JP4843121B2

JP4843121B2 - 対物光学系

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Publication number: JP4843121B2
Application number: JP2011517548A
Authority: JP
Inventors: 達也折原; 勉鵜澤
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: EP2474851A4; CN102449525A; US8531781B2; CN102449525B; US20110286112A1; WO2011027622A1; EP2474851B1; JPWO2011027622A1; EP2474851A1

Description

本発明は、対物光学系、より詳しくは、内視鏡などに用いられ得る画角が広角な対物光学系に関する。

従来より、内視鏡用の対物光学系やデジタルカメラ用の対物光学系において、構成部品を削減して低コスト化を図るようにする種々の技術が提案がされている。

このような技術として、例えば特開平５−３０７１３９号公報には、負の第１群と明るさ絞りと正の第２群と正の第３群とからなり、第２群の像側の面もしくは第３群の物体側の面に非球面を設けたレトロフォーカス型でほぼテレセントリックなレンズ系が記載されている。そして、これにより、レンズ枚数が少なく像面湾曲が良好に補正された明るい内視鏡対物レンズを構成している。

また、特開２００２−３５０７２０号公報には、物体側より順に、少なくとも一面を非球面とされた弱いパワーの第１レンズと、像側の面を凸面形状とされた正の屈折力を有する第２レンズと、少なくとも一面を非球面とされた弱いパワーの第３レンズと、を配列してなる単焦点レンズが記載されている。そして、結像機能を有する第２レンズを、ほとんどパワーを有さず補正板として機能する第１および第３レンズによって挟む構成を採用することにより、コンパクト化および低廉化を達成し得る３枚レンズ構成でありながら、十分に良好に収差補正を行うことが可能となっている。

ところで、コストを低減するために考えられる手段は、まずレンズ枚数を減らすことであるが、レンズ枚数を減らし過ぎると収差の補正が不十分になる場合があると考えられる。特に、内視鏡のように画角の広角化が望まれる製品においては、収差の補正を十分に行おうとすると、広角化を実現することができなくなってしまい、収差補正と広角化の両立を図ることが技術上の課題となっている。ここに、内視鏡用対物光学系として望ましい画角は、一般に、１３０度以上の広角である。

また、内視鏡やカプセル内視鏡等では、患者への負担を極力軽減し、操作者の操作性を向上するために、内視鏡の先端硬性部の長さを短くしたり、カプセル内視鏡の全長を短くしたりすることが望まれている。そこで、内視鏡やカプセル内視鏡等に搭載される対物光学系についても、光軸方向の長さを短くすることが求められている。従って、単にレンズ枚数を削減するだけではなく、レンズの配置も工夫して全長を極力短くすることが重要である。

さらに、対物光学系を安価に提供することも望まれているが、このためには、レンズ枚数を削減するだけではなく、レンズを製作する材料として安価な材料を用いる必要がある。レンズを製作する材料としては硝材や樹脂が知られているが、これらの内でも樹脂は比較的安価である。そこで、低価格化を図るためには、樹脂を材料として使用する必要があるが、樹脂は低価格であるものの方がより低屈折率であることが多い。従って、比較的低屈折率な樹脂を用いても広角化、小型化等を図ることができるように工夫する必要がある。

しかし、上述した特開平５−３０７１３９号公報には、対物光学系の広角化や全長を短くするための着想については提案されていない。

また、上述した特開２００２−３５０７２０号公報には、レンズの枚数を削減することにより対物光学系のコンパクト化を図るという提案はなされてはいるが、レンズの配置による工夫や、１３０度以上の画角へ広角化するための着想については提案されていない。さらに、全てのレンズの材料として比較的安価な材料を使用することについても検討されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広角かつ小型で低コストな対物光学系を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様による対物光学系は、物体側から順に、負のパワーをもつ第１群、明るさ絞り、正のパワーをもつ第２群、第３群からなり、前記第１群の最も像側の面が像側に向いた凹面、前記第２群の最も像側の面が非球面、前記第３群の最も物体側の面が物体側に向いた凸面、で構成され、前記第１〜３群の各々がレンズ１枚からなる３群３枚構成であり、これら３枚のレンズの全ての面がパワーを有すると共に、当該第１〜３群を構成する３枚のレンズは、全て屈折率１．６５以下の材料から形成され、前記第２群と前記第３群の距離が前記第１群と前記第２群の距離よりも小さく、下記条件式を満足し、かつ画角が１３０度以上である対物光学系、
ｄ_L23／ｄ_L12＜０．２５
１．７＜ｆ_L3／ｆ_L2
但し、ｄ_L23は前記第２群と前記第３群の距離、ｄ_L12は前記第１群と前記第２群の距離、ｆ_L2は前記第２群の焦点距離、ｆ_L3は前記第３群の焦点距離。
上記の目的を達成するために、本発明の他の態様による対物光学系は、物体側から順に、負のパワーをもつ第１群、明るさ絞り、正のパワーをもつ第２群、第３群からなり、前記第１群の最も像側の面が像側に向いた凹面、前記第２群の最も像側の面が非球面、前記第３群の最も物体側の面が物体側に向いた凸面、で構成され、前記第１〜３群の各々がレンズ１枚からなる３群３枚構成であり、これら３枚のレンズの全ての面がパワーを有すると共に、当該第１〜３群を構成する３枚のレンズは、全て屈折作用によって光線を曲げる光学素子であり、かつ全て同一の材料から形成され、前記第２群と前記第３群の距離が前記第１群と前記第２群の距離よりも小さく、下記条件式を満足する対物光学系、
ｄ_L23／ｄ_L12＜０．２５
１．７＜ｆ_L3／ｆ_L2
但し、ｄ_L23は前記第２群と前記第３群の距離、ｄ_L12は前記第１群と前記第２群の距離、ｆ_L2は前記第２群の焦点距離、ｆ_L3は前記第３群の焦点距離。

また、本発明の他の態様による内視鏡用対物光学系は、前記対物光学系と、前記対物光学系の前記第１群の最も物体側の面よりも物体側に配置されたカバーと、を具備したものである。

本発明の一実施形態における実施例１の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例１の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例１の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例２の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例２の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例２の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例３の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例３の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例３の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例４の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例４の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例４の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例５の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例５の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例５の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例６の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例６の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例６の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例７の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例７の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例７の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例８の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例８の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例８の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例９の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例９の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例９の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例１０の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例１０の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例１０の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例１１の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例１１の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例１１の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例１２の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例１２の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例１２の対物光学系の収差図である。上記実施形態における実施例１３の対物光学系の断面図である。上記実施形態における実施例１３の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。上記実施形態における実施例１３の対物光学系の収差図である。上記実施形態の対物光学系を備えたカプセル内視鏡の要部概略構成を示す図である。上記実施形態の対物光学系を備えた内視鏡先端部の概略構成を示す図である。上記実施形態の対物光学系の概略構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施形態］
図１Ａから図１６は本発明の一実施形態を示したものである。

本実施形態の対物光学系は、物体側から順に、負のパワーをもつ第１群、絞り、正のパワーをもつ第２群、第３群からなる。そして、第１群の最も像側の面が凹面、第２群の最も像側の面が非球面、第３群の最も物体側の面が凸面となっている。さらに、第２群と第３群の距離が第１群と第２群の距離よりも小さくなるように、第２群と第３群は近接して配置されている。

このような対物光学系の構成を、図１６を参照して具体的に説明すれば、次のようになる。

図１６に示す対物光学系１０は、各群がそれぞれ単一のレンズから構成されていて、第１群が第１レンズＬ１、第２群が第２レンズＬ２、第３群が第３レンズＬ３となっている。また、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に、絞りＳが配置されている。さらに、図１６に示す例においては、対物光学系１０の結像面位置に、撮像素子１２の撮像面１１が配置されている。

この対物光学系１０の各光学面は、物体側から順に、次のようになっている。

すなわち、第１レンズＬ１の物体側が面１、第１レンズＬ１の像側が面２、絞りＳが面３、入射瞳が面４、第２レンズＬ２の物体側が面５、第２レンズＬ２の像側が面６、第３レンズＬ３の物体側が面７、第３レンズＬ３の像側が面８である。ただし、面３と面４に関しては、後述する実施例の幾つかに示すように、入射瞳が面３となって、絞りＳが面４となることもある。

そして、第１レンズＬ１の像側の面２が凹面、第２レンズＬ２の像側の面６が非球面、第３レンズＬ３の物体側の面７が凸面である。さらに、対物光学系１０は、光軸に沿った第２レンズＬ２の面６から第３レンズの面７までの距離ｄ_L23が、光軸に沿った第１レンズＬ１の面２から第２レンズＬ２の面５までの距離ｄ_L12よりも小さくなるように配置されている。なお、距離ｄ_L12と距離ｄ_L23とが満たすべきより詳しい条件式については後述する。

次に、各群の光学的な機能について説明する。

第１群は、主に広角化を実現するために作用する要素であり、特に物体側の面が広角化の役割を担っている（図１６に示す例において、軸外光束を見れば分かるように、第１レンズＬ１の物体側の面１において、広角側からの入射光線が結像面１１の方向へ大きく屈折されている（入射角が大きく屈折角が小さい））。対物光学系を広角化するためには、全系の焦点距離を小さくする必要があるが、正のパワーをもつ群だけで焦点距離を短くするように構成すると、強い像面湾曲が発生してしまうことになる。従って、像面湾曲を補正しつつ広角化を実現するためには、光学系内に負のパワーをもつ群を配置する必要がある。このとき、レンズ枚数を削減して光学系の小型化を達成するためには配置場所が限られ、絞りよりも物体側に負のパワーをもつ群を配置することが望ましい。そこで本実施形態においては、最も物体側の第１群を、負のパワーをもつ群としている。

第２群は、主に結像機能と収差補正の作用をもつ要素である。第１群は上述したように負のパワーをもっているために、第１群を通過した光束は発散光束となる（図１６に示す例において、軸上光束および軸外光束を見れば分かるように、第１レンズＬ１から射出される光束は、光束幅が広がって発散している）。そこで、この発散光束を収束光とするために、第２群には比較的強い正のパワーをもたせる必要がある。ただし、強いパワーをもつレンズは、一般に、収差の発生量が大きくなることが知られている。そこで、本実施形態においては、第２群の最も像側の面（図１６に示す例においては面６）を非球面とすることにより、収差の発生が極力小さくなるようにしている。

第３群は、主に撮像素子への入射効率を最良にするために作用する要素であり、特に像側の面（図１６に示す例においては面８）が撮像素子の後述する特性に合わせた入射角になるように制御する役割を担っている。なお、第３群で収差補正を行おうとすると、撮像素子への入射角の制御が困難になる。そこで本実施形態においては、第３群は比較的弱いパワーをもつ群となっている。

続いて、各群の配置について説明する。

第１群と第２群の距離は、第１群の広角化の作用をより効率良く機能させるために、長くとっている（つまり、第１群と第２群とを離して配置している）。すなわち、光線を効率良く屈折させるためには、光線がレンズの周辺を通るように配置すると良い。そこで本実施形態においては、第１群の最も物体側の面（図１６に示す例においては面１）から絞りの面までの距離を離して配置している。これにより、第１群を通過する光線は、レンズの周辺部を通るようになり、効率良く広角化を行うことができる。

また、第２群と第３群の距離は、極力短くしている。これは、第２群と第３群の距離を短くすると、対物光学系の焦点距離が短くなって広角化することができるためである。

こうして、本実施形態においては、広角化を効率良く実現するために、第１群と第２群の距離を長くし、第２群と第３群の距離を短くすることを行っている。このように、第２群と第３群の距離を極力短くした上で、第１群と第２群の距離を最適に設定することにより、第２群と第３群の距離を必要以上に長くする必要がなくなり、全長を極力短くしたたままで広角化を実現することができる。

さらには、下記条件式を満足するようにすると、樹脂のような屈折率の低い材料を使用した際にも、それぞれの群の距離をバランス良く配置することができ、全長を極力短くした状態で広角化を実現することができる。

ｄ_L23／ｄ_L12＜０．２５
但し、ｄ_L23は第２群と第３群の距離、ｄ_L12は第１群と第２群の距離である。

また、近年の撮像素子は、光電変換を行うフォトダイオードを複数配列してなる撮像面の上に、開口率を上げるためにマイクロレンズを設けたり、あるいは単板カラー撮像素子等を実現するためにカラーフィルタを設けたりするのが一般的となっている。このような撮像素子に、対物光学系を通過してきた光が例えば大きな入射角で入射すると、マイクロレンズやカラーフィルタの縁でけられてしまい、撮像面まで光が到達できなくなることがある。すると、入射角が大きくなる画像の周辺部は、画像の中央部よりも光電変換が少ししか行われず、画像の周辺が暗くなる現象を引き起こすことになる。このように撮像素子は、光束の入射角により特性が異なることが知られている。そこで本実施形態においては、第３群によって撮像素子への入射角の制御を行うことにより、周辺の画像が暗くなるのを改善するようにしている。

加えて、下記条件式を満たすようにレンズを配置することで、第２群で十分な収差補正を行いつつ、第３群では撮像素子への入射角の制御を効率良く行うことができるようになる。

１．７＜ｆ_L3／ｆ_L2
但し、ｆ_L2は第２群の焦点距離、ｆ_L3は第３群の焦点距離である。

そして、樹脂のような安価ではあるが低屈折率の材料を使用しつつ画角の広角化を実現するためには、全てのレンズの全ての面にパワーをもたせると良い。これにより、各群のレンズ枚数を１枚にすることもできる。図１６に示した例、および以下に説明する各実施例は、このような構成例を示したものである。こうして、３群３枚の構成でありながら、画角が１３０度以上の広角な対物光学系を実現することができる。

以下では、本実施形態の対物光学系の具体的な実施例を示す。なお、各実施例の対物光学系の数値データにおいては、数式１に示すような非球面式を用いている。

ここで、
Ｚ：非球面上の光軸からの高さｈにおける点の、非球面面頂からの光軸方向の距離
ｈ：光軸からの高さ
ｋ：円錐定数
Ａ４〜１０：４〜１０次の非球面係数
Ｒ：近軸曲率半径
である。

また、図１〜１１Ｂには、内視鏡やカプセル内視鏡の挿入性を高めるために、対物光学系の第１群よりも物体側に負のパワーをもつドーム形状の透明なカバー１３をさらに配置して内視鏡用対物光学系を構成したときの様子を図示している。そして、表１〜１１Ｂには、このようなドーム形状のカバー１３を配置したときの数値データを示している。なお、表１〜１１Ｂにおける物体位置は、ドーム形状のカバー１３の物体側の面の面頂からの距離である。

図１Ａは本実施形態における実施例１の対物光学系の断面図である。図１Ｂは本実施形態における実施例１の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図１Ｃは本実施形態における実施例１の対物光学系の収差図である。表１Ａは本実施形態における実施例１の対物光学系の数値データである。表１Ｂは本実施形態における実施例１の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図２Ａは本実施形態における実施例２の対物光学系の断面図である。図２Ｂは本実施形態における実施例２の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図２Ｃは本実施形態における実施例２の対物光学系の収差図である。表２Ａは本実施形態における実施例２の対物光学系の数値データである。表２Ｂは本実施形態における実施例２の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図３Ａは本実施形態における実施例３の対物光学系の断面図である。図３Ｂは本実施形態における実施例３の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図３Ｃは本実施形態における実施例３の対物光学系の収差図である。表３Ａは本実施形態における実施例３の対物光学系の数値データである。表３Ｂは本実施形態における実施例３の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図４Ａは本実施形態における実施例４の対物光学系の断面図である。図４Ｂは本実施形態における実施例４の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図４Ｃは本実施形態における実施例４の対物光学系の収差図である。表４Ａは本実施形態における実施例４の対物光学系の数値データである。表４Ｂは本実施形態における実施例４の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図５Ａは本実施形態における実施例５の対物光学系の断面図である。図５Ｂは本実施形態における実施例５の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図５Ｃは本実施形態における実施例５の対物光学系の収差図である。表５Ａは本実施形態における実施例５の対物光学系の数値データである。表５Ｂは本実施形態における実施例５の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図６Ａは本実施形態における実施例６の対物光学系の断面図である。図６Ｂは本実施形態における実施例６の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図６Ｃは本実施形態における実施例６の対物光学系の収差図である。表６Ａは本実施形態における実施例６の対物光学系の数値データである。表６Ｂは本実施形態における実施例６の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図７Ａは本実施形態における実施例７の対物光学系の断面図である。図７Ｂは本実施形態における実施例７の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図７Ｃは本実施形態における実施例７の対物光学系の収差図である。表７Ａは本実施形態における実施例７の対物光学系の数値データである。表７Ｂは本実施形態における実施例７の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図８Ａは本実施形態における実施例８の対物光学系の断面図である。図８Ｂは本実施形態における実施例８の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図８Ｃは本実施形態における実施例８の対物光学系の収差図である。表８Ａは本実施形態における実施例８の対物光学系の数値データである。表８Ｂは本実施形態における実施例８の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図９Ａは本実施形態における実施例９の対物光学系の断面図である。図９Ｂは本実施形態における実施例９の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図９Ｃは本実施形態における実施例９の対物光学系の収差図である。表９Ａは本実施形態における実施例９の対物光学系の数値データである。表９Ｂは本実施形態における実施例９の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図１０Ａは本実施形態における実施例１０の対物光学系の断面図である。図１０Ｂは本実施形態における実施例１０の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図１０Ｃは本実施形態における実施例１０の対物光学系の収差図である。表１０Ａは本実施形態における実施例１０の対物光学系の数値データである。表１０Ｂは本実施形態における実施例１０の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図１１Ａは本実施形態における実施例１１の対物光学系の断面図である。図１１Ｂは本実施形態における実施例１１の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図１１Ｃは本実施形態における実施例１１の対物光学系の収差図である。表１１Ａは本実施形態における実施例１１の対物光学系の数値データである。表１１Ｂは本実施形態における実施例１１の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図１２Ａは本実施形態における実施例１２の対物光学系の断面図である。図１２Ｂは本実施形態における実施例１２の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図１２Ｃは本実施形態における実施例１２の対物光学系の収差図である。表１２Ａは本実施形態における実施例１２の対物光学系の数値データである。表１２Ｂは本実施形態における実施例１２の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

図１３Ａは本実施形態における実施例１３の対物光学系の断面図である。図１３Ｂは本実施形態における実施例１３の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの断面図である。図１３Ｃは本実施形態における実施例１３の対物光学系の収差図である。表１３Ａは本実施形態における実施例１３の対物光学系の数値データである。表１３Ｂは本実施形態における実施例１３の対物光学系の物体側に負のパワーをもつドーム形状のカバーを配置したときの数値データである。

なお、上述した各実施例の内の、実施例１〜１１，１３においては、対物光学系の各群は、全て同じ樹脂材料から構成されている。これにより、異なる樹脂材料を用いる場合に必要な工程等、例えば樹脂を切り替える際に発生する製造装置の洗浄工程や製造条件を変更するための段取り等を行う必要がなくなり、さらに低コストな対物光学系となっている。

一方、実施例１２については、第３群を構成するレンズを、第２群を構成するレンズよりも低アッベ数の材料により製作して、倍率の色収差を補正している。

以上のように、本実施形態においては、全てのレンズを構成する材料を屈折率１．６５以下の材料とすることができる。ここに、屈折率１．６５以下の材料としては、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネイト、アクリル、ポリスルフォン、等の樹脂材料が代表的なものとして上げられる。そして、これらの樹脂材料を用いてレンズを製造することにより、硝子を用いてレンズを製造した場合に比べて、レンズの原価を安価にすることができる。こうして、画角が１３０度以上の広角な対物光学系を、低コストで製造することができる。

また、内視鏡やカプセル内視鏡のような、体内に挿入して観察する機器においては、図１〜１３Ｂに示したように、対物光学系の物体側（装置の先端側）にドーム形状の透明なカバー１３を配置して内視鏡用対物光学系を構成し、挿入時の体内との摩擦を極力少なくして、患者の負担を軽くしようという試みがされている。このような構造のときは、ドーム形状のカバー１３により光線が屈折して対物光学系に入射する角度が変化してしまい、カバー１３がない状態に対して光学性能、観察性能が変わってしまうという課題があった。

そこで本実施形態においては、下記条件式を満足するように、すなわちドーム形状のカバー１３の焦点距離の絶対値が対物光学系の焦点距離の絶対値に対して十分に大きな値になるように、設定している。

１００＜｜ｆ_d／ｆ｜
但し、ｆ_dはドーム形状のカバー１３の焦点距離、ｆはドーム形状のカバー１３を配置していない状態での対物光学系全系の焦点距離である。

上述した実施例１〜１３においては、表１〜１３Ａ、表１〜１３Ｂから明らかなように、ドーム形状のカバー１３の焦点距離の絶対値は、対物光学系の焦点距離の絶対値に比較して十分に大きく（上記条件式に示したように１００倍よりも大きい）、ドーム形状のカバー１３が、該カバー１３と対物光学系とを合わせた内視鏡用対物光学系全系に与えるパワーの影響は極わずかである。これにより、カバー１３を配置しても、カバー１３を配置していない場合と実質的に同様の観察性能を得ることができる。

また、上述した各実施例においては、ドーム形状のカバー１３の物体側の面の球芯位置と像側の面の球芯位置とを一致させている。これにより、球芯を通る光線が屈折しなくなるために、カバー１３による光学性能の変化をさらに小さくすることができている。

図１４は、本実施形態の対物光学系を備えたカプセル内視鏡２０の要部概略構成を示す図である。

本実施形態の対物光学系１０は、対物枠２１に収納されている。また、対物光学系１０の結像面位置には撮像素子１２の撮像面１１が一致するように配置されている。この撮像素子１２は、対物光学系１０の一部に突き当てられることで軸方向の位置出しを行っている。

これら対物光学系１０および撮像素子１２の周辺には、撮像対象の物体を照明するための照明部材として、例えばＬＥＤ２４が配置されている。この図１４に示す例においては、物体に陰影等が生じることのない照明を行うために、対物光学系１０を挟んだ略対称な位置に複数（例えば２つ）のＬＥＤ２４が配置されている。

これら対物光学系１０、撮像素子１２、ＬＥＤ２４は、カプセル内視鏡２０の筐体を構成する外装部品２３の物体側に配置されている。そして、この外装部品２３の物体側から、上述した対物光学系１０、撮像素子１２、ＬＥＤ２４を覆うように、透明な材料で形成されたドーム形状（例えば略半球形状）のカバー１３が配置されている。このドーム形状のカバー１３は、表１〜１３Ｂに示したように、対物光学系１０の光軸上で負のパワーをもったものとなっている。

また、外装部品２３内には、撮像素子１２やＬＥＤ２４を駆動したり撮像素子１２から得られた画像を処理したりするための電気部品２６等が実装された基板２５、カプセル内視鏡２０の電源となる電池２７、得られた画像を外部へ送信したり外部から指令を受信したりするための無線装置２８、などが収納されている。

なお、この図１４に示す構成においては、ＬＥＤ２４が主として可視光域の光のみを発光するものであり、赤外光の発光量はほぼ０であることを想定している。そして、カプセル内視鏡２０の使用環境が体腔内であることを想定している。これにより、外光等の影響を受けることもほぼないために、外光に含まれる赤外線を考慮する必要もない。従って、対物光学系１０とカバー１３とを含む内視鏡用対物光学系内に赤外光をカットするためのフィルタやコーティングを設ける必要がない。こうして、さらに低コストな内視鏡用対物光学系を得ることが可能となっている。

図１５は、本実施形態の対物光学系１０を備えた内視鏡先端部３０の概略構成を示す図である。

本実施形態の対物光学系１０は、対物枠２１Ａに収納されている。また、撮像素子１２は、撮像素子枠３１に保持されている。撮像素子枠３１の内周側には対物枠２１Ａの外周側が光軸方向にスライド可能となるように嵌合されている。そして、対物枠２１Ａと撮像素子枠３１とをスライドさせて調整することにより、撮像素子１２と対物光学系１０との軸方向の位置出しを行うようになっている。このような調整を行うことにより、対物光学系１０の結像面位置に、撮像素子１２の撮像面１１が正確に配置される。

対物光学系１０の周辺には、撮像対象の物体を照明するための照明部材である照明レンズ３３が配置されている。この照明レンズ３３の後方には、図示しない光源装置からの光を照明レンズ３３まで導光するライトガイド３２が配置されている。そして、この図１５に示す例においても、物体に陰影等が生じることのない照明を行うために、対物光学系１０を挟んだ略対称な位置に複数（例えば２つ）の照明レンズ３３およびライトガイド３２が配置されている。

また、上述した対物光学系１０および照明レンズ３３の物体側を覆うように、透明なカバー１３Ａが配置されている。このカバー１３Ａは、後述する鉗子孔３４の内部を除く内視鏡内を水密および気密に閉塞する。そして、このカバー１３Ａは、上述したカプセル内視鏡２０のカバー１３とは異なり、対物光学系１０の光軸上（および照明レンズ３３の光軸上）でパワーをもたない平板形状のものが用いられている。

また、内視鏡先端部３０から内視鏡の手元側にかけて、処置や生検に用いる鉗子等を挿通するための鉗子孔３４が設けられており、この鉗子孔３４は上述したカバー１３Ａを貫通して外部へ連通している。

なお、光源装置に用いられている光源の種類によっては赤外光を含む光を発光するものもあるために、この図３０に示す構成においては、第３群の最も像側（撮像素子１２側）の面に赤外光をカットするためのコーティングを施している。

このように、対物光学系１０や照明レンズ３３等の少なくとも物体側を覆うようにカバー１３Ａを配置したために、各光学系を構成するレンズ等が外部に露出することがなくなり、体液等にさらされることはなくなる。従って、耐性的にガラスよりも劣る樹脂のような材料を用いてレンズを製造することが可能となる。樹脂材料は比較的安価に入手することができるために、対物光学系１０や照明レンズ３３等の更なる低コスト化を実現することができる。

なお、本実施形態の対物光学系は、小型で広角な観察視野が必要とされる装置に用いると良く、具体的な適用例としては内視鏡やカプセル内視鏡などが挙げられる。さらに、本実施形態の対物光学系は、こうした装置の中でも、特に、低コストであることが望まれるディスポーサブルなタイプのものに有用である。

このような実施形態によれば、内視鏡として十分に使用可能な１３０度以上の広角な対物光学系を、レンズ枚数を少なくして小型化を図りながら、低コストに得ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

本出願は、２００９年９月１日に日本国に出願された特願２００９−２０１８２４号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims

物体側から順に、負のパワーをもつ第１群、明るさ絞り、正のパワーをもつ第２群、第３群からなり、
前記第１群の最も像側の面が像側に向いた凹面、
前記第２群の最も像側の面が非球面、
前記第３群の最も物体側の面が物体側に向いた凸面、
で構成され、
前記第１〜３群の各々がレンズ１枚からなる３群３枚構成であり、これら３枚のレンズの全ての面がパワーを有すると共に、当該第１〜３群を構成する３枚のレンズは、全て屈折率１．６５以下の材料から形成され、
前記第２群と前記第３群の距離が前記第１群と前記第２群の距離よりも小さく、下記条件式を満足し、かつ画角が１３０度以上である対物光学系、
ｄ_L23／ｄ_L12＜０．２５
１．７＜ｆ_L3／ｆ_L2
但し、
ｄ_L23は前記第２群と前記第３群の距離、
ｄ_L12は前記第１群と前記第２群の距離、
ｆ_L2は前記第２群の焦点距離、
ｆ_L3は前記第３群の焦点距離。
請求項１に記載の対物光学系と、
前記対物光学系の前記第１群の最も物体側の面よりも物体側に配置されたカバーと、
を具備したことを特徴とする内視鏡用対物光学系。
前記カバーは、前記対物光学系の光軸上で負のパワーをもつドーム形状をなし、下記条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡用対物光学系、
１００＜｜ｆ_d／ｆ｜
但し、
ｆ_dは前記カバーの焦点距離、
ｆは前記カバーを配置していない状態での対物光学系全系の焦点距離。
前記対物光学系の周辺に配置された照明部材をさらに具備し、
前記カバーは、前記対物光学系の光軸上でパワーをもたない平板形状をなし、前記対物光学系および前記照明部材を覆うように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡用対物光学系。
前記第１〜３群を構成する３枚のレンズは、全て屈折作用によって光線を曲げる光学素子であり、かつ全て同一の材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
さらに、下記条件式
０．０５２≦ｄ_L23／ｄ_L12
を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
さらに、下記条件式
２．３６２≦｜ｆ_L3／ｆ_L2｜
を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
さらに、下記条件式
２．３６２≦｜ｆ_L3／ｆ_L2｜≦３．６１２
を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
物体側から順に、負のパワーをもつ第１群、明るさ絞り、正のパワーをもつ第２群、第３群からなり、
前記第１群の最も像側の面が像側に向いた凹面、
前記第２群の最も像側の面が非球面、
前記第３群の最も物体側の面が物体側に向いた凸面、
で構成され、
前記第１〜３群の各々がレンズ１枚からなる３群３枚構成であり、これら３枚のレンズの全ての面がパワーを有すると共に、当該第１〜３群を構成する３枚のレンズは、全て屈折作用によって光線を曲げる光学素子であり、かつ全て同一の材料から形成され、
前記第２群と前記第３群の距離が前記第１群と前記第２群の距離よりも小さく、下記条件式を満足する対物光学系、
ｄ_L23／ｄ_L12＜０．２５
１．７＜ｆ_L3／ｆ_L2
但し、
ｄ_L23は前記第２群と前記第３群の距離、
ｄ_L12は前記第１群と前記第２群の距離、
ｆ_L2は前記第２群の焦点距離、
ｆ_L3は前記第３群の焦点距離。
請求項９に記載の対物光学系と、
前記対物光学系の前記第１群の最も物体側の面よりも物体側に配置されたカバーと、
を具備したことを特徴とする内視鏡用対物光学系。
前記カバーは、前記対物光学系の光軸上で負のパワーをもつドーム形状をなし、下記条件式を満足することを特徴とする請求項１０に記載の内視鏡用対物光学系、
１００＜｜ｆ_d／ｆ｜
但し、
ｆ_dは前記カバーの焦点距離、
ｆは前記カバーを配置していない状態での対物光学系全系の焦点距離。
前記対物光学系の周辺に配置された照明部材をさらに具備し、
前記カバーは、前記対物光学系の光軸上でパワーをもたない平板形状をなし、前記対物光学系および前記照明部材を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の内視鏡用対物光学系。
さらに、下記条件式
０．０５２≦ｄ_L23／ｄ_L12
を満足することを特徴とする請求項９に記載の対物光学系。
さらに、下記条件式
２．３６２≦｜ｆ_L3／ｆ_L2｜
を満足することを特徴とする請求項９に記載の対物光学系。
さらに、下記条件式
２．３６２≦｜ｆ_L3／ｆ_L2｜≦３．６１２
を満足することを特徴とする請求項９に記載の対物光学系。