JP2009080413A - 撮像光学系、内視鏡の撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像光学系において、フォーカス調整機構を用いることなく、物体位置が変動しても、極端な像の劣化を生じさせず、良好な画像を得る。
【解決手段】内視鏡の挿入部の先端部に配設される撮像光学系１において、結像する位置を結像位置Ｐｉとする。遠点Ｐｆに物体を配したときの結像位置Ｐｉにおける、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｆ、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｆ、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｆ、近点Ｐｎに物体を配したときの結像位置Ｐｉにおける、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｎ、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｎ、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｎが式（１）を満たす。

【選択図】なし

Description

本発明は、撮像光学系と内視鏡の撮像装置に関し、より詳しくは、内視鏡の挿入部の先端部に配設される撮像光学系と、該撮像光学系および該撮像光学系による像を表示装置で表示するための電気信号に変換する撮像素子を備えた内視鏡の撮像装置に関するものである。

従来、医療現場等において患者の体内の観察あるいは治療を行う際などに、内視鏡が用いられている。内視鏡の挿入部の先端部には、体腔内を撮像するための対物レンズ等の撮像光学系が配設されている。近年の内視鏡下外科手術の普及により、この撮像光学系による像は、テレビモニタ等の表示装置に表示され、術者はこの表示装置の画面上で画像を観察するのが一般的である。そのため、術者が観察しやすいように、像面湾曲の小さい映像が好ましいとされており、像面湾曲を良好に補正した内視鏡用対物レンズの提案がなされている。

一方、体腔内の観察対象は、突起状や管空状のものが多く、このような観察対象に対しても良好な像が得られることが好ましいとされている。特許文献１には、３つのレンズ群からなり、少なくとも１つのレンズ群を移動させることにより、倍率を略一定に保持したまま、観察対象の形状に応じて、画面周辺部の画質が良好となるような像面湾曲を発生させることができる内視鏡用対物レンズが記載されている。
特開２００１−１９４５８０号公報

しかしながら、従来の像面湾曲を良好に補正した一般的な光学系は、所定の物体位置とそれに対応する結像位置を設定したときに、画面中心部の良像位置と、画面周辺部の良像位置とをそろえるように像面湾曲量を補正し設計したものであった。このような設計では、物体位置の変動による像面湾曲量の変動は考慮されていなかった。実際には、物体位置が変動すると、像面湾曲も変動するため、設計時に設定された結像位置において、像面湾曲が良好に補正されていても、この設計条件とは異なる位置に物体がある場合には、画面中心部と画面周辺部とで、最適良像位置が異なるということがあり得る。つまり、従来の像面湾曲を補正した一般的な光学系では、物体位置の変動により、画面周辺部で極端な像の劣化が生じる虞があった。

なお、カメラ等の撮像装置では、物体位置の変動による結像位置の変動を調整するフォーカス調整（焦点調整）機構を備えているが、多くの内視鏡用の撮像装置はこのようなフォーカス調整機構を備えていない。内視鏡用の撮像装置にフォーカス調整機構を配設する場合は、構成が複雑になるとともにスペースが必要となるため、先端部の大径化を招く虞がある。

本発明は、上記事情に鑑み、フォーカス調整機構を用いることなく、物体位置が変動しても、極端な像の劣化が生じることがなく、良好な画像を得ることが可能な内視鏡用の撮像光学系、および該撮像光学系を備えた内視鏡の撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明の撮像光学系は、内視鏡の挿入部の先端部に配設される撮像光学系において、所定の物体位置からの光が前記撮像光学系により結像する位置を結像位置とし、このときの前記撮像光学系の被写界深度の遠距離側の限界点を遠点、近距離側の限界点を近点としたとき、前記遠点に物体を配したときの前記結像位置における、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｆと、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｆと、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｆと、前記近点に前記物体を配したときの前記結像位置における、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｎと、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｎと、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｎとが、下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。

上記本発明の撮像光学系は、物体位置の移動に対して合焦を行うフォーカス調整機構を備えていないように構成することができる。

また、本発明の内視鏡の撮像装置は、上記本発明の撮像光学系と、該撮像光学系による像を表示装置で表示するための電気信号に変換する撮像素子とを備えた内視鏡の撮像装置において、前記表示装置で像を観察するときの許容錯乱円径δが、前記表示装置で垂直方向に表示される像の前記結像位置における寸法Ｖを用いて表される、２Ｖ／２４０≦δ≦２Ｖ／１６０の範囲にあり、前記撮像光学系の像側の焦点深度ｄが、前記許容錯乱円径δと実効Ｆ値Ｆｅとにより、ｄ＝δ×Ｆｅで定義されるとき、前記遠点が、前記結像位置から前記撮像光学系の方向へ前記焦点深度ｄだけ離隔した点の共役点であり、前記近点が、前記結像位置から前記撮像光学系とは逆の方向へ前記焦点深度ｄだけ離隔した点の共役点であることを特徴とするものである。

なお、被写界深度とは、所定の位置の物体に合焦しているとき、視覚的にその物体にピントが合っている範囲、つまり像が鮮鋭と認められるとみなされる範囲であり、本発明では、これを観察距離の範囲として考える。

また、上記条件式（１）の（Ｔｆ＋Ｓｆ）／２、（Ｔｎ＋Ｓｎ）／２は、タンジェンシャル方向とサジタル方向の像面湾曲量の平均値を意味する。そしてここでは、画面中心部と画面周辺部での画像のバランスを良好にするために、８割の像高での像面湾曲量を採用している。

また、内視鏡の撮像光学系の球面収差は、口径の増加とともにアンダー側で単調増加、またはオーバー側で単調増加になる傾向があり、その良像位置は、ほぼ瞳径の７割（ゾーナル）付近の径を通過する光線によるものとなるため、代表値としてゾーナルの球面収差量を採用している。

本発明の撮像光学系は、観察距離の範囲内での像面湾曲の変動を適切に割り振ることにより、フォーカス調整機構を用いることなく、観察距離の範囲の近点側と遠点側において画面周辺部で極端な像の劣化が起きないようにするものである。

図１〜図３を参照しながら、本発明の思想について説明する。まず、図１を参照しながら、被写界深度の求め方について説明する。図１の撮像光学系１は、概念的に図示されたものである。図１に示すように、光軸Ｚ上に所定の物体位置Ｐｏを設定し、この物体位置Ｐｏからの光（実線で示す）が、この撮像光学系１により結像する位置を結像位置Ｐｉとしている。

物体位置Ｐｏからの光は、結像位置Ｐｉではほぼ一点に集光するが、結像位置Ｐｉから離隔するにつれて大きくなり、ぼけたものとなる。このとき、像が鮮鋭と認められる限界での光の広がりを許容錯乱円径δとしており、結像位置Ｐｉから、光の広がりが許容錯乱円径δになる点（図１のＰ＋，Ｐ−）までの範囲を像側の焦点深度ｄとしている。ここで、点Ｐ−は結像位置Ｐｉから撮像光学系１の方向へ焦点深度ｄだけ離隔した点、点Ｐ＋は結像位置Ｐｉから撮像光学系１とは逆の方向へ焦点深度ｄだけ離隔した点としている。また、焦点深度ｄは、物体位置Ｐｏからの光が結像位置Ｐｉに結像するときの実効Ｆ値Ｆｅと、上記の許容錯乱円径δとにより、ｄ＝δ×Ｆｅで定義される。

焦点深度内は、像空間において像が鮮鋭と認められる範囲であるから、点Ｐ−から点Ｐ＋までの範囲と共役な関係にある物体側空間の範囲が、被写界深度となる。今、図１に示すように、点Ｐ−と光学的に共役な関係にある共役点を点Ｐｆとし、点Ｐ＋と光学的に共役な関係にある共役点を点Ｐｎとしている。したがって、点Ｐｆから点Ｐｎまでの範囲が被写界深度となり、点Ｐｆが遠距離側の限界点である遠点、点Ｐｎが近距離側の限界点である近点となる。

次に、遠点および近点に物体を配したときの、結像位置Ｐｉにおける像面湾曲を考える。図２は、内視鏡の撮像光学系の一例の収差図である。図２の上段には、上記の設定された物体位置Ｐｏに物体を配したときの結像位置Ｐｉにおける球面収差図、非点収差（サジタル方向の像面湾曲とタンジェンシャル方向の像面湾曲）図、および縦軸最大値により正規化して両者（球面収差図と非点収差図）を重ねた図を左から順に示す。

同様に、図２の中段には、近点に物体を配したときの結像位置Ｐｉにおける球面収差図、非点収差図、および縦軸最大値により正規化して両者を重ねた図を左から順に示す。また、図２の下段には、遠点に物体を配したときの結像位置Ｐｉにおける球面収差図、非点収差図、および縦軸最大値により正規化して両者を重ねた図を左から順に示す。図２の両者を重ねた図において、縦軸の最大値の７割および８割に相当する位置にそれぞれ０．７および０．８を付している。

一般に、内視鏡用対物レンズでは、設計時に設定された物体距離については像面湾曲、非点収差が良好に補正されていても、観察距離の範囲内での物体距離の変動によって、図２に示すように、球面収差の変動は少ないが、近点側では像面がアンダーに、遠点側ではオーバーになる傾向がある。

そこで、本発明では、近点および遠点での球面収差量と像面湾曲量とからなる上述した項が条件式（１）を満たすように構成することにより、観察距離の範囲内での像面の変動を好適に割り振り、近点側観察と遠点側観察における像面の変動量をほぼ同程度にして、物体位置が変動しても、極端な像の劣化を生じないようにしている。なお、像面の変動量を近点側、遠点側で同じになるよう割り振った場合、条件式（１）の項の値は−１となるが、−１．５程度までは許容可能である。

さらに、内視鏡の使用状況を加味すると、近点側での観察においては、図３に示すように内視鏡の挿入部１０４の先端は体内の内壁３に斜めに対向することが想定されることから、近点側に物体が配されるとしたときの像面がアンダーになることに対しては許容範囲が広くなるため、遠点側までもオーバーにならない０．０を上限としている。

なお、上記で用いている許容錯乱円径δは、画像が鮮鋭と認め許されるぼけの限度の大きさを表すものであるが、本発明においては以下の考え方に沿ってその範囲を決めている。人間の目の分解能は視角にすると約１′と言われていることから、ぼけていないと判断する限界の解像力をその４倍の約４′とする。また、近年の内視鏡の像の観察は、直視ではなくテレビモニタ等の表示装置に表示された画像を観察するのが一般的であるから、このような表示装置で観察することを前提にする。

使用者が表示装置から１．５ｍ離れて画像を観察するとした場合、ぼけていないと判断される表示画面上での限界の許容ぼけ量δ_ｄは
δ_ｄ＝１５００ｍｍ×ｔａｎ（４／６０）≒１．７５ｍｍ
となる。

現在、汎用されている表示装置から、その表示領域の垂直方向の寸法を約２１０ｍｍとすると、上記の表示画面上での許容ぼけ量δ_ｄの値は、表示領域の垂直方向の寸法の約０．００８３（≒１．７５／２１０）にあたる。

次に、この表示画面上での許容ぼけ量δ_ｄから、撮像光学系１の結像位置Ｐｉにおける像面上での許容ぼけ量、すなわち、許容錯乱円径δを決める。表示装置で垂直方向に表示される像の結像位置Ｐｉにおける寸法をＶとすると、許容錯乱円径δは、
δ＝Ｖ×（１．７５／２１０）≒Ｖ×０．００８３
となる。また、２１０÷１．７５＝１２０であるから、許容錯乱円径δは下記のように表される。
δ＝Ｖ／１２０
つまり、このときの撮像光学系の解像力は６０本／ｍｍであり、テレビモニタ等の表示装置の解像度で言えば１２０ＴＶ本となる。ここで、映像信号の周波数１ＭＨｚが８０ＴＶ本に相当することから、以下、１ＭＨｚ単位で考えると、上記の許容錯乱円径δは、
δ＝（２×Ｖ）／２４０
となり、２Ｖを３ＭＨｚ（２４０ＴＶ本）で割った値に相当する。

実際の使用では、表示装置からさらに離れた距離から観察することが想定される。この場合には、表示画面上での許容ぼけ量δ_ｄの値が上記より大きくなる。よって、さらに離れた距離から観察する場合については、上記の３ＭＨｚからさらに低く２ＭＨｚとし、２Ｖを２ＭＨｚ（１６０ＴＶ本）で割ったものとして、許容錯乱円径δは下記のようになる。
δ＝（２×Ｖ）／１６０
＝Ｖ×０．０１２５

このように、内視鏡の実際の使用状況を考えると、許容錯乱円径δが、２Ｖ／２４０≦δ≦２Ｖ／１６０の範囲にあるときについて像面の変動量を考慮すればよいことになる。

なお、上記説明では、一般的な内視鏡の使用状況から、テレビモニタ等の表示装置を想定し、約１．５ｍおよびそれより離れて観察する場合を例にとり説明した。表示装置の種類や観察状況により被写界深度は異なるが、上述したような本発明の思想を用いれば、各場合に応じて、近点、遠点を算出することは可能であり、観察距離の範囲内で物体位置が変動しても、極端な像の劣化を生じさせずに良好な画像を得ることが可能となる。

本発明の撮像光学系によれば、被写界深度の遠点および近点に物体を配したときについて、条件式（１）を満足するように構成しているため、観察距離の範囲内での像面の変動を好適に割り振ることができ、近点側観察と遠点側観察における像面の変動量をほぼ同程度にすることができる。よって、観察距離の範囲内で物体位置が変動しても、物体位置の移動に対して合焦を行うフォーカス調整機構を用いることなく、極端な像の劣化を生じさせずに良好な画像を得ることができる。

また、本発明の内視鏡の撮像装置は、本発明の撮像光学系を備え、一般的なモニタ装置等で像を観察する場合を想定して許容錯乱円径の範囲を決めているため、物体位置が変動しても像の極端な劣化が生じることなく、良好な画像を観察することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態にかかる撮像光学系および撮像装置が適用される内視鏡システムの一例を示す概略的な全体構成図である。

図４に示す内視鏡システムは大別して、内視鏡１００と、内視鏡１００に接続されて光源の制御や画像処理等の各種処理を行うプロセッサ１２０と、内視鏡１００の撮像光学系２により撮像された像を表示する表示装置１２２とからなる。

内視鏡１００は、主として、操作部１０２と、操作部１０２の先端側に連結された挿入部１０４と、操作部１０２の基端側から引き出されてプロセッサ１２０と接続されたユニバーサルコード１０６とを備える。

挿入部１０４は、患者の体内に挿入されるものであり、その大半は挿入経路に沿って任意の方向に曲がる軟性部１０７であり、この軟性部１０７の先端には、湾曲部１０８が連結され、この湾曲部１０８の先端には、先端部１１０が順次連結されている。先端部１１０の内部には後述のように、撮像光学系２が配設されている。湾曲部１０８は、先端部１１０を所望の方向に向けるために設けられるものであり、操作部１０２に設けられた湾曲走査ノブ１０９を回動させることにより湾曲操作が可能となっている。

次に、図５を参照して、本実施形態にかかる撮像光学系２が配置される先端部１１０の概略構成について説明する。図５は本撮像光学系２の光軸を含む先端部１１０の要部断面図である。

図５に示すように、先端部１１０の内部には挿入部１０４の長軸方向と平行にその光軸が配置された撮像光学系２と、撮像光学系２の像側の光路を９０度折り曲げるための光路変換プリズム７と、その受光面が挿入部１０４の長軸方向と平行になるように光路変換プリズム７に接合された撮像素子８とが配置されている。本実施形態においては、撮像光学系２と、光路変換プリズム７と、撮像素子８は撮像装置１０を構成するものであるが、本発明においては光路変換プリズム７は必須の構成要素ではない。

撮像素子８は、撮像光学系２による像を表示装置１２２で表示するための電気信号に変換するものである。撮像素子８としては、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の固体撮像素子を用いることができる。

図５に示すように撮像素子８を配置することにより、図５に示す先端部１１０の下半分において、直視型の観察光学系を構成し、図５に示す先端部１１０の上半分において、処置具挿通チャンネル９を構成し、細径の挿入部内に多数の要素を配設可能としている。

なお、撮像素子８は受光面保護用のカバーガラスを有するが、図５ではカバーガラスも含めて撮像素子８として図示している。また、図５の撮像光学系２は、レンズ形状を示すものではなく、概念的に図示されたものである。図５では撮像光学系２から撮像素子８にまでの光路の光軸を一点鎖線で示している。

本実施形態の撮像光学系２は、物体位置の移動に対して合焦を行うフォーカス調整機構を備えておらず、レンズ群は固定されている。

また、撮像光学系２は、所定の物体位置からの光が撮像光学系２により結像する位置を結像位置とし、このときの撮像光学系２の被写界深度の遠距離側の限界点を遠点、近距離側の限界点を近点としたとき、遠点に物体を配したときの結像位置における、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｆと、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｆと、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｆと、近点に物体を配したときの結像位置における、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｎと、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｎと、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｎとが、下記条件式（１）を満足するように構成されている。

ここで、被写界深度の遠点とは、結像位置から撮像光学系２の方向へ焦点深度ｄだけ離隔した点の共役点であり、被写界深度の近点とは、結像位置から撮像光学系２とは逆の方向へ焦点深度ｄだけ離隔した点の共役点である。焦点深度ｄは、表示装置１２２で像を観察するときの許容錯乱円径δと、上記の所定の物体位置と結像位置を定めたときの実効Ｆ値Ｆｅとにより、ｄ＝δ×Ｆｅで定義されるものである。

許容錯乱円径δは、表示装置１２２で垂直方向（図４の矢印方向）に表示される像の結像位置における寸法Ｖを用いて表される、２Ｖ／２４０≦δ≦２Ｖ／１６０の範囲にあるとしている。このように範囲を規定する理由は手段の項で述べたとおりである。

なお、一般的な表示装置は横長の表示領域を有することから、例えば、撮像領域の形状が矩形であり、水平方向と垂直方向で寸法が異なる場合は、短い方に対応する寸法をＶとする。あるいは、撮像領域の形状が円径の場合は、その直径をＶとする。

前述したように、以上のように構成することにより、本実施形態の撮像光学系および内視鏡の撮像装置では、物体位置の移動に対して合焦を行うフォーカス調整機構を用いなくても、近点側と遠点側における像面の変動量をほぼ同程度にすることができ、観察距離の範囲内で物体位置が変動しても、像の極端な劣化が生じることがなく、良好な画像を得ることができる。

次に、本発明にかかる撮像光学系の具体的な数値実施例について説明する。

＜実施例１＞
実施例１にかかる撮像光学系のレンズデータを表１に、レンズ構成図を図６に示す。図６における符号Ｒｉ、Ｄｉ（ｉ＝１、２、３、…）は表１のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例１にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ５の４群５枚構成からなる。なお、表１のレンズデータおよび図６の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＰ、ＣＧも含めて示している。図６における開口絞りＳｔは形状や大きさを表すものではなく光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、開口絞りＳｔと平行平板状の光学部材の図示については、後述の実施例についても同様である。

表１のレンズデータにおいて、面番号は最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示す。表１のＲｉはｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面の曲率半径を示し、Ｄｉはｉ（ｉ＝１、２、３、…）番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示す。また、Ｎｄｊは最も物体側の光学要素を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊはｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数を示す。表１において、曲率半径および面間隔の単位はｍｍであり、曲率半径は物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。なお、表１中の記号の意味は後述の実施例についても同様である。

＜実施例２＞
実施例２にかかる撮像光学系のレンズデータを表２に、レンズ構成図を図７に示す。図７において、符号Ｒｉ、Ｄｉは表２のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例２にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ５の４群５枚構成からなる。なお、表２のレンズデータおよび図７の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＰ、ＣＧも含めて示している。

＜実施例３＞
実施例３にかかる撮像光学系のレンズデータを表３に、レンズ構成図を図８に示す。図８において、符号Ｒｉ、Ｄｉは表３のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例３にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ５の４群５枚構成からなる。なお、表３のレンズデータおよび図８の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＰ、ＣＧも含めて示している。

＜実施例４＞
実施例４にかかる撮像光学系のレンズデータを表４に、レンズ構成図を図９に示す。図９において、符号Ｒｉ、Ｄｉは表４のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例４にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ５の４群５枚構成からなる。なお、表４のレンズデータおよび図９の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＰ、ＣＧも含めて示している。

＜実施例５＞
実施例５にかかる撮像光学系のレンズデータを表５に、レンズ構成図を図１０に示す。図１０において、符号Ｒｉ、Ｄｉは表５のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例５にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ６の４群６枚構成からなる。なお、表５のレンズデータおよび図１０の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＦ、ＰＰ、ＣＧも含めて示している。

＜実施例６＞
実施例６にかかる撮像光学系のレンズデータを表６に、レンズ構成図を図１１に示す。図１１において、符号Ｒｉ、Ｄｉは表６のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例６にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ６の４群６枚構成からなる。なお、表６のレンズデータおよび図１１の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＦ、ＰＰ、ＣＧも含めて示している。

＜実施例７＞
実施例７にかかる撮像光学系のレンズデータを表７に、レンズ構成図を図１２に示す。図１２において、符号Ｒｉ、Ｄｉは表７のＲｉ、Ｄｉと対応している。実施例７にかかる撮像光学系は、レンズＬ１〜Ｌ５の４群５枚構成からなる。なお、表７のレンズデータおよび図１２の構成図には、開口絞りＳｔと、レンズ系と結像点Ｐとの間に配置されるフィルタ、プリズム、カバーガラス等を想定した平行平板状の光学部材ＰＰ、ＣＧも含めて示している。

上記実施例１〜実施例７における、各種データおよび条件式（１）に対応する値を表８〜表１１に示す。表８〜表１１に記載された記号の一部は図１で示すものに対応している。なお、図１には、前述で説明した符号以外に、焦点距離ｆ、フロントフォーカスＦｆ、バックフォーカスＢｆ、前側焦点位置から物体位置Ｐｏまでの距離Ｘｏ、後側焦点位置から結像位置Ｐｉまでの距離Ｘｉが図示されている。

表８〜表１１において、「設定物体距離」はレンズＬ１の物体側の面から最初に設定した所定の物体位置Ｐｏまでの距離であり、「Ｖ寸法」は前述の寸法Ｖのことであり、「ＴＶ本数」は許容錯乱円径δ＝２Ｖ／（ＴＶ本数）として許容錯乱円径δを決める際に用いた値である。

また、各表の最も左欄の縦書きの「設定物体位置」、「近点」、「遠点」は、それぞれ設定物体位置に物体を配した場合、近点に物体を配した場合、遠点に物体を配した場合を意味する。例えば、「近点」の欄の「物体距離」は、近点側観察時の物体距離であり、これはすなわち、レンズＬ１の物体側の面から近点までの距離である。同様に、「遠点」の欄の「物体距離」は、遠点側観察時の物体距離であり、これはすなわち、レンズＬ１の物体側の面から遠点までの距離である。

近点の欄を例にとり説明すると、「球面収差」は瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｎであり、「Ｓ方向像面湾曲」は最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｎであり、「Ｔ方向像面湾曲」は最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｎであり、「Ｓ，Ｔ平均値」は（Ｔｎ＋Ｓｎ）／２により計算される上記２方向の像面湾曲量の平均値Ｍｎであり、「差」はＭｎ−Ｚｎにより計算されるものである。設定物体位置、遠点の欄についても同様である。

表８〜表１１には、実施例１、３、４、５、６についてはＴＶ本数と設定物体距離を変えたもの、実施例２については設定物体距離を変えたものを例として示す。

表８〜表１１の式（１）に対応する値を見てわかるように、各例は全て条件式（１）を満足するものであり、これらの実施例では観察距離の範囲内で物体位置が変動しても、像の極端な劣化が生じることがなく、良好な画像を得ることができる。

上記実施例１〜７にかかる撮像光学系の球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）をそれぞれ図１３〜図１９に示す。各収差図には、ｄ線を基準波長とした収差を示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。球面収差図のＦＮｏ．はＦ値であり、その他の収差図のωは半画角を示す。図１３〜図１９からわかるように、上記実施例１〜実施例７は、各収差が良好に補正されている。 ここで、図１３〜図１９の収差図は、表８〜表１１に示す例に対応したものである。例えば「例１−１」と記載された図１３の上段の収差図、中段の収差図、下段の収差図はそれぞれ、表８の「例１−１」と記載された欄の設定物体位置に物体を配した場合、近点に物体を配した場合、遠点に物体を配した場合に対応する。他の収差図についても同様である。

なお、上記実施形態では、許容錯乱円径を、目の分解能と観察距離とから決めるようにしたが、多数の画素が配列されてなる撮像素子を用いて画像を形成する内視鏡の撮像装置では、撮像素子の画素の配列のピッチから許容錯乱円径を決めることも考えられる。

例えば、表８〜表１１に示す実施例におけるＶ寸法は１．０〜１．８ｍｍであり、これと許容錯乱円径δの範囲、２Ｖ／２４０≦δ≦２Ｖ／１６０から、許容錯乱円径δの値は０．００８３ｍｍ≦δ≦０．０２２５ｍｍとなる。ここで、撮像素子の画素のピッチを約２μｍとすると、許容錯乱円径δは画素４個分〜１０個分の長さに相当することになる。

具体的に、表１２に表８〜表１１に示す例において、画素のピッチＰを２μｍまたは１．８μｍとしたときの許容錯乱円径δとピッチＰの比δ／Ｐを示す。表１２に示すδ／Ｐは、４．２〜１１．３の値をとっていることから、許容錯乱円径δの範囲を、撮像素子の画素のピッチＰを用いて、４Ｐ≦δ≦１０Ｐとして、これに基づいて被写界深度を決めるようにしてもよい。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

例えば、上記実施形態では、像高の８割におけるサジタル方向の像面湾曲量とタンジェンシャル方向の像面湾曲量との平均値を用いているが、画面最周縁部まで重視する場合は、像高の１０割（最大像高）におけるサジタル方向の像面湾曲量とタンジェンシャル方向の像面湾曲量との平均値を用いるようにしてもよい。逆に、像高の約５割まで良好な像が得られればよいという場合は、像高の５割におけるサジタル方向の像面湾曲量とタンジェンシャル方向の像面湾曲量との平均値を用いるようにしてもよい。

このように、像高の何割における像面湾曲量を用いるかは、要求される光学系の仕様に応じて任意に設定することが可能である。同様に、球面収差についても、瞳径の何割の径を通過する光線によるものを用いるかは、必要に応じて適宜設定することができる。

また、上記実施形態では、サジタル方向の像面湾曲量とタンジェンシャル方向の像面湾曲量とを同等に扱い、これらの平均値を用いているが、サジタル方向の像面湾曲量とタンジェンシャル方向の像面湾曲量とで異なる比率の重み付けを行ったものを採用してもよい。さらに極端な例としては、サジタル方向の像面湾曲量とタンジェンシャル方向の像面湾曲量とで、どちらか一方のみを用いるようにしてもよい。

本発明の概念を説明するための図 内視鏡の撮像光学系の一例の収差図 近点における観察を説明するための図 本発明の一実施形態にかかる内視鏡システムの概略的な全体構成図 本発明の一実施形態にかかる内視鏡の挿入部の先端部の概略断面図 本発明の実施例１にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例２にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例３にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例４にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例５にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例６にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例７にかかる撮像光学系のレンズ構成を示す図 本発明の実施例１にかかる撮像光学系の各収差図 本発明の実施例２にかかる撮像光学系の各収差図 本発明の実施例３にかかる撮像光学系の各収差図 本発明の実施例４にかかる撮像光学系の各収差図 本発明の実施例５にかかる撮像光学系の各収差図 本発明の実施例６にかかる撮像光学系の各収差図 本発明の実施例７にかかる撮像光学系の各収差図

符号の説明

１ 撮像光学系
２ 撮像光学系
３ 内壁
７ 光路変換プリズム
８ 固体撮像素子
９ 処置具挿通チャンネル
１０ 撮像装置
１００ 内視鏡
１０２ 操作部
１０４ 挿入部
１１０ 先端部
１２０ プロセッサ
１２２ 表示装置
ｄ 焦点深度
Ｄｉ ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸上の面間隔
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６ レンズ
Ｐｆ 遠点
Ｐｉ 結像位置
Ｐｎ 近点
Ｐｏ 物体位置
Ｒｉ ｉ番目の面の曲率半径
Ｓｔ 絞り
Ｚ 光軸

Claims (3)

1. 内視鏡の挿入部の先端部に配設される撮像光学系において、
   所定の物体位置からの光が前記撮像光学系により結像する位置を結像位置とし、このときの前記撮像光学系の被写界深度の遠距離側の限界点を遠点、近距離側の限界点を近点としたとき、
   前記遠点に物体を配したときの前記結像位置における、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｆと、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｆと、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｆと、
   前記近点に前記物体を配したときの前記結像位置における、瞳径の７割の径を通過する光線による球面収差量Ｚｎと、最大像高の８割の像高でのサジタル方向の像面湾曲量Ｓｎと、最大像高の８割の像高でのタンジェンシャル方向の像面湾曲量Ｔｎとが、下記条件式（１）を満足することを特徴とする撮像光学系。
   

   
2. 物体位置の移動に対して合焦を行うフォーカス調整機構を備えていないことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
3. 請求項１または２記載の撮像光学系と、該撮像光学系による像を表示装置で表示するための電気信号に変換する撮像素子とを備えた内視鏡の撮像装置において、
   前記表示装置で像を観察するときの許容錯乱円径δが、前記表示装置で垂直方向に表示される像の前記結像位置における寸法Ｖを用いて表される、２Ｖ／２４０≦δ≦２Ｖ／１６０の範囲にあり、
   前記撮像光学系の像側の焦点深度ｄが、前記許容錯乱円径δと実効Ｆ値Ｆｅとにより、ｄ＝δ×Ｆｅで定義されるとき、
   前記遠点が、前記結像位置から前記撮像光学系の方向へ前記焦点深度ｄだけ離隔した点の共役点であり、
   前記近点が、前記結像位置から前記撮像光学系とは逆の方向へ前記焦点深度ｄだけ離隔した点の共役点であることを特徴とする内視鏡の撮像装置。

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