JP2002186578A - ライトガイドおよび内視鏡 - Google Patents
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Abstract
る。 【解決手段】 ライトガイドLGにおいて、出射端面の
中心部から出射される光の量が、出射端面の周辺部から
出射される光の量に比べて相対的に少なくなるようにす
る。例えば、ライトガイドLGの出射端近傍に、光を遮
光するマスク42を設ける。マスク42は、例えば円形
のものであり、光軸Z0を中心として配置されている。
マスク42が設けられていることにより、出射端面にお
ける中心部の出射光が光軸Z0を中心として遮光され
る。
Description
に利用されるライトガイド、およびライトガイドによっ
て導かれた照明光によって観察対象物を照明して観察を
行う内視鏡に関する。
察を行うための医療用のものと水道管などの観察を行う
ための工業用のものとがある。内視鏡の観察対象となる
体腔内などは通常、暗所であるから、その観察を行うた
めには外部から照明を行う必要がある。内視鏡の照明手
段としては、ライトガイドを使用するのが一般的であ
る。ライトガイドは、多数の光学繊維(光ファイバ)を
束ねたものであり、一方の端部(入射端)から入射され
た照明用の光を、他方の端部(出射端)から出射するよ
うになっている。
照明状態を改良するために様々な方策が試みられている
が、その主たる目的は、配光分布を視野の中心から周辺
までできるだけ平坦にすることである。ライトガイドを
用いた照明では、通常、視野の中心部の配光が周辺部に
比べて明るくなりすぎる傾向がある。そのために、従来
から、ライトガイドの出射端に配設される照明光学系を
改良した提案が種々なされている。従来の提案によって
もそれなりに配光分布の平坦化の効果が発揮されている
が、配光分布のさらなる平坦化が要求される場合があ
る。
ので、その目的は、配光分布の平坦化を図ることができ
るライトガイドおよび内視鏡を提供することにある。
ドは、出射端面の中心部から出射される光の量が、出射
端面の周辺部から出射される光の量に比べて相対的に少
なくなるように構成されているものである。本発明によ
るライトガイドは、より具体的には、例えば、出射端近
傍に、出射端面の中心部から出射される光を部分的また
は完全に遮る遮光手段を設けたものである。また、光学
繊維を、出射端面の中心部において疎、周縁部において
密となるように配置して構成しても良い。
するための照明手段と、この照明手段によって照明され
た観察対象物を観察するための観察手段とを備え、照明
手段として、ライトガイドと、このライトガイドの出射
端側に配設された照明光学系とを有し、ライトガイド
を、上述の本発明によるライトガイドで構成したもので
ある。
の中心部から出射される光の量が、出射端面の周辺部か
ら出射される光の量に比べて相対的に少なくなり、従来
明るくなりがちだった中心部の光量が落とされ、配光分
布が全体的に平坦化される。
イトガイドによって平坦化された配光分布の照明がなさ
れるので、観察しやすい環境が得られる。
て図面を参照して詳細に説明する。
鏡の概略を示している。この内視鏡10は、操作者によ
って操作される手元操作部11と、この手元操作部11
の一端に連設され、観察対象部分に挿入される挿入部1
2とを備えている。挿入部12は、手元操作部側から順
に、軟性部12Aと、アングル部12Bと、先端硬質部
12Cとを有している。アングル部12Bは、先端硬質
部12Cを所望の方向に向けるためのものであり、手元
操作部11の操作に応じて湾曲させることが可能となっ
ている。
の他端に連設された軟性ケーブル13を備えている。軟
性ケーブル13には、光伝送用のケーブル14と、像伝
送用のケーブル15とが挿通されている。
の光学繊維41を束ねて構成されたライトガイドLG
(図3参照)が挿通されている。ライトガイドLGの一
端(光の入射端)は、光源装置16に接続され、他端
(光の出射端)は、先端硬質部12Cにまで延在してい
る。光源装置16は、図示しないが、光源としてのラン
プとこのランプからの光をライトガイドLGの入射端に
集光するための集光用レンズとを含んで構成されてい
る。像伝送用のケーブル15は、いわゆる電子内視鏡
(ビデオ内視鏡)のように観察系がCCD(電荷結合素
子)などを用いて像の伝送を電子的に行うものである場
合には、電気的な信号線によって構成される。この場
合、ケーブル15を構成する信号線の一端は、図示しな
い信号処理回路に接続され、その信号処理後の映像が図
示しないモニタなどに出力される。また、光学式の内視
鏡のように像の伝送を光学的に行う場合には、像伝送用
のケーブル15は多数の光学繊維を束ねたイメージガイ
ドによって構成される。この場合、イメージガイドの一
端は、図示しない接眼光学系に光学的に接続され、イメ
ージガイドによって伝送された光学像が接眼光学系を介
して出力される。信号線またはイメージガイドの他端
は、先端硬質部12Cにまで延在している。
を示している。先端硬質部12Cの先端には、観察窓2
1と、一対の照明窓22(22A,22B)と、処置具
導出口23と、ノズル24とが設けられている。処置具
導出口23は、鉗子その他の処置具を導出させるための
ものである。ノズル24は、観察窓21に向けて洗浄用
の流体を供給するためのものである。
において、例えば中央部に配置されている。この観察窓
21は、観察対象物を観察するためのものであり、内部
には観察用の対物光学系が装着されている。対物光学系
の結像側には、CCDなどの撮像装置またはイメージガ
イドなどが配置される。ここで、本実施の形態におい
て、観察窓21から対物光学系を経て像伝送用のケーブ
ル15に至る構成部分が、本発明における「観察手段」
の一具体例に対応する。
からほぼ等しい距離だけ離間した位置に配置されてい
る。なお、照明窓22は、2つに限らず、1つのみまた
は3つ以上設けられていても良い。この照明窓22は、
観察対象物を照明するためのものであり、内部には図3
に示したような照明光学系30が装着されている。
成を示している。なお、図3において、符号Zobjで
示す側が観察側(照明窓側)、すなわち、照明光を照射
する側である。ライトガイドLGの出射端側には照明光
学系30が設けられている。照明光学系30は、ライト
ガイドLGによって導かれた光源装置16からの照明光
を発散させ、照明範囲を広げる機能を有している。照明
光学系30は、図3に示したように凹レンズによって構
成されていても良いが、後述の実施例に係る照明光学系
30B(図11)のように複数の凸レンズを組み合わせ
た構成であっても良い。
部から出射される光の量が、出射端面36の周辺部から
出射される光の量に比べて相対的に少なくなるように構
成されている。
の構造の一例を示している。図4に示した構成例は、ラ
イトガイドLGの出射端近傍に、光を遮光するマスク4
2を設けたものである。マスク42は、例えば円形のも
のであり、光軸Z0を中心として配置されている。ただ
し、マスク42の形状は、円形に限らず例えば多角形状
であっても良い。マスク42は、例えば、接着剤によっ
てライトガイドLGの出射端面36に直接取り付けられ
る。マスク42は、例えばステンレス板を黒色処理する
ことなどによって構成しても良いし、ガラスなどに遮光
性を有する物質を蒸着して構成しても良い。マスク42
の材料は、光を遮ることが可能なものであれば良く、特
に限定されない。マスク42が設けられていることによ
り、出射端面36における中心部の出射光が光軸Z0を
中心として遮光される。図4に示した構成では、マスク
42を付加するだけなので、従来のライトガイドを利用
することも可能であり簡便な構成である。
端面を保護するための保護ガラスが設けられている場合
には、その保護ガラスの中心部に遮光性を有する物質を
蒸着することにより、マスク42と同等の機能を持たせ
ることも可能である。
ように構成されていても良いし、光を部分的に遮光する
ように構成されていても良い。例えば、マスク42の光
の透過率を周辺に向かうに従い高くなるように構成し
て、遮光の度合いを中心から周辺に向かうに従い、段階
的に少なくなるようにしても良い。このような構成は、
例えば、ガラスなどに遮光性を有する物質を蒸着してマ
スク42を構成し、その透過の度合いを中心と周辺とで
変えることにより実現できる。
示している。図5に示した構成例は、ライトガイドLG
を構成する光学繊維41を、出射端面36の中心部43
において疎、周縁部において密となるように配置したも
のである。光学繊維41の配置をこのような状態にする
方法としては、出射端の中心部43に例えば針状の部材
をくさびのように打ち込む方法がある。図4のマスク4
2を設ける構成では、中心部の光を遮光するので光量の
損失が生じるが、図5に示した構成では、すべての光学
繊維41からの光を利用することができるので、光量の
損失がないという利点がある。
は、ライトガイドLGの出射端から、出射光が、周辺部
の光の量に比べて中心部の光の量が相対的に少ない状態
で出射される。これにより、従来明るくなりがちだった
中心部の光量が落とされる。ライトガイドLGからの出
射光は、次に、照明光学系30に入射して発散させられ
る。照明光学系30を出射後の光線の発散角は、ライト
ガイドLGの出射端面36を出射後の光線の発散角より
も大きくなる。また、照明光学系30を通過することに
よって、光線の配光分布が均一化される。本実施の形態
では、ライトガイドLGの出射端において中心部の光の
量が相対的に少ない状態で出射されるので、照明光学系
30を経たあとの配光分布が、従来に比べて視野の中心
から周辺まで平坦化される。このようにして、照明光学
系30によって発散され、配光分布が均一化された光
が、照明窓22(図2)を介して照明光として観察対象
物に照明される。照明された観察対象物は、先端硬質部
12Cの観察窓21から観察される。
トガイドLGによって得られる配光分布の具体的な数値
実施例について説明する。なお、本実施例は、ライトガ
イドLGが視野角140度の内視鏡に使用されることを
想定したものである。
図6に示したように、ライトガイドLGの出射端側に凹
面を向けた凹レンズからなる照明光学系30Aを使用し
た例について示す。凹レンズの径や凹面の曲率半径の値
は図示した通りである。なお、図中の数値の単位はミリ
メートルである。凹レンズを構成するガラスのd線(波
長λd=587.6nm)に対する屈折率Ndは、1.883と
なっている。ライトガイドLGのコア径は、1.55mm
である。
ての配光特性(配光分布)を数値で示したものである。
また、図8は、図9に示した配光特性を示す数値を、横
軸を角度、縦軸を光量比としたグラフ上にプロットした
ものである。図7では、図6に示した構成の照明系にお
いて、ライトガイドLGの出射端面36に、径が0.4
mmのマスクを設けた場合の配光特性が“実施例1-1”の
項目に示されている。なお、図7および図8では、実施
例1-1に対する比較例についての配光特性も同時に示さ
れている。比較例としては、図6に示した構成の照明系
においてライトガイドLGの出射端にマスクを設けなか
った場合(比較例1A)と、ライトガイドLGのコア径
を小さくした場合(比較例1B)との2つを示す。比較
例1Bは、本実施例とは逆に、ライトガイドLGの周辺
部にマスクを設けて周辺部の光を遮光した場合を想定し
たものであり、ライトガイドLGのコア径を1.35mm
としている。
する角度を示す。“入射”の項目で示した数値は、ライ
トガイドLGの出射端面36から出射された光の配光、
すなわち、照明光学系30Aに入射する光についての配
光を示す。“実施例1-1”、“比較例1A”および“比
較例1B”の項目で示した数値は、“入射”の項目で示
した配光状態でライトガイドLGの出射端面36から照
明光学系30Aに入射した光が、照明光学系30Aを通
過したあとの状態における配光を示す。各項目につい
て、配光を示す数値は、最も光量の大きい角度での光量
を100としたときの各々の角度での光量比の値であ
る。
光分布の角度を比較的狭くした例を示している。より具
体的には、ライトガイドLGのコア、クラッドを構成す
る媒質の屈折率がそれぞれ1.62、1.52で、開口数NA=
0.56(θ=34度)を想定したものである。
配光分布は、入射端側の光源の配光による影響も大き
い。しかしながら、ライトガイドLGのNAはライトガ
イドLGのコア、クラッドを構成する媒質の屈折率で決
まる。すなわち、ライトガイドLGのコア、クラッドを
構成する媒質の屈折率をそれぞれn1,n2とすると、 NA=(n1 2−n2 2)1/2=sinθ である。θは、ライトガイドLGへの照明光の入射角で
ある。
角度を比較的広くした例を図9および図10に示す。図
9は、図7と同様に、配光特性(配光分布)を数値で示
したものである。図10は、図9に示した配光特性を示
す数値を、横軸を角度、縦軸を光量比としたグラフ上に
プロットしたものである。図9における各数値の示す意
味は図7と同様である。
ッドを構成する媒質の屈折率がそれぞれ1.66、1.48で、
開口数NA=0.76(θ=50度)を想定している。図9
では、図7の例と同様に、図6に示した構成の照明系に
おいて、ライトガイドLGの出射端面に、径が0.4mm
のマスクを設けた場合の配光特性が“実施例1-2”の項
目に示されている。また、図9および図10では、実施
例1-2に対する2つの比較例1A,1Bについての配光
特性も同時に示されている。比較例1A,1Bの条件に
ついてはNAの値が0.76であること以外は図7の例と同
様である。
図11に示したように、ライトガイドLGの出射端側に
凸レンズ系からなる照明光学系30Bを使用した例につ
いて示す。
側(ライトガイドLGの出射端側)の面を1番目とし
て、観察側に向かうに従い順次増加するi番目の面の曲
率半径を示す。符号Diは、i番目の面とi+1番目の
面との光軸上の面間隔を示す。
ライトガイドLGの出射端側から順に、光学素子31
と、2つの平凸レンズ32,33とを備えている。2つ
の平凸レンズ32,33は、互いに組レンズの構成をな
している。平凸レンズ32は、観察側に凸面を向けてい
る。もう一方の平凸レンズ33は、ライトガイドLGの
出射端側に凸面を向けている。
あり、中心部の部材であるコア31Aの周りにコア31
Aよりも屈折率の低いクラッド31Bを配設した構成と
なっている。光学素子31は、全体として平凸形状に構
成されており、ライトガイド側の面(R1)が平面形
状、観察側の面(R2)が凸形状となっている。光学素
子31は、観察側の面が凸形状となっていることによ
り、光の出射側が凸レンズの機能を有している。光学素
子31は、また、ライトガイドLGの出射端から周辺部
(側面部)に入射した光を、その屈折率差によってコア
31Aとクラッド31Bとの境界面34で全反射させる
機能を有している。これにより、ライトガイドLGから
の光線を照明光として無駄なく使用している。
的な数値で示している。図12における面番号Siは、
最も出射端側(ライトガイドLGの出射端側)の面を1
番目として、観察側に向かうに従い順次増加する面の番
号を示している。屈折率Ndiは、d線に対する値を示
している。曲率半径Riは、図11に示した符号Riと
同様に、最も出射端側からi番目のレンズ面の曲率半径
を示している。面間隔Diについても、図11に示した
符号Diと同様であり、出射端側からi番目の面Siと
i+1番目の面Si+1との光軸上の間隔を示す。曲率
半径Riおよび面間隔Diの値の単位はミリメートルで
ある。なお、図中、曲率半径Riの値が0(ゼロ)の面
は、面形状が平面であることを示す。また、図12に
は、ライトガイドLGの最も出射端側に配置された光学
素子31のコア径φの値についても示す。
ついての配光特性(配光分布)を数値で示したものであ
る。また、図14は、図13に示した配光特性を示す数
値を、横軸を角度、縦軸を光量比としたグラフ上にプロ
ットしたものである。図13における各数値の示す意味
は図7と同様である。
において、ライトガイドLGの出射端面36に、径が
0.4mmのマスクを設けた場合の配光特性が“実施例2-
1”の項目に示されている。なお、図13および図14
では、実施例2-1に対する比較例についての配光特性も
同時に示されている。比較例としては、図11に示した
構成の照明系において、実施例1と同様に、ライトガイ
ドLGの出射端にマスクを設けなかった場合(比較例2
A)と、ライトガイドLGのコア径を小さくした場合
(比較例2B)との2つを示す。比較例2Bは、本実施
例とは逆に、ライトガイドLGの周辺部にマスクを設け
て周辺部の光を遮光した場合を想定したものであり、ラ
イトガイドLGのコア径を1.35mmとしている。
配光分布の角度を比較的狭くした例を示している。より
具体的には、ライトガイドLGのコア、クラッドを構成
する媒質の屈折率がそれぞれ1.62、1.52で、開口数NA
=0.56(θ=34度)を想定したものである。
て、ライトガイドLGからの配光分布の角度を比較的広
くした例を図15および図16に示す。図15は、図1
3と同様に、配光特性(配光分布)を数値で示したもの
である。図16は、図15に示した配光特性を示す数値
を、横軸を角度、縦軸を光量比としたグラフ上にプロッ
トしたものである。図15における各数値の示す意味は
図7と同様である。
ラッドを構成する媒質の屈折率がそれぞれ1.66、1.48
で、開口数NA=0.76(θ=50度)を想定している。
図15では、図13の例と同様に、図11に示した構成
の照明系において、ライトガイドLGの出射端面に、径
が0.4mmのマスクを設けた場合の配光特性が“実施例
2-2”の項目に示されている。また、図15および図1
6では、実施例2-2に対する2つの比較例2A,2Bに
ついての配光特性も同時に示されている。比較例2A,
2Bの条件についてはNAの値が0.76であること以外は
図13の例と同様である。
ガイドLGの出射端面36にマスクを設けた各実施例の
方が各比較例に比べて配光分布の均一化が図られてい
る。さらに、各図に示した配光特性から、以下のことが
いえる。従来、照明光学系として多く使用されている凹
レンズのみで構成された系は、NAの大きいライトガイ
ドLGに対して配光の均一化を図るのに有利とされてき
た。一方、本実施例のマスクを用いた光学系では、むし
ろNAの小さいライトガイドLGに対して配光の均一
化、平坦化の効果が大きい(図8、図14)。NAの大
きいライトガイドLGでは、一般に高屈折率の部材をコ
アに使用するが、高屈折率の部材は着色しやすく、透過
率の低下をまねきやすい。また、ライトガイドLGのN
Aを大きくする場合には、ライトガイドLGの入射端に
入射角度の大きい光線を入射させなければならない。こ
れは、光源の大型化と、光源からの光をライトガイドL
Gに入射させるための光源用光学系の大型化とをまね
く。本実施例の光学系では、NAの小さいライトガイド
において均一化、平坦化の効果が大きいので、透過率や
光源側の構成の点において有利であり、ライトガイドL
Gの低コスト化と光源側の構成の小型化を図ることがで
きる。
トガイドLGによれば、出射端面36の中心部から出射
される光の量が、出射端面36の周辺部から出射される
光の量に比べて相対的に少なくなるようにしたので、従
来に比べて配光分布の平坦化を図ることができる。
ば、本実施の形態のライトガイドLGによって平坦化さ
れた配光分布の照明がなされるので、観察しやすい環境
を得ることができる。
れず種々の変形実施が可能である。例えば、本発明によ
るライトガイドは、内視鏡に限らず、ライトガイドを用
いるものに広く適用可能である。
明光学系は、実施例で示した構成(図6,図11)以外
のものであっても良い。他の構成の照明光学系を使用し
ても、本発明のライトガイドによる配光分布の平坦化の
効果を得ることができる。例えば、図11では、単一の
光学部材で構成された光学素子31によって、光の反射
機能と凸レンズとしての機能とを持たせるようにした
が、光学素子31が有する機能を、光の反射機能を持っ
た光学部材と凸レンズとの2つの部品を用いて構成して
も良い。この場合、光学部材による反射機能は、図11
の光学素子31と同様に、コア部材とクラッド部材との
屈折率差を利用した全反射によるものであっても良い
し、光学部材の周囲をメッキすることによる鏡面反射を
利用したものであっても良い。また、図11の照明光学
系30Bは、すべての構成要素が平凸形状で構成されて
いたが、少なくとも一つの構成要素が両凸形状であって
も良い。
のいずれか1項に記載のライトガイドまたは請求項6な
いし10のいずれか1項に記載の内視鏡によれば、出射
端面の中心部から出射される光の量が、出射端面の周辺
部から出射される光の量に比べて相対的に少なくなるよ
うに構成したので、配光分布の平坦化を図ることができ
る。
請求項7記載の内視鏡によれば、出射端近傍に、出射端
面の中心部から出射される光を部分的または完全に遮る
遮光手段を設けることにより、出射端面の中心部から出
射される光の量を抑制するようにしたので、従来のライ
トガイドを利用することも可能であり簡便である。
たは請求項8記載の内視鏡によれば、光学繊維を、出射
端面の中心部において疎、周縁部において密となるよう
に配置するようにしたので、すべての光学繊維からの光
を利用することができ、光量の損失がない。これによ
り、光量を損失させることなく、配光分布の平坦化を図
ることができる。
す全体構成図である。
の概略構成を示す外観図である。
びその照明光学系の構成を一部破断して示す外観図であ
る。
射端面の構成例を示す外観図である。
射端面の他の構成例を示す外観図である。
って得られる配光分布の第1の具体的な数値実施例(実
施例1)に使用した照明光学系の構成を示す断面図であ
る。
構成の照明系を使用して得られた配光特性を示す説明図
である。
て示す特性図である。
構成の照明系を使用して得られた配光特性を示す説明図
である。
して示す特性図である。
よって得られる配光分布の第2の具体的な数値実施例
(実施例2)に使用した照明光学系の構成を示す断面図
である。
数値で示した説明図である。
した構成の照明系を使用して得られた配光特性を示す説
明図である。
化して示す特性図である。
した構成の照明系を使用して得られた配光特性を示す説
明図である。
化して示す特性図である。
部、12…挿入部、12A…軟性部、12B…アングル
部、12C…先端硬質部、16…光源装置、21…観察
窓、22A,22B…照明窓、30,30A,30B…
照明光学系、36…出射端面、41…光学繊維、42…
マスク。
Claims (10)
- 【請求項1】 多数の光学繊維を束ねて構成されると共
に、照明光を前記光学繊維によって導いて出射端から出
射するよう構成されたライトガイドにおいて、 出射端面の中心部から出射される光の量が、出射端面の
周辺部から出射される光の量に比べて相対的に少なくな
るように構成されていることを特徴とするライトガイ
ド。 - 【請求項2】 前記出射端近傍に、前記出射端面の中心
部から出射される光を部分的または完全に遮る遮光手段
が設けられていることを特徴とする請求項1記載のライ
トガイド。 - 【請求項3】 前記光学繊維が、前記出射端面の中心部
において疎、周縁部において密となるように配置されて
いることを特徴とする請求項1記載のライトガイド。 - 【請求項4】 さらに、出射端側に、平凹レンズで構成
された照明光学系を備えたことを特徴とする請求項1な
いし3のいずれか1項に記載のライトガイド。 - 【請求項5】 出射端側から順に、側面部が光の反射機
能を有すると共に、光の出射側が凸レンズの機能を有し
た光学素子と、少なくとも一つの凸レンズとを有した照
明光学系を、さらに、出射端側に備えたことを特徴とす
る請求項1ないし3のいずれか1項に記載のライトガイ
ド。 - 【請求項6】 観察対象物を照明するための照明手段
と、この照明手段によって照明された観察対象物を観察
するための観察手段とを備えた内視鏡であって、 前記照明手段は、多数の光学繊維を束ねて構成されたラ
イトガイドと、このライトガイドの出射端側に配設され
た照明光学系とを有し、 前記ライトガイドは、 出射端面の中心部から出射される光の量が、出射端面の
周辺部から出射される光の量に比べて相対的に少なくな
るように構成されていることを特徴とする内視鏡。 - 【請求項7】 前記ライトガイドの出射端近傍に、前記
出射端面の中心部から出射される光を部分的または完全
に遮る遮光手段が設けられていることを特徴とする請求
項6記載の内視鏡。 - 【請求項8】 前記ライトガイドの光学繊維が、前記出
射端面の中心部において疎、周縁部において密となるよ
うに配置されていることを特徴とする請求項6記載の内
視鏡。 - 【請求項9】 前記照明光学系は、平凹レンズで構成さ
れていることを特徴とする請求項6ないし8のいずれか
1項に記載の内視鏡。 - 【請求項10】 前記照明光学系は、 出射端側から順に、 側面部が光の反射機能を有すると共に、光の出射側が凸
レンズの機能を有した光学素子と、 少なくとも一つの凸レンズとを有することを特徴とする
請求項6ないし8のいずれか1項に記載の内視鏡。
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