JP5601924B2 - 内視鏡用変倍光学系、及び内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡用変倍光学系、及び内視鏡用変倍光学系が組み込まれた内視鏡に関連する。

医療分野において、患者の体腔内を診断するための機器として、内視鏡（ファイバスコープ又は電子スコープ）が一般に知られ、実用に供されている。この種の内視鏡には、病変観察を精細に行うため、変倍機能を持つ変倍光学系を搭載したものがある。変倍光学系を搭載した内視鏡の具体的構成例は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の内視鏡は、広角端から望遠端までの各変倍位置で十分な焦点深度を確保するため、各レンズ群の焦点距離が所定の条件を満たすように設定されている。

ところで、内視鏡先端面が管壁に接触すると、粘液、残渣等の異物が対物レンズ面に付着して、良好な診断の妨げになることがある。また、配光レンズ面が管壁に接触するため、照明光の熱によって管壁に負担がかかる。そこで、内視鏡に搭載される一般的な変倍光学系は、特許文献１に示されるように、第一のレンズ群（最も物体側に位置するレンズ群）以外を可動群とした３群構成となっている。すなわち、この種の変倍光学系は、全長（最も物体側のレンズ面から像面までの長さ）が倍率に拘わらず不変であるように設計されている。カメラ用レンズ鏡筒のような繰り出しがなく、内視鏡先端面が内視鏡の先端部本体に対して不動であるため、内視鏡先端面と管壁との不用意な接触が有効に避けられる。

内視鏡用変倍光学系の３群構成には、負−正−負又は正−負−正が想定される。負−正−負の３群構成において正のパワーを持つ第二のレンズ群だけを可動群として構成すると、各変倍位置での諸収差の変化が大きい。そのため、第三のレンズ群も可動群として構成し、両群の移動によって各変倍位置での収差変化を抑える必要がある。しかし、可動群が多いほど可動機構が複雑化するという問題がある。正−負−正の３群構成では、各正レンズ群による諸収差の補正が比較的容易である。そのため、第二のレンズ群だけを可動群として構成しても各変倍位置での収差変化が抑えられる。

特開２００７−２３３０３６号公報

しかし、正−負−正の３群構成では、特許文献１に示されるように、高倍率設計が難しい。そのため、望遠端での観察時に精細な被写体像を得ることが難しい。精細な被写体像を得るには、内視鏡先端面を管壁に物理的に近付ける必要がある。しかし、内視鏡先端面を管壁に近付けると、対物レンズ面への残渣の付着や照明光の熱による管壁への負担が懸念される。また、内視鏡は、照明光学系と内視鏡用変倍光学系とが同軸に配置されていない。照明範囲と撮影範囲がずれているため、内視鏡先端面と管壁との距離が近いほど配光ムラが生じやすい。

すなわち、内視鏡による管腔観察においては、望遠端での観察時であっても内視鏡先端面を管壁からできる限り離すことが望ましい。内視鏡先端面を管壁から離しつつ精細な被写体像を得るためには、望遠端での倍率を上げる必要がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能を良好に維持しつつ望遠端で一定の観察距離を保ちながら倍率を高倍率にするのに好適な内視鏡用変倍光学系、及び内視鏡を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る内視鏡用変倍光学系は、物体側から順に、正のパワーを持つ第一のレンズ群、負のパワーを持つ第二のレンズ群、正のパワーを持つ第三のレンズ群からなり、可動レンズ群である該第二のレンズ群を固定レンズ群である該第一のレンズ群及び該第三のレンズ群に対して光軸方向に移動させることで光学像を変倍させる光学系である。第一のレンズ群は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負レンズ、像側に凸面を向けた正レンズ、負レンズと正レンズとを接合した第一の接合レンズを少なくとも有する。第二のレンズ群は、物体側から順に、負レンズと正レンズとを接合した第二の接合レンズを少なくとも有する。第三のレンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズと正レンズとを接合した第三の接合レンズを少なくとも有する。本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、第一のレンズ群の焦点距離をｆ_１（単位：ｍｍ）と定義し、第二のレンズ群の焦点距離をｆ_２（単位：ｍｍ）と定義し、第三のレンズ群の焦点距離をｆ_３（単位：ｍｍ）と定義し、広角端での第一から第三のレンズ群の合成焦点距離をｆ_Ｗ（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件式（１）、（２）
−１．８≦ｆ_２／ｆ_Ｗ≦−１．２・・・（１）
０．５≦ｆ_１／ｆ_３≦０．６５・・・（２）
を満たす。

条件式（１）の上限を上回ると、ペッツバール和が負に大きいため、像面湾曲の補正が困難である。条件式（１）の下限を下回ると、第二のレンズ群のパワーが弱いため、変倍に伴う第二のレンズ群の移動距離が長い。従って、内視鏡用変倍光学系の全長を抑える設計が難しい。また、第二のレンズ群の移動に伴うコマ収差の変化が大きい。そのため、広角端から望遠端までの全変倍範囲に亘ってコマ収差をバランス良く補正するのが難しい。例えば広角端を基準にコマ収差を補正すると、望遠端におけるコマ収差の発生が大きい。

条件式（２）の上限を上回ると、第一のレンズ群のパワーが弱すぎる。第一のレンズ群のパワーを確保するためには、第一のレンズ群の有効光束径を大きく設定せざるを得ない。また、全系の倍率を確保するため、第二のレンズ群のパワーを弱める必要がある。しかし、第二のレンズ群のパワーを弱めた代償として、変倍に伴う第二のレンズ群の移動距離が長くなる。そのため、内視鏡用変倍光学系の全長を抑える設計が難しい。条件式（２）の下限を下回ると、第一のレンズ群のパワーが強いため、第一のレンズ群の有効光束径を小さく設定するのに有利である。しかし、第二のレンズ群以降のレンズの倍率が大きいため、組立誤差又は部品個体差に起因する群間隔の変化に伴う倍率変化が大きい。そのため、仕様を満足する視野角の保証が難しい。また、第一のレンズ群のパワーを強くするため、第一のレンズ群内の負レンズのパワーを強める必要がある。しかし、負レンズのパワーを強めた代償として、第一のレンズ群で発生するコマ収差量が増加する。広角端では第二のレンズ群への入射角度が特に大きいため、コマ収差が大きく発生する。

条件式（１）、（２）を同時に満たすと、広角端から望遠端までの全変倍範囲に亘って諸収差を良好に補正しつつも高い変倍比が得られる。広角端を広視野にしつつも望遠端で一定の観察距離を保ちながら倍率を高倍率にすることができる。そのため、望遠端での観察時においても内視鏡先端面を管壁に近付けることなく、精細な被写体像を得ることができる。従って、対物レンズ面への残渣の付着や照明光の熱による管壁への負担が有効に避けられる。更に、観察視野内での配光ムラが抑えられる。また、条件式（１）、（２）を同時に満たすと、内視鏡用変倍光学系の小型化設計に有利であると共に、組立誤差又は部品個体差に起因する視野角変化が抑えられる。

本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、第一のレンズ群の有効光束径をより一層抑えるため、次の条件式（３）
−０．８５≦ｆ_１／ｆ_２≦−０．６５・・・（３）
を満たす構成としてもよい。

条件式（３）の上限を上回ると、第一のレンズ群内の負レンズのパワーが強いため、第一のレンズ群で発生するコマ収差量が大きい。広角端では第二のレンズ群への入射角度が特に大きいため、コマ収差が大きく発生する。条件式（３）の下限を下回ると、第一のレンズ群のパワーが弱すぎる。第一のレンズ群のパワーを確保するためには、第一のレンズ群の有効光束径を大きく設定せざるを得ない。第一のレンズ群の有効光束径が大きい場合、内視鏡用変倍光学系が大型化するだけでなく、第二のレンズ群の移動に伴うコマ収差の発生が大きい。例えば広角端を基準にコマ収差を補正すると、望遠端におけるコマ収差の発生が大きい。

内視鏡用変倍光学系の射出角度は、変倍に伴い変化する。射出角度によっては、結像面上での受光量の損失が大きくなる。本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、変倍に伴う射出角度の変化を抑えるため、次の条件式（４）
−０．９≦ｆ_２／ｆ_３≦−０．６・・・（４）
を満たす構成としてもよい。

条件式（４）の上限を上回ると、第二のレンズ群のパワーが第三のレンズ群に対して強すぎる。そのため、変倍位置が望遠端に近いほど全系の射出角度が大きくなり、固体撮像素子の受光量が減少する。望遠端での観察時における受光量の減少は著しい。また、第三のレンズ群への入射角度が大きいため、コマ収差の発生が大きい。条件式（４）の下限を下回ると、第二のレンズ群のパワーが弱いため、変倍に伴う第二のレンズ群の移動距離が長くなる。そのため、内視鏡用変倍光学系の全長を抑える設計が難しい。

本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、外形寸法を小さくしつつ組立誤差又は部品個体差に起因する視野角変化をより一層抑えるため、次の条件式（５）
０．５３≦ｆ_１／ｆ_３≦０．６１・・・（５）
を満たす構成としてもよい。

条件式（５）の上限を上回ると、第一のレンズ群のパワーが弱すぎる。第一のレンズ群のパワーを確保するためには、第一のレンズ群の有効光束径を大きく設定せざるを得ない。また、全系の倍率を確保するため、第二のレンズ群のパワーを弱める必要がある。しかし、第二のレンズ群のパワーを弱めた代償として、変倍に伴う第二のレンズ群の移動距離が長くなる。そのため、内視鏡用変倍光学系の全長を抑える設計が難しい。条件式（５）の下限を下回ると、第二のレンズ群以降のレンズの倍率が大きいため、組立誤差又は部品個体差に起因する群間隔の変化に伴う倍率変化が大きい。そのため、仕様を満足する視野角の保証が難しい。また、第一のレンズ群のパワーを強くするため、第一のレンズ群内の負レンズのパワーを強める必要がある。しかし、負レンズのパワーを強めた代償として、第一のレンズ群で発生するコマ収差量が増加する。広角端では第二のレンズ群への入射角度が特に大きいため、コマ収差が大きく発生する。

本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、第三のレンズ群を構成する単レンズ又は接合レンズの焦点距離のうち絶対値が最も大きい焦点距離をｆ_Ｘ（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件式（６）
｜ｆ_Ｘ／ｆ_３｜＜５．０・・・（６）
を満たす構成としてもよい。

条件式（６）を満たすと、厳格な公差管理による対策を行うことなく、第三のレンズ群を構成するレンズの偏心による像面倒れ量を抑えることができる。ここで、像面倒れは、理想的には光軸を基準に対称に残存する像面湾曲が、結像レンズの組立時の偏心量及び偏心方向に依存して光軸を基準に非対称に残存する現象である。条件式（６）の上限を上回ると、第三のレンズ群を構成するレンズの倍率が高い。そのため、第三のレンズ群が光軸に対して偏心して組み付けられた際の像面倒れが大きく、観察視野周辺で画質劣化が生じやすい。特に、広角端での観察時における像面倒れ量の発生が大きい。広角端での観察時において像面倒れが発生すると、望遠端に至る各変倍位置でも像面倒れが顕著に現れる。

本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、術者による病変部等の見落としを減らすため、広角端での最大像高における画角をω（単位：ｄｅｇ）と定義した場合に、次の条件式（７）
ω≧１２０・・・（７）
を満たす構成としてもよい。

本発明に係る内視鏡用変倍光学系は、第一と第二のレンズ群との間に光軸上を該第二のレンズ群と一体に移動する絞りを有する構成としてもよい。第二のレンズ群と絞りを一体に移動させることにより、望遠端にしたときの非点収差の発生が効果的に抑えられる。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る内視鏡は、上記内視鏡用変倍光学系を先端に搭載したことを特徴とした機器である。

本発明によれば、広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能を良好に維持しつつ望遠端で一定の観察距離を保ちながら倍率を高倍率にするのに好適な内視鏡用変倍光学系、及び内視鏡が提供される。

本発明の実施形態の電子スコープの外観を示す外観図である。 本発明の実施形態（実施例１）の内視鏡用変倍光学系及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例１の内視鏡用変倍光学系の各種収差図である。 本発明の実施例２の内視鏡用変倍光学系及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例２の内視鏡用変倍光学系の各種収差図である。 本発明の実施例３の内視鏡用変倍光学系及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例３の内視鏡用変倍光学系の各種収差図である。 本発明の実施例４の内視鏡用変倍光学系及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例４の内視鏡用変倍光学系の各種収差図である。 本発明の実施例５の内視鏡用変倍光学系及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例５の内視鏡用変倍光学系の各種収差図である。 本発明の実施例６の内視鏡用変倍光学系及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例６の内視鏡用変倍光学系の各種収差図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の内視鏡用変倍光学系、及び内視鏡用変倍光学系を有する電子スコープについて説明する。

図１は、本実施形態の電子スコープ１の外観を示す外観図である。図１に示されるように、電子スコープ１は、可撓性を有するシース（外皮）１１ａによって外装された可撓管１１を有している。可撓管１１の先端には、硬質性を有する樹脂製筐体によって外装された先端部１２が連結されている。可撓管１１と先端部１２との連結箇所にある湾曲部１４は、可撓管１１の基端に連結された手元操作部１３からの遠隔操作（具体的には、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作）によって屈曲自在に構成されている。この屈曲機構は、一般的な電子スコープに組み込まれている周知の機構であり、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作に連動した操作ワイヤの牽引によって湾曲部１４を屈曲させるように構成されている。先端部１２の方向が上記操作による屈曲動作に応じて変わることにより、電子スコープ１による撮影領域が移動する。

先端部１２の樹脂製筐体の内部には、内視鏡用変倍光学系１００（図１中斜線で示されたブロック）が組み込まれている。内視鏡用変倍光学系１００は、撮影領域中の被写体の画像データを採取するため、被写体からの散乱光を固体撮像素子（図示省略）の受光面上に結像させる。固体撮像素子には、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが想定される。

図２（ａ）は、本発明の実施例１（詳しくは後述）の内視鏡用変倍光学系１００及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。次においては、図２（ａ）を利用して、本発明の実施形態の内視鏡用変倍光学系１００について詳細に説明する。

内視鏡用変倍光学系１００は、図２（ａ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、正のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、負のパワーを持つ第二のレンズ群Ｇ２、正のパワーを持つ第三のレンズ群Ｇ３を有している。各レンズ群Ｇ１〜Ｇ３を構成する各光学レンズは、内視鏡用変倍光学系１００の光軸ＡＸを中心として回転対称な形状を有している。第三のレンズ群Ｇ３の後段には、固体撮像素子用の色補正フィルタＦが配置されている。色補正フィルタＦは、固体撮像素子を保護するカバーガラスＣＧに接着されている。

第一のレンズ群Ｇ１は、絞りＳよりも物体側に配置された正のパワーを持つレンズ群である。第一のレンズ群Ｇ１は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負レンズＬ１、像側に凸面を向けた正レンズＬ２、負レンズＬ３と正レンズＬ４とを接合した接合レンズＣＬ１を少なくとも有している。「少なくとも有している」と記載したのは、本発明の技術的思想の範囲において、別の光学素子を追加配置する構成例もあり得るからである。第二のレンズ群Ｇ２、第三のレンズ群Ｇ３の説明においても、同様の理由で「少なくとも有している」と表現している。

第二のレンズ群Ｇ２は、負のパワーを持つレンズ群であり、色収差の変化を抑えるため、負レンズＬ５と正レンズＬ６とを接合した接合レンズＣＬ２を少なくとも有している。負レンズＬ５が物体側に配置され、正レンズＬ６が像側に配置されている。第二のレンズ群Ｇ２は、固体撮像素子の受光面上に結像される光学像を変倍するため、絞りＳと一体に光軸ＡＸ方向に移動する。第二のレンズ群Ｇ２と絞りＳとを一体に移動させることにより、望遠端にしたときの非点収差の発生が効果的に抑えられる。

第三のレンズ群Ｇ３は、正のパワーを持つレンズ群であり、物体側から順に、正レンズＬ７、負レンズＬ８と正レンズＬ９とを接合した接合レンズＣＬ３を少なくとも有している。正レンズＬ７は、主に球面収差を補正する目的で配置され、接合レンズＣＬ３は、主に倍率色収差を補正する目的で配置されている。

以下において、説明の便宜上、各光学部品の物体側の面、像側の面をそれぞれ、第一面、第二面と記す。また、絞りＳは、光軸ＡＸを中心とした所定の円形開口を有する板状部材、又は第二のレンズ群Ｇ２の絞りＳに最も近いレンズ面（図２（ａ）の構成例においては、負レンズＬ５の第一面ｒ９）であって光軸ＡＸを中心とした所定の円形領域以外にコーティングされた遮光膜である。絞りＳの厚みは、内視鏡用変倍光学系１００を構成する各光学レンズの厚みと比べて非常に薄く、内視鏡用変倍光学系１００の光学性能を計算する上で無視しても差し支えない。そのため、本明細書においては、絞りＳの厚みを０とみなして説明を進める。

内視鏡用変倍光学系１００は、第一のレンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ_１（単位：ｍｍ）と定義し、第二のレンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ_２（単位：ｍｍ）と定義し、第三のレンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ_３（単位：ｍｍ）と定義し、広角端での全系の焦点距離（第一のレンズ群Ｇ１から第三のレンズ群Ｇ３の合成焦点距離）をｆ_Ｗ（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件式（１）、（２）
−１．８≦ｆ_２／ｆ_Ｗ≦−１．２・・・（１）
０．５≦ｆ_１／ｆ_３≦０．６５・・・（２）
を満たすように構成されている。

条件式（１）は、第二のレンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ_２と広角端での全系の焦点距離ｆ_Ｗとの比を規定する。条件式（１）の上限を上回ると、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが強いため、変倍に伴う第二のレンズ群Ｇ２の移動距離が短い。従って、内視鏡用変倍光学系１００の全長を短く設計するのに有利である。しかし、ペッツバール和が負に大きいため、像面湾曲の補正が困難である。

条件式（１）の下限を下回ると、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが弱いため、変倍に伴う第二のレンズ群Ｇ２の移動距離が長い。従って、内視鏡用変倍光学系１００の全長を抑える設計が難しい。また、第二のレンズ群Ｇ２の移動に伴うコマ収差の変化が大きい。そのため、広角端から望遠端までの全変倍範囲に亘ってコマ収差をバランス良く補正するのが難しい。例えば広角端を基準にコマ収差を補正すると、望遠端におけるコマ収差の発生が大きい。

条件式（２）は、第一のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ_１と第三のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ_３との比を規定する。条件式（２）の上限を上回ると、第一のレンズ群Ｇ１のパワーが弱すぎる。第一のレンズ群Ｇ１のパワーを確保するためには、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径を大きく設定せざるを得ない。また、全系の倍率を確保するため、第二のレンズ群Ｇ２のパワーを弱める必要がある。しかし、第二のレンズ群Ｇ２のパワーを弱めた代償として、変倍に伴う第二のレンズ群Ｇ２の移動距離が長くなる。そのため、内視鏡用変倍光学系１００の全長を抑える設計が難しい。

条件式（２）の下限を下回ると、第一のレンズ群Ｇ１のパワーが強いため、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径を小さく設定するのに有利である。しかし、第二のレンズ群Ｇ２以降のレンズの倍率が大きいため、組立誤差又は部品個体差に起因する群間隔の変化に伴う倍率変化が大きい。言い換えると、組立誤差又は部品個体差に起因する視野角変化が大きいため、仕様を満足する視野角の保証が難しい。また、第一のレンズ群Ｇ１のパワーを強くするため、負レンズＬ１のパワーを強める必要がある。しかし、負レンズＬ１のパワーを強めた代償として、第一のレンズ群Ｇ１で発生するコマ収差量が増加する。広角端では第一のレンズ群Ｇ１への入射角度が特に大きいため、コマ収差が大きく発生する。

条件式（１）、（２）を同時に満たすと、広角端から望遠端までの全変倍範囲に亘って諸収差を良好に補正しつつも高い変倍比が得られる。広角端を広視野にしつつも望遠端で一定の観察距離を保ちながら倍率を高倍率にすることができる。そのため、望遠端での観察時においても先端部１２の先端面を管壁に近付けることなく、精細な被写体像を得ることができる。従って、対物レンズ面への残渣の付着や照明光の熱による管壁への負担が有効に避けられる。更に、観察視野内での配光ムラが抑えられる。また、条件式（１）、（２）を同時に満たすと、内視鏡用変倍光学系１００の小型化設計に有利であると共に、組立誤差又は部品個体差に起因する視野角変化が抑えられる。

内視鏡用変倍光学系１００は、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径をより一層抑えるため、次の条件式（３）
−０．８５≦ｆ_１／ｆ_２≦−０．６５・・・（３）
を満たす構成としてもよい。

条件式（３）は、第一のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ_１と第二のレンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ_２との比を規定する。条件式（３）の上限を上回ると、第一のレンズ群Ｇ１のパワーが強いため、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径を小さく設定するのに有利である。しかし、負レンズＬ１のパワーが強いため、第一のレンズ群Ｇ１で発生するコマ収差量が大きい。広角端では第二のレンズ群Ｇ２への入射角度が特に大きいため、コマ収差が大きく発生する。

条件式（３）の下限を下回ると、第一のレンズ群Ｇ１のパワーが弱すぎる。第一のレンズ群Ｇ１のパワーを確保するためには、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径を大きく設定せざるを得ない。第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径が大きい場合、内視鏡用変倍光学系１００が大型化するだけでなく、第二のレンズ群Ｇ２の移動に伴うコマ収差の発生が大きい。例えば広角端を基準にコマ収差を補正すると、望遠端におけるコマ収差の発生が大きい。

固体撮像素子の受光面には入射角度依存性がある。そのため、受光面への入射角度（内視鏡用変倍光学系１００の射出角度）によっては、有効画素領域の周辺で光量が大きく損失することがある。そこで、内視鏡用変倍光学系１００は、変倍に伴う射出角度の変化を抑えるため、次の条件式（４）
−０．９≦ｆ_２／ｆ_３≦−０．６・・・（４）
を満たす構成としてもよい。

条件式（４）は、第二のレンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ_２と第三のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ_３との比を規定する。条件式（４）の上限を上回ると、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが第三のレンズ群Ｇ３に対して強すぎる。そのため、変倍位置が望遠端に近いほど全系の射出角度が大きくなり、固体撮像素子の受光量が減少する。望遠端での観察時における受光量の減少は著しい。また、第三のレンズ群Ｇ３への入射角度が大きいため、コマ収差の発生が大きい。

条件式（４）の下限を下回ると、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが第三のレンズ群Ｇ３に対して弱いため、広角端での観察時における全系の射出角度が小さい。しかし、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが弱すぎるため、変倍に伴う第二のレンズ群Ｇ２の移動距離が長くなる。そのため、内視鏡用変倍光学系１００の全長を抑える設計が難しい。

内視鏡用変倍光学系１００は、外形寸法を小さくしつつ組立誤差又は部品個体差に起因する視野角変化をより一層抑えるため、次の条件式（５）
０．５３≦ｆ_１／ｆ_３≦０．６１・・・（５）
を満たす構成としてもよい。

条件式（５）は、第一のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ_１と第三のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ_３との比を規定する。条件式（５）の上限を上回ると、第一のレンズ群Ｇ１のパワーが弱すぎる。第一のレンズ群Ｇ１のパワーを確保するためには、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径を大きく設定せざるを得ない。また、全系の倍率を確保するため、第二のレンズ群Ｇ２のパワーを弱める必要がある。しかし、第二のレンズ群Ｇ２のパワーを弱めた代償として、変倍に伴う第二のレンズ群Ｇ２の移動距離が長くなる。そのため、内視鏡用変倍光学系１００の全長を抑える設計が難しい。

条件式（５）の下限を下回ると、第一のレンズ群Ｇ１のパワーが強いため、第一のレンズ群Ｇ１の有効光束径を小さく設定するのに有利である。しかし、第二のレンズ群Ｇ２以降のレンズの倍率が大きいため、組立誤差又は部品個体差に起因する群間隔の変化に伴う倍率変化が大きい。そのため、仕様を満足する視野角の保証が難しい。また、第一のレンズ群Ｇ１のパワーを強くするため、負レンズＬ１のパワーを強める必要がある。しかし、負レンズＬ１のパワーを強めた代償として、第一のレンズ群Ｇ１で発生するコマ収差量が増加する。広角端では第二のレンズ群Ｇ２への入射角度が特に大きいため、コマ収差が大きく発生する。

小型かつ広視野角な内視鏡用変倍光学系においては、レンズが光軸に対して偏心して組み付けられた際の像面倒れが大きく、観察視野周辺で画質劣化が生じやすい。像面倒れ量を抑えるには、例えば厳格な公差管理を行って製造誤差の少ない光学レンズ又は光学レンズ周辺の部品（例えばレンズ保持枠）を製造する製造管理上の対策が考えられる。しかし、この場合、歩留まりの低下や製造単価の増加等の弊害が生じる。また、小型な光学レンズにおいては、誤差発生量の把握及び管理が技術上難しい問題もある。そのため、厳格な公差管理による対策は、安易には採用できない。

そこで、内視鏡用変倍光学系１００は、第三のレンズ群Ｇ３を構成するレンズの焦点距離のうち絶対値が最も大きい焦点距離をｆ_Ｘ（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件式（６）
次の条件式（６）
｜ｆ_Ｘ／ｆ_３｜＜５．０・・・（６）
を満たす構成としてもよい。

第三のレンズ群Ｇ３は、レンズの偏心に対する像面倒れの発生感度が他のレンズ群における発生感度と比べて高い。条件式（６）を満たすと、厳格な公差管理による対策を行うまでもなく、第三のレンズ群Ｇ３を構成するレンズの偏心による像面倒れ量を抑えることができる。

条件式（６）の上限を上回ると、第三のレンズ群Ｇ３を構成するレンズの倍率が高い。そのため、第三のレンズ群Ｇ３が光軸ＡＸに対して偏心して組み付けられた際の像面倒れが大きく、観察視野周辺で画質劣化が生じやすい。特に、広角端での観察時における像面倒れ量の発生が大きい。広角端での観察時において像面倒れが発生すると、望遠端に至る各変倍位置でも像面倒れが顕著に現れる。

広角端での最大像高における画角ω（単位：ｄｅｇ）を狭く設定すると、諸収差を補正しやすくなる。そのため、各変倍位置での光学性能を良好に維持するという設計が容易である。しかし、本実施形態に想定される内視鏡は、下部消化器観察に用いられるため、狭い視野角では病変部等の見落としが懸念される。そこで、内視鏡用変倍光学系１００は、次の条件式（７）
ω≧１２０・・・（７）
を満たす構成としてもよい。

次に、これまで説明した内視鏡用変倍光学系１００の具体的数値実施例を６例説明する。各数値実施例１〜６の内視鏡用変倍光学系１００は、図１に示される電子スコープ１の先端部１２に配置されている。

上述したように、本発明の実施例１の内視鏡用変倍光学系１００の構成は、図２（ａ）に示される通りである。図２（ａ）は、変倍位置が広角端にあるときのレンズ配置を示す断面図である。変倍位置が望遠端にあるときのレンズ配置を示す断面図は、図２（ｂ）に示される。

本実施例１の内視鏡用変倍光学系１００（及びその後段に配置された光学部品）の具体的数値構成（設計値）は、表１に示される。表１に示される面番号ＮＯは、絞りＳに対応する面番号８を除き、図２中の面符号ｒｎ（ｎは自然数）に対応する。表１において、Ｒ（単位：ｍｍ）は光学部材の各面の曲率半径を、Ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学部材厚又は光学部材間隔を、Ｎ（ｄ）はｄ線（波長５８８ｎｍ）の屈折率を、νｄはｄ線のアッベ数を、それぞれ示す。表２は、内視鏡用変倍光学系１００の仕様（実効Ｆナンバー、全系の焦点距離（単位：ｍｍ）、光学倍率、半画角（単位：ｄｅｇ）、像高（単位：ｍｍ）、群間隔Ｄ７（単位：ｍｍ）、群間隔Ｄ１１（単位：ｍｍ））を広角端、望遠端それぞれについて示す。群間隔Ｄ７は、第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との群間隔である。群間隔Ｄ１１は、第一のレンズ群Ｇ１と第三のレンズ群Ｇ３との群間隔である。群間隔Ｄ７、群間隔Ｄ１１は、変倍位置に応じて変わる。

図３（ａ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例１の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が広角端にあるときの各種収差図である。図３（ｂ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例１の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が望遠端にあるときの各種収差図である。図３（ａ）、（ｂ）のグラフＡは、ｄ線、ｇ線、Ｃ線での球面収差及び軸上色収差を示す。図３（ａ）、（ｂ）のグラフＢは、ｄ線、ｇ線、Ｃ線での倍率色収差を示す。グラフＡ、Ｂ中、実線はｄ線での収差を、点線はｇ線での収差を、一点鎖線はＣ線での収差を、それぞれ示す。図３（ａ）、（ｂ）のグラフＣは、非点収差を示す。グラフＣ中、実線はサジタル成分を、点線はメリディオナル成分を、それぞれ示す。図３（ａ）、（ｂ）のグラフＤは、歪曲収差を示す。グラフＡ〜Ｃの縦軸は像高を、横軸は収差量を、それぞれ示す。グラフＤの縦軸は像高を、横軸は歪曲率を、それぞれ示す。なお、本実施例１の各表又は各図面についての説明は、以降の各数値実施例で提示される各表又は各図面においても適用する。

本実施例１の内視鏡用変倍光学系１００は、表１、２に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも望遠端での倍率が高い。また、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、広角端、望遠端の何れにおいても諸収差が良好に補正される。広角端と望遠端との中間域においては、図３（ａ）と図３（ｂ）とが示す範囲内で各種収差が変化する。すなわち、本実施例１の内視鏡用変倍光学系１００は、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。

図４（ａ）、（ｂ）は、本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。図４（ａ）は、変倍位置が広角端にあるときのレンズ配置を示す。図４（ｂ）は、変倍位置が望遠端にあるときのレンズ配置を示す。本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００は、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、接合レンズＣＬ３と色補正フィルタＦとの間に正レンズＬ１０を有している。すなわち、本実施例２において第三のレンズ群Ｇ３は、物体側から順に、正レンズＬ７、接合レンズＣＬ３、正レンズＬ１０の三枚構成である。第一のレンズ群Ｇ１、第二のレンズ群Ｇ２については、本実施例１と同じ枚数構成である。

図５（ａ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が広角端にあるときの各種収差図である。図５（ｂ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が望遠端にあるときの各種収差図である。表３は、本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表４は、本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例２の内視鏡用変倍光学系１００は、表３、４、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。

図６（ａ）、（ｂ）は、本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。図６（ａ）は、変倍位置が広角端にあるときのレンズ配置を示す。図６（ｂ）は、変倍位置が望遠端にあるときのレンズ配置を示す。本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００は、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例１と同じ枚数構成である。

図７（ａ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が広角端にあるときの各種収差図である。図７（ｂ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が望遠端にあるときの各種収差図である。表５は、本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表６は、本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例３の内視鏡用変倍光学系１００は、表５、６、図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。

図８（ａ）、（ｂ）は、本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。図８（ａ）は、変倍位置が広角端にあるときのレンズ配置を示す。図８（ｂ）は、変倍位置が望遠端にあるときのレンズ配置を示す。本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００は、図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例２と同じ枚数構成である。

図９（ａ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が広角端にあるときの各種収差図である。図９（ｂ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が望遠端にあるときの各種収差図である。表７は、本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表８は、本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例４の内視鏡用変倍光学系１００は、表７、８、図９（ａ）、（ｂ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。

図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。図１０（ａ）は、変倍位置が広角端にあるときのレンズ配置を示す。図１０（ｂ）は、変倍位置が望遠端にあるときのレンズ配置を示す。本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００は、図１０（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例２と同じ枚数構成である。

図１１（ａ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が広角端にあるときの各種収差図である。図１１（ｂ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が望遠端にあるときの各種収差図である。表９は、本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表１０は、本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例５の内視鏡用変倍光学系１００は、表９、１０、図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。

図１２（ａ）、（ｂ）は、本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。図１２（ａ）は、変倍位置が広角端にあるときのレンズ配置を示す。図１２（ｂ）は、変倍位置が望遠端にあるときのレンズ配置を示す。本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００は、図１２（ａ）、（ｂ）に示されるように、正レンズＬ７と接合レンズＣＬ３との間に正レンズＬ１０を有している。すなわち、本実施例６において第三のレンズ群Ｇ３は、物体側から順に、正レンズＬ７、正レンズＬ１０、接合レンズＣＬ３の三枚構成である。第一のレンズ群Ｇ１、第二のレンズ群Ｇ２については、本実施例１と同じ枚数構成である。

図１３（ａ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が広角端にあるときの各種収差図である。図１３（ｂ）のグラフＡ〜Ｄは、本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００において変倍位置が望遠端にあるときの各種収差図である。表１１は、本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表１２は、本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例６の内視鏡用変倍光学系１００は、表１１、１２、図１３に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。

（比較検証）
表１３は、本実施例１〜６に比較例１〜３を加えた９つの各例において、条件式（１）〜（７）の各条件式を適用したときに算出される値の一覧表である。比較例１、２、３はそれぞれ、特許文献１の実施例１、２、４である。

本実施例１〜６の内視鏡用変倍光学系１００は、表１３に示されるように、条件式（１）、（２）を同時に満たすことにより、各本実施例の説明で提示した図又は表に示す通り、小型かつ広視野角でありつつも広角端から望遠端までの各変倍位置で光学性能が良好であると共に望遠端で一定の観察距離を保ちつつ倍率が高い。これに対して、比較例１〜３の内視鏡用変倍光学系は、表１３に示されるように、条件式（１）又は（２）の少なくとも一方を満たさない。そのため、比較例１〜３においては、外形寸法、視野角、倍率、各変倍位置での光学性能の少なくとも一つが良好な管腔観察を行うに足る水準を満たさない。

本実施例１〜６の内視鏡用変倍光学系１００は、表１３に示されるように、条件式（３）、（４）、（７）も満たす。本実施例１及び３は条件式（５）及び（６）を、本実施例２及び６は条件式（５）を、それぞれ更に満たす。そのため、本実施例１〜６では、各条件式を満たすことによる更なる効果が奏される。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。

１ 電子スコープ
１００ 内視鏡用変倍光学系

Claims (8)

1. 物体側から順に、正のパワーを持つ第一のレンズ群、負のパワーを持つ第二のレンズ群、正のパワーを持つ第三のレンズ群からなり、可動レンズ群である該第二のレンズ群を固定レンズ群である該第一のレンズ群及び該第三のレンズ群に対して光軸方向に移動させることで光学像を変倍させる内視鏡用変倍光学系において、
   前記第一のレンズ群は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負レンズ、像側に凸面を向けた正レンズ、負レンズと正レンズとを接合した第一の接合レンズを少なくとも有し、
   前記第二のレンズ群は、物体側から順に、負レンズと正レンズとを接合した第二の接合レンズを少なくとも有し、
   前記第三のレンズ群は、物体側から順に、正レンズ、負レンズと正レンズとを接合した第三の接合レンズを少なくとも有し、
   前記第一のレンズ群の焦点距離をｆ_１（単位：ｍｍ）と定義し、前記第二のレンズ群の焦点距離をｆ_２（単位：ｍｍ）と定義し、前記第三のレンズ群の焦点距離をｆ_３（単位：ｍｍ）と定義し、広角端での前記第一から前記第三のレンズ群の合成焦点距離をｆ_Ｗ（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件式（１）、（２）
   −１．８≦ｆ_２／ｆ_Ｗ≦−１．２・・・（１）
   ０．５≦ｆ_１／ｆ_３≦０．６５・・・（２）
   を満たすことを特徴とする内視鏡用変倍光学系。
2. 次の条件式（３）
   −０．８５≦ｆ_１／ｆ_２≦−０．６５・・・（３）
   を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡用変倍光学系。
3. 次の条件式（４）
   −０．９≦ｆ_２／ｆ_３≦−０．６・・・（４）
   を満たすことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内視鏡用変倍光学系。
4. 次の条件式（５）
   ０．５３≦ｆ_１／ｆ_３≦０．６１・・・（５）
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の内視鏡用変倍光学系。
5. 前記第三のレンズ群を構成する単レンズ又は接合レンズの焦点距離のうち絶対値が最も大きい焦点距離をｆ_Ｘ（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件式（６）
   ｜ｆ_Ｘ／ｆ_３｜＜５．０・・・（６）
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の内視鏡用変倍光学系。
6. 広角端での最大像高における画角をω（単位：ｄｅｇ）と定義した場合に、次の条件式（７）
   ω≧１２０・・・（７）
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の内視鏡用変倍光学系。
7. 前記第一と前記第二のレンズ群との間に光軸上を該第二のレンズ群と一体に移動する絞りを有することを特徴とする、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の内視鏡用変倍光学系。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の内視鏡用変倍光学系を先端に搭載したことを特徴とする内視鏡。

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