JPWO2011152099A1 - 内視鏡用対物レンズ、及び内視鏡 - Google Patents

Abstract

物体側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群、絞り、正のパワーを持つ第二のレンズ群を有し、第一のレンズ群を、物体側から順に、少なくとも、像側に凹面を向けた負の前群側レンズ、像側に凸面を向けた正の前群側レンズで構成し、第二のレンズ群を、物体側から順に、少なくとも、像側に凸面を向けた正の後群側レンズ、負のレンズと正のレンズとを接合した接合レンズで構成した内視鏡用対物レンズを、所定の条件を満たすように構成した。

Description

本発明は、生体内を診断するための内視鏡、及び該内視鏡の先端部に組み込まれる内視鏡用対物レンズに関連し、詳しくは、光学性能を良好に維持しつつ小型かつ広視野角に設計された内視鏡用対物レンズ、及び内視鏡に関する。

患者の体腔内を診断するための機器として、内視鏡（ファイバスコープ又は電子スコープ）が一般に知られ、実用に供されている。この種の内視鏡の先端部は、微小な隙間にも円滑に挿入できるように小型に設計されることが望まれる。先端部の設計上可能な最小外形は、寸法の大きい搭載部品によって実質的に規定される。寸法の大きい搭載部品には、例えば内視鏡用対物レンズがある。搭載部品として小型な内視鏡用対物レンズを選択することは、先端部を小型化する有効な手段の一つである。

内視鏡用対物レンズには、術者による病変部等の見落としを減らすため、観察視野を広範にする、つまり広視野角に設計することも望まれる。しかし、光学レンズにおいては、一般に、視野角を広くするほど像面湾曲が二乗に比例して大きくなり、画質を劣化させる問題がある。内視鏡用対物レンズには、正確な診断に供される画像を得るため、光学性能の劣化をおさえつつ小型かつ広視野角であることが要求される。このような内視鏡用対物レンズの具体的構成例が特許第３３５９０９２号公報（以下、「特許文献１」と記す。）に記載されている。特許文献１に記載された内視鏡用対物レンズは、高屈折率レンズを用いることにより、光学性能の劣化をおさえつつ小型化と広視野角化を両立させている。

特許文献１に記載された内視鏡用対物レンズをはじめとする従来の内視鏡用対物レンズでは、光学性能の維持及び寸法上の制約を鑑みると、視野角として１４０°程度が一般的である。この程度の視野角では、例えば大腸内の管壁やヒダの裏側等を観察するときに内視鏡の湾曲部を湾曲させて先端部の向きを変える必要がある。しかし、例えば管腔径が細い場合等は先端部の動きが制限されるため、先端部を所望の向きに変えられないことがある。また、先端部を様々な向きに変えながら診断を進める場合、操作が煩雑であると共に診断時間が長期化する。これは、術者と患者の両者にとって負担であるため望ましくない。

そこで、内視鏡用対物レンズを更に広視野角化して観察視野を広範にすることが望まれる。特許文献１において視野角を更に広げるには、屈折率の更に高いレンズを用いて内視鏡用対物レンズを設計する必要がある。しかし、屈折率の更に高いレンズを選択して広視野角化を試みた場合、倍率色収差が大きく発生して画質劣化が生じる虞がある。特に、観察視野の周辺ほど色ずれが顕著に現れて、管腔観察に適した光学性能が達成されないという問題が指摘される。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学性能を良好に維持しつつ小型かつ広視野角に設計された内視鏡用対物レンズ、及び内視鏡を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る内視鏡用対物レンズは、物体側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群、絞り、正のパワーを持つ第二のレンズ群を有する。このうちの第一のレンズ群は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負の前群側レンズ、像側に凸面を向けた正の前群側レンズを少なくとも有する。また、第二のレンズ群は、物体側から順に、像側に凸面を向けた正の後群側レンズ、負のレンズと正のレンズとを接合した接合レンズを少なくとも有する。かかる内視鏡用対物レンズは、光学性能を良好に維持しつつ小型かつ広視野角を両立するため、第一のレンズ群の焦点距離をｆ_Ｆ（単位：ｍｍ）と定義し、該第一のレンズ群と第二のレンズ群との合成焦点距離をｆ（単位：ｍｍ）と定義し、負の前群側レンズの物体側の面の曲率半径をＲ_１（単位：ｍｍ）と定義し、該負の前群側レンズの像側の面の曲率半径をＲ_２（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件（１）、（２）
−３．５≦ｆ_Ｆ／ｆ≦−１．５・・・（１）
１．３≦ＳＦ≦１．６・・・（２）
但し、ＳＦ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／（Ｒ_１−Ｒ_２）
を満たすように構成されている。

条件（１）の上限を超える場合、第一のレンズ群の負のパワーが過大であるため、広視野角設計を試みるとコマ収差や色収差等の諸収差を良好に補正するのが難しい。また、第二のレンズ群の倍率を高く設定せざるを得ないため、組立時の第一のレンズ群と第二のレンズ群との群間隔の誤差に伴う第二のレンズ群の倍率変化をおさえることが難しい。倍率変化に伴う視野角変化が大きいため、仕様を満足する視野角の保証が難しい。条件（１）の下限を下回る場合は、レンズ外径をおさえて設計することが難しく、小型化に不向きである。また、第一のレンズ群の倍率を高く設定せざるを得ないため、第一のレンズ群が光軸に対して偏心して組み付けられた際の像面倒れが大きく、観察視野周辺で画質劣化が生じやすい。なお、像面倒れは、理想的には光軸を基準に対称に残存する像面湾曲が、結像レンズの組立時の偏心量及び偏心方向に依存して光軸を基準に非対称に残存する現象をいう。

条件（２）の上限を超える場合、電子スコープを管腔内に押し進める際の既存の挿入感（詳しくは後述する）が失われる。また、負の前群側レンズは、物体側の面の曲率半径が小さくなり当該面の突出量が増えるため、洗浄性が低下すると共に損傷しやすくなる。条件（２）の下限を下回る場合は、管壁等が表示される観察視野周辺の解像度が低下するため、管腔観察に適さない。また、負の前群側レンズは、物体側の面の曲率半径が大きいため、当該面への入射角が大きくなり光量損失が生じやすい。

本発明に係る内視鏡用対物レンズは、視野角を広げた場合に懸念される観察視野周辺の光学性能の劣化がより一層おさえるべく、負の前群側レンズの焦点距離をｆ_１と定義した場合に、次の条件（３）
−１．８≦ｆ_１／ｆ≦−１．１・・・（３）
を満たす構成としてもよい。

条件（３）の上限を超える場合、負の前群側レンズのパワーが強いため、非点収差と色収差を良好に補正することが難しく周辺解像度が低下する。条件（３）の下限を下回る場合は、負の前群側レンズのパワーが弱いため、有効光束半径をおさえつつ視野角を広げるといった設計に不向きである。

本発明に係る内視鏡用対物レンズは、像面湾曲を管腔観察に適した状態に保ちつつ視野角を広げるため、正の後群側レンズの焦点距離をｆ_３と定義した場合に、次の条件（４）
２．０≦ｆ_３／ｆ≦４．０・・・（４）
を満たす構成としてもよい。

条件（４）の上限を超える場合、内視鏡用対物レンズ全体として正のパワーが強いため、ペッツバール和が大きくなり、観察対象の管腔径が細いときに像面がアンダーに傾きやすい。条件（４）の下限を下回る場合は、内視鏡用対物レンズ全体として正のパワーが弱いため、ペッツバール和が小さくなり、観察対象の管腔径が太いときに像面がオーバーに傾きやすい。何れの場合も、管壁等が表示される観察視野周辺の解像度が低下して、管壁等を鮮明な映像で観察するのが難しい。

本発明に係る内視鏡用対物レンズは、観察視野周辺での解像度を高めつつ観察視野中心付近の解像度の低下を有効に避けるため、結像面における最大像高をｙと定義し、最大像高ｙよりも低い中間像高をｙ_ｉと定義し、最大像高ｙに対応する半画角をω_ｍと定義し、中間像高ｙ_ｉに対応する半画角をω_ｉと定義した場合に、次の条件（５）
１．３×ｓｉｎ（ω_ｉ／１．３）≦ｙ_ｉ／ｆ≦３．０×ｓｉｎ（ω_ｉ／３．０）・・・（５）
但し、６０°≦ω_ｉ≦ω_ｍ
を満たす構成としてもよい。

条件（５）の上限を超える場合、観察視野中心付近における解像度の低下が避けられない。条件（５）の下限を下回る場合は、観察視野周辺における解像度の低下が避けられない。

正の前群側レンズは、像面倒れによる観察視野周辺の解像度の低下を有効におさえるべく、物体側の面を平面としてもよい。

本発明に係る内視鏡用対物レンズは、表面反射による光量損失を有効におさえるべく、最大像高ｙに入射する光線の、負の前群側レンズの物体側の面への入射角をθと定義した場合に、次の条件（６）
θ≦７５°・・・（６）
を満たす構成としてもよい。

条件（６）を外れる場合に例えば負の前群側レンズを高屈折率硝材を用いて形成すると、表面反射による光量損失が大きい。

本発明に係る内視鏡用対物レンズは、例えば電子スコープの絶縁性能を保証するため、結像面における最大像高をｙと定義した場合に、次の条件（７）
２．０≦Ｒ_１／ｙ≦５．５・・・（７）
を満たす構成としてもよい。

条件（７）の上限を超える場合、負の前群側レンズのコバ厚を十分に確保することができないため、絶縁性能を保証するに足るコバ厚を確保するのが難しい。また、負の前群側レンズの物体側の面への入射角が大きいため、表面反射による光量損失量が増加する。条件（７）の下限を下回る場合、負の前群側レンズの物体側の面は突出量が増えるため、洗浄性が低下すると共に損傷しやすくなる。

本発明に係る内視鏡用対物レンズは、負の前群側レンズにおいて物体側の面の突出量をおさえつつ表面反射による光量損失もおさえるべく、結像面における最大像高をｙと定義し、最大像高ｙにおける負の前群側レンズの有効光束半径をＤと定義した場合に、次の条件（８）
２．０≦Ｄ／ｙ≦３．０・・・（８）
を満たす構成としてもよい。

条件（８）の上限を超える場合、負の前群側レンズの物体側の面の突出量がおさえられる一方、当該面への入射角が大きいため、表面反射による光量損失量が増加する。また、内視鏡用対物レンズの全長（光軸方向の寸法）をおさえることが難しい。条件（８）の下限を下回る場合は、負の前群側レンズの物体側の面において表面反射による光量損失がおさえられる一方、当該面の突出量が増えるため、洗浄性が低下すると共に損傷しやすくなる。

第二のレンズ群は、広視野角化に伴って増加する像面湾曲をより一層良好に補正するため、正の後群側レンズと接合レンズとの間に正レンズを更に有する構成としてもよい。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る内視鏡は、上記内視鏡用対物レンズを先端に搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、光学性能を良好に維持しつつ小型かつ広視野角に設計された内視鏡用対物レンズ、及び内視鏡が提供される。

本発明の実施形態の電子スコープの外観を示す外観図である。 本発明の実施形態（実施例１）の内視鏡用対物レンズ及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例１の内視鏡用対物レンズの各種収差図である。 本発明の実施例２の内視鏡用対物レンズ及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例２の内視鏡用対物レンズの各種収差図である。 本発明の実施例３の内視鏡用対物レンズ及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例３の内視鏡用対物レンズの各種収差図である。 本発明の実施例４の内視鏡用対物レンズ及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例４の内視鏡用対物レンズの各種収差図である。 本発明の実施例５の内視鏡用対物レンズ及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例５の内視鏡用対物レンズの各種収差図である。 本発明の実施例６の内視鏡用対物レンズ及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。 本発明の実施例６の内視鏡用対物レンズの各種収差図である。 本発明の実施例１において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の実施例２において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の実施例３において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の実施例４において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の実施例５において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の実施例６において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の比較例１において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。 本発明の実施形態において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の電子スコープ、及び該電子スコープに組み込まれた内視鏡用対物レンズについて説明する。

図１は、本実施形態の電子スコープ１の外観を示す外観図である。図１に示されるように、電子スコープ１は、可撓性を有するシース（外皮）１１ａによって外装された可撓管１１を有している。可撓管１１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が連結されている。可撓管１１と先端部１２との連結箇所にある湾曲部１４は、可撓管１１の基端に連結された手元操作部１３からの遠隔操作（具体的には、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作）によって屈曲自在に構成されている。この屈曲機構は、一般的な電子スコープ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を屈曲させるように構成されている。先端部１２の方向が上記操作による屈曲動作に応じて変わることにより、電子スコープ１による撮影領域が移動する。

先端部１２の樹脂製筐体の内部には、内視鏡用対物レンズ１００（図１中破線で囲んだブロック）が組み込まれている。内視鏡用対物レンズ１００は、撮影領域中の被写体の画像データを採取するため、被写体からの光を固体撮像素子（図示省略）の受光面上に結像させる。

本実施形態の電子スコープ１は、例えば消化器系を観察するための内視鏡を想定する。電子スコープ１には、大腸等の細い管腔を広範な視野で撮影するため、小型かつ広視野角が要求される。そこで、電子スコープ１では、寸法の大きい搭載部品である内視鏡用対物レンズ１００を小型に設計することにより、先端部１２の外形寸法がおさえられている。内視鏡用対物レンズ１００はまた、観察視野を広範にして術者による病変部等の見落としを減らすため、小型でありつつも広視野角に設計されている。内視鏡用対物レンズ１００の視野角は、例えば１７０°以上が望ましい。

図２は、本発明の実施例１（詳しくは後述）の内視鏡用対物レンズ１００及びその後段に配置された光学部品の配置を示す断面図である。次においては、図２を参照しつつ、本発明の実施形態の内視鏡用対物レンズ１００について詳細に説明する。

内視鏡用対物レンズ１００は、図２に示されるように、物体（被写体）側から順に、第一のレンズ群Ｇ１、絞りＳ、第二のレンズ群Ｇ２を少なくとも有している。第一のレンズ群Ｇ１、第二のレンズ群Ｇ２を構成する各光学レンズは、内視鏡用対物レンズ１００の光軸ＡＸを中心として回転対称な形状を有している。第二のレンズ群Ｇ２の後段には、固体撮像素子用の色補正フィルタＦが配置されている。色補正フィルタＦは、固体撮像素子を保護するカバーガラスＣＧに接着されている。

上記において「少なくとも有している」としたのは、本発明の技術的思想の範囲において、別の光学素子を追加する構成例もあり得るからである。例えば、本発明に係る内視鏡用対物レンズに対して光学性能に実質的に寄与しない平行平板を追加する構成例や、本発明に係る内視鏡用対物レンズの構成及び効果を維持しつつ別の光学素子を付加する構成例が想定される。第一のレンズ群Ｇ１、第二のレンズ群Ｇ２の説明においても、同様の理由で「少なくとも有している」と表現している。

第一のレンズ群Ｇ１は、絞りＳよりも物体側に配置されたレンズ群である。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Ｌ１、像側に凸面を向けた正レンズＬ２を少なくとも有している。第一のレンズ群Ｇ１は、内視鏡用対物レンズ１００の広視野角化、つまり広範囲に亘る被写体を取り込むため、全体として負のパワーを有している。なお、広視野角化のために負レンズＬ１のパワーを強くすると、第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との非対称性が大きくなるため歪曲収差の補正が難しくなると共に、負の屈折面の曲率が大きくなるためコマ収差や色収差等の諸収差が大きくなる。そこで、本実施形態では、絞りＳの手前に正レンズＬ２を配置して負レンズＬ１による強い負のパワーを第一のレンズ群Ｇ１内で打ち消す構成を採用している。

また、正レンズＬ２は、負レンズＬ１を広視野角化することで生じやすくなる像面倒れによる観察視野周辺の解像度の低下を有効におさえるべく、物体側の面が平面であることが望ましい。

第二のレンズ群Ｇ２は、絞りＳよりも像側に配置されたレンズ群である。第二のレンズ群Ｇ２は、物体側から順に、正レンズＬ３、負レンズＬ４と正レンズＬ５とを接合した接合レンズＣＬを少なくとも有している。第二のレンズ群Ｇ２は、第一のレンズ群Ｇ１によって取り込まれた広範囲に亘る被写体を固体撮像素子の受光面上で結像させるため、全体として正のパワーを有している。なお、正のパワーを持つ第二のレンズ群Ｇ２において、正レンズＬ３に、像側に凹面を向けたレンズを採用した場合、射出角度が大きくなってしまう。そのため、十分な射出瞳距離を確保することが難しい。かかる問題を避けるべく、本実施形態では、正レンズＬ３は、像側に凸面を向けて配置されている。また、第一のレンズ群Ｇ１の負のパワーを広視野角化のために強めるほど第一のレンズ群Ｇ１内で発生する倍率色収差が大きくなる。第一のレンズ群Ｇ１内で発生した倍率色収差を効率良く補正するため、本実施形態では、軸外光線が最も高い位置を通る第二のレンズ群Ｇ２内に接合レンズＣＬを配置する構成を採用している。

以下において、説明の便宜上、各光学部品の物体側の面、像側の面をそれぞれ、第一面、第二面と記す。また、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、又は第一のレンズ群Ｇ１の絞りＳに最も近いレンズ面（図２の構成例においては、正レンズＬ２の第二面ｒ４）であって光軸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、負レンズＬ１や正レンズＬ２等の各光学レンズの厚みと比べて非常に薄く、内視鏡用対物レンズ１００の光学性能を計算する上で無視しても差し支えない。そのため、本明細書においては、絞りＳの厚みを０とみなして説明を進める。

内視鏡用対物レンズ１００は、第一のレンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ_Ｆ（単位：ｍｍ）と定義し、全系の（第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２の合成）焦点距離をｆ（単位：ｍｍ）と定義し、負レンズＬ１の第一面の曲率半径をＲ_１（単位：ｍｍ）と定義し、負レンズＬ１の第二面の曲率半径をＲ_２（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件（１）、（２）
−３．５≦ｆ_Ｆ／ｆ≦−１．５・・・（１）
１．３≦ＳＦ≦１．６・・・（２）
但し、ＳＦ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／（Ｒ_１−Ｒ_２）
を満たすように構成されている。

条件（１）は、第一のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ_Ｆと全系の焦点距離ｆとの比を規定している。条件（１）の上限を超える場合、内視鏡用対物レンズ１００の小径化設計に適するものの、第一のレンズ群Ｇ１内の負のパワーが過大であるため、広視野角設計を試みるとコマ収差や色収差等の諸収差を良好に補正するのが難しい。また、第二のレンズ群Ｇ２の倍率を高く設定せざるを得ないため、組立時の第一のレンズ群Ｇ１と第二のレンズ群Ｇ２との群間隔の誤差に伴う第二のレンズ群Ｇ２の倍率変化をおさえることが難しい。倍率変化に伴う視野角変化が大きいため、仕様を満足する視野角の保証が難しい。

条件（１）の下限を下回る場合、諸収差の補正には有利であるものの、内視鏡用対物レンズ１００の外径をおさえて設計することが難しく、小型化に不向きである。また、第一のレンズ群Ｇ１の倍率を高く設定せざるを得ないため、第一のレンズ群Ｇ１が光軸ＡＸに対して偏心して組み付けられた際の像面倒れが大きく、観察視野周辺で画質劣化が生じやすい。

条件（２）は、負レンズＬ１の形状を規定している。条件（２）の上限を超える場合、周辺像高における画角変化が非常に緩やかで（すなわち、観察視野周辺で倍率が非常に高くなり）周辺解像度が高くなる。この場合、観察視野周辺に表示される管壁等を高解像度で観察できるため好適と思われる。しかし、その代償として、電子スコープを管腔内に押し進める際の既存の挿入感（例えば視野角１４０°の電子スコープを挿入中に得られていた挿入感）が失われる。ここでいう挿入感とは、術者が電子スコープを体腔内にどの程度挿入したかを画面に表示される映像を通じて把握する感覚をいう。条件（２）の上限を超える場合は、電子スコープ１を管腔内に押し進める際に観察視野周辺に表示される管壁等の流れが速すぎるため、既存の電子スコープの操作に慣れている術者にとっては電子スコープ１の挿入量を把握するのが難しい。また、負レンズＬ１は、第一面の曲率半径が小さくなり第一面の突出量が増えるため、洗浄性が低下すると共に電子スコープ１管理時に他の構造物等に衝突して破損するリスクが高くなる。なお、第一面の突出量は、第一面の光軸ＡＸ上での接平面と第一面の有効光束径の最周縁との、光軸ＡＸ方向の距離と定義される。

条件（２）の下限を下回る場合、周辺像高における画角変化が急激で（すなわち、観察視野周辺での倍率が低く）、既存の電子スコープとの挿入感の差が少ないため、電子スコープ１が扱いやすくなる。しかし、その代償として、管壁等が表示される観察視野周辺の解像度が低下するため、管腔観察に適さない。また、負レンズＬ１は、第一面の曲率半径が大きくなり第一面の突出量が少なくなるため、洗浄性が改善すると共に破損リスクが軽減する一方、第一面への入射角が大きいため光量損失が生じやすい。

条件（１）、（２）が同時に満たされる場合、内視鏡用対物レンズ１００を小径におさえつつ広視野角に設計した場合も、コマ収差や色収差等の諸収差が良好に補正される。また、既存の電子スコープの挿入感を損なうことなく観察視野周辺で高解像度を維持することができる。また、組立誤差に起因する視野角変化や像面倒れが有効におさえられる。更に、電子スコープ１の洗浄性や取扱易さを改善しつつも光量損失が有効におさえられる。また、諸収差の補正に非球面レンズが必須ではないため、設計開発の負担が軽減すると共に加工が容易である。

内視鏡用対物レンズ１００は、負レンズＬ１の焦点距離をｆ_１と定義した場合に、次の条件（３）
−１．８≦ｆ_１／ｆ≦−１．１・・・（３）
を満たす構成としてもよい。

条件（３）は、負レンズＬ１の焦点距離ｆ_１と全系の焦点距離ｆとの比を規定している。条件（３）が満たされる場合、視野角を広げた場合に懸念される観察視野周辺の光学性能の劣化がより一層好適におさえられる。条件（３）の上限を超える場合、負レンズＬ１のパワーが強いため、非点収差と色収差を良好に補正することが難しく周辺解像度が低下する。条件（３）の下限を下回る場合は、負レンズＬ１のパワーが弱いため、有効光束半径をおさえつつ視野角を広げるといった設計に不向きである。

内視鏡用対物レンズ１００は、正レンズＬ３の焦点距離をｆ_３と定義した場合に、次の条件（４）
２．０≦ｆ_３／ｆ≦４．０・・・（４）
を満たす構成としてもよい。

条件（４）は、正レンズＬ３の焦点距離ｆ_３と全系の焦点距離ｆとの比を規定している。条件（４）が満たされる場合、像面湾曲を、予定する被写体（ここでは大腸の管壁等）の観察に適した状態に保ちつつ視野角を広げることができる。条件（４）の上限を超える場合、内視鏡用対物レンズ１００全体として正のパワーが強いため、ペッツバール和が大きくなり、観察対象の管腔径が細いときに像面がアンダーに傾きやすい。そのため、管壁等が表示される観察視野周辺の解像度が低下して、管壁等を鮮明な映像で観察するのが難しい。また、正レンズＬ３の第一面の曲率が小さくなるため、コマ収差が増加してその補正が難しくなる。条件（４）の下限を下回る場合は、内視鏡用対物レンズ１００全体として正のパワーが弱いため、ペッツバール和が小さくなり、観察対象の管腔径が太いときに像面がオーバーに傾きやすい。そのため、管壁等が表示される観察視野周辺の解像度が低下して、管壁等を鮮明な映像で観察するのが難しい。オーバーに傾いた像面を補正するには、例えば接合レンズＣＬを構成する負レンズＬ４のパワーを強くするために接合面の曲率半径を小さく設定せざるを得ない。この場合、加工性が悪くなるという欠点がある。なお、本実施形態で観察を予定する管腔の径の範囲は、管腔径をΦと定義し、結像面（固体撮像素子の受光面）における最大像高をｙと定義すると、次に示す通りである。
１０ｙ≦Φ≦２０ｙ

内視鏡用対物レンズ１００は、最大像高ｙよりも低い中間像高をｙ_ｉと定義し、最大像高ｙに対応する半画角をω_ｍと定義し、中間像高ｙ_ｉに対応する半画角をω_ｉと定義した場合に、次の条件（５）
１．３×ｓｉｎ（ω_ｉ／１．３）≦ｙ_ｉ／ｆ≦３．０×ｓｉｎ（ω_ｉ／３．０）・・・（５）
但し、６０°≦ω_ｉ≦ω_ｍ
を満たす構成としてもよい。条件（５）を規定する半画角は、内視鏡用対物レンズ１００のうち最も物体側の面（負レンズＬ１の第一面）に入射する入射光線と光軸ＡＸとがなす傾角と定義される。

図２１は、条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。図２１中、内視鏡用対物レンズ１００のうち最も物体側の面（負レンズＬ１の第一面）、最も像側の面（接合レンズＣＬを構成する正レンズＬ５の第二面）をそれぞれ、第１面、最終面と記す。半画角ω_ｉからω_ｍの視野範囲は、管腔観察において管壁等が写る注視領域である。以下、この視野範囲を「管壁視野範囲」と記す。また、管壁視野範囲に対応する結像面上の範囲（中間像高ｙ_ｉから有効画素領域の最周縁まで）を「管壁撮像範囲」と記す。条件（５）の上限を超える場合、管壁撮像範囲が広いため、管壁視野範囲の被写体を高解像度で撮像することができる。しかし、その代償として、管壁視野範囲よりも内側の視野中心付近における解像度の低下が避けられない。例えば病変部を発見して視野中心に寄せた場合、当該病変部を高解像度で撮像することができない。条件（５）の下限を下回る場合は、管壁撮像範囲が狭いため、管壁視野範囲の被写体を高解像度で撮像することができず、管腔観察には不向きである。条件（５）が満たされる場合、管壁視野範囲の被写体を高解像度で撮像できると共に視野中心付近の解像度の低下が有効に避けられる。

負レンズＬ１の第一面は先端部１２の外観に露出するため、内視鏡検査終了後に洗浄液を用いて洗浄される。この種の洗浄液の中には、表面処理を劣化させる成分を含むものがある。そのため、負レンズＬ１の第一面には反射防止コートが施されていない。よって、表面反射による光量損失が懸念される。そこで、内視鏡用対物レンズ１００は、次の条件（６）
θ≦７５°・・・（６）
を満たすように構成されてもよい。条件（６）を規定する入射角θは、最大像高ｙに入射する光線の、負レンズＬ１の第一面への入射角と定義される。入射角は、入射光線と、該入射光線と入射面との交点における接平面の法線とがなす角度で表される。

条件（６）が満たされる場合、表面反射による光量損失が有効におさえられる。条件（６）を外れる場合は、屈折率が例えば１．８を超える高屈折率硝材を負レンズＬ１に用いたときに３０％を超える表面反射が生じて光量損失が著しい。すなわち、レンズ材料の選択の余地が狭くなるため望ましくない。

内視鏡用対物レンズ１００は、次の条件（７）
２．０≦Ｒ_１／ｙ≦５．５・・・（７）
を満たす構成としてもよい。

条件（７）が満たされる場合、負レンズＬ１においてコバ厚を十分に確保しつつ第一面における表面反射による光量損失を有効におさえることができる。負レンズＬ１のコバ厚を十分に確保することにより、先端部１２の内部と外部とが誘電率の低い厚みのある材料を介して絶縁されることとなる。条件（７）の上限を超える場合、十分な絶縁性能を保証するに足るコバ厚を確保するのが難しい。また、負レンズＬ１の第一面への入射角が大きいため、表面反射による光量損失量が増加する。条件（７）の下限を下回る場合、負レンズＬ１の第一面は突出量が増えるため、洗浄性が低下すると共に電子スコープ１管理時に他の構造物等に衝突して破損するリスクが高くなる。また、負レンズＬ１の第二面の曲率半径を小さく設定せざるを得ず、加工性が悪くなる。

内視鏡用対物レンズ１００は、最大像高ｙにおける負レンズＬ１の有効光束半径をＤと定義した場合に、次の条件（８）
２．０≦Ｄ／ｙ≦３．０・・・（８）
を満たす構成としてもよい。

条件（８）が満たされる場合、負レンズＬ１において第一面の突出量をおさえつつ表面反射による光量損失もおさえることができる。条件（８）の上限を超える場合、負レンズＬ１の第一面の突出量がおさえられる一方、該第一面への入射角が大きいため、表面反射による光量損失量が増加する。また、内視鏡用対物レンズ１００の全長（光軸ＡＸ方向の寸法）をおさえることが難しく、先端部１２の小型化に不向きである。条件（８）の下限を下回る場合は、負レンズＬ１の第一面において表面反射による光量損失がおさえられる一方、該第一面の突出量が大きくなり、洗浄性が低下すると共に電子スコープ１管理時に他の構造物等に衝突して破損するリスクが高くなる。

次に、これまで説明した内視鏡用対物レンズ１００の具体的数値実施例を６例説明する。各数値実施例１〜６の内視鏡用対物レンズ１００は、図１に示される電子スコープ１の先端部１２に配置されている。

上述したように、本発明の実施例１の内視鏡用対物レンズ１００の構成は、図２に示される通りである。本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００（及びその後段に配置された光学部品）の具体的数値構成（設計値）は、表１に示される。表１に示される面番号ｎは、絞りＳに対応する面番号５を除き、図２中の面符号ｒｎに対応する。表１において、Ｒ（単位：ｍｍ）は光学部材の各面の曲率半径を、Ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学部材厚又は光学部材間隔を、Ｎ（ｄ）はｄ線（波長５８８ｎｍ）の屈折率を、νｄはｄ線のアッベ数を、それぞれ示す。表２は、内視鏡用対物レンズ１００の仕様（Ｆナンバー、全系の焦点距離（単位：ｍｍ）、光学倍率、半画角（単位：ｄｅｇ）、像高（単位：ｍｍ））を示す。

図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００の各種収差図である。具体的には、図３（ａ）は、ｄ線、ｇ線（４３６ｎｍ）、Ｃ線（６５６ｎｍ）での球面収差及び軸上色収差を示す。図３（ｂ）は、ｄ線、ｇ線、Ｃ線での倍率色収差を示す。図３（ａ）、（ｂ）中、実線はｄ線での収差を、点線はｇ線での収差を、一点鎖線はＣ線での収差を、それぞれ示す。図３（ｃ）は、非点収差を示す。図３（ｃ）中、実線はサジタル成分を、点線はメリディオナル成分を、それぞれ示す。図３（ｄ）は、歪曲収差を示す。図３（ａ）〜（ｃ）の各図の縦軸は像高を、横軸は収差量を、それぞれ示す。また、図３（ｄ）の縦軸は像高を、横軸は歪曲率を、それぞれ示す。本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００は、表１、２、図３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正されていることが分かる。なお、本実施例１の各表又は各図面についての説明は、以降の各数値実施例で提示される各表又は各図面においても適用する。

図４は、本実施例２の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。本実施例２の内視鏡用対物レンズ１００は、図４に示されるように、本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００と同じ枚数構成である。図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施例２の内視鏡用対物レンズ１００の各種収差（球面収差、軸上色収差、倍率色収差、非点収差、歪曲収差）図である。表３は、本実施例２の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表４は、本実施例２の内視鏡用対物レンズ１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例２の内視鏡用対物レンズ１００は、表３、４、図５（ａ）〜（ｄ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正されていることが分かる。

図６は、本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００は、次の表６に示されるように、半画角が９５°を超えている。そのため、本実施例１又は２と同じレンズ配置では像面湾曲の良好な補正が難しい。そこで、本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００は、図６に示されるように、正レンズＬ３と接合レンズＣＬとの間に正レンズＬ６を配置することにより、像面湾曲を良好に補正している。すなわち、本実施例３において第二のレンズ群Ｇ２は、正レンズＬ３、正レンズＬ６、接合レンズＣＬの三枚構成である。なお、第一のレンズ群Ｇ１については、本実施例１と同じ枚数構成である。図７（ａ）〜（ｄ）は、本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００の各種収差（球面収差、軸上色収差、倍率色収差、非点収差、歪曲収差）図である。表５は、本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表６は、本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例３の内視鏡用対物レンズ１００は、表５、６、図７（ａ）〜（ｄ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正されていることが分かる。

図８は、本実施例４の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。本実施例４の内視鏡用対物レンズ１００は、図８に示されるように、本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００と同じ枚数構成である。図９（ａ）〜（ｄ）は、本実施例４の内視鏡用対物レンズ１００の各種収差（球面収差、軸上色収差、倍率色収差、非点収差、歪曲収差）図である。表７は、本実施例４の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表８は、本実施例４の内視鏡用対物レンズ１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例４の内視鏡用対物レンズ１００は、表７、８、図９（ａ）〜（ｄ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正されていることが分かる。

図１０は、本実施例５の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。本実施例５の内視鏡用対物レンズ１００は、図１０に示されるように、本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００と同じ枚数構成である。図１１（ａ）〜（ｄ）は、本実施例５の内視鏡用対物レンズ１００の各種収差（球面収差、軸上色収差、倍率色収差、非点収差、歪曲収差）図である。表９は、本実施例５の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表１０は、本実施例５の内視鏡用対物レンズ１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例５の内視鏡用対物レンズ１００は、表９、１０、図１１（ａ）〜（ｄ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正されていることが分かる。

図１２は、本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の配置を示す断面図である。本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００は、図１２に示されるように、本実施例１の内視鏡用対物レンズ１００と同じ枚数構成である。図１３（ａ）〜（ｄ）は、本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００の各種収差（球面収差、軸上色収差、倍率色収差、非点収差、歪曲収差）図である。表１１は、本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００を含む各光学部品の具体的数値構成を、表１２は、本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００の仕様を、それぞれ示す。本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００は、表１１、１２、図１３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正されていることが分かる。

（比較検証）
表１３は、本実施例１〜６に比較例１を加えた７つの各例において条件（５）を除く各条件を適用したときに算出される値の一覧表である。条件（５）については、各例における像高と画角との関係を図１４〜２０に示す。なお、比較例１は、特許文献１の実施例１である。

本実施例１〜６の内視鏡用対物レンズ１００は、表１３に示されるように条件（１）、（２）を同時に満たすことにより、各本実施例の説明で提示した図又は表に示す通り、小型かつ広視野角でありつつも各種収差が良好に補正される。これに対して、比較例１の内視鏡用対物レンズは、表１３に示されるように条件（２）を満たさない。そのため、比較例１において外形寸法をおさえつつ光学性能を維持するように設計した場合、視野角を広げるのは難しい。別の側面によれば、比較例１において視野角を広げる（例えば１４０°を超える視野角を得るため）には、光学性能と小型化の少なくとも一方を犠牲にしなければならない。例えば光学性能を犠牲にした場合、管壁等が表示される観察視野周辺において解像度の著しい低下が避けられない。

本実施例１〜６の内視鏡用対物レンズ１００は、表１３に示されるように、条件（３）、（４）、（６）〜（８）も更に満たす。そのため、本実施例１〜６では、各条件を満たすことによる更なる効果が奏される。これに対して比較例１の内視鏡用対物レンズは、表１３に示されるように、条件（３）、（７）、（８）を満たさない。比較例１では、例えば条件（３）の上限を超えるため、非点収差と色収差を良好に補正することが難しく、観察視野周辺において解像度の更なる低下が起こり得る。

図１４〜１９はそれぞれ、本実施例１〜６において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。図２０は、比較例１において条件（５）を規定する像高と画角との関係を示す図である。図１４〜２０の各図の縦軸は、像高（単位：ｍｍ）を示し、横軸は、画角（単位：ｄｅｇ）を示す。各図中、実線（太線）は、各例における条件（５）の値を示し、上下二本の実線（細線）は、条件（５）の上下限を示す。

本実施例１〜５の内視鏡用対物レンズ１００は、図１４〜１８に示されるように、仕様を満たす画角内において条件（５）を満たす。そのため、管壁視野範囲の被写体を高解像度で撮像できると共に視野中心付近の解像度の低下が有効に避けられる。本実施例６の内視鏡用対物レンズ１００は、図１９に示されるように、仕様を満たす画角内において条件（５）の上限を僅かに超えるため、視野中心付近の解像度が低下する。比較例１の内視鏡用対物レンズ１００は、図２０に示されるように、仕様を満たす画角内において条件（５）の下限を下回るため、管壁視野範囲の被写体を高解像度で撮像することができず、管腔観察には不向きであることが分かる。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。

Claims (10)

1. 物体側から順に、負のパワーを持つ第一のレンズ群、絞り、正のパワーを持つ第二のレンズ群を有し、
   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の前群側レンズ、像側に凸面を向けた正の前群側レンズを少なくとも有し、
   前記第二のレンズ群は、物体側から順に、像側に凸面を向けた正の後群側レンズ、負のレンズと正のレンズとを接合した接合レンズを少なくとも有し、
   前記第一のレンズ群の焦点距離をｆ_Ｆ（単位：ｍｍ）と定義し、該第一のレンズ群と前記第二のレンズ群との合成焦点距離をｆ（単位：ｍｍ）と定義し、前記負の前群側レンズの物体側の面の曲率半径をＲ_１（単位：ｍｍ）と定義し、該負の前群側レンズの像側の面の曲率半径をＲ_２（単位：ｍｍ）と定義した場合に、次の条件（１）、（２）
   −３．５≦ｆ_Ｆ／ｆ≦−１．５・・・（１）
   １．３≦ＳＦ≦１．６・・・（２）
   但し、ＳＦ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／（Ｒ_１−Ｒ_２）
   を満たすことを特徴とする内視鏡用対物レンズ。
2. 前記負の前群側レンズの焦点距離をｆ_１と定義した場合に、次の条件（３）
   −１．８≦ｆ_１／ｆ≦−１．１・・・（３）
   を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡用対物レンズ。
3. 前記正の後群側レンズの焦点距離をｆ_３と定義した場合に、次の条件（４）
   ２．０≦ｆ_３／ｆ≦４．０・・・（４）
   を満たすことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内視鏡用対物レンズ。
4. 結像面における最大像高をｙと定義し、該最大像高ｙよりも低い中間像高をｙ_ｉと定義し、該最大像高ｙに対応する半画角をω_ｍと定義し、該中間像高ｙ_ｉに対応する半画角をω_ｉと定義した場合に、次の条件（５）
   １．３×ｓｉｎ（ω_ｉ／１．３）≦ｙ_ｉ／ｆ≦３．０×ｓｉｎ（ω_ｉ／３．０）・・・（５）
   但し、６０°≦ω_ｉ≦ω_ｍ
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズ。
5. 前記正の前群側レンズは、物体側の面が平面であることを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズ。
6. 前記最大像高ｙに入射する光線の、負の前群側レンズの物体側の面への入射角をθと定義した場合に、次の条件（６）
   θ≦７５°・・・（６）
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズ。
7. 結像面における最大像高をｙと定義した場合に、次の条件（７）
   ２．０≦Ｒ_１／ｙ≦５．５・・・（７）
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズ。
8. 結像面における最大像高をｙと定義し、該最大像高ｙにおける前記負の前群側レンズの有効光束半径をＤと定義した場合に、次の条件（８）
   ２．０≦Ｄ／ｙ≦３．０・・・（８）
   を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズ。
9. 前記第二のレンズ群は、前記正の後群側レンズと前記接合レンズとの間に、正レンズを更に有することを特徴とする、請求項１から請求項８の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズ。
10. 請求項１から請求項９の何れか一項に記載の内視鏡用対物レンズを先端に搭載したことを特徴とする内視鏡。

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