JP3742484B2 - 内視鏡対物レンズ系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、内視鏡対物レンズ系に関し、特に、第１レンズ群と第２レンズ群（明るさ絞り）との間に、プリズムやミラー等の視野方向変換素子、あるいはフィルター類を配置するタイプとして好適な対物レンズ系に関する。
【０００２】
側視用及び斜視用として、プリズムやミラー等の視野方向変換素子を、第１レンズ群と明るさ絞り（第２レンズ群）との間に配置する構成がよく用いられており、その構成は比較的コンパクトである。第１レンズ群の外径が直視タイプと比較して大きくなったとしても、第１レンズはスコープの長手方向と平行に位置するから、スコープ径の増加にはつながならいからである。
【０００３】
プリズム等を配置するためには、負の第１レンズ群と正の第２レンズ群の間に広い間隔が必要である。負の第１レンズ群と正の第２レンズ群との間隔が広いと、近軸領域で第２レンズ群へ入射する光線高が高くなり、バックフォーカスは一般的に長くなる。このため、レンズ系と固体撮像素子（ＣＣＤ）との間に、レンズ系と比較して相対的に厚いフィルター類やＣＣＤカバーガラスを配置する電子内視鏡への適用が容易である。
【０００４】
他方、従来の内視鏡対物レンズ系として、前群が負、後群が正のレトロフォーカスタイプが用いられてきたが、このタイプはパワー配置が非対称形であるため、負の歪曲収差が大きくなるという欠点がある。そこで非球面を開いて歪曲収差を小さくする手法がよく知られている。
【０００５】
一方、歪曲収差を補正しすぎると、中心に対する周辺部の像面強度比が小さくなる。内視鏡は、ランプ光源をファイバー束で伝達し、その射出光を配光レンズで照明しているため、その配光特性は、中心部は強く周辺部は弱いような強度分布を持っている。また、絶対的な光量も不足気味である。このような照明下で、レンズの中心に対する周辺部の像面強度比が小さくなると、ますます周辺部が暗くなってしまい、観察に支障がでかねない。つまり、より良い光学性能を求めて歪曲収差を小さくすると、像面強度比の低下と、照明光の不均一な強度分布とよって、周辺部が暗くなるという現象が避けられなかった。このため従来、製品として使用可能な周辺光量を得るためには、歪曲収差をあまり小さくできなかった。
【０００６】
上述したように、非球面レンズを用いて、歪曲収差を小さくできることは公知であり、また、歪曲収差を補正するのに効果的な非球面の位置は、対物レンズ第１面または最終面であることもよく知られている。
【０００７】
しかし、非球面レンズだけに歪曲収差補正の役割をもたせても、あまり大きな効果はなく、無理に補正しようとすると、他の収差が大きくなり光学性能が悪くなってしまうか、または、非球面量が大きくなってしまうため、光軸近傍から周辺にかけての面形状の変化量が大きくなり、加工性が悪くなる。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、第１レンズ群と第２レンズ群の間に、直視型に比べて長い間隔を与えるタイプの内視鏡対物レンズにおいて、従来よりも歪曲収差を低減すること、歪曲収差が低減されたときに、周辺部の像面強度比の低下をなるべく少なくすること、及び非球面の加工難易度を下げて、低コストの内視鏡対物レンズ系を得ることを目的とする。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、その第一の態様によると、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズからなり、この第３レンズ群の最も物体側の面は凹面からなり、最も像側の面は凸面からなり、次の条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴としている。
（１）０．４＜｜ｆ／ｆ 1 ｜＜０．８（ｆ 1 ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ 2 ＜１．６
（３） - ０．５＜ｆ／ｆ 3 ＜０
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ 1 ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ 2 ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ 3 ：第３レンズ群の焦点距離、
である。
【００１０】
第３レンズ群は、像側に凸の負メニスカス単レンズに置き換えることも可能である。すなわち、本発明は、第二の態様によると、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は像側に凸の負のメニスカス単レンズからなり、下記条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴としている。
（１）０．４＜｜ｆ／ｆ 1 ｜＜０．８（ｆ 1 ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ 2 ＜１．６
（３） - ０．５＜ｆ／ｆ 3 ＜０
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ 1 ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ 2 ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ 3 ：第３レンズ群の焦点距離、
である。
【００１１】
いずれの態様でも、第３レンズ群の最も像面の面は、光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面とすることが好ましい。
【００１２】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、上述のように、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を大きくするタイプに用いて好適であるが、この間隔は、具体的には、次の条件式（４）を満足することが好ましい。
（４）０．８＜ｄa ／ｆ＜２．２
但し、
ｄa ：第１レンズ群の最も像側の面から明るさ絞りまでの距離（空気換算長）、
である。
【００１３】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、また次の条件式（５）及び（６）を満足することが好ましい。
（５）−１．２＜ｒa ／ｆ＜−０．５
（６）−２．０＜ｒb ／ｆ＜−０．８
但し、
ｒa ：第３レンズ群の最も物体側の面の曲率半径、
ｒb ：第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径、
である。
【００１４】
第３レンズ群を接合レンズから構成する態様では、次の条件式（７）を満足することが好ましい。
（７）１．０＜ｒS／ｆ＜６．０
但し、
ｒS：第３レンズ群の接合面の曲率半径、
である。
【００１５】
第２レンズ群の正単レンズは、次の条件式（８）を満足する両凸単レンズから構成することが好ましい。
（８）０＜（ｒd＋ｒc）／（ｒd-ｒc）＜０．４
但し、
ｒc：両凸単レンズの物体側の面の曲率半径、
ｒd：両凸単レンズの像側の面の曲率半径、
である。
【００１６】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、その第３レンズ群の最終面の非球面が次の条件式（９）を満足することが好ましい。
（９）｜Ｒasp ｜＞１．８
但し、
Ｒasp ：第３レンズ群の非球面の近軸曲率半径（ｍｍ）、
である。
【００１８】
【発明の実施の態様】
内視鏡対物レンズ系は、超広角であって且つある程度のテレセントリック性が必要である。このような光学系では、軸外光線はレンズ面を通過するときに光軸と平行となる方向に大きく曲げられ、負の歪曲収差が発生する。その歪曲度はほぼ像高の２乗に比例して大きくなる。歪曲収差の発生量を少なくするためには、軸外の光束をなめらかに曲げる必要がある。しかし、その為にレンズ枚数を増やすのではコストアップにつながるばかりでなく、コンパクト性（径は細く、全長は長くしたい）が失われしまうため、内視鏡対物レンズ系としては非現実的である。
【００１９】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、明るさ絞りと、全体として正のパワーを有する第２レンズ群と、近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群とからなり、第３レンズ群の最も物体側の面を凹面とし、第３レンズ群の最も像側の面を凸面で、かつ光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面とすることにより、歪曲収差を補正している。第１レンズ群と明るさ絞り（第２レンズ群）との間には、側視型あるいは斜視用とするためのプリズムやミラー等の光路変換素子、又は（及び）各種のフィルター類が配置される。
図１は、本発明の内視鏡対物レンズ系を側視型内視鏡に適用した例で、物体側から順に、第１レンズ群１０、光路変換プリズムＰ、絞りＳ、第２レンズ群２０、及び第３レンズ群３０からなり、ＣＣＤの撮像面にカバーガラスＣＧが設けられている。
そして、すべての実施例（図２、図４、図６、図８、図１０及び図１２）において、第１レンズ群１０は負の単レンズからなり、第２レンズ群２０は正の単レンズからなっている。第３レンズ群３０は、図１２の実施例（実施例６）を除いて、両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズからなっており、その最も物体側の面は凹面からなり、最も像側の面は凸面からなっている。一方、図１２の実施例では、第３レンズ群３０は、像側に凸の負メニスカス単レンズからなっている。
【００２０】
本発明の内視鏡対物レンズ系により、歪曲収差を補正できる理由は次の通りである。まず、物体側から順に、負、正、近軸が負の３群のレンズ構成において、近軸が負のパワーの第３レンズ群の物体側の面を凹面とすると、この面で軸外光束が大きく曲げられることがない。上述のように、歪曲収差は、軸外光束が大きく曲げられることによって発生するから、第３レンズ群の第１面での歪曲収差の発生自体を小さくすることができる。
【００２１】
その上で、歪曲収差を補正するための非球面を、レンズ系最終面（第３レンズ群の最も像側の面）に配設している。上述のように、歪曲収差の補正は、対物レンズ系の第１面を非球面にすることで、行なうことができるが、第１面を非球面とすると、コマ収差や非点収差等の軸外収差のバランスが大きく崩れてしまう。また、周辺に向かうほど曲率がきつくなるため、加工性が悪くなる。これに対し、第３レンズ群の第１面での歪曲収差の発生自体を小さくした上で、第３レンズ群の最終面を非球面とし、しかもその非球面形状を光軸から離れるに従って曲率が緩くなる形状とすることにより、このような不具合を生じることなく、歪曲収差を補正することができる。つまり、第３レンズ群の第１面で発生する歪曲収差が軽減されるため、歪曲収差を補正する第３レンズ群最終面の非球面の負担が軽減される。また、無理に補正しないため、他のコマ収差や非点収差等が大きくなることはなく、結果的には結像性能が良くなる。
【００２２】
また、歪曲収差が小さくなると、対角方向の画角に対して、相対的に対辺画角（視野角）が大きくなるという効果も得られる。図１４は、歪曲収差と画角の関係を示している。内視鏡の視野は正方形である。
【００２３】
次に、像面強度比を大きくするためには、瞳の収差を大きくすればよい。そのためには、第１レンズ群を、第１面有効径が大きくなりすぎない程度に、明るさ絞りから離して配置すればよい。また、軸外の光線がレンズ全体を滑らかに通るように（大きく曲げられることがないように）すれば、口径食が小さくなり、像面強度比の低下が抑えられる。
【００２４】
条件式（１）は第１レンズ群のパワーに関するものである。
条件式（１）の上限を越えると、バックフォーカスが長くなりすぎて、全長（レンズ第１面から像面までの距離）が長くなる。レンズ全長が長くなるとスコープ先端部の湾曲操作性が低下する。
下限を越えると、広い視野角と長いバックフォーカスが得られなくなる。
【００２５】
条件式（２）は、第２レンズ群のパワーに関するものである。対物レンズ系は、全体として正のパワーを持つものであり、第２レンズ群は、レンズ系の中で唯一の正のパワーを受け持つ群である。
条件式（２）の上限を越えると、像面湾曲がアンダーになることに加えて、長いバックフォーカスが得られなくなる。
下限を越えると、負の第１レンズ群とのバランスが崩れて、像面湾曲がオーバーとなる。
【００２６】
条件式（３）は、第３レンズ群のパワーに関するものである。
条件式（３）の上限を越えると、第３レンズ群が正のパワーを持つこととなり、レンズ射出角は小さくできるが、歪曲収差が大きくなってしまう。また、絞りから離れた位置で強いパワーを持つと、コマ収差や非点収差等の収差補正が難しくなる。
下限を越えると、第３レンズ群が強い負のパワーをもち、レンズ射出角が大きくなる。つまり、像面入射角が大きくなり、ＣＣＤの受光感度が低下してしまう。
【００２７】
条件式（４）は、第１レンズ群最終面から明るさ絞りまでの距離に関するものである。本発明の内視鏡対物レンズは、この条件式（４）を満足するように第１レンズ群と明るさ絞りの距離を大きく設定し、その間に、光路変換プリズム、ミラー、あるいは各種フィルターを配置するタイプの対物レンズに適している。
条件式（４）の上限を越えて、第１レンズ群が絞りから離れすぎると、広角の内視鏡対物レンズ系においては、第１面の有効径が大きくなってしまう。側視型では第１レンズ群の外径の大きさは大きな問題ではないが、本内視鏡対物レンズ系は直視型にも使用可能であり、その場合にはスコープ径が大きくなり、洗浄性も悪化する。
下限を越えると、瞳の収差を大きくすることができないので、像面強度比を大きくすることができない。
【００２８】
条件式（５）は、第３レンズ群の最も物体側の面（凹面）の曲率半径に関するものである。
条件式（５）の上限を越えて、第３レンズ群の最も物体側に位置する凹面の曲率半径が小さくなると、軸外光束に対して発散作用が大きくなるため、レンズ射出角が大きくなってしまう。
下限を越えて、第３レンズ群の最も物体側の凹面の曲率半径が大きくなりすぎると、この面で軸外光束が光軸方向に曲げられてしまうので、歪曲収差が大きく発生してしまう。
【００２９】
条件式（６）は、第３レンズ群の最も像側の面（凸面）の曲率半径に関するものである。
条件式（６）の上限を越えると、第３レンズ群の最も像面側の曲率半径が小さく、歪曲収差が大きくなる。
下限を越えると、第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径が大きくなり、レンズ射出角が大きくなってしまう。
【００３０】
条件式（７）は、第３レンズ群を両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズから構成した場合の接合面の曲率半径に関するものである。条件式（７）の上限を越えると、倍率色収差が補正不足となる。下限を越えると、接合レンズを構成する正レンズの周縁の厚みが取れなくなる。
【００３１】
条件式（８）は、正単レンズの第２レンズ群を両凸の単レンズで構成する場合、そのレンズ形状を表すシェイピングファクターの範囲を示すものである。シェイピングファクターＳＦは、第１面と第２面の曲率半径をｒc、ｒdとするとき、
ＳＦ＝（ｒd＋ｒc）／（ｒd-ｒc）
で定義される。
条件式（８）の上限を越えると、第２レンズ群を構成する両凸単レンズの第１面の曲率半径が、第２面のそれと比較して小さくなりすぎて、軸外光線の第１面への入射角が大きくなるため、非点収差及び像面湾曲が大きくなる。下限を越えると、第１面の曲率半径が第２面のそれに比べて大きくなり、軸外光線の領域での第２レンズの像側の面への入射高が高くなるため、バックフォーカスが長くなりすぎてしまう。
【００３２】
条件式（９）は、非球面の近軸曲率半径に関するものである。
非球面レンズはプレス加工法が良く用いられる。非球面金型の製造のしやすさ、あるいはレンズ成形時に離型性の良さ等を考慮すると、曲率半径は条件式（８）を満足して大きい方が成形上有利である。
【００３４】
次に、本発明を側視型の内視鏡対物レンズ系に適用した具体的な実施例を説明する。
［実施例１］
図２は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第１の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。物体側から順に、１枚の負レンズからなる第１レンズ群１０、プリズムＰ、絞りＳ、１枚の正レンズからなる第２レンズ群２０、及び両凹単レンズ３０ｎと両凸単レンズ３０ｐの接合レンズからなる第３レンズ群３０からなっている。ＣＧは、ＣＣＤの撮像面に設けられたカバーガラスである。表１は、このレンズ系（カバーガラスを含む）の数値データ、図３は、このレンズ系による諸収差図である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）と、ＣＣＤの撮像面とは、０．０５ｍｍ離れている。
【００３５】
以下の各表及び各図面において、FNO はＦナンバー、f は全系の焦点距離、M は近軸横倍率、W は半画角、fBは空気換算バックフォーカス、R はレンズ各面の曲率半径、D はレンズ厚もしくはレンズ間隔、N はｄ線に対する屈折率、νはアッベ数を示す。ｄ線、ｇ線およびＣ線は、それぞれの波長における、球面収差によって示される色収差及び倍率色収差、Ｓはサジタル面、Ｍはメリディオナル面を示している。
また、回転対称非球面は次式で定義される。
x=Ch2/{1+[1-(1+K)C2h2]1/2}+A4h4+A6h6+A8h8+・・・
（Ｃは曲率(1/r)、ｈは光軸からの高さ、Ｋは円錐係数)
【００３６】
【表１】
【００３７】
［実施例２］
図４は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第２の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）であるが、カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表２は、このレンズ系の数値データ、図５は、このレンズ系による諸収差図である。
【００３８】
【表２】
【００３９】
［実施例３］
図６は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表３は、このレンズ系の数値データ、図７は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４０】
【表３】
【００４１】
［実施例４］
図８は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表４は、このレンズ系の数値データ、図９は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４２】
【表４】
【００４３】
［実施例５］
図１０は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第５の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表５は、このレンズ系の数値データ、図１１は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４４】
【表５】
【００４５】
［実施例６］
図１２は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第６の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１１）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。第３レンズ群が負のメニスカス単レンズからなる点が先の各実施例と異なる。表６は、このレンズ系の数値データ、図１３は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４６】
【表６】
【００４７】
表７に実施例１ないし６の各条件式の値を示す。
【表７】
【００４８】
表７から明らかなように、各実施例は条件式（１）ないし（９）を満たしている。各収差はよく補正され、特に歪曲収差がよく補正されている。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、第１レンズ群と第２レンズ群の間に、直視型に比べて長い間隔を与えるタイプの内視鏡対物レンズ系において、従来よりも歪曲収差を低減できるともに、周辺部の像面強度比の低下を少なくし、さらに非球面の加工難易度を下げて、コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】側視型内視鏡の構成例を示すレンズ構成図である。
【図２】本発明の内視鏡対物レンズ系の第１の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図３】図２のレンズ系の諸収差図である。
【図４】本発明の内視鏡対物レンズ系の第２の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図５】図４のレンズ系の諸収差図である。
【図６】本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図７】図６のレンズ系の諸収差図である。
【図８】本発明の内視鏡対物レンズ系の第４の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図９】図８のレンズ系の諸収差図である。
【図１０】本発明の内視鏡対物レンズ系の第５の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図１１】図１０のレンズ系の諸収差図である。
【図１２】本発明の内視鏡対物レンズ系の第６の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図１３】図１２のレンズ系の諸収差図である。
【図１４】歪曲収差と画角の関係例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 第１レンズ群
Ｓ 絞り
２０ 第２レンズ群
３０ 第３レンズ群
【技術分野】
本発明は、内視鏡対物レンズ系に関し、特に、第１レンズ群と第２レンズ群（明るさ絞り）との間に、プリズムやミラー等の視野方向変換素子、あるいはフィルター類を配置するタイプとして好適な対物レンズ系に関する。
【０００２】
側視用及び斜視用として、プリズムやミラー等の視野方向変換素子を、第１レンズ群と明るさ絞り（第２レンズ群）との間に配置する構成がよく用いられており、その構成は比較的コンパクトである。第１レンズ群の外径が直視タイプと比較して大きくなったとしても、第１レンズはスコープの長手方向と平行に位置するから、スコープ径の増加にはつながならいからである。
【０００３】
プリズム等を配置するためには、負の第１レンズ群と正の第２レンズ群の間に広い間隔が必要である。負の第１レンズ群と正の第２レンズ群との間隔が広いと、近軸領域で第２レンズ群へ入射する光線高が高くなり、バックフォーカスは一般的に長くなる。このため、レンズ系と固体撮像素子（ＣＣＤ）との間に、レンズ系と比較して相対的に厚いフィルター類やＣＣＤカバーガラスを配置する電子内視鏡への適用が容易である。
【０００４】
他方、従来の内視鏡対物レンズ系として、前群が負、後群が正のレトロフォーカスタイプが用いられてきたが、このタイプはパワー配置が非対称形であるため、負の歪曲収差が大きくなるという欠点がある。そこで非球面を開いて歪曲収差を小さくする手法がよく知られている。
【０００５】
一方、歪曲収差を補正しすぎると、中心に対する周辺部の像面強度比が小さくなる。内視鏡は、ランプ光源をファイバー束で伝達し、その射出光を配光レンズで照明しているため、その配光特性は、中心部は強く周辺部は弱いような強度分布を持っている。また、絶対的な光量も不足気味である。このような照明下で、レンズの中心に対する周辺部の像面強度比が小さくなると、ますます周辺部が暗くなってしまい、観察に支障がでかねない。つまり、より良い光学性能を求めて歪曲収差を小さくすると、像面強度比の低下と、照明光の不均一な強度分布とよって、周辺部が暗くなるという現象が避けられなかった。このため従来、製品として使用可能な周辺光量を得るためには、歪曲収差をあまり小さくできなかった。
【０００６】
上述したように、非球面レンズを用いて、歪曲収差を小さくできることは公知であり、また、歪曲収差を補正するのに効果的な非球面の位置は、対物レンズ第１面または最終面であることもよく知られている。
【０００７】
しかし、非球面レンズだけに歪曲収差補正の役割をもたせても、あまり大きな効果はなく、無理に補正しようとすると、他の収差が大きくなり光学性能が悪くなってしまうか、または、非球面量が大きくなってしまうため、光軸近傍から周辺にかけての面形状の変化量が大きくなり、加工性が悪くなる。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、第１レンズ群と第２レンズ群の間に、直視型に比べて長い間隔を与えるタイプの内視鏡対物レンズにおいて、従来よりも歪曲収差を低減すること、歪曲収差が低減されたときに、周辺部の像面強度比の低下をなるべく少なくすること、及び非球面の加工難易度を下げて、低コストの内視鏡対物レンズ系を得ることを目的とする。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、その第一の態様によると、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズからなり、この第３レンズ群の最も物体側の面は凹面からなり、最も像側の面は凸面からなり、次の条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴としている。
（１）０．４＜｜ｆ／ｆ 1 ｜＜０．８（ｆ 1 ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ 2 ＜１．６
（３） - ０．５＜ｆ／ｆ 3 ＜０
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ 1 ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ 2 ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ 3 ：第３レンズ群の焦点距離、
である。
【００１０】
第３レンズ群は、像側に凸の負メニスカス単レンズに置き換えることも可能である。すなわち、本発明は、第二の態様によると、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は像側に凸の負のメニスカス単レンズからなり、下記条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴としている。
（１）０．４＜｜ｆ／ｆ 1 ｜＜０．８（ｆ 1 ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ 2 ＜１．６
（３） - ０．５＜ｆ／ｆ 3 ＜０
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ 1 ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ 2 ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ 3 ：第３レンズ群の焦点距離、
である。
【００１１】
いずれの態様でも、第３レンズ群の最も像面の面は、光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面とすることが好ましい。
【００１２】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、上述のように、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を大きくするタイプに用いて好適であるが、この間隔は、具体的には、次の条件式（４）を満足することが好ましい。
（４）０．８＜ｄa ／ｆ＜２．２
但し、
ｄa ：第１レンズ群の最も像側の面から明るさ絞りまでの距離（空気換算長）、
である。
【００１３】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、また次の条件式（５）及び（６）を満足することが好ましい。
（５）−１．２＜ｒa ／ｆ＜−０．５
（６）−２．０＜ｒb ／ｆ＜−０．８
但し、
ｒa ：第３レンズ群の最も物体側の面の曲率半径、
ｒb ：第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径、
である。
【００１４】
第３レンズ群を接合レンズから構成する態様では、次の条件式（７）を満足することが好ましい。
（７）１．０＜ｒS／ｆ＜６．０
但し、
ｒS：第３レンズ群の接合面の曲率半径、
である。
【００１５】
第２レンズ群の正単レンズは、次の条件式（８）を満足する両凸単レンズから構成することが好ましい。
（８）０＜（ｒd＋ｒc）／（ｒd-ｒc）＜０．４
但し、
ｒc：両凸単レンズの物体側の面の曲率半径、
ｒd：両凸単レンズの像側の面の曲率半径、
である。
【００１６】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、その第３レンズ群の最終面の非球面が次の条件式（９）を満足することが好ましい。
（９）｜Ｒasp ｜＞１．８
但し、
Ｒasp ：第３レンズ群の非球面の近軸曲率半径（ｍｍ）、
である。
【００１８】
【発明の実施の態様】
内視鏡対物レンズ系は、超広角であって且つある程度のテレセントリック性が必要である。このような光学系では、軸外光線はレンズ面を通過するときに光軸と平行となる方向に大きく曲げられ、負の歪曲収差が発生する。その歪曲度はほぼ像高の２乗に比例して大きくなる。歪曲収差の発生量を少なくするためには、軸外の光束をなめらかに曲げる必要がある。しかし、その為にレンズ枚数を増やすのではコストアップにつながるばかりでなく、コンパクト性（径は細く、全長は長くしたい）が失われしまうため、内視鏡対物レンズ系としては非現実的である。
【００１９】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、明るさ絞りと、全体として正のパワーを有する第２レンズ群と、近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群とからなり、第３レンズ群の最も物体側の面を凹面とし、第３レンズ群の最も像側の面を凸面で、かつ光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面とすることにより、歪曲収差を補正している。第１レンズ群と明るさ絞り（第２レンズ群）との間には、側視型あるいは斜視用とするためのプリズムやミラー等の光路変換素子、又は（及び）各種のフィルター類が配置される。
図１は、本発明の内視鏡対物レンズ系を側視型内視鏡に適用した例で、物体側から順に、第１レンズ群１０、光路変換プリズムＰ、絞りＳ、第２レンズ群２０、及び第３レンズ群３０からなり、ＣＣＤの撮像面にカバーガラスＣＧが設けられている。
そして、すべての実施例（図２、図４、図６、図８、図１０及び図１２）において、第１レンズ群１０は負の単レンズからなり、第２レンズ群２０は正の単レンズからなっている。第３レンズ群３０は、図１２の実施例（実施例６）を除いて、両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズからなっており、その最も物体側の面は凹面からなり、最も像側の面は凸面からなっている。一方、図１２の実施例では、第３レンズ群３０は、像側に凸の負メニスカス単レンズからなっている。
【００２０】
本発明の内視鏡対物レンズ系により、歪曲収差を補正できる理由は次の通りである。まず、物体側から順に、負、正、近軸が負の３群のレンズ構成において、近軸が負のパワーの第３レンズ群の物体側の面を凹面とすると、この面で軸外光束が大きく曲げられることがない。上述のように、歪曲収差は、軸外光束が大きく曲げられることによって発生するから、第３レンズ群の第１面での歪曲収差の発生自体を小さくすることができる。
【００２１】
その上で、歪曲収差を補正するための非球面を、レンズ系最終面（第３レンズ群の最も像側の面）に配設している。上述のように、歪曲収差の補正は、対物レンズ系の第１面を非球面にすることで、行なうことができるが、第１面を非球面とすると、コマ収差や非点収差等の軸外収差のバランスが大きく崩れてしまう。また、周辺に向かうほど曲率がきつくなるため、加工性が悪くなる。これに対し、第３レンズ群の第１面での歪曲収差の発生自体を小さくした上で、第３レンズ群の最終面を非球面とし、しかもその非球面形状を光軸から離れるに従って曲率が緩くなる形状とすることにより、このような不具合を生じることなく、歪曲収差を補正することができる。つまり、第３レンズ群の第１面で発生する歪曲収差が軽減されるため、歪曲収差を補正する第３レンズ群最終面の非球面の負担が軽減される。また、無理に補正しないため、他のコマ収差や非点収差等が大きくなることはなく、結果的には結像性能が良くなる。
【００２２】
また、歪曲収差が小さくなると、対角方向の画角に対して、相対的に対辺画角（視野角）が大きくなるという効果も得られる。図１４は、歪曲収差と画角の関係を示している。内視鏡の視野は正方形である。
【００２３】
次に、像面強度比を大きくするためには、瞳の収差を大きくすればよい。そのためには、第１レンズ群を、第１面有効径が大きくなりすぎない程度に、明るさ絞りから離して配置すればよい。また、軸外の光線がレンズ全体を滑らかに通るように（大きく曲げられることがないように）すれば、口径食が小さくなり、像面強度比の低下が抑えられる。
【００２４】
条件式（１）は第１レンズ群のパワーに関するものである。
条件式（１）の上限を越えると、バックフォーカスが長くなりすぎて、全長（レンズ第１面から像面までの距離）が長くなる。レンズ全長が長くなるとスコープ先端部の湾曲操作性が低下する。
下限を越えると、広い視野角と長いバックフォーカスが得られなくなる。
【００２５】
条件式（２）は、第２レンズ群のパワーに関するものである。対物レンズ系は、全体として正のパワーを持つものであり、第２レンズ群は、レンズ系の中で唯一の正のパワーを受け持つ群である。
条件式（２）の上限を越えると、像面湾曲がアンダーになることに加えて、長いバックフォーカスが得られなくなる。
下限を越えると、負の第１レンズ群とのバランスが崩れて、像面湾曲がオーバーとなる。
【００２６】
条件式（３）は、第３レンズ群のパワーに関するものである。
条件式（３）の上限を越えると、第３レンズ群が正のパワーを持つこととなり、レンズ射出角は小さくできるが、歪曲収差が大きくなってしまう。また、絞りから離れた位置で強いパワーを持つと、コマ収差や非点収差等の収差補正が難しくなる。
下限を越えると、第３レンズ群が強い負のパワーをもち、レンズ射出角が大きくなる。つまり、像面入射角が大きくなり、ＣＣＤの受光感度が低下してしまう。
【００２７】
条件式（４）は、第１レンズ群最終面から明るさ絞りまでの距離に関するものである。本発明の内視鏡対物レンズは、この条件式（４）を満足するように第１レンズ群と明るさ絞りの距離を大きく設定し、その間に、光路変換プリズム、ミラー、あるいは各種フィルターを配置するタイプの対物レンズに適している。
条件式（４）の上限を越えて、第１レンズ群が絞りから離れすぎると、広角の内視鏡対物レンズ系においては、第１面の有効径が大きくなってしまう。側視型では第１レンズ群の外径の大きさは大きな問題ではないが、本内視鏡対物レンズ系は直視型にも使用可能であり、その場合にはスコープ径が大きくなり、洗浄性も悪化する。
下限を越えると、瞳の収差を大きくすることができないので、像面強度比を大きくすることができない。
【００２８】
条件式（５）は、第３レンズ群の最も物体側の面（凹面）の曲率半径に関するものである。
条件式（５）の上限を越えて、第３レンズ群の最も物体側に位置する凹面の曲率半径が小さくなると、軸外光束に対して発散作用が大きくなるため、レンズ射出角が大きくなってしまう。
下限を越えて、第３レンズ群の最も物体側の凹面の曲率半径が大きくなりすぎると、この面で軸外光束が光軸方向に曲げられてしまうので、歪曲収差が大きく発生してしまう。
【００２９】
条件式（６）は、第３レンズ群の最も像側の面（凸面）の曲率半径に関するものである。
条件式（６）の上限を越えると、第３レンズ群の最も像面側の曲率半径が小さく、歪曲収差が大きくなる。
下限を越えると、第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径が大きくなり、レンズ射出角が大きくなってしまう。
【００３０】
条件式（７）は、第３レンズ群を両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズから構成した場合の接合面の曲率半径に関するものである。条件式（７）の上限を越えると、倍率色収差が補正不足となる。下限を越えると、接合レンズを構成する正レンズの周縁の厚みが取れなくなる。
【００３１】
条件式（８）は、正単レンズの第２レンズ群を両凸の単レンズで構成する場合、そのレンズ形状を表すシェイピングファクターの範囲を示すものである。シェイピングファクターＳＦは、第１面と第２面の曲率半径をｒc、ｒdとするとき、
ＳＦ＝（ｒd＋ｒc）／（ｒd-ｒc）
で定義される。
条件式（８）の上限を越えると、第２レンズ群を構成する両凸単レンズの第１面の曲率半径が、第２面のそれと比較して小さくなりすぎて、軸外光線の第１面への入射角が大きくなるため、非点収差及び像面湾曲が大きくなる。下限を越えると、第１面の曲率半径が第２面のそれに比べて大きくなり、軸外光線の領域での第２レンズの像側の面への入射高が高くなるため、バックフォーカスが長くなりすぎてしまう。
【００３２】
条件式（９）は、非球面の近軸曲率半径に関するものである。
非球面レンズはプレス加工法が良く用いられる。非球面金型の製造のしやすさ、あるいはレンズ成形時に離型性の良さ等を考慮すると、曲率半径は条件式（８）を満足して大きい方が成形上有利である。
【００３４】
次に、本発明を側視型の内視鏡対物レンズ系に適用した具体的な実施例を説明する。
［実施例１］
図２は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第１の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。物体側から順に、１枚の負レンズからなる第１レンズ群１０、プリズムＰ、絞りＳ、１枚の正レンズからなる第２レンズ群２０、及び両凹単レンズ３０ｎと両凸単レンズ３０ｐの接合レンズからなる第３レンズ群３０からなっている。ＣＧは、ＣＣＤの撮像面に設けられたカバーガラスである。表１は、このレンズ系（カバーガラスを含む）の数値データ、図３は、このレンズ系による諸収差図である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）と、ＣＣＤの撮像面とは、０．０５ｍｍ離れている。
【００３５】
以下の各表及び各図面において、FNO はＦナンバー、f は全系の焦点距離、M は近軸横倍率、W は半画角、fBは空気換算バックフォーカス、R はレンズ各面の曲率半径、D はレンズ厚もしくはレンズ間隔、N はｄ線に対する屈折率、νはアッベ数を示す。ｄ線、ｇ線およびＣ線は、それぞれの波長における、球面収差によって示される色収差及び倍率色収差、Ｓはサジタル面、Ｍはメリディオナル面を示している。
また、回転対称非球面は次式で定義される。
x=Ch2/{1+[1-(1+K)C2h2]1/2}+A4h4+A6h6+A8h8+・・・
（Ｃは曲率(1/r)、ｈは光軸からの高さ、Ｋは円錐係数)
【００３６】
【表１】
［実施例２］
図４は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第２の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）であるが、カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表２は、このレンズ系の数値データ、図５は、このレンズ系による諸収差図である。
【００３８】
【表２】
［実施例３］
図６は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表３は、このレンズ系の数値データ、図７は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４０】
【表３】
［実施例４］
図８は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表４は、このレンズ系の数値データ、図９は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４２】
【表４】
［実施例５］
図１０は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第５の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１２）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表５は、このレンズ系の数値データ、図１１は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４４】
【表５】
［実施例６］
図１２は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第６の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。カバーガラスＣＧの最も像側の面（ｒ１１）は、ＣＣＤの撮像面に密着している。第３レンズ群が負のメニスカス単レンズからなる点が先の各実施例と異なる。表６は、このレンズ系の数値データ、図１３は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４６】
【表６】
表７に実施例１ないし６の各条件式の値を示す。
【表７】
表７から明らかなように、各実施例は条件式（１）ないし（９）を満たしている。各収差はよく補正され、特に歪曲収差がよく補正されている。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、第１レンズ群と第２レンズ群の間に、直視型に比べて長い間隔を与えるタイプの内視鏡対物レンズ系において、従来よりも歪曲収差を低減できるともに、周辺部の像面強度比の低下を少なくし、さらに非球面の加工難易度を下げて、コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】側視型内視鏡の構成例を示すレンズ構成図である。
【図２】本発明の内視鏡対物レンズ系の第１の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図３】図２のレンズ系の諸収差図である。
【図４】本発明の内視鏡対物レンズ系の第２の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図５】図４のレンズ系の諸収差図である。
【図６】本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図７】図６のレンズ系の諸収差図である。
【図８】本発明の内視鏡対物レンズ系の第４の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図９】図８のレンズ系の諸収差図である。
【図１０】本発明の内視鏡対物レンズ系の第５の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図１１】図１０のレンズ系の諸収差図である。
【図１２】本発明の内視鏡対物レンズ系の第６の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図１３】図１２のレンズ系の諸収差図である。
【図１４】歪曲収差と画角の関係例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 第１レンズ群
Ｓ 絞り
２０ 第２レンズ群
３０ 第３レンズ群
Claims (8)
- 物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、
第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズからなり、
この第３レンズ群の最も物体側の面は凹面からなり、最も像側の面は凸面からなり、
次の条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴とする内視鏡対物レンズ系。
（１）０．４＜｜ｆ／ｆ 1 ｜＜０．８（ｆ 1 ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ 2 ＜１．６
（３） - ０．５＜ｆ／ｆ 3 ＜０
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ 1 ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ 2 ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ 3 ：第３レンズ群の焦点距離。 - 物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；近軸付近で負のパワーを有する第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、
第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は像側に凸の負のメニスカス単レンズからなり、
下記条件式（１）ないし（３）を満足することを特徴とする内視鏡対物レンズ系。
（１）０．４＜｜ｆ／ｆ 1 ｜＜０．８（ｆ 1 ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ 2 ＜１．６
（３） - ０．５＜ｆ／ｆ 3 ＜０
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ 1 ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ 2 ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ 3 ：第３レンズ群の焦点距離。 - 請求項１または２記載の内視鏡対物レンズ系において、第３レンズ群の最も像面の面は、光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面からなる内視鏡対物レンズ系。
- 請求項１ないし３のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、さらに、下記条件式（４）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（４）０．８＜ｄa／ｆ＜２．２
但し、
ｄa：第１レンズ群の最も像側の面から明るさ絞りまでの距離（空気換算長）。 - 請求項１ないし４のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、さらに下記の条件式（５）及び（６）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（５）-１．２＜ｒa／ｆ＜-０．５
（６）-２．０＜ｒb／ｆ＜-０．８
但し、
ｒa：第３レンズ群の最も物体側の面の曲率半径、
ｒb：第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径。 - 請求項１記載の内視鏡対物レンズ系において、下記の条件式（７）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（７）１．０＜ｒS／ｆ＜６．０
但し、
ｒS：第３レンズ群の接合面の曲率半径。 - 請求項１ないし６のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、第２レンズ群は両凸単レンズからなり、下記の条件式（８）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（８）０＜（ｒd＋ｒc）／（ｒd-ｒc）＜０．４
但し、
ｒc：両凸単レンズの物体側の面の曲率半径、
ｒd：両凸単レンズの像側の面の曲率半径。 - 請求項３ないし７のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、下記の条件式（９）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（９）｜Ｒasp｜＞１．８
但し、
Ｒasp：第３レンズ群の非球面の近軸曲率半径（ｍｍ）。
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