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JP4475912B2 - Condensing optical system, confocal optical system, and scanning confocal endoscope - Google Patents

Condensing optical system, confocal optical system, and scanning confocal endoscope Download PDF

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Description

この発明は、体腔内の生体組織の断層像を高倍率で観察することができる走査型共焦点内視鏡における側視型の共焦点光学システムに関する。   The present invention relates to a side-viewing confocal optical system in a scanning confocal endoscope that can observe a tomographic image of a living tissue in a body cavity at a high magnification.

従来、通常の内視鏡光学系によって得られる像よりも高倍率かつ高解像度な像を観察可能な共焦点顕微鏡の光学システムをプローブに採用した共焦点プローブおよび該プローブを用いた走査型共焦点内視鏡が知られている。共焦点プローブは、被検物である体腔内の生体組織にレーザ光を照射して、該生体組織からの反射光もしくは該生体組織の自家蛍光のうち、対物光学系の物体側焦点面における光のみを抽出することを特徴とする。一般的に、プローブは、該プローブの先端面から生体組織に光を照射する直視型と、該プローブの側面から生体組織に光を照射する側視型に分類される。該プローブに使用される光学システムは、直視型か側視型かによって確保すべき光路が異なるため、各型に応じた好適な光学システムを構成する必要がある。   Conventionally, a confocal probe employing a confocal microscope optical system capable of observing an image with a higher magnification and higher resolution than an image obtained by a normal endoscope optical system, and a scanning confocal using the probe Endoscopes are known. The confocal probe irradiates a living body tissue in a body cavity, which is an object to be examined, with laser light, and the light on the object-side focal plane of the objective optical system among reflected light from the living tissue or autofluorescence of the living tissue. It is characterized by extracting only. In general, probes are classified into a direct view type in which light is applied to the living tissue from the tip end surface of the probe and a side view type in which light is applied to the living tissue from the side surface of the probe. The optical system used for the probe has a different optical path to be ensured depending on whether it is a direct-view type or a side-view type. Therefore, it is necessary to configure a suitable optical system for each type.

側視型の共焦点プローブに使用可能な光学システムは、例えば、以下の特許文献1に開示される。
特開2000−292703号公報
An optical system that can be used for a side-viewing confocal probe is disclosed, for example, in Patent Document 1 below.
JP 2000-292703 A

特許文献1に開示される光学システムの構成は、ミラー等の反射面を利用することにより生体組織上で光を走査している。そのため、反射面を配置するためのスペースを確保するために光源と対物レンズ間の距離を長く取ることになり対物レンズを大型化する、または広い走査範囲の確保が困難になるといった問題がある。さらに、配置された場所において、該反射面を所定の方向に駆動させるためのスペースも要求される。   The configuration of the optical system disclosed in Patent Document 1 scans light on a living tissue by using a reflecting surface such as a mirror. For this reason, there is a problem that the distance between the light source and the objective lens is increased in order to secure a space for disposing the reflection surface, so that the objective lens is enlarged or it is difficult to ensure a wide scanning range. Furthermore, a space for driving the reflecting surface in a predetermined direction is also required at the place where it is arranged.

さらに、特許文献1に開示される光学システムの構成は、光束の集光位置を被検物の深さ方向、換言すれば対物レンズの光軸方向に沿って変化させる機構を有していない。そのため、被検面の位置を高い精度で検出できず、高精細な画像を観察することができないといった問題がある。   Further, the configuration of the optical system disclosed in Patent Document 1 does not have a mechanism for changing the light collection position along the depth direction of the test object, in other words, along the optical axis direction of the objective lens. Therefore, there is a problem that the position of the test surface cannot be detected with high accuracy and a high-definition image cannot be observed.

ところで、近年、術者の操作にかかる負担を軽減するなどのために従来ある内視鏡の機能と側視型共焦点プローブの機能を兼ね備えた一体型の走査型共焦点内視鏡(以下、単に一体型内視鏡という)なるものが要望されている。一体型内視鏡は、一般的な内視鏡観察(以下、通常観察という)用の光学システムといわゆる共焦点観察用の光学システムをそれぞれ独立して備える必要がある。そのため、各光学システム、特に共焦点観察用の光学システムを小型化して、可撓管を細径化することが最も重要な課題の一つとなる。しかし、該共焦点観察用の光学システムに上記特許文献1に開示される構成を採用すると、可撓管の径や長さが大きくなってしまい不適である。そこで、可撓管の小型化を図りつつも、可能な限り広い範囲を走査可能とするために、下記の特許文献2に開示されるような、点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成を共焦点観察用の光学システムに用いることが考えられる。   By the way, in recent years, an integrated scanning confocal endoscope (hereinafter referred to as an integrated scanning confocal endoscope) that combines a function of a conventional endoscope and a function of a side-viewing confocal probe in order to reduce a burden on an operation of an operator. What is simply called an integrated endoscope is desired. The integrated endoscope needs to be provided with an optical system for general endoscope observation (hereinafter referred to as normal observation) and an optical system for so-called confocal observation independently. Therefore, one of the most important issues is to reduce the size of each optical system, in particular, the optical system for confocal observation, and to reduce the diameter of the flexible tube. However, if the configuration disclosed in Patent Document 1 is employed in the optical system for confocal observation, the diameter and length of the flexible tube are undesirably large. Therefore, in order to enable the scanning of the widest possible range while reducing the size of the flexible tube, a point image of light is covered by shaking a point light source as disclosed in Patent Document 2 below. It is conceivable to use a configuration for scanning on the inspection surface in an optical system for confocal observation.

米国特許第5161053号明細書US Pat. No. 5,161,053

しかし従来、側視型共焦点内視鏡内の光学システムに上記点光源を振る構成を採用した場合に好適、つまり光量の損失や諸収差を良好に抑えることができる集光光学系について具体的な検討、提案はなされていなかった。   However, it is suitable for the conventional optical system in a side-viewing confocal endoscope that employs a configuration in which the above point light source is shaken, that is, a condensing optical system that can satisfactorily suppress light loss and various aberrations. There has not been any examination or suggestion.

そこで本発明は上記の事情に鑑み、点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成を持つ側視型の一体型内視鏡に好適な構成で、さらには諸収差を良好に抑えることができる集光光学系を提供することを目的とする。また本発明は、該集光光学系を備え、小型でありながらも広い走査範囲が確保された共焦点観察用の光学システムを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above circumstances, the present invention has a configuration suitable for a side-view type integrated endoscope having a configuration in which a point image of light is scanned on a surface to be measured by oscillating a point light source, and various aberrations. An object of the present invention is to provide a condensing optical system that can satisfactorily suppress the above. It is another object of the present invention to provide an optical system for confocal observation that is provided with the condensing optical system and is small in size and has a wide scanning range.

上記課題を解決するため、請求項1に記載の集光光学系は、共焦点用ピンホールとして機能する点光源を移動させて該点光源からの光束を走査することにより、被検面を観察する走査型共焦点光学システムに搭載される集光光学系であって、点光源側から順に、正のパワーを持つ第1群、少なくとも一つの偏向部材を含む偏向群、正のパワーを持つ第2群、カバーガラスを有し、少なくとも第2群とカバーガラスの間隔を変化させることにより、集光光学系の光軸方向に沿って集光位置を変化させることを特徴とする。   In order to solve the above problem, the condensing optical system according to claim 1 observes the surface to be examined by moving a point light source that functions as a confocal pinhole and scanning a light beam from the point light source. A condensing optical system mounted in the scanning confocal optical system, in order from the point light source side, a first group having a positive power, a deflection group including at least one deflection member, and a first group having a positive power It has two groups and a cover glass, and at least the distance between the second group and the cover glass is changed to change the condensing position along the optical axis direction of the condensing optical system.

上記のように構成することにより、点光源からの光束を可撓管の側面から照射することが可能になる。また、上記構成によれば、カバーガラスを被検面に当てつけることにより、被検物内にできる集光位置と被検面との間に一定の距離を確保することができる。従って、少なくとも第2群を光軸方向に駆動させて第2群とカバーガラスの間隔を変化させることにより、光軸方向(つまり被検物の厚み方向)に沿って集光位置を変化させることができる。   By comprising as mentioned above, it becomes possible to irradiate the light beam from a point light source from the side surface of a flexible tube. Moreover, according to the said structure, a fixed distance can be ensured between the condensing position made in a test object and a test surface by making a cover glass contact | abut to a test surface. Therefore, by changing the distance between the second group and the cover glass by driving at least the second group in the optical axis direction, the condensing position is changed along the optical axis direction (that is, the thickness direction of the test object). Can do.

さらに、請求項2に記載の集光光学系は、倍率をm、被検面側の開口数をNAとすると、以下の条件式(1)、
0.1<|m×NA|<0.2・・・(1)
を満たすことを特徴とする。
Further, in the condensing optical system according to claim 2, when the magnification is m and the numerical aperture on the test surface side is NA, the following conditional expression (1),
0.1 <| m × NA | <0.2 ... (1)
It is characterized by satisfying.

条件(1)は、点光源を振ることにより得られる走査範囲と被検面側の開口数との関係を規定する条件である。具体的には、条件(1)において、下限を下回ると開口数NAが低下してしまい、十分な解像力が得られない。また上限を上回ると、開口数が大きくなりすぎて球面収差の補正が困難になってしまうと共に、倍率が小さくなり、十分な走査範囲の確保が困難になる。つまり、請求項4に記載の集光光学系は、限られたスペースしか確保できない可撓管内部で点光源を振ることにより光の点像を被検面上で走査する構成に好適である。   Condition (1) is a condition that defines the relationship between the scanning range obtained by shaking the point light source and the numerical aperture on the surface to be examined. Specifically, in the condition (1), when the value falls below the lower limit, the numerical aperture NA is lowered, and sufficient resolution cannot be obtained. If the value exceeds the upper limit, the numerical aperture becomes too large, making it difficult to correct spherical aberration, and the magnification becomes small, making it difficult to ensure a sufficient scanning range. That is, the condensing optical system according to the fourth aspect is suitable for a configuration in which a point image of light is scanned on the surface to be measured by shaking the point light source inside the flexible tube that can ensure only a limited space.

請求項3に記載の発明によれば、上記集光光学系の第1群は、点光源側から順に、正のパワーを持つ第1A群と、少なくともカバーガラス側に凹面を向けた、単レンズまたは一組の接合レンズのいずれか一方からなる第1B群と、一組の接合レンズおよび単レンズからなる正のパワーを持つ第1C群と、から構成される。なお、本文においては、各光学部材に関する説明をするにあたり、便宜上、特に断りを入れない限り、集光光学系の光路を直線状に展開した状態を想定するものとする。   According to the invention described in claim 3, the first group of the condensing optical system includes, in order from the point light source side, the first A group having a positive power, and a single lens having a concave surface at least on the cover glass side. Alternatively, the first group B includes either one of a pair of cemented lenses, and the first C group having a positive power composed of a pair of cemented lenses and a single lens. In this description, for the sake of convenience, in the description of each optical member, it is assumed that the optical path of the condensing optical system is linearly extended unless otherwise noted.

詳しくは、第1A群は、正のパワーによって、点光源から照射された発散光束を収束させる。つまり第1群は主としてコンデンサーレンズとしての機能を持つ。また、第1B群が持つ凹面は、主としてペッツバール和を小さく保つことを目的とし、これにより像面湾曲を補正する。つまり該凹面を備えるレンズは、いわゆるフィールドフラットナーとしての機能を有する。ここで第1B群は第1A群を透過することにより収束する傾向にあった光束を再び発散させてしまう。従って第1C群は、第1B群透過後の光束を発散させないように正のパワーを持つ。集光光学系をこのような構成とすることにより、系の全長を短く保つことが可能となる。   Specifically, the first group A converges the divergent light beam emitted from the point light source with positive power. That is, the first group mainly has a function as a condenser lens. The concave surface of the first group B is mainly intended to keep the Petzval sum small, thereby correcting the curvature of field. That is, the lens having the concave surface has a function as a so-called field flattener. Here, the first group B causes the luminous flux that tends to converge by passing through the first group A to diverge again. Accordingly, the first C group has a positive power so as not to diverge the light beam after passing through the first B group. By adopting such a configuration for the condensing optical system, the entire length of the system can be kept short.

上記構成の集光光学系において、点光源から集光光学系の第1面までの距離をd0、第1群の合成焦点距離をf1、第1A群の焦点距離をf1Aとすると、以下の条件式(2)、および(3)
0.1<d0/f1A<0.5・・・(2)
0.2<|f1A/f1|<0.8・・・(3)
をともに満たすことが好ましい(請求項4)。
In the condensing optical system having the above configuration, when the distance from the point light source to the first surface of the condensing optical system is d0, the combined focal length of the first group is f1, and the focal length of the first group A is f1A, the following conditions are satisfied. Formulas (2) and (3)
0.1 <d0 / f1A <0.5 (2)
0.2 <| f1A / f1 | <0.8 (3)
It is preferable to satisfy both (claim 4).

該点光源は該光束を走査するために移動している。また、点光源から照射された光束は、そもそも発散傾向にある。つまり、点光源から照射される光束は該点光源から離れるほど大きく広がって(発散して)いく。本発明に係る集光光学系は、広がりつつある光束を点光源の直後に配置した第1A群によって集光する。従って、点光源により近い位置に第1A群を配設すればするほど、レンズの径つまりは集光光学系全体を小型化できる反面、あまりに近づけると移動中の点光源と第1A群のレンズが接触するおそれがあるため好ましくない。条件(2)は、このような点光源と第1A群との位置関係および集光光学系の小型化について規定する。条件(2)の上限を超えると小型化が困難となる一方、下限を下回ると点光源と第1A群とが接触してしまう。   The point light source is moving to scan the luminous flux. In addition, the light beam emitted from the point light source tends to diverge in the first place. That is, the light beam emitted from the point light source spreads (diverges) greatly as the distance from the point light source increases. The condensing optical system according to the present invention condenses the spreading light beam by the first group A arranged immediately after the point light source. Therefore, as the 1A group is arranged closer to the point light source, the diameter of the lens, that is, the entire condensing optical system can be reduced. However, if it is too close, the moving point light source and the lens of the 1A group can be reduced. Since there is a possibility of contact, it is not preferable. Condition (2) defines the positional relationship between such a point light source and the first group A and the miniaturization of the condensing optical system. When the upper limit of the condition (2) is exceeded, downsizing becomes difficult, while when the lower limit is exceeded, the point light source and the first group A come into contact.

また、上記のように第1A群は点光源から照射された発散光束を収束させるために正のパワーを持つ。条件(3)は、系全体のパワーとのバランスを考慮して第1A群のパワーを適切に設定するための条件である。条件(3)の下限を下回ると、第1A群のパワーが強くなりすぎて歪曲収差が発生してしまう。条件(3)の上限を超えると、第1A群のパワーが弱くなりすぎ、構成するレンズの径が大きくなってしまう。   Further, as described above, the first group A has positive power to converge the divergent light beam emitted from the point light source. Condition (3) is a condition for appropriately setting the power of the first group A in consideration of the balance with the power of the entire system. If the lower limit of condition (3) is not reached, the power of the first group A will be too strong and distortion will occur. If the upper limit of the condition (3) is exceeded, the power of the first group A will be too weak, and the diameter of the lens constituting the lens will become large.

さらに請求項5に記載の発明によれば、第1A群は1枚の単レンズで構成してもよい。但し第1A群を一枚の単レンズのみで構成した場合、該第1A群のアッベ数ν1Aが以下の条件式(4)、
ν1<30・・・(4)
を満たすように設計する必要がある。
Further, according to the invention described in claim 5, the first group A may be composed of one single lens. However, when the first A group is composed of only a single lens, the Abbe number ν1A of the first A group is expressed by the following conditional expression (4):
ν1 <30 (4)
It is necessary to design to satisfy.

集光光学系のレンズ枚数をできるだけ少なくして簡素な構成にするためには、第1A群として一枚の単レンズを使用すればよい。ここで、第1C群、第2群の接合レンズ(特に接合面)は、主として軸上色収差を補正する役割を担っているが、倍率の色収差を補正することはできない。条件式(4)は、第1A群に適切な色収差を持たせ、総合的に軸上及び倍率の色収差を補正する条件である。第1群を一枚の単レンズで構成する場合、条件(4)を満たすようなアッベ数が与えられた単レンズを用いれば、倍率色収差を効果的に抑えることができる。   In order to make the number of lenses of the condensing optical system as small as possible and to have a simple configuration, a single lens may be used as the first A group. Here, the cemented lenses (particularly the cemented surfaces) of the first C group and the second group mainly play a role of correcting axial chromatic aberration, but cannot correct chromatic aberration of magnification. Conditional expression (4) is a condition for giving appropriate chromatic aberration to the first group A and correcting chromatic aberrations on the axis and magnification in a comprehensive manner. When the first lens group is composed of a single lens, the chromatic aberration of magnification can be effectively suppressed by using a single lens having an Abbe number that satisfies the condition (4).

請求項6に記載の発明によれば、第2群は、一組の正と負の貼り合わせレンズ一枚と、少なくとも一枚の正の単レンズと、を含むことが望ましい。可動群としての機能を有する第2群は、単独で諸収差が補正されていることが望ましい。そこで、貼り合わせレンズを用いることにより、球面収差やコマ収差を補正する。また、該貼り合わせレンズの貼り合わせ面によって軸上色収差の補正も達成される。   According to the invention described in claim 6, it is desirable that the second group includes one set of positive and negative bonded lenses and at least one positive single lens. It is desirable that the second group having the function as the movable group has various aberrations corrected alone. Therefore, spherical aberration and coma are corrected by using a bonded lens. In addition, correction of axial chromatic aberration is also achieved by the bonding surface of the bonded lens.

なお、第2群は、3枚の正の単レンズを含むことが望ましい(請求項7)。このように、第2群において、正のパワーを複数の単レンズに分割することにより、各レンズを球面レンズで構成したとしても球面収差やコマ収差を小さく抑えることが可能になる。   The second group preferably includes three positive single lenses. As described above, in the second group, by dividing the positive power into a plurality of single lenses, it is possible to suppress spherical aberration and coma aberration even if each lens is constituted by a spherical lens.

ここで、上記の集光光学系は、偏向群から射出され第2群に入射する光束が略平行光束となるように構成することが望ましい(請求項8)。このように、偏向群からの射出光束をほぼ平行光束にすることにより、集光位置を変化させるために第2群を該射出光束の光軸方向に移動させた場合であっても、集光光学系全体の倍率が変化したり、諸収差が劣化したりすることがない。   Here, it is desirable that the condensing optical system is configured so that the light beam emitted from the deflection group and incident on the second group becomes a substantially parallel light beam. Thus, even if the second group is moved in the direction of the optical axis of the emitted light beam in order to change the light collection position by making the emitted light beam from the deflection group substantially parallel, the light is condensed. The magnification of the entire optical system does not change and various aberrations do not deteriorate.

本発明に係る集光光学系のように光路が系の途中で偏向される光学系では、偏向群の前後の群に関する組み付け精度を高く保つことが非常に難しい。また、該偏向群の個体差(例えば、加工誤差等)による偏芯、詳しくは第1群の軸上光が偏向群の個体差により第2群の光軸外を直進してしまう現象も起こりやすい。組み付け精度誤差を小さく抑え、偏芯による収差を小さく抑えるためには、第2群に入射する光束が略平行光束だけでなく、第1群からの射出光束も略平行光束にする必要がある。そこで、請求項9に記載の集光光学系によれば、第1群の合成焦点距離をf1、第2群の合成焦点距離をf2、とすると、第1群と第2群が以下の条件式(5)、
0.97<f2×m/f1<1.03・・・(5)
を満たすことが望ましい。条件(5)を満たす光学系では、第1群から射出された平行光束がそのまま第2群に入射するように、偏向群を平面のみからなるプリズムやミラーで構成することが望ましい(請求項10)。
In an optical system in which an optical path is deflected in the middle of the system, such as a condensing optical system according to the present invention, it is very difficult to maintain high assembly accuracy with respect to groups before and after the deflection group. Further, eccentricity due to individual differences (for example, processing errors) of the deflection group, more specifically, a phenomenon in which on-axis light of the first group travels straight out of the optical axis of the second group due to individual differences of the deflection group. Cheap. In order to suppress an assembly accuracy error and to suppress aberration due to decentration, it is necessary that not only the light beam incident on the second group is a substantially parallel light beam but also the light beam emitted from the first group is a substantially parallel light beam. Therefore, according to the condensing optical system of the ninth aspect, when the combined focal length of the first group is f1, and the combined focal length of the second group is f2, the first group and the second group satisfy the following conditions: Formula (5),
0.97 <f2 × m / f1 <1.03 (5)
It is desirable to satisfy. In the optical system satisfying the condition (5), it is desirable that the deflection group is composed of a prism or mirror made of only a plane so that the parallel light beam emitted from the first group is directly incident on the second group. ).

また、偏向群の占める間隔(空気換算長)が長くなると、光軸に対して一定の角度をなす軸外光束が第2群入射することにより、けられが発生するおそれがある。そこで、請求項11に記載の発明によれば、該偏向群としてミラーよりも空気換算長が短いプリズムを使用する。そして、該プリズムの少なくとも1つの面で入射光束を全反射させることによって光路の偏向を実現する。これにより、偏向の際の光量の損失を最小限に抑えることができ、光の利用効率を高めることができる。   In addition, when the interval occupied by the deflection group (equivalent air length) is increased, the off-axis light beam having a fixed angle with respect to the optical axis is incident on the second group, and there is a risk of being garbled. Therefore, according to the invention described in claim 11, a prism having an air conversion length shorter than that of the mirror is used as the deflection group. Then, the incident light beam is totally reflected by at least one surface of the prism to realize the deflection of the optical path. Thereby, the loss of the light quantity at the time of deflection can be minimized, and the light utilization efficiency can be increased.

ここで、第1群の光軸と第2群の光軸がなす角をθとすると、角θが60°を超える場合、三角プリズムを用いる。例えば、角θが90°の場合は、直角プリズムを使用すればよい。該直角プリズムを使用する場合、斜面を全反射面として設計すれば空気換算長を短くすることができる。また、角θが60°以下の場合、2回反射によって偏向を行うプリズム(例えば、光軸を含む断面形状が五角形のプリズム、以下、2回反射プリズムという)等が空気換算長を短くすることができるため好適である。なお、上記の各プリズムは、上述した形状の単一プリズムであってもよいし、複数の多角形プリズムを貼り合わせてもよい。また、2回反射プリズムでは、2面とも全反射させるように配置構成することが設計上困難な場合には、一方の面に金属コート等を施すことも可能である。   Here, assuming that the angle formed by the optical axis of the first group and the optical axis of the second group is θ, a triangular prism is used when the angle θ exceeds 60 °. For example, when the angle θ is 90 °, a right angle prism may be used. When the right-angle prism is used, the air conversion length can be shortened by designing the inclined surface as a total reflection surface. In addition, when the angle θ is 60 ° or less, a prism that deflects by two-time reflection (for example, a prism having a pentagonal cross section including an optical axis, hereinafter referred to as a two-time reflection prism) or the like shortens the air equivalent length. Is preferable. Each prism described above may be a single prism having the shape described above, or a plurality of polygonal prisms may be bonded together. Further, in the case of a two-time reflecting prism, if it is difficult to design the arrangement so that both surfaces are totally reflected, it is possible to apply a metal coat or the like on one surface.

請求項11に記載の条件式(6)、
35°<θ<105°・・・(6)
は、偏向群が全反射条件を満たすための条件である。条件式(6)において、下限を下回ると、2回反射プリズムの全反射条件を満足しない軸外光束によるけられが発生してしまう。また上限を上回ると、三角プリズムの全反射条件を満足しない軸外光束によるけられが発生してしまう。
Conditional expression (6) according to claim 11,
35 ° <θ <105 ° (6)
Is a condition for the deflection group to satisfy the total reflection condition. In conditional expression (6), if the value falls below the lower limit, the off-axis light flux that does not satisfy the total reflection condition of the two-time reflecting prism will occur. On the other hand, if the value exceeds the upper limit, an off-axis light beam that does not satisfy the total reflection condition of the triangular prism will be distorted.

なお、より好ましくは、第1群と、偏向群と、カバーガラスとは、走査型共焦点光学システムの内部に固定しておく(請求項12)。つまり、第2群のみが可動状態にすると集光光学系が簡素な構成になり好ましい。   More preferably, the first group, the deflection group, and the cover glass are fixed inside the scanning confocal optical system (claim 12). That is, it is preferable that only the second group is movable, since the condensing optical system has a simple configuration.

請求項13に記載の共焦点光学システムは、共焦点用ピンホールとして機能する点光源と、点光源から照射された光束を集光する、請求項1から請求項11のいずれかに記載の集光光学系と、点光源を少なくとも集光光学系の光軸と実質的に直交する面上で移動させることにより、光束を走査させる走査手段と、少なくとも第2群とカバーガラスの間隔を変化させることにより、集光光学系の光軸方向に集光位置を移動させる集光位置移動手段と、を備えることを特徴とする。   The confocal optical system according to claim 13 condenses a point light source functioning as a confocal pinhole and a light beam emitted from the point light source. By moving the optical optical system and the point light source at least on a plane substantially orthogonal to the optical axis of the condensing optical system, the distance between the scanning unit for scanning the light beam and at least the second group and the cover glass is changed. In this way, there is provided a condensing position moving means for moving the condensing position in the optical axis direction of the condensing optical system.

請求項13に記載の共焦点光学システムによれば、上記の走査手段および集光位置移動手段によって3次元の走査が可能になり、体腔内の生体組織の表面像のみならず断層像まで観察することが可能になる。しかも、該走査手段は従来技術のようにミラーを用いて光束を走査するのではなく、点光源を移動させることにより走査を行うためにシステム全体の小型化が図られる。また、上述した集光光学系を搭載することにより、該走査手段によって移動する点光源から照射される光束を、光量の損失や諸収差を抑えつつ被検面に集光させることができる。これにより、広範囲にわたってより明るく鮮明な画像による観察が可能になる。   According to the confocal optical system of the thirteenth aspect, three-dimensional scanning is possible by the scanning unit and the converging position moving unit, and not only the surface image of the living tissue in the body cavity but also the tomographic image is observed. It becomes possible. In addition, the scanning means does not scan the light beam using a mirror as in the prior art, but performs scanning by moving the point light source, so that the entire system can be reduced in size. Further, by mounting the above-described condensing optical system, it is possible to condense the light beam irradiated from the point light source moving by the scanning unit on the surface to be measured while suppressing loss of light amount and various aberrations. This enables observation with a brighter and clearer image over a wide range.

シングルモード光ファイバの射出端を点光源および共焦点ピンホールとして使用する、いわゆるファイバスキャンタイプの共焦点光学システムでは、集光光学系の光軸方向およびファイバの配設方向(可撓管の長手方向)が略同一直線上にあることが要求される。従って該共焦点光学システムを側視型の一体型内視鏡に利用する場合、上述した集光光学系を用いると極めて好適である。このとき、第1群の光軸がファイバの配設方向と略一致するように上記集光光学系を配設することにより、可撓管を大型化させることなく該集光光学系を該可撓管内に収納することができる。   In a so-called fiber scan type confocal optical system in which the exit end of a single mode optical fiber is used as a point light source and a confocal pinhole, the optical axis direction of the condensing optical system and the fiber arrangement direction (the length of the flexible tube) (Direction) is required to be substantially on the same straight line. Therefore, when the confocal optical system is used for a side view type integrated endoscope, it is extremely preferable to use the above-described condensing optical system. At this time, by disposing the condensing optical system so that the optical axis of the first group substantially coincides with the disposing direction of the fiber, the condensing optical system can be formed without increasing the size of the flexible tube. It can be stored in a flexible tube.

請求項14に記載の共焦点光学システムによれば、上記実質的に直交する面は、集光光学系の光軸上に曲率中心がある曲面であり、集光光学系の全系の合成焦点距離をf、移動状態にある点光源から照射される光束の主光線と集光光学系の光軸とが交わる交点と、集光光学系の前側主点との間の距離をs(但し、被検面に向かう方向を+とする)とすると、以下の条件式(7)、
0.1<-f/s<1.0・・・(7)
を満たす。
According to the confocal optical system according to claim 14, the substantially orthogonal plane is a curved surface having a center of curvature on the optical axis of the condensing optical system, and the combined focal point of the entire condensing optical system. The distance is f, and the distance between the intersection of the principal ray of the light beam emitted from the moving point light source and the optical axis of the condensing optical system and the front principal point of the condensing optical system is s (where, Assuming that the direction toward the test surface is +), the following conditional expression (7),
0.1 <-f / s <1.0 (7)
Meet.

より詳しくは、点光源は、発光部と集光光学系との間であって集光光学系の光軸に沿って配設された一本の光ファイバの射出端であり、走査手段は、射出端近傍を湾曲させることにより、前記点光源を上記の曲面上で移動させる(請求項15)。   More specifically, the point light source is an exit end of one optical fiber disposed between the light emitting unit and the condensing optical system and along the optical axis of the condensing optical system. The point light source is moved on the curved surface by curving the vicinity of the emission end (claim 15).

上記のように、光ファイバの射出端より光源側を湾曲させることにより点光源としてのファイバ射出端面を移動させることにより、一体型内視鏡にも適用できるように可撓管の細径化を維持しつつ広範囲な走査範囲を得るという目的を比較的容易に達成することができる。   As described above, the diameter of the flexible tube can be reduced so that it can be applied to an integrated endoscope by moving the fiber exit end surface as a point light source by curving the light source side from the exit end of the optical fiber. The objective of obtaining a wide scanning range while maintaining can be achieved relatively easily.

なお、上記のように光ファイバ射出端より光源側を湾曲させることにより、ファイバ射出端面が描く軌跡は、厳密には平面ではなく曲面となる。しかし、ファイバの湾曲中心から射出端までの距離をファイバの走査幅に対し十分長く取れば、略平面と考えることができる。つまり、実質的には、該曲面は集光光学系の光軸と実質的に直交する面と同一視することが可能である。   In addition, by curving the light source side from the optical fiber exit end as described above, the locus drawn by the fiber exit end surface is not a flat surface but strictly a curved surface. However, if the distance from the center of curvature of the fiber to the exit end is sufficiently long with respect to the scanning width of the fiber, it can be considered as a substantially flat surface. That is, substantially, the curved surface can be identified with a surface that is substantially orthogonal to the optical axis of the condensing optical system.

また、光ファイバの射出端より光源側を湾曲させると、その湾曲の度合いに応じて射出端面が傾く為、照射される光束の主光線と集光光学系の光軸とのなす角度は大きくなる。集光光学系は、射出端面から照射される光束の主光線の延長線と集光光学系の光軸が交わる所定位置に入射瞳位置がくるように配設される。なお、上記所定位置は、ファイバ射出端のX-Y平面上の位置(X、Y)が最大、つまり、光軸から最も離れた時の射出端面から照射される光束の主光線を基準に考えると容易に求まる。このように配置することで、ファイバからの射出光束をケラレなく集光光学系に取り込み、視野周辺部まで十分な光量を確保することができる。   In addition, when the light source side is curved from the exit end of the optical fiber, the exit end face is inclined according to the degree of the curvature, so that the angle formed between the principal ray of the irradiated light beam and the optical axis of the condensing optical system becomes large. . The condensing optical system is disposed so that the entrance pupil position is at a predetermined position where the extension of the principal ray of the light beam irradiated from the exit end surface and the optical axis of the condensing optical system intersect. The predetermined position is considered based on the principal ray of the light beam irradiated from the exit end surface when the position (X, Y) on the XY plane of the fiber exit end is the maximum, that is, the farthest from the optical axis. And easily obtained. By arranging in this way, the light beam emitted from the fiber can be taken into the condensing optical system without vignetting, and a sufficient amount of light can be ensured up to the periphery of the field of view.

また、共焦点光学システムにおいて、所定位置に移動したファイバ端面からの光束は被検面で反射した後、必ず所定位置にあるファイバ端面に導かれるようにする必要がある。このように被検面からの反射光を利用した走査を行う場合、より効率良くその反射光を集光光学系に戻す為には光学系の被検面側にテレセン性を持たせることが有効である。近軸的には集光光学系の前側(ファイバー側)焦点位置に入射瞳があればよい。しかし、軸外では、瞳の球面収差が大きくなるため、軸外光束についての入射瞳は近軸計算位置からずれた位置にあるのが一般的である。条件(7)は、軸外光束が瞳の球面収差をもっている場合でも、必要最低限のテレセンを確保する為の条件である。つまり、条件(7)の上限と下限のいずれを超えてもテレセン性が著しく失われてしまい周辺部の光量が著しく低下してしまう。   In the confocal optical system, the light beam from the fiber end face moved to a predetermined position must be guided to the fiber end face at a predetermined position after being reflected by the test surface. When scanning using the reflected light from the test surface in this way, it is effective to provide telecentricity on the test surface side of the optical system in order to return the reflected light to the condensing optical system more efficiently. It is. In terms of paraxiality, it is only necessary to have an entrance pupil at the front (fiber side) focal position of the condensing optical system. However, since the spherical aberration of the pupil increases outside the axis, the entrance pupil for the off-axis light beam is generally located at a position shifted from the paraxial calculation position. Condition (7) is a condition for ensuring the minimum necessary telecentricity even when the off-axis light beam has spherical aberration of the pupil. In other words, the telecentricity is remarkably lost and the amount of light in the peripheral portion is significantly reduced when either the upper limit or the lower limit of the condition (7) is exceeded.

上記のような共焦点光学システムを用いることにより、可撓管の細径化を維持することができるため、被検者の負担を軽減できる一体型内視鏡を実現することができる。   By using the confocal optical system as described above, the diameter of the flexible tube can be maintained, so that an integrated endoscope that can reduce the burden on the subject can be realized.

以上のように本発明によれば、点光源を振ることにより三次元の走査を実現する共焦点光学システムを搭載する側視型光学系に好適で、かつ諸収差を良好に抑えた集光光学系が提供される。このような集光光学系を搭載した共焦点光学システムは、側視型であっても大型化することなく、広い走査範囲が確保できる。また、このような共焦点光学システムを用いることで、側視型であっても直視型に近い細径の可撓管を備えた一体型内視鏡を実現することができる。   As described above, according to the present invention, the condensing optical system that is suitable for a side-viewing optical system equipped with a confocal optical system that realizes three-dimensional scanning by oscillating a point light source and that suppresses various aberrations satisfactorily. A system is provided. A confocal optical system equipped with such a condensing optical system can ensure a wide scanning range without increasing its size even if it is a side view type. Further, by using such a confocal optical system, it is possible to realize an integrated endoscope including a flexible tube having a small diameter close to that of the direct view type even if it is a side view type.

以下、この発明に係る集光光学系、および該集光光学系を備える共焦点光学システムの実施形態を説明する。図1は、共焦点光学システム100における集光光学系10近傍の拡大図である。共焦点光学システム100は、体腔内の生体組織OBを高倍率で観察(共焦点観察)するために、側視型光学系を搭載する一体型内視鏡に設けられている。なお、該一体型内視鏡は、生体組織OBを通常観察するための通常観察用光学システム(不図示)も備える。また、一体型内視鏡は、生体組織OBを照明する発光部や各光学システムによって撮像された生体組織OBの画像に所定の画像処理を施す画像処理部等を含むプロセッサ(不図示)に電気的かつ光学的に接続されている。   Embodiments of a condensing optical system according to the present invention and a confocal optical system including the condensing optical system will be described below. FIG. 1 is an enlarged view of the vicinity of the condensing optical system 10 in the confocal optical system 100. The confocal optical system 100 is provided in an integrated endoscope equipped with a side-viewing optical system in order to observe a living tissue OB in a body cavity at a high magnification (confocal observation). The integrated endoscope also includes a normal observation optical system (not shown) for normal observation of the living tissue OB. In addition, the integrated endoscope is electrically connected to a processor (not shown) including a light emitting unit that illuminates the living tissue OB, an image processing unit that performs predetermined image processing on an image of the living tissue OB captured by each optical system, and the like. And optically connected.

共焦点光学システム100は、集光光学系10、シングルモード光ファイバ(以下、単に光ファイバという)20、カバーガラス30、ファイバ端駆動部40、レンズ駆動部50を有する。集光光学系10は、光ファイバ20の射出端21側から順に、第1群G1、偏向群GD、第2群G2を有する。光ファイバ20、ファイバ端駆動部40、第1群G1、偏向群GD、カバーガラス30は、各々、システム100の内部(不図示)に固定されている。第2群G2は、レンズ駆動部50によって、第2群G2の光軸方向に沿ってスライド自在に保持されている。   The confocal optical system 100 includes a condensing optical system 10, a single mode optical fiber (hereinafter simply referred to as an optical fiber) 20, a cover glass 30, a fiber end driving unit 40, and a lens driving unit 50. The condensing optical system 10 includes a first group G1, a deflection group GD, and a second group G2 in order from the exit end 21 side of the optical fiber 20. The optical fiber 20, the fiber end drive unit 40, the first group G1, the deflection group GD, and the cover glass 30 are each fixed inside the system 100 (not shown). The second group G2 is held by the lens driving unit 50 so as to be slidable along the optical axis direction of the second group G2.

なお、図1を含め以下の各図において、光ファイバ20の配設方向(第1群の光軸方向)をZ方向、Z方向と直交し、かつ互いに直交する方向をそれぞれX方向、Y方向とする。つまり、X方向とY方向はZ方向と直交する面(X−Y面)を規定する。また、説明の便宜上、第2群の光軸方向をAX2方向という。   In the following drawings including FIG. 1, the arrangement direction of the optical fiber 20 (the optical axis direction of the first group) is orthogonal to the Z direction, the Z direction, and the directions orthogonal to each other are the X direction and the Y direction, respectively. And That is, the X direction and the Y direction define a plane (XY plane) orthogonal to the Z direction. For convenience of explanation, the optical axis direction of the second group is referred to as AX2 direction.

光ファイバ20は、プロセッサの発光部と集光光学系10との間に配設される導光手段である。ファイバ端駆動部40は、光ファイバ20の射出端21近傍であって、X−Y面内において互いに直交する方向(つまりX方向とY方向)に変位する二つの圧電素子を備える。つまり、ファイバ端駆動部40は、各圧電素子に電圧を印加することにより、X方向やY方向に射出端21近傍を押圧し、該方向へ移動させる。ファイバ端駆動部40によって射出端21近傍がZ方向と直交する方向に移動すると、射出端21から照射される光束は、該移動に伴って生体組織OBの表面を2次元に走査する。   The optical fiber 20 is light guiding means disposed between the light emitting unit of the processor and the condensing optical system 10. The fiber end drive unit 40 includes two piezoelectric elements that are in the vicinity of the emission end 21 of the optical fiber 20 and are displaced in directions orthogonal to each other (that is, the X direction and the Y direction) in the XY plane. That is, by applying a voltage to each piezoelectric element, the fiber end driving unit 40 presses the vicinity of the emission end 21 in the X direction and the Y direction, and moves in that direction. When the vicinity of the emission end 21 is moved in the direction orthogonal to the Z direction by the fiber end drive unit 40, the light beam irradiated from the emission end 21 scans the surface of the living tissue OB two-dimensionally with the movement.

また、レンズ駆動部50によって第2群G2がAX2方向に沿って移動することにより、光ファイバ21から照射され、集光光学系10を介した光束の集光位置がAX2方向に若干ずれる。つまり、AX2方向の走査が可能になる。さらに言えば、上記ファイバ端駆動部40およびレンズ駆動部50の作用により、共焦点光学システム100は、生体組織OBに関するX−Y−AX2からなる3次元の画像を得ることができる。   Further, when the second group G2 moves along the AX2 direction by the lens driving unit 50, the condensing position of the light beam irradiated from the optical fiber 21 via the condensing optical system 10 is slightly shifted in the AX2 direction. That is, scanning in the AX2 direction is possible. Furthermore, the confocal optical system 100 can obtain a three-dimensional image composed of XY-AX2 related to the biological tissue OB by the action of the fiber end driving unit 40 and the lens driving unit 50.

光ファイバ20は、プロセッサの発光部からの光束をシステム100内に導き、射出端21から照射する。つまり、光ファイバ20の射出端21は二次的な点光源として機能する。上述したように、ファイバ端駆動部40により、射出端21は、X−Y面上を移動する。ここで厳密には、図1に示すように、射出端21の軌跡は、射出端21から照射される光束の主光線の延長線(太破線)と光軸(一点鎖線)の交点Pを曲率中心とする曲面(矢印点線)となる。しかし、射出端21の移動量は微量であるため、該曲面は実質的にX−Y面と略一致すると考えられる。なお、図1に示すように、交点Pは、ファイバ端駆動部40により移動する光ファイバ20の射出端の湾曲中心Cよりも集光光学系10側に位置する。集光光学系10の第1群G1は、交点Pに入射瞳が位置するように配設される。   The optical fiber 20 guides the light beam from the light emitting unit of the processor into the system 100 and irradiates it from the emission end 21. That is, the exit end 21 of the optical fiber 20 functions as a secondary point light source. As described above, the emission end 21 moves on the XY plane by the fiber end driving unit 40. Strictly speaking, as shown in FIG. 1, the locus of the exit end 21 has a curvature at an intersection P between an extension line (thick dashed line) of the principal ray of the light beam emitted from the exit end 21 and the optical axis (dashed line). It becomes a curved surface (arrow dotted line) as the center. However, since the movement amount of the injection end 21 is very small, it is considered that the curved surface substantially coincides with the XY plane. As shown in FIG. 1, the intersection point P is located closer to the condensing optical system 10 than the curved center C of the exit end of the optical fiber 20 that is moved by the fiber end driving unit 40. The first group G1 of the condensing optical system 10 is arranged so that the entrance pupil is located at the intersection P.

射出端21から照射された光束は集光光学系10、カバーガラス30を介して生体組織OBで集光する。生体組織OBで反射した光は、カバーガラス30、集光光学系10、射出端21の順に戻る。換言すれば、共焦点光学システム100は、生体組織OBからの反射光がテレセン性を持つように構成される。そのため、集光光学系10と光ファイバ20は、集光光学系10の前側焦点位置に射出端21が位置するように配置される。これにより、近軸的には反射光のテレセン性が確保される。さらに、軸外でも反射光のテレセン性を確保するために、共焦点光学システム100は以下の条件(7)を満たす。
0.1<-f/s<1.0・・・(7)
但し、fは、集光光学系の全系の合成焦点距離を、交点Pと集光光学系10の前側主点Hとの間の距離をs(但し、被検面である生体組織OBに向かう方向を+とする)とする。
The light beam irradiated from the exit end 21 is condensed by the living tissue OB via the condensing optical system 10 and the cover glass 30. The light reflected by the living tissue OB returns in the order of the cover glass 30, the condensing optical system 10, and the exit end 21. In other words, the confocal optical system 100 is configured such that the reflected light from the living tissue OB has telecentricity. Therefore, the condensing optical system 10 and the optical fiber 20 are arranged so that the exit end 21 is positioned at the front focal position of the condensing optical system 10. This ensures the telecentricity of the reflected light paraxially. Furthermore, the confocal optical system 100 satisfies the following condition (7) in order to ensure the telecentricity of the reflected light even off-axis.
0.1 <-f / s <1.0 (7)
However, f is the total focal length of the entire condensing optical system, and s is the distance between the intersection P and the front principal point H of the condensing optical system 10 (however, it is applied to the living tissue OB that is the test surface). The direction to go is +).

また、光ファイバ20のコア径は極めて小さいため、射出端21は点光源としてだけでなく絞りとしても機能する。従って、条件(7)を満たすように構成することにより、所定位置にある射出端21には、該所定位置にある射出端21から照射され、生体組織OBで射出端21と共役な集光点から反射した光のみが入射する。   Further, since the core diameter of the optical fiber 20 is extremely small, the emission end 21 functions not only as a point light source but also as a diaphragm. Therefore, by configuring so as to satisfy the condition (7), the emission end 21 at the predetermined position is irradiated from the emission end 21 at the predetermined position, and is a condensing point conjugate with the emission end 21 by the living tissue OB. Only the light reflected from the light enters.

なお、射出端21に入射した反射光は、プロセッサに導かれる。そしてプロセッサ内において映像信号に変換される。映像信号がモニタ等に出力されることにより、共焦点光学システムにより得られた高倍率な画像が得られる。   The reflected light incident on the exit end 21 is guided to the processor. Then, it is converted into a video signal in the processor. By outputting the video signal to a monitor or the like, a high-magnification image obtained by the confocal optical system can be obtained.

上記のような共焦点光学システム100に搭載される集光光学系10について以下詳説する。図2は、集光光学系10のレンズ配置を示す図の一例である。   The condensing optical system 10 mounted on the confocal optical system 100 as described above will be described in detail below. FIG. 2 is an example of a diagram illustrating a lens arrangement of the condensing optical system 10.

集光光学系10において、第1群G1は、射出端21側、つまり図中左側から順に、正のパワーを持つ第1A群と、少なくともカバーガラス30側に凹面を向けた単レンズもしくは接合レンズからなる第1B群と、一組の接合レンズと一枚の単レンズからなる第1C群とからなる。   In the condensing optical system 10, the first group G1 includes, in order from the exit end 21 side, that is, the left side in the drawing, the first A group having positive power and a single lens or a cemented lens having a concave surface at least on the cover glass 30 side. 1B group, and 1C group consisting of a pair of cemented lenses and a single lens.

第1A群は、複数枚のレンズから構成することも可能である。しかしレンズ枚数を減らしてコストダウンや重量の軽減を図るために、本実施形態の第1A群は、一枚の単レンズから構成される。正のパワーを持つ第1A群は、射出端21から照射された発散光束を収束させるコンデンサーレンズとしての機能を持つ。また、該単レンズに倍率色収差補正機能を付与するため、該単レンズは以下の条件(4)を満たすアッベ数ν1Aが与えられる。
ν1A<30・・・(4)
The first group A can also be composed of a plurality of lenses. However, in order to reduce the number of lenses to reduce cost and weight, the first group A of this embodiment is composed of a single lens. The first group A having positive power has a function as a condenser lens that converges the divergent light beam emitted from the exit end 21. In order to give the single lens a function of correcting chromatic aberration of magnification, the single lens is given an Abbe number ν1A that satisfies the following condition (4).
ν1A <30 (4)

なお、集光光学系10は、射出端21から集光光学系10の第一面r1までの距離をd0、第1A群の合成焦点距離をf1、第1A群の焦点距離をf1Aとすると、以下の条件式(2)、および(3)
0.1<d0/f1A<0.5・・・(2)
0.2<|f1A/f1|<0.8・・・(3)
をともに満たすように構成される。
The condensing optical system 10 has a distance from the exit end 21 to the first surface r1 of the condensing optical system 10 as d0, a combined focal length of the first A group as f1, and a focal length of the first A group as f1A. Conditional expressions (2) and (3) below
0.1 <d0 / f1A <0.5 (2)
0.2 <| f1A / f1 | <0.8 (3)
It is configured to satisfy both.

条件(2)及び(3)は、集光光学系10の小型化を図るための条件である。。条件(2)と条件(3)を共に満たすことにより、集光光学系10は、小型化されながらも歪曲収差をはじめとする諸収差を良好に抑えることができる。   Conditions (2) and (3) are conditions for reducing the size of the condensing optical system 10. . By satisfying both the condition (2) and the condition (3), the condensing optical system 10 can satisfactorily suppress various aberrations including distortion while being downsized.

第1B群のカバーガラス30側の凹面r4は、像面湾曲を補正するために設けられている。但し、該凹面により、第1B群から射出された光束は発散している。第1C群は、該光束の発散を抑えるために正のパワーが与えられている。なお第1C群の貼り合わせ面r6は軸上色収差を補正する効果を持つ。   The concave surface r4 on the cover glass 30 side of the first B group is provided to correct field curvature. However, the light beam emitted from the first group B diverges due to the concave surface. The first group C is given positive power in order to suppress the divergence of the luminous flux. Note that the bonding surface r6 of the first C group has an effect of correcting axial chromatic aberration.

第2群G2は、両凹レンズと両凸レンズの接合レンズ一枚と少なくとも一枚の正の単レンズとを含んでいる。貼り合わせレンズは、全体として負のパワーを持つ。該接合レンズの射出端21側に向けられた強い発散面r16は、球面収差やコマ収差を補正する作用がある。また、該接合レンズの接合面r17は、前述の面r6とともに、軸上色収差の補正に寄与する。このように、本実施形態では、第1群G1及び第2群G2それぞれに軸上色収差補正機能を与えることにより、それぞれの群で軸上色収差を補正している。   The second group G2 includes a biconcave lens, one cemented lens of the biconvex lens, and at least one positive single lens. The bonded lens has a negative power as a whole. The strong diverging surface r16 directed to the exit end 21 side of the cemented lens has an action of correcting spherical aberration and coma aberration. Further, the cemented surface r17 of the cemented lens contributes to correction of longitudinal chromatic aberration together with the surface r6 described above. As described above, in this embodiment, the axial chromatic aberration is corrected in each group by providing the axial chromatic aberration correction function to each of the first group G1 and the second group G2.

以上のように、レンズ駆動部50によりスライド自在に保持されている第2群G2は、貼り合わせレンズを用いることにより、群単独で諸収差が抑えられた状態にある。なお、本実施形態の第2群G2は、正のパワーを3枚の単レンズに分割して負担させている。これにより、各レンズにおいて発生する球面収差やコマ収差を小さく抑えている。また、第2群G2のカバーガラス30側の二つの単レンズと貼り合わせレンズは、ちょうどレトロフォーカスの配置構成になっている。これにより、十分なワーキングディスタンスの確保を実現している。   As described above, the second group G2 slidably held by the lens driving unit 50 is in a state in which various aberrations are suppressed by using the bonded lens. In the second group G2 of the present embodiment, positive power is divided and applied to three single lenses. Thereby, spherical aberration and coma generated in each lens are kept small. Further, the two single lenses and the bonded lenses on the cover glass 30 side of the second group G2 have a retrofocus arrangement configuration. This ensures a sufficient working distance.

ここで、第2群G2が移動したことにより、倍率の変動や収差の劣化が起こらないようにする必要がある。   Here, it is necessary to prevent variation in magnification and deterioration of aberration due to movement of the second group G2.

すなわち、まず第2群が移動することによる収差の劣化等を回避するために、集光光学系10は、偏向群GDから射出され第2群G2に入射する光束が略平行光束であるように構成される。また、偏向群GDの偏芯による影響を小さく抑えるために偏向群GDには平面のみから構成される光学部材を使用する。但し、偏向群GDを平面のみからなる光学部材で構成すると、第2群G2に入射する光束が平行光束であるようにするためには、第1群G1から射出され偏向群GDに入射する光束も平行光束にする必要がある。つまり、集光光学系10において、第1群の合成焦点距離をf1、第2群の合成焦点距離をf2、とすると、第1群と第2群は、以下の条件式(5)を満たすように構成される。
0.97<f2×m/f1<1.03・・・(5)
That is, first, in order to avoid the deterioration of aberration due to the movement of the second group, the condensing optical system 10 causes the light beam emitted from the deflection group GD and incident on the second group G2 to be a substantially parallel light beam. Composed. Further, in order to suppress the influence of the eccentricity of the deflection group GD to be small, an optical member composed only of a plane is used for the deflection group GD. However, if the deflection group GD is composed of an optical member having only a flat surface, in order to make the light beam incident on the second group G2 a parallel light beam, the light beam emitted from the first group G1 and incident on the deflection group GD. Need to be parallel light flux. That is, in the condensing optical system 10, if the combined focal length of the first group is f1, and the combined focal length of the second group is f2, the first group and the second group satisfy the following conditional expression (5). Configured as follows.
0.97 <f2 × m / f1 <1.03 (5)

条件式(5)を満たす、つまり、第1群G1から射出され偏向群GDに入射する光束および偏向群GDから射出され第2群G2に入射する光束が略平行光束であるように各群を構成すれば、共焦点光学システム100内部において互いの相対的な位置決めが容易になり、組み付け精度を高く維持する必要がない。   Conditional expression (5) is satisfied, that is, the light beams emitted from the first group G1 and incident on the deflection group GD and the light beams emitted from the deflection group GD and incident on the second group G2 are substantially parallel light beams. If configured, relative positioning with respect to each other becomes easy in the confocal optical system 100, and it is not necessary to maintain high assembly accuracy.

なお本実施形態の偏向群GDは、ミラーよりも空気換算長が短くてすむプリズムを使用する。そして、入射光束が該プリズムの少なくとも一面において全反射するように該プリズムを配設する。プリズムの全反射を利用することにより、偏向時の光量損失を抑えている。生体組織OBを側視するために光束の光路をどの程度偏向するか、詳しくは第1群G1の光軸と第2群G2の光軸がなす角度θを何度にするかによって、使用するプリズムの種類も異なってくる。具体的には、角度θが60°以下の場合、2回反射プリズムを用いればよい(実施例1、3参照)。また角度θが60°を超える場合、三角プリズムを該プリズムの1面で入射光束が全反射するように配置すればよい(実施例2参照)。   Note that the deflection group GD of the present embodiment uses a prism that has a shorter air conversion length than the mirror. The prism is arranged so that the incident light beam is totally reflected on at least one surface of the prism. By utilizing the total reflection of the prism, the light quantity loss during deflection is suppressed. It is used depending on how much the optical path of the light beam is deflected in order to view the living tissue OB side-by-side, more specifically, how many angles θ between the optical axis of the first group G1 and the optical axis of the second group G2 are set. The types of prisms are also different. Specifically, when the angle θ is 60 ° or less, a two-time reflecting prism may be used (see Examples 1 and 3). If the angle θ exceeds 60 °, the triangular prism may be arranged so that the incident light beam is totally reflected on one surface of the prism (see Example 2).

なお、集光光学系10では、偏向群GDにおいて入射光束が全反射条件を満たすように、角度θを以下の条件式(6)の範囲内に設定している。
35°<θ<105°・・・(6)
In the condensing optical system 10, the angle θ is set within the range of the following conditional expression (6) so that the incident light beam satisfies the total reflection condition in the deflection group GD.
35 ° <θ <105 ° (6)

また、集光光学系10は、倍率をm、被検面側の開口数をNAとすると、以下の条件式(1)、
0.1<|m×NA|<0.2・・・(1)
を満たすように構成される。条件(1)を満たす集光光学系10は、射出端21から照射される光束を、光量の損失を最小限に抑えつつ収差の発生を抑えて照射し、被検面上に集光させることができる。
The condensing optical system 10 has the following conditional expression (1), where m is the magnification and NA is the numerical aperture on the surface to be measured.
0.1 <| m × NA | <0.2 ... (1)
Configured to meet. The condensing optical system 10 that satisfies the condition (1) irradiates the light beam irradiated from the exit end 21 while suppressing the occurrence of aberration while minimizing the loss of the light amount, and condenses it on the surface to be measured. Can do.

以下、集光光学系10の具体的な実施例を3例説明する。   Hereinafter, three specific examples of the condensing optical system 10 will be described.

図2は、実施例1の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表1は実施例1の集光光学系10の具体的数値構成を表す。   FIG. 2 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing optical system 10 according to the first embodiment. Table 1 shows specific numerical configurations of the condensing optical system 10 of the first embodiment.

Figure 0004475912
Figure 0004475912

表1中、No.は面番号、rはレンズ各面の曲率半径(単位:mm)、dはレンズ厚またはレンズ間隔(単位:mm)、nはd線(588nm)での屈折率、νはd線でのアッベ数である。また表1中の備考は各面番号が示す光学部材を表す。以下の各表においても同様である。   In Table 1, No. Is the surface number, r is the radius of curvature of each lens surface (unit: mm), d is the lens thickness or lens interval (unit: mm), n is the refractive index at the d-line (588 nm), and ν is the Abbe at the d-line. Is a number. Remarks in Table 1 represent optical members indicated by the respective surface numbers. The same applies to the following tables.

なお、実施例1の集光光学系10では、角度θを60°に設定している。従って、偏向群GDには2つのプリズムを用いている。そして、2回反射させることにより光束の光路を偏向している。   In the condensing optical system 10 of Example 1, the angle θ is set to 60 °. Therefore, two prisms are used for the deflection group GD. The light path of the light beam is deflected by reflecting twice.

図3は、実施例2の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表2は実施例2の集光光学系10の具体的数値構成を表す。   FIG. 3 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing optical system 10 according to the second embodiment. Table 2 shows a specific numerical configuration of the condensing optical system 10 of the second embodiment.

Figure 0004475912
Figure 0004475912

なお、実施例2の集光光学系10では、角度θを90°に設定している。従って、偏向群GDには直角プリズムを用いている。そして、該直角プリズムの斜面で入射光束を全反射させることにより、光路の偏向を実現している。   In the condensing optical system 10 of Example 2, the angle θ is set to 90 °. Therefore, a right angle prism is used for the deflection group GD. The incident light beam is totally reflected on the inclined surface of the right-angle prism, thereby realizing the deflection of the optical path.

図4は、実施例3の集光光学系10のレンズ配置を表す図である。また、表3は実施例3の集光光学系10の具体的数値構成を表す。   FIG. 4 is a diagram illustrating the lens arrangement of the condensing optical system 10 according to the third embodiment. Table 3 shows specific numerical configurations of the condensing optical system 10 of the third embodiment.

Figure 0004475912
Figure 0004475912

なお、実施例3の集光光学系10では、角度θを45°に設定している。従って、偏向群GDには単一の2回反射プリズムを用いている。   In the condensing optical system 10 of Example 3, the angle θ is set to 45 °. Therefore, a single twice reflecting prism is used for the deflection group GD.

図2〜図4に示すように、各実施例1〜3において、第1A群は、レンズの構成枚数を減らして軽量化を図るために一枚の単レンズで構成される。また、実施例1、3において第1B群は単レンズで構成されているのに対し、実施例2は接合レンズとして構成することにより、NA約0.5という高NA化に対応している。上記のように第2群G2は、正のパワーを3枚の単レンズに分割して与えている。これにより、第2群G2に球面レンズを使用した場合に発生する球面収差やコマ収差を良好に抑えている。   As shown in FIGS. 2 to 4, in each of the first to third embodiments, the first group A includes a single lens in order to reduce the number of lenses and reduce the weight. Further, in the first and third embodiments, the first group B is configured by a single lens, whereas the second embodiment is configured as a cemented lens, thereby corresponding to a high NA of about 0.5. As described above, the second group G2 gives positive power divided into three single lenses. Thereby, spherical aberration and coma generated when a spherical lens is used for the second group G2 are satisfactorily suppressed.

各実施例1〜3の集光光学系10における上記条件(1)〜(7)に必要な数値を表したのが表4である。表4において、H1は第1面から前側主点までの距離を示す。表4に示した各数値を条件(1)〜(5)に当てはめたときに得られる値を表5に示す。   Table 4 shows numerical values necessary for the above conditions (1) to (7) in the condensing optical system 10 of each of Examples 1 to 3. In Table 4, H1 indicates the distance from the first surface to the front principal point. Table 5 shows values obtained when the numerical values shown in Table 4 are applied to the conditions (1) to (5).

Figure 0004475912
Figure 0004475912
Figure 0004475912
Figure 0004475912

図5から図7は、順に実施例1から実施例3の各集光光学系10において発生する諸収差を表す収差図である。各図中、左から球面収差および軸上色収差を表す収差図、倍率色収差図、非点収差図、歪曲収差図である。なお、球面収差および軸上色収差を表す収差図において、e線は546nm、F線は486nmである。また、非点収差図において、Sはサジタル、Mはメリディオナルである。また、表5に示すように、どの実施例も条件(1)〜(7)を全て満たす。よって、図5から図7のそれぞれに示すように、どの実施例の集光光学系10も諸収差が十分に抑えられている。   FIG. 5 to FIG. 7 are aberration diagrams showing various aberrations that occur in each condensing optical system 10 of Examples 1 to 3 in order. In each drawing, from the left, there are an aberration diagram, a lateral chromatic aberration diagram, an astigmatism diagram, and a distortion diagram showing spherical aberration and longitudinal chromatic aberration. In the aberration diagrams showing spherical aberration and axial chromatic aberration, the e-line is 546 nm and the F-line is 486 nm. In the astigmatism diagram, S is sagittal and M is meridional. Further, as shown in Table 5, all the examples satisfy all the conditions (1) to (7). Therefore, as shown in FIGS. 5 to 7, various aberrations are sufficiently suppressed in the condensing optical system 10 of any embodiment.

本発明の実施形態の共焦点光学システムにおける集光光学系近傍の拡大図である。It is an enlarged view of the condensing optical system vicinity in the confocal optical system of embodiment of this invention. 実施例1の集光光学系のレンズ配置を表す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a lens arrangement of a condensing optical system according to Example 1. 実施例2の集光光学系のレンズ配置を表す図である。6 is a diagram illustrating a lens arrangement of a condensing optical system according to Example 2. FIG. 実施例3の集光光学系のレンズ配置を表す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a lens arrangement of a condensing optical system according to Example 3. 実施例1の集光光学系において発生する諸収差を表す収差図である。FIG. 6 is an aberration diagram illustrating various aberrations that occur in the condensing optical system of Example 1. 実施例2の集光光学系において発生する諸収差を表す収差図である。FIG. 6 is an aberration diagram illustrating various aberrations that occur in the condensing optical system of Example 2. 実施例3の集光光学系において発生する諸収差を表す収差図である。FIG. 6 is an aberration diagram illustrating various aberrations that occur in the condensing optical system of Example 3.

符号の説明Explanation of symbols

10 集光光学系
20 シングルモード光ファイバ
21 射出端
G1 第1群
G2 第2群
GD 偏向群
OB 生体組織
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Condensing optical system 20 Single mode optical fiber 21 Outlet end G1 1st group G2 2nd group GD Deflection group OB Living tissue

Claims (15)

共焦点用ピンホールとして機能する点光源を移動させて該点光源からの光束を走査することにより、被検面を観察する走査型共焦点光学システムに搭載される集光光学系であって、
前記点光源側から順に、正のパワーを持つ第1群、少なくとも一つの偏向部材を含む偏向群、正のパワーを持つ第2群、カバーガラス、からなり
少なくとも前記第2群と前記カバーガラスの間隔を変化させることにより、前記集光光学系の光軸方向に沿って集光位置を変化させ
倍率をm、前記被検面側の開口数をNAとすると、以下の条件式(1)、
0.1<|m×NA|<0.2・・・(1)
を満たすことを特徴とする集光光学系。
A condensing optical system mounted on a scanning confocal optical system for observing a test surface by moving a point light source that functions as a confocal pinhole and scanning a light beam from the point light source,
Sequentially from the point light source side, a first group having a positive power, a deflection unit comprising at least one deflection member, a second group having positive power, a cover glass, made of,
By changing at least the distance between the second group and the cover glass, the condensing position is changed along the optical axis direction of the condensing optical system ,
When the magnification is m and the numerical aperture on the surface to be tested is NA, the following conditional expression (1),
0.1 <| m × NA | <0.2 ... (1)
The condensing optical system characterized by satisfy | filling .
前記第1群は、前記点光源側から順に、
正のパワーを持つ第1A群と、
少なくとも前記カバーガラス側に凹面を向けた、単レンズまたは一組の接合レンズのいずれか一方からなる第1B群と、
一組の接合レンズおよび単レンズを含む正のパワーを持つ第1C群と、
から構成されることを特徴とする請求項1に記載の集光光学系。
The first group is sequentially from the point light source side,
A first group A having positive power;
A first group B consisting of either a single lens or a set of cemented lenses, with at least a concave surface facing the cover glass;
A first group C having positive power including a pair of cemented lenses and a single lens;
The condensing optical system according to claim 1, comprising:
前記点光源から前記集光光学系の第1面までの距離をd0、前記第1群の合成焦点距離をf1、前記第1A群の焦点距離をf1Aとすると、以下の条件式(2)、および(3)
0.1<d0/f1A<0.5・・・(2)
0.2<|f1A/f1|<0.8・・・(3)
をともに満たすことを特徴とする請求項1または請求項に記載の集光光学系。
When the distance from the point light source to the first surface of the condensing optical system is d0, the combined focal length of the first group is f1, and the focal length of the first A group is f1A, the following conditional expression (2): And (3)
0.1 <d0 / f1A <0.5 (2)
0.2 <| f1A / f1 | <0.8 (3)
Condensing optical system according to claim 1 or claim 2, characterized in that meet together.
請求項1から請求項のいずれかに記載の集光光学系において、
前記第1A群は1枚の単レンズで構成され、
該第1A群のアッベ数をν1Aとすると、以下の条件式(4)、
ν1A<30・・・(4)
を満たすことを特徴とする集光光学系。
In the condensing optical system in any one of Claims 1-3 ,
The first A group is composed of one single lens,
When the Abbe number of the first group A is ν1A, the following conditional expression (4):
ν1A <30 (4)
The condensing optical system characterized by satisfy | filling.
請求項1から請求項のいずれかに記載の集光光学系において、
前記第2群は、一組の正と負の貼り合わせレンズ一枚と、少なくとも一枚の正の単レンズと、を含むことを特徴とする集光光学系。
In the condensing optical system in any one of Claims 1-4 ,
The condensing optical system, wherein the second group includes a pair of positive and negative bonded lenses and at least one positive single lens.
請求項1から請求項のいずれかに記載の集光光学系において、
前記第2群は、3枚の正の単レンズを含むことを特徴とする集光光学系。
In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 5 ,
The condensing optical system, wherein the second group includes three positive single lenses.
前記偏向群から射出され前記第2群に入射する光束は、ほぼ平行光束であることを特徴とする、請求項1から請求項のいずれかに記載の集光光学系。 The light beam emitted from the deflection unit is incident on the second group is characterized by a substantially parallel light beam, the condensing optical system according to any one of claims 1 to 6. 請求項に記載の集光光学系において、
前記第1群と前記第2群は、前記第1群の合成焦点距離をf1、前記第2群の合成焦点距離をf2、とすると以下の条件式(5)、
0.97<f2×m/f1<1.03・・・(5)
を満たすことを特徴とする集光光学系。
In the condensing optical system according to claim 7 ,
The first group and the second group have the following conditional expression (5), where f1 is the combined focal length of the first group and f2 is the combined focal length of the second group:
0.97 <f2 × m / f1 <1.03 (5)
The condensing optical system characterized by satisfy | filling.
前記偏向群は、平面のみで構成される光学部材によって構成されることを特徴とする請求項に記載の集光光学系。 The condensing optical system according to claim 8 , wherein the deflection group is configured by an optical member including only a plane. 請求項1から請求項のいずれかに記載の集光光学系において、
前記偏向群は、入射光束が少なくとも一つの面で全反射するように配設されたプリズムを含み、
前記第1群の光軸と前記第2群の光軸がなす角θは、以下の条件式(6)、
35°<θ<105°・・・(6)
を満たすことを特徴とする集光光学系。
In the light converging optical system according to claim 1, claim 9,
The deflection group includes a prism disposed so that an incident light beam is totally reflected by at least one surface;
The angle θ formed by the optical axis of the first group and the optical axis of the second group is expressed by the following conditional expression (6),
35 ° <θ <105 ° (6)
The condensing optical system characterized by satisfy | filling.
前記第1群と、前記偏向群と、前記カバーガラスとは、前記走査型共焦点光学システム内部に固定されていることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の集光光学系。 The condensing according to any one of claims 1 to 10 , wherein the first group, the deflection group, and the cover glass are fixed inside the scanning confocal optical system. Optical system. 共焦点用ピンホールとして機能する点光源と、
点光源から照射された光束を集光する、請求項1から請求項11のいずれかに記載の集光光学系と、
前記点光源を少なくとも前記集光光学系の光軸と実質的に直交する面上で移動させることにより、前記光束を走査させる走査手段と、
少なくとも前記第2群と前記カバーガラスの間隔を変化させることにより、前記集光光学系の光軸方向に前記集光位置を移動させる集光位置移動手段と、
を備えることを特徴とする共焦点光学システム。
A point light source that functions as a confocal pinhole;
The condensing optical system according to any one of claims 1 to 11, which collects a light beam emitted from a point light source;
Scanning means for scanning the luminous flux by moving the point light source at least on a plane substantially orthogonal to the optical axis of the condensing optical system;
A condensing position moving means for moving the condensing position in the optical axis direction of the condensing optical system by changing at least the distance between the second group and the cover glass;
A confocal optical system comprising:
請求項12に記載の共焦点光学システムにおいて、
前記実質的に直交する面は、前記集光光学系の光軸上に曲率中心がある曲面であり、
前記集光光学系の全系の合成焦点距離をf、移動状態にある前記点光源から照射される光束の主光線と前記集光光学系の光軸とが交わる交点と、前記集光光学系の前側主点との間の距離をs(但し、被検面に向かう方向を+とする)とすると、以下の条件式(7)、
0.1<-f/s<1.0・・・(7)
を満たすことを特徴とする共焦点光学システム。
The confocal optical system according to claim 12 ,
The substantially orthogonal surface is a curved surface having a center of curvature on the optical axis of the condensing optical system,
The converging focal length of the entire system of the condensing optical system is f, the intersection point of the principal ray of the light beam emitted from the point light source in the moving state and the optical axis of the condensing optical system, and the condensing optical system When the distance from the front principal point of s is s (where the direction toward the test surface is +), the following conditional expression (7):
0.1 <-f / s <1.0 (7)
A confocal optical system characterized by satisfying
請求項13に記載の共焦点光学システムにおいて、
前記点光源は、発光部と前記集光光学系との間であって前記集光光学系の光軸に沿って配設された一本の光ファイバの射出端であり、
前記走査手段は、前記射出端より光源側を湾曲させることにより、前記点光源を前記曲面上で移動させることを特徴とする共焦点光学システム。
The confocal optical system according to claim 13 .
The point light source is an exit end of one optical fiber disposed between the light emitting unit and the condensing optical system and disposed along the optical axis of the condensing optical system,
The confocal optical system characterized in that the scanning means moves the point light source on the curved surface by curving the light source side from the emission end.
請求項12から請求項14のいずれかに記載の共焦点光学システムを搭載したことを特徴とする走査型共焦点内視鏡。 A scanning confocal endoscope comprising the confocal optical system according to any one of claims 12 to 14 .
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