KR101341820B1

KR101341820B1 - 내시경 광학계

Info

Publication number: KR101341820B1
Application number: KR1020130017176A
Authority: KR
Inventors: 신재훈
Original assignee: (주)시원광기술
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2013-12-16

Abstract

개시된 본 발명의 내시경 광학계는, 본 발명은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군을 포함하여서, 물체의 이미지를 1차로 결상시키는 제1 결상광학계; 및상기 제1 결상 광학계 후방에 배치되며, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제5 렌즈군을 포함하여서, 상기 제1 결상광학계에 의하여 결상된 결상 이미지를 다시 결상시키는 제2 결상광학계;를 포함한다. 이 경우, 상기 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이에 제1 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제1 최소 유효경이 존재하고, 상기 제4 렌즈군과 제 5렌즈군 사이에 상기 제4 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제2 최소 유효경이 존재하며, 상기 제1 결상면 및 제2결상면으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광축을 기준으로 0 내지 2도이다.

Description

내시경 광학계{endoscope optical system}

본 발명은 틈이 좁고 깊은 내부를 관찰하는 것으로, 내장장기(內臟臟器) 또는 체강(體腔) 내부를 직접 볼 수 있는 의료용이거나, 산업용으로 사용 가능하다.

의료기 분야에서 내시경은 의사가 직접 보기 어려운 환자의 환부에 접근하여서 필요한 영상을 촬영하는데 이용된다. 또한 산업계에서도 사람의 눈으로 볼 수 없는 필요한 영상을 촬영하는데 자주 이용된다.

종래에는 상기 내시경 광학계에 사용되는 릴레이 렌즈로 통상적으로 그린(GRIN) 렌즈가 이용된다. 상기 그린렌즈는 가늘고 긴 봉 형상을 가지고 있으며, 상기 봉의 중심축을 기준으로 중심부의 굴절력이 주변부보다 점차적으로 높은 성질을 가지고 있다. 따라서 그린렌즈를 통과하는 빔은 반사없이 파동의 형상을 유지하기 때문에, 빔의 모든 모드들이 동일한 전파속도로 이동할 수 있다.

그런데, 상기 그린 렌즈를 사용하는 방법은 상기 그린렌즈를 제작하기가 쉽지 않고 비용이 많이 든다는 문제점이 있다. 즉, 상기 그린렌즈는 상기 봉의 중심축을 기준으로 굴절력의 대칭성과 균질성이 매우 정교하여야 렌즈로 적용 가능한데, 이러한 렌즈를 정교하게 제작하는 것이 쉽지 않고, 비용이 많이 든다는 문제점이 있다.

또한, 그린렌즈의 특성상 계속적인 릴레이를 거칠 경우에는 중심과 주변의 포커스 위치가 차이 나는 상면 만곡 현상이 일어난다는 문제점이 있다.

본 발명은, 상면 만곡현상이 작고, 제조비용이 절감되는 내시경 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군을 포함하여서, 물체의 이미지를 1차로 결상시키는 제1 결상광학계; 및 상기 제1 결상 광학계 후방에 배치되며, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제5 렌즈군을 포함하여서, 상기 제1 결상광학계에 의하여 결상된 결상 이미지를 다시 결상시키는 제2 결상광학계;를 포함한다. 이 경우, 상기 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이에 제1 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제1 최소 유효경이 존재하고, 상기 제4 렌즈군과 제 5렌즈군 사이에 상기 제4 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제2 최소 유효경이 존재하며, 상기 제1 결상면 및 제2 결상면으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광축을 기준으로 0 내지 2도이다.

이 경우, 상기 제2 렌즈군은 상기 제1 최소 유효경과 0.07mm 내지 0.15mm로 이격되고, 광축을 기준으로, 상기 제1 최소유효경에서 제2 렌즈군의 제1 주면까지의 거리를 k1이라 하고, 제1 최소유효경에서 제3 렌즈군의 제1 주면까지의 거리를 k2라 하며, 제3 렌즈군의 제2 주면에서 제1 결상면까지의 거리를 k3라 하면, 조건식 (1)을 만족하는 것이 바람직하다.

0.8 ≤ (k2-k1)/k3 ≤ 1.2 -------------------------(1)

이와 달리, 상기 제2 렌즈군은 상기 제1 최소 유효경보다 전방에 배치될 수 있다. 이 경우 광축을 따라서, 제2 렌즈군의 제2 주면에서 최소유효경까지의 거리를 k1, 최소유효경에서 제3 렌즈군의 제1 주면까지의 거리를 k2, 제3 렌즈군의 제2 주면에서 제1 결상면까지의 거리를 k3이라 할 때, 조건식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.

0.8 < (k1 + k2)/k3 < 1.2 --------------------------- (2)

이 경우, 상기 제3 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제3-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제3-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고, 상기 3-1, 3-2 렌즈의 굴절률은 각각 1.84666, 1.62041로 정의되고, 상기 각 렌즈들의 곡률반경은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제3-2 렌즈의 순서대로 7.15, 3.00 및 -6.70으로 정의되고, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

또한, 상기 제3-1 렌즈 및 제3-2 렌즈의 아베 수(Abbe Number)는 각각 23.78, 60.38이고, 상기 제3-1 렌즈 및 제3-2 렌즈의 두께는 광축을 따라서 0.45, 2.00으로 정의되며, 상기 아베 수와 상기 직경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

한편, 상기 제1 결상면에서 상기 제2 결상면까지의 거리를 L이라 하고, 상기 제1 결상면에서 상기 제2 최소 유효경 사이의 거리를 a라 할 때, 조건식(3)을 만족할 수 있다.

0.3 ≤ a/L ≤ 0.7 ------------------------------- (3)

이 경우, 상기 제4 렌즈군은 물체측으로부터 제4-1 렌즈, 및 제4-2렌즈의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제5 렌즈군은 물체측으로부터 제5-1 렌즈, 및 제5-2 렌즈의 2매의 렌즈로 이루어지며, 각 렌즈들의 굴절률은 상기 제4-1 렌즈로부터 상기 제5-2 렌즈 순으로 각각 1.70154, 1.84666, 1.84666, 1.70154 로 정의되고, 상기 각 렌즈군의 곡률반경은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제4-2 렌즈 순으로 17.00, -3.00, -6.50, 6.50, 3.00, -17.00으로 정의되고, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

한편, 상기 제4 렌즈군은 제1 결상면을 지나 퍼지는 광선을 평행광으로 변환해주는 것으로, 상기 제4 렌즈군을 통과한 광선다발을 점점 좁아지도록 하여 상기 제2 최소 유효경에서 가장 좁게 형성된 후, 제5 렌즈군 방향으로 진행할수록 점점 넓어지게 하고, 제5 렌즈군은 평행광을 점점 좁아지도록 하고, 넓어진 광선다발이 더 이상 넓어지지 않고 일정하게 되도록 하여, 제2 결상면에서 결상되도록 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 그린렌즈를 사용하지 않고 일반 렌즈를 사용하여서 해상도가 우수하고, 상면만곡이 향상된 내시경 렌즈계 구현이 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내시경 광학계를 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 제1 결상광학계를 확대 도시한 개념도이다.
도 3은 도 1의 제2 결상광학계를 확대 도시한 개념도이다.
도 4는 도 1의 변형예로서 제3 결상광학계가 내시경 광학계를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 설계된 렌즈 광학계에서 측정한 상면만곡 그래프이다.
도 6은 종래의 그린렌즈에서 측정한 상면만곡 그래프이다.
도 7은 도 1의 변형예로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내시경 광학계를 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 설계된 렌즈 광학계에서 측정한 상면만곡 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 내시경 광학계를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 또한, 곡률반경은 물체측으로 볼록한 경우는 + 부호를 사용하고, 물체측 반대 방향으로 볼록한 경우에는 -부호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 내시경 광학계를 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 광학계는 제1 결상광학계(100)와, 제2 결상광학계(200)를 포함한다. 이 경우, 물체측으로부터 차례로 제1 결상광학계(100) 및 제2 결상광학계(200)가 이격 배치된다.

제1 결상광학계(100)는 물체의 이미지를 1차적으로 결상시킨다. 이 경우, 상기 제1 결상광학계(100)는 제1 렌즈군(110), 제2 렌즈군(120) 및 제3 렌즈군(130)을 포함한다. 이 경우, 제1 렌즈군(110)은 음(-)의 굴절력을 갖는다. 이에 따라서 외부에서 입사되는 광선다발은 넓게 분포하다가 제1 렌즈군(110)을 거치면서 일 면(3)에서 제1 최소 유효경(31)을 가지도록 좁아진 후 다시 넓어진다. 또한, 상기 제1 렌즈군이 음(-)의 굴절력을 가짐으로써 광선은 점점 퍼지게 된다.

상기 제1 렌즈군(110)의 제2 렌즈군(120)을 향하는 제2면(2)이 안쪽으로 움푹한 형상의 음의 굴절력을 가지는 렌즈로 구성할 수 있다. 또한 상기 제1 렌즈군(110)의 물체측 (1)면은 볼록면, 오목면, 또는 평면 등 어떠한 형태도 가능하나, 평면의 형태가 보다 바람직하다. 이 경우, 상기 제 1렌즈군(110)의 굴절률은 1.78590이고, 상기 제1 렌즈군(110)의 곡률반경은 (1)면이 무한대이고, (2)면이 2.95로 정의될 수 있다. 이 경우, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

상기 제2 렌즈군(120)은 상기 제1 최소 유효경(31) 후에 인접 배치된다. 상기 제2 렌즈군(120)은 양(+)의 굴절력을 갖는다. 이에 따라서, 제1 렌즈군(110)에 의하여 퍼지는 광을 평행광으로 변환시킨다. 이를 통하여, 후술하는 제3 렌즈군(130)의 유효경을 축소시킬 수 있게 되고, 결과적으로 전체 내시경 렌즈계의 직경을 감소시킬 수 있게 된다. 상기 제2 렌즈군(120)의 물체측인 (4)면은 평면, 즉 곡률반경이 무한대일 수 있고, 결상측인 (5)면은 결상면측으로 볼록한 형상을 가질 수 있다.

상기 제3 렌즈군(130)은 상기 제2 렌즈군(120) 후에 배치되며 양(+)의 굴절력을 갖는다. 이에 따라서, 상기 제3 렌즈군(120)을 통과한 광선다발은 거의 수평을 이루며 수렴하여서 제1 결상면(9)을 만들게 된다. 즉, 제2 렌즈군(120)에 의하여 평행광으로 변환된 빛은 볼록렌즈 형상인 제3 렌즈군(130)을 지나면서 다시 좁아지게 되어서 제1 결상면(9)에서 가장 좁아지게 되고, 그 이후에 다시 넓게 퍼지게 된다.

상기 제3 렌즈군(130)은 양측면이 모두 볼록한 1매의 렌즈로 이루어질 수 있다. 이와 달리 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제3 렌즈군(130)은, 물체측으로부터 차례로 음(-)의 굴절력을 갖는 제3-1 렌즈(131) 및 양(+)의 굴절력을 갖는 제3-2 렌즈가 접합되어서 이루어질 수도 있다. 상기 제3 렌즈군(130)이 두 매의 렌즈가 접합되어 이루어질 때가 더욱 더 분산능이 작아지고 색분산이 작아지게 되어, 결과적으로 색수차가 작아지게 된다.

상기 제3-1 렌즈는 메니스커스 렌즈(meniscus lens) 일 수 있고, 상기 제3-2 렌즈는 양면이 볼록인 렌즈일 수 있다. 이 경우, 상기 제3-1 렌즈(131), 제3-2 렌즈(132)의 굴절률은 각각 1.84666, 1.62041로 정의되고, 상기 각 렌즈들의 (6), (7), (8)면 곡률반경은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제3-2 렌즈의 순서대로 7.15, 3.00 및 -6.70으로 정의될 수 있다. 또한, 상기 제3-1 렌즈(131) 및 제3-2 렌즈(132)의 두께는 0.45, 2.00로, 제3-1 렌즈 및 제3-2 렌즈의 아베수를 각각 23.78, 및 60.34로 크게 할 수 있다. 상기 굴절률, 곡률반경, 아베수, 두께는 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 결상면(9)으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광축을 기준으로 0 내지 2도인 것이 바람직하다. 즉, 주광선이 실질적으로 평행하게 진행하여서 제1 결상면(9)에 결상됨으로써, 렌즈군의 사이즈를 최소한으로 할 수 있다. 내시경은 작은 직경을 가지고 몸 등에 삽입되어야 하는 것으로서, 내시경 광학계에 적용되는 렌즈 또한 그 사이즈가 작아야 된다. 상기 주광선 각도를 광축과 거의 수평으로 맞추게 되면, 렌즈의 사이즈가 더 커질 필요가 없게 되므로 내시경 광학계로 적용 가능하게 된다. 이 경우, 상기 광축이란 각각의 렌즈의 모든 곡률중심이 놓여 있는 직선으로 정의한다.

이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 광축을 기준으로, 상기 제1 최소유효경에서 제2 렌즈군의 제1 주면(H2_1)까지의 거리를 k1이라 하고, 제1 최소유효경에서 제3 렌즈군의 제1 주면(H3_1)까지의 거리를 k2라 하며, 제3 렌즈군의 제2 주면(H3_2)에서 제1 결상면까지의 거리를 k3라 하면, 조건식 0.8 ≤ (k2-k1)/k3 ≤ 1.2를 만족하는 것이 바람직하다.

이는 상기 (k2-k1)/k3값이 점점 커질 경우 주광선(chief ray) 각도가 음(-)의 값을 가져서 광축 방향으로 향하나, 역으로 제3 렌즈군에서의 광다발 크기가 커지는 문제가 있고, 상기 (k2-k1)/k3값이 작을 경우 주광선 각도가 양(+)의 값을 가지며 제3렌즈군의 광다발을 작게 형성할 수 있으나, 제2결상광학계의 광다발 크기가 커지는 문제가 있기 때문이다.

따라서 0.8 ≤ (k2-k1)/k3 ≤ 1.2을 만족하게 되면, 주광선 각도를 ±2도 이내로 유지하여 광선이 계속적으로 진행하더라도 광선다발이 퍼지는 현상을 최소화시킬 수 있다. 주광선 각도를 더욱 작게 하기 위해서는 0.9 ≤ (k2-k1)/k3 ≤ 1.1의 조건을 만족시키는 것이 보다 바람직하다.

이 경우, 상기 렌즈군들의 굴절률, 아베 수, 곡률반경을 상기 정의와 같이 정의한다면, k1 값은 1.22로, k2 값은 8.26으로, k3값은 6.95로 정의 될 수 있으며, 이 경우 (k2-k1)/k3 값은 1.01이 될 수 있다.

이에 따라서 상기 제2 렌즈군(120)과 제1 최소유효경(31) 사이의 간격을 조절한다면, 제 3 렌즈군(130)과 제1 결상면(9) 사이를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제2 렌즈군(120)이 제1 최소유효경(31)에 가까이 배치됨으로써, 제3 렌즈군(130)과 제1 결상면(9) 사이를 좁힐 수 있다. 이는 제1 렌즈군(110)과 제3 렌즈군(130) 사이에 별도의 렌즈군이 존재하지 않는 경우와 달리, 제3 렌즈군의 유효경 조절이 가능하게 되어서 내시경 렌즈 사이즈를 작게 설계할 수도 있고, 제1 결상광학계의 길이도 조절 가능하게 된다.

다시 도 1로 되돌아가서, 상기 제2 결상광학계(200)는, 양의 굴절력을 가지는 제4 렌즈군(140)과, 양의 굴절력을 가지는 제5 렌즈군(150)의 두 개의 렌즈군으로 이루어질 수 있다. 제4 렌즈군(140)은 제1 결상면(9)을 지나 퍼지는 광선을 평행광으로 변환해준다. 제5 렌즈군(150)은 제4 렌즈군(140)에 의해 형성된 평행광을 제2 결상광학계(200) 후면에 위치하는 제2 결상면(17)에 결상시키도록 좁히는 기능을 한다.

제4 렌즈군(140)으로 입사된 광선다발은 제4 렌즈군(140)에서 넓게 분포하다가 제2 결상광학계(200) 내부를 진행할 때 제4 렌즈군(140)과 제5 렌즈군(150) 사이에 있는 (13)면인 제2 최소유효경(32)에서 가장 좁게 형성된 후, 제5 렌즈군(150) 방향으로 진행할수록 점점 넓어지게 된다. 상기 제5 렌즈군(150)은 상기 넓어지는 광다발이 더 이상 넓어지지 않고 일정한 폭을 가지도록 한다.

상기 제4 렌즈군(140) 및 제5 렌즈군(150)은 각각 1매의 볼록 렌즈로 구성할 수 있다. 반면, 제4 렌즈군(140) 및 제5 렌즈군(150)은 광학계의 선명도를 높이기 위하여 2매 이상으로 구성할 수도 있다.

상기 제4 렌즈군(140)을 각각 2매로 구성하는 경우, 양의 굴절력을 가지는 렌즈 1매(141)와, 음의 굴절력을 가지는 렌즈 1매(142)를 결합시켜서, 합성된 굴절력이 양이 되도록 한다. 이 때에 양의 굴절력을 가지는 렌즈(141)는 양면(10)(11)이 모두 볼록형상을 할 수 있고, 음의 굴절력을 가지는 렌즈(142)의 최소 일면(11)은 오목한 형상을 가지고 이 오목면이 이에 대응되는 양의 굴절력을 가진 렌즈 방향에 위치되도록 할 수 있다. 상기 음의 굴절력을 가지는 렌즈(142)는 메니스커스 렌즈(meniscus lens)일 수 있다.

상기 제5 렌즈군(150)을 각각 2매로 구성하는 경우, 음의 굴절력을 가지는 렌즈 1매(121)와, 양의 굴절력을 가지는 렌즈 1매(152)를 접합시켜서, 합성된 굴절력이 양이 되도록 한다.

제2 결상광학계(200)를 구성하는 제4 렌즈군(140)과 제5 렌즈군(150)은 동일한 렌즈를 적용할 수 있으며, 이 경우, 렌즈의 방향이 서로 대칭으로 마주보도록 배치될 수 있다.

즉, 상기 제4 렌즈군(140)은 물체측으로부터 제4-1 렌즈(141), 및 제4-2렌즈(142)의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제5 렌즈군(150)은 물체측으로부터 제5-1 렌즈(151), 및 제5-2 렌즈(152)의 2매의 렌즈로 이루어지며, 각 렌즈들의 굴절률은 상기 제4-1 렌즈로부터 상기 제5-2 렌즈 순으로 각각 1.70154, 1.84666, 1.84666, 1.70154 로 정의되고, 상기 각 렌즈군 면의 곡률반경은 상기 제4-1 렌즈로부터 상기 제5-2 렌즈 순으로 (10), (11), (12), (14), (15), (16)면이 17.00, -3.00, -6.50, 6.50, 3.00, -17.00으로 정의될 수 있다. 이 경우, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

한편 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 결상면(17)으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광축을 기준으로 0 내지 2도인 것이 바람직하다. 이는 주광선이 실질적으로 평행하게 진행하도록 하여 제2 결상면(17)에 결상되면, 렌즈군의 사이즈를 최소한으로 할 수 있기 때문이다.

이를 위하여, 상기 제1 결상면(9)에서 상기 제2 결상면(17)까지의 거리를 L이라 하고, 상기 제1 결상면(9)에서 상기 제2 최소유효경(32) 사이의 거리를 a라 할 때, 0.3 ≤ a/L ≤ 0.7의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다. 제2 결상광학계(200)를 통과하는 광선다발은 a/L 값이 작을수록 제5 렌즈군(150)의 유효경이 커지게 되고, a/L 값이 클수록 제4 렌즈군(140)의 유효경이 커지게 된다. 따라서 상기 제4 렌즈군(140) 및 제5 렌즈군(150)의 사이즈를 동시에 작게 하기 위해서는 a/L이 0.3 내지 0.7인 것이 바람직하고, 렌즈의 사이즈만을 고려한다면, a/L의 값은 0.5인 경우가 가장 바람직하다.

상기 a/L 값은 렌즈 사이즈 외에 내시경 광학계의 해상도를 최적화하기 위하여 0.3 내지 0.7 의 범위 내에서 조절 가능하다.

이 경우, 상기 제1 최소 유효경(31) 및/또는 제2 최소유효경(32)에는 렌즈의 밝기를 결정하는 조리개가 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 최소 유효경(31)에 조리개가 배치된다면 제2 최소유효경(32)에는 조리개가 배치되지 않을 수도 있다.

한편, 본 발명의 내시경 광학계의 시야각이 작아서 영상이 좁게 형성되는 경우 최대 시야각 주변부가 점차적으로 어두워지면서 검게 되고, 그 경계면이 흐려지는 현상이 발생할 수 있다. 시야각 가장자리 경계면을 필요한 부분까지만 보고 나머지 부분을 검게 처리하고 테두리를 선명하게 하고자 하는 경우에는, 시야각을 인위적으로 작게 만드는 사야 조리개(field stop)를 상기 제1 결상면(9), 또는 제2 결상면(17)에 배치할 수 있다. 상기 시야 조리개의 형태가 센서에 그대로 맺히게 되므로 제1 결상면(9) 또는 제2 결상면(17)에 희망하는 형태, 예를 들어 원형, 사각형 등의 시야 조리개를 배치할 수 있다.

상기 제2 결상면(17)에 촬상 소자를 배치할 수 있다. 이에 따라서 상기 제2 결상면(17)에서 물체의 이미지를 획득 가능하다. 이와 달리 내시경의 길이를 보다 길게 하기 위해서 제3 결상광학계(300)를 추가할 수 있다. 이 경우, 상기 제3 결상광학계(300)는 제2 결상면(17)의 이미지를 제3 결상면에 다시 결상시키는 기능을 하며, 제3 결상면에 촬상소자를 배치하는 경우 물체의 이미지 영상을 확인할 수 있다.

이와 달리 눈으로 내시경 광학계를 직접 들여다 보는 시스템을 구성하고자 하는 경우 제2 결상면(17)을 통과한 광을 평행광으로 변환시키는 접안 렌즈를 제3 결상광학계(300)로 사용할 수 있다.

또한, 제2 결상면(17)의 이미지를 계속적으로 다시 결상시키는 릴레이 광학계를 구성하고자 하는 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 그 길이만큼 제3 결상광학계(300)를 추가할 수 있다. 이 경우, 상기 제3 결상광학계(300)는 제2 결상광학계(200)와 동일한 렌즈군으로 이루어질 수 있다.

즉, 제3 결상광학계(300)은 제6 렌즈군(160) 및 제7 렌즈군(170)으로 이루어지며, 상기 제6 렌즈군(160)은 물체측으로부터 제6-1 렌즈(161), 및 제6-2렌즈(162)의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제7 렌즈군(170)은 물체측으로부터 제7-1 렌즈(171), 및 제7-2 렌즈(172)의 2매의 렌즈로 이루어지며, 각 렌즈들의 굴절률은 상기 제6-1 렌즈로부터 상기 제7-2 렌즈 순으로 각각 1.70154, 1.84666, 1.84666, 1.70154 로 정의되고, 상기 각 렌즈군 면의 곡률반경은 상기 제6-1 렌즈로부터 상기 제7-2 렌즈 순으로 (18), (19), (20), (22), (23), (24)면이 17.00, -3.00, -6.50, 6.50, 3.00, -17.00으로 정의될 수 있다. 이 경우, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

상기 제6 렌즈군(160) 및 제7 렌즈군(170) 사이의 일면(21)에 제3 최소유효경(33)이 생길 수 있고, 상기 제7 렌즈군(170) 뒤에 제3 결상면(23)이 생기게 된다.

표 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈군들의 굴절률, 곡률반경, 및 두께와, 상기 렌즈군들과 제1, 2 결상면 및 제1, 2 최소유효경간의 거리를 표시한 표이다.

Surface No.	Comment	Radius	Thickness	Refractive Index	Abbe Number
Obj		Inf	7.50
1	제1 렌즈군	Inf	0.80	1.78590	43.93
2		2.95	7.72
3	제1 최소유효경	Inf	0.10
4	제2 렌즈군	Inf	2.00	1.7859	43.93
5		-7.86	5.23
6	제3-1 렌즈	7.15	0.45	1.84666	23.78
7	제3-2 렌즈	3.00	2.00	1.62041	60.34
8		-6.70	6.29
9	제1 결상면	Inf	6.18
10	제4-1 렌즈	17.00	2.00	1.70154	41.15
11	제4-2 렌즈	-3.00	0.50	1.84666	23.78
12		-6.50	7.60
13	제2 최소유효경	Inf	7.50
14	제5-1 렌즈	6.50	0.50	1.84666	23.78
15	제5-2 렌즈	3.00	2.00	1.70154	41.15
16		-17.00	8.34
Image	제2 결상면

도 5는 [표 1]에 의하여 설계된 렌즈 광학계에서 측정한 상면만곡 그래프를 도시한 도면이고, 도 6은 종래의 그린 렌즈계에서 측정한 상면만곡 그래프를 도시한 도면으로서, 본원발명의 경우 포커스 변화량값이 0.02mm 이내로, 종래의 그린 렌즈계에서 나타나는 포커스 변화량값이 0.5mm 대비 크게 향상됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 렌즈 유효경이 1.9mm, 시야각은 40도로 구현 가능하다.

한편, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 내시경 렌즈계를 도시한 도면이다. 이 경우, 제2 결상광학계 및 도시되지는 않으나 제3 결상광학계의 구조는 제1 실시예의 내시경 렌즈계와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고, 이하에서는 발명의 제1 실시예와의 차이점이 있는 제1 결상광학계에 대하여 설명한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 내시경 카메라의 제1 결상광학계(1000)는, 제2 렌즈군(1200)이 제1 최소유효경(120) 전방에 배치되고, 제3 렌즈군(1300)이 제1 최소유효경(31) 후방에 배치된다.

상기 제2 렌즈군(1200)은 제1 렌즈군(110)과 함께, 물체측면으로부터의 광선다발을 점점 좁혀주는 기능을 하며, 제1 최소유효경(31)을 지난 광선다발은 점점 퍼지게 된다.

특히 제2 렌즈군(1200)은 굴절력이 양인 렌즈를 적용하는 것이 바람직하다. 이는 상기 제2 렌즈군(1200)이 상기 제1 렌즈군(110)으로부터 입사되는 광이 더 이상 좁혀지지 않는 평행광으로 변환시켜 준다. 이에 따라서 제1 최소유효경(31)을 지나서 제3 렌즈군(1300)에 도착하는 광선다발이 퍼지지 않게 되어서 결과적으로 제3 렌즈군(1300)의 유효경을 축소시킬 수 있게 된다.

상기 제2 렌즈군(1200)은 1매의 렌즈로 구성될 수도 있고, 이와 달리 2 매 이상의 렌즈들로 구성될 수도 있다. 제2 렌즈군(1200)이 1매의 렌즈로 구성되는 경우, 제2 렌즈군의 (3)면은 물체면 반대 ?향으로 오목한 형상을 가질 수 있고, 상기 제2 렌즈군의 (4)면은 결상면 방향으로 볼록한 형상을 가질 수 있다.

상기 제2 렌즈군의 (3)면 및 (4)면의 곡률반경은 각각 -32.5 및 -7.18일 수 있고, 상기 제2 렌즈군(1200)의 굴절률은 제1 렌즈군(110)과 동일할 수 있다.

상기 제3 렌즈군(1300)은 본 발명의 제1 실시예와 동일한 기능을 한다. 즉, 상기 제3 렌즈군(1300)은 양(+)의 굴절력을 갖는다. 이에 따라서, 상기 제3 렌즈군(1300)을 통과한 광선다발은 거의 수평을 이루며 수렴하여서 제1 결상면(9)을 만들게 된다. 상기 제3 렌즈군(1300)의 곡률반경은 (6), (7), (8)면이 각각 6.84, 3.00, -6.83일 수 있고, 제3-1 렌즈(1310), 및 제3-2 렌즈(1320)의 굴절률은 1.84666 및 1.62042일 수 있다.

이 경우, 광축을 따라서, 제2 렌즈군의 제2 주면(H2_2)에서 최소유효경까지의 거리를 k1, 최소유효경에서 제3 렌즈군의 제1 주면(H3_1)까지의 거리를 k2, 제3 렌즈군의 제2 주면(H3_2)에서 제1 결상면까지의 거리를 k3이라 할 때, 0.8 < (k1 + k2)/k3 < 1.2의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

이는 상기 (k1 + k2)/k3값이 점점 커질 경우 chief ray angle이 음(-)의 값을 가질 수 있으나 제3 렌즈군에서의 광다발 크기가 커지는 문제가 있고, 상기 값이 작을 경우 chief ray angle이 양(+)의 값을 가지며 제3 렌즈군의 광다발을 작게 형성할 수 있으나, 제2 결상광학계의 광다발 크기가 커지는 문제가 있기 때문이다.

이 경우, 0.9 < (k1 + k2)/k3 < 1.1의 경우가 보다 바람직하며, 상기 렌즈군들의 굴절률, 아베 수, 곡률반경을 상기 정의와 같이 정의한다면, k1 값은 0.87로, k2 값은 6.75로, k3값은 7.44로 정의 될 수 있으며, 이 경우 (k1+k2)/k3 값은 1.02가 될 수 있다.

[표 2]는 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈군들의 굴절률, 곡률반경, 및 두께와, 상기 렌즈군들과 제1, 2 결상면 및 제1, 2 최소유효경간의 거리를 표시한 표이다.

Surface No.	Comment	Radius	Thickness	Refractive Index	Abbe Number
Obj		Inf	7.50
1	제1 렌즈군	Inf	0.80	1.78590	43.93
2		2.95	7.64
3	제2 렌즈군	-32.5	0.10	1.78590	43.93
4		-7.18	2.00
5	제1 최소유효경	Inf	5.82
6	제3-1 렌즈	6.84	0.8	1.84666	23.78
7	제3-2 렌즈	3.00	2.00	1.62041	60.34
8		-6.83	6.5
9	제1 결상면	Inf	6.27
10	제4-1 렌즈	17.00	2.00	1.70154	41.15
11	제4-2 렌즈	-3.00	0.50	1.84666	23.78
12		-6.50	7.60
13	제2 최소유효경	Inf	7.50
14	제5-1 렌즈	6.50	0.50	1.84666	23.78
15	제5-2 렌즈	3.00	2.00	1.70154	41.15
16		-17.00	8.3
Image	제2 결상면

도 8은 [표 2]에 의하여 설계된 렌즈 광학계에서 측정한 상면만곡 그래프를 도시한 도면이다. 본원발명의 경우 포커스 변화량값이 0.02mm 이내로, 도 6에 도시된 종래의 그린 렌즈계에서 나타나는 포커스 변화량값이 0.5mm 대비 크게 향상됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 렌즈 유효경이 1.9mm, 시야각은 40도로 구현 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

6: 제1 결상면 15: 제2 결상면
21: 제1 최소 유효경 22: 제2 최소 유효경
100, 1000: 제1 결상광학계 110: 제1 렌즈군
120, 1200: 제2 렌즈군 130, 1300: 제3 렌즈군
140: 제4 렌즈군 200: 제2 결상광학계
300: 제3 결상광학계

Claims

물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군을 포함하여서, 물체의 이미지를 1차로 결상시키는 제1 결상광학계; 및
상기 제1 결상 광학계 후방에 배치되며, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제5 렌즈군을 포함하여서, 상기 제1 결상광학계에 의하여 결상된 결상 이미지를 다시 결상시키는 제2 결상광학계;를 포함하고,
상기 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이에 제1 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제1 최소 유효경이 존재하고, 상기 제4 렌즈군과 제 5렌즈군 사이에 상기 제4 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제2 최소 유효경이 존재하며,
물체의 이미지가 1차로 결상되는 제1 결상면 및 상기 제1 결상면에서 결상된 결상 이미지가 다시 결상되는 제2 결상면으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광축을 기준으로 0 내지 2도인 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
제1 항에 있어서,
상기 제2 렌즈군은, 상기 제1 최소 유효경과 0.07mm 내지 0.15mm로 이격되어 후방에 배치된 1매의 렌즈로 이루어지고,
상기 제2 렌즈군의 주면 중 물체와 가까운 주면을 제2 렌즈군의 제1 주면이라 하고, 상기 제2 렌즈군의 주면 중 물체로부터 먼 주면을 제2 렌즈군의 제2 주면이라 하고,
상기 제3 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제3-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제3-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고, 상기 제3-1 렌즈의 물체로부터 가장 가까운 주면을 제3 렌즈군의 제1 주면이라 하고, 상기 제3-2 렌즈의 물체로부터 가장 먼 주면을 제3 렌즈군의 제2 주면이라 하면,
상기 광축을 기준으로, 상기 제1 최소유효경에서 제2 렌즈군의 제1 주면까지의 거리를 k1이라 하고, 제1 최소유효경에서 제3 렌즈군의 제1 주면까지의 거리를 k2라 하며, 제3 렌즈군의 제2 주면에서 제1 결상면까지의 거리를 k3라 하면, 조건식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
0.8 ≤ (k2-k1)/k3 ≤ 1.2 -------------------------(1)
제1 항에 있어서,
상기 제2 렌즈군은 상기 제1 최소 유효경보다 전방에 배치된 1매의 렌즈로 이루어지고,
상기 제2 렌즈군의 주면 중 물체와 가까운 주면을 제2 렌즈군의 제1 주면이라 하고, 상기 제2 렌즈군의 주면 중 물체로부터 먼 주면을 제2 렌즈군의 제2 주면이라 하고,
상기 제3 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제3-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제3-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고, 상기 제3-1 렌즈의 물체로부터 가장 가까운 주면을 제3 렌즈군의 제1 주면이라 하고, 상기 제3-2 렌즈의 물체로부터 가장 먼 주면을 제3 렌즈군의 제2 주면이라 하면,
광축을 따라서, 제2 렌즈군의 제2 주면에서 제1 최소 유효경까지의 거리를 k1, 제1 최소 유효경에서 제3 렌즈군의 제1 주면까지의 거리를 k2, 제3 렌즈군의 제2 주면(H3_2)에서 제1 결상면까지의 거리를 k3이라 할 때, 조건식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
0.8 < (k1 + k2)/k3 < 1.2 --------------------------- (2)
제1 항에 있어서,
상기 제3 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제3-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제3-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고,
상기 3-1, 3-2 렌즈의 굴절률은 각각 1.84666, 1.62041로 정의되고, 상기 각 렌즈들의 곡률반경은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제3-2 렌즈의 순서대로 제3-1 렌즈가 7.15, 3.00, 제3-2 렌즈가 3.00, -6.70으로 정의되고, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용되는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
제4 항에 있어서,
상기 제3-1 렌즈 및 제3-2 렌즈의 아베 수(Abbe Number)는 각각 23.78, 60.38이고, 상기 제3-1 렌즈 및 제3-2 렌즈의 두께는 광축을 따라서 0.45, 2.00으로 정의되며, 상기 아베 수와 상기 두께는 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용되는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
제1 항에 있어서,
상기 제1 결상면에서 상기 제2 결상면까지의 거리를 L이라 하고, 상기 제1 결상면에서 상기 제2 최소 유효경 사이의 거리를 a라 할 때, 조건식(3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
0.3 ≤ a/L ≤ 0.7 ------------------------------- (3)
제6 항에 있어서,
상기 제4 렌즈군은 물체측으로부터 제4-1 렌즈, 및 제4-2 렌즈의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제5 렌즈군은 물체측으로부터 제5-1 렌즈, 및 제5-2 렌즈의 2매의 렌즈로 이루어지고,
각 렌즈들의 굴절률은 상기 제4-1 렌즈로부터 상기 제5-2 렌즈 순으로 각각 1.70154, 1.84666, 1.84666, 1.70154 로 정의되고,
상기 각 렌즈군의 곡률반경은 상기 제4-1 렌즈로부터 상기 제5-2 렌즈 순으로, 제4-1 렌즈가 17.00, -3.00, 제4-2 렌즈가 -3.0, -6.50, 제5-1 렌즈가 6.50, 3.00, 제5-2 렌즈가 3.0, -17.00으로 정의되며,
상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용되는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제4 렌즈군은 제1 결상면을 지나 퍼지는 광선을 평행광으로 변환해주는 것으로, 상기 제4 렌즈군을 통과한 광선다발을 점점 좁아지도록 하여 상기 제2 최소 유효경에서 가장 좁게 형성된 후, 제5 렌즈군 방향으로 진행할수록 점점 넓어지게 하고,
제5 렌즈군은 평행광을 점점 좁아지도록 하고, 넓어진 광선다발이 더 이상 넓어지지 않고 일정하게 되도록 하여, 제2 결상면에서 결상되도록 하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.