WO2017217146A1 - 内視鏡用対物光学系 - Google Patents
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Abstract
Fnoが明るく、小型で、かつ高性能の製造誤差に強い内視鏡用対物光学系を提供すること。 物体側から順に、負の第1レンズL1と、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2と、明るさ絞りSと、正の第3レンズL3と、正の第4レンズL4と負の第5レンズL5の接合レンズCL1と、を有し、以下の条件式を満たすことを特徴とする。 -0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1) 0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2) 0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3) ここで、 f1は、第1レンズL1の焦点距離、 f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、 r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、 r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、 d34は、第3レンズL3と第4レンズL4の光軸に沿った距離、 d4は、第4レンズL4の肉厚、 である。
Description
本発明は、内視鏡用対物光学系に関するものである。例えば、医療分野や工業分野などで用いられる内視鏡用対物光学系に関する。
内視鏡は、医療用分野及び工業用分野で広く使用されている装置である。特に、医療用分野においては、体腔内に挿入された内視鏡により得られる画像によって、観察部位の診断や治療に利用されている。
内視鏡の光学系としては、適切なFnoとピント位置を設定することにより、近点物体から遠点物体までピントの合った画像を提供している。また、レンズ径や光学全長を小さくしている。これにより、細くて、体腔内への挿入時に被験者が苦しいことが無く、さらに、体内で、小回りの効く内視鏡を構成している。そして、近年では、さらに高画質で小型な内視鏡が求められるようになってきている。
小型な内視鏡用対物光学系は、例えば以下の特許文献1から8に提案されている。
一般的に撮像素子の画素数を増やすことで高画質化が可能となる。しかしながら、画素数を増やしたとき、撮像素子の撮像面における像高が大きくなってしまうと、光学系も大きくなる、このため、小型化することが難しくなる。そのため、内視鏡では、撮像素子のサイズを同じ状態にしたまま、画素ピッチを小さくすることで、小型化を保ちつつ高画質化する方法が行われることが多い。
ここで、画素ピッチを小さくしたとき、光学系に求められる許容錯乱円の大きさも小さくなる。これにより、高い光学性能を有する光学系が必要となる。許容錯乱円の大きさは、回折の影響を強く受ける。このため、Fnoが明るい光学系にする必要がある。
一般的に、Fnoが明るくなると、光学系の収差補正が難しくなる。従って、レンズ枚数を増やして光学系を構成することや、光学系の全長を大きくすること等により、光学系が大型化してしまう傾向にある。
このように、撮像素子のサイズを同じ状態にしたままで、画素ピッチを小さくすると、単純に小型化と高性能化を達成することができない。さらに、光学系のFnoが明るくなると、製造誤差ばらつきに対して弱くなってしまう。即ち、レンズ部品の曲率半径、肉厚の誤差、光学系組立時の機械枠とレンズとのシフト誤差、チルト誤差等で光学性能が劣化しやすくなる。
特に、ピントに関しては、画素ピッチとFnoとでほぼ決まる許容錯乱円の大きさで、許容される誤差が決まってしまう。このため、光学設計による対策が非常に困難であった。具体的には、ピント誤差は3~5μmとかなり小さい値であり、光学系組立に使用する接着剤の硬化ずれに対してでさえ、かなり小さい量が求められる。
特許文献1に提案されている内視鏡対物レンズユニットは、Fnoは4程度の比較的明るいものもあるが、例えば、軸上色収差や非点収差は高画素向けには不十分な光学性能であって、高性能を満たすには限界がある。
また、特許文献2に提案されている対物光学系は、Fnoは5.5程度であり、小さい画素ピッチに対応した光学系にはなっていない。
また、特許文献3に提案されている撮像レンズは、Fnoは2程度であり、明るい光学系になっている。しかしながら、Fnoの明るさ改善のためであり、小さい画素ピッチに対する製造誤差の問題は考慮されていない。また、この撮像レンズは、車載用であり、内視鏡のような小型化は達成されていない。
また、特許文献4に提案されている内視鏡対物レンズは、小型で、Fnoは比較的明るい光学系である。しかしながら、開示されている実施例はファイバ用であり、小さい画素ピッチによる製造誤差の影響は設計では考慮されていない。
また、特許文献5に提案されている内視鏡対物光学系は、小さい画素ピッチに対応したFnoの明るい光学系であり、ピントの製造誤差に対する考慮もしている。ただし、片面が平面のフィールドレンズで構成しているため、製造誤差緩和に対する効果にはやや限界がある。
また、特許文献6、7、8に提案された光学系は、小型化の点、ピントの誤差感度に関する点が考慮されていない。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Fnoが明るく、小型で、かつ高性能の製造誤差に強い内視鏡用対物光学系を提供することである。
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の対物光学系は、物体側から順に、負の第1レンズと、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズと、明るさ絞りと、正の第3レンズと、正の第4レンズと負の第5レンズの接合レンズと、を有し、以下の条件式(1-1)、(1-2)、(1-3)を満たすことを特徴とする。
-0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1)
0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)
0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3)
ここで、
f1は、第1レンズの焦点距離、
f45は、第4レンズと第5レンズの合成焦点距離
r3fは、第3レンズの物体側の曲率半径、
r3rは、第3レンズの像側の曲率半径、
d34は、第3レンズと第4レンズの光軸に沿った距離、
d4は、第4レンズの肉厚、
である。
-0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1)
0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)
0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3)
ここで、
f1は、第1レンズの焦点距離、
f45は、第4レンズと第5レンズの合成焦点距離
r3fは、第3レンズの物体側の曲率半径、
r3rは、第3レンズの像側の曲率半径、
d34は、第3レンズと第4レンズの光軸に沿った距離、
d4は、第4レンズの肉厚、
である。
本発明は、Fnoが明るく、小型で、かつ高性能の製造誤差に強い内視鏡用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。
以下に、実施形態に係る内視鏡用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は、実施形態に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
本実施形態に係る内視鏡用対物光学系は、物体側から順に、負の第1レンズL1と、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2と、赤外吸収フィルタF1と、明るさ絞りSと、正の第3レンズL3と、正の第4レンズL4と負の第5レンズL5の接合レンズCL1と、を有し、以下の条件式(1-1)、(1-2)、(1-3)を満たすことを特徴とする。
-0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1)
0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)
0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3)
ここで、
f1は、第1レンズL1の焦点距離、
f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、
r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、
r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、
d34は、第3レンズL3と第4レンズL4の光軸AXに沿った距離、
d4は、第4レンズL4の肉厚、
である。
-0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1)
0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)
0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3)
ここで、
f1は、第1レンズL1の焦点距離、
f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、
r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、
r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、
d34は、第3レンズL3と第4レンズL4の光軸AXに沿った距離、
d4は、第4レンズL4の肉厚、
である。
以下、本実施形態において、このような構成をとった理由と作用を説明する。内視鏡は、一般的に広範囲の領域を観察する必要があり、かつレンズ前玉径を小さくしなければならない。このため、本実施形態では、レトロフォーカス構成を採用している。
そこで、最も物体側に、負の第1レンズL1を配置して、レトロフォーカス構成に必要な負の屈折力を確保する。そして、第1レンズL1の像側に、負屈折力の第1レンズL1で発生する収差を補正するように、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2を配置している。
さらに、正の第2メニスカスレンズL2の像側に、物体側から順に、明るさ絞りSと、主に結像に寄与する正屈折力を有する両凸形状の正の第3レンズL3と、周辺の光線高が高くなる位置に両凸形状の正の第4レンズL4と負の第5レンズが接合された接合レンズCL1を配置して色収差を補正している。接合レンズCL1は、正の第3レンズL3と共に結像に寄与するように全体として正の屈折力で構成している。
また、高画素化に伴い画素ピッチが小さくなると許容錯乱円も小さくなる。これにより、高い精度、特にピントの位置精度が求められる。そこで、本実施形態は、像面に近い第4レンズL4と第5レンズL5の接合レンズCL1の正の屈折力を比較的大きくする。この結果、撮像素子と一緒に移動したときに光学縦倍率が小さくなるようにして、ピントの誤差感度が低減できる構成としている。
このとき、第1レンズL1は、レトロフォーカスタイプを構成しつつ全長を短縮化するために、比較的大きい負屈折力が必要となる。そのため、ピント誤差感度を考慮しつつ、そこで発生する収差を第4レンズL4と第5レンズL5で補正する必要がある。そのため、以下の条件式を満たすことが望ましい。
-0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1)
ここで、
f1は、第1レンズL1の焦点距離、
f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、
である。
ここで、
f1は、第1レンズL1の焦点距離、
f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、
である。
条件式(1-1)は、f1とf45の適切な比に関する。条件式(1-1)の上限値を上回ると、第1レンズL1の収差発生量が大きくなり、コマ収差が悪化するか、ピントの誤差感度が強くなってしまう。
条件式(1-1)の下限値を下回ると、光学系の全長が大きくなってしまうか、第4レンズL4と第5レンズL5の収差発生量が大きくなり、非点収差、コマ収差、倍率色収差が悪化してしまう。
また、このとき、第4レンズL4の正屈折力を大きくするので、同じく結像に関わる正の屈折力を持つ第3レンズL3の収差発生量をコントロールしておく必要がある。そのため、第3レンズL3は以下の条件式(1-2)を満たすことが望ましい。
0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)
ここで、
r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、
r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、
である。
ここで、
r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、
r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、
である。
条件式(1-2)は、(r3f+r3r)と(r3f-r3r)の適切な比に関する。条件式(1-2)の上限値を上回ると、第3レンズL3がメニスカス形状になってしまう。この結果、第4レンズL4で発生する収差を抑えにくくなって、球面収差、コマ収差が悪化してしまう。
条件式(1-2)の下限値を下回ると、主点が物体側に移動して全長が大きくなってしまうか、第3レンズL3での球面収差量が大きくなってしまい性能が劣化してしまう。
また、このとき、第4レンズL4の正の屈折力が大きくなるため、第4レンズL4と第5レンズL5の接合レンズの製造誤差、特に、シフトやチルトなどのレンズ偏心による性能劣化が大きくなる。そのため、撮像素子に対する入射角がテレセントリックに近くなるように緩くなる、即ち撮像素子の撮像面に略垂直に入射するようにして構成することが、性能劣化が少なくなり望ましい。そのため、第4レンズL4に関して明るさ絞りSからの距離をなるべく離すように以下の条件式(1-3)を満たすことが望ましい。
0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3)
ここで、
d34は、第3レンズL3と第4レンズL4の光軸AXに沿った距離、
d4は、第4レンズL4の肉厚、
である。
ここで、
d34は、第3レンズL3と第4レンズL4の光軸AXに沿った距離、
d4は、第4レンズL4の肉厚、
である。
条件式(1-3)は、d34/d4の適切な比に関する。条件式(1-3)の上限値を上回ると、光学系の全長が大きくなるか、第4レンズL4の光線高が大きくなってレンズ径が大きくなってしまう。
条件式(1-3)の下限値を下回ると、第4レンズL4と明るさ絞りSとの距離が小さくなりすぎて、入射角がきつくなり、即ちレンズ面への入射角が大きくなる。このため、第4レンズL4の製造誤差に対して性能が劣化しやすくなる。
なお、条件式(1-1)に代えて、以下の条件式(1-1)’を満たすことが望ましい。
-0.5≦f1/f45≦-0.22 (1-1)’
さらに、条件式(1-1)に代えて、以下の条件式(1-1)”を満たすことが望ましい。
-0.4≦f1/f45≦-0.24 (1-1)”
-0.5≦f1/f45≦-0.22 (1-1)’
さらに、条件式(1-1)に代えて、以下の条件式(1-1)”を満たすことが望ましい。
-0.4≦f1/f45≦-0.24 (1-1)”
なお、条件式(1-2)に代えて、以下の条件式(1-2)’を満たすことが望ましい。
0.4≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)’
さらに、条件式(1-2)に代えて、以下の条件式(1-2)”を満たすことが望ましい。
0.6≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)”
0.4≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)’
さらに、条件式(1-2)に代えて、以下の条件式(1-2)”を満たすことが望ましい。
0.6≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)”
なお、条件式(1-3)に代えて、以下の条件式(1-3)’を満たすことが望ましい。
0.18≦d34/d4≦0.6 (1-3)’
さらに、条件式(1-3)に代えて、以下の条件式(1-3)”を満たすことが望ましい。
0.2≦d34/d4≦0.5 (1-3)”
0.18≦d34/d4≦0.6 (1-3)’
さらに、条件式(1-3)に代えて、以下の条件式(1-3)”を満たすことが望ましい。
0.2≦d34/d4≦0.5 (1-3)”
また、全体の正の屈折力を保ちつつ、第3レンズL3と第4レンズL4のバランスを変えると収差が崩れやすくなってしまう。そのため、それぞれの曲率半径を適切に設定するのが好ましい。
すなわち、本実施形態の好ましい態様によれば、第3レンズL3の像側の曲率半径と第4レンズL4の像側の曲率半径は、以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。
0.7≦r4r/r3r≦1.2 (2)
ここで、
r4rは、第4レンズL4の像側の曲率半径、
r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、
である。
ここで、
r4rは、第4レンズL4の像側の曲率半径、
r3rは、第3レンズL3の像側の曲率半径、
である。
条件式(2)は、r4rとr3rの適切な比に関する。条件式(2)の上限値を上回ると、第3レンズL3の像側の曲率半径が大きくなって全長が大きくなるか、第4レンズL4の像側の曲率半径が小さくなってコマ収差、倍率色収差が補正過剰になってしまう。
条件式(2)の下限値を下回ると、第3レンズL3の像側の曲率半径が小さくなって球面収差が悪化するか、第4レンズL4の像側の曲率半径が大きくなって、コマ収差、倍率色収差が補正不足になってしまう。
なお、条件式(2)に代えて、以下の条件式(2)’を満たすことが望ましい。
0.73≦r4r/r3r≦1.1 (2)’
さらに、条件式(2)に代えて、以下の条件式(2)”を満たすことが望ましい。
0.75≦r4r/r3r≦1 (2)”
0.73≦r4r/r3r≦1.1 (2)’
さらに、条件式(2)に代えて、以下の条件式(2)”を満たすことが望ましい。
0.75≦r4r/r3r≦1 (2)”
また、接合レンズCL1の第4レンズL4と第5レンズL5は、比較的大きい正屈折力を保持しつつ、第1レンズL1で発生する画面周辺の収差も抑えなければならない。
そのため、本実施形態の好ましい態様によれば、第4レンズL4の物体側曲率半径と第5レンズL5の像側の曲率半径は以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
-0.5≦r4f/r5r≦-0.05 (3)
r4fは、第4レンズL4の物体側の曲率半径、
r5rは、第5レンズL5の像側の曲率半径、
である。
r4fは、第4レンズL4の物体側の曲率半径、
r5rは、第5レンズL5の像側の曲率半径、
である。
条件式(3)は、r4fとr5rの適切な比に関する。条件式(3)の上限値を上回ると、第4レンズL4の物体側の曲率半径が小さくなりすぎて球面収差、コマ収差が悪化してしまうか、第5レンズL5の像側の曲率半径が大きくなりすぎてコマ収差、非点収差が補正不足になってしまう。
条件式(3)の下限値を下回ると、第4レンズL4の物体側の曲率半径が大きくなりすぎて屈折力が保てなくなって全長が大きくなってしまう。または、第5レンズL5の像側の曲率半径が小さくなりすぎてコマ収差、非点収差が補正過剰になってしまう。または、接合面の曲率半径が小さくなってレンズの加工が困難になってしまう。
なお、条件式(3)に代えて、以下の条件式(3)’を満たすことが望ましい。
-0.45≦r4f/r5r≦-0.1 (3)’
さらに、条件式(3)に代えて、以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
-0.4≦r4f/r5r≦-0.15 (3)”
-0.45≦r4f/r5r≦-0.1 (3)’
さらに、条件式(3)に代えて、以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
-0.4≦r4f/r5r≦-0.15 (3)”
また、レトロフォーカスタイプを採用すると光学系の全長が大きくなってしまう傾向がある。このため、正屈折力の第3レンズL3と第4レンズL4の構成が重要になる。
そのため、本実施形態の好ましい態様によれば、第3レンズL3の物体側曲率半径と第4レンズL4の物体側曲率半径は、以下の条件式(4)を満たすことが望ましい。
0≦r4f/r3f≦0.25 (4)
r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、
f4fは、第4レンズL4の物体側の曲率半径、
である。
r3fは、第3レンズL3の物体側の曲率半径、
f4fは、第4レンズL4の物体側の曲率半径、
である。
条件式(4)は、r4fとr3fの適切な比に関する。条件式(4)の条件式の上限値を上回ると、第3レンズL3の物体側の曲率半径が小さくなりすぎて主点が物体側に移動して全長が大きくなってしまうか、または第4レンズL4の物体側の曲率半径が大きくなりすぎて非点収差、コマ収差の補正が不足してしまう。
条件式(4)の下限値を下回ると、第3レンズL3の物体側が凹面になり結果的に像側の曲率半径が小さくなって球面収差、コマ収差が悪化してしまうか、または第4レンズL4の物体側が凹面になり結果的に像側の曲率半径が小さくなり、軸上、倍率色収差が悪化してしまったり、正の屈折力が小さくなって光学系の全長が大きくなってしまう。
なお、条件式(4)に代えて、以下の条件式(4)’を満たすことが望ましい。
0≦r4f/r3f≦0.23 (4)’
0≦r4f/r3f≦0.23 (4)’
また、第4レンズL4と第5レンズL5によるピント誤差感度の緩和効果と小型化を満たすには、第3レンズL3の正の屈折力を適切に設定する必要がある。
そのため、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式(5)を満たすことが望ましい。
0.24≦Ih/f3≦0.35 (5)
Ihは、内視鏡用対物光学系の最大像高、
f3は、第3レンズL3の焦点距離、
である。
Ihは、内視鏡用対物光学系の最大像高、
f3は、第3レンズL3の焦点距離、
である。
条件式(5)は、Ihとf3の適切な比に関する。条件式(5)の上限値を上回ると、第3レンズL3の屈折力が大きくなりすぎて、第4レンズL4と第5レンズL5のピント誤差感度の緩和効果が弱まってしまうか、または第3レンズL3での球面収差、コマ収差の発生が多くなって性能が悪化してしまう。
条件式(5)の下限値を下回ると、第3レンズL3の屈折力が小さくなりすぎて、第4レンズL4と第5レンズL5でのコマ収差、非点収差の発生が多くなって性能が悪化してしまう。
なお、条件式(5)に代えて、以下の条件式(5)’を満たすことが望ましい。
0.25≦Ih/f3≦0.32 (5)’
0.25≦Ih/f3≦0.32 (5)’
また、明るさ絞りSの像側を、物体側から順に、正の第3レンズL3と、正の第4レンズL4と負の第5レンズL5の接合レンズCL1と、のみで構成した場合、明るさ絞りSの位置を適切に設定しないと、小型化とピント誤差感度を同時に満たせなくなる。そのため、以下の条件式(6)を満たすことが望ましい。
このため、本実施形態の好ましい態様によれば、明るさ絞りSの像側は、物体側から順に、正の第3レンズL3と、正の第4レンズL4と負の第5レンズL5の接合レンズCL1と、からなり、以下の条件式(6)を満たすことが望ましい。
0.5≦d1s/dsi≦0.8 (6)
d1sは、第1レンズL1から明るさ絞りSまでの光軸AXに沿った距離、
dsiは、明るさ絞りSから像面までの光軸AXに沿った距離、
である。
0.5≦d1s/dsi≦0.8 (6)
d1sは、第1レンズL1から明るさ絞りSまでの光軸AXに沿った距離、
dsiは、明るさ絞りSから像面までの光軸AXに沿った距離、
である。
条件式(6)は、d1sとdsiの適切な比に関する。条件式(6)の上限値を上回ると、第1レンズL1の外径が大きくなって小型化を満たせなくなったり、または撮像素子への入射角がきつくなり、第4レンズL4と第5レンズL5の光軸AXに対するシフト、チルトのレンズ偏心時の性能劣化が大きくなってしまう。
条件式(6)の下限値を下回ると、光学系の全長が大きくなったり、第1レンズL1の屈折力が大きくなりすぎて収差発生量が多くなり性能が劣化してしまう。
なお、条件式(6)に代えて、以下の条件式(6)’を満たすことが望ましい。
0.55≦d1s/dsi≦0.7 (6)’
0.55≦d1s/dsi≦0.7 (6)’
また、第1レンズL1で発生する大きな収差を、第2メニスカスレンズL2、第3レンズL3で良好に補正する必要がある。
そのため、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式(7-1)、(7-2)を同時に満たすことが望ましい。
2.3≦f23/f≦4 (7-1)
-0.4≦r1r/r2f≦-0.1 (7-2)
f23は、第2メニスカスレンズL2と第3レンズL3の合成焦点距離、
fは、内視鏡用対物光学系の全系の焦点距離、
r1rは、第1レンズL1の像側の曲率半径、
r2fは、第2メニスカスレンズL2の物体側の曲率半径、
である。
-0.4≦r1r/r2f≦-0.1 (7-2)
f23は、第2メニスカスレンズL2と第3レンズL3の合成焦点距離、
fは、内視鏡用対物光学系の全系の焦点距離、
r1rは、第1レンズL1の像側の曲率半径、
r2fは、第2メニスカスレンズL2の物体側の曲率半径、
である。
条件式(7-1)は、f23とfの適切な比に関する。条件式(7-2)は、r1rとr2fの適切な比に関する。
条件式(7-1)の上限値を上回ると、第2メニスカスレンズL2、第3レンズL3の正の屈折力が小さくなりすぎて、第1レンズL1で発生するコマ収差、非点収差を補正できなくなってしまう。
条件式(7-1)の下限値を下回ると、第2メニスカスレンズL2、第3レンズL3の正の屈折力が大きくなりすぎて、球面収差が悪化してしまう。
条件式(7-2)の上限値を上回ると、第1レンズL1の曲率半径が小さくなりすぎるか、または第2メニスカスレンズL2の曲率半径が大きくなりすぎて、コマ収差、非点収差が悪化してしまう。
条件式(7-2)の下限値を下回ると、第1レンズL1の曲率半径が大きくなりすぎて全長が大きくなってしまうか、または第2メニスカスレンズL2の曲率半径が小さくなりすぎて、コマ収差が補正過剰になったり、レンズの加工性が悪くなってしまう。
なお、条件式(7-1)に代えて、以下の条件式(7-1)’を満たすことが望ましい。
2.5≦f23/f≦3.5 (7-1)’
なお、条件式(7-2)に代えて、以下の条件式(7-2)’を満たすことが望ましい。
-0.35≦r1r/r2f≦-0.12 (7-2)’
2.5≦f23/f≦3.5 (7-1)’
なお、条件式(7-2)に代えて、以下の条件式(7-2)’を満たすことが望ましい。
-0.35≦r1r/r2f≦-0.12 (7-2)’
また、ピント誤差感度、画面周辺の収差、全長を良好に満たすためには、明るさ絞りSから像側に配置するレンズの屈折力のバランスを取る必要がある。
そのため、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式(8-1)、(8-2)を満たすことが望ましい。
0.32≦f3/f45≦1 (8-1)
-1≦f4/f5≦-0.66 (8-2)
f3は、第3レンズL3の焦点距離、
f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、
f4は、第4レンズL4の焦点距離、
f5は、第5レンズL5の焦点距離、
である。
-1≦f4/f5≦-0.66 (8-2)
f3は、第3レンズL3の焦点距離、
f45は、第4レンズL4と第5レンズL5の合成焦点距離、
f4は、第4レンズL4の焦点距離、
f5は、第5レンズL5の焦点距離、
である。
条件式(8-1)は、f3とf45の適切な比に関する。条件式(8-2)は、f4とf5の適切な比に関する。
条件式(8-1)の上限値を上回ると、第3レンズL3の屈折力が小さくなりすぎて、光学系の全長が大きくなったり、球面収差が補正不足になってしまうか、または第4レンズL4と第5レンズL5の屈折力が大きくなりすぎて、レンズ偏心による性能劣化が発生してしまう。
条件式(8-1)の下限値を下回ると、第3レンズL3の屈折力が大きくなりすぎて、球面収差、コマ収差が悪化してしまうか、または第4レンズL4と第5レンズL5の屈折力が小さくなりすぎて、ピント感度緩和の効果が薄れてしまう。
条件式(8-2)の上限値を上回ると、第4レンズL4の屈折力が大きくなりすぎてコマ収差、非点収差が悪化してしまうか、または第5レンズL5の屈折力が小さくなりすぎて、倍率色収差が補正不足になってしまう。
条件式(8-2)の下限値を下回ると、第4レンズL4の屈折力が小さくなりすぎてピント感度緩和の効果が薄れてしまうか、または第5レンズL5の屈折力が大きくなりすぎて倍率色収差が補正過剰になったり、コマ収差が悪化してしまう。
なお、条件式(8-1)に代えて、以下の条件式(8-1)’を満たすことが望ましい。
0.4≦f3/f45≦0.9 (8-1)’
なお、条件式(8-2)に代えて、以下の条件式(8-2)’を満たすことが望ましい。
-0.9≦f4/f5≦-0.7 (8-2)
0.4≦f3/f45≦0.9 (8-1)’
なお、条件式(8-2)に代えて、以下の条件式(8-2)’を満たすことが望ましい。
-0.9≦f4/f5≦-0.7 (8-2)
また、画面周辺の収差を良好に補正するには、明るさ絞りSを挟んだレンズのバランスを取る必要がある。
そのため、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式(9-1)、(9-2)を満たすことが望ましい。
-6.5≦f2/r4r≦-3.3 (9-1)
3≦(r2f+r2r)/(r2f-r2r)≦10 (9-2)
f2は、第2メニスカスレンズL2の焦点距離、
r4rは、第4レンズL4の像側の曲率半径、
r2fは、第2メニスカスレンズL2の物体側の曲率半径、
r2rは、第2メニスカスレンズL2の像側の曲率半径、
である。
3≦(r2f+r2r)/(r2f-r2r)≦10 (9-2)
f2は、第2メニスカスレンズL2の焦点距離、
r4rは、第4レンズL4の像側の曲率半径、
r2fは、第2メニスカスレンズL2の物体側の曲率半径、
r2rは、第2メニスカスレンズL2の像側の曲率半径、
である。
条件式(9-1)は、f2とr4rの適切な比に関する。条件式(9-2)は、(r2f+r2r)と(r2f-r2r)の適切な比に関する。
条件式(9-1)の条件式の上限値を上回ると、第2メニスカスレンズL2の屈折力が大きくなりすぎて、コマ収差、非点収差が悪化してしまうか、第4レンズL4の曲率半径が大きくなりすぎて、コマ収差、非点収差のバランスが取れず悪化してしまう。
条件式(9-1)の下限値を下回ると、第2メニスカスレンズL2の屈折力が小さくなりすぎて、コマ収差、非点収差のバランスが取れず悪化してしまうか、または第4レンズL4の曲率半径が小さくなりすぎて、球面収差、コマ収差が悪化してしまう。
条件式(9-2)の上限値を上回ると、第2メニスカスレンズL2の曲率半径が小さくなりすぎて、球面収差、コマ収差が補正過剰になってしまう。
条件式(9-2)の下限値を下回ると、第2メニスカスレンズL2の曲率半径が大きくなりすぎて、球面収差、コマ収差が補正不足になってしまう。
また、本実施形態の好ましい態様によれば、第3レンズL3と第4レンズL4の間隔を変えて、組み立て時のピント調整を行うことが望ましい。
内視鏡の組み立て時には各レンズのニュートン誤差、肉厚誤差等によりピント位置が設計からずれてしまう。そのためピント調整を行って位置決めを行う。このピント調整は第3レンズL3と第4レンズL4との間で行うのが好ましい。これにより、調整の移動量に対してピントの変化量が減るので、組み立て時に調整がしやすくなったり、接着剤の硬化ずれによる性能劣化量を小さくすることができる。また、第4レンズL4と第5レンズL5を光軸AXと垂直方向に移動することで、画角の左右差や画面周辺のピント位置のずれ、非対称な非点収差を補正しても良い。
また、レンズ構成を、物体側から順に、負の第1レンズL1、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2、明るさ絞りS、正の第3レンズL3、正の第4レンズL4と負の第5レンズL5の接合レンズCL1の5枚で構成すれば、全長短縮やレンズコストを低減させることが可能となる。
また、第1レンズL1については、以下に述べる構成にすることが好ましい。内視鏡では観察中に汚れや血液などが付着したとき、内視鏡先端に設けられたノズルから射出する水によって洗浄を行う。その際、レンズ面が凸形状の場合、汚れが落ちにくくなったり、凹面の場合、水が溜まったりしてしまう。また、特に、凸形状の場合、衝撃による傷や割れが発生しやすくなる。よって、第1レンズL1の形状は、物体側に平面を向けた平凹形状であるのが好ましい。
以下、各実施例について説明する。
(実施例1)
実施例1に係る内視鏡用対物光学系について説明する。図2(a)は、本実施例に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
実施例1に係る内視鏡用対物光学系について説明する。図2(a)は、本実施例に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
本実施例は、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凹の負の第1レンズL1と、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2と、赤外吸収フィルタF1と、明るさ絞りSと、物体側に平面を向けた平凸の正の第3レンズL3と、両凸の正の第4レンズL4と、像側に凸面を向けた負の第5メニスカスレンズL5と、カバーガラスCG1と、CCDカバーガラスCG2と、から構成される。Iは像面である。
また、赤外吸収フィルタ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。
ここで、正の第4レンズL4と負の第5メニスカスレンズL5は接合されている。カバーガラスCG1とCCDカバーガラスCG2は接合されている。F2は接合層である。
図2(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれ実施例1の球面収差(SA)、非点収差(AS)、歪曲収差(DT)及び倍率色収差(CC)を示す収差図である。
(実施例2)
実施例2に係る内視鏡用対物光学系について説明する。図3(a)は、本実施例に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
実施例2に係る内視鏡用対物光学系について説明する。図3(a)は、本実施例に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
本実施例は、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凹の負の第1レンズL1と、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2と、赤外吸収フィルタF1と、明るさ絞りSと、両凸の正の第3レンズL3と、両凸の正の第4レンズL4と、像側に凸面を向けた負の第5メニスカスレンズL5と、カバーガラスCG1と、CCDカバーガラスCG2と、から構成される。Iは像面である。
また、赤外吸収フィルタ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。
ここで、正の第4レンズL4と負の第5メニスカスレンズL5は接合されている。カバーガラスCG1とCCDカバーガラスCG2は接合されている。F2は接合層である。
図3(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれ実施例2の球面収差(SA)、非点収差(AS)、歪曲収差(DT)及び倍率色収差(CC)を示す収差図である。
(実施例3)
実施例3に係る内視鏡用対物光学系について説明する。図4(a)は、本実施例に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
(実施例3)
実施例3に係る内視鏡用対物光学系について説明する。図4(a)は、本実施例に係る内視鏡用対物光学系のレンズ断面構成を示す図である。
本実施例は、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凹の負の第1レンズL1と、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズL2と、赤外吸収フィルタF1と、明るさ絞りSと、両凸の正の第3レンズL3と、両凸の正の第4レンズL4と、像側に凸面を向けた負の第5メニスカスレンズL5と、カバーガラスCG1と、CCDカバーガラスCG2と、から構成される。Iは像面である。
また、赤外吸収フィルタ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。
ここで、正の第4レンズL4と負の第5メニスカスレンズL5は接合されている。カバーガラスCG1とCCDカバーガラスCG2は接合されている。F2は接合層である。
図4(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれ実施例3の球面収差(SA)、非点収差(AS)、歪曲収差(DT)及び倍率色収差(CC)を示す収差図である。
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、FnoはFナンバー、絞りは明るさ絞りである。
数値実施例1
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.2115 1.88815 40.76
2 0.6603 0.4242
3 -3.0889 0.4871 1.97189 17.47
4 -1.9529 0.3281
5 ∞ 0.4230 1.49557 75.00
6 ∞ 0.0000
7(絞り)∞ 0.1872
8 ∞ 0.6251 1.69979 55.53
9 -1.1895 0.2131
10 1.4519 0.8357 1.65425 58.55
11 -1.0589 0.3277 1.97189 17.47
12 -4.3264 0.1405
13 ∞ 0.4759 1.51825 64.14
14 ∞ 0.0100 1.51500 64.00
15 ∞ 0.3700 1.50700 63.26
16 ∞ 0.0000
撮像面 ∞
Fno 2.95
半画角 66.2°
像高 0.475mm
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.2115 1.88815 40.76
2 0.6603 0.4242
3 -3.0889 0.4871 1.97189 17.47
4 -1.9529 0.3281
5 ∞ 0.4230 1.49557 75.00
6 ∞ 0.0000
7(絞り)∞ 0.1872
8 ∞ 0.6251 1.69979 55.53
9 -1.1895 0.2131
10 1.4519 0.8357 1.65425 58.55
11 -1.0589 0.3277 1.97189 17.47
12 -4.3264 0.1405
13 ∞ 0.4759 1.51825 64.14
14 ∞ 0.0100 1.51500 64.00
15 ∞ 0.3700 1.50700 63.26
16 ∞ 0.0000
撮像面 ∞
Fno 2.95
半画角 66.2°
像高 0.475mm
数値実施例2
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.2094 1.88815 40.76
2 0.6637 0.4128
3 -4.2118 0.4806 1.97189 17.47
4 -2.5093 0.4327
5 ∞ 0.4188 1.49557 75.00
6 ∞ 0.0000
7(絞り) ∞ 0.1421
8 6.0661 0.6083 1.69979 55.53
9 -1.2925 0.2488
10 1.3596 0.8311 1.65425 58.55
11 -1.0170 0.3243 1.97189 17.47
12 -7.1147 0.0792
13 ∞ 0.4711 1.51825 64.14
14 ∞ 0.0100 1.51500 64.00
15 ∞ 0.3700 1.50700 63.26
16 ∞ 0.0000
撮像面 ∞
Fno 3.03
半画角 65.9°
像高 0.47mm
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.2094 1.88815 40.76
2 0.6637 0.4128
3 -4.2118 0.4806 1.97189 17.47
4 -2.5093 0.4327
5 ∞ 0.4188 1.49557 75.00
6 ∞ 0.0000
7(絞り) ∞ 0.1421
8 6.0661 0.6083 1.69979 55.53
9 -1.2925 0.2488
10 1.3596 0.8311 1.65425 58.55
11 -1.0170 0.3243 1.97189 17.47
12 -7.1147 0.0792
13 ∞ 0.4711 1.51825 64.14
14 ∞ 0.0100 1.51500 64.00
15 ∞ 0.3700 1.50700 63.26
16 ∞ 0.0000
撮像面 ∞
Fno 3.03
半画角 65.9°
像高 0.47mm
数値実施例3
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.2123 1.88815 40.76
2 0.6781 0.4428
3 -2.5569 0.4268 1.97189 17.47
4 -1.8848 0.3455
5 ∞ 0.4245 1.49557 75.00
6 ∞ 0.0000
7(絞り) ∞ 0.1601
8 6.8568 0.7548 1.69979 55.53
9 -1.2464 0.2227
10 1.5085 0.8224 1.65425 58.55
11 -1.0645 0.3251 1.97189 17.47
12 -5.2432 0.0933
13 ∞ 0.4776 1.51825 64.14
14 ∞ 0.0100 1.51500 64.00
15 ∞ 0.3700 1.50700 63.26
16 ∞ 0.0000
撮像面 ∞
Fno 2.96
半画角 66.5°
像高 0.477mm
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.2123 1.88815 40.76
2 0.6781 0.4428
3 -2.5569 0.4268 1.97189 17.47
4 -1.8848 0.3455
5 ∞ 0.4245 1.49557 75.00
6 ∞ 0.0000
7(絞り) ∞ 0.1601
8 6.8568 0.7548 1.69979 55.53
9 -1.2464 0.2227
10 1.5085 0.8224 1.65425 58.55
11 -1.0645 0.3251 1.97189 17.47
12 -5.2432 0.0933
13 ∞ 0.4776 1.51825 64.14
14 ∞ 0.0100 1.51500 64.00
15 ∞ 0.3700 1.50700 63.26
16 ∞ 0.0000
撮像面 ∞
Fno 2.96
半画角 66.5°
像高 0.477mm
以下に各実施例の条件式対応値を示す。
条件式
(1-1) f1/f45
(1-2) (r3f+r3r)/(r3f-r3r)
(1-3) d34/d4
(2) r4r/r3r
(3) r4f/r5r
(4) r4f/r3f
(5) Ih/f3
(6) d1s/dsi
(7-1) f23/f
(7-2) r1r/r2f
(8-1) f3/f45
(8-2) f4/f5
(9-1) f2/r4r
(9-2) (r2f+r2r)/(r2f-r2r)
条件式 実施例1 実施例2 実施例3
(1-1) -0.29 -0.26 -0.26
(1-2) 1.00 0.65 0.69
(1-3) 0.25 0.30 0.27
(2) 0.89 0.79 0.85
(3) -0.34 -0.19 -0.29
(4) 0.00 0.22 0.22
(5) 0.28 0.30 0.30
(6) 0.59 0.63 0.57
(7-1) 2.84 2.79 2.72
(7-2) -0.21 -0.16 -0.27
(8-1) 0.65 0.54 0.53
(8-2) -0.71 -0.82 -0.76
(9-1) -4.26 -5.51 -5.28
(9-2) 4.44 3.95 6.61
条件式
(1-1) f1/f45
(1-2) (r3f+r3r)/(r3f-r3r)
(1-3) d34/d4
(2) r4r/r3r
(3) r4f/r5r
(4) r4f/r3f
(5) Ih/f3
(6) d1s/dsi
(7-1) f23/f
(7-2) r1r/r2f
(8-1) f3/f45
(8-2) f4/f5
(9-1) f2/r4r
(9-2) (r2f+r2r)/(r2f-r2r)
条件式 実施例1 実施例2 実施例3
(1-1) -0.29 -0.26 -0.26
(1-2) 1.00 0.65 0.69
(1-3) 0.25 0.30 0.27
(2) 0.89 0.79 0.85
(3) -0.34 -0.19 -0.29
(4) 0.00 0.22 0.22
(5) 0.28 0.30 0.30
(6) 0.59 0.63 0.57
(7-1) 2.84 2.79 2.72
(7-2) -0.21 -0.16 -0.27
(8-1) 0.65 0.54 0.53
(8-2) -0.71 -0.82 -0.76
(9-1) -4.26 -5.51 -5.28
(9-2) 4.44 3.95 6.61
なお、上述の内視鏡用対物光学系は、複数の構成を同時に満足してもよい。このようにすることが、良好な内視鏡用対物光学系を得る上で好ましい。また、好ましい構成の組み合わせは任意である。また、各条件式について、より限定した条件式の数値範囲の上限値あるいは下限値のみを限定しても構わない。
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。
以上のように、本発明は、Fnoが明るく、小型で、かつ高性能の製造誤差に強い内視鏡用対物光学系に有用である。
L1~L5 レンズ
S 明るさ絞り
F1 赤外吸収フィルタ
F2 接合層
CG1、CG2 カバーガラス
AX 光軸
I 像面
CL1 接合レンズ
S 明るさ絞り
F1 赤外吸収フィルタ
F2 接合層
CG1、CG2 カバーガラス
AX 光軸
I 像面
CL1 接合レンズ
Claims (10)
- 物体側から順に、負の第1レンズと、像側に凸面を向けた正の第2メニスカスレンズと、明るさ絞りと、正の第3レンズと、正の第4レンズと負の第5レンズの接合レンズと、を有し、以下の条件式(1-1)、(1-2)、(1-3)を満たすことを特徴とする内視鏡用対物光学系。
-0.6≦f1/f45≦-0.18 (1-1)
0.2≦(r3f+r3r)/(r3f-r3r)≦1 (1-2)
0.15≦d34/d4≦0.7 (1-3)
ここで、
f1は、前記第1レンズの焦点距離、
f45は、前記第4レンズと前記第5レンズの合成焦点距離、
r3fは、前記第3レンズの物体側の曲率半径、
r3rは、前記第3レンズの像側の曲率半径、
d34は、前記第3レンズと前記第4レンズの光軸に沿った距離、
d4は、前記第4レンズの肉厚、
である。 - 以下の条件式(2)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
0.7≦r4r/r3r≦1.2 (2)
r4rは、前記第4レンズの像側の曲率半径、
r3rは、前記第3レンズの像側の曲率半径、
である。 - 以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
-0.5≦r4f/r5r≦-0.05 (3)
r4fは、前記第4レンズの物体側の曲率半径、
r5rは、前記第5レンズの像側の曲率半径、
である。 - 以下の条件式(4)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
0≦r4f/r3f≦0.25 (4)
r3fは、前記第3レンズの物体側の曲率半径、
f4fは、前記第4レンズの物体側の曲率半径、
である。 - 以下の条件式(5)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
0.24≦Ih/f3≦0.35 (5)
Ihは、前記内視鏡用対物光学系の最大像高、
f3は、前記第3レンズの焦点距離、
である。 - 前記明るさ絞りの像側は、物体側から順に、前記正の第3レンズと、前記正の第4レンズと前記負の第5レンズの接合レンズと、からなり、以下の条件式(6)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
0.5≦d1s/dsi≦0.8 (6)
d1sは、前記第1レンズから前記明るさ絞りまでの光軸に沿った距離、
dsiは、前記明るさ絞りから像面までの光軸に沿った距離、
である。 - 以下の条件式(7-1)、(7-2)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
2.3≦f23/f≦4 (7-1)
-0.4≦r1r/r2f≦-0.1 (7-2)
f23は、前記第2メニスカスレンズと前記第3レンズの合成焦点距離、
fは、前記内視鏡用対物光学系の全系の焦点距離、
r1rは、前記第1レンズの像側の曲率半径、
r2fは、前記第2メニスカスレンズの物体側の曲率半径、
である。 - 以下の条件式(8-1)、(8-2)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
0.32≦f3/f45≦1 (8-1)
-1≦f4/f5≦-0.66 (8-2)
f3は、前記第3レンズの焦点距離、
f45は、前記第4レンズと前記第5レンズの合成焦点距離、
f4は、前記第4レンズの焦点距離、
f5は、前記第5レンズの焦点距離、
である。 - 以下の条件式(9-1)、(9-2)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
-6.5≦f2/r4r≦-3.3 (9-1)
3≦(r2f+r2r)/(r2f-r2r)≦10 (9-2)
f2は、前記第2メニスカスレンズの焦点距離、
r4rは、前記第4レンズの像側の曲率半径、
r2fは、前記第2メニスカスレンズの物体側の曲率半径、
r2rは、前記第2メニスカスレンズの像側の曲率半径、
である。 - 前記第3レンズと前記第4レンズの間隔を変えて、組み立て時のピント調整を行うことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用対物光学系。
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