(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般的な内視鏡システムでは、生体組織を照明する照明光の光源装置は、内視鏡とは別のプロセッサに設けられ、先端部は光源装置から延びるライトガイドケーブルとライトガイドケーブルの先端に設けられた配光レンズで構成される場合が多い。これに対して、内視鏡の先端部にLED等の光源装置を搭載する場合もある。
【0006】
図1は、内視鏡の先端部12に、光源装置34を搭載した内視鏡システムの先端部の構成の一例を示す図である。光源装置34は、操作部あるいはプロセッサから延び、電力の供給やON、OFFの制御を行うための、電力供給制御線36が接続される。光源装置34は、対物レンズユニット32の周りに設けられる。対物レンズユニット32の後方側(先端側と反対側)には、撮像素子30が設けられる。このような構成において、先端部12をよりいっそう小型化するために、対物レンズユニット32を小型化する場合、対物レンズユニット32の外径を細くすると、これに伴って、対物レンズユニット32の光軸に沿った長さも短くなる。長さの短くなった対物レンズユニット32の後方側には撮像素子30が配置される。しかし、撮像素子30が対物レンズユニット32で結像した像を受光できるように、撮像素子30を、より先端側に配置しようとすると、光源装置34と干渉して配置できない場合がある。撮像素子30を先端側に配置することができたとしても、光源装置34を冷却するための冷却部を含む関連部材が、対物レンズユニット32が短くなることにより、撮像素子30と干渉して関連部材を設けるスペースが確保できない場合もある。
【0007】
そこで、本発明は、光学性能を良好に保持しつつ、内視鏡の先端部に光源装置及び関連部材を配置することが可能な細長い構成の内視鏡用対物レンズユニット、及び内視鏡様対物レンズを備えた内視鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、内視鏡用対物レンズユニットである。当該内視鏡用対物レンズユニットは、
物体側から順に、負の屈折力を持つ前レンズ群と、絞りと、正の屈折力を持つ後レンズ群と、を少なくとも備える。
前記前レンズ群は、像面側に凹面を向けた負レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、を少なくとも含み、
前記後レンズ群は、像面側に凸面を向けた正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、を少なくとも含む。
前記前レンズ群の焦点距離をf
Fとし、前記後レンズ群の焦点距離をf
Rとし、前記後レンズ群のうち、前記絞りに最も近い正レンズの焦点距離をf
3とし
、前記前レンズ群内の前記正レンズの焦点距離をf2とし、前記内視鏡用対物レンズユニットの全系の焦点距離をfとしたとき、下記式(1)
、(2)及び(4)を満足する、ことを特徴とする内視鏡用対物レンズユニット。
(1) −1.6<f
F/f
R<−1.2
(2) −1.3<f
3/f
F<−0.7
(4) 2.0<f2/f<3.0
【0009】
本発明の別の態様は、内視鏡用対物レンズユニットであって、
物体側から順に、負の屈折力を持つ前レンズ群と、絞りと、正の屈折力を持つ後レンズ群と、を少なくとも備え、
前記前レンズ群は、像面側に凹面を向けた負レンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、を少なくとも含み、
前記後レンズ群は、像面側に凸面を向けた正レンズと、正レンズと負レンズを接合した接合レンズと、を少なくとも含み、
前記後レンズ群内の、像面側に凸面を向けた前記正レンズは、物体側に平面を有し、
前記接合レンズは、物体側に凸面を向けた正レンズと像面側に凹面を向けた負レンズとを接合した構成のレンズであり、
前記後レンズ群は、物体側から順に、像面側に凸面を向けた前記正レンズ、前記接合レンズが配設されて構成され、
前記前レンズ群の焦点距離をfFとし、前記後レンズ群の焦点距離をfRとし、前記後レンズ群のうち、前記絞りに最も近い正レンズの焦点距離をf3としたとき、下記式(1)及び(2)を満足する、ことを特徴とする内視鏡用対物レンズユニットである。
(1) −1.6<fF/fR<−1.2
(2) −1.3<f3/fF<−0.7
【0010】
前記内視鏡用対物レンズユニット内の正レンズの焦点距離の平均値をfPとし、前記内視鏡用対物レンズユニットの全系の焦点距離をfとしたとき、下記式(3)を満足する、ことが好ましい。
(3) fP/f<2.5
【0011】
前記前レンズ群は、物体側から順に、前記負レンズ、前記正レンズが配設されて構成されている、ことが好ましい。
【0013】
本発明の他の一態様は、内視鏡である。当該内視鏡は、
前記内視鏡用対物レンズユニットと、
前記内視鏡用対物レンズユニットにより結像した物体の像を受光する撮像素子と、
物体を照明する光源部と、を備える。
【発明の効果】
【0014】
上述の内視鏡用対物レンズユニットによれば、光学性能を良好に保持しつつ、内視鏡の先端部に光源装置及び関連部材を配置することが可能な細長い内視鏡用対物レンズユニットの構成を実現する。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本実施形態の内視鏡用対物レンズユニット及び内視鏡について、図面を参照しながら説明する。
図1は、内視鏡用対物レンズユニットを搭載した内視鏡の構成の一例を模式的に示す図である。
【0017】
内視鏡10は、先端部12、第1可撓管14、操作部16、第2可撓管18、及び、コネクタ20、を主に備える。
先端部12は、生体組織の像を受光して撮像する撮像素子30、生体組織の像を撮像素子30の撮像面で結像させる対物レンズユニット32、及び、対物レンズユニット32の周りに配置して生体組織を照明する光源部34を、少なくとも備える。この他に、先端部12は、超音波診断用プローブや、水や空気等の流体を吐出する、あるいは、生体組織上の液体を吸引する開口を備えてもよい。
第1可撓管14には、撮像素子30の撮像信号を伝送する信号線、撮像素子30及び光源装置34を動作させる電力供給制御線36、さらには液体が流れる各種管が、その内部に少なくとも設けられている。
【0018】
操作部16は、施術者が、先端部12を生体組織の所定の位置に向けて観察し、必要に応じて生体組織の処置ができるように、先端部12を操作させる部分である。
第2可撓管18には、撮像素子30の受光信号を伝送する信号線、撮像素子30及び光源装置34を動作させる制御線が少なくともその内部に設けられている。
プロセッサ22は、操作部16、第2可撓管18、及びコネクタ部20を介して送られる撮像信号を処理して、生体組織の画像を生成し、画像を出力する。また、プロセッサ22は、光源装置34及び撮像素子30の動作を制御する制御信号を出力する。
【0019】
このような先端部12には、光学性能を良好に保持しつつ、内視鏡10の先端部12に光源装置34及び関連部材を配置することが可能な細長い構成の内視鏡用対物レンズユニット(以降、対物レンズユニットという)32が用いられる。以下、対物レンズユニット32を説明する。
図2は、本実施形態の対物レンズユニット32の構成の一例を示す図である。
【0020】
図2に示す対物レンズユニット32は、前レンズ群G1、後レンズ群G2を少なくとも有している。各レンズ群G1,G2を構成する各レンズは、対物レンズユニット32の光軸AXを中心とした回転対称形状を有している。前レンズ群G1と後レンズ群G2の間には、絞り42と光学フィルタ44が設けられている。さらに、後レンズ群G2より、撮像素子30の受光面(像面)側には、カバーガラス40が設けられている。カバーガラス40は、撮像素子30の物体側に設けられる部品である。
図2において、カバーガラス40の像面側には、対物レンズユニット32の焦点位置が“×”で示されている。
光学フィルタ44は、近赤外および赤外線カットフィルタである。
本実施形態では、物体側から像面側に向かって順番に、前レンズ群G1、絞り42、光学フィルタ44、後レンズ群G2が設けられるが、光学フィルタ44はこの順番に制限されない。
なお、対物レンズユニット32は、前レンズ群G1、後レンズ群G2を少なくとも有しているとは、絞り42やカバーガラス40を備えてもよいことを意味し、これ以外の光学的パワーを有さない光学素子を追加する構成も含むことを意味する。
【0021】
前レンズ群G1は、絞り42に対して物体側にある負の屈折力を持つレンズ群である。前レンズ群G1は、像面側に凹面を向けた負レンズL1と、物体側に凸面を向けた正レンズL2と、を少なくとも含む。前レンズ群G1は、負レンズL1と、正レンズL2と、を少なくとも含むとは、これ以外に実質的に光学的パワーを殆ど有していないレンズを含んでもよいことを意味する。
【0022】
後レンズ群G2は、絞り42に対して像面側にある正の屈折力を持つレンズ群である。後レンズ群G2は、像面側に凸面を向けた正レンズL3と、正レンズL4と負レンズL5を接合した接合レンズ46と、を少なくとも含む。後レンズ群G2は、正レンズL3と、接合レンズ46と、を少なくとも含むとは、これ以外に実質的に光学的パワーを殆ど有していないレンズを含んでもよいことを意味する。
【0023】
一実施形態によれば、
図2に示すように、負レンズL1は、物体側に平面を有し、正レンズL2は、像面側に平面を有し、正レンズL3は、物体側に平面を有し、正レンズL4は、像面側に凸面を有し、物体側に凸面を有し、負レンズL5は、像面側に凹面を有し、物体側に凹面を有する。
【0024】
このような構成の前レンズ群G1及び後レンズ群G2を備える対物レンズユニット32において、前レンズ群G1の焦点距離をf
Fとし、後レンズ群G2の焦点距離をf
Rとし、後レンズ群G2のうち、絞り42に最も近いレンズである正レンズL3の焦点距離をf
3としたとき、下記式(1)及び(2)を満足するように、各レンズの形状、寸法、及び配置位置が設定されている。
式(1): −1.6<f
F/f
R<−1.2
式(2): −1.3<f
3/f
F<−0.7
【0025】
上記式(1)、(2)を満足する対物レンズユニット32は、光学性能を良好に保持しつつ、内視鏡10の先端部12に光源装置34及び冷却部等の関連部材を配置することが可能な細長い構成とすることができる。このとき、内視鏡のサイズの小さい先端部12の撮像素子30が撮影視野を広くして生体組織を効率よく撮像するために、一実施形態によれば画角は、100度以上であり、170度程度以下であることが好ましい。対物レンズユニットを細長くすると、視野角は一般に狭くなり易いが、本実施形態では、細長い形状にしても、視野を広くすることができる。
【0026】
f
F/f
Rを−1.6以下にすると、前レンズ群G1の負の屈折力(以降、屈折力をパワーという)が弱くなるため視野角が狭くなる。視野角を広げるには、前レンズ群G1の外径を大きくすればよいが、対物レンズユニット32を細長くすることが困難になる。
一方、f
F/f
Rを−1.2以上にすると、後レンズ群G2の正のパワーが弱くなるため、対物レンズユニット32の全長が長くなり、小さな先端部12に撮像素子30及び対物レンズユニット32を配置する上で好ましくない。
以上の観点から、f
F/f
Rは、−1.2未満であり、−1.25以下であることが好ましく、−1.3以下であることがより好ましく、−1.35以下であることが特に好ましい。また、f
F/f
Rは−1.6より大きく、−1.55以上であることが好ましく、−1.51以上であることがより好ましい。
【0027】
f
3/f
Fを−0.7以上にすると、後レンズ群内で最も物体側にある正レンズL3のパワーが強くなるため、正レンズL3の偏心による対物レンズユニット32全系の非対称な像面湾曲変化が大きくなり易い。また、前レンズ群G1の負のパワーが弱くなるため前レンズ群G1の焦点距離は長くなり、それに応じて後レンズ群G2の焦点距離が長くなり射出瞳距離が短くなる。このような観点から、f
3/f
Fは−0.7未満であり、f
3/f
Fは、−0.75以下であることが好ましく、−0.8以下であることがより好ましい。
一方、f
3/f
Fを−1.3以下にすると、後レンズ群G2のうち最も物体側にある正レンズL3の正のパワーが弱くなるため、結像倍率が大きくなり、前レンズ群G1の偏心による光線変化により対物レンズユニット32の全系の非対称な像面湾曲変化が大きくなる。また、前レンズ群G1の負のパワーが強くなるため、前レンズ群G1で発生するコマ収差及び歪曲収差の補正が難しくなる。このような観点から、f
3/f
Fは、−1.3より大きく、−1.2以上であることが好ましく、−1.1以上であることがより好ましく、−1.0以上であることが好ましい。
【0028】
また、対物レンズユニット32内の正レンズの焦点距離の平均値(単純平均値)をf
Pとし、対物レンズユニット32の全系の焦点距離をfとしたとき、下記式(3)を満足するように、各レンズの形状、寸法、及び配置位置が設定されている、ことが好ましい。
式(3): f
P/f<2.5
【0029】
f
P/fを2.5以上にすると、対物レンズユニット32内の正レンズのパワーが小さくなるため、倍率が大きく変化する。このため、正レンズの肉厚や絞り42の光軸AX方向前後にあるレンズ等の間隔変化によって生じる、対物レンズユニット32の全系の焦点距離の変化が大きくなり、その結果、視野角の変化が大きくなり易い。このような観点から、f
P/fは、2.5未満であることが好ましく、2.0以下であることがより好ましく、1.9以下であることがよりいっそう好ましい。
f
P/fの下限に制限はないが、一実施形態によれば1.65以上であり、一実施形態によれば、1.7以上である。
【0030】
また、対物レンズユニット32内の正レンズL2の焦点距離をf
2としたとき、下記式(4)を満足するように、レンズの形状、寸法、及び配置位置が設定されている、ことが好ましい。
式(4): 2.0<f
2/f<3.0
【0031】
f
2/fを3.0以上にすると、正レンズL2のパワーが弱くなるため、前レンズ群G1の負のパワーが強くなり、前レンズ群G1の偏心による像面湾曲変化が大きくなり易い。あるいは、後レンズ群G2の倍率が大きくなるため、絞り42の光軸AX方向前後にあるレンズ等の間隔変化によって生じる、対物レンズユニット32の全系の焦点距離の変化が大きくなり、その結果、視野角の変化が大きくなり易い。このような観点から、f
2/fは、3.0未満であることが好ましく、2.9以下であることがより好ましく、2.7以下であることがよりいっそう好ましく、2.65以下であることが特に好ましい。
f
2/fを2.0以下にすると、前レンズ群G1の正レンズL2のパワーが強くなり、正レンズL2の凸面の曲率半径が小さくなり、前レンズ群G1の正レンズ自身の偏心による像面湾曲が大きくなる。このような観点から、f
2/fは、2.0より大きいことが好ましく、2.1以上であることがより好ましく、2.2以上であることがよりいっそう好ましく、2.3以上であることが特に好ましい。
【0032】
一実施形態によれば、
図2に示すように、前レンズ群G1が物体側から順に、負レンズL1、正レンズL2が配設されることが好ましい。正レンズL2は、物体側に凸面を向けた正のパワーのレンズであり、像面側を平面とすることができるので、レンズ厚が変化することによる後レンズ群G2の倍率の変化、すなわち視野角の変化を抑えることができる。
【0033】
一実施形態によれば、
図2に示すように、正レンズL3は、物体側に平面を有し、接合レンズ46は、物体側に凸面を向けた正レンズL4と像面側に凹面を向けた負レンズL5とが接合して構成されている。すなわち、接合レンズ46の物体側の面は、物体側に凸面を向けた正レンズL4の面であり、接合レンズの像面側の面は、像面側に凹面を向けた負レンズL5の面である。このとき、後レンズ群G2は、物体側から順に、正レンズL3、正レンズL4及び負レンズ5で構成される接合レンズ46が配設されることが好ましい。
正レンズL3の物体側の面を平面にすることにより、レンズ厚が変化することによる後レンズ群G2の倍率の変化、すなわち視野角の変化を抑えることができる。さらに、物体側に凸面を向けた正レンズL4と、正レンズL4と接合された負レンズL5とを組み合わせた接合レンズ46を用いることにより、接合レンズ46からの射出角度の変化を抑えつつ色収差を補正することができる。
【0034】
一実施形態によれば、
図2に示すように、前レンズ群G1において、負レンズL1の像面側の凹面と、正レンズL2の物体側の凸面とが互いに隣接して対向するように、レンズL1,L2を配置し、後レンズ群G2において、正レンズL3の像面側の凸面と、接合レンズ46の正レンズL4の物体側の凸面とが互いに隣接して対向するように、正レンズL3と接合レンズ46を配置することが好ましい。
【0035】
(実施例1〜4)
このような構成の対物レンズユニット32の具体的数値実施例を下記表1〜4に示す(実施例1〜4)。
一方、対物レンズユニット32のレンズ構成図及び諸収差図を
図3〜6に示す。
図3〜6(a)において、絞り42は図示されない。
図3〜6(b)〜(e)は、実施例1〜4の諸収差図を示す。実施例1〜3の構成は、
図2に示す通りである。
図7は、実施例1〜3の仕様における構成情報を示す図である。実施例4のレンズ構成は、
図8に示す通りである。
図8は、実施例4の仕様における構成情報を示す図である。
【0036】
図3〜6(b)〜(e)の各収差図のうち、(b)は、d線(588nm)、g線(436nm)、C線(656nm)での球面収差及び軸上色収差を示す。(c)は、d線、g線、C線での倍率色収差を示す。(b),(c)中、実線はd線での収差を、点線はg線での収差を、一点鎖線はC線での収差を、それぞれ示す。(d)は、非点収差を示す。(d)中、実線はサジタル成分(S)を、点線はメリディオナル成分(M)を、それぞれ示す。(e)は、歪曲収差を示す。収差図に示すFeは、実効Fナンバーを表す。Yは、像高を表す。
【0037】
図3〜6(b)〜(d)の各図の縦軸は像高(mm)を、横軸は収差量(mm)を、それぞれ表す。
図3〜6(e)の縦軸は像高(mm)を、横軸は歪曲率を、それぞれ表す。
【0038】
実施例1の仕様は、下記表1に示すとおりである。
図3(a)は、構成を示し、
図3(b)〜(e)は、実施例1の諸収差図を示す。表1において、NOは、
図7に示すレンズ、絞り、光学フィルタ、カバーガラス等の光学素子の面を表し、Rは、その面の曲率半径(mm)を表し、Dは、各面から像面側の隣にある面までの光軸AXに沿った距離(mm)を表す。曲率半径Rにおいて、正の値は、物体側に凸を成した面を意味し、Rが負の値は像面側に凸を成した面を意味する。表1においてNO1〜12それぞれの距離Dは、
図7に定めるD1〜D12のそれぞれの距離である。N(d)は、d線における屈折率を、νdは、そのアッベ数を表す。表1中のfは、対物レンズユニット32の全系の焦点距離(mm)を表す。表1に示す実施例1は、レンズ、光学フィルタ、及びカバーガラスを7つ備える。表2〜3においても各仕様が表1と同じ形式で記載されている。
【0040】
実施例2の仕様は、下記表2に示すとおりである。
図4(b)〜(e)は、実施例2の諸収差図を示す。
【0042】
実施例3の仕様は、下記表3に示すとおりである。
図5(b)〜(e)は、実施例3の諸収差図を示す。
【0044】
実施例4の仕様は、下記表4に示すとおりである。
図6(a)は、構成を示し、
図6(b)〜(e)は、実施例4の諸収差図を示す。表4において、NOは、
図8に示すレンズ、絞り、光学フィルタ、カバーガラス等の光学素子の面を表し、Rは、その面の曲率半径(mm)を表し、Dは、各面から像面側の隣にある面までの光軸AXに沿った距離(mm)を表す。曲率半径Rにおいて、正の値は、物体側に凸を成した面を意味し、負の値は像面側に凸を成した面を意味する。表4においてNO1〜13それぞれの距離Dは、
図8に定めるD1〜D13のそれぞれの距離である。N(d)は、d線における屈折率を、νdは、そのアッベ数を表す。表4に示す実施例4では、光学素子が7つ備える。fは対物レンズユニット32の全系の焦点距離(mm)を表す。実施例4では、
図8に示すように、
図7に示す光学フィルタ44に代えて負レンズL5とカバーガラス40との間に、光学フィルタ45を配置した。
【0046】
図3〜6(b)〜(e)に示す収差図からわかるように、実施例1〜4のいずれの収差特性も良好な特性を有すると評価することができる。
実施例1〜4の各条件式に対する値を、下記表5に示す。
【0048】
表5に示すように、実施例1〜4は、上記式(1),(2)を満足する。
これより、上記式(1),(2)を満たす対物レンズユニットは、対物レンズユニットを細径化しながら、収差特性を良好に保持することができる。したがって、内視鏡の先端部12に光源装置34及び関連部材を配置することができる細長い構成を実現する。
【0049】
以上、本実施形態の内視鏡用対物レンズユニット及び内視鏡について説明したが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。