JP2009251520A

JP2009251520A - カメラヘッド光学系

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Publication number: JP2009251520A
Application number: JP2008102595A
Authority: JP
Inventors: Keishi Murata; 佳史村田
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: JP5000577B2

Abstract

【課題】リレーレンズを用いることなしに負の斜入射特性を持ち、射出瞳距離が短い小型の撮像素子に最適化された内視鏡の接眼部に取り付けて撮影を行うカメラヘッド光学系。
【解決手段】内視鏡の接眼部２０に取り付けて撮影を行う結像レンズ３２を備えたカメラヘッドの光学系３０において、負のパワーのフィールドレンズ３４を用いて射出瞳距離が短い小型の撮像素子３３に最適化する。結像レンズ３２は、斜入射実現のために負のパワーのフィールドレンズ３４を用いるときに効果の大きい範囲として、下記式（１）を満足する。ｆ・ｔａｎ（−ｔｗ）／ｈ＞１．０・・・（１）ただし、ｆは結像レンズの焦点距離、ｈは撮像面上における最大像高、ｔｗは最大像高において斜光線束の中心の光線が撮像面に入射する角度である。
【選択図】図３

Description

本発明は、カメラヘッド光学系に関し、特に、内視鏡の接眼部に接続して撮影を行う撮像光学系に関するものである。

ファイバースコープの接眼部に着脱自在のカメラヘッドを接続し、スコープの対物レンズによる体腔内の映像をモニター上に映し出すことで、診断が行われている。このようなカメラヘッドは、ＣＣＤ等の固体撮像素子と、接眼部からの映像をその固体撮像素子に導くための結像レンズとからなっている。

カメラヘッドの小型軽量化等の目的から、こうした固体撮像素子は小型化の傾向にあり、さらに感度向上の目的から、固体撮像素子表面には各画素に対応するマイクロレンズが配置されている。このマイクロレンズは厚みを持っているから、マイクロレンズに最適化された角度の光線が入射しないと、撮像素子に入射する光線が遮られてしまう。特に軸外光線について光線が遮られて光量が不足すると、シェーディングと呼ばれる現象が発生し、中心に対して周辺の像が暗くなったり、あるいは、周囲が色付いて見えたりしてしまう。これは、マイクロレンズの厚みが大きく効くという点で、撮像素子が小型化する程顕著である。

従来は、例えば特許文献１、２に示されているような、軸外の光線が撮像素子に垂直入射し射出瞳が無限遠である光学系、いわゆる像側テレセントリックな光学系に最適化されているものが多かった。しかし、マイクロレンズの精度が向上したために、近年では射出瞳が物体側の近い位置にある光学系について最適化された（以下、このことを負の斜入射特性を持つと呼ぶ。）撮像素子も現れてきており、小型化が容易であるという点から、ビデオスコープの先端撮像光学系の用途としてはこちらが用いられる場合が多い。このような光学系の例としては、特許文献３、４等多数あげることができる。

さて、カメラヘッドに用いられる撮像素子にもこのような負の斜入射特性を持つ撮像素子を用いるならば、ビデオスコープとカメラヘッドとで用いる撮像素子を共通化することができ、プロセッサにおける画像処理方法がビデオスコープとカメラヘッドとで共通になる等の利点が生まれる。したがって、カメラヘッドに用いる撮像素子も負の斜入射特性を持っていることが望ましい。

しかし、負の斜入射特性を持った撮像素子に対しては、上記のようにシェーディング発生の理由から特許文献１に示すような像側テレセントリックな光学系を用いることができない。リレーレンズを用いて像を伝達し、負の斜入射特性を持たせることでこれを解決することは可能であるが、レンズシステム全長が長くなり、カメラヘッドが大型化してしまうという問題があった。

また、特許文献５、６に示すような光学系を用いれば、負の斜入射特性を実現することが可能ではあるが、小型の撮像素子の大きさに合わせてレンズシステムを構成するならば、光学系は非常に小さくしなければならず、加工性の点で問題がある。また、絞りも絞る必要があるので、明るい映像が得られないという点でも、最適化された光学系とは呼べない。また、全てのレンズに非球面レンズを用いるという点を鑑みると、ローコスト化が望めない。
特開２００６−５３２１８号公報特開２００５−９９０８０号公報特開２００１−９１８３２号公報特開２００２−２８１２６号公報特開２００５−５５７５１８号公報特開２００７−３７６８号公報

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、リレーレンズを用いることなしに、負の斜入射特性を持ち、射出瞳距離が短い小型の撮像素子に最適化された内視鏡の接眼部に取り付けて撮影を行うカメラヘッド光学系を構成することである。

上記を達成するための本発明のカメラヘッド光学系は、内視鏡の接眼部に取り付けて撮影を行う結像レンズを備えたカメラヘッドの光学系において、負のパワーのフィールドレンズを用いたことを特徴とするものである。

以下に、本発明のカメラヘッド光学系において、上記の構成をとる理由と作用を説明する。

上述した構成によれば、撮像素子の直前で収束する光線を発散光に変えることができ、負の斜入射角度特性の撮像素子に合わせた光線を撮像素子に入射させることができるようになる。これによって、リレーレンズを用いることなしにシェーディングの問題を解消でき、カメラヘッドの大型化を回避することができる。

また、像面に近い位置に射出瞳を有する光学系にするためには、次の条件（１）：
ｆ・ｔａｎ（−ｔｗ）／ｈ＞１．０・・・（１）
が満足されていることが望ましい。ただし、ｆは結像レンズの焦点距離、ｈは撮像面上における最大像高、ｔｗは最大像高において斜光線束の中心の光線が撮像面に入射する角度である。

これは、斜入射実現のために、負のパワーのフィールドレンズを用いるときに効果の大きい範囲として得られる値であって、以下に、これを説明する。

まず、カメラヘッドは、接眼レンズから出射される光線を固体撮像素子に結像させるものであるため、これに入射する光線は−１ディオプター（射出端から１０００ｍｍの位置に結像）や−２ディオプター等（射出端から５００ｍｍの位置に結像）である。これに対し、カメラヘッドの焦点距離は高々１０ｍｍ程度であるから、略無限遠に近似できる。したがって、カメラヘッドには物体側テレセントリックな光線が入射すると考えてよい。

そして、カメラヘッドに入射する光線は、スコープの接眼レンズからカメラヘッドの結像レンズの間にある絞りで明るさを規定され、固体撮像素子に入射する。簡単のため、接眼レンズとカメラヘッドの結像レンズを薄肉レンズとして、これを図１に示す。

固体撮像素子３３の最大像高をｈとし、この高さｈに入射する光線の内、光束の中心の光線３５に注目する。この光線３５はカメラヘッド３０の結像レンズ３２により屈折作用を受けているため、固体撮像素子３３から射出瞳位置までの距離は、結像レンズ３２の焦点距離ｆよりも明らかに大きい。上記光線３５の入射角がｔｗであったとすると、固体撮像素子面から射出瞳位置までの距離は、ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）で与えられるから、ｆ＜ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）と表現できる（図１の場合に、ｈ＞０、ｆ＞０、ｔｗ＜０と符号を定義する。）。ファイバースコープ１０の接眼レンズ２０と結像レンズ３２の間にある絞り３１の位置が、結像レンズ３２の位置に近づく極限でのみ、ｆ＝ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）である。これを図２に示す。

したがって、斜入射に最適化された固体撮像素子であっても、ｆ＜ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）を満たしたいならば、原理上は、リレーレンズもフィールドレンズも必要なく、負のパワーのフィールドレンズを配置する効果は斜入射に伴う収差補正を行いやすくするだけに留まる。

しかし、接眼レンズ２０と結像レンズ３２の間に絞り３１が配置されていると、ｆ≧ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）を満足するのは、図２に示すような光学系では無理であり、斜入射を実現するために新たな光学系を追加しなくてはならない。ここにリレーレンズを配置すれば、これを実現することが可能であるが、光学系の全長が長くなり、カメラヘッド３０は大型化してしまう。また、正レンズでの像のリレーは像面湾曲を発生させるので、像の平坦化が難しくなるという点でも不利である。

しかるに、負のパワーのフィールドレンズ３４を配置するのは、図３に示すように、このような問題を発生させることなく斜入射を実現できるため、コンパクト化に貢献する。すなわち、負のパワーのフィールドレンズ３４によって固体撮像素子３３に対する中心の光線３５の入射角ｔｗが絶対値でより大きくされ、ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）がより小さくなるため、ｆ≧ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）を満足し得るようになる。

さらに、
ｆ・ｔａｎ（−ｔｗ）／ｈ＞１．１・・・（１−１）
の関係が満足されていることが望ましい。なぜなら、殆どの場合において、固体撮像素子の角度特性は最適化された入射角度以外に、ある範囲での入射角の余裕を持っているからである。その範囲は、製品によってばらつきがあるが、たいてい３°程度である。例えば、特許文献３に示す光学系は、１つの撮像素子に対しレンズを動かしてズームを行うものであり、ワイド端とテレ端とで最大増高での入射角が−７．８°から−１０．６°と、約２．８°変化するが、このとき用いられる固体撮像素子は、何れの入射角の場合においてもシェーディングが発生しないものであるべきで、ある角度にのみ特性を持つものであると、使用時に障害となる。

したがって、もしも固体撮像素子の斜入射角度がこの範囲でｆ＜ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）を満たすならば、上記の負のパワーのフィールドレンズを用いる必要はなくなる。上式（１−１）は、このような余裕量を考慮しても、負のパワーのフィールドレンズを用いるのが有効である条件を与えている。以下に、これを説明する。

いま、斜入射を考えるのでｔｗは有限の角度であるとして、入射角度を微小な角度δだけ変化させたとする。すると、固体撮像素子３３からの射出瞳位置Ｐはｈ／ｔａｎ（−ｔｗ＋δ）となるので、正接の加法定理：
ｔａｎ（ａ＋ｂ）＝（ｔａｎａ＋ｔａｎｂ）／（１−ｔａｎａ・ｔａｎｂ）
を用いて、
Ｐ＝ｈ｛１−ｔａｎ（−ｔｗ）ｔａｎδ｝／｛ｔａｎ（−ｔｗ）＋ｔａｎδ｝
となる。これを、δが小さいとして展開し、
Ｐ≒｛ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）｝ ×［１−ｔａｎδ｛１／ｔａｎ（−ｔｗ）＋ｔａｎ（−ｔｗ）｝］
が得られる。

さて、この値が最も大きくなるのはδが負のときであるから、ここに余裕量である−３°を代入すると、ｔａｎ（−３°）＝−０．０５２である。これを代入し、上式をｔｗによらない式にするために相加平均・相乗平均の公式：
１／２×（ａ＋ｂ）≧√（ａｂ）
を用いると、上式は書き直されて、
Ｐ≒｛ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）｝ ×［１＋０．０５２｛１／ｔａｎ（−ｔｗ）＋ｔａｎ（−ｔｗ）｝］
≧｛ｈ／ｔａｎ（−ｔｗ）｝×１．１０４
となる。焦点距離ｆがこの値より大きいと、余裕量３°があっても、斜入射のために負のフィールドレンズを配置することにより、リレーレンズを使わないことの利点が大きい。このようなＰを用いて、ｆ≧Ｐを書き直すと、最下限を与える条件として、
ｆ・ｔａｎ（−ｔｗ）／ｈ＞１．１・・・（１−１）
が得られる。

また、負のパワーのフィールドレンズ３４を置く目的は、斜入射特性を実現するものであるが、撮像素子の近傍に凹レンズを配置したものに、フィールドフラットナと呼ばれるものがある。これは、像高が比較的低い撮像素子近傍において、負のレンズにより像面湾曲を補正するというものでもある。上記のフィールドレンズにこのような効果を持たせることは収差補正の目的からは都合が良く、ペッツバール条件：
_k
Ｐｔｚ＝Σ １／ｆ_iｎ_i＝０
ⁱ⁼¹
も、ある程度満足されていることが望ましい。それには、
_k
｜Σ １／ｎ_iｆ_i｜≦（２Ｆ・ｐ）／（Ｆ²ｐ²＋ｈ²）・・・（２）
ⁱ⁼¹
が満足されていることが一つの尺度となる。ただし、ｎ_iはｉ番目のレンズエレメントの屈折率、ｆ_iはｉ番目のレンズエレメントの焦点距離、Ｆは結像レンズのＦ値、ｈは撮像面上における最大像高、ｐは撮像面上における撮像素子のピッチである。以下に、これを説明する。

ペッツバール和Ｐｔｚは像面湾曲の曲率を与えるから、最大像高ｈにおいての近軸的な像面湾曲は、
１／Ｐｔｚ−√｛（１／Ｐｔｚ）²−ｈ²｝
となる。一方、Ｆ値がＦであるとき、画素ピッチｐの撮像素子に入射する光がぼけずに結像すると見なされる撮像面の移動量は，片側Ｆｐである。ゆえに、結像面がベストピント状態にあるとき、最大像高でも画像がぼけずに映る条件として、最大像高での像面湾曲がＦｐより小さいというものを採用できる。すなわち、
Ｆｐ≧１／Ｐｔｚ−√｛（１／Ｐｔｚ）²−ｈ²｝
これを変形し、次式が得られる。

_k
Ｐｔｚ＝｜Σ １／ｎ_iｆ_i｜≦（２Ｆ・ｐ）／（Ｆ²ｐ²＋ｈ²）・・（２）
ⁱ⁼¹
さらに、この構成において、物体側から像側に向かって、絞り−負のレンズ群−正のレンズ群−負のパワーのフィールドレンズの構成をとることが望ましい。絞りが物体側の先頭に配置された構造となるので、上記フィールドフラットナで発生する球面及びコマ収差を補正するためには、正レンズでの補正を大きく効かせる必要がある。そのため、光線高が正レンズにおいては高いものが望ましい。

そして、ファイバースコープに接続して用いるカメラヘッド光学系においては、モアレ除去等の理由からフィルターを挿入する。最も物体側を負レンズとしてレトロフォーカスタイプに準じる形にするのは、バックフォーカスを大きくとることができ、フィルターを挿入するのが容易になる面でも都合が良い。

前記絞り−負のレンズ群−正のレンズ群−フィールドレンズの構成をとるときは、これに加えて、
｜φ_n｜／φ_p＜φ_p／｜φ_f｜，φ_p／｜φ_f｜＜１・・・（３）
の条件を満たすことが好ましい。ただし、負のレンズ群、正のレンズ群、負のパワーのフィールドレンズのそれぞれのパワーをφ_n、φ_p、φ_fとする。

レンズによる屈折角の大きさは、レンズのパワーと光線の高さによって決定される。上記の構成から、光線高は負のレンズ群よりも正のレンズ群の方が高く、正のレンズ群よりもフィールドレンズの方が低くなる。フィールドレンズは入射角補正のためにはパワーを強くする必要があり、そのために光線高は小さくなる傾向がある。したがって、正のレンズ群での光線高はフィールドレンズでの光線高と比較し相対的に高くなるので、フィールドレンズで発生する収差の補正はフィールドレンズよりも弱いパワーで行うことができる。こうして、フィールドレンズと正のレンズ群とで収差補正は略なされるから、負のレンズ群は収差を発生せず、正のレンズ群における光線の高さを上げる目的で配置されているのがよい。また、通常、カメラヘッド光学系においては比較的光線高の高い光線が入射してくるため、負のレンズ群と正のレンズ群での光線高が大きく異なることはなく、負のレンズ群は大きなパワーを持つ必要もない。したがって、正レンズ群のパワーと、負のレンズ群のパワーとの比は、正レンズ群のパワーとフィールドレンズのパワーの比以上に小さくてよい。

ここに述べたような理由から、負のレンズ群の内、最も物体側のレンズエレメントは物体側に凹面を向けたメニスカス形状であるのが望ましい。これは、コンセントリックな構成に近くなり、非点収差等の収差発生を抑えることができるためである。

さらに、撮像素子の前にパワーの大きな負レンズを配置することは、大きな色収差が発生する。これを補正する観点から、正のレンズ群は、少なくとも一つの凸レンズと凹レンズとの接合レンズを含んでいるのが望ましい。近軸色収差は光線高の２乗に比例するので、光線高の高い箇所で補正するのが効果的であるが、最も光線高が高くなるのは、前述の通り、正のレンズ群においてである。

また、上記の構成をとるなら、正のレンズ群の内、最も像側のレンズエレメントが物体側に凸面を向けたメニスカス形状であるのがよい。正のレンズ群において高い光線高をフィールドレンズにおいて低くする必要がある。正のレンズ群からフィールドレンズに至る位置に配置された物体側に凸面を向けたメニスカス形状レンズはアプラナティックに近い面として働くので、球面及びコマ収差の発生を抑えて光線高を下げることを可能にする。

カメラヘッド光学系では、モアレ除去のためにフィルターを挿入する。負のフィールドレンズの前にモアレ除去のためのフィルターを配置することが望ましい。これは、入射瞳位置に平板のフィルターが挿入されていると、そこで反射された光線がゴーストとなりやすいため、入射瞳から離れた位置にフィルターは配置されていた方が良いためである。また、光線高が低い位置であることから、有効径を小さくすることができ、水晶フィルターユニットの外観規格が緩くなり、加工性が上がるという利点もある。

加えて、モアレ除去フィルターは、３枚の水晶板の接合であることが望ましい。カメラヘッドに接続されるファイバースコープは、イメージガイドファイバが六方細密充填の形をとっているので、モアレが発生する方向としては３方向である。したがって、原理的に３枚のフィルターでそれぞれの方向のモアレ除去を行うのが最も効率的である。そして、カメラヘッドが小型化するとフィルターは薄くなる傾向があり、十分なコバ厚を確保できない場合も発生する。そのため、１枚ずつを取り扱うのは組立上バリが入りやすいが、これを接合して一つの部品として取り扱うことにより、組立を容易に行うことができる。

又は、モアレ除去のためのフィルターは、少なくとも２枚の水晶板からなり、それぞれの水晶板の間にλ／４板の効果を持つ部材を挟んでいてもよい。フィルターより像面側に配置された負のフィールドレンズにより、水晶フィルターによる分離量が拡大されて撮像素子に入射するため、水晶フィルターの厚さは薄くなる。このことにより、フィルターの波長依存性が現れてくるため、水晶による分離が一様にならなくなる。これを、
（ｎ_e−ｎ_o）×ｄ＝ (２Ｎ＋１) ×λ／４
を満足するような部材で構成することで、分離の非一様性を軽減することができる。なお、ｎ_o及びｎ_eはそれぞれ硝材の常光及び異常光に関する屈折率で、ｄは部材の光軸方向の厚み、Ｎは０以上の任意の整数、λは撮像素子に入射する光の波長である。さらに、これらを接合した場合にも、上述の取扱いが容易になるという利点は変わらない。

さらに、上記λ／4 板の効果を持つ部材は、上記モアレ除去のためのフィルターと同じ水晶板であることが望ましい。水晶は前述のようなλ／４板の効果を持つ部材として採用できる結晶材料の中でも屈折率が低い硝材であり、常光と異常光の屈折率の差（ｎ_e−ｎ_o）も０．００９と他の複屈折材料より小さい。そのため、同じλ／４板としての効果を狙うとしても、厚さｄは大きくすることができ、同時にこの部材の厚みの公差を緩めることが可能になる。したがって、規格を緩めることができ、ローコスト化に貢献する。

あるいは、上記λ／４板の効果を持つ部材は、複屈折ポリマーであってもよい。他の複屈折材料と比較して安価である上、接着剤との親和性も良好である。

本発明によれば、シェーディングの問題を発生することなく、小型で、かつ、負の斜入射特性を持つ撮像素子に最適化されたカメラヘッドの光学系を提供することができる。

以下、本発明のカメラヘッド光学系の実施例１〜９について、レンズ断面を示すそれぞれ図４〜図１２を参照して説明する。なお、これらの図において、図面の簡単化のために、光学面の面番号及び面間隔の図示は省く。

図４〜図１２の何れの実施例においても、光束径を規定する明るさ絞り１００によって明るさが規定された光束は、負のレンズ群１１０、正のレンズ群１２０、負のパワーのフィールドレンズ１３０から成る結像レンズによって固体撮像素子（例えばＣＣＤ；ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅやＣＭＯＳ；ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の結像面１４０に結像される。なお、フィルター類に関しては、水密性を高めるためのカバーガラス２１０の他、モアレ除去等の目的で挿入するフィルター群２２０、固体撮像素子のカバーガラス２３０が配置されている。カバーガラス２１０はフレア除去の目的から光軸に対して傾いて配置してもよい。また、フィルター群２２０や固体撮像素子のカバーガラス２３０は複数枚入っていてもよい。符号３１０ａ、３１０ｂはフレア除去のためのフレア絞りである。

なお、これら実施例の数値データは後記するが、これら数値データは入射光線を−２ディオプターとし、焦点距離は７ｍｍに規格化したときのものである。なお、面番号は、カバーガラス２１０の前面から数えた光学面の面番号を“Ｎｏ”で示してあり、曲率半径は“ｒ”で、面間隔又は空気間隔は“ｄ”で、ｄ線の屈折率は“ｎd ”で、アッベ数は“ｖd ”でそれぞれ示してある。曲率半径及び面間隔はｍｍ単位である。

＜実施例１＞
実施例１のレンズ断面図を図４に示し、その諸収差図を図１３に示す。図１３の諸収差図において、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像高比０．７５におけるコマ収差、（ｃ）は像高比１におけるコマ収差、（ｄ）は歪曲収差、（ｅ）は非点収差、（ｆ）は倍率収差を示す。以下同じ。

後記する実施例１の数値データにおいて、第４面〜第６面は両凹負レンズと両凸正レンズの接合レンズからなる負のレンズ群１１０、第７面〜第１１面は凸平正レンズと、両凸正レンズと物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１４面〜第１５面は両凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１３面、第１６面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１７面〜第１８面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１２面〜第１３面はフィルター群２２０であって、ここにはモアレ除去のための水晶フィルターの他、色補正のための赤外カットフィルター、さらにはＬＤカット、ＹＡＧカット等の特定波長のレーザー光をカットするコーティングを施したフィルター等が挿入されていてよい。これは、以下の実施例でも同様であって、特に明記はしない。

＜実施例２＞
実施例２のレンズ断面図を図５に示し、その諸収差図を図１４に示す。後記する実施例２の数値データにおいて、第４面〜第５面は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる負のレンズ群１１０、第６面〜第１２面は物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと、両凸正レンズと物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１５面〜第１６面は平凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１４面、第１７面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１８面〜第１９面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１３面〜第１４面はフィルター群２２０である。

＜実施例３＞
実施例３のレンズ断面図を図６に示し、その諸収差図を図１５に示す。後記する実施例３の数値データにおいて、第４面〜第６面は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズの接合レンズから負のレンズ群１１０、第７面〜第１０面は両凸正レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１３面〜第１４面は凹平負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１２面、第１５面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１６面〜第１７面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１１面〜第１２面はフィルター群２２０である。

＜実施例４＞
実施例４のレンズ断面図を図７に示し、その諸収差図を図１６に示す。後記する実施例４の数値データにおいて、第４面〜第５面は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズから負のレンズ群１１０、第６面〜第１２面は両凸正レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、両凸正レンズと物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１５面〜第１６面は両凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１４面、第１７面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１８面〜第１９面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１３面〜第１４面はフィルター群２２０である。

＜実施例５＞
実施例５のレンズ断面図を図８に示し、その諸収差図を図１７に示す。後記する実施例５の数値データにおいて、第４面〜第６面は両凹負レンズと両凸正レンズの接合レンズからなる負のレンズ群１１０、第７面〜第１３面は両凸正レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、両凸正レンズと両凹負レンズの接合レンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１６面〜第１７面は凹平負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１５面、第１８面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１９面〜第２０面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１４面〜第１５面はフィルター群２２０である。

＜実施例６＞
実施例６のレンズ断面図を図９に示し、その諸収差図を図１８に示す。後記する実施例６の数値データにおいて、第４面〜第５面は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズから負のレンズ群１１０、第６面〜第１３面は両凹負レンズと両凸正レンズの接合レンズと、両凸正レンズと物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１６面〜第１７面は両凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１５面、第１８面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１９面〜第２０面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１４面〜第１５面はフィルター群２２０である。

＜実施例７＞
実施例７のレンズ断面図を図１０に示し、その諸収差図を図１９に示す。後記する実施例７の数値データにおいて、第４面〜第６面は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズの接合レンズからなる負のレンズ群１１０、第７面〜第１２面は凸平正レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１５面〜第１６面は両凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１４面、第１７面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１８面〜第１９面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１３面〜第１４面はフィルター群２２０である。
＜実施例８＞
実施例８のレンズ断面図を図１１に示し、その諸収差図を図２０に示す。後記する実施例８の数値データにおいて、第４面〜第５面は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる負のレンズ群１１０、第６面〜第１２面は両凸正レンズと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズの接合レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１５面〜第１６面は平凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１４面、第１７面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１８面〜第１９面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１３面〜第１４面はフィルター群２２０である。

＜実施例９＞
実施例９のレンズ断面図を図１２に示し、その諸収差図を図２１に示す。後記する実施例９の数値データにおいて、第４面〜第６面は凹平負レンズと平凸正レンズの接合レンズから負のレンズ群１１０、第７面〜第１０面は両凸正レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズとからなる正のレンズ群１２０であり、固体撮像素子のカバーガラス２３０の前に配置された第１３面〜第１４面は両凹負レンズからなる負のパワーのフィールドレンズ１３０であり、これによって負の斜入射特性が実現されている。光線束の径を決定する絞り１００が第３面、フレア絞り３１０ａ、３１０ｂが第１２面、第１５面に配置されている。第１面〜第２面はカバーガラス２１０、第１６面〜第１７面は固体撮像素子のカバーガラス２３０である。大きく厚さを設けた平行平板とした第１１面〜第１２面はフィルター群２２０である。

以下に、上記実施例１〜９の数値データを以下に示す。各表において、前記の他、“Ｆｎｏ”はＦ値、“ＴＬ”は第１面〜最終面までの全長であり、“ｆ”、“ｔｗ”、“ｈ”は前記の通りである。

実施例１
Ｆｎｏ＝2.286 ＴＬ＝20.538
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-6.282 ｈ＝0.743
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0446 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9661
3 （絞り） ∞ 0.4954
4 -4.7815 1.3032 1.88300 40.76
5 10.6356 2.7926 1.78800 47.37
6 -6.6194 0.4654
7 11.1207 2.0686 1.72916 54.68
8 ∞ 0.4137
9 8.0385 2.9994 1.78800 47.37
10 -6.3247 0.9619 1.84666 23.78
11 -29.1193 1.3032
12 ∞ 1.9229 1.54869 45.56
13 ∞ 0.2068
14 -4.5902 0.9515 1.69895 30.13
15 4.5902 0.1758
16 ∞ 0.3020
17 ∞ 1.1643 1.51633 64.14
18 ∞ 。

実施例２
Ｆｎｏ＝2.062 ＴＬ＝21.298
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-8.829 ｈ＝0.749
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0515 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9793
3 （絞り） ∞ 0.4985
4 -3.5752 2.1562 1.88300 40.76
5 -7.1040 0.8329
6 -42.5677 1.7640 1.72916 54.68
7 -6.4995 0.5205
8 11.9109 2.0822 1.51633 64.14
9 -6.5107 1.1981 1.84666 23.78
10 -15.7368 0.5205
11 7.0151 1.7883 1.88300 40.76
12 10.4709 1.4575
13 ∞ 2.5704 1.54869 45.56
14 ∞ 0.2082
15 ∞ 1.0186 1.80518 25.42
16 3.3613 0.1770
17 ∞ 0.3019
18 ∞ 1.1719 1.51633 64.14
19 ∞ 。

実施例３
Ｆｎｏ＝2.084 ＴＬ＝18.164
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-9.327 ｈ＝0.744
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0383 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9541
3 （絞り） ∞ 0.4926
4 -3.6085 2.1007 1.84666 23.78
5 -16.0285 1.4383 1.51633 64.14
6 -5.1216 0.0000
7 14.5096 1.7477 1.78800 47.37
8 -17.6939 0.4112
9 4.6014 1.5002 1.58913 61.14
10 17.3934 2.1819
11 ∞ 2.5382 1.54869 45.56
12 ∞ 0.2056
13 -2.9201 0.9252 1.92286 18.90
14 ∞ 0.1748
15 ∞ 0.2981
16 ∞ 1.1572 1.51633 64.14
17 ∞ 。

実施例４
Ｆｎｏ＝2.282 ＴＬ＝19.977
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-10.072 ｈ＝0.746
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0463 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9694
3 （絞り） ∞ 0.4962
4 -4.4012 1.8647 1.84666 23.78
5 -28.9017 0.0000
6 25.4756 2.8293 1.80518 25.42
7 -9.0827 0.4558
8 7.7197 2.3021 1.77250 49.60
9 161.5536 0.0000
10 7.4096 2.6680 1.58913 61.14
11 -5.9039 1.0046 1.92286 18.90
12 -52.2869 0.9841
13 ∞ 1.9260 1.54869 45.56
14 ∞ 0.2279
15 -3.9020 0.8288 1.76182 26.52
16 12.3344 0.1772
17 ∞ 0.0300
18 ∞ 1.1662 1.51633 64.14
19 ∞ 。

実施例５
Ｆｎｏ＝2.323 ＴＬ＝18.757
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-10.078 ｈ＝0.736
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0272 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9329
3 （絞り） ∞ 0.4877
4 -3.8800 1.1187 1.84666 23.78
5 16.1481 1.8307 1.58913 61.14
6 -12.9749 0.1526
7 134.6161 1.2713 1.80518 25.42
8 -6.9543 0.3946
9 6.5208 1.5256 1.77250 49.60
10 33.9136 0.1424
11 6.4313 2.4409 1.58913 61.14
12 -18.4720 0.9863 1.92286 18.90
13 11.6383 0.9662
14 ∞ 1.8909 1.54869 45.56
15 ∞ 0.2237
16 -2.6776 0.8136 1.76182 26.52
17 ∞ 0.1729
18 ∞ 0.2339
19 ∞ 1.1449 1.51633 64.14
20 ∞ 。

実施例６
Ｆｎｏ＝2.085 ＴＬ＝21.456
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-9.532 ｈ＝0.741
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0376 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9526
3 （絞り） ∞ 0.4923
4 -3.1941 2.0291 1.88300 40.76
5 -5.9542 0.4109
6 -42.9254 0.9691 1.84666 23.78
7 43.0953 1.6708 1.51633 64.14
8 -5.7855 0.4995
9 14.4667 2.2659 1.71999 50.23
10 -13.6149 1.2327 1.92286 18.90
11 -18.6917 0.4109
12 4.9273 1.6033 1.72916 54.68
13 6.3516 1.4382
14 ∞ 2.5365 1.54869 45.56
15 ∞ 0.2054
16 -6.7710 1.0726 1.92286 18.90
17 5.4060 0.1746
18 ∞ 0.2979
19 ∞ 1.1564 1.51633 64.14
20 ∞ 。

実施例７
Ｆｎｏ＝2.297 ＴＬ＝18.710
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-9.887 ｈ＝0.747
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0396 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9566
3 （絞り） ∞ 0.4932
4 -3.9290 1.1806 1.92286 18.90
5 -11.6470 2.0064 1.71999 50.23
6 -5.5873 0.8749
7 9.2798 1.4776 1.69680 55.53
8 ∞ 0.1441
9 6.3469 1.9042 1.58913 61.14
10 12.8757 0.5661
11 7.5052 0.9264 1.76182 26.52
12 17.3161 1.6057
13 ∞ 1.9136 1.54869 45.56
14 ∞ 0.2265
15 -3.1727 0.8235 1.76182 26.52
16 15.7734 0.1750
17 ∞ 0.2368
18 ∞ 1.1587 1.51633 64.14
19 ∞ 。

実施例８
Ｆｎｏ＝2.084 ＴＬ＝20.456
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-7.843 ｈ＝0.745
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0416 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9603
3 （絞り） ∞ 0.8550
4 -2.6297 2.1657 1.88300 40.76
5 -3.8958 0.1238
6 21.3456 1.5953 1.75500 52.32
7 -8.2737 1.2197
8 -4.8226 0.5156 1.92286 18.90
9 -9.2814 1.1035 1.58913 61.14
10 -5.4769 1.0835
11 8.7735 1.8839 1.71999 50.23
12 82.3879 1.4438
13 ∞ 2.5464 1.54869 45.56
14 ∞ 0.2062
15 ∞ 1.0767 1.92286 18.90
16 4.2832 0.1753
17 ∞ 0.2990
18 ∞ 1.1610 1.51633 64.14
19 ∞ 。

実施例９
Ｆｎｏ＝2.285 ＴＬ＝19.090
ｆ＝7.000 ｔｗ＝-12.107 ｈ＝0.747
Ｎｏｒｄｎd ｖd
1 ∞ 1.0406 1.51633 64.15
2 ∞ 1.9585
3 （絞り） ∞ 0.4936
4 -3.4333 1.1818 1.92286 18.90
5 ∞ 2.5100 1.75500 52.32
6 -5.2979 0.8964
7 10.6062 1.9885 1.76182 26.52
8 -36.0611 0.2576
9 4.9313 1.9061 1.58913 61.14
10 17.7581 2.3182
11 ∞ 1.9155 1.54869 45.56
12 ∞ 0.2267
13 -2.7237 0.8243 1.76182 26.52
14 5.8547 0.1752
15 ∞ 0.2370
16 ∞ 1.1598 1.51633 64.14
17 ∞ 。

上記実施例１〜９の条件（１）〜（３）に関する値を次に示す。条件（２）における画素ピッチｐは、０．０１とした。

実施例条件(1) 左辺条件(2) 左辺条件(2) 右辺｜φ_n｜／φ_p φ_p／φ_f
１ 1.645 0.007 0.060 0.149 0.512
２ 1.436 0.006 0.054 0.482 0.754
３ 1.541 0.007 0.056 0.326 0.592
４ 1.647 0.005 0.060 0.652 0.920
５ 1.680 0.007 0.063 0.653 0.932
６ 1.577 0.008 0.056 0.436 0.597
７ 1.626 0.006 0.061 0.211 0.576
８ 1.284 0.005 0.055 0.152 0.649
９ 2.009 0.011 0.061 0.279 0.412
。

上記各実施例は、各条件式を満足している。全ての実施例において、負のパワーのフィールドレンズが斜入射特性を実現させており、また、諸収差も良好に補正されている。

接眼部に取り付けて撮影を行うカメラヘッド光学系の概略構成図である。図１のカメラヘッド光学系において絞りの位置を変化させた場合の構成図である。本発明によるカメラヘッド光学系の概略構成図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例１のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例２のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例３のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例４のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例５のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例６のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例７のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例８のレンズ断面図である。本発明によるカメラヘッド光学系の実施例９のレンズ断面図である。実施例１の諸収差図である。実施例２の諸収差図である。実施例３の諸収差図である。実施例４の諸収差図である。実施例５の諸収差図である。実施例６の諸収差図である。実施例７の諸収差図である。実施例８の諸収差図である。実施例９の諸収差図である。

符号の説明

１０…ファイバースコープ（イメージガイドファイバー）
２０…接眼レンズ
３０…カメラヘッド
３１…絞り
３２…結像レンズ
３３…固体撮像素子
３４…負のパワーのフィールドレンズ
３５…光束の中心の光線（主光線）
１００…明るさ絞り
１１０…負のパワーのレンズ群
１２０…正のパワーのレンズ群
１３０…負のパワーのフィールドレンズ
１４０…結像面
２１０…カバーガラス
２２０…フィルター群
２３０…固体撮像素子のカバーガラス
３１０ａ、３１０ｂ…フレア絞り

Claims

内視鏡の接眼部に取り付けて撮影を行う結像レンズを備えたカメラヘッドの光学系において、負のパワーのフィールドレンズを用いたことを特徴とするカメラヘッド光学系。
前記結像レンズは次の条件式を満足することを特徴とする請求項１記載のカメラヘッド光学系。
ｆ・ｔａｎ（−ｔｗ）／ｈ＞１．０・・・（１）
ただし、ｆは結像レンズの焦点距離、ｈは撮像面上における最大像高、ｔｗは最大像高において斜光線束の中心の光線が撮像面に入射する角度である。
前記負のパワーのフィールドレンズが物体側から数えてｋ番目のレンズエレメントであるとき、前記結像レンズは次の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２記載のカメラヘッド光学系。
_k
｜Σ １／ｎ_iｆ_i｜≦（２Ｆ・ｐ）／（Ｆ²ｐ²＋ｈ²）・・・（２）
ⁱ⁼¹
ただし、ｎ_iはｉ番目のレンズエレメントの屈折率、ｆ_iはｉ番目のレンズエレメントの焦点距離、Ｆは結像レンズのＦ値、ｈは撮像面上における最大像高、ｐは撮像面上における撮像素子のピッチである。
物体側から像側に向かって、絞り−負のレンズ群−正のレンズ群−負のパワーのフィールドレンズの構成をとることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のカメラヘッド光学系。
前記負のレンズ群、正のレンズ群、負のパワーのフィールドレンズのそれぞれのパワーをφ_n、φ_p、φ_fとしたとき、
｜φ_n｜／φ_p＜φ_p／｜φ_f｜，φ_p／｜φ_f｜＜１・・・（３）
がそれぞれ満足されていることを特徴とする請求項４記載のカメラヘッド光学系。
前記負のレンズ群の内、最も物体側のレンズエレメントが物体側に凹面を向けたメニスカス形状であることを特徴とする請求項４又は５記載のカメラヘッド光学系。
前記正のレンズ群は、少なくとも一つの凸レンズと凹レンズとの接合レンズを含んでいることを特徴とする請求項４から６の何れか１項記載のカメラヘッド光学系。
前記正のレンズ群の内、最も像側のレンズエレメントが物体側に凸面を向けたメニスカス形状であることを特徴とする請求項４から７の何れか１項記載のカメラヘッド光学系。
前記負のパワーのフィールドレンズの前に、モアレ除去のためのフィルターを配置したことを特徴とする請求項４から８の何れか１項記載のカメラヘッド光学系。
前記モアレ除去のためのフィルターは、３枚の水晶板の接合であることを特徴とする請求項９記載のカメラヘッド光学系。
前記モアレ除去のためのフィルターは、少なくとも２枚の水晶板からなり、それぞれの水晶板の間にλ／４板の効果を持つ部材を挟んだことを特徴とする請求項９記載のカメラヘッド光学系。
前記λ／４板の効果を持つ部材は、前記モアレ除去のためのフィルターと同じ水晶であることを特徴とする請求項１１記載のカメラヘッド光学系。
前記λ／4 板の効果を持つ部材は、複屈折ポリマーであることを特徴とする請求項１１記載のカメラヘッド光学系。