JP4394197B2 - 内視鏡対物変倍光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、内視鏡に使用する対物変倍光学系に関し、特に２焦点タイプの内視鏡対物変倍光学系に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
近年、内視鏡において拡大観察のニーズが増加傾向にあるが、内視鏡では先端部の構成の大型化や操作性の悪化は許されないという制約があり、一般カメラ用のズームレンズのように、ズーミング（変倍）とフォーカシング（合焦）をそれぞれ別々のレンズ（群）で行うという構成にするのは困難である。すなわち、そのような構成にすると、可動のレンズ群枚数が増加し、メカニカルな移動機構が複雑となるため、対物光学系の大型化を招く。そこで、従来は、例えば、特開昭５１−４４９３７号公報や、特開平１−２７９２１９号公報に記載の対物変倍光学系のように、１つのレンズ群を移動させることで、視野角１２０゜程度の通常観察の状態（短焦点距離）と、近接拡大観察の状態（長焦点距離）の２つの焦点距離で切換使用できる構成（２焦点タイプ）としていた。
【０００３】
しかしながら、従来のこのような内視鏡は、変倍時に物点が移動する（物像間距離が変化する）ため、変倍と同時にフォーカシング（体内挿入部先端の移動）が必要となり、操作性の点で問題があり、改善が望まれていた。また、生体部位によっては、拡大観察時に接近できないこともあり、物像間距離が一定の対物変倍光学系が望まれていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、変倍時に移動するレンズ群が１群のみという簡素な構成でありながら、変倍時に物像間距離が変化しない、小型で高性能な２焦点タイプの対物変倍光学系を得ることを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の内視鏡対物変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、明るさ絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群とから構成され、変倍に際し、第１レンズ群と第３レンズ群は不動であり、第２レンズ群が物像間距離を変化させない光軸上の異なる２点に移動し、次の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴としている。
（１）０．５＜Ｙ／ｆ２＜０．８
（２）０．０５＜｜Ｙ／ｆ３｜＜０．２
但し、
Ｙ：最大像高、
ｆｉ：第ｉレンズ群の焦点距離（ｉ＝１，２，３）、
である。
【０００７】
第１レンズ群は負の単レンズから構成し、次の条件式（３）を満足させることが好ましい。
（３）０．５＜｜Ｙ／ｆ１｜＜０．８
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の内視鏡対物変倍光学系は、図１０の簡易移動図に示すように、物体側から順に、負の第１レンズ群１０と、明るさ絞りＳと、正の第２レンズ群２０と、負の第３レンズ群３０とからなっている。この対物変倍光学系は、変倍に際し、第１レンズ群１０と第３レンズ群３０は不動であり、第２レンズ群２０が、物像間距離を変化させない光軸上の２点に移動する。
【０００９】
本発明の内視鏡対物光学系は、上述のように３群構成とし、負の第１レンズ群を不動とし、正の第２レンズ群だけを移動させることで２焦点タイプの変倍作用を持たせている。像面を固定し第２レンズ群だけを移動させると、物点が移動することが避けられない。物点を移動させずに物像間距離を一定にすることは、例えば負の第３レンズ群を、第２レンズ群による物点移動を補償するように移動させることにより可能である。しかし、可動レンズ群の増加はレンズ系全体の大型化を招くため、内視鏡には好ましくない。そこで、第３レンズ群を固定し、第２レンズ群のみを移動させることによって、変倍によって物像間距離が変化しない２焦点タイプの対物変倍光学系を得ている。
【００１０】
具体的に説明する。変倍に際し、第３レンズ群３０が可動であると仮定し、物像間距離が一定になるように移動させると、図１１に示すように、第３レンズ群３０の移動軌跡は放物線状となる。そのため、第３レンズ群３０は、２つの異なる焦点距離（ｆ１とｆ２）で光軸方向の位置が同一となる。この位置に第３レンズ群３０を固定し、第２レンズ群２０を移動させて変倍すると、２つの焦点距離ｆ１、ｆ２で物像間距離を等しくすることができる。すなわち、第３レンズ群３０が可動であると仮定したときの物像間距離を一定にするための移動軌跡から、第３レンズ群３０の光軸方向の位置が同一になる２つの焦点距離を選択して固定することにより、１つのレンズ群（第２レンズ群２０）のみを移動させることで２つの焦点距離においては物像間距離が変化しない２焦点タイプの対物変倍光学系が得られる。
【００１１】
２つの焦点距離のみで使用する対物変倍光学系は、物体側から順に、負レンズ群、正レンズ群の２群構成でも得ることができる。それに対して、本発明の３群構成では、変倍作用を受け持つ第２レンズ群の像側に負のレンズ群（第３レンズ群）があるため、正の第２レンズ群の屈折力を大きくすることができる。それにより必要な拡大倍率を得るための第２レンズ群の移動量を小さくすることができるために、２群構成に比べてメカニカルな負担を軽減でき、光学系全体の小型化を図ることができる。
【００１２】
条件式（１）は、第２レンズ群の屈折力に関するものである。
条件式（１）の下限を越えて、第２レンズ群の正の屈折力が弱くなると、必要な倍率を得るために第２レンズ群の移動量が大きくなり、光学系の大型化を招く。また、長焦点距離端でのＦナンバーが大きくなる。条件式（１）の下限を越えて第２レンズ群の屈折力が強くなると、短焦点距離端から長焦点距離端までの諸収差をバランスよく補正することが困難となる。特に、長焦点距離端での像面湾曲がアンダーとなる。
【００１３】
条件式（２）は、第３レンズ群の屈折力に関するものである。
条件式（２）の下限を越えて、第３レンズ群の負の屈折力が弱くなりすぎると、第２レンズ群の正の屈折力を大きくすることができなくなり、光学系の大型化を招く。条件式（２）の上限を越えて第３レンズ群の屈折力が強くなると、短焦点距離端において射出瞳位置を十分に像面から遠ざけることができず、良好なテレセントリック性が得られないため、カラー撮像素子を用いる電子内視鏡に適用すると、色ムラなどの問題が発生する。
【００１４】
条件式（３）は第１レンズ群の屈折力に関するものである。
条件式（３）の下限を越えると、短焦点距離端で広い視野角とフィルター類を配置するために必要なバックフォーカスが得られなくなる。条件式（３）の上限を越えると、バックフォーカスが長くなりすぎて全長（第１レンズ群の最も物体側のレンズの物体側の面から像面までの距離）が長くなる。そのため、スコープ先端部の湾曲操作性が低下する。
【００１５】
次に具体的な実施例を示す。諸収差図中、球面収差で表される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はメリディオナルである。また、表中のＦNOはＦナンバー、ｆは全系の焦点距離、Ｗは半画角（゜）、ｆBはバックフォーカス（最も像側の面から像面までの空気換換算距離）、Ｍは横倍率、ｕ-1は物体距離、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、νはアッベ数を示す。ｄ欄の数値で幅のある数値は、表示されている数値のいずれかをとる２焦点位置に切換前後の位置である。
【００１６】
［実施例１］
図１ないし図３は、本発明の内視鏡対物変倍光学系の実施例１を示す。図１はレンズ構成図であり、第１レンズ群１０は、負の単レンズで構成され、第２レンズ群２０は、物体側から順に、正レンズ、正レンズと負レンズの接合レンズで構成され、第３レンズ群３０は負の単レンズで構成されている。ｒ１０〜ｒ１１は撮像素子の撮像面の前に置かれたフィルター類Ｇである。明るさ絞りＳは第２レンズ群と一体に移動する。図２、図３はそれぞれ、この内視鏡対物変倍光学系の短焦点距離位置、長焦点距離位置における諸収差図、表１はその数値データである。
【００１７】
【表１】
【００１８】
［実施例２］
図４ないし図６は、本発明の内視鏡対物変倍光学系の実施例２を示す。図４はレンズ構成図であり、図５、図６はそれぞれ、この内視鏡対物変倍光学系の短焦点距離位置、長焦点距離位置における諸収差図、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。
【００１９】
【表２】
【００２０】
［実施例３］
図７ないし図９は、本発明の内視鏡対物変倍光学系の実施例３を示す。図７はレンズ構成図であり、第１レンズ群１０は、負の単レンズで構成され、第２レンズ群２０は、物体側から順に、正レンズ、正レンズと負レンズの接合レンズで構成され、第３レンズ群３０は負レンズと正レンズの接合レンズで構成されている。ｒ１１〜ｒ１２はフィルター類Ｇである。図８、図９はそれぞれ、この内視鏡対物変倍光学系の短焦点距離位置、長焦点距離位置における諸収差図、表３はその数値データである。
【００２１】
【表３】
【００２２】
各実施例の各条件式に対する値を表４に示す。
【表４】
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、いずれの実施例も第２レンズ群の移動の前後（２焦点位置）での物像間距離（u-1）は一定（10mm）である。すなわち、第１レンズ群は固定であり、第１レンズ群の物体側の面から像面までの距離が一定であるから、物像間距離も一定である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、変倍時に物像間距離が変化しない、小型で高性能な２焦点タイプの内視鏡対物変倍光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による対物光学系の実施例１のレンズ構成図である。
【図２】図１のレンズ構成の短焦点距離位置における諸収差図である。
【図３】図１のレンズ構成の長焦点距離位置における諸収差図である。
【図４】本発明による対物光学系の実施例２のレンズ構成図である。
【図５】図４のレンズ構成の短焦点距離位置における諸収差図である。
【図６】図４のレンズ構成の長焦点距離位置における諸収差図である。
【図７】本発明による対物光学系の実施例３のレンズ構成図である。
【図８】図７のレンズ構成の短焦点距離位置における諸収差図である。
【図９】図７のレンズ構成の長焦点距離位置における諸収差図である。
【図１０】本発明の内視鏡対物変倍光学系の簡易移動図である。
【図１１】第３レンズ群が可動であると仮定したときの物像間距離を一定にするための移動軌跡を示す図である。
【技術分野】
本発明は、内視鏡に使用する対物変倍光学系に関し、特に２焦点タイプの内視鏡対物変倍光学系に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
近年、内視鏡において拡大観察のニーズが増加傾向にあるが、内視鏡では先端部の構成の大型化や操作性の悪化は許されないという制約があり、一般カメラ用のズームレンズのように、ズーミング（変倍）とフォーカシング（合焦）をそれぞれ別々のレンズ（群）で行うという構成にするのは困難である。すなわち、そのような構成にすると、可動のレンズ群枚数が増加し、メカニカルな移動機構が複雑となるため、対物光学系の大型化を招く。そこで、従来は、例えば、特開昭５１−４４９３７号公報や、特開平１−２７９２１９号公報に記載の対物変倍光学系のように、１つのレンズ群を移動させることで、視野角１２０゜程度の通常観察の状態（短焦点距離）と、近接拡大観察の状態（長焦点距離）の２つの焦点距離で切換使用できる構成（２焦点タイプ）としていた。
【０００３】
しかしながら、従来のこのような内視鏡は、変倍時に物点が移動する（物像間距離が変化する）ため、変倍と同時にフォーカシング（体内挿入部先端の移動）が必要となり、操作性の点で問題があり、改善が望まれていた。また、生体部位によっては、拡大観察時に接近できないこともあり、物像間距離が一定の対物変倍光学系が望まれていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、変倍時に移動するレンズ群が１群のみという簡素な構成でありながら、変倍時に物像間距離が変化しない、小型で高性能な２焦点タイプの対物変倍光学系を得ることを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の内視鏡対物変倍光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、明るさ絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群とから構成され、変倍に際し、第１レンズ群と第３レンズ群は不動であり、第２レンズ群が物像間距離を変化させない光軸上の異なる２点に移動し、次の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴としている。
（１）０．５＜Ｙ／ｆ２＜０．８
（２）０．０５＜｜Ｙ／ｆ３｜＜０．２
但し、
Ｙ：最大像高、
ｆｉ：第ｉレンズ群の焦点距離（ｉ＝１，２，３）、
である。
【０００７】
第１レンズ群は負の単レンズから構成し、次の条件式（３）を満足させることが好ましい。
（３）０．５＜｜Ｙ／ｆ１｜＜０．８
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の内視鏡対物変倍光学系は、図１０の簡易移動図に示すように、物体側から順に、負の第１レンズ群１０と、明るさ絞りＳと、正の第２レンズ群２０と、負の第３レンズ群３０とからなっている。この対物変倍光学系は、変倍に際し、第１レンズ群１０と第３レンズ群３０は不動であり、第２レンズ群２０が、物像間距離を変化させない光軸上の２点に移動する。
【０００９】
本発明の内視鏡対物光学系は、上述のように３群構成とし、負の第１レンズ群を不動とし、正の第２レンズ群だけを移動させることで２焦点タイプの変倍作用を持たせている。像面を固定し第２レンズ群だけを移動させると、物点が移動することが避けられない。物点を移動させずに物像間距離を一定にすることは、例えば負の第３レンズ群を、第２レンズ群による物点移動を補償するように移動させることにより可能である。しかし、可動レンズ群の増加はレンズ系全体の大型化を招くため、内視鏡には好ましくない。そこで、第３レンズ群を固定し、第２レンズ群のみを移動させることによって、変倍によって物像間距離が変化しない２焦点タイプの対物変倍光学系を得ている。
【００１０】
具体的に説明する。変倍に際し、第３レンズ群３０が可動であると仮定し、物像間距離が一定になるように移動させると、図１１に示すように、第３レンズ群３０の移動軌跡は放物線状となる。そのため、第３レンズ群３０は、２つの異なる焦点距離（ｆ１とｆ２）で光軸方向の位置が同一となる。この位置に第３レンズ群３０を固定し、第２レンズ群２０を移動させて変倍すると、２つの焦点距離ｆ１、ｆ２で物像間距離を等しくすることができる。すなわち、第３レンズ群３０が可動であると仮定したときの物像間距離を一定にするための移動軌跡から、第３レンズ群３０の光軸方向の位置が同一になる２つの焦点距離を選択して固定することにより、１つのレンズ群（第２レンズ群２０）のみを移動させることで２つの焦点距離においては物像間距離が変化しない２焦点タイプの対物変倍光学系が得られる。
【００１１】
２つの焦点距離のみで使用する対物変倍光学系は、物体側から順に、負レンズ群、正レンズ群の２群構成でも得ることができる。それに対して、本発明の３群構成では、変倍作用を受け持つ第２レンズ群の像側に負のレンズ群（第３レンズ群）があるため、正の第２レンズ群の屈折力を大きくすることができる。それにより必要な拡大倍率を得るための第２レンズ群の移動量を小さくすることができるために、２群構成に比べてメカニカルな負担を軽減でき、光学系全体の小型化を図ることができる。
【００１２】
条件式（１）は、第２レンズ群の屈折力に関するものである。
条件式（１）の下限を越えて、第２レンズ群の正の屈折力が弱くなると、必要な倍率を得るために第２レンズ群の移動量が大きくなり、光学系の大型化を招く。また、長焦点距離端でのＦナンバーが大きくなる。条件式（１）の下限を越えて第２レンズ群の屈折力が強くなると、短焦点距離端から長焦点距離端までの諸収差をバランスよく補正することが困難となる。特に、長焦点距離端での像面湾曲がアンダーとなる。
【００１３】
条件式（２）は、第３レンズ群の屈折力に関するものである。
条件式（２）の下限を越えて、第３レンズ群の負の屈折力が弱くなりすぎると、第２レンズ群の正の屈折力を大きくすることができなくなり、光学系の大型化を招く。条件式（２）の上限を越えて第３レンズ群の屈折力が強くなると、短焦点距離端において射出瞳位置を十分に像面から遠ざけることができず、良好なテレセントリック性が得られないため、カラー撮像素子を用いる電子内視鏡に適用すると、色ムラなどの問題が発生する。
【００１４】
条件式（３）は第１レンズ群の屈折力に関するものである。
条件式（３）の下限を越えると、短焦点距離端で広い視野角とフィルター類を配置するために必要なバックフォーカスが得られなくなる。条件式（３）の上限を越えると、バックフォーカスが長くなりすぎて全長（第１レンズ群の最も物体側のレンズの物体側の面から像面までの距離）が長くなる。そのため、スコープ先端部の湾曲操作性が低下する。
【００１５】
次に具体的な実施例を示す。諸収差図中、球面収差で表される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はメリディオナルである。また、表中のＦNOはＦナンバー、ｆは全系の焦点距離、Ｗは半画角（゜）、ｆBはバックフォーカス（最も像側の面から像面までの空気換換算距離）、Ｍは横倍率、ｕ-1は物体距離、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、νはアッベ数を示す。ｄ欄の数値で幅のある数値は、表示されている数値のいずれかをとる２焦点位置に切換前後の位置である。
【００１６】
［実施例１］
図１ないし図３は、本発明の内視鏡対物変倍光学系の実施例１を示す。図１はレンズ構成図であり、第１レンズ群１０は、負の単レンズで構成され、第２レンズ群２０は、物体側から順に、正レンズ、正レンズと負レンズの接合レンズで構成され、第３レンズ群３０は負の単レンズで構成されている。ｒ１０〜ｒ１１は撮像素子の撮像面の前に置かれたフィルター類Ｇである。明るさ絞りＳは第２レンズ群と一体に移動する。図２、図３はそれぞれ、この内視鏡対物変倍光学系の短焦点距離位置、長焦点距離位置における諸収差図、表１はその数値データである。
【００１７】
【表１】
［実施例２］
図４ないし図６は、本発明の内視鏡対物変倍光学系の実施例２を示す。図４はレンズ構成図であり、図５、図６はそれぞれ、この内視鏡対物変倍光学系の短焦点距離位置、長焦点距離位置における諸収差図、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。
【００１９】
【表２】
［実施例３］
図７ないし図９は、本発明の内視鏡対物変倍光学系の実施例３を示す。図７はレンズ構成図であり、第１レンズ群１０は、負の単レンズで構成され、第２レンズ群２０は、物体側から順に、正レンズ、正レンズと負レンズの接合レンズで構成され、第３レンズ群３０は負レンズと正レンズの接合レンズで構成されている。ｒ１１〜ｒ１２はフィルター類Ｇである。図８、図９はそれぞれ、この内視鏡対物変倍光学系の短焦点距離位置、長焦点距離位置における諸収差図、表３はその数値データである。
【００２１】
【表３】
各実施例の各条件式に対する値を表４に示す。
【表４】
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、変倍時に物像間距離が変化しない、小型で高性能な２焦点タイプの内視鏡対物変倍光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による対物光学系の実施例１のレンズ構成図である。
【図２】図１のレンズ構成の短焦点距離位置における諸収差図である。
【図３】図１のレンズ構成の長焦点距離位置における諸収差図である。
【図４】本発明による対物光学系の実施例２のレンズ構成図である。
【図５】図４のレンズ構成の短焦点距離位置における諸収差図である。
【図６】図４のレンズ構成の長焦点距離位置における諸収差図である。
【図７】本発明による対物光学系の実施例３のレンズ構成図である。
【図８】図７のレンズ構成の短焦点距離位置における諸収差図である。
【図９】図７のレンズ構成の長焦点距離位置における諸収差図である。
【図１０】本発明の内視鏡対物変倍光学系の簡易移動図である。
【図１１】第３レンズ群が可動であると仮定したときの物像間距離を一定にするための移動軌跡を示す図である。
Claims (2)
- 物体側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、明るさ絞りと、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群とから構成され、
変倍に際し、第１レンズ群と第３レンズ群は不動であり、第２レンズ群が物像間距離を変化させない光軸上の異なる２点に移動し、次の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする内視鏡対物変倍光学系。
（１）０．５＜Ｙ／ｆ２＜０．８
（２）０．０５＜｜Ｙ／ｆ３｜＜０．２
但し、
Ｙ：最大像高、
ｆｉ：第ｉレンズ群の焦点距離（ｉ＝１，２，３）。 - 請求項１記載の内視鏡物変倍光学系において、上記第１レンズ群は負の単レンズからなり、次の条件式（３）を満足する内視鏡対物変倍光学系。
（３）０．５＜｜Ｙ／ｆ１｜＜０．８
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1999
- 1999-05-20 JP JP14003299A patent/JP4394197B2/ja not_active Expired - Fee Related
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