JP2008055038A - 内視鏡用撮像モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】観察用途（観察部位）に対応した最適な観察条件で撮像でき、且つ、部品点数を極力抑え、レンズのピント調整時間をなくして、製造コストを極力低減でき、生産効率を向上させることのできる内視鏡用撮像モジュールを提供する。
【解決手段】互いの位置が固定された凸レンズ１１と撮像素子１２とからなる基本モジュール１０と、基本モジュール１０に対し選択して取付け可能な複数の光学モジュール２０（２１，２２）を有し、選択して取付けた光学モジュールに応じて観察条件が切り替わるようにした内視鏡用撮像モジュールであって、それぞれの光学モジュール２１，２２が、いずれも、基本モジュール１０に取付けたときの、観察像の光の撮像素子１２への像位置と斜め入射角がほぼ同じとなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばカプセル型内視鏡等、使い捨てを前提とした内視鏡の生産に好適な内視鏡用撮像モジュールに関する。
近年、生体内の消化器官等の診断において、挿入部を無くして被診断者の挿入の苦痛を軽減可能にしたカプセル型内視鏡が使用されるようになっている。
この種のカプセル型内視鏡としては、例えば次の特許文献１や特許文献２に記載のものが知られている。
２００３−２６００２３号公報 ＷＯ０２／０５４９３２Ａ２
このようなカプセル内視鏡は使い捨てを前提とするものである。一般的に使い捨て用途として、同一設計のものを大量に作るほど生産コストを下げることができる。
しかし、内視鏡を用いた観察では、例えば、胃や大腸など、観察用途（観察部位）によって必要とされる視野範囲等が異なる。このため、異なる観察用途（観察部位）に応じて最適な視野範囲等の観察条件が得られる使い捨て用途の内視鏡を提供することが必要である。
しかし、使い捨て用途の内視鏡に用いる撮像モジュールにおいて、異なる観察用途（観察部位）に応じて最適な観察条件が得られる光学系をそれぞれ別個に設計したのでは、部品点数が増加しコスト高となってしまう。
また、従来、例えば特許文献１に記載のカプセル内視鏡などの使い捨て用途の内視鏡においては、撮像モジュールの組立に際し、観察用途に応じたレンズのピント調整に相当の時間を要しており、このピント調整が生産効率に悪影響を及ぼすとともに、製造コストを増大させる原因の一部となっていた。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、観察用途（観察部位）に対応した最適な観察条件で撮像でき、且つ、部品点数を極力抑え、レンズのピント調整時間をなくして、製造コストを極力低減でき、生産効率を向上させることのできる内視鏡用撮像モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明による内視鏡用撮像モジュールは、互いの位置が固定された凸レンズと撮像素子とからなる基本モジュールと、前記基本モジュールに対し選択して取付け可能な複数の光学モジュールを有し、選択して取付けた前記光学モジュールに応じて観察条件が切り替わるようにした内視鏡用撮像モジュールであって、前記それぞれの光学モジュールが、いずれも、前記基本モジュールに取付けたときの、観察像の光の前記撮像素子への像位置と斜め入射角がほぼ同じとなるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の内視鏡用撮像モジュールにおいては、前記複数の光学モジュールは、プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、物体側から順に配置されたプラスティック製の第２凹レンズと、前記第１凹レンズと同様に構成された第３凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第２凹レンズ及び第３凹レンズを位置決め保持する第２レンズ枠とを有し、前記基本モジュールに取付けたときの前記第３凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔が、前記第１光学モジュールを前記基本モジュールに取付けたときの前記第１凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔と異なるように前記第２レンズ枠が構成された第２光学モジュールとを、前記基本モジュールに対し選択して取付け可能に備えてなるのが好ましい。
また、本発明の内視鏡用撮像モジュールにおいては、前記複数の光学モジュールは、プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、前記第１凹レンズと同様に構成された第２凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第２凹レンズを位置決め保持する第２レンズ枠とを有し、前記基本モジュールに取付けたときの前記第２凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔が、前記第１光学モジュールを前記基本モジュールに取付けたときの前記第１凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔と異なるように前記第２レンズ枠が構成された第２光学モジュールとを、前記基本モジュールに対し選択して取付け可能に備えてなるのが好ましい。
また、本発明の内視鏡用撮像モジュールにおいては、前記複数の光学モジュールは、プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する、第１明るさ絞りを含む第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、前記第１凹レンズと同様に構成された第２凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１明るさ絞りとは配置位置が異なる第２明るさ絞りを含む第２レンズ枠とで構成された第２光学モジュールとを、前記基本モジュールに対し選択的に取付け可能に備えてなるのが好ましい。
本発明の内視鏡用撮像モジュールによれば、観察用途（観察部位）に対応した最適な観察条件で撮像でき、且つ、部品点数を極力抑え、レンズのピント調整時間をなくして、製造コストを極力低減でき、生産効率を向上させることのできる内視鏡用撮像モジュールが得られる。
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
カプセル内視鏡のような使い捨て用途の内視鏡においては、その製造においてピント調整に必要な時間をなくして、低コスト化することが望まれる。そのためには、内視鏡に用いる撮像モジュールを構成する最終レンズ（撮像素子の最も近くに配置されるレンズ）を、レンズとフランジとを一体的に備えた構成とし、且つ、そのフランジ長を高精度にして、撮像素子の基板に直接接着することができるような構造が必要になる。従って、撮像素子に接着固定される最終レンズ部品を高精度化するとともに、高度な精度管理を施すことが必要である。
一般的に、大量生産することを前提とするプラスチックレンズでは、一回の成型において、多数の型（例えば、４ヶ取りの場合は、４つの型）を用いることが必要とされる。また、型の不具合が発生した場合に備えて、予備型を上記型と同数（４つ。従って、全部で８つ）用意しておくことが必要となる。
ここで、さらに、観察用途（観察部位）に応じてレンズの種類が増やそうとすると、その種類の数を掛けた分の型（例えば、レンズの種類が２つある場合には、全部で１６個の型）が必要となり管理コストが増大してしまうことになる。
また、撮像モジュール全体でコストを低減するためには、特に、例えば、光学系の把持や搬送における自動化など、組立の自動化等をあわせた製造工程全体でのコストを低減する必要がある。しかるに、観察用途（観察部位）に応じて撮像モジュールに組み込む光学系の種類が増えて、その光学系を備えたレンズ枠などの把持や搬送に関連した撮像モジュールの構造が変わると、そのような自動化がし難くなる。このため、撮像モジュールの組立においては、搬送に関する撮像モジュールの基本構造を極力変えることなく、視野範囲（画角）や被写界深度、さらにはＦナンバーなどの観察条件を切替えることができる構造とする必要がある。
また、観察用途（観察部位）に対応した個々の光学系ごとに組合せる撮像素子を開発することは製造コストの増大を招く。このため、基本モジュールにおける撮像素子は、共通仕様のものを用いることが好ましい。しかし、撮像素子は、高感度で撮像できる斜め入射角が個別に異なっている。
しかるに、本発明の内視鏡用撮像モジュールでは、互いの位置が固定された最終レンズとしての凸レンズと撮像素子とからなる基本モジュールを、観察用途（観察部位）の異なる撮像モジュールの製造に際して共通に使用できるようにするとともに、観察用途（観察部位）の違いに対しては、複数の光学モジュールを選択的に基本モジュールに取付けることで観察条件が切り替わるようにし、それぞれの光学モジュールを、いずれの光学モジュールを基本モジュールに取付けたときも観察像の光の前記撮像素子への像位置と斜め入射角がほぼ同じとなるように構成している。
このようにすれば、いずれの光学モジュールを、基本モジュールに取付けたときでも、観察像の光の撮像素子への像位置がほぼ同じとなるので、最終レンズのピント調整をなくすことができる。また、レンズの部品点数を抑えることができ、管理コストを増大させることなく、高度な精度管理がし易くなる。さらに、生産効率も向上し、大量生産し易くなる。
また、観察条件を切替えるためにレンズ枠などの把持や搬送に関連した撮像モジュールの基本構造を極力変えずに済み、組立の自動化を妨げることがなく製造工程全体でのコストを低減することができる。
さらに、いずれの光学モジュールを、基本モジュールに取付けたときでも、観察像の光の撮像素子への斜め入射角がほぼ同じとなるので、異なる観察用途（観察部位）に対応した光学モジュールに対して、共通仕様の撮像素子を用いた基本モジュールを組合せることができ、個々の光学系ごとに組合せる撮像素子を開発することによる製造コストの増大を防止できる。
また、本発明の内視鏡用撮像モジュールにおいては、前記複数の光学モジュールは、プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、物体側から順に配置されたプラスティック製の第２凹レンズと、前記第１凹レンズと同様に構成された第３凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第２凹レンズ及び第３凹レンズを位置決め保持する第２レンズ枠とを有し、前記基本モジュールに取付けたときの前記第３凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔が、前記第１光学モジュールを前記基本モジュールに取付けたときの前記第１凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔と異なるように前記第２レンズ枠が構成された第２光学モジュールとを、前記基本モジュールに対し選択して取付け可能に備えてなるのが好ましい。
このようにすれば、組立に用いる光学部品の種類を極力抑えながら、観察用途に応じて視野範囲を異ならせた内視鏡用撮像モジュールを製造することができる。
また、本発明の内視鏡用撮像モジュールにおいては、前記複数の光学モジュールは、プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、前記第１凹レンズと同様に構成された第２凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第２凹レンズを位置決め保持する第２レンズ枠とを有し、前記基本モジュールに取付けたときの前記第２凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔が、前記第１光学モジュールを前記基本モジュールに取付けたときの前記第１凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔と異なるように前記第２レンズ枠が構成された第２光学モジュールとを、前記基本モジュールに対し選択して取付け可能に備えてなるのが好ましい。
このようにすれば、視野範囲が同じで被写界深度を異ならせた内視鏡用撮像モジュールへ切替えて製造することも可能となる。
また、本発明の内視鏡用撮像モジュールにおいては、前記複数の光学モジュールは、プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する、第１明るさ絞りを含む第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、前記第１凹レンズと同様に構成された第２凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１明るさ絞りとは配置位置が異なる第２明るさ絞りを含む第２レンズ枠とで構成された第２光学モジュールとを、前記基本モジュールに対し選択的に取付け可能に備えてなるのが好ましい。
このようにすれば、Ｆナンバーが異なる内視鏡用撮像モジュールへ切替えて製造することも可能となる。
図１は本発明の一実施形態にかかる内視鏡用撮像モジュールの概略構成を光軸に沿う断面で示す説明図であり、(a)は基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた態様、(b)は基本モジュールに第２光学モジュールを取付けた態様を示している。図２は本実施形態の内視鏡用撮像モジュールの基本モジュールを構成する凸レンズのフランジ部を示す説明図であって、(a)はその一例を示す凸レンズの側面図、(b)は(a)の例にかかる凸レンズを下方から見た図、(c)は他の一例を示す凸レンズの側面図、(d)は(c)の例にかかる凸レンズを下方から見た図、(e)はさらに他の例を示す凸レンズの側面図、(f)は(e)の例にかかる凸レンズを下方から見た図である。
本実施形態の内視鏡用撮像モジュールは、基本モジュール１０と、基本モジュール１０に対し選択して取付け可能な複数の光学モジュール２０を有して構成されている。
基本モジュール１０は、凸レンズ１１と、撮像素子１２とで構成されている。
凸レンズ１１は、一体成形された、レンズ部１１ａとフランジ部１１ｂとで構成されている。レンズ部１１ａは、観察像を撮像素子１２の面に結像する機能を備えている。フランジ部１１ｂは、レンズ部１１ａの外周に接続する円盤部１１ｂ1と、円盤部１１ｂ1に接続して撮像素子１２側に延びた筒状部１１ｂ2とで構成されている。
そして、凸レンズ１１は、フランジ部１１ｂの筒状部１１ｂ2の端面が、撮像素子１２の有効撮像領域１２ａの外周に接着剤を介して接着されている。
なお、撮像素子１２としては、有効撮像領域１２ａの前方にカバーガラスを備えたものを用いてもよい。
撮像素子１２に凸レンズ１１を接合する際には、厳密にゴミの混入阻止を管理する必要があるが、カバーガラスを備えればゴミが付着してもふき取り等の処置を施すことによってゴミを除去することができ、接合作業がし易くなる場合がある。
また、撮像素子１２と凸レンズ１１との接着は、例えば、ＩＣの実装において一般的に用いられている方法と同様に、指標をカメラで観察しながら撮像素子１２と凸レンズ１１とを位置合わせして両者を接着する方法を用いると、位置出し精度が高く、位置決めのタクトタイムも短くて済む。
その場合、指標には、縦横の情報を備える必要がある。そこで、図２(a)，(b)に示すように、凸レンズ１１のフランジ部１１ｂの筒状部１１ｂ2の端面に、十文字の窪みを設けるとよい。しかし、この種の内視鏡用撮像モジュールにおいて筒状部１１ｂ2の端面のコバ厚は、せいぜい０．３ｍｍ程度である。そこで、図２(c)，(d)に示すように、凸レンズ１１のフランジ部１１ｂの筒状部１１ｂ2の外周端部（側面）に、対向する頂点を結ぶと十字となるエッジを設けるとよい。より好ましくは、図２(e)，(f)に示すように、凸レンズ１１の筒状部１１ｂ2の端面に、型に対するドリルでのミーリングの削り残し部を介して成形することによって、対向する頂点を結ぶと十字となる円弧状の窪み部を設けるとよい。
基本モジュール１０に対し選択して取付け可能な複数の光学モジュール２０は、第１光学モジュール２１と、第２光学モジュール２２を、選択的に切替えて基本モジュール１０の前方（物体側）に取付け可能に備えてなる。
第１光学モジュール２１は、第１凹レンズ２１ａと、第１レンズ枠２１ｂと、第１明るさ絞り２１ｃとで構成されている。
第１凹レンズ２１ａは、プラスティックで構成されている。
第１レンズ枠２１ｂは、例えば、黒色樹脂等、遮光性を有する材料で構成されており、第１レンズ取付部２１ｂ1と、基本モジュール圧入部２１ｂ2を有している。
第１レンズ取付部２１ｂ1には、第１凹レンズ２１ａが、接着剤を介して接着され、又はレーザ融着されることによって固着されている。
基本モジュール圧入部２１ｂ2は、基本モジュール１０を圧入可能に構成されている。
第１明るさ絞り２１ｃは、第１凹レンズ２１ａと凸レンズ１１のレンズ部１１ａとの間であって、第１光学モジュール２１を基本モジュール１０に取付けたときに、観察像の光の撮像素子１２への斜め入射角が所定の角度となる所定位置に配置されている。
なお、図１(a)は基本モジュール１０に第１光学モジュール２１を取付けた態様を示しており、第１レンズ枠２１ｂの基本モジュール圧入部２１ｂ2にフランジ部１１ｂが圧入されるようにして、基本モジュール１０に第１光学モジュール２１が取付けられている。
第２光学モジュール２２は、物体側から順に、第２凹レンズ２２ａと、第３凹レンズ２２ｂと、第２レンズ枠２２ｃと、第２明るさ絞り２２ｄとで構成されており、第１光学モジュール２１とは基本モジュール１０に取付けたときの視野範囲が異なっている。
第２凹レンズ２２ａは、プラスティックで構成されている。
第３凹レンズ２２ｂは、第１凹レンズ２１ａと同様に構成されている。このように構成すれば、光学部材の種類がその分減るので、製造がより簡略化できる。
第２レンズ枠２２ｃは、例えば、黒色樹脂等、遮光性を有する材料で構成されており、第２レンズ取付部２２ｃ1と、第３レンズ取付部２２ｃ2と、基本モジュール圧入部２２ｃ3を有している。
第３レンズ取付部２２ｃ2には、第３凹レンズ２２ｂが接着剤を介して接着されている。第２レンズ取付部２２ｃ1には、第２凹レンズ２２ａが接着剤を介して接着されている。
基本モジュール圧入部２２ｃ3は、基本モジュール圧入部２１ｂ2と同様に基本モジュール１０を圧入可能に構成されている。
第２明るさ絞り２２ｄは、第３凹レンズ２２ｂと凸レンズ１１のレンズ部１１ａとの間であって、第２光学モジュール２２を基本モジュール１０に取付けたときの基本モジュール１０の最も物体側の光学面からの距離が第１光学モジュール２１の第１明るさ絞り２１ｃと同じとなる位置に配置されている。また、第２明るさ絞り２２ｄは、第２光学モジュール２２を基本モジュール１０に取付けたときに、観察像の光の撮像素子１２への斜め入射角が第１光学モジュール２１を取付けたときの明るさ絞り２１ｃと同様に一定の角度となるように構成されている。これにより、光学モジュール２１，２２のいずれを基本モジュールに取付けたときでも斜め入射角の変動を防止することができる。
なお、図１(b)は基本モジュール１０に第２光学モジュール２２を取付けた態様を示しており、第２レンズ枠２２ｃの基本モジュール圧入部２２ｃ3にフランジ部１１ｂが圧入されるようにして、基本モジュール１０に第１光学モジュール２２が取付けられている。
また、本実施形態の内視鏡用撮像モジュールでは、第１光学モジュール２１と第２光学モジュール２２のいずれを基本モジュール１０に取付けたときも、撮像素子１２の撮像面上に観察像が結像されるように、第２光学モジュール２２を基本モジュール１０に取付けたときの第３凹レンズ２２ｂの像側の面と凸レンズ部１１ａの物体側の面との距離は、第１光学モジュール２１を基本モジュール１０に取付けたときの第１凹レンズ２１ａの像側の面と凸レンズ部１１ａの物体側の面との距離とが異なるように、第１レンズ枠２１ｂの第１レンズ取付部２１ｂ1、及び第２レンズ枠２２ｃの第３レンズ取付部２２ｃ2が構成されている。これにより、光学モジュール２１，２２のいずれを基本モジュールに取付けたときでも、像位置の調整が不要となる。
図３は本実施形態の図１(a)に示した第１の光学モジュールを基本モジュールと組合せた内視鏡用撮像モジュールと基本的な光学構成が同様の内視鏡用撮像モジュールの要部を入射光線とともに示す光軸に沿う部分断面図、図４は本実施形態の図１(b)に示した第２の光学モジュールを基本モジュールと組合せた内視鏡用撮像モジュールと基本的な光学構成が同様の内視鏡用撮像モジュールを入射光線とともに示す光軸に沿う部分断面図である。説明の便宜上、本実施形態の内視鏡用撮像モジュールの作用効果については、図３、図４も用いて説明することとする。
本実施形態の内視鏡用撮像モジュールによれば、凸レンズ１１のフランジ１１ｂの端面を撮像素子１２に接着等することによって互いの位置が固定された基本モジュール１０を、観察用途（観察部位）の異なる撮像モジュールの製造に際して共通に使用できるようにするとともに、観察用途（観察部位）の違いに対しては、光学モジュール２１，２２を選択的に基本モジュール１０に取付けることで視野範囲が切り替わるようにしながらも、それぞれの光学モジュール２１，２２を、いずれの光学モジュールを基本モジュール１０に取付けたときも観察像の光の撮像素子１２への像位置と斜め入射角がほぼ同じとなるように構成したので、最終レンズのピント調整をなくすことができる。
また、観察用途の異なる撮像モジュールを製作する場合において、基本モジュール１０を共通モジュールとしたことにより、製造すべき光学部品の種類を極力減らすことができ、管理コストを増大させることなく、高度な精度管理を行ないながら大量生産を行うことができる。
さらに、いずれの光学モジュール２１，２２を、基本モジュール１０に取付けたときでも、観察像の光の撮像素子への斜め入射角がほぼ同じとなるようにしたことにより、異なる観察用途（観察部位）に対応した光学モジュールに対して、共通仕様の撮像素子を用いた基本モジュールを組合せることができ、個々の光学系ごとに組合せる撮像素子を開発することによる製造コストの増大を防止できる。
また、本実施形態の内視鏡用撮像モジュールによれば、基本モジュール１０を光学モジュール２１，２２のレンズ枠２１ｂ，２２ｃの基本モジュール圧入部２１ｂ2，２２ｃ3に圧入することによって固定するようにしたので、接着剤を塗布する方向を一方向にすることができる。このようにすると、光学モジュール２１，２２を基本モジュール１０に固定する際に、接着剤を塗布するために基本モジュールの１０の向きをひっくり返さずに済み、自動搬送工程における組立を円滑化できる。
なお、上記実施形態の内視鏡用撮像モジュールでは、光学モジュール２１，２２の切替えにより視野範囲が異なるように構成したが、光学モジュール２１，２２を、それぞれレンズ構成は同じであって、基本モジュール１０に取付けたときの最も像側のレンズ面と基本モジュール１０の凸レンズ１１の物体側の面との間隔が、それぞれ異なるように構成してもよい。
そのようにすれば、視野範囲が同じで被写界深度を異ならせた内視鏡用撮像モジュールへ切替えて製造することも可能となる。
なお、ここで、本発明の内視鏡における被写界深度について説明する。
図１０は内視鏡撮像モジュールの被写界深度を示す説明図であり、(a)はベスト物点、(b)は近点、(c)は遠点での評価面（撮像面）での光束の結像状態を示している。
図１０に示すように、一般的な内視鏡において、ベスト距離をＸBとした場合の像面位置ＸB’に、画素ピッチＰの固体撮像素子を配置する場合を考える。
固体撮像素子を固定した条件において、物体をＸNまで近接すると、近接時の像面位置ＸＮ’は評価位置からずれることになるが、評価面（例えばＣＣＤなどの固体撮像素子面）における許容錯乱円径が、ＣＣＤなどの固体撮像素子の分解能ＫＰ（但し、ＫはＣＣＤなどの固体撮像素子とその固体撮像素子に接続する回路系の特性によって決まる係数であって、理想的にはナイキストレートのＫ＝２となり、実際は電気処理の都合上、コントラスト低下が発生したり、ケルファクターの影響があるため、２≦Ｋ≦４となる）よりも小さいと認識できる場合、ＸBからＸNまでの物体像はピントが合っているとみなすことができる。即ち、許容錯乱円径がＫＰと一致するまでの範囲を近点側の被写界深度と定義することができる。
このとき、光学系の焦点距離をｆ、有限物点に対する光学系の有効開口をＦｎｏとすると、錯乱円径の関係から、
２（ＸN’−ＸB’）ＮＡ’＝ＫＰ
Ｆｎｏ＝１／２ＮＡ’
ニュートンの式から、
ＸN・ＸN＝−ｆ2
以上より、以下の式が成立する。
近点側の式
１／ＸN − １／ＸB ＝ ＫＰＦｎｏ／ｆ2
同様に遠点側の式も定義される。
１／ＸB − １／ＸF ＝ ＫＰＦｎｏ／ｆ2
あわせると、
１／ＸN − １／ＸF ＝ ２ＫＰＦｎｏ／ｆ2
このときの、ＸNからＸFのピントが合っているとみなされる範囲を、被写界深度と定義する。
ここで、係数Ｋは撮像素子に応じて、経験上２〜５程度の数値をとりうる。この算出は実物の実験値をもとに逆算的に計測されている。
また、距離の基準面をレンズ第一面にした場合、前側焦点位置を前記ＸN、ＸFに反映させる必要がある。
上記実施形態の内視鏡撮像モジュールでは、上述したように、基本モジュール１０に組合せる光学モジュールを光学モジュール２１，２２を、それぞれレンズ構成は同じであって、基本モジュール１０に取付けたときの最も像側のレンズ面と基本モジュール１０の凸レンズ１１の物体側の面との間隔が、それぞれ異なるように構成してもよい。
そのようにすれば、上述しやように、視野範囲が同じで被写界深度を異ならせた内視鏡用撮像モジュールへ切替えて製造することができる。
また、上記実施形態の内視鏡用撮像モジュールでは、光学モジュール２１，２２のそれぞれの明るさ絞りの位置を異ならせてもよい。
そのようにすれば、Ｆナンバーが異なる内視鏡用撮像モジュールへ切替えて製造することも可能となる。なお、その場合は、斜め入射角が厳密には一致しないが、実質的に許容できる範囲であれば、斜め入射角がほぼ同一のものとして扱うことができ、基本モジュールに共通仕様の撮像素子を用いることができる。
以下に、本発明の内視鏡用撮像モジュールの実施例を図面を用いて説明する。なお、いかに示す実施例の図面では、基本モジュールにおける凸レンズと撮像素子の撮像面、光学モジュールにおけるレンズと絞りについてのみ示すこととし、基本モジュールのフランジ部や光学モジュールのレンズ枠の図示は省略してある。
実施例１
図５は本発明の実施例１にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。図６は本発明の実施例１にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第２光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。
実施例１の内視鏡用撮像モジュールは、図１、図３、及び図４に示した実施形態の内視鏡用撮像モジュールと基本的な光学構成は同じである。図５中、１１ａは基本モジュール１０における凸レンズ１１のレンズ部、１２ａは基本モジュールにおける撮像素子１２の有効撮像面、２１ａは第１光学モジュール２１における第１凹レンズ、２１ｃは第１光学モジュール２１における第１明るさ絞りである。また、図６中、１１ａは基本モジュール１０における凸レンズ１１のレンズ部１１ａ、１２ａは基本モジュールにおける撮像素子１２の有効撮像面、２２ａは第２光学モジュール２２における第２凹レンズ、２２ｂは第２光学モジュール２２における第３凹レンズ、２２ｄは第２光学モジュール２２における第２明るさ絞りである。
なお、凸レンズ１１のレンズ部１１ａの像側面は非球面形状に形成されている。
図５に示した態様の内視鏡用撮像モジュールは、観察部位が大空間である胃袋の観察に最適な観察条件で撮像できるように構成されている。詳しくは、極力遠方を観察できるように、被写界深度が遠点気味に設定されている。また、遠方を観察したときに十分な明るさが確保できるように、Ｆナンバーが小さくなるように設計されている。
一方、図６に示した態様の内視鏡用撮像モジュールは、観察部位が狭い空間である腸の観察に最適な観察条件で撮像できるように構成されている。詳しくは、極力広い範囲を観察するために広角仕様となっている。また、近接観察することができるように被写界深度が近点気味に設定されている。さらに、近接観察で明るいため、絞り込む仕様となっている。
これら図５及び図６の構成において、基本モジュール１０は、同様に構成されている。また、第１の光学モジュール２１における第１凹レンズ２１ａと、第２の光学モジュール２２における第３凹レンズ２２ｂは、同様に構成されている。
そして、図５と図６のいずれの構成においても、撮像素子１２の有効撮像面に入射する観察像の光の結像位置と、斜め入射角が同じとなっている。
次に、実施例１の内視鏡用撮像モジュールの構成を数値データで示す。数値データ中、ｓ1、ｓ2、…は内視鏡用撮像モジュールを構成する光学部材の面番号、ｒ1、ｒ2、…は内視鏡用撮像モジュールを構成する光学部材の曲率半径、ｄ1、ｄ2、…は内視鏡用撮像モジュールを構成する光学部材の間隔、ｎd1、ｎd2、…は内視鏡用撮像モジュールを構成する光学部材のｄ線での屈折率、νd1、νd2、…は内視鏡用撮像モジュールを構成する光学部材のｄ線でのアッベ数を示している。なお、これらの記号は以下の実施例において共通である。
なお、非球面形状は、光軸方向をＺ、光軸に直交する方向をＹにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10としたとき、次式で表される。
Ｚ＝（Ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）・（Ｙ／ｒ）2｝1/2］
＋Ａ4ｙ4＋Ａ6ｙ6＋Ａ8ｙ8＋Ａ10ｙ10・・・
数値データ１（実施例１：基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた構成）
Ｓ0（物体面）ｒ0＝∞
ｄ0＝27.0000
Ｓ1 ｒ1＝∞
ｄ1＝0.3890 ｎd1＝1.51157 νd1＝56.00
Ｓ2 ｒ2＝0.9218
ｄ2＝0.3890
Ｓ3（絞り） ｒ3＝∞
ｄ3＝0.1037
Ｓ4 ｒ4＝3.4792
ｄ4＝1.1670 ｎd4＝1.58874 νd4＝30.49
Ｓ5 ｒ5＝-0.6693
ｄ5＝1.5594
Ｓ6（撮像面）ｒ6＝∞

非球面係数
第５面
ｋ＝-2.4451
Ａ2＝0 Ａ4＝-7.1662×10-1 Ａ6＝4.6697×10-1 Ａ8＝0 Ａ10＝0

Ｆナンバー：２．７８
近点：１６
ベスト物点：２７
遠点：８２
焦点距離：１
前側焦点距離：０．３６６
画素ピッチＰ：２．２ｕｍ
撮像素子の分解能をＫＰとしたときの係数Ｋ：４
画角：１２６．６８
斜め入射角：−１４．７２７
数値データ２（実施例１：基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた構成。画角、ピント、Ｆｎｏを変更）
Ｓ0（物体面）ｒ0＝∞
ｄ0＝12.0000
Ｓ1 ｒ1＝4.4407
ｄ1＝0.3890 ｎd1＝1.51157 νd1＝56.00
Ｓ2 ｒ2＝2.2631
ｄ2＝0.4174
Ｓ3（絞り） ｒ3＝∞
ｄ3＝0.3890 ｎd3＝1.51157 νd3＝56.00
Ｓ4 ｒ4＝0.9218
ｄ4＝0.6533
Ｓ5 ｒ5＝∞
ｄ5＝0.1037
Ｓ6 ｒ6＝3.4792
ｄ6＝1.1670 ｎd6＝1.58874 νd6＝30.49
Ｓ7 ｒ7＝-0.6693
ｄ7＝1.5594
Ｓ8（撮像面）ｒ8＝∞

非球面係数
第７面
ｋ＝-2.4451
Ａ2＝0 Ａ4＝-7.1662×10-1 Ａ6＝4.6697×10-1 Ａ8＝0 Ａ10＝0

Ｆナンバー：３．６４
近点：７
ベスト物点：１２
遠点：３２
焦点距離：０．８４２
前側焦点距離：１．２４２
画素ピッチＰ：２．２ｕｍ
撮像素子の分解能をＫＰとしたときの係数Ｋ：４
画角：１７１．３３
斜め入射角：−１４．７２７
実施例２
図７は本発明の実施例２にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。図８は本発明の実施例２にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第２光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。図９は本発明の実施例２にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第２光学モジュールの変形例を取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。
実施例２の内視鏡用撮像モジュールは、図７に示すように、基本モジュール及び第１光学ジュールは図１(a)、及び図３に示した実施形態の内視鏡用撮像モジュールと基本的な光学構成は同じである。図７中、１１ａは基本モジュール１０における凸レンズ１１のレンズ部、１２ａは基本モジュールにおける撮像素子１２の有効撮像面、２１ａは第１光学モジュール２１における第１凹レンズ、２１ｃは第１光学モジュール２１における第１明るさ絞りである。
第２光学モジュールは、図８に示すように、第２凹レンズの像側の面と凸レンズの物体側の面との間の間隔が、第１光学モジュール２１を基本光学モジュール１０に取付けたときの第１凹レンズ２１ａの像側の面と凸レンズ１１の物体側の面との間隔と異なるように、第２レンズ枠が構成されている。その他の構成は図７に示した第１光学モジュール２１とほぼ同じである。図８中、１１ａは基本モジュール１０における凸レンズ１１のレンズ部、１２ａは基本モジュールにおける撮像素子１２の有効撮像面、２２ａ’は第２光学モジュール２２’における第２凹レンズ、２２ｃ’は第２光学モジュール２２’における第２明るさ絞りである。
変形例にかかる第２光学モジュールは、図９に示すように、第２凹レンズの像側の面と凸レンズの物体側の面との間の間隔が、第１光学モジュール２１を基本光学モジュール１０に取付けたときの第１凹レンズ２１ａの像側の面と凸レンズ１１の物体側の面との間隔と異なるとともに、第２明るさ絞りの位置が、第１光学モジュール２１における第２明るさ絞り２１ｃの位置と異なるように、第２レンズ枠が構成されている。その他の構成は図７に示した第１光学モジュール２１とほぼ同じである。図９中、１１ａは基本モジュール１０における凸レンズ１１のレンズ部、１２ａは基本モジュールにおける撮像素子１２の有効撮像面、２２ａ”は変形例にかかる第２光学モジュール２２”における第２凹レンズ、２２ｃ”は変形例にかかる第２光学モジュール２２”における第２明るさ絞りである。
なお、凸レンズ１１のレンズ部１１ａの像側面は非球面形状に形成されている。
図７に示した態様の内視鏡用撮像モジュールは、内視鏡として標準的な光学設定で構成されている。
これに対し、図８に示した態様の内視鏡用撮像モジュールは、より近接物体を観察し易くなるように、被写界深度を物体側に近付けた光学設定で構成されている。
また、図９に示した態様の内視鏡用光学モジュールは、図８の構成に加えてさらに、第２明るさ絞り２２ｂ”が、図７及び図８の構成とは異なる位置に配置されている。
これら図７〜図９の構成において、基本モジュール１０は、同様に構成されている。また、第１の光学モジュール２１における第１凹レンズ２１ａと、第２の光学モジュール２２における第２凹レンズ２２ａは、同様に構成されている。
そして、図７〜図９のいずれの構成においても、撮像素子１２の有効撮像面に入射する観察像の光の結像位置と、斜め入射角がほぼ同じとなっている。
次に、実施例２の内視鏡用撮像モジュールの構成を数値データで示す
数値データ３（実施例２：基本形態）
Ｓ0（物体面）ｒ0＝∞
ｄ0＝22.0000
Ｓ1 ｒ1＝∞
ｄ1＝0.3890 ｎd1＝1.51157 νd1＝56.00
Ｓ2 ｒ2＝0.9218
ｄ2＝0.3890
Ｓ3（絞り） ｒ3＝∞
ｄ3＝0.1037
Ｓ4 ｒ4＝3.4792
ｄ4＝1.1670 ｎd4＝1.58874 νd4＝30.49
Ｓ5 ｒ5＝-0.6693
ｄ5＝1.5675
Ｓ6（撮像面）ｒ6＝∞

非球面係数
第５面
Ｋ＝-2.4451
Ａ2＝0 Ａ4＝-7.1662×10-1 Ａ6＝4.6697×10-1 Ａ8＝0 Ａ10＝0

Ｆナンバー：３．６
近点：１２．７
ベスト物点：２２
遠点：７８．４
焦点距離：１
前側焦点距離：０．３６６
画素ピッチＰ：２．２ｕｍ
撮像素子の分解能をＫＰとしたときの係数Ｋ：４
画角：１２６．２９
斜め入射角：−１４．６９１
数値データ４（実施例２：近点ピント、絞り位置不動）
Ｓ0（物体面）ｒ0＝∞
ｄ0＝15.0000
Ｓ1 ｒ1＝∞
ｄ1＝0.3890 ｎd1＝1.51157 νd1＝56.00
Ｓ2 ｒ2＝0.9218
ｄ2＝0.4445
Ｓ3（絞り） ｒ3＝∞
ｄ3＝0.1037
Ｓ4 ｒ4＝3.4792
ｄ4＝1.1670 ｎd4＝1.58874 νd4＝30.49
Ｓ5 ｒ5＝-0.6693
ｄ5＝1.5675
Ｓ6（撮像面）ｒ6＝∞

非球面係数
第５面
Ｋ＝-2.4451
Ａ2＝0 Ａ4＝-7.1662×10-1 Ａ6＝4.6697×10-1 Ａ8＝0 Ａ10＝0

Ｆナンバー：３．６
近点：９．７
ベスト物点：１５
遠点：３２
焦点距離：０．９７２
前側焦点距離：０．４１４
画素ピッチＰ：２．２ｕｍ
撮像素子の分解能をＫＰとしたときの係数Ｋ：４
画角：１３１．７４
斜め入射角：−１４．６９１
数値データ５（実施例２：近点ピント、絞り位置変化）
Ｓ0（物体面）ｒ0＝∞
ｄ0＝15.0000
Ｓ1 ｒ1＝∞
ｄ1＝0.3890 ｎd1＝1.51157 νd1＝56.00
Ｓ2 ｒ2＝0.9218
ｄ2＝0.3890
Ｓ3（絞り） ｒ3＝∞
ｄ3＝0.1592
Ｓ4 ｒ4＝3.4792
ｄ4＝1.1670 ｎd4＝1.58874 νd4＝30.49
Ｓ5 ｒ5＝-0.6693
ｄ5＝1.5675
Ｓ6（撮像面）ｒ6＝∞

非球面係数
第５面
Ｋ＝-2.4451
Ａ2＝0 Ａ4＝-7.1662×10-1 Ａ6＝4.6697×10-1 Ａ8＝0 Ａ10＝0

Ｆナンバー：３．５４
近点：９．８
ベスト物点：１５
遠点：３１
焦点距離：０．９７２
前側焦点距離：０．４１４
画素ピッチＰ：２．２ｕｍ
撮像素子の分解能をＫＰとしたときの係数Ｋ：４
画角：１３２．８３
斜め入射角：−１３．０３
以上、本発明の内視鏡用撮像モジュールは、特許請求の範囲に記載された発明の他にも次に示すような特徴と備えている。
（１）前記基本モジュールに対して選択して取付け可能なそれぞれの光学モジュールは、該基本モジュールに取付けたときの該光学モジュールにおける最も像側のレンズ面と該基本モジュールにおける最も物体側のレンズ面との間隔を異ならせることによって、観察像の光の前記撮像素子への像位置がほぼ同じとなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内視鏡用撮像モジュール。
（２）前記基本モジュールに対して選択して取付け可能なそれぞれの光学モジュールは、該基本モジュールに取付けたときの該光学モジュールにおける最も像側のレンズ面と該基本モジュールにおける最も物体側のレンズ面との間に配置された明るさ絞りを有し、該明るさ絞りを介して、観察像の光の前記撮像素子への斜め入射角がほぼ同じとなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４、上記（１）のいずれかに記載の内視鏡用撮像モジュール。
（３）前記基本モジュールに対して選択して取付け可能なそれぞれの光学モジュールは、該光学モジュールにおける全ての前記凹レンズが、前記黒色樹脂よりなるレンズ枠に接着又はレーザ融着により固定されていることを特徴とする請求項２〜４、請求項２〜４のいずれかに従属する上記（１）、（２）のいずれかに記載の内視鏡用撮像モジュール。
（４）前記基本モジュールに対して選択して取付け可能なそれぞれの光学モジュールが、該光学モジュールにおける前記黒色樹脂よりなるレンズ枠に基本モジュール圧入部を有し、該基本モジュール圧入部に該基本モジュールを圧入させることによって、該基本モジュールに対して固定した状態で取付けられるようにしたことを特徴とする請求項２〜４、請求項２〜４のいずれかに従属する上記（１）、（２）、上記（３）のいずれかに記載の内視鏡用光学モジュール。
（５）前記凸レンズが、プラスティックによる成型レンズであり、前記撮像素子に当接するフランジを有し、前記フランジの該撮像素子に当接する端面に、該端面上における水平及び垂直方向の位置制御が可能なマーキングを有することを特徴とする請求項１〜４、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の内視鏡用光学モジュール。
（６）前記マーキングは、ミーリングによる円弧部分を有することを特徴とする上記（５）に記載の内視鏡用光学モジュール。
本発明の内視鏡用撮像モジュールは、廉価でもって普及が望まれるカプセル内視鏡等使い捨てできるコンパクトな内視鏡を用いる医療分野において有用である。
本発明の一実施形態にかかる内視鏡用撮像モジュールの概略構成を光軸に沿う断面で示す説明図であり、(a)は基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた態様、(b)は基本モジュールに第２光学モジュールを取付けた態様を示している。 本実施形態の内視鏡用撮像モジュールの基本モジュールを構成する凸レンズのフランジ部を示す説明図であって、(a)はその一例を示す凸レンズの側面図、(b)は(a)の例にかかる凸レンズを下方から見た図、(c)は他の一例を示す凸レンズの側面図、(d)は(c)の例にかかる凸レンズを下方から見た図、(e)はさらに他の例を示す凸レンズの側面図、(f)は(e)の例にかかる凸レンズを下方から見た図である。 本実施形態の図１(a)に示した第１の光学モジュールを基本モジュールと組合せた内視鏡用撮像モジュールと基本的な光学構成が同様の内視鏡用撮像モジュールの要部を入射光線とともに示す光軸に沿う部分断面図である。 本実施形態の図１(b)に示した第２の光学モジュールを基本モジュールと組合せた内視鏡用撮像モジュールと基本的な光学構成が同様の内視鏡用撮像モジュールを入射光線とともに示す光軸に沿う部分断面図である。 本発明の実施例１にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例１にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第２光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例２にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第１光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例２にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第２光学モジュールを取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例２にかかる内視鏡用撮像モジュールであって、基本モジュールに第２光学モジュールの変形例を取付けた態様での光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 内視鏡撮像モジュールの被写界深度を示す説明図であり、(a)はベスト物点、(b)は近点、(c)は遠点での評価面（撮像面）での光束の結像状態を示している。
符号の説明
１０ 基本モジュール
１１ 凸レンズ
１１ａ レンズ部
１１ｂ フランジ部
１１ｂ1 円盤部
１１ｂ2 筒状部
１２ 撮像素子
１２ａ 有効撮像領域
２０ 光学モジュール
２１ 第１光学モジュール
２１ａ 第１凹レンズ
２１ｂ 第１レンズ枠
２１ｂ1 第１レンズ取付部
２１ｂ2 基本モジュール圧入部
２１ｃ 第１明るさ絞り
２２、２２’ 第２光学モジュール
２２ａ、２２ａ’、２２ａ” 第２凹レンズ
２２ｂ 第３凹レンズ
２２ｃ 第２レンズ枠
２２ｃ1 第２レンズ取付部
２２ｃ2 第３レンズ取付部
２２ｃ3 基本モジュール圧入部
２２ｄ、２２ｃ’、２２ｃ” 第２明るさ絞り

Claims (4)

  1. 互いの位置が固定された凸レンズと撮像素子とからなる基本モジュールと、前記基本モジュールに対し選択して取付け可能な複数の光学モジュールを有し、選択して取付けた前記光学モジュールに応じて観察条件が切り替わるようにした内視鏡用撮像モジュールであって、
    前記それぞれの光学モジュールが、いずれも、前記基本モジュールに取付けたときの、観察像の光の前記撮像素子への像位置と斜め入射角がほぼ同じとなるように構成されていることを特徴とする内視鏡用撮像モジュール。
  2. 前記複数の光学モジュールは、
    プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、
    物体側から順に配置されたプラスティック製の第２凹レンズと、前記第１凹レンズと同様に構成された第３凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第２凹レンズ及び第３凹レンズを位置決め保持する第２レンズ枠とを有し、前記基本モジュールに取付けたときの前記第３凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔が、前記第１光学モジュールを前記基本モジュールに取付けたときの前記第１凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔と異なるように前記第２レンズ枠が構成された第２光学モジュールとを、
    前記基本モジュールに対し選択して取付け可能に備えてなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像モジュール。
  3. 前記複数の光学モジュールは、
    プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、
    前記第１凹レンズと同様に構成された第２凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第２凹レンズを位置決め保持する第２レンズ枠とを有し、前記基本モジュールに取付けたときの前記第２凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔が、前記第１光学モジュールを前記基本モジュールに取付けたときの前記第１凹レンズの像側の面と該基本モジュールの前記凸レンズの物体側の面との間隔と異なるように前記第２レンズ枠が構成された第２光学モジュールとを、
    前記基本モジュールに対し選択して取付け可能に備えてなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像モジュール。
  4. 前記複数の光学モジュールは、
    プラスティック製の第１凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１凹レンズを位置決め保持する、第１明るさ絞りを含む第１レンズ枠とで構成された第１光学モジュールと、
    前記第１凹レンズと同様に構成された第２凹レンズと、黒色樹脂よりなり前記第１明るさ絞りとは配置位置が異なる第２明るさ絞りを含む第２レンズ枠とで構成された第２光学モジュールとを、
    前記基本モジュールに対し選択的に取付け可能に備えてなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像モジュール。
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