JP6754916B2

JP6754916B2 - 内視鏡用変倍光学系及び内視鏡

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Publication number: JP6754916B2
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Inventors: 幸子那須
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Publication date: 2020-09-16
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Description

本発明は、内視鏡対物レンズユニットに用いる内視鏡用変倍光学系及び内視鏡に関する。

今日、人体内部の生体組織を検査するために内視鏡が用いられる。内視鏡は、人体内に挿入される先端部に、照明光で照明された生体組織を撮像する撮像素子及び撮像素子に付随した対物レンズユニットを備える。対物レンズユニットは、先端部の小型化のために、極めて小さいサイズであり高い光学性能を有することが求められる。

内視鏡において、病変部の観察を精細に行うために、変倍機能を持つ変倍光学系を搭載したものがある。このような変倍光学系としては、物体側のレンズ先端から像面までの距離を一定に保ったまま、病変部を拡大する必要があるため、可動するレンズ群を少なくとも１つ有する構成が一般的に用いられる。
このような変倍光学系において、物体側に最も近い第一のレンズ群を正のパワーを持つレンズ群で構成した場合、各正レンズ群内で収差の補正がし易くなるため、変倍による性能低下を抑えることが可能であるが、レンズ枚数がある程度必要となるため全長は長くなるといった不都合がある。
物体側に最も近い第一のレンズ群を負のパワーを持つレンズ群で構成した場合、光学系の全長を短くすることは可能であるが、正のパワーを持つレンズ群が可動することで収差の変化は大きくなるため、その影響を抑えるために他にもレンズも可動させる必要が生じる。

例えば、物点距離の変化に応じてフォーカシングが可能であり、その際に画角変化がほとんど生じない、高画素撮像素子に対応した高性能な対物光学系が知られている（特許文献１）。
当該対物光学系では、物体側から順に、負の第一のレンズ群、正の第二のレンズ群、明るさ絞り、正の第三のレンズ群で構成され、第二のレンズ群のみが動くことで物点距離の変化に対してフォーカシングを行い、遠距離観察時の最大半画角と、近距離観察時の最大半画角と、第一のレンズ群の焦点距離と、遠距離観察時の全系の焦点距離とについて、所定の条件を満足する。

特許第４８１９９６９号公報

上述の対物光学系では、変倍の際に画角変化がほとんど生じないものの、遠距離観察時の半画角は最大でも８０．８度である（段落０１１８参照）。
今日の内視鏡では、変倍率を維持しつつ、広い視野角が求められており、例えば、遠距離観察時視野角として１６０度（半画角８０度）を超え、１６５度以上であることが好ましい。

そこで、本発明は、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持した、内視鏡用変倍光学系及び内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、内視鏡対物レンズユニットに用いる内視鏡用変倍光学系である。当該内視鏡用変倍光学系は、
物体側から順に、
負のパワーを持つ第一のレンズ群と、
正のパワーを持つ第二のレンズ群と、を少なくとも備え、
前記第一のレンズ群の最も物体側のレンズ面から像面までの距離を一定に保ちながら、固定レンズ群である前記第一のレンズ群に対して前記第二のレンズ群を光軸方向の広角端位置と望遠端位置の間を移動させることで光学像を変倍させるように構成される。
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と、物体側に凸面を向けた正レンズと、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、物体側に凸面を向けた正レンズと、負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズと、を少なくとも有する。
前記第一のレンズ群の合成焦点距離をｆ_１［ｍｍ］とし、前記第二のレンズ群の合成焦点距離をｆ_２［ｍｍ］とし、前記第二のレンズ群が前記広角端位置にあるときの全系の合成焦点距離をｆ_ｗ［ｍｍ］とし、記第二のレンズ群が前記望遠端位置にあるときの全系の合成焦点距離をｆ_ｔ［ｍｍ］とし、前記第一のレンズ群内の前記正レンズの焦点距離をｆ_ｓ１としたとき、
（１）０．６＜｜ｆ_ｓ１／ｆ_１｜＜１．６、
（２）１．２＜ｆ_ｔ／ｆ_ｗ＜１．４、
（３）０．５＜｜ｆ_２／ｆ_１｜＜０．８、
を満足する。

前記内視鏡用変倍光学系は、
（４）２．０＜｜ｆ_ｓ１／ｆ_ｗ｜＜４．０、
を満足する、ことが好ましい。

また、前記内視鏡用変倍光学系は、
（５）２．０＜｜ｆ_１／ｆ_ｗ｜＜４．０、
を満足する、ことが好ましい。

前記第一のレンズ群内の前記正レンズの、物体側の面の曲率半径をｒｐ１［ｍｍ］とし、像側の面の曲率半径をｒｐ２（ｒｐ２≠ｒｐ１）［ｍｍ］とし、ＳＦ_１＝（ｒｐ１＋ｒｐ２）／（ｒｐ１−ｒｐ２）を定めたとき、
前記内視鏡用変倍光学系は、
（６）−８．０＜ＳＦ_１＜−２．０、
を満足する、ことが好ましい。

前記内視鏡用変倍光学系は、前記第二のレンズ群に対して像側に、少なくとも物体側に凸面を向けた正レンズを備えた固定レンズ群である第三のレンズ群を備える、ことが好ましい。

前記第一のレンズ群と前記第二のレンズ群の間の、前記第二のレンズ群の物体側には、絞りが設けられ、
前記絞りは、前記第二のレンズ群とともに一体で移動する、ことが好ましい。

本発明の他の一態様は、
前記内視鏡用変倍光学系と、
前記内視鏡用変倍光学系により結像した物体の像を受光する撮像素子と、を備える内視鏡である。

上述の内視鏡用変倍光学系及び内視鏡によれば、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持することができる。

本実施形態の内視鏡用変倍光学系を搭載した内視鏡の構成の一例を模式的に示す図である。（ａ），（ｂ）は、一実施形態の内視鏡用変倍光学系の構成の一例を示す図である。（ａ），（ｂ）は、他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系の構成の一例を示す図である。（ａ），（ｂ）は、さらに他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系の構成の一例を示す図である。（ａ），（ｂ）は、さらに他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系の構成の一例を示す図である。（ａ），（ｂ）は、さらに他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系の構成の一例を示す図である。（ａ），（ｂ）は、さらに他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系の構成の一例を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例１において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図であり、（ｅ）〜（ｈ）は、実施例１において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例２において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図であり、（ｅ）〜（ｈ）は、実施例２において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例３において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図であり、（ｅ）〜（ｈ）は、実施例３において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例４において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図であり、（ｅ）〜（ｈ）は、実施例４において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例５において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図であり、（ｅ）〜（ｈ）は、実施例５において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例６において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図であり、（ｅ）〜（ｈ）は、実施例６において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。

以下、本実施形態の内視鏡用変倍光学系及び内視鏡について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内視鏡１の外観を示す外観図である。
内視鏡１は、図１に示されるように、可撓性を有するシース１１ａによって外装された挿入部可撓管１１を備えている。挿入部可撓管１１の先端部分に設けられる湾曲部１４は、挿入部可撓管１１の基端に連結された手元操作部１３からの、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作に応じて湾曲する。湾曲機構は、一般的な内視鏡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を湾曲させる。湾曲部１４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の基端が連結している。先端部１２の方向が湾曲操作ノブ１３ａの回転操作による湾曲動作に応じて変わることにより、内視鏡１による撮影領域が移動する。

このような先端部１２の樹脂製筐体の内部には、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持した、対物レンズユニットとして用いる内視鏡用変倍光学系１００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、被写体からの光の像を撮像素子（図示省略）の受光面上に結像させ撮像素子に受光させる。撮像素子としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが挙げられる。

図２（ａ），（ｂ）は、一実施形態の内視鏡用変倍光学系１００の構成の一例を示す図である。図２（ａ）は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあり、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われる状態を示している。図２（ｂ）は、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあり、内視鏡１において拡大観察が行われる状態を示している。
内視鏡用変倍光学系１００は、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、正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。内視鏡用変倍光学系１００は、第一のレンズ群Ｇ１の最も物体側のレンズ面から像面までの距離（すなわち、内視鏡用変倍光学系１００の全長）を一定に保ちながら、固定レンズ群である第一のレンズ群Ｇ１に対して第二のレンズ群Ｇ２を光軸方向ＡＸの広角端位置と望遠端位置の間を移動させることで、合焦状態を保持しつつ全系の焦点距離（第一のレンズ群Ｇ１から第三のレンズ群Ｇ３までの合成焦点距離）を変化させ、光学像を変倍させる構成となっている。すなわち最も物体側のレンズ面から物体までの被写体距離が近づくと、この被写体距離に応じて撮像素子の受光面で被写体が結像するように、第二のレンズ群Ｇ２を移動させて合焦状態を保持する。内視鏡用変倍光学系１００は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるとき、視野角が１６０°超（半画角が８０°超）となっている。各レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を構成する各レンズは、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、撮像素子用の色補正フィルタが配置されている。色補正フィルタは、撮像素子を保護する図示されないカバーガラスに接着されている。図中の“×”は光軸ＡＸ上の結像位置を表す。
第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にある場合、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われ、倍率が最も低い状態で観察される。第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にある場合、内視鏡１において病変部等の拡大観察が行われ、倍率が最も高い状態で観察される。第二のレンズ群Ｇ２は、被写体から第一のレンズ群Ｇの物体側の面までの被写体距離の遠近に応じて、撮像素子の受光面上で結像できるように、広角端位置と望遠端位置の間の任意の位置に移動することができる。広角端位置では、最も視野角が広がる。

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（図２の例では、レンズＬ１）、物体側に凸面を向けた正レンズＬ３と、を少なくとも有し、絞りＳよりも物体側に配置された負のパワーを持つレンズ群である。「少なくとも有し」とは、第一のレンズ群Ｇ１において、レンズＬ１とレンズＬ３の間に別のレンズや平板等の光学素子を有してもよく、レンズＬ３の像側に、光学素子を有してもよいことを意味する。後述する第二のレンズ群Ｇ２及び第三のレンズ群Ｇ３においても、同じ意味内容で、「少なくとも有している」と表現している。図２（ａ）に示すように、第一のレンズ群Ｇ１では、物体側の面が平面で、像側の面が凸面である正レンズＬ２が設けられている。

第二のレンズ群Ｇ２は、絞りＳの直後に配置された正のパワーを持つレンズ群であり、色収差の発生を抑えるため、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正レンズであるレンズＬ４と、正負２枚のレンズＬ５，Ｌ６を接合した接合レンズＣＬ１を少なくとも有する構成となっている。図２（ａ）に示す例では、第二のレンズ群Ｇ２は、接合レンズＣＬ１の像側に正レンズであるレンズＬ７を備える。
なお、接合レンズＣＬ１は、負レンズであるレンズＬ５が物体側に配置され、正レンズであるレンズＬ６が像側に配置されているが、一実施形態では、正レンズが物体側に配置され、負レンズが像側に配置されてもよい。

第二のレンズ群Ｇ２は、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、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの非点収差の発生が効果的に抑えられる。

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、あるいは第二のレンズ群Ｇ２の、絞りＳに最も近いレンズ面、具体的には、図２（ａ）に示す例では、レンズＬ４の物体側面に、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。

第二のレンズ群Ｇ２の像側には、第三のレンズ群Ｇ３が設けられている。第三のレンズ群Ｇ３は、正のパワーを持ち、物体側に凸面を向けた正レンズであるレンズＬ８で構成されている。第三のレンズ群Ｇ３は、第一のレンズ群Ｇ１と同様に、固定レンズ群である。図２（ａ）に示す例では、第三のレンズ群Ｇ３が設けられているが、第三のレンズ群Ｇ３は設けられなくてもよい。物体側に凸面を向けた正レンズを第三のレンズ群Ｇ３として設けることにより、変倍したときの射出瞳から撮像素子に向かう光の射出角度を抑えることができる点から、第三のレンズ群Ｇ３を設けることが好ましい。
レンズ群とは、第一のレンズ群Ｇ１あるいは第二のレンズ群Ｇ２のように、複数のレンズが設けられている構成のほかに、第三のレンズ群Ｇ３のように、単一のレンズで構成されたものも含まれる。

このような内視鏡用変倍光学系１００において、第一のレンズ群Ｇ１内の最も絞り側にある正レンズであるレンズＬ３は、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズとすることにより、入射光線高さを抑えることができる。上述したように、絞りＳを第二のレンズ群Ｇ２と一体に移動させることで、拡大観察時における非点収差の発生を抑えることができる。
また、第二のレンズ群Ｇ２の中央付近に接合レンズＣＬ１を配置することにより、変倍時の色収差の変化を抑えることができる。

ここで、第一のレンズ群Ｇ１の合成焦点距離をｆ_１［ｍｍ］とし、第二のレンズ群Ｇ２の合成焦点距離をｆ_２［ｍｍ］とし、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの全系の合成焦点距離をｆ_ｗ［ｍｍ］とし、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの全系の合成焦点距離をｆ_ｔ［ｍｍ］とし、第一のレンズ群Ｇ１内で最も像側にある正レンズ（図２（ａ）に示す例では、レンズＬ３）の焦点距離をｆ_ｓ１としたとき、内視鏡用変倍光学系１００は、
式（１）０．６＜｜ｆ_ｓ１／ｆ_１｜＜１．６、
式（２）１．２＜ｆ_ｔ／ｆ_ｗ＜１．４、
式（３）０．５＜｜ｆ_２／ｆ_１｜＜０．８、
を満足する。

上記式（１）は、第一のレンズ群Ｇ１内のメニスカスレンズであるレンズＬ３の焦点距離ｆ_ｓ１と第一のレンズ群Ｇ１の合成焦点距離ｆ_１の比の範囲を表す。この式（１）を満足することにより、通常観察（遠距離観察）時の視野角を広い状態にしつつ、内視鏡用変倍光学系１００を小径化することができる。焦点距離ｆ_ｓ１と第一のレンズ群Ｇ１の合成焦点距離ｆ_１の比の絶対値｜ｆ_ｓ１／ｆ_１｜が１．６以上になると、レンズＬ３の正のパワーが弱くなり第一のレンズ群Ｇ１の外径は小さくなるが、レンズの中心が光軸ＡＸ１からずれることにより（偏心により）レンズ性能の低下が大きくなり易くなる。また、コマ収差や歪曲収差が大きく発生し補正が困難になる。一方、比の絶対値｜ｆ_ｓ１／ｆ_１｜が０．６以下になると、レンズＬ３の正のパワーが強くなり、視野角を確保するには第一のレンズ群Ｇ１の外径が大きくなり内視鏡用変倍光学系１００の全長も長くなる。

上記式（２）は、通常観察（遠距離観察）時の全系の焦点距離ｆ_ｗと拡大観察時の全系の焦点距離ｆ_ｗの比ｆ_ｔ／ｆ_ｗの範囲を表す。式（２）は、観察距離に対して像の変倍を適正な範囲に収めるための条件式である。比ｆ_ｔ／ｆ_ｗが１．４以上になると、変倍によるＦナンバーの変化が大きくなり、拡大観察時の解像が低下する。比ｆ_ｔ／ｆ_ｗが１．２以下になると、拡大観察時の像の倍率が小さく、十分な観察が行えない。

上記式（３）は、第二のレンズ群Ｇ２の合成焦点距離ｆ_２と第一のレンズ群Ｇ１の合成焦点距離ｆ_１の比の範囲を表す。式（３）を満足することにより、内視鏡用変倍光学系１００は、小型でありながら、変倍に必要な第二のレンズ群Ｇ２の移動量を確保することができる。比の絶対値｜ｆ_２／ｆ_１｜が０．８以上になると、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが弱くなり、変倍に伴う移動量が長くなるため内視鏡用変倍光学系１００の全長が長くなる。比の絶対値｜ｆ_２／ｆ_１｜が０．５以下になると、第二のレンズ群Ｇ２のパワーが強くなり、変倍に伴う移動量は小さくなるが、ペッツバール和が負の値でその絶対値が大きくなり像面湾曲の補正が困難になる。

したがって、内視鏡用変倍光学系１００は、上記式（１）〜（３）を満足するように構成することにより、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持した内視鏡用変倍光学系とすることができる。

図３（ａ），（ｂ）は、他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系１００の構成の一例を示す図である。図３（ａ）は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあり、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われる状態を示している。図３（ｂ）は、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあり、内視鏡１において拡大観察が行われる状態を示している。
内視鏡用変倍光学系１００は、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、正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。

図３（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、図２（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成に比べて、レンズＬ２がなく、そのかわり、第三のレンズ群Ｇ３として物体側に凸面を有し、像側にも凸面を有する正レンズであるレンズＬ９が設けられる。図３（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、さらに、図２（ａ），（ｂ）に示す構成と異なり、レンズＬ８は、第二のレンズ群Ｇ２の一部となって、移動する構成となっている。

このような構成の場合において、上述の式（１）〜（３）を満足することにより、通常観察（遠距離観察）時の視野角を広い状態に維持しつつ、内視鏡用変倍光学系１００を小径化することができ、さらに、観察距離に対して像の変倍を適正な範囲に収めることができ、しかも、変倍に必要な第二のレンズ群Ｇ２の移動量を確保することができる。すなわち、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持した内視鏡用変倍光学系とすることができる。

図４（ａ），（ｂ）は、さらに、他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系１００の構成の一例を示す図である。図４（ａ）は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあり、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われる状態を示している。図４（ｂ）は、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあり、内視鏡１において拡大観察が行われる状態を示している。
内視鏡用変倍光学系１００は、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、正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。

図４（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、図２（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成と同じ構成であるが、図２（ａ），（ｂ）に示すレンズＬ２の代わりに平板が用いられる。図４（ａ），（ｂ）では、同じ符号Ｌ２を示しているが平板Ｌ２である。

このような構成の場合においても、上述の式（１）〜（３）を満足することにより、通常観察（遠距離観察）時の視野角を広い状態に維持しつつ、内視鏡用変倍光学系１００を小径化することができ、さらに、観察距離に対して像の変倍を適正な範囲に収めることができ、しかも、変倍に必要な第二のレンズ群Ｇ２の移動量を確保することができる。すなわち、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持した内視鏡用変倍光学系とすることができる。

図５（ａ），（ｂ）は、さらに、他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系１００の構成の一例を示す図である。図５（ａ）は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあり、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われる状態を示している。図５（ｂ）は、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあり、内視鏡１において拡大観察が行われる状態を示している。
内視鏡用変倍光学系１００は、図５（ａ），（ｂ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、正のパワーを持つ第二のレンズ群Ｇ２を有している。

図５（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、図２（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成に比べて、レンズＬ２がない。図３（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成に比べてレンズＬ９もない。すなわち、図５（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００は、第三のレンズ群Ｇ３がなく、レンズＬ４〜Ｌ８が絞りＳと一体に移動する構成となっている。

図６（ａ），（ｂ）は、さらに、他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系１００の構成の一例を示す図である。図６（ａ）は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあり、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われる状態を示している。図６（ｂ）は、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあり、内視鏡１において拡大観察が行われる状態を示している。
内視鏡用変倍光学系１００は、図６（ａ），（ｂ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、正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。

図６（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、図２（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成に比べて、レンズＬ２がない。また、図６（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、図５（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成と異なり、レンズＬ８は、図６（ｂ）に示すように、第三のレンズ群Ｇ３として、移動しない構成となっている。

図７（ａ），（ｂ）は、さらに、他の一実施形態の内視鏡用変倍光学系１００の構成の一例を示す図である。図７（ａ）は、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあり、内視鏡１において通常観察（遠距離観察）が行われる状態を示している。図７（ｂ）は、第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあり、内視鏡１において拡大観察が行われる状態を示している。
内視鏡用変倍光学系１００は、図７（ａ），（ｂ）に示されるように、物体（被写体）側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、正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。

図７（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成では、図２（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成と同じ構成であるが、図７（ａ），（ｂ）に示すレンズＬ２は像側の面が凸面である正レンズではなく、凹面である負レンズとなっている。

このような構成の場合においても、上述の式（１）〜（３）を満足することにより、通常観察（遠距離観察）時の視野角を広い状態に維持しつつ、内視鏡用変倍光学系１００を小径化することができ、さらに、観察距離に対して像の変倍を適正な範囲に収めることができ、変倍に必要な第二のレンズ群Ｇ２の移動量を確保することができる。すなわち、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持した内視鏡用変倍光学系とすることができる。

このような図２〜図７に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成において、以下説明する形態を備えることが好ましい。

すなわち、内視鏡用変倍光学系１００の一実施形態によれば、内視鏡用変倍光学系１００は、
式（４）２．０＜｜ｆ_ｓ１／ｆ_ｗ｜＜４．０、
を満足することが好ましい。
式（４）は、第一のレンズ群Ｇ１内の最も絞りＳ側にある正レンズであるレンズＬ３の焦点距離ｆ_ｓ１と通常観察（遠距離観察）時の全系の焦点距離ｆ_ｗの比の範囲を表す。式（４）を満足することにより、第一のレンズ群Ｇ１内で発生する収差を抑え、変倍時のレンズ性能の変化を抑えることができる。比の絶対値｜ｆ_ｓ１／ｆ_ｗ｜が４．０以上になると、レンズＬ３の正のパワーが弱くなり、負レンズで発生する収差を相殺することが難しくなる。また、レンズ収差を適正な範囲に抑えようとすると、視野角が狭くなる。比の絶対値｜ｆ_ｓ１／ｆ_ｗ｜が２．０以下になると、レンズＬ３の正のパワーが強くなり過ぎるため、通常観察時の歪曲収差の発生が大きくなり周辺解像が低下する。また、拡大観察時に正レンズで発生する収差を補正することが困難になるため、光学性能の維持が困難になる。

また、内視鏡用変倍光学系１００の一実施形態によれば、内視鏡用変倍光学系１００は、
式（５）２．０＜｜ｆ_１／ｆ_ｗ｜＜４．０、
を満足することが好ましい。
式（５）は、第一のレンズ群Ｇ１の合成焦点距離ｆ_１と通常観察（遠距離観察）時の全系の焦点距離ｆ_ｗとの比｜ｆ_１／ｆ_ｗ｜の範囲を表す。この条件式（５）を満足することにより、第一のレンズ群Ｇ１の有効径を抑えることができる。比の絶対値｜ｆ_１／ｆ_ｗ｜が２．０以下になると、第一のレンズ群Ｇ１の負のパワーが強くなり、物体側のレンズＬ１の負のパワーが強くなるため、コマ収差が大きくなる。比の絶対値｜ｆ_１／ｆ_ｗ｜が４．０以上になると、第一のレンズ群Ｇ１の負のパワーを確保するため、最も物体側に位置する負レンズの有効径を大きくしなければならない。

また、内視鏡用変倍光学系１００の一実施形態によれば、内視鏡用変倍光学系１００は、
式（６）−８．０＜ＳＦ_１＜−２．０、
を満足することが好ましい。
ここで、第一のレンズ群Ｇ１内で最も像側にある正レンズ、図２（ａ）に示す例ではレンズＬ３の、物体側の面の曲率半径をｒｐ１［ｍｍ］とし、像側の面の曲率半径をｒｐ２（ｒｐ２≠ｒｐ１）［ｍｍ］としたとき、ＳＦ_１＝（ｒｐ１＋ｒｐ２）／（ｒｐ１−ｒｐ２）と定める。

ＳＦ_１は、第一のレンズ群Ｇ１内で最も像側にある正レンズ、図２（ａ）に示す例では、レンズＬ３の形状を規定している。式（６）を満足することにより、視野角が広い状態を維持したまま通常観察（遠距離観察）時のレンズによる像の歪を抑え、レンズの中心が光軸ＡＸ１からずれることによる（偏心による）レンズ収差の変化を抑えることができる。ＳＦ_１が−８．０以下になると、物体側の面の曲率半径ｒｐ１が大きくなり、諸収差の発生が抑えられるため、変倍時のレンズの収差補正が困難になる。ＳＦ_１が−２．０以上になると、物体側の面の曲率半径ｒｐ１が小さくなり、ディストーションが大きくなる。また、レンズの中心が光軸ＡＸ１からずれることによる（偏心による）レンズ収差の変化が大きくなりレンズ性能の低下が大きくなる。

次に、図２〜図７に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成におけるレンズ性能を、実施例１〜６を用いて説明する。

（実施例１）
図２（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成を、実施例１として用いた。実施例１の具体的な数値（設計値）は、表１に示される。表１の上欄（面データ）に示される面番号ＮＯは、絞りＳに対応する面番号７を除き、図２（ａ）中の面符号ｒｎ（ｎは自然数）に対応する。表１の上欄において、Ｒ［ｍｍ］はレンズを含む光学部材の各面の曲率半径を、Ｄ［ｍｍ］は光軸ＡＸ上の光学部材の厚さ又は光学部材間隔を、Ｎ（ｄ）はｄ線（波長５８８ｎｍ）の屈折率を、ＶＤはｄ線のアッベ数を、それぞれ示す。

表１の下欄（各種データ）は、実施例１の仕様（実効Ｆナンバー、全系の合成焦点距離［ｍｍ］、光学倍率、半画角［度］、像高［ｍｍ］、群間隔Ｄ６［ｍｍ］、群間隔Ｄ１４［ｍｍ］）を示す。
群間隔Ｄ６は、第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との間の間隔である。群間隔Ｄ１４は、第二のレンズ群Ｇ２と第三のレンズ群Ｇ３との間の間隔である。群間隔Ｄ６、群間隔Ｄ１４は、変倍位置（広角端位置と望遠端位置）に応じて変わる。表１では、内視鏡用変倍光学系１００が位置する広角端位置は、“広角”と表し、望遠端位置は“望遠”と表している。

図８（ａ）〜（ｄ）は、実施例１において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図である。図８（ｅ）〜（ｈ）は、実施例１において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。図８（ａ），（ｅ）は、ｄ線、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６ｎｍ）での球面収差及び軸上色収差を示す。図８（ｂ），（ｆ）は、ｄ線、ｇ線、Ｃ線での倍率色収差を示す。図８（ａ），（ｂ），（ｅ），（ｆ）中、実線はｄ線における収差を、点線はｇ線における収差を、一点鎖線はＣ線における収差を、それぞれ示す。図８（ｃ）、（ｇ）は、非点収差を示す。図８（ｃ），（ｇ）中、実線はサジタル成分“Ｓ”を、点線はメリディオナル成分“Ｍ”を、それぞれ示す。図８（ｄ），（ｈ）は、歪曲収差を示す。図８（ａ）〜（ｃ）及び（ｅ）〜（ｇ）の縦軸は像高を、横軸は収差量を、それぞれ示す。図８（ｄ），（ｈ）の縦軸は像高を、横軸は歪曲率（％表示）を、それぞれ示す。なお、実施例１の表１又は図８（ａ）〜（ｈ）についての説明は、以降の実施例の各表または各図面においても適用する。

実施例１では、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの半画角を８５．６度（視野角１７１．２度）としつつ、レンズＬ１の有効径を抑えることができ、内視鏡用変倍光学系１００全体の径方向の寸法が抑えられた構成となっている。しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、広角端位置、望遠端位置のいずれにおいても収差が良好に抑えられている（図８（ａ）〜（ｈ）参照）。

（実施例２）
図３（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成を、実施例２として用いた。
実施例２の具体的な数値（設計値）は、表２に示される。
表２の下欄（各種データ）において、表１の群間隔Ｄ６［ｍｍ］の代わりに、群間隔Ｄ４［ｍｍ］となっている、群間隔Ｄ４は、第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との間の間隔である。

図９（ａ）〜（ｄ）は、実施例２において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図である。図９（ｅ）〜（ｈ）は、実施例２において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。

実施例２でも、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの半画角を８８．０度（視野角１７６．０度）としつつ、レンズＬ１の有効径を抑えることができ、内視鏡用変倍光学系１００全体の径方向の寸法が抑えられた構成となっている。しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、広角端位置、望遠端位置のいずれにおいても収差が良好に抑えられている（図９（ａ）〜（ｈ）参照）。

（実施例３）
図４（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成を、実施例３として用いた。
実施例３の具体的な数値（設計値）は、表３に示される。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、実施例３において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図である。図１０（ｅ）〜（ｈ）は、実施例３において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。

実施例３でも、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの半画角を８６．７度（視野角１７３．４度）としつつ、レンズＬ１の有効径を抑えることができ、内視鏡用変倍光学系１００全体の径方向の寸法が抑えられた構成となっている。しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、広角端位置、望遠端位置のいずれにおいても収差が良好に抑えられている（図１０（ａ）〜（ｈ）参照）。

（実施例４）
図５（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成を、実施例４として用いた。
実施例４の具体的な数値（設計値）は、表４に示される。表４の下欄（各種データ）において、表１の群間隔Ｄ６［ｍｍ］の代わりに、群間隔Ｄ４［ｍｍ］となっている、群間隔Ｄ４は、第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との間の間隔である。

図１１（ａ）〜（ｄ）は、実施例４において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるとの各種収差図である。図１１（ｅ）〜（ｈ）は、実施例４において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。

実施例４でも、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの半画角を８６．６度（視野角１７３．２度）としつつ、レンズＬ１の有効径を抑えることができ、内視鏡用変倍光学系１００全体の径方向の寸法が抑えられた構成となっている。しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、広角端位置、望遠端位置のいずれにおいても収差が良好に抑えられている（図１１（ａ）〜（ｈ）参照）。

（実施例５）
図６（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成を、実施例５として用いた。
実施例５の具体的な数値（設計値）は、表５に示される。表５の下欄（各種データ）において、表１の群間隔Ｄ６［ｍｍ］の代わりに、群間隔Ｄ４［ｍｍ］となっており、群間隔Ｄ１４の代わりに、群間隔Ｄ１２となっている、群間隔Ｄ４は、第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との間の間隔である。群間隔Ｄ１２は、第二のレンズ群Ｇ２と第三のレンズ群Ｇ３との間の間隔である。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、実施例５において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図である。図１２（ｅ）〜（ｈ）は、実施例５において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。

実施例５でも、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの半画角を８６．３度（視野角１７２．６度）としつつ、レンズＬ１の有効径を抑えることができ、内視鏡用変倍光学系１００全体の径方向の寸法が抑えられた構成となっている。しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、広角端位置、望遠端位置のいずれにおいても収差が良好に抑えられている（図１２（ａ）〜（ｈ）参照）。

（実施例６）
図７（ａ），（ｂ）に示す内視鏡用変倍光学系１００の構成を、実施例６として用いた。
実施例６の具体的な数値（設計値）は、表６に示される。

図１３（ａ）〜（ｄ）は、実施例６において第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの各種収差図である。図１３（ｅ）〜（ｈ）は、実施例６において第二のレンズ群Ｇ２が望遠端位置にあるときの各種収差図である。

実施例６でも、第二のレンズ群Ｇ２が広角端位置にあるときの半画角を８６．２度（視野角１７２．４度）としつつ、レンズＬ１の有効径を抑えることができ、内視鏡用変倍光学系１００全体の径方向の寸法が抑えられた構成となっている。しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、広角端位置、望遠端位置のいずれにおいても収差が良好に抑えられている（図１３（ａ）〜（ｈ）参照）。

表７は、表１〜６に示す各寸法から算出される式（１）〜（６）の比あるいは比の絶対値を示す。

実施例１〜６の各実施例では、表７に示されるように、上述の式（１）〜（３）を満足する。これにより、本実施例１〜６の各実施例では、小型でありながら、通常観察時（遠距離観察時）、広い視野角を有し、しかも、拡大観察時の倍率を下げることなく、観察に適したレンズ性能を保持することができる。さらに、式（４）〜（６）を満足する各実施例では、上述した更なる効果を有する。

以上、本発明の内視鏡用変倍光学系及び内視鏡について詳細に説明したが、本発明の内視鏡用変倍光学系及び内視鏡は上記実施形態あるいは実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１内視鏡
１１挿入部可撓管
１１ａシース
１２先端部
１３手元操作部
１３ａ湾曲操作ノブ
１４湾曲部
１００内視鏡用変倍光学系

Claims

内視鏡対物レンズユニットに用いる内視鏡用変倍光学系であって、
物体側から順に、
負のパワーを持つ第一のレンズ群と、
正のパワーを持つ第二のレンズ群と、を少なくとも備え、
前記第一のレンズ群の最も物体側のレンズ面から像面までの距離を一定に保ちながら、固定レンズ群である前記第一のレンズ群に対して前記第二のレンズ群を光軸方向の広角端位置と望遠端位置の間を移動させることで光学像を変倍させるように構成され、
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と、物体側に凸面を向けた正レンズと、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、物体側に凸面を向けた正レンズと、負レンズ及び正レンズを接合した接合レンズと、を少なくとも有し、
前記第一のレンズ群の合成焦点距離をｆ_１［ｍｍ］とし、前記第二のレンズ群の合成焦点距離をｆ_２［ｍｍ］とし、前記第二のレンズ群が前記広角端位置にあるときの全系の合成焦点距離をｆ_ｗ［ｍｍ］とし、記第二のレンズ群が前記望遠端位置にあるときの全系の合成焦点距離をｆ_ｔ［ｍｍ］とし、前記第一のレンズ群内の前記正レンズの焦点距離をｆ_ｓ１としたとき、
（１）０．６＜｜ｆ_ｓ１／ｆ_１｜＜１．６、
（２）１．２＜ｆ_ｔ／ｆ_ｗ＜１．４、
（３）０．５＜｜ｆ_２／ｆ_１｜＜０．８、
を満足する、内視鏡用変倍光学系。
（４）２．０＜｜ｆ_ｓ１／ｆ_ｗ｜＜４．０、
を満足する、請求項１に記載の内視鏡用変倍光学系。
（５）２．０＜｜ｆ_１／ｆ_ｗ｜＜４．０、
を満足する、請求項１または２に記載の内視鏡用変倍光学系。
前記第一のレンズ群内の前記正レンズの、物体側の面の曲率半径をｒｐ１［ｍｍ］とし、像側の面の曲率半径をｒｐ２（ｒｐ２≠ｒｐ１）［ｍｍ］とし、ＳＦ_１＝（ｒｐ１＋ｒｐ２）／（ｒｐ１−ｒｐ２）を定めたとき、
（６）−８．０＜ＳＦ_１＜−２．０、
を満足する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内視鏡用変倍光学系。
前記第二のレンズ群に対して像側に、少なくとも物体側に凸面を向けた正レンズを備えた固定レンズ群である第三のレンズ群を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内視鏡用変倍光学系。
前記第一のレンズ群と前記第二のレンズ群の間の、前記第二のレンズ群の物体側には、絞りが設けられ、
前記絞りは、前記第二のレンズ群とともに一体で移動する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の内視鏡用変倍光学系。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の内視鏡用変倍光学系と、
前記内視鏡用変倍光学系により結像した物体の像を受光する撮像素子と、を備えることを特徴とする内視鏡。