JP5934383B2 - 内視鏡用リレーセットおよび内視鏡 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、同型の複数のリレーセットを備える内視鏡用のリレーセットに関するものであり、リレーセットは、平端面が互いに向き合う２枚の平凸ロッドレンズと、これらロッドレンズの間に、具体的には、リレーセットの中心開口面に配置されたアクロマートとを備える。アクロマートは、異なる屈折率およびアッべ数を有する少なくとも２枚のレンズでの構成として設計され、ロッドレンズから離れて位置する。本発明は、対応する内視鏡にも関連する。

本発明が作用する対応内視鏡としては、硬性内視鏡が含まれる。硬性内視鏡は、遠位先端に対物レンズを備える開口部を有し、その開口部を通して術野からの光は内視鏡に入ることができる。内視鏡は通常、ロッドレンズシステムに隣接して導光体または光ファイバをも有し、それらによって、内視鏡の近位端の光源からの光が術野を照らすために遠位端に導かれる。リレーセットと光ファイバとが内視鏡内に存在する空間を分け合うため、最大画像輝度を達成するためにリレーセットのレンズの直径と、導光体が利用可能な断面積との間に妥協点が見出されなければならない。

ロッドレンズで構成される数個のリレーセットを備えるロッドレンズシステムは、認識した画像を内視鏡の近位端へ伝送し、そこで画像はアイピースを通して操作者によって、またはイメージセンサによって受け取られる。各画像はリレーセットの間の像平面で倒立され、またはそれぞれ１８０°回転されるため、奇数個のリレーセットが通常使用される。ロッドレンズは、光を可能な限り多く内視鏡のアイピースに導くために使用される。

例えば３、５、または７個のリレーセットを備える硬性内視鏡は、リレーセットがそれぞれ数個のロッドレンズおよびその間にある追加のレンズで構成されているため、多数の境界面として、エアもしくは真空ギャップに接する境界面、または異なる光学特性を有するレンズに接続するレンズに接する境界面を有する。そのため、収差と呼ばれる画像誤差の補正が可能である。これには、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲、および色誤差、いわゆる色収差が含まれる。

色収差は、異なる波長の光は異なる程度屈折するという、光学ガラスの分散が原因で生じる。ガラスの屈折率は定数関数ではなく、波長依存関数である。簡単に言えば、分散は光学材料の屈折率の連続性の峻度を表す。

軸上および横色収差は、光の異なる波長の光屈折の程度の違いから生じる。軸上色収差は、集束系において各焦点位置とレンズ系との間の距離は波長に依存するという作用を表す。横色収差は、像平面における物体の拡大の波長依存性を表す。色収差は、異なる材質のレンズの使用により、部分的に吸収または低減することができる。このため、２つの波長の軸上色収差は、アクロマートを用いて補正することができる。アポクロマート光学系の場合、軸上色収差は３つの波長について補正される。しかしながら、厳密に補正されない波長の収差もこれにより低減される。

ほとんどの場合、本特許出願の出願人の内視鏡に使用されるリレーセットは、平端面が互いに向き合う２枚の平凸ロッドレンズを備える。使用することで色収差が少なくとも部分的に吸収されるアクロマート、すなわち数枚のレンズで構成される光学サブアセンブリは、ロッドレンズの間の隙間に配置される。アクロマートは通常、異なる光学特性、とりわけ異なる屈折率および異なるアッベ数を有する２枚または３枚のレンズで構成される。アッベ数νは、本出願の枠組み内で材料の波長依存屈折率ｎから以下のように決定される。

アッベ数νは材料の分散の尺度であり、低いアッベ数は高分散を、高いアッベ数は低分散を表す。数式（１）で示された指数ｅ、Ｆ’、およびＣ’は、フラウンホーハー線ｅ（光源水銀、波長５４６．０７４ｎｍ）、Ｆ’（カドミウム、４７９．９９１４ｎｍ）、およびＣ’（カドミウム、６４３．８４６９ｎｍ）を表す。

例えばレフレックス（一眼レフ）カメラ用対物レンズなどの高品質の光学系において、特に低分散のガラス製のレンズが色収差を補正するために使用される。異なる文脈においては、これらのガラスは、アッベ数および文脈によって、「特別（ｓｐｅｃｉａｌ）低分散ガラス（ＳＬＤガラス）」、「特殊（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ）低分散ガラス（ＥＬＤガラス）」、「特殊（ｅｘｔｒａ）低分散ガラス（ＥＤガラス）」、または「極超（ｕｌｔｒａ）低分散ガラス（ＵＬガラス）」とも呼ばれる。

本発明の文脈においては、これらのガラスは総称して「ＥＤガラス」と呼ばれる。本発明の枠組み内で使用されるＥＤガラスは、アッベ数が７５以上である。例えばフッ化物ガラスは、およそ７７または８０またはそれより大きいアッベ数を有する。境界は明確には定義されておらず、異なる製造業者が、例えば７７から９５の間の異なるアッベ数を有する様々なＥＤガラスを提供している。同時に、そうしたＥＤガラスは、光学ガラスと比較して、およそ１．４から１．６の比較的低い屈折率を有する。

ＥＤガラスは、湿度に敏感な、かつ光学ガラスに比べて機械的特性においてかなり脆いフッ化物ガラスおよびその他の特殊ガラスであるため、扱いが大変難しい。さらに、ＥＤガラスは、より低いアッベ数を有する光学ガラスと比べて、製造および調達において比較的、かつ相当に高価である。そのため、色を補正した光学レンズ系は、ＥＤガラス製のレンズを通常１枚のみ備える。

ロッドレンズリレーセットを備える内視鏡の場合、色収差を補正する必要もある。これは、比較的低分散のクラウンガラス、および比較的高分散のフリントガラスで構成される光学ガラスの組み合わせを有するアクロマートを用いてなされる。しかしながら、これらのガラスのアッベ数はＥＤガラスのアッベ数より低い。出願人の既知の内視鏡において、中心平面に鏡対称のトリプレットレンズがアクロマートとして用いられ、クラウンガラス製の中央の両凹レンズがフリントガラス製の２枚の両凸レンズに挟まれている。

３個から７個のリレーセットの各々が既に少なくとも４枚または５枚のレンズを備え、対物レンズおよび接眼レンズも加わるため、多くの異なるパラメータが同時に設定および最適化されねばならず、硬性内視鏡用のそうした光学系は計算および最適化が複雑である。例えば光学系の１枚のレンズの材料を取り替えることは、一般に系の光学特性全体の著しい変化につながるため、全ての再最適化が必要である。

ＵＳ ７ ７３３ ５８４ Ｂ２には、対物レンズおよび３個のリレーセットを備える内視鏡が記載されている。リレーセットのうちの１つは、平凸ロッドレンズを備え、その境界凹面にそれぞれ両凸ＥＤレンズが接着されている。その他のリレーセットにはＥＤガラスは含まれない。系全体の色収差は、ロッドレンズとＥＤガラスレンズとのこの組み合わせにより補正される。２個の追加のリレーセットにはＥＤガラスレンズは含まれず、それぞれ互いに異なった、従って個別の設計をされている。

ＵＳ ７ ７３３ ５８４ Ｂ２ではリレーセットが３個のみ使用されるため、ただでさえかなり多いと考えられる境界面および材料の数が比較的少なく保たれる。この概念は、より多くの数の個別のリレーセットを備えるような、より長い内視鏡では、限界に達する。

当該技術分野のこの水準に関し、本発明の目的は、リレーセットの数がより多い場合においても開発努力が比較的少なくなるリレーセット、およびリレーセットを備える対応する内視鏡を提供することであり、それらにおいては光学系の色収差およびその他の収差が制限される。

この目的は、平端面が互いに向き合う２枚の平凸ロッドレンズと、これらロッドレンズの間に、具体的にはリレーセットの中心開口面に配置されたアクロマートとを備える、同型の複数のリレーセットを備える内視鏡用のリレーセットによって解決される。アクロマートは、異なる屈折率およびアッべ数を有する少なくとも２枚のレンズでの構成の形状をとり、かつロッドレンズから離れて位置する。リレーセットは、アクロマートのレンズがアッベ数が少なくとも７５、特には少なくとも７７であるＥＤガラス製であることをさらなる特徴とする。

本発明のこのリレーセットは、対称的に配置された２枚の類似したロッドレンズを使用し、ロッドレンズの間に２枚以上のレンズで構成されるアクロマートを配置するという、出願人のリレーセットの特殊な設計に基づいている。アクロマートはロッドレンズに接続していない。これらリレーセットのうち、数枚の類似したリレーセットが連続して１つの内視鏡で使用される。この場合、類似とは、ガラスの選択、境界面およびそれらの距離、すなわちレンズの厚さおよびレンズ間の距離の寸法がそれぞれ同じであることを意味する。リレーセットが類似であるために、最適化時の変数の数は比較的少なく保たれ、３つ、５つ、または７つのリレーセットについて同じ最適化努力で計算することができる。

本発明のリレーセットは、内視鏡の類似したリレーセットの各々のアクロマートにおいてＥＤガラスを使用することで、色収差の非常に良好な補正が可能であるというさらなる利点を有する。なぜなら、色収差を内視鏡の一連の光学部品におけるいくつかの場所で補正することができるため、色収差があまり激しく増大し得ないからである。本発明のリレーセットを用いれば、同じ寸法を持つ既知の内視鏡と比べて、端部に至るまで大きく改良された画像鮮明度、およびかなり高いコントラストの画像を可能にする内視鏡を製造することができる。これにより、直径のより大きい従来の内視鏡に光学的に匹敵する、直径のより小さい内視鏡を開発することが可能になる。これらの利点は、内視鏡の光学系全体においてＥＤガラスの数が増えることに起因する追加費用を凌駕する。

アクロマートの１枚の他のレンズまたは複数の他のレンズは、７５より小さいアッベ数を有することが好ましい。特にアクロマートの１枚の他のレンズまたは複数の他のレンズは、高い屈折率と高いアッベ数とを同時に有し、特に屈折率は１．８より大きく、アッベ数は４５より大きい。他のレンズのアッベ数が７５より小さいという制限は、それらレンズがより取り扱いやすく、調達および製造がより安価なガラスであることを意味する。これらの条件下で与えられたアクロマートの１枚の他のレンズまたは複数の他のレンズの屈折率およびアッベ数を最大化することで、色収差の補正を大変よく達成できる。

アクロマートは、好ましくは複数のレンズで構成されるダブレットまたはトリプレットとして設計され、特に、リレーセットのレンズの直径の、リレーセットの長さに対する比が０．０５より小さい場合はアクロマートはダブレットとして設計され、それ以外の場合はトリプレットとして設計される。その過程で、ダブレットまたはトリプレットのレンズは好ましくは互いに接着され、そのためダブレットまたはトリプレットを形成するレンズの隣接する境界面は曲率半径が同じであり、それぞれ一方の境界面は凸状に、付随するもう一方の境界面は凹状に設計される。本発明の枠組み内では、接着とは透明な光学接着剤または光学セメントによる接着である。

ＥＤガラスレンズは、好ましくは両凸に設計される。アクロマートのＥＤガラスレンズのこの設計により、特に少なくとも１つのメニスカス型の追加の光学ガラス製レンズと組み合わせて、色収差の良好な補正が可能になる。

また、トリプレットとして設計されたアクロマートにおいて、トリプレットの中央の、特には両凸のレンズはＥＤガラス製であることが好ましい。このため、この設計は、トリプレットの中央のレンズが両凹に設計される、出願人のリレーセットの標準的な設計の従来型トリプレットアクロマートとは異なる。トリプレットは特に好ましくは、トリプレットの中央のレンズの中心を貫く光軸に垂直な中心平面に鏡対称に設計される。この型のトリプレットの設計では、特にリレーセット全体がこの中心平面に鏡対称に設計される。

ダブレットアクロマートに対し、対称型トリプレットアクロマートは、像高さの奇数乗に依存する収差が最小化されるという利点を有する。これらは、特には色倍率誤差および歪曲である。トリプレットはレンズ数がより多いために、ダブレットに比べ費用も確かに若干高くなる。直径の小さい内視鏡の場合、対応する収差は影響が少ないため、ダブレットとして設計されたアクロマートでも大変良好な光学的結果が得られる。

レンズの製造にとっての重要な因子は、いわゆるＺ因子である。この因子は、本発明の枠組み内で、レンズの厚さおよび直径、ならびに２枚のレンズの表面の曲率半径から、特に凸メニスカスレンズに適応する以下の等式を用いて算出される。

数式（２）において、Ｒ_ｓはレンズの２つの曲率半径のうちの小さい方であり、Ｒ_ｌは２つの曲率半径のうちの大きい方である。Ｄ_ｓは小さい方の曲率半径を有する境界面側のレンズの外径を意味し、Ｄ_ｌは大きい方の曲率半径を有する境界面側のレンズの外径を意味する。通常、これらの外径は異ならない。Ｔはレンズの中心厚である。

驚くべきことに、特に良好な光学的結果および色収差の補正が、ＥＤガラスで構成されないアクロマートの好ましくは少なくとも１枚のレンズのＺ因子が０．０６より小さい、特には０．０４より小さい時に得られることが分かった。光学系開発者はこのパラメータを制限することができるので、これにより光学系開発者にとって開発が容易になる。

Ｚ因子をこのように選択すると、当該技術分野の水準とは対照的に、対応するレンズが、以前通例であったように製造時の封入中にセンタリングされるのではなく、今後はまず封入され、それから複雑に手操作でセンタリングされることにもなる。それゆえ、光学系設計者はセルフセンタリングでの通常型の封入を可能にするために、今日に至るまでＺ因子を０．０６より大きい値に保ってきた。

本発明のリレーセットの場合、リレーセットのアクロマートにより達成される色収差の補正は、リレーセットのレンズによって生じる色収差を吸収することが好ましく、この補正は特に加えて内視鏡の対物レンズおよび／または接眼レンズによって生じる色収差の一部をも吸収する。各対物レンズおよび接眼レンズはそれぞれ色収差を生じさせる。本発明の数個のリレーセットを使用する場合、個々のリレーセット中の個々のアクロマートに割り当てられる補正を比較的小さく抑えることができ、それによりアクロマートおよびリレーセットの設計要件が容易に制御できる範囲内に保たれる。

本発明の基礎となる目的は、数個の類似のリレーセットがそれぞれ上述された本発明のリレーセットとして設計されるようにさらに開発された、特には腹腔鏡またはユーロスコープである、複数のリレーセットを備える内視鏡によってさらに解決される。そういった内視鏡は、直径がより小さい場合であっても、非常によく補正された、すなわち非常に小さい色収差のみならず、高いコントラストおよび高い鮮明度を有する。

好都合なことに、少なくとも1つの追加のリレーセットがその他のリレーセット、特に中でも類似のリレーセットとは異なって設計される。この異なった設計のリレーセットというのが、今度は上述の本発明のリレーセットである。この少なくとも1つの追加のリレーセットは特に内視鏡の対物レンズおよび／または接眼レンズによって生じる色収差を補正するように設計され、そのため、その他の、中でも類似のリレーセットのアクロマートは、各リレーセット自体の色収差を補正する必要があるだけである。

本発明の内視鏡および本発明のリレーセットを用いることで、内視鏡の同じ寸法で、かなり高いコントラストおよびかなり高い鮮明度、ならびに色収差のかなり強い低減を達成することができる。これは、特に、とりわけユーロスコープなどの直径の小さい内視鏡にとって大きな利点である。したがって、例えば１０ｍｍといった比較的直径の大きな内視鏡から、直径のより小さい内視鏡、例えば直径が５．４ｍｍまたは４．０ｍｍの内視鏡にまで至る傾向がこうしてサポートされる。

本発明のさらなる特徴が、請求項および添付の図面とともに、本発明の実施形態の説明から明らかとなるであろう。本発明の実施形態は、個別の特徴またはいくつかの特徴の組み合わせを実現することができる。

本発明は、本発明の全体概念を制限することなく、図面を参照して例示的な実施形態に基づき以下に説明され、それにより本文中で詳細には説明されていない本発明のすべての詳細の開示に関して図面に明確に示す。

ダブレットアクロマートを備える本発明のリレーセットの概略図である。 トリプレットアクロマートを備える本発明のリレーセットの概略図である。 Ｚ因子の定義に関する説明概略図である。 球面収差の説明概略図である。 軸上色収差の説明概略図である。 横色収差の説明概略図である。 ＥＤガラスを有する、および有さないダブレットアクロマートを備える従来のリレーセットの球面収差、軸上色収差および横色収差の比較である。 異なるＺ因子のＥＤガラスを有するダブレットアクロマートのリレーセット、およびトリプレットアクロマートを備える本発明のリレーセットの球面収差、軸上色収差、および横色収差である。 異なるＥＤガラスを備え類似の寸法を有するリレーセットの種々の収差の比較である。

図面では、対応していて重複しての導入を省くために、同じまたは類似する種類の要素および／または部分には同じ参照符号が付されている。
図１は、内視鏡用の本発明の第１のリレーセット１を概略的に示す。代表的な内視鏡は、例えば３、５、７などの奇数のそうしたリレーセット１を含む。リレーセット１は、第1の像平面１．１から第２の像平面１．９にまで延びており、別の、特に類似のリレーセットまたは接眼レンズまたはアイピースが接続する。像平面１．１にある画像は、像平面１．９上に倒立して表示される。これは反転、すなわち、中点（つまり光軸）に対する鏡映である。この反転は、光軸の周り１８０°の回転と同じである。

第１の隙間１６の後に、平凸ロッドレンズ１０が第1の像平面１．１に接続し、平凸ロッドレンズ１０の凸境界面１．１は第1の像平面１．１に面している。平坦境界面１．３はアクロマート１１に面しており、平坦境界面１．３はアクロマート１１から隙間１６’によって隔てられている。アクロマート１１は、境界面１．４および１．５を有し高いアッベ数を持つＥＤガラス製の両凸レンズ１２で構成されるダブレットを備え、両凸レンズ１２には境界面１．５および１．６において凹メニスカスに設計された光学ガラス製のメニスカスレンズ１３が接続する。レンズ１２および１３は、接合境界面１．５で互いに接着されている。さらなる隙間１６’’の後に、さらなる平凸ロッドレンズ１４が接続され、平凸ロッドレンズ１４の平坦境界面１．７はアクロマート１１に面している。凸境界面１．８は第２の像平面１．９に面しており、凸境界面１．８は第２の像平面１．９から隙間１６’’’によって隔てられている。

本発明のレンズの例示的な寸法設計およびこの構成に使用されるガラスの選択は、外径４．０ｍｍの内視鏡を例に表1に示される。レンズの半直径または半径は、境界面の曲率半径と混同されてはならず、光ファイバが術野を照らす余地を依然として残す１．３２９ｍｍである。リレーセットの長さは、像平面１．１から像平面１．９まで合計で６１．８０１ｍｍである。半直径の、リレーセットの長さに対する比は、およそ０．０４３である。

この設計で使用されるガラスは全て、オハラゲーエムベーハーから入手することができる。型には、ＥＤガラスとしてはＳ−ＢＡＬ３５（屈折率１．５９１、アッベ数６０．８８）、Ｓ−ＦＰＬ５１（屈折率１．４９８、アッベ数８１．１４）、アクロマートの追加のガラスとしてはＳ−ＬＡＨ５５（屈折率１．８３９、アッベ数４２．４７）が含まれる。その他の製造者も相当するガラスを提供している。

数式２による、境界面１．５および１．６を有する非ＥＤレンズ１３のＺ因子は、およそ０．０４である。
図２は、本発明の代替的なリレーセット２を示す。リレーセット２は、第1の像平面２．１から第２の像平面２．１１にまで延びており、互いに隔てられた穴２７、２７’、２７’’、および２７’’’を介して、それぞれ凸境界面２．２および２．１０が２つの像平面２．１および２．１１に面する２枚の平凸ロッドレンズ２０、２５を含み、平凸ロッドレンズ２０、２５の平坦境界面２．３と２．９とは互いに向き合う。トリプレットに設計され、３枚のレンズ２２、２３、２４で構成されるアクロマート２１は、２枚のロッドレンズ２０、２５の間に位置する。

アクロマート２１は中心平面２．６に対称に設計されている。２枚の対称な凸凹レンズ２２、２４は光学ガラスで構成され、中央の両凸レンズ２３はＥＤガラスで構成される。中心対称平面２．６は境界面を形成しない。

図１のアクロマート１１および図２のアクロマート２１は両方とも、貼り合わされたレンズで構成される。しかし、光学系開発者はアクロマートのレンズのこの間に隙間を設けることもできる。

図２のアクロマート２１は、材料の選択だけでなく、出願人の対応するリレーセットのトリプレットアクロマートの中央のレンズがこれまで両凹であったのに対して、中央のレンズが両凸に設計されているという点においても、出願人の対応するリレーセットの従来のトリプレットアクロマートとは異なる。したがって、当該技術分野の水準の２枚の追加のレンズは、それぞれ両凸である。

本発明のレンズの例示的な寸法設計および図２の構成に使用されるガラスの選択は、外径５．４ｍｍの腹腔鏡を例に表２に示される。レンズの半直径は、光ファイバが術野を照らす余地を依然として残す１．２７７ｍｍである。リレーセットの長さは、像平面２．１から像平面２．１１まで合計で４６．０７２ｍｍである。半直径の、リレーセットの長さに対する比は、およそ０．０５５である。

この設計で使用されるガラスも全て、特にオハラゲーエムベーハーから入手することができる。型には再び、ＥＤガラスとしてはＳ−ＢＡＬ３５（屈折率１．５９１、アッベ数６０．８８）、Ｓ−ＦＰＬ５１（屈折率１．４９８、アッベ数８１．１４）が含まれる。アクロマートの追加のガラスは、確かにＳ−ＬＡＨ５９（屈折率１．８２０、アッベ数４６．３７）の型である。

図３は、凸凹レンズ、例えば図１のレンズ１３を、数式２によるＺ因子の算出にとって重要な寸法設計の定義とともに表す。レンズ１３は、特に球状に設計された２つの光学境界面を備える。光学境界面は曲率半径Ｒ１およびＲ２をそれぞれ有する。数式２によるＺ因子の算出では、大きい方の曲率半径がＲ_ｌであり、小さい方の曲率半径がＲ_ｓである。

図３に示されるレンズ１３は、均一な外径Ｄを有する。しかしながら、個々の場合では、外径はレンズの両側で異なり得る。そのため数式では、直径Ｄ１を曲率半径Ｒ１の側と想定し、外径Ｄ２を曲率半径Ｒ２の側と想定する。Ｚ因子を算出するための前述の数式２に関して、小さい方の曲率半径を有する側に属する直径はＤ_ｓと表される一方で、外径Ｄ_ｌは大きい方の曲率半径を有する側に関するものである。さらに、光軸に沿ったレンズ１３の中心厚はＴと表される。

続く図４から図６では、色収差およびその他の収差のいくつかの原理の概略が簡潔に表され説明されている。
図４（ａ）は、開口部３６に封入された集光レンズ３５の光軸上の点から始まる光束を表す。光束３７は、開口高さ０の光軸を通って進む。２本の光束３７’は集光レンズ３５の開口高さ０．５を通って進み、２本のその他の光束３７’’は開口高さ１で集光レンズ３５最遠端を通って進む。

この型のレンズの球面収差は、レンズ３５からある一定の距離がある場合、光軸に近い領域においては対応する光束が像点３８に収束するものとして表される。集光レンズ３５のさらに外側を通過する、すなわち開口高さのより大きい光束３７’’はより強く曲げられ、像点３８の手前の点で光軸を横切る。このため、図４（ａ）において、対応する光束３７から３７’’は単色であって波長が同じであると思われる。これら球面収差により、同じ像平面または同じ像点３８において焦点ポイントが集光レンズ３５の表面全体に渡っては表示されず、そのため像点３８を含む平面の像点はある一定の大きさを有する斑点になる。この効果は画像の鮮明度を低減させ、例えば開口部の縮小によって改善することができるが、それにより光効率および達成可能な解像度が減少する。

図４（ｂ）は、いわゆる「球面色収差」（球面収差「ＳＡ」および軸上色収差「ＣＡ」を表し「ＳＡ／ＣＡ」と略される）、すなわち、開口高さおよび光の波長に依存する、像点と近軸像点との間の距離の連続を表す。球面収差の別々の連続は、個々のそれぞれの波長に生じる。図４（ｂ）に表される連続は、図４（ａ）に表される個別のレンズについての連続に関してではなく、例示的なリレーセットについての連続に対応している。

図４（ｂ）に表される球面色収差のＸ軸上において、Ｙ軸上に表される基準波長の近軸像点からの偏差は、図４（ａ）に表される開口高さに応じて、０から１までの開口高さである。個々の曲線は異なる波長の連続に対応する。

以下では1本の曲線３９が１つの波長のために簡潔に選び出されており、この連続は１例として表されている。この波長では、開口高さ０の時の像点は近軸像点からおよそ０．０６ｍｍである。開口高さが増すと、この距離は減少し、およそ０．５を超えてマイナスに転じ、その後およそ０．９を超えてプラスに切り替わる。全体的に、この波長では球面収差はこのように非常によく補正されている。Ｘ軸上のプラスの値の、右側の２本の長いまたは短い破線は、青色または赤色領域の波長に対応し、最適化された波長の近軸像点からの像点の偏差が、それに応じてより大きい。

図５（ａ）は図４（ａ）と類似の状況を表すが、この場合、多色光束４１、４２は最大開口高さと低開口高さとに表される。集光レンズ３５を通過した後、各光束４１、４２は材料の分散によりスペクトル的に広げられる。これは、高い開口高さで最もはっきりと起こり、その際生じる光束４３、４３’、４３’’はこの順番で赤色光、緑色光、そして青色光を表し、青色光が最も強く偏向される。そのため、これらの異なる波長は光軸に沿った異なる位置で集束する。より低い開口高さで集光レンズ３５を通過する光束４２については、対応する分散拡大はより弱い。

図５（ｂ）は図４（ｂ）と同じグラフを表すが、ここでは別の波長に注目している。このため、グラフ４６から４６’’’’は異なる波長の球面収差、すなわち像高さに依存する像点と近軸像点との差のグラフである。そのため、対応する波長は通常使用されるフラウンホーハー線に対応する。例えば、青色光を表す線４６は、近軸像点からかなり遠い距離にあることが見てとれる。近軸像点へのプラスの差は、すべての波長で開口高さの値が高い場合に観察される傾向にある。

図５に表す色収差は、物点がそれぞれレンズ系の光軸上に配置されるため、軸上色収差である。
図６は横色収差の結果の概略を表す。図６（ａ）は集光レンズ３５を示し、そこに多色の平行光束５１が斜めに、すなわちレンズの光軸に対して角度をともなって当たっている。ガラス材料の分散のために、異なる波長が次々異なる度合いで偏向し、そのため、青色、緑色、および赤色に対して異なる光束５２、５３、５４が生じ、それに伴い異なる像点または焦点５２’、５３’、５４’が異なる像高に生じる。これは、物体が赤色領域よりも青色領域でより拡大して（またはより縮小が小さく）見えることを意味する。この効果は像高さが増すにつれ増大し、光軸に当たる光線の場合は完全に消滅する。

よって、横色収差（「ＣＣ」）は像高さに依存し、図６（ｂ）に描かれる。濃い縦線は０すなわち中心から、１すなわち像平面の端にまで渡る像高さである。参照符号５６、５７、および５８は、中心光束、半分の像高さの光束、および最大像高さの光束の、基準波長の図からの偏差を表すグラフである。この場合、この偏差は座標系においてＸ軸の−０．０１から０．０１までに表され、これらの座標系はわかりやすくするために９０度回転されている。

図６（ｂ）において水平方向のＹ軸は今度は像高さ表す。そのため像高さが０である参照符号５６の場合、横色収差は存在しなくなることが見てとれる。参照符号５７の場合である半分の像高さでは、波長依存の横色収差は既にかなり進んでおり、最大像高さの参照符号５８の場合ではさらに増大する。

図４から図６に表される色収差は、内視鏡用リレーセットの開発中に最小化され、対称アクロマートの場合は図６に表される収差は生じない。球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、および該当する場合は画像の歪曲および変形のような、その他の収差も同時に補正される。

図７（ａ）および図７（ｂ）では、図１のダブレットとして設計されたそれぞれ１つのアクロマートを備えるリレーセットを使用した場合の、図４から図６に紹介される球面色収差および横色収差のグラフの束が表され、互いに比較されている。重要な差異は、図７（ａ）のアクロマートにはＥＤガラスが含まれておらず、図７（ｂ）ではアクロマートのダブレットにＥＤガラスが使用されていることにある。

それぞれの左の系のグラフの束は球面色収差を表し、ＥＤガラスを使用する図７（ｂ）ではかなり強く束になっており、Ｘ軸のゼロ点からの偏差がかなり小さくなっていることが明らかである。これは、当該技術分野の既知の水準に対しての球面色収差の大きな改善を表す。横色収差も同時に、以前達成可能であった値の数分の一にまで低下している。

グラフに表されるフラウンホーハー線の波長のそれぞれの説明は、座標系の下に明記されている。これら波長はナノメータで明記されている。
図７（ａ）に表される系は、直径が４．０ｍｍで５つの従来のリレーセットを備える、出願人の標準的なユーロスコープに対応する。図７（ｂ）に表される系は、この既知の系に基づいているが、アッベ数９５．０のオハラゲーエムベーハー製ＥＤガラスＳ−ＦＰＬ５３が使用され、系はそれに応じ予備的に最適化されたものである。

図８（ａ）から図８（ｃ）では、３つの異なるリレーセットを使用した場合の球面色収差および横色収差が互いに比較されている。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、直径が４．０ｍｍで、ダブレットアクロマートを備える５つのリレーセットを有する内視鏡に基づく。ダブレットのＥＤガラスとしてそれぞれＨＯＹＡ製の材料ＦＣＤ１が使用され、この材料は光学特性においてオハラＧｍｂＨ製Ｓ−ＦＰＬ５１に匹敵する。この場合、非ＥＤガラスはオハラＧｍｂＨ製Ｓ−ＬＡＭ５２（屈折率１．７２０、アッベ数４３．７）である。図８（ａ）の系と図８（ｂ）の系とでは非ＥＤガラスのＺ因子が異なり、図８（ａ）の系で０．０６、図８（ｂ）で０．０３７である。球面色収差および横色収差の明白な改善はＺ因子の減少により起こる。これには、対応する非ＥＤガラスレンズの製造時の封入およびセンタリングを調整する必要を伴う。

図８（ｃ）は、直径が５．４ｍｍで、中央がＥＤガラスレンズであるトリプレットアクロマートを備える腹腔鏡の球面色収差（「ＳＡ／ＣＡ」）および横色収差（「ＣＣ」）のグラフを表す。この系では、軸上色収差の非常に良好な補正が可能であり、それは異なる波長の球面色収差図の線が互いに非常に接近していることから見てとれる。したがって、これは比較的小さい、ほとんど波長依存の球面収差であり、許容可能な範囲内で動く。右図の横色収差も非常に小さく、像高さがおよそ０．６を超えてようやく０から差が出る。図８（ｃ）のトリプレットのＥＤ材料は、オハラ製Ｓ−ＦＰＬ５１である。

図７および図８に表される図は、それぞれ５つのリレーセット、入口光学および出口光学を備える系を表している。
８０ラインペア／ｍｍ（ｌｐ／ｍｍ）のユニットにおいて、像高さに依存する半径および接線方向の光学系の解像度を表す変調伝達関数は、図８（ａ）および図８（ｂ）に表される光学系については以下のとおりである（それぞれ半径方向／接線方向に表された数値）。像面湾曲を考慮した達成可能な最適値は以下のとおり表される。

表３では、Ｚ因子が小さい場合のＭＴＦの改善が、特に境界領域の接線構造について明らかである。
図７および図８において比較の基にされている、内視鏡用リレーセットの設計を変更する場合、開始点は通常、新しく計画される系と類似した、例えば前モデルなどの既存の系により表される。新しい系用に新しいパラメータがそれに応じて変更される。例えばレンズ直径が増加もしくは減少し、またはＥＤガラスでは、ガラス材料が変更される。これにより、図９に表されるように、画像品質が劇的に変化する。

第１の予備的最適化がその後行われ、それにより拡大および画像位置などのパラメータ、球面収差、非点収差などが許容可能な範囲内に収められる。異なる画像誤差はたいてい逆方向に作用するため、上手な妥協を見出す試みが次になされる。例えば、まず球面収差の低減が試みられる。もし例えばそれにより横色誤差が許容できないほどに増加すると次に判断されれば、再度最適化の作用に、より重きが置かれる。もし例えば軸上色収差が次に増加すれば、今度はこれに、より重きが置かれる。これらの工程の間に、光学系設計者は、系をある一定の方向に動かすために、例えば可変のパラメータを選択もしくは遮断する、または決定された値を手作業で変更して最適化に影響を与え続ける。

最終工程において、光学系設計者は、最後の改善をもたらすために、該当する場合は半径または厚さをも手作業で変更する。
最適な妥協が見つかるまでには、複雑性、質的要件、および製造性の問題によっては、数十から数百もの反復する工程、および数週間もの開発作業が必要とされる。

この作業を明らかにするために、図９（ａ）および図９（ｂ）は、ダブレットアクロマートを備える同一寸法のリレーセットに異なる２枚のＥＤガラス、すなわち図９（ａ）ではオハラ製Ｓ−ＦＰＬ５１、そして図９（ｂ）ではオハラ製Ｓ−ＦＰＬ５３、が備えられている場合の比較を表している。それにより、アッベ数は８１．６から９５．０に、屈折率は１．４９５から１．４３７に変化する。系はＳ−ＦＰＬ５１材料用に算出および最適化されていた。

１つの異なる材料を有する同じ系との比較は、色収差、球面収差、およびコマ収差または像面湾曲などのその他の特性を含むすべての画像特性が、この１つの変更のために制御不能になることを表している。このことは、ガラスの種類の選択が非常に注意深く行われなければならず、リレーセットの再調整も行われなければならないことを表している。

図面のみから得られるものを含め、すべての挙げられた特徴、および他の特徴と組み合わせて開示される個別の特徴は、個別にまたは組み合わせて、本発明にとって不可欠であるとみなされる。本発明の実施形態は、個別の特徴によって、またはいくつかの特徴を組み合わせて実現することができる。

［参照符号表］
１、２ リレーセット
１．１−１．９ リレーセット１の画像および境界領域
２．１−２．１１ リレーセット２の画像および境界領域
１０ 平凸ロッドレンズ
１１ ダブレットアクロマート
１２ ＥＤガラス製レンズ
１３ 光学ガラス製レンズ
１４ 平凸ロッドレンズ
１５ 像平面
１６−１６’’’ 隙間
１７ 像平面
１８ 中心光束
１９ 周辺光束
２０ 平凸ロッドレンズ
２１ トリプレットアクロマート
２２ 光学ガラス製レンズ
２３ ＥＤガラス製レンズ
２４ 光学ガラス製レンズ
２５ 平凸ロッドレンズ
２６ 像平面
２７−２７’’’ 隙間
２８ 像平面
２９ 開口面
３０ 中心光束
３１ 周辺光束
３５ 集光レンズ
３６ 開口部
３７−３７’’ 光束
３８ 像点
３９ 波長の収差のグラフ
４１、４２ 多色光束
４３ 赤色光
４３’ 緑色光
４３’’ 青色光
４４ 赤色光
４４’ 青色光
４５ 波長および開口位置依存の焦点の分布
４６−４６’’’’ 波長の収差のグラフ
５１ 斜め入射光束
５２ 赤色光束
５２’ 赤色光の焦点
５３ 緑色光束
５３’ 緑色光の焦点
５４ 青色光束
５４’ 青色光の焦点
５５ 像平面
５６ 中心光束の基準波長を説明するための偏差
５７ 半分の像高さの光束の基準波長を説明するための偏差
５８ 最大像高さの光束の基準波長を説明するための偏差
Ｄ 外径
Ｄ１ 第１の側の直径
Ｄ２ 第２の側の直径
Ｒ１ 第１の側の曲率半径
Ｒ２ 第２の側の曲率半径
Ｔ レンズ厚さ
ＳＡ 球面収差
ＣＡ 色収差
ＭＴＦ 変調伝達関数

Claims (14)

1. 同型の複数のリレーセットを備える内視鏡用のリレーセットであって、
   平端面が互いに向き合う２枚の平凸ロッドレンズと、前記ロッドレンズの間に配置されたアクロマートとを備え、
   前記アクロマートは、異なる屈折率およびアッべ数を有する少なくとも２枚のレンズでの構成として設計され、かつ前記ロッドレンズから離れて位置し、
   前記アクロマートのレンズのうちの１つ又は２つのレンズは、アッベ数が７５以上であるＥＤガラス製であることを特徴とする、リレーセット。
2. 請求項１に記載のリレーセットであって、
   前記アクロマートのレンズのうちＥＤガラス製のレンズ以外の少なくとも１つのレンズは７５より小さいアッベ数を有することを特徴とする、リレーセット。
3. 請求項２に記載のリレーセットであって、
   ７５より小さいアッベ数を有する前記少なくとも１つのレンズは、屈折率は１．８より大きく、アッベ数は４５より大きいことを特徴とする、リレーセット。
4. 請求項１から３のうちの何れか１項に記載のリレーセットであって、
   前記アクロマートは、２枚のレンズで構成されるダブレットまたは３枚のレンズで構成されるトリプレットとして設計されることを特徴とする、リレーセット。
5. 請求項４に記載のリレーセットであって、
   ＥＤガラス製の前記レンズは両凸に設計されることを特徴とする、リレーセット。
6. 請求項４または５に記載のリレーセットであって、
   トリプレットとして設計されたアクロマートにおいて、中央のレンズがＥＤガラス製であることを特徴とする、リレーセット。
7. 請求項６に記載のリレーセットであって、
   トリプレットとして設計されたアクロマートにおいて、前記リレーセットは前記アクロマートの前記中央のレンズを貫く中心平面に鏡対称に設計されることを特徴とする、リレーセット。
8. 請求項１から７のうちの何れか１項に記載のリレーセットであって、
   前記アクロマートのレンズのうちＥＤガラス製でない前記少なくとも１つのレンズは、以下で定義されるＺ因子（Ｚ）が０．０６より小さいことを特徴とする、リレーセット。
   Ｒ _ｓ ：レンズの２つの曲率半径のうち小さい方の曲率半径
   Ｒ _ｌ ：レンズの２つの曲率半径のうち大きい方の曲率半径
   Ｄ _ｓ ：レンズの２つの境界面のうち小さい方の曲率半径を有する境界面側の、レンズの外径
   Ｄ _ｌ ：レンズの２つの境界面のうち大きい方の曲率半径を有する境界面側の、レンズの外径
   Ｔ：レンズの中心厚
9. 請求項１から８のうちの何れか１項に記載のリレーセットであって、
   前記アクロマートにより達成される色収差の補正は、前記アクロマートを構成する前記レンズおよび／または前記ロッドレンズによって生じる色収差を吸収することを特徴とする、リレーセット。
10. 複数のリレーセットを備える内視鏡であって、
    数個の同一のリレーセットがそれぞれ請求項１から９のうちの何れか１項に記載のリレーセットとして設計されることを特徴とする、内視鏡。
11. 請求項１０に記載の内視鏡であって、
    少なくとも1つの追加のリレーセットはその他のリレーセットとは異なった設計をされ、
    前記異なった設計のリレーセットは請求項１から９のうちの何れか１項に記載のリレーセットであることを特徴とする、内視鏡。
12. 請求項１に記載のリレーセットであって、
    前記アクロマートは、当該リレーセットの中心開口面に配置されることを特徴とする、リレーセット。
13. 請求項１または２に記載のリレーセットであって、
    前記アクロマートは、前記リレーセットの前記レンズの半径の、前記リレーセットの長さに対する比が０．０５より小さい場合はダブレットとして設計され、それ以外の場合はトリプレットとして設計されることを特徴とする、リレーセット。
14. 請求項１から７のうちの何れか１項に記載のリレーセットであって、
    前記アクロマートのレンズのうちＥＤガラス製でない前記少なくとも１つのレンズは、以下で定義されるＺ因子（Ｚ）が０．０４より小さいことを特徴とする、リレーセット。
    
    Ｒ _ｓ ：レンズの２つの曲率半径のうち小さい方の曲率半径
    Ｒ _ｌ ：レンズの２つの曲率半径のうち大きい方の曲率半径
    Ｄ _ｓ ：レンズの２つの境界面のうち小さい方の曲率半径を有する境界面側の、レンズの外径
    Ｄ _ｌ ：レンズの２つの境界面のうち大きい方の曲率半径を有する境界面側の、レンズの外径
    Ｔ：レンズの中心厚