JP2826319B2 - 内視鏡対物光学系 - Google Patents

内視鏡対物光学系

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、屈折率分布型レンズを用いた内視鏡対物光
学系に関する。
〔従来の技術〕 内視鏡対物光学系については、近年益々細径化,広角
化が要望されている。
そして、内視鏡対物光学系としては例えば特開昭49−
121549号公報に記載の如きレトロフォ−カスタイプのも
のが広く知られている。又、特開昭58−59420号公報に
記載の如く、イメージガイドに屈折率分布型レンズを接
合したものも提案されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上記レトロフォ−カスタイプのものは、レ
ンズ間隔管を必要としているので、その構造上外径の小
さなレンズ(直径1.5mm以下)を実装することは非常に
困難であった。
又、イメージガイドに屈折率分布型レンズを接合した
ものは、屈折率分布型レンズの視野角がその屈折率分布
で決まってしまうため、広角化が非常に困難であった。
本発明は、上記問題点に鑑み、細径且つ広角で組立て
容易な内視鏡対物光学系を提供することを目的としてい
る。
〔課題を解決するための手段及び作用〕
本発明の内視鏡対物光学系は、第1図に示す構成を有
している。即ち、物体側が凹面で像側が平面である負レ
ンズ1と中心の屈折率をNo、光軸からの径方向の距離を
rとし且つ屈折率分布の2次の係数をAとした時に屈折
率N(r)が で表わされ且つ両端面が平面に研磨された外径の非常に
小さな屈折率分布型レンズ2とを物体側から順に接合し
且つ両者の間に絞り3を設けたものを、イメージガイド
4又はリレーレンズ又は固体撮像素子に接合して成ると
共に、次ぎに述べる条件を満足するようにしたものであ
る。
ファイバーフコープ又は硬質鏡では、主光線を結像面
に対して垂直となるようにする必要がある。それは、主
光線の結像面に対する角度が大きくなると、イメージガ
イド4又はリレーレンズの内部において光量が減衰し視
野の周辺が暗くなるといった問題が生じる為である。従
って、周辺が暗くならないための主光線の角度は、レン
ズ媒質中でおよそ7°くらい、空気中で10°くらいが限
界である。この条件を満たす為に、屈折率分布型レンズ
2の長さZは次式を満たさなければならない。
但し、Mは自然数、hは最大像高である。
なお、屈折率分布型レンズは周知のように内部で光線
が蛇行し、一旦結像した像は屈折率分布型レンズが光線
の蛇行の1/2ピッチ分長くなると、再び結像する。この
ような1/2ピッチ(又はその整数倍)だけ長い屈折率分
布型レンズは元の短いレンズと同一視すべきものであ
る。従って、これらを含むようにするため、自然数Mを
入れた。例えばM=1の場合は、対物レンズ内部で1回
結像し、それが再度対物レンズ内で集束されて射出端面
に結像する場合を表す。
一方、屈折率分布型レンズ2の前面に接合された均質
な凹平負レンズ1を通った光を結像させるために、屈折
率分布型レンズ2の長さZは1/4ピッチ以上であること
が必要となる為、 でなければならない。従って、式(1),(2)より が導かれる、 又、イメージガイドやリレーレンズの代わりに固体撮
像素子を用いた場合には、周辺光量が不足するといった
心配はないが、入射側に色フィルタアレイを備えた固体
撮像素子を用いた時は、主光線の固体撮像素子への射出
角が大きくなると、光束の一部が隣接する異なる色のフ
ィルタを通ることにより色のクロストークが起こる。
又、主光線の射出角が大きいと、光線高が高くなってし
まうので、細径化が困難となる。それ故、上記条件式
(i)を満たせば、周辺が明るく且つ光線高も低くなっ
て細径化できる。又、レトロフォ−カスタイプにしたこ
とにより、単体の屈折率分布型レンズを用いた時よりも
広角な光学系を得ることができる。
次に、負レンズ1のパワーと屈折率分布型レンズ2の
長さについて説明する。
第2図において、Rは負レンズ1の第1面の曲率半
径、nは負レンズ1の屈折率、dは負レンズ1の軸上肉
厚、f1(<0)は負レンズ1の焦点距離、S(<0)は
負レンズ1の第1面から物体までの距離、L1は負レンズ
1による結像点から屈折率分布型レンズ2の入射面まで
の空気換算光路長、L2は屈折率分布型レンズ2の入射面
から結像面までの空気換算光路長である。そして、f1
L1,L2は他の構成因子を用いて次のように表わすことが
できる。
ここで、屈折率分布型レンズ2とイメージガイド4が
接合されているので、式(3)においてL2=0となるこ
とが必要である。従って、次式を満たすことが必要であ
る。
即ち、式(ii),(iii),(iv)を同時に満たすよ
うに屈折率分布型レンズ2の長さZを選べば、イメージ
ガイド4の端面に結像させることができる。
尚、実用上は収差の影響などがあるので、L2=0では
なくて多少間隔を空けた方が良い場合もある。
このようにすれば、対物光学系とイメージガイドは全
て接合することができるので、間隔管が不要となり、そ
の結果組立ても著しく容易なものとなる。
以上のように、条件式(i),(ii),(iii),(i
v)を全て満たす時、細径且つ広角で周辺が明るく組立
て容易な内視鏡対物光学系を得ることができる。
また、本発明の内視鏡対物光学系は、物体側が凹面で
像側が平面である負レンズと、中心の屈折率をNoとした
とき該中心から径方向の距離がrの位置の屈折率N
(r)がN(r)=No(1−2-1Ar2)で表わされ且つ両
端面が平面である屈折率分布型レンズと、撮像素子又は
イメージガイドとを物体側より順に接合してなり、前記
負レンズと屈折率分布型レンズの接合面から像面に至る
光路中に絞りに相当する位置があり、前記屈折率分布型
レンズの射出面付近に像を形成すると共に、次の条件
(i″)、(ii)、(iii)、(iv)を満足するように
したものである。
(A1/2)-1[Mπ+tan-1{NoA1/2h(7π/180)-1}]<
Y<(A1/2)-1[(M+1)π+tan-1{NoA1/2h(−7π
/180)-1}] ・・・(i″) f1=R(n-1)-1 (f1<0) ・・・(ii) L1=dn-1−{f1 2(−S−f1)-1+f1} ・・・(iii) NoL1A1/2cos(A1/2Z)+sin(A1/2Z)=0 ・・・(iv) 但し、Yは前記絞りに相当する位置より後ろ側の屈折
率分布型レンズの長さ、Zは前記屈折率分布型レンズの
長さ、Aは屈折率分布の2次の係数、f1は負レンズの焦
点距離、Rは負レンズの第1面の曲率半径、nは負レン
ズの屈折率、Sは負レンズの第1面から物体までの距
離、L1は負レンズによる結像点から屈折率分布型レンズ
の入射面までの空気換算光路長、Mは自然数、hは最大
像高である。
〔実施例〕
以下図示した各実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。
第3図は第1実施例を示しており、これは物体側が凹
面で像側が平面である負レンズ11と両面が平面である屈
折率分布型レンズ12とを物体側より順に接合し且つ両者
の間に絞り13を設けて成るものを、イメージガイド14に
接合して一体としたものである。この場合、屈折率分布
型レンズ12の長さZは、イメージガイド14への射出角の
条件式(i)を満たす必要がある。又、イメージガイド
14の入射面に結像させるために長さZは条件式(ii),
(iii),(iv)を満足することが必要である。
第1実施例のデータを以下に示す。
但し、r1,r2,r3は各面の曲率半径、d1、d2は各面の
間隔、nは均質レンズの屈折率、Noは屈折率分布型レン
ズの軸上屈折率、νは均質レンズのアッベ数、fは全系
の焦点距離、FはFナンバー、Zは屈折率分布型レンズ
の長さ、Aは屈折率分布の2次の係数、Pは屈折率分布
型レンズのピッチ(2回結像する長さ)、hは最大像高
である。
第1実施例の収差曲線は第4図に示した通りである。
ここで、上記データが各条件式を満足するか確かめて
みる。
式(i)より 本実施例のZ=4.7059はこれを満たしている。
式(ii)より 式(iii)より 式(iv)より 従って、第1実施例のデータは式(i),(ii),
(iii),(iv)を満たしている。
第5図は第2実施例を示しており、これは物体側が凹
面で像側が平面である負レンズ21と、両端面が平面であ
る屈折率分布型レンズ22とを物体側より順に接合し且つ
両者の間に絞り23を設けて成るものを、平行平面板24を
介してイメージガイド25に接合して一体としたものであ
る。この例のように屈折率分布型レンズとイメージガイ
ドとの間に平行平面板を挾む場合には、条件(i),
(iv)の代わりに次の条件(i′),(iv′)を満足す
る必要がある。
条件式(iv′)はL2N2=l3より導かれるものである。
但し、N2は平行平面板24の屈折率、l3は平行平面板24
の厚さである。
第2実施例のデータを以下に示す。
但し、h′は屈折率分布型レンズ22の射出端面での光
線高である。
第2実施例の収差曲線は第6図に示した通りである。
ここで上記データが各条件式を満足するか確かめてみ
る。
式(i′)より 本実施例のZ=4.8はこれを満たしている。
式(ii)より 式(iii)より 式(iv′)より 従って、第2実施例のデータは式(i′),(ii),
(iii),(iv)を満たしている。
第7図は第3実施例を示しており、これは物体側が凹
面で像側が平面である負レンズ31と両端面が平面で中に
絞り33を設けた屈折率分布型レンズ32とを物体側より順
に接合して成るものを、イメージガイド34に接合して一
体としたものである。ここで、絞りは図示の位置に設け
ても良いが、これと光学的に共役な位置に設けて図示の
位置にその像が形成される(いわゆる仮想絞り)ように
しても良い。この場合、屈折率分布型レンズ32の像側端
面から絞り33までの長さをY、屈折率分布型レンズ32の
両端面間の長さをZとすると、長さYはイメージガイド
34への射出角の条件式として条件(i)の代りに次式
(i″)を満たす必要がある。
又、イメージガイド24の入射面に結像させるために長
さZは条件式(ii),(iii),(iv)を満たす必要が
ある。
第3実施例のデータを以下に示す。
第3実施例の収差曲線は第8図に示した通りである。
ここで上記データが各条件式を満足するか確かめてみ
る。
式(i″)より 本実施例のY=4.8899はこれを満たしている。
式(ii)より 式(iii)より 式(iv)より 従って、第3実施例のデータは式(i″),(ii),
(iii),(iv)を満たしている。
第9図は第4実施例を示しており、これは凹平負レン
ズ41と平凹屈折率分布型レンズ42と凸平正レンズ43とを
物体側から順に接合し且つ凹平負レンズ41と平凹屈折率
分布型レンズ42との間に絞り44を設けて成るものをイメ
ージガイド45に接合して一体としたものである。
第10図は第5実施例を示しており、これは凹平負レン
ズ51と平凸屈折率分布型レンズ52と凹平負レンズ53とを
物体側から順に接合し且つ平凹負レンズ51と平凸屈折率
分布型レンズ52との間に絞り54を設けて成るものをイメ
ージガイド55に接合して一体としたものである。
第11図は第6実施例を示しており、これは両凹負レン
ズ61と両凸屈折率分布型レンズ62と凹平負レンズ63とを
物体側から順に接合し且つ両凹負レンズ61と両凸屈折率
分布型レンズ62との間に絞り64を設けて成るものをイメ
ージガイド65に接合して一体としたものである。
上記第4乃至第6実施例は曲面の数が増えた分だけ収
差補正上有利である。
〔発明の効果〕
上述の如く、本発明による内視鏡対物光学系は、細系
且つ広角で周辺が明るく組立て容易であるという実用上
重要な利点を有している。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による内視鏡対物光学系の基本的構成を
示す図、第2図は上記光学系の構成因子を示す図、第3
図は第1実施例を示す図、第4図は第1実施例の収差曲
線図、第5図は第2実施例を示す図、第6図は第2実施
例の収差曲線図、第7図は第3実施例を示す図、第8図
は第3実施例の収差曲線図、第9図乃至第11図は夫々第
4乃至第6実施例を示す図である。 1,11,21,31……負レンズ、2,12,22,32……屈折率分布型
レンズ、3,13,23,33,44,54,64……絞り、4,14,25,34,4
5,55,65,……イメージガイド、24……平行平面板、41,5
1,53,63……凹平負レンズ、42……平凹屈折率分布型レ
ンズ、43……凸平正レンズ、52……平凸屈折率分布型レ
ンズ、61……両凹負レンズ、62……両凸屈折率分布型レ
ンズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】物体側が凹面で像側が平面である負レンズ
    と、中心の屈折率をNoとしたとき該中心から径方向の距
    離がrの位置の屈折率N(r)がN(r)=No(1−2
    -1Ar2)で表わされ且つ両端面が平面である屈折率分布
    型レンズとを物体側より順に接合し且つ両者の間に絞り
    を設けてなり、前記屈折率分布型レンズの射出面付近に
    像を形成すると共に、次の条件(i)乃至(iv)を満足
    する内視鏡対物光学系。 (i)π(2A1/2)-1+Mπ(A1/2)-1<Z<(A1/2)
    -1[(M+1)π+tan-1{NoA1/2h(−7π/18
    0)-1}] (ii)f1=R(n-1)-1 (f1<0) (iii)L1=dn-1−{f1 2(−S−f1)-1+f1} (iv)NoL1A1/2cos(A1/2Z)+sin(A1/2Z)=0 但し、Aは屈折率分布の2次の係数、f1は負レンズの焦
    点距離、Rは負レンズの第1面の曲率半径、nは負レン
    ズの屈折率、Sは負レンズの第1面から物体までの距
    離、L1は負レンズによる結像点から屈折率分布型レンズ
    の入射面までの空気換算光路長、Mは自然数、hは最大
    像高である。
  2. 【請求項2】前記内視鏡対物光学系は、前記屈折率分布
    型レンズの射出面に接合した撮象素子またはイメージガ
    イドを備えていることを特徴とする特許請求の範囲
    (1)に記載の内視鏡対物光学系。
  3. 【請求項3】物体側が凹面で像側が平面である負レンズ
    と、中心の屈折率をNoとしたとき該中心から径方向の距
    離がrの位置の屈折率N(r)がN(r)=No(1−2
    -1Ar2)で表わされ且つ両端面が平面である屈折率分布
    型レンズと、撮像素子又はイメージガイドとを物体側よ
    り順に接合してなり、 前記負レンズと屈折率分布型レンズの接合面から像面に
    至る光路中に絞りに相当する位置があり、 前記屈折率分布型レンズの射出面付近に像を形成すると
    共に、次の条件(i″)、(ii)、(iii)、(iv)を
    満足する内視鏡対物光学系。 (i″)(A1/2)-1[Mπ+tan-1{NoA1/2h(7π/180)
    -1}]<Y<(A1/2)-1[(M+1)π+tan-1{NoA1/2h
    (−7π/180)-1}] (ii)f1=R(n-1)-1 (f1<0) (iii)L1=dn-1−{f1 2(−S−f1)-1+f1} (iv)NoL1A1/2cos(A1/2Z)+sin(A1/2Z)=0 但し、Yは前記絞りに相当する位置より後ろ側の屈折率
    分布型レンズの長さ、Zは前記屈折率分布型レンズの長
    さ、Aは屈折率分布の2次の係数、f1は負レンズの焦点
    距離、Rは負レンズの第1面の曲率半径、nは負レンズ
    の屈折率、Sは負レンズの第1面から物体までの距離、
    L1は負レンズによる結像点から屈折率分布型レンズの入
    射面までの空気換算光路長、Mは自然数、hは最大像高
    である。
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