JP3574484B2

JP3574484B2 - 内視鏡用対物光学系

Info

Publication number: JP3574484B2
Application number: JP32098794A
Authority: JP
Inventors: 一幸高橋
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: JPH08179226A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、医用または工業用の内視鏡の対物光学系に関し、特に、前群と後群（絞）との間に光束の方向変換光学素子を挿入するためのスペースを要する側視（斜視）型内視鏡用に好適な対物光学系に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
医用機器としての内視鏡による患部の検査、手術、レーザ治療等は、内視鏡の体内挿入部（チューブ）を患者の体内に挿入して行なう。患者の負担軽減を図るためにも、チューブの小径化が望まれており、対物光学系も小型化を求められている。しかし内視鏡用の対物光学系は、一般に広角が望まれるため、最周辺光束が通る光軸からの高さが最も物体側あるいは像側のレンズで高くなり、このためレンズ外径が大きくなる傾向がある。
【０００３】
また内視鏡には、チューブの先端の端部に対物光学系の第１レンズを設け、この第１レンズの光軸上に直線状に他のレンズやＣＣＤを並べる直視型と、チューブの先端の側部に同第１レンズを設け、この第１レンズの光軸をプリズム等で曲げてその曲折光軸上に他のレンズやＣＣＤを並べる側視（斜視）型とがあり、体内への挿入場所の違いや検査目的の違いに応じて、使い分けられている。この側視型内視鏡では、プリズム等の光束方向変換光学素子が一般的に必要であり、内視鏡のチューブの小径化を阻害しないためには、この光束方向変換光学素子は、可及的に絞に近接していることが望ましい。レンズ系は、この方向変換光学素子を収納するための十分なスペースを持ち、かつチューブ自体の小型化を考慮したコンパクトなものとする必要がある。
【０００４】
さらに対物光学系の像をＣＣＤ（固体撮像素子）上に結像させる電子内視鏡の場合には、小型化されたＣＣＤであっても、ＣＣＤを保護し、赤外光等の観察有害光を除去するために、厚いカバーガラスやフィルター類が必要である。これらのカバーガラスやフィルター類を組み込むためには、対物光学系のバックフォーカスを長くしなければならない。しかし、先端部湾曲性の向上、ＣＣＤ先端部の小型化の要求等から、対物光学系の全長には当然制約がある。このため、長いバックフォーカスと、光束方向変換光学素子の収納スペースとの両者を求められる側視型の電子内視鏡では、対物光学系の光学設計が困難となり、光学系を構成するレンズを薄くする、レンズ枚数を少なくする等の対策を取らざるを得ず、その結果、レンズの加工組立が困難となるばかりか、光学性能も犠牲されるという問題があった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、従って、光束方向変換光学素子の収納スペースと長いバックフォーカスとの両者が得られ、しかも広角で光学性能が良好な内視鏡の対物光学系を得ることを目的とする。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、物体側から順に、負の焦点距離を有する前群と、絞と、正の焦点距離を有する後群とを有する内視鏡用対物光学系において、上記後群は、物体側の正レンズと、正レンズと負レンズの接合レンズとからなり、下記の条件式（１）から（５）を満足することを特徴としている。
（１）−１．１０＜ｆ _f ／ｆ＜−０．８０
（２）１．１６７２≦ｄ _f ／ｆ＜２．００
（３）１．２０＜ｆ _r ／ｆ＜１．７０
（４）０．００＜ｆ／ｒ _r1 ＜０．８０
（５）０．０８＜ｎ _N −ｎ _P
但し、
ｆ；対物光学系全系の焦点距離、
ｆ _f ；上記前群の焦点距離、
ｆ _r ；上記後群の焦点距離、
ｄ _f ；上記前群の最も物体側に位置するレンズの像側の面から上記後群の最も物体側に位置するレンズの物体側の面迄の空気換算距離、
ｒ _r1 ；後群中の物体側の正レンズの物体側の面の曲率半径、
ｎ _N ；後群中の上記接合レンズの負レンズのｄ線に対する屈折率、
ｎ _P ；後群中の上記接合レンズの正レンズのｄ線に対する屈折率、
である。
【０００７】
本発明においては、前群の物体側の第１レンズが負レンズからなり、この負レンズが条件式（６）を満足することが好ましい。
（６）１．７０＜ｎ _f1
但し、
ｎ _f1 ；上記負レンズのｄ線に対する屈折率、
である。
【００１１】
側視型の内視鏡に用いる場合には、前群と後群（絞）との間には、光束方向変換光学素子を配置することができる。
【００１２】
【発明の実施例】
以下図示実施例について本発明を説明する。本発明の内視鏡用対物光学系は、物体側より順に、負の焦点距離を有する前群と、絞と、正の焦点距離を有する後群とを有するレトロフォーカス型を採用している。条件式（１）は、このレトロフォーカス型において、前群の焦点距離の取るべき範囲を表わしている。下限を越えて負の焦点距離が長くなると、屈折力が弱まって、必要な視野角が得られなくなり、バックフォーカスも短くなる。上限を越えて負の焦点距離が短くなると、屈折力が強まって視野角が広がり、バックフォーカスも長くなるが、反面、負の歪曲収差が大きくなりすぎ、さらに、球面収差及び色収差がオーバーになって、結像性能が悪くなる。
【００１３】
条件式（２）は、前群と後群の空気間隔の取るべき範囲を表わす。下限を越えて前群と後群の距離が短くなると、全系の焦点距離が一定の条件下で、負のパワーの前群と正のパワーの後群の距離が近付くため、長いバックフォーカスが得られなくなる。上限を越えて、前群と後群の距離が長くなると、長いバックフォーカスは得られるが、後群への軸外光束の入射高さが高くなり、レンズ外径を大きくしてしまうので、全体の小型化が困難になる。
【００１４】
条件式（３）は、後群の焦点距離の取るべき範囲を表わす。下限を越えて焦点距離が短くなると、長いバックフォーカスの確保が難しくなるとともに、球面収差、非点収差が増大し、良好な性能が保たれない。上限を越えて正の焦点距離が長くなると、長いバックフォーカスの確保は容易となり諸収差も減少するが、レンズ第１面から像面迄の全長が増大し、コンパクト化の上では好ましくない。
【００１５】
本発明の対物光学系は、良好な光学性能を保ちつつ、後群のレンズ外径を小さく抑えるために、さらに条件式（４）を満足することが好ましい。条件式（４）は、このために、後群の第１レンズの物体側の面の曲率半径の取るべき範囲を示す。下限を越えてこの曲率半径が小さくなると、この面への入射光束の入射角が大きくなり、その結果非点収差及び像面湾曲が発生し、光学性能が悪化する。上限を越えてこの曲率半径が大きくなると、この面への入射光束の入射角が小さくなり、軸外光束に対する屈折力が弱まって、次に続くレンズへの入射高さが高くなり、結局、そのレンズ外径を大きくしてしまう。
【００１６】
本発明の対物光学系はさらに、系中の色収差補正用の接合レンズにおいて、非点収差を補正し、レンズ組立及び加工を容易にするために、条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）は、このために、後群中に含まれる接合レンズを構成する正負のレンズの屈折率差の取るべき範囲を示す。下限を越えて屈折率差がなくなると、接合面での光線に対する屈折力が弱まって、球面収差、非点収差等の補正ができなくなる。また接合面の屈折力を得るために、接合面の曲率半径を小さくしなければならなくなり、接合面を凸面とするレンズのコバ厚の確保が困難になり、加工上の困難性が増す。
【００１７】
本発明の対物光学系は、前群のレンズ外径を小さく抑えるために、さらに条件式（６）を満足することが好ましい。条件式（６）は、このために、前群の第１負レンズの屈折率が取るべき範囲を表わす。下限を越えて第１レンズの屈折率が小さくなると、屈折力が弱まって、この第１負レンズの第１面おける軸外光束の入射高さが高くなり、レンズ有効径を大きくしてしまう。
【００１８】
次に具体的な数値実施例を説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の対物光学系の第１の実施例を示すもので、物体側から、単レンズからなる負の前群１０と、光束方向変換光学素子１１と、絞Ｓと、正の後群２０とからなっている。後群２０は、物体側から、正レンズ２１と、正レンズ２２と負レンズ２３の貼合せレンズとからなっている。負レンズ２３の後方には、赤外光吸収フィルタ１２とＣＣＤのカバーガラス１３が位置している。このカバーガラス１３の像側の面は像面（ＣＣＤ撮像面）である。光束方向変換光学素子１１は、例えばプリズムを展開したものであり、図１では平行平面板として描かれている。図１７に、図１の光束方向変換光学素子１１をプリズムとして描いた側視型内視鏡の光学要素の配置例を示す。図１７において、ｄ_３は、プリズム１１への入射点Ａから出射点Ｂまでの距離である。
【００１９】
この光学系の具体的数値データを表１に示し、諸収差を図２に示す。諸収差図中、ＳＡは球面収差、ＳＣは正弦条件、ｄ線、ｇ線、Ｃ線は、それぞれの波長における、球面収差によって示される色収差と倍率色収差、Ｓはサジタル、Ｍはメリディオナルを示している。
【００２０】
表および図面中、ＦＥは実効Ｆナンバー、ｆは全系の焦点距離、ωは半画角、Ｍは近軸横倍率、Ｙは像高、ｆ_Ｂはバックフォーカス（レンズ最終面から撮像面迄の距離）、Ｕ_−１は基準設計距離を表す。ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、Ｎ_ｄはｄ線の屈折率、ν_ｄはｄ線のアッベ数を示す。また、絞Ｓが含まれるレンズ間隔の数値は、表中では、絞を境とする２つの数値で示されている。
【００２１】
【表１】

【００２２】
［実施例２］
図３は、本発明の対物光学系の第２の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は図１の実施例１と同じである。この光学系の具体的数値データを表２に示し、諸収差を図４に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】［実施例３］
図５は、本発明の対物光学系の第３の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は、後群中の貼合せレンズが物体側から負レンズ２４と正レンズ２５とから構成されている点を除き、図１の実施例１と同じである。この光学系の具体的数値データを表３に示し、諸収差を図６に示す。
【００２５】
【表３】

【００２６】
［実施例４］
図７は、本発明の対物光学系の第４の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は、図１の実施例１と同じである。この光学系の具体的数値データを表４に示し、諸収差を図８に示す。
【００２７】
【表４】

【００２８】
［実施例５］
図９は、本発明の対物光学系の第５の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は、図１の実施例１と同じである。この光学系の具体的数値データを表５に示し、諸収差を図１０に示す。
【００２９】
【表５】

【００３０】
［実施例６］
図１１は、本発明の対物光学系の第６の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は、図１の実施例１と同じである。この光学系の具体的数値データを表６に示し、諸収差を図１２に示す。
【００３１】
【表６】

【００３２】
［実施例７］
図１３は、本発明の対物光学系の第７の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は、前群１０と後群２０の間に光束方向変換光学素子１１が配置されていない直視型として構成されている点を除き、図５の実施例３と同じである。この光学系の具体的数値データを表７に示し、諸収差を図１４に示す。
【００３３】
【表７】

【００３４】
［実施例８］
図１５は、本発明の対物光学系の第８の実施例を示すもので、光学要素の基本配置は、図１の実施例１と同じである。この光学系の具体的数値データを表８に示し、諸収差を図１６に示す。
【００３５】
【表８】

【００３６】
表９に、各条件式（１）ないし（６）の各数値を、各実施例について示す。
【表９】

【００３７】
表９から明らかなように、実施例１ないし８の各数値は、条件式（１）ないし（６）を満足している。また本発明の内視鏡用対物光学系は、諸収差図に示すように、諸収差がよく補正されている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、側視型内視鏡に必要な光束方向変換光学素子の収納スペースと長いバックフォーカスとの両者が得られ、しかも広角で光学性能が良好な内視鏡の対物光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内視鏡用対物光学系の第１の実施例を示すレンズ構成図である。
【図２】図１のレンズ系の諸収差図である。
【図３】本発明による内視鏡用対物光学系の第２の実施例を示すレンズ構成図である。
【図４】図３のレンズ系の諸収差図である。
【図５】本発明による内視鏡用対物光学系の第３の実施例を示すレンズ構成図である。
【図６】図５のレンズ系の諸収差図である。
【図７】本発明による内視鏡用対物光学系の第４の実施例を示すレンズ構成図である。
【図８】図７のレンズ系の諸収差図である。
【図９】本発明による内視鏡用対物光学系の第５の実施例を示すレンズ構成図である。
【図１０】図９のレンズ系の諸収差図である。
【図１１】本発明による内視鏡用対物光学系の第６の実施例を示すレンズ構成図である。
【図１２】図１１のレンズ系の諸収差図である。
【図１３】本発明による内視鏡用対物光学系の第７の実施例を示すレンズ構成図である。
【図１４】図１３のレンズ系の諸収差図である。
【図１５】本発明による内視鏡用対物光学系の第８の実施例を示すレンズ構成図である。
【図１６】図１５のレンズ系の諸収差図である。
【図１７】図１のレンズ系の光束方向変換光学素子をプリズムとして描いた光学構成図である。
【符号の説明】
１０前群
１１光束方向変換光学素子
Ｓ絞
２０後群
１２赤外光吸収フィルタ
１３カバーガラス

Claims

物体側から順に、負の焦点距離を有する前群と、絞と、正の焦点距離を有する後群とを有する内視鏡用対物光学系において、
上記後群は、物体側の正レンズと、正レンズと負レンズの接合レンズとからなり、
下記の条件式（１）から（５）を満足することを特徴とする内視鏡用対物光学系。
（１）−１．１０＜ｆ_f ／ｆ＜−０．８０
（２）１．１６７２≦ｄ_f ／ｆ＜２．００
（３）１．２０＜ｆ_r ／ｆ＜１．７０
（４）０．００＜ｆ／ｒ _r1 ＜０．８０
（５）０．０８＜ｎ _N −ｎ _P
但し、
ｆ；対物光学系全系の焦点距離、
ｆ_f ；上記前群の焦点距離、
ｆ_r ；上記後群の焦点距離、
ｄ_f ；上記前群の最も物体側に位置するレンズの像側の面から上記後群の最も物体側に位置するレンズの物体側の面迄の空気換算距離、
ｒ _r1 ；後群中の物体側の正レンズの物体側の面の曲率半径、
ｎ _N ；後群中の上記接合レンズの負レンズのｄ線に対する屈折率、
ｎ _P ；後群中の上記接合レンズの正レンズのｄ線に対する屈折率。
請求項１記載の内視鏡用対物光学系において、前群の物体側の第１レンズは負レンズからなり、下記条件式（６）を満足する内視鏡用対物光学系。
（６）１．７０＜ｎ_f1
但し、
ｎ_f1；上記負レンズのｄ線に対する屈折率。
請求項１または２記載の内視鏡用対物光学系において、前群と絞との間には、光束の方向変換光学素子が配置されている内視鏡用対物光学系。