JP2009136387A - 撮像レンズ及びカプセル内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】ディストーション及び倍率色収差を改善したカプセル内視鏡用の撮像レンズを提供する。
【解決手段】
カプセル内視鏡は、略球面状の被写体４０を撮像面に平面状に結像させる撮像レンズ４５ａを備えている。撮像レンズ４５ａは、第１〜第５レンズＬ１〜Ｌ５の５枚のレンズと開口絞りＳ６から構成され、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｇ１，開口絞りＳ６，正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２となるように配置される。第１レンズＬ１は物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズとなっており、像側の面Ｓ５の曲率が物体側の面Ｓ４の曲率よりも大きい。第２レンズＬ２は、像側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズとなっており、像側の面Ｓ８の曲率が物体側の面Ｓ７の曲率よりも大きい。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は互いの対向する面を張り合わせた色消レンズＬＡとなっている。
【選択図】図５

Description

本発明は、生体内を検査する内視鏡に用いられる撮像レンズに関し、さらに詳しくは、飲み込んで使用されるカプセル型の内視鏡に用いられる撮像レンズに関する。

従来、医療分野においては、内視鏡を利用した診断が盛んに行われている。この内視鏡を利用した診断は、湾曲する方向を自在に操作可能に設けられたフレキシブルな挿入部を、患者の体内に挿入して行われる。また、挿入部の先端には、照明装置、撮像レンズ、撮像素子などからなる小型の撮像部が設けられている。したがって、挿入型の内視鏡は、医師の操作により、撮像部は患者体内において所定範囲内で任意に向きを変えられ、病変の疑いのある部位を的確に撮像することができ、正確な診断や病変の早期発見等、的確な医療診断の助けとなっている。

挿入型の内視鏡は、挿入時の患者の負担を軽減するように形状等を工夫してつくられているとはいえ、長い挿入部を体内に挿入することは患者にとっては大きな負担であり、これを利用するには麻酔等が必要となるケースもある。

近年ではさらに患者の負担を軽減するために、小型の撮像装置を嚥下可能なカプセルにおさめたいわゆるカプセル型の内視鏡（以下、カプセル内視鏡）の開発が進められ、実用化されつつある。このカプセル内視鏡は、容易に飲み込むことができる大きさにつくられるから、挿入型の内視鏡と比較すれば患者の負担は大きく軽減するが、体内での位置や向きの制御が困難となる。

したがって、体内での姿勢が好ましい状態でない場合にも病変部位を逃さず撮像するために、カプセル内視鏡は広角の撮像レンズを搭載し、できるだけ広い範囲を撮影することが望ましい。

こうしたことから、広い撮影範囲を確保しつつ、カプセルサイズを小型化したカプセル内視鏡が知られている（特許文献１）。また、小型化，広角化のみならず、例えば、最適な被写界深度を達成するカプセル内視鏡（特許文献２）や、円筒状構造を良好に照明するカプセル内視鏡（特許文献３）等も知られている。
特開２００５−８０７８９号公報 特開２００５−８０７９０号公報 特開２００６−６１４３８号公報

カプセル内視鏡は、その飲み込みやすさが重視されるから、できるだけ小型化するために、従来のカプセル内視鏡ではできるだけ少ない構成のレンズ、例えば２群２枚構成の広角レンズを撮像レンズとして搭載している。

上述のように、カプセル内視鏡には広角の撮像レンズを搭載することが望ましいが、他の撮像レンズ等と同様に、広角のレンズほどディストーションが顕著に現れてしまう。例えば、広角のレンズでよく見られるように、樽型のディストーションが生じていると、像が歪曲しているばかりか、得られた画像の周辺部分では像は小さくなってしまう。

カプセル内視鏡で撮影される画像は人体の体内の像であり、病変の有無等の診断を目的とした画像が取得されるが、病変の大きさはその種類や進行程度等によって異なり、極めて小さなものであることも多い。したがって、前述のように樽型のディストーションが生じた画像の周辺部分に、こうした小さな病変が写されていると、病変部位は実際よりもさらに小さくなるため見落とされてしまうという問題がある。

一方、カプセル内視鏡はその飲み込みやすさが重視され、使い捨てられるものであるから、安価かつ小型化するために、できるだけ少ない構成のレンズ、例えば、２群２枚構成の広角レンズを撮像レンズとして搭載している。こうした従来のカプセル内視鏡の撮像レンズは、ディストーションを改善したものはなく、カプセルサイズを小さく保ちながらも、ディストーションを改善した撮像レンズが必要とされている。

また、カプセル内視鏡で用いられるような広角レンズでは、倍率色収差が目立ちやすい。倍率色収差が顕著に生じていると、たとえディストーションが改善されていたとしても、ぼやけやにじみが目立つ像となってしまうために、正確な診断の妨げとなってしまう。こうしたことから、カプセル内視鏡に用いられる撮像レンズには、ディストーションの改善とともに、倍率色収差の改善が望まれる。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、飲み込みやすい大きさでありながらも、ディストーション及び倍率色収差が改善された広角レンズを搭載し、撮影範囲の全域で病変の見落としを防ぐカプセル内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の撮像レンズは、ドーム状の透明カバー内に配置されるカプセル内視鏡用の撮像レンズであり、球面状の被写体を撮像したときに被写体の中心から最大画角までの全域における像を略同一平面状に結像させ、かつ、前記撮像光学系は５枚のレンズから構成されていることを特徴とする。

また、被写体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群、絞り、正の屈折力を有する第２レンズ群を備えていることを特徴とする。

また、最大半画角をω_ＭＡＸとするときに、２ω_ＭＡＸ＞１３５（度）を満足することを特徴とする。

本発明のカプセル内視鏡は、上述の撮像レンズを備えることを特徴とする。

本発明によれば、飲み込みやすい大きさでありながらも、ディストーションが改善された広角の撮像レンズと、これを搭載し、撮影範囲の全域で病変の見落としを防ぐカプセル内視鏡を提供することができる。

図１に示すように、カプセル内視鏡による診断システム１１は、カプセル内視鏡１５、受信装置１６、ワークステーション１７とから構成される。

カプセル内視鏡１５は、シールドシャツ２１を装着した患者２２の口部から体内に嚥下して使用され、体内管路を通過する際にその内壁面を撮像する。カプセル内視鏡１５が撮像した画像データは電波にて受信装置１６に無線送信される。こうした画像データの通信は、カプセル内視鏡１５内に設けられた送信アンテナと、シールドシャツ２１内に設けられた受信アンテナ２３とを介して行われる。

受信装置１６は、各種設定画面を表示するＬＣＤ２４や、各種設定操作を行うための操作部２６を備えている。この受信装置１６は、カプセル内視鏡１５が患者２２の体内にある検査時には、患者２２に携帯され、前述のようにカプセル内視鏡１５から無線送信される画像データを受信し、記憶する。一方、得られた画像データをもとに診断が行われる際には、診断用のワークステーション１７に接続され、記憶した画像データを読み出される。

ワークステーション１７は、プロセッサ２７、キーボードやマウス等からなる操作部２８、ディスプレイ３１等から構成される。プロセッサ２７は、例えばＵＳＢケーブル３２で受信装置１６と接続され、受信装置１６に記憶された画像データを取得する。また、こうしてプロセッサ２７に取得された画像データは、患者毎に蓄積，管理される。カプセル内視鏡１５で得られた画像データに基づいて診断を行う際には、ワークステーション１７は、操作部２８による操作に基づいて蓄積された画像データからテレビ画像が生成し、ディスプレイ３１に表示する。

図２に示すように、カプセル内視鏡１５の外形は、前カバー４１と後カバー４２とから形作られる。前カバー４１は、前面がドーム状に形成されており、後カバー４２と嵌合して端面がドーム状になった円筒状の水密な空間を形成する。この前カバー４１の少なくとも前面は透明な材料からなり、被写体である患者２２の体内（以下、単に被写体と称す）からの光を透過する。

前カバー４１と後カバー４２とにより形成される空間内には、撮像レンズ４５、撮像素子４６、照明装置４７、送信アンテナ４８、ボタン電池４９などが収容されている。すなわち、前カバー４１と後カバー４２とによって撮像レンズ４５等の各部は水密に覆われている。

照明装置４７は、例えば白色のＬＥＤによって被写体を一様に照明する光学系であり、撮像レンズ４５の周囲に複数設けられている。撮像レンズ４５は、被写体からの光を撮像素子４６に結像させる。この撮像レンズ４５は、４〜５枚のレンズや開口絞り等から構成された広角のレンズとなっている。また、撮像素子４６は、例えばＣＣＤ型の撮像素子であり、撮像レンズ４５によって撮像面に結像された被写体の像を光電変換し、画像データを生成する。

送信アンテナ４８は、撮像素子４６によって生成された画像データを前述の受信装置１６に随時送信する。ボタン電池４９は、カプセル内視鏡１５が患者２２の体内にある検査時に、照明装置４７，撮像素子４６，送信アンテナ４８等へ電力を供給する。また、こうした電力の供給は、電力供給回路によって行われる。

図３に示すように、撮像レンズ４５は、球面状の被写体４０からの光を、平面である撮像素子４６の撮像面に結像させるように構成されている。すなわち、撮像レンズ４５は、球面状の被写体を撮像したときに被写体の中心から周辺までの全域における像が略同一平面状に結像するように構成されている。この撮像レンズ４５は、光軸Ｚ１からの撮影範囲の角度、すなわち半画角ωが最大８５度程度、全画角２ωが最大１７０度程度と広角になっており、球面状に形成された前カバー４１の略全域からの光を撮像素子４６に結像させる。

カプセル内視鏡１５が患者２２の体内にあるときには、その姿勢を制御することは容易でないために、病変部位を確実に撮像するためにも可能な限り広画角の撮像レンズを搭載していることが好ましい。したがって、撮像レンズ４５は、最大の半画角をω_ＭＡＸとするときに、２ω_ＭＡＸ＞１３５（度）を満たすように構成されていることが好ましい。２ω_ＭＡＸが１３５度を下回ると、患者２２の体内で姿勢を制御することが容易でないカプセル内視鏡の撮像レンズとしては不適当であり、撮影箇所に漏れが生じる可能性がある。

撮像レンズ４５は、負の屈折力の第１レンズ群Ｇ１、開口絞りＳ、正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２とからなり、物体側（被写体側）から第１レンズ群Ｇ１，開口絞りＳ，第２レンズ群Ｇ２の順に配置されている。また、撮像レンズ４５は、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２を構成する各レンズをあわせて、合計で５枚のレンズから構成される。第１レンズ群Ｇ１は１又は２枚のレンズからなり、全体として負の屈折力のレンズ群となっている。この第１レンズ群Ｇ１は撮像レンズ４５の中で最も前面（物体側）に配置される。また、第２レンズ群Ｇ２は２〜４枚のレンズからなり、全体として正の屈折力のレンズ群となっている。この第２レンズ群Ｇ２は、開口絞りＳを挟んで第１レンズ群Ｇ１の後方（像側）に配置される。

撮像レンズ４５の最も物体側に配置される第１レンズＬ１は、第１レンズ群Ｇ１を構成するレンズの一つであり、物体側に凸面を向けたメニスカス形状となっている。この第１レンズＬ１の各面の曲率は、物体側の面の曲率に比べて像側の面の曲率が大きいようにつくられている。また、物体側から数えて２番目に配置される第２レンズＬ２は、第１レンズ群Ｇ１又は第２レンズ群Ｇ２を構成し、像側に凸面を向けたメニスカス形状となっている。この第２レンズＬ２の各面の曲率は、物体側の面の曲率に比べて、像側の面の曲率がより大きいようにつくられている。

また、第２レンズ群Ｇ２には、隣り合う２枚のレンズが張り合わせられた色消レンズＬＡが設けられている。この色消レンズＬＡは、例えばクラウンガラスとフリントガラスなど、屈折率の異なる材料からなるレンズを張り合わせたものであり、撮像レンズ４５の色収差を軽減する。

さらに、この撮像レンズ４５は、ある画角ωの点における像高をＹ（ω）とし、この画角ωの点からの画角の微小変化量をΔωとするときに、任意の画角ωで下記数１の条件を満たすように構成されている。

この条件式は、球面状の被写体を平面に結像させる撮像レンズ４５で生じるディストーションの程度を定めるものであり、下限を下回るとディストーションが大きくなり、撮像した画像の周辺部分では像高が小さくなり過ぎ、ここに写された病変は診断時に見落とされてしまう恐れが生じる。

等間隔に円環状の模様がある球面状の被写体を、撮像レンズ４５を用いて撮像すると、図４（Ａ）に示すように、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）＝１．０の場合には、等間隔に同心円状の模様５１ａ〜ｅが写し出される。このとき、最小の円模様５１ａの半径をｒとすると、円模様５１ｂ〜ｅの半径はそれぞれ２ｒ，３ｒ，４ｒ，５ｒであり、隣り合う円模様の間隔は何れもｒとなっている。すなわち、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）＝１．０の場合にはディストーションは生じておらず、撮影した画像の周辺部分に写し出された病変の像は、これを正面から撮像した場合と同じ大きさ，形状に写し出される。

一方、図４（Ｂ）に示すように、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）＝０．７の場合には、撮影画角が一定のため最も径の大きい円模様５１ｅはディストーションのない場合と同じ大きさ，形状に写し出される。しかし、これよりも径の小さい円模様５１ａ〜ｄは、何れもディストーションのない場合の像よりも拡大して写し出される。このとき、径が最小の円模様５１ａの半径はｒよりも大きく、円模様５１ａと円模様５１ｂとの間隔はｒよりも大きい。また、円模様５１ｂと円模様５１ｃとの間隔はｒに等しい。一方で、円模様５１ｃと円模様５１ｄとの間隔はｒよりも小さく、円模様５１ｄと円模様５１ｅとの間隔はさらに小さくなる。

しかし、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）＝０．７程度のディストーションであれば、画像の周辺部分に病変が写し出されている場合にも、この病変の見落としにつながるほど像が縮小歪曲されてしまうことはない。

図４（Ｃ）に示すように、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）＝０．５になると、画像周辺部分における円模様間隔の縮小はより顕著となる。したがって、病変が画像の周辺部分に写し出されている場合には見落とされてしまう可能性が生じる。

さらに、図４（Ｄ）に示すように、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）＝０．３ともなると、画像の周辺部分における円模様間隔の縮小は極めて顕著となり、本来比較的大きく、正面から観察すれば容易に発見されるような病変であったとしても、画像の周辺部分に写し出された場合には極端に縮小，歪曲され見落とされてしまう可能性がある。

このように、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）の値が１．０と比較して小さいほど、画像周辺部分でのディストーションの影響が著しくなる。したがって、球面状の被写体を平面に結像させる撮像レンズ４５では、前述の条件式（数１）を満たすことが好ましい。すなわち、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）の値は、任意の半画角ωについて０．７よりも大きな値であることが好ましい。また、任意の半画角ωに対して、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）の値は、０．７より大きく１．３より小さいことが好ましく、０．８より大きく１．２より小さいことがより好ましい。また、任意の半画角ωに対して、（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）の絶対値が１．０にできる限り近い値となっていることが特に好ましい。

以下に、前述の条件式を満たす撮像レンズ４５の具体的な例を実施例として説明する。

[実施例]
図５に示すように、撮像レンズ４５ａは、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第１レンズＬ１、開口絞り、両凸形状の第２レンズＬ２、両凹形状の第３レンズＬ３、両凸形状の第４レンズＬ４、両凸形状の第５レンズＬ５から構成される。撮像レンズ４５ａの第１レンズ群Ｇ１は、開口絞りよりも物体側に配置された第１レンズＬ１からなり、負の屈折力のレンズ群となっている。一方、撮像レンズ４５ａの第２レンズ群Ｇ２は、開口絞りよりも像側に配置された第２レンズＬ２，第３レンズＬ３，第４レンズＬ４，第５レンズＬ５からなり、全体として正の屈折力のレンズ群となっている。さらに、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は対向する面を張り合わせた色消レンズＬＡとなっている。また、これらのレンズＬ１〜Ｌ５の面形状や配置は、前カバー４１及び撮像素子４６のカバーガラス５６を考慮したものとなっている。

また、球面状の被写体の表面をＳ１、前カバー４１の物体側の面をＳ２、前カバー４１の像側の面をＳ３、第１レンズＬ１の物体側の面をＳ４、第１レンズＬ１の像側の面をＳ５、開口絞りをＳ６、第２レンズＬ２の物体側の面をＳ７、第２レンズＬ２の像側の面をＳ８、第３レンズＬ３の物体側の面をＳ９、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４の張り合わせ面をＳ１０、第４レンズＬ４の像側の面をＳ１１、第５レンズＬ５の物体側の面をＳ１２、第５レンズＬ５の像側の面をＳ１３、カバーガラス５６の物体側の面をＳ１４、カバーガラス５６の像側の面をＳ１５とし、面Ｓｉ（面番号ｉ＝１〜１５）で表す。また、撮像素子４６の撮像面は面Ｓ１５と一致している。さらに、面Ｓｉとこれに隣り合う像側の面Ｓｉ＋１との光軸Ｚ１上での間隔（面間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜１４）で表す。

撮像レンズ４５ａのレンズデータとして、各面Ｓｉの曲率半径Ｒｉ、各面間隔Ｄｉ、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する前カバー４１，各レンズＬ１〜Ｌ５，カバーガラス５６の屈折率Ｎｄ及びアッベ数νｄを表１に示す。また、表１の下段に、撮像レンズ４５ｃのＦ値、焦点距離ｆ、画角２ω（度）を併せて示す。なお、この撮像レンズ４５ｃのレンズデータ（表５）は、焦点距離ｆの値が１．０となるように規格化した場合のレンズデータとなっている。また、非球面形状の面Ｓｉを＊で示す。

また、非球面形状の面Ｓｉの具体的な形状は、曲率（近軸曲率半径Ｒの逆数）ｃ、円錐定数Ｋ、光軸からの距離ρ（ρ^２＝ｘ^２＋ｙ^２）、ｉ次の非球面係数Ａｉを用いて、下記の数２で表される。非球面状の面Ｓｉについては、円錐定数Ｋ及び各々の非球面係数Ａｉを表２に示す。

図５及び表１，２に示すように、第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状となっているとともに、物体側の面Ｓ４の曲率半径Ｒ４の絶対値が像側の面Ｓ５の曲率半径Ｒ５の絶対値よりも大きい。すなわち、第１レンズＬ１は、物体側の面Ｓ４の曲率と比べて、像側の面Ｓ５の曲率が大きい。また、第２レンズＬ２は、像側に凸面を向けたメニスカス形状となっているとともに、物体側の面Ｓ７の曲率半径Ｓ７の絶対値が像側の面Ｓ８の曲率半径Ｒ８の絶対値よりも大きい。すなわち、第２レンズＬ２は、物体側の面Ｓ７の曲率と比べて、像側の面Ｓ８の曲率が大きい。

さらに、撮像レンズ４５ａの球面収差、非点収差、倍率色収差を図６に示す。この各収差図は、表５に示す前カバー４１及びカバーガラス５６を配置したものとなっている。なお、球面収差は、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）についてのものを実線で、Ｆ線（波長４８６．１３ｎｍ）についてのものを破線で、Ｃ線（波長６５６．２７ｎｍ）についてのものを一点鎖線で示す。また、非点収差は、サジタル方向のものを実線で、タンジェンシャル方向のものを破線で示す。倍率色収差は、Ｆ線についてのものを破線で、Ｃ線についてのものを一点鎖線で示す。

この撮像レンズ４５ａは、図７に示すように、任意の画角ωについて前述の条件式（数１）を満たし、半画角ω＝０〜８４．１度の全範囲で（Ｙ（ω＋Δω）−Ｙ（ω））／Ｙ（Δω）の値が０．７よりも大きく、さらに略全画角範囲で１．０に近い値となっている。したがって、この撮像レンズ４５ｃを用いて球面状の被写体を撮影した画像は、周辺部分においても像の縮小，歪曲は小さい。すなわち、撮像レンズ４５ａは、最大画角２ω_ＭＡＸが１６８．２度にも及ぶ広角レンズであるにもかかわらず、これを用いて撮影した画像は、周辺部分を含めた全範囲で、病変の見落としが懸念されるほどのディストーションは生じない。

このように、撮像レンズ４５ａは５枚のレンズから構成されることで、特に上述のような２群５枚構成となっていることで、カプセル内視鏡の大きさを大きくすることなく、画角２ω_ＭＡＸの全画角範囲でディストーションを良好に補正されたものとなっている。さらに、撮像レンズ４５ａは、ディストーションだけでなく、画角２ω_ＭＡＸの全画角範囲で倍率色収差を良好に補正されたものとなっている。したがって、この撮像レンズ４５ａを搭載することで、カプセル内視鏡は飲み込みやすい大きさを維持しながらも、広画角で、かつ画像周辺部分においてもディストーション及び倍率色収差がともに良好に改善されたものとすることができる。

以上のように、本発明のカプセル内視鏡は、前述の条件式（数１）を満たす撮像レンズを搭載することで、容易に嚥下される大きさに収まりながらも、十分な撮影範囲を保ち、かつ、撮影した画像の周辺部分においてもディストーション及び倍率色収差の影響が極めて少ない画像を得ることができる。したがって、患者の体内で姿勢制御が困難なカプセル内視鏡であるにもかかわらず、撮影漏れがないばかりか、診断時に撮影した画像の周辺部分に写し出された病変の見落としの可能性が極めて少ない画像を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、患者の体内での姿勢や位置の制御をしないカプセル内視鏡を例に説明するが、これに限らず、患者の体内で姿勢や位置の制御を行うカプセル内視鏡においても本発明を好適に適用することができる。また、上述の実施形態で示すカプセル内視鏡を用いた診断の様態は一例であり、これに限らない。

カプセル内視鏡による診断システムの概略を示す説明図である。 カプセル内視鏡の構成を示す断面図である。 カプセル内視鏡の撮影範囲を示す説明図である。 球面状の被写体を平面に結像させる時に生じるディストーションの例を示す説明図である。 実施例３の撮像レンズの構成を示す断面図である。 実施例３の撮像レンズの収差図である。 実施例３の撮像レンズのディストーションを示すグラフである。

符号の説明

１５ カプセル内視鏡
４０ 被写体
４１ 前カバー
４２ 後カバー
４５ 撮像レンズ
４６ 撮像素子
４７ 照明装置

Claims (4)

1. ドーム状の透明カバー内に配置されるカプセル内視鏡用の撮像レンズにおいて、
   球面状の被写体を撮像したときに被写体の中心から最大画角までの全域における像を略同一平面状に結像させ、かつ、前記撮像光学系は５枚のレンズから構成されていることを特徴とする撮像レンズ。
2. 被写体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群、絞り、正の屈折力を有する第２レンズ群を備えていることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ。
3. 最大半画角をω_ＭＡＸとするときに、
   ２ω_ＭＡＸ＞１３５ （度）
   を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像レンズ。
4. 請求項１ないし３に記載の撮像レンズを備えることを特徴とするカプセル内視鏡。

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