CN109557657B

CN109557657B - 内窥镜用对物光学系统及内窥镜

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Publication number: CN109557657B
Application number: CN201811112264.0A
Authority: CN
Inventors: 山本力
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP2019061169A; US20190094516A1; US10809520B2; CN109557657A; JP6800824B2

Abstract

本发明的课题在于提供一种广角且最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径小、并且具有良好的光学性能的内窥镜用对物光学系统及具备该内窥镜用对物光学系统的内窥镜。本发明的内窥镜用对物光学系统构成为如下：在与物体面共轭的位置形成中间像，使中间像再成像于成像面(Sim)，在将成像面(Sim)中的最大有效像高设为HI，将整个系统的焦距设为f，将最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径设为FD，将整个系统的各透镜面中的有效光束直径之中的最大有效光束直径设为BD，将相对于中间像的成像面(Sim)的近轴上的中继倍率设为βR时，满足条件式(1)～(3)：0.7＜HI/|f|……(1)；FD/BD＜0.5……(2)；‑2＜βR＜‑0.8……(3)。

Description

内窥镜用对物光学系统及内窥镜

技术领域

本发明涉及一种内窥镜用对物光学系统及具备该内窥镜用对物光学系统的内窥镜。

背景技术

以往，在医疗领域中，普及有从受检者的口或鼻子等插入在前端部分内置有摄像装置的细长的插入部来拍摄体腔内的插入型内窥镜。作为能够在这种内窥镜中使用的对物光学系统，例如已知有下述专利文献1、2中记载的对物光学系统。

专利文献1：日本特开2016-151629号公报

专利文献2：日本专利第5185578号公报

如上述的内窥镜具有逐渐高像素化及广角化的趋势，并且已发展成读入近距离摄影时的图像，并进行详细的分析和观察，因此希望进一步提高画质。并且，为了简化针对用于预防感染症的灭菌处理的应对或修理应对而在对物光学系统的最靠物体侧配置盖玻璃的情况也逐渐增加。

作为应对高像素化及广角化的对物光学系统，已知有专利文献1中记载的对物光学系统。该对物光学系统中，在比光圈更靠物体侧配设有3个透镜，在比光圈更靠像侧配设有3个透镜，在广角区域的光线高度变高的位置进行广角区域的像差校正，从而应对高像素化，但存在最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径变大，导致物体侧的透镜直径大型化的问题。

若物体侧的透镜大型化，则配置于对物光学系统附近的照明配光用光学系统的配置受到制约，导致无法近距离配置对物光学系统与照明配光用光学系统。其结果，尤其是近距离区域的照明配光具有分布，对详细分析或观察产生影响。并且，在对物光学系统的最靠物体侧配置盖玻璃时，变成直径非常大的盖玻璃，违背对内窥镜的小型化的要求。

作为应对细径化的对物光学系统，已知有专利文献2中记载的对物光学系统。该对物光学系统中，通过在光学系统内形成中间像来设为细径的光学系统，但视场角狭窄，无法用作内窥镜对物光学系统。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种广角且最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径小、并且具有良好的光学性能的内窥镜用对物光学系统及具备该内窥镜用对物光学系统的内窥镜。

本发明的内窥镜用对物光学系统是在与物体面共轭的位置形成中间像，并使中间像再成像于成像面的内窥镜用对物光学系统，其中，在将成像面中的最大有效像高设为HI，将整个系统的焦距设为f，将最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径设为FD，将整个系统的各透镜面中的有效光束直径之中的最大有效光束直径设为BD，将相对于中间像的成像面的近轴上的中继倍率设为βR时，满足条件式(1)～(3)。

0.7＜HI/f……(1)

FD/BD＜0.5……(2)

-2＜βR＜-0.8……(3)

另外，关于中继倍率βR，如图18所示，将中间像的像高设为HM，将成像面中的像高设为HI时，以下述式表示。

βR＝HI/HM

并且，优选还满足条件式(1-1)、(2-1)、(3-1)中的至少1个。

0.75＜HI/f|＜10……(1-1)

0.01＜FD/BD＜0.35……(2-1)

-1.5＜βR＜-0.9……(3-1)

本发明的内窥镜用对物光学系统中，将整个系统的各透镜面中的有效光束直径中的最大有效光束直径设为BD，将成像面中的最大有效像高设为HI时，优选满足条件式(4)，更优选满足条件式(4-1)。

BD/(2×HI)＜1.2……(4)

0.5＜BD/(2×HI)＜1.1……(4-1)

并且，在将从最靠物体侧的透镜面至成像面的光轴上的距离设为D1，将从最靠物体侧的透镜面至中间像的光轴上的距离设为D2时，优选满足条件式(5)，更优选满足条件式(5-1)。

3.5＜D1/D2＜8……(5)

4＜D1/D2＜7……(5-1)

并且，在将成像面中的最大有效像高设为HI，将整个系统的半视场角设为ω，将整个系统的焦距设为f时，优选满足条件式(6)，更优选满足条件式(6-1)。

HI/(tan(ω)×|f|)＜0.75……(6)

0.01＜HI/(tan(ω)×|f|)＜0.65……(6-1)

并且，优选在比最靠物体侧的透镜面更靠物体侧具有平行平面板。

本发明的内窥镜具备上述所述的本发明的内窥镜用对物光学系统。

发明效果

本发明的内窥镜用对物光学系统是在与物体面共轭的位置形成中间像，并使中间像再成像于成像面的内窥镜用对物光学系统，其中，将成像面中的最大有效像高设为HI，将整个系统的焦距设为f，将最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径设为FD，将整个系统的各透镜面中的有效光束直径中的最大有效光束直径设为BD，将相对于中间像的成像面的近轴上的中继倍率设为βR时，满足条件式(1)～(3)，因此能够提供一种广角且最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径小、并且具有良好的光学性能的内窥镜用对物光学系统及具备该内窥镜用对物光学系统的内窥镜。

0.7＜HI/|f|……(1)

FD/BD＜0.5……(2)

-2＜βR＜-0.8……(3)。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的内窥镜用对物光学系统(与实施例1共同)的结构的剖视图。

图2是表示本发明的实施例2的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图3是表示本发明的实施例3的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图4是表示本发明的实施例4的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图5是表示本发明的实施例5的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图6是表示本发明的实施例6的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图7是表示本发明的实施例7的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图8是表示本发明的实施例8的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。

图9是本发明的实施例1的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图10是本发明的实施例2的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图11是本发明的实施例3的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图12是本发明的实施例4的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图13是本发明的实施例5的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图14是本发明的实施例6的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图15是本发明的实施例7的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图16是本发明的实施例8的内窥镜用对物光学系统的各像差图。

图17是本发明的一实施方式所涉及的内窥镜的概略结构图。

图18是针对中继倍率的说明图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的一实施方式进行详细说明。图1是表示本发明的一实施方式所涉及的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图。图1所示的结构例与后述的实施例1的内窥镜用对物光学系统的结构共同。图1中，左侧是物体侧，右侧是像侧，图示的开口光圈St并不一定表示大小或形状，而是表示在光轴Z上的位置。并且，图1中，除了轴上光束a及最大视场角的光束b以外，还一并记入各条件式的记号。

另外，图1中示出有在内窥镜用对物光学系统与成像面Sim之间配置有入射面与出射面平行的光学部件PP的例子。光学部件PP是设想有用于弯折光路的光路转换棱镜、滤波器和/或盖玻璃等的光学部件，本发明中，还可以是省略了光学部件PP的结构。另外，使用了光路转换棱镜时成为弯曲光路，但为了便于理解，图1中示出将光路展开的图。

本实施方式的内窥镜用对物光学系统是在与物体面共轭的位置形成中间像，并使中间像再成像于成像面Sim的内窥镜用对物光学系统，其构成为如下：将成像面Sim中的最大有效像高设为HI，将整个系统的焦距设为f，将最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径设为FD，将整个系统的各透镜面中的有效光束直径中的最大有效光束直径设为BD，将相对于中间像的成像面Sim的近轴上的中继倍率设为βR时，满足条件式(1)～(3)。

0.7＜HI/|f|……(1)

FD/BD＜0.5……(2)

-2＜βR＜-0.8……(3)

通过设为在内窥镜用对物光学系统内形成中间像的结构，能够在进行广角化时的像差校正的同时缩小透镜直径。

通过设为不会成为条件式(1)的下限以下，能够防止视场角变得过窄，因此能够作为内窥镜用途确保充分的视场角。另外，若设为满足条件式(1-1)，则能够设为更加良好的特性。通过设为不会成为条件式(1-1)的上限以上，能够防止视场角变得过宽，因此能够防止针对观察物体的照明光量不足的现象。

0.75＜HI/|f|＜10……(1-1)

通过设为不会成为条件式(2)的上限以上，能够防止前透镜直径变得过大，因此对照明光学系统的配置空间的确保和/或如盖玻璃那样的平行平面板的配置有利。或者，能够引入对摄影充分的光量，因此对观察有利。另外，若设为满足条件式(2-1)，则能够设为更加良好的特性。通过设为不会成为条件式(2-1)的下限以下，能够防止透镜直径变得过大，因此对内窥镜插入部的小型化有利。

0.01＜FD/BD＜0.35……(2-1)

通过设为不会成为条件式(3)的下限以下，能够防止在比中间像更靠物体侧的透镜中产生的像差在成像面Sim变得过大，因此对像差校正有利。通过设为不会成为条件式(3)的上限以上，能够防止中间像附近的透镜直径大型化。另外，若设为满足条件式(3-1)，则能够设为更加良好的特性。

-1.5＜βR＜-0.9……(3-1)

本实施方式的内窥镜用对物光学系统中，将整个系统的各透镜面中的有效光束直径中的最大有效光束直径设为BD，将成像面Sim中的最大有效像高设为HI时，优选满足条件式(4)。通过设为不会成为条件式(4)的上限以上，能够防止透镜直径变得过大，因此对内窥镜插入部的小型化有利。另外，若设为满足条件式(4-1)，则能够设为更加良好的特性。通过设为不会成为条件式(4-1)的下限以下，对像散及畸变像差的校正有利。

BD/(2×HI)＜1.2……(4)

0.5＜BD/(2×HI)＜1.1……(4-1)

并且，将从最靠物体侧的透镜面至成像面Sim的光轴上的距离设为D1，将从最靠物体侧的透镜面至中间像的光轴上的距离设为D2时，优选满足条件式(5)。通过设为不会成为条件式(5)的下限以下，对从中间像到像侧的光学系统中的像差校正有利。通过设为不会成为条件式(5)的上限以上，对从中间像到物体侧的光学系统中的像差校正有利。另外，若设为满足条件式(5-1)，则能够设为更加良好的特性。

3.5＜D1/D2＜8……(5)

4＜D1/D2＜7……(5-1)

并且，将成像面Sim中的最大有效像高设为HI，将整个系统的半视场角设为ω，将整个系统的焦距设为f时，优选满足条件式(6)。通过设为不会成为条件式(6)的上限以上，能够防止详细地进行观察的光轴附近的像变得过小，并且能够确保周边部的光量。另外，若设为满足条件式(6-1)，则能够设为更加良好的特性。通过设为不会成为条件式(6-1)的下限以下，能够防止视场角变得过宽，因此能够防止针对观察物体的照明光量不足的现象。

HI/(tan(ω)×|f|)＜0.75……(6)

0.01＜HI/(tan(ω)×|f|)＜0.65……(6-1)

并且，优选在比最靠物体侧的透镜面更靠物体侧具有如盖玻璃那样的平行平面板。通过设置这种平行平面板，能够实现简化对用于预防感染症的灭菌处理的应对或修理应对。

接着，对本发明的内窥镜用对物光学系统的数值实施例进行说明。首先，对实施例1的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例1的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图1。图1及与后述的实施例2～8对应的图2～8中，左侧是物体侧，右侧是像侧，图示的开口光圈St并不一定表示大小或形状，而是表示在光轴Z上的位置。并且，图1～8中，一并记入轴上光束a及最大视场角的光束b。

实施例1的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有透镜L1～透镜L13的13个透镜，开口光圈St配设于最靠物体侧。

将实施例1的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表1。另外，透镜数据中的数值是将焦距f规格化为1的数值。以下中，关于表中的记号的含义，取实施例1的记号为例来进行说明，但实施例2～8中也基本相同。

表1的透镜数据中，面编号一栏中示出将最靠物体侧的构成要件的面作为第1个，随着朝向像面侧而逐渐增加的面编号，曲率半径一栏中示出各面的曲率半径，面间隔一栏中示出各面与下一个面之间的光轴Z上的间隔。并且，n一栏中示出各光学要件在d线(波长587.6nm(纳米))上的折射率，ν一栏中示出各光学要件在d线(波长587.6nm(纳米))上的色散系数，有效光束直径一栏中示出最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径与成为最大有效光束直径的透镜面中的有效光束直径。并且，透镜数据中一并示出成像面Sim中的最大有效像高HI的值。

另外，关于曲率半径的符号，面形状向物体侧突出时设为正，面形状向像面侧突出时设为负。透镜数据中还包含物体面、开口光圈St、光学部件PP、成像面Sim而示出，包含平行平面板CP的实施例的情况下，还包含平行平面板CP而示出。相当于开口光圈St的面的面编号一栏中，与面编号一同记载有(St)一词。

[表1]

实施例1·透镜数据(n、ν是d线)

将实施例1的内窥镜用对物光学系统的各像差图示于图9。另外，从图9中的左侧依次示出球面像差、像散、畸变像差及倍率色差。在表示球面像差、像散及畸变像差的各像差图中，表示以d线(波长587.6nm(纳米))为基准波长的像差。球面像差图中，分别以实线、虚线及双点划线表示针对d线(波长587.6nm(纳米))、F线(波长486.1nm(纳米))及C线(波长656.3nm(纳米))的像差。像散图中，分别以实线及虚线表示弧矢方向及子午方向的像差。倍率色差图中，分别以虚线及双点划线表示针对F线(波长486.1nm(纳米))及C线(波长656.3nm(纳米))的像差。另外，球面像差图的FNo表示F值，其他像差图的ω表示半视场角。

接着，对实施例2的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例2的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图2。实施例2的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有透镜L1～透镜L13的13个透镜，开口光圈St配设于内窥镜用对物光学系统内。并且，将实施例2的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表2，将各像差图示于图10。

[表2]

实施例2·透镜数据(n、ν是d线)

接着，对实施例3的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例3的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图3。实施例3的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有透镜L1～透镜L13的13个透镜，开口光圈St配设于最靠物体侧。并且，将实施例3的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表3，将各像差图示于图11。

[表3]

实施例3·透镜数据(n、ν是d线)

接着，对实施例4的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例4的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图4。实施例4的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有透镜L1～透镜L13的13个透镜，开口光圈St配设于最靠物体侧。并且，将实施例4的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表4，将各像差图示于图12。

实施例4·透镜数据(n、ν是d线)

接着，对实施例5的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例5的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图5。实施例5的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有透镜L1～透镜L13的13个透镜，开口光圈St配设于内窥镜用对物光学系统内。并且，将实施例5的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表5，将各像差图示于图13。

[表5]

实施例5·透镜数据(n、ν是d线)

接着，对实施例6的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例6的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图6。实施例6的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有平行平面板CP及透镜L1～透镜L13的13个透镜，开口光圈St配设于最靠物体侧。并且，将实施例6的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表6，将各像差图示于图14。

[表6]

实施例6·透镜数据(n、ν是d线)

接着，对实施例7的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例7的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图7。实施例7的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有透镜L1～透镜L10的10个透镜，开口光圈St配设于最靠物体侧。并且，将实施例7的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表7，将各像差图示于图15。

[表7]

实施例7·透镜数据(n、ν是d线)

接着，对实施例8的内窥镜用对物光学系统进行说明。将表示实施例8的内窥镜用对物光学系统的结构的剖视图示于图8。实施例8的内窥镜用对物光学系统构成为从物体侧依次具有平行平面板CP及透镜L1～透镜L10的10个透镜，开口光圈St配设于内窥镜用对物光学系统内。并且，将实施例8的内窥镜用对物光学系统的透镜数据示于表8，将各像差图示于图16。

[表8]

实施例8·透镜数据(n、ν是d线)

将与实施例1～8的内窥镜用对物光学系统的条件式(1)～(6)对应的值示于表9。另外，所有实施例中，均将d线作为基准波长，下述表9所示的值是该基准波长中的值。

[表9]

从以上的数据可知，实施例1～8的内窥镜用对物光学系统均满足条件式(1)～(6)，是所有视场角为90°以上的广角且最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径小、并且具有良好的光学性能的内窥镜用对物光学系统。

接着，参考图17，对适用本发明的内窥镜用对物光学系统的内窥镜的实施方式进行说明。图17中示出该内窥镜的概略的整体结构图。图17所示的内窥镜100主要具备操作部102、插入部104、与连接器部(未图示)连接的通用塞绳106。插入部104的大半是沿着插入路径向任意方向弯曲的软性部107，在该软性部107的前端连结有弯曲部108，在该弯曲部108的前端连结有前端部110。弯曲部108为了使前端部110朝向所希望的方向而设置，通过使设置于操作部102的弯曲操作旋钮109转动，能够进行弯曲操作。在前端部110的内部前端配设有本发明的实施方式所涉及的内窥镜用对物光学系统1。图17中概略地图示有内窥镜用对物光学系统1。本实施方式的内窥镜具备内窥镜用对物光学系统1，因此能够实现前端部110的小型化，能够获得广角且良好的图像。

以上，举出实施方式及实施例来对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式及实施例，能够进行各种变形。例如，各透镜的曲率半径、面间隔、折射率、色散系数并不限定于上述实施例中示出的值，可取其他值。

并且，内窥镜用对物光学系统除了球面透镜以外，还可以包含非球面透镜、GRIN透镜和/或衍射光学元件等。

符号说明

1-内窥镜用对物光学系统，100-内窥镜，102-操作部，104-插入部，106-通用塞绳，107-软性部，108-弯曲部，109-弯曲操作旋钮，110-前端部，CP-平行平面板，L1～L13-透镜，PP-光学部件，Sim-成像面，St-开口光圈，a-轴上光束，b-最大视场角的光束，Z-光轴。

Claims

1.一种内窥镜用对物光学系统，其在与物体面共轭的位置形成中间像，并使该中间像再成像于成像面，所述内窥镜用对物光学系统的特征在于，

在将所述成像面中的最大有效像高设为HI，

将整个系统的焦距设为f，

将最靠物体侧的透镜面中的有效光束直径设为FD，

将整个系统的各透镜面中的有效光束直径之中的最大有效光束直径设为BD，

将相对于所述中间像的所述成像面的近轴上的中继倍率设为βR时，

满足以如下表示的条件式(1)～(3)：

0.7＜HI/|f|＜10……(1)；

FD/BD＜0.5……(2)；

-2＜βR＜-0.8……(3)。

2.根据权利要求1所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(4)：

BD/(2×HI)＜1.2……(4)。

3.根据权利要求1或2所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

在将从最靠物体侧的透镜面至所述成像面的光轴上的距离设为D1，

将从最靠物体侧的透镜面至所述中间像的光轴上的距离设为D2时，

满足以如下表示的条件式(5)：

3.5＜D1/D2＜8……(5)。

4.根据权利要求1或2所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

在将整个系统的半视场角设为ω时，满足以如下表示的条件式(6)：

HI/(tan(ω)×|f|)＜0.75……(6)。

5.根据权利要求1或2所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

在比最靠物体侧的透镜面更靠物体侧具有平行平面板。

6.根据权利要求1所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(1-1)：

0.75＜HI/|f|＜10……(1-1)。

7.根据权利要求1所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(2-1)：

0.01＜FD/BD＜0.35……(2-1)。

8.根据权利要求1所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(3-1)：

-1.5＜βR＜-0.9……(3-1)。

9.根据权利要求2所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(4-1)：

0.5＜BD/(2×HI)＜1.1……(4-1)。

10.根据权利要求3所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(5-1)：

4＜D1/D2＜7……(5-1)。

11.根据权利要求4所述的内窥镜用对物光学系统，其中，

所述内窥镜用对物光学系统满足以如下表示的条件式(6-1)：

0.01＜HI/(tan(ω)×|f|)＜0.65……(6-1)。

12.一种内窥镜，其特征在于，

具备权利要求1至11中任一项所述的内窥镜用对物光学系统。