JP2015118136A - リレー光学系及び硬性鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】収差を良好に補正しつつ、有効径を小さくできるリレー光学系及び硬性鏡を提供する。
【解決手段】各リレー光学系に設けられた複数のレンズは、該リレー光学系の光軸方向中心に配置された開口絞りに対して対称形に配置され、そのうち最も像面に近いレンズは、凸面（第１の凸面とする）を像面に向けたメニスカスレンズであり、前記メニスカスレンズに隣接するレンズは、前記メニスカスレンズに凸面（第２の凸面とする）を向けており、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面の合成焦点距離をｆとし、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面との間にある空気層の光軸上の厚さをＬとすると、以下の式を満たす。
０＜Ｌ／ｆ＜１ （１）
【選択図】図２

Description

本発明は、リレー光学系及び硬性鏡に関するものである。

近年、医療の分野においては、硬性内視鏡にテレビカメラを取付けて生体内の像をテレビモニター上に映して診断を行なったり、処置を行なう機会が増え、特に硬性内視鏡による内視鏡下外科手術が普及してきている。

一般的に、硬性内視鏡などの硬性鏡は、対物レンズと、接眼レンズと、それらの間に配置された数セットのリレー光学系とを備えている（特許文献１参照）。対物レンズ及び各リレー光学系は、それぞれ上下方向に倒置された像を生成させるものであり、また一般的な内視鏡は正立像を生じさせる必要があるから、リレー光学系は通常は奇数個を用いて、光学系によって生じる像が正立するようにしている。

内視鏡に用いられる光学系は、画質を良好にするために、レンズの主要な収差を適切に補正することが望まれる。これらの収差のほとんどは、リレー光学系の光学要素に対称性を与えることで補正される（特許文献２参照）。

特開平０９−２９７２６５号公報 特開昭６１−７７８１９号公報

ところで、対物レンズを透過した光線の傾きは主軸に対してほぼ平行になっており、リレー光学系は、その光線の特性を維持したまま接眼レンズまで光線を伝播させる役割があるから、この特性を維持するためにリレー光学系の設計においては、対称的にレンズを配置し倍率を１倍にする(物体側NAを維持したまま接眼レンズまで伝搬する)ことに加え、光線がケラレないようにレンズの有効径内で光線が伝搬するようにすることが望まれる。

しかしながら、特許文献１に記載のリレー光学系では、有効径が小さくなるか画角が大きくなると，光線のケラレが発生する恐れがある。一方、特許文献２に記載のリレー光学系においても、像高が高くＮＡが大きい光線に対しては、リレー光学系の中心近傍に位置するメニスカスレンズに到達する前に光線のケラレが生じる恐れがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、収差を良好に補正しつつ、有効径を小さくできるリレー光学系及び硬性鏡を提供することを目的とする。

請求項１に記載のリレー光学系は、対物レンズと、接眼レンズと、それらの間に配置された複数のリレー光学系とを有する硬性鏡に用いられるリレー光学系であって、
各リレー光学系に設けられた複数のレンズは、該リレー光学系の光軸方向中心に配置された開口絞りに対して対称形に配置され、そのうち最も像面に近いレンズは、凸面（第１の凸面とする）を像面に向けたメニスカスレンズであり、
前記メニスカスレンズに隣接するレンズは、前記メニスカスレンズに凸面（第２の凸面とする）を向けており、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面の合成焦点距離をｆとし、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面との間にある空気層の光軸上の厚さをＬとすると、以下の式を満たすことを特徴とする。
０＜Ｌ／ｆ＜１ （１）

本発明によれば、前記リレー光学系に入射する光線は、最初に前記メニスカスレンズの第１の凸面に入射した際に光軸に近づくように屈折するから、入射した光線径を絞ることができ、これにより有効径を小さくできる。更に、前記メニスカスレンズの凹面で収差補正を良好に行える。加えて、前記メニスカスレンズの後に空気層を設けることで高屈折させ、リレーレンズ系全体を広く使って光を伝搬させることができる。なお、軸外の像面歪曲を良くするには、前記メニスカスレンズの隣の凸面との合成焦点距離ｆとレンズ間隔（空気層の光軸上の厚さ）Ｌの制御が必要になるが、有効径に影響を与えないように、その合成焦点距離fとレンズ間隔Lの関係性を保つことが重要となる。そこで、（１）式を満たすように、レンズ間隔Ｌに対して，前記メニスカスレンズと前記第２の凸面の合成焦点距離ｆを大きく確保することで、有効径を小さくでき、これにより光線のケラレを効果的に抑制できる。具体的には、（１）式の値が下限を上回ることで、焦点距離が正の値になるため、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面を通過した光線が収束するから、光線径を細くしてケラレを抑えることが可能になる。一方、（１）式の値が上限を下回ると、レンズ間隔Ｌが長くなり過ぎないため、光線が広がらず有効径を抑えることができるにもかかわらず、前記リレー光学系の小型化を確保できる。尚、「対称形」とは、同一の構成要素を光軸方向に沿って鏡像となる関係で配置してなることをいう。なお、好ましくは以下の式を満たすことである。
０．１＜Ｌ／ｆ＜０．８ （１’）

請求項２に記載のリレー光学系は、請求項１に記載の発明において、前記リレー光学系は、一対の前記メニスカスレンズと一組の４枚のレンズとを、前記開口絞りを挟んで対称形に配置してなることを特徴とする。

前記リレー光学系を、一対の前記メニスカスレンズの他に、一組の４枚のレンズを用いて構成することで、収差性能を確保しつつも，レンズ枚数を抑えることでコストを低く抑えることができる。

請求項３に記載のリレー光学系は、請求項２に記載の発明において、前記４枚のレンズのうち前記メニスカスレンズに近い側の３枚のレンズは、互いに貼り合わされていることを特徴とする。

これによりレンズ同士の調整が容易となって組み付け工数の低減が図れる。

請求項４に記載のリレー光学系は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、最像高の光線と前記メニスカスレンズの第１の凸面との交点における有効半径Ａと、最像高の光線と前記メニスカスの前記第１の凸面に対向する面との交点における有効半径Ｂとの差より、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面との空気層の厚さＬが大きいことを特徴とする。

図１２は、本発明の一例にかかるリレー光学系の一部を拡大して示す図である。図１２において、像面ＩＭに近いメニスカスレンズＭ１は、第１の凸面Ｓ１と、第１の凸面Ｓ１に対向する凹面Ｓ２とを有する。ここで、最像高の光線ＨＬと第１の凸面Ｓ１との交点における有効半径をＡとし、最像高の光線ＨＬと凹面Ｓ２との交点における有効半径をＢとしたとき、（Ａ−Ｂ）よりも、メニスカスレンズＭ１と第２の凸面(図１２で不図示)との空気層の厚さＬが大きくなっている。これにより有効径を小さくできる。

請求項５に記載のリレー光学系は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記メニスカスレンズの第１の凸面の曲率半径をφ１とし、前記メニスカスレンズの凹面の曲率半径をφ２としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。
０．０５＜φ２／φ１＜０．８ （２）

有効径を小さくするためにレンズ間隔Lが（１）式のように制限されるので、前記メニスカスレンズの凹面の曲面の屈折を大きくしなければ出射光線が広がりにくくなる。これに対し、（２）式を満たすように、前記メニスカスレンズの凹面の曲率半径を小さくすることで、前記凹面から出射する光線が広がりやすくなり、像高の調整を容易に行え、対物レンズの倍率の調整を行うことができる。具体的には、（２）式の値が下限を上回ると、第１の凸面の曲率半径φ１がフラットになりすぎず、通過光線を十分に収束できるため、結果として有効径が大きくなり過ぎない。一方、（２）式の値が上限を下回ると、前記メニスカスレンズの凹面の曲率半径φ２が大きくなりすぎず、通過光線の発散が十分となる。（１）式のＬに制限があっても、光線が十分に広がった後で、凸レンズで屈折が起こるので好ましい。

請求項６に記載のリレー光学系は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記リレー光学系の最大径はφ３ｍｍ以下であることを特徴とする。

硬性鏡の小型化を図るために前記リレー光学系の最大径を抑えると、入射光線の画角が大きくなりがちであり有効径が大きくなりやすくなるが、同時に有効径近傍を通過する光線の重要性も増すこととなる。本発明によれば、前記リレー光学系の最大径をφ３ｍｍ以下に抑えても、有効径を小さく抑えることができるので、それにより光線のケラレを有効に抑制できる。

請求項７に記載のリレー光学系は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記リレー光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする。

これにより硬性鏡に好適である。

請求項８に記載の硬性鏡は、請求項１〜７のいずれかに記載のリレー光学系を有することを特徴とする。

本発明によれば、収差を良好に補正しつつ、有効径を小さくできるリレー光学系及び硬性鏡を提供することができる。

硬性鏡１の内部構造を示す図である。 実施例１の断面図である。 実施例１の縦収差図である。 実施例１の横収差図である。 実施例１の歪曲収差図である。 実施例１の倍率色収差図である。 実施例２の断面図である。 実施例２の縦収差図である。 実施例２の横収差図である。 実施例２の歪曲収差図である。 実施例２の倍率色収差図である。 本発明の一例にかかるリレー光学系の一部を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、硬性鏡１の内部構造を示す図である。硬性鏡１は、円筒状のボディＢ内に収容された対物光学系Ｏと、複数のリレー光学系Ｒからなるリレー群ＲＧと、接眼光学系Ｅとよりなる観察光学系と、光源側ライトガイド７の光を挿入側ライトガイド２の端面に集光するための集光手段９と、挿入部側ライトガイド２とを備えている。光源８に接続する光源側ライトガイド７とを接続することによって、対物光学系Ｏの先にある観察部の照明が可能になり、観察者Ｍは、対物光学系Ｏと複数のリレー光学系Ｒと接眼光学系Ｅとを介して、観察部の像を視認可能となっている。

各リレー光学系Ｒについては共通するので，１つのリレー光学系について以下の実施例で詳細に説明する。

（実施例）
次に、上述した実施の形態に好適な実施例について説明する。但し、以下に示す実施例により本発明が限定されるものではない。実施例における各符号の意味は以下の通りである（長さの単位は、波長以外ｍｍ）。
ｆ：リレー光学系の端部にあるメニスカスレンズと，それに隣接するレンズの凸面の合成焦点距離（ｍｍ）
Ｌ：リレー光学系の端部にあるメニスカスレンズと，それに隣接するレンズの凸面との間にある空気層の光軸上の厚さ（ｍｍ）
ＩＨ：像面での最大像高（ｍｍ）
φ１：リレー光学系の端部にあるメニスカスレンズの凸面の曲率半径（ｍｍ）
φ２：リレー光学系の端部にあるメニスカスレンズの凹面の曲率半径（ｍｍ）
Ｒ：屈折面の曲率半径（ｍｍ）
Ｄ：軸上面間隔（ｍｍ）
Ｎｄ：レンズ材料のｄ線の屈折率
Vｄ：レンズ材料のｄ線のアッベ数

（実施例１）
実施例１におけるリレー光学系のレンズデータを表１に示す。図２は実施例１のレンズの断面図である。実施例１のリレー光学系は、対物光学系側（図で左方）から順に、第１メニスカスレンズＭ１、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を貼り合わせてなる第１接合レンズＬ１２３、第１凸レンズＬ４、開口絞りＳ，第２凸レンズＬ５，レンズＬ３，Ｌ２，Ｌ１を貼り合わせてなる第２接合レンズＬ３２１、第２メニスカスレンズＭ２からなる。第１メニスカスレンズＭ１と第１接合レンズＬ１２３は、第２接合レンズＬ３２１と第２メニスカスレンズＭ２と対称形に配置されている。ＩＭは像面である。リレー光学系はテレセントリックである。

第１メニスカスレンズＭ１は、凸面を像面ＩＭに対向させており、凹面を第１接合レンズＬ１２３の凸面と対向させている。対称形であるので、第２接合レンズＬ３２１と第２メニスカスレンズＭ２との関係も同じである。実施例１では、ｆ＝２．１ｍｍ、Ｌ＝１．４０２ｍｍ、ＮＡ＝０．０８７，ＩＨ＝０．７６、φ１＝１．８２８８ｍｍ、φ２＝１．１５５６ｍｍ、Ｌ／ｆ＝０．６６８，φ２／φ１＝０．６３２、最大像高光線と第１メニスカスレンズＭ１のＳ１面との交点における有効半径Ａと、Ｓ２面との交点における有効半径Ｂ(図１２参照)との差（Ａ−Ｂ）＝０．２５９１ｍｍである。又、リレー光学系の有効半径は１ｍｍである。

［表１］
面番号 R D Nd Vd
1 1.8288 1.1653 1.9020 25.1014
2 1.1556 1.4021
3 1.6464 0.7648 1.84139 24.5591
4 0.9995 2.8012 1.5588 62.5585
5 -1.0476 0.5968 1.647689 33.8482
6 6.9284 1.1787
7 -115.4278 2.0700 1.71736 29.6201
8 -4.1677 0.1718
9(絞り) Infinity 0.1718
10 4.1677 2.0700 1.71736 29.6201
11 115.4278 1.1787
12 -6.9284 0.5968 1.647689 33.8482
13 1.0476 2.8012 1.5588 62.5585
14 -0.9995 0.7648 1.84139 24.5591
15 -1.6464 1.4021
16 -1.1556 1.1653 1.902 25.1014
17 -1.8288 1.8521

図３は実施例１の縦収差図であり、図４は実施例１の横収差図であり、図５は実施例１の歪曲収差図であり、図６は実施例１の倍率色収差図である。

（実施例２）
実施例２におけるリレー光学系のレンズデータを表２に示す。図７は実施例２のレンズの断面図である。実施例２のリレー光学系は、対物光学系側（図で左方）から順に、第１メニスカスレンズＭ１、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を貼り合わせてなる第１接合レンズＬ１２３、第１凸レンズＬ４、開口絞りＳ，第２凸レンズＬ５，レンズＬ３，Ｌ２，Ｌ１を貼り合わせてなる第２接合レンズＬ３２１、第２メニスカスレンズＭ２からなる。第１メニスカスレンズＭ１と第１接合レンズＬ１２３は、第２接合レンズＬ３２１と第２メニスカスレンズＭ２と対称形に配置されている。ＩＭは像面である。リレー光学系はテレセントリックである。

第１メニスカスレンズＭ１は、凸面を像面ＩＭに対向させており、凹面を第１接合レンズＬ１２３の凸面と対向させている。対称形であるので、第２接合レンズＬ３２１と第２メニスカスレンズＭ２との関係も同じである。実施例２では、ｆ＝９．３ｍｍ、Ｌ＝１．６７２ｍｍ、ＮＡ＝０．０８７，ＩＨ＝０．７６、φ１＝３．８１８０ｍｍ、φ２＝１．３６０２ｍｍ、Ｌ／ｆ＝０．１８０，φ２／φ１＝０．３５６、最大像高光線と第１メニスカスレンズＭ１のＳ１面との交点における有効半径Ａと、Ｓ２面との交点における有効半径Ｂ(図１２参照)との差（Ａ−Ｂ）＝０．２５６ｍｍである。又、リレー光学系の有効半径は１ｍｍである。

［表２］
面番号 R D Nd Vd
1 3.8180 4.3009 1.9176 21.5111
2 1.3602 0.5983
3 2.5331 1.3360 1.7408 27.7894
4 2.1050 0.9390 1.6108 58.9075
5 -1.3840 0.5771 1.7400 28.1969
6 7.0593 0.1211
7 23.9460 0.6744 1.8052 25.4254
8 -2.3726 3.3472
9(絞り) Infinity 3.3472
10 2.3726 0.6744 1.8052 25.4254
11 -23.9460 0.1211
12 -7.0593 0.5771 1.7400 28.1969
13 1.3840 0.9390 1.6108 58.9075
14 -2.1050 1.3360 1.7408 27.7894
15 -2.5331 0.5983
16 -1.3602 4.3009 1.9176 21.5111
17 -3.8180 0.1291

図８は実施例２の縦収差図であり、図９は実施例２の横収差図であり、図１０は実施例２の歪曲収差図であり、図１１は実施例２の倍率色収差図である。

また、本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。

１ 硬性鏡
２ 挿入側ライトガイド
７ 光源側ライトガイド
８ 光源
９ 集光手段
Ｅ 接眼光学系
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ レンズ
Ｌ１２３ 第１接合レンズ
Ｌ３２１ 第２接合レンズ
Ｌ４ 第１凸レンズ
Ｌ５ 第２凸レンズ
Ｍ１ 第１メニスカスレンズ
Ｍ２ 第２メニスカスレンズ
Ｏ 対物光学系
Ｒ リレー光学系

Claims (8)

1. 対物レンズと、接眼レンズと、それらの間に配置された複数のリレー光学系とを有する硬性鏡に用いられるリレー光学系であって、
   各リレー光学系に設けられた複数のレンズは、該リレー光学系の光軸方向中心に配置された開口絞りに対して対称形に配置され、そのうち最も像面に近いレンズは、凸面（第１の凸面とする）を像面に向けたメニスカスレンズであり、
   前記メニスカスレンズに隣接するレンズは、前記メニスカスレンズに凸面（第２の凸面とする）を向けており、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面の合成焦点距離をｆとし、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面との間にある空気層の光軸上の厚さをＬとすると、以下の式を満たすことを特徴とするリレー光学系。
   ０＜Ｌ／ｆ＜１ （１）
2. 前記リレー光学系は、一対の前記メニスカスレンズと一組の４枚のレンズとを、前記開口絞りを挟んで対称形に配置してなることを特徴とする請求項１に記載のリレー光学系。
3. 前記４枚のレンズのうち前記メニスカスレンズに近い側の３枚のレンズは、互いに貼り合わされていることを特徴とする請求項２に記載のリレー光学系。
4. 最像高の光線と前記メニスカスレンズの第１の凸面との交点における有効半径Ａと、最像高の光線と前記メニスカスの前記第１の凸面に対向する面との交点における有効半径Ｂとの差より、前記メニスカスレンズと前記第２の凸面との空気層の厚さＬが大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリレー光学系。
5. 前記メニスカスレンズの第１の凸面の曲率半径をφ１とし、前記メニスカスレンズの凹面の曲率半径をφ２としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリレー光学系。
   ０．０５＜φ２／φ１＜０．８ （２）
6. 前記リレー光学系の最大径はφ３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のリレー光学系。
7. 前記リレー光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のリレー光学系。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のリレー光学系を有することを特徴とする硬性鏡。