JP4516475B2

JP4516475B2 - 略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系

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Publication number: JP4516475B2
Application number: JP2005129191A
Authority: JP
Inventors: 光次郎金野; 達也折原
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: US7576310B2; US20080062260A1; US7915572B2; JP2006304924A; US7317180B2; US20090273666A1; US20060244822A1

Description

本発明は、略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系に関する。

現在、内視鏡は、医療用分野及び工業用分野で広く使用されているが、医療用分野においては、挿入部の存在によって生じる患者の苦痛を軽減するため、撮像光学系をカプセルに内蔵して飲み込んでしまうようにしたカプセル内視鏡が使用されだしている。そして、そのカプセル内視鏡の構成の一例が、下記の特許文献１に開示されている。それによれば、カプセル内視鏡は、略半球状をした透明カバーの内部に、対物レンズと、これを挟むようにして対称に設けた発光ダイオードとを内蔵しており、その発光ダイオードによって照明された被写体は、その観察範囲の部分が、対物レンズによってイメージセンサ上に結像されるようになっている。

また、下記の特許文献２には、上記のようなカプセル内視鏡に用いられる光学系としてではないが、対物レンズとして１枚の非球面レンズを用いることによって、携帯電話などの一般の小型の電子撮像機器に採用される光学系を、小型化，低コスト化したものが開示されている。

特開２００３−２６００２４号公報特開２００３−５０３１号公報

ところで、先端部が略半球状をした透明カバーの内部に、撮像光学系を内蔵しているように構成した内視鏡の場合にも、低コストで製作できることと、良質の画像の得られることが要求されているが、特許文献１に記載されているようなカプセル内視鏡の場合には、ディスポーザブルである必要があることから、特に低コスト化の要求が強い。そこで、そのような観点から特許文献１に記載のカプセル内視鏡をみてみると、ガラスレンズを用いた２枚のレンズ系で対物光学系を構成しているため、レンズ枚数が多いことと、各々にレンズ枠が必要になることから、必然的に部品点数が多くなって、コスト高の大きな要因になっている。また、それらの部品は、複雑な形状を要求されたり高い組立精度を要求されるため、レンズの組立や品質チェックに時間がかかってしまい、コスト高になってしまうということもある。そのため、対物レンズとして特許文献２に記載されている光学系を採用してはどうかということになるが、特許文献２に記載の光学系は、あくまでも屋外での一般被写体用の光学系として設計されているため、レンズ枚数を減らすことはできても、そのままでは内視鏡としての必要な画質を確保することができないという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系であって、内視鏡の部品点数を少なくして低コスト化を可能にし、しかも、十分に良好な画質を得ることを可能にした、略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系は、光学像を形成するための少なくとも１面の非球面を含む対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する固体撮像素子とを備えた、略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系において、前記対物レンズは、正のパワーをもつ単レンズで構成され、前記観察窓表面に沿う位置にある物体に対して下記の二組の条件のうち一組を満たすことを特徴としている。
ΔＳ／ｆ_L＜０．４
及び
ΔＳ／ｆ _L ＜８・Ｐ／（ｔａｎ（ｓｉｎ ^-1 （１／（２Ｆｎｏ））））
、又は、
ΔＭ／ｆ_L＜０．４
及び
ΔＭ／ｆ _L ＜８・Ｐ／（ｔａｎ（ｓｉｎ ^-1 （１／（２Ｆｎｏ））））
ただし、
ｆ_L：撮像光学系の焦点距離
ΔＳ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのサジタル像面の光軸方向における幅
ΔＭ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのメリディオナル像面の光軸方向における幅
Ｐ：固体撮像素子の画素ピッチ
Ｆｎｏ：撮像光学系の有効Ｆｎｏ
また、本発明の略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系は、下記の条件を満たすことが好ましい。
ｗ＞５０°
ただし、
ｗ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置に対応する撮像光学系の半画角
また、本発明の略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系は、下記の条件を満たすことが好ましい。
ただし、
Ｒａ＞０．１２
Ｒａ：固体撮像素子の撮像面でＩＨ・４／５の位置に結像する透明観察窓表面の物点位置に置いた白と黒のラインペアを、前記固体撮像素子の撮像面の水平方向に白と黒のラインが並ぶように撮像して表示装置の表示面に表示したとき、白のラインと黒のラインのコントラストが１０％となる白と黒のラインペアの幅（単位：ｍｍ）

本発明の略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系は、低コスト化を図るために対物光学系を単レンズにしたにもかかわらず、内視鏡検査に必要な良質な画像を確保することができる。

例えば、カプセル内視鏡に代表されるような透明な観察窓を有する医療用の内視鏡では、体腔内への挿入性をよくするために、先端窓が略球形状をしている。このような内視鏡を体腔内へ挿入すると、観察窓が、被写体である体腔内壁に押し付けられるが、特に観察窓の先端中央部よりも周辺部が体腔内壁に密着されやすい。そのため、そのような状態のもとで体腔内壁を安全かつ正確に観察できるようにするためには、観察窓の周辺部に密着した体腔内壁に対して常にピントが合っているようにする必要がある。すなわち、この種の内視鏡は、対物レンズの結像面における最大像高ＩＨからＩＨ／２までに対応する視野範囲内の観察窓表面に沿った体腔内壁を、重要な被写体としているということである。

ところで、このようなことを必要とするカプセル内視鏡に対して、特許文献２に記載されているような一般的な撮像光学系を適用すると、前述の視野範囲内で観察窓表面に密着する被写体の光学像は、大きく像面湾曲してしまう。そこで、そのことを、図１を用いて説明する。図１において、撮像光学系は、略球形状をした透明観察窓１と、対物レンズ２と、固体撮像素子３とで構成されている。また、光線Ａは、固体撮像素子３の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置に結像する光束の主光線を示しており、光線Ｂは、固体撮像素子３の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離ＩＨの半分、すなわちＩＨ／２の位置に結像する光束の主光線を示している。そして、この場合、光線Ａおよび光線Ｂで決まる視野範囲内で、光線Ａと観察窓との交点ａと光線Ｂと観察窓との交点ｂを観察窓に沿って結んだ領域を物体面Ｂと定義する。また、交点ｂを通り対物レンズの光軸に垂直な平面物体を物体面Ａと定義する。

特許文献２で開示されるような一般的な撮像光学系は、無限遠に配置される仮想平面上の物体を、対物レンズ２の光軸に対して垂直に配置されている固体撮像素子３の撮像面に結像させるように構成されている。このため、物体面Ａのように、対物レンズ２に対して近接配置された平面状の物体の像面も、対物レンズ２の光軸に対して垂直な面（図中の像面Ａ）に形成されることになる。また、対物レンズ２に近接配置された物体面Ｂのような湾曲した物体に対応する像面は、対物レンズ２の光軸に垂直な面に対して物体側に大きく湾曲した面（図中の像面Ｂ）に形成されることになる。

一方、撮像光学系では、対物レンズ２の光軸上で固体撮像素子３がピントの合った画像を取得できる範囲は、固体撮像素子３の撮像面の前後にわたって決められており、これを焦点深度と呼んでいる。そして、対物レンズ２の光軸上で固体撮像素子３の撮像面からピントの合った画像を取得できる範囲｜Δｚ｜は、固体撮像素子３の画素ピッチや固体撮像素子３が取得した電気信号を処理する回路の特性に依存し、下記の条件式（１）で与えられる。
｜Δｚ｜＝ｎ・ｐ／（tan（sin^-1（１／（２Fno）））） …（１）
ただし、ｎ・ｐは固体撮像素子３の分解能であって、ｐは固体撮像素子３の画素ピッチであり、ｎは固体撮像素子３と固体撮像素子３が取得した電気信号を処理する回路による輝度信号の作成プロセスから決まる係数であって、単板式の撮像光学系では４程度である。また、Fnoは撮像光学系の有効開口数を表している。

上述したように、カプセル内視鏡のような略球面形状の観察窓を有した内視鏡の撮像光学系においては、物体面Ｂに対する観察性能が重要であるため、焦点深度２・｜Δｚ｜の範囲内に少なくとも物体面Ｂに対するサジタル像面もしくはメリディオナル像面のどちらか一方が含まれるように撮像光学系を構成し、周辺部においてピントのあった画像が得られるようにする必要がある。すなわち、透明観察窓１と対物レンズ２からなる光学系が、観察窓表面の物体に対して形成するサジタル像面もしくはメリディオナル像面が、焦点深度２・｜Δｚ｜との間で下記の条件式（２）を満足するように対物レンズ２を構成する必要がある。
ΔＳ＜２・｜Δｚ｜＝８・ｐ／（tan（sin^-1（１／（２Fno））））
又は、
ΔＭ＜２・｜Δｚ｜＝８・ｐ／（tan（sin^-1（１／（２Fno）））） …（２）
ただし、ΔＳは固体撮像素子３の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのサジタル像面の光軸方向における幅であり、ΔＭはＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのメリディオナル像面の光軸方向における幅である。
そして、図２は、ガウス像面に対するサジタル像面（実線）とメリディオナル像面（破線）の湾曲状況の一例を示した収差図であるが、この図において、ガウス像面を原点にしたときの光軸方向の座標Ｍmax、Ｍmin、Ｓmax、Ｓminは、ΔＳ＝Ｓmax−Ｓmin、ΔＭ＝Ｍmax−Ｍminと定義される。

ここで、カプセル内視鏡のような略球面形状の透明観察窓を有する内視鏡の撮像光学系に関する実際上での具体的な仕様を考慮すると、対物レンズは半画角が５０°以上の非球面を含む単レンズであって、少なくとも一般的なＣＩＦフォーマットの固体撮像素子と組み合わせて使用できるように構成するのが望ましい。また、一般化するために透明観察窓を含めた光学系の焦点距離ｆ_Lで規格化した場合、上記の固体撮像素子の画素ピッチは７μｍ程度であり、この固体撮像素子と組み合わせたときに撮像光学系としての明るさを確保するためには、撮像光学系の有効開口数Fnoを３．７以下とする必要がある。

そのため、このような仕様を上記の条件式（１）に適用すると、撮像光学系の焦点深度の大きさは、下記の式（３）で表されることになる。
２・｜ Δｚ｜＝０．３９（ｍｍ） …（３）
また、上記の仕様を満足する撮像光学系においては、単レンズの対物レンズは、サジタル像面とメリディオナル像面のどちらか一方が、焦点深度２・｜Δｚ｜の範囲内において、下記の条件式（４）を満足するように構成されているのが望ましいということになる。
ΔＳ／ｆ_L ＜０．４又は、ΔＭ／ｆ_L＜０．４ …（４）

次に、実施例の説明に入る前に、略球体形状の透明な観察窓と、光学像を形成するための少なくとも１面の非球面を含む対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する固体撮像素子とよりなる撮像光学系を備えた内視鏡の一例を、図３に示したカプセル内視鏡の場合で説明しておく。このカプセル内視鏡４は、前カバーの役目もしており筒状でその先端側を略半球形状にした透明な観察窓１６の後端と、筒形状でその後端を略半球形状にした非透明な後カバー１７の前端とを相互に嵌合させて、水密的な密閉構造のカプセル容器を形成し、その内部に対物レンズ１８やＬＥＤ２５等を収納している。先ず、観察窓１６の先端に対向する中央位置には、レンズ枠２０に取り付けられた対物レンズ１８が配置されており、その対物レンズ１８の物体側の面には、レンズ枠２０と一体に構成された明るさ絞り１９が配置されている。そして、そのレンズ枠２０は、固体撮像素子２３の基板２２に取り付けられた枠２１に嵌合され、接着固定されている。また、枠２１に嵌合するようにして接着固定されている基板２４には、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）２５が取り付けられている。

固体撮像素子２３の基板２２は、その背面側に配置されている駆動処理回路２７に対し、接続部２６を介して電気的に接続されている。そして、この駆動処理回路２７は、その背面側に配置されていて画像データの記憶処理を行うメモリ回路２８に対し、接続部２９を介して電気的に接続されている。また、メモリ回路２８は、その背面側に配置されていて無線通信を行う無線通信回路３０に対し、接続部３１を介して電気的に接続されている。さらに、無線通信回路３０の背面側には、ボタン型の２つの電池３２が配置されている。また、図３においては、カプセル容器の下方位置に、無線通信回路３０に接続されたアンテナ３３が配置されている。そして、この内視鏡の撮像光学系によって取得された画像信号は、図示しない外部のコンピュータユニットへ無線で送信され、そこで画像処理が施された後、表示装置上で観察が可能となる。なお、上記の固体撮像素子２３には、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサーが使用される。

以下、図面と表を参照しつつ本発明の撮像光学系の実施例１〜１０を説明するが、レンズデータを示す各表においては、第１面（Ｓ１）を上記のような観察窓の物体側の面、第２面（Ｓ２）を観察窓の像側の面に設定している。そこで、予め、本発明の実施例１〜１０に関するパラメータを下記の表１に示しておく。なお、対物レンズの非球面は、対物レンズの光軸をＸ軸とし、基準曲率半径をｒとしたときに下記の条件式（５）で表される。
Ｘ＝ＣＳ²／｛１＋（１−（ｋ＋１）Ｃ²Ｓ²）^1/2｝＋A4Ｓ⁴＋A6Ｓ⁶＋…＋AｎＳⁿ
…（５）
ただし、Ｃは１／ｒであり、Ｓ²はｙ²＋ｚ²であり、ｋ，A4，A6，…，Anは非球面係数である。

表１

図４〜図６及び表２を用いて実施例１を説明する。このうち、図４は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図５は本実施例の撮像光学系の収差図であり、図６は本実施例の対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための図である。また、下記の表２は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。なお、本実施例の撮像光学系の構成説明に用いられる図４及び図６においては、上記の図３の場合に準じた符号を付けているが、このことは、以下における各実施例の撮像光学系の構成を説明する図面の場合も同じである。また、図５における湾曲像面を示した図においては、サジタル像面を実線で示し、メリディオナル像面を破線で示しているが、このことは、以下における各実施例の収差図の場合も同じである。更に、表２において、Sは面番、RDYは曲率半径、THIは厚さ、Ndは屈折率、Vdはアッベ数、INFは無限大、k，A2，A4，・・・，A10は非球面係数を表しているが、このことは、以下における各実施例のレンズデータを示す表の場合も同じである。

表２
S RDY THI Nd Vd
8.4974 (物体面) 0.0000
1 8.4974 1.5450 1.51825 64.14
2 7.4159 7.4798
3 INF (絞り) 0.0000
4 INF 0.0400
5 INF 0.7583 1.70235 70.00
6 -0.6812 (非球面) 1.0882
7 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝2.0276×10^-1 A₆＝7.0237×10^-1 A₈＝0.0000 A₁₀＝0.0000

図４に示されているように、本実施例の撮像光学系は、物体側から順に、球面で構成される透明な観察窓１６と、平凸の単レンズである対物レンズ１８と、固体撮像素子２３で構成され、視野角は１１０°に設定されている。対物レンズ１８の凸面側は非球面であり、平面側には明るさ絞り１９が配置されている。観察窓１６の表面に沿って分布する物体面Ｂ（以下、各実施例の説明では、単に物体Ｂという）の像面は、対物レンズ１８の結像作用により固体撮像素子２３の撮像面近傍に形成される。固体撮像素子２３の撮像面における有効撮像エリア内の中心Ｐから最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、撮像面上でＰからＩＨ／２の距離位置（図４では便宜的に符号ＩＨ／２を付けているが、このことは以下の実施例を説明する図の場合も同じである）に結像する光束の主光線ＣＲ１と、撮像面上でＰからＩＨの距離位置（図４では便宜的に符号ＩＨを付けているが、このことは以下の実施例を説明する図の場合も同じである）に結像する光束の主光線ＣＲ２によってつくられる視野範囲ＦＶ１２では、対物レンズ１８の非球面は、基準曲率よりも曲率が小さく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなる形状をしている。

視野範囲ＦＶ１２で観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳ＝０．０９５ｍｍ、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭ＝０．０５９ｍｍというように、略フラットな像面に形成され、画像周辺部において良好な観察性能を実現している。また、メリディオナル像面に着目した場合、固体撮像素子２３を、現在配置されている位置から対物レンズ１８の光軸に沿って、物体に近づく方向に０．４５ｍｍ、または物体から離れる方向に０．３３ｍｍ移動させても画像周辺部において良好な観察性能を確保することができる。このことから、製作時においては、固体撮像素子２３を移動可能にしておくと、ピント調整作業が容易になる。

なお、本実施例の対物レンズ１８は、ガラスモールド成型によって製作することが可能であるため、レンズ有効部と枠部を一体的に成型することが可能であり、そのようにすることによって、撮像ユニットの組立作業時間を短縮することができると共に組立精度を向上させることが可能になる。そこで、図６を用い、そのようにして製作した場合における対物レンズとその近傍における具体的な構成例を説明する。対物レンズ１８は、レンズ有効部１８ａの周辺に、枠部１８ｂを、光軸に対して回転対称に形成している。また、枠部１８ｂの物体側の面には、突起部１８ｃが少なくとも２箇所に形成されている。そして、それらの突起部１８ｃを、明るさ絞り１９に設けられた位置合わせ孔１９ａに嵌合させることによって、明るさ絞り１９の中心軸と対物レンズ１８の光軸を、容易に一致させることができるようになっている。

図７，図８、及び表３を用いて実施例２を説明する。そのうち、図７は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図８は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、下記の表３は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表３
S RDY THI Nd Vd
8.8624 (物体面) 0.0000
1 8.8624 1.6113 1.51825 64.14
2 7.7345 7.8011
3 INF (絞り) 0.0000
4 INF 0.0400
5 INF 0.8837 1.70235 70.00
6 -0.6815 (非球面) 1.0826
7 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝-6.9810×10^-1 A₆＝2.3145 A₈＝-2.5420×10^-2 A₁₀＝0.0000

本実施例の撮像光学系の基本構成は実施例１と同じであるが、視野角は１３０°に設定されている。また、対物レンズ１８の非球面の基準曲率は、実施例１の場合と同じ値に設定されている。視野範囲ＦＶ１２では、対物レンズ１８の非球面は、基準曲率よりも曲率が大きく、かつ視野範囲ＦＶ１２内で変曲点をもつ形状をしている。そして、視野範囲ＦＶ１２で透明な観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．１２７ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．２５８ｍｍとなるように形成されている。この場合、より幅の狭いサジタル像面の光軸方向における幅ΔＳに着目して、固体撮像素子２３の撮像面位置を光軸方向に調整可能に構成しておくと、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができると共にピント調整作業が容易に行えるようになる。

医療用内視鏡の撮像光学系では、視野角を１００°以上（より望ましくは１３０°以上）の広角にすることによって、生体表面に発生した病変を見落とすことなく画像観察ができるように構成する必要がある。その一方で、本発明の撮像光学系のように、単レンズにより、略球面状の観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂを良好に画像観察できるようにするためには、サジタル像面とメリディオナル像面のどちらか一方に着目して、結像作用に寄与する非球面の形状を決定し、さらに、その着目した像面に対して、固体撮像素子２３の撮像面の光軸方向での位置を規定するのが好ましい。これにより、加工し易く無理のない形状の非球面を有する単レンズとすることができ、また簡単な構成で容易にピント調整が行えるようにすることができる。

図９〜図１１及び表４を用いて実施例３を説明する。このうち、図９は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図１０は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、図１１は本実施例の対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための図であって、図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は対物レンズを像面側から見た図である。また、下記の表４は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表４
S RDY THI Nd Vd
9.0446 (物体面) 0.0000
1 9.0446 1.6445 1.51825 64.14
2 7.8934 7.9614
3 INF (絞り) 0.0000
4 INF 0.0400
5 INF 0.6903 1.70235 70.00
6 -0.6812 (非球面) 1.0811
7 INF (撮像面) 0,0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝1.2136×10^-1 A₆＝1.0378 A₈＝0.0000 A₁₀＝0.0000

本実施例の撮像光学系の基本構成は実施例１と同じであるが、視野角は１２０°に設定されている。また、平凸の単レンズである対物レンズ１８の非球面の基準曲率は、実施例１の場合と同じ値に設定されている。視野範囲ＦＶ１２では、対物レンズ１８の非球面は、基準曲率よりも曲率が小さく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなる形状をしている。視野範囲ＦＶ１２で透明な観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．０４８ｍｍであり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．１９１ｍｍというように、略フラットな像面に形成され、画像周辺部において良好な観察性能を実現している。また、サジタル像面に着目した場合、固体撮像素子２３を、現在配置されている位置から対物レンズ１８の光軸に沿って、物体に近づく方向に０．４４ｍｍ、または物体から離れる方向に０．３４ｍｍ移動させても画像周辺部において良好な観察性能を確保することができる。このように、固体撮像素子２３の移動可能な範囲に余裕を持たせると、撮像光学系を製造するときのピント調整作業が容易になるので好ましい。

ここで、図１１を用いて、対物レンズ１８のレンズ有効部と枠部とを一体成型で製作した場合における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明する。成型によって単レンズとして製作された対物レンズ１８は、レンズ有効部１８ａの周辺に１対の枠部１８ｂを光軸に対して対称に形成していて、その枠部１８ｂの物体側の面には各々突起部１８ｃを形成している。また、明るさ絞り１９とレンズ枠２０は、一体成型されていて、位置合わせ溝２０ａを形成している。そして、対物レンズ１８は、突起部１８ｃを位置合わせ溝２０ａに嵌合させ、レンズ有効部１８ａを明るさ絞り１９に接触させた状態にしておき、レンズ枠２０の内側に接着固定されている。レンズ枠２０の内側に対物レンズ１８を組み付ける作業は、枠部１８ｂをピンセット等の把持具で保持して容易に行える。また、レンズ枠２０の位置合わせ溝２０ａと対物レンズ１８の突起部１８ｃを嵌合させることによって、明るさ絞り１９の中心軸と対物レンズ１８の光軸とを容易に一致させることが可能になっている。

図１２〜図１４及び表５を用いて実施例４を説明する。このうち、図１２は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図１３は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、図１４は本実施例における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための図であって、図１４（ａ）は断面図であり、図１４（ｂ）は対物レンズを物体側から見た図であり、図１４（ｃ）は対物レンズを像面側から見た図である。また、下記の表５は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表５
S RDY THI Nd Vd
6.5676 (物体面) 0.0000
1 6.5676 1.2162 1.52765 56.25
2 5.3514 5.3514
3 INF (絞り) 0.0000
4 INF 0.0400
5 INF 0.5675 1.70235 70.00
6 -0.6968 (非球面) 1.1734
7 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝3.8565×10^-1 A₆＝-3.9034×10^-1 A₈＝0.0000 A₁₀＝0.0000

本実施例は、より小径のカプセル内視鏡を想定した場合の撮像光学系である。本実施例の撮像光学系は、物体側から順に、球面で構成される透明な観察窓１６と、平凸の単レンズである対物レンズ１８と、固体撮像素子２３とで構成されており、視野角は１０４°に設定されている。対物レンズ１８の凸面側は非球面であり、平面側には明るさ絞り１９が配置されている。カプセルの小径化に伴い、実施例１の撮像光学系等と比較して観察窓１６の曲率が相対的に大きくなっており、これにより、対物レンズ１８の非球面が補正すべき軸外収差量も大きくなっている。本実施例では、視野範囲ＦＶ１２における対物レンズ１８の非球面の形状を、基準曲率よりも曲率が小さく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなるようにして、視野範囲ＦＶ１２で観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．１３３ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．１９６ｍｍとなるようにしている。この場合、幅の狭い方のサジタル像面の光軸方向における幅ΔＳに着目して、固体撮像素子２３の撮像面の位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。

ここで、図１４を用いて、対物レンズ１８のレンズ有効部と枠部とを一体成型で製作した場合における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明する。成型によって単レンズとして製作された対物レンズ１８は、レンズ有効部１８ａの周辺に１対の枠部１８ｂを光軸に対して対称に形成している。また、それらの枠部１８ｂの物体側の面には突起部１８ｃが形成され、像面側の面には突起部１８ｄが形成されている。そして、対物レンズ１９は、突起部１８ｃを明るさ絞り１９の位置合わせ穴１９ａに嵌合させ、レンズ有効部１８ａを明るさ絞り１９に接触した状態にしておいて、明るさ絞り１９の内側に固定されている。更に、明るさ絞り１９は、レンズ枠２０に嵌合されており、突起部１８ｄの先端をレンズ枠２０に接触させた状態で、レンズ枠２０の内側に接着固定されている。

図１５，図１６、及び表６を用いて実施例５を説明する。そのうち、図１５は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図１６は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、下記の表５は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表６
S RDY THI Nd Vd
5.9222 (物体面) 0.0000
1 5.9222 1.1750 1.52765 56.25
2 4.8255 4.8255
3 INF (絞り) 0.0705
4 INF 0.0000
5 INF 0.9400 1.70235 70.00
6 -0.6942 (非球面) 1.1773
7 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝-1.0950×10^-1 A₆＝2.6615 A₈＝0.0000 A₁₀＝0.0000

本実施例の撮像光学系の基本構成は実施例４と同じであり、視野角は１１８°に設定されている。また、平凸の対物レンズ１８は、その凸面側が非球面となっていて、基準曲率は実施例４の場合と同じ値に設定されている。視野範囲ＦＶ１２では、対物レンズ１８の非球面が、基準曲率よりも曲率が大きく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなるようにすることで、視野範囲ＦＶ１２で透明な観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．１４１ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．３０８ｍｍとなるようにしている。この場合、幅の狭い方のサジタル像面の光軸方向における幅ΔＳに着目し、固体撮像素子２３の撮像面の位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。

図１７，図１８、及び表７を用いて実施例６を説明する。そのうち、図１７は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図１８は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、下記の表７は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表７
S RDY THI Nd Vd
17.1966 (物体面) 0.0000
1 17.1966 1.7197 1.51825 64.14
2 14.6171 4.2992
3 INF (絞り) 0.0000
4 INF 0.0500
5 INF 0.6341 1.70235 70.00
6 -0.6892 (非球面) 1.1806
7 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝1.0794×10^-1 A₆＝8.2490×10^-1 A₈＝0.0000 A₁₀＝0.0000

本実施例は、透明な観察窓１６として、大きな曲率半径を有している球体状のドームを用いた撮像光学系の構成例である。ドームの曲率中心は平凸の対物レンズ１８の光軸上に配置されていて、視野角は１２０°に設定されている。また、対物レンズ１８の凸面側は非球面であって、その基準曲率は実施例４の場合と同じ値に設定されている。本実施例では、視野範囲ＦＶ１２における対物レンズ１８の非球面の形状を、基準曲率よりも曲率が小さく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなるように形成することで、視野範囲ＦＶ１２で観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．１６８ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．０８１ｍｍとなるようにしている。この場合、幅の狭い方のサジタル像面の光軸方向における幅ΔＳに着目し、固体撮像素子２３の撮像面の位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。

図１９〜図２１及び表８を用いて実施例７を説明する。このうち、図１９は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図２０は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、図２１は本実施例における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための断面図である。そして、下記の表８は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表８
S RDY THI Nd Vd
5.5649 (物体面) 0.0000
1 5.5649 1.2157 1.52765 56.25
2 5.3492 5.3492
3 INF (絞り) 0.0000
4 INF 0.0000
5 10.4205 0.6357 1.70235 70.00
6 -0.7282 (非球面) 1.1481
7 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝0.0000
A₂＝0.0000 A₄＝4.2107×10^-1 A₆＝-4.1240×10^-1 A₈＝0.0000 A₁₀＝0.0000

本実施例の撮像光学系においては、対物レンズ１８が、両面に曲率を有した正の単レンズとして構成されており、像側の面が非球面となっている。そして、視野角は１０４°に設定されている。また、視野範囲ＦＶ１２における非球面の形状を、基準曲率よりも曲率が小さく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなるようにすることで、視野範囲ＦＶ１２で透明な観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．１３６ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．２２ｍｍとなるようにしている。この場合、幅の狭い方のサジタル像面の光軸方向における幅ΔＳに着目して、固体撮像素子２３の撮像面の位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。また、対物レンズ１８の物体側の面を正のパワーを持つように構成したので、非球面上での視野範囲ＦＶ１２における光線高を低くして有効径を小さくすることができ、それによって、非球面の周辺部での基準曲率からの乖離量を少なくして、レンズの加工性を向上させることができる。

ここで、図２１を用いて、対物レンズ１８のレンズ有効部と枠部とを一体成型で製作した場合における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明する。成型によって単レンズとして製作された対物レンズ１８は、レンズ有効部１８ａの外周部に１対の枠部１８ｂを光軸に対して対称に形成しており、レンズ有効部１８ａの物体側の面には、光軸に対して回転対称に突起部１８ｃを形成している。また、枠部１８ｂには、像側に細長く延出した腕部１８ｄが形成され、その先端には爪部１８ｅが設けられているが、この腕部１８ｄは、内側に撓み得るようになっている。明るさ絞り１９とレンズ枠２０は一体成型されており、位置合わせ溝２０ａには対物レンズ１８の突起部１８ｃが嵌合している。また、レンズ枠２０には、像側の縁に爪部２０ｂが設けられていて、対物レンズ１８は、爪部１８ｅが爪部２０ｂに係止されることによって、接着されることなく、レンズ枠２０の内側に固定されている。レンズ枠２０の内側に対物レンズ１８を組み付ける作業は、枠部１８ｂをピンセット等の把持具で保持しながら、突起部１８ｃが位置合わせ溝２０ａに嵌合するまで、対物レンズ１８をレンズ枠２０の内側に押し込むだけでよいため、煩雑な作業手順を必要としないで済むようになっている。

図２２，図２３、及び表９を用いて実施例８を説明する。そのうち、図２２は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図２３は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、下記の表９は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表９
S RDY THI Nd Vd
8.1970 (物体面) 0.0000
1 8.1970 1.6394 1.58874 30.49
2 6.5576 6.5576
3 INF (絞り) 0.0447
4 INF 0.0000
5 INF 1.5053 1.58874 30.49
6 -0.5887 (非球面) 0.0000
7 INF 1.1333
8 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
K＝-0.8380

本実施例の撮像光学系は、物体側から順に、球面で構成される透明な観察窓１６と、平凸の対物レンズ１８と、固体撮像素子２３とで構成され、視野角は１１１°に設定されている。対物レンズ１８の凸面側は光軸方向に回転対称な楕円面であり、平面側には明るさ絞り１９が配置されている。

そして、対物レンズ１８の楕円面は、上記の条件式（５）で表される非球面式において、４次の項よりも高次の項を使用せず、非球面係数ｋのみで形状が決定される面として形成されている。その場合、非球面係数ｋは、下記の条件式（６）を満足しているようにするのが望ましいが、本実施例の場合は、−０．８４である。
−０．６＜ｋ＜ −０．８５ …（６）
このように、本実施例の対物レンズ１８は、その凸面を複雑な形状の非球面にせず、形状をトレースし易い楕円面としたため、レンズの加工性を向上させることが可能となっており、視野範囲ＦＶ１２では、その楕円面は、基準曲率よりも曲率が小さく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなる形状をしている。

また、一般的にプラスティック素材にてレンズを成型する場合、プラスティック樹脂を型に流し込むためのゲートの確保が必須であるが、そのゲート設計を容易にするためには、対物レンズ１８の光軸上での厚さＤが、下記の条件式（７）を満足するように形成するのが好ましい。そこで、本実施例の場合には、その厚さを１．５ｍｍとしている。
１．５１＞Ｄ／ｆ_L ＞０．９４ …(７)
ただし、ｆ_Lは、撮像光学系の焦点距離である。

また、凸面を楕円面に形成し、かつ、光軸上での厚さＤを比較的大きくしたことによって、視野範囲ＦＶ１２において撮像素子２３の撮像面に結像する光束の主光線の撮像面に対する入射角｜Ｔｗ｜を、下記の条件式（８）を満足させるようにすることが可能になる。もし、その入射角Ｔｗが、条件式（８）を満足させることができない場合には、入射光束が撮像素子の周りの枠に遮られ、画像周辺の光量が低下したり、光束が撮像面上で２つ以上の画素にまたがって入射してしまうことになり、画像の色付きなどのシェーディング現象を発生させてしまうことになる。そこで、本実施例の場合には、撮像素子２３の撮像面での最大像高ＩＨにおける主光線の入射角｜Ｔｗ｜を、１６．３°にしてある。
｜Ｔｗ｜＜１６．５° …（８）
なお、枠等により光束が遮られてしまい、絞り中心を通る主光線が定義できない場合には、光束の重心位置における光線を仮に主光線と設定して、入射角を定義してもよい。

本実施例の場合、視野範囲ＦＶ１２で観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．０４２ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．４３ｍｍとなるように形成されている。この場合、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭは上記の条件式（１）を満たさないが、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳに着目して、固体撮像素子２３の撮像面の位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。

図２４，図２５、及び表１０を用いて実施例９を説明する。そのうち、図２４は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図２５は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、下記の表１０は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表１０
S RDY THI Nd Vd
7.2115 (物体面) 0.0000
1 7.2115 1.9970 1.58874 30.49
2 5.2145 5.2145
3 INF (絞り) 0.0666
4 INF 0.0000
5 INF 1.3314 1.81078 40.88
6 -0.8077 (非球面) 0.0000
7 INF 1.1583
8 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝-0.6690

本実施例の撮像光学系の基本構成は実施例８と同じであるが、視野角は１１０°に設定されている。平凸の対物レンズ１８は、その凸面側が光軸方向に回転対称な楕円面となっており、非球面係数ｋは−０．６７である。視野範囲ＦＶ１２では、対物レンズ１８の楕円面が、基準曲率よりも曲率が大きく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなるようにすることで、視野範囲ＦＶ１２で観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．０９９ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．０５８ｍｍとなるようにしている。この場合、幅の狭い方のメリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭに着目して、固体撮像素子２３の撮像面位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。なお、本実施例においては、レンズの光軸上での厚さは１．３３ｍｍであり、固体撮像素子２３の撮像面での最大像高ＩＨにおける主光線の入射角｜Ｔｗ｜は１４．４°である。

図２６，図２７、及び表１１を用いて実施例１０を説明する。そのうち、図２６は本実施例の撮像光学系の構成図であり、図２７は本実施例の撮像光学系の収差図である。また、下記の表１１は本実施例の撮像光学系のレンズデータを示したものである。

表１１
S RDY THI Nd Vd
7.0125 (物体面) 0.0000
1 7.0125 1.4025 1.58874 30.49
2 5.6100 5.6100
3 INF (絞り) 0.0383
4 INF 0.0000
5 INF 1.3260 1.81078 40.88
6 -0.8084 (非球面) 0.0000
7 INF 1.1576
8 INF (撮像面) 0.0000
非球面係数
第６面
k＝-0.6320

本実施例の撮像光学系の基本構成も実施例８と同じであるが、視野角は実施例９と同様に１１０°に設定されている。平凸の対物レンズ１８は、その凸面側が光軸方向に回転対称な楕円面となっており、非球面係数ｋは−０．６３である。視野範囲ＦＶ１２では、対物レンズ１８の楕円面が、基準曲率よりも曲率が大きく、かつ視野周辺に行くほど基準曲率との乖離量が大きくなるようにすることで、視野範囲ＦＶ１２で観察窓１６の表面に沿って分布する物体Ｂの像面は、サジタル像面の光軸方向における幅ΔＳが０．０９９ｍｍとなり、メリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭが０．０５８ｍｍとなるようにしている。

この場合、幅の狭い方のメリディオナル像面の光軸方向における幅ΔＭに着目して、固体撮像素子２３の撮像面位置を光軸方向に調整可能に構成すると、画像周辺部における良好な観察性能を確保することができるとともにピント調整作業を容易に行えるようにすることができる。また、実施例８に比べて楕円面の基準曲率を大きくするかわりに、非球面係数ｋを上記の条件式（６）の下限値近くに設定したことにより、視野範囲ＦＶ１２における基準曲率との乖離量を小さくして、レンズの加工性を向上させている。なお、本実施例においては、レンズの光軸上での厚さＤは１．３２ｍｍであり、固体撮像素子２３の撮像面での最大像高ＩＨにおける主光線の入射角｜Ｔｗ｜は１５．７°である。

以上のように、これまでの実施例１〜１０の説明においては、各々の撮像光学系が、いずれも、対物レンズ１８の光軸に対して回転対称な構成をしていることを前提にして説明してきた。しかしなから、観察窓１６の中心と、対物レンズ１８の光軸が一致していなくても、上記の条件式（２）又は（４）が成立する構成をしていれば、上記の各実施例の場合と同様の効果を発揮することができるのは明らかである。そのため、そのように構成したものも、本発明の実施態様である。

ところで、上記の各実施例１〜１０の説明においては、対物レンズ１８の非球面が達成すべき目標値を説明してきた。そこで、以下においては、このような目標値にすると、非球面の形状がどのようになるかを詳細に説明する。なお、図２８〜図３７は、各々実施例１〜実施例１０における非球面変位量と、その値を２次微分した値を示したグラフである。各図中、非球面変位量は、非球面の面頂を座標軸の原点として、非球面の座標値Ｓag_a（ｈ）と、基準Ｒの座標値Ｓag_s（ｈ）の差を、最大像高ＩＨに対応した光線高まで表記している。ここで、正方向を、非球面座標がより平面に近い状態をあらわすようにした。すなわち、各実施例に記載の方向に対して、以下の式にて表している。
（非球面変位量）＝−１・（Ｓag_a（ｈ）−Ｓag_s（ｈ）） …(９)
ただし、ｈの範囲は０＜ｈ＜ＩＨであり、Ｓag_a（ｈ）は非球面の座標値であり、Ｓag_s（ｈ）は基準Ｒの座標値である。

これらの図によると、実施例２と実施例５を除く各実施例においては、非球面座標が正の値を示している。すなわち、実施例２，５以外の実施例における非球面形状は、基準曲率半径Ｒと平面との中間に位置する特性を有し、像面湾曲を負から正方向に立てるように作用した曲面形状をしている。レンズ面が基準曲率半径Ｒの曲面形状をしている場合には、本発明の目的であるＩＨ／２からＩＨまでの像面湾曲をフラットにすることが難しく、上記の条件式（４）の条件を確保することができない。他方、平面物体に対する像面湾曲を完全に補正してしまうと、図１に示した像面Ｂになってしまい、本発明の目的を達成することができない。つまり、望ましい非球面形状は、基準曲率半径Ｒの曲面形状から、完全に像面湾曲の補正作用を有する形状までの間に、最適な形状として存在している必要があるということである。

ここで、図２８〜図３７の２次微分の数値に注目すると、像面湾曲を負から正に立てる作用とは、基準曲率半径Ｒと比較して凹の作用を有すること、すなわち、２次微分したグラフが正となる作用のことである。実施例２，５の場合には、途中まで負の値を含んでいるが、ＩＨ／２からＩＨまでの光線高の領域で、負から正へ変化している。この変化は凹作用であり、この効果によって、ＩＨ／２からＩＨまでの光線高の領域で、像面湾曲をフラットに立てるという作用を発生させている。つまり、望ましい非球面形状の条件とは、ＩＨ／２＜ｈ＜ＩＨにおいて、下記の条件を満たす領域が少なくとも存在していれば、本発明で狙うべき効果を発揮することができるということである。
− ｄ² Ｓag_a（ｈ）／ｄｈ² ＋ｄ² Ｓag_s（ｈ）／ｄｈ² ＞０ …(１０)
ただし、Ｓag_a（ｈ）は非球面の座標値、Ｓag_s（ｈ）は基準曲率半径Ｒの座標値である。

また、望ましい非球面量を規定する別の記述方法として、非球面上での光線高ごとの局所的近軸量にて規定する方法もある。像高ＩＨにおけるＸ方向の局所的焦点距離をｆｘ（ＩＨ）、Ｙ方向の局所的焦点距離をｆｙ（ＩＨ）、とした場合に、下記の条件式（１１）を満たすことで、サジタル方向と、メリディオナル方向の像面湾曲を独立させて補正することが可能である。
０．６３＜ｆｘ（ＩＨ）／ｆｙ（ＩＨ）＜１ …(１１)
この条件式（１１）において、ｆｘ（ＩＨ）／ｆｙ（ＩＨ）が０．６３以下になると、実施例１の基準曲率半径Ｒの曲面形状に近くなってしまい、本発明の目的であるＩＨ／２からＩＨまでの像面湾曲をフラットにして撮像光学系の焦点深度内におさめるということが難しくなり、条件式（４）を満足させることができなくなる。また、ｆｘ（ＩＨ）／ｆｙ（ＩＨ）が１になると、平面物体に対する像面湾曲を完全に補正してしまい、前述した図１における像面Ｂのようになってしまう。

また、光学系には一般的に歪曲収差が存在し、特に内視鏡のような広い視野角を有する光学系では顕著になる。ところが、通常の内視鏡の場合には、光学系をなるべく小さくする必要があるため、補正に伴ってレンズが大径化するのを嫌い、歪曲収差を補正しないのが一般的である。それに対して、本発明で対象としている透明観察窓を有する内視鏡の場合は、対物レンズと観察窓の形状で歪曲収差をより観察しやすくすることが可能である。そこで、本発明の撮像光学系の構成においては、観察窓の表面を物体とした場合における撮像光学系の歪曲収差の値が、下記の条件式（１２）を満たすようにすることによって、特に視野範囲ＦＶ１２で歪のない良好な画像を得るようにすることができる。
−２０％＜ ΔＤ＜２６％ …（１２）
ただし、ΔＤは、固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲に結像する光束の主光線の視野範囲内における撮像光学系の歪曲収差量である。
この条件式（１２）において、ΔＤが−２０％以下になると、たる型の歪曲収差の影響で物体像が小さくつぶれてしまい、観察しずらくなってしまう。また、ΔＤが２６％以上になると、糸巻き型の歪曲収差が大きくなりすぎるため、被写体に対する内視鏡の動きに対して、画像として捕らえた被写体の動きが相対的に大きくなり、ブレた画像となって観察に支障をきたしてしまう。

ここで、撮像光学系が上記の条件式（２）又は（４）を満足しているかどうかを、簡易的に検査して品質チェックを行える方法を提示しておく。例えば、固体撮像素子の撮像面のＩＨ・４／５の位置と結像関係にある透明観察窓表面の物点位置に置いた白と黒のラインペアを、固体撮像素子の撮像面の水平方向に白と黒のラインが並ぶようにして撮像し、表示装置の表示面に表示する。このとき、白のラインと黒のラインのコントラストが１０％になるラインペアの幅（単位：ｍｍ）をＲ_aとする。そして、ＣＩＦフォーマットの固体撮像素子においては、白と黒のラインペアの幅Ｒ_aは、像高ＩＨの４／５の位置におけるローカル倍率をβ_localとすると、
Ｒ_a＝７μｍ＊４／β_local …（１３）
となる。ここで、上記の各実施例におけるβ_localは、
β_local≒ ０．２４ …（１４）
であるので、
Ｒ_a＝０．１２ｍｍ …（１５）
となる。つまり、撮像光学系が下記の条件式（１６）を満たしていれば、上記の条件式（２）又は（４）を満足しているということになる。
Ｒ_a＞０．１２ｍｍ …（１６）

以上の説明からも分かるように、本発明は、特許請求の範囲に記載した特徴のほかに下記の特徴を有している。
（１）略球体形状の透明な観察窓と、光学像を形成するための少なくとも１面の非球面を含む対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する固体撮像素子とよりなる撮像光学系において、
前記対物レンズは、正のパワーをもつ単レンズで構成され、前記観察窓表面の物体に対して以下の条件の少なくとも一方を満たすことを特徴とする撮像光学系。
ΔＳ／ｆ_L＜８・ｐ／（tan（sin^-1（１／（２Ｆno））））
又は
ΔＭ／ｆ_L＜８・ｐ／（tan（sin^-1（１／（２Ｆno））））
ただし、
Ｐ：固体撮像素子の画素ピッチ
Ｆno：撮像光学系の有効Ｆno
ｆ_L：撮像光学系の焦点距離
ΔＳ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距
離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのサジタル像面の光軸方向
における幅
ΔＭ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距
離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのメリディオナル像面の光
軸方向における幅

（２）請求項１又は上記（１）に記載の撮像光学系において、
固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置に対応する撮像光学系の半画角ｗが、以下の条件を満たすことを特徴とする撮像光学系。
ｗ＞５０°

（３）請求項１又は上記（１）に記載の撮像光学系と、撮像光学系が撮像した画像を表示面に表示する表示装置とを備えた内視鏡装置において、
以下の条件を満たすことを特徴とする内視鏡装置。
Ｒ_a＞０．１２
ただし、
Ｒ_a：固体撮像素子の撮像面でＩＨ・４／５の位置に結像する透明観察窓表面の物点位置に置いた白と黒のラインペアを、前記固体撮像素子の撮像面の水平方向に白と黒のラインが並ぶように撮像して表示装置の表示面に表示したとき、白のラインと黒のラインのコントラストが１０％となる白と黒のラインペアの幅（単位：ｍｍ）

（４）略球体形状の透明な観察窓と、光学像を形成するための対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する固体撮像素子とよりなる撮像光学系を備えた内視鏡において、
前記対物レンズは、光軸方向に回転対称な楕円面を有する単レンズであることを特徴とする内視鏡。

（５）略球体形状の透明な観察窓と、光学像を形成するための対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する固体撮像素子とよりなる撮像光学系を備えた内視鏡において、
前記対物レンズは、少なくとも１面に非球面を含み、以下の条件を満たす単レンズであることを特徴とする内視鏡。
−０．６＜ｋ＜−０．８５
ただし、
ｋ：撮像光学系の光軸をＸ軸とし、基準曲率半径をｒとしたときの下記の非球面式における非球面係数
Ｘ＝ＣＳ²／｛１＋（１−（ｋ＋１）Ｃ²Ｓ²）^1/2｝
Ｃ＝１／ｒ
Ｓ²＝ｙ²＋ｚ²

（６）上記（４）又は（５）に記載の撮像光学系において、
以下の条件を満たすことを特徴とする撮像光学系。
１．５１＞Ｄ／ｆ_L＞０．９４
０＜Ｔｗ＜−１６．５°
ただし、
Ｄ：対物レンズの中肉厚
ｆ_L ：撮像光学系の焦点距離
Ｔｗ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置に結像する光束の主光線の撮像面に対する入射角

（７）略球体形状の透明な観察窓と、光学像を形成するための少なくとも１面の非球面を含む対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する撮像素子とよりなる撮像光学系において、
以下の条件を満たすことを特徴とする撮像光学系。
−２０％＜ΔＤ＜２６％
ただし、
ΔＤ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲に結像する光束の主光線で表される視野範囲内における撮像光学系の歪曲収差量

本発明を説明するために示した撮像光学系の構成図である。本発明を説明するために示した収差図であって、ガウス像面に対するサジタル像面とメリディオナル像面の湾曲状況を示したものである。本発明の撮像光学系を採用したカプセル内視鏡の構成例を示した断面図である。実施例１の撮像光学系の構成図である。実施例１の撮像光学系の収差図である。実施例１における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための図である。実施例２の撮像光学系の構成図である。実施例２の撮像光学系の収差図である。実施例３の撮像光学系の構成図である。実施例３の撮像光学系の収差図である。実施例３における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための図であって、図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は対物レンズを像面側から見た図である。実施例４の撮像光学系の構成図である。実施例４の撮像光学系の収差図である。実施例４における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための図であって、図１４（ａ）は断面図であり、図１４（ｂ）は対物レンズを物体側から見た図であり、図１４（ｃ）は対物レンズを像面側から見た図である。実施例５の撮像光学系の構成図である。実施例５の撮像光学系の収差図である。実施例６の撮像光学系の構成図である。実施例６の撮像光学系の収差図である。実施例７の撮像光学系の構成図である。実施例７の撮像光学系の収差図である。実施例７における対物レンズ近傍の具体的な構成例を説明するための断面図である。実施例８の撮像光学系の構成図である。実施例８の撮像光学系の収差図である。実施例９の撮像光学系の構成図である。実施例９の撮像光学系の収差図である。実施例１０の撮像光学系の構成図である。実施例１０の撮像光学系の収差図である。実施例１における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例２における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例３における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例４における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例５における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例６における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例７における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例８における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例９における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。実施例１０における非球面変位量と、その値を２次微分した値とを示すグラフである。

符号の説明

１６観察窓
１８対物レンズ
１９明るさ絞り
２３固体撮像素子
Ｂ物体（面）
Ｐ有効撮像エリアの中心
ＩＨ有効エリア内においてＰから最も遠い位置までの距離

Claims

光学像を形成するための少なくとも１面の非球面を含む対物レンズと、前記光学像を電気信号に変換する固体撮像素子とを備えた、略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系において、
前記対物レンズは、正のパワーをもつ単レンズで構成され、前記観察窓表面に沿う位置にある物体に対して下記の二組の条件のうち一組を満たすことを特徴とする略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系。
ΔＳ／ｆ_L＜０．４
及び
ΔＳ／ｆ _L ＜８・Ｐ／（ｔａｎ（ｓｉｎ ^-1 （１／（２Ｆｎｏ））））
、又は、
ΔＭ／ｆ_L＜０．４
及び
ΔＭ／ｆ _L ＜８・Ｐ／（ｔａｎ（ｓｉｎ ^-1 （１／（２Ｆｎｏ））））
ただし、
ｆ_L：撮像光学系の焦点距離
ΔＳ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのサジタル像面の光軸方向における幅
ΔＭ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置までの距離をＩＨとしたとき、ＩＨ／２からＩＨまでの範囲内でのメリディオナル像面の光軸方向における幅
Ｐ：固体撮像素子の画素ピッチ
Ｆｎｏ：撮像光学系の有効Ｆｎｏ
下記の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系。
ｗ＞５０°
ただし、
ｗ：固体撮像素子の撮像面における有効撮像エリア内の中心から最も遠い位置に対応する撮像光学系の半画角
下記の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の略球形状の観察窓を有する内視鏡用撮像光学系。
Ｒａ＞０．１２
ただし、
Ｒａ：固体撮像素子の撮像面でＩＨ・４／５の位置に結像する透明観察窓表面の物点位置に置いた白と黒のラインペアを、前記固体撮像素子の撮像面の水平方向に白と黒のラインが並ぶように撮像して表示装置の表示面に表示したとき、白のラインと黒のラインのコントラストが１０％となる白と黒のラインペアの幅（単位：ｍｍ）