JP2009219779A - 内視鏡のカメラヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラヘッドの外形を小さくできるような構成を備えた内視鏡のカメラヘッドおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】カメラヘッド１は、光学画像に応じた撮像信号を出力する撮像素子と、撮像素子に光学画像を結像させるレンズを備えたレンズ部材とを有し、レンズのイメージサークルの中心と、撮像素子の撮像エリアの中心とが一致するようにして、レンズ部材に撮像素子が固着されている。カメラヘッド１は、光学レンズのイメージサークルの中心と、撮像素子の撮像エリアの中心とを一致させる位置調整を行って製造されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、内視鏡のカメラヘッドおよびその製造方法に関する。

従来、観察対象物の内部に挿入して、その観察対象物の内部を観察する内視鏡が知られている。内視鏡には、体腔内を観察する医療用の内視鏡や、パイプや機械などの構造物の内部を観察する工業用の内視鏡がある。内視鏡は、構造物の内部に挿入されるカメラヘッド（挿入部ともいう）と、カメラヘッドから取り込まれた信号を処理するカメラコントロールユニット（内視鏡本体ともいう）と、双方を接続するケーブルとを有している。従来の内視鏡に関し、例えば特許文献１には、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）の前面にカバーガラスが配設され、そのカバーガラスの前面に光学レンズが配設された構成のカメラヘッドを備えた電子内視鏡が開示されている。
特開２００２−３０１０１２号公報

従来の内視鏡は、前述した電子内視鏡のように、光学レンズとＣＣＤとはカメラヘッド内の位置が固定されている。

しかし、従来の内視鏡の場合、光学レンズとＣＣＤとは、光学レンズのイメージサークル（光学レンズを通った光がＣＣＤ上に結像する円形の範囲）内にＣＣＤの撮像エリアが収まるようにしてそれぞれ位置が固定されているに過ぎなかった。

この場合、図１２（ａ）に示すように、ＣＣＤの撮像エリアａｒがイメージサークルｃからはずれると、光学レンズによって結像される画像がＣＣＤの撮像エリアａｒからはずれて画像の欠落を起こすおそれがある。そのため、従来のカメラヘッドでは、ＣＣＤの撮像エリアａｒがイメージサークルｃの中に確実に収まるように、図１２（ｂ）に示すように、イメージサークルｃの大きさを大きめにしてマージンを持たせておく必要があった。したがって、従来のカメラヘッドは、光学レンズの大きさをある程度の大きさにしておかねばならず、そのため、光学レンズを納めるカメラヘッドの外形の大きさを小さくすることが困難であった。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、カメラヘッドの外形の大きさを小さくできるような構成を備えた内視鏡のカメラヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、光学画像に応じた撮像信号を出力する撮像素子と、撮像素子に光学画像を結像させるレンズを備えたレンズ部材とを有し、レンズのイメージサークルの中心と、撮像素子の撮像エリアの中心とが一致するようにして、レンズ部材に撮像素子が固着されている内視鏡のカメラヘッドを特徴とする。

また、本発明は、光学画像に応じた撮像信号を出力する撮像素子と、その撮像素子に光学画像を結像させるレンズを備えたレンズ部材とを用いて内視鏡のカメラヘッドを製造する製造方法であって、レンズのイメージサークルの中心と、撮像素子の撮像エリアの中心とを一致させる位置調整を行い、イメージサークルの中心と、撮像素子の撮像エリアの中心とを一致させた状態でレンズ部材に撮像素子を固着する内視鏡のカメラヘッドの製造方法を提供する。

以上詳述したように、本発明によれば、カメラヘッドの外形の大きさを小さくできるような構成を備えた内視鏡のカメラヘッドおよびその製造方法が得られる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は本発明の実施形態に係るカメラ装置１００の主要な構成を示すブロック図、図２はカメラヘッド内部の主要な構成を示すヘッド筺体のみ断面で示した側面図、図３は撮像ユニットを示す側面図である。

図１に示すカメラ装置１００は、カメラヘッド１と、カメラコントロールユニット（Camera Control Unit、以下「ＣＣＵ」ともいう）２とを有し、カメラヘッド１と、ＣＣＵ２とがカメラケーブル３で接続される構成となっている。

カメラヘッド１は図２に示すように、撮像ユニット１０と、基板ホルダ１７と、位置固定リング１８と、回路基板２０と、ワイヤ２３およびヘッド筺体３０とを有している。このカメラヘッド１は、撮像ユニット１０、基板ホルダ１７、位置固定リング１８、回路基板２０およびワイヤ２３がヘッド筺体３０内に納められた構成を有している。

撮像ユニット１０は、図３にも示すように、レンズブロック１１と、ＣＣＤ１３とを有し、後述するＣＣＤ位置調整を行うことにより、後述するイメージサークル５１の中心と撮像エリア５２の中心とを一致させてから、光学用接着剤１２によってＣＣＤ１３がレンズブロック１１に固着されている。

レンズブロック１１は光学レンズ８，９を内側に納めた筒状部材としてのレンズ鏡筒部１５と、そのレンズ鏡筒部１５の軸方向一端部に固着された円柱状のカバーガラス１６とを有している。そして、このカバーガラス１６におけるレンズ鏡筒部１５の固着されていない側の端面１６ａ（図１１参照）に、光学用接着剤１２によってＣＣＤ１３が固着されている。

ＣＣＤ１３は、光学レンズ８，９によって結像された光学画像に応じた撮像信号を生成し、その撮像信号をリード線１４によって外部に出力する撮像素子である。また、ＣＣＤ１３はＴＡＢ ＣＣＤ（チップサイズと、パッケージサイズがほぼ同じＣＣＤ）によって構成されている。

リード線１４は回路基板２０にはんだ付けされ、ＣＣＤ１３からの撮像信号の出力、回路基板２０からＣＣＤ１３への電源および駆動パルスの供給を行うために設けられている。

そして、撮像ユニット１０は、位置固定リング１８をレンズ鏡筒部１５に装着した上で、ヘッド筺体３０に収容されている。位置固定リング１８はヘッド筺体３０の内周に対応した大きさの筒状部材であって、撮像ユニット１０のヘッド筺体３０内における位置を固定するためのものである。

基板ホルダ１７は、ＣＣＤ１３のレンズブロック１１の固着されていない反対側端部に固着されていて、回路基板２０を挟みこんでその位置を固定する部材である。回路基板２０はＣＣＤ１３から出力される撮像信号が入力される回路の配線パターンが表面および裏面それぞれに形成され、その配線パターンに撮像信号を処理する電子部品２１，２２が実装されている。この回路基板２０は、ＣＣＤ１３とリード線１４によって接続されるとともに、ワイヤ２３によってケーブル３に接続されている。ワイヤ２３は回路基板２０と、ケーブル３の双方にはんだ付けして固着されている。

ヘッド筺体３０は、前面カバー３１と、前面カバー３１が前端部に装着される筒部材３２と、筒部材３２が前端部に装着される筒部材３３とを組み合わせ、これらが一体となった構成を有している。そして、ヘッド筺体３０は筒部材３３の後端部から、位置固定用リング１８をレンズ鏡筒部１５に装着した撮像ユニット１０と、基板ホルダ１７、回路基板２０と、ワイヤ２３で接続されたケーブル３の先端部とが内側に挿入され、カシメ３ａが筒部材３３の係止部３３ａに係止するようになっている。

ＣＣＵ２はＣＣＤ１３を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路２ａと、カメラケーブル３を通ってカメラヘッド１から入力される撮像信号の増幅や、Ｄ／Ａ変換、表示装置に画像を表示するための映像信号の生成などを行う信号処理回路２ｂとを有している。

そして、カメラ装置１００では、カメラヘッド１を観察対象物の内部に挿入して、観察対象物の内部の光学画像を光学レンズ８，９によりＣＣＤ１３に結像し、ＣＣＤ１３から光学画像に応じた撮像信号を出力する。この撮像信号はリード線１４を介して回路基板２０上の電子部品で処理された後、ワイヤ２３からカメラケーブル３に導かれ、ＣＣＵ２に入力される。

また、ＣＣＵ２から出力される映像信号を図示しない表示装置に導き、その表示装置における画像表示によって、カメラヘッド１で捕らえた被写体を観察できるようになっている。

ところで、前述のとおり、撮像ユニット１０は、ＣＣＤ位置調整を行い、イメージサークル５１の中心と撮像エリア５２の中心とを一致させ、双方の中心が一致した状態でＣＣＤ１３をレンズブロック１１に固着することによって製造している。そのＣＣＤ位置調整は、次のようにして行われる。

本実施の形態におけるＣＣＤ位置調整では、図４に示すように、位置合わせ用のチャートＳを用いる。チャートＳは撮像ユニット１０による撮影が可能な大きさの矩形領域Ｓ１に、その中心点Ｓ０を通る十字ラインＳ２と、中心点Ｓ０を中心とする位置合わせサークルＳ３とを描いたもので平坦な壁面等に描かれている。

このチャートＳを撮像ユニット１０で撮影すると、チャートＳの光学画像が光学レンズ８，９によってＣＣＤ１３に結像される。そこで、図６に示すようなモニタ７１を用意し、ＣＣＤ１３の撮像信号をリード線１４，回路基板２０、ワイヤ２３およびケーブル３を介してモニタ７１に導くと、モニタ７１の表示部７２にチャートＳを示すチャート画像ＳＡを表示させることができる。表示部７２には、予め表示部７２の中心位置を示す十字状のマークＰが描かれている。

そして、ＣＣＤ位置調整を行うときは、まず、図４に示すように、レンズブロック１１のＣＣＤ１３を固着しない前端側をチャートＳに向けた上で、レンズ鏡筒部１５を図示しない所定の保持部材で保持する。このとき、ＣＣＤ１３は表示部７２にチャート画像ＳＡが表示されるようにレンズ鏡筒部１５とともに保持しておき、チャートＳの中心点Ｓ０を光学レンズ８，９の光軸ｔ０が指すようにして、レンズ鏡筒部１５の位置を決める。

ＣＣＤ１３による撮像はモニタ７１の表示部７２に表示することができるので、ＣＣＤ位置調整は、その表示部７２を観察しながら行う。そして、チャート画像ＳＡの中心点ＳＡ０が表示部７２の中心点Ｐに一致するようにして、ＣＣＤ１３の位置を調整する。そして、チャート画像ＳＡの中心点Ｓ０と中心点Ｐとの一致が見られた時点でＣＣＤ１３の位置を動かすことを止め、中心点Ｓ０が中心点Ｐに一致している状態で、光学用接着剤１２によってＣＣＤ１３をカバーガラス１６に接着する。

光学レンズ８，９の光軸ｔ０がチャートＳの中心点Ｓ０を指すようにしているので光学レンズ８，９のイメージサークル５１の中心５１ａが表示部７２の中心点Ｐと重なっている。すると、前述のようにしてＣＣＤ１３の位置を調整することにより、ＣＣＤ１３の位置を光学レンズ８，９の光軸ｔ０に対して調整することになるため、図５に示すように、レンズ８，９のイメージサークル５１の中心５１ａと、ＣＣＤ１３の撮像エリア５２の中心５２ａとを一致させることができる。カメラヘッド１は、双方の中心を一致させた状態でＣＣＤ１３をカバーガラス１６に固着することによって製造されている。

こうすることで、イメージサークル５１の中心５１ａと、撮像エリア５２の中心５１ａとが一致した形で撮像ユニット１０が得られる。

以上のように、カメラヘッド１は、ＣＣＤ位置調整を行い、イメージサークル５１の中心５１ａと、撮像エリア５２の中心５２ａとを一致させた状態でＣＣＤ１３をレンズブロック１１に固着しているので、撮像エリア５２がイメージサークル５１から外れないようにするための余計なマージンをイメージサークル５１に持たせる必要がなくなっている。つまり、図５に示すように、撮像エリア５２は矩形状であるがその四隅がイメージサークル５１の周縁に重なるぎりぎりの大きさにまでイメージサークル５１の大きさを絞り込むことができる。このようにしても、撮像エリア５２はイメージサークル５１の内側にすっぽりと収まっているから、ＣＣＤ１３で撮影される画像が欠落することはない。

すると、イメージサークル５１の余計なマージンが不要になった分、イメージサークル５１は小さくなるから、光学レンズ８，９の外形の大きさを小さくすることができ、それに伴い、光学レンズ８，９を納めるレンズ鏡筒部１５も細くすることができる。したがって、撮像ユニット１０を納めるヘッド筺体３０の大きさも小さくでき、カメラヘッド１の外形の大きさを小さくでき、その小型化が実現される。

一方、カメラヘッド１に関連して図９に示すようなカメラヘッド２００がある。このカメラヘッド２００は、ＣＣＤ２０１ａが固定された筒状のＣＣＤユニット２０１と、片側端部に螺子部２０２ａを備え、光学レンズ２０２ｂを納めたレンズ筒部２０２と、ＣＣＤユニット２０１とレンズ筒部２０２を一体化するための筒部材２０３とを有している。

このカメラヘッド２００は、筒部材２０３の両側からそれぞれＣＣＤユニット２０１とレンズ筒部２０２とを装着して製造する。ところが、ＣＣＤ２０１ａと、レンズ２０２ｂとは、レンズ２０２ｂのイメージサークルからＣＣＤ２０１ａの撮像エリアが外れないように、すなわち、ＣＣＤ２０１ａの撮像エリアがイメージサークルに納まりさえすればよいという程度の位置決めがなされているに過ぎなかった。このカメラヘッド２００では、レンズ２０２ｂのイメージサークルの中心と、ＣＣＤ２０１ａの撮像エリアの中心とがずれていたり、ＣＣＤ２０１ａの外形寸法にばらつきがある場合でも、ＣＣＤ２０１ａの撮像エリアがイメージサークル内に確実に納まるようにするには、イメージサークルをある程度大きくしてマージンを持たせることが必要であった。そのため、レンズ２００ｂの大きさを大きくする必要があり、筒部材２０３の外形を小さくすることが極めて困難であった。

しかしながら、カメラヘッド１は、前述したＣＣＤ位置調整を行い、イメージサークル５１の中心５１ａと、撮像エリア５２の中心５１ａとを一致させ、その状態でＣＣＤ１３をカバーガラス１６に接着して製造することとしている。こうすることで、カメラヘッド１は、カメラヘッド２００のようなイメージサークルの中心ａと、撮像エリアの中心との不一致や、ＣＣＤの外形寸法のばらつきの影響が皆無であり、イメージサークル５１の余計なマージンがなくなっている。イメージサークル５１の余計なマージンがなくなった分、光学レンズ８，９は小型化した設計が可能となり、そのため、カメラヘッド１の外形の大きさを小さくできるようになっている。

特に、ＣＣＤ１３を図１０に示すような、パッケージ１３ａのサイズと、チップ１３ｂサイズがほぼ同じＴＡＢ ＣＣＤ（例えば、１／１０ＣＣＤの場合、約２ｍｍ×２ｍｍ）にすると、外形寸法のばらつきによって撮像エリアに影響する部分が小さくなるので、イメージサークル５１の大きさはより小さくでき、カメラヘッド１の小型化に一層効果的である。

さらに、撮像ユニット１０の小型化に伴い、ヘッド筺体３０の内側にスペースの余裕ができるので、カメラヘッド１は図７に示すような複数の部材を必要とする医療用内視鏡６０として好適である。この医療用内視鏡６０は、対物レンズ６１のほか、ウォータージェットノズル６２と、送気送水ノズル６３と、ライトガイド６４と、鉗子チャネル６５を有している。

また、撮像ユニット１０が小型化されているので、図８に示すように、ヘッド筺体３５内に撮像ユニット１０のほかに照明用ＬＥＤ５１を備え、照明用ＬＥＤ５１によって被写体に光を照射できる内視鏡のカメラヘッド５５として好適である。ヘッド筺体３５は筒部材３１と筒部材３２とによって構成されている。

以上の説明は、本発明の実施の形態についての説明であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。又、各実施形態における構成要素、機能、特徴あるいは方法ステップを適宜組み合わせて構成される装置又は方法も本発明に含まれるものである。

本発明の実施形態に係るカメラ装置の主要な構成を示すブロック図である。 カメラヘッド内部の主要な構成を示すヘッド筺体のみ断面で示した側面図である。 撮像ユニットを示す側面図である。 ＣＣＤ位置調整に用いるチャートおよび撮像ユニットの一例を示す図である。 イメージサークルと、撮像エリアとの関係の一例を示す図である。 モニタおよびその表示画像の一例を示す図である。 別のカメラヘッドの先端部分の構造の一例を示す図である。 さらに別のカメラヘッド内部の主要な構成を示すヘッド筺体のみ断面で示した側面図である。 本発明に関連する別のカメラ装置におけるカメラヘッドの構成を示す斜視図である。 ＴＡＢ ＣＣＤを示す側面図である。 ＣＣＤ位置調整前のカバーガラスと、ＣＣＤとを示す斜視図である。 イメージサークルと、撮像エリアとの関係の一例を示し、（ａ）は撮像エリアがイメージサークルから外れる場合、（ｂ）は撮像エリアがイメージサークル内に納まりかつイメージサークル内にマージンがある場合の一例を示す図である。

符号の説明

１００…カメラ装置、１…カメラヘッド、２…ＣＣＵ、３…カメラケーブル、８，９…光学レンズ、１０…撮像ユニット、１１…レンズブロック、１２…光学用接着剤、１３…ＣＣＤ、１５…レンズ鏡筒部、１６…カバーガラス。

Claims (7)

1. 光学画像に応じた撮像信号を出力する撮像素子と、
   前記撮像素子に前記光学画像を結像させるレンズを備えたレンズ部材とを有し、
   前記レンズのイメージサークルの中心と、前記撮像素子の撮像エリアの中心とが一致するようにして、前記レンズ部材に前記撮像素子が固着されていることを特徴とする内視鏡のカメラヘッド。
2. 前記レンズ部材は、前記レンズを納めた筒状部材と、該筒状部材の軸方向一端部に固着されたカバーガラスとを有し、前記撮像素子が前記カバーガラスに固着されていることを特徴とする請求項１記載の内視鏡のカメラヘッド。
3. 前記撮像素子が接着剤によって前記カバーガラスに固着されていることを特徴とする請求項２記載の内視鏡のカメラヘッド。
4. 前記撮像エリアの形状が矩形状でかつその四隅がすべて前記イメージサークルの周縁に重なっていることを特徴とする請求項１記載の内視鏡のカメラヘッド。
5. 前記撮像素子は、チップサイズとパッケージサイズがほぼ等しい構成を備えていることを特徴とする請求項１記載の内視鏡のカメラヘッド。
6. 光学画像に応じた撮像信号を出力する撮像素子と、該撮像素子に前記光学画像を結像させるレンズを備えたレンズ部材とを用いて内視鏡のカメラヘッドを製造する製造方法であって、
   前記レンズのイメージサークルの中心と、前記撮像素子の撮像エリアの中心とを一致させる位置調整を行い、前記イメージサークルの中心と、前記撮像素子の撮像エリアの中心とを一致させた状態で前記レンズ部材に前記撮像素子を固着することを特徴とする内視鏡のカメラヘッドの製造方法。
7. 前記レンズ部材に前記撮像素子を固着するときに、接着剤によって前記レンズ部材に前記撮像素子を固着することを特徴とする請求項６記載の内視鏡のカメラヘッドの製造方法。

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