JP2009251227A - 内視鏡用対物光学系 - Google Patents

内視鏡用対物光学系 Download PDF

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Abstract

【課題】 光路途中で視野方向を変換する対物光学系において、可動レンズ群の径を小さくし、可動に最適な内視鏡用対物光学系を提供する。
【解決手段】 内視鏡用対物光学系において、物体側から順に、絞りと、第１レンズと、第２レンズとからなり、第１レンズは、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなり、第２レンズは、物体側に凸面を向けた正レンズからなり、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする。
−１．２＜ｒ１／ｆ＜−０．８ ・・・（１）
−１．０＜ｒ２／ｆ＜−０．６ ・・・（２）
２．１＜ｆ２／ｆ＜４．２ ・・・（３）
ｎｄ１＞１．６５ ・・・（４）
ただし、ｒｌは、第１レンズの物体側曲率半径、
ｒ２は、第２レンズの物体側曲率半径、
ｆは、全系の焦点距離、
ｆ２は、第２レンズ群の焦点距離、
ｎｄ１は、第１レンズのｄ線の屈折率、
である。
【選択図】図１

Description

本発明は内視鏡用対物光学系に関するものである。
従来、デジタルカメラ等の民生用用途の広角の光学系がある（特許文献１〜４）、また、内視鏡に用いられる光学系が開示されている（特許文献５、６）。
特開２００４−１０９５９１号公報 特開２００４−６２０１４号公報 特開２００４−４５９７８号公報 特開２００３−１９５１５８号公報 特開平２−１７６６１２号公報 特開平２−６９７１０号公報 国際公開９９／６８６６号公報
しかしながら、特許文献１〜４に開示された光学系は、広角ではあるものの、内視鏡に応用できるほどの画角ではなかった。また、特許文献５又は７に開示された光学系は、内視鏡の用途であるが、像面湾曲が生じ、高画素化が進んだＣＣＤには対応しづらかった。さらに、特許文献６に開示された光学系は、画角が民生用途並であった。
このような課題に鑑み、本発明の目的は、内視鏡用対物光学系において、小型で広角な内視鏡用対物光学系を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の内視鏡用対物光学系では、物体側から順に、絞りと、第１レンズと、第２レンズとからなり、第１レンズは、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなり、第２レンズは、物体側に凸面を向けた正レンズからなり、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することが望ましい。
−１．２＜ｒ１／ｆ＜−０．８ ・・・（１）
−１．０＜ｒ２／ｆ＜−０．６ ・・・（２）
２．１＜ｆ２／ｆ＜４．２ ・・・（３）
ｎｄ１＞１．６５ ・・・（４）ただし、ｒｌは、第１レンズの物体側面曲率半径、
ｒ２は、第１レンズの像側曲率半径、
ｆは、全系の焦点距離、
ｆ２は、第２レンズの焦点距離、
ｎｄ１は、第１レンズのｄ線の屈折率、
である。
条件式（１）〜（４）を満足することにより、像面湾曲を十分に補正することができる。そして、高画素のＣＣＤ等に対応することが可能となる
条件式（１）は、第１レンズの物体側面曲率半径と全系焦点距離に関する条件式である。条件式（１）の下限−１．２を下回ると、像面湾曲の補正不足となり、像面がアンダーとなる。条件式（１）の上限−０．８を上回ると、像面湾曲の補正過剰となり、像面がオ
ーバーとなる。
条件式（２）は、第１レンズの象側曲率半径と全系焦点距離に関する条件式である。条件式（２）の範囲内であれば、高画角、高画質を確保することができ、好ましい。条件式（２）の下限−１．０を下回ると、広角を確保することができない。条件式（２）の上限−０．６を上回ると、像面がマイナスとなると共に、非点格差が大きくなり、好ましくない。また、色収差補正にも寄与し、軸上色収差、倍率色収差共に大きくなる。さらに、画像のコントラストの低下、色にじみの発生を招くので、好ましくない。
条件式（３）は、第２レンズ群の焦点距離と全系の焦点距離に関する条件式である。条件式（３）の下限２．１を下回ると、像面湾曲が補正不足となり、像面がアンダーとなる。条件式（３）の上限４．２を上回ると、非点格差が大きくなる。
条件式（４）は、第１レンズのｄ線の屈折率に関する条件式である。条件式（４）の下限１．６５を下回ると、補正過剰となり、像面がオーバーとなる。
また、以下の条件式（５）、（６）、（７）、（８）を満足することが望ましい。
１．０＜ｒ３／ｆ＜１．８ ・・・（５）
３．２＜ｌｔ／ｉｈ＜５．２ ・・・（６）
５＜｜ν２−ν１｜＜３５ ・・・（７）
２ｗ＞８５° ・・・（８）ただし、ｒ３は、第２レンズの物体側面曲率半径、
ｌｔは、レンズ全長（第１面から撮像面まで）、
ｉｈは、最大像高、
ν１は、第１レンズのアッベ数、
ν２は、第２レンズのアッベ数、
２ｗは、最大画角
である。
条件式（５）は、第２レンズの物体側面曲率半径と全系焦点距離に関する条件式である。条件式（５）の範囲内であればバックフォーカスを確保することができ、好ましい。条件式（５）の下限１．０を下回ると、パワーが強くなり、バックフォーカスがとれない。そのためピント調整範囲が狭くなり好ましくない。条件式（５）の上限１．８を上回ると、ＣＣＤへの斜入射角度がきつくなり、周辺光量確保が困難となる。
また、光学系は、内視鏡先端の挿入方向に対して、略垂直に配置されることが望ましい。垂直方向に配置されることで、全長が短くなる。また、斜視、側視の対物に最適となり、プリズム等の視野方向変換部材を用いる必要がない。
条件式（６）は、レンズ全長と最大像高に関する条件式である。条件式（６）の上限５．２を上回ると、全長が長くなり、レイアウトが困難となる。条件式の下限３．２を下回ると、フィルタ等を配置するスペースがなくなったり、レンズの作成が困難となる。
条件式（７）は、第１レンズのアッベ数と第２レンズのアッベ数に関する条件式である。条件式（７）の範囲外となると、Ｃ線、Ｆ線での乖離が大きくなり、色にじみが目立つ。また、軸上色収差及び倍率色収差が悪化する。
条件式（８）は、最大画角に関する条件式である。広角が必要な内視鏡の画角としては最低限必要な角度である。
また、以下の条件式（９）、（１０）、（１１）のいずれか１つを満足することが望ましい。
１．３＜ｆ２／ｆ１＜２．５ ・・・（９）
０．３７＜ｄ１／ｆ１＜０．５５ ・・・（１０）
０．１２＜ｄ２／ｆ２＜０．２４ ・・・（１１）
ただし、ｆ１は、第１レンズの焦点距離、
ｄ１は、第１レンズの厚み、
ｄ２は、第２レンズの厚み、
ｆ２は、第２レンズの焦点距離、
である。
条件式（９）は、第１レンズの焦点距離と第２レンズの焦点距離、すなわち第１レンズと第２レンズのパワーの比に関する条件式である。条件式（９）の下限１．３を下回ると、第１レンズのパワーが弱くなるため、第２レンズへの光線高が大きくなり、レンズ系全体の大型化を招く。条件式（９）の上限２．５を上回ると、第１レンズのパワーが相対的に強くなりすぎ、球面収差の曲がりが大きくなると共に、像面湾曲も大きくなり好ましくない。
条件式（１０）は、第１レンズの厚みと焦点距離に関する条件式である。条件式（１０）の下限０．３７を下回ると、レンズが薄くなるため、フチ肉の確保が困難となり、加工が難しくなる。条件式（１０）の上限０．５５を上回ると、全長に占める第１レンズの割合が大きくなり、全系の大型化を招く。
条件式（１１）は、第２レンズの厚みと焦点距離に関する条件式である。条件式（１１）の下限０．１２を下回ると、レンズが薄くなるため、フチ肉の確保が困難となり、加工が難しくなる。条件式（１１）の上限０．２４を上回ると、全長に占める第２レンズの割合が大きくなり、全系の大型化を招く。また、像面湾曲が大きく発生し、好ましくない。
また、以下の条件式（１２）、（１３）を満足することが望ましい。
０．３４＜ｄ２／ｒ３＜１．０ ・・・（１２）
０．２＜ｄ３／ｆ＜０．６ ・・・（１３）
ただし、ｄ２は、第２レンズの厚み、
ｒ３は、第２レンズ物体側面の曲率半径
ｄ３は、第２レンズとＣＣＤカバーガラスとの距離
ｆは、全系の焦点距離、
である。
条件式（１２）は、第２レンズの厚みと第２レンズ物体側面の曲率半径に関する条件式である。条件式（１２）の下限０．３４を下回ると、レンズが薄くなるため、フチ肉の確保が困難となり、加工が難しくなる。条件式（１２）の上限１．０を上回ると、全長に占める第２レンズの割合が大きくなり、バックフォーカスの確保が困難となる。
条件式（１３）は、全系の焦点距離に対する第２レンズとＣＣＤカバーガラスとの距離に関する条件式である。本発明のレンズ系は、第２レンズとＣＣＤカバーガラス間でピント調整を行っているが、条件式（１３）の下限０．２を下回ると、調整間隔が足りなくなり、所望の距離でピントの合わない場合がある。条件式（１３）の上限０．６を上回ると
、全長が大きくなり、好ましくない。また、斜入射角度が浅くなってくるため、第２レンズ径の大型化を招く。
本発明によれば、視野方向変換部材を用いなくても斜視、側視が可能であり、小型で高性能な内視鏡用対物光学系を提供することができる。
以下、本発明の内視鏡用対物光学系の実施例１〜４について説明する。実施例１〜４の対物光学系のレンズ断面図をそれぞれ図１〜図４に示す。
各図中、第１レンズ群はＧ１、第２レンズ群はＧ２、絞りはＳ、プリズムはＰ、保護ガラスはＧ、ＣＣＤカバーガラスはＣ１，Ｃ２、ＣＣＤ像面はＩで示してある。
実施例１の対物光学系は、図１に示すように、物体側から順に、保護ガラスＧ、絞りＳ、正屈折力の第１レンズＬ１、正屈折力の第２レンズＬ２、ＣＣＤカバーガラスＣ１，Ｃ２を経てＣＣＤ像面Ｉに物体像を結像する。
第１レンズＬ１は物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなる。
第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた平凸正レンズからなる。
なお、赤外カットフィルターを入れるスペースを節約するため、第２レンズを赤外カットフィルターで構成する。
実施例２の対物光学系は、図２に示すように、物体側から順に、保護ガラスＧ、絞りＳ、正屈折力の第１レンズＬ１、正屈折力の第２レンズＬ２、ＣＣＤカバーガラスＣ１，Ｃ２を経てＣＣＤ像面Ｉに物体像を結像する。
第１レンズＬ１は物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなる。
第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた平凸正レンズからなる。
なお、赤外カットフィルターを入れるスペースを節約するため、第２レンズを赤外カットフィルターで構成する。
実施例３の対物光学系は、図３に示すように、物体側から順に、保護ガラスＧ、絞りＳ、正屈折力の第１レンズＬ１、正屈折力の第２レンズＬ２、ＣＣＤカバーガラスＣ１及びＣ２を経てＣＣＤ像面Ｉに物体像を結像する。
第１レンズＬ１は物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなる。
第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。
なお、赤外カットフィルターを入れるスペース確保が困難なため、芯出し用ＣＣＤカバーガラスＣ１の前面に赤外カットコーティングを施した構成とする。また、この面は、用途に応じて、レーザーカットフィルター、ＹＡＧカットフィルター、色補正フィルター等のコーティングを施しても良い。
実施例４の対物光学系は、図４に示すように、物体側から順に、保護ガラスＧ、絞りＳ
、正屈折力の第１レンズＬ１、正屈折力の第２レンズＬ２、ＣＣＤカバーガラスＣ１及びＣ２を経てＣＣＤ像面Ｉに物体像を結像する。
第１レンズＬ１は物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなる。
第２レンズＬ２は物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。
なお、赤外カットフィルターを入れるスペース確保が困難なため、芯出し用ＣＣＤカバーガラスＣ１の前面に赤外カットコーティングを施した構成とする。また、この面は、用途に応じて、レーザーカットフィルター、ＹＡＧカットフィルター、色補正フィルター等のコーティングを施しても良い。
以下、各実施例におけるレンズの数値データを示す。
各実施例におけるレンズの数値データにおいては、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズの肉厚または間隔、ｎｅは各レンズのｅ線における屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数をそれぞれ示している。
数値実施例１
単位 ｍｍ
焦点距離 1.181
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｄ
物点 ∞ 11.9000
1 ∞ 0.4000 1.88815 40.76
2（絞り） ∞ 0.0100
3 ∞ 0.0500
4 -1.1000 0.9000 1.73234 54.68
5 -0.9000 0.0500
6 1.6500 0.6000 1.51965 75.00
7 ∞ 0.5000
8 ∞ 0.8000 1.51825 64.14
9 ∞ 0.4000 1.61379 50.20
像面
数値実施例２
単位 ｍｍ
焦点距離 1.182
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｄ
物点 ∞ 11.9000
1 ∞ 0.4000 1.88815 40.76
2（絞り） ∞ 0.0100
3 ∞ 0.0500
4 -1.1500 0.9200 1.77621 49.60
5 -0.9500 0.0500
6 1.6500 0.6000 1.51965 75.00
7 ∞ 0.5000
8 ∞ 0.8000 1.51825 64.14
9 ∞ 0.4000 1.61379 50.20
像面
数値実施例３
単位 ｍｍ
焦点距離 1.206
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｄ
物点 ∞ 11.9000
1 ∞ 0.4000 1.88815 40.76
2（絞り） ∞ 0.0100
3 ∞ 0.0500
4 -1.0500 1.0500 1.69979 55.53
5 -0.8500 0.0500
6 1.6500 0.6500 1.51825 64.14
7 5.0000 0.5600
8 ∞ 0.8000 1.51825 64.14
10 ∞ 0.4000 1.61379 50.20
像面
数値実施例４
単位 ｍｍ
焦点距離 1.261
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｄ
物点 ∞ 11.9000
1 ∞ 0.4000 1.88815 40.76
2（絞り） ∞ 0.0100
3 ∞ 0.0500
4 -1.3000 1.0500 1.88815 40.76
5 -1.0800 0.0500
6 1.5500 0.8800 1.48915 70.23
7 4.7000 0.4200
8 ∞ 0.8000 1.51825 64.14
9 ∞ 0.4000 1.61379 50.20
像面
以上の実施例１〜４の収差図をそれぞれ図５〜図８に示す。なお、球面収差図及び倍率色収差図において、短点線はＣ線、長点線はｅ線、一点鎖線はＦ線、二点鎖線はｇ線に対する各収差量（ｍｍ）を表している。非点収差図において、実線Ｓはサジタル像面（ｍｍ）、点線Ｍはメリジオナル像面（ｍｍ）をそれぞれ表している。また、歪曲収差図において、二点鎖線はｇ線に対する歪曲（％）を表している。
次に、上記各実施例における条件式（１）〜（８）の値を示す。
条件式 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
（１） -0.93 -0.97 -0.87 -1.03
（２） -0.76 -0.80 -0.70 -0.86
（３） 2.69 2.69 3.69 3.43
（４） 1.729 1.772 1.697 1.883
（５） 1.40 1.40 1.37 1.23
（６） 4.07 4.12 4.34 4.45
（７） 20.32 25.40 8.61 29.47
（８） 99.1 98.9 95.0 90.3
（９） 1.36 1.36 2.21 1.96
（１０） 0.39 0.39 0.52 0.47
（１１） 0.19 0.19 0.15 0.2
（１２） 0.36 0.36 0.39 0.57
（１３） 0.42 0.42 0.46 0.33
以上の本発明の内視鏡用対物光学系は、例えば次のように構成することができる。
〔１〕 物体側から順に、絞りと、第１レンズと、第２レンズとからなり、第１レンズは、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなり、第２レンズは、物体側に凸面を向けた正レンズからなり、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする内視鏡用対物光学系。
−１．２＜ｒ１／ｆ＜−０．８ ・・・（１）
−１．０＜ｒ２／ｆ＜−０．６ ・・・（２）
２．１＜ｆ２／ｆ＜４．２ ・・・（３）
ｎｄ１＞１．６５ ・・・（４）
ただし、ｒｌは、第１レンズの物体側曲率半径、
ｒ２は、第１レンズの像側曲率半径、
ｆは、全系の焦点距離、
ｆ２は、第２レンズの焦点距離、
ｎｄ１は、第１レンズのｄ線の屈折率、
である。
〔２〕 内視鏡先端の挿入方向に対して、略垂直に配置されることを特徴とする〔１〕に記載の内視鏡用対物光学系。
〔３〕 以下の条件式（５）、（６）、（７）、（８）を満足することを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載の対物光学系。
１．０＜ｒ３／ｆ＜１．８ ・・・（５）
３．２＜ｌｔ／ｉｈ＜５．２ ・・・（６）
５＜｜ν２−ν１｜＜３５ ・・・（７）
２ｗ＞８５ ・・・（８）
ただし、ｒ３は、第２レンズの物体側面曲率半径、
ｌｔは、レンズ全長（第１面から撮像面まで）、
ｉｈは、最大像高、
ν１は、第１レンズのアッベ数、
ν２は、第２レンズのアッベ数、
２ｗは、最大画角
である。
〔４〕 以下の条件式（９）、（１０）、（１１）のいずれか１つを満足することを特徴とする〔１〕乃至〔３〕のいずれかに記載の対物光学系。
１．３＜ｆ２／ｆ１＜２．５ ・・・（９）
０．３７＜ｄ１／ｆ１＜０．５５ ・・・（１０）
０．１２＜ｄ２／ｆ２＜０．２４ ・・・（１１）
ただし、ｆ１は、第１レンズの焦点距離、
ｄ１は、第１レンズの厚み、
ｄ２は、第２レンズの厚み、
ｆ２は、第２レンズの焦点距離、
である。
〔５〕 以下の条件式（１２）、（１３）を満足することを特徴とする〔１〕乃至〔４〕のいずれかに記載の対物光学系。
０．３４＜ｄ２／ｒ３＜１．０ ・・・（１２）
０．２＜ｄ３／ｆ＜０．６ ・・・（１３）
ただし、ｄ２は、第２レンズの厚み、
ｒ３は、第２レンズ物体側面の曲率半径
ｄ３は、第２レンズとＣＣＤカバーガラスとの距離
ｆは、全系の焦点距離、
である。
図９は、本発明に係る内視鏡用対物光学系を備えた斜視系の内視鏡のスコープ先端を示す概略図である。本発明に係る内視鏡１は、先端部側面に内視鏡用対物光学系２が配置される。また、内視鏡用対物光学系２の近傍の側面には、照明光学系３が配置される。
このような構成により、照明光学系３からの光が被検対象に照射され、被検対象からの反射光が対物光学系２を透過し、ＣＣＤ上に結像する。その後、結像した光が電気信号、映像信号に変換されモニタに映し出されることにより、被検対象が観察される。
本発明の撮影光学系の実施例１のレンズ断面図である。 本発明の撮影光学系の実施例２の図１と同様の図である。 本発明の撮影光学系の実施例３の図１と同様の図である。 本発明の撮影光学系の実施例４の図１と同様の図である。 実施例１の収差図である。 実施例２の収差図である。 実施例３の収差図である。 実施例４の収差図である。 本発明の内視鏡用対物光学系を備えた斜視系の内視鏡のスコープ先端を示す概略図である。
符号の説明
Ｌ１…第１レンズ
Ｌ２…第２レンズ
Ｓ…絞り
Ｃ１…ＣＣＤカバーガラス
Ｃ２…ＣＣＤカバーガラス
Ｉ…像面

Claims (5)

  1. 物体側から順に、絞りと、第１レンズと、第２レンズとからなり、
    第１レンズは、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズからなり、
    第２レンズは、物体側に凸面を向けた正レンズからなり、
    以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする内視鏡用対物光学系。
    −１．２＜ｒ１／ｆ＜−０．８ ・・・（１）
    −１．０＜ｒ２／ｆ＜−０．６ ・・・（２）
    ２．１＜ｆ２／ｆ＜４．２ ・・・（３）
    ｎｄ１＞１．６５ ・・・（４）ただし、ｒｌは、第１レンズの物体側曲率半径、
    ｒ２は、第１レンズの像側曲率半径、
    ｆは、全系の焦点距離、
    ｆ２は、第２レンズの焦点距離、
    ｎｄ１は、第１レンズのｄ線の屈折率、
    である。
  2. 内視鏡先端の挿入方向に対して、略垂直に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
  3. 以下の条件式（５）、（６）、（７）、（８）を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の対物光学系。
    １．０＜ｒ３／ｆ＜１．８ ・・・（５）
    ３．２＜ｌｔ／ｉｈ＜５．２ ・・・（６）
    ５＜｜ν２−ν１｜＜３５ ・・・（７）
    ２ｗ＞８５ ・・・（８）ただし、ｒ３は、第２レンズの物体側面曲率半径、
    ｌｔは、レンズ全長（第１面から撮像面まで）、
    ｉｈは、最大像高、
    ν１は、第１レンズのアッベ数、
    ν２は、第２レンズのアッベ数、
    ２ｗは、最大画角
    である。
  4. 以下の条件式（９）、（１０）、（１１）のいずれか１つを満足することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の対物光学系。
    １．３＜ｆ２／ｆ１＜２．５ ・・・（９）
    ０．３７＜ｄ１／ｆ１＜０．５５ ・・・（１０）
    ０．１２＜ｄ２／ｆ２＜０．２４ ・・・（１１）
    ただし、ｆ１は、第１レンズの焦点距離、
    ｄ１は、第１レンズの厚み、
    ｄ２は、第２レンズの厚み、
    ｆ２は、第２レンズの焦点距離、
    である。
  5. 以下の条件式（１２）、（１３）を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の対物光学系。
    ０．３４＜ｄ２／ｒ３＜１．０ ・・・（１２）
    ０．２＜ｄ３／ｆ＜０．６ ・・・（１３）
    ただし、ｄ２は、第２レンズの厚み、
    ｒ３は、第２レンズ物体側面の曲率半径
    ｄ３は、第２レンズとＣＣＤカバーガラスとの距離
    ｆは、全系の焦点距離、
    である。
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