JPWO2017179387A1 - 対物光学系 - Google Patents

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Abstract

立体観察時の左目画像、右目画像の上下方向のズレ量を抑え、立体観察における安全性を有し、フォーカシング時のレンズ駆動量を低減した小型な対物光学系を提供すること。物体側から順に、前群Ｇｏ、中間群Ｇｆ、後群Ｇｔからなり、中間群Ｇｆを光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足する。｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）ここで、βｆは、中間群Ｇｆの横倍率、βｔは、後群Ｇｔの横倍率、Ｓａは、中間群Ｇｆの移動量、ＦＬは、対物光学系の焦点距離、であり、条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。

Description

本発明は、フォーカシング機能を有し、拡大観察が可能である立体観察内視鏡用の対物光学系に関するものである。
近年、医療分野では、病変の精密かつ迅速な手術を行うために、立体観察が可能な手術用内視鏡が重宝されている。現行の立体内視鏡は、画質の点で課題を有するため、高画質化が要求されている。
そのため、内視鏡の外径と、被写界深度と、コントラストの仕様と、を従来通りに保ちながら、高画質の立体観察が可能な手術用内視鏡が求められている。
内視鏡の外径を保ったまま、高画質化するためには、撮像素子の画素ピッチを小さくすることが必要である。撮像素子の画素ピッチを小さくする場合、被写界深度が狭くなることが知られている。被写界深度を保つためには、Ｆナンバーを大きくする方法がある。ここで、Ｆナンバーを大きくすると、コントラストが低下するため好ましくない。
対物光学系において、フォーカシング機能を搭載することで、異なる物点にピントを合わせることができる。このため、対物光学系は、フォーカシング機能を搭載することが望ましい。フォーカシング機能を搭載する対物光学系は、例えば、特許文献１〜４に開示されている。
特開２０１１−２５７４６５号公報 国際公開第２０１１／０７０９３０号 特開２００４−０２１１５８号公報 特開２０１１−０６４９３３号公報
ところで、立体画像を安全に観察するために、規格が定められている。ＩＳＯ１０９３６−１：２０００（手術用顕微鏡の光学規格）では「観察者の両目の光軸ズレを１５´以下に保つこと」と定められている。
また、アクチュエータにより、フォーカシングレンズを駆動してフォーカシングを行うと、レンズ枠同士のガタツキにより、フォーカシングレンズに関してズレが生じる場合がある。
このため、立体観察のための光学系であって、フォーカシングレンズを駆動する光学系では、このようなズレを考慮した上で、上述のＩＳＯ規格を満足することが望まれる。
特許文献１〜４に開示された光学系は、このような立体視における安全な観察に関して考慮されていない。このため、特許文献１〜４の光学系では、観察時の上下方向のズレ量が大きくなってしまい、立体観察には適していない。
ここで、フォーカシングレンズの駆動による画像の上下方向のズレ量を小さくするためには、駆動するフォーカシングレンズのパワーを弱くし、フォーカシングレンズの駆動量を大きくすることが考えられる。フォーカシングレンズの駆動量を大きくすると、対物光学系の全長、径が大きくなってしまう。従って、快適、安全な立体観察のためには、フォーカシング時のレンズの駆動量も規定する必要がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、立体観察時の左目画像、右目画像の上下方向のズレ量を抑え立体観察における安全性を有し、フォーカシング時のレンズ駆動量を低減した小型な対物光学系を提供することを目的にする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る対物光学系は、物体側から順に、前群、中間群、後群からなり、中間群を光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）
ここで、
βｆは、中間群の横倍率、
βｔは、後群の横倍率、
Ｓａは、中間群の移動量、
ＦＬは、対物光学系の焦点距離、
であり、
条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。
本発明は、立体観察時の左目画像、右目画像の上下方向のズレ量を抑え立体観察における安全性を有し、フォーカシング時のレンズ駆動量を低減した小型な対物光学系を提供できるという効果を奏する。
（ａ）は、実施形態に係る対物光学系を有する内視鏡装置の概略構成を示す図である。（ｂ）は、安全に立体観察するための条件を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ中間群の光軸に沿った移動と結像位置との関係を示す図である。 （ａ）は、中間群の光軸に垂直な方向へのシフトと像との関係を示す図である。（ｂ）は、撮像素子における領域を示す図である。 （ａ）は、実施例１に係る対物光学系の遠点観察状態のレンズ断面図である。（ｂ）は、実施例１に係る対物光学系の近点観察状態のレンズ断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ中間群の光軸に沿った移動と結像位置との関係を示す他の図である。 （ａ）は、実施例２に係る対物光学系の遠点観察状態のレンズ断面図である。（ｂ）は、実施例２に係る対物光学系の近点観察状態のレンズ断面図である。 （ａ）は、実施例３に係る対物光学系の遠点観察状態のレンズ断面図である。（ｂ）は、実施例３に係る対物光学系の近点観察状態のレンズ断面図である。
以下に、実施形態に係る対物光学系を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、この発明が限定されるものではない。
図１（ａ）は、実施形態に係る対物光学系を有する内視鏡装置１の概略構成を示す図である。内視鏡装置１は、撮像装置として撮像素子ＩＭＧ（図３（ｂ）参照）を内蔵した電子内視鏡２と、電子内視鏡２に照明光を供給する光源を有する光源装置３と、電子内視鏡２の撮像素子ＩＭＧに対する信号処理を行う画像処理装置４と、画像処理装置４を経て出力される映像信号による内視鏡画像を表示するモニタ５とで構成されている。モニタ５のモニタ面５ａに、右目画像と左目画像とが表示される。
電子内視鏡２は、撮像素子ＩＭＧを内蔵した細長で可撓性を有する挿入部２１と、挿入部２１の後端に形成された太幅の操作部２２と、先端硬性部１０と、操作部２２の側部から延出されたユニバーサルコード２３とから構成されている。ユニバーサルコード２３の端部には、光源装置３に着脱自在に接続可能なコネクタ部２４が設けられている。コネクタ部２４側部に延出した接続コード２５の端部には、画像処理装置４に着脱自在に接続可能な電気コネクタ部２６が設けられている。
次に、内視鏡装置１が有する実施形態に係る対物光学系について説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る対物光学系は、物体側から順に、前群、中間群、後群からなり、
中間群を光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、
遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）
ここで、
βｆは、中間群の横倍率、
βｔは、後群の横倍率、
Ｓａは、中間群の移動量、
ＦＬは、対物光学系の焦点距離、
であり、
条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。
即ち、遠点観察状態において、条件式（１）、（２）の各パラメータは、
βｆは、中間群の遠点観察状態の横倍率、
βｔは、後群の遠点観察状態の横倍率、
Ｓａは、中間群の移動量、
ＦＬは、対物光学系の遠点観察状態の焦点距離、
である。
近点観察状態において、条件式（１）、（２）の各パラメータは、
βｆは、中間群の近点観察状態の横倍率、
βｔは、後群の近点観察状態の横倍率、
Ｓａは、中間群の移動量、
ＦＬは、対物光学系の近点観察状態の焦点距離、
である。
条件式（１）について説明する。図１（ｂ）は、上述したＩＳＯ規格に基づいたモニタ面５ａと観察者の目Ｅとの関係を示す。立体視において、モニタ面５ａにおける、対応点の上下方向のズレが大きいほど観察者は融像しにくい。そして、一定以上の上下ズレが生じると、融像できないだけでなく観察者の目Ｅの疲労を引き起こしてしまう。
また、矩形形状を有するモニタ面５ａの縦方向の大きさをＨとすると、快適な視距離、即ち観察者の目Ｅと立体視用のモニタ面５ａの距離は、一般的に４Ｈである。ここで、外科手術の際は医師がモニタ面５ａにやや近寄って凝視する場合や、手術室が狭い場合がある。このため、外科出術での立体視を考慮すると、視距離２．５Ｈでも、上述したＩＳＯ規格を満たす必要がある。
従って、上述した上下方向のズレの角度１５´を、立体視用のモニタ面５ａ上の縦心ズレ量に換算すると、２．５Ｈ×ｔａｎ（１５´)（ｍｍ）となる。
アクチュエータによるフォーカシングを行って、レンズ枠同士のガタツキに起因するレンズ位置のズレ量をａ（ｍｍ）とする。ガタツキによるズレ量ａが生じた場合でも、快適、安全な立体視を得るためには、対物光学系に関して、モニタ面５ａ上での左目画像、右目画像の対応点の上下方向のズレ量を２．５Ｈ×ｔａｎ（１５´）（ｍｍ）以下にすることが求められる。
このことは、片目画像の設計状態に対する上下方向のズレ量を（１/２）×２．５Ｈ×ｔａｎ（１５´）（ｍｍ）以下にすることと同じ意味である。
モニタ面５ａの大きさに対する、上下方向のズレ量の割合は、
（１／２）×２．５Ｈ×ｔａｎ（１５´）／Ｈ
＝１．２５×ｔａｎ（１５´）
＝０．００５５
となる。
つまり、アクチュエータによるフォーカシングを行って、レンズ枠同士のガタツキに起因するレンズ位置のズレが生じたとき、左目用光学系、右目用光学系各々の光軸の撮像素子中心からの上下方向のズレ許容量は０．５５％となる。
また、本実施形態の対物光学系は、前群Ｇｏ、中間群Ｇｆ、後群Ｇｔを有している。前群Ｇｏの横倍率をβｏ、中間群Ｇｆの横倍率をβｆ、後群Ｇｔの横倍率をβｔとそれぞれする。なお、横倍率は、遠点物体の時、物体距離は６０ｍｍ、近点物体の時、物体距離は３１ｍｍの場合の値である。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ中間群Ｇｆの光軸に沿った移動と結像位置との関係を示す図である。
図２（ａ）は、近点観察状態の物像関係を示す。近点観察状態のレンズ位置を基準として説明する。物体Ａは、前群Ｇｏによって物体Ｂとして結像する。物体Ｂは、更に中間群Ｇｆによって物体Ｃとして結像する。物体Ｃは、後群Ｇｔによって像Ｄとして結像する。
次に、図２（ａ）で示すレンズ配置のまま遠点観察を行うと、物体Ａ´は、前群Ｇｏによって物体Ｂ´として結像する。物体Ｂ´は、更に中間群Ｇｆによって物体Ｃ´として結像する。そして、物体Ｃ´は、後群Ｇｔによって撮像素子面とは異なる位置に像Ｄ´として結像する。
そこで、図２（ｃ）に示すように、物体Ａ´に対して、中間群Ｇｆを距離Ｓａ（ｍｍ）だけ物体側へ移動する。これにより、物体Ａ´は、遠点観察状態においても、撮像素子面に像Ｄとして結像できる。
次に、中間群Ｇｆが光軸Ｌに垂直な面内で位置ズレする場合を考える。図３（ａ）は、中間群Ｇｆの光軸Ｌに垂直な方向へのシフトと像との関係を示す図である。図３（ｂ）は、撮像素子ＩＭＧにおける領域を示す図である。図３（ａ）に示すように、中間群Ｇｆの光軸Ｌ´が、光軸Ｌに対して、シフト量ａだけ紙面上方向へシフトする場合を考える。
物体Ａは、前群Ｇｏによって、物体Ｂとして結像する。物体Ｂが倍率βｆの中間群を通る際、中間群Ｇｆの光軸Ｌ´が量ａだけシフトしている。このため、中間群Ｇｆにより形成される物体Ｃは、前群Ｇｏの光軸Ｌからシフトしている。この時の物体Ｃの光軸Ｌからのシフト量Ｐは、次式で示される。
Ｐ＝ａ−ａ×βｆ＝ａ（１−βｆ）
物体Ｃは、後群Ｇｔにより撮像素子面に結像する。このとき、図３（ａ）に示すように、像Ｄは光軸Ｌから量Ｑだけシフトした像となる。このシフト量Ｑが心ズレ量となり、次式で示される。
Ｑ＝ａ×（１−βｆ）×βｔ
次に、シフト量Ｑを物体面での大きさに換算する。
Ｑ／（βｏ×βｆ×βｔ）＝ａ／βｏ×（（１／βｆ）−１）
となる。（ただし、βｔは後群Ｇｔの横倍率。）これが、物体面における心ズレ量である。
一方、図３（ｂ）に示すように、撮像素子ＩＭＧの縦対辺の半分の大きさを１とおく。物体面での上下方向の視野範囲は、次式で示される。
（１／（βｏ×βｆ×βｔ））×２＝２／（βｏ×βｆ×βｔ）
従って、物体面の心ズレ量の視野全体に対する割合は、
（ａ／βｏ×（（１／βｆ）−１））／（（２／（βｏ×βｆ×βｔ））
＝（１／２）βｆ×βｔ×ａ（（１／βｆ）−１）
である。
そして、立体視における安全性に関する許容量は、前述のとおり０．００５５以内であることと、ズレ方向は上方向、下方向のそれぞれあることを加味して、以下の条件式（Ａ）を満足することが望ましい。
｜（１／２）βｆ×βｔ×ａ（（１／βｆ）−１）｜≦０．００５５ （Ａ)
ここで、レンズの軸ズレのシフト量は、部品精度や組立精度によって決まる。高精度な部品や、高精度な組立工程を採用しても、中間群Ｇｆの軸ズレのシフト量ａは、０．１ｍｍ以上となってしまう。
そこで、条件式（Ａ）にａ≧０．１を代入すると、以下の条件式（１）を得られる。
｜（１／２）βｆ×βt×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
次に、中間群Ｇｆの移動量について考える。中間群Ｇｆの光軸Ｌに沿った移動量をＳａ、対物光学系の焦点距離をＦＬとおく。Ｓａ／ＦＬ＜０．１２の場合、つまり移動量Ｓａが少ない場合、中間群Ｇｆの光軸Ｌ方向の停止位置の精度の影響が大きくなる。このため、わずかな中間群Ｇｆの位置ズレによって、近軸領域におけるベスト物体位置が大きく変わってしまう。
一方、Ｓａ／ＦＬ＞０．４４の場合、つまり移動量Ｓａが大きい場合、中間群Ｇｆのレンズ径が大きくなるため、立体内視鏡の対物光学系には適さない。
本実施形態では、これらを考慮し、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０.４４ （２）
また、本発明の好ましい態様によれば、対物光学系は、立体内視鏡に用いる対物光学系であることが望ましい。
これにより、立体観察時の左目画像、右目画像の上下方向のズレ量を抑え、快適、安全な立体観察を行うことができる。
また、本発明の好ましい態様によれば、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
｜（１／２）×βf×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０４４ （３）
なお、横倍率は、遠点物体の時、物体距離は６０ｍｍ、近点物体の時、物体距離は３１ｍｍの場合の値である。
内視鏡を用いる医療現場では、上述したような視距離２．５Ｈには限らず、手術室の広さや医師以外の人間の立ち位置などにより、視距離２Ｈでモニタ面５ａを観察することがある。
そこで、以下の式が成立する。
（１／２）×βｆ×βｔ×ａ（（１／βｆ）−１）
≦２Ｈ×ｔａｎ（１５´）×（１／２）／Ｈ
＝ｔａｎ（１５´）
＝０．００４４
ここで上述した場合と同様に、ａ＝０．１を代入して、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０４４ （３）
次に、対物光学系の構成について説明する。実施形態に係る対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力の前群Ｇｏ、正の屈折力の中間群Ｇｆ、正の屈折力の後群Ｇｔから構成されている。
前群Ｇｏはメニスカス形状の第１負（凹）レンズと、負レンズと正レンズを貼り合わせた負の接合レンズから構成されている。
中間群Ｇｆは、明るさ絞りＳと、物体側が平面の平凸正レンズから構成されている。
後群Ｇｔは、物体側から順に、負レンズと正レンズを貼り合わせた正の接合レンズと、負レンズと正レンズを貼り合わせた正の接合レンズと、正レンズと負レンズを貼り合わせた正の接合レンズと、により構成されている。
前群Ｇｏの第１負（凹）レンズは、非球面形状を有することが望ましい。立体観察を快適に行うためには、左目画像、右目画像各々のディストーションを小さくすることが望ましい。そこで、第１負（凹）レンズに非球面形状を採用することにより、レンズ径の小型化を実現しつつ、ディストーションを小さくすることができる。
また、明るさ絞りＳを前群Ｇｏに配置する場合、後群Ｇｔのレンズが大きくなってしまう。明るさ絞りＳを後群Ｇｔに配置する場合、前群Ｇｏのレンズ径が大きくなるだけでなく、中間群Ｇｆのレンズ径も大きくなる。中間群Ｇｆにおいては、光学系全体の径と中間群Ｇｆの径の間にフォーカシング用アクチュエータの空間を確保する必要があるため、中間群Ｇｆのレンズ径は小さいことが望ましい。このため、中間群Ｇｆに明るさ絞りＳを配置し、中間群Ｇｆのレンズ径を抑えることが望ましい。
さらに、中間群Ｇｆの明るさ絞りＳの像側直後の正レンズの形状について説明する。正レンズの物体側面が曲率を有する場合、明るさ絞りＳの平面と、正レンズの凸面あるいは凹面が干渉してしまい、組立性が低下する。このため、正レンズの物体側面は平面であることが望ましい。
また、アクチュエータで中間群Ｇｆを駆動する際、駆動されるレンズが重いほどアクチュエータを大きくする必要がある。したがって、光学系の小型化のためには駆動されるレンズは軽量であることが有利である。このため、中間群Ｇｆにおいてパワーを有するレンズは１枚であることが望ましい。
さらに、対物光学系の小型化を実現しつつ高画質を達成するため、画素ピッチの小さな撮像素子にも対応できるように、後群Ｇｔにおいて３組の接合レンズを用いて、色収差を低減することが望ましい。
以下、各実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１に係る対物光学系について説明する。図４（ａ）は、本実施例に係る対物光学系の遠点観察状態におけるレンズ断面図である。図４（ｂ）は、本実施例に係る対物光学系の近点観察状態におけるレンズ断面図である。
本実施例は、物体側から順に、負の屈折力の前群Ｇｏと、正の屈折力の中間群Ｇｆと、正の屈折力の後群Ｇｔと、を有する。
前群Ｇｏは、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凹負レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、から構成される。負レンズＬ２と正レンズＬ３は接合されている。
中間群Ｇｆは、フィルタＦ１と、明るさ絞りＳと、物体側に平面を向けた平凸正レンズＬ４と、から構成される。
後群Ｇｔは、物体側に平面を向けた平凹負レンズＬ５と、両凸正レンズＬ６と、両凸正レンズＬ７と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、両凹負レンズＬ１０と、カバーガラスＦ２と、ＣＣＤカバーガラスＣＧと、から構成される。負レンズＬ５と正レンズＬ６は接合されている。正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８は接合されている。正レンズＬ９と負レンズＬ１０は接合されている。
また、カバーガラスＦ２とＣＣＤカバーガラスＣＧとは接合されている。また、赤外吸収フィルタであるフィルタＦ１の物体側に、ＹＡＧレーザーカットのコーティング、像側にＬＤレーザーカットのコーティングを施している。さらに、中間群Ｇｆは、遠点観察状態（図４（ａ））から近点観察状態（図４（ｂ））へフォーカシングするに際して、像（像面Ｉ）側に移動する。
（実施例２）
実施例２に係る対物光学系は、上述した条件式（２）の値を下限値近傍、即ち、中間群Ｇｆのレンズ駆動量を少なくしたことにより、レンズ径が小さくなっている。しかしながら、一方で、中間群Ｇｆの駆動量が小さいほど、近軸領域における、右目光学系のベスト物体位置と左目光学系のベスト物体位置の差が大きくなる。
例えば、立体観察時の作動距離６０〜１００ｍｍ付近において、ベスト物体位置が左目用光学系と右目用光学系において、差として１０ｍｍ以上異なってしまうと、立体画像としてのベスト物体位置が定まらず、精細な立体視による医療行為が正しく行えなくなってしまう。
駆動レンズの位置精度±３０μｍのとき、本実施例では、近軸領域における物体位置（物体距離）６０ｍｍの左目用光学系と右目用光学系の差は８．４ｍｍであり、許容範囲内である。
ここで、近軸領域のベスト物体位置の左目光学系と右目光学系の差は以下のように導出される。第５面の面間隔（ｄ５）がプラス３０μｍのとき、即ち、第１０面の面間隔（ｄ１０）がマイナス３０μｍのとき、初期状態に比べて、近軸領域のベスト像面位置は０．００２３２ｍｍ物体側へズレる。
同様に、第５面の面間隔（ｄ５）がマイナス３０μｍのとき、即ち、第１０面の面間隔（ｄ１０）がプラス３０μｍのとき、初期状態に比べて、近軸領域のベスト像面位置は０．００２３３ｍｍ物体側とは反対へズレる。
これらのズレ幅を、倍率の２乗で割ることにより、物体面での距離に換算できる。物体面での距離に換算すると、８．４ｍｍとなる。
条件式（２）の値が下限値を下回り、Ｓａ／ＦＬ＜０．１２のとき、レンズ移動量が少なくなる。このため、駆動レンズの光軸方向の位置精度による、近軸領域のベスト物体位置に関する左目用光学系と右目用光学系の差が大きくなりすぎてしまう。従って、０．１２≦Ｓａ／ＦＬを満たすことが望ましい。
また、近軸領域の物体位置（物体距離）６０ｍｍに関する左目用光学系と右目用光学系の差が１０ｍｍ未満に抑えられていることは、以下の条件式（４）を満足することと同義である。
｜（βｏ×βｆ）２／（１−βｆ２）｜＞０．００６ （４）
以下に、条件式（４）の導出方法を説明する。駆動レンズの位置精度が３０μｍズレたとき、片方の目の光学系のベスト物体位置の設計値に対するズレが５ｍｍ未満であることは、逆に考えると、物体位置が５ｍｍずれたとき、像面が動かないように中間群Ｇｆを３０μｍ動かす条件と同じである。
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて、このような考え方を説明する。図５（ａ）は、設計値における物体Ａの位置におけるレンズ断面を示している。図５（ｂ）は、物体が５ｍｍズレた状態のレンズ断面を示している。図５（ｃ）は、中間群Ｇｆの移動により、物体がずれた場合でも、像面の位置が変化しないように補正した場合のレンズ断面を示す図である。
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すとおり、設計値でのレンズ位置を基準として、物体Ａの位置が物体Ａ´のように５ｍｍ遠点側へズレた場合を以下に示す。
・Ａ−Ａ´間の距離＝５ （ｍｍ）
・Ｂ−Ｂ´間の距離＝５×βｏ２ （ｍｍ）
・Ｃ−Ｃ´間の距離＝５×βｏ２×βｆ２ （ｍｍ）
・Ｄ−Ｄ´間の距離＝５×βｏ２×βｆ２×βｔ２ （ｍｍ）
このように、物体Ａが物体Ａ´のように、５ｍｍ遠点側へズレると、最終的な像位置は結像位置は、Ｄ−Ｄ´の差が生じてしまう。
そこで、結像位置の差Ｄ−Ｄ´が０となるように、中間群ＧｆをＳａ＝３０μｍ動かすと考える。ここで、近点観察状態と遠点観察状態において、後群Ｇｔは共通である。従って、Ｃ−Ｃ´＝０となるように中間群Ｇｆを移動させれば良い。
ただし、中間群Ｇｆを３０μｍ移動させると、物体Ｂ´は３０μｍ動くのではなく、中間群Ｇｆの横倍率の影響（＝βｆ２）が差し引かれることとなる。
以上のことを式を用いて説明する。
Ｃ-Ｃ´間の距離−（３０μｍ−３０μｍ×βｆ２）＝０
となる。
Ｃ-Ｃ´間の距離を代入すると、
５ｍｍ×βｏ２×βｆ２−（３０μｍ−３０μｍ×βｆ２）＝０
つまり、
(βｏ×βｆ）２／（１−βｆ２）
＝３０μｍ／５ｍｍ
＝０.００６
となる。
そして、位置精度が±３０μｍであるため符号を考慮し、更に許容されるベスト物体位置の設計値に対するズレが５ｍｍ未満という範囲を考慮することにより、以下の条件式（４）が得られる。
｜（βｏ×βｆ）２／（１−βｆ２)｜＞０．００６ （４）
なお、横倍率は、遠点物体の時、物体距離は６０ｍｍ、近点物体の時、物体距離は３１ｍｍの場合の値である。
実施例２に係る対物光学系について説明する。図６（ａ）は、本実施例に係る対物光学系の遠点観察状態におけるレンズ断面図である。図６（ｂ）は、本実施例に係る対物光学系の近点観察状態における断面図である。
本実施例は、物体側から順に、負の屈折力の前群Ｇｏと、正の屈折力の中間群Ｇｆと、正の屈折力の後群Ｇｔと、を有する。
前群Ｇｏは、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凹負レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、から構成される。負レンズＬ２と正レンズＬ３は接合されている。
中間群Ｇｆは、フィルタＦ１と、明るさ絞りＳと、物体側に平面を向けた平凸正レンズＬ４と、から構成される。
後群Ｇｔは、両凹負レンズＬ５と、両凸正レンズＬ６と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７と、両凸正レンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、両凹負レンズＬ１０と、カバーガラスＦ２と、ＣＣＤカバーガラスＣＧと、から構成される。負レンズＬ５と正レンズＬ６は接合されている。負メニスカスレンズＬ７と正レンズＬ８は接合されている。正レンズＬ９と負レンズＬ１０は接合されている。
また、カバーガラスＦ２とＣＣＤカバーガラスＣＧとは接合されている。また、赤外吸収フィルタであるフィルタＦ１の物体側に、ＹＡＧレーザーカットのコーティング、像側にＬＤレーザーカットのコーティングを施している。さらに、中間群Ｇｆは、遠点観察状態（図６（ａ））から近点観察状態（図６（ｂ））へフォーカシングするに際して、像（像面Ｉ）側に移動する。
（実施例３）
実施例３に係る対物光学系は、実施例２と同様の考え方により、中間群Ｇｆの位置精度±０．０３ｍｍのとき、近軸領域におけるベスト像面位置に関する左目用光学系と右目用光学系の差は１．１５ｍｍであり、立体画像としてのベスト物体位置が明確である。これは、駆動レンズである中間群Ｇｆの駆動量を増やし、駆動レンズの像面側の曲率半径を大きくしたことによる。
一方で、中間群Ｇｆの駆動量を増やすほど光線高が上がるため、レンズ径が大きくなってしまう。内視鏡の先端直径が１０ｍｍの立体内視鏡では、２つの光学系が内蔵されている。それぞれの光学系のレンズ枠の厚さを加味すると、１つの光学系のレンズ径は４ｍｍ以下であることが望ましい。本実施例に係る対物光学系は、最大レンズ径は３．９ｍｍであるため許容範囲内である。
また、｜（１／２）×βｆ×βｔ×（１／βｆ）−１）｜＜０．００４であるような曲率半径の大きな駆動レンズを用いると、駆動量を増やすことが必要となる。この場合、レンズ径が４ｍｍを超えてしまうため、立体内視鏡には適さない。そこで、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
０．００４≦｜（１／２) ×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜ （５）
なお、横倍率は、遠点物体の時、物体距離は６０ｍｍ、近点物体の時、物体距離は３１ｍｍの場合の値である。
実施例３に係る対物光学系について説明する。図７（ａ）は、本実施例に係る対物光学系の遠点観察状態におけるレンズ断面図である。図７（ｂ）は、本実施例に係る対物光学系の近点観察状態における断面図である。
本実施例は、物体側から順に、負の屈折力の前群Ｇｏと、正の屈折力の中間群Ｇｆと、正の屈折力の後群Ｇｔと、を有する。
前群Ｇｏは、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、両凹負レンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、から構成される。負レンズＬ２と正レンズＬ３は接合されている。
中間群Ｇｆは、フィルタＦ１と、明るさ絞りＳと、物体側に平面を向けた平凸正レンズＬ４と、から構成される。
後群Ｇｔは、両凹負レンズＬ５と、両凸正レンズＬ６と、両凸正レンズＬ７と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、両凹負レンズＬ１０と、カバーガラスＦ２と、ＣＣＤカバーガラスＣＧと、から構成される。負レンズＬ５と正レンズＬ６は接合されている。正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８は接合されている。正レンズＬ９と負レンズＬ１０は接合されている。
また、カバーガラスＦ２とＣＣＤカバーガラスＣＧとは接合されている。また、赤外吸収フィルタであるフィルタＦ１の物体側に、ＹＡＧレーザーカットのコーティング、像側にＬＤレーザーカットのコーティングを施している。さらに、中間群Ｇｆは、遠点観察状態（図７（ａ））から近点観察状態（図７（ｂ））へフォーカシングするに際して、像（像面Ｉ）側に移動する。
以下に、上記各実施例の数値データを示す。記号は、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｅは各レンズのｅ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数、＊は非球面である。
また、非球面形状は、光軸方向をｚ、光軸に直交する方向をｙにとり、円錐係数をｋ、非球面係数をＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０としたとき、次の式で表される。
ｚ＝（ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ／ｒ）2｝1/2］
＋Ａ４ｙ4＋Ａ６ｙ6＋Ａ８ｙ8＋Ａ１０ｙ10
また、非球面係数において、「ｅ−ｎ」（ｎは整数）は、「１０−ｎ」を示している。
なお、これら諸元値の記号は実施例の数値データにおいて共通である。
また、ｆは全系の焦点距離、ｆｏは前群の焦点距離、ｆｆは中間群の焦点距離、ｆｔは後群の焦点距離である。
数値実施例１
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d ne νd
1* 2.9142 0.4 1.81078 40.88
2* 1.0606 0.84 1 -
3 -18.377 0.5 2.01169 28.27
4 2.634 1.2 1.85504 23.78
5 -8.532 可変 1 -
6 ∞ 0.3 1.523 65.13
7 ∞ 0.03 1 -
8(明るさ絞り) ∞ 0.11 1 -
9 ∞ 0.35 1.65425 58.55
10 -35.645 可変 1 -
11 ∞ 0.4 2.01169 28.27
12 9.972 0.78 1.80642 34.97
13 -3.375 0.08 1 -
14 24.688 0.9 1.73234 54.68
15 -2.782 0.53 1.93429 18.9
16 -5.625 1.2453 1 -
17 3.375 1.3 1.73234 54.68
18 -3.375 0.35 2.01169 28.27
19 8.042 0.856 1 -
20 ∞ 0.5 1.51825 64.14
21 ∞ 0.4 1.507 63.26
22 ∞ 0 1 -
撮像面(像面) ∞

非球面データ
第１面
k=8.03790546E-01
A4=7.54607261E-04,A6=5.60340795E-04,A8=-1.85655955E-04
第２面
k=-1.13771745E-01
A4=2.51411174E-03,A6=-7.25176861E-04,A8=4.59260377E-03

各種データ
面番号 遠点物体 近点物体
（物体距離60ｍｍ） （物体距離31ｍｍ）
d5 0.21 0.68
d10 0.72 0.25

遠点物体距離 60ｍｍ
近点物体距離 31ｍｍ
ｆ 1.4421（遠点物体状態） 1.4226（近点物体状態）
ｆｏ -2.415
ｆｆ 54.482
ｆｔ 2.510
数値実施例２
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d ne νd
1* 3.2321 0.4171 1.88815 40.76
2* 1.2533 0.8296 1 -
3 -9.4906 0.6585 1.88815 40.76
4 5.6876 0.6453 1.81264 25.42
5 -7.4996 可変 1 -
6 ∞ 0.3 1.523 65.13
7 ∞ 0.0381 1 -
8(明るさ絞り) ∞ 0 1 -
9 ∞ 0.4172 1.65425 58.55
10 -24.891 可変 1 -
11 -15 0.4 1.85694 30.05
12 2.8146 1.0659 1.82017 46.62
13 -3.1609 0.088 1 -
14 10.5207 1.0119 1.69401 54.82
15 4.2838 1.2275 1.85646 40.78
16 -9.3472 0.1 1 -
17 5.6938 0.8964 1.6052 65.44
18 -3.0462 0.7121 1.86784 22.73
19 17.1028 1.1554 1 -
20 ∞ 0.5 1.51825 64.14
21 ∞ 0.4 1.507 63.26
22 ∞ 0.0045 1 -
撮像面(像面) ∞

非球面データ
第１面
k=-2.08993267E-03
A4=9.74800028E-03,A6=9.85707847E-04,A8=-5.13568231E-05
第２面
k=-3.35531252E-03
A4=7.48405269E-03,A6=-1.06283300E-04,A8=4.94990559E-03

各種データ
面番号 遠点物体 近点物体
（物体距離60ｍｍ） （物体距離31ｍｍ）
d5 0.81862 1.00642
d10 0.54828 0.36047

遠点物体距離 60ｍｍ
近点物体距離 31ｍｍ
ｆ 1.4507（遠点物体状態） 1.4406（近点物体状態）
ｆｏ -2.843
ｆｆ 38.045
ｆｔ 2.581
数値実施例３
単位 ｍｍ

面データ
面番号 r d ne νd
1* 2.9263 0.4 1.81078 40.88
2* 1.2054 0.9796 1 -
3 -7.3704 0.6415 1.83932 37.16
4 1.6853 0.6453 1.81264 25.42
5 -6.9478 可変 1 -
6 ∞ 0.3005 1.523 65.13
7 ∞ 0.035 1 -
8(明るさ絞り) ∞ 0 1 -
9 ∞ 0.4131 1.65425 58.55
10 -164.0304 可変 1 -
11 -20.1282 0.2365 1.86784 22.73
12 5.5162 1.7651 1.82017 46.62
13 -3.6175 0.088 1 -
14 7.2261 1.1525 1.77621 49.6
15 -2.9888 0.9805 1.83945 42.73
16 -10.9452 0.1 1 -
17 4.2852 1.5047 1.51825 64.14
18 -4.8107 1.1924 1.93429 18.9
19 19.3003 0.6302 1 -
20 ∞ 0.5 1.51825 64.14
21 ∞ 0.4 1.507 63.26
22 ∞ 0.0221 1 -
撮像面(像面) ∞

非球面データ
第１面
k=-4.65442077E-04
A4=5.52805689E-03,A6=2.95541293E-03,A8=-6.30538863E-05
第２面
k=-1.98036726E-02
A4=7.87414302E-03,A6=-1.01405214E-02,A8=1.35815047E-02

各種データ
面番号 遠点物体 近点物体
（物体距離60ｍｍ） （物体距離31ｍｍ）

d5 0.21000 0.83761
d10 1.10160 0.47400

遠点物体距離 60ｍｍ
近点物体距離 31ｍｍ
ｆ 1.4595（遠点物体状態） 1.4549（近点物体状態）
ｆｏ -3.018
ｆｆ 250.715
ｆｔ 2.548
条件式対応値を以下に示す。
条件式(1) |(1/2)×βf×βt×((1/βf)-1)|
条件式(2) Sa/FL
条件式(4) |(βo×βf)2/(1-βf2)|

実施例１ 実施例２ 実施例３
条件式 遠点物体 近点物体 遠点物体 近点物体 遠点物体 近点物体
(1) 0.028 0.031 0.040 0.041 0.00547 0.00610
(2) 0.326 0.330 0.129 0.130 0.430 0.431
(4) 0.008237 - 0.007155 - 0.051918 -
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、これら実施形態の構成を適宜組合せて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
（付記）
なお、これらの実施例から以下の構成の発明が導かれる。
（付記項１）
物体側から順に、前群、中間群、後群からなり、
前記中間群を光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、
遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする対物光学系。
｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）
ここで、
βｆは、前記中間群の横倍率、
βｔは、前記後群の横倍率、
Ｓａは、前記中間群の移動量、
ＦＬは、前記対物光学系の焦点距離、
であり、
条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。
（付記項２）
物体側から順に、負の屈折力の前記前群、正の屈折力の前記中間群、正の屈折力の前記後群から構成されていることを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
（付記項３）
前記前群は第１負（凹）レンズと、負レンズと正レンズを貼り合わせた負の接合レンズから構成されていることを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
（付記項４）
前記前群の第１負（凹）レンズは非球面を有するメニスカス形状であることを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
（付記項５）
前記中間群は明るさ絞りと物体側が平面の平凸レンズから構成されていることを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
（付記項６）
前記後群は３組の接合レンズより構成されていることを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
（付記項７）
前記前群の横倍率をβo、中間群の横倍率をβfとしたとき、以下の式を満たすことを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
｜（βｏ×βｆ）２／（１−βｆ２）｜＞０.００６ （４）
なお、横倍率は、遠点物体の時、物体距離は６０ｍｍ、近点物体の時、物体距離は３１ｍｍの場合の値である。
（付記項８）
以下の条件式（５）を満たすことを特徴とする付記項１に記載の対物光学系。
０．００４≦｜（１／２）βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜ （５）
なお、横倍率は、遠点物体の時、物体距離は６０ｍｍ、近点物体の時、物体距離は３１ｍｍの場合の値である。
以上のように、本発明は、フォーカシング機能を有し、拡大観察が可能である立体観察内視鏡用の対物光学系に適している。
１ 内視鏡装置
２ 電子内視鏡
３ 光源装置
４ 画像処理装置
５ モニタ
５ａ モニタ面
１０ 先端硬性部
２１ 挿入部
２２ 操作部
２３ ユニバーサルコード
２４ コネクタ部
２５ 接続コード
２６ 電気コネクタ部
Ｇｏ 前群
Ｇｆ 中間群
Ｇｔ 後群
ＡＸ 光軸
Ｌ、Ｌ’ 光軸
ＩＭＧ 撮像素子
Ｌ１〜Ｌ１０ レンズ
Ｓ 明るさ絞り
Ｆ１ フィルタ
Ｆ２、ＣＧ カバーガラス
Ｅ 観察者の目
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る対物光学系は、物体側から順に、前群、中間群、後群からなり、中間群を光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、前群は、第１負レンズを有し、第１負レンズは非球面を有するメニスカス形状であり、遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）
ここで、
βｆは、中間群の横倍率、
βｔは、後群の横倍率、
Ｓａは、中間群の移動量、
ＦＬは、対物光学系の焦点距離、
であり、
条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。
また、他の実施形態に係る対物光学系は、物体側から順に、前群、中間群、後群からなり、
前記中間群を光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、
中間群は明るさ絞りと物体側が平面の平凸レンズを有し、
遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）
ここで、
βｆは、中間群の横倍率、
βｔは、後群の横倍率、
Ｓａは、中間群の移動量、
ＦＬは、対物光学系の焦点距離、
であり、
条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。

Claims (3)

  1. 物体側から順に、前群、中間群、後群からなり、
    前記中間群を光軸に沿って移動させることによって焦点距離が変化する対物光学系において、
    遠点観察状態と、近点観察状態と、のいずれの状態においても、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする対物光学系。
    ｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０５５ （１）
    ０．１２≦Ｓａ／ＦＬ≦０．４４ （２）
    ここで、
    βｆは、前記中間群の横倍率、
    βｔは、前記後群の横倍率、
    Ｓａは、前記中間群の移動量、
    ＦＬは、前記対物光学系の焦点距離、
    であり、
    条件式（１）、（２）は、遠点観察状態（物体距離６０ｍｍ）の条件式及び近点観察状態（物体距離３１ｍｍ）の条件式である。
  2. 前記対物光学系は、立体内視鏡に用いる対物光学系であることを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
  3. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の対物光学系。
    ｜（１／２）×βｆ×βｔ×（（１／βｆ）−１）｜≦０．０４４ （３）
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