JPH05119272A - 内視鏡照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広角な内視鏡にも用い得て、しかも球面状物
体に対しほぼ均一な照度分布でさらに平面状物体、管腔
状物体にも良好な照度分布を与える照明光学系を提供す
ることにある。 【構成】 少なくとも一つの正レンズを含みこの正レン
ズの少なくとも１面を非球面にしてｈ＝ｆθを満足する
ようにして上記目的を達成するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内視鏡用の照明光学系
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年内視鏡の光学系が広角化するにつれ
て照明系も広角なものが要求されるようになってきた。
又観察対象物に対して適切な照度分布を与える照明光学
系の要求も高まっている。

【０００３】上記のような要求に対して、広角な内視鏡
用照明光学系の例として特開昭５６−２０４２８号公報
に記載された光学系が知られている。それは図２０図に
示すようにオプチカルファイバーバンドルからなるライ
トガイド１の前に正のレンズ系２を配置し、このレンズ
系２によりライトガイド１よりの光を一度集光させた後
に発散させて広角な照明を可能にしたものである。

【０００４】この従来例は、ライトガイドより光軸に平
行に発した光線がレンズ系への入射高ｈと、この入射光
線高ｈに対する照明光学系からの射出角θとの関係が、
ほぼｈ＝ｆsin θになっている。尚ｆは非球面を近似曲
率で表わした時の照明光学系の焦点距離である。

【０００５】この従来例による平面状物体上における相
対的照度分布は、次のようにして求められる。

【０００６】完全拡散面の平面状物体における中心に対
する周辺の相対的照度分布は、一般に次の式（１）で表
わされる。 Ｆ（θ）＝（β／β_M ×β／β_S ）^-1 （１） ただしβは物体面に対する近軸倍率、β_M ，β_S は夫々
物体面に対するメリジオナル方向およびサジタル方向の
倍率である。

【０００７】上記式のβ_M ，β_S は、物体距離が、レン
ズ系の射出瞳位置より十分離れている時には、夫々次の
式（２），（３）で与えられる。 β_M ＝βcos²θ {dA（θ)/ｄθ} （２） β_S ＝β {A(θ))/tanθ} （３） ただしＡ（θ）＝h/f である。

【０００８】上記の式（２），（３）より、前記の従来
例における完全拡散面の平面状物体を照明した時の相対
的照度分布は、Ｆ（θ）＝cos⁴θとなり、図１９に示す
ような中心から周辺に行くにしたがってcos⁴θに比例し
て暗くなる。

【０００９】またこの従来例により球面状物体又は管空
状物体を照明した時の相対的な照度分布は、以下のよう
にして求められる。

【００１０】一般に完全拡散面の球面状物体の相対的な
照度分布と管空状物体の相対的な照度分布は、夫々下記
式（５），（６）にて与えられる。 Ｇ（θ）＝Ｆ（θ）×1/cos³θ （５） Ｈ（θ）＝Ｆ（θ）×tan³θ （６） ただし、Ｇ（θ），Ｈ（θ）は夫々完全拡散面の球面状
物体および管空状物体の相対的な照度分布である。

【００１１】上記の式（５），（６）より、上記従来例
における完全拡散の球面状物体および管空状物体の相対
的な照度分布は、夫々Ｇ（θ）＝cos θ，Ｈ（θ）＝co
sθ・sin³θとなり、図２０に示すようになる。

【００１２】上記の図１９から明らかなように、球面状
物体の場合は、中心から周辺に行くにつれて、cos θに
したがって照度が下るが、実用上は問題のない照度分布
が得られる。また管空状物体の照度分布は、視野周辺で
急激に明るくなることはなく適正な照度分布が得られて
いる。

【００１３】しかし上記従来例のようにほぼｈ＝ｆsin
θの関係を満足する照明光学系は、視野角が１１０°以
上の広角な観察光学系に対し適用した場合、広角化に伴
って物体側から数えて第２面、第３面のパワーが強くな
りすぎてｈとsin θとが比例しなくなり、入射光線高の
高い光線は物体側から数えて第１面または第３面で全反
射する。又入射光線高の高い光線程全反射を起こし易
い。そのために１１０°以上の広角域での照度は、あま
り増加せず光量だけが急激に減少してしまう。又視野角
が１１０°以上の広角な観察光学系に適用できる照明光
学系の例として、特開昭５８−９５７０６号公報に記載
された光学系がある。それは図２１に示す構成で、図２
０に示す従来例と比べ、レンズ枚数が多く、コスト高に
なる欠点がある。

【００１４】更に平面状物体照明時に均一な照度分布と
なる照明光学系として入射高ｈと射出角θとの間に、ｈ
とtan θとがほぼ比例する光学系が知られている。それ
は、図２２に示す特開昭６２−１７８２０７号公報に記
載されたものである。

【００１５】しかし、内視鏡による観察は、対象物体が
平面状物体だけでなく前述のように球面状物体と管腔状
物体等の様々である。

【００１６】例えば、医療用内視鏡の場合、胃の内面は
ほぼ球面状であり、食道や気管岐の内面はほぼ管状であ
る。

【００１７】ｈがtan θに比例する照明光学系により球
面状物体を照明する時、式（１），式（５）より照度分
布は、図２３に示すような中心から周辺に行くにしたが
って1/cos³θに比例して明るくなってしまう。更に周辺
部ではレンズ内を通る光線がレンズ外周部の内面にて乱
反射して消滅したり、全反射したりすることによって、
図２４に示すように急激に暗くなる。そのため球面状物
体を照明した時の照度分布は、リング状となる。

【００１８】この従来例の照明光学系により管状物体を
照明した時、式（１），式（６）によりその照度分布
は、視野周辺に行くにしたがってtan³θに比例して急激
に明るくなり、適正な明るさで観察できる範囲が非常に
狭くなり、観察しにくい照明であり好ましくない。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
従来の照明光学系の欠点を解消したもので、１１０°以
上の広角内視鏡にも使用し得て、かつ球面状物体に対し
てほぼ均一の照度分布を与え、平面状物体や管腔状物体
に対しても良好な照度分布を与え、しかも光量ロスの少
ない安価な内視鏡用照明光学系を提供することを目的と
するものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の内視鏡用照明光
学系は、少なくとも一つの正レンズを含むレンズ系を有
し、前記正レンズの少なくとも一つの面が非球面で、こ
の非球面が光軸から光軸に垂直な方向へ向け近似曲率よ
りも曲率が弱くなる曲面で構成され光源から光軸に対し
て垂直に発した光線の光学系への入射光線高ｈとその光
線高ｈに対する照明光学系からの射出角θとの関係がほ
ぼｈ＝ｆθとなるようにしたものである。尚ｆは非球面
を近似曲率で表わした時の光学系の焦点距離である。

【００２１】既に述べたように、内視鏡等における観察
は、観察対象物が平面状物体だけではなく、球面状物体
や管腔状物体等様々である。このような様々な対象物を
照明する場合、平面状物体のみ均一な照度分布を与える
のでは、不十分である。そのため球面状物体に対してほ
ぼ均一な配光を与え平面状物体や管腔状物体に対しても
適正な照度分布を与える照明光学系を得るには、前記の
ようにほぼｈ＝ｆθの関係を満足させる必要がある。

【００２２】前記の式（１），（５），（６）より、完
全拡散面の平面状物体、球面状物体、管腔状物体の相対
的な照度分布は、夫々Ｆ（θ）＝θcos³θ/sinθ、Ｇ
（θ）＝θ/sinθ、Ｈ（θ）＝θcos²θ・tan²θとな
る。これを図示すると図１６に示すようになる。

【００２３】即ち、球面状物体の照度分布は、中心から
周辺に行くにつれてθ/sinにしたがって上昇する。しか
し実際には視野周辺を照明する光線は、レンズ外周部内
面で乱反射して消減したり、全反射により周辺にて急激
に光量が減少する。そのため実際には、図１７に示すよ
うになる。この図で曲線Ａ₁は球面状物体、曲線Ａ₂は管
腔状物体、曲線Ａ₃は平面状物体に対するものである。
そのために、球面状物体を照明する時には、ｈ＝ｆtan
θの関係をほぼ満足する従来例におけると同じようにリ
ング状の照明になる。

【００２４】又球面状物体に対してほぼ均一な照度分布
が得られるようにすると、管腔状物体に対しては、ｈ＝
ｆsin θの関係をほぼ満足する照明光学系よりも適正な
照度分布で観察し得る範囲が多少狭くなるが実用上は問
題ない。

【００２５】更に平面状物体に対しては、ｈ＝ｆsin θ
の関係をほぼ満足する照明光学系よりも良好な照度分布
を与えることとなる。

【００２６】このように、少なくとも一つの正レンズを
含む照明光学系であって、ほぼｈ＝ｆθの関係を満足す
るものは、１１０°を越える広角な観察光学系に対して
も適用できかつレンズ枚数を少なくするために上記レン
ズの少なくとも１面を光軸から離れるにつれて、近似曲
率よりも曲率が弱くなる曲面で構成すれば良い。

【００２７】例えば図１８に示すように物体側の面が平
面で入射側の面が非球面である単レンズでも上記の関係
を満足しかつ光量ロスの少ない照明光学系を構成するこ
とが出来る。

【００２８】この図１８に示すレンズにおいてｈ＝ｆθ
の関係を満足するための非球面は、以下のようにして求
められる。

【００２９】図１８において、光軸方向をｘ軸、光軸と
垂直な方向をｈ軸とし、求める面の関数をＦ（ｈ）、座
標値（ｈ，ｘ）＝（ｈ，Ｆ(h) ）の位置で面Ｆ（ｈ）の
接線のｈ軸に対する傾き角をω、座標（ｈ，Ｆ(h) ）の
位置での法線ｌに対するその高さでの入射光線の屈折角
をα、この光線の照明光学系の物体側の面への入射角を
β、その出射角をθ、照明レンズの硝子の屈折率をｎ、
照明光学系の焦点距離をｆとすると、入射光線高ｈと光
線の射出角θとの関係は、ｈがθに比例する場合、次の
式にて与えられる。 ｈ＝ｆ・θ （７） 上記の式（７）を満足する非球面の形状を示す式ｘ＝Ｆ
θ（ｈ）を求める。そのための条件は、次の五つの式で
ある。 α＋β＝ω （９） ｎsin α＝sin ω （１０） ｎsin β＝sin θ （１１） ｈ＝ｆ・θ （７） tan ω＝ｄＦ_a(h)／ｄｈ （１２） 式（７），（９），（１０），（１１）より次の関係が
導かれる。

【００３０】式（１２）と式（１３）とから次の式（１
４）が求められる。

【００３１】式（１４）より求めるＦ（Ｌ）は次の式
（１５）のようになる。

【００３２】ｈがsin θに比例するとすれば非球面の形
状を示す式は、次の式（１６）のようになる。

【００３３】式（１４），（１６）で表わされる形状の
非球面は図２５に示すように同じ焦点距離の球面よりも
傾きの増加量が小である。尚図中縦軸は傾き量、横軸は
ｈ、又カーブ（１４），（１７），Ｓは夫々式（１
４），（１７），球面について示している。

【００３４】単レンズで物体側の面が平面である照明レ
ンズの場合、入射光線高Ｌと射出角θとの関係は、非球
面の面の傾きによって決まるため、ｈ＝ｆ・θを満足す
る照明レンズは、式（１４）を満足する非球面を有する
ことになる。

【００３５】式（１４）、（１６）であらわされる形状
の非球面は、図 に示すように、同じ焦点距離の球面レ
ンズよりも傾きの増加量が小である。尚図中縦軸は傾き
量、横軸はｈ、またカ−ブ（１４）、（１６）、ｓは、
それぞれ式（１４）、式（１６）の非球面および球面に
ついて示している。

【００３６】入射光線高ｈと、入射光線高ｈに対する照
明光学系からの射出角θとの関係が、ほぼｈ＝ｆ・θに
なる時の本発明で用いる非球面形状は、以下の条件を満
足することが好ましい。

【００３７】ただし０≦ｈ≦Ｄ ここでＤは最大入射光線高、ｆ₁ は本発明の非球面を含
むレンズの非球面を近似曲率で表わした時の焦点距離で
ある。

【００３８】本発明の照明光学系で用いる非球面が条件
（１７）の下限を越えると非球面以外のレンズ面にパワ
ーがある場合、その面でのパワーが強くなりすぎ、光量
のロスが多くなるとともに、球面状の照度分布がリング
状の照度むらが生じやすくなる。又上限を越えると非球
面以外の面にパワーがある場合、非球面の近似曲率が強
くなり、プレス成形により非球面レンズを作る場合、成
形用型の加工性が悪くなるとともに球面状物体に対して
ほぼ均一な配光を与えることが難しくなる。さらに本発
明の照明光学系は、非球面の形状が光軸から光軸に垂直
な方向に行くにしたがって近似曲率よりも曲面の曲率が
弱くなる凸面となっているため、光源の大きさが変化し
ても視野周辺に向かう光線の量が変化するだけなので、
視野周辺から中心の照度分布はほとんど変化せず、さら
に視野周辺の部分の照度分布のみが変化する。そこで本
発明の照明光学系では、照明レンズを変えないで光源の
大きさを変えるだけで観察視野角の異なるものに対応す
ることができ、多種類の内視鏡に共通な照明光学系とし
て用いることもでき、照明レンズのコストの低減にもさ
らに大きな効果を有する。

【００３９】また、本発明の照明レンズの物体側の面
に、ＭgＦ₂ 、ＳiＯ₂ 等のコーティングを施すことによ
って、照明レンズから射出する光線のフレネル反射を少
なくし、照明レンズからの射出光量を増すこともでき
る。

【００４０】また内視鏡による観察時には、水滴が照明
レンズの物体側の面上に乗り、照度分布を悪化させるこ
とがよく起る。しかし、照明レンズを物体側の面にコー
ティングを施すことによりコーティングの発水性により
水滴を排除しやすくする効果が得られる。

【００４１】また、入射側の光源としてファイバーバン
ドルを用いる場合、ファイバーバンドルの射出端は、す
べての部分が一様に光っているのではなく、各ファイバ
ーのコアーの部分のみが光っているため、正レンズを用
いて照明する場合は、このファイバーバンドルの端面が
そのまま物体面上に投影されるので、コアーの部分だけ
が明るく照明され、丁度物体面上に網をかぶせたように
照明され、非常に観察しにくくなることがある。このよ
うな場合、ファイバーバンドルの中で、各ファイバー１
本１本を融着させ光ファイバーの密度を高くした融着フ
ァイバーを用いればよい。又ファイバーバンドルと本発
明の照明光学系との間に筒状反射鏡を挿入しても良い。
又筒状反射鏡の代りに単ファイバーを挿入してもよい。

【００４２】上記の網状の照度むらは、ファイバーバン
ドルの端面の像が無限大に結像する時、最も目立つの
で、単ファイバーを挿入した場合、次の条件を満足する
ことが望ましい。 Ｆ_B ＜０ ここでＦ_B は、非球面を近似曲率で表わした時の照明光
学系全系の後側焦点位置で、全系の最終面（例えば後に
示す実施例２等の場合はｒ₄）から測って光源側をプラ
ス、物体側（面ｒ₁側）をマイナスとする。

【００４３】また、ガラスの非球面レンズは、通常プレ
ス成形により作られるが、その時用いられる成形用型
は、非球面凸レンズの場合凹面型となる。そのため内視
鏡用等の小さなレンズ用の型は、型研磨用の砥石が型の
内面と干渉し研磨出来なかったり、プレス成形時にレン
ズの焼きつきや中心部分のレンズのひけ等をおこすこと
がある。

【００４４】本発明の照明レンズの物体側の面に凸面あ
るいは凹面をもうけて非球面側の面のパワーを小さくし
たり、非球面レンズの硝材の屈折率を高くして面の曲率
を弱くして加工性を向上させてもよい。この時、硝材の
屈折率ｎは下記の条件を満足することが好ましい。 ｎ＞１．６ また、本発明の光学系の非球面レンズと光源との間に凸
レンズを挿入し、非球面側の面のパワーを小さくして、
非球面レンズの加工性を向上させてもよい。ところで、
図 に示すような従来例の場合、物体側の面から順にｒ
₁ ，ｒ₂ ，ｒ₃ ，ｒ₄ とすると面ｒ₂ のパワーと面ｒ₃
のパワーとはほぼ等しくなっている。それは、球面レン
ズ系で面ｒ₁ および面ｒ₃ での光線の全反射の量を少な
くし、少しでも広い照度分布を得ようとするためであ
る。球面レンズの場合、レンズ周辺に行くにしたがって
面のパワーが急激に強くなる。そのため入射光線高の高
い光線の全反射の量を少なくするためには、面ｒ₃ のパ
ワーをあまり強くすることは出来ない。また広い照度分
布を得るためには、面ｒ₂ のパワーを強くする必要があ
る。しかし面ｒ₂ のパワーを強くしすぎると面ｒ₁ での
全反射の量が多くなるため、あまり面ｒ₂ のパワーを強
くすることは出来ない。そのため照度分布と光量とのバ
ランスをとるためほぼ面ｒ₂ と面ｒ₃ のパワーを等しく
している。

【００４５】しかし、本発明においては、非球面を有す
る照明レンズと光源との間に凸レンズを挿入する場合、
物体側の面から順にｒ₁ ，ｒ₂（非球面）、ｒ₃ ，ｒ₄
とすると面ｒ₂ はレンズの周辺に行くにしたがって近似
曲率と比べ面のパワーは、それ程強くならないため、広
い照度分布を得るために面ｒ₂ のパワーを強くしても、
面ｒ₁ での光線の全反射の量はあまり増加しない。その
ため面ｒ₃ のパワーをあまり強くする必要がなくなり、
面ｒ₃ での全反射の量も少なくできる。

【００４６】そこで、本発明においては、非球面を有す
る照明レンズと光源との間に設けた凸レンズの物体側の
面のパワーをφ_３、非球面を有する照明レンズの非球面
の近似曲率における面のパワーをφ₂ とすると次の関係
を満足することが望ましい。 φ₃ ＜φ₂ 本発明において、非球面を有する照明レンズと光源との
間に凸レンズを設けたことによって非球面を有する照明
レンズの加工性が向上するばかりでなく、面ｒ₃ の働き
で面ｒ₂ で有効径外になっていた光線をｒ₂に入射させ
ることが出来、照明レンズから射出する光量を増加させ
ることが出来る。

【００４７】また、その時の非球面の形状は、光軸から
光軸に垂直な方向に行くにしたがって近似曲率よりも曲
率の弱くなる非球面であればよく、この非球面を用いる
ことによって、入射光線高ｈと、この入射光線高ｈに対
する照明光学系からの射出角θとの関係がほぼｈ＝ｆθ
とすることが可能であり、光量ロスが少なく、広角な観
察光学系にも通用でき球面状物体に対してはほぼ均一な
配光をなし平面状物体、管腔状物体に対しても適正な照
度分布を与えることが可能である。

【００４８】また、凸レンズを用いた照明光学系の場
合、光源から射出角０°で射出した最も強度の強い光線
がほぼ１点に集光するところが存在する。例えば医療用
の内視鏡の場合、その集光点が照明レンズの最も物体側
の面よりも外側に存在すると人体を焼いてしまう可能性
がある。また工業用の内視鏡の場合には観察対象周辺に
可燃性のものがあるとそれに引火する可能性があり、そ
のため、本発明の照明光学系の場合は、以下の条件を満
足することが望ましい。 ｆ_F ＞０ ここでｆ_F は非球面を近似曲率で表わした時の照明光学
系の前側焦点位置である。

【００４９】また、本発明の工業系において、１１０°
以上の広角な照度分布を得て、かつ光量ロスを少なくす
るためには、光源から光軸に対して平行に発する最も光
線高の高い光線が、照明光学系の最も物体側の面で全反
射したり、照明レンズの外周部に当ったりしないように
することが望ましい。

【００５０】

【実施例】次に本発明内視鏡照明光学系の照明レンズの
各実施例を示す。 実施例１ ｒ₁ ＝∞ ＥＲ₁ ＝1.09 ｄ₁ ＝2.2 ｎ₁ ＝1.80518 ν₁ ＝25.43 ｒ₂ ＝-0.8049 （非球面） ＥＲ₂ ＝1.09 非球面係数 Ｐ＝-0.0161 ，Ｅ＝-0.41668×10^-1 ｆ＝ｆ₁ ＝１，Ｄ＝1.07 ，ｆ_F ＝0.219 実施例２ ｒ₁ ＝∞ ＥＲ₁ ＝1.3 ｄ₁ ＝2.94 ｎ₁ ＝1.78472 ν₁ ＝25.71 ｒ₂ ＝-0.7849 （非球面） ＥＲ₂ ＝1.3 ｄ₂ ＝0 ｒ₃ ＝∞ ＥＲ₃ ＝1.12 ｄ₃ ＝4 ｎ₃ ＝1.72825 ν₃ ＝28.46 （単ファイバー） ｒ₄ ＝∞ ＥＲ₄ ＝1.12 非球面係数 Ｐ＝-0.7666 ，Ｅ＝-0.79106×10^-1，Ｆ＝-0.36519 ，
Ｇ＝0.3577 ，Ｈ＝0.30246 ×10^-1，Ｉ＝-0.15118 ，
Ｊ＝0.44378 ×10^-2 ，Ｋ＝0.23603 ×10^-1，Ｌ＝0.18
313 ×10^-1，Ｍ＝-0.10802×10^-1ｆ＝ｆ₁ ＝１，Ｄ＝1.
09 ，ｆ_F ＝0.647 ，ｆ_B ＝-1.314 実施例３ ｒ₁ ＝∞ ＥＲ₁ ＝1.47 ｄ₁ ＝3.3 ｎ₁ ＝1.78472 ν₁ ＝25.71 ｒ₂ ＝-1.4379 （非球面） ＥＲ₂ ＝1.47 ｄ₂ ＝0.13 ｒ₃ ＝4.7059 ＥＲ₃ ＝1.27 ｄ₃ ＝4.5 ｎ₃ ＝1.72825 ν₃ ＝28.46 （単ファイバー） ｒ₄ ＝∞ ＥＲ₄ ＝1.27 非球面係数 Ｐ＝0.75 ，Ｂ＝-0.20238 ，Ｅ＝-0.92935×10^-3，Ｆ
＝0.32499 ×10^-1 ｆ＝1 ，ｆ₁ ＝1.158 ，ｆ_B ＝-1.717，Ｄ＝1.23，ｆ_F
＝0.87，φ₂ ＝0.863 φ₃ ＝0.155 実施例４ ｒ₁ ＝-4.635 ＥＲ₁ ＝1.3 ｄ₁ ＝2.94 ｎ₁ ＝1.78472 ν₁ ＝25.71 ｒ₂ ＝-0.8581 （非球面） ＥＲ₂ ＝1.3 非球面係数 Ｐ＝-0.8381 ，Ｅ＝-0.56574×10^-1，Ｆ＝-0.35164 ，
Ｇ＝0.35104 ，Ｈ＝0.26764 ×10^-1，Ｉ＝-0.15239 ，
Ｊ＝0.3674×10^-2 ，Ｋ＝0.23462 ×10^-1，Ｌ＝0.18432
×10^-1，Ｍ＝-0.10549×10^-1ｆ＝ｆ₁ ＝１，Ｄ＝1.09
，ｆ_F ＝0.506 実施例５ ｒ₁ ＝∞ ＥＲ₁ ＝1.18 ｄ₁ ＝2.66 ｎ₁ ＝1.78472 ν₁ ＝25.71 ｒ₂ ＝-0.7847 （非球面） ＥＲ₂ ＝1.18 非球面係数 Ｐ＝0.2394 ，Ｅ＝-0.67356×10^-1，Ｆ＝0.3223 ×10^-1 ｆ＝ｆ₁ ＝１，Ｄ＝1 ，ｆ_F ＝0.489 ただしｒ₁ ，ｒ₂ ，・・・ は各レンズ面の曲率半径、ｄ
₁ ，ｄ₂ ，・・・ は各レンズの肉厚およびレンズ間隔、ｎ
₁ ，ｎ₂ ，・・・ は各レンズの屈折率、ν₁ ，ν₂ ，・・・
は各レンズのアッベ数、φ₂ ，φ₃ は、夫々面ｒ₂ ，ｒ
₃ のパワー、ＥＲ₁ ，ＥＲ₂ ・・・はレンズ各面の有効
径である。

【００５１】実施例１は、図１に示す構成で図６に示す
ようにｈ＝ｆ・θの関係を満足する。この実施例の照明
光学系は、図７に示す照度分布が得られ、観察視野角で
約１５０°まで対応できる。

【００５２】実施例２は、図２に示す構成で、非球面を
有するレンズと光源との間に単ファイバーを挿入してあ
る。この実施例２では、照明光学系への入射光線高ｈに
対する照明光学系からの射出角との関係を図８に示すよ
うにほぼｈ＝ｆ・θになるようにした。照度分布は図９
に示す通りで、観察視野角約１５０°まで対応できる。
更にこの実施例は、単ファイバーを光源と非球面レンズ
の間に挿入し、ファイバーバンドルの網目状むらがうつ
りにくく、かつ光源の大きさを変化させてもほとんど照
度分布に変化を与えない点で特に有効である。光源の大
きさを変化させても照度分布がないためには、次の条件
を満足することが好ましい。２ｄ＜Ｌただしｄは単ファ
イバーのコアーの半径、Ｌは単ファイバーの長さであ
る。実施例３は、図３に示す構成で非球面を有するレン
ズと光源との間に凸レンズの単ファイバーを挿入したも
のである。この実施例３は、入射光源高ｈと射出角θと
の関係が図１０に示す通りで、ほぼｈ＝ｆ・θになって
いる。ただこの実施例３は、ｈとθとの関係がｈ＝ｆ・
θから少々ｈ＝ｆtan θ側にずれているため、球面状物
体照明時に図１１の照度分布のように低レベルのリング
状の照度むらを発生するが、実際の使用上は全く問題が
ない。

【００５３】又この実施例は観察視野角約１５０°に対
応できる。この実施例は凸レンズの単ファイバーを挿入
してありファイバーバンドルの網目むらの影響を受けに
くく、光源の大きさを変化させても照度分布に変化を与
えず、かつ非球面レンズの加工性が良い。

【００５４】実施例４は、図４に示す構成で、照明レン
ズ系として物体側に凹面を設けた非球面レンズ１枚で構
成されている。又ｈとθとの関係は図に示すようにほぼ
ｈ＝ｆ・θである。この実施例４は照明レンズの物体側
の面が平面の場合に比較して非球面レンズの加工性が良
い。更に図１３に示す通りの照度分布で観察視野角で約
１５０°まで対応することが可能である。

【００５５】実施例５は、図７に示す構成で、非球面レ
ンズ１枚で構成されている。そしてｈとθとは図１４に
示すようにほぼｈ＝ｆ・θになっている。しかしこの実
施例５は、ｈとθとの関係がｈ＝ｆ・θから少々ｈ＝ｆ
sin θ側にずれているために図１５に示すように球面物
体での照度分布は、図７に示す実施例１の照度分布より
も周辺での照度が低くなり、より均一に近い照度分布を
与えている。

【００５６】この照明光学系は、観察視野角で約１５０
°まで対応できる。

【００５７】ところで凸レンズを用いた照明光学系は、
光源から射出角０°で射出した最も強度の強い光線がほ
ぼ１点に集光るところが存在する。この集光点が照明レ
ンズよりも物体側にあると、例えば医療用内視鏡の場合
は、人体を焼いてしまう危険性があり、又工業用の内視
鏡の場合には、可燃性の物体に引火するおそれがある。

【００５８】そのため物体側の照明レンズの肉厚をあま
り薄くすることは好ましくない。一方、物体側の照明レ
ンズの肉厚を厚くすると、物体側の照明レンズの側面に
当る光線の量が増えるため、照明光学系から射出する光
量が減少し、視野周辺の照度を低下してしまう。そこで
これをさけるために、物体側の照明レンズに単ファイバ
ーを用いて、適切な照明レンズの肉厚を確保したりまた
は、物体側の照明レンズの前に単ファイバーを配置して
集光点が照明光学系よりも物体側に出ることを防ぎなが
ら、照明光学系から射出する光量を確保し、視野周辺の
照度を低下させないようにしてもよい。

【００５９】尚図６，８，１０，１２，１４において曲
線Ａは実施例、曲線Ｂはｈ＝ｓｉｎθ、曲線Ｃはｈ＝ｆ
θに対するものであり、又図７，９，１１，１３，１５
において曲線ａは平面照度分布、曲線ｂは球面照度分
布、曲線ｃは管内照度分布を示している。

【００６０】上記各実施例のデーター中の非球面の形状
は、次の式で表わされる。

【００６１】ただしｘ，ｈは、光軸をｘ軸とし物体側を
負の方向にとりｈ軸を面と光軸との交点を原点としてｘ
軸に直交する方向にとった時の座標値、Ｃは光軸近傍で
非球面と接する円の曲率（近似曲率）半径の逆数、ｐは
円錐定数、Ｅ，Ｆ，Ｇ・・・はそれぞれ４次，６次，８
次，・・・の非球面係数である。

【００６２】

【発明の効果】本発明の照明光学系は、視野角が１１０
°以上の広角の内視鏡にも用い得るもので、又球面状物
体や管腔状運体に対しても良好な照度分布を与えしかも
光量のロスの少ない安価なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の断面図

【図２】本発明の実施例２の断面図

【図３】本発明の実施例３の断面図

【図４】本発明の実施例４の断面図

【図５】本発明の実施例５の断面図

【図６】実施例１のｈとθとの関係を示す図

【図７】実施例１の照度分布を示す図

【図８】実施例２のｈとθとの関係を示す図

【図９】実施例２の照度分布を示す図

【図１０】実施例３のｈとθとの関係を示す図

【図１１】実施例３の照度分布を示す図

【図１２】実施例４のｈとθとの関係を示す図

【図１３】実施例４の照度分布を示す図

【図１４】実施例５のｈとθとの関係を示す図

【図１５】実施例５の照度分布を示す図

【図１６】各物体に対する照度分布を示す図

【図１７】照明レンズの外周部内面での乱反射等を考慮
した時の照度分布を示す図

【図１８】非球面を有する照明レンズにおける光線の入
射と射出の状況を示す図

【図１９】従来の照明系による各物体に対する照度分布

【図２０】従来の照明光学系の構成を示す図

【図２１】他の従来の照明光学系の構成を示す図

【図２２】更に対の照明系の構成を示す図

【図２３】図２２に示す照明系の照度分布を示す図

【図２４】上記の図２２に示す照明光学系で全反射等の
影響を考慮した時の照度分布を示す図

【図２５】球面等におけるｈと面の傾きとの関係を示す
図

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 内視鏡照明光学系

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内視鏡用の照明光学系
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年内視鏡の光学系が広角化するにつれ
て照明系も広角なものが要求されるようになってきた。
又観察対象物に対して適切な照度分布を与える照明光学
系の要求も高まっている。

【０００３】上記のような要求に対して、広角な内視鏡
用照明光学系の例として特開昭５６−２０４２８号公報
に記載された光学系が知られている。それは図２０図に
示すようにオプチカルファイバーバンドルからなるライ
トガイド１の前に正のレンズ系２を配置し、このレンズ
系２によりライトガイド１よりの光を一度集光させた後
に発散させて広角な照明を可能にしたものである。

【０００４】この従来例は、ライトガイドより光軸に平
行に発した光線がレンズ系への入射高ｈと、この入射光
線高ｈに対する照明光学系からの射出角θとの関係が、
ほぼｈ＝ｆｓｉｎθになっている。尚ｆは照明光学系の
焦点距離である。

【０００５】この従来例による平面状物体上における相
対的な照度分布は、次のようにして求められる。

【０００６】完全拡散面の平面状物体における中心に対
する周辺の相対的照度分布は、一般に次の式（１）で表
わされる。 Ｆ（θ）＝（β／β_Ｍ×β／β_Ｓ）^−１ （１） ただしβは物体面に対する近軸倍率、β_Ｍ，β_Ｓは夫々
物体面に対するメリジオナル方向およびサジタル方向の
倍率である。

【０００７】上記式のβ_Ｍ，β_Ｓは、物体距離が、レン
ズ系の射出瞳位置より十分離れている時には、夫々次の
式（２），（３）で与えられる。 β_Ｍ＝βｃｏｓ^２θ｛ｄＡ（θ）／ｄθ｝ （２）β_Ｓ＝β｛Ａ（θ）／ｔａｎθ｝ （３） ただしＡ（θ）＝ｈ／ｆである。

【０００８】上記の式（２），（３）より、前記の従来
例における完全拡散面の平面状物体を照明した時の相対
的照度分布は、Ｆ（θ）＝ｃｏｓ^４θとなり、図１９に
示すように中心から周辺に行くにしたがってｃｏｓ^４θ
に比例して暗くなる。

【０００９】またこの従来例により球面状物体又は管空
状物体を照明した時の相対的な照度分布は、以下のよう
にして求められる。

【００１０】一般に完全拡散面の球面状物体の相対的な
照度分布と管空状物体の相対的な照度分布は、夫々下記
式（５），（６）にて与えられる。 Ｇ（θ）＝Ｆ（θ）×１／ｃｏｓ^３θ （５） Ｈ（θ）＝Ｆ（θ）×ｔａｎ^３θ （６） ただし、Ｇ（θ），Ｈ（θ）は夫々完全拡散面の球面状
物体および管空状物体の相対的な照度分布である。

【００１１】上記の式（５），（６）より、上記従来例
における完全拡散の球面状物体および管空状物体の相対
的な照度分布は、夫々Ｇ（θ）＝ｃｏｓθ，Ｈ（θ）＝
ｃｏｓθ・ｓｉｎ^３θとなり、図１９に示すようにな
る。

【００１２】上記の図１９から明らかなように、球面状
物体の場合は、中心から周辺に行くにつれて、ｃｏｓθ
にしたがって照度が下るが、実用上は問題のない照度分
布が得られる。また管空状物体の照度分布は、視野周辺
で急激に明るくなることはなく適正な照度分布が得られ
ている。

【００１３】しかし上記従来例のようにほぼｈ＝ｆｓｉ
ｎθの関係を満足する照明光学系は、視野角が１１０°
以上の広角な観察光学系に対し適用した場合、広角化に
伴って物体側から数えて第２面、第３面のパワーが強く
なりすぎてｈとｓｉｎθとが比例しなくなり、入射光線
高の高い光線は物体側から数えて第１面または第３面で
全反射する。又入射光線高の高い光線程全反射を起こし
易い。そのために１１０°以上の広角域での照度は、あ
まり増加せず光量だけが急激に減少してしまう。又視野
角が１１０°以上の広角な観察光学系に適用できる照明
光学系の例として、特開昭５８−９５７０６号公報に記
載された光学系がある。それは図２１に示す構成で、図
２０に示す従来例と比べ、レンズ枚数が多く、コスト高
になる欠点がある。

【００１４】更に平面状物体照明時に均一な照度分布と
なる照明光学系として入射高ｈと射出角θとの間に、ｈ
とｔａｎθとがほぼ比例する光学系が知られている。そ
れは、図２２に示す特開昭６２−１７８２０７号公報に
記載されたものである。

【００１５】しかし、内視鏡による観察は、対象物体が
平面状物体だけでなく前述のように球面状物体と管腔状
物体等の様々である。

【００１６】例えば、医療用内視鏡の場合、胃の内面は
ほぼ球面状であり、食道や気管岐の内面はほぼ管状であ
る。

【００１７】ｈがｔａｎθに比例する照明光学系により
球面状物体を照明する時、式（１），式（５）より照度
分布は、図２３に示すように中心から周辺に行くにした
がって１／ｃｏｓ^３θに比例して明るくなってしまう。
更に周辺部ではレンズ内を通る光線がレンズ外周部の内
面にて乱反射して消滅したり、全反射したりすることに
よって、図２４の曲線ｂに示すように急激に暗くなる。
そのため球面状物体を照明した時の照度分布は、リング
状に照度分布のむらを持ったものとなる。尚図２４にお
いて、曲線ａ．ｂ．ｃは夫々平面状物体、球面状物体、
管腔状物体を照明した時の照度分布を表わすものであ
る。

【００１８】この従来例の照明光学系により管状物体を
照明した時、式（１），式（６）によりその照度分布
は、視野周辺に行くにしたがってｔａｎ^３θに比例して
急激に明るくなり、適正な明るさで観察できる範囲が非
常に狭くなり、観察しにくい照明であり好ましくない。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
従来の照明光学系の欠点を解消したもので、１１０°以
上の広角内視鏡にも使用し得て、かつ球面状物体に対し
てほぼ均一の照度分布を与え、平面状物体や管腔状物体
に対しても良好な照度分布を与え、しかも光量ロスの少
ない安価な内視鏡用照明光学系を提供することを目的と
するものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の内視鏡用照明光
学系は、少なくとも１面が非球面である正レンズを含
み、該非球面が光軸から離れるにつれて、近似曲率より
も曲率が弱くなる曲面からなり、該非球面を近似曲率で
表わしたときの全系の焦点距離をｆ、光源から光軸に平
行に発した光線の光学系への入射光線高ｈとこの光線の
光学系からの射出角θとの間にほぼｈ＝ｆθなる関係が
成り立つようにしたものである。

【００２１】既に述べたように、内視鏡等における観察
は、観察対象物が平面状物体だけではなく、球面状物体
や管腔状物体等様々である。このような様々な対象物を
照明する場合、平面状物体のみ均一な照度分布を与える
のでは、不十分である。そのため球面状物体に対してほ
ぼ均一な配光を与え平面状物体や管腔状物体に対しても
適正な照度分布を与える照明光学系を得るには、前記の
ようにほぼｈ＝ｆθの関係を満足させる必要がある。

【００２２】ｈ＝ｆθの関係を満足する場合には、前記
の式（１），（５），（６）より、完全拡散面の平面状
物体、球面状物体、管腔状物体の相対的な照度分布は、
夫々Ｆ（θ）＝θｃｏｓ^３θ／ｓｉｎθ、Ｇ（θ）＝θ
／ｓｉｎθ、Ｈ（θ）＝θｃｏｓ^２θ・ｔａｎ^２θとな
る。これを図示すると図１６に示すようになる。

【００２３】即ち、球面状物体の照度分布は、中心から
周辺に行くにつれてθ／ｓｉｎθにしたがって上昇す
る。しかし実際には視野周辺を照明する光線は、レンズ
外周部内面で乱反射して消減したり、全反射により周辺
にて急激に光量が減少する。そのため実際には、図１７
に示すようになる。この図で曲線Ａ_１は球面状物体、曲
線Ａ_２は管腔状物体、曲線Ａ_３は平面状物体に対するも
のである。そのために、球面状物体を照明する時には、
ｈ＝ｆｔａｎθの関係をほぼ満足する従来例におけると
同じようにリング状の照度分布のむらを持った照明にな
る。しかし、照度むらの強度は小さいので実用上は問題
にならず、ほぼ均一とみなしうる照度分布を与えること
になる。

【００２４】又球面状物体に対してほぼ均一な照度分布
が得られるようにすると、管腔状物体に対しては、ｈ＝
ｆｓｉｎθの関係をほぼ満足する照明光学系よりも適正
な照度分布で観察し得る範囲が多少狭くなるが実用上は
問題ない。

【００２５】更に平面状物体に対しては、ｈ＝ｆｓｉｎ
θの関係をほぼ満足する照明光学系よりも良好な照度分
布を与えることとなる。

【００２６】このように、少なくとも一つの正レンズを
含む照明光学系であって、ほぼｈ＝ｆθの関係を満足
し、しかも１１０゜を越える広角な観察光学系に対して
も適用できかつレンズ枚数を少なくするためには、上記
レンズの少なくとも１面を光軸から離れるにつれて、近
似曲率よりも曲率が弱くなる曲面で構成すれば良い。

【００２７】例えば図１８に示すように物体側の面が平
面で入射側の面が非球面である単レンズでも上記の関係
を満足しかつ光量ロスの少ない照明光学系を構成するこ
とが出来る。

【００２８】この図１８に示すレンズにおいてｈ＝ｆθ
の関係を満足するための非球面は、以下のようにして求
められる。

【００２９】図１８において、光軸方向をｘ軸、光軸と
垂直な方向をｈ軸とし、求める面の関数をＦ（ｈ）、座
標値（ｈ，ｘ）＝（ｈ，Ｆ（ｈ））の位置で面Ｆ（ｈ）
の接線のｈ軸に対する傾き角をω、座標（ｈ，Ｆ
（ｈ））の位置での法線１に対するその高さでの入射光
線の屈折角をα、この光線の照明光学系の物体側の面へ
の入射角をβ、その出射角をθ、照明レンズの硝子の屈
折率をｎ、照明光学系の焦点距離をｆとすると、入射光
線高ｈと光線の射出角θとの関係は、ｈがθに比例する
場合、次の式にて与えられる。 ｈ＝ｆ・θ （７） 上記の式（７）を満足する非球面の形状を示す式 ｘ＝
Ｆ_θ（ｈ） を求める。そのための条件は、次の五つの
式である。 α＋β＝ω （９） ｎｓｉｎα＝ｓｉｎω （１０） ｎｓｉｎβ＝ｓｉｎθ （１１） ｈ＝ｆ・θ （７）ｔａｎω＝ｄＦ_θ（ｈ）／ｄｈ （１２） 式（７），（９），（１０），（１１）より次の関係が
導かれる。

【００３０】式（１２）と式（１３）とから次の式（１
４）が求められる。

【００３１】式（１４）より求める Ｆ_θ（ｈ） は次
の式（１５）のようになる。

【００３２】ｈがｓｉｎθに比例するとすれば非球面の
形状を示す式は、次の式（１６）のようになる。

【００３３】式（１４），（１６）で表わされる形状の
非球面は図２５に示すように同じ焦点距離の球面よりも
傾きの増加量が小である。尚図中縦軸は傾き量、横軸は
ｈ、又カーブ（１４），（１６）は夫々式（１４），
（１６）で与えられる非球面の傾き、Ｓは球面の傾きを
示している。

【００３４】単レンズで物体側の面が平面である照明レ
ンズの場合、入射光線高ｈと射出角θとの関係は、非球
面の面の傾きによって決まるため、ｈ＝ｆ・θを満足す
る照明レンズは、式（１４）を満足する非球面を有する
ことになる。

【００３５】入射光線高ｈと、 入射光線高ｈに対する照
明光学系からの射出角θとの関係が、ほぼｈ＝ｆ・θに
なる時の本発明で用いる非球面形状は、以下の条件を満
足することが好ましい。

【００３６】ただし０≦ｈ≦Ｄ ここでＤは最大入射光線高、ｆ_１は本発明の非球面を含
むレンズの非球面を近似曲率で表わした時の焦点距離で
ある。

【００３７】本発明の照明光学系で用いる非球面が条件
（１７）の下限を越えると非球面以外のレンズ面にパワ
ーがある場合、その面でのパワーが強くなりすぎ、光量
のロスが多くなるとともに、球面上の照度分布がリング
状の照度むらが生じやすくなる。又上限を越えると非球
面以外の面にパワーがある場合、非球面の近似曲率が強
くなり、プレス成形により非球面レンズを作る場合、成
形用型の加工性が悪くなるとともに球面状物体に対して
ほぼ均一な配光を与えることが難しくなる。さらに本発
明の照明光学系は、非球面の形状が光軸から光軸に垂直
な方向に行くにしたがって近似曲率よりも曲面の曲率が
弱くなる凸面となっているため、光源の大きさが変化し
ても視野周辺に向かう光線の量が変化するだけなので、
視野周辺から中心の照度分布はほとんど変化せず、さら
に視野周辺の部分の照度分布のみが変化する。そこで本
発明の照明光学系では、照明レンズを変えないで光源の
大きさを変えるだけで観察視野角の異なるものに対応す
ることができ、多種類の内視鏡に共通な照明光学系とし
て用いることもでき、照明レンズのコストの低減にもさ
らに大きな効果を有する。

【００３８】また、本発明の照明レンズの物体側の面
に、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２等のコーティングを施すことに
よって、照明レンズから射出する光線のフレネル反射を
少なくし、照明レンズからの射出光量を増すこともでき
る。

【００３９】また内視鏡による観察時には、水滴が照明
レンズの物体側の面上に乗り、照度分布を悪化させるこ
とがよく起る。しかし、照明レンズの物体側の面にコー
ティングを施すことによりコーティングの発水性により
水滴を排除しやすくする効果が得られる。

【００４０】また、入射側の光源としてファイバーバン
ドルを用いる場合、ファイバーバンドルの射出端は、す
べての部分が一様に光っているのではなく、各ファイバ
ーのコアーの部分のみが光っているため、正レンズを用
いて照明する場合は、このファイバーバンドルの端面が
そのまま物体面上に投影されるので、コアーの部分だけ
が明るく照明され、丁度物体面上に網をかぶせたように
照明され、非常に観察しにくくなることがある。このよ
うな場合、ファイバーバンドルの中で、各ファイバー１
本１本を融着させ光ファイバーの密度を高くした融着フ
ァイバーを用いればよい。又ファイバーバンドルと本発
明の照明光学系との間に筒状反射鏡を挿入しても良い。
又筒状反射鏡の代りに単ファイバーを挿入してもよい。

【００４１】上記の網状の照度むらは、ファイバーバン
ドルの端面の像が無限大に結像する時、最も目立つの
で、単ファイバーを挿入した場合、次の条件を満足する
ことが望ましい。 Ｆ_Ｂ＜０ ここでＦ_Ｂは、非球面を近似曲率で表わした時の照明光
学系全系の後側焦点位置で、全系の最終面（例えば後に
示す実施例２等の場合はｒ_４）から測って光源側をプラ
ス、物体側（面ｒ_１側）をマイナスとする。

【００４２】また、ガラスの非球面レンズは、通常プレ
ス成形により作られるが、その時用いられる成形用型
は、非球面凸レンズの場合凹面型となる。そのため内視
鏡用等の小さなレンズ用の型は、型研磨用の砥石が型の
内面と干渉し研磨出来なかったり、プレス成形時にレン
ズの焼きつきや中心部分のレンズのひけ等をおこすこと
がある。

【００４３】本発明の照明レンズの物体側の面に凸面あ
るいは凹面をもうけて非球面側の面のパワーを小さくし
たり、非球面レンズの硝材の屈折率を高くして面の曲率
を弱くして加工性を向上させてもよい。この時、硝材の
屈折率ｎは下記の条件を満足することが好ましい。 ｎ＞１．６ また、本発明の光学系の非球面レンズと光源との間に凸
レンズを挿入し、非球面側の面のパワーを小さくして、
非球面レンズの加工性を向上させてもよい。ところで、
図２０に示すような従来例の場合、物体側の面から順に
ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４とすると面ｒ_２のパワーと面ｒ
_３のパワーとはほぼ等しくなっている。それは、球面レ
ンズ系で面ｒ_１および面ｒ_３での光線の全反射の量を少
なくし、少しでも広い照度分布を得ようとするためであ
る。球面レンズの場合、レンズ周辺に行くにしたがって
面のパワーが急激に強くなる。そのため入射光線高の高
い光線の全反射の量を少なくするためには、面ｒ_３のパ
ワーをあまり強くすることは出来ない。また広い照度分
布を得るためには、面ｒ_２のパワーを強くする必要があ
る。しかし面ｒ_２のパワーを強くしすぎると面ｒ_１での
全反射の量が多くなるため、あまり面ｒ_２のパワーを強
くすることは出来ない。そのため照度分布と光量とのバ
ランスをとるためほぼ面ｒ_２と面ｒ_３のパワーを等しく
している。

【００４４】しかし、本発明においては、非球面を有す
る照明レンズと光源との間に凸レンズを挿入する場合、
物体側の面から順にｒ_１，ｒ_２（非球面）、ｒ_３，ｒ_４
とすると面ｒ_２はレンズの周辺に行くにしたがって近似
曲率と比べ面のパワーは、それ程強くならないため、広
い照度分布を得るために面ｒ_２のパワーを強くしても、
面ｒ_１での光線の全反射の量はあまり増加しない。その
ため面ｒ_３のパワーをあまり強くする必要がなくなり、
面ｒ_３での全反射の量も少なくできる。

【００４５】そこで、本発明においては、非球面を有す
る照明レンズと光源との間に設けた凸レンズの物体側の
面のパワーをφ_３、非球面を有する照明レンズの非球面
の近似曲率における面のパワーをφ_２とすると次の関係
を満足することが望ましい。 φ_３＜φ_２ 本発明において、非球面を有する照明レンズと光源との
間に凸レンズを設けたことによって非球面を有する照明
レンズの加工性が向上するぱかりでなく、面ｒ_３の働き
で面ｒ_２で有効径外になっていた光線をｒ_２に入射させ
ることが出来、照明レンズから射出する光量を増加させ
ることが出来る。

【００４６】また、その時の非球面の形状は、光軸から
光軸に垂直な方向に行くにしたがって近似曲率よりも曲
率の弱くなる非球面であればよく、この非球面を用いる
ことによって、入射光線高ｈと、この入射光線高ｈに対
する照明光学系からの射出角θとの関係がほぼｈ＝ｆθ
とすることが可能であり、光量ロスが少なく、広角な観
察光学系にも通用でき球面状物体に対してはほぼ均一な
配光をなし平面状物体、管腔状物体に対しても適正な照
度分布を与えることが可能である。

【００４７】また、凸レンズを用いた照明光学系の場
合、光源から射出角０°で射出した最も強度の強い光線
がほぼ１点に集光するところが存在する。例えば医療用
の内視鏡の場合、その集光点が照明レンズの最も物体側
の面よりも外側に存在すると人体を焼いてしまう可能性
がある。また工業用の内視鏡の場合には観察対象周辺に
可燃性のものがあるとそれに引火する可能性があり、そ
のため、本発明の照明光学系の場合は、以下の条件を満
足することが望ましい。 ｆ_Ｆ＞０ ここでｆ_Ｆは非球面を近似曲率で表わした時の照明光学
系の前側焦点位置である。

【００４８】また、本発明の照明光学系において、１１
０°以上の広角な照度分布を得て、かつ光量ロスを少な
くするためには、光源から光軸に対して平行に発する最
も光線高の高い光線が、照明光学系の最も物体側の面で
全反射したり、照明レンズの外周部に当ったりしないよ
うにすることが望ましい。

【００４９】

【実施例】次に本発明内視鏡照明光学系の照明レンズの
各実施例を示す。 実施例１ ｒ_１＝∞ ＥＲ_１＝１．０９ ｄ_１＝２．２ ｎ_１＝１．８０５１８ ν_１＝２５．４３ ｒ_２＝−０．８０４９（非球面） ＥＲ_２＝１．０９ 非球面係数 Ｐ＝−０．０１６１，Ｅ＝−０．４１６６８×１０^−１ ｆ＝ｆ_１＝１，Ｄ＝１．０７，ｆ_Ｆ＝０．２１９ 実施例２ ｒ_１＝∞ ＥＲ_１＝１．３ ｄ_１＝２．９４ ｎ_１＝１．７８４７２ ν_１＝２５．７１ ｒ_２＝−０．７８４９（非球面） ＥＲ_２＝１．３ ｄ_２＝０ ｒ_３＝∞ ＥＲ_３＝１．１２ ｄ_３＝４ ｎ_３＝１．７２８２５ ν_３＝２８．４６（単ファイバー） ｒ_４＝∞ ＥＲ_４＝１．１２ 非球面係数 Ｐ＝−０．７６６６，Ｅ＝−０．７９１０６×１
０^−１，Ｆ＝−０．３６５１９，Ｇ＝０．３５７７，Ｈ
＝０．３０２４６×１０^−１，Ｉ＝−０．１５１１８，
Ｊ＝０．４４３７８×１０^−２，Ｋ＝０．２３６０３×
１０^−１，Ｌ＝０．１８３１３×１０^−１，Ｍ＝−０．
１０８０２×１０^−１ ｆ＝ｆ_１＝１，Ｄ＝１．０９，ｆ_Ｆ＝０．６４７，ｆ_Ｂ
＝−１．３１４ 実施例３ ｒ_１＝∞ ＥＲ_１＝１．４７ ｄ_１＝３．３ ｎ_１＝１．７８４７２ ν_１＝２５．７１ ｒ_２＝−１．４３７９（非球面） ＥＲ_２＝１．４７ ｄ_２＝０．１３ ｒ_３＝４．７０５９ ＥＲ_３＝１．２７ ｄ_３＝４．５ ｎ_３＝１．７２８２５ ν_３＝２８．４６（単ファイバー） ｒ_４＝∞ ＥＲ_４＝１．２７ 非球面係数 Ｐ＝０．７５，Ｂ＝−０．２０２３８，Ｅ＝−０．９２
９３５×１０^−３，Ｆ＝０．３２４９９×１０^−１ ｆ＝１，ｆ_１＝１．１５８，ｆ_Ｂ＝−１．７１７，Ｄ＝
１．２３，ｆ_Ｆ＝０．８７，φ_２＝０．８６３ φ_３＝０．１５５ 実施例４ ｒ_１＝−４．６３５ ＥＲ_１＝１．３ ｄ_１＝２．９４ ｎ_１＝１．７８４７２ ν_１＝２５．７１ ｒ_２＝−０．８５８１（非球面） ＥＲ_２＝１．３ 非球面係数 Ｐ＝−０．８３８１，Ｅ＝−０．５６５７４×１
０^−１，Ｆ＝−０．３５１６４，Ｇ＝０．３５１０４，
Ｈ＝０．２６７６４×１０^−１，Ｉ＝−０．１５２３９
，Ｊ＝０．３６７４×１０^−２，Ｋ＝０．２３４６２
×１０^−１，Ｌ＝０．１８４３２×１０^−１，Ｍ＝−
０．１０５４９×１０^−１ ｆ＝ｆ_１＝１，Ｄ＝１．０９ ，ｆ_Ｆ＝０．５０６ 実施例５ ｒ_１＝∞ ＥＲ_１＝１．１８ ｄ_１＝２．６６ ｎ_１＝１．７８４７２ ν_１＝２５．７１ ｒ_２＝−０．７８４７（非球面） ＥＲ_２＝１．１８ 非球面係数 Ｐ＝０．２３９４， Ｅ＝−０．６７３５６×１
０^−１， Ｆ＝０．３２２３×１０^−１ ｆ＝ｆ_１＝１，Ｄ＝１，ｆ_Ｆ＝０．４８９ ただしｒ_１，ｒ_２，・・・は各レンズ面の曲率半径、ｄ
_１，ｄ_２，・・・は各レンズの肉厚およびレンズ間隔、
ｎ_１，ｎ_２，・・・は各レンズの屈折率、ν_１，ν_２，
・・・は各レンズのアッベ数、φ_２，φ_３は、夫々面ｒ
_２，ｒ_３のパワー、ＥＲ_１，ＥＲ_２・・・はレンズ各面
の有効径である。

【００５０】実施例１は、図１に示す構成で図６に示す
ようにｈ＝ｆ・θの関係を満足する。この実施例の照明
光学系は、図７に示す照度分布が得られ、観察視野角で
約１５０°まで対応できる。

【００５１】実施例２は、図２に示す構成で、非球面を
有するレンズと光源との間に単ファイバーを挿入してあ
る。この実施例２では、照明光学系への入射光線高ｈに
対する照明光学系からの射出角との関係を図８に示すよ
うにほぼｈ＝ｆ・θになるようにした。照度分布は図９
に示す通りで、観察視野角約１５０°まで対応できる。
更にこの実施例は、単ファイバーを光源と非球面レンズ
の間に挿入し、ファイバーバンドルの網目状むらがうつ
りにくく、かつ光源の大きさを変化させてもほとんど照
度分布に変化を与えない点で特に有効である。光源の大
きさを変化させても照度分布がないためには、次の条件
を満足することが好ましい。２ｄ＜Ｌただしｄは単ファ
イバーのコアーの半径、Ｌは単ファイバーの長さであ
る。実施例３は、図３に示す構成で非球面を有するレン
ズと光源との間に凸レンズの単ファイバーを挿入したも
のである。この実施例３は、入射光源高ｈと射出角θと
の関係が図１０に示す通りで、ほぼｈ＝ｆ・θになって
いる。ただこの実施例３は、ｈとθとの関係がｈ＝ｆ・
θから少々ｈ＝ｆｔａｎθ側にずれているため、球面状
物体照明時に図１１の照度分布のように低レベルのリン
グ状の照度むらを発生するが、実際の使用上は全く問題
がない。

【００５２】又この実施例は観察視野角約１５０°に対
応できる。この実施例は凸レンズの単ファイバーを挿入
してありファイバーバンドルの網目むらの影響を受けに
くく、光源の大きさを変化させても照度分布に変化を与
えず、かつ非球面レンズの加工性が良い。

【００５３】実施例４は、図４に示す構成で、照明レン
ズ系として物体側に凹面を設けた非球面レンズ１枚で構
成されている。又ｈとθとの関係は図１２に示すように
ほぼｈ＝ｆ・θである。この実施例４は照明レンズの物
体側の面が平面の場合に比較して非球面レンズの加工性
が良い。更に図１３に示す通りの照度分布で観察視野角
で約１５０°まで対応することが可能である。

【００５４】実施例５は、図７に示す構成で、非球面レ
ンズ１枚で構成されている。そしてｈとθとは図１４に
示すようにほぼｈ＝ｆ・θになっている。しかしこの実
施例５は、ｈとθとの関係がｈ＝ｆ・θから少々ｈ＝ｆ
ｓｉｎθ側にずれているために図１５に示すように球面
物体での照度分布は、図７に示す実施例１の照度分布よ
りも周辺での照度が低くなり、より均一に近い照度分布
を与えている。

【００５５】この照明光学系は、観察視野角で約１５０
°まで対応できる。

【００５６】ところで凸レンズを用いた照明光学系は、
光源から射出角０°で射出した最も強度の強い光線がほ
ぼ１点に集光るところが存在する。この集光点が照明レ
ンズよりも物体側にあると、例えば医療用内視鏡の場合
は、人体を焼いてしまう危険性があり、又工業用の内視
鏡の場合には、可燃性の物体に引火するおそれがある。

【００５７】そのため物体側の照明レンズの肉厚をあま
り薄くすることは好ましくない。一方、物体側の照明レ
ンズの肉厚を厚くすると、物体側の照明レンズの側面に
当る光線の量が増えるため、照明光学系から射出する光
量が減少し、視野周辺の照度を低下してしまう。そこで
これをさけるために、物体側の照明レンズに単ファイバ
ーを用いて、適切な照明レンズの肉厚を確保したりまた
は、物体側の照明レンズの前に単ファイバーを配置して
集光点が照明光学系よりも物体側に出ることを防ぎなが
ら、照明光学系から射出する光量を確保し、視野周辺の
照度を低下させないようにしてもよい。

【００５８】尚図６，８，１０，１２，１４において曲
線Ａは実施例、曲線Ｂはｈ＝ｆｓｉｎθ、曲線Ｃはｈ＝
ｆθに対するものであり、又図７，９，１１，１３，１
５において曲線ａは平面照度分布、曲線ｂは球面照度分
布、曲線ｃは管内照度分布を示している。

【００５９】上記各実施例のデーター中の非球面の形状
は、次の式で表わされる。

【００６０】ただしｘ，ｈは、光軸をｘ軸とし物体側を
負の方向にとりｈ軸を面と光軸との交点を原点としてｘ
軸に直交する方向にとった時の座標値、Ｃは光軸近傍で
非球面と接する円の曲率（近似曲率）半径の逆数、ｐは
円錐定数、Ｂ，Ｅ，Ｆ，Ｇ・・・はそれぞれ２次，４
次，６次，８次，・・・の非球面係数である。

【００６１】

【発明の効果】本発明の照明光学系は、視野角が１１０
°以上の広角の内視鏡にも用い得るもので、球面状物体
に対してほぼ均一な照度分布を与え、又平面状物体や管
腔状物体に対しても良好な照度分布を与えしかも光量の
ロスの少ない安価なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の断面図

【図２】本発明の実施例２の断面図

【図３】本発明の実施例３の断面図

【図４】本発明の実施例４の断面図

【図５】本発明の実施例５の断面図

【図６】実施例１のｈとθとの関係を示す図

【図７】実施例１の照度分布を示す図

【図８】実施例２のｈとθとの関係を示す図

【図９】実施例２の照度分布を示す図

【図１０】実施例３のｈとθとの関係を示す図

【図１１】実施例３の照度分布を示す図

【図１２】実施例４のｈとθとの関係を示す図

【図１３】実施例４の照度分布を示す図

【図１４】実施例５のｈとθとの関係を示す図

【図１５】実施例５の照度分布を示す図

【図１６】各物体に対する照度分布を示す図

【図１７】照明レンズの外周部内面での乱反射等を考慮
した時の照度分布を示す図

【図１８】非球面を有する照明レンズにおける光線の入
射と射出の状況を示す図

【図１９】従来の照明系による各物体に対する照度分布

【図２０】従来の照明光学系の構成を示す図

【図２１】他の従来の照明光学系の構成を示す図

【図２２】更に対の照明系の構成を示す図

【図２３】図２２に示す照明系の照度分布を示す図

【図２４】上記の図２２に示す照明光学系で全反射等の
影響を考慮した時の照度分布を示す図

【図２５】球面等におけるｈと面の傾きとの関係を示す
図

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１８】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２０】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１面が非球面である正レンズを
   少なくとも一つ含み、前記非球面が光軸から光軸に垂直
   な方向に行くにしたがって近似曲率よりも曲率が弱くな
   る曲面である光学系で、非球面を近似曲率で表わした時
   の光学系の焦点距離をｆとした時光源から光軸に平行に
   発した光線の光学系への入射光線高ｈとこの入射光線高
   ｈに対する光学系からの射出角θとの関係がほぼｈ＝ｆ
   θになるようにしたことを特徴とする内視鏡用照明光学
   系。