JPWO2016047421A1 - 内視鏡対物光学系 - Google Patents

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Abstract

フォーカシングによる画角の変動を小さくし、ピント調整を容易としながら観察深度のばらつきを低減させる。物体側から順に、負の屈折力を有する第１群（Ｇ１）と、正の屈折力を有する第２群（Ｇ２）と、正の屈折力を有する第３群（Ｇ３）とからなり、前記第２群（Ｇ２）が、光軸方向に移動可能に設けられ、以下の条件式を満足する内視鏡対物光学系を提供する。９＜ｆ２／ｆａ＜１６ ・・・（１）但し、ｆ２は第２群の焦点距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。

Description

本発明は、対物光学系に関し、特に、医療用内視鏡に適用されフォーカシング機能を有する内視鏡対物光学系に関する。
近年、患者への負担低減や診断精度の向上等の観点から、内視鏡の小型化及び高画質化が進んでいる。このため、内視鏡用の撮像素子（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなど）として、高画素且つ小型の撮像素子が開発されている。このような撮像素子は、そのサイズを維持又はより小型化させながら画素数を増加させるため、各画素及び画素ピッチが縮小している。これらの縮小に伴い、内視鏡用対物光学系についても、回折による画質劣化を防止するためにＦｎｏ．を小さくする必要がある。
ところで、対物光学系においてＦｎｏ．を小さくすると観察深度が狭くなることから、所望の観察深度を得るためにフォーカシング機能を備えた内視鏡対物光学系が種々提案されている（例えば、特許文献１乃至特許文献６）。このような内視鏡対物光学系により観察を行う場合において、通常観察から近接観察への移行時には観察距離のみが変化し、画角の変化が小さいことが好ましい。
特公昭５５−１５００５号公報 特開２０００−３３００１５号公報 特開２００２−２８１２６号公報 特開２００８−１０７３９１号公報 特許第４９３４２３３号公報 特許第４８１９９６９号公報
しかしながら、特許文献１の内視鏡対物光学系は、フォーカシングの際の画角変化が大きいため、ユーザが通常観察状態から近接観察状態への切り替えの際に違和感を覚え、操作性に悪影響を及ぼすことがある。特許文献２及び特許文献３の内視鏡対物光学系は、フォーカシングによる収差の変動が大きく、特に、像面湾曲の変化と倍率色収差の変化が大きいため、画素数が高画素の撮像素子との組み合わせに適さない。特許文献４乃至特許文献６の内視鏡対物光学系は、フォーカシングのためのレンズ群の移動量が小さいことから、各部品の寸法誤差に起因する観察範囲のバラつきが大きく、組立時に通常観察時と近接観察時との双方においてピント調整作業を要する。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、フォーカシングによる画角の変動が小さく、ピント調整が容易でありながら観察深度のバラつきの少ない内視鏡対物光学系を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の内視鏡光学系を以下のように構成する。
物体側から順に、負の屈折力を有する第１群と、正の屈折力を有する第２群と、正の屈折力を有する第３群とからなり、前記第２群が光軸方向に移動することで通常観察状態と近接観察状態のフォーカシングを行い、以下の条件式を満足する。
９＜ｆ２／ｆａ＜１６ ・・・（１）
但し、ｆ２は第２群の焦点距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。
上記の構成によれば、内視鏡対物光学系が、条件式（１）を満たすことで、第２群を光軸方向に移動させた際、つまりフォーカシングの際に生じる画角の変動を抑制すると共に、第２群の移動距離を適正範囲とすることで、内視鏡対物光学系の全長を適切な長さとすることができ、内視鏡の操作性を損なうことがない。
第２群のパワーが、条件式（１）の下限を下回ると、画角の変動が大きくなり、ユーザがフォーカシングの際の画像の変化により違和感を覚えるおそれがある。一方、第２群のパワーが、条件式（１）の上限よりも大きくなると、フォーカシングのための第２群の移動距離が大きくなるため、光学系の全長も長くなる。このため、内視鏡対物光学系を適用した内視鏡の挿入部において、先端硬質部が長くなり、内視鏡の使い勝手が悪くなる。
上記構成において、以下の条件式を満足することが好ましい。
０．２＜ｌ／ｆａ＜０．３ ・・・（２）
但し、ｌはフォーカシングに伴う第２群の移動距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。
条件式（２）は、フォーカシングの際の２群の移動距離を規定する条件式である。第２群の移動距離が条件式（２）の下限よりも小さくなると、部品のばらつきによる誤差が大きくなるため、通常観察状態と近接観察状態のそれぞれでのピント調整が必要になる。つまり、組立時のピント調整作業が煩雑となる。一方、第２群の移動距離が条件式（２）の上限よりも大きくなると、光学系の全長が長くなり、内視鏡対物光学系を適用した内視鏡の挿入部において、先端硬質部が長くなり、内視鏡の使い勝手が悪くなる。
上記構成において、前記第２群を構成する前記レンズが１枚の平凸レンズであることが好ましい。
内視鏡の光学系には、さまざまなフィルタを設ける場合があるが、第２群のレンズを一枚の平凸レンズとすることで、平凸レンズの平面側に目的に応じた光学フィルタを配置することができる。つまり、第２群のレンズを一枚の平凸レンズとすることで、枠構成を複雑にしたり、部品点数を増やしたりすることなく平行平板の光学フィルタを設けることが可能になる。
光学フィルタとしては、例えば、以下のようなものがある。すなわち、内視鏡の鉗子口からレーザープローブを挿入し、レーザ光を用いた処置を行う際に、レーザ光により画面が明るくなりすぎて被写体の観察が困難になることを防止するためのレーザカットフィルタや、撮像素子の分光感度による色の違いを補正するための色補正フィルタなどである。
また、平凸レンズと光学フィルタの間に明るさ絞りを設けることもできる。明るさ絞り近傍では光線高が低くなるため、平凸レンズと光学フィルタの間の部材を明るさ絞りとすることで、第２群のレンズ径を小さくすることができ、枠も含めた移動群である第２群を小型かつ軽量にすることができる。
上記構成において、以下の条件式を満足することが好ましい。
１．３＜ｄ０ａ／ｄ０ｂ＜３．５ ・・・（３）
但し、ｄ０ａは通常観察状態の物点距離であり、ｄ０ｂは近接観察状態の物点距離である。ここで、物点距離とは、撮像素子の画素ピッチと撮像方式により定まる評価周波数のＭＴＦが最大となる位置に像面がある場合の、内視鏡対物光学系の最も物体側の面から物体までの距離とする。
条件式（３）はフォーカシングによる物点距離の変化を規定する条件式である。条件式（３）の下限を下回る場合には、フォーカシングによる観察深度の変化が小さく、通常観察状態と近接観察状態の観察深度をあわせた観察可能範囲が狭くなる。一方、条件式（３）の上限を超える場合には、通常観察状態での観察深度と近接観察状態での観察深度との間に、どちらの状態でもピントが合わない距離範囲が出来てしまい、観察や処置において不都合を生じる。
本発明によれば、観察する物体の距離に応じてフォーカシングが可能であり、フォーカシングによる画角の変動が小さく、ピント調整が容易でありながら観察深度のばらつきの少ない内視鏡対物光学系を提供することができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る内視鏡対物光学系の全体構成を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における全体構成を示す断面図である。 図２Ａの内視鏡対物光学系の近接観察状態における断面図である。 本発明の実施例１に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における収差曲線図である。 本発明の実施例１に係る内視鏡対物光学系の近接観察状態における収差曲線図である。 本発明の実施例２に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における全体構成を示す断面図である。 図４Ａの内視鏡対物光学系の近接観察状態における断面図である。 本発明の実施例２に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における収差曲線図である。 本発明の実施例２に係る内視鏡対物光学系の近接観察状態における収差曲線図である。 本発明の第２の実施形態に係る内視鏡対物光学系の全体構成を示す断面図である。 本発明の実施例３に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における全体構成を示す断面図である。 図７Ａの内視鏡対物光学系の近接観察状態における断面図である。 本発明の実施例３に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における収差曲線図である。 本発明の実施例３に係る内視鏡対物光学系の近接観察状態における収差曲線図である。 本発明の実施例４に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における全体構成を示す断面図である。 図９Ａの内視鏡対物光学系の近接観察状態における断面図である。 本発明の実施例４に係る内視鏡対物光学系の通常観察状態における収差曲線図である。 本発明の実施例４に係る内視鏡対物光学系の近接観察状態における収差曲線図である。
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡対物光学系について図面を参照して説明する。
図１に示すように、内視鏡対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３群Ｇ３とを備えている。
第１群Ｇ１は、物体側から順に、負の平凹レンズである第１レンズＬ１及び正の平凸レンズである第２レンズＬ２を有している。
第２群Ｇ２は、平凸レンズである第３レンズＬ３を有している。また、第２群Ｇ２は、第３レンズＬ３の物体側に明るさ絞りＳを有し、さらに、明るさ絞りＳの物体側に光学フィルタＬＦを有している。内視鏡対物光学系は、第２群Ｇ２を光軸方向に移動させることにより物体距離の変化に対してフォーカシングを行い、通常観察と近接観察を行うことができる。
第３群Ｇ３は、物体側から順に、正の平凸レンズである第４レンズ及び正の第５レンズと負の第６レンズとが接合された接合レンズＣＬ１を備えている。内視鏡対物光学系の像面側には、撮像面にカバーガラスＣＧが接合された撮像素子が配置されている。
そして、内視鏡対物光学系は以下の条件式（１）〜（３）を満たすように構成されている。
９＜ｆ２／ｆａ＜１６ ・・・（１）
但し、ｆ２は第２群の焦点距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。
０．２＜ｌ／ｆａ＜０．３ ・・・（２）
但し、ｌはフォーカシングに伴う第２群の移動距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。
１．３＜ｄ０ａ／ｄ０ｂ＜３．５ ・・・（３）
但し、ｄ０ａは通常観察状態の物点距離であり、ｄ０ｂは近接観察状態の物点距離である。
このように、本実施形態によれば、負の屈折力を有する第１群Ｇ１と、正の屈折力を有し物体側に明るさ絞りを備える第２群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３群Ｇ３とから構成されており、条件式（１）〜（３）を満たすので、フォーカシングの際の画角の変動を抑制し、部品のばらつきによる誤差を抑制することでピント調整作業が容易であり観察深度のバラつきを低減することができる。また、第２群の移動距離を適正範囲とすることで、内視鏡対物光学系の全長を適切な長さとすることができ、内視鏡の操作性を損なうことがない。
また、第２群Ｇ２を１枚の平凸レンズである第３レンズＬ３とし、第３レンズ（平凸レンズ）の平面に接するように明るさ絞りＳを配置することで、絞りを保持する枠を必要とせず、組立ても容易であり、内視鏡対物光学系における明るさ絞りの位置の誤差も小さくすることができる。
続いて、上述した第１の実施形態に係る内視鏡対物光学系の実施例１及び実施例２について、図２Ａ〜図５Ｂを参照して説明する。
各実施例に記載のレンズデータにおいて、ｒは曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｎｅはｅ線に対する屈折率、νｄはアッベ数を示している。
また、非球面に関するデータについて、非球面形状は以下の数式により定義される。
なお、以下の数式において、ｋは円錐係数であり、ｒは曲率半径であり、ａｃ４、ａｃ６はそれぞれ４次および６次の非球面係数である。
Figure 2016047421
（実施例１）
本発明の実施例１に係る内視鏡対物光学系の全体構成を図２Ａおよび図２Ｂに、レンズデータを以下に示す。また、本実施例に係る内視鏡対物光学系の収差曲線図を図３Ａおよび図３Ｂに示す。
レンズデータ
面番号 ｒ ｄ Ｎｅ νｄ
１ ∞ ０．２７ １．８５９０２ ４０．３９
２ （非球面） ０．３５
３ ∞ ０．５ １．８８８１５ ４０．７６
４ −２．０８１ ｄ１
５ ∞ ０．３１ １．５２３ ６５．１３
６ ∞ ０
７ ∞ ０．０３
８（絞り）∞ ０
９ ∞ ０．６７ １．４８９１５ ７０．２３
１０ −５．２０６ ｄ２
１１ ∞ ０．８４ １．５９１４３ ６１．１４
１２ −１．６７２ ０．１２
１３ １．６３７ １．１９ １．４８９１５ ７０．２３
１４ −１．７３２ ０．２７ ２．１１７２９ １８．０５
１５ （非球面） ０．４６
１６ ∞ ０．４６ １．５１８２５ ６４．１４
１７ ∞ ０．０２ １．５１１９ ６４．０５
１８ ∞ ０．６４ １．６１３５ ５０．４９
１９（像面）∞ ０
各種データ
（第２面）
ｒ＝０．７３９
ｋ＝−２．０７７
ａｃ４＝３．７５９６Ｅ−０１
ａｃ６＝−１．８２２６Ｅ−０１
（第１５面）
ｒ＝−７．６３７
ｋ＝−８．８７６
ａｃ４＝５．９２６３Ｅ−０２
ａｃ６＝−３．６７５３Ｅ−０３
通常観察状態（図２Ａ） 近接観察状態（図２Ｂ）
ｄ０：物体距離 ４３ １６．５
ｄ１ ０．２４ ０．４９
ｄ２ ０．５９ ０．３４
Ｆｎｏ． ３．３１３ ３．４２１
ｆ：焦点距離 ０．９９６ ０．９６４
ｆ２：第２群焦点距離 １０．６４３
ｌ：第２群の移動距離 ０．２５
（実施例２）
本発明の実施例２に係る内視鏡対物光学系の全体構成を図４Ａおよび図４Ｂに、レンズデータを以下に示す。なお、本実施例では、第１レンズＬ１の物体側に平行平板が配置されている。また、本実施例に係る内視鏡対物光学系の収差曲線図を図５Ａおよび図５Ｂに示す。
レンズデータ
面番号 ｒ ｄ Ｎｅ νｄ
１ ∞ ０．３ １．７７０６６ ７１．７９
２ ∞ ０．０３
３ ∞ ０．３ １．８５９０２ ４０．３９
４ （非球面） ０．４３
５ ∞ ０．６ １．８８８１５ ４０．７６
６ −２．４１４ ｄ１
７ ∞ ０．３ １．５２３ ６５．１３
８ ∞ ０．０３
９（絞り）∞ ０．９１ １．４８９１５ ７０．２３
１０ −７．５８４ ｄ２
１１ ∞ ０．８１ １．５９１４３ ６１．１４
１２ −１．７２４ ０．１３
１３ ２．０７９ １．１１ １．５９１４３ ６１．１４
１４ −２．０７９ ０．３ ２．１１７２９ １８．０５
１５ （非球面） ０．５９
１６ ∞ ０．５ １．５１８２５ ６４．１４
１７ ∞ ０．０２ １．５１１９ ６４．０５
１８ ∞ ０．７ １．６１３５ ５０．４９
１９（像面）∞ ０ ０
（第４面）
ｒ＝０．８３４
ｋ＝−０．９７８
ａｃ４＝−３．９０８２Ｅ−０２
ａｃ６＝１．０８１２Ｅ−０１
（第１５面）
ｒ＝−１５．０５２
ｋ＝−５８．９１８
ａｃ４＝５．１３５０Ｅ−０２
ａｃ６＝−６．６２２９Ｅ−０３
通常観察状態（図４Ａ） 近接観察状態（図４Ｂ）
ｄ０：物体距離 ３８ ２０
ｄ１ ０．２８ ０．５１
ｄ２ ０．５２ ０．２９
Ｆｎｏ． ３．２２９ ３．３２５
ｆ：焦点距離 １．００２ ０．９８２
ｆ２：第２群焦点距離 １５．５０５
ｌ：第２群の移動距離 ０．２３
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡対物光学系について図面を参照して説明する。
図６に示すように、内視鏡対物光学系は、上記した第１の実施形態における内視鏡対物光学系と同様に、物体側から順に、負の屈折力を有する第１群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３群Ｇ３とを備えている。
本実施形態では、第３群Ｇ３のレンズ構成が第１の実施形態における第３群と異なる。具体的には、本実施形態における第３群Ｇ３は、物体側から順に、物体側を平面とする平凹レンズである第４レンズと両凸レンズである第５レンズとが接合された接合レンズＣＬ２及び、両凸レンズである第６レンズと両凹レンズである第７レンズとが接合された接合レンズＣＬ３とを備えている。
その他の構成は第１の実施形態と同様であるので、同符号を付しその説明を省略する。
（実施例３）
本発明の実施例３に係る内視鏡対物光学系の全体構成を図７Ａおよび図７Ｂに、レンズデータを以下に示す。また、本実施例に係る内視鏡対物光学系の収差曲線図を図８Ａおよび図８Ｂに示す。
レンズデータ
面番号 ｒ ｄ Ｎｅ νｄ
１ ∞ ０．３ １．８５９０２ ４０．３９
２ （非球面） ０．４
３ ２．２４８ ０．７８ １．５９６６７ ３５．３１
４ −２．２４８ ｄ１
５ ∞ ０．３ １．５２３ ６５．１３
６ ∞ ０．０３
７（絞り）∞ ０．９ １．４８９１５ ７０．２３
８ −４．８９５ ｄ２
９ ∞ ０．３ １．８５５０４ ２３．７８
１０ ８．７６９ ０．８６ １．５９１４３ ６１．１４
１１ −２．０３２ ０．１３
１２ ２．０５１ １．０５ １．５９１４３ ６１．１４
１３ −３．４１９ ０．３ ２．１１７２９ １８．０５
１４ （非球面） ０．６５
１５ ∞ ０．５ １．５１８２５ ６４．１４
１６ ∞ ０．０２ １．５１１９ ６４．０５
１７ ∞ ０．７ １．６１３５ ５０．４９
１８（像面）∞
（第２面）
ｒ＝０．７０２
ｋ＝−１．３６
ａｃ４＝１．４０５８Ｅ−０１
ａｃ６＝−２．０６２０Ｅ−０３
（第１４面）
ｒ＝−５５．０８７
ｋ＝０．２６４
ａｃ４＝３．７３９８Ｅ−０２
ａｃ６＝−５．０４４３Ｅ−０４
通常観察状態（図７Ａ） 近接観察状態（図７Ｂ）
ｄ０：物体距離 ４０ ２０
ｄ１ ０．２９ ０．５
ｄ２ ０．５４ ０．３３
Ｆｎｏ． ３．２６１ ３．２９７
ｆ：焦点距離 ０．９９７ ０．９７２
ｆ２：第２群焦点距離 １０．００７
ｌ：第２群の移動距離 ０．２１
（実施例４）
本発明の実施例４に係る内視鏡対物光学系の全体構成を図９Ａおよび図９Ｂに、レンズデータを以下に示す。なお、本実施例では、第１レンズＬ１の物体側に平行平板が配置されている。また、本実施例に係る内視鏡対物光学系の収差曲線図を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。
レンズデータ
面番号 ｒ ｄ Ｎｅ νｄ
１ ∞ ０．３ １．７７０６６ ７１．７９
２ ∞ ０．０３
３ ∞ ０．３ １．８５９０２ ４０．３９
４ （非球面） ０．４２
５ ２．３９ ０．７９ １．６２４０９ ３６．２６
６ −２．３９ ｄ１
７ ∞ ０．３ １．５２３ ６５．１３
８ ∞ ０．０３０２
９（絞り）∞ ０．９２ １．４８９１５ ７０．２３
１０ −４．８２９ ｄ２
１１ ∞ ０．３５ １．８５５０４ ２３．７８
１２ ８．８７７ ０．８６ １．５９１４３ ６１．１４
１３ −２．０５７ ０．１３
１４ １．９２ １．０６ １．５９１４３ ６１．１４
１５ −３．７５５ ０．３ ２．１１７２９ １８．０５
１６ （非球面） ０．５８
１７ ∞ ０．５ １．５１８２５ ６４．１４
１８ ∞ ０．０２ １．５１１９ ６４．０５
１９ ∞ ０．７１ １．６１３５ ５０．４９
２０（像面）∞
各種データ
（第４面）
ｒ＝０．７１５
ｋ＝−１．３６２
ａｃ４＝１．３０９５Ｅ−０１
ａｃ６＝−６．８９０７Ｅ−０３
（第１５面）
ｒ＝３７．１３５
ｋ＝０．０１９
ａｃ４＝４．３１０９Ｅ−０２
ａｃ６＝６．６３９３Ｅ−０４
通常観察状態（図９Ａ） 近接観察状態（図９Ｂ）
ｄ０ ４０ ２０
ｄ１ ０．２９ ０．５２
ｄ２ ０．５２ ０．２９
Ｆｎｏ． ３．２１８ ３．２５２
ｆ：焦点距離 ０．９９７ ０．９７０
ｆ２：第２群焦点距離 ９．８７２
ｌ：第２群の移動距離 ０．２３
なお、上記した実施例１〜実施例４の内視鏡対物光学系における上記条件式（１）〜（３）に係る値を表１に示す。
Figure 2016047421
Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
Ｇ３ 第３群
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｌ４ 第４レンズ
Ｌ５ 第５レンズ
Ｌ６ 第６レンズ
Ｌ７ 第７レンズ
ＣＬ１ 接合レンズ
ＣＬ２ 接合レンズ
ＣＬ３ 接合レンズ
ＬＦ 光学フィルタ
Ｓ 明るさ絞り
ＣＧ カバーガラス
Ｉ 像面

Claims (4)

  1. 物体側から順に、負の屈折力を有する第１群と、正の屈折力を有する第２群と、正の屈折力を有する第３群とからなり、
    前記第２群が、光軸方向に移動することで通常観察状態から近接観察状態へのフォーカシングを行い、以下の条件式を満足する内視鏡対物光学系。
    ９＜ｆ２／ｆａ＜１６ ・・・（１）
    但し、ｆ２は第２群の焦点距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。
  2. 以下の条件式を満足する請求項１記載の内視鏡対物光学系。
    ０．２＜ｌ／ｆａ＜０．３ ・・・（２）
    但し、ｌはフォーカシングに伴う第２群の移動距離であり、ｆａは通常観察状態の全系の焦点距離である。
  3. 前記第２群が１枚の平凸レンズである請求項１記載の内視鏡対物光学系。
  4. 以下の条件式を満足する請求項２に記載の内視鏡対物光学系。
    １．３＜ｄ０ａ／ｄ０ｂ＜３．５ ・・・（３）
    但し、ｄ０ａは通常観察状態の物点距離であり、ｄ０ｂは近接観察状態の物点距離である。
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