JPS63239415A - 内視鏡用照明光学系 - 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、内視鏡用の照明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用照明光学系は、一般に第３図
に示すような構成のもので、ライトガイド１の出射端面
の前方即ち物体側に照明レンズ３を配置してライトガイ
ドから出射した光を広い範囲に拡散するようにしたもの
であるが、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
、該外周部内面で全反射して視野中心部やライトガイド
に向かったシすることによって、視野周辺部への配光が
不十分になシ広い範囲にわたっての均一な照明が得られ
ないと云う問題点を有していた。

このような問題点を解決するためになされた従来例とし
て例えば実開昭５７−１７０７１号公報に記載された従
来例も知られている。この従来の内視鏡用光学系は、ラ
イトガイド側が球面形状の中央部分と錐面形状の周辺部
分とからなる複合面である照明レンズをライトガイドの
前に配置したものであるがこの従来例は、球面と錐面の
複合面と云う制限のために、配光を自由にコントロール
できず、組合わせる光源によっては照明むらを生ずるな
どの欠点がちる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、以上のような従来例の欠点に鑑みなされたも
ので、広角の内視鏡に用い得てしかも視野周辺まで明る
く照明でき光量のロスの少ない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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前記の問題点を解決するために、照明レンズ
に少なくとも一つの非球面レンズを配置するようにした
もので、これによって広角の内視鏡の視野周辺まで明る
く照明し得る内視鏡用照明光学系を得るようにした。

本発明の内視鏡用照明光学系は、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の射出側端面の前に
例えばその物体側の面が非球面の非球面レンズである照
明レンズ２を配置したものである。この非球面レンズの
形状の例としては、第２図に示すような座標系において
次の式（１）にて表わされるものである。

＋ｆＳ’＋ＦＳ’＋・・・　　　　　　　　　（１）た
だしＣ＝ｉ（Ｒは非球面の頂点の曲率半径）である。又
Ｓは光軸（Ｘ軸）からはかった半径、Ｐは円錐定数であ
る。

更に本発明の内視鏡用照明光学系は、次の各条件式を満
足することを特徴とするものである。

了（虐Ａ（東≦０（２） （Ｏ≦ｈ≦ｒ） ＩＸＩＩ≦Ｉｘｚｌ　　　　　　　　　　　　　（４）
ここでｈは光線高で第１図に示す光学系では、ライトガ
イドの軸に平行な光線ｔ（以下主光線と呼ぶ）のライト
ガイドの軸からの距離、Ａ　（ｈ）は光線ｔの非球面レ
ンズを通過後の光軸（Ｘ軸）からはかった屈折角、ｒは
光源（第１図のライトガイド）の半径、Ｘ＋は非球面レ
ンズの第１面の最も物体寄の点と最も光源寄の点のＸ座
標の差、ｘ２は非球面レンズの第２面の最も物体寄シの
点と光源位置のＸ座標の差である。

次に各条件式の意味について説明する。まず条件式（２
）について説明する。

第３図に示す従来のレンズは、第４図に示すようにＡ（
ｈ）がｈの増加にともなって急速に大きくなる。そのた
めに内視鏡の視野周辺では主光線の光線密度が低下し配
光が悪くなる。ここでライトガイドの１本のオプチカル
ファイバーから出る光線の強度は、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。尚この第３図に示す従来のレンズは次のデータ
ーを有する。

従来例１ ｒｌ　＝■ ｄｘ　＝０．４５４５　　　ｎ＋　＝１．８８３　　　
　　！’１　＝４０．７８ｒ２＝１．１８１８ 従来例２ ｒｌ　＝ψ ｄｘ　＝０．４５４５　　ｎｔ　＝１．８８３　　　シ
＋＝４０．７８ｒｔ　＝　１．０４５ したがって内視鏡用照明光学系の照明レンズはｄＡ　　
　　　　　　　　　　ｄ２Ａ …の値がほぼ一定でつま’）　丁＝０ならば、はぼ球面
状の胃などの内面を物体としてみる場合には、はぼ一様
な配光が得られる。第５図にこの状態を示す。

しかしながら実際には内視鏡対物レンズは強い負の歪曲
収差があるために周辺の物体は小さく写がよシ明るくな
ることも考えられるが、胃の内面であっても胃壁に接近
すれば１１ぼ平面とみなせるようになシ、又周辺はど明
るくなっても不都合が生ずることはない。したがって次
の条件式を満足すればよい。

ｄ２ ＩＶ（５ｔｎＡＱ１）　）≦０ つまシ前記の条件式（２）を満足すればよい。

次に第６図に前記データーの従来例のレンズの５ｉｎＡ
のｈに対するグラフを、又第７図に後に示す本発明の一
実施例のレンズのｄｎＡのｈに対するグラフを示しであ
る。

これらの図から、従来例のものは上記グラフが２ｓｆｎ
Ａ 下に凸になっていて一頂２−〉０であるが、本発明の実
施例の場合は、グラフが上に凸であってｄ”ｍＡ ｆｆ＜Ｏになっている。つまシ従来例では、視ｈ 野周辺に向かうにつれ、光線の密度が小になるが本発明
の実施例では周辺でも光線密度がほぼ均一であるか逆に
やや大になる。

尚０≦ｈ≦ｒのすべてのｈに対して条件式（２）をｄ２
幽Ａ 満足する必要はなく第８図に示すように一酊２−≦０と
なるｈの範囲がＯ≦ｈ≦ｒに存在すれば実用ｄ２幽Ａ 上は充分である。又−２≦０を満足するｈの範ｈ 囲はライトガイドの射出端面（又は光源の発光面）にお
いて面積として２０％程度以上あれば実用配光特性も改
善がみられる。又視野周辺の配光を良くするという点か
らはｈ≧０．４ｒの領域に条件を満たす部分が存在する
ことが望ましい。この領域において更に条件が０．１５
　ｒ以上の範囲に亘って満足されていれば一層良好な配
光に改善される。

次に条件式（３）について説明する。近年内視鏡の画角
は広角化しておシ、９０°〜１３０°程度の画角のもの
が多くなっている。一方ライトガイドのみの配光角は６
０°程度であるので、レンズによって３０°以上広げる
必要がある。そのためには、レンズによる主光線の屈折
角が１５°以上あればよいことになる。とこで視野の周
辺を照らすのはｈの大きい領域の光線であって、およそ
ｈ≧０．８ｒの光線高の光線である。したがってＡ（０
，８ｒ）≧１５゜つまシ次の条件式（５）のとおシであ
れば良い。

ｇｔｎＡ　（０，８ｒ　）≧０．２５　ｓ　ｇ　　　　
　　　（５）あるいは、ライトガイドの周辺の範囲につ
いての平均を考えて、 とすると ５ｈｔＡ≧０．２５８８ であればよい。つまり前記の条件式（３）を満足すれば
よい。

最後に条件式（４）について説明する。第９図に示すよ
うに第１面の最も物体寄の点Ｏｓと最もライトガイド寄
の点Ｇ１とのＸ座標の差をＸｉ、第２面の最も物体寄の
点０２とライトガイドの出射端面ＧｔとのＸ座標の差を
ｘｔとした時にｘｌとｘｔの関係を示したのが条件式（
４）である。

この条件式（４）は、この式に示されたＸｔ　ｔ　Ｘｔ
が第１面、第２面のおよその屈折力の大きさを表わすこ
とになシ、したがって屈折力値が第２面の方が第１面よ
りも大きいことを示している。

もし、ＸｔｐＸｔの関係がｘｔ＞　ｘｔであると、第１
１図のように屈折力が第１面゛の方が強くなり、ライト
ガイドからのＮＡの大きな光線ｔ′が全反射しやすく光
量のロスが大になる。尚第１０図は条件式（４）を満足
する場合を示す。

以上のように本発明の内視鏡用照明光学系の非球面レン
ズは、第１面、第２面の少なくとも一方が例えば式（１
）にて表わされるような形状の非球面をもつもので、こ
の非球面は凹面でも凸面でもよく更にいくつかの山をも
つ面であってもよい。又条件式（２）　、　（３）　、
　（４）を満足することを特徴とするものである。そし
てこのような非球面レンズを備えた内視鏡用照明光学系
は前述のように本発明の目的を達成するものである。

上記の条件（２）　、　（３）　、（４）を満足する非
球面形状を決めるのに解析的に解くことはむずかしい。

しかし計算機による光線追跡の手法を、一般の結像レン
ズと同様に用いることによって実現出来る。

又本発明の光学系で用いる非球面レンズの非球面形状は
、Ｘ軸（光軸）のまわシの回転対称なものに限らない。

第１２図に示すように対物レンズ４とのパララックスを
除去するためには少なくとも一方の面をδだけ偏心させ
てもよいし、傾けてもよい。この場合照明レンズを複数
のレンズで構成したものでは、照明レンズ全体又は一部
のレンズを偏心または傾けても同様の効果がある。

上記のようにレンズの曲面をＸ軸のまわシの非回転形状
にした場合、ライトガイドの少なくとも一つのファイバ
ーのほぼ中心をとおる軸を含む平面で切った場合に曲面
形状が式（１）にて表わされる非球面形状であればよい
。そしてこのようにして決まる式（１）で表わされる非
球面で条件式（２）　、　（３）　。

（４）を満足するようにすれば本発明の目的にかなった
配光の良い照明レンズが得られる。

なおライトガイドの断面形状は円形とは限らず、例えば
第１３図に示すような四角形状のものもあシ、その場合
の本発明の照明レンズは図示する通りで４＠対称性を持
つ形状でアシそのｙ方向、Ｕ方向の曲面形状は、第１４
図に示す通りである。

このようにライトガイドの断面形状が円形でない場合、
条件式（３）のｒは等面積の円でおきかえて考えればよ
い。

文武（１）にて決定される曲面のかわシに曲線を短い折
れ線で近似した第１−５図のような曲線でもよい。第１
６図のように短い直線と曲線を組合わせて近似させた曲
線でもよい。

上記のように曲面を折れ線で近似する場合、レンズの物
体側面にとのような曲面を設けると折れ曲がシ部がやや
とがった形状になるので物体に傷をつける慣れがある。

したがって折れ線で近似させた曲面にする場合はなるべ
く内側に用いる方が好ましい。

なお曲面が第１７図のようなレンズでも本発明の考えを
適用し得る。っまシ二つの非球面のうちｄ２ｓｉｒ＋Ａ どこかで、ｈ□　≦０を満足するようにすればよいし、
より望ましい範囲（射出端面の２０％以」二、ｈ≧０．
４ｒ等）については一つの非球面の場合と同様である。

更に第１８図に示すように二つ以上の非球面レンズを用
いた照明レンズをライトガイドの前方に置いて本発明の
光学系を構成することも可能である。この場合条件式（
２）　、　（３）は二つの（複数の）非球面レンズを通
ったあとの光線に適用され、条件式（４）は少なくとも
一つの非球面レンズに対して適用され−ればよい。

尚本発明では折れ線で近似させたもの等上述のような近
似させた曲線からなる面を含めて非球面と称１−ている
。

〔実施例〕

次に本発明内視鏡用照明光学系の照明レンズの各実施例
を示す。

実施例１ ｒＩ−〇〇（非球面） ｄ＋　＝０．４５４５　　ｎ１＝１．８８３　　　シｍ
＝４０．７８ｒ２　＝　１．１３６４ Ｐ１＝１ Ｂｕ　＝−０，５５ｘｌ　Ｏ−’％　Ｅ＋　＝０．６４
４２Ｘ１０−”ＸＩ　＝　０．０５９、Ｘ２　＝　０．
８１８２．５ｖｔ＝　１．３０実施例２ ｒ、＝の（非球面） ｄｕ　＝０．４５４５　　ｎｌ　＝１．８８３　　　シ
１＝４０．７８ｒｚ＝１．２６２７ ＰＩ＝１ Ｂ１＝−０，７１５ＸＸＯ−’、　　Ｅ１＝０．６４４
２Ｘ１０−２ｘ、＝０．０９２、Ｘ２＝０．６２７８、
Ｓｗ＝　１．３６８実施例３ ｒＩ”■（非球面） ｄｘ　＝０．４５４５　　　ｎｔ　＝１．８８３　　　
　　νｔ　”４０．７８ｒ２　＝１．１３６４　（非球
面） Ｐ１＝１ Ｂ１＝　　０．５５Ｘ１０−’、　Ｆ＋　””０．６４
４２Ｘ１０−２Ｐ２＝１ Ｆｔ　＝０．６４４２Ｘ１０−”、　Ｘｔ　＝　０．０
４６ｘｚ　”　０．８１８１　　、　Ｓｗ＝１．１８実
施例４ ｒ、＝ｃｏ（非球面） ｄ＋＝０．４５４５　　ｎＩ＝１．８８３　　　シ＋＝
４０．７８ｒｔ＝１．２６２７ Ｐ＋＝１ Ｂｔ＝−０，８８Ｘ１０−’、Ｅｘ　＝０．２９２８２
Ｘ１０−’ｚ、＝Ｑ、ｌ、Ｘ２　＝　０．６２７３、Ｓ
ｗ、＝　１．５３実施例５ ｒｌ”■（非球面） ｄｘ　＝　０．４５４５　　ｎ４　＝　１．８８３　　
　シ＋＝４０．７８ｒ２＝　１．２６２７ Ｐ１＝１ Ｆ１＝０．１９１９７Ｘ１０−’、ＸＩ”Ｏ，Ｘ：２＝
０．６２７３実施例６ ｒ、＝■ ｄ＋　＝０．４５４５　　ｎｌ　＝　１．８８３　　　
ｖｘ　＝４０．７８ｒ２＝ω（非球面） Ｐ２＝１、　Ｂ、＝０．４４ 実施例７ ｒ＋＝の ｄ＋　＝０．４５４５　１＋　＝１．８８３　　１’＋
　＝４０．７８ｒ２＝の（非球面） Ｐ２＝１、　Ｂ２　＝　０．５５ 実施例８ ｒｌ　＝（１） （Ｌ　＝０．４５４５　　ｎｌ　＝１．８８３　　　ν
ｔ　＝　４０．７８ｒ２＝ω（非球面） Ｐ２＝１、　Ｂ２＝０．６６ 実施例９ ｒｌ　二の （Ｌ　＝０．４５４５　　ｎｌ　＝　１．８８３　　　
！’１　＝４０．７８ｒ２＝の（非球面） Ｐ２＝１、Ｂ２　＝　０．５５、＆＝　０．６４４２Ｘ
１０−”上記データーでｒｌｙｒ２は夫々照明レンズの
第１面と第２面の曲率半径、ｄｌは照明レンズの肉厚、
ｎｌは照明レンズの屈折率、ν１は照明レンズのアツベ
数である。又これらデーターは光源の半径ｒ＝１に規格
化しである。

実施例１，２は夫々第１９図、第２０図に示すものでい
ずれも第１面が非球面である。これら実施例の５ｆｎＡ
のグラフは第７図に曲線ａ、ｂにて示す通りである。

実施例３は第２１図に示す通シで第１面と第２面の両方
が非球面である。この実施例は、第２面の周辺の曲率か
弱くなっているのでレンズの縁に当る光線が少なく明る
いのが特徴である。５ｌｎＡのグラフは第７図に曲線Ｃ
にて示す通シである。

実施例４は、第２２図に示すように第１面が非球面のレ
ンズであるが実施例１，２と異な９２次と４次の非球面
係数は零でない。この実施例の癲Ａのグラフは第７図に
曲線ｄにて示す通υである。

以上の実施例１〜４はいずれも第１面の中央が凹面で周
辺部が凸レンズになっているのが特徴である。これは主
光線以外のＮＡの大きな光線がレンズ第１面の周辺部で
全反射するのを″防ぎ、配光を上げる効果がある。その
ため曲面の最もとび出した部分が存在する。光軸から上
記の点までの距離Ｓｍが−ｒよシ小さくなると周辺の凸
の作用の部分が強くなシすぎて配光が狭くなってしまう
。

実施例５は、第２３図に示す通シで第１面が非球面であ
るが中央に凹部がない。この実施例は、配光角は狭いが
均一な配光が得られるのが特徴である。この実施例のｓ
ｉｎ　Ａのグラフは第７図に曲線ｅにて示す通シである
。

実施例６，７．８は、夫々第２４　、２５　、２６図に
示す通シで第２面が放物面になっている例で、実施例６
が最もゆる〈実施例８が最もきつい放物面で、したがっ
てこの順で配光が広くなっている。

これら実施例は、いずれも第２面の周辺の曲率か弱いた
めレンズの縁に当る光線が少なく光量の損失が少ないこ
とが特徴である。又曲面に変曲点がないので加工しやす
いことも特徴である。又これら実施例では、２次の非球
面係数Ｂは、Ｂ≧０．２であることが望ましい。Ｂ　＜
　０．２の場合、放物面がゆるくなシすぎ、配光不足と
なシ性能的に不充分になる。

これら実施例６，７．８の５ｉｎＡのグラフは第２９図
に夫々曲線ｆ、ｇ、ｈにて示す通シである。

とれら実施例で第１面を平面、第２面を放物面にした場
合、ｍＡはり、Ｂ（第２面の２次の非球面係数）、ｎ（
レンズの屈折率）の関数として解析的に表わされる。第
２８図に示すように１２＋１２＋　１１を定義すると、 ｉ２＝ｔｍ−’２ＢＳ 画γｚ　＝　　ｄｎ（ｔａｎ−’２ＢＳ　）ｉ、＝ｉ２
−γ２ であるから、 虐Ａ＝ｎ出１１ ＝ｎｍ（（ｔａｎ−’２ＢＳ）　−ｍ−’（−ｔｈ（ｔ
ａｎ−”２Ｂｓ）））・・・・・・・・・（６） となる。したがってＳ＝０．８ｒ、Ａ＝１５°、ｎ＝１
．５〜１，９として式（６）を解くと条件式（５）を満
足するＢの下限値が求まる。又条件式（３）も同様にし
て解くことが出来る。

又第１面を平面、第２面が式（１）で表わされる非球面
（Ｐｒｏの場合の）の場合、第２面の方程式％式％ １．５〜１．９として式（７）を解けば式（５）を満た
すＣ及び非球面係数の値が求まる。したがって式（６）
又は式（７）を用いて条件式（３）を満足するレンズを
形成すれば配光特性の良好な照明系が得られる。

実施例９は第２７図に示すもので第２面を６次曲面にし
たもので実施例６　、７　、８と比べて光量の損失が少
なくなっている。この実施例のｇｉｎＡのカーブは第２
９図に曲線ｉにて示しである。

以上の実施例は全てＰ＝１つまシ放物面になっているが
、楕円面（０＜Ｐ＜１　）、双曲面（Ｐ＜０）でも同様
の効果が得られるものが実現できる。

尚、ライトガイドの代シにＬＥＤ半導半導−レーザーン
プ等の発光素子を用いてもよい。又、非球面レンズはガ
ラスプレス、プラスチックモールドで作ればコスト低減
になる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように広角な内視鏡に対応し得
てしかも周辺部まで均一で良好な配光特性でロスのない
照明用光学系である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の内視鏡用照明光学系の構成を示す図、
第２図は本発明で用いる非球面を表す式の座標系を示す
図、第３図は従来の照明光学系の構成を示す図、第４図
は従来の照明光学系のＡとｈの関係を示す図、第５図は
非球面レンズを備えた照明光学系の配光を示す図、第６
図は従来例の５ｆｎＡとｈの関係を示す図、第７図は本
発明の実施例１〜５の５ｈｉＡとｈとの関係を示す図、
第８図は本発明照明光学系のｍＡとｈの関係の一例を示
す図、第９図乃至第１１図は本願の条件式（４）の説明
図、第１２図は本発明の照明光学系のパララックスを補
正した状態での構成を示す図、第１３図は断面四角形の
ライトガイドに用いられる本発明照明系の非球面レンズ
の斜視図、第１４図は第１３図の非球面レンズの曲面形
状を示す図、第１５図乃至１７図は本発明で用いる非球
面レンズの非球面形状の他の例を示す図、第１８図は複
数の非球面レンズを用いた本発明照明光学系の他の例を
示す図、第１９図乃至第２７図は本発明の実施例１乃至
実施例９の断面図、第２８図は放物面を有する非球面レ
ンズでの主光線の屈折状態を示す図、第２９図は本発明
の実施例６乃至実施例９の５ｆｎＡとｈの関係を示す図
である。

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少なくと
   も一つの非球面レンズを有する照明レンズを備えた照明
   光学系で、次の条件式（２）、（３）、（４）を満足す
   ることを特徴とする内視鏡用照明光学系。 ｄ＾２／（ｄｈ＾２）（ｓｉｎＡ（ｈ））≦０（２）（
   ０≦ｈ≦ｒ） ＠ｓｉｎＡ＠≧０．２５８８（３） （＠ｓｉｎＡ＠＝▲数式、化学式、表等があります▼） ｜ｘ＿１｜≦｜ｘ＿２｜（４） ただしｈは光線高、Ａ（ｈ）は光線高ｈの光線の非球面
   レンズ通過後の光軸からはかつた屈折角、ｒは光源の半
   径、ｘ＿１は第１面の最も物体寄の点と最も光源寄りの
   点の光軸方向の差、ｘ＿２は第２面の最も物体寄りの点
   と光源位置の光軸方向の差である。