構成の従来例は、ライトガイ
ドの主光線のライトガイドの軸からの高さ（以下光線高
と呼ぶ）が大きな所から出射する光線は、球面で屈折後
レンズの側面でけられるために、光量の損失となりまた
視野周辺の相対配光も上がらない。これは、光線高の大
きい所からの光線が、球面の屈折力の強くなる球欠周辺
部で屈折するため光軸に対する屈折角が大きくなり、又
球欠周辺部では、屈折点からレンズ端までの距離より屈
折点からレンズ側面までの距離が近くなり、そのために
球欠周辺部で屈折した光線がレンズ端面から射出する以
前にレンズ側面でけられてしまうためである。

この欠点を解消するために本発明では、第４図に示すよ
うに球欠面をライトガイドの半径よりも小さい半径の部
分で折り返した形状として、このけられを除去するよう
にした。つまりこの折り返し部分を設けることによって
光線高の大きい光線は、光軸側へ屈折するために屈折点
からレンズ端面までの距離が屈折点からレンズ側面まで
の距離より短くなるのでレンズ側面でのけられがなくな
り光量の損失が少なくなる。又屈折角の大きい光線が出
射するので視野周辺での相対配光も向上する。つまり第
１図に示すように、光軸を含む断面形状が、ライトガイ
ド側への凸部を二つ有する形状である。

面この凸部は二つに限らず、第５図、第６図のように三
つ、四つでもよい。

更に前記本発明の照明光学系において、非球面の平均の
傾きが光源の端面となす角ωとする時、次の条件を満足
することが望ましい。

ω〉３０゜ 照明光学系の配光を広げて、広角な内視鏡の観察視野を
充分明るくするためには、ライトガイドから出射した主
光線をある程度以上に大きく屈折させる必要がある。第
７図に示すように出射角を２５°にすれば、ライトガイ
ドからの出射光の広がり角は、片側で３０°位であるの
で、片側で２５°＋３０°＝５５°の範囲を照明出来る
ようになる。つまり画角１１０°の内視鏡でも観察し得
る照明が可能になる。このように主光線の屈折による広
がり角を２５°以上とするためには、前記条件のように
ライトガイド端面とレンズの入射面との傾きを３０゜以
上にすればよい。これによって、画角１１０°以上の内
視鏡でも十分明るく照明することが出来る。

又工業用の内視鏡のように、平面に近い物体を観察する
ものの場合は、周辺が暗くなる。しかしωが上記条件を
満足する内視鏡では、１１０°以上の範囲を照明出来る
ので、このような平面を観察する場合でも、画角がおよ
そ８０°以上の内視察にも利用出来る。

又、本発明の照明光学系を側視用内視鏡に適用する場合
について述べる。側視用内視鏡の照明光学系として第８
図乃至第１２図に示す構成のものが用いられている。第
８図は、照明光を側方に向ける手段として、斜面、側面
にアルミや銀をコーテーイングしたプリズムを用いたも
のである。この照明光学系は、比較的視野角の狭い内視
鏡に用いられている。次に第９図に示すものは、ライト
ガイドを屈曲させたもので同様に狭い視野角の内視鏡に
用いられる。又広いスペースを必要とする。

又第１０図、第１１図に示すものは、第８図、第９図の
照明系の前に凹レンズを配置したもので、視野角の比較
的広い内視鏡に用いられる。これらのうち第１１図のも
のは、凹レンズの外径をプリズムの対角より大きくする
必要がある。

以上のうち、本発明のように視野角の大きい内視鏡に用
いる照明光学系としては、第１０図が好ましい。しかし
内視鏡の細径化が望まれる現在では、ライトガイドを側
方へ屈曲させる空間を内視鏡先端部に設けることは困難
である。

第１２図に示すものは、第８図のもののプリズムの入射
端とライトガイドの出射端の間に負の屈折力を有するレ
ンズを配置し、この負の屈折力のしンズに本発明で導入
する非球面を設けて、本発明の照明系とすることが好ま
しい。

〔実施例］ 次に本発明の内視鏡照明光学系の各実施例を示す。

実施例１ ｒ　Ｉ　２（１） ｚ ＝２５．７１ ａ、＝０．７０１４　　ｎ、＝１．７８４７２　　　ｖ
。

＝非球面 非球面を表わす多項式の係数 ａ０＝０、　　　　　　ａ　＋＝５．７０４３Ｘ１０−
”ａｚ　＝４．６１９７、　　　　ａ　３　＝　　２．
２７８５Ｘ１０、ａ　４＝５．９４２１Ｘ１０、　ａ　
ｓ　＝　　６．３５５０　Ｘ　１０、ａ　ｂ　＝２．１
３３１Ｘ１０、ａ７　＋　　ａｓ　＋　・・・＝Ｏａｏ
　＝３．３８４４ｘｌＯ”　、ａ　＋　＝−２，４５９
３Ｘ１０３ａｚ　＝７．３９５１Ｘ１０”　、ａ３　＝
　　１．１７５７Ｘ１０’ａ４＝１．０４２５Ｘ１０’
　、ａｓ　＝　　４．８９１０Ｘ１０’ａｈ　＝９．４
８７１ｘｌＯ”　　ａ７　、　　ａｓ　、　”−−Ｏａ
ｏ　＝２．００４５Ｘ１０２、ａ　＋　＝　　８．２１
６９Ｘ１０２ａｚ　＝１．３４７８Ｘ１０３、ａ３　＝
　　１．１０１８Ｘ１０３−４．４７７４　Ｘ　１０”
　　　ａ　ｓ　　＝　　７．２２６１　Ｘ　１０、＋　
　ａ’？　　＋　　ａａ　　、・・・−０＝Ｏ，００２
６、ｓｚ　　＝０．１３８３、＝０．１４０９、　　ラ
イトガイド径＝２．１６６、ｓｏ　ｘｌｏｏ　＝３．８
２％　、 Ｓ、　　＝３．６８４７ 平均の傾き　４５．３゜ 実施例２ ｒ、　　＝ＯＯ ｄ　Ｉ＝０．５０１９　　ｎ　。

ｒ２＝非球面 多項式の係数 （１）　　ａ　ａ　＝　Ｏ、ａ　ｌ＝１．７３６２、ａ
　Ｚ　＝　　８．５５５１Ｘ１０−’、　ａａ　４　＝
　　５．７０９７ｘｌＯ−２、ａａ　ｂ　＝　　３．７
０５１Ｘ１０−”ａ　？　＝　　３．７７８１　Ｘ　１
０−　”、ａ　ｑ　＝　　９．８６３３Ｘ１０−２、（
２）　　ａ０＝５．０６９１Ｘ１０−’ａｚ　＝１．０
１８８、 ａ　４　＝　　９．２７６４　Ｘ　１０−２＝１．７８
４７２ ν　１ ＝２５．７１ ３　　＝−４，０２７７Ｘ１０−２ ５＝５．３８９２ｘｌＯ−３ 、＝１．０１３４Ｘ１０ １゜＝　３．４２０６　Ｘ　１０ 、　　＝９．９０９１Ｘ１０ ｚ　　＝４．９６８１ｘｌＯ ｓ　　＝６．０２０５Ｘ１０ ａｈ　−５，５９３０Ｘ１０−２ａ７＝２．６４１１Ｘ
１０−”ａａ　　＝−８，２６３１ｘｌＯ−３ａｑ　　
＝１．５１４９ｘｌＯ−３ａ　＋ｏ＝−１．２３６２ｘ
ｌＯ−’ Ｓ、＝０、　　　　５２＝０．０８１０、Ｓ　　＝０．
０８１０、　　　ライトガイド径＝２．３、平均の傾き
　４７．８゜ 実施例３ ｒＩ　２ω ｄ　＋　　＝０．５０１９　　ｎ　＋ ｒ２＝非球面 多項式の係数 （１）ａ、＝ｏ、ａ　、　＝５．４３０８Ｘ１０ａ　ｚ
　＝５．４８０２Ｘ１０−’　　　ａ　３ａ　４　＝９
．１０５５　Ｘ　１Ｏ−３ａ　５ａ　ｂ　＝　　５．１
２３８Ｘ　１０−”　　ａ　？ａ　ｅ　＝　８．９７３
２　Ｘ　１０弓　　ａ９ａ、。＝　１．７９７２　Ｘ　
１０−”（２）　　ａ　ｏ　＝５．０７５０Ｘ１０”’
　　　ａ　＋ａ　ｚ　＝　　９．９７９３Ｘ　１０刊、
ａ３＝１．７８４７２ シ、＝２５．７１ ＝１．５３８５Ｘ１０ ＝−４，９８２３ｘ１０弓 ＝−６，２００７Ｘ１０−３ ＝−６，３７５８Ｘ１０−” ＝１．１００９、 ＝１．３５８１Ｘ１０−３ ａ　４　　＝１．０１６１Ｘ１０−２ ａ　ｓ−７，０７５８Ｘ　１０−　” ａ　６　　＝１．０７７０Ｘ１０−９ａ　？ａ　ｓ　　
＝５．９１７２ＸｌＯ−” ａ　ｑ−１，８９６１Ｘ　１０−　” ａ　＋ｏ＝２．５８３４ＸＩＯ−” Ｓ、＝０、　５２＝０．０５８１、 Ｓ　＝０．０５８１、　　　ライトガイ＝−１，０２４
５Ｘ１０−” ド径＝２．３ 平均の傾き　４５．３’ 実施例４ ｒ、＝（Ｘシ ｄ　Ｉ＝０．４５０３　　ｎ　＋ ｒ２−非球面 多項式の係数 （１）ａｏ＝ｏ、ａ、＝ ａ　ｚ　＝　１．２９７１　Ｘ　１０、ａ　ａ　−２，
２６７７Ｘ　１０３ ａ　ｂ　＝　５．１７３３　Ｘ　１０’ａ　ｍ　＝１．
６５３３Ｘ１０’ −１，７８４７２ ν　！ ＝２５．７１ ２．４４９２　ｘ　１０−　’ ａ　：ｌ　　＝　　２．１３４８　Ｘ　１０”、ａ　ｓ
　　−１，３８９４Ｘ１０’ ａ　？　　＝　　１．１９０３Ｘ１０Ｓ、ａ　ｑ　　＝
　　１．２７１１ｘｌＯ５ａ、。−４，１５５５Ｘ１０
’ ａ　ｏ　　＝　　３．１７９８Ｘ１０３ａｚ　　＝　　
２．２４８５ｘｌＯ５ ａ　４　　＝　　１．５８０７　Ｘ　１０’ａ　、＝−
２，２８４２Ｘ１０’ ａ　ｓ　　＝　　６．７８９０Ｘ１０５ａ　ｌｏ＝　　
２．０１０３Ｘ１０’ Ｓ　＋　　＝０．０１１８　　　　　　　Ｓ　ｚ　　＝
　ＯｌＳ　　＝０．００１１８、　　ライトガイド径−
１，９、＝４．００７４Ｘ１０’ ＝７．３９７９Ｘ１０’ ＝２．２９２１Ｘ１０６ ＝１．５４５０Ｘ１０６ ＝１．７５０１Ｘ１０’ 平均の傾き　４６．３゜ ただしＳ、、Ｓ２は夫々中心部と周辺部でのＳの値であ
る。

実施例１は、第１３図に示す通りの断面形状である。こ
の図は下半のみ示してあり、実際のものは光軸０を軸と
して回転させた形状である。第１面は平面、第２面は、
二つの６次の多項式と一つの５次の多項式とを継ぎ合わ
せて形成された非球面である。つまりこの非球面は、光
軸からライトガイドに接する接点Ｐ、までの範囲（１）
は６次の多項式で、この接点Ｐ、から、レンズの外周面
までは、点Ｐ２までの範囲（２）の６次の多項式と点Ｐ
２からの範囲（２）の５次の多項式で表わされる面から
なっている。光軸から接点Ｐ、までの６次の多項式の非
球面で角度の大きいところの配光を良くし、これによっ
て中心部の配光が悪くなるのを接点Ｐ。

から周辺までの６次の多項式、５次の多項式による非球
面によりこの中心付近の配光を補っている。

この実施例１は、片側４０°までほぼ等しい配光を得る
ことが出来、画角８０°までの平面をほぼ均一に照明で
き、更に大きい画角のところも高い配光が得られる。こ
の実施例１の非球面レンズの形状は縁肉厚を確保しやす
い。

実施例２は、第１４図に示す構成である。つまり第１面
が平面、第２面が、１０次の多項式を二つ継ぎ合わせた
形状の非球面である。

この実施例２で用いる非球面は、光軸からライトガイド
との接点Ｐ、までの範囲（１）が１０次の多項式、この
接点Ｐ、からレンズ外周部までの範囲（２）が１０次の
多項式である。この実施例２も光軸から上記の接点まで
の多項式で表わされる面で角度の大きなところでの配光
を良くし、これによって悪くなった中心付近の配光を接
点から周辺までの多項式の面で補なっている。

この実施例２は、照明光学系から、一定の距離にある半
球面の内側を照明する場合に、画角１４０゜位までを充
分な配光で照明することが出来る。

この実施例２の非球面レンズは、非球面が湾曲点を含ま
ない形状であるので、ガラス成形で加工する場合、加工
が容易である。

実施例３．４は、夫々第１５図、第１６図に示すような
断面形状である。

これら実施例は、第１面が平面、第２面が１０次の多項
式を二つ継ぎ合わせ形成された非球面である。

実施例３．４共に、光軸からライトガイドと接する接点
Ｐ、までの範囲（１）を１０次の多項式、接点Ｐ１から
周辺までの範囲（２）を１０次の多項式の非球面にしで
ある。

実施例３と実施例４は、似た形状をしている。

しかし実施例３は実施例１．２と同じように光軸で多項
式が微分不能（面がとがった形状）である。

一方実施例４は、光軸上で微分可能（滑らかな形状）で
ある。

又実施例３．４ともに片側で考え１０°〜４０°付近ま
での配光が中心に比べてかなり高（なっている。これは
管状の物体を照明するのに適したものになっている。こ
れら実施例のうち実施例３は、片側１０°〜５０’位ま
での配光が高くなっているので、画角１００°位までの
内視鏡の照明光学系として適している。又実施例４は片
側１０°〜７０°位まで高い配光が得られるので、画角
１４０°の内視鏡の管腔用照明に適している。

実施例３．４は、非球面形状が湾曲点を含まないので加
工が容易でかつ縁肉厚を充分確保できるので大変有効で
ある。

以上の実施例１〜４は、いずれも非球面の断面形状が２
ケ所以上の微分不能な点を含んでおり、これにより条件
（１）を満足するようになっている。

又この微分不能な点は、二つの多項式であられさ相対配
光 １．０００ ０．９９２ １．００７ １．０４１ １．０３４ ０．９６１ ０．９２４ ０．９３３ ０、．９０１ ０．７５９ ０．５４０ ０．３３５ ０．１７７ ０．０７９ ０．０２９ 相対配光 １．０００ １．０８１ １．１４５ １．０１８ ０．７１６ ０．３８８ ０．１５０ ０．０２２ 相対配光 １．０００ １．１６２ １．３６２ １．３８３ １．１３９ ０．５０２ ０、１４８ ０．０２４ 実施例４ 角度（度）　　　相対配光 ００　　　　　　　１　、０００ ０５　　　　　　　１．０４７ １０　　　　　　　１．１５６ Ｉｓ　　　　　　　　１．２６８ ２０　　　　　　　１．３５３ ２５　　　　　　　１．３６０ ３０　　　　　　　１．２６２ ３５　　　　　　　１．０８４ ４０　　　　　　　０．８９１ ４５　　　　　　　０．７１１ ５０　　　　　　　０．５６４ ５５　　　　　　　０．４０２ ６０　　　　　　　０．２３９ ６５　　　　　　　０．１１１ ７０　　　　　　　０．０３９ 上記の配光を前記従来例のものと比較すると、これら実
施例が、周辺において改善されていることがわかる。

〔発明の効果］ 本発明の内視鏡照明光学系は、広角な内視鏡にも対応し
得るもので、周辺の配光が良好で、光量損失の少ない照
明光学系である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す図、第２図は非球面の式の
座標系を示す図、第３図は非球面接線とライトガイド端
面とのなす角が１５°以下の部分を示す図、第４図は側
面でのけられを除去したレンズの断面図、第５図、第６
図は夫々凸部を三つおよび四つ有するレンズの断面図、
第７図１フ屈折面と出射光との関係を示す図、第８図乃
至第１２図はいずれも側視内視鏡の照明光学系の構成を
示す図、第１３図乃至第１６図は夫々本発明の実施例１
乃至実施例４の断面図、第１７図は従来の内視鏡照明光
学系の構成を示す図、第１８図は非球面の接線とライト
ガイドの端面とのなす角を示す図である。 出願人　オリンパス光学工業株式会社 代理人　　　向　　　　寛　　二 第 図 第２ 図 第３ 図 第５ 図 第６図 ＄８ 図 第１０図 第９ 図 第１１図 第１６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ライトガイド又は発光素子の出射端の物体側に配置され
   ている少なくとも一つの非球面を有する光学系で、次の
   条件を満足することを特徴とする内視鏡照明光学系。 Ｓ≦０．１２Ｓ＿０ ただしＳ＿０は光源の面積、Ｓは非球面における接線と
   光源の端面とのなす角θがθ≦１５°となる部分の光源
   の面積である。