(57)【要約】  光学デバイスは、身体中に挿入するよう設定された細長い管と、前記管内に位置する光学部材とを含む。光学部材は、約０．０５より大きな光学不変量−対−開口半直径比と、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍのスペクトル範囲の中間波長当たり少なくとも２５０回分割された光学不変量のおよその値より小さい光路差と、を持つように設定され、そして好ましくは異常分散光学材料から形成される。方法は、身体中に挿入するよう設定された細長い管内に位置する少なくとも１つの光学部材を通して多色光を導く段階を含み、その状況で前記光学部材は、約０．０５より大きな光学不変量−対−開口半直径比と、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍのスペクトル範囲の中間波長当たり少なくとも２５０回分割された光学不変量のおよその値より小さい光路差と、を持つ。
2010526342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
身体中に挿入するよう設定された細長い管と、
前記管内に位置する少なくとも２つの光学部材であって、約０．０５より大きな光学不変量−対−開口半直径比と、約４３５．８から約６５６．３ナノメートルのスペクトル範囲の中間波長当たり少なくとも２５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差と、を持つように組み合わせて設定される光学部材と、
を含むことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
組み合わせの前記光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり３２０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つように設定されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
組み合わせの光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり４５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つように設定されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光学部材の少なくとも１つは異常分散光学材料を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記光学部材の１つは異常分散光学材料を有し、前記光学部材の他のものは異なった異常分散光学材料を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記光学部材の少なくとも１つは光学ダブレットを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
１対の光学ダブレットはひとみ平面の対向する側に隣接することを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
それぞれの光学ダブレットは互いに接着された２つのレンズを有し、前記レンズの少なくとも１つは異常分散光学材料を含むことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
それぞれの光学ダブレットは、異常分散光学材料を含むレンズと、異なった異常分散光学材料を含む他のレンズと、を有することを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記異常分散光学材料はＮ−ＫＺＦＳ１１とＳ−ＦＰＬ５３を有することを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
それぞれの光学ダブレットは両凸レンズに接着された平凹レンズを有することを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１２】
それぞれの光学ダブレットは光軸に沿って軸方向に配置され、前記両凸のレンズは、ひとみ平面の対向する側に隣接することを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスは、対物グループと少なくとも１つのリレーグループとをさらに有し、前記対物グループに最も近い前記リレーグループは光学ダブレットを含むことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスは、対物グループと少なくとも１つのリレーグループとをさらに有し、前記対物グループから最も遠い前記リレーグループは光学ダブレットを含むことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１５】
身体中に挿入するよう設定された細長い管と、
異常分散光学材料を含む、前記管内に位置する少なくとも２つの光学部材と、
を有することを特徴とするデバイス。
【請求項１６】
前記光学部材は光学ダブレットを有することを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
身体中に挿入するよう設定された細長い管内に位置する１つ以上の光学部材を通して多色光を導く段階を含み、その状況で、前記１つ以上の光学部材は、約０．０５より大きな光学不変量−対−開口半直径比と、約４３５．８から約６５６．３ナノメートルのスペクトル範囲の中間波長当たり少なくとも２５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差と、を持つことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記１つ以上の光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり３２０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記１つ以上の光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり４５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記光学部材は異常分散光学材料を有することを特徴とする請求項１７の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願に対する相互参照］
本願は、２００７年５月４日に出願された米国特許出願第１１／７４４，８１０号明細書に対する優先権を主張するＰＣＴ国際出願であって、その開示内容は全てがここに参照として組み入れられる。
【０００２】
本願明細書の説明は、色収差を修正する光学システムに関連する。
【背景技術】
【０００３】
内視鏡のような光学デバイスは、医学的状態の診断と処置の両方のために、人体の内部の空洞のような身体内部を見るために使われる。直接の観測が容易には可能でないような他の身体または物体の内部を観察するために、光学デバイスも使われる。例えば、原子炉内の核燃料元素またはターボ機械内のロータを検査するためにボアスコープが使われ、類似の光学デバイスが建築用内視鏡検査において建築物の縮尺模型の内部を見るために使われる。
【０００４】
これらの光学デバイス、例えば、アナログまたはデジタルカメラまたはビデオカメラは、身体内部の解剖学的組織を視覚化するための画像デバイスにしばしば結合される。その画像は、診断、比較、外科的または治療的処置、医療調査、訓練などに有用である。光学デバイスにおけるレンズは、目標物の画像を画像デバイスにリレー（中継）する。例えば外科的または治療的処置の間に、画像デバイスによって作り出された画像はモニター上に表示される。カラーの画像システムにおいて、レンズ上に入射する様々な波長の光線が、様々な角度で屈折させられ、色収差をもたらす。
【０００５】
直接見るため、および／またはビデオカメラで見るために設計された内視鏡は、約４８０ナノメートル（ｎｍ）から約６４４ｎｍのスペクトル範囲における色収差を減らすために慣習的に色修正される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１１／７４４，８１０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８５３，４８５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの一般的な局面によれば、約４３５．８ｎｎから約６５６．３ｎｍのスペクトル範囲における色収差を十分に修正する色修正光学システムは、身体中に挿入するよう設定された細長い管と、前記管内に位置する少なくとも２つの光学部材と、を含む。組み合わせの光学部材は、約０．０５より大きな光学不変量−対−開口半直径比(an optical invariant-to-clear aperture semi-diameter ratio)と、前記スペクトル範囲全体の中間波長当たり少なくとも２５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差と、を持つように設定される。
【０００８】
この局面の実施は、以下の特徴の一つまたはそれ以上を含むことができる。例えば、組み合わせの前記光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり３２０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つように設定される。組み合わせの光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり４５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つように設定される。１つ以上の前記光学部材は異常分散光学材料を含む。前記光学部材の他のものは異なった異常分散光学材料を有する。
【０００９】
１つ以上の前記光学部材は光学ダブレットを有する。１対の光学ダブレットはひとみ平面(pupil plane)の対向する側に隣接する。それぞれの光学ダブレットは互いに接着された２つのレンズを有し、前記レンズの少なくとも１つは異常分散光学材料を含む。それぞれの光学ダブレットは、異常分散光学材料を含むレンズと、異なった異常分散光学材料を含む他のレンズと、を含む。前記異常分散光学材料はＮ−ＫＺＦＳ１１とＳ−ＦＰＬ５３である。それぞれの光学ダブレットは両凸レンズに接着された平凹レンズを含む。それぞれの光学ダブレットは光軸に沿って軸方向に配置され、前記両凸のレンズは、ひとみ平面の対向する側に隣接する。前記デバイスは、対物グループと少なくとも１つのリレーグループとをさらに含み、前記対物グループに最も近い前記リレーグループは光学ダブレットを含む。対物グループと少なくとも１つのリレーグループとにおいて、前記対物グループから最も遠い前記リレーグループは光学ダブレットを含む。全部で１８個のレンズが存在する。
【００１０】
他の一般的な局面によれば、異常分散光学材料を含む光学部材は、身体中に挿入するよう設定された細長い管内に位置する。この局面の実施は、光学部材が光学ダブレットであるということを含みうる。
【００１１】
他の一般的な局面によれば、方法は、身体中に挿入するよう設定された細長い管内に位置する１つ以上の光学部材を通して光を導く段階と、約４３５．８ｎｎから約６５６．３ｎｍのスペクトル範囲における色収差を十分に修正する段階と、を含む。前記１つ以上の光学部材は、約０．０５より大きな光学不変量−対−開口半直径比と、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍのスペクトル範囲の中間波長当たり少なくとも２５０回分割された光学不変量の値より小さい光路差と、を持つ。
【００１２】
この局面の実施は、以下の特徴の一つまたはそれ以上を含むことができる。例えば、前記１つ以上の光学部材は、前記スペクトル範囲の中間波長当たり３２０回分割された光学不変量の値より小さい光路差を持つ。前記光学部材は異常分散光学材料を有する。前記光学部材は光学ダブレットを有する。
【００１３】
好都合に、拡張されたスペクトル範囲において、高品質の内視鏡カラー画像を可能にする段階の１つ以上を含むことができ、内視鏡システムにおける高解像度ビデオカメラの使用をサポートし、そして高解像度ビデオカメラによって画像化されたスペクトル範囲全体にわたって内視鏡システムにおける色収差を修正することができる。
【００１４】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面と以下の説明において説明される。本発明の他の特徴、目的、および利点は、明細書および図面から、そして特許請求の範囲から明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】示された色収差が修正される、身体に挿入される光学デバイスの断面透視図である。
【図１Ｂ】光学デバイスの他の実施形態の断面透視図である。
【図２】図１Ａの光学デバイスを含む内視鏡システムを示す。
【図３】３チップの高解像度ビデオカメラにおける色分離を示す図である。
【図４】理想的な変調伝達関数（ＭＴＦ）と、標準的な可視スペクトル範囲で色修正された従来技術の光学デバイスの多色のＭＴＦ曲線と、を示す図である。
【図５】理想的なＭＴＦ曲線と、拡張されたスペクトル範囲での図４に示した従来技術の光学デバイスの多色のＭＴＦ曲線と、を示す図である。
【図６】堅い内視鏡での使用のための、拡張されたスペクトル範囲で色修正された光学装置の実施形態の断面透視図である。
【図７】理想的なＭＴＦ曲線と、拡張されたスペクトル範囲での図６の光学デバイスの多色のＭＴＦ曲線と、を示す図である。
【図８】図６の光学デバイスの像面における光路差を示す一連のグラフである。
【図９】図６の光学システムの対物グループの断面図である。
【図１０】図６の光学システムの第１のリレーグループの断面図である。
【図１１】図６の光学システムの第２のリレーグループの断面図である。
【図１２】図６の光学システムの第３のリレーグループの断面図である。
【図１３】図６の光学デバイスを示す光学概略図である。
【図１４】理想的なＭＴＦ曲線と、堅い内視鏡での使用のための、拡張されたスペクトル範囲で色修正された光学装置の他の実施形態の多色のＭＴＦ曲線と、を示す図である。
【図１５】図１４の光学デバイスの像面における光路差を示す一連のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａを参照すると、光学デバイス１０は、身体１４中に挿入するように設定された細長い管１２と、管１２の挿入端１７における対物部材１５と、管１２内に位置する第１および第２の光学部材１６、１８と、を含む。第１の光学部材１６および第２の光学部材１８の材料は、ある光学特性、例えば屈折率を提供するよう選ばれ、その屈折率は色収差を修正するまたは補償するものである。上記色収差は、慣習的な可視スペクトル範囲、例えば約４８０ｎｍ以下あるいは約６４４ｎｍ以上に広がる波長の範囲、好ましくは約４５０ｎｍ以下あるいは約６５０ｎｍ以上、に広がる光のスペクトル中の物体２１（目標物）の像２０におけるものである。例えば、光学デバイス１０の実施形態は異常分散光学材料から形成される光学部材を含み、そして約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍの拡張されたスペクトル範囲全体での色収差を修正する。
【００１７】
図１Ｂを参照すると、光学デバイス１０ａの他の実施形態は、図１Ａを参照して上述したような、身体１４中に挿入するように設定された細長い管１２を含む。光学デバイス１０ａは、管１２の挿入端１７における対物部材１５と、管１２内に位置する第１および第２の光学部材１６、１８と、を持つ。第１および第２の光学部材１６、１８のそれぞれは、異常分散光学材料から形成される。１つ以上の追加的な光学部材Ｌ１〜Ｌｎが、対物部材１５と、第１および第２の光学部材１６、１８との間の管１２内に位置し、そして１つ以上の追加的な光学部材Ｍ１〜Ｍｎが、第１および第２の光学部材１６、１８の反対側（対向する側）の管１２内に位置する。第１および第２の光学部材１６、１８は、すべての光学部材１５、１６、１８、Ｌ１〜Ｌｎ、Ｍ１〜Ｍｎによって引き起こされた、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍの拡張されたスペクトル範囲全体での色収差を修正する。
【００１８】
図２に示されるように、代表的な内視鏡システム２２は、身体に挿入するための細長い管１２を持つ内視鏡２３、ビデオカメラヘッドのような画像デバイス２４、光源２５、カメラ制御ユニットのような画像プロセッサ２６、およびディスプレイ２７を含む。光源２５は、監視下で物体２１（図１参照）を照明するための光学リンク２８、例えばファイバー光学ケーブル、によって内視鏡２３に結合される。さらに、デバイス２４は、画像２０を受け取るためにカプラ２９によって内視鏡２３に光学的に結合され（図１参照）、生の画像データを送信するために電気的リンク３０によって画像プロセッサ２６に電気的に結合される。画像プロセッサ２６は、ビデオ信号を作るために信号処理を行ない、そしてそれは、ブラウン管（ＣＲＴ）ディスプレイ、フラットパネル液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、またはプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、あるいは他の何らかの適切な表示装置のようなディスプレイ２７上への表示のために他の電気的リンク３１を通して伝達される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、画像デバイス２４は標準的な解像度のビデオカメラ、あるいは他の適切なアナログまたはデジタルカメラを含むことができるが、画像デバイス２４は高解像度ビデオカメラを含む。一般に、カラービデオカメラは、青、緑、および赤のスペクトルを、それらが色分離システムによって分離される後に撮像する。カラーバンドのスペクトルが典型的な高解像度ビデオカメラにおいて画像化される場合、拡張されたスペクトル範囲において色修正された光学デバイスは、特に高解像度ビデオ内視鏡システムにおいて有用である。
【００２０】
典型的な高解像度ビデオカメラ色分離システムのスペクトル特性が図３に示されている。青のスペクトルバンド３２、緑のスペクトルバンド３４、および赤のスペクトルバンド３６に対応する３つに分離された波バンドは、およそ４４０ｎｍ、５５０ｍ、および６５０ｎｍの付近を中心にしている。慣習的に色修正された内視鏡を使って画像化される時、４８０ｎｍ以下の青の色スペクトルへの拡張は、特に、光学性能の相当な劣化をもたらす。というのは、ほとんどの光学材料の屈折率は、青の色スペクトルを通して波長が減少するのに応じて急速に増加するからである。従って、約４３５．８から約６５６．３ｎｍの拡張されたスペクトル範囲において色修正される光学デバイス１０は、約４８０ｎｍから約６４４ｎｍの従来のスペクトル範囲において色修正されるシステムのそれと比較して、より高い品質のビデオ画像を可能にする。
【００２１】
光学デバイス１０の光学性能は実質的に以下の設計基準に依存する。
１）光学部材列(optical train)の開口径
２）光効率；
３）解像度とコントラスト
【００２２】
光学部材列の直径は内視鏡２３の挿入位置の外径によって制限される。光学デバイス１０を通して伝えられるエネルギー、すなわちデバイスの光効率は、以下の式に従って光学不変量Ｉの二乗に比例する。
【００２３】
【数１】
2010526342.tif 000003
【００２４】
式（１）において、Ｗは光学部材列を通して伝えられる光エネルギーであり、ｋは比例係数である。従って、実際的である限りにおいて、最大の光効率を提供するための光学デバイス１０の開口半直径(aperture semi-diameter)を仮定すると、光学デバイス１０の光学不変量は好ましくは最大である。光学不変量は以下の表現によって見積もられる。
【００２５】
【数２】
2010526342.tif 000004
【００２６】
式（２）において、Iは光学デバイス１０の光学不変量、ｎは画像空間媒体の屈折率、Ｈは（光軸から全フィールド（全範囲）まで測った）画像の高さ、Ｕは光軸に対する周辺光線の角度である。この近似において、開口数（ＮＡ）は、以下の式に従って、（ｎｓｉｎＵ）と表現される。
【００２７】
【数３】
2010526342.tif 000005
【００２８】
画像空間媒体として空気、または排気した空間を有する光学システムに対して、屈折率ｎは１に等しい。この開示全体を通して一般性の損失なしに、屈折率ｎは１に等しいと想定されることになる。
【００２９】
光学デバイス１０のＦナンバーＦ＃は以下の式によって表現されうる。
【００３０】
【数４】
2010526342.tif 000006
【００３１】
さらに、比較的大きな直径の光学デバイスは、一般的により大きな光学不変量を持ち、比較的小さな直径の光学デバイスと比較してより良好な光学性能をもたらす。いくつかの外科処置は、比較的小さな直径の挿入部分を持つ内視鏡を必要とし、それは光効率、解像度、およびコントラストを最大にする設計目標と対立する。従って、光学不変量と光学デバイスの直径の両方を考慮に入れるために、以下の式に従う性能測定基準Ｍがこの開示において導入される。
【００３２】
【数５】
2010526342.tif 000007
【００３３】
式（５）において、Ｉは光学デバイスの光学不変量、Ｄは光学部材列の開口半直径である。性能測定基準Ｍは、実質的に、様々な直径の内視鏡の光学性能の大きさに中立的な比較として使用されうる。
【００３４】
約１．５ミリメートル（ｍｍ）から約１０ｍｍの直径を持つ内視鏡に基づいた経験的なデータが、性能測定基準Ｍが通常以下の範囲内に納まることを示す。
【００３５】
【数６】
2010526342.tif 000008
【００３６】
約０．０５より低い性能測定基準Ｍの値を持つこのサイズ範囲の内視鏡は制限された商業的価値を持ち、そして一般的に高解像度画像適用（アプリケーション）に適していない。
【００３７】
理想的な回折制限システムに対する解像度とコントラストに関して、解像度または遮断周波数Ｖｃは以下の式によって与えられる。
【００３８】
【数７】
2010526342.tif 000009
【００３９】
式（７）において、λは透過光の波長であり、そして物体は正弦関数の目標であると想定される。従って、光学デバイス１０によって伝えられうる理論的なフィールド毎の最大サイクル数Ｎｄｌ（最大回数）は、以下の式にで与えられる。
【００４０】
【数８】
2010526342.tif 000010
【００４１】
式（８）は、画像における分解された要素の数が光学デバイス１０の光学不変量Ｉに直接比例することを示す。現在の高解像度テレビ標準は２つの形式を定義する。１）１２８０×７２０および２）１９２０×１０８０である。従って形式によ応じて、高解像度内視鏡画像システムは画像高さ毎に７２０本または１０８０本のラインを示す。一般に、光学デバイス１０は、形式仕様を超える画像解像度を持っていることが好ましい。
【００４２】
回折制限された光学性能を規定するための標準的に受け入れられる基準は、レイリー基準または限定である。レイリー基準は、光学デバイス１０から現れる波面と所定の像の点を中心とした基準球面との間に最大で４分の１波長（１／４λ）の光路差（ＯＰＤ）を可能にする。基準球面の頂点は、一般に光学デバイス１０の射出瞳面に位置する。レイリー基準は、光学デバイス１０の視野フィールド内のすべての像点に適合するだけでなく、光学デバイス１０の意図されたスペクトル範囲内のすべての波長に適合する。
【００４３】
式（８）は、以下のように書き直すことができる。
【００４４】
【数９】
2010526342.tif 000011
【００４５】
式（９）の物理的な意味は、光学デバイス１０に対する理論的に可能なフィールド毎の最大サイクル数には、ＯＰＤが１／４λのレイリー基準を満たす時に到達することになる、ということである。
【００４６】
これを考慮に入れて、内視鏡光学システムのための受け入れ基準が特定されうる。例えば、直径の増加と光学不変量Ｉの付随する増加とによって、最大回数／フィールドは、比例した増加を経験し、４分の１波長より大きなＯＰＤでの光学性能を可能にする。従って、例えば、７２０のＴＶラインを持った高解像度画像をサポートするためには、以下のようになる。
【００４７】
【数１０】
2010526342.tif 000012
【００４８】
この基準は、式（１０）で計算されたＯＰＤが１／４λより小さくならないような、比較的大きな値の光学不変量Ｉを持った光学システムに当てはまる。一方で、もし光学不変量Ｉの値が十分に低くてＩ／（３６０）が４分の１より小さいならば、光学システムは本質的に７２０のＴＶラインを持った高解像度画像をサポートすることができない。一般に、ＯＰＤ＝１／４λのレベルを超えて光学システムを改善する理由がない。というのは、この時点でシステムは回折効果によって制限され、さらなる光学収差の補正は画質を改善しないが、むしろ光学システムのコストに不必要な浪費を加えるだけだからである。
【００４９】
例えば、
７２０のＴＶラインを持った高解像度画像をサポートするために受容できる視野範囲にわたる十分な解像度とコントラストを提供する光学システムは、好ましくは、以下のような式（１１）と、式（１２ａ）または（１２ｂ）のいずれかに従う。
【００５０】
【数１１】
2010526342.tif 000013
【００５１】
【数１２】
2010526342.tif 000014
【００５２】
【数１３】
2010526342.tif 000015
【００５３】
式（１２ａ）において、λは波長、例えば可視光線に対して緑色水銀ラインｅに基づく約５４６ｎｍのような設定範囲のほぼ中心における中間波長である。式（１１）、（１２ａ）、（１２ｂ）の基準は、一般に設計範囲におけるすべての波長に当てはまり、また光学システムの視野のあらゆる範囲にわたるすべての像点に当てはまる。
【００５４】
画像解像度とコントラストは、光学システムにおいて色収差が修正される度合いに十分に依存する。変調伝達関数（ＭＴＦ）は、物体２１の詳細が像２０に複製される際のコントラストの尺度である。回折制限されたＭＴＦ曲線は、完全か、または収差のない画像の基準を表す。多色のＭＴＦ曲線は、光学システムによって作られた画像に存在しうる何らかの色収差の効果を含む。
【００５５】
図４は、理想的なＭＴＦ曲線３８と、「Integrated Optical System for Endoscopes and the Like」という発明の名称で２００５年２月８日に登録されたHooglandによる米国特許第６，８５３，４８５号明細書（特許文献２）（その開示内容はその全体が参照としてここに組み入れられる）に開示されたような、約４８０ｎｍから約６４４ｎｍのスペクトル範囲における色収差を修正された光学システムに対する多色のＭＴＦ曲線４０とを示す。多色のＭＴＦ曲線４０は、ミリメートル当たり零から２５０サイクル（サイクル／ｍｍ）の空間周波数範囲における等しい重み付けによる４８０ｎｍ、５４６ｎｍ、および６４４ｎｍの不連続な波長をベースとして、光軸上、光軸から７０％離隔位置、および光軸から全フィールド離隔位置またはフィールドのエッジ（ＥＯＦ）での光線に対して示されている。曲線ＴＡ４、ＳＡ４は一致する光軸のタンジェンシャル面及びサジタル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＴＢ４はタンジェンシャル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＳＢ４は光軸から７０％離隔位置のサジタル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＴＣ４はタンジェンシャル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＳＣ４はフィールドのエッジのサジタル面におけるＭＴＦ曲線である。図８からわかるように、多色のＭＴＦ曲線４０のすべてのＭＴＦ曲線の値は理想的なＭＴＦ曲線３８に十分に適合し、色修正された画像を表す。
【００５６】
しかしながら、図５は、同じ光学システムに対する、理想的なＭＴＦ曲線３８と、等しい重み付けによる４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの不連続な波長をベースとする拡張されたスペクトル範囲における多色のＭＴＦ曲線４２を示す。図５からわかるように、多色のＭＴＦ曲線４２は実質的に低下する。
【００５７】
対照的に、図６および７をを参照すると、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍの範囲の色収差を修正する光学デバイス４６に対するすべての多色のＭＴＦ曲線４４の値は、実質的に理想的なＭＴＦ曲線３８に従う。多色のＭＴＦ曲線４４は、ミリメートル当たり零から２５０サイクル（サイクル／ｍｍ）の空間周波数範囲における等しい重み付けによる４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの不連続な波長をベースとして、光軸上、光軸から７０％離隔位置、およびＥＯＦでの光線に対して示されている。
【００５８】
曲線ＴＡ７、ＳＡ７は一致する光軸のタンジェンシャル面及びサジタル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＴＢ７はタンジェンシャル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＳＢ７は光軸から７０％離隔位置のサジタル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＴＣ７はタンジェンシャル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＳＣ７はフィールドのエッジのサジタル面におけるＭＴＦ曲線である。このように、光学デバイス４６の光学性能は、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍのスペクトルバンドにほぼ回折制限され、品質のより高いビデオ画像を促進し、それは３チップのカラービデオカメラと連結して、そして特に高解像度ビデオカメラ連結して使われる時に有利である。
【００５９】
上記の基準を適用して、光学デバイス４６は高解像度画像をサポートするための十分な光学性能を持つ。光学デバイス４６に対し、画像高さＨ＝１．１７ｍｍで周辺光角度Ｕ＝３．５９°である。従って式（２）から、光学不変量Ｉ＝０．０７３、開口半直径Ｄ＝１．２５ｎｍ（下の表１を参照）である。式（５）から、性能測定基準Ｍ＝０．０５８６である。従って、光学デバイス４６は基準Ｍ≧０．０５を満たす。式（８）はカットオフ解像度Ｎｄｌ＝５３５サイクル／画像をもたらし、それはセンサ／モニター高さ当たり１，０７０ラインに対応する。（習慣的に、光の可視域の代表的な緑色水銀ラインｅをベースに、基準波長λ＝５４６ｎｍがこの計算で使われた。）
【００６０】
さらに図８は、タンジェンシャル面（ＰＹ）およびサジタル面（ＰＸ）における、光軸上（Ａ）、光軸から７０％離隔位置（Ｂ）、および光軸から全フィールドの離隔位置またはフィールドのエッジ［ＥＯＦ］（Ｃ）での、４３６ｎｍ（ａ）、５４６ｎｍ（ｂ）、および６５６ｎｍ（ｃ）の不連続な波長に対する光学デバイス４６の光路差をグラフで示す。曲線ａ１、ｂ１、ｃ１は、それぞれ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応するタンジェンシャル面における光軸上の光路差を示し、曲線ａ２、ｂ２、ｃ２は、それぞれ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応するサジタル面における光軸上の光路差を示す。曲線ａ３、ｂ３、ｃ３はタンジェンシャル面における光軸から７０％離隔位置の光路差を示し、曲線ａ４、ｂ４、ｃ４はサジタル面における光軸から７０％離隔位置の光路差を示しており、それぞれ４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応する。曲線ａ５、ｂ５、ｃ５はタンジェンシャル面におけるＥＯＦでの光路差を示し、曲線ａ６、ｂ６、ｃ６はサジタル面におけるＥＯＦでの光路差を示しており、それぞれ４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応する。
【００６１】
図８からわかるように、拡張されたスペクトル範囲の低、中、および高限界それぞれにおける３つの波長に対して計算された光学デバイス４６のＯＰＤ曲線４６は、ほとんどのポイントにおいてほぼ１／４λ内に含まれ、従って光学デバイス４６は、回折制限された光学性能のためのレイリー基準を実質的に満たす。
【００６２】
図６を参照すると、光学デバイス４６は、例えば長さ約５０ｍｍから約４５０ｍｍで、身体中に挿入するよう設定された細長い管４７を含む。物体２１から画像２０へと光を伝えるために光軸に沿って軸上に配置された、レンズの対物グループ４８、第１のリレーグループ５０、第２のリレーグループ５２、および第３のリレーグループ５４が、管４７中に位置する。
【００６３】
対物グループ４８は、フィールド拡大レンズ５６、ビュープリズム５８（図６では同等の光路長の平面−平面ロッドとして表される）、レンズ６０、およびロッドレンズ６２を含む。さらに、第１のリレーグループ５０は、ロッドレンズ６４、２つのダブレット６６、６８、および追加のロッドレンズ７０を含む。また、第２のリレーグループ５２は４つのロッドレンズ７２、７４、７６、７８を含む。同様に第３のリレーグループ５４は４つのロッドレンズ８０、８２、８４、８６を含む。対物グループ４８は、間隙８７によって第１のリレーグループ５０からスペースを空けられ、第１のリレーグループ５０は、間隙８８によって第２のリレーグループ５２からスペースを空けられ、そして第２のリレーグループ５２は、間隙８９によって第３のリレーグループ５４からスペースを空けられる。
【００６４】
ダブレット６６、６８はひとみ平面９０の両側（ひとみ平面の出口と入口の共役面）に位置し、光学デバイス４６における色収差のための大部分の補正を行なう。ダブレット６６、６８のそれぞれは、ダブレット６８がダブレット６６に対して反対の形状にある状態で、ロッドレンズ９６、９８にそれぞれ取り付けられたレンズ９２、９４を含む。例えば約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍの拡張されたスペクトル範囲で色収差を修正するために、２つのレンズ９２、９４は１つの異常分散光学材料で構成され、そして２つのロッドレンズ９６、９８は異なった異常分散光学材料で構成される。
【００６５】
図９を参照すると、フィールド拡大レンズ５６は光学材料から作られ、平面１００と凹面１０２を持った光学ガラス、サファイア、または同種のもののような平凹レンズある。ビュープリズム５８の方向は、２つの平面１０４、１０６を持った平面−平面ロッドレンズとしてここに表される。ビュープリズム５８の方向は対物レンズ６０に取り付けられ、対物レンズ６０は平面１０８と凸面１１０を持った光学ガラスから作られた平凸レンズである。ロッドレンズ６２は平面の表面１１２と凸面１１４を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。さらに、フィールド拡大レンズ５６は間隙１１６によってビュープリズム５８の方向からスペースを空けられ、そして対物レンズ６０は間隙１１８によってロッドレンズ６２からスペースを空けられる。
【００６６】
図１０に示されるように、第１のリレーグループ５０のレンズ６４は、平面１２２と平面１２４を持った光学部材から作られた平面−平面ロッドレンズである。レンズ９６は、平面１２６と凹面１２８を持った異常分散光学材料から作られた平凹ロッドレンズである。さらに、レンズ９２は、２つの凸面１３０、１３２を持った異常分散光学材料から作られた両凸レンズである。レンズ９２の表面１３０は、ダブレット６６を形成するためのロッドレンズ９６の表面１２８に取り付けられる。同様にレンズ９４は、２つの凸面１３４、１３６を持った異常分散光学材料から作られた両凸レンズであり、レンズ９８は、凹面１３８と平面１４０を持った異常分散光学材料から作られた平凹レンズであり、そしてレンズ９４の表面１３６は、他のダブレット６８を形成するためにロッドレンズ９８の表面１３８に取り付けられる。また第１のリレーグループ５０のレンズ７０は、平面１４２と凸面１４４を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。さらにレンズ６４は、間隙１４６によってレンズ９６からスペースを空けられ、レンズ９２は、間隙１４８によってレンズ９４からスペースを空けられ、そしてレンズ９８は、間隙１５０によってレンズ７０からスペースを空けられる。レンズの表面は、光学接着剤で表面を接着することによって取り付けられる。しかしながら、空気間隙ダブレット形態も使うことができる。
【００６７】
図１１を参照すると、第２のリレーグループ５２のレンズ７２は、凸面１５２と平面１５４を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。レンズ７４は、２つの平面１５６、１５８を持った光学ガラスから作られた平面−平面ロッドレンズである。さらにレンズ７６は、凸面１６０と平面１６２を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。またレンズ７８は、平面１６４と凸面１６８を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。さらにレンズ７２は、間隙１７０によってレンズ７４からスペースを空けられ、レンズ７４は、間隙１７２によってレンズ７６からスペースを空けられ、そしてレンズ７６は、間隙１７４によってレンズ７８からスペースを空けられる。
【００６８】
図１２に示されるように、第３のリレーグループ５４のレンズ８０は、凸面１７６と平面１７８を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。レンズ８２は、平面１８０と凸面１８２を持った光学ガラスから作られた平凸ロッドレンズである。さらにレンズ８４は、２つの平面１８４、１８６を持った光学ガラスから作られた平面−平面ロッドレンズである。同様にレンズ８６は、２つの平面１８８、１９０を持った光学ガラスから作られた平面−平面ロッドレンズである。またレンズ８０は、間隙１９２によってレンズ８２からスペースを空けられ、レンズ８２は、間隙１９４によってレンズ８４からスペースを空けられ、そしてレンズ８４は、間隙１９６によってレンズ８６からスペースを空けられる。
【００６９】
表１は、光学デバイス４６の実施形態を説明する詳細なレンズ規定を提供する。レンズ間のスペースが「空気」として明示されているが、代替の実施形態においては、レンズ間のスペースは、約１の屈折率を持った他のガス、あるいは完全な真空を含むことができる。
【００７０】
図１３を参照すると、使用に際して、物体２１の平面から多色の光２００が対物グループ４８を通して導かれ、そこでフィールド拡大レンズ５６が比較的広い視野、例えば約６５から約１２５度、が画像化されるのを可能にする。ビュープリズム５８の方向は、対物レンズ６０へ光２００を伝達する。
【００７１】
第１のリレーグループ５０は、第１および第２のリレーグループ５０、５２間の間隙８８において中間像面２０２に光２００をリレーする。異常分散光学ダブレット６６、６８は、約４３５．８ｎｍから約６５６．３ｎｍのスペクトル範囲において、対物グループ４８と３つのリレーグループ５０、５２、５４を含む全部のレンズ列によって引き起こされた色収差を修正する。第２のリレーグループ５２は、第２のおよび第３のリレーグループ５２、５４間の間隙８９において中間像面２０４に光をリレーし、そして第３のリレーグループ５４は画像平面２０に光２００を伝達する。この方法により、光２００は物体２１から画像２０に伝達され、例えば高解像度ビデオカメラによって実質的に色収差のない高画質な画像に色修正される。
【００７２】
他の実施形態は以下の請求の範囲内にある。例えば１実施形態では、異常分散光学材料ダブレットは、上述のように第１のリレーに置かれる代わりに第３のリレーに置かれる。表２は、光学デバイスのこの実施形態を説明する詳細なレンズ規定を提供する。
【００７３】
【表１】
2010526342.tif 000016
【００７４】
図１４は、零から２５０（サイクル／ｍｍ）の空間周波数範囲における等しい重み付けによる４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの不連続な波長をベースとして、光軸上（Ａ）、光軸から７０％離隔位置（Ｂ）、および光軸から全フィールド離隔位置（Ｃ）での拡張されたスペクトル範囲における、対応する多色のＭＴＦ曲線２１０を示す。曲線ＴＡ１４、ＳＡ１４は一致する光軸のタンジェンシャル面及びサジタル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＴＢ１４はタンジェンシャル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＳＢ１４は光軸から７０％離隔位置のサジタル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＴＣ１４はタンジェンシャル面におけるＭＴＦ曲線であり、ＳＣ１４はフィールドのエッジのサジタル面におけるＭＴＦ曲線である。図１４からわかるように、多色のＭＴＦ曲線２１０のすべてのＭＴＦ曲線の値は理想的なＭＴＦ曲線３８に十分に適合する。
【００７５】
さらに図１５は、タンジェンシャル面（ＰＹ）およびサジタル面（ＰＸ）における、光軸上（Ａ）、光軸から７０％離隔位置（Ｂ）、およびフィールドのエッジ（Ｃ）での、４３６ｎｍ（ａ）、５４６ｎｍ（ｂ）、および６５６ｎｍ（ｃ）の不連続な波長に対する対応する光路差をグラフで示す。曲線ａ７、ｂ７、ｃ７はタンジェンシャル面における光軸上の光路差を示し、曲線ａ８、ｂ８、ｃ８はサジタル面における光軸上の光路差を示しており、それぞれ４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応する。曲線ａ９、ｂ９、ｃ９はタンジェンシャル面における光軸から７０％離隔位置の光路差を示し、曲線ａ１０、ｂ１０、ｃ１０はサジタル面における光軸から７０％離隔位置の光路差を示しており、それぞれ４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応する。曲線ａ１１、ｂ１１、ｃ１１はタンジェンシャル面におけるＥＯＦでの光路差を示し、曲線ａ１２、ｂ１２、ｃ１２はサジタル面におけるＥＯＦでの光路差を示しており、それぞれ４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、および６５６ｎｍの波長に対応する。
【００７６】
前の実施形態でのように、拡張されたスペクトル範囲の低、中、および高限界それぞれにおける３つの波長に対して計算されたＯＰＤ曲線は、ほとんどのポイントにおいてほぼ１／４λ内に含まれ、従ってこの光学デバイスの実施形態は、回折制限された光学性能のためのレイリー基準を実質的に満たす。
【００７７】
【表２】
2010526342.tif 000017
【００７８】
他の実施形態において、式（１２ａ）は、他の仕様を受け入れるように修正されうる。例えば、１０８０のＴＶラインを持った高解像度画像を使った内視鏡システムをサポートするために、以下の基準が満足されうる。
【００７９】
【数１４】
2010526342.tif 000018
【００８０】
同様に、画像高さ当たりのラインの特定数に対応するよう基準を修正することによって、いかなる高解像度画像形式もサポートされうる。
【００８１】
いくつかの実施形態において、改善されたＭＴＦを持った光学システムに提供するために、上限よりも低い、すなわち、１／４λの回折限界により近いＯＰＤを持った光学システムに提供することが望ましくありうる。例えば、もし光学不変量Ｉが、１０ｍｍ〜直径の内視鏡のように比較的大きいなら、分解できるサイクル（回）／フィールドの数もまた比較的大きい。この場合、ＯＰＤは低い方へ調節されうる。そしてシステムのＭＴＦは、ＯＰＤが１／４λのレイリー限界に達するまで改善され続ける。
【００８２】
光学システムの実施形態において、式（１１）、および（１２ａ）または（１２ｂ）の基準は、視野の部分的なフィールドにわたる画像のポイントに当てはまる。例えば、その基準は、視野のフィールドの約７０パーセントに適用され、その場合、フィールドの残り（例えば周囲部分）は、より低い解像度およびコントラストを持つことが許容される。
【００８３】
開示された光学デバイスの代替の実施形態においては、接眼レンズ、組みレンズ、ズームレンズシステム、または追加的なリレーグループのような、追加的な光学部材または構成部材を使用してもよい。さらに、色収差の補正は、何らかのリレーグループのような異なるグループに組み込まれてもよい。
【００８４】
種々の変更を成すことができる、ということが理解されるであろう。例えば、開示された機器と方法における要素または技術が、追加の補足的な要素または技術によって代用あるいは補足されるならば、有用な結果を依然として達成することができるであろう。従って、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【００８５】
１０  光学デバイス
１０ａ  光学デバイス
１２  管
１４  身体
１５  対物部材
１７  挿入端
２０  画像平面
２１  物体
２２  内視鏡システム
２３  内視鏡
２４  画像デバイス
２５  光源
２６  画像プロセッサ
２７  ディスプレイ
２８  光学リンク
２９  カプラ
３０  電気的リンク
３１  電気的リンク
３２  スペクトルバンド
３４  スペクトルバンド
３６  スペクトルバンド
３８  ＭＴＦ曲線
４０  ＭＴＦ曲線
４２  ＭＴＦ曲線
４４  ＭＴＦ曲線
４６  ＯＰＤ曲線
４６  光学デバイス
４７  管
４８  対物グループ
５０  リレーグループ
５６  フィールド拡大レンズ
５８  ビュープリズム
６０  レンズ
６０  対物レンズ
６２  ロッドレンズ
６４  ロッドレンズ
６６  ダブレット
６８  ダブレット
７０  ロッドレンズ
７２  ロッドレンズ
７４  レンズ
７６  レンズ
７８  レンズ
８０  ロッドレンズ
８２  レンズ
８４  レンズ
８６  レンズ
８７  間隙
８８  間隙
８９  間隙
９０  平面
９２  レンズ
９４  レンズ
９６  ロッドレンズ
９８  ロッドレンズ
１００  平面
１０２  凹面
１０４  平面
１０８  平面
１１０  凸面
１１２  表面
１１４  凸面
１１６  間隙
１１８  間隙
１２２  平面
１２４  平面
１２６  平面
１２８  凹面
１３０  凸面
１３４  凸面
１３６  凸面
１３８  凹面
１４０  平面
１４２  平面
１４４  凸面
１４６  間隙
１４８  間隙
１５０  間隙
１５２  凸面
１５４  平面
１５６  平面
１６０  凸面
１６２  平面
１６４  平面
１６８  凸面
１７０  間隙
１７２  間隙
１７４  間隙
１７６  凸面
１７８  平面
１８０  平面
１８２  凸面
１８４  平面
１８８  平面
１９２  間隙
１９４  間隙
１９６  間隙
２００  光
２０２  中間像面
２０４  中間像面
２１０  ＭＴＦ曲線
【図１Ａ】
2010526342.tif 000019
【図１Ｂ】
2010526342.tif 000020
【図２】
2010526342.tif 000021
【図３】
2010526342.tif 000022
【図４】
2010526342.tif 000023
【図５】
2010526342.tif 000024
【図６】
2010526342.tif 000025
【図７】
2010526342.tif 000026
【図８】
2010526342.tif 000027
【図９】
2010526342.tif 000028
【図１０】
2010526342.tif 000029
【図１１】
2010526342.tif 000030
【図１２】
2010526342.tif 000031
【図１３Ａ−１３Ｄ】
2010526342.tif 000032
【図１４】
2010526342.tif 000033
【図１５】
2010526342.tif 000034
【国際調査報告】
2010526342.tif 000035
2010526342.tif 000036
2010526342.tif 000037