JP6224228B2 - 高補正リレーシステム - Google Patents

Description

医師の一部には、一般的に４００から７００ｎｍの範囲内またはその近くにあると考えられている可視帯の波長帯を越えた他の波長帯の型で、組織や体の構造を視覚化することに関心がある。インドシアニングリーン（ＩＧＣ）のような染料が蛍光を発し、マーカーとして使用され、組織に透明性を追加した近赤外領域（７００ｎｍから９００ｎｍ）が特に関心を高めている。さらに、内視鏡の解像度の要件は、以前のＮＴＳＣまたはＰＡＬ形式より小さく、より多数のピクセルに起因するビデオ画像に使用される高精細度（ＨＤ）検出器の導入により増加している。したがって、通常の可視領域に加えて、近赤外での波長帯の拡張性、より高いサンプリング周波数、及び浸透深さを可能にする内視鏡の光学的改善が有効になる。

内視鏡が使用される診断器具と治療の手順の両方では、案内画像と蛍光マーカーを提供することが有効である。これらは、外科的処置で、医師の生まれつきの能力を超えた領域で、組織および構造の医師の視覚化を拡張するために使用される。したがって、人間の視覚の外より長い波長領域を加えた可視バンドにおける良好な可視化は、望ましい結果となる。

これは、シリコンが最もよく応答する、すなわち７００ｎｍより上の領域は人間の目に見えないために、この機能は、通常の医療イメージング・システムで使用されていないが、シリコンで作られた検出器は、赤外領域では非常によく応答することが知られている。ＮＩＲ（近赤外線）検知応答は、すなわち、赤、緑、青、の視覚の原色成分に対応していないので、その応答は意図的に阻止され、その結果手術の光学機器は、人間の視覚の外にあるこの検出器の機能は無視される。通常のイメージング・システム及びシリコンの応答は、原色で、または単一の検出器、またはそれ自身の検出器のために、赤、緑、青の経路に全体の光路を分割するために使用され、より大きなカラーフィルタの場合には、個々のピクセル上にカラーフィルタのいずれかによって、捨てられる。この後者の構成は、通常３チップカメラと呼ばれている。ＮＩＲ（近赤外線）検出器応答は、黒と白の応答として考えることができる。課題は、これを目に見える型の光路長に対応させることである。

内視鏡は、狭い開口部または経路を介して体内の深くをみるように構成され、機能要件によって分類されることができる多数の光学要素からなる。

ロッドレンズアセンブリまたはリレーレンズは、３組または５組としてグループ化された組み合わせで使用され、内視鏡の視野絞りで画像を形成するための内視鏡用対物レンズアセンブリの製品を、再び具現化することが要求される。ビデオ用の接眼レンズやカップリングレンズは、その後、視野絞りと画像の組み合わせを表示する。可視波長帯の外で使用した場合、既存の内視鏡リレーの縦色収差（longitudinal chromatic aberrations）は、より長い波長が可視画像の焦点の波長の後ろに実質的に下降した波長によって、著しい焦点の移動を追加する。この可視波長帯の外の変位誤差は、医師が期待し、必要とする高解像度には大きすぎる総和が累積される。可視スペクトルでの使用のために設計された内視鏡を用いて近赤外スペクトルにおける、微細血管の画像化、神経の画像化、および/または腫瘍の画像化における細かいことを解決しようとするとき、これは特に厄介である。

より大きな直径の内視鏡は、一般的に小径の内視鏡よりも速いＦ値を持っている。大きな内視鏡が、光学列が拡大されるにつれて高速のシステムを修正するために適用される、より大きな効果が要求されるような高解像度と光学補正の性質を備えることを医師が期待しているために、多くの光学性能が大きな直径の内視鏡を要求している。１０mmの内視鏡の直径の長さの比は、直径２．８または４mmの内視鏡の直径の長さの比よりも大きく、改善された明るさや、より高い解像度が得られる。直径１０mmの内視鏡、および同様の直径の内視鏡は、約１：６（F６）で作動するリレーシステムを持っている、一方、小さい内視鏡は、それに応じて低いＦ値で動作するため、直径４mmの内視鏡は、約１：７（F７）で動作するリレーを持っている。

ホプキンスの米国特許３２５７９０２号は、ガラス棒で内視鏡リレー内の空気のスペースを充填することが、テレセントリック・リレー・システムを生成するために、広く間隔をあけた接着されたダブレットを用いることで、実質的に既存の内視鏡より多くの内視鏡のＦ値の作動を増加させることを教示している。これは可視波長帯でより、明るい画像と良い診断をもたらした。

テレセントリック設計が、実質的なレンズの口径食（けられ、vignetting）なしに、リレー・システムを製造するための必要条件であったことがよく知られている。Ｔ．Ｈ．トムキンソン、Ｊ．Ｌ．ベントレー、Ｍ．Ｋ．クロフォード、Ｃ．Ｊ．ホークライダー、Ｄ．Ｔ．ムーア、およびＪ．Ｌ．ルーク、「リジッド内視鏡リレーシステム：比較研究」、"Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３５、６６７４ー６６８３（１９９６）。

高速のＦ値で非口径食テレセントリック・リレーを製造することは、ヘンベックによる米国特許５００５９６０号及びレイナーによる米国特許５６８４６２９号に教示されている。これらの参考文献は、大部分の場合自由度の数が限られた無彩色補正であるけれども、可視光波長帯での視野の中心でよく補正された画像の生成を教示している。非点収差やコマ収差等の残存収差は、典型的には、対物レンズアセンブリにおけるオフセット収差を利用して内視鏡に軸外視野点のために補正される。特に、像面湾曲が正に湾曲した要素によって生成され、ほとんどの場合、内視鏡のリレー・システムは、ロッドアセンブリの各端部のそれぞれの空気ーガラス界面で、プラスに帯電した面を構成されていることがよく知られている。現在の内視鏡では、可視波長帯のために成功理に行われる対象物のために補償される像面湾曲が大量にある。

ある者が（例えば、近赤外補正）の可視外波長帯で高い補正の需要を追加する場合には、異なる材料の追加のレンズ要素の形でリレーに、より多くの自由度を追加することが必要となる。例えば、米国特許５００５９６０号の２材料を有した内視鏡リレーは、軸上に微細な無彩色補正を提供しているが、０.７フィールドと全フィールドポイントで、一般的に無彩色の補正と呼ばれる、重要な未補正の非点収差、像面湾曲、コマ収差、２要素ソリューションの一致色収差がある。したがって、３、４の材料ソリューションは、４波長で補正、可視及びＮＩＲ（近赤外線）でＲＧＢのようなスーパーアポクロマート性能を考慮されなければならない。

さらに、市場ニーズは、高精細ビデオの導入により変更されている。ひとたびメーカーがコスト削減のために、要素の数が限られる部品点数を低減すれば、高解像度ビデオ（HD）は、要素の数が再考されるように、より高い性能を必要とされる。半径およびガラスの選択を適切に使用することにより、追加のガラス要素は、レンズの複数が光学技術者によって製造ツールに追加することができるので、より長い半径を選択することによって獲得していた製造効率を利用するために、リレーシステムに追加することができる。短い半径の一つまたは少数で、表面は同時に研削、研磨工具上に生成される。長い半径で、より多くは、同じ研削または研磨時間で製造することができる。また、ツールごとに複数のレンズは、より正確な結果が得られる。金属スペーサと組み合わせて組み立てられた単独のガラス要素より、接合部品は適切に位置合わせされる可能性が高く、結合アセンブリの一部として追加された要素は考慮されるべきである。

従って、ほぼ同一平面上に可視および近赤外光の両方を解決することができ、したがって、外科医のための組織と構造の可視性を高めることができるのHD内視鏡用市場で明確に定義され、長年の必要性がある。

内視鏡の使用のために、非常に高い補正対称非乱視のリレーシステムが提供される。本発明のシステムは、明るくコントラストの高い画像を生成するのに十分な開口数の付加的な利点と、既存の内視鏡よりも近赤外光に対する青色光からはるかに広い波長帯の性能を提供する。

内視鏡のための高度に補正されたリレーアセンブリは、制限開口を形成するコリメート領域に対して対称ロッドレンズアセンブリの一対で構成される。リレーアセンブリは、各々平らで度の入っていないロッド要素の側に接着されたダブレットを備え、ストップに隣接するダブレットの負メニスカスレンズは、屈折率ｎｅ＞１．６０と、分散またはｖｅ＞３９のアッベ数とを有する異常部分分散を有するガラスからなり、このダブレットの正レンズは、屈折率ｎｅ＜１．５４と、分散またはｖｅ＞６０のアッベ数とを有するガラスを有し、ストップ領域から最も離れた接着されたダブレットは、屈折率ｎｅ＞１．７５と、分散またはｖｅ＞３７のアッベ数とを有する正レンズをそれぞれ有し、このダブレットの負レンズは、石英ガラスからなる。

ロッドレンズの平面端に隣接して接着されたダブレットの要素及び径の組み合わせである本発明の構成は、画像形成側から、石英ガラスの負動力平凹要素と結合した正動力の高屈折率の適度な分散要素、平らで度の入っていないロッド要素、非常に低屈折率低分散材料の平凸正動力要素、メニカス負動力低屈折率であるが、近くのもの及び低分散よりわずかに高い屈折率ではなく、近くのものよりわずかにより多い拡散ではない、状態を満足する。上記のレンズアセンブリは、停止に対して対称リレーシステムの最初の半分を形成する。以下の停止は、逆の順序で同じ配置である。

材料の上記の組み合わせによる適度な分散の高屈折率の正の要素、特に溶融シリカ負部材、および他の低屈折率、低分散材料、の組み合わせは、広い波長範囲にわたり色収差を最小限に抑え、実質的に、球面収差、非点収差、コマ収差、像面湾曲を補正する、高い補正の広い波長帯リレーアセンブリを形成する。二次スペクトルを最小限に抑え、従来の長さの内視鏡または肥大の長さの内視鏡で使用するリレーの多くの組み合わせを許可するように、広い波長帯の範囲で、共同設置の可視そして近赤外画像が単一の検出器、代わりに、多重化された検出器システムで、検出されることを許容する間ずっと、仕様の範囲内で十分な数の自由度がある。

本発明のロッドレンズアセンブリと他の既知のレンズアセンブリとの比較を示す図。 本発明のロッドレンズアセンブリの実施形態の設計図。 本発明のロッドレンズアセンブリの代替の実施形態の設計図。

本発明の一態様によれば、内視鏡検査のためのロッドレンズアセンブリ等が提供される。ロッドレンズアセンブリは、近赤外で、下限値で４００ｎｍに対応し、上限値で９００ｎｍの対応する、ザイデル収差の最小値が補正されないまま残され、広い波長帯の範囲で、共同設置の可視そして近赤外画像が単一の検出器、代わりに、多重化された検出器システムで、分解されることを許容する、スペクトルの青色領域からの色補正を提供するように選択された結合した複数のレンズを含む。

本発明の別の態様は、平らで度の入っていない形態のアッセンブリ単位の一つのロッド要素を含む内視鏡のためで、目的の生成物を画像再集合するためのアッセンブリの組み合わせで使用されるそれぞれのアッセンブリを含むロッドレンズアセンブリを提供する。ロッド部材は、フリント材料のｎ＝１.６０以上の高屈折率を有するように選択される。単に一例として、Ｆ２ＨＴガラスが、良好な青色光の透過性のため使用される。Ｎ−ＰＳＫ３のようなクラウンガラスも使用することもできる。

設計は、ロッドの停止側に接着された正動力低屈折率要素及びロッドの画像側に接着された負動力極低屈折率要素でそれらの間の停止の周りに中心が置かれたアッセンブリの組み合わせの使用を意図する。正動力要素は、１.４８以下の屈折率を有し、ロッドの反対側の負動力要素は、１.４９以下の屈折率と６５より大きい分散を有する。正動力要素は、ホウケイ酸塩ガラスとすることもでき、負動力要素は、石英ガラスとすることもできる。

本発明の一態様によれば、最もレンズに隣接する停止側のロッド表面に接着されたダブレットを含む内視鏡用のロッドレンズアセンブリ等は、低い分散と極低屈折率を含む正動力要素である。この正動力要素は、ＢＫ７やＳＫなどのホウケイ酸ガラスを含む、ＰＫ５１、Ｎ−ＦＫ５１またはＦＫ５１ａでもよい。

本発明のさらに別の態様によれば、内視鏡用ロッドレンズアセンブリ等は、ロッドアセンブリの対称的な対を形成する２部構成の組み合わせが提供される。ロッドアセンブリの組み合わせは、いずれかの画像側から順に、第一の両凸レンズと、第二平凹レンズと、第三細長平/平型ロッドレンズと、第四平凸レンズと、第五メニスカスレンズと、中心瞳孔と、次のロッドレンズアセンブリの順序が逆転された位置の絞り停止位置とを含む空気空間を含む。

本発明の一態様によれば、テレセントリック像を含む内視鏡用のロッドレンズアセンブリ等が製造される。ロッドレンズアセンブリの２部分の組み合わせは、テレセントリック源からテレセントリック像を形成する。２つのロッドアセンブリ間は、中心限界開口（a centered limiting aperture）を有する視準が合った空間（a collimated space）である。

本発明のさらに別の態様によれば、内視鏡用ロッドレンズアセンブリなど、ロッドアセンブリの対称的な対を形成する２部構成の組み合わせが提供される。アセンブリは、複数のレンズ要素と開口位置（an aperrture location）を含み、それぞれの要素が、曲率半径（ｒ）、厚さ（t）、屈折率（n）および分散値（V）によって定義されたレンズ面を有し、複数のレンズアセンブリは、距離（H）による物体と像から互いに離間される。ロッドレンズアセンブリは、少なくとも以下の条件の一つを満足する。

１００００＜ｒ４／ｒ２ またはｒ４＝ｒ２＝略無限遠
−０．５６＜ｒ３／ｒ９＜−０．８１、
０．９＜ｒ８／ｒ９＜１．１またはｒ８＝ｒ９、
０．９＜ｒ１０／ｒ１１＜１．１またはｒ１０＝ｒ１１、
０．７＜（ｈ１＋ｈ２）／（ｈ３＋ｈ４）＜１．１、
０．９５＜ｈ１＋ｈ２＋ｈ３＋ｈ４＋Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋−Ｔ５＋Ｔ６＜ｆ／１．０２、
１．７１＜ｎＬ１，ｎＬ２，ｎＬ５，ｎＬ６＜１．７９ そして
１．６７＜ｎＬ３，ｎＬ４＜１．８１
ここで、ｒ１は、第１レンズのコリメート側面の曲率半径を表す。ｒ２は、第１レンズの像側の面の曲率半径を表す。ｒ３は、第２レンズのコリメート側面の曲率半径を表す。ｒ４は、第２レンズの像側の面の曲率半径を表す。ｒ８は、第５レンズの物体側の面の曲率半径を表す。ｒ９は、第５レンズの物体側の面の曲率半径を表す。Ｔ１は、第１のレンズ要素の厚さを表す。Ｔ２は、第２レンズの厚さを表す。Ｔ３は、第３レンズの厚さを表す。T４は、第４レンズの厚さを表す。T５は、第５レンズの厚さを表す。ｎＬ１は、第１レンズの屈折率を表す。ｎＬ２は、第２レンズの屈折率を表す。ｎ３は、第３レンズの屈折率を表す。ｎＬ４は、第４レンズの屈折率を表す。ｎＬ５は、第５レンズの屈折率を表す。

本発明の様々な実施形態は、単一の検出器または代わりに、多重化された検出器システムで共位置可視（co-located visible）及び近赤外画像が解析されるのを許容する広い波長帯域の範囲に亘る画像補正を提供する。これらの基準を満たす実施形態は、所望の波長帯の範囲にわたって焦点深度をもたらす。図２及び図３は、上記の基準を満たす代表的な実施形態である。当業者は、図２及び図３に示すガラスの選択は、容易に、類似の特性を示すガラスの選択または上記の基準が満たされているように、他のメーカーのガラス選択で十分であることを理解する。

以下の表は、本発明のロッドレンズアセンブリの実施形態の実用例についてのデータを提供する。

Claims (3)

1. 内視鏡用の高補正リレーシステムであって、
   前記システムは、複数の結合されたレンズを備え、前記複数の結合されたレンズは、スペクトラムの青色領域から、スペクトラムの近赤外領域までの、色補正を提供するように選択され、スペクトラムの青色領域から、スペクトラムの近赤外領域までの光は、同一の光路をたどり、前記システムは、共同設置可視および近赤外画像が単一の検出器で分解されることを許容し、
   前記システムは、対称な一対のロッドレンズアセンブリを備え、各ロッドレンズアセンブリは、
   第一双凸レンズ、
   第二平凹レンズ、
   第三細長平/平型ロッドレンズ、
   第四平凸レンズ、及び
   第五メニスカスレンズ
   を含むことを特徴とする高補正リレーシステム。
2. 前記色補正は、略４００ｎｍから９００ｎｍまで提供されることを特徴とする請求項１に記載の高補正リレーシステム。
3. 前記一対のロッドレンズアセンブリは、中心におかれた瞳及び開口絞り位置を含む空隙の周囲に配置されることを特徴とする請求項１に記載の高補正リレーシステム。

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