(57)【要約】【課題】内視鏡用レンズユニットにおいて少ないレンズ枚数で像高を大きくする。【解決手段】内視鏡１の挿入部３に配置される内視鏡用レンズユニット３１を、観察対象側から、観察対象側に凹面を有しかつ反対側に平面を有する平凹レンズからなる第１レンズと、観察対象側に平面を有しかつ反対側に凸面を有する平凸レンズからなる第２レンズと、観察対象側に凸面を有しかつ反対側に平面を有する平凸レンズからなる第３レンズと、観察対象側に平面を有しかつ反対側に凹面を有する平凹レンズからなる第４レンズとをこの順に配置して構成する。観察対象側とは反対側の第４レンズを平凹レンズとしたことから、例えば撮像素子で受光する場合に撮像素子における像高を高くすることができ、レンズユニットのコンパクト化を促進することができる。【選択図】図３
2014191222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、
観察対象側から、前記観察対象側に凹面を有しかつ反対側に平面を有する平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を有しかつ反対側に凸面を有する平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に凸面を有しかつ反対側に平面を有する平凸レンズからなる第３レンズと、前記観察対象側に平面を有しかつ反対側に凹面を有する平凹レンズからなる第４レンズとがこの順に配置されていることを特徴とする内視鏡用レンズユニット。
【請求項２】
前記第３レンズの凸面の曲率半径をＲ３とし、前記第３レンズの厚さをＤ３とすると、Ｒ３／Ｄ３＜３であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用レンズユニット。
【請求項３】
前記第３レンズの焦点距離をｆ３とし、前記第１〜第４レンズ全体の焦点距離をｆとすると、２＜ｆ３／ｆ＜４であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内視鏡用レンズユニット。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の内視鏡用レンズユニットを備えた内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から直接観察できない観察対象の内部を撮像するための内視鏡に用いられる内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
医療における手術や検査の際に人の臓器などを観察するための手段として内視鏡が広く用いられている。内視鏡では、用途などに応じて種々の外径（例えば、５ｍｍ〜１５ｍｍ）の挿入部が採用されているが、一般的には患者の負担を軽減するために挿入部をより小径化することが望ましい。
【０００３】
例えば、一般に電子内視鏡等で使用されるＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）が赤外域に感度があるため、レンズの色再現性向上のために赤外域の光を吸収する赤外吸収フィルタを用いるとともに、少ないレンズ枚数で赤外吸収フィルタを配置し得る十分なスペースを有するように、レンズの曲率半径とレンズの厚さの比等を所定の範囲内にすることにより、広角レンズにおいて問題になる倍率の色収差を補正するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２４５８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年の内視鏡では、挿入部の一層の小径化（例えば、外径２ｍｍ程度）が試みられており、これにより、撮像ユニットに用いられるレンズも小径化（例えば、外径１ｍｍ程度）が必要となっている。しかしながら、それに伴って像高が低くなってしまうという問題が生じる。それに対して、上記特許文献１のようにレンズの曲率半径と厚さの比の調整だけでは限度があるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、少ないレンズ枚数で像高を大きくすることができる内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内視鏡用レンズユニットは、内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、観察対象側から、前記観察対象側に凹面を有しかつ反対側に平面を有する平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を有しかつ反対側に凸面を有する平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に凸面を有しかつ反対側に平面を有する平凸レンズからなる第３レンズと、前記観察対象側に平面を有しかつ反対側に凹面を有する平凹レンズからなる第４レンズとがこの順に配置されている構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、内視鏡の対物レンズを４枚のレンズで構成するとともに、観察対象側に最も近い第１レンズを平凹レンズとして広角レンズとして機能させ、中間の２枚のレンズを平凸レンズとして焦点距離を短くすることによりレンズユニットの光軸方向長さを短くし、観察対象側とは反対側の第４レンズを平凹レンズとしたことから、例えば撮像素子で受光する場合に撮像素子における像高を高くすることができ、レンズユニットのコンパクト化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるレンズユニットが適用された内視鏡の全体構成図
【図２】内視鏡における挿入部先端の内部構造を示す模式図
【図３】レンズユニットの詳細構成を示す挿入部先端の断面図
【図４】レンズユニットの各レンズの構成を示す模式図
【図５】第１実施例のレンズデータを示す表
【図６】第２実施例のレンズデータを示す表
【発明を実施するための形態】
【００１０】
前記課題を解決するためになされた第１の発明は、内視鏡の挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットであって、観察対象側から、前記観察対象側に凹面を有しかつ反対側に平面を有する平凹レンズからなる第１レンズと、前記観察対象側に平面を有しかつ反対側に凸面を有する平凸レンズからなる第２レンズと、前記観察対象側に凸面を有しかつ反対側に平面を有する平凸レンズからなる第３レンズと、前記観察対象側に平面を有しかつ反対側に凹面を有する平凹レンズからなる第４レンズとがこの順に配置されている構成とする。
【００１１】
これによると、内視鏡の対物レンズを４枚のレンズで構成するとともに、観察対象側に最も近い第１レンズを平凹レンズとして広角レンズとして機能させ、中間の２枚のレンズを平凸レンズとして焦点距離を短くすることによりレンズユニットの光軸方向長さを短くし、観察対象側とは反対側の第４レンズを平凹レンズとしたことから、例えば撮像素子で受光する場合に撮像素子における像高を高くすることができ、レンズユニットのコンパクト化を促進することができる。
【００１２】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記第３レンズの凸面の曲率半径をＲ３とし、前記第３レンズの厚さをＤ３とすると、Ｒ３／Ｄ３＜３である構成とする。
【００１３】
これによると、第３レンズの曲率半径Ｒ３を厚さＤ３に対して小さくすることから、第３レンズの必要なコバ厚を確保しかつ焦点距離を短くすることができ、レンズユニットの全長が短くなり、レンズユニットのコンパクト化を促進し得る。
【００１４】
また、第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記第３レンズの焦点距離をｆ３とし、前記第１〜第４レンズ全体の焦点距離をｆとすると、２＜ｆ３／ｆ＜４である構成とする。
【００１５】
これによると、レンズユニットをコンパクト化し得るとともに、第４レンズを上記したように負のパワーを有する平凹レンズとすることにより、像側での大きな像高を確保し得る。
【００１６】
また、第４の発明は、上記第１から第３の発明のいずれかに係る内視鏡用レンズユニットを備えた内視鏡である。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明によるレンズユニットが適用された内視鏡の全体構成図であり、図２は内視鏡における挿入部先端の内部構造を示す模式図である。なお、図２では内視鏡の外筒を切断して内部構造を示している。
【００１９】
図１に示すように、内視鏡１は、医療用として用いられる極細の軟性鏡であり、特に血管等の狭い空間の観察に用いられるものである。内視鏡１は、照明用の光源等（図示せず）が内蔵された本体部２と、この本体部２から前方に延設された挿入部３とから主として構成される。ユーザは、本体部２の後部２ａをビデオプロセッサ４の接続口５に挿入することにより、図示しない本体部２側の端子とビデオプロセッサ４側の端子とを電気的に接続することができる。これにより、内視鏡１は、ビデオプロセッサ４との間で電力受給や各種信号（映像信号、制御信号など）の送受信が可能となる。なお、ビデオプロセッサ４は周知の機能を有しており、ユーザは、ビデオプロセッサ４を図示しない映像表示用のモニタやプリンタに接続することにより、内視鏡１からの映像信号に基づく映像を表示したり、画像を印刷したりすることができる。
【００２０】
挿入部３は、観察対象（ここでは、人体）の内部に挿入される部位であり、小径（例えば約１．８ｍｍ）の円形断面を有すると共に、観察対象に応じて必要な長さ（例えば４ｍ）に設定されている。挿入部３は、本体部２に後端が接続された可撓性の軟性部１１と、この軟性部１１の前端に連なり先端部を形成する高剛性の硬性部１２とを有している。
【００２１】
図２に示すように、軟性部１１の外周部は、可撓性の材料（ここでは、合成樹脂材料）からなる円筒状の軟性外筒１３により形成されており、また、硬性部１２の外周部は、剛性の高い部材（ここでは、金属）からなる円筒状の硬性外筒１４により形成されている。軟性外筒１３の外径は硬性外筒１４の内径と略同一に設定されており、軟性外筒１３の先端は硬性外筒１４の後部開口に嵌め込まれている。また、硬性外筒１４内の前部開口側には撮像ユニットホルダ２１が取り付けられており、撮像ユニットホルダ２１の前側には、対物光学系をなすレンズユニット３１を介して透光性の材料（光学材料）からなる円環状の先端カバー２２が取り付けられている。
【００２２】
撮像ユニットホルダ２１は、硬性外筒１４の内径よりも僅かに小さい外径を有し、硬性外筒１４の後部側に撮像ユニット２８を同軸かつ一体的に保持している。撮像ユニットホルダ２１の前側は、硬性外筒１４から前方に突出しており、この突出部位の外周には固定リング２６が嵌め込まれている。固定リング２６は、撮像ユニットホルダ２１と略同一の内径および硬性外筒１４と略同一の外径を有し、撮像ユニットホルダ２１に嵌め込まれた状態で硬性外筒１４の前側の端面に固着される。
【００２３】
撮像ユニット２８は、観察部位の撮像に供されるものであり、上記したレンズユニット３１と、このレンズユニット３１の後側に配置され、レンズにより集光された光を受光する固体撮像素子（ここでは、ＣＭＯＳ）３２と、この固体撮像素子３２の後面側に折り畳まれた状態で接続された平型のフレキシブルケーブル３３とを有している。
【００２４】
図３はレンズユニットの詳細構成を示す挿入部先端の断面図である。レンズユニット３１は、複数の光学レンズＬ１〜Ｌ４と、これらのレンズＬ１〜Ｌ４を収納するレンズ枠体３４とを有している。レンズ枠体３４は、所定の内径を有する円筒形状である。複数の光学レンズＬ１〜Ｌ４は、レンズ枠体３４の所定内径に対応する内径を有している。
【００２５】
本実施の形態において、レンズユニット３１では、ガラス素材からなる同一径の複数（ここでは、４枚）の光学レンズＬ１〜Ｌ４が、金属製であって単一の内径を有する円筒状のレンズ枠体３４に互いに軸方向に密接した状態で組み込まれている。レンズユニット３１（レンズ枠体３４）の前側は、撮像ユニットホルダ２１から前方に突出しており、この突出部位の外周には先端カバー２２が嵌め込まれている。また、レンズユニット３１の後側は撮像ユニットホルダ２１に嵌め込まれている。なお、上述したように、複数の光学レンズＬ１〜Ｌ４を単一の内径を有するレンズ枠体３４に組み込む場合、それぞれの径は、設計寸法として同一である必要があるが、製造誤差（公差）の範囲で同一であればよく、実質的に同一であればよい。
【００２６】
また、レンズ枠体の材料として、金属の場合について説明したが、化学的に安定し、レンズを保護するための機械的強度を有し、かつ製造上の寸法精度が得られるものであれば、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックやセラミックスなどどのような材料であってもよい。また、レンズ枠体の形状として円筒の場合について説明したが、レンズ形状が円形以外の形状であれば、必ずしも円筒である必要はない。また、光学レンズの材料として、ガラスの場合について説明したが、化学的に安定し、所定の屈折率が得られ、かつ製造上の寸法精度が得られるものであれば、必ずしもガラスである必要はなく、プラスチックであってもよい。
【００２７】
フレキシブルケーブル３３の後部には、撮像ユニット２８と本体部２（図１参照）との間の電力および各種信号の伝送に供される電力・信号用ケーブル３５（ここでは、４芯同軸ケーブル）の先端側が接続されている。電力・信号用ケーブル３５は、軟性部１１内に配置されており、その後端側は、軟性部１１の軸に沿って本体部２まで延在している。
【００２８】
また、内視鏡１には、上述の本体部２内の光源（例えば白色ＬＥＤ）と、この光源からの光を挿入部３の先端に導くための例えば４本の光伝送用ケーブル３７とを有する照明装置が設けられている。各光伝送用ケーブル３７は、複数の小径の光ファイバが束ねられた構成を有しており、軟性部１１内において電力・信号用ケーブル３５の周囲に等間隔で配置されており、その後端側は、軟性部１１の軸に沿って本体部２内の光源まで延在している。
【００２９】
各光伝送用ケーブル３７の先端部は金属管３８によって被覆されている。金属管３８は、所定の湾曲形状に曲げ加工されており、これにより、各光伝送用ケーブル３７の先端部は、撮像ユニット２８を迂回するように外側に湾曲し、撮像ユニットホルダ２１の外周に設けられた保持溝４１に保持状態に受容されている。各光伝送用ケーブル３７の出射端は、先端カバー２２の後面２２ａに向けて配置されており、出射光は先端カバー２２内を通ってＲ面取りされた前面２２ｂから挿入部３の前方に照射される。なお、各光伝送用ケーブル３７の出射端は、光学用接着剤により保持溝４１に接着されている。
【００３０】
図３に示されるように、レンズユニット３１において、レンズ枠体３４内には、凹面Ｌ１ａを入射側（前側）に向けかつ出射側（後側）に平面Ｌ１ｂを有する平凹レンズからなる第１レンズＬ１と、平面Ｌ２ａを入射側に向けかつ凸面Ｌ２ｂを出射側に向けた平凸レンズからなる第２レンズＬ２と、凸面Ｌ３ａを入射側に向けかつ平面Ｌ３ｂを出射側に向けた平凸レンズからなる第３レンズＬ３と、平面Ｌ４ａを入射側に向けかつ凹面Ｌ４ｂを出射側に向けた平凹レンズからなる第４レンズＬ４とが、観察対象側（前側）からこの順に配置されている。
【００３１】
本実施の形態では、レンズ枠体３４の内周面３４ａには各レンズＬ１〜Ｌ４を位置決めするための構造（突起、段差等）は設けられておらず、各レンズＬ１〜Ｌ４の外周縁（ここでは、外周面全体）が内周面３４ａに対して密接した状態で接着されている。第１レンズＬ１はレンズ枠体３４の前端に配置されており、その凹面Ｌ１ａはレンズ枠体３４の前部開口から露出している。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間には、中央に絞り孔４５ａを有する反射防止処理された円形の薄い（例えば５０μｍの厚さ）金属板からなる絞り４５が介装されている。
【００３２】
レンズユニット３１では、観察対象からの光は、第１レンズＬ１に入射し、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４を順次通過した後、第４レンズL４の凹面Ｌ４ｂに対向して配置された固体撮像素子３２の受光面に結像される。
【００３３】
図４はレンズユニット３１の各レンズＬ１〜Ｌ４の構成を示す模式図であり、図５はレンズユニット３１の第１実施例としての各レンズデータを示す表１である。表１において、面は、上記した各レンズＬ１〜Ｌ４の各面Ｌ１ａ・Ｌ１ｂ〜Ｌ４ａ・Ｌ４ｂと絞り４５であり、それぞれの曲率半径・コーニック係数・光軸方向の厚み・屈折率・アッベ数をそれぞれ記載している。
【００３４】
第４レンズＬ４の平面Ｌ４ａの屈折力は０であり、凹面Ｌ４ｂの屈折力は−０．８３６８であり、第４レンズＬ４の屈折力は−０．８３６８であり、焦点距離ｆ４は−１．７５７４である。したがって、第４レンズＬ４の凹面Ｌ４ｂは負の焦点距離を有し、レンズユニット３１の最終面（Ｌ４ｂ）の像高ｈ１と、固体撮像素子３２の撮像面３２ａにおける像高ｈ２との関係は、ｈ１＜ｈ２となる。これにより、内視鏡の小径化に伴ってレンズユニット３１を小径化しても、大きな像の撮像を行うことができる。
【００３５】
また、第３レンズＬ３において、その凸面Ｌ３ａの曲率半径Ｒ３と厚みＤ３との比（Ｒ３／Ｄ３）は、表１から、
Ｒ３／Ｄ３＝０．８５２６／０．３９４＝２．１６（＜３）
となる。第４レンズＬ４を上記したように負の屈折力として像高を大きく確保し得るようにしたことから、第３レンズＬ３の曲率半径Ｒ３を厚さＤ３に対して小さくすることができる。これにより、第３レンズＬ３の必要なコバ厚を確保しかつその焦点距離を短くすることができるため、レンズユニット３１の全長が短くなり、レンズユニット３１のコンパクト化を促進し得る。
【００３６】
また、第３レンズＬ３の凸面Ｌ３ａの屈折力は０．６９０９６であり、平面Ｌ３ｂの屈折力は０であり、第３レンズＬ３の屈折力は０．６９０９６であり、焦点距離ｆ３は１．４４７３である。一方、全レンズL１〜Ｌ４の有効焦点距離ｆは０．７１９であり、実行Ｆナンバーは４．０４６であり、像空間ＮＡは０．１２０である。
【００３７】
これにより、第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３と全レンズの焦点距離ｆとの比（ｆ３／ｆ）が、
ｆ３／ｆ＝１．４４７３／０．７１９＝２．０１３
であり、２＜ｆ３／ｆ＜３の関係が成り立つ。
【００３８】
ｆ３／ｆが上記範囲（２〜３）内となることにより、レンズユニット３１をコンパクト化し得るとともに、第４レンズＬ４を上記したように負のパワーを有する平凹レンズとすることにより撮像面３２ａでの大きな像高を確保し得る。
【００３９】
また、レンズユニット３１の各レンズデータとしては上記第１実施例に限られるものではなく、上記した各条件であるｈ１＜ｈ２、Ｒ３／Ｄ３＜３、２＜ｆ３／ｆ＜３を満たすものであればよい。その一例としての第２実施例を図６の表２に示す。この表２の各レンズデータの項目は表１に対応するものである。
【００４０】
第２実施例において、第４レンズＬ４のレンズテータは第１実施例と同じであり、像高の関係もｈ１＜ｈ２を満たす。また、第３レンズＬ３のＲ３／Ｄ３は、表２から、
Ｒ３／Ｄ３＝０．９９８３／０．３７８０＝２．６４
となり、Ｒ３／Ｄ３＜３の関係が成り立つ。
【００４１】
また、第３レンズＬ３の凸面Ｌ３ａの屈折力は０．５９０１１であり、平面Ｌ３ｂの屈折力は０であり、第３レンズＬ３の屈折力は０．５９０１１であり、焦点距離ｆ３は１．６９４６である。一方、全レンズL１〜Ｌ４の有効焦点距離ｆは０．６８１であり、実行Ｆナンバーは４．１８６であり、像空間ＮＡは０．１１９である。この第２実施例において、第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３と全レンズの焦点距離ｆとの比（ｆ３／ｆ）が、
ｆ３／ｆ＝１．６９４６／０．６８１＝２．４８８
であり、２＜ｆ３／ｆ＜３の関係が成り立つ。
【００４２】
なお、レンズのガラスモールド成型後の芯出し工程でエッジ部にチッピングが発生したり、モールド時にもエッジ端がＲ面となる。そのようなエッジ部分を通る光線を制御することができず、レンズ周辺部を通る光線が迷光となってしまうという問題がある。これは、レンズを小径化する程顕著となり、光学有効径の制限として、外径−２＊ｃ（ｃはチッピング幅）となり、各レンズＬ１〜Ｌ４を通る光による像の最大像高が規制される。したがって、チッピング幅ｃをできるだけ小さくすることが要求される。
【００４３】
本発明が適用される、例えば１．８ｍｍ径の内視鏡用レンズユニット３１において、１ｍｍ径のレンズＬ１〜Ｌ４を用いた場合に、チッピング幅（図４のｃ）を、芯出し研削製法の場合には下限値を５０μｍとすることができる。これは、グラインダーで研削する芯出方式では、５０μｍ程度のチッピングは不可避であるためである。チッピング幅が５０μｍとなることにより、光学有効径を広げることができる。またレンズコバ厚を増やす事が出来るので、鏡筒に組み付けた際に、レンズの傾きを抑制可能である。
【００４４】
また、レンズをダイレクトモールド成型のみで形成する場合には、下限値を２０μmとすることができる。ダイレクトモールド成型のように、芯出し研削なしのダイレクト成型では、オーバーパックしないため、より一層チッピング幅ｃを小さくすることができる。なお、エッジ部ｒ＝２０μmが事実上の下限値となる。これにより、光学有効径をより一層広げることができる。また、上記と同様に、レンズコバ厚を増やす事が出来るので、鏡筒に組み付けた際に、レンズの傾きを抑制可能である。
【００４５】
以上、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る内視鏡は、医療用としては人に限らず小動物（愛玩動物や実験動物など）の体内の観察・診断のために用いてもよい。また、医療用のみならず他の用途（工業用等）に用いることが可能である。例えば、各種機械やダクト・水道管の内部など狭い空間を探索・調査のための内視鏡であってもよい。なお、上記実施形態に示した本発明に係る内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明にかかる内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡は、レンズを小径化した場合でも、大きな像高を得ることができ、挿入部に配置される内視鏡用レンズユニットおよびこれを備えた内視鏡などとして有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１  内視鏡
３  挿入部
３１  レンズユニット
３２  固体撮像素子
４５  絞り
Ｌ１  第１レンズ
Ｌ２  第２レンズ
Ｌ３  第３レンズ
Ｌ４  第４レンズ
【図１】
2014191222.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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