JP2005148508A - 内視鏡用対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点距離に対して十分に長いバックフォーカスを確保しつつコンパクトなレンズ外径を有すると共に、良好な光学性能を発揮することが可能な内視鏡用対物レンズを提供する。
【解決手段】 物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１と、明るさ絞りＳｔと、第２レンズ群Ｇ２とを備え、第１レンズ群Ｇ１が像側の面が像側に凹である負の第１レンズＬ１からなり、第２レンズ群Ｇ２が、物体側から順に配設された、像側に凸面を向けた正のメニスカス形状を有する第２レンズＬ２と、正の第３レンズＬ３および負の第４レンズＬ４からなる接合レンズＬ３４とにより構成され、かつ、条件式（１）から条件式（３）を満足する。条件式（１）を満たすことにより全系の焦点距離の３倍以上を有するバックフォーカスが得られ、条件式（２）を満たすことによりレンズ外径が縮小され、さらに、条件式（３）を満たすことにより収差が良好に補正される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内視鏡に用いられる対物レンズに関し、特に、比較的コンパクトなサイズを有する内視鏡用対物レンズに関する。

従来より、医療現場等において患者の体内の観察あるいは治療を行う際などに、内視鏡が使用されている。このような内視鏡としては、固体撮像素子を用いた直視型のものがある。この直視型の内視鏡においては、一般に、光軸方向に沿って物体側から順に対物レンズと光路変換プリズムと固体撮像素子とが設けられるようになっている。したがって、光路変換プリズムを配設できる程度に、対物レンズの最も像側の面から結像位置までの距離（バックフォーカスとほぼ同等）を確保しておく必要がある。光路変換プリズムのサイズはイメージサイズで決まることから、固体撮像素子を小型化するなどしてイメージサイズの縮小化が図られている。しかし、各部品の加工精度や組立精度を考慮すると、上記の距離を極端に狭めることはできないので、イメージサイズの縮小化と比例させて光路変換プリズムの縮小化を図ることは困難であった。このため、焦点距離と比べて十分に長いバックフォーカスを有する対物レンズが求められていた。しかし、近年では、より広い視野角の確保という要請に応えるため、同一のイメージサイズであっても焦点距離が短くなる傾向にあり、バックフォーカスを十分に確保することは困難であった。この問題に対し、本出願人は、先に、焦点距離に比べて十分に長いバックフォーカスを有する内視鏡用対物レンズを提案している（特許文献１参照。）。
特開平１０−２６０３４７号公報

ところで、内視鏡用対物レンズは、焦点距離よりも十分に長いバックフォーカスが求められる一方で、内視鏡の小型化に伴い、よりコンパクトな構成であることも要求される。このため、レンズ外径の小型化、特に、最も物体側に配置されるレンズの外径の小型化は、内視鏡先端部の小型化や洗浄時の水切れ向上といった観点から強く望まれている。しかしながら、上記特許文献１の内視鏡用対物レンズでは十分なバックフォーカスが得られているものの、明るさ絞りの位置に対する制約がなく、レンズ外径の小型化については不十分であった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、焦点距離に対して十分に長いバックフォーカスを確保しつつコンパクトなレンズ外径を有すると共に、良好な光学性能を発揮することが可能な内視鏡用対物レンズを提供することにある。

本発明による内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、第１レンズ群と、明るさ絞りと、第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が、像側の面が像側に凹である負の第１レンズからなり、第２レンズ群が、物体側から順に配設された、像側に凸面を向けた平凸形状または正のメニスカス形状を有する第２レンズと、いずれか一方が正であり他方が負である第３および第４レンズからなる接合レンズとにより構成され、以下の条件式（１）から条件式（３）を満足するように構成されているものである。但し、Ｄは第１レンズ群の後側主点と第２レンズ群の前側主点との間隔を表し、ｆ１は第１レンズの焦点距離を表し、ｆは全系の焦点距離を表し、Ｄ１２は第１レンズの物体側の面と明るさ絞りとの光軸上における間隔を表し、Ｒ５は第２レンズにおける像側の面の曲率半径を表す。
Ｄ≧３．０×｜ｆ１｜ ……（１）
Ｄ１２＜１．８×ｆ ……（２）
１．５×ｆ＜｜Ｒ５｜＜２．０×ｆ ……（３）

本発明による内視鏡用対物レンズでは、上記のような構成とすることにより、十分なバックフォーカスとコンパクトなレンズ外径とを実現しつつ、諸収差が良好に補正される。特に、条件式（１）を満足することにより、全系の焦点距離の３倍以上を有するバックフォーカスが得られる。条件式（２）を満足することにより、第１レンズの物体側の面を透過する最外角の主光線の高さが、最外角像高以下となる。さらに、条件式（３）を満足することにより、第２レンズの像側の面の曲率半径が規定され、像面湾曲が抑制される。

本発明の内視鏡用対物レンズによれば、物体側から順に、第１レンズ群と、明るさ絞りと、第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が像側の面が像側に凹である負の第１レンズからなり、第２レンズ群が、物体側から順に配設された、像側の面が像側に凸である正の第２レンズと、いずれか一方が正であり他方が負である第３および第４レンズからなる接合レンズとにより構成されるようにし、かつ、条件式（１）から条件式（３）を満足するように構成したので、焦点距離に対して十分に長いバックフォーカスを確保しつつコンパクトなレンズ外径を有すると共に、良好な光学性能を発揮することが可能となる。これにより、最も像側の面（第４レンズの像側の面）と撮像面との間に光路変換プリズム等の光学部材を配置できるうえ、よりコンパクトな内視鏡に搭載することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る内視鏡用対物レンズ（以下、単に「対物レンズ」という。）の一構成例を示している。この構成例は、後述する第１の実施例（表１および表３）に対応するレンズ構成である。また、図２は、対物レンズ１とは異なるの他の構成例を示しており、後述する第２の実施例（表２および表３）に対応するレンズ構成である。図１および図２において、符号Ｒｉ（Ｒ１〜Ｒ９）は、ｉ番目の構成要素の面Ｓｉ（ｉ＝１〜９）の曲率半径を示し、符号Ｄｉ（Ｄ１〜Ｄ９）は、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸上の面間隔を示す。但し、符号Ｓ３は明るさ絞り（開口絞りともいう。）Ｓｔに対応する。

図１および図２に示した対物レンズは、直視型の内視鏡における物体側の先端部分に配置されるものであり、光軸Ｚ１に沿って、物体側から順に、第１レンズ群Ｇ１と、明るさ絞りＳｔ（光軸Ｚ１上の位置のみを示す）と、第２レンズ群Ｇ２とを備えている。第１レンズ群Ｇ１は、物体側からの光を発散させる光学系であり、一方の、第２レンズ群Ｇ２は、第１レンズ群Ｇ１から明るさ絞りＳｔを経由した光を結像面へ向けて集束させる光学系である。具体的には、第１レンズ群Ｇ１は第１レンズＬ１からなり、第２レンズ群Ｇ２は物体側から順に第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４とを備えている。第３レンズＬ３および第４レンズＬ４は接合レンズＬ３４を構成している。この対物レンズにおける像側には、光路変換プリズムＰが設けられており、さらに、光路変換プリズムＰの像側にはＣＣＤ（Charged Coupled Device；電荷結合素子）などの固体撮像素子（図示せず）が設けられている。

第１レンズＬ１は、像側に凹面を向けた平凹形状をなし、負のパワーを備えている。図１および図２では、第１レンズＬ１が平凹形状をなすようにしたが、像側の面Ｓ２が像側に凹であり、かつ、負のパワーを備えていればよく、例えば物体側の面Ｓ１が平面でなくともよい。

第２レンズＬ２は、像側の面Ｓ５が物体側の面Ｓ４よりも絶対値の小さな曲率半径を有する（すなわち、｜Ｒ５｜＜｜Ｒ４｜である）メニスカス形状をなし、正のパワーを備えている。図１および図２では、第２レンズＬ２がメニスカス形状をなすようにしたが、像側の面Ｓ５が像側に凸であり、かつ、正のパワーを備えていればよく、例えば物体側の面Ｓ４が平面であったり、あるいは面Ｓ４が物体側に凸であってもよい。

さらに、図１の構成例では、第３レンズＬ３が像側に凹面を向けたメニスカス形状をなし負のパワーを備え、第４レンズＬ４が両凸形状をなしている。これと異なり、図２に示した他の構成例のように、両凸形状をなす第３レンズＬ３と、物体側に凹面を向けたメニスカス形状をなし負のパワーを備えた第４レンズＬ４とを配設するようにしてもよい。

図１および図２の対物レンズは、以下の条件式（１）から条件式（３）を満足するように構成されている。但し、Ｄは第１レンズ群Ｇ１の後側主点と第２レンズ群Ｇ２の前側主点との間隔を表し、ｆ１は第１レンズＬ１の焦点距離を表し、ｆは全系の焦点距離を表し、さらに、Ｄ１２は第１レンズＬ１の物体側の面Ｓ１と明るさ絞りＳｔとの光軸Ｚ１上における間隔を表している。
Ｄ≧３．０×｜ｆ１｜ ……（１）
Ｄ１２＜１．８×ｆ ……（２）
１．５×ｆ＜｜Ｒ５｜＜２．０×ｆ ……（３）

次に、以上のように構成された対物レンズの作用および効果について説明する。

図１および図２の対物レンズでは、第１および第２レンズＬ１，Ｌ２の２枚の単レンズと、第３および第４レンズＬ３，Ｌ４からなる１つの接合レンズＬ３４とからなる簡単な構成とし、かつ、条件式（１）〜条件式（３）を満足するようにしたので、十分なバックフォーカスを確保し、コンパクトなレンズ外径を得ることができ、さらに、諸収差を良好に補正することができる。

条件式（１）は、第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１と、第１レンズ群Ｇ１の後側主点と第２レンズ群Ｇ２の前側主点との間隔Ｄとの関係を規定するものである。条件式（１）を満足することにより、像を固体撮像素子上に結像させつつ、光路変換プリズムＰなどの光学部品を、固体撮像素子との間の光軸Ｚ１上に配置するのに十分な長さのバックフォーカスが得られる。十分な長さとは、対物レンズにおける全系の焦点距離ｆの３倍以上の長さである。条件式（１）は、以下のようにして導かれる。

一般に、２枚の薄肉レンズでは、一方のレンズ（前方レンズ）の焦点距離をｆ１、他方のレンズ（後方レンズ）の焦点距離をｆ２、前方レンズの後側主点と後方レンズの前側主点との間隔（この場合、２枚のレンズの間隔とほぼ等しい）をＤとすると、２枚のレンズの合成焦点距離ｆは、
１／ｆ＝１／ｆ１＋１／ｆ２−Ｄ／（ｆ１・ｆ２） ……（４）
と表すことができる。また、バックフォーカスＢｆは、
Ｂｆ＝ｆ・（１−Ｄ／ｆ１） ……（５）
と表される。ここで、必要なバックフォーカスＢｆの長さを、合成焦点距離ｆの３倍
Ｂｆ＝３×ｆ ……（６）
とすると、式（５）は、
３×ｆ＝ｆ・（１−Ｄ／ｆ１）
となるので、
Ｄ＝−２×ｆ１ ……（７）
が得られる。ここで、ｆ１＜０、ｆ２＞０の場合には、
Ｄ≧２×｜ｆ１｜
のとき、
Ｂｆ≧３×ｆ
が実現される。

以上は薄肉レンズの場合であり、図１および図２に示した対物レンズでは、第２レンズ群Ｇ２の後側主点位置が、ほぼ全系の焦点距離ｆの分だけ、第２レンズ群Ｇ２の中に（物体側に）入り込むこととなる。このため、これを補正分として考慮し、補正値ＢＦとして、全系の焦点距離ｆの３倍の長さを有するバックフォーカスＢｆ（＝３×ｆ）と上記補正分の長さｆとの和である焦点距離ｆの４倍の長さを確保することとする。すなわち、
ＢＦ＝４×ｆ ……（８）
とする。この補正値ＢＦを式（５）におけるバックフォーカスＢｆに置き換えると、式（５）は
４×ｆ＝ｆ・（１−Ｄ／ｆ１） ……（９）
と表せるので、式（８）および式（９）から、
Ｄ≧３．０×｜ｆ１｜ ……（１）
が得られる。

条件式（２）は、第１レンズＬ１の有効径を規定するものである。面Ｓ１を通る光線の高さは、主に、第１レンズＬ１の面Ｓ１と明るさ絞りＳｔとの光軸Ｚ１上における間隔Ｄ１２（すなわち、Ｄ１＋Ｄ２）によって決まる。間隔Ｄ１２が大きくなるほど、第１レンズＬ１の有効径は増大する。間隔Ｄ１２が条件式（２）の上限よりも大きくなると、面Ｓ１を通る最外角の主光線の高さＨは、最外角の像高ｈよりも大きくなってしまう。条件式（２）を満たすようにすることにより、像高ｈ以下の範囲において高さＨをさらに小さくすることができ、コンパクトなレンズ外径が確保される。

条件式（３）は、第２レンズＬ２の面Ｓ５における曲率半径Ｒ５を規定するものである。条件式（３）を満足することにより、曲率半径Ｒ５が適正となり、良好な結像性能が得られる。曲率半径Ｒ５が、条件式（３）の上限よりも大きくなると非点収差の発生が顕著となってしまい、一方、条件式（３）の下限よりも小さくなると像面湾曲がオーバーとなってしまう。

このように、本実施の形態に係る対物レンズによれば、全系の焦点距離ｆの３倍以上ものバックフォーカスＢｆを確保しつつコンパクトなレンズ外径を有すると共に、良好な光学性能を発揮することが可能となる。

次に、本実施の形態に係る対物レンズの具体的な数値実施例について説明する。

以下、第１および第２の数値実施例（実施例１，２）をまとめて説明する。ここで、表１が、実施例１に対応し、図１に示した対物レンズの構成に関する基本データを示す。表２が、実施例２に対応し、図２に示した対物レンズの構成に関する基本データを示す。表１および表２におけるＳｉ（面番号）の欄には、各実施例の対物レンズについて、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１〜９）の構成要素の面の番号を示している。Ｒｉ（曲率半径）の欄には、表１および表２で付した符号Ｒｉに対応した、物体側からｉ番目（ｉ＝１〜９）の面の曲率半径の値を示す。同様に、Ｄｉ（面間隔）の欄についても、表１および表２で付した符号Ｄｉに対応した、物体側からｉ番目（ｉ＝１〜９）の面とｉ＋１番目の面との光軸上の間隔を示す。ここで、曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの単位はミリメートル（ｍｍ）である。但し、比較を容易にするため、いずれも全系の焦点距離ｆが１ｍｍとなるように規格化した場合の数値を示す。さらに、ｎｄｊ（屈折率）の欄には、物体側からｄ番目（ｉ＝１〜５）のレンズ要素のｄ線（波長；５８７．６ｎｍ）に対する屈折率の値を示し、νｄｊ（アッベ数）の欄には、物体側からｊ番目（ｊ＝１〜５）のレンズ要素のｄ線に対するアッベ数の値を示す。

表３に、各実施例におけるイメージサイズ、被写体距離、画角、バックフォーカスＢｆ、第１レンズ群Ｇ１の後側主点位置、第２レンズ群Ｇ２の前側主点位置、像高ｈおよび面Ｓ１を透過する最外角の主光線高さＨの各データをまとめて示す。ここでは、第１レンズ群Ｇ１の後側主点位置は面Ｓ２の光軸Ｚ１上の位置を基準としており、第２レンズ群Ｇ２の前側主点位置は面Ｓ４の光軸Ｚ１上の位置を基準としている。なお、画角を除く各数値データの単位はミリメートル（ｍｍ）である。

表３に示したように、各実施例は、いずれも、全系の焦点距離ｆの３倍以上のバックフォーカスＢｆを有している。また、各実施例ともに、最外角の主光線高さHが最外角像高ｈよりも小さくなっており、第１レンズＬ１の有効径がコンパクトに抑えられている。

さらに、表４には、各実施例における条件式（１）から条件式（３）に対応する数値を示す。各数値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。ここで、条件式（１）の間隔Ｄは、第１レンズ群Ｇ１の後側主点位置と、面間隔Ｄ２と、面間隔Ｄ３と、第２レンズ群Ｇ２の前側主点位置との和である。したがって、実施例１の場合、
Ｄ＝０．０＋１．０７２６＋０．１２３７＋１．２３８１
＝２．４３４４
＝３．０１１×｜ｆ１｜
というように算出される。また、条件式（２）の間隔Ｄ１２は、面間隔Ｄ１と面間隔Ｄ２との和である。したがって、実施例１の場合は、
Ｄ１２＝０．４４６２＋１．０７２６
＝１．５１８８
≒１．５１９×ｆ
というように算出される。実施例２についても同様に算出することができる。

表４に示したように、実施例１，２は、いずれも条件式（１）から条件式（３）の各数値範囲を満足している。なお、特許文献１に記載されたいくつかの実施例のうち、本実施の形態における条件式（１）から条件式（３）の条件をすべて満足するものはない。

続いて、実施例１の撮像レンズにおける球面収差、非点収差およびディストーション（歪曲収差）を図３（Ａ）〜３（Ｃ）に示す。各収差図には、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）を基準波長とした収差を示すが、球面収差図である図３（Ａ）には、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）と、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）とについての収差をも示す。非点収差図である図３（Ｂ）では、実線がサジタル方向の収差を示し、破線がタンジェンシャル方向の収差を示す。同様に、実施例２についての諸収差を図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示す。

以上、各数値データおよび各収差図に示したように、各実施例について全系の焦点距離ｆの３倍以上もの長さのバックフォーカスＢｆを確保しつつコンパクトなレンズ外径を有すると共に、良好な光学性能を実現することができることが確認できた。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

本発明の一実施の形態に係る内視鏡用対物レンズの構成例を示すものであり、実施例１に対応する断面図である。 本発明の一実施の形態に係る内視鏡用対物レンズの他の構成例を示すものであり、実施例２に対応する断面図である。 実施例１に係る撮像レンズの球面収差、非点収差およびディストーション（歪曲収差）を表す収差図である。 実施例１に係る撮像レンズの球面収差、非点収差およびディストーション（歪曲収差）を表す収差図である。

符号の説明

Ｌ１〜Ｌ４…第１〜第４レンズ、Ｌ３４…接合レンズ、Ｓｔ…絞り。

Claims (5)

1. 物体側から順に、第１レンズ群と、明るさ絞りと、第２レンズ群とを備え、
   前記第１レンズ群は、像側の面が像側に凹である負の第１レンズからなり、
   前記第２レンズ群は、物体側から順に配設された、像側の面が像側に凸である正の第２レンズと、いずれか一方が正であり他方が負である第３および第４レンズからなる接合レンズとにより構成され、
   かつ、以下の条件式（１）から条件式（３）を満足するように構成されている
   ことを特徴とする内視鏡用対物レンズ。
   Ｄ≧３．０×｜ｆ１｜ ……（１）
   Ｄ１２＜１．８×ｆ ……（２）
   １．５×ｆ＜｜Ｒ５｜＜２．０×ｆ ……（３）
   但し、
   Ｄ：第１レンズ群の後側主点と第２レンズ群の前側主点との間隔
   ｆ１：第１レンズの焦点距離
   ｆ：全系の焦点距離
   Ｄ１２：第１レンズの物体側の面と明るさ絞りとの光軸上における間隔
   Ｒ５：第２レンズにおける像側の面の曲率半径
2. 前記第１レンズは、平凹形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用対物レンズ。
3. 前記第２レンズは、像側の面が物体側の面よりも小さな曲率半径を有し、メニスカス形状をなしていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内視鏡用対物レンズ。
4. 前記第３レンズは、像側に凹面を向けた負のメニスカス形状をなし、
   前記第４レンズは、両凸形状をなしている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内視鏡用対物レンズ。
5. 前記第３レンズは、両凸形状をなし、
   前記第４レンズは、物体側に凹面を向けた負のメニスカス形状をなしている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内視鏡用対物レンズ。
   

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