(57)【要約】撮像光学系（１）は、１．５倍以上の変倍比を有するとともに、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力の第１レンズ群（Ｇ１）と、負の屈折力の第２レンズ群（Ｇ２）と、正の屈折力の第３レンズ群（Ｇ３）と、正の屈折力の第４レンズ群（Ｇ４）とからなり、条件式（１）および（２）満足する。ｆｆｗは胴付面（２ａ）を原点とした広角端での前側焦点位置、ｆｗは広角端における全系の焦点距離、ｆｆｔは胴付面（２ａ）を原点とした望遠端での前側焦点位置、ｆｔは望遠端における全系の焦点距離、ｈは結像面（５ａ）における最大像高、Ｄは胴付面（２ａ）を原点とした硬性内視鏡の射出瞳位置である。（１）        ｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ（２）        ｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
2016147501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬性内視鏡の接眼レンズを含むアイピース部の基端面に胴付面が突き当たるように前記硬性内視鏡の基端に接続されるカメラヘッドに内蔵され、前記接眼レンズから入射した光を結像する撮像光学系であって、
広角端と望遠端との間で変倍可能であり、１．５倍以上の変倍比を有するとともに、
物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群とからなり、
下記の条件式（１）および（２）満足する撮像光学系。
（１）        ｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
（２）        ｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
ただし、
ｆｆｗは、前記胴付面を原点とした広角端での前記撮像光学系の前側焦点位置、
ｆｗは、広角端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、
ｆｆｔは、前記胴付面を原点とした望遠端での前記撮像光学系の前側焦点位置、
ｆｔは、望遠端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、
ｈは、前記撮像光学系の結像面における最大像高、
Ｄは、前記胴付面を原点とした前記硬性内視鏡の射出瞳位置
であり、物体側から像側へ向かう光軸方向を正とする。
【請求項２】
下記の条件式（３）を満足する請求項１の撮像光学系。
（３）        ０．１８  ＜  ｈ／ｆｗ  ＜  ０．２３
【請求項３】
下記の条件式（４）を満足する請求項１または請求項２に記載の撮像光学系。
（４）        ０．３  ＜  β４  ＜  １
ただし、
β４は、前記第４レンズ群の近軸横倍率
である。
【請求項４】
前記第１レンズ群および前記第４レンズ群が、変倍時に固定であり、
前記広角端から前記望遠端への変倍時に、前記第２レンズ群が、物体側から像側へ一方向に移動し、前記第３レンズ群が、物体側から像側へ移動し、その後に物体側から像側へ移動する請求項１から請求項３のいずれかに記載の撮像光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像光学系に関し、特に、硬性内視鏡用のカメラヘッドに搭載される撮像光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、硬性内視鏡の観察像を撮影してモニタに表示するために硬性内視鏡用のカメラヘッドが使用されている。カメラヘッドは、撮像素子と、硬性内視鏡の基端に設けられた接眼レンズから射出された光を撮像素子の撮像面に結像する撮像光学系とを備え、硬性内視鏡の基端に接続して使用される。このような撮像光学系として、ズーム機能を備えたものが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。【０００３】
一方、近年、内視鏡用の撮像装置として、画質および色再現性に優れた３板式の撮像装置が使用されることが多くなってきている。３板式の撮像装置は、入射光をＲ、Ｇ、Ｂの３色の光に分割するダイクロイックプリズムと、該ダイクロイックプリズムによって分割された３色の光を撮影する３個の撮像素子とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２５７７０号公報
【特許文献２】特許第４０４３５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に記載の撮像光学系は、３板式の撮像装置に適用したときに、変倍に伴って発生する色シェーディングを抑制することが難しいという問題がある。すなわち、硬性内視鏡に内視鏡用カメラヘッドを接続した状態において、硬性内視鏡の射出瞳位置が撮像光学系の入射瞳位置となる。したがって、撮像光学系によって変倍したときに、撮像光学系の入射瞳位置は一定であり、撮像光学系の射出瞳位置が移動する。この撮像光学系の射出瞳位置の移動に伴って、撮像光学系からダイクロイックプリズムへ入射する光線の入射角が変化し、光線が光軸に対して傾いてダイクロイックプリズムへ入射する。【０００６】
ダイクロイックプリズムは、入射光を３色の光に分解するために、特定の波長の光を選択的に透過させて他の波長の光を反射する多層干渉膜からなる反射面を有する。反射面への光線の入射角が変化すると、多層干渉膜の内部における光線の光路長が変化するため、反射面の透過波長が変化する。したがって、撮像光学系からダイクロイックプリズムへの光線の入射角が変倍に伴って傾くと、ダイクロイックプリズムから射出される光の色も変化し、その結果、モニタに表示される内視鏡画像には、上部と下部とで色が異なる色シェーディングが垂直方向に発生する。【０００７】
撮像光学系の変倍比が大きい程、変倍時の射出瞳位置の移動量が大きくなるため、色シェーディングの発生量も大きくなる。特許文献１，２には大きな変倍比を有する撮像光学系が開示されているが、これらの撮像光学系は変倍時の射出瞳位置の移動量が大きいため、３板式の撮像装置と組み合わせたときに、ダイクロイックプリズムへの光線の入射角の変化を抑制することができず、色シェーディングを抑制することができない。【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、大きな変倍比を有しつつ変倍時の色シェーディングを抑制することができる撮像光学系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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、硬性内視鏡の接眼レンズを含むアイピース部の基端面に胴付面が突き当たるように前記硬性内視鏡の基端に接続されるカメラヘッドに内蔵され、前記接眼レンズから入射した光を結像する撮像光学系であって、広角端と望遠端との間で変倍可能であり、１．５倍以上の変倍比を有するとともに、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群とからなり、下記の条件式（１）および（２）満足する撮像光学系を提供する。
（１）        ｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
（２）        ｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
ただし、ｆｆｗは、前記胴付面を原点とした広角端での前記撮像光学系の前側焦点位置、ｆｗは、広角端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、ｆｆｔは、前記胴付面を原点とした望遠端での前記撮像光学系の前側焦点位置、ｆｔは、望遠端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、ｈは、前記撮像光学系の結像面における最大像高、Ｄは、前記胴付面を原点とした前記硬性内視鏡の射出瞳位置であり、物体側から像側へ向かう光軸方向を正とする。【００１０】
本発明の撮像光学系は、物体側に硬性内視鏡が位置し、結像面に撮像素子の撮像面が位置するように、硬性内視鏡と撮像素子との間に配置して使用され、硬性内視鏡の接眼レンズから射出された光を撮像素子の撮像面に結像する。
この場合に、広角端と望遠端との間で変倍したときに、撮像光学系の射出瞳位置が光軸上を移動することによって、撮像光学系から結像面へ入射する光線が撮像光学系の光軸と成す入射角が変化する。【００１１】
ここで、条件式（１）は、広角端において、最大像高における主光線の結像面への入射角が±３°以内となるように、硬性内視鏡の射出瞳位置に対する撮像光学系の前側焦点位置のずれ量を規定したものである。条件式（２）は、望遠端において、最大像高における主光線の結像面への入射角が±３°以内となるように、硬性内視鏡の射出瞳位置に対する撮像光学系の前側焦点位置とのずれ量を規定したものである。【００１２】
条件式（１）および（２）を満足することによって、広角端および望遠端の両方において、結像面への入射角は±３°以内となる。したがって、本発明の撮像光学系を３板式の撮像装置に適用した場合に、変倍に伴って生じる、撮像光学系からダイクロイックプリズムへの光線の入射角の変化を抑制し、色シェーディングを抑制することができる。【００１３】
上記発明においては、下記の条件式（３）を満足していてもよい。
（３）        ０．１８  ＜  ｈ／ｆｗ  ＜  ０．２３
条件式（３）は、広角端における倍率を規定したものである。条件式（３）を満足することによって、撮像素子によって取得された内視鏡画像の全体をモニタの画面上に適切な大きさで表示することができる。ｈ／ｆｗが０．１８以下である場合、画面における内視鏡画像の寸法が大きくなり、内視鏡画像の端部が画面からはみ出してしまう可能性がある。ｈ／ｆｗが０．２３以上である場合、画面に対して内視鏡画像が小さ過ぎて観察に適さない。【００１４】
上記発明においては、下記の条件式（４）を満足してもよい。
（４）        ０．３  ＜  β４  ＜  １
ただし、β４は、第４レンズ群の近軸横倍率である。
第４レンズ群は、収差補正および射出瞳位置の調整を担う群である。条件式（４）を満足することで、第４レンズ群が有する収斂作用の強さが適切となり、収差を良好に補正し、かつ、射出瞳位置を適切に調整することができる。【００１５】
β４が０．３以下である場合、第４レンズ群の前側主点位置が物体側に寄り過ぎるか、または、第４レンズ群の屈折力が強くなり過ぎるため、射出瞳位置の調整が困難となる。さらに、第４レンズ群の収斂作用が強くなり過ぎるため、収差の補正が困難となる。β４が１以上である場合、第４レンズ群の前側主点位置が像面側に寄り過ぎるため、射出瞳位置の調整が困難となり、さらに他の群の屈折力が相対的に強くなって収差の補正が困難となる。【００１６】
上記発明においては、前記第１レンズ群および前記第４レンズ群が、変倍時に固定であり、前記広角端から前記望遠端への変倍時に、前記第２レンズ群が、物体側から像側へ一方向に移動し、前記第３レンズ群が、物体側から像側へ移動し、その後に物体側から像側へ移動してもよい。
第２レンズ群および第３レンズ群の両方の近軸横倍率が等倍である場合、変倍時の入射角の変動を抑制することが難しい。そこで、第２レンズ群の近軸横倍率を等倍とし、第３レンズ群をコンペンセータとして機能させることによって、変倍時の入射角の変動をさらに効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、大きな変倍比を有しつつ変倍時の色シェーディングを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像光学系を備えるカメラヘッドと、該カメラヘッドが接続される硬性内視鏡の全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る撮像光学系の広角端（上段）および望遠端（下段）における全体構成図である。
【図３】条件式（１）および（２）を説明する図である。
【図４】条件式（３）と、画面に表示される内視鏡画像の寸法との関係を説明する図である。
【図５】条件式（３）と、画面に表示される内視鏡画像の寸法との関係を説明する図である。
【図６】条件式（３）と、画面に表示される内視鏡画像の寸法との関係を説明する図である。
【図７】本発明の実施例１に係る撮像光学系の広角端（上段）、途中状態（中段）および望遠端（下段）におけるレンズ断面図である。
【図８】図７の撮像光学系の広角端における各種収差図である。
【図９】図７の撮像光学系の望遠端における各種収差図である。
【図１０】本発明の実施例２に係る撮像光学系の広角端（上段）、途中状態（中段）および望遠端（下段）におけるレンズ断面図である。
【図１１】図１０の撮像光学系の広角端（上段）、途中状態（中段）および望遠端（下段）における各レンズ群の主点位置を示す図である。
【図１２】図１０の撮像光学系の広角端における各種収差図である。
【図１３】図１０の撮像光学系の望遠端における各種収差図である。
【図１４】本発明の実施例３に係る撮像光学系の広角端（上段）、途中状態（中段）および望遠端（下段）におけるレンズ断面図である。
【図１５】図１４の撮像光学系の広角端（上段）、途中状態（中段）および望遠端（下段）における各レンズ群の主点位置を示す図である。
【図１６】図１４の撮像光学系の広角端における各種収差図である。
【図１７】図１４の撮像光学系の望遠端における各種収差図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の一実施形態に係る撮像光学系１について図１から図６を参照して説明する。
まず、本実施形態の撮像光学系１が搭載されるカメラヘッド１０および該カメラヘッド１０が適用される硬性内視鏡２０の概要について説明する。カメラヘッド１０は、図１に示されるように、硬性内視鏡２０の基端に接続して使用されるものである。硬性内視鏡２０は、先端側から順に、物体からの光を結像する対物レンズ２１と、リレーレンズ２２と、対物レンズ２１によって形成された像を拡大する接眼レンズ２３とを備えている。物体から対物レンズ２１に入射した光は、リレーレンズ２２によって対物レンズ２１から接眼レンズ２３までリレーされ、硬性内視鏡２０の基端に設けられたアイピース部２４の接眼レンズ２３から射出される。
【００２０】
カメラヘッド１０には、接眼レンズ２３から射出された光を撮影するための撮像装置が内蔵されている。撮像装置は、先端側（物体側）から基端側（像側）へ向かって順に、カバーガラス２と、接眼レンズ２３からカバーガラス２を介してカメラヘッド１０内に入射した光を結像させる撮像光学系１と、該撮像光学系１から射出された光をＲ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の光に分割するダイクロイックプリズム３とを備えている。さらに、撮像装置は、ダイクロイックプリズム３から射出された３色の光の結像面に撮像面４ａ，５ａ，６ａがそれぞれ配置された３個の撮像素子４，５，６を備えている。
【００２１】
カメラヘッド１０は、硬性内視鏡２０の基端に接続される際に、接眼レンズ２３を含むアイピース部２４の基端面と構造的に突き当たる胴付面２ａを有している。本実施形態においては、カバーガラス２の物体側面と胴付面２ａとが同一平面上に配置されているが、カバーガラス２と胴付面２ａとの光軸方向の相対位置はこれに限定されるものではない。カメラヘッド１０が硬性内視鏡２０に接続された状態において、撮像光学系１の光軸は、接眼レンズ２３の光軸の延長線上に位置するようになっている。
【００２２】
ダイクロイックプリズム３は、分解した３色の光を互いに異なる方向に射出する。撮像面４ａ，５ａ，６ａは、３色の光の射出位置にそれぞれ配置されている。撮像面４ａ，５ａ，６ａに入射した光は、撮像素子４，５，６によってそれぞれ光電変換された後、画像処理装置３０において合成されてカラーの内視鏡画像９としてモニタ４０に表示されるようになっている。
なお、撮像装置は、３個の撮像素子を備える３板式に限定されるものではなく、２個の撮像素子を備える２板式、または、単一の撮像素子を備える単板式であってもよい。
【００２３】
次に、本実施形態に係る撮像光学系１について説明する。
撮像光学系１は、図２に示されるように、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４とからなる。図２において、ダイクロイックプリズム３は簡略化して示し、３つの撮像面４ａ，５ａ，６ａのうち、撮像光学系１の光軸上に位置する撮像面５ａのみを代表して示している。撮像光学系１は、４個のレンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に加えて、実質的に屈折力を有さない任意の光学素子をさらに備えていてもよい。
【００２４】
撮像光学系１は、広角端と望遠端との間で変倍するズーム機能を有し、１．５倍以上の変倍比（＝望遠端における全系の焦点距離ｆｔ／広角端における全系の焦点距離ｆｗ）を有している。変倍の際に、第２レンズ群Ｇ２および第３レンズ群Ｇ３が光軸方向に移動し、第１レンズ群Ｇ１および第４レンズ群Ｇ４は固定である。
【００２５】
第１レンズ群Ｇ１は、接眼レンズ２３から撮像光学系１に入射した光を集光させるフォーカシングレンズとして機能する。
第２レンズ群Ｇ２は、変倍機能を担うバリエータレンズとして機能する。第２レンズ群Ｇ２は、広角位置と、該広角位置よりも像側の望遠位置との間で光軸上を移動可能に設けられている。撮像光学系１は、第２レンズ群Ｇ２が広角位置に配置されているときに、焦点距離が最も短い広角端となり、第２レンズ群Ｇ２が望遠位置に配置されているときに、焦点距離が最も長い望遠端となる。
【００２６】
第３レンズ群Ｇ３は、第２レンズ群Ｇ２の光軸上の位置によらずに結像面の位置が一定となるように、結像位置を調整するためのコンペンセータとして機能する。第３レンズ群Ｇ３は、光軸上を移動可能に設けられており、第２レンズ群Ｇ２の移動に伴う像の移動に追従して移動する。具体的には、第２レンズ群Ｇ２が広角位置から望遠位置に移動する過程において、第２レンズ群Ｇ２が形成する像は、まず、物体側から像側へ移動し、その後に物体側へ折り返すような軌跡を辿る。したがって、第３レンズ群Ｇ３は、広角端から望遠端に変倍する際に、まずは物体側から像側へ移動し、その後に物体側へ折り返すように移動する。
【００２７】
撮像光学系１は、条件式（１）および（２）を満足している。
（１）        ｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
（２）        ｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
ただし、ｆｆｗは、胴付面２ａを原点とした広角端での撮像光学系１の前側焦点位置（（胴付面２ａから前側焦点までの距離）、ｆｗは、広角端における撮像光学系１の焦点距離、ｆｆｔは、胴付面２ａを原点とした望遠端での撮像光学系１の前側焦点位置（胴付面２ａから前側焦点までの距離）、ｆｔは、望遠端での撮像光学系１の焦点距離、ｈは、結像面（撮像面）における最大像高、Ｄは、胴付面２ａを原点とした硬性内視鏡２０の射出瞳位置（胴付面２ａから射出瞳までの距離）である。ｆｆｗ、ｆｆｔおよびＤは、物体側（カバーガラス側）から像側（撮像素子側）へ向かう方向を正としている。また、ｆｆｗ、ｆｗ、ｆｆｔ、ｆｔ、ｈおよびＤの単位は、ｍｍである。
【００２８】
図３は、条件式（１）および（２）を説明する図である。条件式（１）において、ｆｆｗ−Ｄは、硬性内視鏡２の射出瞳Ｐと撮像光学系１の広角端における前側焦点ＦＦとの間の距離Δを表している。条件式（１）は、広角端において最大像高における主光線Ｒの撮像面（結像面）への入射角θが−３°以上＋３°以下となるように、ｆｆｗ−Ｄを規定したものである。条件式（２）において、ｆｆｔ−Ｄは、硬性内視鏡２の射出瞳Ｐと撮像光学系１の望遠端における前側焦点ＦＦとの間の距離Δを表している。条件式（２）は、望遠端において最大像高における主光線Ｒの撮像面（結像面）への入射角θが−３°以上＋３°以下となるように、ｆｆｔ−Ｄを規定したものである。
【００２９】
入射角θの符号に関して、撮像光学系１の射出瞳位置が撮像面に対して＋（図３において撮像面よりも右側）であり撮像面に光が収束光束として入射する場合に、入射角θの符号を＋としている。一方、撮像光学系１の射出瞳位置が撮像面に対して−（図３において撮像面よりも左側）であり撮像面に光が発散光束として入射する場合に、入射角θの符号を−としている。
【００３０】
条件式（１）および（２）は、以下のようにして導かれる。
一般に、硬性内視鏡２０の接眼レンズ２３の射出瞳Ｐ位置は、接眼レンズ２３よりも１０ｍｍ程突出した位置に配され、枠の構造上の制約から接眼レンズ２３から胴付面２ａまでは３ｍｍ程度の間隔が空く。そのため、硬性内視鏡２０の射出瞳Ｐ位置は撮像光学系１の内部に７ｍｍ程入った位置にある。撮像光学系１の入射瞳位置は硬性内視鏡２０の射出瞳Ｐ位置となるため、テレセントリック光学系を構成するためには、撮像光学系１の前側焦点ＦＦ位置を硬性内視鏡２０の射出瞳Ｐ位置と一致させればよい。
【００３１】
撮像光学系１の前側焦点ＦＦ位置が硬性内視鏡２０の射出瞳Ｐ位置と一致しているときには、撮像光学系１から射出された主光線Ｒは、撮像光学系１の光軸に平行にダイクロイックプリズム３へ沿って入射し、撮像面４ａに垂直に入射する（すなわち、入射角θ＝０°である。）。一方、撮像光学系１の前側焦点ＦＦ位置が射出瞳Ｐ位置からずれているときには、図３に示されるように、撮像光学系１から射出された主光線Ｒは、光軸に対して斜めにダイクロイックプリズム３に入射し、撮像面４ａにも斜めに入射する。このときに、撮像素子４，５，６によって取得されたカラーの内視鏡画像９には色シェーディングが発生する。
【００３２】
ここで、第２レンズ群Ｇ２の移動によって広角端と望遠端との間で変倍する際に、撮像光学系１の前側焦点ＦＦが光軸上を移動し、射出瞳Ｐに対する前側焦点ＦＦの位置が変化する。そして、射出瞳Ｐ位置と前側焦点ＦＦ位置との光軸方向の差Δが大きくなると、撮像面４ａへの光の入射角θが大きくなり、色シェーディングの発生量も大きくなる。したがって、色シェーディングを抑制するためには、広角端および望遠端における差Δおよび入射角θを制限すればよい。
【００３３】
図３において、差Δは下式（ａ）で表される。
Δ＝（ｆ２／ｈ）ｔａｎθ  ・・・（ａ）
広角端および望遠端の両方において、主光線Ｒの撮像面への入射角θが−３°≦θ≦＋３°を満足すれば、入射角θの変動をほとんど生じることなく広角端と望遠端との間で変倍することができ、変倍に伴う色シェーディングの発生を抑制することができる。式（ａ）においてθ＝３°とすると、下式（ａ’）が得られる。
Δ＝０．０５２（ｆ２／ｈ）  ・・・（ａ’）
【００３４】
また、前側焦点ＦＦ位置は、下式（ｂ）を満たす必要がある。
Ｄ−Δ≦ｆｆ≦Ｄ＋Δ  ・・・（ｂ）
式（ｂ）に式（ａ’）を代入すると、下式（ｂ’）が得られる。
Ｄ−０．０５２（ｆ２／ｈ）≦ｆｆ≦Ｄ＋０．０５２（ｆ２／ｈ）  ・・・（ｂ’）
さらに、式（ｂ’）は下式（ｂ”）のように変形することができる。
|（ｆｆ−Ｄ）／ｆ２|≦０．０５２／ｈ  ・・・（ｂ”）
【００３５】
このように、本実施形態に係る撮像光学系１およびこれを備える撮像装置によれば、条件式（１）および（２）を満足することで、ダイクロイックプリズム３への光の入射角をほとんど変化させることなく、広角端と望遠端との間で変倍することができる。これにより、広角端および望遠端の両方において色シェーディングが抑制された内視鏡画像９を取得することができるという利点がある。さらに、第３レンズ群Ｇ３にコンペンセータとしての機能をのみを付与し、変倍の際に固定である第４レンズ群Ｇ４を備えることによって、第３レンズ群Ｇ３の屈折力を弱くすることができ、第２レンズ群Ｇ２の移動に伴う主光線Ｒの入射角θの変化を第３レンズ群Ｇ３によって効果的に抑制することができるという利点がある。
【００３６】
なお、本実施形態においては、撮像光学系１が条件式（３）をさらに満足していることが好ましい。
（３）        ０．１８  ＜  ｈ／ｆｗ  ＜  ０．２３
モニタ４０の画面４１に表示される内視鏡画像９には、図４に示されるように、丸い開口部８ａを有し、内視鏡画像９の周囲を覆うマスク８が施される。特に細径の硬性内視鏡２０を使用する場合、内視鏡画像９を可能な限り大きく、かつ、内視鏡画像９の端部が欠けることなく、画面４１に表示したいというニーズがある。条件式（３）は、倍率が大きい広角端においても内視鏡画像９の全体が画面４１内に適切な大きさで表示されるように、広角端における倍率を規定したものである。
【００３７】
特に関節鏡のような細径の硬性内視鏡と組み合わせる場合、図４に示されるように、開口部８ａの直径寸法を、画面４１の縦寸法の９０％程度にするためには、ｈ／ｆｗが０．１８となる。図５に示されるように、開口部８ａの直径寸法を、画面４１の縦寸法の６５％程度にするためには、ｈ／ｆｗが０．２３となる。したがって、条件式（３）を満足することで、画面４１上において内視鏡画像９を適切な大きさで表示することができ、画面４１の中心に対して内視鏡画像９が偏心したとしても、内視鏡画像９が欠けてしまうことを防止することができる。
【００３８】
ｈ／ｆｗが０．１８以下である場合、図６に示されるように、画面４１上に表示されるマスク８の開口部８ａの直径寸法が画面４１の寸法よりも大きくなって内視鏡画像９の一部が欠けてしまい、内視鏡画像９の一部を画面４１上で観察できなくなる。ｈ／ｆｗが０．２３以上である場合、画面４１上に表示される内視鏡画像９が小さ過ぎて観察に適さない。
【００３９】
本実施形態においては、撮像光学系１が条件式（４）をさらに満足していることが好ましい。
（４）        ０．３  ＜  β４  ＜  １
ただし、β４は、第４レンズ群Ｇ４の近軸横倍率である。
条件式（４）は、第４レンズ群Ｇ４の収斂作用の強さを規定したものである。条件式（４）を満足することで、第４レンズ群Ｇ４に適度な収斂作用を持たせることができ、第４レンズ群Ｇ４によって、撮像光学系１の射出瞳位置を適切に調整することができるとともに、収差を良好に補正することができる。
【００４０】
β４が０．３以下である場合、第４レンズ群Ｇ４の前側主点位置が物体側に寄り過ぎるか、または、第４レンズ群Ｇ４の屈折力が強過ぎることにより、撮像光学系１の射出瞳位置を適切な位置に調整することができなくなるとともに、収差を補正することが困難となる。β４が１以上である場合、第４レンズ群Ｇ４の前側主点位置が像面側に寄り過ぎるため、撮像光学系１の射出瞳位置を適切な位置に調整することができなくなるとともに、他のレンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の屈折力が相対的に強くなって収差を補正することが困難となる。
【実施例】
【００４１】
次に、上述した実施形態の実施例１から３について、図７から図１７を参照して以下に説明する。
各実施例のレンズデータにおいて、ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、ｎはｄ線に対する屈折率、νはｄ線に対するアッべ数を示している。また、レンズデータにおいて、第１面（ｒ１）は、胴付面である。各種データに記載のｆ（全系の焦点距離）、ｆｆｗ、ｆｆｔ、Ｄおよびｈの単位は、ｍｍである。【００４２】
図７，１０，１４のレンズ断面図において、「ｄ１３最小」は、広角端から望遠端に変倍する過程において第３レンズ群が最も像側に配置されるときの途中状態を示している。同図のｄ１３最小および望遠端において、図面が複雑になるのを防ぐために、ｄ５、ｄ８およびｄ１３以外の符号は省略している。【００４３】
図８，９，１２，１３，１６，１７の球面収差、倍率色収差、歪曲収差およびコマ収差において、Ｃ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｅ線（５４６．０７ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）およびｇ線（４３５．８３ｎｍ）における収差曲線を示している。同図の非点収差において、Ｍはメリジオナル像面を、Ｓはサジタル像面をそれぞれ示している。【００４４】
（実施例１）
本発明の実施例１に係る撮像光学系のレンズ構成図を図７に示す。図８は広角端における各種収差図を示し、図９は望遠端における各種収差図を示している。本実施例のレンズデータおよび各種データは以下に示す通りである。
本実施例においては、第３レンズ群の像側に第４レンズ群を設けて正の屈折力を第３レンズ群と第４レンズ群とに分配し、第３レンズ群の屈折力を低減している。これにより、第３レンズ群の移動に伴うダイクロイックプリズムおよび撮像面への入射角の変動を抑制し、色シェーディングの発生を抑制することができる。【００４５】
レンズデータ
面番号                  ｒ          ｄ              ｎ            ν
１                  ∞    １．００    １．７６８２    ７１．７０
２                  ∞    ４．１１
３      １３．９２６９    １．７０    １．５１７４    ５２．４３
４      −９．９３９２    ０．８０    １．８４６７    ２３．７８
５      １７．７１２０        ｄ５
６      −６．７０７３    ２．００    ２．００３３    ２８．２７
７      −３．７３２７    ０．９０    １．７５５０    ５２．３２
８      １１．２５７２        ｄ８
９  −１２２．９６６５    ２．６０    １．７２００    ５０．２３
１０    −１４．４４７４    ０．３０
１１      ２６．５０１７    ２．４０    １．７２００    ５０．２３
１２    −１３．０６４１    １．５０    １．８４６７    ２３．７８
１３    −５６．３０５２      ｄ１３
１４      １３．６９２０    ２．３０    １．７５５０    ５２．３２
１５  −１４３．６４４９    ０．２０
１６      ８０．２６０４    １．４０    １．８４６７    ２３．７８
１７      １４．２０７４    ４．０３【００４６】
各種データ
広角端              ｄ１３最小              望遠端
ｄ５        ２．０８                ５．７８            ７．６６
ｄ８        ６．８９                ５．３１            ２．２５
ｄ１３      ８．０４                ５．９２            ７．１０
ｆ    １４．０１３２（ｆｗ）  １９．９３３２    ９．０９２０（ｆｔ）
ｆｆｗ＝８．５９３
ｆｆｔ＝−２．６７８
Ｄ＝７．００
ｈ＝３．００【００４７】
本実施例において、
｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜＝０．００８
｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜＝０．０１１
０．０５２／ｈ＝０．０１７
ｈ／ｆｗ＝０．２１４
β４＝０．６２９
であり、条件式（１），（２），（３），（４）を満足している。【００４８】
（実施例２）
本発明の実施例２に係る撮像光学系のレンズ構成図を図１０に示す。図１１は、変倍時における各レンズ群Ｇ１、Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の主点位置の移動軌跡を示している。図１２は、広角端における各種収差図を示し、図１３は、望遠端における各種収差図を示している。本実施例のレンズデータおよび各種データは以下に示す通りである。【００４９】
本実施例においては、第３レンズ群の像側に第４レンズ群を設けて正の屈折力を第３レンズ群と第４レンズ群とに分配し、第３レンズ群の屈折力を低減している。これにより、第３レンズ群の移動に伴うダイクロイックプリズムおよび撮像面への入射角の変動を抑制し、色シェーディングの発生を抑制することができる。さらに、本実施例において、第４レンズ群は、物体側から順に負レンズと正レンズとからなる。これにより、第４レンズ群の主点位置が第３レンズ群よりも像面側に位置し、望遠端において撮像面への光の入射角をさらに小さくすることができる。【００５０】
レンズデータ
面番号                  ｒ          ｄ              ｎ            ν
１                  ∞    １．００    １．７６８２    ７１．７０
２                  ∞    ４．０１
３      １３．８０７１    １．７０    １．５１７４    ５２．４３
４      −８．７５０３    ０．８０    １．８４６７    ２３．７８
５    −１４．９４４７        ｄ５
６      −６．３９９８    ２．４０    ２．００３３    ２８．２７
７      −３．５９５２    ０．９０    １．７５５０    ５２．３２
８      １０．３２４８        ｄ８
９      ６７．５３３５    ２．９０    １．７８８０    ４７．３７
１０    −１７．６９１７    ０．３０
１１      ２４．５５０５    ３．６０    １．７２９２    ５４．６８
１２    −１１．４４３３    １．５０    １．８４６７    ２３．７８
１３    −５８．５８９０      ｄ１３
１４    −１２．５７５８    １．４０    １．７５５２    ２７．５１
１５    −５３．６６５９    ０．２０
１６    １１７．２４３０    ２．００    １．７５５０    ５２．３２
１７    −１５．５１９９    ４．０３【００５１】
各種データ
広角端              ｄ１３最小                望遠端
ｄ５        ２．４２                ５．１２              ６．８８
ｄ８        ６．５１                ５．９７              ７．４４
ｄ１３      ９．６９                ７．４４              ９．３５
ｆ  １５．９１２０（ｆｗ）  １９．９１２０    ３１．６０６０（ｆｔ）
ｆｆｗ＝１０．５８５
ｆｆｔ＝３．８４１
Ｄ＝７．００
ｈ＝３．００【００５２】
本実施例において、
｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜＝０．０１４
｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜＝０．００３
０．０５２／ｈ＝０．０１７
ｈ／ｆｗ＝０．１８９
β４＝０．９０８
であり、条件式（１），（２），（３），（４）を満足している。【００５３】
（実施例３）
本発明の実施例３に係る撮像光学系のレンズ構成図を図１４に示す。図１５は、変倍時における各レンズ群の主点位置の移動軌跡を示している。図１６は、広角端における各種収差図を示し、図１７は、望遠端における各種収差図を示している。本実施例のレンズデータおよび各種データは以下に示す通りである。【００５４】
本実施例においては、第３レンズ群の像側に第４レンズ群を設けて正の屈折力を第３レンズ群と第４レンズ群とに分配し、第３レンズ群の屈折力を低減している。これにより、第３レンズ群の移動に伴うダイクロイックプリズムおよび撮像面への入射角の変動を抑制し、色シェーディングの発生を抑制することができる。さらに、本実施例において、第４レンズ群は、物体側から順に正レンズと負レンズとからなる。これにより、第４レンズ群の主点位置が第３レンズ群よりも物体側に位置し、広角端において撮像面への光の入射角をさらに小さくすることができる。また、本実施例においては、第３レンズ群のレンズ面の内、最も物体側の面（面番号９）および最も像側の面（面番号）１３が平面であるので、レンズの加工コストを低減することができる。【００５５】
レンズデータ
面番号                  ｒ          ｄ              ｎ            ν
１                  ∞    １．００    １．７６８２    ７１．７０
２                  ∞    ４．２２
３      １４．９０７０    １．７０    １．５１７４    ５２．４３
４      −８．８３５０    ０．８０    １．８４６７    ２３．７８
５    −１５．２９８０        ｄ５
６      −７．２９９０    ２．４０    ２．００３３    ２８．２７
７      −４．０２１０    ０．９０    １．７５５０    ５２．３２
８      １１．６５３０        ｄ８
９                  ∞    ２．９０    １．７２９２    ５４．６８
１０    −１６．６８３０    ０．３０
１１      １９．０２３０    ３．６０    １．７２９２    ５４．６８
１２    −１９．０２３０    １．５０    １．８４６７    ２３．７８
１３                  ∞      ｄ１３
１４    −１６．３９８０    ２．３０    １．７２９２    ５４．６８
１５                  ∞    １．４０    １．８４６７    ２３．７８
１６      ２１．０９５０    ４．０３【００５６】
各種データ
広角端              ｄ１３最小                望遠端
ｄ５        ２．４９                ４．６２              ６．８０
ｄ８        ７．６２                ６．８７              ２．３２
ｄ１３      ７．２１                ５．８５              ８．２２
ｆ    １５．９４１（ｆｗ）      １９．１２９    ３１．３０９（ｆｔ）
ｆｆｗ＝７．９４４
ｆｆｔ＝−９．９０４
Ｄ＝７．００
ｈ＝３．００【００５７】
本実施例において、
｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜＝０．００４
｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜＝０．０１７
０．０５２／ｈ＝０．０１７
ｈ／ｆｗ＝０．１８８
β４＝０．８０４
であり、条件式（１），（２），（３），（４）を満足している。
【符号の説明】
【００５８】
１  撮像光学系
２  カバーガラス
３  ダイクロイックプリズム
４，５，６  撮像素子
４ａ，５ａ，６ａ  撮像面
８  マスク
８ａ  開口部
９  内視鏡画像
１０  カメラヘッド
２０  硬性内視鏡
２３  接眼レンズ
３０  画像処理装置
４０  モニタ
４１  画面
Ｇ１  第１レンズ群
Ｇ２  第２レンズ群
Ｇ３  第３レンズ群
Ｇ４  第４レンズ群
【図１】
2016147501.tif 000003
【図２】
2016147501.tif 000004
【図３】
2016147501.tif 000005
【図４】
2016147501.tif 000006
【図５】
2016147501.tif 000007
【図６】
2016147501.tif 000008
【図７】
2016147501.tif 000009
【図８】
2016147501.tif 000010
【図９】
2016147501.tif 000011
【図１０】
2016147501.tif 000012
【図１１】
2016147501.tif 000013
【図１２】
2016147501.tif 000014
【図１３】
2016147501.tif 000015
【図１４】
2016147501.tif 000016
【図１５】
2016147501.tif 000017
【図１６】
2016147501.tif 000018
【図１７】
2016147501.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月14日(2016.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬性内視鏡の接眼レンズを含むアイピース部の基端面に胴付面が突き当たるように前記硬性内視鏡の基端に接続されるカメラヘッドに内蔵され、前記接眼レンズから入射した光を結像する撮像光学系であって、
広角端と望遠端との間で変倍可能であり、１．５倍以上の変倍比を有するとともに、
物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群とからなり、
前記第１レンズ群および前記第４レンズ群が、変倍時に固定であり、
前記広角端から前記望遠端への変倍時に、前記第２レンズ群が、物体側から像側へ一方向に移動し、前記第３レンズ群が、物体側から像側へ移動し、その後に像側から物体側へ移動し、
下記の条件式（１）および（２）を満足する撮像光学系。
（１）        ｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
（２）        ｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
ただし、
ｆｆｗは、前記胴付面を原点とした広角端での前記撮像光学系の前側焦点位置、
ｆｗは、広角端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、
ｆｆｔは、前記胴付面を原点とした望遠端での前記撮像光学系の前側焦点位置、
ｆｔは、望遠端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、
ｈは、前記撮像光学系の結像面における最大像高、
Ｄは、前記胴付面を原点とした前記硬性内視鏡の射出瞳位置
であり、物体側から像側へ向かう光軸方向を正とする。
【請求項２】
下記の条件式（３）を満足する請求項１に記載の撮像光学系。
（３）        ０．１８  ＜  ｈ／ｆｗ  ＜  ０．２３
【請求項３】
下記の条件式（４）を満足する請求項１に記載の撮像光学系。
（４）        ０．３  ＜  β４  ＜  １
ただし、
β４は、前記第４レンズ群の近軸横倍率
である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、硬性内視鏡の接眼レンズを含むアイピース部の基端面に胴付面が突き当たるように前記硬性内視鏡の基端に接続されるカメラヘッドに内蔵され、前記接眼レンズから入射した光を結像する撮像光学系であって、広角端と望遠端との間で変倍可能であり、１．５倍以上の変倍比を有するとともに、物体側から像側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群とからなり、前記第１レンズ群および前記第４レンズ群が、変倍時に固定であり、前記広角端から前記望遠端への変倍時に、前記第２レンズ群が、物体側から像側へ一方向に移動し、前記第３レンズ群が、物体側から像側へ移動し、その後に像側から物体側へ移動し、下記の条件式（１）および（２）を満足する撮像光学系を提供する。
（１）        ｜（ｆｆｗ−Ｄ）／ｆｗ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
（２）        ｜（ｆｆｔ−Ｄ）／ｆｔ２｜  ≦  ０．０５２／ｈ
ただし、ｆｆｗは、前記胴付面を原点とした広角端での前記撮像光学系の前側焦点位置、ｆｗは、広角端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、ｆｆｔは、前記胴付面を原点とした望遠端での前記撮像光学系の前側焦点位置、ｆｔは、望遠端における前記撮像光学系の全系の焦点距離、ｈは、前記撮像光学系の結像面における最大像高、Ｄは、前記胴付面を原点とした前記硬性内視鏡の射出瞳位置であり、物体側から像側へ向かう光軸方向を正とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
上記発明においては、前記第１レンズ群および前記第４レンズ群が、変倍時に固定であり、前記広角端から前記望遠端への変倍時に、前記第２レンズ群が、物体側から像側へ一方向に移動し、前記第３レンズ群が、物体側から像側へ移動し、その後に像側から物体側へ移動する。
第２レンズ群および第３レンズ群の両方の近軸横倍率が等倍である場合、変倍時の入射角の変動を抑制することが難しい。そこで、第２レンズ群の近軸横倍率を等倍とし、第３レンズ群をコンペンセータとして機能させることによって、変倍時の入射角の変動をさらに効果的に抑制することができる。
【国際調査報告】
2016147501.tif 000020
2016147501.tif 000021
2016147501.tif 000022
2016147501.tif 000023