JP3891628B2 - 照明光学系及びこれを備えた内視鏡システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可視および赤外域の成分を含む白色光を射出する光源を使用する照明光学系及びこれを備えた内視鏡システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、内視鏡や顕微鏡などの光学機器においては、光源として、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなどが広く用いられている。これらの光源は、可視光の他に紫外光や赤外光も発することから、例えば、観察対象物が赤外光を吸収するものである場合には、一般に、赤外カットフィルタ、すなわち赤外吸収フィルタや赤外反射フィルタを光路中に挿入して、観察対象物の赤外光による発熱を抑えるようにしている。
【０００３】
このような光学機器として、例えば、実開平３−５１４１１号公報には、キセノンランプから射出した白色光を、赤外反射フィルタおよび赤外吸収フィルタに順次入射させて、白色光に含まれている赤外域の成分を反射および吸収して照明光から赤外光を除去し、これら赤外反射フィルタおよび赤外吸収フィルタを順次透過した光束を集光レンズで集光して、その集光した光束をライトガイドを経て物点まで伝送するようにしたものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した赤外吸収フィルタは、入射した光のうち赤外域の光を吸収し、それより短波長域の光は吸収せずに透過させることによって、赤外光をカットするものである。したがって、このフィルタに赤外光を含む光を入射させれば、赤外光のみ除去されるので、その透過光を試料に照射するようにすれば、試料の発熱を抑えることができる。しかし、フィルタ自身が赤外光を吸収するため発熱し、入射光の強度が強い場合や長時間光を照射し続けた場合には、発熱量が多くなって、ひびが入ったり、溶けてしまったりするという問題がある。
【０００５】
一方、赤外反射フィルタは、一般に多層膜より成る干渉フィルタとして作製されるため、高価であるという問題がある。また、赤外光を反射して除去するため、吸収フィルタに比べて吸収する光のエネルギーは小さいが、少しではあっても吸収、発熱し、やはり長時間たつうちにはフィルタが劣化してしまうという問題がある。
【０００６】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、赤外カットフィルタを用いなくても、赤外光を効果的に除去できるよう適切に構成した照明光学系及びこれを備えた内視鏡システムを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に係る照明光学系の発明は、少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を射出する光源と、前記白色光の光束を回折するレリーフ型回折光学素子とを有し、
前記レリーフ型回折光学素子のレリーフパターンは、断面形状が矩形で等間隔の格子であって、
前記格子は、幅及び深さがいずれも同じである凸部と、幅及び深さが何れも同じである凹部で構成され、
前記凸部及び前記凹部は、前記可視域の成分を主に０次光として直進させ、前記赤外域の成分を主に±１次光として回折させる幅と深さを有するものであり、
前記レリーフ型回折光学素子から射出した回折光のうち前記可視域の０次光を照明光として使用することを特徴とするものである。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の照明光学系において、前記０次光の光束を物点まで伝送するためのライトガイドを有することを特徴とするものである。
請求項３に係る発明は、請求項１記載の照明光学系において、前記レリーフパターンの各凸部の前記幅と、隣接する凸部のピッチとの比βが、０．３４≦β≦０．６６で、前記溝の深さｄが、０．８５ｄ₀ ≦ｄ≦１．０９ｄ₀であることを特徴とするものである。 ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいて０次光の回折効率が等しくなる溝深さである。
【０００９】
請求項４に係る内視鏡システムの発明は、請求項１に記載の照明光学系を有することを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明においては、光源から射出した白色光を、レリーフ型回折光学素子に入射させる。ここで、レリーフ型回折光学素子とは、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、表面に形成された深さ方向に構造を持つパターンによって光を回折するものであるが、この発明においては、図１（ａ）に示すように、断面形状が矩形で格子間隔が等間隔のものを用いる。かかる回折光学素子は、＋ｍ次光の回折効率と−ｍ次光の回折効率とが等しくなるという性質がある。また、回折効率は入射光の波長によって異なり、最も回折効率が高くなる回折次数も入射光の波長によって異なる。また、±１次光の回折効率の最大値は、４０．５％となり、図１（ｂ）や（ｃ）のような形状のものよりも高くなる。
【００１１】
図２は、図１（ａ）に示すレリーフ型回折光学素子の０次光および±１次光の回折効率の波長依存性の一例を示すものである。なお、ここでは薄型の回折光学素子とし、その表面反射は除外している。また、溝深さｄは、波長１．０μｍにおいて±１次光の回折効率が最大となるような深さであり、凸部と凹部の幅の比は、１：１としてある。図２から明らかなように、０次光は可視域で回折効率が高くなり、波長０．５μｍで１００％となっている。これに対し、±１次光は可視域で回折効率が低く、赤外域で回折効率が高くなっている。つまり、＋１次光と−１次光との回折効率は等しいので、波長１．０μｍでは入射光の約８０％が＋１次光、あるいは−１次光として回折し、０次光は発生しない。したがって、０次光には、主として可視域の成分が多く含まれ、±１次光には、主として赤外域の成分が多く含まれ、可視域の成分は少なくなる。
【００１２】
この発明おいては、光源から射出した白色光を上記のレリーフ型回折光学素子に入射させることにより、白色光のうち、可視域の成分を主に０次光として直進させ、赤外域の成分は主に±１次光として回折させて、０次光を照明光として使用し得るようにする。このように構成すれば、既に説明したように、０次光は可視域の成分を多く含み、赤外域の成分はあまり含まないので、照明光は概ね可視光のみとなって、物点にある観察対象物を照明することになる。これに対し、赤外域の成分が多く含まれる±１次光や、±１次光より大きな角度で回折するより高次の回折光は、光路から外れて、観察対象物には照射されない。
【００１３】
このように、レリーフ型回折光学素子で、光源からの光のうち比較的短波長の可視光と比較的長波長の赤外光を異なる回折次数光として異なる方向に曲げ、可視域の成分が多く含まれ、赤外域の成分が少ない０次光を照明光として使用するようにすれば、赤外域の成分が多く含まれる±１次光を光路から外して、照明光から除去することができる。したがって、従来の赤外カットフィルタを用いなくても、光路上から赤外光を除去することができる。また、赤外カットフィルタを用いる場合でも、回折光学素子で赤外光を光路から外した後に、赤外カットフィルタを位置させるようにすれば、赤外カットフィルタを通る赤外光は大幅に減るので、赤外カットフィルタでの発熱量も減少し、したがって劣化や破損を有効に抑えることが可能となる。
【００１４】
この発明の一実施形態においては、上記のレリーフ型回折光学素子の０次光の光束を物点まで伝送するためのライトガイドを設ける。
【００１５】
ここで、ライトガイドは、光ファイバを多数本束ねて構成され、可撓性を有する。したがって、ライトガイドからの出射光の光軸を、該ライトガイドへの入射光の光軸とは異なる方向へ曲げることができるので、ライトガイドに入射した光を、入射前の進行方向とは異なる方向へ射出することが可能となる。また、０次光と他の回折次数光との光束が完全に分離され、その０次光のみが入射するような位置にライトガイドの入射端を配置すれば、０次光のみを物点まで伝搬することが可能となる。
【００１６】
このように、レリーフ型回折光学素子で回折した光のうち、０次光のみライトガイドに入射させるようにすれば、可視域の成分を多く含む０次光のみを物点まで伝搬することができるので、物点上の観察対象物をほぼ可視光のみで照明することが可能となる。また、ライトガイドは、可撓性を有するので、回折光学素子から射出される０次光の光軸から外れたところに観察対象物があったり、回折光学素子と観察対象物との間に遮光物があっても、ライトガイドを曲げることによって観察対象物を有効に照明することが可能となる。
【００１７】
さらに、この発明の一実施形態においては、上記のレリーフ型回折光学素子のレリーフパターンの各凸部の幅と、隣接する凸部のピッチとの比βを、
０．３４≦β≦０．６６
とし、溝深さｄを、
０．８５ｄ₀ ≦ｄ≦１．０９ｄ₀
とする。ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいて、０次光の回折効率が等しくなる溝深さである。
【００１８】
ここで、各凸部の幅と、隣接する凸部のピッチとの比βとは、図３に示すように、凸部の幅をａ、ピッチをｂとするとき、
β＝ａ／ｂ
で定義される。
【００１９】
図４は、上記のレリーフ型回折光学素子において、±１次光の回折効率が最大となるような波長での±１次光、および０次光の回折効率のβ依存性の一例を示すものである。ここで、上記のβの範囲は図の斜線部分Ａであり、この範囲では±１次光の回折効率が高く、０次光の回折効率は１０％以下であるが、±１次光は光路から外れて除去されるので、図２に示したように、赤外域で±１次光の回折効率が高い場合でも、その赤外域の成分のほとんどは±１次光として回折、除去されることになる。これに対し、０次光としてライトガイドに入射して物点まで達し、観察対象物を照明する赤外域、特に波長１．０μｍ近辺の成分は少なくなる。
【００２０】
また、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおける０次光の回折効率が等しくなるときの溝深さをｄ₀ として、回折光学素子の溝深さｄを上記の範囲に設定すれば、可視域での０次光の効率を高くすることが可能となる。図５は、溝深さが０．８５ｄ₀ 、ｄ₀ および１．０９ｄ₀ のときの０次光の回折効率の波長依存性を示すものである。ここで、回折光学素子は石英製で、ｄ₀ は１．０９５μｍである。また、図中の曲線▲１▼、▲２▼および▲３▼は、それぞれ溝深さが０．８５ｄ₀ 、ｄ₀ および１．０９ｄ₀ のときのグラフである。ただし、回折光学素子は薄型とし、表面反射は除外している。図５から明らかなように、溝深さｄが上記の範囲内にあれば、０次光の回折効率は、波長０．４μｍ〜０．７μｍの範囲内で少なくとも１０％以上となる。
【００２１】
以上のように、回折光学素子の凸部の幅とピッチとの比βを、０．３４≦β≦０．６６とすれば、±１次光の回折効率が高い波長領域で、０次光の回折効率が１０％以下となる。したがって、赤外域で±１次光の回折効率が高くなるようにして赤外光を除去する場合、０次光としてライトガイドを経て観察対象物に照射される赤外光をわずかにでき、実用上充分な赤外光除去効果を得ることができるので、赤外光をさらに除去した照明光を得ることが可能となる。その結果、光学素子などで赤外光が吸収されて発生する熱もより少なくでき、素子の劣化、破損をより効果的に抑えることが可能となる。また、溝深さを、０．８５ｄ₀ ≦ｄ≦１．０９ｄ₀ としたので、０．４μｍ〜０．７μｍの可視域での０次光の回折効率を高くでき、０次光を使用して明るい照明光を得ることが可能となる。
【００２２】
さらに、この発明の一実施形態では、上記の比βを、
０．４５≦β≦０．５５
とし、溝深さｄを、
０．９６ｄ₀ ≦ｄ≦１．０２ｄ₀
とする。
【００２３】
この場合のβの範囲は、図４において、斜線部分Ｂとなる。この範囲では、±１次光の回折効率が特に高く、０次光の回折効率は１％以下と特に低い。したがって、図２に示したように、赤外域で±１次光の回折効率が高くなる場合には、赤外域の成分のさらに多くが±１次光として回折、除去されることになる。これに対し、０次光としてライトガイドに入射して物点まで達し、観察対象物を照明する赤外域、特に波長１．０μｍ近辺の成分はさらに少なくなる。
【００２４】
また、回折光学素子の溝深さｄを上記の範囲に設定すれば、可視域での０次光の効率をより高くすることが可能となる。図６は、溝深さが０．９６ｄ₀ 、ｄ₀ および１．０２ｄ₀ のときの０次光の回折効率の波長依存性を示すものである。ここで、回折光学素子は石英製で、ｄ₀ は１．０９５μｍである。また、図中の▲１▼、▲２▼および▲３▼は、それぞれ溝深さが０．９６ｄ₀ 、ｄ₀ および１．０２ｄ₀ のときのグラフである。ただし、回折光学素子は薄型とし、表面反射は除外している。図６から明らかなように、溝深さｄが上記の範囲内にあれば、０次光の回折効率は、波長０．４μｍ〜０．７μｍの範囲内で少なくとも３０％以上となる。したがって、照明光として使用する波長域０．４μｍ〜０．７μｍ程度の可視域において、照明光として使用する０次光は、可視域の成分を特に多く含むことになる。
【００２５】
このように、回折光学素子の凸部の幅とピッチとの比βを、０．４５≦β≦０．５５とすれば、±１次光の回折効率が高い波長領域で、０次光の回折効率が１％以下と特に低くなる。したがって、赤外域で±１次光の回折効率が高くなるようにして赤外光を除去する場合、０次光としてライトガイドを経て観察対象物に照射される赤外光を特に少なくでき、実用上さらに充分な赤外光除去効果を得ることができるので、赤外光をさらに効果的に除去した照明光を得ることが可能となる。その結果、光学素子などで赤外光が吸収されて発生する熱もより効果的に少なくでき、素子の劣化、破損をより効果的に抑えることが可能となる。また、溝深さを、０．９６ｄ₀ ≦ｄ≦１．０２ｄ₀ としたので、０．４μｍ〜０．７μｍの可視域での０次光の回折効率を特に高くでき、０次光を使用してより明るい照明光を得ることが可能となる。
【００２６】
この発明とともに開発した照明光学系の参考例においては、光源から射出した白色光を、レリーフ型の回折型レンズで回折させる。ここで、レリーフ型の回折型レンズとは、レリーフ型回折光学素子の一種で、例えば、「光学」２２，１９９３，第６３５〜６４２頁および第７３０〜７３７頁において、後藤顕也：「回折を利用した光学素子」に述べられているように、同心円状のパターンを有し、レンズ作用を有する回折光学素子である。図７（ａ）および（ｂ）は、かかるレリーフ型の回折型レンズの一例を示す平面図および断面図である。この回折型レンズは、表面に形成された深さ方向に構造を持つ同心円状のパターンによって光を回折するもので、レンズ作用を有する。また、レリーフ型であるため、入射光の波長によって、回折効率が最も高くなる回折次数が異なる。
【００２７】
上記のように、回折型レンズはレンズ作用を有するので、０次光以外の回折次数光は、集光、あるいは発散する。ここで、集光する方向に曲がる光を正の次数光とすると、＋１次光の焦点距離が一番長く、＋２次光、＋３次光と次数が高くなるにつれて焦点距離が短くなる。また、負の次数光はすべて発散し、０次光は光束径が変わらない。このため、＋ｍ次光（ｍ＝１，２，３，--- ）の結像面上では、＋ｍ次光は結像しているが、他の次数光は結像せず拡がることになる。したがって、＋ｍ次光の結像面上に、＋ｍ次光の光束がちょうど透過するような大きさの絞りを置けば、＋ｍ次光は全て絞りを透過するが、他の回折次数光は絞りで遮られ、一部しか透過しなくなる。
【００２８】
ここで、この参考例においては、回折型レンズの断面形状を、図１（ｄ）に示すように、ブレーズ形状とする。このようなブレーズ形状の回折光学素子には、ある波長において、ある回折次数光の回折効率が１００％になる性質がある。すなわち、ブレーズ形状の回折光学素子の回折効率は、ブレーズ形状の山と谷の位相差が２πの整数倍となるとき、すなわち、溝深さｄが、
【数１】

となるとき、波長λでの＋ｍ次光の回折効率が１００％となる。なお、ｍは整数で、回折次数である。また、ｎ（λ）は、回折光学素子の回折パターンを形成した媒質の波長λに対する屈折率であり、ｎ₀ （λ）は、回折面と接する媒質の波長λに対する屈折率である。通常、回折光学素子は空気中に置かれるため、以後は回折面と接する媒質を空気として、ｎ₀ （λ）≒１とする。したがって、回折効率が１００％となる溝深さｄは、次のようになる。
【数２】

【００２９】
上記（２）式から、例えば、回折型レンズを石英製とし、波長０．５μｍで＋１次光の回折効率を１００％とすると、その溝深さｄは、ｄ＝１．０８μｍとなる。図８は、この場合の０次光と＋１次光との回折効率の波長依存性を示すものである。ただし、回折光学素子は薄型とし、表面反射は除外している。図８から明らかなように、＋１次光は可視域で回折効率が高く、０次光は赤外域で回折効率が高い。すなわち、＋１次光は可視域の成分を多く含み、０次光は赤外域の成分を多く含むことになる。したがって、絞りで＋１次光のみ透過させ、０次光や他の回折次数光を遮断するようにすれば、ほぼ可視域の成分からなる照明光を得ることが可能となる。
【００３０】
ところで、参考例においては、回折型レンズより像点側の光軸上に絞りを有する。この絞りの光軸方向の位置は、照明光として使用する回折次数光の上記の範囲の波長λ_１およびλ_２の光束径がほぼ等しくなる位置であって、絞りの径はその光束径にほぼ等しくなっている。ここで、回折型レンズでの回折光は、長波長の光ほど大きく曲がるので、白色光を回折型レンズに入射させると、回折型レンズから結像点までの距離は長波長ほど短くなる。
【００３１】
したがって、図９に示すように、回折型レンズ１による＋ｍ次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に、この光束径とほぼ等しい絞り径の絞り２を置くと、波長λ₁ からλ₂ の可視光は、絞り２で蹴られることなく、すべて通り抜ける。これに対し、波長λ₁ より短波長域、およびλ₂ より長波長域においては、光束は絞り２の面上で絞り径より広がり、その一部しか絞り２を通り抜けられなくなる。したがって、回折型レンズ１が、図８に示した回折効率の波長依存性を有する場合には、＋１次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に絞り２を置けば、必要範囲外の波長成分をほとんど含まない照明光を得ることが可能となる。
【００３２】
ここで、絞り径ｒは、＋１次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径を、それぞれｒ₀ とするとき、例えば、
０．９ｒ₀ ≦ｒ≦１．１ｒ₀
の範囲内とする。すなわち、絞り径ｒと光束径ｒ₀ とは厳密に等しくする必要はなく、上記の範囲程度の違いがあってもよい。なお、絞り径ｒが光束径ｒ₀ よりも上記の範囲内で大きいときは、絞り２を通り抜ける光の波長範囲がλ₁ 〜λ₂ より若干広くなり、逆に、絞り径ｒが光束径ｒ₀ よりも上記の範囲内で小さいときは、絞り２を通り抜ける光の波長範囲がλ₁ 〜λ₂ より若干狭くなるが、それらはわずかな変化であるので、実用上は問題ない。
【００３３】
このように、光源からの白色光をレリーフ型の回折型レンズで回折し、必要な波長範囲λ₁ からλ₂ の成分を多く含む回折次数光のみ絞りを透過させるようにすることにより、不必要な赤外光を絞りで有効に除去することが可能になると共に、紫外光もその大半を除去することが可能となる。したがって、赤外カットフィルタを用いなくても、効率よく赤外光を除去することができると共に、赤外光を吸収することによって発生する熱による光学素子などの劣化や破損も有効に防止することが可能となる。
【００３４】
また、回折型レンズの断面形状がブレーズ形状で、回折効率の最大値を１００％とすることができるので、照明光として必要な波長域の適当な波長で、回折効率を１００％になるようにすれば、明るい照明光を得ることが可能となる。さらに、赤外カットフィルタを使用する場合でも、絞りより物点側にフィルタを置けば、赤外カットフィルタに入射する照明光は、赤外光をほとんど含まないので、赤外カットフィルタで発生する熱も大幅に減り、フィルタの破損や劣化も有効に防止することが可能となる。
【００３５】
この参考例では、上記の波長λ_１およびλ_２を、それぞれ、
０．３８μｍ≦λ_１≦０．４２μｍ
０．６８μｍ≦λ_２≦０．７２μｍ
の範囲として、波長０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の可視域の光のみ絞りを透過させるようにする。
【００３６】
図９から明らかなように、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲が広いほど、絞り径を大きくする必要がある。しかし、この波長域外の光、例えば赤外光であっても、絞り面上で光軸付近を通るものは絞りを透過することになる。したがって、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を広げれば広げるほど絞り径が大きくなり、絞りを透過する赤外光の光量が増えることになる。これに対し、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を狭くすると、絞り径を小さくすることができる。この場合、絞りを透過する赤外光の光量は減るが、可視域のうち短波長域および長波長域の光も一部が絞りで遮光されるため、透過光量が減ることになる。
【００３７】
しかし、比視感度は、明所視の場合、およそ０．７μｍ以上で値が非常に小さく、暗所視の場合、およそ０．４μｍ以下で値が非常に小さいので、波長０．４μｍ以下および０．７μｍ以上では光量が減っても、目視による観察においては見えには大した影響はない。したがって、およそ０．４μｍからおよそ０．７μｍの波長範囲の光が、絞りを透過するようにすれば、絞りを透過する赤外光は少なく、また、可視域の成分の減少は実用上問題とならなくなる。
【００３８】
このように、波長が０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の光を、絞りでけられることなく透過させるようにすれば、目視による観察には実用上問題ない照明光を得ることが可能となる。また、絞りを透過する赤外光も少なく、赤外光を吸収することによる光学素子での発熱も少なくなるので、光学素子の熱による劣化や破損を有効に防止することが可能となる。
【００３９】
別の参考例においては、光源から射出した白色光を、レリーフ型の回折型レンズで回折させる。既に説明したように、レリーフ型の回折型レンズに白色光を入射させると、０次光以外の回折次数光は、集光、あるいは発散する。そのとき、回折次数によって回折角が異なるので、＋ｍ次光（ｍ＝１，２，３，・・・）の結像面上において、＋ｍ次光は結像するが、他の次数光は結像せず広がることになる。したがって、＋ｍ次光の結像面の位置に、ライトガイドの入射側端面を配置すれば、＋ｍ次光はすべてライトガイドに入射するが、他の次数光は一部しか入射せず、大部分が光路外へ外れることになる。
【００４０】
また、この別の参考例においては、回折型レンズの断面形状を、図１（ｄ）に示したようなブレーズ形状としている。このようなブレーズ形状の回折光学素子には、既に説明したように、ある波長においてある回折次数光の回折効率が１００％になるという性質がある。例えば、石英製の回折型レンズの場合には、そのブレーズ形状の溝深さｄを、ｄ＝１．０８μｍとすると、波長０．５μｍで＋１次光の回折効率が１００％になる。この場合の０次光と＋１次光との回折効率の波長依存性は、図８に示したようになる。
【００４１】
図８から明らかなように、＋１次光は可視域で回折効率が高く、０次光は赤外域で回折効率が高い。すなわち、＋１次光は可視域の成分を多く含み、０次光は赤外域の成分を多く含む。したがって、＋１次光の結像面の位置にライトガイドの入射側端面を配置すれば、＋１次光はすべてライトガイドに入射して、物点まで伝搬するが、他の次数光は一部しか入射せず、大部分は光路外へ外れることになる。
【００４２】
このように、可視域の回折効率が高くなる回折次数光の結像位置にライトガイドの入射側端面を配置すれば、光源からの照明光のうち可視光のみライトガイドを通して観察対象物に照射することができ、赤外光はライトガイドに入射せずに光路から外すことができる。したがって、不要な赤外光を赤外カットフィルタを使用することなく除去することが可能となる。また、回折パターンの断面形状をブレーズ形状としているので、回折効率の最大値を１００％とすることができ、したがって照明光として必要な波長域の適当な波長で、回折効率が１００％になるようにすることにより、明るい照明光を得ることが可能となる。さらに、赤外カットフィルタを使用する場合でも、赤外カットフィルタを回折型レンズとライトガイドの間に配置すれば、赤外カットフィルタを通る赤外光が大幅に減少するので、赤外カットフィルタで発生する熱量も減少し、フィルタの劣化や破損を有効に抑えることが可能となる。
【００４３】
この別の参考例では、上記のレリーフ型の回折型レンズで発生する回折次数光のうち、ある回折次数光の波長λ_３における開口数が、ライトガイドの開口数とほぼ等しくなるように構成する。ただし、波長λ_３は、
０．６８μｍ≦λ_３≦０．７２μｍ
の範囲とする。
【００４４】
ここで、光ファイバの開口数（ＮＡ）は、
【数３】

で表される。なお、上式において、Ａは、図１０に示すように、光ファイバ３を構成するコア４とクラッド５との境界面で全反射の臨界となるときの、光ファイバ３の入射側端面への入射角である。また、ｎ₁ はコア４の屈折率で、ｎ₂ はクラッド５の屈折率である。
【００４５】
図１０において、光ファイバ３の入射側端面に角度Ａで入射した光線ａは、コア４とクラッド５との境界面で全反射を繰り返して光ファイバ３内を伝搬する。また、角度Ａより大きな入射角で入射側端面に入射した光線ｂは、コア４とクラッド５との境界面で全反射せずに、クラッド５を屈折透過して、光ファイバ３を通り抜けることができない。
【００４６】
この別の参考例において、回折型レンズで光が回折したとき、回折角は長波長の光ほど大きくなる。したがって、長波長の光ほど開口数は大きくなるので、例えば、＋１次光の波長０．７μｍ近傍で、回折型レンズの開口数が光ファイバの開口数とほぼ等しくなるようにすると、それより短波長の光では回折型レンズの開口数が光ファイバの開口数より小さくなるので、光ファイバの入射側端面に入射した＋１次光は全て光ファイバを通り抜けることになる。
【００４７】
これに対し、０．７μｍ近傍より長波長の光については、回折型レンズの開口数が光ファイバの開口数より大きくなるので、光ファイバの入射側端面に入射した＋１次光のうち、中心付近の入射角が小さい光しか光ファイバを通り抜けることができず、しかも、波長が長くなればなるほど開口数が大きくなるので、より中心の一部の光しか光ファイバを通り抜けられなくなる。すなわち、照明光として必要な可視光は効率よく光ファイバを通り抜け、除去したい赤外光は光ファイバをほとんど通り抜けられないことになる。なお、ライトガイドは、光ファイバを多数本束ねたものであるので、ライトガイド全体で考えたときにも、開口数は光ファイバと同じであり、角度Ａより大きな入射角で入射した光は、ライトガイドを通り抜けられないことになる。
【００４８】
このように、可視域での回折効率が高く、赤外域での回折効率が低くなる回折型レンズの回折次数光を照明光として利用し、その回折次数光の波長０．７μｍ近傍での回折型レンズの開口数がライトガイドの開口数とほぼ等しくなるようにすれば、その回折次数光に含まれる赤外域の成分は、その一部しかライトガイドを通り抜けないので、さらに効率よく赤外光を除去することが可能となる。したがって、光学素子で発生する熱がさらに減り、光学素子の劣化や破損をさらに効果的に防止することが可能となる。
【００４９】
さらに、この別の参考例では、上記のレリーフ型の回折型レンズとライトガイドの入射側端面との間の光軸上で、照明光として使用する回折次数光の波長λ_１と波長λ_２との光束径がほぼ等しくなる位置に、該光束径とほぼ等しい絞り径を有する絞りを配置する。ただし、波長λ_１およびλ_２は、それぞれ、
０．３５μｍ≦λ_１≦０．４５μｍ
０．６５μｍ≦λ_２≦０．８μｍ
の範囲内とする。
【００５０】
既に説明したように、回折型レンズでの回折光は、長波長の光ほど大きく曲がるので、白色光を回折型レンズに入射させると、回折型レンズから結像点の距離は長波長ほど短くなる。そこで、図９に示したように、＋１ｍ次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に、この光束径とほぼ等しい絞り径を有する絞り２を配置すれば、必要な波長範囲λ₁ からλ₂ の光は絞り２で蹴られることなくすべて通り抜け、波長λ₁ より短波長域、および波長λ₂ より長波長域の光束は、絞り面上で絞り径より広がるため、その一部しか絞り２を通り抜けられなくなる。
【００５１】
したがって、回折型レンズが、例えば、図８に示したような回折効率の波長依存性を有する場合には、＋１次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に絞りを配置すれば、ライトガイドに入射する＋１次光のうち波長λ₁ 〜λ₂ の成分のみ絞りを透過してライトガイドに入射し、＋１次光に含まれる赤外域の成分は絞りで除去されることになる。
【００５２】
このように、絞りを用いて必要な波長範囲λ₁ 〜λ₂ の成分のみ透過させ、照明光として使用する回折次数光に含まれる赤外光をさらに除去することにより、ほぼ可視域の成分のみからなる照明光を得ることが可能となる。これにより、さらに効率よく赤外光を除去することが可能になると共に、赤外光を吸収することによって発生する熱による光学素子などの劣化や破損をより効果的に防止することが可能となる。
【００５３】
さらに、この別の参考例では、上記の波長λ_１および波長λ_２を、それぞれ、
０．３８μｍ≦λ_１≦０．４２μｍ
０．６８μｍ≦λ_２≦０．７２μｍ
の範囲として、波長０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の可視域の光のみ絞りを透過させるようにする。
【００５４】
既に、図９を用いて説明したように、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を広くすると、絞り径を大きくしなければならなくなって、絞りを透過する赤外光の光量が増えることになる。これに対し、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を狭くすると、絞り径を小さくでき、絞りを透過する赤外光の光量をより減らすことができるが、可視域のうち短波長域および長波長域の光の一部が絞りで遮光され、光量が減少することになる。しかし、比視感度は、明所視の場合、およそ０．７μｍ以上では値が非常に小さく、暗所視の場合、およそ０．４μｍ以下では値が非常に小さいので、波長０．４μｍ以下および０．７μｍ以上では光量が減っても、目視による観察の場合には見えには大した影響はない。これらのことから、波長０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の範囲の光が絞りを透過するようにすれば、絞りを透過する赤外光は少なく、また、可視域の成分の減少は実用上問題とならなくなる。
【００５５】
このように、波長がおよそ０．４μｍからおよそ０．７μｍの光を絞りでけられることなく透過させて、ライトガイドに入射させることにより、目視による観察には実用上問題ない照明光を得ることが可能となる。また、この場合、絞りを透過する赤外光も少なくなるので、赤外光を吸収することによって生じる光学素子での発熱を少なくでき、したがって光学素子の熱による劣化や破損を有効に防止することが可能となる。
【００５６】
さらに、上記２つの参考例では、レリーフ型の回折型レンズのレリーフパターンの溝深さｄを、
０．７４ｄ₀≦ｄ≦１．４３ｄ₀
とする。ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍと０．７μｍとにおける＋１次光の回折効率が等しくなるときの溝深さである。
【００５７】
既に説明したように、上記（２）式が成り立つとき、＋ｍ次光の回折効率は１００％となる。ここで、（２）式が成り立つｍと波長との組み合わせは複数あるが、ｍ＝＋１とするのが好ましい。その理由は、ｍが大きくなると溝深さｄが深くなって、回折型レンズの製造が困難になる場合があるからである。また、照明光として使用する波長域は、０．４μｍ〜０．７μｍ程度であるので、＋１次光の回折効率が波長０．４μｍと０．７μｍとで等しければ、すなわちｄ＝ｄ₀ であれば、＋１次光の回折効率は上記の波長域全域で高くなる。
【００５８】
ブレーズ形状の場合も、矩形状のレリーフパターンの場合と同様に、溝深さが変わると回折効率が変わる。図１１は、ｄ＝０．７４ｄ₀ 、ｄ₀ および１．４３ｄ₀ のときの＋１次光および０次光の回折効率の波長依存性を示すものである。ただし、回折光学素子は、石英製で薄型とし、表面反射は除外している。図１１において、符号▲１▼、▲２▼および▲３▼で示す曲線は、それぞれ溝深さが０．７４ｄ₀ 、ｄ₀ および１．４３ｄ₀ のときの＋１次光のグラフで、符号▲１▼′、▲２▼′および▲３▼′で示す曲線は、それぞれ溝深さが０．７４ｄ₀ 、ｄ₀ および１．４３ｄ₀ のときの０次光のグラフである。
【００５９】
図１１から明らかなように、溝深さｄが０．７４ｄ₀ 以上であれば、上記の波長域で＋１次光の回折効率は、除去したい０次光の回折効率よりも高い。また、溝深さｄが１．４３ｄ₀ 以下であれば、上記の波長域で＋１次光の回折効率は１０％以上であり、０次光の回折効率よりも高い。したがって、溝深さｄが０．７４ｄ₀ ≦ｄ≦１．４３ｄ₀ であれば、＋１次光は照明光として使用する可視域において除去したい０次光より常に強く、回折効率は１０％以上となる。
【００６０】
このように、溝深さｄを、０．７４ｄ₀ ≦ｄ≦１．４３ｄ₀ 、とすることにより、波長０．４μｍ〜０．７μｍの可視域において、照明光として使用する＋１次光の回折効率を、除去したい０次光の回折効率よりも高くすることができる。したがって、可視光を効率よく＋１次光として回折して、観察対象物を照明することが可能になると共に、より明るい照明光を得ることが可能になる。
【００６１】
さらに、請求項１に係る発明の一実施形態や２つの参考例では、上記の回折光学素子や回折型レンズを石英製とする。
【００６２】
すなわち、石英は、約０．２μｍから約４μｍの波長範囲の光に対して透過率が高い。したがって、波長４μｍ以下の赤外光を入射してもほとんど吸収せず、透過することになる。また、光源として広く用いられているハロゲンランプやキセノンランプ、メタルハライドランプなどは、波長３μｍ程度より短波長で強度が強く、それより長波長域ではあまり強くはない。したがって、回折光学素子や回折型レンズが石英製であれば、光源から発生する赤外光はほとんど吸収せず、それ自体が熱を発生することはほとんどないので、熱による劣化や破損を有効に防止することが可能となる。
【００６３】
さらに、この発明の一実施形態では、請求項１に係る照明光学系を用いて内視鏡システムを構成する。
【００６４】
このように内視鏡システムを構成すれば、上述したように、照明光学系から射出される照明光には、赤外光がほとんど含まれないので、内視鏡の挿入部先端から射出される照明光にも赤外光がほとんど含まれないことになる。したがって、観察対象物を熱することなく照明して観察することが可能になると共に、照明光学系から観察対象物までの間にある各種の光学素子を熱することもないので、光学素子の熱による破損や劣化を有効に防止でき、耐久耐久性の高い内視鏡システムを得ることが可能となる。
【００６５】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
図１２は、この発明に係る照明光学系の第１実施形態を示すものである。この実施形態では、反射鏡１１ａおよびランプ１１ｂを有する光源１１からの、少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を、レリーフ型回折光学素子１２に入射して複数の回折次数の光に回折させ、その直進する０次光１３により観察対象物１４を照明するようにする。ここで、ランプ１１ｂは、可視光で観察する場合には、可視域に強い放射を有するキセノンランプやハロゲンランプ、メタルハライドランプなどを用いる。また、回折光学素子１２は、そのレリーフパターンを、断面形状が矩形で格子間隔が等間隔となるように形成する。
【００６６】
この実施形態において、回折光学素子１２で回折されたｍ次光、例えば＋１次光１５や−１次光１６などは、０次光１３とは異なる方向へ進む。これらｍ次光の光束は、回折光学素子１２から離れるほど、０次光１３の光束から離れる。したがって、０次光１３と±１次光１５，１６とが完全に分離する位置よりも、回折光学素子１２から離れる方に観察対象物１４を置くと、高次の回折光ほど大きな角度で回折するため、０次光１３以外の光は光路から外れて、観察対象物１４に入射しないようになる。
【００６７】
レリーフ型回折光学素子１２の回折効率は、既に説明したように、入射光の波長によって異なる。また、波長によって最も回折効率が高くなる回折次数も異なる。この実施形態において、回折光学素子１２は、図１（ａ）に示したように断面形状が矩形で格子間隔が等間隔であり、±１次光１５，１６の回折効率は最大４０．５％で、０次光１３の回折効率は最大１００％である。
【００６８】
図２から明らかなように、波長１．０μｍ付近の赤外域で±１次光１５，１６の回折効率が最大になるとき、０次光１３は赤外域では回折効率が低くなる。また、波長０．５μｍ付近の可視域では０次光１３の回折効率が高くなり、±１次光１５，１６の回折効率は低くなる。すなわち、０次光１３は可視域の成分を多く含み、±１次光１５，１６は赤外域の成分を多く含むことになる。したがって、０次光１３を照明光として使用し、±１次光１５，１６は光路から外せば、光源１１からの光から赤外光を除去することができるので、従来の赤外カットフィルタを用いなくても光路上から赤外光を除去することができる。また、赤外カットフィルタを用いる場合でも、回折光学素子１２で赤外光を光路から外した後に赤外カットフィルタを配置するようにすれば、赤外カットフィルタを通る赤外光は大幅に減り、赤外カットフィルタでの発熱量も減って、劣化を抑えることができる。
【００６９】
さらに、回折光学素子１２による回折角は波長に依存し、一般に短波長ほど回折角が小さく、長波長ほど回折角が大きい。したがって、±ｍ次光は回折後、分散するが、０次光１３は波長による分散がなく、全ての波長の光が同じ方向に進む。この実施形態においては、この０次光１３を照明光として使用しているので、色分散のない照明光を得ることができる。
【００７０】
ところで、回折光学素子１２は、図１３（ａ）に示すようなレリーフパターンが直線状のもの、あるいは図１３（ｂ）に示すようなレリーフパターンが同心円状のものであることが望ましい。すなわち、図１３（ａ）の場合には、光は直線状のレリーフパターンの方向と直交する方向へのみ回折作用を受け、各回折次数光は、図１４（ａ）に示すように、直線パターンと直交する方向に分離し、回折光学素子１２から離れれば離れるほど大きく分かれる。したがって、回折光学素子１２からある程度離れれば、０次光１３と±１次光１５，１６とが完全に分離するので、観察対象物１４を回折光学素子１２から離れて配置すれば、赤外域の成分を多く含む±１次光１５，１６を効率よく除去し、可視域の成分を多く含む０次光１３のみを照明光として取り出すことができ、より赤外光の強度が弱く、可視光の強度が強い照明光で観察対象物１４を照明することができる。
【００７１】
また、図１３（ｂ）の場合には、光は同心円状のレリーフパターンの半径方向へのみ回折作用を受け、アキシコンのように作用する。したがって、各回折次数光は、図１４（ｂ）に示すように分離し、直線状のレリーフパターンの場合と同様に回折光学素子１２から離れれば離れるほど大きく分かれる。したがって、回折光学素子１２からある程度離れれば、０次光１３と±１次光１５，１６とが完全に分離するので、同様に、観察対象物１４を回折光学素子１２から離れて配置すれば、赤外域の成分を多く含む±１次光１５，１６を効率よく除去し、可視域の成分を多く含む０次光１３のみを照明光として取り出すことができ、より赤外光の強度が弱く、可視光の強度が強い照明光で観察対象物１４を照明することができる。
【００７２】
ここで、回折光学素子１２と観察対象物１４とが離れ過ぎていたり、それら間に遮光物があって観察対象物１４を直接照明できない場合には、ライトガイドを使用することができる。この場合には、図１５に示すように、回折光学素子１２で回折を受け、±１次光１５，１６と完全に分離された０次光１３を、集光レンズ１７で集光してライトガイド１８の入射側端面１９に入射させて、該ライトガイド１８内を伝播させ、その反対側の出射側端面から出射される照明光によって物点上の観察対象物１４を照明するようにする。
【００７３】
このように、集光レンズ１７を±１次光１５，１６と０次光１３とが完全に分離した後に配置すれば、±１次光１５，１６を光路から外して、０次光１３のみを集光することができるので、赤外域の成分を多く含む±１次光１５，１６を除去し、可視域の成分を多く含む０次光１３のみを照明光として、ライトガイド１８を経て観察対象物１４に導くことができる。したがって、より赤外光の強度が弱く、可視光の強度が強い照明光を得ることができる。
【００７４】
なお、回折光学素子１２のレリーフパターンにおいて、その凸部の幅とピッチとの比βは、必ずしも０．５である必要はなく、
０．３４≦β≦０．６６
であれば、実用上充分な効果を得ることができる。すなわち、図４に示したように、比βが変わると±１次光１５，１６および０次光１３の回折効率は変わる。ここで、上記のβの範囲は図４の斜線部分Ａであり、この範囲では±１次光１５，１６の回折効率が高く、０次光１３の回折効率は１０％以下である。
【００７５】
しかし、この実施形態では、±１次光１５，１６は光路から外れて除去されるので、±１次光１５，１６の回折効率が、図２に示したように赤外域で最も高くなる場合には、赤外域の成分はほとんど±１次光として回折されて除去される。これに対し、照明光として観察対象物１４を照明する０次光１３に含まれる赤外光はわずかである。したがって、比βが上記の範囲内にあれば、より効率よく赤外光を除去することができると共に、光学素子などで赤外光を吸収して発生する熱もより少なくなり、素子の劣化、破損をより効果的に抑えることができる。また、許容されるβの値に幅があるので、回折光学素子１２を製造する上でも有利である。
【００７６】
上記の凸部の幅とピッチとの比βは、より好ましくは、
０．４５≦β≦０．５５
とする。このβの範囲は図４の斜線部分Ｂであり、この範囲では±１次光１５，１６の回折効率が特に高く、０次光１３の回折効率は１％以下である。したがって、±１次光１５，１６の回折効率が、図２に示したように赤外域で最も高くなる場合には、赤外域の成分はさらに多くが±１次光として回折されて除去され、照明光として観察対象物１４を照明する０次光１３に含まれる赤外光はさらに少なくなるので、さらに効率よく赤外光を除去することができると共に、光学素子などで赤外光を吸収して発生する熱もさらに少なくでき、素子の劣化、破損をより効果的に抑えることができる。
【００７７】
また、回折光学素子１２のレリーフパターンの溝深さｄは、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおける０次光１３の回折効率が等しくなるような溝深さをｄ₀ とするとき、好ましくは、
ｄ＝ｄ₀
とする。すなわち、溝深さｄ₀ の場合の０次光の回折効率の波長依存性は、図５に符号▲２▼で示すようになる。ここで、回折光学素子１２は石英製で、ｄ₀ は１．０９５μｍである。回折照明光として使用する波長域は、０．４μｍ〜０．７μｍ程度の可視域であり、この波長域では照明光として使用する０次光１３の回折効率が高いほうがよい。図５から明らかなように、ｄ＝ｄ₀ のとき、０次光１３の回折効率は最も低いとき、すなわち波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいても３５％以上と高く、特に明るい照明光を得ることができる。また、波長０．４μｍから０．７μｍにおいて、光量の波長依存性が小さくなって、より分光特性が平坦な照明光を得ることができる。
【００７８】
なお、上記の溝深さｄは、必ずしもｄ₀ である必要はなく、
０．８５ｄ₀ ≦ｄ≦１．０９ｄ₀
の範囲とすることもでき、これにより実用上充分な効果を得ることができる。すなわち、ｄ＝０．８５ｄ₀ およびｄ＝１．０９ｄ₀ のそれぞれの場合の０次光の回折効率の波長依存性は、図５に符号▲１▼および▲３▼で示すようになる。図５から明らかなように、溝深さｄが上記の範囲にあれば、０次光１３の回折効率は少なくとも１０％以上あるので、必要な波長域全域で実用上充分明るい照明光を得ることができる。
【００７９】
また、上記の溝深さｄは、
０．９６ｄ₀ ≦ｄ≦１．０２ｄ₀
の範囲とすれば、より充分な効果を得ることができる。すなわち、ｄ＝０．９６ｄ₀ およびｄ＝１．０２ｄ₀ のそれぞれの場合の０次光の回折効率の波長依存性は、図６に符号▲１▼および▲３▼で示すようになる。図６からわかるように、溝深さｄが上記の範囲にあれば、０次光１３の回折効率は少なくとも３０％以上と特に高いので、必要な波長域全域で実用上特に明るい照明光を得ることができる。
【００８０】
この実施形態において、回折光学素子１２で回折され、光路から外れる±ｍ次光、特に±１次光１５，１６には、赤外光を多く含む。このため、これらの回折次数光が入射する、例えば鏡筒部分では、熱が発生することになるので、その部分に熱が発散し易くする放熱手段を設けるのが好ましい。その放熱手段の一例として、例えば、図１６に示すように、±１次光が入射する鏡筒２０の部分の形状をフィン状にして表面積を増やし、熱の発散を促すようにする。また、鏡筒２０を空冷、あるいは水冷する。このようにすれば、鏡筒２０の発熱を防止でき、鏡筒自体の劣化や破損、さらには、鏡筒２０から伝わった熱による光学素子や他の部品の劣化や破損を有効に防止することができる。
【００８１】
以上は、光路中に赤外カットフィルタを配置しない場合について説明したが、赤外カットフィルタを光路中に配置することもできる。すなわち、図２から明らかなように、０次光１３は可視域で強度が強く、この０次光１３からは波長１．０μｍ付近の赤外域の成分は除去されているが、それより長波長の赤外域の成分は若干残ってしまう。これら残った赤外域の成分を赤外カットフィルタで除去するようにする。この赤外カットフィルタは、図１２に示す構成の場合には、図１７（ａ）に示すように、回折光学素子１２と観察対象物１４との間であって、０次光１３と±１次光１５，１６とが完全に分離する位置よりも、観察対象物１４寄りに赤外カットフィルタ２１を配置するのが好ましい。また、図１５に示す構成の場合には、図１７（ｂ）に示すように、回折光学素子１２と集光レンズ１７との間であって、０次光１３と±１次光１５，１６とが完全に分離する位置よりも集光レンズ１７寄りに赤外カットフィルタ２１を配置するのが好ましい。
【００８２】
このように構成すれば、赤外カットフィルタ２１には０次光１３のみ入射し、赤外域の成分を多く含む±１次光１５，１６は入射しないので、赤外カットフィルタ２１での発熱量を少なくでき、その劣化を有効に防止することができる。また、図１７（ｂ）に示すように、ライトガイド１８を使用する場合には、照明光は赤外カットフィルタ２１を通して集光レンズ１７に入射することになるので、集光レンズ１７およびライトガイド１８に入射する赤外光の光量がさらに減り、したがって発熱による光学素子の破損や劣化をより効果的に防止することができる。
【００８３】
また、この実施形態において、回折光学素子１２は石英製であることが望ましい。すなわち、石英は、約０．２μｍから約４μｍの波長範囲の光に対して透過率が高いので、波長約４μｍ以下の赤外光を入射してもほとんど吸収せず、透過することになる。また、光源１１としてよく用いられるハロゲンランプやキセノンランプ、メタルハライドランプなどは、波長３μｍ程度より短波長で強度が強く、それより長波長域ではあまり強くはない。したがって、回折光学素子１２が石英製であれば、光源１１から発生する赤外光はほとんど吸収されずに回折光学素子１２を透過して、回折により光路から外れることになるので、回折光学素子１２の発熱、およびそれによる回折光学素子１２の劣化や破損を有効に防止することができる。
【００８４】
図１８は、この発明とともに開発した照明光学系の第１参考例を示すものである。この参考例では、反射鏡１１ａおよびランプ１１ｂを有する光源１１からの、少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を、レリーフ型の回折型レンズ２５に入射して複数の回折次数の光に回折させ、その＋１次光２６を絞り２７を経て取り出して、観察対象物１４を照明するようにする。ここで、ランプ１１ｂは、可視光で観察する場合には、第１実施形態の場合と同様に、可視域に強い放射を有するキセノンランプやハロゲンランプ、メタルハライドランプなどを用いる。また、レリーフ型の回折型レンズ２５は、既に説明したように、レリーフ型回折光学素子の一種で、図７に示したように、表面に形成された深さ方向に構造を持つ同心円状のパターンによって光を回折するもので、レンズ作用を有する。この実施形態では、このレリーフパターンの断面形状をブレーズ形状とする。
【００８５】
図１８において、回折型レンズ２５に入射した光は、回折されて複数の回折次数光に分かれ、そのうち０次光２８は直進し、±ｍ次光は回折して集光、あるいは発散する。ここで、回折次数光の符号を、集光する方向に曲がる場合を正、発散する方向に曲がる場合を負とすると、＋１次光２６の焦点距離が一番長く、＋２次光、＋３次光と次数が高くなるにつれて焦点距離が短くなる。このため、＋ｍ次光（ｍ＝１，２，３，・・・）の結像面上において、＋ｍ次光は結像しているが、他の次数光は結像せず広がることになる。したがって、＋ｍ次光の結像面の位置に、＋ｍ次光の光束がちょうど透過するような大きさの絞りを置けば、＋ｍ次光はすべて絞りを透過して広がり、観察対象物１４を照明することになるが、他の次数光は一部しか透過せず、大部分は光路外へ外れたり、絞りで遮られることになる。そこで、この参考例では、＋１次光２６の結像面の位置に絞り２７を配置して＋１次光２６のみを透過させ、これにより観察対象物１４を照明するようにして、０次光２８や＋２次光２９などの光の大部分を光路外へ外したり、絞り２７で遮断するようにする。
【００８６】
図１８に示す回折型レンズ２５について、さらに詳しく説明する。回折型レンズ２５のレリーフパターンの断面形状は、図１（ｄ）に示したようなブレーズ形状である。ブレーズ形状の回折光学素子には、ある波長において、ある回折次数光の回折効率が１００％になるという性質がある。既に説明したように、ブレーズ形状の回折光学素子の回折効率は、ブレーズ形状の山と谷の位相差が２πの整数倍となるとき、すなわち、溝深さｄが、上記の（１）式を満足するとき、波長λでの＋ｍ次光の回折効率が１００％となる。なお、この参考例では、回折型レンズ２５は、空気中に置かれているので、上記（１）式において、ｎ₀ （λ）≒１となる。したがって、回折効率が１００％となる溝深さｄは、上記の（２）で表すことができる。
【００８７】
ここで、溝深さが一定のとき、（２）式が成り立つ波長λと回折次数ｍとの組合わせは複数あり、ｍが大きくなるほど波長は短くなる。例えば、溝深さｄが、ｄ＝１．０８μｍのとき、＋１次光２６の回折効率は、波長０．５μｍで１００％になり、＋２次光２９の回折効率は、波長０．２７μｍで１００％になる。この場合、＋１次光２６のみを取り出すようにすれば、波長０．５μｍを中心とした可視光を得ることができる。このように、回折次数によって回折効率が１００％になる波長が異なるので、回折次数を選ぶことによって波長域を選ぶことができる。
【００８８】
既に説明したように、溝深さｄが、ｄ＝１．０８μｍの場合の０次光と＋１次光との回折効率の波長依存性は、図８に示したようになる。図８から明らかなように、＋１次光は可視域で回折効率が高く、０次光は赤外域で回折効率が高くなる。すなわち、＋１次光は可視域の成分を多く含み、０次光は赤外域の成分を多く含むことになる。したがって、この参考例におけるように、絞り２７で＋１次光２６のみ透過させ、０次光２８や他の回折次数光を遮断すれば、ほぼ可視域の成分からなる照明光を得ることができる。
【００８９】
なお、上述したように、（２）式が成り立つ回折次数ｍと波長との組み合わせは複数あるが、ｍが大きくなるほど溝深さｄが深くなって、回折型レンズの製造が困難になることから、ｍ＝＋１とするのが好ましい。
【００９０】
この参考例では、回折型レンズ２５の溝深さｄを、図８に示したように、可視域で＋１次光２６の回折効率が高くなるような深さにし、その結像面に絞り２７を配置して、＋１次光２６のみを透過させるようにしている。したがって、可視域の成分を多く含む＋１次光２６は、絞り２７を通過するので、これにより観察対象物１４を照明でき、また、赤外域の成分は、主に他の回折次数光として回折して光路から外れるか、あるいは絞り２７で遮られて、照明光から除去されるので、不要な赤外光を赤外カットフィルタを用いることなく有効に除去することができる。
【００９１】
また、回折型レンズ２５のレリーフパターンは、断面形状がブレーズ形状で、ある波長に対し回折効率がほぼ１００％となるので、図８に示したように、可視域のある波長で回折効率が＋１次光２６に対して１００％になるようにすることにより、他の形状の回折型レンズを用いる場合よりも明るい照明光を得ることができる。しかも、０次光などの＋１次光以外の回折光は、可視域での回折効率が低いので、光源１１から放射された可視域のエネルギーは、＋１次光２６に集中し、効率的に使われることになる。
【００９２】
ところで、絞り２７は、可視域での光強度が強い＋１次光２６のみ通過させ、赤外域での光強度が強い他の次数、特に０次光２８を遮断するように、＋１次光２６の焦点位置近傍に配置するが、その位置は、＋１次光２６の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置とするのが好ましい。ただし、波長λ₁ およびλ₂ は、それぞれ、
０．３５μｍ≦λ₁ ≦０．４５μｍ
０．６５μｍ≦λ₂ ≦０．８μｍ
の波長範囲とする。また、絞り２７の絞り径をｒ、＋１次光２６の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径をｒ₀ とするとき、絞り径ｒは、
０．９ｒ₀ ≦ｒ≦１．１ｒ₀
の範囲とするのが好ましい。
【００９３】
上述したように、回折型レンズで光を回折させると、長波長の光ほど大きく曲がるので、長波長ほど回折型レンズから結像点までの距離が短くなる。したがって、図９に示したように、＋ｍ次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に、この光束径とほぼ等しい絞り径を有する絞りを配置すれば、必要な波長範囲λ₁ からλ₂ の光は、絞りでけられることなくすべて通り抜け、波長λ₁ より短波長域および波長λ₂ より長波長域の光束は、絞り面上で絞り径より広がり、一部しか絞りを通り抜けられなくなる。
【００９４】
したがって、図１８において、回折型レンズ２５が、図８に示したような回折効率の波長依存性を有する場合には、絞り２７を、＋１次光２６の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に配置すれば、＋１次光２６のみ透過するだけでなく、その中に含まれる必要な波長範囲λ₁ 〜λ₂ の成分のみ透過することになるので、照明光として使用する＋１次光２６に含まれる赤外光もさらに有効に除去することができ、必要範囲外の波長成分をほとんど含まない照明光を得ることができると共に、赤外光を吸収することによって発生する熱による光学素子などの劣化や破損をさらに効果的に防止することができる。
【００９５】
さらに好ましくは、上記の波長λ₁ およびλ₂ を、
０．３８μｍ≦λ₁ ≦０．４２μｍ
０．６８μｍ≦λ₂ ≦０．７２μｍ
の波長範囲とする。このようにすれば、波長がおよそ０．４μｍからおよそ０．７μｍの可視域の光のみ絞り２７を通過させることができる。ここで、絞り２７の絞り径は、図９から明らかなように、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲が広いほど大きくしなければならないが、この波長域外の光、例えば赤外光であっても、絞り面上で光軸付近を通る光は絞り２７を透過することになる。このため、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を広げれば広げるほど、絞り径が大きくなり、絞り２７を透過する赤外光の光量が増えることになる。
【００９６】
これに対し、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を狭くすれば、絞り径を小さくでき、絞り２７を透過する赤外光の光量もより減少できるが、可視域のうち短波長域および長波長域の光の一部も絞り２７で遮光されるため、光量が減ることになる。しかし、比視感度は明所視の場合およそ０．７μｍ以上で値が非常に小さく、暗所視の場合およそ０．４μｍ以下で値が非常に小さいので、波長０．４μｍ以下および０．７μｍ以上では光量が減っても、目視観察にはほとんど影響がない。したがって、上記のように波長０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の範囲の光が絞り２７を透過するようにすれば、絞り２７を透過する赤外光が少なく、かつ、可視域の成分の減少が実用上問題のない、よりよい照明光を得ることができる。
【００９７】
ところで、回折型レンズ２５のレリーフパターンの溝深さｄは、＋１次光２６の回折効率が可視域で高くなるような深さであることが望ましいが、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおける＋１次光２６の回折効率が等しくなるような溝深さをｄ₀ とするとき、
ｄ＝ｄ₀
とするのがより好ましい。この場合、回折型レンズ２５を石英製とすると、ｄ₀ ＝１．０９５μｍとなり、その＋１次回折光２６および０次光２８の回折効率の波長依存性は、図１１の符号▲２▼および▲２▼′にそれぞれ示すようになる。
【００９８】
すなわち、照明光として使用する波長域は、０．４μｍ〜０．７μｍ程度の可視域であるので、この波長域では照明光として使用する＋１次光２６の回折効率が高いほうがよい。ここで、上記のように、ｄ＝ｄ₀ とすれば、図１１から明らかなように、＋１次光２６の回折効率は、最も低いとき、すなわち波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいても７５％以上と高いので、特に明るい照明光を得ることができる。また、波長０．４μｍから０．７μｍの範囲では、光量の波長依存性が小さいので、より分光特性が平坦な照明光を得ることができる。
【００９９】
なお、回折型レンズ２５のレリーフパターンの溝深さｄは、必ずしも上記のように、ｄ＝ｄ₀ とする必要はなく、
０．７４ｄ₀ ≦ｄ≦１．４３ｄ₀
の範囲であれば、実用上十分な効果を得ることができる。すなわち、ｄ＝０．７４ｄ₀ のときの＋１次光２６および０次光２８の回折効率は、図１１の符号▲１▼および▲１▼′でそれぞれ示すようになり、ｄ＝１．４３ｄ₀ のときの＋１次光２６および０次光２８の回折効率は、同様に、図１１の符号▲３▼および▲３▼′でそれぞれ示すようになる。
【０１００】
図１１から明らかなように、溝深さｄを０．７４ｄ₀ 以上とすれば、上記の波長域で＋１次光２６の回折効率が、除去したい０次光２８の回折効率よりも高くなる。また、溝深さｄを１．４３ｄ₀ 以下とすれば、上記の波長域で＋１次光２６の回折効率が１０％以上で、０次光２８の回折効率よりも高くなる。したがって、溝深さｄを、０．７４ｄ₀ ≦ｄ≦１．４３ｄ₀ とすれば、＋１次光２６は照明光として使用する可視域において常に除去したい０次光２８よりも強く、回折効率は１０％以上となるので、＋１次光２６を用いて、必要な波長域全域で実用上十分に明るい照明光を得ることができる。
【０１０１】
なお、この参考例においても、回折型レンズ２５で回折されて光路から外れたり、あるいは絞り２７で遮られた回折次数光、特に０次光２８には、赤外域の成分を多く含むため、これらの回折次数光が入射する鏡筒部分などや絞り２７で熱が発生するおそれがある。そこで、この参考例においても、第１実施形態と同様に、それらの部分に熱が発散し易くする放熱手段を設けるのが好ましい。その放熱手段の一例として、第１実施形態で説明したようなものの他、絞り２７に放熱板を取り付けて、絞り２７で発生する熱の発散を促すようにする。このようにすれば、鏡筒や絞り２７の発熱を有効に防止できるので、それらの劣化や破損、および鏡筒や絞り２７から伝わった熱による光学素子や他の部品の劣化や破損を有効に防止することができる。
【０１０２】
以上、光路中に赤外カットフィルタを配置しない場合について説明したが、光路中に赤外カットフィルタを配置することもできる。この場合には、図１９に示すように、絞り２７と観察対象物１４との間に赤外カットフィルタ２１を配置するのが好ましい。このようにすれば、わずかではあるが、絞り２７を透過する赤外域の成分を赤外カットフィルタ２１で除去できるので、照明光からさらに効率よく赤外光を除去でき、各光学素子の熱による劣化や破損をさらに効果的に防ぐことができるようになる。
【０１０３】
なお、この参考例においても、回折型レンズ２５は、第１実施形態と同様に石英製であることが望ましい。すなわち、第１実施形態で説明したように、回折型レンズ２５を石英製とすれば、波長約４μｍ以下の赤外光が入射しても、そのほとんどが吸収せずに透過するので、回折型レンズ２５自体の発熱がほとんどなく、したがって回折型レンズ２５の熱による劣化や破損を効果的に防ぐことができる。
【０１０４】
図２０は、この発明とともに開発した照明光学系の第２参考例を示すものである。この参考例では、反射鏡１１ａおよびランプ１１ｂを有する光源１１からの、少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を、レリーフ型の回折型レンズ２５に入射して複数の回折次数の光に回折させ、その＋１次光２６をライトガイド１８の入射側端面１９に入射させて、該ライトガイド１８内を伝播させ、その反対側の出射側端面から出射される照明光によって物点上の観察対象物を照明するようにする。ここで、ランプ１１ｂは、可視光で観察する場合には、第１実施形態や第１参考例の場合と同様に、可視域に強い放射を有するキセノンランプやハロゲンランプ、メタルハライドランプなどを用いる。また、レリーフ型の回折型レンズ２５は、第１参考例と同様に、そのレリーフパターンの断面形状をブレーズ形状とする。
【０１０５】
この参考例において、回折型レンズ２５に入射した光は、第１参考例で説明したように回折されて複数の回折次数光に分かれ、そのうち０次光２８は直進し、±ｍ次光は回折して集光、あるいは発散する。ここで、回折角は回折次数毎に異なり、焦点距離も異なる。このため、＋ｍ次光（ｍ＝１，２，３，・・・）の結像面上において、＋ｍ次光は結像しているが、他の次数光は結像せず広がることになる。したがって、＋ｍ次光の結像面の位置にライトガイド１８の入射側端面１９を配置すれば、＋ｍ次光はすべてライトガイド１８に入射し、該ライトガイド１８を経て観察対象物を照明するが、他の次数光は一部しか入射せず、大部分は光路外へ外れることになる。
【０１０６】
既に説明したように、回折型レンズ２５のレリーフパターンのある溝深さｄに対して、回折次数ｍが大きくなるほど波長λは短くなる。したがって、回折次数ｍによって回折効率が１００％となる波長が異なるので、回折次数を選ぶことによって、波長域を選ぶことができる。この場合、可視域での回折効率が高ければ、＋ｍ次光は何次光でもよいが、第１参考例で説明したように、＋１次光を照明光として使用するのが好ましい。さらに、図８に示したように、＋１次光２６の回折効率が可視域で高く、０次光２８の回折効率が赤外域で高くなるように溝深さｄを決める。
【０１０７】
このようにして、回折型レンズ２５で回折された＋１次光２６の結像面の位置にライトガイド１８の入射側端面１９を配置すれば、可視域の成分を多く含む＋１次光２６はライトガイド１８を通り抜けて観察対象物を照明し、赤外域の成分は主に他の回折次数光、特に０次光２８として回折して、ライトガイド１８にほとんど入射せず、照明光から除去される。したがって、不要な赤外光を赤外カットフィルタを用いることなく有効に除去することができる。
【０１０８】
なお、回折型レンズ２５のレリーフパターンは、断面形状がブレーズ形状であるため、既に説明したように、ある波長に対し回折効率はほぼ１００％となる。したがって、図８に示したように、可視域のある波長で回折効率が＋１次光に対し１００％となるようにすれば、他の形状の回折型レンズを用いるよりも明るい照明光を得ることができる。しかも、０次光などの＋１次光以外の回折光は、可視域での回折効率が低いので、光源１１から放射される可視域のエネルギーは１次光２６に集中し、効率的に使うことができる。
【０１０９】
ここで、回折型レンズ２５は、発生する回折次数光のうち、照明光として使用する回折次数光、ここでは＋１次光２６、の波長０．７μｍ近傍における開口数が、ライトガイド１８の開口数にほぼ等しいようなものであることが望ましい。すなわち、ライトガイド１８の開口数（ＮＡ）は、上記（３）式で表される。また、回折型レンズ２５で光が回折するとき、その回折角は長波長の光ほど大きくなるので、長波長の光ほど開口数は大きくなる。
【０１１０】
したがって、照明光として使用する＋１次光２６の波長０．７μｍ近傍における回折型レンズ２５の開口数を、ライトガイド１８の開口数とほぼ等しくなるようにすれば、それより短波長の光では回折型レンズ２５の開口数がライトガイド１８の開口数より小さいので、ライトガイド１８の入射側端面１９に入射した＋１次光２６は全てライトガイド１８を通り抜けることになる。これに対して、０．７μｍ近傍より長波長の光では、回折型レンズ２５の開口数がライトガイド１８の開口数より大きくなるため、ライトガイド１８の入射側端面１９に入射した＋１次光２６のうち、中心付近の入射角が上記（３）式の入射角Ａより小さい光しか通り抜けることができず、ライトガイド１８を透過する光量が減る。この回折型レンズ２５の開口数は、波長が長くなればなるほど大きくなるので、より中心の一部の光しか通り抜けられなくなる。すなわち、照明光として必要な可視光は、効率よくライトガイド１８を通り抜け、除去したい赤外光はライトガイド１８をほとんど通り抜けられないことになる。
【０１１１】
照明光に使用する＋１次光２６は、回折型レンズ２５で赤外域の成分を既に大部分除去してあるが、図８から明らかなように、特定の波長以外は＋１次光２６の回折効率が０でないため、赤外域の成分も若干含まれる。しかし、上述したような開口数の回折型レンズ２５を用いれば、０．７μｍ近傍より長波長の光は一部しかライトガイド１８を透過できず、若干残った赤外域の成分をさらに除去することができるので、より赤外域の成分の少ない照明光を得ることができる。したがって、観察対象物に照射される赤外光をさらに減少することができる。
【０１１２】
ところで、回折型レンズ２５のレリーフパターンの溝深さｄは、＋１次光２６の回折効率が可視域で高くなるような深さであることが望ましいが、第１参考例と同様に、ｄ＝ｄ₀であることが特に望ましい。ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍと０．７μｍにおける＋１次光２６の回折効率が等しくなるような溝深さである。このようにすれば、図１１の曲線２および２′から明らかなように、＋１次光２６の回折効率は、最も低いとき、すなわち波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいても７５％以上と高く、特に明るい照明光を得ることができる。また、波長０．４μｍから０．７μｍにおいて、光量の波長依存性が小さくなって、より分光特性が平坦な照明光を得ることができる。
【０１１３】
また、レリーフパターンの溝深さｄは、必ずしもｄ₀ である必要はなく、０．７４ｄ₀ ≦ｄ≦１．４３ｄ₀であれば、実用上充分な効果を得ることができる。すなわち、第１参考例で説明したように、溝深さｄが上記の範囲内であれば、＋１次光は照明光として使用する可視域において常に除去したい０次光より強く、回折効率は１０％以上である。したがって、＋１次光２６を用いて、必要な波長域全域で実用上充分に明るい照明光を得ることができる。
【０１１４】
この参考例においても、回折型レンズ２５で回折され、光路から外れた回折次数光、特に０次光２８は赤外域の成分を多く含むため、これらの回折次数光が照射される、例えば鏡筒部分では熱が発生する。そこで、第１実施形態や第１参考例と同様に、その部分に熱が発散し易くする放熱手段を設けるとよい。その放熱手段としては、例えば、第１実施形態で説明したようなものの他、ライトガイド１８の入射側端面１９の光が入射しない外周部分に放熱板を付け、ライトガイド１８の端面で発生する熱の発散を促するようにしてもよい。このようにすれば、鏡筒等が熱を持つのを防ぎ、それ自体の劣化や破損、鏡筒等から伝わった熱による光学素子や他の部品の劣化や破損を有効に防止することができる。
【０１１５】
以上は、光路中に赤外カットフィルタを置かない場合について説明したが、赤外カットフィルタを光路中に配置することもできる。この場合は、図２１に示すように、回折型レンズ２５とライトガイド１８との間であって、＋２次以上の高次の回折次数光が大きく広がるように、できるだけライトガイド１８の入射側端面１９に近い位置に赤外カットフィルタ２１を配置するのが望ましい。このように、できるだけ＋１次光以外の光が入射しないように、＋１次光のみ入射するような大きさの赤外カットフィルタ２１を配置すれば、図９で説明した入射角Ａより小さな角度で入射した０．７μｍより長波長の赤外域の成分を除去することができるので、照明光に含まれる赤外域の成分をさらに除去することができる。
【０１１６】
また、回折型レンズ２５は、第１実施形態と同様に石英製であることが望ましい。このように、回折型レンズ２５を石英製とすれば、第１実施形態や第１参考例で説明したように、波長約４μｍ以下の赤外光を入射してもほとんど吸収せずに透過するので、回折型レンズ２５の中で熱はほとんど発生せず、回折型レンズ２５の熱による劣化や破損を効果的に防ぐことができる。
【０１１７】
図２２は、第３参考例を示すものである。この参考例は、第２参考例において、回折型レンズ２５とライトガイド１８との間の光路中に絞り２７を配置したものである。光源１１からの光は、まずレリーフ型の回折型レンズ２５に入射する。ここで、可視光で観察する場合には、上述した実施形態や参考例と同様に、光源１１のランプ１１ｂとして可視域に強いスペクトルを有するキセノンランプやハロゲンランプ、メタルハライドランプなどが適している。また、レリーフ型の回折型レンズ２５は、第１、第２参考例と同様に、レリーフパターンの断面形状をブレーズ形状とする。
【０１１８】
回折型レンズ２５に入射した光は回折され、複数の回折次数光に分かれ、０次光２８は直進し、±ｍ次光は回折して集光、あるいは発散する。この場合の回折角は、次数毎に異なり、焦点距離も異なる。したがって、＋ｍ次光の焦点位置に絞り２７を配置すれば、＋ｍ次光のみ取り出し、他の回折次数光を除去できる。この場合、可視域での回折効率が高ければ＋ｍ次光は何次光でもよいが、第１参考例で説明したように、＋１次光を照明光として使用するのが好ましいので、ここでは、＋１次光を照明光として使用する場合について説明する。
【０１１９】
絞り２７は、可視域での光強度が強い＋１次光２６のみ通過し、赤外域での光強度が強い他の次数、特に０次光２８を遮断するように、＋１次光２６の焦点位置で、＋１次光２６の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に配置するのが望ましい。ただし、波長λ₁ およびλ₂ は、それぞれ、
０．３５μｍ≦λ₁ ≦０．４５μｍ
０．６５μｍ≦λ₂ ≦０．８μｍ
の範囲である。ここで、回折型レンズ２５で光が回折するとき、長波長の光ほど大きく曲がる。したがって、白色光を回折型レンズ２５に入射すれば、回折型レンズ２５から結像点の距離は長波長ほど短くなるので、図９に示したように、＋ｍ次光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に、この光束径とほぼ等しい絞り径を有する絞り２７を配置すれば、必要な波長範囲λ₁ からλ₂ の光は絞り２７で蹴られることなくすべて通り抜けることになる。これに対し、波長λ₁ より短波長域、およびλ₂ より長波長域においては、光束は絞り面上で絞り径より広がり、一部しか絞り２７を通り抜けられなくなる。
【０１２０】
したがって、図８ち示した回折効率の波長依存性を有する回折型レンズ２５を用いた場合には、絞り２７を＋１次光２６の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に配置すれば、＋１次光２６のみ透過するだけでなく、その中に含まれる必要な波長範囲λ₁ 〜λ₂ の成分のみ透過することになるので、照明光として使用する＋１次光２６に含まれる赤外光もさらに除去でき、必要範囲外の波長成分をほとんど含まない照明光を得ることができると共に、赤外光を吸収することによって発生する熱による光学素子などの劣化や破損をさらに効率よく防ぐことができる。
【０１２１】
ここで、波長λ₁ およびλ₂ は、それぞれ、０．３８μｍ≦λ₁ ≦０．４２μｍ、０．６８μｍ≦λ₂ ≦０．７２μｍであるとさらに望ましい。このようにすれば、波長０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の可視域の光のみ絞り２７を通過することになる。ここで、絞り２７の絞り径は、第１参考例で説明したように、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲が広いほど大きくしなければならないが、この波長域外の光、例えば赤外光であっても、絞り面上で光軸付近を通る光は絞り２７を透過することになる。このため、λ₁ 〜λ₂の波長範囲を広げれば広げるほど、絞り径が大きくなり、絞り２７を透過する赤外光の光量が増えることになる。
【０１２２】
これに対し、λ₁ 〜λ₂ の波長範囲を狭くすれば、絞り径を小さくでき、絞り２７を透過する赤外光の光量もより減少できるが、可視域のうち短波長域および長波長域の光の一部も絞り２７で遮光されるため、光量が減ることになる。しかし、比視感度は明所視の場合およそ０．７μｍ以上で値が非常に小さく、暗所視の場合およそ０．４μｍ以下で値が非常に小さいので、波長０．４μｍ以下および０．７μｍ以上では光量が減っても、目視観察にはほとんど影響がない。したがって、上記のように波長０．４μｍ近傍から０．７μｍ近傍の範囲の光が絞り２７を透過するようにすれば、絞り２７を透過する赤外光が少なく、かつ、可視域の成分の減少が実用上問題のない、よりよい照明光を得ることができる。
【０１２３】
なお、この参考例においては、絞り２７で赤外光を遮断して除去するため、絞り２７で熱が発生するおそれがある。このため、絞り２７に図１６で示したような放熱板を付けるのが好ましい。また、鏡筒等でも熱が発生するため、第１実施形態や第１，第２参考例で説明したように、放熱板を付けたような形状の鏡筒にしたり、鏡筒を直接空冷や水冷するとよい。このようにすれば、鏡筒や絞り２７が熱を持つのを防ぎ、鏡筒や絞り２７自体の劣化や破損、鏡筒や絞り２７から伝わった熱による光学素子や他の部品の劣化や破損を有効に防止することができる。
【０１２４】
さらに、この参考例においても、光路中に赤外カットフィルタを配置することもできる。この場合には、図２３に示すように、絞り２７とライトガイド１８との間に赤外カットフィルタ２１を配置するのが望ましい。このように構成すれば、わずかではあるが、絞り２７を透過する赤外域の成分を赤外カットフィルタ２１で除去することができるので、照明光からさらに効率よく赤外光を除去することができ、各光学素子の熱による劣化や破損をさらに効果的に防止することができる。
【０１２５】
さらにまた、回折型レンズ２５は、第１実施形態や第１，第２参考例と同様に石英製であることが望ましい。このように、回折型レンズ２５を石英製とすれば、第１実施形態や第１，第２参考例で説明したように、波長約４μｍ以下の赤外光を入射してもほとんど吸収せずに透過するので、回折型レンズ２５の中で熱はほとんど発生せず、回折型レンズ２５の熱による劣化や破損を効果的に防ぐことができる。
【０１２６】
図２４は、この発明に係る照明光学系を適用する内視鏡システムの一例の構成を示すものである。この内視鏡システムは、上述したこの発明に係る照明光学系を有する光源部３１からの照明光を、内視鏡３２の操作部３３、挿入部３４および湾曲部３５に亘って延在して配置されたライトガイド１８に入射させ、操作部３３により湾曲部３５を湾曲操作することにより、例えば体腔内の所望の観察対象物１４を照明するようにしたものである。なお、内視鏡３２には、ライトガイド１８の他に、イメージガイドや送吸気用チューブなども、操作部３３、挿入部３４および湾曲部３５に亘って延在して配置されている。また、観察対象物１４で反射された光は、イメージガイドを経て内視鏡３２の接眼部３６に伝搬して、目視観察したり、あるいは接眼部３６にＣＣＤ等の撮像素子を設けて結像させてモニタ画面で観察するようにする。
【０１２７】
図２４に示す内視鏡システムにおいて、光源部３１内の照明光学系は、既に説明したように、ランプからの光を回折光学素子で回折して赤外域の成分を光路から外し、可視域の成分のみをライトガイド１８に入射して、主として可視域の成分からなる照明光を得ることができるものである。したがって、赤外吸収フィルタや赤外反射フィルタ等の赤外カットフィルタを用いなくても、赤外光を有効に除去することができ、また、赤外カットフィルタを用いる場合でも、フィルタでの発熱を有効に防止でき、フィルタの劣化を有効に防止できるので、光源部３１を安価にできると共に、その耐久性も高くできる。また、ライトガイド１８やその他の光学素子に赤外光が入射しないので、それらが熱を発生することがなく、熱による劣化や破損を効果的に抑えることができる。したがって、全体として安価で耐久性に優れた内視鏡システムを実現することができる。
【０１２８】
付記項
１．少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を射出する光源と、前記白色光の光束を回折するレリーフ型回折光学素子とを有し、
前記レリーフ型回折光学素子は、断面形状が矩形で等間隔の格子を有し、
該レリーフ型回折光学素子から射出した回折光のうち０次光を照明光として使用し得るよう構成したことを特徴とする照明光学系。
２．付記項１記載の照明光学系において、
前記０次光の光束を物点まで伝送するためのライトガイドを有することを特徴とする照明光学系。
３．付記項１または２記載の照明光学系において、
前記レリーフ型回折光学素子のレリーフパターンは、該レリーフパターンの各凸部の幅と、隣接する凸部のピッチとの比βが、
０．３４≦β≦０．６６
で、溝深さｄが、
０．８５ｄ₀ ≦ｄ≦１．０９ｄ₀
てあることを特徴とする照明光学系。
ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいて０次光の回折効率が等しくなるような溝深さである。
４．付記項３記載の照明光学系において、
前記比βが、
０．４５≦β≦０．５５
で、前記溝深さｄが、
０．９６ｄ₀ ≦ｄ≦１．０２ｄ₀
であることを特徴とする照明光学系。
５．少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を射出する光源と、前記白色光の光束を回折するレリーフ型の回折型レンズと、この回折型レンズより像点側に配置した絞りとを有し、
前記回折型レンズは、ブレーズ形状の断面形状を有し、
前記絞りは、照明光として使用する前記回折型レンズの回折次数光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる光軸方向の位置に配置され、前記光束径とほぼ等しい絞りの径を有することを特徴とする照明光学系。
ただし、波長λ₁ および波長λ₂ は、それぞれ以下の範囲内の波長である。
０．３５μｍ≦λ₁ ≦０．４５μｍ
０．６５μｍ≦λ₂ ≦０．８μｍ
６．付記項５記載の照明光学系において、
前記波長λ₁ およびλ₂ は、それぞれ、
０．３８μｍ≦λ₁ ≦０．４２μｍ
０．６８μｍ≦λ₂ ≦０．７２μｍ
の範囲であることを特徴とする照明光学系。
７．少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を射出する光源と、前記白色光の光束を物点まで伝送するためのライトガイドとを有する照明光学系において、
前記光源と前記ライトガイドの入射側端面との間の光路中に配置した、断面形状がブレーズ形状のレリーフ型の回折型レンズを有することを特徴とする照明光学系。
８．付記項７記載の照明光学系において、
前記レリーフ型の回折型レンズで発生する回折次数光のうち、ある回折次数光の波長λ₃ における開口数が、前記ライトガイドの開口数にほぼ等しいことを特徴とする照明光学系。
ただし、波長λ₃ は、
０．６８μｍ≦λ₃ ≦０．７２μｍ
の範囲である。
９．付記項７記載の照明光学系において、
前記レリーフ型の回折型レンズと前記ライトガイドの入射側端面との間の光軸上で、照明光として使用する回折次数光の波長λ₁ と波長λ₂ との光束径がほぼ等しくなる位置に、該光束径とほぼ等しい絞り径を有する絞りを配置したことを特徴とする照明光学系。
ただし、波長λ₁ およびλ₂ は、それぞれ、
０．３５μｍ≦λ₁ ≦０．４５μｍ
０．６５μｍ≦λ₂ ≦０．８μｍ
の範囲である。
１０．付記項９記載の照明光学系において、
前記波長λ₁ およびλ₂ は、それぞれ、
０．３８μｍ≦λ₁ ≦０．４２μｍ
０．６８μｍ≦λ₂ ≦０．７２μｍ
の範囲であることを特徴とする照明光学系。
１１．付記項５〜１０のいずれか記載の照明光学系において、
前記レリーフ型の回折型レンズのレリーフパターンの溝深さｄが、
０．７４ｄ₀ ≦ｄ≦１．４３ｄ₀
であることを特徴とする照明光学系。
ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍと０．７μｍとにおける＋１次光の回折効率が等しくなるときの溝深さである。
１２．付記項１〜１１のいずれか記載の照明光学系において、
前記回折光学素子または前記回折型レンズが石英製であることを特徴とする照明光学系。
１３．付記項１〜４のいずれか、または付記項７〜１２のいずれか記載の照明光学系を有する内視鏡システム。
【０１２９】
【発明の効果】
この発明によれば、レリーフ型回折光学素子で、光源からの光のうち比較的短波長の可視光と比較的長波長の赤外光を異なる回折次数光として異なる方向に曲げ、赤外域の成分が多く含まれる±１次光を光路から外して照明光から除去し、可視域の成分が多く含まれ、赤外域の成分が少ない０次光を照明光として使用することができるので、赤外カットフィルタを用いなくても、赤外光を除去した照明光を得ることができる。また、赤外カットフィルタを用いる場合でも、回折光学素子で赤外光を光路から外した後に、赤外カットフィルタを位置させることにより、該赤外カットフィルタを通る赤外光を大幅に減少できるので、その発熱量も減少でき、したがって赤外カットフィルタの劣化や破損を有効に抑えることができる。
【０１３１】
また、光源からの照明光のうち可視光のみライトガイドを通して観察対象物に照射することができ、赤外光はライトガイドに入射せずに光路から外すことができるので、不要な赤外光を赤外カットフィルタを使用することなく除去することができると共に、赤外カットフィルタを使用する場合でも、それを回折型レンズとライトガイドとの間に配置することにより、該赤外カットフィルタで発生する熱量を減少でき、その劣化や破損を有効に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レリーフ型回折光学素子の四つの例を示す断面図である。
【図２】図１（ａ）に示す断面構造のレリーフ型回折光学素子における０次光および±１次光の回折効率の波長依存性の一例を示す図である。
【図３】この発明で用いるレリーフ型回折光学素子のレリーフパターンの凸部の幅と、ピッチとの比βを説明するための図である。
【図４】図１（ａ）に示す断面構造のレリーフ型回折光学素子において、±１次光の回折効率が最大となるような波長での±１次光および０次光の回折効率のβ依存性の一例を示す図である。
【図５】図１（ａ）に示す断面構造のレリーフ型回折光学素子において、溝深さが０．８５ｄ₀ 、ｄ₀ および１．０９ｄ₀ のときの０次光の回折効率の波長依存性の一例を示す図である。
【図６】同じく、溝深さが０．９６ｄ₀ 、ｄ₀ および１．０２ｄ₀ のときの０次光の回折効率の波長依存性の一例を示す図である。
【図７】レリーフ型の回折型レンズの一例を示す平面図および断面図である。
【図８】図７に示すレリーフ型の回折型レンズにおける０次光と＋１次光との回折効率の波長依存性の一例を示す図である。
【図９】この発明の一実施形態を説明するための図である。
【図１０】同じく、この発明の他の実施形態を説明するための図である。
【図１１】図７に示すブレーズ形状の断面構造のレリーフ型の回折型レンズにおいて、溝深さがｄ＝０．７４ｄ₀ 、ｄ₀ および１．４３ｄ₀ のときの＋１次光および０次光の回折効率の波長依存性の一例を示す図である。
【図１２】この発明に係る照明光学系の第１実施形態を示す図である。
【図１３】図１２に示す回折光学素子の二つの例を示す図である。
【図１４】図１３に示す回折光学素子における回折作用を説明するための図である。
【図１５】図１２に示す第１実施形態の変形例を示す図である。
【図１６】放熱手段を説明するための図である。
【図１７】図１２および図１５において、それぞれ赤外カットフィルタを設けた場合の構成を示す図である。
【図１８】この発明とともに開発した照明光学系の第１参考例を示す図である。
【図１９】図１８において、赤外カットフィルタを設けた場合の構成を示す図である。
【図２０】この発明とともに開発した照明光学系の第２参考例を示す図である。
【図２１】図２０において、赤外カットフィルタを設けた場合の構成を示す図である。
【図２２】この発明とともに開発した照明光学系の第３参考例を示す図である。
【図２３】図２２において、赤外カットフィルタを設けた場合の構成を示す図である。
【図２４】この発明に係る照明光学系を適用する内視鏡システムの一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 回折型レンズ
２ 絞り
３ 光ファイバ
４ コア
５ クラッド
１１ 光源
１１ａ 反射鏡
１１ｂ ランプ
１２ レリーフ型回折光学素子
１３ ０次光
１４ 観察対象物
１５，１６ ±１次光
１７ 集光レンズ
１８ ライトガイド
１９ 入射側端面
２０ 鏡筒
２１ 赤外カットフィルタ
２５ 回折型レンズ
２６ ＋１次光
２７ 絞り
２８ ０次光
２９ ＋２次光
３１ 光源部
３２ 内視鏡
３３ 操作部
３４ 挿入部
３５ 湾曲部
３６ 接眼部

Claims (4)

1. 少なくとも可視および赤外域の成分を含む白色光を射出する光源と、前記白色光の光束を回折するレリーフ型回折光学素子とを有し、
   前記レリーフ型回折光学素子のレリーフパターンは、断面形状が矩形で等間隔の格子であって、
   前記格子は、幅及び深さがいずれも同じである凸部と、幅及び深さが何れも同じである凹部で構成され、
   前記凸部及び前記凹部は、前記可視域の成分を主に０次光として直進させ、前記赤外域の成分を主に±１次光として回折させる幅と深さを有するものであり、
   前記レリーフ型回折光学素子から射出した回折光のうち前記可視域の０次光を照明光として使用することを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１記載の照明光学系において、前記０次光の光束を物点まで伝送するためのライトガイドを有することを特徴とする照明光学系。
3. 請求項１記載の照明光学系において、前記レリーフパターンの各凸部の前記幅と、隣接する凸部のピッチとの比βが、
   ０．３４≦β≦０．６６
   で、前記溝の深さｄが、
   ０．８５ｄ₀ ≦ｄ≦１．０９ｄ₀
   であることを特徴とする照明光学系。
   ただし、ｄ₀ は、波長０．４μｍおよび０．７μｍにおいて０次光の回折効率が等しくなる溝深さである。
4. 請求項１に記載の照明光学系を有する内視鏡システム。

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