JP2009160257A - 内視鏡対物光学系及びそれを用いた内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】 励起光カットフィルタへの斜入射による励起光漏れを有効に防止することができ、且つ励起光に対して微弱な蛍光でもフレアなく観察できるようにした内視鏡対物光学系及び内視鏡システムを提供する。
【解決手段】 蛍光観察を目的とする内視鏡対物光学系４において、励起光の波長帯における透過率が０．１％以下である励起光カットフィルタを少なくとも２枚４０５,４０９配置し、前記励起光カットフィルタのうちの何れか２枚の間にパワーを持つ光学素子４０７,４０８を配置したことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内視鏡用対物光学系、特に蛍光内視鏡用対物光学系及びそれを用いた内視鏡システムに関する。

蛍光観察において、励起光は蛍光と比べて約１０００倍以上と強度が大きいため、その一部でも撮像面に到達するとＳ/Ｎ比が悪くなる。このため、従来、励起光の撮像面への進入を防止してＳ/Ｎ比を向上させるための様々な対策が講じられている。
この対策の例として、例えば、特許文献１には、励起光の照射により生体組織から発生した自家蛍光を複数の励起光カットフィルタを通して検出するようにすると共に、前記複数の励起光カットフィルタのうち初段の励起光カットフィルタが前記励起光の照射により蛍光を発生しないフィルタとする構成が開示されている。また、特許文献２には、被写体の像を結像する対物光学系内に励起光の透過率を０．１％以下にする励起光カットフィルタを設けると共に、前記励起光カットフィルタの外周部と該励起光カットフィルタを保持する保持枠の内周部との隙間を通過する励起光を防止する通過光防止手段を設けるようにした構成が開示されている。
特開２００１−１２８９２７号公報 特開２００４−３４４２３０号公報

ところで、特許文献２で提案されているような構成の場合、対物光学系の視野内からの励起光即ち対物光学系の光軸とほぼ平行に進む励起光は励起光カットフィルタにより遮断されて撮像素子には到達しないが、励起光カットフィルタとして好適な薄膜フィルタ（光学薄膜フィルタ）を採用した場合、斜めに入射する光に対しては特性が変化してその光を透過してしまう性質があるため、対物光学系の視野外からの励起光で保持枠やレンズ側面で反射・散乱して励起カットフィルタへの入射角が大きくなる励起光は透過してしまう。この透過励起光は、直接或いは保持枠などで反射して撮像素子に到達することによりフレアとなる。撮像素子としてのＣＣＤで観察する自家蛍光は、この励起光に対して０．１％未満と微量であるため、この透過励起光は、たとえ多重散乱光であっても蛍光観察には障害となるほどの強度となる。
特に、内視鏡の対物光学系においては、小型化の必要性から短い光路内に保持枠が近接配置された構成となるため、保持枠やレンズ側面での反射・散乱光が光路内に戻ってきやすい。通常の観察であれば光路内で十分減衰されるため、ＣＣＤに到達する光は少なく問題とはならないが、蛍光観察においては、フィルタに斜入射し反射・散乱した場合はフレアと認識されてしまい問題である。

一般に、励起光カットフィルタにより十分に励起光を遮断するためには、励起光の波長帯の透過率は大きくとも０．１％以下とするのがよいことが知られている。また、蛍光物質の多くは吸収波長帯と励起波長帯が近く（図６参照）、励起光を十分に遮断しつつ蛍光を透過させるためには、フィルタに急峻な透過率特性が求められるため、励起光カットフィルタには薄膜フィルタ（光学薄膜フィルタ）を用いることが多い。一方、薄膜フィルタ（光学薄膜フィルタ）には入射角特性があり、入射する光の角度が大きくなるほど特性が短波長側にずれる性質がある（図７参照）。このずれ量は、長波長光ほど大きくなるため、赤〜近赤外の波長帯域の蛍光を観察対象とする場合、影響はより大きくなる。

一般的に、誘電体多層膜を基本とした薄膜フィルタにおいて、入射角０°において干渉効果が最大となる基準波長をλ₀と置くと、入射角θのときの基準波長λとは以下の関係にある。
λ ∝ λ₀・cosθ
これは、光の入射角が大きくなるほど特性が短波長側にずれることを示す式であるが、一方基準波長が長くなる程ずれ量が大きくなることも示している。例えば、緑色蛍光を観察するために５００nｍを基準波長としたフィルタを用いた場合と、赤外蛍光を観察するために７５０nｍを基準としたフィルタを用いた場合では、特性のずれ量がおよそ１．５倍になることを示しており、赤〜近赤外の波長帯域の蛍光を観察対象とする場合、前記フレアの影響はより大きくなる。

本発明は、上述のごとき問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、励起光カットフィルタへの斜入射による励起光漏れを有効に防止することができ、且つ励起光に対して微弱な蛍光でもフレアなく観察できるようにした内視鏡対物光学系及び内視鏡システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による内視鏡対物光学系は、蛍光観察を目的とする内視鏡対物光学系において、励起光の波長帯における透過率が０．１％以下である励起光カットフィルタを少なくとも２枚配置し、前記励起光カットフィルタのうちの何れか２枚の間にパワーを持つ光学素子を配置したことを特徴とする。
この構成により、一方の励起光カットフィルタに大きな角度で入射して透過した励起光に対しても、光学素子により光線の角度が変化するため、もう一方の励起光カットフィルタによりこれを遮断することができる。

本発明によれば、前記励起光カットフィルタは、赤外から近赤外光領域において透過率を持つことを特徴とする。
入射角特性の影響は長波長の光に対するほど大きくなるため、前記励起光カットフィルタに、赤〜近赤外光領域において透過域を持つフィルタを使用することにより、本発明の効果をより顕著に発揮させることができる。

また、本発明によれば、前記励起光カットフィルタは、入射角０°の光線の透過率が５０％となる波長が６８０nm以上であることを特徴とする。
この構成により、近赤外の蛍光観察とおよそ３８０〜６００nmの光を用いる通常観察とを共用させることができる。励起光の波長幅と斜入射による波長シフトを考慮すると、励起光カットフィルタの透過率スペクトルの短波長カット端において入射角０°の光線の透過率が５０％となる波長が６８０nm以上であることが望ましい（図５参照）。

また、本発明によれば、前記励起光カットフィルタ２枚の間に配置された光学素子は、正のパワーを持つことを特徴とする。
この構成により、励起光カットフィルタに斜入射した光の角度を、より光軸側に曲げることができる。

また、本発明によれば、前記励起光カットフィルタの内の少なくとも１枚を、光学系の瞳位置近傍に配置したことを特徴とする。
この構成により、励起光カットフィルタの製造上の問題に起因する励起光の部分的な漏れが画像に与える影響を好適に抑えることができる。瞳近傍は光束径が大きいため、励起光の漏れの大きさが相対的に小さく、Ｓ/Ｎ比が改善する。

また、本発明によれば、物体側から順に配置された、負のパワーを持つ第１レンズ群と、正のパワーを持つ第２レンズ群と、正のパワーを持つ第３レンズ群とで構成され、前記３群の後に少なくとも１枚の励起光カットフィルタを配置したことを特徴とする。
この構成により、蛍光内視鏡に適したコンパクト且つＳ/Ｎの高い対物光学系を提供することができる。

本発明による内視鏡システムは、光源ランプと観察物体との間の照明光路中に励起光を透過する励起フィルタを有し、励起光により照射された被写体を、励起光カットフィルタを含む対物光学系により観察する内視鏡システムにおいて、前記励起フィルタの入射角０°の光線の透過率が０．１％となる波長での励起光カットフィルタの入射角２５°の光線の透過率が０．１％以上となることを特徴とする対物光学系を有している。
この構成により、蛍光物質の吸収波長と蛍光波長にあわせて励起フィルタと励起光カットフィルタの透過域を近づけることができ、より効果的な蛍光観察を行うことができる。

本発明によれば、励起光カットフィルタへの斜入射による励起光漏れを観察波長が長いほど効果的に防止することができて、励起光に対して微弱な蛍光でもフレアなく観察できる内視鏡対物光学系及び内視鏡システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の態様を図示した実施例に基づき説明する。
図１は本発明に係る内視鏡対物光学系を有する内視鏡システムの一例の全体構成を示す概略図、図２は本発明に係る内視鏡対物光学系の一実施例の光学構成を明示した光軸に沿う断面図、図３は図２に示した内視鏡対物光学系における明るさ絞りと励起光カットフィルタとの配置関係を示す部分拡大断面図である。

図１において、１は光源ランプ１a，集光光学系１b，励起フィルタ１cを含む回転フィルタ板１d等を備えた光源装置、２は光源装置１から出射した励起光を照明光学系３へ導くライトガイド、４は本発明に係る後述の対物光学系、５は対物光学系４により結像された物体像を受像する高感度ＣＣＤ等の撮像素子、６は撮像素子５により得られた画像信号を画像化する画像プロセッサ、７は物体像を表示するモニターである。
ライトガイド２，照明光学系３，対物光学系４及び撮像素子５は、周知のごとく内視鏡先端部を構成する硬質管内に収納されている。

図２は対物光学系４の詳細構造を示しており、図中、４０１はレンズ枠で、このレンズ枠４０１内には、平凹レンズ４０２，両凸レンズ４０３，明るさ絞り４０４，第１の励起光カットフィルタ４０５，光学フィルタ４０６，両凸レンズ４０７，物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ４０８及び第２の励起光カットフィルタ４０９が、保持環等を介し所定間隔を置いて物体側から順次配置されている。なお、撮像素子５はレンズ枠４０１に嵌着された保持管４１０内に保持され、撮像素子５の前側（物体側）にはカバーガラス４１１が配置されている。ここで、平凹レンズ４０２は負のパワーを持つ第１レンズ群を、両凸レンズ４０３は正のパワーを持つ第２レンズ群を、両凸レンズ４０７と負メニスカスレンズ４０８とで正のパワーを持つ第３レンズ群を、それぞれ構成する。

なお、第１及び第２の励起光カットフィルタ４０５及び４０９は、赤〜近赤外光領域において透過域を持ち、そのつの透過率は、励起光の波長帯における入射角０°の光線の透過率が０．１％以下、入射角２５°の光線の透過率が０．１％以上であり、且つ入射角０°の光線の透過率が５０％となる波長が６８０nm以上であるように、選定されている。

本発明に係る内視鏡対物光学系は、上記のごとく構成されているから、図２に破線で示すように、対物レンズ４０２に光軸に対して大きな角度で対物光学系４内へ入射して両凸レンズ４０３の外周面で反射し、第１の励起光カットフィルタ４０５に斜めに進入した光線（励起光）も両凸レンズ４０７により光軸側に曲げられて、光軸に対する角度が小さい状態で第２の励起光カットフィルタ４０９に進入するから、励起光は効率的に遮断されると共に、第２の励起光カットフィルタ４０９を抜けて保持管４１０の内壁面で反射し散乱する光も皆無となるから、Ｓ/Ｎ比を著しく向上させることができ、励起光に対して微弱な蛍光でもフレアなく、容易に観察することが出来る。
この説明で明らかな如く、両凸レンズ４０７はこれに限定されるものではなく、両凸レンズの代わりにプリズムを用いることもでき、要は、望ましくは正であるパワーを持つ光学素子であれば良い。

図３は明るさ絞り４０４と第１の励起光カットフィルタ４０５と光学フィルタ４０６との配置関係を示す詳細図であるが、この図から明らかなように、第１の励起光カットフィルタ４０５は、主に励起光カットの機能を果たす側の面４０５aが、明るさ絞り４０４と接しない側に位置するように配置されていると共に、前記面４０５aと接して励起光カットフィルタ４０５の口径を決める遮蔽部材４１３は、明るさ絞り４０４で決定される光束の外側に位置するように配置されている。
従って、振動等により明るさ絞り４０４と第１の励起光カットフィルタ４０５とがこすれて矢印Ａで示す部分が傷付くようなことがあっても、そこから励起光漏れを起こして励起光カット機能を損ねるようなことはなく、また、励起光カット面４０５aと遮蔽部材４１２とが接する矢印Ｂで示す部分に傷が付くようなことがあっても、観察に影響を与えることはない。

なお、この種励起光カットフィルタは、製造上ピンホールの出現を完全に回避することはできないが、図３から明らかなように、第１の励起光カットフィルタ４０５は対物光学系の瞳位置近傍に配置されているから、図４に示すように、ピンホールでの励起光抜けは緩和され、しかも、正の焦点距離を持つレンズ群４０７，４０８を挟んで第２の励起光カットフィルタ４０９を配置したから、ピンホールでの励起光抜けも像としては撮像面に結像されず、観察の障害となるようなことはない。図４中、（Ａ）は明るさ絞り４０４の近傍にピンホールを持つ励起光カットフィルタを配置した場合の撮像面でのピンホール像を、（Ｂ）は明るさ絞り４０４の近傍に励起光カットフィルタを配置せず、それ以外の位置にのみ配置した場合の撮像面でのピンホール像をそれぞれ示している。この図から明らかなように、明るさ絞り４０４の近傍では光束径が最も大きいため、ピンホールの光束に対する相対的な大きさが小さくなり、Ｓ/Ｎが改善する。

なお、実施例では、励起光カットフィルタを２枚用いたが、これに限定されるものではなく、必要に応じて３以上用いても良く、何れの場合も、第３レンズ群は励起光カットフィルタの何れか２枚の間に配置されることが必要である。

以上の説明で明かなように、本発明によれば、近赤外〜赤外の波長領域の蛍光観察に好適な内視鏡対物レンズおよび内視鏡システムを提供することができる。

本発明に係る内視鏡対物光学系を有する内視鏡システムの一例の全体構成を示す概略図である。 本発明に係る内視鏡対物光学系の一実施例の光学構成を明示した光軸に沿う断面図である。 図２に示した内視鏡対物光学系における明るさ絞りと励起光カットフィルタとの配置関係を示す部分拡大断面図である。 図２に示した内視鏡対物光学系における、明るさ絞り近傍のフィルタ面と、それ以外の場所のフィルタ面における光束径と、第１の励起光カットフィルタの配置箇所を変えた場合の撮像面上のピンホール像を示す説明図である。 励起光カットフィルタの透過率スペクトルを示す説明図である。 励起光波長と蛍光物質の吸収波長との関係を示す透過率特性線図である。 本発明における励起光フィルタの透過率特性と、光の入射角度の違いによる励起光カットフィルタの透過率特性の変化との関係を示す透過率特性線図である。

符号の説明

１ 光源装置
１a 光源ランプ
１b 集光光学系
１c 励起フィルタ
１d 回転フィルタ板
２ ライトガイド
３ 照明光学系
４ 対物光学系
４０１ レンズ枠
４０２ 平凹レンズ
４０３ 両凸レンズ
４０４ 明るさ絞り
４０５ 第１の励起光カットフィルタ
４０５a 励起光カットフィルタ面
４０６ 光学フィルタ
４０７ 両凸レンズ
４０８ 物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ
４０９ 第２の励起光カットフィルタ
４１０ 保持管４１０
４１１ 光学フィルタ
４１２ カバーガラス
４１３ 絞り
５ 撮像素子（ＣＣＤ）
６ 画像プロセッサ
７ モニター

Claims (7)

1. 蛍光観察を目的とする内視鏡対物光学系において、励起光の波長帯における透過率が０．１％以下である励起光カットフィルタを少なくとも２枚配置し、前記励起光カットフィルタのうちの何れか２枚の間にパワーを持つ光学素子を配置したことを特徴とする内視鏡対物光学系。
2. 前記励起光カットフィルタは、赤外から近赤外光領域において透過率を持つことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡対物光学系。
3. 前記励起光カットフィルタは、入射角０°の光線の透過率が５０％となる波長が６８０nm以上であることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡対物光学系。
4. 前記励起光カットフィルタ２枚の間に配置された光学素子は、正のパワーを持つことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内視鏡対物光学系。
5. 前記励起光カットフィルタの内の少なくとも１枚を、光学系の瞳位置近傍に配置したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内視鏡対物光学系。
6. 物体側から順に配置された、負のパワーを持つ第１レンズ群と、正のパワーを持つ第２レンズ群と、正のパワーを持つ第３レンズ群とで構成され、前記３群の後に少なくとも１枚の励起光カットフィルタを配置したことを特徴とする請求項５に記載の内視鏡対物光学系。
7. 光源ランプと被写体との間の照明光路中に励起光を透過する励起フィルタを有し、励起光により照射された観察物体を、励起光カットフィルタを含む対物光学系により観察する内視鏡システムにおいて、前記励起フィルタの入射角０°の光線の透過率が０．１％となる波長での励起光カットフィルタの入射角２５°の光線の透過率が０．１％以上となることを特徴とする請求項1乃至６の何れか１項に記載の対物光学系を持つ内視鏡システム。

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