JPH075377A - 変倍光学系およびこれを持った内視鏡システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、内視鏡やアダプター等を
交換することなしに作業目的に応じた視野角や観察倍率
に変換可能で、かつ高画質の得られる観察用内視鏡シス
テムを提供することである。 【構成】 本発明の内視鏡システムは、対物光学系
と、像伝達光学系と、像伝達光学系と変倍光学系とを少
なくとも含む内視鏡光学系と、ライトガイドとを備えた
内視鏡、内視鏡に着脱可能な撮像素子ユニットと、信号
処理部と、表示部と、ライトガイドを介して物体を照明
する光源とを備えたものである。又変倍光学系は移動レ
ンズ群の変倍のための移動範囲が瞳にかかるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として体腔内を観察
するための硬性ビデオ内視鏡システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】硬性内視鏡の接眼部にテレビカメラやフ
イルムカメラ等を接続して診断を行なったり記録を行な
ったりすることがしばしばある。特に、最近ではＣＣＤ
等の固体撮像素子を用いた小型テレビカメラにより内視
鏡による画像をテレビモニター上に映して診断や治療を
行なうことが多い。中でも腹壁に比較的小さな穴をあけ
て、テレビカメラを接続した腹腔鏡を腹腔内に挿入し、
モニターに映し出される腹腔内の状況を観察しながら胆
嚢摘出を行なう外科手術は、手術後の入院期間の短縮や
手術痕がほとんどない等の患者にとって好ましい点が多
いために世界的に広まっている。

【０００３】又上記のようなテレビ観察に用いられる固
体撮像素子は、最近の半導体技術の進歩にともなって小
型化、高密度化され、そのために固体撮像素子と組合わ
せ使用する内視鏡撮像光学系も極めて高性能であること
が要求される。このように固体撮像素子の高密度化、撮
像光学系の高性能化によって、目視観察や銀塩写真に匹
敵する画質の画像が得られるようになり、作業者の疲労
も軽減されるためテレビ観察のみで作業を行なうことが
多くなっている。

【０００４】図２１は、従来の硬性内視鏡システムを示
す図で、観察対象物を照明する光源１１と、光源１１か
らの光を内視鏡本体１まで伝送するライトガイドケーブ
ル１２と、内視鏡本体１に内蔵されていてライトガイド
ケーブル１２により伝送される光を内視鏡本体１の挿入
部２の先端部２ａまで伝送するライトガイド１３と、内
視鏡本体１に内蔵された観察対象物の像を結ぶ例えば視
野角６０°〜９０°程度の対物光学系４と、対物光学系
４により形成された物体像を順次伝送するリレー光学系
５と、リレー光学系５によりリレーされた最終像を拡大
するための接眼光学系１４と、この接眼光学系１４を内
蔵する内視鏡本体の保持部３に着脱自在に接続され接眼
光学系１４により拡大された像を再結像する光学系１５
を含むアダプター１６と、アダプター１６に着脱自在に
接続され光学系１５により形成された像を電気信号に変
換する撮像素子８を含むテレビカメラユニット７と、テ
レビカメラユニット７からの信号を映像信号に変換する
カメラコントロールユニット９と、映像を映し出すテレ
ビモニター１０とからなっている。

【０００５】このような従来の内視鏡ビデオシステムを
用いる場合、実際には視野角、視野方向等の異なる複数
の内視鏡や倍率の異なる複数のアダプターを用意して観
察対象物の位置や大きさ等を使用目的に合わせて使い分
けている。

【０００６】前述の腹壁にあけた小さな穴から内視鏡を
挿入し、腹腔内および胸腔内臓器の手術を行なう場合、
最初腹腔内全体を観察し状況を把握し患部（観察対象）
を特定する。次に内視鏡で監視しながら処置用の鉗子類
を腹腔内に挿入し、手術に必要な視野が得られる距離や
位置に内視鏡が位置するように調整しながら処置を行な
う。処置後再び腹腔内全体を観察し、合併症その他の異
常がないかを確認している。

【０００７】以上の通りであるので、腹腔内全体を観察
する場合には、１００°〜１５０°程度の広い視野角の
内視鏡が必要であり、手術等を行なう場合には、２０°
〜５０°程度の比較的狭角な内視鏡を用いるか倍率の大
きいアダプターを接続することが望ましい。

【０００８】しかしながら、外科手術に用いられ腹腔内
を観察するための内視鏡は、従来から用いられている肝
炎，肝硬変等の肝臓病変の診断、経過観察用の内科医が
用いている内視鏡システムを流用する場合が多く、内視
鏡の視野角は、一般には７０°程度である。そのため
に、腹腔内全体を効率良く迅速に観察するためには視野
角が狭くユーザーの要求を満足することは出来ない。

【０００９】また、倍率の異なるアダプターを付け換え
ることにより、必要とする広い視野が得られるようにす
ることは、手術中にアダプターの交換をしなければなら
ず、交換時に映像が途切れるという問題がある。。この
ような欠点を補うために、例えば特開平４−９０５０３
号公報のようにアダプターとして変倍光学系を用いるこ
とにより、観察部位の像の大きさを変えて観察すること
が行なわれている。しかしアダプター光学系は、変倍比
が２程度であることが多く、そのため例えば、拡大観察
の際には視野角の狭い内視鏡に交換する必要があり、そ
のため内視鏡の交換による患者に与える苦痛が大きく好
ましくない。またアダプター光学系の変倍比を大きくす
ることも考えられるが、アダプターが大きくなり操作性
に問題を生ずる。

【００１０】また、特公平２−３８９２６号公報のよう
に、硬性内視鏡の最も物体側のリレー光学系を変倍光学
系にする方法もあるが、変倍光学系のレンズ成分を変倍
のために光軸方向に移動させるためにワイヤー、カム、
ギヤーなどの可動部材を内蔵する必要があるため内視鏡
の挿入部の外径が大になり好ましくない。

【００１１】一方、内視鏡先端部を観察部位に近づける
ことにより拡大観察を行なうことが出来るが、例えば、
先に述べた胆嚢摘出のような手術時には、内視鏡の挿入
部が処置すべき臓器に近づくと術者が鉗子類を操作する
ときに邪魔になり、作業性が悪く好ましくない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、内視鏡，ア
ダプターを交換することなしに、作業目的に応じた視野
角や観察倍率を変更でき、且つ高画質のビデオ観察用内
視鏡システムを提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の内視鏡の光学系
は、物体側から順に対物光学系と、前記対物光学系によ
り形成された物体の像をリレーする像伝達光学系と、接
眼光学系と、変倍光学系とよりなる内視鏡光学系を備え
ている。そのうちの変倍光学系は、正のパワーを持つ前
群と正のパワーを持つ後群とからなり、後群が瞳位置を
挟むように光軸に沿って移動して変倍を行なうものであ
る。また、対物光学系は、変倍光学系が最小倍率である
ときには充分に広い視野が得られる広画角のものであ
る。なお、内視鏡がビデオ観察専用の場合には、接眼レ
ンズは省略される。

【００１４】図５は、本発明で使用する変倍光学系の概
念図で、この図には接眼光学系は示していない。図中Ｉ
_L は像伝達光学系によりリレーされてきた最終物体像で
あり、Ｇ_v1が変倍光学系の前群、Ｇ_v2 が変倍光学系の
後群であり、Ｓ₃は瞳位置である。又図５において
（Ａ）はワイド状態、（Ｂ）はテレ状態を示している。

【００１５】本発明の変倍光学系は、対物光学系、像伝
達光学系等と組合わせて用いられている。このように変
倍部の前又は後に結像系が存在する場合、一般の撮影レ
ンズ系のように、変倍光学系の内部に機械的絞りを設け
る必要はなく、他の部分に機械的絞りを配置してその像
を変倍光学系の瞳とすることが出来る。そのために本発
明の変倍光学系は、機械的制約を受けることがなく，し
たがって瞳位置を挟んでレンズ群を移動させるか或いは
レンズ群の一部が瞳にかかるようにレンズ群を移動させ
て変倍を行なうことが出来る。その結果、変倍のための
移動レンズ群の移動量を大きくとることが出来る。しか
も移動レンズ群の位置の光線高が低いために、移動量が
大きいにも拘らずレンズの外径はコンパクトであり、収
差の発生も少ない。

【００１６】上記の構成により変倍比が大きく、しかも
小型で高性能な内視鏡光学系を得ることができる。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例を図面にもとづいて説明
する。

【００１８】図１は本発明の内視鏡システムの全体の構
成の概要を示す図、図９は本発明の内視鏡の外観図、図
１０は本発明の内視鏡の挿入部の縦断面図、図１１は本
発明の内視鏡の保持部付近の拡大断面図である。

【００１９】これら図において、内視鏡本体１は、細長
い挿入部２と保持部３とからなっている。これらのうち
挿入部２には対物レンズ４と複数のリレーレンズ５から
なる像伝達光学系とからなる観察光学系が内蔵されてい
る。又、照明のためのライトガイドファイバー束が対物
レンズ４およびリレーレンズ５と並び配設されている。
尚図１０に示すように物体からの光が対物レンズに入射
する観察窓６２は、内視鏡の中心より外れた位置に配置
され、又照明光が射出する照明窓６１は、二つ設けられ
ていて均一な照明を行なうようにしている。

【００２０】又保持部３には、変倍レンズ系６が内蔵さ
れ、固体撮像素子８を含む撮像素子ユニット７とカメラ
コントロールユニット（信号処理部）９とモニターテレ
ビ１０が設けられている。又１１は光源装置、１２は光
源装置からの光を内視鏡に導くためのライトガイドファ
イバー束を含むライトガイドケーブルである。尚この例
の内視鏡は、ビデオ観察専用であるので、接眼レンズは
設けられていない。そして、変倍比を大きくとることの
できる変倍光学系を保持部に内蔵しているのでアダプタ
ーを用いる必要がなく、アダプターの着脱機構等が省略
されていて全体の構成が簡素化されている。

【００２１】このような構成の装置において、光源１１
からの照明光がライトガイドケーブル１２を経て内視鏡
に内蔵されているライトガイドファイバー束に伝達され
内視鏡先端部まで導かれて図示されていない物体を照明
する。対物レンズ４は、照明された物体の像Ｉ₁ を形成
し、この像Ｉ₁ はリレーレンズ５からなる像伝達光学系
により伝達される。このようにして伝達された物体の最
終像Ｉ_L は、変倍光学系６により固体撮像素子８の受光
面に結像される。この固体撮像素子８での光電変換によ
り撮像ユニット７より得られる出力信号は、カメラコン
トロールユニット９に供給され、このカメラコントロー
ルユニット９にて所定の信号処理がほどこされて、例え
ばＮＴＳＣ標準信号に変換され、モニターテレビ１０に
供給されて画像として観察される。

【００２２】次に光学系の構成を詳細に説明する。

【００２３】対物光学系４は、変倍光学系６のワイド状
態において、１００°から１５０°程度の視野角を有す
る必要がある。そのため、図２に示すように、対物光学
系４は、瞳位置（明るさ絞りの位置に相当する位置）Ｓ
₁を挟んで負の屈折力の前群Ｇ_O1 と正の屈折力の後群Ｇ
_O2 とよりなるレトロフォーカスタイプにすることが望
ましい。

【００２４】又、リレーレンズ５よりなる像伝達光学系
により対物光学系４により形成された像Ｉ₁ を伝送する
際に、軸外光束がリレーレンズ５によりけられることの
ないように、対物光学系４をテレセントリック系にして
ある。一般にこのような内視鏡対物光学系は、下記の式
（１）を満足するものである。

【００２５】（１） ｈ≒ｆsin ω したがってωは次の式（２）にて表わされる。

【００２６】（２） ω≒sin^-1 （ｈ／ｆ） 尚上記式（１），（２）において、ｈは対物光学系の像
高、ｆは対物光学系の焦点距離、ωは半画角である。

【００２７】対物光学系４の視野角が１００°から１５
０°の範囲である場合には、対物光学系４が単焦点であ
るとすると、像高ｈは、次の条件（３）の範囲内であ
る。

【００２８】（３） ０．７７ｆ≦ｈ≦０．９７ｆ 又、変倍光学系６をテレ状態にした時の視野角２ωが２
０°から５０°程度であるためには、像高ｈは、次の条
件（４）の範囲である。

【００２９】（４） ０．１７ｆ≦ｈ≦０．４２ｆ したがって、変倍光学系６の変倍比γ（γ＝β_T ／β
_W ）を下記条件（５）に示す程度に設定する必要があ
る。

【００３０】（５） １．８≦β_T ／β_W ＜５．７ ただし、β_W ，β_T は夫々ワイド端、テレ端における倍
率である。

【００３１】一般に、内視鏡用テレビカメラに用いられ
る固体撮像素子８のサイズは、１／４インチから１／２
インチの間で、撮像面の有効寸法は、１／４インチが
２．４×３．２mm（Ｖ×Ｈ）、１／３インチが３．３×
４．４mm、１／２インチが４．８×６．４mmである。な
お、通常、水平方向と垂直方向の比（アスペクト比）は
４：３である。

【００３２】内視鏡対物光学系の視野角を広くしたこと
による効果を有効に活用するためには、固体撮像素子に
結像する時の像高（Ｉｖ）は、撮像面有効部の垂直方向
（Ｖ）の０．３５倍から、対角線の長さの半分程度の値
である必要がある。

【００３３】（６） ０．３５Ｖ≦Ｉｖ≦０．８３ 即ち、各固体撮像素子のサイズ毎に次の値になる。

【００３４】 １／２インチ Ｉｖ＝１．６８〜４．０１ １／３インチ Ｉｖ＝１．１６〜２．７４ １／４インチ Ｉｖ＝０．８４〜１．９９ 一方、内視鏡に用いられるリレーレンズの外径は、通常
１mmから１０mm程度であり、レンズの半径に対する像高
の比は、軸外光束がけられることにより周辺光量の不足
が生ずるのを避けるために０．６から０．９程度であ
る。つまり対物光学系の像高は、おおよそ０．３mmから
４．５mm程度の値をとることになる。したがって現在主
流の１／２インチ固体撮像素子を用いた場合、Ｉｖの値
を変倍光学系のワイド状態で達成するためには、ワイド
状態におけるリレーレンズ５と変倍光学系６の総合倍率
β_RV(W) は、下記条件（７）の範囲内である。

【００３５】（７） ０．８９≦β_RV(W) ≦５．６ したがって、テレ端でのリレーレンズと変倍光学系の総
合倍率β_RV(T) は、下記条件（８）の範囲内である必要
がある。

【００３６】 ０．８９×１．８≦β_RV(T) ≦５．６×５．７ （８） １．６≦β_RV(T) ≦３１．９ また固体撮像素子の画素ピッチは、最も小さいもので５
μｍ角程度である。そのため、内視鏡用、一般用に多く
用いられているモザイクフィルターを用いた単板テレビ
カメラの場合、輝度信号の光学的ナイキスト周波数ｕ_N
は下記の通りである。

【００３７】（９） ｕ_N＝５０ＬＰ／mm 一方、光学系の限界解像力は、一般によく使われている
像面でのレイリーの分解能ε_Oに相当する周波数ｕ_Oは、
下記の通りである。

【００３８】ｕ_O＝１／ε_O＝１．６４×ＮＡ’／λ 一般に硬性内視鏡光学系の明るさは、リレーレンズによ
り決定され、リレーレンズへ入射するＮＡ即ち対物光学
系のＮＡ’は０．０５から０．１５程度であるから、対
物光学系での限界周波数ｕ_O は、波長を５００nmとする
と、次の式（１０）の範囲になる。

【００３９】 （１０） １６４≦ｕ_O≦４９２（ＬＰ／mm） テレ端でのリレーレンズと変倍光学系の総合倍率β
_RV(T) は、式（８）から１．６〜３１．９であるから、
固体撮像素子の撮像面での限界周波数ｕ_O’は次の式
（１１）の通りである。

【００４０】 （１１） ｕ_O’＝５．１ＬＰ／mm〜３０７．５ＬＰ
／mm式（９）と式（１１）とから、撮像素子のナイキス
ト周波数よりも、光学系による限界周波数の方が低周波
数になる場合が生じ、その場合は、コントラストの悪い
像になり好ましくない。そのため、リレーレンズのＮ
Ａ’を大きくし、光学系の限界解像力を向上させる必要
がある。しかしながら、光学系の理論上の限界解像力を
上げても諸収差を良好に補正しないとコントラストの良
い画像が得られない。

【００４１】リレーレンズを用いた硬性内視鏡のなか
で、リレーレンズは多数回使用されるために、収差に対
する影響力が大きい。したがってリレー光学系は、収差
を良好に補正して理論上の限界解像力に近いレベルまで
性能を向上させる必要がある。

【００４２】そのためリレーレンズ５は図３に示すよう
な構成にすることが好ましい。即ち、瞳Ｓ₂に対して対
称に、物体側および像側の面が凸である一対の棒状レン
ズＬ₅₁と、色消し接合レンズからなる一対の結像レンズ
Ｌ₅₂とより構成される。

【００４３】光学系の解像力を向上させるためには、諸
収差特に各開口比における球面収差および軸上色収差を
良好に補正する必要がある。瞳を挟んだ一対の色消し接
合レンズを結像レンズとして用いることにより結像関係
を保つために必要なパワーを四つの空気接触面に分散
し、各空気接触面で発生する負の球面収差の量を小さく
抑えることが出来る。又各結像レンズで用いている色消
し接合レンズの接合面で正の球面収差を発生させて各開
口比での球面収差の値が極めて小さくなるようにしてい
る。また各接合レンズの接合面で軸上色収差を良好に補
正している。

【００４４】前記のリレーレンズ５にて発生する軸外領
域の緒収差のうち、コマ収差、倍率の色収差は、瞳位置
Ｓに対して対称なパワー配置にして発生量を極めて少な
くしている。又非点収差、像面湾曲は、対物光学系にて
逆符号の収差を発生させて補正出来るので問題がない。
つまり対物光学系４の正のパワーの後群Ｇ_O2 を次のよ
うな構成にすることによって、リレーレンズ５および変
倍光学系６により発生する負の像面湾曲を補正出来る。
即ち図４に示すように正のパワーの後群Ｇ_O2に、物体側
から順に両凸色消し接合レンズＬ_O21と、物体側に凹面
を向けたメニスカス状の接合レンズＬ_O22とを含ませる
とよいよい。このように構成すれば、メニスカスレンズ
Ｌ_O22の凹面にて正の像面湾曲を発生させてリレーレン
ズと変倍光学系の負の像面湾曲を補正することができ
る。

【００４５】接眼レンズを通して目視観察を行なう硬性
内視鏡は、正立像にするためにリレー回数が通常奇数回
である。しかし、ビデオシステム専用の内視鏡において
は、リレー回数を１，２，３，４，・・・と必要に応じ
任意に選択出来る。内視鏡本体２と撮像素子ユニット７
との接続部を回転自在にするか、固体撮像素子からの信
号を電気的に処理し、倒立像を正立に変換してモニター
１０に表示すればよい。

【００４６】次に本発明の内視鏡システムにて用いられ
る光学系の例を示す。以下述べる光学系は、物体側から
順に結像部と変倍部とよりなり、結像部は対物光学系と
リレー光学系とより構成され、その像側に変倍部である
変倍光学系が設けられている。この内視鏡光学系の数値
例は下記の通りである。 ｆ＝3.202 ，Ｆナンバー＝6.483 ，ＩＨ＝3.040 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.6000 ｎ₁ ＝1.88300 ν₁ ＝40.78 ｒ₂ ＝12.1100 ｄ₂ ＝0.5000 ｒ₃ ＝∞ ｄ₃ ＝0.5000 ｎ₂ ＝1.77250 ν₂ ＝49.66 ｒ₄ ＝1.4230 ｄ₄ ＝0.8000 ｒ₅ ＝∞ ｄ₅ ＝3.7600 ｎ₃ ＝1.83481 ν₃ ＝42.72 ｒ₆ ＝∞（絞り） ｄ₆ ＝3.4600 ｎ₄ ＝1.83481 ν₄ ＝42.72 ｒ₇ ＝∞ ｄ₇ ＝2.4300 ｎ₅ ＝1.80400 ν₅ ＝46.57 ｒ₈ ＝-5.0990 ｄ₈ ＝0.6200 ｒ₉ ＝7.9000 ｄ₉ ＝3.6000 ｎ₆ ＝1.58913 ν₆ ＝61.18 ｒ₁₀＝-4.1030 ｄ₁₀＝1.3800 ｎ₇ ＝1.84666 ν₇ ＝23.78 ｒ₁₁＝-12.5870 ｄ₁₁＝3.9800 ｒ₁₂＝-4.2870 ｄ₁₂＝1.6000 ｎ₈ ＝1.71736 ν₈ ＝29.51 ｒ₁₃＝6.1800 ｄ₁₃＝2.7200 ｎ₉ ＝1.77250 ν₉ ＝49.66 ｒ₁₄＝-6.1800 ｄ₁₄＝6.5000 ｒ₁₅＝21.1550 ｄ₁₅＝43.7000 ｎ₁₀＝1.62004 ν₁₀＝36.25 ｒ₁₆＝∞ ｄ₁₆＝2.0000 ｒ₁₇＝33.7870 ｄ₁₇＝1.5700 ｎ₁₁＝1.80610 ν₁₁＝40.95 ｒ₁₈＝15.0910 ｄ₁₈＝3.9300 ｎ₁₂＝1.60311 ν₁₂＝60.70 ｒ₁₉＝-32.5590 ｄ₁₉＝1.3000 ｒ₂₀＝∞（瞳） ｄ₂₀＝1.3000 ｒ₂₁＝32.5590 ｄ₂₁＝3.9300 ｎ₁₃＝1.60311 ν₁₃＝60.70 ｒ₂₂＝-15.0910 ｄ₂₂＝1.5700 ｎ₁₄＝1.80610 ν₁₄＝40.95 ｒ₂₃＝-33.7870 ｄ₂₃＝2.0000 ｒ₂₄＝∞ ｄ₂₄＝43.7000 ｎ₁₅＝1.62004 ν₁₅＝36.25 ｒ₂₅＝-21.1550 ｄ₂₅＝8.0000 ｒ₂₆＝21.1550 ｄ₂₆＝43.7000 ｎ₁₆＝1.62004 ν₁₆＝36.25 ｒ₂₇＝∞ ｄ₂₇＝2.0000 ｒ₂₈＝33.7870 ｄ₂₈＝1.5700 ｎ₁₇＝1.80610 ν₁₇＝40.95 ｒ₂₉＝15.0910 ｄ₂₉＝3.9300 ｎ₁₈＝1.60311 ν₁₈＝60.70 ｒ₃₀＝-32.5590 ｄ₃₀＝1.3000 ｒ₃₁＝∞（瞳） ｄ₃₁＝1.3000 ｒ₃₂＝32.5590 ｄ₃₂＝3.9300 ｎ₁₉＝1.60311 ν₁₉＝60.70 ｒ₃₃＝-15.0910 ｄ₃₃＝1.5700 ｎ₂₀＝1.80610 ν₂₀＝40.95 ｒ₃₄＝-33.7870 ｄ₃₄＝2.0000 ｒ₃₅＝∞ ｄ₃₅＝43.7000 ｎ₂₁＝1.62004 ν₂₁＝36.25 ｒ₃₆＝-21.1550 ｄ₃₆＝8.0000 ｒ₃₇＝21.1550 ｄ₃₇＝43.7000 ｎ₂₂＝1.62004 ν₂₂＝36.25 ｒ₃₈＝∞ ｄ₃₈＝2.0000 ｒ₃₉＝33.7870 ｄ₃₉＝1.5700 ｎ₂₃＝1.80610 ν₂₃＝40.95 ｒ₄₀＝15.0910 ｄ₄₀＝3.9300 ｎ₂₄＝1.60311 ν₂₄＝60.70 ｒ₄₁＝-32.5590 ｄ₄₁＝1.3000 ｒ₄₂＝∞（瞳） ｄ₄₂＝1.3000 ｒ₄₃＝32.5590 ｄ₄₃＝3.9300 ｎ₂₅＝1.60311 ν₂₅＝60.70 ｒ₄₄＝-15.0910 ｄ₄₄＝1.5700 ｎ₂₆＝1.80610 ν₂₆＝40.95 ｒ₄₅＝-33.7870 ｄ₄₅＝2.0000 ｒ₄₆＝∞ ｄ₄₆＝36.9500 ｎ₂₇＝1.62004 ν₂₇＝36.25 ｒ₄₇＝∞ ｄ₄₇＝2.5000 ｎ₂₈＝1.62004 ν₂₈＝36.25 ｒ₄₈＝8.1900 ｄ₄₈＝2.0000 ｒ₄₉＝16.6190 ｄ₄₉＝2.5300 ｎ₂₉＝1.72825 ν₂₉＝28.46 ｒ₅₀＝-19.1100 ｄ₅₀＝5.5100 ｒ₅₁＝∞（最終リレー像）ｄ₅₁＝Ｄ₁ ｒ₅₂＝-15.0000 ｄ₅₂＝1.0000 ｎ₃₀＝1.78472 ν₃₀＝25.71 ｒ₅₃＝∞ ｄ₅₃＝3.0000 ｎ₃₁＝1.67003 ν₃₁＝47.25 ｒ₅₄＝-7.3280 ｄ₅₄＝0.1000 ｒ₅₅＝10.2360 ｄ₅₅＝2.0000 ｎ₃₂＝1.67003 ν₃₂＝47.25 ｒ₅₆＝∞（瞳） ｄ₅₆＝1.0000 ｎ₃₃＝1.75520 ν₃₃＝27.51 ｒ₅₇＝11.9420 ｄ₅₇＝Ｄ₂ ｒ₅₈＝59.9770 ｄ₅₈＝2.0000 ｎ₃₄＝1.51633 ν₃₄＝64.15 ｒ₅₉＝-22.0150 ｄ₅₉＝0.1000 ｒ₆₀＝27.2990 ｄ₆₀＝3.5000 ｎ₃₅＝1.62280 ν₃₅＝57.06 ｒ₆₁＝-10.0530 ｄ₆₁＝1.0000 ｎ₃₆＝1.80518 ν₃₆＝25.43 ｒ₆₂＝-24.2430 ｄ₆₂＝Ｄ₃ ｒ₆₃＝∞ ｄ₆₃＝1.0000 ｎ₃₇＝1.51633 ν₃₇＝64.15 ｒ₆₄＝∞ ｄ₆₄＝14.1000 ｒ₆₅＝∞（像面） 上記の数値例において、ｒ₁ ，ｒ₂ ，・・・ はレンズ各面
の曲率半径、ｄ₁ ，ｄ₂ ，・・・ は各レンズの肉厚および
レンズ間隔、ｎ₁ ，ｎ₂ ，・・・ は各レンズの屈折率、ν
₁ ，ν₂ ，・・・ は各レンズのアッベ数である。尚固体撮
像素子のサイズは、１／２インチを想定している。

【００４７】また、上記の数値でｒ₁ 〜ｒ₁₄が対物レン
ズ、ｒ₁₅〜ｒ₂₅，ｒ₂₆〜ｒ₃₆，ｒ₃₇〜ｒ₅₀が夫々１，
２，３回リレーのリレーレンズ、ｒ₅₁はリレーレンズ
（像伝達光学系）による最終像面、ｒ₅₂〜ｒ₆₄が変倍光
学系である。

【００４８】次に上記光学系に関して、変倍光学系、対
物光学系、リレー光学系の順に夫々別々に詳細に説明す
る。

【００４９】図８は変倍光学系を示す図で、（Ａ）はワ
イド状態、（Ｂ）は変倍光学系のテレ状態の断面図であ
る。この変倍光学系のワイド状態の倍率は、ほぼ−１倍
であり像高は３．０４mmである。式（６）に示したよう
に対物光学系の視野角を有効に活用するためには、撮像
素子の有効部に対物光学系による像を小さすぎずかつ大
きすぎず伝送する必要がある。この例では、像高を対角
線の７５％程度に設定し、後に述べる画角１４０°の対
物光学系の画角を有効に用い、なおかつ画面サイズを大
きくしして観察しやすいようにしている。

【００５０】テレ状態の倍率は、−３程度に設定されて
おり、対物光学系の視野角に換算すると５０°程度であ
る。内視鏡下での外科手術の場合、鉗子操作が比較的広
範囲にわたることがあり、テレ状態での倍率が大きすぎ
ると、鉗子が視野から外れないように助手が内視鏡操作
を行なわねばならない。

【００５１】又変倍光学系は、瞳位置を挟んで後群が光
軸に沿って動くため、テレ状態とワイド状態では軸外光
束が後群を通過する位置で角度の符号が逆転し、後群で
の収差の作用も逆転する。したがって、軸外収差を前群
と後群のトータルで補正することが困難であり、夫々の
群でコマ収差、倍率の色収差が小さくなるように設計す
る必要がある。この例の変倍光学系においては、前群が
物体側に凹面を向けたメニスカスレンズと像側に凹面を
向けたメニスカスレンズとにて構成し、各面での光線の
屈折が滑らかになるようにし、収差の発生を抑えてい
る。又各メニスカスレンズを色消し接合レンズにし倍率
の色収差、軸上色収差を良好に補正している。又後群も
前群と基本的に同じ考えによるもので、２枚の凸レンズ
にて構成し、屈折力を各面に分散して収差の発生量を少
なく抑え、また倍率の色収差への影響の大きい像側のレ
ンズを色消し接合レンズにして、倍率の色収差を良好に
補正している。またテレ状態においては、軸外光束が後
群で光軸近傍を通るので、倍率の色収差、コマ収差など
への影響が少なく、前群と比較して構成枚数が少くても
良好な画質が得られる。

【００５２】図６に示す対物光学系は、負のパワーを有
する前群を負レンズ２枚で構成している。硬性鏡の光学
系を組立てる場合、リレー光学系、対物光学系の制作誤
差により発生する偏角、片ぼけを、対物光学系の前群を
光軸に直交する方向に動かして調整する必要がある。前
群を１枚のレンズで構成すると、調整後水密を保つこと
ができなくなるため、前群の前にカバーガラスを設ける
必要がある。しかしカバーガラスを設けると、１４０°
の超広角の場合、軸外光線がカバーガラスでけられてし
まい、周辺光量足を生じ又フレアーが発生する。

【００５３】尚本発明の内視鏡光学系において、斜視光
学系とする場合は、後に述べるような視野変換でプリズ
ムＰ（図１８参照）を配置すればよい。

【００５４】図７は、リレー光学系で３回リレー分の構
成を示している。変倍光学系は、ワイド端において−１
倍での像高を３．０４に想定しており、最終リレー系の
像高を３．０４に合わせる必要がある。最終リレー光学
系の像側の棒状レンズの像側の面を凹面にし、その直後
に両凸レンズを配置して収差の発生量を小さく抑えたま
まで倍率を変換している。

【００５５】尚、上記の光学系の説明の中では機械的な
絞りの位置について特に述べていないが、この種の光学
系ではリレーレンズ自体が絞りの機能を兼ねることが多
く、絞り板等は不要な場合が多い。数値例に示した光学
系ではリレーレンズの中の２つの接合レンズの互いに対
抗している面において軸上マージナル光線高が最も高く
なっており、このレンズの有口径を絞りと考えて実用上
問題ない。

【００５６】このため、対物レンズ中に絞りとして示し
た位置にも実際は絞り板は置かなくてよい。もちろん、
必要に応じて絞り部材を設けてもよい。

【００５７】尚、上記の各光学系の収差状況は図１２乃
至図１７に示す通りで、図１２および図１３は内視鏡光
学系全体のワイド端、テレ端における収差曲線図、図１
４は対物光学系の収差曲線図、図１５はリレー光学系の
収差曲線図、図１６，図１７は変倍光学系のワイド端、
テレ端における収差曲線図である。

【００５８】次に変倍光学系のレンズ移動機構に関連す
る部分の構成を述べる。

【００５９】図１１は、内視鏡の保持部の断面図で、こ
の図において、符号２１は内視鏡保持部を構成する中空
の外枠でその内部にはリレーレンズおよび変倍光学系が
装着されている。即ち、最も像側のリレーレンズ５の一
部である棒状接合レンズＬをスリーブ２２に接着固定
し、このスリーブ２２に外枠２１と嵌合する先端部がテ
ーパー状をなす保持枠２４およびこの保持枠２４と共に
スリーブ２２を外枠２１に固定する保持枠２５が取付け
られている。又保持枠６５には、間隔環２６を介してレ
ンズ２７が止めリング２８により取り付けられている。
スリーブ２２は、像側より内視鏡の先端に向けて外枠２
１に挿入され、所定の位置で締めリング２９と保持枠２
５との間に保持枠２４のテーパー部分を挟持して外枠２
１に固定される。

【００６０】又外枠２１の内部には、内枠３０がねじ３
１により固定され、内枠３０には第１の移動枠３２と第
２の移動枠３３が嵌合されている。この第１の移動枠３
２の物体側端部には、視野マスク部材３４がねじ３５に
より取り付けられ、像側の端部からは、変倍光学系の前
群Ｇ_V1を構成する二つの接合レンズ成分が間隔管３６を
間に挟んで落し込まれ、止めリング３７により固定され
ている。

【００６１】第１の移動枠３２の側面にはピン３８が植
設され、このピン３８が内枠３０に光軸方向に沿って設
けられた第１の長溝（図示していない）に嵌入されてい
る。

【００６２】３９はフォーカスリングで、その内壁３９
ａにはカム溝が設けられ、ピン３８がこのカム溝に嵌入
され、フォーカスリング３９の回動に伴ってカム溝によ
り駆動され内枠３０の第１の長溝内を移動する。尚４０
はピン３８が移動する空間を水密に保つための封止部材
である。

【００６３】又、第２の移動枠３３には、変倍光学系の
後群Ｇ_V2を構成する二つのレンズ成分が間隔管４１を挟
んで突起４２に突き当てられ、止めリング４３により固
定されている。第２の移動枠３３には、ピン４４が植設
され、このピン４４が内枠３０に光軸方向に沿って設け
られた第１の長溝とは別の第２の長溝（図示していな
い）に嵌入されている。４５は、変倍リングで、その内
壁４６にはカム溝が設けられており、このカム溝にピン
４４が嵌入されていて、変倍リング４５の回動に伴って
カム溝によって駆動され、内枠３０に形成された第２の
長溝内を移動する。尚５５はピン４４が移動する空間を
水密に保つための封止部材である。

【００６４】更に内枠３０の像側部分には、止めリング
によりカバーガラス４７を保持したガラス保持枠４８が
ねじ部４９により取付けられている。内枠３０の外面に
は撮像ユニットを取り付けるためのマウント部材５０が
被せられ、マウント部材５０は止め環５１と係合し止め
環５１をねじ５２により内枠３０に固定して固定され
る。

【００６５】以上述べた構成において、リレーレンズに
よりリレーされた最終像は、視野マスク部材３４の近傍
に形成されこの像が変倍光学系によりマウント部材５０
を介して取付けられた図示していない撮像ユニット中の
固体撮像素子上に結像される。ここで変倍リング４５を
回動して第２の移動枠を移動させて変倍が行なわれ、フ
ォーカスリング３９を回動して第１の移動枠を移動させ
ればフォーカシングが行なわれる。

【００６６】図１８は、斜視の光学系を示す図である。
この図において斜視光学系を実現するための内視鏡挿入
部先端に設けられる視野変換プリズムＰの反射面ａおよ
びｂは、次の構成の金属蒸着膜にて構成することが望ま
しい。つまり、ガラス内部から反射面に向かって、ガラ
ス＋Ｚr Ｏ₂ （λ／４）＋Ｍg Ｆ₂ （λ／４）＋Ａｌに
て構成することが望ましい。ここでＺr Ｏ₂ （λ／
４），Ｍg Ｆ₂ （λ／４）は薄膜の組成がＺr Ｏ₂ およ
びＭ_g Ｆ₂ で波長λにおける反射防止の位相条件を満た
す膜厚を示し、Ａｌは、アルミニウムによる全反射ミラ
ーを示している。

【００６７】従来、内視鏡の対物レンズ中に含まれる視
野変換プリズムに用いられる反射面として、次の３種類
が知られている。

【００６８】（１）空気面との接触を利用した全反射 （２）ガラス＋Ａｇ（銀） （３）ガラス＋Ａｌ（アルミニウム） 上記の反射面のうち、（１）に示す反射面は、反射率が
１００％で、内視鏡の様に外径が極端に制約されて観察
像が暗くなりがちな用途には有効であるが、全反射条件
を満たすための設計が難しく、例えば図６に示す例の場
合、ガラスの屈折率を約１．７とすると、全反射条件は
sin （１／１．７）＝３６．０３より入射角が大きくな
ければならず、これをｂ面に用いた場合、入射角がθが
小さいために、全く全反射できない。

【００６９】また、（２）に示した反射面は、反射率が
ほぼ１００％であるが、時間経過に対する耐性に乏し
く、定期的にＡg の再蒸着を行なわないと反射率が低下
する。そのため、一度組立てたら分解困難な内視鏡用視
野変換プリズムには不向きである。また、Ａg の蒸着は
高価である。

【００７０】更に（３）に示す反射面は、反射率が９０
％前後で（１），（２）の反射面に比べて低く、例えば
図１８に示す反射面ａ，ｂに用いた場合、９０％×９０
％＝８１％となり、観察像が暗くなりがちであって、内
視鏡光学系に用いるのは不向きである。しかしＡｌの蒸
着膜は安価であって、経時変化等の耐性に強い利点を有
している。

【００７１】したがって、図１８に示す斜視用内視鏡光
学系の視野変換プリズムＰの反射面としては、反射率
（１），（２）の反射面とほぼ同じ１００％に近い反射
率を有し、安価で耐性の優れた、ガラス＋Ｚr Ｏ₂ （λ
／４）＋Ｍg Ｆ₂ （λ／４）＋Ａｌの金属蒸着膜が望ま
しい。この金属蒸着膜は、一般に金属増強反射ミラーと
呼ばれ、光学薄膜と呼ばれ光学薄膜に関して記載されて
いる書籍や文献等に既に多く述べられている。図１９
は、日刊工業新聞社発行の「光学薄膜ユーザーハンドブ
ック」に掲載されているもので、裸および増強Ａｌミラ
ーの分光反射率の理論値を示すグラフである。この図か
らも明らかなように増強Ａｌミラーにおいては、Ａｌミ
ラーよりも高い１００％に近い反射率を示している。

【００７２】又Ｚr Ｏ₂ ，Ｍg Ｆ₂ は、種々の光学機器
にフレアー防止を目的とした反射防止膜として普及して
おり、それほど高価ではない。またＺr Ｏ₂ ，Ｍg Ｆ₂
の代りにＴi Ｏ₂ 等のような一般の反射防止膜に使用さ
れている物質を用いたり、Ｚr Ｏ₂ ，Ｍg Ｆ₂ を更に交
互に重ねることにより、反射率を１００％に近付けても
よい。

【００７３】更に、内視鏡においては、挿入部先端の視
野変換プリズムだけでなく、例えば図２０に示すよう
な、観察のみでなく処置を目的としたクランク形状の内
視鏡の反射面ｃ，ｄに、前記の金属蒸着膜を設けてもよ
い。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、内視鏡あるいはアダプ
ターを交換することなしに、作業目的に応じで観察倍率
を交換でき、又高画質での撮像が可能な内視鏡光学系や
内視鏡システムを得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内視鏡システムの全体の構成を示す図

【図２】本発明の内視鏡光学系における対物光学系の構
成の概要を示す図

【図３】本発明の内視鏡光学系におけるリレー系の１日
のリレーの構成の概要を示す図

【図４】本発明の内視鏡光学系における対物光学系の他
の例の概要を示す図

【図５】本発明の内視鏡光学系における変倍光学系の構
成の概要を示す図

【図６】本発明の内視鏡光学系における対物光学系の例
の断面図

【図７】本発明の内視鏡光学系におけるリレーレンズ系
（像伝達光学系）の例を示す断面図

【図８】本発明の内視鏡光学系における変倍光学系の例
を示す断面図

【図９】本発明の内視鏡の外観図

【図１０】本発明の内視鏡の挿入部の断面図

【図１１】本発明の内視鏡の保持部付近の拡大断面図

【図１２】本発明の内視鏡光学系のワイド端における収
差曲線図

【図１３】本発明の内視鏡光学系のテレ端における収差
曲線図

【図１４】図６に示す対物光学系の収差曲線図

【図１５】図７に示すリレー光学系の収差曲線図

【図１６】図８に示す変倍光学系のワイド端における収
差曲線図

【図１７】図８に示す変倍光学系のテレ端における収差
曲線図

【図１８】内視鏡用斜視光学系の構成の概要を示す図

【図１９】視野変換プリズム等で用いられる反射面の反
射特性を示すグラフ

【図２０】処理用の内視鏡の構成の概要を示す図

【図２１】従来の内視鏡システムの構成を示す図

【符号の説明】

１ 内視鏡本体 ２ 挿入部 ３ 保持部 ４ 対物光学系 ５ リレー光学系 ６ 変倍光学系 ７ 固体撮像素子ユニット ９ 信号処理部 １０ モニターテレビ １１ 光源装置 １２ ライトガイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 23/24 Ｂ 9317−2Ｋ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体側から順に、結像部と変倍部とよりな
   り、前記結像部が明るさ絞りを含んでおり、又前記変倍
   部が変倍のために光軸に沿って移動するレンズ群を含ん
   でおり該レンズ群の移動範囲が変倍部の瞳にかかるよう
   に設定されている変倍光学系。
2. 【請求項２】前記変倍部が、対物レンズと該対物レンズ
   により形成される物体像をリレーする像伝達光学系を含
   んでおり、又前記変倍部が正の屈折力を持つ前群と正の
   屈折力を持つ後群とからなり、前記後群が変倍のために
   移動する請求項１の変倍光学系。
3. 【請求項３】負の屈折力を持つ前群と正の屈折力を持つ
   後群とよりなる対物光学系と、前記対物光学系により形
   成される像をリレーする像伝達光学系と、変倍光学系
   と、ライトガイドとを備えた内視鏡と、前記内視鏡に着
   脱可能であって固体撮像素子を含んでいる撮像素子ユニ
   ットと、前記撮像素子ユニットからの出力信号を映像信
   号に変換する信号処理部と、前記信号処理部からの出力
   信号を受けて画像を表示する表示部と、前記内視鏡に備
   えられたライトガイドを介して物体を照明する光源装置
   とを備えた内視鏡ビデオ観察システム。
4. 【請求項４】少なくとも一つの凸面を有する第１の棒状
   レンズと、正のパワーを有する色消し接合レンズとを瞳
   を挟んで前後に配置したリレーレンズ。