JP6764813B2

JP6764813B2 - 対物光学系及び内視鏡

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Publication number: JP6764813B2
Application number: JP2017057775A
Authority: JP
Inventors: 武志菅
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2020-10-07
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP2018159853A

Description

本発明は対物光学系、特に、２Ｄ観察用または３Ｄ観察用の内視鏡対物光学系に関する。

医療分野の電子内視鏡では、処置や診断に関する技能が高度化している。電子内視鏡は生体内に挿入し、より微小な病変の発見や検出を行う。２Ｄ観察用の電子内視鏡では、平面的（２次元的）な観察を行う。３Ｄ観察用の電子内視鏡は、立体的（３次元的）な観察を行う。

いずれの観察の場合も、正確なピント合わせが必須となる。３Ｄ観察用では、右眼用画像と左眼用画像を１つの撮像素子で取得する構成が知られている。この構成において、ピント調整のために１つの撮像素子を光軸に沿って移動すると、右眼用画像と左眼用画像の両方の画像のピント位置が同時に変化してしまう。このため、撮像素子の移動では、２つの視差画像のうち、一方の画像のみのピント合わせを行うことはできない。

また、２Ｄ観察用の電子内視鏡の対物光学系及び３Ｄ観察用の電子内視鏡の対物光学系の両方の光学系において、最終レンズから撮像面までの距離（空間）を確保できることが望ましい。これにより、撮像面の物体側にプリズム等を配置する空間を確保できる。

従来の対物光学系としては、例えば、特許文献１、２、３、４に、物体側から順に、負・負・正・絞り・正・正（接合レンズ）のパワー配置を有する５郡構成が開示されている。

ここで、特に、３Ｄ観察用の対物光学系では、上述のようにピント調整でき、かつ最終レンズから撮像面までの距離（空間）を確保すること、及び最も物体側の負屈折力のレンズでの光線高を下げることで、右眼用光学系と左眼用光学系との視差を小さく設定できることが望ましい。また、２Ｄ観察用の対物光学系では、上述のように撮像面の物体側にプリズム等を配置する空間を確保すること、及び最も物体側の負屈折力のレンズでの光線高を下げることで、対物光学系を小型化することが望ましい。

特開２０１６−８５２８２号公報特許第５９３０２５７号公報特許第４９３４２３３号公報国際公開第２０１６／１５７６２３号

特許文献１、２、３、４の光学系において、３Ｄ観察用の光学系では、レンズを移動してピント調整するための調整ストローク（空間）を確保することができない。さらに、３Ｄ観察用の光学系では１ｍｍ程度の小さな視差を確保することが困難である。また、２Ｄ観察用の光学系では光学系を小型化することが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、３Ｄ観察用の対物光学系では、レンズ移動してピント調整した場合、調整ストローク（空間）を確保することができ、さらに、１ｍｍ程度の小さな視差を確保することが可能であり、２Ｄ観察用の対物光学系では光学系を小型化することができる対物光学系を提供することを目的とする。
また、上述の対物光学系を有する内視鏡を提供することを目的とする。

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に係る対物光学系は、
物体側から順に、像側に凹面を向けた負屈折力を有する単レンズの第１レンズと、物体側に凹面を向けた負屈折力を有する単レンズの第２レンズと、正屈折力を有する単レンズの第３レンズと、明るさ絞りと、正屈折力を有する単レンズの第４レンズと、正屈折力を有する接合レンズである第５レンズと、からなり、
以下の条件式（１’）、（２）を満足することを特徴とする。
２．５＜ｆ４５／ｆ≦４ (１’)
｜ｆ１２｜／ｆ３＜０．１８ (２)
ここで、
ｆ４５は、第４レンズと第５レンズとの合成焦点距離、
ｆは、対物光学系全系の焦点距離、
ｆ１２は、第１レンズと第２レンズとの合成焦点距離、
ｆ３は、第３レンズの焦点距離、
である。
また、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る内視鏡は、上述の対物光学系を有することを特徴とする。

本発明は、３Ｄ観察用の対物光学系では、レンズ移動してピント調整した場合、調整ストローク（空間）を確保することができ、さらに、視差を確保することが可能であり、２Ｄ観察用の対物光学系では光学系を小型化することができる対物光学系を提供できるという効果を奏する。

実施形態に係る対物光学系のレンズ断面図である。実施例１に係る対物光学系の、（ａ）は設計状態のレンズ断面図、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ像面位置を変更したときのレンズ断面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）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。（ａ）は、本発明の実施例２に係る対物光学系のレンズ断面図である。（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。（ａ）は、本発明の実施例３に係る対物光学系のレンズ断面図である。（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。本発明の実施例４に係る３Ｄ観察用の対物光学系のレンズ断面図である。

以下に、実施形態に係る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、実施形態に係る対物光学系のレンズ断面図である。本実施形態は、２Ｄ観察用に一つの光軸Ａｘを有する構成である。また、図６は、図１に示す対物光学系を２つ並列した構成で、右眼用光学系、左眼用光学系として用いる３Ｄ観察用の対物光学系である。

本実施形態は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負屈折力を有する第１レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負屈折力を有する第２レンズＬ２と、正屈折力を有する第３レンズＬ３と、明るさ絞りＳと、正屈折力を有する第４レンズＬ４と、正屈折力を有する接合レンズである第５レンズＬ５と、からなり、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
２．５＜ｆ４５／ｆ (１)
｜ｆ１２｜／ｆ３＜０．１８ (２)
ここで、
ｆ４５は、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との合成焦点距離、
ｆは、対物光学系全系の焦点距離、
ｆ１２は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との合成焦点距離、
ｆ３は、第３レンズＬ３の焦点距離、
である。

また、平行平板であるフィルタＦ１は第３レンズＬ３の像側に配置されている。また、フィルタＦ２は、不図示の撮像素子のカバーガラスＣＧの物体側面に接着されている。

本実施形態は、物体側から順に、負、負、正、明るさ絞り、正、正のパワー配置とすることで、レトロフォーカス光学系としている。そして、第５レンズＬ５の前後に空間を確保できる（図２（ａ）参照）。

２Ｄ観察用の対物光学系における効果を説明する。像面Ｉの位置と第５レンズＬ５の間に広い空間ができるため、プリズム等を配置できるという効果が得られる。

また、３Ｄ観察用の対物光学系における効果を説明する。対物光学系を２つ並列し、第５レンズＬ５を移動させてピント調整を行う。例えば、実施例１として後述するように、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように第４レンズＬ４と第５レンズＬ５の位置を±０．２６ｍｍ変更することで、像面Ｉの位置（ピント位置）を調整できる。

次に、条件式について説明する。条件式（１）の下限値を２．５以上に設定していることで、第４レンズＬ４から第５レンズＬ５の焦点距離が長くなり、像面Ｉの位置までの距離を遠くすることができる。これにより、第５レンズＬ５の前後に空間を確保している（図２（ａ）参照）。

また、条件式（２）の上限値を０．１８未満に設定していることで、第１レンズＬ１から第２レンズＬ２の負の焦点距離を短くしている。これにより、以下の効果（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を奏する。
（ａ）強いレトロフォーカスとなり、条件式（１）で示した像面Ｉの位置までの距離を、より遠く設定できる。
（ｂ）第１レンズＬ１の光線高を小さくできるので、第１レンズＬ１の小型化も可能となる。
（ｃ）条件式（１）と条件式（２）との組み合わせで、対物光学系全体のパワー配置が最適化され、図３に示すような良好な光学性能が得られる。

また、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
４＜ｆ５／ｆ（３）
ここで、
ｆ５は、第５レンズの焦点距離、
である。

条件式（３）の下限値を４よりも大きくすることで、第５レンズＬ５の焦点距離を長く設定できる。これにより、第５レンズＬ５の位置誤差による光学性能の劣化を低減できる。例えば、３Ｄ観察用の対物光学系の場合は、レンズの位置誤差による像面Ｉの位置への影響を小さくすることができる。

以下、各実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１に係る対物光学系について説明する。図２（ａ）は、設計状態の対物光学系のレンズ断面図である。図２（ｂ）は、第１１面ｒ１１のｄ１１の値（空気間隔）を０．４３７から０．１７７に変更し、像面Ｉの位置を変更した場合のレンズ断面図である。図２（ｃ）は、第１１面ｒ１１のｄ１１の値（空気間隔）を０．４３７から０．６９７に変更し、像面Ｉの位置を変更した場合のレンズ断面図である。

実施例１の対物光学系は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負屈折力を有する平凹形状の第１レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負屈折力を有するメニスカス形状の第２レンズＬ２と、像側に平面を向けた正屈折力を有する平凸形状の第３レンズＬ３と、平行平板であるフィルタＦ１と、明るさ絞りＳと、物体側に平面を向けた正屈折力を有する平凸形状の第４レンズＬ４と、両凸正レンズと像側に凸面を向けた負メニスカスレンズとが接合された正屈折力を有する接合レンズである第５レンズＬ５と、を有する。本実施例は、上述した実施形態と同じレンズ構成を有している。

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。また、フィルタ（カバーガラス）Ｆ２とＣＣＤカバーガラスＣＧとは接合されている。ｄ１６は接着層である。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本実施例の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。

諸収差図は、６５６．２７ｎｍ（Ｃ線）、５８７．５６ｎｍ（ｄ線）、４８６．１３ｎｍ（Ｆ線）及び４３５．８４ｎｍ（ｇ線）の各波長について示されている。また、各図中、ＦＮＯは、Ｆナンバー、ＩＨは最大像高を示す。以下、収差図に関しては、同様である。各収差図において、横軸は収差量を表している。球面収差、非点収差及び倍率収差については、収差量の単位はｍｍである。また、歪曲収差については、収差量の単位は％である。また、ＩＨは像高で単位はｍｍ、ＦＮＯはＦナンバーである。

（実施例２）
図４（ａ）は、実施例２に係る対物光学系のレンズ断面図である。

実施例２の対物光学系は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負屈折力を有する平凹形状の第１レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負屈折力を有するメニスカス形状の第２レンズＬ２と、像側に平面を向けた正屈折力を有する平凸形状の第３レンズＬ３と、平行平板であるフィルタＦ１と、明るさ絞りＳと、物体側に平面を向けた正屈折力を有する平凸形状の第４レンズＬ４と、両凸正レンズと像側に凸面を向けた負メニスカスレンズとが接合された正屈折力を有する接合レンズである第５レンズＬ５と、を有する。

本実施例は、実施例１に比べ、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５の距離が長い例である。また、第１１面ｒ１１のｄ１１の値（空気間隔）が０．４３７から０．５２に変更している。これにより、条件式（１）の値も３．１５と値が大きくなっている。

条件式（１）は、好ましくは４以下が望ましい。４以上になると第５レンズＬ５の位置が遠くなりすぎ、第５レンズＬ５での光線高が大きくなる。これにより、小型化が困難になる。

図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本実施例の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。

（実施例３）
図５（ａ）は、実施例３に係る対物光学系のレンズ断面図である。

実施例３の対物光学系は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負屈折力を有する平凹形状の第１レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負屈折力を有するメニスカス形状の第２レンズＬ２と、物体側に凸面を向けた正屈折力を有するメニスカス形状の第３レンズＬ３、明るさ絞りＳと、平行平板であるフィルタＦ１と、物体側に平面を向けた正屈折力を有する平凸形状の第４レンズＬ４と、両凸正レンズと像側に凸面を向けた負屈折力を有するメニスカス形状のレンズとが接合された正屈折力を有する接合レンズである第５レンズＬ５と、を有する。

本実施例は、実施例１に比べ、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５の距離を短くしている例である。第１１面ｒ１１のｄ１１の値（空気間隔）を０．４３７から０．２９に変更している。
これにより、条件式（１）の値も２．８と値が小さくなっている。条件式（１）は、好ましくは２．７以上が望ましい。２．７以上であれば、第５レンズＬ５付近の空間を確保できる。

図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本実施例の球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。

（実施例４）
図６は、実施例４に係る３Ｄ観察用の対物光学系のレンズ断面図である。例えば、実施例１に係る対物光学系を光軸Ａｘ１を有する右眼用光学系と、光軸Ａｘ２を有する左眼用光学系とを並列して配置した構成である。光軸Ａｘ１と光軸Ａｘ２の間隔を視差と定義している。本実施例では視差を１．１ｍｍとしている。Ｌ１１、Ｌ１２は凹面部である。

ここで、第５レンズＬ５は、円形形状のレンズの一部を直線的にカットした、所謂Ｄカットを行っている。３Ｄ観察用の対物光学系のピント調整は、左眼用光学系と右眼用光学系と、で独立に行う必要がある。本実施例では、一方の対物光学系は撮像素子の位置を動かしてピント調整し、他方の対物光学系は第５レンズＬ５を移動してピント調整する。よって、本実施例では、第５レンズＬ５の移動のために、第５レンズＬ５の前後に空間を持たせる構成である。

即ち、本実施例では、以下の構成をすべて有している。
（構成１）第５レンズＬ５（正の接合レンズ）を光軸方向に移動することでピント調整を行うため、調整ストロークを確保する構成。
（構成２）第１レンズＬ１で凹面の光線高を下げることで、視差を確保できる構成。
（構成３）第５レンズＬ５（正の接合レンズ）の屈折力を小さくし、ピント調整感度を低減する構成。好ましくは、第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３の偏心による光学性能劣化を低減させることが望ましい。

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、である。また、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 ∞ 0.35 1.88815 40.76
2 0.592 0.564 1
3 -1.522 0.46 1.85504 23.78
4 -2.406 0.04 1
5 4.079 0.63 1.85504 23.78
6 ∞ 0.03 1
7 ∞ 0.4 1.49557 75.00
8 ∞ 0.38 1
9(絞り) ∞ 0.03 1
10 ∞ 0.42 1.75453 35.33
11 -1.717 0.437 1
12 1.381 0.82 1.69979 55.53
13 -0.907 0.36 1.93429 18.90
14 -4.334 0.38 1
15 ∞ 0.5 1.51825 64.14
16 ∞ 0.01 1.515 64.00
17 ∞ 0.35 1.507 63.26
像面 ∞

各種データ
焦点距離 0.43
最大像高 0.429
画角 163.4
Fno 3.77
物体距離 7.25

f12=-0.60
f3=4.77
f45=1.25
f5=2.17

数値実施例２
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.35 1.88815 40.76
2 0.592 0.56 1
3 -1.5461 0.66 1.85504 23.78
4 -2.9761 0.043 1
5 3.4898 0.5353 1.85504 23.78
6 ∞ 0.03 1
7 ∞ 0.4 1.49557 75.00
8 ∞ 0.38 1
9(絞り) ∞ 0.03 1
10 ∞ 0.4771 1.75453 35.33
11 -1.8688 0.52 1
12 1.383 0.8779 1.69979 55.53
13 -0.8976 0.5955 1.93429 18.90
14 -4.0999 0.27 1
15 ∞ 0.5 1.51825 64.14
16 ∞ 0.01 1.515 64.00
17 ∞ 0.35 1.507 63.26
像面 ∞

各種データ
焦点距離 0.43
最大像高 0.429
画角 163
Fno 3.88
物体距離 7.25

f12=-0.58
f3=4.08
f45=1.35
f5=2.18

数値実施例３
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.35 1.88815 40.76
2 0.592 0.54 1
3 -1.9637 0.76 1.85504 23.78
4 -4.8559 0.0244 1
5 1.6123 0.3 1.85504 23.78
6 2.653 0.39 1
7(絞り) ∞ 0.03 1
8 ∞ 0.4 1.49557 75.00
9 ∞ 0.03 1
10 ∞ 0.48 1.75453 35.33
11 -1.6741 0.29 1
12 1.387 1.0241 1.69979 55.53
13 -0.896 0.446 1.93429 18.90
14 -4.6984 0.275 1
15 ∞ 0.5 1.51825 64.14
16 ∞ 0.01 1.515 64.00
17 ∞ 0.35 1.507 63.26
像面 ∞

各種データ
焦点距離 0.43
最大像高 0.429
画角 160
Fno 3.784
物体距離 7.25

f12=-0.55
f3=4.24
f45=1.20
f5=2.24

各実施例の条件式対応値を以下に示す。

条件式実施例１実施例２実施例３
(1) f45/f 2.91 3.15 2.80
(2) |f12|/f3 0.13 0.14 0.13
(3) f5/f 5.05 5.09 5.22

なお、上述の対物光学系は、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、３Ｄ観察用の対物光学系では、レンズ移動してピント調整した場合、調整ストローク（空間）を確保することができ、さらに、視差を確保することが可能であり、２Ｄ観察用の対物光学系では光学系を小型化することができる対物光学系に有用である。

Ｌ１〜Ｌ５レンズ
Ａｘ、Ａｘ１、Ａｘ２光軸
Ｓ明るさ絞り
Ｆ１フィルタ（赤外吸収フィルタ）
Ｆ２フィルタ（カバーガラス）
ＣＧＣＣＤカバーガラス
Ｌ１１、Ｌ１２凹面部

Claims

物体側から順に、像側に凹面を向けた負屈折力を有する単レンズの第１レンズと、
物体側に凹面を向けた負屈折力を有する単レンズの第２レンズと、
正屈折力を有する単レンズの第３レンズと、
明るさ絞りと、
正屈折力を有する単レンズの第４レンズと、
正屈折力を有する接合レンズである第５レンズと、からなり、
以下の条件式（１’）、（２）を満足することを特徴とする対物光学系。
２．５＜ｆ４５／ｆ≦４（１’)
｜ｆ１２｜／ｆ３＜０．１８ (２)
ここで、
ｆ４５は、前記第４レンズと前記第５レンズとの合成焦点距離、
ｆは、前記対物光学系全系の焦点距離、
ｆ１２は、前記第１レンズと前記第２レンズとの合成焦点距離、
ｆ３は、前記第３レンズの焦点距離、
である。
以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
４＜ｆ５／ｆ（３）
ここで、
ｆ５は、前記第５レンズの焦点距離、
である。
以下の条件式（１”）を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
２．５＜ｆ４５／ｆ≦３．１５（１”)
以下の条件式（３’）を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
４＜ｆ５／ｆ≦５．２２（３’）
請求項１から４の何れか１項に記載の前記対物光学系を有する内視鏡。