JP2010276923A - 内視鏡用対物レンズおよび内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】広画角の内視鏡用対物レンズにおいて、周辺部における画像を改善し、十分長いバックフォーカスを有する。
【解決手段】内視鏡用対物レンズは、全画角が１２０度を超え、最も物体側の面が球面であり、下記条件式（１）、（２）を満たす。
０．７＜θ８／θ１０＜０．８ … （１）
５＜Ｒ_１／ｆ＜１５ … （２）
ただし、
θ１０：最大像高における半画角
θ８：最大像高の８割の像高における半画角
Ｒ_１：最も物体側の面の曲率半径
ｆ：全系の焦点距離
【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡用対物レンズおよび内視鏡に関し、特に、バックフォーカスが長く、視野角が広い内視鏡用対物レンズおよび該内視鏡用対物レンズを備えた内視鏡に関するものである。

従来、医療現場において患者の体内の観察または治療を行うときに内視鏡が使用されている。内視鏡の挿入部の先端には観察用の対物レンズが配置されており、近年では、この対物レンズによって得られる像を固体撮像素子により撮像する電子内視鏡が一般的である。電子内視鏡に好適に使用可能な内視鏡用対物レンズとしては、例えば、本発明者により考案された下記特許文献１〜３に記載のものが知られている。

通常、内視鏡での観察は１つの対物レンズにより行われており、内視鏡挿入時に視野を観察するときも、挿入作業を停止して体内の患部を観察するときも、同じ対物レンズが用いられる。そのため、内視鏡の対物レンズは、内視鏡を体内へ挿入するときは挿入しやすくするために視野角を広くしたいが、患部を観察するときはその患部を出来るだけ大きく見たいという２つの要望を満たさなければならない。そこで、従来の内視鏡用対物レンズは、画像中心部は大きく見えて、画像周辺部の対象物は小さくなっても広い範囲が見えるようにと、大きな負の歪曲収差を発生させたもの（以下、従来タイプという）が主流となっていた。なお、ここでいう従来タイプで発生している「大きな負の歪曲収差」とは、一般的な画角の撮像レンズの歪曲収差を示すときに用いられる、理想像高をｆｔａｎθ（ｆ：全系の焦点距離、θ：半画角）とした表記法によるものである。

この従来タイプにより得られる画像について、図３２、図３３を参照しながら説明する。図３２は、等距離射影方式の光学系による画角と像高の関係を模式的に示すものである。図３３は、従来タイプの内視鏡用対物レンズの画角と像高の関係を図３２と同様の方法で模式的に示すものである。なお、等距離射影方式は、広画角レンズである魚眼レンズに多く採用されている射影方式であり、半画角と像高が比例の関係となる。

図３２、図３３は、簡単のために、最大半画角を９０度、全画角を１８０度とした例を示している。図３２、図３３の上段の複数の扇形からなる半円は画角を示すものであり、扇形の中心角を画角として示している。つまり、中心線Ｍを０度とし、中心線Ｍに対する角度が半画角となる。最大半画角の２割、４割、６割、８割、１０割の画角である、１８度、３６度、５４度、７２度、９０度のそれぞれの画角を値を付して示している。

図３２の下段の複数の同心円は像高を示すものである。図３２の円Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０はそれぞれ、半画角１８度、３６度、５４度、７２度、９０度に対応する像高を表すものである。最外円Ｃ１０は最大像高を示すものである。図３２は、半画角と像高が比例する等距離射影方式のものであるため、円Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０は等間隔の同心円となり、最大半画角の８割の半画角にある点Ａが投影されて像面上に形成される点Ａ’の像高は、最大像高ｈ１０の８割となる。

図３３における下段の複数の同心円も像高を示すものである。図３３の円Ｃｊ２、Ｃｊ４、Ｃｊ６、Ｃｊ８、Ｃｊ１０はそれぞれ、半画角１８度、３６度、５４度、７２度、９０度に対応する像高を表すものである。最外円Ｃｊ１０は最大像高を示すものである。図３３は、従来タイプのものであるため、円Ｃｊ２、Ｃｊ４、Ｃｊ６、Ｃｊ８は等間隔の同心円とならず、中心部の円Ｃｊ２、Ｃｊ４の間隔が周辺部の円Ｃｊ８、Ｃｊ１０の間隔よりも広くなっている。また、最大半画角の８割の半画角にある点Ｂが投影されて像面上に形成される点Ｂ’の像高ｈｊ８は、最大像高ｈｊ１０の８割とはならず、ｈｊ１０の８割よりも大きなものとなる。

特開２００８−２５７１０８号公報 特開２００８−１５２２１０号公報 特開２００７−２４９１８９号公報

図３２と図３３を比較してわかるように、図３３の従来タイプは図３２の等距離射影方式のものよりも、像面上において画角が小さな領域の像が画角の大きな領域の像よりも大きな割合を占めており、周辺部の像は圧縮されたように小さく見える。すなわち、従来タイプは等距離射影方式のものよりも画角の大きな領域の情報量が少ないと言える。

しかしながら、広画角化が進み、あまりにも画像周辺部の物体が小さく見え過ぎると、画像周辺部の病変を見落とす虞があるため、あまりに大きな負の歪曲収差を発生させることは実用上好ましくない。また、近年の固体撮像素子の高画素化に伴う画質の向上から、従来は比較的軽視していた画像周辺部についても、より詳細な情報を得たいという要望が高まってきている。

一方、その他に内視鏡用対物レンズに要望される事項として、十分長いバックフォーカスを持つことが挙げられる。固体撮像素子が搭載され、固体撮像素子の撮像面が内視鏡の挿入部の長軸方向と平行に配置される内視鏡においては、対物レンズと固体撮像素子との間に光路を折り曲げるための光路変換プリズムが挿入配置されるようになっており、この光路変換プリズムが挿入配置される、対物レンズの最終面から結像位置までの距離（ほぼ、バックフォーカスと同等）を十分長く確保しておく必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、広画角の内視鏡用対物において、周辺部の画像を改善するとともに、十分長いバックフォーカスを有する内視鏡用対物レンズおよび該内視鏡用対物レンズを備えた内視鏡を提供することを目的とするものである。

本発明の内視鏡用対物レンズは、全画角が１２０度を超え、最も物体側の面が球面であり、下記条件式（１）、（２）を満たすことを特徴とするものである。
０．７＜θ８／θ１０＜０．８ … （１）
５＜Ｒ／ｆ＜１５ … （２）
ただし、
θ１０：最大像高における半画角
θ８：最大像高の８割の像高における半画角
Ｒ：最も物体側の面の曲率半径
ｆ：全系の焦点距離

条件式（１）は、最大像高の８割の像高における半画角と最大像高における半画角の比θ８／θ１０を規定するものである。等距離射影方式の光学系ではθ８／θ１０は０．８であるが、多くの従来タイプの光学系ではθ８／θ１０は０．６５程度となっている。本発明は、条件式（１）により、半画角と像高がほぼ比例するような光学系を提供するものである。

本発明の内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズと、正の第２レンズと、物体側に平面または曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第３レンズと、いずれか一方が正で他方が負の第４レンズおよび第５レンズを接合してなる全体で正の屈折力を有する接合レンズとが配列された４群５枚構成であり、第２レンズと第３レンズとの間に絞りが配置されるように構成してもよく、その場合、下記条件式（３）、（４）を満たすように構成することが好ましい。
Ｂｆ／ｆ＞２．０ … （３）

ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス
ν_４：第４レンズのｄ線におけるアッベ数
ν_５：第５レンズのｄ線におけるアッベ数
Ｒ_４５：第４レンズと第５レンズの接合面の曲率半径
Ｄ_５：第５レンズの中心厚
ｎ_５：第５レンズのｄ線における屈折率

本発明の内視鏡用対物レンズが、上記の４群５枚構成を採用する場合は、下記条件式（５）を満たすことが好ましい。
（ν_２＋ν_ｎ）＜４５ … （５）
ただし、
ν_２：第２レンズのｄ線におけるアッベ数
ν_ｎ：接合レンズを構成する負レンズのｄ線におけるアッベ数

あるいは、本発明の内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズと、いずれか一方が正で他方が負の第２レンズおよび第３レンズを接合してなる第１の接合レンズと、物体側に平面または曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第４レンズと、いずれか一方が正で他方が負の第５レンズおよび第６レンズを接合してなる第２の接合レンズとが配列された４群６枚構成であり、第１の接合レンズと第４レンズとの間に絞りが配置されるように構成してもよく、その場合、下記条件式（６）、（７）を満たすことが好ましい。
Ｂｆ／ｆ＞２．２ … （６）

ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス
ν_５：第５レンズのｄ線におけるアッベ数
ν_６：第６レンズのｄ線におけるアッベ数
Ｒ_５６：第５レンズと第６レンズの接合面の曲率半径
Ｄ_６：第６レンズの中心厚
ｎ_６：第６レンズのｄ線における屈折率

本発明の内視鏡用対物レンズが、上記の４群６枚構成を採用する場合は、下記条件式（８）を満たすことが好ましい。
１５．０＜｜ν_２−ν_３｜ … （８）
ただし、
ν_２：第２レンズのｄ線におけるアッベ数
ν_３：第３レンズのｄ線におけるアッベ数

なお、本発明における上記「最も物体側の面」は、内視鏡用対物レンズを構成する面の中での最も物体側の面を意味する。例えば、内視鏡用対物レンズが内視鏡に実装される際に、最も物体側にパワーを有しない平行平面板のような保護部材が配置される場合は、この保護部材の面は、本発明の上記「最も物体側の面」とは見なさないものとする。

なお、本発明における曲率半径の符号は、物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負として考えるものとする。

また、上記条件式におけるバックフォーカスは、空気換算長を用いるものとする。

なお、上記の４群５枚構成に含まれる接合レンズの「いずれか一方が正で他方が負の第４レンズおよび第５レンズ」は、第４レンズが正レンズで第５レンズが負レンズの場合、および、第４レンズが負レンズで第５レンズが正レンズの場合の両方の場合を含むものであり、さらに、第４レンズが第５レンズよりも物体側に配置されていることを意味するものである。また、上記の４群６枚構成に含まれる第１の接合レンズの「いずれか一方が正で他方が負の第２レンズおよび第３レンズ」、第２の接合レンズの「いずれか一方が正で他方が負の第５レンズおよび第６レンズ」も同様に考えるものとする。

なお、上記の各条件式の値は、特に断りがない限り、内視鏡用対物レンズの基準波長におけるものである。

本発明の内視鏡は、上記記載の本発明の内視鏡用対物レンズを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、全画角が１２０度を超える広画角を得ながら、従来よりも画像周辺部における画像を改善でき、十分長いバックフォーカスを持つ内視鏡用対物レンズおよび該内視鏡用対物レンズを備えた内視鏡を提供することができる。

本発明の実施例１の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例２の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例３の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例４の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例５の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例６の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例７の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例８の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例９の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例１０の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例１１の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 本発明の実施例１２の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は本発明の実施例１の内視鏡用対物レンズの各収差図 図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）は本発明の実施例２の内視鏡用対物レンズの各収差図 図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）は本発明の実施例３の内視鏡用対物レンズの各収差図 図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）は本発明の実施例４の内視鏡用対物レンズの各収差図 図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）は本発明の実施例５の内視鏡用対物レンズの各収差図 図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）は本発明の実施例６の内視鏡用対物レンズの各収差図 図１９（Ａ）〜図１９（Ｄ）は本発明の実施例７の内視鏡用対物レンズの各収差図 図２０（Ａ）〜図２０（Ｄ）は本発明の実施例８の内視鏡用対物レンズの各収差図 図２１（Ａ）〜図２１（Ｄ）は本発明の実施例９の内視鏡用対物レンズの各収差図 図２２（Ａ）〜図２２（Ｄ）は本発明の実施例１０の内視鏡用対物レンズの各収差図 図２３（Ａ）〜図２３（Ｄ）は本発明の実施例１１の内視鏡用対物レンズの各収差図 図２４（Ａ）〜図２４（Ｄ）は本発明の実施例１２の内視鏡用対物レンズの各収差図 従来例１の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 従来例２の内視鏡用対物レンズの構成を示す断面図 図２７（Ａ）〜図２７（Ｄ）は従来例１の内視鏡用対物レンズの各収差図 図２８（Ａ）〜図２８（Ｄ）は従来例２の内視鏡用対物レンズの各収差図 像高と画角の関係を示す図 本発明の実施形態にかかる内視鏡の概略構成を示す図 内視鏡の先端硬質部の要部断面図 等距離射影方式の光学系の画角と像高の関係を模式的に示す図 従来タイプの内視鏡用対物レンズの画角と像高の関係を模式的に示す図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１〜図１２は、本発明の実施形態にかかる内視鏡用対物レンズの断面図であり、それぞれ、後述の実施例１〜実施例１２の内視鏡用対物レンズに対応している。図１〜図１２に示す例の基本構成は同様であり、各図の図示方法も同様であるため、まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態にかかる内視鏡用対物レンズの基本構成について説明する。

本発明の実施形態にかかる内視鏡用対物レンズは、全画角が１２０度を超えるほど広角であり、最も物体側の面が球面であるように構成されている。図１に示す例の内視鏡用対物レンズは、第１レンズＬ１１〜第５レンズＬ１５の５枚のレンズから構成されており、最も物体側のレンズである第１レンズＬ１１の物体側の面が球面となっている。なお、図１では、図の左側が物体側、右側が像側である。

図１には、内視鏡用対物レンズとともに、軸上光束２と、最大像高に対応する軸外光束３を示している。軸外光束３に含まれる主光線と光軸Ｚとのなす角ωは、最大半画角であり、図１に示すような光軸に対して回転対称な系では、最大半画角の２倍が全画角となる。すなわち、本実施形態の内視鏡用対物レンズは、２ωが１２０度を超えるように構成されている。

なお、図１では、最も像側のレンズの像側に平行平板状の光学部材ＰＰを配置し、この光学部材ＰＰの像側の面に結像位置Ｐが位置するように構成した例を示している。光学部材ＰＰは、光路変換プリズムに相当するものであり、図１では結像位置Ｐが光軸Ｚと同一方向になるように光路変換プリズムを光軸Ｚと同一方向に展開したものとして光学部材ＰＰを図示している。

本実施形態にかかる内視鏡用対物レンズは、さらに、下記条件式（１）、（２）を満たすように構成されている。
０．７＜θ８／θ１０＜０．８ … （１）
５＜Ｒ_１／ｆ＜１５ … （２）
ただし、
θ１０：最大像高における半画角
θ８：最大像高の８割の像高における半画角
Ｒ_１：最も物体側の面の曲率半径
ｆ：全系の焦点距離

上記条件式（１）は像高と画角の関係を表す式である。前述したように、θ８／θ１０の値は、半画角と像高が比例関係にある等距離射影方式の光学系では０．８であるが、画像中心部を大きく観察出来るように大きな負の歪曲収差を発生させた従来タイプの光学系では、０．６５程度である。

そこで、本実施形態にかかる内視鏡用対物レンズは、条件式（１）を満たすように構成して、θ８／θ１０の値を従来タイプよりも等距離射影方式の光学系に近づけるようにし、半画角と像高がほぼ比例するようにしている。これにより、広画角でありながら画像周辺部の情報量を従来タイプのものより増加させることができ、画像周辺部における画像を改善することができる。

このθ８／θ１０を０．７より大きくし、等距離射影方式と同じ値の０．８に近づけるには、レンズ系の最も物体側の面を凸面にし、その面の曲率半径Ｒ_１を小さくすればよい。条件式（２）の上限を満たすことで、曲率半径Ｒ_１を小さくでき、０．７＜θ８／θ１０を達成することが可能になる。しかし、条件式（２）の下限を下回るほど曲率半径Ｒ_１を小さくしてしまうと、広画角でバックフォーカスの長いレンズ系を得ることが困難になる。

一般に、内視鏡用対物レンズの最も物体側の面は、ゴミがたまりにくい形状にするため、平面または凸面にすることが多いが、本実施形態においては、上記のθ８／θ１０に関する理由から、平面ではなく凸面にする。また、最も物体側の面を球面にすれば、非球面にする場合よりも製造性が良いレンズにすることができる。

具体的に、本実施形態の内視鏡用対物レンズがとりうる第１の態様としては、図１〜図６に例示するように、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズＬ１１と、正の第２レンズＬ１２と、物体側に平面または曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第３レンズＬ１３と、いずれか一方が正で他方が負の第４レンズＬ１４および第５レンズＬ１５を接合してなる全体で正の屈折力を有する接合レンズとが配列された４群５枚構成を採用することができる。この第１の態様の構成においては、第２レンズＬ１２と第３レンズＬ１３の間に開口絞りＳｔが配置されることが好ましい。なお、図中の開口絞りＳｔは形状や大きさを表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

また、この第１の態様の構成においては、下記条件式（３）を満たすことが好ましい。
Ｂｆ／ｆ＞２．０ … （３）
ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス（空気換算長）
ｆ：全系の焦点距離

条件式（３）を満たすように構成することで、焦点距離に比して長いバックフォーカスを確保でき、内視鏡用対物レンズと像面の間に光路変換プリズムを配置することができる。

また、この第１の態様の構成においては、下記条件式（４）を満たすことが好ましい。

ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス
ν_４：第４レンズのｄ線におけるアッベ数
ν_５：第５レンズのｄ線におけるアッベ数
Ｒ_４５：第４レンズと第５レンズの接合面の曲率半径
Ｄ_５：第５レンズの中心厚
ｎ_５：第５レンズのｄ線における屈折率

条件式（４）は開口絞りＳｔより像側の後群収束系の一部を構成する第４レンズＬ１４と第５レンズＬ１５とからなる接合レンズにおいて、第４レンズＬ１４と第５レンズＬ１５のアッベ数の差と接合面に注目して、倍率色収差の補正の好適な度合いを示したものである。条件式（４）は以下の式（４’）のように変形することができる。

条件式（４’）からわかるように、条件式（４）の左辺は、第４レンズＬ１４と第５レンズＬ１５のアッベ数の差からなる第１の項と、接合面の曲率半径の絶対値を焦点距離で規格化した第２の項と、全系のバックフォーカスと第５レンズＬ１５の光軸上の空気換算長との和、すなわち接合面から結像位置までの距離、を焦点距離で規格化した第３の項とに分けて考えることができる。

これら第１〜第３の項は、倍率色収差の補正に有利な３つの条件を示している。倍率色収差の補正は、接合レンズを構成する２つの正負のレンズのアッベ数の差（第１の項）が大きく、接合面の曲率半径の絶対値（第２の項）が小さく、接合面から結像位置までの距離（第３の項）が短いほど有利である。条件式（４）の下限を下回ると、第１の態様の対物レンズにおいて、バックフォーカスを焦点距離の２．０倍よりも長くしたまま、倍率色収差を良好に保つことが困難になる。

また、第１の態様の対物レンズにおいては、接合レンズを構成する負レンズの分散が大きいほど倍率色収差の補正に有利であるため、接合レンズを構成する負レンズのアッベ数が２０以下であることが望ましい。

さらに、第１の態様の対物レンズにおいては、下記条件式（５）を満たすことが好ましい。
（ν_２＋ν_ｎ）＜４５ … （５）
ただし、
ν_２：第２レンズＬ１２のｄ線におけるアッベ数
ν_ｎ：接合レンズを構成する負レンズのｄ線におけるアッベ数

条件式（５）は、開口絞りＳｔより物体側の正の第２レンズＬ１２と、開口絞りＳｔより像側の接合レンズを構成する負レンズに使用される材質のアッベ数を小さく抑えて、倍率色収差を良好に補正するための条件式である。

通常、色収差の補正が不十分な結像レンズにおいては、短波長における焦点距離が長波長における焦点距離よりも短いので、軸上色収差、倍率色収差ともに、短波長側の収差が基準波長のものに比べ、マイナス（アンダー）となる。倍率色収差のアンダーを補正する場合、開口絞りＳｔより像側では、正レンズのアッベ数は大きく、負レンズのアッベ数は小さくすると良く、逆に開口絞りＳｔより物体側では、正レンズのアッベ数は小さく、負レンズのアッベ数は大きくすると良い。上記条件式（５）を満足することで、開口Ｓｔ絞りよりも物体側にある正の第２レンズＬ１２と、開口絞りＳｔよりも像側にある接合レンズを構成する負レンズのアッベ数の和を小さく抑えることができ、倍率色収差の補正が容易になる。

次に、本実施形態の内視鏡用対物レンズがとりうる第２の態様について述べる。この第２の態様としては、図７〜図１２に例示するように、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズＬ２１と、いずれか一方が正で他方が負の第２レンズＬ２２および第３レンズＬ２３を接合してなる第１の接合レンズと、物体側に平面または曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第４レンズＬ２４と、いずれか一方が正で他方が負の第５レンズＬ２５および第６レンズＬ２６を接合してなる第２の接合レンズとが配列された４群６枚構成を採用することができる。この第２の態様の構成においては、第１の接合レンズと第４レンズＬ２４との間に開口絞りＳｔが配置されることが好ましい。なお、図中の開口絞りＳｔは形状や大きさを表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

また、この第２の態様の構成においては、下記条件式（６）を満足することが好ましい。
Ｂｆ／ｆ＞２．２ … （６）
ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス（空気換算長）
ｆ：全系の焦点距離

条件式（６）を満たすように構成することで、焦点距離に比して長いバックフォーカスを確保でき、内視鏡用対物レンズと像面の間に光路変換プリズムを配置することができる。

また、この第２の態様の構成においては、下記条件式（７）を満たすことが好ましい。

ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス（空気換算長）
ν_５：第５レンズのｄ線におけるアッベ数
ν_６：第６レンズのｄ線におけるアッベ数
Ｒ_５６：第５レンズと第６レンズの接合面の曲率半径
Ｄ_６：第６レンズの中心厚
ｎ_６：第６レンズのｄ線における屈折率

条件式（７）は開口絞りＳｔより像側の後群収束系の一部を構成する第５レンズＬ２５と第６レンズＬ２６とからなる第２の接合レンズにおいて、第５レンズＬ２５と第６レンズＬ２６のアッベ数の差と接合面に注目して、倍率色収差の補正の好適な度合いを示したものである。

条件式（７）の左辺は、式（４'）を用いて説明した条件式（４）と同様に、３つの項に分けて考えることができる。すなわち、第５レンズＬ２５と第６レンズＬ２６のアッベ数の差からなる第４の項と、第２の接合レンズの接合面の曲率半径の絶対値を焦点距離で規格化した第５の項と、全系のバックフォーカスと第６レンズＬ２６の光軸上の空気換算長との和、すなわち第２の接合レンズの接合面から結像位置までの距離、を焦点距離で規格化した第６の項とに分けて考えることができる。

これら第４〜第６の項は、倍率色収差の補正に有利な３つの条件を示している。倍率色収差の補正は、第２の接合レンズを構成する２つの正負のレンズのアッベ数の差（第４の項）が大きく、第２の接合レンズの接合面の曲率半径の絶対値（第５の項）が小さく、第２の接合レンズの接合面から結像位置までの距離（第６の項）が短いほど有利である。条件式（７）の下限を下回ると、第２の態様の対物レンズにおいて、バックフォーカスを焦点距離の２．２倍よりも長くしたまま、倍率色収差を良好に保つことが困難になる。

また、第２の態様の対物レンズにおいては、第２の接合レンズを構成する負レンズの分散が大きいほど倍率色収差の補正に有利であるため、第２の接合レンズを構成する負レンズのアッベ数が２０以下であることが望ましい。

さらに、第２の態様の対物レンズにおいては、下記条件式（８）を満たすことが好ましい。
１５．０＜｜ν_２−ν_３｜ … （８）
ただし、
ν_２：第２レンズＬ２２のｄ線におけるアッベ数
ν_３：第３レンズＬ２３のｄ線におけるアッベ数

条件式（８）は、開口絞りＳｔより物体側の第１の接合レンズを構成する材質のアッベ数の差を定義するもので、倍率色収差及び軸上色収差を良好に補正するのに必要な条件である。しかもこの第２の態様の対物レンズにおいては、第１の接合レンズを構成する負レンズの材質のアッベ数が、第１の接合レンズを構成する正レンズの材質のアッベ数より大きい必要がある。

内視鏡用対物レンズは、被写界深度を深くするためにＦナンバーの大きなものが多いことから、球面収差やコマ収差などが画質を決める重要な要因となることは少なく、画質劣化の大きな要因としては、倍率色収差が挙げられる。特に近年では、対物レンズによる像を撮像する固体撮像素子の高密度化が進み、画素数が増大するにつれ、倍率色収差の十分な補正が望まれるようになっている。倍率色収差は、画像周辺部に行くほど顕著に表れるため、画像周辺部の画質を向上させるためには、倍率色収差を良好に補正することが非常に有効である。

一般に、倍率色収差を補正するには、開口絞りＳｔより離れた位置に倍率色収差補正を担う光学部材が配置されていること、特に開口絞りＳｔより像側では、結像面に近い位置に配置されているほどその効果がより顕著であるが、全系のバックフォーカスが長いレンズ系においては、結像面に近い位置に光学部材を配置できず、倍率色収差の補正は容易ではなかった。しかし、本実施形態の対物レンズによれば、上記の好ましい構成を採用することで、長いバックフォーカスと良好な倍率色収差の補正を両立させることが可能になる。

次に、本発明の内視鏡用対物レンズの数値実施例について説明する。実施例１〜実施例１２の内視鏡用対物レンズのレンズ断面図はそれぞれ図１〜図１２に示したものである。実施例１〜実施例１２の内視鏡用対物レンズのレンズデータをそれぞれ表１〜表１２に示す。

各実施例のレンズデータの表において、ｓｉは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、２、３、…）の面番号を示し、ｒｉはｉ番目の面の曲率半径を示し、ｄｉはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示し、ｎｄｊは最も物体側のレンズを１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊはｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数を示している。なお、曲率半径および面間隔の単位はｍｍであり、曲率半径の符号は、物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。また、レンズデータでは、開口絞りＳｔおよび光学部材ＰＰも含めて示しており、開口絞りＳｔに相当する面の曲率半径の欄には（開口絞り）という語句を記載している。

実施例１〜６のレンズデータのｒ９、ｄ９はそれぞれ、条件式（４）で用いられているＲ_４５、Ｄ_５に相当する。また、実施例７〜１２のレンズデータのＲ_５６、Ｄ_６はそれぞれ、条件式（７）で用いられているＲ_５６、Ｄ_６に相当する。

図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に実施例１の内視鏡用対物レンズの球面収差、像面湾曲、歪曲収差（ディストーション）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。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、球面収差図および倍率色収差図では、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）についての収差も示している。歪曲収差図は、全系の焦点距離ｆ、半画角θ（変数扱い、０≦θ≦ω）を用いて、理想像高をｆｓｉｎθとし、それからのずれ量を示している。

同様に、図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）、図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）、図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）、図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）、図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）、図１９（Ａ）〜図１９（Ｄ）、図２０（Ａ）〜図２０（Ｄ）、図２１（Ａ）〜図２１（Ｄ）、図２２（Ａ）〜図２２（Ｄ）、図２３（Ａ）〜図２３（Ｄ）、図２４（Ａ）〜図２４（Ｄ）に、上記実施例２〜１２の内視鏡用対物レンズの球面収差、像面湾曲、歪曲収差（ディストーション）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。各収差図からわかるように、上記実施例１〜実施例１２は各収差が良好に補正されている。

比較例として、図２５、図２６に従来タイプの内視鏡用対物レンズのレンズ断面図を示す。図２５に示す従来例１の内視鏡用対物レンズＪＬ１は、物体側から順に、物体側に平面を向けた負の第１レンズと、正の第２レンズと、物体側に曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第３レンズと、正の第４レンズおよび負の第５レンズを接合してなる接合レンズとが配列された４群５枚構成であり、第２レンズと第３レンズとの間に開口絞りＳｔが配置されている。

図２６に示す従来例２の内視鏡用対物レンズＪＬ２は、物体側から順に、物体側に平面を向けた負の第１レンズと、負の第２レンズおよび正の第３レンズを接合してなる第１の接合レンズと、物体側に平面を向けた正の第４レンズと、正の第５レンズおよび負の第６レンズを接合してなる第２の接合レンズとが配列された４群６枚構成であり、第１の接合レンズと第４レンズとの間に開口絞りＳｔが配置されている。

図２５、図２６は、図１同様に、図の左側が物体側、右側が像側であり、軸上光束２と、最大像高に対応する軸外光束３と、最も像側のレンズの像側に配置される光学部材ＰＰを合わせて示してある。図２５、図２６の光学部材ＰＰも、光路変換プリズムに相当するものである。

従来例１、従来例２の内視鏡用対物レンズのレンズデータをそれぞれ表１３、表１４に示す。表１３、表１４の記号の意味は、上述した実施例１〜１２のレンズデータのものと同様である。

図２７（Ａ）〜図２７（Ｄ）、図２８（Ａ）〜図２８（Ｄ）にそれぞれ、上記従来例１、従来例２の内視鏡用対物レンズの球面収差、像面湾曲、歪曲収差（ディストーション）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。各収差図の図示方法は、上述した実施例１〜１２の各収差図と同様であり、図２７（Ｃ）、図２８（Ｃ）の歪曲収差図も、全系の焦点距離ｆ、半画角θ（変数扱い、０≦θ≦ω）を用いて、理想像高をｆｓｉｎθとし、それからのずれ量を示している。上記実施例１〜１２と上記従来例１、２の収差図を比較すると、歪曲収差の傾向が異なることがわかる。なお、従来例１、２は、一般的な画角の撮像レンズの歪曲収差を示すときに用いられる、理想像高をｆｔａｎθとした表記法では、大きく負になる。

また、表１５に、上記実施例１〜６と上記従来例１の各種データを示す。表１６に、上記実施例７〜１２と上記従来例２の各種データを示す。表１５、表１６のデータは、ｄ線におけるものであり、長さの単位は全てｍｍであり、角度の単位は全て度である。

以下に、表１５、表１６に記載の語句についてまとめて説明する。「構成枚数」は各レンズ系を構成するレンズ群とレンズ枚数である。「後群接合」は開口絞りＳｔより像側の接合レンズを構成するレンズのパワーの符号と配列順を表し、例えば凸凹接合であれば物体側から順に正レンズと負レンズが配列された接合であり、凹凸接合であれば物体側から順に負レンズと正レンズが配列された接合である。「物体面」は物体面の形状であり、「物体距離」は最も物体側のレンズ面から物体までの光軸方向の距離であり、「結像倍率」は前述の物体距離に物体が位置したときの横倍率である。「最大像高」は最大の像高であり、「全画角」はいわゆる視野角であり、前述の２ωで表されるものである。

「焦点距離ｆ」は全系の焦点距離であり、「Ｂｆ」は空気換算したバックフォーカスであり、「有効Ｆ値」は有効Ｆナンバーであり、「絞り径」は開口絞りＳｔの直径である。「Ｒ_１」、「ν_２」、「ν_３」、「ν_４」、「ν_５」、「ν_ｎ」、「Ｒ_４５」、「Ｒ_５６」、「Ｄ_５」、「Ｄ_６」、「ｎ_５」、「ｎ_６」、「θ８」、「θ１０」はそれぞれ前述の条件式において定義したものである。また、「ν_１」は第１レンズのｄ線におけるアッベ数であり、「ν_６」は第２の態様の第６レンズのｄ線におけるアッベ数である。

表１５の下方には、前述の条件式（１）〜（５）に対応する値を示している。実施例１〜６は全て条件式（１）〜（５）を満たしているが、従来例１は条件式（１）を満たしていない。また、表１６の下方には、前述の条件式（１）、（２）、（６）、（７）、（８）に対応する値を示している。実施例７〜１２は全て条件式（１）、（２）、（６）、（７）、（８）を満たしているが、従来例２は条件式（１）を満たしていない。

表１７に、上記実施例１〜１２、上記従来例１〜２、等距離射影方式の光学系の像高と画角の関係を表す数値データを示す。表１７の＜半画角＞と書かれた見出しの下には、各像高における半画角を記す。すなわち、「２割像高画角」は最大像高の２割の像高における半画角であり、「４割像高画角」は最大像高の４割の像高における半画角であり、「６割像高画角」は最大像高の６割の像高における半画角であり、「８割像高画角」は最大像高の８割の像高における半画角であり、「最大画角」は各レンズ系の仕様等により決められた最大半画角であり、レンズ断面図で示したωに相当する。「２割像高画角」、「４割像高画角」、「６割像高画角」、「８割像高画角」、「最大画角」の単位は全て度である。

表１７の＜半画角／最大半画角＞と書かれた見出しの下には、各像高における半画角と最大半画角の比、すなわち、各像高における半画角を最大半画角で正規化した数値を記す。表１７の「２割像高画角比」は表１５の「２割像高画角」を「最大画角」で割った値であり、「４割像高画角比」は表１５の「４割像高画角」を「最大画角」で割った値であり、「６割像高画角比」は表１５の「６割像高画角」を「最大画角」で割った値であり、「８割像高画角比」は表１５の「８割像高画角」を「最大画角」で割った値である。

図２９は、表１７の数値データに基づき、上記実施例１〜１２、上記従来例１、２、等距離射影方式の光学系の像高と画角の関係を図示したものである。図２９の横軸は像高であり、縦軸は半画角／最大半画角である。図２９の太い実線が等距離射影方式の光学系、破線が上記実施例１〜１２、二点鎖線が従来例１、２のものである。図２９から、本発明の実施例１〜１２の曲線が、従来例１、２のものより等距離射影方式の光学系のものに近くなっており、本発明の実施例１〜１２の周辺部における画像が従来例より改善されていることがわかる。

次に、本実施形態の内視鏡用対物レンズが適用される内視鏡の一例について、図３０、図３１を参照しながら説明する。図３０は、この内視鏡の全体構成図であり、図３１は内視鏡の挿入部先端に内視鏡用対物レンズを配設したときの概略構成を示す断面図である。

図３０に示すように、内視鏡１００は、主として、操作部１０２と、挿入部１０４と、ユニバーサルコード１０６を引き出すコネクタ部（図示せず）を備える。操作部１０２の先端側には、患者の体内に挿入される挿入部１０４が連結され、操作部１０２の基端側からは、光源装置等と接続するためのコネクタ部に接続するためのユニバーサルコード１０６が引き出されている。

挿入部１０４の大半は挿入経路に沿って任意の方向に曲がる軟性部１０７であり、この軟性部１０７の先端には、湾曲部１０８が連結され、この湾曲部１０８の先端には、先端硬質部１１０が順次連結されている。湾曲部１０８は、先端硬質部１１０を所望の方向に向けるために設けられるものであり、操作部１０２に設けられた湾曲走査ノブ１０９を回動させることにより湾曲操作が可能となっている。

図３１は、内視鏡用対物レンズ１の光軸Ｚを含む断面における先端硬質部１１０の要部断面図である。なお、図３１の内視鏡用対物レンズ１は、レンズ形状を示すものではなく、概念的に図示されたものである。図３１に示すように、先端硬質部１１０の内部には先端硬質部１１０の軸方向と平行にその光軸が配置された内視鏡用対物レンズ１と、内視鏡用対物レンズ１の像側の光路を９０度折り曲げるための光路変換プリズム７と、その受光面が挿入部１０４の長軸方向と平行になるように光路変換プリズム７に接合された固体撮像素子８とが配置されている。このように固体撮像素子８を配置することにより、図３１に示す先端硬質部１１０の下半分において、直視型の観察光学系を構成し、図３１に示す先端硬質部１１０の上半分において、処置具挿通チャンネル９を構成し、細径の挿入部内に多数の要素を配設している。

なお、固体撮像素子８は受光面保護用のカバーガラスを有するが、図３１ではカバーガラスも含めて固体撮像素子８として図示している。図３１からもわかるように、内視鏡用対物レンズ１とその結像面との間に光路変換プリズム７を配置するためには、バックフォーカスが長い内視鏡用対物レンズが必要であり、上述した本実施形態の内視鏡用対物レンズであれば好適に使用可能である。

以上、実施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、屈折率、アッベ数等の値は、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。

１ 内視鏡用対物レンズ
２ 軸上光束
３ 軸外光束
７ 光路変換プリズム
８ 固体撮像素子
９ 処置具挿通チャンネル
Ｌ１１、Ｌ２１ 第１レンズ
Ｌ１２、Ｌ２２ 第２レンズ
Ｌ１３、Ｌ２３ 第３レンズ
Ｌ１４、Ｌ２４ 第４レンズ
Ｌ１５、Ｌ２５ 第５レンズ
Ｌ２６ 第６レンズ
１００ 内視鏡
１０２ 操作部
１０４ 挿入部
１０６ ユニバーサルコード
１０７ 軟性部
１０８ 湾曲部
１０９ 湾曲走査ノブ
１１０ 先端硬質部
Ｐ 結像位置
ＰＰ 光学部材
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (6)

1. 全画角が１２０度を超え、最も物体側の面が球面であり、下記条件式（１）、（２）を満たすことを特徴とする内視鏡用対物レンズ。
   ０．７＜θ８／θ１０＜０．８ … （１）
   ５＜Ｒ_１／ｆ＜１５ … （２）
   ただし、
   θ１０：最大像高における半画角
   θ８：最大像高の８割の像高における半画角
   Ｒ_１：最も物体側の面の曲率半径
   ｆ：全系の焦点距離
2. 物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズと、正の第２レンズと、物体側に平面または曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第３レンズと、いずれか一方が正で他方が負の第４レンズおよび第５レンズを接合してなる全体で正の屈折力を有する接合レンズとが配列された４群５枚構成であり、前記第２レンズと前記第３レンズとの間に絞りが配置され、下記条件式（３）、（４）を満たすことを特徴とする請求項１記載の内視鏡用対物レンズ。
   Ｂｆ／ｆ＞２．０ … （３）
   

   

   ただし、
   Ｂｆ：全系のバックフォーカス
   ν_４：前記第４レンズのｄ線におけるアッベ数
   ν_５：前記第５レンズのｄ線におけるアッベ数
   Ｒ_４５：前記第４レンズと前記第５レンズの接合面の曲率半径
   Ｄ_５：前記第５レンズの中心厚
   ｎ_５：前記第５レンズのｄ線における屈折率
3. 下記条件式（５）を満たすことを特徴とする請求項２記載の内視鏡用対物レンズ。
   （ν_２＋ν_ｎ）＜４５ … （５）
   ただし、
   ν_２：前記第２レンズのｄ線におけるアッベ数
   ν_ｎ：前記接合レンズを構成する負レンズのｄ線におけるアッベ数
4. 物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズと、いずれか一方が正で他方が負の第２レンズおよび第３レンズを接合してなる第１の接合レンズと、物体側に平面または曲率半径の絶対値の大きい方の面を向けた正の第４レンズと、いずれか一方が正で他方が負の第５レンズおよび第６レンズを接合してなる第２の接合レンズとが配列された４群６枚構成であり、前記第１の接合レンズと前記第４レンズとの間に絞りが配置され、下記条件式（６）、（７）を満たすことを特徴とする請求項１記載の内視鏡用対物レンズ。
   Ｂｆ／ｆ＞２．２ … （６）
   

   

   ただし、
   Ｂｆ：全系のバックフォーカス
   ν_５：前記第５レンズのｄ線におけるアッベ数
   ν_６：前記第６レンズのｄ線におけるアッベ数
   Ｒ_５６：前記第５レンズと前記第６レンズの接合面の曲率半径
   Ｄ_６：前記第６レンズの中心厚
   ｎ_６：前記第６レンズのｄ線における屈折率
5. 下記条件式（８）を満たすことを特徴とする請求項４記載の内視鏡用対物レンズ。
   １５．０＜｜ν_２−ν_３｜ … （８）
   ただし、
   ν_２：前記第２レンズのｄ線におけるアッベ数
   ν_３：前記第３レンズのｄ線におけるアッベ数
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の内視鏡用対物レンズを備えたことを特徴とする内視鏡。

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