JP5485482B1 - 内視鏡用対物光学系 - Google Patents

Abstract

小型で小径かつ広画角でありながら、レンズを把持する枠の構造が簡単で、枠の内周面で光線が反射することによるフレアの発生を防止する。物体側より順に明るさ絞り（ＡＳ）と、正の屈折力を有する前群（ＧＦ）と、正の屈折力を有する後群（ＧＲ）とを備え、後群（ＧＲ）は、正の屈折力を有する単レンズ（ＬＰ）と負の屈折力を有する単レンズ（ＬＮ）とが接合されてなるとともに、撮像素子に接合され、単レンズ（ＬＰ，ＬＮ）同士の接合面（Ｓｃ）が、正の屈折力を有する内視鏡用対物光学系（１００）を提供する。

Description

本発明は、極小の内視鏡用対物光学系に関する。

従来、内視鏡の対物光学系として、小型であり、かつ広範囲を観察可能な光学系が要求されている。その実現のためには、全長を短く、外径を小さく、さらに焦点距離を小さくする必要がある。特に気管支や胆道、膵管など、細い管腔の観察に用いられる内視鏡の対物光学系では、内視鏡の径を小さくすることが最も重要であるため、画質の維持よりも小径かつ短いことが優先され、少数のレンズで構成した光学系が採用されている（例えば、特許文献１から９参照。）。

特開２００２−３６５５３５号公報 特許第３４５０５４３号公報 特開２００９−２９４４９４号公報 特開２００７−１５９８３６号公報 特許第４２４５８００号公報 特許第４７３２４８０号公報 特許第２７４０６６２号公報 特開昭５８−８６５１３号公報 特開２０００−１９３９０号公報

特許文献１及び２のように、凹レンズを先端に配した所謂レトロフォーカスタイプの光学系によれば、比較的容易に広角化を実現することができる。しかし、上記の凹レンズは、屈折力の大きい面を像側に有する平凹またはメニスカス形状であり、厚みを大きく確保する必要があるため、全長を短くできない。また、一般にレトロフォーカスタイプは前玉径が肥大する傾向にあり、大径化を招き易いなどのデメリットがある。

また、次のような枠形状の問題もある。すなわち、極細径の内視鏡には、外径が１ｍｍ以下のレンズが用いられることが多い。レンズ径の更なる小径化に伴い、その加工が困難になることは言うまでもないが、レンズを把持する枠についても、厚み０．１ｍｍ程度を精度よく加工することが求められるため、複雑な形状とすることは難しい。例えば、特許文献３の図１３ないし図１５に示されるような簡単な構造の枠でレンズを把持することが一般的であって、特許文献４の図１に示されているような、段差部が多く複数の部材を組み合わせる形状の枠を加工することは困難である。この事情からも前玉に凹レンズを配する構成は不利である。

一方、小型でありながら広角とするためのレンズ構成として、絞り、正の屈折力の前群、正の屈折力の後群からなる構成が知られている（例えば、特許文献５及び６参照。）。このようなレンズ構成は、光学系を短く、また細径化することができる点で都合が良い。しかしながら、例えば特許文献６のように、撮像素子から離れた位置にレンズを配置すると、空気間隔の必要な箇所が多くなって光学系が長くなり易い、また、斜入射の撮像素子では光線高の低い位置に凸レンズを配すことになるので、十分な歪曲効果が得られず広角化が難しいという問題がある。後群の屈折力を強くしてこれを実現しようとすれば、曲率を大きくせねばならず加工性が悪化したり、コバを十分に確保できずに取り扱いが難しくなったりするなどの問題も生じる。従って、加工性と広角とを両立するためには、正の屈折力の後群を撮像素子に近づけることが好ましい。

加えて、撮像素子が固体撮像素子である場合は、表面のカバーガラスが円形でないことが多く、その撮像エリア中心と対物光学系群との中心を合わせるためのガイドとなる部材を配置し、これに他の部材を嵌めて軸合わせすると組み立て易い（例えば、特許文献３参照。）。このためには、一般に平板のガラスや撮像素子の直上に貼り付けた平凸レンズなどが用いられる。これに対し、前記の絞り、正の屈折力の前群、正の屈折力の後群からなるレンズ構成の場合には、正の屈折力の後群にこのガイドの役割を担わせると、光学系のコンパクト化において都合が良い。

これらの事情から、小型化及び広角化を両立するためには、特許文献３及び７のように、絞り、正の屈折力の前群、正の屈折力の後群からなるレンズ構成を採用し、かつ後群の正の屈折力のレンズ群を撮像素子に接合した光学系とするのが良い。

しかしながら、これらの光学系においては、視野外から強い光が入射したときに、前群と後群の間の空気面間において枠の内周面に当たった光線が反射してフレアが発生し易いという問題がある。例えば、特許文献３の図から推測される枠構成において光線を追跡すると、図２４に示すようにフレアが発生することを確認できる。図中、符号ＧＦは前群、符号ＧＲは後群、符号１は前群のレンズを把持する枠、符号２は後群のレンズを把持する枠、符号１０はカバーガラス、符号１１は撮像素子の撮像面に設けられた封止ガラスをそれぞれ示している。このようなフレアは視野の中心付近に広い範囲で発生するため観察に支障を来たすことがあり、対策が望まれている。

勿論、後群のレンズ径を大径化して枠の内周面を光軸から遠ざけることによって該フレアを防止できる。しかし、光学系が大径化する上、嵌め合わされる正の屈折力を有する後群のレンズ径を大きくする必要があり、そのコバ厚みが小さくなって加工性、組み立て性を損なうことにつながる。

そこで、特許文献８では、正の屈折力を有する後群を接合レンズとし、該接合レンズを撮像素子の端面に接合することによって、枠の内周面での反射光によるフレアの抑制を図っている。しかし、これは、枠となるリングを無くしその分だけ枠の内径を広げるという技術思想に基づいており、光軸と枠の内周面との距離の確保が十分ではないため、視野外から光線が入射した場合は依然としてフレアが発生する。これは、特許文献８の第５図の光線図において、最軸外に至らない光線が枠の内周面に至近した箇所を通っていることからも明らかである。

また、カメラのレンズにおける枠の遮光線加工など、枠形状を工夫することによってフレアの発生を抑制することも可能である。しかし、このような加工は先に述べた事情から内視鏡光学系のような極小の枠に対しては難しく、また、精度も要求されることから大きなコストアップとなって適していない。

同様に、フレア絞りなどの遮光部材を光路中に配置する方法も考えられる。しかし、例えばマスク部材などによってこれを実現しようすると、光学系が極めて小さいために遮光部材自体を極小・極薄とせざるを得ず、精度良く加工することが困難である。さらに、マスク部材を固定するための受け部分を枠に設ける必要が生じて枠形状がますます加工し難くなることが避けられず、その表面処理の出来具合によっては、遮光部材自体に光線が当たり却って強いフレアが発生するという問題も発生し得る。加えて上記マスク部材を接着して固定する場合には、小型化に伴い接着面積は小さくなるので固定強度が非常に弱くなり、上記のマスク部材が剥がれ易くなるのも難点である。

上述のように、機械部材の工夫によるフレアの抑制には限界がある。その一方で、特許文献９は、後群のレンズに傾斜部を設けてこのフレアを低減する技術を提案している。しかし、特許文献９は、そもそも枠の内周面に光が当たることを前提としているため、傾斜部の大きさ次第でカットできる迷光の量に差が生じ、フレアの強さが大きく変動することとなる。

特に、極細の内視鏡用の光学系では傾斜部を設けるレンズ自体が小さいことから、傾斜部の大きさの僅かなバラツキがフレアの強さを大きく左右することになり、安定してフレアの発生を抑制することができない。傾斜部を十分に大きく確保してこれを解決しようとしても、必要な光線の領域にまで傾斜部が掛ってしまい、ケラレによる光量ロスによって周辺性能が低下する、また後群のレンズと枠との嵌合面積が小さくなり撮像ユニットとしての強度が低下するなどの問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型で小径かつ広画角でありながら、レンズを把持する枠の構造が簡単で、枠の内周面で光線が反射することによるフレアの発生を防止することができる内視鏡用対物光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、物体側より順に明るさ絞りと、正の屈折力を有する前群と、正の屈折力を有する後群とを備え、該後群は、正の屈折力を有する単レンズと負の屈折力を有する単レンズとが接合されてなるとともに、撮像素子に接合され、前記単レンズ同士の接合面が、正の屈折力を有し、次の条件式（１）を満足する内視鏡用対物光学系を提供する。
（１） ０．１５ ＜ ｆＦ／ｆＲ ＜ ０．５
ただし、ｆＦは前記前群の焦点距離、ｆＲは前記後群の焦点距離である。

ここで、接合面が正の屈折力を有するとは、物体側から順に屈折率Ｎと屈折率Ｎ’の硝材とが、曲率半径ｒ（ただし、像側に曲率中心を有する場合を正とする）の面で接合されている場合に、面の屈折力の定義Φ＝（Ｎ’―Ｎ）／ｒが正であることをいう。この条件式が満足されていれば、後群は、物体側より順に正の単レンズと負の単レンズとから構成されていてもよく、物体側より順に負の単レンズと正の単レンズとから構成されていてもよい。

本発明の内視鏡用対物光学系は、小型で小径かつ広画角でありながら、枠の構造を簡単とし、正の屈折力の後群に入射する軸外光線の高さを下げることで枠の内周面における反射を無くしフレアの発生の抑止を意図したものである。

後群が撮像素子に接合されていると、後群がガイドとなって内視鏡用対物光学系と撮像素子との中心合わせをし易く、コンパクト化が実現できることは先に述べた通りである。一方、正の屈折力の後群を、正の屈折力の単レンズと負の屈折力の単レンズとを接合し、かつその接合面が正の屈折力を有する構成とすることによって、本発明の光学系は後群が全体として正の屈折力を有し、また、撮像素子に入射する光線が２度の収斂作用を受けるようになる。これによってフレアが抑止される理由を以下に説明する。

まず、撮像素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子であっても、イメージガイドファイバのような素子であっても、ある角度範囲での入射特性を有する。これを逸脱すると、画像の周辺部が暗くなったり、周辺部が色付いて見えたりするなど、観察に悪影響を及ぼすこと（シェーディング）が知られている。つまり、射出瞳位置は任意に設定できず、撮像素子毎に固定して設定する必要がある。このことを考慮すれば、後群において光線が２度の収斂作用を受けるように構成することによって、後群の最も物体側の面において後群の屈折力と入射特性を維持し、他の構成とした場合よりも光線高を低くすることができることは明らかである。

このように後群の最も物体側の面における光線の高さを小さく設定することで、最軸外の光線であっても、前群と後群との間の空気面間において枠の内周面との間に余裕が生じる。このことは、最軸外光線、すなわち各レンズ面において光線高が最も高くなる光線が入射した場合にも、枠の内周面において光線が反射することによるフレアが生じない光学系とすることを可能とする。

なお、特許文献８に記載の発明も接合レンズを撮像素子に接合しているが、本発明の構成に最も近い実施例を示す図５においても接合面は負の屈折力を有しており、この点において本発明と異なっている。負の屈折力を有する接合面を採用した場合、光線は光軸から遠ざけられるような発散作用を受けるので、入射角特性を維持したまま後群の最も物体側の面における光線高を小さくすることはできない。実施例の図からも、後群の最も物体側の面において光線高が高くなっていることは明らかであり、そのために依然としてフレアが発生する。このように、特許文献８は、本発明のように、枠における反射を発生させないことでフレアを抑制することを意図したものではない。

同じく、特許第３６８５２７８号公報に記載の発明は、接合レンズを撮像素子に貼り付けた構成を採用しており、前群と後群との間の枠の内周面という概念がないため、そもそもフレアは発生せず、小型化も可能である。しかし、各レンズが接合されているために前群の屈折力が弱くなり、広角化を達成できない。最も物体側の面で強いパワーを達成しようとすると、コンセントリック性が欠如して非点収差が発生し、結像性能が著しく悪化するため、小型化、小径化、広角化及びフレアの発生防止を同時に達成することができない。また、正レンズには、負レンズよりも高い屈折率の硝材が用いられ、各接合面は正の屈折力を有しているが、このような硝材の設計は、ペッツバール和を小さくすることを目的としており、フレアの発生を考慮したものではない。

条件式（１）は、本発明のレンズ構成において十分な小径化の実現が可能な条件を表わしている。前述の明るさ絞り、正の屈折力を有する前群、正の屈折力を有する後群から成るレンズ構成の特徴として、前群のレンズが明るさ絞りに対し略コンセントリックになっていることが挙げられる。すなわち、明るさ絞り中心に対して対称な構造とすることで、コマ収差や像面湾曲を抑制することが可能になっている。従って、前群を明るさ絞りに対して略コンセントリックに保ったままコンパクト化することで、収差を良好に補正しながら外径を小さく、また光学系の全長の短縮も達成できる。

上記より、前群に屈折力を割り振ることは前群のコンパクト化に有効であることが判る。ｆＦ／ｆＲを０．１５以下にすると、曲率半径及び径が小さくなりすぎて加工限界を超えてしまう。これを高屈折率硝材で解決しようとした場合、コンセントリック性を欠いてコマ収差が発生し、また、一般に高屈折率硝材は低アッベ数であるため倍率色収差が生じてしまい、光学性能が著しく悪化するので好ましくない。

一方、ｆＦ／ｆＲを０．５以上にして後群に屈折力に割り振ると、前群の径を小さくすることが困難であり、また、後群の曲率が急峻になって光線を大きく屈曲させることになり、大きなコマ収差及び非点収差が発生して十分な光学性能が得られない。また、後群のレンズが比較的大きい外径を有する場合は、曲率がきつくなるとコバを確保できないためレンズを厚くせざるを得ず、その結果光学系を短くできないという問題もある。

上記発明においては、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
（２） ０．４ ＜ Φｃ・ｆＲ ＜ １．８
ただし、Φｃは前記接合面が有する屈折力である。

Φｃ・ｆＲは、後群において、前記接合面の屈折力が後群全体の屈折力に占める割合を表している。Φｃ・ｆＲが大きくなると、撮像素子への入射角が光軸に対して平行に近づく。そして、Φｃ・ｆＲが１．８以上となると、最大像高において撮像素子に入射する光線が、光軸と平行、すなわち像側テレセントリックを超えて、像側に光線が進むに従って光線が光軸に近づくような斜入射の光学系となってしまう。このような入射特性の撮像素子は、小型化が要求される内視鏡においては極めて特殊である。また、撮像素子が入射特性にある程度の範囲を有していたとしても、フレア対策のためには後群の最も物体側の面での光線高が低いことが肝要であり、上記の斜入射特性はこれに逆行するものであるから好ましくない。

一方、Φｃ・ｆＲが小さいと、接合面以外すなわち後群の最も物体側の面で、後群の屈折力を請け負う構成となる。特にΦｃ・ｆＲが０．４以下となる場合は、接合面の屈折力が小さくなり、後群の最も物体側の面の曲率半径を小さくせざるを得ないので、後群を正の屈折力の単レンズにて構成した場合と同じ問題を生じる。すなわち、枠の内周面に光線が当たり易く、フレアの発生を十分に防止することが難しくなる。

さらに、正の屈折力を有する後群が、物体側から順に負の屈折力を有する単レンズと、正の屈折力を有する単レンズとから構成されている場合、Φｃ・ｆＲが小さいと、負の屈折力の単レンズの形状は、両面の曲率半径が符号を含め互いに近い値を有するメニスカス形状に近くなる。このメニスカス形状のレンズは、一般的に、加工時に光学中心と外径中心を一致させる「心取り」を精度良く行うことが難しい。一方、Φｃ・ｆＲが大きいと、接合面の曲率が急峻になり、正の屈折力の単レンズの加工性が悪化する。これらの加工性を加味し、上記発明においては、０．７＜Φｃ・ｆＲ＜１．４５を満足することがさらに好ましい。

一方、正の屈折力を有する後群が、物体側から順に正の屈折力を有する単レンズと、負の屈折力を有する単レンズとから構成されている場合、Φｃ・ｆＲを小さくすると、正の屈折力の単レンズのコバを十分に確保できず加工性が著しく悪化する。一方、Φｃ・ｆＲを大きくすると、先と同様に接合面の曲率が急峻となり、正の屈折力の単レンズ及び負の屈折力の単レンズ共に加工性が悪化する。従って、これらの加工性を加味し、上記発明においては、０．６＜Φｃ・ｆＲ≦１を満足することがさらに好ましい。

加えて、通常撮像素子に接合する面は平面であるから、後群の最も物体側の面が平面である場合、すなわちΦｃ・ｆＲ＝１であれば、後群の最も物体側の面における収差の発生も無く、さらにレンズの加工性も良いため、特に望ましい構成となる。

上記発明においては、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
（３） ２．０ ＜ Ｌ／ｆ ＜ ３．４
ただし、ｆは全系の焦点距離、Ｌは全系の先端から後端までの全長である。

条件式（３）は、本発明のレンズ構成において光学系の全系を十分に短くすることができる条件を表わしている。Ｌ／ｆが２．０以下である場合、各レンズを極薄とせざるを得ず、加工及び組み立てが困難になる。また、各レンズの屈折力も非常に強くしなければならないために接合に用いる硝材の組み合わせが限定され、倍率色収差を十分に補正することができない。

一方、Ｌ／ｆが３．４以上である場合、例えばレトロフォーカスタイプのようなレンズ構成であっても前記フレアの発生を抑えて広角化することができるが、Ｌ／ｆ＜３．４である場合には、それらの光学系よりも枠構成が簡単で済むため、加工性と組立て性が得られる点で本発明のメリットが大きい。

小型化のためにはＬ／ｆは短いほど良いが、明るさ絞りよりも前に、耐薬品性を有するガラスやサファイア、スピネルなどの結晶硝材からなる平板のカバーを配置することが好ましい。これにより、各耐性を確保することができる。また、そのカバーの鏡面に遮光領域を蒸着することが可能である場合、鏡面に明るさ絞りを蒸着によって形成することで、斜入射光線に対し明るさ絞りが厚みを有することに起因する光線のケラレを防止でき、周辺の視野を効果的に明るく保つことができる。従って、これらカバーの厚みも加味して、２．６＜Ｌ／ｆ＜３．１を満足すれば、小型化と広角化、さらに耐性や周辺視野での明るさを両立することができるのでさらに良い。

上記発明においては、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
（４） ０．７０７ ＜ Ｉｈ／ｆ ＜ ０．９５６
ただし、Ｉｈは撮像素子の最大像高である。

極細径の内視鏡においては、照明を広配光にして周辺を明るくすることが極めて難しい。従って、単に広角にするだけでなく、同時に周辺での明るさを確保することが求められる。このような事情を踏まえ、条件式（４）は、歪曲収差の出方から、広角かつ視野が明るい光学系にする条件を表している。

極細径のスコープとしては、画角が９０°から１２０°程度、すなわち半画角が４５°から６０°程度のものが多く存在するが、Ｉｈ／ｆが０．７０７よりも大きいことは、半画角４５°においてｆｓｉｎθ程度の歪曲収差が生じることを意味する。ｆｓｉｎθ型の歪曲収差が視野の明るさを一様にすることは従来知られているが、Ｉｈ／ｆが０．７０７以下であることは歪曲収差が弱すぎることを意味し、広角化が難しい。

一方、Ｉｈ／ｆを０．９５６以上とした場合、広角化は可能だが、広角領域で上記ｆｓｉｎθ型から大きく乖離すると、周辺の明るさが低下する。なお、周辺の明るさの中心比としては最周辺で６０％程度が確保されていれば使用に耐えるものとなる。これは例えば、特許文献５の実施例１２の光学系で最周辺の明るさを求めると、中心比で６１．９％となることからも判る。極小の内視鏡の光学系における最大の半画角は概して６０°程度であって、６０°でこれを実現できる条件を求めると、Ｉｈ／ｆ＜０．９５６となる。これについて次に説明する。

まず、明るさが均一となる光学系として、前述した条件を満たす所謂ｆｓｉｎθレンズが知られている。また、等距離にある物体を歪み無く観察できる光学系として所謂ｆθレンズが知られている。これらを両立した光学系が使用者にとって最良であって、θが小さい狭角領域では、両者のレンズの構成は完全に一致する。これは、θが小さい領域において両者のθに対する変化率が一致するためである。

そこで、これらを一般化し、定数αを用いてαｆｓｉｎ（θ／α）と表わす。α＝１のときがｆｓｉｎθレンズに相当し、α＝∞のときがｆθレンズに相当する。これは、それぞれの歪曲収差に形がどれだけ近いかを表す尺度とみなすべきものである。そこで、θ＝６０°で明るさの中心比６０％を実現するαを算出すると、図２６よりα＝１．４３となり、このときの値を用いるとθ＝６０°でＩｈ／ｆ＝０．９５６である。これより、歪曲収差が大きくなりｆｓｉｎθ型からの外れが大きくなると、周囲が暗くなって広角にするメリットが低減する。また、倍率色収差は画角が大きくなるにつれ顕著に表れるため、半画角が６０°を超えると周辺での十分な解像力を得ることができない。

上記発明においては、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
（５） Ｈｍ ＜ ＤＲ／２
ただし、Ｈｍは後群の最も物体側の屈折面における最軸外の主光線高さ、ＤＲは後群の最大外径である。

条件式（５）は、前群と後群との間の枠に、主光線が当たってフレアが発生することを十分に防止できる条件を表わしている。入射し得る最軸外の光線に対し、後群の最も物体側の面における光線の高さが後群が備えるレンズの外径より小さいならば、視野外の光線が入射した際も光線が前群と後群の間の枠の内周面に当たってフレアとなることはない。

そのため、本発明において、光路中に明るさ絞りの他に機械的に光を遮断する遮光手段を備えないことが、さらに好ましい。

上述のように、本発明によれば、枠の内周面での反射を防止するためのマスク等の機械的な遮光部材が不要となり、これを省くことによって枠形状及びこれを固定するための段差等の構造も不要となり、枠の構成を簡単なものとすることが可能である。これによって、コストダウンは言うまでもなく、これら遮光部材を面積の小さい枠内に組み込み貼り付ける必要がなくなるため、組み立て性を向上することもできる。

上記発明においては、前記後群のレンズ面のうち少なくとも一の面に光を遮断する遮光領域が蒸着によって形成されていることが好ましい。

光線が当たる正の屈折力の後群のレンズ側面は、砂目になっていたり、黒い塗料が塗布されたりするなど、反射率を抑える構造であることが好ましいのは勿論であるが、後群のレンズの少なくとも一つの鏡面に遮光領域が蒸着によって形成され、光線の当たる割合が小さくなっていればさらに良い。即ち、砂目部分を任意の粗さひいては鏡面にすることもでき、かつ黒い塗料を塗布する必要がなくなる。従って、後群を成型レンズにて構成することも可能となり、さらなるコストダウンや品質の安定化を図ることができる。

本発明によれば、細径の内視鏡に好適な、小型で小径かつ広画角でありながら、レンズを把持する枠の構造が簡単で、枠の内周面で光線が反射することによるフレアの発生を防止することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る内視鏡用対物光学系の構成を示す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光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例１に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例２に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例２に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例３に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例３に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例４に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例４に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例５に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例５に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例６に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例６に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例７に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例７に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例８に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例８に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例９に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例９に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例１０に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例１０に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 本発明の実施例１１に係る内視鏡用対物光学系の構成を示すレンズ断面図である。 実施例１１に係る内視鏡用対物光学系の（ａ）球面収差、（ｂ）歪曲収差、（ｃ）非点収差、（ｄ）倍率色収差を示す収差図である。 従来の内視鏡用対物光学系の構成と、軸外の光線が枠の内周面で反射しフレア発生する光線の経路を示す図である。 図１の内視鏡用対物光学系を通る軸外の光線の経路を示す図であり、枠の内周面でのフレアの発生を防止する作用を説明する図である。 各半画角における歪曲収差の発生と周辺明るさ比との関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る内視鏡用対物光学系（以下、単に対物光学系という。）１００について図１を参照して説明する。
本実施形態に係る対物光学系１００は、図１に示されるように、物体側から順に、カバーガラス１０の一方の面に形成された明るさ絞りＡＳと、正の屈折力を有する前群ＧＦと、正の屈折力を有する後群ＧＲとから構成されている。

明るさ絞りＡＳは、カバーガラス１０の像側の面の周辺部に遮光性の材料を蒸着することによって形成されている。
前群ＧＦは、１枚の正レンズＬ１から構成されている。
後群ＧＲは、負の屈折力を有する単レンズＬＮと、正の屈折力を有する単レンズＬＰとが接合されて成る接合レンズから構成されている。また、後群ＧＲは、図示しない撮像素子に、封止ガラス１１を介して接合されている。
図中の符号Ｚは、対物光学系１００の光軸を示している。

対物光学系１００は、次の条件式（１）から（５）を満たしている。
（１） ０．１５ ＜ ｆＦ／ｆＲ ＜ ０．５
（２） ０．４ ＜ Φｃ・ｆＲ ＜ １．８
（３） ２．０ ＜ Ｌ／ｆ ＜ ３．４
（４） ０．７０７ ＜ Ｉｈ／ｆ ＜ ０．９５６
（５） Ｈｍ ＜ ＤＲ／２
ただし、ｆＦは前群ＧＦの焦点距離、ｆＲは後群ＧＲの焦点距離、Φｃは後群ＧＲにおける正の屈折力を有する単レンズＬＰと負の屈折力を有する単レンズＬＮとの接合面Ｓｃが有する屈折力、ｆは対物光学系１００の全系の焦点距離、Ｌは対物光学系１００の先端から後端までの全長、Ｉｈは撮像素子の最大像高、Ｈｍは後群ＧＲの最も物体側の屈折面における最軸外の主光線高さ、ＤＲは後群ＧＲの最大外径である。

条件式（１）を満たすことで、正レンズＬ１が小径となる。条件式（２）を満たすことで、良好な入射特性及び単レンズＬＰ，ＬＮの加工性を実現できる。条件式（３）を満たすことで、全長を短くすることができる。条件式（４）を満たすことで、広角とすることができ、極細の内視鏡に好適に用いることができる。条件式（５）を満たすことで、最軸外主光線Ｒｏが入射しても後群ＧＲの物体側の単レンズＬＮに入射する最軸外主光線Ｒｏの高さは、図２５に示されるように、ＤＲ／２を下回る範囲に留まるので、枠１，２の内周面に光線が当たりその反射光がフレアとなることはない。

従って、枠１，２の構成についても、フレア光をカットするためのマスクなどを必要とせず、その固定のための段差などの構造を設ける必要が無くなる。そのため、例えば図２５に示されるように、枠１，２を、非常に簡素な構成としながら、最軸外主光線Ｒｏが入射した際も枠１，２の内周面で最軸外主光線Ｒｏが反射せず、フレアが発生しない構成とすることができる。

次に、上述した本発明の一実施形態に係る対物光学系１００の実施例について、図２から図２３を参照して説明する。以下の実施例において、単位はｍｍであり、焦点距離は１に規格化されている。Ｆ／＃は対物光学系のＦナンバーを表し、Ｗは半画角を表す。また、面データにおいて、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｅはｅ線に対する屈折率、νｅはｅ線に対するアッベ数、Ｄ／２はレンズの半径を示している。

［実施例１］
本発明の実施例１に係る対物光学系は、図２に示されるように、明るさ絞りがカバーガラスに蒸着されてなり、前群が正の屈折率を有する単レンズから構成され、後群が物体側から順に負の屈折力を有する単レンズと正の屈折力を有する単レンズとからなる接合レンズから構成されている。本実施例において、後群の負の屈折力を有する単レンズは、メニスカス形状とされている。本実施例の対物光学系の各種収差図を図３に示す。

各種データ
Ｆ／５．６７４
Ｗ＝４６．１１
Ｉｈ＝０．７７８
Ｈｍ＝０．６４２

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．２９３７ １．５１６３３ ６４．１４ ０．５５
２（明るさ絞り）∞ ０． １．
３ ∞ ０．６６０９ １．７２９１６ ５４．６８ ０．５５
４ −０．８５１９ ０．１８３２ １．
５ ∞ ０．３３７８ １．５１６３３ ６４．１４ ０．８１
６ １．６６１１ ０．６３１５ １．８８３００ ４０．７６ ０．８１
７ ∞ ０．５８７５ １．５２２７４ ５５．００ ０．８９
８（像面） ∞ ０．

［実施例２］
本発明の実施例２に係る対物光学系は、図４に示されるように、後群の負の屈折力を有する単レンズが両凹形状とされている点で、実施例１の対物光学系と主に異なる。本実施例の対物光学系の各種収差図を図５に示す。

各種データ
Ｆ／５．３５３
Ｗ＝５１．９１
Ｉｈ＝０．８２５
Ｈｍ＝０．６１９

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．３１１４ １．５１６３３ ６４．１４ ０．５８
２（明るさ絞り）∞ ０． １．
３ ∞ ０．７００６ １．７２９１６ ５４．６８ ０．５８
４ ∞ ０．１７１３ １．
５ ∞ ０．３１１４ １．５２２４９ ５９．８４ ０．８６
６ ∞ ０．６８３６ ２．００３３０ ２８．２７ ０．８６
７ ∞ ０．６２２７ １．５２２７４ ５５．００ ０．９４
８（像面） ∞ ０．

［実施例３］
本発明の実施例３に係る対物光学系は、図６に示されるように、明るさ絞りがカバーガラス及びレンズと別体に構成されている点、及び、前群が接合レンズから構成されている点で、実施例１の対物光学系と主に異なる。本実施例の対物光学系の各種収差図を図７に示す。

各種データ
Ｆ／５．９０６
Ｗ＝４４．６３
Ｉｈ＝０．７４８
Ｈｍ＝０．６８０

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １０． １．
１ ∞ ０．４１４７ １．８８３００ ４０．７６ ０．６０
２（明るさ絞り）∞ ０．０４００ １．
３ −７．１９２１ ０．２４４５ １．６６６８０ ３３．０５ ０．６０
４ １．４６０７ ０．５８１４ １．７２９１６ ５４．６８ ０．６０
５ −０．９０５４ ０．０７８７ １．
６ ７．４８７０ ０．４７２８ １．５１８２３ ５８．９０ ０．８５
７ １．３７４８ ０．７７５２ １．８１６００ ４６．６２ ０．８５
８ ∞ ０．５７８３ １．５２２７４ ５５．００ ０．８５
９（像面） ∞ ０．

［実施例４］
本発明の実施例４に係る対物光学系は、図８に示されるように、明るさ絞りが、カバーガラス及びレンズと別体に構成され、さらに前群との間に距離を空けて配置されている点で、実施例１の対物光学系と主に異なる。このような構成は、例えば、先端に配置されたカバーガラスとしてサファイア基板を用い、該基板にメタライズを施したい場合に有用である。本実施例の対物光学系の各種収差図を図９に示す。

各種データ
Ｆ／６．２６２
Ｗ＝４８．７３
Ｉｈ＝０．８２０
Ｈｍ＝０．５５０

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １０． １．
１ ∞ ０．４５５６ １．８８３００ ４０．７６ ０．５３
２（明るさ絞り）∞ ０．０７７２ １．
３ ２３．２０９５ ０．５９８２ １．５１６３３ ６４．１４ ０．５３
４ −０．７２３０ ０．０９６５ １．
５ ２．８６３４ ０．７０４３ １．５９２７０ ３５．３１ ０．８９
６ １．８８１４ ０．６６５７ １．８８３００ ４０．７６ ０．８９
７ ∞ ０．３８５９ １．５１６３３ ６４．１４ ０．９２
８（像面） ∞ ０．

［実施例５］
本発明の実施例５に係る対物光学系は、図１０に示されるように、後群が物体側から順に正の屈折力を有する単レンズと、負の屈折力を有する単レンズとから構成されている点で、実施例１の対物光学系と主に異なる。本実施例において、正の屈折力を有する単レンズは、平凸形状とされている。また、明るさ絞りは、カバーガラスに蒸着によって形成されている。本実施例の対物光学系の各種収差図を図１１に示す。

各種データ
Ｆ／５．２４１
Ｗ＝５０．２９
Ｉｈ＝０．８４３
Ｈｍ＝０．５５６

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．３１１０ １．５１６３３ ６４．１４ ０．６０
２（明るさ絞り）∞ ０． １．
３ ∞ ０．７１５６ １．７２９１６ ５４．６８ ０．６０
４ −０．８３６７ ０．０４７７ １．
５ ∞ ０．６８３８ １．８８３００ ４０．７６ ０．８７
６ −１．８３１６ ０．４２１１ １．５１６３３ ６４．１４ ０．８７
７ ∞ ０．６５２２ １．５２２７４ ５５．００ ０．９６
８（像面） ∞ ０．

［実施例６］
本発明の実施例６に係る対物光学系は、図１２に示されるように、後群の正の屈折力を有する単レンズが、両凸形状とされている点で、実施例５の対物光学系と主に異なる。本実施例の対物光学系の各種収差図を図１３に示す。

各種データ
Ｆ／５．５５７
Ｗ＝４５．１６
Ｉｈ＝０．７７２
Ｈｍ＝０．６６９

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．２９１４ １．５１６３３ ６４．１４ ０．５５
２（明るさ絞り）∞ ０．００４６ １．
３ ∞ ０．６５８２ １．５９５２２ ６７．７４ ０．５５
４ −０．７３６９ ０．０４３７ １．
５ ８．０５６８ ０．６６１１ １．７５５００ ５２．３２ ０．８０
６ −１．４６８２ ０．４６１２ １．５１６３３ ６４．１４ ０．８０
７ ∞ ０．５９４４ １．５２２７４ ５５．００ ０．８８
８（像面） ∞ ０．

［実施例７］
本発明の実施例７に係る対物光学系は、図１４に示されるように、前群と後群との外径の差が大きい点で、実施例１の対物光学系と主に異なる。後群の各レンズは、面取りが施されていてもよい。また、後群が黒色の塗料を塗られていたり、後群の一部に光線を遮光する領域が蒸着によって形成されていたりする場合、接合面において面取りが施されていてもよい。本実施例においても、明るさ絞りは、カバーガラスに蒸着によって形成されている。本実施例の対物光学系の各種収差図を図１５に示す。

各種データ
Ｆ／５．８８３
Ｗ＝４５．１３
Ｉｈ＝０．８００
Ｈｍ＝０．６４７

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ ５．００００ １．
１ ∞ ０．２０００ １．５１６３３ ６４．１４ ０．３５
２（明るさ絞り）∞ ０．０３０１ １．
３ −２．２１３６ ０．４２２０ １．５１６３３ ６４．１４ ０．３５
４ −０．４６５２ ０．２６８６ １．
５ −４．００３６ ０．４３８９ １．５１６３３ ６４．１４ ０．８８
６ １．０８８４ ０．７９００ １．８１６００ ４６．６２ ０．８８
７ ∞ ０．５０７２ １．４９７００ ８１．５４ ０．９０
８（像面） ∞ ０．

［実施例８］
本発明の実施例８に係る対物光学系は、図１６に示されるように、カバーガラスとして厚みの厚いものを用いている点で、実施例１の対物光学系と主に異なる。このようなカバーガラスによって、フレアの原因となる軸外光線を対物光学系内に入射し難くすることができる。本実施例において、後群の正の屈折力を有する単レンズと負の屈折力を有する単レンズは、互いに異なる外径を有しているが、接着強度を確保するために枠との勘合面積を必要とする場合は、これら２つの単レンズの外径は同一であることが好ましい。明るさ絞りは、カバーガラスに蒸着によって形成されている。本実施例の対物光学系の各種収差図を図１７に示す。

各種データ
Ｆ／４．６７３
Ｗ＝４４．１３
Ｉｈ＝０．７４５
Ｈｍ＝０．５５３

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．７４７６ １．８８３００ ４０．７６ ０．６５
２（明るさ絞り）∞ ０． １．
３ ∞ ０．７６７６ １．７７２５０ ４９．６０ ０．６５
４ −０．８６８８ ０．０２９０ １．
５ −２３．４７７０ ０．５４２０ １．５１８２３ ５８．９０ ０．８０
６ １．４９５４ ０．９３５８ １．８１６００ ４６．６２ ０．８３
７ ∞ ０．３３３６ １．５２２７４ ５５．００ ０．８８
８（像面） ∞ ０．

［実施例９］
本発明の実施例９に係る対物光学系は、図１８に示されるように、カバーガラスの硝材としてサファイアを用いている点で、他の実施例の対物光学系と主に異なる。このように、サファイアからなるカバーガラスを用いることによって、キズや衝撃に対する耐性を向上することができる。また、カバーガラスをメタライズによって半田で枠に固定した場合には、水密性及び気密性を確保できるとともに、カバーガラスと枠との固定力を高めることができる。サファイアに代えて、例えば、スピネルやダイヤモンドなどの結晶材料をカバーガラスの硝材として用いてもよい。本実施例の対物光学系の各種収差図を図１９に示す。

各種データ
Ｆ／５．０００
Ｗ＝４２．９２
Ｉｈ＝０．７２０
Ｈｍ＝０．６０７

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．３３１６ １．７６８２０ ７１．２０ ０．６５
２（明るさ絞り）∞ ０． １．
３ ∞ ０．７７４５ １．７２９１６ ５４．６８ ０．６５
４ −０．８９７６ ０．０５８９ １．
５ ∞ ０．３８２４ １．５２２４９ ５９．８４ ０．７７
６ １．４３７１ ０．７１０３ １．８８３００ ４０．７６ ０．７７
７ ∞ ０．６６８１ １．５２２７４ ５５．００ ０．８１
８（像面） ∞ ０．

［実施例１０］
本発明の実施例１０に係る対物光学系は、図２０に示されるように、後群と撮像レンズとの間に挟まれる封止ガラスが省略されて、後群の像側のレンズが撮像素子の受光面に直接接合されている点で、他の実施例の対物光学系と主に異なる。本実施例の対物光学系の各種収差図を図２１に示す。

各種データ
Ｆ／５．７３１
Ｗ＝４２．８８
Ｉｈ＝０．７２０
Ｈｍ＝０．６７０

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１ ∞ ０．５４０１ １．８８３００ ４０．７６ ０．５３
２（明るさ絞り）∞ ０．０７４８ １．
３ −５．９５９３ ０．６２３２ １．７８８００ ４７．３７ ０．５３
４ −０．７９８８ ０．０８３１ １．
５ ２７．４７０５ １．１２１８ １．８１６００ ４６．６２ ０．８３
６ −１．６３４９ ０．７０７９ １．５２２４９ ５９．８４ ０．８３
７（像面） ∞ ０．

［実施例１１］
本発明の実施例１１に係る対物光学系は、図２２に示されるように、先端のカバーガラスが省略されている点で、他の実施例の対物光学系と主に異なる。この場合、明るさ絞りが厚みを有すると、内視鏡先端よりも引っ込んだ位置にレンズが配置されて水切れが悪くなる。したがって、前群の最も物体側の面を平面とし、該平面に明るさ絞りが蒸着によって形成されていることが望ましい。本実施例の対物光学系の各種収差図を図２３に示す。

各種データ
Ｆ／５．２０５
Ｗ＝５８．３
Ｉｈ＝０．９３１
Ｈｍ＝０．５９３

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｅ νｅ Ｄ／２
物体面 ∞ １５．００００ １．
１（明るさ絞り）∞ ０． １．
２ ∞ ０．７９３４ １．８８３００ ４０．７６ ０．６７
３ −１．０４１５ ０．０８５４ １．
４ １２．５７３８ ０．２３１９ １．５２２４９ ５９．８４ ０．９８
５ ２．５１３９ ０．７６８５ １．８８３００ ４０．７６ ０．９８
６ ∞ ０．７３２０ １．６１３８０ ４９．９０ １．０４
７（像面） ∞ ０．

実施例１から１１の対物光学系について、条件式（１）から（５）の値を表１に示す。

１，２ 枠
１０ カバーガラス
１１ 封止ガラス
１００ 内視鏡用対物光学系
ＡＳ 明るさ絞り
ＧＦ 前群
ＧＲ 後群
Ｌ１ 正レンズ
ＬＮ 負の屈折力を有する単レンズ
ＬＰ 正の屈折力を有する単レンズ
Ｒｏ 最軸外主光線
Ｓｃ 接合面
Ｚ 光軸

Claims (7)

1. 物体側より順に明るさ絞りと、正の屈折力を有する前群と、正の屈折力を有する後群とを備え、
   該後群は、正の屈折力を有する単レンズと負の屈折力を有する単レンズとが接合されてなるとともに、撮像素子に接合され、
   前記単レンズ同士の接合面が、正の屈折力を有し、
   次の条件式（１）を満足する内視鏡用対物光学系。
   （１） ０．１５ ＜ ｆＦ／ｆＲ ＜ ０．５
   ただし、ｆＦは前記前群の焦点距離、ｆＲは前記後群の焦点距離である。
2. 次の条件式（２）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
   （２） ０．４ ＜ Φｃ・ｆＲ ＜ １．８
   ただし、Φｃは前記接合面が有する屈折力である。
3. 次の条件式（３）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
   （３） ２．０ ＜ Ｌ／ｆ ＜ ３．４
   ただし、ｆは全系の焦点距離、Ｌは全系の先端から後端までの全長である。
4. 次の条件式（４）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
   （４） ０．７０７ ＜ Ｉｈ／ｆ ＜ ０．９５６
   ただし、Ｉｈは撮像素子の最大像高である。
5. 次の条件式（５）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
   （５） Ｈｍ ＜ ＤＲ／２
   ただし、Ｈｍは前記後群の最も物体側の屈折面における最軸外の主光線高さ、ＤＲは前記後群におけるレンズの最大外径である。
6. 前記明るさ絞りの他に機械的に光を遮断する遮光部材を備えない請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
7. 前記後群のレンズ面のうち少なくとも一の面に光を遮断する遮光領域が蒸着によって形成されている請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。

Images