WO2024122020A1 - 像伝送ユニット、光学機器および像伝送ユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

像伝送ユニット（１）は、平面（２ａ）と凸球面（２ｂ）とを有する球欠に形成された単一のレンズからなる単一の対物レンズ（２）と、対物レンズ（２）の凸球面（２ｂ）の側に配置される像伝送体（３）と、対物レンズ（２）および像伝送体（３）の両方を保持する単一の保持部材（４）とを備える。対物レンズ（２）および像伝送体（３）は式（１）を満たし、平面（２ａ）を通過する光は、像伝送体（３）の最外周を通過する光を含む。ｒは、対物レンズ（２）の半径、ｎは、対物レンズ（２）の屈折率、ｄは、像伝送体（３）の半径である。ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ・・・（１）

Description

像伝送ユニット、光学機器および像伝送ユニットの製造方法

　本発明は、像伝送ユニット、光学機器および像伝送ユニットの製造方法に関するものである。

　従来、複数の球欠レンズと、複数の球欠レンズを保持する筒状の保持部材とを備える光学ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。球欠レンズは、球を１つの平面で切断することによって形成された立体形状を有するレンズである。球欠レンズの使用によって光学ユニットの小径化が容易であり、細径な内視鏡の対物光学系として好適な光学ユニットを容易に製造することができる。

国際公開第２０２１／２５５９２９号

　光学ユニットによって形成される物体の像は、ファイババンドルまたはリレー光学系のような像伝送体によって伝送される。像伝送体によって伝送される像の解像度を高くするためには、像高が大きいこと、およびそれに対応して像伝送体の有効半径が大きいことが望ましい。しかし、特許文献１の光学ユニットの場合、２つ目の球欠レンズが存在することによって像高が球欠レンズの直径に対して小さくなり、像高を大きくすることが困難である。
　さらに、特許文献１において、光学ユニットおよび像伝送体は、筒部材内に挿入される。すなわち、保持部材および筒部材が２重に配置されることによって全体の外径が大きくなる。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、小径でありながら高解像度を実現することができる像伝送ユニット、光学機器および像伝送ユニットの製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、平面と凸球面とを有する球欠に形成された単一のレンズからなる単一の対物レンズと、該対物レンズの前記凸球面の側に配置される像伝送体と、前記対物レンズおよび前記像伝送体の両方を保持する単一の保持部材と、を備え、前記対物レンズおよび前記像伝送体が、下式（１）を満たし、前記平面を通過する光が、前記像伝送体の最外周を通過する光を含む、像伝送ユニットである。
　ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ　　　・・・（１）
　ここで、ｒは、前記対物レンズの半径、ｎは、前記対物レンズの屈折率、ｄは、前記像伝送体の半径である。

　本発明の他の態様は、平面と凸球面とを有する球欠に形成された単一のレンズからなる単一の対物レンズと、該対物レンズの前記凸球面の側に配置される像伝送体と、前記対物レンズおよび前記像伝送体の両方を保持する単一の保持部材と、を備える像伝送ユニットと、前記像伝送体の前記対物レンズとは反対側に配置される光学素子と、を備え、前記対物レンズおよび前記像伝送体が、下式（１）を満たし、前記平面を通過する光が、前記像伝送体の最外周を通過する光を含む、光学機器である。
　ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ　　　・・・（１）
　ここで、ｒは、前記対物レンズの半径、ｎは、前記対物レンズの屈折率、ｄは、前記像伝送体の半径である。

　本発明の他の態様は、筒状の保持部材内に単一の球レンズを挿入すること、前記保持部材内に像伝送体を挿入すること、前記保持部材の端部および前記球レンズを研磨することによって、前記球レンズに平面を形成すること、および、前記平面が形成された前記球レンズと前記像伝送体とを、前記平面を通過する光が前記像伝送体の最外周を通過する光を含む位置に相互に位置決めすること、を含む、像伝送ユニットの製造方法である。

　本発明によれば、小径でありながら高解像度を実現することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る像伝送ユニットの構成を示す縦断面図である。 図１Ａの像伝送ユニットの先端面を示す正面図である。 図１Ａの像伝送ユニットにおける対物レンズの像高を説明する図である。 ２つの球欠レンズを備える従来の対物レンズの像高を説明する図である。 式（２）を説明する図である。 スペーサを備える像伝送ユニットの一例の縦断面図である。 スペーサを備える像伝送ユニットの他の例の縦断面図である。 像伝送ユニットの製造方法のステップＳ１を説明する図である。 像伝送ユニットの製造方法のステップＳ２を説明する図である。 像伝送ユニットの製造方法のステップＳ３を説明する図である。 像伝送ユニットの製造方法のステップＳ４を説明する図である。 像伝送ユニットの製造方法のステップＳ５を説明する図である。 像伝送ユニットの製造方法のステップＳ５を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る像伝送ユニットの構成を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光学機器の一例の構成図である。 本発明の第３実施形態に係る光学機器の他の例の構成図である。 図７Ａおよび図７Ｂの光学機器の先端面を示す正面図である。 図７Ａおよび図７Ｂの光学機器を備えるシステムの一例の構成図である。 光学機器の製造方法のステップＳ６を説明する図である。 光学機器の製造方法のステップＳ２１を説明する図である。 光学機器の製造方法のステップＳ３１を説明する図である。 光学機器の製造方法のステップＳ４，Ｓ５を説明する図である。 本発明の第４実施形態に係る光学機器の構成図である。 従来の像伝送ユニットの構成を示す縦断面図である。

（第１実施形態）
　本発明の第１実施形態に係るに像伝送ユニットについて図面を参照して説明する。
　図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、本実施形態に係る像伝送ユニット１は、単一の対物レンズ２と、像伝送体３と、対物レンズ２および像伝送体３の両方を保持する単一の筒状の保持部材４とを備える。
　像伝送ユニット１は、長尺であり、対物レンズ２および像伝送体３は、像伝送ユニット１の先端側および基端側にそれぞれ配置される。

　対物レンズ２は、平面２ａおよび凸球面２ｂを有する球欠に形成された単一のレンズから構成され、その他のレンズを含まない。球欠は、球を単一の平面によって切断することによって形成された立体形状である。したがって、対物レンズ２の表面は、円形の平面２ａと、凸球面２ｂと、からなる。平面２ａは、先端側に配置され、像伝送ユニット１の使用時に物体と対向して配置される。好ましくは、対物レンズ２は、半球よりも大きく、対物レンズ２の内側に凸球面２ｂの曲率中心が存在する。対物レンズ２は、平面２ａの中心を通り平面２ａに垂直な光軸Ａを有する（図２Ａ参照。）。対物レンズ２は、光学レンズに一般に使用される硝材、例えば、サファイアまたはＢＫ７から形成される。

　対物レンズ２は、完全な球欠であってもよく、または、球欠に近い形状であってもよい。すなわち、平面２ａは完全な平面であってもよく、凸球面２ｂは完全な球面であってもよい。あるいは、平面２ａおよび凸球面２ｂは、像伝送ユニット１として必要な光学性能を満たす限りにおいて、完全な平面および完全な球面からの誤差をそれぞれ有していてもよい。誤差は、例えば、像伝送ユニット１の製造工程において発生し得る摩耗、欠損または変形等を含む。

　像伝送体３は、対物レンズ２の凸球面２ｂの側（基端側）に配置され、保持部材４の長手方向に延びる光学部材である。像伝送体３の一例は、複数本の光ファイバを有するファイババンドルである。像伝送体３の他の例は、１以上のレンズからなるリレー光学系である。

　保持部材４は、両端面において開口する筒状の部材であり、好ましくは、全長にわたって一定の内径φを有する。保持部材４は、好ましくは、全長にわたって円形の横断面を有する丸パイプである。保持部材４は、金属または合成樹脂等の硬質な材料から形成され、好ましくは、ステンレス鋼またはアルミニウム合金等の金属から形成される。

　保持部材４は、対物レンズ２および像伝送体３をその内部に収容し、対物レンズ２および像伝送体３は、保持部材４の先端側および基端側にそれぞれ配置される。平面２ａは、保持部材４の環状の先端面４ａと同一の平面上に配置され、光軸Ａは保持部材４の中心軸と一致する。像伝送体３が単一の光学部材からなる場合（例えば、像伝送体３がファイババンドルである場合）、像伝送体３の先端側の部分のみが保持部材４内に保持されていてもよい。

　図２Ａに示されるように、凸球面２ｂは保持部材４の内面４ｂと接触し、凸球面２ｂと保持部材４との間の摩擦によって対物レンズ２は保持部材４に対して固定される。保持部材４の内径φは、対物レンズ２の直径２×ｒ以下であり、好ましくは２×ｒよりもわずかに小さい。ｒは、対物レンズ２の半径（すなわち、凸球面２ｂの曲率半径）である。これにより、対物レンズ２を保持部材４内に圧入するだけで、対物レンズ２を摩擦によって保持部材４に対して固定することができる。圧入時の対物レンズ２の破損を防ぐために、０.８×２ｒ＜φ≦２ｒを満たすことが好ましい。
　保持部材４は、摩擦によって対物レンズ２を保持することができる限りにおいて円筒以外の形状であってもよく、例えば、多角形の横断面を有する角パイプであってもよい。

　像伝送体３は、凸球面２ｂと対向する先端面３ａを有する。先端面３ａは、対物レンズ２の焦点面Ｐまたはその近傍に配置され、凸球面２ｂから光軸Ａに沿う方向に所定の距離ＷＤだけ離れている。
　凸球面２ｂから像伝送体３に向かって出射される光は、径方向に拡がる拡大光を含む。先端面３ａが凸球面２ｂから所定の距離ＷＤだけ離れていることによって、拡大光は、先端面３ａの最外周またはその付近に到達し、平面２ａを通過する光は、像伝送体３の最外周を通過する光を含む。

　対物レンズ２および像伝送体３は、下式（１）を満たす。
　ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ　　　・・・（１）
　ここで、ｒは、対物レンズ２の半径（凸球面２ｂの曲率半径）、ｎは、対物レンズ２の屈折率、ｄは、像伝送体３の半径（具体的には、先端面３ａの有効半径）である。好ましくは、像伝送体３の外径は、対物レンズ２の外径と等しいかまたは略等しい。

　像伝送体３によって伝送される像の解像度を高めるためには、像伝送体３の半径ｄは大きいことが好ましい。例えば、像伝送体３がファイババンドルである場合、半径ｄが大きい程、ファイババンドルを構成する光ファイバの数が多くなり、伝送される光学像の解像度が高くなる。半径ｄが式（１）の範囲内であることによって、対物レンズ２によって形成される像を高い解像度で伝送することができる。

　図２Ａは、単一の球欠レンズからなる本実施形態の対物レンズ２の像高を説明し、図２Ｂは、２つの球欠レンズ２Ａ，２Ｂからなる従来の対物レンズ１０２の像高を説明している。
　物体側テレセントリックな光線を主光線として考えると、従来の対物レンズ１０２の最大像高ｈｍａｘはｒ１／ｎ１であり、基端側の球欠レンズ２Ｂの半径ｒ１よりも小さい。ｎ１は、球欠レンズ２Ｂの屈折率である。したがって、半径ｄがｒ１／ｎ１よりも大きい像伝送体３を使用した場合、対物レンズ１０２からの光が入射しない先端面３ａの周縁の領域は像の伝送に寄与せず、像の解像度が低下する。
　一方、本実施形態の対物レンズ２において、像高は、ｒ／ｎよりも大きく、最大像高ｈｍａｘを半径ｒと等しい寸法まで大きくすることができる。よって、半径ｄがｒ／ｎよりも大きい像伝送体３を使用して、先端面３ａの周縁の領域を無駄にすることなく、像を高い解像度で伝送することができる。

　図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、像伝送ユニット１は、保持部材４の先端面４ａと平面２ａとの間に、光を遮断する遮光性部材５をさらに備えていてもよい。
　遮光性部材５は、保持部材４の先端部の内面と凸球面２ｂとの間の環状の空間に充填され硬化した黒色の接着剤から形成される。接着剤は、例えば、エポキシ樹脂または紫外線硬化性樹脂等の樹脂接着剤である。平面２ａを全周にわたって囲む環状の遮光性部材５によって、像伝送ユニット１の先端面１ａに絞り６が形成される。絞り６によって、物体から像伝送体３に入射する光を制限し、凸球面２ｂでの全反射によって、迷光となりうる光線を排除することができる。

　対物レンズ２は、下式（２）を満たすことが好ましい。Ｒは、平面２ａの半径である。
　Ｒ≦ｒ／ｎ　　　・・・（２）
　図３に示されるように、絞り６が無い場合、無限遠から平面２ａを通って対物レンズ２に入射する軸上マージナル光線は、凸球面２ｂの全反射条件によって規定される。したがって、平面２ａを絞り６として機能させるためには、ｎ×ｓｉｎθ≦ｓｉｎ９０°を満たすこと、すなわちＲ≦ｒ／ｎを満たすことが必要である。

　図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、像伝送ユニット１は、対物レンズ２と像伝送体３との間に配置されるスペーサ７をさらに備えてもよい。スペーサ７は、光を透過させる光学部材であり、好ましくは、対物レンズ２の直径と等しいまたは略等しい直径を有する。凸球面２ｂおよび先端面３ａは、スペーサ７の先端面および基端面にそれぞれ接触している。したがって、スペーサ７の厚さは、距離ＷＤおよびスペーサ７の屈折率に基づいて設計される。

　スペーサ７の一例は、対物レンズ２側（先端側）および像伝送体３側（基端側）に光軸Ａに直交する平面を有する平行平板である（図４Ａ参照。）。
　スペーサ７の他の例は、対物レンズ２側および像伝送体３側の少なくとも一方に曲面を有するレンズであり、例えば、対物レンズ２側に凸面を有する平凸レンズである（図４Ｂ参照。）。レンズ７は、対物レンズ２からレンズ７に入射しレンズ７を通過する光に対して正の屈折力を有し、対物レンズ２からの光を先端面３ａ上で合焦させる。これにより、画角を向上することができる。

　次に、像伝送ユニット１の作用について説明する。
　像伝送ユニット１は、種々の機器の対物光学系として使用され、例えば、物体を撮像する撮像光学系または物体を照明する照明光学系として使用される。
　像伝送ユニット１の撮像光学系としての使用において、物体からの光は、平面２ａを通って対物レンズ２に入射し、凸球面２ｂから出射され、焦点面Ｐに像を形成する。像は、焦点面Ｐまたはその近傍に先端面３ａが配置された像伝送体３によって伝送される。伝送された像は、像伝送体３の基端側に配置された撮像素子１３（図７Ａ参照。）によって撮像される。

　この場合に、本実施形態に係る像伝送ユニット１によれば、対物レンズ２が１つのみの球欠レンズから構成され、像伝送体３の先端面３ａが、対物レンズ２の焦点面Ｐまたはその近傍に配置される。したがって、凸球面２ｂから出射された光は、像高が縮小されることなく先端面３ａに入射する。さらに、像伝送体３は、ｒ／ｎよりも大きい半径ｄを有し、先端面３ａの最外周にも光が入射する。これにより、対物レンズ２の直径によって規定される保持部材４の内径寸法φを有効に活用し、高い解像度の像を伝送することができる。
　特に、像伝送体３の外径が保持部材４の内径と等しいまたは略等しい場合には、保持部材４の内径φの全部または略全部が解像度に寄与することができ、解像度を効果的に高めることができる。

　図１２は、従来の像伝送ユニット１０１を示している。像伝送ユニット１０１は、２つの球欠レンズ２Ａ，２Ｂと、２つの球欠レンズ２Ａ，２Ｂを保持する第１保持部材４Ａと、像伝送体１０３と、第１保持部材４Ａおよび像伝送体１０３を保持する第２保持部材４Ｂと、を備える。第２保持部材４Ｂは、第１保持部材４Ａの外側に配置される。
　像伝送ユニット１０１において、基端側の球欠レンズ２Ｂが存在することによって、球欠レンズ２Ａの直径に対して像高ｈが小さくなる。したがって、像高ｈと同一の半径ｄの像伝送体１０３を使用した場合、像伝送体１０３の径方向外側には、像が投影されず解像度に寄与しない領域Δが生じる。一方、内径φと等しい半径ｄの像伝送体１０３を使用した場合、上述したように、像伝送体１０３の周縁の領域は像の伝送に寄与しない。よって、いずれにせよ、保持部材４Ｂの内径φを解像度の向上に有効に活用することができない。

　像伝送ユニット１の照明光学系としての使用において、光源装置から基端面３ｂを通って像伝送体３に照明光が供給される。像伝送体３によって伝送された照明光は、先端面３ａから出射され、凸球面２ｂを通って対物レンズ２に入射し、平面２ａから物体に向かって照射される。
　この場合にも、ｒ／ｎよりも大きい半径ｄを有する像伝送体３の使用は有利である。すなわち、半径ｄが大きい程、像伝送体３によって伝送することができる照明光の光量は増大する。さらに、先端面３ａから射出される照明光は、高効率で対物レンズ２を通して物体に向かって照射される。したがって、対物レンズ２の直径によって規定される保持部材４の内径寸法φを有効に活用し、明るい照明を実現することができる。

　また、本実施形態に係る像伝送ユニット１よれば、対物レンズ２および像伝送体３の両方が、１つの保持部材４内に保持される。これにより、像伝送ユニット１の細径化を図ることができる。
　仮に、従来の像伝送ユニット１０１のように、像伝送ユニット１が２つの保持部材４Ａ，４Ｂを備える場合、像伝送ユニット１の外径が第２保持部材４Ｂの側壁の厚さの分だけ増大し、像伝送体３の外周面と第２保持部材４Ｂの内周面との間に、解像度に寄与しない領域Δが生じる。

　また、対物レンズ２が半球よりも大きいことによって、像伝送ユニット１の先端面１ａ上の先端面４ａと平面２ａとの間に、遮光性部材５からなる絞り６を形成することができると共に、対物レンズ２を摩擦力によって保持部材４に対して強固に固定することができる。

　以下に像伝送ユニット１の一実施例を示す。

　次に、像伝送ユニット１の製造方法について説明する。
　図５Ａから図５Ｆに示されるように、像伝送ユニット１の製造方法は、保持部材４内に単一の球レンズ２’を挿入するステップＳ１と、球レンズ２’の先端面上に接着剤５’を塗布するステップＳ２と、球レンズ２’に平面２ａを形成し対物レンズ２を作製するステップＳ３と、保持部材４内に像伝送体３を挿入するステップＳ４と、対物レンズ２と像伝送体３とを相互に位置決めするステップＳ５と、を含む。

　ステップＳ１において、保持部材４の先端部内に球レンズ２’を圧入し、球レンズ２’と保持部材４とからなる組立体を形成する（図５Ａ参照。）。球レンズ２’は、球レンズ２’の外面と保持部材４の内面との間の摩擦によって、保持部材４に対して固定される。
　次に、ステップＳ２において、組立体の先端面上に黒色の接着剤５’を配置し、球レンズ２’の先端面と保持部材４の先端部の内面との間の隙間に接着剤５’を充填する（図５Ｂ参照。）。続いて、接着剤５’を硬化させる。遮光性部材５を備えない像伝送ユニット１を製造する場合、ステップＳ２は省略されてもよい。

　次に、ステップＳ３において、工具を使用して組立体の先端部を研磨する（図５Ｃ参照。）。研磨の方向は、保持部材４の長手軸に直交する方向である。研磨によって保持部材４の先端部および球レンズ２’の一部が除去され、平面２ａが形成される。ステップＳ２において黒色の接着剤５’が充填された場合、球レンズ２’および保持部材４と一緒に接着剤５’も研磨され、平面２ａと同時に遮光性部材５からなる絞り６も形成される。ステップＳ３において、相互に平行に配置された複数本の組立体を同時に研磨してもよい。

　次に、ステップＳ４において、保持部材４の基端部内に像伝送体３を挿入する（図５Ｄ参照。）。必要に応じて、像伝送体３を保持部材４に固定するための接着剤を、像伝送体３の外周面および保持部材４の内周面の少なくとも一方に塗布してもよい。

　次に、ステップＳ５において、距離ＷＤを調整し、像伝送体３の先端面３ａを焦点面Ｐまたはその近傍に位置決めする。距離ＷＤの調整には、光学的指標が使用される。一例において、図５Ｅに示されるように、対物レンズ２の前方に物体Ｏが配置され、像伝送体３の後方に物体Ｏの像が形成される。像伝送体３は、像の焦点が合う位置に位置決めされる。他の例において、図５Ｆに示されるように、像伝送体３に照明光が供給され、対物レンズ２の前方のスクリーンＳ上に照明光が照射される。スクリーンＳ上の照明光の像が最も鮮鋭になる位置に像伝送体３が位置決めされる。

　スペーサ７を備える像伝送ユニット１を製造する場合、ステップＳ３とステップＳ４との間で、スペーサ７が保持部材４内に挿入される。凸球面２ｂおよび先端面３ａがスペーサ７の両面に突き当たるまで像伝送体３を保持部材４内に挿入することによって、先端面３ａが適切な位置に位置決めされる。したがって、図５Ｅおよび図５Ｆのような距離ＷＤの調整作業は不要である。

　このように、本実施形態に係る製造方法によれば、球レンズ２’を保持部材４内に圧入するだけで凸球面２ｂの曲率中心が保持部材４の中心軸上に配置される。すなわち、保持部材４に対する球レンズ２’の位置調整が不要でありながら、保持部材４に対する対物レンズ２の高い位置精度を達成することができる。

　また、本実施形態に係る製造方法によれば、球レンズ２’を保持部材４内に圧入するだけで保持部材４に対して球レンズ２’が固定され、さらに、上述したように、保持部材４に対する球レンズ２’の位置調整が不要である。さらに、球レンズ２’および像伝送体３の両方が１つの保持部材４内に挿入されるので、組み立てる部品の数および組み立ての工程数が少ない。したがって、像伝送ユニット１を容易に組み立てることができる。

　本実施形態において、像伝送体３が、ファイババンドルまたはリレー光学系であることとしたが、これに代えて、撮像素子であってもよい。
　この場合、撮像素子の撮像面（先端面）が、対物レンズ２の焦点面Ｐまたはその近傍に配置される。撮像面に形成された物体の光学像は、撮像素子によって電子信号に変換され、電子信号の形式で信号ケーブルによって伝送される。撮像素子の半径ｄは、例えば、矩形の撮像面の外接円の半径である。

　本実施形態において、遮光性部材５が黒色の接着剤からなることとしたが、これに代えて、他の部材から構成されていてもよい。
　例えば、ステップＳ２において、黒色の接着剤５’に代えて透明の接着剤が使用され、ステップＳ３の後に、遮光性の膜からなる遮光性部材５が先端面１ａ上に形成されてもよい。

（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係る像伝送ユニットについて図面を参照して説明する。
　図６に示されるように、本実施形態に係る像伝送ユニット１０は、像伝送体として、ＧＲＩＮ（gradient　index）レンズ８からなるリレー光学系を用いたものである。
　本実施形態において、第１実施形態と異なる構成について説明し、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

　像伝送ユニット１０は、単一の対物レンズ２と、ＧＲＩＮレンズ（像伝送体、リレー光学系）８と、対物レンズ２およびＧＲＩＮレンズ８の両方を保持する単一の保持部材４とを備える。

　ＧＲＩＮレンズ８は、対物レンズ２の凸球面２ｂ側（基端側）に光軸Ａに沿って配置される。ＧＲＩＮレンズ８は、凸球面２ｂと対向する先端面８ａを有する。先端面８ａは、凸球面２ｂと接触していてもよく、凸球面２ｂから離れていてもよい。

　先端面８ａは、平面であってもよい。
　先端面８ａは、凸球面２ｂ側に凸の球面であってもよい。この場合、先端面８ａは、焦点面Ｐと凸球面２ｂとの間に配置され、ＧＲＩＮレンズ８の内部に焦点面Ｐが位置する。このように、先端面８ａがレンズとして機能する凸面であることによって、像伝送ユニット１０の画角を広げることができる。凸面８ａは、例えば、ＧＲＩＮレンズの平坦な先端面上に光学接着剤によって形成される。

　凸球面２ｂからＧＲＩＮレンズ８に向かって出射される光は、径方向に拡がる拡大光を含む。拡大光は、ＧＲＩＮレンズ８内において最外周に到達し、平面２ａを通過する光は、ＧＲＩＮレンズ８の最外周を通過する光を含む。
　対物レンズ２およびＧＲＩＮレンズ８は、下式（１）を満たす。
　ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ　　　・・・（１）
　本実施形態において、ｄは、ＧＲＩＮレンズ８の有効半径である。好ましくは、ＧＲＩＮレンズの外径は、対物レンズ２の外径と等しいかまたは略等しい。このように、半径ｄが式（１）の範囲内であることによって、対物レンズ２によって形成される像を高い解像度で伝送することができる。

　像伝送ユニット１０は、遮光性部材５をさらに備えていてもよい。
　像伝送ユニット１０は、遮光性部材５（すなわち、絞り６）を備えなくてもよい。ＧＲＩＮレンズ８内を伝搬することができる光は、ＧＲＩＮレンズ８の側面におけるケラレによって制限される。したがって、絞り６が存在せずとも、像伝送ユニット１０の明るさをＧＲＩＮレンズ８によって規定することができる。これに関連し、図６に示されるように、平面２ａの半径Ｒは、ｒ／ｎよりも大きくてもよく、第１実施形態と同様に式（２）を満たしていてもよい。

　本実施形態の像伝送ユニット１０は、第１実施形態の像伝送ユニット１と同様に、対物光学系として使用され、例えば、撮像光学系または照明光学系として使用される。
　像伝送ユニット１０によれば、対物レンズ２が１つのみの球欠レンズから構成され、凸球面２ｂから出射された光は、像高が縮小されることなく先端面８ａに入射する。さらに、ＧＲＩＮレンズ８は、ｒ／ｎよりも大きい半径ｄを有し、ＧＲＩＮレンズ８の最外周にも光が入射する。これにより、撮像光学系としての使用において、対物レンズ２の直径によって規定される保持部材４の内径寸法φを有効に活用し、高い解像度の像を伝送することができる。
　また、ＧＲＩＮレンズ８がｒ／ｎよりも大きい半径ｄを有することによって、照明光学系としての使用において、明るい照明を実現することができる。

　また、対物レンズ２およびＧＲＩＮレンズ８の両方が、１つの保持部材４内に保持される。これにより、像伝送ユニット１０の細径化を図ることができる。
　また、対物レンズ２が半球よりも大きいことによって、対物レンズ２を摩擦力によって保持部材４に対して強固に固定することができる。

　以下に、像伝送ユニット１０の一実施例を示す。

　次に、本実施形態に係る像伝送ユニット１０の製造方法について説明する。
　像伝送ユニット１０の製造方法は、ステップＳ１と、ステップＳ２と、保持部材４内にＧＲＩＮレンズ８を挿入するステップＳ３１と、対物レンズ２とＧＲＩＮレンズ８とを相互に位置決めするステップＳ４１と、を含む。
　ステップＳ４１において、ＧＲＩＮレンズ８は、先端面８ａが焦点面Ｐよりも凸球面２ｂ側に配置される位置に位置決めされる。例えば、ＧＲＩＮレンズ８は、先端面８ａが凸球面２ｂに突き当たるか、または凸球面２ｂの近傍に配置される位置に位置決めされる。したがって、第１実施形態のステップＳ４と異なり、ＧＲＩＮレンズ８の細かい位置調整は必ずしも必要ではない。

　本実施形態に係る製造方法によれば、第１実施形態の製造方法と同様に、保持部材４に対する球レンズ２’の位置調整が不要でありながら、保持部材４に対する対物レンズ２の高い位置精度を達成することができる。また、第１実施形態の製造方法と同様に、像伝送ユニット１０を容易に組み立てることができる。

（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態に係る光学機器について説明する。
　本実施形態において、第１および第２実施形態と異なる構成について説明し、第１および第２実施形態と共通する構成については同一の説明を付して説明を省略する。
　図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、本実施形態に係る光学機器２０は、内視鏡であり、像伝送ユニット１１、照明光学系１２、撮像素子（光学素子）１３および筒部材１４を備える。図７Ａは、硬性の内視鏡を示し、図７Ｂは、軟性の内視鏡を示す。

　像伝送ユニット１１は、内視鏡２０の撮像光学系として使用される。像伝送ユニット１１は、第１実施形態の像伝送ユニット１または第２実施形態の像伝送ユニット１０である。参照する図面における像伝送ユニット１１は、ファイババンドルまたはリレー光学系のような像伝送体３を備える像伝送ユニット１であるが、これに代えて、ＧＲＩＮレンズ８を備える像伝送ユニット１０であってもよい。対物レンズ２は、内視鏡２０の長尺の挿入部２１の先端部に配置され、物体の像を形成する。像伝送体３は、挿入部２１の長手方向に沿って延び、物体の像を撮像素子１３へ伝送する。

　照明光学系１２は、１以上、好ましくは複数の光ファイバ１２ａを有する。図８に示されるように、複数の光ファイバ１２ａは、保持部材４と筒部材１４との間に部材４，１４の長手方向に沿って配置され、像伝送ユニット１１の周囲に周方向に配列する。筒部材１４は、長尺の管状の部材であり、像伝送ユニット１１および照明光学系１２をその内部に収容する。
　各光ファイバ１２ａの先端は挿入部２１の先端面（筒部材１４の先端面）に配置され、各光ファイバ１２ａの基端は光源装置に光学的に接続される。各光ファイバ１２ａは、光源装置から基端に供給された照明光を導光し、先端から物体に向けて照明光を照射する。

　撮像素子１３は、像伝送体３の基端側に配置され、像伝送体３によって伝送された像を撮像して画像信号を生成し、画像信号を出力する。像伝送体３の基端面３ｂと撮像素子１３との間に結像レンズ１５が配置されてもよい。結像レンズ１５は、像伝送体３によって伝送された物体の像を撮像素子１３の撮像面１３ａ上に結像する。

　図９は、内視鏡２０を備える内視鏡システム１００の一例を示している。
　内視鏡システム１００は、内視鏡２０と、筐体部３０と、表示部４０とを備える。
　内視鏡２０は、長尺の挿入部２１と、挿入部２１の基端に接続された撮像部２２とを有する。像伝送ユニット１１および照明光学系１２は挿入部２１内に配置され、撮像素子１３および結像レンズ１５は撮像部２２内に配置される。

　撮像部２２は、接続部２３によって挿入部２１の基端に取り外し可能に接続され、これにより、挿入部２１が交換可能となっている。
　撮像部２２は、筐体部３０と一体であってもよい。すなわち、挿入部２１の基端に筐体部３０が接続され、撮像素子１３および結像レンズ１５が筐体部３０内に配置されてもよい。

　筐体部３０は、照明部（光源装置）３１と、画像処理部３２とを備える。
　照明部３１は、光源３１ａを有し、挿入部２１の基端部から引き出された複数の光ファイバ１２ａの基端が光源３１ａと光学的に接続される。照明部３１は、光源３１ａと複数の光ファイバ１２ａの基端との間に配置される集束レンズ３１ｂをさらに有してもよい。集束レンズ３１ｂは、光源３１ａから射出された光を光ファイバ１２ａの基端に集束させる。

　画像処理部３２は、例えば、プロセッサおよびメモリを有する。画像処理部３２は、撮像素子１３から出力された画像信号から物体の画像を生成し、画像を表示部４０に出力する。
　表示部４０は、液晶ディスプレイ等の任意の表示装置であり、画像処理部３２から入力された画像を表示する。

　このように、本実施形態によれば、像伝送ユニット１１を照明光学系１２と組み合わせることによって、内視鏡２０を構成することができる。また、像伝送体３または８を適切に選択することによって、硬性および軟性のいずれの内視鏡２０も製造することができる。
　また、像伝送ユニット１１を撮像光学系として使用することによって、挿入部２１が細く、かつ、像の解像度が高い内視鏡２０を容易に実現することができる。したがって、内視鏡２０および内視鏡システム１００は、尿管のような細長い管腔内での使用に好適である。

　本実施形態において、像伝送体３は、撮像素子１３であってもよい。この場合、撮像素子１３は、対物レンズ２と一緒に挿入部２１の先端部に配置される。撮像素子１３から出力される画像信号は、挿入部２１内を通る信号ケーブルによって画像処理部３２へ送信される。

　次に、光学機器２０の製造方法について説明する。
　図１０Ａから図１０Ｄは、光学機器２０の製造方法の一部を示している。光学機器２０の製造方法は、保持部材４内に単一の球レンズ２’を挿入するステップＳ１と、組立体および光ファイバ１２ａを筒部材１４内に挿入するステップＳ６と、球レンズ２’の先端面上に接着剤５’を塗布するステップＳ２１と、球レンズ２’に平面２ａを形成し対物レンズ２を作製するステップＳ３１と、保持部材４内に像伝送体３を挿入するステップＳ４と、対物レンズ２と像伝送体３とを相互に位置決めするステップＳ５と、を含む。
　ステップＳ１，Ｓ４，Ｓ５は、第１実施形態において説明した通りである。
　ステップＳ１の後、ステップＳ６において、球レンズ２’と保持部材４とからなる第１組立体が筒部材１４内に挿入され、続いて、保持部材４と筒部材１４との間の円筒状の空間に１以上の光ファイバ１２ａが挿入される（図１０Ａ参照。）。これにより、球レンズ２’、保持部材４、筒部材１４および１以上の光ファイバ１２ａからなる第２組立体が形成される。

　次に、ステップＳ２１において、第２組立体の先端面上に黒色の接着剤５’を配置し、球レンズ２’の先端面と保持部材４の先端部の内面との間の空間、および、光ファイバ１２ａと部材４，１４との間の空間に接着剤５’を充填する（図１０Ｂ参照。）。続いて、接着剤５’を硬化させる。

　次に、ステップＳ３１において、工具を使用して第２組立体の先端部を研磨する（図１０Ｃ参照。）。研磨の方向は、保持部材４の長手軸に直交する方向である。研磨によって部材４，１４の端部、球レンズ２’の一部および光ファイバ１２ａの先端部が除去され、平面２ａおよび絞り６が同時に形成される。
　次に、第１実施形態と同様に、ステップＳ４，Ｓ５が行われる（図１０Ｄ参照。）。必要に応じて、ステップＳ３１とステップＳ４との間で、スペーサ７が保持部材４内に挿入されてもよい。

　このように、本実施形態に係る製造方法によれば、ステップＳ２１において、遮光性部材５を形成するための接着剤５’の塗布および硬化によって、保持部材４、筒部材１４および光ファイバ１２ａが一度に固定される。さらに、ステップＳ３１において、球レンズ２’、保持部材４、筒部材１４および光ファイバ１２ａの全てが一度に研磨される。これにより、工程数を減らし、光学機器２０を容易に製造することができる。

（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態に係る光学機器について説明する。
　本実施形態において、第１から第３実施形態と異なる構成について説明し、第１から第３実施形態と共通する構成については同一の説明を付して説明を省略する。
　図１１に示されるように、本実施形態に係る光学機器５０は、光走査型の照明装置であり、像伝送ユニット１１と、光源装置（光学素子）１６とを備える。

　像伝送ユニット１１は、第１実施形態の像伝送ユニット１または第２実施形態の像伝送ユニット１０であり、照明光学系として使用される。参照する図面における像伝送ユニット１１は、ファイババンドルまたはリレー光学系のような像伝送体３を備える像伝送ユニット１であるが、これに代えて、ＧＲＩＮレンズ８を備える像伝送ユニット１０であってもよい。

　光源装置１６は、像伝送体３の基端側に配置される光スキャナであり、光源１６ａと、光源１６ａから出力される光（例えば、レーザ光）を走査する走査機構１６ｂと、を有する。走査機構１６ｂは、例えば、ガルバノミラーのような走査ミラーである。走査機構１６ｂは、基端面３ｂに入射する光を基端面３ｂに沿う方向（両矢印参照。）に走査し、好ましくは、基端面３ｂの全面にわたって光を走査することができる。

　光スキャナ１６は、光源１６ａと走査機構１６ｂとの間に配置される第１レンズ１６ｃと、走査機構１６ｂと基端面３ｂとの間に配置される第２レンズ１６ｄとをさらに有してもよい。レンズ１６ｃ，１６ｄは、コリメート光学系を構成する両凸レンズであり、第１レンズ１６ｃは、光源１６ａから出力される光を平行光束に変換し、第２レンズ１６ｄは、走査機構１６ｂによって走査された平行光を集束光に変換する。

　走査機構１６ｂによって走査された光は、基端面３ｂを通って像伝送体３に入射し、像伝送体３によって伝送され、先端面３ａから出射され、凸球面２ｂを通って対物レンズ２に入射し、平面２ａから物体に向かって照射される。

　走査機構１６ｂは、光ファイバの先端の振動によって光を走査する光ファイバスキャナであってもよい。光ファイバスキャナは、光ファイバと、光ファイバの先端を振動させる圧電式または電磁式のスキャナとを有する。光ファイバの基端は、光源１６ａと光学的に接続され、振動する光ファイバの先端から基端面３ｂに光が走査されながら入射する。この場合、第１レンズ１６ｃは、光源１６ａから出力された光を光ファイバの基端面に集光する集光レンズであり、第２レンズ１６ｄは、光が基端面３ｂの全面にわたって走査されるように、光の走査範囲を拡大する拡大レンズである。

　このように、本実施形態によれば、像伝送ユニット１１を光源装置１６と組み合わせることによって、物体に光を照射または投影する照明装置５０を製造することができる。照明装置５０は、細径でありながら光源装置から物体まで光を効率良く伝送することができるので、例えば、内視鏡の処置具チャネル内に挿入し生体内の組織に光を投影するロボット医療のような場面で特に有用である。

　本実施形態において、照明装置５０が、走査型の照明装置であることとしたが、走査型でない照明装置であってもよい。すなわち、光源装置１６が、光スキャナ１６を備えていなくてもよい。この場合、光源１６ａから出力された光は、基端面３ｂの全部または略全部に同時に入射し、物体の照明範囲の全体に同時に照射される。

　以上、本発明の実施形態およびこれらの変形例について詳述したが、本発明は上記実施形態およびこれらの変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形および変更が可能である。

１，１０，１１　像伝送ユニット
２　対物レンズ
３　像伝送体
３ａ　先端面
４　保持部材
４ａ　先端面
５　遮光性部材
７　スペーサ
８　ＧＲＩＮレンズ（像伝送体、リレー光学系）
１２　照明光学系
１３　撮像素子（光学素子）
１３ａ　撮像面
１４　筒部材
１５　結像レンズ
１６　光スキャナ（光学素子、光源装置）
２０　内視鏡（光学機器）
５０　照明装置（光学機器）
１００　内視鏡システム

Claims (15)

1. 　平面と凸球面とを有する球欠に形成された単一のレンズからなる単一の対物レンズと、
   　該対物レンズの前記凸球面の側に配置される像伝送体と、
   　前記対物レンズおよび前記像伝送体の両方を保持する単一の保持部材と、を備え、
   　前記対物レンズおよび前記像伝送体が、下式（１）を満たし、
   　前記平面を通過する光が、前記像伝送体の最外周を通過する光を含む、像伝送ユニット。
   　ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ　　　・・・（１）
   　ここで、
   　ｒは、前記対物レンズの半径、
   　ｎは、前記対物レンズの屈折率、
   　ｄは、前記像伝送体の半径
   である。
2. 　前記保持部材が、前記対物レンズおよび前記像伝送体を収容する筒状の部材であり、前記対物レンズおよび前記像伝送体が、前記保持部材の先端側および基端側にそれぞれ配置され、
   　前記保持部材の先端面と前記平面との間に該平面を囲む遮光性部材をさらに備える、請求項１に記載の像伝送ユニット。
3. 　前記対物レンズが、下式（２）を満たす、請求項１に記載の像伝送ユニット。
   　Ｒ≦ｒ／ｎ　　　・・・（２）
   　ここで、
   　Ｒは、前記平面の半径
   である。
4. 　前記対物レンズと前記像伝送体との間に配置されるスペーサをさらに備える、請求項１に記載の像伝送ユニット。
5. 　前記スペーサが、前記対物レンズから前記スペーサに入射し該スペーサを通過する光に対して正の屈折力を有する、請求項４に記載の像伝送ユニット。
6. 　前記像伝送体が、ファイババンドル、リレー光学系または撮像素子であり、前記凸球面から距離をあけて配置される先端面を有し、
   　該先端面は、前記対物レンズの焦点面またはその近傍に配置される、請求項１に記載の像伝送ユニット。
7. 　前記像伝送体が、ＧＲＩＮレンズである、請求項１に記載の像伝送ユニット。
8. 　前記ＧＲＩＮレンズの先端面が、前記凸球面の側に凸の球面である、請求項７に記載の像伝送ユニット。
9. 　平面と凸球面とを有する球欠に形成された単一のレンズからなる単一の対物レンズと、該対物レンズの前記凸球面の側に配置される像伝送体と、前記対物レンズおよび前記像伝送体の両方を保持する単一の保持部材と、を備える像伝送ユニットと、
   　前記像伝送体の前記対物レンズとは反対側に配置される光学素子と、を備え、
   　前記対物レンズおよび前記像伝送体が、下式（１）を満たし、
   　前記平面を通過する光が、前記像伝送体の最外周を通過する光を含む、光学機器。
   　ｒ／ｎ＜ｄ≦ｒ　　　・・・（１）
   　ここで、
   　ｒは、前記対物レンズの半径、
   　ｎは、前記対物レンズの屈折率、
   　ｄは、前記像伝送体の半径
   である。
10. 　前記光学素子が、前記対物レンズによって形成され前記像伝送体によって伝送された物体の像を撮像する撮像素子である、請求項９に記載の光学機器。
11. 　照明光学系をさらに備え、
    　該照明光学系が、前記像伝送ユニットの周囲に周方向に配列する１以上の光ファイバを有する、請求項９に記載の光学機器。
12. 　前記光学素子が、前記像伝送体に光を供給する光源装置である、請求項９に記載の光学機器。
13. 　前記光源装置が、前記光を走査する光スキャナである、請求項１２に記載の光学機器。
14. 　筒状の保持部材内に単一の球レンズを挿入すること、
    　前記保持部材内に像伝送体を挿入すること、
    　前記保持部材の端部および前記球レンズを研磨することによって、前記球レンズに平面を形成すること、および、
    　前記平面が形成された前記球レンズと前記像伝送体とを、前記平面を通過する光が前記像伝送体の最外周を通過する光を含む位置に相互に位置決めすること、を含む、像伝送ユニットの製造方法。
15. 　前記平面を形成することの前に、前記保持部材の内面と前記球レンズの外面との間の空間に遮光性部材を充填することをさらに含む、請求項１４に記載の像伝送ユニットの製造方法。

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