JP4265909B2

JP4265909B2 - 内視鏡用対物レンズ

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Publication number: JP4265909B2
Application number: JP2002374285A
Authority: JP
Inventors: 俊宮野
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: US6994668B2; JP2004205779A; US20040125469A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡の先端部分に配置される小型の対物レンズに関し、特に画像情報を伝送するために用いられる高解像な撮像用素子に対応した内視鏡用対物レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内視鏡に使用される対物レンズとして、本出願人は特許文献１に記載された４群６枚構成の内視鏡用対物レンズを既に開示している。また、本出願人は、特願２００２−２１８６９６号明細書において４群５枚構成の内視鏡用対物レンズを出願している。この特願２００２−２１８６９６号明細書記載の内視鏡用対物レンズは、広角化とバックフォーカス確保と倍率色収差補正という、同時に満足させにくい課題を満足させようとするものである。
【０００３】
レンズ設計上、広角化を図るには、同一画面サイズにおいては焦点距離を短くする必要がある。しかし、既存の内視鏡用対物レンズをもとに単に系全体を比例縮小した場合には、バックフォーカスも短縮されてしまうことになり、これでは撮像素子との間に光路折り曲げ用のプリズムを挿入することが困難となる。そこで、広角化を図りつつバックフォーカスの増大を図ることが必要となるが、レンズ系最終部材の接合レンズが倍率色収差の補正に作用する構成とされている場合、バックフォーカスの増大はこの倍率色収差補正作用を弱めることになってしまう。倍率色収差が大きくなると、周辺像の色にじみを生じさせるのみならず、周辺部の解像力をも低下させるので、内視鏡を用いて管腔内を観察、診断をする際に、正確な観察や正確な診断を妨げる虞も生じる。
【０００４】
上記明細書記載の内視鏡用対物レンズは、広角で、かつ倍率色収差補正効果を十分発揮し得る範囲内でバックフォーカスの増大を図り得るような４群５枚によるレンズ構成の各要素のバランスを規定し、要望に応えるものとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−２６１２１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一方では、この内視鏡用対物レンズと同程度に広角でかつ倍率色収差補正が良好なレンズを、５枚という構成枚数よりも、むしろより長いバックフォーカスを重視して構成したいという要望がある。レンズ系最終部材と撮像素子との間には、最低限必要となる光路折り曲げ用のプリズムだけでなく、例えばローパスフィルタや赤外線カットフィルタ等の、フィルタ類を挿入することが望ましいからである。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、130〜140度程度と広角でかつ十分なバックフォーカスを確保しつつ、収差、特に倍率色収差を良好に補正し良好な光学性能を有する４群６枚構成の内視鏡用対物レンズを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズＬ_１と、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３を接合してなる全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_２＋３と、像側に曲率半径の小さい方の面を向けた正の第４レンズＬ_４と、正の第５レンズＬ_５および負のメニスカスレンズよりなる第６レンズＬ_６を接合してなる、全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_５＋６とを配列した４群６枚構成からなり、前記接合レンズＬ_２＋３と前記第４レンズＬ_４との間に明るさ絞りが配置され、下記条件式（１）〜（５）を満足することを特徴とするものである。
【０００９】
１．５０＜│ｄ／ｆ_１│＜２．５０ …（１）
０．９６＜ｆ／ｈ＜１．０４ …（２）
２．００＜ｆ_２＋３／ｆ＜２５．０ …（３）
１５．０＜│ν_２−ν_３│ …（４）
１０．０［ｍｍ ^−１］＜ｆ×（ν_５−ν_６）／（Ｒ×Ｂｆ） …（５）
ただし、
ｄ：第１レンズＬ_１の凹面頂点より明るさ絞りまでの距離
ｆ_１：第１レンズＬ_１の焦点距離
ｆ_２＋３：接合レンズＬ_２＋３の合成焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
ｈ：最大像高
Ｂｆ：バックフォーカス
ν_２：第２レンズＬ_２のアッベ数
ν_３：第３レンズＬ_３のアッベ数
ν_５：正の第５レンズＬ_５のアッベ数
ν_６：負の第６レンズＬ_６のアッベ数
Ｒ：接合レンズＬ_５＋６の接合面の曲率半径の絶対値
【００１０】
なお、上記「曲率半径の小さい方の面」とは、同一レンズの他方の面と比較して曲率半径の絶対値が小さい面を表すものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態を代表させるものとして、後述する実施例１のレンズ基本構成を示すものである。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズＬ_１と、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３を接合してなる全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_２＋３と、像側に曲率半径の小さい方の面を向けた正の第４レンズＬ_４と、正の第５レンズＬ_５および負のメニスカスレンズよりなる第６レンズＬ_６を接合してなる、全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_５＋６とを配列した４群６枚構成からなる。
【００１３】
また、図１および以下の図２〜４において図の繁雑さを避けるため図示されていないが、接合レンズＬ_２＋３と第４レンズＬ_４の間に明るさ絞りが配されている。また、第６レンズＬ_６の像側には、ローパスフィルタおよび赤外線カットフィルタよりなるフィルタ１、光路折り曲げ用の全反射プリズム２がこの順に配され、さらにカバーガラス３を介してＣＣＤ素子の撮像面上に物体像が結像され、画像情報は電気信号に変換されて伝達される。なお、図１および以下の図２〜４においてＸは光軸、Ｐは結像位置を示す。
【００１４】
また、この内視鏡用対物レンズは下記条件式（１）〜（５）を満足する。
１．５０＜│ｄ／ｆ_１│＜２．５０ …（１）
０．９６＜ｆ／ｈ＜１．０４ …（２）
２．００＜ｆ_２＋３／ｆ＜２５．０ …（３）
１５．０＜│ν_２−ν_３│ …（４）
１０．０［ｍｍ ^−１］＜ｆ×（ν_５−ν_６）／（Ｒ×Ｂｆ） …（５）
ただし、
ｄ：第１レンズＬ_１の凹面頂点より明るさ絞りまでの距離
ｆ_１：第１レンズＬ_１の焦点距離
ｆ_２＋３：接合レンズＬ_２＋３の合成焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
ｈ：最大像高
Ｂｆ：バックフォーカス
ν_２：第２レンズＬ_２のアッベ数
ν_３：第３レンズＬ_３のアッベ数
ν_５：正の第５レンズＬ_５のアッベ数
ν_６：負の第６レンズＬ_６のアッベ数
Ｒ：接合レンズＬ_５＋６の接合面の曲率半径の絶対値
【００１５】
条件式（１）は、第１レンズＬ_１の凹面頂点より明るさ絞りまでの距離ｄと、第１レンズＬ_１のパワー（焦点距離ｆ_１の逆数）を掛けたものの絶対値の数値範囲を規定している。第１レンズＬ_１の負のパワーはほとんどこの像側の凹面により規定されるといってもよく、この値が大きいと、バックフォーカスを大きくすることが容易となる。条件式（１）の数値範囲は広角化を図りつつバックフォーカス量を確保するためのもので、この下限値を超えると、バックフォーカス量が小さくなり、光路折り曲げ用のプリズム２さえも挿入することが困難になる。一方、上限値を超えると、バックフォーカス量を大きくしやすくなるが、必要以上のバックフォーカス量は系の全長の増大を招く。内視鏡の先端部としては、構成部が長くなると操作性も悪化する。また、第１レンズＬ_１のパワーが大きく、そのために条件式（１）の上限値を超えている場合には、像面湾曲の補正が困難ともなる。
【００１６】
次に、条件式（２）は、超広角の内視鏡用対物レンズにおいて周辺光量を確保するために設定された条件式であり、最大像高ｈと全系の焦点距離ｆの比を規定するものである。この値を条件式（２）のように、ほぼ１に設定するのは次の理由による。
【００１７】
広角レンズにおいては、負の歪曲収差を取り除くと、コサイン４乗則による周辺光量の低下が著しいことはよく知られている。例えば、画角が130度の場合の周辺光量は中心の3.2％まで落ち込み、使用に耐えないものとなる。周辺光量を重視した場合に必要な光学系の歪曲収差量は、画角が130度前後の光学系の歪曲収差量としては、半画角をωとして、（tanω^- ^１−１）×100（％）程度である。
【００１８】
ここで、歪曲収差量Ｄ（％）は、実際の像高をＹ_real、理想像高をＹ_idealとすると、Ｄ＝100×（Ｙ_real−Ｙ_ideal）／Ｙ_ideal で定義される。この歪曲収差量Ｄとして前述の（tanω^- ^１−１）×100を用い、Ｙ_realは最大像高ｈ、Ｙ_idealは焦点距離をｆとするとｆtanωであることにより、最大像高ｈと焦点距離ｆとの比を求めると、１となる。条件式（２）ではこの値に上下４％の幅を持たせ、超広角なレンズにおいて周辺光量を確保するための条件としている。
【００１９】
条件式（３）は、全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_２＋３の焦点距離を規定することにより、像面湾曲を効果的に補正しようとするものである。この下限値を超えると像面はオーバーに倒れ、この上限値を超えると像面は逆にアンダーとなる。なお、接合レンズＬ_２＋３の焦点距離は主に物体側の凸面（第２レンズＬ_２の物体側の面）により決まるといってもよく、条件式（３）はこの面を積極的に収差補正に利用するような条件であるということができる。
【００２０】
条件式（４）は、正の屈折力を有する接合レンズＬ_２＋３を構成する第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３の、硝材のアッベ数の差を定義するものである。この下限値は、倍率色収差および軸上色収差を補正するのに必要な条件であり、さらにこれらのレンズＬ_２、Ｌ_３のうち凹レンズを構成する硝材のアッベ数が、凸レンズを構成する硝材のアッベ数より大きい必要がある。
【００２１】
条件式（５）は、正の第５レンズＬ_５と負のメニスカスレンズよりなる第６レンズＬ_６との接合面の色消しのパワー（ν_５−ν_６）／Ｒと、バックフォーカスＢｆを焦点距離ｆで規格化した値Ｂｆ／ｆとの比を規定している。この下限値を超えると倍率色収差の補正が困難となる。
【００２２】
これら条件式（１）〜（５）は、本実施形態が、広角でかつ十分なバックフォーカスを確保し良好な光学性能を備えているために、相互に関係し合って全体としてバランスのよい条件を規定するものである。例えば、条件式（５）の一要素であるバックフォーカスＢｆは条件式（１）の値とも密接に関連し、条件式（１）の値が大きくなりバックフォーカスＢｆが大きくなることは、条件式（５）に関連する倍率色収差の補正にも関わる。これら条件式（１）〜（５）を同時に満足することにより、広角でかつフィルタ類を挿入するためにも十分なバックフォーカスを確保した、良好な光学性能を有する内視鏡用対物レンズを得ることができる。
【００２３】
なお、本発明に係る内視鏡用対物レンズの第４レンズＬ_４を、像側に曲率半径の小さい方の面を向けた正のレンズとすることにより、コマ収差を十分に補正することができる。また、第３レンズＬ_３は、像側に平面または第２レンズＬ_２の物体側の面よりも曲率半径の大きい面を向けたレンズとされていることが好ましく、正の第５レンズＬ_５は、物体側に平面または曲率半径の大きい面を向けたレンズとされていることが好ましい。「曲率半径の大きい面」とは、一般に、極めて平面に近くそれ自身では実質的に屈折力を有さないような面のことを表すものであって、第３レンズＬ_３および／または第５レンズＬ_５をこのように構成することにより色収差の補正を良好とすることができる。
【００２４】
以下、本発明に係る実施例１〜４について具体的に説明する。
【００２５】
＜実施例１＞
図１は本実施例に係る内視鏡用対物レンズの構成を示すものである。この内視鏡用対物レンズの構成は、物体側より順に、像側に凹面を向けた平凹レンズからなる第１レンズＬ_１、物体側に曲率半径の大きい面を向けた両凸レンズからなる第２レンズＬ_２と物体側に凹面を向けた平凹レンズからなる第３レンズＬ_３との接合レンズＬ_２＋３、明るさ絞り、物体側に曲率半径の大きい面を向けた両凸レンズからなる第４レンズＬ_４、および、物体側に曲率半径の大きい面を向けた両凸レンズからなる第５レンズＬ_５と像側に凸面を向けた負のメニスカスレンズからなる第６レンズＬ_６との接合からなり、全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_５ ₊ _６の４群６枚構成からなる。また、フィルタ１、全反射プリズム２、およびカバーガラス３が上述のとおり配されている。明るさ絞りの曲率半径は無限大とされる。
【００２６】
表１に、本実施例の物体距離、各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔（各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ、およびアッベ数νを示す。なお、表１および以下の表２〜４において、各記号に対応させた数字は物体側から順次増加するようになっている。
【００２７】
【表１】

【００２８】
本実施例では、第１レンズＬ_１の物体側の面および第３レンズＬ_３の像側の面は平面により構成されており、これらのレンズ面の研磨が容易となり製造コストの低減を図ることができる。
【００２９】
なお、本実施例のように第３レンズＬ_３の像側の面を平面とした場合、このレンズ面自体に明るさ絞りを形成するような構成が可能となる。これにより組立誤差を小さくすることが可能となるためレンズ系の組立が容易となり、レンズ系の組立コストの低減を図ることができる。
【００３０】
＜実施例２＞
図２は本実施例に係る内視鏡用対物レンズの構成を示すものである。この内視鏡用対物レンズの構成は実施例１のものと略同様とされているが、接合レンズＬ_２＋３は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第２レンズＬ_２および物体側に凸面を向けた平凸レンズからなる第３レンズＬ_３よりなる。また、明るさ絞り、フィルタ１、全反射プリズム２、およびカバーガラス３が実施例１と同様に配されている。
【００３１】
表２に、本実施例の物体距離、各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔（各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ、およびアッベ数νを示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
＜実施例３＞
図３は本実施例に係る内視鏡用対物レンズの構成を示すものである。この内視鏡用対物レンズの構成は実施例１のものと略同様とされているが、第３レンズＬ_３は像側に凸面を向けた負メニスカスレンズよりなる。また、明るさ絞り、フィルタ１、全反射プリズム２、およびカバーガラス３が実施例１と同様に配されている。
【００３４】
表３に、本実施例の物体距離、各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔（各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ、およびアッベ数νを示す。
【００３５】
【表３】

【００３６】
＜実施例４＞
図４は本実施例に係る内視鏡用対物レンズの構成を示すものである。この内視鏡用対物レンズの構成は実施例２のものと略同様とされているが、第３レンズＬ_３は物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズよりなり、第４レンズＬ_４は像側に凸面を向けた正メニスカスレンズよりなる。また、明るさ絞り、フィルタ１、全反射プリズム２、およびカバーガラス３が実施例１と同様に配されている。
【００３７】
表４に、本実施例の物体距離、各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの軸上面間隔（各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔）Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎ、およびアッベ数νを示す。
【００３８】
【表４】

【００３９】
上記実施例１〜４において、最大像高ｈ、画角２ω、焦点距離ｆ、バックフォーカスＢｆ、および条件式（１）〜（５）に対応する各値は表５に示すとおりである。なお、これらの値はｄ線における値である。表５に示されるとおり、各実施例は、条件式（１）〜（５）を満足しており、広角でかつ十分なバックフォーカスを確保し良好な光学性能を有する内視鏡用対物レンズとされている。
【００４０】
【表５】

【００４１】
図５〜８は、上記実施例１〜４に係る内視鏡用対物レンズの球面収差、非点収差、ディストーション、倍率色収差およびコマ収差を示す収差図である。なお、これらの収差図においてωは半画角を示す。図示されるように、各実施例に係る内視鏡用対物レンズは倍率色収差の他、各収差を良好に補正したものであることが明らかである。
【００４２】
なお、前述した従来の内視鏡用対物レンズと本発明とを比較するならば、特開昭６３−２６１２１３号公報記載の内視鏡用対物レンズは、４群６枚構成という点で類似しているが、本発明の接合レンズＬ_２＋３に相当する接合レンズにほとんど屈折力を有さないことが規定されている。そのため、例えば、この従来例の条件式（２）と本発明の条件式（３）とは実質的に同様の対象について規定するものであるが、その数値範囲は全く重複しない。この従来例において、数値例１のこの値は４７８．４となり、数値例２では６００となる。本発明が、この従来例とは異なるレンズ諸要素のバランスにより、所定の作用効果を得るものであることは明らかである。
【００４３】
また、特願２００２−２１８６９６号明細書記載の内視鏡用対物レンズは、広角で倍率色収差補正も良好なものとされているが、バックフォーカスは本発明と比較して短いため、フィルタ類を挿入する構成には適さない場合がある。本発明は４群６枚構成とこの従来例に比べレンズ構成枚数が１枚多く、いわばこの従来例の第２レンズＬ_２に相当する部分を接合レンズにより構成したものといえる。しかしながら、これによりレンズ系中の接合面数を増加することができ、この従来例に比べ倍率色収差補正作用を結像面側の接合面だけに依存しなくてもすみ、結果としてバックフォーカスの長い構成が可能となったものである。結像面側の接合面はその位置が結像面から離れるほど色消し作用が弱まるので、この接合面のみで倍率色収差の補正効果を得るためには、この接合面が十分な色消しのパワーを持ち、かつ結像面からあまり離して配置されないことが重要であり、これがバックフォーカス量に影響を与えていたからである。したがって、結像面側接合面に関する条件式（本発明の条件式（５）およびこの従来例の条件式（３））は本発明の方が下限値が小さく、より広い数値範囲が許容される構成となっている。
【００４４】
なお、本発明の内視鏡用対物レンズとしては、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えば各レンズの曲率半径Ｒおよびレンズ間隔（もしくはレンズ厚）Ｄを適宜変更することが可能である。また、第４レンズＬ_４および／または第５レンズＬ_５が物体側に平面を向けた正のレンズとされていてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る内視鏡用対物レンズによれば、所定の４群６枚構成および明るさ絞り位置で、所定の条件式をすべて満足することにより、130〜140度程度と広角でかつ十分なバックフォーカスを確保しつつ、収差、特に倍率色収差を良好に補正し良好な光学性能を有する内視鏡用対物レンズを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る内視鏡用対物レンズの構成を示す図
【図２】実施例２に係る内視鏡用対物レンズの構成を示す図
【図３】実施例３に係る内視鏡用対物レンズの構成を示す図
【図４】実施例４に係る内視鏡用対物レンズの構成を示す図
【図５】実施例１に係る内視鏡用対物レンズの諸収差図
【図６】実施例２に係る内視鏡用対物レンズの諸収差図
【図７】実施例３に係る内視鏡用対物レンズの諸収差図
【図８】実施例４に係る内視鏡用対物レンズの諸収差図
【符号の説明】
Ｌ_１〜Ｌ_６レンズ
Ｒ_１〜Ｒ_１６曲率半径
Ｄ_１〜Ｄ_１５軸上面間隔
Ｘ光軸
１フィルタ
２プリズム
３ＣＣＤカバーガラス

Claims

物体側から順に、像側に凹面を向けた負の第１レンズＬ_１と、第２レンズＬ_２および第３レンズＬ_３を接合してなる全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_２＋３と、像側に曲率半径の小さい方の面を向けた正の第４レンズＬ_４と、正の第５レンズＬ_５および負のメニスカスレンズよりなる第６レンズＬ_６を接合してなる、全体で正の屈折力を有する接合レンズＬ_５＋６とを配列した４群６枚構成からなり、前記接合レンズＬ_２＋３と前記第４レンズＬ_４との間に明るさ絞りが配置され、下記条件式（１）〜（５）を満足することを特徴とする内視鏡用対物レンズ。
１．５０＜│ｄ／ｆ_１│＜２．５０ …（１）
０．９６＜ｆ／ｈ＜１．０４ …（２）
２．００＜ｆ_２＋３／ｆ＜２５．０ …（３）
１５．０＜│ν_２−ν_３│ …（４）
１０．０［ｍｍ ^−１］＜ｆ×（ν_５−ν_６）／（Ｒ×Ｂｆ） …（５）
ただし、
ｄ：第１レンズＬ_１の凹面頂点より明るさ絞りまでの距離
ｆ_１：第１レンズＬ_１の焦点距離
ｆ_２＋３：接合レンズＬ_２＋３の合成焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
ｈ：最大像高
Ｂｆ：バックフォーカス
ν_２：第２レンズＬ_２のアッベ数
ν_３：第３レンズＬ_３のアッベ数
ν_５：正の第５レンズＬ_５のアッベ数
ν_６：負の第６レンズＬ_６のアッベ数
Ｒ：接合レンズＬ_５＋６の接合面の曲率半径の絶対値