JPH05142485A - 内視鏡照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的はライトガイドの前に単ファイ
バー負レンズを配置した照明光学系において、配光むら
を除去することにある。 【構成】 ライトガイド側に凹面を向けた単ファイバー
負レンズとライトガイドとからなる光学系で、単ファイ
バー負レンズとライトガイドの間に単ファイバー・ロッ
ドを配置した照明光学系。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広角の観察光学系を有
する内視鏡の先端照明光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に内視鏡の観察光学系の視野角を１
００°以上にすると、それに応じて照明光学系も広角に
するために特殊なレンズを用いる必要がある。

【０００３】例えば、特開昭５７−９７５０８号公報に
記載されている照明光学系では、筒状反射体（以後単フ
ァイバーと云う）を用いたレンズが使用されている。こ
の光学系は、図２６に記載する通りの構成である。この
従来例は、通常の負レンズを用いた照明系において、図
２７に示すように光ファイバー束３の周辺より射出する
光５がレンズ４の周辺で消滅してしまうのにたいし、図
２６のように単ファイバーを用いたことにより単ファイ
バー１のコアー１ａとクラッド１ｂとの境界面で反射す
るために視野周辺に到達する光の損失を減少させて広い
配光角が保たれている。このように前記の公報に記載さ
れているように単ファイバーにて形成されているレンズ
を照明光学系に用いることは、広角な内視鏡にとっては
極めて有効である。特に図２６に示すように単ファイバ
ーを負レンズにすれば、正レンズよりも加工上曲率半径
を小さくできるため強い発散性のパワーを確保しやすい
ため視野周辺への配光を一層向上させることが可能であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】負のパワーを有する単
ファイバー・レンズ（単ファイバー負レンズ）を照明光
学系に用いた場合、次のような問題を有する。

【０００５】負のパワーの単ファイバー・レンズを有す
る照明光学系は、図２８に示すように、コアーとクラッ
ドの間の境界面で反射される光に起因する放射状のすじ
９（配光むらＡと呼ぶ）があらわれ観察に支障をきた
す。

【０００６】また図２９に示すような照明光強度の角度
分布の単ファイバー・レンズのコアーとクラッドとの境
界面での光の屈折に起因するリング状のむら（配光むら
Ｂと呼ぶ）が視野の中心付近にあらわれる。尚破線は配
光むらＢを除いたものである。

【０００７】医療用内視鏡において、照明光に上記のよ
うな配光むらがあると生体面に常に特定のパターンが投
影されることになり、病変の発見や診断に支障をきたす
可能性が高い。

【０００８】また医療以外の用途に用いられた場合も、
製品の品質としてユーザーに受け入れられなくなる場合
がある。

【０００９】本発明は、広角化に対応出来る負のパワー
の単ファイバー・レンズを用いると共に上記の問題点を
解消した内視鏡の先端照明光学系を提供することを目的
としている。

【００１０】

【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 例えば図１に示すようなライトガイドと、凹面を
前記ライトガイド側に有する単ファイバー・レンズと、
ライトガイドと単ファイバー・レンズの間に配置された
単ファイバー・ロッドとより構成されている。 内視鏡
照明光学系としてライトガイドと負のパワーの単ファイ
バーレンズとにて構成した場合に前述の配光むらＡが生
ずるが、その原因は次の通りである。図２は配光むらＡ
の原因を理解しやすくするために負のパワーの単ファイ
バーレンズでなく単ファイバー・ロッドを用いたものを
示してあり、この図にもとづいて説明する。

【００１１】図において単ファイバー・ロッド１０のラ
イトガイド側端面上で、光軸からの高さがｈのところに
点光源８を配置し、この光源８からの出射光で単ファイ
バー・ロッド１０のコアーとクラッドの境界面で全反射
する光を物体側へ追跡する場合を考える。

【００１２】単ファイバー・ロッドのコアー半径をＲと
する時、ｈ≒Ｒ／２とすると、この点光源８を出射して
コアーとクラッドの境界面で全反射した光の物体平面上
のスポットダイヤグラム９は、図２に示されるようにサ
ジタル断面では結像し、メリディオナル断面では発散す
るためにメリディオナル断面方向に長いすじ状のものに
なる。このサジタル断面での結像関係を示したのが図３
である。単ファイバーは、通常断面が円形であるので、
コアーとクラッドとの境界面は、サジタル断面内におい
ては球面反射鏡と同様にパワーを有する。この場合のサ
ジタル断面内での反射鏡としての焦点距離はＲ／２とな
り、焦点位置も光軸からＲ／２の高さの所になる。通常
単ファイバー・レンズの径に比して観察物体は、十分大
きいので、サジタル断面内の結像に関して有限結像を無
視して無限結像のみを考えると、サジタル断面反射鏡の
焦点距離Ｒ／２の付近に点光源を配置した時には、物体
面上に図２に示すようにサジタル方向にきれいに結像し
たスポット・ダイヤグラムが得られる。

【００１３】図４にはライトガイドの出射端面の様子を
示してある。仮にライトガイドの出射端面が有効径内で
一様な出射光の強度分布を有すると前述のスポット・ダ
イヤグラムの形状は問題にならない。しかし実際のライ
トガイドは、コアーとクラッドよりなる細い光ファイバ
ーを多数束ねたものであるため図４のように各光ファイ
バーのコアー部分が網目状に発光するので、光軸からの
距離ｈがｈ＝Ｒ／２付近に存在するライトガイド端面上
のリング状の部分のコアーの物体面上での像が細いすじ
状となり、それがそのまま残ってしまい障害となる。

【００１４】なお、配光むらＡの生ずる角度範囲は、単
ファイバー・ロッドの構造に依存し、配光むらＡの出始
める角度をθとすると、図２とスネルの法則とからθは
次の式（１）で示される。 θ＝sin^-1 ［ｎ₁ sin{tan^-1(R/2L)}］ ・・・・・（１） ここでｎ₁ は単ファイバー・ロッドのコアーの屈折率で
あり、Ｌは単ファイバー・ロッドの厚さである。

【００１５】上の式（１）からＲ／Ｌが小さくなると、
θも小さくなるため、視野内で配光むらＡがより一層見
立ちやすくなる。

【００１６】次に単ファイバー負レンズについて図５に
もとづき説明する。この単ファイバー・レンズも、基本
原理は、単ファイバー・ロッドと同じであるが、ここで
示す単ファイバー負レンズは、ライトガイド側を凹の球
面としたもので、凹面での屈折の影響が生ずる。

【００１７】前述の単ファイバー・ロッドは、点光源を
追跡に用いる実物点としたが、単ファイバー負レンズの
場合、凹面での屈折により生ずる点光源の虚像１２が、
光軸から高さＲ／２程度になるところで物体面上でサジ
タル断面内のピントが最も合いやすい。

【００１８】ライトガイド端面上の点光源の高さをｈと
すると、虚像１２の高さがＲ／２となる時の高さｈは近
軸計算上次の式（２）により求まる。 ｈ＝（Ｒ／２）［１＋｜{D(n₁-1)}/r₂｜］ ・・・・・（２） ここでＤは凹面からライトガイドの端面までの光軸上の
距離、ｒ₂ は凹面の曲率半径である。

【００１９】ライトガイドの有効半径をＨとする時、式
（２）で求められるｈが３ｈ＜Ｈになると配光むらＡを
生ずる光源が存在し配光むらが発生する。

【００２０】図５は、単ファイバー負レンズの凹面側に
ライトガイドの端面をつきあてることを想定したもので
あるが、図６は負の単ファイバー・レンズの凹面からラ
イトガイドの端面を離した場合を想定している。

【００２１】式（２）により、凹面とライトガイド端面
の軸上の間隔Ｄが大になるとｈの値も大になり、配光む
らＡを形成する点光源は外側に移動する。

【００２２】尚、配光むらＡの強度に関しては図２の単
ファイバー・ロッドの場合より、図５のような単ファイ
バー負レンズの配光むらＡの強度が強くなる傾向があ
る。ライトガイドを出射する光は、一般に高いＮＡで出
射する光ほど強度が弱くなる。図２のような場合、ライ
トガイドを高いＮＡで出射する光しかコアーとクラッド
の境界面に到達しない。一方図５のように単ファイバー
負レンズを有する場合、ライトガイドを出射する光は発
散されるので、ライトガイドを低いＮＡで出射する強い
光がコアーとクラッドの境界面で反射し配光むらＡを形
成するために強い光が強まってしまい非常に目立つこと
になる。

【００２３】ここで、配光むらＡが出始める角度θを、
単ファイバー・ロッドと同様に単ファイバー負レンズに
ついて求めると次の式（３）のようになる。 θ＝sin^-1 ［ｎ₁sin｛tan^-1(R/2L')｝］ ・・・・・（３） ただしＬ’は点光源の虚像から負の単ファイバー・レン
ズの物体側の面までの距離であり、ｎ₁ は負の単ファイ
バー・レンズのコアーの屈折率である。

【００２４】図５は、ライトガイドの端面をレンズにつ
きあてることを想定して点光源をレンズのつきあて面上
に置いてある。この時の点光源は、必ず凹面とその曲率
中心との間にあり、また点光源の虚像も同様であるの
で、点光源とその虚像との距離は非常に小さくなる。そ
のため単ファイバー負レンズの総厚を単ファイバー・ロ
ッドの時と同様にＬにて表わすと、Ｌ’≒Ｌと近似で
き、単ファイバー負レンズにライトガイドをつきあてる
場合も、式（３）でなく式（１）を用いることが出来
る。

【００２５】以上述べた配光むらＡの発生原因および性
質から、本発明では次に述べる構成（Ａ１）〜（Ａ５）
のうちの一つを選んで、配光むらＡの除去をはかった。 （Ａ１） 単ファイバー負レンズとライトガイドの間に
図１のように単ファイバー・ロッドを配置する構成にす
る。 （Ａ２） 単ファイバー負レンズとライトガイドとの間
を離した配置にする。 （Ａ３） 単ファイバー負レンズの構成を下記の式
（４）を満足するようにする。 （Ｒ／２）［１＋{d₂(n₁-1)}/|r₂| ］＞Ｈ ・・・・・（４） （Ａ４） 単ファイバー負レンズの構成を下記の式
（５）を満足せしめることによって配光むらＡが視野内
で目立たないようにする。

【００２６】 sin^-1［ｎ₁sin{tan^-1(R/2L)} ］＞０．７ω （５） （Ａ５） 単ファイバー負レンズの物体側の面のパワー
が下記の式（６）を満足するようにする。 ｜ｒ₁ ／（ｎ₁ −１）｜＜３０Ｒ ・・・・・（６） 上記の（Ａ１）〜（Ａ３）の構成は、配光むらＡを形成
する光をライトガイド出射端面上の高さを高くしてライ
トガイドの有効径外に追い出すようにしたものである。
ライトガイド出射端面での配光むらＡを形成する高さｈ
は、前述の式（２）で求めることが出来る。そのため高
さｈとライトガイドの半径Ｈをｈ＞Ｈと云う関係にすれ
ば、配光むらＡを形成する部分がライトガイドの有効径
内に存在し得なくなり、配光むらＡは生じなくなる。こ
の関係を式（２）と合わせて示すと次の式（７）のよう
になる。 （Ｒ／２）［１＋｛Ｄ（ｎ₁ −１）｝／｜ｒ₂ ｜］＞Ｈ ・・・・・（７） 単ファイバー負レンズの構成を、上記の式（７）を満足
するようにすれば、配光むらＡは発生しない。ただし各
パラメーターの自由度に関しては、実用上は幾分配慮す
る必要がある。

【００２７】式（７）においてＲはコアーの半径であ
り、外径上の制約の大きい内視鏡ではそれ程大きな値で
はない。また（ｎ₁ −１）／｜ｒ₂ ｜は、単ファイバー
負レンズの凹面のパワーの絶対値に相当するもので、こ
の値は、スコープの視野とライトガイドの半径Ｈにより
ほとんど決まってしまう値であり、自由度は小さい。又
前記の凹面からライトガイド端面までの距離Ｄは、レン
ズにつきあてる場合は、自由度がほとんどないが、つき
あて面から離せば自由度は増大する。

【００２８】以上のことから、式（７）をＤに注目して
変形すると次の式（８）のようになる。 Ｄ＞｛｜ｒ₂ ｜／（ｎ₁ −１）｝｛（２Ｈ／Ｒ）−１｝ ・・・・・（８） 図７をもとに前記の（Ａ２）の構成の光学系について式
（８）を満足させるように凹面からライトガイドの端ま
での距離Ｄを設定することによって配光むらＡを除去し
得る。ここで式（８）の右辺の値は、通常、凹面の深さ
よりも大になるために、負の単ファイバー・レンズのつ
きあて面からライトガイドを離すことになる。

【００２９】（Ａ２）に示す構成の光学系は、ライトガ
イドと単ファイバー負レンズとの間隔が離れるので、ラ
イトガイドを出射した光が図８のようにスペーサー１３
もしくは本体等の枠の内面にあたりやすくなる。そのた
めライトガイドと負の単ファイバー・レンズの間の枠の
内面は光を有効利用するために反射性のよい状態にする
のがよく、金属の光択面が望ましい。また光択面の色は
なるべく色づきの少ない銀色系とするのが望ましい。

【００３０】（Ａ１）の構成の光学系は、ライトガイド
と単ファイバー負レンズの間に単ファイバー・ロッドを
用いたもので、原理上は、ライトガイドと単ファイバー
負レンズとの間を離すのと同じである。しかし中間に単
ファイバー・ロッドを用いたことによって全反射による
光の伝達が可能となり、光量損失がほとんどなくなるメ
リットがある。この構成の場合図９に示すように単ファ
イバー・レンズのコアーの屈折率をｎ₁ 、単ファイバー
・ロッドのコアーの屈折率をｎ₃ 、その長さをｄ₃ 、凹
面の深さをｄ₂ とすると、式（８）におけるＤの値を下
記のようにおき代えることによって配光むらＡを除去す
るための条件を求めることが出来る。 Ｄ＝ｄ₂ ＋ｄ₃/ｎ₃ このＤの値を式（８）に代入すればｄ₃ に関する次の条
件が求まる。 ｄ₃ ＞ｎ₃ ［ {|r₂|/(n₁-1)}｛（2H/R) −１｝−d₂ ］ ・・・・・（９） ここで用いる単ファイバー・ロッドは、側面の全反射が
利用し得るものであればよく必ずしもコアーの側面にク
ラッドを設けた構造を有するものでなくともよく、均質
ロッドの外周を光学接着剤で埋めてクラッドの代りにし
たものでもよい。

【００３１】単ファイバー・レンズのつきあて面とライ
トガイド端面を単ファイバー・ロッドでうめた場合は、
式（９）を満足するように単ファイバー・ロッドの長さ
ｄ₃ を決めればよい。そうでない場合は、単ファイバー
・ロッドの長さを空気換算して求めた等価的なＤの値が
式（８）を満足すればよい。これらの式を満足しない場
合には、単ファイバー・ロッドを配置しても配光むらＡ
が生じ観察上の障害になる。

【００３２】尚図２０に示すようなくさび状の単ファイ
バーよりなる負レンズ２２のように物体側の面が傾いて
いる場合でも配光むらは生ずるので前述の単ファイバー
・ロッドをはさむ等の構成にすれば配光むらＡを除去で
きる。

【００３３】又（Ａ３）に示した構成の光学系は、単フ
ァイバー負レンズにライトガイドをつきあてる場合を想
定して単ファイバー負レンズの形状そのものに制約を設
けて配光むらＡを除去するようにしたものである。

【００３４】前述の式（４）での説明のように、Ｒ，
（ｎ₁ −１）／｜ｒ₂ ｜等は、通常自由度が小さいが、
全く選択の余地がないわけではなく、コントロールが可
能な場合もある。

【００３５】単ファイバー負レンズにライトガイドをつ
きあてる場合は、Ｄ＝ｄ₂ となるので、これを式（７）
に代入すれば前記の条件（４）のようになる。

【００３６】単ファイバー負レンズの形状を、式（４）
を満足するようにすれば配光むらＡを除去できるが、こ
の式を満足しないと配光むらＡが生じ観察上の障害にな
る。

【００３７】次に（Ａ４）に示した構成は、（Ａ１），
（Ａ２）の構成とは異なる原理により配光むらＡを除去
するものである。

【００３８】配光むらＡは、式（１）［式（３）も式
（１）とほぼ同じ値］にて与えられるある特定の角度θ
より外側にしか発生しないことが理論上判明した。その
ために観察光学系の半画角をωとする時、θ＞ωであれ
ば、配光むらＡが生じても視野内に入らないために問題
にならない。式（１）にこの条件をあてはめると次の式
（１０）にて表わされる関係が得られる。

【００３９】 sin^-1［ｎ₁sin｛tan^-1(R/2L) ｝］＞ω ・・・・・（１０） この式（１０）を満足するようにＲ／Ｌを定めれば内視
鏡観察光学系の視野内には、配光むらＡは入らず観察に
支障をきたすことはない。又配光むらＡが観察光学系の
視野内に入っても周辺部であれば実用上問題とはならな
い。特に内視鏡の観察光学系は、通常樽型の歪曲収差が
大であり、視野周辺部がつぶれて見えるために、周辺部
であれば配光むらＡがあっても目立たなくなる傾向にな
る。これらの点を考慮すると、実用上許容される範囲
は、θ＞０．７ω程度であって、したがって前記式
（５）に示す範囲であればよい。

【００４０】この条件を満足しないと、配光むらＡが視
野の中心に近い部分に生じ目立つようになるので好まし
くない。

【００４１】（Ａ５）に示す構成は、配光むらＡを形成
するライトガイド側の高さを、物体側での角度毎に分散
させて配光むらＡが目立たないようにするためのもので
ある。

【００４２】単ファイバー負レンズの物体側の面にパワ
ーを持たせると、物体側空間の光軸から離れたところに
おいてサジタル方向でピントの合う面は、コアーとクラ
ッドの境界面で反射後のコアー媒質空間内で球面にな
る。図１０は単ファイバー負レンズの物体側の面を半径
ｒ₁ の凹面にして負のパワーを持たせた場合で、この場
合ピントの合う面は、半径ｎ₁・|r₁|/(n₁-1) の球面にな
る。単ファイバー・レンズの物体側の面がパワーを持た
ない場合には、物体側のどの角度方向でもライトガイド
側でＲ／２の高さのところの虚像に集中するが、図１０
のように単ファイバー・レンズの物体側の面がパワーを
有する場合は、この物体側の面のパワーの影響により、
物体側での角度によって配光むらＡを生ずるライトガイ
ド側での虚像の高さを分散させることが出来、配光むら
Ａが目立たないようにすることが可能である。例えば図
１０では、（ア）の場合と（イ）の場合とで光軸に対す
る角度が異なり物体側での虚像の高さが異なるために、
コアーとクラッドとの境界面を経由したライトガイド側
で虚像の高さも図１１に示すように（ア）と（イ）とで
違いが生じる。そのために物体側の特定の角度方向に対
してサジタル方向でピントの合うライトガイド端面上の
高さが一意に定まる。そのためスポット形状は筋状には
ならず配光むらＡが発生しにくくなる。以上の作用は単
ファイバー・レンズの物体側の面が図１０に示すような
負のパワーを持つ場合のみでなく、正のパワーを持つ場
合も同様である。この単ファイバー負レンズの物体側の
面につけるパワーは、コアーとクラッドとの境界面のサ
ジタル方向のパワーに比べて弱すぎると、ライトガイド
端面上のサジタル方向のピント位置を分散させるのに十
分な効果が得られなくなる。そのために前記の条件
（６）を満足させる必要がある。

【００４３】この条件（６）を満足しないと配光むらＡ
が目立ち好ましくない。

【００４４】尚内視鏡には図１２に示すようにアダプタ
ー形式のものがあり、この場合、マスター１６側からの
照明光をアダプター１５内で伝送するために長めの単フ
ァイバー１０がアダプター１５内に用いられる。ここで
単ファイバー１０の物体側にレンズ１７を配置すれば、
（Ａ５）の方法で配光むらＡを目立たないようにするこ
とが出来る。この場合は、前述の条件（６）と同じ考え
により、次の条件（１１）を満足するレンズ１７を配置
することが望ましい。 ｜ｆ₁ ｜＜３０Ｒ （１１） ただしｆ₁ は、レンズ１７の焦点距離、Ｒは単ファイバ
ー１０のコアーの半径である。

【００４５】この条件（１１）を満足しないとレンズ１
７を配置しても配光むらＡが目立ち好ましくない。

【００４６】以上の説明は、単ファイバー負レンズのラ
イトガイド側の凹面が球面である場合について述べた
が、この凹面を非球面にしても同様である。非球面にし
た場合は、今までの説明で用いた凹面の曲率半径ｒ₂ に
は、非球面の光軸上の曲率半径を用いればよい。また単
ファイバー負レンズは、コアーとクラッドとからなるも
ののみでなく側面での全反射を利用するものであれば、
同様の配光むらＡが生じるので、この配光むらＡの除去
のために（Ａ１）〜（Ａ５）で述べた構成が有効であ
る。

【００４７】次に配光むらＢが生ずる原因について述べ
る。

【００４８】単ファイバーは、それに固有のＮＡ内の光
は、コアーとクラッドとの境界面で全反射させることに
よって伝搬させることが出来るが、ＮＡをこえる光は、
コアーやクラッドの境界面で全反射せず屈折してクラッ
ドにぬける。この様子を示したのが図１３である。この
図で、ライトガイドを出射して負の単ファイバー・レン
ズの凹面で屈折した光は、ライトガイドを出射した時よ
りも光軸に対する角度が大きくなるため、負の単ファイ
バー・レンズのＮＡをこえ、クラッド内を通過する。通
常の長いファイバーの場合、このような光は、途中の経
路で散乱吸収されてしまうが、図のように長さが短いと
レンズの物体側の面からクラッド１ｂを通過しそのまま
ぬけてしまう。このぬけ出た光は、光軸に対して角度の
小さい光に変換されたものになり、物体の中心付近に集
まるために視野の中心付近に図２９のようなリング状の
配光むらＢを生ずる。

【００４９】このクラッド内を通過する光の角度を図１
４にもとづいて説明する。

【００５０】コアー内を光軸に対して角度αで進む光
が、コアーとクラッドの境界面に入射した場合、ｎ₁sin
αが単ファイバーのＮＡより大きくなると、まずコアー
とクラッドの境界面で屈折し、続いてクラッドの物体側
面と空気との境界面で屈折し、光軸に対し角度βの光線
になる。この角βは、スネルの法則から次の式で表わさ
れる。

【００５１】 （１２） ここでｎ_b はクラッドの屈折率である。一例としてｎ₁
＝１．８、ｎ_b ＝１．５２、ＮＡ＝０．９６４とした場
合、αとβは次のような関係になる。

【００５２】（ＮＡ＝ ） α＝３２．４°の時β＝１．４° α＝３２．６°の時β＝６．０° α＝３２．８°の時β＝８．４° α＝３３° の時β＝１０．２２° α＝３４° の時β＝１６．８° α＝３５° の時β＝２１．７° この例でのコアーとクラッドの境界面の全反射限界での
αの値は、３２．３８°である。この例の場合、凹面に
よる屈折によりαが３２．３８°をぎりぎりこえる光
（３２．３８°〜３５°程度の光）は、物体面側では０
°〜２０°程度の光となり視野中心付近に集まるので、
この光が視野の中心付近に配光むらＢが生ずる。

【００５３】尚この配光むらＢは、図１３に示すように
クラッドの外側の面で全反射するものとしないものとの
二つに分類される。

【００５４】以上述べた配光むらＢの発生原因およびそ
の性質を考慮すると、この配光むらＢを除去するために
は、光学系を次のＢ１〜Ｂ６に示すようないずれかの構
成にすることが有効である。 （Ｂ１） 図１５に示すように光学系中の単ファイバー
負レンズの物体面のうちクラッドの部分を符号１９に示
すようにマスキングする。 （Ｂ２） 図１６に示すように光学系中の単ファイバー
負レンズの物体側面にクラッドの厚さをΔとする時に
０．３Δ以上の大きさの面取りをほどこしたものにす
る。 （Ｂ３） 単ファイバー負レンズのコアーの半径をＲ、
総厚をＬとした時、次の条件（１３）を満足するように
構成する。 Ｌ／Ｒ＜１．５ （１３） （Ｂ４） 単ファイバー負レンズのクラッドの厚さΔを
次の条件（１３）を満足するようにする。 Δ／Ｒ＜０．３ （１４） （Ｂ５） 単ファイバー負レンズのコアーの屈折率をｎ
₁ 、クラッドの屈折率をｎ_b とする時次の式を満足する
ように構成する。

【００５５】 ＞０．７７ ｛ｓｉｎ５０°＝０．７７｝ （１５） （Ｂ６）単ファイバー負レンズのライトガイド側の凹面
の最大傾き角を６５°よりも小さくした構成にする。

【００５６】以上述べた構成のうち、（Ｂ１），（Ｂ
２）に示すものは、単ファイバー負レンズのクラッドの
物体側の部分から物体側へ出射する光をなくすか又は減
少させるようにしたものである。つまり（Ｂ１）は図１
５のように単ファイバー負レンズのクラッドの物体側の
部分を遮光することによって配光むらＢを除去するもの
である。この遮光膜の形成方法は、蒸着や塗料の塗布等
のようなものでもよい。また膜ではなく金属薄板のはり
つけ等でもよい。この遮光は、クラッド端面全体にわた
って行なうのが望ましいが、実用上は０．３Δ以上の遮
光を行なえば配光むらＢの減少の効果が得られる。又
（Ｂ２）に示す構成のようにクラッド部分の面取りを行
なっても同様の効果が得られ、クラッド全体を面取りし
てもよいが実用上は０．３Δ以上の面取りを行なえば十
分である。この場合、図１７のようにレンズの枠への接
着に遮光性のよい黒色の接着剤２１を用いるのが望まし
い。

【００５７】（Ｂ３）に示す構成の光学系では、コアー
とクラッドとの境界面に到達する光を減少させてクラッ
ド内に抜ける光を減少させることによって配光むらＢを
除去するようにしたものである。元々、単ファイバー負
レンズを用いるのは、コアーとクラッドとの境界面での
反射を利用するものであるが、必要以上にレンズの総厚
が厚いと、コアーとクラッドとの境界面に到達する光が
増大して配光むらＢが増大する。図１８において、単フ
ァイバー負レンズの総厚をＬコアーの半径をＲとする
時、その相対的な厚みＬ／Ｒを前記条件（１３）を満足
するようにしてコアーとクラッドとの境界面に無用な光
が入射しないようにして配光むらＢを抑制している。

【００５８】条件（１３）を満足しないと配光むらＢの
レベルが高くなり好ましくない。（Ｂ４）に示す構成
は、不必要な光の伝搬経路となるクラッドの部分の断面
積を減少させて配光むらＢのレベルを低くするようにし
ている。クラッドの厚さΔはコアーの半径Ｒに対する割
合が小さくなる程、不必要な光の伝搬経路が狭くなり、
不必要な光を減少し得る。実用上は、前記の条件（１
４）の範囲内であれば、配光むらＢを問題のないレベル
にまで減少させることが可能である。

【００５９】この条件（１４）を満足しないと不要光の
伝搬経路が大きすぎ配光むらＢが問題となり好ましくな
い。

【００６０】（Ｂ５）に示す構成は、単ファイバーのＮ
Ａを高くすることによってコアーとクラッドとの境界面
で屈折する光を減少させて配光むらＢのレベルを減少さ
せるようにしたものである。ここで単ファイバーのＮＡ
は大きければ大きい程よいが、配光角にして少なくとも
１００°以上確保しないと通常の照明光に対してのクラ
ッドを通過する不必要な光の比率が高くなりすぎて配光
村Ｂが問題になる。そのために条件（１５）を満足する
ことが望ましい。

【００６１】（Ｂ６）の構成は、単ファイバー負レンズ
のライトガイド側凹面の最大傾き角をあるレベル以下に
保つことにより単ファイバーのＮＡを越えてコアーとク
ラッドの境界面で屈折する光を減少させるようにしたも
のである。図１９にコアーの屈折率ｎ₁ ＝１．８として
凹面に、光軸に平行な光を入射させた場合を示す。凹面
の周辺では、面の法線が光線に対して大きく傾くために
入射した平行光は強く屈折させられる。この図では、法
線の光軸に対する傾き角（γ）を６５°にしてあり、こ
の場合は、凹面で屈折した光は光軸に対して３４．８°
の角度（α）で進み、先の例で示した全反射限界角３
２．３８°を少しオーバーするためコアーとクラッドと
の境界面で全反射せずに屈折してしまう。ライトガイド
を光軸に平行に出射する光の強度が強いため、このよう
な光がクラッドを通過して配光むらＢを形成すると実用
上許容し得ないものになってしまう。そのための単ファ
イバー負レンズのライトガイド側の凹面の最大傾き角
は、過度の屈折を抑制するため６５°以下にする必要が
ある。

【００６２】

【実施例】次に本発明の照明装置の各実施例について説
明する。 実施例１ ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.517 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.07 ｒ₂ ＝1.149 ｄ₂ ＝0.583 ｒ₃ ＝∞ ｄ₃ ＝3.2 ｎ₃ ＝1.728 ｎ_3b＝1.52 Ｒ₃ ＝0.95 ｒ₄ ＝∞ ｄ₄ ＝0 ｒ₅ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝0.885 ，Ｌ＝1.1 ，ｈ＝1.45 実施例２ ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.376 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.07 ｒ₂'＝0.905 ｄ₂'＝0.141 ｒ₂ ＝1.149 ｄ₂ ＝0.583 ｒ₃ ＝∞ ｄ₃ ＝3.2 ｎ₃ ＝1.728 ｎ_3b＝1.52 Ｒ₃ ＝0.95 ｒ₄ ＝∞ ｄ₄ ＝0 ｒ₅ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝0.885 ，Ｌ＝1.1 ，ｈ＝1.45（ｒ₂ ），ｈ' ＝1.76（ｒ₂'） 実施例３ ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.46 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.40 ｒ₂'＝0.855 ｄ₂'＝0.19 ｒ₂ ＝1.272 ｄ₂ ＝0.75 ｒ₃ ＝∞ ｄ₃ ＝3 ｎ₃ ＝1.728 ｎ_3b＝1.52 Ｒ₃ ＝1.10 ｒ₄ ＝∞ ｄ₄ ＝0 ｒ₅ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝1.1 ，Ｌ＝1.4 ，ｈ＝1.80，ｈ' ＝2.46 実施例４ ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.517 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.07 ｒ₂ ＝1.149 ｄ₂ ＝1.30 ｒ₃ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝0.885 ，Ｌ＝1.1 ，ｈ＝1.02 実施例５ ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.517 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.35 ｒ₂ ＝1.149 ｄ₂ ＝0.583 ｒ₃ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝0.885 ，Ｌ＝1.1 ，ｈ＝0.95 実施例６ ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.367 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.07 ｒ₂ ＝1.149 ｄ₂ ＝0.583 ｒ₃ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝0.885 ，Ｌ＝0.95 ，θ＝62.3°，ω＝60° 実施例７ ｒ₁ ＝-15 ｄ₁ ＝0.517 ｎ₁ ＝1.805 ｎ_1b＝1.52 Ｒ₁ ＝1.07 ｒ₂ ＝1.149 ｄ₂ ＝0.583 ｒ₃ ＝∞（ライトガイド端面） Ｈ＝0.885 ，｜ｒ₁/(n₁-1)｜／Ｒ＝17.4 ただしｒ₁ ，ｒ₂ ，・・・ は各面の曲率半径、ｄ₁ ，ｄ
₂ ，・・・ は各面の間隔、ｎ₁ ，ｎ₃ ，・・・ はコアーのｄ
線に対する屈折率、ｎ_1b，ｎ_3b，はクラッドのｄ線に対
する屈折率、Ｒ₁ ，Ｒ₃ はコアーの半径である。

【００６３】実施例１乃至実施例３は、前述の（Ａ１）
に示す構成のもので、単ファイバー・レンズとライトガ
イドとの間に単ファイバー・ロッドを配置したものであ
る。これら実施例は、ｈ＞Ｈになるように単ファイバー
・ロッドの長さを設定してある。

【００６４】実施例１は図２１に示す通りであり、又実
施例２，３は図２２に示すように凹面が２段式になった
単ファイバー負レンズを用いている。これら実施例の場
合内側の凹面と外側の凹面の両方に対してｈ＞Ｈ，ｈ’
＞Ｈが成立つように単ファイバー・ロッドを設定してあ
る。尚、実施例２，３のデーター中ｄ₂'は内側の凹面ｒ
₂'の面頂から外側の凹面ｒ₂ の面頂（凹面ｒ₂ を内側へ
延長して光軸と交わる点）までの距離、ｄ₂ は外側の凹
面の面頂から単ファイバー・ロッドの端面ｒ₃ までの距
離である。又実施例２の単ファイバー負レンズの内側有
効径は１．５６、外側有効径は２、実施例３の内側有効
径は１．４８、外側有効径は２．３２である。

【００６５】実施例４は、図２３の通りで（Ａ２）に示
す構成で、単ファイバー負レンズとライトガイドとを離
して配置してある。この実施例は、ｈ＞Ｈとなるように
ｄ₂ の値を設定している。

【００６６】実施例５，６は、図２４に示す通り類似す
る断面形状であるが、実施例５が（Ａ３）に示す構成で
あり、実施例６は（Ａ４）に示す構成である。つまり実
施例５は、単ファイバー負レンズのＲ₁ ，ｒ₂ ，ｄ₂ の
組合わせにより条件（４）を満足するようにし、データ
ー中に示すようにｈ＞Ｈになるように設定している。ま
た実施例６は、単ファイバー負レンズの総厚を出来る限
り薄くしてθ＞ωになるようにした。

【００６７】実施例７は、図２５の通りの（Ａ５）に示
す構成であって単ファイバー負レンズの物体側の面に条
件を満足するパワーをつけた。

【００６８】

【発明の効果】本発明の照明光学系は、以上述べたよう
な構成にして広角な照明を行なう際に有効な単ファイバ
ー負レンズで生ずる配光むらをなくし良好な照明が可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の照明光学系の基本構成を示す図

【図２】単ファイバー・ロッドによる配光むらＡの原因
を説明するための図

【図３】単ファイバー・ロッドによる配光むらＡの原因
を説明するためのサジタル断面の結像関係を示す図

【図４】ライトガイドの端面を示す図

【図５】単ファイバー負レンズによる配光むらＡの原因
を説明するための図

【図６】単ファイバー負レンズによる配光むらＡの原因
を説明するための図

【図７】単ファイバー負レンズとライトガイドとを離し
た構成にした照明光学系の断面図

【図８】図７において単ファイバー負レンズとライトガ
イドとの間に枠を配置した構成の照明光学系の断面図

【図９】単ファイバー負レンズとライトガイドの間に単
ファイバー・ロッドを配置した構成の照明光学系の断面
図

【図１０】単ファイバー負レンズの物体側の面にパワー
を持たせた時の配光むらＡの原因を説明する図

【図１１】単ファイバー負レンズの物体側の面にパワー
を持たせた時の配光むらＡを説明する図

【図１２】間に単ファイバー・ロッドを配置した照明光
学系をアダプター形式にしたものの断面図

【図１３】単ファイバー負レンズによる配光むらＢの原
因を説明する図

【図１４】単ファイバー負レンズによる配光むらＢの原
因を説明する図

【図１５】配光むらＢの除去手段をほどこした単ファイ
バー負レンズである（Ｂ１）に示す構成の断面図

【図１６】（Ｂ２）に示す構成の単ファイバー負レンズ
の断面図

【図１７】図１６に示す単ファイバー負レンズを枠に接
着する状態を示す図

【図１８】（Ｂ３）および（Ｂ４）に示す構成の単ファ
イバー負レンズの断面図

【図１９】（Ｂ６）の構成を説明するための図

【図２０】先端が傾斜した単ファイバー負レンズを用い
た本発明光学系の断面図

【図２１】実施例１の断面図

【図２２】実施例２，３の断面図

【図２３】実施例４の断面図

【図２４】実施例５，６の断面図

【図２５】実施例７の断面図

【図２６】従来の単ファイバー負レンズを用いた照明光
学系

【図２７】従来の負レンズを用いた照明光学系

【図２８】従来の単ファイバー負レンズを用いた照明光
学系で発生する配光むらＡを示す図

【図２９】従来の単ファイバー負レンズを用いた照明光
学系で発生する配光むらＢを示す図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ライトガイドと、ライトガイド側に凹面を
   有する単ファイバー・レンズとよりなる照明光学系にお
   いて、ライトガイドと単ファイバー・レンズとの間に単
   ファイバー・ロッドを配置したことを特徴とする内視鏡
   照明光学系。