(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から順に、複数の対物光学系と、それらの対物光学系によって結像された複数の像を１回伝送する像伝送光学系と、固体撮像素子とからなる内視鏡撮像光学系において、前記像伝送光学系の略瞳位置で前記対物光学系側と前記固体撮像素子側とが、着脱自在になっていることを特徴とする内視鏡撮像光学系。
【請求項２】
前記複数の対物光学系の入射瞳が、夫々、異なる位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡撮像光学系。
【請求項３】
前記複数の対物光学系は、夫々の視野方向が異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内視鏡撮像光学系。
【請求項４】
前記複数の対物光学系が、二つの同じ構成の光学系から成っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内視鏡撮像光学系。
【請求項５】
前記像伝送光学系には前記瞳位置の前側に前群光学系が配置されていて、その前群光学系の前側焦点位置と、前記対物光学系の結像面に位置する視野マスクの位置とが略同じであり、また、前記前群光学系の後側焦点位置と、前記瞳位置とが略同じであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
【請求項６】
前記対物光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
【請求項７】
前記像伝送光学系には前記瞳位置の前側に前群光学系が配置されていて、光軸を中心としたその前群光学系の平面形状は、前記固体撮像素子の長手方向に対応させて上下方向をカットした小判状をしていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡装置、特に、複数の対物光学系と一つの固体撮像素子とを備え、各々の対物光学系を介して得た物体の像を、前記固体撮像素子の異なる部分に結像させて観察するようにした電子内視鏡装置に用いて好適な撮像光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、諸工業の発達に伴い、例えば、原子力発電所における冷却水の送水パイプや、各種発電プラントの蒸気発生機のタービンブレードや、航空機のエンジンなどのように、実際上、分解することができなかったり、分解するのが容易ではない機器が多くなってきたため、そのような機器の内部を観察したり検査を行う場合には、内視鏡が用いられるようになってきた。そして、その場合に用いられる内視鏡としては、挿入部の先端にＣＣＤに代表される固体撮像素子が配置されていて、その固体撮像素子に結像された物体像を、テレビモニタの画面に表示して観察するようにした電子内視鏡装置の場合が一般的である。
【０００３】
また、工業分野で用いられる内視鏡の場合には、その対物光学系に変倍機能を備えていると有効である。例えば、発電プラントの蒸気発生機の内部には冷却水のパイプが配置されているが、そのようなパイプの内壁を、内視鏡を用いて観察する場合には、内視鏡を挿入した当初においては、検査箇所を早く確認し、所定の場所へ早くアクセスする必要があることから、広角視野の光学系を用いるのが有利である。しかし、一旦、所定の場所に到達した後には、非常に小さなひび割れや欠損を観察するために、高倍率の即ち狭角視野の光学系を用いた方が有利になる。従って、そのような場合には、変倍機能を備えていると極めて効果的である。
【０００４】
しかし、内視鏡に変倍機能を備えると、機構的に構成が複雑になり、挿入部の太径化を招いてしまうという不都合がある。しかも、細径のパイプの内壁を検査するような場合には、内壁が内視鏡の挿入方向と平行に位置しているから、単に変倍機能を有しているだけでは、パイプの前方しか観察することができず、内壁の詳細な観察ができないという問題がある。そこで、そのような観察を可能にするためには、内視鏡の前方を観察する直視対物系と、横方向を観察する側視対物系とを設け、それらを切り換えて観察することが必要になるが、そのような構成の内視鏡に変倍機能を備えようとすると、機構的に一段と複雑になってしまい、内視鏡としては不向きな構成になってしまう。
【０００５】
そこで、特開平１−１９７７１６号公報等においては、内視鏡先端部に複数の固体撮像素子を配置し、夫々に対応した複数の対物光学系を配置することによって、同時に複数の観察像を得るようにした内視鏡装置が提案されている。しかし、それらのものは、内視鏡先端部における固体撮像素子の占有率が大きくなることから、やはり内視鏡先端部の太径化を免れることができない。
【０００６】
また、従来は対物光学系が固体撮像素子に固定されていた。しかし、現在の工業分野においては、内視鏡先端部の対物光学系が着脱自在になっていて、直視，側視，広角，狭角等の各種対物光学系を、観察用途に応じ、選択して使用するのが一般的になりつつあるため、そのようにして使用される内視鏡において、夫々の対物光学系が夫々の固体撮像素子に固定された構成になっていると、取扱い上も、コスト上も有利とは言えず、より広範囲にわたる観察対象物に対応させるためのものとしては、極めて不都合であった。
【０００７】
そのため、そのような不都合を解消するための内視鏡光学系が、特開平９−１２２０６８号公報に開示されているが、その従来例を図１０に示してある。この従来例の内視鏡は、図１０（ａ）に示すように、内視鏡本体３１に設けられた一つの固体撮像素子（ＣＣＤ）３７に対して、先端アダプター３２に設けられた仕様の異なる二つの対物光学系３３，３４を配置することによって、同時に二つの観察像が得られるようにした内視鏡である。また、この内視鏡は、図１０（ｂ）に示すように、二つの対物光学系３３，３４の最終レンズの後段で、先端アダプター３２が内視鏡本体３１に着脱可能になっていて、例えば一方の対物光学系を側視光学系にした直視・側視同時観察光学系のアダプターと交換することが可能になっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示したような従来例の構成においては、着脱機構にガタツキが生じることによって、各対物光学系３３，３４と固体撮像素子３７との間の間隔を一定に保つことができず、焦点位置がずれてしまうことがある。そして、例えば、内視鏡本体３１と先端アダプター３２との間隔が所定の間隔よりも大きくなった場合には、ピントの合う位置が近接側に寄る結果、遠くの像がボケて観察できなくなってしまうという問題点が生じる。また、内視鏡本体３１と先端アダプター３２との光学系の分割位置が、像面付近の光束の細い位置となっているため、内視鏡本体３１側のカバーガラス３８の表面にゴミや傷が付くと、それらが画像として写り易くなり、画像不良を生じてしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、観察用途に応じて先端対物光学系の交換を行った場合にも、着脱機構のガタツキやゴミの付着等によって、ピント位置の変動や画像不良が生じず、複数の観察像を同時に得ることができる内視鏡撮像光学系を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、物体側から順に、複数の対物光学系と、それらの対物光学系によって結像された複数の像を１回伝送する像伝送光学系と、固体撮像素子とからなる内視鏡撮像光学系において、前記像伝送光学系の略瞳位置で前記対物光学系側と前記固体撮像素子側とが、着脱自在になっているようにする。
また、本発明の内視鏡撮像光学系においては、好ましくは、前記複数の対物光学系の入射瞳が、夫々、異なる位置に形成されるようにする。
また、本発明の内視鏡撮像光学系においては、好ましくは、前記複数の対物光学系は、夫々の視野方向が異なっているようにする。
また、本発明の内視鏡撮像光学系においては、好ましくは、前記複数の対物光学系が、二つの同じ構成の光学系から成っているようにする。
また、本発明の内視鏡撮像光学系においては、前記像伝送光学系には前記瞳位置の前側に前群光学系が配置されていて、その前群光学系の前側焦点位置と、前記対物光学系の結像面に位置する視野マスクの位置とが略同じであり、また、前記前群光学系の後側焦点位置と、前記瞳位置とが略同じであることを特徴とする。
また、本発明の内視鏡撮像光学系においては、前記対物光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする。
更に、本発明の内視鏡撮像光学系においては、前記像伝送光学系には前記瞳位置の前側に前群光学系が配置されていて、光軸を中心としたその前群光学系の平面形状は、前記固体撮像素子の長手方向に対応させて上下方向をカットした小判状をしていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の内視鏡撮像光学系は、上記のように、物体側の先端から順に、並列に配置された複数の対物光学系と、各々の対物光学系によった結像された複数の像を１回伝送するための１本の像伝送光学系と、一つの固体撮像素子とから構成されていて、前記像伝送光学系の略瞳位置で対物光学系側と固体撮像素子側が着脱自在となるようにしている。このように、複数の対物光学系を、結像位置が同一平面上になるようにして並列に配置すると、同一平面に形成された複数の像は、像伝送光学系から見れば一つの物体像と考えることができるため、それらの像を、１本の像伝送光学系によって、固体撮像素子の撮像面に同時に結像させることが可能になる。
【００１２】
また、像伝送光学系の略瞳位置で対物光学系側（先端アダプター側）と固体撮像素子側（内視鏡本体側）とを分割することによって、結像光束の太いところでの分離が可能となり、従来技術において問題であった上記のようなゴミ，傷等による画像不良を防止することが可能となる。更に、像伝送光学系のうち、固体撮像素子側に配置された後群レンズ系の後側の焦点近傍位置に、固体撮像素子側の撮像面（所謂、像面）を設定することにより、内視鏡本体単体での光学系の焦点位置が略無限遠となり、着脱機構のガタツキやゴミ等による先端アダプター側と内視鏡本体側との面間ばらつきによって、ピント位置の変化が発生しない構成となっている。
【００１３】
【実施例】
以下、図面を用いて四つの実施例を説明する。尚、図面は、図１〜図５が実施例１を、図６が実施例２を、図７及び図８が実施例３を、図９が実施例４を説明するためのものである。また、各実施例間において、実質的に同じと見做してもよいと思われる部材等には、便宜上、同じ符号を用いている。
【００１４】
〔実施例１〕
通常、内視鏡装置は、図１に示された内視鏡１のほか、図示していない光源，映像信号処理装置，テレビモニタ等から構成されていて、内視鏡１によって出力された物体像の電気信号を映像信号処理装置によってテレビ信号に変換し、それをテレビモニタに表示して観察できるようにしている。内視鏡１は、フレキシブルな挿入部２と硬質の先端部３で構成されていて、その先端部３は、図２に示すように、内視鏡本体４と先端アダプター５が着脱可能な構成となっている。そして、内視鏡本体４には、固体撮像素子である後述のＣＣＤが配置されていて、アダプター５には、観察用途によって仕様の異なる二つの対物光学系６，７と、図示していないライトガイドを介して光源からの光を物体面に照射するための照明光学系８とが配置されている。
【００１５】
そこで、次に、上記した先端部３の詳細な構成を図３を用いて説明する。この図３は図２の上方から視た断面図である。先端アダプター５の物体側先端には、上記した二つの対物光学系６，７が並んで配置されており、夫々、視野マスク９のところで物体像を結像するようになっている。そして、対物光学系６，７の入射瞳は、夫々６ｐ，７ｐで示されている。像伝送光学系１０は、視野マスク９の位置を物体面として、ＣＣＤ１１に像を１回伝送している。また、この像伝送光学系１０は、瞳位置にある明るさ絞り１２で、内視鏡本体４側と先端アダプター５側に分割されており、前群レンズ１０ａは先端アダプター５側に、後群レンズ１０ｂは内視鏡本体４側に配置されている。更に、ＣＣＤ１１は、長方形をしていて、その長手方向を図３の上下方向にして配置されており、そのＣＣＤ１１のカバーガラス１３には、色温度変換フィルタ１４と光学的ローパスフィルタ１５が順に接合されている。
【００１６】
この構成においては、ＣＣＤ１１の撮像面１１ａが、上記の後群レンズ１０ｂの後側焦点位置に配置されている。そのため、内視鏡本体４側での光学系の最良の物体観察位置（以下、ベスト距離という）は無限遠となる。従って、先端アダプター５の取付位置が、内視鏡本体４に対して、光軸方向に多少前後しても、全体の焦点位置が変化しないため、観察時におけるピントのばらつきがなくなるという効果がある。また、瞳径が充分に大きいため、従来よりもゴミ，傷等の影響を受けにくいという効果もある。
【００１７】
また、本実施例の構成によれば、像伝送光学系１０の前群レンズ１０ａは、その前側焦点位置を視野マスク９の位置に合わせ、且つ後側焦点位置を瞳位置に合わせることによって、像伝送光学系１０の入射瞳位置を無限遠にしている。対物光学系６，７の光軸６′，７′は、像伝送光学系１０の光軸１０′と平行である。そのため、対物光学系６，７の光軸方向に像伝送光学系１０を一致させる上で、入射瞳位置を無限遠にする必要がある。反対に、周辺光量をロスしないようにするためには、対物光学系６，７は、射出瞳位置をほぼ無限遠（所謂、テレセントリック光学系）にするのが望ましい。本実施例の場合には、視野マスク９の形状（図４参照）がそのままＣＣＤ１１に投影されるので、テレビモニタに映し出される観察像が周辺部まですっきり得られるという効果がある。
【００１８】
更に、図５（ａ）には、内視鏡本体４に単眼アダプター１６を装着した場合が示され、図５（ｂ）には、単眼アダプターを取り外す途中の状態が示されている。本実施例によれば、視野マスク９が先端アダプター５に配置されているので、内視鏡本体４の光学系には視野マスクが不要になり、通常のＣＣＤ撮像エリアをフルに使用した、このような単眼アダプター１６を装着することが可能になる。本実施例の場合には、視野角８０°の光学系を示しているが、それ以外の仕様の光学系であっても、装着することが可能であることは明らかである。また、その場合、多種にわたる用途に対応できるようにするためには、明るさ絞り１２を先端アダプター側に配置するのが効果的である。
【００１９】
〔実施例２〕
次に、図６を用いて実施例２を説明する。この図６は、図３と同じようにして図２の上方から視た図であるが、図３の場合とは異なり光学系の構成のみを示してある。本実施例の構成は、観察視野範囲を広げることを目的としたものであって、二つの対物光学系１７，１８は、一方の対物光学系１７は直視光学系であるが、他方の対物光学系１８は側視光学系となっている。この構成によって、既に説明したように、例えば蒸気発生機内部における冷却水用パイプのような、非常に細径なパイプの内壁の観察が効率よく行えるようになる。また、側視用の対物光学系１８には、反射プリズム１８ｐが用いられているが、その場合の反射プリズムとしては、２回反射プリズムを用いるのが好ましい。奇数回反射プリズムを用いると、観察像が裏像となるため、直視像との対応付けが困難になるからである。
【００２０】
また、本実施例においては、明るさ絞り１２にカバーガラス１９が設けられていて、先端アダプター５内へのゴミの進入を防ぐようにしてある。その際、カバーガラス１９のどちらの面に絞り１２を配置しても、光学的には差がないが、図６に示された状態とは反対に、絞り１２が先端アダプター５の外側（右側）に配置された場合には、観察者がゴミ等を除去するに際して誤って絞り１２を壊す虞があるため、図６に示されているように、先端アダプター５の内側（左側）に配置させるのが好ましい。
尚、本実施例においては、一方の対物光学系に側面観察視野方向が９０°の側視光学系を用いているが、視野方向が４５°等の斜視光学系を用い、対物光学系の組合せを、直視・斜視の組合せや斜視・斜視の組合せなど、種々の組合せにしてもよいことは言うまでもない。
【００２１】
〔実施例３〕
次に、図７及び図８を用いて実施例３を説明する。尚、図７は、図６と同じようにして示したものである。本実施例の構成は、上記した実施例２の場合よりも更に観察視野範囲を広げることを目的としたものである。即ち、本実施例の場合には、三つの対物光学系２０，２１，２２を設けていて、これらのうち対物光学系２０を直射光学系とし、他の対物光学系２１，２２を側視光学系とすることによって、より広範囲にわたり一度に観察できるようにしている。
【００２２】
このようにして、三つの対物光学系２０，２１，２２を設ける場合には、隣り合うレンズの干渉を防ぐために、対物レンズの結像位置での必要面積は、レンズの並び方向（図７の上下方向、即ちＣＣＤの長手方向）に長くなる。従って、本実施例における像伝送光学系１０の前群レンズ１０ｃは、図８（図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は側面図）に示すように、不必要な部分をカットし、光軸を中心にした平面形状が小判状となるようにしており、外径の太径化を防いでいる。また、このようにカットすると、それによってできた空きスペースに、照明用の光ファイバを効率的に配置することが可能になる。
【００２３】
〔実施例４〕
最後に、図９を用いて実施例４を説明するが、本実施例は、同一仕様の二つの対物光学系２３，２４を配置することによって、測長機能を持たせたものである。最近の内視鏡検査では、単に観察するだけではなく、同時に傷の長さや深さ等を求めたいというニーズが高くなっている。これまでの測長方式は、投影方式による測長が主流であり、物体面に格子チャートを投影し、大きさを比較測定するなどの方法で測定していた。しかし、この方式は、格子チャートを投影する機構が可成り大きくなるいという不都合があり、また、物体面が鏡面に近い状態の場合には、格子チャートの反射光を対物光学系で観察できず、測定ができないという不都合があり、使用できる環境が非常に限定されていた。
【００２４】
そこで、このような不都合を解消するために、同一仕様の二つの対物光学系で得た画像を一つのＣＣＤに取り込み、三角測量によって物体の測長を行う方法が、上記の特開平９−１２２０６８号公報で提案され且つ実施されている。しかしながら、このような三角測量の精度を上げるためには、対物光学系同志を離して配置する必要があるが、ＣＣＤの幅以上には対物光学系同志を離すことができず、特に遠点での測長に難があった。しかるに、本実施例においては、像伝送光学系１０の前群レンズ１０ｄの焦点距離を変え得るようにしたことによって、対物光学系２３，２４の像間隔を調整することが可能になっている。従って、例えば、測定精度を上げるために対物光学系２３，２４の像間隔を広げたい場合には、前群レンズ１０ａの焦点距離を伸ばすようにすればよい。
尚、上記の各実施例については、全て、図１に示した軟性鏡の場合を前提にして説明したが、これまでの説明からも理解できるように、本発明は、そのような軟性鏡の場合には限定されず、挿入部の硬い硬性鏡の場合にも適用し得ることは言うまでもない。
【００２５】
以上説明したことからも明らかなように、各請求項に記載の構成のほか、以下に示す構成も本願発明の特徴である。
（１）前記像伝送光学系には前記瞳位置の後側に後群光学系が配置されていて、その後群光学系の後側焦点位置に、前記固体撮像素子の撮像面が配置されているようにしたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
（２）前記像伝送光学系には前記瞳位置の前側に前群光学系が配置されていて、その前群光学系の前側焦点位置と、前記対物光学系の結像面に位置する視野マスクの位置とが略同じであり、また、前記前群光学系の後側焦点位置と、前記瞳位置とが略同じであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
（３）前記対物光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
（４）前記像伝送光学系の瞳位置には明るさ絞りが配置されていて、その絞りは前記対物光学系と共に着脱されるようになっていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
（５）前記対物光学系の一つ又は複数が側視又は斜視光学系であって、その側視又は斜視光学系によって光軸を変換する反射プリズムは、複数回の反射を行うプリズムであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
（６）前記像伝送光学系には前記瞳位置の前側に前群光学系が配置されていて、光軸を中心としたその前群光学系の平面形状は、前記固体撮像素子の長手方向に対応させて上下方向をカットした小判状をしていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内視鏡撮像光学系。
【００２６】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、観察用途に応じて先端対物光学系の交換を行っても、先端光学系の着脱機構のガタツキやゴミ等によって、ピント位置の変化や画像不良が生じず、複数の観察像を同時に得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１が適用される内視鏡の全体構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した内視鏡の先端部を詳細に示した斜視図である。
【図３】実施例１の内視鏡先端部の断面図である。
【図４】実施例１における視野マスクの開口形状部を示した図である。
【図５】実施例１の先端アダプターとして単眼アダプターが用いられた場合の断面図であって、図４（ａ）は、内視鏡本体に単眼アダプターが装着されている状態を示し、図４（ｂ）は、単眼アダプターを取り外す途中の状態を示している。
【図６】実施例２の対物光学系を示した構成図である。
【図７】実施例３の対物光学系を示した構成図である。
【図８】実施例３における像伝送光学系の前群レンズの形状を示した図であって、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は側面図である。
【図９】実施例４の対物光学系を示した構成図である。
【図１０】従来例を示した断面図であって、図１０（ａ）は、内視鏡本体に先端アダプターが取り付けられた状態を示し、図１０（ｂ）は、先端アダプターを取り外す途中の状態を示している。
【符号の説明】
１                      内視鏡
２                      挿入部
３                      先端部
４                      内視鏡本体
５                      先端アダプター
６，７，１７，１８，２０，２１，２２，２３，２４  対物光学系
６ｐ，７ｐ              入射瞳
６′，７′，１０′      光軸
８                      照明光学系
９                      視野マスク
１０                    像伝送光学系
１０ａ，１０ｃ，１０ｄ  前群レンズ
１０ｂ                  後群レンズ
１１                    ＣＣＤ
１１ａ                  撮像面
１２                    明るさ絞り
１３，１９              カバーガラス
１４                    色温度変換フィルタ
１５                    光学的ローパスフィルタ
１６                    単眼アダプター
【図１】
0004105785.tif 000002
【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】
0004105785.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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