JP2019061167A - 内視鏡用対物光学系および内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】広角で、最も物体側のレンズ面における有効光束径が小さく、良好な光学性能を有する内視鏡用対物光学系、およびこの内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡を提供する。【解決手段】物体面と共役な位置に中間像を形成し、中間像を結像面Ｓｉｍに再結像させ、結像面における最大有効像高をＨＩ、全系の焦点距離をｆ、最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤ、全系のＦナンバーをＦＮｏ、中間像に対する結像面Ｓｉｍの近軸におけるリレー倍率をβＲとした場合、条件式（１）〜（３）を満足するように構成する。０．７＜ＨＩ／｜ｆ｜ …（１）ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜６ …（２）−２＜βＲ＜−０．８ …（３）【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡用対物光学系およびこの内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡に関するものである。

従来、医療分野において先端部分に撮像装置が内蔵された長尺の挿入部を被検者の口や鼻等から挿入して体腔内を撮像する挿入型の内視鏡が普及している。このような内視鏡に使用可能な対物光学系としては例えば下記特許文献１、２に記載のものが知られている。

特開２０１６−１５１６２９号公報 特許第５１８５５７８号公報

上記のような内視鏡は、高画素化および広角化されていく傾向があり、また近接撮影での画像を取り込み、詳細な解析や観察が行われるようになってきたため、さらなる画質の向上が望まれている。また、感染症予防のための滅菌処理への対応や、修理対応の簡素化のため、対物光学系の最も物体側にカバーガラスを配置する場合も増えてきている。

高画素化および広角化に対応した対物光学系としては、特許文献１に記載のものが知られている。この対物光学系は、絞りより物体側に３枚のレンズ、絞りより像側に３枚のレンズが配され、広角域の光線高が高くなる位置で広角域の収差補正を行い、高画素化に対応しているが、最も物体側のレンズ面における有効光束径が大きくなり、物体側のレンズ径が大型化してしまうという問題がある。

物体側のレンズが大型化してしまうと、対物光学系近傍に配置される照明配光用光学系の配置に制約が生まれ、対物光学系と照明配光用光学系とを近接配置することができなくなってしまう。その結果、特に近接域の照明配光が分布を持ってしまい、詳細な解析や観察に影響がでてしまう。また、対物光学系の最も物体側にカバーガラスを配置する場合、非常に径が大きなカバーガラスとなってしまい、内視鏡に対する小型化の要求に反してしまう。

細径化に対応した対物光学系としては、特許文献２に記載のものが知られている。この対物光学系は、光学系内で中間像を形成することで細径な光学系としているが、画角が狭く、内視鏡対物光学系としては使用できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広角で、最も物体側のレンズ面における有効光束径が小さく、良好な光学性能を有する内視鏡用対物光学系、およびこの内視鏡用対物光学系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光学系は、物体面と共役な位置に中間像を形成し、中間像を結像面に再結像させる内視鏡用対物光学系であって、結像面における最大有効像高をＨＩ、全系の焦点距離をｆ、最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤ、全系のＦナンバーをＦＮｏ、中間像に対する結像面の近軸におけるリレー倍率をβＲとした場合、条件式（１）〜（３）を満足する。
０．７＜ＨＩ／｜ｆ｜ …（１）
ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜６ …（２）
−２＜βＲ＜−０．８ …（３）

なお、リレー倍率βＲは、図１６に示すように、中間像の像高をＨＭ、結像面における像高をＨＩとした場合、下記式で表される。
βＲ＝ＨＩ／ＨＭ

また、条件式（１−１）、（２−１）、（３−１）の少なくとも１つをさらに満足することが好ましい。
０．７５＜ＨＩ／｜ｆ｜＜１０ …（１−１）
０．９＜ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜４．５ …（２−１）
−１．５＜βＲ＜−０．９ …（３−１）

本発明の内視鏡用対物光学系においては、全系の各レンズ面における有効光束径の中で最大有効光束径をＢＤ、結像面における最大有効像高をＨＩとした場合、条件式（４）を満足することが好ましく、条件式（４−１）を満足することがより好ましい。
ＢＤ／（２×ＨＩ）＜１．２ …（４）
０．５＜ＢＤ／（２×ＨＩ）＜１．１ …（４−１）

また、結像面における最大有効像高をＨＩ、最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤとした場合、条件式（５）を満足することが好ましく、条件式（５−１）を満足することがより好ましい。
３＜２×ＨＩ／ＦＤ …（５）
３．５＜２×ＨＩ／ＦＤ＜３０ …（５−１）

また、結像面における最大有効像高をＨＩ、全系の半画角をω、全系の焦点距離をｆとした場合、条件式（６）を満足することが好ましく、条件式（６−１）を満足することがより好ましい。
ＨＩ／（ｔａｎ（ω）×｜ｆ｜）＜０．７５ …（６）
０．０１＜ＨＩ／（ｔａｎ（ω）×｜ｆ｜）＜０．６５ …（６−１）

また、最も物体側のレンズ面よりも物体側に平行平面板を有することが好ましい。

本発明の内視鏡は、上記記載の本発明の内視鏡用対物光学系を備えたものである。

本発明の内視鏡用対物光学系は、物体面と共役な位置に中間像を形成し、中間像を結像面に再結像させる内視鏡用対物光学系であって、結像面における最大有効像高をＨＩ、全系の焦点距離をｆ、最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤ、全系のＦナンバーをＦＮｏ、中間像に対する結像面の近軸におけるリレー倍率をβＲとした場合、条件式（１）〜（３）を満足するようにしたので、広角で、最も物体側のレンズ面における有効光束径が小さく、良好な光学性能を有する内視鏡用対物光学系、およびこの内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡を提供することができる。
０．７＜ＨＩ／｜ｆ｜ …（１）
ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜６ …（２）
−２＜βＲ＜−０．８ …（３）

本発明の一実施形態にかかる内視鏡用対物光学系（実施例１と共通）の構成を示す断面図 本発明の実施例２の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例３の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例４の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例５の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例６の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例７の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の実施例２の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の実施例３の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の実施例４の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の実施例５の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の実施例６の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の実施例７の内視鏡用対物光学系の各収差図 本発明の一実施形態にかかる内視鏡の概略構成図 リレー倍率についての説明図

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１の内視鏡用対物光学系の構成と共通である。図１においては、左側が物体側、右側が像側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状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、図１には、軸上光束ａおよび最大画角の光束ｂの他、各条件式の記号を併せて記入している。

なお、図１では内視鏡用対物光学系と結像面Ｓｉｍとの間に入射面と出射面が平行の光学部材ＰＰを配置した例を示している。光学部材ＰＰは、光路を折り曲げるための光路変換プリズム、フィルタ、および／またはカバーガラス等を想定したものであり、本発明においては光学部材ＰＰを省略した構成も可能である。なお、光路変換プリズムを用いた場合は屈曲光路となるが、理解を容易にするために図１では光路を展開した図を示している。

本実施形態の内視鏡用対物光学系は、物体面と共役な位置に中間像を形成し、中間像を結像面Ｓｉｍに再結像させる内視鏡用対物光学系であって、結像面Ｓｉｍにおける最大有効像高をＨＩ、全系の焦点距離をｆ、最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤ、全系のＦナンバーをＦＮｏ、中間像に対する結像面Ｓｉｍの近軸におけるリレー倍率をβＲとした場合、条件式（１）〜（３）を満足するように構成されている。
０．７＜ＨＩ／｜ｆ｜ …（１）
ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜６ …（２）
−２＜βＲ＜−０．８ …（３）

内視鏡用対物光学系内に中間像を形成する構成とすることによって、広角化での収差補正を行いつつ、レンズ径を小さくできる。

条件式（１）の下限以下とならないようにすることによって、画角が狭くなり過ぎるのを防ぐことができるため、内視鏡用途として十分な画角を確保できる。なお、条件式（１−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。条件式（１−１）の上限以上とならないようにすることによって、画角が広くなり過ぎるのを防ぐことができるため、観察物体に対する照明光量が不足するのを防ぐことができる。
０．７５＜ＨＩ／｜ｆ｜＜１０ …（１−１）

条件式（２）の上限以上とならないようにすることによって、前玉径が大きくなり過ぎるのを防ぐことができるため、照明光学系の配置スペースの確保および／またはカバーガラスのような平行平面板の配置に有利となる。または撮影に十分な光量を取り込むことができるため、観察に有利となる。なお、条件式（２−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。条件式（２−１）の下限以下とならないようにすることによって、物体とレンズの距離が近くなり過ぎるのを防ぐことができるため、内視鏡観察が容易となる。
０．９＜ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜４．５ …（２−１）

条件式（３）の下限以下とならないようにすることによって、中間像よりも物体側のレンズで発生した収差が、結像面Ｓｉｍで大きくなり過ぎるのを防ぐことができるため、収差補正に有利となる。条件式（３）の上限以上とならないようにすることによって、中間像付近のレンズ径が大型化するのを防ぐことができる。なお、条件式（３−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
−１．５＜βＲ＜−０．９ …（３−１）

本実施形態の内視鏡用対物光学系においては、全系の各レンズ面における有効光束径の中で最大有効光束径をＢＤ、結像面Ｓｉｍにおける最大有効像高をＨＩとした場合、条件式（４）を満足することが好ましい。条件式（４）の上限以上とならないようにすることによって、レンズ径が大きくなり過ぎるのを防ぐことができるため、内視鏡挿入部の小型化に有利となる。なお、条件式（４−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。条件式（４−１）の下限以下とならないようにすることによって、非点収差および歪曲収差の補正に有利となる。
ＢＤ／（２×ＨＩ）＜１．２ …（４）
０．５＜ＢＤ／（２×ＨＩ）＜１．１ …（４−１）

また、結像面Ｓｉｍにおける最大有効像高をＨＩ、最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤとした場合、条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）の下限以下とならないようにすることによって、前玉径が大きくなり過ぎるのを防ぐことができるため、照明光学系の配置スペースの確保および／またはカバーガラスのような平行平面板の配置に有利となる。なお、条件式（５−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。条件式（５−１）の上限以上とならないようにすることによって、撮影に十分な光量を取り込むことができるため、観察に有利となる。
３＜２×ＨＩ／ＦＤ …（５）
３．５＜２×ＨＩ／ＦＤ＜３０ …（５−１）

また、結像面Ｓｉｍにおける最大有効像高をＨＩ、全系の半画角をω、全系の焦点距離をｆとした場合、条件式（６）を満足することが好ましい。条件式（６）の上限以上とならないようにすることによって、詳細に観察する光軸付近の像が小さくなり過ぎるのを防ぐことができ、また周辺部の光量を確保することができる。なお、条件式（６−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。条件式（６−１）の下限以下とならないようにすることによって、画角が広くなり過ぎるのを防ぐことができるため、観察物体に対する照明光量が不足するのを防ぐことができる。
ＨＩ／（ｔａｎ（ω）×｜ｆ｜）＜０．７５ …（６）
０．０１＜ＨＩ／（ｔａｎ（ω）×｜ｆ｜）＜０．６５ …（６−１）

また、最も物体側のレンズ面よりも物体側にカバーガラスのような平行平面板を有することが好ましい。このような平行平面板を設けることによって、感染症予防のための滅菌処理への対応や、修理対応の簡素化を図ることができる。

次に、本発明の内視鏡用対物光学系の数値実施例について説明する。まず、実施例１の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例１の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図１に示す。図１および後述の実施例２〜７に対応した図２〜７においては、左側が物体側、右側が像側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状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、図１〜７には、軸上光束ａおよび最大画角の光束ｂを併せて記入している。

実施例１の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、レンズＬ１〜レンズＬ１３の１３枚のレンズを有し、開口絞りＳｔが最も物体側に配された構成となっている。

実施例１の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表１に示す。なお、レンズデータにおける数値は、焦点距離ｆを１に規格化したものである。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２〜７についても基本的に同様である。

表１のレンズデータにおいて、面番号の欄には最も物体側の構成要素の面を１番目として像面側に向かうに従い順次増加する面番号を示し、曲率半径の欄には各面の曲率半径を示し、面間隔の欄には各面とその次の面との光軸Ｚ上の間隔を示す。また、ｎの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））における屈折率を示し、νの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））におけるアッベ数を示し、有効光束径の欄には最も物体側のレンズ面における有効光束径と最大有効光束径となるレンズ面における有効光束径を示す。また、レンズデータには、結像面Ｓｉｍにおける最大有効像高ＨＩの値を併せて示す。

なお、曲率半径の符号は、面形状が物体側に凸の場合を正、像面側に凸の場合を負としている。レンズデータには、物体面、開口絞りＳｔ、光学部材ＰＰ、結像面Ｓｉｍも含めて示しており、平行平面板ＣＰを含む実施例の場合には平行平面板ＣＰも含めて示している。開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号とともに（Ｓｔ）という語句を記載している。

実施例１の内視鏡用対物光学系の各収差図を図８に示す。なお、図８中の左側から順に球面収差、非点収差、歪曲収差、および倍率色収差を示す。球面収差、非点収差、および歪曲収差を表す各収差図には、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））を基準波長とした収差を示す。球面収差図にはｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））、およびＣ線（波長６５６．３ｎｍ（ナノメートル））についての収差をそれぞれ実線、点線、および二点鎖線で示す。非点収差図にはサジタル方向およびタンジェンシャル方向の収差をそれぞれ実線および点線で示す。倍率色収差図にはＦ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））およびＣ線（波長６５６．３ｎｍ（ナノメートル））についての収差をそれぞれ点線および二点鎖線で示す。なお、球面収差図のＦＮｏはＦナンバー、その他の収差図のωは半画角を意味する。

次に、実施例２の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例２の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図２に示す。実施例２の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、レンズＬ１〜レンズＬ１３の１３枚のレンズを有し、開口絞りＳｔが内視鏡用対物光学系内に配された構成となっている。また、実施例２の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表２に、各収差図を図９に示す。

次に、実施例３の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例３の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図３に示す。実施例３の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、平行平面板ＣＰと、レンズＬ１〜レンズＬ１３の１３枚のレンズとを有し、開口絞りＳｔが最も物体側に配された構成となっている。また、実施例３の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表３に、各収差図を図１０に示す。

次に、実施例４の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例４の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図４に示す。実施例４の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、レンズＬ１〜レンズＬ１３の１３枚のレンズを有し、開口絞りＳｔが最も物体側に配された構成となっている。また、実施例４の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表４に、各収差図を図１１に示す。

次に、実施例５の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例５の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図５に示す。実施例５の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、平行平面板ＣＰと、レンズＬ１〜レンズＬ１３の１３枚のレンズとを有し、開口絞りＳｔが内視鏡用対物光学系内に配された構成となっている。また、実施例５の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表５に、各収差図を図１２に示す。

次に、実施例６の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例６の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図６に示す。実施例６の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、レンズＬ１〜レンズＬ１０の１０枚のレンズを有し、開口絞りＳｔが最も物体側に配された構成となっている。また、実施例６の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表６に、各収差図を図１３に示す。

次に、実施例７の内視鏡用対物光学系について説明する。実施例７の内視鏡用対物光学系の構成を示す断面図を図７に示す。実施例７の内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、レンズＬ１〜レンズＬ１０の１０枚のレンズを有し、開口絞りＳｔが内視鏡用対物光学系内に配された構成となっている。また、実施例７の内視鏡用対物光学系のレンズデータを表７に、各収差図を図１４に示す。

実施例１〜７の内視鏡用対物光学系の条件式（１）〜（６）に対応する値を表８に示す。なお、全実施例ともｄ線を基準波長としており、下記の表８に示す値はこの基準波長におけるものである。

以上のデータから、実施例１〜７の内視鏡用対物光学系は全て、条件式（１）〜（６）を満足しており、全画角が９０°以上と広角で、最も物体側のレンズ面における有効光束径が小さく、良好な光学性能を有する内視鏡用対物光学系であることが分かる。

次に、本発明の内視鏡用対物光学系が適用される内視鏡の実施形態について図１５を参照しながら説明する。図１５にその内視鏡の概略的な全体構成図を示す。図１５に示す内視鏡１００は、主として、操作部１０２と、挿入部１０４と、コネクタ部（不図示）と接続されるユニバーサルコード１０６とを備える。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の先端には先端部１１０が連結されている。湾曲部１０８は、先端部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に設けられた湾曲操作ノブ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。先端部１１０の内部先端に本発明の実施形態に係る内視鏡用対物光学系１が配設される。図１５では内視鏡用対物光学系１を概略的に図示している。本実施形態の内視鏡は内視鏡用対物光学系１を備えているため、先端部１１０の小型化を図ることが可能であり、広角で、良好な画像を取得することができる。

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、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数は、上記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。

また、内視鏡用対物光学系は、球面レンズの他、非球面レンズ、ＧＲＩＮレンズ、および／または回折光学素子等を含んでいてもよい。

１ 内視鏡用対物光学系
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 湾曲操作ノブ
１１０ 先端部
ＣＰ 平行平面板
Ｌ１〜Ｌ１３ レンズ
ＰＰ 光学部材
Ｓｉｍ 結像面
Ｓｔ 開口絞り
ａ 軸上光束
ｂ 最大画角の光束
Ｚ 光軸

Claims (12)

1. 物体面と共役な位置に中間像を形成し、該中間像を結像面に再結像させる内視鏡用対物光学系であって、
   前記結像面における最大有効像高をＨＩ、
   全系の焦点距離をｆ、
   最も物体側のレンズ面における有効光束径をＦＤ、
   全系のＦナンバーをＦＮｏ、
   前記中間像に対する前記結像面の近軸におけるリレー倍率をβＲとした場合、
   ０．７＜ＨＩ／｜ｆ｜ …（１）
   ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜６ …（２）
   −２＜βＲ＜−０．８ …（３）
   で表される条件式（１）〜（３）を満足する内視鏡用対物光学系。
2. 全系の各レンズ面における有効光束径の中で最大有効光束径をＢＤとした場合、
   ＢＤ／（２×ＨＩ）＜１．２ …（４）
   で表される条件式（４）を満足する
   請求項１記載の内視鏡用対物光学系。
3. ３＜２×ＨＩ／ＦＤ …（５）
   で表される条件式（５）を満足する
   請求項１または２記載の内視鏡用対物光学系。
4. 全系の半画角をωとした場合、
   ＨＩ／（ｔａｎ（ω）×｜ｆ｜）＜０．７５ …（６）
   で表される条件式（６）を満足する
   請求項１から３のいずれか１項記載の内視鏡用対物光学系。
5. 最も物体側のレンズ面よりも物体側に平行平面板を有する
   請求項１から４のいずれか１項記載の内視鏡用対物光学系。
6. ０．７５＜ＨＩ／｜ｆ｜＜１０ …（１−１）
   で表される条件式（１−１）を満足する
   請求項１記載の内視鏡用対物光学系。
7. ０．９＜ＦＤ×ＦＮｏ／｜ｆ｜＜４．５ …（２−１）
   で表される条件式（２−１）を満足する
   請求項１記載の内視鏡用対物光学系。
8. −１．５＜βＲ＜−０．９ …（３−１）
   で表される条件式（３−１）を満足する
   請求項１記載の内視鏡用対物光学系。
9. ０．５＜ＢＤ／（２×ＨＩ）＜１．１ …（４−１）
   で表される条件式（４−１）を満足する
   請求項２記載の内視鏡用対物光学系。
10. ３．５＜２×ＨＩ／ＦＤ＜３０ …（５−１）
    で表される条件式（５−１）を満足する
    請求項３記載の内視鏡用対物光学系。
11. ０．０１＜ＨＩ／（ｔａｎ（ω）×｜ｆ｜）＜０．６５ …（６−１）
    で表される条件式（６−１）を満足する
    請求項４記載の内視鏡用対物光学系。
12. 請求項１から１１のいずれか１項記載の内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡。