JP7302034B2 - 内視鏡用対物光学系及び内視鏡 - Google Patents

Description

本開示は、内視鏡用対物光学系、及び内視鏡に関する。

従来、医療分野において患者の体内の観察及び／又は治療等を行うために内視鏡が用いられている。特許第２５９６８２７号公報、特許第５６３５６７８号公報、特許第６２６６５０３号公報、特許第６３１３２４１号公報及び特開２０１９－１０９３５６号公報には、内視鏡用対物光学系として使用可能なレンズ系が記載されている。

近年、より広い視野角を有しながら、色収差を含む諸収差がより良好に補正された内視鏡用対物光学系が要望されている。

本開示は、より広い視野角を有しながら、色収差を含む諸収差がより良好に補正された内視鏡用対物光学系、及びこの内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡を提供する。

本開示の第１の態様は、内視鏡用対物光学系であって、物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を有する前群と、開口絞りと、正の屈折力を有する後群とからなり、前群は、物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズとからなる３枚のレンズのみをレンズとして備え、後群は、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する第５レンズと、負の屈折力を有する第６レンズとからなる３枚のレンズのみをレンズとして備え、第２レンズと第３レンズとは互いに接合されており、第５レンズと第６レンズとは互いに接合されており、前群の焦点距離をｆＡ、後群の焦点距離をｆＢとした場合、
０＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．３８ （１）
で表される条件式（１）を満足する。

本開示の第１の態様において、下記条件式（１－１）を満足することが好ましい。
０＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．３６ （１－１）

本開示の第２の態様は、上記態様において、第１レンズの物体側のレンズ面が平面であることが好ましい。

本開示の第３の態様は、上記態様において、全系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（２）を満足することが好ましく、下記条件式（２－１）を満足することがより好ましい。
０＜｜ｆ／ｆＡ｜＜０．１８ （２）
０＜｜ｆ／ｆＡ｜＜０．１５ （２－１）

本開示の第４の態様は、上記態様において、全系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（３）を満足することが好ましく、下記条件式（３－１）を満足することがより好ましく、下記条件式（３－２）を満足することがさらに好ましい。
０＜｜ｆ／ｆＢ｜＜０．４５ （３）
０．３＜｜ｆ／ｆＢ｜＜０．４５ （３－１）
０．３９＜｜ｆ／ｆＢ｜＜０．４３ （３－２）

本開示の第５の態様は、上記態様において、第１レンズの焦点距離をｆ１とした場合、下記条件式（４）を満足することが好ましく、下記条件式（４－１）を満足することがより好ましい。
０＜｜ｆ１／ｆＡ｜＜０．２ （４）
０＜｜ｆ１／ｆＡ｜＜０．１９ （４－１）

本開示の第６の態様は、上記態様において、第２レンズと第３レンズの合成焦点距離をｆ２３とした場合、下記条件式（５）を満足することが好ましく、下記条件式（５－１）を満足することがより好ましい。
０＜｜ｆ２３／ｆＡ｜＜０．６８ （５）
０＜｜ｆ２３／ｆＡ｜＜０．５６ （５－１）

本開示の別の態様は、内視鏡であって、本開示の上記態様に係る内視鏡用対物光学系を備えている。

なお、本明細書の「～からなり」、「～からなる」は、挙げられた構成要素以外に、実質的に屈折力を有さないレンズ、並びに、絞り、フィルタ、及びカバーガラス等のレンズ以外の光学要素、並びに、レンズフランジ、レンズバレル等が含まれていてもよいことを意図する。

なお、本明細書において、「正の屈折力を有する～群」は、群全体として正の屈折力を有することを意味する。同様に「負の屈折力を有する～群」は、群全体として負の屈折力を有することを意味する。「単レンズ」は、接合されていない１枚のレンズを意味する。ただし、複合非球面レンズ（つまり、球面レンズと、その球面レンズ上に形成された非球面形状の膜とが一体的に構成されて、全体として１つの非球面レンズとして機能するレンズ）は、接合レンズとは見なさず、１枚のレンズとして扱う。非球面を含むレンズについて、屈折力の符号、及びレンズ面の面形状は、特に断りが無い限り近軸領域で考えることとする。「全系」は、「内視鏡用対物光学系」を意味する。条件式で用いている「焦点距離」は、近軸焦点距離である。条件式の値は、ｄ線を基準とした場合の値である。本明細書に記載の「ｄ線」、「Ｃ線」、「Ｆ線」、及び「ｈ線」は輝線であり、ｄ線の波長は５８７．５６ｎｍ（ナノメートル）、Ｃ線の波長は６５６．２７ｎｍ（ナノメートル）、Ｆ線の波長は４８６．１３ｎｍ（ナノメートル）、ｈ線の波長は４０４．６６ｎｍ（ナノメートル）である。

上記態様によれば、本開示の内視鏡用対物光学系、及びこの内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡は、広角化と色収差を含む諸収差の良好な補正とを両立できる。

一例示的実施形態に係る内視鏡用対物光学系（実施例１の内視鏡用対物光学系）の構成と光路を示す断面図である。 実施例１の内視鏡用対物光学系の各収差図である。 実施例２の内視鏡用対物光学系の構成と光路を示す断面図である。 実施例２の内視鏡用対物光学系の各収差図である。 実施例３の内視鏡用対物光学系の構成と光路を示す断面図である。 実施例３の内視鏡用対物光学系の各収差図である。 実施例４の内視鏡用対物光学系の構成と光路を示す断面図である。 実施例４の内視鏡用対物光学系の各収差図である。 実施例５の内視鏡用対物光学系の構成と光路を示す断面図である。 実施例５の内視鏡用対物光学系の各収差図である。 実施例６の内視鏡用対物光学系の構成と光路を示す断面図である。 実施例６の内視鏡用対物光学系の各収差図である。 一例示的実施形態に係る内視鏡の概略構成を示す図である。

以下、本開示の例示的実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本開示の一例示的実施形態に係る内視鏡用対物光学系の光軸Ｚを含む断面における構成と光路を示す図であり、後述の実施例１のレンズ構成に対応している。図１では左側が物体側、右側が像側であり、光路は軸上光束２及び最大画角の光束３の各光路を示し、光束３の主光線の半画角ωも図示している。図１に示すωは最大全画角の半値に相当する。

本例示的実施形態の内視鏡用対物光学系は、光軸Ｚに沿って物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を有する前群ＧＡと、開口絞りＳｔと、正の屈折力を有する後群ＧＢとからなる。物体側から順に、負レンズ群、正レンズ群を配置することによってレトロフォーカスタイプのレンズ系となり、バックフォーカスを確保できるとともに、内視鏡に要求される広い視野角に好適に対応可能な光学系となる。なお、図１に示す開口絞りＳｔは必ずしも大きさ及び形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

前群ＧＡは、物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を有する第１レンズＬ１と、負の屈折力を有する第２レンズＬ２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ３とからなる３枚のレンズのみをレンズとして備える。第１レンズＬ１は単レンズである。第２レンズＬ２と第３レンズＬ３とは互いに接合されて第１の接合レンズＣＥ１を構成している。第１レンズＬ１によって歪曲収差及び像面湾曲を抑えることができる。第１の接合レンズＣＥ１によって、軸上色収差及び倍率色収差を抑えることができ、波長４００ｎｍ（ナノメートル）付近の短波長域から可視域までの全域において軸上色収差及び倍率色収差を抑えることに有利となる。

第１レンズＬ１の物体側のレンズ面は平面であることが好ましく、このようにした場合は、第１レンズＬ１の外径を小さくすることができる。また、第１レンズＬ１の物体側のレンズ面を平面にした場合は、製造性を向上させることができ、また、第１レンズＬ１の物体側の面へのゴミ及び／又は液体等の付着を低減することができる。

なお、図１の例では、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に光学部材ＰＰ１が配置されている。光学部材ＰＰ１は、入射面と出射面が平行な屈折力を有しない部材であり、レンズではない。本例示的実施形態においては光学部材ＰＰ１を省略した構成も可能である。なお、必要に応じ、光学部材ＰＰ１にフィルタ機能を持たせるように構成してもよい。

後群ＧＢは、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第４レンズＬ４と、正の屈折力を有する第５レンズＬ５と、負の屈折力を有する第６レンズＬ６とからなる３枚のレンズのみをレンズとして備える。第４レンズＬ４は単レンズである。第５レンズＬ５と第６レンズＬ６とは互いに接合されて第２の接合レンズＣＥ２を構成している。第４レンズＬ４によって球面収差を抑えることができる。第２の接合レンズＣＥ２によって、倍率色収差を抑えることができ、波長４００ｎｍ（ナノメートル）付近の短波長域から可視域までの全域において倍率色収差を抑えることに有利となる。

なお、図１の例では、第６レンズＬ６と像面Ｓｉｍの間に光学部材ＰＰ２が配置されている。光学部材ＰＰ２は、入射面と出射面が平行な屈折力を有しない部材であり、レンズではない。光学部材ＰＰ２は、プリズム、フィルタ、及び／又はカバーガラス等を想定したものである。なお、光学部材ＰＰ２に光路を折り曲げるプリズムを用いた場合は、光路は屈曲光路となるが、理解を容易にするために図１では光路を展開した図を示している。本例示的実施形態においては光学部材ＰＰ２を省略した構成も可能である。

本例示的実施形態の内視鏡用対物光学系は、前群ＧＡの焦点距離をｆＡ、後群ＧＢの焦点距離をｆＢとした場合、条件式（１）を満足する。条件式（１）の範囲内となるようにすることによって、前群ＧＡが有する負の屈折力と後群ＧＢが有する正の屈折力とのバランスを好適に制御することができるので、広角化を図りつつ、歪曲収差及び像面湾曲を良好に抑えることができる。なお、条件式（１－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．３８ （１）
０＜｜ｆＢ／ｆＡ｜＜０．３６ （１－１）

また、本例示的実施形態の内視鏡用対物光学系は、全系の焦点距離をｆとした場合、条件式（２）を満足することが好ましい。条件式（２）の範囲内となるようにすることによって、前群ＧＡが有する負の屈折力と後群ＧＢが有する正の屈折力とのバランスを好適に制御することができるので、広角化を図りつつ、歪曲収差及び像面湾曲をより良好に抑えることができる。なお、条件式（２－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０＜｜ｆ／ｆＡ｜＜０．１８ （２）
０＜｜ｆ／ｆＡ｜＜０．１５ （２－１）

また、本例示的実施形態の内視鏡用対物光学系は、条件式（３）を満足することが好ましい。条件式（３）の上限以上とならないようにすることによって、前群ＧＡが有する負の屈折力と後群ＧＢが有する正の屈折力とのバランスを好適に制御することができるので、広角化を図りつつ、像面湾曲をより良好に抑えることができる。なお、条件式（３－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができ、条件式（３－１）の下限以下とならないようにすることによって、小型化に有利となる。また、条件式（３－２）を満足する構成とすれば、さらに良好な特性とすることができる。
０＜｜ｆ／ｆＢ｜＜０．４５ （３）
０．３＜｜ｆ／ｆＢ｜＜０．４５ （３－１）
０．３９＜｜ｆ／ｆＢ｜＜０．４３ （３－２）

また、本例示的実施形態の内視鏡用対物光学系は、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１とした場合、条件式（４）を満足することが好ましい。条件式（４）の範囲内となるようにすることによって、広角化を図りつつ、歪曲収差及び像面湾曲をより良好に抑えることができる。なお、条件式（４－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０＜｜ｆ１／ｆＡ｜＜０．２ （４）
０＜｜ｆ１／ｆＡ｜＜０．１９ （４－１）

また、本例示的実施形態の内視鏡用対物光学系は、第２レンズと第３レンズの合成焦点距離をｆ２３とした場合、条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）の範囲内となるようにすることによって、広角化を図りつつ、球面収差及び像面湾曲をより良好に抑えることができる。なお、条件式（５－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０＜｜ｆ２３／ｆＡ｜＜０．６８ （５）
０＜｜ｆ２３／ｆＡ｜＜０．５６ （５－１）

上述した好ましい構成及び可能な構成は、任意の組合せが可能であり、要求される仕様に応じて適宜選択的に採用されることが好ましい。

次に、本開示の内視鏡用対物光学系の数値実施例について説明する。なお、内視鏡の使用状況を考慮し、以下で説明する実施例１～６の基本レンズデータと収差図は、有限距離にある曲率を有する物体（不図示）を観察する場合のものを示している。

［実施例１］
実施例１の内視鏡用対物光学系の構成と光路を示す断面図は図１に示されており、その図示方法は上述したとおりであるので、ここでは重複説明を省略する。実施例１の内視鏡用対物光学系の基本レンズデータを表１に、諸元を表２に示す。表１において、Ｓｎの欄には最も物体側の面を第１面とし像側に向かうに従い１つずつ番号を増加させた場合の面番号を示し、Ｒの欄には各面の曲率半径を示し、Ｄの欄には各面とその像側に隣接する面との光軸上の面間隔を示す。また、Ｎｄの欄には各構成要素のｄ線に対する屈折率を示し、νｄの欄には各構成要素のｄ線基準のアッベ数を示す。

表１では、物体側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を正、像側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を負としている。表１には、物体、開口絞りＳｔ、光学部材ＰＰ１、及び光学部材ＰＰ２も合わせて示している。表１では、物体、及び開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には、それぞれＯＢＪ、及び面番号と（Ｓｔ）という語句を記載している。表１のＤの最下欄の値は表中の最も像側の面と像面Ｓｉｍとの間隔である。

表２に、全系の焦点距離ｆ、空気換算距離での全系のバックフォーカスＢｆ、ＦナンバーＦＮｏ．、及び最大全画角２ωの値をｄ線基準で示す。２ωの欄の（°）は単位が度であることを意味する。

各表のデータにおいて、角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍ（ミリメートル）を用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。また、以下に示す各表では所定の桁でまるめた数値を記載している。

図２に、実施例１の内視鏡用対物光学系の各収差図を示す。図２では左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差、及び倍率色収差を示す。球面収差図では、ｄ線、Ｃ線、Ｆ線、及びｈ線における収差をそれぞれ黒の実線、長破線、短破線、及び二点鎖線で示す。非点収差図では、サジタル方向のｄ線における収差を実線で示し、タンジェンシャル方向のｄ線における収差を短破線で示す。歪曲収差図ではｄ線における収差を実線で示す。倍率色収差図では、Ｃ線、Ｆ線、及びｈ線における収差をそれぞれ長破線、短破線、及び二点鎖線で示す。球面収差図のＦＮｏ．はＦナンバーを意味し、その他の収差図のωは半画角を意味する。

上記の実施例１に関する各データの記号、意味、記載方法、及び図示方法は、特に断りが無い限り以下の実施例においても同様なので、以下では重複する説明を省略する。

［実施例２］
実施例２の内視鏡用対物光学系について、構成と光路の断面図を図３に示し、基本レンズデータを表３に示し、諸元を表４に示し、各収差図を図４に示す。

［実施例３］
実施例３の内視鏡用対物光学系について、構成と光路の断面図を図５に示し、基本レンズデータを表５に示し、諸元を表６に示し、各収差図を図６に示す。

［実施例４］
実施例４の内視鏡用対物光学系について、構成と光路の断面図を図７に示し、基本レンズデータを表７に示し、諸元を表８に示し、各収差図を図８に示す。

［実施例５］
実施例５の内視鏡用対物光学系について、構成と光路の断面図を図９に示し、基本レンズデータを表９に示し、諸元を表１０に示し、各収差図を図１０に示す。

［実施例６］
実施例６の内視鏡用対物光学系について、構成と光路の断面図を図１１に示し、基本レンズデータを表１１に示し、諸元を表１２に示し、各収差図を図１２に示す。

表１３に実施例１～６の内視鏡用対物光学系の条件式（１）～（５）の対応値を示す。実施例１～６はｄ線を基準波長としている。表１３にはｄ線基準での値を示す。

以上のデータから、実施例１～６の内視鏡用対物光学系はそれぞれ条件式（１）～（５）を満たし、１５５度以上の広角に構成されながら、波長４００ｎｍ（ナノメートル）付近の短波長域から可視域までの全域における色収差を含む諸収差が良好に補正されていることが分かる。

次に、本開示の例示的実施形態に係る内視鏡について説明する。図１３に本開示の一例示的実施形態に係る内視鏡の概略的な全体構成図を示す。図１３に示す内視鏡１００は、主として、操作部１０２と、挿入部１０４と、コネクタ部（不図示）と接続されるユニバーサルコード１０６とを備える。挿入部１０４の大半は挿入経路に沿って任意の方向に曲がる軟性部１０７であり、この軟性部１０７の先端には湾曲部１０８が連結され、この湾曲部１０８の先端には先端部１１０が連結されている。湾曲部１０８は、先端部１１０を所望の方向に向けるために設けられるものであり、操作部１０２に設けられた湾曲操作ノブ１０９を回動させることにより湾曲操作が可能となっている。先端部１１０の内部先端に本開示の例示的実施形態に係る内視鏡用対物光学系１が配設される。図１３では内視鏡用対物光学系１を概略的に図示している。

本例示的実施形態の内視鏡は、本開示の例示的実施形態に係る内視鏡用対物光学系を備えているため、広い視野で観察が可能である。また、波長４００ｎｍ（ナノメートル）付近の短波長域から可視域までの全域において良好な画像を取得することができるので、白色光と波長４００ｎｍ（ナノメートル）付近のレーザ光の使用と画像処理を組み合わせて得られる血管及び表面構造等を強調させた画像の観察に好適に適用可能である。

以上、例示的実施形態及び実施例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記例示的実施形態及び実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

２０２０年１月２０日に出願された日本国特許出願２０２０－００７０２４号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (12)

1. 物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を有する前群と、開口絞りと、正の屈折力を有する後群とからなり、
   前記前群は、物体側から像側へ向かって順に、負の屈折力を有する第１レンズと、負の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズとからなる３枚のレンズのみをレンズとして備え、
   前記後群は、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する第５レンズと、負の屈折力を有する第６レンズとからなる３枚のレンズのみをレンズとして備え、
   前記第２レンズと前記第３レンズとは互いに接合されており、
   前記第５レンズと前記第６レンズとは互いに接合されており、
   前記前群の焦点距離をｆＡ、
   前記後群の焦点距離をｆＢ、
   全系の焦点距離をｆとした場合、
   －０．３８＜ｆＢ／ｆＡ＜０ （１ａ）
   ０＜ｆ／ｆＢ＜０．４５ （３ａ）
   で表される条件式（１ａ）及び（３ａ）を満足する内視鏡用対物光学系。
2. 前記第１レンズの物体側のレンズ面が平面である請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
3. －０．１８＜ｆ／ｆＡ＜０ （２ａ）
   で表される条件式（２ａ）を満足する請求項１又は２に記載の内視鏡用対物光学系。
4. 前記第１レンズの焦点距離をｆ１とした場合、
   ０＜ｆ１／ｆＡ＜０．２ （４ａ）
   で表される条件式（４ａ）を満足する請求項１から３のいずれか１項に記載の内視鏡用対物光学系。
5. 前記第２レンズと前記第３レンズの合成焦点距離をｆ２３とした場合、
   ０＜｜ｆ２３／ｆＡ｜＜０．６８ （５）
   で表される条件式（５）を満足する請求項１から４のいずれか１項に記載の内視鏡用対物光学系。
6. －０．３６＜ｆＢ／ｆＡ＜０ （１－１ａ）
   で表される条件式（１－１ａ）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
7. －０．１５＜ｆ／ｆＡ＜０ （２－１ａ）
   で表される条件式（２－１ａ）を満足する請求項３に記載の内視鏡用対物光学系。
8. ０．３＜ｆ／ｆＢ＜０．４５ （３－１ａ）
   で表される条件式（３－１ａ）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
9. ０．３９＜ｆ／ｆＢ＜０．４３ （３－２ａ）
   で表される条件式（３－２ａ）を満足する請求項１に記載の内視鏡用対物光学系。
10. ０＜ｆ１／ｆＡ＜０．１９ （４－１ａ）
    で表される条件式（４－１ａ）を満足する請求項４に記載の内視鏡用対物光学系。
11. ０＜｜ｆ２３／ｆＡ｜＜０．５６ （５－１）
    で表される条件式（５－１）を満足する請求項５に記載の内視鏡用対物光学系。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の内視鏡用対物光学系を備えた内視鏡。

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