JP5690354B2

JP5690354B2 - 撮像光学系及び撮像装置

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Publication number: JP5690354B2
Application number: JP2012540821A
Authority: JP
Inventors: 宮野　俊; 俊宮野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-10-21
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Description

本発明は、固体撮像素子とともに用いられる広角系の撮像光学系に関し、詳しくは、最大像高に比べて外径を小さくし、かつ全長も短くした撮像光学系、さらにこの撮像光学系をイメージセンサとともに用いた撮像装置に関するものである。

ＣＣＤ型あるいはＣＭＯＳ型のイメージセンサを用いた各種の撮像装置が知られている。監視あるいは観察用途の撮像装置には、広角系の撮像光学系が多く利用される。また、携帯電話機などの携帯端末に内蔵される撮像装置や、内視鏡の先端部に組み込まれる撮像装置にはコンパクト化も必須の条件となる。例えば内視鏡では、挿入時における患者への負担を軽減するために、経口タイプのほかに経鼻タイプも実用化されている。そして、経口タイプのものでも先端挿入部の外径が９ｍｍ前後、経鼻タイプのものでは６ｍｍ未満まで細系化が進められ、これに伴って先端部に内蔵される撮像装置の小型化も不可欠になっている。

内視鏡の先端部には一般に長さが２０〜３０ｍｍ程度の円筒状の硬性部が設けられている。この先端硬性部の後端側に屈曲自在な湾曲部が設けられ、アングルノブを操作して先端硬性部の向きを変えることができる。この先端硬性部の内部に前述のイメージセンサと撮像光学系からなる撮像装置が組み込まれ、先端硬性部に設けられた対物窓を通して観察部位の画像が撮像される。先端硬性部には、さらにライトガイドファイバ、送気・送水チューブ、また鉗子チューブなどの各々の端部が連結され、それぞれ対応して設けられた開口を通して観察部位に照明を与え、対物窓の水洗や乾燥を行い、また適切な処置具により患部の治療やサンプル採取を行うことができるようになっている。

先端硬性部が長くなると、挿入時における患者への負担が増すだけでなく、狭い体腔内では可撓管部の屈曲操作に制約が加わる。このため、先端硬性部は細径化だけでなく短くすることも重要で、その内部の主要構成要素である撮像装置をできるだけ細く、かつ軸方向長さも短くする必要がある。例えば特許文献１で知られる内視鏡用の撮像光学系は、イメージセンサで撮像を行うことを前提に設計されている。この撮像光学系は、結像面の周辺部で主光線が斜めに入射することを許容し、撮像光学系自体の厚みを３．５〜４．７ｍｍに抑え、また撮像光学系の最前面から結像面までの全長を４．２〜５．５ｍｍに抑えながらも、画角（２ω）が略１００°〜１１８°の広角化が図られている。

特公平６−４８３２７号公報

広角系の撮像光学系では絞りの前後で光線が広がるため、撮像光学系中の物体に最も近い入射面と、像面に最も近い出射面で光線が光軸から大きく離れる。したがって、撮像光学系の外径は物体に最も近いレンズ、または像面に最も近いレンズの外径に応じて決まるから、撮像光学系の細径化のためにはこれらのレンズの外径を小さく抑えることが必要になる。また、内視鏡先端部のように非常に限られた小さなスペースに撮像装置を組み込む場合には、できるだけサイズの大きいイメージセンサを利用し、撮像光学系にはイメージセンサの有効画面サイズと同等のイメージサイズをもつものが用いられる。そして、細径化を保ちつつ画像品質を高めるには、撮像光学系の外径もイメージサイズを越えない範囲で大きくすることが有利である。

以上の観点からは、特許文献１で知られる撮像光学系は、イメージサイズに相当する最大像高に対して外径が大きく、また光学系全体のレンズ厚（レンズ部分の光軸方向長さ）も大きいので細径化及び短縮化を要する最近の内視鏡には適していない。こうした事情は内視鏡に限らず、携帯電話機に代表される薄型の携帯情報端末（ＰＤＡ：ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等に組み込まれる撮像装置にも共通する。

本発明は上記背景を考慮してなされたもので、その目的は、必要とされるイメージサイズに対して最前面から結像面までの長さを短く抑え、かつ外径についてもイメージサイズに対して適切な範囲に収めた撮像光学系を提供し、またこの撮像光学系をイメージセンサと組み合わせた撮像装置を提供することにある。

本発明の撮像光学系は、物体側から順に、負の第１レンズ群、正の第２レンズ群、正の第３レンズ群、負の第４レンズ群から構成され、第２レンズ群と第３レンズ群との間に絞りが設けられ、絞りを挟んで凹凸・凸凹の対称形に構成される。そして、最大像高をＩＨ、光学系全体のレンズ厚みｓｕｍとバックフォーカス長との和を光学系全長ＴＬ、前記最大像高ＩＨに対する主光線の、最も物体側の面における入射高さをｈＦ、最も像面側の面における出射高さをｈＲ、第１レンズ群の焦点距離をｆ１としたとき、以下の（１）〜（５）式を満たすことが特徴である。
２．００＜ＴＬ／ＩＨ＜３．００・・・（１）
０．３７＜ｈＦ／ＩＨ＜０．５・・・（２）
０．３７＜ｈＲ／ＩＨ＜０．５・・・（３）
３．５＜｜ｆ１／ＩＨ｜＜４．５・・・（４）
１．８＜ｓｕｍ／ＩＨ＜２．１・・・（５）

上記（１）〜（５）式により、物体側の最前面から結像面までの光学系全長を短くし、最も物体側の第１レンズ群に入射する主光線の高さと最も像側の第４レンズ群から出射する主光線の高さとを最大像高に対して適切な範囲に収め、かつ同等の高さにそろえて撮像光学系の外径を抑えることができ、色収差を良好に補正する上で有利になる。また、各種収差を補正する上では、上記（１）式の下限値を２．２１１にすることが望ましい。

また、第１レンズ群を像側に凹面を向けた単レンズ、第４レンズ群を物体側に凹面を向けた単レンズとし、第２レンズ群と第３レンズ群との少なくとも一方については、一枚の正レンズと一枚の負レンズとを貼り合わせた接合レンズで構成することが、他の収差を抑えながら色収差を良好に補正することができ、具体的な実施形態として望ましい。さらに本発明は、上述の撮像光学系を裏面照射型ＣＭＯＳセンサあるいは有機ＣＭＯＳセンサのように、入射面への主光線の入射角が３０°を越えても光電変換効率が大きく低下することのないイメージセンサと組み合わせた撮像装置として効果的に適用することができ、特に体腔内を撮像する内視鏡の先端部に組み込まれる撮像装置に有効である。

本発明の撮像光学系は、画角が１００°を越える広角系であっても外径及び光学系の全長が共に小さく抑えられ、また色収差を含む諸収差が良好に補正され鮮明な画像の撮影が可能となるから、内視鏡の先端部や携帯型の情報端末機器に内蔵される撮像装置に効果的に用いることができる。

本発明の撮像装置が組み込まれた内視鏡先端部の要部断面図である。有機ＣＭＯＳイメージセンサの概略断面図である。裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサの概略断面図である。表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサの内部構造を示す概念図である。イメージセンサの光電変換効率を示す特性図である。赤外カットフィルタの分光透過特性を示すグラフである。本発明光学系の実施例１を示すレンズ構成図である。実施例１の収差図である。本発明光学系の実施例２を示すレンズ構成図である。実施例２の収差図である。本発明光学系の実施例３を示すレンズ構成図である。実施例３の収差図である。本発明光学系の実施例４を示すレンズ構成図である。実施例４の収差図である。本発明光学系の実施例５を示すレンズ構成図である。実施例５の収差図である。本発明光学系の実施例６を示すレンズ構成図である。実施例６の収差図である。本発明光学系の実施例７を示すレンズ構成図である。実施例７の収差図である。本発明光学系の実施例８を示すレンズ構成図である。実施例８の収差図である。本発明光学系の実施例９を示すレンズ構成図である。実施例９の収差図である。本発明光学系の実施例１０を示すレンズ構成図である。実施例１０の収差図である。比較例１を示すレンズ構成図である。比較例１の収差図である。

内視鏡の先端硬性部の概略断面を示す図１において、ステンレスなどの金属でつくられた円柱状の先端硬性部２の所要部には軸方向に貫通する穴が形成され、それぞれの穴には撮像装置３、ライトガイド４の先端、鉗子パイプ５の先端が固定されている。先端硬性部２の先端面を覆うようにキャップ６が固定され、キャップ６には先端硬性部２の穴に連通する開口が設けられている。開口７は撮像装置３の前面を露呈させる撮影窓となり、同様にライトガイド４の前面を露呈させる開口は照明窓となっている。また、送水パイプの前方にある開口にはノズル８が組み込まれ、撮像装置３の前面に洗浄水を吹きつけて洗浄することができるようにしている。

先端硬性部２の後端側には接続リング９を介して節輪構造部１０が連結されている。詳細な図示は省略したが、内視鏡の手元操作部からの操作力がワイヤを通じて連結リング９まで伝達され、周知のようにその操作方向に応じて節輪構造部１０が屈曲し、先端硬性部２の向きを自在に変えることができるようにしている。先端硬性部２，連結リング９、節輪構造部１０の表面は柔軟な防水性の被覆カバー１１で覆われている。

撮像装置３は、金属製の鏡筒本体１２と、その内部に組み込まれた撮像光学系１５とイメージセンサ１６とから構成されている。鏡筒本体１２は先端硬性部２に形成された穴を密封するように固定されている。鏡筒本体１２の背面に露呈した接続端子群には同軸ケーブル１７から引き出された信号線が接続され、それぞれイメージセンサ１６を駆動するための駆動信号やイメージセンサ１６から得られる撮像信号などの伝送に用いられる。

撮像装置３は、撮像光学系１５の光軸１５ａに対してイメージセンサ１６の入射面が垂直となった直視型で構成されている。撮像光学系１５の最終面から出射する光線は、結像面（イメージセンサ１６の入射面と一致する）に対して様々な角度で入射する。主光線で比較すれば、結像面の中央部に入射する主光線の入射角よりも結像面の周辺部に入射する主光線の入射角が大きくなる。なお、撮像光学系１５の最終面から出射した光線をプリズムで屈曲させた後にイメージセンサ１６に入射させる、いわゆる側視型の撮像装置でもこれらの事情は全く共通する。イメージセンサ１６にはＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型のものを用いることができるが、消費電力や製造コストなどの点でＣＭＯＳ型のものが多く用いられている。

本実施形態では、イメージセンサ１６として有機光電変換膜で光電変換を行うＣＭＯＳイメージセンサ（以下、有機ＣＭＯＳセンサという）が用いられている。この有機ＣＭＯＳセンサは、例えば「FUJIFILM RESERCH ＆ DEVELOPMENT 」(No.55-2010)などで知られ、図２Ａに示す概略構造をもつ。比較のために、図２Ｂに裏面照射型（背面照射型）ＣＭＯＳイメージセンサの概略構造を、図２Ｃに表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサの概略構造を示す。これらの図では共通する構成部分には同符号が付されている。

マイクロカラーフィルタ層１８は、青色（Ｂ光）透過フィルタと緑色（Ｇ光）透過フィルタと赤色（Ｒ光）透過フィルタとをベイヤー配列などの所定パターンで配列したもので、図中のＰが一画素分のピクセルに相当する。有機ＣＭＯＳセンサは読み出し回路（図示省略）が設けられた半導体基板１９の上方に配線層２０を設け、その上方に画素電極２１、有機光電変換膜２２、透明な対向電極２３を有する構造である。配線層２０は、画素電極２４を介して画素単位に得られる撮像信号を読み出すためのスイッチング回路や増幅回路などの回路網を含む。これらの回路は配線層２０中に設けられた接続部２５によって電気的に接続される。対向電極２３の上方には透明な保護層２６が形成され、その上に前述したマイクロカラーフィルタ層１８が積層されている。

図２Ｂの裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、半導体基板１９中にシリコンフォトダイオードからなる光電変換部２８が画素ごとに設けられ、その上方にパッシベーション膜２９、マイクロカラーフィルタ層１８を積層した構造となっている。さらに、マイクロカラーフィルタ層１８を画素単位でマイクロレンズで覆うように、マイクロレンズアレイ３０が重ねられる。撮像信号を画素単位で読み出すスイッチング回路等を含む配線層２０は、光電変換部２８の下方（光の入射面とは反対側）に設けられている。

図２Ｃに示す表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、半導体基板１９中にシリコンフォトダイオードからなる光電変換部２８が設けられる。光電変換部２８の上に配線層２０、パッシベーション絶縁膜２９、マイクロカラーフィルタ層１８が設けられ、マイクロカラーフィルタ層１８を画素単位で個々のマイクロレンズで覆うように、マイクロレンズアレイ３０が重ねられている。

図２Ａ及び図２Ｂから分るように、有機ＣＭＯＳセンサと裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、光電変換のための受光面となる有機光電変換膜２２あるいは光電変換部２８の上面が配線層２０の上方に位置している。このため、光の入射面となる最表面に接近して受光面が設けられるのに対し、図２Ｃに示す表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは受光面となる光電変換部２８の上面が配線層２０の下方に位置する。また、有機ＣＭＯＳセンサでは光電変換部として機能する有機光電変換膜の厚みが０．５μｍであるのに対し、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサおよび表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサではシリコンフォトダイオードからなる光電変換部の深さ方向の厚みが５μｍ程度である。

光電変換部の受光面を配線層２０の上方に位置させることにより、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサと比較して、有機ＣＭＯＳセンサ及び裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは入射光束の損失が少なく感度が向上する。また、入射光が受光面に達する前に配線層２０で蹴られるのを避けることができるため、光線が角度をもって入射した場合の感度劣化を抑えることができる。さらに、光電変換作用をもつ有機光電変換膜２２あるいは光電変換部２８の深さ方向の厚みＴが薄くなれば、マイクロカラーフィルタ層１８を垂直に透過してきた入射光はもとより、斜めに透過してきた入射光も隣接する画素の光電変換部２８への漏光を抑えることができるようになり、混色の発生を改善することが可能となる。

一方、図２Ｂに示す裏面照射型ＣＭＯＳセンサでは、混色の発生を防ぐために、斜めに入射してきた光がマイクロカラーフィルタ層１８にできるだけ垂直に入射するようにマイクロレンズアレイ３０を利用せざるを得ない。これに対し、図２Ａの有機ＣＭＯＳセンサでは光電変換の受光面となる有機光電変換膜２２の上面がマイクロカラーフィルタ層１８に近接していることからマイクロレンズアレイ３０を省略しても混色が生じにくい。

また、図２Ｂ，図２Ｃに示す裏面照射型あるいは表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、適切なマイクロレンズアレイ３０を用いた場合でもマイクロカラーフィルタ層１８の法線に対して３０°以上の角度で入射してきた光線は、該当画素の光電変換部２８に入射する割合が激減する。図３はその様子を相対感度で表したもので、光線の入射角０°が垂直入射に相当する。図３に符号Ｍ３で示す感度特性が従来の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサのもので、光線の入射角が±２０°程度になると垂直入射と比較して３５％程度にまで低下し、±３０°がほぼ限界となっている。

符号Ｍ２で示す感度特性が裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサのものである。光線の入射角が±２０°程度になると垂直入射と比較して感度は低下するものの、５０％程度の感度は確保され、±３０°でも２５％程度の感度があり表面入射型ＣＭＯＳイメージセンサよりも優れている。さらに、有機ＣＭＯＳセンサは符号Ｍ１で示す感度特性を有し、理論限界となるコサインカーブＭ０とほぼ同等のレベルまで高い感度特性を示し、実用的には±４５°近辺でも十分な感度を示していることが分かる。これは、上述の如く有機光電変換膜が光の入射面に接近し、かつ、その厚みが薄いという特長に依るものである。

上述のように、有機ＣＭＯＳセンサの感度特性は裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサよりも格段に優れており、かつ表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサに対しては圧倒的に優れている。感度特性としては有機ＣＭＯＳセンサが最も優れてはいるが、実用的には入射角±３０°の光線に対する相対的な感度が、垂直入射に対して２０％を上回る感度特性があればよい。したがって、本発明の撮像装置３のイメージセンサ１６として裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサを用いることも可能である。これらのイメージセンサを用いることにより、結像面への主光線の最大入射角に対する制約が緩和されることになるため撮像光学系１５の設計がしやすくなる。そして、イメージサイズに適した範囲内での光学系の細径化及び全長の短縮化、諸収差を抑えて高い結像性能を保つ上で有利となる。

また、従来型のＣＭＯＳイメージセンサは赤外領域にも感度を有するため、赤外カットフィルタを光学系内に組み込むのが一般となっている。一般的な多層膜を用いた赤外カットフィルタは、例えば図４に符号Ｔ０で示すように、垂直入射光に対する透過率の半値が６５０ｎｍ程度に設定された分光透過特性をもつ。ところが、斜め入射光に対しては波長シフトを生じ、２０°入射ではＴ１、３０°入射ではＴ２、４０°入射ではＴ３と透過特性が変化する。したがって、入射角が小さい画面中央部分と入射角が大きくなる画面周辺部とで色味が変わる色シェーディングの問題が生じる。この色シェーディングの観点からも、従来型のＣＭＯＳイメージセンサでは結像面の周辺部に入射する主光線の入射角の最大値を２５°〜３０°に抑えておく必要があった。

この点、有機ＣＭＯＳイメージセンサは、赤外領域での感度特性を図４に破線で示すように著しく低下させることが可能であり、必ずしも赤外カットフィルタを光学系中に組み込まなくても使用可能である。赤外カットフィルタを用いなければ結像面への光線の入射角の相違に伴う色シェーディングの問題も解消され、製造コストも抑えることができるようになり、撮像装置３のイメージセンサ１６には有機ＣＭＯＳセンサを用いるのが最適である。

撮像光学系１５は鏡筒本体１２にイメージセンサ１６とともに組み込まれ、先端硬性部２に設けられている穴に嵌め込んで固定される。イメージセンサ１６は、その光入射面が撮像光学系１５の結像面と一致するように鏡筒本体１２に組み込まれており、撮像光学系１５によって結像される被写体像を撮像する。なお、撮像光学系１５によって有効に結像される被写体像の最大像高（光軸１５ａからの距離）は１．５ｍｍとなっている。

先端硬性部２をコンパクトにまとめることができるように、鏡筒本体１２に組み込まれる撮像光学系１５の外径は少なくともイメージセンサ１６の外形輪郭内に収められる。また、全体的なレンズ厚みあるいは撮像光学系１５の最前面から結像面までの距離も短く、しかも画像の品質も損なわれることがないようにレンズ構成が工夫されている。このようなレンズ構成としては、基本的には物体側から順に、負の第１レンズ群、正の第２レンズ群、正の第３レンズ群、負の第４レンズ群を配置するのが好適である。

そして、結像面における最大像高をＩＨ、光学系全系のレンズ厚みと最終面から結像面までのバックフォーカス長との和である光学系全長をＴＬ、最大像高ＩＨに対する主光線の、最も物体側の面における光軸１５ａからの入射高さをｈＦ、最も像側の面における出射高さをｈＲとしたとき、次の（１）〜（３）式を満たすことによって光学系全体のコンパクト化を図っている。
２．００＜ＴＬ／ＩＨ＜３．００・・・（１）
０．３７＜ｈＦ／ＩＨ＜０．５・・・（２）
０．３７＜ｈＲ／ＩＨ＜０．５・・・（３）

上記（１）式は、最前面のレンズの入射面から結像面までの全長ＴＬの適切な範囲を示す。上記（２）式は、結像面における最大像高となる位置に向かう主光線が最初のレンズに入射するときの光軸１５ａからの高さの適切な範囲を示し、上記（３）式は、結像面における最大像高となる位置に向かう主光線が最後のレンズから出射するときの光軸１５ａからの高さの適切な範囲を示す。これらの範囲は結像面における最大像高で規格化され、最大像高１ｍｍの場合における撮像光学系全長と、最大像高１ｍｍの結像が得られるときの最大像高位置に向かう主光線の撮像光学系への入射高さ及び出射高さの適切な値の範囲を表す。

上記（１）式の上限を越えると光学系全長のコンパトクト化が不十分となり、下限を下回ると各種収差の補正が難しくなる。上記（２）、（３）式は、第１レンズ群、第４レンズ群の外径を規制するファクタに相当する。これらの上限を越えると最大像高に対して外径が大きくなり過ぎてコンパクト化に不利であり、下限を下回る場合には外径が小さくなり過ぎて光学面の面精度に厳しさが要求され、各レンズの製造コストが高くなりやすい。

さらに、上記撮像光学系３の第２レンズ群と第３レンズ群との間に絞りを設け、絞りを中心にパワー配分を対称にして色収差の補正を容易にし、また第１レンズ群の焦点距離をｆ１としたとき、
３．５＜｜ｆ１／ＩＨ｜＜４．５・・・（４）
を満たすようにすることも有効である。上記（４）式の上限を越えると第１レンズ群の負のパワーが弱過ぎて広角化を図る場合には小型化が難しくなり、逆に下限を下回ると負のパワーが強過ぎて収差補正、特に像面倒れの補正が困難になる。

また、第１レンズ群の物体側の面から第４レンズ群の像側の面までのレンズ厚みをｓｕｍとしたとき、
１．８＜ｓｕｍ／ＩＨ＜２．１・・・（５）
を満たすことも効果的である。上記（５）式の上限を越えるとレンズ厚みが大きくなり過ぎて光学系全長を十分に短くすることができず、逆に下限を越えると非点収差の補正が難しくなる。さらに、色収差の補正を含め、各種の収差補正を考慮すれば、絞りを挟んで設けられている正パワーの第２レンズ群あるいは第３レンズ群の少なくとも一方は、正レンズと負レンズとを貼り合わせた接合レンズで構成することが望ましい。

以下、撮像光学系３の具体的な実施例１〜１０のそれぞれについて、光学系データ、レンズ構成図、収差図を参照しながら説明する。レンズ構成を示す各図面においては、物体側から順に配列された第１レンズ群、第２レンズ群、絞り、第３レンズ群、第４レンズ群にそれぞれＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の符号を付し、絞りは符号Ｓで、結像面は符号ＩＰで示している。各実施例とも、第１群レンズからのパワー配分が凹、凸、凸、凹であり、絞りＳが第２レンズ群と第３レンズ群との間に設けられた対称形となっている。また、第２レンズ群または第３レンズ群が接合レンズで構成された実施例については、接合された単レンズの個々にはＧ２ａ，Ｇ２ｂ、またはＧ３ａ，Ｇ３ｂの符号を付した。なお、第１レンズ群Ｇ１及び第４レンズ群Ｇ４は単レンズで構成しているが、その少なくとも一方を接合レンズで構成してもよい。

光学系データは、物体側から順に付した面番号ごとに曲率半径ｒ，面間隔ｄをｍｍ単位で示し、また画角（°）及び出射角（°）以外の数値も同様にｍｍ単位で示されている。収差図にあっては、球面収差図の符号Ｆ，ｄ，ＣはそれぞれＦ線（４８６．１ｎｍ）、ｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）の波長光に対する収差特性を示し、非点収差図の符号ｓ，ｔは、それぞれサジタル，タンジェンシャルの収差特性を示す。なお、バック長ＢＬは、物体距離が無限遠のときのレンズ最終面から結像面までの距離を表す。

また、一般の光学系と比較して内視鏡用の光学系は物体距離を短い状態にして用いるのが通常である。内視鏡の観察に適した所定の物体距離に光学系の最適ピント位置を合わせるために、イメージセンサを後方に移動して実際の結像面は後方にずらされ、したがって内視鏡用の光学系はバック長を物体距離無限遠の場合よりも長くした状態で用いられる。物体距離が短くなるほど結像面の後方へのずらし量は大きくなるが、そのおよその値は焦点距離の二乗を物体距離で割ったものとなる。各実施例の収差図は、物体距離１０ｍｍのものを示している。

光学系の全長ＴＬ、結像面の最大像高位置に入射する主光線の、第１レンズ群の入射面における入射位置の光軸からの高さを表す最前面入射高ｈＦと、第４レンズ群の出射面における出射位置の光軸からの高さを表す最終面出射高ｈＲ、第１レンズ群の焦点距離ｆ１の絶対値｜ｆ１｜、さらに第１レンズ群の最前面から第４レンズ群の最終面までのレンズ厚ｓｕｍについてはそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した値も示しており、これらについては「＊ＴＬ」のように「＊」を付して示した。

［実施例１］
図５に示すレンズ構成をもち、光学系データは表１のとおりである。表１に挙げた最前面入射高［ｈＦ］、最終面出射高［ｈＲ］及び最大像高ＩＨは、図５に例示のようにそれぞれ光軸１５ａからの高さを表している。

この実施例１の光学系は、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３に、それぞれ物体側から順に正レンズＧ２ａと負レンズＧ２ｂとの接合レンズ、正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられ、全体として４群６枚構成となっている。最大像高ＩＨの１．５００ｍｍに対し、第１レンズ群Ｇ１の最前面から結像面ＩＰまでの全長ＴＬが３．３５１ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．８５０ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．５９８ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６３５ｍｍであるから、撮像光学系１５の外径を決める第１レンズ群Ｇ１、第４レンズ群Ｇ４の計算上の外径は１．５ｍｍもあれば十分である。

したがって、３×３ｍｍ程度のイメージセンサ１６の画面サイズに比して撮像光学系１５の外径は十分に小さくなり、鏡筒本体１２への組み込み適性や、第２レンズ群Ｇ２，第３レンズ群Ｇ３を含めた各レンズ群の製造適性などから有効径の外側にコバ部分を設けて実際の外径が大きくなることを考慮しても、内視鏡の先端硬性部２に組み込まれる広角系の撮像装置３に好適に用いることができる。

全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊ｓｕｍ」の各値は、前掲した（１）式、（２）式、（３）式、（５）式の条件を満たす。また、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１を最大像高ＩＨで規格化した「＊｜ｆ１｜」の値も式（４）の範囲内であるから、１３７°の画角２ωを確保しながらも、図６に示すように諸収差が良好に補正された撮像光学系が得られる。そして、内視鏡だけでなく広画角が要求される各種撮像装置の光学系に広く用いることができる。

［実施例２］
図７に示す４群５枚のレンズ構成を有し、その光学系データは次の表２に、収差特性は図８に示すとおりである。

この光学系は、第３レンズ群Ｇ３に正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられ、全体として４群５枚構成となっている。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．３１６ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．８５ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．６６５ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６６９ｍｍである。よって、先の実施例１と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例３］
図９に示す４群５枚のレンズ構成をもち、その光学系データは次の表３に、収差特性は図１０に示すとおりである。

この光学系は、先の実施例２と同様に第３レンズ群Ｇ３に正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられ、全体として４群５枚構成となっている。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．７４ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．８６ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．５９７ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．５５３ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例４］
図１１に示す４群６枚のレンズ構成をもち、その光学系データは表４に、収差特性は図１２に示すとおりである。

この光学系は、第２レンズ群Ｇ２に負レンズＧ２ａと正レンズＧ２ｂとの接合レンズを用い、また第３レンズ群Ｇ３には正レンズＧ３ａと正レンズＧ３ｂとの接合レンズを用いた全体として４群６枚構成である。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．７８８ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．８７ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．５６９ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．５６１ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例５］
図１３に示す４群５枚のレンズ構成で、光学系データは次の表５に、収差特性は図１４に示すとおりである。

この光学系は、第２レンズ群Ｇ２に正レンズＧ２ａと負レンズＧ２ｂとの接合レンズが用いられ、また第３レンズ群Ｇ３にも正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられた４群６枚構成である。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．６３８ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．９７８ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．６８０ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６８７ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例６］
図１５に示す４群６枚のレンズ構成で、その光学系データは次の表６に、また収差特性は図１６に示すとおりである。

この光学系は、第２レンズ群Ｇ２に負レンズＧ２ａと正レンズＧ２ｂとの接合レンズが用いられ、また第３レンズ群Ｇ３に正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられた４群６枚構成である。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．９０３ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが３．００ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．６２８ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６２３ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例７］
図１７に示す４群５枚のレンズ構成で、光学系データは次の表７に、また収差特性は図１８に示すとおりである。

この光学系は、第３レンズ群Ｇ３に正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられ、全体として４群５枚構成となっている。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．５６４ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．８３ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．５８１ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６６３ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例８］
図１９に示す４群５枚のレンズ構成をもち、その光学系データは次の表８に、収差特性は図２０に示すとおりである。

この光学系は、第３レンズ群Ｇ３に正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられ、全体として４群５枚構成となっている。最大像高ＩＨの１．５ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが３．８３１ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが２．９６９ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．６２４ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６５９ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例９］
図２１に示す４群６枚のレンズ構成をもち、その光学系データは次の表９に、各種の収差特性は図２２に示すとおりである。

この光学系は、第２レンズ群Ｇ２に正レンズＧ２ａと負レンズＧ２ｂとの接合レンズが用いられ、また第３レンズ群Ｇ３にも正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられた４群６枚構成である。最大像高ＩＨの１．５０ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが４．１０ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが３．００ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．６２２ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．５８０ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

［実施例１０］
図２３に示す４群６枚のレンズ構成をもち、その光学系データは次の表１０に、また各種の収差特性は図２４に示すとおりである。

この光学系は、第２レンズ群Ｇ２に正レンズＧ２ａと負レンズＧ２ｂとの接合レンズが用いられ、また第３レンズ群Ｇ３にも正レンズＧ３ａと負レンズＧ３ｂとの接合レンズが用いられた４群６枚構成である。最大像高ＩＨの１．５０ｍｍに対し、光学系全長ＴＬが４．０４５ｍｍ、レンズ厚ｓｕｍが３．００ｍｍ、最前面入射高ｈＦが０．６４６ｍｍ、最終面出射高ｈＲが０．６５２ｍｍである。よって、これまでの実施例と同様に全長及び外径が適切な範囲に収まり、内視鏡の観察光学系に適した広角系の撮像光学系を得ることができる。全長ＴＬ、最前面入射高ｈＦ、最終面出射高ｈＲ、レンズ厚ｓｕｍの値をそれぞれ最大像高ＩＨで規格化した「＊ＴＬ」、「＊ｈＦ」、「＊ｈＲ」、「＊｜ｆ１｜」、「＊ｓｕｍ」の各値もそれぞれ前掲した（１）〜（５）式の条件を満たし、イメージサイズに対して十分に小型化された撮像光学系が得られ、諸収差も良好に補正することができる。

なお、図２５は比較例１を示すもので、これは先行技術文献として挙げた特公平６−４８３２７号公報に記載された実施例１の光学系である。この比較例１は、上述してきた本発明の実施例１〜１０と同様、物体側から順に配列された第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４が凹凸凸凹のパワー配分をもつ４群構成である点、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に絞りＳが設けられている点で共通する。また、この比較例１の撮像光学系の収差特性は図２６のとおりである。

図２５に示す比較例１の主要な光学系データを次の表１１に示す。同表中、比較例２〜７として挙げた光学系データは、上記公報に実施例２〜７として記載された撮像光学系のものである。

表１１から分かるとおり、最大像高ＩＨが１．００４〜１．２１０２の範囲で一定していないが、最大像高ＩＨが本発明各実施例の最大像高１．５００に比して低いのに対し、光学系の全長ＴＬ、レンズ厚ｓｕｍ、最前面入射高ｈＦ、最終面ｈＲの値がいずれも本発明各実施例のものよりも大きい。したがってこれらの撮像光学系は、イメージサイズに対し、全長ＴＬ、レンズ厚ｓｕｍがともに長く、外径もかなり大きくなっており、コンパクト化の点では不十分であることが分かる。

さらに、上記表１１には各光学データを最大像高ＩＨで規格化した値を［］中に示している。比較例１〜７の規格化されたこれらの値をみると「＊ＴＬ」の値は３．５２６〜４．７８２の範囲で（１）式を満たしておらず、結像面サイズに対して光学系全長の短縮化が不十分であることが分かる。また、「＊ｈＦ」の値はいずれも０．８５以上であり、（２）式を満たしていない。「＊ｈＲ」の値は最小のものが０．５５８であり、（３）式の条件は満たされないものの、その上限をわずかに越えただけで第４レンズ群Ｇ４の外径については小さくすることができる。しかし、この場合の「＊ｈＦ」の値が０．８７８であるから、第１レンズ群Ｇ１についてはその外径を十分に小さくすることができず、撮像光学系全体の細径化を図ることはできない。同様に「＊ｓｕｍ」の値も３．２９を越える大きな値で（５）式は満たされておらず、レンズ厚みの薄型化が不十分である。

さらに、本発明の撮像光学系の特徴は出射角２δが大きいことにも現れている。各表の光学データ中に挙げた出射角２δは、第４レンズ群Ｇ４の像側の面から光軸１５ａに関して対称に出射する一対の主光線、特に、結像面ＩＰにおいて光軸１５に関して対称に位置する最大像高位置のそれぞれに向かって出射する一対の主光線の相互がなす角度を意味している。したがって、一の最大像高位置に向かう主光線が光軸１５ａとの間になす角度、すなわち結像面ＩＰ上の最大像高位置に入射する主光線の入射角はδとなり、この入射角δがイメージセンサ１６に入射する主光線の最大入射角となる。

先に述べたとおり、イメージセンサ１６に入射する主光線の入射角が大きくなるとイメージセンサ１６の光電変換効率は低下してくるが、有機ＣＭＯＳセンサをイメージセンサ１６に用いることによって、主光線の入射角に対する制約が大幅に緩和される。したがって本発明の各実施例にみられるように、最大像高位置に入射する主光線の最大入射角δを３５°〜４７．７５°の範囲まで広げても実用化することが可能となる。もちろん、イメージセンサ１６への主光線の最大入射角δを小さめに抑えておけば、有機ＣＭＯＳセンサに代えて裏面照射型ＣＭＯＳセンサを用いることもできる。この点、比較例１〜７の大半は主光線の最大入射角δが２３°〜３０°と小さく抑えられ、撮像光学系を設計する上での制約となっている。

以上、各面に球面のみを用いた実施例１〜１０にしたがって本発明について説明してきたが、本発明の撮像光学系は一面あるいは複数の面に非球面を用いて構成することも可能である。また、内視鏡の先端硬性部に内蔵される撮像光学系だけでなく、携帯電話機などの携帯情報端末はもとより、イメージサイズに比して小型化が要求される定置式の監視カメラや車載用カメラにも本発明の撮像光学系は等しく適用することができる。さらに、本発明は上記特徴を備えた撮像光学系を各種のイメージセンサと一体化した撮像装置として実施することも可能である。

２先端硬性部
１５撮像光学系
１６イメージセンサ

Claims

物体側から順に、負の第１レンズ群、正の第２レンズ群、正の第３レンズ群、負の第４レンズ群からなる撮像光学系において、
前記第２レンズ群と第３レンズ群との間に絞りが設けられ、最大像高をＩＨ、光学系全体のレンズ厚みｓｕｍとバックフォーカス長との和を光学系全長ＴＬ、前記最大像高ＩＨに対する主光線の、最も物体側の面における入射高さをｈＦ、最も像面側の面における出射高さをｈＲ、第１レンズ群の焦点距離をｆ１としたとき、以下の（１）〜（５）式を満たすことを特徴とする撮像光学系。
２．００＜ＴＬ／ＩＨ＜３．００・・・（１）
０．３７＜ｈＦ／ＩＨ＜０．５・・・（２）
０．３７＜ｈＲ／ＩＨ＜０．５・・・（３）
３．５＜｜ｆ１／ＩＨ｜＜４．５・・・（４）
１．８＜ｓｕｍ／ＩＨ＜２．１・・・（５）
請求の範囲第４項記載の撮像光学系において、
前記第１レンズ群が像面側に凹面を向けた単レンズ、前記第４レンズ群が物体側に凹面を向けた単レンズであり、前記第２レンズ群または第３レンズ群の少なくともいずれかが１枚の正レンズと１枚の負レンズとを貼り合わせた接合レンズである撮像光学系。
請求の範囲第４項または第５項いずれか記載の撮像光学系と、この撮像光学系の結像面に配置されたイメージセンサとを備え、
前記イメージセンサが裏面照射型ＣＭＯＳセンサまたは有機ＣＭＯＳセンサである撮像装置。
請求の範囲第６項記載の撮像装置において、
体腔内を撮像する内視鏡の先端部に組み込まれた撮像装置。
請求の範囲第４項記載の撮像光学系において、
２．２１１＜ＴＬ／ＩＨ＜３．００
である撮像光学系。