CN111095068A - 内窥镜用物镜单元与内窥镜 - Google Patents

内窥镜用物镜单元与内窥镜 Download PDF

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Abstract

物镜单元从物体侧开始依次具备：具有负折光力的前透镜组、光圈、以及具有正折光力的后透镜组。所述前透镜组包括凹面朝向像面侧的负透镜、以及凸面朝向物体侧的正透镜；所述后透镜组包括凸面朝向像面侧的正透镜、以及用于胶合正透镜和负透镜的胶合透镜。内窥镜用物镜单元满足‑1.6<fF/fR<‑1.2以及‑1.0<SF5<‑0.5。fF和fR为前透镜组和后透镜组的焦距，SF5为(R51+R52)/(R51‑R52)，并且R51和R52分别为，在胶合透镜中位于像面侧的透镜的物体侧的面和像面侧的面的曲率半径。

Description

内窥镜用物镜单元与内窥镜
技术领域
本发明涉及一种内窥镜用物镜单元及内窥镜。
背景技术
如今，使用内窥镜检查人体内部的活组织。内窥镜具备：摄像元件，其用于在插入到人体的前端部对被照明光照射的活组织拍摄；以及物镜单元，其用于与摄像元件附接。为了实现前端部小型化，要求物镜单元具有极小尺寸以及较高的光学性能，因此在很多情况下，其由少量的透镜组成。
众所周知，内窥镜用物镜在整个系统的焦距f与后透镜组中的正透镜焦距f3之间具备预定关系，例如，其从物体侧开始依次由前透镜组、光圈和后透镜组组成；前透镜组从物体侧开始依次由负透镜、以及曲率半径小的一面朝向物体侧的正透镜组成；后透镜组由曲率半径小的一面朝向图像侧的正透镜、以及用于胶合正透镜和负透镜的胶合透镜组成(专利文献1)。
根据上述内窥镜用物镜，能够提供一种广角、外径小、第1透镜的最大光线高度低的透镜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4245985号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在内窥镜中，通常，大多使用小型的CCD(Charge-Coupled Device)摄像元件作为摄像元件，并且对其结构进行设计以使得入射至摄像元件的入射光的入射角变小。另外，在该摄像元件中，为了使受光前的入射光透过滤光器和棱镜等，对其结构进行设计以使得后焦距变长。
近年来，开发了一种即使入射光的入射角度变大也能够接收光的摄像元件，例如CMOS(Complementary Metal Oxide)摄像元件。然而，还未出现一种能够高效地利用用于捕获入射角度大的入射光的摄像元件、并且增大视角的内窥镜用物镜。
因此，本发明的目的在于提供一种能够在保持良好的光学性能的同时增大视角的内窥镜用物镜以及具备内窥镜样物镜的内窥镜。
用于解决课题的方案
本发明的一种形态是内窥镜用物镜单元。在下文中，将图2中所示的实施方式中相应部分的附图标记表示在括号内以作为示例。该内窥镜用物镜单元从物体侧开始依次至少具备：
具有负折光力的前透镜组(前透镜组G1)、光圈(光圈42)、以及具有正折光力的后透镜组(后透镜组G2)。
所述前透镜组(前透镜组G1)至少包括凹面朝向像面侧的负透镜(负透镜L1)、以及凸面朝向物体侧的正透镜(正透镜L2)；
所述后透镜组(后透镜组G2)至少包括凸面朝向像面侧的正透镜(正透镜L3)、以及用于胶合正透镜和负透镜的胶合透镜(胶合透镜46)。
当将所述前透镜组的焦距设为fF，将所述后透镜组的焦距设为fR，并且在所述胶合透镜中，将位于像面侧的透镜的物体侧的面和像面侧的面的曲率半径分别设为R51和R52(≠R51)时，满足下式(1)和(2)
(1)-1.6<fF/fR<-1.2
(2)-1.0<SF5＝(R51+R52)/(R51-R52)<-0.5
优选地，
当将所述内窥镜用物镜单元内的正透镜的焦距平均值设为fP、并且将所述内窥镜用物镜单元的整个系统的焦距设为f时，满足下式(3)。
(3)fP/f<2.5
所述前透镜组(前透镜组G1)内的所述正透镜(正透镜L2)的像面侧的面优选为平面。
所述后透镜组(后透镜组G2)内的凸面朝向像面侧的所述正透镜(正透镜L3)的物体侧的面优选为平面。
本发明的另一种形态是内窥镜。该内窥镜具备：
所述内窥镜用物镜单元；
摄像元件，用于接收由所述内窥镜用物镜单元成像的物体图像。
发明效果
根据上述内窥镜用物镜单元，内窥镜用物镜单元具有以下结构：能够在保持良好的光学性能的同时增加视角。
附图说明
图1是示意性地示出了搭载有本实施方式的内窥镜用物镜单元的内窥镜的结构的示例图。
图2是示出了本实施方式的内窥镜用物镜单元的结构的示例图。
图3的(a)～(e)是实施例1的透镜结构图和表示各种像差图的示意图。
图4的(a)～(e)是实施例2的透镜结构图和表示各种像差图的示意图。
图5的(a)～(e)是实施例3的透镜结构图和表示各种像差图的示意图。
图6的(a)～(e)是实施例4的透镜结构图和表示各种像差图的示意图。
图7是示出了实施例1～3的规格中的结构的示意图。
图8是示出了实施例4的规格中的结构的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对实施方式的内窥镜用物镜单元和内窥镜进行说明。图1是示意性地示出了搭载有根据本实施方式的内窥镜用物镜单元的内窥镜的结构的示例图。
内窥镜10主要具备前端部12、第1柔性管14、操作部16、第2柔性管18、以及连接器20。
前端部12至少具备：摄像元件30，用于接收并拍摄活组织图像；物镜单元32，用于在摄像元件30的拍摄面上对活组织图像进行成像；以及光源部34，用于配置在物镜单元32的周围并照射活组织。此外，前端部12也可以具备超声诊断用探针、以及用于排出水和空气等流体或抽吸活组织上的液体的开口。
光源装置34可以由放射光的灯和LED等光源构成，也可以具备出光口，其中出光口用于从设置在处理器22内的光源中射出通过连接器20、第2柔性管18、操作部16以及第1柔性管14内的光纤进行传输的光。
摄像元件30是可用于捕获入射角大的入射光的摄像元件，例如CMOS摄像元件。摄像元件30的视角大于100度，并且优选为140度以上。
在第1柔性管14的内部至少设有用于传输摄像元件30的拍摄信号的信号线、用于使摄像元件30及光源装置34动作的电力控制线、以及液体流动的各种配管。
操作部16是用于操作前端部12的部分，以使得从业人员朝向活组织的预定位置观察前端部12，并根据需要对活组织进行处置。
在第2柔性管18的内部至少设有用于传输摄像元件30的受光信号的信号线、用于使摄像元件30及光源装置34动作的电力控制线。
处理器22对经由操作部16、第2柔性管18以及连接器部20发送的拍摄信号进行处理，生成活组织的图像，并输出图像。另外，处理器22输出用于控制光源装置34和摄像元件30的动作的控制信号。
在这样的前端部12中使用内窥镜用物镜单元(以下称为物镜单元)32，其能够在保持良好的光学性能的同时，还可以对适用于广角摄像元件30的广角图像进行成像。在下文中，对物镜单元32进行说明。图2是示出了本实施方式的物镜单元32的结构的示例图。
图2所示的物镜单元32至少具有前透镜组G1、后透镜组G2、以及光圈42。构成各透镜组G1、G2中的各个透镜具有以物镜单元32的光轴AX为中心的旋转对称形状。在前透镜组G1和后透镜组G2之间设置有光圈42和滤光器44。而且，在远离后透镜组G2的位置，在摄像元件30的受光面(像面)侧上设置有盖玻片40。盖玻片40是设置在摄像元件30的物体侧的部件。在图2中，在盖玻片40的像面侧上用“x”标示物镜单元32的焦点位置。
滤光器44是近红外线滤光器和红外线滤光器。
在物镜单元32中，从物体侧到像面侧依次设置有前透镜组G1、光圈42、以及包括滤光器44的后透镜组G2，但是滤光器44并不受限于该顺序。
此外，物镜单元32至少具有前透镜组G1、后透镜组G2和光圈42，这意味着可以具备滤光器44和盖玻片40，也意味着包括添加除此以外的且不具有光功率的光学元件的结构。
因此，在一个实施方式中，具备前透镜组G1、后透镜组G2、盖玻片40、以及光圈42。另外，在另一实施方式中，具备前透镜组G1、后透镜组G2、盖玻片40、光圈42、以及滤光器44。另外，在另一实施方式中，具备前透镜组G1、后透镜组G2、光圈42、以及滤光器44。
前透镜组G1是相对于光圈42在物体侧具有负折光力的透镜组。
前透镜组G1至少包括凹面朝向像面侧的负透镜L1和凸面朝向物体侧的正透镜L2。前透镜组G1至少包括负透镜L1和正透镜L2，这意味着可以包括除此以外的且基本上不具有光功率的其他透镜。
后透镜组G2是相对于光圈42在像面侧具有正折光力的透镜组。后透镜组G2至少包括凸面朝向像面侧的正透镜L3和用于胶合正透镜L4和负透镜L5的胶合透镜46。后透镜组G2至少包括正透镜L3和胶合透镜46，这意味着可以包括除此之外的且基本上不具有光功率的其他透镜。
根据一个实施方式，如图2所示，负透镜L1在物体侧具有平面，正透镜L2在像面侧具有平面，正透镜L3在物体侧具有平面，正透镜L4在像面侧具有凸面，并且在物体侧具有凸面，负透镜L5在像面侧具有凹面，并且在物体侧具有凹面。
在具备这样的结构的前透镜组G1和后透镜组G2的物镜单元32中，当将前透镜组G1的焦距设为fF，将后透镜组G2的焦距设为fR，并且在胶合透镜46中，将位于像面侧的负透镜L5的物体侧的面46a和像面侧的面46b的曲率半径分别设为R51和R52(≠R51，也就是说R52与R51不同)时，满足下式(1)和(2)。
式(1):-1.6<fF/fR<-1.2
式(2):-1.0<SF5＝(R51+R52)/(R51-R52)<-0.5
满足上式(1)和(2)的物镜单元32可以在保持良好的光学性能的同时，缩短出射光瞳距离并增大视角。例如，视角可以大于100度，优选为120度以上，更优选为140度以上，并且可进一步优选为140度以上且170度以下。通常，当拓宽物镜单元32的视野时，物镜单元32的外径变大，并且物镜单元32的全长缩短，而增大物镜单元32的外径对于细小的前端部12来说，并不是优选方式。满足式(1)和(2)的物镜单元32可以保持细长形状并拓宽视野。
若将fF/fR设为-1.6以下，则由于前透镜组G1的负折光力(在下文中，将折光力称为功率)变弱，视角变窄。为了拓宽视角，增加前透镜组G1的外径即可，但是很难让物镜单元32细长。
另一方面，若将fF/fR设为-1.2以上，则由于后透镜组G2的正功率变弱，因此物镜单元32的全长变长，从在较小的前端部12配置摄像元件30和物镜单元32这方面来说，并不是优选方式。
从以上观点出发，fF/fR应小于-1.2，优选为-1.25以下，更优选为-1.3以下，特别优选为-1.35以下。另外，fF/fR应大于-1.6，优选为-1.55以上，更优选为-1.51以上。
另一方面，式(2)中的SF5＝(R51+R52)/(R51-R52)是规定透镜L5的表面形状的形状因子，该形状因子影响光射向摄像元件30的受光面的出射角度和出射光瞳距离，并影响色像差。
当该值偏离式(2)中规定的范围上限时，由于离轴F数随着胶合透镜46中出射角度的增大而增大，因此周围变暗。
另外，当该值偏离式(2)中规定的范围下限时，出射光瞳距离增加，并且视角减小。另外，胶合透镜46的胶合面的曲率半径变小，从而出现很难校正色像差的问题。
从以上观点来看，SF5应大于-1.0且小于-0.5，SF5优选为-0.8以上，更优选为-0.75以上。另外，SF5优选为-0.55以下，更优选为-0.6以下。
另外，优选地，当将物镜单元32内的正透镜的焦距平均值(简单平均值)设为fP、并且将物镜单元32整个系统的焦距设为f时，满足下式(3)。
式(3):fP/f<2.5
若将fP/f设为2.5以上，则物镜单元32内的正透镜的功率变小，并且倍率变化较大。因此，由正透镜的厚度和位于光圈42的光轴AX方向前后的透镜等间隔变化而产生的、物镜单元32整个系统的焦距变化变大，其结果导致视角变化容易增大。从这种观点出发，fP/f优选为小于2.5，更优选为2.0以下，更进一步优选为1.9以下。
尽管没有限制fP/f的下限值，但根据一个实施方式，其应为1.65以上，根据另一个实施方式，其应为1.7以上。
根据一个实施方式，正透镜L2的像面侧的面是平面。另外，根据一个实施方式，前透镜组G1从物体侧开始依次由凹面朝向像面侧的负透镜L1和平面朝向像面侧的正透镜L2组成。如此一来，可以通过将正透镜L2的像面侧的面设为平面，来抑制因透镜厚度的变化而引起的倍率变化、以及视角变化。
根据一个实施方式，正透镜L3的物体侧的面是平面。另外，根据一个实施方式，后透镜组G2的透镜从物体侧开始依次由平面朝向物体侧的正透镜L3和胶合透镜46组成。此时，正透镜L3的物体侧的面是平面。如此一来，可以通过将正透镜L3的物体侧的面设为平面，来抑制因透镜厚度的变化而引起的倍率变化、以及视角变化。另外，可以通过设置由凸面朝向物体侧的正透镜L4、以及具有凹面朝向像面侧的面且具有凹面朝向物体侧的面的负透镜L5构成的胶合透镜46，在抑制出射角度的变化的同时抑制色像差。
根据一个实施方式，如图2所示，优选地，在前透镜组G1中，配置有透镜L1、L2以使得负透镜L1的像面侧的凹面和正透镜L2的物体侧的凸面彼此相邻并彼此相对，在后透镜组G2中，配置有透镜L3和胶合透镜46以使得正透镜L3的像面侧的凸面和胶合透镜46的正透镜L4的物体侧的凸面彼此相邻并彼此相对。
(实施例1～4)
下表1-4示出了具有这种结构的物镜单元32的具体数值实施例(实施例1-4)。实施例1～4中的半增益视角均为72度以上。
另一方面，图3～6示出了物镜单元32的透镜结构图和各种像差图。在图3～图6的(a)中，未示出光圈42。图3～图6的(b)～(e)示出了实施例1～4的各种像差图。实施例1～3的结构如图2所示。图7是示出实施例1～3的规格中结构信息的示意图。实施例4的结构如图8所示。图8是示出实施例4的规格中结构信息的示意图。
在图3～图6的(b)～(e)的各种像差图中，(b)示出了在d线(588nm)、g线(436nm)和C线(656nm)处的球面像差和轴向色像差。(c)示出了在d线、g线和C线处的倍率色像差。在(b)和(c)中，实线表示d线处的像差，虚线表示g线处的像差，点划线表示C线处的像差。(d)表示像散。在(d)中，实线表示弧矢分量(S)，虚线表示子午分量(M)。(e)表示畸变像差。像差图中所示的Fe表示有效F数。Y表示图像高度。
在图3～图6的(b)～(d)的各图中，纵轴表示图像高度(mm)，横轴表示像差量(mm)。在图3～图6的(e)中，纵轴表示图像高度(mm)，横轴表示畸变率。
实施例1的规格如下表1所示。实施例1～3的规格中的结构如图7所示。图3的(b)～(e)示出了实施例1的各种像差图。在表1中，NO表示图7中所示的透镜、光圈、滤光器、盖玻片等光学元件的面，R表示该面的曲率半径(mm)，D表示从各面到位于像面侧旁边的面沿光轴AX的距离(mm)。在曲率半径R中，正值意味着朝向物体侧凸出的面，而负值意味着朝向像面侧凸出的面。在表1中，NO1～12各自的距离D是图7中规定的D1～D12各自的距离。N(d)表示d线中的折射率，νd表示其阿贝数。表1中的f表示物镜单元32整个系统中的焦距(mm)。表1中所示的实施例1具备透镜、滤光器和盖玻片等7个元件。在表2～表3中，以与表1相同的形式描述各个规格。在表1～表3中，NO10和NO11中的R分别与规定SF5的R51和R52相对应。
[表1]
NO R D N(d) νd
1 INFINITY 0.240 1.88300 40.8
2 0.765 0.490
3 1.786 1.200 1.77250 49.6
4 INFINITY 0.000
5光圈 INFINITY 0.024
6 INFINITY 0.240 1.52249 59.8
7 INFINITY 0.682 1.77250 49.6
8 -1.324 0.040
9 2.734 0.823 1.72916 54.7
10 -1.012 0.400 1.84666 23.8
11 5.849 1.109
12 INFINITY 0.320 1.52249 59.8
13 INFINITY -
Figure BDA0002408162350000081
实施例2的规格如下表2所示。图4的(b)～(e)示出了实施例2的各种像差图。
[表2]
NO R D N(d) νd
1 INFINITY 0.470 1.88300 40.8
2 0.783 0.456
3 1.907 1.221 1.77250 49.6
4 INFINITY 0.000
5光圈 INFINITY 0.024
6 INFINITY 0.392 1.54200 63.8
7 INFINITY 0.622 1.77250 49.6
8 -1.450 0.217
9 2.378 1.176 1.72916 54.7
10 -1.064 0.549 1.84666 23.8
11 4.661 0.722
12 INFINITY 0.314 1.52249 59.8
13 INFINITY -
Figure BDA0002408162350000091
实施例3的规格如下表3所示。图5的(b)～(e)示出了实施例3的各种像差图。
[表3]
NO R D N(d) νd
1 INFINITY 0.472 1.88300 40.8
2 0.775 0.464
3 2.009 1.259 1.77250 49.6
4 INFINITY 0.000
5光圈 INFINITY 0.024
6 INFINITY 0.394 1.54200 63.8
7 INFINITY 0.614 1.77250 49.6
8 -1.434 0.212
9 2.444 1.181 1.72916 54.7
10 -1.093 0.551 1.84666 23.8
11 4.436 0.767
12 INFINITY 0.315 1.52249 59.8
13 INFINITY -
Figure BDA0002408162350000101
实施例4的规格如下表4所示。图6的(a)示出了结构，图6的(b)～(e)示出了实施例4的各种像差图。在表4中，NO表示图8中所示的透镜、光圈、滤光器、盖玻片等光学元件的面，R表示该面的曲率半径(mm)，D表示从各面到位于像面侧旁边的面沿光轴AX的距离(mm)。在曲率半径R中，正值意味着朝向物体侧凸出的面，而负值意味着朝向像面侧凸出的面。在表4中，NO1～13各自的距离D是图8中规定的D1～D13各自的距离。N(d)表示d线中的折射率，νd表示其阿贝数。在表4所示的实施例4中，具备7个光学元件。f表示物镜单元32整个系统中的焦距(mm)。在实施例4中，如图8所示，在负透镜L5与盖玻片40之间配置有滤光器45以用来代替图7中所示的滤光器44。在表4中，NO9和NO10中的R分别与规定SF5的R51和R52相对应。
[表4]
NO R D N(d) νd
1 INFINITY 0.472 1.88300 40.8
2 0.784 0.456
3 2.014 1.258 1.77250 49.6
4 INFINITY 0.000
5光圈 INFINITY 0.024
6 INFINITY 0.998 1.77250 49.6
7 -1.370 0.157
8 2.425 0.975 1.72916 54.7
9 -1.045 0.550 1.84666 23.8
10 4.480 0.079
11 INFINITY 0.393 1.54200 63.8
12 INFINITY 0.549
13 INFINITY 0.314 1.52249 59.8
14 INFINITY -
Figure BDA0002408162350000111
由图3～图6的(b)～(e)中所示的像差图可知，可以很好地校正实施例1～4中任意一个像差。
下表5示出了实施例1～4中各个焦距的比率与SF5。
[表5]
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
f<sub>F</sub>/f<sub>R</sub> -1.51 -1.45 -1.35 -1.38
SF<sub>5</sub> -0.71 -0.63 -0.61 -0.62
f<sub>P</sub>/f 1.71 1.84 1.89 1.82
如表5所示，实施例1～4满足上式(1)和(2)。
因此，满足上式(1)和(2)的物镜单元可以缩短出射光瞳距离，并可以增大视角以使其大于100度，而且可以进一步将视角增加到140度以上，同时还可以保持良好的像差特性。因此，本实施方式提供一种可兼容广角摄像元件的内窥镜用物镜单元。
尽管上面对本实施方式中的内窥镜用物镜单元及内窥镜进行了说明，但是本发明并不局限于上述结构，在不脱离本发明的技术构思范围内可以进行各种变形。
符号说明
10 内窥镜
12 前端部
14 第1柔性管
16 操作部
18 第2柔性管
20 连接器
22 处理器
30 摄像元件
32 物镜单元
34 光源部
40 盖玻片
42 光圈
44,45 滤光器
46 胶合透镜。

Claims (5)

1.一种内窥镜用物镜单元，其特征在于：
其从物体侧开始依次至少具备：具有负折光力的前透镜组、光圈、以及具有正折光力的后透镜组；
所述前透镜组至少包括凹面朝向像面侧的负透镜、以及凸面朝向物体侧的正透镜；
所述后透镜组至少包括凸面朝向像面侧的正透镜、以及用于胶合正透镜和负透镜的胶合透镜；
当将所述前透镜组的焦距设为fF、将所述后透镜组的焦距设为fR、并且在所述胶合透镜中，将位于像面侧的透镜的物体侧的面和像面侧的面的曲率半径分别设为R51和R52(≠R51)时，满足下式(1)和(2)：
(1) -1.6<fF/fR<-1.2
(2) -1.0<SF5＝(R51+R52)/(R51-R52)<-0.5。
2.根据权利要求1所述的内窥镜用物镜单元，当将所述内窥镜用物镜单元内的正透镜的焦距平均值设为fP、并且将所述内窥镜用物镜单元的整个系统的焦距设为f时，满足下式(3)：
(3)fP/f<2.5。
3.根据权利要求1或2所述的内窥镜用物镜单元，所述前透镜组内的所述正透镜的像面侧的面为平面。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的内窥镜用物镜单元，所述后透镜组内的凸面朝向像面侧的所述正透镜的物体侧的面为平面。
5.一种内窥镜，其特征在于，其具备：根据权利要求1～4中任意一项所述的内窥镜用物镜单元；
以及摄像元件，用于接收由所述内窥镜用物镜单元成像的物体图像。
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