JP3795393B2 - 光学システム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ターゲットを照明および観測するための光学システムに関する。
【０００２】
（発明の背景）
ターゲットを照明および観測するための光学システムは、ターゲット、ターゲットの照明源、およびターゲットから送達された光を受信するための手段を備え、ターゲットに収束する照明軸と光軸によって画定することができる。
【０００３】
そのような光学システムは、ターゲットから送達された光を受信するための手段を具現化する、ターゲットを観測する照明源のオペレータと同程度に簡単にすることが可能である。そのような光学システムの例は、乗り物の内部にあり、道路またはトンネルの壁など、照明されたターゲットを監視している、乗り物のオペレータである。
【０００４】
より複雑な光学システムは、観測されたターゲットから送達された光を受信するための手段として、自動式プロセッサを含む。そのような光学システムの例は、内視鏡装置など、診断用の装置に見ることができる。当技術分野で記述されている内視鏡は、画像ピックアップエレメント、および検査しているターゲットを照明するための照明エレメントを備える。
【０００５】
これらの光学システムのために、単一の区画の内部、すなわち単一の光ウィンドウの後ろに含まれている照明エレメントと受信手段を有することが有利である。
【０００６】
オペレータを搬送している乗り物では、照明エレメントは、通常、乗り物の外部に位置しており、それにより、オペレータは、修理などのために乗り物をその場に放置することが要求される。潜水艦や列車など暗いトンネルを走行している乗り物では、これは、危険なタスクとなる可能性がある。
【０００７】
特に身体のオリフィス内に挿入されることを意図している診断用の装置では、単一の光ウィンドウを有することは、衛生面と実用面の見地から望ましいことである。
【０００８】
単一の光ウィンドウの後ろに含まれている照明手段と送達された光を受信するための手段を有することで頻繁に直面する問題は、受信手段によって受信される、光ウィンドウ自体から送達された光によって生成された「雑音」（後方散乱光および迷光）である。
【０００９】
雑音を低減するために現在使用されている技術は、光誘導手段を使用すること、または、照明エレメントを受信手段から分離することを含む。
【００１０】
例えば、ＵＳ５，８４０，０１４（Ｍｉｙａｎｏ他）は、照明光量の損失を減らすために、着脱式保護カバーと、前端と着脱式カバーの間の空間から空気を除去するための透明な材料とを有する、照明ウィンドウと観測ウィンドウを有する内視鏡について記述している。
【００１１】
（発明の概要)
本発明は、照明エレメントと受信手段が単一の光ウィンドウの後ろに配置され、本質的に後方散乱光と迷光のないデータを獲得する、ターゲットを照明および観測するための光学システムを提供する。
【００１２】
本発明による光学システムは、両方とも複数の反射表面を有する単一の光ウィンドウの後ろに配置された少なくとも１つの照明エレメントと少なくとも１つの受信手段を備える。
【００１３】
光ウィンドウは、少なくとも１つの焦点曲線を有する形状を画定するように構成されている。
【００１４】
少なくとも１つの照明エレメントと少なくとも１つの受信手段は、幾何学的に焦点曲線面上または焦点曲線面の近傍に配置されており、したがって、照明しているとき、光ウィンドウ表面から内部に反射された照明エレメントからの光線は、受信手段には入射しない。
【００１５】
「受信エレメント」という用語は、ターゲットから送達された照明光線またはこれらの光線から得られたデータを受信、処理、またはさらに送信するのに適切な任意の手段に関することを理解されたい。
【００１６】
本発明の実施形態では、光ウィンドウは、楕円面の形状をしたドームである。複数の照明エレメントは、楕円面の焦点曲線上に配置されており、受信エレメントは、照明エレメントから等距離の位置において、楕円面の対称軸上に配置されている。
【００１７】
このように配置されているシステムの構成要素では、照明しているとき、光ウィンドウ表面から内部に反射されたすべての光は、焦点曲線上の点において受信され、受信手段上には入射しないことになる。
【００１８】
本発明は、さらに、本発明による光学システムを備える診断用器具を提供する。
【００１９】
本発明は、図に関連して行う以下の詳細な説明から、より完全に理解および認識されるであろう。
【００２０】
（本発明の詳細な説明)
本発明は、照明エレメントと光を受信するための手段の両方を、光ウィンドウから内部に反射された光が受信手段には入射しないように、単一の光ウィンドウの後ろに幾何学的に配置することに基づく光学システムに関する。
【００２１】
光ウィンドウは、任意の適切なガラスまたはプラスチックで作成されており、極小のレベル表面からアセンブルされているとみなすことができる。各レベル表面は、入射角に対して等しい反射角で各レベルに入射する照明光を内部に反射する。レベル表面は、互いに、反射された入射光が、常に単一の知られている点に収束するような角度にある。
【００２２】
このアセンブリより、焦点を有する形状（例えば楕円）を得ることができ、このようにアセンブルされた光ウィンドウは、１つの焦点から送達された光線が内部に反射され、第２焦点に伝搬するという光特性を有する。３次元の形状では（楕円面など）、焦点曲線上の点から送達された光線は、内部に反射され、焦点曲線上の他の点に伝搬する。
【００２３】
例えば、アーク灯のシステムの分野では、この特性を使用して、効率的にエネルギーを収集する。例えば、Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｏｆ Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ、ＵＳＡによって提供されているモデルＡ−１０１０およびＡ−１０１０Ｂのランプハウジングでは、アークソースは、楕円面反射器の焦点に位置し、放射は、他の焦点に反射される。エネルギーは、効率的に収集されるが、その理由は、吸収またはレンズ表面の後方反射による損失がないように、屈折（レンズを通る）ではなく反射によって光が焦点に来るためである。
【００２４】
本発明の光学システムでは、照明エレメントは、焦点上に配置されており、受信手段の位置は、焦点とは一致せず、したがって、内部に反射された光は焦点に伝搬し、受信手段によって受信されないことになる。
【００２５】
ここで、本発明による光学システムの概略的な２次元表示である、図１Ａを参照する。
【００２６】
図１Ａは、全体を１０と参照する光学システムの２次元表示である。光学システム１０は、ターゲット１５を観測するために、両方とも光ウィンドウ１４の後ろに配置された照明エレメント１１と受信手段１３を備える。光ウィンドウ１４は、それと破線Ａによって画定される形状が、対称軸Ｂと２つの焦点１９および１２を有するように構成されている表面を有する。照明エレメント１１は、焦点１９上に配置されており、受信手段１３は、焦点１９と１２のどちらとも一致しない対称軸Ｂの上に配置されている。
【００２７】
照明エレメント１１から送達された光線のコースは、本発明の光学システムにおける照明光の振舞いの例として、以下のようになる。光１６は、ターゲット１５を照明するために、照明エレメント１１（このエレメントの位置は、焦点１９と一致する）から送達される。光のある割合（光線１７によって表す）は、光ウィンドウ１４の表面１４’と１４”から内部に反射され、第２焦点１２に伝搬する。光１６のある割合（光線１８によって表す）は、ターゲット１５に入射し、ターゲット１５から反射され、受信手段１３によって受信される。
【００２８】
したがって、内部に反射された光線（光線１７など）は、受信手段１３の領域外の領域に伝搬する。
【００２９】
また、受信手段１３は、照明エレメント１１からの直接照明に暴露されない。照明エレメント１１は、線Ｂに対する正接である環状帯において光１６を照明することが可能である。この場合、受信手段１３が線Ｂの上に配置されている場合、照明エレメント１１から直接照明光を受信することはない。代替として、受信手段１３は、照明エレメント１１から直接照明光線を受信することを回避するために、ニッチ１３に隠すことができる。
【００３０】
したがって、システムの構成要素の幾何学的な配置では、光線１７などの後方散乱および直接光がなく、光線１８などの入射光のみが受信手段１３によって受信されることになる。
【００３１】
実際には、光ウィンドウ１４の形状は３次元である。図１Ａの光学システム１０の３次元表示を図１Ｂに示す。
【００３２】
図１Ｂに示した光学システム１０では、図１Ａから線Ｂに沿って形成された平面Ｂが示されている。軸Ｃは、平面Ｂに垂直である。光ウィンドウ１４によって画定された平面Ｂ上の形状は、焦点曲線Ｄを含む。
【００３３】
１１および１１’など複数の照明エレメントは、一様な空間照明を可能にするように、焦点曲線Ｄの上に配置することが可能であるが、システムの特有な用件により、任意の数の照明エレメントを使用することができることを理解されたい。
【００３４】
受信手段１３は、ターゲット１５から送達された入射光を受信するように、照明エレメント１１と１１’の両方から本質的に等距離にある軸Ｃの上またはその付近、および平面Ｂの上またはその付近にある点に配置されている。光ウィンドウの表面から内部に反射された照明エレメント１１と１１’から放射されたすべての光は、焦点曲線Ｄの上の点において受信され、受信エレメント１３には入射しない。
【００３５】
したがって、受信手段１３によって獲得されたデータには、本質的に後方散乱光と迷光はない。
【００３６】
本発明の光学システムに対する２つの可能な応用を、図２Ａと図２Ｂに示した２つの異なる実施形態として提供する。
【００３７】
図２Ａは、ａ）カメラシステム、ｂ）関心のある領域をカメラシステム上に撮像するための光学システム、およびｃ）カメラシステムのビデオ出力を送信する送信器を含む嚥下可能カプセルを示す。そのような嚥下可能カプセルは、ＵＳ５，６０４，５３１に開示されており、本出願と共通の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれている。嚥下可能カプセルは、消化管全体を通過することができ、したがって、自律ビデオ内視鏡として動作することができる。
【００３８】
全体を２０と参照するカプセルの形状は楕円面である。カプセル２０は、消化管上のターゲット点２９の観測をするために、ハウジングユニット２１と観測ユニット２３を有する。観測ユニット２３は、本発明による光学システムを備える。
【００３９】
光学システムは、好ましくは同種移植片で作成された保護光ウィンドウ２４、２つの照明エレメント２５と２７、および撮像装置２８を備える。照明エレメント２５と２７は、カプセル２０の本体によって画定された楕円面の対称軸に垂直な焦点面上に配置されている。カメラなどの撮像装置２８は、カプセル２０の対称軸上に配置されている。
【００４０】
照明エレメント２５と２７から送達された光線は、消化管壁上のターゲット点２９に到達して、撮像装置２８に反射され、一方、保護光ウィンドウ２４から内部に反射された光線は、焦点曲線上の点に伝搬し、撮像装置２８には伝搬しない。
【００４１】
単一ので完全なユニットである保護光ウィンドウ２４は、容易に使い捨てにでき、消化管を通る異なる経路間でスムースに取り替えることができることを理解されたい。これは、当技術分野で記述されている内視鏡によって達成可能なことではなく、本発明の光学システムを備える診断装置を無菌状態で容易に使用することに貢献する。
【００４２】
したがって、本発明は、本質的に後方散乱光および迷光などの雑音のないデータを獲得することができる単一のにアセンブルされた診断装置を提供する。
【００４３】
図２Ｂは、全体を３０で参照する、潜水艦などの乗り物を示す。潜水艦３０の形状は、離心率がゼロに等しいかまたはそれより大きく、１より小さいというものである。
【００４４】
潜水艦３０は、ウィンドウ３４によって包含されている、推進ユニット３１と観測セル３３を備え、オペレータまたは監視装置３８は、潜水艦３０の形状の対称軸上に配置されている。深海において、関心のあるターゲット３９が観測されている。関心のあるターゲット３９は、ウィンドウ３４から内部に反射された光線によってオペレータが見えなくならないように、および／または監視装置３８によって受信されないように、潜水艦３０の本体によって画定された形状の焦点面上に配置されている照明エレメント３５と３７によって照明されている。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 本発明による光学システムの２次元の概略図である。
【図１Ｂ】 本発明による光学システムの３次元の概略図である。
【図２Ａ】 診断装置として、本発明の光学システムを備える実施形態の概略図である。
【図２Ｂ】 受信手段を搬送する乗り物として、本発明の光学システムを備える実施形態の概略図である。

Claims (7)

1. 単一の光ウィンドウの後ろに配置された少なくとも１つの照明エレメントと少なくとも１つの受信手段を備える光学システムであって、
   前記光ウィンドウが、楕円面を画定するように構成されており、
   前記少なくとも１つの照明エレメントと少なくとも１つの受信手段が、前記楕円面の焦点曲線面の近傍に配置されており、前記照明エレメントが照明しているとき、前記光ウィンドウの表面から内部に反射された照明エレメントからの光線が、前記受信手段には入射しないように構成された光学システム。
2. 前記少なくとも１つの照明エレメントが、前記焦点曲線上に配置されている、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記受信手段が前記焦点曲線面上に配置されている請求項１に記載の光学システム。
4. 前記照明エレメントが、前記光ウィンドウの反対側のターゲットを照明し、ターゲットから送達された照明光線が、受信手段によって受信される、請求項１に記載の光学システム。
5. 請求項１に記載の光学システムを備える診断装置。
6. 前記装置が内視鏡である請求項５に記載の診断装置。
7. 前記装置が、消化管を撮像するための撮像器と、該撮像器の出力を送信する送信器を備えたことを特徴とする請求項５に記載の嚥下可能カプセル。

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