JP2019049680A - 内視鏡用対物レンズユニット及び内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】光学性能を良好に保持しつつ、画角を大きくすることができる内視鏡用対物レンズを提供する。
【解決手段】対物レンズユニットは、物体側から順に、負の屈折力を持つ前レンズ群と、絞りと、正の屈折力を持つ後レンズ群と、を備える。前記前レンズ群は、像面側に凹面を向けた負レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、を含み、前記後レンズ群は、像面側に凸面を向けた正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、を含む。内視鏡用対物レンズユニットは、−１．６＜ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒ＜−１．２及び−１．０＜ＳＦ_５＜−０．５を満足する。ｆ_Ｆ及びｆ_Ｒは前レンズ群及び後レンズ群の焦点距離、ＳＦ_５は、（Ｒ_５１＋Ｒ_５２）／（Ｒ_５１−Ｒ_５２）であり、Ｒ_５１、Ｒ_５２は、接合レンズのうち像面側にあるレンズの、物体側の面及び像面側の面それぞれの曲率半径である。
【選択図】図２

Description

本発明は、内視鏡用対物レンズユニット及び内視鏡に関する。

今日、人体内部の生体組織を検査するために内視鏡が用いられる。内視鏡は、人体内に挿入される先端部に、照明光で照明された生体組織を撮像する撮像素子及び撮像素子に付随した対物レンズユニットを備える。対物レンズユニットは、先端部を小型化させるのに極めて小さいサイズと高い光学性能が求められるため、少ないレンズ枚数によって構成されることが多い。

例えば、物体側から順に、前レンズ群と絞りと後レンズ群とよりなり、前レンズ群は、物体側より順に、負レンズと、曲率半径の小さな面を物体側へ向けた正レンズとからなり、後群レンズ群は、曲率半径の小さな面を像側へ向けた正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズからなり、全系の焦点距離ｆと、後レンズ群内正レンズの焦点距離ｆ₃との間に所定の関係を備えた内視鏡用対物レンズが知られている（特許文献１）。
上記内視鏡用対物レンズによれば、広角で、外径が小さく、第１レンズの最大光線高が低いレンズを提供することができる、とされている。

特許第４２４５９８５号公報

内視鏡では、一般に、撮像素子として小型のＣＣＤ（Charge-Coupled Device）撮像素子が多く用いられ、撮像素子へ入射する入射光の入射角が小さくなるように設計されている。また、この撮像素子では、受光前の入射光をフィルタやプリズム等を透過するために、バックフォーカスが長くなるように設計されている。
近年、入射光の入射角度が大きくても受光可能な撮像素子、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide）撮像素子が開発されている。しかし、入射角度が大きい入射光を取り込める撮像素子を効率良く利用できる、画角を大きくした内視鏡用対物レンズは知られていない。

そこで、本発明は、光学性能を良好に保持しつつ、画角を大きくすることができる内視鏡用対物レンズ、及び内視鏡様対物レンズを備えた内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、内視鏡用対物レンズユニットである。当該内視鏡用対物レンズユニットは、
物体側から順に、負の屈折力を持つ前レンズ群と、絞りと、正の屈折力を持つ後レンズ群と、を少なくとも備える。
前記前レンズ群は、像面側に凹面を向けた負レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、を少なくとも含み、
前記後レンズ群は、像面側に凸面を向けた正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、を少なくとも含む。
前記前レンズ群の焦点距離をｆ_Ｆとし、前記後レンズ群の焦点距離をｆ_Ｒとし、
前記接合レンズのうち像面側にあるレンズの、物体側の面及び像面側の面それぞれの曲率半径をＲ_５１及びＲ_５２（≠Ｒ_５１）としたとき、下記式（１）及び（２）を満足する。
（１） −１．６＜ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒ＜−１．２
（２） −１．０＜ＳＦ_５＝（Ｒ_５１＋Ｒ_５２）／（Ｒ_５１−Ｒ_５２）＜−０．５

前記内視鏡用対物レンズユニット内の正レンズの焦点距離の平均値をｆ_Ｐとし、前記内視鏡用対物レンズユニットの全系の焦点距離をｆとしたとき、下記式（３）を満足する、ことが好ましい。
（３） ｆ_Ｐ／ｆ＜２．５

前記前レンズ群内の前記正レンズの像面側の面は、平面である、ことが好ましい。

前記後レンズ群内の、像面側に凸面を向けた前記正レンズの物体側の面は、平面である、ことが好ましい。

本発明の他の一態様は、内視鏡である。当該内視鏡は、
前記内視鏡用対物レンズユニットと、
前記内視鏡用対物レンズユニットにより結像した物体の像を受光する撮像素子と、を備える。

上述の内視鏡用対物レンズユニットによれば、光学性能を良好に保持しつつ、画角を大きくすることができる内視鏡用対物レンズユニットの構成を実現する。

本実施形態の内視鏡用対物レンズユニットを搭載した内視鏡の構成の一例を模式的に示す図である。 本実施形態の内視鏡用対物レンズユニットの構成の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施例１のレンズ構成図と諸収差図を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施例２のレンズ構成図と諸収差図を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施例３のレンズ構成図と諸収差図を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施例４のレンズ構成図と諸収差図を示す図である。 実施例１〜３の仕様における構成を示す図である。 実施例４の仕様における構成を示す図である。

以下、本実施形態の内視鏡用対物レンズユニット及び内視鏡について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の内視鏡用対物レンズユニットを搭載した内視鏡の構成の一例を模式的に示す図である。

内視鏡１０は、先端部１２、第１可撓管１４、操作部１６、第２可撓管１８、及び、コネクタ２０、を主に備える。
先端部１２は、生体組織の像を受光して撮像する撮像素子３０、生体組織の像を撮像素子３０の撮像面に結像させる対物レンズユニット３２、及び、対物レンズユニット３２の周りに配置して生体組織を照明する光源部３４を、少なくとも備える。この他に、先端部１２は、超音波診断用プローブや、水や空気等の流体を吐出する、あるいは、生体組織上の液体を吸引する開口を備えてもよい。
光源装置３４は、光を放射するランプやＬＥＤ等の光源で構成されてもよいが、プロセッサ２２内に設けられた光源から、コネクタ２０、第２可撓管１８、操作部１６、第１可撓管１４内の光ファイバを通して伝送された光を射出する出射口を備える構成であってもよい。
撮像素子３０は、入射角度が大きい入射光を取り込むことができる撮像素子であって、例えば、ＣＭＯＳ撮像素子である。撮像素子３０の画角は１００度より大きく、好ましくは、１４０度以上である。
第１可撓管１４には、撮像素子３０の撮像信号を伝送する信号線、撮像素子３０及び光源装置３４を動作させる電力制御線、さらには液体が流れる各種管が、その内部に少なくとも設けられている。

操作部１６は、施術者が、先端部１２を生体組織の所定の位置に向けて観察し、必要に応じて生体組織の処置ができるように、先端部１２を操作させる部分である。
第２可撓管１８には、撮像素子３０の受光信号を伝送する信号線、撮像素子３０及び光源装置３４を動作させる電力制御線が少なくともその内部に設けられている。
プロセッサ２２は、操作部１６、第２可撓管１８、及びコネクタ部２０を介して送られる撮像信号を処理して、生体組織の画像を生成し、画像を出力する。また、プロセッサ２２は、光源装置３４及び撮像素子３０の動作を制御する制御信号を出力する。

このような先端部１２には、光学性能を良好に保持しつつ、広画角の撮像素子３０に適した広画角の像を結像させる内視鏡用対物レンズユニット（以降、対物レンズユニットという）３２が用いられる。以下、対物レンズユニット３２を説明する。図２は、本実施形態の対物レンズユニット３２の構成の一例を示す図である。

図２に示す対物レンズユニット３２は、前レンズ群Ｇ１、後レンズ群Ｇ２を少なくとも有している。各レンズ群Ｇ１、Ｇ２を構成する各レンズは、対物レンズユニット３２の光軸ＡＸを中心とした回転対称形状を有している。前レンズ群Ｇ１と後レンズ群Ｇ２の間には、絞り４２と光学フィルタ４４が設けられている。さらに、後レンズ群Ｇ２より、撮像素子３０の受光面（像面）側には、カバーガラス４０が設けられている。カバーガラス４０は、撮像素子３０の物体側に設けられる部品である。図２において、カバーガラス４０の像面側には、対物レンズユニット３２の焦点位置が“×”で示されている。
光学フィルタ４４は、近赤外および赤外線カットフィルタである。
本実施形態では、物体側から像面側に向かって順番に、前レンズ群Ｇ１、絞り４２、光学フィルタ４４を含む後レンズ群Ｇ２が設けられるが、光学フィルタ４４はこの順番に制限されない。
なお、対物レンズユニット３２は、前レンズ群Ｇ１、後レンズ群Ｇ２を少なくとも有しているとは、絞り４２やカバーガラス４０を備えてもよいことを意味し、これ以外の光学的パワーを有さない光学素子を追加する構成も含むことを意味する。

前レンズ群Ｇ１は、絞り４２に対して物体側にある負の屈折力を持つレンズ群である。前レンズ群Ｇ１は、像面側に凹面を向けた負レンズＬ１と、物体側に凸面を向けた正レンズＬ２と、を少なくとも含む。前レンズ群Ｇ１は、負レンズＬ１と、正レンズＬ２と、を少なくとも含むとは、これ以外に実質的に光学的パワーを殆ど有していないレンズを含んでもよいことを意味する。

後レンズ群Ｇ２は、絞り４２に対して像面側にある正の屈折力を持つレンズ群である。後レンズ群Ｇ２は、像面側に凸面を向けた正レンズＬ３と、正レンズＬ４と負レンズＬ５を接合した接合レンズ４６と、を少なくとも含む。後レンズ群Ｇ２は、正レンズＬ３と、接合レンズ４６と、を少なくとも含むとは、これ以外に実質的に光学的パワーを殆ど有していないレンズを含んでもよいことを意味する。

一実施形態によれば、図２に示すように、負レンズＬ１は、物体側に平面を有し、正レンズＬ２は、像面側に平面を有し、正レンズＬ３は、物体側に平面を有し、正レンズＬ４は、像面側に凸面を有し、物体側に凸面を有し、負レンズＬ５は、像面側に凹面を有し、物体側に凹面を有する。

このような構成の前レンズ群Ｇ１及び後レンズ群Ｇ２を備える対物レンズユニット３２において、前レンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ_Ｆとし、後レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ_Ｒとし、接合レンズ４６のうち像面側にある負レンズＬ５の、物体側の面４６ａ及び像面側の面４６ｂそれぞれの曲率半径をＲ_５１及びＲ_５２（≠Ｒ_５１）としたとき、下記式（１）及び（２）を満足するように構成されている。
式（１）： −１．６＜ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒ＜−１．２
式（２）： −１．０＜ＳＦ_５＝（Ｒ_５１＋Ｒ_５２）／（Ｒ_５１−Ｒ_５２）＜−０．５

上記式（１）、（２）を満足する対物レンズユニット３２は、光学性能を良好に保持しつつ、射出瞳距離が短くでき、画角を大きくすることができる。例えば、画角を１００度より大きくすることができ、１２０度以上とすることができ、１４０度以上とすることができ、１４０度以上１７０度以下とすることができる。一般に、対物レンズユニット３２の視野角を広くすると、対物レンズユニット３２の外径は大きく、対物レンズユニット３２の全長は短くなるが、対物レンズユニット３２の外径を大きくなることは、細い先端部１２において好ましくない。本実施形態の対物レンズユニット３２は、細長い形状を維持して、視野角を広くすることができる。

ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒを−１．６以下にすると、前レンズ群Ｇ１の負の屈折力（以降、屈折力をパワーという）が弱くなるため視野角が狭くなる。視野角を広げるには、前レンズ群Ｇ１の外径を大きくすればよいが、対物レンズユニット３２を細長くすることが困難になる。
一方、ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒを−１．２以上にすると、後レンズ群Ｇ２の正のパワーが弱くなるため、対物レンズユニット３２の全長が長くなり、小さな先端部１２に撮像素子３０及び対物レンズユニット３２を配置する上で好ましくない。
以上の観点から、ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒは、−１．２未満であり、−１．２５以下であることが好ましく、−１．３以下であることがより好ましく、−１．３５以下であることが特に好ましい。また、ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒは−１．６より大きく、−１．５５以上であることが好ましく、−１．５１以上であることがより好ましい。

一方、式（２）のＳＦ_５＝（Ｒ_５１＋Ｒ_５２）／（Ｒ_５１−Ｒ_５２）は、レンズＬ５の面の形状を規定するシェープファクタであって、撮像素子３０の受光面への光の射出角度及び射出瞳距離に影響を与え、色収差に影響を与える。
式（２）に規定する範囲の上限から外れると、接合レンズ４６における光の射出角度が大きくなることにより、軸外Ｆナンバーが大きくなるため、周辺が暗くなる。
また、式（２）に規定する範囲の下限から外れると、射出瞳距離が長くなり、画角が小さくなる。また、接合レンズ４６の接合面の曲率半径が小さくなり、色収差の補正が困難になる不都合がある。
以上の観点から、ＳＦ_５は、−１．０より大きく、−０．５未満であるが、ＳＦ_５は、−０．８以上であることが好ましく、−０．７５以上であることが好ましい。また、ＳＦ_５は、−０．５５以下であることが好ましく、−０．６以下であることが好ましい。

また、対物レンズユニット３２内の正レンズの焦点距離の平均値（単純平均値）をｆ_Ｐとし、対物レンズユニット３２の全系の焦点距離をｆとしたとき、下記式（３）を満足するように構成されている、ことが好ましい。
式（３）： ｆ_Ｐ／ｆ＜２．５

ｆ_Ｐ／ｆを２．５以上にすると、対物レンズユニット３２内の正レンズのパワーが小さくなるため、倍率が大きく変化する。このため、正レンズの肉厚や絞り４２の光軸ＡＸ方向前後にあるレンズ等の間隔変化によって生じる、対物レンズユニット３２の全系の焦点距離の変化が大きくなり、その結果、視野角の変化が大きくなり易い。このような観点から、ｆ_Ｐ／ｆは、２．５未満であることが好ましく、２．０以下であることがより好ましく、１．９以下であることがよりいっそう好ましい。
ｆ_Ｐ／ｆの下限に制限はないが、一実施形態によれば１．６５以上であり、一実施形態によれば、１．７以上である。

一実施形態によれば、正レンズＬ２の像面側の面は、平面である。また、一実施形態によれば、前レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、像面側に凹面を向けた負レンズＬ１、像面側に平面を向けた正レンズＬ２で構成される。このように、正レンズＬ２の像面側の面を平面とすることで、レンズ厚が変化することにより倍率の変化、さらには画角の変化を抑えることができる。

一実施形態によれば、正レンズＬ３の物体側の面は、平面である。また、一実施形態によれば、後レンズ群Ｇ２のレンズは、物体側から順に、物体側に平面を向けた正レンズＬ３と、接合レンズ４６で構成する。このとき、正レンズＬ３の物体側の面を平面とする。このように、正レンズＬ３の物体側の面を平面とすることにより、レンズ厚が変化することにより、倍率の変化、さらには画角の変化を抑えることができる。また、物体側に凸面を向けた正レンズＬ４と、像面側に凹面を向けた面を有し、物体側に凹面を向けた面を有する負レンズＬ５とで構成した接合レンズ４６を設けることにより、射出角度の変化を抑えつつ色収差を抑えることができる。

一実施形態によれば、図２に示すように、前レンズ群Ｇ１において、負レンズＬ１の像面側の凹面と、正レンズＬ２の物体側の凸面とが互いに隣接して対向するように、レンズＬ１，Ｌ２を配置し、後レンズ群Ｇ２において、正レンズＬ３の像面側の凸面と、接合レンズ４６の正レンズＬ４の物体側の凸面とが互いに隣接して対向するように、レンズＬ３と接合レンズ４６を配置することが好ましい。

（実施例１〜４）
このような構成の対物レンズユニット３２の具体的数値実施例を下記表１〜４に示す（実施例１〜４）。実施例１〜４の半画角は、いずれも７２度以上ある。
一方、対物レンズユニット３２のレンズ構成図と諸収差図を図３〜６に示す。図３〜６（ａ）において、絞り４２は図示されない。図３〜６（ｂ）〜（ｅ）は、実施例１〜４の諸収差図を示す。実施例１〜３の構成は、図２に示す通りである。図７は、実施例１〜３の仕様における構成情報を示す図である。実施例４の構成は、図８に示す通りである。図８は、実施例４の仕様における構成情報を示す図である。

図３〜６（ｂ）〜（ｅ）の各収差図のうち、（ｂ）は、ｄ線（５８８ｎｍ）、ｇ線（４３６ｎｍ）、Ｃ線（６５６ｎｍ）での球面収差及び軸上色収差を示す。（ｃ）は、ｄ線、ｇ線、Ｃ線での倍率色収差を示す。（ｂ），（ｃ）中、実線はｄ線での収差を、点線はｇ線での収差を、一点鎖線はＣ線での収差を、それぞれ示す。（ｄ）は、非点収差を示す。（ｄ）中、実線はサジタル成分（Ｓ）を、点線はメリディオナル成分（Ｍ）を、それぞれ示す。（ｅ）は、歪曲収差を示す。収差図に示すＦｅは、実効Ｆナンバーを表す。Ｙは、像高を表す。

図３〜６（ｂ）〜（ｄ）の各図の縦軸は像高（ｍｍ）を、横軸は収差量（ｍｍ）を、それぞれ表す。図３〜６（ｅ）の縦軸は像高（ｍｍ）を、横軸は歪曲率を、それぞれ表す。

実施例１の仕様は、下記表１に示すとおりである。実施例１〜３の仕様における構成は図７に示すとおりである。図３（ｂ）〜（ｅ）は、実施例１の諸収差図を示す。表１において、ＮＯは、図７に示すレンズ、絞り、光学フィルタ、カバーガラス等の光学素子の面を表し、Ｒは、その面の曲率半径（ｍｍ）を表し、Ｄは、各面から像面側の隣にある面までの光軸ＡＸに沿った距離（ｍｍ）を表す。曲率半径Ｒにおいて、正の値は、物体側に凸を成した面を意味し、負の値は像面側に凸を成した面を意味する。表１においてＮＯ１〜１２それぞれの距離Ｄは、図７に定めるＤ１〜Ｄ１２のそれぞれの距離である。Ｎ（ｄ）は、ｄ線における屈折率を、νｄは、そのアッベ数を表す。表１中のｆは、対物レンズユニット３２の全系における焦点距離（ｍｍ）を表す。表１に示す実施例１は、レンズ、光学フィルタ、及びカバーガラスを７つ備える。表２〜３においても各仕様が表１と同じ形式で記載されている。表１〜３において、ＮＯ１０，１１のＲが、それぞれ、ＳＦ５を定めるＲ_５１，Ｒ_５２に対応する。

実施例２の仕様は、下記表２に示すとおりである。図４（ｂ）〜（ｅ）は、実施例２の諸収差図を示す。

実施例３の仕様は、下記表３に示すとおりである。図５（ｂ）〜（ｅ）は、実施例３の諸収差図を示す。

実施例４の仕様は、下記表４に示すとおりである。図６（ａ）は、構成を示し、図６（ｂ）〜（ｅ）は、実施例４の諸収差図を示す。表４において、ＮＯは、図８に示すレンズ、絞り、光学フィルタ、カバーガラス等の光学素子の面を表し、Ｒは、その面の曲率半径（ｍｍ）を表し、Ｄは、各面から像面側の隣にある面までの光軸ＡＸに沿った距離（ｍｍ）を表す。曲率半径Ｒにおいて、正の値は、物体側に凸を成した面を意味し、負の値は像面側に凸を成した面を意味する。表４においてＮＯ１〜１３それぞれの距離Ｄは、図８に定めるＤ１〜Ｄ１３のそれぞれの距離である。Ｎ（ｄ）は、ｄ線における屈折率を、νｄは、そのアッベ数を表す。表４に示す実施例４では、光学素子が７つ備える。ｆは対物レンズユニット３２全系における焦点距離（ｍｍ）を表す。実施例４では、図８に示すように、図７に示す光学フィルタ４４に代えて負レンズＬ５とカバーガラス４０との間に、光学フィルタ４５を配置した。表４において、ＮＯ９，１０のＲが、それぞれ、ＳＦ５を定めるＲ_５１，Ｒ_５２に対応する。

図３〜６（ｂ）〜（ｅ）に示す収差図からわかるように、実施例１〜４のいずれの収差も良好に補正されている。
実施例１〜４の各焦点距離の比及びＳＦ_５を、下記表５に示す。

表５に示すように、実施例１〜４は、上記式（１），（２）を満足する。
これより、上記式（１），（２）を満たす対物レンズユニットは、射出瞳距離を短くでき、画角を１００度より大きくすることができ、さらに、１４０度以上にすることができ、かつ、収差特性を良好に保持することができる。したがって、本実施形態は、広い画角の撮像素子に対応した内視鏡用の対物レンズユニットを提供することができる。

以上、本実施形態の内視鏡用対物レンズユニット及び内視鏡について説明したが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。

１０ 内視鏡
１２ 先端部
１４ 第１可撓管
１６ 操作部
１８ 第２可撓管
２０ コネクタ
２２ プロセッサ
３０ 撮像素子
３２ 対物レンズユニット
３４ 光源部
４０ カバーガラス
４２ 絞り
４４，４５ 光学フィルタ
４６ 接合レンズ

Claims (5)

1. 内視鏡用対物レンズユニットであって、
   物体側から順に、負の屈折力を持つ前レンズ群と、絞りと、正の屈折力を持つ後レンズ群と、を少なくとも備え、
   前記前レンズ群は、像面側に凹面を向けた負レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、を少なくとも含み、
   前記後レンズ群は、像面側に凸面を向けた正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、を少なくとも含み、
   前記前レンズ群の焦点距離をｆ_Ｆとし、前記後レンズ群の焦点距離をｆ_Ｒとし、
   前記接合レンズのうち像面側にあるレンズの、物体側の面及び像面側の面それぞれの曲率半径をＲ_５１及びＲ_５２（≠Ｒ_５１）としたとき、下記式（１）及び（２）を満足する、ことを特徴とする内視鏡用対物レンズユニット。
   （１） −１．６＜ｆ_Ｆ／ｆ_Ｒ＜−１．２
   （２） −１．０＜ＳＦ_５＝（Ｒ_５１＋Ｒ_５２）／（Ｒ_５１−Ｒ_５２）＜−０．５
2. 前記内視鏡用対物レンズユニット内の正レンズの焦点距離の平均値をｆ_Ｐとし、前記内視鏡用対物レンズユニットの全系の焦点距離をｆとしたとき、下記式（３）を満足する、請求項１に記載の内視鏡用対物レンズユニット。
   （３） ｆ_Ｐ／ｆ＜２．５
3. 前記前レンズ群内の前記正レンズの像面側の面は、平面である、請求項１または２に記載の内視鏡用対物レンズユニット。
4. 前記後レンズ群内の、像面側に凸面を向けた前記正レンズの物体側の面は、平面である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内視鏡用対物レンズユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の内視鏡用対物レンズユニットと、
   前記内視鏡用対物レンズユニットにより結像した物体の像を受光する撮像素子と、を備えることを特徴とする内視鏡。

Images