内窥镜用照明光学系统的制作方法

1.本发明涉及一种内窥镜用照明光学系统。


背景技术：

2.在以用于进行活体内部的观察和治疗等的医疗用内窥镜为首的内窥镜装置中，在内窥镜插入部的前端设置有照明窗和观察窗，从照明窗射出照明光并通过观察窗来获取观察图像。例如，来自氙气灯、激光光源及发光二极管(led)等光源装置的光通过光纤等光导件引导至照明窗并射出。
3.在内窥镜的光导件的前端部配置有照明光学系统。通过光导件引导的光被直接射出时，光的射出角度的范围狭窄，导致光的照射范围变窄。因此，在光导件的前端部配置照明光学系统，对光进行扩散来扩大光的照射范围。
4.作为这样的照明光学系统，利用组合多个透镜而成的照明光学系统及配置有对光进行扩散的部件的照明光学系统等。
5.例如，专利文献1中记载有一种内窥镜装置，其具备检测光传输损失的功能，所述内窥镜装置具备：第1光源；第1导光部件，导入第1光源的输出光并引导至插入到受检体内的插入部的前端；波长转换部件，配置于第1导光部件的光射出端；第2光源；第2导光部件，导入第2光源的输出光并引导至插入部的前端；光扩散部件，配置于第2导光部件的光射出端；光源驱动机构，生成与分别设定于第1光源及第2光源的目标光量相应的驱动信号，驱动第1光源及第2光源；温度传感器，检测基于来自波长转换部件及光扩散部件的发热的温度；存储机构，存储基于与第1光源的驱动信号的强度对应的波长转换部件的发热的第1温度变化率及基于与第2光源的驱动信号的强度对应的光扩散部件的发热的第2温度变化率；及光传输损失检测机构，对通过温度传感器检测出的温度的第3温度变化率和第1温度变化率及第2温度变化率进行比较，第3温度变化率与第1温度变化率一致时，判定为在第2导光部件产生了光传输损失，第3温度变化率与第2温度变化率一致时，判定为在第1导光部件产生了光传输损失。
6.并且，专利文献2中记载有一种内窥镜用投光单元，其设置于内窥镜的前端部并朝向受检体照射照明光，其中，所述内窥镜用投光单元具备：波长转换部件，通过吸收规定波长的光的一部分并进行波长转换来生成荧光，并使剩余的光透过，由此射出包含规定波长的光和荧光的照明光；及束散角放大部，使从波长转换部件射出的照明光散射来散射来放大照明光的束散角。
7.专利文献2中记载有束散角放大部为在树脂中混入填料而成的部件。
8.以往技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：日本特开2012-213562号公报
11.专利文献2：日本特开2012-232108号公报


技术实现要素：

12.发明要解决的技术课题
13.根据本发明人等的研究，得知如下内容，即，利用如专利文献2中记载那样的在树脂中混入填料而成的扩散部件扩散通过光导件引导并射出的光时，光的利用效率并不充分。若光的利用效率低，则产生发热量变大的问题。
14.具体而言，填料为各向同性散射体，因此入射于填料的光向所有方向扩散。因此，向射出方向以外的方向散射的光也变多，导致效率降低。并且，还采取在出射面以外的面设置反射板来使向射出方向以外的方向散射的光反射的措施，但该光再次接触到填料而各向同性散射。光反复进行这种基于反射板的反射和基于填料的各向同性散射而向外部射出，但由于反复进行多次反射及散射，因此导致效率变差。
15.本发明的课题在于解决基于上述以往技术的问题点，提供一种光的利用效率高的内窥镜用照明光学系统。
16.用于解决技术课题的手段
17.为了解决该课题，本发明具有以下结构。
18.[1]一种内窥镜用照明光学系统，其在内窥镜的插入部的前端部与光导件的端面相接而设置，其中，
[0019]
所述内窥镜用照明光学系统具有设置于光导件的端面并扩散来自光导件的光的扩散板，
[0020]
扩散板具有形成于光导件侧的表面的扩散面及引导通过扩散面扩散的光的导光部，
[0021]
扩散面包括全息扩散板，
[0022]
导光部包括蓝宝石玻璃。
[0023]
[2]根据[1]所述的内窥镜照明光学系统，其中，从垂直于扩散板的导光部的与扩散面相反的一侧的表面的方向观察时，与导光部的扩散面相反的一侧的出射面包含光导件的端面，
[0024]
若将出射面的面内方向上的出射面的端边与光导件的端面的端边的最短距离设为l，
[0025]
将扩散板的与出射面垂直的方向的厚度设为t，
[0026]
则满足t/l≤1.6。
[0027]
[3]根据[2]所述的内窥镜用照明光学系统，其中，最短距离l和厚度t满足0.5≤t/l≤1.6。
[0028]
[4]根据[2]或[3]所述的内窥镜用照明光学系统，其中，厚度t为0.2mm以上且0.5mm以下。
[0029]
[5]根据[1]至[4]中任一项所述的内窥镜用照明光学系统，其中，扩散板的半值扩散角度为30
°
以上。
[0030]
[6]根据[1]至[5]中任一项所述的内窥镜用照明光学系统，其中，光导件的配光角度为80
°
以上。
[0031]
[7]根据[1]至[6]中任一项所述的内窥镜用照明光学系统，其中，导光部的侧面利用粘接剂粘接或钎焊于内窥镜的插入部的前端部。
[0032]
[8]根据[1]至[7]中任一项所述的内窥镜用照明光学系统，其中，从与扩散板的导光部的出射面垂直的方向观察时，导光部的出射面的形状为圆形状，
[0033]
并且，光导件的端面的形状为圆形状。
[0034]
[9]根据[8]所述的内窥镜用照明光学系统，其中，光导件的端面的直径为0.5mm～2.0mm。
[0035]
[10]根据[1]至[9]中任一项所述的内窥镜用照明光学系统，其中，导光部的出射面与空气层相接。
[0036]
发明效果
[0037]
根据本发明，能够提供一种光的利用效率高的内窥镜用照明光学系统。
附图说明
[0038]
图1是表示具有本发明的内窥镜用照明光学系统的内窥镜系统的一例的示意图。
[0039]
图2是示意地表示具有本发明的内窥镜用照明光学系统的内窥镜的前端部的立体图。
[0040]
图3是示意地表示具有本发明的内窥镜用照明光学系统的照明单元的侧视图。
[0041]
图4是从a方向观察图3所示的照明单元的俯视图。
[0042]
图5是图4的b-b线剖视图。
[0043]
图6是用于说明扩散板的作用的图。
[0044]
图7是表示导光部内的光的角度分布的曲线图。
[0045]
图8是表示从扩散板射出的光的角度分布的曲线图。
[0046]
图9是用于说明光导件的取向角度的图。
[0047]
图10是用于说明光导件的取向角度的图。
[0048]
图11是用于说明本发明的内窥镜用照明光学系统的作用的图。
[0049]
图12是用于说明出射面的端边与光导件的端面的端边之间的最短距离l和导光部的厚度t之间的关系的图。
[0050]
图13是示意地表示具有本发明的内窥镜用照明光学系统的另一例的照明单元的俯视图。
[0051]
图14是图13的c-c线剖视图。
[0052]
图15是用于说明实施例中的评价系统的结构的示意图。
具体实施方式
[0053]
以下，根据附图所示的优选实施方式，对本发明的内窥镜用照明光学系统进行详细说明。
[0054]
另外，以下说明的图是用于说明本发明的例示性图，本发明并不被以下示出的图限定。
[0055]
另外，以下中表示数值范围的“～”包含记载于两侧的数值。例如，ε为数值α～数值β表示，ε的范围为包含数值α和数值β的范围，若用数学符号表示，则为α≤ε≤β。
[0056]
并且，“整面”等包含在对应的技术领域中通常容许的误差范围。
[0057]
本发明的内窥镜用照明光学系统，
[0058]
其在内窥镜的插入部的前端部与光导件的端面相接而设置，其中，
[0059]
具有设置于光导件的端面并扩散来自光导件的光的扩散板，
[0060]
扩散板具有形成于光导件侧的表面的扩散面及引导通过扩散面扩散的光的导光部，
[0061]
扩散面由全息扩散板构成，
[0062]
导光部由蓝宝石玻璃构成。
[0063]
[内窥镜系统]
[0064]
首先，对具备具有本发明的内窥镜用照明光学系统的内窥镜的内窥镜系统进行说明。
[0065]
图1是表示具备具有本发明的内窥镜用照明光学系统的内窥镜的内窥镜系统的一例的示意图。
[0066]
内窥镜系统10对作为观察对象的活体内(受检体内)的观察部位照射照明光，拍摄观察部位，根据通过拍摄来获得的图像信号生成观察部位的显示图像，并显示显示图像。
[0067]
内窥镜系统10除了具有本发明的内窥镜用照明光学系统以外，具有与以往公知的内窥镜系统相同的结构。
[0068]
如图1所示，内窥镜系统10具备：内窥镜12，拍摄作为观察对象的活体内(受检体内)的观察部位；处理器装置16，根据通过拍摄来获得的图像信号生成观察部位的显示图像；内窥镜用光源装置(以下，简称为光源装置)14，向内窥镜12供给照射于观察部位的照明光；及监视器18，显示显示图像。在处理器装置16连接有键盘及鼠标等操作输入部19。
[0069]
内窥镜12具备插入到患者体内等受检体内的插入部12a及设置于插入部12a的基端部分的操作部12b。在内窥镜12中，插入部12a侧为前端侧。内窥镜12的操作部12b和处理器装置16通过信号线17连接。内窥镜12例如为腹腔镜等直视型硬性内窥镜。
[0070]
处理器装置16通过信号线17接收从内窥镜12的摄像部输出的图像信号来生成视频信号，并输出至监视器18。由此，在监视器18上例如显示体内等观察部位的显示图像。
[0071]
内窥镜12的操作部12b和光源装置14通过光导件22连接。光从光源装置14供给至光导件22，并从内窥镜12的前端射出光。
[0072]
图2示出放大了内窥镜12的前端部12d的立体图。
[0073]
如图2所示，作为一例，在内窥镜12的前端部12d(前端面)配置有摄像光学系统的观察窗43、照明光学系统的照明窗47、钳子通道83、与送气送水喷嘴85连通的送气送水通道。在图2所示的例子中，具有两个照明窗47，两个照明窗47配置于隔着观察窗43的两侧。
[0074]
本发明的内窥镜用照明光学系统配置于这样的照明窗47，传播通过光导件22引导的光并从照明窗射出。
[0075]
[内窥镜用照明光学系统]
[0076]
图3示出示意地表示具有本发明的内窥镜用照明光学系统及光导件的照明单元的侧视图。
[0077]
图3所示的照明单元20具有光导件22及配置于光导件22的端面的内窥镜用照明光学系统23。
[0078]
光导件22是光传输部件，例如由捆扎多根光纤裸线而成的部件构成。如上所述，光导件22引导从光源装置14供给的光并从光导件22的端面射出。在光导件22的端面配置有内
窥镜用照明光学系统23，因此从光导件22的端面射出的光入射于内窥镜用照明光学系统23。
[0079]
图4示出从a方向观察图3的照明单元20的俯视图，图5示出图4的b-b线剖视图。
[0080]
如图4及图5所示，内窥镜用照明光学系统23具有扩散板24。
[0081]
扩散板24用于扩散从光导件22的端面射出的光来扩大光的照射范围。
[0082]
如图5所示，扩散板24具有导光部26及扩散面28。
[0083]
扩散面28形成于扩散板24的与光导件22相接的一侧的面。扩散面28由全息扩散板构成，使从光导件22的端面射出的光扩散并透过。
[0084]
全息扩散板具有表面凹凸结构，表面凹凸结构形成为使再生光成为在任意的角度范围内扩散的漫射光。作为一例，是holographic diffuser by use of a silver halide sensitized gelatin process，applied optics vol.42，no.14 10may 2003的fig.10(a)所示那样的形状。
[0085]
全息扩散板通过具有这样的表面凹凸结构，在规定的角度范围内扩散从光导件22射出的光。
[0086]
在本发明中，将导光部26作为基板，在导光部26上形成有全息扩散板。
[0087]
作为全息扩散板的形成方法，并无特别限定，能够利用以往公知的形成方法。
[0088]
例如，全息扩散板能够利用溶胶-凝胶法形成。具体而言，制备成为全息扩散板的材料的包含sio2的溶液(溶胶)并涂布于基板上之后，使其凝胶化，在将能够转印通过计算机合成全息图设计的表面凹凸结构的母版(模具)压接在已凝胶化的涂膜的状态下，加热涂膜来使其固化，由此能够形成全息扩散板。
[0089]
作为全息扩散板的基板，能够利用玻璃。并且，全息扩散板的材料是包含玻璃的复合材料。
[0090]
由扩散面28扩散的光入射于导光部26。
[0091]
导光部26是扁平状部件，引导由扩散面28扩散的光，从与形成有扩散面28的面相反的一侧的出射面26a射出。导光部26由折射率高的蓝宝石玻璃构成，从出射面26a射出时，根据与外部的折射率差，使光在界面折射而进一步扩大光的照射范围。具体而言，蓝宝石玻璃的折射率为1.77左右。例如，出射面26a与空气层相接，光从出射面26a射出时，在与空气层的界面，根据与空气的折射率(n＝1)的关系被折射。
[0092]
并且，蓝宝石玻璃的维氏硬度为22.5gpa左右，非常硬。因此，能够减小导光部26的厚度。
[0093]
扩散板24(导光部26 扩散面28)的厚度优选为200μm～500μm，更优选为200μm～400μm，进一步优选为200μm～300μm。另外，扩散面28(全息扩散板)的厚度非常薄，因此能够使导光部26的厚度近似于扩散板24的厚度。
[0094]
在图4所示的例子中，从和扩散板24的导光部26的与扩散面28相反的一侧的出射面26a垂直的方向观察时，即，从图3的a方向观察时，光导件22的端面的形状为圆形。并且，从与出射面26a垂直的方向观察时的出射面26a的形状也是圆形。并且，以使从与出射面26a垂直的方向观察时的光导件22的端面的中心和出射面26a的中心一致的方式配置。
[0095]
并且，出射面26a的直径φ1大于光导件22的端面的直径φ2。
[0096]
因此，在图4所示的例子中，从与出射面26a垂直的方向观察时，出射面26a包含光
导件22的端面。
[0097]
在此，在本发明中，若将出射面26a的面内方向上的出射面26a的端边与光导件22的端面的端边之间的最短距离设为l，并将扩散板24的与出射面26a垂直的方向的厚度设为t，则优选满足t/l≤1.6。在图4所示的例子中，最短距离l为(φ
1-φ2)/2。
[0098]
利用图6至图11对具有这种结构的内窥镜用照明光学系统的作用进行说明。
[0099]
首先，考虑相对于扩散板24，从扩散面28侧相对于扩散面28的表面垂直地入射有光的情况。如图6所示，所入射的光被扩散面28扩散，一边在导光部26内扩散一边被引导。图7中示出所扩散的光、导光部26内的角度分布。如图7所示，成为如下分布，即，角度0
°
的方向(垂直方向)的光的强度(相对强度)最高，随着角度变大而强度减小。在图6及图7中，作为一例，由扩散面28扩散的光的强度的半值全角设为20.8
°
。
[0100]
由扩散面28扩散的光在从导光部26射出时，根据与外部(空气)的折射率差被折射而射出。因此，如图6所示，光进一步扩散而射出。图8示出从导光部26射出的光的角度分布。在图6及图8所示的例子中，从导光部26射出的光的强度的半值全角成为40
°
。
[0101]
如此，扩散板24通过扩散面28上的光的扩散和从导光部26射出时的折射，能够射出具有角度分布的光。
[0102]
接着，对从光导件射出的光进行说明。如图9所示，从光导件22射出的光以规定的配光角度射出。例如，光向空气(n＝1)中射出时，从光导件射出的光的配光角度成为85
°
。
[0103]
在此，考虑在光导件22的端面具有不同折射率的层的情况。例如，如图10所示，在光导件22的端面配置有折射率为1.5的第1层128(相当于不具有扩散性的扩散面28)，并在第1层128的表面配置有折射率为1.77的第2层126(相当于导光部26)时，从光导件22的端面射出的光根据光导件22与第1层128的折射率差而成为53.5
°
的配光角度，在第1层128内被引导并到达第2层126。光从第1层128入射于第2层126时，光根据第1层128与第2层126的折射率差而成为44.9
°
的配光角度，在第2层126内被引导并从第2层126的表面射出。光从第2层126的表面射出时，光根据第2层126与空气的折射率差而成为85
°
的配光角度并射出。即，即使在光导件22的端面与空气层之间具有其他层，向空气中射出的光的配光角度也与从光导件直接射出的光的配光角度相同。
[0104]
另外，扩散面28(全息扩散板)由包含玻璃的复合材料构成，因此折射率为1.5左右。
[0105]
如本发明，在将具有使光扩散的功能的扩散板24配置于光导件22的端面时，如图11所示，对上述光导件22的取向特性和扩散板24的散射特性进行积算来确定所射出的光的配光特性。
[0106]
如此，本发明的内窥镜用照明光学系统通过使用具有扩散面28及导光部26的扩散板24，能够使所射出的光的照射范围比从光导件直接射出的光的配光角度更宽。
[0107]
另外，在图11等中示出的例子中，将基于扩散的光的束散角设为40
°
，但如图8所示，该束散角为半值全角，实际上能够在更宽的角度范围内照射光。例如，在图8所示的例子中，光的强度成为5％左右的角度为
±
42
°
左右，因此若与光导件22的配光特性组合，则能够在约170
°
的范围内照射5％以上的强度的光。
[0108]
在此，如图12所示，作为从内窥镜的前端射出的光的射出角θ2，只要最大射出角为85
°
左右就充分。
[0109]
关于从本发明的内窥镜用照明光学系统射出的光的射出角θ2成为85
°
时的入射角θ1，从蓝宝石玻璃的折射率n1＝1.77和空气层的折射率n2＝1.0，计算出θ1＝34.3
°
。
[0110]
如图12中以l2示出，从光导件22的端面的端边位置射出并入射于扩散板24的光l2在出射面26a的端边位置射出时，满足t/l＝1/tanθ1。如上所述，从出射面26a射出的光的射出角θ2成为85
°
的入射角θ1为34.3
°
，因此t/l成为1.47。
[0111]
若t/l大于1.6，则在导光部26内被引导的光到达导光部26的侧面。导光部26的侧面例如通过粘接剂30、钎焊等粘接于内窥镜的插入部的前端部，到达导光部26的侧面的光不会全反射，而是被粘接剂30等吸收。因此，从出射面26a射出的光量减少，导致光的利用效率降低。
[0112]
相对于此，在本发明中，满足t/l≤1.6，由此能够防止从光导件22入射于扩散板24的光到达导光部26的侧面，能够防止在侧面被粘接剂30等吸收，因此能够防止光的利用效率降低。并且，能够提高光的利用效率，因此能够抑制发热量增加。
[0113]
在此，光导件22的直径φ2已确定时，为了减小t/l，需要减小扩散板24的厚度t和/或加大扩散板24的出射面26a的直径φ1。
[0114]
由于希望将内窥镜的前端部设为较细，因此难以加大扩散板24的出射面26a的直径φ1。另一方面，若减小扩散板24的厚度t，则扩散板24的龟裂等耐久性成为问题。
[0115]
相对于此，在本发明中，在扩散板24的导光部26使用硬度高的蓝宝石玻璃，因此即使减小厚度t也能够抑制龟裂。因此，能够实现扩散板24的小型化、薄型化。并且，通过使导光部26薄型化，能够抑制在导光部26产生光损失而利用效率降低。
[0116]
光导件22的端面为圆形时，从能够以高效率引导来自光源装置的光、确保内窥镜插入部的挠性等观点考虑，端面直径φ2优选为0.5mm～2.0mm。
[0117]
从光导件22的端面射出的光的配光角度优选为80
°
以上。
[0118]
在此，配光角度是指从光导件22的端面向空气中射出光时的光的束散角度。
[0119]
扩散板24的半值扩散角度(漫射光的半值全角)优选设为30
°
以上。
[0120]
在此，半值扩散角度是指在上述图6中说明的漫射光的半值全角。
[0121]
在此，在图4及图5所示的例子中，将光导件22的端面的形状设为了圆形，但并不限定于此。光导件22的端面的形状能够设为椭圆形、多边形、不规则的形状等任意形状。
[0122]
同样地，将扩散板24的出射面26a的形状设为了圆形，但并不限定于此。扩散板24的出射面26a的形状能够设为椭圆形、多边形、不规则的形状等任意形状。
[0123]
在图4及图5所示的例子中，将光导件22的端面的形状和扩散板24的出射面26a的形状设为了相似形状，但并不限定于此，也可以是互不相同的形状。
[0124]
并且，在图4及图5所示的例子中，设为光导件22的端面和扩散板24的出射面26a配置成其中心在面方向上一致的结构，但并不限定于此，光导件22的端面的中心和扩散板24的出射面26a的中心可以偏离。
[0125]
例如，图13及图14示出具有本发明的内窥镜用照明光学系统的另一例的照明单元的一例。
[0126]
图13是照明单元的俯视图，图14是图13的c-c线剖视图。
[0127]
在图13所示的例子中，光导件22的端面及扩散板24的出射面26a分别是不规则的形状。并且，光导件22的端面和扩散板24的出射面26a为非相似形。并且，光导件22的端面的
中心和扩散板24的出射面26a的中心并不一致。并且，在图8所示的例子中，从与出射面26a垂直的方向观察时，出射面26a包含光导件22的端面。
[0128]
在如图13及图14所示那样的结构的情况下，出射面26a的面内方向上的出射面26a的端边与光导件22的端面的端边之间的距离根据位置而不同，但在本发明中，将出射面26a的端边与光导件22的端面的端边之间的距离变得最短的位置上的距离设为最短距离l即可，在图8及图9所示的例子中，是成为距离lmin的位置上的距离。
[0129]
以上，对本发明的内窥镜用照明光学系统进行了详细说明，但本发明并不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种改良或变更是理所当然的。
[0130]
实施例
[0131]
以下，举出本发明的具体实施例，对本发明进行更详细说明。
[0132]
[实施例1]
[0133]
制作了具有如图4及图5所示那样的内窥镜用照明光学系统的照明单元。
[0134]
作为光导件，使用了长度3m、直径0.9mm的光纤束。
[0135]
所述光导件的端部与空气相接时的光导件的配光角度为85
°
。
[0136]
将厚度200μm、直径1.3mm的蓝宝石玻璃作为基板，通过上述方法在蓝宝石玻璃上制作全息扩散板，制作了具有扩散面和导光部的扩散板。
[0137]
全息扩散板设计成使从光导件以上述配光角度入射的光在100
°
(半值全角)的角度范围内扩散。
[0138]
在光导件的端面，将扩散板的扩散面朝向光导件的端面而配置了所制作的扩散板。使扩散板的出射面的中心和光导件的中心一致。通过以上，制作了内窥镜用照明光学系统。
[0139]
l为0.2mm，t为200μm(0.2mm)，因此t/l为1。
[0140]
[评价]
[0141]
对所制作的照明单元评价了光的利用效率。
[0142]
图15示出评价系统的示意图。将光导件22连接于氙气光源100，将扩散板24侧的前端安装于配光测定装置，对光的利用效率及射出角度分布进行了评价。
[0143]
其结果，确认到光的利用效率高，并且光所照射的角度也变宽。
[0144]
综上，本发明的效果是显而易见的。
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符号说明
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10-内窥镜系统，12-内窥镜，12a-插入部，12b-操作部，12d-前端部，14-内窥镜用光源装置(光源装置)，16-处理器装置，17-信号线，18-监视器，19-操作输入部，20-照明单元，22-光导件，23-内窥镜用照明光学系统，24-扩散板，26-导光部，26a-出射面，28-扩散面，30-粘接剂。