WO2013172395A1 - 内視鏡対物光学系 - Google Patents

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optical system
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森田　和雄
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オリンパスメディカルシステムズ株式会社
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    • G02B9/12—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only

Definitions

  • the present invention relates to an endoscope objective optical system.
  • the objective optical system of Patent Document 1 is to form an image of a subject on a solid-state image sensor arranged on a linear optical axis, and a prism or the like that bends the optical axis between the solid-state image sensor is arranged. Since there is no need to do this, a certain amount of back focus is sufficient.
  • the substrate on which the solid-state imaging device is installed is arranged orthogonal to the optical axis of the objective optical system extending linearly. This is difficult, and it is necessary to arrange the substrate in parallel with the optical axis of the objective optical system and to bend the optical axis by a prism arranged between the objective optical system and the image sensor. If such a configuration is adopted, the objective optical system needs a sufficiently long back focus to insert a prism, and the objective optical system of Patent Document 1 cannot realize this.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an endoscope objective optical system capable of reducing the diameter of an endoscope insertion portion and obtaining a wide angle of view. It is said.
  • the present invention provides the following means.
  • a first lens including a plano-concave lens having a concave surface facing the image side
  • a second lens including a plano-concave lens having a concave surface facing the object side, an aperture stop, and an object
  • an endoscope objective optical system that satisfies the following conditional expressions (1) to (3).
  • f focal length of the entire system
  • fa focal length of the first lens
  • fb focal length of the second lens
  • fe focal length of the third lens
  • fab synthesis from the first lens to the second lens The focal length.
  • a long back focus can be obtained by satisfying conditional expression (1), and a wide angle of view can be obtained by satisfying conditional expression (2).
  • the height of the light beam passing through the first lens can be kept low, and the diameter of the first lens can be reduced. That is, by satisfying these three conditions (1) to (3), a long back focus is achieved in which the imaging element is arranged parallel to the optical axis of the objective optical system and the optical axis can be bent by the prism.
  • conditional expression (4) 0.9 ⁇ Na / Nb ⁇ 1
  • Na is a refractive index with respect to d-line of the glass material constituting the first lens
  • Nb is a refractive index with respect to d-line of the glass material constituting the second lens.
  • the curvature of the second lens can be increased, and as a result, the total thickness of the second lens can be reduced. Therefore, the distance from the first lens to the aperture stop can be shortened, the height of the light beam passing through the first lens can be kept low, and the diameter of the first lens can be further reduced.
  • the diameter of the endoscope insertion portion can be reduced and a wide angle of view can be obtained.
  • the endoscope objective optical system 1 includes a first lens 2, a second lens 3, an infrared cut filter 4, an aperture stop 5, and a third lens in order from the object side.
  • a lens 6 is provided.
  • the first lens 2 is a plano-concave lens, and is disposed with the concave surface facing the image side.
  • the second lens 3 is a plano-concave lens, and is disposed with the concave surface facing the object side.
  • the third lens 6 is a plano-convex lens and is disposed with the plane facing the object side.
  • the lenses 2, 3, and 6 satisfy the following conditional expressions (1) to (4).
  • f is the focal length of the entire system
  • fa is the focal length of the first lens 2
  • fb is the focal length of the second lens 3
  • fe is the focal length of the third lens 6, and fab is from the first lens 2 to the second.
  • Na is the refractive index with respect to d-line of the glass material constituting the first lens 2
  • Nb is the refractive index with respect to d-line of the glass material constituting the second lens 3.
  • the negative power can be divided between the two lenses 2 and 3 by configuring the first lens 2 and the second lens 3 with plano-concave lenses.
  • Each negative power can be made smaller than in the case of realizing with this lens.
  • the processability can be improved as compared with the case of processing a lens having a small diameter and a strong negative power.
  • the endoscope objective optical system 1 according to the present embodiment can obtain a long back focus by satisfying conditional expression (1). That is, in the endoscope objective optical system 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the substrate 7 is arranged in parallel to the optical axis of the endoscope objective optical system 1, and the solid-state imaging device on the substrate 7 is arranged. 8 is used with a parallel plate 9 and a prism 10 disposed between them.
  • reference numeral 11 denotes a wiring to the substrate 7
  • reference numeral 12 denotes an adhesive layer.
  • the endoscope objective optical system 1 according to the present embodiment can obtain a wide angle of view by satisfying conditional expression (2). Further, the endoscope objective optical system 1 according to the present embodiment can suppress the height of the light beam passing through the first lens 2 by satisfying the conditional expression (3). As a result, the outer diameter of the first lens 2 can be reduced, and the diameter of the insertion portion can be reduced. By satisfying the above three conditions, the endoscope objective optical system 1 according to the present embodiment can achieve a sufficiently long back focus on which the prism 10 or the like can be installed, and can achieve a small diameter and a wide angle. There are advantages.
  • the endoscope objective optical system 1 can keep the curvature of the second lens 3 large by further satisfying the conditional expression (4). As a result, the total thickness of the second lens 3 is reduced, and the distance from the first lens 2 to the brightness stop 5 can be shortened. That is, this also makes it possible to keep the height of the light beam transmitted through the first lens 2 low, and as a result, it is possible to reduce the outer diameter of the first lens 2 and further reduce the diameter of the insertion portion.
  • FIG. 1 A lens arrangement of the imaging optical system 20 including the endoscope objective optical system 1 according to the first example of the present embodiment is shown in FIG.
  • the lens data in Table 1 is standardized so that the focal length of the entire system is approximately 1.
  • the angle of view is 108 °.
  • FIG. 20 A lens arrangement of the imaging optical system 20 including the endoscope objective optical system 1 according to the second example of the present embodiment is shown in FIG.
  • the lens data in Table 2 is standardized so that the focal length of the entire system is approximately 1.
  • the angle of view is 100 °.
  • FIG. 6 shows a lens arrangement of the imaging optical system 20 including the endoscope objective optical system 1 according to the third example of the present embodiment, and Table 3 shows lens data.
  • the lens data in Table 3 is standardized so that the focal length of the entire system is approximately 1.
  • the angle of view is 125 °.
  • FIG. 7 shows a lens arrangement of the imaging optical system 20 including the endoscope objective optical system 1 according to the fourth example of the present embodiment, and Table 4 shows lens data.
  • the lens data in Table 4 is standardized so that the focal length of the entire system is approximately 1.
  • the angle of view is 134 °.
  • Table 5 shows the values of conditional expressions (1) to (4) in the first to fourth embodiments. According to this, all of these examples satisfy the conditional expressions (1) to (4). As reference examples, the values of conditional expressions (1) to (4) in each example of Patent Document 1 are shown in Table 6. Shown in It can be seen that all of these examples do not satisfy the conditional expressions (1) to (4).

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Abstract

内視鏡挿入部の小径化を図り、かつ、広い画角を得る。 物体側から順に、像側に凹面を向けた平凹レンズからなる第１レンズ（２）と、物体側に凹面を向けた平凹レンズからなる第２レンズ（３）と、明るさ絞り５と、物体側に平面を向けた平凸レンズからなる第３レンズ（６）とを備え、以下の条件式（１）～（３）を満足する内視鏡対物光学系１を提供する。 （１）　０．７≦｜ｆａｂ／ｆ｜≦０．９ （２）　１．７≦｜ｆｅ／ｆａｂ｜≦２ （３）　２≦ｆｂ／ｆａ≦４　ここで、ｆ：全系の焦点距離、ｆａ：第１レンズ２の焦点距離、ｆｂ：第２レンズ３の焦点距離、ｆｅ：第３レンズ６の焦点距離、ｆａｂ：第１レンズ２から第２レンズ３までの合成焦点距離である。

Description

内視鏡対物光学系
　本発明は、内視鏡対物光学系に関するものである。
　従来、固体撮像素子の使用に適したレンズ系にするために、バックフォーカスを長く、小型で、かつ色再現性をよくし、像面湾曲を良好に補正する等光学性能をよくする対物光学系が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この特許文献１の対物光学系は、直線的な光軸上に配置した固体撮像素子に、被写体の像を結像させるもので、固体撮像素子との間に光軸を屈曲させるプリズム等を配置する必要がないため、ある程度の長さのバックフォーカスがあれば足りる。
特開平１０－１９７７８７号公報
　しかしながら、極細のビデオスコープ型内視鏡（例えば、挿入部の外径３mm）においては、固体撮像素子を設置する基板を直線上に延びる対物光学系の光軸に直交して配置することが寸法上困難であり、基板を対物光学系の光軸に平行に配置するとともに、対物光学系と撮像素子との間に配置したプリズムによって光軸を屈曲させる必要がある。このような構成を採用すると、対物光学系としてはプリズムを挿入するために十分に長いバックフォーカスが必要となり、特許文献１の対物光学系では、これを実現することができないとい。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、内視鏡挿入部の小径化を図り、かつ、広い画角を得ることができる内視鏡対物光学系を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の一態様は、物体側から順に、像側に凹面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、物体側に凹面を向けた平凹レンズからなる第２レンズと、明るさ絞りと、物体側に平面を向けた平凸レンズからなる第３レンズとを備え、以下の条件式（１）～（３）を満足する内視鏡対物光学系を提供する。
（１）　０．７≦｜ｆａｂ／ｆ｜≦０．９
（２）　１．７≦｜ｆｅ／ｆａｂ｜≦２
（３）　２≦ｆｂ／ｆａ≦４
　ここで、ｆ：全系の焦点距離、ｆａ：第１レンズの焦点距離、ｆｂ：第２レンズの焦点距離、ｆｅ：第３レンズの焦点距離、ｆａｂ：第１レンズから第２レンズまでの合成焦点距離である。
　本態様によれば、条件式（１）を満足することにより、長いバックフォーカスを得ることができ、条件式（２）を満足することにより、広い画角を得ることができ、条件式（３）を満足することにより、第１レンズを通過する光線の高さを低く抑え、第１レンズを小径化することができる。すなわち、これらの３条件（１）～（３）を満足することにより、撮像素子を対物光学系の光軸に平行に配置し、プリズムによって光軸を屈曲させることが可能な長いバックフォーカスを達成するとともに、極細の挿入部に適用可能な小径化および画角の広角化を図ることができる。
　上記態様においては、以下の条件式（４）を満足してもよい。
（４）　０．９≦Ｎａ／Ｎｂ≦１
　ここで、Ｎａ：第１レンズを構成する硝材のｄ線に対する屈折率、Ｎｂ：第２レンズを構成する硝材のｄ線に対する屈折率である。
　このようにすることで、第２レンズの曲率を大きくすることができ、その結果、第２レンズの総厚を薄くすることができる。したがって、第１レンズから明るさ絞りまでの距離を短くすることができ、第１レンズを通過する光線の高さを低く抑えることができ、第１レンズをさらに小径化することができる。
　本発明によれば、内視鏡挿入部の小径化を図り、かつ、広い画角を得ることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る内視鏡対物光学系を示す図である。 図１の内視鏡対物光学系を含む撮像光学系を示す図である。 図１の内視鏡対物光学系の変形例を示す図である。 図１の内視鏡対物光学系の第１の実施例を含む撮像光学系のレンズ配列を示す図である。 図１の内視鏡対物光学系の第２の実施例を含む撮像光学系のレンズ配列を示す図である。 図１の内視鏡対物光学系の第３の実施例を含む撮像光学系のレンズ配列を示す図である。 図１の内視鏡対物光学系の第４の実施例を含む撮像光学系のレンズ配列を示す図である。
　本発明の一実施形態に係る内視鏡対物光学系１について図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、図１に示されるように、物体側から順に、第１レンズ２、第２レンズ３、赤外カットフィルタ４、明るさ絞り５および第３レンズ６を備えている。
　第１レンズ２は、平凹レンズであって、像側に凹面を向けて配置されている。
　第２レンズ３は、平凹レンズであって、物体側に凹面を向けて配置されている。
　第３レンズ６は、平凸レンズであって、物体側に平面を向けて配置されている。
　本実施形態においては、各レンズ２，３，６は、以下の条件式（１）～（４）を満足している。
（１）　０．７≦｜ｆａｂ／ｆ｜≦０．９
（２）　１．７≦｜ｆｅ／ｆａｂ｜≦２
（３）　２≦ｆｂ／ｆａ≦４
（４）　０．９≦Ｎａ／Ｎｂ≦１
　ここで、ｆは全系の焦点距離、ｆａは第１レンズ２の焦点距離、ｆｂは第２レンズ３の焦点距離、ｆｅは第３レンズ６の焦点距離、ｆａｂは第１レンズ２から第２レンズ３までの合成焦点距離、Ｎａは第１レンズ２を構成する硝材のｄ線に対する屈折率、Ｎｂは第２レンズ３を構成する硝材のｄ線に対する屈折率である。
　このように構成された本実施形態に係る内視鏡対物光学系１の作用について説明する。
　本実施形態に係る内視鏡対物光学系１では、第１レンズ２および第２レンズ３を平凹レンズによって構成することにより、負のパワーを２つのレンズ２，３で分けることができ、単一のレンズで実現する場合よりもそれぞれの負のパワーを小さくすることができる。その結果、小径で強い負のパワーを有するレンズを加工する場合と比較して加工容易性を向上することができる。
　また、本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、条件式（１）を満足することにより、長いバックフォーカスを得ることができる。
　すなわち、本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、図２に示されるように、内視鏡対物光学系１の光軸と平行に基板７を配置し、基板７上の固体撮像素子８との間に平行平板９およびプリズム１０を配置して使用される。
　内視鏡対物光学系１のバックフォーカスが長くなることにより、平行平板９やプリズム１０を配置することが可能となり、このように配置することで、基板７の大きさが直接的に挿入部の外径寸法に影響しないので、基板７が大きくても挿入部の小径化を図ることができる。図２中、符号１１は基板７への配線、符号１２は接着層である。
　また、本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、条件式（２）を満足することにより、広い画角を得ることができる。
　また、本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、条件式（３）を満足することにより、第１レンズ２を通過する光線の高さを低く抑えることができる。その結果、第１レンズ２の外径を小さくすることができ、挿入部の小径化を図ることができる。
　本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、上記３条件を満足することにより、プリズム１０等を設置可能な十分に長いバックフォーカスを達成でき、小径化および広角化を図ることができるという利点がある。
　また、本実施形態に係る内視鏡対物光学系１は、さらに条件式（４）を満足することにより、第２レンズ３の曲率を大きく保つことができる。その結果、第２レンズ３の総厚が小さくなり、第１レンズ２から明るさ絞り５までの距離を短くすることができる。すなわち、これによっても第１レンズ２を透過する光線の高さを低く抑えることができ、結果として第１レンズ２の外径を小さくして挿入部のさらなる小径化を図ることができる。
　なお、本実施形態においては、赤外カットフィルタ４を第２レンズ３と第３レンズ６との間に配置した例を示したが、これに代えて、図３に示されるように、第１レンズ２と第２レンズ３との間に配置してもよい。
　次に、上記実施形態に係る内視鏡対物光学系１の実施例について以下に説明する。
（第１の実施例）
　本実施形態の第１の実施例に係る内視鏡対物光学系１を含む撮像光学系２０のレンズ配列を図４に、レンズデータを表１に示す。表１のレンズデータは、全系の焦点距離が略１となるように規格化したものである。
　本実施例においては、画角は１０８°である。
（表１）
面番号　　　　ｒ　　　　　　　ｄ　　　　　　　　　ｎ　　　　　　　　　ν
物体　　　　　∞　　　　５６．５７７
１　　　　　　∞　　　　０．６５０６３０９　１．７６８２００　７１．７９００００
２　　１．００１４０６　０．４８１３７０１
３　－２．９４４８１２　０．６２２３４２６　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
４　　　　　　∞　　　　０．０５７
５　　　　　　∞　　　　０．８４８６４９　　１．５２１１３０　６６．５０００００
６　　　　　　∞　　　　０
ＳＴＯ　　　　∞　　　　０．０２８２８８３　　　　
８　　　　　　∞　　　　０
９　　　　　　∞　　　　１．１３１５３２　　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
１０　－１．３０６９１９　０．７３５８５５１
１１　　　　　∞　　　　１．１３１５３２　　１．５１６３３０　６４．１４２０２２
１２　　　　　∞　　　　０．０５６５７６６　１．５１００００　６４．１４００００
１３　　　　　∞　　　　２．４８０８８４　　１．６１０６１０　５０．２０００００
１４　　　　　∞　　　　０
　また、本実施例ではレンズの諸元値は以下の通りである。
　ｆａｂ＝－０．８４９
　ｆ＝０．９８８
　ｆａ＝－３．３３５
　ｆｂ＝－１．３０４
　ｆｅ＝１．４８
　Ｎａ＝１．７６８２
　Ｎｂ＝１．８８２９９７
（第２の実施例）
　本実施形態の第２の実施例に係る内視鏡対物光学系１を含む撮像光学系２０のレンズ配列を図５に、レンズデータを表２に示す。表２のレンズデータは、全系の焦点距離が略１となるように規格化したものである。
　本実施例においては、画角は１００°である。
（表２）
面番号　　　　ｒ　　　　　　　ｄ　　　　　　　　　ｎ　　　　　　　　　ν
物体　　　　　∞　　　　５３．８５５
１　　　　　　∞　　　　０．６１９３２８４　１．７６８２００　７１．７９００００
２　０．９５３２２７２　０．３７３
３　　　　　　∞　　　　０．８０７８１９７　１．５２１１３０　６６．５０００００
４　　　　　　∞　　　　０．１３９
５　－２．８０３１３４　０．５９２４０１１　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
６　　　　　　∞　　　　０
ＳＴＯ　　　　∞　　　　０．０２６９２７３２　　　　
８　　　　　　∞　　　　０
９　　　　　　∞　　　　１．０７７０９３　　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
１０　－１．１４９７９７　０．７０５４９５９
１１　　　　　∞　　　　１．０７７０９３　　１．５１６３３０　６４．１４２０２２
１２　　　　　∞　　　０．０５３８５４６５　１．５１００００　６４．１４００００
１３　　　　　∞　　　　２．３６１５２６　　１．６１０６１０　５０．２０００００
１４　　　　　∞　　　　０
　また、本実施例ではレンズの諸元値は以下の通りである。
　ｆａｂ＝－０．７２２
　ｆ＝０．９８９
　ｆａ＝－１．２４１
　ｆｂ＝－３．１７５
　ｆｅ＝１．３０２
　Ｎａ＝１．７６８２
　Ｎｂ＝１．８８２９９７
（第３の実施例）
　本実施形態の第３の実施例に係る内視鏡対物光学系１を含む撮像光学系２０のレンズ配列を図６に、レンズデータを表３に示す。表３のレンズデータは、全系の焦点距離が略１となるように規格化したものである。
　本実施例においては、画角は１２５°である。
（表３）
面番号　　　　ｒ　　　　　　　ｄ　　　　　　　　　ｎ　　　　　　　　　ν
物体　　　　　∞　　　　６２．８９３
１　　　　　　∞　　　　０．７２３２７０４　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
２　　　　　　１　　　　０．４８６５８４９
３　－４．２０７９７３　０．６９１８２３９　１．９２２８６０　１８．８９６９１２
４　　　　　　∞　　　　０．０６２８９３０８
５　　　　　　∞　　　　０．９４３３９６２　１．５２１１３０　６６．５０００００
６　　　　　　∞　　　　０
ＳＴＯ　　　　∞　　　　０．０６２８９３０８　　　　
８　　　　　　∞　　　　０
９　　　　　　∞　　　　１．２５９１０３　　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
１０　－１．４３５４７　０．８１１５１６８
１１　　　　　∞　　　　１．２５７８６２　　１．５１６３３０　６４．１４２０２２
１２　　　　　∞　　　０．０６２８９３０８　１．５１００００　６４．１４００００
１３　　　　　∞　　　　２．７５７８６２　　１．６１０６１０　５０．２０００００
１４　　　　　∞　　　　０
　また、本実施例ではレンズの諸元値は以下の通りである。
　ｆａｂ＝－０．８２９
　ｆ＝０．９９９
　ｆａ＝－１．１２６
　ｆｂ＝－４．５０４
　ｆｅ＝１．６１６
　Ｎａ＝１．８８２９９７
　Ｎｂ＝１．９２２８６
（第４の実施例）
　本実施形態の第４の実施例に係る内視鏡対物光学系１を含む撮像光学系２０のレンズ配列を図７に、レンズデータを表４に示す。表４のレンズデータは、全系の焦点距離が略１となるように規格化したものである。
　本実施例においては、画角は１３４°である。
（表４）
面番号　　　　ｒ　　　　　　　ｄ　　　　　　　　　ｎ　　　　　　　　　ν
物体　　　　　∞　　　　６２．８９３
１　　　　　　∞　　　　０．７２３２７０４　１．７７２４９９　４９．５９８３７１
２　　１．１９９２９８　０．６５９５８６３
３　－２．８８７１８１　０．６９１８２３９　１．９２２８６０　１８．８９６９１２
４　　　　　　∞　　　　０．０６２８９３０８
５　　　　　　∞　　　　０．９４３３９６２　１．５２１１３０　６６．５０００００
６　　　　　　∞　　　　０
ＳＴＯ　　　　∞　　　　０．０６２８９３０８　　　　
８　　　　　　∞　　　　０
９　　　　　　∞　　　　１．２５９１０３　　１．８８２９９７　４０．７６５１０７
１０　－１．４２７７９　　０．５３９
１１　　　　　∞　　　　１．２５７８６２　　１．５１６３３０　６４．１４２０２２
１２　　　　　∞　　　０．０６２８９３０８　１．５１００００　６４．１４００００
１３　　　　　∞　　　　２．７５７８６２　　１．６１０６１０　５０．２０００００
１４　　　　　∞　　　　０
　また、本実施例ではレンズの諸元値は以下の通りである。
　ｆａｂ＝－０．９０２
　ｆ＝１．００１
　ｆａ＝－１．５４５
　ｆｂ＝－３．０９
　ｆｅ＝１．６０８
　Ｎａ＝１．７７２４９９
　Ｎｂ＝１．９２２８６
　表５に、上記第１～第４の実施例における条件式（１）～（４）の値を示す。
　これによれば、これらの実施例は、全て、条件式（１）～（４）を満たしている。
　また、参考例として、特許文献１の各実施例における条件式（１）～（４）の値を表６
に示す。これらの実施例は全て、条件式（１）～（４）を満足していないことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　１　内視鏡対物光学系
　２　第１レンズ
　３　第２レンズ
　５　明るさ絞り
　６　第３レンズ

Claims (2)

  1. 　物体側から順に、
    　像側に凹面を向けた平凹レンズからなる第１レンズと、
    　物体側に凹面を向けた平凹レンズからなる第２レンズと、
    　明るさ絞りと、
    　物体側に平面を向けた平凸レンズからなる第３レンズとを備え、
    　以下の条件式（１）～（３）を満足する内視鏡対物光学系。
    （１）　０．７≦｜ｆａｂ／ｆ｜≦０．９
    （２）　１．７≦｜ｆｅ／ｆａｂ｜≦２
    （３）　２≦ｆｂ／ｆａ≦４
    　ここで、
    　ｆ：全系の焦点距離、
    　ｆａ：第１レンズの焦点距離、
    　ｆｂ：第２レンズの焦点距離、
    　ｆｅ：第３レンズの焦点距離、
    　ｆａｂ：第１レンズから第２レンズまでの合成焦点距離
    である。
  2. 　以下の条件式（４）を満足する請求項１に記載の内視鏡対物光学系。
    （４）　０．９≦Ｎａ／Ｎｂ≦１
    　ここで、
    　Ｎａ：第１レンズを構成する硝材のｄ線に対する屈折率、
    　Ｎｂ：第２レンズを構成する硝材のｄ線に対する屈折率
    である。
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