JPH0412451B2

JPH0412451B2 -

Info

Publication number: JPH0412451B2
Application number: JP59025183A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Nishioka
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-02-15
Filing date: 1984-02-15
Publication date: 1992-03-04
Also published as: US4662725A; USRE33689E; JPS60169818A

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野本発明は、内視鏡、硬性鏡に用いる対物レンズ
で、特に歪曲収差を良好に補正した対物レンズに
関するものである。従来技術従来、内視鏡用対物レンズで、第１図に示すよ
うなレトロフオーカスタイプのもの例えば特開昭
49−121547号公報に記載されたものが知られてい
る。このレトロフオーカスタイプの対物レンズ
は、絞りＳをはさんで物体側に凹のレンズ群
を、また像側に凸のレンズ群を配置したもので
ある。この対物レンズは、絞りＳより前に配置し
た凹のレンズ群で主光線Ｐを強くまげて広角化
を可能にし、更に絞りＳより後方の凸のレンズ群
により像面に入射する主光線Ｐが光軸に平行に
なるようにしてイメージガイドＧに光束が入射す
るようにしている。このようにイメージガイドＧ
に垂直に光束を入射せしめることによつてイメー
ジガイドＧ内での光の損失を少なくすることが出
来る。またこの対物レンズを硬性鏡に使用する場
合も、第２図に示すようにリレー系Ｒでの光の損
失を少なくするために主光線Ｐが像面O′に対し
て垂直である必要がある。このように、従来の球面レンズからなるレトロ
フオーカスタイプの内視鏡対物レンズは、広角化
と、像面に入射する主光線がこれに垂直であるこ
ととの、内視鏡対物レンズにとつて要求される二
つの要件を満足するものである。しかし負の歪曲
収差が大であると云う欠点がある。例えば第１図
に示す内視鏡対物レンズでは、半画角ω＝37°の
ところでの歪曲収差は、−21％である。このほか
他の従来のレトロフオーカスタイプの内視鏡対物
レンズの画角と歪曲収差の関係は下記の表の通り
であつて同様に負の歪曲収差が大である。（表１）半画角(ω) 20° 30° 40° 歪曲収差 −６％ −13.5％ −23％半画角(ω) 50° 60° 歪曲収差 −36％ −50％このような負の歪曲収差球面系歪曲収差を補正
するためには、レンズ系中の非球面を設けること
が考えられる。そして非球面を用いて歪曲収差と
他の収差を補正した対物レンズの例として特開昭
57−173810号公報に記載されたものがある。しか
しこの対物レンズは画角が56°とせまいにも抱ら
ず歪曲収差は完全には補正されていない。目的本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであ
つて、広角で歪曲収差が少ない内視鏡対物レンズ
を提供することを目的とするものである。概要本発明の内視鏡対物レンズは、例えば第３図に
示すようなレンズ構成つまり凹のレンズ群（前
群）と凸のレンズ群（後群）とにて構成されこ
れら両レンズ群の間でレンズ群の前側焦点位置
付近に絞りＳを配置したもので、前群中の一つ
のレンズの物体側の面（例えば面R₁）が、その
曲率が光軸から離れるにつれて徐々に強くなる部
分を含む面を有するか、第４図に示すように前群
中の一つのレンズの像側の面（例えば面R₂）
が、その曲率が光軸から離れるにつれて徐々に弱
くなるような面を有するかの少なくともいずれか
一方の面を一つ以上有するようにしたものであ
る。以上のような形状の非球面を有する本発明の内
視鏡対物レンズは負の歪曲収差が十分に補正し得
るものである。次にこのような内視鏡対物レンズが歪曲収差を
十分に良好に補正し得ることについての理由を説
明する。第１図に示すような構成の従来の内視鏡対物レ
ンズが負の強い歪曲収差を発生するのは、像側か
ら主光線を逆に追跡した時、像高の増大と共に主
光線が絞りＳよりも前の前群および絞りより後
の後群によつて画角の広がる方向に屈折される
ことにある。したがつて光軸から離れるにつれ
て、主光線の屈折力が弱くなる非球面をレンズ系
中に設けることによつて強い負の歪曲収差を補正
することが出来る。そのためには、絞りＳよりも前の前群中の１
枚のレンズの物体側の面が第３図に示すよう光軸
から離れるにつれて面の曲率が強くなるような部
分を含むようにするか、あるいは第４図に示すよ
うに前群中の１枚のレンズの像側の面が光軸か
ら離れるにつれて曲率が徐々に弱くなる部分を含
むようにすればよい。上記の光軸より離れるにつれて曲率が徐々に強
なるような部分を含む面としては第５図、第６図
に示すような形状の非球面も有効である。尚曲率
は符号も含めて考えてその面のある点における接
触円の中心が面の物体側にあれば負、像側にあれ
ば正とする。したがつて第５図の例は符号も含め
て曲率が光軸から離れるにつれて増大する（物体
側に凹である負の曲率から物体側に凸である正の
曲率へ増大する）例であり、第６図の例は曲率が
一度増大した後に次に減少する例である。第６図のような面においても歪曲収差が補正で
きるのは、歪曲収差の収差曲線が第７図に示すよ
うにうねりをもつていても実用上さしつかえない
ことと、第６図の非球面のうち周辺部分は下側光
線は通つても主光線は通らないので歪曲収差の補
正には関係しないからである。又レンズの像側の面の曲率が光軸から離れるに
つれて徐々に弱くなる部分を含む曲面の例として
は第８図、第９図の形状のものもある。以上説明したように本発明の内視鏡対物レンズ
に設けられる非球面は、レンズの物体側の面に設
けられた場合は第５図、第６図に示すような面等
も含めて少なくともその一部に曲率が徐々に強く
なつて行く部分を含む面であり、像側の面に設け
られる場合は第８図、第９図のような面等をも含
め少なくともその一部に曲率が徐々に弱くなつて
行く部分を含む面である。そしてこの非球面を少
なくとも一つ含む対物レンズは歪曲収差を良好に
補正し得る。次に歪曲収差を補正するために必要な非球面の
形状について定量的に説明する。一般に非球面は次の式(1)にて表わすことが出来
る。ここでｘ，ｙは第１０図に示すように光軸をｘ
軸にとつて像の方向を正方向にとりｙ軸を面と光
軸との交点を原点としてｘ軸に直交した方向にと
つた座標での値、Ｃは光軸近傍でこの非球面と接
する円の曲率半径の逆数、Ｋは非球面の形状をあ
らわすパラメーター、Ｂ、Ｅ、Ｆ、Ｇ…は夫々２
次、３次、４次、６次、８次…の非球面係数であ
る。この式(1)にて表わされる非球面に光軸上で接す
る円について考える。まず半径の逆数がＣである球面は、次の式にて
表わされる。したがつて式(1)でＣ≠０、Ｂ＝０の場合の非球
面に光軸で接する球面の方程式は次の式(2)で表わ
すことが出来る。次に式(1)でＣ＝０の場合の非球面に接する球面
は式(3)にて表わせる。歪曲収差の補正は、式(1)で表わされる非球面と
式(2)又は式(3)にて表わされる球面との差Δによつ
て行なわれる。つまり次の式(4)のΔによつて歪曲
収差の補正が行なわれる。 Δ＝Ｘ−X_S (4) さらに正確に言うならば、Δによつて生ずる主
光線の偏角量Ｐつまり下記の式(5)によつて与えら
れるＰによつて歪曲収差の補正が行なわれる。Ｐ＝〔（ｎ−１）dΔ／dy〕_y=yc (5) ここでｎは非球面レンズを構成する物質の屈折
率、y_cは最大像高の主光線の非球面における光線
高である。尚絞りより前ではy_c＜０にとるものと
する。次に歪曲収差の補正比率Ｈを下記式(6)のように
定義する。Ｈ＝Ｄ−D_S／−D_S (6) この式(6)で、Ｄは非球面を用いて歪曲収差を補
正したレンズ系の残存歪曲収差、D_Sは同じレン
ズ系で非球面を用いることなく球面レンズの組合
わせによる場合に生ずる歪曲収差で、例えば従来
例のレンズ系で前に示した表１から又はこの表１
から補間で求められる値である。収差論によれば、歪曲収差は対物レンズの半画
角ωの３乗に比例して増加することが知られてい
る。したがつて前述の非球面による主光線の偏角
量Ｐはおよそ次の式(7)に従うことになる。Ｐ＝Ａ・ω³・Ｈ・σ (7) ここでＡは比例定数で非球面以外の面で補正し
得る歪曲収差の量によつて変り、非球面以外の面
での歪曲収差の補正量が大きければＡの値は小さ
く、逆に上記の補正量が小さければＡは大きな値
をとる。また像面へ入射する主光線の像面とのな
す角θが第１１図のように0°からはずれてマイナ
スの場合にもＡはθ＝０の場合より小さい値をと
る。又σは非球面が１枚のレンズの物体側に設け
られた場合には−１、像側に設けられた場合には
１の値をとるものとする。尚ωの単位は度で表わ
すものとし、ω＞０である。非球面が２面以上Ｎ個ある場合にはＰの値は各
面のＰの値P_iの和である。すなわち下記の通りで
ある。Ｐ＝_N 〓ⁱ⁼¹ P_i (8) なお式(5)においてＣ≠０の時は、y_cの値が接触
円の半径Ｒ＝１／Ｃを越えると、つまりy_c≧Ｒになると、式(1)、(2)の平行根の中がマイナスになつて
しまう。そのためこの場合にはy_cを次の範囲内の
値にえらびなおし、このy_cに対応する半画角ωに
て式(6)を計算することにする。 0.6R＜y_c＜0.75R 以上述べた説明の中でのＡの値は他の収差等を
考慮すると下記の範囲内であることが好ましい。Ａ＜10^-5 (9) 上記の範囲を越えると子午面内像面わん曲が負
になり著しい非点隔差を生ずるので好ましくな
い。又Ａの上限値はＦナンバーによつても異なり、
結像性能を考えた時任意のＦナンバーに対するＡ
の上限は下記の通りである。Ａ＜４×10^-5／F_NO (10) したがつて式(10)を満足するように非球面形状を
決めれば歪曲収差の少ない結像性能の良い対物レ
ンズを得ることが出来る。尚実用的には多少結像性能を悪化させても歪曲
収差を除去したい場合もある。この点を考慮に入
れるならば式(10)は次の式（11）にて示される程度
までは許容し得る。Ａ＜3.5×10^-4／F_NO （11）また一面で発生する像面わん曲は一般に光線高
の２乗に比例する。一方歪曲収差は、光線高の３
乗に比例する。したがつて像面わん曲を変えずに
歪曲収差のみを補正するためには光線高が高い方
が望ましい。このような理由から、主光線の光線
高が高い面を非球面にするのがよく、それは物体
側の第１面である。つまり物体側の第１面を式
（11）を満たす非球面にすれば結像性能の良い対
物レンズが得られる。以上述べたようにＡを上記範囲内の値に選ぶこ
とによつて他の収差に影響を与えることなしに歪
曲収差を良好に補正し得る非球面形状を決定する
ことが出来る。以上説明したような非球面を有するレンズを製
作する方法としてはプラスチツクによるモールド
あるいはガラスによるモールドがコストの点から
有利である。また本発明の対物レンズは光学繊維を用いた内
視鏡、硬性鏡用だけではなく、固体撮像素子を用
いた内視鏡にも使用し得る。その場合はθ≠０で
かつθ＜０でもよいのでＡの値は小さくなるが、
その場合も式(9)、式（11）は満足される。なお、本発明の対物レンズを、硬性鏡のような
リレーレンズにより像を伝達する内視鏡に用いる
場合は、対物レンズ内部には必ずしも絞りを設け
る必要はなく、リレーレンズ系に関して共役な位
置に絞りを置くようにしても光学的には、全く等
価となる。実施例以下本発明の内視鏡用対物レンズの各実施例を
示す。

【表】

【表】だだしr₁，r₂，…はレンズ各面の曲率半径、
d₁，d₂，…は各レンズの肉厚および空気間隔、
n₁，n₂，…は各レンズの屈折率、γ₁，γ₂，…は各
レンズのアツベ数である。上記実施例１乃至実施例９は夫々第１２図乃至
第２０図に示す通りのレンズ構成の対物レンズで
ある。これらのうち実施例１、２、８、９はいずれも
物体側より２番目のレンズの物体側の面が光軸よ
り離れるにつれて曲率が強くなる部分を有する非
球面になつている。又実施例３は最も物体側の面が上記非球面と類
似する形状の非球面になつている。実施例４乃至実施例６はいずれも物体側より２
番目のレンズの像側に光軸より離れるにつれて曲
率の弱くなる部分を含む非球面が設けられてい
る。実施例７は物体側から２番目のレンズの物体側
の面が光軸より離れるにつれて曲率が強くなる部
分を含む面又同じレンズの像側の面が光軸より離
れるにつれて曲率が弱くなる部分を含む面になつ
ている。以上述べたこれら各実施例の非球面の形状は、
いずれも式(1)にて与えられ、その非球面係数等の
値はデーター中に示す通りである。又各実施例の
y_c、Ｐ等の値は下記表２に示す通りである。尚Ａ
の値はいずれも前述の範囲内になつている。

【表】発明の効果以上説明したように本発明の内視鏡対物レンズ
は、前群中に既に説明したような形状の非球面を
設けることによつて広角であつて歪曲収差を少な
くすることが出来た。このことは各実施例の収差
曲線図（第２１図乃至第２９図）をみれば明らか
である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はいずれも従来の内視鏡対物レ
ンズの断面図、第３図、第４図はいずれも本発明
のレンズ構成を示す図、第５図および第６図はい
ずれも本発明の対物レンズで用いる非球面の例を
示す断面図、第７図は歪曲収差の補正状況の一例
を示す図、第８図および第９図はいずれも本発明
の対物レンズで用いる非球面の他の例を示す図、
第１０図は非球面の式における座標系とり方を示
す図、第１１図は主光線の傾斜角についての説明
図、第１２図乃至第２０図は夫々本発明の実施例
１乃至実施例９の断面図、第２１図乃至第２９図
は夫々前記実施例１乃至実施例９の収差曲線図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】１物体側から順に、前群と、絞りと、後群とを
備え、前記前群は少なくとも１枚の非球面を含ん
でおり、該非球面がレンズの物体側面である場合
には、光軸から離れるにつれて面の曲率が徐々に
強くなる部分を含んでおり、該非球面がレンズの
像側面である場合には、光軸から離れるにつれて
面の曲率が徐々に弱くなる部分を含んでおり、該
非球面が以下の条件を満足する、内視鏡用対物レ
ンズ。 10^-6＜Ａ＜（3.5×10^-4）／F_NO ただし、ＡはＰ＝Ａ・ω³・Ｈ・σなる関数式
で定義されるパラメーターであつて、Ｐは前記非
球面の基準球面（光軸上で該非球面の接する球
面）からの偏位量をΔ、該非球面を有するレンズ
の屈折率をｎ、最大像高に対応する主光線の該非
球面における光線高をy_cとするとき、Ｐ＝［（ｎ−１）dΔ／dy］_y=ycで与えられる。 ω：前記対物レンズの半画角、Ｈ：Ｄを前記対物レンズの歪曲収差、D_Sを球面
系歪曲収差とした時Ｈ＝（Ｄ−D_S）／−D_S にて与えられる値、 σ：前記非球面がレンズの物体側面であるときは
−１でレンズの像側面であるときは＋１の値を
とる指数。２前記絞りが前記後群の前側焦点位置近傍に配
置されており、非球面が前記前群にのみ設けられ
ており、後群は非球面を含まない特許請求の範囲
１に記載の内視鏡用対物レンズ。