JP2011099963A - 高被写界深度マイクロ単レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】非球面単レンズを用いたマイクロレンズを新たに設計することにより、高被写界深度画像の、光ファイバーによる内視鏡観察を可能にする。
【解決手段】外径０．５ｍｍ程度の非球面単レンズのバックフォーカス位置に光ファイバーを固定し、単レンズにおいても、全視野角７０°〜８０°で、作動距離が約２．５ｍｍから無限遠まで高被写界深度観察が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明はカテーテル内視鏡などの光ファイバーを用いた観察系において、非球面レンズ単レンズを用い高被写界深度特性の観察を可能にするマイクロレンズに関するものである。

従来のマイクロレンズは、主として化学気相法を含めた蒸着により作られた内部の屈折率分布を変え、光を集光可能にしたロッドレンズが使われている。又は、研削に方法などにより作製した球面用いた複数のレンズ系が使われているが、十分な被写界深度を持ち解像度の高い広角な光学特性を持った対物レンズ系が不可能であった。このため、医療を含めた観察分野において近接拡大画像のピントが合わず、十分な画像観察の効果が期待できなかった。

「セルフォックレンズアレイ」日本板硝子のホームページ性能公表。 「イメージスキャナ開発室」アイメジャー有限会社のホームページ、ＮＩＦＴＹココログによる。

ロッドレンズ、球面レンズによる従来の細管の内視鏡においては、広範囲にわたるピント調整機構を持たせることが困難であった。そのため非球面レンズによる新たな光学系により、近接高倍率撮影から、無限遠までの長作動距離の画像をイメージ光ファイバーに伝達する単レンズを作成することを目的としている。

従来のロッドレンズ、球面レンズを含むレンズ系では、カテーテル内視鏡を含めたの医療用目的に対し、高被写界深度特性を保持し高解像度な映像を伝達することが困難であった。本発明では、複雑な光学系を用いずに、非球面単レンズにより上記性能を改善した対物レンズの作製を可能にする。むろん、通常の光学系に比して非球面を含む多数枚のレンズ系を用いれば、高性能化には有利であるが、レンズ外径φ０．５ｍｍのマイクロレンズを組込むときの光軸合わせ、レンズ間距離などを含む工程の難易度、組立て時の累積公差、レンズ作製時の形状精度の誤差、販売コストへの影響を考えると、できるだけ簡単な構成からなるレンズ系が望まれる。現在この様な理由で、高性能複合レンズ系を用いた高性能カテーテル内視鏡は製品化されていない。従って、要求された仕様に対応可能な解像度を持つ非球面単レンズ系が必要である。レンズの量産は、低融点ガラスの製造技術に伴い、高屈折率を持つガラス素材による金型成形を用いる。

従来の光学系では非常に深度が浅いため、接写レンズを近づけるとピントが合わず、特に医学部門などではクローズアップ拡大撮影が困難であった。本発明による全く新たな設計に基づく単レンズを使用すると、解像度面で複合レンズほどではないが、全視野角７０°〜８０°広角観察が可能であり、近接時の拡大画像が従来に比して極めて鮮明化され、高被写界深度観察が可能となる。このようなカテーテル内視鏡は、体内の細管部に対する内視鏡撮影に非常に有効な手段となる。その他、医療部門での活用も含め、細管部を高被写界深度で観察することが必要な工業用内視鏡などの多くの産業部門に、役立てることが出来る。

本発明による非球面単レンズを用いた細管内視鏡の構図 （a）全視野角７０°のレンズ結像系のレイアウト （b）全視野角８０°のレンズ結像系のレイアウト （a）物体距離２．５ｍｍにおける単レンズのＭＴＦ特性 （b）物体距離５．０ｍｍにおける単レンズのＭＴＦ特性 （a）物体距離１０ｍｍにおける単レンズのＭＴＦ特性 （b）物体距離１０００ｍｍにおける単レンズのＭＴＦ特性 （a）物体距離５ｍｍにおける単レンズのスポット像 （b）物体距離５ｍｍにおける単レンズの波面収差 （a）物体距離５ｍｍにおける単レンズの像面湾曲収差と歪曲収差 （b）物体距離５ｍｍにおける単レンズの相対照度

実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明によるカテーテル内視鏡の構図で、単レンズから構成されるマイクロレンズ１により物体像が、光ファイバー２に集光しイメージが伝達される。接着面が平面であるロッドレンズの場合、バックフォーカスも極めて短いため、レンズ面を接着材により直接光ファイバーに接合している。本発明による対物レンズは２の結像面へのバックフォーカスを持ち、接着面が曲面形状のため、固定円筒３にレンズを挿入し焦点位置を調整した後、側面接着などによる固定方法を工夫する。その周囲は、ライトガイド用ファイバー（図示されてないが）挿入されており、水洗用の管などが設けられているものがある。最外殻は被服チューブ４によって保護されている機構を持つ。本発明ではこの様に接着によるバックフォーカスの誤差、接着剤による光学特性の劣化を避け、非球面レンズの特性を活かし高被写界深度化のレンズ設計を可能にするものである。ロッドレンズの特性は、解像度も低く高々８本／ｍｍ程度のもので、その際の被写界深度は高々±０．４ｍｍ程度かそれ以下と言われている。この場合２〜３ｍｍまでの近接撮影により患部の詳細像を捉えることが出来ず、正確な診断がなされない。また球面レンズを加工した光学系でも、深度は±２ｍｍ程度に改良されているものもあるが、広角の入射に対しては収差が補正し入れず周辺の解像度が劣化することが避けられない。

図２は本発明によるレンズ設計のレイアウト図であり、図の上段（a）の単レンズ１は、最大入射角が３５°（全視野角７０°）の結像を示している。以下に用いるレンズ系の長さの単位は全てｍｍを使用する。図では石英光ファイバーの外径φ０．４を像面に仮定した結像を設計しており、レンズ外径もφ０．３まで小さくすることが可能である。左側に伸びる角状の部分は非球面高次係数による部分で、絞りを考慮し適度な位置で切断する。通常のマイクロレンズではφ０．５程度のカテーテル内視鏡用レンズが用いられており、この図で不要部分を変え高さ方向に外径を伸すことにより、外径の大きなレンズの金型成形が可能である。図ではＲ１＝−０．２７、Ｒ２＝−０．２５、レンズの中心厚ｄ１＝０．１５，フランジバックｄ２＝０．３９と曲率半径も小さく、極めて精度を必要とする金型加工技術となるが、最近の精密切削加工技術では困難なことではないと考えられる。図でＲ１から絞りまでの距離は０．０１、絞り径はφ０．１６となる。焦点距離は、ｆ＝０．８３であり、後述する高被写界深度特性を有するレンズである。
図２の下段（ｂ）は上記と類似した設計であるが、単レンズ２の中心厚を厚くすることにより、入射角が４０°まで外径φ０．４の光ファイバー面に集光可能にした例である。図では、Ｒ１＝−０．３５３、Ｒ２＝−０．３５０、レンズの中心厚ｄ１＝０．３５，フランジバックｄ２＝０．２７である。又、ｆ＝０．３１となり、前記に比してバックフォーカスが短く、屈折角が急なため広角まで光ファイバー内に集光可能である。この形状では、光束の通過する部分以外をカットし、レンズ外径をφ０．４まで細くした加工が可能である。急カーブなＲ１の値にもかかわらず、自動レンズ設計による最適化条件から円錐係数、高次非球面係数による補正により、単レンズ前面の有効径はほぼ平面であり、φ０．１６径の絞りをＲ１に接して配置することが可能である。使用する低融点ガラスはｎ＝１．９０６９の高屈折率素材である。

図３は、図２に示す上段（a）単レンズ１のＭＴＦ伝達函数による解像度の特性を示すもので、光ファイバーの外径を大きくすることにより最大入射角を４０°まで観察可能にした場合の特性図である。 図の上方に記された曲線は無収差レンズの回折限界曲線を示す。ここでＴ, Ｓの細文字で書かれている部分はそれぞれTangential（子午像面）及び Sagital （球欠像面）及び成分に対する識別記号である。横軸は解像度（本／ｍｍ）を示し、縦軸はＭＴＦの値を示す。特性曲線は、入射角が０°、１０°、２０°、３０°、４０°の各場合について示される。図３（a）上段図は、レンズ先端から観察対象物体までの距離をaとすると、a＝２．５の場合で（b）下段図は a＝５の場合である。通常のロッドレンズを使った内視鏡では、接写での解像度を得ることは難しく、又、広角での周辺ボケが大きいとされている。本発明によるレンズでは、周辺に至るまで特性の変化が比較的少ないと見られる。

図４は、近接時から離れた場合のＭＴＦ特性を示すもので、（a）図の a＝１０の場合でも（ｂ）図のa＝１０００の場合でも、著しく目立った特性の変化は見られない。従来ロッドレンズを用いる方法では被写界深度は高々±０．４ｍｍ程度かそれ以下のデーターが示されているか、これに比して、本発明による単レンズは近接からほぼ無限遠までの被写界深度を持つことができることが分る。

図５（a）は物体までの距離が a= ５ の時に、像面に集光するスポット形状を示す。図において、それぞれ入射角が0、10、 20、 30、40度の場合のスポット像を示す。ブロックの一片は20μｍであり、これらの図において非常にスポット径の小さく光束の十分な収束が得られている。３０〜４０°の広角においてはコマ収差の影響は多少見られるが、スポット径は入射角が０°の場合と変らない。 ＭＴＦ特性と同様にスポット外径も、a= ５から無限遠までほぼ同じ集光特性を示す。図５（ｂ）は a= ５ の時の波面収差形状を示し、入射角０°時の波面収差のＲＭＳは０．２５８λ（λ＝0.587μｍ）となる。近接から外れると a= ２０ ではＲＭＳが０．１８４λとなり、波面収差がレーリーの１／４波長則に近づくため極めて像のボケが少ない結果となっている。

図６は他の収差を示し、上段（a）図の左側は a＝５の時の像面湾曲及び色収差、その右側は歪曲収差を示す。縦軸は像高を示し、目盛の最大値は入射角４０°に対応する。色収差はＢ、Ｇ、Ｒの三色に分けられているが、図面上ではカラー色が重なって識別できず収差量は問題にはならない。又、像面湾曲収差も、光ファイバーの観察ではそれほど問題にはならないが、さらに高次項の導入などにより設計補正が可能である。上段（a）図の右側は歪曲収差を示し、収差量の最大値は入射角４０°時に２５．８％となる。この値はa が無限遠でも殆ど変化しない。下段（ｂ）図は、a=５ の時の入射角に対する相対照度を示す。横軸に示す入射角４０度においても、照度は中心部の約７６％の明るさが得られる。

図２の（a）に用いたレンズの形状を示す各値は次のようになる。前述したR１＝−0.２７、 R２＝−０.25、レンズの中心厚ｄ１＝０.15，フランジバックｄ２＝０.39 の他、非球面を形成する係数は各面に対し、
第１面：円錐係数−0．560、非球面係数４次−24.187、６次 5.496 Ｅ+005、８次 −4．564Ｅ+008、１０次1.657E+011、１２次 -3.132E+013、 １４次3.008E+015、 １６次-1.160E+017
第２面：円錐係数−109.12、 非球面係数４次−876.233、 ６次 2.252 Ｅ+005、 ８次 −3.579Ｅ+007、１０次 3.390E+009、１２次 -1.878E+011、１４次 5.602E+012、１６次-6.9416E+013 である。
これは一例であり、本発明による設計レンズの特色はこれらの高次係数ではなく、下記に示す曲率Ｒ及びレンズ間隔ｄが重要な設計要素である 。基本的には球面レンズを出発点として考えるため、この条件が不適切であると、高次係数を多数項導入し操作しても高被写界深度な解が最適化レンズ設計法で、収束しない。曲率、レンズ間隔に関し本発明によるその他の設計例を示す
レンズＡ： R１＝-0.402、 R２＝−0.25、d1＝0.25，d2＝0.395, d1+d2= 0.645
レンズＢ: R１＝159.6、 R２＝−0.35、d1＝0.35，d2＝0.20 , d1+d2= 0.550
レンズＣ： R１＝-0.269、 R２＝−0.25、d1＝0.15，d2＝0.386, d1+d2= 0.536
レンズＤ： R１＝0.568、 R２＝−0.30、d1＝0.30，d2＝0.278, d1+d2= 0.578
レンズＥ： R１＝-0.343、 R２＝−0.254、d1＝0.22，d2＝0.330, d1+d2= 0.550
レンズＦ： R１＝-0.315、 R２＝−0.250、d1＝0.20，d2＝0.445, d1+d2= 0.645
レンズＧ： R１＝-0.293、 R２＝−0.250、d1＝0.16，d2＝0.399, d1+d2= 0.559
図２に示すレンズ１、レンズ２の条件も含めると、本発明によるレンズ設計の設計要素は
小数点３桁以下は、ミクロンオーダーで精度的な観点から切捨て、切上げを行うと、
−０．３５≦Ｒ２≦−０．２５、 ０．５３≦ｄ１＋ｄ２≦０．６５ の条件を満足する。ＤＬＳ法による最適化のレンズ自動設計によると、上記Ｒ１の値にも係わらず非球面の高次係数による補正がなされ、レンズ前面の形状はほぼ平面か、ゆるい凹面形状を呈する。

従来のマイクロレンズは、図５に示すスポット集光と、波面収差を論ずるには至らず、合焦点から少し離すと像がすぐに不鮮明になる。又、ロッドレンズ、球面マイクロレンズを光ファイバーの端面に接着する機構になっているため、本発明によるようなレンズのバックフォーカスを考慮した接着方法は考えられていない。本発明では、単レンズの構成において固定筒長ｄ１＋ｄ２は、上記の示す通り約０．７ｍｍ以下と短く、カテーテルの屈曲性に有効である。本発明におけるレンズは、金型による低融点ガラスの成形加工技術に追うところが多く、その加工技術でによるレンズの最小径は外径φ０．５ｍｍ程度と考えられる。一方、工業用の内視鏡用への展開では、例えば図２の形状を用いると、レンズ外径がφ１ｍｍ程度のものが可能なため、加工、組立てがより容易になる。通常、市販の監視用目的の広角レンズでは、数枚のレンズ構成からなり少なくとも全長が30〜40ｍｍ、外径がφ20〜30のレンズ口径の大きな形状のレンズ系が多い。本発明ではこれに比べ非常に小さいマイクロな形状を有し、且つ超高被写界深度の優れた光学系もつものであり、医療用、工業用分野での観察系の小型化に貢献することができる。

１ マイクロレンズ
２ 光ファイバー
３ 固定円筒
４ 被服チューブ

Claims (3)

1. 光ファイバーなどの画像伝達媒体に結像する内視鏡の対物レンズにおいて、下記の条件（１）、（２）満足することを特徴とする非球面単レンズ。
   （１） −０．３５≦Ｒ２≦−０．２５
   （２） ０．５３≦ｄ１＋ｄ２≦０．６５
   ここで、Ｒ２は、単レンズの結像面側の曲率半径、ｄ１はレンズの中心厚、ｄ２はレンズ
   後端から結像面までのバックフォーカスである。
2. 請求項１に示す単レンズの外径がφ１ｍｍ以下であり、レンズ前面（物体側）が平面か凹面形状でレンズ後面が凸面形状を有し、物体までの作動距離が２．５ｍｍから無限遠までほぼ同じ解像度を有する高被写界深度レンズ。
3. 単レンズを光ファイバーなどの像面に直接接着する方式を用いず、円筒状の筒内部にレンズを挿入した後、この筒を介し像面に接着固定をする方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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