JP2009015254A - 光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で中心軸と略直交する方向の全方位の画像を撮像素子上に撮像することが可能であり、像歪が少なくＦ−θ特性の良い小型で解像力が高く安価な光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡を提供する。
【解決手段】中心軸２を含む断面内で、中心軸２に直交する方向を中心に片側約９０°の画角を有し、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなり、透明媒体Ｌ１は、中心軸２に対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸２側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面５側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３に対して像面５と反対側に配置された第３反射面１４と、第３反射面１４より像面５側に配置された第２透過面１５と、を有し、入射光束は、第１透過面１１から内部反射を経て、第２透過面１５より出射する略Ｗ字状の光路Ａを構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡に関し、特に、回転対称軸周りの映像を撮像素子に円環状の映像として結像する機能を有する結像光学系又は投影光学系に関するものである。

屈折光学系と、反射光学系と、結像光学系とが配置され、２つの光路を有し、パノラマ画像及び軸方向画像の撮像が可能な撮像光学系として特許文献１がある。また、同様に２つの光路を有する内視鏡として特許文献２がある。さらに、周囲全方位を観察できる内視鏡として特許文献３、周囲全方位を観察できるカプセル内視鏡として特許文献４がある。また、周囲全方位と前方を同時に撮像できる撮像装置として特許文献５がある。さらに、全方位の光学系として特許文献６乃至１３がある。
特表２００３−０４２７４３号公報 米国特許公開２００４−０２５４４２４号公報 特開昭６０−４２７２８号公報 特開２００１−１７４７１３号公報 特開２００２−３４１４０９号公報 米国特許第３５０５４６５号公報 米国特許第５８５４７１３号公報 米国特許第６１１５１９３号公報 米国特許第６１７５４５４号公報 米国特許第６３５６２９６号公報 米国特許第６３９２６８７号公報 米国特許第６４４９１０３号公報 米国特許第６５９７５２０号公報

しかしながら、どの特許文献に記載された光学系も小型で解像力の良い映像を得ることはできなかった。

本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で中心軸と略直交する方向の全方位の画像を撮像素子上に撮像することが可能であり、像歪が少なくＦ−θ特性の良い小型で解像力が高く安価な光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡を提供することである。

上記目的を達成する本発明の光学素子は、中心軸を含む断面内で、中心軸に直交する方向を中心に片側約９０°の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、前記透明媒体は、前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、前記第１反射面より像面側に配置された第２反射面と、前記第２反射面に対して像面と反対側に配置された第３反射面と、前記第３反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で像面側に反射され、前記第２反射面で像面側と反対側に反射され、前記第３反射面で像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側に外へ出る略Ｗ字状の光路を構成し、前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成されることを特徴とする。

また、前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする。

また、前記第２透過面のメリジオナル断面のパワーは負であり、前記第２透過面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする。

また、前記光学素子は、屈折率１．５以上の透明媒質で構成されていることを特徴とする。

また、前記第１反射面、前記第２反射面、前記第３反射面のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することを特徴とする。

また、前記第１反射面と前記第２反射面と前記第３反射面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする。

また、前記透明媒体の有する面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする。

さらに、上記目的を達成する本発明の光学素子を備えた光学系は、前群と、前記前群より像面側に配置された後群と、前記前群と前記後群の間に配置された開口とを備え、前記光学素子は、前記前群に配置され、前記中心軸を囲むように配置された物体の像を形成し、あるいは前記中心軸から放射する方向に物体の像を投影することを特徴とする。

また、前記光学系は、中心軸の周囲の円環状の物体の像を中心軸と直交する平面内に形成することを特徴とする。

また、前記第１反射面、前記第２反射面及び前記第３反射面は、前記開口側に凸面を向けて配置されることを特徴とする。

また、前記第２透過面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする。

また、前記光学系は、光路中で中間像を形成しないことを特徴とする。

また、前記光学素子は開口に対して像面と反対側に配置されることを特徴とする。

また、前記光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする。

また、前記光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする。

さらに、上記目的を達成する本発明は、前記光学系を用いた内視鏡であることを特徴とする。

以上の本発明の光学系においては、簡単な構成で異なる方向を観察又は異なる方向に映像を投影することが可能な小型で収差が良好に補正された解像力の良い光学系を得ることができる。

以下、実施例に基づいて本発明の光学素子及びそれを備えた光学系について説明する。

図３は、後述する実施例１の光学系１の中心軸（回転対称軸）２に沿ってとった断面図である。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、光路を逆にとって投影光学系として用いることもできる。

実施例１の光学系１は、中心軸２に対して回転対称で、負のパワーを有する前群Ｇｆと、開口Ｓと、正のパワーを有する後群Ｇｂとからなり、中間像を光路中に形成することなく像を形成又は投影する光学系１である。像面５近傍の平行平板は撮像素子のカバーガラスＣ等である。

また、前群Ｇｆを負，後群Ｇｂを正にすることにより、所謂レトロフォーカスタイプとなり、特に観察画角を広く取りたい場合に有効である。

本発明の光学素子は、中心軸２を含む断面内で、中心軸２に直交する方向を中心に片側約９０°の画角を有し、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなり、透明媒体Ｌ１は、中心軸２に対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２に対して像面５側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３に対して像面５と反対側に配置された第３反射面１４と、第３反射面１４より像面５側に配置された第２透過面１５と、を有し、透明媒体Ｌ１に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１を経て透明媒体Ｌ１内に入り、第１反射面１２で像面５側に反射され、第２反射面１３で像面５と反対側に反射され、第３反射面１４で像面５側に反射され、第２透過面１５を経て透明媒体Ｌ１から像面５側に外へ出る略Ｗ字状の光路Ａを構成し、光路Ａは、中心軸２に対して片側のみで構成される。

この構成により、片側約９０°の大きな画角をもちながら、光路Ａの第１反射面１２、第２反射面１３及び第３反射面１４への入射角度を比較的小さくすることが可能となり、反射面で発生する偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。また、光路Ａを中心軸の片側のみで構成することにより、光学素子内の光路が中心軸２を跨ぐことがなくなり、光学素子を薄くすることが可能となる。

さらに、本発明の光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい、この条件はメリジオナル断面での縮小角倍率を表しており、条件式（１）の下限を超えると本発明の光学素子にかかる負担が大きくなってしまい、光学素子が異常に大型化したり、屈折率が異常に高い高価なガラスが必要になったりする。また、条件式（１）の上限を超えると光学素子の画角縮小効果が無くなり、後群に入射する画角が広くなってしまい後群の負担が大きくなる。

さらに好ましくは
０．０２＜βω＜０．２ ・・・（１−１）
なる条件を満足するとよい。

また、第２透過面１５の近軸のパワーをＰ、中心主光線の光学系全系のメリジオナル断面のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
なる条件を満足することが好ましい。この条件式（２）は全体のパワーに占める第２透過面１５の占める割合を表しており、条件式（２）の下限を超えると第２透過面１５の負のパワーが強くなることを意味し、角倍率を小さくすることが可能となるが、小さくしすぎるとこの面で発生するコマ収差や非点収差の発生が大きくなりすぎてしまい、他の面で補正することが不可能となる。また、条件式（２）の上限を超えると第２透過面１５の負のパワーが小さくなりすぎ上記条件式と同様にメリジオナル断面の角倍率を大きく（縮小率を大きく）取れず、後群の負担が大きくなり光学系が大型になってしまう。

また、光学素子を屈折率１．５以上の媒質にして、反射作用を有する面を内部反射面で構成することにより、反射面で構成するより収差の発生が少なくなる。この構成により小型で高解像の光学系を構成することが可能となると同時に、２つの反射面を一体に構成することが可能となり、組み立て調整上好ましい。

さらに好ましくは屈折率１．７以上の媒質で構成することが好ましい。屈折率を上げるとそれだけ内部反射面の曲率を小さく（曲率半径を大きく）でき、特に本発明のように偏心光学系として構成している場合には、偏心収差の発生が小さくでき、解像力が向上する。

さらに好ましくは、屈折率を１．８以上にすることにより、臨界角は３３度となり、特に第１反射面を全反射面として構成することが可能となり、反射コーティングをしなくて良くなるため、加工上と光量の損失の点で好ましい。

また、第１反射面１２、第２反射面１３、第３反射面１４、のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することにより、反射膜を付ける必要がなくなり、製作が容易になると同時に反射率も１００％となり、明るい映像を撮像できる。

また、第１反射面１２と第２反射面１３と第３反射面１４のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることにより、画角周辺部分の歪みを補正することが可能となる。

また、透明媒体Ｌ１の有する面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることにより、画角中心に対して上下非対称な形状を与えることが可能であり、収差補正上好ましい。

この実施例において、反射作用を持つ３つの反射面はいずれも開口Ｓに凹面を向けている。これにより、反射面のパワー配置が負−正−負の配置となり、広画角を取りやすくなると同時に、コマ収差の発生を少なくすることが可能となる。

また、第２透過面は開口側に凹面を向けた強い負のパワーを持つ面とすることが好ましい。この面を通って光学素子から射出する画角を小さくすることにより、後群に入射する画角を小さくし、後群の収差補正上の負担を減らし、全体として小型で構成枚数の少ない光学系を達成することができる。

また、光学素子を開口より物体側に配置することにより、後群とのバランスを取りやすくなり、光学系の小型化と簡素化に良い結果が得られる。開口近傍では、メリジオナル断面の中心光線と画角の大きい光線が接近しているので、開口近傍に光学素子を配置すると、高い角倍率が得られなくなり、他のレンズの負担が増えてしまう。また、開口の像側に光学素子を配置すると、開口より物体側の前群により広い画角を取ることが不可能になる。

さらに好ましくは、光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することが好ましい。

条件式（３）の上限を超えると撮像素子に対して光学系の外径が大きくなってしまう。撮像素子はその値段と撮像素子のノイズ等によりある程度好ましい大きさが決まってしまう。たとえば、１／３インチや１／４インチ等の比較的安価で入手しやすい高解像の撮像素子を使用した場合、条件式（３）の上限を超えると光学系全体をコンパクトに構成することが不可能になる。

さらに好ましくは
Ｄ／Ｄｒ＜５ ・・・（３−１）
なる条件を満足することが好ましい。

さらに好ましくは、光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することが好ましい。

特に、内視鏡の撮像系として使用する場合は条件式（４）を満足することが被験者への負担を減らす意味で好ましい。

さらに好ましくは
Ｄ＜１０mm ・・・（４−１）
なる条件を満足することが好ましい。

以下に、本発明の光学系の実施例１〜４を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。

座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように、物体面３から第１面に向かう中心主光線の延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、物体面３とは中心軸２に対して反対側の中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１の像面５と反対側の方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系１の原点Ｏからの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系１の原点Ｏに定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。

また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

なお、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。

Ｚ＝（Ｙ² ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｙ² ／Ｒ² ｝^{1 /2}］
＋ａＹ⁴ ＋ｂＹ⁶ ＋ｃＹ⁸ ＋ｄＹ¹⁰＋・・・
・・・（ａ）
ただし、Ｚを軸とし、Ｙを軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

また、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。

まず、図２に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。

Ｚ＝（Ｙ² ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ₁ ＋１）Ｙ² ／ＲＹ² ｝^{1 /2}］
＋Ｃ₂ Ｙ＋Ｃ₃ Ｙ² ＋Ｃ₄ Ｙ³ ＋Ｃ₅ Ｙ⁴ ＋Ｃ₆ Ｙ⁵ ＋Ｃ₇ Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1 Ｙⁿ ＋・・・・
・・・（ｂ）
次いで、この曲線（ｂ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。

その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。

その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。

この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。

ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ₁ は円錐定数、Ｃ₂ 、Ｃ₃ 、Ｃ₄ 、Ｃ₅ …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。

なお、Ｚ軸を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ₁ ，Ｃ₂ ，Ｃ₃ ，Ｃ₄ ，Ｃ₅ ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。

また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

実施例１の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図３に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図４、画角に対する像高を表す図を図５に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、同じ。

本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で共通に使用することなくすべて異なる面で構成した例である。

光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸２の周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、前群は、第１群Ｇ１と第２群Ｇ２からなり、後群Ｇｂは、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４からなる。

第１群Ｇ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、外周に配置され、中心軸２に平行に形成されたシリンドリカル面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸２側に配置され、トーリック面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５側に配置され、トーリック面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３に対して像面５と反対側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第３反射面１４と、第３反射面１４より像面５側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１５をもつ。

第２群Ｇ２は、像面５側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２からなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面５側に配置される第４透過面２２をもつ。

第３群Ｇ３は、像面５側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３と両凸正レンズＬ４の接合レンズからなり、第５透過面３１と、第５透過面３１より像面５側に配置される接合面３４と、接合面３４より像面５側に配置される第６透過面４１をもつ。

第４群Ｇ４は、両凸正レンズＬ５と像面５側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ６の接合レンズとからなり、第７透過面５１と、第７透過面５１より像面５側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面５側に配置される第８透過面６１をもつ。

光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸２に垂直な像面５の中心軸２から外れた外側に円環状に映像を形成する。

光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの第１群Ｇ１としての透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面５側に反射され、第２反射面１３で像面５と反対側に反射され、第３反射面１４で像面５側に反射され、第２透過面１５を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｗ字状の光路を有する。そして、第２群Ｇ２の負メニスカスレンズＬ２内に第３透過面２１を経て入り、第３透過面２１より像面５側に配置された第４透過面２２を経て負メニスカスレンズＬ２から外に出る。

その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第３群の負メニスカスレンズＬ３と両凸正レンズＬ４の接合レンズ内に中心軸２を挟んで反対側で第５透過面３１を経て入り、接合面３４を経て、第６透過面４１から外に出て、第４群の両凸正レンズＬ５と負メニスカスレンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。

この実施例１の仕様は、
画角 −８９°〜８９°
像の大きさ φ０．５１〜φ２．３４
Ｆナンバー ８．５
である。

実施例２の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図６に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図７、画角に対する像高を表す図を図８に示す。

本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で共通に使用することなくすべて異なる面で構成した例である。

光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸２の周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、前群は、第１群Ｇ１と第２群Ｇ２からなり、後群Ｇｂは、第３群Ｇ３と第４群Ｇ４からなる。

第１群Ｇ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、外周に配置され、中心軸２に平行に形成されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸２側に配置され、トーリック面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５側に配置され、トーリック面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３に対して像面５と反対側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第３反射面１４と、第３反射面１４より像面５側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１５をもつ。

第２群Ｇ２は、像面５側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２からなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面５側に配置される第４透過面２２をもつ。

第３群Ｇ３は、像面５側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３と両凸正レンズＬ４の接合レンズからなり、第５透過面３１と、第５透過面３１より像面５側に配置される接合面３４と、接合面３４より像面５側に配置される第６透過面４１をもつ。

第４群Ｇ４は、両凸正レンズＬ５と像面５側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ６の接合レンズとからなり、第７透過面５１と、第７透過面５１より像面５側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面５側に配置される第８透過面６１をもつ。

光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸２に垂直な像面５の中心軸２から外れた外側に円環状に映像を形成する。

光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの第１群Ｇ１としての透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面５側に反射され、第２反射面１３で像面５と反対側に反射され、第３反射面１４で像面５側に反射され、第２透過面１５を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｗ字状の光路を有する。そして、第２群Ｇ２の負メニスカスレンズＬ２内に第３透過面２１を経て入り、第３透過面２１より像面５側に配置された第４透過面２２を経て負メニスカスレンズＬ２から外に出る。

その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第３群の負メニスカスレンズＬ３と両凸正レンズＬ４の接合レンズ内に中心軸２を挟んで反対側で第５透過面３１を経て入り、接合面３４を経て、第６透過面４１から外に出て、第４群の両凸正レンズＬ５と負メニスカスレンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。

この実施例２の仕様は、
画角 −８９°〜８９°
像の大きさ φ０．４１〜φ２．３５
Ｆナンバー １０．４２
である。

また、前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとし、第２の透過作用を有する面のメリジオナル断面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍ、光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
実施例１ 実施例２
βω 0.104 0.082
P2/Pm -4.173 -3.969
Ｄ 7.000 7.000
Ｄｒ 2.337 2.345
Ｄ／Ｄｒ 2.996 2.985
である。

以下に、上記実施例１〜４の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＡＳＳ”は非球面、“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＲＥ”は反射面を示す。

実施例１
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2]（ＲＥ） 偏心(3) 1.8348 42.7
3 ＥＲＦＳ[3]（ＲＥ） 偏心(4) 1.8348 42.7
4 ＡＳＳ[1]（ＲＥ） 偏心(5) 1.8348 42.7
5 -0.50 偏心(6)
6 -1.31 -0.30 偏心(7) 1.5163 64.1
7 -1.28 -0.10
8 ∞（絞り） -0.10
9 -4.27 -0.30 1.8467 23.8
10 -1.33 -0.80 1.7440 44.8
11 1.11 -1.26
12 -5.22 -1.40 1.5843 40.8
12 1.15 -0.30 1.8467 23.8
13 3.06 -3.19
14 ∞ -0.40 1.5163 64.1
15 ∞ -0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 90.00
Ｒ -3.50
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 3.62
θ 37.06
Ｒ -2.44
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 5.15
θ 8.06
Ｒ -1.71
ＡＳＳ[1]
Ｒ 3.24
ｋ -4.3870E+00
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -10.00 Ｚ 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -3.50 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.44 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.55
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.74
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.47
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.67
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

実施例２
側視光路
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2]（ＲＥ） 偏心(3) 1.8348 42.7
3 ＥＲＦＳ[3]（ＲＥ） 偏心(4) 1.8348 42.7
4 ＡＳＳ[1]（ＲＥ） 偏心(5) 1.8348 42.7
5 -0.59 偏心(6)
6 -1.03 -0.30 偏心(7) 1.5163 64.1
7 -1.16 -0.10
8 ∞（絞り） -0.10
9 -4.37 -0.30 1.8467 23.8
10 -1.15 -0.80 1.7440 44.8
11 1.23 -4.51
12 -3.47 -1.40 1.6148 36.9
12 1.51 -0.30 1.8467 23.8
13 5.76 -2.01
14 ∞ -0.40 1.5163 64.1
15 ∞ -0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 6.26
θ 93.53
Ｒ -3.50
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 2.50
θ 38.21
Ｒ -2.60
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 5.95
θ 6.60
Ｒ -1.81
ＡＳＳ[1]
Ｒ 3.03
ｋ -1.3118E+01
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -10.00 Ｚ 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.03
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.94
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.67
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.87
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.18
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
以上の実施例では、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、拡張回転自由曲面で設計されている例であるが、拡張回転自由曲面が回転対称面と直交し、高次項を使用していない場合、球面と等価な構成となる。

また、前群Ｇｆの反射面、屈折面をそれぞれ任意形状の線分を中心軸２の周りで回転することにより形成され中心軸２上に面頂を有さない拡張回転自由曲面で設計しているが、それぞれ任意の曲面に置き換えてもよい。

例えば、第１透過面１１は、透明媒体Ｌ１の外周部に形成される必要があるが、その形状は、シリンドリカル面やトーリック面に限定されることなく、円錐面であってもよい。

また、本発明の光学系は、回転対称面を形成する任意形状の線分を定義する式に奇数次項を含むものを用いることにより、偏心により発生する像面５の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。

また、本発明の前群Ｇｆを構成する中心軸２の周りで回転対称な透明媒体はそのまま用いることにより、３６０°全方位の画角を有する画像を撮影したり投影できるが、その透明媒体を中心軸２を含む断面で切断して２分の１、３分の１、３分の２等にすることにより、中心軸２の周りの画角が１８０°、１２０°、２４０°等の画像を撮影したり投影するようにしてもよい。

また、本発明の光学系は、中心軸（回転対称軸）２を垂直方向に向けて天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角の画像を得る撮像あるいは観察光学系としてもよい。さらに、本発明は、撮影光学系、観察光学系に限定されず、光路を逆にとって天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡は管内観察装置の全周観察光学系として用いることもできる。

図９は、本実施例の画像と撮像素子の配置例を示す。図９（ａ）は、画面比が１６：９の撮像素子を使用した例である。上下方向の画像は使用しない場合、光路Ａの画像Ａ１の左右の位置に撮像素子５０の大きさを合致させると好ましい。図９（ｂ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、図９（ａ）と同様に上下方向の映像は使用しない場合を示す。図９（ｃ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、光路Ａでの画像Ａ１に撮像素子５０の大きさを合致させた例である。このように、配置をすると、光路Ａの画像Ａ１をすべて撮像することができる。

以下に、本発明の光学系１の適用例として、撮影光学系１０１又は投影光学系１０２の使用例を説明する。図１６は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を用いた例を示すための図であり、図１０（ａ）は、硬性内視鏡１１０の先端１０１に本発明による撮影光学系を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。図１０（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系１０１の前群Ｇｆの入射面１１の周囲には円周方向にスリット状に伸びる開口１０６を有するケーシング等からなるフレア絞り１０７が配置され、フレア光が入射するのを防止している。また、図１０（ｃ）は、軟性電子内視鏡１１３の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系１０１を同様に取り付けて、表示装置１１４に撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して表示するようにした例である。

図１１は、カプセル内視鏡１２０に本発明による撮影光学系１０１を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。本発明による撮影光学系１０１の周囲には円周方向に伸びる開口１０６を有するケーシング等に、フレア絞り１０７が形成され、フレア光が入射するのを防止している。

図１０及び図１１に示すように、内視鏡に撮影光学系１０１を用いることにより、撮影光学系１０１の後方の画像を撮像観察することができ、従来と異なる角度から様々な部位を撮像観察することができる。

図１２（ａ）は、自動車１３０の前方に撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を取り付けて、車内の表示装置に各撮影光学系１０１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図であり、図１２（ｂ）は、自動車１３０の各コーナやヘッド部のポールの頂部に撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を複数取り付けて、車内の表示装置に各撮影光学系１０１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図である。この場合、図１０（ａ）に示したように、光路Ａの画像Ａ１の左右の位置に撮像素子５０の大きさを合致させると、左右の画像が広く撮像でき、好ましい。

また、図１３は、投影装置１４０の投影光学系として本発明による投影光学系１０２を用い、その像面５に配置した表示素子にパノラマ画像を表示し、投影光学系１０２を通して３６０°全方位に配置したスクリーン１４１に３６０°全方位画像を投影表示する例である。

さらに、図１４は、建物１５０の外部に本発明による撮影光学系１０１を用いた撮影装置１５１を取り付け、屋内に本発明による撮影光学系１０１を用いた投影装置１５１を配置し、撮影装置１５１で撮像された映像を電線１５２を介して投影装置１４０に送るように接続している。このような配置において、屋外の３６０°全方位の被写体Ｐを、撮影光学系１０１を経て撮影装置１５１で撮影し、その映像信号を電線１５２を介して投影装置１４０に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、投影光学系１０２を通して屋内の壁面等に被写体Ｐの映像Ｐ'を投影表示するようにしている例である。

本発明の光学系の座標系を説明するための図である。 拡張回転自由曲面の原理を示す図である。 本発明の実施例１の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例１の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。 本発明の実施例２の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例２の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。 本発明の光学系の画像と撮像素子の配置例を示す図である。 本発明の光学系を内視鏡先端の撮影光学系として用いた例を示す図である。 本発明の光学系をカプセル内視鏡の撮影光学系として用いた例を示す図である。 本発明の光学系を自動車の撮影光学系として用いた例を示す図である。 本発明の光学系を投影装置の投影光学系として用いた例を示す図である。 本発明の光学系を屋外の被写体を撮影する撮影光学系として用いた例を示す図である。

符号の説明

１…光学系
２…中心軸
３…物体面
５…像面

Claims (16)

1. 中心軸を含む断面内で、中心軸に直交する方向を中心に片側約９０°の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、前記透明媒体は、前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、前記第１反射面より像面側に配置された第２反射面と、前記第２反射面に対して像面と反対側に配置された第３反射面と、前記第３反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で像面側に反射され、前記第２反射面で像面側と反対側に反射され、前記第３反射面で像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側に外へ出る略Ｗ字状の光路を構成し、前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成されることを特徴とする光学素子。
2. 前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
   ０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第２透過面のメリジオナル断面のパワーは負であり、前記第２透過面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍとするとき、
   −１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
4. 前記光学素子は、屈折率１．５以上の透明媒質で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光学素子。
5. 前記第１反射面、前記第２反射面、前記第３反射面のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光学素子。
6. 前記第１反射面と前記第２反射面と前記第３反射面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学素子。
7. 前記透明媒体の有する面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学素子。
8. 前群と、前記前群より像面側に配置された後群と、前記前群と前記後群の間に配置された開口とを備え、前記光学素子は、前記前群に配置され、前記中心軸を囲むように配置された物体の像を形成し、あるいは前記中心軸から放射する方向に物体の像を投影することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光学素子を備えた光学系。
9. 前記光学系は、中心軸の周囲の円環状の物体の像を中心軸と直交する平面内に形成することを特徴とする請求項８に記載の光学系。
10. 前記第１反射面、前記第２反射面及び前記第３反射面は、前記開口側に凸面を向けて配置されることを特徴とする請求項８又は９請求項に記載の光学系。
11. 前記第２透過面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の光学系。
12. 前記光学系は、光路中で中間像を形成しないことを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の光学系。
13. 前記光学素子は、開口に対して像面と反対側に配置されることを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の光学系。
14. 前記光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
    Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
    なる条件を満足することを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれかに記載の光学系。
15. 前記光学素子の外径Ｄは、
    Ｄ＜２０mm ・・・（４）
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１４に記載の光学系。
16. 請求項８乃至請求項１５のいずれかに記載の光学系を用いた内視鏡。

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