KR101725982B1

KR101725982B1 - 내시경용 촬영 렌즈계

Info

Publication number: KR101725982B1
Application number: KR1020140160412A
Authority: KR
Inventors: 김성우; 송원국; 송경애; 신민선
Original assignee: 주식회사 엠지비엔도스코피; 주식회사 현주인테크
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2017-05-15
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: KR20160058651A

Abstract

내시경용 촬영 렌즈계를 개시한다. 본 발명의 내시경용 촬영 렌즈계는 물체측으로부터 상측으로부터 순차적으로, 부의 굴절력을 갖고 양 오목이며 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제1렌즈와, 정의 굴절력을 갖고 물체측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제2렌즈와, 조리개와, 정의 굴절력을 갖고 상측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제3렌즈와, 상측의 면이 오목한 메니스커스이며 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈;을 포함하는 것으로, 다음의 조건을 만족한다.

Description

내시경용 촬영 렌즈계{Imaging Lens System for Endoscope}

이 발명은 내시경용 촬영 렌즈계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 의료 검진, 진단 및 치료에 널리 사용되는 내시경에 적용되는 대물렌즈로서 성능이 우수하면서 제조가 간단하고 재료비가 저렴하여서 1회용으로 사용한 내시경용 촬영 렌즈계에 관한 것이다.

내시경술은 내부 장기에 문제가 있는 환자에 대해서 절개 없이 실시간 영상을 통해서 검진, 진단, 치료가 가능하고 부작용이 적으며 회복시간이 짧다는 장점을 가지고 있다. 의사에게 있어서도 직접 눈으로 문제 부위에 대한 확인 및 조직 채취가 가능하고 유연한 동작이 가능하다.

이러한 장점으로 내시경은 다양한 의료기관에서 사용된다. 내시경 사용에 있어서 문제점으로 지적되어 온 것이 있다.

첫 번째는 내시경의 지름을 줄이는 것이다. 내시경의 지름을 줄여서 환자가 느끼는 이물감을 줄이는 것은 의료서비스의 질을 향상시키는 최선의 방법이다.

두 번째로는 재사용의 문제이다. 내시경은 환자의 내부 장기에 들어갔다가 나오는 것이기 때문에 철저한 소독이 있어야 재사용에 대한 거부감이 없다는 것이다. 내시경 앞부분에 장착되는 대물렌즈를 저렴한 가격으로 제작한다면 사용의 횟수를 줄여서 좀 더 안전한 진료가 가능하다.

이미지센서의 소형화 및 영상전송에 대한 기술의 발전은 새로운 형태의 내시경 시스템을 가져왔다. 광파이버나 릴레이 렌즈를 사용하여서 결상된 상을 전달하는 방식에서 대물렌즈에 의해서 결상된 상이 이미지센서에 바로 맺히게 되었고 이미지센서의 픽셀사이즈가 줄어들면서 내시경의 지름은 현저하게 줄어들었다. 이에 대물렌즈는 BFL(Back Focal Length)이 짧아지고 CRA(Chief Ray Angle)는 커야하며 높은 해상도를 가져야만 작아진 이미지센서의 픽셀사이즈에 대응이 가능하다.

US 4,444,529 US 4,984, 878은 광파이버 또는 릴레이 렌즈를 이용하여서 결상된 이미지를 전달하는 방식의 대물렌즈이다.

US 5,579,174 US 7,502,182 US 7,885,017는 색수차의 보정을 위해서 접합렌즈를 채용하고 있다. 접합렌즈에서 부의 굴절력을 갖는 렌즈는 아베수가 낮고 굴절률이 높으며 정의 굴절력을 갖는 렌즈는 아베수가 높고 굴절률이 낮은 소재로 구성이 되어 있다. 이러한 방식은 색수차의 보정효과가 좋은 장점이 있으나 내시경 대물렌즈에 사용되는 소형 렌즈를 접합하는 것은 생산성이 떨어지고 비용이 증가하는 단점을 피할 수 없다.

US 5,703,724는 후초점거리(Back Focal Length, BFL)이 길고, 주광선각(Chief Ray length, CRA)이 작은 값을 갖는 구조로서 최근의 경향과는 맞지 않는다.

US 4,444,529 US 4,984,878 US 5,579,174 US 5,703,724 US 7,502,182 US 7,885,017

본 발명은 상기 문제점을 포함한 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로, 접합렌즈를 사용하지 않으면서도, 색수차를 효과적으로 제거할 수 있는 구조를 갖는 내시경용 촬영 렌즈계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 후초점거리(BFL)가 짧은 동시에, 주광선각도(CRA)가 큰 구성을 갖는 내시경용 촬영 렌즈계를 제공하는 것이다.

본 발명의 내시경용 촬영 렌즈계는 물체측으로부터 상측으로부터 순차적으로, 제1렌즈, 제2렌즈, 조리개, 제3렌즈, 및 제4렌즈를 포함한다.

제1렌즈는 부의 굴절력을 갖고 양 오목이며 적어도 한 면은 비구면을 갖는다. 제2렌즈는 정의 굴절력을 갖고 물체측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는다. 제3렌즈는 정의 굴절력을 갖고 상측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는다. 제4렌즈는 상측의 면이 오목한 메니스커스이며 부의 굴절력을 갖는다. 이 경우, 조건식 1을 만족한다.

(조건식1)

여기서, R3는 제2렌즈의 물체측 곡률반경, R6는 제3렌즈의 상측 곡률반경이다.

f1은 제1렌즈의 초점거리, f2는 제2렌즈의 초점거리, f3은 제3렌즈의 초점거리, f4는 제4렌즈의 초점거리라 할 때, (조건식2)를 만족하는 것이 바람직하다.

(조건식2)

이 경우, 상기 제1렌즈는 적어도 한 면은 변곡점을 포함한 비구면을 갖으며 (조건식3)을 만족하는 것이 바람직하다.

여기서, Vd1은 제1렌즈의 아베수이며 Vd2는 제2렌즈의 아베수이다.

이 경우, 상기 제1렌즈, 상기 제3렌즈, 및 상기 제4렌즈는 모두 동일한 아베수를 가지는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.

이와 달리, 상기 제1렌즈와 제3렌즈는 동일한 아베수를 가지는 플라스틱 소재로 이루어지고, 상기 제2렌즈와 제4렌즈는 각각 동일한 아베수를 가지는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면 후초점거리를 줄임과 동시에, 주광선각도가 크다. 이에 따라서 이미지 센서와의 거리가 줄어들고 주변광량의 손실을 최소화함으로써 고해상도 소형 센서에 대응이 된다.

또한, 광각이면서도 접합렌즈가 불필요하여 생산성이 향상된다. 이에 따라서 제작비용이 저감되고, 내시경용 대물렌즈를 보다 자주 교체 사용 가능하여서 보다 안전한 진료가 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 내시경용 촬영 렌즈계의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 내시경용 촬영 렌즈계의 구성도이다.
도 3은 도 1의 구성을 가진 내시경용 촬영 렌즈계의 수차도이다.
도 4는 도 2의 구성을 가진 내시경용 촬영 렌즈계의 수차도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 내시경용 촬영 렌즈계를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 내시경용 촬영 렌즈계의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 내시경용 촬영 렌즈계의 구성도이다. 이 경우, R1, R2, R3......는 각각 렌즈의 물체측/상측 면의 곡률반경을 나타낸다.

도 1에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내시경용 촬영 렌즈계는, 물체측으로부터 상(image) 측으로 순서적으로 제1렌즈, 제2렌즈, 조리개, 제3렌즈, 제4렌즈를 포함한다.

제1렌즈(L1)는 부의 굴절력을 갖고 양 오목이며 적어도 한 면은 비구면을 갖는다.

제2렌즈(L2)는 정의 굴절력을 갖고 물체측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는다.

제3렌즈(L3)는 정의 굴절력을 갖고 상측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는다.

제4렌즈(L4)는 상측의 면이 오목한 메니스커스이며 부의 굴절력을 갖는다.

제4렌즈(L4)와 상면(Si) 사이에는 필터(filter)(F)와 같은 광학 부재가 더 포함될 수 있다.

이 경우, R3는 제2렌즈의 물체측 곡률반경, R6는 제3렌즈의 상측 곡률반경, f1은 제1렌즈의 초점거리, f2는 제2렌즈의 초점거리, f3은 제3렌즈의 초점거리, f4는 제4렌즈의 초점거리라 할 때, 본 발명의 내시경용 촬영 렌즈계는 다음과 같은 조건식을 갖는다.

(조건식 1)

(조건식2)

조리개는 제2렌즈와 제3렌즈에 사이에 위치한다. 이에 따라서 제1렌즈와 제2렌즈에 의한 하광선 비네팅 효과와 제3렌즈와 제4렌즈에 의한 상광선 비네팅 효과를 얻을 수가 있으며 이는 획득한 영상의 주변부 성능을 개선해 준다.

제4렌즈의 메니스커스 형태는 주변광량을 높이기 위해서 이미지 상고에 따른 주광선각도(CRA)를 맞추어 주는 역할을 한다. 또한, 상기 제4렌즈는 다른 렌즈에 비해서 작은 굴절력을 가지며, 이에 따라 획득한 영상의 중심과 주변의 포커스 위치를 맞추어 주는 역할도 수행한다.

본 발명에 따른 내시경용 촬영 렌즈계는, 조리개를 중심으로 렌즈의 굴절력의 방향이 서로 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 조리개보다 물측에 위치한 제1렌즈는 부의 굴절력을 가지고, 제2렌즈는 정의 굴절력을 가진다. 또한, 조리개보다 상측에 위치한 제3렌즈는 정의 굴절력을 가지고, 제4렌즈는 부의 굴절력을 가진다. 이렇게 굴절력의 방향이 조리개를 중심으로 대칭이 된다면, 왜곡이나 배율색수차에 대한 보정이 효율적으로 이루어지기 때문에 광각렌즈에 적합한 구조가 된다. 예를 들어, 제1, 2, 3 4렌즈의 굴절력이 부(-), 정(+), 정(+), 부(-) 값을 가질 수 있다.

이 경우, (조건식 1)과 같이 제2렌즈의 물체측 곡률반경과 제3렌즈의 상측 곡률반경의 비가 0.5와 0.9 사이에 들어오면 조리개를 중심으로 좌우대칭의 특성이 남아 있어서 왜곡이나 배율색수차의 보정에 유리해서 기존의 내시경 대물렌즈에서 채용되던 접합렌즈 대체가 가능하여 제조비용의 절감효과가 있다.

(조건식 2)와 같이 제1렌즈에서 제4렌즈로 갈수록 초점거리가 커지게 된다. 이는 다시 말하면, 제1렌즈에서 제4렌즈로 갈수록 굴절력이 작아지게 된다. 굴절력이 상측으로 갈수록 작아지게 되면, 후초점거리(BFL, Back Focal Length)가 줄어들어서 렌즈를 소형화하면서 효과적으로 수차를 보정하는 것이 가능하게 된다.

제1렌즈는 초점거리가 짧을수록 굴절력이 커서 광각형태의 광학계를 구성하기가 쉽게 된다. 제1렌즈에 비해서 약간 늘어난 초점거리를 가지는 제2렌즈와 제3렌즈를 조리개를 중심으로 대칭으로 배치하여서 수차를 보정하면서 전체적으로 양의 굴절력을 갖도록 하여서 결상이 되도록 한다. 제4렌즈는 거의 굴절력이 없이 상면에서의 중심과 주변의 미세한 포커스 조정을 하게 된다. 이에 따라서 본 발명의 내시경용 촬영 렌즈계는 소형이면서도 고해상도를 가질 수 있다.

한편, 상기 제1렌즈는 적어도 한 면은 변곡점을 포함한 비구면을 갖으며 다음의 (조건식3)을 만족하는 것이 바람직하다.

(조건식3)

이 경우, 상기 제1렌즈, 상기 제3렌즈, 및 상기 제4렌즈는 모두 동일한 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 제1렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈의 아베수는 동일하고, 제2렌즈는 상기 제1, 3, 4렌즈보다 아베수가 작을 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈의 굴절률은 동일하고, 제2렌즈는 상기 제1, 3, 4렌즈보다 굴절률이 클 수 있다.

이와 달리, 상기 제1렌즈와 제3렌즈는 동일한 플라스틱 소재로 이루어지고, 상기 제2렌즈와 제4렌즈는 각각 동일한 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 제1렌즈 및 제3렌즈의 아베수가 동일하고, 제2렌즈 및 제3렌즈의 아베수가 동일하며, (제3조건식)에 기재된 바와 같이 제1렌즈의 아베수가 제2렌즈의 아베수보다 크므로 제1, 3렌즈의 아베수가 제2, 4렌즈의 아베수보다 작다. 다시 말하면, 상기 제1렌즈 및 제3렌즈의 굴절률이 동일하고, 제2렌즈 및 제3렌즈의 굴절률이 동일하며, 제1, 3렌즈의 굴절률이 제2, 4렌즈의 굴절률보다 작다.

본 발명의 실시예에 나오는 비구면의 정의를 나타내면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 비구면 형상은 광축 방향을 z축으로 하고, 광축 방향에 대해 수직한 방향을 h축으로 할 때, 광선의 진행 방향을 정으로 하여 다음과 같은 수학식1로 나타낼 수 있다. 여기서, z는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를, h는 광축에 대해 수직한 방향으로의 거리를, k는 코닉 상수(conic constant)를, A4, A6, A8, A10, A12, A14 는 비구면 계수를 나타낸다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 소형 촬영 렌즈계의 설계 데이터를 살펴본다.

표 1은 도 1에 도시된 내시경용 촬영 렌즈계의 설계 데이터를 나타내고, 표 2는 비구면 데이터를 나타낸다. 표 1에서 곡률반경은 도 1에서의 R1, R2, …로 표시되는 것이다.

실시예 1

면번호	곡률반경	두께, 거리	굴절률(nd)	아베수(vd)
0	Infinity	10.000
1*	-0.7366	0.300	1.531	55.7
2	0.7910	0.240
3*	0.5181	0.570	1.642	22.4
4	17.3780	0.100
Stop	Infinity	0.140
6*	8.9872	0.590	1.531	55.7
7	-0.7050	0.100
8	4.5630	0.300	1.642	22.4
9	3.4580	0.370
10	Infinity	0.300
11	Infinity	0.101
12	Infinity	-0.001

(초점거리 0.80mm, F 4.8, 화각 120°)

*는 비구면을 나타냄

실시예1에 대한 촬영 렌즈의 비구면 계수

	1면	3면	6면
k	-9.826435	-0.726603	0.000000
A4	0.232104E+00	-.137149E+01	-.329108E+01
A6	-.241334E+00	0.286144E+01	0.373732E+02
A8	0.145345E+00	-.554155E+01	-.408955E+03
A10	-.359467E-01	0.113932E+01	0.138722E+04

도 3은 도 1에 도시된 소형 촬영 렌즈계의 렌즈계(100)의 종방향 구면 수차(longitudinal spherical aberration), 비점 수차(astigmatism) 및 왜곡(distortion)을 보여준다.

종방향 구면 수차 및 비점수차는 약 656.27nm, 587.56nm, 546.07nm, 486.13nm의 파장을 갖는 빛에 대하여 도시되었으며, 비점수차 및 왜곡은 486.13nm의 빛에 대하여 도시되었다.

표 3은 도 2에 도시된 소형 촬영 렌즈계의 설계 데이터를 나타내고, 표 4는 비구면 데이터를 나타낸다. 표 3에서 곡률반경은 도 2에서의 R1, R2, …로 표시되는 것이고, 두께 또는 거리는 도 2에서 D1, D2, …로 표시되는 것이다.

실시예 2

면번호	곡률반경	두께, 거리	굴절률(nd)	아베수(vd)
0	Infinity	10.000
1*	-1.7659	0.300	1.531	55.7
2	0.4770	0.260
3*	0.5686	0.460	1.642	22.4
4	23.2620	0.100
Stop	Infinity	0.160
6*	3.3508	0.470	1.531	55.7
7	-0.6690	0.100
8	6.2600	0.300	1.531	55.7
9	4.5530	0.200
10	Infinity	0.300
11	Infinity	0.300
12	Infinity	0.000

(초점거리 0.75mm, F 4.8, 화각 120°)

*는 비구면을 나타냄

실시예2에 대한 촬영 렌즈의 비구면 계수

	1면	3면	6면
k	-52.457908	-0.494428	0.000000
A4	0.221446E+00	-.953197E+00	-.283511E+01
A6	-.186305E+00	0.623286E+01	0.292433E+02
A8	0.100033E+00	-.197179E+02	-.272465E+03
A10	-.190654E-01	0.371146E+02	0.958850E+03

도 4는 도 2에 도시된 내시경용 촬영 렌즈계의 렌즈계(100)의 종방향 구면 수차(longitudinal spherical aberration), 비점 수차(astigmatism) 및 왜곡(distortion)을 보여준다.

다음의 표 5는 조건식 1 내지 3에 따른 각 실시예별 수치를 나타낸다.

조건식에 따른 실시예의 계산 값

조건식	실시예1	실시예2
0.5< R3/\|R6\| <0.9 \|f1\|<\|f2\|<\|f3\|<\|f4\| Vd1 > Vd2	0.5< 0.735 <0.9 0.67<0.82<1.26<24.9 55.7>22.4	0.5< 0.85 <0.9 0.68<0.90<1.09<33.5 55.7>22.4

실시예1에서 굴절률(nd)는, 제1, 2, 3, 4렌즈가 각각 1.531, 1.642, 1.531, 1.642로서 제1, 3렌즈가 동일하고, 제2, 4렌즈가 동일하다. 이 경우, 상기 제1, 3 렌즈의 굴절률이 제2, 4렌즈보다 작다. 또한, 아베수(Vd)는, 제1, 2, 3, 4렌즈가 각각 55.7, 22.4, 55.7, 22.4로서 제1, 3, 4렌즈가 동일하고, 이들 렌즈의 굴절률이 제2렌즈보다 작다.

또한, 실시예2에서 굴절률(nd)은, 제1, 2, 3, 4렌즈가 각각 1.531, 1.642, 1.531, 1.531으로서 제1, 3, 4렌즈가 동일하다. 이 경우, 상기 제1, 3, 4 렌즈의 굴절률이 제2렌즈보다 작다. 또한, 아베수(Vd)는, 제1, 2, 3, 4렌즈가 각각 55.7, 22.4, 55.7, 55.7이다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

L1 : 제1렌즈
L2 : 제2렌즈
L3 : 제3렌즈
R1, R2, … : 렌즈 곡률반경

Claims

삭제
물체측으로부터 상측으로부터 순차적으로,
부의 굴절력을 갖고 양 오목이며 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제1렌즈;
정의 굴절력을 갖고 물체측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제2렌즈;
조리개;
정의 굴절력을 갖고 상측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제3렌즈; 및
상측의 면이 오목한 메니스커스이며 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈;을 포함하는 것으로, 다음의 조건을 만족하는 내시경용 촬영 렌즈계.

여기서, R3는 제2렌즈의 물체측 곡률반경, R6는 제3렌즈의 상측 곡률반경, f1은 제1렌즈의 초점거리, f2는 제2렌즈의 초점거리, f3은 제3렌즈의 초점거리, f4는 제4렌즈의 초점거리이다.
물체측으로부터 상측으로부터 순차적으로,
부의 굴절력을 갖고 양 오목이며 적어도 한 면은 변곡점을 포함한 비구면을 갖는 제1렌즈;
정의 굴절력을 갖고 물체측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제2렌즈;
조리개;
정의 굴절력을 갖고 상측의 면이 볼록하고 적어도 한 면은 비구면을 갖는 제3렌즈; 및
상측의 면이 오목한 메니스커스이며 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈;을 포함하는 것으로, 다음의 조건을 만족하는 내시경용 촬영 렌즈계.

여기서, R3는 제2렌즈의 물체측 곡률반경, R6는 제3렌즈의 상측 곡률반경이고, Vd1은 제1렌즈의 아베수이며, Vd2는 제2렌즈의 아베수이다.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1렌즈, 상기 제3렌즈, 및 상기 제4렌즈는 모두 동일한 아베수를 가지는 플라스틱 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내시경용 촬영 렌즈계.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1렌즈와 제3렌즈는 동일한 아베수를 가지는 플라스틱 소재로 이루어지고,
상기 제2렌즈와 제4렌즈는 각각 동일한 아베수를 가지는 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 내시경용 촬영 렌즈계.