WO2017043170A1 - 内視鏡照明光学系 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an endoscope illumination optical system.
  • an endoscope inserted transurethrally for a urinary organ can be inserted into the urethra, for example, the outer diameter is 7 mm or less.
  • the diameter is smaller than that of an endoscope for digestive tract, which is widely known for stomach and large intestine screening.
  • an optical design for underwater observation is required.
  • Patent Document 1 shows that the observation spatial medium for endoscopic observation of urinary organs is perfusate or urine mainly composed of water, and the refractive index of these mediums can be regarded as equivalent to that of water. ing.
  • Patent Document 1 mentions a narrowing of the underwater angle of view with respect to the air. It is shown that the angle of view in air and the angle of view in water when the refractive index at the d-line of water is 1.333 and the outer surface of the endoscope objective optical system is a plane are as shown below. Angle of view in air 180 ° 160 ° 140 ° 120 ° Underwater angle of view 97.2 ° 95.3 ° 89.7 ° 81.0 °
  • the bladder endoscope with an angle of view in air of 120 ° narrows to an angle of view of 81 ° underwater when practical.
  • an operator performs a combined operation of bending the tip of the endoscope, inserting / removing the insertion portion, and twisting the insertion portion. If the angle of view is narrow, the frequency of these operations is increased, and it is difficult to efficiently search for lesions throughout the inner surface of the bladder.
  • Patent Document 1 to Patent Document 6 are known as a shape configuration relating to securing and mounting of light distribution.
  • the illumination lens shape and the light guide end face shape are devised, but in any document, it can be mounted on a small-diameter endoscope with a channel such as for a bladder, It is not sufficient as an illumination optical system for wide-angle underwater observation.
  • the present invention has been made in view of the above, and provides an endoscope illumination optical system that can obtain a good light distribution even when the underwater angle of view is wide and is suitable for mounting a small-diameter medical endoscope.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention is an illumination optical system at the distal end of an insertion portion of an endoscope, a lens disposed on the distal end side of the insertion portion, and a light disposed adjacent to the lens.
  • the opposing surface on the light guide side of the lens is a compound concave surface in which two axisymmetric concave surfaces are overlapped and has a gourd-shaped effective cross section.
  • the effective range of the light guide is on the opposing surface side of the lens.
  • the gourd-type effective cross section has a non-circular end face shape having a major axis in the longitudinal direction and a minor axis in a direction perpendicular to the major axis.
  • the present invention has an effect of providing an endoscope illumination optical system that is capable of providing a good light distribution even when the underwater angle of view is wide and suitable for mounting a small-diameter medical endoscope.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the cross-sectional shape of the endoscope illumination optical system which concerns on embodiment, (a) is a short-axis direction cross section, (b) is a long-axis direction cross section. It is the figure which looked at the front-end
  • FIG. 2A and 2B are diagrams illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 1, where FIG. 3A is a short-axis direction cross section, and FIG. 6 is a graph showing a spherical light distribution of light emitted into the water from the endoscope illumination optical system according to Example 1;
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 2, where (a) is a short-axis direction cross-section and (b) is a long-axis-direction cross section. It is a graph which shows the spherical surface light distribution of the light radiate
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 3, where (a) is a short-axis direction cross-section and (b) is a long-axis-direction cross section.
  • 10 is a graph showing a spherical light distribution of light emitted from the endoscope illumination optical system according to Example 3 into water.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 4, where (a) is a short-axis direction cross-section and (b) is a long-axis-direction cross section.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 5, where (a) is a short-axis direction cross section and (b) is a long-axis direction cross section. It is a graph which shows the spherical surface light distribution of the light radiate
  • FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 5, where (a) is a short-axis direction cross section and (b) is a long-axis direction cross section. It is a graph which shows the spherical surface light distribution of the light radiate
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of an endoscope illumination optical system according to Example 6, where (a) is a short-axis-direction cross-section, and (b) is a long-axis-direction cross-section. It is a graph which shows the spherical surface light distribution of the light radiate
  • FIG. 10 shows the spherical surface light distribution of the light radiate
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) show a cross-sectional configuration in the short axis direction and a cross-sectional configuration in the long axis direction of the endoscope illumination optical system according to the present embodiment, respectively.
  • the short axis direction and the long axis direction will be described later.
  • the endoscope illumination optical system includes a lens L disposed on the distal end side of the insertion portion and a light guide 2 disposed adjacent to the lens L.
  • the facing surface of the lens L on the light guide 2 side is a composite concave surface 12 in which two axisymmetric concave surfaces are superposed, and has a gourd-shaped effective cross section.
  • the effective range of the light guide 2 is characterized by having a non-circular end face shape having a major axis in the longitudinal direction of the gourd-shaped effective cross section on the opposite surface side of the lens L and a minor axis in a direction perpendicular to the major axis. To do.
  • the composite concave surface 12 in which two axially symmetric concave surfaces of the present embodiment are superposed is advantageous for widening the light distribution. It is a configuration.
  • the diverging force in the long axis direction cannot be strengthened, and the light distribution in the long axis direction is significantly lower than the light distribution in the short axis direction.
  • the curvature needs to be weaker than in the short axis direction having a small effective diameter.
  • the diverging force in the major axis direction of the non-axisymmetric concave surface is weaker than that in the minor axis direction, and the light distribution in the major axis direction is significantly reduced compared to the minor axis direction.
  • the compound concave surface 12 by the axially symmetric concave surface of the present embodiment has the same divergence force in the short axis direction and the long axis direction, and the axial shift amount of the compound concave surface 12 is set for securing the effective diameter in the long axis direction. It can be optimally designed as a parameter. Therefore, the composite concave surface 12 of the present embodiment can improve the light distribution decrease in the long axis direction which is a problem in the conventional configuration.
  • FIG. 2 is a view of the distal end portion of the endoscope having the endoscope illumination optical system according to the embodiment as viewed from the object side.
  • a light guide 2, an objective lens frame 4, a solid-state imaging device 5, and a channel 6 are disposed in the distal end portion 1 having a substantially circular cross section.
  • the signal cable (not shown) of the solid-state imaging device 5, the light guide 2, and the channel 6 affect the layout over the entire length of the insertion portion. Further, an angle wire 7 for a tip bending mechanism is disposed at a position slightly away from the tip portion 1.
  • the vertical direction in FIG. 2 corresponds to the vertical direction of the image.
  • the solid-state imaging device 5 outputs an image having an aspect ratio that is horizontally long in the left-right direction on the paper surface. If the solid-state imaging device 5 and the channel 6 which are structures having a large cross-sectional area within the diameter of the tip portion 1 are arranged in the vertical direction (up and down direction in the drawing), the light guide 2 can be arranged only in the left and right spaces. . For this reason, the light guide 2 divided into two at the front end side is arranged.
  • the front end frame 8 (FIG. 3) for holding each structure is formed of a transparent resin molded product so as to also function as an illumination lens.
  • a portion facing the light guide 2 in the front end frame serves as an illumination lens, and has a composite concave gourd-shaped cross section 11 on the inner surface side.
  • the composite concave gourd cross section 11 includes the cross section of the light guide 2 in order to make the light emitted from the light guide 2 enter the composite concave gourd cross section 11 with certainty. Further, the light transmitted through the composite concave gourd-shaped section 11 is emitted to the object space from the illumination lens front end surface effective range 3 defined in the optical design on the outer surface side of the front end frame.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view in which the distal end portion of the endoscope having the endoscope illumination optical system according to the embodiment is cut along a line (C axis) connecting the center of the channel 6 and the center of the objective lens frame 4.
  • the channel 6 and the objective lens frame 4 are fixed to the distal end frame 8 made of a transparent resin molded product.
  • the channel opening 9 is inclined so that the distal end frame 8 is tapered.
  • the inclination angle as large as possible to obtain a smooth tapered shape, it is necessary to separate the light guide 2 and the illumination lens front end surface effective range 3 from the channel opening 9. For this reason, in the cross section of FIG. 2, the light guide 2 and the illumination lens front end surface effective range 3 are relatively disposed on the lower side.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration viewed obliquely from the object side of the distal end portion of the endoscope having the endoscope illumination optical system according to the embodiment.
  • the tip frame 8 has a channel opening 9 slope.
  • the illumination lens distal end surface effective range 3 is also inclined by an angle ⁇ (FIG. 1A).
  • the shape of the distal end surface of the distal end frame 8 from the viewpoint of improving insertability is also taken into consideration when arranging the components.
  • the arrangement of the illumination lens front end surface effective range 3 and the light guide 2 is optimized, including the shape of the inclined surface including the illumination lens front end surface effective range 3.
  • the light guide 2 is an ellipse having a long axis inclined by 20 ° with respect to an axis (C axis) passing through the center of the channel 6 and the center of the objective lens frame 4.
  • the illumination lens front end surface effective range 3 is also an ellipse having the same orientation as the light guide 2.
  • the effective range 3 of the illumination lens front end surface is insufficient in the area of a general circular effective range.
  • the inclination angle ⁇ of the illumination lens front end surface effective range 3 is 15 ° in the light guide minor axis direction.
  • the end surface of the light guide 2 on the distal end side of the insertion portion is a non-circular shape having a major axis direction and a minor axis direction.
  • various polygons and curved surfaces can be formed as non-circular shapes having a difference between the major and minor axes.
  • three types of shapes shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C are used as shapes that are relatively easy to define and easy to mold the light guide 2.
  • 5A, 5B, and 5C, the composite concave gourd-shaped cross section 11 is shown together to show that the effective range of the composite concave surface includes the end face of the light guide 2.
  • the first type of light guide end face shape is an ellipse as shown in FIG.
  • the orthogonal axes X and Y in each of FIGS. 5A, 5B, and 5C are local coordinates in the light guide end face.
  • An ellipse is generally defined by two parameters: a long radius and a short radius.
  • the major axis direction maximum length Llgl that is twice the major radius and the minor axis direction maximum length Llgs that is twice the minor radius are defined.
  • the second type of light guide end face shape is an oval type as shown in FIG.
  • the oval shape in the present embodiment refers to a shape in which two circles having the same diameter are shifted in a partially overlapping state and the circumferential portions of the two circles are connected by a straight line.
  • the short-axis direction maximum length Llgs is equal to the diameter of the circle
  • the long-axis direction maximum length Llgl is a length obtained by adding the center interval to the diameter of the circle. Therefore, the short-axis direction maximum length Llgs and the long-axis direction maximum length Llgl are used. Define the shape.
  • the third type of light guide end face shape is a gourd type as shown in FIG.
  • the gourd shape in the present embodiment is a shape in which two circles having the same diameter are shifted and combined in a partially overlapping state. Similar to the oval type, the shape is defined using the short axis direction maximum length Llgs and the long axis direction maximum length Llgl.
  • the above three types of light guide end face shapes can effectively utilize the effective range of the composite concave gourd-shaped cross section 11 and can be preferably combined with the composite concave surface 12.
  • the light guide end face shape is defined by the maximum length Llgs in the short axis direction and the maximum length Llgl in the long axis direction, and given an arbitrary rotation to the absolute coordinate system of the insertion space. Deploy.
  • the endoscope having the endoscope illumination optical system according to the present embodiment has an angle of view in air exceeding 180 ° and an angle of view in water of 100 ° or more. Light distribution requirements are stricter than conventional endoscopes.
  • the reason why the surface on the light guide 2 side of the lens L is a concave surface is to avoid various problems caused by the convex surface type while diffusing the light guide emitted light to ensure wide-angle light distribution.
  • the convex surface type has problems such as thermal safety for a living body, resin thermal denaturation when mounted with a transparent resin, and unevenness due to projection of a light guide fiber, due to the light condensing / imaging action. Therefore, the configuration of the present embodiment has a concave shape that hardly causes these problems. Furthermore, two axisymmetric concave surfaces are overlapped and synthesized, and a gourd-shaped cross section is formed on the light guide 2 side, so that it can be optimally combined with a light guide having a non-axisymmetric cross section.
  • the axisymmetric concave surface may be either spherical or aspherical.
  • the definition formula in this embodiment applicable to both of them is shown below. Assuming that the optical axis direction is the Z-axis and the axis perpendicular to the Z-axis is the Y-axis as the local coordinates of the surface, the axisymmetric aspherical definition formula in the YZ section is shown in Equation (5).
  • Y is the Y coordinate
  • Z (Y) is a Z coordinate obtained as a function of Y
  • R is the central curvature radius of the spherical term in the YZ section
  • K is a coefficient that determines the characteristics of the quadric surface in the YZ section
  • n is an integer of 1 or more
  • a 2n is a coefficient by order of the aspheric polynomial term in the YZ section, It is.
  • Equation (5) can be expressed as both an aspherical surface and a spherical surface.
  • a composite concave surface having a gourd-shaped cross section can be formed by synthesizing two concave surfaces defined by the mathematical formula (5) while shifting the axes.
  • the composite concave gourd-shaped section 11 corresponds to this.
  • the long axis direction of the light guide 2 is set to the same direction. Furthermore, by designing the parameters so that the composite concave gourd-shaped cross section 11 includes the cross section of the light guide 2, the light emitted from the light guide 2 can be diffused on the composite concave surface 12 without being biased.
  • the combination of the composite concave surface 12 and the light guide 2 designed in this way is arranged on both the left and right sides with the C axis passing through the center of the channel 6 and the center of the objective lens frame 4 in the absolute coordinate system of the insertion space.
  • the composite concave surface 12 can provide a strong diverging force optimized with respect to the maximum length Llgs of the light guide 2 in the short axis direction. In this case, the effective diameter is insufficient with respect to the longest length Llgl of the light guide 2 in the single concave surface.
  • the composite concave surface 12 can be optimally designed to include the maximum length Llgl in the major axis direction with the amount of axis shift as a parameter.
  • the axisymmetric concave surface there is no difference in divergence force depending on the orientation, and the divergence force in the major axis direction is equivalent to that in the minor axis direction. Furthermore, since the refractive angle of the peripheral portion of the axially symmetric concave surface is larger than that of the central portion, the ratio of light refracted in the peripheral portion of the concave surface can be increased by appropriately separating the axial interval of the axially symmetric concave surface. Diffusivity can be increased.
  • the composite concave surface of this embodiment can improve the light distribution decrease in the long axis direction.
  • An axially symmetric concave surface can be obtained even with a spherical surface, but it is preferable to make it aspherical because the degree of freedom for controlling the light distribution characteristics is improved.
  • the composite concave surface 12 can be molded using a mold.
  • the mold for composite concave surface forming can be diverted to the die machining method for the axially symmetric concave surface.
  • a convex surface is created that transfers the axially symmetric concave surface defined by Equation (5) to the pin-shaped base material.
  • the outer periphery of the pin-shaped base material is cut into a flat shape to form a pin-shaped mold.
  • two pin-shaped molds are manufactured, and the outer peripheral cut plane part is overlapped to complete a complex concave-surface transfer mold having two convex surfaces. Since the convex surface processing on the pin-shaped base material is axially symmetric and can be rotationally cut, it is possible to manufacture a mold with higher accuracy than a non-axisymmetric surface shape.
  • conditional expressions (1), (2), and (3) regarding the parameters of the light guide and the composite concave surface are satisfied. . 1.2 ⁇ Llgl / Llgs ⁇ 4 (1) 0.25 ⁇ R ′ / ⁇ (Llgl ⁇ Llgs) ⁇ 0.6 (2) 0.4 ⁇ Lofs / (Llgl-Llgs) ⁇ 1.3 (3) here, Llgl is the maximum length in the major axis direction of the end face of the light guide, Llgs is the maximum length of the light guide end face in the minor axis direction, R ′ is the substantial center radius of curvature of the axisymmetric concave surface, Lofs is the axial distance between two axisymmetric concave surfaces, It is.
  • Conditional expression (1) is a condition for appropriately setting the ratio between the long-axis direction maximum length Llgl and the short-axis direction maximum length Llgs of the light guide end face.
  • Llgl / Llgs takes a range significantly larger than 1.
  • the light guide end face is nearly circular and light distribution is generally insufficient, which is not desirable.
  • the divergent force of the axially symmetric concave surface can be optimized with respect to Llgs in the short axis direction, but the light flux in the short axis direction becomes generally thick because Llgs is relatively large. Therefore, it is not desirable because light cannot be effectively utilized in the short axis direction where the effective range of the illumination lens front end surface effective range 3 is small, and the light distribution in the short axis direction cannot be enhanced. Further, when the light guide end face is close to a circle, the axial interval Lofs of the axisymmetric concave surface cannot be increased, which is not desirable because the diffusibility in the long axis direction cannot be increased.
  • the effective diameter of the axisymmetric concave surface will be reduced if the divergent force of the axially symmetric concave surface is optimized to Llgs and is sufficiently strengthened. Even if the axial distance Lofs of the axisymmetric concave surface is increased, it becomes difficult to cover Llgl, or even if Llgl is covered, Llgs cannot be covered by the depression of the gourd-shaped cross section. Therefore, in order to ensure that the gourd-shaped section can cover the end face of the light guide, the divergent force of the axially symmetric concave surface must be reduced to ensure the effective diameter of the axially symmetric concave surface. It is not desirable because it is insufficient.
  • Conditional expression (2) is a condition for sufficiently widening the light distribution by sufficiently reducing the substantial central curvature radius R ′ of the axisymmetric concave surface with respect to the average diameter of the light guide end surface.
  • R ′ is a substantial center radius of curvature by combining a spherical component of Formula (5) and an A 2 coefficient which is a secondary component of the polynomial, and is defined in Formula (6).
  • the divergent force of the axisymmetric concave surface affects the light distribution in all directions.
  • the light distribution requirements are even more severe than in air.
  • the axisymmetric concave surface is spherical and the light guide end surface is circular, the curvature becomes maximum when R 'is about half the diameter of the light guide, and the light guide end surface cannot be covered with R' smaller than that.
  • R ′ is about half of the diameter of the light guide.
  • ⁇ (Llgl ⁇ Llgs) is used as a parameter corresponding to the average light guide diameter in the denominator, and the ratio with R ′ is defined. did.
  • conditional expression (2) when the value of conditional expression (2) is 0.5, it corresponds to R ′ being half the average light guide diameter, which means that it has sufficiently high diffusibility.
  • the axisymmetric concave surface is an aspherical surface, by increasing the central curvature and weakening the peripheral curvature, R 'can be further reduced and a stronger diffusing force can be obtained even under the constraint condition of covering the light guide end surface.
  • conditional expression (2) which is necessarily an aspherical surface
  • the curvature must be considerably weakened at the periphery of the concave surface to cover Llgs, and light cannot be sufficiently diffused around the underwater wide-angle field of view. This is not desirable because a wide-angle light distribution cannot be realized.
  • conditional expression (2) When the upper limit value of conditional expression (2) is exceeded, contrary to the above, the luminance emitted toward the center of the visual field increases due to the weak divergence at the central part of the concave surface, and the peripheral part is relatively relative to the visual field center. Since it becomes dark and wide-angle light distribution cannot be obtained, it is not desirable.
  • Conditional expression (3) is a condition for appropriately setting the axial interval of the axisymmetric concave surfaces constituting the composite concave surface. Since the axial interval Lofs of the axisymmetric concave surface is affected by the flatness of the light guide end surface, it should be set at an appropriate ratio with respect to the difference in length in each direction of the light guide end surface (Llgl-Llgs). Is preferred.
  • the axially symmetric concave surface forming the composite concave surface is an aspherical surface, and satisfies the following conditional expression (4) regarding the aspherical shape: desirable.
  • H 0.9 ⁇ R ′
  • H is the height from the optical axis in the axisymmetric concave surface
  • Z (H) is the amount of displacement in the optical axis direction at H of the axisymmetric concave surface
  • Zr ′ (H) is a displacement amount in the optical axis direction at H on a spherical surface having a substantial center radius of curvature R ′, It is.
  • H is the height from the optical axis passing through the center of curvature of each axially symmetric concave surface forming the composite concave surface, and corresponds to Y in the axially symmetric aspherical definition formula of Equation (5).
  • Z (H) corresponds to Z (Y) in Equation (5), and is calculated using Equation (5).
  • Zr ′ (H) is a displacement amount in the optical axis direction when assuming a spherical surface of R ′ calculated from Equation (4) with a substantial center radius of curvature of the axisymmetric concave surface, and from the equation (5), an aspherical surface. Calculation is performed using Equation (7) from which related parameters are removed.
  • (Z (H) ⁇ Zr ′ (H)) corresponds to the difference between the displacement amount of the aspherical surface and the spherical surface in the Z direction.
  • the axisymmetric concave surface of the present embodiment defines R as a positive value, and the Z coordinate at a position away from the optical axis basically has a positive displacement.
  • the value of the conditional expression (4) is negative and the curvature is weakened in the periphery of the concave surface. It is preferable to use a non-spherical surface.
  • conditional expression (4) If the upper limit of conditional expression (4) is exceeded, the effective effect of making an aspherical surface cannot be obtained, and it is difficult to improve the light distribution after covering the end face of the light guide.
  • a channel 6 In an endoscope having an objective optical system, a channel 6, two or more light guides 2 and an illumination lens L disposed adjacent to the object side of the light guide 2 in the distal end of the insertion portion, the illumination lens L faces the light guide.
  • the surface has a gourd-type effective section 11 with a composite concave surface 12 in which two axisymmetric concave surfaces are superposed, and the light guide effective range is in the longitudinal direction of the gourd-type effective cross section on the side facing the illumination lens and in the direction perpendicular to the long axis.
  • the axis connecting the center of the objective lens frame 4 (objective optical system) and the center of the channel 6 is a C axis
  • the long axis of each light guide is the C axis.
  • the inclination is 30 ° or less, and one or more illumination systems are arranged on the left and right sides with respect to the C-axis, and a configuration satisfying conditional expressions (1) to (3) is desirable. Further, when an aspheric surface is used, a configuration that satisfies conditional expression (4) is desirable.
  • FIG. 6A shows a lens cross-sectional view and an optical path of the objective optical system in water.
  • FIG. 6B shows a lens sectional view and an optical path in the air of the objective optical system.
  • the objective optical system includes a plano-concave negative lens L1 having a plane on the object side, a plano-concave negative lens L2 having a plane on the object side, a parallel plate F1, and a plano-convex positive lens L3 having a plane on the object side.
  • the biconcave negative lens L4 and the biconvex positive lens L5 are cemented.
  • the biconvex positive lens L6 and the negative meniscus lens L7 are cemented.
  • the brightness stop S is disposed on the object side surface of the planoconvex positive lens L3.
  • r are the radius of curvature of each lens surface
  • d is the distance between the lens surfaces
  • nd is the refractive index of the d-line of each lens
  • ⁇ d is the Abbe number of each lens
  • Fno is the F number
  • the focal length is This is the value at the d-line.
  • STO is the aperture stop
  • IP is the image plane.
  • Iw is 0.751 mm in the image height in the diagonal direction in the underwater observation state. This image height is assumed to match the effective imaging area of the solid-state imaging device, and the entire effective imaging area of the solid-state imaging device is used in the underwater observation state.
  • the underwater angle of view at this time is 129.4 °, which is a very wide angle for underwater observation, and a subject in water can be observed using all of the effective imaging area of the solid-state image sensor.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams showing that the effective imaging area in the air observation state is narrower than that in the underwater observation state as described above.
  • FIG. 7A shows an imaging area on the solid-state imaging device in an underwater observation state. It is shown that the effective imaging area in the octagonal mask MK with diagonal lines can be utilized by using the octagonal electric field mask.
  • the maximum image height in the octagonal mask MK is Iw.
  • FIG. 7B shows the imaging area on the solid-state imaging device in the air observation state.
  • the inside of the circle CRC with a radius Ia with a diagonal line is an imaging area in the air observation state, and the area without the diagonal line between the octagonal mask MK and the circle CRC is an optically invalid area where no subject image is formed.
  • Such an objective optical system enables wide-angle observation in an underwater state even when the object side is in a flat state. Furthermore, it is preferable that the object side is a flat surface because a special configuration is not required for flare caused by direct light incidence from the illumination optical system, and no excessive restrictions are imposed on the configuration of the illumination optical system.
  • the lens having the maximum lens outer diameter in the objective optical system is ⁇ 2.2 mm at the lens on the object side end. Even when combined with a channel and a bending mechanism having an inner diameter of ⁇ 2.2 mm required as a cystoscope, an endoscope having an outer diameter of the distal end portion of less than ⁇ 7 mm can be realized.
  • Tables 1 and 2 show various data of the endoscope illumination optical system according to each example.
  • Table 1 the rotation direction of the long axis of the light guide with respect to the C axis connecting the center of the objective lens frame 4 (objective optical system) of the two endoscope illumination optical systems and the center of the channel 6 of each embodiment is shown in FIG. It is 20 ° as shown.
  • the light guide center coordinates (mm) with respect to the center of the objective optical system are (2.067, 0.752) and ( ⁇ 2.067, 0.752).
  • the center thickness of the illumination lens is 0.25 mm.
  • the rotation direction of the long axis with respect to the C axis connecting the center of the objective lens frame 4 (objective optical system) and the center of the channel 6 is shown in FIG.
  • the outer surface side effective diameter in the major axis direction is 2.2 mm
  • the outer surface side effective diameter in the minor axis direction is 1.6 mm.
  • the comparative example is a combination of a circular light guide and a concave spherical lens that can be mounted in the same space as each example, and the object surface center illuminance is at the same level as each example having the lowest illuminance. That is, the light guide of the comparative example has a circular shape, the diameter is 0.74 mm, and the central coordinates (mm) with respect to the objective optical system center are (2.067, 0.752), ( ⁇ 2.067, 0. 752).
  • the illumination lens of the comparative example has the same material, outer surface shape, center thickness, and outer surface side effective diameter as those of the respective examples.
  • FIG. 9 to 20 show the sectional shape of the illumination lens of each example and the spherical light distribution graph of the light emitted into the water, respectively.
  • (a) shows the short-axis direction cross section of the light guide
  • (b) shows the long-axis direction cross section of the light guide.
  • the solid line indicates the light distribution characteristic in the horizontal direction
  • the broken line indicates the light distribution characteristic in the vertical direction.
  • the spherical light distribution graph is obtained by standardizing the illuminance distribution by ray bundle tracking and intensity integration, assuming that a sphere having a radius of 40 mm is disposed at a distance of 40 mm in water.
  • FIG. 8 shows the light distribution of the light guide emitted light used for intensity integration.
  • the target high light distribution is realized by combining the composite concave surface and the non-circular light guide and optimizing the parameters.
  • the light distribution is far below the target in both the horizontal direction and the vertical direction as compared with the present embodiment.
  • the composite concave surface has the same shape, and the light guide end surfaces are oval, oval, and gourd, respectively. Any of these three types of light guide end face shapes may be used because optically equivalent performance can be secured.
  • the light guides are unified in an oval shape, and the flatness is changed.
  • the composite concave surfaces of these embodiments are optimized in accordance with the respective light guide end surface dimensions, and the shapes are different in each embodiment.
  • Examples 1 to 6 having different configurations satisfy the conditional expressions (1) to (3), and these three conditional expressions are suitable for setting optimum parameters.
  • the composite concave surface has an aspheric surface that satisfies the condition of the conditional expression (4), which contributes to the realization of a higher light distribution target than before.
  • the underwater angle of view may be somewhat narrowed, the light distribution target can be relaxed, so that a spherical surface can also be adopted as the axisymmetric concave surface of the composite concave surface.
  • an endoscope illumination optical system that can obtain a good light distribution even when the underwater angle of view is wide and is suitable for mounting a small-diameter medical endoscope.
  • the present invention is useful for an endoscope illumination optical system, and in particular, can provide a good light distribution even when the underwater angle of view is wide, and is suitable for mounting a small-sized medical endoscope. ing.

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Abstract

水中画角が広い場合でも良好な配光が得られ、かつ、細径の医療用内視鏡実装に適した内視鏡照明光学系を提供する。　内視鏡の挿入部先端の内視鏡照明光学系であり、挿入部先端側に配置するレンズＬと、レンズＬに隣接して配置するライトガイド２と、からなり、レンズＬのライトガイド２側の対向面は、軸対称凹面２つを重ね合わせた複合凹面１２で、ひょうたん型有効断面を有し、ライトガイド２の有効範囲は、レンズＬの対向面側でひょうたん型有効断面長手方向に長軸を有し、長軸と垂直な方向に短軸を有する非円形の端面形状を有する。

Description

内視鏡照明光学系
　本発明は、内視鏡照明光学系に関するものである。
　例えば、泌尿器系臓器を対象として経尿道的に挿入される内視鏡は、尿道内に挿入可能であること、例えば外径は７ｍｍ以下であることが好ましい。このように、胃や大腸検診等で広く知られる消化管用内視鏡よりも細径である。また、泌尿器系臓器は、通常は尿で満たされているため、水中観察を想定した光学設計が必要である。
　内視鏡の水中広角観察に関する技術としては、例えば特許文献１に提案された構成がある。特許文献１は、泌尿器系臓器を内視鏡観察する場合の観察空間媒質は水を主成分とする灌流液や尿であり、それら媒質の屈折率は水と同等とみなして差し支えないことを示している。
　さらに特許文献１では、水中画角の空気中に対する狭角化を挙げている。水のｄ線における屈折率を１．３３３として、内視鏡対物光学系の外表面を平面とした場合の空気中画角と水中画角が以下に示す関係であることを示している。
　空気中画角  １８０°     １６０°     １４０°     １２０°
　水中画角      ９７．２°   ９５．３°   ８９．７°   ８１．０°
　空気中画角１２０°の膀胱用内視鏡が実用時は水中画角８１°に狭まる。膀胱用内視鏡を例に挙げると、膀胱内面全域の病変を探索するためには、術者は内視鏡の先端湾曲操作、挿入部挿脱、挿入部捩りの組合せ操作を行うが、水中画角が狭いとこれらの操作頻度を増加させることとなり、膀胱内面全域の病変探索を効率良く行うことが困難である。
　このように、水中観察を行う内視鏡において、水中画角の広角化が望まれている。水中画角の広角化の際に課題となるのは、広角化した水中画角に対応した照明光学系の配光を確保することである。また、膀胱用内視鏡では尿道経由で挿入可能な細い外径と灌流・処置用のチャンネル搭載が必須となる。このため、狭い内視鏡先端空間に実装可能であることが必須である。従来の内視鏡照明光学系で、特に、配光の確保と実装に関する形状的な構成として、例えば下記の特許文献１～特許文献６が知られている。
国際公開第２０１５／０１５９９６号 国際公開第２０１０／１１３５５０号 特開２００８－２３７７９０号公報 実開昭６２－１４３９１８号公報 特許第４７４１０３２号公報 特開昭６３－２３９４１５号公報
　以上の特許文献１～特許文献６では、照明レンズ形状やライトガイド端面形状に工夫が施されているが、いずれの文献においても、膀胱用のようなチャンネル付き細径内視鏡に実装でき、広角な水中観察に対応する照明光学系としては十分ではない。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水中画角が広い場合でも良好な配光が得られ、かつ、細径の医療用内視鏡実装に適した内視鏡照明光学系を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、内視鏡の挿入部先端の照明光学系であり、挿入部先端側に配置するレンズと、レンズに隣接して配置するライトガイドと、からなり、レンズのライトガイド側の対向面は、軸対称凹面２つを重ね合わせた複合凹面で、ひょうたん型有効断面を有し、ライトガイドの有効範囲は、レンズの対向面側でひょうたん型有効断面長手方向に長軸を有し、長軸と垂直な方向に短軸を有する非円形の端面形状を有することを特徴とする。
　本発明は、水中画角が広い場合でも良好な配光が得られ、かつ、細径の医療用内視鏡実装に適した内視鏡照明光学系を提供できるという効果を奏する。
実施形態に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施形態に係る内視鏡照明光学系を有する内視鏡の先端部を物体側から見た図である。 実施形態に係る内視鏡照明光学系を有する内視鏡の先端部の光軸方向に沿った断面図である。 実施形態に係る内視鏡照明光学系を有する内視鏡の先端部を物体側から見た斜視構成図である。 実施形態に係る内視鏡照明光学系のライトガイド端面形状を示す図であり、（ａ）は楕円、（ｂ）は小判型、（ｃ）はひょうたん型を示している。 内視鏡が有する対物光学系のレンズ構成を示す図であり、（ａ）は水中観察状態、（ｂ）は空気中観察状態である。 水中観察と空気中観察の撮像範囲を示す概念図であり、（ａ）は水中観察状態、（ｂ）は空気中観察状態である。 各実施例においてライトガイドから空気中に出射する光の球面配光を示すグラフである。 実施例１に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施例１に係る内視鏡照明光学系から水中に出射する光の球面配光を示すグラフである。 実施例２に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施例２に係る内視鏡照明光学系から水中に出射する光の球面配光を示すグラフである。 実施例３に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施例３に係る内視鏡照明光学系から水中に出射する光の球面配光を示すグラフである。 実施例４に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施例４に係る内視鏡照明光学系から水中に出射する光の球面配光を示すグラフである。 実施例５に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施例５に係る内視鏡照明光学系から水中に出射する光の球面配光を示すグラフである。 実施例６に係る内視鏡照明光学系の断面形状を示す図で、（ａ）は短軸方向断面、（ｂ）は長軸方向断面である。 実施例６に係る内視鏡照明光学系から水中に出射する光の球面配光を示すグラフである。
　以下に、実施形態に係る内視鏡照明光学系を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、この発明が限定されるものではない。
　図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態の内視鏡照明光学系の短軸方向の断面構成、長軸方向の断面構成を示す。短軸方向、長軸方向に関しては、後述する。
　実施形態に係る内視鏡照明光学系は、挿入部先端側に配置するレンズＬと、レンズＬに隣接して配置するライトガイド２と、からなる。レンズＬのライトガイド２側の対向面は、軸対称凹面２つを重ね合わせた複合凹面１２であり、ひょうたん型有効断面を有する。ライトガイド２の有効範囲は、レンズＬの対向面側でひょうたん型有効断面長手方向に長軸を有し、長軸と垂直な方向に短軸を有する非円形の端面形状を有することを特徴とする。
　従来知られている非軸対称凹面（トーリック面、アナモフィック面、楕円面）との対比において、本実施形態の軸対称凹面２つを重ね合わせた複合凹面１２は、配光を広げるのに有利な構成である。
　従来の非軸対称凹面では、長軸方向の発散力を強められず長軸方向の配光が、短軸方向の配光に比べて大幅に低下してしまう。その理由は、非軸対称凹面が長軸方向のライトガイドの有効径を覆うようにするには、有効径の小さい短軸方向よりも曲率を弱める必要があるためである。この結果、非軸対称凹面の長軸方向の発散力は短軸方向よりも弱く、短軸方向と比較して長軸方向の配光が大幅に低下する。
　これに対し、本実施形態の軸対称凹面による複合凹面１２は、短軸方向と長軸方向の発散力が同等であり、長軸方向の有効径の確保に関しては複合凹面１２の軸ずらし量をパラメータとして最適設計できる。従って、本実施形態の複合凹面１２は、従来の構成で問題となる長軸方向の配光低下を改善できる。
　本実施形態を、さらに詳細に説明する。初めに、挿入部先端における照明光学系部品と他の実装物の位置関係を説明する。
　図２は、実施形態の内視鏡照明光学系を有する内視鏡の先端部を物体側から見た図である。略円形断面を有する先端部１内には、ライトガイド２、対物レンズ枠４と固体撮像素子５、チャンネル６が配置されている。
　ここで、固体撮像素子５の図示しない信号ケーブルとライトガイド２、チャンネル６は挿入部全長にわたって、そのレイアウトに影響する。また、先端部１から少し離れた位置には、先端湾曲機構用のアングルワイヤー７が配置されている。
　図２の垂直方向は、画像の垂直方向に対応する。固体撮像素子５は、紙面において左右方向に横長なアスペクト比の画像を出力する。先端部１の直径内で断面積の大きい構造物である固体撮像素子５とチャンネル６を縦方向（紙面上下方向）に配置すると、ライトガイド２を配置できるのは左右の空間に限られてしまう。このため、先端側で２本に分割したライトガイド２を配置する。
　先端部１において、各構造物を保持する先端枠８（図３）は、照明レンズ機能を兼ねるよう透明樹脂成形品で構成する。先端枠においてライトガイド２に対向する部分が照明レンズとなり、内面側には複合凹面ひょうたん型断面１１を有する。
　ライトガイド２から出射する光を、確実に複合凹面ひょうたん型断面１１に入射させるために、複合凹面ひょうたん型断面１１はライトガイド２の断面を含むように構成することが好ましい。さらに、複合凹面ひょうたん型断面１１内を透過した光は、先端枠の外面側に光学設計において定めた照明レンズ先端面有効範囲３から物体空間に出射する。
　図３は、実施形態の内視鏡照明光学系を有する内視鏡の先端部を、チャンネル６の中心と対物レンズ枠４の中心を結ぶ線（Ｃ軸）で切った横断面図である。透明樹脂成形品からなる先端枠８に対して、チャンネル６と対物レンズ枠４を固定する構成である。
　尿道等への挿入性向上を鑑み、先端枠８が先細りとなるようチャンネル開口部９に傾斜をつけている。この傾斜角をできるだけ大きくとって、スムースな先細り形状とするために、チャンネル開口部９からライトガイド２と照明レンズ先端面有効範囲３を離す必要がある。このため、図２の断面ではライトガイド２と照明レンズ先端面有効範囲３を相対的に下側に配置している。
　図４は、実施形態の内視鏡照明光学系を有する内視鏡の先端部の物体側から斜めに見た構成を示す図である。先端枠８には、チャンネル開口部９の傾斜がある。さらに、挿入性を向上する目的で、内視鏡の先端部１を先細りさせるため、照明レンズ先端面有効範囲３も角度αだけ傾斜させている（図１（ａ））。
　このように、挿入性向上の観点による先端枠８の先端面形状も構成物の配置時に考慮することが好ましい。図２に示した構成は、照明レンズ先端面有効範囲３を含む傾斜面の形状も含めて、照明レンズ先端面有効範囲３とライトガイド２の配置が最適化されている。
　図２において、ライトガイド２はチャンネル６の中心と対物レンズ枠４の中心を通る軸（Ｃ軸）に対して２０°傾いた長軸を有する楕円である。照明レンズ先端面有効範囲３もライトガイド２と同じ方位を有する楕円である。
　照明レンズ先端面有効範囲３は、先端部１内において対物レンズ枠４やチャンネル開口部９と干渉しないように避けつつ、広角配光を実現するための十分な有効面積を確保することが好ましい。照明レンズ先端面有効範囲３は、一般的な円形の有効範囲では面積が不足してしまう。
　このため、図２や図４に示すように、縦長傾向の非軸対称形状にする必要がある。また、実施形態における照明レンズ先端面有効範囲３の傾斜角αはライトガイド短軸方向において１５°である。この傾斜角αとＣ軸に対する２０°の傾きとの複合により、チャンネル側での先細り構成を達成でき、挿入性向上にも寄与する。
　続いて、ライトガイド２の断面形状について詳細に説明する。本実施形態では、挿入部先端側のライトガイド２端面を長軸方向と短軸方向を有する非円形の形状とする。これにより、挿入部先端の構造物配置の自由度を高めて、実装効率を最適化し易くできる。
　ここで、長軸と短軸の長さに差のある非円形形状として各種多角形や曲面の構成をとり得る。本実施形態では、形状定義が比較的容易で、ライトガイド２の成形加工もし易い形状として、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３種の形状を用いる。尚、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、複合凹面の有効範囲がライトガイド２端面を含むことを示すため、複合凹面ひょうたん型断面１１を合わせて示している。
　ライトガイド端面形状の１種類目は、図５（ａ）に示したような楕円である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれにおける直交する各軸Ｘ、Ｙは、ライトガイド端面内のローカル座標である。
　楕円は一般的には、長半径と短半径の２つのパラメータで定義される。本実施形態では、他の２種類の形状定義と合わせるために、長半径の２倍である長軸方向最大長Ｌｌｇｌと、短半径の２倍である短軸方向最大長Ｌｌｇｓとで定義する。
　ライトガイド端面形状の２種類目は、図５（ｂ）に示したような小判型である。本実施形態における小判型とは、２つの同一直径を有する円を一部重なる状態でずらし、２つの円の円周部を直線でつなげた形状をいう。短軸方向最大長Ｌｌｇｓは円の直径に等しく、長軸方向最大長Ｌｌｇｌは円の直径に中心間隔を加えた長さとなるので、短軸方向最大長Ｌｌｇｓと長軸方向最大長Ｌｌｇｌを用いて形状を定義する。
　ライトガイド端面形状の３種類目は、図５（ｃ）に示したようなひょうたん型である。本実施形態におけるひょうたん型とは、２つの同一直径を有する円を一部重なる状態でずらして合成した形状である。小判型と同様に、短軸方向最大長Ｌｌｇｓと長軸方向最大長Ｌｌｇｌを用いて形状を定義する。
　以上の３種類のライトガイド端面形状は、複合凹面ひょうたん型断面１１の有効範囲を有効活用でき、複合凹面１２と好ましく組み合わせることができる。本実施形態では、形状の種別ごとに、短軸方向最大長Ｌｌｇｓ、長軸方向最大長Ｌｌｇｌによりライトガイド端面形状を定義し、それに任意の回転を与えた上で挿入部空間の絶対座標系に配置する。
　次に、複合凹面形状の詳細について説明する。本実施形態の内視鏡照明光学系を有する内視鏡は、空気中画角で１８０°を越え、水中画角にて１００°以上である、このため、空気中画角１７０°未満の一般的な内視鏡と比較して配光要求が厳しい。レンズＬのライトガイド２側の面を凹面とするのは、広角配光確保のためにライトガイド出射光を拡散させつつ、凸面タイプで生じる各種課題を回避するためである。
　凸面タイプは、その集光・結像作用に伴い、生体に対する熱的安全性、透明樹脂実装時の樹脂熱的変性、ライトガイドファイバーの投影によるムラ発生等の課題が生じる。従って、本実施形態の構成は、これらの不具合を生じづらい凹面形状を有する。さらに、軸対称な凹面２つを重なり合わせて合成し、ライトガイド２側にひょうたん型断面を形成することで、非軸対称な断面形状のライトガイドと組み合わせて最適設計できるようにしている。
　軸対称な凹面は、球面、非球面のいずれでも良い。それら両方に適用可能な本実施形態での定義式を次に示す。面のローカル座標として光軸方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な軸をＹ軸とした場合、Ｙ－Ｚ断面内の軸対称非球面定義式を数式（５）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、
　Ｙは、Ｙ座標、
　Ｚ（Ｙ）は、Ｙの関数として求まるＺ座標、
　Ｒは、Ｙ-Ｚ断面内での球面項の中心曲率半径、
　Ｋは、Ｙ-Ｚ断面内の２次曲面特性を定める係数、
　ｎは、１以上の整数、
　Ａ２ｎは、Ｙ-Ｚ断面内での非球面多項式項の次数別係数、
である。
　尚、数式（５）において、Ｋ＝０とすることで、多項式項も０の場合は球面となる。このように、数式（５）は、非球面及び球面の両方とも表現できる。
　数式（５）で定義した凹面２つを軸ずらしして合成することで、ひょうたん型断面を有する複合凹面を形成できる。図２においては複合凹面ひょうたん型断面１１がこれに相当する。
　複合凹面１２の軸ずらし方向は、複合凹面ひょうたん型断面１１の長軸方向と一致するので、これとライトガイド２の長軸方向は同じ方向に合わせる。さらに、複合凹面ひょうたん型断面１１がライトガイド２の断面を含むようにパラメータ設計することで、ライトガイド２を出射した光を偏ることなく複合凹面１２において拡散することができる。このように設計した複合凹面１２とライトガイド２の組合せを、挿入部空間の絶対座標系でチャンネル６の中心と対物レンズ枠４の中心を通るＣ軸を挟んで左右両側に配置する。
　配光の最適化は、軸対称凹面の数式（５）内の適切なパラメータを設定することで行う。複合凹面１２では、ライトガイド２の短軸方向最大長Ｌｌｇｓに対して最適化した、強い発散力を与えることができる。この場合、単一の凹面ではライトガイド２の長軸方向最大長Ｌｌｇｌに対して有効径が不足してしまう。本実施形態のように、複合凹面１２であれば軸ずらし量をパラメータとして長軸方向最大長Ｌｌｇｌを含むような最適設計が可能である。
　また、軸対称凹面では方位による発散力の差がなく、長軸方向の発散力は短軸方向と同等である。さらに、軸対称凹面は中心部より周辺部の屈折角が大きくなるので、軸対称凹面の軸間隔を適宜離すことで、凹面周辺部において屈折する光の比率を高めることができ、長軸方向の拡散性を高めることができる。
　従って、本実施形態の複合凹面は、長軸方向の配光低下を改善できる。軸対称凹面は球面でも効果を得られるが、非球面化することで配光特性を制御する自由度が向上するため好ましい。
　複合凹面１２は、金型を用いて成形可能である。複合凹面成形用の金型は、二体化することで軸対称凹面用の金型加工方法を流用できる。まず、ピン状母材に数式（５）で定義された軸対称凹面を転写する凸面を作成する。次に、ピン状母材の外周部を平面状にカットしてピン状金型とする。そして、このピン状金型を２本製作し、外周カットした平面部を重ね合わせることで、２つの凸面を有する複合凹面転写用の金型が完成する。ピン状母材への凸面加工は軸対称で回転切削が可能なため、非軸対称の面形状よりも高精度の金型が製作可能である。
　以上の構成により、本実施形態では、従来技術の課題である配光性能を改善しつつ、実装性を確保した照明光学系が実現可能となる。
　また、本実施形態の好ましい態様によれば、以上で述べた構成に加えて、ライトガイドと複合凹面のパラメータに関する以下の条件式（１）、（２）、（３）を満足することが望ましい。
　　１．２＜Ｌｌｇｌ／Ｌｌｇｓ＜４　　　（１）
　　０．２５＜Ｒ’／√（Ｌｌｇｌ×Ｌｌｇｓ）＜０．６　　　（２）
　　０．４＜Ｌｏｆｓ／（Ｌｌｇｌ－Ｌｌｇｓ）＜１．３　　　（３）
　ここで、
　Ｌｌｇｌは、ライトガイド端面の長軸方向最大長、
　Ｌｌｇｓは、ライトガイド端面の短軸方向最大長、
　Ｒ’は、軸対称凹面の実質中心曲率半径、
　Ｌｏｆｓは、２つの軸対称凹面の軸間隔、
である。
　条件式（１）は、ライトガイド端面の長軸方向最大長Ｌｌｇｌと短軸方向最大長Ｌｌｇｓの比率を適切に設定するための条件である。上述した通り、挿入部先端の構造物配置の自由度を高めて実装効率を最適化するためにライトガイドを非円形とするので、Ｌｌｇｌ／Ｌｌｇｓは１より有意に大きい範囲をとる。
　条件式（１）の下限値を下回ると、ライトガイド端面が円形に近いことで全般的に配光が不足するため望ましくない。軸対称凹面の発散力は短軸方向のＬｌｇｓに対して最適化することができるが、Ｌｌｇｓが相対的に大きいことで短軸方向の光束が全般的に太くなる。従って、照明レンズ先端面有効範囲３の有効範囲の小さい短軸方向で光を有効活用できず、短軸方向の配光を高められないため望ましくない。また、ライトガイド端面が円形に近い状態では軸対称凹面の軸間隔Ｌｏｆｓを大きくとれないため、長軸方向の拡散性を高められず望ましくない。
　条件式（１）の上限値を上回ると、軸対称凹面の発散力をＬｌｇｓに最適化して十分に強めようとすると軸対称凹面の有効径が小さくなる。軸対称凹面の軸間隔Ｌｏｆｓを大きくしてもＬｌｇｌを覆うことが困難となるか、もしくは、Ｌｌｇｌを覆えたとしても、ひょうたん型断面の窪み部でＬｌｇｓを覆えなくなる。従って、ひょうたん型断面が確実にライトガイド端面を覆うことができるようにするには、軸対称凹面の発散力を低下させて軸対称凹面の有効径を確保せねばならず、結果として配光が不足するため望ましくない。
　条件式（２）は、ライトガイド端面の平均的な直径に対して軸対称凹面の実質中心曲率半径Ｒ’を十分に小さくすることにより、配光を十分に広くするための条件である。尚、Ｒ’は数式（５）の球面項と多項式の２次成分であるＡ２係数から換算した２次成分の合成による実質的な中心曲率半径であり、数式（６）に定義を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　本実施形態では、軸対称凹面の発散力が全方位の配光に影響する。空気中より光が拡散しづらい水中においては配光要求が空気中よりもさらに厳しい。このため、軸対称凹面の拡散力はできるかぎり高めておくことが重要である。軸対称凹面が球面でライトガイド端面が円形の場合、Ｒ’がライトガイド直径の半分程度の場合に曲率最大となり、それより小さいＲ’ではライトガイド端面を覆えない。このため、一般的な球面と円形ライトガイドの場合はＲ’をライトガイド直径の半分程度とすることが好ましい。
　本実施形態のライトガイド端面は非軸対称形状であるため、条件式（２）では分母に平均的ライトガイド直径に相当するパラメータとして√（Ｌｌｇｌ×Ｌｌｇｓ）を用い、Ｒ’との比率を規定した。
　本実施形態においても、条件式（２）の値が０．５の場合は、Ｒ’が平均的ライトガイド直径の半分であることに相当し、十分高い拡散性を有することを意味する。さらに、軸対称凹面が非球面の場合は、中心曲率を高めて周辺曲率を弱めることでライトガイド端面を覆う制約条件の中でも、よりＲ’を小さくし、より強い拡散力を得ることができる。
　必然的に非球面となる条件式（２）の下限値を下回る場合、Ｌｌｇｓを覆うためには凹面周辺部でかなり曲率を弱めねばならず、水中広角視野の周辺部に光を十分拡散できず、広角配光を実現できないため望ましくない。
　条件式（２）の上限値を上回る場合、上述とは逆に、凹面中心部での発散力が弱いことで視野中心方向に出射する輝度が高まり、視野中心に対して相対的に周辺部が暗くなり、広角配光が得られなくなるので望ましくない。
　条件式（３）は、複合凹面を構成する軸対称凹面の軸間隔を適切に設定するための条件である。軸対称凹面の軸間隔Ｌｏｆｓは、ライトガイド端面の扁平性の影響を受けるので、ライトガイド端面の各方向の長さの差である（Ｌｌｇｌ－Ｌｌｇｓ）に対して、適切な比率で設定することが好ましい。
　条件式（３）の下限値を下回ると、Ｌｏｆｓがライトガイド端面の扁平性に対して相対的に小さくなり過ぎて、ライトガイド端面の長軸方向側を覆う観点では不足傾向となる。この場合、軸対称凹面の曲率を弱めて有効径を広げることで、ライトガイド端面の長軸方向を覆う設計とせざるを得ない。
　条件式（３）の上限値を上回ると、Ｌｏｆｓがライトガイド端面の扁平性に対して相対的に大きくなり過ぎて、ひょうたん型断面の窪み部においてライトガイド端面を覆えなくなり易い。この場合も軸対称凹面の曲率を弱めて有効径を広げることで、ひょうたん型断面の窪み部でもライトガイド端面を覆う設計とせざるを得ない。従って、条件式（３）の下限値、上限値から外れるいずれの場合においても、軸対称凹面の発散力が低下し広角配光を実現できないため望ましくない。
　また、本実施形態の好ましい態様によれば、以上で述べた構成に加えて、複合凹面を形成する軸対称凹面が非球面からなり、非球面形状に関する以下の条件式（４）を満足すること望ましい。
　　（Ｚ（Ｈ）－Ｚｒ’（Ｈ））／Ｒ’＜－０．０１　　　（４）
　ここで、
　Ｈ＝０．９×Ｒ’の場合であり、
　Ｈは、軸対称凹面における光軸からの高さ、
　Ｚ（Ｈ）は、軸対称凹面のＨにおける光軸方向の変位量、
　Ｚｒ’（Ｈ）は、実質中心曲率半径Ｒ’の球面にてＨにおける光軸方向の変位量、
である。
　Ｈは複合凹面を形成する各軸対称凹面の曲率中心を通る光軸からの高さであり、数式（５）の軸対称非球面定義式ではＹに相当する。Ｚ（Ｈ）は数式（５）のＺ（Ｙ）に相当し、数式（５）を用いて算出する。Ｚｒ’（Ｈ）は、軸対称凹面の実質的な中心曲率半径で数式（４）から算出されるＲ’の球面を仮定した場合の光軸方向変位量であり、数式（５）から非球面関連のパラメータを除去した数式（７）を用いて算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　以上の定義に従い、（Ｚ（Ｈ）－Ｚｒ’（Ｈ））は、非球面と球面のＺ方向変位量の差分に相当する。本実施形態の軸対称凹面はＲを正の値として定義しており、光軸から離れた位置のＺ座標は基本的に正の変位量を有する。
　従って、（Ｚ（Ｈ）－Ｚｒ’（Ｈ））が正の場合は非球面による変位が凹面を深める方向に作用し、負の場合は凹面を浅くする方向に作用することを意味する。条件式（４）では（Ｚ（Ｈ）－Ｚｒ’（Ｈ））をＲ’で規格化することにより、非球面の変位作用の度合を示せる条件としている。
　本実施形態では広角な視野周辺部での配光向上とライトガイド端面を覆う有効径確保の両立が重要であるため、条件式（４）の値を負とし凹面の周辺部で曲率を弱めるような非球面とすることが好ましい。
　条件式（４）の上限値を上回ると、非球面とする実効的な効果が得られず、ライトガイド端面を覆った上で配光を向上させるのが困難となり望ましくない。
　以上で、内視鏡照明光学系の構成を詳細に説明した。ここで、図１～図４を用いて説明した挿入部先端レイアウトを含めて本実施形態の望ましい挿入部先端の構成を以下にまとめる。
　挿入部先端内に、対物光学系、チャンネル６、２つ以上のライトガイド２とライトガイド２の物体側に隣接して配置する照明レンズＬを有する内視鏡において、照明レンズＬのライトガイド対向面は軸対称凹面２つを重ね合わせた複合凹面１２でひょうたん型有効断面１１を有し、ライトガイド有効範囲は照明レンズ対向面側でひょうたん型有効断面長手方向に長軸とそれに垂直な方向に短軸を有する非円形の端面形状を有し、対物レンズ枠４（対物光学系）の中心とチャンネル６の中心を結ぶ軸をＣ軸とした際に、各ライトガイドの長軸はＣ軸に対して３０°以下の傾きであり、各照明系はＣ軸線を挟んで左右夫々に１つ以上配置されており、条件式（１）～（３）を満足する構成が望ましい。さらに、非球面を用いる場合には条件式（４）を満足する構成が望ましい。
（対物光学系の説明）
　内視鏡照明光学系の実施例に先だって、各実施例において共通で組合せ対象とする対物光学系の構成を説明する。
　図６（ａ）は、対物光学系の水中におけるレンズ断面図と光路を示している。図６（ｂ）は、対物光学系の空気中におけるレンズ断面図と光路を示している。対物光学系は、物体側から順に、物体側が平面である平凹負レンズＬ１と、物体側が平面である平凹負レンズＬ２と、平行平板Ｆ１と、物体側が平面である平凸正レンズＬ３と、両凹負レンズＬ４と、両凸正レンズＬ５と、両凸正レンズＬ６と、Ｃ軸負メニスカスレンズＬ７と、カバーガラスＣＧと、からなる。ここで、両凹負レンズＬ４と両凸正レンズＬ５は接合されている。両凸正レンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７は接合されている。
　明るさ絞りＳは、平凸正レンズＬ３の物体側面に配置されている。
　以下に、対物光学系の数値データを示す。記号は、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数、ＦｎｏはＦナンバー、また、焦点距離はｄ線における値である。ＳＴＯは、明るさ絞り、ＩＰは像面である。
数値実施例
単位  ｍｍ
 
面データ
面番号  r              d            nd             νd
  1     ∞             0.25         1.76820        71.79
  2     0.639          0.27
  3     ∞             0.25         2.00330        28.27
  4     1.961          0.11
  5     ∞             0.30         1.52134        74.98
  6     ∞             0.03
  7     ∞(STO)        0.87         2.00330        28.27
  8    -1.243          0.05
  9    -9.813          0.30         2.00330        28.27
 10     1.717          0.86         1.72916        54.68
 11    -1.345          0.05
 12     2.838          0.87         1.48749        70.23
 13    -1.108          0.30         1.92286        18.90
 14    -2.439          0.28
 15     ∞             1.10         1.51633        64.14
 16     ∞(IP)
 
 
焦点距離： 0.56mm
Ｆｎｏ．： 4.153
水中物体距離： 9mm
最大レンズ外径： φ2.2mm
 
水中観察時の像高と画角：
             像高(ｍｍ)    画角(°)
対角          0.751        129.4
水平          0.706        118.7
垂直          0.482         76.3
　図６（ａ）中のＩｗは、水中観察状態での対角方向の像高で０．７５１ｍｍである。この像高は固体撮像素子の有効撮像エリアに一致させることを想定しており、水中観察状態において固体撮像素子の有効撮像エリア全体を使用する。この際の水中画角は１２９．４°であり、水中観察としては非常に広角であり、水中にある被写体を固体撮像素子の有効撮像エリア全てを使用して観察できる。
　これに対して、図６（ｂ）の空気中観察状態では最も物体側が平面であることにより、空気中画角１８０°の光線までしかレンズに入射できない。最も物体側の平面とほぼ平行に入射した主光線は像面上ではＩｗより低い位置に結像し、空気中最大像高に相当するＩａは０．５９９５ｍｍとなる。これにより、空気中観察状態では固体撮像素子の有効撮像エリアを部分的に使用した画像となるが、水中観察用途の内視鏡においては実用上問題無い。
　図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ水中観察と空気中観察の撮像範囲を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）は上述したように空気中観察状態での有効撮像エリアが水中観察状態よりも狭くなることを示した図である。
　図７（ａ）は、水中観察状態での固体撮像素子上の撮像エリアを示している。八角形の電気的視野マスクを用いることで、斜線を付した八角マスクＭＫ内の有効撮像エリアを全て活用できることを示している。八角マスクＭＫ内での最大像高がＩｗである。
　図７（ｂ）は、空気中観察状態での固体撮像素子上撮像エリアを示している。斜線を付した半径Ｉａの円ＣＲＣ内が空気中観察状態での撮像エリアとなり、八角マスクＭＫと円ＣＲＣで挟まれた斜線の無い領域は、被写体像が結像されない光学的無効領域となる。
　このような対物光学系によれば、最も物体側が平面の状態でも水中状態での広角観察が可能である。さらに、物体側が平面であることは、照明光学系からの直接光入射に起因するフレアに対して特殊な構成を必要とせず、照明光学系の構成に余計な制約を生じないため好ましい。対物光学系内で最大レンズ外径を有するのは物体側端のレンズでφ２．２ｍｍである。膀胱鏡として必要な内径φ２．２ｍｍのチャンネルや湾曲機構と合わせても、先端部外径φ７ｍｍ未満の内視鏡を実現できる。
　次に、各実施例に係る内視鏡用照明光学系の各種データを表１及び表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表１において、各実施例の２つの内視鏡照明光学系の対物レンズ枠４（対物光学系）の中心とチャンネル６の中心を結ぶＣ軸に対するライトガイド長軸の回転方位は、図２に示すように２０°である。対物光学系中心に対するライトガイド中心座標（ｍｍ）は、（２．０６７，０．７５２）、（－２．０６７，０．７５２)である。
　各実施例における照明レンズは、何れもポリサルホン（ｄ線に対する屈折率＝１．６３５）から形成され、外面側形状がライトガイドの短軸方向において１５°傾斜した平面となっている。また、照明レンズの中心肉厚は０．２５ｍｍであり、ライトガイドと同様に、対物レンズ枠４（対物光学系）の中心とチャンネル６の中心を結ぶＣ軸に対する長軸の回転方位は図２に示すように２０°である。さらに、長軸方向の外面側有効径は２．２ｍｍであり、短軸方向の外面側有効径は１．６ｍｍである。
　また、比較例は、各実施例と同一空間に実装可能な円形ライトガイドと凹球面レンズの組合せとし、物体面中心照度が最低照度を有する各実施例と同等レベルとした。
　すなわち、比較例のライトガイドは、円形状であり、その直径は０．７４ｍｍ、対物光学系中心に対する中心座標（ｍｍ）は(２．０６７，０．７５２）、（－２．０６７，０．７５２）とした。比較例の照明レンズは、その材料、外側面形状、中心肉厚及び外面側有効径は各実施例と同様となっている。
　各実施例の照明レンズ断面形状と水中に出射する光の球面配光グラフを、それぞれ図９～図２０に示す。なお、断面形状の図において、（ａ）はライトガイドの短軸方向断面、（ｂ）はライトガイドの長軸方向断面を示す。水中に出射する光の球面配光グラフにおいて、実線は水平方向、破線は垂直方向の配光特性を示す。また、球面配光グラフは水中で４０ｍｍ離れたところに半径４０ｍｍの球を配置すると仮定して、光線束追跡と強度積算により照度分布を求めて規格化したものである。強度積算に用いたライトガイド出射光の配光を図８に示す。
（照明レンズについて）
　これら全ての実施例の凹面形状は、対物光学系の水中水平画角（１１８．７°）と水中垂直画角（７６．３°）の少し内側の視野を想定し、水中にて以下の目標球面配光（中心に対する比率）を得られるように設計している。
　画面水平方向の水中５５°方向球面配光：　１５％以上
　画面垂直方向の水中３５°方向球面配光：　５０％以上
　これら全ての実施例は、対応すべき画角が広いにもかかわらず、複合凹面と非円形ライトガイド組合せとそのパラメータ最適化により、目標とする高い配光を実現している。これら実施例と比較して、円形ライトガイドと凹球面レンズからなる比較例では、水平方向、垂直方向のどちらにおいても、本実施形態に比較して、配光が大幅に目標未達である。
　実施例１～３は、複合凹面が同一形状で、ライトガイド端面が、それぞれ楕円、小判型、ひょうたん型である。これら３種のライトガイド端面形状では、光学的にほぼ同等の性能を確保できるのでいずれを用いても良い。
　実施例４～６は、ライトガイドを小判型で統一した上で、その扁平度合を変化させたものである。これら実施例の複合凹面は、夫々のライトガイド端面寸法に合わせて最適化しており、各実施例で形状が異なる。
　このように、夫々異なる構成を有する実施例１～６は、条件式（１）～（３）を満足しており、これら３つの条件式は最適パラメータを設定するのに好適である。さらに、全ての実施例は、複合凹面が条件式（４）の条件を満足する非球面を有しており、従来よりも高い配光目標の実現に寄与している。尚、水中画角を多少狭めても良い場合は配光目標を緩めることが可能なため、複合凹面の軸対称凹面として球面も採用も可能である。
　このように、各実施例によれば、水中画角が広い場合でも良好な配光が得られ、かつ、細径の医療用内視鏡実装に適した内視鏡照明光学系を提供できる。
　以上のように、本発明は、内視鏡照明光学系に有用であり、特に、水中画角が広い場合でも良好な配光が得られ、かつ、細径の医療用内視鏡実装に適している。
　１　先端部
　２　ライトガイド
　３　照明レンズ先端面有効範囲
　４　対物レンズ枠
　５　固体撮像素子
　６　チャンネル
　７　アングルワイヤー
　８　先端枠
　９　チャンネル開口部
　１０　チャンネル中心と対物レンズ枠中心を通る軸（Ｃ軸）
　１１　複合凹面ひょうたん型断面
　１２　複合凹面

Claims (3)

  1. 　内視鏡の挿入部先端の内視鏡照明光学系であり、
    　前記挿入部先端側に配置するレンズと、前記レンズに隣接して配置するライトガイドと、からなり、
    　前記レンズの前記ライトガイド側の対向面は、軸対称凹面２つを重ね合わせた複合凹面で、ひょうたん型有効断面を有し、
    　前記ライトガイドの有効範囲は、前記レンズの前記対向面側で前記ひょうたん型有効断面長手方向に長軸を有し、前記長軸と垂直な方向に短軸を有する非円形の端面形状を有することを特徴とする内視鏡照明光学系。
  2. 　以下の条件式（１）、（２）、（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡照明光学系。
    　１．２＜Ｌｌｇｌ／Ｌｌｇｓ＜４　　　（１）
    　０．２５＜Ｒ’／√（Ｌｌｇｌ×Ｌｌｇｓ）＜０．６　　　（２）
    　０．４＜Ｌｏｆｓ／（Ｌｌｇｌ－Ｌｌｇｓ）＜１．３　　　（３）
    　ここで、
    　Ｌｌｇｌは、前記ライトガイドの端面の長軸方向の最大長、
    　Ｌｌｇｓは、前記ライトガイドの端面の短軸方向の最大長、
    　Ｒ’は、前記軸対称凹面の実質中心曲率半径、
    　Ｌｏｆｓは、前記２つの軸対称凹面の軸間隔、
    である。
  3. 　前記複合凹面を形成する軸対称凹面は非球面からなり、以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡照明光学系。
    　（Ｚ（Ｈ）－Ｚｒ’（Ｈ））／Ｒ’＜－０．０１　　　（４）
    　ここで、
    　Ｈ＝０．９×Ｒ’の場合であって、
    　Ｈは、前記軸対称凹面における光軸からの高さ、
    　Ｚ（Ｈ）は、前記軸対称凹面の高さＨにおける光軸方向の変位量、
    　Ｚｒ’（Ｈ）は、前記実質中心曲率半径Ｒ’の球面にて高さＨにおける光軸方向の変位量、
    である。
      
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