JP7045482B2

JP7045482B2 - 光学装置および内視鏡

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Publication number: JP7045482B2
Application number: JP2020562046A
Authority: JP
Inventors: 京右吉田
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Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-03-31
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Also published as: US20210315444A1; WO2020136802A1; JPWO2020136802A1

Description

本発明は、内部に光学系を有する移動枠を磁力によって前後に移動して光学的焦点位置を可変する光学装置および内視鏡に関する。

内部に光学系を備えた移動枠を光学系の光軸方向の前後に移動させて、焦点位置を切り替えることができる光学装置が周知である。この光学装置を備えた撮像ユニットは、カメラの他、カメラ付き通信端末、内視鏡などに設けられている。

例えば、日本国特開２０１７－９０５０４号公報には、観察部位、或いは、観察の目的等によって観察対象部に対する焦点深度、結像倍率、視野角などの光学特性を変更自在な光学ユニット（以下、光学装置という）が挿入部の先端部に設けられた内視鏡が開示されている。

ところで、医療機器に用いられる光学装置は、小型化、高精度、高画素化などに伴い、フォーカス機構の高精度化が要求されている。

しかしながら、このような小型で高精度、高画素などが要求される光学装置は、フォーカス機構に設けられる移動レンズ枠などの摺動部の部品クリアランスなどにより、移動レンズ枠の摺動動作および停止位置の再現性が困難で、焦点調整の際の光学性能が安定せず、片ボケ、ケラレなどの不具合が発生するという課題があった。

なお、日本国特開２０１７－９０５０４号公報に記載される従来の光学装置は、摺動部である移動レンズ枠を磁力により片寄せする技術が開示されているが、外径方向の一方側のみに寄せられる移動レンズ枠の初動が不均一となったり、固定保持枠とのクリアランスによって移動レンズが傾いてしまい、引っ掛かったりして停止する虞があり、移動レンズ枠のスムーズな摺動動作が得られないという問題があった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みなされたものあり、移動レンズ枠の摺動をスムーズに行え、小型で高画素化に対応して高精度に光学性能をより安定させることができる光学装置および内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様における光学装置は、光学像を形成する光学系と、上記光学系の少なくとも一部を保持する移動枠と、上記移動枠を内包すると共に上記光学像の光軸方向へ摺動自在に保持する固定枠と、上記移動枠を上記光軸に沿って駆動する磁界を発生するコイルと、上記移動枠を磁力により上記光軸に平行な軸回りに所定のモーメントの回転力を生じさせる位置に配設された磁石と、有し、上記磁石は、複数であって、第１の磁石と第２の磁石は、上記光軸に直交する断面において、それぞれの中心を結ぶ線の中点が上記移動枠の断面領域内に入るように配設されている。

本発明の一態様における内視鏡は、光学像を形成する光学系と、上記光学系の少なくとも一部を保持する移動枠と、上記移動枠を内包すると共に光軸方向へ摺動自在に保持する固定枠と、上記移動枠を光軸に沿って駆動する磁界を発生するコイルと、上記移動枠を磁力により上記光軸に平行な軸回りに所定のモーメントの回転力を生じさせる位置に配設された磁石と、を有し、上記磁石は、複数であって、第１の磁石と第２の磁石は、上記光軸に直交する断面において、それぞれの中心を結ぶ線の中点が上記移動枠の断面領域内に入るように配設されている光学装置と、上記光学装置が搭載された先端部を有する挿入部と、を具備する。

本発明によれば、移動レンズ枠の摺動をスムーズに行え、小型で高画素化に対応して高精度に光学性能をより安定させることができる光学装置および内視鏡を提供することができる。

同、本発明の一態様の光学装置を具備する内視鏡の外観を示す図同、光学装置の構成を示す斜視図同、光学装置の構成を示す上面図同、光学装置の構成を示す側面図同、図４の矢印Ｖ方向の光学装置の構成を示す正面図同、図５のＶＩ－ＶＩ断面図同、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図同、第１の変形例の光学装置の構成を示す断面図同、第２の変形例の光学装置の構成を示す断面図同、第３の変形例の光学装置の構成を示す断面図同、第４の変形例の光学装置の構成を示す断面図同、第５の変形例の光学装置の構成を示す断面図同、第６の変形例の光学装置の構成を示す断面図

ここでは、本発明である光学装置を備えた内視鏡を例に挙げて説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
また、以下の構成説明における光学装置を備えた内視鏡は、生体の上部または下部の消化器官に挿入するため挿入部が可撓性のある所謂軟性鏡を例に挙げて説明するが、これに限定されることなく、外科用に用いられる挿入部が硬質な所謂硬性鏡にも適用できる技術である。

さらに、光学装置は、内視鏡などの医療機器に設けられるものに限定されることなく、小型となるため、例えば、カメラ付き携帯電話にも採用することができるものである。

以下、本発明の一態様の光学装置および内視鏡について、図面に基づいて説明する。
先ず、図１を参照して、本発明に係る光学装置１を具備する内視鏡１０１の構成の一例を説明する。
本実施形態の内視鏡１０１は、人体などの被検体内に導入可能であって被検体内の所定の観察部位を光学的に撮像する構成を有している。

なお、内視鏡１０１が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体であっても良いし、機械、建造物などの人工物であっても良い。

内視鏡１０１は、被検体の内部に導入される挿入部１０２と、この挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、この操作部１０３の側部から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。

挿入部１０２は、先端に配設される先端部１１０、この先端部１１０の基端側に配設される湾曲自在な湾曲部１０９およびこの湾曲部１０９の基端側に配設され操作部１０３の先端側に接続される可撓性を有する可撓管部１０８が連設されて構成されている。

詳しくは後述するが、先端部１１０には、光学装置１が設けられている。また、操作部１０３には、湾曲部１０９の湾曲を操作するためのアングル操作ノブ１０６が設けられている。

ユニバーサルコード１０４の基端部には、外部装置１２０に接続される内視鏡コネクタ１０５が設けられている。内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置１２０は、モニタなどの画像表示部１２１にケーブルを介して接続されている。

また、内視鏡１０１は、ユニバーサルコード１０４、操作部１０３および挿入部１０２内に挿通された複合ケーブル１１５および外部装置１２０に設けられた光源部からの照明光を伝送する光ファイバ束（不図示）を有している。

複合ケーブル１１５は、内視鏡コネクタ１０５と光学装置１とを電気的に接続するように構成されている。内視鏡コネクタ１０５が外部装置１２０に接続されることによって、光学装置１は、複合ケーブル１１５を介して外部装置１２０に電気的に接続される。

この複合ケーブル１１５を介して、外部装置１２０から光学装置１への電力の供給および外部装置１２０と光学装置１との間の通信が行われる。

外部装置１２０には、画像処理部が設けられている。この画像処理部は、光学装置１から出力された撮像素子出力信号に基づいて映像信号を生成し、画像表示部１２１に出力する。即ち、本実施形態では、光学装置１により撮像された光学像（内視鏡像）が、映像として画像表示部１２１に表示される。

なお、内視鏡１０１は、外部装置１２０または画像表示部１２１に接続する構成に限定されず、例えば、画像処理部またはモニタの一部または全部を有する構成であっても良い。

また、光ファイバ束である後述するライトガイド（不図示）は、外部装置１２０の光源部から発せられた光を、先端部１１０の照明光出射部としての照明窓まで伝送するように構成されている。さらに、光源部は、内視鏡１０１の操作部１０３または先端部１１０に配設される構成であってもよい。

ここで、内視鏡１０１の挿入部１０２の先端部１１０に搭載される光学装置１の構成について、以下に詳しく説明する。
図２から図５に示す、本実施の形態の光学装置１は、２つの光学像を形成するステレオ光学系が設けられた立体視（３Ｄ）画像を取得できる３Ｄカメラである。なお、２つの光学像を形成する２つの光学系を有する光学装置１は、３Ｄカメラに限定されることなく、一方の光学系が通常光観察、他方の光学系がＮＢＩ（Ｎａｒｒｏｗｂａｎｄｉｍａｇｉｎｇ）などの特殊光観察が行えるものとしてもよい。

光学装置１は、先端側に２つの観察光学系である対物レンズ１２，１３を保持する樹脂などの非磁性材、ステンレスなどの非磁性金属材などから形成された第1の固定枠である外形断面が長円形（Ｏｖａｌ）状のレンズ保持枠１１を有している。なお、対物レンズ１２，１３が内視鏡１０１の先端部１１０で露出する観察窓を構成する場合もある。

対物レンズ１２には、光軸Ｏ１を有する撮影光が入射される。一方、対物レンズ１３には、光軸Ｏ２を有する撮影光が入射される。これら２つの撮影光の視差により、３Ｄ画像が生成されるものである。

レンズ保持枠１１は、先端側の外形断面が長円形筒状であって非磁性樹脂材、非磁性金属材などの非磁性材から形成された第２の固定枠であるガイド枠１４に嵌合されている。このガイド枠１４の基端には、断面円形の２つの筒状部１４ａ，１４ｂを有し、これら２つの筒状部１４ａ，１４ｂに略有底筒体の樹脂などの非磁性樹脂材、非磁性金属材などの非磁性材から形成された第３の固定枠である２つの撮像素子保持枠１５が嵌合されている。

ガイド枠１４の外周部には、銅などの金属細線が巻回されて構成されるコイル３１が設けられている。また、ガイド枠１４の外周部上には、コイル３１を挟むように前後に一対の第１の磁石２１，２２および一対の第２の磁石２３，２４が異なる略直線状の縁辺部に設けられている。

２つの撮像素子保持枠１５は、基端部分に矩形ブロック状の配線接続部１５ａを有し、この配線接続部１５ａの表面に露出するように複数の端子部１５ｂが設けられている。これら複数の端子部１５ｂには、撮像ケーブル１６，１７の複数の配線１８，１９の導体１８ａ，１９ａが半田などにより接続される。

図６に示すように、ガイド枠１４は、鉄、ニッケル、コバルトなどの磁性材から形成された断面長円形状の摺動部材である移動レンズ枠４１が内部で所定の範囲において光軸Ｏ１，Ｏ２に沿って摺動自在となるように内包して収容されている。この移動レンズ枠４１は、光軸Ｏ１（Ｏ２）に直交する方向に２つの移動レンズ４２を保持している。

なお、磁性材から形成された移動レンズ枠４１は、コイル３１の通電方向を切換えることで、コイル３１から発生する磁界の向きに応じて前後に摺動されるものである。

本実施の形態の光学装置１は、移動レンズ枠４１に保持された移動レンズ４２を前後に駆動することで、被写体の焦点位置を変更できる構成となっている。なお、移動レンズ４２の駆動位置による光学特性は、内視鏡１０１における被検体に対する近点観察時と遠点観察時の焦点切り替えでもよいし、テレ／ワイドのズーム切り替えとしてもよい。

ガイド枠１４の２つの筒状部１４ａ，１４ｂ内には、それぞれ２つの観察光学系である固定レンズ群４３が保持されており、光軸Ｏ１（Ｏ２）に沿った方向のレンズ間にスペーサ４４が設けられている。

２つの撮像素子保持枠１５内には、カバーガラス３２が前面に設けられ、ＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの固体撮像素子を備えたイメージセンサ３３がそれぞれ配設されている。これらイメージセンサ３３は、複数の端子部１５ｂと電気的に接続されている。

ここで、第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４によって、ガイド枠１４内で光軸Ｏ１，Ｏ２に沿って摺動自在な移動レンズ枠４１を片寄せる構成について以下に詳しく説明する。

図７に示すように、第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４は、ガイド枠１４の外周部における、光軸Ｏ１，Ｏ２に直交し、紙面に向かって見た左右（図中Ｘ軸に沿った）方向にずれた位置であって、紙面に向かって見た上下（図中Ｙ軸に沿った）方向において移動レンズ枠４１を挟んだ位置に配設されている。

換言すると、光軸Ｏ１，Ｏ２に直交するガイド枠１４および移動レンズ枠４１の断面の中心点を通る長手方向に沿ったＸ軸と、このＸ軸に直交し、前記中心点を通る短手方向に沿ったＹ軸と、によって４つに区分けされる斜め方向の象限に第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４が位置するように主に配設されている。

なお、ここでは、第１の磁石２１，２２がＸ軸およびＹ軸によって区分けされる第１象限の位置に主に配設され、第２の磁石２３，２４がＸ軸およびＹ軸によって区分けされる第３象限の位置に主に配設されている構成を例示している。勿論、第１の磁石２１，２２が第２象限に配設され、第２の磁石２３，２４が第４象限に配置された構成でもよい。

ガイド枠１４内の移動レンズ枠４１は、第１の磁石２１，２２の磁力Ｍ１の引力を常に受け、この磁力Ｍ１に相反する方向の第２の磁石２３，２４の磁力Ｍ２の引力を常に受けた状態となる。

この状態において、移動レンズ枠４１は、光軸Ｏ１，Ｏ２に直交する断面において、第１の磁石２１，２２の中心Ｃ１と第２の磁石２３，２４の中心Ｃ２を結んだ直線Ｌの中点Ｃを通る光軸Ｏ１，Ｏ２に平行な軸回りの所定のモーメントＭの回転力が発生する。

そのため、移動レンズ枠４１は、第１の磁石２１，２２に対向する外表面部分がガイド枠１４の内面に当接し、第２の磁石２３，２４に対向する外表面部分がガイド枠１４の内面に当接した状態が保たれる。

このように、移動レンズ枠４１は、第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４の引力による常に回転モーメントを受けて片寄られた状態となり、ガイド枠１４とのクリアランスに対して光軸Ｏ１，Ｏ２に沿った摺動位置が安定する。

なお、移動レンズ枠４１に中点Ｃを通る光軸Ｏ１，Ｏ２に平行な軸回りの回転力が生じるように中点Ｃが移動レンズ枠４１の断面領域内に入れば、第１の磁石２１，２２と第２の磁石２３，２４の配置は問わないが、移動レンズ枠４１のより安定したスムーズな摺動性を得るには中点Ｃが移動レンズ枠４１の断面中心と一致するように第１の磁石２１，２２と第２の磁石２３，２４を配置することが好ましい。

即ち、光学装置１は、第１の磁石２１，２２と第２の磁石２３，２４が中点Ｃの点対称位置に設けられる構成が好適となる。さらに、第１の磁石２１，２２の磁力Ｍ１と第２の磁石２３，２４の磁力Ｍ２が同じ磁力（Ｍ１＝Ｍ２）となるようにすることが好適である。

このように構成された光学装置１は、小型化しても、摺動部である移動レンズ枠４１の摺動動作および停止位置の再現性が安定する。その結果、光源装置１は、光学性能が安定し、片ボケ、ケラレなどの不具合を防止することができる。

さらに、光学装置１は、第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４の磁力Ｍ１，Ｍ２により移動レンズ枠４１に常に中点Ｃを通る光軸Ｏ１，Ｏ２に平行な軸回りの回転モーメントが生じている状態により、移動レンズ枠４１の摺動時の初動も均一となる。

また、移動レンズ枠４１は、ガイド枠１４とのクリアランスによって光軸Ｏ１，Ｏ２に対して傾くこともないため、引っ掛かったりして停止することもなく、スムーズな摺動動作が得られる。

以上の説明から、本実施の形態の光学装置１は、移動レンズ枠４１の摺動をスムーズに行え、小型で高画素化に対応して高精度に光学性能をより安定させることができる構成となる。
特に、立体視（３Ｄ）画像を取得する光学装置１においては、焦点調整（拡大動作）の際に生じる片ボケの発生と視差ズレの発生を防止することができる。

また、光学装置１をより小型化しても、光学性能を安定させることができるため、光学装置１を搭載する内視鏡１０１の挿入部１０２の先端部１１０も小型化できる。その結果、挿入部１０２の細径化も実現でき、内視鏡１０１は、挿入部１０２の被検体への挿入性も向上させることができる。

（第１の変形例）
光学装置１は、所定のモーメントＭが発生すればよく、図８に示すように、第２の磁石２３，２４を設けず、第１の磁石２１，２２のみの構成としてもよい。

（第２の変形例）
光学装置１は、図９に示すように、第１の磁石２１，２２の磁力Ｍ１よりも小さい磁力Ｍ３を有する第３の磁石２５，２６を第２の磁石２３，２４に対してＹ軸に沿ったガイド枠１４の外周部に設け、第２の磁石２３，２４の磁力Ｍ２よりも小さい磁力Ｍ４を有する第４の磁石２７，２８を第１の磁石２１，２２に対してＹ軸に沿ったガイド枠１４の外周部に設けた構成としてもよい。

即ち、光源装置１は、第３の磁石２５，２６が第１の磁石２１，２２に対してＸ軸に沿った第４象限に設けられ、第４の磁石２７，２８が第２の磁石２３，２４に対してＸ軸に沿った第２象限に設けられた構成となっている。

このような構成としても、第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４のそれぞれの磁力Ｍ１，Ｍ２が第３の磁石２５，２６および第４の磁石２７，２８のそれぞれの磁力Ｍ３，Ｍ４よりも大きいため、移動レンズ枠４１に回転モーメントを発生させることができる。

また、第１の磁石２１，２２、第２の磁石２３，２４、第３の磁石２５，２６および第４の磁石２７，２８のそれぞれの磁力Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を調整して、移動レンズ枠４１がスムーズに摺動するように設定することもできる。

（第３の変形例）
光学装置１は、図１０に示すように、ガイド枠１４を磁性材から形成し、移動レンズ枠４１を非磁性材から形成して、移動レンズ枠４１に所定のモーメントＭの回転力が生じるように移動レンズ枠４１側に複数、ここでは２つの磁石３４，３５を設けた構成としてもよい。

なお、移動レンズ枠４１には、２つの磁石３４，３５が直接、ガイド枠１４に接触しないように２つの磁石３４，３５の配置する凹部４１ａが形成されている。これにより、磁石３４，３５が直接的にガイド枠１４に吸着されず、移動レンズ枠４１のスムーズな摺動動作ができるようになる。

（第４の変形例）
光学装置１は、上記したような、光学系（対物レンズおよび移動レンズ）が視差を有するように２つ設けられた立体視（３Ｄ）画像を取得できる３Ｄカメラの構成でなくても、例えば、図１１に示すように、光学系が１つの平面視（２Ｄ）画像を取得する構成としてもよい。

なお、本変形例の光学装置１は、外形断面が長円形筒状のガイド枠１４および外形断面が長円形の移動レンズ枠４１が前提の構成である。

（第５の変形例）
光学装置１は、図１２に示すように、光学系の光軸に直交する断面形状が真円状でなく、上記光学系が形成する光学像は、例えばＨＤＴＶで利用される１６：９以上の高アスペクト比に適合するように、長円形としてもよい。または、ＷＳＸＧＡ＋で利用される１６：１０以上の表示モニタにも適合するように１６：１０以上の高アスペクト比に適合する長円形としてもよい。
なお、長円形の光学系は、立体視（３Ｄ）画像を取得できる３Ｄカメラにも適用することができる。なお、本変形例のような長円形の光学系は、上述した長円形状のガイド枠１４および移動レンズ枠４１に適合する。
"上記実施形態では、断面形状が長円形の移動枠を開示したが、長円形状と類似した楕円形状或は方形形状の移動枠に対しても有効である"

（第６の変形例）
光学装置１は、図１３に示すように、外形断面が円形筒状のガイド枠１４および外形断面が円形の移動レンズ枠４１である場合、ガイド枠１４に光軸に沿って凸部４５が設けられ、移動レンズ枠４１に凸部４５が係合する凹部４６を光軸に沿って設けられた構成となる。

このような構成では、移動レンズ枠４１に第１の磁石２１，２２および第２の磁石２３，２４の磁力Ｍ１，Ｍ２により中点Ｃを通る光軸Ｏ１に平行な軸回りの所定のモーメントＭの回転力が生じても、凸部４５と凹部４６の係合により移動レンズ枠４１の回転が規制される。

なお、以上の実施の形態および変形例に記載した光学装置１は、光軸に沿って摺動する移動レンズ枠４１のガイド枠１４に対する摩擦抵抗を低減する構成とすることで低電力駆動させることができる。

具体的には、移動レンズ枠４１の外表面またはガイド枠１４の内表面に切削により溝などのザグリ加工を施したり、表面テフロン（登録商標）加工を施したりすることが好適である。さらに、移動レンズ枠４１を駆動する際のコイル３１の通電制御によって低電力化もできる。

なお、移動レンズ枠４１を駆動するアクチュエータは、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）などの構成としてもよい。

以上の実施の形態および変形例に記載した発明は、それら実施の形態および変形例に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態および変形例には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。

例えば、実施の形態および変形例に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。

Claims

光学像を形成する光学系と、
上記光学系の少なくとも一部を保持する移動枠と、
上記移動枠を内包すると共に上記光学像の光軸方向へ摺動自在に保持する固定枠と、
上記移動枠を上記光軸に沿って駆動する磁界を発生するコイルと、
上記移動枠を磁力により上記光軸に平行な軸回りに所定のモーメントの回転力を生じさせる位置に配設された磁石と、
有し、
上記磁石は、複数であって、第１の磁石と第２の磁石は、上記光軸に直交する断面において、それぞれの中心を結ぶ線の中点が上記移動枠の断面領域内に入るように配設されていることを特徴とする光学装置。
上記移動枠が磁性材から形成され、
上記磁石が非磁性材から形成された上記固定枠に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
上記第１の磁石と上記第２の磁石は、上記断面における上記移動枠の中心点を通る直交した２つの軸によって４分割された斜め方向の象限に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
上記光学系は上記光学像を２つ形成する２つの上記光学系であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
上記光学系が形成する上記光学像は、高アスペクト比を有する上記光学像を形成することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
光学像を形成する光学系と、
上記光学系の少なくとも一部を保持する移動枠と、
上記移動枠を内包すると共に光軸方向へ摺動自在に保持する固定枠と、
上記移動枠を上記光軸に沿って駆動する磁界を発生するコイルと、
上記移動枠を磁力により上記光軸に平行な軸回りに所定のモーメントの回転力を生じさせる位置に配設された磁石と、
を有し、
上記磁石は、複数であって、第１の磁石と第２の磁石は、上記光軸に直交する断面において、それぞれの中心を結ぶ線の中点が上記移動枠の断面領域内に入るように配設されている光学装置と、
上記光学装置が搭載された先端部を有する挿入部と、
を具備することを特徴とする内視鏡。