JP6523587B1 - 内視鏡 - Google Patents

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Abstract

対物光学系と透明先端部材との間を遮光している枠体をなくして内視鏡の外径を小さく抑えつつコストを低く抑えながら、フレアの発生を防止する。照明光を射出する射出端を備えるライトガイドファイバ(6)と、ライトガイドファイバ(6)の射出端(6a)を保持し、射出端(6a)から射出された照明光を透過させる透明材料によって形成された透明先端部材(7)と、透明先端部材(7)に設けられた貫通孔(8)に挿入された対物光学系(4)とを備え、透明先端部材(7)を構成している透明材料の屈折率が、貫通孔(8)の内面に接している材料の屈折率より大きい内視鏡(1)を提供する。

Description

本発明は、内視鏡に関する。
ライトガイドファイバを保持する挿入部を有し、ライトガイドファイバから射出された照明光を透過可能な透明材料からなる筒状の透明先端部材を備えるとともに、透明先端部材の中央孔に対物光学系を挿入状態に配置してなる内視鏡が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1の内視鏡は、対物光学系を構成するレンズ群が筒状の枠体によって取り囲まれた状態に組み立てられており、対物光学系と透明先端部材とは枠体によって径方向に完全に区画されている。このため、ライトガイドファイバから射出された照明光が透明先端部材内を透過して対物光学系に入射することによるフレアの発生が防止されている。
特開2009−207529号公報
しかしながら、特許文献1のように、複数のレンズを枠体に順次組み付けていく構造では、製造に手間がかかるとともに、部品点数も多くコストが高く付くという不都合がある。また、内視鏡の外径が枠体の厚さ分大きくなってしまうという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、対物光学系と透明先端部材との間を遮光している枠体をなくして内視鏡の外径を小さく抑えつつコストを低く抑えながら、フレアの発生を防止することができる内視鏡を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、照明光を射出する射出端を備えるライトガイドファイバと、該ライトガイドファイバの前記射出端を保持し、該射出端から射出された前記照明光を透過させる透明材料によって形成された透明先端部材と、該透明先端部材に設けられた貫通孔に挿入された対物光学系とを備え、前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率が、前記貫通孔の内面に接している少なくとも一部の材料の屈折率より大きく、前記対物光学系の先端の外周面および前記透明先端部材の先端の前記貫通孔の内面が、先端に向かって漸次先細になる傾斜面を備える内視鏡を提供する。
本態様によれば、ライトガイドファイバの射出端から射出された照明光は射出端を保持している透明先端部材内に入射され、透明先端部材内を透過して透明先端部材の先端面から外部に射出され、観察しようとする部位を照明する。透明先端部材の射出面から光軸に対して角度をなして射出された照明光の一部あるいはライトガイドファイバの側面から漏れた照明光の一部は、貫通孔に挿入配置されている対物光学系に向かって透明先端部材内を進行するが、透明先端部材を構成している透明材料の屈折率が、貫通孔の内面に接している少なくとも一部の材料の屈折率より大きいので、貫通孔とその内面に接する材料との境界において照明光の一部が全反射し、一部がより先端に向かう方向に屈折させられる。
すなわち、対物光学系とその周囲の透明先端部材とを光軸に直交する方向に区画する枠体を有していなくても、対物光学系に入射して光軸方向の基端側に向かう照明光を低減することができ、フレアの発生を防止することができるとともに、内視鏡の外径を小さく抑えつつコストを低減することができる。
また、傾斜面が設けられている部分においては、照明光の貫通孔とその内面に接する材料との境界への入射角度をより大きくすることができて、全反射条件を満足し易くすることができる。これにより、境界を通過する照明光の光量を低減し、フレアの発生をより抑制することができる。
参考例として、前記対物光学系が光軸方向に積層された複数の樹脂層を備え、各該樹脂層の外周面が前記貫通孔の内面に接触していてもよい。
このようにすることで、樹脂層を積層して構成された安価な対物光学系を採用して、さらにコストの低減を図ることができる。また、複数の樹脂層を構成している材料として透明先端部材の透明材料よりも屈折率の小さい材料を選択するだけで、コストの低減とフレアの低減とを図ることができる。
参考例として、前記対物光学系の外周面と前記貫通孔の内面との間に充填材が充填され、該充填材の屈折率が前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率より小さくてもよい。
このようにすることで、対物光学系と透明先端部材との隙間を充填材によって埋めることにより、対物光学系を透明先端部材により確実に支持させることができ、枠体をなくして内視鏡の外径を小さく抑えつつコストを低減しても、透明先端部材と充填材との屈折率差を利用してフレアの発生を抑制することができる。
参考例として、前記充填材が接着材であってもよい。
このようにすることで、対物光学系と透明先端部材との隙間を接着材からなる充填材によって埋めることにより、対物光学系を透明先端部材により確実に固定することができ、枠体をなくして内視鏡の外径を小さく抑えつつコストを低減しても、透明先端部材と充填材との屈折率差を利用してフレアの発生を抑制することができる。
上記態様においては、前記透明先端部材の前記傾斜面の前記対物光学系の先端面に対する角度が以下の条件式を満足してもよい。
no/ni≦cosθ
ここで、noは前記貫通孔の内面に接している材料の屈折率、niは前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率、θは前記透明先端部材の前記傾斜面の前記対物光学系の先端面に対する角度である。
このようにすることで、透明先端部材の傾斜面に対して光軸に直交する方向から照明光が入射しても、該照明光を全反射させることができ、フレア防止効果を高めることができる。
上記態様においては、前記透明先端部材の前記傾斜面の前記対物光学系の先端面に対する角度が、以下の条件式を満足してもよい。
30°≦θ≦180°−α−(sin−1(no/ni))
ここで、αは前記射出端から射出される前記照明光の光軸方向とのなす角度である。
θが小さすぎると対物光学系の有効径を確保するために対物光学系の光軸に直交する方向の寸法を大きくする必要があり、内視鏡の外径が大きくなるという不都合がある。θが大きすぎると、フレア防止効果が低減してしまう。上記条件を満足することで、内視鏡の外径を小さく抑えつつ、フレア防止効果を向上することができる。
本発明の他の態様は、照明光を射出する射出端を備えるライトガイドファイバと、該ライトガイドファイバの前記射出端を保持し、該射出端から射出された前記照明光を透過させる透明材料によって形成された透明先端部材と、該透明先端部材に設けられた貫通孔に挿入された対物光学系とを備え、前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率が、前記貫通孔の内面に接している少なくとも一部の材料の屈折率より大きく、前記対物光学系が光軸方向に積層された複数の樹脂層を備え、各該樹脂層の外周面が前記貫通孔の内面に接触しており、複数の前記樹脂層の屈折率が、先端に向かって大きくなる内視鏡を提供する
このようにすることで、対物光学系に入射した照明光が像面側から物体面側に斜めに通過していく際に、各樹脂層の境界面での全反射を防止し、各樹脂層の境界への入射角が順次小さくなるため、照明光が撮像面側に到達しにくくなり、フレア防止効果を向上することができる。
本発明によれば、対物光学系と透明先端部材との間を遮光している枠体をなくして内視鏡の外径を小さく抑えつつコストを低く抑えながら、フレアの発生を防止することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る内視鏡を示す先端部の部分的な縦断面図である。 図1の内視鏡の対物光学系の一例を示す斜視図である。 図1の内視鏡におけるライトガイドファイバからの照明光の軌跡を示す模式図である。 図1の内視鏡の第1の変形例において、対物光学系に入射した照明光の軌跡を示す模式図である。 図1の内視鏡の第2の変形例を示す先端部の部分的な縦断面図である。 図5の内視鏡の対物光学系の一例を示す斜視図である。 図6の対物光学系とライトガイドファイバの配置例を示す正面図である。 図6の対物光学系の変形例を示す斜視図である。 図5の内視鏡における条件式(1)を説明する図である。 図5の内視鏡における条件式(2)を説明する図である。
本発明の一実施形態に係る内視鏡1について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡1は、図1に示されるように、細長い挿入部2の先端に照明光を被写体に向けて照射する照明光学系3と、被写体から戻る観察光を集光する対物光学系4と、該対物光学系4により集光された観察光を撮影する撮像素子5とを備えている。
照明光学系3は、挿入部2の基端側に配置された図示しない光源からの照明光を挿入部2の先端まで導光してくるライトガイドファイバ6と、該ライトガイドファイバ6の先端の射出端6aから射出された照明光を透過させる透明材料からなる透明先端部材7とを備えている。
透明先端部材7は、略円柱状に形成され、その中央に軸方向に貫通する横断面正方形の貫通孔8を備えている。透明先端部材7を構成している透明材料は、例えば、ポリサルフォン等の樹脂からなり、所定の屈折率niを有している。
透明先端部材7には、軸方向の一端面に、貫通孔8の軸線回りに周方向に間隔をあけて、ライトガイドファイバ6の射出端6aを嵌合させる複数の嵌合孔9が設けられている。嵌合孔9は、透明先端部材7の軸方向の一端面から所定の深さ位置まで形成されており、その底面に、嵌合されたライトガイドファイバ6を突き当てることにより位置決め状態に支持することができるようになっている。
対物光学系4は、図2に示されるように、複数種の樹脂材料からなる樹脂層10を軸方向に積層して略四角柱状に構成されている。対物光学系4の横断面は、透明先端部材7の貫通孔8の横断面にピッタリと嵌合する寸法を有している。対物光学系4を構成している各樹脂層10の樹脂材料の屈折率nox(x=1,2,…,n)は以下の条件式(1)を満足している。
nox≦ni (1)
対物光学系4は、例えば、薄膜成形技術により多数の樹脂材料を積層した基板をダイシング等によって切り出すことにより製造されている。そして、ダイシング等によって切り出された切断面を透明先端部材7の貫通孔8内面に直接接触させて貫通孔8内に嵌合されている。
すなわち、対物光学系4と透明先端部材7との間には両者間を遮光する枠体は存在していない。
撮像素子5は、例えば、CCDまたはCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子であり、対物光学系4の焦点位置である像面側の端面に固定されている。対物光学系4の端面に、撮像素子5に代えて、イメージングファイバの入射端を配置してもよい。
このように構成された本実施形態に係る内視鏡1の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡1を用いて被写体の観察を行うには、挿入部2の先端に設けられた照明光学系3および対物光学系4を被写体に対向して配置し、光源から発せられた照明光をライトガイドファイバ6を介して挿入部2の先端まで導く。
ライトガイドファイバ6によって挿入部2の先端まで導かれてきた照明光は、ライトガイドファイバ6の射出端6aから前方に向かって射出され、その大部分が透明材料からなる透明先端部材7を透過して、挿入部2の先端面に対向している被写体に照射される。被写体における照明光の反射光、被写体において発生した蛍光等の観察光は、対物光学系4の先端面から対物光学系4に入射し、対物光学系4の基端側に配置されている撮像素子5に結像される。これにより、撮像素子5によって被写体からの観察光の画像を取得することができ、被写体の観察を行うことができる。
この場合において、図3に示されるように、ライトガイドファイバ6の射出端6aあるいはその近傍から射出される照明光はそのほぼ全てが斜め前方に射出されるが、その一部が、貫通孔8の方向に指向されて、透明先端部材7と対物光学系4との境界に入射する。透明先端部材7と対物光学系4との境界に斜め前方に向かって入射した照明光は、入射角度に応じて、一部が境界において全反射し、残りが境界を通過して対物光学系4内に入射する。
本実施形態においては、透明先端部材7を構成している透明材料の屈折率niと対物光学系4を構成している各樹脂層10の樹脂材料の屈折率noxとが条件式(1)を満足しているので、全反射角度以上で入射した照明光は全反射されるようになっている。
また、入射角度が小さく、全反射条件を満たさない照明光は境界を通過して対物光学系4内に入射するが、この場合には、境界においてさらに前方に向かう方向に屈折させられるので、対物光学系4の基端面に配置されている撮像素子5側には指向され難くなっている。
このように、本実施形態に係る内視鏡1によれば、複数のレンズを1枚ずつ枠体内に収容していくことにより対物光学系4を構成していた従来の内視鏡と比較して、複数種の樹脂を薄膜成形技術により積層して構成された基板からダイシング等によって切り出しただけの四角柱状の対物光学系4を透明先端部材7の貫通孔8に直接嵌合するだけで構成でき、部品コストおよび組立コストを大幅に削減することができるという利点がある。また、枠体をなくしたことで、内視鏡1の外径を枠体の厚さ分小さくして、内視鏡1を細径化することができるという利点がある。
枠体をなくしたことで、透明先端部材7から対物光学系4への照明光が枠体によって遮光されることはないが、屈折率差を利用して、透明先端部材7と対物光学系4との境界に入射する照明光のうち、境界を通過する照明光の光量を低減するとともに、境界を通過した照明光についても撮像素子5側に指向される照明光を低減して、撮像素子5により取得される画像におけるフレアの発生を効果的に防止することができるという利点がある。
なお、本実施形態に係る内視鏡1においては、対物光学系4を構成している各樹脂層10の材料の屈折率noxが対物光学系4の光軸方向に沿って物体側(先端)に向かうに従って大きくなるように選択されていることが好ましい。このようにすることで、図4に示されるように、対物光学系4に入射した照明光が、各樹脂層10の境界を通過する際に、より物体側に指向されるように屈折させられる。これにより、撮像素子5側に指向される照明光の光量を減らして、より効果的にフレアの発生を防止することができるという利点がある。
本実施形態においては、複数の樹脂層10を積層した基板をダイシングによって切り出すことにより四角柱状の対物光学系4を使用することとしたが、これに限定されるものではなく、円柱状の対物光学系4を使用してもよい。このようにすることで、透明先端部材7の貫通孔8も横断面円形に形成できて、両者を精度よく嵌合させることができる。
本実施形態においては、透明先端部材7を構成している透明材料の屈折率として、貫通孔8の内面に接している全ての樹脂層10の屈折率以上であるものを例示したが、貫通孔8の内面に接している少なくとも1つ(少なくとも一部)の材料の屈折率より大きいものを採用してもよい。例えば、照明光が対物光学系4に入射する位置によっては屈折率の関係に関わらず、入射しても撮像面に到達しない場合がある。この場合、照明光が対物光学系4に入射する位置においては、透明先端部材7を構成している透明材料の屈折率が樹脂層10の屈折率以上でなくてもよい。すなわち、少なくとも照明光が対物光学系4に入射して撮像面に到達する経路がある位置において透明先端部材7を構成している透明材料の屈折率が樹脂層10の屈折率以上であればよい。
本実施形態に係る内視鏡1においては、対物光学系4を構成している各樹脂層10が透明先端部材7の貫通孔8の内面に直接接触するように嵌合させる場合について説明したが、これに代えて、対物光学系4の外周面と貫通孔8の内面との間に、任意の充填材を介在させて両者間の隙間をなくすことにしてもよい。充填材としては接着材を採用してもよい。これにより、対物光学系4を透明先端部材7に確実に固定することができる。
そして、対物光学系4の外周面と貫通孔8の内面との間に充填材を介在させる場合には、充填材として、透明先端部材7の屈折率niより小さい屈折率noを有するものを選択すればよい。この場合には、対物光学系4を構成する各樹脂層10の屈折率noxが透明先端部材7の屈折率niより小さく限定されないので、材料選択の自由度を広げることができる。
透明先端部材7の屈折率ni、および、貫通孔8の内面に接する材料の屈折率noの例を表1に示す。
Figure 0006523587
これによれば、表1に示されている全ての組合せにおいて条件式(1)が満たされている。
本実施形態においては、対物光学系4として横断面が均一な柱状に形成したが、これに代えて、図5に示されるように、光軸回りに全周にわたって先端面(物体側の面)に向かって先細になる傾斜面10aを備えていてもよい。そして、透明先端部材7の貫通孔8にも対物光学系4の傾斜面10aに密着させられる傾斜面8aが設けられていればよい。
対物光学系4が四角柱状に形成されている場合には、図6に示されるように、傾斜面10aは4つの側面にそれぞれ設けられるので、ライトガイドファイバ6の射出端6aを固定する嵌合孔9と傾斜面10aとは図7に示されるように相互に対応する位置に配置されていることが好ましい。ライトガイドファイバ6の数は任意でよい。
一方、図8に示されるように、対物光学系4が円柱状である場合には、嵌合孔9は貫通孔8の径方向外方の任意の周方向位置に配置することができる。
このようにすることで、ライトガイドファイバ6の射出端6aから射出される照明光の透明先端部材7と対物光学系4との境界への入射角度を傾斜面10a以外の場所よりも大きくすることができる。これにより、境界において全反射される照明光の光量を増大させ、対物光学系4内に入射される照明光の光量を低減することができる。対物光学系4内に入射された照明光の一部は、対物光学系4の先端面においてフレネル反射により撮像素子5側に指向されるので、対物光学系4内に入射される照明光自体を減らすことで、フレア防止効果を向上することができる。
このような傾斜面10aを設ける場合には、貫通孔8の傾斜面8aの対物光学系4の先端面に対する傾斜角度θが以下の条件式(2)を満足することが好ましい。
no/ni≦cosθ (2)
ここで、noは傾斜面8aに接する材料、例えば、対物光学系4あるいは充填材の屈折率である。
この条件式(2)を満足することにより、図9に示されるように、傾斜面8aに対して光軸に略直交する方向から照明光が入射しても、傾斜面8aにおいて照明光を全反射させることができ、フレア防止効果を向上することができる。
表2に条件式(2)を満足する材料の組合せと最大傾斜角度の例を示す。
Figure 0006523587
傾斜面8aの傾斜角度θが以下の条件式(3)を満足していてもよい。
30°≦θ≦180°−α−(sin−1(no/ni)) (3)
ここで、αは、図10に示されるように、ライトガイドファイバ6の射出端6aから射出される照明光の対物光学系4の光軸とのなす角度である。
条件式(3)を満足することにより、内視鏡1の外径を小さく抑えることができるとともに、十分なフレア防止効果を得ることができる。
すなわち、θが小さくなると、対物光学系4の光軸に直交する方向の寸法を大きくしなければ先端面が小さくなって有効径が確保できないため、内視鏡1の外径が大きくなってしまう。また、θが大きくなると、傾斜面8aにおいて全反射される照明光の光量が低減していくので、フレア防止効果が減ってしまう。条件式(3)を満足することにより、これらの不都合の発生を抑制することができる。
表3に条件式(3)を満足する材料の組合せと最大傾斜角度の例を示す。
Figure 0006523587
1 内視鏡
4 対物光学系
6 ライトガイドファイバ
6a 射出端
7 透明先端部材
8 貫通孔
8a,10a 傾斜面
10 樹脂層
ni,no 屈折率

Claims (4)

  1. 照明光を射出する射出端を備えるライトガイドファイバと、
    該ライトガイドファイバの前記射出端を保持し、該射出端から射出された前記照明光を透過させる透明材料によって形成された透明先端部材と、
    該透明先端部材に設けられた貫通孔に挿入された対物光学系とを備え、
    前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率が、前記貫通孔の内面に接している少なくとも一部の材料の屈折率より大きく、
    前記対物光学系の先端の外周面および前記透明先端部材の先端の前記貫通孔の内面が、先端に向かって漸次先細になる傾斜面を備える内視鏡。
  2. 前記透明先端部材の前記傾斜面の前記対物光学系の先端面に対する角度が以下の条件式を満足する請求項1に記載の内視鏡。
    no/ni≦cosθ
    ここで、
    no:前記貫通孔の内面に接している材料の屈折率、
    ni:前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率、
    θ:前記透明先端部材の前記傾斜面の前記対物光学系の先端面に対する角度
    である。
  3. 前記透明先端部材の前記傾斜面の前記対物光学系の先端面に対する角度が、以下の条件式を満足する請求項に記載の内視鏡。
    30°≦θ≦180°−α−(sin−1(no/ni))
    ここで、
    α:前記射出端から射出される前記照明光の光軸方向とのなす角度
    である。
  4. 照明光を射出する射出端を備えるライトガイドファイバと、
    該ライトガイドファイバの前記射出端を保持し、該射出端から射出された前記照明光を透過させる透明材料によって形成された透明先端部材と、
    該透明先端部材に設けられた貫通孔に挿入された対物光学系とを備え、
    前記透明先端部材を構成している前記透明材料の屈折率が、前記貫通孔の内面に接している少なくとも一部の材料の屈折率より大きく、
    前記対物光学系が光軸方向に積層された複数の樹脂層を備え、
    各該樹脂層の外周面が前記貫通孔の内面に接触しており、複数の前記樹脂層の屈折率が、先端に向かって大きくなる内視鏡。
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