WO2023058700A1 - ビーム整形レンズ、ビーム整形素子、内視鏡用光源装置、および、内視鏡 - Google Patents

ビーム整形レンズ、ビーム整形素子、内視鏡用光源装置、および、内視鏡 Download PDF

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WO2023058700A1
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潤 大竹
洋己 渡部
英児 弟月
祐一 竹永
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株式会社住田光学ガラス
ニレック株式会社
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    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a beam shaping lens, a beam shaping element, an endoscope light source device, and an endoscope.
  • Patent Documents 1 and 2 In endoscopic diagnosis, general diagnosis, in which white light is used to observe the surface of tissues, and fluorescence observation, in which light in a special wavelength range is used as excitation light to observe fluorescence deep inside the body, are performed.
  • a light source device combines white light and laser light, which is excitation light, and uses it as a light source for an endoscope.
  • Patent Document 3 proposes a method for reducing speckles of illumination light in a light source device for an endoscope that bundles light from a plurality of laser light sources and is used for fluorescence observation.
  • the object of the present disclosure which focuses on these points, is to provide a beam shaping lens, a beam shaping element, an endoscope light source device, and a light source device for an endoscope that can generate illumination light having a more uniform light intensity distribution. , to provide an endoscope equipped with this endoscope light source device.
  • the inventors convert a first light beam having a light intensity distribution that continuously increases from the outer periphery to the center into a second light beam having a light intensity distribution that is flatter than the incident light.
  • a beam shaping lens is used to shape a first light beam having a light intensity distribution that continuously increases from the outer periphery to the center.
  • a beam shaping lens for achieving the above object has a first surface including a smoothly shaped concave surface and a second surface including a convex surface having a shape substantially similar to the concave surface, wherein the first surface includes: A first light beam, which is parallel light having a light intensity distribution that continuously increases from the incident outer periphery toward the center, is converted into a second light beam, which is parallel light having a light intensity distribution flatter than that of the first light beam. 2 light beams.
  • the first surface and the second surface are axially symmetrical about the same central axis, and the first surface and the second surface are arranged on the first surface. It is preferable that a light beam incident in a direction parallel to the central axis exits from the second surface in a direction parallel to the central axis.
  • the first surface and the second surface are flat at outer peripheral portions, and the concave surface and the convex surface are the outer peripheral portions of the first surface and the outer peripheral portions of the second surface, respectively.
  • a smooth connection is preferred.
  • the beam shaping lens may be configured to transform the first light beam having a Gaussian or Lambertian light intensity distribution into the second light beam having a top-hat light intensity distribution. preferable.
  • a beam shaping element that achieves the above objects is a beam shaping element that includes a plurality of superimposed beam shaping lenses, said beam shaping lenses having a first surface comprising a smoothly shaped concave surface, and said A first parallel light beam having a concave surface and a second surface including a substantially similar convex surface, and having a light intensity distribution that continuously increases from the outer peripheral portion toward the central portion of the light incident on the first surface. is converted into a second light beam which is parallel light having a light intensity distribution flatter than that of the first light beam.
  • the first collimating optical system includes a first lens having negative refractive power and a second lens having positive refractive power, wherein the first lens and the It is preferable to provide a zoom optical system configured to be able to interlock and adjust the position of the second lens.
  • the first light source unit includes a plurality of light sources that emit light having the same wavelength range, a plurality of optical fibers that guide the light emitted from each of the light sources, It is preferable to include an optical fiber end holder that aligns and holds the ends of the plurality of optical fibers on the light exit side.
  • the light source device for an endoscope includes: a second light source unit emitting light having a wavelength range different from that of the first light source unit; a second collimating optical system that converts the light beam into a light beam of .
  • the third light beam having a light intensity distribution that continuously increases from the outer peripheral portion toward the central portion incident on the surface of the third light beam is parallel light having a flatter light intensity distribution than the third light beam.
  • a second beam shaping lens that transforms into four light beams; the second light beam exiting from the first beam shaping lens; and the fourth light beam exiting from the second beam shaping lens.
  • a condensing lens that couples the second light beam and the fourth light beam combined by the combining unit to a light guide that guides light to an endoscope. is preferably provided.
  • the combining section includes a dichroic mirror.
  • the first light source section preferably includes a white light source
  • the second light source section preferably includes an excitation light source for fluorescence observation.
  • the second collimating optical system includes a first lens having negative refractive power and a second lens having positive refractive power, wherein the first lens and the It is preferable to provide a zoom optical system configured to be able to interlock and adjust the position of the second lens.
  • the second light source unit includes a plurality of light sources that emit light having the same wavelength range, a plurality of optical fibers that guide the light emitted from each of the light sources, It is preferable to include an optical fiber end holder that aligns and holds the ends of the plurality of optical fibers on the light exit side.
  • the combined focal length of the second collimating optical system is within 10 mm, and the multiplexing section has a predetermined wavelength of the fourth light beam emitted from the second beam shaping lens. It is preferable that a deviation of ⁇ 5° from the incident direction is allowed, and a hole diameter of the optical fiber end holding part for accommodating the exit side ends of the plurality of optical fibers is 1.2 mm or less.
  • the first light beam which is parallel light having a light intensity distribution that continuously increases from the outer peripheral portion toward the central portion and is incident on the first surface, is made flatter than the first light beam. Since it is converted into the second light beam, which is parallel light having a light intensity distribution, it is possible to generate illumination light having a more uniform light intensity distribution.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the shape of a beam shaping lens according to an embodiment together with the trajectories of parallel rays passing through the beam shaping lens.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the light intensity distribution of light incident on the beam shaping lens.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the light intensity distribution after the light having the light intensity distribution shown in FIG. 2 has passed through the beam shaping lens.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a beam shaping element composed of two beam shaping lenses.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of an endoscope light source device according to one embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the exit-side end face of the ferrule.
  • 7A and 7B are diagrams for explaining the action of the zoom optical system of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing the light intensity distribution at the incident end and the light intensity distribution at the exit end of the light guide.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a beam shaping lens 1 according to one embodiment.
  • the beam shaping lens 1 When viewed along the optical axis O, the beam shaping lens 1 has, for example, a circular outer shape.
  • the beam shaping lens 1 is made of a material such as glass or resin that transmits light of a desired wavelength.
  • Beam shaping lens 1 has a first surface 2 and a second surface 3 .
  • the first surface 2 can be a surface on the light incident side.
  • the second surface 3 can be a surface on the light exit side.
  • the first surface 2 has a smooth concave surface 2a.
  • the second surface 3 has a convex surface 3a that is substantially similar in shape to the concave surface 2a.
  • the first surface 2 and the second surface 3 have an axially symmetrical shape around the optical axis O with the optical axis O as the central axis.
  • the outer peripheral portion 2b of the first surface 2 and the outer peripheral portion 3b of the second surface 3 are flat surfaces orthogonal to the optical axis O.
  • the concave surface 2a and the outer peripheral portion 2b of the first surface 2 are smoothly connected. Further, the convex surface 3a and the outer peripheral portion 3b of the second surface 3 are smoothly connected.
  • FIG. 1 shows the trajectory of light rays incident on the first surface 2 from a direction parallel to the optical axis O.
  • FIG. 1 shows the trajectory of light rays incident on the first surface 2 from a direction parallel to the optical axis O.
  • light rays incident on the concave surface 2 a of the first surface 2 are refracted by the first surface 2 in a direction away from the optical axis O and enter the beam shaping lens 1 .
  • a light ray traveling through the beam shaping lens 1 is refracted by the convex surface 3 a of the second surface 3 in a direction parallel to the optical axis O and emerges from the beam shaping lens 1 .
  • the first surface 2 and the second surface 3 of the beam shaping lens 1 are arranged such that a ray of light incident on the first surface 2 from a direction parallel to the optical axis O passes through the second surface 3 to the optical axis. It may be designed to emit in a direction parallel to O.
  • a parallel light beam incident on the first surface 2 from a direction parallel to the optical axis O has a reduced light intensity distribution at the central portion near the optical axis O, and is separated from the optical axis O.
  • a parallel light beam with an increased light intensity distribution near the outer peripheral portion 3 b is emitted from the second surface 3 .
  • the outer diameter of the incident light beam reaches the outer peripheral portion 2b of the first surface 2 of the beam shaping lens 1
  • the diameter of the light beam does not change by passing through the beam shaping lens 1.
  • "parallel light” means a state in which all light rays in the beam are parallel to each other.
  • FIG. 2 shows a Gaussian light intensity distribution as an example of the light intensity distribution of the light beam incident on the beam shaping lens 1 .
  • the horizontal axis indicates the position with the center of the light beam as the origin.
  • the vertical axis indicates light intensity.
  • the intensity of the light beam increases from the outer periphery toward the center.
  • light emitted from a laser light source has a Gaussian light intensity distribution as shown in FIG.
  • the light emitted from the multimode fiber has a Gaussian light intensity distribution with a collapsed central portion.
  • the light emitted from the LED has a Lambertian light intensity distribution. Even in the Lambertian light intensity distribution, the light intensity increases from the outer periphery toward the center.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the light intensity distribution after the light beam having the Gaussian light intensity distribution shown in FIG. 2 has passed through the beam shaping lens 1.
  • the vertical and horizontal axes in FIG. 3 are the same as in FIG.
  • the beam shaping lens 1 reduces the light intensity of the central portion of the light beam and increases the light intensity of the outer peripheral portion. As a result, the light beam emitted from the beam shaping lens 1 has a flatter top-hat light intensity distribution.
  • a flat light intensity distribution means that the light intensity distribution is more uniform.
  • the light intensity distribution has a nearly flat shape at least in the region including the central portion through which the optical axis O passes. Therefore, the light intensity distribution of the light beam exiting the beam shaping lens 1 is closer to a uniform distribution than the light intensity distribution of the light beam entering the beam shaping lens 1 .
  • the beam shaping lens 1 has the first surface 2 and the second surface 3 in consideration of the light intensity distribution of the incident light beam, the desired light intensity distribution of the emitted light beam, the refractive index of the material, and the like. It can be a shape engineered lens.
  • the desired light intensity distribution of emitted light is not limited to a flat top hat type. For example, when observing the inside of a living body with an endoscope, the distance to the object to be observed is greater at the outer periphery than at the center, so a higher light intensity is required for the outer periphery than at the center of the light beam. There is something.
  • the concave surface 2a of the first surface 2 and the convex surface 3a of the second surface 3 of the beam shaping lens 1 are substantially similar in shape, heat and heat are applied to a single transparent plate member such as resin. It can be manufactured by applying pressure to bend it. Therefore, the beam shaping lens 1 can be manufactured inexpensively.
  • beam shaping element To accommodate different desired light intensity distributions, multiple beam shaping lenses 1 can be combined to form a beam shaping element 5, as shown in FIG. A plurality of beam shaping lenses 1 are superimposed so that their optical axes O coincide with each other. For example, a plurality of beam shaping lenses 1 having a low light intensity distribution conversion effect are prepared in advance, and based on the light intensity distribution of the incident light beam and the desired light intensity distribution of the exiting light beam, the beam shaping lens 1 can determine the number of combinations of
  • the endoscope light source device 10 performs both diagnosis of the surface layer of living tissue using white light and fluorescence observation for observing fluorescence deep in living tissue using light in a special wavelength range as excitation light. used as a light source for endoscopes.
  • the endoscope light source device 10 includes a first light source section 11, a first collimating optical system 12, a first beam shaping lens 1A, a second light source section 21, a second collimating optical system 22, a second It includes a beam shaping lens 1B, a dichroic mirror 31, and a condenser lens 32.
  • the first light source unit 11 is a white light source using, for example, a white LED.
  • the first collimating optical system 12 converts the divergent white light emitted from the first light source unit 11 into a parallel first light beam L1.
  • First collimating optics 12 may include one or more lenses.
  • the first light beam L1 emitted from the first collimating optical system 12 has a light intensity distribution that continuously increases from the outer periphery toward the center.
  • the light intensity distribution that continuously increases from the outer periphery to the center is, for example, a Gaussian or Lambertian light intensity distribution.
  • the first beam shaping lens 1A is a lens configured similarly to the beam shaping lens 1 shown in FIG.
  • the first beam shaping lens 1A converts the first light beam L1 into a second light beam L2 which is parallel light having a flatter light intensity distribution than the first light beam L1.
  • the second light beam L2 may have a flat light intensity distribution from the vicinity of the outer periphery to the center of the second light beam L2.
  • the second light source unit 21 includes, for example, a first light source 211a and a second light source 211b as excitation light sources for fluorescence observation.
  • the first light source 211a and the second light source 211b emit light in a specific wavelength range that excites the observation target.
  • the first light source 211a and the second light source 211b are, for example, near-infrared lasers.
  • a plurality of light sources emitting light having the same wavelength range are used in order to obtain light of sufficient intensity for fluorescence observation.
  • a single light source for fluorescence observation is often insufficient in intensity, so a plurality of light sources for excitation light may be used in this way.
  • a plurality of light sources may be provided as backup light sources.
  • the number of light sources included in the second light source unit 21 is not limited to two.
  • the number of light sources included in the second light source unit 21 may be one, or may be three or more.
  • the second light source unit 21 further includes a first optical fiber 212a that guides light emitted from the first light source 211a, and a second optical fiber that guides light emitted from the second light source 211b. 212b.
  • the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b can employ multimode fibers.
  • the second light source unit 21 further includes a ferrule 213 that aligns and holds the emission-side ends of the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b.
  • a ferrule 213 that aligns and holds the emission-side ends of the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b.
  • An example of the exit-side end face of ferrule 213 is shown in FIG.
  • the ferrule 213 is a cylindrical member made of ceramic such as zirconia or stainless steel, which has a fiber hole 213a for inserting an optical fiber in the center.
  • a ferrule 213 is an optical fiber end holder. The laser light propagated through the first optical fiber 212 a and the second optical fiber 212 b is emitted from the fiber hole 213 a of the ferrule 213 .
  • the fiber hole 213a of the ferrule 213, which accommodates the exit-side ends of the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b, has a hole diameter of, for example, 1.2 mm or less. diameter (eg, about 20 mm).
  • the laser light emitted from the ferrule 213 is converted by the second collimating optical system 22 into the third light beam L3, which is parallel light.
  • the second collimating optical system 22 includes a first lens 22a with negative refractive power and a second lens 22b with positive refractive power.
  • the third light beam L3 emitted from the second lens 22b is The beam diameter can be changed while the beam is parallel.
  • the second collimating optical system 22 functions as a zoom optical system capable of changing the beam diameter by configuring the first lens 22a and the second lens 22b to be adjustable together.
  • the position of the second lens 22b may be adjusted separately from the second beam shaping lens 1B, or may be adjusted together with the second beam shaping lens 1B.
  • the third light beam L3 emitted from the second collimating optical system 22 has a light intensity distribution that continuously increases from the outer periphery toward the center, like the first light beam L1.
  • the third light beam L3 may have a Gaussian light intensity distribution.
  • the second beam shaping lens 1B is a lens configured similarly to the beam shaping lens 1 shown in FIG.
  • the second beam shaping lens 1B has a third surface including a smooth concave surface, and a fourth surface including a convex surface having a substantially similar shape to this concave surface.
  • the second beam shaping lens 1B converts the third light beam L3 into a fourth light beam L4 which is parallel light having a flatter light intensity distribution than the third light beam L3.
  • the fourth light beam L4 can have a flat light intensity distribution from the vicinity of the outer periphery to the center of the fourth light beam L4.
  • the dichroic mirror 31 constitutes a combining section.
  • the dichroic mirror 31 has an optical characteristic of reflecting light of a specific wavelength emitted from the second light source unit 21 and transmitting light of other wavelength ranges.
  • the second light beam L2 of white light emitted from the first light source unit 11 excludes the near-infrared wavelength portion or has a wavelength shorter than the near-infrared wavelength. passes through the dichroic mirror 31 .
  • a fourth near-infrared light beam L ⁇ b>4 emitted from the second light source unit 21 is reflected by the dichroic mirror 31 .
  • the dichroic mirrors 31 are at exactly 45° to the mutually orthogonal optical axes of the first beam shaping lens 1A and the second beam shaping lens 1B, respectively, as shown in FIG. are arranged as follows. As a result, a second light beam L2 emitted from the first beam shaping lens 1A and transmitted through the dichroic mirror 31 and a fourth light beam L2 emitted from the second beam shaping lens 1B and reflected by the dichroic mirror 31 are obtained. It is multiplexed with the beam L4.
  • the angle between the optical axes of the first beam shaping lens 1A and the second beam shaping lens 1B and the dichroic mirror 31 is not limited to 45°.
  • the second light beam L2 and the fourth light beam L4 combined by the dichroic mirror 31 are condensed at the end of the light guide 33 by the condensing lens 32 and combined with the light guide 33 for the endoscope. Light is guided inside.
  • the second light beam L2 and the fourth light beam L4 guided through the light guide 33 are emitted from the other end of the light guide 33 to irradiate the living tissue to be observed.
  • the light guide 33 bundles a large number of optical fibers to propagate light.
  • FIG. 8 when the light condensed by the condensing lens 32 is incident on the light guide 33 from the incident end 33a, divergent light is emitted from the exit end 33b of the light guide 33.
  • the convergence angle ⁇ i of light incident on the incident end 33a and the divergence angle ⁇ o of light emitted from the exit end 33b are substantially equal.
  • the light intensity distribution of the light incident on the entrance end 33a is uniform, the light intensity distribution of the light exiting the exit end 33b is also approximately uniform.
  • the endoscope light source device 10 of the present embodiment uses the first beam shaping lens 1A to make the light intensity distribution of the white light emitted from the first light source unit 11 uniform. It is possible to irradiate a part uniformly. Therefore, accurate endoscopic observation and diagnosis can be performed over a wide range of tissue surface layers with little unevenness. Furthermore, the endoscope light source device 10 uses the second beam shaping lens 1B to uniformize the illumination light for excitation emitted from the second light source unit 21, so that the illumination light for excitation is applied to the tissue to be observed. can be irradiated uniformly. This enables accurate observation with little unevenness even in fluorescence observation.
  • the endoscope light source device 10 of the present embodiment there is no need to prepare a high-output light source for observing the tissue in the outer peripheral portion.
  • the light source device 10 for an endoscope it is possible to irradiate a wide range of tissues with strong light for observation of the outer peripheral portion, thereby reducing the possibility of damaging a part of the tissue in the central portion.
  • the first beam shaping lens 1A and the second beam shaping lens 1B used in this embodiment convert incident parallel light beams into light beams having a flatter light intensity distribution as they are. This is particularly advantageous in the endoscope light source device 10 of this embodiment, which uses the dichroic mirror 31 to combine two light beams. Since the dichroic mirror 31 uses a dielectric film, it has incident angle dependence. The dichroic mirror 31 cannot meet the predefined wavelength characteristics of transmission and reflection unless it is used at the designed angle of incidence.
  • the endoscope light source device 10 also includes a zoom optical system in the second collimating optical system 22 that changes the diameter of illumination light for fluorescence observation.
  • a zoom optical system in the second collimating optical system 22 that changes the diameter of illumination light for fluorescence observation.
  • the diameter of the third light beam L3 is reduced in the second collimating optical system 22
  • the diameter of the fourth light beam L4 is reduced.
  • this light is reflected by the dichroic mirror 31 and then made incident on the light guide 33 by the condensing lens 32, the convergence angle ⁇ i at the incident end 33a becomes small, as can be seen from FIG.
  • the divergence angle ⁇ o at the exit end 33b of the light guide 33 also becomes small, so that the irradiation range of the illumination light for excitation in the endoscope is narrowed down.
  • the endoscope light source device 10 narrows down the range of fluorescence observation to a specific position and irradiates high-intensity excitation light, thereby enabling accurate observation and diagnosis of the deep part of living tissue. .
  • a user of the endoscope light source device 10 can use this function to observe a living tissue with white light while focusing on a specific site for fluorescence observation.
  • the light source device 10 for an endoscope is arranged such that the exit-side ends of the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b are passed through the minute fiber hole 213a of the ferrule 213 and held in alignment, thereby achieving two optical fibers.
  • the excitation light from two light sources is emitted close to each other. This is advantageous in reducing the size of the endoscope light source device 10 as described below.
  • the optical axis of the second collimating optical system 22 is adjusted so as to match the center of the fiber hole 213a.
  • the centers of both the first optical fiber 212 a and the second optical fiber 212 b are arranged off the optical axis of the second collimating optical system 22 .
  • the emitted light is emitted from the collimating optical system at different angles for each light source.
  • ⁇ be the angle of emitted light
  • y be the distance between the optical axis and the light source
  • F be the combined focal length of the collimating optical system.
  • ⁇ tan ⁇ 1 (y/F) becomes.
  • the dichroic mirror cannot satisfy the predefined wavelength characteristics of transmission and reflection.
  • a collimating optical system with a long focal length there is a drawback that the entire optical system becomes large.
  • the exit-side ends of the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b are aligned and accommodated in the ferrule 213 having the fiber hole 213a with a small hole diameter. do.
  • the wavelength of the excitation light emitted from the first light source 211a and the second light source 211b is 785 nm. It is also assumed that the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b have a numerical aperture (NA) of about 0.5 for light with a wavelength of 785 nm. Furthermore, it is assumed that the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b each have a core diameter of 500 ⁇ m and a fiber diameter of 540 ⁇ m.
  • NA numerical aperture
  • the second collimating optical system 22 When these are inserted into a ferrule having a fiber hole with a hole diameter of 1.2 mm, the second collimating optical system 22 with a synthetic focal length of 10 mm suppresses the spread of the incident angle to the dichroic mirror 31 within 3.4°. can be calculated.
  • the combined focal length of the second collimating optical system 22 is within 10 mm and the dichroic mirror 31 allows deviation within ⁇ 5° from the predetermined incident direction.
  • the hole diameter of the fiber hole 213a that accommodates the exit-side ends of the first optical fiber 212a and the second optical fiber 212b of the ferrule 213 is at least 1.2 mm or less, the spread of the angle of incidence of the excitation light on the dichroic mirror 31 can be suppressed within an allowable range. With such a configuration, it is possible to configure the endoscope light source device 10 in a small size.
  • the beam shaping lens and beam shaping element of the present disclosure have been described as being used in the endoscope light source device. However, beam shaping lenses are not limited to those used in endoscope light sources.
  • the beam shaping lens of the present disclosure can be applied to various applications for converting the light intensity distribution of a light beam emitted from a light source into a flatter light intensity distribution.
  • the endoscope light source device 10 in the above embodiment has the first light source unit 11 that emits white light and the second light source unit 21 that emits excitation light.
  • the mirror light source device is not limited to this.
  • an endoscope light source device may be configured to have one light source section and a beam shaping lens corresponding thereto.
  • the beam-shaping lens can be used in an endoscope that performs either diagnosis of tissue surface layers using white light or fluorescence observation using light in a specific wavelength range.
  • the endoscope light source device may have three or more light source units. Furthermore, the wavelength ranges of three or more light source units may be different.
  • the endoscope light source device 10 of the present disclosure is used for an endoscope.
  • a light source device configured similarly to the endoscope light source device 10 of the present disclosure can also be used for a microscope.
  • Descriptions such as “first” and “second” in this disclosure are identifiers for distinguishing the configurations. Configurations that are differentiated in descriptions such as “first” and “second” in this disclosure may interchange the numbers in that configuration.
  • the first light source 211a can exchange the identifiers “first” and “second” with the second light source 211b. The exchange of identifiers is done simultaneously. The configurations are still distinct after the exchange of identifiers. Identifiers may be deleted. Configurations from which identifiers have been deleted are distinguished by codes. The description of identifiers such as “first” and “second” in this disclosure should not be used as a basis for interpreting the order of the configuration or the existence of lower numbered identifiers.

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Abstract

ビーム整形レンズは、形状が滑らかに変化する凹面を含む第１の面と、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する平行光である第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する。

Description

ビーム整形レンズ、ビーム整形素子、内視鏡用光源装置、および、内視鏡
　本発明は、ビーム整形レンズ、ビーム整形素子、内視鏡用光源装置、および、内視鏡に関する。
　内視鏡診断において、白色光を用いて組織表層の観察を行う一般診断と、特殊な波長範囲域の光を励起光として用いて生体深部の蛍光を観察する蛍光観察とが行われている。例えば、特許文献１および２では、光源装置において白色光および励起光であるレーザ光を合波して、内視鏡用の光源として使用している。また、引用文献３では、複数のレーザ光源からの光を束ねて蛍光観察に用いる内視鏡用の光源装置において、照明光のスペックルを低減する方法が提案されている。
特開２０２０－６２３２６号公報 特開２０１６－２３０２号公報 特開２００９－２４０５６０号公報
　一方、近年、内視鏡の画角が広がることにより生体組織の広範囲な観察が可能になってきた。しかし、内視鏡で使用されるＬＥＤ（light emitting diode）およびレーザ等の光源は、外周部から中心に向かって強度が高くなる光強度分布を有している。これらの光を用いて広画角で内視鏡観察を行おうとすると、視野の中心部が明るく外周部が暗くなってしまう。外周部を明るくするため、光源の出力を高くすると、中心部の光強度が高くなり過ぎて、観察対象の生体組織を損傷させる虞がある。このため、従来の内視鏡用光源では、生体組織を広範囲で正確に観察をすることが困難な場合がある。
　したがって、これらの点に着目してなされた本開示の目的は、より均一な光強度分布を有する照明光を生成することができる、ビーム整形レンズ、ビーム整形素子、内視鏡用光源装置、および、この内視鏡用光源装置を備える内視鏡を提供することにある。
　本発明者らは、外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する第１の光ビームを、入射光よりも平坦な光強度分布を有する第２の光ビームに変換するビーム整形レンズを用いることにより、上記目的が達成できることを見出した。
　すなわち、上記目的を達成するビーム整形レンズは、滑らかな形状の凹面を含む第１の面と、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する平行光である第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換することを特徴とする。
　上記ビーム整形レンズは、前記第１の面および前記第２の面が、同一の中心軸周りに軸対称であり、前記第１の面および前記第２の面は、前記第１の面に前記中心軸に平行な方向に入射した光線が、前記第２の面から前記中心軸に平行な方向に射出するように構成されることが好ましい。
　上記ビーム整形レンズは、前記第１の面および前記第２の面が外周部で平坦であり、前記凹面および前記凸面がそれぞれ前記第１の面の外周部および前記第２の面の外周部と滑らかにつながっていることが好ましい。
　上記ビーム整形レンズは、ガウシアン型またはランバート型の光強度分布を有する前記第１の光ビームを、トップハット型の光強度分布を有する前記第２の光ビームに変換するように構成されることが好ましい。
　上記目的を達成するビーム整形素子は、重ねて配置された複数のビーム整形レンズを含むビーム整形素子であって、前記ビーム整形レンズは、滑らかな形状の凹面を含む第１の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する平行光である第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換することを特徴とする。
　上記目的を達成する内視鏡用光源装置は、第１の光源部と、前記第１の光源部から射出された光を平行光である第１の光ビームに変換する第１のコリメート光学系と、滑らかな形状の凹面を含む第１の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する前記第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する第１のビーム整形レンズとを備えることを特徴とする。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第１のコリメート光学系が、負の屈折力を有する第１のレンズと正の屈折力を有する第２のレンズとを含み、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズの位置を連動して調整可能に構成されるズーム光学系を備えることが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第１の光源部が、波長範囲が同一の光を射出する複数の光源と、それぞれの前記光源から射出された光を導光する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの前記複数の光の射出側の端部を揃えて保持する光ファイバ終端保持部とを備えることが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第１の光源部とは波長範囲の異なる光を射出する第２の光源部と、前記第２の光源部から射出された光を平行光である第３の光ビームに変換する第２のコリメート光学系と、滑らかな形状の凹面を含む第３の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第４の面とを有し、前記第３の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する前記第３の光ビームを、前記第３の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第４の光ビームに変換する第２のビーム整形レンズと、前記第１のビーム整形レンズから射出した前記第２の光ビームと、前記第２のビーム整形レンズから射出した前記第４の光ビームとを合波する合波部と、前記合波部で合波された前記第２の光ビームと前記第４の光ビームとを、内視鏡に導光するライトガイドに結合させる集光レンズとを備えることが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記合波部がダイクロイックミラーを含むことが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第１の光源部が白色光源を含み、前記第２の光源部が蛍光観察用の励起用光源を含むことが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第２のコリメート光学系が、負の屈折力を有する第１のレンズと正の屈折力を有する第２のレンズとを含み、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズの位置を連動して調整可能に構成されるズーム光学系を備えることが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第２の光源部が、波長範囲が同一の光を射出する複数の光源と、それぞれの前記光源から射出された光を導光する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの前記複数の光の射出側の端部を揃えて保持する光ファイバ終端保持部とを備えることが好ましい。
　上記内視鏡用光源装置は、前記第２のコリメート光学系の合成焦点距離が１０ｍｍ以内であり、前記合波部が前記第２のビーム整形レンズから射出した前記第４の光ビームの所定の入射方向から±５°以内のずれを許容し、前記光ファイバ終端保持部の前記複数の光ファイバの射出側端部を収容する穴径が、１．２ｍｍ以下であることが好ましい。
　上記目的を達成する内視鏡は、第１の光源部、前記第１の光源部から射出された光を平行光である第１の光ビームに変換する第１のコリメート光学系、および、滑らかな形状のる凹面を含む第１の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する前記第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する第１のビーム整形レンズ、を含む内視鏡用光源装置を備えることを特徴とする。
　本開示によれば、第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する平行光である第１の光ビームを、第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換するので、より均一な光強度分布を有する照明光を生成することができる。
図１は、一実施形態に係るビーム整形レンズの形状を、該ビーム整形レンズを透過する平行光線の軌跡とともに示す断面図である。 図２は、ビーム整形レンズに入射する光の光強度分布の一例を示す図である。 図３は、図２に示す光強度分布を有する光が、ビーム整形レンズを透過した後の光強度分布の一例を示す図である。 図４は、２枚のビーム整形レンズから構成されるビーム整形素子の一例を示す図である。 図５は、一実施形態に係る内視鏡用光源装置の概略構成を示す図である。 図６は、フェルールの射出側端面を示す図である。 図７は、図５のズーム光学系の作用を説明する図である。 図８は、ライトガイドの入射端の光強度分布と射出端の光強度分布とを示す図である。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法および比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。
（ビーム整形レンズ）
　図１は、一実施形態に係るビーム整形レンズ１の断面図である。ビーム整形レンズ１は、光軸Ｏに沿う方向に見た場合、例えば、円形の外形を有している。ビーム整形レンズ１は、所望の波長の光を透過させるガラスまたは樹脂等の材料で構成される。ビーム整形レンズ１は、第１の面２と第２の面３とを有する。第１の面２は、光の入射側の面とすることができる。第２の面３は、光の射出側の面とすることができる。第１の面２は、滑らかな形状の凹面２ａを有する。第２の面３は、凹面２ａと略相似形状の凸面３ａを有している。第１の面２および第２の面３は、光軸Ｏを中心軸としてこの光軸Ｏ周りに軸対称な形状を有している。
　第１の面２の外周部２ｂおよび第２の面３の外周部３ｂは、光軸Ｏに対して直交する平坦な面となっている。第１の面２の凹面２ａと外周部２ｂは、滑らかにつながっている。また、第２の面３の凸面３ａと外周部３ｂとは、滑らかにつながっている。
　図１には、光軸Ｏに平行な方向から第１の面２に入射する光線の軌跡が示される。図１に示すように、光軸Ｏ上を通る光線、および、外周部２ｂに入射する光線は、第１の面２に垂直に入射し、第２の面３から垂直に射出する。これらの光線の軌跡は、ビーム整形レンズ１を透過することにより偏向されない。一方、第１の面２の凹面２ａ（ただし、光軸Ｏ上を除く）に入射する光線は、第１の面２で光軸Ｏから離れる方向に屈折されてビーム整形レンズ１に入射する。ビーム整形レンズ１内を進行した光線は、第２の面３の凸面３ａで光軸Ｏに平行な方向に屈折して、ビーム整形レンズ１から射出する。ビーム整形レンズ１の第１の面２と第２の面３とは、このように、光軸Ｏに平行な方向から第１の面２に入射した光線が、第２の面３から光軸Ｏに平行な方向に射出するように設計されてよい。
　図１に示すように、光軸Ｏに平行な方向から第１の面２に入射した平行光の光ビームは、光軸Ｏに近い中心部分の光強度分布が低下し、光軸Ｏから離れた外周部３ｂに近い部分の光強度分布が増加した平行光の光ビームとなって、第２の面３から射出する。また、入射する光ビームの外径が、ビーム整形レンズ１の第１の面２の外周部２ｂに達する大きさのとき、ビーム整形レンズ１を透過することにより光ビームの径は変化しない。なお、本開示において「平行光」とは、ビーム内の全ての光線が他の光線と互いに平行になっている状態を意味する。
　図２は、ビーム整形レンズ１に入射する光ビームの光強度分布の一例として、ガウシアン型の光強度分布を示す。横軸は、光ビームの中心を原点とする位置を示す。縦軸は、光強度を示す。ガウシアン型の光強度分布では、光ビームの強度は、外周部から中心に向かうに従って増加する。一般に、レーザ光源から射出される光は、図２に示すようなガウシアン型の光強度分布を有する。また、マルチモードファイバから射出する光は、ガウシアン型の光強度分布の中央部がつぶれた形状を有する。一方、ＬＥＤから射出される光は、ランバート型の光強度分布を有する。ランバート型の光強度分布においても、光強度は、外周部から中心に向かうに従って増加する。
　図３は、図２に示すガウシアン型の光強度分布を有する光ビームが、ビーム整形レンズ１を透過した後の、光強度分布の一例を示す図である。図３の縦軸および横軸は、図２と同様である。ビーム整形レンズ１は、光ビームの中心部分の光強度を低下させ、外周部分の光強度を増加させる。その結果、ビーム整形レンズ１を射出した光ビームは、より平坦なトップハット型の光強度分布を有する。光強度分布が平坦であるとは、光強度分布がより均一であることを意味する。光強度分布は、少なくとも光軸Ｏが通る中央部を含む領域で平坦に近い形状となる。したがって、ビーム整形レンズ１を射出する光ビームの光強度分布は、ビーム整形レンズ１に入射する光ビームの光強度分布よりも均一な分布に近くなる。
　ビーム整形レンズ１は、入射する光ビームの光強度分布、射出する光ビームの所望の光強度分布、および、材料の屈折率等を考慮して、第１の面２および第２の面３の形状を設計されたレンズとすることができる。射出する光の所望の光強度分布は、平坦なトップハット型のものに限られない。例えば、内視鏡で生体の内部を観察する場合、中心部よりも外周部の方が観察対象までの距離が遠いので、光ビームの中心よりも外周側の方に高い光強度が必要とされることがある。
　ビーム整形レンズ１は、第１の面２の凹面２ａと第２の面３の凸面３ａとが、略相似形状をしているので、一枚の樹脂などの透明な板状部材に、熱及び圧力を加えて湾曲させて製造することができる。したがって、ビーム整形レンズ１は安価に製造することができる。
（ビーム整形素子）
　異なる所望の光強度分布に対応するため、図４に示すように、複数のビーム整形レンズ１を組み合わせてビーム整形素子５を構成することができる。複数のビーム整形レンズ１は、互いの光軸Ｏが一致するように重ねて配置される。例えば、光強度分布の変換効果が低いビーム整形レンズ１を予め複数用意しておき、入射する光ビームの光強度分布と、射出する光ビームの所望の光強度分布に基づいて、ビーム整形レンズ１を組み合わせる数を決定することができる。
（内視鏡用光源装置）
　図５を用いて、ビーム整形レンズ１を用いた内視鏡用光源装置１０について説明する。内視鏡用光源装置１０は、白色光を用いた生体組織表層の診断、および、特殊な波長範囲の光を励起光として用いて生体組織の深部の蛍光を観察する蛍光観察の双方を行うことができる内視鏡の光源として使用される。
　内視鏡用光源装置１０は、第１の光源部１１、第１のコリメート光学系１２、第１のビーム整形レンズ１Ａ、第２の光源部２１、第２のコリメート光学系２２、第２のビーム整形レンズ１Ｂ、ダイクロイックミラー３１、および、集光レンズ３２を含む。
　第１の光源部１１は、例えば白色ＬＥＤを用いた白色光源である。第１のコリメート光学系１２は、第１の光源部１１から射出された発散する白色光を、平行光である第１の光ビームＬ１に変換する。第１のコリメート光学系１２は、１つ以上のレンズを含んでよい。第１のコリメート光学系１２から射出した第１の光ビームＬ１は、外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する。外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布は、例えば、ガウシアン型またはランバート型の光強度分布である。
　第１のビーム整形レンズ１Ａは、図１に示したビーム整形レンズ１と同様に構成されるレンズである。第１のビーム整形レンズ１Ａは、第１の光ビームＬ１を、第１の光ビームＬ１より平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームＬ２に変換する。第２の光ビームＬ２は、該第２の光ビームＬ２の外周部の近傍から中心部まで平坦な光強度分布を有してよい。
　第２の光源部２１は、例えば、蛍光観察用の励起用光源として第１の光源２１１ａおよび第２の光源２１１ｂを含む。第１の光源２１１ａおよび第２の光源２１１ｂは、観察対象を励起する特定の波長範囲の光を射出する。第１の光源２１１ａおよび第２の光源２１１ｂは、例えば、近赤外線レーザである。本実施形態では、蛍光観察用に十分な強度の光を得るために、波長範囲が同一の光を射出する複数の光源を使用する。蛍光観察用の光源は、単体では強度が不十分な場合が多いので、このように、複数の励起光用の光源を使用することがある。また、バックアップ用の光源として複数の光源を設けることもある。なお、第２の光源部２１に含まれる光源は、２つに限られない。第２の光源部２１に含まれる光源は１つでもよく、３つ以上であってもよい。
　第２の光源部２１は、さらに、第１の光源２１１ａから射出される光を導光する第１の光ファイバ２１２ａ、第２の光源２１１ｂから射出される光を導光する第２の光ファイバ２１２ｂを含む。第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂは、マルチモードファイバを採用することができる。
　第２の光源部２１は、さらに、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂの射出側の端部を揃えて保持するフェルール２１３を含む。フェルール２１３の射出側端面の一例が、図６に示される。フェルール２１３は、中心に光ファイバを挿入するファイバ穴２１３ａを有する、例えば、ジルコニア等のセラミックまたはステンレス等でできた円柱状の部材である。フェルール２１３は、光ファイバ終端保持部である。第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂを伝搬したレーザ光は、フェルール２１３のファイバ穴２１３ａから射出する。フェルール２１３の第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂの射出側端部を収容するファイバ穴２１３ａの穴径は、例えば、１．２ｍｍ以下であり、後段の第２のビーム整形レンズ１Ｂの径（例えば、約２０ｍｍ）よりもはるかに小さい。
　フェルール２１３から射出したレーザ光は、第２のコリメート光学系２２により、平行光である第３の光ビームＬ３に変換される。第２のコリメート光学系２２は、図７に示すように、負の屈折力を有する第１のレンズ２２ａと、正の屈折力を有する第２のレンズ２２ｂとを含む。第２のコリメート光学系２２において、第１のレンズ２２ａと第２のレンズ２２ｂとを連動させて光軸方向に変位させることにより、第２のレンズ２２ｂから射出する第３の光ビームＬ３を、平行光のままビーム径を変化させることができる。すなわち、第２のコリメート光学系２２は、第１のレンズ２２ａと第２のレンズ２２ｂとを連動させて調整可能に構成することにより、ビーム径を変更可能なズーム光学系として機能する。なお、第２のレンズ２２ｂは、第２のビーム成形レンズ１Ｂと個別に位置調整できてもよく、第２のビーム整形レンズ１Ｂとともに位置調整できてもよい。
　第２のコリメート光学系２２から射出した第３の光ビームＬ３は第１の光ビームＬ１と同様に、外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する。第３の光ビームＬ３はガウシアン型の光強度分布であってよい。第２のビーム整形レンズ１Ｂは、図１に示したビーム整形レンズ１と同様に構成されるレンズである。第２のビーム整形レンズ１Ｂは、滑らかな形状の凹面を含む第３の面、および、この凹面と略相似形状の凸面を含む第４の面とを有する。第２のビーム整形レンズ１Ｂは、第３の光ビームＬ３を、第３の光ビームＬ３より平坦な光強度分布を有する平行光である第４の光ビームＬ４に変換する。第４の光ビームＬ４は、該第４の光ビームＬ４の外周部の近傍から中心部まで平坦な光強度分布を有することができる。
　ダイクロイックミラー３１は、合波部を構成する。ダイクロイックミラー３１は、第２の光源部２１から射出される特定波長の光を反射し、その他の波長範囲の光を透過させる光学特性を有する。特定波長の光が近赤外光の場合、第１の光源部１１から射出される白色光の第２の光ビームＬ２は、近赤外波長の部分を除く、あるいは近赤外波長より短い波長を有する光の大部分がダイクロイックミラー３１を透過する。第２の光源部２１から射出される近赤外光の第４の光ビームＬ４は、ダイクロイックミラー３１により反射される。
　一実施形態において、ダイクロイックミラー３１は、図５に示されるように、互いに直交する第１のビーム整形レンズ１Ａおよび第２のビーム整形レンズ１Ｂの光軸に対して、それぞれ正確に４５°をなすように配置される。これにより、第１のビーム整形レンズ１Ａから射出してダイクロイックミラー３１を透過する第２の光ビームＬ２と、第２のビーム整形レンズ１Ｂから射出してダイクロイックミラー３１で反射される第４の光ビームＬ４とは合波される。なお、第１のビーム整形レンズ１Ａおよび第２のビーム整形レンズ１Ｂの光軸と、ダイクロイックミラー３１とのなす角度は、４５°に限定されない。
　ダイクロイックミラー３１で合波された第２の光ビームＬ２と第４の光ビームＬ４とは、集光レンズ３２によりライトガイド３３の端部に集光され、ライトガイド３３に結合され内視鏡の内部に導光される。ライトガイド３３を導光された第２の光ビームＬ２と第４の光ビームＬ４とは、ライトガイド３３の他の端部から射出して、観察対象の生体組織に照射される。
　ライトガイド３３は、多数の光ファイバを束ねて光を伝搬させる。図８に示すように、ライトガイド３３に対して、集光レンズ３２で集光させた光を入射端３３ａから入射させると、ライトガイド３３の射出端３３ｂから発散する光が射出する。入射端３３ａに入射する光の収束角θｉと、射出端３３ｂから射出される光の発散角θｏとは、ほぼ等しくなる。また、図８に示すように、入射端３３ａに入射する光の光強度分布が均一な場合、射出端３３ｂを射出する光の光強度分布も概ね均一となる。
　本実施形態の内視鏡用光源装置１０は、第１のビーム整形レンズ１Ａを用いて、第１の光源部１１から射出する白色光の光強度分布を均一にするので、組織表層の広範囲な部分を均一に照射することが可能になる。したがって、組織表層の広範囲でムラの少ない正確な内視鏡観察および診断が可能になる。さらに、内視鏡用光源装置１０は、第２のビーム整形レンズ１Ｂを用いて、第２の光源部２１から射出する励起用照明光を均一にするので、励起用照明光を観察対象の組織に対して均一に照射することが可能になる。これにより、蛍光観察においても、ムラの少ない正確な観察が可能になる。さらに、本実施形態の内視鏡用光源装置１０によれば、外周部の組織を観察するために高出力の光源を用意する必要が無い。また、内視鏡用光源装置１０によれば、外周部の観察のために広範囲な組織に強い光を照射して、中心部の一部の組織に損傷を与える虞を低減することができる。
　本実施形態で用いる第１のビーム整形レンズ１Ａおよび第２のビーム整形レンズ１Ｂは、入射する平行光の光ビームを、平行光のままより平坦な光強度分布を有する光ビームに変換する。このことは、ダイクロイックミラー３１を用いて、２つの光ビームを合波する本実施形態の内視鏡用光源装置１０において特に有利である。ダイクロイックミラー３１は、誘電体膜を用いるので、入射角依存性がある。ダイクロイックミラー３１は、設計された入射角で用いないと、予め規定された透過および反射の波長特性を満たすことができない。
　また、内視鏡用光源装置１０は、第２のコリメート光学系２２に、蛍光観察用の照明光の径を変化させるズーム光学系を含む。第２のコリメート光学系２２で、第３の光ビームＬ３の径を小さくすると、第４の光ビームＬ４の径が小さくなる。これを、ダイクロイックミラー３１で反射した後に集光レンズ３２によりライトガイド３３に入射させると、図８からわかるように、入射端３３ａにおける収束角θｉが小さくなる。その結果、ライトガイド３３の射出端３３ｂにおける発散角θｏも小さくなるので、内視鏡における励起用照明光の照射範囲が絞られる。すなわち、第２のコリメート光学系２２で、第１のレンズ２２aと第２のレンズ２２ｂとの位置を調整することにより、蛍光観察の範囲を狭めるとともに、照射する励起光の強度を高くすることが可能になる。したがって、内視鏡用光源装置１０は、特定の位置に蛍光観察の範囲を絞って光強度の高い励起光を照射して、生体組織の深部の正確な観察および診断を行うことを可能にする。内視鏡用光源装置１０の利用者は、この機能を用いて、白色光により生体組織を観察しつつ、特定の箇所に絞って蛍光観察を行うことができる。
　また、内視鏡用光源装置１０は、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂの射出側の端部をフェルール２１３の微小なファイバ穴２１３ａに通して揃えて保持することにより、２つの光源からの励起光を近接して射出させる。このことは、以下に説明するように内視鏡用光源装置１０を小型化するうえで有利である。
　複数の光源を用いる場合、全ての光源をコリメート光学系の光軸上に配置することはできない。例えば、図６の場合であっても、第２のコリメート光学系２２の光軸は、ファイバ穴２１３ａの中心に一致するように調整される。この場合、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂの何れの中心も、第２のコリメート光学系２２の光軸とはずれて配置される。
　光源をコリメート光学系の光軸から離れた位置に配置すると、その射出光は光源ごとに異なる角度を持ってコリメート光学系から射出される。射出光の角度をΘ、光軸と光源との距離をｙ、コリメート光学系の合成焦点距離をＦとすると、
Θ＝ｔａｎ－１（ｙ／Ｆ）
となる。
　前述のように、入射角が所定の角度から外れると、ダイクロイックミラーは、予め規定された透過および反射の波長特性を満たすことができない。射出光線の傾き角Θを小さくするためには、コリメート光学系の光軸と各光源の距離を狭めるか、または、焦点距離の長いコリメート光学系を使用する必要がある。しかし、焦点距離の長いコリメート光学系を使用する場合は光学系全体が大きくなる欠点がある。
　そこで、本開示の内視鏡用光源装置１０では、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂの射出側の端部を揃えて、穴径の小さなファイバ穴２１３ａを有するフェルール２１３に収容する。これにより、第２のコリメート光学系２２の光軸と、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂのそれぞれの中心軸との距離を近づけることが可能となる。よって、焦点距離の短い第２のコリメート光学系２２を使用しても、光線の既定の角度からの傾き角の小さな状態で、第３の光ビームＬ３をダイクロイックミラー３１へ導光することが可能になる。その結果、第２のコリメート光学系２２を小さくすることができるので、内視鏡用光源装置１０を小型化することが可能になる。
　一例として、第１の光源２１１ａおよび第２の光源２１１ｂから射出される励起光の波長を７８５ｎｍとする。また、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂは、７８５ｎｍの波長の光に対して開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が約０．５であるとする。さらに、第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂは、それぞれコア径が５００μｍ、ファイバ径が５４０μｍであるとする。これらを穴径１．２ｍｍのファイバ穴を有するフェルールに挿入した場合、合成焦点距離１０ｍｍの第２のコリメート光学系２２により、ダイクロイックミラー３１への入射角度の広がりを３．４°以内に抑えることができることが計算できる。
　第２のコリメート光学系２２の合成焦点距離が１０ｍｍ以内であり、ダイクロイックミラー３１が所定の入射方向から±５°以内のずれを許容する場合を想定する。レンズやダイクロイックミラーの多少の取り付け誤差を想定した場合でも、上記計算例から、フェルール２１３の第１の光ファイバ２１２ａおよび第２の光ファイバ２１２ｂの射出側端部を収容するファイバ穴２１３ａの穴径が少なくとも１．２ｍｍ以下であれば、ダイクロイックミラー３１への励起光の入射角度の広がりを許容範囲内に抑えることができる。このような構成により、内視鏡用光源装置１０を小型に構成することが可能になる。
　本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。
　本開示のビーム整形レンズおよびビーム整形素子は、内視鏡用光源装置に使用されるものとして説明した。しかし、ビーム整形レンズは、内視鏡用光源に使用されるものに限られない。本開示のビーム整形レンズは、光源から射出された光ビームの光強度分布をより平坦な光強度分布に変換する、種々の用途に適用することができる。
　上記実施形態における内視鏡用光源装置１０は、白色光を射出する第１の光源部１１と、励起光を射出する第２の光源部２１とを有するものとしたが、本開示の内視鏡用光源装置はこれに限られない。例えば、内視鏡用光源装置は、一つの光源部とこれに対応するビーム整形レンズとを有して構成されてよい。すなわち、ビーム整形レンズは、白色光を用いた組織表層の診断、および、特殊な波長範囲の光を用いた蛍光観察の何れか一方のみを行う内視鏡においても、使用することができる。また、内視鏡用光源装置は、３つ以上の光源部を有してもよい。さらに、３つ以上の光源部の波長範囲が、それぞれ異なっていても良い。
　本開示の内視鏡用光源装置１０は、内視鏡に使用されるものである。しかし、本開示の内視鏡用光源装置１０と同様に構成される光源装置を、顕微鏡に使用することもできる。
　本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１の光源２１１ａは、第２の光源２１１ｂと識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。
　　１　　　　ビーム整形レンズ
　　１Ａ　　　第１のビーム整形レンズ
　　１Ｂ　　　第２のビーム整形レンズ
　　２　　　　第１の面
　　２ａ　　　凹面
　　２ｂ　　　外周部
　　３　　　　第２の面
　　３ａ　　　凸面
　　３ｂ　　　外周部
　　５　　　　ビーム整形素子
　　１０　　　内視鏡用光源装置
　　１１　　　第１の光源部
　　１２　　　第１のコリメート光学系
　　２１　　　第２の光源部
　　２１１ａ　第１の光源
　　２１１ｂ　第２の光源
　　２１２ａ　第１の光ファイバ
　　２１２ｂ　第２の光ファイバ
　　２１３　　フェルール（光ファイバ終端保持部）
　　２２　　　第２のコリメート光学系（ズーム光学系）
　　２２ａ　　第１のレンズ
　　２２ｂ　　第２のレンズ
　　３１　　　ダイクロイックミラー（合波部）
　　３２　　　集光レンズ
　　３３　　　ライトガイド
　　Ｏ　　　　光軸（中心軸）
　　Ｌ１　　　第１の光ビーム
　　Ｌ２　　　第２の光ビーム
　　Ｌ３　　　第３の光ビーム
　　Ｌ４　　　第４の光ビーム

Claims (15)

  1. 　滑らかな形状の凹面を含む第１の面と、
    　前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、
    　前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する平行光である第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する、ビーム整形レンズ。
  2. 　前記第１の面および前記第２の面は、同一の中心軸周りに軸対称であり、前記第１の面および前記第２の面は、前記第１の面に前記中心軸に平行な方向に入射した光線が、前記第２の面から前記中心軸に平行な方向に射出するように構成される、請求項１に記載のビーム整形レンズ。
  3. 　前記第１の面および前記第２の面は外周部で平坦であり、前記凹面および前記凸面はそれぞれ前記第１の面の外周部および前記第２の面の外周部と滑らかにつながっている、請求項１または２に記載のビーム整形レンズ。
  4. 　ガウシアン型またはランバート型の光強度分布を有する前記第１の光ビームを、トップハット型の光強度分布を有する前記第２の光ビームに変換するように構成される、請求項１から３の何れか一項に記載のビーム整形レンズ。
  5. 　重ねて配置された複数のビーム整形レンズを含むビーム整形素子であって、
    　前記ビーム整形レンズは、滑らかな形状の凹面を含む第１の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する平行光である第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する、
    ビーム整形素子。
  6. 　第１の光源部と、
    　前記第１の光源部から射出された光を平行光である第１の光ビームに変換する第１のコリメート光学系と、
    　滑らかな形状の凹面を含む第１の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する前記第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する第１のビーム整形レンズと、
    を備える内視鏡用光源装置。
  7. 　前記第１のコリメート光学系は、負の屈折力を有する第１のレンズと正の屈折力を有する第２のレンズとを含み、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズの位置を連動して調整可能に構成されるズーム光学系を備える、請求項６に記載の内視鏡用光源装置。
  8. 　前記第１の光源部は、波長範囲が同一の光を射出する複数の光源と、それぞれの前記光源から射出された光を導光する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの前記複数の光の射出側の端部を揃えて保持する光ファイバ終端保持部とを備える、請求項６または７に記載の内視鏡用光源装置。
  9. 　前記第１の光源部とは波長範囲の異なる光を射出する第２の光源部と、
    　前記第２の光源部から射出された光を平行光である第３の光ビームに変換する第２のコリメート光学系と、
    　滑らかな形状の凹面を含む第３の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第４の面とを有し、前記第３の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する前記第３の光ビームを、前記第３の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第４の光ビームに変換する第２のビーム整形レンズと、
    　前記第１のビーム整形レンズから射出した前記第２の光ビームと、前記第２のビーム整形レンズから射出した前記第４の光ビームとを合波する合波部と、
    　前記合波部で合波された前記第２の光ビームと前記第４の光ビームとを、内視鏡に導光するライトガイドに結合させる集光レンズと
    を備える、請求項６に記載の内視鏡用光源装置。
  10. 　前記合波部はダイクロイックミラーを含む、請求項９に記載の内視鏡用光源装置。
  11. 　前記第１の光源部は白色光源を含み、前記第２の光源部は蛍光観察用の励起用光源を含む、請求項９または１０に記載の内視鏡用光源装置。
  12. 　前記第２のコリメート光学系は、負の屈折力を有する第１のレンズと正の屈折力を有する第２のレンズとを含み、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズの位置を連動して調整可能に構成されるズーム光学系を備える、請求項９から１１の何れか一項に記載の内視鏡用光源装置。
  13. 　前記第２の光源部は、波長範囲が同一の光を射出する複数の光源と、それぞれの前記光源から射出された光を導光する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの前記複数の光の射出側の端部を揃えて保持する光ファイバ終端保持部を備える、請求項９から１２の何れか一項に記載の内視鏡用光源装置。
  14. 　前記第２のコリメート光学系の合成焦点距離は１０ｍｍ以内であり、前記合波部は前記第２のビーム整形レンズから射出した前記第４の光ビームの所定の入射方向から±５°以内のずれを許容し、前記光ファイバ終端保持部の前記複数の光ファイバの射出側端部を収容する穴径は、１．２ｍｍ以下である、請求項１３に記載の内視鏡用光源装置。
  15. 　第１の光源部、前記第１の光源部から射出された光を平行光である第１の光ビームに変換する第１のコリメート光学系、および、滑らかな形状の凹面を含む第１の面、および、前記凹面と略相似形状の凸面を含む第２の面とを有し、前記第１の面に入射した外周部から中心部に向けて連続的に増加する光強度分布を有する前記第１の光ビームを、前記第１の光ビームより平坦な光強度分布を有する平行光である第２の光ビームに変換する第１のビーム整形レンズ、を含む内視鏡用光源装置を備える内視鏡。
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