JP4668392B2

JP4668392B2 - 光走査光学系および内視鏡

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査光学系に関し、特に、小型の光走査型光学装置に搭載される光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光源装置で発生した光を光ファイバーで伝送し、その先端面からの光をレンズにより被検部に集光し、その集光位置を走査することにより、被検部の画像情報を得る光走査型光学装置が実現されている。その従来例としては、例えば米国特許第５，１２０，９５３号のものがある。この実施例では、被検部としての生体組織を拡大観察する小型の光走査型光学装置が開示されている。また、本従来例では、光ファイバー先端をアクチュエーターで走査させることによって、被検部上での光の集光点を走査する技術が開示されている。また、スキャニングミラーによる集光点の走査についても開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバー先端すなわち光源を走査する方法では、各走査位置において光線を集光しなければならず、集光光学系の設計、製造が困難になる。換言すると、光学系の高解像化、視野範囲の広域化は困難である。
【０００４】
また、生体組織等の反射率が低い被写体を観察する場合には、光学系内部で発生する迷光を低減し、高いＳ／Ｎを実現することが必要となる。
【０００５】
本発明は従来技術のこのような実情を考慮してなされたものであり、その目的は、小型の光走査型光学装置において、高解像化、視野範囲の広域化を可能にする光学構成を提供することにある。さらに、望ましくは、光学系内部で発生する迷光を低減し、高いＳ／Ｎを実現する光学構成を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の光走査光学系は、点光源と、
前記点光源からの光を被写体に集光させる集光光学系と、
前記点光源と前記集光光学系を一体化して走査する走査手段と、
前記集光光学系と被写体の間に配置された光学保護部材とを有し、
前記光学保護部材は、凹パワーを有する少なくとも１つの光学部材から構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
この発明の作用効果を説明すると、点光源と集光光学系の相対位置は固定されている。そのため、集光光学系は１点からの光を集光すればよいことになる。その結果、集光光学系の高解像化が容易になる。また、走査により集光光学系の光軸が傾く場合でも、光学保護部材の凹面（透過面）に対して光軸は略垂直になるように構成れている。したがって、走査により光学保護部材の凹面（透過面）で収差が発生しないために、広い視野にわたって光学性能を保持できる。
【０００８】
本発明の第２の光走査光学系は、点光源と、
前記点光源からの光を被写体に集光させる集光光学系と、
前記点光源と前記集光光学系を一体化して走査する走査手段と、
前記集光光学系と被写体の間に配置された光学保護部材とを有し、
光学保護部材の全ての透過面は、以下の式を満たすことを特徴とするものである。
【０００９】
｜α・ＮＡ⁴・ｄ・ΔＮ｜＜０．０１（°・ｍｍ）・・・（１）
ただし、
α ：光学保護部材の透過面に対する集光光学系の光軸の入射角度（°）
ＮＡ：集光光学系の被写体側の開口数
ｄ：被写体上の集光点と光学保護部材の透過面までの空気換算距離
ΔＮ：光学保護部材の透過面の前後での屈折率の差
である。
【００１０】
この発明の作用効果を説明すると、上記関係式（１）を満たすことにより、走査に応じて発生する光学保護部材の透過面での収差を良好に抑制でき、広い視野にわたって光学性能を保持できる。
【００１１】
本発明の第３の光走査光学系は、第１又は第２の光走査光学系において、
光学保護部材は平凹レンズで構成され、走査の固定端（回転中心）近傍に凹面の曲率中心を持つことを特徴とするものである。
【００１２】
このように構成すると、走査によらず、凹面に対して集光光学系の光軸が略垂直になる。すなわち、凹面に対する集光光学系の光軸の入射角度が０°近くになる。よって、凹面での収差発生を抑制できる。
【００１３】
本発明の第４の光走査光学系は、第１又は第２の光走査光学系において、
光学保護部材は非球面又は回転非対称な曲面を有することを特徴とするものである。
【００１４】
このように構成すると、走査が複雑な場合にも、集光光学系の光軸が略垂直になる曲面を実現できる。よって、走査に応じて発生する光学保護部材の曲面で発生する収差を良好に抑制できる。
【００１５】
本発明の第５の光走査光学系は、第１又は第２の光走査光学系において、
光学保護部材の透過面の中、被写体に最も近い面を平面とし、集光光学系の光軸に対して傾けたことを特徴とするものである。
【００１６】
このように構成すると、光学性能を劣化させずに、光学保護部材の被写体に最も近い透過面で発生する迷光成分を低減できる。
【００１７】
本発明の第６の光走査光学系は、
点光源と、
前記点光源からの光を被写体に集光させる集光光学系と、
前記点光源と前記集光光学系を一体化して走査する走査手段と、
前記集光光学系と被写体の間に配置された光学保護部材とを有し、
前記点光源からの光の主光線と前記集光光学系の光軸を略一致させる構成にしたことを特徴とするものである。
【００１８】
このように構成すると、集光光学系は軸上結像のみの性能を確保すればよいため、集光光学系の高解像化が容易となる。また、点光源からの光を効率的に集光できる。
【００１９】
本発明の第７の光走査光学系は、
光ファイバーと、
前記光ファイバーの端面からの光を被写体に集光する集光光学系と、
前記光ファイバーと前記集光光学系とを一体化して走査する走査手段とを有し、
前記光ファイバー端面は光ファイバーの長手方向に対し非垂直に形成され、
前記集光光学系の光軸に対して、前記光ファイバーの長手方向を傾けた配置にすることで、前記光ファイバーの端面からの光の主光線と前記集光光学系の光軸を略一致させる構成にしたことを特徴とするものである。
【００２０】
このように、光ファイバー端面を斜めに形成することで、光ファイバー端面で反射する迷光成分を除去できるために、高Ｓ／Ｎの画像を得ることができる。集光光学系は軸上結像のみの性能を確保すればよいため、集光光学系の高解像化が容易となる。また、光ファイバー端面から光を効率的に被写体に集光できる。
【００２１】
本発明の第８の光走査光学系は、第１から第７の光走査光学系において、
集光光学系は複数のレンズから構成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
このように構成すると、集光光学系の高解像化が容易となる。
【００２３】
本発明の第９の光走査光学系は、第１から第８の光走査光学系において、
集光光学系は接合レンズにより構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
このように構成すると、集光光学系の色収差を低減し、異なる波長の光を使用しても、良好に集光することができる。したがって、照明光の波長（励起波長）と戻り光の波長（蛍光波長）が異なるような蛍光観察も良好に行える。
【００２５】
本発明の第１０の光走査光学系は、第１から第７の光走査光学系において、
集光光学系は反射面のみにより構成されていることを特徴とするものである。
【００２６】
このように構成すると、色収差は発生しない。したがって、照明光の波長（励起波長）と戻り光の波長（蛍光波長）が異なるような蛍光観察も良好に行える。また、光路が折り返す構成となっているために、点光源から集光光学系までの距離を短くすることができる。したがって、先端部の長手方向の硬質長を短くすることができる。
【００２７】
本発明の第１１の光走査光学系は、第１から第９の光走査光学系において、
集光光学系は反射面と集光レンズにより構成されていることを特徴とするものである。
【００２８】
このように構成すると、光路が折り返す構成となっているために、光ファイバーの先端部から集光光学系までの距離を短くすることができる。したがって、先端部の長手方向の硬質長を短くすることができる。
【００２９】
本発明の第１２の光走査光学系は、第１から第１１の光走査光学系において、
光学保護部材は複数の光学部材から構成されることを特徴とするものである。
【００３０】
このように構成すると、走査が複雑な場合においても、光学保護部材で発生する収差を良好に抑制できる。また、複数の光学部材を使うことで、衝撃等に対する耐性も強くなる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光走査光学系を実施例に基づいて説明する。
【００３２】
図１に、本発明による光走査型光学装置の１つの実施形態の断面図を示す。この光走査型光学装置１は、光を発生する光源部２と、この光を伝送する光伝達部３と、体腔内等に挿入できるように細長に形成され、光伝達部３を経た光をその先端部から被写体側に出射すると共に、その戻り光を光伝達部３に導光する光走査プローブ４と、光走査プローブ４からの戻り光を光伝達部３を経て検出し画像化する信号処理、及び、光走査プローブ４内に設けた光走査手段の制御等を行う制御部５とから構成される。光伝達部３は、光伝達用ファイバー６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、これらを双方向に分岐しかつ光結合する４端子カプラ７とから構成される。
【００３３】
先端部９は、図２に示すように、チューブ８の先端にその一端が取り付けられた円環形状で硬質の光学枠１０と、この光学枠１０の内側に取り付けられた光学ユニット１１Ａと、光学枠１０の先端に取り付けられた先端カバーユニット１２とからなる。チューブ８内に挿通された細長の光ファイバー６ｂの先端は光学ユニット１１Ａに固定され、この光ファイバー６ｂの先端２０から出射される光は集光光学系１８を介して収束光となり、光学保護部材であるカバーガラス２６を透過して被険部２１に集光する。被検部２１側からの反射光（戻り光）は、カバーガラス２６、集光光学系１８を経由して光ファイバー６ｂの先端２０に集光される。光ファイバー６ｂの先端２０に集光された光は、４端子カプラ７を経由して、制御部５に導かれる。
【００３４】
また、先端カバーユニット１２は、カバーホルダ２５とカバーホルダ２５に固定されたカバーガラス２６（光学保護部材２６）からなり、カバーホルダ２５は光学枠１０の先端部に固定されている。また、これらの構造によりプローブ先端部は密閉され、水密性を保っている。また、先端部９の外径は３．３ｍｍ以下としており、内視鏡のチャンネル孔を通じて、人体の内部に挿入可能となっている。
【００３５】
図２の断面図で示す光学ユニット１１Ａ部分を、図３では斜視図で詳細に示す。光学ユニット１１Ａは、以下の構成となっている。
【００３６】
光学枠１０には、光学ユニット１１Ａのベース１４が固定されている。また、ベース１４には、２枚一対の平行な薄板１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの後端が固定されている。つまり、平行な板バネを構成する薄板１５ａ及び１５ｃと、薄板１５ｂ及び１５ｄとは、それぞれ板面が平行で、一方の薄板１５ａ（あるいは１５ｃ) と他方の薄板１５ｂ（あるいは１５ｄ）とは、板面が垂直になるように配置され、各後端部がベース１４に固定され、後端部に対して先端側が上下方向及び左右方向に弾性的に変形自在になっている。
【００３７】
さらに、各薄板１５ｉ（ｉ＝ａ〜ｄ）には、それぞれ厚み方向に分極された板状の圧電素子１６ｉが各薄板の先端寄りの位置に装着されている。各圧電素子１６ｉの両面の電極は厚電素子１６ｉを駆動するためのケーブル１９（図１参照）が接続されており、チューブ８の内部を通って制御部５に接続されている。
【００３８】
４枚の薄板１５ｉの先端にレンズホルダ１７が装着されており、このレンズホルダ１７には、集光光学系１８と光ファイバー６ｂの先端部２０とが固定されている。なお、光ファイバー６ｂの先端部２０のコアはピンホールとして機能しており、その結果、この光学系は共焦点光学系となっている。
【００３９】
そして、圧電素子１６ｉに駆動信号を印加することにより、板状の圧電素子１６ｉと薄板１５ｉの組み合わせは、その後端側に対して先端側を板面に垂直方向に曲がるように変形させて、その先端に保持されたレンズホルダ１７もその変形により曲げられた方向に移動できるようにして、このレンズホルダ１７で保持された光ファイバ先端部２０と集光光学系１８とを共に移動して、出射される光を走査できるようにしている。
【００４０】
また、圧電素子１６ｉを駆動することにより、集光点２１を図２の水平方向（Ｘ方向）２２と縦方向（Ｙ方向）２３に走査して集光点２１を含む走査面２４を走査できるようにしている。この走査面２４は、光プローブの先端部９の軸方向に対して略垂直な面となる。このような光プローブ４を使用する場合、カバーガラス２６の外側面２８を被写体に押し当てて使用し、被写体の特定深さの２次元面像（走査面２４）を得る。
【００４１】
なお、集光光学系１８の被写体側の開口数（ＮＡ）が０．４以上が望ましい。それより、生体組織の細胞核、細胞膜の画像が良好に得ることができる。また、作動距離（集光点２１とカバーガラス２６の外側面２８との距離）は２００μｍ以下が望ましい。２００μｍ以上となると、生体組織での光の散乱作用により、結像性能が劣化し、良好な画像を得ることが困難になる。
【００４２】
前述のように、レンズホルダ１７で保持された光ファイバ先端部２０と集光光学系１８とを共に走査する場合、ベース１４近傍にある固定端を中心に走査される。したがって、図４に示すように、走査によって集光光学系１８の光軸は傾くことになる。
【００４３】
本発明は、上記の光走査プローブ４の先端部９に搭載可能な光学系に関するものである。
【００４４】
本発明の光学系の実施例１を説明する。本実施例は波長４００ｎｍの光を前提に設計してあり、被写体側のＮＡは０．７５である。
【００４５】
図５はこの実施例の光路図であり、後記にこの実施例１のレンズデータを示す。第１面は光ファイバー３１（６ｂ）の端面であり、第２面と第３面は集光光学系３２（１８）、第４面と第５面はカバーガラス（光学保護部材）３３（２６）の内側面２７と外側面２８（図２）、第６面は被写体内部での集光点（２１）を示す。
【００４６】
また、光ファイバー３１の端面は、光ファイバー３１の長手方向に対して垂直に構成されており、光ファイバー３１のからの射出光束の中心（主光線）と集光光学系３２の光軸を一致させる構成にしている。したがって、集光光学系３２は軸上結像のみの設計でよい。そのため、設計が容易となり、高解像化が可能となってくる。
【００４７】
本実施例では、走査における固定端Ｐ（図４参照）と第４面までの距離を１０ｍｍとしている。さらに、カバーガラス３３の第４面は曲率半径ｒ₄＝−１０ｍｍの球面としている。したがって、本実施例では、第４面の曲率中心と固定端Ｐ（図４参照）が一致する構成にしている。
【００４８】
ここで、集光光学系３２と光ファイバー３１を一体化して走査した場合の角度をθ（図４参照）とした場合、各角度での光学性能を後記の表１に示す。波面収差ＲＭＳの単位は（λ）であり、値が０．０７よりも大きくなると解像力の劣化が始まる。なお、θ＝０．５°で集光点は９０μｍ、θ＝１．０°で集光点は１８０μｍ、θ＝１．５°で集光点は２７０μｍ走査されることになる。表１より、走査によっても光学性能が略一定に保たれていることが分かる。
【００４９】
比較のために、第４面ｒ₄の形状を平面とした場合の光学性能を表２に示す。なお、走査角度θ＝０°での光学性能を出すために、第３面の面間隔（レンズとカバーガラス間隔）ｄ₃を０．０９９５１７ｍｍ、第５面の面間隔（作動距離）ｄ₅を０．０２４５７０ｍｍに変更している。このとき、カバーガラス３３を平行平板としていることになる。この場合、走査角度θが、カバーガラス３３に対する集光光学系３２の光軸の入射角度（α）と等価になる。したがって、走査角度に応じて、カバーガラス面（第４面）に対して集光光学系の光軸が傾くために、カバーガラス面（第４面）でコマ収差、非点収差等の非対称収差が発生し、光学性能が大幅に劣化している。
【００５０】
以上説明したように、本実施例では、カバーガラス２６（３３）の集光光学系側の面２７を球面とし、ベース１４近傍（固定端Ｐ）に曲率中心を配置している。そのため、走査により集光光学系３２の光軸が傾いたとしても、常に球面と光軸は垂直になる。したがって、走査によってカバーガラス面でのコマ収差、非点収差等の非対称収差が発生しなくなる。そのため、視野全域にわたって光学性能を保持できる。
【００５１】
なお、必ずしも固定端Ｐと曲率中心を完全に一致させる必要はなく、望ましくは以下の関係式を満たせばよい。
【００５２】
｜α・ＮＡ⁴・ｄ・ΔＮ｜＜０．０１（°・ｍｍ）・・・（１）
ただし、
α ：光学保護部材の透過面に対する集光光学系の光軸の入射角度（°）
ＮＡ：集光光学系の被写体側の開口数
ｄ：被写体上の集光点と光学保護部材の透過面までの空気換算距離
ΔＮ：光学保護部材の透過面の前後での屈折率の差
である。
【００５３】
表３に各走査角度θにおける、本実施例とその比較例の（１）式の左辺の値を示す。本実施例の第４面（球面）では、光軸が垂直に入射しているため、α＝０であり、（１）式を満たしている。第５面（平面）では、ｄの値が十分に小さいため、（１）式を満たしている。そのため、走査によらず光学性能を保持できている。一方、比較例の第４面（平面）では、走査角度θと入射角αが同じ値になり、（１）式を満たしていない。そのため、走査に応じて光学性能が大きく劣化している。
【００５４】
本発明の光学系の実施例２を説明する。本実施例は波長４００ｎｍの光を前提に設計してあり、被写体側のＮＡは０．６８である。
【００５５】
図６はこの実施例の光路図であり、後記にこの実施例２のレンズデータを示す。本実施例においても、走査における固定端Ｐ（図４参照）とカバーガラス（光学保護部材）３６（２６）の内側面（２７）までの距離を１０ｍｍとしている。さらに、カバーガラス３６の第４面は曲率半径ｒ₄＝−１０ｍｍの球面としている。したがって、本実施例では、第４面の曲率中心と固定端Ｐ（図４参照）が一致する構成にしている。
【００５６】
本実施例において、集光光学系３５と光ファイバー３４を一体化して走査した場合の角度をθ（図４参照）とした場合、各角度での光学性能を表４に示す。走査によっても光学性能が略一定に保たれていることが分かる。
【００５７】
比較のために、第４面ｒ₄の形状を平面とした場合の光学性能を表５に示す。なお、走査角度θ＝０°での光学性能を出すために、第３面の面間隔（レンズとカバーガラス間隔）ｄ₃を０．１３０３６０ｍｍ、第５面の面間隔（作動距離）ｄ₅を０．０３２８６３ｍｍに変更している。走査角度に応じて、光学性能が大幅に劣化していること分かる。
【００５８】
本実施例においても、走査により集光光学系３５の光軸が傾いたとしても、常にカバーガラス３６の球面と光軸は垂直になる。したがって、視野全域にわたって光学性能を保持できる。
【００５９】
表６に各走査角度θにおける、本実施例とその比較例の（１）式の左辺の値を示す。本実施例では、各走査角度において（１）式を満たしている。そのために光学性能を保持できている。一方、比較例の第４面では（１）式を満たしていない。そのため、光学性能が大きく劣化している。
【００６０】
本発明の光学系の実施例３を説明する。本実施例は波長４００ｎｍの光を前提に設計してあり、被写体側のＮＡは０．４９である。
【００６１】
図７はこの実施例の光路図であり、後記にこの実施例３のレンズデータを示す。本実施例においても、走査における固定端Ｐ（図４参照）とカバーガラス（光学保護部材）３９（２６）の内側面（２７）までの距離を１０ｍｍとしている。さらに、カバーガラス３９の第４面は曲率半径ｒ₄＝−１０ｍｍの球面としている。したがって、本実施例では、第４面の曲率中心と固定端Ｐ（図４参照）が一致する構成にしている。
【００６２】
本実施例において、集光光学系３８と光ファイバー３７を一体化して走査した場合の角度をθ（図４参照）とした場合、各角度での光学性能を表７に示す。走査によっても光学性能が略一定に保たれていることが分かる。
【００６３】
比較のために、第４面ｒ₄の形状を平面とした場合の光学性能を表８に示す。なお、走査角度θ＝０°での光学性能を出すために、第３面の面間隔（レンズとカバーガラス間隔）ｄ₃を０．１００１５ｍｍ、第５面の面間隔（作動距離）ｄ₅を０．０５６４ｍｍに変更している。走査角度に応じて、特に、θが１．５°になると、光学性能が大幅に劣化していること分かる。
【００６４】
本実施例においても、走査により集光光学系３８の光軸が傾いたとしても、常にカバーガラス３９の球面と光軸は垂直になる。したがって、視野全域にわたって光学性能を保持できる。
【００６５】
表９に各走査角度θにおける、本実施例とその比較例の（１）式の左辺の値を示す。本実施例では（１）式を満たしているために、走査によらず光学性能を保持できている。一方、比較例では走査角度が１．５°以上になると（１）式を満たしていない。そのため、１．５°以上の走査角度では、光学性能が大きく劣化している。
【００６６】
本発明の光学系の実施例４を図８に示す。本実施例は、実施例３に対して、迷光対策を行い、Ｓ／Ｎの高い画像を得られる構成にしている。一般に、共焦点光学系では、その集光点以外で発生する迷光を低減する効果がある。しかし、本実施例のように作動距離（カバーガラスｒ₅面と集光点の距離ｄ₅）が短い場合、カバーガラスｒ₅面で発生する迷光を低減する手段が必要となる。特に、生体組織のような低反射率の被写体を観察するような場合には、迷光対策が必要となる。この実施例のレンズデータは実施例３と同じものであり、カバーガラス（光学保護部材）４２（２６）の外側面２８（図２）である第５面を４°傾けた構成になっている。このような構成をとることにより、第５面の表面で反射し、ファイバー４０に戻る迷光成分を低減できる。すなわち、第５面で反射した迷光は、集光光学系４１によりファイバー４０側に集光するが、集光光学系４１の光軸から偏心した位置に集光される。ファイバー端面４４から偏心した位置に集光するために、ファイバー４０に戻らなくなる。そのため、迷光成分を低減することができる。
【００６７】
一方、第５面での（１）式の左辺の値は０．００１７９となり、（１）式を満たしているために、光学性能はほとんど変わらない。
【００６８】
ところで、集光光学系４１の光軸近傍に遮光領域を設けても、迷光成分を低減できる。望ましくは、レンズ４１の第２面ｒ₂の光軸上に、直径１００μｍ程度の遮光領域を設ける。光軸近傍ではレンズ面に対して光が垂直に入射するために、反射した光は逆光路を伝播して迷光となるが、遮光領域により、この迷光を低減できる。
【００６９】
また、光ファイバー４０の端面４４は、ファイバー４０の長手方向に対して斜め方向にカットされている。望ましくは、光ファイバー４０の射出ＮＡ（開口数）に相当する角度β（射出ＮＡ＝ｓｉｎβ）よりも大きな角度で端面４４をカットする。こうすることにより、端面４４で反射する光は光ファイバー４０を伝播しなくなるために、端面４４の反射に起因する迷光成分を除去できる。
【００７０】
しかしながら、端面４４を斜めにカットした場合、ファイバー４０から射出する光は、ファイバー４０の長手方向に対して傾いた方向に射出する。そこで、本実施例では、斜めカットした光ファイバー４０を傾けることにより、集光光学系４１の光軸と光ファイバー４０からの射出光の中心（主光線）を一致させている。こうすることにより、集光光学系４１は軸上結像のみの設計でよい。したがって、設計が容易となり、高解像化が可能となってくる。
【００７１】
以上説明したように、本実施例では、光学性能の劣化なしに、迷光対策を行い、Ｓ／Ｎの高い画像を得られる構成となっている。
【００７２】
本発明の光学系は、以下に示すように、種々の変形が可能である。
【００７３】
カバーガラスの表面形状は球面に限るものではない。非球面を使用することで、走査に伴う光学性能の劣化を最小限にすることも可能である。また、Ｘ方向とＹ方向の走査で固定端が異なる場合には、カバーガラスの表面形状は回転非対称なものにすることが望ましい。固定端が集光光学系の光軸から偏心している場合には、光軸とカバーガラスの凹面の曲率中心を偏心させてもよい。
【００７４】
図９に示すように、カバーガラス２６の両面を球面にしてもよい。特に、作動距離（集光点とカバーガラス２６の被写体側の面までの距離）が大きい場合には、走査に伴う光学性能の劣化を防ぐことができる。
【００７５】
図１０に示すように、カバーガラス２６は複数の光学部材から構成されていてもよい。複数の透過面（球面）を用いることで、カバーガラス２６で発生する収差を良好に低減することができる。特に、Ｘ方向とＹ方向の走査で固定端が異なる等、走査が複雑な場合には、複数の光学部材から構成されることが望ましい。
【００７６】
図１１に示すように、集光光学系１８を複数のレンズから構成してもよい。複数のレンズを使用することで、集光光学系１８のさらなる高解像化も容易となる。
【００７７】
図１２に示すように、集光光学系１８を接合レンズで構成してもよい。このようにして、集光光学系１８の色収差を低減することができる。このようにすることにより、異なる波長の光を使用しても、良好に集光することができる。したがって、照明光の波長（励起波長）と戻り光の波長（蛍光波長）が異なるような蛍光観察も良好に行える。また、接合レンズの代わりに、回折光学素子等を用いることで、色収差を除去してもよい。
【００７８】
図１３に示すように、集光光学系１８を反射面のみで構成してもよい。このようにすると、集光光学系１８で色収差は発生しない。したがって、照明光の波長（励起波長）と戻り光の波長（蛍光波長）が異なるような蛍光観察も良好に行える。また、光路を折り返す構成となっているために、光ファイバー６ｂの先端部から集光光学系１８までの距離を短くすることができる。したがって、先端部９の長手方向の硬質長を短くすることができる。
【００７９】
図１４に示すように、集光光学系１８は反射面と集光レンズにより構成されていてもよい。光路を折り返す構成となっているために、光ファイバー６ｂの先端部から集光光学系１８までの距離を短くすることができる。したがって、先端部９の長手方向の硬質長を短くすることができる。
【００８０】
図１５に示すように、本発明の光学系では、光源部２から先端部９へ、また、先端部９から制御部５へ光を導くのに光ファイバーのみを前提とするものではなく、半導体レーザー４５とビームスプリッター４６とフォトディテクター４７を用いた構成も可能である。この場合、集光光学系１８中にビームスプリッター４６を配し、半導体レーザー４５からの光をビームスプリッター４６を透過して集光光学系１８に導き、カバーガラス２６を通じて被写体に集光する。被写体からの反射光は、カバーガラス２６、集光光学系１８、ビームスプリッター４６を通じてフォトディテクター４７で検出する。この構成においては、集光光学系１８と半導体レーザー４５とフォトディテクター４７を一体化して走査することになる。
【００８１】
以下に、本発明の実施例１〜３のレンズデータを示す。記号は、ｒ₁、ｒ₂…は物体側から順に示した各レンズ面の曲率半径、ｄ₁、ｄ₂…は物体側から順に示した各レンズ面間の間隔、ｎ_d1、ｎ_d2は物体側から順に示したレンズとカバーガラスのｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2は物体側から順に示したレンズとカバーガラスのアッべ数である。なお、ｎ_d3は被写体のｄ線の屈折率、ν_d3は被写体のアッべ数である。
【００８２】
なお、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直行する方向にとると、下記の式にて表される。
【００８３】
ｘ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−（Ｋ＋１）（ｙ／ｒ）²｝^1/2］
＋Ａ₄ｙ⁴＋Ａ₆ｙ⁶＋Ａ₈ｙ⁸＋Ａ₁₀ｙ¹⁰
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００８４】
実施例１
ｒ₁= ∞ ｄ₁= 4.644261
ｒ₂= 0.54882 （非球面）ｄ₂= 0.643184 ｎ_d1 =1.81474 ν_d1 =37.03
ｒ₃= -1.25520 （非球面）ｄ₃= 0.110668
ｒ₄= -10 ｄ₄= 0.300000 ｎ_d2 =1.51630 ν_d2 =64.10
ｒ₅= ∞ ｄ₅= 0.012612 ｎ_d3 =1.33304 ν_d3 =55.79
ｒ₆= ∞（集光点）
非球面係数
第２面
Ｋ =-0.971934
Ａ₄= 0.103053
Ａ₆= 0.466166
Ａ₈=-0.261750×10¹
Ａ₁₀= 0.000000
第３面
Ｋ = 0.000000
Ａ₄= 0.145293×10¹
Ａ₆=-0.531206×10¹
Ａ₈= 0.767565×10¹
Ａ₁₀ = 0.000000
【００８５】
実施例２
ｒ₁= ∞ ｄ₁= 4.670625
ｒ₂= 0.55170 （非球面）ｄ₂= 0.719068 ｎ_d1 =1.73077 ν_d1 =40.50
ｒ₃= -1.25520 （非球面）ｄ₃= 0.142321
ｒ₄= -10 ｄ₄= 0.300000 ｎ_d2 =1.51630 ν_d2 =64.10
ｒ₅= ∞ ｄ₅= 0.020000 ｎ_d3 =1.33304 ν_d3 =55.79
ｒ₆= ∞（集光点）
非球面係数
第２面
Ｋ =-0.637006
Ａ₄=-0.616966×10^-1
Ａ₆= 0.123589
Ａ₈=-0.912655
Ａ₁₀= 0.000000
第３面
Ｋ = 0.000000
Ａ₄= 0.164219×10¹
Ａ₆=-0.570293×10¹
Ａ₈= 0.999992×10¹
Ａ₁₀= 0.000000
【００８６】
実施例３
ｒ₁= ∞ ｄ₁= 4.077695
ｒ₂= 0.91871 （非球面）ｄ₂= 0.978514 ｎ_d1 =1.81474 ν_d1 =37.03
ｒ₃= -0.81039 （非球面）ｄ₃= 0.133354
ｒ₄= -10.00000 ｄ₄= 0.500000 ｎ_d2 =1.51630 ν_d2 =64.10
ｒ₅= ∞ ｄ₅= 0.020000 ｎ_d3 =1.33304 ν_d3 =55.79
ｒ₆= ∞（集光点）
非球面係数
第２面
Ｋ = 0.000000
Ａ₄=-0.356081
Ａ₆=-0.411417
Ａ₈= 0.122207
Ａ₁₀= 0.000000
第３面
Ｋ = 0.000000
Ａ₄= 0.932953
Ａ₆=-0.101942×10¹
Ａ₈= 0.970944
Ａ₁₀= 0.000000
【００８７】
＜表１＞実施例１の光学性能
┌───────┬────┬────┬────┬────┐
│ θ │ ０° │ 0.5 °│ 1 ° │ 1.5 °│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│波面収差ＲＭＳ│ 0.012 │ 0.012 │ 0.016 │ 0.03 │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
【００８８】
＜表２＞比較性能（カバーガラスが平板の場合の光学性能）
┌───────┬────┬────┬────┬────┐
│ θ │ ０° │ 0.5 °│ 1 ° │ 1.5 °│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│波面収差ＲＭＳ│ 0.011 │ 0.102 │ 0.214 │ 0.334 │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
【００８９】
＜表３＞実施例１とその比較例に関する（１）式の左辺の値
┌────────────┬──┬─────┬─────┬─────┐
│ θ │０°│ 0.5 ° │ 1 ° │ 1.5 ° │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例１での第４面での値│ 0 │ 0 │ 0 │ 0 │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例１での第５面での値│ 0 │2.74×10^-4│5.48×10^-4│8.22×10^-4│
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│比較例での第４面での値 │ 0 │0.01765 │0.0353 │0.05295 │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例での第５面での値 │ 0 │5.34×10^-4│10.7×10^-4│16.0×10^-4│
└────────────┴──┴─────┴─────┴─────┘
【００９０】
＜表４＞実施例２での光学性能
┌───────┬────┬────┬────┬────┐
│ θ │ ０° │ 0.5 °│ 1 ° │ 1.5 °│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│波面収差ＲＭＳ│ 0.012 │ 0.012 │ 0.015 │ 0.021 │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
【００９１】
＜表５＞比較性能（カバーガラスが平板の場合の光学性能）
┌───────┬────┬────┬────┬────┐
│ θ │ ０° │ 0.5 °│ 1 ° │ 1.5 °│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│波面収差ＲＭＳ│ 0.013 │ 0.081 │ 0.16 │ 0.236 │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
【００９２】
＜表６＞実施例２とその比較例に関する（１）式の左辺の値
┌────────────┬──┬─────┬─────┬─────┐
│ θ │０°│ 0.5 ° │ 1 ° │ 1.5 ° │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例２での第４面での値│ 0 │ 0 │ 0 │ 0 │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例２での第５面での値│ 0 │2.95×10^-4│5.89×10^-4│8.84×10^-4│
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│比較例での第４面での値 │ 0 │0.0123 │0.0246 │0.0369 │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例での第５面での値 │ 0 │4.83×10^-4│9.66×10^-4│14.5×10^-4│
└────────────┴──┴─────┴─────┴─────┘
【００９３】
＜表７＞実施例３での光学性能
┌───────┬────┬────┬────┬────┐
│ θ │ ０° │ 0.5 °│ 1 ° │ 1.5 °│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│波面収差ＲＭＳ│ 0 │ 0.001 │ 0.002 │ 0.003 │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
【００９４】
＜表８＞比較性能（カバーガラスが平板の場合の光学性能）
┌───────┬────┬────┬────┬────┐
│ θ │ ０° │ 0.5 °│ 1 ° │ 1.5 °│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│波面収差ＲＭＳ│ 0 │ 0.04 │ 0.08 │ 0.12 │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
【００９５】
＜表９＞実施例３とその比較例に関する（１）式の左辺の値
┌────────────┬──┬─────┬─────┬─────┐
│ θ │０°│ 0.5 ° │ 1 ° │ 1.5 ° │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例３での第４面での値│ 0 │ 0 │ 0 │ 0 │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例３での第５面での値│ 0 │0.79×10^-4│1.58×10^-4│2.37×10^-4│
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│比較例での第４面での値 │ 0 │0.00357 │0.00714 │0.0107 │
├────────────┼──┼─────┼─────┼─────┤
│実施例での第５面での値 │ 0 │2.23×10^-4│4.47×10^-4│6.71×10^-4│
└────────────┴──┴─────┴─────┴─────┘
【００９６】
以上、本発明の光走査光学系を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００９７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光走査光学系によると、点光源と集光光学系は固定されているため、集光光学系は１点からの光を集光すればよく、集光光学系の高解像化が容易になる。また、走査により集光光学系の光軸が傾く場合でも、光学保護部材の透過面に対し光軸は垂直に入射する構成になっているので、走査により光学保護部材の透過面で収差が発生せず、広い視野にわたって光学性能を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光走査型光学装置の１つの実施形態の断面図である。
【図２】図１の先端部の構成を示す断面図である。
【図３】図２の光学ユニット部分を詳細に示す斜視図である。
【図４】走査によって集光光学系の光軸が傾く様子を示す図である。
【図５】実施例１の光学系の光路図である。
【図６】実施例２の光学系の光路図である。
【図７】実施例３の光学系の光路図である。
【図８】実施例４の光学系の光路図である。
【図９】カバーガラスの変形例を示す図である。
【図１０】カバーガラスの別の変形例を示す図である。
【図１１】集光光学系の変形例を示す図である。
【図１２】集光光学系の別の変形例を示す図である。
【図１３】集光光学系の別の変形例を示す図である。
【図１４】集光光学系の別の変形例を示す図である。
【図１５】集光光学系の別の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１…光走査型光学装置
２…光源部
３…光伝達部
４…光走査プローブ
５…制御部
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ…光伝達用ファイバー
７…４端子カプラ
８…チューブ
９…光プローブ
１０…光学枠
１１Ａ…光学ユニット
１２…先端カバーユニット
１４…ベース
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…薄板（板バネ）
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…圧電素子
１７…レンズホルダ
１８…集光光学系
１９…ケーブル
２０…光ファイバー先端
２１…被険部（集光点）
２２…水平方向（Ｘ方向）
２３…縦方向（Ｙ方向）
２４…走査面
２５…カバーホルダ
２６…カバーガラス（光学保護部材）
２７…カバーガラスの内側面
２８…カバーガラスの外側面
３１…光ファイバー
３２…集光光学系
３３…カバーガラス（光学保護部材）
３４…光ファイバー
３５…集光光学系
３６…カバーガラス（光学保護部材）
３７…光ファイバー
３８…集光光学系
３９…カバーガラス（光学保護部材）
４０…光ファイバー
４１…集光光学系
４２…カバーガラス（光学保護部材）
４４…ファイバー端面
４５…半導体レーザー
４６…ビームスプリッター
４７…フォトディテクター

Claims

点光源と、
前記点光源からの光を被写体に集光点として集光させる集光光学系と、
前記集光光学系と被写体の間に配置された光学保護部材と、
前記点光源と前記集光光学系を一体化して前記集光点を走査する走査手段とを有し、
前記光学保護部材は、前記走査手段の走査にて前記集光光学系の光軸が傾く場合でも前記集光光学系の光軸に対して略垂直となる凹面を、前記集光光学系側に有する少なくとも１つの光学部材から構成され、
前記光学保護部材の全ての透過面は、以下の式を満たすことを特徴とする光走査光学系。｜α・ＮＡ ⁴ ・ｄ・ΔＮ｜＜０．０１（°・ｍｍ）・・・（１）
ただし、
α ：光学保護部材の透過面に対する集光光学系の光軸の入射角度（°）
ＮＡ：集光光学系の被写体側の開口数
ｄ：被写体上の集光点と光学保護部材の透過面までの空気換算距離
ΔＮ：光学保護部材の透過面の前後での屈折率の差
である。
前記走査手段が回転中心を有し、該回転中心と前記光学保護部材の凹面の曲率中心とを一致するよう配置してなる、
請求項１に記載の光走査光学系。
前記集光光学系を反射面のみで構成してなる、
請求項１に記載の光走査光学系。
前記ＮＡが０．４以上である、
請求項１に記載の光走査光学系。
前記光学保護部材の凹面が非球面または回転非対称な曲面である、
請求項１または請求項２に記載の光走査光学系。
前記点光源は、光ファイバー端面であって、
前記走査手段は、前記光ファイバーと前記集光光学系とを一体化して走査する、
請求項１または請求項２に記載の光走査光学系。
前記光ファイバー端面は、光ファイバーの長手方向に対し非垂直に形成され、
前記集光光学系の光軸に対して、前記光ファイバーの長手方向を傾けた配置にすることで、前記光ファイバー端面からの光の主光線と前記集光光学系の光軸を略一致させた、
請求項６に記載の光走査光学系。
前記点光源は、半導体レーザーであって、
前記走査手段は、前記半導体レーザーと前記集光光学系とを一体化して走査する、
請求項１または請求項２に記載の光走査光学系。
請求項１から請求項８の何れか１項に記載の光走査光学系を備えることを特徴とする
内視鏡。