DE112016006906T5

DE112016006906T5 - Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop und Endoskop

Info

Publication number: DE112016006906T5
Application number: DE112016006906.5T
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Fujimori
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2019-03-07
Also published as: JPWO2017203594A1; US20190082944A1; WO2017203594A1; CN109152518A; US10492672B2

Abstract

Eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop 1 enthält: ein erstes optisches Element 10, so gestaltet, dass es als eine Basis ein erstes paralleles Flachglas 11 verwendet, ein zweites optisches Element 20, so gestaltet, dass es als eine Basis ein zweites paralleles Flachglas 21 verwendet, einen ersten Abstandshalter 30, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem ersten optischen Element 10 und dem zweiten optischen Element 20 festlegt, eine Bildaufnahmevorrichtung 50 und einen zweiten Abstandshalter 40, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem zweiten optischen Element 20 und der Bildaufnahmevorrichtung 50 festlegt, wobei keine Kunststofflinse auf einer Lichteinfallsfläche 10SA des ersten parallelen Flachglases 11 angeordnet ist und eine Kunststofflinse 12 mit einer negativen Brechkraft auf einer zweiten Hauptfläche 10SB gegenüber der Lichteinfallsfläche 10SA angeordnet ist, eine Kunststofflinse 22 mit einer positiven Brechkraft auf einem zweiten parallelen Flachglas 21 angeordnet ist und eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop 1 mit einem Abdichtelement 60 bedeckt ist, das aus einem anorganischen Material besteht, und ein Raum des optischen Pfades in der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ein abgedichteter Raum ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop, enthaltend einen auf Waferebene gestapelten Hauptteil, angeordnet in einem starren distalen Endbereich eines Endoskops, und ein Endoskop mit einer Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop, enthaltend einen auf Waferebene gestapelten Hauptteil, angeordnet in seinem starren distalen Endbereich.
Technischer Hintergrund
Bei einer in einem starren distalen Endbereich eines Endoskops angeordneten Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ist es für eine minimale Invasivität wichtig, den Durchmesser zu verkleinern.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2012-18993 offenbart sowohl ein Bildaufnahmemodul, bestehend aus einem auf Waferebene gestapelten Hauptteil, als auch ein Verfahren zum effizienten Herstellen einer Bildaufnahmeeinheit mit einem kleinen Durchmesser. Das Bildaufnahmemodul wird hergestellt durch Verkleben eines Linsenwafers, enthaltend eine Vielzahl von Linsen, und eines Bildaufnahmewafers, enthaltend eine Vielzahl von Bildaufnahmevorrichtungen, gefolgt von einem Zerschneiden der verklebten Wafer in einzelne Teile.
Andererseits offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-187864 eine hybride Linse mit einer aus Kunststoff bestehenden Linse, angeordnet in ihrem aus Glas bestehenden Linsenbasismaterial.
Jedoch weist die hybride Linse Kunststoff auf, der keine so hohe Zuverlässigkeit aufweist wie Glas. Demgemäß war es für die Bildaufnahmeeinheit, die die hybride Linse enthält, nicht einfach, der für die Bildaufnahmeeinheit eines Endoskops geforderten Zuverlässigkeit zu genügen.
Literaturverzeichnis

Patentschrift 1: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2012-18993
Patentschrift 2: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2007-187864

Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung soll eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop mit überlegener Zuverlässigkeit geschaffen werden, sowie ebenso ein Endoskop mit überlegener Zuverlässigkeit.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: ein erstes optisches Element, so gestaltet, dass als eine Basis ein erstes paralleles Flachglas verwendet ist, enthaltend eine erste Hauptfläche als Lichteinfallfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche, ein zweites optisches Element, so gestaltet, dass als eine Basis ein zweites paralleles Flachglas verwendet ist, enthaltend eine dritte Hauptfläche und eine vierte Hauptfläche gegenüber der dritten Hauptfläche, einen ersten Abstandshalter, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element festlegt, eine Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend einen Licht empfangenden Bereich, enthaltend eine Licht empfangende Fläche und eine Rückfläche gegenüber der Licht empfangenden Fläche, wobei der Licht empfangende Bereich so ausgelegt ist, dass ein Objektbild auf der Licht empfangenden Fläche abgebildet wird, und einen zweiten Abstandshalter, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem zweiten optischen Element und der Bildaufnahmevorrichtung festlegt, wobei das erste optische Element, der erste Abstandshalter, das zweite optische Element, der zweite Abstandshalter und die Bildaufnahmevorrichtung gestapelt sind, wobei im Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse jeweilige Außenformen des ersten optischen Elements, des ersten Abstandshalters, des zweiten optischen Elements und des zweiten Abstandshalters dieselbe Größe aufweisen; keine Kunststofflinse auf der ersten Hauptfläche des ersten parallelen Flachglases angeordnet ist und eine Kunststofflinse mit einer negativen Brechkraft auf der zweiten Hauptfläche des ersten parallelen Flachglases angeordnet ist; eine Kunststofflinse mit einer positiven Brechkraft auf mindestens einer aus der dritten Hauptfläche und der vierten Hauptfläche des zweiten parallelen Flachglases angeordnet ist; und eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop weiter mit einem Abdichtelement bedeckt ist, das aus einem anorganischen Material besteht, und ein Raum des optischen Pfades in der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ein abgedichteter Raum ist.
Ein Endoskop gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop in einem starren distalen Endbereich eines Einführungsabschnitts, wobei die Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop enthält: ein erstes optisches Element, so gestaltet, dass es als eine Basis ein erstes paralleles Flachglas verwendet, enthaltend eine erste Hauptfläche als Lichteinfallfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche, ein zweites optisches Element, so gestaltet, dass es als eine Basis ein zweites paralleles Flachglas verwendet, enthaltend eine dritte Hauptfläche und eine vierte Hauptfläche gegenüber der dritten Hauptfläche, einen ersten Abstandshalter, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element festlegt, eine Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend einen Licht empfangenden Bereich, enthaltend eine Licht empfangende Fläche und eine Rückfläche gegenüber der Licht empfangenden Fläche, wobei der Licht empfangende Bereich so ausgelegt ist, dass ein Objektbild auf der Licht empfangenden Fläche abgebildet wird, und einen zweiten Abstandshalter, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem zweiten optischen Element und der Bildaufnahmevorrichtung festlegt, wobei das erste optische Element, der erste Abstandshalter, das zweite optische Element, der zweite Abstandshalter und die Bildaufnahmevorrichtung gestapelt sind, wobei im Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse jeweilige Außenformen des ersten optischen Elements, des ersten Abstandshalters, des zweiten optischen Elements und des zweiten Abstandshalters dieselbe Größe aufweisen; keine Kunststofflinse auf der ersten Hauptfläche des ersten parallelen Flachglases angeordnet ist und eine Kunststofflinse mit einer negativen Brechkraft auf der zweiten Hauptfläche des ersten parallelen Flachglases angeordnet ist; eine Kunststofflinse mit einer positiven Brechkraft auf mindestens einer aus der dritten Hauptfläche und der vierten Hauptfläche des zweiten parallelen Flachglases angeordnet ist; und eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop weiter mit einem Abdichtelement bedeckt ist, das aus einem anorganischen Material besteht, und ein Raum des optischen Pfades in der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ein abgedichteter Raum ist.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop mit überlegener Zuverlässigkeit und ein Endoskop mit überlegener Zuverlässigkeit und überlegenen optischen Eigenschaften geschaffen werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Endoskopsystems, enthaltend ein Endoskop gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Bildaufnahmeeinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
3 ist eine Schnittansicht entlang einer in 2 dargestellten Linie III-III der Bildaufnahmeeinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
4 ist eine Explosionsansicht der Bildaufnahmeeinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
5 ist ein Diagramm des optischen Pfades der Bildaufnahmeeinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Bildaufnahmeeinheit gemäß einer Modifikation 1;
7 ist eine Schnittansicht einer Bildaufnahmeeinheit gemäß einer Modifikation 2; und
8 ist eine Schnittansicht jeweiliger Bildaufnahmeeinheiten gemäß den Modifikationen 3 und 4.

Beste Ausführungsweise der Erfindung
<Aufbau>
Wie in 1 dargestellt, ist eine Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop 1 (anschließend als eine „Bildaufnahmeeinheit 1“ bezeichnet) in einem starren distalen Endbereich 73A eines Einführungsabschnitt 73 eines Endoskops 9 angeordnet.
Zu beachten ist, dass in der folgenden Beschreibung auf einer Ausführungsform beruhende Darstellungen schematisch sind, und ein Verhältnis zwischen einer Dicke und einer Breite jedes der Abschnitte, eine Proportion jeweiliger Dicken der Abschnitte, ein Winkel zueinander und dergleichen jeweils von tatsächlichen abweichen. Unter den Darstellungen können jeweils Abschnitte enthalten sein, die sich in Maßverhältnis und Proportion unterscheiden. Die Darstellung einiger der Bestandteile kann weggelassen sein.
Das Endoskop 9 enthält den Einführungsab schnitt 73, einen Griffabschnitt 74, angeordnet auf der Seite eines proximalen Endbereichs des Einführungsabschnitts 73, ein Universalkabel 74B, das sich vom Griffabschnitt 74 erstreckt, und einen Steckverbinder 74C, angeordnet auf der Seite eines proximalen Endbereichs des Universalkabels 74B. Der Einführungsabschnitt 73 enthält den starren distalen Endbereich 73A, in dem die Bildaufnahmeeinheit 1 angeordnet ist, einen Biegebereich 73B, der sich zu einem proximalen Ende des distalen Endbereichs 73A hin erstreckt und biegbar ist, um eine Richtung des distalen Endbereichs 73A zu ändern und einen flexiblen Bereich 73C, der sich zu einem proximalen Ende des Biegebereichs 73B erstreckt.
Ein Winkelknopf 74A, der sich als ein Betätigungsabschnitt für einen Benutzer drehen lässt, um den Biegebereich 73B zu bedienen, ist im Griffabschnitt 74 angeordnet.
Das Universalkabel 74B ist über den Steckverbinder 74C mit einer Verarbeitungseinheit 75A verbunden. Die Verarbeitungseinheit 75A steuert ein gesamtes Endoskopsystem 70, während sie eine Signalverarbeitung an einem durch die Bildaufnahmeeinheit 1 ausgegebenen Bildaufnahmesignal durchführt, um das Bildaufnahmesignal als ein Bildsignal auszugeben. Ein Monitor 75B stellt das durch die Verarbeitungseinheit 75A ausgegebene Bildsignal als ein Endoskopbild dar. Anzumerken ist, dass das Endoskop 9 ein flexibles Betrachtungsgerät ist, aber das Endoskop 9 kann auch ein starres Betrachtungsgerät sein, wenn das Endoskop 9 einen Biegebereich aufweist. Das heißt, ein flexibler Bereich oder dergleichen ist kein wesentlicher Bestandteil des Endoskops gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
In der Bildaufnahmeeinheit 1 ist nur eine erste Hauptfläche 10SA eines ersten optischen Elements 10 eine nach außen freiliegende Lichteinfallsfläche, und eine zweite Hauptfläche des ersten optischen Elements 10, jeweilige Hauptflächen anderer optischer Elemente und jeweilige Seitenflächen aller optischen Elemente liegen nicht nach außen frei, wie nachstehend beschrieben.
Das heißt, wie in 2 bis 4 dargestellt, enthält die Bildaufnahmeeinheit 1 das erste optische Element 10, ein zweites optisches Element 20, einen ersten Abstandshalter 30, einen zweiten Abstandshalter 40 und eine Bildaufnahmevorrichtung 50, an die ein Deckglas 59 geklebt ist, und eine Seitenfläche (Außenfläche) der Bildaufnahmeeinheit 1 sind mit einem Abdichtelement 60 bedeckt, das aus einem anorganischen Material besteht.
Das erste optische Element benutzt als Basis ein erstes paralleles Flachglas 11 mit der ersten Hauptfläche 10SA als eine Lichteinfallfläche, so angeordnet, dass sie nach außen an einem distalen Ende des starren distalen Endbereichs 73A freiliegt, sowie mit der zweiten Hauptfläche 10SB gegenüber der ersten Hauptfläche 10SA. Das zweite optische Element 20 benutzt als Basis ein zweites paralleles Flachglas 21 mit einer dritten Hauptfläche 20SA und einer vierten Hauptfläche 20SB gegenüber der dritten Hauptfläche 20SA. Der erste Abstandshalter 30 legt einen Abstand zwischen dem ersten optischen Element 10 und dem zweiten optischen Element 20 fest.
Die Bildaufnahmevorrichtung 50 weist eine Licht empfangende Fläche 50SA und eine Rückfläche 50SB, die gegenüber der Licht empfangenden Fläche 50SA liegt, auf und enthält einen Licht empfangenden Bereich 51, bestehend aus einem CCD-Element oder dergleichen, auf dem ein Objektbild abgebildet wird, auf der Licht empfangenden Fläche 50SA. Eine mit dem Licht empfangenden Bereich 51 verbundene äußere Elektrode 52 ist auf der Rückfläche 50SB über eine Durchkontaktierung (nicht dargestellt) vorgesehen. Die Bildaufnahmevorrichtung 50 empfängt ein Ansteuersignal und sendet ein Bildaufnahmesignal über eine mit der äußeren Elektrode 52 verbundene Verdrahtung.
Der zweite Abstandshalter 40 legt einen Abstand zwischen dem zweiten optischen Element 20 und der Bildaufnahmevorrichtung 50 fest. Der erste Abstandshalter 30 und der zweite Abstandshalter 40 bestehen jeder beispielsweise aus einem Metall oder Silizium und bilden eine Seitenwand, die einen Raum (ein Durchgangsloch) als einen optischen Pfad bildet.
Das erste optische Element 10, der erste Abstandshalter 30, das zweite optische Element 20, der zweite Abstandshalter 40 und die Bildaufnahmevorrichtung 50 sind Rechtecke, deren jeweilige äußere Formen im Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse O dieselbe Größe aufweisen. Demgemäß sind das erste optische Element 10, der erste Abstandshalter 30, das zweite optische Element 20, der zweite Abstandshalter 40 und die Bildaufnahmevorrichtung 50, an die das Deckglas 59 geklebt ist, so gestapelt, dass sie aneinander kleben, um eine Bildaufnahmeeinheit 1 zu bilden, die ein rechtwinkliges Parallelepiped ist.
Während keine Kunststofflinse auf der ersten Hauptfläche 10SA des ersten, aus optischem Glas bestehenden parallelen Flachglases 11 angeordnet ist, ist eine Kunststofflinse 12 mit einer negativen Brechkraft auf der zweiten Hauptfläche 10SB des ersten parallelen Flachglases 11 angeordnet. Eine Kunststofflinse 12 mit einer positiven Brechkraft ist auf einer vierten Hauptfläche 20SB des zweiten, aus optischem Glas bestehenden parallelen Flachglases 21 angeordnet. Das heißt, das erste optische Element 10 und das zweite optische Element 20 sind jeweils ein hybrides Linsenelement, enthaltend eine Glasbasis und eine Kunststofflinse.
Eine Streulichtblende 31 ist zwischen dem ersten optischen Element 10 und dem ersten Abstandshalter 30 angeordnet, und eine Helligkeitsblende 32 ist zwischen dem ersten Abstandshalter 30 und dem zweiten optischen Element 20 angeordnet. Die Streulichtblende 31 blendet unnötiges Licht aus, wie etwa Geisterbilder oder Streulicht.
Anzumerken ist, dass die Streulichtblende 31 und die Helligkeitsblende 32 jeweils auch eine Dicke aufweisen. Genau gesagt, ist der Abstand zwischen dem ersten optischen Element 10 und dem zweiten optischen Element 20 durch den ersten Abstandshalter 30, die Streulichtblende 31 und die Helligkeitsblende 32 festgelegt.
Die Streulichtblende 31 und die Helligkeitsblende 32 mit jeweils einer kreisförmigen Öffnung in der Mitte werden beispielsweise hergestellt durch ein Beschichten mit einem Metallfilm unter Verwendung eines Bedampfungsverfahrens, eines Sputterverfahrens oder dergleichen, Siebdruck unter Verwendung einer schwarzen Farbe, Tintenstrahldruck oder ein Bearbeiten einer Metallfolie.
Eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit 1 ist mit dem Abdichtelement 60 bedeckt, das aus einem anorganischen Material besteht, und ein Raum des optischen Pfads der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ist ein abgedichteter Raum.
Das Abdichtelement 60 besteht aus einem anorganischen Material mit einer kleineren Sauerstoffdurchlässigkeit und Wasserdampfdurchlässigkeit als der Sauerstoffdurchlässigkeit und Wasserdampfdurchlässigkeit einer organischen Substanz, wie etwa Kunststoff. Das Abdichtelement 60 besteht vorzugsweise aus einem Film aus einem anorganischen Material, wie etwa insbesondere einem Siliziumnitridfilm, einem Siliziumoxidfilm oder einem Metallfilm.
Anzumerken ist, dass, falls das Abdichtelement 60 ein transparenter Film ist, nicht nur eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit 1, sondern auch die erste Hauptfläche 10SA des ersten parallelen Flachglases 11 mit dem Abdichtelement 60 bedeckt sein kann. Das heißt, das Abdichtelement 60 kann mindestens die Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit 1 bedecken.
Das Abdichtelement 60 ist auf die Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit 1 unter Verwendung eines Sputterverfahrens, eines CVD-Verfahrens (chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens) oder eines Metallisierungsverfahrens aufgebracht. Die Dicke des Abdichtelements 60 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1 µm und nicht mehr als 100 µm. Der Raum des optischen Pfades kann zuverlässig gegen Sauerstoff und Wasserdampf abgedichtet werden, wenn die Dicke des Abdichtelements dem oben beschriebenen unteren Grenzwert oder mehr entspricht, und es wird nicht verhindert, dass der Durchmesser der Bildaufnahmeeinheit 1 verringert wird, falls die Dicke des Abdichtelements 60 dem oben beschriebenen oberen Grenzwert oder weniger entspricht.
Wenn die Bildaufnahmeeinheit 1 in dem starren distalen Endbereich 73A angeordnet ist, wird nur die erste Hauptfläche 10SA des ersten parallelen Flachglases 11, auf der keine Kunststofflinse angeordnet ist, zu einer Außenfläche, die nach außen frei liegt. Weiter ist der Raum des optischen Pfades, wo die Kunststofflinsen 12 und 22 angeordnet sind, ein nach außen blockierter, abgedichteter Raum, weil eine Seitenfläche des Raums des optischen Pfades mit dem aus einem anorganischen Material bestehenden Abdichtelement 60 bedeckt ist. Demgemäß ist die Bildaufnahmeeinheit 1 in der Zuverlässigkeit überlegen, obwohl die Bildaufnahmeeinheit 1 die Linsen 12 und 22 enthält, die aus Kunststoff bestehen, der Glas in der Zuverlässigkeit unterlegen ist.
Das Endoskop 9, das die Bildaufnahmeeinheit 1 in dem starren distalen Endbereich 73A enthält, ist in der Zuverlässigkeit überlegen, obwohl das Endoskop 9 die aus Kunststoff bestehenden Linsen 12 und 22 enthält, der einem anorganischen Material in der Zuverlässigkeit unterlegen ist.
Anzumerken ist, dass, wie in 5 dargestellt, bei der Bildaufnahmeeinheit 1, wenn eine mittlere Position der optischen Achse O als ein optischer Pfad zwischen der Hauptfläche 10SA des ersten optischen Elements 10 und der Licht empfangenden Fläche 50SA der Bildaufnahmevorrichtung 50 als OM genommen wird (eine Länge zur mittleren Position OM beträgt 0,5 L bezüglich einer Länge L des optischen Pfades entlang der optischen Achse), ist die Helligkeitsblende 32 an einer Position näher zur ersten Hauptfläche 10SA angeordnet, als es die mittlere Position OM ist. Anzumerken ist, dass die Linse 22 an einer Position näher zur Bildaufnahmevorrichtung 50 angeordnet ist, als es die Helligkeitsblende 32 ist.
Eine Bildhöhe y50 eines Bildpunkts auf der Licht empfangenden Fläche 50SA ist im Wesentlichen dieselbe oder größer als eine Abstand y10 zwischen einem Punkt, an dem ein Hauptlichtstrahl KL durch die erste Hauptfläche 10SA tritt, und dem Bildpunkt durch den die optische Achse O verläuft. Das heißt, eine Fläche der Lichteinfallsfläche 10SA ist im Wesentlichen dieselbe wie oder kleiner als die Fläche der Licht empfangenden Fläche 50SA.
Der Hauptlichtstrahl KL ist ein Lichtstrahl, der durch die Mitte einer Apertur eines optischen Systems hindurchtritt, wenn ein Bündel von Lichtstrahlen behandelt wird, das durch das optische System tritt.
Die Bildaufnahmeeinheit 1, in der eine Anordnungsposition der optischen Blende 31 und die oben beschriebene Bildhöhe wie oben beschrieben sind, kann den von der Lichteinfallsfläche 10SA auf die Licht empfangende Fläche 50SA fallenden Lichtstrahl wirksam abbilden, obwohl die Bildaufnahmeeinheit 1 ein längliches rechtwinkliges Parallelepiped ist, und eine Form und eine Größe im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse O der Bildaufnahmeeinheit 1 sind jeweils in jeder Position dieselben. Das heißt, die Bildaufnahmeeinheit 1 enthält ein optisches System, bei dem eine Fläche im Querschnitt in der Richtung senkrecht zur optischen Achse des optischen Systems im Wesentlichen dieselbe oder kleiner ist als die Fläche der Licht empfangenden Fläche 50SA.
Die Bildaufnahmeeinheit 1, die das zweite optische Element 20 enthält, bei der die Kunststofflinse 22 auf der vierten Hauptfläche 20SB angeordnet ist, ist in der obigen Beschreibung als ein Beispiel genommen. Eine Kunststofflinse kann auch auf der dritten Hauptfläche 20SA des zweiten optischen Elements 20 angeordnet sein, oder eine Kunststofflinse kann auf der dritten Hauptfläche 20SA und der vierten Hauptfläche 20SB angeordnet sein.
Obwohl die Bildaufnahmeeinheit 1, die das erste optische Element 10 und das zweite optische Element 20 enthält, als ein Beispiel beschrieben ist, kann die Bildaufnahmeeinheit 1 ferner ein drittes optisches Element enthalten, das eine Kunststofflinse enthält. Das heißt, die jeweiligen Anzahlen und Anordnungen von Kunststofflinsen, optischen Elementen, Abstandshaltern und Blenden sind nicht auf die Anzahl und die Anordnung der Bildaufnahmeeinheit 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschränkt.
Jedoch ist die Bildaufnahmeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anordnung, bei der Licht, das durch eine Kunststofflinse mit einer negativen Brechkraft getreten ist, über eine Kunststofflinse mit einer positiven Brechkraft auf einer Licht empfangenden Fläche abgebildet wird, eine Anordnung, bei der keine Kunststofflinse auf einer Lichteinfallsfläche (Außenfläche) eines nach außen freiliegenden optischen Elements vorhanden ist, und eine Anordnung, bei der eine Seitenfläche mit einem aus einem anorganischen Material bestehenden Abdichtelement 60 bedeckt ist.
<Verfahren zum Herstellen der Bildaufnahmeeinheit>
Ein Verfahren zum Herstellen einer Bildaufnahmeeinheit 1 ist nachstehend vereinfacht beschrieben.
Die Bildaufnahmeeinheit 1 ist eine Bildaufnahmeeinheit auf Waferebene, hergestellt durch ein Zerschneiden eines verklebten Wafers in Stücke, der erhalten ist durch Stapeln von Bauelementwafern, in denen jeweils eine Vielzahl von Funktionselementen in einer Matrixform angeordnet ist. Ein Kunststoffklebstoff oder dergleichen wird verwendet, um die Bauelementwafer zu verkleben.
Zum Beispiel wird der Bauelementwafer, in dem eine Vielzahl erster optischer Elemente 10 angeordnet ist, hergestellt, indem eine Kunststofflinse 12 auf eine Fläche (die zweite Hauptfläche) eines Glaswafers gelegt wird. Als Kunststoff aus dem die Linse besteht, wird vorzugsweise strahlenhärtbarer Kunststoff verwendet.
Wenn der strahlenhärtbare Kunststoff Energie aus Wärme, Ultraviolettstrahlung, einem Elektronenstrahl oder dergleichen von außen empfängt, findet eine Vernetzungsreaktion oder Polymerisierungsreaktion statt. Zu den Beispielen für strahlenhärtbaren Kunststoff gehören transparenter Ultravioletthärtbarer Silikonkunststoff, Epoxidkunststoff und Acrylkunststoff Anzumerken ist, dass „transparent“ bedeutet, dass ein Material in einem solchen Ausmaß kaum lichtabsorbierend oder -streuend ist, dass das Material eine Verwendung in einem eingesetzten Wellenlängenbereich bestehen kann.
Die Kunststofflinse 12 wird hergestellt durch Aufbringen von ungehärtetem und flüssigkeitsartigem oder gelartigem Kunststoff auf den Glaswafer und ein Aushärten des Kunststoffs durch ein Bestrahlen mit Ultraviolettstrahlung, wobei ein Formkörper, der konkave Kanäle mit einer vorgegebenen Innenflächenform enthält, gegen den Kunststoff gedrückt wird. Anzumerken ist, dass Silan-Kopplungsbearbeitung oder dergleichen, um die Trennflächenhaftfestigkeit zwischen dem Glas und dem Kunststoff zu verbessern, vorzugsweise bei dem Glaswafer durchgeführt wird, auf den der Kunststoff nicht aufgebracht ist.
Eine asphärische Linse kann auch leicht hergestellt werden, weil die Innenflächenform des Formkörpers auf eine Außenflächenform der Kunststofflinse übertragen wird.
Die durch ein Zerschneiden in Stücke erhaltene Bildaufnahmeeinheit 1 ist ein rechteckiges Parallelepiped, und Kunststoffkleber oder dergleichen liegt als Schnittfläche an vier Seitenflächen der Bildaufnahmeeinheit 1 frei, jede parallel zu einem optischen Pfad. Ein Raum des optischen Pfades wird mit dem Kunststoffkleber abgedichtet, wenn der verklebte Wafer hergestellt wird. Jedoch ist der Raum des optischen Pfades mit Kunststoff nicht ausreichend abgedichtet, der eine organische Substanz ist. Es wird jedoch eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit 1 mit dem Abdichtelement 60 bedeckt, das aus einem anorganischen Material mit einer niedrigeren Sauerstoffdurchlässigkeit und Wasserdampfdurchlässigkeit als der Sauerstoffdurchlässigkeit und Wasserdampfdurchlässigkeit des Kunststoffklebers oder dergleichen besteht. Demgemäß wird die Abdichtung des Raums des optischen Pfades sichergestellt, und Sauerstoff und Wasser werden zuverlässig am Eindringen in dem Raum des optischen Pfades gehindert.
Obwohl das Abdichtelement 60 nach dem vollständigen Zerschneiden des verklebten Wafers in Bildaufnahmeeinheiten 1 als Einzelstück auf eine Seitenfläche als flache Fläche jeder der Bildaufnahmeeinheiten 1 aufgebracht werden kann, wird das Abdichtelement 60 vorzugsweise in einem Zustand des verklebten Wafers aufgebracht. Zum Beispiel kann das Abdichtelement 60 gleichzeitig auf die jeweiligen Seitenflächen der Vielzahl von Bildaufnahmeeinheiten 1 aufgebracht werden, indem eine Wandfläche eines Schnittrands des an einer Sägefolie oder dergleichen befestigten geschnittenen verklebten Wafers mit dem Abdichtelement 60 unter Verwendung eines CVD-Verfahrens, eines Metallisierungsverfahrens oder dergleichen beschichtet wird.
Anzumerken ist, dass, obwohl die Bildaufnahmeeinheit 1 ein rechteckiges Parallelepiped ist, die Bildaufnahmeeinheit 1 durch eine Bearbeitung beim oder nach dem Schneiden eine polygonale Säule, wie etwa eine hexagonale Säule, oder ein Kreiszylinder sein kann.
<Modifikationen der Ausführungsform>
Eine Bildaufnahmeeinheit gemäß einer Modifikation der Bildaufnahmeeinheit 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nachstehend beschrieben. Die Bildaufnahmeeinheit gemäß der Modifikation ist ähnlich der Bildaufnahmeeinheit 1 und weist dieselbe Wirkung auf wie die Wirkung der Bildaufnahmeeinheit 1. Demgemäß sind Bauteilen mit derselben Funktion jeweils dieselben Bezugsnummern zugewiesen, und daher ist die Beschreibung der Bauteile weggelassen.
<Modifikation 1>
Wie in 6 dargestellt, enthält eine Bildaufnahmeeinheit 1A gemäß einer Modifikation eine Linseneinheit 2A, enthaltend ein erstes optisches Element 10, ein zweites optisches Element 20, einen ersten Abstandshalter 30 und einen zweiten Abstandshalter 40, und weist eine Seitenfläche, die mit einem aus einem anorganischen Material bestehenden Abdichtelement 60 bedeckt ist, und eine Bildaufnahmevorrichtung 50A auf, die ein Deckglas 59A enthält, dessen Größe im Querschnitt entlang einer optischen Achse größer ist als die der Linseneinheit 2A.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Bildaufnahmeeinheit 1A wird ein Bildaufnahmewafer, enthaltend eine Vielzahl von Bildaufnahmevorrichtungen 50A, an die jeweils Deckgläser 59 geklebt sind, nicht gestapelt, wenn ein geklebter Wafer hergestellt wird. Eine Vielzahl von Linseneinheiten 2A ist in einzelne Stücke geschnitten, die erhalten werden durch ein Zerschneiden des geklebten Wafers; die einzelnen Stücke werden auf den Bildaufnahmewafer gesetzt, und der resultierende Wafer wird zerschnitten, um Bildaufnahmeeinheiten 1A als einzelne Stücke zu erhalten.
Die Linseneinheit 2A wird nur auf diejenige Bildaufnahmevorrichtung 50A gesetzt, die unter der Vielzahl von Bildaufnahmevorrichtungen 50A im Bildaufnahmewafer durch eine Inspektion als nicht defekt bestimmt worden ist. Dementsprechend wird verhindert, dass die aufgesetzte Linseneinheit 2A nutzlos wird. Daher kann die Bildaufnahmeeinheit 1A zu niedrigeren Kosten gefertigt werden als die Bildaufnahmeeinheit 1.
Anzumerken ist, dass der Bildaufnahmewafer zu Bildaufnahmevorrichtungen als einzelne Stücke zerschnitten wird und die Bildaufnahmevorrichtungen auf den geklebten Wafer gesetzt werden, der die Vielzahl von Linseneinheiten 2A enthält, und dann der geklebte Wafer zu den Bildaufnahmeeinheiten 1A zerschnitten werden kann. Ferner kann, nachdem der Bildaufnahmewafer zu Bildaufnahmevorrichtungen als einzelne Stücke zerschnitten wurde, die Linseneinheit 2A auf jede der Bildaufnahmevorrichtungen gesetzt werden. In den Fällen kann die Bildaufnahmeeinheit 1A eine Bildaufnahmeeinheit sein, die Bildaufnahmevorrichtungen kleinerer Größe im Querschnitt entlang der optischen Achse als die Linseneinheiten 2A enthält. Das heißt, die jeweiligen Größen im Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Bildaufnahmevorrichtung und der Linseneinheit 2A können dieselben sein, oder eine aus der Bildaufnahmevorrichtung und der Linseneinheit 2A kann größer sein als die andere.
<Modifikation 2>
Wie in 7 dargestellt, ist in einer Bildaufnahmeeinheit 1B gemäß einer Modifikation 2 ein erster Abstandshalter als ein Infrarot-Sperrfilter 30B ausgelegt, um unnötige Infrarotstrahlen zu beseitigen (z.B. Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr). Das heißt, ein Infrarot-Sperrfilter 30B weist eine Abstandshalterfunktion auf, um einen Abstand zwischen einem ersten optischen Element 10 und einem zweiten optischen Element 20 festzulegen, indem er eine vorgegebene Dicke aufweist.
Anzumerken ist, dass Beispiele eines Filters mit einer Abstandshalterfunktion einen Bandpassfilter umfassen können, ausgelegt, um nur Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge durchzulassen und Licht mit einer unnötigen Wellenlänge zu sperren. Der zweite Abstandshalter kann ein Filter sein, oder ein Teil des Abstandshalters kann durch einen Filter ersetzt sein.
<Modifikation 3>
Wie in 8 dargestellt, sieht eine Anordnung einer Bildaufnahmeeinheit 1C gemäß einer Modifikation 3 genauso aus wie die Anordnung der Bildaufnahmeeinheit 1. Jedoch betragen in der Bildaufnahmeeinheit 1C jeweils vorhandene Drücke in den Räumen S30 und S40 des optischen Pfades jeweils 0,1 atm oder weniger.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Bildaufnahmeeinheit 1C wird ein geklebter Wafer in einer Atmosphäre verringerten Drucks von 0,1 atm oder weniger hergestellt. Ein unterer Grenzwert des Drucks beträgt unter dem Gesichtspunkt der Produktivität beispielsweise 0,001 atm. Es ist unnötig zu sagen, dass jeweilige gekrümmte Flächen der Kunststofflinsen 12 und 22 so gestaltet sind, dass ein Lichtstrahl unter reduziertem Atmosphärendruck einer vorgegebenen Brechung unterliegt.
In der Bildaufnahmeeinheit 1C verschlechtern sich die Linsen 12 und 22 nicht so leicht, weil die jeweiligen Sauerstoffkonzentrationen in den Räumen S30 und S40 des optischen Pfades um die Kunststofflinsen herum niedrig sind. Demgemäß ist die Bildaufnahmeeinheit 1C beispielsweise der Bildaufnahmeeinheit 1 in der Zuverlässigkeit weiter überlegen.
<Modifikation 4>
Wie in 8 dargestellt, sieht eine Anordnung einer Bildaufnahmeeinheit 1D gemäß einer Modifikation 4 genauso aus wie die jeweiligen Anordnungen der Bildaufnahmeeinheiten 1 und 1C. Jedoch sind in der Bildaufnahmeeinheit 1D die Räume S30 und S40 des optischen Pfades mit Inertgas mit einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks gefüllt. Es ist unnötig zu sagen, dass jeweilige gekrümmte Flächen der Kunststofflinsen 12 und 22 so gestaltet sind, dass ein Lichtstrahl in dem Inertgas oberhalb des Atmosphärendrucks einer vorgegebenen Brechung unterliegt.
Bei dem Verfahren zur Herstellung der Bildaufnahmeeinheit 1D wird ein verklebter Wafer in Inertgas oberhalb des Atmosphärendrucks hergestellt, z.B. in einer Stickstoffatmosphäre von 1,1 atm. Ein Beispiel für ein Inertgas kann Argon sein, und der Druck des Inertgases beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1,01 atm und nicht mehr als 2 atm. Äußeres Gas (Luft) tritt weniger wahrscheinlich in die Räume S30 und S40 des optischen Pfades ein, wenn der Druck oberhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, und die Bildaufnahmeeinheit 1D lässt sich leicht fertigen, wenn der Druck unterhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt.
Die Bildaufnahmeeinheit 1D ist in der Zuverlässigkeit überlegen, weil die Möglichkeit, dass Gas (Luft / Wasserdampf) in die Räume S30 und S40 des optischen Pfades um die Kunststofflinsen herum eindringt, niedriger ist als die entsprechende Wahrscheinlichkeit bei der Bildaufnahmeeinheit 1.
Anzumerken ist, dass ein Endoskop, das jede der Bildaufnahmeeinheiten 1A bis 1D gemäß den Modifikationen 1 bis 4 in einem starren distalen Endbereich enthält, eine Wirkung des Endoskops 9 und eine einzigartige Wirkung der Bildaufnahmeeinheit aufweist.
Wenn bei der Bildaufnahmeeinheit, bei der ein beliebiger der Abstandshalter ein Filter ist, der Druck eines Raums des optischen Pfades 0,1 atm oder weniger beträgt oder der Raum des optischen Pfades mit Inertgas oberhalb des Atmosphärendrucks gefüllt ist, ist es unnötig zu sagen, dass die Bildaufnahmeeinheit auch eine Wirkung der Bildaufnahmeeinheit 1C oder der Bildaufnahmeeinheit 1D aufweist.
Das heißt, die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedene Änderungen, Kombinationen und Anwendungen können vorgenommen werden, ohne vom Geltungsbereich und Geist der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1, 1A bis 1D: Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop
2A: Linseneinheit
9: Endoskop
10: Erstes optisches Element
10SA: Lichteinfallsfläche (erste Hauptfläche)
10SB: Zweite Hauptfläche
11: Paralleles Flachglas
12: Kunststofflinse
20: Optisches Element
20: Paralleles Flachglas
20SA: Dritte Hauptfläche
20SB: Vierte Hauptfläche
21: Paralleles Flachglas
22: Kunststofflinse
30: Abstandshalter
30B: Infrarot-Sperrfilter
50: Bildaufnahmevorrichtung
50SA: Licht empfangende Fläche
60: Abdichtelement
70: Endoskopsystem
73A: Starrer distaler Endbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012018993 [0003]
JP 2007187864 [0004, 0005]
JP 201218993 [0005]

Claims

Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop, umfassend: ein erstes optisches Element, so gestaltet, dass es als eine Basis ein erstes paralleles Flachglas verwendet, enthaltend eine erste Hauptfläche als Lichteinfallfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche; ein zweites optisches Element, so gestaltet, dass es als eine Basis ein zweites paralleles Flachglas verwendet, enthaltend eine dritte Hauptfläche und eine vierte Hauptfläche gegenüber der dritten Hauptfläche; einen ersten Abstandshalter, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element festlegt; eine Bildaufnahmevorrichtung, enthaltend einen Licht empfangenden Bereich, enthaltend eine Licht empfangende Fläche und eine Rückfläche gegenüber der Licht empfangenden Fläche, wobei der Licht empfangende Bereich so ausgelegt ist, dass ein Objektbild auf der Licht empfangenden Fläche abgebildet wird; und einen zweiten Abstandshalter, so gestaltet, dass er einen Abstand zwischen dem zweiten optischen Element und der Bildaufnahmevorrichtung festlegt, wobei das erste optische Element, der erste Abstandshalter, das zweite optische Element, der zweite Abstandshalter und die Bildaufnahmevorrichtung gestapelt sind, wobei jeweilige Außenformen im Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse des ersten optischen Elements, des ersten Abstandshalters, des zweiten optischen Elements und des zweiten Abstandshalters dieselbe Größe aufweisen, keine Kunststofflinse auf der ersten Hauptfläche des ersten parallelen Flachglases angeordnet ist und eine Kunststofflinse mit einer negativen Brechkraft auf der zweiten Hauptfläche des ersten parallelen Flachglases angeordnet ist, eine Kunststofflinse mit einer positiven Brechkraft auf mindestens einer aus der dritten Hauptfläche und der vierten Hauptfläche des zweiten parallelen Flachglases angeordnet ist, und eine Seitenfläche der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ferner mit einem Abdichtelement bedeckt ist, das aus einem anorganischen Material besteht, und ein Raum des optischen Pfades der Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop ein abgedichteter Raum ist.
Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Helligkeitsblende an einer Position näher zur ersten Hauptfläche als eine mittlere Position eines optischen Pfades zwischen der ersten Hauptfläche und der Licht empfangenden Fläche, und eine Bildhöhe eines Bildpunkts auf der Licht empfangenden Fläche nicht weniger als 90 % und nicht mehr als 110 % eines Abstands zwischen einem Punkt, an dem ein Hauptlichtstrahl durch die erste Hauptfläche tritt, und dem Punkt durch den die optische Achse verläuft, beträgt.
Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop nach Anspruch 2, wobei eine Außenform im Querschnitt in der Richtung senkrecht zur optischen Achse der Bildaufnahmevorrichtung dieselbe Größe aufweist wie die Außenform im Querschnitt in der Richtung senkrecht zur optischen Achse des ersten optischen Elements.
Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Abstandshalter ein Filter ist.
Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Druck im abgedichteten Raum 0,1 atm oder weniger beträgt.
Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, wobei der abgedichtete Raum mit Inertgas oberhalb des Atmosphärendrucks gefüllt ist.
Endoskop, umfassend die Bildaufnahmeeinheit für ein Endoskop nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6 in einem starren distalen Endbereich eines Einführungsabschnitts.