JP4937780B2 - 内視鏡用対物レンズ - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡の先端部に設けられる対物レンズに関し、特に、その像面側に光路変換プリズムが配置されるような長いバックフォーカスを有する光学系に対応可能な内視鏡用対物レンズに関する。

従来より、先端部において、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子を長手方向に対し平行に配置した構成の内視鏡が知られている。図２３はその内視鏡における対物光学系の概略を示している。図２３に示したように、固体撮像素子２００が内視鏡の先端部において軸方向（長手方向）Ｚに対し平行に配置されている。そして、その対物レンズ１００と固体撮像素子２００との間にカバーガラス１０１を介して光路変換プリズム１０２が挿入配置されるようになっている。対物レンズ１００の光軸Ｚ１は、光路変換プリズム１０２によって、固体撮像素子２００の方向に略９０度折り曲げられる。この光路変換プリズム１０２の大きさはイメージサイズで決まり、光路変換プリズム１０２が挿入配置される対物レンズ１００の最終面から結像位置Ｐまでの距離（ほぼ、バックフォーカスと同等）を十分に確保しておく必要がある。このため、全系の焦点距離に比べてバックフォーカスの長い対物レンズが必要とされている。しかしながら、内視鏡用の対物レンズは、その広角化の要請に伴い、イメージサイズが同一でも焦点距離は短くなる傾向にあり、十分なバックフォーカスを得ることは困難であった。この点に関し、本願出願人は、特許文献１において、全系の合成焦点距離ｆに比べてバックフォーカスが十分長い３群４枚構成の内視鏡用対物レンズを提案している。
特開２００５−１４８５０８号公報

一方、内視鏡用対物レンズは被写界深度を深くするためにＦ値の暗いものが多く、球面収差やコマ収差が画質を決める重要な要因となることは少なく、画質劣化の大きな要因として倍率色収差が挙げられる。特に近年では、固体撮像素子の高密度化が進み、画素数が増大するにつれ、倍率色収差の十分な補正が必要とされている。倍率色収差を補正するには、絞りより離れた位置に倍率色収差補正を担う光学部材が配置されていることが好ましい。特に絞りより像側では、結像面に近い位置に倍率色収差補正を担う光学部材が配置されているほど、その効果がより顕著である。しかしながら、バックフォーカスの長いレンズ系においては、結像面に近い位置に光学部材が存在せず、倍率色収差の補正は容易ではなかった。特許文献１に記載の内視鏡用対物レンズは、十分なバックフォーカスを有しているものの、倍率色収差の補正の点でまだ改善の余地がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、像面側に光路変換プリズムを挿入配置することが可能な十分な長さのバックフォーカスを確保しつつ、倍率色収差を良好に補正することができるようにした内視鏡用対物レンズを提供することにある。

本発明による内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、前群発散レンズ系と、明るさ絞りと、後群収束レンズ系とからなり、全系のバックフォーカスが全系の合成焦点距離の２．５倍よりも長い内視鏡用対物レンズであって、前群発散レンズ系が、像面側の面が凹面とされた１枚の負の第１レンズからなり、後群収束レンズ系が、物体側から順に、凸面を像面側に向けた正のメニスカス形状の第２レンズと、いずれか一方が正レンズで構成されるとともに他方が負レンズで構成された第３レンズおよび第４レンズからなる接合レンズとが配設されてなり、かつ、下記条件式を満足するように構成されているものである。
｜ν₃−ν₄｜×ｆ²／｛｜Ｒ_A｜・（Ｂｆ＋Ｄ_A／ｎ₄）｝≧９ ……（１）
ただし、ｆは全系の合成焦点距離、Ｂｆは全系のバックフォーカス、ν₃は第３レンズのアッベ数、ν₄は第４レンズのアッベ数、Ｒ_Aは第３レンズと第４レンズとの接合面の曲率半径、Ｄ_Aは第４レンズの中心厚、ｎ₄は第４レンズの屈折率とする。
本発明による内視鏡用対物レンズは、下記条件式を満足することが好ましい。
１２．４≧｜ν ₃ −ν ₄ ｜×ｆ ² ／｛｜Ｒ _A ｜・（Ｂｆ＋Ｄ _A ／ｎ ₄ ）｝≧９ ……（１）’

本発明による内視鏡用対物レンズでは、像面側に倍率色収差補正を担う光学部材として接合レンズを配置し、その接合レンズに関し条件式（１）を満足することで、像面側に光路変換プリズムを挿入配置することが可能な十分な長さのバックフォーカスを確保しつつ、倍率色収差が良好に補正される。

本発明による内視鏡用対物レンズにおいて、接合レンズにおける負レンズのアッベ数をν_-として下記条件式を満足することが好ましい。これにより、倍率色収差の補正をさらにし易くなる。
ν_-＜２２ ……（２）

本発明の内視鏡用対物レンズによれば、物体側から順に、前群発散レンズ系と、明るさ絞りと、後群収束レンズ系とからなり、全系のバックフォーカスを全系の合成焦点距離の２．５倍よりも長くした内視鏡用対物レンズであって、後群収束レンズ系の最も像面側に倍率色収差補正を担う光学部材として接合レンズを配置し、かつ、その接合レンズに関し条件式（１）を満足するようにしたので、像面側に光路変換プリズムを挿入配置することが可能な十分な長さのバックフォーカスを確保しつつ、倍率色収差を良好に補正することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る内視鏡用対物レンズの第１の構成例を示している。この構成例は、後述の第１の数値実施例（図７）のレンズ構成に対応している。図２は、第２の構成例を示している。この構成例は、後述の第２の数値実施例（図８）のレンズ構成に対応している。図３は、第３の構成例を示している。この構成例は、後述の第３の数値実施例（図９）のレンズ構成に対応している。図４は、第４の構成例を示している。この構成例は、後述の第４の数値実施例（図１０）のレンズ構成に対応している。図５は、第５の構成例を示している。この構成例は、後述の第５の数値実施例（図１１）のレンズ構成に対応している。図６は、第６の構成例を示している。この構成例は、後述の第６の数値実施例（図１２）のレンズ構成に対応している。図１ないし図６において、符号Ｒｉは、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像面側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目の面の曲率半径を示す。符号Ｄｉは、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、各構成例共に基本的な構成は同じなので、以下では図１に示した第１の構成例を基本にして説明する。

この内視鏡用対物レンズは、内視鏡の先端部に設けられ、特に、固体撮像素子が軸方向（長手方向）に対し平行に配置された内視鏡（図２３参照）の対物レンズとして好適に使用されるものである。この内視鏡用対物レンズは、光軸Ｚ１に沿って物体側から順に、全体として負の屈折力を有する前群発散レンズ系Ｇ１と、明るさ絞りＳｔと、全体として正の屈折力を有する後群収束レンズ系Ｇ２とを備えている。この内視鏡用対物レンズの像面側には、光路変換プリズムＧＰが配置され、さらに、この光路変換プリズムＧＰの像面側近傍にＣＣＤなどの固体撮像素子が配置される。光路変換プリズムＧＰと固体撮像素子との間には、カバーガラスなどのその他の光学部材が配置されることもある。なお、図１〜図６においてＰは結像位置を示す。図１〜図６では、光路変換プリズムＧＰを等価的に入射光軸Ｚ１と同一方向に展開し、結像位置Ｐが入射光軸Ｚ１と同一方向となるように図示しているが、実際には図２３に示した構成例と同様に、光路変換プリズムＧＰによって光路が略９０度折り曲げられるような構成となっている。

前群発散レンズ系Ｇ１は第１レンズＬ１からなり、後群収束レンズ系Ｇ２は物体側から順に、第２レンズＬ２と接合レンズＬ３４とからなる。接合レンズＬ３４は、第３レンズＬ３および第４レンズＬ４からなる。これにより、この内視鏡用対物レンズは、全体として３群４枚のレンズ構成とされている。

第１レンズＬ１は、曲率半径の小さい面を像面側に向けた負レンズとなっている。第１レンズＬ１は例えば、像面側の面が凹面とされ、物体側の面が平面とされた平凹レンズとされている。ただし、図６の第６の構成例では、第１レンズＬ１の物体側の面が凸面とされ、負のメニスカス形状となっている。第２レンズＬ２は、凸面を像面側に向けた正のメニスカス形状のレンズとされている。接合レンズＬ３４において、第３レンズＬ３および第４レンズＬ４は、いずれか一方が正レンズで構成されるとともに他方が負レンズで構成されている。図１の第１の構成例と図３〜図６の第３〜第６の構成例では、第３レンズＬ３が両凸の正レンズ、第４レンズＬ４が物体側に凹面を向けたメニスカス形状の負レンズとなっている。図２の第２の構成例では、第３レンズＬ３が像面側に凹面を向けたメニスカス形状の負レンズ、第４レンズＬ４が両凸の正レンズとなっている。

この内視鏡用対物レンズは、全系のバックフォーカスＢｆが全系の合成焦点距離ｆの２．５倍よりも長く構成されており、さらに以下の条件を満足している。
｜ν₃−ν₄｜×ｆ²／｛｜Ｒ_A｜・（Ｂｆ＋Ｄ_A／ｎ₄）｝≧９ ……（１）
ただし、ν₃は第３レンズＬ３のアッベ数、ν₄は第４レンズＬ４のアッベ数、Ｒ_Aは第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との接合面の曲率半径、Ｄ_Aは第４レンズＬ４の中心厚、ｎ₄は第４レンズＬ４の屈折率とする。

また、この内視鏡用対物レンズにおいて、接合レンズＬ３４における負レンズのアッベ数をν_-として下記条件式を満足することが好ましい。
ν_-＜２２ ……（２）

次に、以上のように構成された内視鏡用対物レンズの作用および効果を説明する。
この内視鏡用対物レンズでは、物体側から順に、前群発散レンズ系Ｇ１と、明るさ絞りＳｔと、後群収束レンズ系Ｇ２とを備え、全系のバックフォーカスＢｆを全系の合成焦点距離ｆの２．５倍よりも長くしたレンズ系において、明るさ絞りＳｔから離れた場所に、倍率色収差補正を担う光学部材として接合レンズＬ３４を配置し、その接合レンズＬ３４に関し条件式（１）を満足することで、像面側に光路変換プリズムＧＰを挿入配置することが可能な十分な長さのバックフォーカスを確保しつつ、倍率色収差を良好に補正している。条件式（１）は、色収差補正を担う光学部材としての接合レンズＬ３４における接合面の倍率色収差に対する補正の度合いを示している。条件式（１）は、接合レンズＬ３４を構成する第３レンズＬ３と第４レンズＬ４とのアッベ数の差｜ν₃−ν₄｜を、全系の合成焦点距離ｆで規格化した接合レンズＬ３４の接合面の曲率半径Ｒ_Aと全系のバックフォーカスＢｆに第４レンズＬ４の空気換算長Ｄ_A／ｎ₄を加えた値（Ｂｆ＋Ｄ_A／ｎ₄）とで割ったものである。条件式（１）は、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４とのアッベ数差｜ν₃−ν₄｜が大きく、また、接合面の曲率半径Ｒ_Aが小さく、接合面が結像位置に短いほど倍率色収差の補正に有利なことを示す。

通常、色収差の補正が不十分な結像レンズにおいては、短波長における焦点距離が長波長の焦点距離よりも短いので、軸上色収差と倍率色収差共に短波長が基準波長に比べマイナス（アンダー）となる。ここで倍率色収差のアンダーを補正する場合、明るさ絞りＳｔより後方では、正レンズのアッベ数は大きく、負レンズのアッベ数は小さくすると良い。そこで、上記条件式（２）を満足するように接合レンズＬ３４の負レンズのアッベ数は小さくすることが好ましい。これにより、倍率色収差の補正をさらにし易くなる。

以上説明したように、本実施の形態に係る内視鏡用対物レンズによれば、物体側から順に、前群発散レンズ系Ｇ１と、明るさ絞りＳｔと、後群収束レンズ系Ｇ２とを備え、全系のバックフォーカスＢｆを全系の合成焦点距離ｆの２．５倍よりも長くしたレンズ系において、後群収束レンズ系Ｇ２の最も像面側に倍率色収差補正を担う光学部材として接合レンズＬ３４を配置し、かつ、その接合レンズＬ３４に関し条件式（１）を満足するようにしたので、像面側に光路変換プリズムＧＰを挿入配置することが可能な十分な長さのバックフォーカスを確保しつつ、倍率色収差を良好に補正することができる。

なお、以上の説明では、全系のバックフォーカスＢｆが全系の合成焦点距離ｆの２．５倍よりも長いレンズ系であるとしているが、バックフォーカスＢｆが長ければ大きな光路変換プリズムＧＰを挿入でき、この場合、有効光束に対して、プリズムサイズを大きくできるので、ゴーストやフレアの発生を抑えるのに有利である。また、プリズムサイズを大きくしない場合には、最終レンズと光路変換プリズムＧＰとの間に十分な間隔を確保でき、必要に応じて、フィルタの挿入などが容易に行えるという利点がある。これらの利点を十分に得たい場合には、全系のバックフォーカスＢｆが全系の合成焦点距離ｆの３倍以上であることが望ましい。

次に、本実施の形態に係る内視鏡用対物レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第１〜第６の数値実施例をまとめて説明する。

図７は実施例１に係る内視鏡用対物レンズの基本的なレンズデータを示している。この実施例１に係る内視鏡用対物レンズの基本的なレンズ構成は、既に図１を参照して説明したとおりである。図７に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜１０）の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１において付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値（ｍｍ）を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、同様に物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔（ｍｍ）を示す。ｎｄｊは、隣り合うレンズ面間のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率の値を示す。νｄｊの欄には、物体側からｊ番目（ｊ＝１〜５）の光学要素のｄ線に対するアッベ数の値を示す。なお、曲率半径Ｒｉと面間隔Ｄｉの数値は、全系の合成焦点距離ｆが０．５ｍｍとなるように規格化してある。

以上の実施例１に係る内視鏡用対物レンズと同様にして、実施例２に係る内視鏡用対物レンズの基本的なレンズデータを図８に示す。実施例２に係る内視鏡用対物レンズの基本的なレンズ構成は、既に図２を参照して説明したとおりである。また同様にして、実施例３ないし実施例６に係る内視鏡用対物レンズの基本的なレンズデータをそれぞれ、図９〜図１２に示す。実施例３ないし実施例６に係る内視鏡用対物レンズの基本的なレンズ構成はそれぞれ、既に図３〜図６を参照して説明したとおりである。なお、実施例２ないし実施例６についても、実施例１と同様に、曲率半径Ｒｉと面間隔Ｄｉの数値は、全系の合成焦点距離ｆが０．５ｍｍとなるように規格化してある。

図１３には、その他の諸データとして、各実施例の対物レンズにおけるイメージサイズ、被写体距離、画角、バックフォーカスＢｆ、最外画角での倍率色収差の値（Ｆ線−Ｃ線）および上記条件式の値を示す。なお、Ｃ線は波長６５６．２７ｎｍ、Ｆ線は波長４８６．１３ｎｍである。図１３から分かるように、各実施例の値が、各条件式の数値範囲内となっている。また各実施例について全系のバックフォーカスＢｆが全系の合成焦点距離ｆの２．５倍よりも長くなっている。特に、実施例１ないし実施例３では、全系のバックフォーカスＢｆが全系の合成焦点距離ｆの３倍よりも長くなっている。なお、各条件式におけるν₃、ν₄、ν_-およびｎ₄はｄ線を基準波長とした値で計算している。

図１３には、本実施の形態に係る内視鏡用対物レンズに対する比較例の内視鏡用対物レンズについての値も示す。比較例の内視鏡用対物レンズは、各条件式の値から外れ、また倍率色収差の値が各実施例の値に比べて大きくなっている。ここで、比較例の内視鏡用対物レンズの構成を図２０に示す。また、比較例の内視鏡用対物レンズの基本的なレンズデータを図２１に示す。符号は本実施の形態に係る内視鏡用対物レンズに対応する部分に同一の記号を付している。この比較例は、上記特許文献１（特開平２００５−１４８５０８号公報）に実施例２として記載されているものである。なお、この比較例についても、曲率半径Ｒｉと面間隔Ｄｉの数値は、全系の合成焦点距離ｆが０．５ｍｍとなるように規格化してある。

図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）はそれぞれ、実施例１に係る内視鏡用対物レンズにおける球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、および倍率色収差を示している。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示す。球面収差は、Ｃ線およびＦ線についての収差も示す。倍率色収差はＣ線およびＦ線について示す。ＦＮＯ．はＦ値、ωは半画角を示す。

同様にして、実施例２に係る内視鏡用対物レンズについての諸収差を図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）に、実施例３に係る内視鏡用対物レンズについての諸収差を図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）に、実施例４に係る内視鏡用対物レンズについての諸収差を図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）に、実施例５に係る内視鏡用対物レンズについての諸収差を図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）に、実施例６に係る内視鏡用対物レンズについての諸収差を図１９（Ａ）〜図１９（Ｄ）に示す。さらに、図２０および図２１に示した比較例の内視鏡用対物レンズについての諸収差を図２２（Ａ）〜図２２（Ｄ）に示す。

以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、比較例の内視鏡用対物レンズに比べて特に倍率色収差が良好に補正された内視鏡用対物レンズが実現できている。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

本発明の実施例１に係る内視鏡用対物レンズに対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例２に係る内視鏡用対物レンズに対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例３に係る内視鏡用対物レンズに対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例４に係る内視鏡用対物レンズに対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例５に係る内視鏡用対物レンズに対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例６に係る内視鏡用対物レンズに対応するレンズ断面図である。 本発明の実施例１に係る内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 本発明の実施例２に係る内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 本発明の実施例３に係る内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 本発明の実施例４に係る内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 本発明の実施例５に係る内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 本発明の実施例６に係る内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 その他の諸データを各実施例についてまとめて示した図である。 本発明の実施例１に係る内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 本発明の実施例２に係る内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 本発明の実施例３に係る内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 本発明の実施例４に係る内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 本発明の実施例５に係る内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 本発明の実施例６に係る内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 本発明に対する比較例の内視鏡用対物レンズの構成を示すレンズ断面図である。 本発明に対する比較例の内視鏡用対物レンズのレンズデータを示す図である。 本発明に対する比較例の内視鏡用対物レンズの諸収差を示す収差図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）はディストーション、（Ｄ）は倍率色収差を示す。 従来の内視鏡における対物光学系の概略を示す構成図である。

符号の説明

Ｇ１…前群発散レンズ系、Ｇ２…後群収束レンズ系、ＧＰ…光路変換プリズム、Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、Ｌ３…第３レンズ、Ｌ４…第４レンズ、Ｌ３４…接合レンズ、Ｓｔ…明るさ絞り、Ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｚ１…光軸。

Claims (3)

1. 物体側から順に、前群発散レンズ系と、明るさ絞りと、後群収束レンズ系とからなり、全系のバックフォーカスが全系の合成焦点距離の２．５倍よりも長い内視鏡用対物レンズであって、
   前記前群発散レンズ系が、像面側の面が凹面とされた１枚の負の第１レンズからなり、
   前記後群収束レンズ系が、物体側から順に、凸面を像面側に向けた正のメニスカス形状の第２レンズと、いずれか一方が正レンズで構成されるとともに他方が負レンズで構成された第３レンズおよび第４レンズからなる接合レンズとが配設されてなり、
   かつ、下記条件式を満足するように構成されている
   ことを特徴とする内視鏡用対物レンズ。
   ｜ν₃−ν₄｜×ｆ²／｛｜Ｒ_A｜・（Ｂｆ＋Ｄ_A／ｎ₄）｝≧９ ……（１）
   ただし、
   ｆ：全系の合成焦点距離
   Ｂｆ：全系のバックフォーカス
   ν₃：第３レンズのアッベ数
   ν₄：第４レンズのアッベ数
   Ｒ_A：第３レンズと第４レンズとの接合面の曲率半径
   Ｄ_A：第４レンズの中心厚
   ｎ₄：第４レンズの屈折率
   とする。
2. 前記接合レンズにおける負レンズのアッベ数をν_-として下記条件式を満足する
   ν_-＜２２ ……（２）
   ことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用対物レンズ。
3. さらに下記条件式を満足する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内視鏡用対物レンズ。
   １２．４≧｜ν ₃ −ν ₄ ｜×ｆ ² ／｛｜Ｒ _A ｜・（Ｂｆ＋Ｄ _A ／ｎ ₄ ）｝≧９ ……（１）’

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