(57)【要約】【課題】屈折曲面を持つ非球面を含む高性能複合レンズにより内視鏡用マイクロレンズを設計することにより、超高被写界深度特性の画像を光ファイバーで観察可能にする。【解決手段】従来のようにマイクロレンズを光ファイバー面に直接接着剤を用いて固定するのではなく、外径φ０．３〜０．５程度の非球面を含むマイクロレンズと光ファイバー間に適切な間隙を設け結像する光学系を設計した。これにより、物体距離が１ｍｍから無限遠までので優れた広角画像が、光ファイバーを通し観察可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非球面を含む複数のレンズと絞りを有するレンズ外径が直径１ｍｍ以下の内視鏡用対物レンズにおいて、もっとも結像面に近い集光レンズの後端から結像面までの距離（バックフォーカス）ｄＮが０．５ｍｍ≦ｄＮ≦１．５ｍｍの範囲を満足し、かつ、最初に物体側に配置する前面レンズが両面凹面形状のレンズであり、その焦点距離ｆ１が  −０．４ｍｍ≦ｆ１≦−０．２ｍｍの範囲にある特性を有し、レンズ系全体の合成焦点距離ｆは  ０．３ｍｍ≦ｆ≦０．５ｍｍの範囲にあることを特徴とするマイクロレンズ光学系。
【請求項２】
請求項１に示す内視鏡用対物レンズにおいて２枚構成のレンズからなり、集光レンズは非球面レンズを用い、その焦点距離ｆ２は０．３ｍｍ≦ｆ２≦０．７ｍｍを満足し、絞りを集光レンズの直前に設けることを特徴とする光学系。
【請求項３】
請求項１に示す内視鏡用対物レンズにおいて３枚構成のレンズからなり、集光レンズの前に結像用中間レンズを設け、このレンズと集光レンズとの合成焦点距離ｆ２３が０．３ｍｍ≦ｆ２３≦０．９ｍｍを満足し、絞りを集光レンズの直前に設けることを特徴とする光学系。
【請求項４】
２〜３枚構成のレンズからなる内視鏡用対物レンズにおいて、レンズの焦点距離が上記各請求項に示す各ｆ１、ｆ２，ｆ２３，ｆの条件を満足し、レンズ外径が０.５ｍｍ以下で且つ全視野角が９０度以上の広角特性を有し、レンズ先端から物体面までの作動距離が１ｍｍから無限遠に至るまで、波面収差が１／４波長以下の特性を有し高解像度ＭＴＦ特性が保たれる高被写界深度特性を特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカテーテル内視鏡などの光ファイバーを用いた観察系において、非球面レンズを含む複合レンズを用い超高被写界深度特性の観察を可能にするマイクロレンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超微外径マイクロレンズは、主として化学気相法を含めた蒸着により作られた内部の屈折率分布を変え、光を集光可能にしたロッドレンズが使われている。あるいは、研削による球面マイクロレンズを用いたレンズが使われているが、十分な被写界深度を持ち解像度の高い広角な光学特性を持った対物レンズ系が不可能なため、医療を含めた観察分野において近接拡大画像のピントが合わず十分な画像観察の効果が期待できなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「セルフォックレンズアレイ」日本板硝子のホームページ性能公表。
【非特許文献２】「イメージスキャナ開発室」アイメジャー有限会社のホームページ、ＮＩＦＴＹココログによる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロッドレンズ、球面レンズによる従来の細管の内視鏡においては、広範囲にわたるピント調整機構を持たせることが困難であった。そのため従来と全く異なったの方式の光学系において、近接高倍率撮影から、無限遠までの長作動距離の画像をイメージ光ファイバーに伝達する固定焦点距離レンズを作成することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記のロッドレンズ、球面マイクロレンズによる方法では、一般的にレンズ端を光ファイバーの面に直接接着する方法が用いられていたが、本発明では高倍率化を容易にするため、レンズ端とファイバーの端面に適切な間隔を設け結像する機構を考えた。この画像観察システムは、一つの細管の中にマイクロレンズ系と光ファイバーを同時に組込み、その相対位置（スペース）を調整し結像位置を合わせることを特徴とする。使用する対物レンズは、非球面を含む複合レンズ系であって、上記スペースを適切に考慮したレンズ設計により、高倍率に加え超高被写界深度、広角、高解像度特性なイメージの伝達を可能にする。
【発明の効果】
【０００６】
従来の光学系では非常に深度が浅いため、接写レンズを近づけるとピントが合わず、特に医学部門などではクローズアップ拡大撮影が困難であった。本発明による全く新たな着想に基づくレンズ系を使用すると、近接距離が１ｍｍからほぼ無限遠に近い状態まで高解像度、広角観察が可能である。すなわち従来の方法では例えば病巣の患部の拡大しても画像が不鮮明で明確な判定が出来ず、その映像観察の効果が達せられず不本意に終る場合が多いが、本発明によるマイクロレンズの挿入により近接拡大による明確な画像による診断が可能なる。このようなシステムは患部を切除することなしにおこなえるので、体内の細管部に対する内視鏡撮影に非常に有効な手段となる。その他、このレンズの活用により、細管部を高倍率観察することが必要なあらゆる産業部門に、役立てることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（a）本発明による非球面を含む２枚のレンズによる細管内視鏡の構図（b）ロッドレンズを使用した従来の細管内視鏡の構図
【図２】２枚構成マイクロ対物レンズ結像系のレイアウト
【図３】３枚構成マイクロ対物レンズ結像系のレイアウト
【図４】２枚構成のマイクロ対物レンズのＭＴＦ伝達特性
【図５】２枚構成のマイクロ対物レンズのスポット像
【図６】２枚構成のマイクロ対物レンズの波面収差
【図７】２枚構成のマイクロ対物レンズの色収差、歪曲収差、相対照度特性
【図８】３枚構成のマイクロ対物レンズのＭＴＦ伝達特性
【図９】３枚構成のマイクロ対物レンズのスポット像
【図１０】３枚構成のマイクロ対物レンズの波面収差
【図１１】３枚構成のマイクロ対物レンズの色収差、歪曲収差、相対照度特性
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施例について図面を参照して説明する。図1（ａ）は本発明によるカテーテル内視鏡の構図で、左に示す物体からの光束は複数枚のマイクロレンズを用いた対物レンズ系１により、光ファイバー２に集光しイメージが伝達される。これらの要素はレンズ設計に従ったレンズ間の距離、及び、レンズ端面から光ファイバーまでの距離を正確に保つため、特に構造的に工夫された固定チューブ３内部に収納される。その周囲は図では書いてないが、ライトガイド用ファイバーとか水洗用の管などが設けられている場合が多い。さらにその外側は、被服チューブ４によって保護されている機構を持つものである。本発明ではこの様にレンズ後端と像面の間に比較的長いスペースを持たせることにより、非球面レンズの特性を活かし高倍率化、高被写界深度化のためのレンズ設計を可能にするものである。これに比して、図1（ｂ）は従来のカテーテル内視鏡に主として用いられるロッドレンズ５を用いた構図を示すもので、ロッドレンズは外形寸法の微細径化を特色とし、化学気相法を含めた蒸着により作られた物で、内部の屈折率分布を変えることにより図のような周期的な弧を描いて光が伝達する方式がとられる。この場合通常５の端面が結像面になるため、光ファイバー２の全面に接着剤６により貼付ける方法がとられていた。ロッドレンズの特性は、解像度も低く高々８本／ｍｍ程度のもので、その際の被写界深度は高々±０．４ｍｍ程度かそれ以下と言われている。この方式では、例えば２０ｍｍの物体位置に合わせて設計されたカテーテルでは、２〜３ｍｍまでの近接撮影により患部の詳細像を捉えることが出来ず、正確な診断が不可能になっている。また球面レンズを加工した光学系でも、深度は±２ｍｍ程度に改良されているものもあるが、広角の入射に対しては収差が補正し入れず周辺の解像度が劣化することが避けられない。これらの方法は屈曲性、操作性をよくするためか光学的な収差を余り考慮せず全長を短くし、レンズを光ファイバーに密着する方法をとっている。
【０００９】
図２は本発明によるレンズ設計のレイアウト図であり、２枚構成のマイクロ対物レンズによるもの、図３が３枚構成によるマイクロ対物レンズよるものである。以下に用いるレンズ系の長さの単位は全てｍｍを使用する。図２において前面レンズ７はレンズ外径が小さくφ0.38以内となるように設計がなされている。通常の広角カメラに見られるようなメニスカス型凹レンズを用いると極めて前面レンズが形状の大きくなり、細管系のカテーテル外径寸法には適さない。そこで本発明では設計した前面レンズは、R1＝−0.39，R2＝0.55、 中心厚0.3からなる曲率の小さな両凹面形状のレンズであり、焦点距離f1=−0.33で大きな負のパワーを持つ。又レンズ間距離ｄ1を0.5、バックフォーカス距離ｄＮを1.0と長くした設計であり、従来の設計で見られるようなｄＮをほぼゼロに近くしたテレセントリック平行光による結像系を用いていない。集光レンズ８は中心厚が0.4、曲率はR3=0.890，R4=-0.781であり、マイクロレンズの量産用金型のバイト切削に適して曲率を持ち、１６次の高次項まで考慮した非球面レンズを用い優れた光学的収差をもつものである。レンズ８の焦点距離はf2=0.53である。２枚レンズ系全体の焦点距離は f=0.33、最大視野角は全角で９０度であり、解像度に優れ、被写界深度を有する光学が可能である。図ではレンズ間距離 d1＝0.51、バックフォーカスは dN＝1.0である。特性図は後述の図４、図５、図６，図７に詳細を明記するが、同様な結像性能を持つ,本発明による条件は２枚構成のマイクロレンズに対し、-0.4≦ｆ１≦-0.2,  0.3≦ｆ2≦0.7，0.5≦ｄN≦1.5の範囲で規定され、レンズ絞りは集光レンズ８の直前に（絞りと８の距離はゼロ）置かれることを特徴とするものである。又、全体の焦点距離は0.3 ≦ｆ≦0.5 の条件を満たす。
【００１０】
図３はマイクロレンズ３枚レンズによる結像の例であり、上記図２の設計構想に基づくものであるが、中間位置にもう一枚のレンズを加えることにより、ＭＴＦを含めた解像特性をより向上することが出来る。図３の例では全視野角が90度でレンズ外径が図２と同様にφ0.38である。なお、外径をφ6 にすると広角での光束の蹴られがなく、全視野角が100度においても高被写界深度、高解像度を維持することが出来る。図３の例では前面レンズ７は R1=-0.371，R2=0.273からなる曲率の小さな両凹面レンズであり、レンズの中心厚は0.4、焦点距離はf1＝−0.204で、２枚レンズ系と同じく-0.4≦ｆ１≦-0.2 の条件を満足すること特徴とする。又、中間レンズ９は球面からなる凸レンズでR3=1.03，R4=-0.443、中心厚は0.3である。図３の 集光レンズ８はR5=2.404 R6=-2.263 なる曲率で１６次の高次項を含む非球面レンズであり、中心厚は0.4である。中間レンズ９と、集光レンズ８の合成焦点距離をｆ23とすると、f23=0.578となり２枚レンズ時の集光レンズの焦点距離f2とほぼ相当する値になる。 又レンズ間距離ｄ1は0.3、d2は0.3であり、バックフォーカス距離 dNを1.0にした設計である。さらに図の３枚レンズ系全体の焦点距離はｆ＝0.34である。このレンズの 特性図は後述の図８，図９、図１０，図１１に詳細を明記してあるが、同様な結像性能を持つ本発明による条件は、0.3≦ｆ23 ≦0.9，0.5≦ｄN≦1.5の範囲で規定される。レンズ絞りはレンズ８の直前に（絞りと８との距離はゼロ）置かれることを特徴とするものであり又，全体の焦点距離は 0.3 ≦ｆ≦0.5を満足する。
【００１１】
図４は前記2枚構成のマイクロレンズ光学系のＭＴＦ伝達函数による解像度の特性を示すもので、図の上段は極めて近距離接写撮影時特性で、レンズ先端から観察物体までの距離をa とおくとが上段は a＝１の時、下段は観察物体から離したときの特性を示し、a＝1000の時を示す。この図には書かれてないが距離が、a＝15を超えると特性は無限遠時とほぼ変らない。図の上方に記された直線は無収差レンズの回折限界曲線を示す。ここでT, S細文字で書かれている部分はそれぞれSagital （球欠像面）に対してＴはTangential（子午像面）に対して光線追跡を行ったときの識別記号である。この図から、従来のロッドレンズ及び球面レンズを用いたときの場合に比して特性と著しく向上し、本発明によるレンズ系では、ＭＴＦ曲線が a＝１の近接から無限遠までほとんど変らないことが分る。通常の広角レンズでも90度以上の全視野角を持たせるには数枚のレンズ構成が必要であるが、本発明では僅か２枚構成のレンズにおいて、広角な視野の領域まで画像が明確に観察可能である。縦軸はＭＴＦの値を示し最大値が1.0、横軸は１ｍｍあたりの解像本数を示す。通常、ＭＴＦが30％前後に至る点を基準とすると、この図の横軸は最大を120本／ｍｍとし表示している。
【００１２】
図５は像面に集光するスポット形状を示し上段は物体までの距離が a= 2 の時、下段は a= 20の時の形状を示す。各図において、左上から右下へ順に視野角がそれぞれ、0、10、 20、 30、 35、40、 45度の場合のスポット像を示す。又、ブロックの一片は20μｍであり、これらの図において非常にスポット径の小さく光束の十分な収束が得られている。広角においてもコマ収差少ないことが言える。  
図６は波面収差形状を示し、上段は観察物体からの距離が a=2の時で入射角0°場合、波面収差のRMSは0.045λ（λ＝0.587μｍ）,下段はa=20の時で入射角0°の場合、波面収差のRMSは0.120λである。なお。入射角45度でもa=2では、RMSは0.146λとなり、波面収差がレーリーの１／４波長則以内である。すなわち、近接においても極めて像の劣化が少ない結果となっている。
図７は他の収差を示し、上段図の左側はa＝２の時の像面湾曲及び色収差、その右側は歪曲収差を示し、入射角45度に対し最大44.2%となる。a がほぼ無限遠でも歪曲度はほとんど変らない。図７の下段図は、a=20 の時の入射角に対する相対照度を示す。入射角45度の画面端においても、中心部の96.5%の照度が得られる。この照度は近接から無限遠まで特性がほとんど変らない。
【００１３】
図８は前記３枚構成のマイクロレンズ光学系のＭＴＦ伝達函数による解像度の特性を示すもので、図の上段は極めて近距離接写撮影時特性で、上段図はa＝２の時を示す。下段図は観察物体から離したときの特性でa＝２０の時を示す。図の横軸は最大解像度を150本/ｍｍにとり表示している。 図３のＭＴＦに比べると、３枚レンズの効果により光学特性が改善され、解像度がより回折限界に近づいていることが見られる。特にa＝２ではもっとも回折限界に近づくが、通常使用するa＝３程度までこれとほぼ同じ性能が保たれる。a＝20 以上ではこれらの近接に対して無限遠に近いと考えられる。
【００１４】
図９は上記と同じ３枚構成のマイクロレンズ光学系による像面に集光するスポット形状を示し、上段図は物体までの距離が a= 2の時、下段図は a= 20の時の形状を示す。各ブロックはそれぞれ視野角がそれぞれ、0、10、20、30、40、 45度の場合のスポット像を示す。
図１０は上記と同じ３枚構成の場合の波面収差形状を示し、上段図は a=2の時で入射角0°の場合得られた波面で波面収差のRMSは0.023λ,下段図は a=20 の時で入射角0°の場合得られた波面で波面収差のRMSは0.101λである。この図でも、2枚レンズの場合に対し収差の改善が見られる。
図１１は上記と同じ３枚構成の場合、他の収差を示し、上段の左図は a＝20の時の像面湾曲及び色収差、右図は歪曲収差を示し入射角45度に対し最大46.4%となる。歪曲収差は近接から無限遠に至ってもほとんど変らない。２枚レンズ系に比して色収差は改善されている。像面湾曲収差の劣化が見られるが、レンズの曲率を変えることにより改善が可能でほとんど問題にならない。下段は、a=20の 時の入射角に対する相対照度を示す。入射角45度の画面端においても、中心部の97.6%の照度が得られる。なお、これらのレンズ系の中で、前面レンズと中間レンズは球面形状用いるため外径がφ0．3程度でも切削加工が可能であり、よく使われる市販の硝子材料，BK7、SF66等を用いる。しかし集光レンズは１６次高次項を考慮した非球面を用いるためマイクロレンズの切削加工は不可能であり、最新の低融点高屈折率の硝子材を用いることにより金型成形加工を行う。
【００１５】
総合倍率ｍは２枚レンズ系の場合a＝２の時ｍ＝-0.148であり、結像面の解像度は図３による物体面での解像度120〜150本/ｍｍにｍを掛けると、18〜22本/ｍｍ程度の解像度が得られる。３枚レンズ系の場合はa＝２の時ｍ＝-0.153で物体面での解像度150〜200本/ｍｍと解すると、像面の解像度は23〜30本/ｍｍが得られる。これはロッドレンズを用いて浅い被写界深度の最良の位置で得られる解像度の実測値9本/ｍｍに比して3倍程度の解像度を得ることになる。実際、従来のレンズによる結像は、被写界深度は高々±０．４ｍｍ程度かそれ以下と言われている。この状態で本発明によるような１ｍｍ〜無限遠までの深度特性と比較するのは難しく、従来のマイクロレンズは、図５及び９に示す程度のスポット集光と、図６及び１０の波面収差を論ずるには至らず、合焦点から少し離すと像がすぐに不鮮明になる。又、従来の方法では、球面マイクロレンズの使用も含めて、レンズを光ファイバーの端面に接着する機構になっているため、本発明によるようなレンズのバックフォーカスを考慮した光学系は考えられていない。これは、ただレンズ系の長さを短くし、体内を含めたの細管内部での屈曲性を良くするためには都合がよい方法と考えられる。本発明では、２枚及び３枚レンズの構成において全長は、2.2〜2.7ｍｍ程度の範囲となっている。一方、市販の映像用広角レンズの例では、数枚のレンズ構成からなり少なくとも全長が30〜40ｍｍ、外径がφ20〜30のレンズ系が多い。本発明ではこれらに比べ非常に小さいマイクロな形状を有し、且つ超高被写界深度の優れた光学系もつものである。
【００１６】
本発明の実際の用途に関しては、上記のような全長が2〜3ｍｍ程度でも図１の光ファイバー結像系においても、カテーテル内視鏡においても十分な仕様を持ち、あらゆる位置で高性能な画像を観察することが可能である。（例えば通常の直視鏡の長さは１０〜２０センチのオーダーである）。図１の場合には光学系を固定するため、固定チューブ３はステンレス製などを用いる場合もある。しかし、本発明による非球面レンズ系では、レンズ間のチルト、傾きに対しする影響があっても、ロッドレンズの使用時などに比較して、性能を維持できる可能性があると考えられる。前記のような金属製のチューブを用いずに樹脂製のチューブにより、少しの屈曲性を持たせたレンズ取付け構造を、メカ的に工夫することも可能である。さらに、本発明の特徴はたった2枚のレンズ構成でも広角まで解像度が保たれる点であり、通常は枚数が少ないと広角において十分なＭＴＦ特性が得られず、周辺ボケ、色収差などによるＭＴＦ曲線の応答が急激に落ちる現象がよく見られる。さらに、より広角性を必要とする場合は光束の蹴られをなくすため、外径を大きくしφ0.7ｍｍ程度のレンズを用いれば110度以上の全視野角が可能である。また、歪曲収差は図７，１１による特性図から、全視野角が40度以内の領域の映像では歪曲収差が10％前後の歪みの少なく、正確な形状を把握することが可能である。この性能は医療分野のみならず、観察を必要とする多くの工業分野でレンズの小型化、マイクロレンズ化に大きく貢献することが出来る。
【符号の説明】
【００１７】
１  対物レンズ系
２  光ファイバー
３  固定チューブ
４  被服チューブ
５  ロッドレンズ
６  接着剤
７  前面レンズ
８  集光レンズ
９  中間レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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