JP4704069B2

JP4704069B2 - 内視鏡照明光学系

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Publication number: JP4704069B2
Application number: JP2005054645A
Authority: JP
Inventors: 俊宮野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: US7262921B2; JP2006243017A; US20060193057A1

Description

本発明は、被観察領域を照明するために内視鏡装置に搭載される照明光学系に関し、特に、半径方向周辺部から中心部に近づくに従って屈折率が高くなるように構成された屈折率分布型レンズを備えた内視鏡照明光学系に関する。

従来、内視鏡装置に搭載される照明光学系においては、コアの屈折率が部位によらず一定の光ファイバにより構成されたライトガイドが多用されているが、このタイプのライトガイドには、その配光分布特性が、広角な対物レンズを備えた内視鏡に適合し得ない、すなわち、光軸からの角度が大きい周辺部に出射される光線の強度が、中心部に出射される光線の強度に比べて大きく減衰してしまうという問題がある。

例えば、コアの屈折率が１．６２、クラッドの屈折率が１．４８で開口数ＮＡが約０．６６となるライトガイドの配光分布（光軸と平行な出射光線の強度を基準（１００％）として、光軸に対し各角度で出射される光線の強度の割合を示したもの）を図３に示す。上記開口数ＮＡを、光軸からの角度に換算すると約４１．２度となるが、図３に示すように光軸からの角度が大きい出射光線は、角度の小さい光線に比べ、光ファイバの中を通る距離が長いなどの理由により減衰が大きく、光軸からの角度が２０度付近であっても配光強度は半減してしまう。

内視鏡に使用される対物レンズは画角（視野角）が１００度（半画角が５０度）を超える広角なものが多く、上述のような配光分布による照明では、周辺視野領域の画像が暗くなってしまうため、十分な観察を行なうことが困難となる。なお、ライトガイドの先端部に凹レンズを配置して、照明角度を広げている照明光学系も知られているが、元々不足がちな周辺部の光量を拡散させるだけであり、中心部に比べ周辺部の光量が少ない点は改善されていない。

一方、周辺部から中心部に近づくに従って屈折率が高くなる屈折率分布型レンズを備えた、より広角な内視鏡照明光学系の提案もなされている（下記特許文献１参照）。

特開平１０−５４９４５号公報

しかしながら、単に屈折率分布型レンズを用いただけでは、広い範囲を照明することはできても周辺部の光量が十分に得られないなど、内視鏡に適した配光分布を得ることはできず、好適な配光分布を得るためには、屈折率分布型レンズの屈折率分布や光軸方向の長さ等を適切に設定することが必要であることが分かってきた。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、十分な光量でより広角に照明することが可能な、屈折率分布型レンズを備えた内視鏡照明光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の内視鏡照明光学系では、屈折率分布型レンズの屈折率分布や光軸方向の長さ等を適切な範囲に設定するようにしている。

すなわち、本発明に係る内視鏡照明光学系は、
屈折率分布ｎ（ｒ）が以下の条件式（１）により近似的に表される屈折率分布型レンズを備え、ライトガイドにより導光された照明光を、前記屈折率分布型レンズを介して被観察領域に照射する内視鏡照明光学系であって、
前記屈折率分布型レンズが、以下の条件式（２）および（３）を満足するように構成されていることを特徴とするものである。

ｎ(ｒ) ＝Ｎ_０（１−（Ａ^２ｒ^２／２）） …… （１）
(ＡＲ)^２ ≦ ０.６ …… （２）
０．５ｋ＋０.３５ ≦ ＡＬ／π ≦ ０．５ｋ＋０.６５ …… （３）
ここで、Ｎ_０は前記屈折率分布型レンズの光軸上の屈折率、ｒは該光軸からの径方向の距離、Ｒは前記屈折率分布型レンズの有効半径、Ｌは前記屈折率分布型レンズの光軸方向の長さをそれぞれ示す。また、Ａは定数係数であり、ｋは非負の整数を示す。

なお、ｒ、Ｒ、Ｌの単位は全て同じ（例えば、ｒの単位がｍｍならば、Ｒ、Ｌの単位もｍｍ）であり、Ａの単位は、ｒ、Ｒ、Ｌの単位の逆数（例えば、ｒ、Ｒ、Ｌの単位がｍｍならば、Ａの単位はｍｍ^−１）である。

本発明の内視鏡照明光学系によれば、屈折率分布型レンズが上記条件式（２）および（３）を満足するように構成されていることにより、内視鏡に適した配光分布、すなわち十分な光量でより広角に照明し得る配光分布を得ることが可能となる。
したがって、内視鏡に搭載することにより、視野領域の周辺部においても明るい画像を得ることが容易となり、良好な観察、診断を行なうことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る内視鏡照明光学系の概略構成を示す図であり、図２は図１に示す屈折率分布型レンズ２の作用を示す図である。また、図３は図１に示すライトガイド１の配光分布の一例を示すグラフである。

図１に示すように本実施形態の内視鏡照明光学系は、照明光を導光するライトガイド１と、該ライトガイド１により導光された照明光を被観察領域に照射する屈折率分布型レンズ２とを備えてなる。上記ライトガイド１は、コアの屈折率が部位によらず一定に形成された、いわゆる階段屈折率型光ファイバを束ねて構成され、その配光分布は、例えば、光ファイバのコアの屈折率を１．６２、クラッドの屈折率を１．４８として、開口数ＮＡが約０．６６となるものの場合、図３に示すようになる。

一方、上記屈折率分布型レンズ２は、周辺部から中心部に近づくに従って屈折率が高くなるように構成されており、詳しくは、その屈折率分布ｎ（ｒ）が、課題を解決する手段の欄に示した条件式（１）（以下に再掲する）により、近似的に表されるものである。
ｎ(ｒ) ＝Ｎ_０（１−（Ａ^２ｒ^２／２）） …… （１）
ここで、Ｎ_０は光軸Ｘ上での屈折率、ｒは光軸Ｘからの径方向の距離、Ａは定数係数をそれぞれ示している。

この条件式（１）において定数係数Ａの値を、０．１，０．２，０．３，０．４，０．５と変化させたときの屈折率分布ｎ（ｒ）を図４および図５に示す。なお、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０が、図４ではＮ_０＝１．５の場合を示し、図５ではＮ_０＝１．８の場合を示している。

また、この屈折率分布型レンズ２は、図２に示すように、その光軸Ｘ方向の長さをＬとし、その有効半径をＲとしたとき、課題を解決する手段の欄に示した条件式（２）および（３）（以下に再掲する）を満足するように構成されている。
(ＡＲ)^２ ≦ ０.６ …… （２）
０．５ｋ＋０.３５ ≦ ＡＬ／π ≦ ０．５ｋ＋０.６５ …… （３）
ここで、ｋは非負の整数である。

このような屈折率分布型レンズ２によれば、上記ライトガイド１により導光された照明光を被観察領域に対して広角（最も広角に出射される光線の光軸Ｘに対する角度θ_ｍａｘ（図２参照）が５０度以上）に照射することができるとともに、その配光分布も内視鏡に好適なものとなっている。

なお、屈折率分布が上記条件式（１）を近似的に満足するような屈折率分布型レンズとしては、例えば、日本板硝子株式会社製のセルフォック（登録商標）が知られている。この種の屈折率分布型レンズにおいては、図６に示すように、光軸Ｘと平行にレンズに入射した光線が、周期２π／Ａの余弦曲線を描くように進行することが知られている（光学技術コンタクトｖｏｌ．２８Ｎｏ．８参照）。

すなわち、屈折率分布型レンズの周辺部に光軸Ｘと平行に入射した光線は概ね、１／４周期で光軸Ｘを横切り、１／２周期で反対側の周辺部を光軸Ｘと平行に通り、１周期（２π／Ａ）後に元の周辺部を光軸Ｘと平行に通ることになる。

上述した実施形態の屈折率分布型レンズ２は、その長さＬが、上記の１／４周期分に近い長さに設定されている。これにより、図３に示すような配光分布を持つ上記ライトガイド１から、屈折率分布型レンズ２の周辺部に光軸Ｘと略平行に入射した高強度の光線を、光軸Ｘに対して大きな角度を持たせて出射させることが可能となっている。

以下、本発明の内視鏡照明光学系について、実施例を示してさらに具体的に説明する。
以下に示す各実施例による内視鏡照明光学系の構成は、図１および図２に示す通りであり、上述した実施形態の説明において記した内容は、重複を避けるためその説明を省略する。以下、各実施例について具体的な配光分布のデータをグラフにして示す。

〈実施例１、２、３〉
図７は実施例１〜３の配光分布のグラフ（光軸に対し各角度で出射される光線のうち最も強度の大きい出射光線の強度を基準（１００％）として、各角度の出射光線の強度の割合を示したもの）を示している。なお、図７において入射配光として示されているグラフは、図３に示す、上記ライトガイド１の配光分布と基本的に同じものである。このことは、以下に説明する図９〜図１６についても同様である。

実施例１〜３は、全て、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．８とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、屈折率分布型レンズ２の長さＬが、実施例１では上記余弦曲線の３／１６周期分の長さに、実施例２では同４／１６周期分の長さに、実施例３では同５／１６周期分の長さに、それぞれ設定されている。また、屈折率分布型レンズ２の有効半径Ｒは、いずれも１．０（ｍｍ）とされている。

実施例１〜３の屈折率分布型レンズ２は、以下のように全て、上記条件式（２）および（３）（ｋ＝０の場合に対応、このことは以下の実施例４〜１５において同じ）を満たしている。
実施例１： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π＝０．３７５
実施例２： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π＝０．５
実施例３： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π＝０．６２５
なお、ＡＬ／πは、１周期分の長さを２π／Ａとして計算した値である。例えば、実施例１では、Ｌ＝（３／１６）×（２π／Ａ）なので、ＡＬ／π＝（３／１６）×２となる。

図７には比較のため、上記条件式（３）を満たしていない比較例１〜５の配光分布のグラフも示してある。図７に示すように実施例１〜３のものは、いずれも出射角度が５０度付近の光線でも強度が最大強度の３０％程度以上となっているのに対し、比較例１〜５のものでは、これがいずれも１５％以下となっている。したがって、実施例１〜３のものによれば、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

また、図７に示すように、実施例１〜３のうち出射角度が５０度付近の光線の強度が最も大きいのは、実施例２である。一方、出射角度が６０度を超える光線の配光分布は、実施例１の方が優れている。このことから、内視鏡用として好適な配光分布を有するのは、上記条件式（３）におけるＡＬ／πが０．５未満となる範囲、例えば、０．３５以上０．４９以下や、０．３６以上０．４６以下の範囲にあるものであるとも考えられる。

なお、上記条件式（３）の上限値０．６５および下限値０．３５は、実施例２のＡＬ／πの値０．５を中心に、実施例１、３の各ＡＬ／πの値０．６２５および０．３７５を共に含むように設定したものである。

また、図８は上記Ｎ_０を１．８、上記Ａを０．５（ｍｍ^−１）とした場合に、長さＬの変化に応じて出射光の中心部の光量がどの程度変化するのかを示すグラフ（入射光の中心部の光量を１としたときの光量比を示すもの）である。図８に示すように、実施例１〜３のものは、出射光の中心部の光量が入射光の中心部の光量の２０％程度となっていることが明らかである。

〈実施例４〉
図９は実施例４の配光分布のグラフを示している。
この実施例４は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．５とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝２．５（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。

この実施例４の屈折率分布型レンズ２は、以下のように、上記条件式（２）および（３）を満たしている。なお、π＝３．１４として計算している（このことは、以下の実施例５〜１５において同じ）。
実施例４： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．３９８

図９には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例４と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例６〜８の配光分布のグラフも示してある。図９に示すように実施例４のものは、比較例６〜８のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例５、６〉
図１０は実施例５、６の配光分布のグラフを示している。
実施例５は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．４（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．５とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝３．０（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。
また、実施例６は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）とされている以外は、実施例５と同じに設定されている。

実施例５、６は、以下のように全て、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例５： (ＡＲ)^２＝０．１６，ＡＬ／π≒０．３８２
実施例６： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．４７８

図１０には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例５、６と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例９、１０の配光分布のグラフも示してある。図１０に示すように実施例５、６のものは、比較例９、１０のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例７〉
図１１は実施例７の配光分布のグラフを示している。
この実施例７は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．６とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝２．５（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。

この実施例７は、以下のように、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例７： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．３９８

図１１には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例７と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例１１〜１３の配光分布のグラフも示してある。図１１に示すように実施例７のものは、比較例１１〜１３のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例８、９〉
図１２は実施例８、９の配光分布のグラフを示している。
実施例８は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．４（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．６とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝３．０（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。
また、実施例９は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）とされている以外は、実施例８と同じに設定されている。

実施例８、９は、以下のように全て、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例８： (ＡＲ)^２＝０．１６，ＡＬ／π≒０．３８２
実施例９： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．４７８

図１２には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例８、９と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例１４、１５の配光分布のグラフも示してある。図１２に示すように実施例８、９のものは、比較例１４、１５のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例１０〉
図１３は実施例１０の配光分布のグラフを示している。
この実施例１０は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．７とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝２．５（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。

この実施例１０は、以下のように、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例１０： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．３９８

図１３には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例１０と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例１６〜１８の配光分布のグラフも示してある。図１３に示すように実施例１０のものは、比較例１６〜１８のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例１１、１２〉
図１４は実施例１１、１２の配光分布のグラフを示している。
実施例１１は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．４（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．７とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝３．０（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。
また、実施例１２は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）とされている以外は、実施例１１と同じに設定されている。

実施例１１、１２は、以下のように全て、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例１１： (ＡＲ)^２＝０．１６，ＡＬ／π≒０．３８２
実施例１２： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．４７８

図１４には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例１１、１２と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例１９、２０の配光分布のグラフも示してある。図１４に示すように実施例１１、１２のものは、比較例１９、２０のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例１３〉
図１５は実施例１３の配光分布のグラフを示す図である。
この実施例１３は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．８とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、長さＬ＝２．５（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。

この実施例１３は、以下のように、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例１３： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．３９８

図１５には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例１３と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例２１〜２３の配光分布のグラフも示してある。図１５に示すように実施例１３のものは、比較例２１〜２３のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

〈実施例１４、１５〉
図１６は実施例１４、１５の配光分布のグラフを示す図である。
実施例１４は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．４（ｍｍ^−１）、光軸Ｘ上での屈折率Ｎ_０＝１．８とされた屈折率分布ｎ（ｒ）の屈折率分布型レンズ２を備えている。また、屈折率分布型レンズ２の長さＬ＝３．０（ｍｍ）、有効半径Ｒ＝１．０（ｍｍ）に設定されている。
また、実施例１５は、上記条件式（１）における定数係数Ａ＝０．５（ｍｍ^−１）とされている以外は、実施例１４と同じに設定されている。

実施例１４、１５は、以下のように全て、上記条件式（２）および（３）を満たしている。
実施例１４： (ＡＲ)^２＝０．１６，ＡＬ／π≒０．３８２
実施例１５： (ＡＲ)^２＝０．２５，ＡＬ／π≒０．４７８

図１６には比較のため、上記定数係数Ａの値のみが実施例１４、１５と異なる、上記条件式（３）を満たしていない比較例２４、２５の配光分布のグラフも示してある。図１６に示すように実施例１４、１５のものは、比較例２４、２５のものに比較して、被観察領域の周辺部においても明るく照明することが可能となっていることが明らかである。

なお、上述した各実施例のものは、屈折率分布型レンズ２が、上記条件式（３）においてｋ＝０の場合に対応しているが、本発明に係る屈折率分布型レンズは、上記条件式（３）においてｋ＝０の場合に対応するものに限られるものではなく、ｋ＝１，２，３…の任意の整数の場合にそれぞれ対応するものを用いることが可能である。

本発明の一実施形態に係る内視鏡照明光学系を示す概略図図１に示す屈折率分布型レンズの作用を示す図図１に示すライトガイドの配光分布の一例を示すグラフＡの値による屈折率分布ｎ（ｒ）の変化を示すグラフ（Ｎ_０＝１．５）Ａの値による屈折率分布ｎ（ｒ）の変化を示すグラフ（Ｎ_０＝１．８）屈折率分布型レンズの作用を示す図実施例１〜３、比較例１〜５の配光分布を示すグラフ長さＬによる出射光の中心部の光量の変化を示すグラフ実施例４、比較例６〜８の配光分布を示すグラフ実施例５，６、比較例９，１０の配光分布を示すグラフ実施例７、比較例１１〜１３の配光分布を示すグラフ実施例８，９、比較例１４，１５の配光分布を示すグラフ実施例１０、比較例１６〜１８の配光分布を示すグラフ実施例１１，１２、比較例１９，２０の配光分布を示すグラフ実施例１３、比較例２１〜２３の配光分布を示すグラフ実施例１４，１５、比較例２４，２５の配光分布を示すグラフ

符号の説明

１ライトガイド
２屈折率分布型レンズ
２π／Ａ光軸と平行に屈折率分布型レンズに入射した光線の周期
θ_ｍａｘ最も広角に出射される光線の光軸に対する角度
Ｌ（屈折率分布型レンズの光軸方向の）長さ
Ｒ（屈折率分布型レンズの）有効半径
Ｘ光軸

Claims

屈折率分布ｎ（ｒ）が以下の条件式（１）により近似的に表される屈折率分布型レンズを備え、ライトガイドにより導光された照明光を、前記屈折率分布型レンズを介して被観察領域に照射する内視鏡照明光学系であって、
前記屈折率分布型レンズが、以下の条件式（２）および（３）を満足するように構成されていることを特徴とする内視鏡照明光学系。
ｎ(ｒ) ＝Ｎ_０（１−（Ａ^２ｒ^２／２））・・・（１）
(ＡＲ)^２ ≦ ０.６・・・（２）
ｋ＋０.３５ ≦ ＡＬ／π ≦ ｋ＋０.４９・・・（３）
ここで、Ｎ_０は前記屈折率分布型レンズの光軸上の屈折率、ｒは該光軸からの径方向の距離、Ｒは前記屈折率分布型レンズの有効半径、Ｌは前記屈折率分布型レンズの光軸方向の長さをそれぞれ示す。また、Ａは定数係数であり、ｋは非負の整数を示す。
以下の条件式（３′）を満足することを特徴とする請求項１記載の内視鏡照明光学系。
ｋ＋０.３６ ≦ ＡＬ／π ≦ ｋ＋０.４６・・・（３′）