JP2006184844A - Image forming optical system and imaging apparatus using the same - Google Patents

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芳徳 濱西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image forming optical system capable of forming the images of a plurality of subjects to be inspected which are separated in the optical axis direction on the same image forming surface at the same time while maintaining a sufficient resolution. <P>SOLUTION: Between the subject to be inspected and the image forming surface, optical elements which are divided into a plurality of regions having different refractive powers from one another are arranged, wherein the plurality of regions are respectively arranged on different positions in the optical axis direction. Thereby, images of the plurality of subjects which are separated in the optical axis direction can be connected on the image forming surface at the same time. Otherwise, between the subject to be inspected and the image forming surface, a transparent parallel flat plate is arranged so as to allow a part of light from the subject to be inspected to pass through the same. Thereby, the images of the plurality of subjects to be inspected which are separated by distances in accordance with thicknesses and refractive indexes of the parallel flat plate can be connected on the image forming surface at the same time. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系及びこの結像光学系を用いた撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging optical system that forms an image of a subject on an imaging surface and an imaging apparatus using the imaging optical system.

透明物体の表裏面や内部の傷、欠陥などを撮像して検査する撮像装置等には、被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系と、この結像光学系により結像面上に結像された画像を撮像する撮像デバイスとが組み込まれている。このような撮像装置において例えば平行平板ガラスの表面と裏面、或いはこれらと平行な断面の画像など、互いに光軸方向に離間して位置する複数の被検体を撮像しようとする場合には、撮像レンズを光軸方向に移動させる等して検査(撮像)したい被検体(表面或いは断面)ごとにフォーカスし直す必要がある。或いは、上記のように撮像レンズを光軸方向に移動させる代わりに、透明な平行平板部材を回転円盤に取り付けてこれを結像光学系の光路中に出し入れし、その平行平板中を通過するときの光の屈折作用を利用してフォーカス位置を変動させるものも知られている(例えば下記の特許文献1,2参照)。   An imaging device that images and inspects the front and back surfaces of a transparent object, internal scratches, defects, and the like is connected by an imaging optical system that forms an image of a subject on the imaging surface. An imaging device that captures an image formed on the image plane is incorporated. In such an imaging apparatus, for example, when imaging a plurality of subjects positioned apart from each other in the optical axis direction, such as images of the front and back surfaces of parallel flat glass or a cross section parallel to these, an imaging lens Must be refocused for each subject (surface or cross section) to be examined (imaged) by moving the lens in the direction of the optical axis. Alternatively, instead of moving the imaging lens in the direction of the optical axis as described above, a transparent parallel plate member is attached to a rotating disk, and this is taken in and out of the optical path of the imaging optical system, and passes through the parallel plate. There is also known one that fluctuates the focus position by utilizing the refraction action of light (for example, see Patent Documents 1 and 2 below).

また、このように光軸方向に離れた複数の被検体を各々撮像するのではなく、これら複数の被検体を同時に同一の結像面上に結像させて一つの画像として撮像する技術も求められている。これには、眼鏡レンズに応用されている累進焦点レンズ(下記の特許文献3参照)や多焦点レンズ(下記の特許文献4参照)など、レンズの有効口径内において度(焦点距離の逆数)が異なる複数のレンズが組み込まれたレンズ、或いは結像光学系の有効径の中心部から周辺部へかけて度が変化する多数の同心状の輪帯状領域を有したゾーンプレートや多重凹面反射鏡などを撮像レンズとして採用したものが知られている。また、開口絞りを絞り込んで被写界深度を大きくすることによっても、光軸方向に離間した複数の物体を同時に結像・撮像することが可能である。
特開平4−315906号公報 特開平8−304043号公報 特開平6−313866号公報 特開平6−214198号公報
There is also a need for a technique for imaging a plurality of subjects at the same time on the same imaging plane instead of imaging each of a plurality of subjects separated in the optical axis direction as described above. It has been. This includes a degree (the reciprocal of the focal length) within the effective aperture of the lens, such as a progressive focus lens (see Patent Document 3 below) and a multifocal lens (see Patent Document 4 below) applied to eyeglass lenses. A lens in which a plurality of different lenses are incorporated, or a zone plate having multiple concentric ring-shaped regions whose degrees change from the central part to the peripheral part of the effective diameter of the imaging optical system, multiple concave reflecting mirrors, etc. Is known as an imaging lens. It is also possible to simultaneously image and image a plurality of objects separated in the optical axis direction by narrowing the aperture stop to increase the depth of field.
JP-A-4-315906 Japanese Patent Laid-Open No. 8-304043 JP-A-6-313866 JP-A-6-214198

しかしながら、光軸方向に離れた複数の被検体を、度(焦点距離の逆数)の異なる複数のレンズを通して撮像した場合には、各被検体ごとに像サイズが異なってしまうために、得られた画像(画質)が不自然なものとなるという欠点があった。また、開口絞りを絞り込んで(被写界深度を大きくして)撮像した場合には、被検体から結像光学系への入射光量(開口数)が小さくなるため、解像度が低下して微細な傷や欠陥等を検出することが困難になるという問題があった。   However, when a plurality of subjects separated in the optical axis direction were imaged through a plurality of lenses having different degrees (reciprocal of focal length), the image size was different for each subject. There is a drawback that the image (image quality) becomes unnatural. In addition, when imaging is performed with the aperture stop narrowed down (increasing the depth of field), the amount of incident light (numerical aperture) from the subject to the imaging optical system is reduced, so the resolution is reduced and finer. There has been a problem that it is difficult to detect scratches and defects.

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、十分な画質と解像度とを維持しつつ、光軸方向に離間した複数の被検体を同一の結像面上に同時に結像させることが可能な構成の結像光学系及びこれを用いた撮像装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of such problems, and simultaneously forms a plurality of subjects separated in the optical axis direction on the same image plane while maintaining sufficient image quality and resolution. It is an object of the present invention to provide an imaging optical system having a configuration capable of achieving the above and an imaging apparatus using the same.

このような目的を達成するため、請求項1に係る発明の結像光学系は、被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系において、前記被検体と前記結像面との間に透明な平行平板部材を介装し、前記被検体から出て前記結像面上に集光される光の一部が前記平行平板部材を通過するようにすることにより、前記被検体の像と、前記被検体から前記平行平板部材の厚さ及び屈折率に応じた距離だけ光軸方向に離間した他の被検体の像とが、同時に、前記結像面に結像されるようにしたことを特徴とする。   In order to achieve such an object, an imaging optical system according to a first aspect of the present invention is an imaging optical system that forms an image of a subject on an imaging surface. A transparent parallel plate member interposed therebetween, and a part of the light that exits from the subject and is collected on the imaging plane passes through the parallel plate member. And an image of another subject separated from the subject in the optical axis direction by a distance corresponding to the thickness and refractive index of the parallel plate member are formed on the imaging plane at the same time. It is characterized by that.

請求項2に係る発明の結像光学系は、請求項1記載の結像光学系において、前記平行平板部材が、前記光軸を中心とする円周方向に並んで配置された複数のセグメントの結合からなるとともに、前記複数のセグメントそれぞれの厚さ及び/又は屈折率が互いに異なっていることを特徴とする。   An imaging optical system according to a second aspect of the present invention is the imaging optical system according to the first aspect, wherein the parallel plate member is formed of a plurality of segments arranged side by side in a circumferential direction centering on the optical axis. It consists of coupling | bonding, The thickness and / or refractive index of each of these segments differ from each other.

請求項3に係る発明の結像光学系は、請求項1又は請求項2記載の結像光学系において、前記平行平板部材が前記光軸まわりに回転自在であることを特徴とする。   An imaging optical system according to a third aspect of the present invention is the imaging optical system according to the first or second aspect, wherein the parallel plate member is rotatable about the optical axis.

請求項4に係る発明の撮像装置は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の結像光学系と、前記結像面上に結像された像を撮像する撮像デバイスとを備えて構成されたことを特徴とする。   An imaging apparatus according to a fourth aspect of the invention includes the imaging optical system according to any one of the first to third aspects, and an imaging device that captures an image formed on the imaging surface. It is structured.

請求項5に係る発明の撮像装置は、請求項4に記載の撮像装置において、前記結像光学系は開口絞りを有し、前記結像光学系を構成する前記平行平板部材は前記開口絞りの近傍位置に設けられていることを特徴とする。   An imaging apparatus according to a fifth aspect of the present invention is the imaging apparatus according to the fourth aspect, wherein the imaging optical system has an aperture stop, and the parallel plate member constituting the imaging optical system is an aperture stop. It is provided in the vicinity position.

請求項6に係る発明の撮像装置は、前記結像光学系を構成する前記平行平板部材及び前記平行平板部材以外の一又は複数の光学素子は互いに分離可能なモジュールとして構成されており、各モジュールは前記撮像装置の光軸に対して配置の変更が可能になっていることを特徴とする。
請求項7の結像光学系は、被検体と結像面との間に、屈折力が異なる複数の領域に分割された光学素子を有し、前記複数の領域は、光軸方向の異なる位置にそれぞれ配置されており、前記被検体から出て前記結像面上に集光される光の一部が前記光学素子を通過するようにすることにより、光軸方向に離間した位置の複数の被検体の像と同時に前記結像面に結像されるようにしたことを特徴とする結像光学系である。
In the imaging apparatus according to a sixth aspect of the present invention, the parallel plate member and one or a plurality of optical elements other than the parallel plate member constituting the imaging optical system are configured as modules that can be separated from each other. Is characterized in that the arrangement can be changed with respect to the optical axis of the imaging device.
The imaging optical system according to claim 7 includes an optical element divided into a plurality of regions having different refractive powers between the subject and the imaging surface, and the plurality of regions have different positions in the optical axis direction. A plurality of light beams that are separated from each other in the optical axis direction by passing a part of the light that exits from the subject and is collected on the imaging surface through the optical element. An imaging optical system characterized in that an image is formed on the imaging plane simultaneously with an image of a subject.

本発明に係る結像光学系によれば、光軸方向に離間した複数の被検体の像を、光量(開口数)及び解像度の低下を伴うことなく同一の結像面上に同時に結合させることができる。また、本発明に係る撮像装置によれば、解像度の高い良好な画質の上記像の画像を得ることができる。   According to the imaging optical system of the present invention, it is possible to simultaneously combine images of a plurality of subjects separated in the optical axis direction on the same imaging plane without causing a decrease in light quantity (numerical aperture) and resolution. Can do. In addition, according to the imaging apparatus according to the present invention, it is possible to obtain an image of the image with high resolution and good image quality.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る撮像装置1を示している。この撮像装置1は、光軸AX上に距離z0だけ離間して位置した2つの被検体Q1,Q2(被検体Q1が撮像レンズ2側に位置しているものとする)の像を撮像対象とするものであり、被検体Q1、Q2に光を照射する図示しない光源と、この光源により照射された被検体Q1,Q2からの光を結像面4(後記する撮像デバイス5の撮像面)上に集光する撮像レンズ(結像レンズ)2と、被検体Q1,Q2と撮像レンズ2との間に介装された透明な平行平板部材からなる挿入プレート(厚さd1、屈折率n1)3と、結像面4上に結像された像を撮像する撮像デバイス5(例えばCCDカメラ)とを有して構成される。なお、上記撮像装置1を構成する要素のうち、撮像レンズ2と挿入プレート3とは被検体Q1,Q2の像を結像面4上に結像させる結像光学系であり、本発明に係る結像光学系に相当する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an imaging apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. The imaging apparatus 1 captures images of two subjects Q1 and Q2 (assumed that the subject Q1 is located on the imaging lens 2 side) that are spaced apart by a distance z 0 on the optical axis AX. And a light source (not shown) that irradiates light to the subjects Q1 and Q2, and an imaging plane 4 (imaging surface of the imaging device 5 described later) that emits light from the subjects Q1 and Q2 irradiated by the light source. An imaging lens (imaging lens) 2 that condenses on the top, and an insertion plate (thickness d 1 , refractive index n) made of a transparent parallel plate member interposed between the subjects Q1 and Q2 and the imaging lens 2 1 ) 3 and an image pickup device 5 (for example, a CCD camera) for picking up an image formed on the image plane 4. Of the elements constituting the imaging apparatus 1, the imaging lens 2 and the insertion plate 3 are an imaging optical system that forms images of the subjects Q1 and Q2 on the imaging surface 4, and according to the present invention. It corresponds to an imaging optical system.

挿入プレート3は、図1及び図2から分かるように、半円盤形状(円盤を半分にした形状)を有しており、その中心軸(円盤の中心軸に相当する軸)が光軸AXとほぼ一致するように設けられている。また、撮像レンズ2はここでは1枚のレンズとして示しているが、複数のレンズを組み合わせた構成とすることもできる(後述の他の実施形態においても同様)。   As can be seen from FIGS. 1 and 2, the insertion plate 3 has a semi-disc shape (a shape obtained by halving the disc), and its central axis (an axis corresponding to the central axis of the disc) is the optical axis AX. It is provided so that it may correspond substantially. Although the imaging lens 2 is shown here as a single lens, it may be configured by combining a plurality of lenses (the same applies to other embodiments described later).

被検体Q1,Q2に対する撮像レンズ2及び結像面4の(撮像デバイス5の)相対位置は自由に設定することができるようになっている。本撮像装置1により被検体Q1,Q2の撮像を行うには、先ず、挿入プレート3を撮像装置1から取り外した状態において、被検体Q1の像が結像面4上の点Pに結像されるように、被検体Q1に対する撮像レンズ2及び結像面4の位置調整を行う。このとき光軸AX上における被検体Q1の位置A1から出て結像面4上に集光される光の光路は、図2における光軸AXよりも上側の領域において示す光路A1→A4→撮像レンズ2内→A5→Pとなる。 The relative positions of the imaging lens 2 and the imaging plane 4 (of the imaging device 5) with respect to the subjects Q1 and Q2 can be freely set. In order to image the subjects Q1 and Q2 by the imaging apparatus 1, first, an image of the subject Q1 is formed at a point P on the imaging plane 4 in a state where the insertion plate 3 is removed from the imaging apparatus 1. As described above, the positions of the imaging lens 2 and the imaging plane 4 with respect to the subject Q1 are adjusted. At this time, the optical path of the light exiting from the position A 1 of the subject Q1 on the optical axis AX and condensed on the imaging plane 4 is the optical path A 1 → A shown in the region above the optical axis AX in FIG. 4 → Inside the imaging lens 2 → A 5 → P

続いて挿入プレート3を被検体Q1と撮像レンズ2との間に挿入設置すると、被検体Q1(点A1)から出て結像面4上に集光される光の一部はこの挿入プレート3を通過するようになる。このように挿入プレート3を通過する光は挿入プレート3への入出射時に屈折するため点Pに集光されることはないが、代わりに、被検体Q1から光軸AX方向に距離zだけ離間した(撮像レンズ2から遠ざかる方向に離間した)光軸AX上の点C0から出た光の一部が挿入プレート3を通って、結像面4上の点Pに結像されるようになる。このとき点C0から出て結像面4上に集光される光の光路は、図2における光軸AXよりも下側の領域において示す光路C0→B2→挿入プレート3内→B3→B4→撮像レンズ2内→B5→Pとなる。 Subsequently, when the insertion plate 3 is inserted and installed between the subject Q1 and the imaging lens 2, a part of the light that exits from the subject Q1 (point A 1 ) and is condensed on the imaging plane 4 is the insertion plate. 3 will be passed. Since the light passing through the insertion plate 3 is refracted when entering and exiting the insertion plate 3 in this way, it is not collected at the point P. Instead, it is separated from the subject Q1 by the distance z in the optical axis AX direction. The part of the light emitted from the point C 0 on the optical axis AX (separated away from the imaging lens 2) passes through the insertion plate 3 and forms an image at a point P on the imaging plane 4. Become. At this time, the optical path of the light exiting from the point C 0 and condensed on the imaging plane 4 is the optical path C 0 → B 2 → inside the insertion plate 3 → B shown in the region below the optical axis AX in FIG. 3 → B 4 → in the imaging lens 2 → B 5 → P.

ここで、被検体Q1,Q2と撮像レンズ2との間に挿入される挿入プレート3の厚さ(d1)及び屈折率(n1)と、上記距離zとの関係について述べる。 Here, the thickness of the insert plate 3 inserted between the object Q1, Q2 and the imaging lens 2 (d 1) and refractive index (n 1), describe the relationship between the distance z.

図2に示すように、点C0から出た光はC0→B2と進んで挿入プレート3に入射し、挿入プレート3に入射した光はその入射時に屈折して挿入プレート3内をB2→B3と進んだ後、挿入プレート3から出射するときに更に屈折してB3→B4と進み、撮像レンズ2に入射する。ここで、光路B3−B4をB3側に延長した直線が光軸AXと交わる点は点A1に一致するので(光路B3−B4を経た光は光路A1−A4を経た光と同様、点Pに集光されるから)、線分C01の長さは、平行平板における屈折の法則より、
01=(1−1/n1)d1 ・・・ (1)
となる。また、線分C01の長さと上記距離zとは等しいので、
z=(1−1/n1)d1 ・・・ (2)
と表すことができる。
As shown in FIG. 2, the light emitted from the point C 0 advances from C 0 → B 2 and enters the insertion plate 3, and the light incident on the insertion plate 3 is refracted at the time of incidence and passes through the insertion plate 3. After proceeding from 2 to B 3 , the light is further refracted when exiting from the insertion plate 3, proceeds from B 3 to B 4, and enters the imaging lens 2. Here, the point where the straight line extending from the optical path B 3 -B 4 to the B 3 side intersects the optical axis AX coincides with the point A 1 (the light passing through the optical path B 3 -B 4 passes through the optical path A 1 -A 4 . The length of the line segment C 0 A 1 is as follows from the law of refraction in a parallel plate:
C 0 A 1 = (1-1 / n 1 ) d 1 (1)
It becomes. Also, since the length of the line segment C 0 A 1 is equal to the distance z,
z = (1-1 / n 1 ) d 1 (2)
It can be expressed as.

ここで、挿入プレート3の厚さ(d1)及び屈折率(n1)が変化し上記式(2)でz=z0とおいた関係式
0=(1−1/n1)d1 ・・・ (3)
を満たすのであれば、被検体Q1の像と、この被検体Q1に対して光軸AX方向に距離z0だけ離間して位置した被検体Q2の像とが、同時に、結像面4に結像される。そして、この結像面4上に映し出された像を撮像デバイス5により撮像すれば、両被検体Q1,Q2の像を同時に(同一ピントの画像として)得ることができる。また、撮像デバイス5により撮像された画像は図1に示す画像処理装置6において処理された後、ディスプレイ7上にて視覚表示される。なお、挿入プレート3は単一の厚さ及び屈折率を有する透明な平行平板部材であるため、被検体Q1と撮像レンズ2との間の光路中のどの位置に挿入しても距離zを変動させることはないが、できるだけ撮像レンズ2に近接して設ける方が、撮像装置1全体をコンパクトにし得る点で有利である。
Here, the thickness (d 1 ) and refractive index (n 1 ) of the insertion plate 3 change, and the relational expression z 0 = (1-1 / n 1 ) d 1 where z = z 0 in the above equation (2). (3)
If the above condition is satisfied, the image of the subject Q1 and the image of the subject Q2 positioned at a distance z 0 away from the subject Q1 in the optical axis AX direction are simultaneously formed on the imaging plane 4. Imaged. Then, if the image projected on the imaging surface 4 is picked up by the image pickup device 5, the images of both the subjects Q1 and Q2 can be obtained simultaneously (as the same focus image). Further, the image picked up by the image pickup device 5 is processed by the image processing apparatus 6 shown in FIG. 1 and then visually displayed on the display 7. Since the insertion plate 3 is a transparent parallel plate member having a single thickness and refractive index, the distance z varies regardless of the insertion position in the optical path between the subject Q1 and the imaging lens 2. However, it is advantageous to provide as close as possible to the imaging lens 2 in that the entire imaging device 1 can be made compact.

図3は本発明の第2実施形態に係る撮像装置20を示している。この撮像装置20は、光軸AXに対して垂直に設置された透明材質からなる平行平板ガラス(厚さd0、屈折率n0)8の表面(撮像レンズ2と対向する側の面。以下、基準面S1とする)と、この基準面S1から光軸AXに沿って距離z′だけ離間した面(平行平板ガラス8の裏面或いは表面と裏面との間の断面。以下、参照面S2とする)とを被検体としてその像を撮像するものである。この第2実施形態に係る撮像装置20は、上述の第1実施形態に係る撮像装置1と被検体のみが異なっており、図3及び図4では第1実施形態に係る撮像装置1と同一の構成品については同一の符号を付してある。 FIG. 3 shows an imaging apparatus 20 according to the second embodiment of the present invention. This imaging device 20 has a surface (a surface on the side facing the imaging lens 2) of a parallel flat glass (thickness d 0 , refractive index n 0 ) 8 made of a transparent material placed perpendicular to the optical axis AX. , A reference plane S1) and a plane separated from the reference plane S1 by a distance z 'along the optical axis AX (the back surface of the parallel flat glass 8 or a cross section between the front and back surfaces, hereinafter referred to as a reference surface S2). ) Is taken as an object to be imaged. The imaging apparatus 20 according to the second embodiment differs from the imaging apparatus 1 according to the first embodiment described above only in the subject, and is the same as the imaging apparatus 1 according to the first embodiment in FIGS. 3 and 4. Components are given the same reference numerals.

本撮像装置20により上記二面S1,S2の撮像を行うには、先ず、挿入プレート3を撮像装置20から取り外した状態において、平行平板ガラス8の基準面S1における光軸AX上の点(A1)の像が結像面4上の点Pに結像されるように、平行平板ガラス8に対する撮像レンズ2及び結像面4の位置調整を行う。このとき点A1から出て結像面4上に集光される光の光路は、図4における光軸AXよりも上側の領域において示す光路A1→A4→撮像レンズ2内→A5→Pとなる。 In order to image the two surfaces S1 and S2 by the imaging device 20, first, in a state where the insertion plate 3 is removed from the imaging device 20, a point on the optical axis AX on the reference plane S1 of the parallel flat glass 8 (A The positions of the imaging lens 2 and the imaging plane 4 with respect to the parallel plate glass 8 are adjusted so that the image 1 ) is formed at the point P on the imaging plane 4. At this time, the optical path of the light exiting from the point A 1 and condensed on the imaging plane 4 is the optical path A 1 → A 4 → in the imaging lens 2 → A 5 shown in the region above the optical axis AX in FIG. → P

続いて挿入プレート3を平行平板ガラス8と撮像レンズ2との間に挿入設置すると、点A1から出て結像面4上に集光される光の一部はこの挿入プレート3を通過するようになる。このように挿入プレート3を通過する光は挿入プレート3への入出射時に屈折するため点Pに集光されることはないが、代わりに、点A1から光軸AX方向に距離z′だけ離間した(撮像レンズ2から遠ざかる方向に離間した)光軸AX上の点B0から出た光の一部が挿入プレート3を通って、結像面4上の点Pに結像されるようになる。このとき点B0から出て結像面4上に集光される光の光路は、図4における光軸AXよりも下側の領域において示す光路B0→平行平板ガラス8内→B1→B2→挿入プレート3内→B3→B4→撮像レンズ2内→B5→Pとなる。 Subsequently, when the insertion plate 3 is inserted and installed between the parallel flat glass 8 and the imaging lens 2, a part of the light that exits from the point A 1 and is condensed on the imaging surface 4 passes through the insertion plate 3. It becomes like this. Since the light passing through the insertion plate 3 is refracted when entering and exiting the insertion plate 3 in this way, it is not condensed at the point P. Instead, it is only a distance z ′ from the point A 1 in the direction of the optical axis AX. A part of the light emitted from the point B 0 on the optical axis AX that is separated (separated in the direction away from the imaging lens 2) passes through the insertion plate 3 and forms an image at a point P on the imaging plane 4. become. At this time, the optical path of the light exiting from the point B 0 and condensed on the image plane 4 is the optical path B 0 shown in the region below the optical axis AX in FIG. 4 → inside the parallel plate glass 8 → B 1 → B 2 → insertion plate 3 → B 3 → B 4 → imaging lens 2 → B 5 → P.

ここで、平行平板ガラス8と撮像レンズ2との間に挿入される挿入プレート3の厚さ(d1)及び屈折率(n1)と、上記距離z′との関係について述べる。 Here, the relationship between the thickness (d 1 ) and the refractive index (n 1 ) of the insertion plate 3 inserted between the parallel flat glass 8 and the imaging lens 2 and the distance z ′ will be described.

図4及び図5に示すように、点B0から出た光は平行平板ガラス8内をB0→B1と進んで平行平板ガラス8の表面(基準面S1)から出射し、ここで屈折した後、空気中をB1→B2と進んで挿入プレート3に入射する。挿入プレート3に入射した光はその入射時に屈折して挿入プレート3内をB2→B3と進んだ後、挿入プレート3から出射するときに更に屈折してB3→B4と進み、撮像レンズ2に入射する。ここで、光路B3−B4をB3側に延長した直線が光軸AXと交わる点は点A1に一致し、光路B1−B2は光路B3−B4と平行になる。また、光路B3−B4は点A1から出て挿入プレート3を通らない光の光路(A1→A4)と同一となる。また、光路B1−B2をB1側に延長した直線が光軸AXと交わる点をC0とすると、この点C0は第1実施形態における点C0と一致するので、上述の式(1)はそのまま満たされる。また、本実施形態では、線分C01の長さと上記距離z′とは、
01=z′/n0 ・・・ (4)
の関係を満たすので、式(1)と式(4)より、
z′=C010=n0(1−1/n1)d1 ・・・ (5)
が導かれる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the light emitted from the point B 0 travels in the parallel flat glass 8 in the order of B 0 → B 1 and is emitted from the surface (reference plane S1) of the parallel flat glass 8, and is refracted here. After that, the air travels in the direction of B 1 → B 2 and enters the insertion plate 3. The light incident on the insertion plate 3 is refracted at the time of incidence and travels in the insertion plate 3 from B 2 → B 3, and then is further refracted and travels from B 3 to B 4 when exiting the insertion plate 3. The light enters the lens 2. Here, the point where the straight line extending from the optical path B 3 -B 4 to the B 3 side intersects the optical axis AX coincides with the point A 1 , and the optical path B 1 -B 2 is parallel to the optical path B 3 -B 4 . Further, the optical path B 3 -B 4 is the same as the optical path (A 1 → A 4 ) of the light exiting from the point A 1 and not passing through the insertion plate 3. Further, if a point where a straight line extending from the optical path B 1 -B 2 to the B 1 side intersects the optical axis AX is C 0 , this point C 0 coincides with the point C 0 in the first embodiment. (1) is satisfied as it is. In the present embodiment, the length of the line segment C 0 A 1 and the distance z ′ are
C 0 A 1 = z ′ / n 0 (4)
From the formula (1) and the formula (4),
z ′ = C 0 A 1 n 0 = n 0 (1-1 / n 1 ) d 1 (5)
Is guided.

すなわち、厚さがd1、屈折率がn1である透明な平行平板部材からなる挿入プレート3を平行平板ガラス8と撮像レンズ2との間に挿入し、点A1から出て結像面4上に集光される光の一部が挿入プレート3を通過するようにすることにより、基準面S1上における点A1の像と、挿入プレート3の厚さ(d1)と屈折率(n1)及び平行平板ガラス8の屈折率(n0)に応じた上記距離z′だけ点A1から光軸AX方向に離間して位置した点B0の像とが、同時に、結像面4に結像される。そして、この結像面4上に映し出された像を撮像デバイス5により撮像すれば、被検体である両面S1,S2の像を同時に(同一ピントの画像として)得ることができる。また、撮像デバイス5により撮像された画像を図4に示す画像処理装置6において処理した後、ディスプレイ7上に視覚表示できるのは第1実施形態の場合と同様である。また、挿入プレート3はできるだけ撮像レンズ2に近接して設ける方が、撮像装置20全体をコンパクトにし得る点で有利であるのも第1実施形態の場合と同様である。 That is, an insertion plate 3 made of a transparent parallel plate member having a thickness of d 1 and a refractive index of n 1 is inserted between the parallel plate glass 8 and the imaging lens 2 and exits from the point A 1 to form an image plane. 4 so that a part of the light condensed on 4 passes through the insertion plate 3, the image of the point A 1 on the reference plane S 1 , the thickness (d 1 ) of the insertion plate 3 and the refractive index ( n 1 ) and the image of the point B 0 that is located apart from the point A 1 in the direction of the optical axis AX by the distance z ′ corresponding to the refractive index (n 0 ) of the parallel flat glass 8 at the same time. 4 is imaged. Then, if the image projected on the imaging surface 4 is picked up by the image pickup device 5, the images of the two surfaces S1 and S2 as the subject can be obtained simultaneously (as images of the same focus). Further, after the image captured by the imaging device 5 is processed by the image processing apparatus 6 shown in FIG. 4, it can be visually displayed on the display 7 as in the case of the first embodiment. Similarly to the case of the first embodiment, it is advantageous to provide the insertion plate 3 as close as possible to the imaging lens 2 in that the entire imaging device 20 can be made compact.

ここで、上記距離z′が平行平板ガラス8の厚さd0に一致するとき、参照面S2は平行平板ガラス8の裏面となる。すなわち、上式(5)においてz′=d0とすると、式
0=n0(1−1/n1)d1 ・・・ (6)
が得られるが、この式(6)を変形して得られる
1=n10/{n0(n1−1)} ・・・ (7)
の関係を満たす厚さ(d1)及び屈折率(n1)を有する挿入プレート3を平行平板ガラス8(基準面S1と)と撮像レンズ2との間に挿入し、点A1から出て結像面4上に集光される光の一部が挿入プレート3を通過するようにすれば、平行平板ガラス8の基準面S1(平行平板ガラス8の表面)の像と、この基準面S1に対して光軸AX方向に距離d0(平行平板ガラス8の厚さd0)だけ離間して位置した参照面S2(平行平板ガラス8の裏面)の像とが、同時に、結像面4に結像される。そして、この結像面4上に映し出された像を撮像デバイス5により撮像すれば、平行平板ガラス8の表裏両面の像を同時に(同一ピントの画像として)得ることができる。
Here, when the distance z ′ coincides with the thickness d 0 of the parallel flat glass 8, the reference surface S 2 becomes the back surface of the parallel flat glass 8. That is, if z ′ = d 0 in the above equation (5), the equation d 0 = n 0 (1-1 / n 1 ) d 1 (6)
Is obtained, and d 1 = n 1 d 0 / {n 0 (n 1 −1)} obtained by modifying this equation (6) (7)
An insertion plate 3 having a thickness (d 1 ) and a refractive index (n 1 ) satisfying the above relationship is inserted between the parallel flat glass 8 (reference plane S1) and the imaging lens 2 and exits from the point A 1. If a part of the light condensed on the image plane 4 passes through the insertion plate 3, the image of the reference plane S1 of the parallel flat glass 8 (the surface of the parallel flat glass 8) and the reference plane S1. The image on the reference surface S2 (the back surface of the parallel flat glass 8) positioned at a distance d 0 (the thickness d 0 of the parallel flat glass 8) in the optical axis AX direction is simultaneously formed with the image plane 4 Is imaged. Then, if the image projected on the image plane 4 is picked up by the image pickup device 5, images on both the front and back surfaces of the parallel flat glass 8 can be obtained simultaneously (as images of the same focus).

図6は本発明の第3実施形態に係る撮像装置30を示している。この撮像装置30は、上述の第2実施形態において示した平行平板ガラス8における基準面S1と、この基準面S1から光軸AXに沿って距離z21だけ離間した第1参照面(平行平板ガラス8の断面)S21と、基準面S1から光軸AXに沿って距離z22だけ離間した第2参照面(平行平板ガラス8の断面)S22と、基準面S1から光軸AXに沿って距離z23だけ離間した第3参照面(平行平板ガラス8の断面或いは裏面)S23とを被検体としてその像を撮像するものである(図8も参照)。この第3実施形態に係る撮像装置20は、上述の第2実施形態に係る撮像装置20と挿入プレートのみが異なっており(符号を23とする)、図6及び図8では第2実施形態に係る撮像装置20と同一の構成品については同一の符号を付してある。 FIG. 6 shows an imaging apparatus 30 according to the third embodiment of the present invention. The imaging device 30 includes a reference plane S1 in the parallel flat glass 8 shown in the second embodiment described above, and a first reference plane (parallel flat glass that is separated from the reference plane S1 by a distance z 21 along the optical axis AX. 8 of the cross-section) S21, and the second reference surface (cross section of the parallel flat glass 8) S22 spaced by a distance z 22 from the reference plane S1 along the optical axis AX, the distance from the reference plane S1 along the optical axis AX z 23 is intended only for capturing the image spaced a (section or rear surface of the parallel flat glass 8) S23 third reference surface as the subject (see also FIG. 8). The imaging apparatus 20 according to the third embodiment is different from the imaging apparatus 20 according to the second embodiment described above only in the insertion plate (reference numeral 23), and the second embodiment is shown in FIGS. The same components as those of the imaging device 20 are denoted by the same reference numerals.

この第3実施形態における挿入プレート33は、図7に示すように、その形状が光軸AXを中心とする円周方向に並んで配置された3つのセグメント、すなわち第1セグメントD1(厚さd21、屈折率n21)、第2セグメントD2(厚さd22,屈折率n22)、第3セグメントD3(厚さd23,屈折率n23)を有する。そして、各セグメントD1,D2,D3は互いに厚さ及び屈折率が異なったものとなっている。なお、この挿入プレート33の製造は、厚さd21及び屈折率n21を有する扇形部材(第1セグメントD1に相当する部材)と、厚さd22及び屈折率n22を有する扇形部材(第2セグメントD2に相当する部材)と,厚さd23及び屈折率n23を有する扇形部材(第3セグメントD3に相当する部材)とがその頂角を一致させるように接合されて構成される。 As shown in FIG. 7, the insertion plate 33 in the third embodiment has three segments arranged in a circumferential direction centered on the optical axis AX, that is, a first segment D1 (thickness d). 21 , refractive index n 21 ), second segment D 2 (thickness d 22 , refractive index n 22 ), and third segment D 3 (thickness d 23 , refractive index n 23 ). Each segment D1, D2, D3 has a different thickness and refractive index. The insertion plate 33 is manufactured by a fan-shaped member having a thickness d 21 and a refractive index n 21 (a member corresponding to the first segment D1) and a fan-shaped member having a thickness d 22 and a refractive index n 22 (first member). a member) corresponding to 2 segments D2, sector member (member corresponding to the third segment D3 has a thickness d 23 and refractive index n 23) and is constructed are joined to match the apex angle.

このような撮像装置30において、平行平板ガラス8における上記4面S1,S21,S22,S23の撮像を行うには、先ず、挿入プレート33を撮像装置30から取り外した状態において、平行平板ガラス8の基準面S1における光軸AX上の点(A1)の像が結像面4上の点Pに結像されるように、平行平板ガラス8に対する撮像レンズ2及び結像面4の位置調整を行う。このときの点A1から出て結像面4上に集光される光の光路は、図8(A)における光軸AXよりも上側の領域において示す光路A1→A4→撮像レンズ2内→A5→Pとなる。 In such an imaging device 30, in order to perform imaging of the four surfaces S 1, S 21, S 22, and S 23 on the parallel flat glass 8, first, the parallel plate glass 8 is removed with the insertion plate 33 removed from the imaging device 30. Position adjustment of the imaging lens 2 and the imaging plane 4 with respect to the parallel plate glass 8 is performed so that an image of the point (A 1 ) on the optical axis AX on the reference plane S1 is focused on the point P on the imaging plane 4. Do. At this time, the optical path of the light exiting from the point A 1 and condensed on the imaging plane 4 is the optical path A 1 → A 4imaging lens 2 shown in the region above the optical axis AX in FIG. Inner → A 5 → P.

続いて挿入プレート33を平行平板ガラス8と撮像レンズ2との間に挿入設置すると、点A1から出て結像面4上に集光される光の一部はこの挿入プレート33の第1セグメントD1を通過するために結像面4上に結像されなくなるが(理由は第2実施形態の場合と同様)、代わりに、点A1から光軸AX方向に距離z21だけ離間した(撮像レンズ2から遠ざかる方向に離間した)点B01から出た光の一部が結像面4上の点Pに結像されるようになる。このとき点B01から出て結像面4上に集光される光の光路は、図8(A)における光軸AXよりも下側の領域において示す光路B01→平行平板ガラス8内→B11→B21→挿入プレート33内→B3→B4→撮像レンズ2内→B5→Pとなる。 Subsequently, when the insertion plate 33 is inserted and installed between the parallel plate glass 8 and the imaging lens 2, a part of the light that is collected from the point A 1 and focused on the imaging surface 4 is the first of the insertion plate 33. Although the image is not formed on the imaging plane 4 because it passes through the segment D1 (the reason is the same as in the case of the second embodiment), instead, it is separated from the point A 1 by the distance z 21 in the optical axis AX direction ( A part of the light emitted from the point B 01 ( separated in the direction away from the imaging lens 2) is imaged at a point P on the imaging plane 4. At this time, the optical path of the light exiting from the point B 01 and condensed on the imaging plane 4 is the optical path B 01 shown in the region below the optical axis AX in FIG. B 11 → B 21 → inside the insertion plate 33 → B 3 → B 4 → in the imaging lens 2 → B 5 → P.

同様に、点A1から出て結像面4上に集光されていた光の一部は挿入プレート33の第2セグメントD2を通過するために結像面4上に結像されなくなるが、代わりに、点A1から光軸AX方向に距離z22だけ離間した(撮像レンズ2から遠ざかる方向に離間した)点B02から出た光の一部が結像面4上の点Pに結像されるようになる。このとき点B02から出た光の光路は、図8(B)における光軸AXよりも下側の領域において示す光路B02→平行平板ガラス8内→B12→B22→挿入プレート33内→B3→B4→撮像レンズ2内→B5→Pとなる。また同様に、点A1から出て結像面4上に集光されていた光の一部は挿入プレート33の第3セグメントD3を通過するために結像面4上に結像されなくなるが、代わりに、点A1から光軸AX方向に距離z23だけ離間した(撮像レンズ2から遠ざかる方向に離間した)点B03から出た光の一部が結像面4上の点Pに結像されるようになる。
このとき点B03から出た光の光路は、図8(C)における光軸AXよりも下側の領域において示す光路B03→平行平板ガラス8内→B13→B23→挿入プレート33内→B3→B4→撮像レンズ2内→B5→Pとなる。
Similarly, a part of the light exiting from the point A 1 and condensed on the imaging plane 4 passes through the second segment D2 of the insertion plate 33 and is no longer imaged on the imaging plane 4. Instead, a part of the light emitted from the point B 02 separated from the point A 1 by the distance z 22 in the optical axis AX direction (separated in the direction away from the imaging lens 2) is connected to the point P on the imaging plane 4. Be imaged. At this time, the optical path of the light emitted from the point B 02 is the optical path B 02 shown in the region below the optical axis AX in FIG. 8B → the parallel plate glass 8 → B 12 → B 22 → the insertion plate 33. → B 3 → B 4 → in the imaging lens 2 → B 5 → P Similarly, a part of the light exiting from the point A 1 and condensed on the imaging plane 4 passes through the third segment D 3 of the insertion plate 33, so that it does not form an image on the imaging plane 4. Instead, a part of the light emitted from the point B 03 separated from the point A 1 by the distance z 23 in the direction of the optical axis AX (separated in the direction away from the imaging lens 2) becomes a point P on the image plane 4. An image is formed.
At this time, the optical path of the light emitted from the point B 03 is the optical path B 03 → inside the parallel plate glass 8 → B 13 → B 23 → inside the insertion plate 33 shown in the region below the optical axis AX in FIG. → B 3 → B 4 → in the imaging lens 2 → B 5 → P

ここで、平行平板ガラス8と撮像レンズ2との間に挿入される挿入プレート33の第1セグメントD1の厚さ(d21)及び屈折率(n21)と距離z21との関係、第2セグメントD2の厚さ(d22)及び屈折率(n22)と距離z22との関係、第3セグメントD3の厚さ(d23)及び屈折率(n23)と距離z23との関係について述べる。 Here, the relationship between the thickness (d 21 ) and the refractive index (n 21 ) of the first segment D1 of the insertion plate 33 inserted between the parallel flat glass 8 and the imaging lens 2 and the distance z 21 , second Relationship between the thickness (d 22 ) and refractive index (n 22 ) of the segment D2 and the distance z 22, and relationship between the thickness (d 23 ) and refractive index (n 23 ) of the third segment D3 and the distance z 23 State.

図8(A)に示すように、点B01から出た光は平行平板ガラス8内をB01→B11と進んで平行平板ガラス8の表面(基準面S1)から出射し、ここで屈折した後、空気中をB11→B21と進んで挿入プレート33に入射する。この挿入プレート33に入射した光のうち第1セグメントD1に入射した光はその入射時に屈折して第1セグメントD1内をB21→B3と進んだ後、挿入プレート33(第1セグメントD1)から出射するときに更に屈折してB3→B4と進み、撮像レンズ2に入射する。ここで、光路B3−B4をB3側に延長した直線が光軸AXと交わる点は点A1に一致し、光路B11−B21は光路B3−B4と平行になるので、前述の式(5)においてz′=z21、n1=n21、d1=d21とおくことにより、下の関係式が得られる。
21=n0(1−1/n21)d21 ・・・ (8)
As shown in FIG. 8A, the light emitted from the point B 01 travels through the parallel flat glass 8 in the order of B 01 → B 11 and is emitted from the surface (reference plane S1) of the parallel flat glass 8, and is refracted here. After that, the air travels in the air from B 11 to B 21 and enters the insertion plate 33. Of the light incident on the insertion plate 33, the light incident on the first segment D1 is refracted at the time of incidence and travels through the first segment D1 from B 21 to B 3, and then the insertion plate 33 (first segment D1). The light is further refracted when exiting from the light and proceeds from B 3 to B 4 and enters the imaging lens 2. Here, the point where the straight line extending from the optical path B 3 -B 4 to the B 3 side intersects the optical axis AX coincides with the point A 1 , and the optical path B 11 -B 21 is parallel to the optical path B 3 -B 4 . By setting z ′ = z 21 , n 1 = n 21 , and d 1 = d 21 in the above equation (5), the following relational expression is obtained.
z 21 = n 0 (1-1 / n 21 ) d 21 (8)

また、図8(B)に示すように、点B02から出た光は平行平板ガラス8内をB02→B12と進んで平行平板ガラス8の表面(基準面S1)から出射し、ここで屈折した後、空気中をB12→B22と進んで挿入プレート33に入射する。この挿入プレート33に入射した光のうち第2セグメントD2に入射した光はその入射時に屈折して第2セグメントD2内をB22→B3と進んだ後、挿入プレート33(第2セグメントD2)から出射するときに更に屈折してB3→B4と進み、撮像レンズ2に入射する。ここで、光路B3−B4をB3側に延長した直線が光軸AXと交わる点は点A1に一致し、光路B12−B22は光路B3−B4と平行になるので、前述の式(5)においてz′=z22、n1=n22、d1=d22とおくことにより、下の関係式が得られる。
22=n0(1−1/n22)d22 ・・・ (9)
Further, as shown in FIG. 8B, the light emitted from the point B 02 travels through the parallel flat glass 8 in the order of B 02 → B 12 and is emitted from the surface (reference plane S 1) of the parallel flat glass 8. After being refracted, the air travels in the air from B 12 to B 22 and enters the insertion plate 33. Of the light incident on the insertion plate 33, the light incident on the second segment D2 is refracted at the time of incidence and travels through the second segment D2 from B 22 to B 3, and then the insertion plate 33 (second segment D2). The light is further refracted when exiting from the light and proceeds from B 3 to B 4 and enters the imaging lens 2. Here, the point where the straight line extending from the optical path B 3 -B 4 to the B 3 side intersects the optical axis AX coincides with the point A 1 , and the optical path B 12 -B 22 is parallel to the optical path B 3 -B 4 . By setting z ′ = z 22 , n 1 = n 22 , and d 1 = d 22 in the above equation (5), the following relational expression is obtained.
z 22 = n 0 (1-1 / n 22 ) d 22 (9)

また、図8(C)に示すように、点B03から出た光は平行平板ガラス8内をB03→B13と進んで平行平板ガラス8の表面(基準面S1)から出射し、ここで屈折した後、空気中をB13→B23と進んで挿入プレート33に入射する。この挿入プレート33に入射した光のうち第3セグメントD3に入射した光はその入射時に屈折して第3セグメントD3内をB23→B3と進んだ後、挿入プレート33(第3セグメントD3)から出射するときに更に屈折してB3→B4と進み、撮像レンズ2に入射する。ここで、光路B3−B4をB3側に延長した直線が光軸AXと交わる点は点A1に一致し、光路B13−B23は光路B3−B4と平行になるので、前述の式(5)においてz′=z23、n1=n23、d1=d23とおくことにより、下の関係式が得られる。
23=n0(1−1/n23)d23 ・・・ (10)
Further, as shown in FIG. 8C, the light emitted from the point B 03 travels through the parallel flat glass 8 in the order of B 03 → B 13 and is emitted from the surface of the parallel flat glass 8 (reference plane S1). After being refracted, the air travels in the air from B 13 to B 23 and enters the insertion plate 33. Of the light incident on the insertion plate 33, the light incident on the third segment D3 is refracted at the time of incidence and travels through the third segment D3 from B 23 to B 3, and then the insertion plate 33 (third segment D3). The light is further refracted when exiting from the light and proceeds from B 3 to B 4 and enters the imaging lens 2. Here, the point where the straight line extending the optical path B 3 -B 4 to the B 3 side intersects with the optical axis AX coincides with the point A 1 , and the optical path B 13 -B 23 is parallel to the optical path B 3 -B 4 . By setting z ′ = z 23 , n 1 = n 23 , and d 1 = d 23 in the above equation (5), the following relational expression is obtained.
z 23 = n 0 (1-1 / n 23 ) d 23 (10)

すなわち、厚さがd21で屈折率がn21である第1セグメントD1と、厚さがd22で屈折率がn22である第2セグメントD2と、厚さがd23で屈折率がn23である第3セグメントD3とを有してなる挿入プレート33を平行平板ガラス8と撮像レンズ2との間に挿入し、点A1から出て結像面4上に集光される光の一部がそれぞれ挿入プレート33の第1セグメントD1、第2セグメントD2及び第3セグメントD3を通過するようにすることにより、基準面S1上における点A1の像と、第1セグメントD1の厚さ(d21)と屈折率(n21)及び平行平板ガラス8の屈折率(n0)に応じた上記距離z21だけ点A1から光軸AX方向に離間して位置した点B01の像と、第2セグメントD2の厚さ(d22)と屈折率(n22)及び平行平板ガラス8の屈折率(n0)に応じた上記距離z22だけ点A1から光軸AX方向に離間して位置した点B02の像と、第3セグメントD3の厚さ(d23)と屈折率(n23)及び平行平板ガラス8の屈折率(n0)に応じた上記距離z23だけ点A1から光軸AX方向に離間して位置した点B03の像とが、同時に、結像面4に結像される。 That is, the first segment D1 thickness of a refractive index n 21 at d 21, a second segment D2 thickness of a refractive index n 22 at d 22, the refractive index thickness at d 23 is n the insert plate 33 comprising a third segment D3 is 23 inserted between the parallel flat glass 8 and the imaging lens 2, the light focused on the imaging surface 4 exits from point a 1 the thickness of the portion of the first segment D1 of each insert plate 33, by to pass through the second segment D2, and the third segment D3, and the image point a 1 in the reference plane S1, the first segment D1 An image of a point B 01 located away from the point A 1 in the optical axis AX direction by the distance z 21 according to (d 21 ), the refractive index (n 21 ), and the refractive index (n 0 ) of the parallel flat glass 8. And the thickness (d 22 ) and refractive index (n 22 ) of the second segment D2 and parallel flat glass The image of the point B 02 that is located in the optical axis AX direction away from the point A 1 by the distance z 22 according to the refractive index (n 0 ) of 8, and the thickness (d 23 ) and the refraction of the third segment D3 The image of the point B 03 located at a distance from the point A 1 in the direction of the optical axis AX by the distance z 23 corresponding to the refractive index (n 23 ) and the refractive index (n 0 ) of the parallel flat glass 8 is simultaneously formed. An image is formed on the image plane 4.

このため、上記のように結像面4上に映し出された像を撮像デバイス5により撮像すれば、平行平板ガラス8についての4つの面S1,S21,S22,S23の像を同時に(同一ピントの画像として)得ることができる。また、撮像デバイス5により撮像された画像を図6に示す画像処理装置6において処理した後、ディスプレイ7上に視覚表示できるのは第2実施形態の場合と同様である。また、挿入プレート33はできるだけ撮像レンズ2に近接して設ける方が、撮像装置1全体をコンパクトにし得る点で有利であるのも第2実施形態の場合と同様である。   For this reason, if the image projected on the imaging plane 4 as described above is picked up by the imaging device 5, the images of the four planes S1, S21, S22, S23 of the parallel flat glass 8 can be simultaneously (with the same focus). As an image). Further, the image captured by the imaging device 5 can be visually displayed on the display 7 after being processed by the image processing apparatus 6 shown in FIG. 6, as in the case of the second embodiment. Further, as in the case of the second embodiment, it is advantageous to provide the insertion plate 33 as close as possible to the imaging lens 2 in that the entire imaging apparatus 1 can be made compact.

ここで、上記距離z23が平行平板ガラス8の厚さd0に一致するとき、第3参照面S23は平行平板ガラス8の裏面となる。すなわち、上式(10)においてz23=d0とすると、式
0=n0(1−1/n23)d23 ・・・ (11)
が得られるが、この式(11)を変形して得られる
23=n230/{n0(n23−1)} ・・・ (12)
の関係を満たす厚さ(d23)及び屈折率(n23)を有する第3セグメントD3を備えた挿入プレート33を平行平板ガラス8(基準面S1)と撮像レンズ2との間に挿入し、点A1から出て結像面4上に集光される光の一部が挿入プレート3を通過するようにすれば、平行平板ガラス8の基準面S1(平行平板ガラス8の表面)の像と、この基準面S1に対して光軸AX方向に距離d0(平行平板ガラス8の厚さd0)だけ離間して位置した第3参照面S23(平行平板ガラス8の裏面)の像とのほか、これら両面S1,S23の間に位置する2つの断面(z=z21の断面である第1参照面S21とz=z22の断面である第2参照面S22)の像をも同時に(同一ピントの画像として)撮像することができる。
Here, when the distance z 23 coincides with the thickness d 0 of the parallel flat glass 8, the third reference surface S 23 becomes the back surface of the parallel flat glass 8. That is, if z 23 = d 0 in the above equation (10), the equation d 0 = n 0 (1-1 / n 23 ) d 23 (11)
Can be obtained, d 23 = n 23 d 0 / {n 0 (n 23 −1)} obtained by modifying this equation (11) (12)
An insertion plate 33 having a third segment D3 having a thickness (d 23 ) and a refractive index (n 23 ) satisfying the above relationship is inserted between the parallel flat glass 8 (reference plane S1) and the imaging lens 2; If a part of the light exiting from the point A 1 and condensed on the imaging plane 4 passes through the insertion plate 3, the image of the reference plane S 1 (the surface of the parallel flat glass 8) of the parallel flat glass 8. And an image of the third reference surface S23 (the back surface of the parallel plate glass 8) which is located at a distance d 0 (the thickness d 0 of the parallel plate glass 8) in the optical axis AX direction with respect to the reference surface S1. In addition to these, images of two cross sections (a first reference surface S21 having a cross section of z = z 21 and a second reference surface S22 having a cross section of z = z 22 ) positioned between both surfaces S1 and S23 are also simultaneously displayed. Images can be taken (as images with the same focus).

また、この第3実施形態のように、一つの挿入プレート3が厚さ及び屈折率の異なる複数のセグメントを有しているような場合には、そのうちから選択した一つのセグメントを除く全てのセグメントを遮蔽し得るマスク(例えば、選択した一つのセグメントに対応する部分のみに開口が施された光軸AXを回転中心とする回転自在な円盤)を挿入設置できる構成とすることが好ましい。このような構成であれば、選択したセグメントを透過した光のみを結像面4上に集光させることができるので、得られた画像のどの部分がどの被検体の像であるかを確認することが可能となる。   Further, in the case where one insertion plate 3 has a plurality of segments having different thicknesses and refractive indexes as in the third embodiment, all segments except for one segment selected from them are used. It is preferable to have a configuration in which a mask capable of shielding the light (for example, a rotatable disk having an optical axis AX whose opening is provided only in a portion corresponding to one selected segment) can be inserted and installed. With such a configuration, since only the light transmitted through the selected segment can be condensed on the imaging plane 4, it is confirmed which part of the obtained image is the image of which subject. It becomes possible.

図9は本発明の第4実施形態に係る結像光学系を有した撮像装置40を示している。この撮像装置40は、上述の第2実施形態に係る撮像装置20において、その撮像レンズのみが異なっており(符号を42とする)、その撮像レンズ42は物側にテレセントリック系若しくは両側テレセントリック系(アフォーカル)となる集光レンズとなっている。両側テレセントリック系はいかなる距離において結像しようとも近軸倍率は不変であり、常に近軸倍率はこの光学系の瞳倍率(望遠鏡倍率の逆数)となる。よって本実施形態に係る構成では、被検体の位置が光軸AX方向に多少ずれてもほぼ同一物高を見ることになるので、像面における影響を小さくできるという利点がある。   FIG. 9 shows an image pickup apparatus 40 having an imaging optical system according to the fourth embodiment of the present invention. This imaging device 40 differs from the imaging device 20 according to the second embodiment described above only in its imaging lens (reference numeral 42). The imaging lens 42 is telecentric or double-sided telecentric ( A focusing lens. The biaxial telecentric system does not change the paraxial magnification regardless of the distance at which the image is formed, and the paraxial magnification is always the pupil magnification (reciprocal of the telescope magnification) of this optical system. Therefore, the configuration according to this embodiment has an advantage that the influence on the image plane can be reduced because the same object height is seen even if the position of the subject is slightly shifted in the optical axis AX direction.

また、このような撮像レンズ42を用いるとき、挿入プレート3を図9に示すように光軸AXよりも下側に位置させた場合には、半円盤状の挿入プレート3を通過せずに結像面4上に結像する像は平行平板ガラス8の基準面S1(表面)の上半部であり、結像面4上にはこれと上下対称な像面下半分として結像される。また、挿入プレート3を通過したうえで結像面4上に結像する像は平行平板ガラス8の参照面S1(断面又は裏面)の下半部であり、結像面4上にはこれと上下対称な像面上半分として結像される。よって、この状態で結像面4上の像を撮像すると離間した物体の上下それぞれの部位から発した光線(光束)により、上下別々に物体の像が合成され、全体の像が得られるが、その像は、下半分が平行平板ガラス8の基準面S1の上半部のみの像、上半部は平行平板ガラス8の参照面S2の下半部のみの像となる。したがって、本実施形態に係る撮像装置40では、挿入プレート3を光軸AXまわりに回転させることができるようになっており、これにより例えば挿入プレート3を光軸AXよりも下側に位置させた状態で撮像デバイス5により先ず1回目の撮像を行った後、続いて挿入プレート3を180度回転させた状態で(挿入プレート3を光軸AXよりも上側に位置させた状態で)撮像デバイス5により2回目の撮像を行うことにより、結果として基準面S1の全域と参照面S1の全域との同時撮像を行うことができる。なお、上記挿入プレート3の回転は、例えば挿入プレート3を、光軸AXを中心に回転可能な外歯付きの筒状のドラム部材内に収容した上で、そのドラム部材の外部に噛合したピニオンを電動モータ等により駆動することにより実現することができる。   Further, when such an imaging lens 42 is used, when the insertion plate 3 is positioned below the optical axis AX as shown in FIG. 9, the connection is made without passing through the semi-disc-shaped insertion plate 3. The image formed on the image plane 4 is the upper half portion of the reference plane S1 (surface) of the parallel flat glass 8, and is formed on the image plane 4 as the lower half of the image plane that is vertically symmetric with this. An image formed on the imaging plane 4 after passing through the insertion plate 3 is the lower half of the reference plane S1 (cross-section or back side) of the parallel flat glass 8, and is formed on the imaging plane 4 with this. The image is formed as a half on the vertically symmetrical image plane. Therefore, when an image on the imaging plane 4 is captured in this state, the image of the object is synthesized separately by the light rays (light beams) emitted from the upper and lower parts of the separated object, and the entire image is obtained. In the image, the lower half is an image of only the upper half of the reference plane S1 of the parallel flat glass 8, and the upper half is an image of only the lower half of the reference plane S2 of the parallel flat glass 8. Therefore, in the imaging device 40 according to the present embodiment, the insertion plate 3 can be rotated around the optical axis AX, and thus, for example, the insertion plate 3 is positioned below the optical axis AX. First, the imaging device 5 performs the first imaging in the state, and then the imaging device 5 with the insertion plate 3 rotated 180 degrees (with the insertion plate 3 positioned above the optical axis AX). As a result, simultaneous imaging of the entire area of the reference plane S1 and the entire area of the reference plane S1 can be performed. The insertion plate 3 is rotated, for example, by inserting the insertion plate 3 in a cylindrical drum member with external teeth that can rotate about the optical axis AX and then engaging a pinion that meshes with the outside of the drum member. Can be realized by driving with an electric motor or the like.

図10は第5実施形態に係る撮像装置50であり、上記第4実施形態に係る撮像装置40を筐体C内に収容した状態で示すものである。但し、撮像レンズ42は複数のレンズからなっているものとする(後述の第6及び第7実施形態においても同様)。この撮像装置50における筐体Cは撮像レンズ42を収容した第1筐体C1と、挿入プレート3を収容した第2筐体C2と、撮像デバイス5を収容した第3筐体C3とが結合されてなる。撮像レンズ42の中間部には光量調節等を行うための開口絞りSが設けられており、第2筐体C2内の挿入プレート3は筐体Cの外部に設けられたプレート回転制御装置9から光軸AXまわりの回転制御を行うことができるようになっている。第1筐体C1と第2筐体C2とは筐体結合手段J1により結合され、第1筐体C1と第3筐体C3とは筐体結合手段J2により結合されるが、このような構成とすることにより、撮像レンズ42及び挿入プレート3が撮像デバイス5に対して着脱自在となり、被検体の種類や寸法等に応じてこれらを差し替え等することが可能である。このため第4実施形態に係る撮像装置40のみでなく、その他の実施形態に係る撮像装置1,20,30もこのような筐体Cに収容した状態で使用することが可能である(下に示す第6及び第7実施形態においても同様)。   FIG. 10 shows an imaging apparatus 50 according to the fifth embodiment, in which the imaging apparatus 40 according to the fourth embodiment is housed in a housing C. However, it is assumed that the imaging lens 42 is composed of a plurality of lenses (the same applies to sixth and seventh embodiments described later). The housing C in the imaging apparatus 50 is composed of a first housing C1 housing the imaging lens 42, a second housing C2 housing the insertion plate 3, and a third housing C3 housing the imaging device 5. It becomes. An aperture stop S for adjusting the amount of light and the like is provided at an intermediate portion of the imaging lens 42, and the insertion plate 3 in the second casing C2 is provided from a plate rotation control device 9 provided outside the casing C. The rotation around the optical axis AX can be controlled. The first casing C1 and the second casing C2 are coupled by the casing coupling means J1, and the first casing C1 and the third casing C3 are coupled by the casing coupling means J2. By doing so, the imaging lens 42 and the insertion plate 3 can be freely attached to and detached from the imaging device 5, and these can be replaced according to the type and size of the subject. For this reason, it is possible to use not only the imaging device 40 according to the fourth embodiment but also the imaging devices 1, 20, and 30 according to other embodiments in a state of being housed in such a casing C (below). The same applies to the sixth and seventh embodiments shown).

図11は第6実施形態に係る撮像装置60である。上述の第1〜第5実施形態に係る撮像装置1,20,30,40,50では全て挿入プレートが撮像レンズの前方に位置したフロントコンバータータイプであったが、この第6実施形態に係る撮像装置60では、挿入プレート3が撮像レンズ42の後方に位置したリアコンバータータイプとなっている。すなわち、この撮像装置60では、第5実施形態に係る撮像装置50において撮像レンズ42を収容した第1筐体C1を、挿入プレート3を収容した第2筐体C2の前方に配置するとともに、挿入プレート3と結像面4(撮像デバイス5)との間の距離を稼ぐため、必要に応じて、第2筐体C2と第3筐体C3との間に内部が空洞となった中間筐体C4が介装されている。そして、第1筐体C1、第2筐体C2及び中間筐体C4をこの順で筐体結合手段J1により結合するとともに、中間筐体C4と第3筐体C3とを筐体結合手段J2により結合している。そして、撮像レンズ42の中間部には光量調節等を行うための開口絞りSが設けられており、第2筐体C2内の挿入プレート3は筐体Cの外部に設けられたプレート回転制御装置9から光軸AXまわりの回転制御を行うことができるようになっている。   FIG. 11 shows an imaging apparatus 60 according to the sixth embodiment. In the imaging devices 1, 20, 30, 40, and 50 according to the first to fifth embodiments described above, the insertion plate is all a front converter type positioned in front of the imaging lens. However, the imaging according to the sixth embodiment is performed. The device 60 is a rear converter type in which the insertion plate 3 is located behind the imaging lens 42. That is, in this imaging device 60, the first housing C1 that houses the imaging lens 42 in the imaging device 50 according to the fifth embodiment is disposed in front of the second housing C2 that houses the insertion plate 3, and is inserted. In order to increase the distance between the plate 3 and the imaging plane 4 (imaging device 5), an intermediate casing having a hollow inside between the second casing C2 and the third casing C3 as necessary. C4 is interposed. Then, the first casing C1, the second casing C2, and the intermediate casing C4 are coupled in this order by the casing coupling means J1, and the intermediate casing C4 and the third casing C3 are coupled by the casing coupling means J2. Are connected. An aperture stop S for adjusting the amount of light and the like is provided at an intermediate portion of the imaging lens 42, and the insertion plate 3 in the second housing C2 is a plate rotation control device provided outside the housing C. 9, the rotation control around the optical axis AX can be performed.

なお、このように撮像レンズ42の後方に挿入プレート3を挿入設置しても、撮像レンズ42の前方に挿入プレート3を挿入した場合と同様の効果が得られるのは、図12のように撮像レンズLの前方に半円盤状の挿入プレートPLを挿入した場合、光軸AX上の点Aから出た光のうち挿入プレートPLを通過しないものは光軸AX上の点P1に集光し(図12において光軸AXよりも上側の領域に二点鎖線にて示す光路参照)、点Aから出た光のうち挿入プレートPLを通過するものは光軸AX上であって点P1よりも遠い点P2に集光する(図12において光軸AXよりも下側の領域に実線にて示す光路参照。破線で示す光路は挿入プレートPLがないとした場合の光路を示す)が、光路可逆の法則によれば、点P1から出た光のうち挿入プレートPL通過するものは点Aに集光し、点P2から出た光のうち挿入プレートPLを通過するものも点Aに集光することから容易に分かる。   Note that even when the insertion plate 3 is inserted and installed behind the imaging lens 42 in this way, the same effect as when the insertion plate 3 is inserted in front of the imaging lens 42 is obtained as shown in FIG. When a semi-disc-shaped insertion plate PL is inserted in front of the lens L, light that has not passed through the insertion plate PL out of the point A on the optical axis AX is condensed at a point P1 on the optical axis AX ( In FIG. 12, the light path indicated by the two-dot chain line in the region above the optical axis AX), the light that passes through the insertion plate PL among the light emitted from the point A is on the optical axis AX and is farther from the point P1. The light is condensed at the point P2 (see the optical path indicated by the solid line in the region below the optical axis AX in FIG. 12. The optical path indicated by the broken line indicates the optical path when there is no insertion plate PL). According to the law, the insertion of the light emitted from the point P1 Focused on the point A which plate PL passes, can be readily seen from the fact that condenses to the point A which pass the insert plate PL of the light emitted from the point P2.

図13は第7実施形態に係る撮像装置70である。この撮像装置70は上述の第1〜第6実施形態に係る撮像装置1,20,30,40,50,60と異なり、2つの撮像レンズ(前方撮像レンズ42a及び後方撮像レンズ42b)が挿入プレート3の前後それぞれに配置されたタイプとなっている。この撮像装置70は、第5実施形態に係る撮像装置50において撮像レンズ42を収容した第1筐体C1の代わりに、前方撮像レンズ42aを収容した第1前方筐体C1aと、後方撮像レンズ42bを収容した第1後方筐体C1bとを有しており、これら第1前方筐体C1aと第1後方筐体C1bとを挿入プレート3を収容した第2筐体C2の前後に配置してこれら3つの筐体C1a,C2,C1bをこの順で筐体結合手段J1により結合するとともに、第1後方筐体C1bと第3筐体C3とを筐体結合手段J2により結合している。そして、挿入プレート3の直後の位置には光量調節等を行うための開口絞りSが設けられており、第2筐体C2内の挿入プレート3は筐体Cの外部に設けられたプレート回転制御装置9から光軸AXまわりの回転制御を行うことができるようになっている。このような構成では、開口絞りSの近傍位置に挿入プレート3を配置することができるので、より一層の画質の向上を図ることができる。   FIG. 13 shows an imaging apparatus 70 according to the seventh embodiment. Unlike the imaging devices 1, 20, 30, 40, 50, and 60 according to the first to sixth embodiments, the imaging device 70 includes two imaging lenses (a front imaging lens 42a and a rear imaging lens 42b) as an insertion plate. It is a type arranged before and after 3 respectively. The imaging device 70 includes, in place of the first housing C1 that houses the imaging lens 42 in the imaging device 50 according to the fifth embodiment, a first front housing C1a that houses the front imaging lens 42a, and a rear imaging lens 42b. The first rear case C1b and the first front case C1a and the first rear case C1b are arranged before and after the second case C2 containing the insertion plate 3, respectively. The three casings C1a, C2, C1b are coupled in this order by the casing coupling means J1, and the first rear casing C1b and the third casing C3 are coupled by the casing coupling means J2. An aperture stop S for adjusting the amount of light is provided at a position immediately after the insertion plate 3, and the insertion plate 3 in the second housing C2 is a plate rotation control provided outside the housing C. The rotation control around the optical axis AX can be performed from the apparatus 9. In such a configuration, since the insertion plate 3 can be disposed in the vicinity of the aperture stop S, the image quality can be further improved.

上記第5〜第7実施形態に係る撮像装置50,60,70は第4実施形態に係る撮像装置40をベースに構成されるものであるが、第1〜第3実施形態に係る撮像装置1,20,30をベースに構成することも勿論可能である。また、第1〜第3実施形態に係る撮像装置1,20,30においても、第4実施形態に係る撮像装置40の場合と同様に、挿入プレート3を回転できる構成であることが好ましく、挿入プレート3を適当な速度で回転させつつ画像を撮像すれば、撮像画像内の光量分布の均一化を図ることができ、より良好な画像を得ることが可能である。また、互いに異なる面からの像に対し、そのデフォーカス像(ボケ光束の形状)の対称性が良くなるので、見かけ上、これを目立ちにくくすることもできる。更には、挿入プレート3の回転周期の同期信号を画像処理装置6に取り込み、これを撮像デバイス5の受光と同期させて画像取り込みをすることにより更に良質な画像を得ることができる。   The imaging devices 50, 60, and 70 according to the fifth to seventh embodiments are configured based on the imaging device 40 according to the fourth embodiment, but the imaging device 1 according to the first to third embodiments. Of course, it is also possible to configure based on. In addition, in the imaging devices 1, 20, and 30 according to the first to third embodiments, it is preferable that the insertion plate 3 can be rotated, as in the imaging device 40 according to the fourth embodiment. If an image is picked up while rotating the plate 3 at an appropriate speed, the light quantity distribution in the picked-up image can be made uniform, and a better image can be obtained. Further, since the symmetry of the defocused image (the shape of the blurred light beam) is improved with respect to images from different planes, this can be made inconspicuous. Furthermore, a higher quality image can be obtained by capturing the synchronization signal of the rotation period of the insertion plate 3 in the image processing device 6 and capturing the image in synchronization with the light reception of the imaging device 5.

これまで述べたように、本発明に係る結像光学系では、一つの被検体(被検体Q1或いは平行平板ガラス8の基準面S1)と結像面4との間に透明な平行平板部材からなる挿入プレート(挿入プレート3或いは挿入プレート33)を介装するとともに、この被検体から出て結像面4上に集光される光の一部が挿入プレートを通過するようにすることにより、被検体の像と、この被検体から挿入プレートの厚さ及び屈折率に応じた距離だけ光軸方向に離間した他の被検体の像(被検体Q2或いは平行平板ガラス10の参照面S2等)とを、同時に、同一の結像面4上に結像させることができるようになっている。このため本発明に係る結像光学系によれば、光量(開口数)及び解像度の低下を伴うことなく結像面上に同時に結合させることができる。また、本発明に係る撮像装置1,20,30,40,50,60,70によれば、上記本発明に係る結像光学系により結像された画像を撮像する構成であるので、解像度の高い良好な画質の画像を得ることができる。なお、上述の実施形態に係る結像光学系において、挿入プレート3(或いは挿入プレート33)としてアフォーカル光学系を光軸AXに垂直な面内で半円形、扇形等に切断したものをセグメントとして用いることにより、光軸方向に離間した位置に配置された被検体を同時に結像面4に結像する結像光学系を構成することもできる。
なお、被検体Q1のピンと面上でのPでの像に対して、被検体Q2の像は挿入プレート3の同一のセグメントを通過した光束による結像はでデフォーカス像として害を及ぼす。このデフォーカス光束を遮蔽するため、微細なピンホールをピント面の全体に適宜、多数配置したマスクとフィールドレンズを挿入する。このマスクとフィールドレンズを通過した光束を取り込み、後続の再結像光学系にてマスク面を結像し、撮像する。また、ピント面近傍にマイクロアレー等を配置した多様なコンフォーカルシステム等を構成することによっても、同様にデフォーカス光束を遮蔽し、より鮮明な像を得ることができる。
As described so far, in the imaging optical system according to the present invention, a transparent parallel plate member is provided between the imaging surface 4 and one subject (the subject Q1 or the reference plane S1 of the parallel plate glass 8). By inserting an insertion plate (insertion plate 3 or insertion plate 33), a part of the light exiting from the subject and condensed on the imaging surface 4 passes through the insertion plate, An image of the subject and another subject image separated from the subject in the optical axis direction by a distance corresponding to the thickness and refractive index of the insertion plate (the subject Q2 or the reference surface S2 of the parallel plate glass 10). Can be imaged on the same image plane 4 at the same time. For this reason, according to the imaging optical system of the present invention, it is possible to simultaneously couple on the imaging surface without reducing the light amount (numerical aperture) and the resolution. In addition, according to the imaging devices 1, 20, 30, 40, 50, 60, and 70 according to the present invention, the image formed by the imaging optical system according to the present invention is captured. A high-quality image can be obtained. In the imaging optical system according to the above-described embodiment, a segment obtained by cutting the afocal optical system as the insertion plate 3 (or the insertion plate 33) into a semicircular shape, a sector shape, or the like in a plane perpendicular to the optical axis AX. By using it, it is possible to configure an imaging optical system that simultaneously forms an image of the subject arranged at a position separated in the optical axis direction on the imaging plane 4.
In contrast to the image of the subject Q1 on the pin and P on the surface, the image of the subject Q2 is caused by the light beam that has passed through the same segment of the insertion plate 3 as a defocused image. In order to shield this defocused light beam, a mask and a field lens in which a large number of fine pinholes are appropriately arranged over the entire focusing surface are inserted. The light flux that has passed through the mask and the field lens is taken in, and the mask surface is imaged and imaged by the subsequent re-imaging optical system. Also, by configuring various confocal systems or the like in which a microarray or the like is disposed in the vicinity of the focus surface, the defocused light beam can be similarly shielded and a clearer image can be obtained.

また、上記第3実施形態において示したように、挿入プレートが、光軸AXを中心とする円周方向に並んで配置された複数のセグメントの結合からなるとともに、これら複数のセグメントそれぞれの厚さ及び屈折率が互いに異なっているのであれば、3つ以上の被検体を同時に結像させることが可能となる。   Further, as shown in the third embodiment, the insertion plate is composed of a combination of a plurality of segments arranged in a circumferential direction around the optical axis AX, and the thickness of each of the plurality of segments. If the refractive indexes are different from each other, three or more subjects can be imaged simultaneously.

また、上記第5〜第7実施形態において示したように、結像光学系を構成する挿入プレート3及び挿入プレート3以外の一又は複数の光学素子(撮像レンズ42や開口絞りSなど)が互いに分離可能なモジュールとして構成されており、各モジュールが撮像装置50,60,70の光軸AXに対して配置の変更が可能になっているのであれば、使用環境に合わせてモジュール配置の組換えを適宜行うことによりその撮像装置に最適の光学特性を発揮させることができるようになるので、使い勝手が良くなるという利点がある。また、前述したように、挿入プレート3を開口絞りSの近傍位置に設けることにより画質の向上を図ることができるが、挿入プレート3及びその他の光学素子がモジュール化されていれば、挿入プレート3と開口絞りSとの配置関係の変更が容易になる。   Further, as shown in the fifth to seventh embodiments, the insertion plate 3 constituting the imaging optical system and one or a plurality of optical elements (such as the imaging lens 42 and the aperture stop S) other than the insertion plate 3 are mutually connected. If it is configured as a separable module and each module can be changed in arrangement with respect to the optical axis AX of the imaging devices 50, 60, 70, the module arrangement is recombined according to the use environment. By appropriately performing the above, it becomes possible to make the image pickup apparatus exhibit optimal optical characteristics, and there is an advantage that the usability is improved. Further, as described above, the image quality can be improved by providing the insertion plate 3 in the vicinity of the aperture stop S. However, if the insertion plate 3 and other optical elements are modularized, the insertion plate 3 And the arrangement relationship between the aperture stop S and the aperture stop S can be easily changed.

これまで第1〜第7実施形態では、上述の実施形態においては、撮像装置によって撮像される対象は平行平板ガラスとして説明したが、これは一例であり、透明な平行平板部材であればその材料は必ずしもガラスである必要はない。また、上述の実施形態においては、本発明に係る結像光学系が、この結像光学系により結像された像を撮像装置により撮像する撮像装置に組み込まれたものとして説明したが、本発明に係る結像光学系は上記撮像装置に限られず、投射レンズや結像面上に結像された像を顕微鏡等により観察する観察装置等に組み込んで用いることも可能である。   So far, in the first to seventh embodiments, the object to be imaged by the imaging device has been described as a parallel plate glass in the above-described embodiment, but this is an example, and if it is a transparent parallel plate member, its material Need not necessarily be glass. In the above-described embodiment, the imaging optical system according to the present invention has been described as being incorporated in an imaging apparatus that captures an image formed by the imaging optical system using the imaging apparatus. The imaging optical system according to the above is not limited to the imaging device, but can be used by being incorporated in a projection lens or an observation device for observing an image formed on the imaging surface with a microscope or the like.

(第8実施形態)
第1〜第7実施形態では、結像光学系に平行平板ガラスを挿入した結像光学系の実施形態であったが、第8実施形態以降の実施形態は、レンズを複数の領域に分割し、それぞれを光軸方向にずらして配置する結像光学系の実施形態を示す。
まず物空間と光学系の幾何光学的な焦点深度と被写体深度について図14、図15を参照しながら説明する。図14は撮像レンズLによる結像関係を説明したものである。配置1は基準合焦状態と物点が近づいたときでの像点の移動状態を示している。配置2は移動した物点にレンズLが繰り出され合焦した状態であり、像面が配置1の状態になっている。このとき、レンズLが配置1の状態と比較して物点と像点の移動量を示している。
(Eighth embodiment)
In the first to seventh embodiments, the imaging optical system is an embodiment in which a parallel plate glass is inserted into the imaging optical system. However, in the eighth and subsequent embodiments, the lens is divided into a plurality of regions. , An embodiment of an imaging optical system in which each is shifted in the optical axis direction is shown.
First, the geometrical optical depth of focus and object depth of the object space and the optical system will be described with reference to FIGS. FIG. 14 illustrates the imaging relationship by the imaging lens L. FIG. Arrangement 1 shows the moving state of the image point when the object is close to the reference in-focus state. Arrangement 2 is a state in which the lens L is drawn out and focused on the moved object point, and the image plane is in the arrangement 1 state. At this time, the movement amount of the object point and the image point is shown in comparison with the state where the lens L is in the arrangement 1.

図15は撮像レンズLの焦点深度と被写体深度との幾何光学的配置の関係を示している。それぞれ像側,物側におけるデフォーカス量と最小錯乱円(像側解像サイズ)の関連を表示している。
像空間の屈折率媒体が同一のとき、光学系の幾何光学的な焦点深度と被写体深度は2組の共役点のピントの位置とその差(ボケ量)で表すことができる。2組の共役点を結ぶ関係式はよく知られている。光学的な諸元は図14に示す通りである。任意の共役点を原点とした結像関係の式は(21) 式の様になる。
βo/L'−1/(βo L)=1/f' (21)
光学系の焦点距離をf'、結像における基準点と合焦点との相互の距離(L,L')は物体空間と像空間とにおいてそれぞれ(22)、(23) 式の様になる。但し基準原点の近軸倍率はβo、目標とする合焦点の近軸倍率はβとする。
L=f'(1/β−1/βo)≡ΔL (22)
L'=−f'(β−βo )≡ΔL' (23)
主点が原点のときβo =1であり、よく知られた結像方程式が得られる。
FIG. 15 shows the relationship of the geometric optical arrangement between the depth of focus of the imaging lens L and the subject depth. The relationship between the defocus amount on the image side and the object side and the minimum circle of confusion (image side resolution size) is displayed.
When the refractive index media in the image space are the same, the geometrical optical depth of focus and the subject depth of the optical system can be expressed by the focus position of the two conjugate points and the difference (blur amount). Relational expressions connecting two sets of conjugate points are well known. The optical specifications are as shown in FIG. The expression of the imaging relation with an arbitrary conjugate point as the origin is as shown in Expression (21).
βo / L′−1 / (βo L) = 1 / f ′ (21)
The focal length of the optical system is f ′, and the mutual distances (L, L ′) between the reference point and the focal point in image formation are expressed by equations (22) and (23) in the object space and the image space, respectively. However, the paraxial magnification of the reference origin is βo, and the paraxial magnification of the target focal point is β.
L = f ′ (1 / β−1 / βo) ≡ΔL (22)
L ′ = − f ′ (β−βo) ≡ΔL ′ (23)
When the principal point is the origin, βo = 1, and a well-known imaging equation is obtained.

しかし、ここで目標とする基準ピント位置(o11’)における近軸倍率をβoとし、深度を考慮するデフォーカス点( o22’)における近軸倍率をβとすると(23)式は、片側の被写体深度と焦点深度を表現したことになる。
レンズによるフォーカスプロセスを具体的に説明する。デフォーカス物点o2にフォーカスするということは、レンズを物側にΔX-だけ移動することにより、デフォーカス像点o2’から合焦像点o3’へ移動させることと等価である。このときデフォーカス物点o2は合焦物点o3となる。この様なプロセスで合焦が完了する。但し、配置o44’は配置o11’をレンズと共役点ともにΔX-だけ平行移動し、その結果、配置o44’は配置o33’とのデフォーカス関係を明確にするための等価な基準配置である。
However, if the paraxial magnification at the target reference focus position (o 1 o 1 ') is βo and the paraxial magnification at the defocus point (o 2 o 2 ') considering depth is β (23) The expression expresses the subject depth and the depth of focus on one side.
The focus process by the lens will be specifically described. Focusing on the defocused object point o 2 is equivalent to moving the lens from the defocused image point o 2 ′ to the focused image point o 3 ′ by moving the lens by ΔX toward the object side. At this time, the defocused object point o 2 becomes the focused object point o 3 . Focusing is completed by such a process. However, the arrangement o 4 o 4 ′ translates the arrangement o 1 o 1 ′ by ΔX − at both the lens and the conjugate point. As a result, the arrangement o 4 o 4 ′ has a defocus relationship with the arrangement o 3 o 3 ′. Equivalent reference arrangement for clarity.

ここでは基準配置o44’と合焦完了状態(o33’)とにおいて、撮像レンズ配置に対する共役点の移動関係を表示している。なおこれらの状態におけるデフォーカス関係はΔL(o12)をΔL(o43)=−ΔX+Δs、ΔL'(o1’o2’)をΔL'(o4’o3’)=−ΔXとしたものになっている。これらの関係ΔL、ΔL'は常に(24)式を満足している。
(21) 式を(22)、(23) 式のΔL、ΔL'で表現し直すと、(24) 式の様に表現できる。
ΔL=ΔL'/[βo2(1−ΔL'/βof')] (24)
一方レンズによる結像点において片側焦点深度は(25) 式の様に表される。
ΔL'(±)=±εFN (25)
但し、εは最小( 許容) 錯乱円の直径、FNは実効Fナンバーである。
(24) 式に(25) を代入することにより、片側被写体焦点深度(26) 式が得られる。
ΔL(±)=±εFN/[βo2([1−( ±εFN/βo f') ] (26)
Here, the movement relationship of the conjugate point with respect to the imaging lens arrangement is displayed in the reference arrangement o 4 o 4 ′ and the focus completion state (o 3 o 3 ′). Note that the defocus relationship in these states is that ΔL (o 1 o 2 ) is ΔL (o 4 o 3 ) = − ΔX + Δs, ΔL ′ (o 1 ′ o 2 ′) is ΔL ′ (o 4 ′ o 3 ′) = −ΔX. These relationships ΔL and ΔL ′ always satisfy the equation (24).
If the expression (21) is re-expressed as ΔL and ΔL ′ in the expressions (22) and (23), it can be expressed as the expression (24).
ΔL = ΔL ′ / [βo 2 (1−ΔL ′ / βof ′)] (24)
On the other hand, the focal depth on one side at the image point formed by the lens is expressed as shown in equation (25).
ΔL '(±) = ± εFN (25)
Where ε is the minimum (allowable) diameter of the circle of confusion, and FN is the effective F number.
By substituting (25) into the equation (24), the one-side subject depth of focus (26) is obtained.
ΔL (±) = ± εFN / [βo 2 ([1− (± εFN / βo f ′)] (26)

(21) 式の基準(原点) 倍率を着目している点のピント倍率をβo と見なし、アウトフォーカス点の位置における合焦したとして、この点のピント倍率をβと見なすことにより(26) 式が表現されている。
焦点深度は(25) 式の前側焦点深度と後側焦点深度の差として(27) 式として表わされる。
Δ'=ΔL+'−ΔL-'=2εFN (27)
被写体深度は (24)式より|ΔL'/βof'|≪1のとき、(26) 式の前側被写体深度ΔL+ と後側被写体深度ΔL-の差として(28) 式として表現できる。
Δ=ΔL+−ΔL-≡2εFN/βo2 (28)
高解像レンズ、大口径比レンズ、高倍率レンズにおいて深い被写体深度が要求されるが、一見して、原理的にこの要求を同時に求めることは困難である。
The reference (origin) of the equation (21) The focus magnification at the point where the magnification is focused is regarded as βo, and focusing at the position of the out-focus point is assumed, and the focus magnification at this point is regarded as β. Is expressed.
The depth of focus is expressed as equation (27) as the difference between the front focal depth and the rear focal depth in equation (25).
Δ ′ = ΔL + ΔL ′ = 2εFN (27)
The subject depth can be expressed as equation (28) as the difference between the front subject depth ΔL + and the rear subject depth ΔL in equation (26) when | ΔL ′ / βof ′ | << 1 from equation (24).
Δ = ΔL + -ΔL - ≡2εFN / βo 2 (28)
A high resolution lens, a large-aperture ratio lens, and a high-magnification lens require a deep subject depth. At first glance, it is difficult in principle to simultaneously obtain this requirement.

(28) 式から理解できる様に、かなり制限があることが理解できる。高解像の光学系は許容錯乱円のサイズεが小さくなる。明るい光学系はFNが小さくなる。光学系による撮影倍率βo が大きくなるとその絶対値が大きくなる。撮影距離が一定のもとで焦点距離f'が長い光学系も同様に縦倍率βo2が大きくなる。それ故、このような場合はいずれも原理的に被写体深度は浅くなる。単焦点レンズで合焦がレンズを全体繰り出すことにて達成するものにおいて、レンズの実効Fナンバーは(29)式で表される。
FN=Fo(1−βo/βp2) (29)
Fo は無限遠撮影時のFナンバー、βpは撮像光学系の瞳倍率である。有限距離配置の光学系のおいてFナンバーとは実効F ナンバーが重要な意味を有する。これを単にFナンバーと言うことにする。
As can be understood from the equation (28), it can be understood that there is a considerable limitation. In the high-resolution optical system, the size ε of the allowable circle of confusion is small. A bright optical system has a small FN. As the photographing magnification βo by the optical system increases, its absolute value increases. An optical system with a long focal length f ′ with a constant shooting distance also has a large vertical magnification βo 2 . Therefore, in any of these cases, the depth of subject becomes shallow in principle. In a single focus lens, focusing is achieved by extending the entire lens, and the effective F number of the lens is expressed by equation (29).
FN = Fo (1−βo / βp 2 ) (29)
Fo is the F number at infinity, and βp is the pupil magnification of the imaging optical system. In an optical system of a finite distance arrangement, the effective F number has an important meaning as the F number. This is simply called the F number.

一般に、結像関係のレンズ諸元を表記するため、長さの座標原点を主点に選ぶことにする。レンズの撮影距離( 物点から像点までの距離) のことを共役長R(例 o22’,o33’)いう。目標とする共役点の結像倍率をβ→βoとしその原点H、H'( 主点) の倍率はβo→βH=1であるので、(23)、(22) 式の差と主点間隔HH'の和が共役長R0=o11’となる。
0=L'+HH'−L = −f'(βo−βH )+HH'−f'(1/βo−1/βH)
=f'(1−βo)+HH'+f'(1−1/βo) (30)
R=ΔL'+R0−ΔL = −f'(β−βo )+R0−f'(1/β−1/βo)
= f'(βo −β)+R0+f'(1/βo−1/β)
=ΔL'+L'+HH'−(L+ΔL) (31)
但し、図14において、ここではR=o22’である。
物側、像側開口数をそれぞれNA、NA'とすると光学系に正弦条件が成立しているとき、βo=nsin・θ/n'sinθ'であり、βoの絶体値をとると|βo|=NA/NA'となる関係がある。このとき(物側) 開口数、像側開口数はそれぞれNA=n sinθ、NA'=n'sinθ' となる。
In general, the coordinate origin of the length is selected as the principal point in order to describe the lens specifications related to the imaging. The shooting distance of the lens (the distance from the object point to the image point) is called a conjugate length R (eg, o 2 o 2 ′, o 3 o 3 ′). The imaging magnification of the target conjugate point is β → βo and the origin H, H ′ (principal point) magnification is βo → β H = 1, so the difference between the equations (23) and (22) and the principal point The sum of the intervals HH ′ is the conjugate length R 0 = o 1 o 1 ′.
R 0 = L '+ HH'- L = -f' (βo-β H) + HH'-f '(1 / βo-1 / β H)
= F '(1-βo) + HH' + f '(1-1 / βo) (30)
R = ΔL ′ + R 0 −ΔL = −f ′ (β−βo) + R 0 −f ′ (1 / β−1 / βo)
= F ′ (βo−β) + R 0 + f ′ (1 / βo−1 / β)
= ΔL '+ L' + HH '-(L + ΔL) (31)
However, in FIG. 14, R = o 2 o 2 ′ here.
If the object-side and image-side numerical apertures are NA and NA ′, respectively, βo = nsin · θ / n′sinθ ′ when the sine condition is satisfied in the optical system, and | βo when the absolute value of βo is taken. There is a relationship of | = NA / NA ′. At this time, the numerical aperture on the object side and the numerical aperture on the image side are NA = n sin θ and NA ′ = n ′ sin θ ′, respectively.

実効Fナンバーは幾何光学的にFN=1/(2tanθ')として表現される。明るい光学系のとき一般に NA'=1/[(1+(2FN) 2) 1/2となる換算がなされる。幾何光学的にはNA'≪1のときには以下の如くなる。
FN=[(1/(NA') 2−1) 1/2/2 ≒ 1/(2NA') (32)
次に第8実施形態に使用するレンズを説明する。本実施形態は1つの凸レンズを、光軸を通る線で2つの部分に切断し、分割した一方の部分を光軸上でずらす。この2分割合成素子光学系を使用した結像光学系である本実施形態で使用するレンズの分割方法を、図17に示す。図17には2分割した合成素子光学系110の幾何学的配置状態と結像関係を示してある。2分割した断片要素光学系からなる合成素子光学系110の各成分の異なる位置配置と、半円形形状を有する断片要素光学系A0、A1を合成した配置である。
The effective F number is expressed geometrically as FN = 1 / (2 tan θ ′). In the case of a bright optical system, conversion is generally made so that NA ′ = 1 / [(1+ (2FN) 2 ) 1/2 . Geometrical optics is as follows when NA ′ << 1.
FN = [(1 / (NA ′) 2 −1) 1/2 / 2≈1 / (2NA ′) (32)
Next, a lens used in the eighth embodiment will be described. In the present embodiment, one convex lens is cut into two parts along a line passing through the optical axis, and one divided part is shifted on the optical axis. FIG. 17 shows a lens dividing method used in the present embodiment, which is an imaging optical system using this two-divided combining element optical system. FIG. 17 shows the geometrical arrangement state and image formation relationship of the two-divided combining element optical system 110. This is an arrangement in which the components of the synthesis element optical system 110 composed of the segment element optical system divided into two parts are different from each other and the segment element optical systems A 0 and A 1 having a semicircular shape are synthesized.

合成素子光学系110、2分割方位分角(Φ01) の構造と結像関係を後述する図16に対応づけ、被写体位置の相互の関係式を示している。図17(a)に光軸方向から見た正面図、(b)に光軸に垂直な方向から見た側面図を示す。
合成素子光学系110は、両側に凸の正の屈折力を有するレンズを、光軸を含む断面で、光軸を中心に断片要素光学系A0、A1に2分割(放射状に角度分割切断)した光学系である。この断片要素光学系A0、A1を図17(b)に示すように光軸上で、特定量Dだけずらして配置する。断片要素光学系A0、A1動径方向の断面内において、光軸を中心とする半円状の入射光束を取り込み、各断片要素光学系は光軸に垂直な断面内で互いに重なることなく配置されている。
The structure of the synthesizing element optical system 110 and the bisecting azimuth angle (Φ 0 , Φ 1 ) and the image formation relationship are associated with FIG. FIG. 17A shows a front view seen from the optical axis direction, and FIG. 17B shows a side view seen from the direction perpendicular to the optical axis.
The synthesizing element optical system 110 divides a lens having positive refractive power convex on both sides into two sections (radial angle division cutting radially) into fragment element optical systems A 0 and A 1 around the optical axis in a cross section including the optical axis. ). The fragment element optical systems A 0 and A 1 are arranged so as to be shifted by a specific amount D on the optical axis as shown in FIG. Fragment element optical systems A 0 and A 1 capture a semicircular incident light beam centered on the optical axis in the radial cross section, and the fragment element optical systems do not overlap each other in the cross section perpendicular to the optical axis. Has been placed.

光軸を中心軸とし切断分割した複数の光学系の断片からなる要素光学系を再合成し、共軸光学系を構成することが可能である。さらに共軸結像が可能な潜在的機能を有する光学系において、前述した断片要素光学系の各方位断片部分を光軸に沿って相互に自在に配置し、各断片要素光学系にて結像可能な光学系を含む光学系を構成する。
なお、これらの断片要素光学系は同一の屈折力を有している方が最適であるが、異なる屈折力を有していても構わない。また、各断片要素光学系は撮影距離に応じ撮影倍率は変化してもかまわない。また本実施形態では両凸レンズの例を示したが、レンズはこれに限られず両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、接合レンズなどでも構わない。
It is possible to construct a coaxial optical system by recombining element optical systems composed of pieces of a plurality of optical systems cut and divided with the optical axis as the central axis. Furthermore, in an optical system having a potential function capable of coaxial imaging, each directional fragment part of the fragment element optical system described above is arranged freely along the optical axis, and imaged by each fragment element optical system. An optical system including a possible optical system is configured.
It is optimal that these piece element optical systems have the same refractive power, but they may have different refractive powers. Further, the photographing magnification of each piece element optical system may be changed according to the photographing distance. In this embodiment, an example of a biconvex lens is shown, but the lens is not limited to this, and a biconcave lens, a planoconvex lens, a planoconcave lens, a cemented lens, or the like may be used.

図18にレンズを4つに分割した実施形態を示す。図18(a)は正面図、(b)は側面図を示し、対応する共役点(0、0')と結像関係を示したものである。レンズを4つに分割し、扇形の中心角は90°であり、断片要素光学系A2、A3、A4、A5は光軸上にずらして配置してある。レンズの厚さをDとし、A2の位置を基準とし、断片要素光学系A3、A4、A5をそれぞれ光軸上に−D、−2D、−3Dだけずらして配置する。
分割数や断片要素光学系を移動させる距離は、解像力や目的に応じ、またカバーする深度範囲や取り込まれる光量の程度により、最適化が可能である。なお、断片要素光学系による分割波面は必ずしも撮像光学系の光束全断面を覆う必要はない。
光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被写体とその位置差に対応し、光学系による像面を一定にするため、複数の断片要素光学系が光軸に沿って相互に合焦移動する。これらの断片要素光学系は被写体と撮像面との間に複数、同時に光束断面内の光軸を中心軸とした各方位部分に重なることなく配置されている。
FIG. 18 shows an embodiment in which the lens is divided into four. FIG. 18A is a front view, and FIG. 18B is a side view, showing an imaging relationship with the corresponding conjugate point (0, 0 ′). The lens is divided into four, the central angle of the sector is 90 °, and the fragment element optical systems A 2 , A 3 , A 4 , A 5 are arranged shifted on the optical axis. The lens thickness is D, the position of A 2 is used as a reference, and the fragment element optical systems A 3 , A 4 , and A 5 are arranged on the optical axis while being shifted by −D, −2D, and −3D, respectively.
The number of divisions and the distance by which the fragmentary element optical system is moved can be optimized according to the resolution and purpose, and depending on the depth range to be covered and the amount of light to be captured. The divided wavefront by the fragment element optical system does not necessarily need to cover the entire light beam cross section of the imaging optical system.
Multiple fragmentary element optical systems move along the optical axis in order to keep the image plane by the optical system constant, corresponding to multiple subjects located at different positions along the optical axis and their positional differences To do. A plurality of these fragment element optical systems are arranged between the subject and the imaging surface, and at the same time, without overlapping each azimuth portion with the optical axis in the cross section of the light beam as the central axis.

このため、光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像することが可能な光学系を構成することができる。複数の各被写体位置にフォーカスした前述の各断片要素光学系のフォーカス配置状態にある各要素光学系は、いわゆる断片各部分を合成接合配置され、合成素子光学系としたものである。いずれも、有限距離結像系を容易に構成できる。 For this reason, it is possible to configure an optical system capable of simultaneously imaging a plurality of subjects arranged at different positions along the optical axis. Each element optical system in the focus arrangement state of each of the above-described fragment element optical systems focused on a plurality of subject positions is a combination element optical system in which so-called fragment portions are combined and arranged. In either case, a finite distance imaging system can be easily configured.

この合成素子光学系は、任意の形状断面を有する同一焦点距離の光学系からなる非アフォーカル光学素子断片を合成構成していてもかまわない。これらの断片要素光学系(光学素子断片)は共軸光学系を光軸に対し、放射状に等角分割したものである。それぞれ同等に部分切り出し作成され、これらの断片を重なることなく方位をずらしつつ、各物体面のフォーカス配置に対応した配置にこれらの断片要素光学系をずらし、合成接合構成する。このようにして同一焦点距離の光学素子断片からなる合成光学素子を容易に製造可能である。このようにして、同時に多重フォーカスが可能であり、かつ、超被写体深度の範囲をより拡大することができる。 This synthesizing element optical system may be composed of non-afocal optical element fragments composed of optical systems having the same focal length and having an arbitrary cross section. These fragment element optical systems (optical element fragments) are coaxial optical systems that are radially equiangularly divided with respect to the optical axis. Partial cutouts are created equally, and these fragment element optical systems are shifted to an arrangement corresponding to the focus arrangement of each object surface while shifting the direction without overlapping these fragments, thereby forming a composite joint configuration. In this way, a composite optical element composed of optical element pieces having the same focal length can be easily manufactured. In this way, multiple focusing can be performed simultaneously, and the super subject depth range can be further expanded.

光軸に沿って厚みのある透明被写体とその被写体物体の各断面の位置差に対応した像面を固定するため、複数の断片要素光学系が光軸に沿って相互に合焦移動し、被写体と撮像面との間に複数、同時にその断片要素光学系を撮像光学系の光束断面内の光軸を中心軸とした各方位部分に配置し、異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像することが容易に可能である。 In order to fix the thick transparent subject along the optical axis and the image plane corresponding to the position difference of each cross section of the subject object, the plurality of fragment element optical systems move in focus along the optical axis, and the subject A plurality of fragmentary element optical systems at the same time are placed in each azimuth portion with the optical axis in the light beam cross section of the imaging optical system as the central axis, and multiple subjects placed at different positions are imaged simultaneously. It is easy to do.

光軸に沿って被写体とその物体の各断面の位置差に対応した像面を同一の位置にするため、複数の断片要素光学系が光軸に沿って相互に合焦移動し、被写体と撮像面との間に複数、同時にその断片要素光学系を撮像光学系の光束断面内の光軸を中心軸とした各方位部分に配置する。さらに、この合焦移動に伴う結像性能の劣化を防止するため、これらの断片要素光学系のレンズ成分のレンズ間隔を相互に変化させ、各断片要素光学系の収差変動を抑えることにより、基準配置での結像性能をある程度、確保することが可能である。 In order to make the image plane corresponding to the positional difference between the subject and each cross section of the object along the optical axis the same position, the multiple fragment element optical systems move in focus along the optical axis to capture the subject and the image. A plurality of fragmentary element optical systems are arranged between each surface and each azimuth portion with the optical axis in the light beam cross section of the imaging optical system as the central axis. Furthermore, in order to prevent deterioration of the imaging performance due to this in-focus movement, the lens interval of the lens components of these fragment element optical systems is changed mutually, and the aberration variation of each fragment element optical system is suppressed, thereby reducing the reference It is possible to ensure a certain degree of imaging performance in the arrangement.

このようにして異なる位置に配置された複数の被写体を同時に良好な画質にて撮像することが可能である。ただし、レンズ成分の間隔変更にて屈折力が大きく変化することを避ける必要がある。
このように深度範囲を拡大したため、合成素子光学系によって各種収差が発生する。それ故、この合成素子光学系は複数のレンズ成分や非球面等にて構成し、これらの収差を補正することができる。特に、色収差や球面収差、像面湾曲、コマ収差、歪曲収差の補正が必要となる。また、結像性能を優先するときは、超被写体深度の範囲をあまり広くせず、合成光学素子の倍率(近軸横倍率)を適度に等倍近くに設定するなどの手段で対応することができる。
In this way, it is possible to simultaneously image a plurality of subjects arranged at different positions with good image quality. However, it is necessary to avoid a great change in refractive power due to a change in the interval between lens components.
Since the depth range is thus expanded, various aberrations are generated by the combining element optical system. Therefore, this combining element optical system is constituted by a plurality of lens components, aspherical surfaces, etc., and can correct these aberrations. In particular, it is necessary to correct chromatic aberration, spherical aberration, field curvature, coma aberration, and distortion. In addition, when priority is placed on imaging performance, the range of the super-subject depth should not be made too wide, and measures such as setting the magnification (paraxial lateral magnification) of the combining optical element appropriately close to the same magnification can be used. it can.

なお、超深度光学系を実現するとき、それぞれの被写体を撮像した倍率が変化することは不都合である。なぜならば、それぞれの合焦状態で像の大きさが微妙に変化し、重なるため、輪郭、形状等の微細な構造を判断するのに不適当である。一般に、屈折力を有する光学系にて異なる位置にある被写体を撮像すると、撮像倍率が変化する。この倍率変化に発生した不都合は画像処理等で解消可能である。 Note that when realizing an ultra-deep optical system, it is inconvenient that the magnification at which each subject is imaged changes. This is because the size of the image slightly changes and overlaps in each in-focus state, so that it is not suitable for judging a fine structure such as an outline and a shape. In general, when a subject at a different position is imaged by an optical system having refractive power, the imaging magnification changes. The inconvenience caused by this magnification change can be solved by image processing or the like.

(第9実施形態)
次にアフォーカル光学系の実施形態について説明する。
アフォーカル光学系あるいはテレセントリック光学系の光軸を含む断面で、光軸を中心に放射状に角度分割切断し、これらの切断された光学素子を光軸に沿って再配置された光学系を考えることにする。光軸を含む断面を有し光軸を中心軸とし、光学系を切断分割した複数の光学系の断片からなる要素光学系を合成する。このとき、断片要素光学系の全集合体は共軸光学系を構成することが可能で、かつ共軸結像が可能なアフォーカル光学系を構成できる潜在的機能がある。前述した断片要素光学系の各方位断片部分を光軸に沿って相互に自在に配置する。
(Ninth embodiment)
Next, an embodiment of an afocal optical system will be described.
To consider an optical system in which a cross section including the optical axis of an afocal optical system or a telecentric optical system is angularly divided and cut radially around the optical axis, and these cut optical elements are rearranged along the optical axis. To. An element optical system having a cross section including the optical axis and including a plurality of optical system fragments obtained by cutting and dividing the optical system with the optical axis as a central axis is synthesized. At this time, the entire assembly of the fragmentary element optical systems can constitute a coaxial optical system and has a potential function capable of constituting an afocal optical system capable of coaxial imaging. Each directional fragment portion of the fragment element optical system described above is arranged freely along the optical axis.

しかも、光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被写体と、その位置差に対応し、それぞれの位置へ同時にフォーカスした断片要素光学系各部分からなる合成素子光学系が構成されている。この合成素子光学系はアフォーカル光学系もしくはテレセントリック光学系を構成している。被写体と撮像面との間において、撮像光学系の光軸を基準とした入射光束断面内の各方位部分に前述した合成素子光学系の断片要素光学系の各部分が光軸方向と動径方向にそれぞれ適宜配置合成されている。 In addition, a combining element optical system is configured which includes a plurality of subjects arranged at different positions along the optical axis and each part of the fragment element optical system corresponding to the position difference and simultaneously focused on each position. This synthesis element optical system constitutes an afocal optical system or a telecentric optical system. Between the subject and the imaging surface, each part of the above-mentioned fragment element optical system of the combining element optical system is in the optical axis direction and the radial direction in each azimuth part in the cross section of the incident light beam with respect to the optical axis of the imaging optical system. Are appropriately arranged and synthesized.

このため、異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像することが可能な光学系を構成することができる。このような目的のため、最適な光学系はアフォーカル光学系(望遠鏡系)である。本発明が目的とする利点の一つは、アフォーカル光学系は全体移動による合焦して近軸横倍率が不変であることである。即ち、この合成素子光学系Aは如何なる距離に結像しようとも、常に近軸横倍率はこの光学系の瞳倍率(望遠鏡倍率の逆数)となっている。超深度を確保するため、このタイプ光学系を採用し、同時多重合焦状態を構成することによって、実用的な超深度光学系を実現可能である。 For this reason, an optical system capable of simultaneously imaging a plurality of subjects arranged at different positions can be configured. For this purpose, the optimum optical system is an afocal optical system (telescope system). One of the advantages of the present invention is that the afocal optical system is focused by the entire movement and the paraxial lateral magnification is unchanged. That is, regardless of the distance at which this combining element optical system A forms an image, the paraxial lateral magnification is always the pupil magnification (reciprocal of the telescope magnification) of this optical system. In order to ensure ultra-deep, a practical ultra-deep optical system can be realized by adopting this type optical system and constructing a simultaneous multi-polymerization focal state.

まずアフォーカル光学系の結像関係について説明する。図16はアフォーカル光学系による結像関係を説明したものである。配置1は基準合焦状態と物点が近づいたとき、像点の移動状態を示している。配置2は移動した物点にレンズLが繰り出され合焦した状態であり、像面が配置1の状態になっている。このとき、レンズが配置1の状態と比較し物点,像点が如何なる移動量になるかを示している。 First, the imaging relationship of the afocal optical system will be described. FIG. 16 illustrates the image formation relationship by the afocal optical system. Arrangement 1 shows the moving state of the image point when the object point approaches the reference in-focus state. Arrangement 2 is a state in which the lens L is drawn out and focused on the moved object point, and the image plane is in the arrangement 1 state. At this time, the movement amount of the object point and the image point is shown in comparison with the state in which the lens is disposed.

図16に示すようにアフォーカル光学系は、図14に示した通常の光学系とほぼ同様な結像関係が存在する。アフォーカル光学系は全体の屈折力は1/fA’=0である。全体で2群構成であるとき、第1レンズ群の焦点距離をf1’、第2レンズ群の焦点距離をf2’、主点間隔をdとする。媒質の屈折率が物空間と像空間で同一のときとする。それぞれの関係は以下の通りである。
1/fA’=1/f1’+1/f2’−1/(f1’f2’)=0
よりd=f1’+f2’となる。
As shown in FIG. 16, the afocal optical system has almost the same imaging relationship as that of the normal optical system shown in FIG. The total refractive power of the afocal optical system is 1 / f A ′ = 0. In the case of a total of two groups, the focal length of the first lens group is f 1 ′, the focal length of the second lens group is f 2 ′, and the principal point interval is d. Assume that the refractive index of the medium is the same in the object space and the image space. Each relationship is as follows.
1 / f A '= 1 / f 1 ' + 1 / f 2 '-1 / (f 1 ' f 2 ') = 0
Thus, d = f 1 '+ f 2 '.

これらの式と(21)式から明らかな様に、近軸角倍率γPA’は以下の様に表される。軸外から角度uで入射した平行光線束は光学系により屈折され軸外へ平行光線束とし角度u'射出していく。このとき光軸と交わる一本の光線を代表させ、その交点P、P'がこの光学系による物空間と像空間における共役点である。その共役点の関係に注目する。
γPA=u’/u=−f1’/f2’、γPA=1/βPAとなる。
この共役点を原点として物体と像との距離をそれぞれS、S'として測る。望遠鏡系を構成している合成光学系の結像方程式は以下の如く表される。ただし、長さの符号は基準点より左右方向をそれぞれ−、+として長さを定義する。アフォーカル光学系において、(21)式は以下の如くなる。
βPA/S’−1/(βPAS)=1/fA’=0
S’=βPA 2S (33)
これは望遠鏡系の近軸縦倍率αPA=S'/S 、 αPA=βPA 2を示している。一般に共役点において近軸縦倍率αと近軸角倍率γと近軸横倍率βは、相互にβ/γ=αの関係がある。
As is clear from these equations and equation (21), the paraxial angular magnification γ PA ′ is expressed as follows. The parallel light beam incident from the off-axis at an angle u is refracted by the optical system and exits off-axis as a parallel light beam at an angle u ′. At this time, one light beam intersecting with the optical axis is represented, and the intersection points P and P ′ are conjugate points in the object space and the image space by this optical system. Pay attention to the relationship between the conjugate points.
γ PA = u ′ / u = −f 1 ′ / f 2 ′ and γ PA = 1 / β PA .
With this conjugate point as the origin, the distance between the object and the image is measured as S and S ′, respectively. The imaging equation of the synthetic optical system constituting the telescope system is expressed as follows. However, the length code defines the length as-and + in the left-right direction from the reference point, respectively. In the afocal optical system, the equation (21) is as follows.
β PA / S′−1 / (β PA S) = 1 / fA ′ = 0
S ′ = β PA 2 S (33)
This indicates the paraxial longitudinal magnification α PA = S ′ / S and α PA = β PA 2 of the telescope system. In general, the paraxial longitudinal magnification α, the paraxial angular magnification γ, and the paraxial lateral magnification β have a relationship of β / γ = α with each other at the conjugate point.

任意の有限距離配置において物点距離Sと像点距離S'との比である近軸縦倍率αP'は常に一定である。それ故、近軸横倍率βP'も一定である。
βPA 2=S’/S
βPA=−f2’/f1’=1/γPA (34)
アフォーカル光学系の屈折力は1/fA'=0であることから、この有限距離配置におけるアフォーカル光学系の各レンズ群が担う横倍率をそれぞれβ1'、β2'とすると以下の如く関係が成立している。
1/fA’=1/(β2’f1’)+β1/f2’=0
従って βPA=β1β2=−f2’/f1’を満たしている。
アフォーカル光学系の有限距離撮像配置における深度について考えることにする。空間的にアフォーカル光学系が固定され、撮影時において物点がΔS だけアフォーカル光学系の撮影基準点から移動したとする。このとき、その像点も基準像点の位置から ΔS'だけ移動したときSとS'との関係は同様に、以下の関係がある。
In an arbitrary finite distance arrangement, the paraxial vertical magnification α P ′, which is the ratio of the object point distance S and the image point distance S ′, is always constant. Therefore, the paraxial lateral magnification β P ′ is also constant.
β PA 2 = S '/ S
β PA = −f 2 ′ / f 1 ′ = 1 / γ PA (34)
Since the refractive power of the afocal optical system is 1 / f A ′ = 0, if the lateral magnification of each lens group of the afocal optical system in this finite distance arrangement is β 1 ′ and β 2 ′, respectively, The relationship is established.
1 / f A '= 1 / (β 2 ' f 1 ') + β 1 / f 2 ' = 0
Therefore, β PA = β 1 β 2 = −f 2 ′ / f 1 ′ is satisfied.
Consider the depth in a finite distance imaging arrangement of an afocal optical system. It is assumed that the afocal optical system is spatially fixed and the object point is moved from the photographing reference point of the afocal optical system by ΔS during photographing. At this time, when the image point is also moved by ΔS ′ from the position of the reference image point, the relationship between S and S ′ is similarly as follows.

すなわち、アフォーカル光学系において、(24)式は以下のように表される。
ΔS=ΔS'/βPA 2
S+ΔS=(S'+ΔS')/βPA 2 (36)
ただし、S、S'は必ず、共役点を原点とする測り方をするものとする。アフォーカルレンズによる結像点において片側焦点深度は(25)より (37) 式の様に表される。
ΔS'±=±εA/2NA' (37)
但し、εAはアフォーカル光学系による最小( 許容) 錯乱円の直径、像側開口数NAA'である。(36) 式に(37) を代入することにより、片側被写体焦点深度(38) 式が得られる。
ΔS(±)=±εA/(2NAAPA 2) (38)
(36) 式は基準(原点) 倍率も着目している点のピント倍率もすべてβPA となる。
アウトフォーカス点の位置における合焦したとしてもピント倍率はβPAとなる。焦点深度は(37) 式の前側焦点深度と後側焦点深度の差として(39) 式として表わされる。
ΔA'= ΔS+'−ΔS-'=εA/NAA' (39)
That is, in the afocal optical system, the expression (24) is expressed as follows.
ΔS = ΔS '/ β PA 2
S + ΔS = (S ′ + ΔS ′) / β PA 2 (36)
However, S and S ′ are always measured using the conjugate point as the origin. The one-side depth of focus at the image point formed by the afocal lens is expressed by equation (37) from (25).
ΔS ′ ± = ± ε A / 2NA ′ (37)
Where ε A is the minimum (allowable) circle of confusion circle and a numerical aperture NA A ′ on the image side by the afocal optical system. By substituting (37) into the equation (36), the one-side subject depth of focus (38) is obtained.
ΔS (±) = ± ε A / (2NA APA 2 ) (38)
In equation (36), the reference (origin) magnification and the focus magnification at the point of interest are all β PA .
Even if the out-of-focus point is in focus, the focus magnification is β PA . The depth of focus is expressed as equation (39) as the difference between the front focal depth and the rear focal depth in equation (37).
ΔA ′ = ΔS + ΔS ′ = ε A / NA A ′ (39)

被写体深度は(38) 式の前側被写体深度ΔS+と後側被写体深度ΔS-の差の(40) 式として表現できる。
ΔA=ΔS+−ΔS-≒εA/(NAAPA 2) (40)
アフォーカル光学系は(33)式のごとく屈折力がないのでデフォーカス量の関係(36)式が非常に単純であり、理論的取り扱い易い。これらの合成光学系を取り扱う時も、同様に単純である。
The subject depth can be expressed as the equation (40) of the difference between the front subject depth ΔS + and the rear subject depth ΔS − in the equation (38).
ΔA = ΔS + −ΔS ≈ε A / (NA APA 2 ) (40)
Since the afocal optical system has no refracting power as shown in equation (33), the relationship (36) of the defocus amount is very simple and easy to handle theoretically. The handling of these synthetic optical systems is equally simple.

一方、この像点移動量ΔS'をアフォーカル光学系 の移動ΔXにて打ち消すためには(41)式の如き関係を得る。図16の配置2においてΔS'=−ΔX 、ΔS=Δs−ΔX とし、(36)式より、物点は基準点からのズレ量Δsは以下の様になる。その結果、像面を固定することができる。
Δs=ΔX(1−1/βPA 2) (41)
(41)式は基準レンズが物側にΔX(−)だけフォーカス移動したとき合焦物点がΔs(+)だけシフトし、レンズ側へ更に近づいたことを示している。βPA=±1のときレンズを移動させても、物点も像点は移動しない。
On the other hand, in order to cancel the image point movement amount ΔS ′ by the movement ΔX of the afocal optical system, the relationship as shown in the equation (41) is obtained. In the arrangement 2 of FIG. 16, ΔS ′ = − ΔX and ΔS = Δs−ΔX, and the amount of deviation Δs of the object point from the reference point is as follows from the equation (36). As a result, the image plane can be fixed.
Δs = ΔX (1-1 / β PA 2 ) (41)
Equation (41) shows that when the reference lens moves to the object side by ΔX (−), the in-focus object point is shifted by Δs (+) and further closer to the lens side. Even when the lens is moved when β PA = ± 1, neither the object point nor the image point moves.

それ故、レンズを移動させて、像点を固定して、撮像物点の位置を変化させるためには、適度な近軸横倍率の値(1/βPA 2<1)が必要である。近軸角倍率γPA=1/βPAは望遠鏡倍率に等しい。γPAを大きくすれば、大きいフォーカスのシフトΔs(−)を得ることができる。これらのシフトした物点に対応し複数の光学系をそれぞれ配置し、同時にフォーカスすれば、大きく隔たったところにも同時にフォーカスが可能となる。この複数の光学系に本発明のごとき断片要素光学系を対応づけ合成する。このことにより、多重フォーカスが実現でき、大きく被写体深度を稼ぐことができる。 Therefore, in order to move the lens, fix the image point, and change the position of the imaged object point, an appropriate paraxial lateral magnification value (1 / β PA 2 <1) is required. The paraxial angle magnification γ PA = 1 / β PA is equal to the telescope magnification. If γ PA is increased, a large focus shift Δs (−) can be obtained. If a plurality of optical systems are respectively arranged corresponding to these shifted object points and focused at the same time, it becomes possible to focus at a large distance at the same time. The plurality of optical systems are combined with a fragmentary element optical system as in the present invention. As a result, multiple focus can be realized, and the subject depth can be greatly increased.

大口径比レンズにおいて、深い被写体深度を要求される場合は(40) 式から理解できるように、かなり制限がある。例えばεA一定のとき、明るい光学系はNAAが大きくなるが、被写体深度を確保したい。アフォーカルレンズの一定の移動量ΔXに対し、アフォーカル光学系の担う撮影倍率βPAが小さいとき、物体点のシフト量|Δs|が大きくなる。それ故、フォーカスによって、実質的に深度を深くすることができる。
一定の条件のもとで高解像の光学系は許容錯乱円のサイズεAが小さい。被写体深度ΔSが 浅いので、Δsを大きくするため、βPA が小さくするか、移動量|ΔX|の値を大きくすれば良いことが理解できる。このようにして断片要素光学系を合成配置することにより、|Δs|≧|ΔS|とすることが容易に可能である。
In a large aperture ratio lens, when a deep subject depth is required, there is a considerable limitation as can be understood from the equation (40). For example, when ε A is constant, a bright optical system has a large NA A, but it is desirable to ensure the subject depth. The object point shift amount | Δs | increases when the imaging magnification β PA of the afocal optical system is smaller than the fixed movement amount ΔX of the afocal lens. Therefore, the depth can be substantially increased by the focus.
Under certain conditions, a high-resolution optical system has a small allowable circle of confusion circle ε A. Since the depth of field ΔS is shallow, to increase the Delta] s, or is beta PA reduced, the moving amount | can be understood that it is sufficient to increase the value | [Delta] X. By combining and arranging the fragment element optical systems in this manner, it is possible to easily satisfy | Δs | ≧ | ΔS |.

これらの合成光学系を考えるとき、結像のプロセスを理解し易く解析するため、常に、各光学系が実像が結像して合成光学系を構成しているように図16以降では表示している。しかし、象徴的ではあるが、結像関係の一般性は決して失われてはいない。 When considering these synthetic optical systems, in order to analyze the imaging process in an easy-to-understand manner, the optical images are always displayed in FIG. Yes. However, though symbolic, the generality of the imaging relationship has never been lost.

次にアフォーカル光学系を使用した本実施形態の光学系について説明する。図19、図21にフロントフォーカス方式の光学系構成を示す。この光学系は、第8実施形態で示した合成素子光学系110または111(アフォーカル光学系)が撮像光学系Lの前に装着されている。
基準配置における合成倍率βcは(42)式であらわされ、以下のごとくなる。
βc=βPAβo (42)
撮像光学系の焦点距離をf'とすると深度の式は以下の如く表される。
ΔL=ΔL'/[βo2(1−ΔL'/βof')]
ΔS'=ΔL (43)
ΔSAM=ΔS'/βPA 2=ΔL'/[βPA 2βo2(1−ΔL'/βof')]
ΔSAM(±)=±εFN'/[βPA 2βo2([1−( ±εFN'/βo f') ] (44)
撮像光学系の物点移動とアフォーカル光学系の像点の移動量が等しく(43)式の如くなる。合成光学系の像側NAAM’ ≒1/(2FN')のとき 、合成倍率(42)式を含み、 基準配置の物点の片側被写体深度ΔSAMは(44)として表される。
Next, the optical system of this embodiment using an afocal optical system will be described. 19 and 21 show a front focus type optical system configuration. In this optical system, the combining element optical system 110 or 111 (afocal optical system) shown in the eighth embodiment is mounted in front of the imaging optical system L.
The combination magnification βc in the reference arrangement is expressed by the equation (42) and is as follows.
βc = β PA βo (42)
When the focal length of the imaging optical system is f ′, the depth equation is expressed as follows.
ΔL = ΔL ′ / [βo 2 (1−ΔL ′ / βof ′)]
ΔS ′ = ΔL (43)
ΔS AM = ΔS ′ / β PA 2 = ΔL ′ / [β PA 2 βo 2 (1−ΔL ′ / βof ′)]
ΔS AM (±) = ± εFN ′ / [β PA 2 βo 2 ([1− (± εFN ′ / βo f ′)] (44)
The movement of the object point of the imaging optical system and the movement amount of the image point of the afocal optical system are equal to each other as shown in Equation (43). When combining optical system on the image side NA AM '≒ 1 / (2FN '), include synthetic magnification equation (42), one side depth of field [Delta] S AM object point of reference arrangement is expressed as (44).

(25)式から合成系FナンバーのFN'を考慮し、合成系の焦点深度ΔAM'は(45) 式の前側焦点深度と後側焦点深度の差として(45) 式として表わされる。
ΔAM'=ΔL+'−ΔL-'=2εFN' (45)
合成系の被写体深度ΔAMは同様にして以下の如く表される。
ΔAM=ΔSAM+−ΔSAM−≒2εFN'/(βPA 2βo2) (46)
但し、|ΔL'/βof'|≪1のとき、(46)の近似が成り立つ。一方、近似が成立しないとき、(44)式を直接使用する。
(25) 'in consideration of the focal depth delta AM synthesis system' FN synthesis system F-number from the equation is expressed as equation (45) as the difference between the rear focal depth and the front focal depth (45) below.
Δ AM '= ΔL +'-ΔL - '= 2εFN' (45)
Depth of field delta AM synthesis system is expressed as follows in a similar manner.
Δ AM = ΔS AM + -ΔS AM - ≒ 2εFN '/ (β PA 2 βo 2) (46)
However, when | ΔL ′ / βof ′ | << 1, the approximation of (46) holds. On the other hand, when the approximation is not established, the equation (44) is directly used.

また、合成系FナンバーのFN'はアフォーカル光学系の像側NAA’が撮像光学系の物側NAより大きいとき撮像光学系にて制限される。しかし、アフォーカル光学系が暗い光学系のとき合成光学系の明るさはアフォーカル光学系にて制限された合成FナンバーFN'となる。
NAA’≧ NA のとき、FN'=FN (47)
NAA’< NA のとき、FN' >FN (48)
フロントフォーカス式の合成光学系において、(41)式の如く、|Δs|>|ΔSAM|とすることが容易に可能である。本発明のごとき複数の断片要素光学系にて、これらの合成光学系を構成することにより、多重フォーカスが実現でき、深い被写体深度を稼ぐことができる。
Further, the composite system F number FN ′ is limited by the imaging optical system when the image side NA A ′ of the afocal optical system is larger than the object side NA of the imaging optical system. However, when the afocal optical system is a dark optical system, the brightness of the composite optical system becomes the composite F number FN ′ limited by the afocal optical system.
When NA A ′ ≧ NA, FN ′ = FN (47)
When NA A '<NA, FN'> FN (48)
In combining optical system of the front focus type, equation (41) as, | Δs |> | ΔS AM | and it is easily possible to. By configuring these combining optical systems with a plurality of fragmentary element optical systems as in the present invention, multiple focus can be realized and deep subject depth can be gained.

フロントタイプの特徴として図19、図21から理解できる様に、フロントコンバーター部(合成素子光学系A)を担う倍率βPAで物点が移動し、デフォーカスしようとも、不変である。しかし、撮像レンズの物点が移動する。これを、相殺するため、断片要素光学系からなる分割されたコンバーターレンズの部分移動にて、再合焦することにより、合成レンズ系のピント面を固定し、同時に異なる物点にフォーカスが可能である。
特に、被写体深度を効率よく確保するには撮像光学系Lがβo2<1であり、合成素子光学系AはβPA 2<1の方が良い。一般に、光学系は特定の合焦点からズレた物点へデフォーカスすると像のボゲの他、パースぺクティブによる像の変形が存在する。これら、原理的な現象である。これを、アフォーカル光学系を装着することにより、デフォーカスによる欠点を緩和可能であり、超被写体深度(多重フォーカス)が実現できる。
As can be understood from FIG. 19 and FIG. 21 as the characteristics of the front type, even if the object point moves at the magnification β PA that bears the front converter section (synthetic element optical system A) and is defocused, it remains unchanged. However, the object point of the imaging lens moves. In order to cancel this, it is possible to focus on different object points at the same time by fixing the focus surface of the composite lens system by refocusing with the partial movement of the divided converter lens consisting of the fragment element optical system. is there.
In particular, in order to efficiently secure the depth of field, it is better that the imaging optical system L is βo 2 <1, and the combining element optical system A is β PA 2 <1. In general, when an optical system defocuses an object point deviated from a specific focal point, there is a perspective deformation of the image in addition to image blurring. These are fundamental phenomena. By installing an afocal optical system, it is possible to alleviate the disadvantages caused by defocusing, and it is possible to realize a super subject depth (multiple focus).

フロントタイプの図21は撮像光学系の前に複数のアフォール光学系の断片素子からなる合成光学系が装着されている。離散的に整数iに対応し、i番目の被写体の像面ピント面が同一面に固定させつつ断片要素光学系を合焦移動させ配置し、異なる位置i番目にある被写体も同時に撮像することができる。
基準ピント面においてi=0、Δs0=0、ΔS0=0、ΔX0=0、Δsi=ΔXi(1−1/βPA 2)、ΔSi=Δsiである。
フロントタイプを構成する合成光学系において、光軸に沿って奥行き方向において、それぞれ異なる被写体位置断面に同時合焦しても合成倍率は変化しない。
In FIG. 21 of the front type, a composite optical system composed of a plurality of Afall optical system fragment elements is mounted in front of the imaging optical system. It corresponds to the integer i in a discrete manner, and the fragment element optical system is moved by focusing while fixing the image plane focus plane of the i-th subject to the same plane, so that subjects at different positions i-th can be imaged simultaneously. it can.
On the reference focus plane, i = 0, Δs 0 = 0, ΔS 0 = 0, ΔX 0 = 0, Δs i = ΔX i (1-1 / β PA 2 ), and ΔS i = Δs i .
In the combining optical system constituting the front type, the combining magnification does not change even when simultaneously focusing on different subject position cross sections in the depth direction along the optical axis.

(第10実施形態)
第9実施形態ではフロントフォーカスタイプについて説明したが、第10実施形態では、リアーフォカスについて説明する。
(10th Embodiment)
Although the front focus type has been described in the ninth embodiment, rear focus is described in the tenth embodiment.

合成光学系は図20、或いは図22に示す撮像光学系Lの後ろに合成素子光学系110または111が装着されているとする。これはリアーフォカス方式の光学系の構成である。基準配置において、同様に合成倍率βCは、βC=βoβPAである。合成光学系の合成FナンバーFN'は常に、アフォーカル光学系の明るさNAAにて制限される。
NA’< NAA のとき、 FN'=βPAFN≧1/(2NAA') (49)
NA’≧ NAPA のとき、 FN'≒1/(2NAA') (50)
合成系の焦点深度は以下の如くアフォーカル光学系の像面移動として表される。
ΔS'(±)=±εFN' (51)
アフォーカル光学系によるデフォーカス関係は以下の如く表される。
ΔS=ΔS'/βPA 2 (52)
Assume that the combining element optical system 110 or 111 is mounted behind the imaging optical system L shown in FIG. 20 or FIG. This is a configuration of a rear focus optical system. In the standard arrangement, the synthesis magnification β C is similarly β C = βoβ PA . The composite F number FN ′ of the composite optical system is always limited by the brightness NA A of the afocal optical system.
When NA ′ <NA A , FN ′ = β PA FN ≧ 1 / (2NA A ′) (49)
When NA '≧ NA PA , FN' ≒ 1 / (2NA A ') (50)
The focal depth of the synthesis system is expressed as the image plane movement of the afocal optical system as follows.
ΔS ′ (±) = ± εFN ′ (51)
The defocus relationship by the afocal optical system is expressed as follows.
ΔS = ΔS '/ β PA 2 (52)

撮像光学系の像面移動量ΔLAM'とアフォーカル光学系の像物面移動量ΔSは等しい。
ΔLAM'=ΔS (53)
アフォーカル光学系のデフォーカス量ΔS'を撮像光学系に伝達し、合成光学系のデフォーカス量ΔLAMとの関係を下記の如く表される。
ΔLAM=ΔLAM'/[βo2(1−ΔLAM'/βof')] (54)
ΔLAM=ΔS'/[βPA 2βo2[1- ΔS'/(βPA 2βof')]] (55)
ΔS' → ΔS'(±)として ΔLAM → ΔLAM(±)となる。
ΔLAM(±)=±εFN'/[βPA 2βo2[1−(±εFN')/(βPA 2βof')]] (56)
デフォーカス量が小さいとき合成光学系の被写体深度は同様に(57)式の如く表される。
ΔAM=ΔLAM+−ΔLAM-≒2εFN'/(βo2βPA 2) (57)
但し、像面の移動量ΔS'が大きいとき合成倍率やアフォーカル光学系の倍率によって(57)式の近似が成立しないことがある。このときは(57)式を直接使用する必要がある。
The image plane movement amount ΔL AM ′ of the imaging optical system is equal to the image object plane movement amount ΔS of the afocal optical system.
ΔL AM '= ΔS (53)
Transmit the defocus amount [Delta] S 'of the afocal optical system in the imaging optical system, the relationship between the defocus amount [Delta] L AM synthetic optical system is represented as follows.
ΔL AM = ΔL AM '/ [βo 2 (1-ΔL AM ' / βof ')] (54)
ΔL AM = ΔS ′ / [β PA 2 βo 2 [1-ΔS ′ / (β PA 2 βof ′)]] (55)
ΔS '→ ΔS' the (±) as ΔL AM → ΔL AM (±) .
ΔL AM (±) = ± εFN ′ / [β PA 2 βo 2 [1- (± εFN ′) / (β PA 2 βof ′)]] (56)
When the defocus amount is small, the subject depth of the combining optical system is similarly expressed by equation (57).
Δ AM = ΔL AM + -ΔL AM- ≒ 2εFN '/ (βo 2 β PA 2) (57)
However, when the image plane movement amount ΔS ′ is large, the approximation of the expression (57) may not be established depending on the combination magnification and the magnification of the afocal optical system. In this case, it is necessary to directly use equation (57).

アフォーカル光学系を撮像光学系の前側に装着したときと同様に、後ろ側に装着しても(41)式が成立する。これは、像面がΔS'だけデフォーカスしたとき、アフォーカル光学系の配置を移動(フォーカス移動)することにより、像面をもとの基準像面に戻す(フォーカス)したことに相当する。このとき、アォーカル光学系の物点が基準配置よりΔsだけ移動している。これが、アフォーカル光学系の前方に装着された、撮像光学系の像面軌移動量ΔL'=Δsとなる。
Δs=ΔX(1−1/βPA 2)
この配置における物点の移動量ΔLは(24)式、あるいは(54)式で関係付けられている。
Similarly to the case where the afocal optical system is mounted on the front side of the imaging optical system, the expression (41) is established even if the afocal optical system is mounted on the rear side. This corresponds to returning (focusing) the image plane to the original reference image plane by moving (focusing) the arrangement of the afocal optical system when the image plane is defocused by ΔS ′. At this time, the object point of the acoustic optical system has moved by Δs from the reference arrangement. This is the image plane trajectory movement amount ΔL ′ = Δs of the imaging optical system mounted in front of the afocal optical system.
Δs = ΔX (1-1 / β PA 2 )
The movement amount ΔL of the object point in this arrangement is related by the equation (24) or (54).

この様に、被写体のデフォーカスに対し 、適度に |Δs|≧|ΔLAM'|とすることが可能である。また、この様にすることにより、合成光学系は、基準の物点からΔLだけはなれた位置にある物体に合焦したことになる。図21、図22に示すように、これらの移動量ΔXが異なるアフォーカル光学系の断片要素を光軸の回りに複数同時に配置すると多重フォーカス光学系を実現可能である。
ΔX → ΔXi 、 ΔL → ΔLi ( i=0、±1、±2、〜、±N)
このことにより、超被写体深度光学系を構成できる。
リアータイプを構成する合成光学系において、光軸に沿って奥行き方向において、それぞれ異なる被写体位置断面に同時合焦したとき、撮像光学系L(非アフォーカル系のとき)が担う撮像倍率βo→βoiがそれぞれ変化するため、合成倍率βC→βciも変化する。
In this way, it is possible to appropriately satisfy | Δs | ≧ | ΔL AM '| with respect to the defocus of the subject. Further, by doing so, the combining optical system is focused on an object located at a position separated by ΔL from the reference object point. As shown in FIGS. 21 and 22, a multi-focus optical system can be realized by simultaneously arranging a plurality of fragment elements of the afocal optical system having different movement amounts ΔX around the optical axis.
ΔX → ΔX i , ΔL → ΔL i (i = 0, ± 1, ± 2,..., ± N)
This makes it possible to configure a super subject depth optical system.
In the synthesizing optical system constituting the rear type, the imaging magnification βo → βo that the imaging optical system L (in the case of a non-afocal system) bears when simultaneously focusing on different subject position cross sections in the depth direction along the optical axis Since i changes, the composite magnification β C → β ci also changes.

このことは、同時に多重フォーカスにて超被写体深度を目的とする本発明おいて、目的に応じ、画像処理等より倍率補正や多重像の分離等の付加的な処理が必要な場合がある。被写体深度を効率よく確保するには撮像光学系Lがβo2<1のとき、合成素子光学系AはβPA 2<1の方が良い。 This is because, in the present invention that aims at super-subject depth at the same time with multiple focus, additional processing such as magnification correction and separation of multiple images may be required depending on the purpose. In order to ensure the depth of field efficiently, when the imaging optical system L is βo 2 <1, the combining element optical system A is preferably β PA 2 <1.

任意の被写体の表面やその前後の複数断面を同時に観測検査を実施するため、被写体と撮像光学系の間に、図18の様な適度な分角された複数の断片要素光学系を装着する。このとき図19、図20の様な配置において、図18の如き複数の断片要素光学系を撮像光学系Lの光軸と同じ中心を光軸に一致させる。 In order to simultaneously observe and inspect the surface of an arbitrary subject and a plurality of cross sections before and after the subject, a plurality of fragmentary element optical systems with appropriate division angles as shown in FIG. 18 are mounted between the subject and the imaging optical system. At this time, in the arrangement as shown in FIGS. 19 and 20, a plurality of fragment element optical systems as shown in FIG. 18 are made to coincide with the optical axis at the same center as the optical axis of the imaging optical system L.

適当な合焦を施した断片要素光学系を複数個(セグメント)の固着合成した合成素子光学系110または111を光軸に対し、回転対称に配置する。このため、被写体の撮像される位置が移動し、光軸に沿った、異なる複数断面にフォーカスされ、その像が更に撮像レンズLによって結像される。 A composite element optical system 110 or 111, in which a plurality of (segment) pieces of segmented element optical systems with appropriate focusing are fixed and synthesized, is arranged rotationally symmetrically with respect to the optical axis. For this reason, the position where the subject is imaged moves and is focused on a plurality of different cross sections along the optical axis, and the image is further formed by the imaging lens L.

これを実現するための合成素子光学系111の構造を詳細に述べる。図19の如き合成素子光学系111は撮像レンズLに装着することにより合成光学系を構成する。図19、図21のようにフロントタイプにおいて撮像レンズLの前面に配置し、光軸を中心にしてそれぞれ4分割されている。これらは光軸に対し異なる方位と、異なる合焦配置を有する断片要素光学系の各部分からなり、配置されている。 The structure of the synthesis element optical system 111 for realizing this will be described in detail. A combining element optical system 111 as shown in FIG. 19 is mounted on the imaging lens L to constitute a combining optical system. As shown in FIGS. 19 and 21, the front type is arranged in front of the imaging lens L, and is divided into four parts around the optical axis. These are composed of parts of the fragmentary element optical system having different orientations with respect to the optical axis and different in-focus arrangements.

通常、これらの各断面要素光学系は扇形の有効光束断面を形成しそれぞれ装着配置されている。このような断面要素光学系を光軸を軸に回転対称配置とすることにより、被写体の奥行き方向の異なる4つの断面から発した光束が4波面分割される。撮像レンズによって、それぞれの波面光束を同一ピント面にジャストフォーカスする。
その結果、これらの複数像を同時に撮像することができる。断面要素光学系を更に、多分割することにより、多数のフォース断面に同時、ジャストフォーカスが可能であり、より深い奥行きの領域を同時撮像が可能である。
Usually, each of these sectional element optical systems forms a fan-shaped effective light beam section and is mounted and arranged. By making such a sectional element optical system rotationally symmetrical about the optical axis, light beams emitted from four cross sections with different depth directions of the subject are divided into four wavefronts. Each wavefront light flux is just focused on the same focus plane by the imaging lens.
As a result, these multiple images can be taken simultaneously. By further dividing the cross-section element optical system, it is possible to simultaneously focus on a large number of force cross sections, and simultaneously image deeper areas.

図22に示すリアータイプは、撮像光学系の後ろに複数のアフォール光学系断片素子のからなる合成光学系が装着されている。離散的に整数iに対応し、i番目の被写体の像面ピント面が同一面に固定させつつ、断片要素光学系を合焦移動させ配置し、異なる位置i番目にある被写体を同時に撮像することができる。
基準ピント面において i=0、Δs0=0、ΔS0=0、ΔX0=0、Δsi=ΔXi(1−1/βPA 2) 、ΔLi'=Δsi、ΔLi'はΔLiである。
リアータイプを構成する合成光学系において、光軸に沿った奥行き方向において、それぞれ異なる被写体位置断面に同時合焦したとき、撮像光学系L(非アフォーカル系のとき)のフォーカス倍率が変化するため、合成倍率は変化する。
このことは、超被写体深度を目的とする本発明おいて、フロントタイプに対し、画像処理等の付加的な処理が必要なこともある。なお撮像光学系Lがアォーカル光学系のときはこの限りではない。
In the rear type shown in FIG. 22, a composite optical system including a plurality of fall optical system fragment elements is mounted behind the imaging optical system. Discretely corresponds to the integer i, and the image plane focusing plane of the i-th subject is fixed to the same plane, the fragmentary element optical system is moved in focus, and the subjects at different positions i are simultaneously imaged. Can do.
At the reference focus plane, i = 0, Δs 0 = 0, ΔS 0 = 0, ΔX 0 = 0, Δs i = ΔX i (1-1 / β PA 2 ), ΔL i ′ = Δs i , ΔL i ′ is ΔL i .
In the synthesizing optical system constituting the rear type, the focus magnification of the imaging optical system L (when non-afocal system) changes when simultaneously focusing on different subject position sections in the depth direction along the optical axis. The composite magnification changes.
This may require additional processing such as image processing for the front type in the present invention aiming at super-subject depth. Note that this is not the case when the imaging optical system L is an acoustic optical system.

(第11実施形態)
本実施形態は、ガリレオ式望遠鏡タイプの光学系を採用した実施形態である。
上述した理論的考察より、フロントタイプ、リアタイプの特徴を利用し、断片要素光学系は適度な倍率(γPA=1/βPA)を設定する。例えば、図25に示すように、ガリレオ式望遠鏡タイプを採用した方がより小型化を容易に達成できる。
(Eleventh embodiment)
The present embodiment is an embodiment that employs a Galileo telescope type optical system.
Based on the above theoretical considerations, using the features of the front type and rear type, the fragment element optical system sets an appropriate magnification (γ PA = 1 / β PA ). For example, as shown in FIG. 25, the size reduction can be easily achieved by adopting the Galileo telescope type.

等倍近い倍率を設定するとフォーカス効率は悪くなるが、結像性能の確保が容易である。一方、望遠鏡倍率(近軸角倍率γPA)を高くすると画角(視野)を確保するため物側のレンズ口径を大きくしなければならない。また一方では、逆ガリレオ式タイプにて配置するならば、縮小望遠鏡倍率となりがちであるが、画角を広く、深度も深く確保し易い。 Setting a magnification close to the same magnification deteriorates the focusing efficiency, but it is easy to ensure imaging performance. On the other hand, if the telescope magnification (paraxial angle magnification γ PA ) is increased, the lens diameter on the object side must be increased in order to secure the field angle (field of view). On the other hand, if it is arranged in the reverse Galileo type, it tends to be a reduction telescope magnification, but it is easy to secure a wide angle of view and a deep depth.

また、これらの断片要素光学系には光軸に対し、放射状に等角分割され、全く同じ部分から構成されているものを複数採用しても構わない。このことにより、断片要素光学系を共通利用でき安価に合成系を構成できる。この様な合成素子光学系によって、同時に多重フォーカスが可能であり、超被写体深度の範囲をより拡大することができる。合成素子光学系は広い範囲にフォーカスするので、各種収差が発生する。これを補正するため、構成レンズ成分の間隔修正等を実施することにより、対応が可能である。このことは、共通の断片要素光学系の部品を利用することにより、容易で且つ、安価に結像性能を確保できる。 In addition, a plurality of these piece element optical systems may be employed that are equiangularly divided radially with respect to the optical axis and are configured from exactly the same part. As a result, the fragment element optical system can be used in common, and a synthesis system can be constructed at a low cost. By such a combining element optical system, multiple focusing can be performed at the same time, and the range of the super subject depth can be further expanded. Since the combining element optical system focuses on a wide range, various aberrations occur. In order to correct this, it is possible to cope by correcting the interval of the constituent lens components. This makes it possible to secure imaging performance easily and inexpensively by using parts of a common fragment element optical system.

フロントタイプにおいて、図19と図25より、ガリレオ式の特徴は角倍率がγ1PA=1/βPA>0、f1'f2'<0であり虚像を結像する。第1レンズ(f1'>0)の像側焦点F1'と第2レンズ(f1'<0)の物側焦点F2にて連結されるため空間的に有利である。レンズの外側に存在する物点に対する像はレンズの内側に存在する。このため、その後側に連結する光学系を配置すると、合成光学系の全長が短くできる。
βPA=β1β2 >0であるため、それぞれのレンズ群の担う倍率がβ1、β2の符号が常に同一である。ここでは それぞれレンズ群の担う結像は実像と虚像(虚物点)の組み合わせにて構成されている。このタイプは視野が比較的に広くない、コンパクトで比較的明るい光学系を構成するのにふさわしい。一方、リアータイプにおいて、図20と図25より、ガリレオ式のレンズの前後を逆転させて、逆ガリレオタイプを虚物点と実像とを構成する結像がふさわしい。
In the front type, from FIG. 19 and FIG. 25, the Galileo characteristic is that the angular magnification is γ 1PA = 1 / β PA > 0 and f 1 'f 2 '<0, and a virtual image is formed. Since it is connected at the image side focal point F 1 ′ of the first lens (f 1 ′> 0) and the object side focal point F 2 of the second lens (f 1 ′ <0), it is spatially advantageous. An image for an object point existing outside the lens exists inside the lens. For this reason, if the optical system connected to the rear side is arranged, the total length of the synthesis optical system can be shortened.
Since β PA = β 1 β 2 > 0, the magnifications of the respective lens groups are always the same as β 1 and β 2 . Here, each lens group has an image formed by a combination of a real image and a virtual image (imaginary point). This type is suitable for constructing a compact and relatively bright optical system with a relatively small field of view. On the other hand, in the rear type, from FIG. 20 and FIG. 25, the reverse Galileo type is suitable to form an imaginary object point and a real image by reversing the front and back of the Galileo lens.

(第12実施形態)
本実施形態は、逆ガリレオ式望遠鏡タイプの光学系を採用した実施形態である。
フロントタイプにおいて、図19と図26より逆ガリレオの特徴は角倍率がγPA=1/βPA>0、f1'f2'<0であり虚像を結像する。第1レンズ(f1'<0)の像側焦点F1'と第2レンズ(f2'>0)の物側焦点F2にて連結されるため空間的に有利である。レンズの外側に存在する物点に対応する像点はレンズの内側に存在する。そのため、その後側に連結する光学系を配置すると、合成光学系の全長が短くできる。
βPA=β1β2 >0であるため、それぞれのレンズ群の担う倍率がβ1、β2の符号が常に同一である。ここでは、それぞれレンズ群の担う結像は、虚像と虚像の組み合わせにて構成されている。このタイプは視野が比較的に広く、コンバクトで比較的に暗い光学系を構成するのにふさわしい。
(Twelfth embodiment)
This embodiment is an embodiment that employs an inverted Galileo telescope type optical system.
In the front type, as shown in FIGS. 19 and 26, the inverse Galileo is characterized by an angular magnification of γ PA = 1 / β PA > 0 and f 1 'f 2 '<0, and forms a virtual image. Since it is connected at the image side focal point F 1 ′ of the first lens (f 1 ′ <0) and the object side focal point F 2 of the second lens (f 2 ′> 0), it is spatially advantageous. An image point corresponding to an object point existing outside the lens exists inside the lens. Therefore, if the optical system connected to the rear side is arranged, the total length of the synthesis optical system can be shortened.
Since β PA = β 1 β 2 > 0, the magnifications of the respective lens groups are always the same as β 1 and β 2 . Here, the image formation which each lens group bears is composed of a combination of a virtual image and a virtual image. This type has a relatively wide field of view and is suitable for constructing a compact and relatively dark optical system.

一方、リアータイプにおいて、図20と図26より、逆ガリレオ式のレンズの前後を逆転させて、ガリレオタイプを虚物点と実像とを構成する結像がふさわしい。ガリレオタイプと逆ガリレオタイブは相互に前後が逆転しているのみならず、それぞれの光学系タイプにおいて、それぞれのレンズ群が担う倍率β1、β2は 負負、正正の2通りの組み合わせを構成可能なことが理解できる。
ΔS=ΔS’/βPA 2
1/fA’=1/(β21’)+ β1/f2’=0
βPA=β1β2=−f2’/f1
On the other hand, in the rear type, from FIG. 20 and FIG. 26, an image in which the front and rear of the inverted Galileo lens are reversed and the Galileo type constitutes a imaginary point and a real image is suitable. Galileo type and reverse Galileo type are not only reversed in front and back, but in each optical system type, the magnification β 1 , β 2 that each lens group bears can be a combination of negative, positive and positive It can be understood that it is configurable.
ΔS = ΔS ′ / β PA 2
1 / fA ′ = 1 / (β 2 f 1 ′) + β 1 / f 2 ′ = 0
β PA = β 1 β 2 = −f 2 '/ f 1 '

図24に示すようにケプラー式望遠鏡系の特徴は、角倍率がγPA=1/βPA<0でありここでは実像を結像する。第1レンズ(f1'>0)の像側焦点F1'と第2レンズ(f2'>0)の物側焦点F2にて連結されるため、他の光学系の前後に.この光学系を連結配置すると、合成光学系の全長が非常に長くなる。一般にコンパクト化は困難である。βPA=β1β2 <0のため、それぞれのレンズ群の担う倍率がβ1、β2の符号が異なる。ここでは、それぞれレンズ群の担う結像は実像と虚像の組み合わせにて構成されている。特に、本発明における装着合成素子光学系として、高倍率である程度の広画角を確保するためには、両側テレセントリック光学系(ケプラー式)を構成していることが機能的に望ましい。 As shown in FIG. 24, the Kepler telescope system has a feature that the angular magnification is γ PA = 1 / β PA <0, and a real image is formed here. Since the image side focal point F 1 ′ of the first lens (f 1 ′> 0) and the object side focal point F 2 of the second lens (f 2 ′> 0) are connected, before and after the other optical system. When this optical system is connected and arranged, the total length of the synthesis optical system becomes very long. In general, it is difficult to make it compact. Since β PA = β 1 β 2 <0, the magnifications of the respective lens groups have different signs of β 1 and β 2 . Here, each of the lens groups forms an image formed by a combination of a real image and a virtual image. In particular, in order to secure a wide angle of view at a high magnification as the mounting synthetic element optical system in the present invention, it is functionally desirable to configure a double-sided telecentric optical system (Kepler type).

その結果、程良い光学系の大きさや長さにて、それぞれの各断片部位の担う近軸倍率を一定に保ちつつ、フォーカス領域を変化させることが可能である。しかし、図23の合成光学系から分かるように、画面サイズや、被写体サイズが大きいシステムでは必然的にシステムサイズも大きくなる。 As a result, it is possible to change the focus area while maintaining a constant paraxial magnification of each fragment portion with a suitable size and length of the optical system. However, as can be seen from the combining optical system in FIG. 23, the system size inevitably increases in a system with a large screen size and subject size.

一般に、断片要素光学系として採用したいずれの望遠鏡光学系(アフォーカル光学系)も、被写体の特定の物高の位置が光軸に沿って移動しているものを合焦しても、倍率が不変なので、常に同一物高に対する像を見ることになる。それ故、この特徴は非常に有用である。一方、この断片要素光学系は物側テレセントリック光学系でも良い。 In general, any telescope optical system (afocal optical system) adopted as a fragmentary element optical system has a magnification even if the object whose specific height is moving along the optical axis is in focus. Since it is invariant, you will always see an image of the same height. This feature is therefore very useful. On the other hand, this piece element optical system may be an object side telecentric optical system.

(第13実施形態)
第13実施形態として撮像レンズに非テレセントリック光学系を採用した実施形態を示す。本実施形態では合成光学素子110または111を光軸を中心に回転させることに特徴がある。
(13th Embodiment)
As a thirteenth embodiment, an embodiment in which a non-telecentric optical system is adopted as an imaging lens will be described. This embodiment is characterized in that the synthetic optical element 110 or 111 is rotated around the optical axis.

撮像レンズLに非テレセントリック光学系を採用し、断片要素光学系にアフォーカル光学系、或いはテレセントリック光学系を採用した場合、不都合な課題がある。例えば、断片要素光学系として両側テレセントリック光学系を考えると、図16の如く、光軸方向に厚みのある透明な被写体の表面(o3)と裏面(o1)に対応する面を同時に検査を実施するとする。この透明被写体と撮像レンズL間に、光軸に対し、図17の如き、上下片側にそれぞれ有効口径断面を有した2分割の断片要素光学系Aを装着する。このとき、断片要素光学系がそれぞれフォーカス移動し、光軸上の被写体表裏にフォーカス移動し、光軸に沿った、異なる二つの断面にそれぞれフォーカスされ、断片要素光学系の像面が常に固定される。 When a non-telecentric optical system is employed for the imaging lens L and an afocal optical system or a telecentric optical system is employed for the fragment element optical system, there are disadvantageous problems. For example, when a two-sided telecentric optical system is considered as a fragment element optical system, as shown in FIG. 16, the surfaces corresponding to the front surface (o 3 ) and the back surface (o 1 ) of the transparent subject having a thickness in the optical axis direction are simultaneously inspected. Suppose it is implemented. Between the transparent subject and the imaging lens L, a two-segment segmented element optical system A having an effective aperture cross section on each of the upper and lower half sides as shown in FIG. At this time, the fragment element optical system moves in focus, moves to the front and back of the subject on the optical axis, is focused on two different cross sections along the optical axis, and the image plane of the fragment element optical system is always fixed. The

図16の合焦配置において、図17の半円2分割の断片要素光学系A0、A1の有効口径の弦の中心(半円の場合には直径部分の直線の中心)を光軸に一致させる。光軸に対し上下の半円有効口径部それぞれに光束が通過し、それぞれフォーカス移動して配置された2つの合成素子光学系110を通過し、撮像レンズ系Lに入射する光束として同時に取り込むことが可能な様に配置されている。 In the in-focus arrangement of FIG. 16, the center of the chords of the effective apertures of the half-circle divided fragment element optical systems A 0 and A 1 of FIG. Match. A light beam passes through each of the upper and lower semicircular effective aperture portions with respect to the optical axis, passes through the two combining element optical systems 110 arranged in focus, and is simultaneously captured as a light beam incident on the imaging lens system L. Arranged as possible.

しかし、被写体の光軸より上側半分の領域から発した光束は被写体表面にフォーカスした像のみを結像する。一方、被写体の光軸より下側半分の領域から発した光束は、被写体裏面にフォーカスした像のみを結像することが図9の撮像レンズLの特徴に対応づけ、図16と図17から判る。撮像レンズによって結像される像は光軸より下半面が被写体の上半部の像である。同様に、被写体上半分の領域は光軸より下半部の像である。このため、同時に軸外の被写体の物体を同じ視野内にてフォーカスすることができないと言う問題がある。 However, the light beam emitted from the upper half of the optical axis of the subject forms only an image focused on the subject surface. On the other hand, it can be seen from FIGS. 16 and 17 that the luminous flux emitted from the lower half of the optical axis of the subject forms only an image focused on the back surface of the subject, corresponding to the characteristics of the imaging lens L in FIG. . The image formed by the imaging lens is an image in which the lower half of the optical axis is the upper half of the subject. Similarly, the upper half area of the subject is an image of the lower half portion from the optical axis. For this reason, there is a problem that an off-axis subject object cannot be focused in the same field of view at the same time.

断片要素光学系を円環状の鏡筒枠の中に、回転対称になるよう装着配置すると、これをコンバーターと見なすことができる。光軸と半円断片要素光学系の有効口径の弦の中心を一致させ、光軸を軸にこのコンバーターを回転させる。
被写体の奥行き方向の異なる断面から発した光束が波面分割され、それぞれの波面光束を同一ピント面にジャストフォーカスした二つの像を、この機械的な回転により、像面中心にて二分する光軸の上下に交互に結像させることができる。その結果、像面において全視野領域にわたり、被写体の異なる位置断面を同時に撮像することができる。
If the fragment element optical system is mounted and arranged in an annular lens barrel so as to be rotationally symmetric, it can be regarded as a converter. The optical axis and the center of the chord of the effective aperture of the semicircular piece element optical system are matched, and this converter is rotated around the optical axis.
The light beams emitted from different cross-sections of the subject in the depth direction are divided into wavefronts, and the two optical images that are just focused on the same focus surface are divided into two at the center of the image plane by this mechanical rotation. Images can be alternately formed vertically. As a result, different position cross sections of the subject can be simultaneously imaged over the entire visual field region on the image plane.

さらに、図18に示すように、合成された扇形の断片要素光学系の各セグメントは有効口径が減少し暗くなる。また各セグメントの境界の側面にて、通過斜光束が一部遮られる。この効果を緩和するため、図18の合成扇形断片要素光学系を円環状の鏡筒枠の中に挿入配置し、光軸と合成扇形断片要素光学系の頂点を含む陵に一致させ、光軸を軸に合成扇形の断面を有する合成素子光学系を回転させる。その結果、光軸に対し、撮像画面内の光量分布の均一化を図ることできる。 Furthermore, as shown in FIG. 18, each segment of the synthesized sector-shaped fragmentary element optical system becomes dark as the effective aperture decreases. Further, the passing oblique light beam is partially blocked at the side surface of the boundary of each segment. In order to alleviate this effect, the synthetic fan-shaped fragment element optical system of FIG. 18 is inserted and arranged in an annular lens barrel frame so as to coincide with the ridge including the vertex of the synthetic fan-shaped fragment element optical system. A synthetic element optical system having a synthetic sector cross section about the axis is rotated. As a result, the light quantity distribution in the imaging screen can be made uniform with respect to the optical axis.

また装着可能な合成素子光学系を、撮像光学系に対し、前側(物空間)、内部、後側(像空間)のいずれにも配置可能である。図19に示すように前側に配置するならば、結像関係を満たしつつ撮像光学系になるべく近い方が望ましい。図20に示すように、後側に配置するときも、同様に撮像光学系になるべく近い方が望ましい。このことにより、光学系も容易に小型化が可能である。 In addition, the mountable combining element optical system can be disposed on the front side (object space), inside, or rear side (image space) with respect to the imaging optical system. If it is arranged on the front side as shown in FIG. 19, it is desirable that it is as close as possible to the imaging optical system while satisfying the imaging relationship. As shown in FIG. 20, when it is arranged on the rear side, it is desirable that the imaging optical system be as close as possible. As a result, the optical system can be easily reduced in size.

撮像光学系を拡大系にて使用するとき、深度の効率を考慮すると物体空間に配置する方が効果的である。一方、明るさの負荷を考慮すると像空間に配置する方が効果的である。特に、撮像光学系の内部に配置するときは結像関係を満たしつつ開口絞りに近傍が望ましい。更に、絞りの前後に配置され対称となる平行系が好適である。軸上光束も、軸外光束も同時に、より均等に分割制御可能であるからである。 When the imaging optical system is used in an enlargement system, it is more effective to arrange it in the object space in consideration of the efficiency of depth. On the other hand, considering the load of brightness, it is more effective to arrange in the image space. In particular, when it is disposed inside the imaging optical system, it is desirable that the vicinity of the aperture stop be satisfied while satisfying the imaging relationship. Furthermore, a symmetrical parallel system that is arranged before and after the stop is preferable. This is because both the on-axis light beam and the off-axis light beam can be divided and controlled more evenly at the same time.

異なる位置に配置された被写体を同時に撮像するとき、フロントタイプ以外の配置では合成撮像倍率を一定にすることはできない。しかし、撮像光学系をテレセン光学系、或いはアフォーカル光学系にすることにより合成撮像倍率がほぼ一定の超深度光学系が構成できる。 When simultaneously imaging subjects arranged at different positions, the composite imaging magnification cannot be made constant in arrangements other than the front type. However, an ultra-deep optical system having a substantially constant combined imaging magnification can be configured by using an imaging optical system as a telecentric optical system or an afocal optical system.

本実施形態では、撮像画面内光量分布の均一化とデフォーカス像の撮像ボケの光束形状の整形のために被写体と撮像像面との間に配置され、異なる位置に配置された複数の被写体の全視野を同時に撮像可能とするために、形状的に回転対称性を有していたもののそれぞれ部分からなる合成素子光学系を撮像光学系の光軸に対し、軸回転させる回転機構を導入している。 In the present embodiment, a plurality of subjects arranged at different positions are arranged between the subject and the imaging image plane in order to make the light amount distribution in the imaging screen uniform and shape the light flux shape of the imaging blur of the defocused image. In order to be able to capture the entire field of view at the same time, we introduced a rotation mechanism that rotates the combined element optical system consisting of each part of the optical axis of the imaging optical system. Yes.

回転機構は合成素子光学を内包する鏡筒を例えば、円環状(ドラム)モーターDMを装備する。このことより小型化を実現しつつ、合成素子光学系を回転駆動することが可能である。その他、ギアー連鎖機構にて外部駆動としても実現可能である。 The rotating mechanism is equipped with, for example, an annular (drum) motor DM, which is a lens barrel containing the composite element optics. This makes it possible to rotationally drive the synthesizing element optical system while realizing a reduction in size. In addition, it can be realized as an external drive by a gear chain mechanism.

合成素子光学系に適当な回転速度を与えることにより、一部の視野しか同時に撮像できない撮像光学系を採用したときでも全視野領域において見掛け上、同時撮像が可能である。更に、この回転周期の同期信号を画像処理系に取り込み採用することにより、被写体の断面を走査し、カメラCの受光素子による撮像にて、映像信号の合目的的な取り込みが可能である。その結果、画面合成、映像加工等、所望の画像処理が可能である。 By applying an appropriate rotation speed to the combining element optical system, even when an imaging optical system capable of simultaneously imaging only a part of the visual field is adopted, apparently simultaneous imaging is possible in the entire visual field region. Furthermore, by capturing and adopting the synchronization signal of this rotation period in the image processing system, it is possible to capture the video signal purposely by scanning the cross section of the subject and taking an image with the light receiving element of the camera C. As a result, desired image processing such as screen composition and video processing is possible.

図17及び図9から分かるように、アフォーカル光学系もしくはテレセントリックな合成素子光学系を使用するとき、結像に使用される光束が制限されるので、撮像される視野が限定される。そのため、この合成素子光学系の回転にて図17の入射光束を変化させ、被写体断面内の領域をスキャンする。
更に、回転にて合成光学素子の各断片境界面における通過光束の遮蔽も緩和可能である。このようにして、撮像光学系がノンテレセントリック光学系で、合成光学素子がテレセン性を有するとき、同時多重フォーカスをするため、同様な理由により合成光学素子を回転させることが非常に有効である。
As can be seen from FIGS. 17 and 9, when an afocal optical system or a telecentric combining element optical system is used, the light field used for imaging is limited, so the field of view to be imaged is limited. Therefore, the incident light beam in FIG. 17 is changed by the rotation of the combining element optical system, and the region in the cross section of the subject is scanned.
Furthermore, the shielding of the passing light beam at each fragment boundary surface of the combining optical element can be relaxed by rotation. In this way, when the imaging optical system is a non-telecentric optical system and the combining optical element has telecentricity, simultaneous multiple focusing is performed. Therefore, it is very effective to rotate the combining optical element for the same reason.

更に、合成素子光学系を回転させることにより、異なる物体断面からの像に対し、そのデフォーカス像(ボケ光束の形状)の対称性がよくなり、見掛け上、目立ちにくくすることができる。さらに、光束断面の分割形状によって発生する光量の不均一を撮像画面内において、光量分布の均一化を図ることできる。
また変形例として、被写体と撮像像面との間に配置され、断片要素光学系が複数のレンズ成分から構成され、合成素子光学系は撮像レンズに対し、着脱可能な光学系を構成しても良い。フロントコンバーター光学系あるいはリアーコンバーター光学系として使用し可能なモジュール光学系としての機能を有する。これは他なる撮像光学系にも装着可能であるように、個別に収差が補正され光学性能が確保されていることを示している。その結果、複数の異なる位置に配置された複数の被写体の鮮明な像を同時に撮像可能である。フロントコンバーターあるいはリアーコンバーターとして、汎用的に使用可能であり、システム性の高い光学系とメカ機構も含む着脱可能な光学モジュール(汎用光学モジュール)としても機能する。
Furthermore, by rotating the combining element optical system, the symmetry of the defocused image (the shape of the blurred light beam) is improved with respect to images from different object cross sections, and it can be made inconspicuous. Furthermore, the non-uniformity in the amount of light generated due to the split shape of the light beam cross section can be made uniform in the imaging screen.
Further, as a modification, it may be arranged between the subject and the captured image plane, the fragment element optical system is composed of a plurality of lens components, and the combining element optical system may constitute a removable optical system for the imaging lens. good. It has a function as a module optical system that can be used as a front converter optical system or a rear converter optical system. This indicates that the aberration is individually corrected and the optical performance is ensured so that it can be mounted on other imaging optical systems. As a result, clear images of a plurality of subjects arranged at a plurality of different positions can be taken simultaneously. It can be used for general purposes as a front converter or a rear converter, and also functions as a detachable optical module (general-purpose optical module) including an optical system having a high system property and a mechanical mechanism.

(第14実施形態)
本実施形態は、断片要素光学系から構成された合成素子光学系と、この断片要素光学系のうち、特定の一つの有効光束に対応した形状の開口を有し、透過可能な遮光板を共に撮像光学系の光軸の周りに回転させる機構を有することに特徴がある。
(14th Embodiment)
In the present embodiment, a combining element optical system composed of fragmentary element optical systems and an aperture having a shape corresponding to one specific effective light beam of the fragmentary element optical systems, and a light-transmitting light shielding plate are both provided. It is characterized by having a mechanism for rotating around the optical axis of the imaging optical system.

遮光板の回転により、異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像した像を分離、特定する光学系シテムを以下に説明する。
後述するモジュール光学系MDの合成素子光学系部を固定し、その前或いは後ろに等分割された各セグメントの大きさ、形に対応した一つの透過穴を有するマスクを新たに挿入配置し、このマスクを光軸の周りに回転させる。
このことにより、各セグメンとから透過した光束のみ選択抽出し結像させる。この光束が透過した合成素子光学系のセグメントに対応する識別信号を認識し、基準位置からの所定回転角と周期的に同期をとり、対応する被検査断面とを対応付ける。その結果、同時結像した像が、各被写体からの光束がどの断片要素光学系を通過し結像した像であるかを特定することができる。あるいは、又このマスクを固定し、合成素子光学系を光軸の周りに回転させても同様な結果を得ることができる。
An optical system system that separates and identifies images obtained by simultaneously imaging a plurality of subjects arranged at different positions by rotating the light shielding plate will be described below.
A composite element optical system part of a module optical system MD, which will be described later, is fixed, and a mask having one transmission hole corresponding to the size and shape of each segment equally divided in front or behind is newly inserted and arranged. Rotate the mask around the optical axis.
As a result, only the light beam transmitted from each segment is selectively extracted and imaged. An identification signal corresponding to the segment of the combining element optical system through which the light beam has passed is recognized, and periodically synchronized with a predetermined rotation angle from the reference position, and the corresponding cross section to be inspected is associated. As a result, it is possible to specify which fragment element optical system the luminous flux from each subject passes through and forms the image formed simultaneously. Alternatively, the same result can be obtained by fixing this mask and rotating the combining element optical system around the optical axis.

また、このマスクを特定のセグメントに貼り付け、合成素子光学系を回転させることにより、特定の距離にある被写体の像を分離し撮像が可能である。更にこのマスクと合成素子光学系を独立にそれぞれ同時に回転させることにより、それぞれ異なる位置に在る被写体の視野全体と各位置の多重像を分離、且つ特定することができる。このことはそれぞれの部材の回転周期と撮像のタイミングの設定にて容易に実現可能である。 Further, by pasting this mask on a specific segment and rotating the synthesizing element optical system, it is possible to separate and image an image of a subject at a specific distance. Furthermore, by rotating the mask and the combining element optical system independently and simultaneously, the entire field of view of the subject at different positions and the multiple images at the respective positions can be separated and specified. This can be easily realized by setting the rotation period and imaging timing of each member.

なお、これらのモジュール光学系MDを構成する合成素子光学系は複数の種類からなる素子に適当な倍率、分割数、光学系のタイプを選択することが可能である。この様に広範囲にわたり、被写体の複数断面に、同時フォーカスが可能であることが明らかである。 更に、三次元の画像入力の被写体断面の走査手段としても応用ができる。被写体の前後から発生するでフォーカス像はコンフォーカルシステムを構築することにより、各被写体断面の鮮明な撮像が可能である。特に、本発明において安価で小型の撮像システムを容易に構築できる。 In addition, it is possible to select the magnification, the number of divisions, and the type of the optical system suitable for the composite element optical system constituting these module optical systems MD. In this way, it is clear that simultaneous focusing is possible on a plurality of cross sections of the subject over a wide range. Further, it can be applied as a scanning means for a cross section of a subject for inputting a three-dimensional image. By constructing a confocal system for the focus image generated from the front and back of the subject, it is possible to clearly capture the cross section of each subject. In particular, an inexpensive and small imaging system can be easily constructed in the present invention.

合成素子光学系にアフォーカル系を採用したとき、これらは被写体の特定の部位を撮像可能であるが、全視野を取り込むことができない。そこで、この遮光板を開口を合わせて特定のセグメントに貼り付け、合成素子光学系を回転させることにより、特定の距離にある被写体の像のみ分離し、全視野の撮像が可能である。更に実用的な方法として、前述した遮光板と合成素子光学系を独立にそれぞれ回転させることにより、それぞれ異なる位置にある被写体の視野全体と各位置の多重像を分離、且つ特定することができる。このことはそれぞれの部材の回転周期と撮像装置の撮像タイミングの設定にて容易に実現可能である。 When an afocal system is adopted as the synthesis element optical system, these can image a specific part of the subject, but cannot capture the entire field of view. Therefore, the light shielding plate is attached to a specific segment with the aperture aligned, and the combining element optical system is rotated, whereby only the image of the subject at a specific distance can be separated and the entire field of view can be captured. Further, as a practical method, the light shielding plate and the combining element optical system described above can be independently rotated to separate and specify the entire field of view of the subject at different positions and the multiple images at each position. This can be easily realized by setting the rotation period of each member and the imaging timing of the imaging device.

さらに、この実施例の被写体として平面チャート物体を配置し、その像コントラストから撮像レンズのデフォーカス特性の計測が可能である。また、得られた結果から、撮像レンズの焦点深度も計測可能である。 Furthermore, it is possible to measure a defocus characteristic of the imaging lens from the image contrast by arranging a plane chart object as a subject in this embodiment. Moreover, the focal depth of the imaging lens can also be measured from the obtained result.

(第15実施形態)
本実施形態は、合成素子光学系をモジュール光学系とし、着脱可能にしている点に特徴がある。図27から図29に本実施形態の構成を示す。
(Fifteenth embodiment)
The present embodiment is characterized in that the combining element optical system is a module optical system and is detachable. 27 to 29 show the configuration of this embodiment.

合成素子光学系112を備えた光学系をモジュール光学系MDとする。これらの装着可能な合成素子112は光路中のいずれの場所に配置しても目的は達成できる。汎用性を確保するため、着脱可能なモジュール光学系MDとし機能を分離することも容易に可能である。着脱可能な着脱機構J1、J2、J3は例えば、バイオネットマウントや、スクリューマウント等にて実施可能である。 An optical system including the synthesis element optical system 112 is referred to as a module optical system MD. The purpose can be achieved even if these mountable combining elements 112 are arranged at any location in the optical path. In order to ensure versatility, it is possible to easily separate the functions as a detachable module optical system MD. The detachable attaching / detaching mechanisms J1, J2, and J3 can be implemented by, for example, a bayonet mount or a screw mount.

図27にモジュール光学系MD(フロントコンバーター光学系FC)として使用可能な機能を有する構成を示す。撮像光学系LB物側に連結したフロントコンバーター光学系FCである。この光学系FCは撮像光学系LBに着脱可能な着脱機構J1、J2 と連結手段を有している。
この合成素子光学系の鏡筒FCは撮像光学系の鏡筒LBに着脱可能な連結機構J1を有している。撮像光学系の鏡筒LBは連結機構J2にて撮像カメラCに装着され撮像素子上に同時に撮像される。
FIG. 27 shows a configuration having functions usable as a module optical system MD (front converter optical system FC). This is a front converter optical system FC connected to the imaging optical system LB object side. This optical system FC has attachment / detachment mechanisms J1 and J2 that can be attached to and detached from the imaging optical system LB and a connecting means.
The lens barrel FC of the combining element optical system has a coupling mechanism J1 that can be attached to and detached from the lens barrel LB of the imaging optical system. The lens barrel LB of the imaging optical system is attached to the imaging camera C by the coupling mechanism J2 and is simultaneously imaged on the imaging element.

図28は撮像光学系LBの像側に連結したリアーコンバーター光学系RCである。この光学系RCは撮像光学系LBに着脱可能な着脱機構J1、J2と撮像カメラCへの着脱機構J3との連結手段を有している。モジュール光学系MD(リアーコンバーター光学系RC)として使用可能な機能を有する。
この合成素子光学系の鏡筒RCは撮像光学系の鏡筒LBの像側に着脱可能な着脱機構J1なる連結手段を有している。合成素子光学系の鏡筒RCは中間鏡筒JBと着脱可能な着脱機構J2にて連結しており、中間鏡筒JBは着脱可能な着脱機構J3にて撮像カメラCに装着され撮像素子IMに同時に撮像される。
FIG. 28 shows a rear converter optical system RC connected to the image side of the imaging optical system LB. This optical system RC has a connecting means for attaching / detaching mechanisms J1 and J2 that can be attached to and detached from the imaging optical system LB and an attaching / detaching mechanism J3 to the imaging camera C. It has a function that can be used as a module optical system MD (rear converter optical system RC).
The lens barrel RC of this combining element optical system has a connecting means which is a detachable mechanism J1 that can be attached to and detached from the image side of the lens barrel LB of the imaging optical system. The lens barrel RC of the combining element optical system is connected to the intermediate lens barrel JB by a detachable attaching / detaching mechanism J2, and the intermediate lens barrel JB is attached to the imaging camera C by the detachable attaching / detaching mechanism J3 and is attached to the imaging element IM. Images are taken simultaneously.

図29は撮像光学系LB1とLB2の内部に配置される専用のモジュール光学系MD(MC)であり、開口絞りSの近傍に合成素子光学が配置されている。
図29は撮像光学系LB1とLB2の内部に装着配置される専用の内蔵光学系MCである。開口絞りS、この光学系MCは撮像光学系LB1、LB2に着脱可能な着脱機構J1、J2と撮像カメラCに着脱可能な着脱機構J3との連結手段を有している。
FIG. 29 shows a dedicated module optical system MD (MC) disposed inside the image pickup optical systems LB1 and LB2, and the combining element optical is disposed in the vicinity of the aperture stop S.
FIG. 29 shows a dedicated built-in optical system MC mounted and arranged inside the imaging optical systems LB1 and LB2. The aperture stop S and the optical system MC have connecting means for attaching / detaching mechanisms J1 and J2 that can be attached to and detached from the imaging optical systems LB1 and LB2 and an attaching / detaching mechanism J3 that can be attached to and detached from the imaging camera C.

超被写体深度の機能を必要としないときは、特定の基準倍率のアフォーカル光学系か、或いはダミーのガラスブロックが撮像光学系が装着されているものとする。超被写体深度光学系を実現するときは、これを断片要素光が系からなる合成素子光学系に置き換えれば良い。この合成素子光学系において軸上光束も、軸外光束も同時に、より均等に分割制御可能であるからである。この合成素子光学系の鏡筒MCは撮像光学系の鏡筒LB1、LB2に着脱可能な着脱機構J1、J2と撮像カメラCとの着脱機構J3とを有し、それぞれ連結装着され撮像素子IMに同時に撮像される。 When the super-subject depth function is not required, it is assumed that the afocal optical system with a specific reference magnification or a dummy glass block is mounted with the imaging optical system. When the super subject depth optical system is realized, it may be replaced with a combining element optical system in which the fragment element light is a system. This is because in this combining element optical system, both the on-axis light beam and the off-axis light beam can be divided and controlled more evenly at the same time. The lens barrel MC of the composite element optical system has attachment / detachment mechanisms J1 and J2 that can be attached to and detached from the lens barrels LB1 and LB2 of the imaging optical system, and an attachment / detachment mechanism J3 of the imaging camera C. Images are taken simultaneously.

一般にこの配置では合成撮像倍率を一定にすることはできない。しかし、このとき、絞り空間は軸上物点から発した光束は平行光束となる撮像光学系がシステム構成において好適である。異なる位置に配置された被写体を同時に撮像するとき、撮像光学系をアフォーカル光学系、或いはテレセン光学系とすることにより、内部にさらに、アフォーカル系の合成速素子光学系を挿入する。この挿入により変倍可能な超深度光学系が構成できる。 In general, the composite imaging magnification cannot be made constant in this arrangement. However, at this time, an imaging optical system in which the diaphragm space is a parallel light beam emitted from an on-axis object point is suitable in the system configuration. When images of subjects arranged at different positions are simultaneously imaged, an afocal synthetic speed element optical system is further inserted therein by using an imaging optical system as an afocal optical system or a telecentric optical system. By this insertion, an ultra-deep optical system capable of zooming can be configured.

上記した第8から第15実施形態においては、任意の3次元被写体の被写体面のそれぞれの断面に同時にフォーカスし、それらの断面を同時に撮像するため、例えば被写体と撮像光学系の間に、多重フォーカス可能な光学系を装着する。このため、撮像光学系のフォーカスを合わせ直すことなく、異なる断面に同時にフォーカスされる。 In the eighth to fifteenth embodiments described above, for example, since multiple cross-sections of a subject surface of an arbitrary three-dimensional subject are simultaneously focused and those cross-sections are imaged at the same time, for example, multiple focusing is performed between the subject and the imaging optical system. Wear possible optics. For this reason, different sections are simultaneously focused without refocusing the imaging optical system.

但し、これを実現するために、前述した断片要素光学系からなる合成光学系(多重フォーカス可能な光学系)は各方位方向に断片要素光学系の各部分が合焦移動しつつ配置対応づけられ、この部位を光束が通過する。このように直接機械的な移動を伴わず、被写体の奥行の異なる断面から発した入射光束が、光軸に垂直な断面内において、例えば図18の如く4波面分割されると同時に、この被写体はそれぞれの分割波面光束にて同一ピント面にジャストフォーカスした複数の像として同時に結像される。 However, in order to realize this, the combining optical system (multiple focusable optical system) composed of the above-described fragmentary element optical system is arranged and associated with each part of the fragmentary element optical system moving in focus in each azimuth direction. The light beam passes through this part. In this way, the incident light beam emitted from the different cross sections of the subject without direct mechanical movement is divided into four wavefronts as shown in FIG. 18, for example, in the cross section perpendicular to the optical axis. A plurality of images just focused on the same focal plane are simultaneously formed by the respective divided wavefront light beams.

更に、このように断片要素光学系を配置することは基準位置から各断面要素光学系の移動量が増大し、この光学系よる収差が大きくなり、それ故、結像性能が劣化する。このことに対し色収差を含む収差補正の対応が必要となる。フォーカスによる収差変動は断片要素光学系のレンズ成分の相互のレンズ間隔を調整することで、収差補正が実施される。 Furthermore, the arrangement of the fragment element optical system in this way increases the amount of movement of each cross-section element optical system from the reference position, and the aberration due to this optical system increases, and therefore the imaging performance deteriorates. For this, it is necessary to cope with aberration correction including chromatic aberration. The aberration fluctuation due to the focus is corrected by adjusting the mutual lens interval of the lens components of the fragment element optical system.

また、断片要素光学系へ入射する特定の光線に注目する。各断片境界ぎりぎりに通過する場合、複数の断片要素光学系をまたいで通過する光線がある。これらの光線を断片要素光学系の境界を光軸に平行な遮光板にて被い、フードの如き廂にて遮断する。迷光の遮断をなし遂げることができる。その結果、各断片要素光学系による結像による光束のみにて鮮明な像を確保できる。この様に、撮像光学系と前述した多重フォーカス光学系との合成にて複数の合成形態が存在し、本発明の如き超深度光学系は容易に構成することが可能である。 Also, pay attention to specific light rays incident on the fragment element optical system. When passing through each fragment boundary, there is a light beam that passes through the plurality of fragment element optical systems. These rays are covered with a light shielding plate parallel to the optical axis at the boundary of the fragment element optical system, and blocked by a hood or the like. The stray light can be blocked. As a result, a clear image can be ensured only with the light beam formed by the image formation by each piece element optical system. As described above, there are a plurality of combined forms by combining the imaging optical system and the above-described multi-focus optical system, and the ultra-deep optical system as in the present invention can be easily configured.

上述した実施形態では、合成光学素子の装着配置にて撮像光学系のフォーカスを変えることなく、同一ピント面にフォーカスした複数の像を安定して同時に且つ、鮮明に撮像することができる。その結果、高解像な超被写体深度光学系を実現できる。このことは奥行きのある透明検査物体の表面から内部をへて裏面までを容易に同時に、検査が可能である多重焦点光学系を実現できる。 In the above-described embodiment, a plurality of images focused on the same focus surface can be stably and simultaneously captured clearly and clearly without changing the focus of the imaging optical system in the mounting arrangement of the composite optical element. As a result, a high-resolution super-subject depth optical system can be realized. This makes it possible to realize a multifocal optical system capable of easily and simultaneously inspecting from the front surface to the back surface of a transparent inspection object having a depth.

また透明立体物を撮像することに対応した、小型な光学検査装置を容易に構築することが可能である。特に、非常に大型の撮像光学系(大口径、長焦点距離)は高速フォーカス移動が困難である。この光学系を移動させることなく容易にフォーカスが可能である。その他、光学系を逆転利用し、特定の被写体を異なる結像面へ同時に3次元的撮像記録することも容易に実現できる。例えば、マルチメデア対応の多重記録、書き込み用のピックァップ光学系を容易に実現できる。それ故、多様な記録、再生メデアに対し、安定した対応が可能である。同様に、不透明な立体物表面の超深度撮像も容易に可能である。 In addition, it is possible to easily construct a small optical inspection apparatus corresponding to imaging a transparent three-dimensional object. In particular, a very large imaging optical system (large aperture, long focal length) is difficult to move at high speed. Focusing can be easily performed without moving the optical system. In addition, it is also possible to easily realize three-dimensional imaging and recording of a specific subject on different imaging planes by using the optical system in reverse. For example, a pick-up optical system for multi-media and multiple recording and writing can be easily realized. Therefore, it is possible to stably handle various recording and reproduction media. Similarly, ultra-deep imaging of an opaque three-dimensional object surface is easily possible.

本発明の第1実施形態に係る撮像装置の要部構成を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating a main configuration of an imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。It is a typical sectional view of the imaging device concerning a 1st embodiment. 本発明の第2実施形態に係る撮像装置の要部構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principal part structure of the imaging device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。It is a typical sectional view of an imaging device concerning a 2nd embodiment. 第2実施形態に係る撮像装置における被検体と挿入プレートとの間の光路を説明する図である。It is a figure explaining the optical path between the subject and insertion plate in the imaging device concerning a 2nd embodiment. 本発明の第3実施形態に係る撮像装置の要部構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principal part structure of the imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 第3実施形態に係る撮像装置において用いられる挿入プレートを示す図であり、(A)は斜視図、(B)は(A)における矢視VIIB−VIIBから見た正面図、(C)は(A)における矢視VIIC−VIICから見た側面図である。It is a figure which shows the insertion plate used in the imaging device which concerns on 3rd Embodiment, (A) is a perspective view, (B) is the front view seen from the arrow VIIB-VIIB in (A), (C) is ( It is the side view seen from the arrow view VIIC-VIIC in A). 第3実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。It is a typical sectional view of an imaging device concerning a 3rd embodiment. 第4実施形態に係る撮像装置の模式的構成図である。It is a typical block diagram of the imaging device which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。It is a typical sectional view of an imaging device concerning a 5th embodiment. 第6実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。It is a typical sectional view of an imaging device concerning a 6th embodiment. 撮像レンズの後方に挿入プレートを挿入設置した場合においても、撮像レンズの前方に挿入プレートを挿入した場合と同様の効果が得られることを説明するための光路図である。FIG. 10 is an optical path diagram for explaining that the same effect as that obtained when the insertion plate is inserted in front of the imaging lens can be obtained even when the insertion plate is inserted and installed behind the imaging lens. 第7実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。It is a typical sectional view of an imaging device concerning a 7th embodiment. 撮像レンズによる結像関係を示した図。The figure which showed the image formation relationship by an imaging lens. 撮像レンズの焦点深度と被写体深度との幾何光学的配置の関係を示した図。The figure which showed the relationship of the geometric optical arrangement | positioning of the focal depth of an imaging lens, and object depth. アフォーカル光学系による結像関係を示した図。The figure which showed the image formation relationship by an afocal optical system. 第8実施形態に係る合成素子光学系を示す図。The figure which shows the synthetic | combination element optical system which concerns on 8th Embodiment. 第8実施形態に係る合成素子光学系を示す図。The figure which shows the synthetic | combination element optical system which concerns on 8th Embodiment. フロントタイプの、合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、被写体位置と像面の関係を示す図。The figure which shows the relationship between a to-be-photographed object position and an image surface in the imaging relationship of a synthetic | combination element optical system and an imaging optical system of a front type. リアータイプの、合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、被写体位置と像面の関係を示す図。The figure which shows the relationship between a to-be-photographed object position and an image surface in the imaging relationship of a rear type synthetic | combination element optical system and an imaging optical system. 第9実施形態の合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、複数の被写体位置と、各断片要素光学系の合焦配置と像面の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the several object position, the focusing arrangement | positioning of each fragmentary element optical system, and an image surface in the imaging relationship of the synthetic | combination element optical system and imaging optical system of 9th Embodiment. 第10実施形態の合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、複数の被写体位置と、各断片要素光学系の合焦配置と像面の関係を示す図。The figure which shows the relationship of several object position, the focusing arrangement | positioning of each fragmentary element optical system, and an image surface in the imaging relationship of the synthetic | combination element optical system and imaging optical system of 10th Embodiment. アフォーカル光学系と撮像光学系との合成光学系の焦点深度と被写体深度と関係を示す図。The figure which shows the relationship between the depth of focus and subject depth of the synthetic | combination optical system of an afocal optical system and an imaging optical system. ケプラー式光望遠鏡系の合焦状態を示す図。The figure which shows the focusing state of a Kepler type optical telescope system. 第11実施形態のガリレオ式望遠鏡系の合焦状態を示した図。The figure which showed the focusing state of the Galileo type telescope system of 11th Embodiment. 第12実施形態の逆ガリレオ式望遠鏡系の合焦状態を示した図。The figure which showed the in-focus state of the reverse Galileo type | formula telescope system of 12th Embodiment. 第15実施形態を示す図。The figure which shows 15th Embodiment. 第15実施形態を示す図。The figure which shows 15th Embodiment. 第15実施形態を示す図。The figure which shows 15th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 撮像装置
2 撮像レンズ
3 挿入プレート(平行平板部材)
4 結像面
5 撮像デバイス
6 画像処理装置
7 ディスプレイ
8 平行平板ガラス
Q1 被検体
Q2 被検体(他の被検体)
S1 基準面(被検体)
S2 参照面(他の被検体)
110、111、112 合成素子光学系
0、A1、A2、A3、A4、A5 断片要素光学系
MD モジュール光学系
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Imaging device 2 Imaging lens 3 Insertion plate (parallel plate member)
4 Imaging surface 5 Imaging device 6 Image processing device 7 Display 8 Parallel flat glass Q1 Subject Q2 Subject (other subjects)
S1 Reference plane (subject)
S2 Reference plane (other subjects)
110, 111, 112 Synthesis element optical system A 0 , A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 Fragment element optical system MD Module optical system

Claims (17)

被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系において、
前記被検体と前記結像面との間に透明な平行平板部材を介装し、前記被検体から出て前記結像面上に集光される光の一部が前記平行平板部材を通過するようにすることにより、前記被検体の像と、前記被検体から前記平行平板部材の厚さ及び屈折率に応じた距離だけ光軸方向に離間した他の被検体の像とが、同時に、前記結像面に結像されるようにしたことを特徴とする結像光学系。
In an imaging optical system that forms an image of a subject on an imaging surface,
A transparent parallel plate member is interposed between the subject and the imaging plane, and a part of the light exiting from the subject and condensed on the imaging plane passes through the parallel plate member. By doing so, the image of the subject and the image of the other subject separated from the subject in the optical axis direction by a distance corresponding to the thickness and refractive index of the parallel plate member are simultaneously An imaging optical system characterized in that an image is formed on an imaging plane.
前記平行平板部材が、前記光軸を中心とする円周方向に並んで配置された複数のセグメントの結合からなるとともに、前記複数のセグメントそれぞれの厚さ及び/又は屈折率が互いに異なっていることを特徴とする請求項1記載の結像光学系。 The parallel plate member is composed of a combination of a plurality of segments arranged in a circumferential direction around the optical axis, and the thickness and / or refractive index of the plurality of segments are different from each other. The imaging optical system according to claim 1. 前記平行平板部材が前記光軸まわりに回転自在であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の結像光学系。 3. The imaging optical system according to claim 1, wherein the parallel plate member is rotatable around the optical axis. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の結像光学系と、前記結像面上に結像された像を撮像する撮像デバイスとを備えて構成されたことを特徴とする撮像装置。 An imaging apparatus comprising: the imaging optical system according to claim 1; and an imaging device that captures an image formed on the imaging surface. 前記結像光学系は開口絞りを有し、前記結像光学系を構成する前記平行平板部材は前記開口絞りの近傍位置に設けられていることを特徴とする請求項4記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 4, wherein the imaging optical system has an aperture stop, and the parallel plate member constituting the imaging optical system is provided in the vicinity of the aperture stop. 前記結像光学系を構成する前記平行平板部材及び前記平行平板部材以外の一又は複数の光学素子は互いに分離可能なモジュールとして構成されており、各モジュールは前記撮像装置の光軸に対して配置の変更が可能になっていることを特徴とする請求項4又は5記載の撮像装置。 The parallel plate member constituting the imaging optical system and one or a plurality of optical elements other than the parallel plate member are configured as separable modules, and each module is arranged with respect to the optical axis of the imaging device. The imaging apparatus according to claim 4, wherein the imaging device can be changed. 被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系において、
前記被検体と前記結像面との間に、屈折力が異なる複数の領域に分割された光学素子を有し、
前記複数の領域は、光軸方向の異なる位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする結像光学系。
In an imaging optical system that forms an image of a subject on an imaging surface,
An optical element divided into a plurality of regions having different refractive powers between the subject and the imaging plane;
The imaging optical system, wherein the plurality of regions are respectively arranged at different positions in the optical axis direction.
前記光学素子は円形であり、光軸を中心として円周方向に複数の領域に分割されていることを特徴とする請求項7に記載の結像光学系。 8. The imaging optical system according to claim 7, wherein the optical element has a circular shape and is divided into a plurality of regions in the circumferential direction around the optical axis. 前記複数の領域は、光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被検体との距離に対応して配置され、
前記複数の被検体は、前記複数の領域を有する前記光学素子によって同一の像面に結像されることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の結像光学系。
The plurality of regions are arranged corresponding to the distance to a plurality of subjects arranged at different positions along the optical axis,
The imaging optical system according to claim 7 or 8, wherein the plurality of subjects are imaged on the same image plane by the optical element having the plurality of regions.
前記複数の領域は、光軸方向に移動可能であり、
前記複数の被検体は、前記複数の領域を有する前記光学素子によって同一の像面に結像されることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の結像光学系。
The plurality of regions are movable in the optical axis direction,
The imaging optical system according to claim 7 or 8, wherein the plurality of subjects are imaged on the same image plane by the optical element having the plurality of regions.
前記光学素子は、アフォーカル光学系またはテレセントリック光学系であること
を特徴とする請求項7に記載の結像光学系。
The imaging optical system according to claim 7, wherein the optical element is an afocal optical system or a telecentric optical system.
前記光学素子は、光軸の周りに回転可能であること
を特徴とする請求項7から請求項11のいずれか一項に記載の結像光学系。
The imaging optical system according to any one of claims 7 to 11, wherein the optical element is rotatable around an optical axis.
前記光学素子は、撮像素子に対して回転可能であること
を特徴とする請求項7から請求項11のいずれか一項に記載の結像光学系。
The imaging optical system according to claim 7, wherein the optical element is rotatable with respect to the imaging element.
前記光学素子は、撮像光学系の開口絞り近傍に配置されていること
を特徴とする請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の結像光学系。
The imaging optical system according to any one of claims 1 to 13, wherein the optical element is disposed in the vicinity of an aperture stop of the imaging optical system.
前記複数の領域のうちの特定の一つの領域の有効光束に対応した形状の開口を有する遮光板と、
前記遮光板を光軸の周りに回転させ、前記被検体を同時に撮像した像を分離、特定する手段とを有すること、
を特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の結像光学系。
A light-shielding plate having an opening having a shape corresponding to an effective light beam of a specific one of the plurality of regions;
Means for rotating the light shielding plate around an optical axis and separating and specifying an image obtained by simultaneously imaging the subject;
The imaging optical system according to any one of claims 1 to 12, wherein:
請求項7から請求項15のいずれか一項に記載された結像光学系を有し、
前記被検体と撮像面との間に配置され、前記結像光学系が撮像レンズに着脱可能であることを特徴とする撮像装置。
The imaging optical system according to any one of claims 7 to 15,
An imaging apparatus, wherein the imaging apparatus is disposed between the subject and an imaging surface, and the imaging optical system is detachable from an imaging lens.
請求項7から請求項15のいずれか一項に記載された結像光学系を有し、
前記被検体と撮像面との間に配置され、前記結像光学系が撮像光学系に着脱可能であることを特徴とする撮像装置。
The imaging optical system according to any one of claims 7 to 15,
An imaging apparatus, wherein the imaging apparatus is disposed between the subject and an imaging surface, and the imaging optical system is detachable from the imaging optical system.
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