(57)【要約】ビデオ検査デバイスに２位置ズームフォーカス能力を提供するためのシステムであって、一実施形態では、１組の固定されたレールに取り付けられ、ズームレンズセルに接続された焦点レンズセルと１次アパーチャとを備える。一実施形態では、焦点レンズセルは、近位に位置するレンズ移動機構を活性化することによって、レールに沿って第１の位置に移動可能であり、また張力がかかったフォーカススプリングを緩めることによって第２の位置に移動可能である。一実施形態では、第１の焦点位置と第２の焦点位置の間の焦点レンズセルの移動によって、ズームレンズセルおよび２次アパーチャを、対応する第１のズームおよびアパーチャ位置と第２のズームおよびアパーチャ位置との間で移動させて、対象物体の拡大されていない画像および拡大された画像を提供する。【選択図】図１
2013515973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体を撮像するための光学系であって、
焦点レンズセルおよびズームレンズセルが移動可能に取り付けられるレールであり、
前記焦点レンズセルが、少なくとも１つの焦点レンズと、前記焦点レンズ上の入射光の量を制限する１次アパーチャとを備え、前記焦点レンズセルが、前記レール上の第１の焦点位置と前記レール上の第２の焦点位置とを有し、前記第１の焦点位置が、前記第２の焦点位置とは異なる被写界深度を有し、
前記ズームレンズセルが、少なくとも１つのズームレンズを備え、前記ズームレンズセルが、前記レール上の第１のズーム位置と前記レール上の第２のズーム位置とを有し、前記第１のズーム位置が、前記第２のズーム位置とは異なる倍率を有する、レールと、
前記焦点レンズセルの近くの２次アパーチャであって、前記焦点レンズセルの前で移動可能であり、第１のアパーチャ位置と第２のアパーチャ位置とを有し、前記第１のアパーチャ位置が、前記第２のアパーチャ位置とは異なる量の光が前記焦点レンズに入射することを可能にする、２次アパーチャと、
前記レールに沿って軸方向に前記焦点レンズセルを移動させるレンズ移動機構とを備え、
前記レンズ移動機構が、前記焦点レンズセルを前記第２の焦点位置から前記第１の焦点位置に前記レールに沿って軸方向に移動して、前記２次アパーチャを前記第２のアパーチャ位置から前記第１のアパーチャ位置に前記レールに沿って軸方向に移動させ、前記ズームレンズセルを前記第２のズーム位置から前記第１のズーム位置に前記レールに沿って軸方向に移動させて、前記被写界深度、前記倍率、および前記焦点レンズへの前記入射光の量を変更する、光学系。
【請求項２】
フォーカススプリングをさらに備え、前記フォーカススプリングが、前記焦点レンズセルを前記第１の焦点位置から前記第２の焦点位置に前記レールに沿って軸方向に移動させ、前記２次アパーチャを前記第１のアパーチャ位置から前記第２のアパーチャ位置に移動させ、前記ズームレンズセルを前記第１のズーム位置から前記第２のズーム位置に前記レールに沿って軸方向に移動させて、前記被写界深度、前記倍率、および前記焦点レンズへの前記入射光の量を変更する、請求項１記載の光学系。
【請求項３】
前記レンズ移動機構が電気モータを備える、請求項１記載の光学系。
【請求項４】
前記レンズ移動機構が空気アクチュエータを備える、請求項１記載の光学系。
【請求項５】
前記レンズ移動機構がソレノイドを備える、請求項１記載の光学系。
【請求項６】
前記レンズ移動機構がさらに、前記焦点レンズセルを前記第１の焦点位置から前記第２の焦点位置に前記レールに沿って軸方向に移動させ、前記２次アパーチャを前記第１のアパーチャ位置から前記第２のアパーチャ位置に移動させ、前記ズームレンズセルを前記第１のズーム位置から前記第２のズーム位置に前記レールに沿って軸方向に移動させて、前記被写界深度、前記倍率、および前記焦点レンズへの前記入射光の量を変更する、請求項３記載の光学系。
【請求項７】
前記レンズ移動機構がさらに、前記焦点レンズセルを前記第１の焦点位置から前記第２の焦点位置に前記レールに沿って軸方向に移動させ、前記２次アパーチャを前記第１のアパーチャ位置から前記第２のアパーチャ位置に移動させ、前記ズームレンズセルを前記第１のズーム位置から前記第２のズーム位置に前記レールに沿って軸方向に移動させて、前記被写界深度、前記倍率、および前記焦点レンズへの前記入射光の量を変更する、請求項４記載の光学系。
【請求項８】
前記レンズ移動機構がさらに、前記焦点レンズセルを前記第１の焦点位置から前記第２の焦点位置に前記レールに沿って軸方向に移動させ、前記２次アパーチャを前記第１のアパーチャ位置から前記第２のアパーチャ位置に移動させ、前記ズームレンズセルを前記第１のズーム位置から前記第２のズーム位置に前記レールに沿って軸方向に移動させて、前記被写界深度、前記倍率、および前記焦点レンズへの前記入射光の量を変更する、請求項５記載の光学系。
【請求項９】
前記焦点レンズセルと前記ズームレンズセルを接続するズーム調整スクリュと、
前記焦点レンズセルと前記ズームレンズセルの間に位置するズームスプリングであって、前記ズームレンズセルの第２のズーム位置から前記第１のズーム位置への前記移動が、前記ズームスプリングによって、また前記焦点レンズセルの第２の焦点位置から前記第１の焦点位置への前記移動によって引き起こされる、ズームスプリングとをさらに備える、請求項１記載の光学系。
【請求項１０】
前記焦点レンズセルと前記ズームレンズセルを接続するズーム調整スクリュと、
前記焦点レンズセルと前記ズームレンズセルの間に位置するズームスプリングであって、前記ズームレンズセルの第１のズーム位置から前記第２のズーム位置への前記移動が、前記ズームスプリングによって、また前記焦点レンズセルの第１の焦点位置から前記第２の焦点位置への前記移動によって引き起こされる、ズームスプリングとをさらに備える、請求項２記載の光学系。
【請求項１１】
アパーチャカムスロットを有するズームフォーカスモジュール外側シェルをさらに備え、前記２次アパーチャがアパーチャピボットピンをさらに備え、前記アパーチャカムスロットに沿って前記アパーチャピボットピンが移動することによって前記２次アパーチャが前記第１のアパーチャ位置と前記第２のアパーチャ位置の間で移動することになる、請求項１記載の光学系。
【請求項１２】
前記焦点レンズセルの２次アパーチャスロットをさらに備え、前記２次アパーチャの前記第２の位置から前記第１の位置への前記移動が、前記２次アパーチャスロットを通る前記２次アパーチャの回転である、請求項１記載の光学系。
【請求項１３】
前記第１の焦点位置の前記被写界深度が、前記第２の焦点位置の前記被写界深度より小さい、請求項１記載の光学系。
【請求項１４】
前記第１のズーム位置の前記倍率が、前記第２のズーム位置の前記倍率より大きい、請求項１記載の光学系。
【請求項１５】
前記第１のアパーチャ位置の前記焦点レンズへの前記入射光の量が、前記第２のアパーチャ位置の前記焦点レンズへの前記入射光の量より小さい、請求項１記載の光学系。
【請求項１６】
前記第１の焦点位置の前記被写界深度が、前記第２の焦点位置の前記被写界深度より小さい、請求項２記載の光学系。
【請求項１７】
前記第１のズーム位置の前記倍率が、前記第２のズーム位置の前記倍率より大きい、請求項２記載の光学系。
【請求項１８】
前記第１のアパーチャ位置の前記焦点レンズ上の前記入射光の量が、前記第２のアパーチャ位置の前記焦点レンズ上の前記入射光の量より小さい、請求項２記載の光学系。
【請求項１９】
前記１次アパーチャが前記２次アパーチャより大きい、請求項１記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示された主題は、一般にビデオ検査に関し、より詳細には、ビデオ検査デバイス用の２位置ズームフォーカス光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオ内視鏡など検査デバイスは、対象物体を検査するために使用し、検査中および検査後に物体の傷および欠陥を識別し分析することができる。検査は、航空機エンジンおよび細管の内部など、小さい環境内で実施される場合が多い。一般に、これらの環境は、唯一の光源が内視鏡自体の光源（たとえば近くに位置するランプ、ＬＥＤもしくはレーザから、または遠位に位置するランプやＬＥＤからの光を透過させる光ファイバ束）だけであり、照明が不十分である。ビデオ検査デバイスは、これらの環境において有効に操作するために、小さい直径、典型的には１０ｍｍ未満のものであり、また小さい曲げ半径を含む位置を通り抜けるため、小さい遠位の固定長、典型的に２０ｍｍ未満を示さなければならない。さらに、ビデオ検査デバイスは、対象物体のより完全なビューを提供し、それと同時に検査デバイスが物体の非常に近くに置かれたときに鮮明な画像を維持するための大きい被写界深度を提供するために、典型的には最大１２０度またはそれ以上の広い視野を提供することに汎用性があることを必要とする。物体を詳細に検査するには、物体を非常に近い距離から、典型的には５ｍｍ未満の距離から観察できることが必要である場合が多い。近距離では、照明光は典型的に、明るい高品質画像を生成するのに十分であるが、３Ｄ物体の表示には十分な被写界深度が必要である。一方、一般的なデバイスナビゲーションおよび検査のアプリケーションは、検査者がより遠くから物体を見ることが必要である。検査デバイスが所与の検査対象からさらに離れて置かれている場合、十分な画像輝度を維持することが問題となり得る。したがって、ビデオ検査デバイスは、デバイスが所与の検査対象に近づく、またはそこから遠ざかるにつれて変動する照明要件および被写界深度を補償することが可能なアパーチャを必要とする。
【０００３】
今日のビデオ検査システムは典型的には、約４０度から５０度の固定の遠焦点の小さい視野を示す１次光学系からなる。１次光学系は、所与の内視鏡にとって可能な大きい被写界深度の、最高のコントラストおよび輝度の画像を提供する。この構成は、レンズ系をその被写界深度内で検査対象のより近くに押すことによって達成可能な制限された倍率変化に加えて、注目の物体を一般的にナビゲーションし、離れて一般的に検査することを可能にする。より近い焦点距離および／または最大１２０度のより広い視野で倍率増加を提供するために、プローブの光学特性を変更し、所望の視野および焦点距離を提供するために様々な光学系を検査プローブの前端に設置することができる。これらの光学系は、しばしばチップと呼ばれ、取外し可能であってよい。この配置の欠点は、各チップが個別の視野および焦点距離変更を提供するということである。さらに、ビデオ検査デバイスを操作する検査者は、倍率レベルを変更したい場合は検査部位からプローブを引き戻し、チップを変更し、プローブを再挿入することが必要である。これは、時間のかかる工程となることがあり、検査者が特定の関心部位の位置を再び見つけることができなくなることがある。あるいは、焦点を検査の前に設定できる手動で調整可能なチップもある。しかし、こうしたチップは、検査者がそれを使用する前に、どんな距離でチップの焦点を合わせるべきか分かっており、次いでその焦点を後に正確に設定できなければならないので、検査者が使用するのは難しいことがある。
【０００４】
今日のビデオ検査デバイスは一般に、オートフォーカス機構がなく、典型的な検査距離範囲にわたって十分な画像品質を生成するのに十分な大きい被写界深度を有する固定の焦点距離を有するように設計された光学系を含む。この固定の焦点距離があることによって、限られた範囲を除いて、すべてのプローブ焦点距離が可能な最良の焦点、画像品質、コントラストおよび解像度をもつとは限らないことになる。さらに、大きい被写界深度を達成するために、小さい開口サイズが一般に使用され、画像輝度および達成可能な画像コントラストおよび解像度が減少する。一般に、アパーチャは、サイズおよび位置が固定であり、特定のレンズ系直径を考慮して所望の被写界深度を容易にし、かつ固定のＦの数をもたらす所与のレンズ配置に関連するひずみおよび他の光学収差を最小限に抑えるように設計される。これは本質的に、遠い検査距離で明瞭で明るい画像を提供しながら、近い検査距離で許容可能な被写界深度内の良好な画像品質を達成するという矛盾する目標をもたらす。
【０００５】
光学ズーミング、フォーカス調整およびアパーチャ変更を実施できるビデオ検査システムの設計は、部分的には、狭い直径の検査プローブに付随する空間制限、およびプローブの制限された空間内にその焦点距離を変更できる光学系を置くことができないという理由から制約を受ける。一部のデバイスは、内視鏡内に収容するのが難しい複数のレンズおよび／またはモータからなる高価で複雑な光学配置を使用して光学ズーム能力およびフォーカス調整能力を提供しようと試みる。いくつかの既存のビデオ検査デバイスはズーミング能力を提示するが、ズーム特徴は典型的には、デジタルズーム、電荷結合素子（ＣＣＤ：ｃｈａｒｇｅｄ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）またはイメージャによって提供された解像度により制限される方法のものである。デジタルズーム系では、ズームレベルが上がるにつれて、解像度および画像品質は劣化する。
【０００６】
ビデオ検査デバイスが動作する典型的なビデオ検査環境の物理的条件は、検査デバイスが汎用性のある、堅固なものであることを求める。空間制限のために、ビデオ検査デバイスの遠位端は、固定の厳密な長さのものでなければならない。さらに、高温のエンジンやタービンなど、最大摂氏８０度の環境内でビデオ検査デバイスを操作することができることは、検査を実施する前にまずエンジンまたはタービンが冷却されるのを待つのとは対照的に、必要かつ費用効率の高いものであり得る。最後に、典型的なビデオ検査環境は、プローブが潜在的に落下を受け、または潜在的にプローブに他の物体が当たるという工業設定であり得るので、ビデオ検査デバイスは、厳しい環境および偶発的な誤処理に耐えることができるほど機械的に強くなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−０６９２６９号公報
【発明の概要】
【０００８】
ビデオ点検デバイス分野外のカメラに用いられる従来のズームおよびフォーカス系は、その大きさ、および検査分野で遭遇する極端な環境で動作できないことによってその応用がビデオ検査分野に制限される。内視鏡検査環境で使用するのに適した少なくとも２つのズームフォーカス位置を光学系に設けるビデオ検査デバイスを提供することが有利である。
【０００９】
対象物体を撮像するための光学系が開示され、この光学系は、焦点レンズセルおよびズームレンズセルが移動可能に取り付けられるレールと、少なくとも１つの焦点レンズと、焦点レンズ上の入射光の量を制限する１次アパーチャとを備える焦点レンズセルであって、レール上の第１の焦点位置とレール上の第２の焦点位置とを有し、第１の焦点位置が、第２の焦点位置とは異なる被写界深度を有する、焦点レンズセルと、少なくとも１つのズームレンズを備えるズームレンズセルであって、レール上の第１のズーム位置とレール上の第２のズーム位置とを有し、第１のズーム位置が第２のズーム位置とは異なる倍率を有する、ズームレンズセルと、焦点レンズセルの近くの２次アパーチャであって、焦点レンズセルの前で移動可能であり、第１のアパーチャ位置と第２のアパーチャ位置とを有し、第１のアパーチャ位置が、第２のアパーチャ位置とは異なる量の光が焦点レンズに入射することを可能にする、２次アパーチャと、レールに沿って軸方向に焦点レンズセルを移動させるレンズ移動機構とを備え、レンズ移動機構が、焦点レンズセルを第２の焦点位置から第１の焦点位置にレールに沿って軸方向に移動して、２次アパーチャを第２のアパーチャ位置から第１のアパーチャ位置にレールに沿って軸方向に移動させ、ズームレンズセルを第２のズーム位置から第１のズーム位置にレールに沿って軸方向に移動させて、被写界深度、倍率、および焦点レンズへの入射光の量を変更する。
【００１０】
本開示の特徴を理解できるように、添付の図面にその一部が示されている特定の実施形態を参照することによって本発明の詳細な説明を得ることができる。しかし、本発明の範囲が他の同様に有効な実施形態を包含するものであるので、図面は、本開示の特定の実施形態を示すものにすぎず、したがって、その範囲を限定するものと見なすべきでないことに留意されたい。図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、一般には、本発明の特定の実施形態の特徴を示すことに重点を置いている。したがって、本発明についてさらに理解するために、図面と併せ読まれる下記の詳細な説明を参照することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における例示的なビデオ検査デバイスを示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における、プルブロック（ｐｕｌｌ  ｂｌｏｃｋ）が取り除かれた第１の位置の例示的な２位置ズームフォーカス光学系を示す内部透視図である。
【図３】本発明の一実施形態における、プルブロックが設置された第１の位置の例示的な２位置ズームフォーカス光学系を示す内部透視図である。
【図４】本発明の一実施形態における１次アパーチャおよび２次アパーチャを示す例示的な焦点レンズセルの透視図である。
【図５】本発明の一実施形態における、プルブロックが取り除かれた第２の位置の例示的な２位置ズームフォーカス光学系を示す内部透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態の例示的なビデオ検査デバイス１０を示している。ビデオ検査デバイス１０は、挿入チューブ１１０と、挿入チューブ１１０の遠位端に位置するヘッドアセンブリ１２０とを備える細長いプローブ１００を含むことができる。挿入チューブ１１０は、ヘッドアセンブリ１２０とプローブ電子機器１４０の間のすべての相互接続が通される柔軟な管状部であってよい。ヘッドアセンブリ１２０は、対象物体からの光をイメージャ１２４に誘導し収束させるためにズームフォーカスモジュール２００を含んでよい。イメージャ１２４は、対象物体の画像を得るためのソリッドステートＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサであってよい。
【００１３】
チップ１３０は、ヘッドアセンブリ１２０の遠位端に置くことができる。チップ１３０は、対象物体からの光をイメージャ１２４に誘導し収束させるためにズームフォーカスモジュール２００と連携して働くチップ表示光学系１３５（たとえばレンズ、ウィンドウまたはアパーチャ）を含むことができる。チップ１３０は、ビデオ検査デバイス１０の光源がチップ１３０、またはプローブ１００から対象物体に光を通過させる光通過素子（図示せず）から放射される場合、照明ＬＥＤ（図示せず）を含むこともできる。チップ１３０は、カメラビューおよび光出力を側面に向けるための導波管（たとえばプリズム）を含むことによって側視する能力を提供することもできる。チップ１３０に含まれてよい素子は、プローブ１００にも含まれてよい。プローブ１００とチップ１３０の両方の中のレンズ、導波管およびウィンドウは、成型グラス、磨きガラスまたは磨きサファイアで構成されてよい。
【００１４】
イメージャ１２４は、複数の行および列で形成された複数のピクセルを含むことができ、イメージャ１２４の各ピクセルに入射する光を表すアナログ電圧の形の画像信号を生成することができる。画像信号は、信号バッファリングおよび調整のための電子機器を提供するイメージャハイブリッド１２６を介してイメージャハーネス１１２に伝播することができ、このイメージャハーネス１１２は、イメージャハイブリッド１２６とイメージャインターフェース電子機器１４２との間の制御信号およびビデオ信号のためのワイヤを提供する。イメージャインターフェース電子機器１４２は、電源と、イメージャクロック信号を生成するタイミング発生器と、イメージャビデオ出力信号をデジタル化するアナログフロントエンドと、デジタル化された画像ビデオデータをより有用なビデオ形式へと処理するデジタル信号プロセッサとを含んでよい。
【００１５】
イメージャインターフェース電子機器１４２は、ビデオ検査デバイス１０を操作するための機能の集合を提供するプローブ電子機器１４０の一部である。プローブ電子機器１４０は、プローブ１００および／またはチップ１３０のための較正データを格納する較正メモリ１４８を含むこともできる。利得および露出設定を決定し設定するためにイメージャインターフェース電子機器１４２と通信し、較正メモリ１４８からの較正データを格納し読み出し、対象物体に送られた光を制御し、ビデオ検査デバイス１０のＣＰＵ  １５０と通信するためのマイクロコントローラ１４６もまた、プローブ電子機器１４０に含まれてよい。
【００１６】
マイクロコントローラ１４６と通信することに加えて、イメージャインターフェース電子機器１４２は、１つまたは複数のビデオプロセッサ１６０と通信することもできる。ビデオプロセッサ１６０は、イメージャインターフェース電子機器１４２からビデオ信号を受信し、一体型ディスプレイ１７０または外部モニタ１７２を含めて様々なモニタに出力信号を出力することができる。一体型ディスプレイ１７０は、様々な画像またはデータ（たとえば対象物体の画像、メニュー、カーソル、測定結果）を検査者に表示するためのビデオ検査デバイス１０に組み込まれたＬＣＤ画面であってよい。外部モニタ１７２は、様々な画像またはデータを表示するためにビデオ検査デバイス１０に接続されたビデオモニタまたはコンピュータタイプのモニタであってよい。
【００１７】
ビデオプロセッサ１６０は、ＣＰＵ  １５０への／からのコマンド、ステータス情報、ストリームビデオ、静止ビデオ画像およびグラフィカルオーバーレイを提供することができ、画像キャプチャ、画像強調、グラフィカルオーバーレイマージ、歪み補正、フレーム平均化、スケーリング、デジタルズーミング、オーバーレイ、マージ、フリッピング、動き検出、およびビデオフォーマット変換および圧縮を提供するＦＰＧＡ、ＤＳＰ画像または他の処理要素で構成されてもよい。
【００１８】
ＣＰＵ  １５０は、画像、ビデオおよびオーディオの記憶および呼戻し機能、ズームフォーカス制御、システム制御および測定処理を含めて多数の他の機能を提供することに加えて、画像、ジョイスティック１８０、ボタン１８２および／またはキーパッド１８４を介して入力を受信することによってユーザインターフェースを管理するために使用することができる。ジョイスティック１８０は、ユーザによって、メニュー選択、カーソル移動、スライダ調整、ズームフォーカスモジュール２００の移動、およびプローブ１００の明瞭度制御などの操作を実施するために操作することができ、またプッシュボタン機能を含んでよい。ボタン１８２および／またはキーパッド１８４は、メニュー選択、およびＣＰＵ  １５０へのユーザコマンド提供（たとえば静止ビデオ画像の凍結または保存）に使用することもできる。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態の例示的なズームフォーカスモジュール２００の内部透視図を示している。中心軸２０１は、ズームフォーカスモジュール２００の中心を通って縦方向に伸びている。ズームフォーカスモジュール２００は、フレーム２４４によって接続されたキャリッジ遠位端２４２と近位端２４３を有し得るズームフォーカスキャリッジ２４０を含んでよく、このフレーム２４４は、ズームフォーカスモジュール２００のコンポーネントをその中に移動可能に取り付けることができる剛構造を提供する。ズームフォーカスキャリッジ２４０は、様々な材料、たとえばステンレス鋼や合金で作ることができる。一実施形態では、ズームフォーカスキャリッジ２４０およびフレーム２４４は、単一の材料で構成される。さらに、少なくとも１つのレール２４５は、中心軸２０１に実質的に平行に近位端２４３と遠位端２４２の間で縦方向に延びることができる。一実施形態では、２つ以上の円筒形状のレール２４５は、ズームフォーカスキャリッジ２４０に固定可能に取り付けることができる。ズームレンズセル２２０は、キャリッジ遠位端２４２の近くに位置することができ、ズームレンズフレーム２２５に囲まれた少なくとも１つの光学ズームレンズ２２１（図示せず）を備えることができる。ズームレンズフレーム２２５は、様々な材料、たとえばステンレス鋼や合金で作ることができる。ズームレンズセル２２０は、ズームレンズフレーム２２５の外側表面に付けられた、１つまたは複数のズームフレームアーム２２６によってレール２４５に移動可能に取り付けることができる。一実施形態では、ズームフレームアーム２２６およびズームレンズフレーム２２５は、単一の材料で構成される。レール２４５は、光学ズーム能力を提供するためにズームレンズセル２２０がレール２４５に沿って実質的に中心軸２０１に平行に移動できるように、ズームフレームアーム２２６の開口部を通って伸びる。さらに、少なくとも１つのズームフレームスクリュアーム２２７を、ズームレンズフレーム２２５の外側表面に取り付けることができる。
【００２０】
ズームレンズセル２２０に隣接して、焦点レンズセル２３０を置くことができ、この焦点レンズセル２３０は、焦点レンズフレーム２３５に囲まれた少なくとも１つの焦点レンズ２３１（図示せず）を備えることができる。焦点レンズフレーム２３５は、様々な材料、たとえばステンレス鋼、合金で作ることができる。一実施形態では、焦点レンズセル２３０は、ズームレンズセル２２０の近くに置くことができる。焦点レンズセル２３０は、焦点レンズフレーム２３５の外側表面に付けることができる少なくとも１つの焦点フレームレールアーム２３６によってレール２４５に移動可能に取り付けることができる。一実施形態では、縦方向に整列され、間隔をあけて位置する焦点フレームレールアーム２３６の２つ以上の対によって、焦点レンズセル２３０が２つ以上のレール２４５に取り付けられる。レール２４５は、光学焦点能力を提供するために焦点レンズセル２３０が、固定された近くに位置するイメージャ１２４に対してレール２４５に沿って、中心軸２０１に沿って縦方向に移動できるように、焦点フレームレールアーム２３６の開口部を通って、焦点レンズセル２３０に平行に延びる。さらに、ねじ切り穴を有する少なくとも１つの焦点フレームスクリュアーム２３７は、焦点レンズフレーム２３５の外側表面に取り付けることができる。
【００２１】
一実施形態では、少なくとも１つの縦方向に整列されたズーム調整ねじ２６０は、ズーム調整ねじ２６０の遠位端をズームレンズセル２２０に向かって焦点レンズセル２３０の遠位端を超えてズームフレームスクリュアーム２２７へと進めて、ズームレンズセル２２０を焦点レンズセル２３０と相互接続できるように、少なくとも１つの焦点フレームスクリュアーム２３７のねじ切り穴を通って、焦点レンズセル２３０の外側表面に沿って中心軸２０１に実質的に平行に伸びる。ズームレンズセル２２０は、ズーム調整ねじ２６０に沿って近位にスライドすることも、遠位にスライドすることもできるが、ズーム調整ねじ２６０の遠位端を超えて伸びることはできない。ズーム調整ねじ２６０は、さらに様々なレンズおよび部品公差に適応するように、製造中に焦点位置およびズーム位置を調整および較正することをも可能にする。
【００２２】
図３は、本発明の一実施形態におけるプルブロックが取り付けられた第１の位置の例示的な２位置ズームフォーカス光学系を示す内部透視図である。図３に示されたように、焦点レンズセル２３０の周囲には、１つまたは複数の円筒状プルブロック２５０がある。プルブロック２５０は、焦点レンズセル２３０を囲み、焦点レンズセル２３０およびフレーム２４４を収容するように形作られたくぼんだ内部空洞を有することができる。さらに、プルブロック２５０の内部表面に刻み目を付けることによって、プルブロック２５０がレール２４５上で、またそれに沿ってスライドすることが可能になる。プルブロック２５０の側面に沿って伸びる１つまたは複数の開口部２５５によって、焦点フレームレールアーム２３６は、摩擦でプルブロック２５０とかみ合い、焦点レンズセル２３０をプルブロック２５０と相互接続することが可能となる。レンズ制御ケーブル２０２の遠位端は、プルブロック２５０で終端されてよい。したがって、プルブロック２５０と焦点レンズセル２３０がかみ合うので、レンズ制御ケーブル２０２の遠位または近位の動きによって、プルブロック２５０と焦点レンズセル２３０の両方がレール２４５に沿って遠位または近位に動く。
【００２３】
図４は、本発明の一実施形態における、１次アパーチャおよび２次アパーチャを示す例示的な焦点レンズセルの透視図である。図４を参照すると、焦点レンズ２３１（図示せず）からの中心軸２０１に沿って、１次アパーチャ２９０が遠位に置かれてよい。アパーチャ２９０の中心は、中心軸２０１と整列されてよい。一実施形態では、１次アパーチャ２９０は、焦点レンズセル２３０の一部であってよい。１次アパーチャ２９０は、所定量の光がズームレンズセル２２０から焦点レンズ２３１上に入射することを可能にする。焦点レンズフレーム２３５内の１次アパーチャ２９０から遠位には、焦点レンズフレーム２３５の側面を通って伸びる開口部を備える２次アパーチャスロット２１５が置かれてよい。焦点レンズフレーム２３５内の１次アパーチャ２９０から遠位には、第１の端を通って延びる２次アパーチャスロット２１５と、第２の端を通って延びるピボット穴２９３とを有する２次アパーチャアーム２９５も置かれてよい。ズーム調整ねじ２６０は、２次アパーチャアーム２９５が焦点レンズフレーム２３５内の２次アパーチャスロット２１５を通って、また１次アパーチャ２９０の前で、ズーム調整ねじ２６０に実質的に垂直に、ズーム調整ねじ２６０の周りで自由に回転できるように、ピボット穴２９３を通過する。１次アパーチャ２９０の前で回転されるとき、２次アパーチャ２９２の中心は、中心軸２０１と実質的に合わせることができる。一実施形態では、２次アパーチャ２９２は、中心軸２０１に沿って１次アパーチャ２９０の前で回転される場合、１次アパーチャ２９０より小さいことがあり、それによって、中心軸２０１に沿って１次アパーチャ２９０の前で回転されるとき、ズームレンズセル２２０から焦点レンズセル２３０に入射する光の量をさらに制限することができる。ズーム調整ねじ２６０に取り付けられた２次アパーチャアーム２９５の端から外側に伸びるのは、アパーチャピボットピン２１７であってよい。焦点レンズセル２３０、１次アパーチャ２９０、２次アパーチャ２９２およびズーム調整ねじ２６０はすべて相互接続されているので、レンズ制御ケーブル２０２が動くと、これらの構成要素すべてが、レール２４５に沿って実質的に中心軸２０１に平行にそろって動くことになる。
【００２４】
図５は、本発明の一実施形態における、プルブロックが取り除かれた第２の位置の例示的な２位置ズームフォーカス光学系を示す内部透視図である。図５を参照すると、ズームフォーカスモジュール２００を包んでいるのは、ズームフォーカスモジュール外側シェル２１０であってよい。ズームフォーカスモジュール外側シェル２１０は、様々な材料、たとえばステンレス鋼、合金またはプラスチックで作ることができ、検査環境の危険からズームフォーカスモジュール２００の構成要素が保護される。一部の実施形態は、ズームフォーカスモジュール外側シェル２１０を囲む追加の外側シェルを含んでよい。この追加の外側シェルは、密封の遠位窓を含み、それによって液体がズームモジュール２００を入らないようにし、追加の外側シェルの遠位端は、様々なチップ取付けに対応するようにねじ切りをすることができる。ズームフォーカスモジュール外側シェル２１０の遠位端の近くには、アパーチャカムスロット２１６が置かれてよい。アパーチャカムスロット２１６は、ズームフォーカスモジュール２００の中心軸２０１に関して斜めにできる方向にズームフォーカスモジュール外側シェル２１０に沿って伸びるズームフォーカスモジュール外側シェル２１０内の狭い開口部であってよい。組み立てられるとき、アパーチャピボットピン２１７は、ズームフォーカスモジュール２００内の中心軸２０１に沿って焦点レンズセル２３０が動くとアパーチャピボットピン２１７がアパーチャカムスロット２１６内でスライドして、ズーム調整ねじ２６０の周りで２次アパーチャアーム２９５を回転するように、アパーチャカムスロット２１６を通って延びる。アパーチャピボットピン２１７がアパーチャカムスロット２１６の近接端に位置する場合は、２次アパーチャ２９２は、回転させて１次アパーチャ２９０の前の中心軸２０１に合わせ、第１のアパーチャ位置にすることができる。アパーチャピボットピン２１７がアパーチャカムスロット２１６の遠位端に位置する場合は、２次アパーチャ２９２は、中心軸２０１から離れてズームフォーカスモジュール外側シェル２１０の内部壁に向かって回転させて、第２のアパーチャ位置にすることができる。
【００２５】
図１から図４を再び参照すると、最も遠位に位置する焦点フレームレールアーム２３６とズームフレームアーム２２６の間のレール２４５の周りに、少なくとも１つのズームスプリング２８０が置かれてよい。一実施形態では、ズームスプリング２８０は、２つのレール２４５の各レールの周りに置くことができる。焦点レンズセル２３０の近位端とイメージャ１２４の間、最も近位の焦点フレームレールアーム２３６とズームフォーカスキャリッジ２４０の近位端２４３の間のレール２４５の周りに、少なくとも１つのフォーカススプリング２７０が置かれてよい。一実施形態では、フォーカススプリング２７０は、２つのレール２４５の各レールの周りに置かれてよい。一実施形態では、焦点レンズセル２３０がズームフォーカスモジュール２００内で遠位に移動されるとき、ズームスプリング２８０を圧縮することができ、またフォーカススプリング２７０を緩めることができる。したがって、この実施形態では、焦点レンズセル２３０がズームフォーカスモジュール２００内で近位に移動される場合、ズームスプリング２８０を緩めることができ、フォーカススプリング２７０を圧縮することができる。
【００２６】
一実施形態では、レンズ移動機構１４４は、レンズ制御ケーブル２０２の近位端に取り付けることができ、レンズ制御ケーブル２０２に張力をかけ、所定の第１のズームフォーカス位置を達成するために中心軸２０１に沿ってズームフォーカスモジュール２００内の所定距離で近位に、または所定の第２のズームフォーカス位置を達成するために所定距離で遠位に移動するように作動させることができる。一実施形態では、レンズ移動機構１４４は、電気モータであってよい。他の実施形態では、レンズ移動機構１４４は、空気アクチュエータであってもよいし、ソレノイドであってもよい。レンズ制御ケーブル２０２を近位に移動することによって、レンズ制御ケーブル２０２内に、フォーカススプリング２７０によって及ぼされた遠位に向けられた力より大きいことがある張力をもたらすことができ、それによって、焦点レンズセル２３０をキャリッジ近位端２４３に向かって引き、フォーカススプリング２７０を圧縮することができる。さらに、アパーチャピボットピン２１７は、アパーチャカムスロット２１６に沿って近位に移動して、２次アパーチャ２９２を第２のアパーチャ位置から、１次アパーチャ２９０の前の第１のアパーチャ位置へと回転することができる。焦点レンズセル２３０が近位に移動するときのズームスプリング２８０の減圧によって、ズームレンズセル２２０の近位端を焦点レンズセル２３０の遠位端に対して中心軸２０１に沿って遠位に押すことができる第１のズーム位置から、ズームレンズセル２２０を焦点レンズセル２３０の遠位端から、ズーム調整ねじ２６０の遠位端によって決まる距離に遠位に移動できる第２のズーム位置に、ズームレンズセル２２０を強制的に動かすことができる。
【００２７】
これらの動作で、第１のズームフォーカス位置を達成することができ、すなわち焦点レンズセル２３０は、ズームフォーカスモジュール２００内の中心軸２０１に沿って近い位置の第１の焦点位置に移動されており、２次アパーチャ２９５は、１次アパーチャ２９０前の第１のアパーチャ位置へと回転させることができ、ズームレンズセル２２０は、焦点レンズセル２３０から所定距離遠位に移動されて、第１のズーム位置に移動している。さらに、ズームレンズセル２２０がズーム調整ねじ２６０によって焦点レンズセル２３０に取り付けられるので、ズームレンズセル２２０は、焦点レンズセル２３０の遠位端から遠位に移動されるにもかかわらず、中心軸２０１に沿って所定距離近位に移動している。
【００２８】
一実施形態では、第１のズームフォーカス位置で、ズームフォーカスモジュール２００は、より小さい２次アパーチャ２９２を使用する対象物体の拡大画像を提供して、それによって、焦点レンズ２３１への入射光の量を制限することができる。そうする際に、ズームフォーカスモジュール２００内の焦点レンズセル２３０およびズームレンズセル２２０の位置は、システムがイメージャ１２４上で対象物体のフォーカスされた拡大画像を生成する小さい被写界深度を有するように予め定めることができる。しかしながら、光学部品のそれぞれ異なる配置を有する異なる実施形態は、類似の移動を用いて反対の結果をもたらすことができ、すなわちズームフォーカスモジュール２００内の焦点レンズセル２３０およびズームレンズセル２２０の位置は、イメージャ１２４上で対象物体のフォーカスされた、拡大されない画像を生成する大きい被写界深度をシステムが有するように予め定めてよいことが当業者には理解されよう。
【００２９】
一実施形態では、レンズ移動機構１４４を非活性化することによって、レンズ制御ケーブル２０２の張力を緩め、焦点レンズセル２３０を遠位に移動させ、第２のズームフォーカス位置を達成することができる。レンズ移動機構１４４の非活性化の結果生じるフォーカススプリング２７０の減圧によって、ズーム調整ねじ２６０に沿って焦点レンズセル２３０を遠位に押すことができる。ズーム調整ねじ２６０を遠位に移動することによって、ズームレンズセル２２０の遠位端が第２のズーム位置を定義するズームフォーカスキャリッジ２４０の遠位端２４２に接触するまで、ズームレンズセル２２０が第１のズーム位置から遠位に移動されることになる。ズームスプリング２８０の圧縮に必要な力の量は、フォーカススプリング２７０の減圧によって及ぼされるものより小さいことがあるので、焦点レンズセル２３０は、遠位に移動し続け、ズームスプリング２８０を圧縮し、焦点レンズセル２３０の遠位端がズームレンズセル２２０の近位端と接触するときに停止する。さらに、アパーチャピボットピン２１７は、アパーチャカムスロット２１６に沿って遠位に移動して、２次アパーチャ２９２を１次アパーチャ２９０から離れて、第１のアパーチャ位置から第２のアパーチャ位置へと回転させることができる。これらの動作で、第２のズームフォーカス位置を達成することができ、すなわち焦点レンズセル２３０は、焦点レンズセル２３０の遠位端を中心軸２０１に沿ってズームレンズセル２２０の近位端に対して圧縮することができるように第１の焦点位置から第２の焦点位置に遠位に移動されており、２次アパーチャ２９２は、１次アパーチャ２９０から離れて、第１のアパーチャ位置から第２のアパーチャ位置へと回転させることができ、ズームレンズセル２２０は、ズームレンズセル２２０の遠位端がズームフォーカスキャリッジ２４０の遠位端２４２に接触できるように第１のズーム位置から第２のズーム位置に移動している。
【００３０】
一実施形態では、第２のズームフォーカス位置で、ズームフォーカスモジュール２００は、より大きい１次アパーチャ２９０を使用し、それによって焦点レンズ２３１への入射光の量を増加することによって、対象物体の明るい、拡大されていない画像を生成することができる。そうする際に、ズームフォーカスモジュール２００内の焦点レンズセル２３０の位置およびズームレンズセル２２０の位置は、システムがイメージャ１２４上で対象物体のフォーカスされた明るい、拡大されていない画像を生成するために大きい被写界深度を有するように予め定めることができる。しかしながら、光学部品のそれぞれ異なる配置を有する異なる実施形態は、類似の移動を用いて反対の結果をもたらすことができ、すなわちズームフォーカスモジュール２００内の焦点レンズセル２３０およびズームレンズセル２２０の位置は、イメージャ１２４上で対象物体のフォーカスされた、拡大された画像を生成するために小さい被写界深度をシステムが有するように予め定めてよいことが当業者には理解されよう。
【００３１】
レンズ移動機構１４４をズームフォーカスモジュール２００の外に置くことによって、ズームフォーカスモジュール２００内に追加の空間を提供して、それによって、２位置ズームフォーカス能力を提供するより大きく、より単純で、より信頼できる、コスト効率の高い機構を使用することが可能になる。さらに、第２のズームフォーカス位置を達成するためにスプリングまたは他の弾性のあるデバイスを使用する実施形態によって、追加のレンズ移動機構を不要にすることができる。この手法は、より大きく、それほど複雑でない機構、電子機器、光学機器を可能にすることによって、光学系の信頼性および耐久性を向上させるだけでなく、コストをも減少させることもできる。
【００３２】
本明細書に述べられた例示的な実施形態はすべて、ズームレンズセル２２０に近い焦点レンズセル２３０に焦点を当てているが、それだけに限らないがズームレンズセル２２０、焦点レンズセル２３０、１次アパーチャ２９０および２次アパーチャ２９２を含めて光学系の様々な構成要素の設計および構成を、同じ光学効果をもたらしながら再構成することができる代替実施形態を設計可能であることが当業者には理解されよう。
【００３３】
本書は、最良の形態を含めて本発明を開示し、また任意のデバイスまたはシステムを作成し使用し、組み込まれたいずれかの方法を実施することを含めて当業者が本発明を実施することを可能にするためにも例を用いている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含み得る。他のこうした例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と僅かにしか異ならない均等な構造的要素を含む場合は、特許請求の範囲内のものとする。
【符号の説明】
【００３４】
１００  プローブ
１１０  挿入チューブ
１１２  イメージャハーネス
１２０  ヘッドアセンブリ
１２４  イメージャ
１２６  イメージャハイブリッド
１３０  チップ
１３５  チップ表示光学系
１４０  プローブ電子機器
１４２  イメージャインターフェース電子機器
１４４  レンズ移動機構
１４６  マイクロコントローラ
１４８  較正メモリ
１５０  ＣＰＵ
１６０  ビデオプロセッサ
１７０  一体型ディスプレイ
１７２  外部モニタ
１８０  ジョイスティック
１８２  ボタン
１８４  キーパッド
２００  ズームフォーカスモジュール
２０１  中心軸
２０２  レンズ制御ケーブル
２１０  ズームフォーカスモジュール外側シェル
２１５  ２次アパーチャスロット
２１６  アパーチャカムスロット
２１７  アパーチャピボットピン
２２０  ズームレンズセル
２２１  光学ズームレンズ
２２５  ズームレンズフレーム
２２６  ズームフレームアーム
２２７  ズームフレームスクリュアーム
２３０  焦点レンズセル
２３１  焦点レンズ
２３５  焦点レンズフレーム
２３６  焦点フレームレールアーム
２３７  焦点フレームスクリュアーム
２４０  ズームフォーカスキャリッジ
２４２  遠位端
２４３  近位端
２４４  フレーム
２４５  レール
２５０  プルブロック
２５５  開口部
２６０  ズーム調整ねじ
２７０  フォーカススプリング
２８０  ズームスプリング
２９０  １次アパーチャ
２９２  ２次アパーチャ
２９５  ２次アパーチャアーム
【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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【国際調査報告】
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