JPH1073758A - 結像光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光量の減少を伴うことなく、遠点合焦状態お
よび近点合焦状態においてほぼ１００％の透過率を有
し、かつ小型でスペースを取らない焦点可変機能を内視
鏡等の結像光学系に付与することにより、結像レンズの
焦点深度を向上させ、明るさを向上させるとともに拡大
観察を可能にする。 【解決手段】 本発明の結像光学系は、実質的に透明な
複屈折液晶材２０から成る第１本体と、実質的に透明な
複屈折液晶材２１から成る第２本体と、電気場または磁
場を前記第１本体および第２本体の全体に加える２対の
電極１２，１６および１３，１８とから成る液晶レンズ
４を有し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前
面が垂直に配向されるとともに、前記第１本体および第
２本体が、光軸に垂直な面に対してほぼ対称な形状を有
し、液晶レンズ４の前後に光学素子１，２，３，５，
６，７，８を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結像レンズに焦点
可変機能を付与する結像光学系であって、特に、内視鏡
等のコンパクトな結像光学系を要求する撮像素子を構成
する場合に有効な、焦点可変素子として機能する結像光
学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内視鏡等に用いられる結像レンズに焦点
可変機能を付与する結像光学系の従来例としては、例え
ば特公昭６２−３５０９０号公報に記載されたものがあ
る。この従来例は、内視鏡先端硬性部の範囲内に設置す
る対物レンズの保持枠を長手方向に延在するように構成
し、焦点調節のための手元操作部での操作により保持枠
を長手方向において機械的に前後移動させ、ピント位置
を変化させようとするものである。

【０００３】また、特開平２−４６４２３号公報に記載
された従来例は、結像光学系内に、偏光方向を選択する
ための機構と、液晶の電気光学効果を利用した可変焦点
レンズとを有するものであり、この従来例は、電気的駆
動により対物レンズの焦点距離を変化させるようにして
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特公昭６２−３５
０９０号公報の従来例は、保持枠を機械的に移動させる
機構を内視鏡先端部のような微小スペースに収納するよ
う記載されているが、この記載通りに構成にすることは
スペース的な制約から実質的に不可能である。また、特
公平２−４６４２３号公報の従来例は、液晶の複屈折性
に起因する二重像を防止するため偏光方向を選択する機
能を必要とすることから、可変焦点レンズの透過率が５
０％以下になるという不具合が生じる。このような光量
の減衰は内視鏡用の結像レンズとしては致命的であるた
め、通常、その対策として、絞り径を大きくしたり、あ
るいは、ライトガイドの太径化を図る等の手法が用いら
れるが、前者は焦点深度が浅くなる不具合が生じ、後者
は内視鏡自身が太径化する不具合が生じることから、何
れも内視鏡に組み込む焦点可変機能としては実用的では
ない。

【０００５】本発明は、光量の減少を伴うことなく、遠
点合焦状態および近点合焦状態においてほぼ１００％の
透過率を有し、かつ小型でスペースを取らない焦点可変
機能を内視鏡等の結像光学系に付与することにより、結
像レンズの焦点深度を向上させ、明るさを向上させると
ともに拡大観察を可能にすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的のため、本発明
の請求項１に係る内視鏡用結像光学系は、実質的に透明
な複屈折液晶材から成る第１本体と、実質的に透明な複
屈折液晶材から成る第２本体と、電気場または磁場を前
記第１本体および第２本体の全体に加える少なくとも一
対の電極とから成る部材を有し、前記第１本体の後面お
よび前記第２本体の前面が垂直に配向されるとともに、
前記第１本体および第２本体が、光軸に垂直な面に対し
てほぼ対称な形状を有することを特徴とする。

【０００７】本発明の請求項１は、実質的に透明な複屈
折液晶材から成る第１本体と、実質的に透明な複屈折液
晶材から成る第２本体と、電気場または磁場を前記第１
本体および第２本体の全体に加える少なくとも一対の電
極とから成る部材であって、前記第１本体の後面および
前記第２本体の前面が垂直に配向されるようにした部材
を内視鏡等の結像レンズに搭載することにより、内視鏡
等に偏光板を必要としない焦点可変機能を付加しようと
いうものである。

【０００８】すなわち、本発明の請求項１において、前
記部材に電圧を印加しない状態では、第１本体の入射端
の液晶材の長軸方向に対し垂直な方向に偏光方向を有す
る入射光は、第１本体内では前記液晶材の常光屈折率に
よる作用を受け、入射端の液晶材の長軸方向が第１本体
の出射端の液晶材の長軸方向と直交する第２本体内では
異常光屈折率による作用を受ける。また、第１本体の液
晶材の長軸方向に対し平行な方向に偏光方向を有する入
射光は、第１本体内では前記液晶材の異常光屈折率によ
る作用を受け、液晶材の長軸方向が第１本体と直交する
第２本体内では常光屈折率による作用を受ける。ここ
で、第１本体および第２本体をほぼ同等の構成にするこ
とにより、偏向方向による焦点位置の差は無視し得る量
となる。一方、電圧印加時には、液晶分子は光軸に対し
て平行に配列するため、入射した光束の全てが液晶材の
常光屈折率による作用を受けて第１本体内および第２本
体内を透過する。

【０００９】上述したように構成される本発明の請求項
１に係る結像光学系は、二重像を防止するための偏光方
向を選択する機能を必要としないため、遠点合焦状態、
近点合焦状態の双方においてほぼ１００％の透過率を有
する焦点可変機能を内視鏡等に付与することが可能にな
る。

【００１０】特に、内視鏡のような微小光学系では、光
学系自体の焦点距離が短く、かつ光束径も細いため、液
晶可変焦点レンズの搭載を考慮した場合、液晶の厚さを
薄くすることが可能になる。したがって、応答速度が速
く、かつ高コントラスト、高透過率の可変焦点レンズと
することが可能になる。さらに、現在、内視鏡では、操
作性及び低侵襲性の流れから、さらなるコンパクト化が
求められているが、駆動系が電気系であり、対物系の小
型化が進むにつれて応答性およびコントラストがさらに
向上する液晶可変焦点レンズはコンパクト化に適してお
り、内視鏡等に焦点可変機能を付与するのに有効な部材
である。

【００１１】次に、上記可変焦点レンズの搭載により、
偏光板無しでも全ての偏光光に対し同一のパワーを得た
上で、内視鏡として十分なパワー変動および応答速度を
得るための構成要件を以下に説明する。全ての偏光光に
対し二重像を生じることなく同一のパワーを得るために
は、上述のように、第１本体に異常光として入射する偏
光成分と、第１本体に常光として入射する偏光成分とが
上記部材より受けるパワーが等しくなる必要がある。加
工および組立上、第１本体および第２本体の液晶材料を
同一とした場合、第１本体前面、第１本体後面、第２本
体前面、第２本体後面の曲率半径を夫々Ｒ₁ 、Ｒ ₁ ′、
Ｒ₂ 、Ｒ₂ ′とし、複屈折率をｎとし、常光屈折率をｎ
_o とし、異常光屈折率をｎ_e とし、第１本体および第２
本体の間隔が十分小さいと仮定すると、各曲率半径は、
以下の関係式を満たす必要がある。

【数１】

【００１２】上式より、各曲率半径は以下の関係を満た
す必要がある。 １／Ｒ₁ −１／Ｒ₁ ′−１／Ｒ₂ ＋１／Ｒ₂ ′＝０ （３） 式（３）を満たし、かつ、加工および組立上の容易さを
得るための条件を考慮すると、第１本体および第２本体
が光軸と垂直な面に対してほぼ対称な形状を有している
ことが望ましい。

【００１３】上記目的のため、本発明の請求項２に係る
内視鏡用結像光学系は、実質的に透明な複屈折液晶材か
ら成る第１本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成
る第２本体と、電気場または磁場を前記第１本体および
第２本体の全体に加える少なくとも一対の電極とから成
る部材を有し、前記第１本体の後面および前記第２本体
の前面が垂直に配向されるとともに、明るさ絞りから前
記部材までの距離Ｌおよび系全体の焦点距離ｆが、 Ｌ≦ｆ／２ （１） の関係を満たすことを特徴とする。

【００１４】内視鏡等の対物レンズとしては、レトロフ
ォーカスタイプが一般的であり、液晶レンズが明るさ絞
りから近いほど、液晶レンズへの斜入射が減少する。よ
って、液晶レンズを明るさ絞りの近くに配置すること
は、液晶内での複屈折による像のズレおよび着色が低減
されることを意味する。また、明るさ絞りに近付けるほ
ど光束径が細くなるため、有効径を小さく取ることがで
き、液晶層の厚さを抑えることもできる。したがって、
結像レンズ系全体の焦点距離をｆとし、明るさ絞りから
液晶レンズまでの距離をＬとしたとき、上記（１）式の
関係を満たすことが望ましい。

【００１５】（１）式の上限を越えると、像のズレ、着
色、応答速度の劣化につながるため、望ましくない。液
晶レンズを、明るさ絞りの前面あるいは後面に配置する
ことが特に望ましい。

【００１６】上記目的のため、本発明の請求項３に係る
内視鏡用結像光学系は、実質的に透明な複屈折液晶材か
ら成る第１本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成
る第２本体と、電気場または磁場を前記第１本体および
第２本体の全体に加える少なくとも一対の電極とから成
る部材を有し、前記第１本体の前面および前記第２本体
の後面が垂直に配向されるとともに、前記第１本体およ
び第２本体が曲面を向かい合わせて配置されることを特
徴とする。

【００１７】本発明の請求項３は、実質的に透明な複屈
折液晶材から成る第１本体と、実質的に透明な複屈折液
晶材から成る第２本体と、電気場または磁場を前記第１
本体および第２本体の全体に加える少なくとも一対の電
極とから成る部材であって、前記第１本体の前面および
前記第２本体の後面が垂直に配向されるようにした部材
を内視鏡等の結像レンズに搭載することにより、内視鏡
等に偏光板を必要としない焦点可変機能を付加しようと
いうものである。

【００１８】上記第１本体および第２本体を設置する位
置は、実際には、結像系の中で多少ズレるため、第１本
体および第２本体へ入射する光線高の相違に応じて僅か
ながら偏光方向による像のズレが生じる。この像のズレ
を最小にするため、第１本体および第２本体を、曲面が
向かい合わせになるように配置して、パワー変動に寄与
する面の位置ズレをできるだけ小さくする必要がある。
具体的には、液晶を封入する基板を、平板、両凹レンズ
および平板レンズを順次積層して形成し、その空隙部に
第１本体および第２本体を封入するという方法を用いる
ことができる。この方法は、屈折面を接近させて二重焦
点を防止する効果が高い上に、第１本体および第２本体
の配向方向を垂直にする役割を両凹レンズ１枚で果たす
ことができるため、組立時の工程上も好都合である。

【００１９】ところで、内視鏡を使用する際には、遠点
合焦状態で被写体に接近し、ある程度被写体に接近した
ところで近点合焦状態にピントを切り換えた後、近点合
焦状態で被写体を観察することとなるが、近点合焦状態
から遠点合焦状態へピント切換を行う物体位置と遠点合
焦状態から近点合焦状態へピント切換を行う物体位置と
が接近している場合には、物体が切換位置の近傍に存在
していると、その物体が多少前後移動しただけで頻繁に
ピント切換が行われることとなる。このため、液晶を用
いたレンズを結像光学系に搭載し、焦点可変機能を付加
することを考慮した場合、パワー変動を得るために複屈
折性の大きい液晶を用いる必要があるが、複屈折性の大
きい液晶は粘性が高くかつ応答速度が遅いという問題を
有しているため、頻繁にピント切換が行われた場合には
鮮明な画像を得ることが困難になってしまう。

【００２０】この問題の対策としては、ピント切換位置
の近傍に物体位置があるときに、ピント切換が必要以上
に頻繁に行われることを防止して常に鮮明な画像が得ら
れるようにした結像光学系とすればよく、例えば、結像
光学系を、ピント切換を行う物体位置を遠点合焦状態か
ら近点合焦状態へのピント切換時と近点合焦状態から遠
点合焦状態へのピント切換時とで異なる物体位置に設定
したオートフォーカス機能を有するように構成すればよ
い。具体的には、遠点合焦状態から近点合焦状態へのピ
ント切換を行う物体位置ｘｂと近点合焦状態から遠点合
焦状態へのピント切換を行う物体位置Ｘｂとを異なる位
置に設定することにより、一旦ピント切換が行われた後
に多少物体が切換位置近傍で前後移動してもピントの切
換が必要以上に起こらないようにし、物体が大きく前後
移動したときに初めてピント切換が行われるように設定
することによって、液晶の応答速度に関係なく、常に鮮
明な画像を得るようにすることができる。

【００２１】また、近点合焦状態の近点側まで物体を観
察し得るようにするためには、Ｘｂおよびｘｂの関係
を、 ｘｂ≦Ｘｂ （４） とすることが必要となる。また、内視鏡に要求される焦
点深度を考慮すると、Ｘｂおよびｘｂとの間に、 １(mm)≦（Ｘｂ−ｘｂ）≦２５(mm) （５） の関係があることが望ましい。さらに、ｘｂを近点合焦
状態のベスト物点位置に設定し、Ｘｂを遠点合焦状態の
ベスト物点位置に設定することにより、ピント切換時で
も鮮明な画像を得ることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。図１は本発明の結像光学系の
第１実施形態の構成を示す図であり、この第１実施形態
の結像光学系は電子内視鏡用撮像光学系として構成され
ている。図１に示す内視鏡先端部Ａの端面には、カバー
ガラスを兼ねた凹レンズ１が設けられており、光軸上に
おいて凹レンズ１の後方には、レンズ２、明るさ絞り
３、液晶レンズ４、２枚のレンズより成るレンズ５、レ
ンズ６、２枚のレンズより成るレンズ７および固体撮像
素子用カバーガラス８および固体撮像素子（ＣＣＤ）２
４が順次配置されており、液晶レンズ４は１枚の平行平
板レンズ９を中心にしてほぼ左右対称に構成されてい
る。

【００２３】すなわち、液晶レンズ４の図示左側の部分
は、平行平板レンズ９と、平凹レンズ１０と、平行平板
レンズ９の左端面に順次被覆される透明電極１２および
配向膜１４と、平凹レンズ１０の凹面に順次被覆される
透明電極１６および配向膜１７と、平行平板レンズ９の
左端面および平凹レンズ１０の凹面の間に形成される凹
レンズ状の空隙（セル）内に封入されるネマティック液
晶２０とから成り、同様に、液晶レンズ４の図示右側の
部分は、平行平板レンズ９と、平凹レンズ１１と、平行
平板レンズ９の右端面に順次被覆される透明電極１３お
よび配向膜１５と、平凹レンズ１１の凹面に順次被覆さ
れる透明電極１８および配向膜１９と、平行平板レンズ
９の右端面および平凹レンズ１１の凹面の間に形成され
る凹レンズ状の空隙（セル）内に封入されるネマティッ
ク液晶２１とから成る。上記配向膜１４および１５は互
いに直交する向きに配置され、透明電極１２、１６およ
び１３、１８には夫々、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を介し
て交流電源（例えば５０Ｈｚ）Ｐ１およびＰ２が接続さ
れている。ここで、配向膜１４および１５は上記のよう
に互いに直交する向きに配置してもよいが、連続的に焦
点距離を変化させるためには、配向方向を平行に設定す
ることが好ましい。なお、上記内視鏡先端部Ａには、上
記撮像光学系と平行になるように、ライトガイド２２お
よび照明レンズ２３から成る照明光学系が配置されてい
る。

【００２４】本実施形態では、図１に示すようにスイッ
チＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦ状態にした場合、液晶レンズ
４内の液晶２０、２１はホモジニアス配列となり、液晶
分子の長軸方向が光軸と直交する配列となる。このと
き、配向膜１７に対し垂直な偏光方向を有する物体から
の入射光は、液晶２０の常光屈折率による作用を受けて
液晶２０内で通過し、偏光方向が互いに直交する配向膜
１４、１５を介して液晶２１内を通過する。その際、上
記入射光は、液晶２１内では光の偏光方向と液晶の長軸
方向とが一致しているため、液晶２１の異常光屈折率に
よる作用を受けて通過する。一方、配向膜１７に対し平
行な偏光方向を有する入射光は、上記原理より、液晶２
０内では液晶２０の異常光屈折率による作用を受けて通
過し、液晶２１内では液晶２１の常光屈折率による作用
を受けて通過する。その際、液晶２０、２１は夫々、絶
対値が等しく逆符号の曲率を有する平凹レンズ１０およ
び平凹レンズ１１内に封入されているため、液晶レンズ
４は、入射光束の全偏光成分に対してほぼ同等の屈折作
用を有するレンズとして作用する。

【００２５】一方、図２に示すようにスイッチＳＷ１、
ＳＷ２をＯＮにして交流電圧を印加した場合、液晶レン
ズ４内の液晶２０、２１はホメオトロピック配列、すな
わち液晶分子の長軸方向が光軸と平行になる配列とな
る。したがって、液晶２０および２１に入射する全ての
光は液晶２０、２１の常光屈折率による作用を受けて液
晶レンズ４内を透過する。

【００２６】上記液晶２０、２１は、全ての偏光方向に
同一なパワーを与えるため、平行平板レンズ９に対して
左右対称な形状を有しており、例えば、凹レンズの曲率
半径Ｒの絶対値｜Ｒ｜が２７ｍｍで、複屈折率差Δｎが
０．２４の液晶を用い、平凹レンズ１０および平凹レン
ズ１１の間隔を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の値（例
えば０．３ｍｍ）とすることにより、ベスト物体位置を
８ｍｍから１８ｍｍへ変化させることができる。また、
液晶レンズ４を明るさ絞り３の後方０．１５ｍｍの位置
に設定することにより各液晶の厚さを２０μｍに設定す
ることができ、それにより応答速度の向上を図ることが
できる。

【００２７】本実施形態においては、上述したように液
晶レンズ４の液晶２０、２１の間隔および厚さを設定す
ることにより、偏光方向による像のズレを防止してお
り、ＣＣＤ２４の端面に結像する像のズレを３μｍ以下
に抑えることが可能になる。このズレ量は、ＣＣＤのサ
ンプリング周波数を考慮した場合に無視できる像のズレ
量である。また、液晶レンズ４は厚さが１ｍｍ程度であ
るため、その側面に設けたＤカット部に電極を設けるこ
とにより、駆動部内でほとんどスペースを占有せずに配
線できるので、内視鏡先端部の径方向および長手方向の
形状をほとんど変更することなく液晶レンズを搭載する
ことが可能になる。

【００２８】上記において、液晶２０、２１を配向させ
るための配向膜の形成方法としては、ポリイミドの塗布
膜をラビングする方法を用いるか、あるいは、酸化ケイ
素の斜方蒸着法を用いるものとする。斜方蒸着法による
形成方法は、本実施形態のような微小な曲面を有するレ
ンズに対し、均一かつ非接触に一様な配向膜を形成する
ことができるため、内視鏡対物レンズには適している。
さらに、ガラス材と透明電極としてのＩＴＯ膜との間に
ＳｉＯ₂ をコートすることにより、ガラス材に含まれる
アルカリ成分の流出を防止することもできる。このと
き、レンズと液晶との界面における反射を防止するため
には、ＳｉＯ₂ 、ＩＴＯ、ポリイミドの厚さｄｓ、ｄ
ｉ、ｄｐが夫々、以下の関係を保つことが望ましい。 １０（ｎｍ）≦ｄｓ≦５０（ｎｍ） （６） ８０（ｎｍ）≦ｄｉ≦１５０（ｎｍ） （７） １０（ｎｍ）≦ｄｐ≦５０（ｎｍ） （８）

【００２９】また、液晶の封止は、スペーサを散りばめ
たエポキシ樹脂でレンズの有効径外に壁を作成し、基板
を接着した後に液晶を注入し、さらに注入口を封止する
ことにより行う。このとき、スペーサは、配向膜と同様
に、絶縁の効果も有しているので、液晶を注入すること
も考えると、４μｍ以上の球形スペーサを用いることが
望ましい。ここで、２焦点切換のみを考えて、液晶をツ
イストネマティック配向とした場合、液晶に入射した偏
光光が厚さに依存せずに液晶内で９０度回転するために
は、ある程度の厚さが必要となる。本実施形態の場合、
液晶への入射光が９５％以上偏光面を回転させて透過す
るためには、液晶の厚さを６μｍ以上にする必要があ
る。ただし、必要以上にスペーサを大きくすることはレ
ンズ中心の液晶厚も考慮すると、応答速度を遅くするこ
とになるため、好ましくない。

【００３０】また、駆動に関しては、周波数５０Hz以上
の交流場での駆動が望ましく、応答速度を向上させるこ
とを考えた場合、比誘電率が大きく変化する周波数（例
えば１ＫＨｚ以上の高周波）での駆動が望ましい。ま
た、近点側の電圧を無印加にする代わりに１Ｖ程度に設
定することにより、応答速度をさらに向上させることが
できる。また、本実施形態では、誘電率異方性が正の液
晶を用いているが、その代わりに誘電率異方性が負の液
晶を用いることにより、電圧印加時にホモジニアス配向
させるとともに、無印加時にホメオトロピック配向させ
ることも可能である。この場合、近点側を観察するとき
のみ液晶レンズを駆動させることとなるため、さらに好
ましい。また、使用上、近点側、遠点側の２焦点切換で
十分な場合には液晶はＴＮ配向であってもよく、その場
合、液晶の電圧無印加時における配向を安定させて、さ
らに鮮明な画像を得ることができる。ただし、この場合
も、両凹面における配向が垂直である必要がある。

【００３１】さらに、上記第１実施形態に、三角測距
法、像位相差法、あるいはライトガイド等の自照明光の
物体からの反射光強度に基づいて物点距離（物体位置ま
での距離）を検出する機能等を付与することにより、物
点距離に応じてピントを切り換えることが可能になる。
その際、遠点合焦状態から近点合焦状態へピント切換を
行う物体位置と、近点合焦状態から遠点合焦状態へピン
ト切換を行う物体位置とを異なる位置に設定することに
より、物体がピント切換位置の近傍に存在する場合に頻
繁にピント切換が生じることが防止され、常に鮮明な画
像を得ることができる。特に、遠点合焦状態から近点合
焦状態へのピント切換を行う物体位置を近点合焦状態側
のベスト切換位置（例えば８ｍｍ）に設定するととも
に、近点合焦状態から遠点合焦状態へのピント切換を行
う物体位置を遠点合焦状態側のベスト切換位置（例えば
１８ｍｍ）に設定することにより、遠点合焦状態から近
点合焦状態へのピント切換の頻度を減少させることがで
き、ピント切換時でも常に鮮明な画像を得ることができ
る。

【００３２】なお、本実施形態の結像光学系には、電子
内視鏡用撮像光学系として構成する場合に好適な要件が
ある。以下に各種要件を列挙する。内視鏡対物レンズの
ように画角が広い光学系では、バックフォーカスも取れ
るレトロフォーカスタイプの光学系が一般的である。そ
の理由は、赤外光による固体撮像素子の感光を防止する
ために、赤外光をカットする作用を有するフィルタを配
置する必要があるためである。そこで、液晶レンズを構
成する基板を赤外光カットフィルタによって構成するこ
とにより、新たにスペースを設けることなく液晶レンズ
を配置することが可能になる。また、液晶レンズに対す
る入射光が光軸から大きく傾くと、二重像または液晶に
よる色付きの原因ともなる。そこで、本実施形態のよう
に、液晶レンズを明るさ絞りの近傍、特に明るさ絞りの
前面または後面に配置することが望ましい。

【００３３】また、内視鏡のように小径レンズが要求さ
れる結像光学系では、液晶レンズにもある程度の小径化
が要求されるため、液晶レンズ５の外径φは、５ｍｍ以
下とすることが望ましい。また、液晶２０および２１の
厚さは、液晶の光の散乱および吸収を考慮すると０．０
４ｍｍ以下とするのが望ましく、内視鏡に用いるような
微小レンズでは、平凹レンズ１０および１１の曲率半径
Ｒの絶対値｜Ｒ｜が１ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下であ
ることが望ましく、絶対値｜Ｒ｜が１ｍｍ以上かつ８０
ｍｍ以下であることがさらに望ましい。

【００３４】また、本実施形態では、液晶２０および２
１として、ネマティック液晶の複屈折率差Δｎが０．２
４である液晶を用いているが、複屈折率差Δｎは液晶レ
ンズ４の焦点変動量に対応する値であるため、内視鏡と
して必要な焦点距離の変動を得るためには、ネマティッ
ク液晶の複屈折率差Δｎが０．１５以上かつ０．３５以
下であることが望ましい。

【００３５】さらに、液晶２０および２１の間隔ｄが大
きい場合には、偏光方向により液晶レンズ内の光路に僅
かに差が生じて二重像を発生させる原因となるため、液
晶２０および液晶２１の間隔ｄは、０．１ｍｍ以上かつ
０．４ｍｍ以下であることが望ましい。

【００３６】図３および図４は本発明の結像光学系の第
２実施形態の構成を示す図であり、図３は液晶に電圧を
印加しない状態を示し、図４は液晶に電圧を印加した状
態を示している。この第２実施形態の結像光学系は消化
器用内視鏡に搭載されている。本実施形態の液晶レンズ
３１は、１枚の両凹レンズ４１と、２枚の平行平板レン
ズ４２、４３等を具備して成るが、その他の光学系（光
学素子３２〜３８）は上記第１実施形態とほぼ同様に構
成されており、固体撮像素子用カバーガラス３９の後方
に固体撮像素子（ＣＣＤ）６０を配置し、ＣＣＤ端面に
結像させるものである。

【００３７】上記液晶レンズ３１の両凹レンズ４１の左
右両面には夫々、透明電極４４、４５および互いに直交
する向きに配置された配向膜４６、４７が順次被覆され
ており、また、平行平板レンズ４２、４３の両凹レンズ
４１側の面には夫々、透明電極４８、４９および配向膜
５０、５１が被覆されている。また、両凹レンズ４１お
よびその左右両面に夫々対向するように配置された平行
平板レンズ４２、４３の被覆面によって形成される凹レ
ンズ状の空隙（セル）内には夫々、ネマティック液晶５
２、５３が封入されている。上記透明電極４５、４９お
よび４４、４８には夫々、上記第１実施形態と同様に、
スイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して交流電源（例えば５０
Ｈｚ、１０Ｖ）Ｐ１およびＰ２が接続されている。な
お、上記内視鏡先端部Ａには、上記撮像光学系と平行に
なるように、ライトガイド２２および照明レンズ２３か
ら成る照明光学系が配置されている。

【００３８】本実施形態においては、液晶レンズ３１を
上記のように両凹レンズ４１を用いて構成することによ
り、平行平板レンズの両側に液晶を配置する第１実施形
態の場合よりも液晶５２および５３の間隔を狭く取るこ
とができるため、偏光方向の違いによる二重像（像のズ
レ）を減少させることができる。

【００３９】図５は本発明の結像光学系の第３実施形態
の構成を示す図である。本実施形態は上記第２実施形態
の変形例であり、液晶レンズ４１を構成する両凹レンズ
４１の左右両凹面の曲率半径Ｒ、Ｒ′を微妙に異ならせ
たものである。このように構成することにより、偏光方
向による主光線（最大像高）のＣＣＤ端面上でのわずか
なズレを解消することが可能になる。

【００４０】図６は本発明の結像光学系の第４実施形態
の構成を示す図であり、この図は液晶に電圧を印加しな
い状態を示している。この第４実施形態の結像光学系は
消化器用電子スコープに搭載可能に構成されている。本
実施形態は、従来の結像光学系を用いて、全系のレンズ
長および外径をほとんど変更せずに液晶レンズの焦点可
変機能を付加することにより、近点側の焦点深度を強化
したものである。また、本実施形態では、明るさ絞りの
近傍は特に光線高が低く、レンズ外径が２ｍｍ程度の液
晶レンズの搭載が可能であり、したがって、液晶層の薄
い、応答速度の速い液晶レンズとすることが可能であ
る。本実施形態の液晶レンズ８１は、平行平板レンズ６
２と、両凹レンズ６３と、平行平板レンズ６４等を具備
して成るが、その他の光学系は第２実施形態とほぼ同様
に構成されており、前方に光学素子８２が配置された固
体撮像素子用カバーガラス６５の後方に固体撮像素子
（ＣＣＤ）６６を配置し、ＣＣＤ端面に結像させるもの
である。

【００４１】また、図６において、平行平板６７はＣＣ
Ｄの分光感度を補正するための赤外カットフィルターで
あり、平行平板６８、６９は診断治療に用いるＹＡＧレ
ーザー光をカットするためのコートを施されたフィルタ
ーである。したがって、液晶レンズを構成する平行平板
レンズあるいは凹レンズを赤外カットフィルタで構成
し、さらに、液晶レンズの両面にＹＡＧカットコートを
施すことにより、さらなるコンパクト化を図ることがで
きる。また、液晶レンズ８１は、レンズ側面に電極を設
け、両凹レンズの両面および２枚の平行平板の両方を夫
々同時に導通させることにより、一対の駆動部のみで駆
動させることもできる。

【００４２】なお、上記各実施形態では結像光学系を内
視鏡等に適用した例を示したが、これに限定されるもの
ではなく、他の光学系に適用してもよい。また、上記照
明光学系を省略してもよい。

【００４３】

【実施例】以下、前述した第１〜第４実施形態の数値例
である第１〜第４実施例について説明する。ただし、以
下の説明においてＯＢはベスト物点位置までの物体距
離、ｆは焦点距離、Ｆ_NOはＦナンバー、ＩＨは像高、ｒ
₁ ，ｒ₂ ，・・・は各面の曲率半径、ｄ₁ ，ｄ₂ ，・・
・は各面間隔、ｎ₁ ，ｎ₂ ，・・・は各光学部材におけ
るｄ線（５８７、５６ｎｍ光線）での屈折率、ν₁ ，ν
₂ ，・・・はそのアッベ数を示す。

【００４４】［第１実施例］ （１）光学系の数値（各数値の定義については図７を参照のこと）。 ｒ₁ ＝30.655 ｄ₁ ＝0.800 ｎ₁ ＝1.88 ν₁ ＝40.78 ｒ₂ ＝ 2.206 ｄ₂ ＝2.850 ｒ₃ ＝ 7.352 ｄ₃ ＝0.700 ｎ₂ ＝1.85 ν₂ ＝23.78 ｒ₄ ＝25.586 ｄ₄ ＝0.850 ｒ₅ ＝∞（明るさ絞り）ｄ₅ ＝0.154 ｒ₆ ＝∞ ｄ₆ ＝0.480 ｎ₃ ＝1.88 ν₃ ＝40.78 ｒ₇ ＝27.008 ｄ₇ ＝0.020 ｎ_a （ネマティック液晶層) ｒ₈ ＝∞ ｄ₈ ＝0.300 ｎ₄ ＝1.88 ν₄ ＝40.78 ｒ₉ ＝∞ ｄ₉ ＝0.020 ｎ_b （ネマティック液晶層) ｒ₁₀＝−27.008 ｄ₁₀＝0.480 ｎ₅ ＝1.88 ν₅ ＝40.78 ｒ₁₁＝∞ ｄ₁₁＝0.600 ｒ₁₂＝∞ ｄ₁₂＝2.000 ｎ₆ ＝1.59 ν₆ ＝61.18 ｒ₁₃＝−2.439 ｄ₁₃＝0.500 ｎ₇ ＝1.85 ν₇ ＝23.78 ｒ₁₄＝−4.515 ｄ₁₄＝0.100 ｒ₁₅＝6.855 ｄ₁₅＝1.420 ｎ₈ ＝1.73 ν₈ ＝54.68 ｒ₁₆＝−32.264 ｄ₁₆＝0.100 ｒ₁₇＝ 5.532 ｄ₁₇＝3.070 ｎ₉ ＝1.73 ν₉ ＝54.68 ｒ₁₈＝−4.295 ｄ₁₈＝0.600 ｎ₁₀＝1.85 ν₁₀＝23.78 ｒ₁₉＝21.640 ｄ₁₉＝1.390 ｒ₂₀＝∞ ｄ₂₀＝0.700 ｎ₁₁＝1.52 ν₁₁＝64.15 ｒ₂₁＝∞ ｄ₂₁＝0 ｒ₂₂（像位置） ただし、使用したネマティック液晶層の常光における屈
折率は１．５２、異常光における屈折率は１．７６、明
るさ絞りの絞り径は１．２ｍｍである。

【００４５】（２）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加した場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝18.3 (mm) ｆ ＝1.4722 (mm) Ｆ_NO＝2.795 ＩＨ＝1.135 (mm)

【００４６】（３）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加しない状態で、液晶分子の長軸方向に対して
平行な振動方向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.76 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝8 (mm) ｆ ＝1.462 (mm) Ｆ_NO＝2.78 ＩＨ＝1.135 (mm) （４）上記光学系のネマティック液晶層に電圧を印加し
ない状態で、液晶分子の長軸方向に対して垂直な振動方
向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.76 ＯＢ＝8 (mm) ｆ ＝1.464 (mm) Ｆ_NO＝2.79 ＩＨ＝1.135 (mm)

【００４７】［第２実施例］ （１）光学系の数値（各数値の定義については図８を参照のこと）。 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.450 ｎ₁ ＝1.88 ν₁ ＝40.78 ｒ₂ ＝ 1.007 ｄ₂ ＝0.730 ｒ₃ ＝ 5.905 ｄ₃ ＝2.120 ｎ₂ ＝1.77 ν₂ ＝49.60 ｒ₄ ＝−1.999 ｄ₄ ＝0.100 ｒ₅ ＝∞（明るさ絞り）ｄ₅ ＝0 ｒ₆ ＝∞ ｄ₆ ＝0.370 ｎ₃ ＝1.52 ν₃ ＝64.15 ｒ₇ ＝∞ ｄ₇ ＝0.020 ｎ_a （ネマティック液晶層) ｒ₈ ＝−27.008 ｄ₈ ＝0.300 ｎ₄ ＝1.52 ν₄ ＝64.15 ｒ₉ ＝ 27.008 ｄ₉ ＝0.020 ｎ_b （ネマティック液晶層) ｒ₁₀＝∞ ｄ₁₀＝0.370 ｎ₅ ＝1.52 ν₅ ＝64.15 ｒ₁₁＝∞ ｄ₁₁＝0.030 ｒ₁₂＝∞ ｄ₁₂＝0.620 ｎ₆ ＝1.51 ν₆ ＝75.00 ｒ₁₃＝∞ ｄ₁₃＝0.160 ｒ₁₄＝ 5.781 ｄ₁₄＝1.300 ｎ₇ ＝1.70 ν₇ ＝55.53 ｒ₁₅＝−1.442 ｄ₁₅＝0.280 ｎ₈ ＝1.85 ν₈ ＝23.78 ｒ₁₆＝−5.018 ｄ₁₆＝0.100 ｒ₁₇＝∞ ｄ₁₇＝0.400 ｎ₉ ＝1.52 ν₉ ＝59.89 ｒ₁₈＝∞ ｄ₁₈＝0.871 ｒ₁₉＝∞ ｄ₁₉＝1.000 ｎ₁₀＝1.52 ν₁₀＝64.15 ｒ₂₀＝∞ ｄ₂₀＝1.250 ｎ₁₁＝1.53 ν₁₁＝59.89 ｒ₂₁＝∞ ｄ₂₁＝0 ｒ₂₂（像位置） ただし、使用したネマティック液晶層の常光における屈
折率は１．５２、異常光における屈折率は１．７６、明
るさ絞りの絞り径は１．４ｍｍである。

【００４８】（２）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加した場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝15.0 (mm) ｆ ＝1.609 (mm) Ｆ_NO＝7.39 ＩＨ＝1.63 (mm)

【００４９】（３）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加しない状態で、液晶分子の長軸方向に対して
平行な振動方向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.76 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝8 (mm) ｆ ＝1.570 (mm) Ｆ_NO＝7.37 ＩＨ＝1.63 (mm) （４）上記光学系のネマティック液晶層に電圧を印加し
ない状態で、液晶分子の長軸方向に対して垂直な振動方
向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.76 ＯＢ＝8 (mm) ｆ ＝1.570 (mm) Ｆ_NO＝7.37 ＩＨ＝1.63 (mm)

【００５０】［第３実施例］ （１）光学系の数値（各数値の定義については図８を参照のこと）。 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.450 ｎ₁ ＝1.88 ν₁ ＝40.78 ｒ₂ ＝ 1.007 ｄ₂ ＝0.730 ｒ₃ ＝ 5.905 ｄ₃ ＝2.120 ｎ₂ ＝1.77 ν₂ ＝49.60 ｒ₄ ＝−1.999 ｄ₄ ＝0.100 ｒ₅ ＝∞（明るさ絞り）ｄ₅ ＝0 ｒ₆ ＝∞ ｄ₆ ＝0.370 ｎ₃ ＝1.52 ν₃ ＝64.15 ｒ₇ ＝∞ ｄ₇ ＝0.020 ｎ_a （ネマティック液晶層) ｒ₈ ＝−16.807 ｄ₈ ＝0.300 ｎ₄ ＝1.52 ν₄ ＝64.15 ｒ₉ ＝ 28.685 ｄ₉ ＝0.020 ｎ_b （ネマティック液晶層) ｒ₁₀＝∞ ｄ₁₀＝0.370 ｎ₅ ＝1.52 ν₅ ＝64.15 ｒ₁₁＝∞ ｄ₁₁＝0.030 ｒ₁₂＝∞ ｄ₁₂＝0.620 ｎ₆ ＝1.51 ν₆ ＝75.00 ｒ₁₃＝∞ ｄ₁₃＝0.160 ｒ₁₄＝ 5.781 ｄ₁₄＝1.300 ｎ₇ ＝1.70 ν₇ ＝55.53 ｒ₁₅＝−1.442 ｄ₁₅＝0.280 ｎ₈ ＝1.85 ν₈ ＝23.78 ｒ₁₆＝−5.018 ｄ₁₆＝0.100 ｒ₁₇＝∞ ｄ₁₇＝0.400 ｎ₉ ＝1.52 ν₉ ＝59.89 ｒ₁₈＝∞ ｄ₁₈＝0.871 ｒ₁₉＝∞ ｄ₁₉＝1.000 ｎ₁₀＝1.52 ν₁₀＝64.15 ｒ₂₀＝∞ ｄ₂₀＝1.250 ｎ₁₁＝1.53 ν₁₁＝59.89 ｒ₂₁＝∞ ｄ₂₁＝0 ｒ₂₂（像位置） ただし、使用したネマティック液晶層の常光における屈
折率は１．５２、異常光における屈折率は１．７６、明
るさ絞りの絞り径は０．５４ｍｍである。

【００５１】（２）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加した場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝15.0 (mm) ｆ ＝1.608 (mm) Ｆ_NO＝7.39 ＩＨ＝1.63 (mm)

【００５２】（３）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加しない状態で、液晶分子の長軸方向に対して
平行な振動方向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.76 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝8 (mm) ｆ ＝1.571 (mm) Ｆ_NO＝7.37 ＩＨ＝1.63 (mm) （４）上記光学系のネマティック液晶層に電圧を印加し
ない状態で、液晶分子の長軸方向に対して垂直な振動方
向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.76 ＯＢ＝8 (mm) ｆ ＝1.547 (mm) Ｆ_NO＝7.26 ＩＨ＝1.63 (mm)

【００５３】［第４実施例］ （１）光学系の数値（各数値の定義については図９を参照のこと）。 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.460 ｎ₁ ＝1.88 ν₁ ＝40.78 ｒ₂ ＝1.009 ｄ₂ ＝0.830 ｒ₃ ＝5.908 ｄ₃ ＝2.120 ｎ₂ ＝1.77 ν₂ ＝49.60 ｒ₄ ＝−2.000 ｄ₄ ＝0.100 ｒ₅ ＝∞（明るさ絞り）ｄ₅ ＝0 ｒ₆ ＝∞ ｄ₆ ＝0.300 ｎ₃ ＝1.56 ν₃ ＝60.67 ｒ₇ ＝∞ ｄ₇ ＝0.014 ｎ_a （ネマティック液晶層) ｒ₈ ＝−16.304 ｄ₈ ＝0.250 ｎ₄ ＝1.56 ν₄ ＝60.67 ｒ₉ ＝ 16.304 ｄ₉ ＝0.014 ｎ_b （ネマティック液晶層) ｒ₁₀＝∞ ｄ₁₀＝0.300 ｎ₅ ＝1.56 ν₅ ＝60.67 ｒ₁₁＝∞ ｄ₁₁＝0.030 ｒ₁₂＝∞ ｄ₁₂＝0.400 ｎ₆ ＝1.52 ν₆ ＝59.89 ｒ₁₃＝∞ ｄ₁₃＝0.030 ｒ₁₄＝∞ ｄ₁₄＝0.620 ｎ₇ ＝1.51 ν₇ ＝75.00 ｒ₁₅＝∞ ｄ₁₅＝0.079 ｒ₁₆＝5.772 ｄ₁₆＝1.300 ｎ₈ ＝1.70 ν₈ ＝55.53 ｒ₁₇＝−1.273 ｄ₁₇＝0.280 ｎ₁₀＝1.85 ν₁₀＝23.78 ｒ₁₈＝−5.020 ｄ₁₈＝0.100 ｒ₁₉＝∞ ｄ₁₉＝0.400 ｎ₁₁＝1.52 ν₁₁＝59.89 ｒ₂₀＝∞ ｄ₂₀＝0.890 ｒ₂₁＝∞ ｄ₂₁＝1.000 ｎ₁₂＝1.52 ν₁₂＝64.15 ｒ₂₂＝∞ ｄ₂₂＝1.250 ｎ₁₃＝1.52 ν₁₃＝59.89 ｒ₂₃＝∞ ｄ₂₃＝0 ｒ₂₄（像位置） ただし、使用したネマティック液晶層の常光における屈
折率は１．５２、異常光における屈折率は１．７６、明
るさ絞りの絞り径は０．３７ｍｍである。

【００５４】（２）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加した場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝10.0 (mm) ｆ ＝1.597 (mm) Ｆ_NO＝11.14 ＩＨ＝1.63 (mm)

【００５５】（３）上記光学系のネマティック液晶層に
電圧を印加しない状態で、液晶分子の長軸方向に対して
平行な振動方向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.76 ｎ_b ＝1.52 ＯＢ＝3.7 (mm) ｆ ＝1.597 (mm) Ｆ_NO＝11.14 ＩＨ＝1.63 (mm) （４）上記光学系のネマティック液晶層に電圧を印加し
ない状態で、液晶分子の長軸方向に対して垂直な振動方
向を有する偏光光を入射させた場合の数値 ｎ_a ＝1.52 ｎ_b ＝1.76 ＯＢ＝3.7 (mm) ｆ ＝1.597 (mm) Ｆ_NO＝11.28 ＩＨ＝1.63 (mm)

【００５６】なお、本発明は上述した例のみに限定され
るものではなく、種々の変更または変形を加えることが
でき、以下の付記項のように構成してもよい。実質的に
透明な複屈折液晶材から成る第１本体と、実質的に透明
な複屈折液晶材から成る第２本体と、電気場または磁場
を前記第１本体および第２本体の全体に加える少なくと
も一対の電極とから成る部材を有し、前記第１本体の後
面および前記第２本体の前面が垂直に配向されるととも
に、前記第１本体および第２本体が、光軸に垂直な面に
対してほぼ対称な形状を有することを特徴とする結像光
学系（付記項１）。前記第１本体および第２本体は、曲
面が向かい合うように配置されることを特徴とする付記
項１記載の結像光学系（付記項２）。前記第１本体およ
び第２本体を封入する基板は、平板、両凹レンズおよび
平板レンズにより構成されることを特徴とする付記項２
記載の結像光学系（付記項３）。

【００５７】前記第１本体および第２本体の間隔Ｌ
₁₂が、 ０．１(mm)≦Ｌ₁₂≦０．４(mm) （９） の関係を満たすことを特徴とする付記項１記載の結像光
学系（付記項４）。上記間隔Ｌ₁₂は、二重像を防止する
ためには０であるのが理想的であるが、少なくとも０．
４(mm)以下であるのが望ましい。ただし、Ｌ₁₂の大きさ
は加工上の制約があるため、下限値０．１(mm)未満にな
ると加工が困難になり、上限値０．４(mm)を越えると二
重像の原因となり、像の解像度が劣化してしまう。

【００５８】前記第１本体および第２本体の厚さｄ、曲
率半径の絶対値｜Ｒ｜、明るさ絞り径Ｄが、 Ｄ² ／８｜Ｒ｜≦ｄ≦０．０４(mm) （10） の関係を満たすことを特徴とする付記項１記載の結像光
学系（付記項５）。第１本体および第２本体の厚さｄが
上限値０．０４(mm)を越えると、応答速度が遅くなり、
望ましくない。特に、内視鏡の主流が電子スコープにな
りつつある現在、１フレームを走査する間でレンズを駆
動することを複屈折差Δｎ＝０．２程度の液晶で考えた
場合、液晶の厚さｄは、ｄ≦０．０１(mm)に設定する必
要がある。また、液晶の厚さが増すことは、画像のコン
トラストおよび透過率を悪化させるため好ましくない。
ただし、ｄの下限値には光束径Ｄからの制限があり、Ｄ
² ／８｜Ｒ｜≦ｄを満たさない場合、必要な光束が蹴ら
れることになる。以上より、ｄは、上記（10）式の関係
を満たす必要がある。

【００５９】前記第１本体および第２本体の曲率半径の
絶対値｜Ｒ｜が、 １(mm)≦｜Ｒ｜≦８０(mm) （11） の関係を満たすことを特徴とする付記項１記載の結像光
学系（付記項６）。複屈折率差Δｎが小さいほど液晶の
粘性が小さくて応答速度が速くなることを考えると、｜
Ｒ｜≦８０(mm)の関係を満たすことが、より望ましい。
ただし、上記（10）式に示す通り、前記第１本体および
第２本体を封入する基板の曲率半径を小さくすること
は、液晶レンズの構成上、第１本体および第２本体の厚
さｄを厚くすることとなる。つまり、曲率半径を小さく
するほど液晶層は厚くなり、応答速度、コントラスト、
透過率の劣化の原因となる。したがって、｜Ｒ｜≧１(m
m)の関係を満たすことがより好ましい。

【００６０】前記第１本体および第２本体の液晶の複屈
折率差Δｎが、 ０．１５≦Δｎ≦０．３５ （12） の関係を満たすことを特徴とする付記項１記載の結像光
学系（付記項７）。複屈折率差Δｎは、大きいほど必要
なパワーを得るためにＲを大きくすることができ、上記
（10）式に示す通り、第１本体および第２本体の厚さを
小さくできるので好ましい。したがって、０．１５≦Δ
ｎの関係を満たすことが望ましい。ただし、Δｎが大き
い材料は粘性が高いため、応答速度を悪化させる。した
がって、上記（12）式の関係を満たすことが、より望ま
しい。上記（12）式の上限値を越えると、材料の粘性の
ため応答が遅くなり好ましくない。また、下限値を下回
ると、必要なパワーを得るために液晶が厚くなり、応答
速度、コントラスト、透過率が劣化して好ましくない。

【００６１】前記第１本体および第２本体の液晶の複屈
折率差Δｎおよび曲率半径の絶対値｜Ｒ｜が、 ０．００５≦Δｎ／｜Ｒ｜≦０．１ （13） の関係を満たすことを特徴とする付記項１記載の結像光
学系（付記項８）。必要なパワー変動を生じるための要
件について考えると、可変焦点により生じることができ
るパワーの変動量Δφは、液晶の常光屈折率をｎ_o 、異
常光屈折率をｎ_e 、複屈折差をΔｎとすると、次式で表
わされる。

【数２】 内視鏡として有効なパワーの変動量Δφは、結像レンズ
のパワーφに対して、 ０．００５≦Δφ／φ （15） の関係を満たす必要がある。特に、Δφ／φは０．０１
付近であるのが最も望ましいが、Δφが大きすぎると、
２焦点切換レンズとして液晶レンズを用いた場合、近点
側の遠点よりの深度と遠点側の近点よりの深度が重なら
ないため、観察できない領域が生じ、好ましくない。し
たがって、（15）式は、さらに次式を満たすことが望ま
しい。 ０．００５≦Δφ／φ≦０．１ （16） ここで、前記第１本体および第２本体の間隔Ｌ₁₂が十分
小さく、一般的な内視鏡の焦点距離を考慮すると、（1
6）式は上記（13）式で表わすことができる。

【００６２】前記部材と明るさ絞りとの間隔Ｌと、結像
光学系全系の焦点距離ｆが、 Ｌ≦ｆ／２ （１） の関係を満たすことを特徴とする付記項１記載の結像光
学系（付記項９）。前記結像光学系がレトロフォーカス
タイプであることを特徴とする付記項９記載の結像光学
系（付記項１０）。前記部材の外径が５mm以下であるこ
とを特徴とする付記項１０記載の結像光学系（付記項１
１）。内視鏡レンズとして有効であり、かつ、液晶層を
薄く形成するためには、レンズの径はφ５mm以下である
ことが望ましい。

【００６３】前記第１本体および第２本体を封入する基
板が赤外カットフィルタで構成されていることを特徴と
する付記項１１記載の結像光学系（付記項１２）。内視
鏡の場合、固体撮像素子の赤外光に対する分光感光が高
いため、赤外光をカットする作用を有するフィルターを
配置する必要がある。そこで、液晶レンズの基板を赤外
カットフィルタにより構成することにより、省スペース
化が可能である。また、第１本体、第２本体の夫々をホ
モジニアス配向にさせ、液晶への印加電圧を連続的に変
化させることにより、焦点距離を連続的に変化させるこ
ともでき、さらに有効である。

【００６４】実質的に透明な複屈折液晶材から成る第１
本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本体
と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体の
全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を有
し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が垂
直に配向されるとともに、明るさ絞りから前記部材まで
の距離Ｌおよび系全体の焦点距離ｆが、 Ｌ≦ｆ／２ （１） の関係を満たすことを特徴とする結像光学系（付記項１
３）。明るさ絞りの前面あるいは後面に前記部材を配置
することを特徴とする付記項１３記載の結像光学系（付
記項１４）。前記第１本体および第２本体は、曲面が向
かい合うように配置されることを特徴とする付記項１３
記載の結像光学系（付記項１５）。

【００６５】前記第１本体および第２本体の曲率半径の
絶対値｜Ｒ｜が、 １(mm)≦｜Ｒ｜≦８０(mm) （11） の関係を満たすことを特徴とする付記項１３載の結像光
学系（付記項１６）。前記第１本体および第２本体の間
隔Ｌ₁₂が、 ０．１(mm)≦Ｌ₁₂≦０．４(mm) （９） の関係を満たすことを特徴とする付記項１３記載の結像
光学系（付記項１７）。前記第１本体および第２本体の
厚さｄ、曲率半径の絶対値｜Ｒ｜、明るさ絞り径Ｄが、 Ｄ² ／８｜Ｒ｜≦ｄ≦０．０４(mm) （10） の関係を満たすことを特徴とする付記項１３記載の結像
光学系（付記項１８）。前記第１本体および第２本体の
液晶の複屈折率差Δｎが、 ０．１５≦Δｎ≦０．３５ （12） の関係を満たすことを特徴とする付記項１３記載の結像
光学系（付記項１９）。

【００６６】実質的に透明な複屈折液晶材から成る第１
本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本体
と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体の
全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を有
し、前記第１本体の前面および前記第２本体の後面が垂
直に配向されるとともに、前記第１本体および第２本体
が曲面を向かい合わせて配置されることを特徴とする結
像光学系（付記項２０）。前記第１本体および第２本体
の厚さｄ、曲率半径の絶対値｜Ｒ｜、明るさ絞り径Ｄ
が、 Ｄ² ／８｜Ｒ｜≦ｄ≦０．０４(mm) （10） の関係を満たすことを特徴とする付記項２０記載の結像
光学系（付記項２１）。前記第１本体および第２本体の
曲率半径の絶対値｜Ｒ｜が、 １(mm)≦｜Ｒ｜≦８０(mm) （11） の関係を満たすことを特徴とする付記項２０載の結像光
学系（付記項２２）。

【００６７】実質的に透明な複屈折液晶材から成る第１
本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本体
と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体の
全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を有
し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が垂
直に配向されるとともに、前記第１本体および第２本体
の間隔Ｌ₁₂が、 ０．１(mm)≦Ｌ₁₂≦０．４(mm) （９） の関係を満たすことを特徴とする結像光学系（付記項２
３）。前記第１本体および第２本体が、光軸に垂直な面
に対して非対称な形状を有することを特徴とする付記項
２３記載の結像光学系（付記項２４）。

【００６８】前記第１本体および第２本体の曲率半径の
絶対値｜Ｒ₁ ｜、｜Ｒ₂ ｜が、 ０．５≦｜Ｒ₁ ／Ｒ₂ ｜≦２ （17） の関係を満たすことを特徴とする付記項２４記載の結像
光学系（付記項２５）。二重像を防止するため、上述し
たように２層の液晶を光軸に垂直な面に対してほぼ対称
な形状にする代わりに、多少曲率を変化させて２層の液
晶を光軸に垂直な面に対して非対称な形状にすると、上
述した第１本体および第２本体の位置のズレを補正する
効果を生じ、二重焦点を低減させることが可能になる。
このとき、第１本体および第２本体の曲率半径の絶対値
｜Ｒ₁ ｜、｜Ｒ₂ ｜は上記（17）式の関係を満たすこと
が望ましい。前記第１本体および第２本体の曲率半径の
絶対値｜Ｒ｜が、 １(mm)≦｜Ｒ｜≦８０(mm) （11） の関係を満たすことを特徴とする付記項２３記載の結像
光学系（付記項２６）。

【００６９】実質的に透明な複屈折液晶材から成る第１
本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本体
と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体の
全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を有
し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が垂
直に配向されるとともに、前記第１本体および第２本体
の曲率半径の絶対値｜Ｒ｜が、 ｜Ｒ｜≦１５０(mm) （18） の関係を満たすことを特徴とする結像光学系（付記項２
７）。一般的な複屈折率差Δｎの限界が０．３程度であ
ることを考慮すると、曲率半径の絶対値｜Ｒ｜は上記
（18）式を満たすものであることが望ましい。

【００７０】前記第１本体および第２本体の曲率半径の
絶対値｜Ｒ｜が、 １(mm)≦｜Ｒ｜≦８０(mm) （11） の関係を満たすことを特徴とする付記項２７記載の結像
光学系（付記項２８）。前記第１本体および第２本体は
平面および曲面により構成され、該第１本体および第２
本体の曲率半径の絶対値｜Ｒ｜が、 １(mm)≦｜Ｒ｜≦４０(mm) （19） の関係を満たすことを特徴とする付記項２７記載の結像
光学系（付記項２９）。加工上の容易のため、前記第１
本体および第２本体が平面および曲面により構成されて
いる場合、上記（19）式の関係を満たす必要がある。

【００７１】実質的に透明な複屈折液晶材から成る第１
本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本体
と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体の
全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を有
し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が垂
直に配向されるとともに、前記第１本体および第２本体
の厚さｄ、曲率半径の絶対値｜Ｒ｜、明るさ絞り径Ｄ
が、 Ｄ² ／８｜Ｒ｜≦ｄ≦０．０４(mm) （10） の関係を満たすことを特徴とする結像光学系（付記項３
０）。実質的に透明な複屈折液晶材から成る第１本体
と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本体と、
電気場または磁場を前記第１本体および第２本体の全体
に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を有し、
前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が垂直に
配向されるとともに、前記第１本体および第２本体の複
屈折率差Δｎが、 ０．１５≦Δｎ≦０．３５ （12） の関係を満たすことを特徴とする結像光学系（付記項３
１）。

【００７２】ピント切換手段を有する結像光学系におい
て、遠点合焦状態から近点合焦状態へピント切換を行う
物体位置と近点合焦状態から遠点合焦状態へピント切換
を行う物体位置とを異なる位置に設定するオートフォー
カス機能を有することを特徴とする結像光学系（付記項
３２）。付記項３２において、物体位置を検出する機能
を有することを特徴とする結像光学系（付記項３３）。
付記項３２において、前記遠点合焦状態から近点合焦状
態へピント切換を行う物体位置ｘｂおよび前記近点合焦
状態から遠点合焦状態へピント切換を行う物体位置Ｘｂ
が、 ｘｂ≦Ｘｂ （４） の関係にあることを特徴とする結像光学系（付記項３
４）。この付記項３４の構成では、近点合焦状態の近点
側まで物体を観察することができる。

【００７３】付記項３２において、前記物体位置ｘｂお
よびＸｂが、 １≦Ｘｂ−ｘｂ≦２５ （５） の関係にあることを特徴とする結像光学系（付記項３
５）。この付記項３５の構成では、内視鏡に要求される
深度を満たすことができる。付記項３２において、前記
遠点合焦状態から近点合焦状態へのピント切換位置を近
点合焦状態での物点距離に設定し、近点合焦状態から遠
点合焦状態へのピント切換位置を遠点合焦状態での物点
距離に設定することを特徴とする結像光学系（付記項３
６）。この付記項３６の構成では、ピント切換時に鮮明
な画像を得ることができる。付記項３２において、前記
前記ピント切換手段は、液晶等の電気光学効果を有する
物質により構成されることを特徴とする結像光学系（付
記項３７）。

【００７４】実質的に透明な複屈折ネマティック液晶材
から成る第１本体と、実質的に透明な複屈折ネマティッ
ク液晶材から成り前記第１本体の複屈折ネマティック液
晶材の長軸方向に対し垂直な方向に長軸方向を有する第
２本体と、電気場または磁場を前記第１本体および第２
本体の全体に加える２対の電極とから成る部材を有する
ことを特徴とする内視鏡用結像光学系（付記項３８）。
付記項３８において、前記内視鏡用結像光学系はレトロ
フォーカスタイプであることを特徴とする内視鏡用結像
光学系（付記項３９）。赤外光カットフィルタを有する
ことを特徴とする付記項３８記載の内視鏡用結像光学系
（付記項４０）。

【００７５】付記項３８において、前記部材は可変焦点
レンズであり、該可変焦点レンズを構成する第１本体お
よび第２本体は赤外光カットフィルタより成ることを特
徴とする内視鏡用結像光学系（付記項４１）。付記項３
８〜４１において、前記内視鏡用結像光学系は明るさ絞
りを有し、前記部材は前記明るさ絞りの前面または後面
に配置されることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項４２）。付記項３８〜４１において、前記内視鏡用
結像光学系は可変焦点レンズであり、その外径が５ｍｍ
以下であることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付記
項４３）。この付記項４３の構成では、小型でスペース
を取らないオートフォーカス機能を内視鏡用結像光学系
に付与することができる。

【００７６】付記項３８〜４１において、前記可変焦点
レンズの第１本体および第２本体を構成する複屈折ネマ
ティック液晶材の厚さが５０（μｍ）以下であることを
特徴とする内視鏡用結像光学系（付記項４４）。付記項
３８〜４１において、前記可変焦点レンズの第１本体お
よび第２本体の曲率半径Ｒが、 −１５０（ｍｍ）≦Ｒ≦１５０（ｍｍ） （18） であることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付記項４
５）。付記項３８〜４１において、前記可変焦点レンズ
の第１本体の曲率半径Ｒおよび前記第２本体の曲率半径
Ｒ′が異なる値であることを特徴とする内視鏡用結像光
学系（付記項４６）。

【００７７】付記項３８〜４１において、前記可変焦点
レンズの第１本体および第２本体の間隔ｄおよび前記内
視鏡用結像光学系の焦点距離ｆが、 ０．０１≦（ｄ／ｆ）≦０．５ （20） の関係にあることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項４７）。前記可変焦点レンズの第１本体および第２
本体の間隔ｄが大きい場合には偏光方向によ可変焦点レ
ンズ内の光路に僅かに差が生じて二重像を発生させる原
因となるため、間隔ｄと、結像レンズの焦点距離ｆと
は、上記（20）式の関係にあることが要求される。

【００７８】付記項３８〜４１において、前記可変焦点
レンズの複屈折ネマティック液晶の常光屈折率ｎ１およ
び異常光屈折率ｎ２の差Δｎが、 ０．１０≦Δｎ （21） の関係にあることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項４８）。上記複屈折ネマティック液晶材の複屈折率
差Δｎは可変焦点レンズの焦点変動量に対応する値であ
るため、内視鏡として必要な焦点距離の変動を得るため
には、ネマティック液晶の複屈折率差Δｎが０．１０以
上であることが望ましい。

【００７９】付記項３８〜４１において、前記可変焦点
レンズの第１本体および第２本体の間隔ｄ、前記第１本
体および第２本体の曲率半径の絶対値｜Ｒ｜、前記第１
本体および第２本体の常光屈折率ｎ１、前記内視鏡用結
像光学系を構成するガラス材の屈折率ｎ、前記複屈折ネ
マティック液晶の複屈折率差Δｎ、ならびに前記内視鏡
用結像光学系の焦点距離ｆが、 ０．００４≦（Δｎｆ／｜Ｒ｜）〔１−（ｎ１−ｎ）／ｄ｜Ｒ｜〕 ≦０．１ （22） の関係にあることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項４９）。遠点合焦状態側から近点合焦状態側への前
記可変焦点レンズ単体でのパワーの変動量Δφは、 Δφ＝（−Δｎ／｜Ｒ｜）・｛１−（ｎ１−ｎ）／ｄ｜Ｒ｜｝（23） で表わされる。このパワーの変動量Δφが内視鏡として
有効な値となるためには、結像レンズの焦点距離ｆに対
してΔφが、 ０．００４≦ｆΔφ≦０．１ （24） の関係にあることが望ましい。よって、上記（22）式を
満たすことが望ましい。

【００８０】付記項３８〜４１において、前記可変焦点
レンズの第１本体、第２本体の曲率半径の絶対値｜Ｒ｜
および内視鏡用結像光学系の焦点距離ｆが、 ０．０１≦（ｆ／｜Ｒ｜）≦０．３ （25） の関係にあることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項５０）。上記（25）式の最適値が約０．０１である
こと、およびネマティック液晶の応答速度から求められ
るΔｎの限界値が約０．３であることから、前記第１本
体および第２本体の曲率半径の絶対値｜Ｒ｜と結像レン
ズの焦点距離ｆとは、上記（25）式の関係にあることが
望ましい。付記項３８〜４１において、前記電気場また
は磁場が少なくとも毎秒５０Ｈｚの交流場であることを
特徴とする内視鏡用結像光学系（付記項５１）。

【００８１】ピント切換手段を有する内視鏡用結像光学
系において、遠点合焦状態から近点合焦状態へピント切
換を行う物体位置と近点合焦状態から遠点合焦状態へピ
ント切換を行う物体位置とを異なる位置に設定する自動
合焦切換機能を有することを特徴とする内視鏡用結像光
学系（付記項５２）。この付記項５２においては、前記
自動合焦切換機能によって、遠点合焦状態から近点合焦
状態へピント切換を行う物体位置と近点合焦状態から遠
点合焦状態へピント切換を行う物体位置とを異なる位置
に設定することにより、一旦ピント切換が行われた後に
物体が切換位置の近傍で小さく前後移動した場合にはピ
ント切換が必要以上に起こらず、物体が切換位置の近傍
で大きく前後移動した場合にのみピント切換が行われる
ことになる。それにより、液晶材の応答速度に拘わら
ず、常に鮮明な画像を得ることが可能になる。

【００８２】付記項５２において、物体位置を検出する
機能を有することを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項５３）。付記項５２において、前記遠点合焦状態か
ら近点合焦状態へピント切換を行う物体位置ｘｂおよび
前記近点合焦状態から遠点合焦状態へピント切換を行う
物体位置Ｘｂが、 ｘｂ≦Ｘｂ （４） の関係にあることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項５４）。この付記項５４の構成では、近点合焦状態
の近点側まで物体を観察することができる。

【００８３】付記項５２において、前記物体位置ｘｂお
よびＸｂが、 １≦Ｘｂ−ｘｂ≦２５ （５） の関係にあることを特徴とする内視鏡用結像光学系（付
記項５５）。この付記項５５の構成では、内視鏡に要求
される深度を満たすことができる。付記項５２におい
て、前記遠点合焦状態から近点合焦状態へのピント切換
位置を近点合焦状態での物点距離に設定し、近点合焦状
態から遠点合焦状態へのピント切換位置を遠点合焦状態
での物点距離に設定することを特徴とする内視鏡用結像
光学系（付記項５６）。この付記項５６の構成では、ピ
ント切換時に鮮明な画像を得ることができる。付記項５
２において、前記前記ピント切換手段は、液晶等の電気
光学効果を有する物質により構成されることを特徴とす
る内視鏡用結像光学系（付記項５７）。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、明
るさを減衰させることなく、自動合焦切換機能を内視鏡
に付与することができる。さらに、小型で実現性も高い
ため、内視鏡用として構成した場合に極めて有効な焦点
可変切換機能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結像光学系の第１実施形態の構成を示
す図である。

【図２】第１実施形態の液晶への電圧印加時の状態を示
す図である。

【図３】本発明の結像光学系の第２実施形態の構成を示
す図である。

【図４】第２実施形態の液晶への電圧印加時の状態を示
す図である。

【図５】本発明の結像光学系の第３実施形態の構成を示
す図である。

【図６】本発明の結像光学系の第４実施形態の構成を示
す図である。

【図７】本発明の第１実施例における各光学素子の曲率
半径および面間隔を定義する図である。

【図８】本発明の第２および第３実施例における各光学
素子の曲率半径および面間隔を定義する図である。

【図９】本発明の第４実施例における各光学素子の曲率
半径および面間隔を定義する図である。

【符号の説明】

１ 凹レンズ ２，５，６，７ レンズ ３ 明るさ絞り ４ 液晶レンズ ８ 固体撮像素子（ＣＣＤ） ９ 平行平板レンズ １０，１１ 平凹レンズ１０ １２，１３，１６，１８ 透明電極 １４，１５ １７，１９ 配向膜 ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ Ｐ１，Ｐ２ 交流電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に透明な複屈折液晶材から成る第
   １本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本
   体と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体
   の全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を
   有し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が
   垂直に配向されるとともに、前記第１本体および第２本
   体が、光軸に垂直な面に対してほぼ対称な形状を有する
   ことを特徴とする結像光学系。
2. 【請求項２】 実質的に透明な複屈折液晶材から成る第
   １本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本
   体と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体
   の全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を
   有し、前記第１本体の後面および前記第２本体の前面が
   垂直に配向されるとともに、明るさ絞りから前記部材ま
   での距離Ｌおよび系全体の焦点距離ｆが、 Ｌ≦ｆ／２ （１） の関係を満たすことを特徴とする結像光学系。
3. 【請求項３】 実質的に透明な複屈折液晶材から成る第
   １本体と、実質的に透明な複屈折液晶材から成る第２本
   体と、電気場または磁場を前記第１本体および第２本体
   の全体に加える少なくとも一対の電極とから成る部材を
   有し、前記第１本体の前面および前記第２本体の後面が
   垂直に配向されるとともに、前記第１本体および第２本
   体が曲面を向かい合わせて配置されることを特徴とする
   結像光学系。