JPH11119117A - 内視鏡照明システム - Google Patents

内視鏡照明システム

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JPH11119117A
JPH11119117A JP9287220A JP28722097A JPH11119117A JP H11119117 A JPH11119117 A JP H11119117A JP 9287220 A JP9287220 A JP 9287220A JP 28722097 A JP28722097 A JP 28722097A JP H11119117 A JPH11119117 A JP H11119117A
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light guide
light
diameter
optical system
guide cable
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Makoto Tomioka
誠 富岡
Sayaka Koga
さやか 古賀
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Olympus Optical Co Ltd
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    • A61B1/06Instruments 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
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Abstract

(57)【要約】 【課題】細径硬性内視鏡システム及び内視鏡専用手術室
における内視鏡システム全体で問題となる光量不足を解
消する。 【解決手段】内視鏡照明システムを、アーク放電式ラン
プ有する光源(8) と、ライトガイドケーブル(9) と、リ
レーレンズ(3) を用いた硬性内視鏡とから構成し、ライ
トガイドケーブルは以下の関係を満足するように構成す
る。 0.25×Mgl1/2 <DL /DS <0.5×Mgl
1/2 0.8<Mgl×(DC /DL )< 1.2 (DS はスコープ外径、DC はライトガイドケーブル
径、DL はスコープライトガイド径、Mglはライトガ
イドケーブルとスコープライトガイドとの間に配置され
る光学素子の投影倍率)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、医療分野で広く用
いられている内視鏡の照明システムに関するものであ
り、特に外科分野で用いられる硬性内視鏡に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】近年、医療の外科分野において、内視鏡
と専用処置具を用いた低侵襲手技が普及しつつある。従
来なら開腹手術を必要とした疾病も内視鏡下での低侵襲
処置を施すことが可能となり、入院期間の短縮等により
患者の社会的負担を軽減するため、内視鏡外科手術は今
後も発展が期待されている。
【0003】内視鏡の下での外科手術においては、以下
のことが現在切望されている。 1)低侵襲性を更に推し進めるための内視鏡の小径化 2)ケーブル類を無くし、医療機器類を集中的に制御し
得る内視鏡専用手術室の設置
【0004】1)については、内視鏡を細くすること
で、さらなる低侵襲性を推し進めることができ、更なる
入院期間の短縮等により、患者の社会的負担を大きく軽
減できる。 2)については、内視鏡下での外科手術では現在のとこ
ろ最低でも7種類から8種類の機器が使用され、チュー
ブやケーブル等によりこれらの機器を接続して内視鏡下
外科手術が行われる。
【0005】しかしながら、内視鏡下外科手術が行われ
る従来の手術室内では、上述したように、各機器と処置
具とを接続するためのチューブやケーブル等の接続手段
が多数本にわたって存在し、しかも、それらが不潔域と
清潔域の区別なく交錯している。
【0006】また、内視鏡を用いた手技において用いら
れる従来の機器は約10種類ほどであるが、それぞれの
機器の制御は機器単体で行うものばかりでシステム的な
操作性が著しく悪く、特に、手術室内では手術台の回り
に複数の機器が無秩序に並べられており、その操作は、
困難を極めるといった問題があった。
【0007】そこで、上記2)で述べた内視鏡専用手術
室が切望されており、そこでは光源を含めた機器類は手
術台から離れた位置に配置されることになる。光源から
の出射光は天井に通した接続用ライトガイドによって手
術台側の集中コネクタまで伝送され、この集中コネクタ
が2次光源的な役割を持つ。このような内視鏡専用手術
室により、手術台付近でのチューブやケーブル類の複雑
な交錯がなくなり、安全かつ繰作性が良い環境のなかで
術者は手術に集中できる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
1)、2)を達成するために最も懸念されることは、光
量不足によって内視鏡下外科手術が困難になるというこ
とである。図1に示すように、内視鏡下外科手術で用い
られる硬性内視鏡の照明系は、光源8からの出射光を受
けて観察部位に光を照射するためのライトガイド1を有
しており、また観察系は、観察部位からの光を取り込ん
で光学像を形成する対物レンズ2と、この光学像を接眼
部まで伝送するリレーレンズ3と、リレーレンズにより
伝送された光学像を拡大観察するための接眼レンズ4か
らなる。
【0009】また、硬性内視鏡の挿入部の断面積はライ
トガイド1とリレーレンズ3が大部分を占めている。こ
のため、硬性内視鏡を細径化するためには、ライトガイ
ド1の本数を滅らすか、リレーレンズ3の外径を小さく
する必要がある。しかしながら、ライトガイド1の本数
を減らすということは、そのまま観察部位を照射する光
を減少させることになる。また、リレーレンズ3を細径
化するということは観察部位から取り込む光を減少させ
ることになる。
【0010】このため、例えば外径10mmの硬性内視
鏡を外径3mmに細径化した場合には、断面積は10%
以下になってしまい、ライトガイドにより伝送できる光
量及び観察光学系が取り込む光量の総和もほぼ同じだけ
減少することになる。また、内視鏡専用手術室において
は、光源部から手術台まで10m以上もの接続用ライト
ガイドを用いて光を伝送することになる。このため、接
続用ライトガイドのコア材質の光吸収のため、10m以
上もの接続用ライトガイドでは30%以下に光量がダウ
ンしてしまう。
【0011】更に、接続用ライトガイドのNA(開口
数)が小さい場合には、光量ロスは更に大きくなる。ま
た、接続用ライトガイドが多ファイバーであれば、コア
占有率が低いためにライトガイド入射部でも更に光量ロ
スが生じる。
【0012】本発明は以上のような従来の内視鏡照明シ
ステムの問題点に鑑みてなされたものであり、細径硬性
内視鏡システム及び内視鏡専用手術室における内視鏡シ
ステム全体で問題となる光量不足を解消した照明システ
ムを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明のうち、請求項1は、少なくともアーク放電
式ランプと、ランプ発光部をライトガイドケーブル入射
面にほぼ等倍に投影する光学系とを備えた光源装置と、
以下の関係を満足するライトガイドケーブルと、リレー
光学系にレンズを用いた硬性内視鏡と、を備えた内視鏡
照明システムを提供する。 0.25×Mgl1/2 <DL /DS <0.5×Mgl
1/2 0.8<Mgl×(DC /DL )< 1.2 (DS はスコープ外径、DC はライトガイドケーブル
径、DL はスコープライトガイド径、Mglはライトガ
イドケーブルとスコープライトガイドとの間に配置され
る光学素子の投影倍率を指す。)
【0014】また、請求項2に係る発明は、少なくとも
アーク放電式ランプと、ランプ発光部をライトガイドケ
ーブル入射面にほぼ等倍に投影する光学系とを備えた光
源装置と、以下の関係を満足するライトガイドケーブル
と、リレー光学系にイメージファイバーを用いた硬性内
視鏡と、を備えた内視鏡照明システムを提供する。 0.4×Mgl1/2 <DL /DS <0.6×Mgl1/2 0.8<Mgl×(DC /DL )<1.2 (DS はスコープ外径、DC はライトガイドケーブル
径、DL はスコープライトガイド径、Mglはライトガ
イドケーブルとスコープライトガイドとの間に配置され
る光学素子の投影倍率を指す。)
【0015】請求項3に係る発明は、少なくともアーク
放電式ランプとランプ発光部をライトガイドケーブル入
射面にほぼ等倍に投影する光学系とを備えた光源装置
と、以下の関係を満足する単ファイバーのライトガイド
ケーブルと、硬性内視鏡を備えた内視鏡照明システムを
提供する。
【0016】請求項4に係る発明は、アーク放電式ラン
プを用いた少なくとも1つの光源装置と、 前記光源装
置の数に応じて入射端側が枝分かれしている接続用ライ
トガイドと、前記接続用ライトガイドからの出射光をラ
イトガイドケーブル入射端に入射させるための接続光学
系と、からなり、以下の関係を満足する内視鏡照明シス
テムを提供する。 NA2>NA1 0.8<(NA2/NA1)×Mg2<1.2 (NA1は前記接続用ライトガイドの開口数、Mg2は
前記接続光学系の投影倍率、NA2はライトガイドケー
ブルの開口数を指す。)
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を示す。 〔第一実施形態〕細径硬性内視鏡において十分な明るさ
を達成するための照明システムの実施形態を以下に示
す。図1に示す硬性内視鏡システムからわかるように、
現在の内視鏡下外科手術においては、硬性内視鏡の接眼
レンズ4を含む接眼部に光学アダプタ5を取り付け、C
CD6で画像を取り込み、テレビモニタ7上で観察しな
がら手技を行っている。
【0018】また、硬性内視鏡における照明システムに
おいては、光源装置8から出射された光はライトガイド
ケーブル9によってスコープ側ライトガイド1の入射部
まで伝送される。なお、このライトガイドケーブル9と
スコープ側ライトガイド1は直接接続されるか、または
伝送光のNAを変換する光学素子10を介して接続され
ており、スコープ側ライトガイド1に入射した光は先端
まで伝送され、被写体を照射する。
【0019】硬性内視鏡の観察光学系では、対物レンズ
2により結像された像をリレーレンズ3で伝送し、接眼
レンズ4で拡大している。この観察系の明るさはリレー
レンズの射出NAと接眼レンズの倍率により決定され
る。一般にリレーレンズによる像伝送後の射出NAと像
の大きさはリレーレンズの径に比例する。このため、硬
性内視鏡の観察光学系の明るさはリレーレンズ3の径の
ほぼ4乗に比例することが一般的に知られている。
【0020】硬性内視鏡の観察光学系では、リレーレン
ズ径を大きくすると、レンズのFナンバーだけでなく、
リレーされる像もレンズ径に比例して大きくなる。この
ため、硬性内視鏡の観察光学系の明るさはリレーレンズ
径のほぼ4乗に比例することが一般的に知られている。
【0021】まず、硬性内視鏡のスコープ外径を細径化
するためには、照射光を伝送するライトガイドの伝送光
量を減らすことなく細径化する必要がある。本実施形態
においては、細径ライトガイドでの大光量化を達成する
ために、光源装置8としてキセノン光源を用いる。この
キセノン光源は、消費電力約400Wの超高輝度キセノ
ンランプを用いており、更に以下に説明するような細径
ライトガイドに最適な光学系が組まれている。
【0022】本実施形態における光源装置は、図2に示
すように、キセノンランプのアーク軸が光軸に対して垂
直になるように配置されている。また、キセノンランプ
とライトガイドの間にはほぼ等倍結像の光学系が配置さ
れており、この光学系によってキセノンランプの発光部
の像がライトガイド端面上に投影される。
【0023】なお、本実施形態で用いる光源光学系は非
球面レンズ11を2枚用いて収差を良好に補正してお
り、ライトガイド1の端面上に効率良く集光している。
また、各レンズ11間はほぼアフォーカルに接続されて
おり、レンズ11間には赤外線を除去するためのフィル
ター12,13が2枚配置されている。これらの赤外線
除去フィルター12,13は、干渉膜を用いて赤外線を
反射させる赤外線反射フィルター12と赤外線を吸収す
る赤外線吸収フィルター13とから成り、これらのフィ
ルターを組み合わせることにより、キセノンランプ8よ
り発せられる赤外線をほぼ完全に除去している。
【0024】また、ライトガイド1とは反対側に球面ミ
ラー14が配置されており、この球面ミラー14はラン
プ8の発光部を曲率中心として配置されている。従っ
て、ランプ8から球面ミラー14側に発せられた光束は
球面ミラー14により反射され、像はもとの発光部の位
置に結ばれる。このため、光学系を介してライトガイド
1の端面上にはキセノンランプ8の発光輝度に対して約
2倍の輝度の輝点像が結ばれる。
【0025】図3にキセノンランプ発光部における輝度
分布を示す。この図からわかるように、キセノンランプ
やメタルハライドランプのようなアーク放電式ランプの
輝度分布は非常に大きい。また、本実施形態で用いる光
源光学系は、投影倍率がほほ等倍の収差が良好に補正さ
れた光学系であり、ライトガイド端面上に投影される輝
点像も図3とほぼ同じ分布となる。
【0026】本実施形態における内視鏡光源装置は超高
輝度キセノンランプを用いている。また、収差が良好に
補正されたほぼ等倍の光学系で微少な発光部をライトガ
イド端面上に投影し、それに反射ミラーを組み合わせる
ことにより輝度を2倍にしている。このため、細径のラ
イトガイドに付して膨大な量の光を入射させることがで
きる。
【0027】このような細径ライトガイドに最適化した
光源装置を用いることで、従来の光源装置の太径ライト
ガイドと同レベルかそれ以上の光量を細径ライトガイド
に入射させることが可能となる。
【0028】図4は本実施形態における光源装置のライ
トガイド径と光量の関係を表すグラフである。また、上
述したように、硬性内視鏡リレーレンズの伝送光量はレ
ンズ径の4乗に比例する。図5にリレーレンズ径と光量
の関係を表したグラフを示す。本実施形態における硬性
内視鏡を図16に示す。硬性内視鏡においては、スコー
プの断面積はほぼ対物レンズ2又はリレーレンズ3とラ
イトガイド1によって占められており、硬性内視鏡シス
テム全体で得られる明るさは、図4のグラフと図5のグ
ラフから各硬性内視鏡の外径ごとに求められる。
【0029】図6に、外径がφ3,φ4の硬性内視鏡を
本実施形態の光源装置と組み合わせた際の硬性内視鏡シ
ステム全体の明るさのグラフを示す。このグラフの縦軸
はトータル明るさ、横軸はスコープライトガイド径であ
り、明るさの最大値が同じになるように規格化されてい
る。また、この際のリレーレンズ3を収容するパイプ2
8の厚みは0.1mmであり、各ライトガイド1の径に
おいて最大限の明るさが得られるような構成をとってい
る。
【0030】図6のグラフからわかるように、細径ライ
トガイドに最適化した本実施形態の光源装置と組み合わ
せた際には、硬性内視鏡のスコープ外径の約35%付近
の大きさにライトガイド1の径を設定することにより、
ほぼベストの光量が得られ、約25〜45%レベルであ
れば十分な光量を得られることがグラフからわかる。ま
た、リレーレンズ3を収容するパイプ28の厚みが0.
1mmの際のスコープ側ライトガイド1の径とリレーレ
ンズ3の径の比率は約30%〜70%となっている。
【0031】ゆえに、本実施形態に係る光源装置と組み
合わせる硬性内視鏡のスコープ外径(Ds)とライトガイ
ド径(DL )が以下の関係を満たしていると細径硬性鏡
においても十分な光量を得ることができる。 0.25<DL /Ds <0.5 (1)
【0032】また、図6のグラフはライトガイドケーブ
ルの径とスコープ側ライトガイドの径が同じで、途中に
光学素子を介さない直接接続をしており、最も光量ロス
が少なくなるように設定されている。しかし、実用上は
ライトガイドケーブルの径(DC )とスコーフ側ライト
ガイドの径(DL )が以下の関係をおおよそ満足してい
るとほぼ同等の光量が得られる。 0.8<DC /DL <1.2 (2)
【0033】さらに、この際のリレーレンズ径(DR
とスコープ側ライトガイド径(DL)の関係は以下のと
おりであり、(1)、(2)の関係を満足した中で最大
限の光量を得られるように設定されている。 0.3<DL /DR <0.7 (3)
【0034】図7に上記条件を満足したスコープ外径が
φ3,φ4である硬性内視鏡のリレーレンズデータとラ
イトガイド径の設定値の例を示す。この例で示したスコ
ープにおいては、上記(1)、(3)式を満足してお
り、(2)式を満足したライトガイドケーブルと細径ラ
イトガイドに適した光源装置とを組み合せることによ
り、十分な光量を得ることが可能である。
【0035】また、細径硬性内視鏡においては、硬性内
視鏡外径を細くするためにリレーレンズ3を収容するパ
イプ28の厚み等まで薄くする必要があり、図7に示し
た例ではこのパイプ厚みが0.1mmに設定されてい
る。しかし、本発明では細いライトガイド径でも十分な
光量が得られるため、明るさのアップだけでなく、パイ
プ厚みは0.15mm以上にして強度的に強い硬性内視
鏡システムを構成することも可能である。
【0036】なお、上記説明ではライトガイドケーブル
とスコープ側ライトガイドのNAは同じ値のものであ
り、接続部では光学素子を介さずに直接接続されてい
る。ただし、高画角の硬性内視鏡であれば、硬性内視鏡
側のライトガイドのNAを大きくし、かつ、硬性内視鏡
ライトガイドに入射する光も高NA化する必要がある。
【0037】このような、高画角の硬性内視鏡において
は、ライトガイド入射部にコニカルファイバー29が付
いており、このコニカルファイバーによって高NA化し
ているのが一般的である。また、コニカルファイバーに
よって、ライトガイドケーブルの出射端面はスコープ側
ライトガイド端面上に縮小して投影される。従って、コ
ニカルファイバーを用いた場合には、スコープ側ライト
ガイド径は実質的に縮小されることになり、各スコープ
外径におけるライトガイド径の占める割合は小さくな
る。
【0038】図8(A),(B)のグラフは硬性内視鏡
外径がφ3,φ4であり、かつ、入射端径と出射端径の
比が4:3,3:2のコニカルファイバーを用いた際の
システム全体での明るさを示している。なお、このグラ
フでは明るさの最大値がそれぞれ同じになるように規格
化されている。また、この際に組み合わせるライトガイ
ドケーブルの径はスコープ側ライトガイドの径にコニカ
ルファイバーの縮小率の逆数を乗じたものである。
【0039】この際のシステム全体の明るさのベスト位
置となるスコープ側ライトガイド径は、各硬性内視鏡外
径ともほぼコニカルファイバーの縮小率の1/2乗とな
ることがグラフからわかる。よって、ライトガイドケー
ブルとスコープ側ライトガイドとの間にコニカルファイ
バーが挿入されている場合には、(1)式は以下の関係
となる。 0.25×Mgl1/2 <DL /DS <0.5×Mgl1/2 (4) ただし、Mglはコニカルフアイバーの縮小倍率を示し
ている。なお、コニカルファイバー以外の光学素子を用
いることで、高NA化しても同じことであり、この光学
素子の縮小倍率をMglとした際には上式を満足すれば
十分な光量を得ることができる。
【0040】なお、この際に組み合せるライトガイドケ
ーブルはスコープ側ライトガイドの径に対してコニカル
ファイバーの縮小率の逆数を乗じたものを用いることに
より、最大光量を得られるが、実用上はこの値の±20
%レベルであれば大きな光量ダウンはない。よって、こ
の際に組み合せるライトガイドケーブル径は以下の如く
なる。 0.8<Mgl×(DC /DL )<1.2 (5) また、(3)式も同様に以下の関係で表すことができ
る。 0.3×Mgl1/2 <DL /DR <0.7×Mgl1/2 (6)
【0041】また、細径硬性内視鏡においては、観察光
学系にリレーレンズではなくイメージファイバーを用い
たものがある。この例を図17に示す。イメージファイ
バー30を用いた硬性内視鏡においては、イメージファ
イバーの数を増やしてバンドル径を大きくしても、イメ
ージファイバーのNAは大きくならないため、伝送面積
のアップのみしか明るさには影響しない。
【0042】よって、イメージファイバーを用いた細径
硬性内視鏡では観察光学系の明るさはファイバーバンド
ル径の2乗に比例することになる。このため、観察光学
系の明るさがリレーレンズ径の4乗に比例するリレーレ
ンズタイプの硬性内視鏡に対して、イメージファイバー
を用いた硬性内視鏡においては最大光量が得られるライ
トガイド径は全体的に太い側にシフトする。
【0043】図9にイメージファイバーを用いたスコー
プ外径φ3の硬性内視鏡と本実施形態における光源装置
とを組み合せた際のシステム全体の明るさのグラフを示
す。このグラフからわかるように、イメージファイバー
を用いた硬性内視鏡では最大光量となるのはスコープ外
径に対してライトガイド径がほぼ50%のときであり、
図9のグラフから以下の関係のときであれば十分な明る
さが得られることがわかる。 0.4<DL /DS <0.6 (7)
【0044】また、この際のライトガイドケーブル径の
設定は、リレーレンズを用いた際と同じく以下の関係と
なる。 0.8<DC /DL <1.2 (8) なお、(3)式と同様にリレー光学系であるイメージフ
ァイバーの外径(DR) とスコープ側ライトガイド径
(DL )のイメージファイバーを用いた硬性内視鏡にお
いては以下の関係となる。 0.5<DL /DR <0.9 (9)
【0045】また、イメージファイバーを収容するパイ
プ28の厚みを0.15mm以上にして強度的に強いス
コープを構成することが可能である。また、ライトガイ
ドの接続部にコニカルファイバー29等のNAを変換さ
せる光学素子がある場合も同様に以下の関係になる。 0.4×Mgl1/2 <DL /DS <0.6×Mgl1/2 (10) 0.8<Mgl×(DC /DL )<1.2 (11) 0.5×Mgl1/2 <DL /DR <0.9×Mgl1/2 (12)
【0046】以上述べたような、光源装置と細径硬性内
視鏡に特化した照明システムを組むことで、例えばスコ
ープ外径がφ3,4レベルの細径硬性内視鏡でも内視鏡
下外科手術を行うのに十分な明るさを得ることができ
る。
【0047】なお、ライトガイドケーブルに単ファイバ
ーを用いると、ファイバーのコア占有率が100%であ
るために光量面では大変有利である。ただし、単ファイ
バーライトガイドケーブルの場合には、硬さや曲げなど
の点からライトガイド径に制限がある。このため、単フ
ァイバーをライトガイドケーブルに用いる際には、前述
したライトガイドケーブル径を理想的に設定できる際と
は硬性内視鏡システムの構成が違ってくる。単ファイバ
ーをライトガイドとして用いる場合、硬さや曲げを考慮
すると約φ0.5が実用的なレベルであり、最も太いも
のでも約φ0.8レベルである。よって、単ファイバー
を用いる際には、必要な光量に応じてライトガイド径を
大きくすることは不可能である。しかし、単ファイバー
の場合にはコア占有率が100%であるため、同じ径の
多ファイバーに対して約2倍近い光量を得ることができ
る。
【0048】図4の本実施形態における光源装置のライ
トガイド径と光量の関係を表わすグラフからわかるよう
に、φ0.5の単ファイバーであればφ1.0の多ファ
イバーと同等、φ0.8の単ファイバーであればφ1.
5の多ファイバーと同等の光量を得ることができる。こ
のため、単ファイバーのライトガイドケーブルを用いる
と、多ファイバーライトガイドケーブルに対してほぼ半
分の径で同じ光量が得られ、その分をリレー光学系の外
径を大きくすることで、更にシステム全体での光量アッ
プが可能となる。よって、硬性内視鏡システムにおいて
単ファイバーライトガイドケーブルを用いる場合には、
使用するライトガイドケーブルは細くなり、硬性内視鏡
の断面積に占めるライトガイドの割合は縮小することに
なる。従って、本実施形態に係る光源装置と組み合わせ
る硬性内視鏡のスコープ外径(DS )に対するライトガ
イド径(DL )の比は、40%未満にすることでシステ
ム全体で大光量化をはかることができる。 DL /DS <0.4 (13)
【0049】また、単ファイバーのライトガイドケーブ
ルでは、多ファイバーのライトガイドケーブルの半分の
径で同じ光量が得られる。このため、硬性内視鏡側のラ
イトガイド径は単ファイバーライトガイドケーブルの径
に対して大きめに設定して確実に光を受け取れるように
設定すれば、システム全体として十分な明るさを得るこ
とができる。ゆえに、ライトガイドケーブルの径
(DC )とスコープ側ライトガイド(DL)の関係は以
下のようになる。 DC <DL (14) なお、(3)式と同様にリレー光学系の外径(DR )と
スコープ側ライトガイド径(DL )における関係は、硬
性鏡全体に占めるリレー光学系の割合が更に増え、以下
のとおりになる。 0.1<DL /DR <0.5 (15) また、前述したようにライトガイド接続部にコニカルフ
ァイバー等のようにNAを変換させる光学素子がある場
合も同様に以下の関係になる。 DL /DS <0.4×Mg1 (16) Mg1×DC <DL (17) 0.1×Mg11/2 <DL /DR <0.5×Mg11/2 (18)
【0050】以下、本実施形態において用いたレンズデ
ータを掲載する。 (図2) d1 =30,d2 =11.8,d3 =21,d4 =21,d5 =11.8 r1 =30,r2=32.025,r3 =∞(非球面),r4 =∞(非球面), r5 =−32.025 第1、第2レンズ共通 D=42, n=1.5231, ν=58.49
【0051】 円錐係数及び非球面係数 〔r2 面〕 C=0, P=0 B=−3.6×10-2, E=4.4557×10-7 F=−8.1291×10-9 、 G=1.1544×10-10 H=−7.086×10-17 , I=−8.9393×10-17
【0052】 〔r3 面〕 C=0, P=0 B=3.6×10-2, E=−4.4557×10-7 F=8.1291×10-9 、 G=−1.1544×10-10 H=7.086×10-17 , I=8.9393×10-17
【0053】 (図7(A)) d1 =14.85,d2 =1.522,d3 =0.83,d4 =2.35, d5 =0.83,d6 =1.522,d7 =14.85 r1 =7.204,r2 =∞,r3 =5.355,r4 =−3.364, r5 =3.364,r6 =−5.355,r7 =∞,r8 =−7.204
【0054】 第1レンズ n1=1.5891,ν1=61.18 第2レンズ n2=1.6127,ν2=58.75 第3レンズ n3=1.7880,ν3=47.38 第4レンズ n4=1.6127,ν4=58.75 第5レンズ n5=1.5891,ν1=61.18
【0055】 (図7(B)) d1 =21.33,d2 =1.5,d3 =2.76,d4 =1.24, d5 =2.54,d6 =21.33 r1 =10.236,r2 =∞,r3 =17.896,r4 =−3.399, r5 =−8.773,r6 =∞,r7 =−10.236
【0056】 第1レンズ n1=1.6200,ν1=36.26 第2レンズ n2=1.6237,ν2=47.10 第3レンズ n3=1.7174,ν3=29.51 第4レンズ n4=1.6200,ν4=36.26
【0057】なお、上記実施例におけるdはレンズ肉厚
又はレンズ間隔、rはレンズの曲率半径、nはレンズの
屈折率、νはレンズのアッベ数を表している。また、上
記実施例中の非球面形状は、光軸上の光の進行方向をX
軸、光軸と直交する方向をY軸にとると以下の関係式に
より与えられる。
【0058】〔第二実施形態〕内視鏡専用手術室におけ
る照明システムの実施例を第二実施形態として以下に示
す。図10は内視鏡専用手術室の外観を示す外観図であ
る。同図に示すように、本実施形態の内視鏡専用手術室
では、手術室の壁に光源21を含めた手術に使用する機
器を収納する機器収納部22が設けられている。また、
手術室の天井からは術者が観察する内視鏡画像を表示す
るモニタ23とコネクタユニット24とが懸架されてい
る。
【0059】機器収納部22に収納された光源21から
出射された光は壁と天井裏25を通して接続されたライ
トガイドによりコネクタユニット24まで伝送され、コ
ネクタユニット24は2次光源的な働きを行う。このた
め、スコープ側のライトガイドの光源差込部26をコネ
クタユニット24に接続するとスコープ27に対して必
要な光が供給されることになる。
【0060】図11は本実施形態の内視鏡専用手術室の
照明システムの構成を示す。同図に示すように、光源は
キセノン光源31を2台用いており、この2台の光源3
1からの出射光を2分割された接続用ライトガイド32
を介してスコープ側のライトガイド35の入射部まで伝
送している。この際、接続光学系33で接続用ライトガ
イド32からの出射光をライトガイドケーブル34の入
射端に光学的に接続している。
【0061】なお、第一実施形態でも述べたように、硬
性内視鏡の場合はスコープ側でライトガイドが分割され
ているのが一般的であり、ライトガイドケーブル34を
途中に介してスコープ側ライトガイド35に光を入射さ
せるように構成されている。このため、本実施形態では
ライトガイドケーブル34を途中に介して用いる硬性内
視鏡36のシステムを例に用いて説明する。前述したよ
うに、本実施形態において最も懸念されるのは、10m
以上の接続用ライトガイド32によって光量がロスし、
内視鏡下外科手術に必要な光量が得られなくなることで
ある。
【0062】上記光量不足問題を解決するための各構成
要素の詳細を以下に示す。図12に示すように、内視鏡
光源ではキセノンランプを用いる場合、放物面鏡とコン
デンサーレンズ(図12(A))、または楕円面鏡(図
12(B))を用いてライトガイド端面上に光束を集光
させるのが一般的である。なお、キセノンランプはキセ
ノンガスをアーク放電によって発光させており、ハロゲ
ンランプ等に比べて発光輝度は格段に高く、発光輝度の
分布は大きい。
【0063】ゆえに、ライトガイド端面上に集光される
光の強度分布も図13(A)に示すような分布となり、
ライトガイド径と入射光量の関係は図13(B)に示す
ようなグラフになる。このグラフからわかるように、例
えばφ4.5のライトガイドであれば、ライトガイドの
入射端側を2分割してφ3.2のライトガイド入射部を
それぞれ光源に接続すれば、ライトガイドの出射端側か
らの光量は1.5倍以上得られることがわかる。
【0064】本実施例は10m以上もの長尺の接続用ラ
イトガイドによって起こる光量不足を解決するために、
高輝度キセノン光源を2台用い、接続用ライトガイドの
入射端側を2分割し、これら2台の光源から光量を得る
ことで、十分な光量をスコープ側のライトガイドまで伝
送している。
【0065】接続用ライトガイドは、入射直径φ3.2
が2本と出射側直径φ4.5,NA(開口数)0.5、
透過率が約99%/mの高透過率ライトガイドを用いて
おり、コア占有率が70%以上になるように束ねられて
いる。一般的に高透過率のライトガイドのNAは小さ
く、ライトガイドのNAを大きくしようとするとコア硝
材の透過率が落ちる。
【0066】本実施形態で用いる接続用ライトガイドは
NAは0.5であり、ライトガイドケーブルのNA0.
66より小さいため、NAロスは大きいが、高速過率の
ライトガイドであるために、コア硝材によるロスはほと
んどない。この接続用ライトガイドによるNAロスは接
続用ライトガイドとライトガイドケーブルを光学的に接
続する接続光学系によって復元できる。
【0067】本実施形態で用いている接続用ライトガイ
ドのNAは0.5であり、ライトガイドケーブルのNA
は0.66である。本実施形態における接続光学系は図
14に示すように、接続用ライトガイド出射端面をライ
トガイドケーブル入射端面に投影しており、この際の光
学系の近軸倍率は0.77倍であり、縮小して投影され
る。
【0068】ゆえに、接続用ライトガイド出射端部でN
A0.5であったが、接続光学系によりライトガイドケ
ーブル端面上ではNAは約0.66になるため、NA不
足による光量ロスは無くなる。また、本実施形態におけ
る接続光学系は非球面レンズ2枚を用いて収差も良好に
補正されており、接続光学系による光量ロスははとんど
無く、効率良くライトガイドケーブルに光が入射され
る。
【0069】以上のように照明システムを構成すること
により、10m以上の長尺の接続用ライトガイドを介し
ても、高輝度キセノン光源を用いた従来の内視鏡下手術
と大きく違わないレベルの光量を得ることができる。な
お、上述した照明システムにおける光源装置はライトガ
イドケーブルのNA0.66に最適化されたものを用い
ており必ずしも効率的ではない。このため、光源の光学
系の焦点距離を接続ライトガイドのNAに応じて設定す
ることにより、更に光量アップが可能である。
【0070】図15に従来のキセノン光源(A)と接続
ライトガイドのNAに対応させた光源(B)の光学系を
示す。(A)、(B)ともに放物面鏡と一体式のキセノ
ンランプを用い、放物面鏡により形成された平行光束を
コンデンサーレンズによってライトガイド端面上に集光
している。
【0071】図15(A)に示すコンデンサーレンズの
焦点距離は21.76、(B)に示すコンデンサーレン
ズの焦点距離は24.98であり、集光スポット径の大
きさはこの焦点距離の比に応じて大きくできる。また、
この際に、図15(B)に示すレンズでは、接続ライト
ガイドのNA0.5以上を達成するようにレンズ外径が
設定されており、NA不足によって光量がロスすること
はない。
【0072】上述したように、キセノン等のアーク放電
式のランプを用いた場合には集光部における強度分布は
図13のような分布となる。このため、NA不足による
光量ロスを起こさなければ、集光スポットが拡大される
ことによって光量アップが可能となる。
【0073】本実施形態における光源光学系のNAは接
続用ライトガイドのNAとほほ同じNA0.5になって
いる。ゆえに、図15(B)の光源光学系に変更するこ
とにより、図15(A)に示す従来の光源光学系に対し
て、約20%の光量アップが可能となる。
【0074】よって、NAが低い高透過率の接続用ライ
トガイドを用いる際には、接続用ライトガイドのNAに
合わせて、光源側の光学系を設定した方が光量アップの
面で有利である。以上述べたように、光源側のコンデン
サーレンズの焦点距離を変更することで、更に約20%
の光量アップが可能となり、10m以上もの長尺の接続
用ライトガイドを途中に介しても、従来と同等もしくは
それ以上の光量を得ることができる。
【0075】なお、本実施形態ではキセノン光源を2台
と接続用ライトガイドの入封端側を2分割して用いた
が、光源数を増やして接続用ライトガイドの入射端側を
更に分割することで、更なる光量アップを図ることもで
きる。
【0076】また、本実施形態においては、接続用ライ
トガイドに多ファイバーを用いている。ファイバーを多
数重ね合わせて用いる場合、コア占有率が100%でな
いために入射端部で光量ロスを起こしてしまう。このた
め、多ファイバー以外に単フアイバーである液体ライト
ガイド等を用いると更に効率的である。本実施形態のラ
イトガイドケーブルは直径φ3.5、NA0.66の際
に最も効率良くなるように接続用ライトガイドの径と接
続光学系の倍率が設定されているが、ライトガイドケー
ブルの種類によって最適な設定は変わる。
【0077】特に、接続光学系の倍率設定は重要であ
り、効率よくライトガイドケーブルに入射させるために
は、以下の関係が成り立つとよい。 NA2 > NAl (19) 0.8<(NA2/NA1)×Mg2 <1.2 (20) NAl:接続用ライトガイドの開口数 NA2:ライトガイドケーブルの開口数 Mg2:接続光学系の近軸倍率
【0078】また、接続光学系に非球面レンズを用いる
と収差を押さえることができ、更に効率良くライトガイ
ドケーブルに光を入射させることができる。なお、本実
施形態における接続光学系はレンズで構成されている
が、第1実施形態で述べたコニカルファイバーを用いて
も良い。コニカルファイバーを用いる場合には、上式に
おけるMg2は入射径hlと出射径h2の比h2/hl
に置き換えられる。コニカルファイバーもレンズで構成
される光学系と同じく、入射径hlと出射径h2の比で
決まる倍率の逆数にほぼ比例して、出射光のNAが大き
くなる。このため、コニカルファイバーを用いてもほぼ
同じ効果を得ることができる。
【0079】本実施形態ではライトガイドが分割式にな
っている硬性内視鏡を例にとって説明を行ったが、ライ
トガイドが分割式になっていない硬性内視鏡やその他軟
性内視鏡においても同じ効果が得られる。ライトガイド
が一体式になっている内視鏡に関しては、上記(1
3)、(14)式におけるNA2をスコープ側ライトガ
イドの開口数に置き換えればよい。
【0080】また、光源光学系は接続用ライトガイドの
NAに合わせて、以下のような設定を行うことで更に光
量アップが可能となる。 0.9<(NA3/NA1)<1.1 (21) NA1:接続用ライトガイドの開口数 NA3:光源光学系の開口数
【0081】以下、本実施形態において用いたレンズデ
ータを掲載する。 (図14) d1 =16.5,d2 =21,d3 =5,d4 =21,d5 =7.5 r1 =35.806,r2 =∞(非球面), r3 =∞(非球面),r4 =−32.025
【0082】第1レンズ D1=38,n1=1.5231,ν1=58.49 第2レンズ D2=42,n2=1.5231,ν2=58.49
【0083】 円錐係数及び非球面係数 〔r2 面〕 C=0, P=0 B=−3.0397×10-2 E= 4.4557×10-7 F= 8.1291×10-9 G= 8.1291×10-10 H=−7.086×10-17 I=−8.7393×10-17
【0084】 〔r3 面〕 C=0, P=0 B=3.6×10-2 E=−4.4557×10-7 F=8.1291×10-9 G=−1.1544×10-10 H=7.086×10-17 I=8.9393×10-17
【0085】 (図15(A)) 放物面外径25.4 d1 =21,d2 =12.9 r1 =∞(非球面)、r2 =−32.025 f=21.76,D=42,N=1.5231,ν=58.49
【0086】 円錐係数及び非球面係数 C=0, P=0 B=3.6×10-2 E=−4.4557×10-7 F=8.1291×10-9 G=−1.1544×10-10 H=7.086×10-17 I=8.9393×10-17
【0087】 (図15(B)) 放物面外径25.4 d1 =21,d2 =13.2 r1 =∞(非球面)、r2 =−35.806 f=24.98,D=38,N=1.5231,ν=58.49
【0088】 円錐係数及び非球面係数 C=0, P=0 B= 3.0397×10-2 E=−4.4557×10-7 F=−8.1291×10-9 G=−8.1291×10-10 H= 7.086×10-17 I= 8.7393×10-17
【0089】なお、上記実施例におけるdはレンズ肉厚
又はレンズ間隔、rはレンズの曲率半径、fはレンズの
焦点距離、Dレンズ外径、nはレンズの屈折率、νはレ
ンズのアッベ数を表している。また、上記実施例中の非
球面形状は、光軸上の光の進行方向をX軸、光軸と直交
する方向をY軸にとると以下の関係式により与えられ
る。
【0090】以上説明したように、本発明による内視鏡
照明システムは特許請求の範囲に記した特徴と合わせ
て、以下の(1)〜(7)に示すような特徴も備えてい
る。 (1)リレー光学系の外径DR とスコープ側ライトガイ
ド径DL が以下の関係を満足する請求項1に記載の内視
鏡照明システム。 0.3×Mgl1/2 <DL /DR <0.7×Mgl1/2
【0091】(2)リレー光学系の外径DR とスコープ
側ライトガイド径DL が以下の関係を満足する請求項2
に記載の内視鏡照明システム。 0.5×Mgl1/2 <DL /DR <0.9×Mgl1/2 (3)リレー光学系の外径DR とスコープ側ライトガイ
ド径DL が以下の関係を満足する請求項3に記載の内視
鏡照明システム。 0.1×Mgl1/2 <DL /DR <0.5×Mgl1/2 (4)対物光学系とリレー光学系を収容するパイプ厚み
が0.15mm以上であることを特徴とする請求項1乃
至3の何れかに記載の内視鏡照明システム。
【0092】(5)光源光学系が、アーク放電式ランプ
のアーク軸が光軸に村して垂直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乃至3の何れかに記載の
内視鏡照明システム。 (6)光源光学系が、アーク放電式ランプの発光部の像
をライトガイドケーブルの入射面上にほぼ等倍で投影す
ることを特徴とする(5)に記載の内視鏡照明システ
ム。
【0093】(7)上記アーク放電式ランプはキセノン
ランプであることを特徴とする(6)に記載の内視鏡照
明システム。 (8)以下の関係を満足することを特徴とする請求項4
に記載の内視鏡照明システム。 0.9<(NA3/NA1)<1.1 ただし、NA2は光源光学系の開口数。
【0094】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る内視鏡照明
システムによれば、小径化した硬性内視鏡システムや内
視鏡専用手術室における内視鏡システムで従来問題とな
っていた光量不足を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】硬性内視鏡システムの全体を示す概略図であ
る。
【図2】本発明の第一の実施形態に係る内視鏡照明シス
テムにおける光源装置の概略図である。
【図3】キセノンランプ発光部の輝度分布を示すグラフ
である。
【図4】第一の実施形態に係る内視鏡照明システムにお
ける光源装置のライトガイド径と光量との関係を示すグ
ラフである。
【図5】硬性内視鏡のリレーレンズ径と光量との関係を
示すグラフである。
【図6】硬性内視鏡システムの一例の明るさを示すグラ
フである。
【図7】スコープ外径がφ3、φ4である硬性内視鏡の
リレーレンズデータとライトガイド径の設定値の一例を
示す概略図である。
【図8】入射端径と出射端径の比が異なるコニカルファ
イバーを用いた内視鏡照明システムの全体の明るさを示
すグラフである。
【図9】イメージファイバーを用いた硬性内視鏡と第一
の実施形態の光源装置とを組み合わせたシステムの全体
の明るさを示すグラフである。
【図10】内視鏡専用手術室の外観を示す概略図であ
る。
【図11】本発明の第二の実施形態に係る内視鏡専用手
術室用照明システムの構成を示す概略図である。
【図12】ライトガイド端面上に光束を集光させる状況
を示す概略図である。
【図13】(A)はライトガイド端面上に集光される光
の強度分布を示すグラフであり、(B)はライトガイド
と入射光量の関係を示すグラフである。
【図14】第二の実施形態における接続光学系を示す概
略図である。
【図15】(A)は従来のキセノン光源の光学系の概略
図であり、(B)は接続用ライトガイドの開口数に対応
させた光源の光学系の概略図である。
【図16】観察光学系にリレーレンズとコニカルファイ
バーを用いた硬性内視鏡の一部を省略して示す断面図で
ある。
【図17】観察光学系にイメージガイドファイバーを用
いた細径硬性内視鏡の一部を省略して示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1 ライトガイド 2 対物レンズ 3 リレーレンズ 4 接眼レンズ 5 光学アダプタ 6 CCD 7 テレビモニタ 8 光源装置 9 ライトガイドケーブル 10 光学素子 11 非球面レンズ 12,13 赤外線除去フィルター 14 球面ミラー 21 光源 22 機器収納部 23 モニタ 24 コネクタユニット 25 天井裏 26 ライトガイド 27 スコープ 28 パイプ 29 コニカルファイバー 30 イメージファイバー

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともアーク放電式ランプと、ラン
    プ発光部をライトガイドケーブル入射面にほぼ等倍に投
    影する光学系とを備えた光源装置と、 以下の関係を満足するライトガイドケーブルと、 リレー光学系にレンズを用いた硬性内視鏡と、を備えた
    内視鏡照明システム。 0.25×Mgl1/2 <DL /DS <0.5×Mgl
    1/2 0.8<Mgl×(DC /DL )< 1.2 (DS はスコープ外径、DC はライトガイドケーブル
    径、DL はスコープライトガイド径、Mglはライトガ
    イドケーブルとスコープライトガイドとの間に配置され
    る光学素子の投影倍率を指す。)
  2. 【請求項2】 少なくともアーク放電式ランプと、ラン
    プ発光部をライトガイドケーブル入射面にほぼ等倍に投
    影する光学系とを備えた光源装置と、 以下の関係を満足するライトガイドケーブルと、 リレー光学系にイメージファイバーを用いた硬性内視鏡
    と、を備えた内視鏡照明システム。 0.4×Mgl1/2 <DL /DS <0.6×Mgl1/2 0.8<Mgl×(DC /DL )<1.2 (DS はスコープ外径、DC はライトガイドケーブル
    径、DL はスコープライトガイド径、Mglはライトガ
    イドケーブルとスコープライトガイドとの間に配置され
    る光学素子の投影倍率を指す。)
  3. 【請求項3】 少なくともアーク放電式ランプと、ラン
    プ発光部をライトガイドケーブル入射面にほぼ等倍に投
    影する光学系とを備えた光源装置と、 以下の関係を満足する単ファイバーのライトガイドケー
    ブルと、 硬性内視鏡と、を備えた内視鏡照明システム。 DL /DS <0.4×Mg1 Mg1×DC <DL (DS はスコープ外径、DC は単ファイバーライトガイ
    ドケーブル径、DL はスコープライトガイド径、Mg1
    は単ファイバーライトガイドケーブルとスコープライト
    ガイドの間に配置される光学素子の投影倍率を指す。)
  4. 【請求項4】 アーク放電式ランプを用いた少なくとも
    1つの光源装置と、 前記光源装置の数に応じて入射端側が枝分かれしている
    接続用ライトガイドと、 前記接続用ライトガイドからの出射光をライトガイドケ
    ーブル入射端に入射させるための接続光学系と、 からなり、以下の関係を満足する内視鏡照明システム。 NA2>NA1 0.8<(NA2/NA1)×Mg2<1.2 (NA1は前記接続用ライトガイドの開口数、Mg2は
    前記接続光学系の投影倍率、NA2はライトガイドケー
    ブルの開口数を指す。)
JP9287220A 1997-10-20 1997-10-20 内視鏡照明システム Withdrawn JPH11119117A (ja)

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JP9287220A JPH11119117A (ja) 1997-10-20 1997-10-20 内視鏡照明システム
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