JP5150388B2 - 内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡先端部から照明光を出射する照明光学系を備えた内視鏡に関する。

内視鏡は、照明光を被写体に照射し、先端部に配置した対物光学系によって被写体を光学的に直接観察したり、或いは対物光学系で得られる被写体像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子によって撮像することにより、映像をモニタ画面上で観察するものであり、体腔内に挿入して内臓等を観察する医療用、ボイラ、タービン、エンジン、化学プラント等の内部を観察する工業用として広く用いられている。

例えば特許文献１には、光源からの光を伝送するライトガイドと、ライトガイドの物体側端面前方に配置した照明レンズ群とからなる照明光学系と、物体面側から順に対物光学系と、像伝送手段と、を備えた細長い挿入部を持つ内視鏡において、照明レンズ群は、ライトガイドに対向する入射端面がライトガイドの射出端面に対して傾斜した斜面を含んでいる光学素子を少なくとも１つ含むようにした内視鏡が記載されている。この内視鏡によれば、細径で広視野の内視鏡において、石英系ライトガイドのようにＮＡ(Numerical Aperture)の小さいライトガイドを使用した場合でも、視野周辺を充分に照明できるとされている。

また、特許文献２には、照明レンズ及びライトガイドバンドルからなり、ライトガイドバンドルの中心軸は、照明レンズの光軸に対して偏心し、照明レンズは２つの照明領域に分割され、２つの照明範囲を形成する内視鏡が開示される。この内視鏡によれば、内視鏡挿入部を太径にすることなく、観察光学系と照明光学系との位置ズレにより生じる視野の明るさムラを防止できるとされている。

特開平８−２８６１２５号公報 特開平９−６８６５９号公報

ところで、例えば医療用の上記した内視鏡のように、照明光学系の光学表面に傾斜面を形成し、光源からの光を発散させることで、広い視野角に対応するよう照明光の照射範囲を広げた内視鏡では、鉗子による生検や処置時に、必要な部位に十分な照明が届いていない場合がある。すなわち、拡大観察時には、被写体との距離が２〜３ｍｍと接近するため、広角観察用の照明光学系のままでは十分な光量が確保できない。一方、発散角度を集束する方向へ偏向する例えば、光軸に直交する軸回りに光学素子を揺動するリンク機構等を設ければ、光軸を中心とした半径方向に肥大する機構となり、内視鏡先端部が大径化する。また、単に光量を増大させれば、照明光学系が大きくなったり、発熱するなどの不利があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、先端部を大径化せずに、遠近視認性を向上させることのできる内視鏡を提供することにある。

本発明は、下記構成からなる。
（１） 内視鏡先端部から照明光を出射する照明光学系と、前記照明光の照射された被写体を撮像する撮像素子と、を備えた内視鏡であって、
前記照明光学系が、
内視鏡先端部に配置され、表裏いずれかの光学表面が光軸と直交する平面に対して傾斜して形成された光学素子と、
前記光軸を中心に前記光学素子を回転駆動して、前記光学素子を通して出射される照明光の照射方向を変更する回転駆動手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、光学素子の光学表面が、光軸と直交する平面に対して傾斜するので、光軸と平行に入射した光が光学表面から出射されると、光軸に対し非対称となり、光軸を挟み一方側の光偏向角度（光発散角度）が他方の光発散角度より大きくなる。これにより、先端部の軸線に沿う光学素子の中心軸を回転中心とし、光学素子をこの回転中心により回転することで、照明光の照射範囲が変更可能となる。例えば、リンク機構等を用い、光軸に直交する軸回りに光学素子を揺動する機構に比べ、光軸を中心とした半径方向の機構の肥大化が抑止可能となる。

（２） （１）の内視鏡であって、
前記光学素子が、内視鏡先端部の最も外側に配置され光出射側表面が傾斜した照明系レンズであることを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、必須構成部材となる照明光学系のレンズそのものに傾斜光学表面を形成するので、構成部材が増えない。また、気密シールされた先端部内側で照明系レンズを回転駆動するので、本回転機構の採用に伴い新たな気密シール構造を設ける必要がない。

（３） （１）の内視鏡であって、
前記光学素子が、照明系レンズの外側に配置されたカバーガラスであることを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、レンズの形状をそのままにできるので、レンズの製造を煩雑化させずに済む。また、照明光学系を組み立てるに際し、傾斜した光学表面を有するレンズを含め光軸合わせを行う必要がなく、光軸合わせの作業が煩雑にならない。

（４） （１）〜（３）のいずれか１つの内視鏡であって、
前記回転駆動手段を制御するスイッチが内視鏡操作部に設けられたことを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、内視鏡操作部に設けられる例えば送気／送水操作ボタン、吸引操作ボタン、フリーズスイッチ、観察距離可変スイッチ等に、回転駆動制御スイッチが近接した、使い勝手の良い操作が可能となる。

（５） （１）〜（４）のいずれか１つの内視鏡であって、
前記照明光学系が、前記撮像素子に光を取り込む撮像窓の両側に設けられたことを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、撮像窓を挟む両側に照明光の照射領域が形成できるとともに、この照明領域を、撮像窓を中心とした左右均一な照度で形成できる。

（６） （５）の内視鏡であって、
前記回転駆動手段からの回転を分配して前記両側の照明光学系の前記光学素子を前記撮像窓に対して対称方向に回転させる分配手段を備えたことを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、分配手段にて一対の光学素子が撮像窓に対し対称方向に回転されると、照明光の照射方向が中心側と周辺側とに選択的に光を照射することができる。テレ時（拡大）には、特に撮像中心付近を照明するため、撮像光軸を挟み内側に向かう照明光軸に設定される。ワイド時（広角）には、周辺全体を照明するため、撮像光軸を挟み外側に向かう照射角度で傾斜する位置に設定される。これらの設定が、一対の光学素子の対称方向の回転にて連続的に切換動作可能となる。

（７） （１）〜（６）のいずれか１つの内視鏡であって、
前記撮像素子に光を結像させる撮像光学系が、撮像系レンズを光軸方向に移動可能に配置した可変焦点機構を備え、
前記可変焦点機構のレンズ移動を行うレンズ駆動手段が、前記回転駆動手段に駆動力を分配することを特徴とする内視鏡。

この内視鏡によれば、可変焦点機構が設けられる場合に必須の構成要素となるレンズ駆動手段の駆動力を利用することにより、光学素子を回転させるための新たな駆動源を設ける必要が無くなる。また、可変焦点機構の焦点可変時（拡大又は広角時）に連動させて、照明光の照射範囲を拡縮することができ、煩わしい照明光操作を不要にして、焦点可変（拡大又は広角）に追従した最適照明を自動で形成できる。

本発明に係る内視鏡によれば、光学表面が光軸と直交する平面に対して傾斜した光学素子を回転駆動して、光学素子を通して出射される照明光の照射方向を変更するので、先端部軸線に沿う中心軸を回転中心とする回転機構にて照明光の照射範囲を変更できる。この結果、内視鏡先端部を大径化せずに、遠近視認性を向上させることができる。

以下、内視鏡の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は内視鏡の先端部の斜視図、図２は図１の先端部を有する内視鏡の操作部および先端部を切り欠いた側面図、図３は先端部を制御部と共に示した模式図である。
内視鏡１００は、操作部１１、可撓性を有する挿入部１３、先端部１５から構成され、操作部１１には、送気／送水操作ボタン１７、吸引操作ボタン１９、フリーズスイッチ２１、観察距離可変スイッチ２３、光学素子回転スイッチ２５等が設けられる。光学素子回転スイッチ２５は、後に詳述するように、傾斜光学表面を有した光学素子を回転する。

操作部１１内には、シャーシ２７の上にモータ２９が保持部材３１を介して取り付けられ、モータ２９には、多重コイルバネからなる線状伝達部材３３が軸接続具３５を介して取り付けられる。線状伝達部材３３は、他の部材との干渉を避けるための保護チューブ３７内に挿入され、保護チューブ３７は保持部材３９によりシャーシ２７に取り付けられる。これら線状伝達部材３３と保護チューブ３７は、操作部１１から挿入部１３を介して先端部１５まで配設される。

先端部１５には、撮像光学系４１、固体撮像素子であるＣＣＤ４３（図３参照）、一対の照明光学系４５，４５（図１参照）が設けられ、この撮像光学系４１に組み込まれた観察距離可変のための可動レンズ、および照明光学系４５，４５に組み込まれた光学素子が線状伝達部材３３により駆動されるようになっている。なお、図１中、４７は硬質部、４９は鉗子口、５１は送気・送水ノズルを示す。

図３に示すように、撮像光学系４１は、ＣＣＤ４３に光学像を結像させる対物レンズ５３、集束レンズ５５、鏡筒５７、筺体５９、プリズムケース６１を観察窓側から順次連設してなる。本実施の形態では、ＣＣＤ４３の撮像面４３ａが、対物レンズ５３の光軸と平行に配置される。これにより、垂直配置される場合に比べ、先端部１５の小径化を容易にしている。

ＣＣＤ４３の撮像面４３ａには、対物レンズ５３から取り込まれた光が結像される。撮像光学系４１は、ＣＣＤ４３を介して回路基板６３に実装され、ＣＣＤ４３から出力されるビデオ信号は、導出された信号線６５にて信号処理部６７を介して制御部６９に供給され、撮像面４３ａに結像された被写体画像はモニタ７１上に表示される。また、制御部６９にはビデオ信号を記憶するメモリ７３が接続される。

図４は照明系レンズに傾斜光学表面の形成された照明光学系の側面図、図５は単体レンズに傾斜光学表面の形成された照明光学系の側面図である。
照明光学系４５，４５のそれぞれにはライトガイド７５が接続され、ライトガイド７５はＬＧコネクタ（不図示）を介して光源装置に接続される。ライトガイド７５の先端面にはライトガイド７５の軸線に光軸Ｏｃを一致させた照明光学系集束レンズ７７が配設される。照明光学系集束レンズ７７の光出射側には光軸Ｏｃを一致させた光学素子である照明系レンズ７９が配置される。照明系レンズ７９は、光入射側の平面８３に凹部を形成した凹レンズとなる。照明系レンズ７９は、内視鏡先端部１５の最も外側に配置され、表裏いずれかの光学表面８１が光軸Ｏｃと直交する平面８３に対し角度θだけ傾斜して形成されている。本実施の形態では、表側の光学表面８１が傾斜面にて形成される。

照明系レンズ７９は、硬質部４７に形成された受け穴（不図示）にて光軸Ｏｃを中心に回転自在に保持される。ライトガイド７５の先端近傍の硬質部４７（図１参照）には保護チューブ３７の先端が保持部材８５（図３参照）によって固定される。固定された保護チューブ３７の先端からは線状伝達部材３３が突出され、線状伝達部材３３は連結具８７を介してシャフト８９に連結される。シャフト８９は、硬質部４７に回転自在に支持される。シャフト８９にはピニオン９１が固定され、ピニオン９１は照明系レンズ７９の外円周に沿って設けられた複数の歯部９３に噛合する。

したがって、モータ２９が駆動され、線状伝達部材３３が回転されると、連結具８７を介してシャフト８９が回転される。シャフト８９が回転すると、ピニオン９１に噛合する歯部９３によって照明系レンズ７９が光軸Ｏｃを中心に回転されるようになっている。

モータ２９、線状伝達部材３３は、回転駆動手段９５を構成している。回転駆動手段９５は、光軸Ｏｃを中心に照明系レンズ７９を回転駆動して、照明系レンズ７９を通して出射される照明光９７の照射方向を変更可能としている。すなわち、照明系レンズ７９は、回転することにより、照射される照明光９７の範囲が偏芯して回転するため、照明範囲を調整することができる。

また、本構成によれば、照明光学系４５の照明系レンズ７９そのものに傾斜光学表面８１を形成するので、光学構成部材が新たに増加することがない。また、気密シールされた先端部内側で照明系レンズ７９を回転駆動するので、新たな気密シール構造を設ける必要がない。

照明系レンズ７９の回転は、光学素子回転スイッチ２５（図２参照）が操作されると、これを制御部６９（図３参照）が検出し、操作信号に応じて制御部６９がモータ２９へ駆動信号を送出することにより行われる。本構成の内視鏡１００では、回転駆動手段９５を制御する光学素子回転スイッチ２５が、例えば送気／送水操作ボタン１７、吸引操作ボタン１９、フリーズスイッチ２１、観察距離可変スイッチ２３と近接した内視鏡操作部１１に設けられるので、使い勝手の良い操作が可能となる。

なお、照明光学系４５は、図５に示すように、照明系レンズ７９を有しない構成であってもよい。この場合、照明光学系集束レンズ７７の光学表面９９に傾斜面を形成し、外周に設けた歯部９３にピニオン９１を噛合させ、照明光学系集束レンズ７７を回転する。これにより、上記と同様に、照射される照明光９７の範囲が偏芯して回転するため、照明範囲を調整することができる。

図６はカバーガラスに傾斜光学表面の形成された照明光学系の側面図である。
また、傾斜光学表面８１の形成される光学素子は、照明系レンズ７９以外に、照明系レンズ７９の外側に配置されるカバーガラス１０１としてもよい。図６に示す構成例では、照明光学系集束レンズ７７の光出射側に第二の集束レンズ１０３，第三の集束レンズ１０５が順次配設され、その最も外側にカバーガラス１０１が配設されている。

カバーガラス１０１は、円盤状に形成され、外周に環状部材１０７が嵌められる。環状部材１０７は、硬質部４７に設けられた受け穴（不図示）に、回転自在に気密シールされて支持される。環状部材１０７の外周には歯部９３が形成され、歯部９３はピニオン９１に噛合する。このような構成によっても、カバーガラス１０１を回転することで、照射される照明光９７の範囲が偏芯して回転するため、照明範囲を調整することができる。カバーガラス１０１に形成される傾斜光学表面８１は、図６（ａ）に示す外側であってもよく、図６（ｂ）に示す内側であってもよい。

このように、カバーガラス１０１に傾斜光学表面８１を設けた変形例では、照明光学系集束レンズ７７、第二の集束レンズ１０３、第三の集束レンズ１０５の形状をそのままにできるので、レンズの製造を煩雑化せずに済む。また、照明光学系を組み立てるに際し、傾斜した光学表面８１を有するレンズを含め光軸合わせを行う必要がなく、光軸合わせの作業が煩雑にならない。

傾斜光学表面８１を備えた照明光学系４５では、光軸Ｏｃと平行に入射した光が光学表面８１から出射されると、光軸Ｏｃに対し非対称となり、光軸Ｏｃを挟み一方の側の光偏向角度（光発散角度）が他方の側の光発散角度より大きくなる。これにより、先端部１５の軸線に沿う光学素子（照明系レンズ７９又はカバーガラス１０１）の中心軸を回転中心とし、光学素子を回転中心により回転することで、照明光９７の照射範囲が変更可能となる。例えば、リンク機構等を用い、光軸Ｏｃに直交する軸回りに光学素子を揺動する機構に比べ、光軸Ｏｃを中心とした半径方向の機構の肥大化が抑止可能となる。なお、本明細書中、発散光とは光源から広がる光とし、拡散光とは規則的特性を持たず各方向に散らばる光として区別する。

図７は撮像窓の両側に照明光学系が設けられた先端部の断面図である。
本内視鏡１００では、傾斜光学表面８１を有する照明光学系４５，４５が、ＣＣＤ４３に光を取り込む撮像窓１１１（図１参照）の両側に設けられている。通常の検査は、図７（ａ）に示す周辺重視となるように照明される。拡大観察時には、図７（ｂ）に示すように、中心重視に照明される。照明光学系４５，４５を一対とすることで、撮像窓１１１を挟む両側に照明光９７の照射領域が形成できるとともに、この照明領域を、撮像窓１１１を中心とした左右均一な照度で形成できる。図中、１１３は、撮像光学系４１の光学素子群を示す。

図８は分配手段の設けられた先端部の断面図、図９はテレ時とワイド時における照明領域と撮像領域を（ａ）、（ｂ）に示した模式図である。
内視鏡１００は、回転駆動手段９５からの回転を、分配手段１１５にて分配して両側の照明光学系４５，４５の照明系レンズ７９を撮像窓１１１に対して対称方向に回転駆動できる。

分配手段１１５にて一対の照明系レンズ７９が撮像窓１１１に対し対称方向に回転されると、照明光９７の照射方向が図９（ａ）に示す中心側と、図９（ｂ）に示す周辺側とに選択的に光を照射することができる。すなわち、テレ時（拡大）には、特に撮像中心付近の領域１１７を照明するため、撮像光軸を挟み内側に向かう照明光軸に設定される。ワイド時（広角）には、周辺全体の領域１１９を照明するため、撮像光軸を挟み外側に向かう照射角度で傾斜する位置に設定される。これらの設定が、一対の光学素子（照明系レンズ７９又はカバーガラス１０１）の対称方向の回転にて連続的に切換動作可能となる。

図１０は可変焦点機構の駆動力を利用する構成例の先端部断面図である。
撮像光学系４１は、撮像系レンズを光軸方向に移動可能に配置して、ＣＣＤ４３に光を結像させる可変焦点機構１２１を備えてもよい。この場合、照明系レンズ７９を回転駆動するモータ２９をなくし、可変焦点機構１２１のレンズ移動を行うレンズ駆動手段が、回転駆動手段９５である線状伝達部材３３又はシャフト８９に駆動力を分配する構成にできる。レンズ駆動手段は、上記モータ２９に代わるレンズ駆動用モータ（不図示）を同位置で備え、レンズ駆動用モータは出力軸が線状伝達部材３３に接続される。

可変焦点機構１２１は、前側レンズ（又は群）１２３、観察距離を変化させるための２つの可動レンズ（又は群）１２５Ａ，１２５Ｂ、後側レンズ（又は群）１２７からなる対物光学系が設けられ、この対物光学系にプリズムケース６１を介してＣＣＤ４３が光学的に接続される。上記可動レンズ１２５Ａ，１２５Ｂの保持部材には、上記線状伝達部材３３に連結された回転駆動体１２９を貫通孔に挿通させる円筒部１３１Ａ，１３１Ｂが一体に設けられている。そして、円筒部１３１Ａ，１３１Ｂの貫通孔の内壁にはピン１３３が設けられ、他方の回転駆動体１２９の外周には、上記ピン１３３を係合するカム溝１３５Ａ，１３５Ｂが形成され、回転駆動体１２９と上記円筒部１３１Ａ，１３１Ｂが案内部材として機能する。

制御部６９が観察距離可変スイッチ２３の操作に基づきレンズ駆動用モータを駆動すると、線状伝達部材３３を介して回転駆動体１２９に伝達される。すると、回転駆動体１２９の回転が、そのカム溝１３５Ａ，１３５Ｂと円筒体１３１Ａ，１３１Ｂのピン１３３の係合によって直線運動に変換され、可動レンズ１２５Ａ，１２５Ｂが光軸方向において相互に接近または離反するように動き、変倍動作（焦点距離の変更）が行われる。

そして、線状伝達部材３３と回転駆動体１２９の間には主平歯車１３７が設けられ、主平歯車１３７は小径の平歯車１３９に噛合する。平歯車１３９は軸１４１の一端に固定され、軸１４１の他端には中間平歯車１４３が固定される。中間平歯車１４３は、シャフト８９の端部に固定された入力用の平歯車１４５に噛合している。つまり、主平歯車１３７の回転が、平歯車１３９、中間平歯車１４３を介してシャフト８９の入力用の平歯車１４５に伝達されるようになっている。図中、７８は集束用レンズ群を示す。

主平歯車１３７を介して分配される回転は、変倍動作に応じて、照明光９７の照明範囲を調整するように照明系レンズ７９を回転する。可変焦点機構１２１が拡大側に配置されると、図９（ａ）に示すように、照明光９７，９７は重なるように狭まり、広角側に配置されると図９（ｂ）に示すように、照明光９７，９７は離れるように広がる。

本構成によれば、可変焦点機構１２１が設けられる場合にレンズ駆動手段（レンズ駆動用モータ、線状伝達部材３３等）の駆動力を利用することにより、照明系レンズ７９を回転させるための新たな駆動源を設ける必要が無くなる。また、可変焦点機構１２１の焦点可変時（拡大又は広角時）に連動させて、照明光９７の照射範囲を拡縮することができ、煩わしい照明光操作を不要にして、焦点可変（拡大又は広角）に追従した最適照明を自動で形成することができる。

したがって、上記構成の内視鏡１００によれば、光学表面８１が光軸Ｏｃと直交する平面に対して傾斜した光学素子（照明系レンズ７９又はカバーガラス１０１）を回転駆動して、光学素子を通して出射される照明光９７の照射方向を変更するので、先端部軸線に沿う中心軸を回転中心とする回転機構にて照明光９７の照射範囲を変更できる。この結果、内視鏡先端部１５を大径化せずに、遠近視認性を向上させることができる。

内視鏡の先端部の斜視図である。 図１の先端部を有する内視鏡の操作部および先端部を切り欠いた側面図である。 先端部を制御部と共に示した模式図である。 照明系レンズに傾斜光学表面の形成された照明光学系の側面図である。 単体レンズに傾斜光学表面の形成された照明光学系の側面図である。 カバーガラスに傾斜光学表面の形成された照明光学系の側面図で（ａ）は傾斜光学表面をカバーガラスの外側に設けた場合、（ｂ）は内側に設けた場合を示す図である。 撮像窓の両側に照明光学系が設けられた先端部の断面図で（ａ）は周辺重視の照明状態、（ｂ）は中心重視の照明状態を示す図である。 分配手段の設けられた先端部の断面図である。 テレ時とワイド時における照明領域と撮像領域を（ａ）、（ｂ）に示した模式図である。 可変焦点機構の駆動力を利用する構成例の先端部断面図である。

符号の説明

１１ 内視鏡操作部
１５ 先端部
２５ 光学素子回転スイッチ
２９ モータ（回転駆動手段）
３３ 線状伝達部材（回転駆動手段）
４１ 撮像光学系
４３ ＣＣＤ（撮像素子）
４５ 照明光学系
７９ 照明系レンズ（光学素子）
８１ 光学表面
９７ 照明光
１００ 内視鏡
１０１ カバーガラス（光学素子）
１１１ 撮像窓
１１５ 分配手段
１２１ 可変焦点機構
Ｏｃ 光軸

Claims (7)

1. 内視鏡先端部から照明光を出射する照明光学系と、前記照明光の照射された被写体を撮像する撮像素子と、を備えた内視鏡であって、
   前記照明光学系が、
   内視鏡先端部に配置され、表裏いずれかの光学表面が光軸と直交する平面に対して傾斜して形成された光学素子と、
   前記光軸を中心に前記光学素子を回転駆動して、前記光学素子を通して出射される照明光の照射方向を変更する回転駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする内視鏡。
2. 請求項１記載の内視鏡であって、
   前記光学素子が、内視鏡先端部の最も外側に配置され光出射側表面が傾斜した照明系レンズであることを特徴とする内視鏡。
3. 請求項１記載の内視鏡であって、
   前記光学素子が、照明系レンズの外側に配置されたカバーガラスであることを特徴とする内視鏡。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の内視鏡であって、
   前記回転駆動手段を制御するスイッチが内視鏡操作部に設けられたことを特徴とする内視鏡。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の内視鏡であって、
   前記照明光学系が、前記撮像素子に光を取り込む撮像窓の両側に設けられたことを特徴とする内視鏡。
6. 請求項５記載の内視鏡であって、
   前記回転駆動手段からの回転を分配して前記両側の照明光学系の前記光学素子を前記撮像窓に対して対称方向に回転させる分配手段を備えたことを特徴とする内視鏡。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の内視鏡であって、
   前記撮像素子に光を結像させる撮像光学系が、撮像系レンズを光軸方向に移動可能に配置した可変焦点機構を備え、
   前記可変焦点機構のレンズ移動を行うレンズ駆動手段が、前記回転駆動手段に駆動力を分配することを特徴とする内視鏡。

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