JP4261131B2 - 内視鏡対物光学系および内視鏡 - Google Patents

内視鏡対物光学系および内視鏡 Download PDF

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Description

【0001】
【技術分野】
本発明は、物体距離を変化させながら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内視鏡対物光学系および内視鏡に関する。
【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、観察する物体に接近しながら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短焦点距離側から長焦点距離側の途中で等倍を越える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、この位置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その前後の焦点域での使用は操作性が悪く不向きである。特開2000‐267002号公報では、一つの群だけを移動させていて、移動群の倍率を等倍より小さい範囲にした実施例をふくむが、この実施例では物像間距離は単調な変化にできるが、拡大時の倍率を大きくするためには第1レンズ群の負のパワーが小さくなるため、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。また、拡大時の像面湾曲が大きくなる。
【0003】
複数のレンズ群を移動させて変倍させる従来例としては特開2001‐91832号公報や特開2001‐166203号公報が知られているが、合焦物体距離の変化と可動の変倍レンズ群の移動軌跡については考慮されていない。
【0004】
また、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、物体距離の変化を単調減少にするためにレンズ群と撮像素子の相対的な移動軌跡は非線形である。また、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。
【0005】
【発明の目的】
本発明は、観察する物体に接近しながら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において、可動の変倍レンズ群の移動機構を単純化でき、操作性に優れる内視鏡対物光学系、およびこの内視鏡対物光学系を利用した内視鏡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、像面に対して固定で負のパワーを有する第1レンズ群と、可動で正のパワーを有する第2レンズ群と、可動で正のパワーを有する第3レンズ群とからなり、第1レンズ群から像面までの距離を変化させることなく、観察する物体に接近しながら第2・第3レンズ群を移動させることにより全系の焦点距離を長くしつつ合焦状態を保持する内視鏡対物光学系において、以下の条件式を満足することを特徴としている。
(1)0.25 < f2 / f3 < 0.6
(2) -1.6 < 1 / f2 × ( 0.5×f1 − d1T − H12 − H21) < -1.14
(3)d2W > d2T
但し、
f1、f2、f3:第1、第2、第3レンズ群の焦点距離、
d1T:長焦点距離端での第1レンズ群〜第2レンズ群の間隔、
H12:第1レンズ群の像側主点〜第1レンズ群最終面の距離、
H21:第2レンズ群第1面〜第2レンズ群の物体側主点の距離、
d2W、d2T:短焦点距離端、長焦点距離端での第2レンズ群〜第3レンズ群間隔、
である。
【0007】
この態様では、短焦点距離端での第2レンズ群と第3レンズ群の位置を基準にし、短焦点距離端から長焦点距離端の間の任意の中間焦点距離での像面に対する第2レンズ群の移動量をΔd2、第3レンズ群の移動量をΔd3としたとき、次の条件式(4)を満足するのが好ましい。
(4)Δd3=K・Δd2(Kは正の定数)
このように、可動の第2レンズ群と第3レンズ群の相対的な移動軌跡が像面に対して共に直線になるようにレンズ群を移動させることにより駆動機構を簡略化できる。移動軌跡が曲線(非線形)だと非線形カムが必要になるが、線形なら例えばヘリコイドやネジの回転による駆動機構が可能になる。
【0008】
第2レンズ群を駆動する駆動手段の駆動部の動き量をΔxとするとき、次の条件式(5)を満足するのが好ましい。
(5)Δd2=L・Δx(Lは定数、但しゼロは除く)
【0009】
第3レンズ群の後方には、像面に対して固定の第4レンズ群を設けてもよい。
【0010】
さらに、上記内視鏡対物光学系を内視鏡に設けることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図21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実施形態を示している。内視鏡体内挿入部の先端には、負のパワーを有する第1レンズ群10が固定されており、体内挿入部の内部には、第1レンズ群10側から順に、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30P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3レンズ群30PとカバーガラスCGとの間には、正または負のパワーの固定の第4レンズ群40を配置してもよい。
【0012】
以上の内視鏡対物光学系において、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、観察する物体に接近させ(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30Pを像面に対して移動させて、全系の焦点距離を短焦点距離端から長焦点距離端に変化させる。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30Pを移動させて、長焦点距離端Lに向けて合焦物体距離OLを短縮する。このとき、物体距離の変化が単調に変化するのが望ましいが、単調にならなくても最小物体距離と最大倍率位置の物体距離の差が微小であれば実用上問題ない。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。
【0013】
このとき、本実施形態では、短焦点距離端での第2レンズ群20と第3レンズ群30Pの位置を基準にし、短焦点距離端から長焦点距離端の間の任意の中間焦点距離での像面に対する第2レンズ群の移動量をΔd2、第3レンズ群の移動量をΔd3としたとき、Δd3がΔd2に比例する(Δd3∝Δd2)ように第2、第3レンズ群の移動軌跡を定めている。
具体的には、
(4)Δd3=K・Δd2(Kは正の定数)が成立している。
【0014】
このように、第2レンズ群20と第3レンズ群30Pの2つのレンズ群を両者の移動軌跡の相対関係が線形となるように移動させることにより、移動機構を単純化することができる。
さらに、条件式(5)に示すように、例えば第2レンズ群をモータにより駆動させる場合には、モータの回転量(駆動部の動き量)に第2レンズ群の移動量Δd2が比例するようにしている。
また、条件式(1)乃至(3)を満足することで通常観察と拡大観察の切替時に第1レンズ群10から像面までの距離を固定し、さらに合焦物体距離の変化を単調に、もしくは最小物体距離と最大倍率位置の物体距離の差を微小に抑えることができる。この変化が単調でなくて最小物体距離と最大倍率位置の物体距離の差が大きいと、通常観察から最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、最大倍率位置間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くて、さらに物体距離の戻り量が大きい場合、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)。
【0015】
具体的な構成として、物体側から順に、負のパワーを有する第1レンズ群10、正のパワーを有する第2レンズ群20、及び正のパワーを有する第3レンズ群30Pからなる3群構成、または正負いずれかのパワーを有する固定の第4レンズ群40を加えた4群構成からなる場合には、条件式(1)及び(2)を満足することが好ましい。
条件式(1)の下限を下回ると、第3レンズ群の焦点距離が長くなり、変倍時に第3レンズ群の移動量が大きくなるので全長が長くなる。条件式(1)の上限を上回ると第3レンズ群のパワーが大きくなり、変倍により第3レンズ群で発生する収差変化が大きくなるため、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(2)の下限を下回ると、拡大観察時に全系の倍率を大きくできなくなる。条件式(2)の上限を上回ると、長焦点距離端での第2レンズ群の倍率が大きくなり、第2レンズ群と第3レンズ群を相対的に直線軌跡で移動させた場合に、物体距離の戻り量が大きくなる。
条件式(3)に示すように、第2レンズ群と第3レンズ群の合成焦点距離は、低倍率時より高倍率時に短くなるようにする。拡大観察時にこの合成焦点距離を長くすると、第2レンズ群と第3レンズ群を相対的に直線軌跡で移動させつつ物体距離の戻りを微少に抑えようとした場合、全系の倍率を所望の値まで十分に高めることができないからである。
【0016】
次に具体的な実施例を示す。実施例1ないし3は、物体側から順に、負、正、正の3群構成、実施例4は物体側から順に負、正、正、負の4群構成である。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、FEは実効Fナンバー、fは全系の焦点距離、ODISは物体距離(第1レンズ群の最も物体側面から物体までの距離)、Wは半画角(゜)、fBはバックフォーカス(カバーガラス13の最も像側の面から撮像素子14の撮像面までの空気間隔)、mは撮影倍率(最小撮影倍率-最大撮影倍率)、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。
【0017】
[実施例1]
図1ないし図5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、短焦点距離端及び長焦点距離端におけるレンズ構成図を示し、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を示している。表1はその数値データである。図5は、合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図、表2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30Pは負レンズと正レンズの接合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)0.28mmの位置にある。
【0018】
【表1】
FE =1: 5.7 - 6.1
f =1.33 - 1.65
ODIS =-10.13 - -2.20
W =68.6 - 45.8
B =0.05 - 0.05
m =-0.12 - -0.62
面No. r d Nd νd
1 ∞ 0.30 1.88300 40.8
2 1.854 1.99-1.14 - -
3 -6.021 1.19 1.77250 49.6
4 -1.507 1.35-0.61 - -
5 4.663 0.40 1.92286 18.9
6 1.610 1.26 1.64000 60.1
7 -4.433 0.72-2.30 - -
8 ∞ 1.00 1.51633 64.1
9 ∞ 0.30 1.53113 62.4
10 ∞ - - -
【0019】
【表2】
物体距離 Δd2 Δd3
-10.13 0.00 0.00
-7.89 -0.04 -0.08
-6.46 -0.08 -0.16
-5.48 -0.13 -0.24
-4.76 -0.17 -0.32
-4.22 -0.21 -0.40
-3.80 -0.25 -0.48
-3.47 -0.30 -0.56
-3.21 -0.34 -0.63
-2.99 -0.38 -0.71
-2.82 -0.42 -0.79
-2.67 -0.47 -0.87
-2.55 -0.51 -0.95
-2.46 -0.55 -1.03
-2.38 -0.59 -1.11
-2.32 -0.64 -1.19
-2.27 -0.68 -1.27
-2.24 -0.72 -1.35
-2.22 -0.76 -1.43
-2.20 -0.81 -1.51
-2.20 -0.85 -1.59
【0020】
[実施例2]
図6ないし図10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6及び図8はそれぞれ、短焦点距離端及び長焦点距離端におけるレンズ構成図を示し、図7及び図9はそれぞれ、図6及び図8のレンズ構成での諸収差図を示している。表3はその数値データである。図10は、合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図、表4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)0.08mmの位置にある。
【0021】
【表3】
FE = 1: 5.8 - 6.4
f = 1.37 - 1.74
ODIS = -9.97 - -2.50
W = 70.0 - 42.5
B = 0.05 - 0.05
m = -0.13 - -0.65
面No. r d Nd νd
1 ∞ 0.30 1.88300 40.8
2 1.694 1.43-0.63 - -
3 -2.347 1.33 1.88300 40.8
4 -1.366 1.34-0.28 - -
5 4.963 0.39 1.92286 18.9
6 1.839 1.47 1.64000 60.1
7 -5.087 0.96-2.82 - -
8 ∞ 1.00 1.51633 64.1
9 ∞ 0.30 1.53113 62.4
10 ∞ - - -
【0022】
【表4】
物体距離 Δd2 Δd3
-9.97 0.00 0.00
-7.78 -0.04 -0.09
-6.39 -0.08 -0.19
-5.44 -0.12 -0.28
-4.75 -0.16 -0.37
-4.23 -0.20 -0.46
-3.84 -0.24 -0.56
-3.53 -0.28 -0.65
-3.28 -0.32 -0.74
-3.08 -0.36 -0.84
-2.92 -0.40 -0.93
-2.80 -0.44 -1.02
-2.70 -0.48 -1.12
-2.62 -0.52 -1.21
-2.56 -0.56 -1.30
-2.51 -0.60 -1.39
-2.49 -0.64 -1.49
-2.47 -0.68 -1.58
-2.47 -0.72 -1.67
-2.48 -0.76 -1.77
-2.50 -0.80 -1.86
【0023】
[実施例3]
図11ないし図15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11及び図13はそれぞれ、短焦点距離端及び長焦点距離端におけるレンズ構成図を示し、図12及び図14はそれぞれ、図11及び図13のレンズ構成での諸収差図を示している。表5はその数値データである。図15は、合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図、表6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)0.18mmの位置にある。
【0024】
【表5】
FE = 1: 5.7 - 5.9
f = 1.28 - 1.56
ODIS = -10.00 - -2.00
W = 69.4 - 48.4
B = 0.05 - 0.05
m = -0.12 - -0.66
面No. r d Nd νd
1 ∞ 0.30 1.88300 40.8
2 1.511 1.65-0.88 - -
3 -7.558 1.45 1.88300 40.8
4 -1.596 1.51-0.26 - -
5 5.076 0.30 1.92286 18.9
6 1.421 1.35 1.64328 47.9
7 -4.050 0.52-2.55 - -
8 ∞ 1.00 1.51633 64.1
9 ∞ 0.30 1.53113 62.4
10 ∞ - - -
【0025】
【表6】
物体距離 Δd2 Δd3
-10.00 0.00 0.00
-7.83 -0.04 -0.10
-6.42 -0.08 -0.20
-5.43 -0.12 -0.30
-4.70 -0.15 -0.40
-4.15 -0.19 -0.51
-3.72 -0.23 -0.61
-3.37 -0.27 -0.71
-3.10 -0.31 -0.81
-2.87 -0.35 -0.91
-2.68 -0.39 -1.01
-2.53 -0.42 -1.11
-2.40 -0.46 -1.21
-2.30 -0.50 -1.32
-2.22 -0.54 -1.42
-2.15 -0.58 -1.52
-2.09 -0.62 -1.62
-2.05 -0.65 -1.72
-2.03 -0.69 -1.82
-2.01 -0.73 -1.92
-2.00 -0.77 -2.02
【0026】
[実施例4]
図16ないし図20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16及び図18はそれぞれ、短焦点距離端及び長焦点距離端におけるレンズ構成図を示し、図17及び図19はそれぞれ、図16及び図18のレンズ構成での諸収差図を示している。表7はその数値データである。図20は、合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図、表8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30P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は負レンズと正レンズの接合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)0.23mmの位置にある。
【0027】
【表7】
FE =1: 5.7-6.2
f =1.30 - 1.55
ODIS =-11.74 - -2.07
W =69.5 - 44.6
B =0.05 - 0.05
m =-0.10 - -0.61
面No. r d Nd νd
1 ∞ 0.30 1.88300 40.8
2 1.444 2.31-1.50 - -
3 12.837 1.50 1.88300 40.8
4 -1.898 0.71-0.39 - -
5 6.459 0.30 1.84666 23.8
6 1.358 1.02 1.51633 64.1
7 -2.265 0.32-1.45 - -
8 -2.450 0.30 1.84666 23.8
9 -20.355 0.46 1.69680 55.5
10 -3.561 0.51 - -
11 ∞ 1.00 1.53113 62.4
12 ∞ 0.30 1.51633 64.1
13 ∞ - - -
【0028】
【表8】
物体距離 Δd2 Δd3
-11.74 0.00 0.00
-8.50 -0.05 -0.06
-6.67 -0.09 -0.11
-5.50 -0.13 -0.17
-4.69 -0.17 -0.23
-4.11 -0.21 -0.28
-3.66 -0.25 -0.34
-3.32 -0.29 -0.40
-3.05 -0.33 -0.45
-2.83 -0.37 -0.51
-2.66 -0.41 -0.56
-2.52 -0.45 -0.62
-2.40 -0.49 -0.68
-2.31 -0.53 -0.73
-2.24 -0.57 -0.79
-2.18 -0.61 -0.85
-2.14 -0.65 -0.90
-2.11 -0.69 -0.96
-2.09 -0.73 -1.02
-2.08 -0.77 -1.07
-2.07 -0.81 -1.13
【0029】
各実施例の各条件式に対する値を表9に示す。
【表9】
実施例1 実施例2 実施例3 実施例4
条件式(1) 0.384 0.350 0.301 0.261
条件式(2)-1.283 -1.157 -1.270 -1.551
条件式(3) ○ ○ ○ ○
(○は条件式を満足する)
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。また、すべての実施例において、短焦点距離端から長焦点距離端にかけて、第2レンズ群20の移動量Δd2と第3レンズ群30Pの移動量Δd3とは比例関係にあり、合焦物体距離は単調に減少していて、最長焦点距離における最小物体距離で最大撮影倍率を達成している。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、観察する物体に接近しながら一部のレンズ群を移動させて焦点距離を短焦点距離側から長焦点距離側に移動させる内視鏡観察光学系において、可動の変倍レンズ群の移動機構を単純化でき、操作性に優れる内視鏡対物光学系および内視鏡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】実施例1の長焦点距離端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】実施例1の合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図である。
【図6】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7】図6のレンズ構成の諸収差図である。
【図8】実施例2の長焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図9】図8のレンズ構成の諸収差図である。
【図10】実施例2の合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図である。
【図11】本発明による内視鏡対物光学系の実施例3の短焦点距離端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】実施例3の長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】実施例3の合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図である。
【図16】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17】図16のレンズ構成の諸収差図である。
【図18】実施例4の長焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図19】図18のレンズ構成の諸収差図である。
【図20】実施例4の合焦物体距離、第2レンズ群の移動量Δd2及び第3レンズ群の移動量Δd3の関係を示すグラフ図である。
【図21】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。
【符号の説明】
10 第1レンズ群
20 第2レンズ群
30P 第3レンズ群
40 第4レンズ群
50 撮像素子
S 絞り

Claims (5)

  1. 物体側から順に、像面に対して固定で負のパワーを有する第1レンズ群と、可動で正のパワーを有する第2レンズ群と、可動で正のパワーを有する第3レンズ群とからなり、第1レンズ群から像面までの距離を変化させることなく、観察する物体に接近しながら第2・第3レンズ群を移動させることにより全系の焦点距離を長くしつつ合焦状態を保持する内視鏡対物光学系において、
    次の条件式(1)ないし(3)を満足することを特徴とする内視鏡対物光学系。
    (1)0.25 < f2 / f3 < 0.6
    (2) -1.6 < 1 / f2 × ( 0.5×f1 − d1T − H12 − H21) < -1.14
    (3)d2W > d2T
    但し、
    f1、f2、f3:第1、第2、第3レンズ群の焦点距離、
    d1T:長焦点距離端での第1レンズ群〜第2レンズ群の間隔、
    H12:第1レンズ群の像側主点〜第1レンズ群最終面の距離、
    H21:第2レンズ群第1面〜第2レンズ群の物体側主点の距離、
    d2W、d2T:短焦点距離端、長焦点距離端での第2レンズ群〜第3レンズ群間隔。
  2. 請求項1記載の内視鏡対物光学系において、短焦点距離端での第2レンズ群と第3レンズ群の位置を基準にし、短焦点距離端から長焦点距離端の間の任意の中間焦点距離での像面に対する第2レンズ群の移動量をΔd2、第3レンズ群の移動量をΔd3としたとき、次の条件式(4)を満足する内視鏡対物光学系。
    (4)Δd3=K・Δd2(Kは正の定数)
  3. 請求項1または2記載の内視鏡対物光学系において、第2レンズ群を駆動する駆動手段の駆動部の動き量をΔxとするとき、次の条件式(5)を満足する内視鏡対物光学系。
    (5)Δd2=L・Δx(Lは定数、但しゼロは除く)
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項記載の内視鏡対物光学系において、上記第3レンズ群の後方に像面に対して固定の第4レンズ群を有する内視鏡対物光学系。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項記載の対物光学系を設けた内視鏡。
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