JP3845331B2

JP3845331B2 - 内視鏡対物光学系

Info

Publication number: JP3845331B2
Application number: JP2002103244A
Authority: JP
Inventors: 稔村山
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: US20030189768A1; US6844985B2; DE10315487A1; DE10315487B4; JP2003295058A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、一部のレンズ群を移動させて全系の焦点距離を可変にし、広視野角での通常観察と高倍率での拡大観察を可能にする拡大内視鏡対物光学系に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
通常観察と拡大観察を可能にする内視鏡対物光学系として、一部のレンズ群を移動させて焦点距離を変化させる内視鏡観察光学系が知られている。可動群が一つの群だけの場合、全系のコンパクト性、全長一定を保ちつつ変倍比を大きくするには移動群の倍率が等倍を挟むのが一般的であるが、物体−像面間距離（物像間距離）は移動群の倍率が等倍になった個所で最短となり、この最短状態から拡大側にレンズ群を移動させると物体距離が大きくなるので中間の焦点域での使用には不向きである。特開２０００‐２６７００２号公報は、一つの群だけを移動させて変倍していて，移動群が等倍を挟まない実施例も含んでいるが，この実施例では、拡大時の物体距離を０．８ｍｍ程度（広角端の焦点距離が１ｍｍの場合）と非常に短くして倍率を大きくしているため照明がうまくあたらない部分がでてしまう。また、通常観察時の広画角を得るためには第１レンズ群の外径が大きくなる。特許第２８７６２５２号では、パワーの大きい負レンズ群で変倍しているため、収差補正のためにレンズ枚数が多い。
【０００３】
特開平１１‐２９５５９６号公報ではレンズ群と撮像素子を移動させているが、ＣＣＤなどの撮像素子は信号処理基板やケーブルが付随するため、これを移動させるには強い駆動力が必要になる。特にアクチュエーターやモーターなどで駆動する場合、移動群（体）の負荷を軽減するのは重要になる。従って像面は変倍によらず固定された状態が望ましい。
【０００４】
複数のレンズ群を移動させて変倍させる従来例として特開２００１‐１６６２０３号公報や特開２００１‐９１８３２号公報がある。前者は全体として負−正−正の３群構成で、第２、第３レンズ群を移動させて変倍しているが、第２群のパワーが小さくて変倍比が小さい。また、拡大観察時の像面湾曲が大きい。後者は負−正−負−正の４群構成で、第３群と第２または第４群を移動させて変倍しているが、第３レンズ群のパワーが強いため、収差補正のためにレンズ枚数が多くなり、全長が長くなる。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、一部のレンズ群を移動させて全系の焦点距離を可変にし、広視野角での通常観察と高倍率での拡大観察を可能にする拡大内視鏡対物光学系において、全長、レンズ外径を小さくした内視鏡対物光学系を得ることを目的とする。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の内視鏡対物光学系は、物体側から順に、負の単レンズからなる第１レンズ群、正のパワーを有する第２レンズ群、正のパワーを有する第３レンズ群、及び負のパワーを有する第４レンズ群からなり、第１レンズ群から像面迄の全長を変化させることなく、物体距離を変化させながら第２レンズ群と第３レンズ群を移動させることにより、合焦状態を保持したまま全系の焦点距離を変化させ、次の条件式（１）ないし（４）を満足することを特徴としている。
（１） - ７．６３８≦ｆ４／ｆｗ＜ - ３
（２） - ２＜ｆ１／ｆｗ≦ - １．３５９
（３）１．２＜ｆ２／ｆｗ＜２．１
（４）０．６０２≦（ｆ２３ｔ×ｗ）／（ｆ２３ｗ×ｆｔ）＜１．５
但し、
ｆ１；第１レンズ群の焦点距離。
ｆ４；第４レンズ群の焦点距離、
ｆｗ；全系の短焦点距離端の焦点距離。
ｆ２；第２レンズ群の焦点距離、
ｆ２３ｔ；全系が最大倍率を取るときの第２レンズ群と第３レンズ群の合成焦点距離、
ｆ２３ｗ；短焦点距離端における第２レンズ群と第３レンズ群の合成焦点距離、
ｆｔ；全系の最大倍率位置での焦点距離、
である。
【００１０】
【発明の実施態様】
図１７は、本発明による内視鏡対物光学系を電子内視鏡に適用した一態様を示している。内視鏡体内挿入部１００には、物体側から順に、負のパワーを有する固定の第１レンズ群１０と、絞りＳと、正のパワーを有する可動の第２レンズ群２０と、正のパワーを有する可動の第３レンズ群３０と、負のパワーを有する固定の第４レンズ群４０と、カバーガラス（フィルタ類）ＣＧと、撮像素子５０とが位置している。絞りＳは第２レンズ群２０に搭載されていて、第２レンズ群２０と一緒に移動する。第１レンズ群１０は、負の単レンズからなっている。
【００１１】
以上の内視鏡対物光学系において、広角での通常観察状態から拡大観察状態に移行させるには、第１レンズ群１０から撮像素子５０（像面）迄の全長を変化させることなく、物体距離を小さくし（体内挿入部全体を観察物体に接近させ）ながら、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を各々独立に物体側に移動させて、全系の焦点距離を変化させ、最低倍率端から最大倍率端に変化させる。別言すると、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０は、短焦点距離端Ｓでの物体距離ＯＳを基準にしたとき、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を各々独立に物体側に移動させ、最大倍率観察位置Ｌに向けて合焦物体距離ＯＬを短縮する。第１レンズ群１０から撮像素子５０（像面）迄の距離は変化しない。なお，第２、第３群レンズ群の移動軌跡によっては，広角での通常観察状態から拡大観察状態への切替えにおいて物体距離と倍率が単調に変化しても，全系の焦点距離変化は単調にならない場合もある（途中で焦点距離が最大になり，最大倍率状態では焦点距離がそれより短くなることもある）。
【００１２】
このように、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０の２つのレンズ群を移動させることにより、広角での通常観察と拡大観察の切替時に第１レンズ群１０に対して像面を固定し、さらに合焦物体距離の変化を単調にすることができる。この変化が単調でないことは、広角での通常観察から拡大観察へ移行の途中で物体が第1レンズに相対的に接近してまた遠ざかることを意味するから、物体距離が単調に変化することは、短焦点距離端、最大倍率位置の中間領域で観察を行う場合に重要である。物体距離変化が単調でない場合、通常観察から拡大観察に連続的に移行する操作において、スコープ先端を途中までは物体に近づいていくが途中からは遠ざかるという不自然な操作をしなければならず操作性が悪い（あるいは操作に熟練を要する）。
【００１３】
本実施形態の特徴の一つは、移動群（第２レンズ群２０と第３レンズ群３０）の後部（像面側）に負のパワーを有する第４レンズ群４０を配置した点にある。レンズ外径を小さくしつつ通常観察時の広視野角を得るには第１レンズ群１０の負のパワーを大きくすることが好ましい。しかし単純に第１レンズ群１０の負のパワーを大きくすると、第１レンズ群１０の倍率が小さくなるために、拡大時に高倍率を得るには正のパワーを有する移動群のパワーを小さくする必要が生じる。そして、移動群の正のパワーを小さくすると移動量が大きくなり全体の長さが大きくなる。そこで本実施形態では、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０の後部に負のパワーを有する第４レンズ群４０を配置することにより、第４レンズ群で倍率を拡大して、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０のパワーを大きくすることを可能とし、もって全長の短縮を可能とした。
【００１４】
条件式（１）は第４レンズ群の焦点距離に対する条件である。
条件式（１）の下限を下回ると、第４レンズ群の倍率が小さくなり、全長の短縮を図りつつ拡大時の全系の倍率を上げることが困難になる。
条件式（１）の上限を上回ると、第４レンズ群の負のパワーが大きくなるため、テレセントリック性が悪化する。
【００１５】
全長を短くするために第１レンズ群は負の単レンズからなっている。条件式（２）は、この負の単レンズの焦点距離に関する条件である。条件式（２）の下限を下回ると、通常観察で広画角を得ようとするときにレンズ外径が大きくなる。また、拡大時に像面湾曲が大きくなる。条件式（２）の上限を上回ると、第１レンズ群の倍率が小さくなるため、拡大時の全系の倍率を大きくするためには正のレンズ群の焦点距離が長くなり装置が大型化する。また、第１レンズ群で発生する非点収差、コマ収差が大きくなり、他のレンズ群で補正するのが困難になる。
【００１６】
条件式（３）は第２レンズ群の焦点距離を規定する。
条件式（３）の下限から外れると、拡大観察時に十分な倍率が得られない。
条件式（３）の上限から外れると、変倍比を大きくするために第２レンズ群の移動量が大きくなり、全長が長くなる。
【００１７】
条件式（４）は移動群の合成焦点距離変化の範囲を規定する。
条件式（４）の下限から外れると、変倍時の移動群のパワー変化が大きいため収差の変動が大きくなり、各焦点域で収差をバランスさせるのが困難になる。
条件式（４）の上限から外れると、第２、第３レンズ群の間隔が大きくなるため、全長が長くなる。
【００１８】
次に具体的な実施例を示す。諸収差図及び表中、球面収差で表される色収差（軸上色収差）図及び倍率色収差図中のｄ線、ｇ線、ｃ線はそれぞれの波長に対する収差であり、Ｓはサジタル、Ｍはメリディオナル、ｍは全系の横倍率、ｆは全系の焦点距離、ＯＤＩＳは物体距離（物体から最も物体側のレンズ面までの空気換算距離）、ｆ_Bはバックフォーカス（カバーガラスＣＧの最も像側の面から撮像素子５０の撮像面までの空気換算距離）、FEは実効Ｆナンバー、Ｗは半画角（゜）、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、Ｎ_dはｄ線の屈折率、ν_dはアッベ数を示す。
【００１９】
［実施例１］
図１ないし図４は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例１を示している。図１及び図３はそれぞれ、短焦点距離端（最低倍率位置）及び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図２及び図４はそれぞれ、図１及び図３のレンズ構成での諸収差図である。表１はその数値データである。負の第１レンズ群１０は単レンズからなり、正の第２レンズ群２０は単レンズからなり、正の第３レンズ群３０は負レンズと正レンズの接合レンズからなり、負の第４レンズ群４０は単レンズからなっている。絞りＳは、第２レンズ群２０（３面）の前方（物体側）0.278の位置にある。
【００２０】
【表１】

【００２１】
［実施例２］
図５ないし図８は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例２を示している。図５及び図７はそれぞれ、短焦点距離端（最低倍率位置）及び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図６及び図８はそれぞれ図５及び図７のレンズ構成での諸収差図である。表２はその数値データである。基本的なレンズ構成は実施例１と同様である。絞りＳは、第２レンズ群２０（３面）の前方（物体側）0.090の位置にある。
【００２２】
【表２】

【００２３】
［実施例３］
図９ないし図１２は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例３を示している。図９及び図１１はそれぞれ、短焦点距離端及（最低倍率位置）び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図１０及び図１２はそれぞれ図９及び図１１のレンズ構成での諸収差図である。表３はその数値データである。基本的なレンズ構成は実施例１と同様である。絞りＳは、第２レンズ群２０（３面）の前方（物体側）0.030の位置にある。
【００２４】
【表３】

【００２５】
［実施例４］
図１３ないし図１６は、本発明の内視鏡対物光学系の実施例４を示している。図１３及び図１５はそれぞれ、短焦点距離端（最低倍率位置）及び最大倍率位置におけるレンズ構成図であり、図１４及び図１６はそれぞれ図１３及び図１５のレンズ構成での諸収差図である。表４はその数値データである。基本的なレンズ構成は（第３レンズ群が物体側から順に正レンズと負レンズからなる点を除き，）実施例１と同様である。絞りＳは、第２レンズ群２０（３面）の前方（物体側）0.281の位置にある。
【００２６】
【表４】

【００２７】
各実施例の各条件式に対する値を表５に示す。
【表５】
実施例1 実施例2 実施例3 実施例4
条件式（１） -4.732 -5.949 -7.638 -5.464
条件式（２） -1.715 -1.359 -1.456 -1.668
条件式（３） 1.803 1.921 1.699 1.469
条件式（４） 0.704 0.606 0.602 0.726
各実施例は各条件式を満足しており、諸収差も比較的よく補正されている。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、一部のレンズ群を移動させて全系の焦点距離を可変にし、広視野角での通常観察と高倍率での拡大観察を可能にする拡大内視鏡対物光学系において、全長、レンズ外径を小さくした内視鏡対物光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内視鏡対物光学系の実施例１の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図２】図１のレンズ構成の諸収差図である。
【図３】本発明による内視鏡対物光学系の実施例１の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図４】図３のレンズ構成の諸収差図である。
【図５】本発明による内視鏡対物光学系の実施例２の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図６】図５のレンズ構成の諸収差図である。
【図７】本発明による内視鏡対物光学系の実施例２の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図８】図７のレンズ構成の諸収差図である。
【図９】本発明による内視鏡対物光学系の実施例３の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図１０】図９のレンズ構成の諸収差図である。
【図１１】本発明による内視鏡対物光学系の実施例３の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図１２】図１１のレンズ構成の諸収差図である。
【図１３】本発明による内視鏡対物光学系の実施例４の短焦点距離端におけるレンズ構成図である。
【図１４】図１３のレンズ構成の諸収差図である。
【図１５】本発明による内視鏡対物光学系の実施例４の最大倍率位置におけるレンズ構成図である。
【図１６】図１５のレンズ構成の諸収差図である。
【図１７】本発明による内視鏡対物光学系の内視鏡先端部への搭載模式図及び簡易移動図である。

Claims

物体側から順に、負の単レンズからなる第１レンズ群、正のパワーを有する第２レンズ群、正のパワーを有する第３レンズ群、及び負のパワーを有する第４レンズ群からなり、
第１レンズ群から像面迄の全長を変化させることなく、物体距離を変化させながら第２レンズ群と第３レンズ群を移動させることにより、合焦状態を保持したまま全系の焦点距離を変化させ、
次の条件式（１）ないし（４）を満足することを特徴とする内視鏡対物光学系。
（１） - ７．６３８≦ｆ４／ｆｗ＜ - ３
（２） - ２＜ｆ１／ｆｗ≦ - １．３５９
（３）１．２＜ｆ２／ｆｗ＜２．１
（４）０．６０２≦（ｆ２３ｔ×ｗ）／（ｆ２３ｗ×ｆｔ）＜１．５
但し、
ｆ１；第１レンズ群の焦点距離。
ｆ４；第４レンズ群の焦点距離、
ｆｗ；全系の短焦点距離端の焦点距離。
ｆ２；第２レンズ群の焦点距離、
ｆ２３ｔ；全系が最大倍率を取るときの第２レンズ群と第３レンズ群の合成焦点距離、
ｆ２３ｗ；短焦点距離端における第２レンズ群と第３レンズ群の合成焦点距離、
ｆｔ；全系の最大倍率位置での焦点距離。
請求項１記載の内視鏡対物光学系を設けた内視鏡。