(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つ以上の棒状レンズを含み物体像を再結像させる光学系において、該光学系はアフォーカル系であって、前記物体像と瞳位置、及び該瞳位置と再結像位置との間にそれぞれ少なくとも二つ以上の光学的屈折力を有する面を含み、前記瞳位置をはさんだ両側の光学系がそれぞれ次の条件（１）及び（２）を満足することを特徴とする像伝達光学系。
（１）    ０．３５≧Ｄ1／ｌ≧０．０９５
（２）    Ｄ3／ｌ≦０．３
ｌ＝Ｄ1＋Ｄ2＋Ｄ3
ただし、Ｄ1は前記瞳位置より物体側の光学系において、前記物体像と前記光学的屈折力を有する面のうち最も物体側の面との間隔、又は、前記瞳位置より再結像された像側の光学系において、前記再結像された像と前記光学的屈折力を有する面のうち最も再結像された像側の面との間隔、Ｄ2は前記瞳位置より物体側の光学系において、前記光学的屈折力を有する面のうち最も物体側の面と最も瞳位置側の面との間隔、又は、前記瞳位置より再結像された像側の光学系において、前記光学的屈折力を有する面のうち最も再結像された像側の面と最も瞳位置の面との間隔、Ｄ3は前記瞳位置より物体側の光学系において、前記光学的屈折力を有する面のうち最も瞳位置側の面と瞳位置との間隔、又は、前記瞳位置より再結像された像側の光学系において、前記光学的屈折力を有する面のうち最も瞳位置側の面と瞳位置との間隔である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬性内視鏡等の像をリレーレンズにより複数回リレー伝達するための像伝達光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
硬性内視鏡等に用いられる像伝達光学系は、良好な像を観察するために様々な工夫がなされている。その一つとして伝達される像をより明るくするためにリレー系をガラスで埋めＮＡを大にする工夫がなされている。例えば複数の正レンズを空気間隔をおいて配置した像伝達光学系において、空気間隔を屈折率Ｎのガラスで埋めると明るさはＮ２倍になる。そのために部品点数を減らし、明るさを増大せしめた像伝達光学系として、図６に示す特公昭４９−５９９３号に記載されている２本の棒状レンズにて構成されたものや、又図７に示す像伝達光学系が、明るい像伝達光学系として知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ビデオカメラの普及により内視鏡における像をビデオに撮影する場合が多くなっている。これに伴い従来の目視では観察出来る像でもビデオに撮影する場合は、暗すぎると云った不具合が生ずる。それは、一般に人間の眼の感度よりビデオカメラの撮像素子の感度の方が低いためである。そのため従来の光学系よりも更に明るい光学系が望まれる。
【０００４】
特公昭４９−５９９３号公報に記載された光学系は、空気間隔をガラスで埋めたため、薄肉レンズを使った同じ長さのリレー光学系より約Ｎ２倍明るくなる。しかしリレー光学系が伝達する走行量は、ガラスの屈折率Ｎのみにて決まるのではなく、光学系のパワー配置にも依存し、空気の部分をすべてガラスで埋めただけで総光量は最大にならない。
【０００５】
本発明の目的は、硬性内視鏡等の像伝達光学系によって伝達される総光量を最大にし明るく良好な観察像を得る光学系を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の像伝達光学系は、上記の課題を解決するためになされたもので、二つ以上の棒状レンズからなり物体像を所望位置に再結像させる光学系であって、該光学系はアフォーカル系であり、前記物体像と瞳位置との間に少なくとも二つ以上の光学的屈折力を有する面を含み、次の条件（１）を満足することを特徴とするものである。
（１）    ０．３５≧Ｄ１／ｌ≧０．０９５
ｌ＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３
ただし、Ｄ１は前記物体像と前記光学的屈折力を有する面のうち最も物体側の面との間隔、Ｄ２は前記光学的屈折力を有する面のうち最も物体側の面と最も瞳位置側の面との間隔、Ｄ３は前記光学的屈折力を有する面のうち最も瞳位置側の面と瞳位置との間隔である。
【０００７】
従来よりホプキンス光学系として有名な図６の像伝達光学系においては、各棒状レンズの空気接触面および接合面が屈折力を持っている。この光学系のパワー配置を模式的に示すと図１に示す通りである。つまり物体像Ｉ１から距離Ｄ１だけ離れた位置に棒状レンズの入射面に対応する薄肉レンズＬ１があり、これから距離Ｄ２を隔てて棒状レンズの射出側の接合面と空気接触面とに相当する薄肉レンズＬ２がある。そして薄肉レンズＬ１とＬ２の間の間隔Ｄ２の部分は、棒状レンズのガラス部分に相当するので平均屈折率を
ｎ＝（空気換算長）／（実際の間隔）
で定義して、平均屈折率ｎの媒質で埋め込まれていると考えられる。この像伝達光学系は、棒状レンズがもう一つ存在するが、薄肉レンズＬ２の射出側の距離Ｄ３の位置を対称点として前記の屈折力の位置が対称に存在すると考えればよい。
【０００８】
このタイプの光学系をモデルにして、像伝達光学系により伝達される光学系について調べる。図２は図１に示した像伝達光学系の半分の部分を示した図である。この図で二つの薄肉レンズＬ１，Ｌ２の焦点距離をｆ１，ｆ２として夫々の入射側および出射側が空気（屈折率＝１）、薄肉レンズＬ１と薄肉レンズＬ２の間は平均屈折率ｎの媒質で満たされているとする。
【０００９】
軸上物点からのマージナル光線は、光軸に平行になって瞳に入射する。ここでＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３＝一定、すなわち物点から瞳までの距離が同じ光学系についてパワー配置と伝達光量との関係を調べる。
【００１０】
今計算を簡単にするために、薄肉レンズＬ１とＬ２の合成系の後側焦点距離位置が、薄肉レンズＬ１からＤ２の位置にあるとする。これはＬ１とＬ２の間の屈折率が１であるとき薄肉レンズＬ２がこの合成系の後側焦点位置になることを意味しており、この場合薄肉レンズＬ２が瞳の結像に関して厳密な意味でフィールドレンズになっていることを意味している。実際にはレンズ系は若干この条件から外れているが二つの薄肉レンズ間の平均屈折率がｎである場合も薄肉レンズＬ２は瞳の結像に関してはフィールドレンズ作用がほとんどであるので良い近似と考えて差し支えない。
【００１１】
次に、像伝達光学系による光伝達の様子をもう少し詳細に検討する。図３において、物体面ｐから射出する光束のうち軸上物点あるいは光軸に近い位置から発する光束ｌ１は、薄肉レンズＬ１で屈折した後に薄肉レンズＬ２の縁でけられる。これに対して比較的光軸から離れた物点からの光束ｌ２は最初に薄肉レンズＬ１でけられる。したがって像高の低い物点に対しては薄肉レンズＬ２の縁が、像高の高い物点に対してはレンズＬ１の縁が夫々絞りとして機能することがわかる。Ｌ１が絞りとなる場合とＬ２が絞りとなる場合の境界となる像高ｐは次の式で表わせる。
ｐ＝（ｆ１−Ｄ１）／ｆ１
【００１２】
上記の性質を図示すると図４のようになる。この図でｒは薄肉レンズＬ１の半径である。
【００１３】
上記物点より大きな像高である像高ｘの物点から射出した光束は、半径ｒの円Ｃ１に向かって入射し、図４に示すように上側の光束が円Ｃ１の上の縁でけられる。この光束は、図５に示すように像伝達光学系を射出後、等倍の像高ｘの倒立像Ｑ’を形成する。この光学系は、対称系であるので薄肉レンズＬ１’と像との関係は、物体と薄肉レンズＬ１との関係を上下逆にしたものと全く同じである。したがって像点Ｑに到達する光は、半径ｒの円Ｃ１から像高ｘの位置へ射出して来る。つまり光束のうち下側の部分は、薄肉レンズＬ１の下の縁（円Ｃ１の下の縁）によりけられることになる。
【００１４】
以上のように、像高ｘの点から発して像点Ｑまで到達し得る光量は、二つの円Ｃ１，Ｃ２により囲まれている図４にｓにて示す部分の面積ｓにより決められる。
【００１５】
一方像高がｐ点よりも小さい物点からの光束に対しては、薄肉レンズＬ２，Ｌ２’が絞りとして機能するので、上記と同様の考えを適用すればよいが、図５から明らかなように、これら物点からの光束は、薄肉レンズＬ２の像Ｌ１途中で屈折することなく、入射すると考えられる。そのため薄肉レンズＬ２’の結像倍率をβとすると、薄肉レンズＬ２の半径もｒであるから、半径βｒの円Ｃ２，Ｃ２’により囲まれている領域の面積ｓ’によってｐより像高の低い物点より射出する光束の伝達光量が決定されるとすればよい。
【００１６】
したがって総光量は、像高０〜ｐまでの各点における円Ｃ２，Ｃ２’により囲まれる領域の面積およびｐ〜最大像高（視野率１００％の場合にはｒ）までの各点における円Ｃ１，Ｃ１’により囲まれる領域の面積ｓ’の総和になる。
【００１７】
物体面より薄肉レンズＬ１およびＬ２の像Ｌ１までの距離を考慮して、総光量は、次の式で求めることが出来る。
0003600120.tif 000002
【００１８】
上記の式で≒で表わしたのは、積分範囲の境界（ｐ）近傍で、一部ｓまたはｓ’とわずかに異なる形になる部分があるためである。しかし全てｓ又はｓ’で評価しても光量評価の精度としては十分である。
【００１９】
上記の式にもとづいて実際に伝達される光量を求めると下記の通りである。
【００２０】
平均屈折率ｎと像高比との種々の値について、Ｄ１，Ｄ３の値をいろいろ変化させたときの伝達される総光量を計算したものを示したのが次の表である。ここで像高比ｋとは、式の説明で述べたｒで最大像高を規格化した値である。
0003600120.tif 000003
0003600120.tif 000004
0003600120.tif 000005
0003600120.tif 000006
0003600120.tif 000007
0003600120.tif 000008
0003600120.tif 000009
0003600120.tif 000010
0003600120.tif 000011
0003600120.tif 000012
0003600120.tif 000013
0003600120.tif 000014
0003600120.tif 000015
0003600120.tif 000016
0003600120.tif 000017
【００２１】
この表で例えばｎ＝１．５，ｋ＝０．９とあるのは、その表の値が平均屈折率１．５で像高比０．９の条件下のものであることを示している。又最も左の欄（最も左の縦の列）はＤ1の値、最上段（最も上の横の列）はＤ3の値を示し、それらはいずれもｌ＝１のときの値であり、０．０５，０．１０，０．１５，・・・のように０．０５よりはじめて０．０５きざみで変化させて０．４５までを示してある。これらの縦横の列の交叉した個所の値が夫々のＤ1，Ｄ3の値における総光量比を示している。
【００２２】
これら表からわかるように、例えばｎ＝１．５，ｋ＝０．９においては、Ｄ３＝０．０５の時、Ｄ１が０．０５の時の総光量比は３．２６６又０．１０の時の総光量比は４．０６２，・・・で、Ｄ１の値が大になるにつれてつまり物体とレンズＬ１との距離が大になるにつれて総光量比が大になり、Ｄ１＝０．２０でピークになり、Ｄ１＝０．２５，０．３０，・・・とＤ１の値が大になりすぎて、つまり物体とレンズＬ１との距離が離れすぎると総光量比が減少する。このように物体とレンズＬ１との距離は近すぎても遠すぎても総光量比が減少し適切な範囲を選定することによって非常に光量を大にし明るい像を得ることが可能になる。
【００２３】
又Ｄ３を変化させても総光量比が変化するが、Ｄ１の変化に対する総光量比の変化の傾向は、Ｄ３の値にかかわらず一定である。つまりｎ＝１．５，ｋ＝０．９の場合は、Ｄ１＝０．２が総光量比が最も大である。
【００２４】
又ｎ，ｋの値が変化すると総光量比の最大の値（最適値）は変化し、例えば、ｎ＝１．５，ｋ＝０．７ではＤ１＝０．２５の時が最適値である。
【００２５】
上記の表ではｎ＝１．５，１．６，１．７の各々に対しｋ＝０．９，０．８，０．７，０．６，０．５を組み合わせた１５組みのケースについて示してある。これら表のデータからＤ１＝０．１５〜０．３が最適値であることがわかる。
【００２６】
従来は、像伝達光学系においてガラス部分が多いほど明るくなるつまりＤ１が小であるほど望ましいと考えられていた。しかし前述のように視野周辺での光束のけられを考慮すると必ずしもＤ１が小であることが好ましいとは限らないことが明らかになった。
【００２７】
以上詳細に説明したように、上記式（ｉ）の第１項は結像作用を有するレンズ（薄肉レンズＬ２）によって光束がけられる部分の総光量比であり、第２項はフィールドレンズ（薄肉レンズＬ１）によって光束がけられる部分の総光量比である。
【００２８】
像伝達光学系により複数回伝達される像は、レンズ等の偏芯により、通常周辺部の像がけられるために視野が丸くならない。この視野を丸くするために、レンズの有効径の０．５〜０．９倍程度の視野マスクを入れるのが望ましい。
【００２９】
又式（ｉ）は、ｋとｎとを常数とすると２変数の方程式になり、その極値を求めることによって伝達光量が最大になる像伝達光学系のパワー配置を求めることが出来る。この式でＤ１とＤ３をパラメータとした時の総光量比のマップを示したのが前述の表である。
【００３０】
ただしこの表の値は、近軸計算の値で、近似値として求めているので、実際の光学系は、収差の影響その他によりやや異なっているが概略この表の通りである。
【００３１】
又実際の光伝達光学系は、収差補正上の問題等から、最大伝送光量を得るパワー配置で設計出来ない場合もある。しかし前述の条件（１）を満足すれば実用上十分な総光量が得られる。
【００３２】
このように本発明の像伝達光学系は、前述のように条件（１）を満足するようにしたもので、この条件の上限、下限より外れると伝達光量が低下する。
【００３３】
又このような配置にすることにより、フィールドレンズ面に付着したゴミ等が見えにくくなり非常に好ましい。
【００３４】
更に本発明の目的を達成するためには、次の条件（２）を満足せしめることが望ましい。
（２）    Ｄ３／ｌ≦０．３
ただしＤ３はＬ２から瞳までの距離つまり像伝達光学系の結像作用を持つ面で瞳に最も近い面から瞳までの距離である。
【００３５】
又Ｄ１とＤ３が次の条件（３）にて示す関係を満足することが好ましい。
（３）    Ｄ１＞Ｄ３
【００３６】
以上のような本発明の像伝達光学系の例えば表に示すｎ＝１．６，ｋ＝０．７の例の場合、特公昭４９−５９９３号に示されたリレー光学系よりも総光量比が少なくとも１０％から最大５０％程度向上している。
【００３７】
又硬性鏡等においては、通常偏芯により視野のけられをなくし、かつ伝送光量を多くするために、ｋの値はリレー回数５回以上のもので０．７程度、リレー回数３回程度のもので０．８程度に設定するが、その場合伝送総光量をピーク値の９割程度確保するためには、次の式（４）、（５）を満足することが特に望ましい。
（４）    ０．３＞Ｄ１／ｌ＞０．１
（５）    ０．２＞Ｄ３／ｌ≧０
【００３８】
又棒状単レンズは、諸収差の補正が困難であるため、棒状レンズを複数のレンズからなる棒状接合レンズにすれば諸収差の補正上好ましい。例えば棒状レンズに負のパワーを持つ接合面を設けることにより球面収差の補正が可能になる。
【００３９】
更に接合レンズのうちの屈折率の高い方のレンズのアッベ数を屈折率の低い方のレンズのアッベ数より小さくすることにより同時に色収差の補正も可能になる。
【００４０】
この場合、パワーを持つ面が３面以上になるが、通常接合面のパワーは、空気接触面のパワーに比べて十分小さいので、収差補正に関与しても像伝送および瞳伝送にはあまり関与せず、接合面を無視して図１に示す概念図の構成と同様に考えても伝送光量比はほとんど影響がない。
【００４１】
又棒状レンズの１面以上を非球面にすることによって諸収差を更に良好に補正することが可能である。
【００４２】
通常焦点距離が長くＮＡの小さいリレー光学系は、瞳収差は小さいが複数回リレーすると瞳収差が増加するので、一回リレーあたりの瞳収差を更に小さくすることが望ましく、そのために次の式（６）を満足することが好ましい。
（６）    Ｄ１＝Ｄ３
【００４３】
この式（６）を満足することにより、瞳収差を補正することが可能になり、特に棒状レンズがその中心に対し左右対称になっていれば結像系の球面収差と瞳収差量が全く等しくなる。又像伝達光学系中に非球面を用いる場合、球面のみからなるレンズ系に比べ瞳収差が大きくずれることがある。しかし上記式を満足する光学系は、瞳収差の補正上好ましい。ただ伝達光量比を最大にすることは出来ないが、最大値の８〜９割のレベルを保持することが可能であるので明るさは、実用上問題がない。
【００４４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の像伝達光学系の各実施例を示す。
0003600120.tif 000018
0003600120.tif 000019
0003600120.tif 000020
0003600120.tif 000021
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0003600120.tif 000023
0003600120.tif 000024
0003600120.tif 000025
ただし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、ν１，ν２，・・・は各レンズのアッベ数である。
【００４５】
上記実施例中の実施例８は図１８に示す構成であり、その他は、いずれも図８に示す構成である。
【００４６】
実施例１は、伝達光量比を増加せしめ、周辺開口効率を中心に対して７０％程度にした例である。又接合レンズを使用したことにより球面収差と色収差を良好に補正している。このような周辺の開口効率の高い像伝達光学系は、中心から周辺まで明るい像が得られる。
【００４７】
実施例２は、特に中心部の光量を増加させ、総光量比を増加させた例である。このようなリレー光学系は、中心部が非常に明るい像が得られる。また棒状レンズを接合レンズとしたことによって球面収差と色収差が良好に補正されている。
【００４８】
実施例３は、伝送光量比をほぼ最適化した実施例である。この実施例は従来の像伝達光学系に比べておよそ３０〜４０％の光量増加がなされているためにビデオ観察等をする上で、従来暗くて観察しにくかった部位でも明るく良好な像を観察でき好ましい。
【００４９】
実施例４も実施例３と同様に非常に明るい像の得られる光学系である。実施例１〜３とは異なり、棒状接合レンズの棒状レンズの部分に高い屈折率で高分散のガラスを使用し、球面収差と色収差を補正した例である。
【００５０】
実施例５は、実施例４とほぼ同様の構成であるが、光量の増大をはかり球面収差と色収差を良好に補正した上に棒状レンズの像側の面に非球面を使用することによって更に非点収差も良好に補正した例である。
【００５１】
実施例６、７は、１回のリレー系の二つの棒状レンズの間隔を広げた例である。このように棒状レンズの間隔を広げると間隔環の偏芯の影響が少なくなり良好な像を得る上で好ましい。
【００５２】
実施例８は、各棒状接合レンズを左右対称形にした例である。この実施例では、像をはさんだ棒状レンズの間隔と、瞳をはさんだ棒状レンズの間隔が同じであるため、組立時の部品の種類を棒状レンズ一種類と間隔環一種類だけにすることが出来、またレンズの向きも考慮することがないため、パイプに棒状レンズと間隔を交互に入れれば良く、組立が非常に楽であり、ミスが発生しにくいので好ましい。
【００５３】
尚実施例５で用いている非球面の形状は、光軸方向をｘ軸、光軸に直角な方向をｙ軸とする時次の式で表わされる。
0003600120.tif 000026
ただしｒは非球面係数の曲率半径、Ｅ、Ｆ、Ｇ、・・・は非球面係数である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の像伝達光学系は、従来のリレー系に比べ伝達光量比を最大５０％程度増大した明るい像を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図
【図２】本発明の原理を説明するための図
【図３】本発明の原理を説明するための図
【図４】本発明の原理を説明するための図
【図５】本発明の原理を説明するための図
【図６】像伝達光学系の従来例を示す断面図
【図７】像伝達光学系の従来例を示す断面図
【図８】本発明の実施例１〜７、９の断面図
【図９】本発明の像伝達光学系の実施例１の収差曲線図
【図１０】本発明の像伝達光学系の実施例２の収差曲線図
【図１１】本発明の像伝達光学系の実施例３の収差曲線図
【図１２】本発明の像伝達光学系の実施例４の収差曲線図
【図１３】本発明の像伝達光学系の実施例５の収差曲線図
【図１４】本発明の像伝達光学系の実施例６の収差曲線図
【図１５】本発明の像伝達光学系の実施例７の収差曲線図
【図１６】本発明の像伝達光学系の実施例８の収差曲線図
【図１７】本発明の像伝達光学系の実施例９の収差曲線図
【図１８】本発明の像伝達光学系の実施例８の断面図
【図１】
0003600120.tif 000027
【図２】
0003600120.tif 000028
【図３】
0003600120.tif 000029
【図４】
0003600120.tif 000030
【図５】
0003600120.tif 000031
【図６】
0003600120.tif 000032
【図７】
0003600120.tif 000033
【図８】
0003600120.tif 000034
【図９】
0003600120.tif 000035
【図１０】
0003600120.tif 000036
【図１１】
0003600120.tif 000037
【図１２】
0003600120.tif 000038
【図１３】
0003600120.tif 000039
【図１４】
0003600120.tif 000040
【図１５】
0003600120.tif 000041
【図１６】
0003600120.tif 000042
【図１７】
0003600120.tif 000043
【図１８】
0003600120.tif 000044