JP2009300797A - 撮像レンズ及びカプセル型内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトかつ広角のレンズでありながらも、倍率色収差及びディストーションが十分に補正されたカプセル型内視鏡用の撮像レンズを提供する。
【解決手段】撮像レンズ２１は、球面状の被写体１３からの光を、平面である撮像素子の撮像面に結像させるレンズであり、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、正（又は負）の屈折力を有する第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、負（又は正）の屈折力を有する第３レンズＬ３、正の屈折力を有する第４レンズＬ４、正の屈折力を有する第５レンズＬ５から構成される。撮像レンズ２１を構成するレンズＬ１〜Ｌ５及び開口絞りＳ８の形状や配置は、カプセル１２の前端の形状や、撮像素子１７のカバーガラス１８を考慮したものであり、被写体１３側から順に第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５の順に配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体内を撮像する内視鏡に用いられる撮像レンズに関し、さらに詳しくは、飲み込んで使用されるカプセル型の内視鏡に用いられる撮像レンズに関する。

従来、医療分野においては、挿入型の内視鏡が普及している。挿入型内視鏡は、フレキシブルな挿入部を被検者の体内に挿入し、挿入部の先端に設けられた撮像部で被検者の体内を撮像する。挿入部は被検者の体腔内の形状に応じて自在に湾曲するうえに、撮像部の設けられた先端部の向きを自在に変化させられるようになっている。このため、挿入型内視鏡は任意の観察部位を的確に撮像することができ、正確な診断の助けとなっている。

ところで、挿入型の内視鏡による診断は、長い挿入部を長時間にわたって体内に挿入し続けなければならないので、被検者に与える負荷が非常に大きい。このため、近年では、被検者に与える負荷を軽減するために、容易に飲み込むことができるサイズのカプセルに撮像装置を収め、被検者に飲み込まれたこのカプセルが自然に被検者の体内を移動する間に、被検者の体内を撮像するカプセル型の内視鏡が知られている。

カプセル型内視鏡は、飲み込んでしまえば自然に被検者の体内を移動するので、挿入型内視鏡よりも被検者に与える負荷は大きく軽減されるが、被検者体内での位置や姿勢を制御することが難しい。このため、カプセル型内視鏡に搭載する撮像装置は、姿勢を変えずとも、できるだけ広い範囲を撮像することができるように、広角の撮像レンズを搭載される。

また、カプセル型内視鏡を容易に飲み込むことができるようにするために、カプセルサイズをできるだけ小さくすることが望まれる。このため、多くのカプセル型内視鏡に搭載される撮像レンズは、広角であるばかりでなく、２群２枚構成とするなど、撮像レンズを少数のレンズで構成することで撮像レンズをコンパクト化し、小さなカプセルに収まるようにしている。

このようなカプセル型内視鏡としては、広い撮影範囲を確保しつつ、カプセルサイズを小型化したものが知られている（特許文献１）。また、コンパクトかつ広角であるだけでなく、最適な被写界深度を得られるようにしたカプセル型内視鏡や（特許文献２）、円筒状の被写体を良好に照明できるようにしたカプセル型内視鏡（特許文献３）などが知られている。
特開２００５−８０７８９号公報 特開２００５−８０７９０号公報 特開２００６−６１４３８号公報

撮像レンズは、画角が大きいほど取得画像の周辺部分にディストーションや倍率色収差といった収差の影響が顕著に生じやすいが、カプセルサイズのコンパクト化のために単に少数のレンズで構成した広角の撮像レンズでは、こうした各種収差を十分に補正することが難しい。

また、広角だがディストーションや倍率色収差の補正が十分でない撮像レンズで撮像した画像を元に診察を行うと、取得画像の周辺部分に映し出された部分が小さく歪められてしまったり、色のにじみが生じていたりするために、病変の見落としや誤認を招きやすく、撮像レンズが広角であることがかえって適切な診断の妨げとなることがある。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトかつ広角で、ディストーション及び倍率色収差が取得画像の周辺部分においても十分に補正されたカプセル型内視鏡用の撮像レンズを提供することを目的とする。

本発明の撮像レンズは、ドーム状のカプセル内に配置されるカプセル型内視鏡用の撮像レンズであり、被写体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ、正または負の屈折力を有する第２レンズ、絞り、正または負の屈折力を有する第３レンズ、正の屈折力を有する第４レンズ、正の屈折力を有する第５レンズを備え、曲面状の被写体を平面に結像させることを特徴とする。

また、半画角をω（度）とするときに、２ω＞１３５を満たすことを特徴とする。

また、全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１とするときに、｜ｆ１／ｆ｜＜５を満たすことを特徴とする。

また、前記第１レンズは、少なくとも１つの面が非球面となっていることを特徴とする。

また、前記第５レンズは、少なくとも１つの面が非球面となっていることを特徴とする。

本発明のカプセル型内視鏡は、上述の撮像レンズを備えることを特徴とする。

本発明によれば、コンパクトかつ広角で、ディストーション及び倍率色収差が取得画像の周辺部分においても十分に補正されたカプセル型内視鏡用の撮像レンズを提供することができる。また、この撮像レンズを搭載することにより、病変の見落としや誤認をすることなく、適切な診断を容易に行うことができる画像を得ることができるカプセル型内視鏡を提供することができる。

図１に示すように、カプセル型内視鏡１１は、カプセル１２内に小型の撮像装置を収納した内視鏡であり、被検者に飲み込まれて使用され、被検者の体内（以下、被写体１３という）を撮像する。

カプセル１２は、円筒の両端をドーム状に形成した中空の容器であり、容易に嚥下することができる大きさに設けられている。カプセル１２内には、撮像装置を構成する撮像レンズ１６、撮像素子１７、照明素子（図示しない）と、この撮像装置を駆動する電池や、撮像した画像を外部に送信するアンテナ等が水密に収められている。また、カプセル１２の前端は、ドーム状に形成されているだけでなく、撮像レンズ１６の画角に合わせて十分に広い範囲が透明な材料で構成されている。照明素子からの照明光は、このカプセル１２の透明な部分をとおって被写体１３に照射される。また、被写体１３からの光はこの透明部分を通って撮像レンズ１６に入射する。

撮像レンズ１６は、球面状の被写体１３からの光を、平面である撮像素子１７の撮像面に結像させる。また、撮像レンズ１６は、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、正または負の屈折力を有する第２レンズＬ２、絞りＳ８、正または負の屈折力を有する第３レンズＬ３、正の屈折力を有する第４レンズＬ４、正の屈折力を有する第５レンズＬ５から構成され、被写体１３側から、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、絞りＳ８、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５の順に配置される。撮像レンズ１６をこうしたレンズ構成とすることで、カプセル型内視鏡１１に適した広角レンズであるにもかかわらず、倍率色収差及びディストーションを十分に良好に、容易に補正することができる。

また、撮像レンズ１６は、半画角をω（度）とするときに、２ω＞１３５を満足する広角レンズとなっている。このため、姿勢を制御することが困難なカプセル型内視鏡１１であっても、被検者の体内を漏れなく撮像することができる。

さらに、撮像レンズ１６は、全系の焦点距離をｆ、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１とするときに、｜ｆ１／ｆ｜＜５を満たすように構成されている。この条件式は、倍率色収差及びディストーションを十分に補正するために第１レンズＬ１の焦点距離を制限するものであり、｜ｆ１／ｆ｜の値が上限値を上回るとこれらを十分に補正することが困難になる。

また、第１レンズＬ１は、物体側（被写体１３側）の面または像側（撮像素子１７側）の面の少なくとも１つの面が非球面に形成される。同様に、第５レンズＬ５は、物体側の面または像側の面の少なくとも１つの面が非球面に形成される。これにより、取得画像の周辺部分においても、倍率色収差及びディストーションを十分に補正することが容易になる。

以下に、具体的な数値をともなう撮像レンズ１６の例として、実施例１〜３を説明する。

＜実施例１＞
図２に示すように、撮像レンズ２１は、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、正の屈折力を有する第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、負の屈折力を有する第３レンズＬ３、正の屈折力を有する第４レンズＬ４、正の屈折力を有する第５レンズＬ５から構成される。これらのレンズＬ１〜Ｌ５及び開口絞りＳ８は、被写体１３側から、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５の順に配置され、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は貼り合わせレンズとなっている。また、これらのレンズＬ１〜Ｌ５の面形状や配置は、カプセル１２の前端の形状や、撮像素子１７のカバーガラス１８を考慮したものとなっている。

このため、球面状の被写体表面をＳ１、カプセル１２の被写体１３側の面をＳ２、カプセル１２の像側の面をＳ３、第１レンズＬ１の被写体１３側の面をＳ４、第１レンズＬ１の像側の面をＳ５、第２レンズＬ２の被写体１３側の面をＳ６、第２レンズＬ２の像側の面をＳ７、開口絞りをＳ８、第３レンズＬ３の被写体１３側の面をＳ９、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４の貼り合わせ面をＳ１０、第４レンズＬ４の像側の面をＳ１１、第５レンズＬ５の被写体１３側の面をＳ１２、第５レンズＬ５の像側の面をＳ１３、カバーバラス１８の被写体１３側の面をＳ１４、カバーガラス１８の像側の面をＳ１５とし、面Ｓｉ（面番号ｉ＝１〜１５）で表す。また、面Ｓｉとこれに隣り合う像側の面Ｓｉ＋１との光軸上での間隔（面間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜１４）で表す。なお、撮像素子１７の撮像面は、カバーガラス１８の像側の面であるＳ１５と一致している。また、撮像レンズの各面や面間隔の表し方は、後述する実施例２及び実施例３についても同様とする。

このように構成される撮像レンズ２１のレンズデータとして、各面Ｓｉの曲率半径Ｒｉ（ｍｍ）、各面間隔Ｄｉ（ｍｍ）、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率Ｎｄ及びアッベ数νｄを表１に示す。同時に、表１の下段には、撮像レンズ２１のＦ値、全系の焦点距離ｆ、第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１、画角２ω（度）を併せて示す。なお、表１に示す撮像レンズ２１のレンズデータは、全系の焦点距離ｆの値が１．０になるように規格化した場合のレンズデータとなっている。

また、表１の面番号欄に＊で示すように、第１レンズＬ１の両面Ｓ４，Ｓ５、第２レンズＬ２の両面Ｓ６，Ｓ７、第５レンズＬ５の両面Ｓ１２，Ｓ１３は非球面となっている。これらの非球面形状は、曲率（近軸曲率半径Ｒの逆数）ｃ、円錐定数Ｋ、光軸からの距離ρ（ρ^２＝ｘ^２＋ｙ^２）、ｉ次の非球面係数Ａｉを用いて、下記数１の式で表される。面Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１２，Ｓ１３の円錐定数Ｋ及び非球面係数Ａｉは表２に示す。なお、レンズデータの表記や、非球面の形状を定める数１の式は、後述する実施例２及び実施例３についても同様とする。

さらに、撮像レンズ２１の球面収差、非点収差、倍率色収差、ディストーションを図３に示す。これらの各収差図は、カプセル１２とカバーガラス１８を配置したものとなっている。なお、球面収差はｄ線（波長５８７．６ｎｍ）のものを実線で、Ｆ線（波長４８６．１３ｎｍ）のものを破線で、Ｃ線（波長６５６．２７ｎｍ）のものを二点鎖線で示す。また、非点収差は、サジタル方向のものを実線で、タンジェンシャル方向のものを破線で示す。倍率色収差は、Ｆ線のものを破線で、Ｃ線のものを二点鎖線で示す。これらの各収差図の表記は、後述する実施例２及び実施例３についても同様とする。

ディストーションは、通常、平面状の被写体を平面に結像させるレンズについて、実際の像高Ｈと、歪曲がない理想的な像高からの実際の像高Ｈの差分ΔＨとによって、ΔＨ／Ｈ×１００（％）で表される。しかし、撮像レンズ２１は球面状の被写体１３を平面に結像させるものであり、元々被写体１３の形状を変化させて結像させるレンズであることから、撮像レンズ２１のディストーションの評価には、前述の通常のディストーションの表し方は適さない。このため、図３では、通常のディストーションに準ずるものとして、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／（Ｙ（０＋Δω）−Ｙ（０））＝（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）を撮像レンズ２１のディストーションとして示す。ここで、Ｙ（ω）は光軸からのある撮像角度ωの像高を表し、Δωは撮像角度ωの微小変化量を表す。このディストーションの表し方は、後述する実施例２及び実施例３についても同様とする。

以上のように、撮像レンズ２１は、コンパクトかつ広角のレンズでありながらも、倍率色収差及びディストーションが十分に補正されており、カプセル型内視鏡１１に適した撮像レンズとなっている。

また、表１に示すように、撮像レンズ１２は、画角２ωが１７０度にも及ぶ広角レンズであり、２ω＞１３５（度）の条件を満たす。このため、被検者の体内で姿勢を制御することが困難なカプセル型内視鏡に好適である。

さらに、表１からわかるとおり、撮像レンズ２１は、｜ｆ１／ｆ｜＝１．９であり、｜ｆ１／ｆ｜＜５の条件を満たす。このため、撮像レンズ２１は、倍率色収差及びディストーションを特に良好に補正することができる。

また、撮像レンズ２１は、第１レンズＬ１が非球面を含む面構成となっていることにより、倍率色収差及びディストーションの補正を容易にしている。同様に、撮像レンズ２１は、第５レンズＬ５が非球面を含む面構成となっていることにより、倍率色収差及びディストーションの補正を容易にしている。さらに、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４が貼り合わせレンズとなっていることにより、倍率色収差がより良好に補正される。

＜実施例２＞
図４に示すように、撮像レンズ３１は、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、負の屈折力を有する第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、負の屈折力を有する第３レンズＬ３、正の屈折力を有する第４レンズＬ４、正の屈折力を有する第５レンズＬ５から構成される。これらのレンズＬ１〜Ｌ５及び開口絞りＳ８は、被写体１３側から、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５の順に配置され、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は貼り合わせレンズとなっている。また、これらのレンズＬ１〜Ｌ５の面形状や配置は、カプセル１２の前端の形状や、撮像素子１７のカバーガラス１８を考慮したものとなっている。

また、表３に撮像レンズ３１のレンズデータを示す。表３で面番号欄に＊で示すように、第１レンズＬ１の両面Ｓ４，Ｓ５、第５レンズＬ５の両面Ｓ１２，Ｓ１３は非球面となっている。これらの非球面の円錐定数Ｋ及び非球面係数Ａｉは、表４に示す。さらに、図５には、撮像レンズ３１の収差図を示す。なお、撮像レンズ３１の各面Ｓｉや面間隔Ｄｉの表記、収差図の表記は実施例１と同様である。

表３，表４や図５からわかるとおり、撮像レンズ３１は、コンパクトかつ広角のレンズでありながらも、倍率色収差及びディストーションが十分に補正されており、カプセル型内視鏡１１に適したレンズとなっている。

また、表３に示すように、撮像レンズ３１は、画角２ωが１７０度にも及ぶ広角レンズであり、２ω＞１３５（度）の条件を満たす。このため、被検者の体内で姿勢を制御することが困難なカプセル型内視鏡に好適である。

さらに、表３からわかるとおり、撮像レンズ３１は、｜ｆ１／ｆ｜＝２．１であり、｜ｆ１／ｆ｜＜５の条件を満たす。このため、撮像レンズ３１は、倍率色収差及びディストーションを特に良好に補正することができる。

また、撮像レンズ３１は、第１レンズＬ１が非球面を含む面構成となっていることにより、倍率色収差及びディストーションの補正を容易にしている。同様に、撮像レンズ３１は、第５レンズＬ５が非球面を含む面構成となっていることにより、倍率色収差及びディストーションの補正を容易にしている。さらに、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４が貼り合わせレンズとなっていることにより、倍率色収差がより良好に補正される。

＜実施例３＞
図６に示すように、撮像レンズ４１は、負の屈折力を有する第１レンズＬ１、正の屈折力を有する第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、正の屈折力を有する第３レンズＬ３、正の屈折力を有する第４レンズＬ４、正の屈折力を有する第５レンズＬ５から構成される。これらのレンズＬ１〜Ｌ５及び開口絞りＳ８は、被写体１３側から、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、開口絞りＳ８、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５の順に配置されている。これらのレンズＬ１〜Ｌ５の面形状や配置は、カプセル１２の前端の形状や、撮像素子１７のカバーガラス１８を考慮したものとなっている。

なお、上述の実施例１，２とは異なり、撮像レンズ４１では、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４が貼り合わせレンズとなっていないため、球面状の被写体表面をＳ１、カプセル１２の被写体１３側の面をＳ２、カプセル１２の像側の面をＳ３、第１レンズＬ１の被写体１３側の面をＳ４、第１レンズＬ１の像側の面をＳ５、第２レンズＬ２の被写体１３側の面をＳ６、第２レンズＬ２の像側の面をＳ７、開口絞りをＳ８、第３レンズＬ３の被写体１３側の面をＳ９、第３レンズＬ３の像側の面をＳ１０、第４レンズＬ４の被写体１３側の面をＳ１１、第４レンズＬ４の像側の面をＳ１２、第５レンズＬ５の被写体１３側の面をＳ１３、第５レンズＬ５の像側の面をＳ１４、カバーガラス１８の被写体１３側の面をＳ１５、カバーガラス１８の像側の面をＳ１６とし、面Ｓｉ（面番号ｉ＝１〜１６）で表す。また、面Ｓｉとこれに隣り合う像側の面Ｓｉ＋１との光軸上での間隔（面間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜１５）で表す。また、撮像素子１７の撮像面は、カバーガラス１８の像側の面であるＳ１６と一致している。

表５に撮像レンズ４１のレンズデータを示す。表５の面番号欄に＊で示すように、第１レンズＬ１の両面Ｓ４，Ｓ５、第５レンズＬ５の両面Ｓ１３，Ｓ１４が前述の数１の式で表される非球面形状となっている。これらの非球面の円錐定数Ｋ及び非球面係数Ａｉは、表６に示す。さらに図７には、撮像レンズ４１の収差図を示す。なお、収差図の表記は実施例１と同様である。

表５，表６や図７からわかるとおり、撮像レンズ４１は、コンパクトかつ広角のレンズでありながらも、倍率色収差及びディストーションが十分に補正されており、カプセル型内視鏡１１に適したレンズとなっている。

また、表５に示すように、撮像レンズ１２は、画角２ωが１６０度にも及ぶ広角レンズであり、２ω＞１３５（度）の条件を満たす。このため、被検者の体内で姿勢を制御することが困難なカプセル型内視鏡に好適である。

また、表５からわかるとおり、撮像レンズ４１は、｜ｆ１／ｆ｜＝２．４であり、｜ｆ１／ｆ｜＜５の条件を満たす。このため、撮像レンズ４１は、倍率色収差及びディストーションを特に良好に補正することができる。

また、撮像レンズ４１は、第１レンズＬ１が非球面を含む面構成となっていることにより、倍率色収差及びディストーションの補正を容易にしている。同様に、撮像レンズ４１は、第５レンズＬ５が非球面を含む面構成となっていることにより、倍率色収差及びディストーションの補正を容易にしている。

なお、上述の実施形態では、被写体１３が球面の場合に最適な撮像レンズの例を説明したが、これに限らず、カプセル型内視鏡１１から見た被検者の体腔内の、より実際的な形状に合わせた他の曲面形状を被写体１３とする場合に適した撮像レンズとしても良い。

カプセル型内視鏡の構成を概略的に示す説明図である。 実施例１の撮像レンズの断面図である。 実施例１の撮像レンズの収差図である。 実施例２の撮像レンズの断面図である。 実施例２の撮像レンズの収差図である。 実施例３の撮像レンズの断面図である。 実施例３の撮像レンズの収差図である。

符号の説明

１１ カプセル型内視鏡
１２ カプセル
１３ 被写体
１６，２１，３１，４１ 撮像レンズ
１７ 撮像素子
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｓ８ 開口絞り
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
Ｌ５ 第５レンズ
１８ カバーガラス

Claims (6)

1. ドーム状のカプセル内に配置されるカプセル型内視鏡用の撮像レンズにおいて、
   被写体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ、正または負の屈折力を有する第２レンズ、絞り、正または負の屈折力を有する第３レンズ、正の屈折力を有する第４レンズ、正の屈折力を有する第５レンズを備え、曲面状の被写体を平面に結像させることを特徴とする撮像レンズ。
2. 半画角をω（度）とするときに、
   ２ω＞１３５
   を満たすことを特徴とする請求項１記載の撮像レンズ。
3. 全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズの焦点距離をｆ１とするときに、
   ｜ｆ１／ｆ｜＜５
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像レンズ。
4. 前記第１レンズは、少なくとも１つの面が非球面となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の撮像レンズ。
5. 前記第５レンズは、少なくとも１つの面が非球面となっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の撮像レンズ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の撮像レンズを備えることを特徴とするカプセル型内視鏡。

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