JP5242221B2 - 撮像装置、電子内視鏡および撮像装置の組立方法 - Google Patents

Description

本発明は電子内視鏡等に組み込まれ、固体撮像装置で撮像を行う撮像装置、電子内視鏡および撮像装置の組立方法に関する。

従来例として、例えば特開昭６１−１６３３１６号公報中の図３に示されるように、３本の芯出し調整ビスを内視鏡の先端部本体内に設けて、これら各ビスの締め込み量を調整することにより、対物光学系の光軸と固体撮像装置の受光部中心との間の偏芯調整が行われる技術が開示されていた。

しかしこのような構成では、ビスを配置するスペースが必要となり撮像装置が大きくなってしまう。また、経時的にビスが緩んでくると光学性能が劣化してしまう。
特開昭６１−１６３３１６号公報

近年、固体撮像装置の小型化、高画素化が急速な速さで実現されてきた。この結果、従来は問題とならなかった固体撮像装置に組合わされる光学素子や光学素子を配設する鏡枠の加工誤差及び組立時のバラツキが観察画像に与える影響度合いが相対的に大きくなり、偏角や片ボケ等画像不良が発生すると言う課題がある。

本課題は２つの要因よりなる。１つ目は対物レンズユニット内の対物光学系の偏芯であり、２つ目は前記対物光学系の光軸に対する固体撮像装置ユニット内の固体撮像装置受光部中心の偏芯である。

双方の偏芯量が同等であれば、対物レンズユニットを回転調整することにより双方の偏芯を打ち消し、芯を略同一とすることが可能であるが、一方の偏芯が他方に比べて大きい場合は、調整にて双方の偏芯を取り除くことは困難である。 尚、特開昭６１−１６３３１６号公報にも示されているように、複数の対物レンズは先端側第１対物レンズを除き、対物レンズ枠の同一内径内に配置されているので、対物レンズユニットの偏芯は安定して抑えることが可能である。

一方、固体撮像装置受光部中心の偏芯は、固体撮像装置外形に対する受光部中心の偏芯と、固体撮像装置が固体撮像装置枠内に配置されるときの偏芯が加算されるため偏芯量も大きく、誤差も大きい。つまり、現状、偏芯量の大きな固体撮像装置ユニットは調整により偏芯を取り除くことは不可能である。

これら課題を解決するためには構成部品の加工精度を向上させると共に組立精度を向上させる必要があるが、製造限界と歩留まりを考慮するとかなりのコストアップとなってしまう。また、構成部品が持つバラツキを組立にて吸収・調整することは現状では不可能なレベルである。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、対物光学系と固体撮像装置受光部中心の偏芯を容易に調整でき、偏角・片ボケのない良好な観察像を得ることが出来る撮像装置、電子内視鏡および撮像装置の組立方法を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、対物レンズが対物レンズ枠の内周面に配設された対物レンズユニットと、前記対物レンズ枠の外周面と嵌合する内周面を有すると共に、前記対物レンズユニットの結像位置においてカバーガラスと一体的に形成された固体撮像装置が配置される固体撮像装置枠とより構成される撮像装置において、前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸と前記固体撮像装置枠の内周円筒の中心軸とを一致させた状態で、前記対物レンズ枠の外周面と前記固体撮像装置枠の内周面とを当該一致された中心軸周りに回動自在に嵌合し、前記対物レンズ枠の内周面に配設された前記対物レンズの光軸を、前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸に対して偏心した位置であって、前記対物レンズ枠を前記固体撮像装置枠内に嵌合するよう配設させ、当該対物レンズ枠を当該対物レンズ枠の外周円筒の中心軸周りに回動させた際、当該対物レンズ枠の外周面と前記固体撮像装置枠の内周面との間において嵌合誤差による生じる隙間、または、前記カバーガラスの中心軸と前記固体撮像装置における受光部中心軸との偏心誤差に起因する当該対物レンズの光軸と前記受光部中心軸との偏心を減じることを可能とする位置に配置したことを特徴とする。

本発明の電子内視鏡は、本発明による撮像装置が配置されて構成されていることを特徴とする。

本発明の撮像装置の組立方法は、対物レンズが対物レンズ枠の内周面に配置された対物レンズユニットと、前記対物レンズ枠の外周面と嵌合する内周面を有すると共に、前記対物レンズユニットの結像位置においてカバーガラスと一体的に形成された固体撮像装置が配置される固体撮像装置枠とより構成される撮像装置において、前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸と前記固体撮像装置枠の内周円筒の中心軸とを一致させた状態で、前記対物レンズ枠を前記固体撮像装置枠内に嵌合するよう配設した後、前記対物レンズ枠の内周面に配設された前記対物レンズの光軸が前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸に対して偏心した位置に配置された前記対物レンズ枠と前記固体撮像装置枠とを、当該対物レンズ枠の外周面と前記固体撮像装置枠の内周面との間において嵌合誤差による生じる隙間、または、前記カバーガラスの中心軸と前記固体撮像装置における受光部中心軸との偏心誤差に起因する当該対物レンズの光軸と前記受光部中心軸との偏心を減じるよう、前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸周りに回動させた後、該対物レンズ枠と該固体撮像装置枠とを固定することを特徴とする。

本発明によれば、現状の加工精度、組立精度にて対物光学系と固体撮像装置受光部中心との偏芯を容易に調整することができるので、コストアップすることなく、偏角や片ボケの少ない良好な観察像を得る撮像装置、電子内視鏡および撮像装置の組立方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１ないし図３は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は第１の実施の形態を備えた内視鏡システムの全体構成を示し、図２は撮像装置の構成を示し、図３は対物レンズユニット側を回転して偏芯調整を行う説明図を示す。

図１に示すように内視鏡検査を行う内視鏡システム１は、内視鏡２を有し、この内視鏡２は術者が把持して操作を行う操作部３と、この操作部３の前端に形成され、体腔内等に挿入される細長の挿入部４と、操作部３の側部からその基端が延出されたユニバーサルコード５とより構成される。

また、挿入部４は、その先端に設けられた硬質の先端部６と、この先端部６の後端に設けられた湾曲自在の湾曲部７と、この湾曲部７の後端に設けられた長尺で可撓性を有する可撓管部８とからなり、湾曲部７は操作部３に設けられた湾曲操作レバー９により湾曲操作が可能である。

また、挿入部４の先端部６には、光学的観察するための対物レンズ１１を取り付けた観察窓と、対物レンズ１１の表面に水や空気等の流体を噴きつけるノズル１２と、照明光を出射して照明する照明窓１３と、処置具挿通孔の先端開口１４とが設けられている。

ノズル１２から気体と液体を選択的に噴出させるため、操作部３には送気送水操作ボタン１６と、処置具挿通孔の先端開口１４より選択的に体腔内の粘液等を回収するための吸引操作ボタン１７が配設されている。処置具挿通孔は挿入部４内に配設された図示しないチューブ等によって形成され、操作部３の前端付近に設けた処置具挿入口１８と連通している。

上記ユニバーサルコード５の末端にはコネクタ１９が設けられ、このコネクタ１９は内視鏡２の周辺装置としての光源装置２１に接続される。このコネクタ１９の先端から突出する流体管路の接続端部となる図示しない口金と、照明光の供給端部となる図示しないライトガイド口金とは光源装置２１に着脱自在で接続され、また側面に設けた電気接点部には接続ケーブル２３の一端が接続される。

また、この接続ケーブル２３の他端のコネクタは内視鏡２の周辺装置としてのビデオプロセッサ２２に電気的に接続され、内視鏡２の先端部６に内蔵した撮像手段を駆動する駆動信号を供給し、この駆動信号の供給により撮像手段から出力される撮像信号（画像信号）に対して信号処理を行い映像信号を生成する。

そして、この映像信号を内視鏡２の他の周辺装置としてのモニタ２５に出力し、モニタ２５の表示面に撮像手段で撮像した画像が内視鏡画像として表示される。上記光源装置２１、ビデオプロセッサ２２、モニタ２５等の周辺装置は、患者情報の入力等を行うキーボード２４と共に、架台２６に配置されている。

光源装置２１で発生した照明光は、ユニバーサルコード５から操作部３及び挿入部４内を通した図示しないライトガイドにより伝送され、先端部６の照明窓１３から、体腔内に拡開して照射され、患部等の被写体側を照明できるようにしている。

上記先端部６の観察窓には対物レンズ１１を介して体腔内を撮像する図２に示す撮像装置２０が配置されている。

そして、図２に示すこの撮像装置２０から得た体腔内観察像の画像信号は内視鏡２の内部に配設された複数の同軸線４４、単純線４７より構成される信号ケーブル４３を通じて、図１に示すコネクタ１９に設けられた電気接点部に伝達され、さらに接続ケーブル２３を通じてビデオプロセッサ２２に伝達される。

次に図２を参照して撮像装置２０の構成を説明する。
図２に示すように撮像装置２０は、対物レンズユニット３１と、この対物レンズユニット３１の結像位置に配置される固体撮像装置（固体撮像素子）３２を有する固体撮像ユニット３３とより構成されている。

対物レンズユニット３１は、対物レンズ１１をはじめとする複数の対物レンズ３４が円管形状の対物レンズ枠３５内に配置されて対物光学系が構成されており、複数の対物レンズ３４間には各対物レンズ３４を所定位置に配置する為の間隔管３６と、フレア等の光学的不具合を防止する為の光学絞り３７が複数介在されている。

そして、この対物レンズユニット３１の光軸中心“Ｘ”は、後述する固体撮像装置枠３８と嵌合する対物レンズ枠３５の嵌合部中心軸“Ｙ”より、βオフセット（図３（Ａ）参照）された位置に配置されている。なお、図２では、図３（Ａ）における縦方向の成分αオフセットされた状態で示してある。

次に固体撮像ユニット３３を説明する。
固体撮像ユニット３３を構成する固体撮像装置３２は、この固体撮像装置３２の受光部を覆う保護ガラス３９の前面に紫外線硬化型接着剤等によりカバーガラス４０が接着固定された後、フレア絞り４１と共に固体撮像装置枠３８内に嵌合固定されている。

この固体撮像装置３２の裏面には複数のリードピン４２が２列に設けられており、一列のリードピン４２には信号ケーブル４３を構成する複数の同軸線４４が半田等により接続されており、もう一列のリードピン４２には複数の電子部品４５が予め実装された回路基板４６が半田等により接続されている。尚、電子部品４５にも単純線４７が接続されている。

そして、前記固体撮像装置枠３８の後端にはシールド枠４８の先端が外嵌して接着剤で固定され、、このシールド枠４８により固体撮像装置３２及びその裏面側の回路基板４６の周囲を覆い、ノイズの侵入等を防止するようにしている。 このシールド枠４８の外周側はさらに熱収縮チューブ４９により被覆される。尚、シールド枠４８内は、固体撮像装置３２をはじめとすると電装部を封止する為の例えばエポキシ系の封止樹脂５０が充填されている。

また、信号ケーブル４３の先端部には、この信号ケーブル４３内部に配設される同軸線４４及び単純線４７が進退移動しないように糸５１で縛り固定している。そして、この信号ケーブル４３には、この信号ケーブル４３を内視鏡２内の他の内蔵物から保護する為の保護チューブ５２で被覆され、保護チューブ５２の先端部は糸５３が巻き締められることにより固定される。

本実施の形態の撮像装置２０では、以下に説明するようにして、対物光学系の光軸Ｘと固体撮像装置３２の受光部中心Ｚとの位置ずれ、つまり偏芯を、許容される範囲内に容易に調整できるようにしている。

固体撮像装置３２の受光部中心Ｚは対物レンズユニット３１の光軸Ｘと完全に一致させることは不可能であり、画像不良を発生させない許容される範囲の偏芯量、例えば受光部対角線の長さ（大きさ）が５ｍｍ程度の固体撮像装置３２であれば２０μｍ以下に抑える必要がある。

しかし、現状の組立精度では双方による偏芯を３０μｍ程度に抑えることが限界である。双方を一致させられない原因は、対物レンズユニット３１と固体撮像装置枠３８とを嵌合させた時に生じる嵌合誤差：例えば１０μｍと、固体撮像装置３２とカバーガラス４０を接合する時に生じる受光部中心Ｚとカバーガラス中心の偏芯誤差：例えば２０μｍである。

そこで、本実施の形態では、対物レンズユニット３１を構成する対物レンズ１１、３４の光軸Ｘを、対物レンズ１１、３４が配設される対物レンズ枠３５と、固体撮像装置３２が配設される固体撮像装置枠３８との嵌合部中心軸“Ｙ”より所望調整寸法分、例えば、前述した嵌合誤差及び偏芯誤差を調整し得る寸法：β＝１５μｍをオフセットした位置に配置する。

このことで、組合わされる固体撮像装置枠３８内の固体撮像装置３２の受光部中心“Ｚ”が嵌合部中心軸“Ｙ”に対して図２或いは図３（Ａ）に示すように偏芯していたとしても、対物レンズユニット３１を回転してその際の偏芯量を調整することにより、対物光学系の光軸“Ｘ”と固体撮像装置３２の受光部中心“Ｚ”とを図３（Ｂ）に示すように観察画像上、偏角や片ボケが問題とならない領域Ｂ：２０μｍ以下に調整することを可能となるようにしている。

この場合における上記の所望寸法とは、個々の撮像装置を構成する対物レンズ枠３５と固体撮像装置枠３８との嵌合ガタ及び、固体撮像装置枠３８内における固体撮像装置受光部中心Ｚとの偏芯を調整し得る寸法である。
また、対物レンズユニット３１と固体撮像装置枠３８との嵌合部断面形状が円形であるため、連続的に細かく回転調整を行うことが可能である。

次に図３を参照して、偏芯量を調整する作用を説明する。なお図３（Ａ）は固体撮像装置枠３８との嵌合部の中心軸Ｙ、対物光学系の光軸Ｘ、固体撮像装置３２の受光部３２ａの中心Ｚ等の関係の概略図を示し、図３（Ｂ）はモニタ２５の画面上での偏芯調整の様子を示す。

なお、図３（Ａ）は上述のような概略図を示すが、その主要な特徴としては、固体撮像装置枠３８の中心軸“Ｙ”に対して、その嵌合部に嵌合する（その外径の中心軸に対して偏芯した内径となる）対物レンズ枠３５に取り付けられた対物光学系の光軸“Ｘ”が所望調整寸法分、例えば、βだけオフセットしている関係となっており、この関係のために図３（Ｂ）のようにして、対物レンズ枠３５側を回転することにより、固体撮像装置３２の受光部３２ａの中心Ｚから許容される距離内に光軸Ｘの位置を調整可能にしている。

図３（Ａ）に示すように、その中心軸がＹとなる固体撮像装置枠３８の（内周面の）嵌合部には、対物レンズユニット３１の例えば２点鎖線でその内周面３５ａを示す対物レンズ枠３５の外周面３５ｂが嵌合する。

この対物レンズ枠３５はその外周面に対してその内周面が（或いはその逆で内周面に対して外周面が）偏芯するようにして形成され、従って対物レンズ枠３５の内周面に取り付けられた対物レンズ１１，３４の光軸Ｘは嵌合部の中心軸Ｙから例えば距離βだけオフセットした状態で偏芯している。
また、２点鎖線で示す固体撮像装置３２の受光部３２ａはその中心Ｚが殆どの場合、光軸Ｘ或いは中心軸Ｙから偏芯している。

この場合、対物レンズユニット３１側、つまり対物レンズ枠３５を固体撮像装置枠３８側に対して回転することにより、光軸Ｘの位置は中心軸Ｙの回りで円ｃを描くように移動することになる。

そして、中心軸Ｙと受光部３２ａ中心Ｚとを結ぶ線に近い領域に近い円ｃ上の位置は受光部３２ａ中心Ｚからの偏芯量が小さい状態となる。つまり、対物レンズユニット３１側を回転することにより、光軸Ｘと受光部３２ａ中心Ｚとの偏芯量を小さな状態に調整することができる。

この調整の様子を図３（Ｂ）で説明する。
モニタ２５上の観察画面上では、固体撮像装置３２の受光部３２ａ中心Ｚが観察視野範囲の中心となるようにビデオプロセッサ２２内にて映像処理される為、図３（Ｂ）に示すように対物レンズユニット３１と固体撮像装置ユニット３３をピント出しした初期時の偏芯位置が観察視野中心“Ｏ”（受光部中心Ｚに該当）に対してＸａの場合、対物レンズユニット３１を回転させることより、観察上支障のない領域Ｂ内に含まれるハッチングで示す領域Ｄ内に調整することが出来る。

よって、対物レンズユニット３１をハッチングにて示すこの領域Ｄ内にて固定することにより、撮像装置２０の偏芯量を観察上支障の無い（或いは偏芯や片ボケが問題とならない）位置に調整固定することができる。
なお、図３（Ｂ）のように調整する場合、中心軸Ｙと観察視野中心“Ｏ”を結ぶ線分上の偏芯位置Ｘｂに光軸Ｘを設定すると最も偏芯量が少ない状態に設定できることになる。つまり、Ｘｂはこの場合の撮像装置において、ベストに調整された場合の偏芯位置を示す。

以上の構成によれば、現状の加工精度、組立精度にて対物光学系の光軸Ｘと固体撮像装置３２の受光部中心Ｚとの偏芯を許容される値以下に容易に調整することができるので、コストアップすることなく、偏角や片ボケのない良好な撮像画像（観察画像）を得ることができる撮像装置２０を提供することが出来る。

なお、上述の説明では、具体的なオフセットの値として、例えばβ＝１５μｍとした場合を挙げたがこれに限定されるものでなく、受光部中心Ｚとカバーガラス中心の偏芯誤差程度の値としても良い。

ところで、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示す対物レンズユニット６０は、（第１）対物レンズ６１の外形中心が、その内面（裏面）側のＲ面６２中心と一致するように芯取り形成されると共に、表裏面が側面に対して垂直に形成された対物レンズ６１が、対物レンズ枠６３の先端部内径に形成されたテーパ部６４に当接した位置にて対物レンズ平行出し治具６５を用いて接着固定されている。

これにより、対物レンズ６１が傾くことなく対物レンズユニット６０を形成することが出来るので、偏角・片ボケのない対物レンズユニットを提供することができる。

撮像装置を構成する対物レンズユニットと固体撮像装置ユニットをピント出し調整する為には、双方を保持固定し、双方をピントの合う所望位置にて固定した状態にて接着固定する必要があるが、撮像装置が小型化されるに伴い、対物レンズユニットを構成する対物レンズ枠の肉厚は薄くなる。この為、対物レンズユニットを強く保持してしまうと、対物レンズ粋が変形を起こして、対物レンズ枠と対物レンズの接着面が剥離したり、対物レンズが破損する不具合が生じてしまう。

そこで、図５に示すように、対物レンズ枠６６の材質を磁性体を含む材料で構成すると共に、対物レンズユニット６７を保持するホールド治具６８に磁石を用いることで、対物レンズユニット６７にメカ的ストレスを加えることなく保持することが可能となる。
尚、対物レンズ枠６６は真鍮にて形成し、磁性体を含む素材を用いてメッキしても良い。
以上より、対物レンズユニットを破損することなく撮像装置を組立てることが出来る。

この場合、図６に示すような対物レンズユニット７３にしても良い。
つまり、対物レンズ枠６９の外形をホールド治具７０に形成されたＶ溝７１に当接するようにＤカット面７２を形成することにより、接着剤硬化時に対物レンズユニット７３が回転することを防止することが出来るので、ピント出し時に調整した状態を保つことが可能となり画像不良の発生を防止することが出来る。

また、対物レンズ枠７４内径を図７に示すように対物レンズ７５に対してクリアランスが異なる部位７６，７７を形成し、ピント出し時にはクリアランスが小さい部位７６を保持することにより、対物レンズ枠７４の変形を防止することが出来るので対物レンズ枠７４と対物レンズ７５の接着面の剥離を防止することが出来る。

なお、図２及び図３を参照しての説明では、固体撮像装置枠３８の前端側に対物レンズ枠３５が内嵌する例で、説明したが、この関係が逆のものでも適用することができる。

また、対物光学系の光軸Ｘを嵌合部中心Ｙから偏芯させるようにオフセットを与える場合、対物レンズ枠３５の内周面等を偏芯させて形成することで所望とする値のオフセットを与えると説明したが、その一部或いは大部分を固体撮像装置枠３８側で発生させるようにした場合も本発明に属する。

本発明の第１の実施の形態を備えた内視鏡システムの全体構成図。 撮像装置の構成を示す縦断面図。 対物レンズユニット側を回転して偏芯調整を行う説明図。 先端側がテーバ状にされた対物レンズ枠に第１対物レンズを傾く事無く取り付ける場合の説明図。 対物レンズユニットを変形させるようなことなく取り付ける方法の説明図。 図５の変形例を示す図。 ピント出し時にクリアランスの小さい部分で対物レンズを保持する場合の説明図。

符号の説明

１…内視鏡システム
２…内視鏡
３…操作部
４…挿入部
６…先端部
１１、３４…対物レンズ
２０…撮像装置
３１…対物レンズユニット
３２…固体撮像装置（素子）
３２ａ…受光部
３３…固体撮像ユニット
３５…対物レンズ枠
３７…光学絞り
３８…固体撮像装置枠
３９…保護ガラス
４０…カバーガラス
β…オフセット
Ｘ…光軸
Ｙ…嵌合部中心軸
Ｚ…受光部中心
Ｂ…偏角や片ボケが問題とならない領域
Ｄ…観察上支障のない領域
Ｘｂ…ベストに調整された場合の偏芯位置、

Claims (3)

1. 対物レンズが対物レンズ枠の内周面に配設された対物レンズユニットと、
   前記対物レンズ枠の外周面と嵌合する内周面を有すると共に、前記対物レンズユニットの結像位置においてカバーガラスと一体的に形成された固体撮像装置が配置される固体撮像装置枠とより構成される撮像装置において、
   前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸と前記固体撮像装置枠の内周円筒の中心軸とを一致させた状態で、前記対物レンズ枠の外周面と前記固体撮像装置枠の内周面とを当該一致された中心軸周りに回動自在に嵌合し、
   前記対物レンズ枠の内周面に配設された前記対物レンズの光軸を、前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸に対して偏心した位置であって、前記対物レンズ枠を前記固体撮像装置枠内に嵌合するよう配設させ、当該対物レンズ枠を当該対物レンズ枠の外周円筒の中心軸周りに回動させた際、当該対物レンズ枠の外周面と前記固体撮像装置枠の内周面との間において嵌合誤差による生じる隙間、または、前記カバーガラスの中心軸と前記固体撮像装置における受光部中心軸との偏心誤差に起因する当該対物レンズの光軸と前記受光部中心軸との偏心を減じることを可能とする位置に配置したことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置が配置されて構成されていることを特徴とする電子内視鏡。
3. 対物レンズが対物レンズ枠の内周面に配置された対物レンズユニットと、
   前記対物レンズ枠の外周面と嵌合する内周面を有すると共に、前記対物レンズユニットの結像位置においてカバーガラスと一体的に形成された固体撮像装置が配置される固体撮像装置枠とより構成される撮像装置において、
   前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸と前記固体撮像装置枠の内周円筒の中心軸とを一致させた状態で、前記対物レンズ枠を前記固体撮像装置枠内に嵌合するよう配設した後、前記対物レンズ枠の内周面に配設された前記対物レンズの光軸が前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸に対して偏心した位置に配置された前記対物レンズ枠と前記固体撮像装置枠とを、当該対物レンズ枠の外周面と前記固体撮像装置枠の内周面との間において嵌合誤差による生じる隙間、または、前記カバーガラスの中心軸と前記固体撮像装置における受光部中心軸との偏心誤差に起因する当該対物レンズの光軸と前記受光部中心軸との偏心を減じるよう、前記対物レンズ枠の外周円筒の中心軸周りに回動させた後、該対物レンズ枠と該固体撮像装置枠とを固定することを特徴とする撮像装置の組立方法。

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