JP2005080769A - Condensing optical system, confocal optical system, and scanning type confocal endoscope - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、この発明は、体腔内の生体組織の断層像を高倍率で観察することができる走査型共焦点内視鏡における共焦点光学システムに関する。 The present invention relates to a confocal optical system in a scanning confocal endoscope that can observe a tomographic image of a living tissue in a body cavity at a high magnification.
従来通常の内視鏡光学系によって得られる像よりも高倍率かつ高解像度な像を観察可能な共焦点顕微鏡の光学システムをプローブに採用した共焦点プローブが知られている。共焦点プローブは、レーザ光を体腔内の生体組織に照射して、該生体組織からの反射光もしくは該生体組織の自家蛍光のうち、対物光学系の物体側焦点面における光のみを抽出することを特徴とする。共焦点プローブに使用可能な光学システムは、例えば、以下の特許文献1や特許文献2に開示される。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a confocal probe that employs an optical system of a confocal microscope that can observe an image with a higher magnification and higher resolution than an image obtained by a normal endoscope optical system. The confocal probe irradiates a living tissue in a body cavity with a laser beam, and extracts only light on the object-side focal plane of the objective optical system from reflected light from the living tissue or autofluorescence of the living tissue. It is characterized by. Optical systems that can be used for the confocal probe are disclosed in, for example,
上記の各特許文献に開示される光学系の構成は、ミラー等の反射面を利用することにより生体組織(被検面)上で光を走査している。そのため、反射面を配置するためのスペースを確保するために光源と集光光学系間の距離を長く取ることになり集光光学系の径を大型化する、または広い走査範囲の確保が困難になるといった問題がある。さらに、配置された場所において、該反射面を所定の方向に駆動させるためのスペースも要求される。 In the configuration of the optical system disclosed in each of the above patent documents, light is scanned on a living tissue (surface to be examined) by using a reflecting surface such as a mirror. Therefore, the distance between the light source and the condensing optical system is increased in order to secure a space for disposing the reflecting surface, thereby increasing the diameter of the condensing optical system or ensuring a wide scanning range. There is a problem of becoming. Furthermore, a space for driving the reflecting surface in a predetermined direction is also required at the place where it is arranged.
また、特許文献1においては、絞りと集光光学系の第一面に反射面を設けて、光束を絞りと該第一面間で往復させることにより必要な光路長を確保しつつ走査を実現している。そのため、反射する度に光量の損失が起こり、光束を効率的に使用することができない。
In
ところで、近年、術者の操作にかかる負担を軽減するなどのために従来ある内視鏡の機能と共焦点プローブの機能を兼ね備えた一体型の走査型共焦点内視鏡(以下、単に一体型内視鏡という)なるものが要望されている。一体型内視鏡は、一般的な内視鏡観察(以下、通常観察という)用の光学システムといわゆる共焦点観察用の光学システムをそれぞれ独立して備える必要がある。そのため、各光学システム、特に共焦点観察用の光学システムを小型化して、可撓管を細径化することが最も重要な課題の一つとなる。しかし、該共焦点観察用の光学システムに上記各特許文献1、2に開示される構成を採用すると、可撓管の径や長さが大きくなってしまい不適である。そこで、可撓管の小型化を図りつつも、可能な限り広い範囲を走査可能とするために、下記の特許文献3に開示されるような、点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成を共焦点観察用の光学システムに用いることが考えられる。
By the way, in recent years, an integrated scanning confocal endoscope (hereinafter simply referred to as an integrated type) that combines the functions of a conventional endoscope and the function of a confocal probe in order to reduce the burden on the operator's operation. What is called an endoscope is demanded. The integrated endoscope needs to be provided with an optical system for general endoscope observation (hereinafter referred to as normal observation) and an optical system for so-called confocal observation independently. Therefore, one of the most important issues is to reduce the size of each optical system, in particular, the optical system for confocal observation, and to reduce the diameter of the flexible tube. However, if the configurations disclosed in
しかし従来、共焦点観察用の光学システムに上記点光源を振る構成を採用した場合に好適、つまり光量の損失や諸収差を良好に抑えることができる集光光学系について具体的な検討、提案はなされていなかった。 However, it is suitable for the confocal observation optical system that employs a configuration that oscillates the above point light source, that is, a specific study and proposal for a condensing optical system that can satisfactorily suppress light loss and various aberrations. It wasn't done.
そこで本発明は上記の事情に鑑み、点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成に好適な集光光学系を提供することを目的とする。また本発明は、点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成に好適な、諸収差を良好に抑えることができる集光光学系を備え、小型でありながらも広い走査範囲が確保された共焦点光学システムを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a condensing optical system suitable for a configuration in which a point image of light is scanned on a surface to be measured by shaking a point light source. In addition, the present invention includes a condensing optical system suitable for a configuration in which a point image of light is scanned on a surface to be measured by shaking a point light source, and is capable of satisfactorily suppressing various aberrations. An object of the present invention is to provide a confocal optical system in which a scanning range is ensured.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の集光光学系は、共焦点用ピンホールとして機能する点光源を内視鏡可撓管の端面と実質的に平行な面上で移動させて該点光源からの光束を走査することにより、被検面を観察する走査型共焦点内視鏡に搭載される集光光学系であって、倍率をm、被検面側の開口数をNAとすると、以下の条件式(1)、
0.1<|m×NA|<0.2・・・(1)
を満たすことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the condensing optical system according to
0.1 <| m × NA | <0.2 ... (1)
It is characterized by satisfying.
条件(1)は、点光源を振ることにより得られる走査範囲と被検面側の開口数との関係を規定する条件である。具体的には、条件(1)において、下限を下回ると開口数NAが低下してしまい、十分な解像力が得られない。また上限を上回ると、開口数が大きくなりすぎて球面収差の補正が困難になってしまうと共に、倍率が小さくなり、十分な走査範囲の確保が困難になる。つまり、請求項1に記載の集光光学系は、限られたスペースしか確保できない内視鏡可撓管内部で点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成に好適である。なお、内視鏡可撓管の端面と実質的に平行な面は、集光光学系の光軸と実質的に直交する面でもある。
Condition (1) is a condition that defines the relationship between the scanning range obtained by shaking the point light source and the numerical aperture on the surface to be examined. Specifically, in the condition (1), when the value falls below the lower limit, the numerical aperture NA is lowered, and sufficient resolution cannot be obtained. If the value exceeds the upper limit, the numerical aperture becomes too large, making it difficult to correct spherical aberration, and the magnification becomes small, making it difficult to ensure a sufficient scanning range. That is, the condensing optical system according to
上記集光光学系は、詳しくは、点光源側から順に、正のパワーを持つ第一群と、少なくとも被検面側に凹面を向けたレンズを含む第二群と、正のパワーを持つ第三群とから構成される(請求項2)。第一群は、その正のパワーによって、点光源から照射された発散光束を収束させる。つまり第一群は主としてコンデンサーレンズとしての機能を持つ。上記の通り、第二群は、少なくとも被検面側に凹面を持つことを特徴とする。該凹面は、主としてペッツバール和を小さく保つことを目的とし、これにより像面湾曲を補正する。つまり該凹面を備えるレンズは、いわゆるフィールドフラットナーとしての機能を有する。なお第二群は第一群を透過することにより収束する傾向にあった光束を再び発散させてしまう。従って、第三群は、第二群透過後の光束を再度収束させるために正のパワーを持つ。また集光光学系をこのような3群構成とすることにより、系の全長を短く保つことが可能となる。 Specifically, the condensing optical system includes, in order from the point light source side, a first group having a positive power, a second group including a lens having a concave surface at least on the test surface side, and a first group having a positive power. It comprises three groups (claim 2). The first group converges the divergent light beam emitted from the point light source by its positive power. That is, the first group mainly has a function as a condenser lens. As described above, the second group has a concave surface at least on the test surface side. The concave surface mainly aims to keep the Petzval sum small, thereby correcting curvature of field. That is, the lens having the concave surface has a function as a so-called field flattener. The second group again diverges the light flux that tends to converge by passing through the first group. Therefore, the third group has a positive power in order to converge the light beam after passing through the second group again. Further, by adopting such a three-group configuration for the condensing optical system, the overall length of the system can be kept short.
上記構成の集光光学系において、点光源から該集光光学系の第一面までの距離をd0、該集光光学系の全系の合成焦点距離をf、第一群の焦点距離をf1とすると、以下の条件式(2)、および(3)
0.1<d0/f1<0.5・・・(2)
0.2<|f1/f|<2.0・・・(3)
をともに満たすことが好ましい(請求項3)。
In the condensing optical system configured as described above, the distance from the point light source to the first surface of the condensing optical system is d0, the combined focal length of the entire system of the condensing optical system is f, and the focal length of the first group is f1. Then, the following conditional expressions (2) and (3)
0.1 <d0 / f1 <0.5 (2)
0.2 <| f1 / f | <2.0 (3)
It is preferable to satisfy both (claim 3).
該点光源は該光束を走査するために移動している。また、点光源から照射された光束は、そもそも発散傾向にある。つまり、点光源から照射される光束は該点光源から離れるほど大きく広がって(発散して)いく。本発明に係る集光光学系は、広がりつつある光束を点光源の直後に配置した第一群によって集光する。従って、点光源により近い位置に第一群を配設すればするほど、レンズの径を小型化、換言すれば集光光学系全体を小型化できる反面、あまりに近づけると移動中の点光源と第一群のレンズが接触するおそれがあるため好ましくない。条件(2)は、このような点光源と第一群との位置関係および集光光学系の小型化について規定する。条件(2)の上限を超えると小型化が困難となる一方、下限を下回ると点光源と第一群とが接触してしまう。 The point light source is moving to scan the luminous flux. In addition, the light beam emitted from the point light source tends to diverge in the first place. That is, the light beam emitted from the point light source spreads (diverges) greatly as the distance from the point light source increases. The condensing optical system according to the present invention condenses the spreading light beam by the first group arranged immediately after the point light source. Therefore, the closer the first lens unit is to the point light source, the smaller the lens diameter, in other words, the smaller the condensing optical system can be. This is not preferable because a group of lenses may come into contact with each other. Condition (2) defines the positional relationship between such a point light source and the first group and the miniaturization of the condensing optical system. When the upper limit of the condition (2) is exceeded, downsizing becomes difficult, while when the lower limit is exceeded, the point light source and the first group come into contact.
上記のように第一群は点光源から照射された発散光束を収束させるために正のパワーを持つ。条件(3)は、系全体のパワーとのバランスを考慮して第一群のパワーを適切に設定するための条件である。条件(3)の下限を下回ると、第一群のパワーが強くなりすぎて歪曲収差が発生してしまう。条件(3)の上限を超えると、第一群のパワーが弱くなりすぎ、構成するレンズの径が大きくなってしまう。 As described above, the first group has positive power to converge the divergent light beam emitted from the point light source. Condition (3) is a condition for appropriately setting the power of the first group in consideration of the balance with the power of the entire system. If the lower limit of the condition (3) is not reached, the power of the first group becomes too strong and distortion is generated. When the upper limit of the condition (3) is exceeded, the power of the first group becomes too weak, and the diameter of the constituting lens becomes large.
請求項4に記載の発明によれば、第三群は、点光源側から順に、正と負の貼り合わせレンズと、少なくとも一枚の正の単レンズと、を含み、全体で正のパワーを持つ第三A群と、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズからなり、負のパワーを持つ第三B群と、少なくとも一枚の正の単レンズを含み、全体で正のパワーを持つ第三C群と、で構成することができる。 According to the invention described in claim 4, the third group includes, in order from the point light source side, a positive and negative bonded lens, and at least one positive single lens, and has a positive power as a whole. A third A group comprising a cemented lens of a biconcave lens and a biconvex lens, a third B group having negative power, and a third C having at least one positive single lens and having a positive power as a whole And a group.
第三群を上記のように構成することにより、高い開口数と走査に十分なワーキングディスタンス(WD)を確保することができる。なお、ワーキングディスタンスとは、集光光学系と被検面間の距離のことをいう。具体的には、第三A群は、第二群から射出された発散光束を収束させる。第三B群は、負レンズ(両凹レンズ)の点光源側に設けられる強い発散面により第三A群から射出された収束光束の球面収差を補正する。同時に該負レンズに両凸レンズを貼り合わせることにより、軸上色収差も良好に補正する。ここで、第三A群のパワーのみでは高NAを得るに相応しい収束効果を得ることはできない。そこで、光束を十分に収束させるために正のパワーを持つ第三C群が設けられている。なお、第三B群と第三C群をいわゆるレトロフォーカスタイプに構成することにより、十分なワーキングディスタンスの確保を実現している。 By configuring the third group as described above, it is possible to ensure a high numerical aperture and a working distance (WD) sufficient for scanning. The working distance refers to the distance between the condensing optical system and the test surface. Specifically, the third A group converges the divergent light beam emitted from the second group. The third group B corrects the spherical aberration of the convergent light beam emitted from the third group A by a strong divergent surface provided on the point light source side of the negative lens (biconcave lens). At the same time, the axial chromatic aberration is also satisfactorily corrected by attaching a biconvex lens to the negative lens. Here, the convergence effect suitable for obtaining a high NA cannot be obtained only with the power of the third A group. Therefore, a third group C having positive power is provided to sufficiently converge the light beam. It should be noted that a sufficient working distance can be ensured by configuring the third group B and the third group C to a so-called retrofocus type.
また請求項5に記載の発明によれば、第一群は1枚の単レンズで構成してもよい。但し、一枚の単レンズのみで構成された第一群は、そのアッベ数ν1とすると、以下の条件式(4)、
ν1<30・・・(4)
を満たすように設計される。
According to the invention described in
ν1 <30 (4)
Designed to meet.
集光光学系のレンズ枚数をできるだけ少なくして簡素な構成にするためには、第一群として一枚の単レンズを使用すればよい。ここで既述の通り、第三A群、第三B群の接合レンズ(特に接合面)は、主として軸上色収差を補正する役割を担っているが、倍率の色収差を補正することはできない。そこで第一群に適切な色収差を持たせ、総合的に軸上及び倍率の色収差を補正する条件である。第一群を一枚の単レンズで構成する場合、条件(4)を満たすようなアッベ数が与えられた単レンズを用いれば、倍率色収差を効果的に抑えることができる。 In order to make the number of lenses of the condensing optical system as small as possible and to have a simple configuration, a single lens may be used as the first group. Here, as described above, the cemented lenses (particularly cemented surfaces) of the third A group and the third B group mainly play a role of correcting the longitudinal chromatic aberration, but cannot correct the chromatic aberration of magnification. Therefore, the first group has appropriate chromatic aberration, and is a condition for comprehensively correcting axial and magnification chromatic aberration. When the first lens group is composed of a single lens, the chromatic aberration of magnification can be effectively suppressed by using a single lens provided with an Abbe number that satisfies the condition (4).
第三A群は、正のパワーを持つ単レンズ2枚を含むことが望ましい(請求項6)。また、第三C群は、両凸レンズと正メニスカスレンズから構成されることが望ましい(請求項7)。このように、各群内において、正のパワーを複数のレンズに分割して与えることにより、各群の構成に球面レンズを使用した場合であっても、球面収差やコマ収差の発生を小さく抑えることが可能となる。 The third group A preferably includes two single lenses having positive power. In addition, it is desirable that the third C group includes a biconvex lens and a positive meniscus lens. In this way, in each group, positive power is divided and given to a plurality of lenses, thereby suppressing the occurrence of spherical aberration and coma aberration even when a spherical lens is used for the configuration of each group. It becomes possible.
なお、第二群は、上述したフィールドフラットナーとして機能する凹面を持つ単レンズもしくは接合レンズで構成されることが望ましい(請求項8)。 The second group is preferably composed of a single lens or a cemented lens having a concave surface that functions as the field flattener described above.
請求項9に記載の共焦点光学システムは、共焦点用ピンホールとして機能する点光源と、点光源から照射された光束を集光する、請求項1から請求項8のいずれかに記載の集光光学系と、集光光学系と前記光束の集光位置との間に配設されるカバーガラスと、点光源を少なくとも集光光学系の光軸と実質的に直交する面上で移動させることにより、光束を走査させる走査手段と、集光光学系とカバーガラスの間隔を変化させることにより、集光光学系の光軸方向に集光位置を移動させる集光位置移動手段と、を備えることを特徴とする。 The confocal optical system according to claim 9 condenses the point light source functioning as a confocal pinhole and the light beam emitted from the point light source. An optical optical system, a cover glass disposed between the condensing optical system and the condensing position of the light beam, and a point light source are moved at least on a plane substantially orthogonal to the optical axis of the condensing optical system Thus, a scanning unit that scans the light beam and a condensing position moving unit that moves the condensing position in the optical axis direction of the condensing optical system by changing the interval between the condensing optical system and the cover glass are provided. It is characterized by that.
請求項9に記載の共焦点光学システムによれば、上記の走査手段および集光位置移動手段によって3次元の走査が可能になり、体腔内の生体組織の表面像のみならず断層像まで観察することが可能になる。しかも、該走査手段は従来技術のようにミラーを用いて光束を走査するのではなく、点光源を移動させることにより走査を行うためにシステム全体の小型化が図られる。また、上述した集光光学系を搭載することにより、該走査手段によって移動する点光源から照射される光束を、光量の損失や諸収差を抑えつつ被検面に集光させることができる。これにより、広範囲にわたってより明るく鮮明な画像による観察が可能になる。 According to the confocal optical system according to claim 9, three-dimensional scanning is enabled by the scanning unit and the converging position moving unit, and not only the surface image of the living tissue in the body cavity but also the tomographic image is observed. It becomes possible. In addition, the scanning means does not scan the light beam using a mirror as in the prior art, but performs scanning by moving the point light source, so that the entire system can be reduced in size. Further, by mounting the above-described condensing optical system, it is possible to condense the light beam irradiated from the point light source moving by the scanning unit on the surface to be measured while suppressing loss of light amount and various aberrations. This enables observation with a brighter and clearer image over a wide range.
請求項10に記載の共焦点光学システムによれば、上記実質的に直交する面は、集光光学系の光軸上に曲率中心がある曲面であり、集光光学系の全系の合成焦点距離をf、移動状態にある点光源から照射される光束の主光線と集光光学系の光軸とが交わる交点と、集光光学系の前側主点との間の距離をs(但し、被検面に向かう方向を+とする)とすると、以下の条件式(5)、
0.1<-f/s<1.0・・・(5)
を満たす。
According to the confocal optical system according to
0.1 <-f / s <1.0 (5)
Meet.
より詳しくは、点光源は、発光部と集光光学系との間であって集光光学系の光軸に沿って配設された一本の光ファイバの射出端であり、走査手段は、射出端近傍を湾曲させることにより、前記点光源を上記の曲面上で移動させる(請求項11)。 More specifically, the point light source is an exit end of one optical fiber disposed between the light emitting unit and the condensing optical system and along the optical axis of the condensing optical system. The point light source is moved on the curved surface by curving the vicinity of the emission end.
上記のように、光ファイバの射出端より光源側を湾曲させることにより点光源としてのファイバ射出端面を移動させることにより、一体型内視鏡にも適用できるように可撓管の細径化を維持しつつ広範囲な走査範囲を得るという目的を比較的容易に達成することができる。 As described above, the diameter of the flexible tube can be reduced so that it can be applied to an integrated endoscope by moving the fiber exit end surface as a point light source by curving the light source side from the exit end of the optical fiber. The objective of obtaining a wide scanning range while maintaining can be achieved relatively easily.
なお、上記のように光ファイバ射出端より光源側を湾曲させることにより、ファイバ射出端面が描く軌跡は、厳密には平面ではなく曲面となる。しかし、ファイバの湾曲中心から射出端までの距離をファイバの走査幅に対し十分長く取れば、略平面と考えることができる。つまり、実質的には、該曲面は集光光学系の光軸と実質的に直交する面と同一視することが可能である。 In addition, by curving the light source side from the optical fiber exit end as described above, the locus drawn by the fiber exit end surface is not a flat surface but strictly a curved surface. However, if the distance from the center of curvature of the fiber to the exit end is sufficiently long with respect to the scanning width of the fiber, it can be considered as a substantially flat surface. That is, substantially, the curved surface can be identified with a surface that is substantially orthogonal to the optical axis of the condensing optical system.
また、光ファイバの射出端より光源側を湾曲させると、その湾曲の度合いに応じて射出端面が傾く為、照射される光束の主光線と集光光学系の光軸とのなす角度は大きくなる。集光光学系は、射出端面から照射される光束の主光線の延長線と集光光学系の光軸が交わる所定位置に入射瞳位置がくるように配設される。なお、上記所定位置は、ファイバ射出端のX-Y平面上の位置(X、Y)が最大、つまり、光軸から最も離れた時の射出端面から照射される光束の主光線を基準に考えると容易に求まる。このように配置することで、ファイバからの射出光束をケラレなく集光光学系に取り込み、視野周辺部まで十分な光量を確保することができる。 In addition, when the light source side is curved from the exit end of the optical fiber, the exit end face is inclined according to the degree of the curvature, so that the angle formed between the principal ray of the irradiated light beam and the optical axis of the condensing optical system becomes large. . The condensing optical system is disposed so that the entrance pupil position is at a predetermined position where the extension of the principal ray of the light beam irradiated from the exit end surface and the optical axis of the condensing optical system intersect. The predetermined position is considered based on the principal ray of the light beam irradiated from the exit end surface when the position (X, Y) on the XY plane of the fiber exit end is the maximum, that is, the farthest from the optical axis. And easily obtained. By arranging in this way, the light beam emitted from the fiber can be taken into the condensing optical system without vignetting, and a sufficient amount of light can be secured up to the periphery of the field of view.
また、共焦点光学システムにおいて、所定位置に移動したファイバ端面からの光束は被検面で反射した後、必ず所定位置にあるファイバ端面に導かれるようにする必要がある。このように被検面からの反射光を利用した走査を行う場合、より効率良くその反射光を集光光学系に戻す為には光学系の被検面側にテレセン性を持たせることが有効である。近軸的には集光光学系の前側(ファイバー側)焦点位置に入射瞳があればよい。しかし、軸外では、瞳の球面収差が大きくなるため、軸外光束についての入射瞳は近軸計算位置からずれた位置にあるのが一般的である。条件(5)は、軸外光束が瞳の球面収差をもっている場合でも、必要最低限のテレセンを確保する為の条件である。つまり、条件(5)の上限と下限のいずれを超えてもテレセン性が著しく失われてしまい周辺部の光量が著しく低下してしまう。 In the confocal optical system, the light beam from the fiber end face moved to a predetermined position must be guided to the fiber end face at a predetermined position after being reflected by the test surface. When scanning using the reflected light from the test surface in this way, it is effective to provide telecentricity on the test surface side of the optical system in order to return the reflected light to the condensing optical system more efficiently. It is. In terms of paraxiality, it is sufficient if the entrance pupil is at the focal position on the front side (fiber side) of the condensing optical system. However, since the spherical aberration of the pupil increases outside the axis, the entrance pupil for the off-axis light beam is generally located at a position shifted from the paraxial calculation position. Condition (5) is a condition for ensuring the minimum necessary telecentricity even when the off-axis light beam has spherical aberration of the pupil. That is, the telecentricity is remarkably lost when the upper limit or the lower limit of the condition (5) is exceeded, and the amount of light at the peripheral portion is significantly reduced.
上記のような共焦点光学システムを用いることにより、可撓管の細径化を維持することができるため、被検者の負担を軽減できる一体型内視鏡を実現することができる。 By using the confocal optical system as described above, the diameter of the flexible tube can be maintained, so that an integrated endoscope that can reduce the burden on the subject can be realized.
以上のように本発明によれば、低倍率でありながらも高いNAを持つ集光光学系が提供される。該集光光学系は、点光源を振ることにより三次元の走査を実現する共焦点光学システムに好適である。このような集光光学系を搭載した共焦点光学システムは、小型化が図れると共に、広い走査範囲が確保できる。また、このような共焦点光学システムを用いることで、細径の可撓管を備えた一体型内視鏡を実現することができる。 As described above, according to the present invention, a condensing optical system having a high NA while having a low magnification is provided. The condensing optical system is suitable for a confocal optical system that realizes three-dimensional scanning by shaking a point light source. A confocal optical system equipped with such a condensing optical system can be downsized and a wide scanning range can be secured. Further, by using such a confocal optical system, an integrated endoscope provided with a thin flexible tube can be realized.
以下、この発明に係る共焦点光学システムを備える一体型内視鏡の実施形態を説明する。図1は、一体型内視鏡300の先端部を拡大して示す側断面図である。図1に示すように、一体型内視鏡300は、先端部に、体腔内の生体組織400を高倍率で観察(共焦点観察)するための共焦点光学システム100と生体組織400を通常観察するための通常観察用光学システム200を備える。なお、一体型内視鏡300は、生体組織400を照明する発光部や各光学システムによって撮像された生体組織400の画像に所定の画像処理を施す画像処理部等を含むプロセッサ(不図示)に電気的かつ光学的に接続されている。
Hereinafter, an embodiment of an integrated endoscope including a confocal optical system according to the present invention will be described. FIG. 1 is an enlarged side sectional view showing the distal end portion of the
なお、図1を含め以下の各図において、集光光学系10の光軸方向をZ方向、Z方向と直交し、かつ互いに直交する方向をそれぞれX方向、Y方向とする。つまり、X方向とY方向はZ方向と直交する面(X−Y面)を規定する。
In the following drawings including FIG. 1, the optical axis direction of the condensing
通常観察用光学システム200は、図示しないものの、プロセッサからの光束を生体組織400に照射させる照明光学系や照射された生体組織を撮像する撮像素子等を備える。
Although not shown, the normal observation
共焦点光学システム100は、集光光学系10、シングルモード光ファイバ(以下、単に光ファイバという)20、圧電素子30A、30B、形状記憶合金40、カバーガラス80を有する。集光光学系10、光ファイバ20、圧電素子30は、円筒状の枠体50に保持されている。枠体50は、該枠体50の径よりも若干大きめの径を持つ円筒状の金属パイプ60内にスライド自在に保持されている。
The confocal
光ファイバ20は、プロセッサの発光部と集光光学系10との間に配設される導光手段である。圧電素子30A、30Bは、光ファイバ20の射出端21近傍であって、X−Y面内において変位する方向が互いに直交する(X方向とY方向)ように配設されている。従って、各圧電素子30A、30Bは、電圧が印加されると、それぞれX方向やY方向に光ファイバ20の射出端21近傍を押圧し、該方向へ移動させる。各圧電素子30A、30Bによって射出端21近傍が集光光学系10の光軸と直交する方向に移動すると、射出端21から照射される光束は、該移動に伴って生体組織400の表面を2次元に走査する。
The
また、枠体50の外壁51と金属パイプ60の内壁61間には、形状記憶合金40と圧縮コイルバネ70が取り付けられている。内壁51と外壁61は、Z方向に略直交する(つまり、X−Y平面上にある)。形状記憶合金40は、常温下で外力を加えると変形し、一定温度以上に加熱されると記憶している状態に収縮する機能を有する。より具体的には、形状記憶合金40は、加熱によりZ方向に収縮するように配設されている。圧縮コイルバネ70は、自然長から圧縮された状態で取り付けられている。つまり、圧縮コイルバネ70は、枠体50をカバーガラス80方向、換言すれば内視鏡先端部前方に付勢した状態にある。
A
印加電圧により加熱作用を受けると、形状記憶合金40は収縮する。形状記憶合金40の収縮する力は、圧縮コイルバネ70の張力よりも大きく設計されている。よって、枠体50は、カバーガラス80と逆の方向、換言すれば内視鏡先端部後方にスライドする。これにより、光ファイバ21から照射され、集光光学系10を介した光束の集光位置がZ方向に若干ずれる。つまり、Z方向の走査が可能になる。さらに言えば、上記二つの圧電素子30A、30B、および形状記憶合金40、圧縮コイルバネ70の作用により、共焦点光学システム100は、生体組織400に関するX−Y−Zからなる3次元の画像を得ることができる。
When the heating action is applied by the applied voltage, the
図2は、共焦点光学システム100における集光光学系10近傍の拡大図である。光ファイバ20は、該発光部からの光束をシステム100内に導き、射出端21から照射する。つまり、光ファイバ20の射出端21は二次的な点光源として機能する。上述したように、圧電素子30A、30Bにより、射出端21は、X−Y面上を移動する。ここで厳密には、図2に示すように、射出端21の軌跡は、射出端21から照射される光束の主光線の延長線(太破線)と光軸(一点鎖線)の交点Pを曲率中心とする曲面(矢印点線)となる。しかし、射出端21の移動量は微量であるため、該曲面は実質的にX−Y面と略一致すると考えられる。なお、図2に示すように、交点Pは、圧電素子30A、30Bにより移動する光ファイバ20の射出端の湾曲中心Cよりも集光光学系10側に位置する。集光光学系10は、交点Pに入射瞳が位置するように配設される。
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the condensing
射出端21から照射された光束は集光光学系10、カバーガラス80を介して生体組織400で集光する。生体組織400で反射した光は、カバーガラス80、集光光学系10、射出端21の順に戻る。換言すれば、反射光がテレセン性を持つように配置構成される。そのため、集光光学系10と光ファイバ20は、集光光学系10の前側焦点位置に射出端21が位置するように配置される。これにより、近軸的には反射光のテレセン性が確保される。さらに、軸外でも反射光のテレセン性が確保されるために、共焦点光学システム100は以下の条件(5)を満たすように構成される。
0.1<-f/s<1.0・・・(5)
但し、fは、集光光学系の全系の合成焦点距離を、交点Pと集光光学系10の前側主点Hとの間の距離をs(但し、被検面である生体組織400に向かう方向を+とする)とする。
The light beam irradiated from the
0.1 <-f / s <1.0 (5)
Where f is the combined focal length of the entire condensing optical system, and s is the distance between the intersection P and the front principal point H of the condensing optical system 10 (however, the
また、光ファイバ20のコア径は極めて小さいため、射出端21は点光源としてだけでなく絞りとしても機能する。従って、条件(5)を満たすように構成することにより、所定位置にある射出端21には、該所定位置にある射出端21から照射され、生体組織400で射出端21と共役な集光点から反射した光のみが入射する。
Further, since the core diameter of the
なお、射出端21に入射した反射光は、プロセッサに導かれる。そしてプロセッサ内において映像信号に変換される。映像信号がモニタ等に出力されることにより、共焦点光学システムにより得られた高倍率な画像が得られる。
The reflected light incident on the
上記のような共焦点光学システム100に搭載される集光光学系10について以下詳説する。図3は、集光光学系10のレンズ配置を示す図の一例である。
The condensing
集光光学系10は、射出端21側、つまり図中左側から順に、正のパワーを持つ第一群G1と、少なくともカバーガラス80側に凹面を向けたレンズを含む第二群G2と、正のパワーを持つ第三群G3とから構成される。
The condensing
本実施形態の第一群G1は、レンズ枚数を減らしてコストダウンや重量の軽減を図るために、一枚の単レンズから構成される。正のパワーを持つ第一群G1は、射出端21から照射された発散光束を収束させるコリメータレンズとしての機能を持つ。
The first group G1 of the present embodiment is composed of one single lens in order to reduce the number of lenses to reduce cost and weight. The first group G1 having positive power has a function as a collimator lens that converges the divergent light beam emitted from the
第二群G2も第一群G1と同様に一枚の単レンズで構成される。なお、第二群G2は、正と負の貼り合わせレンズで構成することもできる。図3において、カバーガラス80側に設けられた凹面r4は、像面湾曲を補正する効果を持つ。
Similarly to the first group G1, the second group G2 is composed of a single lens. The second group G2 can also be composed of a positive and negative bonded lens. In FIG. 3, the concave surface r4 provided on the
第三群G3は、さらに射出端21側から順に、第3A群、第3B群、第3C群の三つの群に分けることができる。第3A群は、正と負の貼り合わせレンズ一枚と少なくとも一枚の正レンズを有する。第3A群は、全体として正のパワーを持つ。 The third group G3 can be further divided into three groups of a 3A group, a 3B group, and a 3C group in order from the injection end 21 side. The third group A has one positive and negative bonded lens and at least one positive lens. The third group A has a positive power as a whole.
第3B群は、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズからなり、全体として負のパワーを持つ。第3B群において、射出端21側に向けられた強い発散面r12によって球面収差を補正する。また、接合面r13は、軸上色収差の補正に寄与する。但し、接合面r13のみでは、軸上色収差の補正が不十分となるおそれがあるため、第3A群にも軸上色収差補正機能を与えることにより、より効果的に軸上色収差を補正している。ここで、上述の通り、第一群は一枚の単レンズで構成されている。従って、該単レンズに倍率色収差補正機能を付与するためには、該単レンズに以下の条件(4)を満たすアッベ数ν1を与えればよい。
ν1<30・・・(4)
The third group B includes a cemented lens of a biconcave lens and a biconvex lens, and has a negative power as a whole. In the third group B, spherical aberration is corrected by the strong diverging surface r12 directed toward the
ν1 <30 (4)
第3C群は、少なくとも一枚の正の単レンズを含み、全体として正のパワーを持つ。第3B群と第3C群は、ちょうどレトロフォーカスの構成になっている。これにより、十分なワーキングディスタンスの確保を実現している。 The third group C includes at least one positive single lens and has positive power as a whole. The third group B and the third group C have a retrofocus configuration. This ensures a sufficient working distance.
ここで、集光光学系10は、倍率をm、被検面側の開口数をNAとすると、以下の条件式(1)、
0.1<|m×NA|<0.2・・・(1)
を満たすように構成される。条件(1)を満たす集光光学系10は、射出端21から照射される光束を、光量の損失を最小限に抑えつつ収差の発生を抑えて可撓管の先端面から照射し、被検面上に集光させることができる。
Here, the condensing
0.1 <| m × NA | <0.2 ... (1)
Configured to meet. The condensing
また、集光光学系10は、射出端21から集光光学系10の第一面r1までの距離をd0、該集光光学系の全系の合成焦点距離をf、第一群の焦点距離をf1とすると、以下の条件式(2)、および(3)
0.1<d0/f1<0.5・・・(2)
0.2<|f1/f|<2.0・・・(3)
をともに満たすように構成される。
Further, the condensing
0.1 <d0 / f1 <0.5 (2)
0.2 <| f1 / f | <2.0 (3)
It is configured to satisfy both.
条件(2)は、集光光学系10の小型化を図るための条件である。また条件(3)は、集光光学系10全体のパワーバランスを図るための条件である。条件(2)と条件(3)を共に満たすことにより、集光光学系10は、小型化されながらも歪曲収差をはじめとする諸収差を良好に抑えることができる。
Condition (2) is a condition for reducing the size of the condensing
以下、集光光学系10の具体的な実施例を4例説明する。
Hereinafter, four specific examples of the condensing
図3は、実施例1の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表1は実施例1の集光光学系10の具体的数値構成を表す。
FIG. 3 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing
表1中、No.は面番号、rはレンズ各面の曲率半径(単位:mm)、dはレンズ厚またはレンズ間隔(単位:mm)、nはd線(588nm)での屈折率、νはd線でのアッベ数である。また表1中の備考は各面番号が示す光学部材を表す。以下の各表においても同様である。 In Table 1, No. Is the surface number, r is the radius of curvature of each lens surface (unit: mm), d is the lens thickness or lens interval (unit: mm), n is the refractive index at the d-line (588 nm), and ν is the Abbe at the d-line. Is a number. Remarks in Table 1 represent optical members indicated by the respective surface numbers. The same applies to the following tables.
図4は、実施例2の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表2は実施例2の集光光学系10の具体的数値構成を表す。
FIG. 4 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing
図5は、実施例3の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表3、は実施例3の集光光学系10の具体的数値構成を表す。
FIG. 5 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing
図6は、実施例4の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表4、は実施例4の集光光学系10の具体的数値構成を表す。
FIG. 6 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing
図3〜図6に示すように、各実施例1〜4において、第一群は、レンズの構成枚数を減らして軽量化を図るために一枚の単レンズで構成される。また、実施例1〜3において第二群は単レンズで構成されているが、実施例4は接合レンズとして構成しNA0.48という高NA化に対応している。第3A群は、正の単レンズを2枚有する。また、第3C群は、両凸レンズと正メニスカスレンズからなる。このように、正のパワーを2枚以上の単レンズに分割して与えることにより、第3A群や第3C群に球面レンズを使用した場合に発生する球面収差やコマ収差を良好に抑えている。 As shown in FIGS. 3 to 6, in each of the first to fourth embodiments, the first group includes a single lens in order to reduce the number of lenses and reduce the weight. Further, in Examples 1 to 3, the second group is configured by a single lens, but Example 4 is configured as a cemented lens and corresponds to a high NA of NA 0.48. The third group A has two positive single lenses. The third group C includes a biconvex lens and a positive meniscus lens. As described above, the positive power is divided and given to two or more single lenses, so that spherical aberration and coma generated when a spherical lens is used in the 3A group and the 3C group are satisfactorily suppressed. .
各実施例1〜4の集光光学系10における上記条件(1)〜(5)に必要な数値を表したのが表5である。表5において、H1は第1面から前側主点までの距離を示す。表5に示した各数値を条件(1)〜(5)に当てはめたときに得られる値を表6に示す。
Table 5 shows numerical values necessary for the above conditions (1) to (5) in the condensing
図7から図10は、順に実施例1から実施例4の各集光光学系10において発生する諸収差を表す収差図である。各図中、左から球面収差および軸上色収差を表す収差図、倍率色収差図、非点収差図、歪曲収差図である。なお、球面収差および軸上色収差を表す収差図において、e線は546nm、F線は486nmである。また、非点収差図において、Sはサジタル、Mはメリディオナルである。また、表6に示すように、どの実施例も条件(1)〜(5)を全て満たす。よって、図7から図10のそれぞれに示すように、どの実施例の集光光学系10も諸収差が十分に抑えられている。
FIG. 7 to FIG. 10 are aberration diagrams showing various aberrations that occur in the respective condensing
10 集光光学系
20 シングルモード光ファイバ
21 射出端
G1 第一群
G2 第二群
G3 第三群
300 一体型内視鏡
400 生体組織
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記集光光学系は、倍率をm、前記被検面側の開口数をNAとすると、以下の条件式(1)、
0.1<|m×NA|<0.2・・・(1)
を満たすことを特徴とする集光光学系。 A condensing optical system mounted on a scanning confocal optical system for observing a test surface by moving a point light source that functions as a confocal pinhole and scanning a light beam from the point light source,
The condensing optical system has the following conditional expression (1), where m is the magnification and NA is the numerical aperture on the surface to be measured.
0.1 <| m × NA | <0.2 ... (1)
The condensing optical system characterized by satisfy | filling.
正のパワーを持つ第一群と、
少なくとも前記被検面側に凹面を向けたレンズを含む第二群と、
正のパワーを持つ第三群と、から構成されることを特徴とする請求項1に記載の集光光学系。 In order from the point light source side,
The first group with positive power,
A second group including at least a lens having a concave surface facing the test surface;
The condensing optical system according to claim 1, comprising a third group having a positive power.
前記点光源から前記集光光学系の第一面までの距離をd0、前記集光光学系の全系の合成焦点距離をf、前記第一群の焦点距離をf1とすると、以下の条件式(2)、および(3)
0.1<d0/f1<0.5・・・(2)
0.2<|f1/f|<2.0・・・(3)
をともに満たすことを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 2,
When the distance from the point light source to the first surface of the condensing optical system is d0, the combined focal length of the entire condensing optical system is f, and the focal length of the first group is f1, the following conditional expression (2) and (3)
0.1 <d0 / f1 <0.5 (2)
0.2 <| f1 / f | <2.0 (3)
Condensing optical system characterized by satisfying both.
前記第一群は1枚の単レンズで構成され、
該第一群のアッベ数ν1とすると、以下の条件式(4)、
ν1<30・・・(4)
を満たすことを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system in any one of Claim 2 or Claim 3,
The first group is composed of one single lens,
Assuming that the Abbe number ν1 of the first group, the following conditional expression (4),
ν1 <30 (4)
The condensing optical system characterized by satisfy | filling.
前記第三群は、点光源側から順に、
正と負の貼り合わせレンズ一枚と、少なくとも一枚の正の単レンズと、を含み、全体で正のパワーを持つ第三A群と、
両凹レンズと両凸レンズの接合レンズからなり、負のパワーを持つ第三B群と、
少なくとも一枚の正の単レンズを含み、全体で正のパワーを持つ第三C群と、から構成されることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 2 to 4,
The third group is in order from the point light source side,
A third A group including one positive and negative bonded lens and at least one positive single lens, and having positive power as a whole;
A third B group consisting of a cemented lens of a biconcave lens and a biconvex lens and having negative power;
A condensing optical system comprising a third C group including at least one positive single lens and having positive power as a whole.
点光源から照射された光束を集光する、請求項1から請求項8のいずれかに記載の集光光学系と、
前記集光光学系と前記光束の集光位置との間に配設されるカバーガラスと、
前記点光源を少なくとも前記集光光学系の光軸と実質的に直交する面上で移動させることにより、前記光束を走査させる走査手段と、
集光光学系とカバーガラスの間隔を変化させることにより、集光光学系の光軸方向に前記集光位置を移動させる集光位置移動手段と、を備えることを特徴とする共焦点光学システム。 A point light source that functions as a confocal pinhole;
The condensing optical system according to any one of claims 1 to 8, which condenses a light beam irradiated from a point light source;
A cover glass disposed between the condensing optical system and the condensing position of the luminous flux;
Scanning means for scanning the luminous flux by moving the point light source at least on a plane substantially orthogonal to the optical axis of the condensing optical system;
A confocal optical system comprising: a condensing position moving unit that moves the condensing position in the optical axis direction of the condensing optical system by changing a distance between the condensing optical system and the cover glass.
前記実質的に直交する面は、前記集光光学系の光軸上に曲率中心がある曲面であり、
前記集光光学系の全系の合成焦点距離をf、移動状態にある前記点光源から照射される光束の主光線と前記集光光学系の光軸とが交わる交点と、前記集光光学系の前側主点との間の距離をs(但し、被検面に向かう方向を+とする)とすると、以下の条件式(5)、
0.1<-f/s<1.0・・・(5)
を満たすことを特徴とする共焦点光学システム。 The confocal optical system according to claim 9.
The substantially orthogonal surface is a curved surface having a center of curvature on the optical axis of the condensing optical system,
The converging focal length of the entire system of the condensing optical system is f, the intersection point of the principal ray of the light beam emitted from the point light source in the moving state and the optical axis of the condensing optical system, and the condensing optical system When the distance from the front principal point of s is s (provided that the direction toward the test surface is +), the following conditional expression (5):
0.1 <-f / s <1.0 (5)
A confocal optical system characterized by satisfying
前記点光源は、発光部と前記集光光学系との間であって前記集光光学系の光軸に沿って配設された一本の光ファイバの射出端であり、
前記走査手段は、前記射出端より光源側を湾曲させることにより、前記点光源を前記曲面上で移動させることを特徴とする共焦点光学システム。 The confocal optical system according to claim 10.
The point light source is an exit end of one optical fiber disposed between the light emitting unit and the condensing optical system and disposed along the optical axis of the condensing optical system,
The confocal optical system characterized in that the scanning means moves the point light source on the curved surface by curving the light source side from the emission end.
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