JPH041713A - 管内観察用内視鏡対物光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、主として工業用として使用される管内観察用
内視対物光学系に関するものである。

［従来の技術］ 従来、内視鏡光学系の観察対象物の形状は、平面である
ことを想定している。また撮像面も平面である。そのた
め内視鏡対物光学系は、物体平面に対して共役の結像面
がほぼ平面になるように補正されている。つまり軸外の
結像性能を向上させるために非点隔差を小さくし、かつ
像面湾曲がな（なるような光学設計がなされてきた。し
たがって物体側が平面に近い状態、つまり撮像面の中心
付近と周辺に対応する物体平面までの距離がほぼ等しい
状態であれば良好な画像が得られた。

また、主に工業用内視鏡の分野では、水道管や土管など
の管状物体の内面検査に内視鏡対物光学系が用いられて
いる６管状物体を観察する場合。

−度により多くの情報を得ることや、管内面に対して出
来るだけ垂直に近い状態で観察できることが重要である
ため、対物光学系の広角化が望まれる。

しかし物体面が管状の場合、像面中心付近と周辺に対応
する物体平面までの距離に違いが出る。

例えば物体平面からスコープの先端までの距離をし、管
の内径をφとし、対物光学系の半画角をωとすると次の
ように表わせる。

ｔａｎω　　　　　　　　ｔａｎω ただしＥは対物光学系の入射瞳距離である。上の式から
物体距離りは、管の内径φに比例し、対物光学系の半画
角ωのタンジェントに反比例することがわかる。第１２
図は画角と物体距ｆｆ１Ｌとの関係を示す略図で、対物
光学系の画角がω１からω２へと広がれば広がるほど像
面周辺での物体距離がＬｌからＬ２へと近点寄りになる
。そのために従来の対物光学系では、特に細径の管の観
察の場合、像面中心付近を無限遠点にピントを合わせる
と、被写界深度から近点側がはずれ、像面周辺でピント
が合わないと云う不具合があった。またこの不具合を解
消するための手段として被写界深度をより深くすること
が考えられるが、その場合、Ｆナンバーが大になるよう
絞らなければならず、光学系が暗（なる。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明は、固体撮像素子又はイメージガイドを用いた内
視鏡光学系で、管状物体を観察した時像面中心付近から
周辺までピントが合いかっＦナンバーの小さい明るい光
学系を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、固体撮像素子又はイメージガイドを用いた内
視鏡先端光学系で、物体側より順に前群発散レンズ系と
、明るさ絞りと、後群収斂レンズ系とよりなるレトロフ
ォーカス型レンズ系で、次の条件を満足するものである
。

［２１０，２＜　Ｐ−ｆ （３）　　　ｏ、８＜　Ｉ／ｆ （４１０，５≦ｆ２／ｆ≦３ ｆ：対物光学系の合成焦点距離 ■＝最大像高 φニスコープの外径 Ｐ：対物光学系のペッツバール和 ω：最大像高での半画角 ｆＦ：対物光学系の前側焦点距離 Ｌｏ：管状物体観察時の内視鏡を管状物体中心においた
ときの最近接物体距離（物体距離は対物レンズの光軸に
沿って測る） ｒ＋：ｉ番目の曲率半径 ｎ、：ｉ番目の屈折率 ｆ２：後群収斂レンズ系の合成焦点距離前記の構成のレ
ンズ系で物体平面からスコープ先端までの距離をし、対
物光学系の後側焦点距離をｆＩｌ、最終面からガウス像
面までの距離をＳｋとすると近軸的には次の関係が成立
つ。

（Ｌ　＋　ｆｒｌ　（Ｓｍ−ｆａ）　　＝ｆ”ここでＳ
アーｆ、は無限遠物点の結像位置と近接物点の結像位置
との差を表わすが、本発明では一つの管状物体を観察す
る場合でも画角に応じて物体距離が異なる。ω＝０では
、事実上無限遠物点と考えられるので５１ｆｍは画角毎
に異なる値を持ち、各画角におけるガウス像面と実像面
とのずれを表わすことになる。このずれ量　（Ｓｋ−ｆ
、）が観察する管の内径φと対物光学系の画角ωによっ
て変化することは明らかである。任意の径φ、の管にお
いて、対物レンズの中心（無限遠物点）での合焦位置か
ら周辺部のそれぞれの画角での物体面からスコープの先
端までの距離りに対応する、各像高での最終面からガウ
ス像面までの距離Ｓｋをつないだ管内面に共役な像面形
状の概略図を第１１図に示しである。ここでｆＦ、ｆ、
　＝Ｏ，ｆ＝　１としている。

次に実際の対物光学系の像面ば、平面の物体の像が湾曲
する像面湾曲が発生する。３次収差の領域では像面が球
面になり、その曲率がペツッパール和で次の式で表わさ
れる。

このＰの値が正のときには、像面ばレンズ系Ｇこ向かっ
て凹状に湾曲する。又湾曲による対物レンズ中心（無限
遠物点）での、合焦位置から周辺部での合焦点位置まで
のずれ量ΔＳ、は次のよう１こなる。

Ｉ２・Ｐ ΔＳ、＝−− 以上のことから、（Ｓ、−ｆ、ｌ　　とΔＳつとが互し
）に打消し合うためには、両者の値が符号が反対で絶対
値がほぼ等しい値である。つまり下記の式（−ΔＳ８と
ｆｓｌｆｓ）の比）が１に近くなるように像面湾曲を補
正することによって、観察管の管径ψるこおし）（Ｓう
−ｆ、）２ｆ２ ここで管状物体観察時の最近接距離は、観察可能な管の
太さつまりスコープの外径ψと、最大画角ωとで規定さ
れ、その時の物体距離り。は次の式％式％ この物体距離り。に対応する最終像面からガウス像面ま
での距離をＳｍｏとすると、前記の比つまりΔＳ８と（
Ｓｉｎｏ−ｆＢｔの比は下記のようになる。

−ΔＳ、　　　Ｉ”（ＬＯ＋ｆＦ＋Ｐ （Ｓ、、−ｆｌｌ）　　　２ｆ２ 上記の比が１に近い値つまり条件（１）を満足し更に条
件（２）を満足するように像面湾曲を補正すれば、観察
可能限界の細径の管まで画面の中心付近から周辺まで良
好な画像が得られる。

外径の極めて細いスコープ用の対物光学系は、条件ｆ１
＋に示す式の値を０．１以上にしかつ全系の焦点距離ｆ
で規格したペッツバール和Ｐ・ｆを０．２より大にする
ことによって、少なくとも実際に観察する時に一番必要
と考えられる範囲である像高的７０％から周辺までの範
囲（中心は真暗なので見えなくともよい）において良好
な画像が得られる。これは観察可能限界の細径の管（ス
コープ外径と同等の径）においては、△Ｓアの値が（３
つ。−ｆ、）より小さくなるので、像面が撮像面側に倒
れる。

しかし条件（１）　、　（２１の下限を越えなければ、
像面の倒れ量があまり大きくない。したがって最大像高
から像高が約７０％での結像位置まで結像位置をほぼ平
面とみなすことが出来、その位置に撮像面を合わせるこ
とによって実際に観察するときに一番必要と考えられる
範囲において良好な画像が得られる。

しかし条件（２）の範囲を外れると、ペッツパル像面が
ほぼ平面とみなせるようになり、撮像面上での像面の倒
れ量が大になる。そのために最大像高での結像位置から
像高が約７０％までの結像位置をほぼ平面とみなすこと
が出来なくなるため、周辺まで良好な画像を得ることが
出来なくなる。

また条件ｔ１）の上限を越えると逆に像面が倒れすぎて
太い径の管を周辺まで良好な画像で観察することが出来
ない。

条件（３）の下限を越えると画角が狭くなり、管状物体
を観察するときに一度により多くの情報を得ることや管
内面に対して出来るだけ垂直に近い状態での観察が出来
なくなるので、管内観察用対物光学系としては、使い勝
手が悪くなる。また焦点距離が長くなるために被写界深
度が浅くなるという不具合も生ずる。

本発明の光学系を固体撮像素子を用いた内視鏡先端光学
系とした場合、固体撮像素子の前にモアレを除去するた
めの光学的ローパスフィルターを配置する必要がある。

そのためには、光学系のバックフォーカスを長くしなけ
ればならない。ここで対物光学系の後群の焦点距離とを
Ｉ２、対物光学系全系の後側焦点距離をｆｌｌ、後群の
結像倍率をβ２とすると次の関係式が成立つ。

ｆｌＩ：Ｉ２（１−β２） 上記式からＩ８を大にするためにはＩ２を大にする必要
があることがわかる。

条件（４）においてｆａ／ｆが下限を越えるとバックフ
ォーカスを充分とることが出来なくなる。又条件（４）
の上限を越えると前群の負のパワーが強くなり、他の条
件を満足させるためには前群の外径が大になってしまい
好ましくない。

以上のように、本発明は前述のレンズ構成で条件＋１）
〜（４）を満足させることにより、管状物体を観察する
時にＦナンバーを小さくしても像面中心付近から周辺ま
でピントの合う対物光学系を得るようにした。

［実施例］ 次に本発明の管内観察用内視鏡対物光学系の各実施例を
示す。

実施例１ ｆ　＝１．０００　、　ｆＦ＝０．５３７　、　ｆ、＝
−０，０７４Ｉ　Ｈ＝０．８５０８０　、２ω＝　１２
０”ｒ１＝■ ｄ、＝　０．２３２１　　　ｎ、＝　１．８８３００　
　　Ｖｌ＝　４０．７８ｒａ”１．５７０２ ｄ、　＝　０．６７０４ ｒ３＝■（絞り） ｄｓ”　０．３２８７ ｒ４＝−４，７５９１ ｄ４＝　０．４１２６ ｒ、＝−ｏ、７６３４ ｄ、＝　０．０５１６ ｎｚ＝１．５１６３３ シ、＝　６４．１５ ｒａ＝　■ ｄ６＝　０．７７３６ ｎ、＝　１．５２０００ シ３＝７４．００ ｒ、：Ｏｏ ｄ、＝　０．０５１６ ｒａ＝３．０９２３ ｄ、＝　１．０３１５ ｒｓ＝−１，０３５６ ｎ、＝　１．６９６８０ シ４＝５６．４９ ｄ＊＝　ｏ、１５４７ ｎｓ”　１．８３３５０ ν５＝＝２１．０Ｏ ｒｌ。　＝−２，３１７５ ｄ、０＝＝　０．２５７９ ｒ目　＝００ ｄ、、＝０．９６４４　　　　ｎ、＝１．５４８１４　
　　　　シ、＝４５．７８ｒ＋ｚ　　°００ ｄ、、＝０．２０６３　　　　ｎ７”＝１．５１６３３
　　　　　シ、＝６４．１５ｒ１．　＝■ （Ｉ２・（Ｌｏ十ｔｒ）・Ｐ）／＋２・ｆ”）　　＝０
．３７３　　　（ψ　＝　８■）Ｐ−ｆ　＝０．３６２
　、　　Ｉ／ｆ　＝０．８５１　　、　　ｆ２／ｆ＝　
１．３０３実施例２ ｆ　　＝　　１．０００　　、　　ｆＦ＝　０．６１０
　　、　　ｆａ＝　−〇、１１６Ｉ　Ｈ＝０．８４８６
１　、２ω＝　１２０’ｒ、＝　■ ｄ、＝０．２３１５　　　　　ｎ＋＝　１．８８３００
　　　　　ν＋＝　４０．７８ｒａ＝１．５６８２ ｄ、＝　０．６６８７ ｒｓ＝ｏｏ（絞り） ｄ、＝　０．２４１８ ｒ、　＝　−２，２５２２ ｄ４＝　（）、３６０１　　　ｎ、＝　１．５１６３３
　　１７２＝　６４．１５ｒ＠＝　−０，６９２３ ｄ、＝　０．０５１４ ｒ６：ｃＩＯ ｄ、　＝　０．７７１６　　　ｎａ　＝　１．５２００
０　　　１７３＝　７４．００ｒ７＝ｏＯ ｄ７＝　０．０５１４ ｒａ＝１１．４５１３ ｄａ”　０．８７４５　　　ｎ４＝　１．６９６８０　
　　　ｙ−＝　５６．４９ｒｅ”　−０，９８９４ ｄｓ”　０．１５４３　　　　ｎｓ＝　１．８３３５［
１１）ｓ＝　２１．０Ｏｒ、。　＝　−１，８０６６ ｄ、。＝　０．３６０１ ｒ＋＋　　＝３．５０２０ ｄ＋＋＝０．４２０５　　　　ｎ５＝１．５１６３３　
　　　シ、＝６４．１５ｒＩ２　：０Ｏ ｄ１＊＝　０．９６１９　　　　ｎ、＝　１．５４８１
４　　　　　ｖｔ＝　４５．７８ｒ１３　＝■ ｄ＋＊＝０．２０５８　　　　　ｎ、＝　１．５１６３
３　　　　　　ｖ、＝　６４．１５ｒ１４　　：　００ （１”・（Ｌｏ＋ｆｙ）　４）／　１２・ｆ２）　　＝
　０．４０２　　（＋　＝　８　ｍｍ）Ｐ−ｆ　　＝０
．３８２　、　１／ｆ　＝０．８４９　、　　ｆ２／ｆ
＝１．３７８実施例３ ｆ　＝　１．０００　、　ｆ、＝０．２３１　、　ｆ、
＝−０，０７６Ｉ　　Ｈ＝０．８５５２１　　、　２　
　ω　＝１４０６ｒ１；　■ ｄｌ＝　０．２３３３　　　　　ｎｔ＝　１．８８３０
Ｏｖｌ＝４０．１８ｒ、＝１．３２１０ ｄ怠＝　０．２２８６ ｒ３＝ｃＸ：＋（絞り） ｄ、＝　０．０４０１ ｒ４＝−１，８８４０ ｄ４＝　０．４１４７ ｎ２＝　１．５１６３３ シ、＝６４．１５ ｒ５＝−Ｑ、４８Ｄ１ ｄ５＝　０．０５１８ ｒｓ＝　■ ｄ、＝　０．７７７６ ｒ７＝■ ｄ、＝口、０５１８ ｒａ＝８．ｏ１２０ ｄ、＝　０．１５５５ ｒｉ＋＝１．５８５１ ｎｓ”　１．５２０００ ｆｉ４＝　１．６８８９３ シ、＝７４．００ ν、＝３１．０８ ｄ、＝　０．９３３１ ｎｓ＝　１．７７２５０ ν、＝４９．６６ ｒ＋ｏ　　＝−１，８１４３ ｄ、。＝　０．０９８５ ｒ目＝Ｏａ ｄｌ、＝０．７７７６ ｒ１２２″ｌ ｄ１□＝０．２０７４ ｎｓ”　１．５４８１４ シｇ＝４５．７８ ｎ、＝　１．５１６３３　　　　　ｖ、＝　６４．１５
！−＋ｉ＝　■ （Ｉ”　（Ｌｏ＋ｆｒ）　・Ｐ）／　ｆ２・ｆ”ｌ　　
＝　０．２９７　　（ψ＝８１ＩＩＩ）Ｐ−ｆ　　＝０
．４８２　　、　１／ｆ　　＝０．８５５　　、　　ｆ
ｔ／ｆ＝１．０７７実施例４ ｆ　＝　１．０００　、　ｆ、＝０．８２７　、　ｆ、
＝−０，０３５Ｉ　Ｈ＝０．９５３２１　、２ω＝１４
０゜ｒ　＝■ ｄ１＝　０．２６００　　　ｎ１＝　１．５１６３３　
　　ｖ＋＝　６４．１５ｒｚ＝１．５３３７ ｄ２＝　０．６９７０ ｒ３＝ｏｏ（絞り） ｄ、＝　０．０４２０ ｆ４＝−２，４７９７ ｄ、　＝　０．４６２２　　　ｊｌ、＝　１．５１６３
３　　　ｖ、　＝　６４．１５ｒｓ　＝−０，７０５２ ｄｓ＝０．０５７８ ｒａ＝　■ ｄ、　＝　０Ｊ６６７　　１１．＝　１．５２０００　
　　ｖ、＝　７４．００ｒｒ＝■ ｄ、＝　０．０５７８ ｒａ＝８．６１４９ ｄ、＝ｏ、１１５５　　　　ｎ、＝１．７２８２５　　
　　　ｖ、＝２８．４６ｒ９＝１．３２８７ ｄ−＝　１−０３９９　　　　ｎ５＝　１．７２９１６
　　　　３７５＝　５４．６８ｒ１ｏ　＝−１，２１６
６（非球面） ｄｌ。＝０．０８ ｒｌｌ　　”　■ ｄ、、＝０．８６６７　　　　ｎ６＝１．５４８１４　
　　　　シ、＝４５．７８ｒ＋ｚ　　＝″ｌ ｄ、ｚ＝　０．２３１１　　　　ｎｙ＝　１．５１６３
３　　　　　シフ＝　６４．１５ｒ、、　　：ＣＩＯ 非球面係数 Ｐ　＝０．８５４１　　、　　　Ｅ　＝０．８６２４７
　　ｘ　１０−’Ｆ　＝　０．１２９３２　ｘ　１０−
’　　　Ｇ　＝　０．３１１００　ｘ　１０−”Ｈ＝　
０．１０２２２　Ｘ　１０−’ （Ｉ”・（ｔ、＋ｔｒ）・Ｐ）／［２・ｆ”）　　＝０
．５３８　　　（φ　＝　８■嘗）！”ｆ　＝０．５１
９　、　Ｉ／ｆ　＝０．９５３　、　ｆｇ／ｆ＝１．２
８３ただしｒｌｌ　ｒＲ９−・−はレンズ各面の曲率半
径、ｄ、、　ｄ、、−・・は各レンズの肉厚およびレン
ズ間隔、ｎ＋、　ｎｚ、・・・は各レンズの屈折率、シ
１．シ２．・・・は各レンズのアツベ数である。

実施例１は第１図に示す構成で、物体側より順に像側に
凹面を有する負レンズと、絞りと、像側に凸面を有する
正レンズと、固体撮像素子（ＣＣＤ）に近赤外領域の光
が入射するのを防ぐための色温度補正フィルターＦ１と
、軸外の倍率の色収差を補正するためにアツベ数の大き
い材料よりなる正レンズとアツベ数の小さい材料よりな
る負のメニスカスレンズとを貼合わせた全体として正の
屈折力を有する接合色消レンズと、モアレおよび擬色の
発生を防止するために高周波成分をカットする光学的ロ
ーパスフィルターＦ２と、ＣＣＤカバーガラスＣとを配
置したものである。この実施例１は、画角が約１２０°
の広角な対物光学系である。

この実施例は、明るさ絞りより後群の収斂レンズ系にお
ける色温度補正フィルターＦ３が吸収フィルターである
とき軸外での入射光の入射角が大きいと（約４０°以上
であると）、軸上光線との光路差が太き（なり軸上に比
べて周辺での赤側の波長の光の分光透過率がおちる。そ
の影響で画面周辺で多少青みがかるなどの問題が生ずる
。またＣＣＤ受光素子の前にＲ，Ｇ、Ｂ等のモザイクカ
ラーフィルターが設けられている同時式ＣＣＤにおいて
は、受光素子への入射角度が大きいと色むらを起こしや
すいと云う欠点がある。そのためＣＣＤに入射する各像
高での主光線がＣＣＤに対しほぼ垂直に入射するように
しなければならない、つまり対物光学系としては、瞳位
置がほぼ無限遠になるテレセントリック光学系が望まれ
る。

上記問題点を解決するために、この実施例１は、像高工
に対するフィルターＦ１より後方のレンズの合成焦点距
離ｆｌ＋を下記のように設定し、ｆ□を長くしてフィル
ターＦ１への入射角を小さくしている。

Ｉ／　ｆ　＊　ｌ＜　ｔａｎ４０＠＝　０１８４また後
群収斂レンズ系の焦点路１１１ｆ、を短くすることより
前群発散レンズ系の後方で光線を充分に曲げることが出
来、凹レンズの屈折力を小さくし得るようにした。つま
り前群発散レンズ系の焦点距離をｆ、とすると、１ｆｔ
ｌ＞ｒｉとなり、１ｆ１１を長く出来かつ凹レンズの凹
面に対して光線が高いところで交わるので、凹面の曲率
半径ｒ　２１を大きく出来、これによってペッツバール
和Ｐをプラス方向へもっていっている。

又接合レンズの正レンズと負レンズの屈折率差を小さく
し、夫々のレンズの屈折率を大きくすることによっても
ペッツバール和をプラス側へもって行くことが出来、全
体的にペッツバール和を大きくしている。

この光学系を用いて管状物体面を観察した時の非点収差
を第５図に示しである。この時のスコープの外径は、条
件としては厳しい細径スコープの外径８１−で行なった
。

比較のために同一画角でペッツバール和かほぼ零である
第９図に示す特開昭６２−１７３４１５号の実施例７の
非点収差図を第１０図に示す。

第５図と第１０図とを比較すれば明らかであるようにこ
の実施例１は特に球欠方向の非点収差において像面の倒
れが従来例に対し約１７３に改善されている。

実施例２は、第２図に示す構成で、光学的ローパスフィ
ルターＦ２の直前に物体側に凸面を向けた正のフィール
ドレンズを配置したものである。これは、実施例１の説
明でも述べたように、受光素子の前にＲ，Ｇ、Ｂ等のモ
ザイクカラーフィルターが設けられている同時式ＣＯＤ
において受光素子への入射角度が大きいと色むらを起こ
しやすい欠点がある。そのためＣＣＤに対して各像高で
の主光線を垂直に入射させる必要がある。かつ内視鏡の
先端部は、出来るだけ細くすることが望まれているが、
最終レンズをＣＣＤから離せば離す程最終レンズの外径
が大になる。そのために光学的ローパスフィルターＦ２
の前面に物体側に凸面を向けた正のフィールドレンズを
設けることによって、このフィールドレンズよりも前側
のレンズの径を小にすることが出来、かつＣＣＤに対し
て垂直に入射するようにして色むらのない画像が得られ
るようにした。

実施例３は、第３図に示す構成で、画角を更に広角にし
１４０１にしてより広い範囲の観察を可能にした対物光
学系である。

実施例４は第５図に示す構成で、画角が１４０°である
。この実施例は、接合レンズ中の正レンズの像側の面が
非球面で、この非球面レンズを用いることによりコマ収
差等の軸外収差を補正している。この実施例では最終レ
ンズ面に非球面を用いているが、前群に非球面を用いて
も同様の効果が得られる。更に前群、後群の両方に非球
面を用いればより効果的である。

上記非球面の形状は、光軸方向をＸ軸、光軸と垂直方向
をｙ軸とした時、次の式で表わされる６ただしｒは光軸
近傍の曲率半径、Ｅ、Ｆ、Ｇ。

Ｈｌ・・・は非球面係数である。

［発明の効果］ 本発明の管内観察用内視鏡光学系は、以上述べてきたよ
うに管状物体内を観察したときに像面中心付近から周辺
までピントが合いかつＦナンバーの小さい明るい光学系
である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明対物光学系の実施例１乃至実
施例４の断面口、第５図乃至第８図は実施例１乃至実施
例４の非点収差曲線図、第９図は従来の内視鏡対物光学
系の断面図、第１Ｏ図は上記従来例の非点収差曲線図、
第１１図は管内面に共役な像面形状の概略図、第１２図
は画角と物体距離の関係を示す図である。 出願人　オリンパス光学工業株式会社 代理人　　　向　　　　寛　　ニ 第２ 第５図 第６ 第９ｗＪ 第１０図 手続補正書 平成３年７月９日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 物体側より順に前群発散レンズ系と、明るさ絞りと、後
   群収斂レンズ系とよりなり、次の条件を満足することを
   特徴とする管内観察用内視鏡光学系。 （１）▲数式、化学式、表等があります▼ （２）０．２＜Ｐ・ｆ （３）０．８＜Ｉ／ｆ （４）０．５≦ｆ＿２／ｆ≦３ ただしｆは対物光学系の合成焦点距離、Ｉは最大像高、
   Ｐは対物光学系のペッツバール和、ｆ＿Ｆは対物光学系
   の前側焦点距離、Ｌ＿Ｏは管物体観察時の最近接物体距
   離、ｆ＿２は後群収斂レンズ系の焦点距離である。