JPS6115401B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は硬性鏡等において照明光を伝送するた
めに用いられるライトガイドで、二つのライトガ
イドを接続して使用する際の接続部に使用するラ
イトガイドの連結光学系に関するものである。 例えば硬性鏡等の照明系としてライトガイドが
用いられる。この照明系において第１図に示すよ
うに光源１の側に配置されたライトガイド２と硬
性鏡３内に配置された物体側のライトガイド４と
を夫々別のライトガイドを使用して符号５に示す
部分にて連結して使用する場合がある。その理由
は光源側のライトガイド２と物体側のライトガイ
ド４とが連続した一つのライトガイドよりなる一
体式のものでは、例えば手術中に数種類のスコー
プを交換して使用する際に、長いライトガイドを
光源部分から取外してライトガイドごと交換しな
ければならないので操作上不便であるためであ
る。このような二本のライトガイドを途中で連結
した二体式のものは、その連結部での光量の損失
等が問題になる。一般にライトガイドを用いて光
を伝送する場合には、ライトガイドの断面積と光
の通るコアー部分の断面積（有効断面積）との比
が50％乃至70％であるために、ライトガイドの入
射端面にあたつた光がすべて伝送されることな
く、光量の損失をともなう。二体式の場合には連
結部においても光の損失があるために一体式と比
較して更に光量の損失があり、25％乃至50％に光
が損失する。又硬性鏡では一体式、二体式にかか
わらず、手術を行なう者の操作の都合上第１図に
おける光源側のライトガイド２に相当する部分を
長くしてある。このようにライトガイドが長い
と、ライトガイドより出射する光の配光特性は、
光源よりライトガイドに入射する時の光の配光特
性を良くしても、ライトガイドを通る間に悪くな
る。第１図に示すような例の場合には主にライト
ガイド２により配光特性が低下する。従来行なわ
れている硬性鏡の連結部は第２図に示すような直
接連結する方式や、第３図に示すように光源側の
ライトガイド２の出射端面２ａを第２次光源と
し、これをレンズ系６によつて物体側のライトガ
イド４の入射端面４ａ上に結像する方式等が得ら
れている。 これら従来の方式の配光特性について説明する
にあたつて、まず光源側のライトガイド２の出射
端面での配光特性について示す。ここでの配光特
性を実験的に求めたものは第５図にて曲線ａに示
す通りである。この実験値は同じ第５図に曲線ｂ
に示す通りのＩ（sinθ）＝−ａ sin²θ＋ｂにて
与えられるsinθを変数すると２次曲線に近似し
ている。したがつて光源側のライトガイド２の出
射端を２次光源とした時、その配光特性は２次曲
線にて表わすことが出来る。又２次光源の動径
（2r₁）方向の強度分布は、ライトガイドの特性か
ら均一である。したがつて２次光源の動径方向の
強度分布および配光特性は夫々第６図ＡおよびＢ
に示すようになる。 次に二次式ライトガイドで直接連結する方式で
ある第２図に示す方式の場合の物体側のライトガ
イド４の入射端面での強度分布、配光特性は２次
光源のそれと同一であるから、夫々第７図Ａおよ
びＢに示す通りである。 更に第３図に示すようなレンズ系を用いて光源
側のライトガイドの端面上の２次光源を物体側の
ライトガイドの入射端面上に結像させた場合の配
光特性の実測値は第１０図に曲線ｂに示す通りで
ある。 以上のように従来方式のうち直接連結する方式
のものは、２次光源の強度分布、配光特性のまま
物体側のライトガイドに入射される。したがつて
長いライトガイドによつて悪くなつた配光特性は
そのまま伝送され、良好な配光特性での照明は出
来ない。又第３図に示すレンズ系を用いて２次光
源の像を投影する方式での配光特性は幾分改善さ
れるとは云々ものの第１０図曲線ｂのように十分
なものは得られない。 本発明は以上の点に鑑みなされたものであつ
て、強度分布、配光特性の良好な照明光が得られ
るようになつたライトガイドの連結光学系を提供
するものである。 本発明の内容の詳細な説明を行なう前に、まず
第３図に示す従来例の強度分布、配光特性につい
て検討してみる。この方式においては、光源側の
ライトガイド２の出射端面上の半径ｒの点からθ
の方向への光源の物体側のライトガイド４の入射
端面へθ′にて半径r′の点に入射した場合、ｓｉｎθ
／ｓｉｎθ′ ＝ｒ′／ｒ≡β（倍率）なる正弦条件を満足している。 したがつてこの場合の強度分布、配光特性は夫々
r′＝βｒ、sinθ′＝ｓｉｎθ／βにて与えられる。つ
まり 強度分布はその範囲がβ倍となる。又２次光源と
物体側のライトガイドの端面におけるものとの強
度の比はＩ（r′）＝πｒ〓／π（βｒ_１）^２＝１／β
^２となり、強度は １／β^２倍になる。更に配光特性はその範囲が1/β倍 になる。今

【式】の場合について考える と、強度は２倍、強度分布の範囲は

【式】倍、 配光特性の範囲は√２倍になる。この情況を示し
たのが第８図Ａ，Ｂである。 このように光源側のライトガイド２と物体側の
ライトガイド４との間にレンズ系を配置して２次
光源の像を物体側のライトガイド４の入射端面上
に投影する方式においては、レンズ系のβの選択
によつて配光特性を改善することが可能であるこ
とがわかつた。この方式によつて配光特性の範囲
を広げようとした場合、物体側のライトガイドの
入射端面上の光量も増大する。しかし配光特性の
形状は光源側のライトガイドより出射する光のそ
れとほぼ同じであるから、物体側のライトガイド
中を伝わつて行く間に配光特性が悪くなつて、物
体側のライトガイドより出て物体を照明する光の
配光特性は第１０図の曲線ｂの程度にしか改善さ
れず、十分改善されたものにはなり得ない。 本発明は以上の考察をもとにしてなされたもの
で、両ライトガイドの端面の位置とレンズ系の関
係を第３図とは異なつたものとし、従来の方式よ
り一層配光特性を良好になし得たものである。 第４図は本発明の一実施例を示す図でレンズ系
７の前側焦点位置又はその近傍に光源側のライト
ガイド２の端面２ａを又レンズ系７の後側焦点位
置又はその近傍に物体側のライトガイド４の端面
４ａを配置したものである。このような光学系に
おいて、レンズ系７の焦点距離を、光源側のラ
イトガイドの各フアイバーより出る光が光軸とな
す角をθ、その光線が物体側のライトガイドへ入
射する時の光軸となす角をθ′、夫々のライトガ
イドの端面上のある点におけるライトガイドの中
心からの距離を夫々ｒ、r′とすると次の関係が成
立つ。 sinθ＝r′ (1) ｒ＝sinθ′ (2) これは第４図において物体側のライトガイドよ
りθの角度で出射したすべての光線は、物体側の
ライトガイドの入射端面に集光することを示して
いる。そして、同じ角度で射出した光線は全て同
じ点に集光する。つまり第４図において光線
L₁、L₄、L₇は＋r₂の位置に、光線L₂、L₅、L₈は
０の位置に、光線L₃、L₆、L₉は−r₂の位置に集ま
る。又光源側のライトガイドの端面上の同じ位置
から射出した光は、全て同じ角度で物体側のライ
トガイドの入射端面に入射する。つまり第４図に
おいて光線L₁、L₂、L₃は角−θ₁′で、光線L₄、
L₅、L₆は０度で、光線L₇、L₈、L₉は＋θ₁′で入射
する 次に式(1)、式(2)より ｓｉｎθ／ｓｉｎθ′＝ｒ′／ｒ＝β′(3
) この式(3)のβ′を既に述べた正弦条件における
倍率βに相当するものと考えるとすると、正弦条
件と同じ式となる。この式３からこの実施例の物
体側のライトガイドの入射端面での強度分布の範
囲はr′＝β′ｒであり、強度分布の形は光源側の
ライトガイドの出射端の形Ｉ（sinθ）＝−ａ
sin²θ＋ｂを保つたまま、sinθがr′に変換された
もの（この変換は光源側のライトガイドから等し
いθで射出した光が、物体側ライトガイドの入射
端面上で全て同じ位置r′に入射することを意味す
る。）であるから、 Ｉ（r′）＝−ar′²＋ｂ となる。そしてr′＝β′r₁の時 Ｉ（r′）＝−ａβ′²r^２ _１＋ｂ＝０ (4) となる。 又全光量

【式】は単位面積当 りの光量を１とすると光源側のライトガイドの出
射端でπr₁ ²となるので 式(4)と式(5)とより ａ＝２／β′^４×１／ｒ_１ ^２、ｂ＝２／β′^２ ∴Ｉ（r′）＝−２／β′^４・１／ｒ_１ ^２・r′²＋２／
β′^２ 又配光特性は光源側のライトガイド２の強度分
布がｒ＝constのところでｒがsinθ′に変換され
る（この変換は光源側ライトガイドの同じ位置ｒ
から射出した光が、物体側ライトガイドの入射端
面に全て等しい角θで入射することを意味す
る。）のでsinθ′＝constになる。そして配光特性
の範囲はsinθ′＝１／β′sinθである。 今

【式】になるようにすると、 強度Ｉ（r′）＝−８／ｒ_１ ^２・r′²＋４ 又配光特性の範囲は１／β′sinθ＝√２sinθ になる。これを図示すると、夫々第９図Ａ，Ｂに
示す通りである。これらの図より明らかなように
本発明のライトガイド連結光学系によれば、光源
側のライトガイド端面の２次光源の強度分布並び
に配光特性に比べ物体側のライトガイドのそれは
大巾に改善される。又従来例と比較してみると、
第７図乃至第９図より明らかなように光源側のラ
イトガイドの端面の半径をr₁とすると、この端面
上の強度分布のうち実際に物体側ライトガイドに
入射する光量は夫々第７図Ａ、第８図Ａ、第９図
Ａに破線で示す範囲である。そしてそれらの光量
は夫々1/4πr₁ ²、2/4πr₁ ²、3/4βr₁ ²ではその比
は１：２：３である。また物体側のライトガイド
の径を、光源側のライトガイドの径に比べ小さく
した場合、第７図Ａ、第８図Ａのように従来例で
は入射光量は変わらないが、本発明の場合つまり
第９図Ａでは光量が増大する。又前述した様に光
源側ライトガイドの位置ｒが物体側ライトガイド
の入射角θ′の関数sinθ′に変換されるので第９
図Ｂのように配光特性がフラツトになり物体側の
ライトガイドを出射し実際に照明する光の配光特
性があまり悪くなることがない。したがつて充分
広角な照明が可能である。 以上のように本発明の光学系の場合、物体側の
ライトガイドへの入射光量を増大させることが出
来、また物体側のライトガイドへ入射する光の配
光特性はフラツトな理想的なものにすることがで
きる。 光源側のライトガイドの出射端の配光は、ピー
ク値の1/4の時の角度が30゜位である。したがつ
て直接連結する方式の従来例では30゜以上にする
ことは不可能である。しかし広角の硬性鏡におい
ては物体側のライトガイドへの入射角は30゜以上
であることが必要である。したがつて式(2)のｒ＝
sinθ′又はｒ／＝sinθ′のθ′は30゜以上である ことが要求される。そのためr₁を光源側のライト
ガイドの半径とすると次の関係が成立つようにす
ることが望ましい。 2r₁／≧１ 次に第４図に示す本発明光学系の数値例を示
す。 R₁＝∞ D₁＝0.667 N₁＝1.8061 V₁＝40.9 R₂＝−1.581 D₂＝0.076 R₃＝1.581 D₃＝0.667 N₂＝1.8061 V₂＝40.9 R₄＝∞ ＝１、S₁＝0.591、S₂＝0.294 _F＝_B＝0.592、2r₁／＝1.368、 r₂／r₁＝0.38、ｓｉｎθ／ｓｉｎθ′＝0.55 ただしR₁、R₂………はレンズ各面の曲率半
径、D₁、D₂………は各レンズの肉厚および空気
間隔、はレンズ系の合成焦点距離、S₁は光源側
のライトガイドからレンズ系までの距離、S₂はレ
ンズ系から物体側のライトガイドまでの距離、
_{F B}は夫々レンズ系の前側焦点位置および後側
焦点位置である。 以上の実施例の配光特性の実測値は第１０図に
曲線ａに示す通りである。 この曲線より明らかなようにピーク値の1/4の
値になる角は40度である。これを第１０図の曲線
ｃに示す直接連結する方式に比べれば勿論のこ
と、曲線ｂに示す第３図のレンズ系による投影方
式よりも配光特性、強度とも改善されている。 尚この実施例では光源側のライトガイドの出射
端面および物体側のライトガイドの入射端面は
夫々レンズ系の前側焦点位置および後側焦点位置
に一致していない。したがつて式(3)は正確には成
立たずｒ_２／ｒ_１とｓｉｎθ／ｓｉｎθ′とは異なつて
いる。しかし、レ ンズ系の収差を考慮すればこのように夫々の端面
が焦点位置に一致しなくてもその近傍であれば実
用上は問題がない。更に光源側のライトガイドの
出射端がレンズ系の前側焦点位置よりレンズ系側
であれば又物体側のライトガイドの入射端がレン
ズ系の後側焦点位置よりもレンズ系側であればど
こに位置していても良い。この場合物体側ライト
ガイドの入射端における光の配光特性の平坦性が
角度の大なところでくずれる（例えば第９図Ｂの
符号ｐで示す両端の角がくずれる）ことになるが
使用上問題にはならない。 以上詳細に説明したように本発明のライトガイ
ドの連続光学系は次のような効果を奏するもので
ある。(1)物体側のライトガイドへ入射する光の配
光特性を平坦にすることが出来、かつ配光の範囲
を広くすることが出来る。(2)従来例では光源側の
ライトガイドへの入射光量を大にしても接続部で
の損失により限度があつたが、本発明によれば従
来のものより大にすることが出来る。(3)物体側の
ライトガイドへの入射光のエネルギーを大にする
ことが出来る。(4)硬性鏡用の二体式照明系に適用
すれば物体側のライトガイドが短かいので以上の
ような本発明の効果が一層有効になる。 尚説明として硬性鏡の照明系について行なつた
が、他の装置におけるライトガイドを用いた照明
系にも適用することが出来る。更にライトガイド
の接続部としてではなく、光源側のライトガイド
の出射端面の２次光源と類似の強度分布、配光特
性の１次光源（例えばキセノンランプ等）をライ
トガイドに入射させる際の光学系としても使用し
得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は硬性鏡の照明系を示す図、第２図、第
３図は夫々従来のライトガイド接続方式の構成
図、第４図は本発明光学系の構成図、第５図はラ
イトガイドを用いた照明系の配光特性を示す図、
第６図、第７図、第８図、第９図は夫々光源側の
ライトガイドの出射端、第２図の方式による物体
側のライトガイドの入射端、第３図の方式による
物体側のライトガイドの入射端、および本発明の
光学系の物体側のライトガイドの入射端における
光の状況を示す図で、いずれもＡは強度分布、Ｂ
は配光特性を示す。第１０図は本発明および第３
図、第４図の方式における物体側のライトガイド
より出射する光の配光特性の実測値である。 １……光源、２，４……ライトガイド、６，７
……レンズ系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源からの光を入射端面で受けて出射端面ま
   で伝送する第１のライトガイドと、第１のライト
   ガイドの出射端面の後方に配置された結合レンズ
   系と、この入射端面が上記結合レンズ系を介して
   上記第１のライトガイドの出射端面に対向して配
   置されていて且つ上記第１のライトガイドの出射
   端面からの光を上記結合レンズを介して受けるよ
   うにした第２のライトガイドと、を有し、上記第
   １のライトガイドの出射端面は上記結合レンズ系
   の前側焦点近傍又はそれより該レンズ系側に、ま
   た上記第２のライトガイドの入射端面は上記結合
   レンズ系の後側焦点近傍又はそれより該レンズ系
   側にそれぞれ配置されているライトガイドの連結
   光学系。 ２ 第１のライトガイドの半径をr₁としレンズ系
   の合成焦点距離をｆとしたとき次の関係を満足す
   るようにした特許請求の範囲１のライトガイドの
   連結光学系。 ２ｒ_１／ｆ≧１ ３ 第１のライトガイドの直径を第２のライトガ
   イドの直径よりも大にした特許請求の範囲１のラ
   イトガイドの連結光学系。