JPH041881B2 - - Google Patents

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JPH041881B2
JPH041881B2 JP56203637A JP20363781A JPH041881B2 JP H041881 B2 JPH041881 B2 JP H041881B2 JP 56203637 A JP56203637 A JP 56203637A JP 20363781 A JP20363781 A JP 20363781A JP H041881 B2 JPH041881 B2 JP H041881B2
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fiber bundle
optical fiber
reflector
light
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication of JPH041881B2 publication Critical patent/JPH041881B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、光学用繊維束の入射端面に、筒状
反射体などの光学反射体を連設せしめ、光源から
の照明光を、光量損失を伴わず、入射端面全体に
入射できる如く構成した光学繊維束を用いた照明
装置に関する。
一般に、光学繊維は、ガラスあるいはプラスチ
ツクを素材として、ルツボ法、酸溶出法、ロツド
法、熱融着法等により形成され、そして、これら
の繊維は束ねられて、その両端には口金が設けら
れ、また、必要に応じて、その端面を光学あるい
は機械研磨して、フレキシブル、リジツト、セミ
リジツト、コンジツト等の種々のタイプの光学繊
維束が構成されている。
このようにして構成された光学繊維束は、光通
信、光センサヘツド、光像伝送、照明装置、安全
防爆装置などの多分野に用いられているが、いず
れの分野においても、いかにして損失の少い光伝
送特性のよいものを得るかということが課題にな
つている。
この課題を解決する一手段として、フレネル反
射損失を減少させる方法が提案されている。これ
は、光学繊維束の屈折率とほぼ等しい屈折率を有
するガラス基板上に、弗化マグネシウムなどの反
射防止膜を施し、更に光学繊維束とほぼ等しい屈
折率を有する透明接着剤を用いて、ガラス基板を
光学繊維束の入出力端面に張り合わせて、入出力
端面におけるフレネル反射を防止するようにした
ものである。ところが、この方法では、光学繊維
と同等の屈折率を有する透明接着剤を入手するの
が困難であり、更に、ガラス基板の浮き、剥離、
泡の発生等が生じないように、ガラス基板を光学
繊維束端面に貼り合わせる作業を行わねばならな
いばかりでなく、たとえ、かかる構成をとること
により、フレネル反射による損失を防止しえたと
しても、光量損失を伴わず、光学繊維束の入射端
面全体に入射できなければ、光伝送の総合性能の
向上は得られない。
内視鏡分野においても、高精度化、高機能化の
傾向が強まり、それにともない、特に光伝送性能
の向上が望まれている。従来、内視鏡における光
伝送性能を向上させる手段としては、光源装置内
に、小型高輝度の特殊キセノンランプ等の強力な
光源ランプを用いたり、更には、この光源ランプ
から放出される高出力光をレンズや反射鏡を介し
て、光学繊維束端面の限られた狭い範囲へ効率よ
く集光させる手段などがとられている。しかしな
がら、これらの手段では、ランプの耐久性や、高
輝度出力光による繊維束の端面焼け等の問題点が
生ずるため、光源からの照明光を、いかにして損
失なく均等に、かつ効率よく光学繊維束の入射端
面に集光して入射させ、更には、出射端面におい
て効率よく均等に照明光を出射させるかという点
が、最も重要な課題になつている。
本願発明は、内視鏡等の照明装置における、か
かる課題を解決するためになされたもので、光源
と集光光学系と光学繊維束とからなる光学繊維束
を用いた照明装置において、光学繊維束の光源側
入射端面に、特定形状等をもつ筒状反射体などの
光学反射体を付加連設せしめて、光源からの照明
光を、光量損失を伴わず、光学繊維束入射端面全
体に入射できる如くした光学繊維束を用いた照明
装置を提供することを目的とするものである。
次に、図面に示した実施例等を参照しながら、
本願発明を詳細に説明する。
第1図は、本願発明を適用する一般の可撓性を
有する光学繊維束を用いた照明装置、及びその光
伝送経路の概略を示す図である。第1図におい
て、1は照明用の光学繊維束で、数十乃至数千本
のフアイバ繊維2を束ねたものであり、その両端
部には口金3,3′を挿入し、熱硬化性樹脂で、
口金3,3′と繊維束1間並びに各繊維間を接着
している。光学繊維束2の入射端面4と出射端面
5は、いずれも適宜研磨されており、中間の可撓
部6には、シリコンチユーブ等の被覆チユーブ7
が被せられている。8は光源装置で、該光源装置
8には、例えばハロゲンやキセノン等の特殊ラン
プ9と、光源レンズ10と、コネクタ11が設置
されており、ランプ9を点灯することにより、レ
ンズ10を介して生ずる輝点像12は、効率よく
光源からの照明光を入射させるため、光学繊維束
の入射端面位置に結像されるように構成されてい
る。一方、光学繊維束1の出射端面5には照明用
レンズ13を取り付けて、光学繊維束2中を伝送
されてきた照明光を拡散させるように構成してい
る。
このように構成されている一般の光学繊維束を
用いた照明装置において、光学繊維束1の入射端
面4を光源装置8のコネクタ11に挿入した後、
光源ランプ9を点灯すると、そのフイラメント1
4の輝点像12は、光源レンズ10により光学繊
維束1の入射端面4に結像する。そして、光源9
のフイラメント14の輝点像の大きさが、光学繊
維束1の入射端面4の有効半径φDに比べて小さ
い場合は、入射端面4の一部だけが強く照射され
ることになる。一方、照明用の光学繊維束1は、
像伝送用繊維束(コヒレント束)に比べ、入射端
面4と出射端面5における各々の繊維2の配置位
置は、完全には対応しないけれども、第1図にお
いて符号15で示すように、個々の繊維2が互い
に寄りかたまつていたりする(マルチ状フアイバ
ー)ので、入射端面と出射端面の対応関係は全く
ないとはいえない。すなわち、照明用の光学繊維
束1でも、入射端面4と出射端面5では、各繊維
2の配置位置は、ほぼ対応関係にある。したがつ
て、光学繊維束1の入射端面4の一部分、例えば
繊維2のかたまり部15(マルチ状フアイバー)
に、光源9の輝点像12が形成される場合には、
出射端面5においても、輝点像はばらばらにはな
らずにその一部分に、そのまま伝送されて形成さ
れるので、出射端面5から出射される照明光は、
第1図に示すように、観察体16の狭い一部分に
片寄つて拡散される。このような出射端面5から
の出射態様は、内視鏡観察の場合は特に有害とな
る。
これを改善するため、第2図に示すように、例
えば、光学繊維束1の入射端面4を、輝点像12
の結像位置から数mm程度離して、光学繊維束1の
入射端面4の前方に輝点像12を結像させ、した
がつて、入射端面4ではボケた輝点像になつて、
光学繊維束1の入射端面4全体に照明光を入射で
きるようにすることが考えられる。しかし、この
ような手段を採つた場合、輝点には広がりがある
ため、輝点周辺の光12′は、光学繊維束1の入
射端面4以外に照射されることになり、照射ムラ
はなくなるけれども、それだけ光量を損失するこ
とになる。
そこで、本願発明は、これらの損失を防止する
ため、第3図に示すように、光学繊維束1の入射
端面4の前方に、クラツド17′付き単フアイバ
17の如き光学反射体を付加連結させるものであ
る。このように単フアイバ17を連結すると、光
源9の輝点像12は、単フアイバ17内で結像し
たのち、ボケて拡大してから光学繊維束1の入射
端面4に入り、輝点の広がりによる輝点周辺光
も、単フアイバ17の周壁面による反射によつ
て、光学繊維束1の入射端面4へ入射させること
ができるようになる。
このように、単フアイバ17を光学繊維束1の
入射端面4に付加連結することによつて、一応、
光量損失を伴わずに、入射端面4に光源9の照明
光を入射させることはできるが、これを厳密に行
わせるためには、更に、単フアイバ17の形状、
屈折率などや、輝点像の結像位置などの条件を定
める必要がある。すなわち、単に、単フアイバ1
7を入射端面に付加するのみでは、光量損失を伴
い、入射端面全体に照明光を十分に入射させるこ
とはできないので、単フアイバ17の形状や屈折
率、更には単フアイバ17の入射端面18から測
定した輝点像までの空気換算長などの選択設定を
しなければならない。
次に、上記付加すべき単フアイバ17の形状等
の設定について説明するが、この場合、輝点像1
2の光強度分布が、高いピークをもつている場合
と、比較的一様な分布をもつている場合では、そ
れらの設定条件を異にするので、別個に考察する
必要がある。
最初に、光源の輝点像12の光強度分布が、第
4図に示すように、高いピークをもつている場合
について考察する。
単フアイバ17を付加連結して、光量損失を伴
わず、入射端面全体に入射させる条件を導くため
の各パラメータを、第5図に示す如き符号で表わ
すこととする。すなわち、 単フアイバ17の長さ ……d 単フアイバ17のコア17″の半径 …… 単フアイバのコア17″の屈折率 ……n 光学繊維束1の有効半径 ……r 輝点像の高さ ……I 単フアイバ17の入射端面から輝点像までの空
気換算長(単フアイバ入射端面から光学繊維束
方向をプラスとする) ……S 単フアイバ17の入射端面における上側光線の
高さ ……h 単フアイバ17の入射端面におけるマージナル
光線の高さ ……k マージナル光線19の光軸となす角度 ……α 光学繊維束の入射端面におけるボケた輝点の半
径 ……C まず、光学繊維束1のランダムネスを考える
と、光学繊維束1の入射端面4におけるボケた輝
点の半径Cは、およそ光学繊維束1の有効半径r
の1/3以上拡がつておれば、実用上差し支えない。
したがつて、照明ムラを生じないように光学繊維
束1の入射端面4全体に入射させる条件は、 C≧1/3r ……(1) となる。また第5図において、マージナル光線1
9を仮に単フアイバ17中にそのまま点線で示す
ように直線的に延長し、光学繊維束1の入射端面
におけるボケた輝点の半径Cと同じ半径に達する
までの光路長をDとしたとき、C=(|S|+|
D|)tanαと表すことができる。輝点像の高さ
Iは単フアイバ17の入射端面より左側(光の進
行方向と逆側)に位置しているので、Sは負の値
であり、絶対値記号を外すと負となる。また光路
長Dは単フアイバ17の入射端面より右側(光の
進行方向側)に位置する長さなので、正の値であ
る。したがつてC=(−S+D)tanαとなり、ま
た単フアイバ17のコア17″の屈折率はnであ
るから、光路長D=d/nと表され、よつて次式
(2)が成立する。
C=(−S+d/n)tanα ……(2) したがつて、(1)及び(2)式により、 (−S+d/n)tanα≧1/3r ……(3) が得られ、この(3)式が光学繊維束1の入射端面全
体に入射させるための条件となる。
次に、単フアイバ17の入射端面18における
光量損失が生じない条件は、第5図における、上
側光線20が、単フアイバ17に入射すればよい
ことから h< ……(4) となる。しかし、実用的には輝点の広がりの周辺
はかなり暗くなつているので、輝点像の高さIの
半分以上の光が単フアイバ17の入射端面に入射
すればよい。このことから次式(5a)が成立す
る。
k+I/2< ……(5a) またh≒k+Iとおけるから、I≒h−kとな
り、これを前記(5a)式に代入することにより、
次式(5)が得られる。
h+k/2< ……(5) したがつて、上記(3)式を満足するように、S,
d,n,αを選定すれば、照明むらを生じないよ
うに、光学繊維束1の入射端面4全体に、照明光
を入射できる光学繊維束を用いた照明装置が得ら
れ、更に、上記(3)及び(5)式を満足するように、
S,d,n,α,h,k,を選定すれば、光量
損失を伴わず、光学繊維束1の入射端面4全体
に、照明光を入射できる光学繊維束を用いた照明
装置が得られる。
次に、輝点像12の光強度分布が、第6図に示
すように、ほぼ一様に平坦な場合について考察す
る。この場合の光伝送経路は、第7図に示す如く
になる。一般に、光源レンズ10と輝点像12の
結像位置との距離lに比べて、輝点像の高さIは
小さいので、主光線21は、ほぼ光軸に平行と考
えてよい(なお、この場合絞りはレンズ枠と考え
る)。ここで、上側光線20の光学繊維束1の入
射端面4における高さをQとすると、入射端面4
の照明光分布を良好にするためには、光学繊維束
1のランダムネスから、Qが光学繊維束1の有効
半径rの1/3以上に広がつておれば実用上差し支
えないので、 Q≧1/3r ……(6) となる。また第7図に示す状態は、前記(2)式の導
出の過程において、輝点像の高さIだけ全体を嵩
上げされた状態と考えることができるので、前記
(2)式の導出と同様な考え方を適用して、次式(7)が
得られる。
Q=I+(−S+d/n)tanα ……(7) したがつて、(6)及び(7)式より、照明ムラのない
ようにする、すなわち入射端面の照明光分布を良
好にする条件は、 I+(−S+d/n)tanα≧1/3r……(8) となる。また、単フアイバ17の入射端面18に
おいて、光量損失のない条件は、上側光線20が
単フアイバ17に入ればよいから、輝点像の光強
度分布にピークがある場合と同様に、 h< ……(9) となる。したがつて、輝点像の光強度分布が、第
6図に示すように平坦な場合において、光学繊維
束1の入射端面4全体に照明光を入射できるよう
にするには、上記(8)式を満足するように、光学繊
維束1の入射端面4に付加連結する、単フアイバ
17の形状等、並びに輝点像結像位置等に関する
パラメータ、I,S,d,n,α等を選定すれば
よいし、更に光量損失を伴わず、光学繊維束1の
入射端面4全体に照明光を入射できるようにする
には、上記(8)及び(9)式を満足するように、光学繊
維束1の入射端面4に付加連結する、単フアイバ
17の形状等、並びに輝点像結像位置等に関する
パラメータ、I,S,d,n,α,h,等を選
定すればよいことになる。
なお、絞りなどの挿入により、光束が光軸につ
いて対称でない場合には、上記(2)、(3)、(4)、(5)、
(7)、(8)、(9)の各式において、h,k,αの値は、
それぞれ最小のものを採用するものとする。
また、製造上の観点から、単フアイバ17のコ
ア17″の半径を検討すると、光学繊維束1の
有効半径rに対して、単フアイバ17のコア半径
rは、必ずしも一致していない方がよく、むし
ろ、r<、である方が、光学繊維束1の入射端
面4に単フアイバ17を接合する際のズレや、光
学繊維束1の有効面積を最大限に活用できる点で
好ましい。
また、単フアイバ17の開口数も、光学繊維束
1の開口数と同等か、それ以上のものを用いる
と、最大限の光角度成分を光学繊維束1の入射端
面4に伝送することができる。なお単フアイバ1
7の開口数は、コア17″の屈折率をn0、クラツ
ド17′の屈折率をn1とすると、√0 2−1 2で表
され、光学繊維束1の開口数も各フアイバ繊維2
の対応する部分の屈折率で同様に表される。
以上、光学繊維束1の入射端面4に、単フアイ
バ17を付加結合する場合における諸条件につい
て説明したが、各構成部材を、このような諸条件
に合致する如く構成した場合においても、実際
に、光源装置8のコネクタ11に光学繊維束1を
挿入接続して使用するときには、多少のズレ等が
生ずる場合があり、したがつて、光源装置8の光
源レンズ10を、前後に移動調整できる如く構成
しておけば、輝点像の結像位置、大きさ等を調整
できるので前記各パラメータ値を微調整すること
ができ、これにより、より良好に、光量損失を少
く、光学繊維束の入射端面全面に照明光を入射さ
せることができる。
また、このように構成した光学繊維束を用いた
照明装置において、フレネル反射損失を減少させ
れば、更に光伝送性能を良好にすることができ
る。フレネル反射損失を減少させるには、単フア
イバ17の両端面18,18′及び光学繊維束1
の入射端面4には、予め、単フアイバ17のコア
17″と同じ屈折率か、あるいは、それに近い屈
折率を有する、例えば弗化マグネシウムMgF2、
酸化シリコンSiO等の薄膜をコーテイングする。
また、同様に、光学繊維束1の入射端面4と単フ
アイバ17とを結合する接着剤も、単フアイバ1
7のコア17″と同等か、あるいはそれに近い屈
折率を有する材料を用いる。例えば、硬化した時
の硬度がやや低く、透明で耐熱性が比較的高い熱
硬化性樹脂や、オルガニツクシリコン化合物など
が好適である。このような薄膜のコーテイングや
接着剤の塗布は、単に端面反射損失を減少させる
という効果の他に、附随して、端面における水漏
れ防止等の効果をも、もつものである。
なお、上記実施例では、光学繊維束1の入射端
面4に付加結合する光学反射体としては、クラツ
ド付単フアイバ17を用いたものを示したが、筒
状反射体やコニカル状反射体など、周壁面で入射
光を反射させる光学反射体であれば同等の効果を
得ることができ、更に光学反射体を透明な材質で
形成すれば、透過率はより良好になり、照明光の
伝送性能が向上する。
以上実施例に基づき詳細に説明したように、本
願発明は、光源と光源レンズと光学繊維束とから
なる照明装置において、光学繊維束の入射端面
に、周壁反射部をもつ筒状反射体などの光学反射
体を、特定の条件のもとに付加連結したので、従
来の光学繊維束を用いた照明装置の欠点である、
照明ムラ並びに光量損失等を防止し、光量を増加
させて均一な照明光を伝送することができる。
また、光源装置の光源レンズを移動可能に配設
しているので、組立後においても、光源レンズの
微調整により、更に光伝送効率をあげることがで
きる。
更に、入射端面全面に入射させ、部分的に集光
しないようにしているため、集光熱による端面焼
けを発生することがなく、また、端面反射損失を
防止するためのコーテイングや接着剤の塗布によ
り、水や薬液等の漏れを防止することができ、し
たがつて、それらの含浸による変質、耐久性の低
下などをも阻止することができる等の附随的効果
も得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の光学繊維束を用いた照明装置
と、その光伝送経路の概略を示す図、第2図は、
第1図に示した従来の照明装置の改良案の光伝送
経路を示す図、第3図は、本願発明に係る光学繊
維束を用いた照明装置の基本構成を示す図、第4
図は、輝点像の光強度分布がピークを有する場合
を示す図、第5図は、第4図に示した輝点像の光
強度分布を有する場合における、本願発明に係る
照明装置の単フアイバ付光学繊維束と、光伝送経
路との関連を示す図、第6図は、輝点像の光強度
分布が平坦な場合を示す図、第7図は、第6図に
示した輝点像の光強度分布を有する場合におけ
る、本願発明に係る照明装置の単フアイバ付光学
繊維束と、光伝送経路との関連を示す図である。 図中、1は光学繊維束、2はフアイバ繊維、
3,3′は口金、4は入射端面、5は出射端面、
6は可撓部、7は被覆チユーブ、8は光源装置、
9は特殊ランプ、10は光源レンズ、11はコネ
クタ、12は輝点像、13は照明用レンズ、14
はフイラメント、15はマルチ状フアイバ、16
は観察体、17は単フアイバ、17′はクラツド、
17″はコア、18は単フアイバ入射端面、1
8′は単フアイバ出射端面、19はマージナル光
線、20は上側光線、21は主光線を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 光源と、光源からの照明光を集光する集光光
    学系と、周壁反射部を持ち集光光学系により集光
    された照明光を受ける光学反射体と、光学反射体
    を射出した照明光を受ける光学繊維束とを備え、
    集光光学系を介して形成される光源の輝点像の光
    強度分布がピークを有する場合には、 (−S+d/n)tanα≧1/3r また、輝点像の光強度分布が平坦な場合には、 I+(−S+d/n)tanα≧1/3r なる関係式をそれぞれ満足することを特徴とする
    光学繊維束を用いた照明装置。 但し、Sは光の進行方向をプラスとして測つ
    た、光学反射体の入射端面から輝点像までの空気
    換算長、dは光学反射体の長さ、nは光学反射体
    の照明光が通る部分の屈折率、αはマージナル光
    線と光軸とのなす角、rは光学繊維束の有効半
    径、Iは輝点像の高さである。 2 集光光学系が光源と光学反射体とに対して移
    動可能に配設されていることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の光学繊維束を用いた照明装
    置。 3 光学反射体の開口数は、光学繊維束と等しい
    か、あるいはそれ以上の開口数であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載の光
    学繊維束を用いた照明装置。 4 光学反射体の径は、光学繊維束の有効径と等
    しいか、あるいはそれ以上の径であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載の光
    学繊維束を用いた照明装置。 5 光学反射体は、透明な光学部材で構成されて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第1項又は
    第2項記載の光学繊維束を用いた照明装置。 6 光学反射体と、光学繊維束とは、光学反射体
    と同等か、あるいはそれと近似の屈折率を有する
    接着剤で結合されていることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項又は第2項記載の光学繊維束を用
    いた照明装置。 7 光学反射体の両端面及び光学繊維束の端面に
    は、光学反射体と同等か、あるいはそれと近似の
    屈折率を有する反射防止膜が施されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項又は
    第6項記載の光学繊維束を用いた照明装置。 8 光源と、光源からの照明光を集光する集光光
    学系と、周壁反射部を持ち集光光学系により集光
    された照明光を受ける光学反射体と、光学反射体
    を射出した照明光を受ける光学繊維束とを備え、
    集光光学系を介して形成される光源の輝点像の光
    強度分布がピークを有する場合には、 (−S+d/n)tanα≧1/3r h+k/2< また、輝点像の光強度分布が平坦な場合には、 I+(−S+d/n)tanα≧1/3r h< なる関係式をそれぞれ満足することを特徴とする
    光学繊維束を用いた照明装置。 但し、Sは光の進行方向をプラスとして測つ
    た、光学反射体の入射端面から輝点像までの空気
    換算長、dは光学反射体の長さ、nは光学反射体
    の照明光が通る部分の屈折率、αはマージナル光
    線と光軸とのなす角、rは光学繊維束の有効半
    径、Iは輝点像の高さ、hは光学反射体の入射端
    面における上側光線の高さ、kは光学反射体の入
    射端面におけるマージナル光線の高さ、は光学
    反射体の半径である。 9 集光光学系が光源と光学反射体とに対して移
    動可能に配設されていることを特徴とする特許請
    求の範囲第8項記載の光学繊維束を用いた照明装
    置。 10 光学反射体の開口数は、光学繊維束と等し
    いか、あるいはそれ以上の開口数であることを特
    徴とする特許請求の範囲第8項又は第9項記載の
    光学繊維束を用いた照明装置。 11 光学反射体の径は、光学繊維束の有効径と
    等しいか、あるいはそれ以上の径であることを特
    徴とする特許請求の範囲第8項又は第9項記載の
    光学繊維束を用いた照明装置。 12 光学反射体は、透明な光学部材で構成され
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第8項又
    は第9項記載の光学繊維束を用いた照明装置。 13 光学反射体と、光学繊維束とは、光学反射
    体と同等か、あるいはそれと近似の屈折率を有す
    る接着剤で結合されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第8項又は第9項記載の光学繊維束を
    用いた照明装置。 14 光学反射体の両端面及び光学繊維束の端面
    には、光学反射体と同等か、あるいはそれと近似
    の屈折率を有する反射防止膜が施されていること
    を特徴とする特許請求の範囲第8項又は第9項又
    は第13項記載の光学繊維束を用いた照明装置。
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