JP6368065B1 - 内視鏡対物光学系 - Google Patents

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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。
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、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。
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。
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、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。
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 (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
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