JPWO2019111360A1 - 内視鏡 - Google Patents

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Abstract

細径でありながら、液中観察時に、側視方向において鮮明な光学像が得られる内視鏡を提供する。内視鏡は、円筒部材２と、先端部材３と、結像光学系４と、を有し、円筒部材２は、内周面２ａと、外周面２ｂと、を有し、内周面２ａと外周面２ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質で満たされ、先端部材３は、円筒部材２の一方の端に位置し、結像光学系４は、結像光学系４の光軸ＡＸｏと円筒部材２の中心軸ＡＸｃとが一致、又は平行になるように、円筒部材２の内部に配置され、結像光学系４によって、外周面２ｂの外側に位置する物体面ＯＢと、結像光学系４の像面Ｉとが、共役になっており、結像光学系４は透過面のみから構成され、全ての透過面は、光軸と交差する点における面の法線が、光軸と一致するように配置され、結像光学系４は像面湾曲収差を有し、以下の条件式（１）を満足する。−１０＜Ｐ’＜−０．８ （１）

Description

本発明は、内視鏡に関するもので、例えば、配管の観察や泌尿器系の臓器が観察できる内視鏡に関するものである。
例えば、水道管の観察や蒸気発生器の配管の観察では、水を介して観察が行われる。燃料タンク内の観察では、油を介して観察が行われる。例えば、油の種類が軽油の場合、屈折率が１．４５の液体を介して、観察が行われることになる。
また、泌尿器系の臓器の観察では、尿を介して観察が行われる。また、消化器系の臓器の観察や関節の観察では、生理食塩水が還流液として用いられるので、生理食塩水を介して観察が行われる。
液体で満たされた被写体の観察（以下、「液中観察」という）では、広い視野が求められる。そのため、光学系の画角は広いことが望ましい。広い画角を持つ光学系が、特許文献１〜特許文献５に開示されている。
特許文献１の光学系は、回転対称な透明媒体を有する。透明媒体は、少なくとも２つの内面反射面と、少なくとも２つの屈折面と、を有する。また、透明媒体は、正の屈折力を有する結像レンズの入射側に装着されるか、又は、正の屈折力を有する投影レンズの射出側に装着される。
特許文献２の光学系は、透明媒体からなる光学素子と、前群と、開口絞りと、後群と、を有する。透明媒体は、第１透過面と、第１反射面と、第２反射面と、第２透過面と、を有する。
特許文献３、４の光学系は、負の屈折力を有する前群と、明るさ絞りと、正の屈折力を有する後群と、を有する。
特許文献５の光学系は、回転対称な前群と、回転対称で正の屈折力を有する後群と、を有する。前群は、２つの透過面を有する。また、透明円筒体が、光学系の周囲に配置されている。
透明部材を備えたユニットが、特許文献６に開示されている。特許文献６では、キャップ部が内視鏡先端の周囲に配置されている。
特許第４５４４９３９号公報 特許第５０２５３５４号公報 特許第５７５３３２６号公報 特許第６０６４１０５号公報 特許第５２１４１６１号公報 特許第３７９０８６６号公報
空気で満たされている被写体の観察（以下、「空気中観察」という）を想定した光学系を、液中観察に使用する光学系に用いると、物体空間の屈折率が空気の屈折率から液体の屈折率に変わるため、広い視野を得ることが難しい。
特許文献１に開示された光学系や、特許文献２に開示された光学系は、光軸と直交する方向（以下、「側視方向」という）の観察を行うことができる。ただし、これらの光学系は、空気中観察に使用する光学系である。そのため、液中観察に使用することは想定されていない。
また、これらの光学系では、光学系に反射面が用いられているため、光学系の構造が複雑になっている。よって、これらの光学系では、光学系を細径化することが困難である。例えば、細径の環状物体に挿入可能な光学系を、これらの光学系で実現するのが難しい。
特許文献３に開示された光学系や、特許文献４に開示された光学系は、水中観察に使用する光学系である。これらの光学系では、光軸に沿う方向（以下、「直視方向」という）の画角について、広画角化が行われている。しかしながら、これらの光学系では、側視方向の観察は行うことができない。
特許文献５に開示された光学系では、側視方向の観察を行うことができる。ただし、この光学系は、物体を透明円筒体の外円筒面と密着させて観察を行うことを想定した光学系である。そのため、液中観察に使用することは想定されていない。
特許文献６に開示されたキャップ部は、空気中観察に使用するものである。よって、液中観察に使用することは想定されていない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、細径でありながら、液中観察時に、側視方向において鮮明な光学像が得られる内視鏡を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る内視鏡は、
円筒部材と、先端部材と、結像光学系と、を有し、
円筒部材は、内周面と、外周面と、を有し、
内周面と外周面との間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質で満たされ、
先端部材は、円筒部材の一方の端に位置し、
結像光学系は、結像光学系の光軸と円筒部材の中心軸とが一致、又は平行になるように、円筒部材の内部に配置され、
結像光学系によって、外周面の外側に位置する物体面と、結像光学系の像面とが、共役になっており、
結像光学系は透過面のみから構成され、
全ての透過面は、光軸と交差する点における面の法線が、光軸と一致するように配置され、
結像光学系は像面湾曲収差を有し、
以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
−１０＜Ｐ’＜−０．８ （１）
ここで
Ｐ’は、ペッツバール和であって、以下の式で表され、
Figure 2019111360
 ｒｉは、ｉ番目の透過面の曲率半径、
ｎ’ｉは、ｉ番目の透過面の射出側における屈折率、
ｎｉは、ｉ番目の透過面の入射側における屈折率、
ｎ’は、像空間の屈折率、
ｉは、透過面の番号、
ｋは、透過面の総数、
である。
以上の本発明によれば、細径でありながら、液中観察時に、側視方向において鮮明な光学像が得られる内視鏡を提供することができる。
本実施形態の内視鏡の光学ユニットを示す図である。 像面湾曲収差を有する光学系の結像関係を示す図である。 円筒部材によって屈折される光束の様子を示す図である。 メリジオナル断面における光束の様子を示す図である。 サジタル断面における光束の様子を示す図である。 所定の位置の差と所定の角度との関係を示すグラフである。 サジタル断面における光束の屈折の様子を示す図である。 メリジオナル断面における光束の様子を示す図である。 本実施形態の別の光学ユニットを示す図である。 実施例１の結像光学系のレンズ断面図である。 実施例２の結像光学系のレンズ断面図である。 実施例３の結像光学系のレンズ断面図である。 実施例４の結像光学系のレンズ断面図である。 実施例１の結像光学系のレンズ収差図である。 実施例２の結像光学系のレンズ収差図である。 実施例３の結像光学系のレンズ収差図である。 実施例４の結像光学系のレンズ収差図である。 光学ユニットの第１の例を示すである。 光学ユニットの第２の例を示すである。 本実施形態の挿入部の第１の例を示す図である。 本実施形態の挿入部の第２の例を示す図である。 本実施形態の挿入部の第３の例を示す図である。 照明光学系の配置例を示す図である。 本実施形態の内視鏡の例を示す図である。
実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。
本実施形態の内視鏡は、円筒部材と、先端部材と、結像光学系と、を有し、円筒部材は、内周面と、外周面と、を有し、内周面と外周面との間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質で満たされ、先端部材は、円筒部材の一方の端に位置し、結像光学系は、結像光学系の光軸と円筒部材の中心軸とが一致、又は平行になるように、円筒部材の内部に配置され、結像光学系によって、外周面の外側に位置する物体面と、結像光学系の像面とが、共役になっており、結像光学系は透過面のみから構成され、全ての透過面は、光軸と交差する点における面の法線が、光軸と一致するように配置され、結像光学系は像面湾曲収差を有し、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
−１０＜Ｐ’＜−０．８ （１）
ここで
Ｐ’は、ペッツバール和であって、以下の式で表され、
Figure 2019111360
 ｒｉは、ｉ番目の透過面の曲率半径、
ｎ’ｉは、ｉ番目の透過面の射出側における屈折率、
ｎｉは、ｉ番目の透過面の入射側における屈折率、
ｎ’は、像空間の屈折率、
ｉは、透過面の番号、
ｋは、透過面の総数、
である。
本実施形態の内視鏡は、円筒部材と、先端部材と、結像光学系と、を有する。円筒部材、先端部材及び結像光学系で、光学ユニットを構成することができる。光学ユニットは、内視鏡の挿入部の先端に配置されている。以下では、光学ユニット、挿入部の順で説明を行う。
本実施形態の内視鏡の光学ユニット（以下、「本実施形態の光学ユニット」という）を図１に示す。光学ユニット１は、円筒部材２と、先端部材３と、結像光学系４と、を有する。円筒部材２は、内周面２ａと、外周面２ｂと、を有する。内周面２ａと外周面２ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質２ｃで満たされている。
先端部材３は、円筒部材２の一方の端に位置している。先端部材３は透明な媒質で形成されている。先端部材３の形状は略半球であるが、この形状に限られない。例えば、平面であっても良い。また、後述のように、先端部材３は、不透明な媒質で形成されていても良い。
円筒部材２の他方の端には、保持部材（不図示）が配置されている。円筒部材２、先端部材３及び保持部材によって、密閉された空間内が形成される。この密閉された空間内に、結像光学系４を配置することができる。円筒部材２の内側は気密性が保たれているので、結像光学系４を空気中に位置させることができると共に、汚れなどから守ることができる。密閉された空間内には、照明光学系（不図示）を配置することができる。
光学ユニット１では、円筒部材２と先端部材３は、別々の部材で作られている。円筒部材２と先端部材３は、例えば、接着等によって一体にすれば良い。円筒部材２と先端部材３は、１つの部材で作られていても良い。
結像光学系４は、円筒部材２の内部に配置されている。このとき、結像光学系４の光軸ＡＸｏと円筒部材２の中心軸ＡＸｃとは、一致していても、一致していなくても良い。２つの光軸が一致していない場合、２つの光軸が平行になるようにすれば良い。図１では、結像光学系４は、光軸ＡＸｏと中心軸ＡＸｃとが一致するように、円筒部材２の内部に配置されている。
結像光学系４によって、物体面ＯＢと像面Ｉとが共役になっている。図１では、物体面ＯＢが破線で示されている。物体面ＯＢは、外周面２ｂの外側に位置している。物体面ＯＢは、照明光学系（不図示）によって照明される。
結像光学系４は、１つの単レンズで構成されている。結像光学系４は、透過面４ａと、透過面４ｂと、を有する。このように、結像光学系４は、透過面のみから構成されている。結像光学系４では、透過面４ａに、開口絞りが位置している。
透過面４ａと透過面４ｂは、光軸ＡＸｏと交差する点における面の法線が、光軸ＡＸｏと一致するように配置されている。このように、結像光学系４の全ての透過面は、光軸ＡＸｏと交差する点における面の法線が、光軸ＡＸｏと一致するように配置されている。
円筒部材２は、側視方向に位置している。先端部材３は、直視方向に位置している。円筒部材２と先端部材３は、透明な物質で形成されている。よって、光学ユニット１では、円筒部材２を介して側視方向の像が像面Ｉに形成され、先端部材３を介して直視方向の像が像面Ｉに形成される。
像面Ｉには、例えば、撮像素子を配置することができる。この場合、像面Ｉに形成された物体の像は、撮像素子によって電子的に変換される。これにより、物体の画像を取得することができる。取得した画像は、伝送手段によって、例えば、画像処理装置に伝送される。上述のように、円筒部材２の内側は気密性が保たれているので、結像光学系４や撮像素子を空気中に位置させることができると共に、汚れなどから守ることができる。
第１の空間５は、円筒部材２の内側に位置する空間と、先端部材３の内側に位置する空間と、で形成される空間である。第１の空間５は、空気で満たされている。第２の空間６は、円筒部材２の外側に位置する空間と、先端部材３の外側に位置する空間と、で形成される空間である。第２の空間６は、液体で満たされている。
物体面ＯＢは、第２の空間６に位置している。物体面ＯＢの像は、第１の空間５に形成される。よって、第２の空間６は物体空間に対応し、第１の空間５は像空間に対応する。物体面ＯＢは第２の空間６に位置しているので、液体を介して物体面ＯＢの像が形成される。
側視方向における物体面ＯＢは円筒面である。一方、像面Ｉは平面である。よって、結像光学系４では、円筒面の像が平面に形成されなければならない。
図２は、像面湾曲収差を有する光学系の結像関係を示す図である。図２（ａ）は、物体面が平面の場合を示し、図２（ｂ）は、物体面が曲面の場合を示している。
ペッツバール和の符号は像面湾曲収差の発生方向を表し、値は像面湾曲収差の発生量を表している。一般的に、正の屈折力を有する光学系では、ペッツバール和の符号はマイナスになる。ペッツバール和の符号がマイナスの光学系では、図２（ａ）に示すように、物体面ＯＢが平面の場合、像面Ｉには、物体側に凹面を向けた曲面が形成される。
光学系では、物体と像を逆にすることができる。そこで、図２（ａ）における物体面ＯＢを像面と見なし、像面Ｉを物体面と見なすと、図２（ｂ）に示すように、物体面ＯＢは、像側に凹面を向けた曲面になる。一方、像面Ｉは平面になる。このように、ペッツバール和の符号がマイナスの光学系では、曲面の物体を、平面上に形成することができる。物体面ＯＢが像側に凹面を向けた曲面だと、ピントの合う範囲が広くなるので好ましい。
本実施形態の光学ユニットでは、ペッツバール和の符号がマイナスの光学系を、結像光学系４に用いている。そのため、結像光学系４は像面湾曲収差を有しているので、物体面が曲面であっても、物体面の像を平面上に形成することができる。
より広い範囲で鮮明な物体の像を形成するためには、適切な量の像面湾曲収差を結像光学系４で発生させることが望ましい。すなわち、ペッツバール和の値を適切にすることが望ましい。
物体の像の形成は、円筒部材２を介して行われる。内周面２ａと外周面２ｂは、共に、シリンドリカル面である。すなわち、内周面２ａと外周面２ｂは、光軸ＡＸｏに沿う方向では屈折力を持たないが、光軸ＡＸｏと直交する方向では屈折力を有する。そのため、光束が内周面２ａを通過する際と外周面２ｂを通過する際に、非点収差が発生する。非点収差が大きく発生すると、鮮明な物体像の形成が困難になる。
第１の空間５は空気で満たされているので、第１の空間５における屈折率ｎ5は１．０である。ここで、例えば、物質２ｃの屈折率ｎ2cを１．５１、第２の空間６における屈折率ｎ6を１．３３とする。この場合、屈折率の大小関係は以下のようになる。
ｎ5＜ｎ2c
ｎ2c＞ｎ6
第１の空間５から第２の空間６へ向かって、屈折率は、ｎ5、ｎ2c、ｎ6の順で変化する。この方向における屈折率差は、以下のようになる。
ｎ5-ｎ2c＜０
ｎ2c-ｎ6＞０
内周面２ａの両側における屈折率差はマイナスの値になり、外周面２ｂの両側における屈折率差はプラスの値になる。そのため、内周面２ａで発生する非点収差の発生方向は、外周面２ｂで発生する非点収差の発生方向と逆になる。
また、ｎ5＜ｎ6なので、屈折率差の大小関係は以下のようになる。
｜ｎ5-ｎ2c｜＞｜ｎ2c-ｎ6｜
屈折率差が大きいほど非点収差は大きくなるので、内周面２ａで発生する非点収差は、外周面２ｂで発生する非点収差よりも大きくなる。
円筒部材２の外側が液体の場合、直径が小さい円筒部材２を使うと、特に内周面２ａで大きな非点収差が発生する。そのため、鮮明な像の形成がより困難になる。
このように、像の形成に及ぼす影響は、外周面２ｂで発生する非点収差と比べて、内周面２ａで発生する非点収差の方が大きい。以下では、内周面２ａで発生する非点収差について説明する。
図３は、円筒部材によって屈折される光束の様子を示す図である。結像光学系の光軸は円筒部材の中心軸と一致している。ただし、結像光学系は図示されていない。その代わりに、結像光学系の入射瞳Ｐが図示されている。図３では、入射瞳Ｐから物体面ＯＢまでの光束の様子が示されている。円筒部材２と物体面ＯＢは、一部だけが描かれている。
円筒部材２、入射瞳Ｐ、物体面ＯＢに関する値は以下の通りである。
内周面２ａ：直径が１．０ｍｍの円筒面
外周面２ｂ：直径が１．２ｍｍの円筒面
物質２ｃの屈折率：１．５１６３
入射瞳Ｐの直径：０．１ｍｍ
物体面ＯＢ：直径が４ｍｍの円筒面
光学系から物点までの距離が長くなるほど、非点収差は大きくなる。図２（ａ）に示すように、物体面ＯＢが光軸ＡＸｏに対して垂直な平面の場合、物体面ＯＢ上の物点から光学系までの距離は、物点が光軸ＡＸｏから遠ざかるにつれて長くなる。そのため、円筒部材２を介して物体面ＯＢの像の形成を行うと、内周面２ａで発生する非点収差は、物体面ＯＢ上の物点が光軸ＡＸｏから遠ざかるにつれて大きくなる。
これに対して、図２（ｂ）に示すように、物体面ＯＢが像側に凹面を向けた曲面の場合、物体面ＯＢ上の物点から光学系までの距離は、物点が光軸ＡＸｏから遠ざかるにつれて短くなる。そのため、円筒部材２を介して物体面ＯＢの像の形成を行うと、内周面２ａで発生する非点収差は、物体面ＯＢ上の物点が光軸から遠ざかるにつれて小さくなる。
物点の位置を光学系に近づけると、光学系の屈折作用は限りなく小さくなる。そこで、図３に示すように、物体面ＯＢを平面から半球状の凹面にして、更に、物体面ＯＢを内周面２ａに近づける。このようにすることで、内周面２ａにおける非点収差の発生を抑制することができる。
内周面２ａから物体面までの距離と、非点収差の関係について説明する。図３では、実像の光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃと、虚像の光束Ｌａ’、Ｌｂ’、Ｌｃ’と、描かれている。実像の光束は、物体面ＯＢから入射瞳Ｐに入射する光束である。虚像の光束は、内周面２ａから入射瞳Ｐまで実像の光束を、物体面ＯＢ側に延長した光束である。
光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃでは、主光線と光軸ＡＸｏとなす角度が、各々の光束で異なる。主光線と光軸となす角度は、光束Ｌａ、光束Ｌｂ、光束Ｌｃの順で大きくなっている。
光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃには、各々、メリジオナル断面における光束とサジタル断面における光束とが含まれている。図４は、メリジオナル断面における光束の様子を示す図である。図５は、サジタル断面における光束の様子を示す図である。
メリジオナル断面では、図４に示すように、光束Ｌａ’では、位置Ｐａ’ｍで光束の径が最も小さくなり、光束Ｌｂ’では、位置Ｐｂ’ｍで光束の径が最も小さくなり、光束Ｌｃ’では、位置Ｐｃ’ｍで光束の径が最も小さくなる。光束の径が最も小さくなる位置（以下、「最小径の位置」という）は、内周面２ａから近い順番に、位置Ｐａ’ｍ、位置Ｐｂ’ｍ、位置Ｐｃ’ｍと並んでいる。
サジタル断面では、図５に示すように、光束Ｌａ’では、位置Ｐａ’ｓで光束の径が最も小さくなり、光束Ｌｂ’では、位置Ｐｂ’ｓで光束の径が最も小さくなり、光束Ｌｃ’では、位置Ｐｃ’ｓで光束の径が最も小さくなる。最小径の位置は、内周面２aから近い順番に、位置Ｐａ’ｓ、位置Ｐｂ’ｓ、位置Ｐｃ’ｓと並んでいる。
メリジオナル断面では、内周面２ａは屈折力を有していない。一方、サジタル断面では、内周面２ａは屈折力を有している。そのため、位置Ｐａ’ｍと位置Ｐａ’ｓとは一致しない。同様に、位置Ｐｂ’ｍと位置Ｐｂ’ｓとは一致しない。また、位置Ｐｃ’ｍと位置Ｐｃ’ｓとは一致しない。
２つの位置の差は、メリジオナル断面における屈折力とサジタル断面における屈折力の違いによって生じる。メリジオナル断面における屈折力とサジタル断面における屈折力の違いは、非点収差の発生要因の１つである。そこで、所定の位置の差を用いて、非点収差の評価を行うことができる。
所定の位置の差は、メリジオナル断面での最小径の位置とサジタル断面での最小径の位置との差である。図４と図５から、所定の位置の差は以下のようになる。
位置Ｐａ’ｍと位置Ｐａ’ｓとの差
位置Ｐｂ’ｍと位置Ｐｂ’ｓとの差
位置Ｐｃ’ｍと位置Ｐｃ’ｓとの差
図６は、所定の位置の差と所定の角度との関係を示すグラフである。縦軸は所定の位置の差、横軸は所定の角度である。所定の角度は、中心軸と円筒部材の外側における主光線とのなす角度である。
図６のグラフは、シミュレーションを行った結果を表している。シミュレーションの条件は、次の通りである。
内周面：直径が０．６ｍｍの円筒面
外周面：直径が１ｍｍの円筒面
内周面と外周面との間の屈折率：１．５１６
内周面と結像光学系との間の屈折率：１
外周面と物体面との間の屈折率：１．３３
円筒部材の内側は空気で満たされ、円筒部材の外側は水で満たされている。また、結像光学系の光軸と円筒部材の中心軸とは一致している。よって、所定の角度は、結像光学系の画角と見なすことができる。最小径の位置は、結像光学系の光軸を基準にしている。スポットダイアグラムが最小になる位置を、最小径の位置としている。
シミュレーションでは、側視方向の物体距離を異ならせて、所定の位置の差を求めている。側視方向の物体距離は、結像光学系の光軸と直交する面内における、光軸から物体面までの距離である。
グラフにおける線の種類と側視方向の物体距離との関係は、以下の通りである。上述のように、外周面は直径が１ｍｍの円筒面である。よって、側視方向の物体距離が０．５ｍｍの場合、物体面が外周面と一致している。
線の種類 側視方向の物体距離
実線 ０．５ｍｍ
破線 １ｍｍ
一点鎖線 ２ｍｍ
２点鎖線 ４ｍｍ
側視方向の物体距離と所定の位置の差の関係は、以下の通りである。側視方向の物体距離が大きくなるほど所定の位置の差が大きくなる。これは、側視方向の物体距離が大きくなるほど非点収差の発生量が多くなることを意味している。また、非点収差は、マイナス方向に発生する。
側視方向の物体距離 所定の位置の差
最小 最大
０．５ｍｍ ０ ０．０８
１ｍｍ −０．１ ０．１
２ｍｍ −０．４ −０．０５
４ｍｍ −１．２１ −０．４７
側視方向の物体距離が０．５ｍｍの場合、非点収差の発生量が最も少ない。よって、本実施形態の光学ユニットでは、物体面と外周面とを一致させた状態で、物体面の像を形成することが望ましい。
図７は、サジタル断面における光束の屈折の様子を示す図である。図７（ａ）は、側視方向の物体距離が短い場合を示し、図７（ｂ）は側視方向の物体距離が長い場合を示している。光束が内周面２ａを通過する際、サジタル断面では、屈折によって光束が広がる。実線は屈折された光束を示し、破線は屈折されない光束を示している。
側視方向の物体距離が短い場合、すなわち、物体面の位置が外周面に近い場合、光束の広がりは小さい。側視方向の物体距離が長い場合、すなわち、物体面の位置が外周面から遠い場合、光束の広がりは大きい。よって、実線の集光位置と破線の集光位置との差Δは、側視方向の物体距離が長い場合に比べて、側視方向の物体距離が短い場合の方が小さくなる。
破線の集光位置は、内周面２ａで光束が屈折されないときの位置である。この位置は、メリジオナル断面における光束の集光位置を表している。図７（ａ）、（ｂ）から、側視方向の物体距離が長い場合に比べて、側視方向の物体距離が短い場合の方が所定の位置の差が小さいことが分かる。
図８は、メリジオナル断面における光束の様子を示す図である。面ＰＬの位置は、メリジオナル断面におけるベスト面の位置を示している。ベスト面の位置では、スポットダイアグラムが最小になる。面ＰＬは、側視方向の物体距離が２ｍｍで、画角が２０°のときのベスト面である。
以上のように、側視方向の物体距離が大きくなるほど非点収差の発生量が多くなる。よって、側視方向では、物体面は外周面の近くに位置していることが望ましい。側視方向の物体距離は、像面の湾曲の大きさと関連するので、ペッツバール和の値を適切にすることが望ましい。
本実施形態の内視鏡では、液体を介して物体の像の形成が行われる。よって、結像光学系４におけるペッツバール和の値は、液体を介して物体の像が形成されることを考慮して決めることが望ましい。
このようなことから、本実施形態の内視鏡は、以下の条件式（１）を満足する。
−１０＜Ｐ’＜−０．８ （１）
ここで
Ｐ’は、ペッツバール和であって、以下の式で表され、
Figure 2019111360
 ｒｉは、ｉ番目の透過面の曲率半径、
ｎ’ｉは、ｉ番目の透過面の射出側における屈折率、
ｎｉは、ｉ番目の透過面の入射側における屈折率、
ｎ’は、像空間の屈折率、
ｉは、透過面の番号、
ｋは、透過面の総数、
である。
条件式（１）を満足することで、ペッツバール和の値を適切にすることができる。条件式（１）を満足すると、円筒部材の内周面で発生する非点収差を最小に保ちつつ、物体の形状に合った像面湾曲を結像光学系に持たせることができる。その結果、液体観察時に、側視方向において鮮明な光学像を得ることができる。その結果、本実施形態の内視鏡によれば、例えば、管腔内の内面を明瞭に観察することができる。
本実施形態の別の光学ユニットを図９に示す。光学ユニット１０は、円筒部材１１と、先端部材１２と、結像光学系１３と、を有する。円筒部材１１は、内周面１１ａと、外周面１１ｂと、を有する。内周面１１ａと外周面１１ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質１１ｃで満たされている。先端部材１２は、円筒部材１１の一方の端に位置している。
結像光学系１３は、光軸ＡＸｏと中心軸ＡＸｃとが一致するように、円筒部材１１の内部に配置されている。結像光学系１３によって、物体面ＯＢと像面Ｉとが共役になっている。物体面ＯＢは破線で示されている。物体面ＯＢは、外周面１１ｂの外側に位置している。
結像光学系１３は、１つの単レンズで構成されている。結像光学系１３は、透過面１３ａと、透過面１３ｂと、を有する。このように、結像光学系１３は、透過面のみから構成されている。結像光学系１３では、透過面１３ａに、開口絞りが位置している。
透過面１３ａと透過面１３ｂは、光軸ＡＸｏと交差する点における面の法線が、光軸ＡＸｏと一致するように配置されている。このように、結像光学系１３の全ての透過面は、光軸ＡＸｏと交差する点における面の法線が、光軸ＡＸｏと一致するように配置されている。
円筒部材１１は、側視方向に位置している。先端部材１２は、直視方向に位置している。円筒部材１１は透明な物質で形成されているが、先端部材１２は不透明な物質で形成されている。よって、光学ユニット１０では、円筒部材１１を介して側視方向の像が像面Ｉに形成されるが、直視方向の像は形成されない。先端部材１２を透明な物質で形成すれば、直視方向の像が形成される。
第１の空間５は、円筒部材１１の内側に位置する空間と、先端部材１２の内側に位置する空間と、で形成される空間である。第１の空間５は、空気で満たされている。第２の空間６は、円筒部材１１の外側に位置する空間と、先端部材１２の外側に位置する空間と、で形成される空間である。第２の空間６は、水で満たされている。物体面ＯＢは第２の空間６に位置しているので、水を介して物体の像の形成が行われる。
側視方向における物体面ＯＢは、外周面１１ｂと同様に円筒面である。よって、結像光学系１３では、円筒面の像が平面上に形成される。
外周面１１ｂは、直径が１ｍｍの円筒面である。物体面ＯＢは、直径が３ｍｍの円筒面である。第１の空間５における半画角ωinは±２４．９°で、第２の空間６における半画角ωoutは±５３．３°である。
このように、光学ユニット１０では、結像光学系１３が第１の空間５において持つ画角よりも広い画角を、第２の空間６で得ることができる。このような画角拡大効果は、第１の空間５が空気で、第２の空間６が水であることによる。
従来の細径の内視鏡では、挿入部の先端に配置された光学ユニットの構造が複雑であった。そのため、例えば、直径が１０ｍｍ以下の細管に挿入することが困難であった。本実施形態の内視鏡によれば、細管に挿入することが可能であり、また、上述の画角拡大効果により、円筒部材を透過して、細管の内壁の像を、全方位において形成することができる。
本実施形態の内視鏡は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
０．１ｍｍ＜ｆ＜０．８ｍｍ （２）
ここで
ｆは、結像光学系の焦点距離、
である。
本実施形態の内視鏡では、光学ユニットを小型にするために、結像光学系の焦点距離を非常に短くしている。例えば、後述の実施例２では、結像光学系の焦点距離は、０．２９６ｍｍである。実施例２の結像光学系では、例えば、直径が３ｍｍの細管の内面を観察することができる。
条件式（２）は、側視方向における物体距離が短い場合であっても、鮮明な像が形成されるような像面湾曲収差を発生させるために必要な条件式である。上述のように、ペッツバール和は像面湾曲収差を表す指標である。ペッツバール和の値は、結像光学系の焦点距離に依存する。よって、条件式（２）を満足することが望ましい。
条件式（２）の下限値を下回ると、像面湾曲収差の発生量が少なくなりすぎる。この場合、観察範囲の周辺において、鮮明な光学像が得られなくなる。条件式（２）の上限値を上回ると、像面湾曲収差の発生量が多くなりすぎる。この場合、光軸方向の遠方に位置する物点で、鮮明な光学像が得られなくなる。
本実施形態の内視鏡は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
θout＜θin （３）
ここで、
θinは、第１の空間における、主光線と内周面の法線とのなす角度（ただし、θin≠０）、
θoutは、第２の空間における、主光線と外周面の法線とのなす角度、
第１の空間は、結像光学系と内周面との間の空間、
第２の空間は、円筒部材の外側の空間、
主光線は、円筒部材を光軸方向に測った中心の物点からの主光線、
である。
本実施形態の内視鏡では、円筒物体を介して、側視方向に位置する物体面の像が形成される。条件式（３）における主光線は、像の形成が可能な物体面の範囲の中心から結像光学系の開口絞りに到達する主光線である。
本実施形態の内視鏡は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
１＜Ｒ２／Ｒ１＜５ （４）
ここで、
Ｒ１は、内周面の曲率半径、
Ｒ２は、外周面の曲率半径、
である。
条件式（４）の下限値を下回ると、円筒部材の厚さが薄くなりすぎる。そのため、円筒部材の強度が不足する。条件式（４）の上限値を上回ると、円筒部材で発生する非点収差の量が大きくなりすぎる。そのため、結像光学系で、非点収差を補正することができなくなる。
本実施形態の内視鏡は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
１≦ＯＢ／Ｒ２＜１０ （５）
ここで、
ＯＢは、光軸と直交する面内における、光軸から物体面まで距離、
Ｒ２は、外周面の曲率、
である。
条件式（５）の下限値を下回ると、側視方向において鮮明な光学像を得ることができない。条件式（５）の上限値を上回ると、非点収差が大きくなりすぎる。この場合、サジタル方向の解像性能が低下する。そのため、側視方向において鮮明な光学像を得ることができない。
本実施形態の内視鏡は、結像光学系は、先端部材側から順に、第１の正レンズと、第２の正レンズと、からなり、第１の所定の面は、第１の正レンズの像面側のレンズ面であり、第２の所定の面は、第２の正レンズの先端部材側のレンズ面であり、第１の所定の面は、第２の正レンズに向かって凸面であり、第２の所定の面は、第１の正レンズに向かって凸面であることが好ましい。
正の屈折力を有する凸面を向かい合わせることで、適切な量の像面湾曲収差を容易に発生させることができる。
製作の難易度が低く、高い精度で製作できるレンズとして、ボールレンズがある。但し、ボールレンズでは、非点収差がマイナス側に大きく発生する。また、上述のように、円筒部材を介した液中観察では、非点収差はマイナス方向に発生する。そのため、結像光学系にボールレンズを用いると、非点収差がさらに大きく発生してしまう。
そこで、正の屈折力を有する凸面を向かい合わせることで、プラス側に非点収差を発生させることができる。すなわち、マイナス側に発生する非点収差の量を、ボールレンズに比べて小さくすることができる。その結果、非点収差の発生量を、全体的に小さくすることができる。
正の屈折力を有する凸面は、平凸レンズによって実現することができる。平凸レンズは、ボールレンズの片側を平面に削ることで得ることができる。上述のように、ボールレンズは、製作の難易度が低く、高い精度で製作することができる。よって、平凸レンズも、容易に、高い精度で製作することができる。
本実施形態の内視鏡は、以下の条件式（６）、（７）を満足することが好ましい。
０．５＜φ１／φ＜５．０ （６）
０．１＜φ２／φ＜２．０ （７）
ここで、
φは、結像光学系の屈折力、
φ１は、第１の所定の面の屈折力、
φ２は、第２の所定の面の屈折力、
である。
側視方向では、物体距離が長くなると、マイナス方向に発生する非点収差が大きくなる。よって、結像光学系は、プラス側に非点収差を発生させるレンズ面を持つことがより好ましい。上述のように、正の屈折力を有する凸面を向かい合わせることで、プラス側に非点収差を発生させることができる。
条件式（６）の下限値と条件式（７）の下限値を共に下回ると、非点収差をプラス側に発生させることができない。条件式（６）の上限値と条件式（７）の上限値を共に上回ると、非点収差がプラス側に大きく発生する。そのため、鮮明な光学像が得られる画角を、広く取れなくなる。
本実施形態の内視鏡では、結像光学系は平凸レンズからなることが好ましい。
本実施形態の内視鏡では、結像光学系の直径は非常に小さい。特に、直径が１ｍｍ以下になると、レンズの製作が難しくなるので、コストが高くなる。また、組み立ても難しくなる。しかしながら、平凸レンズは、例えば、ボールレンズの片側を平面に削ることで得ることができる。このように、平凸レンズは製作が容易であるので、安価に小径の結像光学系を実現することができる。
本実施形態の内視鏡では、結像光学系はボールレンズからなることが好ましい。
ボールレンズは、そのままレンズとして使用することができる。そのため、安価に小径の結像光学系を実現することができる。
本実施形態の内視鏡では、結像光学系は屈折率分布型レンズからなることが好ましい。
屈折率分布型レンズでは、両方の端面を平面にすることができる。そのため、光学系の組み立てが容易になる。
本実施形態の内視鏡では、結像光学系は、内視鏡の挿入部の先端に配置され、挿入部の先端は接続部を有し、円筒部材は、他方の端に接続部を有し、２つの接続部を介して、円筒部材が挿入部に対して着脱されることが好ましい。
本実施形態の内視鏡によれば、挿入部の径が細いにもかかわらず、液中観察時に、側視方向において鮮明な画像を取得することができる。
円筒部材と内視鏡の挿入部の各々に、接続部が設けられているので、円筒部材を挿入部に対して着脱させることができる。円筒部材の一方の端には、先端部材が位置している。よって、先端部材も、挿入部に対して着脱させることができる。このように、本実施形態の内視鏡によれば、円筒部材と先端部材の両方を、交換することができる。
円筒部材と先端部材とで、カバーユニットを構成することができる。円筒部材と先端部材については、例えば、形状、大きさ、厚み、又は材質を様々に変えることができる。よって、仕様が異なるカバーユニットを、複数用意することができる。このようにしておけば、観察に適したカバーユニットで観察を行うことができる。
本実施形態の内視鏡では、結像光学系は、内視鏡の挿入部の先端に配置され、円筒部材は、挿入部の先端に常時固定されていることが好ましい。
本実施形態の内視鏡によれば、挿入部の径が細いにもかかわらず、液中観察時に、側視方向において鮮明な画像を取得することができる。
また、円筒部材が挿入部の先端に常時固定されているので、高い気密性を保つことができる。そのため、本実施形態の内視鏡によれば、結像光学系を汚れなどから守ることができる。
以下に、内視鏡に用いられる結像光学系の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
実施例１の結像光学系のレンズ断面図を図１０に示す。実施例１の結像光学系は、平凸レンズＬ１で構成されている。開口絞りＳは、平凸レンズＬ１の物体側面に配置されている。
実施例２の結像光学系のレンズ断面図を図１１に示す。実施例２の結像光学系は、両凸レンズＬ１で構成されている。開口絞りＳは、両凸レンズＬ１の物体側面に配置されている。両凸レンズＬ１は、ボールレンズにすることが好ましい。
実施例３の結像光学系のレンズ断面図を図１２に示す。実施例３の結像光学系は、平凸レンズＬ１と、凸平レンズＬ２と、で構成されている。開口絞りＳは、平凸レンズＬ１の物体側面に配置されている。
実施例４の結像光学系のレンズ断面図を図１３に示す。実施例４の結像光学系は、平凸レンズＬ１と、凸平レンズＬ２と、で構成されている。開口絞りＳは、平凸レンズＬ１の物体側面に配置されている。
以下に、上記各実施例の数値データを示す。面データにおいて、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数である。
また、各種データにおいて、ｆは全系の焦点距離、ＦＮＯ．はＦナンバー、ωは半画角、ＩＨは像高、φapは絞りの直径である。各実施例の結像光学系では、直視方向の像は円形に形成される。側視方向の像は、直視方向の像の外側に形成される。よって、側視方向の像は、円環状に形成される。像高ＩＨは、円環状の像の外径を表している。
数値実施例１
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物体面 ∞ 2.300
1(絞り) ∞ 0.000
2 ∞ 0.500 2.0033 28.3
3 -0.500 0.611
像面 ∞

各種データ
ｆ 0.494
ＦＮＯ．
２ 70°
ＩＨ 1.17
φap 0.1
数値実施例２
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物体面 ∞ 2.000
1(絞り) ∞ 0.000
2 0.202 0.405 1.5163 64.1
3 -0.202 0.137
像面 ∞

各種データ
ｆ 0.296
ＦＮＯ．
ω 25°
ＩＨ 0.26
φap 0.06
数値実施例３
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物体面 ∞ 1.400
1(絞り) ∞ 0.000
2 ∞ 0.258 1.5163 64.1
3 -0.258 0.010
4 0.258 0.258 1.5163 64.1
5 ∞ 0.124
像面 ∞

各種データ
ｆ 0.252
ＦＮＯ．
ω 32°
ＩＨ 0.26
φap 0.06
数値実施例４
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物体面 ∞ 1.000
1(絞り) ∞ 0.000
2 ∞ 0.125 1.5163 64.1
3 -0.125 0.010
4 0.250 0.250 1.5163 64.1
5 ∞ 0.018
像面 ∞

各種データ
ｆ 0.163
ＦＮＯ．
ω 47.4°
ＩＨ 0.26
φap 0.06
次に各実施例の条件式の値を以下に示す。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
(1)P’ -1.002 -3.366 -2.640 -1.362
(2)f 0.494 0.296 0.252 0.163
(4)R2/R1 1.20 1.20 - -
(5)OB/R2 1.17 1.17 - -
(6)φ1/φ - - 0.504 0.674
(7)φ2/φ - - 0.504 0.337
各実施例のパラメータの値を以下に示す。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
R1 - - 0.50 0.50
R2 - - 0.60 0.60
OB - - 0.70 0.70
φ1 - - 2.001 4.130
φ2 - - 2.001 2.065
φ=1/F 2.023 3.375 3.971 6.131
各実施例の収差図を図１４〜図１７に示す。各実施例の収差図について説明する。（ａ）は球面収差（ＳＡ）、（ｂ）は非点収差（ＡＳ）、（ｃ）は歪曲収差（ＤＴ）を示している。
光学ユニットの例を示す。図１８は、光学ユニットの第１の例を示す図である。光学ユニット２０は、円筒部材２１と、先端部材２２と、結像光学系２３と、を有する。円筒部材２１は、内周面２１ａと、外周面２１ｂと、を有する。内周面２１ａと外周面２１ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質２１ｃで満たされている。
先端部材２２は平行平板で、円筒部材２１の一方の端に位置している。先端部材２２は、内側面２２ａと、外側面２２ｂと、を有する。内側面２２ａと外側面２２ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質２２ｃで満たされている。
結像光学系２３は、光軸ＡＸｏと中心軸ＡＸｃとが一致するように、円筒部材２１の内部に配置されている。結像光学系２３によって、物体面ＯＢと像面Ｉとが共役になっている。物体面ＯＢは破線で示されている。物体面ＯＢは、外周面２１ｂの外側と外側面２２ｂの外側に位置している。
結像光学系２３に、実施例１の結像光学系が用いられている。光学ユニット２０では、側視方向の像と直視方向の像が像面Ｉに形成される。
光学ユニット２０の仕様を以下に示す。円筒部材の厚みは物質２１ｃの厚み、円筒部材の屈折率は物質２１ｃの屈折率である。先端部材の厚みは物質２２ｃの厚み、先端部材の屈折率は物質２２ｃの屈折率である。
物体距離１と物体距離２は、直視方向における距離である。物体距離１は、結像光学系２３の開口絞りから物体面ＯＢまでの距離である。物体距離２は、外側面２２ｂから物体面ＯＢまでの距離である。物体距離３は、側視方向における距離である。物体距離３は、結像光学系２３の光軸と直交する面内における、光軸から物体面ＯＢまでの距離である。
内周面の直径：１ｍｍ
外周面の直径：１．２ｍｍ
円筒部材の厚み：０．１ｍｍ
円筒部材の屈折率：１．５１６３３
先端部材の厚み：０．１ｍｍ
先端部材の屈折率：１．５１６３３
第１の空間の屈折率：１
第２の空間の屈折率：１．３３
物体距離１：１．５ｍｍ
物体距離２：０．５３５ｍｍ
物体距離３：０．７ｍｍ
図１９は、光学ユニットの第２の例を示す図である。光学ユニット３０は、円筒部材３１と、先端部材３２と、結像光学系３３と、を有する。円筒部材３１は、内周面３１ａと、外周面３１ｂと、を有する。内周面３１ａと外周面３１ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質３１ｃで満たされている。
先端部材３２は半球状の板で、円筒部材３１の一方の端に位置している。先端部材３２は、内側面３２ａと、外側面３２ｂと、を有する。内側面３２ａと外側面３２ｂとの間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質３２ｃで満たされている。
結像光学系３３は、光軸ＡＸｏと中心軸ＡＸｃとが一致するように、円筒部材３１の内部に配置されている。結像光学系３３によって、物体面ＯＢと像面Ｉとが共役になっている。物体面ＯＢは破線で示されている。物体面ＯＢは、外周面３１ｂの外側と外側面３２ｂの外側に位置している。
結像光学系３３に、実施例１の結像光学系が用いられている。光学ユニット３０では、側視方向の像と直視方向の像が像面Ｉに形成される。光学ユニット３０の仕様を以下に示す。
内周面の直径：１ｍｍ
外周面の直径：１．２ｍｍ
円筒部材の厚み：０．１ｍｍ
円筒部材の屈折率：１．５１６３３
内側面の曲率半径：０．５ｍｍ
外側面の曲率半径：０．６ｍｍ
先端部材の厚み：０．１ｍｍ
先端部材の屈折率：１．５１６３３
第１の空間の屈折率：１
第２の空間の屈折率：１．３３
物体距離１：１．５ｍｍ
物体距離２：０．５３５ｍｍ
物体距離３：０．７ｍｍ
本実施形態の内視鏡の挿入部（以下、「本実施形態の挿入部」という）の例を以下に示す。以下の例では、結像光学系の像面に撮像素子を配置して、結像光学系で形成された光学像を撮像素子で撮像している。しかしながら、結像光学系の像面に撮像素子を配置しなくても良い。例えば、結像光学系で形成された光学像を、イメージファイバ（ファイババンドル）で伝送しても良い。また、結像光学系で形成された光学像を、目視で観察しても良い。
図２０は、本実施形態の挿入部の第１の例を示す図である。図１と同じ構成要素については同じ番号を付し、説明は省略する。
挿入部４０は、光学ユニット１と、保持部材４１と、ガイドワイヤー４２と、を有する。円筒部材２の一方の端には先端部材３が配置され、他方の端には保持部材４１が配置されている。円筒部材２、先端部材３及び保持部材４１によって、密閉された空間内が形成される。
密閉された空間内に結像光学系４が配置されている。像面Ｉには、撮像素子４３が配置されている。撮像素子４３によって、光学像の画像を取得することができる。結像光学系４と撮像素子４３は、挿入部４０の先端付近に固定されている。よって、結像光学系４と撮像素子４３は、挿入部４０から取り外すことはできない。
保持部材４１とガイドワイヤー４２は、挿入部４０を構成している。保持部材４１は、ガイドワイヤー４２の先端に位置している。保持部材４１は、例えば、金属で構成されている。保持部材４１の一端には、ガイドワイヤー４２が接続されている。ガイドワイヤー４２は、フレキシブルな構造を備えている。よって、例えば、細管への内視鏡の出し入れを容易に行うことができる。
円筒部材２と保持部材４１は、例えば、接着剤で固定されている。よって、円筒部材２は、挿入部４０の先端に常時固定されている。このように、第１の例では、円筒部材２を挿入部４０に対して着脱させることができない。
図２１は、本実施形態の挿入部の第２の例を示す図である。図１と同じ構成要素については同じ番号を付し、説明は省略する。結像光学系と撮像素子は図示を省略し、光線を図示している。
挿入部５０は、円筒部材２と、先端部材３と、保持部材５１と、を有する。結像光学系と撮像素子は、挿入部５０の先端付近に固定されている。よって、結像光学系と撮像素子は、挿入部５０から取り外すことはできない。
保持部材５１は、挿入部５０を構成している。保持部材５１は、挿入部５０の先端に位置している。円筒部材２は、他方の端に接続部５２を有している。保持部材５１も接続部５３を有している。よって、第２の例では、接続部５２と接続部５３を介して、円筒部材２を挿入部５０に対して着脱させることができる。接続部５２と接続部５３には、例えば、ネジを用いることができる。
円筒部材２の一方の端には、先端部材３が位置している。よって、先端部材３も、挿入部５０に対して着脱させることができる。このように、第２の例では、円筒部材２と先端部材３の両方を、交換することができる。円筒部材と先端部材とで、カバーユニットを構成し、カバーユニットを挿入部に対して着脱させることもできる。
図２２は、本実施形態の挿入部の第３の例を示す図である。図１と同じ構成要素については同じ番号を付し、説明は省略する。結像光学系や撮像素子は図示を省略している。
挿入部６０は、光学ユニット１と、保持部材６１と、を有する。光学ユニット１には、結像光学系が配置されている。結像光学系と撮像素子は、挿入部６０に固定されている。よって、結像光学系と撮像素子は、挿入部６０から取り外すことはできない。
第３の例では、光学ユニット１の直径は、保持部材６１の直径よりも小さい。そして、結像光学系の光軸が、保持部材６１の中心軸と一致していない。すなわち、光学ユニット１は、保持部材６１の周辺部に配置されている。
そのため、保持部材６１は平坦部６２を有する。そこで、この平坦部６２に、照明光学系を配置することができる。あるいは、平坦部６２に、処置具を出し入れする開口を設けることができる。
円筒部材２は、例えば、接着によって、挿入部６０に常時固定することができる。或いは、円筒部材２は、例えば、ネジによって、挿入部６０に対して着脱することができる。
図２３は、照明光学系の配置例を示す図である。図２２と同じ構成要素については同じ番号を付し、説明は省略する。結像光学系の具体的な構成や撮像素子は図示を省略している。
挿入部６０は、光学ユニット１と、保持部材６１と、を有する。光学ユニット１には、結像光学系７０と、照明光学系７１と、が配置されている。照明光学系７１の形状は、円環状である。照明光学系７１は、結像光学系７０の外側に位置している。
照明光学系７１からの照明光によって、物体面が照明される。物体面からの光は、結像光学系７０によって像面に集光される。このようにして、像面に、物体の光学像が形成される。
以上の説明では、結像光学系を、物体の光学像を形成するための光学系として扱っている。しかしながら、結像光学系は、照明光を走査させる走査光学系として利用することができる。
結像光学系７０には、例えば、図１に示す結像光学系４を用いることができる。図１に示すように、物体面ＯＢ上の一点からの光は、像面Ｉ上の一点に集光する。これは、像面Ｉ上の一点に光源を配置した場合、光源から出た光は物体面ＯＢ上の一点に集光することを意味している。
そこで、像面Ｉの位置に、例えば、点光源を配置する。このようにすることで、物体面ＯＢ上の一点を照明することができる。また、照明された一点からの光を受光することで、物体面ＯＢの一点の情報を取得することができる。物体面ＯＢからの光は、例えば、照明光学系７１の場所に受光素子を配置すれば良い。
更に、点光源を移動させることで、物体面ＯＢ全体の情報を取得することができる。点光源の移動は、例えば、一本の光ファイバの端部を像面Ｉの面内で移動させれば良い。光ファイバの端部の移動は、例えば、光ファイバの端部の近傍にアクチュエータを配置することで実現できる。光ファイバの移動軌跡は、例えば、渦巻状にすることができる。
像面Ｉの位置に配置する光源は、点光源と見なすことができるものであれば、どのようなものであっても良い。光ファイバの光出射面の大きさが点光源と見なせる程度の大きさであれば、光出射面も点光源ということができる。光ファイバとしては、例えば、シングルモードファイバを用いることができる。
ファイババンドルの光出射面を、像面の位置に配置しても良い。ファイババンドルでは、複数の光ファイバが１つに束ねられている。照明光を入射させる光ファイバを変えることで、光ファイバを移動させることなく、点光源の移動を実現することができる。
図２４は、内視鏡の例を示す図である。図２４（ａ）は硬性内視鏡を示す図、図２４（ｂ）は軟性内視鏡を示す図である。
図２４（ａ）に示すように、内視鏡８０の挿入部の先端には、光学ユニット８１が配置されている。光学ユニット８１に、本実施形態の光学ユニットを用いることができる。これにより、側視方向の画像を、全方位において取得することができる。そのため、従来の内視鏡とは異なる角度から、様々な部位を撮察することができる。
また、図２４（ｂ）に示すように、内視鏡９０の挿入部の先端には、光学ユニット９１が配置されている。光学ユニット９１に、本実施形態の光学ユニットを用いることができる。これにより、側視方向の画像を、全方位において取得することができる。そのため、従来の内視鏡とは異なる角度から、様々な部位を撮察することができる。
取得された画像は、画像処理装置９２を介して表示装置９３に表示することができる。画像処理装置９２では、様々な画像処理を施すことができる。
光学ユニット８１と光学ユニット９１では、円筒部材と先端部材の両方は、挿入部に対して交換可能であっても、挿入部に常時固定されていても良い。
結像光学系は挿入部に固定されていても良いが、円筒部材や先端部材と共に、挿入部に対して着脱できるようにしても良い。このようにすると、光学ユニットを、挿入部に対して着脱することができる。光学ユニットは、条件式（１）から（７）の少なくとも１つを満足すれば良い。
光学ユニットが挿入部に対して着脱可能であるため、光学ユニットの交換が可能になる。例えば、光学的な仕様が異なる光学ユニットを複数用意しておけば、観察に適した光学ユニットで観察を行うことができる。
また、光学ユニットと撮像素子を一体で、挿入部に対して着脱するようにしても良い。
以上のように、本発明は、細径でありながら、液中観察時に、側視方向において鮮明な光学像が得られる内視鏡に適している。
１、１０、２０、３０ 光学ユニット
２、１１、２１、３１ 円筒部材
２ａ、１１ａ、２１ａ、３１ａ 内周面
２ｂ、１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ 外周面
２ｃ、１１ｃ、２１ｃ、３１ｃ 透明な物質
３、１２、２２、３２ 先端部材
４、１３、２３、３３ 結像光学系
４ａ、４ｂ、１３ａ、１３ｂ 透過面
５ 第１の空間
６ 第２の空間
２２ａ、３２ａ 内側面
２２ｂ、３２ｂ 外側面
２２ｃ、３２ｃ 物質
４０、５０、６０ 内視鏡の挿入部
４１、５１、６１ 保持部材
４２ ガイドワイヤー
４３ 撮像素子
５２、５３ 接続部
６２ 平坦部
７０ 結像光学系
７１ 照明光学系
８０、９０ 内視鏡
８１、９１ 光学ユニット
９２ 画像処理装置
９３ 表示装置
ＡＸｃ 中心軸
ＡＸｏ 光軸
ＯＢ 物体面
Ｉ 像面
Ｐ 入射瞳
Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ 実像の光束
Ｌａ’、Ｌｂ’、Ｌｃ’ 虚像の光束
Ｐａ’ｍ、Ｐｂ’ｍ、Ｐｃ’ｍ 位置
Ｐａ’ｓ、Ｐｂ’ｓ、Ｐｃ’ｓ 位置
ＰＬ 面（ベスト面）

Claims (12)

  1. 円筒部材と、先端部材と、結像光学系と、を有し、
    前記円筒部材は、内周面と、外周面と、を有し、
    前記内周面と前記外周面との間は、屈折率が１よりも大きい透明な物質で満たされ、
    前記先端部材は、前記円筒部材の一方の端に位置し、
    前記結像光学系は、前記結像光学系の光軸と前記円筒部材の中心軸とが一致、又は平行になるように、前記円筒部材の内部に配置され、
    前記結像光学系によって、前記外周面の外側に位置する物体面と、前記結像光学系の像面とが、共役になっており、
    前記結像光学系は透過面のみから構成され、
    全ての前記透過面は、前記光軸と交差する点における面の法線が、前記光軸と一致するように配置され、
    前記結像光学系は像面湾曲収差を有し、
    以下の条件式（１）を満足することを特徴とする内視鏡。
    −１０＜Ｐ’＜−０．８ （１）
    ここで
    Ｐ’は、ペッツバール和であって、以下の式で表され、
    Figure 2019111360
     ｒｉは、ｉ番目の透過面の曲率半径、
    ｎ’ｉは、ｉ番目の透過面の射出側における屈折率、
    ｎｉは、ｉ番目の透過面の入射側における屈折率、
    ｎ’は、像空間の屈折率、
    ｉは、透過面の番号、
    ｋは、透過面の総数、
    である。
  2. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
    ０．１ｍｍ＜ｆ＜０．８ｍｍ （２）
    ここで
    ｆは、前記結像光学系の焦点距離、
    である。
  3. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
    θout＜θin （３）
    ここで、
    θinは、第１の空間における、主光線と前記内周面の法線とのなす角度（ただし、θin≠０）、
    θoutは、第２の空間における、前記主光線と前記外周面の法線とのなす角度、
    前記第１の空間は、前記結像光学系と前記内周面との間の空間、
    前記第２の空間は、前記円筒部材の外側の空間、
    前記主光線は、前記円筒部材を光軸方向に測った中心の物点からの主光線、
    である。
  4. 以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
    １＜Ｒ２／Ｒ１＜５ （４）
    ここで、
    Ｒ１は、前記内周面の曲率半径、
    Ｒ２は、前記外周面の曲率半径、
    である。
  5. 以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
    １≦ＯＢ／Ｒ２＜１０ （５）
    ここで、
    ＯＢは、前記光軸と直交する面内における、前記光軸から前記物体面まで距離、
    Ｒ２は、前記外周面の曲率、
    である。
  6. 前記結像光学系は、前記先端部材側から順に、第１の正レンズと、第２の正レンズと、からなり、
    第１の所定の面は、前記第１の正レンズの前記像面側のレンズ面であり、
    第２の所定の面は、前記第２の正レンズの前記先端部材側のレンズ面であり、
    前記第１の所定の面は、前記第２の正レンズに向かって凸面であり、
    前記第２の所定の面は、前記第１の正レンズに向かって凸面であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
  7. 以下の条件式（６）、（７）を満足することを特徴とする請求項６に記載の内視鏡。
    ０．５＜φ１／φ＜５．０ （６）
    ０．１＜φ２／φ＜２．０ （７）
    ここで、
    φは、前記結像光学系の屈折力、
    φ１は、前記第１の所定の面の屈折力、
    φ２は、前記第２の所定の面の屈折力、
    である。
  8. 前記結像光学系は平凸レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
  9. 前記結像光学系はボールレンズからなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
  10. 前記結像光学系は屈折率分布型レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
  11. 前記結像光学系は、前記内視鏡の挿入部の先端に配置され、
    前記挿入部の先端は接続部を有し、
    前記円筒部材は、他方の端に接続部を有し、
    ２つの前記接続部を介して、前記円筒部材が前記挿入部に対して着脱されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の内視鏡。
  12. 前記結像光学系、前記内視鏡の挿入部の先端に配置され、
    前記円筒部材は、前記挿入部の先端に常時固定されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の内視鏡。
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