(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部を有する略筒状の形状を有し、その先端部に照明光を供給するライトガイドファイババンドル，及び、その先端部に配置された対物レンズによって形成された観察対象物の像を伝送するイメージガイドファイババンドルが内蔵された内視鏡の挿入部であって、
前記イメージガイドファイババンドルは、クラッド厚が１．５μｍで全体外径が８乃至１０μｍである光学繊維からなるとともに、
前記ライトガイドファイババンドルは、クラッド厚が２μｍで全体外径が２５乃至３０μｍである光学繊維からなり、
前記略筒状形状の内径半径を１，前記イメージガイドファイババンドルの端部近傍における円柱状に固着された部分の外径半径をａ，前記ライトガイドファイババンドルの端部近傍における円柱状に固着された部分の外径半径をｂとした場合に、
０．５４５≦ａ≦０．５８１，
０．４１９≦ｂ≦０．４５５，
且つ、ａ＋ｂ＝１
の関係を満たすとともに、
前記イメージガイドファイババンドルを構成する各光学繊維のコアの断面積の総和と前記ライトガイドファイババンドルを構成する各光学繊維のコアの断面積の総和とが等しい
ことを特徴とする内視鏡の挿入部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージガイドファイババンドルを利用した像伝送系，及び、ライトガイドファイババンドルを利用した照明光学系を備える内視鏡の挿入部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
体腔内を観察するための医療用内視鏡や機械等の内部を観察するための工業用内視鏡には、夫々に共通する構成要素として、体腔内や機械等の内部を照明するための照明光を伝送するライトガイドファイババンドル、及び、この照明光によって照明された観察対象物の像を受像して内視鏡の手許操作部側に伝送するためのイメージガイドファイババンドルが、備えられている。即ち、これらの内視鏡において体腔内や機械等の内部に挿入される中空管状の挿入部（可撓管，湾曲管及び先端部）の内部には、これらライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドルが、必須の構成要素として引き通されている。
【０００３】
このライトガイドファイババンドルは、その照明断面積，即ち、ライトガイドファイババンドルを構成する個々の光学繊維のコア断面積の総和が大きければ大きいほど、伝達可能な照明光量が大きくなるので、観察対象物を明るく照らすことができる。また、イメージガイドファイババンドルは、その受光断面積，即ち、イメージガイドファイババンドルを構成する個々の光学繊維のコア断面積の総和が大きければ大きいほど、受光可能な光量が大きくなるので、明るい像として伝送することができる。即ち、ライトガイドファイババンドルの照明断面積をできるだけ大きくするとともに、イメージガイドファイババンドルの受光断面積をできるだけ大きくすれば、観察対象物を明るい像として観察することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内視鏡の挿入部は、狭い体腔内や機械等の内部に挿入するという使用形態に因り、自ずから、その外径及び内径が制限されてしまう。しかも、このように内径の制限がある挿入管内部には、ライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドル以外にも様々な内蔵物（例えば、湾曲管を湾曲させるための操作ワイヤ，医療用内視鏡における鉗子チャンネルや送気送水管，等）が引き通されているので、ライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドルが占め得る空間は、更に制限される。
【０００５】
しかも、これら各ガイドファイババンドルは、その先端部近傍において、円柱状に束ねられて固着されている。従って、この部分において、各ファイババンドルの外径の和は、挿入部の内径以下となっていなければならない。
【０００６】
従って、このように内径に制限のある挿入管内に、その端部近傍が円柱状に束ねられて固着されたライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドルを引き通す場合に、観察対象物の像の明るさを最大にするには、ライトガイドファイババンドルの照明断面積及び受像素子の受光断面積の比率が最適化するように、両ファイババンドルの径を設定しなければならない。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、内視鏡の挿入部に収容されるライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドルの端部近傍の径同士の最適比率を、提示しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による内視鏡の挿入部は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用した。即ち、本発明による内視鏡の挿入部は、先端部を有する略筒状の形状を有し、その先端部に照明光を供給するライトガイドファイババンドル，及び、その先端部に配置された対物レンズによって形成された観察対象物の像を伝送するイメージガイドファイババンドルが内蔵された内視鏡の挿入部であって、前記イメージガイドファイババンドルは、クラッド厚が１．５μｍで全体外径が８乃至１０μｍである光学繊維からなるとともに、前記ライトガイドファイババンドルは、クラッド厚が２μｍで全体外径が２５乃至３０μｍである光学繊維からなり、前記略筒状形状の内径半径を１，前記イメージガイドファイババンドルの端部近傍における円柱状に固着された部分の外径半径をａ，前記ライトガイドファイババンドルの端部近傍における円柱状に固着された部分の外径半径をｂとした場合に、
０．５４５≦ａ≦０．５８１，
０．４１９≦ｂ≦０．４５５，
且つ、ａ＋ｂ＝１
の関係を満たすとともに、前記イメージガイドファイババンドルを構成する各光学繊維のコアの断面積の総和と前記ライトガイドファイババンドルを構成する各光学繊維のコアの断面積の総和とが等しいことを、特徴としている。
【０００９】
このように構成されると、挿入部の内径を一定とした場合には、イメージガイドファイババンドルによって伝送される観察対象物の像の光量が、最大光量となる。従って、収容可能断面積に自ずから制限のある内視鏡の挿入部内にライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドルを引き通す場合において、効率良く、明るい像を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態である内視鏡１０を含む内視鏡システムを示す概略図である。この図１に示されるように、この内視鏡システムは、内視鏡１０及び光源装置３０から構成される。この内視鏡１０は、体腔内や機械等の内部に挿入される挿入部１１と、この挿入部１１の基端に繋がれた操作部１２と、この操作部１２の基端に固定された接眼部１３と、操作部１２の側面から突出したライトガイド可撓管１４から、構成されている。
【００１２】
挿入部１１は、実際には、先端に位置する先端部と、先端部をその先端に固定した湾曲管と、この湾曲管よりも基端側を占める可撓管とに、区分されている。この先端部には、少なくとも２個の貫通孔がその軸方向と平行に穿たれており、一方の貫通孔における先端面側の開口には、観察窓（平行平面透過板）１６が填め込まれており、他方の貫通孔における先端面側の開口には、配光レンズ（平面を外側に向けた平凹レンズ）１５が填め込まれている。また、観察窓１６が填め込まれた貫通孔の内部には、観察対象物１００の実像を形成する対物レンズ２２が固定されている。また、湾曲管は、複数の金属製リングを接続してなるセグメントの周囲に金属メッシュ及び樹脂チューブを積層した構造を有しており、その先端に取着された操作ワイヤーが後方から引かれることにより所定方向に任意に湾曲する。また、可撓管は、長尺な金属板を螺旋状に巻くことによって成形された螺旋管の周囲に金属メッシュ及び樹脂チューブを積層した構造を有しており、外力に応じて任意に湾曲する。
【００１３】
これら湾曲管と可撓管には、イメージガイドファイババンドル２３及びライトガイドファイババンドル２１が、引き通されている。これらライトガイドファイババンドル２１及びイメージガイドファイババンドル２３は、ともに、複数の光学繊維がその両端のみにおいて円柱状に束ねられて接着剤等によって固着され、その中間部において互いに離間した状態のままシリコンチューブに挿通された構造を有している。そして、このように円柱状に固められたイメージガイド２３の先端近傍が、挿入部の先端部における観察窓１６がはめ込まれた貫通孔に挿入されて固定されている。同様に、円柱状に固められたライトガイドファイババンドル２１の先端が、挿入部の先端部における配光レンズ１５が填め込まれた貫通孔に挿入されて固定されている。
【００１４】
図２は、各ファイババンドル２１，２３の端部近傍（円柱状に固められた箇所）における挿入部１１の断面図である。この図２に示すように、端部近傍における各ファイババンドル２１，２３の断面形状は円形である。図２に示されるように、挿入部１１の内部空間を最大限有効に利用するために、挿入部（先端部又は湾曲管）１１の内部においては、ライトガイドファイババンドル２１の直径２ｂ，イメージガイドファイババンドル２３の直径を２ａ，挿入部１１の内径を２Ｌとして、下記式（１）の関係が満たされている。
0003771814.tif 000002
【００１５】
さらに、図２においては、図示が省略されているが、挿入部１１の湾曲管及び可撓管には、さらに、湾曲管を湾曲させるための操作ワイヤーが引き通されている他、内視鏡１０の機能に応じた内蔵物が引き通されている。例えば、医療用内視鏡においては、観察窓の外表面を洗浄するための送気送水管や、鉗子を先端部の先端面まで導くための鉗子チャンネル等が、引き通されている。
【００１６】
図１に戻り、操作部１２には、図示を省略したが、上記操作ワイヤの基端が取着されるプーリーと、このプーリーに対して同軸に連結されているとともに操作部１２の外部においてオペレータによって回転操作される操作ダイアルが設けられている。この操作ダイアルに連動してプーリーが上記操作ワイヤを引っ張ることによって、湾曲管を任意の方向に湾曲させることができるのである。
【００１７】
イメージガイドファイババンドル２３は、この操作部１２を貫通して接眼部１３に達している。この接眼部１３には、イメージガイドファイババンドル２３の後端面に伝送された観察対象物１００の像を拡大してオペレータに観察せしめる接眼レンズ２５が、内蔵されている。なお、この接眼レンズ２５の位置を調整することによって、イメージガイドファイババンドル２３の後端面に伝送された観察対象物１００の像の実像を形成し、この実像を写真撮影又はビデオ撮影することも可能である。
【００１８】
一方、ライトガイドファイババンドル２１は、操作部１２からライトガイド可撓管１４内に引き通され、このライトガイド可撓管１４の先端から突出している。このライトガイド可撓管１４の先端には、光源装置３０のコネクタ受けに脱着されるコネクタ１４ａが設けられている。そして、このコネクタ１４ａが光源装置３０のコネクタ受けに固着された状態において、ライトガイドファイババンドル２１の入射端面２１ａが、光源装置３０の内部に入り込む。
【００１９】
この光源装置３０には、照明光を発する光源ランプ３１と、この光源ランプ３１から発した照明光をライトガイドファイババンドル２１の入射端面２１ａに集光する集光レンズ３２とが、内蔵されている。
【００２０】
以上の構成において、光源装置３０の光源ランプ３１から発した照明光の大部分が集光レンズ３２によって集光されて、ライトガイドファイババンドル２１の入射端面２１ａからこのライトガイドファイババンドル２１に導入される。このライトガイドファイババンドル２１に導入された照明光は、このライトガイドファイババンドル２１によって挿入部１１内を導かれて、その先端面から射出される。射出された照明光は、配光レンズ１５によって発散されて、観察対象物１００を照明する。この観察対象物１００の表面で乱反射した照明光の一部は、観察窓１６を透過し、対物レンズ２２によって収束されて、イメージガイドファイバ２３の先端面に観察対象物１００の像を結ぶ。この像は、イメージガイドファイババンドル２３内を、各光学繊維毎の画素に分解されて、その後端面まで伝送される。イメージガイドファイババンドル２３の後端面に伝送された観察対象物１００の像は、接眼レンズ２５によって拡大されて、オペレータによって観察される。
【００２１】
次に、挿入部１１の先端部近傍の内部におけるライトガイドファイババンドル２１の端部の半径ｂ及びイメージガイドファイババンドル２３の端部の半径ａの最適比率について説明する。今、説明を容易にするために、ライトガイドファイババンドル２１及びイメージガイドファイババンドル２３が、夫々の端面の全域に入射した光を伝送することができるものと仮想する（即ち、各ファイババンドル２１，２３の機械的占有断面積＝照明断面積又は受光断面積）。また、光源装置３０内においてライトガイドファイババンドル２１の入射端面２１ａに入射する照明光の光束密度，配光レンズ１５から観察対象物１００までの距離，及び、観察対象物１００表面の反射率は、常に一定であるとする。
【００２２】
これらの仮定の元では、“ｂ2π”の機械的占有断面積を有するライトガイドファイババンドル２１によって照明される観察対象物の明るさｘは、
ｘ＝ｂ2π・Ｍ                        ……（２）
（但し、Ｍは、単位照明断面積を有するライトガイドファイババンドル２１を透過した照明光によって照明された観察対象物１００の明るさを示す定数である。）
であると、表わされる。
【００２３】
次に、明るさｘの観察対象物１００からの被写体光（即ち、観察対象物１００の表面での乱反射光）のうち、イメージガイドファイババンドル２３によって伝送される光量ｙは、
ｙ＝ｘ・ａ2π・Ｎ
ｙ＝ｂ2π・Ｍ・ａ2π・Ｎ            ……（３）
（但し、Ｎは、観察対象物１００からの被写体光のうち単位受光断面積を有するイメージガイドファイババンドル２３に入射する光量を示す定数である。）
であると、表される。ここで、Ｍ・Ｎ＝１，ｂ＝Ｌ−ａと置くと、式（３）は下記式（４）のように変形される。
ｙ＝（Ｌ−ａ）2π・ａ2π
＝（ａ4−２Ｌａ3＋Ｌ2ａ2）π2      ……（４）
【００２４】
ここで、Ｌ＝１と規格化し、ｙ／π2＝Ｐとおくと、上記式（４）は下記式（５）のように変形される。
Ｐ＝ａ4−２ａ3＋ａ2 ……（５）
【００２５】
この式（５）をグラフに表すと、図３のような曲線を描く。但し、図２に示す関係から明らかなように、ａが取りうる数値範囲は０より大きく且つ１未満である。従って、この範囲内において、ａ＝０．５のときＰが極大値をとることが解る。即ち、上述した仮定の元では、ライトガイドファイババンドル２１の外径２ｂが挿入部１１の内径２Ｌの１／２であり、イメージガイドファイババンドル２３の外径２ａが挿入部１１の内径２Ｌの１／２である場合に、最も明るい像が得られることになる。言い換えると、ライトガイドファイババンドル２１の断面積とイメージガイドファイババンドル２３の断面積とを等しくすれば、最も効率良く、明るい像を得ることができる。
【００２６】
但し、実際には、各ファイババンドル２１，２３の端面のうち、各光学繊維同士の隙間が占める部分（この隙間の断面積は各ファイババンドル２１，２３の外径に正比例する），及び、各光学繊維におけるクラッド４１（図４），５１（図５）が占める部分は、光を伝送することができない。即ち、各ファイババンドル２１，２３の機械的占有断面積のうち、各光学繊維のコア４２（図４），５２（図５）の断面積のみの総和が、実際の照明断面積又は受光断面積である。
【００２７】
従って、ライトガイドファイババンドル２１の照明断面積（各光学繊維のコアの断面積の総和）とイメージガイドファイババンドル２３の受光断面積（各光学繊維のコアの断面積の総和）とを等しくさせつつ、各ファイババンドル２１，２３の外径の和を挿入部１１の内径と等しくすれば、最も効率良く、明るい像を得ることができる（条件１）。
【００２８】
ところで、特に医療用内視鏡の場合、鮮明な映像を得られるように、イメージガイドファイババンドル２３を構成する光学繊維の本数を増やすべく、各光学繊維の外径を可能な限り小さくする必要がある。但し、コア４２とクラッド４１との界面にて光を反射させるためには、クラッド４１の厚さをある程度確保しなければならない。そのため、従来、イメージガイドファイババンドル２３の光学繊維としては、クラッド４１の厚さが１．５μｍであって、全体の外径が８〜１０μｍのものが、用いられている（図４参照）。従って、この光学繊維における全体としての断面積に対してコア４２の断面積が占める比率は、３９％（外径が８μｍの光学繊維の場合）〜４９％（外径が１０μｍの光学繊維の場合）ということになる。逆にいうと、コア４２の断面積に対して光学繊維全体の断面積は、２．０４倍（外径が１０μｍの光学繊維の場合）〜２．５６倍（外径が８μｍの光学繊維の場合）なければならない（条件２）。
【００２９】
一方、ライトガイドファイババンドル２１に関しては、伝送効率を最優先にするために、やや太い光学繊維が用いられている。具体的には、クラッド５１の厚さが２μｍであって、全体の外径が２５〜３０μｍのものが、用いられている（図５参照）。従って、この光学繊維における全体としての断面積に対してコア５２の断面積が占める比率は、７１％（外径が２５μｍの光学繊維の場合）〜７５％（外径が３０μｍの光学繊維の場合）ということになる。逆にいうと、コア５２の断面積に対して光学繊維全体の断面積は、１．３３倍（外径が３０μｍの光学繊維の場合）〜１．４２倍（外径が２５μｍの光学繊維の場合）なければならない（条件３）。
【００３０】
次に、上記条件１乃至条件３をともに満たすためのａ及びｂの範囲を求める。ここでは、外径が８μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３の機械的占有面積をＳI8とし、外径が１０μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３の機械的占有面積をＳI10とし、外径が２５μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１の機械的占有面積をＳL25とし、外径が３０μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１の機械的占有面積をＳL30とする。
【００３１】
＜外径が８μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が２５μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合＞
この場合、条件１を満たすには、Ｓ18及びＳL25の比率を２．５６：１．４２≒１：０．５５としなければならない。このときＳ18＝ａ2π＝１と置くと、
ａ2π＝１
ａ≒０．５６４                    ……（６）
となり、ＳL25＝ｂ2π＝０．５５と置くと、
ｂ2π＝０．５５
ｂ≒０．４１８                    ……（７）
となる。従って、外径が８μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が２５μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合には、イメージガイドファイババンドル２３の半径ａ及びライトガイドファイババンドル２１の半径ｂの比率は、以下の式（８）の通りでなければならない。
ａ：ｂ＝０．５６４：０．４１８        ……（８）
【００３２】
この式（８）の比率に従い、且つ、ａ＋ｂ＝１の関係を満たすａ及びｂの値は、下記式（８）の通りである。
ａ＝０．５７４
ｂ＝０．４２６                    ……（９）
【００３３】
＜外径が８μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が３０μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合＞
この場合、条件１を満たすには、ＳI8及びＳL30の比率を２．５６：１．３３≒１：０．５２０としなければならない。このときＳL30＝ｂ2π＝０．５２０と置くと、
ｂ2π＝０．５２０
ｂ≒０．４０７                  ……（１０）
となる。従って、外径が８μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が３０μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合には、イメージガイドファイババンドル２３の半径ａ及びライトガイドファイババンドル２１の半径ｂの比率は、以下の式（１１）の通りでなければならない。
ａ：ｂ＝０．５６４：０．４０７      ……（１１）
【００３４】
この式（１１）の比率に従い、且つ、ａ＋ｂ＝１の関係を満たすａ及びｂの値は、下記式（１２）の通りである。
ａ＝０．５８１
ｂ＝０．４１９                  ……（１２）
【００３５】
＜外径が１０μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が２５μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合＞
この場合、条件１を満たすには、ＳI10及びＳL25の比率を２．０４：１．４２≒１：０．６９６としなければならない。このときＳL25＝ｂ2π＝０．６９６と置くと、
ｂ2π＝０．６９６
ｂ≒０．４７１                    ……（１３）
となる。従って、外径が１０μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が２５μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合には、イメージガイドファイババンドル２３の半径ａ及びライトガイドファイババンドル２１の半径ｂの比率は、以下の式（１４）の通りでなければならない。
ａ：ｂ＝０．５６４：０．４７１      ……（１４）
【００３６】
この式（１４）の比率に従い、且つ、ａ＋ｂ＝１の関係を満たすａ及びｂの値は、下記式（１５）の通りである。
ａ＝０．５４５
ｂ＝０．４５５                  ……（１５）
【００３７】
＜外径が１０μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が３０μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合＞
この場合、条件１を満たすには、ＳI10及びＳL30の比率を２．０４：１．３３≒１：０．６５２としなければならない。このときＳL30＝ｂ2π＝０．６５２と置くと、
ｂ2π＝０．６５２
ｂ≒０．４５６                  ……（１６）
となる。従って、外径が１０μｍの光学繊維からなるイメージガイドファイババンドル２３及び外径が３０μｍの光学繊維からなるライトガイドファイババンドル２１を使用する場合には、イメージガイドファイババンドル２３の半径ａ及びライトガイドファイババンドル２１の半径ｂの比率は、以下の式（１７）の通りでなければならない。
ａ：ｂ＝０．５６４：０．４５６      ……（１７）
【００３８】
この式（１７）の比率に従い、且つ、ａ＋ｂ＝１の関係を満たすａ及びｂの値は、下記式（１８）の通りである。
ａ＝０．５５３
ｂ＝０．４４７                  ……（１８）
【００３９】
＜結論＞
以上の式（９），（１２），（１５），（１８）に示されたａ及びｂの組合せをまとめると、『内視鏡１０の挿入部１１の内径半径を“１”とした場合、イメージガイドファイババンドル２３の端部の半径ａが“０．５４５”〜“０．５８１”の範囲内であるとともに、ライトガイドファイババンドル２１の端部の半径ｂが“０．４１９”〜“０．４５５”の範囲内であり、且つ、ａ及びｂの和が“１”である場合に、観察対象物１００の像を最も明るくすることができる』との結論を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の内視鏡によれば、内視鏡の挿入部に収容されるライトガイドファイババンドル及びイメージガイドファイババンドルの端部近傍の外径同士の比率を最適化することにより、観察対象物の像を最も明るくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態が適用された内視鏡を含む内視鏡システムの概略構成図
【図２】  図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った縦断面図
【図３】  イメージガイドファイババンドルの半径ａと観察対象物の像の明るさとの関係を示すグラフ
【図４】  イメージガイドファイババンドルを構成する光学繊維の断面図
【図５】  ライトガイドファイババンドルを構成する光学繊維の断面図
【符号の説明】
１０    内視鏡
１１    挿入部
２１    ライトガイドファイババンドル
２２    対物レンズ
２３    イメージガイドファイババンドル
３０    光源装置
４１    クラッド
４２    コア
５１    クラッド
５２    コア
【図１】
0003771814.tif 000003
【図２】
0003771814.tif 000004
【図３】
0003771814.tif 000005
【図４】
0003771814.tif 000006
【図５】
0003771814.tif 000007