JP2011527587A - 光学画像プローブ - Google Patents

Abstract

本発明は、特に小型応用、例えばインビボに適した光学画像プローブ２０に関する。流体レンズ５が、ハウジング１９に配置され、前記流体レンズは、変更可能な屈折力を持つ。画像コレクタ４０は、前記ハウジング内に配置され、前記コレクタは、前記流体レンズの光学経路上に配置され、前記コレクタは、様々な形でアクチュエータ４２、７０、８０、９０により前記光学経路に沿って移動可能である。これは、コンパクトであり、同時に高いズーム係数を持つ光学画像プローブを得る際に有利である。前記画像コレクタの可能な移動及び前記流体レンズの変更可能な屈折力、並びにこれら２つの要素の間の協働により、満足のいく焦点性質でズーム係数の幅広い動的範囲を持つコンパクトな内視鏡を得ることが可能である。

Description

本発明は、光学画像プローブに関し、前記プローブは、特に小型の応用、例えばインビボに適している。本発明は、前記光学画像プローブを持つ対応する撮像システム及び対応する撮像方法にも関する。

様々な病気の正しい診断のために、しばしば生検が行われる。これは、内視鏡のルーメン又は針生検のいずれかを用いることができる。生検を行う正しい位置を見つけるために、Ｘ線、ＭＲＩ及び超音波のような様々な撮像モダリティが使用される。例えば前立腺癌の場合、ほとんどの場合、生検は、超音波によりガイドされる。助けになるが、これらのガイドの方法は、最適から程遠い。分解能は限定的であり、更に、これらの撮像モダリティは、ほとんどの場合、良性組織と悪性組織とを区別することができない。結果として、医師は、組織の正しい部分から生検が取られていることを確実には知らない。したがって、医師は、ほとんど見ないで生検を行い、組織の検査後に癌細胞が検出されない場合でさえ、単純に生検を行うべき正しいスポットが見逃されたことを確実には知らない。

生検方法を向上させるために、生検を行う前の生検位置の直接的な調査が必要とされる。これを達成する方法は、この位置における顕微鏡検査、例えば内視鏡検査による。

内視鏡検査により包括的かつ高速な撮像を実行する必要性を考慮すると、多くの応用に対して、ズームの可能性を持つことは重要である。しかしながら、これは、かなり限定された空間のためレンズの周りの機械的手段では難しい。可変焦点流体レンズに基づくズームレンズは、レンズの周りで追加的な空間消費機械部分を持たない利点を持つ。切り替え可能レンズは、参照により全体としてここに組み込まれる米国特許7126903B2（可変焦点レンズ）に記載された原理により作成されることができる。これを参照すると、どのように可変焦点レンズが最小限の外径で作成されることができるかが説明される。このレンズは、流体レンズにより到達されることができる限定的なジオプタ変化のため特定のズーム係数のみが到達されることができるという欠点を持つ。

したがって、改良された光学画像プローブが有利であり、特により効率的及び／又は信頼できるプローブが有利である。

したがって、本発明は、好ましくは、上述の不利点の１以上を単独で又は組み合わせて軽減、緩和又は除去することを目的とする。特に、本発明の目的は、コンパクトな形で比較的高いズーム係数を得て、従来技術の上述の問題を解決する光学画像プローブを提供することであると見なされることができる。

この目的及び複数の他の目的は、本発明の第１の態様において、
−ハウジングと、
−前記ハウジングの末端部分に配置され、変更可能な屈折力を持つ流体レンズと、
−前記ハウジング内に配置され、前記流体レンズの光学経路内に配置され、アクチュエータにより前記光学経路に沿って移動可能な画像コレクタと、
を有する光学画像プローブを提供することにより得られる。

本発明は、排他的にではないが特に、コンパクトであり、同時に高いズーム係数を持つ光学画像プローブを得るのに有利である。前記画像コレクタの可能な移動及び前記流体レンズの変更可能な屈折力、並びにこれら２つの要素の協働により、十分な焦点特性を持つズーム係数の幅広い動的範囲を持つコンパクトな内視鏡を得ることが可能である。

したがって、ズームすることができるために、前記プローブのレンズ系の有効焦点距離を変更する（すなわちズームする）のに流体レンズを使用し、前記レンズ系の焦点を合わせるのに前記画像コレクタの移動を使用することができる。これは、同時に、（両方の順序で）連続的に若しくは反復的に、又はこれらの組み合わせで実行されることができる。このズーム方法は、両者の長所を組み合わせ、すなわち、前記流体レンズは、小さな範囲で切り替わることしか必要とせず、大きな移動は、前記画像コレクタに機械的に接続されたアクチュエータにより達成されることができ、したがって、このアクチュエータは、（内視鏡直径を増大させる）レンズ素子の直接隣に又は周りに設計される場合より比較的小さな横方向の空間を取ることができる。

一般に、本発明は、前記流体レンズからの光学経路上に移動可能に配置される画像コレクタを用いて実施されるが、前記画像コレクタ及びその移動は、具体的には１以上のファイバであり、画像を外側に運ぶ１以上のリレーレンズ、又は画像センサ（すなわち光学信号を電気信号に変換することができるセンサ）が使用されることができることは、当業者の読み手により理解されるべきである。

２つの流体レンズを持つズームすることができる光学システム、例えばカメラは、前記光学システムの横方向において比較的少量の空間を消費しうるが、比較的低いズーム係数を持ちうる。２つの移動可能なレンズを用いてズームすることができる光学システムは、高いズーム係数を持ちうるが、通常は、前記光学系の横方向においてかなりの空間を消費する。したがって、移動可能な画像コレクタ又は画像センサ及び流体レンズを用いる本発明による光学画像プローブは、高いズーム係数を持ち、横方向にコンパクトである両方であることができる。

他の利点は、（小さな直径の内視鏡に対して）可動レンズを持つシステムをスケールダウンする困難性を回避することである。このようなシステムは、２つの小さなモータ及び複数の薄いスライディングロッドを含む。小さなモータは、作成するのが難しく、高価であり、前記システムはアセンブルするのが難しい。本発明において、１つの小さなモータのみが必要とされる。更に、このモータは、前記レンズの隣より前記画像コレクタの後ろに多くの空間が存在するので、レンズ移動モータよりいくらか大きいことが可能である。

日本国特許出願JP2006271503は、前記画像センサの限定的な分解能による量子化のエラーが、とりわけ撮像レンズを固定したまま前記画像センサを移動することにより低減される内視鏡光学システムを開示している。しかしながら、この光学内視鏡は、焦点合わせのためだけであり、ズームのためではない。これらの方策が、本発明により得られるような高いズーム係数をもたらすことができることは、明らかではない。したがって、JP2006271503に開示された内視鏡光学システムは、本発明に特に関連があるわけではない。

一実施例において、前記流体レンズは、前記プローブの前の関心領域を撮像するように光学的に構成されることができる。代替的には又は追加的に、前記流体レンズは、前記プローブの隣の関心領域を撮像するように光学的に構成されることができる。

有益には、前記プローブは、最大屈折力（大域的又は局所的）及び最小屈折力（大域的又は局所的）により規定される前記流体レンズの屈折力の範囲を持つことができ、前記プローブは、前記移動可能な画像コレクタの焦点位置の対応する範囲が前記屈折力の範囲の本質的な部分にわたる前記プローブの焦点合わせを可能にするように光学的に構成される。したがって、前記流体レンズの屈折力範囲及び前記画像コレクタの焦点範囲は、互いにマッチすることができる。これに関連して、"実質的な部分"は、少なくとも７０％、８０％又は９０％を意味することができる。用語"焦点合わせを可能にする"は、所定の目的及び応用に対して焦点が合っていることを意味する。前記画像の焦点が合っているかどうかは、従来通り、例えば縁検出により、フーリエ変換（ＦＴ）信号の高周波分析により、又は利用可能若しくは使用可能な他の焦点技術により決定される。

２つの流体レンズを持ち、可動レンズを持たないレンズ系を用いてズームする場合、前記流体レンズは、前記流体レンズは、前記レンズ系の焦点距離を変更することと、前記画像センサ上に前記画像の焦点があったままであることとの両方でなければならない。一般に、前記画像センサ上に前記画像の焦点があったままである必要条件は、前記焦点距離の変化に要求されるより多くの屈折力の変化を要求する。したがって、この焦点必要条件は、最大達成可能ズーム係数を制限する。しかしながら、この焦点合わせが、前記画像センサを移動することにより実行される場合、上の制限は取り除かれ、より大きなズーム係数が可能になる。

より具体的には、前記プローブは、前記流体レンズの屈折力と、少なくとも２、好ましくは少なくとも２．５又はより好ましくは少なくとも３．０の有効ズーム係数を持つ前記画像コレクタの対応する焦点位置とを持ちうる。用語"ズーム係数"は、焦点距離の変化の比であると理解されるべきである。他の最小値は、１．６、若しくは１．８、又は代替的には、３．５、４．０でありうる。

代替的には、前記流体レンズの屈折率に対する２つの位置及び前記画像コレクタの２つの対応する焦点位置を持つ前記プローブは、間隔１ないし４、好ましくは間隔１．５ないし３、又はより好ましくは間隔１．５ないし２．５の有効ズーム係数を持ちうる。新しい設計又は液体の組み合わせは、大幅に高いズーム係数を与えうる。したがって、前記間隔は、代替的には、１ないし５、１ないし６、２ないし５又は２ないし６でありうる。

典型的には、前記流体レンズは、メニスカスにより分離される少なくとも２つの不混和流体からなることができる。一実施例において、前記流体レンズ内の前記メニスカスの形状は、流体を流体コンテナ内に又は外に送ることにより変更可能であり、実装するのが容易であり、かつ前記プローブの電気配線を避ける設計を提供する。他の実施例において、前記流体レンズは、２つの不混和流体を有するエレクトロウェッティングレンズであることができる。より具体的には、前記エレクトロウェッティングレンズは、前記光学プローブが前記メニスカスを操作することにより撮像の領域を再配置することができるように前記２つの不混和流体間に形成された前記メニスカスの角度調節を可能にするように非対称な電極構成を持つことができる。

前記アクチュエータは、電磁アクチュエータであることができ、前記電磁アクチュエータは、アクチュエータハウジングと、前記ハウジングに対して移動可能に配置された駆動部材と、垂直効力によって生じる前記アクチュエータハウジングと前記駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと前記駆動部材との間の相対的な移動を開始するために克服されなければならないような前記アクチュエータハウジングと前記駆動部材との間の前記垂直効力を提供するプレローディング手段と、前記摩擦力を克服し、前記アクチュエータに対して前記駆動部材を駆動する駆動手段とを有する。このアクチュエータは、エネルギが、移動中にのみ必要とされ、固定位置の間に必要とされないという利点を持つ。このいわゆる摩擦ステッパに関する更なる詳細は、参照により全体的にここに組み込まれるWO2006/117715において見つけられることができる。

代替的には、前記画像コレクタを移動する前記アクチュエータは、圧電アクチュエータであることができる。他の実施例において、前記アクチュエータは、空気圧式又は油圧式アクチュエータ、すなわち流体圧を対応する移動に変換するアクチュエータ、例えばベローズであることができる。これは、電気配線及び電磁石の使用が回避されるという特定の利点を持つ。電気配線は、例えばインビボ検査に対して使用される光学プローブの加圧滅菌中に加熱される場合に悪影響を受けることがありうる。磁石も同様である。

好ましくは、前記プローブは、内視鏡、カテーテル、針又はインビボ応用に対する生検針の一部を形成しうるが、本発明は、これらの応用に限定されない。

第２の態様において、本発明は、光学撮像システムに関し、前記システムは、
−光源（ＬＳ）と、
−前記光源に光学的に結合され、遠位端部において本発明の第１の態様による光学画像プローブを持つサンプルアームと、
−前記光源（ＬＳ）及び前記サンプルアームに結合された撮像表示装置（ＩＤＤ）と、
を有する。

第３の態様において、本発明は、光学的撮像を実行する方法に関し、前記方法は、
−ハウジングを設けるステップと、
−前記ハウジングの末端部に配置され、変更可能な屈折力を持つ流体レンズを設けるステップと、
−前記ハウジング内に画像コレクタを配置するステップであって、前記コレクタが前記流体レンズの光学経路上に配置され、前記コレクタがアクチュエータにより前記光学経路に沿って移動可能である、前記配置するステップと、
を有する。

本発明の第１の、第２の及び第３の態様は、各々、他の態様のいずれかと組み合わせられることができる。本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。

本発明は、ここで、例としてのみ、添付の図面を参照して説明される。

本発明による光学画像プローブの概略的な断面図である。 本発明による光学画像プローブの他の概略的な断面図である。 本発明による光学撮像システムの概略図である。 本発明による光学画像プローブを通る光学経路のシミュレーションを示す。 流体レンズによりどれだけ焦点が変更可能であるかを示す図である。 本発明による光学画像プローブにおける流体レンズの概略的な断面図である。 本発明による画像センサを移動する電磁アクチュエータの断面図である。 本発明による画像センサを移動する圧電アクチュエータの断面図である。 本発明による画像センサを移動する圧力駆動アクチュエータの断面図である。 本発明による方法のフローチャートである。 ２つのレンズからなるズームレンズの概略図である。

図１は、本発明による光学画像プローブ２０の概略的な断面図である。画像プローブ２０は、前記プローブの内部部分を囲み、保護するハウジング１９を有する。流体レンズ５は、ハウジング１９の末端部分に配置される。流体レンズ５は、変更可能な屈折力を持ち、すなわち前記レンズの焦点距離は、要求に応じて変更されることができる。流体レンズ５は、インタフェースメニスカスにより分離される少なくとも２つの不混和流体６ａ及び６ｂを有する。切り替え可能レンズは、参照により全体的にここに組み込まれる米国特許7126903B2（可変焦点レンズ）に記載された原理によって作成されることができる。これに関連して、どのようにして可変焦点レンズが最小限の外径で作成されることができるかが記載されている。このような小さな直径のレンズは、上部疎水性コーティング及び絶縁層を持つ短い管の内に２つの不混和液体を配置することにより得られる。前記２つの液体は、異なる屈折率を持ち、したがって、これらの間のメニスカスは、レンズを形成する。前記メニスカスの曲率を変更することにより、前記レンズの屈折力は、変更されることができる。前記コンテナは、非円柱であることもでき、例えば、参照により全体的にここに含まれ、様々な形状に関する他の詳細及びどのようにしてこれらの形状を作成するかが見つけられることができる国際特許出願WO00/58763に記載されるように円錐であることもできる。

流体レンズ５の前に、他のレンズ１０が配置される。レンズ１０は、屈折力を持たない窓で置き換えられることもできるが、通常は、前記流体レンズは、付加的な光学素子と協働して機能する。

画像センサ４０は、前記ハウジング内に配置され、前記センサは、流体レンズ５及びレンズ１０により捕捉される光が画像センサ４０により検出されることができるように前記流体レンズの光学経路上に、すなわち流体レンズ５の後ろに配置される。画像センサ４０は、アクチュエータ４２により前記光学経路に沿って移動可能に構成される。したがって、図１において矢印Ａにより示されるように、画像センサ４０は、プローブ２０の外側で撮像されるのに領域又は対象（図１に図示されない）の十分な焦点合わせを容易化するようにプローブ２０内の特定の範囲を移動されることができる。

また、図１において破線矢印４３ａにより示されるように、画像センサ４０、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化半導体（ＣＭＯＳ）又は当業者に容易に利用可能な他の画像センサは、前記プローブの外部に、すなわち電力供給、モニタリング、制御、出力等のために接続される。前記画像センサが流体レンズ５の後ろに移動可能に配置された１以上のファイバであることもでき、前記１以上のファイバが、前記画像を対応する画像センサに送信するように光学的に配置されることが述べられるべきである。しかしながら、この記載の残りに対して、前記画像センサ及びその移動が、論じられるが、本発明は一般的に画像コレクタの移動に関するので、一以上のファイバと同等に、画像を外側に運ぶ１以上のリレーレンズが使用されることができることは、当業者の読み手に対して明らかである。

領域１１は、画像センサ４０と流体レンズ５との間の領域を示す。領域１１は、空であることができるが、複数のレンズ及び他の光学部品が同様に配置されることができる。図４において、レンズが、領域１１内に配置される。図６において、光ファイバ１が領域１１内に存在する。

同様に、アクチュエータ４３は、矢印４３ａにより示されるように電力供給及び制御のためにプローブ２０の外側に接続される。図１において、画像センサ４０は、ロッドを介してアクチュエータ４２に接続され、前記ロッドは、アクチュエータ４２により移動可能であるが、一度本発明の一般的な原理が認識されると、他のアクチュエータ構成は、もちろん、当業者に容易に利用可能である。

図１において、プローブ２０及び特に流体レンズ５は、前記プローブの前の関心領域を撮像するように光学的に配置される。

図２は、本発明による光学画像プローブ２０の他の概略的な断面図である。図２は、図１と同様であるが、流体レンズ５が、プローブ２０の隣の関心領域を撮像するように光学的に配置される点で異なる。特定の素子、例えばハウジング１９は、明確性のため省略されている。したがって、光は、光学経路ＯＰに沿って前記プローブの側面に入る。鏡２１とともに、プローブ２０は、画像センサ４０上で光を検出することができる。前面検出（すなわち図１）及び側面検出（図２）の組み合わせが可能であると考えられる。場合により、曲率を持つ流体レンズは、例えば、本発明による光学プローブ２０の角部分において使用されることができる。

図３は、本発明による光学撮像システムの概略図である。前記システムは、図３に示されるような後ろの位置に配置されるか、又は光学プローブ２０自体の中又は近くに埋め込まれるかのいずれかであることができる光源ＬＳを有する。サンプルアーム３０は、光源ＬＳに光学的に結合され、前記光、又はより一般的には照射放射線は、適切な光学的伝導によりサンプルアーム３０を介してプローブ３０に導かれることができる。サンプルアーム３０は、遠位端部において本発明による光学画像プローブ２０を持つ。プローブ２０の後ろに、前記画像を処理及び表示する撮像表示装置ＩＤＤが、結合ユニットＣを介して光源ＬＳ及びサンプルアーム３０と結合されることができる。

図４は、本発明による光学画像プローブ２０を通る光学経路のシミュレーションを示す。前記レンズの周りの機械的手段を用いて内視鏡のズームを実現することは、限定的な空間のため難しい。流体レンズに基づくズームレンズは、前記レンズの周りに追加の機械的部分が無いという利益を持つ。これは、前記流体レンズにより到達されることができる限定的なジオプタ変化のため特定のズーム係数のみが到達されることができるという欠点を持つ。依然としてズームを可能にするために、レンズシステムの焦点距離を変更する（すなわちズームする）のに単一の流体レンズ５を使用し、前記システムを焦点に合わせるのに画像センサ４０の移動を使用することができる。図４において、ズーム係数が１．６Ｘ、画像センサ対角径３．２６４ｍｍ、いわゆる望遠構成の焦点距離３．４６ｍｍ（図４の上部）及びワイド構成（図４の下側）の焦点距離２．０９ｍｍである設計が示される。停止直径は０．８８ｍｍである。この設計において、画像センサ４０は、３．３ｍｍだけ移動されなければならない。この１．６のズーム係数に要求される前記液体レンズの切り替え範囲は、最大範囲より小さい。より高いズーム係数は、全範囲が使用される場合に可能である。変調伝達調査のモデルシミュレーションは、満足のいく結果、すなわち幅広い周波数範囲にわたる比較的高い伝達を示す。

２つの流体レンズからなるシステムと比較してより大きなズーム係数が流体レンズ及び可動センサからなるシステムにより到達されることができることを示すために、図１１に示されるズームレンズシステムを考慮する。これは、WIDEズーム構成においてｆ１及びｆ２の焦点距離を持ち、TELEズーム構成においてｆ１'及びｆ２'を持つ２つのレンズのシステムからなる。前記２つのレンズは、距離ｄ１により分離されている。第２のレンズと前記画像センサとの間の距離はｄ２である。WIDE構成において、システム全体の焦点距離はＦであり、TELE構成においてＦ'である。したがって、前記ズーム係数は、Ｆ／Ｆ'により与えられる。前記画像センサのサイズはＳである。前記レンズシステムの絞りは、前記２つのレンズの間に配置される。近軸計算から、前記２つのレンズの焦点距離ｆ１及びｆ２が、

によりシステム全体の焦点距離Ｆに関連付けられる。

一例として、ｄ１＝５ｍｍ及びｄ２＝５ｍｍの場合を考える。前記流体レンズの切り替え範囲が、｜ｆ１｜＞６ｍｍ及び｜ｆ２｜＞６ｍｍにより限定されるとする。この場合、可能な焦点範囲変化は、５．８３ｍｍ＜Ｆ＜１４．１７ｍｍであり、２．４３のズーム係数をもたらす。この範囲は、ｆ２に対する拘束条件により制限される。前記第２のレンズがｆ２＝−２ｍｍを持つ固定レンズ及び２ｍｍ＜ｄ２＜２０ｍｍの間で移動されることができる画像センサにより置き換えられる場合を考えると、焦点距離Ｆが１２．０ｍｍ＜Ｆ＜７５．０ｍｍの間で変化することができ、６．２５のズーム係数を示すことを発見する。

図５は、どのようにして焦点が流体レンズ５により変更可能であるかを示す図である。

図５は、流体レンズ５に対して屈折力の２つの異なる設定を持つ本発明による光学画像プローブ２０の２つの概略的な断面図を示す。レンズ５は、左側に水相６ｂ及び右側に油相６ａを有することができる。

上の図において、流体界面のメニスカスは、前記油相に向かって湾曲され、図５の上の図に示されるように焦点Ｆ＿Ｐをもたらす。同様に、下の図において、流体界面のメニスカスは、前記水相に向かって湾曲され、図５の下の図に示されるように他の焦点Ｆ＿Ｐ'をもたらし、前記焦点は、これにより、レンズ１０に向かってシフトされ、画像センサ４０も、焦点合わせを可能にするようにレンズ５から離れるように移動される。したがって、光学画像プローブ２０の使用は、特に画像センサ４０の移動により十分な焦点合わせで撮像を可能にするように、焦点Ｆ＿Ｐの操作を容易化する。

図６は、本発明による光学的画像プローブ２０内の流体レンズ５の概略的な断面図である。図６は、注釈１が前記流体レンズに対するファイバ接続をマークし、すなわちファイバ１が領域１１内に配置される本発明による非対称な電極構成を持つ光学画像プローブの概略的な断面図である。ファイバ・アウトカップリング損失を最小化するために、第１の流体６ｂの屈折率及びファイバ１のコアの屈折率が可能な限り近いことを確かめなければならない。前記ファイバの末端部分（特に金属被覆）が、（例えば十分な量のヒ素、リン又は他のＶ族元素の組み込みにより）電気的にアクティブになるようにｎ型ドープされる場合、電極４は取り除かれることができる。この場合、底部電極４の接触は、前記ファイバの外側で生じることができる。

第２の液体６ａは、前記２つの液体の間のメニスカスが湾曲される場合にレンズ作用を可能にするために第１の液体６ｂと比較して異なる屈折率を持つべきである。前記２つの液体は、安定したメニスカスを得るために不混和であることを要求される。前記２つの液体の間の表面張力及び空洞の幾何形状（円柱又は円錐）の適切な選択により、凹レンズ及び凸レンズ作用が両方とも得られることができる。

７及び８により示される側面における電極は、前記レンズの円周上で等間隔に離間された一連の電極、すなわち単純性のためにここに描かれた２つの電極より多い電極であることができる。短絡を防ぐために、前記側面電極は、それぞれ電極４と電極７及び８との間の黒い液体により示されるように底部電極４まで続かない。全ての電極に同じ電圧を印加することにより、球状メニスカスが、特別な場合として得られることができる。しかしながら、これらの電極の間の適切な電圧差により、前記メニスカスの面が、要求に応じて傾けられることができる。これは、前記レンズの焦点の指向性をもたらし、例えば外科医が前記レンズシステムの直接的に前にあるわけではない対象に焦点を合わせることを可能にする。このような傾けられたメニスカスは、外科医がインビボ検査中に角を曲がったところを照射することをも可能にする。２つの液体６ａ及び６ｂの周りに配置された有限の数の電極のため、完全に傾けられたメニスカスは可能ではない。したがって、収差及び波面エラーが、ある程度、挿入される。

最後に、光学的に透明なカバー層９が、液体レンズ５から液体が漏れるのを防ぐために前記レンズの上部に配置される。カバー層９に隣接して、高ＮＡレンズ１０が配置される。場合により、層９及びレンズ１０は、同一のエンティティに結合されていてもよい。

図７は、本発明による画像センサを移動する電磁アクチュエータ７０の断面図である。したがって、アクチュエータ７０は、図１及び２に示されるより一般的なアクチュエータ４２の具体的なアクチュエータである。画像センサ４０を移動することを必要とする前記アクチュエータは、内視鏡内にフィットするのに十分に小さく、画像センサ４０を移動するのに十分に強くあるべきである。更に、画像センサ４０を所望の焦点位置で維持するのにエネルギが必要とされないので、このようなアクチュエータの自己制動特性は、非常に有用である。

１つのこのようなアクチュエータは、電磁アクチュエータ、いわゆる摩擦ステッパである。画像センサ４０を持つこのアクチュエータ７０は、図７に示される。アクチュエータ７０は、２つのコイル７１内に配置された磁石からなる。画像センサ４０を磁石７３に接続するために、磁石７３、磁石ホルダ７２及びセンサ４０は、図７に示されるように互いに対して固定されることができる。ホルダ７２は、１に近い相対的な透磁率を持つ材料（例えばプラスチック）からなるべきである。更に、片側の磁石ホルダ７２、磁石７３、画像センサ４０と、他の側のコイル７１との間に接点が存在しない。磁石サポート７５、コイル７１及び鉄部材７６は、互いに対して固定される（図７参照）。

電流Ｉが前記コイルを流れない場合、磁石７３は、磁石７３と鉄部材７６との間の磁力Ｆ_mにより、及び磁石ホルダ７２と磁石サポート７５との間の摩擦力ＦＲＩＣによりコイル７１及び鋼板７６に対して静止する。次に、電流がコイル７１を流れる場合、駆動力Ｆ_dが生じ、画像センサ４０は、コイル７１を流れる電流に依存して、右又は左方向に移動することができる。画像センサ４０を小さなステップで移動するために、電流パルスがコイル７１に印加されるべきである。

このような解決法の実行可能性を確認するために、磁場のOpera 3Dシミュレーションが実行された。アクチュエータ４０が、３ｍｍの内径を持つ管の中に配置されることができ、前記アクチュエータの長さが前記画像センサ無しで１０ｍｍであると仮定する。更に、前記アクチュエータの可動部分（画像センサ４０、磁石７３及び磁石ホルダ７２）の質量は０．２５ｇである。３Ｇショックによる前記可動部分の運動を持たないために、引力Ｆ_mは０．０３６Ｎより大きくあるべきであり、駆動力Ｆ_dは０．０１Ｎより高くあるべきである。Opera 3Dシミュレーションによると、前記シミュレートされたアクチュエータの引力は、Ｆ_m∈[０．０４６Ｎ，０．０５１Ｎ]及びＦ_d∈[０．０８０Ｎ，０．０８７Ｎ]である。結果的に、シミュレートされたアクチュエータ７０は、画像センサ４０を移動するのに使用されることができる。

前記いわゆる摩擦ステップに関する更なる詳細は、国際特許出願WO2006/117715において見つけられることができ、ここで、アクチュエータは、ハウジングと、前記ハウジングに対して移動可能に配置された駆動部材と、前記駆動部材に関連付けられた磁石と、垂直抗力によって生じる前記ハウジングと前記駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと前記駆動部材との間の相対的な運動を開始するために克服されなければならないような前記ハウジングと前記駆動部材との間の垂直抗力Ｆｎを提供するように前記駆動部材と鉄部材との間に磁力を提供する前記鉄部材と、前記摩擦力を克服し、前記駆動部材を前記ハウジングに対して駆動する磁気駆動システムとを含む。プレローディング手段は、前記駆動部材と前記鉄部材との間に磁力を提供するように前記駆動部材及び鉄部材と関連付けられた磁石を有することができ、前記磁力は、前記垂直抗力と実質的に等しい。

電磁アクチュエータ８０は、有益には、参照により全体的にここに組み込まれる米国特許5399952に開示されるように移動位置と組み合わせて実施されることができる。前記アクチュエータ、すなわち電磁駆動システムは、運動軸に沿って第２のモータセクションに対して移動可能な第１のモータセクションを持つモータを含む。前記第２のモータセクションは、３つの励起コイルを持つ。前記第１のモータセクションは、前記励起コイルにおいて磁場を生成する磁気回路を含む。前記第１のモータセクションは、高周波誘導電流に対してのみ短絡巻線をも含む。この短絡巻線は、前記励起コイルに磁気的に結合される。少なくとも１つの励起コイルの電磁結合の度合は、前記第２のモータセクションに対する前記第１のモータセクションの位置に依存する。前記短絡巻線は、中心励起コイルと２つの外側の励起コイルとの間の位置依存電磁結合を提供する。前記位置依存結合は、前記中心コイルに対する励起システム上に高周波検出信号を重ねることにより及び前記高周波検出信号により前記２つの外側のコイルにおいて誘導された電流を検出することにより検出されることができる。

図８は、画像センサ４０を移動する圧電アクチュエータ８０の断面図である。アクチュエータ８０は、圧電素子８２及び駆動シャフト８１を有する。圧電素子８２は、一方の側（図８において右側）で固定位置（図８におけるアクチュエータサポート８３）に接続され、他方の側で駆動シャフト８１に接続される。駆動シャフト８１の右際において、可動素子は、摩擦力ＦＲＩＣにより前記シャフトに固定（クランプ）され、画像センサ４０は、前記可動素子に固定される。画像センサ４０を持つ可動部分が一段階進むために、図８の右上部分に示されるような波形が、実線矢印により示されるように前記圧電素子に印加されることができる。ステップ信号は、ゆっくりと上昇し、急速に降下する電圧、又は急速に上昇し、ゆっくりと降下する電圧からなる。前記可動部分は、前記信号のゆっくりと降下（上昇）する部分の間に固定位置８３に対して一段階進み、前記信号の急速に降下（上昇）する部分の間に駆動シャフト８１に対して一段階進む。しかしながら、前記信号の急速な変化の間、前記可動部分は、実際的には、前記可動部分の慣性により固定座標系に対して移動しない。

図９は、本発明による画像センサ４０を移動する圧力駆動アクチュエータ９０の断面図である。ベローズは、ばね形状の壁を持つ中空の円柱である。これは、流体圧力、すなわち加圧下の気体又は液体の影響下で長さを変えることができる。前記流体圧力は、中空の管９２を通って印加される。前記管の中の圧力は、前記プローブ又は内視鏡２０の裏側において、したがってインビボで使用される場合に体の外側で適合されることができる。圧力の増加は、ベローズ９０を拡張し、実線矢印Ａにより示されるように左へのシフトをもたらす。圧力の減少は、画像センサ４０を右にシフトする。追加のロッド又は溝は、センサが傾くのを防ぐことができる。前記センサは、前記ロッド又は溝に沿ってスライドすることができる。前記ベローズにフィットする又は内視鏡外壁１９の内側にフィットするスライディングシリンダ９１に前記センサを取り付けることも可能である。前記圧力は、様々な形で、例えば管９２の可とう性末端部分を絞ることにより印加されることができる。この（電気機械）絞り素子は、前記内視鏡の体の外側の部分にあるので、小型化される必要がない。また、前記管の内部の流体を可とう性部材を介して内視鏡２０の外側の空気圧装置９５と接続することも可能である。

図１０は、本発明による方法のフローチャートである。前記方法は、
−ハウジング１９を設けるステップＳ１と、
−前記ハウジングの末端部分に配置され、変更可能な屈折力を持つ流体レンズ５を設けるステップＳ２と、
−前記ハウジング内に画像コレクタ４０を配置するステップＳ３であって、前記コレクタが前記流体レンズの光学経路上に配置され、前記コレクタがアクチュエータ４２、７０、８０又は９０により前記光学経路に沿って移動可能である、ステップＳ３と、
を有する。

本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの如何なる組み合わせをも含む如何なる適切な形式でも実施されることができる。本発明及び本発明の一部のフィーチャは、１以上のデータプロセッサ及び／又はデジタル信号プロセッサ上で実行されるコンピュータソフトウェアとして実施されることができる。本発明の一実施例の要素及び構成要素は、如何なる適切な形でも物理的に、機能的に及び論理的に実施されることができる。実際に、機能性は、単一のユニットにおいて、複数のユニットにおいて又は他の機能ユニットの一部として実施されてもよい。このように、本発明は、単一のユニットにおいて実施されてもよく、又は異なるユニット及びプロセッサの間で物理的に及び機能的に分散されてもよい。

本発明は、特定の実施例に関連して説明されているが、ここに記載された特定の形式に限定されることを意図していない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定される。請求項において、用語"有する"は、他の要素又はステップの存在を除外しない。加えて、個別のフィーチャが、異なる請求項に含まれることができるが、これらは、場合により有利に組み合わせられることができ、異なる請求項における包含は、フィーチャの組み合わせが実行可能及び／又は有利ではないことを意味しない。加えて、単数形は、複数を除外しない。したがって、"１つの"、"第１の"、"第２の"等の言及は、複数を除外しない。更に、請求項内の参照符号は、範囲を限定すると解釈されるべきでない。

Claims (15)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの末端部分に配置され、変更可能な屈折力を持つ流体レンズと、
   前記ハウジング内に配置され、前記流体レンズの光学経路上に配置され、アクチュエータにより前記光学経路に沿って移動可能である画像コレクタと、
   を有する光学画像プローブ。
2. 前記流体レンズが、前記プローブの前の関心領域を撮像するように光学的に配置される、請求項１に記載のプローブ。
3. 前記流体レンズが、前記プローブの隣の関心領域を撮像するように光学的に配置される、請求項１に記載のプローブ。
4. 前記プローブが、最大屈折力及び最小屈折力により規定される前記流体レンズの屈折力の範囲を持ち、前記プローブは、前記移動可能な画像コレクタの焦点位置の対応する範囲が前記屈折力の範囲の実質的な部分にわたる前記プローブの焦点合わせを可能にするように光学的に構成される、請求項１に記載のプローブ。
5. 前記流体レンズの屈折力及び前記画像コレクタの対応する焦点位置を持つ前記プローブが、少なくとも２、好ましくは少なくとも２．５、又はより好ましくは少なくとも３．０の有効ズーム係数を持つ、請求項１又は４に記載のプローブ。
6. 前記流体レンズの屈折力に対する２つの位置及び前記画像コレクタの２つの対応する焦点位置を持つ前記プローブが、間隔１ないし４、好ましくは間隔１．５ないし３、又はより好ましくは間隔１．５ないし２．５の有効ズーム係数を持つ、請求項１又は４に記載のプローブ。
7. 前記流体レンズが、メニスカスにより分離される少なくとも２つの不混和流体からなる、請求項１に記載のプローブ。
8. 前記流体レンズ内の前記メニスカスの形状が、流体を保持する流体コンテナ内に又は外に前記流体を送ることにより変更可能である、請求項７に記載のプローブ。
9. 前記流体レンズが、２つの不混和流体を有するエレクトロウェッティングレンズである、請求項７に記載のプローブ。
10. 前記エレクトロウェッティングレンズが、前記２つの不混和流体の間に形成される前記メニスカスの角度調節を可能にするように非対称な電極構成を持つ、請求項９に記載のプローブ。
11. 前記アクチュエータが、
    アクチュエータハウジングと、
    前記ハウジングに対して移動可能に配置された駆動部材と、
    垂直抗力によって生じる前記アクチュエータハウジングと前記駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと前記駆動部材との間の相対的な運動を開始するために克服されなければならないような前記アクチュエータハウジングと前記駆動部材との間の前記垂直抗力を提供するプレローディング手段と、
    前記摩擦力を克服し、前記アクチュエータハウジングに対して前記駆動部材を駆動する駆動手段と、
    を有する、請求項１に記載のプローブ。
12. 前記アクチュエータが、圧電アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ、又は油圧式アクチュエータである、請求項１に記載のプローブ。
13. 前記プローブが、内視鏡、カテーテル、針又は生検針の一部を形成する、請求項１に記載のプローブ。
14. 光源と、
    前記光源に光学的に結合され、遠位端において請求項１による光学画像プローブを持つサンプルアームと、
    前記光源及び前記サンプルアームに結合された撮像表示装置と、
    を有する光学撮像システム。
15. 光学撮像を実行する方法において、
    ハウジングを設けるステップと、
    前記ハウジングの末端部分に配置され、変更可能な屈折力を持つ流体レンズを設けるステップと、
    前記ハウジング内に画像コレクタを配置するステップであって、前記コレクタが前記流体レンズの光学経路上に配置され、前記コレクタがアクチュエータにより前記光学経路に沿って移動可能である、前記配置するステップと、
    を有する方法。

Images