JP5881924B1

JP5881924B1 - カプセル型内視鏡

Info

Publication number: JP5881924B1
Application number: JP2015554378A
Authority: JP
Inventors: 中村　稔; 稔中村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2035-04-08
Also published as: CN105682533A; WO2015159770A1; US20160235282A1; EP3132735A1; JPWO2015159770A1

Abstract

視野範囲を十分に拡大させ、拡大した視野範囲に充分な照明光を配光する。対物レンズユニット（１１）が最も物体側に、物体側に凸面を向け該凸面が外部に面するように配置された負のパワーのメニスカスレンズであるレンズを有し、照明ユニット（１３）が、光源と照明用窓部材（１９）とを有し、光源がレンズの周囲を囲繞するように配置され、照明用窓部材がレンズの周囲を囲繞する略円環状に形成され、レンズの凸面のうち光束が通る最外径部分よりも像側に位置し、照明用窓部材とレンズとの間に対物レンズユニットに対する照明光の入射を遮光する遮光部材が配置され、下記条件式（１）及び（２）を満足するカプセル型内視鏡を提供する。−１０＜ｆ１／ｆ＜−４・・・（１）０．７＜ｄ１／ｆ＜２・・・（２）但し、ｆ１はレンズの焦点距離、ｆは対物レンズユニットの焦点距離、ｄ１はレンズとレンズの像側に隣接して配置される他のレンズとの距離である。

Description

本発明は、カプセル型内視鏡に関する。

従来、被検者に飲み込まれ、被検者の体内を移動する間に被検者の体内を撮像するカプセル型の内視鏡が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。
このようなカプセル型内視鏡は、被検者体内での位置や姿勢を制御することが難しいため、カプセル型内視鏡が姿勢を変えなくてもできるだけ広い範囲を撮像できるように、カプセル型内視鏡の撮像光学系の視野範囲はできるだけ広い範囲であることが好ましい。

特開２００４−３５７９３３号公報特開２００８−４３６２６号公報

しかしながら、上述した特許文献１のカプセル型内視鏡は、観察光学系のパワーが弱いため視野範囲が狭く、照明光学系も前方を照明するに留まっている。特許文献２のカプセル型内視鏡は、観察光学系のカバーのパワーが強いため視野範囲は比較的広いが、カバーとカバーに隣接するレンズとの間隔が広いために視野範囲が充分とは言い難い。また、照明光学系の発光素子がケースの外側に突出し、照明窓がカバーと共通であるにもかかわらず、照明光の観察光学系への遮光部材がない。このため、フレア等の有害光が観察光学系に入射してしまい、取得される画像の劣化を招く虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、視野範囲を十分に拡大させると共に、拡大した視野範囲に充分な照明光を配光することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、ケースと、該ケースに収容される対物レンズユニット、撮像素子及び照明ユニットを備え、前記対物レンズユニットの最も物体側に配置される第１レンズが、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズであり、少なくとも前記凸面が前記ケースの外部に面するように配置され、前記照明ユニットが、光源ユニットと、前記ケースの外部に面し前記光源から射出した照明光を外部に導光する照明用窓部材とを有し、前記光源が、前記第１レンズの周囲を囲繞するように配置され、前記照明用窓部材が、前記第１レンズの周囲を囲繞する略円環状に形成され、前記第１レンズの前記凸面のうち光束が通る最外径部分よりも像側に位置し、前記照明用窓部材と前記第１レンズとの間に、前記対物レンズユニットに対する照明光の入射を遮光する遮光部材が配置され、下記条件式（１）及び（２）を満足するカプセル型内視鏡をである。
−１０＜ｆ１／ｆ＜−４・・・（１）
０．７＜ｄ１／ｆ＜２・・・（２）
ただし、ｆ１は前記第１レンズの焦点距離であり、ｆは前記対物レンズユニットの焦点距離であり、ｄ１は前記第１レンズと前記第１レンズの像側に隣接して配置されるレンズとの距離である。

本態様によれば、第１レンズの物体側面を凸面として負のディストーションを強くし、その対物レンズユニットの第１レンズ以外の部分とのパワーとを合成する近軸計算から、第１レンズのパワーを負とし、条件式（１）及び条件式（２）を満足するように構成する。このようにすることで、後方を観察することが可能な１８０°以上の画角を確保することができる。

条件式（１）の下限を下回ると、第１レンズのパワーが弱くなることから、近軸計算から画角を確保するために全体の焦点距離を短くするためには、第１レンズ以外の部分との間隔を広げる必要が生じるため対物レンズユニットの全長が長くなる。条件式（１）の上限を超えると、第１レンズのパワーと第１レンズの像面側の面の曲率が強くなり、必要な光束を通す第１レンズの像側の面の範囲を確保することが難しくなるため、画角を１８０度以上にできなくなると共に、収差が劣化する。
条件式（２）の下限を下回ると、第１レンズのパワーが強くなりすぎて性能が劣化し、上限を超えると、全長が長くなり、外径が大きくなってしまう。

さらに、第１レンズの周囲に、第１レンズを囲繞する略円環状に形成された照明窓を配置することで、１８０°以上の画角をカバーする良好な配光と光量とを確保することができる。
照明用窓部材と第１レンズとの間に、対物レンズユニットに対する照明光の入射を遮光する遮光部材を配置しているので、対物レンズに対する照明光の直接的またはケース面等において反射したフレア等の有害光を防ぐことができる。
第１レンズの物体側面である凸面をケースの外部に面するように配置することが好ましく、このようにすることで、第一レンズの凸面が、外部との境界となるケースの一部として機能するので、カプセル型内視鏡の全長を短くすることができる。

上記態様において、以下の条件式（３）を満足することとしてもよい。
１．１＜ｆｍ／ｆ≦１．３・・・（３）
ただし、ｆｍは前記対物レンズユニットから前記第１レンズを除いた部分の焦点距離である。

このようにすることで、レンズ枚数を抑え、製造コストを抑制することができる。条件式（３）の下限を下回ると、第１レンズのパワーが弱くなるため、対物レンズユニットの全長が長くなる。条件式（３）の上限を超えると、収差が悪化すると共に、第１レンズのパワーが強くなり、それに伴って対物レンズユニットの第１レンズ以外の部分のパワーも強くなる。このため、収差補正のためにレンズ枚数の増加が必要になり、全長が長くなる、コストが上がる等の不具合が生じる。

上記態様において、前記遮光部材の物体側から見た正面形状が、前記撮像素子の外形形状に合致させた略矩形状であることとしてもよい。
このようにすることで、正面方向の照明窓部材の投影面積を増やすことができるため、より正面方向の配光を向上させることができる。

上記態様において、前記遮光部材が、前記対物レンズユニットを保持するレンズ保持枠と一体的に形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、製造コストを低減させることができると共に、対物レンズユニット、延いてはカプセル型内視鏡の組立が容易となる。また、対物レンズユニットに対する有害光の遮光性をより向上させることができる。

本発明によれば、視野範囲を十分に拡大させると共に、拡大した視野範囲に充分な照明光を配光することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るカプセル型内視鏡の全体構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係るカプセル型内視鏡に適用される対物光学系の全体構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係るカプセル型内視鏡に適用されるレンズ保持枠の全体構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係るカプセル型内視鏡に適用される光源ユニットの全体構成を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係るカプセル型内視鏡に適用される照明用窓部材の全体構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の他の例に係るカプセル型内視鏡に適用される照明用窓部材の全体構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係るカプセル型内視鏡に適用される照明用窓部材の全体構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係るカプセル型内視鏡に適用されるレンズ保持枠の全体構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るカプセル型内視鏡の全体構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るカプセル型内視鏡に適用される対物光学系の全体構成を示す断面図である。２方向観察可能のカプセル型内視鏡の例の全体構成を示す断面図である。６方向観察可能のカプセル型内視鏡の例の概念を示す参考斜視図である。図１２の６方向観察可能のカプセル型内視鏡の例の全体構成を示す断面図である。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係るカプセル型内視鏡について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るカプセル型内視鏡の概略構成を示す断面図である。カプセル型内視鏡は、ケース１０、ケース１０に収容され被写体像を結像する対物レンズユニット１１、対物レンズユニット１１により結像された被写体の像を撮像する撮像素子１２、被写体に照明光を照射する照明ユニット１３を備えている。

対物レンズユニット１１は、複数のレンズからなる対物光学系１５と対物光学系を保持するレンズ保持枠１６とを備えている。
図２に示すように、対物光学系１５は、物体側から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、明るさ絞りＳ，第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４からなり、対物光学系１５の最も物体側に配置される第１レンズＬ１が、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズとなっている。

また、対物光学系１５は、下記の条件式（１）及び（２）を満足するように構成されている。
−１０＜ｆ１／ｆ＜−４・・・（１）
０．７＜ｄ１／ｆ＜２・・・（２）
ただし、ｆ１は前記第１レンズの焦点距離であり、ｆは前記対物レンズユニットの焦点距離であり、ｄ１は前記第１レンズと前記第１レンズの像側に隣接して配置されるレンズとの距離である。

また、下記の条件式（３）を満足するようになっている。
１．１＜ｆｍ／ｆ≦１．３・・・（３）
ただし、ｆｍは前記対物レンズから前記第１レンズを除いた部分の焦点距離である。

条件式（３）の下限を下回ると、第１レンズのパワーが弱くなるため、対物レンズユニットの全長が長くなる。条件式（３）の上限を超えると、収差が悪化すると共に、第１レンズのパワーが強くなり、それに伴って対物レンズユニットの第１レンズ以外の部分のパワーも強くなる。このため、収差補正のためにレンズ枚数の増加が必要になり、全長が長くなる、コストが上がる等の不具合が生じる。

図３に示すように、レンズ保持枠１６は、正面視で円環状に構成され、第１レンズＬ１を保持する第１保持部１６Ａと、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４を保持する第２保持部１６Ｂとを有している。第１保持部１６Ａは、第１レンズＬ１の側面を保持する側面保持部１７Ａ及び第１レンズＬ１の像面側となる面を保持する平面保持部１７Ｂとを有している。第１レンズは、第１保持部１６Ａに保持されたときに、第１レンズＬ１の物体側に面した凸面がケース１０の外部に面するように配置され、第１レンズＬ１の凸面がケースの一部として機能するようになっている。

第２保持部１６Ｂは、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４の側面を保持し、第１レンズＬ１と第２保持部１６Ｂとにより形成される空間に、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４を収容するようになっている。
レンズ保持枠１６を遮光性のある材料で形成することにより、レンズ保持枠が遮光部材として機能する。すなわち、後述するユニット１８と第１レンズＬ１との間に、対物レンズユニット１１に対する照明光の入射を遮光する遮光部材が配置されることとなる。従って、レンズ保持枠１６の外部に配置される照明ユニット１３からの照明光がレンズ保持枠１６に収容される対物光学系１５へ入射することを遮ることができる。

照明ユニット１３は、光源ユニット１８と、光源ユニット１８から射出した照明光を外部に導光する照明用窓部材１９とを備えている。
光源ユニット１８は、図４に示すように、正面視で第１レンズＬ１の周囲を囲繞する略円環状に形成されたフレキシブル基板１８Ａと、このフレキシブル基板上に均等に複数配置されたＬＥＤ１８Ｂとを備えている。図４では、９０°間隔で４つのＬＥＤを配置した例を示しており、第１レンズＬ１を囲繞するように配置されている。

照明用窓部材１９は、図５に示すように、正面視で第１レンズの周囲を囲繞する略円環状に形成され、ケース１０の端部に嵌合し、かつ、照明用窓部材１９の内側に光源ユニット１８及びレンズ保持枠１６収容するように構成され、第１レンズＬ１の凸面のうち光束が通る最外径部分よりも像側に位置するようになっている。照明用窓部材１９の外表面はケース１０の外部に面し、上述の第１レンズＬ１の凸面と、第１レンズを保持するレンズ保持枠の側面保持部１７Ａの端面と照明用窓部材の外表面とが面一に配置され、ケースの一部としての機能をも果たすようになっている。

このように本実施形態によれば、第１レンズの物体側面を凸面として負のディストーションを強くし、その対物レンズユニットの第１レンズ以外の部分とのパワーとを合成する近軸計算から、第１レンズのパワーを負とし、条件式（１）及び条件式（２）を満足するように構成する。このようにすることで、後方を観察することが可能な１８０°以上の画角を確保することができる。

また、第１レンズの周囲に、第１レンズを囲繞する略円環状に形成された照明窓を配置することで、１８０°以上の画角をカバーする良好な配光と光量とを確保することができる。
レンズ保持枠１６を遮光性材料で形成することにより、照明用窓部材と第１レンズとの間に、対物レンズユニットに対する照明光の入射を遮光する遮光部材を配置したこととなり、対物レンズに対する照明光の直接的またはケース面等において反射したフレア等の有害光の入射を防ぐことができる。
さらに、第１レンズの凸面をケースの外部に面するように配置することで、第一レンズの凸面が、外部との境界となるケースの一部として機能するので、カプセル型内視鏡の全長を短くすることができる。

（変形例１）
上記した第１の実施形態においては、レンズ保持枠１６及び照明用窓部材１９を正面視円形の第１レンズが保持可能となるように、内側及び外側が共に円形状の略円環状に形成したが、必ずしもこれに限られない。すなわち、被写体像を結像する撮像素子が長方形であることから、第１レンズを結像に必要な光束を遮らない程度に撮像素子の長編及び短編に合致させた矩形状とし、この第１レンズの形状に合致させるようにレンズ保持枠１６及び照明用窓部材１９の内形状を略矩形状とすることができる（図７及び図８参照）。
このようにすることにより、照明用窓部材の投影面積を増大させることができ正面方向の配光をより向上させることができる。

なお、上記した第１の実施形態及びその変形例１においては、照明用窓部材１９を、正面視で第１レンズの周囲を囲繞する略円環状に形成したが、必ずしも円環状に限られず、例えば、図６に示すように、円弧形状の複数の照明用窓部材２０を略円環状に配置する構成としてもよい。

以下に、上記第１の実施形態及びその変形例１の実施例１及び実施例２に係る対物光学系のレンズデータを示す。下記のレンズデータにおいて、ｒは曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｎｄはｄ線に対する屈折率、Ｖｄはｄ線に対するアッベ数を示している。非球面については、レンズデータの面番号に＊を示し、次式で表される非球面形状の近軸曲率半径ｒ、円錐形数Ｋ、非球面系数Ａｉ（ｉ＝２，４，６，８，１０）を非球面データに示す。なお、次式は、光軸方向をｚ、光軸に直交する方向をｙにとっている。
ｚ＝（ｙ^２／ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｙ／ｒ）^２｝^１／２］
＋Ａ２ｙ^２＋Ａ４ｙ^４＋…＋Ａ８ｙ^８＋Ａ１０ｙ^１０

（実施例１）
上記第１の実施形態及びその変形例１に係る実施例１の対物光学系のレンズデータを以下に示す。

レンズデータ
面番号ｒｄＮｅＶｄ
物体面 ∞ ∞ １．
１９．５８８５０．６４８０１．５３２９６５５．６９
２２．５８５５１．２１３８１．
３５１．８３９７０．３８８８１．５３２９６５５．６９
４０．９６９４０．７７７６１．
５明るさ絞り∞ ０．０９５９１．
６２．０７２３１．２１８２１．５３２９６５５．６９
７＊ −１．２５７１０．２０７４１．
８２．８３９５１．０３６８１．５３２９６５５．６９
９ −２１．５７８３１．３３９６１．
１０（像面）∞

非球面データ
第７面
ｒ＝−１．２５７１
Ｋ＝−１．８３９０
Ａ２＝０．０
Ａ４＝４．０１６６ｅ−０３
Ａ６＝４．９０１５ｅ−０２
Ａ８＝８．１８３２ｅ−０２
Ａ１０＝−３．０７４５ｅ−０２

画角（２ω）２００．８°
最大像高１．２６４
Ｆｎｏ．４．６２５
焦点距離１．０００

ｆ１／ｆ：−６．８６
ｄ１／ｆ：１．２１
ｆｍ／ｆ：１．２２

（実施例２）
上記第１の実施形態及びその変形例１に係る実施例２の対物光学系のレンズデータを以下に示す。

レンズデータ
面番号ｒｄＮｅＶｄ
物体面 ∞ ∞ １．
１７．４４６６０．７１９５１．５３２９６５５．６９
２２．０５１８１．１２３１１．
３ −６２．９０７８０．４３１７１．５３２９６５５．６９
４０．９３７１０．９１４４１．
５明るさ絞り∞ ０．１２８４１．
６１．８５４５１．３５２８１．５３２９６５５．６９
７＊ −１．２４７００．２３０３１．
８４．９１９０１．１５１３１．５３２９６５５．６９
９ −６５．３７７７１．４６５０１．
１０（像面）∞

非球面データ
第７面
ｒ＝−１．２４７０
Ｋ＝−１．９２６２
Ａ２＝０．０
Ａ４＝−８．１０６３ｅ−０３
Ａ６＝２．２２５４ｅ−０２
Ａ８＝１．１７２４ｅ−０１
Ａ１０＝−１．７２６９ｅ−０２

画角（２ω）２０１．４°
最大像高１．４０３
Ｆｎｏ．４．５８１
焦点距離１．０００

ｆ１／ｆ：−５．５７
ｄ１／ｆ：１．１２
ｆｍ／ｆ：１．２６

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態において、上記した第１の実施形態と同一の構成には同号を付しその説明を省略する。本実施形態が第１の実施形態及びその変形例１に係るカプセル型内視鏡と異なる点は以下のとおりである。

すなわち、図９及び図１０に示すように、対物光学系が、物体側から順に第１レンズＬ１、明るさ絞りＳ、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５及び第６レンズＬ６からなり、第４レンズ及び第５レンズが接合された接合レンズＣＬ１となっている。接合レンズＣＬ１を適用することにより倍率の色収差をよりよく補正し、第６レンズＬ６にメニスカスレンズを適用することにより像面湾曲を補正し、非球面を使用することで、さらに収差を良好に補正することができる。これにより、高精細な撮像素子の利用も可能にする対物光学系とすることができる。

また、レンズ保持枠１６と遮光部材２２とを一体的に形成せずに、別箇独立の構成としている。

上記第２の実施形態に係る対物光学系のレンズデータを以下に示す。

レンズデータ
面番号ｒｄＮｅＶｄ
物体面 ∞ ∞ １．
１７．００５６０．６３６９１．５８９５９３０．００
２１．９１０６１．８４６９１．
３明るさ絞り∞ ０．０３１９１．
４ −０．７１９２０．５５８１１．５３３３６５６．００
５＊ −０．６４７９０．０２７４１．
６ −１０．８７２７０．６８５８１．５３３３６５６．００
７＊ −３．４０９２０．０２７４１．
８２．５０２８０．１８２４１．９３４２９１８．９０
９１．５９８９１．２２５２１．７３２３４５４．６８
１０ −４．７９６１０．０２７４１．
１１＊３．８５４６０．１８２４１．５３３３６５６．００
１２２．５９８９０．８２１１１．
１３（像面）∞

非球面データ
第５面
ｒ＝−０．６４７９
Ｋ＝−０．５７３０
Ａ２＝０．０
Ａ４＝１．６５１８ｅ−０１
Ａ６＝−４．９７１１ｅ−０２

第７面
ｒ＝−３．４０９２
Ｋ＝０．３２３６
Ａ２＝０．０
Ａ４＝−２．７５１８ｅ−０１
Ａ６＝８．９２２５ｅ−０２
Ａ８＝−５．３９７１ｅ−０２

第１１面
ｒ＝３．８５４６
Ｋ＝−０．７３２６

Ａ２＝０．０
Ａ４＝−５．８６６８ｅ−０２
Ａ６＝−１．５５５６ｅ−０２
Ａ８＝９．０３４３ｅ−０３

画角（２ω）２００．１°
最大像高１．１４
Ｆｎｏ．７．５９１
焦点距離１．０００

上述したいずれの実施形態においても、カプセル型内視鏡の１方向にのみ対物光学系等が設けられる構成について説明したが、これに限られることはなく、例えば、図１１に示すようにカプセル型内視鏡の前方及び後方の２方向に亘って観察が可能な構成としてもよく、図１２及び図１３に示すように、カプセル型内視鏡を略立方体形状として、６方向に亘って観察が可能な構成とすることもできる。

１０ケース
１１対物レンズユニット
１２撮像素子
１３照明ユニット
１５対物光学系
１６レンズ保持枠
１８光源ユニット
１９，２０照明用窓部材
２２遮光部材
Ｌ１第１レンズ
Ｌ２第２レンズ
Ｌ３第３レンズ
Ｌ４第４レンズ
Ｌ５第５レンズ
Ｌ６第６レンズ
ＣＬ１接合レンズ

Claims

ケースと、該ケースに収容される対物レンズユニット、撮像素子及び照明ユニットを備え、
前記対物レンズユニットの最も物体側に配置される第１レンズが、物体側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズであり、少なくとも前記凸面が前記ケースの外部に面するように配置され、
前記照明ユニットが、光源と、前記ケースの外部に面し前記光源から射出した照明光を外部に導光する照明用窓部材とを有し、
前記光源が、前記第１レンズの周囲を囲繞するように配置され、
前記照明用窓部材が、前記第１レンズの周囲を囲繞する略円環状に形成され、前記第１レンズの前記凸面のうち光束が通る最外径部分よりも像側に位置し、
前記照明用窓部材と前記第１レンズとの間に、前記対物レンズユニットに対する照明光の入射を遮光する遮光部材が配置され、
下記条件式（１）及び（２）を満足するカプセル型内視鏡。
−１０＜ｆ１／ｆ＜−４・・・（１）
０．７＜ｄ１／ｆ＜２・・・（２）
ただし、ｆ１は前記第１レンズの焦点距離であり、ｆは前記対物レンズユニットの焦点距離であり、ｄ１は前記第１レンズと前記第１レンズの像側に隣接して配置されるレンズとの距離である。
以下の条件式（３）を満足する請求項１に記載のカプセル型内視鏡。
１．１＜ｆｍ／ｆ≦１．３・・・（３）
ただし、ｆｍは前記対物レンズユニットから前記第１レンズを除いた部分の焦点距離である。
前記遮光部材の物体側から見た正面形状が、前記撮像素子の外形形状に合致させた略矩形状である請求項１に記載のカプセル型内視鏡。
前記遮光部材が、前記対物レンズユニットを保持するレンズ枠と一体的に形成されている請求項１に記載のカプセル型内視鏡。