JP2003524204A - 内視鏡などのための統合型光学系 - Google Patents
内視鏡などのための統合型光学系Info
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Abstract
Description
などに適したレンズ系に関するものである。
全な光学系は、基本的で別々の4つの光学要素からなるものとして考えられてい
る。これらの要素は、光が進む方向の順に、次のとおりである。 (1)監視下にある対象物の第1像を形成する対物レンズ (2)その対物レンズのひとみを次の像伝達レンズ上に結像させる視野レンズ (3)第1像を次の視野レンズ上に再結像させる像伝達レンズ ひとみおよび像伝達段階は、所望の筒長を得ることが必要になるたびに繰り返
される。 (4)最終像を人間の目、CCDカメラあるいは写真フィルムのような感知部分
に提供する焦点合わせレンズ このようなアプローチは、古典的なアプローチであり、次の理由から適切なも
のである。 (1)この光学系の設計は、ただ1つにかつはっきりと画定されるとともに別々
である諸要素が備わっており、それらのそれぞれに設計者がかなりの経験を生か
すことができるいくつかの部品に分けられる。 (2)内視鏡の光伝達能および情報伝達能は、光学倍率が結像面およびひとみ形
成面に集中したときに最大である。このようなアプローチの好都合さは、全体の
系における別々の部品としての対物レンズ、リレー(中継)系および接眼レンズ
を取り扱う内視鏡に関するおびただしい数の米国特許に発表されている。
分布がきわめて不均等であることと、非点収差、視野湾曲および色収差のような
いくつかの収差が必然的に最大であることである。これらの収差の補正には、比
較的短い曲率半径が必要になる。これらの短い曲率半径では、組み立てるのが難
しく、緊密な公差を要求するのが難しいので、短い曲率半径は、内視鏡組立のか
なりのコストを占める主な要因である。使い捨て用品として提供されるために充
分に安価な、本当に安価な内視鏡は、従来の設計では今のところ実用的ではない
。
スコープ、デンタルスコープなどに適した統合型光学系を与える。この発明の1
つの態様は、従来の内視鏡と比べて構成要素の数が減っている内視鏡に関するも
のである。それらの構成要素には、大量生産を容易にする、比較的長い曲率半径
が備わっているのが好ましい。さらにまた、それらの構成要素は必ずしも半月(
メニスクス)形である必要はない。
り(すなわち、ひとみは具体物と結像される対象物との間に位置しており)、そ
の結果、これらの代表的ないくつかの実施形態は、先細プローブ(例えば隠蔽の
ための)に適しており、あるいは、ひとみ位置の結像側に視線そらし用プリズム
を収容するために適している。他のいくつかの実施形態は、視野拡張器を含んで
おり、あるいは視野拡張器と組み合わすことができ、この視野拡張器によって、
ひとみ位置は視線そらし用プリズムを収容するように位置決めすることができる
。さらに、本明細書で開示された多くの実施形態は、それらの構成要素の傾斜お
よび非共軸に対してほとんど反応しない。
の位置が対物レンズおよびリレーの光学機能によって指定されることのない統合
型設計に特徴のあるレンズ系で達成される。さらに、収差補正は、有利には、2
以上の群にわたって施され、それによって、第1群(従来は、一番高い光学倍率
が備わっており、また、収差補正の必要性がもっとも大きい)への救済がもたら
されるとともに、光学素子の曲率半径を減らすことができ、その結果、全倍率必
要量がより小さくなる(すなわち、光学素子の倍率の絶対値の合計がより小さく
なる)。この明細書における代表的ないくつかの実施形態では、さらなる統合の
ためにリレー系の対称性からの偏差が用いられている。光学要素のこのような統
合および収差補正は、対称性からの外れと同様に、湾曲性および複雑性を緩和す
ることによって光学系を大幅に簡素化する点できわめて有益であり得る、という
ことがわかってきた。光学系が簡素化される結果、コストが削減されるとともに
、それを使い捨て用品として使うことができるようになる。
ンズは、このようなレンズがそのストップ位置から除外されるので、非点収差が
補正されることができる。このようにして、きわめて短い曲率半径の光学面が得
られるので、光学系全体の非点収差を補正する必要はなくなる。さらにまた、こ
の明細書におけるいくつかの実施形態に用いられた平凸レンズの球面収差は、大
幅に緩和されるとともに、単一の要素について可能性な最小値に近付き得る。こ
の明細書における多くの実施形態では、色収差は、従来の多くの系に比べて大幅
に緩和することができる。例えば、色収差は、色収差緩和用要素が存在していな
くても、2〜4つの因子によって緩和することができる。従って、いくつかの実
施形態では、それ以上の色補正は必要でない。
視鏡系には、対物レンズ要素と、色補正をもたらす少なくとも1つの湾曲型光学
インターフェイスを用いてこの内視鏡系について実質的にすべての色補正をもた
らすリレー系とが備わっている。このような対物レンズ要素およびリレー系は、
対物レンズ要素の入射面から内視鏡系の出射面へ像を伝達するために光学的に配
列され、複数の光学要素のそれぞれは、均一な屈折性を有し、e、FNおよびC
Nスペクトル線のうちの少なくとも1つとともに用いるのに適している。
トランスファー)を含むとともに、適度な光学倍率の単一色補正用要素を用いる
ことで、基本的には充分に色補正することができる。多くの種類の光学的ひずみ
は、対物レンズにおいてきわめて大きいものであるが、より便利で効果的な位置
で補正することができ、その結果、複雑さが大幅に緩和された単一の統合系を得
ることができる。クローズアップレンズ、視野拡張器、視野平坦化レンズあるい
は付加的なリレー群のような付加的な光学部品類を、この明細書に開示された特
許性のある実施形態のいくつかとともに用いることができる。
いる色補正ずみ光学内視鏡系に関するものであり、これには、対物レンズ要素と
、第1の数の湾曲面がある第1リレー系とが備わっている。第1リレー系には、
この内視鏡系について実質的にすべての色補正をもたらす曲率が備わっている光
学インターフェイスが含まれており、対物レンズ要素と第1リレー系とは、対物
レンズ要素の入射面から内視鏡系の出射面へ像を伝達するために光学的に配列さ
れ、複数の光学要素は、FNスペクトル線からCNスペクトル線まで延びている
スペクトルの少なくとも一部とともに用いるのに適している。
視鏡に関するものであり、これには対物レンズおよびリレー系が備わっており、
リレー系には、この内視鏡について色補正をもたらす少なくとも1つの光学イン
ターフェイスがあり、色補正は対物レンズによって実質的にもたらされず、対物
レンズおよびリレー系は、共通の光軸に沿って配列され、複数の光学要素は、F
Nスペクトル線からCNスペクトル線まで延びているスペクトルの少なくとも一
部とともに用いるのに適している。
た内視鏡結像系に関するものであり、これには、対象物を焦平面に結像させるた
めの対物レンズと、共通の光軸に沿って対物レンズに光学的に配列されている少
なくとも1つのリレーとが備わっており、リレーにはいくつかの湾曲面が含まれ
、少なくとも1つの湾曲型インターフェースによってこの内視鏡結像系について
の色補正がもたらされ、ここでのリレーの湾曲面の数は5以下である。
学要素が含まれている色補正ずみ結像系に関するものであり、これには、光軸が
ある対物レンズと、その光軸に沿って対物レンズに配列されている少なくとも1
つのリレーとが備わっており、対物レンズには3以下の湾曲面があり、少なくと
も1つの光学要素によってこの結像系についての色補正がもたらされる。
鏡に関するものであり、この内視鏡には、対物レンズ系と、この対物レンズ系に
光学的に配列されている少なくとも3つのリレー系とが備わっており、この対物
レンズ系と少なくとも3つのリレー系における3つのリレー系とには、13以下
の湾曲面が含まれている。
鏡に関するものであり、この内視鏡には、対物レンズ系と、光学要素が含まれて
いる少なくとも2つのリレー系とが備わっており、ここでの少なくとも2つのリ
レー系は対物レンズ系に光学的に配列されており、この対物レンズ系と少なくと
も2つのリレー系における2つのリレー系とには、10以下の湾曲面が含まれ、
これらの光学要素は、FNスペクトル線からCNスペクトル線まで延びているス
ペクトルの少なくとも一部とともに用いるのに適しているとともに、少なくとも
1つの光学要素によってこの内視鏡への色補正がもたらされる。
視鏡に関するものであり、この内視鏡には、対物レンズと少なくとも1つのリレ
ーとが備わっており、ここでの少なくとも1つのリレーの1つには3以下のレン
ズ要素が含まれ、この対物レンズと少なくとも1つのリレーとは、対物レンズの
入射面から内視鏡の出射面へ像を伝達するために光学的に配列され、少なくとも
1つのレンズ要素によってこの内視鏡への色補正がもたらされる。
鏡系に関するものであり、この内視鏡系には、対物レンズ群と、光軸に沿って対
物レンズ群に配列されている少なくとも2つのリレー群とが備わっており、これ
らのリレー群の1つには負の光学倍率がある光学要素はまったく含まれておらず
、これらのリレー群における別のものによってこの内視鏡系への色補正がもたら
される。
鏡系に関するものであり、この内視鏡系には、対物レンズと、光軸に沿って対物
レンズに配列されている少なくとも1つのリレー群とが備わっており、この対物
レンズと少なくとも1つのリレー群とには負の光学倍率がある2以下の光学要素
がともに含まれており、複数の光学要素の少なくとも1つによってこの内視鏡系
についての色補正がもたらされる。
視鏡に関するものであり、この光学内視鏡には、対象物の第1像を形成するため
の手段と、この第1像を中継して第2像を形成するための手段とが備わっており
、ここでの中継手段には色収差を補正するための手段が含まれ、第1像を形成す
るための手段には色収差を補正するための手段は実質的にまったく含まれておら
ず、第1像を形成するための手段と中継手段とは共通の光軸に沿って配列されて
おり、複数の光学要素は、FNスペクトル線からCNスペクトル線まで延びてい
るスペクトルの少なくとも一部とともに用いるのに適している。
のであり、この光学系には、対物レンズと、色補正をもたらす少なくとも1つの
湾曲型インターフェイスを用いてこの系についての実質的にすべての色補正をも
たらす色補正用リレーと、色補正用でないリレーとが備わっており、ここでの色
補正用でないリレー、対物レンズおよび色補正用リレーは、共通の光軸に沿って
配列されているとともに、対物レンズの入射面からこの光学系の出射面へ像を伝
達するために光学的に配列されており、複数の光学要素のそれぞれは、均等に屈
折性であり、FNスペクトル線からCNスペクトル線まで延びているスペクトル
の少なくとも一部とともに用いるのに適している。
の方法には、色補正用でない対物レンズ系で対象物の第1像を形成し、少なくと
も第1リレー系および第2リレー系を用意し、対物レンズ系、第1リレー系およ
び第2リレー系を共通の光軸に沿って整列させ、第1リレー系で対物レンズ系か
らの第1像を受けて第2像を形成し、この第2像を第2リレー系を用いて第1リ
レー系から伝達して対象物の第3像を形成し、少なくとも1つの光学インターフ
ェイスを用いることによってこれらのリレー系の1つで色収差を補正することか
らなり、ここでの対物レンズ系および複数のリレー系は、FNスペクトル線から
CNスペクトル線まで延びているスペクトルの少なくとも一部とともに用いるの
に適している。
の方法は、対象物の第1像を形成するための対物レンズを用意し、この対物レン
ズに光学的に配列された少なくとも3つのリレー系を用意し、ここでの対物レン
ズおよびリレー系には、13以下の湾曲面が含まれており、対物レンズおよびリ
レー系は、FNスペクトル線からCNスペクトル線まで延びているスペクトルの
少なくとも一部とともに用いるのに適しており、リレー系の1つで第1像を受け
、リレー系の別のもので出力像を形成し、この出力像はビューアーによって受け
ることができ、少なくとも1つの湾曲型インターフェイスで出力像への色補正を
もたらすことからなる。
るものであり、この方法は、複数の光学群を用意し、ここで、これらの群は共通
の光軸に沿って配列されているとともに、これらの群のそれぞれはそれぞれの焦
平面でそれぞれの像を作り出し、これらの群には対物レンズおよび少なくとも1
つのリレーが含まれており、これらの群の第1群を、収差補正するのに第1群に
必要な量よりも多い収差補正で用意し、これらの群の第2群を、収差補正するの
に第2群に必要な量よりも少ない収差補正で用意することからなり、第1群の収
差補正により第2群における収差補正の不足が補償されて、収差補正ずみ内視鏡
が作られる。
この内視鏡には第1光学群と少なくとも第2光学群とが備わっており、その第1
群には、収差補正するのに第1群に必要な量よりも多い収差補正があり、その第
2群には、収差補正するのに第2群に必要な量よりも少ない収差補正があり、第
1群の収差補正により第2群における収差補正の不足が補償されて、収差補正ず
み内視鏡が作られ、ここで、これらの群は共通の光軸に沿って配列されていると
ともに、これらの群のそれぞれはそれぞれの焦平面でそれぞれの像を作り出し、
これらの群には対物レンズおよび少なくとも1つのリレーが含まれている。
ための光学系に関するものであり、この光学系には、その第1面とその中間面と
の間に配置され、あまり補正されなかった像をその中間面に形成するための、少
なくとも1つの光学要素からなる対物レンズと、その中間面とその第2面との間
に配置され、比較的よく補正された像をその第2面に形成するための、少なくと
も1つの光学要素からなるリレーとが備わっている。
対物レンズおよび第1リレー(中継レンズ)に約100ミリメートルの長さが備
わるように、かつ、ほとんどが単一の公称倍率が備わっている、規格化されてい
る。このようにして、実施形態1〜11の性能は都合よく比較することができる
。他の倍率、視界、開口数および付加的なリレーの備わったいくつかの実施形態
は、この発明の一般的概念が広範囲の用途にわたって効果的であるということを
説明するために、紹介されている。この明細書に説明された実施形態(1〜18
)では、従来の非GRIN(非勾配屈折率)レンズ要素が用いられており、従っ
て、他の型のレンズを同様に用いることができるが、それぞれのレンズには均等
な屈折率が備わっている。
「Im」によって表示されている。中間の焦平面およびひとみ面は、光学列にお
けるさまざまな箇所で、それぞれ「F」および「Pint」によって表示されてい
る。対象物面(図1〜図18における「表面0」)、第1ひとみ面(あるいは絞
り;図1〜図11における「表面1」および図12〜図18における「表面4」
に対応している)、レンズ表面および最終結像面の光学系の特徴は、連続的に番
号が付けられている。図1〜図11では入射ひとみPentと絞りとは一致してい
るが、他の実施形態ではそれらは互いに入れ替わることができる。周縁光線およ
び主光線の伝播は、これらの図を通じて点線で表示されている。
ータが紹介されている。表1は図1に示された系に関し、表2は図2に示された
系に関し、他の表および図に関しても同様である。第1列にはこれらの図に示さ
れた表面数(「SURF」)が表示され、第2列には表面の曲率半径(「RD」
)が表示され、第3列には軸分離(「TH」)が表示されている。第4列には光
学要素材料(「MEDIUM」)が紹介されている。常として、空気は、媒体が
はっきりと表示されないときにおける言外の伝播媒体である。第5列には、それ
ぞれの構成要素、対象物、ひとみあるいは像の直径(「DIAMETER」)が
もたらされている。実施形態12〜18については、クリアな開口は、表20に
表示されたように直径が2.5mmまでに制限されているのが好ましく、他の実
施形態においては、クリアな開口は直径がより大きいものでもよい。第6列には
、非球面レンズのデータが紹介されている。円錐定数(「CC」)が定義されて
おり、これは等式(1)と関連して以下に考察される。表1〜18における表面
数および平面数は図におけるそれらを指している。この明細書に開示されたさま
ざまな光学要素の屈折率(e、FおよびCスペクトル線についての)、分散度お
よび好ましい製造業者は表19に紹介されている。実施形態1〜18についての
光学性能パラメータは表20に表示されている。
れている内視鏡系の光学的模式図である。群Iは入射ひとみ面(Pent)が含ま
れている対物レンズであり、群IIには、対物レンズの焦平面(F)に配置され
ている視野レンズが紹介されている。群IIIには、対物レンズによって形成さ
れた像を次の焦平面(ここでは結像面、Im)の上へ伝達する伝達レンズが紹介
されている。これらの群はすべて、ひとみ面あるいは焦平面に配置されている。
図1と、表20の曲率半径のデータとから明らかなように、光学倍率の分布はき
わめて不均等である。曲率の絶対値を合計した値は、組立の困難性の尺度であり
、この従来技術の実施形態について1.62/mmであり(表20の第5列を参
照のこと)、これは色収差に対する補正がなされていない。この実施形態につい
て色収差に対する補正がなされていると、曲率の絶対値の合計は2倍以上になる
と思われる。一般に、曲率の絶対値の合計が大きくなればなるほど製造コストが
高くなるので、このことは欠点になる。関連する性能データは表20に示されて
おり、また、構成パラメータは表1に示されている。
における1つの実施形態が示されている。この設計によれば、ひとみの位置およ
び中間像の位置をそれらの古典的位置(図1を参照)から適度に離すことで、曲
率の絶対値の合計(SC)を(実施形態1におけるような1.62/mmから…
表20を参照のこと)1.15/mmまで減らすことができ、さらに光学性能を
改善することができる(例えば、山から谷までの波面ひずみは、実施形態1にお
けるような0.79波に比べて、わずかに0.32波である…表20を参照のこ
と)。単色収差についての回折限界性能をもたらすためには、非半月(メニスク
ス)形状が備わり、かつ、鋭利な曲線部がない、わずか3つのプラスチック製要
素が必要になるだけである。視線そらし用プリズムが備わっていないような多く
の用途では、円錐形の先端が含まれていてもよい。このような先端は、検査され
る対象物へのどのような乱れも減らすために、あるいはこの実施形態自体の露出
を減らすために、プローブとして好都合に用いることができる。関連する性能デ
ータは表20に示されており、また、構成パラメータは表2に示されている。
また、わずかな構成要素を用いるだけであり、構成が簡単であるが、それにもか
かわらず、色収差を含む収差について充分に補正が行われており、最大の軸方向
色(波面)収差はわずかに0.21波である(表20の第23列を参照のこと)
。色収差を補正するためにどのような負要素も追加されなかったが、軸方向色収
差は、古典的配置図(0.90波;図1および表20を参照)における場合の4
分の1になるように小さい1つの因子以上であり、回折限界内にある。従って、
この例には、倍率の再分配の利点が示されており、それは、この例ではひとみ(
Pint)の付随的変位に関する。実施形態3にあっては、実施形態2の場合より
も古典的配置図からさらに離れていても、SCはわずかに0.55であり、また
、山から谷までの波面収差は0.21波に減っている(表20を参照のこと)。
よび第3群IIIは棒状要素に接合されており、その結果、わずかに4つのガラ
ス/空気表面が備わっているだけである。この実施形態では比較的わずかな要素
にもかかわらず、収差は回折限界にある。例えば、表20に示されるように、山
から谷までの波面収差はわずか0.27波であり、また、最大の軸方向色収差は
わずかに0.31波である。この例には、棒状要素をこの発明に好都合に用いる
ことができるということが示されている。棒状要素を用いる利点は、光学系の直
径を増大することなく、対象物から結像面までの光学距離が増大している、とい
うことである。この実施形態には、棒状要素によって中間ひとみ面の位置(Pin t )と対象物の焦平面(F)とを変えることができ、これらは今や第3(III
)群および第2(II)群をそれぞれ越えて移動した、ということも説明されて
いる。この発明におけるいくつかの実施形態には半月形のいくつかの光学要素は
必要ではないが、この例に示されたように、それらの組み入れは除外されていな
い。必要であれば、より短い棒状要素は中間焦点およびひとみ面(FおよびPin t )を第2(II)および第3(III)要素に置くことができる。しかしなが
ら、半月形を用いることの利点は適度なものである。
ある。他の実施形態では、他の代表的な実施形態に示されたように、ガラス製要
素に加えてあるいは代えて、プラスチック製レンズを用いることができる。曲率
は軽度であって球形であり、また、表面には、1つを除いて全部に、8mmより
も大きい曲率半径が備わっている。第1群Iによって、視野が比較的大きい(7
0度)ときであっても、入射ひとみPentと第1群(I)との間に視線そらし用
プリズム(表面2および表面3が含まれている)のための必要な空間が容易にも
たらされる。付加的な色補正をもたらすことができ、また、付加的な負要素を用
いることができるとしても、第1群(I)が色補正されないという事実にもかか
わらず、系全体の色収差が単一の負要素によって表面10で基本的に充分補正さ
れる(最大の軸方向色収差はわずかに0.12波である。表20を参照のこと)
点に留意することは重要である。3つの群(I,II,III)は、充分に一体
化されるが、対象物の焦平面(F)および中間ひとみ面(Pint)からはるかに
移動してずれている。
鏡の光学的模式図であり、相異なる材料からなるいくつかのレンズをどのように
して単一の内視鏡に組み立てるかを説明している。さらに、0.025という比
較的大きい開口数(N.A.)を実現するためには、そのような要素を用いるこ
とができるとしても、鋭利な曲線部あるいは半月形要素は必要でない。ひずみは
充分に補正され、最大像ひずみはわずかに−3%である(表20を参照のこと)
。基本的設計が、一般に内視鏡の場合がそうであるように、倍率の変化によって
影響されない、ということを示すために、対象物は無限遠に置かれた。色補正は
、表面6によって基本的にもたらされている。
に改善された内視鏡に関するものである。追加された要素IVは、その要素IV
がもっとも効果的な位置である対物レンズの結像面(F)に近接して配置されて
いる。要素IVの比較的弱い倍率(正である)は、光学機能の負担の大部分は、
収差補正と同様に、焦平面およびひとみ面から移動させられた第1群I、第2群
IIおよび第3群IIIによって行われる、ということが示されている。この例
によれば、結像面あるいはひとみ面の近傍における追加要素はこの発明に用いる
ことができる、ということが示されている。
素を用いてかなり補正された内視鏡に関するものである。いくつかの要素のうち
のただ1つ、要素IVは、結像面あるいはひとみ面の近傍に配置されているのが
好ましいが、やはり、低い光学倍率のものである。4つの光学要素が用いられて
いるが、SCはまだ、わずかに1.06であり、また、最大の軸方向色収差はわ
ずかに0.31波である。色補正は、表面8によって基本的にもたらされている
。
倍に増大しているが、これは、一般に内視鏡の場合のように、1倍の設計および
0倍の設計のものときわめて類似した設計のままであることが示されている。さ
らに、この発明にはいくつかの半月形要素を使用しないことも可能という事実に
もかかわらず、それらの使用は決して除外されない、ということを示すために、
半月形要素が使用されている。この実施形態では、第4群(IV;半月形要素)
が負倍率のものであり、さらに、この第4要素はこの発明における他の3つの群
に対しての非必須付加要素である、ということが示されている。色補正は、表面
9によって基本的にもたらされている。
内視鏡に関するものである。この実施形態では、80度というきわめて大きい視
野と、0.025という比較的大きいN.A.とが備わっている。これらの大き
い値にもかかわらず、図10に示されるように、対物レンズ(I)と入射ひとみ
(Pent)との間に偏向プリズム(表面2および表面3が備わっている)を容易
に収容することができる。系全体としてはなお、低倍率の単一色補正用要素によ
って、表面10できわめて良好に補正されている。この色補正用要素によって、
色収差の充分な補正が基本的にもたらされ、例えば、最大の軸方向色収差はわず
かに0.35波である(表20を参照のこと)。初めの3つの群(I,II,I
II)は充分な補正をすることができるので、これら初めの3つの群に古典的な
リレーを追加することは除外されない。
最大の軸方向色収差がわずかに0.04である(表20を参照のこと)内視鏡が
示されている。さらに、色収差は、追加要素を用いることができるものの、負の
光学倍率の単一要素で表面10において基本的に充分補正されている。他の実施
形態では、追加の色補正用要素が必要な場合もある。図11では、充分な色補正
が基本的にもたらされるものの、色補正用要素の光学倍率は、他の構成要素のそ
れらに匹敵する値に近い。特に、表面9および表面10にはそれぞれ、50mm
および4.5mmの曲率半径が備わっている。これらの要素はガラスからなるも
のであり、また、非球面状表面はまったく使用されていない。
それぞれにおける表面1〜6に対応している)の中にあるいはこの対物レンズと
ともに視野拡張器(図12〜18のそれぞれにおける表面1〜2に対応している
)が含まれた、この発明の代表的な実施形態が示されている。これらの実施形態
では、視野拡張器によって、大きい視野(110度)で結像させることが可能に
なるとともに、視野の曲率(ペッツヴァルの計がそれに対応していっそう小さい
)についての補正もすることができる。実施形態12〜18には3つのリレー系
が含まれており、表12〜18に表示されたそれらの長さは、医療用途に用いる
ことのできるシステムに対応している。実施形態12〜18では、単一の色補正
用要素によって、すべての色補正が基本的にもたらされる。
、光学要素の曲率の絶対値の合計が3.65/mmに等しい(表20を参照のこ
と)実施形態が示されている。これらの値によれば、30〜35の光学要素が含
まれるとともにそれに対応して曲率の絶対値の合計がより大きい従来の系に比べ
て、かなりの改善が表されている。表20に表されたように、また、以下に考察
するように、これらの設計による利点は実施形態13〜18にも反映されている
。図12Aでは、第1リレーが「表面8」と表面14との間に延びている。図1
2Bでは、第2リレーが表面16と表面19との間に延びており、また、図12
Cでは、第3リレーが表面21と表面24との間に延びている。実施形態12に
おける色補正は、第1の伝達レンズあるいはリレーによって行なわれ、とりわけ
表面11で行なわれる。この系の光学性能はきわめて良好であり、山から谷まで
の波面収差および最大の軸方向色収差はそれぞれ0.34および0.22波であ
る。
第1リレーよりもむしろ第2リレーが色補正用リレーであり、基本的に、この系
における色補正はすべて、光学表面18によって行なわれる。さらに、その色補
正は、図12A〜12Dの実施形態ではその色補正が色補正用リレーの第1半体
において行なわれるのに対して、色補正用リレーの第2半体において行なわれる
。このように、色補正は任意の要素群において行なうことができる。
3Bでは、第2リレーが表面15と表面19との間に延びており、また、図13
Cでは、第3リレーが表面21と表面24との間に延びている。この系の光学性
能はきわめて良好であり、山から谷までの波面収差および最大の軸方向色収差は
それぞれ0.32および0.19波である。
で移動しており、その第3リレーは、図14Dにおいて表面20と表面24との
間に延びている。(図14Aでは、第1リレーが「表面8」(すなわち、入射焦
平面での焦点表面)と表面13との間に延びており、図14Bでは、第2リレー
が表面15と表面18との間に延びている。)それにもかかわらず、実施形態1
2〜14の光学性能は、実質的に同等であり、実施形態14における山から谷ま
での波面収差および最大の軸方向色収差はそれぞれ0.51および0.17波で
ある。
わっている。この設計は、3つのリレーが含まれるこの明細書における他の実施
形態と同様に、3つのリレーからなる内視鏡に必要とされる7つの湾曲面の理論
限界に近づいている。この限界は、それぞれのリレーに2以上の湾曲面が備わっ
ており、かつ、対物レンズに少なくとも1つの湾曲面が備わっている、という事
実に基づいている。実施形態15における山から谷までの波面収差の最大値およ
び最大の軸方向色収差(それぞれ0.81波および0.68波)は図12〜18
における他の視野拡大器付き実施形態の場合よりも大きいが、全体の性能はなお
良好であり、ペッツヴァルの計はわずかに0.04/mmである。図15Aでは
、第1リレーが「表面8」と表面13との間に延びている。図15Bでは、第2
リレーが表面15と表面18との間に延びており、また、図15Cでは、第3リ
レーが表面20と表面23との間に延びている。色補正は基本的に表面11によ
ってもたらされている。
らの構成要素を比較的安価にするプラスチック、COCあるいはポリスチレンか
ら作られているのが好ましい。平坦な表面の備わった棒状体はガラスあるいはプ
ラスチックから作ることができ、あるいは、それらは湾曲面の備わった構成要素
の一部として成型することができる。しかしながら、プラスチック材料を使用す
ると、例えばこれらの材料の屈折率が比較的小さいなどの特別な問題が生じるお
それがある。プラスチックとガラスとの魅力的な特徴構成のいくつかを組み合わ
せるために、この実施形態では1つのアプローチが用いられている。とりわけ、
プラスチック要素はガラス製棒状体の平坦面の上に接合され、その結果、内視鏡
は安価であるが良好な性能が備わっているものになる。例えば、山から谷までの
波面収差は0.41波であり、最大の軸方向色収差は0.19波である。図16
Aでは、第1リレーが「表面8」と表面17との間に延びている。図16Bでは
、第2リレーが表面19と表面23との間に延びており、また、図16Cでは、
第3リレーが表面25と表面30との間に延びている。色補正は基本的に表面1
3によってもたらされている。
されて棒状体とレンズとが単一片に形成され、それによって、光学要素の数が減
ることになる。山から谷までの波面ひずみは、実施形態16の場合よりも小さい
0.28波に減少しており、また、最大の軸方向色収差はわずかに0.28波で
ある。色補正は基本的に表面11によってもたらされている。
が、ここでは、図12A〜12Dにおけるより長い要素が、それらのより長い要
素のそれぞれの内部に平坦―平坦インターフェイスを導入することによって、よ
り短い2つのセグメントに分けられている。これによって、内視鏡における光学
片の数は増えるが、内視鏡の可撓性は、光学性能を悪くすることなく、大きく高
められている(その結果、内視鏡が使用中に破損するおそれが減っている)。図
18Aでは、第1リレーが「表面8」と表面20との間に延びている。第2リレ
ー(図18B)が表面22と表面32との間に延びており、また、第3リレーが
表面34と表面43との間に延びている。色補正は基本的に表面14によっても
たらされている。
つの群(対物レンズ、視野レンズおよびリレー)を一体化して、個々の光学要素
における倍率の絶対値の合計を大幅に減らすようにして内視鏡を生産することが
できる。光学倍率が減ると、補正すべき収差の量が減り、また、光学系の複雑度
がかなり減ることになり、それによって、そのコストが減る。いくつかの実施形
態における付加的でしばしば貴重な特徴は、入射ひとみがこの系の外側に配置さ
れ、それによって、プリズムのような他の光学要素の付加を容易にする、という
ことである。
た、cはその表面の曲率(1/RD)である。代表的な実施形態1〜18におけ
る非球面定数fおよびgはゼロに等しい。
態に具体化することができる。説明されたいくつかの実施形態は、あらゆる点で
、単に例示的なものであって限定的なものではない、とみなされるべきである。
従って、この発明の範囲は、いままでの説明よりもむしろ、特許請求の範囲によ
って表されている。この特許請求の範囲と均等の意味および範囲に含まれる変化
はすべて、この発明の範囲に包含される。
空気等値) 第25列 mmで表した内視鏡の最大貫通開口 第26列 1/mmで表した、リレーの数によって分割された曲率の絶対値の
合計
図に従って構成された内視鏡の光学的模式図である。
この発明の第1実施形態の光学的模式図である。
率緩和および収差補正の充分な利点が得られている、この発明の第2実施形態の
光学的模式図である。
式図である。
いての色収差補正をもたらす単一の負要素が組み入れられている、この発明の第
4実施形態の光学的模式図である。
スチックからなる簡単な系である、この発明の第5実施形態の光学的模式図であ
る。
ている、この発明の第6実施形態の光学的模式図である。
られ、この第4群に色収差を補正するための単一の負要素が含まれている、この
発明の第7実施形態の光学的模式図である。
模式図である。
要素で色収差について基本的に充分な補正が行われる、この発明の第9実施形態
の光学的模式図である。
1つの要素を用いて色収差についてさらに基本的に充分な補正が行われる、この
発明の第10実施形態の光学的模式図である。
一要素によって色補正が基本的に行われる、この発明の第11実施形態の光学的
模式図を与える。 図12Dは、図12Aの対物レンズの拡大図である。
一要素によって色補正が基本的に行われる、この発明の第12実施形態の光学的
模式図を与える。 図13Dは、図13Aの対物レンズの拡大図である。
一要素によって色補正が基本的に行われる、この発明の第13実施形態の光学的
模式図を与える。 図14Dは、図14Aの対物レンズの拡大図である。
つの光学要素だけが備わっている、この発明の第14実施形態の光学的模式図を
与える。 図15Dは、図15Aの対物レンズの拡大図である。
まれている、この発明の第15実施形態の光学的模式図を与える。 図16Dは、図16Aの対物レンズの拡大図である。
が含まれている、この発明の第16実施形態の光学的模式図を与える。 図17Dは、図17Aの対物レンズの拡大図である。
ときに破壊されにくいように、複数の像リレーが平−平インターフェイスによっ
ていくつかの分割片に分けられている、この発明の第17実施形態の光学的模式
図を与える。 図18Dは、図18Aの対物レンズの拡大図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 複数の要素を含んでいる色補正された光学内視鏡系であって
、 対物レンズ要素と、 色補正をもたらす少なくとも1つの湾曲型光学インターフェイスを用いて前記
内視鏡系について実質的にすべての色補正をもたらすリレー系と、 を備えてなり、前記対物レンズ要素および前記リレー系が、前記対物レンズ要素
の入射面から前記内視鏡系の出射面へ像を伝達するために光学的に配列され、前
記複数の光学要素のそれぞれが、均等に屈折性であり、e、FNおよびCNスペ
クトル線のうちの少なくとも1つに用いるのに適している色補正された光学内視
鏡系。 - 【請求項2】 複数の光学要素を有する光学系を含んでいる色補正された光
学内視鏡系であって、 対物レンズ要素と、 第1の数の湾曲面を有する第1リレー系と、 を備えてなり、前記第1リレー系が、前記内視鏡系について実質的にすべての色
補正をもたらす曲率を有している光学インターフェイスを含んでおり、前記対物
レンズ要素と前記第1リレー系とが、前記対物レンズ要素の入射面から前記内視
鏡系の出射面へ像を伝達するために光学的に配列され、前記複数の光学要素が、
FからCスペクトル線まで延びているスペクトルの少なくとも一部に用いるのに
適している色補正された光学内視鏡系。 - 【請求項3】 複数の光学要素を含んでいる色補正された光学内視鏡であっ
て、 対物レンズと、 リレー系と、 を備えてなり、前記リレー系が、前記内視鏡について色補正をもたらす少なくと
も1つの光学インターフェイス有しており、前記対物レンズが、実質的に色補正
をもたらさず、前記対物レンズおよび前記リレー系が、共通の光軸に沿って配列
され、前記複数の光学要素が、Fスペクトル線からCスペクトル線まで延びてい
るスペクトルの少なくとも一部に用いるのに適している色補正された光学内視鏡
。 - 【請求項4】 複数の光学要素を含んでいる色補正された内視鏡結像系であ
って、 対象物を焦平面に結像させるための対物レンズと、 共通の光軸に沿って前記対物レンズと光学的に配列されている少なくとも1つ
のリレーと、 を備えてなり、前記リレーが、湾曲面を含み、少なくとも1つの湾曲インターフ
ェイスが、前記内視鏡結像系についての色補正をもたらし、前記リレーの前記湾
曲面の数は5以下である色補正された内視鏡結像系。 - 【請求項5】 内視鏡と用いられ、かつ、複数の光学要素を含んでいる色補
正された結像系であって、 光軸を有している対物レンズと、 光軸に沿って前記対物レンズと配列されている少なくとも1つのリレーと、 を備えてなり、前記対物レンズが、3以下の湾曲面を有し、少なくとも1つの前
記光学要素が、前記結像系についての色補正をもたらす色補正された結像系。 - 【請求項6】 複数の光学要素を含んでいる色補正された内視鏡であって、
前記内視鏡が、 対物レンズ系と、 前記対物レンズ系と光学的に配列されている少なくとも3つのリレー系と、 を備えてなり、前記対物レンズ系と前記少なくとも3つのリレー系における3つ
のリレー系とが13以下の湾曲面を含んでいる色補正された内視鏡。 - 【請求項7】 複数の光学要素を含んでいる色補正された内視鏡であって、
前記内視鏡が、 対物レンズ系と、 光学要素を含んでいる少なくとも2つのリレー系と、 を備えてなり、前記少なくとも2つのリレー系が、前記対物レンズ系と光学的に
配列されており、前記対物レンズ系と前記少なくとも2つのリレー系における2
つのリレー系とが10以下の湾曲面を含み、前記光学要素が、Fスペクトル線か
らCスペクトル線まで延びているスペクトルの少なくとも一部に用いるのに適し
ているとともに、少なくとも1つの前記光学要素が、前記内視鏡への色補正をも
たらす色補正された内視鏡。 - 【請求項8】 複数のレンズ要素を含んでいる色補正された内視鏡であって
、 対物レンズと 少なくとも1つのリレーと、 を備えてなり、前記少なくとも1つのリレーの1つが、3以下のレンズ要素を含
み、前記対物レンズと前記少なくとも1つのリレーとが、前記対物レンズの入射
面から前記内視鏡の出射面へ像を伝達するために配列され、少なくとも1つの前
記レンズ要素が、前記内視鏡への色補正をもたらす色補正された内視鏡。 - 【請求項9】 複数の光学要素を含んでいる色補正された内視鏡系であって
、 対物レンズ群と、 光軸に沿って前記対物レンズ群と配列されている少なくとも2つのリレー群と
、 を備えてなり、前記リレー群の1つが、負の光学倍率の光学要素を含んでおらず
、前記リレー群における他のリレー群が、前記内視鏡系への色補正をもたらす色
補正された内視鏡系。 - 【請求項10】 複数の光学要素を含んでいる色補正された内視鏡系であっ
て、 対物レンズと、 光軸に沿って前記対物レンズと配列されている少なくとも1つのリレー群と、 を備えてなり、前記対物レンズと前記少なくとも1つのリレー群とが、負の光学
倍率の2以下の光学要素をともに含んでおり、前記複数の光学要素の少なくとも
1つが、前記内視鏡系についての色補正をもたらす色補正された内視鏡系。 - 【請求項11】 複数の光学要素を含んでいる色補正された光学内視鏡であ
って、 対象物の第1像を形成するための手段と、 第1像を中継して第2像を形成するための手段と、 を備えてなり、前記中継手段が、色収差を補正するための手段を含み、第1像を
形成するための前記手段が、色収差を補正するための手段を実質的に含んでおら
ず、第1像を形成するための前記手段と前記中継手段とが、共通の光軸に沿って
配列されており、前記複数の光学要素が、Fスペクトル線からCスペクトル線ま
で延びているスペクトルの少なくとも一部に用いるのに適している色補正された
光学内視鏡。 - 【請求項12】 複数の光学要素を含んでいる光学系であって、 対物レンズと、 色補正をもたらす少なくとも1つの湾曲型インターフェイスを用いて前記の系
についての実質的にすべての色補正をもたらす色補正用リレーと、 色補正用ではないリレーと、 が備わっており、前記色補正用でない前記リレー、前記対物レンズおよび前記色
補正用リレーは、共通の光軸に沿って配列されているとともに、前記対物レンズ
の入射面から前記光学系の出射面へ像を伝達するために光学的に配列されており
、前記複数の光学要素のそれぞれが、均等に屈折性であり、Fスペクトル線から
Cスペクトル線まで延びているスペクトルの少なくとも一部に用いるのに適して
いる光学系。 - 【請求項13】 対象物を結像させる方法であって、 色補正用でない対物レンズ系で対象物の第1像を形成し、 少なくとも第1リレー系および第2リレー系を提供し、 対物レンズ系、第1リレー系および第2リレー系を共通の光軸に沿って配列さ
せ、 第1リレー系で対物レンズ系からの第1像を受けて第2像を形成し、 第2像を第2リレー系を用いて第1リレー系から伝達して対象物の第3像を形
成し、 少なくとも1つの光学インターフェイスを用いることによって前記リレー系の
1つで色収差を補正し、 ことからなり、対物レンズ系および複数のリレー系が、Fスペクトル線からCス
ペクトル線まで延びているスペクトルの少なくとも一部に用いるのに適している
、対象物を結像させる方法。 - 【請求項14】 対象物を結像させる方法であって、 対象物の第1像を形成するための対物レンズを提供し、 対物レンズと光学的に配列された少なくとも3つのリレー系を提供し、対物レ
ンズおよびリレー系が13以下の湾曲面を含んでおり、対物レンズおよびリレー
系が、Fスペクトル線からCスペクトル線まで延びているスペクトルの少なくと
も一部に用いるのに適しており、 リレー系の1つで第1像を受け、 リレー系の他のリレー系で出力像を形成し、この出力像はビューアーによって
受けることができ、 少なくとも1つの湾曲型インターフェイスで出力像への色補正をもたらす、 ことからなる、対象物を結像させる方法。 - 【請求項15】 収差補正された統合型内視鏡を設計する方法であって、 複数の光学群を提供し、前記群は、共通の光軸に沿って配列されているととも
に、前記群のそれぞれは、それぞれの焦平面でそれぞれの像を作り出し、前記群
は、対物レンズおよび少なくとも1つのリレーを含んでおり、 前記群の第1群を、第1群に必要な収差補正よりも多い収差補正で、提供し、 前記群の第2群を、第2群に必要な収差補正よりも少ない収差補正で、提供す
る、 ことからなり、前記第1群の収差補正により前記第2群における収差補正の不足
が補償されて、収差補正ずみ内視鏡が作成される、収差補正ずみ統合型内視鏡を
設計する方法。 - 【請求項16】 収差補正された統合型内視鏡であって、 第1光学群と少なくとも第2光学群とを備えてなり、前記第1群が、前記第1
群に必要な収差補正よりも多く収差補正を有しており、前記第2群が、前記第2
群に必要な収差補正よりも少ない収差補正を有しており、前記第1群の収差補正
により前記第2群における収差補正の不足が補償されて、収差補正ずみ統合型内
視鏡が作成され、前記群は、共通の光軸に沿って配列されているとともに、前記
群のそれぞれは、それぞれの焦平面でそれぞれの像を作り出し、前記群は、対物
レンズおよび少なくとも1つのリレーを含んでいる収差補正された統合型内視鏡
。 - 【請求項17】 像を第1面から中間面を介して第2面へ伝達するための光
学系であって、 第1面とその中間面との間に配置され、相対的に補正されていない像をその中
間面に形成するための、少なくとも1つの光学要素からなる対物レンズと、 中間面と第2面との間に配置され、相対的に補正された像をその第2面に形成
するための、少なくとも1つの光学要素からなるリレーと、 を備えてなる光学系。
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