JP3845331B2 - 内視鏡対物光学系 - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、一部のレンズ群を移動させて全系の焦点距離を可変にし、広視野角での通常観察と高倍率での拡大観察を可能にする拡大内視鏡対物光学系に関する。
【0002】
【従来技術及びその問題点】
通常観察と拡大観察を可能にする内視鏡対物光学系として、一部のレンズ群を移動させて焦点距離を変化させる内視鏡観察光学系が知られている。可動群が一つの群だけの場合、全系のコンパクト性、全長一定を保ちつつ変倍比を大きくするには移動群の倍率が等倍を挟むのが一般的であるが、物体−像面間距離(物像間距離)は移動群の倍率が等倍になった個所で最短となり、この最短状態から拡大側にレンズ群を移動させると物体距離が大きくなるので中間の焦点域での使用には不向きである。特開2000‐267002号公報は、一つの群だけを移動させて変倍していて,移動群が等倍を挟まない実施例も含んでいるが,この実施例では、拡大時の物体距離を0.8mm程度(広角端の焦点距離が1mmの場合)と非常に短くして倍率を大きくしているため照明がうまくあたらない部分がでてしまう。また、通常観察時の広画角を得るためには第1レンズ群の外径が大きくなる。特許第2876252号では、パワーの大きい負レンズ群で変倍しているため、収差補正のためにレンズ枚数が多い。
【0003】
特開平11‐295596号公報ではレンズ群と撮像素子を移動させているが、CCDなどの撮像素子は信号処理基板やケーブルが付随するため、これを移動させるには強い駆動力が必要になる。特にアクチュエーターやモーターなどで駆動する場合、移動群(体)の負荷を軽減するのは重要になる。従って像面は変倍によらず固定された状態が望ましい。
【0004】
複数のレンズ群を移動させて変倍させる従来例として特開2001‐166203号公報や特開2001‐91832号公報がある。前者は全体として負−正−正の3群構成で、第2、第3レンズ群を移動させて変倍しているが、第2群のパワーが小さくて変倍比が小さい。また、拡大観察時の像面湾曲が大きい。後者は負−正−負−正の4群構成で、第3群と第2または第4群を移動させて変倍しているが、第3レンズ群のパワーが強いため、収差補正のためにレンズ枚数が多くなり、全長が長くなる。
【0005】
【発明の目的】
本発明は、一部のレンズ群を移動させて全系の焦点距離を可変にし、広視野角での通常観察と高倍率での拡大観察を可能にする拡大内視鏡対物光学系において、全長、レンズ外径を小さくした内視鏡対物光学系を得ることを目的とする。
【0006】
【発明の概要】
本発明の内視鏡対物光学系は、物体側から順に、負の単レンズからなる第1レンズ群、正のパワーを有する第2レンズ群、正のパワーを有する第3レンズ群、及び負のパワーを有する第4レンズ群からなり、第1レンズ群から像面迄の全長を変化させることなく、物体距離を変化させながら第2レンズ群と第3レンズ群を移動させることにより、合焦状態を保持したまま全系の焦点距離を変化させ、次の条件式(1)ないし(4)を満足することを特徴としている。
(1) - 7.638≦f4/fw< - 3
(2) - 2<f1/fw≦ - 1.359
(3)1.2<f2/fw<2.1
(4)0.602≦(f23t×w)/(f23w×ft)<1.5
但し、
f1;第1レンズ群の焦点距離。
f4;第4レンズ群の焦点距離、
fw;全系の短焦点距離端の焦点距離。
f2;第2レンズ群の焦点距離、
f23t;全系が最大倍率を取るときの第2レンズ群と第3レンズ群の合成焦点距離、
f23w;短焦点距離端における第2レンズ群と第3レンズ群の合成焦点距離、
ft;全系の最大倍率位置での焦点距離、
である。
【0010】
【発明の実施態様】
図17は、本発明による内視鏡対物光学系を電子内視鏡に適用した一態様を示している。内視鏡体内挿入部100には、物体側から順に、負のパワーを有する固定の第1レンズ群10と、絞りSと、正のパワーを有する可動の第2レンズ群20と、正のパワーを有する可動の第3レンズ群30と、負のパワーを有する固定の第4レンズ群40と、カバーガラス(フィルタ類)CGと、撮像素子50とが位置している。絞りSは第2レンズ群20に搭載されていて、第2レンズ群20と一緒に移動する。第1レンズ群10は、負の単レンズからなっている。
【0011】
以上の内視鏡対物光学系において、広角での通常観察状態から拡大観察状態に移行させるには、第1レンズ群10から撮像素子50(像面)迄の全長を変化させることなく、物体距離を小さくし(体内挿入部全体を観察物体に接近させ)ながら、第2レンズ群20と第3レンズ群30を各々独立に物体側に移動させて、全系の焦点距離を変化させ、最低倍率端から最大倍率端に変化させる。別言すると、第2レンズ群20と第3レンズ群30は、短焦点距離端Sでの物体距離OSを基準にしたとき、第2レンズ群20と第3レンズ群30を各々独立に物体側に移動させ、最大倍率観察位置Lに向けて合焦物体距離OLを短縮する。第1レンズ群10から撮像素子50(像面)迄の距離は変化しない。なお,第2、第3群レンズ群の移動軌跡によっては,広角での通常観察状態から拡大観察状態への切替えにおいて物体距離と倍率が単調に変化しても,全系の焦点距離変化は単調にならない場合もある(途中で焦点距離が最大になり,最大倍率状態では焦点距離がそれより短くなることもある)。
【0012】
このように、第2レンズ群20と第3レンズ群30の2つのレンズ群を移動させることにより、広角での通常観察と拡大観察の切替時に第1レンズ群10に対して像面を固定し、さらに合焦物体距離の変化を単調にすることができる。この変化が単調でないことは、広角での通常観察から拡大観察へ移行の途中で物体が第1レンズに相対的に接近してまた遠ざかることを意味するから、物体距離が単調に変化することは、短焦点距離端、最大倍率位置の中間領域で観察を行う場合に重要である。物体距離変化が単調でない場合、通常観察から拡大観察に連続的に移行する操作において、スコープ先端を途中までは物体に近づいていくが途中からは遠ざかるという不自然な操作をしなければならず操作性が悪い(あるいは操作に熟練を要する)。
【0013】
本実施形態の特徴の一つは、移動群(第2レンズ群20と第3レンズ群30)の後部(像面側)に負のパワーを有する第4レンズ群40を配置した点にある。レンズ外径を小さくしつつ通常観察時の広視野角を得るには第1レンズ群10の負のパワーを大きくすることが好ましい。しかし単純に第1レンズ群10の負のパワーを大きくすると、第1レンズ群10の倍率が小さくなるために、拡大時に高倍率を得るには正のパワーを有する移動群のパワーを小さくする必要が生じる。そして、移動群の正のパワーを小さくすると移動量が大きくなり全体の長さが大きくなる。そこで本実施形態では、第2レンズ群20と第3レンズ群30の後部に負のパワーを有する第4レンズ群40を配置することにより、第4レンズ群で倍率を拡大して、第2レンズ群20と第3レンズ群30のパワーを大きくすることを可能とし、もって全長の短縮を可能とした。
【0014】
条件式(1)は第4レンズ群の焦点距離に対する条件である。
条件式(1)の下限を下回ると、第4レンズ群の倍率が小さくなり、全長の短縮を図りつつ拡大時の全系の倍率を上げることが困難になる。
条件式(1)の上限を上回ると、第4レンズ群の負のパワーが大きくなるため、テレセントリック性が悪化する。
【0015】
全長を短くするために第1レンズ群は負の単レンズからなっている。条件式(2)は、この負の単レンズの焦点距離に関する条件である。条件式(2)の下限を下回ると、通常観察で広画角を得ようとするときにレンズ外径が大きくなる。また、拡大時に像面湾曲が大きくなる。条件式(2)の上限を上回ると、第1レンズ群の倍率が小さくなるため、拡大時の全系の倍率を大きくするためには正のレンズ群の焦点距離が長くなり装置が大型化する。また、第1レンズ群で発生する非点収差、コマ収差が大きくなり、他のレンズ群で補正するのが困難になる。
【0016】
条件式(3)は第2レンズ群の焦点距離を規定する。
条件式(3)の下限から外れると、拡大観察時に十分な倍率が得られない。
条件式(3)の上限から外れると、変倍比を大きくするために第2レンズ群の移動量が大きくなり、全長が長くなる。
【0017】
条件式(4)は移動群の合成焦点距離変化の範囲を規定する。
条件式(4)の下限から外れると、変倍時の移動群のパワー変化が大きいため収差の変動が大きくなり、各焦点域で収差をバランスさせるのが困難になる。
条件式(4)の上限から外れると、第2、第3レンズ群の間隔が大きくなるため、全長が長くなる。
【0018】
次に具体的な実施例を示す。諸収差図及び表中、球面収差で表される色収差(軸上色収差)図及び倍率色収差図中のd線、g線、c線はそれぞれの波長に対する収差であり、Sはサジタル、Mはメリディオナル、mは全系の横倍率、fは全系の焦点距離、ODISは物体距離(物体から最も物体側のレンズ面までの空気換算距離)、fB はバックフォーカス(カバーガラスCGの最も像側の面から撮像素子50の撮像面までの空気換算距離)、FEは実効Fナンバー、Wは半画角(゜)、rは曲率半径、dはレンズ厚またはレンズ間隔、Nd はd線の屈折率、νdはアッベ数を示す。
【0019】
[実施例1]
図1ないし図4は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例1を示している。図1及び図3はそれぞれ、短焦点距離端(最低倍率位置)及び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図2及び図4はそれぞれ、図1及び図3のレンズ構成での諸収差図である。表1はその数値データである。負の第1レンズ群10は単レンズからなり、正の第2レンズ群20は単レンズからなり、正の第3レンズ群30は負レンズと正レンズの接合レンズからなり、負の第4レンズ群40は単レンズからなっている。絞りSは、第2レンズ群20(3面)の前方(物体側)0.278の位置にある。
【0020】
【表1】
【0021】
[実施例2]
図5ないし図8は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例2を示している。図5及び図7はそれぞれ、短焦点距離端(最低倍率位置)及び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図6及び図8はそれぞれ図5及び図7のレンズ構成での諸収差図である。表2はその数値データである。基本的なレンズ構成は実施例1と同様である。絞りSは、第2レンズ群20(3面)の前方(物体側)0.090の位置にある。
【0022】
【表2】
【0023】
[実施例3]
図9ないし図12は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例3を示している。図9及び図11はそれぞれ、短焦点距離端及(最低倍率位置)び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図10及び図12はそれぞれ図9及び図11のレンズ構成での諸収差図である。表3はその数値データである。 基本的なレンズ構成は実施例1と同様である。絞りSは、第2レンズ群20(3面)の前方(物体側)0.030の位置にある。
【0024】
【表3】
【0025】
[実施例4]
図13ないし図16は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例4を示している。図13及び図15はそれぞれ、短焦点距離端(最低倍率位置)及び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図14及び図16はそれぞれ図13及び図15のレンズ構成での諸収差図である。表4はその数値データである。基本的なレンズ構成は(第3レンズ群が物体側から順に正レンズと負レンズからなる点を除き,)実施例1と同様である。絞りSは、第2レンズ群20(3面)の前方(物体側)0.281の位置にある。
【0026】
【表4】
【0027】
各実施例の各条件式に対する値を表5に示す。
【表5】
実施例1 実施例2 実施例3 実施例4
条件式(1) -4.732 -5.949 -7.638 -5.464
条件式(2) -1.715 -1.359 -1.456 -1.668
条件式(3) 1.803 1.921 1.699 1.469
条件式(4) 0.704 0.606 0.602 0.726
各実施例は各条件式を満足しており、諸収差も比較的よく補正されている。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、一部のレンズ群を移動させて全系の焦点距離を可変にし、広視野角での通常観察と高倍率での拡大観察を可能にする拡大内視鏡対物光学系において、全長、レンズ外径を小さくした内視鏡対物光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による内視鏡対物光学系の実施例1の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図2】図1のレンズ構成の諸収差図である。
【図3】本発明による内視鏡対物光学系の実施例1の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図4】図3のレンズ構成の諸収差図である。
【図5】本発明による内視鏡対物光学系の実施例2の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図6】図5のレンズ構成の諸収差図である。
【図7】本発明による内視鏡対物光学系の実施例2の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図8】図7のレンズ構成の諸収差図である。
【図9】本発明による内視鏡対物光学系の実施例3の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図10】図9のレンズ構成の諸収差図である。
【図11】本発明による内視鏡対物光学系の実施例3の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図12】図11のレンズ構成の諸収差図である。
【図13】本発明による内視鏡対物光学系の実施例4の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図14】図13のレンズ構成の諸収差図である。
【図15】本発明による内視鏡対物光学系の実施例4の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図16】図15のレンズ構成の諸収差図である。
【図17】本発明による内視鏡対物光学系の内視鏡先端部への搭載模式図及び簡易移動図である。
Claims (2)
- 物体側から順に、負の単レンズからなる第1レンズ群、正のパワーを有する第2レンズ群、正のパワーを有する第3レンズ群、及び負のパワーを有する第4レンズ群からなり、
第1レンズ群から像面迄の全長を変化させることなく、物体距離を変化させながら第2レンズ群と第3レンズ群を移動させることにより、合焦状態を保持したまま全系の焦点距離を変化させ、
次の条件式(1)ないし(4)を満足することを特徴とする内視鏡対物光学系。
(1) - 7.638≦f4/fw< - 3
(2) - 2<f1/fw≦ - 1.359
(3)1.2<f2/fw<2.1
(4)0.602≦(f23t×w)/(f23w×ft)<1.5
但し、
f1;第1レンズ群の焦点距離。
f4;第4レンズ群の焦点距離、
fw;全系の短焦点距離端の焦点距離。
f2;第2レンズ群の焦点距離、
f23t;全系が最大倍率を取るときの第2レンズ群と第3レンズ群の合成焦点距離、
f23w;短焦点距離端における第2レンズ群と第3レンズ群の合成焦点距離、
ft;全系の最大倍率位置での焦点距離。 - 請求項1記載の内視鏡対物光学系を設けた内視鏡。
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