JP3758801B2

JP3758801B2 - 内視鏡対物レンズ系

Info

Publication number: JP3758801B2
Application number: JP09917097A
Authority: JP
Inventors: 勝江口
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2017-04-16
Also published as: JPH10288736A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、内視鏡の対物レンズ系に関し、特にバックフォーカスを大きくする必要のある、固定撮像素子を使用する電子内視鏡用に好適な対物レンズ系に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
電子内視鏡の対物レンズ系は、病変等の見落としを防止し、作業性を向上させるために、広い視野角を要求され、同時に、レンズ系と固体撮像素子（ＣＣＤ）との間に、レンズ系と比較して相対的に厚いフィルター類やＣＣＤカバーガラスを配置するため、長いバックフォーカスを要求される。このため従来、前群が負、後群が正のレトロフォーカスタイプが用いられてきたが、このタイプはパワー配置が非対称形であるため、負の歪曲収差が大きくなるという欠点がある。そこで非球面を用いて、歪曲収差を小さくする手法がよく用いられている。
【０００３】
一方、歪曲収差を補正しすぎると、中心に対する周辺部の像面強度比が小さくなる。内視鏡は、ランプ光源をファイバー束で伝達し、その射出光を配光レンズで照明しているため、その配光特性は、中心部は強く周辺部は弱いような強度分布を持っている。また、絶対的な光量も不足気味である。このような照明下で、レンズの中心に対する周辺部の像面強度比が小さくなると、ますます周辺部が暗くなってしまい、観察に支障がでかねない。つまり、より良い光学性能を求めて歪曲収差を小さくすると、像面強度比の低下と、照明光の不均一な強度分布とよって、周辺部が暗くなるという現象が避けられなかった。このため従来、製品として使用可能な周辺光量を得るためには、歪曲収差をあまり小さくできなかった。
【０００４】
上述したように、非球面レンズを用いて、歪曲収差を小さくできることは公知であり、また、歪曲収差を補正するのに効果的な非球面の位置は、対物レンズ第１面または最終面であることもよく知られている。
【０００５】
しかし、非球面レンズだけに歪曲収差補正の役割をもたせても、あまり大きな効果はなく、無理に補正しようとすると、他の収差が大きくなり光学性能が悪くなってしまうか、または、非球面量が大きくなってしまうため、光軸近傍から周辺にかけての面形状の変化量が大きくなり、加工性が悪くなる。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、長いバックフォーカスを保ちながら従来よりも歪曲収差を低減すること、歪曲収差が低減されたときに、周辺部の像面強度比の低下をなるべく少なくすること、及び非球面の加工難易度を下げて、低コストの内視鏡対物レンズ系を得ることを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、第３レンズ群の最も物体側の面は、平面または凹面からなること；第３レンズ群の最も像側の面は、凸面からなり、該凸面は光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面からなること；及び下記の条件式（１）ないし（４）を満足すること；を特徴とする。
（１）０．８＜｜ｆ／ｆ ₁ ｜＜１．６（ｆ ₁ ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ ₂ ＜１．７
（３）−０．２＜ｆ／ｆ₃ ＜０．４
（４）｜Ｒ_asp ｜＞１．８
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ ₁ ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ ₂ ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ₃ ：第３レンズ群の焦点距離、
Ｒ_asp ：非球面の近軸曲率半径（ｍｍ）、
である。
【０００９】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、次の条件式（３）及び（４）を満足することが望ましい。
（３）０．８＜｜ｆ／ｆ₁ ｜＜１．６（ｆ₁ ＜０）
（４）０．９＜ｆ／ｆ₂ ＜１．７
但し、
ｆ₁ ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ₂ ：第２レンズ群の焦点距離、
である。
【００１０】
また、次の条件式（５）及び（６）を満足することが望ましい。
（５）-１５＜ｒ_a ／ｆ＜-０．６
（６）-２．０＜ｒ_b ／ｆ＜-０．８
但し、
ｒ_a ：第３レンズ群の最も物体側の面の曲率半径、
ｒ_b ：第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径、
である。
【００１１】
本発明の内視鏡対物レンズ系の第３レンズ群は、例えば、負と正の単レンズを接合したレンズから構成することができる。この場合、次の条件式（７）を満足することが好ましい。
（７）０．８＜ｒ_S ／ｆ＜２．０
但し、
ｒ_S ：接合面の曲率半径、
である。
【００１２】
さらに、次の条件式（８）を満足することが好ましい。
（８）０．１５＜ｄ_a ／ｆ＜０．７
但し、
ｄ_a ：第１レンズ群の最も物体側の面から明るさ絞りまでの距離、
である。
【００１４】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、さらに具体的には、第１レンズ群を負の単レンズから構成し、第２レンズ群を正の単レンズから構成し、第３レンズ群を両凹単レンズと両凸単レンズの接合レンズから構成することができる。あるいは、第１レンズ群と第２レンズ群は、同じ構成とした上で、第３レンズ群を正のメニスカス単レンズから構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の態様】
内視鏡対物レンズ系は、超広角であって且つある程度のテレセントリック性が必要である。このような光学系では、軸外光線はレンズ面を通過するときに光軸と平行となる方向に大きく曲げられ、負の歪曲収差が発生する。その歪曲度はほぼ像高の２乗に比例して大きくなる。歪曲収差の発生量を少なくするためには、軸外の光束をなめらかに曲げる必要がある。しかし、その為にレンズ枚数を増やすのではコストアップにつながるばかりでなく、コンパクト性（径は細く、全長は長くしたい）が失われしまうため、内視鏡対物レンズ系としては非現実的である。
【００１６】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、明るさ絞りと、全体として正のパワーを有する第２レンズ群と、近軸付近ではパワーがほとんどない第３レンズ群とからなり、第３レンズ群の最も物体側の面を平面または凹面とし、第３レンズ群の最も像側の面を、凸面でかつ光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面とすることにより、歪曲収差を補正している。
【００１７】
この構成により、歪曲収差を補正できる理由は次の通りである。まず、物体側から順に、負、正、弱パワーのレンズ構成において、弱パワーの第３レンズ群の物体側の面を平面または凹面とすると、この面で軸外光束が大きく曲げられることがない。上述のように、歪曲収差は、軸外光束が大きく曲げられることによって発生するから、第３レンズ群の第１面での歪曲収差の発生自体を小さくすることができる。
【００１８】
その上で、歪曲収差を補正するための非球面を、レンズ系最終面（第３レンズ群の最も像側の面）に配設している。上述のように、歪曲収差の補正は、対物レンズ系の第１面を非球面にすることで、行なうことができるが、第１面を非球面とすると、コマ収差や非点収差等の軸外収差のバランスが大きく崩れてしまう。また、周辺に向かうほど曲率がきつくなるため、加工性が悪くなる。これに対し、第３レンズ群の第１面での歪曲収差の発生自体を小さくした上で、第３レンズ群の最終面を非球面とし、しかもその非球面形状を光軸から離れるに従って曲率が緩くなる形状とすることにより、このような不具合を生じることなく、歪曲収差を補正することができる。つまり、第３レンズ群の第１面で発生する歪曲収差が軽減されるため、歪曲収差を補正する第３レンズ群最終面の非球面の負担が軽減される。また、無理に補正しないため、他のコマ収差や非点収差等が大きくなることはなく、結果的には結像性能が良くなる。
【００１９】
条件式（１）は、第１レンズ群のパワーに関するものである。条件式（１）の上限を越えると、バックフォーカスが長くなりすぎて、全長（レンズ第１面から像面までの距離）が長くなる。全長が長くなると、スコープ先端部の湾曲操作性が低下する。下限を越えると、広い視野角と長いバックフォーカスが得られなくなる。
【００２０】
条件式（２）は、第２レンズ群のパワーに関するものである。内視鏡の対物レンズ系は全体として正のパワーを持ち、第３レンズ群は弱パワーであるから、第３レンズ群のパワーが正であるとしても、第２レンズ群は、全体として正のパワーの対物レンズ系の中で正のパワー成分のほとんどを受け持つ。条件式（２）の上限を越えると、像面湾曲がアンダーになることに加えて、長いバックフォーカスが得られなくなる。下限を越えると、負の第１レンズ群とのバランスが崩れて、像面湾曲がオーバーとなる。
【００２１】
条件式（３）は、第３レンズ群のパワーに関するものである。条件式（３）の上限を越えると、第３レンズ群が比較的強い正のパワーを持つことで、レンズ射出角は小さくできるが、歪曲収差が大きくなってしまう。また、絞りから離れた位置で強いパワーを持つと、コマ収差や非点収差等の収差補正が難しくなる。下限を越えると、第３レンズ群が比較的強い負のパワーを持つこととなり、レンズ射出角が大きくなる。つまり、像面への入射角が大きくなり、ＣＣＤの受光感度が低下してしまう。
【００２２】
条件式（４）は、第３レンズ群の最も像側の凸面非球面の近軸曲率半径に関するものである。非球面レンズはプレス加工法が良く用いられる。非球面金型の製造のしやすさ、あるいはレンズ成形時に離型性の良さ等を考慮すると、曲率半径は条件式（４）を満足して大きい方が成形上有利である。
【００２３】
条件式（３）は、第１レンズ群のパワーに関するものである。条件式（３）の上限を越えると、バックフォーカスが長くなりすぎて、全長（レンズ第１面から像面までの距離）が長くなる。全長が長くなると、スコープ先端部の湾曲操作性が低下する。下限を越えると、広い視野角と長いバックフォーカスが得られなくなる。
【００２４】
条件式（４）は、第２レンズ群のパワーに関するものである。内視鏡の対物レンズ系は全体として正のパワーを持ち、第３レンズ群は弱パワーであるから、第３レンズ群のパワーが正であるとしても、第２レンズ群は、全体として正のパワーの対物レンズ系の中で正のパワー成分のほとんどを受け持つ。条件式（４）の上限を越えると、像面湾曲がアンダーになることに加えて、長いバックフォーカスが得られなくなる。下限を越えると、負の第１レンズ群とのバランスが崩れて、像面湾曲がオーバーとなる。
【００２５】
条件式（５）は、第３レンズ群の最も物体側の面の曲率半径に関するものである。条件式（５）の上限を越えて、この面の曲率半径が小さくなりすぎると、軸外光束に対して発散作用が大きくなるため、レンズ射出角が大きくなってしまう。下限を越えて、この凹面の曲率半径が大きくなりすぎると、この面で軸外光束が光軸方向に大きく曲げられてしまうので、歪曲収差が大きく発生してしまう。
【００２６】
条件式（６）は、第３レンズ群の最も像側の面（凸面）の曲率半径に関するものである。条件式（６）の上限を越えると、第３レンズ群の最も像側の凸面の曲率半径が小さくなり、歪曲収差が大きくなる。下限を越えると、第３レンズ群の最も像面側の凸面の曲率半径が大きくなり、レンズ射出角が大きくなってしまう。
【００２７】
条件式（７）は、第３レンズ群を正負の接合レンズとしたときの接合面の曲率半径に関するものである。条件式（７）の上限を越えると、倍率色収差が補正不足となる。下限を越えると、接合レンズを構成する正レンズの周縁の厚みが取れなくなる。
【００２８】
条件式（８）は、第１レンズ群最終面から明るさ絞りまでの距離に関するものである。条件式（８）の上限を越えて、第１レンズ群が絞りから離れすぎると、広角の内視鏡対物レンズ系においては、第１面の有効径が大きくなってしまう。第１レンズ群の外径が大きくなると、スコープ径が大きくなるだけでなく、洗浄性も悪化する。下限を越えると、瞳の収差を大きくすることができないので、像面強度比を大きくすることができない。
【００２９】
本発明の内視鏡対物レンズ系は、最も少ないレンズの構成枚数では、物体側から第１レンズ群を負レンズ１枚、第２レンズ群を正レンズ１枚、第３レンズ群を正のメニスカス単レンズで構成した３群３枚が可能である。あるいは、第３レンズ群を両凹レンズと両凸レンズの接合レンズとした３群４枚も可能である。
【００３０】
次に具体的な実施例について本発明を説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第１の実施例のレンズ構成図である。物体側から順に、１枚の負レンズからなる第１レンズ群１０、絞りＳ、１枚の正レンズからなる第２レンズ群２０、及び両凹単レンズ３０ｎと両凸単レンズ３０ｐとの接合レンズからなる第３レンズ群３０から構成されている。ＣＧは、ＣＣＤの撮像面に設けたカバーガラスである。表１は、このレンズ系（カバーガラスを含む）の数値データ、図２は、このレンズ系による諸収差図である。
【００３１】
以下の各表及び各図面において、F_NO はＦナンバー、f は全系の焦点距離、M は近軸横倍率、W は半画角、f_Bは空気換算バックフォーカス、R はレンズ各面の曲率半径、D はレンズ厚もしくはレンズ間隔、N はｄ線に対する屈折率、νはアッベ数を示す。ｄ線、ｇ線およびＣ線は、それぞれの波長における、球面収差によって示される色収差及び倍率色収差、Ｓはサジタル、Ｍはメリディオナルを示している。
また、回転対称非球面は次式で定義される。
x=Ch²/{1+[1-(1+K)C²h²]^1/2}+A4h⁴+A6h⁶+A8h⁸+・・・
（Ｃは曲率(1/r)、ｈは光軸からの高さ、Ｋは円錐係数)
【００３２】
【表１】

【００３３】
［実施例２］
図３は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第２の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表２は、このレンズ系の数値データ、図４は、このレンズ系による諸収差図である。
【００３４】
【表２】

【００３５】
［実施例３］
図５は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。基本的なレンズ構成は、実施例１と同じである。表３は、このレンズ系の数値データ、図６は、このレンズ系による諸収差図である。
【００３６】
【表３】

【００３７】
［実施例４］
図７は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第４の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。レンズ構成は、実施例１と同じである。表４は、このレンズ系の数値データ、図８は、このレンズ系による諸収差図である。
【００３８】
【表４】

【００３９】
［実施例５］
図９は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第５の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。第３レンズ群３０が、正メニスカス単レンズで構成されている点が各実施例と異なる。表５は、このレンズ系の数値データ、図１０は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４０】
【表５】

【００４１】
［実施例６］
図１１は、本発明の内視鏡対物レンズ系の第６の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。レンズ構成は、実施例５と同じである。表６は、このレンズ系の数値データ、図１２は、このレンズ系による諸収差図である。
【００４２】
【表６】

【００４３】
表７に実施例１ないし６の各条件式の値を示す。
【表７】

【００４４】
表７から明らかなように、各実施例は条件式（１）ないし（８）を満たしている。各収差はよく補正され、特に歪曲収差がよく補正されている。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の内視鏡対物レンズ系によれば、従来よりも歪曲収差を低減することができ、歪曲収差が低減されても、周辺部の像面強度比の低下を少なくすることができる。また非球面の加工難易度を下げて、低コストの内視鏡対物レンズ系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内視鏡対物レンズ系の第１の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図２】図１のレンズ系の諸収差図である。
【図３】本発明の内視鏡対物レンズ系の第２の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図４】図３のレンズ系の諸収差図である。
【図５】本発明の内視鏡対物レンズ系の第３の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図６】図５のレンズ系の諸収差図である。
【図７】本発明の内視鏡対物レンズ系の第４の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図８】図７のレンズ系の諸収差図である。
【図９】本発明の内視鏡対物レンズ系の第５の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図１０】図９のレンズ系の諸収差図である。
【図１１】本発明の内視鏡対物レンズ系の第６の実施例のレンズ構成図（カバーガラスを含む）である。
【図１２】図１１のレンズ系の諸収差図である。
【図１３】歪曲収差と視野角の関係例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０第１レンズ群
Ｓ明るさ絞り
２０第２レンズ群
３０第３レンズ群

Claims

物体側から順に、負のパワーを有する第１レンズ群と；明るさ絞りと；正のパワーを有する第２レンズ群と；第３レンズ群と；から構成される内視鏡対物レンズ系において、
第３レンズ群の最も物体側の面は、平面または凹面からなること；
第３レンズ群の最も像側の面は、凸面からなり、該凸面は光軸から離れるに従って曲率が緩くなる非球面からなること；及び
下記の条件式（１）ないし（４）を満足すること；
を特徴とする内視鏡対物レンズ系。
（１）０．８＜｜ｆ／ｆ ₁ ｜＜１．６（ｆ ₁ ＜０）
（２）０．９＜ｆ／ｆ ₂ ＜１．７
（３）-０．２＜ｆ／ｆ₃ ＜０．４
（４）｜Ｒ_asp ｜＞１．８
但し、
ｆ：レンズ全系の焦点距離、
ｆ ₁ ：第１レンズ群の焦点距離、
ｆ ₂ ：第２レンズ群の焦点距離、
ｆ₃ ：第３レンズ群の焦点距離、
Ｒ_asp ：非球面の近軸曲率半径（ｍｍ）。
請求項１記載の内視鏡対物レンズ系において、さらに、下記条件式（５）及び（６）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（５）-１５＜ｒ_a ／ｆ＜-０．６
（６）-２．０＜ｒ_b ／ｆ＜-０．８
但し、
ｒ_a ：第３レンズ群の最も物体側の面の曲率半径、
ｒ_b ：第３レンズ群の最も像側の面の曲率半径。
請求項１または２記載の内視鏡対物レンズ系において、第３レンズ群は、正の単レンズと負の単レンズの接合レンズであり、下記の条件式（７）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（７）０．８＜ｒ_S ／ｆ＜２．０
但し、
ｒ_S ：接合面の曲率半径。
請求項１ないし３のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、下記の条件式（８）を満足する内視鏡対物レンズ系。
（８）０．１５＜ｄ_a ／ｆ＜０．７
但し、
ｄ_a ：第１レンズ群の最も物体側の面から明るさ絞りまでの距離。
請求項１ないし４のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は両凹単レンズと両凸単レンズとの接合レンズからなる内視鏡対物レンズ系。
請求項１ないし５のいずれか１項記載の内視鏡対物レンズ系において、第１レンズ群は負の単レンズからなり、第２レンズ群は正の単レンズからなり、第３レンズ群は正のメニスカス単レンズからなる内視鏡対物レンズ系。