(57)【要約】【課題】導光部材に入射される光束の角度特性が不均一であることから、導光部材の個体差や導光部材の取付誤差等により、導光部材への入射光量が大幅に低下する虞がある。【解決手段】光源から射出された光束を集光して導光部材に入射させる集光光学系を、光源側から順に、第一レンズ、第二レンズを少なくとも有する構成とし、かつ第一レンズ、第二レンズの各レンズを所定の条件を満たす構成とする。【選択図】図１
2015225261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出された光束を集光して導光部材に入射させる集光光学系であり、
前記光源側から順に、第一レンズ、第二レンズを少なくとも有し、
次の２つの条件
−１≦ＳＦ１＜−０．６
−０．６＜ＳＦ２＜０．２
但し、
ＳＦ１：（ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２）
ｒ１１：前記第一レンズの前記光源側の曲率半径
ｒ１２：前記第一レンズの前記導光部材側の曲率半径
ＳＦ２：（ｒ２１−ｒ２２）／（ｒ２１＋ｒ２２）
ｒ２１：前記第二レンズの前記光源側の曲率半径
ｒ２２：前記第二レンズの前記導光部材側の曲率半径
を満たす、
集光光学系。
【請求項２】
次の２つの条件
−０．６＜ＳＦ２＜０
０＜ＳＦ２＜０．２
の一方又は両方を更に満たす、
請求項１に記載の集光光学系。
【請求項３】
前記第一レンズは、
前記光源側に凸面を向け、前記導光部材側に平面を向けた正の平凸レンズである、
請求項１又は請求項２に記載の集光光学系。
【請求項４】
前記第一レンズは、
前記光源側と前記導光部材側の両方に凸面を向けた正の両凸レンズである、
請求項１又は請求項２に記載の集光光学系。
【請求項５】
前記第二レンズは、
前記光源側に凸面を向け、前記導光部材側に凹面を向けた正又は負のメニスカスレンズである、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の集光光学系。
【請求項６】
点光源と、
前記点光源より放射された光束をほぼ平行光束に変換する放物面鏡と、
前記放物面鏡にて変換されたほぼ平行光束を集光して導光部材に入射させる請求項１から請求項５の何れか一項に記載の集光光学系と、
を備える、
光源光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から射出される光束を集光して導光部材に入射させる集光光学系及び光源光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡用光源装置には、一般に、放物面鏡と一体型のキセノンランプやハロゲンランプ等の光源部が搭載されている（特許文献１や特許文献２参照）。この種の光源部は、放物面鏡の焦点に位置する点光源を放物面鏡にて平行光束に変換して射出する。平行光束は、集光光学系によりＬＣＢ（Light Carrying Bundle）等の導光部材の入射端面に集光されて導光部材内に入射される。導光部材内に入射された光束は、導光部材内を伝播して導光部材の射出端面より射出されて、配光レンズを介して被写体を照明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０２４３２２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７４９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や特許文献２に例示される点光源は、現実的には面積がゼロでなく必ず面積を持つ。そのため、放物面鏡にて反射された光束は、特許文献１に記載されているように、幾何光学的には平行光束であっても均一な強度分布を持つわけではない。具体的には、放物面鏡にて反射された光束は、中央領域が高く周辺領域が低い山形の強度分布を持ち、ＬＣＢ（Light Carrying Bundle）等の導光部材の端面に集光されたときにも不均一な角度特性（角度が大きいほど強度が低下する角度特性）が残存する。導光部材に入射される光束は角度特性が不均一であることから、導光部材の個体差（入射端面の大きさ）や導光部材の取付誤差等により、導光部材への入射光量が大幅に低下する虞がある。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、導光部材に入射される入射光束の角度特性を均一化することにより、入射光束を導光部材に効率よく取り込ませることが可能な集光光学系及び光源光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態の集光光学系は、光源から射出された光束を集光して導光部材に入射させるものであり、光源側から順に、第一レンズ、第二レンズを少なくとも有し、次の２つの条件
−１≦ＳＦ１＜−０．６
−０．６＜ＳＦ２＜０．２
但し、
ＳＦ１：（ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２）
ｒ１１：第一レンズの光源側の曲率半径
ｒ１２：第一レンズの導光部材側の曲率半径
ＳＦ２：（ｒ２１−ｒ２２）／（ｒ２１＋ｒ２２）
ｒ２１：第二レンズの光源側の曲率半径
ｒ２２：第二レンズの導光部材側の曲率半径
を満たす。
【０００７】
このような構成によれば、導光部材に入射される入射光束の角度特性が少ないレンズ構成枚数で均一化されて、入射光束が導光部材に効率よく取り込まれる。
【０００８】
本実施形態の集光光学系は、次の２つの条件
−０．６＜ＳＦ２＜０
０＜ＳＦ２＜０．２
の一方又は両方を更に満たす構成としてもよい。
【０００９】
第一レンズは、例えば、光源側に凸面を向け、導光部材側に平面を向けた正の平凸レンズである。また、第一レンズは、光源側と導光部材側の両方に凸面を向けた正の両凸レンズであってもよい。
【００１０】
第二レンズは、例えば、光源側に凸面を向け、導光部材側に凹面を向けた正又は負のメニスカスレンズである。
【００１１】
本実施形態の光源光学系は、点光源と、点光源より放射された光束をほぼ平行光束に変換する放物面鏡と、放物面鏡にて変換されたほぼ平行光束を集光して導光部材に入射させる上記の集光光学系とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本実施形態によれば、導光部材に入射される入射光束の角度特性を均一化することにより、入射光束を導光部材に効率よく取り込ませることが可能な集光光学系及び光源光学系が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の照明光学系の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の集光光学系の構成を示すレンズ配置図である。
【図３】本発明の実施例２の集光光学系の構成を示すレンズ配置図である。
【図４】本発明の実施例３の集光光学系の構成を示すレンズ配置図である。
【図５】本発明の実施例４の集光光学系の構成を示すレンズ配置図である。
【図６】比較例の集光光学系の構成を示すレンズ配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、本発明の一実施形態として、内視鏡システムに備えられる照明光学系を例に取り説明する。ここで、内視鏡システムは、光源装置及びスコープを備える。光源装置とスコープは、別の装置で構成されており、互いが接続されることで内視鏡システムを構成する。また、内視鏡システムは、光源装置を内蔵するスコープに置き換えられてもよい。
【００１５】
［照明光学系１全体の構成］
図１は、本実施形態の照明光学系１の構成を示す図である。図１に示されるように、照明光学系１は、光源光学系１０及び配光光学系２０を備えている。光源光学系１０、配光光学系２０はそれぞれ、内視鏡システムを構成する光源装置、スコープに備えられている。光源装置を内蔵するスコープの場合、光源光学系１０と配光光学系２０の両方がスコープに備えられる。
【００１６】
［光源光学系１０の構成］
図１に示されるように、光源光学系１０は、光源部１２及び集光光学系１４を備えている。光源部１２は、放物面鏡１２ａ及び光源ランプ１２ｂを備えている。光源ランプ１２ｂは、放物面鏡１２ａの焦点位置に設けられており、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ等の高輝度ランプである。光源ランプ１２ｂより放射された光は、放物面鏡１２ａにて反射されることにより、ほぼ平行光束に変換される。
【００１７】
光源部１２より射出された光束は、集光光学系１４に入射される。図１に示されるように、集光光学系１４は、光源部１２側から順に、第一レンズ１４ａ、第二レンズ１４ｂを少なくとも有している。「少なくとも有している」と記載したのは、本発明の技術的思想の範囲において、別の光学素子を追加配置する構成例もあり得るからである。例えば、本実施形態の第一レンズ１４ａ及び第二レンズ１４ｂに対して収差補正等に実質的に寄与しない平行平板やＮＤフィルタ、ローパスフィルタ、ＩＲカットフィルタ等を追加する構成例や、本実施形態の第一レンズ１４ａ及び第二レンズ１４ｂによる効果を維持しつつ別の光学素子を付加する構成例が考えられる。
【００１８】
［配光光学系２０の構成］
図１に示されるように、配光光学系２０は、ＬＣＢ２２及び配光レンズ２４を備えている。集光光学系１４を透過した光束は、スコープの基端に配置されたＬＣＢ２２の入射端面２２ａに集光してＬＣＢ２２内に入射され、ＬＣＢ２２内を伝播する。ＬＣＢ２２内を伝播した光束は、スコープの先端に配置されたＬＣＢ２２の射出端面２２ｂより射出され、配光レンズ２４を介して被写体を照明する。
【００１９】
なお、照明光学系１は図１に例示される構成に限らない。例えば、第二レンズ１４ｂとＬＣＢ２２との間に導光ロッドが配置されてもよい。
【００２０】
［集光光学系１４の構成］
【００２１】
第一レンズ１４ａは、例えば、光源部１２側に凸面を向け、ＬＣＢ２２側に平面を向けた正の平凸レンズである。また、第一レンズ１４ａは、光源部１２側とＬＣＢ２２側の両方に凸面を向けた正の両凸レンズであってもよい。両凸レンズの場合、光源部１２側の曲率が大きくＬＣＢ２２側の曲率が小さい。このように、第一レンズ１４ａのＬＣＢ２２側を平面（平凸レンズの場合）又は曲率の小さい凸面（両凸レンズの場合）とすることにより、第一レンズ１４ａの後段に各種光学素子（絞りや光学フィルタ等）を配置するのに十分なスペースが確保される。
【００２２】
第一レンズ１４ａは、第一レンズ１４ａの光源部１２側の曲率半径をｒ１１と定義し、第一レンズ１４ａのＬＣＢ２２側の曲率半径をｒ１２と定義した場合に、次の条件（１）
−１≦ＳＦ１＜−０．６・・・（１）
但し、ＳＦ１＝（ｒ１１＋ｒ１２）／（ｒ１１−ｒ１２）
を満たす構成となっている。
【００２３】
条件（１）が満たされることにより、第一レンズ１４ａに入射された光束が後段の光学素子（第二レンズ１４ｂ）に効率よく取り込まれると共に、第一レンズ１４ａのＬＣＢ２２側が平面（平凸レンズの場合）又は曲率の小さい凸面（両凸レンズの場合）となることから、第一レンズ１４ａの後段に各種光学素子（絞りや光学フィルタ等）を配置するのに十分なスペースが確保される。
【００２４】
ＳＦ１が条件（１）の上限を上回る場合、第一レンズ１４ａへの光線の入射高が高くなると球面収差の発生量が急激に変化する。そのため、後段の光学素子において、光束の周辺領域の取り込み効率が大幅に低下する。ＳＦ１が条件（１）の下限を下回る場合、第一レンズ１４ａのＬＣＢ２２側が凹面となって、第一レンズ１４ａの後段のスペースを確保し難くなり、第一レンズ１４ａの後段に各種光学素子（絞りや光学フィルタ等）を配置することが難しくなる。
【００２５】
第二レンズ１４ｂは、例えば、光源部１２側に凸面を向け、ＬＣＢ２２側に凹面を向けた正又は負のメニスカスレンズである。このように、第二レンズ１４ｂのＬＣＢ２２側を凹面とすることにより、ＬＣＢ２２との位置出しが容易となり、取付誤差の発生が抑えられる。
【００２６】
光源部１２より射出される光束は、理想的には面積ゼロの点光源であるべき光源ランプ１２ｂが面積を持つことから、完全な平行光束とはならない。光源部１２より射出される光束には、光軸ＡＸに対して角度をなすものが含まれる。そこで、本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、光源部１２より射出される光束がオーバーの球面収差を持つという知見を得た。本実施形態では、第一レンズ１４ａ及び第二レンズ１４ｂの光源部１２側の面を凸面とすることにより、光源部１２より射出される光束に含まれるオーバーの球面収差が抑えられる。
【００２７】
また、光源部１２より射出される光束は、中央領域が高く、周辺に近付くほど低くなる山形の強度分布を持つ。そこで、第二レンズ１４ｂは、第二レンズ１４ｂの光源部１２側の曲率半径をｒ２１と定義し、第二レンズ１４ｂのＬＣＢ２２側の曲率半径をｒ２２と定義した場合に、次の条件（２）
−０．６＜ＳＦ２＜０．２・・・（２）
但し、ＳＦ２＝（ｒ２１−ｒ２２）／（ｒ２１＋ｒ２２）
を満たす構成となっている。
【００２８】
条件（２）が満たされることにより、第二レンズ１４ｂに入射された山形の強度分布を持つ光束が均一化されて、ＬＣＢ２２の入射端面２２ａに集光される集光光束の角度特性が均一となる。これにより、ＬＣＢ２２内に入射される光束は、ＬＣＢ２２の個体差（入射端面２２ａの大きさ）やＬＣＢ２２の取付誤差等の影響を殆ど受けることがなく、ＬＣＢ２２内に効率よく取り込まれる。
【００２９】
ＳＦ２が条件（２）の上限を上回る場合、第二レンズ１４ｂを透過した光束は、角度が大きいほど強度が低下する角度特性を持ったままＬＣＢ２２の入射端面２２ａに集光される。そのため、集光光学系１４やＬＣＢ２２が光軸ＡＸと直交する方向に誤差を持って取り付けられると、ＬＣＢ２２内に入射される光束の角度特性が非対称となる。非対称な角度特性は、光束がＬＣＢ２２内を伝播する間も保存される。そのため、被写体が非対称な配光ムラを持つ照明光によって照明される。また、第二レンズ１４ｂの凹面（ＬＣＢ２２側の面）のサグ量が小さくなることから、第二レンズ１４ｂの加工が難しくなる。ＳＦ２が条件（２）の下限を下回る場合、第二レンズ１４ｂを透過した光束は、角度が大きいほど強度が増加する角度特性（凹状の角度特性）を持ってＬＣＢ２２の入射端面２２ａに集光されて、ＬＣＢ２２内に入射される。ここで、ＬＣＢ２２をなすファイバ素線のＮＡを超える光はファイバ素線に入射されない。ＮＡを超える強度の高い周辺領域の光束がファイバ素線に入射されないため、光量損失が大きい。また、第一レンズ１４ａとのスペースが狭くなるため、各種光学素子（絞りや光学フィルタ等）を配置することが難しくなる。
【００３０】
なお、第二レンズ１４ｂは、次の条件（３）、（４）
−０．６＜ＳＦ２＜０・・・（３）
０＜ＳＦ２＜０．２・・・（４）
の一方又は両方を更に満たす構成であってもよい。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、光源部１２より射出された山形の強度分布を持つ光束が少ないレンズ構成枚数（集光光学系１４）でＬＣＢ２２の入射端面２２ａに均一な角度特性で集光されるため、ＬＣＢ２２内に効率よく取り込まれる。
【００３２】
第一レンズ１４ａ、第二レンズ１４ｂの各面は、球面形状であっても非球面形状であってもよい。なお、非球面の形状は、光軸ＡＸからの高さがｈ（単位：ｍｍ）となる非球面上の座標点の該非球面の光軸上での接平面からの距離（サグ量）をＳＡＧと定義し、非球面の光軸ＡＸ上での曲率を１／ｒ（但し、ｒ（単位：ｍｍ）は曲率半径）と定義し、円錐係数をκと定義し、４次以上の偶数次の非球面係数をＡ４、Ａ６、・・・と定義した場合に、次の式で表される。
2015225261.tif 000003
【００３３】
次に、これまで説明した集光光学系１４の具体的数値実施例を４例説明する。
【実施例１】
【００３４】
図２は、本発明の実施例１の集光光学系１４の構成を示すレンズ配置図である。
【００３５】
本実施例１の集光光学系１４の具体的数値構成（面データ、非球面データ）は、表１に示される。表１（面データ及び非球面データ）に示される番号ＮＯは、図２中の面符号ｒｎ（ｎは自然数）に対応する。表１（面データ）の番号ＮＯに付された「＊」は、その番号ＮＯに対応する面が非球面であることを示す。表１（面データ）中、Ｒ（単位：ｍｍ）は光学部材の各面の曲率半径を、Ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学部材厚又は光学部材間隔を、Ｎ（Ｄ）はｄ線（波長５８８ｎｍ）の屈折率を、ν（Ｄ）はｄ線のアッベ数を、それぞれ示す。表１（非球面データ）中の標記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。本実施例１の表１の説明は、以降の各実施例で提示される表においても適用する。
【００３６】
【表１】
2015225261.tif 000004
【００３７】
本実施例１の集光光学系１４は、焦点距離が２１．２２（単位：ｍｍ）である。
【実施例２】
【００３８】
図３は、本発明の実施例２の集光光学系１４の構成を示すレンズ配置図である。表２は、本実施例２の集光光学系１４の具体的数値構成（面データ、非球面データ）を示す。本実施例２の集光光学系１４は、焦点距離が２１．６０（単位：ｍｍ）である。
【００３９】
【表２】
2015225261.tif 000005
【実施例３】
【００４０】
図４は、本発明の実施例３の集光光学系１４の構成を示すレンズ配置図である。表３は、本実施例３の集光光学系１４の具体的数値構成（面データ、非球面データ）を示す。本実施例３の集光光学系１４は、焦点距離が１９．０３（単位：ｍｍ）である。
【００４１】
【表３】
2015225261.tif 000006
【実施例４】
【００４２】
図５は、本発明の実施例４の集光光学系１４の構成を示すレンズ配置図である。表４は、本実施例４の集光光学系１４の具体的数値構成（面データ、非球面データ）を示す。本実施例４の集光光学系１４は、焦点距離が２０．９０（単位：ｍｍ）である。
【００４３】
【表４】
2015225261.tif 000007
【００４４】
（比較例）
次に、本実施例の集光光学系１４の比較例を説明する。比較例の集光光学系には、本実施例の集光光学系１４と区別する便宜上、符号Ｃを付け加える。図６は、比較例の集光光学系１４Ｃの構成を示すレンズ配置図である。図６に示されるように、比較例の集光光学系１４Ｃは、本実施例の集光光学系１４と同じ二枚構成であり、光源部１２側から順に、第一レンズ１４Ｃａ、第二レンズ１４Ｃｂを有している。表５は、比較例の集光光学系１４Ｃの具体的数値構成（面データ、非球面データ）を示す。比較例の集光光学系１４Ｃは、焦点距離が２０．９５（単位：ｍｍ）である。
【００４５】
【表５】
2015225261.tif 000008
【００４６】
（各例の数値検証）
下記は、本実施例１〜４及び比較例において、条件（１）、（２）のそれぞれを適用したときに算出されるＳＦ１、ＳＦ２の値の一覧表である。
本実施例１：ＳＦ１＝−１、ＳＦ２＝−０．４８６
本実施例２：ＳＦ１＝−１、ＳＦ２＝０．１５９
本実施例３：ＳＦ１＝−０．６９４、ＳＦ２＝−０．５２３
本実施例４：ＳＦ１＝−０．７３８、ＳＦ２＝０．１５３
比較例    ：ＳＦ１＝−１．１１７、ＳＦ２＝−０．７００
【００４７】
本実施例１〜４のＳＦ１及びＳＦ２の値から判るように、本実施例１〜４の集光光学系１４は、条件（１）及び（２）を満たす。本実施例１〜４においては、条件（１）及び（２）を満たすことによる上述した効果が奏される。すなわち、本実施例１〜４では、光源部１２より射出された山形の強度分布を持つ光束が少ないレンズ構成枚数（集光光学系１４）でＬＣＢ２２の入射端面２２ａに均一な角度特性で集光されるため、ＬＣＢ２２内に効率よく取り込まれる。
【００４８】
一方、比較例のＳＦ１及びＳＦ２の値から判るように、比較例の集光光学系１４Ｃは、条件（１）、（２）の何れも満たさない。具体的には、比較例の集光光学系１４Ｃは、ＳＦ１が条件（１）の下限を下回る。そのため、比較例では、第一レンズ１４ＣａのＬＣＢ２２側が凹面となって、第一レンズ１４Ｃａの後段のスペースを確保し難くなり、第一レンズ１４Ｃａの後段に各種光学素子（絞りや光学フィルタ等）を配置することが難しくなる。また、比較例の集光光学系１４Ｃは、ＳＦ２が条件（２）の下限を下回る。そのため、比較例では、第二レンズ１４Ｃｂを透過した光束は、角度が大きいほど強度が増加する角度特性（凹状の角度特性）を持ってＬＣＢ２２の入射端面２２ａに集光されて、ＬＣＢ２２内に入射される。ＮＡを超える強度の高い周辺領域の光束がファイバ素線に入射されないため、光量損失が大きい。また、第一レンズ１４Ｃａとのスペースが狭くなるため、各種光学素子（絞りや光学フィルタ等）を配置することが難しくなる。
【００４９】
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明した内容に限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１  照明光学系
１０  光源光学系
１２  光源部
１２ａ  放物面鏡
１２ｂ  光源ランプ
１４  集光光学系
１４ａ  第一レンズ
１４ｂ  第二レンズ
２０  配光光学系
２２  ＬＣＢ
２４  配光レンズ
【図１】
2015225261.tif 000009
【図２】
2015225261.tif 000010
【図３】
2015225261.tif 000011
【図４】
2015225261.tif 000012
【図５】
2015225261.tif 000013
【図６】
2015225261.tif 000014