KR101404611B1

KR101404611B1 - 내시경 광학계

Info

Publication number: KR101404611B1
Application number: KR1020130015050A
Authority: KR
Inventors: 신재훈
Original assignee: (주)시원광기술
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-06-09

Abstract

개시된 본 발명의 내시경 광학계는, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하여서, 물체의 이미지를 1차로 결상시키는 제1 결상광학계; 및 상기 제1 결상 광학계 후방에 배치되며, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈군을 포함하여서, 상기 제1 결상광학계에 의하여 결상된 결상 이미지를 다시 결상시키는 제2 결상광학계;를 포함하고, 상기 제2 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제2-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고, 상기 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이에 제1 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제1 최소 유효경이 존재하고, 상기 제3 렌즈군과 제 4렌즈군 사이에 상기 제3 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제2 최소 유효경이 존재하며, 상기 제1 최소 유효경에서 제2 렌즈군의 물체측 주면까지의 거리를 k1이라 하고, 제2 렌즈군의 결상면측 주면에서 제1 결상면까지의 거리를 k2라고 할 때, 조건식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.4 ≤ k1/k2 ≤ 0.8 ------------------------- (1)

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.

상기 필요한 영상을 얻기 위해서는 렌즈모듈이 적절한 초점으로 관할할 수 있도록 설계되어야 한다.

종래에는 상기 내시경 광학계에 사용되는 릴레이 렌즈로 통상적으로 그린(GRIN) 렌즈가 이용된다. 상기 그린 렌즈는 가늘고 긴 봉 형상을 가지고 있으며, 상기 봉의 중심축을 기준으로 중심부의 굴절력이 주변부보다 점차적으로 높은 성질을 가지고 있다. 따라서 그린렌즈를 통과하는 빔은 반사 없이 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 가진 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 만곡 현상이 작고, 제조비용이 절감되는 내시경 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하여서, 물체의 이미지를 1차로 결상시키는 제1 결상광학계; 및 상기 제1 결상 광학계 후방에 배치되며, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈군을 포함하여서, 상기 제1 결상광학계에 의하여 결상된 결상 이미지를 다시 결상시키는 제2 결상광학계;를 포함하고, 상기 제2 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제2-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고, 상기 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이에 제1 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제1 최소 유효경이 존재하고, 상기 제3 렌즈군과 제 4렌즈군 사이에 상기 제3 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제2 최소 유효경이 존재하며, 상기 제1 최소 유효경에서 제2 렌즈군의 물체측 주면까지의 거리를 k1이라 하고, 제2 렌즈군의 결상면측 주면에서 제1 결상면까지의 거리를 k2라고 할 때, 조건식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계를 제공한다.

0.4 ≤ k1/k2 ≤ 0.8 ------------------------- (1)

상기 2-1, 2-2 렌즈의 굴절률은 각각 1.84666, 1.65844로 정의되고, 상기 각 렌즈들의 곡률반경은 상기 제2-1 렌즈로부터 상기 제2-2 렌즈의 순서대로 8.19, 3.00 및 -5.63로 정의되고, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2-1 렌즈 및 제2-2 렌즈의 아베 수(Abbe Number)는 각각 23.78, 50.86이고, 상기 제2-1 렌즈 및 제2-2 렌즈의 두께는 0.45, 2.00으로 정의되며, 상기 아베 수와 상기 두께는 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용될 수 있다.

또한, 상기 제1 결상면에서 상기 제2 결상면까지의 거리를 L이라 하고, 상기 제1 결상면에서 상기 제2 최소 유효경 사이의 거리를 a라 할 때, 조건식(2)을 만족하는 것이 바람직하다.

0.3 ≤ a/L ≤ 0.7 ------------------------------- (2)

이 경우, 상기 제3 렌즈군은 물체측으로부터 제3-1 렌즈, 및 제3-2렌즈의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제4 렌즈군은 물체측으로부터 제4-1 렌즈, 및 제4-2 렌즈의 2매의 렌즈로 이루어지며, 각 렌즈들의 굴절률은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제4-2 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 제1 최소 유효경 또는 제2 최소 유효경 위치 중 적어도 하나에 조리개가 배치될 수 있다.

또한, 상기 제3 렌즈군은 제1 결상면을 지나 퍼지는 광선을 평행광으로 변환해주는 것으로, 상기 제3 렌즈군을 통과한 광선다발을 점점 좁아지도록 하여 상기 제2 최소 유효경에서 가장 좁게 형성된 후, 제4 렌즈군 방향으로 진행할수록 점점 넓어지게 하고, 제4 렌즈군은 평행광을 점점 좁아지도록 하고, 넓어진 광선다발이 더 이상 넓어지지 않고 일정하게 되도록 하여, 제2 결상면에서 결상되도록 하는 것이 바람직하다.

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 실시예에 따라 설계된 렌즈 광학계에서 측정한 상면만곡 그래프이다.
도 6은 종래의 그린 렌즈계에서 측정한 상면만곡 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 내시경 렌즈계를 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. 여기서, 곡률반경은 물체측으로 볼록한 경우는 + 부호를 사용하고, 물체측 반대 방향으로 볼록한 경우에는 - 부호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내시경 광학계를 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 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)과 제2 렌즈군(120)을 포함한다. 이 경우, 제1 렌즈군(110)은 음(-)의 굴절력을 갖는다. 이에 따라서 외부에서 입사되는 광선다발은 넓게 분포하다가 제1 렌즈군(110)을 거치면서 (3)면에서 제1 최소 유효경(31)을 가지도록 좁아진 후 다시 넓어진다.

상기 제1 렌즈군(110)의 제2 렌즈군(120)을 향하는 (2)면이 안쪽으로 움푹한 형상의 음의 굴절력을 가지는 렌즈로 구성할 수 있고, 물체측의 (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), (2)면이, 무한대, 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 배치되며 양(+)의 굴절력을 갖는다. 이에 따라서, 상기 제2 렌즈군(120)을 통과한 광선다발은 거의 수평을 이루며 수렴하여서 제1 결상면(7)을 만들게 된다.

상기 제2 렌즈군(120)은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제2-1 렌즈(121) 및 양의 굴절력을 갖는 제2-2 렌즈(122)가 접합되어서 이루어진다. 상기 제2 렌즈군이 두 매의 렌즈가 접합되어 이루어짐으로써, 분산능이 작아지고 색분산이 작아지게 되고, 결과적으로 색수차가 작아지게 된다.

이 경우, 상기 제2-1 렌즈(121), 제2-2 렌즈(122)의 굴절률은 각각 1.84666, 1.65844로 정의되고, 상기 각 렌즈들의 (4), (5), (6)면 곡률반경은 상기 제2-1 렌즈(121)로부터 상기 제2-2 렌즈(122)의 순서대로 8.19, 3.00 및 -5.63으로 정의될 수 있다. 또한, 상기 제2-1 렌즈(121) 및 제2-2 렌즈(122)의 두께는 0.45, 2.00로, 제2-1 렌즈(121) 및 제2-2 렌즈(122)의 아베수를 각각 23.78, 및 50.86로 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(7)으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광학계 축을 기준으로 0 내지 2도인 것이 바람직하다. 즉, 주광선이 실질적으로 평행하게 진행하여서 제1 결상면(7)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 광학계 축과 거의 수평으로 맞추게 되면, 렌즈의 사이즈가 더 커질 필요가 없게 되므로 내시경 광학계로 적용 가능하게 된다.

또한, 상기 제1 최소 유효경(31)에서 제2 렌즈군(120)의 제1주면(H2_1)까지의 거리를 k1, 제2 렌즈군(120)의 제2주면(H2_2)에서 제1 결상면(7)까지의 거리를 k2라고 하였을 때, 0.4 ≤ k1/k2 ≤ 0.8의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다. 이는 k1/k2값이 0.4 보다 작을수록 제1 결상면(7)을 향하는 주광선 각도(chief ray angle)가 양(+) 방향으로 향하게 되어 광선다발이 커진다는 문제점이 있기 때문이다. 또한, k1/k2 값이 0.8을 초과하게 되면, 제1 결상면(7)을 향하는 주광선 각도가 음(-) 방향으로 향하게 되어 광선다발이 좁아지게 되나 제1 결상면(7)을 지난 후에 광선다발이 커지는 문제점이 있기 때문이다.

따라서, 0.4 ≤ k1/k2 ≤ 0.8을 만족하게 되면, 주광선 각도를 ±2도 이내로 유지하여 광선이 계속적으로 진행하더라도 광선다발이 퍼지는 현상을 최소화시킬 수 있다. 주광선 각도를 더욱 작게 하기 위해서는 0.5 ≤ k1/k2 ≤ 0.7 의 조건을 만족시키는 것이 보다 바람직하다.

이 경우, 상기 렌즈군들의 굴절률, 아베 수, 곡률반경을 상기와 같이 정의한다면, k1 값은 6.84로, k2 값은 11.01로 정의 될 수 있으며, 이 경우 k1/k2 값은 0.62이 될 수 있다.

상기 제2 결상광학계(200)는 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈군(130)과, 제4 렌즈군(140)의 두 개의 렌즈군으로 이루어질 수 있다. 제3 렌즈군(130)은 제1 결상면(7)을 지나 퍼지는 광선을 평행광으로 변환해준다. 즉, 제3 렌즈군(130)은 이를 통과하는 광선 사이의 간격을 평행하게 진행하도록 변환해준다. 제4 렌즈군(140)은 제3렌즈군에 의해 형성된 평행광을 제2 결상광학계(200) 후면에 위치하는 제2 결상면(15)에 결상시키도록 좁히는 기능을 한다. 즉, 제4 렌즈군(140)은 이를 통과하는 광선 사이의 간격을 좁히는 기능을 한다.

제3 렌즈군(130)으로 입사된 광선다발은 제3 렌즈군(130)에서 넓게 분포하다가 제2 결상광학계(200) 내부를 진행할 때 제3 렌즈군(130)과 제4 렌즈군(140) 사이에 있는 면(11)인 제2 최소유효경(32)에서 가장 좁게 형성된 후, 제4 렌즈군(140) 방향으로 진행할수록 점점 넓어지게 된다. 상기 제4 렌즈군(140)은 상기 넓어지는 광선다발이 더 이상 넓어지지 않고 일정한 폭을 가지도록 한다.

이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 결상면(15)으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광학계 축을 기준으로 0 내지 2도인 것이 바람직하다. 즉, 주광선이 실질적으로 평행하게 진행하여서 제2 결상면(15)에 결상됨으로써, 렌즈군의 사이즈를 최소한으로 할 수 있다. 이 경우, 상기 광학계 축이란 각각의 렌즈의 모든 곡률중심이 놓여 있는 직선으로 정의한다.

다시 도 1로 되돌아가서, 제3 렌즈군(130) 및 제4 렌즈군(140)은 각각 1매의 볼록 렌즈로 구성할 수 있다. 반면, 제3 렌즈군(130) 및 제4 렌즈군(140)은 광학계의 선명도를 높이기 위하여 2매 이상으로 구성할 수도 있다.

이 경우, 상기 제3 렌즈군(130) 및 제4 렌즈군(140)을 각각 2매로 구성하는 경우, 양의 굴절력을 가지는 렌즈 1매(131)와, 음의 굴절력을 가지는 렌즈 1매(132)를 결합시켜서, 합성된 굴절력이 양이 되도록 한다. 이 때에 양의 굴절력을 가지는 렌즈(131)는 양면(8)(9)이 모두 볼록형상을 할 수 있고, 음의 굴절력을 가지는 렌즈(132)의 최소 일면(9)은 오목한 형상을 가지고 이 오목면이 이에 대응되는 양의 굴절력을 가진 렌즈 방향에 위치되도록 한다. 상기 음의 굴절력을 가지는 렌즈(130)는 메니스커스 렌즈(meniscus lens)일 수 있다.

제2 결상광학계(200)를 구성하는 제3 렌즈군(130)과 제4 렌즈군(140)은 동일한 렌즈를 적용할 수 있으며, 이 경우, 렌즈의 방향이 서로 대칭으로 마주보도록 배치될 수 있다.

즉, 상기 제3 렌즈군(130)은 물체측으로부터 제3-1 렌즈(131), 및 제3-2렌즈(132)의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제4 렌즈군(140)은 물체측으로부터 제4-1 렌즈(141), 및 제4-2 렌즈(142)의 2매의 렌즈로 이루어지며, 각 렌즈들의 굴절률은 상기 제3-1 렌즈(131)로부터 상기 제4-2 렌즈(142) 순으로 각각 1.70154, 1.84666, 1.84666, 1.70154 로 정의되고, 상기 각 렌즈군 면의 곡률반경은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제4-2 렌즈 순으로 (8), (9), (10), (12), (13), (14)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, 상기 제1 결상면(7)에서 상기 제2 결상면(15)까지의 거리를 L이라 하고, 상기 제1 결상면(7)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 제4 렌즈군(140)의 유효경이 커지게 되고, a/L 값이 클수록 제3 렌즈군(130)의 유효경이 커지게 된다. 따라서 상기 제3 렌즈군(130) 및 제4 렌즈군(140)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(7), 또는 제2 결상면(15)에 배치할 수 있다. 상기 시야 조리개의 형태가 센서에 그대로 맺히게 되므로 제1 결상면(7) 또는 제2 결상면(15)에 희망하는 형태, 예를 들어 원형, 사각형 등의 시야 조리개를 배치할 수 있다.

상기 제2 결상면(15)에 촬상 소자를 배치할 수 있다. 이에 따라서 상기 제2 결상면(15)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(15)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(15)을 통과한 광을 평행광으로 변환시키는 접안 렌즈를 제3 결상광학계(300)로 사용할 수 있다.

또한, 제2 결상면(15)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 제5 렌즈군(150) 및 제6 렌즈군(160)으로 이루어지며, 상기 제5 렌즈군(150)은 물체측으로부터 제5-1 렌즈(151), 및 제5-2렌즈(152)의 2매의 렌즈로 이루어지고, 상기 제6 렌즈군(160)은 물체측으로부터 제6-1 렌즈(161), 및 제6-2 렌즈(162)의 2매의 렌즈로 이루어지며, 각 렌즈들의 굴절률은 상기 제5-1 렌즈로부터 상기 제6-2 렌즈 순으로 각각 1.70154, 1.84666, 1.84666, 1.70154 로 정의되고, 상기 각 렌즈군 면의 곡률반경은 상기 제5-1 렌즈로부터 상기 제6-2 렌즈 순으로 (16), (17), (18), (20), (21), (22)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 제5 렌즈군(150) 및 제6 렌즈군(160) 사이의 일면(19)에 제3 최소유효경(33)이 생길 수 있고, 상기 제6 렌즈군(160) 뒤에 제3 결상면(23)이 발생된다.

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

Surface No.	Comment	곡률반경	거리	굴절률	아베수
Obj		Inf	7.50
1	제1 렌즈	Inf	0.80	1.78590	43.93
2		2.95	7.72
3	제1 최소유효경	Inf	5.80
4	제2-1렌즈	8.19	0.45	1.84666	23.78
5	제2-2 렌즈	3.00	2.00	1.65844	50.86
6		-5.68	10.50
7	제1 결상면	Inf	5.80
8	제3-1 렌즈	17.00	2.00	1.70154	41.15
9	제3-2 렌즈	-3.00	0.50	1.84666	23.78
10		-6.50	7.60
11	제2 최소유효경	Inf	7.50
12	제4-1 렌즈	6.50	0.50	1.84666	23.78
13	제4-2 렌즈	3.00	2.00	1.70154	41.15
14		-17.00	8.86
Image	제2 결상면

이 경우, 상기 렌즈군들의 굴절률, 곡률반경, 및 두께는 5%의 가변범위를 가질 수 있다.

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 0.05mm 이내로, 종래의 그린 렌즈계에서 나타나는 포커스 변화량값이 0.5mm 대비 크게 향상됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 렌즈 유효경이 3mm 미만, 시야각은 40도로 구현 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 내시경 렌즈계의 경우 상면만곡 값이 0.1mm 이내다. 상기 값은 종래의 그린렌즈의 상면만곡값인 0.5mm와 대비시에 80% 정도로 향상된다.

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: 제1 결상광학계 110: 제1 렌즈군
120: 제2 렌즈군 130: 제3 렌즈군
140: 제4 렌즈군 200: 제2 결상광학계
300: 제3 결상광학계

Claims

물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하여서, 물체의 이미지를 1차로 결상시키는 제1 결상광학계; 및
상기 제1 결상 광학계 후방에 배치되며, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군과, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈군을 포함하여서, 상기 제1 결상광학계에 의하여 결상된 결상 이미지를 다시 결상시키는 제2 결상광학계;를 포함하고,
상기 제2 렌즈군은, 물체측으로부터 차례로 음의 굴절력을 갖는 제2-1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2-2 렌즈가 접합되어서 이루어지고,
상기 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이에 제1 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제1 최소 유효경이 존재하고, 상기 제3 렌즈군과 제 4렌즈군 사이에 상기 제3 렌즈군을 통과한 광선 다발이 최소가 되는 제2 최소 유효경이 존재하며,
상기 제1 최소 유효경에서 제2 렌즈군의 물체측 주면까지의 거리를 k1이라 하고, 제2 렌즈군의 결상면측 주면에서 제1 결상면까지의 거리를 k2라고 할 때, 조건식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
0.4 ≤ k1/k2 ≤ 0.8 ------------------------- (1)
제1 항에 있어서,
상기 제2-1, 제2-2 렌즈의 굴절률은 각각 1.84666, 1.65844로 정의되고, 상기 각 렌즈들의 곡률반경은 상기 제2-1 렌즈로부터 상기 제2-2 렌즈의 순서대로 8.19, 3.00 및 -5.63로 정의되고, 상기 굴절률과 상기 곡률반경은 각각 5퍼센트 내의 가변 범위로 적용되는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
제1 항에 있어서,
상기 제2-1 렌즈 및 제2-2 렌즈의 아베 수(Abbe Number)는 각각 23.78, 50.86이고, 상기 제2-1 렌즈 및 제2-2 렌즈의 두께는 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 제2 결상면까지의 거리를 L이라 하고, 상기 제1 결상면에서 상기 제2 최소 유효경 사이의 거리를 a라 할 때, 조건식(2)을 만족하는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
0.3 ≤ a/L ≤ 0.7 ------------------------------- (2)
제4 항에 있어서,
상기 제3 렌즈군은 물체측으로부터 제3-1 렌즈, 및 제3-2렌즈의 2매의 렌즈가 서로 접합되어 이루어지고, 상기 제4 렌즈군은 물체측으로부터 제4-1 렌즈, 및 제4-2 렌즈의 2매의 렌즈가 서로 접합되어 이루어지며,
각 렌즈들의 굴절률은 상기 제3-1 렌즈로부터 상기 제4-2 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 적용되는 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제3 렌즈군은 제1 결상면을 지나 퍼지는 광선 사이의 간격을 평행하게 변환해주는 것으로, 상기 제3 렌즈군을 통과한 광선다발을 점점 좁아지도록 하여 상기 제2 최소 유효경에서 가장 좁게 형성된 후, 제4 렌즈군 방향으로 진행할수록 점점 넓어지게 하고,
제4 렌즈군은 평행인 광선 사이의 간격을 점점 좁아지도록 하고, 넓어진 광선다발이 더 이상 넓어지지 않고 일정하게 되도록 하여, 제2 결상면에서 결상되도록 하며,
상기 제1 결상면 및 제2결상면으로 입사되는 주광선(chief ray) 각도가 광학계 축을 기준으로 0 내지 2도인 것을 특징으로 하는 내시경 광학계.