JP2009536553A - 医療用撮像デバイス用の光学アセンブリ - Google Patents

Abstract

検査中の対象を、画像センサ上に撮像するための、医療または他のデバイスで用いる光学アセンブリは、鏡筒内に保持可能な複数のレンズ素子を含む。該レンズ素子と該鏡筒は、圧縮性ガスケットで密閉可能である。一実施例では、少なくとも１つのレンズ素子は、射出成形用プラスチック製であり、少なくとも１つのレンズ素子は、比較的分散性の光学ガラス製である。手術用または他のツールによる、検査中の該対象へのアクセスを可能にするために、鏡筒直径またはレンズ直径を選択することができる。該対象画像のフレアを軽減するために、アパーチャプレートを位置付けることができる。

Description

本発明は、概して、医療デバイスに関し、より具体的には、医療用撮像デバイス用の光学アセンブリに関する。

（関連出願の相互参照）
本願は、２００６年５月８日出願の米国仮出願第６０／７９８，４９２号の利益を主張し、該仮出願は参照することにより本明細書に援用される、

より侵襲的な処置の実行の代替手段として、多くの医師は、患者の体内組織を検査および／または治療するために、最小侵襲デバイスを使用している。そのような最小侵襲デバイスの例は、内視鏡およびカテーテルを含む。一般に、そのようなデバイスは、患者内に挿入する細長いシャフト、およびデバイスの遠位端から画像を生成するための機構を含む。そのような機構は、近位部に位置するカメラに光を伝達する、光ファイバ撮像ガイドを含む。あるいは、デバイスは、体内腔のビデオ画像を生成するために使用する電子信号を生成する、遠位先端における画像センサを含む場合がある。そのようなデバイスの度重なる消毒および修理に関連した費用を削減するために、使い捨てに設計され得る、内視鏡およびカテーテルもある。使い捨ての内視鏡設計の実施例は、本願の出願人である、Ｂｏｓｔｏｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｓｃｉｍｅｄ，Ｉｎｃ．に譲渡された、米国特許出願第１０／８１１，７８１号、および第１０／１９６，００７号に記載される。これらの出願は、参照することにより本明細書に援用される。

商業的に実行可能な使い捨ての内視鏡または撮像カテーテルを製造する能力を制限してきた一要因は、必要な撮像光学素子の費用である。実用的な使い捨てのデバイスを製造するために、そのような光学系は、従来の再使用可能なデバイスで得られる画像と同等、またはそれ以上の画像を提供しなければならない。さらに、これらの光学系は、デバイス全体の費用が、それを一度使用して廃棄することを可能にするほど、安価でなければならない。結果的に、改善された光学アセンブリ、内視鏡、および医療用撮像デバイスが必要とされる。

本開示は、内視鏡または撮像カテーテル等の医療デバイスで用いる、光学アセンブリに関する。一実施例では、そのような光学アセンブリは、中に多数の積層型光学素子を有する、鏡筒を含む。鏡筒内に気密シールを形成するために、光学素子は、鏡筒内のＯリングに対して圧縮される。代表的な実施例では、光学アセンブリは、複数のレンズ素子を含み、レンズ素子の１つ以上は、プラスチック射出成形レンズである。発明を実施するための最良の形態において以下にさらに説明される、選ばれた概念および特性を簡略した形で紹介するために、これらの実施例および他の実施例を、本開示において簡単に説明する。本開示は、特許請求の範囲に記載されている内容の重要な特性を特定するよう意図されておらず、また特許請求の範囲に記載されている内容の範囲を制限するよう意図されてもいない。

代表的な実施例によると、光学アセンブリは、内径を有する中空鏡筒と、遠位開口部と、鏡筒の内径よりも小さい内径を有する遠位縁とを含む。圧縮性ガスケットは、遠位縁で鏡筒内に位置し、レンズは、圧縮性ガスケットが、鏡筒の遠位縁とレンズとの間にシールを形成するように、鏡筒内に位置し、圧縮性ガスケットと接触する。いくつかの実施例では、圧縮性ガスケットは、Ｏリングである。さらなる実施例では、レンズは、多素子レンズであり、鏡筒は、多素子レンズが、圧縮性ガスケットを少なくとも部分的に圧縮するよう付勢するために、多素子レンズの最近位光学素子全体に形成される、近位縁を含む。いくつかの実施例では、圧縮性ガスケットにより形成されるシールは、少なくとも約３０ｋＰの圧力に対して耐性を有し得る。

さらなる代表的な実施例では、多素子レンズは、負の光学出力を有する、鏡筒の遠位縁に位置する、少なくとも第１のレンズを含む。第１のレンズは、鏡筒を密閉するために、圧縮性ガスケットと接触する。いくつかの実施例では、第１のレンズは、凸球面である最大対象方向の表面と、凹非球面である最大画像方向の表面とを有する。他の実施例では、多素子レンズは、レンズ軸に沿って最大対象方向から最大画像方向に、第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズとを備える。図示される実施例によると、第１、第２、および第３のレンズは、共通の光学プラスチック製であり、第４のレンズは、フリントガラス製である。他の実施例では、第１から第４のレンズは、最大対象方向の表面から最大画像方向の表面に、

により画定される、光学表面を有し、表面２、４、および６は、以下

の通り、それぞれの円錐定数と非球面係数とにより、さらに画定され、ここで、Ｋは、円錐定数であり、ａ_２、ａ_３、およびａ_４は、非球面のべき級数の係数である。

代表的な実施例では、第２のレンズは、対象方向の凹光学表面を含み、正の光学出力を有する。さらなる実施例では、第１のアパーチャプレートと第２のアパーチャプレートが、第１のレンズと第２のレンズとの間、および第３のレンズと第４のレンズとの間に、それぞれ位置する。またさらなる実施例では、アパーチャ絞りが、第２のレンズと第３のレンズとの間に位置する。

像面で対象の画像を形成するように構成される多素子レンズは、光軸に沿って対象方向から画像方向に、共通の光学材料製の第１、第２、および第３のレンズ素子と、異なるレンズ材料製の第４のレンズ素子とを備え、アパーチャ絞りが、第２と第３のレンズとの間に位置する。いくつかの実施例では、第１のレンズと第４のレンズは、負の光学出力を有し、第２のレンズと第３のレンズは、正の光学出力を有する。さらなる実施例では、第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズとの最大画像方向の表面は、非球面であり、

によりそれぞれ画定され、Ｋは、円錐定数であり、ａ_２、ａ_３、およびａ_４は、非球面のべき級数の係数である。いくつかの実施例では、フレア軽減アパーチャを画定するアパーチャプレートは、第１のレンズと第２のレンズとの間、または第３のレンズと第４のレンズとの間、または両方に位置する。代表的な実施例では、第１のレンズと第４のレンズは、負の光学出力を有し、第２のレンズと第３のレンズは、正の光学出力を有する。さらなる実施例では、第４のレンズは、対象方向の凹表面を含む。またさらなる実施例では、アパーチャ絞りは、第２のレンズと第３のレンズとの間に位置する。

開示される技術のこれらの態様および他の態様は、以下の詳細な説明および添付図面を参照することにより、より容易に理解されるであろう。

本願および特許請求の範囲に使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈で他に明確に指示しない限り、複数形を含む。さらに、「含む」という用語は、「備える」を意味する。さらに、「結合された」という用語は、電気的、機械的、または光学的に結合あるいは連結したことを意味し、結合したアイテムの間の中間要素の存在を除外しない。

記載されたシステム、器具、および本明細書に記載される方法は、何らかの方法で制限するとして解釈されるものではない。それどころか、本開示は、単独、および互いとの種々の組合せ、および部分的な組合せによる、種々の開示された実施形態の、すべての新規性および非自明性を有する特性および態様に対して行われる。開示されたシステム、方法、および器具は、任意の特定の態様、または特性、またはこれらの組合せにも限定されず、開示されたシステム、方法、および器具は、任意の１つ以上の特定の利点が存在する、または問題が解決されることも必要としない。

開示された方法のいくつかの動作は、表示の便宜のために、特定の順序で記載されるが、特定の順序付けが、以下に記載される具体的な言葉により必要とされない限り、この説明方法が、並び替えを包含することは、理解されるものとする。例えば、順に記載される動作は、場合によっては、並び替えまたは同時に実行可能である。さらに、単純化するために、添付図面は、開示されたシステム、方法、および器具が、他のシステム、方法、および器具と併用可能である、種々の方法を示さない場合がある。加えて、説明は、開示された方法を説明するために、「生成する」および「提供する」等の用語を使用する場合がある。これらの用語は、実行される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施に応じて様々であり、当業者には容易に認識できる。

本明細書で使用される場合、「レンズ」は、２つの屈折表面を有する単一光学素子（すなわち、「一重線」）、または接合型二枚レンズとして互いに締め付けられるか、あるいは互いに対して固定される光学素子を含む、２つ以上の一重線のアセンブリを意味する。レンズ素子のそのような組合せは、多素子レンズとも呼ぶことができる。開示された実施例では、完全に屈折光学素子に基づく屈折力を有する、屈折レンズが提供される。他の実施例では、反射撮像光学素子または反射屈折光学素子が提供され得る。便宜上、対象から画像への光伝搬は、１つ以上のレンズ素子を通じて延在する光軸に沿って、左から右に延在する光線で図示され得る。一般に、光軸は、レンズの幾何学的中心を通じて延在し、レンズ中心でレンズに対する接平表面に垂直である。光軸は、単一直線、またはプリズム等の、フォールドミラーまたは他の反射光学素子が含まれる場合は、１つ以上の線分であり得る。光軸は、対象（または対象表面）から画像（または像面）に延在すると考えられ得る。光軸に沿った方向は、対象方向（ｏｂｊｅｃｔ−ｗｉｓｅ；対象の方向に）、または画像方向（ｉｍａｇｅ−ｗｉｓｅ；画像の方向に）と呼ばれ得る。画像と対象の位置が、特定の用途に応じて置き換えられる場合があるため、説明の便宜のために、これらの方向を選択する。例えば、１／２の縮小で撮像するために、対象を生成するように構成されるレンズアセンブリは、例えば、２倍の拡大で撮像するために、対象を生成するために反転され得る。

光学表面を反射および屈折させるための表面曲率は、選択された表面上の点から光軸までの垂直距離ｒの関数として、光軸に沿った表面のサグＺに基づいて記載され得る。一般的な一表現を使用して、表面のサグＺ（ｒ）は、

として表現され得、ここで、Ｃは、表面曲率（表面の曲率半径の逆数）であり、Ｋは、円錐定数Ｋ＝−ｅ^２であり、ここで、ｅは、円錐曲線に対応する表面に関連した表面の離心率であり、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４、およびａ_５は、非球面のべき級数の係数である。表面の離心率ｅの値は、双曲表面に対して１よりも大きく、放物表面に対して１、楕円表面に対して０から１、球面に対して０に等しい。

レンズおよびレンズ素子は、レンズ光軸に平行の入射光線方向が、屈折後に光軸に方向付けられる場合、正の光学出力を有するとみなされる。そのようなレンズ素子は、対象の実像を生成することができる。負の光学出力は、そのような平行光線を、レンズ軸から離れて方向付ける傾向があるレンズに関連し、一般に、追加のレンズ素子なしで対象の実像を生成しない。

上述の通り、本開示は、例えば、内視鏡またはカテーテル等の撮像医療デバイス、他の医療または非医療用撮像デバイスで用いる光学アセンブリ、ならびに医療および他の用途のための撮像方法に関する。いくつかの便利な実施例では、光学アセンブリは、それらを使い捨ての医療デバイスに組み込むことが可能であるほど、製造するのに十分安価である。他の実施例では、光学アセンブリは、再使用可能なデバイスで用いるように構成され得る。１つ以上のレンズ表面に、広帯域または狭帯域反射防止コーティングを提供することにより、そのようなアセンブリにおいて、改善された画像コントラストとレンズ透過率を得ることができる。代表的な一実施形態では、反射防止コーティングは、最前（対象方向）のレンズ素子のレンズ表面を除いて、すべてのレンズ表面に存在する。フレア軽減とＦ値選択のための光制御アパーチャは、概して、アパーチャプレートに画定される。そのようなプレートは、様々な材料から形成され得て、好適なアパーチャ、一般には、レンズ光軸を中心とするように構成される、円形アパーチャを備える。

上述の通り、本明細書に開示される光学アセンブリの一使用は、内視鏡等の使い捨ての医療用撮像デバイスにおける。一実施形態では、以下に開示される光学アセンブリは、両方が参照することにより本明細書に援用される、米国特許出願第１０／８１１，７８１号、および第１０／９５６，００７号に開示されるような、１つ以上のＬＥＤと画像センサを支持する、画像センサ挿入部に組み込まれる。そのような内視鏡はまた、以下にさらに詳細に記載される。しかしながら、開示された光学アセンブリの光学アセンブリと画像センサとの他の構成も使用され得る。

図１を参照すると、光学アセンブリ５は、以下にさらに記載されるような、多数のレンズ、アパーチャプレート、スペーサが、光軸２に沿って位置する、鏡筒１０を含む。図１および図２Ｂに示すように、鏡筒１０は、鏡筒１０内に光学および他の素子を保持するように構成される、口１５を形成するために、鏡筒１０の内径よりも小さい鏡筒開口部を画定する、遠位縁１４を有するプラスチック筒を備える。近位縁１２は、近位縁１２で、鏡筒１０内にスペーサとアパーチャプレートとを含む、光学素子の積層を固定するために、加熱、曲げ、成形、または同様の技術により、光学アセンブリ５の最後（最大画像方向）の光学および他の素子全体に形成され得る、１つ以上のタブまたは同様のものを有する。典型的用途では、検査中の対象からの光学放射が、遠位縁１４で光学アセンブリ５により受容され、鏡筒１０を通じて、光軸２に沿った像平表面または他の位置に方向付けられるように、遠位縁１４は、近位縁１２の対象方向にある。代表的な実施例では、鏡筒１０の最大外径は、約４．７５ｍｍであり、内径は、約３．６ｍｍである。鏡筒の一部が、４．７ｍｍおよび４．６ｍｍの外径を有するように、外径に段をつけることができる。

図１に示すように、環状Ｏリングまたはガスケット２０、第１のレンズ素子３０、第１のアパーチャプレート４０、第２のレンズ素子５０、アパーチャ絞り６０、スペーサ要素７０、第３のレンズ素子８０、第２のアパーチャプレート９０、および第４のレンズ素子１００は、軸２に沿って対象方向から画像方向に位置する。ガスケット２０は、それが筒１０内に挿入されることを可能にする外径と、空気が光学アセンブリ５に入ることを防止するために、遠位縁１４の口１５に対して、第１のレンズ素子を密閉するように選択される内径とを有する。一実施例では、Ｏリング２０は、エチレンプロピレン共重合体等のポリマ、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン等のフッ化炭素、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、または他の適合する材料から製造される。

第１のレンズ素子３０は、負の力を有し、ガスケット２０の画像方向に位置する。アパーチャプレート４０は、第１のレンズ３０の画像方向にある、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の、例えば、黒いポリエステル材料から製造される、環状リングを備える。アパーチャプレート４０は、アパーチャ４１を画定し、アパーチャプレート４０が、鏡筒１０内に適合するように構成される外径を有する一方で、アパーチャ４１の直径は、光学アセンブリ内でフレアを軽減するように選択される。

正の屈折力を有する第２のレンズ５０は、軸２に沿ってアパーチャプレート４０の画像方向に位置する。アパーチャ絞りプレート６０は、第２のレンズ５０の画像方向に位置し、光学アセンブリ５のアパーチャ絞りとしての機能を果たす、アパーチャ６１を画定する。アパーチャ絞りプレート６０は、一般に、鏡筒１０内に適合するように選択される外径を有する、黒いポリエステル材料等の環状ディスクである。アパーチャ６１の直径は、光学アセンブリ５に対する望ましいＦ値、または開口数を提供するように選択される。

スペーサ要素７０は、アパーチャ絞り６０の画像方向に位置し、例えば、黒いプラスチック材料等から製造され得る。第３のレンズ８０は、正の屈折力を有し、スペーサ７０の画像方向に位置する。第２のアパーチャプレート９０は、第３のレンズ８０の画像方向に位置し、アパーチャ９１を画定し、例えば、黒いポリエステル材料等から製造され得る。負の屈折力を有する第４のレンズ１００は、軸２に沿って第２のアパーチャプレート９０の画像方向に位置する。

光学アセンブリ５の代表的な個々の要素のさらなる詳細を、図２〜１１に示し、以下にさらに記載する。特に断りのない限り、本説明または添付図面のいずれかにおいて参照されるすべての寸法は、ミリメートルである。いくつかの実施例では、レンズ素子は、射出成形により都合よく製造され得る。そのような素子に対して、光学表面部と機械的取り付け部との両方を、共通の部分に提供することができる。以下の説明では、屈折レンズ表面として意図される部分を、光学表面部と呼ぶ。

図２Ａ〜２Ｂは、鏡筒１０のさらなる詳細を図示する。図２Ａ〜２Ｂに示すように、鏡筒１０は、近位縁１２と遠位縁１４とを有する、管状中空筒である。鏡筒１０内に光学素子を固定するために、遠位縁１４が口１５を形成するように、遠位縁１４は、鏡筒１０の内径よりも小さい内径を有する。一実施例では、光学アセンブリ５内の最近位光学素子、すなわち、図１の実施例におけるレンズ１００上に折れ曲がるように加熱、もしくは形成され得る、タブ２２、２４を形成するために、近位縁１２は、１つ以上のスロットまたはノッチ１６を含む。このような方法で、熱溶接により、または接着剤を用いて、レンズアセンブリを固定することができる。近位縁がレンズ１００上に固定された状態で、レンズ、スペーサ、アパーチャプレート、およびアパーチャ絞りプレートは、鏡筒１０内に保持される。一実施例では、鏡筒１０は、例えば、Ｃ１２００−ＨＦ１００プラスチックまたは他のプラスチック等の、アクリルまたは他のプラスチック、金属、セラミック、または他の材料から製造される。一般的用途では、遠位縁１４は、光軸２に沿って近位縁１２の対象方向にある。

図３Ａ〜３Ｂは、鏡筒１０の遠位縁１４と第１のレンズ素子３０との間に、シールを形成するために、遠位縁１４で鏡筒１０内に位置するように構成される、ガスケット２０のさらなる詳細を図示する。ガスケット２０は、ガスケット２０が、筒１０の遠位縁１４と第１のレンズ素子３０との間に、実質的に気密のシールを形成することを可能にするために、多少圧縮可能であるエラストマ材料から形成される。一般に、シールを形成するために、ガスケット２０が遠位縁１４を圧迫するように、鏡筒１０のタブ２２、２４は、ガスケット２０に向かって、レンズアセンブリのレンズおよび他の要素を付勢するように構成される。ガスケット２０のアパーチャ２１は、光学アセンブリを通じる光透過の妨げを回避するように選択される。典型的な実施例では、ガスケット２０の外径は、約３．７ｍｍであり、内径は、約２．９ｍｍであり、非圧縮ガスケットの厚さは、約０．３ｍｍである。いくつかの実施例では、非圧縮ガスケットは、長方形、正方形、または円形の断面を有する。

図４Ａ〜４Ｂは、光学レンズ表面を画定する第１のレンズ素子３０、ならびに便利な取り付けおよび他の機械的特性の代表的な実施例を図示する。本実施例では、第１のレンズ３０は、曲率半径Ｒ＝＋６０ｍｍを有する、実質的に球状凸形の、対象側の表面３２を有する。第１のレンズ３０の画像側の表面３３は、約１．５８ｍｍの直径を有する、凹形の非球面レンズ表面部３４を含む。（この表面および他の表面に対する表面定数は、表２中で、以下に記載される。）第１のレンズ３０の中心厚（表面３２とレンズ部３４の間）は、約０．７７８ｍｍである。

約０．３ｍｍの軸方向の厚さと、約２．６ｍｍの内径のＶ字形チャネル３５は、レンズ素子３０の外周周囲に延在する。ガスケット２０は、レンズアセンブリを密閉するために、チャネル３５内に少なくとも部分的に位置するように構成される。縁３６は、チャネル３５の画像方向に位置し、約３．６ｍｍの直径と、約０．３ｍｍの軸方向の厚さとを有し、対応する対象方向の縁３７は、約３．２ｍｍの直径を有する。画像側の縁３６は、第１のレンズ３０と隣接する光学素子との間の、スペーサとしての機能を果たすように構成される。射出成形部に対して、第１のレンズ３０の円周部３８は、一般に、レンズが鏡筒１０内に適合することができるように、射出成形プロセスの副産物である、任意のゲート跡（ｇａｔｅ ｖｅｓｔｉｇｅ）に対する空間を許容するために、平坦である。

第１のアパーチャプレート４０を、図５Ａ〜５Ｂに図示する。第１のアパーチャプレートは、黒いポリエステルまたは他のプラスチック材料等から形成され得、フレアを軽減するように選択されるアパーチャ４１を画定する。一般に、アパーチャプレート４０は、約３．５５ｍｍの外径を有し、約０．０５ｍｍの軸方向の厚さを有し、アパーチャ４１は、実質的に円形であり、約１．５３ｍｍの直径を有する。

第２のレンズ素子５０の代表的な実施例を、図６Ａ〜６Ｂに図示する。第２のレンズ素子５０は、約０．８ｍｍの軸方向の厚さと、約３．６０ｍｍの外径とを有し、凹形であり約８．１２５ｍｍの曲率半径を有する、対象側の光学表面５２を含む。画像側の光学表面部５４は、約２．２ｍｍの最小内径を有する先細のアパーチャ５７内に位置する、凸形非球面である。対象方向の縁５３は、第１のレンズ素子５０の最大対象方向の表面から、光学表面５２の最大画像方向の部分に測定される、約０．１３８ｍｍの軸方向の厚さ有する。画像方向の縁５５は、第２のレンズ５０の最大画像方向の表面から、光学表面５４の最大画像方向の部分に測定される、約０．５４ｍｍの軸方向の厚さを有する。図６Ｂに示すように、第２のレンズ素子５０の円周部５６は、射出成形における任意のゲート跡に対する空間を可能にするように、扁平である。

図７Ａ〜７Ｂを参照すると、アパーチャ絞り６０は、約３．５５ｍｍの直径と、約０．０５ｍｍの軸方向の厚さを有する、円形ボディとして形成され、約０．３８ｍｍの直径を有する中央アパーチャ６１を含む。アパーチャ絞り６０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の黒いポリエステル材料等、黒いプラスチック材料から都合よく形成される。中央アパーチャの直径は、所望のレンズＦ値に基づいて選択され得て、図示される実施形態では、中央アパーチャ直径は、約７．２のＦ値を提供する。

図８Ａ〜８Ｂに示すように、スペーサ７０は、約０．８９ｍｍの軸方向の厚さを有し、約２．４ｍｍの直径を有するアパーチャ７１を画定する。スペーサ７０は、約３．５２ｍｍのスペーサ外径を越えてはみ出さないように、任意のゲート跡に対する扁平な円周部７４を有する。スペーサ７０は、例えば、Ｃ１２００ＨＦ−１００プラスチック材料等の、アクリルまたは他のプラスチック等の黒いプラスチックから形成され得る。他のプラスチック、金属、ガラス、またはセラミック材料も使用され得る。スペーサ７０の外径は、４５度表面取りした部分７２を含む。

図９Ａ〜９Ｂに示すように、第３のレンズ素子８０は、対象側の光学表面部８２と画像側の光学表面部８４とを有する。対象側の表面部８２は、凸形かつ球状であり、約２．８３１ｍｍの曲率半径と約１．７ｍｍの直径を有する。画像側の表面部８４は、約１．９６ｍｍの直径の凸形非球面である。第３のレンズ素子８０は、対象側の光学表面部８２が、軸方向に対象方向に０．１３１ｍｍ延在し、画像側の光学表面部８４が、軸方向に画像方向に約０．１４ｍｍ延在する、円周取り付け部８１を含む。中心厚は、約０．９ｍｍである。第３のレンズ素子８０は、射出成形を容易にするために、その円周に扁平な表面８６を含む。

代表的な実施例では、レンズ素子３０、５０、８０は、レンズが射出成形されることを可能にするために、Ｚｅｏｎ，Ｉｎｃ．からのＺｅｏｎｅｘＢ Ｅ４８Ｒプラスチック材料、シクロオレフィンポリマ、または他の好適なレンズ用プラスチックから製造され得る。５８７．６ｎｍの波長で、約１．５２５１、１．５３１１、または１．５０９４の屈折率ｎ_ｄと、約５６のアッベ数を有する、そのような光学プラスチックもある。射出成形されたレンズ素子は、一般に、反射防止コーティングされる。プラスチックレンズが便利である一方で、光学ガラス、石英ガラス、または他の材料も、レンズ素子３０、５０、８０に対して使用され得る。典型的な材料は、同様の屈折率およびアッベ数を有する。

図１０Ａ〜１０Ｂに示すように、第２のアパーチャプレート９０は、フレア軽減のために選択される、約１．８８ｍｍの直径を有する、円形アパーチャ９１を画定する。アパーチャプレート９０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の黒いポリエステル材料から、好ましくは製造され、約０．０５ｍｍの厚さである。

第４のレンズ素子１００を、図１１Ａ〜１１Ｂに図示する。第４のレンズ素子は、一般に、色収差補正を提供するために、比較的分散性の「フリント」型のガラスから製造される。典型的な実施例では、ＣＤＧＭ Ｇｌａｓｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄから入手可能な、ＺＦ−５２光学ガラスが使用される。レンズ素子１００は、約２．０ｍｍの直径を有する対象側の光学表面１０２と、画像側の表面１０５を含む。第４のレンズ素子の直径は、約３．６ｍｍである。対象側の光学表面１０２は、約２．６７４ｍｍの曲率半径を有する凹形であり、周辺の対象方向の扁平部１０４から、軸方向に画像方向に約０．１９４ｍｍ延在する。画像側の表面１０５は、平坦な（プラノ）表面である。第４のレンズ１００は、約０．５ｍｍの中心厚を有する。

代表的な多素子レンズに対する完全なレンズ仕様を、表１〜３に記載する。表１は、焦点距離、Ｆ値、視野、歪み、画像フィールド直径、および入射瞳直径等の、基本的なレンズデータを含む。表２は、表面曲率およびレンズ材料を含む。表面１、２はそれぞれ、第１のレンズの対象方向と画像方向の光学表面であり、表面３、４は、第２のレンズの対象方向と画像方向の光学表面であり、表面６、７は、第３のレンズの対象方向と画像方向の光学表面であり、表面８、９は、第４のレンズの対象方向と画像方向の光学表面である。表面５は、アパーチャ絞りである。プラノ表面の曲率半径は、表２中で、無限遠（「ｉｎｆ」）と表示される。

上述の通り、いくつかの表面は非球面であり、非球面は、表２中で、＊を用いて表示される。これらの表面の非球面定数は、表３に記載される。射出瞳距離は、最終レンズ表面（すなわち、第４のレンズ素子１００の最大画像方向の表面）から、２．０２ｍｍ公称である。鏡筒１０の遠位縁１４から像平表面への距離は、７ｍｍの対象距離を有する、ＣＭＯＳイメージャ等の画像センサで、０．５ｍｍのガラス窓を有し、７．６３ｍｍである。

表２の実施例では、ＸＥＯＮ Ｅ４８Ｒ光学プラスチックが、３つのレンズ素子（３０、５０、８０）に対して使用され、ＣＤＧＭ Ｇｌａｓｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．から入手可能なＺＦ−５２ガラスが、１つのレンズ素子（１００）に対して使用される。他のメーカからの材料も使用され得る。便宜上、設計屈折率およびアッベ数を表２に含める。

このレンズアセンブリは、画像センサ配列上での対象の画像の形成で用いるように意図されているため、ＣＤＧＭ Ｇｌａｓｓ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬｔｄのＫ−９光学ガラスの０．５ｍｍ厚さの窓に関連した、表面１０、１１と併せて、そのような配列の典型的な窓が表１に含まれる。

図１３は、図１に図示するような、完成したレンズアセンブリの断面図である。いくつかの要素（７０、８０）は、例えば、アセンブリに対する過剰な接着剤を保持するための、レリーフ空間を提供するために組み立てられるように、光軸２に対して必ずしも対照ではない。要素は、一般に、クリーンルーム環境で鏡筒内に組み立てられる。表２中で、対象が平表面として表示される一方で、レンズアセンブリは、例えば、１０ｍｍ、２０ｍｍ、または他の半径の曲率半径を有する、曲表面対象の撮像のために構成され得る。

図１２は、本明細書に開示されるような光学アセンブリが使用され得る、好適な一環境を図示する。画像センサ挿入部１５０は、円形上部１５２と略平底表面１５４を有する、略半円形コンポーネントを備える。画像センサ挿入部１５０は、撮像内視鏡または他の医療デバイスのキャップ内に、スライド可能に受容されるように設計される。画像センサ挿入部および撮像内視鏡のキャップのさらなる詳細は、参照することにより本明細書に援用される、２００６年４月２０日出願の、米国特許出願第１１／４０７，７００号に記載される。画像センサ挿入部１５０は、冷却液またはガスが流動可能な冷却チャネル１５８を含む。イルミネーションＬＥＤからの熱を、冷却液またはガスに移送するために、１つ以上のイルミネーションＬＥＤを含む、熱的に被覆された回路基板（図示せず）が、冷却チャネル１５８内に位置し得る。円形穴１６０は、画像センサ挿入部１５０の中央または他の位置に提供され得て、光学アセンブリ５等の光学アセンブリを受容するように構成される。代表的な実施例では、穴１６０には、円形穴１６０の後方にあり一直線に並ぶ表面１６２上に位置付けられる画像センサ上に、光学アセンブリ５内の光学素子の焦点を合わせるのに役立つ、絞りが備わっている。撮像内視鏡の画像センサ挿入部およびキャップのさらなる詳細は、上述の通り、米国特許出願第１１／４０７，７００号に記載される。

上述の通り、鏡筒１０内の個々の光学素子のそれぞれを、適切な順序で位置付けることにより、光学アセンブリ５を組み立てることができる。次に、最近位要素（レンズ１００）は、鏡筒タブにより、鏡筒の遠位端１４に向かって付勢される。このようにして、種々のレンズ、スペーサ、およびアパーチャプレートが、鏡筒１０内に固定され、光学アセンブリ５の遠位または対象側と、第１のレンズ素子３０との間に気密シールが形成されるように、ガスケット２０を圧縮する。画像センサ挿入部１５０の穴１６０の後方に、画像センサを位置付けることにより、内視鏡または他の医療デバイスの撮像コンポーネントが配置される。光学アセンブリ５は、穴１６０内に挿入され、接着剤または締め具で固定される。イルミネーションＬＥＤは、冷却チャネル１５８内に配置される回路基板上に、取り付けられ得る。

実例となる実施形態が、図示および説明されてきたが、本開示の範囲から逸脱することなく、その中で様々な変更が行われ得ることは、十分に理解されるであろう。例えば、鏡筒は、画像センサ挿入部内の穴１６０により形成され得る。光学素子は、積み重ねられ、アセンブリを密閉するために、穴内に圧縮され得る。代表的な実施例が、特定の焦点距離、Ｆ値、鏡筒外径、トータルトラック長、および他の寸法パラメータを有するが、他の実施例では、これらのパラメータは、特定の用途に対して選択され得る。例えば、手術または他の器具のための、より大きい作動チャネルが、レンズアセンブリ／画像センサの組合せにより提供される画像に基づいて、使用されることを可能にするために、より小さい外径が提供され得る（おそらく、減少した焦点距離、増加したＦ値、または減少した鏡筒厚さ、またはこれらの組合せで）。あるいは、より大きい直径、より長い焦点距離、減少したＦ値、または他の増加した寸法パラメータが、選択され得る。本発明のさらなる実施形態は、上述の実施形態の重複または追加である場合がある。本発明者らは、添付の特許請求の範囲により包含されるすべてを請求する。

図１は、開示される技術に従った、代表的な光学アセンブリの分解組立図である。 図２Ａ〜２Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリと共に用いる鏡筒を図示する。 図２Ａ〜２Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリと共に用いる鏡筒を図示する。 図３Ａ〜３Ｂは、図１の光学アセンブリと共に用いるＯリングを図示する。 図３Ａ〜３Ｂは、図１の光学アセンブリと共に用いるＯリングを図示する。 図４Ａ〜４Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第１のレンズを図示する。 図４Ａ〜４Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第１のレンズを図示する。 図５Ａ〜５Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの、第１のフレア軽減アパーチャプレートを図示する。 図５Ａ〜５Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの、第１のフレア軽減アパーチャプレートを図示する。 図６Ａ〜６Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第２のレンズを図示する。 図６Ａ〜６Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第２のレンズを図示する。 図７Ａ〜７Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリのアパーチャ絞りを図示する。 図７Ａ〜７Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリのアパーチャ絞りを図示する。 図８Ａ〜８Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリのスペーサを図示する。 図８Ａ〜８Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリのスペーサを図示する。 図９Ａ〜９Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第３のレンズを図示する。 図９Ａ〜９Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第３のレンズを図示する。 図１０Ａ〜１０Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの、第２のフレア軽減アパーチャプレートを図示する。 図１０Ａ〜１０Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの、第２のフレア軽減アパーチャプレートを図示する。 図１１Ａ〜１１Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第４のレンズを図示する。 図１１Ａ〜１１Ｂは、図１の代表的な光学アセンブリの第４のレンズを図示する。 図１２は、画像センサに対象の画像を方向付けるために、図１の代表的な光学アセンブリを位置付けるように構成される、代表的な画像センサ挿入部を図示する。 図１３は、図１の光学アセンブリの断面図である。

Claims (31)

1. アセンブリであって、
   遠位アパーチャに遠位縁を有する中空鏡筒であって、該遠位縁の内径は、該鏡筒の内径よりも小さい、中空鏡筒と、
   該遠位縁で、該鏡筒内に位置する圧縮性ガスケットと、
   レンズであって、該鏡筒内に位置し、該圧縮性ガスケットと接触することにより、該圧縮性ガスケットが、該鏡筒の遠位縁と該レンズとの間に、シールを形成する、レンズと
   を備える、アセンブリ。
2. 前記圧縮性ガスケットは、Ｏリングである、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記レンズは、多素子レンズであり、前記鏡筒は、前記圧縮性ガスケットを少なくとも部分的に圧縮するように該多素子レンズを付勢するために、該多素子レンズの最近位光学素子上に形成される近位縁を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記多素子レンズは、前記遠位縁に位置し、負の光学出力を有する、少なくとも第１のレンズ素子を含む、請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記第１のレンズ素子は、凸球面である最大対象方向の表面を有する、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記第１のレンズ素子は、凹非球面である最大画像方向の表面を有する、請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記レンズは、レンズ軸に沿って最大対象方向から最大画像方向に、第１のレンズ素子と、第２のレンズ素子と、第３のレンズ素子と、第４のレンズ素子とを備える、多素子レンズである、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記第１、第２、および第３のレンズ素子は、共通の光学プラスチック製であり、前記第４のレンズ素子は、フリントガラス製であり、該第１から第４のレンズ素子は、最大対象方向の表面から最大画像方向の表面に、
   

   

   により画定される、光学表面を有し、
   表面２、４、および６は、以下の通り、
   

   

   それぞれの円錐定数と非球面係数とにより、さらに画定され、
   ここで、Ｋは、円錐定数であり、ａ_２、ａ_３、およびａ_４は、非球面のべき級数の係数である、
   請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記圧縮性ガスケットにより形成される前記シールは、少なくとも約３０ｋＰの圧力に対して耐性を有し得る、請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記第２のレンズ素子は、対象方向の凹光学表面を含み、正の光学出力を有する、請求項７に記載のアセンブリ。
11. 前記第１のレンズ素子と前記第２のレンズ素子との間、および前記第３のレンズ素子と前記第４のレンズ素子との間にそれぞれ位置する、第１のアパーチャプレートと第２のアパーチャプレートとをさらに備える、請求項７に記載のアセンブリ。
12. 前記第２のレンズ素子と前記第３のレンズ素子との間に位置する、アパーチャ絞りをさらに備える、請求項１１に記載のアセンブリ。
13. 前記第２のレンズ素子と前記第３のレンズ素子との間に位置する、アパーチャ絞りをさらに備える、請求項７に記載のアセンブリ。
14. 多素子レンズであって、光軸に沿って対象方向から画像方向に、共通の光学材料製の第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、異なるレンズ材料製の第４のレンズ素子とを備える、多素子レンズ。
15. 前記第１および第４のレンズは、負の光学出力を有し、前記第２および第３のレンズは、正の光学出力を有し、前記多素子レンズは、像面で対象の画像を形成するように構成される、請求項１４に記載の多素子レンズ。
16. 前記第１のレンズと、前記第２のレンズと、前記第３のレンズとの最大画像方向の表面は、非球面である、請求項１５に記載の多素子レンズ。
17. 前記第１のレンズと、前記第２のレンズと、前記第３のレンズとの前記非球面は、
    

    

    により画定され、
    ここで、Ｋは、円錐定数であり、ａ_２、ａ_３、およびａ_４は、非球面のべき級数の係数である、
    請求項１６に記載の多素子レンズ。
18. 前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に位置する、フレア軽減アパーチャを画定する、アパーチャプレートをさらに備える、請求項１４に記載の多素子レンズ。
19. 前記第３のレンズと前記第４のレンズとの間に位置する、フレア軽減アパーチャを画定する、アパーチャプレートをさらに備える、請求項１４に記載の多素子レンズ。
20. 前記第１のレンズは、負の光学出力を有する、請求項１４に記載の多素子レンズ。
21. 前記第２のレンズは、正の光学出力を有する、請求項１４に記載の多素子レンズ。
22. 前記第４のレンズは、負の光学出力を有し、対象方向の凹表面を含む、請求項１４に記載の多素子レンズ。
23. 前記第２のレンズと前記第３のレンズとの間に位置する、アパーチャ絞りをさらに備える、請求項１４に記載の多素子レンズ。
24. 多素子レンズであって、有効焦点距離が約１．８ｍｍであり、Ｆ値が約８未満であり、歪みが、１４０度の全視野でｆ−シータの約１５％以内であるように位置する、複数のレンズ素子を備える、多素子レンズ。
25. 前記複数のレンズ素子は、光軸に沿って対象方向から画像方向に、共通の光学材料製の第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、異なるレンズ材料製の第４のレンズ素子とを備える、請求項２４に記載の多素子レンズ。
26. 前記第１、第２、および第３のレンズ素子は、共通の光学プラスチック製であり、前記第４のレンズ素子は、フリントガラス製であり、該第１から第４のレンズ素子は、最大対象方向の表面から最大画像方向の表面に、
    

    

    により画定される、光学表面を有する、
    請求項２５に記載の多素子レンズ。
27. 前記光学プラスチックは、約２４のアッベ数を有し、前記フリントガラスは、約５６のアッベ数を有する、請求項２６に記載の多素子レンズ。
28. 前記第１のレンズ素子と、前記第２のレンズ素子と、前記第３のレンズ素子との最大画像方向の表面は、非球面である、請求項２７に記載の多素子レンズ。
29. 前記第１のレンズ素子と、前記第２のレンズ素子と、前記第３のレンズ素子との前記非球面は、
    

    

    により画定され、
    ここで、Ｋは、円錐定数であり、ａ_２、ａ_３、およびａ_４は、非球面のべき級数の係数である、請求項２８に記載の多素子レンズ。
30. 前記第１のレンズ素子と前記第２のレンズ素子との間に位置する、フレア軽減アパーチャを画定する第１のアパーチャプレートと、前記第３のレンズ素子と前記第４のレンズ素子との間に位置する、第２のアパーチャプレートとをさらに備える、請求項２５に記載の多素子レンズ。
31. 前記第１、第２、第３、および第４のレンズ素子を受容するように構成される、鏡筒をさらに備え、該第１のレンズ素子は、周辺チャネルと該チャネルに隣接する縁を含み、その結果、該周辺チャネルに保持される対応ガスケットが、該縁と該鏡筒の口との間に圧縮されるように位置する、請求項２５に記載の多素子レンズ。

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