JP6368065B1

JP6368065B1 - 内視鏡対物光学系

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Abstract

細径で、水中画角が広く、色収差が良好に補正され、光学系の全長が短い内視鏡対物光学系を提供すること。物体側から順に、負の前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正の後群ＧＲと、からなり、前群ＧＦまたは後群ＧＲに、１つ以上の接合レンズＣＬ１を有し、接合レンズは、正の屈折力を有するレンズと、負の屈折力を有するレンズと、を有し、後群ＧＲは、物体側に単レンズの正レンズＬ３を有し、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足する。１．１＜Ｉｈ／ｆｔ＜１．８（１）−ｆｆ／ｆｔ＜０．９（２）４５＜νｄ１（３）Ｌ０ｓ／Ｉｈ＜１．５（４）ここで、Ｉｈは、最大像高、ｆｔは、内視鏡対物光学系全系の焦点距離、ｆｆは、前群の焦点距離、νｄ１は、後群の物体側の正レンズの硝材のアッベ数、Ｌ０ｓは、物体側の第１面から明るさ絞りまでの間隔、物体側の第１面は、内視鏡対物光学系において最も物体側に位置するレンズ面、である。

Description

本発明は、内視鏡対物光学系に関するもので、主に、医療用内視鏡の対物光学系に関する。

泌尿器系臓器を対象とした内視鏡として、挿入部を経尿道的に挿入する内視鏡（以下、適宜「泌尿器用内視鏡」という）がある。泌尿器用内視鏡では、挿入部を尿道内に挿入可能とするために、挿入部の外径を７ｍｍ以下とすることが必須である。そのため、泌尿器用内視鏡の挿入部の径は、胃の検診や大腸の検診等で広く知られる消化管用内視鏡の挿入部よりも細径である。

さらに、膀胱などの狭い袋状の臓器を観察する場合に、挿入部を９０度以上湾曲させ、臓器の入口方向を観察する方法が採られる。この場合、光学系の全長が短い方が、内視鏡の先端から湾曲部までの長さを短くすることができる。そのため、光学系の全長が短い内視鏡は、袋状の臓器の観察において、より広い範囲を観察可能で、泌尿器用内視鏡としての価値が大きい。

また、泌尿器系臓器は、通常は尿で満たされている。そのため、泌尿器用内視鏡に用いられる内視鏡対物光学系は、水中観察を想定した光学設計となっている。

特許文献１には、水中観察時の画角（以下、「水中画角」という）が広い内視鏡対物光学系が開示されている。特許文献１の内視鏡対物光学系は、負の屈折力を有する第１群と、開口絞りと、正の屈折力を有する第２群と、からなる。特許文献１の内視鏡対物光学系では、水中画角は１０５°〜１６４°である。

また、特許文献１には、観察空間の媒質について記載されている。ここでの観察空間は、泌尿器系臓器を泌尿器用内視鏡で観察する場合の空間である。特許文献１には、この場合の観察空間の媒質は、水を主成分とする灌流液や尿であることや、それら媒質の屈折率は水と同等とみなして差し支えないことが示されている。

更に、特許文献１では、水中画角が空気中観察時の画角（以下、適宜「空気中画角」という）に対して狭角化されることを挙げている。特許文献１では、空気中画角と水中画角の関係が以下のように示されている。
空気中画角１８０° １６０° １４０° １２０°
水中画角９７．２° ９５．３° ８９．７° ８１．０°

上記の空気中画角と水中画角は、水のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率を１．３３３、内視鏡対物光学系の最も物体側のレンズを平面として算出している。

上記の関係は、例えば、空気中画角が１２０°の内視鏡対物光学系であっても、この内視鏡対物光学系を膀胱用内視鏡に用いると、実用時、すなわち、水中観察時は画角が８１°に狭まる、ということを意味している。特許文献１では、空気中画角が広い内視鏡対物光学系であっても、膀胱内面全域での病変の探索を効率良く行えないことを課題として提示している。

また、特許文献２には、超広角な内視鏡対物光学系が開示されている。特許文献２の内視鏡対物光学系では、空気中画角が１８０°以上になっている。特許文献２の内視鏡対物光学系は、物体側から、負のレンズ、および正のレンズを有する第１群と、物体側から、正のレンズ、および負のレンズと正のレンズとを接合した接合レンズを有する第２群と、からなる。

また、特許文献３には、カプセル内視鏡用の広角な対物光学系が開示されている。特許文献３の実施例では、空気中画角は１６８°である。この画角は、水中画角に換算すると９６．５°である。特許文献３の内視鏡対物光学系は、物体側から、負のメニスカスレンズ、正のメニスカスレンズ、接合レンズを含む、５枚のレンズからなる。

また、特許文献４には、超広角な内視鏡対物光学系が開示されている。特許文献４の内視鏡対物光学系では、空気中画角が１８０°以上になっている。特許文献４の内視鏡対物光学系は、負の屈折力を有する第１群と、開口絞りと、正の屈折力を有する第２群と、からなる。

また、特許文献５に示されている内視鏡用対物光学系では、水中観察に関して説明されていない。しかしながら、全実施例において、先端面が正屈折力を持つため、特許文献５の内視鏡対物光学系の構成は、水中画角の広角化に有利な構成になっている。このようなことから、特許文献５の内視鏡対物光学系では、水中画角を十分に大きくとれるものと考えられる。

国際公開第２０１４／２０８３７３号国際公開第２０１１／１５２０９９号特開２００９−１３６３８７号公報国際公開第２０１１／１４８８２２号国際公開第２０１１／０７０８９７号

特許文献１に開示された内視鏡対物光学系の全ての実施例において、２組の接合レンズが使用されている。そのため、特許文献１の内視鏡対物光学系では、光学系の全長が長くなる傾向があり、さらに光学系の全長を短縮する必要がある。

また、特許文献２に開示された内視鏡対物光学系では、最も物体側のレンズが大きすぎるため、細径化が困難である。これは物体側から２番目に正のレンズが配置され、第１群の負のパワーが弱いことに起因している。視野の軸外光線が、最も物体側レンズの物体側の面を通過する位置が、レンズの面頂（光軸の位置）から遠くなるためである。

また、特許文献３に開示された内視鏡対物光学系は、水中画角が十分に広いとは言えない。

また、特許文献４に開示された内視鏡対物光学系では、最も物体側のレンズが大きすぎるため、細径化が困難である。

また、特許文献５に開示された内視鏡対物光学系では、軸上色収差、および倍率色収差が大きく、色にじみの補正が十分でない。この内視鏡対物光学系では、より色にじみの少ない画質を得るために、さらなる改善が必要である。

以上のように、特許文献１〜５に開示された内視鏡対物光学系では、主に膀胱用内視鏡に必要とされる細径で、水中画角が広く、色収差が良好に補正され、光学系の全長が短いという要求を、同時に満足することができない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、細径で、水中画角が広く、色収差が良好に補正され、光学系の全長が短い内視鏡対物光学系を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内視鏡対物光学系は、
物体側から順に、負の屈折力を有する前群と、明るさ絞りと、正の屈折力を有する後群と、からなり、
前群または後群に、１つ以上の接合レンズを有し、
接合レンズは、正の屈折力を有するレンズと、負の屈折力を有するレンズと、を有し、
後群は、物体側に単レンズの正レンズを有し、
以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする。
１．１＜Ｉｈ／ｆｔ＜１．８（１）
−ｆｆ／ｆｔ＜０．９（２）
４５＜νｄ１（３）
Ｌ０ｓ／Ｉｈ＜１．５（４）
ここで、
Ｉｈは、水中観察状態での最大像高、
ｆｔは、内視鏡対物光学系全系の焦点距離、
ｆｆは、前群の焦点距離、
νｄ１は、後群の物体側の正レンズの硝材のアッベ数、
Ｌ０ｓは、内視鏡対物光学系の物体側の第１面から明るさ絞りまでの間隔、
内視鏡対物光学系の物体側の第１面は、内視鏡対物光学系において最も物体側に位置するレンズ面、
である。

本発明によれば、細径で、水中画角が広く、色収差が良好に補正され、光学系の全長が短い内視鏡対物光学系を提供することができる。

（ａ）は、第１実施形態の内視鏡対物光学系の基本構成を示すレンズ断面図である。（ｂ）は、第２実施形態の内視鏡対物光学系の基本構成を示すレンズ断面図である。（ａ）は、実施例１に係る内視鏡対物光学系の全体基本構成を示すレンズ断面図である。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本実施例の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ）をそれぞれ示す収差図である。（ａ）は、実施例２に係る内視鏡対物光学系の全体基本構成を示すレンズ断面図である。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本実施例の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ）をそれぞれ示す収差図である。（ａ）は、実施例３に係る内視鏡対物光学系の全体基本構成を示すレンズ断面図である。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本実施例の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ）をそれぞれ示す収差図である。

以下に、実施形態に係る内視鏡対物光学系を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、第１実施形態に係る内視鏡対物光学系について、図面を用いて、このような構成をとった理由と作用を説明する。なお、以下の実施形態に係る内視鏡対物光学系によりこの発明が限定されるものではない。

第１実施形態の内視鏡対物光学系の基本構成について説明する。基本構成の光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正の屈折力を有する後群ＧＲと、からなり、前群ＧＦまたは後群ＧＲに、１つ以上の接合レンズＣＬ１を有し、後群ＧＲは、物体側に単レンズの正の第３レンズＬ３を有している。

本実施形態の内視鏡対物光学系は、超広角光学系である。そこで、非常に広い画角を確保するために、画角の拡大に最適な、所謂レトロフォーカス型の構成を基本構成に採用している。

図１（ａ）は、本実施形態の内視鏡対物光学系の基本構成の一例を示すレンズ断面構成図である。基本構成では、光学系を、物体側から順に、負の屈折力を有する前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正の屈折力を有する後群ＧＲと、で構成している。

更に、基本構成では、後群ＧＲに正の第４レンズＬ４と負の第５レンズＬ５と、からなる、接合レンズＣＬ１を有している。これによって、色収差を補正している。

更に、後群ＧＲは、物体側に単レンズの正の第３レンズＬ３を有している。水中観察時に広い画角を確保するため、前群ＧＦに大きな負の屈折力をもたせる必要がある。光学系全系で正の屈折力にするためには、後群ＧＲに大きな正の屈折力を配置する必要があり、これを後群ＧＲの正の単レンズである第３レンズＬ３によって確保している。なお、好ましくは、正の第３レンズＬ３は、後群ＧＲの最も物体側に配置することが望ましい。また、前述の正の第３レンズＬ３を明るさ絞りＳの像側直後ではなく、１枚以上のレンズを挟んで、像側後ろに配置した場合、軸外光線の通る位置が光軸ＡＸから離れ、レンズの有効径が大きくなってしまい望ましくない。よって、明るさ絞りＳの像側後の第３レンズＬ３を、単レンズの正の屈折力を有する構成としている。

このように、本実施形態の内視鏡対物光学系における基本構成は、細径化（レンズ外径の小径化）、広角化、光学系の全長の短縮化の全てに配慮した構成になっている。

尚、超広角光学系の中には、明るさ絞りＳの物体側に正レンズを配置した光学系もある。しかしながら、前群ＧＦに配置した正の屈折力は、画角を狭める方向に作用する。しかも、正の屈折力は、入射瞳位置をより像側に位置させるので、レンズ外径を増大させる。そのため、明るさ絞りＳの物体側に正レンズを配置することは望ましくない。

本実施形態では、明るさ絞りＳは、前群ＧＦと後群ＧＲとの間に配置されている。前群ＧＦと後群ＧＲとの間隔が狭い場合、明るさ絞りＳをレンズ面に設けても良い。明るさ絞りＳをレンズ面に設ける方法、構成としては、例えば、レンズ面に金属遮光膜をコーティングしエッチングで開口部を形成する方法、構成や、レンズと枠の間に円環状の薄い金属板を挟み込む方法、構成がある。

後群ＧＲは、正の第３レンズＬ３と、接合レンズＣＬ１とで構成されている。接合レンズＣＬ１は、正の第４レンズＬ４と負の第５レンズＬ５とで構成されている。また、後群ＧＲには、光学フィルタＦが配置されている。本実施形態では、光学フィルタＦは、正の第３レンズＬ３と接合レンズＣＬ１との間に配置されている。

光学フィルタＦは、例えば、赤外線カットフィルタや、色温度変換フィルタである。これらのフィルタは、ＣＣＤなどの撮像素子の感度補正に用いられる。

また、レーザーカットフィルタや特殊機能フィルタを、光学系中に配置してもよい。レーザーカットフィルタとしては、例えば、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等のレーザ光をカットするためのフィルタがある。特殊機能フィルタとしては、例えば、特定波長域の光線をカットするノッチフィルタがある。

また、光学フィルタＦには、吸収型のフィルタ、反射型のフィルタ、もしくはそれらを一緒にした複合型のフィルタを用いても良い。また、反射防止膜を施したフィルタを用いてもよい。

後群ＧＲの像側には、ガラスブロックＣＧが配置されている。ガラスブロックＣＧは、固体撮像素子のカバーガラスを想定したものである。ガラスブロックＣＧの像側面には、像高がＩｈの物体の像が形成される。ガラスブロックＣＧの像側面は、撮像素子の撮像面と一致している。

以下、さらに、第１実施形態に係る内視鏡対物光学系について、説明する。

第１実施形態に係る内視鏡対物光学系は、上記の基本構成を備えると共に、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする。
１．１＜Ｉｈ／ｆｔ＜１．８（１）
−ｆｆ／ｆｔ＜０．９（２）
４５＜νｄ１（３）
Ｌ０ｓ／Ｉｈ＜１．５（４）
ここで、
Ｉｈは、最大像高、
ｆｔは、内視鏡対物光学系全系の焦点距離、
ｆｆは、前群ＧＦの焦点距離、
νｄ１は、後群ＧＦの物体側の正の第３レンズＬ３の硝材のアッベ数、
Ｌ０ｓは、内視鏡対物光学系の物体側の第１面ｒ１から明るさ絞りＳまでの間隔、
内視鏡対物光学系の物体側の第１面ｒ１は、内視鏡対物光学系において最も物体側に位置するレンズ面ｒ１、
である。

条件式（１）は、水中画角に関連する条件式である。最大像高Ｉｈは、水中観察も考慮した上での最大像高である。ｆｔは、内視鏡対物光学系全系の焦点距離である。ただし、物体側の第１面ｒ１が曲率を有する場合は、物体側媒質の屈折率に応じて焦点距離が変化する。そのため、ｆｔは、一般的なレンズの焦点距離の定義と同様に、物体側媒質を空気としたときの焦点距離とする。

条件式（１）において、Ｉｈ／ｆｔの値が小さくなると水中画角は狭くなり、Ｉｈ／ｆｔの値が大きくなると水中画角は広くなる。

空気中での観察用に設計された従来の内視鏡対物光学系では、像高Ｈが、焦点距離ｆｔと入射角θａの正弦に概ね比例するものが多い。このような内視鏡対物光学系は、所謂Ｈ＝ｆｔ×ｓｉｎ（θａ）型の対物光学系として知られている。θａは、物体側媒質空間での主光線と光軸とのなす角度であって、空気中観察時の角度である。Ｈ＝ｆｔ×ｓｉｎ（θａ）型の対物光学系では、Ｈ／ｆｔの値は１以下となる。

これに対して、第１実施形態の内視鏡対物光学系は、条件式（１）から分かるようにＩｈ／ｆｔの値は１よりも大きくなる。これは、第１実施形態の内視鏡対物光学系では、水中観察時の最大像高を、空気中観察時に想定される像高よりも大きくとっていることを意味する。条件式（１）の下限値を上回ることは、水中画角の広角化に寄与する。条件式（１）の上限値を下回ることで、水中画角の過剰な広角化を回避することができる。

条件式（２）は、前群ＧＦの負の屈折力に関連する条件式である。水中広角を達成するためには、前群ＧＦの持つ負の屈折力を大きくする必要がある。この時、前群ＧＦの焦点距離（以下「ｆｆ」という。）は短くなる。ｆｆは負の値なので「−ｆｆ」を、内視鏡対物光学系全系の焦点距離ｆｔで規格化（正規化）し、上限値を設けた。

条件式（２）の上限値を上回ると、水中画角が狭くなる。すなわち、水中での観察に必要な画角を十分に得ることが困難になる。

条件式（３）は、後群ＧＲの正の屈折力を有する最も物体側のレンズの硝材に関連する条件式である。

前述の通り、水中広角を達成するために、前群ＧＦの持つ負の屈折力を大きくとる必要がある。強い負の屈折力を持つレンズで発生する球面収差を抑えるには、高屈折率の硝材を使い、レンズの曲率半径が小さくなりすぎないようにすることが望ましい。

しかし、現在入手可能な高屈折率の光学ガラスは分散が高い、即ちアッベ数が小さいという特徴がある。そのため、軸上色収差を良好に補正するには、接合レンズＣＬ１に加えて、後群ＧＲの正の第４レンズＬ４に低分散、即ちアッベ数が大きい硝材を使用する必要がある。

条件式（３）の下限値を下回ると、光学系の色収差を良好に補正することが出来ない。あるいは、２組以上の接合レンズが必要となり、光学系の全長が長くなってしまうため望ましくない。

条件式（４）は、レンズの最大径に関連する条件式である。広角レンズでは、所謂前玉レンズが最大径を有するレンズとなる場合が一般的である。第１実施形態の内視鏡対物光学系では、物体側の第１面ｒ１を有するレンズ、すなわち負の第１レンズＬ１が前玉レンズに相当する。

超広角レンズでは、負の第１レンズＬ１における光線高は、画角と入射瞳位置でほぼ定まる。画角を決めた場合、入射瞳位置が、負の第１レンズＬ１における光線高を決めるパラメータとなる。入射瞳位置が物体側の第１面ｒ１から像側に向かって離れるほど、負の第１レンズＬ１における光線高が高くなる。そのため、負の第１レンズＬ１を小径化するためには、入射瞳位置を物体側の第１面ｒ１に近づける工夫が必要である。

入射瞳位置を物体側の第１面ｒ１に近づけるためには、物体側の第１面ｒ１から明るさ絞りＳまでの間隔（以下、「Ｌ０ｓ」という）を短くすれば良い。そこで、Ｌ０ｓを最大像高Ｉｈで規格化し、上限値を設けた。

条件式（４）の上限値を上回ると、負の第１レンズＬ１の外径が増大する。これに伴い、内視鏡、特に、先端硬質部が太径化する。よって、条件式（４）の上限値を上回ることは望ましくない。

次に、第２実施形態に係る内視鏡対物光学系について、図面を用いて、このような構成をとった理由と作用を説明する。

図１（ｂ）は、本実施形態の内視鏡対物光学系の基本構成の一例を示すレンズ断面構成図である。

第２実施形態の内視鏡対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正の屈折力を有する後群ＧＲと、からなり、前群ＧＦまたは後群ＧＲに、１つ以上の接合レンズＣＬ１を有し、後群ＧＲは、物体側に単レンズの正の第３レンズＬ３と、像側の正の第４レンズＬ４と、接合レンズＣＬ１からなり、接合レンズＣＬ１は、正の第５レンズＬ５と、負の第６レンズＬ６と、を有し、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする。
１．１＜Ｉｈ／ｆｔ＜１．８（１）
−ｆｆ／ｆｔ＜０．９（２）
４５＜νｄ１（３）
Ｌ０ｓ／Ｉｈ＜１．５（４）
ここで、
Ｉｈは、最大像高、
ｆｔは、内視鏡対物光学系全系の焦点距離、
ｆｆは、前群ＧＦの焦点距離、
νｄ１は、後群ＧＲの物体側の正の第３レンズＬ３の硝材のアッベ数、
Ｌ０ｓは、内視鏡対物光学系の物体側の第１面ｒ１から明るさ絞りＳまでの間隔、
内視鏡対物光学系の物体側の第１面ｒ１は、内視鏡対物光学系において最も物体側に位置するレンズ面ｒ１、
である。

また、第２実施形態の内視鏡対物光学系では、後群は、物体側の正の第３レンズＬ３よりも像側に、単レンズの正の第４レンズＬ４を有し、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
Ｌ２ｓ／Ｌ０ｓ＜１．７（５）
ここで、
Ｌ２ｓは、明るさ絞りＳから、後群の像側の正の第４レンズＬ４の物体側面までの間隔、
Ｌ０ｓは、内視鏡対物光学系の物体側の第１面ｒ１から明るさ絞りＳまでの間隔、
である。

条件式（５）の上限値を上回ると、後群の像側の正の第４レンズＬ４の像側面を通る軸外光線が高く（光軸から遠く）なり、正の第４レンズＬ４のレンズ径が大きくなる。その結果、先端硬質部が太径化するため好ましくない。

また、第２実施形態の内視鏡対物光学系では、後群の物体側の正の第３レンズＬ３及び像側の正の第４レンズＬ４は、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。
０＜Ｒ１／Ｒ２＜０．７（６）
ここで、
Ｒ１は、後群ＧＲの物体側の正の第３レンズＬ３の像側曲率半径、
Ｒ２は、後群ＧＲの像側の正の第４レンズＬ４の像側曲率半径、
である。

条件式（６）の上限値を上回ると、正の第４レンズＬ４の中肉が増加し、全長が長くなるため好ましくない。

条件式（６）の下限値を下回る場合は、像側の正の第４レンズＬ４の形状は、（Ａ）物体側に平面を向けた凸平レンズ、または（Ｂ）物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ、となる。ここで、像側の正の第４レンズＬ４の硝材とレンズの屈折力を固定した場合の、レンズ形状によるコマ収差への影響を考える。

前記の形状のレンズ（Ａ）、（Ｂ）は、それ以外の形状のレンズ、即ち（Ｃ）両凸レンズ、または（Ｄ）像側に平面を向けた平凸レンズ、または（Ｅ）像側に凸面を向けた正メニスレンズと比べ、物体側面の軸外の主光線入射角（主光線とレンズ面の法線方向となす角）が大きい。レンズ（Ａ）、（Ｂ）の時、物体側面において、軸外の主光線が大きく曲げられる事になり、軸外のコマ収差が大きくなるため好ましくない。

第２実施形態の内視鏡対物光学系における構成や条件式は、第１実施形態の内視鏡対物光学系における構成、条件式の意義と同じである。このため、重複する説明は省略する。

また、第１実施形態の内視鏡対物光学系や第２実施形態の内視鏡対物光学系では、負の第１レンズＬ１は物体側面が平面の平凹レンズであることが好ましい。

物体側面を平面とすることで、レンズ面の破損を低減することができる。また、レンズ面の周辺部に水滴が溜まりにくくなるので、観察可能な範囲が狭まることがない。

また、第１実施形態及び第２実施形態の内視鏡対物光学系では、負の第２レンズＬ２は、平凹レンズであって、物体側に凹面を向け、像側面が平面であることが好ましい。

また、第１実施形態及び第２実施形態の内視鏡対物光学系では、負の第２レンズＬ２の屈折率は１．７５以上であることが好ましい。

また、第１実施形態及び第２実施形態の内視鏡対物光学系では、物体側の正の第３レンズＬ３は平凸レンズであって、物体側面が平面で、像側面は像側に凸面を向けていることが好ましい。

また、第１実施形態及び第２実施形態の内視鏡対物光学系では、像側の正の第４レンズＬ４は平凸レンズであって、物体側面が平面で、像側面は像側に凸面を向けていることが好ましい。

また、第２実施形態の内視鏡対物光学系では、像側の正の第４レンズＬ４の屈折率は、物体側の正の第３レンズＬ３の屈折率よりも高いことが好ましい。

また、本実施形態の内視鏡対物光学系では、負の第５レンズＬ５、または負の第６レンズＬ６の屈折率は１．８５以上で、アッベ数は２３以下であることが好ましい。

なお、上述の内視鏡対物光学系は、複数の構成を同時に満足してもよい。このようにすることが、良好な内視鏡対物光学系を得る上で好ましい。また、好ましい構成の組み合わせは任意である。また、各条件式について、より限定した条件式の数値範囲の上限値あるいは下限値のみを限定しても構わない。

以下、実施例について説明する。各実施例におけるレンズ断面図には、物体側空間を水としたときの光線を記載している。また、各収差図において、横軸は収差量を表している。収差図に示す収差曲線は、水中観察時の収差を示している。球面収差と非点収差については、収差量の単位はｍｍである。また、歪曲収差については、収差量の単位は％である。また、Ｉｈは最大像高で単位はｍｍ、ＦＮＯはＦナンバーである。また、収差曲線の波長の単位はｎｍである。

（実施例１）
実施例１に係る内視鏡対物光学系について説明する。図２（ａ）は、実施例１に係る内視鏡対物光学系のレンズ断面図である。図２（ｂ）は球面収差（ＳＡ）、図２（ｃ）は非点収差（ＡＳ）、図２（ｄ）は歪曲収差（ＤＴ）、図２（ｅ）は倍率色収差（ＣＣ）を示している。

実施例１の内視鏡対物光学系は、図２（ａ）に示すように、物体側から順に、負屈折力の前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正屈折力の後群ＧＲと、からなる。

前群ＧＦは、物体側が平面である平凹の負の第１レンズＬ１と、像側が平面である平凹の負の第２レンズＬ２と、からなる。

後群ＧＲは、物体側が平面である平凸の正の第３レンズＬ３と、光学フィルタＦと、両凸の正の第４レンズＬ４と、像側に凸面を向けた負の第５メニスカスレンズＬ５と、からなる。ここで、両凸の正の第４レンズＬ４と負の第５メニスカスレンズＬ５とで、正屈折力の接合レンズＣＬ１を形成している。

明るさ絞りＳは、平凸の正の第３レンズＬ３の物体側面に設けられている。後群ＧＲには、光学フィルタＦが配置されている。光学フィルタＦは、平凸の正の第３レンズＬ３と両凸の正の第４レンズＬ４との間に配置されている。後群ＧＲの像側には、固体撮像素子のカバーガラスが配置されることを想定して、ガラスブロックＣＧが配置されている。

接合レンズＣＬ１とガラスブロックＣＧとの間をピント調整間隔とし、調整幅を十分確保できるよう光学設計している。

実施例１は、後群ＧＲの正の屈折力を有する単レンズは１つのみの構成である。

実施例１では、前群ＧＦを、負の第１レンズＬ１と負の第２レンズＬ２とで構成している。負の第１レンズＬ１と負の第２レンズＬ２は、共に単レンズである。このように、前群ＧＦを構成するレンズを負の単レンズ２枚に限定することで、明るさ絞りＳよりも物体側の空間において、広角化、入射瞳位置を短縮している。入射瞳位置の短縮とは、入射瞳位置をより物体側に近づけることである。

前群ＧＦの負の第１レンズＬ１と負の第２レンズＬ２のいずれか、もしくは、両方を接合レンズで構成するとレンズ肉厚の増大により、明るさ絞りＳよりも物体側の空間が長くなってしまう。本実施例のように、負の第１レンズＬ１と負の第２レンズＬ２の各々を単レンズとすることで前群ＧＦにおけるレンズ肉厚の増大を回避することができる。その結果、明るさ絞りＳよりも物体側の空間にてレンズが占める空間を最小化できる。

このような前群ＧＦの構成は、前群ＧＦの長さの短縮を実現すると共に、光学系全体の長さの短縮にも寄与する。

次に、負の第１レンズＬ１の特徴を述べる。負の第１レンズＬ１では、物体側面を平面としている。この構造は内視鏡先端構造として一般的である。内視鏡では物体側面を凸面とした場合に照明光が直接入射してしまうため、内視鏡先端部にて遮光構造を工夫する必要がある。そのため、実施例１では、図示しない照明系からの直接光入射フレアに対して、負の第１レンズＬ１や枠構造での遮光の工夫を必要としない。

また、負の第１レンズＬ１の物体側は平面であるために、出っ張り（凸形状）が無い。このため、物体側から物がレンズ面に衝突することがあっても、負の第１レンズＬ１が傷付く確率が、凸面の場合よりも低くなる。尚、負の第１レンズＬ１の硝材は、機械的耐久性に優れるサファイアとすることが好ましい。サファイアを用いることで、画像への傷の映り込みや、傷によるフレア発生が起こりにくくなる。

負の第２レンズＬ２には高屈折率硝材を用いて、負のペッツバール和の絶対値を、できる限り小さくなるようにしている。また、負の第２レンズＬ２では、明るさ絞りＳ側を平面としている。このように構成すると、明るさ絞りＳを薄板で構成した場合に、正の第３レンズＬ３との間に明るさ絞りＳを挟み込むことができる。このように、２つのレンズの隙間に明るさ絞りＳを挟み込める構造とすることで、空気間隔を削減している。光学調整間隔以外の空気間隔を削減することは、光学系の全長短縮に寄与する。

正の第３レンズＬ３には、低屈折率硝材を用いて、正のペッツバール和が大きくなるようにしている。

光学フィルタＦは、例えば、色補正フィルタである。色補正フィルタは、可視域の長波長側から近赤外波長域までを減衰する吸収素材からなる。ただし、泌尿器用途では、腫瘍等の処置にＮｄ:ＹＡＧレーザが用いられることがある。そのため、Ｎｄ:ＹＡＧレーザの波長に対してほぼ１００％の反射率を有する多層光学干渉膜を、色補正フィルタの片面、もしくは、両面に施している事が望ましい。

多層光学干渉膜は入射角依存性が強いため、入射角によって反射率が大きく変化する。そこで、色補正フィルタが多層光学干渉膜を備える場合は、主光線入射角が大きくなり過ぎない場所に色補正フィルタを配置する必要がある。実施例１の内視鏡対物光学系の構成では、色補正フィルタは、正の第３レンズＬ３より像側に配置することが望ましい。

接合レンズＣＬ１は、低屈折率硝材の正の第４レンズＬ４と高屈折率硝材の負の第５メニスカスレンズＬ５とで構成している。そして、接合面に負の屈折力を持たせることで、非点収差やコマ収差を補正している。更に、接合面の物体側の屈折率と像側の屈折率との差を大きくとることで、接合面の曲率半径が小さくなり過ぎないように配慮している。これにより、偏心に伴う収差変動を抑えている。接合レンズＣＬ１より物体側には、倍率色収差を補正できるレンズが無い。そのため、接合レンズＣＬ１の負の第５メニスカスレンズＬ５には超高分散ガラスを使用し、接合レンズで倍率色収差をまとめて補正している。

実施例１の内視鏡対物光学系の仕様について述べる。実施例１の内視鏡対物光学系では、水中観察状態での最大像高Ｉｈは０．９４２ｍｍである。最大像高Ｉｈは、最大像高Ｉｈと固体撮像素子の有効撮像エリアとを一致させることを想定している。よって、水中観察状態では、固体撮像素子の有効撮像エリア全体が使用される。

また、実施例１の内視鏡対物光学系では、水中画角は１３９．５°である。よって、実施例１の内視鏡対物光学系は、水中観察が可能な内視鏡対物光学系としては、非常に広角な光学系になっている。実施例１の内視鏡対物光学系によれば、水中にある被写体を固体撮像素子の有効撮像エリア全てを使用して観察できる。

（実施例２）
次に、実施例２に係る内視鏡対物光学系について説明する。図３（ａ）は、実施例２に係る内視鏡対物光学系のレンズ断面図である。図３（ｂ）は球面収差（ＳＡ）、図３（ｃ）は非点収差（ＡＳ）、図３（ｄ）は歪曲収差（ＤＴ）、図３（ｅ）は倍率色収差（ＣＣ）を示している。

実施例２の内視鏡対物光学系は、図３（ａ）に示すように、物体側から順に、負屈折力の前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正屈折力の後群ＧＲと、からなる。

後群ＧＲは、物体側が平面である平凸の正の第３レンズＬ３と、光学フィルタＦと、物体側が平面である平凸の正の第４レンズＬ４と、両凸の正の第５レンズＬ５と、像側が平面である平凹の負の第６レンズＬ６と、からなる。ここで、両凸の正の第５レンズＬ５と平凹の負の第６レンズＬ６とで、正屈折力の接合レンズＣＬ１を形成している。

明るさ絞りＳは、平凸の正の第３レンズＬ３の物体側面に設けられている。後群ＧＲには、光学フィルタＦが配置されている。光学フィルタＦは、平凸の正の第３レンズＬ３と平凸の正の第４レンズＬ４との間に配置されている。後群ＧＲの像側には、固体撮像素子のカバーガラスが配置されることを想定して、ガラスブロックＣＧが配置されている。

実施例２における、前群ＧＦの負の第１レンズＬ１と負の第２レンズＬ２、および光学フィルタＦの構成は、実施例１におけるレンズ構成と同じである。このため、重複する説明は省略する。

正の第３レンズＬ３には低屈折率硝材を用いて、正のペッツバール和が大きくなるようにしている。

正の第４レンズＬ４でも正のペッツバール和を発生させている。ただし、正の第４レンズＬ４では、ペッツバール和の増加よりも、光線高を低下させることを優先しているので、正の第４レンズＬ４には高屈折率硝材を使用している。正の第４レンズＬ４では、正の第３レンズＬ３よりも光線高が高くなる。そのため、正の第４レンズＬ４における像側凸面の屈折力と中肉厚は正の第４レンズＬ４以降の外径に影響する。

正の第４レンズＬ４では、屈折率を高めるほど曲率半径が増加する。曲率半径の増加に伴ってレンズの中肉を薄肉化できる。更に、空気換算長の低減効果も得られる。

接合レンズＣＬ１は、低屈折率硝材の正の第５レンズＬ５と高屈折率硝材の負の第６レンズＬ６とで構成している。そして、接合面に負の屈折力を持たせることで、非点収差やコマ収差を補正している。更に、接合面の物体側の屈折率と像側の屈折率との差を大きくとることで、接合面の曲率半径が小さくなり過ぎないように配慮している。これにより、偏心に伴う収差変動を抑えている。接合レンズＣＬ１より物体側には、倍率色収差を補正できるレンズが無い。そのため、接合レンズＣＬ１の負の第６レンズＬ６には超高分散ガラスを使用し、接合レンズＣＬ１で倍率色収差をまとめて補正している。

実施例２の内視鏡対物光学系の仕様について述べる。実施例２の内視鏡対物光学系では、水中観察状態での最大像高Ｉｈは０．９４２ｍｍである。最大像高Ｉｈは、固体撮像素子の有効撮像エリアに一致させることを想定している。よって、水中観察状態では、固体撮像素子の有効撮像エリア全体が使用される。

また、実施例２の内視鏡対物光学系では、水中画角は１３８．４°である。よって、実施例２の内視鏡対物光学系は、水中観察が可能な内視鏡対物光学系としては、非常に広角な光学系になっている。実施例２の内視鏡対物光学系によれば、水中にある被写体を固体撮像素子の有効撮像エリア全てを使用して観察できる。

（実施例３）
実施例３に係る内視鏡対物光学系について説明する。図４（ａ）は、実施例３に係る内視鏡対物光学系のレンズ断面図である。図４（ｂ）は球面収差（ＳＡ）、図４（ｃ）は非点収差（ＡＳ）、図４（ｄ）は歪曲収差（ＤＴ）、図４（ｅ）は倍率色収差（ＣＣ）を示している。

実施例３の内視鏡対物光学系は、図４（ａ）に示すように、物体側から順に、負屈折力の前群ＧＦと、明るさ絞りＳと、正屈折力の後群ＧＲと、からなる。

実施例３では、負の第１レンズＬ１の硝材にサファイア以外の光学ガラスを用いている。機械的耐久性はサファイアに劣るが、加工性はサファイアよりも優れている。硝材の価格、および加工のし易さの優位性により、サファイアを用いる場合に比べて低コストで製造することが可能である。

実施例３の内視鏡対物光学系の仕様について述べる。実施例３の内視鏡対物光学系では、水中観察状態での最大像高Ｉｈは０．９４２ｍｍである。最大像高Ｉｈは、固体撮像素子の有効撮像エリアに一致させることを想定している。よって、水中観察状態では、固体撮像素子の有効撮像エリア全体が使用される。

また、実施例３の内視鏡対物光学系では、水中画角は１３７．３°である。よって、実施例３の内視鏡対物光学系は、水中観察が可能な内視鏡対物光学系としては、非常に広角な光学系になっている。実施例３の内視鏡対物光学系によれば、水中にある被写体を固体撮像素子の有効撮像エリア全てを使用して観察できる。

以下に、上記各実施例の数値データを示す。記号は、ｒは各面の曲率半径、ｄは各光学部材の肉厚または空気間隔、ｎｄは各光学部材のｄ線に対する屈折率、νｄは各光学部材のｄ線に対するアッベ数、Ｉｈは最大像高、ｆｔは内視鏡対物光学系の全系の焦点距離、ｆｆは内視鏡対物光学系の前群の焦点距離、Ｌ０ｓは物体側の第１面ｒ１から明るさ絞り（絞り）Ｓまでの間隔、Ｌ２ｓは明るさ絞りＳから、後群の像側の正レンズの物体側面までの間隔、ＦＮＯはＦナンバー、ωは半画角、を表している。尚、Ｉｈ及びωは、各々、水中観察時を想定したものである。また、ｒ、ｄ、ｆｔ、Ｌ０ｓ、Ｌ２ｓの単位はｍｍである。ωの単位は°（度）である。

数値実施例１
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 ∞ 0.25 1.76820 71.79
2 0.600 0.50 1 -
3 -5.480 0.34 2.00330 28.27
4(絞り) ∞ 0.03 1 -
5 ∞ 0.91 1.64000 60.08
6 -0.836 0.05 1 -
7 ∞ 0.30 1.52100 65.13
8 ∞ 0.05 1 -
9 2.248 1.05 1.57099 50.80
10 -0.970 0.30 1.95906 17.47
11 -1.890 0.47 1 -
12 ∞ 1.19 1.51633 64.14
撮像面 ∞

各種データ
Ｉｈ 0.942
ｆｔ 0.703
ｆｆ -0.630
Ｌ０ｓ 1.090
ＦＮＯ 4.996
２ω 139.5

数値実施例２
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 ∞ 0.25 1.76820 71.79
2 0.639 0.51 1 -
3 -3.127 0.27 2.00330 28.27
4(絞り) ∞ 0.03 1 -
5 ∞ 0.89 1.58913 61.14
6 -0.961 0.08 1 -
7 ∞ 0.30 1.52100 65.13
8 ∞ 0.03 1 -
9 ∞ 0.51 1.88300 40.76
10 -2.500 0.05 1 -
11 2.665 0.89 1.63854 55.38
12 -1.817 0.30 1.95906 17.47
13 ∞ 0.47 1 -
14 ∞ 1.19 1.51633 64.14
撮像面 ∞

各種データ
Ｉｈ 0.942
ｆｔ 0.725
ｆｆ -0.579
Ｌ０ｓ 1.030
Ｌ２ｓ 1.300
ＦＮＯ 5.191
２ω 138.4

数値実施例３
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 ∞ 0.27 1.88300 40.76
2 0.703 0.51 1 -
3 -2.186 0.31 1.88300 40.76
4(絞り) ∞ 0.03 1 -
5 ∞ 0.69 1.56384 60.67
6 -0.832 0.08 1 -
7 ∞ 0.30 1.52100 65.13
8 ∞ 0.03 1 -
9 ∞ 0.50 1.85026 32.27
10 -2.194 0.05 1 -
11 3.597 0.94 1.72916 54.68
12 -1.356 0.30 1.95906 17.47
13 ∞ 0.47 1 -
14 ∞ 1.19 1.51633 64.14
撮像面 ∞

各種データ
Ｉｈ 0.942
ｆｔ 0.725
ｆｆ -0.518
Ｌ０ｓ 1.088
Ｌ２ｓ 1.101
ＦＮＯ 5.189
２ω 140.4

条件式対応値を以下に示す。

条件式実施例１実施例２実施例３
(１) Ｉｈ／ｆｔ 1.339 1.299 1.299
(２) -ｆｆ／ｆｔ 0.896 0.798 0.714
(３) νｄ１ 60.08 61.14 60.67
(４) Ｌ０ｓ／Ｉｈ 1.157 1.093 1.155
(５) Ｌ２ｓ／Ｌ０ｓ - 1.262 1.012
(６) Ｒ１／Ｒ２ - 0.384 0.379

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、これら実施形態の構成を適宜組合せて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

以上のように、本発明は、細径で、水中画角が広く、色収差が良好に補正され、光学系の全長が短い内視鏡対物光学系に有用である。

ＧＦ前群
ＧＲ後群
Ｌ１〜Ｌ６レンズ
ＣＬ１接合レンズ
Ｓ明るさ絞り
Ｆ光学フィルタ
ＣＧガラスブロック（カバーガラス）
Ｉ撮像面（像面）
ＡＸ光軸

Claims

物体側から順に、負の屈折力を有する前群と、明るさ絞りと、正の屈折力を有する後群と、からなり、
前記前群または前記後群に、１つ以上の接合レンズを有し、
前記接合レンズは、正の屈折力を有するレンズと、負の屈折力を有するレンズと、を有し、
前記後群は、物体側に単レンズの正レンズを有し、
以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とする内視鏡対物光学系。
１．１＜Ｉｈ／ｆｔ＜１．８（１）
−ｆｆ／ｆｔ＜０．９（２）
４５＜νｄ１（３）
Ｌ０ｓ／Ｉｈ＜１．５（４）
ここで、
Ｉｈは、水中観察状態での最大像高、
ｆｔは、前記内視鏡対物光学系全系の焦点距離、
ｆｆは、前記前群の焦点距離、
νｄ１は、前記後群の前記物体側の正レンズの硝材のアッベ数、
Ｌ０ｓは、前記内視鏡対物光学系の物体側の第１面から前記明るさ絞りまでの間隔、
前記内視鏡対物光学系の物体側の前記第１面は、前記内視鏡対物光学系において最も物体側に位置するレンズ面、
である。
前記後群は、前記物体側の正レンズよりも像側に、単レンズの正レンズを有し、以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡対物光学系。
Ｌ２ｓ／Ｌ０ｓ＜１．７（５）
ここで、
Ｌ２ｓは、前記明るさ絞りから、前記後群の前記像側の正レンズの物体側面までの間隔、
Ｌ０ｓは、前記内視鏡対物光学系の物体側の前記第１面から前記明るさ絞りまでの間隔、
である。
前記後群の前記物体側の正レンズ及び前記像側の正レンズは、以下の条件式（６）を満足することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡対物光学系。
０＜Ｒ１／Ｒ２＜０．７（６）
ここで、
Ｒ１は、前記後群の前記物体側の正レンズの像側曲率半径、
Ｒ２は、前記後群の前記像側の正レンズの像側曲率半径、
である。
前記前群は、物体側から順に、第１の負レンズと、第２の負レンズと、を有し、前記第２の負レンズは、物体側に凹面を持つことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡対物光学系。
前記水中観察と、空気中観察とが可能であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡対物光学系。