JP2013545558A - 液体レンズ技術に基づく可変屈折力の内視鏡 - Google Patents

Abstract

１つ又はそれ以上の流体充填レンズを含むボアスコープ又はファイバスコープのいずれかとして実現される内視鏡が説明される。１つの実施形態において、流体充填レンズの屈折力を調整して、内視鏡と関連した焦点距離を調整することができる。従って、内視鏡の前のオブジェクトの焦点を維持しながら、可変の作動距離が許容可能である。内視鏡は、内視鏡と試料との間の距離を求めるのに用いられる距離センサを含むことができる。プロセッサは、測定された距離を、１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの現在の屈折力と比較する。プロセッサは、１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズに結合された１つ又はそれ以上のアクチュエータに信号を伝送し、比較に基づいて、１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの屈折力を変えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、流体充填レンズに関し、特定的には、可変流体充填レンズに関する。

基本的な流体レンズは、その全体が引用により本明細書に組み入れられる特許文献１に記載されているように、１９５８年頃から知られている。最近の例は、その各々の全体が引用により本明細書に組み入れられる非特許文献１及び特許文献２に見出すことができる。流体レンズのこれらの用途は、フォトニクス、デジタル電話及びカメラ技術、並びにマイクロエレクトロニクスに向けられている。

また、流体レンズは眼科用途のためにも提案されている（例えば、その全体が引用により本明細書に組み入れられる特許文献３を参照されたい）。あらゆる場合において、ダイナミックレンジが広いこと、適応矯正を提供する能力、頑丈さ、及び低価格といった流体レンズの利点は、開口サイズの制限、漏れの可能性及び性能の一貫性とのバランスを保つ必要がある。内視鏡は、ユーザが、体内の領域のような、一般的な視線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）での視認が実現可能でない領域を見ることを可能にする光学ツールである。内視鏡は、より一般的にはボアスコープと呼ばれる剛性のものとすることができ、又は、通常はファイバスコープと呼ばれる可撓性のものとすることができる。内視鏡は、典型的には、内視鏡の一端におけるオブジェクト（ｏｂｊｅｃｔ）の像を内視鏡の他端を通して見ているユーザに与えるための、光路に沿った一連のレンズを含む。内視鏡内で従来のレンズを使用することにより、見られているオブジェクトの焦点が合う特定の作動距離（ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）が定められる。この作動距離から外れると、反対の端部で見ているユーザには、オブジェクトがぼやけて見える。従って、はっきりしたオブジェクトの焦点を維持するためには、内視鏡を、オブジェクトから離して一定の距離に保つ必要がある。作動距離、又は焦点距離（ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）の変更は、内視鏡内の様々な屈折力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）のレンズを切り替えることによって達成することができる。しかしながら、ひとたび内視鏡が使用されると、その中で使用されているレンズのいずれかを変えるのは非常に困難である。さらに、剛性形状を有する固定レンズを用いては、個別の作動距離及び拡大率（ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）しか設定することができない。

米国特許第２，８３６，１０１号明細書 国際公開第２００８／０６３４４２号パンフレット 米国特許第７，０８５，０６５号明細書 米国特許出願公開第２０１１−０１０２７３５号明細書

Ｔａｎｇ他「Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｒｅ Ｆｌｕｉｄ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｌｅｎｓ ｉｎ ａ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｃｈａｎｎｅｌ」、Ｌａｂ Ｃｈｉｐ、８巻、３９５頁、２００８年

１つの実施形態において、内視鏡が、ハウジングと、１つ又はそれ以上の光ファイバと、シールされた流体充填レンズと、シールされた流体充填レンズに結合されたアクチュエータと、制御装置とを含む。１つ又はそれ以上の光ファイバは、内視鏡ハウジング内に配置され、かつ、流体充填レンズを横切る光ビームのための経路を与える。アクチュエータは、シールされた流体充填レンズの屈折力を変化させるように構成される。制御装置は、アクチュエータに信号を適用するように構成され、信号は、アクチュエータに対して、シールされた流体充填レンズの屈折力を変化させるように命令する。

１つの実施形態による方法が説明される。この方法は、信号を距離センサから受信するステップを含む。距離センサにより受信された信号は、内視鏡の遠位端と内視鏡の遠位端の前にあるオブジェクトとの間の距離と関連付けられる。この方法は、受信した信号を、１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの屈折力、及び、要求される拡大率と比較するステップと、比較に基づいて、１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの屈折力及び距離の少なくとも一方を調整するステップとをさらに含む。

本明細書に組み入れられ、明細書の一部分を形成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、説明と併せて、本発明の原理を説明し、当業者が本発明を実施し利用することができるようにするのに役立つ。

１つの実施形態による例示的なボアスコープを示す。 １つの実施形態による例示的なファイバスコープを示す。 流体充填レンズを含む遠位レンズ・システムの例示的な実施形態を示す。 流体充填レンズを含む遠位レンズ・システムの例示的な実施形態を示す。 流体充填レンズを含む遠位レンズ・システムの例示的な実施形態を示す。 １つの実施形態による、内視鏡によるオブジェクト・シーンの捕捉を示す。 様々な曲率の液体レンズに基づくシミュレートされた像の結果を示す表を示す。 １つの実施形態による、レンズの表面半径対印加された膜圧のグラフにおけるシミュレーション結果を示す。 １つの実施形態による、密封ウィンドウ及び試料表面に対する内視鏡の光学部品の配置を示す。 １つの実施形態による、密封ウィンドウ及び試料表面に対する内視鏡の光学部品の配置を示す。 １つの実施形態による、密封ウィンドウ及び試料表面に対する内視鏡の光学部品の配置を示す。 １つの実施形態による方法の図である。

本発明の実施形態は、添付図面を参照して説明される。

特定の構成及び配置が論じられるが、これは単に例示目的でなされるにすぎないことを理解すべきである。当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の構成及び配置を用い得ることを認識するであろう。当業者には、本発明を種々の他の用途にも用い得ることが明らかであろう。

本明細書において、「一実施形態」、「１つの実施形態」、「例示的な実施形態」等への言及は、説明される実施形態が、特定の特徴、構造又は特性を含むことがあるが、必ずしも全ての実施形態がその特定の特徴、構造又は特性を含むわけではないことを示していることが留意される。さらに、こうした句は、必ずしも同一の実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造又は特性が、実施形態と関連して説明される場合、明示的に説明されているにせよそうでないにせよ、他の実施形態と関連してそうした特徴、構造又は特性を生じさせることは、当業者の知識の範囲内にある。

流体レンズは、従来の硬質レンズに優る重要な利点を有している。第１に、流体レンズは、容易に調整可能である。従って、１つの実施形態によると、近くのオブジェクトを見るために付加的な正の（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）屈折力矯正を必要とする内視鏡は、特定の距離に適合する基本屈折力を有する流体レンズを装着することができる。次いで、内視鏡のユーザは、流体レンズを調整して中距離及び他の距離にあるオブジェクトを見るために、必要に応じて付加的な正の屈折力矯正を得ることができる。代替的に、以下でより詳細に説明されるように、フィードバック制御ループの一部として屈折力を自動的に矯正することもできる。

第２に、流体レンズは、所望の屈折力範囲にわたって連続的に調整することができる。例示的な実施形態として、内視鏡内の１つ又はそれ以上の流体充填レンズと関連した焦点距離を調整して、内視鏡の遠位端と内視鏡の遠位端の前にあるオブジェクトとの間の距離を正確に適合させ、ユーザが、焦点を維持しながら、内視鏡をオブジェクトのより近くに又はオブジェクトから離れるように移動させるのを可能にすることができる。

図１は、ボアスコープ１００の１つの実施形態を示す。ボアスコープは、該ボアスコープ内の光路に沿った剛性構造体を有する。ボアスコープは、一般的に、例えば、エンジン検査、化学プラント又は原子力プラント等内の危険区域の検査などの多くの産業上の利用に用いられる。ボアスコープはまた、手技中外科医に対して患者の体内のより良好な視野を与えるために、手術中にも用いられる。１つの実施形態において、ボアスコープ１００は、上部１０１と管状部１０３とを含む。ユーザは、典型的には、上部１０１でボアスコープ１００を操作し、一方、管状部１０３は、光の合焦及び伝搬を可能にする光学素子を含む。

上部１０１は、保護眼鏡１０２と、接眼鏡ウィンドウ１０４と、接眼レンズ１０６と、光源１０８とを含むことができる。ユーザは、接眼鏡ウィンドウ１０４を通して、ボアスコープ１００の遠位端１２２から受け取る光を見る。１つの実施形態において、光源１０８は、広帯域源である。代替的に、光源１０８は単色源とすることができる。１つの実施形態によると、光源１０８から伝搬する光は、合焦素子（図示せず）を介して照明ファイバ１１２に結合される。

管状部１０３は、ハウジング１１０と、照明ファイバ１１２と、光搬送管１１４と、対物レンズ１１６と、遠位端１２２又はその近くに配置された遠位レンズ・システム１１８とを含むことができる。１つの実施形態によると、ハウジング１１０は、ステンレス鋼のようないずれかの硬質材料とすることができ、かつ、管状部１０３内の全ての光学部品を含むこともできる。

照明ファイバ１１２は、マルチモード・ファイバ、単一モード・ファイバ、又は偏波モード・ファイバとすることができる。代替的に、照明ファイバ１１２の代わりに、ファイバ束を用いてもよい。１つの実施形態によると、搬送管１１４は、戻り光が、接眼レンズ１０６に到達するための経路を与えるための光学素子を含む。これらの光学素子は、研磨面と、光の減衰を最小にするように選択された屈折率とを有するガラス棒を含むことができる。

１つの実施形態によると、対物レンズ１１６を用いて、遠位レンズ・システム１１８を透過した光をさらに合焦させる。遠位レンズ・システム１１８は、レンズと関連した焦点距離及び拡大率の可変の調整を可能にする１つ又はそれ以上の流体充填レンズを含むことができる。この調整可能な側面により、接眼鏡ウィンドウ１０４で見られるようなオブジェクトへの焦点を維持しながら、遠位端１２２とオブジェクト（図示せず）との間の種々の作動距離が用いられるようになる。遠位レンズ・システム１１８内での流体充填レンズの使用に関するさらなる説明は、後述される。ボアスコープ１００は、光の経路を変調させるために、任意の数の他のレンズを含み得ることに留意すべきである。

１つの実施形態において、ボアスコープ１００は、遠位端１２２の近くに結合された距離センサ（図示せず）を含むことができる。１つの実施形態において、距離センサは、ハウジング１１０に取り付けられる。距離センサは、信号を伝送し、帰還信号を測定して、遠位端１２２と遠位端１２２の前にあるオブジェクトとの間の距離を求める。距離センサは、伝送された信号の振幅と帰還信号の振幅との比較に基づいて距離を求めることができる。信号が空気又は他の流体を通過するときの減衰量は、湿度と関連したもののように、空気又は流体に関する特定の係数が既知であると仮定すると、移動した距離に関連し得る。代替的に、距離センサは、干渉計として働き、帰還信号を基準信号と合成することにより生成された干渉信号に基づいて距離を求めることができる。距離センサにより伝送され受信された信号は、これらに限定されるものではないが、赤外線、可視光、音波等を含む、距離を測定するための、当業者には周知のいずれかの信号とすることができる。

図２は、ファイバスコープ２００の１つの実施形態を示す。ファイバスコープは、ボアスコープに類似した光学素子を含むが、ファイバスコープの長さに沿った全ての光の透過のために、光ファイバ束を用い、ずっと大きい機械的可撓性を可能にする。ファイバスコープは、多くの場合、外科手術中に、特に、例えば結腸などの大きい器官を通り抜けるときに用いられる。ファイバスコープ２００は、接眼鏡レンズ２０４と、ファイバ束２０６と、対物レンズ２０８と、遠位レンズ・システム２１０とを含む。素子の各々は、内部の光学素子を保護するために、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような、可撓性があるが頑丈な材料から成ることができるハウジング２０５内に配置することができる。代替的に、ハウジング２０５は、ファイバ束２０６の端部に結合し、かつ、少なくとも対物レンズ２０８及び遠位レンズ・システム２１０を含むことができる。

ファイバスコープ２００の遠位レンズ・システム２１０とボアスコープ１００の遠位レンズ・システム１１８は、同義であるとみなされ、かつ、同じ方法で動作できることを理解すべきである。一方に関するどの説明も、他方を説明するのに用いることができる。

１つの実施形態において、光２０２は、接眼鏡レンズ２０４を通して、ユーザ２０１によって見ることができる。１つの実施形態によると、光２０２は、ファイバスコープ２００内の光２０２の経路における光学部品を介して合焦面２１２上に合焦される。オブジェクトが合焦面２１２に配置された場合、このオブジェクトは、ユーザ２０１には焦点が合っているように見える。別の実施形態においては、光２０２は、接眼鏡レンズ２０４の前に配置されたＣＣＤカメラによって捕捉される。ファイバスコープ２００の遠位端からより近くへの又はより遠くへの合焦面２１２の移動は、光の経路内のレンズの各々と関連した屈折力、並びに、互いからの距離に依存する。１つの実施形態において、遠位レンズ・システム２１０は、レンズと関連した焦点距離及び拡大率の可変調整を可能にする１つ又はそれ以上の流体充填レンズを含む。この調整可能な態様により、オブジェクトの焦点を維持しながら、ファイバスコープ２００の遠位端１２２とオブジェクトとの間の種々の作動距離が与えられる。

遠位レンズ・システム２１０は、１つ又はそれ以上の流体充填レンズ、及び１つ又はそれ以上の硬質レンズを含むことができる。１つの実施形態において、硬質レンズの各々は、一定の屈折力をもたらし、一方、流体充填レンズは、膜に流体圧力を印加し、それによりレンズの曲率を変更することによって、屈折力を調整することができる。

１つの実施形態によると、接眼鏡レンズ２０４及び対物レンズ２０８の両方とも、いずれの形状であってもよく、かつ、光２０２の経路を変調させるために、１つ又はそれ以上の他のレンズと結合させてもよい。ファイバ束２０６は、任意の数の単一モード・ファイバ、多モード・ファイバ、又は偏波モード・ファイバを含むことができる。

１つの実施形態において、ファイバスコープ２００はまた、距離センサ２１４を含むこともできる。距離センサ２１４は、信号を伝送し、帰還信号を測定して、遠位レンズ・システム２１０と遠位レンズ・システム２１０の前にあるオブジェクトとの間の距離を求める。１つの実施形態において、距離センサ２１４は、遠位レンズ・システム２１０又はその近くにおいてハウジング２０５の外面に取り付けられる。別の実施形態においては、距離センサ２１４は、遠位レンズ・システム２１０に又はその近くにおいてハウジング２０５の内面に取り付けられる。距離センサ２１４は、ボアスコープ１００について前述された距離センサと同じ方法で動作することができる。

図３ａ−図３ｃは、遠位レンズ・システム２１０内のレンズ構成の実施形態の側面図を示す。各々の例示的な構成は、調整可能な流体充填レンズと、硬質レンズとを含む。流体充填レンズの曲率を変えて、レンズの組み合わせ、すなわち、硬質レンズの屈折力（固定）と流体充填レンズの屈折力（可変）と関連した総屈折力を変更する。

図３ａは、平凹レンズ３０２に結合された流体充填レンズ３０４を含む例示的な第１の構成３００を示す。流体充填レンズ３０４は、剛性構造体の上に伸張された流体充填膜とすることができる。１つの実施形態によると、第１の構成３００において、平凹レンズ３０２の裏面は、流体充填レンズ３０４のための剛性構造体をもたらす。１つの実施形態によると、平凹レンズ３０２と関連した比較的小さい屈折力により、長い焦点距離がもたらされるが、この焦点距離は、流体充填レンズ３０４の曲率に応じて低減させることができる。

流体充填レンズ３０４と関連した曲率により、透過する光が、指定の曲率に比例する角度で屈曲する。１つの実施形態において、流体充填レンズ３０４の曲率は、流体リザーバ（図示せず）に結合された電気機械式アクチュエータ（図示せず）を介して制御することができる。電気機械式アクチュエータは、流体リザーバに圧力を印加して、流体を強制的に流体充填レンズ３０４の中に押し込み、それによって流体充填レンズ３０４と関連した曲率半径を低減させることができる。電気機械式アクチュエータはまた、流体リザーバにかかる圧力を解放して、流体充填レンズ３０４と関連した曲率半径を増大させることもできる。電気機械式アクチュエータは、その全体が引用により本明細書に組み入れられる米国特許出願第１３／２７０，９１０号に記載されるような圧電アクチュエータとすることができる。

図３ｂは、平凸レンズ３０８に結合された流体充填レンズ３０４を含む例示的な第２の構成３０６を示す。平凸レンズ３０８と関連した比較的大きい屈折力（平凹レンズ３０２と比較して）により、短い焦点距離がもたらされるが、この焦点距離は、流体充填レンズ３０４の曲率に応じてさらに低減させることができる。

図３ｃは、平凹レンズ３１２の湾曲側に結合された流体充填レンズ３０４を含む例示的な第３の構成３１０を示す。１つの実施形態において、第３の構成３１０における流体充填レンズ３０４は、膜が伸張された剛性構造体の湾曲形状のために、正の曲率又は負の曲率をもたらし得る。これは、レンズの組み合わせと関連したより大きい調整可能範囲の屈折力をもたらし得る。

図４は、ファイバスコープを用いて試料から得られる内視鏡像の例示的な実施形態を示す。１つの実施形態において、ファイバスコープは、ファイバ束２０６、対物レンズ２０８、及び遠位レンズ・システム２１０のような前述の素子を含む。ファイバスコープは、付加的な光学レンズ４０２をさらに含むことができる。１つの実施形態によると、光ビーム４０１が、光学素子を透過し、合焦面４０４に当たるように示される。作動距離４１２は、合焦面４０４からファイバスコープの遠位端までの距離を表わす。１つの実施形態によると、遠位レンズ・システム２１０は、ファイバスコープの遠位端に配置される。半視野角（ｈａｌｆ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ ｖｉｅｗ ａｎｇｌｅ）４０６は、光ビーム４０１が遠位レンズ・システム２１０から出ていく最高角度を表わす。この角度は、遠位レンズ・システム２１０と関連した拡大率に密接に関連する。より高い拡大率は、下半分の視野角４０６をもたらす。

１つの実施形態において、オブジェクト・シーン４１０は、合焦面４０４に配置された腸壁の一部を示す。１つの実施形態においては、遠位レンズ・システム２１０内の１つ又はそれ以上の流体充填レンズを調節して、作動距離４１２と等しくなるように焦点距離を調整し、オブジェクト・シーン４１０の焦点が合うようにする。別の実施形態においては、遠位レンズ・システム２１０内の１つ又はそれ以上の流体充填レンズを調節して、拡大率を調整し、オブジェクト・シーン４１０の所望の拡大率をもたらす。

１つの実施形態において、内視鏡像４０８は、内視鏡の近位端に配置されたユーザ又はＣＣＤカメラによって見られるものを表示する。

図５は、１つの実施形態による、内視鏡内の流体充填レンズの曲率半径を変化させたときに、内視鏡から生成されるシミュレートされた像を含む表を示す。この表はまた、曲率における各変化と関連した拡大率、半視野角、及び作動距離（焦点距離）についての値も与える。１つの実施形態において、曲率半径は、多数のレンズ部品により生成される有効曲率半径を示すことができ、例えば、−１．８ｍｍの曲率半径を有する単一の流体充填レンズと同じ方法で光の経路を変調するように、１つ又はそれ以上の流体充填レンズと１つ又はそれ以上の硬質レンズとを組み合わせることにより、−１．８ｍｍの曲率半径を有する流体充填レンズを実現することもできる。

負の曲率半径は凹状の湾曲を示し、一方、正の曲率半径は凸状の湾曲を示す。さらに、数値がゼロに近づくほど、湾曲がより極端になる。表を左から右に読み取ると、流体充填レンズは、大きく湾曲した凹形状から大きく湾曲した凸形状に変化する。

レンズ曲率の変化は焦点距離に影響を与え、それに従って作動距離も変化させる。シミュレートされた例において、作動距離は、−１．８ｍｍから１．１１ｍｍまでの液体レンズの曲率半径について、それぞれ７．５ｍｍから１ｍｍまでの範囲に及ぶ。

１つの実施形態によると、シミュレーションはまた、流体充填レンズがより凸形状に近づくにつれて、流体充填レンズ・システムと関連した拡大率が増大することを示す。拡大率の増大は、膜が外方に隆起したときに、流体充填レンズの膜と流体充填レンズと結合した他の光学素子との間の距離の変化に起因する。光がオブジェクトのほんの一部から集光されるので、拡大率が増大すると半視野角は小さくなる。シミュレートされた例においては、半視野角は、−１．８ｍｍから１．１１ｍｍまでの液体レンズの曲率半径について、それぞれ３２度から１５度までの範囲に及ぶ。

図５において、各々の流体充填レンズの曲率半径について腸壁の一部の像が表示される。拡大率が増大すると、シミュレートされた像は、特定の特徴を識別するのに十分なコントラストを維持しながら、腸壁のより精密な検査を提供する。

図６は、流体充填レンズの曲率半径対印加された膜圧についてのシミュレーション結果のグラフを示す。シミュレーションは、０．２ｍｍの膜半径及び５ミクロンの厚さを有する流体充填レンズを仮定して行われた。ヤング率、ポアソン比等を含む膜の材料特性は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）についてのものと同じになるように選択される。

結果は、正の方向又は負の方向における２．５ｍｍの最小曲率半径が、２００ｍｂａｒより高い印加圧力において達成可能であることを示す。シミュレートされた例において、−２．５ｍｍから２．５ｍｍまで変化する曲率半径は、２倍から５倍までの拡大率の変化に対応する。

シミュレーションはまた、異なる厚さ又は半径の流体充填レンズを用いて行うこともできる。例えば、１ミクロンの厚さを有する膜は、最大５００ｍｂａｒの圧力を印加した場合、１倍から８倍の拡大率の範囲をもたらし得る。

図７ａ−図７ｃは、試料表面７０２に対するファイバスコープ２００の構成部品の例示的な位置を示す。試料表面７０２は、例えば結腸の内壁のような、ファイバスコープ２００により検査中のいずれかのオブジェクトの表面とすることができる。１つの実施形態による、図７ａは、ファイバ束２０６の端部に取り付けられた光学素子を覆う密封ウィンドウ７０４を有するファイバスコープ２００を示す。１つの実施形態によると、密封ウィンドウ７０４は、内部に配置された光学素子のための保護をもたらし、かつ、光信号の通過を可能にするように透明である。図７ａに示される実施形態によると、密封ウィンドウ７０４の遠位端７０６は試料表面７０２に対して配置され、一方、光学素子もまた試料表面７０２に対して配置され、精密な検査をもたらす。

図７ｂは、１つの実施形態による、密封ウィンドウ７０４と共に試料表面７０２から幾らかの距離だけ離れるように引っ張られたファイバスコープ２００を示す。従って、１つの実施形態によると、ファイバスコープ２００と密封ウィンドウ７０４の移動は結合され、密封ウィンドウ７０４は、ファイバスコープ２００の端部に固定されると考えられる。

図７ｃは、密封ウィンドウ７０４内の光学素子及びファイバ束２０６が密封ウィンドウ７０４と関係なく移動することができるファイバスコープ２００を示す。一例において、密封ウィンドウ７０４の遠位端７０６は、試料表面７０２に対して配置され、一方、ファイバスコープ２００の残りの部分は、試料表面７０２から幾らかの距離だけ離れるように引っ張られる。

１つの実施形態において、取り付けられた光学素子を有するファイバ束２０６の移動は、ファイバスコープ２００のハウジング（図示せず）に接続されたスライダを介して制御することができる。一例において、ユーザは、図７ｂに示されるように、ファイバスコープ２００を試料表面７０２に近づくように又はそこから離れるように並進させるように、スライダを移動させることができる。別の例においては、ユーザは、図７ｃに示されるように、密封ウィンドウ７０４内の光学素子及びファイバ束２０６を並進させるように、スライダを移動させることができる。

図８は、１つの実施形態による例示的なレンズ制御方法８００を示す。

ブロック８０２において、内視鏡の端部の近くに結合された距離センサから信号を受信する。信号は、距離センサと内視鏡の遠位端の前に配置されたオブジェクトとの間の距離に関連する。代替的に、距離は、距離センサによって測定されたいずれかの値とすることができる。信号は、距離センサから電子的に又は光学的に受信することができる。距離の測定は、特定の電圧振幅、ＡＣ周波数、又は当業者により理解されるようないずれか他のタイプの変調に対応することができる。

ブロック８０４において、受信した信号を分析して、関連した距離を定める。

ブロック８０６において、特定の距離に対応する信号を、内視鏡内の遠位レンズ・システムと関連した現在の焦点距離と比較する。遠位レンズ・システムと関連した焦点距離は、遠位レンズ・システム内の１つ又はそれ以上の流体充填レンズの屈折力（曲率に直接関連する）に基づいて求めることができる。図３ａに示される例示的な遠位レンズ・システムを用いる際、流体充填レンズ３０４が０の屈折力を有する場合、遠位レンズ・システムの焦点距離は、平凹レンズ３０２と関連した焦点距離と等しい（又は、平凹レンズ３０２と関連した屈折力の逆数）に等しい。代替的に、流体充填レンズ３０４が１．０より大きい屈折力を有する場合、遠位レンズ・システムの焦点距離は、平凹レンズ３０２及び流体充填レンズ３０４の両方と関連した焦点距離（平凹レンズ３０２及び流体充填レンズ３０４の両方の付加された屈折力の逆数）に等しい。

１つ又はそれ以上の流体充填レンズの屈折力はまた、１つ又はそれ以上の流体充填レンズの曲率にも直接関連している。曲率は、１つ又はそれ以上の流体充填レンズに結合された各アクチュエータにより印加される圧力量に基づいて測定することができる。別の実施形態においては、曲率は、付加的な光学センサにより測定することができる。代替的に、曲率は、圧電抵抗素子により測定することができる。

ブロック８０８において、１つ又はそれ以上の流体充填レンズの屈折力は、必要に応じて、比較に基づいて調整される。１つの実施形態においては、測定された距離が焦点距離と等しい場合、調整は必要ない。更に別の実施形態においては、測定された距離が、焦点距離の特定の閾値範囲内である場合、調整は必要ない。しかしながら、測定された距離が焦点距離から特定の閾値範囲だけ超えている場合、１つ又はそれ以上の流体充填レンズの屈折力に対して調整が必要になり得る。一例においては、１つ又はそれ以上の流体充填レンズの曲率を変化させることにより、調整が行われる。

測定された距離が、焦点距離より上方に或る閾値範囲だけ長い場合、１つ又はそれ以上の流体充填レンズの屈折力が低減される。屈折力は、信号をアクチュエータに伝送して、流体充填レンズと関連した液体リザーバへの圧力を低減させることにより、低減させることができる。リザーバ内に液体が移動することにより、関連した流体充填レンズの曲率半径が増大し、従って、その屈折力が低減する。

測定された距離が、焦点距離の下方に或る閾値範囲だけ短い場合、１つ又はそれ以上の流体充填レンズの屈折力が増大する。屈折力は、信号をアクチュエータに伝送して、流体充填レンズと関連した液体リザーバへの圧力を増大させることにより、増大させることができる。流体充填レンズ内に液体が移動することにより、関連した流体充填レンズの曲率半径が縮小し、従って、その屈折力が増大する。

レンズ制御方法８００は、コンピュータ可読格納媒体上に命令として格納し、かつ、制御装置により実行できることを理解すべきである。これらに限定されるものではないが、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、電気的消却・プログラム可能型読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ハードディスク・ドライブ等を、当業者に周知のような、いずれのコンピュータ可読格納媒体も用いることもできる。

例えば、ハウジング、密封ウィンドウ、光搬送管等の説明された種々の内視鏡の実施形態の部品は、金属射出成形（ＭＩＭ）、鋳造、機械加工、プラスチック射出成形等のようないずれかの適切なプロセスによって製造することができる。材料の選択は、機械的特性、温度感受性、分散のような光学的特性、成形性特性、又は当業者に明らかないずれかの他の要因の要件によって、情報をさらに与えることができる。

流体充填レンズに用いられる流体は、無色の流体とすることができるが、他の実施形態は、用途に応じて、意図した用途がサングラス用である場合など、色のついた流体を含むことができる。用いることができる流体の一例は、ミシガン州ミッドランド所在のＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇによって「拡散ポンプ油」という名で製造されており、これは、一般に「シリコーン油」とも呼ばれている。

流体充填レンズは、ガラス、プラスチック、又はいずれかの他の適切な材料で作製された硬質光学レンズを含むことができる。他の適切な材料は、例えば、これらに限定されるものではないが、ジエチルグリコールビスアリルカーボネート（ＤＥＧ−ＢＡＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）及び特許権を有するポリ尿素複合体、すなわち商標名ＴＲＩＶＥＸ（ＰＰＧ）を含む。

流体充填レンズは、例えば制限なく、透明かつ弾性のポリオレフィン、ポリシクロ脂肪族化合物、ポリエーテル、ポリエステル、ポリイミド、及び、例えばＭＹＬＡＲ又はＳＡＲＡＮとして製造されるもののような市販のフィルムを含むポリ塩化ビニリデンフィルムなどのポリウレタンのうちの１つ又はそれ以上といった、可撓性かつ透明の不透水性材料で作製された膜を含むことができる。膜材料として用いるのに適した他のポリマーは、例えば、ポリスルホン、ポリウレタン、ポリチオウレタン、ポリエチレンテレフタレート、シクロオレフィンのポリマー、及び脂肪族又は脂環式ポリエーテルを含むが、これらに限定されない。

流体充填レンズとリザーバとの間の接続管は、ＴＹＧＯＮ（ポリ塩化ビニル）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）及び天然ゴムなどの１つ又はそれ以上の材料で作製することができる。例えば、ＰＶＤＦは、その耐久性、透過性及びクリンプ加工への耐性に基づき、好適であり得る。

光ファイバを含まない、内視鏡の実施形態の種々の構成部品は、いずれの適切な形状にしてもよく、プラスチック、金属、又はいずれかの他の適切な材料で作製することができる。１つの実施形態において、内視鏡アセンブリの種々のハウジングの構成部品は、例えば制限なく、高耐衝撃性プラスチック材料、アルミニウム、チタン等のような軽量材料で作製される。１つの実施形態において、内視鏡アセンブリの構成部品は、全体又は一部を透明材料で作製することができる。

１つ又はそれ以上の流体充填レンズに結合されたリザーバは、例えば制限なく、デラウェア州Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ所在のＤｕＰｏｎｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ ＬＬＣにより供給されている熱収縮性ＶＩＴＯＮ（登録商標）のようなポリニフッ化ビニリデン、独国Ｍｅｃｈｅｎｈｅｉｍ所在のＤＳＧ−ＣＡＮＵＳＡにより製造されるＤＥＲＡＹ−ＫＹＦ１９０（可撓性）、ペンシルバニア州Ｂｅｒｗｙｎ所在のＴｙｃｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．（以前はＲａｙｃｈｅｍ Ｃｏｒｐ．）により製造されるＲＷ−１７５（半剛性）又はいずれかの他の適切な材料で作製することができる。リザーバの付加的な実施形態が、その全体が引用により組み入れられる特許文献４に記載されている。

内視鏡の実施形態のアセンブリ内に含ませることができる、説明された流体充填レンズを超えるいずれの付加的なレンズも、いずれかの十分に透明な材料とすることができ、かつ、これらに限定されるものではないが、両凸、平凸、平凹、両凹等を含む任意の形状とすることができる。付加的なレンズは、硬質であっても可撓性であってもよい。

概要及び要約セクションではなく、詳細な説明のセクションは、特許請求の範囲を理解するために用いられることが意図されることを理解すべきである。概要及び要約セクションでは、発明者により考えられる、１つ又はそれ以上の、しかし全てではない本発明の例示的な実施形態を述べることができ、従って、本発明及び添付の特許請求の範囲を多少なりとも限定することを意図するものではない。

本発明は、特定の機能及びその関係の実装を示す機能的な基礎的要素の助けにより上述された。説明の便宜上、これらの機能的な基礎的要素の境界は、本明細書において任意に定められた。特定の機能及びその関係が適切に行われる限り、代替的な境界を定めることができる。

特定の実施形態の上記の説明は、当技術分野の技術の範囲内の知識を適用することにより、必要以上の実験なしに、本発明の一般的な概念から逸脱することなく、他者がそのような特定の実施形態の種々の用途を容易に変更すること及び／又はこれに適合させることができる本発明の一般的な性質を十分に明らかにするであろう。従って、そのような適合及び変更は、本明細書に提示される教示及び指針に基づいて、開示される実施形態の等価物の意味及び範囲内にあることが意図される。本明細書における表現又は用語は、限定ではなく説明を目的とするものであり、本明細書の用語又は表現は、教示及び指針に照らして当業者により解釈されることを理解すべきである。

本発明の広さ及び範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれによっても制限されるべきではではなく、以下の特許請求の範囲及びその等価物によってのみ定められるべきである。

１００：ボアスコープ
１０２：保護眼鏡
１０１：上部
１０３：管状部
１０４：接眼鏡ウィンドウ
１０６：接眼レンズ
１０８：光源
１１０、２０５：ハウジング
１１２：照明ファイバ
１１４：光搬送管
１１６、２０８：対物レンズ
１１８、２１０：遠位レンズ・システム
２００：ファイバスコープ
２０１：ユーザ
２０２：光
２０４：接眼鏡レンズ
２０６：ファイバ束
２１２、４０４：合焦面
２１４：距離センサ
３００：第１の構成
３０２、３１２：平凹レンズ
３０４：流体充填レンズ
３０６：第２の構成
３０８：平凸レンズ
３１０：第３の構成
４０１：光ビーム
４０２：付加的な光学レンズ
４０６：半視野角
４０８：内視鏡像
４１０：オブジェクト・シーン
４１２：作動距離
７０２：試料表面
７０４：密封ウィンドウ
７０６：遠位端

Claims (23)

1. 内視鏡ハウジングと、
   前記内視鏡ハウジング内に配置され、かつ、光ビームの伝搬のための経路を与えるように構成された１つ又はそれ以上の光ファイバと、
   前記内視鏡ハウジング内及び前記光ビームの前記経路内に配置されたシールされた流体充填レンズと、
   前記シールされた流体充填レンズに結合され、かつ、前記シールされた流体充填レンズの屈折力を変化させるように構成されたアクチュエータと、
   前記アクチュエータに結合され、かつ、前記アクチュエータに信号を適用するように構成された制御装置と、
   を含み、前記信号は、前記アクチュエータに、前記シールされた流体充填レンズの前記屈折力を変化させるように命令することを特徴とする内視鏡。
2. 前記内視鏡の遠位端と前記内視鏡の前記遠位端の前に配置されたオブジェクトとの間の距離を測定するように構成された距離センサをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記距離センサはＩＲ波長を用いることを特徴とする、請求項２に記載の内視鏡。
4. 前記距離センサは超音波センサであることを特徴とする、請求項２に記載の内視鏡。
5. 前記距離センサは可視光波長を用いることを特徴とする、請求項２に記載の内視鏡。
6. 前記制御装置によって適用される前記信号は、前記距離センサから受信した測定値に基づくことを特徴とする、請求項２に記載の内視鏡。
7. 前記アクチュエータは電気機械式アクチュエータであることを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
8. 前記アクチュエータは、前記シールされた流体充填レンズに結合された液体リザーバに印加される圧力を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
9. 前記印加される圧力は、前記シールされた流体充填レンズの曲率を変化させることを特徴とする、請求項８に記載の内視鏡。
10. 前記シールされた流体充填レンズの曲率の変化は、前記シールされた流体充填レンズの倍率を変化させることを特徴とする、請求項９に記載の内視鏡。
11. 前記倍率は、２倍から５倍までの範囲内で変化させることができることを特徴とする、請求項１０に記載の内視鏡。
12. 前記曲率は、２．５ｍｍに等しい最小曲率半径を有することを特徴とする、請求項９に記載の内視鏡。
13. 前記内視鏡ハウジングは密封ウィンドウを含み、前記１つ又はそれ以上の光ファイバ、前記シールされた流体充填レンズ、及び前記アクチュエータは、前記密封ウィンドウ内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
14. 前記ハウジングは、前記１つ又はそれ以上の光ファイバ、前記シールされた流体充填レンズ、及び前記アクチュエータを、前記ハウジングの長さに沿って移動させるように構成されたスライダをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
15. 前記シールされた流体充填レンズは、固定凹レンズと可撓性の膜とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
16. 距離センサから、内視鏡の遠位端と前記内視鏡の前記遠位端の前に配置されたオブジェクトとの間の距離と関連した信号を受信するステップと、
    前記信号を、１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズと関連した屈折力、及び、要求される倍率と比較するステップと、
    前記比較に基づいて、前記１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの前記屈折力及び前記距離の少なくとも一方を調整するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 前記受信するステップは連続して行われることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記受信するステップは、光信号を連続して受信することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記受信するステップは、音響信号を連続して受信することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
20. 前記比較するステップは、前記信号を前記１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの曲率半径と比較するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
21. 前記屈折力を調整するステップは、前記１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズの曲率を調整することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
22. 前記曲率を調整するステップは、１つ又はそれ以上の電気機械式アクチュエータにより行われることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 前記１つ又はそれ以上のシールされた流体充填レンズに結合された１つ又はそれ以上の液体リザーバに印加される１又はそれ以上の圧力は、前記電気機械式アクチュエータにより変えられることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。