JPH0373844B2 - - Google Patents

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JPH0373844B2
JPH0373844B2 JP56009933A JP993381A JPH0373844B2 JP H0373844 B2 JPH0373844 B2 JP H0373844B2 JP 56009933 A JP56009933 A JP 56009933A JP 993381 A JP993381 A JP 993381A JP H0373844 B2 JPH0373844 B2 JP H0373844B2
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light guide
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    • A61B1/00064—Constructional details of the endoscope body
    • A61B1/00071—Insertion part of the endoscope body
    • A61B1/0008—Insertion part of the endoscope body characterised by distal tip features
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B1/07—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements using light-conductive means, e.g. optical fibres
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は画角の広い内視鏡に用いる照明系に関
するものである。
従来の内視鏡用照明系は第１図に示すような構
成で、内視鏡１内に内視鏡用光学系２と並び配置
された光学系３でライトガイド３ａと凹レンズ３
ｂとからなつている。ところが近年内視鏡の画角
が100゜以上に増大するようになつたため、第１図
に示すような従来の照明系では内視鏡の画角周辺
まで充分明るく照明することが困難である。その
理由は、画角周辺まで明るく照明しようとして凹
レンズ３ｂのパワーを強くすると、第２図に示す
光線L1のように全反射したり、光線L2のように
凹レンズのコバ（側面）に当つたりする光線がふ
え光量を損失するためである。また凹レンズの側
面に光が当たるのをさけるためには凹レンズの外
径を大にしなければならず、内視鏡の径が増大し
好ましくない。この従来の内視鏡用照明系の欠点
を除去するために第３図に示すようにライトガイ
ド４の出射端面を斜めに切り、端面での光の屈折
を利用して照明系の配光を広げることが考え出さ
れた。しかしながらこの方法では配光を広げるた
めにライトガイド４の出射端４ａがライトガイド
の軸４ｂとなす角を小さくすると第４図に示すよ
うに出射端４ａで全反射され光量の損失を生ず
る。また第３図から明らかなように照明範囲を２
ｐ以上に広げることは原理的に不可能である。以
上の理由から実際的には第３図に示す照明系は画
角120゜以上の内視鏡には使用できない。
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、光学
繊維束を用いたライトガイドとその前に配置され
た筒状反射体とから成る内視鏡用照明系におい
て、前記筒状反射体の入射端面及び前記ライトガ
イドの出射端面の形状並びにこれらの位置関係を
適正に設定することにより、極めて広い範囲を照
明し得るようにした内視鏡用照明系を提供するこ
とにある。
以下図示する各実施例にもとづき本発明の照明
系の詳細な内容を説明する。第５図は本発明の一
実施例を示すもので、ライトガイド１０ａの前に
入射端面１１ａを斜めに切断した筒状反射体１１
を配置したものである。ここで用いる筒状反射体
としてはガラス棒、単フアイバー、内面がなめら
かな金属パイプ、側面をメツキしたガラス棒など
が考えられる。しかし反射面の反射率が高い点、
組立中等に反射面を汚しても反射率を低下させる
ことがない点、安価である点等から単フアイバー
が優れている。
第６図は上記の実施例において筒状反射体とし
て入射端面を斜めに切断した単フアイバーを用い
たもので、その軸と入射面の最大傾斜方向を含む
平面で切つた断面（以下子午面という）を拡大し
て示したものである。ライトガイドの各繊維から
出る光のうち繊維の軸に平行な光が最大の強度を
もつ。このような繊維の軸に平行な光線のうち二
つの光線L3，L4を考えると、第６図に示すよう
に光線L3は単フアイバー１１の側面で１回反射
した後出射端面で屈折されて出て左方へ単フアイ
バーの軸１１ｂとなす角がθの方向へ進む。また
光線L4は単フアイバーの側面で２回反射した後
右方の角θ方向へ進む。更にライトガイドの軸に
平行でない光線L′3，L′4は同様に単フアイバーの
側面で反射されその出射端面にて屈折されて物体
側へ広がつて行く。そのため第６図に示す照明系
による配光特性は第７図に示すような単フアイバ
ーの軸に対し角±θの方向に山Ｈを持つ形にな
る。単フアイバーの入射端の傾斜角をα、単フア
イバーのコアーの屈折率をncとすると角θは次の
式(1)で与えられる。
θ＝sin-1（ncsinα） ……(1) したがつて例えばα＝32゜，nc＝1.8であればθ
＝72゜53′となるから、画角140゜を越えるような広
角な内視鏡でも、画角周辺まで充分明るく照明す
ることができる。尚中央部の光量が落ちるのは別
の照明系を加えることによつて解消し得る。また
α≧sin-1（１／nc）となると単フアイバーの出射端 面で光線L3，L4が全反射するようになるので好
ましくない。実用上はnc≧1.68であるのでα＜
36゜5′であることが望ましい。
以上の説明は子午面内について行なつたが、子
午面と垂直な方向の光の広がりについてはフアイ
バーの特性として既に知られているように筒状反
射体の長さが充分長い時は同じような光の広がり
となる。したがつて第８図のように円形状に光量
の最大な部分Ｈのあるものとなる。また配光がほ
ぼ均一となるためには後に述べるライトガイドの
軸に平行な子午面内の光線の筒状反射体側面での
反射回数Ｍが１以上であることが望ましい。また
長い筒状反射体を用いることができない場合第９
図に示すように二つの筒状反射体１２，１３をそ
の子午面が互い直交するように90゜ずらして配置
すればよい。この第９図の変形例としては第１０
図や第１１図（第１０図のＢはＡを矢印方向から
みた図である）のように単フアイバーの入射端面
を角錐形即ち傾斜の向きに異なる複数の面から成
る多面体状に研磨し、研磨した複数の面を入射面
にしそれぞれにライトガイドを配置してもよい。
これら第９図、乃至第１１図のようにすれば筒状
反射体の長さが短くても均一な照明をすることが
できる。
これらの例の場合でもライトガイドの軸に平行
な光線で子午面内のライトガイドからの出射光線
のうち筒状反射体で少なくとも一回反射するよう
なものが存在するような長さであることが望まし
い。
以上本発明の照明系が広角な照明が可能である
こと等の定性的な説明を行なつた。次に実際の内
視鏡の照明系として用いる場合に、筒状反射体の
入射端面の傾き角α、その直径ｄ、長さＬと、内
視鏡の画角2ωとの間の関係について述べる。第
１２図（第６図を更に拡大して示したもの）にお
いてライトガイド１０から単フアイバー１１へ入
射する光線のうちライトガイドの軸とのなす角が
最大のものをL′3とし、そのライトガイドの軸と
のなす角をβとすると次の関係が成立つ。
sinβ＝１／ncsinβa ……(2) ただしβaは第１３図に示すようにライトガイド
から空気中に光が出るときのライトガイドの軸と
最大の角度を持つ光線とのなす角である。第１２
図に示す光学系で子午面内で考える限り光線L′3
は単フアイバー出射端で屈折後最大屈折角θnをも
つ。内視鏡の画角を2ωとすると照明が画面全体
にゆきわたるためにはθn≧ωでなければない。θn
は次の式(3)で与えられるので、第１２図に示す光
学系では下記の式(4)を満足しなければらない。
θn＝sin-1｛ncsin（α＋β）｝ ……(3) sin-1｛ncsin（α＋β）｝≧ω ……(4) 単フアイバーのクラツドの屈折率をnRとすると
単フアイバーから角度ωで出射される光線が単フ
アイバー側面で全反射するためには次の式(5)を満
足しなければらない。
√2 c−2 R≧nω ……(5) 実用上はnR≒1.5、ω≧50゜であるから nc≧1.68であることが望ましい。
次に単フアイバーの入射端におくライトガイド
の位置について考える。ライトガイドの太さが筒
状反射体（単フアイバー）の太さに比べて細い場
合、例えば第１４図に示すような位置関係ではラ
イトガイドの軸に平行な子午面内光線はすべて左
の方へ反射されて照明むらが生ずる。これはライ
トガイドの各繊維から出た光のうちライトガイド
の軸に平行な光線の単フアイバー側面での反射回
数がすべて同じ場合に起る。第６図に示す光学系
の場合光線L3の反射回数は１回で、光線L4の反
射回数は２回で、そのため照明むらが生じない。
このように著しい照明むらが生じないためにはラ
イトガイドの軸に平行な光線の反射回数がすべて
等しくはないことが条件になる。単フアイバー入
射端の任意の点Ｑから入射したライトガイドの軸
に平行な光線の反射回数Ｍは次の式(6)で与えられ
る。
Ｍ＝
〔｛Ｌ＋（x0／sinα＋xotanα）｝tanα＋ｄ／２／ｄ
〕gauss ……(6) ただしｄは単フアイバーの直径、xoは入射点
Ｑのｘ座標、Ｌは単フアイバーの軸の長さ、また
〔 〕gaussは括弧内の値をこえない最大の整数
を意味する。また座標系のとりかたは第１５図の
通りである。式(6)のＭはxoの値によつてかわる
がxoがライトガイドの出射端を左から右に動く
とき、つまりxoがxnからxMに変化するときにＭ
の値が変化しないと著しい照明むらを生ずること
になる。ただしxnはライトガイドの出射端左端
のｘ座標、xMは右端のｘ座標である。
したがつてxpを変化させた時、Ｍの値が少なく
とも１回変化するようにＬ、ｄ、xn、xM、αの
値を選ぶことが望ましい。
以上のように式(4)，(5)を満足し、式(6)において
xpを変化させた時にＭが少なくとも１回変化する
ような各値を選んだ時に広視野にわたり照明むら
の少ない照明系が得られる。尚筒状反射体が中空
の内面反射体（例えば内面をメツキした金属パイ
プ）の場合はnc＝1.0であるから式(5)は考えなく
ともよい。
上述の反射回数と照明むらとの関係を利用して
照明系と観察系のパララツクス除去を行なうこと
も出来る。
第１６図は側視用内視鏡に関し、本発明光学系
を利用してパララツクスを除去した照明系の一例
を示すものである。上述の筒状反射体とライトガ
イドとに関する関係にもとづいてＬ、ｄ、xn、
xM、αを適当に選ぶなら、第１６図において単
フアイバー１１の光軸１１ａより左方へ行く光よ
りも右方へ行く光を光量が多くなるようにするこ
とが出来、パララツクスを除去した均一な照明を
行なうことができる。
第１７図は本発明の原理を応用してパララツク
スを除去するようにした照明系の他の例を示すも
のである。つまり単フアイバー１５を二つの部分
１５ａと１５ｂとに分割し両者を中空の内面反射
体１６（例えば内面メツキした金属パイプ）で接
続し、１５ａを固定し１５ｂを移動させることに
よつて単フアイバーの両部分間の間隔を調整し得
るので例えば第１７図のＡからＢまでのように変
化させるようにしたものである。この両単フアイ
バー１５ａ，１５ｂ間の間隔の変化は(6)式におい
てＬを変化させることに相当する。したがつてＭ
が変化するのでこれによつて照明方向が変化し遠
点の適した照明から近点に適した斜め方向への照
明まで照明範囲が変化することになる。そのため
物体距離が無限大から近点まで物体距離に最も適
したパララツクスを除去した良好な観察を可能と
する照明が出来る。
また第６図に示す構成の照明系においてライト
ガイドの出射端と単フアイバーの入射端との接す
る面に沿つてライトガイドと単フアイバーとを相
対的に移動させた場合も照明方向を変化させるこ
とが出来、第１７図の方法と同じ効果を得ること
が出来る。
以上説明した本発明の照明系は第２図に示すよ
うなライトガイドの径よりも大きな径の凹レンズ
を用いることがないので照明系の出射端の径を増
大させないで配光角を広げることが出来る。
次に第１５図に示す構成の数値例を示す。
ｄ＝2.5mm、Ｌ＝6.25、α＝30゜ nc＝1.85、θ＝67゜7 xn＝−0.75の時Ｍ＝１ xM＝0.75の時Ｍ＝２ 以上一実施例にもとづき本発明の内容を詳細に
述べたが更に各種の変形例を述べる。
第１８図に示すものは、従来の照明系３と本発
明の照明系１６とを組合せ使用したものである。
これによつて広い配光の照明が出来ると共に内視
鏡正面方向の光量が不足する部分を補なうことが
出来る。
また第１９図は単フアイバーの入射端面を屋根
型に研磨した変形例でＡはライトガイドと単フア
イバーとからなる照明系全体を示す正面図でＢは
単フアイバーのみの正面図、Ｃは単フアイバーの
Ａの矢印方向からの側面図である。
第２０図は本発明の照明系を側視に応用した場
合の実施例である。つまり単フアイバー１７の一
端を斜めに研磨しこの研磨面に反射膜１８を設け
単フアイバーの側面の一部を研磨してこれを入射
面１７ａとしこれにライトガイドの出射端を向か
い合わせライトガイドを配置したものである。こ
の例は円柱状の単フアイバーの下方に反射プリブ
ムを設けたものと実質的に同じ作用を持つてお
り、従つてライトガイドからの射出光を反射面を
介して単フアイバーに入射させるものと実質的同
一の構成と見ることができる。尚側面は研磨しな
い円筒面のままでもよくまた反射膜を設ける部分
で全反射するような構成であればこの反射膜１８
はなくともよい。この実施例では、ライトガイド
１０からの射出光は反射膜１８で反射した後に単
フアイバー１７の筒状部分に入射し、その内面で
反射される。ここで、反射膜１８の傾斜角がライ
トガイド１０の光軸に平行な光がこの反射膜１８
で反射した後に単フアイバー１７の軸と平行にな
らないようにしておく。するとライトガイド１０
の光軸と平行な光は丁度第２０図に鎖線にて図示
したライトガイド１０′の方向から来たのと同じ
になる。したがつて第６図に示す照明系の構成と
同じになり、側視方向の広い範囲の照明ができ
る。
第２１図に示すものは第２０図に示す実施例の
変形例であつて単フイーバ１９の入射端面１９ａ
をその光軸に傾斜させた面に研磨したものであ
る。
第２２図に示すものは端面を斜めに研磨した二
つの単フアイバー１９と２０を接合したものであ
る。
第２３図に示すものは従来の側視用内視鏡に用
いた照明系であるが、この従来例においてはライ
トガイドの曲げられた部分において光量が２割乃
至４割損失する。しかし第２０図乃至第２２図に
示す実施例の場合はライトガイドを曲げることが
ないので光量の損失がない。
第２４図に示すものは入射端を斜めに研磨した
単フアイバー２１と出射端を斜めに研磨したライ
トガイド２２を配置したものである。
第２５図に示す実施例は筒状反射体の入射端面
も出射端面もその軸に対し垂直な面にしたもので
ある。そしてライトガイドをその光軸が筒状反射
体の軸に対して斜めに配置したものである。この
実施例によれば筒状反射体の軸に対して角Ａにて
入射した光は同じ角Ａで筒状反射体より出射す
る。したがつて筒状反射体として単フアイバー等
を用いた時も全反射により物体側に出なくなるこ
とは全くない。例えば第２９図に示すように第６
図に示すような照明系の場合には単フアイバーの
軸に対し極めて大きい角で入射する光は出射面で
全反射されることになる。
また第２５図に示す実施例では子午面内のライ
トガイドの軸に平行ライトガイドより出射する光
のうち筒状反射体の側面で偶数回反射された後に
筒状反射体より射出する光例えばL6は右側へ、
一方寄数回反射された後射出する光例えばL7は
左側へ向うので配光の均一化が可能である。その
他の光線についても筒状反射体での反射によつて
均一化され、筒状反射体の長さの長いほど照明系
の配光は筒状反射体の軸に対して対称となる。
第２６図乃至第２８図は第２５図に示す実施例
の変形例である。第２６図は多くのライトガイド
を段階状に配置したもの、第２７図は複数のライ
トガイドを異なる向きに配置したもの、第２８図
はプリズム２９を介してライトガイドよりの光を
筒状反射体にその軸に対し傾斜した方から入射せ
しめたものである。これら第３２図乃至第３４図
に示すものは、第２５図の実施例と実質的に作用
効果は同じであるが第２５図のものに比べ、同じ
単フアイバーの径でも多くのライトガイドからの
光を伝送することができる。更に第２７図、第２
８図の実施例では複数のライトガイドからの光を
夫々異なる向きから単フアイバーへ入射させるの
で第２５図に比べより配光を均一化できる点です
ぐれている。
また以上の各実施例で筒状反射体として単フア
イバーを用いた場合、カバーガラスを兼ねること
が出来る。カバーガラスとして普通のガラス板を
用いた場合光のロスを防ぐには第３０図のように
大きなカバーガラスを用いなければ広角になし得
ず又、配光の均一化もできない。
次に第２５図乃至第３４図等の実施例の更に詳
細な説明を行なう。第３１図に示すように、ライ
トガイドの軸と筒状反射体の軸とのなす角をＣ、
筒状反射体から出射される光のうち最大角の光線
の光軸とのなす角をθnとすると次の式(9)が成立
つ。
θn＝Ｃ＋βa ……(9) θn≧ωでなければならないので、Ｃは次式(10)を
みたすようにすることが望ましい。
Ｃ≧ω−βa ……(10) 実際に内視鏡に用いる場合βaは高々35゜であり、
ωは50゜以上であるからＣは15゜以上になる。第２
５図乃至第２８図の実施例ではＣがβaより大きい
場合は視野中心付近には光が行かなくなり配光は
第３２図に示すようになる。この場合には前述の
ように視野中心付近を照明するライトガイドと組
合わせ使用すればよい。第３３図は上記組合わせ
の例で単フアイバー軸上に端面３０ａを凹面に研
磨したライトガイド３０ａを配設したものであ
る。この例の配光は第３４図に示す通りで改善さ
れている。
第３５図に示す例は繊維をらせん状にねじつた
ライトガイドを単フアイバーの入射端においたも
のである。この実施例の場合ライトガイドを構成
する一本の繊維の軸を他の実施例におけるライト
ガイドの軸として考えればその作用効果は既に説
明したものと同様に理解することができる。
以上各実施例にもとづき説明したように本発明
の照明系は極めて広角な内視鏡に対して利用で
き、配光の均一化と光の伝送に効果を有するもの
である。特に筒状反射体として単フアイバーを用
いたものは製作も容易で、部品点数も少なく更に
光量の損失がなくすぐれたものである。尚単フア
イバーはテーパー状、斜円柱状でもよく、また配
光を更に広角化、均一化するために筒状反射体の
入射端面、出射端面を斜面や曲面にしてもよい。
同様の理由からライトガイドの出射端面を曲面と
してもよい。更に用途に応じて筒状反射体の断面
は円形、多角形、楕円形等の種々の形状になし得
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の照明系を備えた内視鏡の構成を
示す図、第２図、第３図は夫々従来の内視鏡用照
明系の構成を示す図、第４図は第３図の一部を拡
大して示した図、第５図は本発明の一実施例を示
す図、第６図は本発明実施例における光の進行状
態を示す図、第７図、第８図は本発明実施例の配
光を示す図、第９図乃至第１１図は夫々第５図に
示す実施例の変形例、第１２図は第６図を更に拡
大して示した図、第１３図はライトガイドより空
気中に出る光の状態を示す図、第１４図は第５図
に示す実施例の他の変形例、第１５図は筒状反射
体の形状、大きさと光の反射の関係を示す図、第
１６図は本発明照明系を側視用内視鏡に用いた実
施例を示す図、第１７図は照明方向を可変とした
実施例を示す図、第１８図は本発明照明系と従来
の照明系を組合わせ用いた実施例を示す図、第１
９図は筒状反射体の変形例を示す図、第２０図乃
至第２２図は夫々本発明の側視用の各実施例、第
２３図は従来の側視用照明系を示す図、第２４図
はライトガイド入射端面も斜面とした実施例を示
す図、第２５図乃至第２９図は夫々Ｖ字状端面を
有する筒状反射体の他の変形例を示す図、第３０
図はライトガイド端面をＶ字状とした実施例を示
す図、第２５図乃至第２８図は夫々ライトガイド
の端面を筒状反射体の軸に対し傾斜させ配置した
実施例を示す図、第２９図は第６図に示す実施例
の出射端面での全反射の状態を示す図、第３０図
はカバーガラスを通して照明する例を示す図、第
３１図は第２５図に示す実施例における筒状反射
体等と光との関係を説明するための図、第３２図
は第３１図における配光を示す図、第３３図は筒
状反射体の軸に沿つたライトガイドを付加した実
施例を示す図、第３４図は第３３図の実施例の配
光を示す図、第３５図はライトガイドをらせん状
にした実施例を示す図である。 １０……ライトガイド、１１……筒状反射体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 光束繊維束から成るライトガイドと、該ライ
    トガイドの光放射面の前に配置された筒状反射体
    とを備えた内視鏡用照明系において、 前記ライトガイドの軸に沿つて伝達されて来た
    ライトガイドからの射出光の軸と前記筒状反射体
    の軸とが交差するように前記ライトガイドと前記
    筒状反射体を配置すると共に、 前記射出光の少なくとも一部が前記筒状反射体
    の筒状内面で反射し、且つ前記ライトガイドの光
    放射面のある一部からの射出光と他の一部からの
    射出光の前記筒状反射体の子午面内における筒状
    内面での反射回数が奇数回異なるように前記筒状
    反射体の長さと直径と該射出光の軸と前記筒状反
    射体の軸との交差角を選定したことを特徴とする
    内視鏡用照明系。 ２ 前記ライトガイドの光放射面から前記筒状内
    面に至る光路中に前記筒状反射体の軸に斜交した
    反射面を設け、前記ライトガイドの射出光を前記
    反射面を介して前記筒状内面に入射せしめるよう
    にしたことを特徴とする特許請求の範囲１に記載
    の内視鏡用照明系。 ３ 前記筒状反射体の長さが可変であることを特
    徴とする特許請求の範囲１に記載の内視鏡用照明
    系。 ４ 前記ライトガイドが複数の光学繊維束から成
    ることを特徴とする特許請求の範囲１に記載の内
    視鏡用照明系。 ５ 前記筒状反射体が単フアイバーから成ること
    を特徴とする特許請求の範囲１に記載の内視鏡用
    照明系。 ６ 前記筒状反射体の入射面が多面体として構成
    されていることを特徴とする特許請求の範囲１に
    記載の内視鏡用照明系。
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