CN105026978A - 内窥镜物镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

在水中具有广的视角且确保作为医疗用内窥镜的可靠性并容易地进行安装设计。提供一种用于水中观察并满足以下条件式的内窥镜物镜光学系统。1<Iw/ft<1.8···(1)0.6<Ia/Iw<0.95···(2)其中，Iw是水中观察时的最大像高，ft是空气中观察时的物镜光学系统整个系统的焦距，Ia是在空气中观察时主光线能够透过的最大像高。

Description

内窥镜物镜光学系统
技术领域
本发明涉及一种应用于医疗用内窥镜的内窥镜物镜光学系统。
背景技术
例如，在通过内窥镜观察泌尿系统脏器的情况下，观察空间被尿液充满，通过使生理盐水等灌流液进行灌流来确保比较透明的视野。无论是灌流液还是尿液都以水为主体，盐分、糖分等的浓度也不那么高，因此能够认为折射率等同于水的折射率。因此，在将这些脏器作为观察对象的内窥镜中，将物体侧介质视为水的水中观察时的光学设计、性能影响实用性。
对于水中观察用的内窥镜物镜光学系统来说最应注意的点是水中视角相对于空气中视角变窄。水的d线折射率在常温下为1.333，下面示出将内窥镜物镜光学系统的外表面设为平面的情况下的空气中视角与水中视角之间的关系。
空气中视角  180°   160°   140°   120°
水中视角    97.2°  95.3°  89.7°  81.0°
当列举膀胱用内窥镜为例时，即使是比较广的空气中视角120°的情况，实际的膀胱内观察时也为水中视角81°，在水中，视野范围变得非常窄。为了搜索膀胱内表面整个区域的病变，手术操作者进行内窥镜的前端弯曲操作、插入部插拔、插入部扭转的组合操作，但是如果水中视角窄，则使它们的操作频率增加，以作业效率的观点来看并非所期望的。通过进一步扩大水中视角能够减轻手术操作者的内窥镜操作上的负担，能够期待诊断、处置的效率改善。因此，作为与内窥镜的水中观察或者广角观察有关的物镜光学系统，例如在专利文献1中公开了空气中视角最大为138.3°的物镜光学系统，在专利文献2中公开了空气中视角为180°以上的物镜光学系统，在专利文献3中公开了空气中视角为190°～227°的物镜光学系统。
专利文献1：日本特开平5-288986号公报
专利文献2：日本特开平10-288742号公报
专利文献3：日本特许第4819203号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，上述的各专利文献都存在如下那样的问题。
即，专利文献1的物镜光学系统就空气中视角来说是广角，但是基于第一面是平面的情况，当根据斯涅耳定律进行水中换算时，水中视角为89°，在实际使用时不能说是足够的视角。
在专利文献2的物镜光学系统中，物镜光学系统的第一透镜是在物体侧具有较强的凸面的凹弯月透镜，这样的形状由于未预期的物体碰撞而容易在透镜上产生划痕、裂纹等损坏。还公开了为了防止第一透镜损坏而使框突出的设计，但是在该结构中，照明光被框突出部遮蔽，由此配光变差。并且，在框与透镜间具有台阶的结构中，难以去除台阶部的脏污，在医疗用的情况下，产生清洗、消毒、灭菌性的问题。另一方面，为了提高抗划性、抗裂性而需要在第一透镜的材料中使用蓝宝石等高硬度光学材料，但是高硬度光学材料一般加工性差，凸面大幅突出的凹弯月形状使得加工难度高。
另外，在专利文献2的物镜光学系统的框构造中，从物体侧落入凹弯月第一透镜，该透镜固定构造的课题在于确保作为医疗用的可靠性。也就是说，当在第一透镜的固定中使用粘结剂时，在医疗用时由于每次使用时的消毒、灭菌的反复进行而由化学或者温度、湿度导致的粘结剂劣化积累了不少，因此由于劣化的积累而透镜有可能在物体侧脱落。另一方面，作为与粘结剂相比可靠性更高的透镜固定方法，还考虑到焊接，但是在凹弯月透镜中，由于焊料固化时的收缩应力而透镜有可能毁坏，从而难以采用焊接构造。
并且，在专利文献2中，由于将照明光学系统的光轴向外侧倾斜，因此难以实现前端外径的细径化。在优先细径化而使照明光学系统的光轴与物镜光学系统平行的情况下，预计产生由于照明光直射向物镜光学系统的大幅突出的凸面而引起的光斑。
专利文献3的物镜光学系统由于物镜光学系统前端面是较强的凸面，因此具有与上述的专利文献2的物镜光学系统同样的问题。
本发明是鉴于上述情形而完成的，其目的在于提供一种即使在水中观察时也具有广的视角且确保作为医疗用内窥镜的可靠性并能够容易地进行安装设计的物镜光学系统。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明提供以下方案。
本发明的一个方式提供一种内窥镜物镜光学系统，其用于水中观察，满足以下条件式。
1＜Iw＜ft＜1.8…(1)
0.6＜Ia/Iw＜0.95…(2)
其中，Iw是水中观察时的最大像高，ft是空气中观察时的物镜光学系统整个系统的焦距，Ia是在空气中观察时主光线能够透过的最大像高。
上述的(1)式是与水中观察时的视角有关的条件，(1)式的右侧不等式(Iw/ft<1.8)用于避免在水中观察时过度的广角化。如果Iw/ft低于(1)式的下限，则水中视角窄而变得不足，如果超过上限，则水中视角变得过广而产生图像周边部的亮度下降(照明光学系统侧的配光不足、物镜光学系统的周边光量下降)。
(2)式是对水中观察时与空气中观察时的最大像高的关系进行规定的条件，如果超过(2)式的上限，则作为空气中观察的补偿而获得的水中视角广角化不足，不是所期望的。另外，如果低于(2)式的下限，则空气中观察时的有效图像面积变得过小，在白平衡取得、制造时的组装和品质检查时，导致调光不充分、妨碍周边图像缺陷检测。
因而，根据本方式，在水中观察时也具有广的视角，能够确保作为医疗用内窥镜的可靠性并容易地进行安装设计。
在上述方式中，优选的是，具备在物体侧具有负的折射力的第一组，该第一组是单透镜的第一透镜，满足以下条件式。
|DL1/RL1a|＜0.4…(3)
-3＜fL1/ft＜-1…(4)
其中，DL1是第一透镜的外径，RL1a是第一透镜的物体侧面的曲率半径，fL1是第一透镜的焦距。
上述的(3)式是减小第一透镜物体侧面的凸凹程度而形成比较接近平面的结构的条件。例如在第一组由平板构成的情况下，能够透过与空气接触的平板的像侧面的光线形成与空气中观察状态的物体侧面相同的角度，因此无法使Iw大于Ia。在第一组中，由于非常大的角度的光线束通过，因此透镜厚度与光线高度密切相关，如果使厚度增加，则透镜外径增加。因此，在第一组中避免使用透镜厚度增加的接合透镜，从而需要通过单透镜实现薄壁化。
如果凸面侧超过上述(3)式的上限，则从透镜外径端起的突出变得过大而难以进行避免透镜损坏、照明光入射的机械设计。另外，如果凹面侧超过上述(3)式的上限，则从透镜外径端起的凹陷变得过大而清洗性下降、凹面周边部的菲涅尔反射率增加。
(4)式是与第一透镜的焦距有关的条件。为了与(2)式关联地使Iw大于Ia，而需要将第一透镜的焦度设为负，焦度的绝对量也具有适当的范围。如果低于(4)式的下限，则焦度过弱而难以实现水中的广角化，如果超过(4)式的上限，则负焦度过强而产生像面弯曲的校正过度倾向。
另外，在上述方式中，优选的是，上述第一透镜是物体侧面为平面的平凹透镜。
通过这样，能够提供一种加工性良好且低成本的物镜光学系统。此外，为了第一透镜整体上为负焦度，而像侧面成为凹面，但是物体侧面无论是平面、凸面还是凹面均能够采用。将第一透镜设为平凹透镜从加工性和成本的观点出发是最优选的，并且，能够采用加工性差的蓝宝石等高硬度难加工材料，能够改善磨损性。
另外，本发明的另一方式提供一种内窥镜物镜光学系统，其用于水中观察，该内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次具备具有负的折射力的前组、亮度光圈以及具有正的折射力的后组，上述前组包括具有负的折射力的第一组和具有负的折射力的第二组，上述第一组是单透镜的第一透镜，上述第二组是单透镜或者接合透镜，该内窥镜物镜光学系统满足以下的条件式。
1＜Iw/ft＜1.8…(5)
其中，Iw是水中观察时的最大像高，ft是空气中观察时的物镜光学系统整个系统的焦距。
通过这样来构成隔着亮度光圈地包括负的前组-正的后组的所谓反远距(Retrofocus)型，因此能够实现水中观察时的广角化和充分的像面弯曲校正。
具体地说，根据水中视角的不同很难仅通过一个组来提供前组的负的折射力，因此期望分割为第一组、第二组两个负的组。另外，第一组期望通过能够薄壁化的单透镜来构成。通过第一组的折射而使角度缓和从而光线高度下降，因此第二组可以通过单透镜构成，也可以通过接合透镜构成。
通过这样构成并满足上述(5)式的条件，能够将即使在水中观察时也具有足够的广角的内窥镜物镜光学系统构成为现实的透镜。
另外，在上述方式中，优选的是，满足以下条件式。
|DL1/RL1a|＜0.4…(6)
-3＜fL1/ft＜-1…(7)
其中，DL1是第一透镜的外径，RL1a是第一透镜的物体侧面的曲率半径，fL1是第一透镜的焦距。
上述的(6)式是减小第一透镜物体侧面的凸凹程度而形成比较接近平面的结构的条件。例如在第一组由平板构成的情况下，能够透过与空气接触的平板的像侧面的光线形成与空气中观察状态的物体侧面相同的角度，因此无法使Iw大于Ia。在第一组中，由于非常大的角度的光线束通过，因此透镜厚度与光线高度密切相关，如果使厚度增加，则透镜外径增加。因此，在第一组中避免使用透镜厚度增加的接合透镜，从而需要通过单透镜实现薄壁化。
如果凸面侧超过上述(6)式的上限，则从透镜外径端起的突出变得过大而难以进行避免透镜损坏、照明光入射的机械设计。另外，如果凹面侧超过上述(6)式的上限，则从透镜外径端起的凹陷变得过大而清洗性下降、凹面周边部的菲涅尔反射率增加。
(7)式是与第一透镜的焦距有关的条件。不仅将第一透镜的焦度设为负，还需要满足(7)式以将焦度的绝对量也设为适当的范围。如果低于(7)式的下限，则焦度过弱而难以实现水中的广角化，如果超过(7)式的上限，则负的焦度过强而产生像面弯曲的校正过度倾向。
另外，在上述方式中，优选的是，上述第一透镜是物体侧面为平面的平凹透镜。
通过这样，能够提供加工性良好且低成本的物镜光学系统。
发明的效果
根据本发明，起到以下效果：在水中观察时也具有广的视角，能够确保作为医疗用内窥镜的可靠性并容易地进行安装设计。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察以及空气中观察的摄像范围的概念图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图3是表示本发明的实施例1所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图4是表示本发明的实施例1所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图5是本发明的实施例1所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图6是表示本发明的实施例2所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图7是表示本发明的实施例2所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图8是本发明的实施例2所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图9是表示本发明的实施例3所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图10是表示本发明的实施例3所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图11是本发明的实施例3所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图12是表示本发明的实施例4所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图13是表示本发明的实施例4所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图14是本发明的实施例4所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图15是表示本发明的实施例5所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图16是表示本发明的实施例5所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图17是本发明的实施例5所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图18是表示本发明的实施例6所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图19是表示本发明的实施例6所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图20是本发明的实施例6所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图21是表示本发明的实施例7所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图22是表示本发明的实施例7所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图23是本发明的实施例7所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图24是表示本发明的实施例8所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图25是表示本发明的实施例8所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图26是本发明的实施例8所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
图27是表示本发明的实施例9所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。
图28是表示本发明的实施例9所涉及的内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图，(a)表示水中观察状态，(b)表示空气中观察状态。
图29是本发明的实施例9所涉及的内窥镜物镜光学系统的水中观察状态的像差图。
具体实施方式
(第一实施方式)
下面，参照附图说明本发明的第一实施方式所涉及的内窥镜物镜光学系统。
图1示出了表示内窥镜物镜光学系统的整体结构的截面图。如图1所示，内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次具备具有负的折射力的前组GF、亮度光圈S、具有正的折射力的后组GB。
前组GF从物体侧面起依次具备作为第一透镜组的第一透镜L1以及作为第二透镜组G2的第二透镜L2。第一透镜L1和第二透镜L2均是物体侧面为平面的平凹透镜。另外，在图1中，在前组GF与亮度光圈S之间设置有颜色校正滤波器F。
后组GB具备第三透镜L3、将第四透镜L4与第五透镜L5接合而成的接合透镜CL1以及将第六透镜L6与第七透镜L7接合而成的接合透镜CL2。第三透镜L3、接合透镜CL1以及接合透镜CL2均具有正的折射力。
另外，内窥镜物镜光学系统构成为满足以下条件式。
1＜Iw＜ft＜1.8…(1)
0.6＜Ia/Iw＜0.95…(2)
其中，Iw是水中观察时的最大像高，ft是空气中观察时的物镜光学系统整个系统的焦距，Ia是在空气中观察时主光线能够透过的最大像高。
(1)式是与水中观察时的视角有关的条件。物镜光学系统整个系统的焦距ft在物体侧的第一面具有曲率的情况下，由于物体侧介质的影响而产生变动，因此与一般的透镜焦距定义同样地设为将物体侧介质设为空气时的焦距。
当Iw/ft变小时，水中视角变窄，当Iw/ft变大时，水中视角变广。在被设计为空气中观察用的内窥镜物镜光学系统中，已知有像高H与焦距ft和空气中主光线入射角θa的正弦成比例的所谓H＝ft*sin(θa)型的物镜光学系统，H/ft为1以下。
与此相比，(1)式的左侧不等式(Iw/ft>1)意味着将水中观察时的最大像高取为比在空气中观察时假定的像高大，有助于水中观察时的广角化。另外，(1)式的右侧不等式(Iw/ft<1.8)是为了避免水中观察时过度的广角化。如果Iw/ft为(1)式的下限以下，则水中视角窄而变得不足，如果为上限以上，则水中视角变得过广而产生图像周边部的亮度下降(照明光学系统侧的配光不足、物镜光学系统的周边光量下降)，不是所期望的。
(2)式是对水中观察时与空气中观察时的最大像高的关系进行规定的条件。Ia/Iw比1小相当于空气中观察时所能使用的像的大小比水中观察时所能使用的像的大小小。关于Ia与Iw之间的像范围，形成在空气中观察时从物体空间入射的主光线无法到达该范围的区域，但是在水中观察时成像出被水充满的物体空间的正常的图像。在下表中示出将水中主光线入射角θw的最大值作为变量的Ia/Iw的估计结果。其中，估计条件如下。
内窥镜物镜光学系统的外表面：平面
水的d线折射率：nw＝1.333
物镜光学系统的空气中观察时投影公式：空气中像高Ha＝ft*sin(θa)
物镜光学系统的水中观察时投影公式：水中像高Hw＝ft*nw*sin(θw)
ft＝1(为使计算简化)
Ia＝ft*sin(θa最大值)＝ft*sin(90°)＝1
[表1]
当以上表的θw＝70°(水中视角140°)为例进行解释说明时，基于先前示出的条件的水中视角140°设计的物镜光学系统为在水中观察时像高比79.8％的像高时空气中视角为180°的所谓鱼眼透镜，在其外侧的像范围无法对来自空气中物体空间的像进行成像。
这样，通过使Ia/Iw比1小而允许少许的空气中观察时的周边图像缺失，从而能够实现水中视角的广角化。这样的设计思想就空气中观察用的内窥镜而言并不理想，但是就水中观察用的内窥镜而言非常具有实用性。并且，通过去除对于空气中观察确保与水中观察同等的像范围这样的限制，能够获得无需使透镜前端面具有较强的凸面而能够消除由较强的凸面所引起的各种问题这样大的优点。
此外，虽然不是医疗行为本身，但是作为必须考虑空气中观察状态的作业，能够列举白被摄体摄像的白平衡取得以及制造时的组装、品质检查。因此，对于使Ia/Iw过度减小的方向也需要引起注意。
如果为(2)式的上限以上，则作为空气中观察的补偿而获得的水中视角广角化不足，不是所期望的。另外，如果为(2)式的下限以下，则空气中观察时的有效图像面积变得过小，因此在白平衡取得、制造时的组装、品质检查时，导致调光不充分、妨碍周边图像缺陷检测，因此不是所期望的。
并且，更优选的是，内窥镜物镜光学系统满足以下的(3)式。
|DL1/RL1a|＜0.4…(3)
其中，DL1是第一透镜的外径，RL1a是第一透镜的物体侧面的曲率半径。
位于最靠近物体侧的第一透镜组与满足上述(2)式的情况相关联地需要具有负的折射力。例如在第一透镜由平板构成的情况下，能够透过与空气接触的平板的像侧面的光线形成与空气中观察状态的物体侧面相同的角度，因此无法使Iw大于Ia。
在第一透镜组中，由于非常大的角度的光线束通过，因此透镜厚度与光线高度密切相关，如果使厚度增加，则透镜外径增加。因此，在第一透镜组中避免使用透镜厚度增加的接合透镜，需要通过单透镜来实现薄壁化。
为了实现薄壁化，(3)式是减小第一透镜物体侧面的凸凹程度而形成比较接近平面的结构的条件。
在|DL1/RL1a|＝0.4的情况下，凸面高度(或者凹面深度)相对于外径DL1的比率为5.05％。当假定DL1为φ2mm的细径内窥镜时，凸面高度(或者凹面深度)为0.1mm，从透镜外径端起的突出(凹陷)量足够小。
在凸面的情况下，如果是该程度的突出量，则是能够实现避免作为专利文献2、专利文献3的问题的透镜损坏、照明光入射的构造的水平。在凹面的情况下，如果是该程度的凹陷量，则也不需要担心透镜面清洗时的脏污残留、凹面周边部的菲涅尔反射所导致的反射损失增加。
当凸面的|DL1/RL1a|大于0.4时，从透镜外径端起的突出变得过大而难以进行避免透镜损坏、照明光入射的机械设计，因此不是所期望的。当凹面的|DL1/RL1a|大于0.4时，从透镜外径端起的凹陷变得过大而导致清洗性下降、凹面周边部的菲涅尔反射率增加，因此不是所期望的。
更优选的是，内窥镜物镜光学系统满足以下的(4)式。
-3＜fL1/ft＜-1…(4)
其中，fL1是第一透镜的焦距。
(4)式是与第一透镜的焦距有关的条件。为了与(2)式相关联地使Iw比Ia大，不仅将第一透镜的焦度设为负，焦度的绝对量也具有适当的范围。当fL1/ft小于-3时，焦度过弱而难以实现水中的广角化，不是所期望的。当fL1/ft大于-1时，负焦度过强而产生像面弯曲的校正过度倾向，因此并不理想。
通过将第一透镜设为物体侧面为平面的平凹透镜，能够提供加工性良好且低成本的物镜光学系统。为了第一透镜整体上为负焦度而将像侧面形成为凹面，但是物体侧面无论是平面、凸面、凹面均能够采用。但是，从加工性的观点来看最理想的是平面，因此通过平凹透镜构成第一透镜从加工性、成本的观点来看最理想。并且，通过设为平凹透镜，能够采用加工性差的蓝宝石等高硬度难加工材料，能够有助于磨损性的改善等。
此外，在上述的实施方式中，对于前组GF具备第一透镜组和第二透镜组的结构进行了说明，但是并不限于此，例如也能够设为不具备第二透镜组的结构。另外，对于在第二透镜组中应用单透镜的例子进行了说明，但是也能够应用接合透镜。而且，在前组GF具有第二透镜组的情况下，使得轻松地满足上述(2)式。
也就是说，如本实施方式那样，为了实现水中观察时的广角化和充分的像面弯曲校正，优选应用隔着亮度光圈地包括负的前组-正的后组的所谓反远距型。另外，根据水中视角的不同很难仅通过一个组来提供前组的负的折射力，因此优选分割为第一组、第二组两个负的组。并且，第一透镜组如上所述那样优选通过能够薄壁化的单透镜构成，在第二透镜组中，通过第一透镜组的折射而使角度缓和从而光线高度下降，因此可以应用单透镜，也可以应用接合透镜。
通过这样构成并满足上述(1)式的条件，在水中观察时也能够实现足够的广角化。另外，在将前组GF分割为第一透镜组、第二透镜组两个负的组的具有第二透镜组的结构中，使得轻松地满足上述(2)式。
此外，图2是表示水中观察和空气中观察的摄像范围的概念图，如上述那样直观地示出空气中观察状态下的有效摄像区域与水中观察状态相比变窄的情况。图2的(a)表示水中观察状态下的固体摄像元件上的摄像区域，以赋予八角形的电气视野掩膜为前提，示出了能够有效利用阴影表示的八角掩膜内的全部有效摄像区域的情况，八角掩膜内的最大像高为Iw。
图2的(b)表示空气中观察状态下的固体摄像元件上的摄像区域，阴影表示的半径Ia的圆内为空气中观察状态下的摄像区域，被八角掩膜和圆夹在中间的无阴影区域为不形成被摄体像的光学无效区域。像这样在空气中观察时允许光学无效区域的存在，由此即使第一透镜的物体侧面为平面也能够实现广角的水中观察。
将第一透镜的物体侧面设为平面的构造一般是作为内窥镜前端构造，不需要对来自图1中未示出的照明系统的直接光入射光斑进行特殊的处理。另外，平面上没有突出这一情况不会增加由于物体从物体侧碰撞而使第一透镜损伤的概率。并且，尽管是一般可以被分类为鱼眼透镜的视角，第一透镜的外径DL1也非常小而为φ2.2mm，不会对内窥镜前端构造设计造成负担。
第一透镜的材料假定为硬度高的蓝宝石，就材料特性而言也能够提供机械的耐久性优良的材料。并且，通过在蓝宝石的外周进行金属喷镀并与框之间进行焊接，从而能够提供可靠性非常高的镜框构造。
第二组的平凹透镜使用高折射率材料，通过随着超广角化而增强的负的折射力，实现了容易形成过度校正的像面弯曲的过度校正防止。另外，通过后组的接合透镜的凹透镜也使用高折射率材料，同样地实现了像面弯曲的过度校正防止。
这样，根据本实施方式，在水中观察时也具有广的视角，能够确保作为医疗用内窥镜的可靠性并容易地进行安装设计。
实施例
接着，参照图3～图29说明上述的实施方式所涉及的内窥镜物镜光学系统的实施例1～实施例9。在各实施例所记载的透镜数据中，r表示曲率半径(单位mm)，d表示面间隔(mm)，Nd表示针对d线的折射率，Vd表示针对d线的阿贝数。
(实施例1)
图3和图4中示出本发明的实施例1所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图4的(a)表示水中观察状态，图4的(b)表示空气中观察状态。另外，图5中示出水中观察状态的像差图。
实施例1的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由平凹透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、假定安装于薄板的亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力。此外，假定在像面配置固体摄像元件的摄像面。
假定图4的(a)的水中观察状态下的像高Iw为0.7510mm并使该像高与固体摄像元件的有效摄像区域一致，在水中观察状态中使用固体摄像元件的有效摄像区域整体。此时的水中视角为129.4°，就水中观察来说是非常广的广角，能够使用固体摄像元件的所有有效摄像区域来观察处于水中的被摄体。
在图4的(b)的空气中观察状态下，第一透镜为平面，由此仅空气中视角180°以下的光线能够入射至透镜。与第一透镜的平面大致平行地入射的主光线在像面上成像在比Iw低的位置，相当于空气中最大像高的Ia为0.5995mm，形成Ia/Iw为0.798的关系。由此，在空气中观察状态下形成局部地使用了固体摄像元件的有效摄像区域的图像。
水中观察和空气中观察的摄像范围成为图2所示那样的状态。
下面示出实施例1所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例2)
图6和图7示出本发明的实施例1所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图7的(a)表示水中观察状态，图7的(b)表示空气中观察状态。另外，图8中示出水中观察状态的像差图。
实施例2的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由凹弯月透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力这一点与实施例1相同。
此外，假定与尺寸比实施例1小的固体摄像元件组合，水中观察状态下的像高Iw为0.6520mm。Ia为0.5195mm，Ia/Iw为0.797，水中视角为129.8°，从而即使固体摄像元件的尺寸不同也能够实现与实施例1同样的设计，水中观察和空气中观察的摄像范围也与实施例1同样地成为图2所示那样的状态。
下面示出实施例2所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例3)
图9和图10中示出本发明的实施例3所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图10的(a)表示水中观察状态，图10的(b)表示空气中观察状态。另外，图11中示出水中观察状态的像差图。
实施例3的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由凹弯月透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力。假定与尺寸比实施例2还小的固体摄像元件组合，水中观察状态下的像高Iw为0.4480mm。Ia为0.3585mm，Ia/Iw为0.800，水中视角为129.6°，从而即使固体摄像元件的尺寸进一步缩小也能够实现与实施例1和2同样的设计。
下面示出实施例3所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例4)
图12和图13示出本发明的实施例4所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图13的(a)表示水中观察状态，图13的(b)表示空气中观察状态。另外，图14中示出水中观察状态的像差图。
实施例4的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由负的接合透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力。假定与尺寸比实施例1大的固体摄像元件组合，水中观察状态下的像高Iw为0.9120mm。Ia为0.7301mm，Ia/Iw为0.801，水中视角为129.8°，从而即使在固体摄像元件的尺寸大的情况下也能够实现与实施例1～3同样的设计。稍大的固体摄像元件能够实现高像素化，为了进行与其对应的像差校正，而通过接合透镜构成第二组，提高了像差校正能力。
此外，具有大致相同的水中视角的实施例1～4的第一透镜使用具有相同的外径和形状的蓝宝石平凹透镜。在本实施方式那样的超广角透镜的情况下，光学系统的最大外径倾向于由与固体摄像元件尺寸相比光线高度更高的第一透镜外径决定，关于固体摄像元件的尺寸，选择上具有自由度。
由于是超广角化且容易确保景深，因此固体摄像元件较大的一方能够提高像素数或者动态范围，是所期望的，但是如果过大则固体摄像元件侧对内窥镜前端外径产生影响。因此，期望以满足接下来的(8)式的方式设定反映固体摄像元件的尺寸的水中像高Iw与第一透镜外径DL1之间的关系。
0.2＜Iw/DL1＜0.5…(8)
如果Iw/DL1为0.2以下，则像素数或者动态范围有点不足，从画质的观点来看不是理想的设定。另外，Iw/DL1为0.5以上意味着与固体摄像元件侧成为前端外径的限制因素同时地DL1不必要地缩小，就内窥镜前端设计而言没有很好地取得平衡。
下面示出实施例4所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例5)
图15和图16示出本发明的实施例5所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图16的(a)表示水中观察状态，图16的(b)表示空气中观察状态。另外，图17中示出水中观察状态的像差图。
实施例5的内窥镜物镜光学系统是假定与实施例4相同尺寸的固体摄像元件并使水中视角相比于实施例4实现更广的广角化，水中视角为139.8°。实施例5的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由负的接合透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力。水中观察状态下的像高Iw为0.9120mm。Ia为0.7019mm，Ia/Iw为0.770，从而通过随着广角化而缩短焦距ft来使Ia变小，因此Ia/Iw比实施例4小。
下面示出实施例5所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例6)
图18和图19示出本发明的实施例6所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图19的(a)表示水中观察状态，图19的(b)表示空气中观察状态。另外，图20中示出水中观察状态的像差图。
实施例6的内窥镜物镜光学系统的光学设计与实施例5大致相同，不同点在于在最靠近像面的位置具有出射光瞳调整用的凸透镜。实施例6的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由负的接合透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由四个组构成，从亮度光圈侧起依次具有正-正-负-正的折射力。
下面示出实施例6所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例7)
图21和图22示出本发明的实施例7所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图22的(a)表示水中观察状态，图22的(b)表示空气中观察状态。另外，图23中示出水中观察状态的像差图。
实施例7的内窥镜物镜光学系统是水中像高Iw与实施例1大致相同，倾向于将水中视角抑制为105.0°，仅通过一个负的组构成前组。如果是该程度的水中视角，则也能够仅通过一个负的组构成前组。实施例7的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力。Ia/Iw为0.937，就本发明的实施例而言最大，第一透镜的外径DL1与具有大致相同的水中像高Iw的其它实施例相比最小。因此，本实施例在通过更细径的内窥镜实现水中的广角化时较佳。
下面示出实施例7所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例8)
图24和图25示出本发明的实施例8所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图25的(a)表示水中观察状态，图25的(b)表示空气中观察状态。另外，图26中示出水中观察状态的像差图。
实施例8的内窥镜物镜光学系统的特征在于，具有与实施例1大致相等的水中像高Iw，但是水中视角比实施例1大了约15°为144.8°，将第一透镜的物体侧面设为凸面。实施例8的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由使凸面朝向物体侧的凹弯月透镜构成的第一组(第一透镜)、由平凹透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、亮度光圈、具有正的折射力的后组。
后组由三个组构成，全部具有正的折射力。本发明的设计思想是在第一透镜的物体侧面不怎么产生突出、凹陷，但是由于存在通过形成为凸面能够改善水中观察状态下的失真的效果，因此在实施例8中形成满足(3)式的凸面。
实施例8的水中观察状态下的失真在最大像高时为-61.7％。将物体侧面为平面的实施例1以形成与本实施例相同的水中视角的方式进行像高变更时的失真为-64.4％，通过将第一透镜的物体侧面形成为凸面能够降低鼓型的失真。此外，在第一透镜由平凹透镜构成的本发明的其它实施例中，假定蓝宝石为第一透镜材料，但是在实施例8中，鉴于凹弯月透镜的加工性，假定一般的光学玻璃作为第一透镜材料。
下面示出实施例8所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
(实施例9)
图27和图28示出本发明的实施例9所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜结构。此外，图28的(a)表示水中观察状态，图28的(b)表示空气中观察状态。另外，图29中示出水中观察状态的像差图。
实施例9的内窥镜物镜光学系统在上述所有的实施例之中具有最广的水中视角。实施例9的内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次包括由平凹透镜构成的第一组(第一透镜)、由平凹透镜构成的第二组、颜色校正滤波器、假定安装于薄板的亮度光圈、具有正的折射力的后组。后组由三个组构成，全部具有正的折射力。
实施例9的水中视角为164.4°，与此同时，Ia/Iw为0.708，就本发明的实施例而言最小。实施例9作为内窥镜物镜光学系统具有罕见水平的超广角，但是第一透镜的外径DL1为φ2.4mm并不那么大，是能够实现带处理用通道的细径内窥镜的水平的外径。
下面示出实施例9所涉及的内窥镜物镜光学系统的透镜数据。
透镜数据
此外，表2中示出上述的实施例1～实施例9的结构中的各种数据，表3中示出上述(1)～(8)式所涉及的值。
[表2]
[表3]
附图标记说明
GF：前组；GB：后组；G1：第一透镜组；G2：第透镜组；L1：第一透镜；L2：第二透镜；L3：第三透镜；L4：第四透镜；L5：第五透镜；L6：第六透镜；L7：第七透镜。

Claims (6)

1.一种内窥镜物镜光学系统，其用于水中观察，满足以下条件式，
1＜Iw/ft＜1.8…(1)
0.6＜Ia/Iw＜0.95…(2)
其中，Iw是水中观察时的最大像高，ft是空气中观察时的物镜光学系统整个系统的焦距，Ia是在空气中观察时主光线能够透过的最大像高。
2.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于，
具备在物体侧具有负的折射力的第一组，该第一组是单透镜的第一透镜，满足以下条件式，
|DL1/RL1a|＜0.4…(3)
-3＜fL1/ft＜-1…(4)
其中，DL1是第一透镜的外径，RL1a是第一透镜的物体侧面的曲率半径，fL1是第一透镜的焦距。
3.根据权利要求1或2所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于，
上述第一透镜是物体侧面为平面的平凹透镜。
4.一种内窥镜物镜光学系统，其用于水中观察，
该内窥镜物镜光学系统从物体侧起依次具备具有负的折射力的前组、亮度光圈以及具有正的折射力的后组，
上述前组包括具有负的折射力的第一组和具有负的折射力的第二组，
上述第一组是单透镜的第一透镜，上述第二组是单透镜或者接合透镜，该内窥镜物镜光学系统满足以下条件式，
1＜Iw/ft＜1.8…(5)
其中，Iw是水中观察时的最大像高，ft是空气中观察时的物镜光学系统整个系统的焦距。
5.根据权利要求4所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于，满足以下条件式，
|DL1/RL1a|＜0.4…(6)
-3＜fL1/ft＜-1…(7)
其中，DL1是第一透镜的外径，RL1a是第一透镜的物体侧面的曲率半径，fL1是第一透镜的焦距。
6.根据权利要求4或5所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于，
上述第一透镜是物体侧面为平面的平凹透镜。
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