JP6008253B2 - 内視鏡カメラ - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラに関する。

近年、内視鏡カメラを用いた手術は、患者への負担が小さいため、広く普及してきている。さらに、細い部位において内視鏡カメラを使用する場合、或いは内視鏡手術を確実にするために２箇所以上から撮影する補助カメラの用途などに、更なる細径の内視鏡カメラの要望が高まっている。細径の内視鏡カメラとして、例えば、直径１ｍｍ程度の超細径カメラが要求されるようになってきている。

超細径カメラを構成する場合、撮像光学系のレンズ玉の加工としては直径１ｍｍ程度が限度であるため、通常は３枚から４枚程度のレンズ構成になる。このため、レンズのコストが高くなるという課題がある。また、レンズ径に対する光学全長が長くなることにより、歪曲収差が大きくなることと、焦点距離がばらつくために組立時にレンズ個体毎にバックフォーカス調整をしてから撮像素子と接着する必要がある、という課題を有している。

従来の内視鏡カメラ用レンズにおいて、細径化のためにレンズ構成をできるだけ簡略化しようとした場合、３枚程度のレンズ、絞り、レンズを収納する鏡筒を有する構成が一般的である（例えば、特許文献１参照）。また、レンズの細径化とともに光学性能の向上を図った例として、４つのレンズを用いて２群構成とした内視鏡対物光学系が開示されている（特許文献２）。

特開２００１−２８６４３６号公報（図１、図１０） 国際公開第２０１３／０７７１３９号（図１）

従来の細径の内視鏡カメラ用レンズは、構成するレンズの枚数が多く、レンズの材質にはガラスが用いられるため、コストが高くなるという課題があった。また、細径化を図る際に、色収差、球面収差等が大きくなり、必要とされる光学性能を満たすことができない場合があった。また、複数レンズの構成では、光学全長が長くなるため、球面収差、色収差、歪曲収差が大きくなる課題があった。

本発明は、細径であっても低コストで必要とされる光学性能を十分得られる内視鏡カメラを提供することを目的とする。

また、本発明は、光軸に対して垂直方向の断面が略正方形のカバーガラスを含む撮像素子と、被写体側の第１面に平面を有し撮像側の第２面に非球面の凸面を有してなり、前記凸面の外周部に前記撮像素子に向かって設けられた枠部を備え、前記光軸に対して垂直方向の断面がＵ字状又はコの字状に形成された単一レンズと、前記単一レンズの外周に沿って設けられたライトガイドと、を有し、前記単一レンズの前記枠部端面に対向する前記カバーガラスの端面４隅は、前記単一レンズとの接着面として使用され、前記単一レンズの前記枠部端面と前記カバーガラスの端面４隅付近とが接着固定されて、前記単一レンズ及び前記撮像素子を含む内視鏡先端部において内視鏡カメラ撮像部が構成される、内視鏡カメラを提供する。

本発明によれば、細径であっても低コストで所望の光学性能を十分得られる内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラを実現できる。

本発明の実施形態に係る内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラの構成を示す断面図 本実施形態の内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラの斜視図 実施例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図 実施例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦを示す特性図 本実施形態の内視鏡カメラ用レンズにおける絞りの影響を示す特性図 実施例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図 実施例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦを示す特性図 比較例１に係る内視鏡カメラ用レンズの構成を示す断面図 比較例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図 比較例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦを示す特性図 比較例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図 比較例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦを示す特性図

以下、本発明に係る内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラの実施形態（以下、「本実施形態」という）について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態の内視鏡カメラは、例えば手術などに用いられる細径のカメラであり、外径が例えば直径１ｍｍ程度の超細径カメラを構成するものである。本実施形態の内視鏡カメラは、細い部位に挿入して使用する、或いは内視鏡手術を確実にするために２箇所以上から撮影する補助カメラの用途などに好適なものである。本実施形態の内視鏡カメラ用レンズは、直径２ｍｍ以下の内視鏡カメラに適用可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラの構成を示す断面図である。図２は、本実施形態の内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラの斜視図である。

内視鏡カメラは、撮像光学系としての内視鏡カメラ用レンズ１０と、内視鏡カメラ用レンズ１０にて結像した被写体像を撮像するＣＭＯＳイメージセンサ等による撮像素子２０とを有する。

内視鏡カメラ用レンズ１０は、外周部にある円筒状の枠部１４と、中心側にある正のパワーを持つ凸レンズ部１５とが、一体的に形成された１枚構成のレンズ１１を有する。レンズ１１の物体側（被写体側、前方）には、防水ガラス１２が接着固定され、レンズ１１と防水ガラス１２との間には絞り１３が設けられる。

レンズ１１は、物体側（被写体側）の一方の面（第１面）が平面であり、凸レンズ部１５の像側（撮像素子側、後方）の他方の面（第２面）が非球面の凸面となっている。レンズ１１は、外側が平面の凸レンズ部１５の外周部に像側に向かって円筒状の枠部１４が繋がった形状で、一端が平面で閉じた円筒状であり、光軸方向に切った断面が略方形のＵ字形状（コの字型）になっている。

なお、レンズ１１は、物体側の第１面に平面を、像側の第２面に非球面の凸面をそれぞれ有する単レンズの構成であるが、レンズ１１の外形構造において、第１面の全面が連続した平面であるものに限らず、外周部などに曲面、傾斜面などの異なる面があってもよい。また、レンズ１１の像側の第２面は、非球面が中心側の凸レンズ部１５において形成され、外周部には枠部１４が形成されるため平面などの非球面とは異なる面を含んでいる。

レンズ１１は、凸レンズ部１５の肉厚が０．３ｍｍ以下となっている。レンズ１１の材料は、ｄ線（黄、波長約５８７ｎｍ）の屈折率（ｎｄ）が１．６以下であり、かつＦ線（青、波長約４８６ｎｍ）とｄ線とＣ線（赤、波長約６５６ｎｍ）から求められるアッベ数（νｄ）が５５以上のものとする。ここで、「アッベ数」とは、分散に対する屈折率の比で示した光学媒質の定数であり、このアッベ数が大きいほど色収差が少ない。レンズ１１の画角は１００度以上、好ましくは１１０度以上とする。レンズ１１の詳細な構成については後述する。

レンズ１１の材料としては、例えば、透明のプラスチック材料、より具体的には、耐熱性のアクリル系樹脂を用いる。耐熱性のアクリル系樹脂としては、例えば成形品において１１７度程度までの温度に耐性を持つものがある。この種のプラスチック材料は、射出成形が可能であり、極小径で所望の形状のレンズを成形により製作可能である。なお、同等の条件を満たすものであれば、他の樹脂材料であってもよい。また、ガラス材料であっても射出成形が可能なものがあれば、適用可能である。

防水ガラス１２は、両面が平面の円盤状の透明なガラス部材であり、レンズ１１の保護機能及び防水機能を有する。防水ガラス１２は、一方の面（後端面）がレンズ１１の物体側の面に接着されてレンズ１１に取付固定される。

絞り１３は、例えば円形状の開口を有し、光軸を含む中心部の光を通過させ、周辺部の光を遮断する。本実施形態では、防水ガラス１２のレンズ１１側の面（後端面）に、例えば薄板、薄膜等によって絞り１３を設けることにより、防水ガラス１２に絞り１３を配置した構成とする。絞り１３の具体例としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の薄板によって形成し、防水ガラス１２に接着する。なお、他の構成例として、フィルム状の絞り１３を防水ガラス１２に接着して配置し、レンズ１１との間に設けた構成であってもよい。

撮像素子２０は、ＣＭＯＳイメージセンサ等からなる撮像チップ２１と、撮像チップ２１の撮像面側に設けられたカバーガラス２２とを有する。撮像チップ２１は、例えば撮像面が正方形状の半導体チップにより構成される。カバーガラス２２は、両面が平面の方形板状の透明なガラス部材であり、撮像チップ２１の保護機能を有する。

レンズ１１の枠部１４の像側端面と、カバーガラス２２のレンズ側の表面とが接着され、内視鏡カメラ用レンズ１０と撮像素子２０とが取付固定されることにより、内視鏡カメラの撮像部が構成される。内視鏡カメラ用レンズ１０と撮像素子２０とを取り付ける際には、撮像素子２０の出力を表示して画出ししながら、内視鏡カメラ用レンズ１０の絞り位置を調整し、内視鏡カメラ用レンズ１０に対して撮像素子２０を接着する。

内視鏡カメラ用レンズの組立手順としては、第１に、レンズ１１と撮像素子２０の撮像面の位置を合わせて、レンズ１１の枠部１４の像側端面と撮像素子２０のカバーガラス２２とを接着固定してもよい。この場合、第２に、撮像素子２０より画出しして撮影画像を確認しながら、防水ガラス１２に設けられた絞り１３の位置を調整して撮像光学系の芯出しを行い、レンズ１１の物体側の平面と防水ガラス１２の像側端面とを接着固定すればよい。

以下に、本実施形態に係る内視鏡カメラ用レンズ１０について、具体的な構成例をいくつか例示する。

＜実施例１＞
実施例１として、内視鏡カメラ用レンズ１０の構成の第１例を示す。

［レンズデータ］
焦点距離ｆ＝０．５ｍｍ、Ｆナンバー＝３．５、絞り径Ｄａ＝０．１５ｍｍ、像高＝０．５ｍｍ、画角＝１１０度、物体距離＝∞

面番号 曲率半径ｒ（mm） 距離ｄ（mm） 屈折率ｎ アッベ数ν
１ ｒ１＝∞ ｄ１＝０．２ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１
２ ｒ２＝∞ ｄ２＝０
３ ｒ３＝∞ ｄ３＝０．２ ｎ２＝１．４９４１ ν２＝５８．１
４ ｒ４＝−０．２５ ｄ４＝０．２４
（非球面）
５ ｒ５＝∞ ｄ５＝０．４ ｎ３＝１．５１６８ ν３＝６４．１
６ ｒ６＝∞ ｄ６＝０
７ 撮像面

（１）防水ガラス１２について
防水ガラス１２の前端面が面番号１、レンズ１１側の後端面が面番号２であり、防水ガラス１２の屈折率がｎ１、アッベ数がν１である。そして、防水ガラス１２の肉厚がｄ１、防水ガラス１２とレンズ１１との間隔がｄ２である。すなわち、防水ガラス１２は、肉厚ｄ１＝０．２ｍｍ、屈折率ｎ１＝１．５１６８、アッベ数ν１＝６４．１である。

（２）レンズ１１について
レンズ１１の物体側（防水ガラス１２側）の面（前端面）が面番号３、像側（撮像素子２０側）の面（後端面）が面番号４であり、レンズ１１の屈折率がｎ２、アッベ数がν２である。そして、レンズ１１の凸レンズ部１５の肉厚がｄ３、レンズ１１の凸レンズ部１５とカバーガラス２２との間隔がｄ４である。すなわち、レンズ１１は、肉厚ｄ３＝０．２ｍｍ、屈折率ｎ２＝１．４９４１、アッベ数ν２＝５８．１である。レンズ１１の第１面（面番号３）は、曲率半径ｒ３が無限大で平面である。実施例１では、レンズ材料として耐熱性のアクリル系樹脂材料を用いている。レンズ１１の枠部１４を含む外径はΦ１．０ｍｍである。

レンズ１１において、非球面の第２面（面番号４）の曲率半径ｒ４は、次の数式（１）で示される非球面定義式Ｚによって規定され、光軸における曲率半径ｒ４が−０．２５である。

Ｚ＝[ｃｈ²／{１＋√(１−(１＋Ｋ)ｃ²ｈ²)}]＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸＋Ｄｈ¹⁰
…（１）
ここで、各定数はＫ＝０、Ａ＝０．１５８４×１０^-2、Ｂ＝−０．１９７４×１０^-3、Ｃ＝０、Ｄ＝０であり、ｃ＝１／ｒ、ｈ＝像高（半径方向）である。

（３）カバーガラス２２について
カバーガラス２２のレンズ１１側の面が面番号５、撮像チップ２１側の面が面番号６であり、カバーガラス２２の屈折率がｎ３、アッベ数がν３である。そして、カバーガラス２２の肉厚がｄ５、カバーガラス２２と撮像チップ２１との間隔がｄ６である。すなわち、カバーガラス２２は、肉厚ｄ５＝０．４ｍｍ、屈折率ｎ３＝１．５１６８、アッベ数ν３＝６４．１である。本実施例では、防水ガラス１２とカバーガラス２２とは同じガラス材料を用いている。

図３は、実施例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。ここで、球面収差は、図３の（Ａ）におけるｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の特性に相当し、軸上色収差は、図３の（Ａ）におけるＦ線（波長４８６．１ｎｍ）の特性とＣ線（波長６５６．３ｎｍ）の特性との差に相当する。図３の（Ｂ）の非点収差において、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図４は、実施例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を示す特性図であり、空間周波数に対する像高０割（有効像高比０．０、光軸上）、４割（０．４）、８割（０．８）、１０割（１．０）の場合の各ＭＴＦを示している。図４のＭＴＦにおいて、像高０割（光軸上）が中心部の特性（中心ＭＴＦ）に、像高８割（０．８）が周辺部の特性（周辺ＭＴＦ）にそれぞれ相当し、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図３、図４に示すように、実施例１の内視鏡カメラ用レンズは、画角が１００度以上（本例では１１０度）であっても、球面収差、色収差、歪曲収差、ＭＴＦのそれぞれに関して、内視鏡において使用するのに十分な光学特性が得られる。具体的には、球面収差は−０．００８ｍｍ以下、軸上色収差は−０．００８ｍｍ以下である。なお、図示しないが、倍率色収差は−０．００４ｍｍ以下である。また、歪曲収差は３０％以下である。ＭＴＦは、空間周波数１００（サイクル／ｍｍ）において、中心ＭＴＦが７２％、周辺ＭＴＦが２０％である。

なお、実施例１では、屈折率ｎ３＝１．４９４１、アッベ数ν３＝５８．１のアクリル系樹脂材料を用いているが、ｄ線の屈折率ｎｄが１．５以下、Ｆ線とｄ線とＣ線から求められるアッベ数νｄが５８以上のものに限らず、ｎｄ≦１．６、νｄ≧５５であれば、実用上十分な光学特性が得られる。

図５は、本実施形態の内視鏡カメラ用レンズにおける絞りの影響を示す特性図であり、絞りの厚みに対する周辺ＭＴＦと周辺光量の変化を示している。

本実施形態では、絞り１３の厚みを２０±１０μｍとしている。絞りの厚みが大きくなるにしたがって、周辺ＭＴＦが大きくなるものの、絞りが厚すぎると波面収差が発生する。また、絞りの厚みが大きくなるにしたがって、周辺光量は低下し、周辺部が暗くなる。絞り１３の厚みを２０±１０μｍとすることによって、絞り１３の厚みの影響を最小限にすることができる。実施例１では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の薄板により厚み２０μｍの絞り１３を形成している。

＜実施例２＞
実施例２は、内視鏡カメラ用レンズ１０の構成の第２例として、実施例１におけるレンズ１１の肉厚を変更して０．３ｍｍとした例を示す。

［レンズデータ］
焦点距離ｆ＝０．５ｍｍ、Ｆナンバー＝３．５、絞り径Ｄａ＝０．１５ｍｍ、像高＝０．５ｍｍ、画角＝１１０度、物体距離＝∞

面番号 曲率半径ｒ（mm） 距離ｄ（mm） 屈折率ｎ アッベ数ν
１ ｒ１＝∞ ｄ１＝０．２ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１
２ ｒ２＝∞ ｄ２＝０
３ ｒ３＝∞ ｄ３＝０．３ ｎ２＝１．４９４１ ν２＝５８．１
４ ｒ４＝−０．２５ ｄ４＝０．２４
（非球面）
５ ｒ５＝∞ ｄ５＝０．４ ｎ３＝１．５１６８ ν３＝６４．１
６ ｒ６＝∞ ｄ６＝０
７ 撮像面

（１）防水ガラス１２について
実施例１と同じである。

（２）レンズ１１について
レンズ１１は、肉厚ｄ３＝０．３ｍｍ、屈折率ｎ２＝１．４９４１、アッベ数ν２＝５８．１である。

レンズ１１において、非球面の第２面（面番号４）の曲率半径ｒ４は、実施例１と同様に上記の数式（１）で示される非球面定義式Ｚによって規定され、光軸における曲率半径ｒ４が−０．２５である。ただし、実施例２では、数式（１）における各定数は、Ｋ＝０、Ａ＝０．７７５３×１０^-1、Ｂ＝−０．４２０２×１０^-2、Ｃ＝０、Ｄ＝０である。

（３）カバーガラス２２について
実施例１と同じである。

図６は、実施例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。ここで、球面収差は、図６の（Ａ）におけるｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の特性に相当し、軸上色収差は、図６の（Ａ）におけるＦ線（波長４８６．１ｎｍ）の特性とＣ線（波長６５６．３ｎｍ）の特性との差に相当する。図６の（Ｂ）の非点収差において、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図７は、実施例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦを示す特性図であり、空間周波数に対する像高０割（有効像高比０．０、光軸上）、４割（０．４）、８割（０．８）、１０割（１．０）の場合の各ＭＴＦを示している。図７のＭＴＦにおいて、像高０割（光軸上）が中心部の特性（中心ＭＴＦ）に、像高８割（０．８）が周辺部の特性（周辺ＭＴＦ）にそれぞれ相当し、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図６、図７に示すように、実施例２の内視鏡カメラ用レンズは、画角が１００度以上（本例では１１０度）であっても、球面収差、色収差、歪曲収差、ＭＴＦのそれぞれに関して、内視鏡において使用するのに十分な光学特性が得られる。球面収差は−０．０２５ｍｍ以下と実施例１よりも劣るが、実用上は十分な特性である。また、軸上色収差は−０．００８ｍｍ以下であり、倍率色収差は−０．００５ｍｍ以下（図示せず）であり、歪曲収差は３０％以下である。ＭＴＦは、空間周波数１００（サイクル／ｍｍ）において、中心ＭＴＦが６５％、周辺ＭＴＦが１１％である。周辺ＭＴＦは実施例１よりも劣るが、実用上は十分な特性である。

＜比較例１＞
本実施形態の実施例に対する比較例１として、一般的な３枚構成のレンズを有する内視鏡カメラ用レンズの構成を示す。

図８は、比較例１に係る内視鏡カメラ用レンズの構成を示す断面図である。比較例１の内視鏡カメラは、内視鏡カメラ用レンズ５０と、内視鏡カメラ用レンズ５０にて結像した被写体像を撮像するＣＭＯＳイメージセンサ等による撮像素子６０とを有する。

内視鏡カメラ用レンズ５０は、一方の面が凹面で他方の面が平面の第１レンズ５１、一方の面が平面で他方の面が凸面の第２レンズ５２、両面が凸面の第３レンズ５３を有する。第１レンズ５１の物体側（被写体側、前方）には、防水ガラス５４が接着固定される。第１レンズ５１と第２レンズ５２との間には絞り５５が設けられ、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、及び絞り５５が鏡筒５６の内側に収納され固定される。

撮像素子６０は、ＣＭＯＳイメージセンサ等からなる撮像チップ６１と、撮像チップ６１の撮像面側に設けられたカバーガラス６２とを有する。内視鏡カメラ用レンズ５０と撮像素子６０とは、レンズ個体毎にバックフォーカス調整をした後、鏡筒５６の像側（撮像素子側、後方）の端面とカバーガラス６２のレンズ側の表面とが接着される。これにより、内視鏡カメラ用レンズ５０と撮像素子６０とが取付固定され、内視鏡カメラの撮像部が構成される。

［レンズデータ］
焦点距離ｆ＝０．６５ｍｍ、Ｆナンバー＝３．５、像高＝０．５ｍｍ、画角＝１１０度、物体距離＝∞

面番号 曲率半径ｒ（mm） 距離ｄ（mm） 屈折率ｎ アッベ数ν
１ ｒ１＝∞ ｄ１＝０．２５ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１
２ ｒ２＝∞ ｄ２＝０．１
３ ｒ３＝−１．０ ｄ３＝０．５７ ｎ２＝１．８５４０ ν２＝４０．４
４ ｒ４＝∞ ｄ４＝０．０５
５ ｒ５＝∞ ｄ５＝０．５５ ｎ３＝１．８１００ ν３＝４１．０
６ ｒ６＝−０．６５ ｄ６＝０．０
（非球面）
７ ｒ７＝＋１．０ ｄ７＝０．６ ｎ４＝１．７７２０ ν４＝５０．０
（非球面）
８ ｒ８＝＋０．８ ｄ８＝０．２３
（非球面）
９ ｒ９＝∞ ｄ９＝０．４ ｎ５＝１．５１６８ ν５＝６４．１
１０ ｒ１０＝∞ ｄ１０＝０
１１ 撮像面

（１）防水ガラス５４について
防水ガラス５４の前端面が面番号１、第１レンズ５１側の後端面が面番号２であり、防水ガラス５４の屈折率がｎ１、アッベ数がν１である。そして、防水ガラス５４の肉厚がｄ１、防水ガラス５４と第１レンズ５１との間隔がｄ２である。すなわち、防水ガラス５４は、肉厚ｄ１＝０．２５ｍｍ、屈折率ｎ１＝１．５１６８、アッベ数ν１＝６４．１である。

（２）第１レンズ５１について
第１レンズ５１の物体側（防水ガラス５４側）の面が面番号３、第２レンズ５２側の面が面番号４であり、第１レンズ５１の屈折率がｎ２、アッベ数がν２である。そして、第１レンズ５１の肉厚がｄ３、第１レンズ５１と第２レンズ５２との間隔がｄ４である。すなわち、第１レンズ５１は、肉厚ｄ３＝０．５７ｍｍ、屈折率ｎ２＝１．８５４０、アッベ数ν２＝４０．４である。第１レンズ５１において、第１面（面番号３）は曲率半径ｒ＝−１．０の凹面であり、第２面（面番号４）は曲率半径ｒ４が無限大で平面である。

（３）第２レンズ５２について
第２レンズ５２の第１レンズ５１側の面が面番号５、第３レンズ５３側の面が面番号６であり、第２レンズ５２の屈折率がｎ３、アッベ数がν３である。そして、第２レンズ５２の肉厚がｄ５、第２レンズ５２と第３レンズ５３との間隔がｄ６である。すなわち、第２レンズ５２は、肉厚ｄ５＝０．５５ｍｍ、屈折率ｎ３＝１．８１００、アッベ数ν３＝４１．０である。第２レンズ５２において、第１面（面番号５）は曲率半径ｒ５が無限大で平面であり、非球面の第２面（面番号６）の曲率半径ｒ６は、上記の数式（１）で示される非球面定義式Ｚによって規定され、光軸における曲率半径ｒ６が−０．６５である。ただし、数式（１）における各定数は、Ｋ＝０、Ａ＝０．１０００×１０^-4、Ｂ＝０、Ｃ＝０、Ｄ＝０である。

（４）第３レンズ５３について
第３レンズ５３の第２レンズ５２側の面が面番号７、撮像素子６０側の面が面番号８であり、第３レンズ５３の屈折率がｎ４、アッベ数がν４である。そして、第３レンズ５３の肉厚がｄ７、第３レンズ５３とカバーガラス６２との間隔がｄ８である。すなわち、第３レンズ５３は、肉厚ｄ７＝０．６ｍｍ、屈折率ｎ４＝１．７７２０、アッベ数ν４＝５０．０である。第３レンズ５３において、非球面の第１面（面番号７）の曲率半径ｒ７と、第２面（面番号８）の曲率半径ｒ８は、上記の数式（１）で示される非球面定義式Ｚによって規定される。曲率半径ｒ７は、光軸における曲率半径ｒ７が＋１．０であり、数式（１）における各定数は、Ｋ＝０、Ａ＝−０．３０１９６３×１０^-1、Ｂ＝−０．３６４００８×１０^-0、Ｃ＝０、Ｄ＝０である。また、曲率半径ｒ８は、光軸における曲率半径ｒ８が＋０．８であり、数式（１）における各定数は、Ｋ＝０、Ａ＝０．２２００９４×１０^-0、Ｂ＝−０．２８７７７４×１０^-1、Ｃ＝０、Ｄ＝０である。

（５）カバーガラス６２について
カバーガラス６２の第３レンズ５３側の面が面番号９、撮像チップ６１側の面が面番号１０であり、カバーガラス６２の屈折率がｎ５、アッベ数がν５である。そして、カバーガラス６２の肉厚がｄ９、カバーガラス６２と撮像チップ６１との間隔がｄ１０である。すなわち、カバーガラス６２は、肉厚ｄ９＝０．４ｍｍ、屈折率ｎ５＝１．５１６８、アッベ数ν３＝６４．１である。

比較例１では、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３はそれぞれ異なるガラス材料を用いている。また、防水ガラス５４とカバーガラス６２とは同じガラス材料を用いている。

図９は、比較例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズ５０の収差を示す特性図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。ここで、球面収差は、図９の（Ａ）におけるｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の特性に相当し、軸上色収差は、図９の（Ａ）におけるＦ線（波長４８６．１ｎｍ）の特性とＣ線（波長６５６．３ｎｍ）の特性との差に相当する。図９の（Ｂ）の非点収差において、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図１０は、比較例１の光学特性として内視鏡カメラ用レンズ５０のＭＴＦを示す特性図であり、空間周波数に対する像高０割（有効像高比０．０、光軸上）、４割（０．４）、８割（０．８）、１０割（１．０）の場合の各ＭＴＦを示している。図１０のＭＴＦにおいて、像高０割（光軸上）が中心部の特性（中心ＭＴＦ）に、像高８割（０．８）が周辺部の特性（周辺ＭＴＦ）にそれぞれ相当し、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図９、図１０に示すように、比較例１の内視鏡カメラ用レンズは、実施例１に比べると一部の光学特性が劣化する。球面収差は−０．０４ｍｍ以下、軸上色収差は−０．０２５ｍｍ以下であり、倍率色収差は−０．００８ｍｍ以下（図示せず）と２画素（８μｍ）以上の色ずれが生じる。歪曲収差は５０％以下であり、周辺部のＴＶ解像度が約半分になる。ＭＴＦは、空間周波数１００（サイクル／ｍｍ）において、中心ＭＴＦが５０％と実施例１より劣化するが、周辺ＭＴＦが３０％と実施例１よりも良い値となっている。

上述した実施例１と比較例１の光学特性を一覧にしたものを表１に示す。

本実施形態に係る実施例１は、レンズ枚数が１群１枚の構成であり、比較例１の３群３枚の構成と比べて、低コストで小型の内視鏡カメラ用レンズが実現できる。実施例１では、比較例１と比べて、トータルトラック（防水ガラスの物体側面から撮像素子の撮像面までの距離）、及び前玉有効径（防水ガラスの有効径）がともに半分以下の寸法である。

また、実施例１は１枚のレンズに円筒状の枠部を備えるため、鏡筒が不要な簡易な構成であり、さらなる低コスト化が実現できるとともに、レンズを前方の防水ガラスと後方の撮像素子のカバーガラスに接着するだけで済み、組み立ても容易である。これに対し、比較例１では３枚のレンズを収納する鏡筒が必要であり、所定の光学性能を得るために組立精度が要求される。

レンズの収差については、実施例１の内視鏡カメラ用レンズは、比較例１に示す３枚構成のレンズと比べて、球面収差、色収差、歪曲収差が小さく、ＭＴＦは像高１０割を除きほぼ同等の性能が得られている。偏芯時周辺ＭＴＦは、レンズ中心を１０μｍずらして偏芯させたときの周辺ＭＴＦを示している。実施例１の内視鏡カメラ用レンズは、色収差が小さいため、色消しレンズが不要であり、１枚のレンズで十分な光学性能が得られる。

また、周辺光量比については、比較例１は６２％で周辺部において急激に光量が低下して暗くなるが、実施例１は５８％で中心から周辺に向かって徐々に低下する特性であり、周辺光量の低下を知覚しにくい特性となっている。

＜比較例２＞
本実施形態の実施例に対する比較例２として、実施例１におけるレンズ１１のアッベ数を変更して約３０とした例を示す。

［レンズデータ］
焦点距離ｆ＝０．５ｍｍ、Ｆナンバー＝３．５、絞り径Ｄａ＝０．１５ｍｍ、像高＝０．５ｍｍ、画角＝１１０度、物体距離＝∞

面番号 曲率半径ｒ（mm） 距離ｄ（mm） 屈折率ｎ アッベ数ν
１ ｒ１＝∞ ｄ１＝０．２ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１
２ ｒ２＝∞ ｄ２＝０
３ ｒ３＝∞ ｄ３＝０．２ ｎ２＝１．５８５５ ν２＝２９．９
４ ｒ４＝−０．２９ ｄ４＝０．２３
（非球面）
５ ｒ５＝∞ ｄ５＝０．４ ｎ３＝１．５１６８ ν３＝６４．１
６ ｒ６＝∞ ｄ６＝０
７ 撮像面

（１）防水ガラス１２について
実施例１と同じである。

（２）レンズ１１について
レンズ１１は、肉厚ｄ３＝０．２ｍｍ、屈折率ｎ２＝１．５８５５、アッベ数ν２＝２９．９である。比較例２では、レンズ材料としてポリカーボネート系樹脂材料を用いている。

レンズ１１において、非球面の第２面（面番号４）の曲率半径ｒ４は、実施例１と同様に上記の数式（１）で示される非球面定義式Ｚによって規定され、光軸における曲率半径ｒ４が−０．２９である。ただし、実施例３は、数式（１）における各定数は、Ｋ＝０、Ａ＝０．１８６５×１０^-2、Ｂ＝−０．３１２４×１０^-3、Ｃ＝０、Ｄ＝０である。

（３）カバーガラス２２について
実施例１と同じである。

図１１は、比較例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズの収差を示す特性図であり、（Ａ）は球面収差、（Ｂ）は非点収差、（Ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。ここで、球面収差は、図１１の（Ａ）におけるｄ線（波長５８７．６ｎｍ）の特性に相当し、軸上色収差は、図１１の（Ａ）におけるＦ線（波長４８６．１ｎｍ）の特性とＣ線（波長６５６．３ｎｍ）の特性との差に相当する。図１１の（Ｂ）の非点収差において、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図１２は、比較例２の光学特性として内視鏡カメラ用レンズのＭＴＦを示す特性図であり、空間周波数に対する像高０割（有効像高比０．０、光軸上）、４割（０．４）、８割（０．８）、１０割（１．０）の場合の各ＭＴＦを示している。図１２のＭＴＦにおいて、像高０割（光軸上）が中心部の特性（中心ＭＴＦ）に、像高８割（０．８）が周辺部の特性（周辺ＭＴＦ）にそれぞれ相当し、Ｒはラジアル、Ｔはタンジェンシャルの各方向の特性を表している。

図１１、図１２に示すように、比較例２の内視鏡カメラ用レンズは、実施例１に比べて一部の光学特性が劣化する。球面収差は＋０．０１２ｍｍ以下、軸上色収差は−０．０１７ｍｍ以下であり、倍率色収差は−０．００５ｍｍ以下（図示せず）と１画素（４μｍ）以上の色ずれが生じる。歪曲収差は３０％以下で実施例１と同等である。ＭＴＦは、空間周波数１００（サイクル／ｍｍ）において、中心ＭＴＦが７０％と実施例１と同等であるものの、周辺ＭＴＦが７％と大きく劣化し、像高４割（０．４）でも２１％程度であり、実用上は問題が生じる。

上述した実施例１、実施例２、及び比較例２の各例の光学特性を一覧にしたものを表２に示す。

実施例１及び実施例２のように、１枚構成のレンズの肉厚を０．３ｍｍ以下、Ｆ線とｄ線とＣ線から求められるアッベ数νｄを５５以上、好ましくは５８以上とすることにより、球面収差、色収差、歪曲収差が小さくなり、実用上十分な光学特性が得られる。比較例２のように、アッベ数νｄが約３０と小さいものでは、レンズ構成を同等にしても特に色収差が劣化して色ずれが生じ、周辺ＭＴＦも劣化して実用には支障がある。

上述したように、本実施形態の内視鏡カメラ用レンズは、レンズの構成枚数を１枚とし、物体側の第１面を平面、像側の第２面を非球面とし、外周部に円筒状の枠部を有する形状としている。そして、レンズの前方を防水ガラスに、後方を撮像素子のカバーガラスにそれぞれ接着する構成となっている。この構成によれば、画角が１００度以上の広角であっても、低コストの超細径カメラ用レンズを提供できる。また、従来よりも細径かつ光学全長を短くでき、例えば直径１ｍｍ程度のものであっても、球面収差と色収差と歪曲収差が小さい高性能な超細径カメラ用レンズを提供できる。また、レンズが１枚構成で曲面の面数が１面であるため、焦点距離のバラツキが小さく、組立時のバックフォーカス調整が不要である。

また、１枚構成のレンズの肉厚を０．３ｍｍ以下（≦０．３ｍｍ）とし、ｄ線の屈折率ｎｄが１．６以下（ｎｄ≦１．６）、Ｆ線とｄ線とＣ線から求められるアッベ数νｄが５５以上（νｄ≧５５）としている。この条件を満たすレンズ材料としては、例えば、耐熱性のアクリル系樹脂などのプラスチック材料を用いる。レンズの肉厚を薄く設定することにより、解像度の劣化を低減し、球面収差、歪曲収差を小さくできる。また、レンズの屈折率を低く設定することにより、レンズの素材をプラスチックで形成することができ、安価に製造することができる。また、レンズのアッベ数を高く設定することにより、色収差を小さくできる。この構成によれば、画角が１００度以上でも、収差が小さく安価な超細径カメラ用レンズを提供できる。

また、本実施形態では、絞りを防水ガラスの一方の面に形成し、画出ししながら、絞り位置を調整して防水ガラスをレンズに接着するようにしている。この構成によれば、レンズの光軸に合わせて絞りを高精度で形成する必要がなく、低コストの超細径カメラ用レンズを提供できる。

また、本実施形態では、絞りの厚みを２０±１０μｍとしている。この構成によれば、周辺光量をあまり下げずに周辺ＭＴＦを上げることができ、低コストの超細径カメラ用レンズを提供できる。

このように本実施形態によれば、収差が小さく安価な細径の内視鏡カメラ用レンズを実現できる。また、内視鏡カメラ用レンズのレンズ枚数を１枚で構成することができ、さらにレンズの素材をプラスチックで形成することができるので、飛躍的に製作コストの引き下げが可能となる。本実施形態は、特に使い捨てが可能な手術用超細径カメラの広角レンズ等に好適である。

本実施形態の内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラを、手術用超細径カメラに適用する場合、細長のケーブル状（軟性）又は棒状（硬性）に形成された細径の内視鏡挿入部の先端部に、先端面前方に向かって内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラを設ける。内視鏡カメラに照明部を備える構成の場合、例えば、内視鏡先端部において、内視鏡カメラ用レンズの外周部に、光ファイバ等により構成されるライトガイドをレンズ外周に沿って円周状に配置し、撮影物体を照明可能にする。

以下、上述した本発明に係る内視鏡カメラ用レンズ及び内視鏡カメラの構成、作用及び効果を説明する。

本発明の一態様の内視鏡カメラ用レンズは、物体側の第１面に平面を有し像側の第２面に非球面の凸面を有してなり、外周部に筒状の枠部が一体的に形成された１枚構成のレンズを有し、前記レンズの第１面に防水ガラスを、前記レンズの枠部の像側端面に撮像素子を、それぞれ接着可能に構成されている。
この構成によれば、安価で細径の内視鏡カメラ用レンズを提供できる。

また、本発明の一態様の内視鏡カメラ用レンズは、前記レンズは、肉厚が０．３ｍｍ以下である。
この構成によれば、レンズの肉厚を薄く設定したことにより、球面収差、歪曲収差を小さくできる。

また、本発明の一態様の内視鏡カメラ用レンズは、前記レンズは、ｄ線の屈折率ｎｄが１．６以下、Ｆ線とｄ線とＣ線から求められるアッベ数νｄが５５以上である。
この構成によれば、レンズの屈折率を低く設定したことにより、レンズの素材を例えばプラスチックで形成することができ、安価に細径のレンズを製作できる。また、レンズのアッベ数を高く設定したことにより、色収差を小さくできる。従って、収差が小さく安価な細径の内視鏡カメラ用レンズを提供できる。

また、本発明の一態様の内視鏡カメラ用レンズは、前記レンズは、画角が１００度以上である。
この構成によれば、広角のレンズであっても、収差が小さく安価な細径の内視鏡カメラ用レンズを提供できる。

また、本発明の一態様の内視鏡カメラ用レンズは、前記レンズの第１面に防水ガラスが接着固定され、前記防水ガラスは、前記レンズ側の面に絞りが配置されている。
この構成によれば、レンズの光軸に合わせて絞りを高精度で形成する必要がなく、組立作業性が良好で安価な内視鏡カメラ用レンズを提供できる。

また、本発明の一態様の内視鏡カメラ用レンズは、前記絞りは、厚みが２０±１０μｍである。
この構成によれば、周辺光量をあまり下げずに周辺ＭＴＦを上げることができ、絞りの厚みの影響を最小限にできる。従って、収差が小さく安価な細径の内視鏡カメラ用レンズを提供できる。

また、本発明の一態様の内視鏡カメラは、上記いずれかの内視鏡カメラ用レンズと、撮像素子とを有し、前記レンズの枠部の像側端面に、前記撮像素子のカバーガラスが接着固定されている。
この構成によれば、安価で細径の内視鏡カメラを提供できる。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、細径であっても低コストで所望の光学性能を十分得られるという効果を有し、例えば手術等に用いる細径の内視鏡カメラ等として有用である。

１０ 内視鏡カメラ用レンズ
１１ レンズ
１２ 防水ガラス
１３ 絞り
１４ 枠部
１５ 凸レンズ部
２０ 撮像素子
２１ 撮像チップ
２２ カバーガラス

Claims (2)

1. 光軸に対して垂直方向の断面が略正方形のカバーガラスを含む撮像素子と、
   被写体側の第１面に平面を有し撮像側の第２面に非球面の凸面を有してなり、前記凸面の外周部に前記撮像素子に向かって設けられた枠部を備え、前記光軸に対して垂直方向の断面がＵ字状又はコの字状に形成された単一レンズと、
   前記単一レンズの外周に沿って設けられたライトガイドと、を有し、
   前記単一レンズの前記枠部端面に対向する前記カバーガラスの端面４隅は、前記単一レンズとの接着面として使用され、前記単一レンズの前記枠部端面と前記カバーガラスの端面４隅付近とが接着固定されて、前記単一レンズ及び前記撮像素子を含む内視鏡先端部において内視鏡カメラ撮像部が構成される、
   内視鏡カメラ。
2. 前記カバーガラスの対角線は２ｍｍ以下である、請求項１に記載の内視鏡カメラ。

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