JP2015045837A - 内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないレンズ枚数で像高を大きくすることができる内視鏡用レンズユニットを提供する。
【解決手段】内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニット３１を、観察対象側から、観察対象側に凹面を向けかつ反対側に平面を向けた平凹レンズからなる第１レンズＬ１と、観察対象側に平面を向けかつ反対側に凸面を向けた平凸レンズからなる第２レンズＬ２と、観察対象側に凸面を向けたメニスカスレンズからなる第３レンズＬ３とをこの順に配置して構成する。観察対象側とは反対側の第３レンズを観察対象側に凸面を向けたメニスカスレンズとしたことから、撮像素子３２で受光する場合に撮像素子における像高を高くすることができ、レンズユニットのコンパクト化を促進することができる。第３レンズとしては、観察対象側に平面を向けかつ反対側に凹面を向けた平凹レンズとしてもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、外部から直接観察できない観察対象の内部を撮像するための内視鏡に用いられる内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡に関するものである。

医療における手術や検査の際に人の臓器などを観察するための手段として内視鏡が広く用いられている。内視鏡では、用途などに応じて種々の外径（例えば、５ｍｍ〜１５ｍｍ）の挿入部が採用されているが、一般的には患者の負担を軽減するために挿入部をより小径化することが望ましい。

例えば、一般に電子内視鏡等で使用されるＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）の感度が赤外域にあるため、レンズの色再現性向上のために赤外域の光を吸収する赤外吸収フィルタを用いるとともに、少ないレンズ枚数で赤外吸収フィルタを配置し得る十分なスペースを有するように、レンズの曲率半径とレンズの厚さの比等を所定の範囲内にすることにより、広角レンズにおいて問題になる倍率の色収差を補正するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。

特許第４２４５８００号公報

ところで、近年の内視鏡では、挿入部の一層の小径化（例えば、外径２ｍｍ程度）が試みられており、これにより、撮像ユニットに用いられるレンズも小径化（例えば、外径１ｍｍ程度）が必要となっている。しかしながら、それに伴って像高が低くなってしまうという問題が生じる。それに対して、上記特許文献１のようにレンズの曲率半径と厚さの比の調整だけでは限度があるという問題がある。また、コンパクト化を促進するために、レンズの枚数をできるだけ少なくすることが望まれている。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、少ないレンズ枚数で像高を大きくすることができる内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡を提供することにある。

本発明の内視鏡用レンズユニットは、内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、観察対象側から、前記観察対象側に凹面を向けかつ反対側に平面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凸面を向けた平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に凸面を向けかつ反対側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる第３レンズとがこの順に配置されている構成とする。

本発明によれば、観察対象側に最も近い第１レンズを観察対象側に凹面を向けた平凹レンズとして広角レンズとして機能させ、中間の第２レンズを観察対象側に平面を向けた平凸レンズとして焦点距離を短くすることによりレンズユニットの光軸方向長さを短くし、観察対象側とは反対側の第３レンズを観察対象側に凸面を向けかつ反対側（受光側）に凹面を向けたメニスカスレンズとしたことから、内視鏡の対物レンズを３枚のレンズで構成することができ、例えば撮像素子で受光する場合に撮像素子における像高を高くすることができ、レンズユニットのコンパクト化を促進しかつ必要な像高を確保することができる。

本発明によるレンズユニットが適用された内視鏡の全体構成図 内視鏡における挿入部先端の内部構造を示す模式図 レンズユニットの詳細構成を示す挿入部先端の断面図 レンズユニットの各レンズの構成を示す模式図 第１実施例のレンズデータを示す表 第２実施例の図３に対応する図 第２実施例の図４に対応する図 第２実施例の図５に対応するレンズデータを示す表 （ａ）〜（ｃ）は、モールド成型によるレンズ加工の要領を示す要部断面図 チルト公差を説明するための模式図

前記課題を解決するためになされた第１の発明は、内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、観察対象側から、前記観察対象側に凹面を向けかつ反対側に平面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凸面を向けた平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に凸面を向けかつ反対側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる第３レンズとがこの順に配置されている構成とする。

これによると、観察対象側に最も近い第１レンズを観察対象側に凹面を向けた平凹レンズを広角レンズとして機能させ、中間の第２レンズを観察対象側に平面を向けた平凸レンズとして焦点距離を短くすることによりレンズユニットの光軸方向長さを短くし、観察対象側とは反対側の第３レンズを観察対象側に凸面を向けかつ反対側（受光側）に凹面を向けたメニスカスレンズとしたことから、内視鏡の対物レンズを３枚のレンズで構成することができ、例えば撮像素子で受光する場合に撮像素子における像高を高くすることができ、レンズユニットのコンパクト化を促進しかつ必要な像高を確保することができる。

また、第２の発明は、内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、観察対象側から、前記観察対象側に凹面を向けかつ反対側に平面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凸面を向けた平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凹面を向けた平凹レンズからなる第３レンズとがこの順に配置されている構成とする。この場合も、上記第１の発明と同様の作用効果を奏し得る。

また、第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記第３レンズの焦点距離をｆ３とし、前記第１〜第３レンズ全体の焦点距離をｆとすると、−６＜ｆ３／ｆ＜１２である構成とする。これによると、レンズユニットをコンパクト化し得るとともに、第３レンズを上記したように負のパワーを有する平凹レンズとすることにより、像側での大きな像高を確保し得る。

また、第４の発明は、前記第１の発明において、前記第３レンズの凸面の曲率半径をＲ３とし、前記第３レンズの厚さをＤ３とすると、Ｒ３／Ｄ３＜２またはＲ３／Ｄ３＞１０である構成とする。

これによると、メニスカスレンズの凹面はレンズ厚さに影響せず、凸面の曲率半径Ｒ３を厚さＤ３に対して小さくすることにより、第３レンズの必要なコバ厚を確保しかつ焦点距離を短くすることができ、レンズユニットの全長が短くなり、レンズユニットのコンパクト化を促進し得る。または、凸面の曲率半径Ｒ３を厚さＤ３に対して大きくすることにより、必要なコバ厚を確保しかつレンズ厚さを薄くすることができる。

また、第５の発明は、前記第１乃至第４のいずれかの発明において、前記第１レンズ及び前記第２レンズの屈折率がそれぞれ１．５より大きくかつアッベ数がそれぞれ２０より大きいとともに、前記第３レンズの屈折率が１．５より大きくかつアッベ数が４０より大きい構成とする。

これによると、内視鏡の対物レンズを３枚のレンズで構成し、撮像素子における像高を高くすることを促進し得る。

また、第６の発明は、前記第１乃至第５のいずれかの発明において、前記第１〜第３レンズは、鏡筒に組み付けられた状態でチルト公差が４度より小さくなるように、前記鏡筒の内径に対して、レンズ外径及びコバ厚が設定されている構成とする。

これによると、レンズの外径が例えば１ｍｍという極小径のレンズで構成する場合でも、撮像素子における像高を高くすることを促進し得る。

また、第７の発明は、前記第１乃至第４のいずれかの発明において、前記第１〜第３レンズは、レンズの外径をφとし、レンズの厚さをＤとすると、Ｄ／φ＜０．６５となるように、ボール型のレンズ用プリフォームからモールド成型して形成される構成とする。

これによると、ボール型のプリフォームレンズを用いた場合に、成型可能な条件として体積的な制約があり、成型後のレンズの径がボール型のレンズ用プリフォームの径よりも大きくなるが、特にレンズの厚さをレンズ径の０．６５倍より小さくすることにより、レンズの追加工の芯出し研削が不要となり、かつコンパクトなレンズの量産が可能となる。

また、第８の発明は、上記第１から第５の発明のいずれかに係る内視鏡用レンズユニットを備えた内視鏡である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるレンズユニットが適用された内視鏡の全体構成図であり、図２は内視鏡における挿入部先端の内部構造を示す模式図である。なお、図２では内視鏡の外筒を切断して内部構造を示している。

図１に示すように、内視鏡１は、医療用として用いられる極細の軟性鏡であり、特に血管等の狭い空間の観察に用いられるものである。内視鏡１は、照明用の光源等（図示せず）が内蔵された本体部２と、この本体部２から前方に延設された挿入部３とから主として構成される。ユーザは、本体部２の後部２ａをビデオプロセッサ４の接続口５に挿入することにより、図示しない本体部２側の端子とビデオプロセッサ４側の端子とを電気的に接続することができる。これにより、内視鏡１は、ビデオプロセッサ４との間で電力受給や各種信号（映像信号、制御信号など）の送受信が可能となる。なお、ビデオプロセッサ４は周知の機能を有しており、ユーザは、ビデオプロセッサ４を図示しない映像表示用のモニタやプリンタに接続することにより、内視鏡１からの映像信号に基づく映像を表示したり、画像を印刷したりすることができる。

挿入部３は、観察対象（ここでは、人体）の内部に挿入される部位であり、小径（例えば約１．８ｍｍ）の円形断面を有すると共に、観察対象に応じて必要な長さ（例えば４ｍ）に設定されている。挿入部３は、本体部２に後端が接続された可撓性の軟性部１１と、この軟性部１１の前端に連なり先端部を形成する高剛性の硬性部１２とを有している。

図２に示すように、軟性部１１の外周部は、可撓性の材料（ここでは、合成樹脂材料）からなる円筒状の軟性外筒１３により形成されており、また、硬性部１２の外周部は、剛性の高い部材（ここでは、金属）からなる円筒状の硬性外筒１４により形成されている。軟性外筒１３の外径は硬性外筒１４の内径と略同一に設定されており、軟性外筒１３の先端は硬性外筒１４の後部開口に嵌め込まれている。また、硬性外筒１４内の前部開口側には撮像ユニットホルダ２１が取り付けられており、撮像ユニットホルダ２１の前側には、対物光学系をなすレンズユニット３１を介して透光性の材料（光学材料）からなる円環状の先端カバー２２が取り付けられている。

撮像ユニットホルダ２１は、硬性外筒１４の内径よりも僅かに小さい外径を有し、硬性外筒１４の後部側に撮像ユニット２８を同軸かつ一体的に保持している。撮像ユニットホルダ２１の前側は、硬性外筒１４から前方に突出しており、この突出部位の外周には固定リング２６が嵌め込まれている。固定リング２６は、撮像ユニットホルダ２１と略同一の内径および硬性外筒１４と略同一の外径を有し、撮像ユニットホルダ２１に嵌め込まれた状態で硬性外筒１４の前側の端面に固着される。

撮像ユニット２８は、観察部位の撮像に供されるものであり、上記したレンズユニット３１と、このレンズユニット３１の後側に配置され、レンズにより集光された光を受光する固体撮像素子（ここでは、ＣＭＯＳ）３２と、この固体撮像素子３２の後面側に折り畳まれた状態で接続された平型のフレキシブルケーブル３３とを有している。

図３はレンズユニットの詳細構成を示す挿入部先端の断面図である。レンズユニット３１は、３枚の光学レンズＬ１〜Ｌ３と、これらのレンズＬ１〜Ｌ３を収納するレンズ枠体３４とを有している。レンズ枠体３４は、所定の内径を有する円筒形状である。複数の光学レンズＬ１〜Ｌ３は、レンズ枠体３４の所定内径に対応する内径を有している。

本実施の形態において、レンズユニット３１では、ガラス素材からなる同一径の３枚の光学レンズＬ１〜Ｌ３が、金属製であって単一の内径を有する円筒状のレンズ枠体３４に互いに軸方向に密接状態で組み込まれている。レンズユニット３１（レンズ枠体３４）の前側は、撮像ユニットホルダ２１から前方に突出しており、この突出部位の外周には先端カバー２２が嵌め込まれている。また、レンズユニット３１の後側は撮像ユニットホルダ２１に嵌め込まれている。なお、上述したように、３枚の光学レンズＬ１〜Ｌ３を単一の内径を有するレンズ枠体３４に組み込む場合、それぞれの径は、設計寸法として同一である必要があるが、製造誤差（公差）の範囲で同一であればよく、実質的に同一であればよい。

また、レンズ枠体の材料として、金属の場合について説明したが、化学的に安定し、レンズを保護するための機械的強度を有し、かつ製造上の寸法精度が得られるものであれば、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックやセラミックスなどのような材料であってもよい。また、レンズ枠体の形状として円筒の場合について説明したが、レンズ形状が円形以外の形状であれば、必ずしも円筒である必要はない。また、光学レンズの材料として、ガラスの場合について説明したが、化学的に安定し、所定の屈折率が得られ、かつ製造上の寸法精度が得られるものであれば、必ずしもガラスである必要はなく、プラスチックであってもよい。

フレキシブルケーブル３３の後部には、撮像ユニット２８と本体部２（図１参照）との間の電力および各種信号の伝送に供される電力・信号用ケーブル３５（ここでは、４芯同軸ケーブル）の先端側が接続されている。電力・信号用ケーブル３５は、軟性部１１内に配置されており、その後端側は、軟性部１１の軸に沿って本体部２まで延在している。

また、内視鏡１には、上述の本体部２内の光源（例えば白色ＬＥＤ）と、この光源からの光を挿入部３の先端に導くための例えば４本の光伝送用ケーブル３７とを有する照明装置が設けられている。各光伝送用ケーブル３７は、複数の小径の光ファイバが束ねられた構成を有しており、軟性部１１内において電力・信号用ケーブル３５の周囲に等間隔で配置されており、その後端側は、軟性部１１の軸に沿って本体部２内の光源まで延在している。

各光伝送用ケーブル３７の先端部は金属管３８によって被覆されている。金属管３８は、所定の湾曲形状に曲げ加工されており、これにより、各光伝送用ケーブル３７の先端部は、撮像ユニット２８を迂回するように外側に湾曲し、撮像ユニットホルダ２１の外周に設けられた保持溝４１に保持状態に受容されている。各光伝送用ケーブル３７の出射端は、先端カバー２２の後面２２ａに向けて配置されており、出射光は先端カバー２２内を通ってＲ面取りされた前面２２ｂから挿入部３の前方に照射される。なお、各光伝送用ケーブル３７の出射端は、光学用接着剤により保持溝４１に接着されている。

次に、レンズユニット３１について説明する。図３に示されるように、レンズ枠体３４内には、観察対象側（前側）から、凹面Ｌ１ａを入射側（前側）に向けかつ出射側（後側）に平面Ｌ１ｂを有する平凹レンズからなる第１レンズＬ１と、平面Ｌ２ａを入射側に向けかつ凸面Ｌ２ｂを出射側に向けた平凸レンズからなる第２レンズＬ２と、平面Ｌ３ａを入射側に向けかつ凹面Ｌ３ｂを出射側に向けた平凹レンズからなる第３レンズＬ３とが、この順に配置されている。

本実施の形態では、レンズ枠体３４の内周面３４ａには各レンズＬ１〜Ｌ３を位置決めするための構造（突起、段差等）は設けられておらず、各レンズＬ１〜Ｌ３の外周縁（ここでは、外周面全体）が内周面３４ａに対して密接した状態で接着されている。第１レンズＬ１はレンズ枠体３４の前端に配置されており、その凹面Ｌ１ａはレンズ枠体３４の前部開口から露出している。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間には、中央に絞り孔４５ａを有する反射防止処理された円形の薄い（例えば５０μｍの厚さ）金属板からなる絞り４５が介装されている。

レンズユニット３１では、観察対象からの光は、第１レンズＬ１に入射し、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３を順次通過した後、第３レンズＬ３の凹面Ｌ３ｂに対向して配置された固体撮像素子３２の受光面に結像される。

図４はレンズユニット３１の各レンズＬ１〜Ｌ３の構成を示す模式図であり、図５はレンズユニット３１の第１実施例としての各レンズデータを示す表１である。表１において、面は、上記した各レンズＬ１〜Ｌ３の各面Ｌ１ａ・Ｌ１ｂ〜Ｌ３ａ・Ｌ３ｂと絞り４５であり、それぞれの曲率半径・コーニック係数・光軸方向の厚み・有効径・屈折率・アッベ数をそれぞれ記載している。なお、曲率半径・厚み・有効径は、レンズＬ１〜Ｌ３の外径φＬ＝１（ｍｍ）とした場合の値である（以下、同じ）。

第３レンズＬ３の平面Ｌ３ａの屈折力は０であり、凹面Ｌ３ｂの屈折力は負であり、第３レンズＬ３の屈折力は負であり、焦点距離ｆ３は−３．７４７５である。したがって、第３レンズＬ３の凹面Ｌ３ｂは負の焦点距離を有し、レンズユニット３１の最終面である凹面Ｌ３ｂの像高ｙ３ｂと、固体撮像素子３２の撮像面３２ａにおける像高ｙｉとの関係は、ｙ３ｂ＜ｙｉとなる。これにより、内視鏡の小径化に伴ってレンズユニット３１を小径化しても、大きな像の撮像を行うことができる。

また、第３レンズＬ３において、その平面Ｌ３ａの曲率半径Ｒ３（＝∞）と厚みＤ３との比（Ｒ３／Ｄ３）は、表１から、
Ｒ３／Ｄ３＝∞／０．３９８＝∞（＞１０）
となる。第３レンズＬ３を上記したように負の屈折力として像高を大きく確保するとともに、第３レンズＬ３の曲率半径Ｒ３を厚さＤ３に対して大きくすることにより、第３レンズＬ３の必要なコバ厚を確保しかつその焦点距離を短くすることができるため、レンズユニット３１の全長が短くなり、レンズユニット３１のコンパクト化を促進し得る。

また、本図示例では、第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３が−３．７４７５であり、全レンズL１〜Ｌ３の有効焦点距離ｆが０．６９０６であることにより、第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３と全レンズの焦点距離ｆとの比（ｆ３／ｆ）が、
ｆ３／ｆ＝−３．７４７５／０．６９０６＝−５．４２６６
となる。ｆ３／ｆの値としては、図示例に限られず、−６＜ｆ３／ｆ＜１２の範囲であるとよい。

第３レンズＬ３を上記したように負のパワーを有する平凹レンズとし、かつｆ３／ｆが上記範囲（−６〜１２）内に収まるようにすることにより、撮像面３２ａでの大きな像高を確保し得るとともに、レンズユニット３１をコンパクト化し得る。

また、第３レンズＬ３としては、上記第１実施例の平凹レンズに限られるものではなく、上記条件（−６＜ｆ３／ｆ＜１２）を満たし、凸面Ｌ３ｃを入射側（観察対象側）に向けかつ凹面Ｌ３ｂを出射側に向けたメニスカスレンズであってもよい。このメニスカスレンズを用いた第２実施例を、図３に対応する図６、図４に対応する図７、図５の表１に対応する図８の表２を用いて、以下に説明する。なお、上記と同様の部分には同一の符合を付してその詳しい説明を省略する。

第２実施例において、第３レンズＬ３のＲ３／Ｄ３は、表２から、
Ｒ３／Ｄ３＝１．２１９／０．６２４＝１．９５２９
となり、Ｒ３／Ｄ３＜２である。

また、第３レンズＬ３は、実施例では凹面Ｌ３ｂの曲率半径が凸面Ｌ３ｃの曲率半径よりも大きいメニスカスレンズである。これにより、上記第１実施例と同様に、レンズユニット３１の最終面である凹面Ｌ３ｂの像高ｙ３ｂと、固体撮像素子３２の撮像面３２ａにおける像高ｙｉとの関係は、ｙ３ｂ＜ｙｉとなり、内視鏡の小径化に伴ってレンズユニット３１を小径化しても、固体撮像素子３２の撮像面３２ａを有効に活用できる。

第２実施例では、第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３が６．９３２５であり、全レンズL１〜Ｌ３の有効焦点距離ｆが０．６４４１であることにより、第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３と全レンズの焦点距離ｆとの比（ｆ３／ｆ）が、
ｆ３／ｆ＝６．９３２５／０．６４４１＝１０．７６３７
となる。このように第２実施例においても、ｆ３／ｆの値は、−６＜ｆ３／ｆ＜１２の範囲である。

次に、第２実施例において、具体的な数値を用いた検証の説明を行う。

レンズユニット３１内で最も像高が高くなるのは第３レンズＬ３の入射面である凸面Ｌ３ｃであり、その凸面Ｌ３ｃにおいてメディオナル面（タンジェンシャル面）の像高をｙ３ａ（図７参照）とし、第３レンズＬ３における有効径をφ３とすると、表２の第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の値に基づき、ｙ３ａ＝０．３６６ｍｍとなり、それによりφ３＝０．７３２ｍｍとなる。この場合には、有効径φ３（＝０．７３２）＜１．０−２×０．０９（＝０．９８２）が成立する。

第３レンズＬ３において、その凸面Ｌ３ｃでの像高ｙ３ａが上記したように０．３６６ｍｍである場合に、表２から、凹面Ｌ３ｂでの像高ｙ３ｂは０．３６２ｍｍとなる。この場合の撮像面３２ａでの像高ｙｉは０．５２０ｍｍとなり、ｙ３ｂ（＝０．３６２）＜ｙｉ（＝０．５２０）が成立する。

レンズＬ１〜Ｌ３のコバ面とレンズ面との角部分における切削面（例えば面取りと称す）Ｒは、レンズ枠体３４へのレンズＬ１〜Ｌ３の挿入作業を容易にするためにはレンズ外径φＬの１／２０より大きくすると良く、かつ像高の確保するためにはレンズ外径φＬの１／５より小さくすると良い。この範囲に収まるようにするためには、レンズ外径φＬが１ｍｍの場合には、面取りＲの実測値が０．０５＜Ｒ（実測値）＜０．１０になると良い。

全レンズＬ１〜Ｌ３において、屈折率＞１．５０、アッベ数＞２０とすると良い。さらに、第３レンズＬ３の場合には、屈折率＞１．５０、アッベ数＞４０とすると良い。表２から、第１レンズＬ１の屈折率は１．８５（＞１．５０）であり、アッベ数は４０（＞２０）である。第２レンズＬ２の屈折率は１．８０（＞１．５０）であり、アッベ数は４１（＞２０）である。また、第３レンズＬ３の屈折率は１．７７（＞１．５０）であり、アッベ数は５０（＞４０）である。このように、それぞれ条件が満たされている。

なお、表２では硝材を用いた例であるが、形状や寸法を同一とし、材質を変えて樹脂レンズで作成することができる。その場合でも、第１レンズＬ１の屈折率が１．６３（＞１．５０）及びアッベ数が２３（＞２０）であり、第２レンズＬ２の屈折率が１．６３（＞１．５０）及びアッベ数が２３（＞２０）であり、第３レンズＬ３の屈折率が１．５３（＞１．５０）及びアッベ数が５６（＞４０）となった。このように、樹脂レンズの場合でも数値範囲条件を満たすことができる。なお、樹脂レンズの場合の合成樹脂材としては、特に限定されないが、例えば、ZEONEX E48R（「ZEONEX」は登録商標、日本ゼオン（株）製）、OKP4（「OKP」は登録商標、大阪ガスケミカル（株）製）、ユーピロン（三菱エンジニアリングプラスチックス（株）製）等が適用可能である。

次に、図１０を参照して、第１乃至第３レンズＬ１〜Ｌ３の横端面形状を矩形として示すレンズＬを用いて、レンズＬのチルト公差θについて説明する。なお、チルト公差θは次式で表せ、θ＜４．０度であるとよい。
θ＝θ１−θ２ ...（１）
ここで、レンズＬの直径（レンズ外径）をφＬ、鏡筒としてのレンズ枠体３４の内径をφＴ（＞φＬ）、レンズＬのコバ厚をｚとすると、θ１は、レンズＬ１の横断面においてレンズ面の両縁（角）を結ぶ線（長さはレンズ外径φＬ）と横断面における対角線（長さｈ）との間の角度であり、
θ１＝ｔａｎ^−１（ｚ／φＬ） ...（２）
となり、θ２は、レンズＬが傾いて対角線（長さｈ）の両端がレンズ枠体３４の内周面に当接した状態の傾き角度であり、
θ２＝ｃｏｓ^−１（（φＴ／２）／（ｈ／２）） ...（３）
となる。なお、対角線の長さｈ＝√（φＬ^２＋ｚ^２）である。

上記式（１）〜（３）を実現するための部品寸法公差を規定するとよい。具体的には、第１〜第３レンズＬ１〜Ｌ３をガラスモールドダイレクト成型により、レンズ外径φＬ＝０．９９８ｍｍ、面取りＲ＝０．０９ｍｍで形成することができ、レンズ枠体３４を、Ｎｉ電鋳により、内径φＴ＝１．００５ｍｍで形成することができる。また、コバ厚ｚは、第１レンズＬ１が０．６７３ｍｍ、第２レンズＬ２が０．４７７ｍｍ、第３レンズＬ３が０．６３０ｍｍである。その場合には、表２から、第１レンズＬ１のチルト公差θは、
θ＝θ１−θ２＝２６．３７２−２４．５７３＝１．８００（度）
となり、第２レンズＬ２のチルト公差θは、
θ＝θ１−θ２＝１６．６１２−１３．４１７＝３．１９５（度）
となり、第３レンズＬ３のチルト公差θは、
θ＝θ１−θ２＝２４．３９９−２２．３５３＝１．９８６（度）
となり、いずれも条件θ＜４．０度を満たす。

なお、上記各工法により、レンズ径１ｍｍに対して、レンズ外径φＬを誤差２μｍまでの精度で仕上げることができ、レンズ枠体３４（鏡筒）の内径φＴを誤差３μｍまでの精度で仕上げることができる。それらの精度に対応し得る上記具体例により、条件θ＜４．０度が満たされることが確認された。

また、第１レンズＬ１において、その入射面である凹面Ｌ１ａでの像高をｙ１ａとし、ＭＴＦ保障像高をｙ０として、１＜（ｙ１ａ／ｙ０）＜１．５の領域で、撮像面３２ａでの相対照度Ｌｘ＞０を満たすように、凹面Ｌ１ａのＳＡＧ角度θｓと凹面Ｌ１ａを非球面とした場合の非球面形状とを設定すると良い。ここで、サグ量とは、レンズ曲面のＺ軸方向（光軸方向）の変化量である。サグ量が多いというのは、凹レンズの場合には大きく深い凹面を表し、凸レンズの場合には突出量が高い凸面を表すことになる。そして、ＳＡＧ（サグ）角度は、その曲面の接線角度であり、サグ角度が小さい場合には平面に近い面となり、ＳＡＧ（サグ）角度が大きい場合には接線が光軸（Ｚ軸）に近付く面となる。

例えば第２実施例において、ＭＴＦ＝３０％を確保するＭＴＦ保障像高ｙ０が０．５３０ｍｍとなり、そのＭＴＦ保障像高ｙ０（＝０．５３０ｍｍ）よりも高い像高ｙ１ａ＝０．５５５ｍｍにて相対照度Ｌｘ＝６０％を満たすことが確認された。これは、表２に記載されているように第１レンズＬ１の屈折率が１．８５であり、曲率半径（Ｌ１ａ）が−１．０６０であり、コーニック係数が−２．８０１である場合に、第１レンズＬ１が、光軸に対して７０度の角度で入射する光線にＳＡＧ角度（１２．５度）を加えて８２．５度で入射できることによる。

上述した第２実施例における具体的数値による確認は、第１実施例に対しても、その説明は省略するが、有効である。

本発明が適用される、例えば１．８ｍｍ径の内視鏡用レンズユニット３１において、１ｍｍ径のレンズＬ１〜Ｌ３を形成する場合に、ボール型のレンズ用プリフォームからモールド成型するとよい。モールド成型によるレンズの加工要領について図９を参照して説明する。

図９（ａ）に示されるように、ボール形状の硝子材からなるプリフォーム５１を上下の金型５２・５３の中に入れ、図９（ｂ）に示されるように両金型５２・５３を閉じてモールド成型し、図９（ｃ）に示されるように両金型５２・５３を開き、モールド成型されたレンズ５４を取り出す。図示例のレンズ５４の形状は一例であり、具体的には上記各レンズＬ１〜Ｌ３に対応した形状に成型される。

なお、本発明が適用される極小径のレンズをモールド成型するためには、例えば、レンズの厚みＤとレンズの外径φとの関係が、Ｄ＜０．６５φにする。また、オーバーパックを考慮して、プリフォーム５１の体積を金型５２・５３による容積よりも小さめにしておく。

上記オーバーパックを考慮したモールド成型により、レンズの外周部のエッジにＲ面５４ａが生じる。そのようなエッジ部分を通る光線を制御することができず、レンズ周辺部を通る光線が迷光となってしまうという問題がある。これは、レンズを小径化する程顕著となり、光学有効径の制限として、外径−２＊ｃ（ｃはチッピング幅であり、上記Ｒ面を含む）となり、各レンズＬ１〜Ｌ３を通る光による像の最大像高が規制される。したがって、チッピング幅ｃ（Ｒ面５４ａ）をできるだけ小さくすることが要求される。

上記ボール型プリフォーム５１を用いたモールド成型により生じるＲ面５４ａは、レンズ５４が上記各表１・２に示される大きさに形成された場合に９０μｍ以下にすることができる。したがって、表１に示されるように第１レンズＬ１および第３レンズＬ３の外径（＝１ｍｍ）に対する有効径を０．８（ｍｍ）とすることができる。これにより、０．８ｍｍの有効径の範囲に光を通す設計とすることにより、Ｒ面５４ａにより発生する迷光による影響をできるだけ回避することができる。

このように、ボール型プリフォーム５１を用いたモールド成型によりレンズを形成することにより、上記第２実施例のように第３レンズＬ３をメニスカスレンズに形成する場合に特に有効である。メニスカスレンズの場合には凸面を形成することから、ボール型プリフォーム５１の球面を有効に利用することができる。

なお、第２レンズＬ２の有効径を０．６（ｍｍ）としているのは、レンズユニット３１を通る光束（一例としての図４の二点鎖線）が、第１レンズＬ１および第３レンズＬ３の有効径の０．８（ｍｍ）の縁に対応する部分を通る場合に、第２レンズＬ２では０．６（ｍｍ）の範囲内に収まり、有効径を必要最小限の大きさにするためである。これにより、その凸面Ｌ２ｂの軸線方向突出量をできるだけ小さくすることができ、レンズユニット３１のコンパクト化を促進し得る。

また、チッピング幅（図４のｃ）を、芯出し研削製法の場合には下限値を５０μｍとすることができる。これは、グラインダーで研削する芯出方式では、５０μｍ程度のチッピングは不可避であるためである。チッピング幅が５０μｍとなることにより、光学有効径を広げることができる。またレンズコバ厚を増やす事が出来るので、鏡筒に組み付けた際に、レンズ傾きを抑制可能である。

また、ダイレクトモールド成型のように、芯出し研削なしのダイレクト成型では、オーバーパックしないための限度値として、エッジ部の大きさをｒ＝２０μmまで小さくすることができる。したがって、レンズをダイレクト成型のみで形成することにより、光学有効径をより一層広げることができる。また、上記と同様に、レンズコバ厚を増やす事ができるので、鏡筒に組み付けた際に、レンズ傾きを容易に抑制可能となる。レンズ傾きとしてのチルト公差θは、上述したように４度未満であれば良く、本実施形態で記載した工法で可能であり、具体的数値による検証でも上述したように４度より小さい値となった。

以上、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る内視鏡は、医療用としては人に限らず小動物（愛玩動物や実験動物など）の体内の観察・診断のために用いてもよい。また、医療用のみならず他の用途（工業用等）に用いることが可能である。例えば、各種機械やダクト・水道管の内部など狭い空間の探索・調査のための内視鏡であってもよい。なお、上記実施形態に示した本発明に係る内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

本発明にかかる内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡は、レンズを小径化した場合でも、大きな像高を得ることができ、挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡などとして有用である。

１ 内視鏡
３ 挿入部
３１ レンズユニット
３２ 固体撮像素子
４５ 絞り
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ３ａ 平面
Ｌ３ｂ 凹面
Ｌ３ｃ 凸面

Claims (8)

1. 内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、
   観察対象側から、前記観察対象側に凹面を向けかつ反対側に平面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凸面を向けた平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に凸面を向けかつ反対側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる第３レンズとがこの順に配置されていることを特徴とする内視鏡用レンズユニット。
2. 内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、
   観察対象側から、前記観察対象側に凹面を向けかつ反対側に平面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凸面を向けた平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に平面を向けかつ反対側に凹面を向けた平凹レンズからなる第３レンズとがこの順に配置されていることを特徴とする内視鏡用レンズユニット。
3. 前記第３レンズの焦点距離をｆ３とし、前記第１〜第３レンズ全体の焦点距離をｆとすると、−６＜ｆ３／ｆ＜１２であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内視鏡用レンズユニット。
4. 前記第３レンズの凸面の曲率半径をＲ３とし、前記第３レンズの厚さをＤ３とすると、Ｒ３／Ｄ３＜２またはＲ３／Ｄ３＞１０であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用レンズユニット。
5. 前記第１レンズ及び前記第２レンズの屈折率がそれぞれ１．５より大きくかつアッベ数がそれぞれ２０より大きいとともに、前記第３レンズの屈折率が１．５より大きくかつアッベ数が４０より大きい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内視鏡用レンズユニット。
6. 前記第１〜第３レンズは、鏡筒に組み付けられた状態でチルト公差が４度より小さくなるように、前記鏡筒の内径に対して、レンズ外径及びコバ厚が設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の内視鏡用レンズユニット。
7. 前記第１〜第３レンズは、レンズの外径をφとし、レンズの厚さをＤとすると、Ｄ／φ＜０．６５となるように、ボール型のレンズ用プリフォームからモールド成型して形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の内視鏡用レンズユニット。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の内視鏡用レンズユニットを備えた内視鏡。

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