CN103299230A - 内窥镜用光学系统 - Google Patents

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Abstract

内窥镜用光学系统的特征在于，从物体侧起依次包括负的透镜组G1、亮度光圈S、正的透镜组G2，负的透镜组G1从物体侧起依次包括负的第一透镜L1、负的第二透镜L2，满足下面的条件式(1)和(2)，0.05<H(100)×(nd01-1)/Rf01<0.38…(1)，0.5<enp/FL<2.5…(2)，其中，H(100)是向第一透镜面入射的入射角为100度的主光线入射到第一透镜面的高度，Rf01是第一透镜L1的L面的曲率半径，nd01是第一透镜L1的折射率，FL是整个系统的焦距，enp是入射光瞳位置。

Description

内窥镜用光学系统
技术领域
本发明涉及一种具有200度以上的视角的内窥镜用光学系统。
背景技术
例如为了利用内窥镜对体腔内进行观察，而要求内窥镜用光学系统小型且是广角，尤其是在泌尿器官内窥镜中，需要在径向上是小型的。
作为能够应用于内窥镜的视角200度以上的光学系统，例如已知有日本特开2007-279632号公报(专利文献1)、日本特开2008-058387号公报(专利文献2)、日本特开2005-227426号公报(专利文献3)、日本特开2009-276371号公报(专利文献4)所记载的系统。
这些专利文献中的专利文献1～3所公开的光学系统的优点在于，从物体侧起依次具有负的第一透镜、负的第二透镜、正的第三透镜、亮度光圈、正的透镜组，并具有视角200度。
另外，专利文献4所公开的光学系统的优点在于，从物体侧起依次具有负的第一透镜、负的第二透镜、滤波器、亮度光圈、正的透镜组，并具有视角200度。
然而，专利文献1～3所公开的光学系统在负的第二透镜与亮度光圈之间配置有正的第三透镜，由于从第一透镜到亮度光圈为止的距离长，因此导致入射光瞳的位置移动到了像侧。因此，使负的第一透镜在径向上庞大对于内窥镜来说并不理想，特别是不能应用于泌尿器官内窥镜。
另外，专利文献4所公开的光学系统在负的第二透镜与亮度光圈之间配置有滤波器并且滤波器与亮度光圈之间的空气间隔长，因此导致入射光瞳的位置移动到了像侧。因此，使负的第一透镜在径向上庞大对于内窥镜来说并不理想，特别是不能应用于泌尿器官内窥镜。
本发明是鉴于上述情形而完成的，其目的在于提供一种具有200度以上的视角的小径的内窥镜用光学系统。
发明内容
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明的一个方式的内窥镜用光学系统的特征在于，从物体侧起依次包括负的透镜组、亮度光圈、正的透镜组，上述负的透镜组从物体侧起依次包括负的第一透镜、负的第二透镜，满足下面的条件式(1)和(2)。
0.05＜H(100)×(nd01-1)/Rf01＜0.38···(1)
0.5＜enp/FL＜2.5···(2)
其中，H(100)是向上述第一透镜面入射的入射角为100度的主光线入射到该第一透镜面的高度，Rf01是第一透镜的L面的曲率半径，nd01是第一透镜的折射率，FL是整个系统的焦距，enp是入射光瞳位置。
附图说明
图1A是表示本发明的实施方式的第一实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图。
图1B是表示上述实施方式的第一实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
图2A是表示上述实施方式的第二实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图。
图2B是表示上述实施方式的第二实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
图3A是表示上述实施方式的第三实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图。
图3B是表示上述实施方式的第三实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
图4A是表示上述实施方式的第四实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图。
图4B是表示上述实施方式的第四实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
图5A是表示上述实施方式的第五实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图。
图5B是表示上述实施方式的第五实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
图6A是表示上述实施方式的第六实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图。
图6B是表示上述实施方式的第六实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施方式。
[实施方式]
本实施方式的内窥镜用光学系统从物体侧起依次包括负的透镜组、亮度光圈、正的透镜组。并且，负的透镜组从物体侧起依次包括负的第一透镜、负的第二透镜。由此，能够将入射光瞳的位置移动到物体侧，来实现负的第一透镜的小径化。而且，能够减少构成内窥镜用光学系统的各组的透镜个数，能够实现总长的缩短、成本的削减。
在此，内窥镜用光学系统满足下面的条件式(1)和(2)。
0.05＜H(100)×(nd01-1)/Rf01＜0.38···(1)
0.5＜enp/FL＜2.5···(2)
其中，H(100)是向上述第一透镜面入射的入射角为100度的主光线入射到该第一透镜面的高度，Rf01是第一透镜的L面的曲率半径，nd01是第一透镜的折射率，FL是整个系统的焦距，enp是入射光瞳位置。
首先，条件式(1)是与向第一透镜面入射的入射角为100度的主光线入射到该第一透镜面的高度以及第一透镜的折射率、曲率有关的条件式。该条件式(1)是阿贝(Abbe)的不变量的一部分，是规定在第一面上折射前后的光线的角度变化量、即折射量的数式。当H(100)×(nd01-1)/Rf01超过条件式(1)的上限时，由于折射量过大而容易产生轴外像差，因此并不理想。另外，当H(100)×(nd01-1)/Rf01低于条件式(1)的下限时，由于折射量过小而导致透镜的直径庞大，因此并不理想。
接着，条件式(2)是与入射光瞳有关的条件式。如果enp/FL满足条件式(2)的范围，则是合适的入射光瞳位置，因此能够不使各像差变大而实现小型化。与此相对地，当enp/FL超过条件式(2)的上限时，透镜在径向上庞大，因此并不理想。另外，当enp/FL低于条件式(2)的下限时，需要使负的第一透镜和负的第二透镜的焦度非常强，从而容易使各像差变大，因此并不理想。
此外，上述条件式(1)、(2)优选为
0.1＜H(100)×(nd01-1)/Rf0l＜0.37···(1)'
1.0＜enp/FL＜2.0···(2)'
更优选为
0.15＜H(100)×(nd01-1)/Rf01＜0.36···(1)"
1.4＜enp/FL＜l.6···(2)"
内窥镜用光学系统优选还满足下面的条件式(3)和(4)。
0.5＜H(100)/FL＜3.5···(3)
1.1＜(r1+r2)/(r1-r2)＜1.9···(4)
其中，r1是第一透镜的L面的曲率半径，r2是第一透镜的R面的曲率半径。
条件式(3)是与向第一透镜面入射的入射角为100度的主光线入射到该第一透镜面的高度有关的条件式。当H(100)/FL低于条件式(3)的下限时，透镜在径向上变得过小，从而需要增强负的第一透镜的焦度，产生轴上和轴外的像差，因此并不理想。另外，当H(100)/FL超过条件式(3)的上限时，导致透镜在径向上庞大，因此并不理想。
条件式(4)是与上述负的透镜组的第一透镜的形状因数(shape factor)有关的条件式。如果(r1+r2)/(r1-r2)处于条件式(4)的范围内，则能够在具有广视角的同时得到需要的负焦度。当(r1+r2)/(r1-r2)低于条件式(4)的下限时，负的第一透镜的折射力下降，因此并不理想。另外，当(r1+r2)/(r1-r2)超过条件式(4)的上限时，透镜的生产率显著降低，因此并不理想。
此外，上述条件式(3)、(4)优选为
1.0＜H(100)/FL＜2.0···(3)'
1.2＜(r1+r2)/(r1-r2)＜1.8···(4)',
更优选为
1.8＜H(100)/FL＜2.1···(3)"
1.3＜(r1+r2)/(r1-r2)＜1.7···(4)"。
内窥镜用光学系统在透镜系统的入射角度为ω=100的情况下，优选还满足下面的条件式(5)。
0.00＜|EX(ω)|/ω＜0.03···(5)
其中，EX(ω)是以入射角度ω入射的主光线从光学系统射出的角度。
条件式(5)是射出角光学系统与入射角的关系式，表示入射角为100度的光学系统的远心性(像侧远心性)。如果远心性被破坏，则根据CCD、C-MOS等摄像元件的斜入射特性而产生周边的亮度降低、产生混色等影响。条件式(5)是为了避免产生这样的像质下降的条件式。
内窥镜用光学系统优选还满足下面的条件式(6)。
-8.0＜F_front/F_rear＜-0.1···(6)
其中，F_front是负的透镜组的焦距，F_rear是正的透镜组的焦距。
条件式(6)是与负的透镜组和正的透镜组的焦度配置有关的条件式。如果F_front/F_rear处于条件式(6)的范围内，则能够良好地分担正的焦度，因此能够良好地校正色像差、球面像差、彗星像差。另一方面，当F_front/F_rear超过条件式(6)的上限或低于条件式(6)的下限时，由于任一个透镜组的焦度都过于强，因此容易产生各像差，从而并不理想。
此外，上述条件式(6)优选为
-6.0＜F_front/F_rear＜-1.0···(6)′
更优选为
-4.0＜F_front/F_rear＜-3.0···(6)"
内窥镜用光学系统优选还满足下面的条件式(7)和(8)。
1.77＜nd1＜2.42···(7)
1.9＜nd2＜2.42···(8)
其中，nd1是负的第一透镜的折射率，nd2是负的第二透镜的折射率。
条件式(7)是与负的第一透镜的折射率有关的条件式，条件式(8)是与负的第二透镜的折射率有关的条件式。如果nd1处于条件式(7)的范围内且nd2处于条件式(8)的范围内，则都是适当的折射率，因此即使不极端地增大负的第一透镜、负的第二透镜的物体侧的曲率，也能够得到合适的负的焦度。另一方面，当nd1低于条件式(7)的下限或nd2低于条件式(8)的下限时，必须对负的第一透镜、负的第二透镜赋予非常大的曲率，从而容易产生轴外像差，因此并不理想。另外，当nd1超过条件式(7)的上限或nd2超过条件式(8)的上限时，明显很难得到透镜本身(或者很难得到玻璃材料)，并且需要很高的成本，因此并不理想。
另外，内窥镜用光学系统的正的透镜组优选构成为从物体侧起依次包括至少一个正透镜以及正透镜与负透镜的接合透镜。
内窥镜用光学系统优选还满足下面的条件式(9)。
0.1＜PW_1/PW_2＜0.26···(9)(9)
其中，PW_1是上述负的第一透镜的焦度，PW_2是上述负的第二透镜的焦度。
条件式(9)是与上述负的透镜组的焦度配置有关的条件式。如果PW_1/PW_2处于条件式(9)的范围内，则是合适的焦度配置，因此能够在保持广视角的同时保持较小的透镜直径。另一方面，当PW_1/PW_2超过条件式(9)的上限时，第一透镜的焦度过强，不仅无法保持广视角，还特别容易产生轴外像差，因此并不理想。另外，当PW_1/PW_2低于条件式(9)的下限时，第二透镜的焦度过强，容易产生轴外像差，因此并不理想。还会导致第一透镜的庞大化，因此并不理想。
此外，上述条件式(9)优选为
0.12＜PW_1/PW_2＜0.255···(9)',
更优选为
0.15＜PW_1/PW_2＜0.25···(9)"。
内窥镜用光学系统的具有焦度的光学部件优选都是球面透镜。
如果使用非球面透镜、衍射光学元件作为具有焦度的光学部件，则导致成本变高。因而，通过使内窥镜用光学系统中的具有焦度的光学部件(除了亮度光圈、光学滤波器等以外的光学部件)全部由球面透镜构成，能够将成本抑制得较为便宜。
接着，参照表1以及图1A至图6B，说明本实施方式的内窥镜用光学系统的第一实施例～第六实施例。
表1是表示第一实施例～第六实施例的内窥镜用光学系统的上述条件式的值的表。观察该表可知，第一实施例～第六实施例的内窥镜用光学系统都满足上述的条件式(1)～(9)(还满足各条件式(1)’、(1)”、(2)’、(2)”、(3)’、(3)”、(4)’、(4)”、(6)’、(6)”、(9)’、(9)”)。
[表1]
Figure BDA00003486413100091
而且，图1A、图2A、图3A、图4A、图5A、图6A分别示出第一实施例～第六实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构。另外，图1B、图2B、图3B、图4B、图5B、图6B分别示出第一实施例～第六实施例的内窥镜用光学系统的像差图。
在此，在沿着光路的内窥镜用光学系统的结构图中，附图标记L1表示第一透镜，附图标记L2表示第二透镜，附图标记S表示亮度光圈，附图标记L3表示第三透镜，附图标记L4表示第四透镜，附图标记OF表示假定为激光截止滤波器、红外截止滤波器、光学低通滤波器等光学滤波器的光学部件，附图标记L5表示第五透镜，附图标记L6表示第六透镜，附图标记L7表示第七透镜，附图标记CG表示摄像元件玻璃盖片，附图标记AL表示粘结层，附图标记SG表示摄像元件芯片密封玻璃。
另外，关于第一实施例～第六实施例的光学面，第一透镜L1的物体侧为r1，第一透镜L1的像侧为r2，第二透镜L2的物体侧为r3，第二透镜L2的像侧为r4，亮度光圈S为r5，第三透镜L3的物体侧为r6，第三透镜L3的像侧为r7，第四透镜L4的物体侧为r8，第四透镜L4的像侧为r9，光学部件OF的物体侧为r10，光学部件OF的像侧为r11，第五透镜L5的物体侧为r12，第五透镜L5与第六透镜L6之间的接合面为r13，第六透镜L6与第七透镜L7之间的接合面为r14，第七透镜L7的像侧为r15，摄像元件玻璃盖片CG的物体侧为r16，摄像元件玻璃盖片CG的像侧(粘结层AL的物体侧)为r17，摄像元件芯片密封玻璃SG的物体侧(粘结层AL的像侧)为r18，作为摄像元件芯片密封玻璃SG的像侧的像面IM为r19，对各光学面附加的数字表示面编号。同样地，图1A～图6A中的附加给面间隔d的数字表示面间隔d的物体侧的面的面编号。
本实施方式的第一实施例～第六实施例的内窥镜用光学系统从物体侧起依次包括作为负的透镜组的第一透镜组G1、亮度光圈S、作为正的透镜组的第二透镜组G2。并且，作为负的透镜组的第一透镜组G1从物体侧起依次包括使凸面朝向物体侧的负凸凹透镜的第一透镜L1、负透镜的第二透镜L2。在此，第二透镜L2在第一实施例～第四实施例中为双凹透镜，在第五实施例、第六实施例中为使凸面朝向物体侧的负凸凹透镜。
另外，作为正的透镜组的第二透镜组G2从物体侧起依次包括使凸面朝向像侧的正凸凹透镜的第三透镜L3、使凸面朝向像侧的平凸透镜(正透镜)的第四透镜L4、双凸透镜(正透镜)的第五透镜L5、双凹透镜(负透镜)的第六透镜L6、双凸透镜(正透镜)的第七透镜L7，在第四透镜L4与第五透镜L5之间配设有光学部件OF。
在此，第五透镜L5和第六透镜L6通过光学面r13相互接合，并且第六透镜L6和第七透镜L7通过光学面r14相互接合，其结果，三个第五透镜L5～第七透镜L7为接合透镜。由此，作为正的透镜组的第二透镜组G2能够构成为包括至少一个正透镜以及正透镜与负透镜的接合透镜。
而且，第一透镜L1～第七透镜L7都是球面透镜。
第一实施例
图1A是表示第一实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图，图1B是表示第一实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
在此，在像差图中的球面像差图和倍率色像差图中，分别用点划线表示g线(波长435.84nm)，用实线表示d线(波长587.56nm)，用虚线表示C线(波长656.27nm)。另外，在像差图中的像散图中，分别用虚线表示子午线M，用实线表示弧矢线S。此外，像差图中的FIY表示半视角，像差图和下述数值数据的FNO.表示光圈值。
该第一实施例的光学系统的数值数据如下所示。
Figure BDA00003486413100121
第二实施例
图2A是表示第二实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图，图2B是表示第二实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
在此，在像差图中的球面像差图和倍率色像差图中分别用点划线表示g线(波长435.84nm)，用实线表示d线(波长587.56nm)，用虚线表示C线(波长656.27nm)。另外，在像差图中的像散图中分别用虚线表示子午线M，用实线表示弧矢线S。此外，像差图中的FIY表示半视角，像差图和下述数值数据的FNO.表示光圈值。
该第二实施例的光学系统的数值数据如下所示。
Figure BDA00003486413100131
Figure BDA00003486413100141
第三实施例
图3A是表示第三实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图，图3B是表示第三实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
在此，在像差图中的球面像差图和倍率色像差图中分别用点划线表示g线(波长435.84nm)，用实线表示d线(波长587.56nm)，用虚线表示C线(波长656.27nm)。另外，在像差图中的像散图中分别用虚线表示子午线M，用实线表示弧矢线S。此外，像差图中的FIY表示半视角，像差图和下述数值数据的FNO.表示光圈值。
该第三实施例的光学系统的数值数据如下所示。
Figure BDA00003486413100142
Figure BDA00003486413100151
第四实施例
图4A是表示第四实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图，图4B是表示第四实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
在此，在像差图中的球面像差图和倍率色像差图中分别用点划线表示g线(波长435.84nm)，用实线表示d线(波长587.56nm)，用虚线表示C线(波长656.27nm)。另外，在像差图中的像散图中分别用虚线表示子午线M，用实线表示弧矢线S。此外，像差图中的FIY表示半视角，像差图和下述数值数据的FNO.表示光圈值。
该第四实施例的光学系统的数值数据如下所示。
Figure BDA00003486413100161
第五实施例
图5A是表示第五实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图，图5B是表示第五实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
在此，在像差图中的球面像差图和倍率色像差图中分别用点划线表示F线(波长486.13nm)，用虚线表示d线(波长587.56nm)，用实线表示C线(波长656.27nm)。另外，在像差图中的像散图中分别用虚线表示子午线M，用实线表示弧矢线S。此外，像差图中的FIY表示半视角，像差图和下述数值数据的FNO.表示光圈值。
该第五实施例的光学系统的数值数据如下所示。
Figure BDA00003486413100171
Figure BDA00003486413100181
第六实施例
图6A是表示第六实施例的内窥镜用光学系统的沿着光路的结构的图，图6B是表示第六实施例的内窥镜用光学系统的球面像差、像散、畸变像差、倍率色像差的图。
在此，在像差图中的球面像差图和倍率色像差图中分别用点划线表示F线(波长486.13nm)，用虚线表示d线(波长587.56nm)，用实线表示C线(波长656.27nm)。另外，在像差图中的像散图中分别用虚线表示子午线M，用实线表示弧矢线S。此外，像差图中的FIY表示半视角，像差图和下述数值数据的FNO.表示光圈值。
该第六实施例的光学系统的数值数据如下所示。
Figure BDA00003486413100182
根据这样的实施方式，在具有200度以上的视角的内窥镜用光学系统中，通过缩短从负的第一透镜到亮度光圈为止的距离来向物体侧移动入射光瞳位置，由此能够实现负的第一透镜的小径化。并且，通过在半视角100度的入射角下适当地决定负的第一透镜的L面的折射量，能够良好地抑制各像差的产生。
这样，能够构成适合于内窥镜(例如泌尿器官内窥镜、其它内窥镜)的小径的内窥镜用光学系统。
此外，本发明并不限定于上述实施方式本身，能够在实施阶段不脱离其宗旨的范围内将结构要素变形并具体化。另外，通过上述实施方式所公开的多个结构要素的适当的组合能够形成各种发明的方式。例如也可以从实施方式所示的所有结构要素中删除若干个结构要素。并且，也可以适当地组合不同实施方式中的结构要素。这样，当然能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种变形、应用。
本申请是以2011年10月6日在日本申请的特愿2011-221667号为要求优先权的基础进行申请的，上述的公开内容被引用在本申请说明书、权利要求书、附图中。

Claims (8)

1.一种内窥镜用光学系统，其特征在于，
从物体侧起依次包括负的透镜组、亮度光圈、正的透镜组，
上述负的透镜组从物体侧起依次包括负的第一透镜、负的第二透镜，满足下面的条件式(1)和(2)，
0.05＜H(100)×(nd01-1)/Rf01＜0.38···(1)
0.5＜enp/FL＜2.5···(2)
其中，H(100)是向上述第一透镜面入射的入射角为100度的主光线入射到该第一透镜面的高度，Rf01是第一透镜的L面的曲率半径，nd01是第一透镜的折射率，FL是整个系统的焦距，enp是入射光瞳位置。
2.根据权利要求1所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
还满足下面的条件式(3)和(4)，
0.5＜H(100)/FL＜3.5···(3)
1.1＜(r1+r2)/(r1-r2)＜1.9···(4)
其中，r1是第一透镜的L面的曲率半径，r2是第一透镜的R面的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
在透镜系统的入射角度是ω=100的情况下，还满足下面的条件式(5)，
0.00＜|EX(ω)|/ω＜0.03···(5)
其中，EX(ω)是以入射角度ω入射的主光线从光学系统射出的角度。
4.根据权利要求1所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
还满足下面的条件式(6)，
-8.0＜F_front/F_rear＜-0.1···(6)
其中，F_front是负的透镜组的焦距，F_rear是正的透镜组的焦距。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
还满足下面的条件式(7)和(8)，
1.77＜nd1＜2.42···(7)
1.9＜nd2＜2.42···(8)
其中，nd1是负的第一透镜的折射率，nd2是负的第二透镜的折射率。
6.根据权利要求1所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
上述正的透镜组从物体侧起依次包括至少一个正透镜以及正透镜与负透镜的接合透镜。
7.根据权利要求1～5中的任一项所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
还满足下面的条件式(9)，
0.1＜PW_1/PW_2＜0.26···(9)
其中，PW_1是上述负的第一透镜的焦度，PW_2是上述负的第二透镜的焦度。
8.根据权利要求1所述的内窥镜用光学系统，其特征在于，
该内窥镜用光学系统中的具有焦度的光学元件都是球面透镜。
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