JP3049508B2 - 内視鏡対物レンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内視鏡対物レンズに関するものである。

［従来の技術］ 内視鏡の対物光学系は、射出瞳がほぼ無限遠である、
いわゆるテレセントリック系であることが要求されるこ
とは、従来よりよく知られている。

ファイバースコープおよび硬性鏡においては、それぞ
れイメージガイド，リレー光学系における軸外光束の伝
送効率を劣化させないようにするために、また単板カラ
ー固体撮像素子を用いたビデオスコープでは、色シェー
ディング等の問題を回避するため、テレセントリックの
条件を満たしていることが要求される。このように内視
鏡対物レンズは、テレセントリックの条件を満たしてい
ることが要求されるが、そのために内視鏡対物光学系に
おいては、大きな歪曲収差が発生する。

歪曲収差は、入射瞳への主光線の入射角θ₁に依存す
る。又像高は、入射角θ₁の関数である。ここで歪曲収
差をＤ（θ₁）、像高をＨ（θ₁）とすると、歪曲収差Ｄ
（θ₁）は、次の式（ｉ）にて定義される。

ここでｆは対物光学系の焦点距離である。

通常Ｈ（θ₁）は、Ａ（θ₁）をθ₁の関数としてＨ
（θ₁）＝fA（θ₁）と云う形で表現されることが多い。
このＨ（θ₁）＝fA（θ₁）を式（ｉ）に代入すると、次
の式（ii）が導かれる。

このように、歪曲収差と主光線の入射角との関数は、
像高と主光線の入射角との関係を決める関数Ａ（θ₁）
のみで定まり、この関数は、光学系の歪曲特性を示して
いる。

一般に、この関数Ａ（θ₁）は、瞳の結像関係のみに
依存し、それは、近軸瞳倍率への依存と、瞳の結像にお
ける収差（瞳を物点として追跡した時の正弦条件不満足
量と球面収差）への依存の二つに分類される。瞳の収差
がない場合は、つまり対物光学系の全像高にわたって瞳
の正弦条件が満足されていて、かつ入射瞳および射出瞳
における瞳の球面収差がないと仮定すると、Ａ（θ₁）
は、全系の近軸瞳倍率のみをパラメーターとして一意に
定まる。つまり近軸瞳倍率をβ_Eとすると、下記の式（i
ii）が得られる。

テレセントリック条件を保つためには、内視鏡の対物
光学系は、近軸瞳倍率の絶対値｜β_E｜を十分大きくす
る必要がある。

｜β_E｜が十分に大きいと、式（iii）より Ａ（θ₁）sinθ₁と近似でき、歪曲収差は、次のよう
になる。

Ｄθ₁）100×［cosθ₁−１］ （％） したがってθ₁が増加するに伴って、負の歪曲収差が
増大する。

上記の歪曲収差を補正するためには非球面を用いるこ
とが有効である。

特開昭61−169818,特開平１−26909号に記載された光
学系は、絞りをはさんで前群と後群とにて構成し、前群
に少なくとも１面非球面を導入することによって、テレ
セントリックな光学系で、歪曲収差を補正したものであ
る。しかし特開昭61−169818号公報に記載されている実
施例は、光学系がコンパクトではなく実用的ではない。

又特開平１−269909号公報に記載された光学系は、そ
の実施例のように光軸に対して斜めあるいは平行に固体
撮像素子を配置し、これに結像させるようにしているた
めに、後群にプリズムを配置する必要がありそのために
バックフォーカスを長くとっている。したがって光学系
が大型になり光軸の変換を必要としない光学系において
は実用的ではない。又使用しているレンズ枚数も非常に
多くコスト高になる。

又、特開昭61−162021号公報に記載されている光学系
は、絞りをはさんで、前群と後群にて構成し、両群とも
少なくとも１面、非球面を導入して、歪曲収差と非点収
差を同時に補正したものである。そしてこの非球面によ
って、絞りの前後で歪曲収差を同時に補正した時に、こ
の非球面による非点収差の収差係数の符号が絞りの前後
で反転する性質を利用して非点収差を補正している。こ
の従来例の公報には、テレセントリックな光学系の実施
例がいくつか記載されているが、この実施例も実用化に
あたっては次のような問題点がある。即ち、（１）歪曲
収差のカーブが異常であり不自然なみえになる。（２）
レンズの外径が像高に比べて大きく、光学系がコンパク
トでない。（３）非球面が有効径内で変曲点を持つ形状
であり、非球面レンズを成形する金型の製作が非常に困
難になる。（４）画角が120°程度であり、より広角化
が求められる中で、ユーザーの要望を充分満足するもの
とは言えない。（５）中間像高での子午方向の像のまが
りが大きく像面の平坦性に欠ける。

［課題を解決するための手段］ 本発明の内視鏡光学系は、物体側から順に、負の屈折
力を持つ前群と、明るさ絞りと、３つの正レンズ群から
なり正の屈折力を持つ後群と、を備えた内視鏡対物レン
ズであって、前期前群内の最も物体側のレンズは物体側
に凸の非球面を有し、前記後部は最も明るさ絞り側のレ
ンズと最も像側のレンズとの間に、変極点を持たない像
側に凸の非球面を像側のレンズ面に備えたレンズを有
し、以下の条件（１）、（２）を満足することを特徴と
する。

（１）｜f₁/f|＜６ （２）｜f₂/f|＜４ ただし、f₁、f₂、ｆはそれぞれ前群、後群および全系
の焦点距離である。

前記条件（１），（２）は、光学系を小型化しつ像面
湾曲を良好に補正するための条件である。つまりこれら
条件（１），（２）を満足することによってレンズの外
径を小さくし光学系の全長を短くすることた出来、かつ
像面湾曲を良好に補正することが出来る。

前記条件点（１）から外れると前群の外径が大にな
り、条件（２）を外れるとレンズ系の全長が長くなりし
かも像面湾曲が補正過剰になるため好ましくない。

前述の問題（１）〜（５）のうち、（１），（２），
（４）は仕様に関するものであり、（３）は加工性に関
するものであり、（５）は設計上の問題である。そして
これらのうち問題点（１），（４）を解決しようとする
と、（３），（５）の不具合を生ずることになる。

本発明は、前記問題点（１）〜（５）を解決しようと
するもので、特に非球面を設ける位置と非球面の向きを
最適化するように規定することによって（３），（５）
の問題点を解決し、更に（２）の問題点も後に述べる手
段によって解決しようとするものである。

まず、問題点（３），（５）の解決手段について説明
する。

一般に非球面は次の式にて表わすことが出来る。

ここでx,yは第９図に示すように光軸をｘ軸にとって
像の方向を正方向にとり、ｙ軸を面と光軸との交点を原
点としてｘ軸に直交した方向にとった座標の値、Ｃは光
軸近傍でこの非球面と接する円の曲率半径の逆数、Ｐは
非球面の形状を表わすパラメーター、B,E,F,G…は夫々
２次,4次,6次,8次…の非球面係数である。

Ｐ＝１でB,E,F,G,…がすべて０の場合上記の式は球面
を表わす。

非球面の４次の非球面項で生ずる３次収差係数は次の
式（ii），（iii），｛（ii）は歪曲収差、（iii）は非
点収差｝で表わされる。

8h_C ³h_ME（n_A−n_A′） （ii） 8h_C ²h_M ²E（n_A−n_A′） （iii） だだし、h_Cは近軸主光線の光線高、h_Mは近軸マージナル
光線の光線高、Ｅは４次の非球面係数、n_A，n_A′は夫々
非球面の物体側および像側の媒質の屈折率である。

絞りの前後に非球面を設けた時、これら非球面の非球
面項で生ずる収差係数（歪曲収差，非点収差）の符号の
関係は、次の表１に示す通りである。

表１ 歪曲収差 非点収差 前群 ＋ − 後群 ＋ − トータル ＋＋ −＋（０） この表からわかるように、絞りの前後の非球面で正の
歪曲収差を発生させると、非点収差は絞りの前後で符号
が異なり、互に打消されるので、歪曲収差と非点収差を
同時に良好に補正することが出来る。

正の歪曲収差を発生させるためには、前群で物体側の
面に非球面を設ける時は、周辺に行くほど曲率が強くな
る面を、又像側の面に非球面を設ける時は、周辺に行く
ほど曲率が弱くなる形状にすればよい。

又後群で像側の面に非球面を設ける時は、周辺に行く
ほど曲率が弱くなる形状にすればよい。

上記の非球面は、その配置場所が適切でないと、自然
な見えになるように歪曲収差を補正する時非球面の変動
量が大きくなり又非球面が変曲点をもつ形状になった
り、非球面度が大きくなったりして加工性が悪くなる。
そのため非球面は、歪曲収差，非点収差の補正に最適な
位置に設けることが必要である。

又絞り前後の非球面による歪曲収差と非点収差の補正
の役割りのウエイト付けも重要である。絞りより像側の
後群の歪曲収差でFsinθ型が守られていると周辺部は歪
曲収差による像のつぶれ具合とcos4乗則による周辺光量
の低下が互いにキャンセルするため軸上から軸外まで均
一な明るさとなる。しかし後群で主として歪曲収差を補
正すると軸上に対して軸外の倍率が大きくなり、周辺部
をひきのばすことになり、その結果明るさの密度が低く
なり周辺部が暗くなる。そのため後群よりも主として前
群の非球面で歪曲収差の補正を行ない、後群の非球面は
主として非点収差の補正を行なうことが好ましい。この
ように非球面の役割りにウエスト付けすることが周辺光
量の低下を防ぐためには望ましい。

以上のように前群の非球面は、主として歪曲収差を補
正するためにh_Cが大になる最も物体に近いレンズに設け
ることが望ましい。

後群で用いる非球面は、主として非点収差を補正する
ためのものである。そのため非球面が像面に近すぎると
h_Mが小になり補正効果が得られない。又絞りに近すぎる
とh_Cが小になり好ましくない。h_Mとh_Cとが共に大になる
位置は、最も像面に近いレンズよりも物体側であって又
最も絞りに近いレンズよりも像側であり、この間のレン
ズに非球面を設け、この時次の条件（３）、（４）を満
足することが望ましい。

（３）｜h_aM／r_s｜＞0.7 （４）｜h_ac/I|＞0.5 ただし、h_aMは非球面におけるマージナル光線高、h_ac
は非球面における最大像高の主光線高、r_sは絞りの半
径、Ｉは最大像高である。

非点収差を補正するための位置としては、上記の位置
が最適であって、少ない非球面度で収差を良好に補正で
きる。

以上述べたように前群，後群の設ける非球面を歪曲収
差、非点収差の補正に最適な位置に設けることによって
補正に要する非球面度は小さくなる。その結果、非球面
の形状が変曲点をもたなくなり加工性の非常に良好なも
のになる。

又非球面の向きは、絞りより前の前群では物体側に凸
面を向け、絞りより後方の後群では像側に凸面を向ける
ようにすれば、対称性がよくなり、コマ収差が良好にな
る。

本発明の内視鏡対物レンズは、以上述べた通りで、次
のような構成を有していることが好ましい。即ち負の屈
折力を持つ前群の第１レンズは物体側に凸面を向けた負
のメニスカスレンズで又正の屈折力を持つ後群は三つ以
上の正レンズからなり最も像側の正レンズがその物体側
の面が物体側に凸の形状であり、最も像側のレンズより
絞り側のレンズはすべて像側の面が像側に凸の形状であ
る。

以上のようにして広角化と負の歪曲収差を減少させる
ことにより視野周辺の倍率が大になる。そのために倍率
の色収差も周辺部で拡大されこれを良好に補正するため
には、後群に接合レンズを配置することが必要になる。
この接合レンズは、接合面前後のアッベ数の差を出来る
限り大にし、その差が10以上になることが好ましい。

また接合面へ入射する主光線の角度を大にするために
接合面の曲率半径を小さくすることが望ましい。しかし
接合面の曲率半径をあまり小さくすると縁肉がとれなく
なり加工性が悪くなる。そのため接合面を曲率半径をあ
まり小にしなくてもよいようにレンズの屈折率を大にす
る必要がある。そして非球面レンズ以外のレンズの屈折
率の平均が1.7程度になるような高屈折率の硝材を用い
ることが望ましい。又接合レンズを配置するスペースの
確保時に加工上必要となる縁肉を確保するために空気間
隔は硝材で置き換えることが出来るので、後群中のレン
ズ間隔のうち最大の間隔Ｄが次の条件を満足するように
なっている。

D/f＜１ だだしｆは全系の焦点距離である。

この条件から外れると、レンズの加工性が著しく悪く
なるか、前記の接合面を設けることが困難になり倍率の
色収差の補正が困難になる。

［実施例］ 次の本発明の内視鏡対物レンズの各実施例を示す。

実施例１ ｆ＝1,F/2.2,像高＝1.2430,2ω＝135° r₁＝74.5630（非球面） d₁＝0.5303 n₁＝1.51633 ν₁＝64.15 r₂＝1.0839 d₂＝0.6132 r₃＝∞ d₃＝0.7955 n₂＝1.83350 ν₂＝21.00 r₄＝−2.2291 d₄＝0.4475 n₃＝1.72916 ν₃＝54.68 r₅＝∞（絞り） d₅＝0.1657 r₆＝−4.6686 d₆＝0.7126 n₄＝1.72916 ν₄＝54.68 r₇＝−2.4578 d₇＝0.1657 r₈＝∞ d₈＝1.4253 n₅＝1.56384 ν₅＝60.69 r₉＝−1.5578（非球面） d₉＝0.3315 r₁₀＝3.4538 d₁₀＝2.0385 n₆＝1.72916 ν₆＝54.68 r₁₁＝−2.3069 d₁₁＝1.0445 n₇＝1.83350 ν₇＝21.00 r₁₂＝∞ 非球面係数 （第１面） Ｐ＝1,B＝0,E＝0.18410×10^-1 Ｆ＝−0.23836×10^-2,G＝0.15347×10^-3 （第９面） Ｐ＝−0.3700,B＝0,E＝−0.26582×10^-1 Ｆ＝0.12318×10^-1,G＝−0.29704×10^-2 ｜f₁/f|＝2.51,|f₂/f|＝1.57 ｜h_aM／r_s｜＝1.31,|h_aC/I|＝0.84 ν_n1−ν_p1＝33.68,D/f＝0.33 実施例２ ｆ＝1,F/2.1,像高＝1.6636,2ω＝163° r₂＝92.4214（非球面） d₁＝0.6470 n₁＝1.51633 ν₁＝64.15 r₂＝1.1793 d₂＝0.7763 r₃＝∞ d₃＝1.0351 n₂＝1.84666 ν₂＝23.78 r₄＝−2.1664 d₄＝0.4251 n₃＝1.72916 ν₃＝54.68 r₅＝∞（絞り） d₅＝0.1479 r₆＝−5.6747 d₆＝0.4251 n₄＝1.84666 ν₄＝23.78 r₇＝3.0776 d₇＝1.6266 n₅＝1.72916 ν₅＝54.68 r₈＝−2.0074 d₈＝0.1479 r₉＝5.5046 d₉＝1.7006 n₆＝1.56384 ν₆＝60.69 r₁₀＝−2.4214（非球面） d₁₀＝0.2773 r₁₁＝12.0573 d₁₁＝1.6266 n₇＝1.72916 ν₇＝54.68 r₁₂＝−2.8336 d₁₂＝1.2569 n₈＝1.84666 ν₈＝23.78 r₁₃＝∞ 非球面係数 （第１面） Ｐ＝1,B＝0,E＝0.10767×10^-1 Ｆ＝−0.80174×10^-3,G＝0.32689×10^-4 （第10面） Ｐ＝−0.7500,B＝0,E＝0.55261×10^-2 Ｆ＝0.12559×10^-2,G＝−0.19125×10^-3 ｜f₁/f|＝2.89,|f₂/f|＝1.71 ｜h_aM／r_s｜＝1.19,|h_aC/I|＝1.02 ν_p2−ν_n2＝30.9,ν_n1−ν_p1＝30.9,D/f＝0.28 実施例３ ｆ＝1,F/2.3,像高＝1.2640,2ω＝133° r₁＝11.2360 d₁＝0.5618 n₁＝1.51633 ν₁＝64.15 r₂＝1.1305（非球面） d₂＝0.5874 r₃＝∞ d₃＝0.3511 n₂＝1.72916 ν₂＝54.68 r₄＝1.4045 d₄＝0.7022 n₃＝1.83350 ν₃＝21.00 r₅＝∞（絞り） d₅＝0.1404 r₆＝−2.7985 d₆＝1.0994 n₄＝1.51633 ν₄＝64.15 r₇＝−1.3196 d₇＝0.1404 r₈＝9.2459 d₈＝1.5449 n₅＝1.56384 ν₅＝60.69 r₉＝−1.5538（非球面） d₉＝0.3511 r₁₀＝5.5695 d₁₀＝1.5449 n₆＝1.72916 ν₆＝54.68 r₁₁＝−2.2584 d₁₁＝0.8008 n₇＝1.83350 ν₇＝21.00 r₁₂＝∞ 非球面係数 （第２面） Ｐ＝1,B＝0,E＝0.52575×10^-1 Ｆ＝−0.18124,G＝−0.17692×10^-1 （第９面） Ｐ＝−0.1523,B＝0,E＝0.55755×10^-2 Ｆ＝0.35761×10^-2,G＝−0.16114×10^-3 ｜f₁/f|＝3.27,|f₂/f|＝1.46 ｜h_aM／r_s｜＝1.14,|h_aC/I|＝0.95 ν_n1−ν_p1＝33.68,D/f＝0.35 実施例４ ｆ＝1,F/2.6,像高＝1.7,2ω＝120° r₁＝15.0（非球面） d₁＝0.8 n₁＝1.51633 ν₁＝64.15 r₂＝1.160 d₂＝0.9 r₃＝∞ d₃＝0.9687 n₂＝1.84666 ν₂＝23.78 r₄＝−2.50 d₄＝0.5287 n₃＝1.72916 ν₃＝54.68 r₅＝∞（絞り） d₅＝0.2 r₆＝−60.0 d₆＝0.7043 n₄＝1.84666 ν₄＝23.78 r₇＝2.8023 d₇＝1.5843 n₅＝1.72916 ν₅＝54.68 r₈＝−2.5246 d₈＝0.10 r₉＝11.0 d₉＝1.70 n₆＝1.56384 ν₆＝60.69 r₁₀＝−1.7208（非球面） d₁₀＝0.4401 r₁₁＝15.3648 d₁₁＝1.80 n₇＝1.72916 ν₇＝54.68 r₁₂＝−3.0 d₁₂＝0.8435 n₈＝1.84666 ν₈＝23.78 r₁₃＝∞ 非球面係数 （第１面） Ｐ＝5.5618,B＝0,E＝0.20964×10^-1 Ｆ＝−0.24455×10^-2,G＝0.24174×10^-3 （第10面） Ｐ＝−1.3223,B＝0,E＝−0.47394×10^-2 Ｆ＝0.2803×10^-2,G＝−0.26815×10^-3 ｜f₁/f|＝3.04,|f₂/f|＝1.79 ｜h_aM／r_s｜＝1.17,|h_aC/I|＝0.97 ν_p2−ν_n2＝30.9,ν_n1−ν_p1＝30.9,D/f＝0.44 ただしr₁，r₂，…はレンズ各面の曲率半径、d₁，d₂，
…は各レンズの肉厚および空気間隔、n₁，n₂，…は各レ
ンズ屈折率、ν₁，ν₂，…は各レンズのアッペ数であ
る。

上記実施例１乃至実施例４は、夫々第１図乃至第４図
に示す構成の光学系である。

これら実施例はいずれも条件（１）〜（２）の外条件
（３）〜（４）も満足するものである。

又実施例1,2,4は、明るさ絞りの近くに絞りに向かっ
て凸の接合面を有する接合レンズを有している。これら
接合レンズは主として倍率の色収差を補正することを目
的としている。

更に実施例2,4のように後群の絞り直後の接合レンズ
は、負レンズのアッペ数をν_n2，正レンズのアッベ数を
ν_p2とする時、次に条件（５）を満足するようにしてあ
る。

（５）ν_p2−ν_n2＞10 更にこの接合レンズの接合面で主光線がなるべく斜め
に入射するように前記のように絞りに対し凸面にしてあ
る。

又これら実施例１〜４では、前群中の絞り直前に接合
レンズを配置しており、この接合レンズの正レンズのパ
ッベ数ν_p1と負レンズのアッペ数着ν_n1を次の条件
（６）を満足するように選んでいる。

（６）ν_n1−ν_p1＞10 更にこの前群中の接合レンズの接合面は、主光線がな
るべく斜めに入射するように絞りに向けて凸の面にして
ある。

又実施例３は、実施例１の光学系が前群に設ける非球
面をレンズの物体側（第１面）に設けたのをレンズの像
側（第２面）に設けた。

これによって第１面の出張り量が少なくなり、外部の
光線が入射しにくくなりフレアー等の防止になる。又水
きれ等も向上する。

これら実施例は、最終面が平面であるおで、イメージ
ガイドと組合わせて使用する時、最終面にイメージガイ
ドを接合してもよい。

［発明の効果］ 本発明の内視鏡対物光学系は、非球面を用いることに
より歪曲収差，像面湾曲等が良好にされていると共に非
球面形状が加工性のよいものでコンパクトなものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は夫々本発明の対物光学系の実施例１
乃至実施例４の断面図、第５図乃至第８図は夫々実施例
１乃至実施例４の収差曲線図である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体側から順に、負の屈折力を持つ前群
   と、明るさ絞りと、３つの正レンズ群からなり正の屈折
   力を持つ後群と、を備えた内視鏡対物レンズであって、
   前記前群内の最も物体側のレンズは物体側に凸の非球面
   を有し、前記後群は、最も明るさ絞り側のレンズと最も
   像側のレンズとの間に、変極点を持たない像側に凸の非
   球面を像側のレンズ面に備えたレンズを有し、以下の条
   件（１）、（２）を満足することを特徴とする内視鏡対
   物レンズ。 （１）｜f₁/f|＜６ （２）｜f₂/f|＜４ ただし、f₁、f₂、ｆはそれぞれ前群、後群および全系の
   焦点距離。
2. 【請求項２】さらに以下の条件式（３）、（４）を満足
   することを特徴とする請求項１の内視鏡対物レンズ。 （３）｜h_aM／r_s｜＞0.7 （４）｜h_ac/I|＞0.5 ただし、h_aMは後群の非球面におけるマージナル光線
   高、h_acは後群の非球面における最大像高の主光線高、r
   _sは絞り半径、Ｉは最大像高である。
3. 【請求項３】前記後群の最も明るさ絞り側のレンズは接
   合レンズであり、さらに以下の条件（５）を満足するこ
   とを特徴とする請求項１又は２の内視鏡対物レンズ。 （５）ν_p2−ν_n2＞10 ただし、ν_p2は絞り直後の接合レンズ中の正レンズのア
   ッベ数、ν_n2は絞り直後の接合レンズ中の負レンズのア
   ッベ数である。
4. 【請求項４】前記前群は前記明るさ絞りの直前に接合レ
   ンズを有しており、さらに以下の条件（６）を満足する
   ことを特徴とする請求項１、２又は３の内視鏡対物レン
   ズ。 （６）ν_n1−ν_p1＞10 ただし、ν_p1は絞り直前の接合レンズ中の正レンズのア
   ッベ数、ν_n1は絞り直後の接合レンズ中の負レンズのア
   ッベ数である。