JP2013218238A - 立体撮像光学系及びそれを備えた内視鏡 - Google Patents

立体撮像光学系及びそれを備えた内視鏡 Download PDF

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Abstract

【課題】 光軸性能を向上しつつ光軸方向の寸法を短縮することができる立体撮像光学系及びそれを備えた内視鏡を提供する。
【解決手段】 立体撮像光学系は、物体側から順に、間隔をあけてそれぞれの光軸が配置された一対の負のレンズ群10と、負のレンズ群10を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群20と、第1の正のレンズ群20を透過した光が入射し、偏向して射出する光軸偏向部30と、光軸偏向部30により偏向され射出した光が入射する第2の正のレンズ群40と、を備え、光軸偏向部30は、プリズム光学系31を含み、プリズム光学系31は、少なくとも1つの反射面31R1,31R2を有し、反射面31R1,31R2は、中心主光線LCと反射面31R1,31R2との交点における垂線に対して回転非対称であることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、立体観察が可能な立体撮像光学系及びそれを備えた内視鏡に関する。
従来、視差を有する2つの画像を略同一の平面上に結像する光学系が開示されている(特許文献1及び2参照)。特許文献1の光学系は、物体側から順に配列された負のパワーを有する1組の第1群レンズと、正のパワーを有する2組の第2群レンズとを備えている。また、特許文献2の光学系は、物体側から順に配列された負のパワーを有する2組の第1群レンズと、正のパワーを有する1組の第2群レンズとを備えている。
これらの光学系は、第1群レンズの光軸と第2群レンズの光軸とを偏心させて配置することにより、被写体から第1群レンズに左右に間隔をあけて入射された2つの光束の間隔を第1群レンズおよび第2群レンズを通過する間に偏向して、同じく左右に並べて配置された撮像素子の撮像面に結像させることとしている。
米国特許第5191203号公報 特開平8−122665号公報
しかしながら、2つの光束の間隔をレンズの偏心のみによって調節する場合、光束の大部分がレンズの軸外に入射されて光軸に対して傾斜して通過するため、収差を小さく抑えるには、光軸方向の寸法を十分に確保する必要があり、小型化を図ることができないという不都合がある。
本発明は、光軸性能を向上しつつ光軸方向の寸法を短縮することができる立体撮像光学系及びそれを備えた内視鏡を提供することを目的としている。
本発明の一実施形態である立体撮像光学系は、物体側から順に、間隔をあけてそれぞれの光軸が配置された一対の負のレンズ群と、前記負のレンズ群を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群と、前記第1の正のレンズ群を透過した光が入射し、偏向して射出する光軸偏向部と、前記光軸偏向部により偏向され射出した光が入射する第2の正のレンズ群と、を備え、前記光軸偏向部は、プリズム光学系を含み、前記プリズム光学系は、少なくとも1つの反射面を有し、前記反射面は、中心主光線と前記反射面との交点における垂線に対して回転非対称であることを特徴とする。
また、本発明の一実施形態の立体撮像光学系では、前記反射面は、自由曲面である。
また、本発明の一実施形態の立体撮像光学系では、前記反射面は、トーリック面である。
また、本発明の一実施形態の立体撮像光学系では、前記第2の正のレンズ群が、一対の前記第1の正のレンズ群に対応して一対設けられている。
また、本発明の一実施形態の立体撮像光学系では、一対の前記第2の正のレンズ群を構成するレンズ対は、一体的に成形されている。
また、本発明の一実施形態の立体撮像光学系では、一対の前記第2の正のレンズ群は、一対の前記第1の正のレンズ群の配列方向に対して直交する方向に配列されている。
また、本発明の一実施形態の立体撮像光学系では、一対の前記負のレンズ群を構成するレンズ対は、一体的に成形されている。
さらに、本発明の一実施形態である内視鏡は、前記立体撮像光学系と、前記立体撮像光学系の像側に配置された撮像面を持つ撮像素子と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態である立体撮像光学系によれば、光軸性能を向上しつつ光軸方向の寸法を短縮することが可能となる。
本実施形態の立体撮像光学系の第1の光路に対応する第1の光学系の概略斜視図である。 本実施形態の立体撮像光学系を正面から見た図である。 実施例1の立体撮像光学系の第1の光学系の偏心面内での断面図である。 実施例1の立体撮像光学系の物体面における座標のX軸方向からの側面透視図である。 実施例1の立体撮像光学系の物体面における座標のY軸方向からの側面透視図である。 実施例1の立体撮像光学系の収差図である。 実施例2の立体撮像光学系の第1の光学系の偏心面内での断面図である。 実施例2の立体撮像光学系の物体面における座標のX軸方向からの側面透視図である。 実施例2の立体撮像光学系の物体面における座標のY軸方向からの側面透視図である。 実施例2の立体撮像光学系の収差図である。
本発明の実施形態に係る立体撮像光学系について図面を参照して以下に説明する。
図1は、本実施形態の立体撮像光学系の第1の光路に対応する第1の光学系の概略斜視図である。また、図2は、本実施形態の立体撮像光学系を正面から見た図である。
本発明の実施形態に係る立体撮像光学系1は、第1の光軸LC1に対応する第1の光学系LU1と、第2の光軸LC2に対応する第2の光学系LU2と、を備える。第1の光学系LU1と第2の光学系LU2は、所定の軸に対して対称に形成されている。また、第1の光学系LU1と第2の光学系LU2は、一部の構成が一体的に形成されている。図1では、第1の光学系LU1のみ示している。
本実施形態に係る立体撮像光学系1は、物体側から順に、一対の負のレンズ群10と、負のレンズ群10を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群20と、第1の正のレンズ群20を透過した光を偏向する光軸偏向部30と、光軸偏向部30により偏向された光が入射される第2の正のレンズ群40と、像面50と、を備えている。
具体的には、立体撮像光学系1は、物体側から順に、間隔をあけてそれぞれの光軸が配置された一対の負のレンズ群10と、負のレンズ群10を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群20と、第1の正のレンズ群20を透過した光が入射し、偏向して射出する光軸偏向部30と、光軸偏向部30により偏向され射出した光が入射する第2の正のレンズ群40と、像面50と、を備え、光軸偏向部30は、プリズム光学系31を含み、プリズム光学系31は、少なくとも1つの反射面31R1,31R2を有し、反射面31R1,31R2は、中心主光線LCと反射面31R1,31R2との交点における垂線に対して回転非対称である。
このような構成によって、光軸性能を向上しつつ光軸方向の寸法を短縮することが可能となる。
また、反射面31R1,31R2を自由曲面で構成することにより、偏心収差により発生する像歪を補正することが可能となる。特に、本実施例のように、両眼で立体視する立体撮像光学系1では、観察時の輻輳による像面湾曲を補正することが可能となる。
本実施形態に係る立体撮像光学系1の座標系について説明する。
本実施形態に係る立体撮像光学系1の座標系では、図1に示すように、物体面上で第1の光軸LC1を中心として、XY座標面が決められる。続いて、負のレンズ群10の第1面でXY座標面を物体面側から見て反時計方向にγ=55.01°回転させ偏心する。次に、XY座標面は、光軸偏向部30のプリズム31の第1反射面31R1で、第1反射面31R1の傾きにあわせてα=45°傾斜させ偏心する。さらに、XY座標面は、光軸偏向部30のプリズム31の第2反射面31R2で、第2反射面31R2の傾きにあわせてα=45°傾斜させ偏心する。次に、第2の正のレンズ群40の像面側の面でXY座標面を物体面側から見て時計方向にγ=55.01°回転させ偏心し、像面で元に戻る。なお、右手系でXY軸に直交する軸をZ軸とする。
第1の光学系1及び第2の光学系2は、物体面上で第1の方向にそれぞれの光軸が並列し、撮像面上で第1の方向とは異なる第2の方向にそれぞれの光軸が並列するように、第1の光路及び第2の光路を偏心する光軸偏向部30を有する。図2に示すように、第1の光軸LC1と第2の光軸LC2の物体面上での間隔は、1mmであり、第1の光軸LC1と第2の光軸LC2の像面上での間隔は、0.7mmである。
光軸偏向部30は、少なくとも1つのプリズム光学系31を含む。そして、プリズム光学系31は、回転非対称な反射面を含む。本実施形態では、反射面を自由曲面で構成している。
本実施形態で用いられる自由曲面FFSの形状は、以下の式(a)で定義されるものである。なお、その定義式のZが自由曲面FFSのZ軸となる。なお、データの記載されていない係数項は0である。
Z=(r2 /R)/[1+√{1−(1+k)(r/R)2 }]
66
+Σ Cj m n ・・・(a)
j=1
ここで、(a)式の第1項は球面項、第2項は自由曲面項である。
また、球面項中、
R:頂点の曲率半径
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2
である。
自由曲面項は、
66
Σ Cj m n
j=1
=C1
+C2 X+C3
+C4 2 +C5 XY+C6 2
+C7 3 +C8 2 Y+C9 XY2 +C103
+C114 +C123 Y+C132 2 +C14XY3 +C154
+C165 +C174 Y+C183 2 +C192 3 +C20XY4
+C215
+C226 +C235 Y+C244 2 +C253 3 +C262 4
+C27XY5 +C286
+C297 +C306 Y+C315 2 +C324 3 +C333 4
+C342 5 +C35XY6 +C367
・・・・・・
ただし、Cj (jは1以上の整数)は係数である。
また、上記定義式(a)は、前述のように1つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、回転非対称な面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
次に、本実施形態の実施例1について説明する。
図3は、実施例1の立体撮像光学系1の第1の光学系LU1の偏心面における断面を示した図である。また、図4は、実施例1の立体撮像光学系1の物体面におけるX軸方向からYZ面を見た透視図である。さらに、図5は、実施例1の立体撮像光学系1の物体面におけるY軸方向からXZ面を見た透視図である。また、図6は、実施例1の立体撮像光学系1の全体の横収差図である。
実施例1の立体撮像光学系1は、物体側から順に、間隔をあけてそれぞれの光軸が配置された一対の負のレンズ群10と、負のレンズ群10を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群20と、第1の正のレンズ群20を透過した光が入射し、偏向して射出する光軸偏向部30と、光軸偏向部30により偏向され射出した光が入射する第2の正のレンズ群40と、像面50と、を備え、光軸偏向部30は、プリズム光学系31を含み、プリズム光学系31は、少なくとも1つの反射面31R1,31R2を有し、反射面31R1,31R2は、中心主光線LCと反射面31R1,31R2との交点における垂線に対して回転非対称である。
負のレンズ群10は、物体側に平面を向けた1枚の平凹負レンズ11からなる。
第1の正のレンズ群20は、像側に凸面を向けた1枚の負メニスカスレンズ21からなる。
光軸偏向部30は、プリズム光学系31からなる。
第2の正のレンズ群40は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ41aと両凸正レンズ41bの接合レンズ41と、物体側に凸面を向けた平凸正レンズ42と、からなる。なお、接合レンズ41と平凸正レンズ42との間には、フィルタFが配置されている。
物体面を射出した光束は、負のレンズ群10の平凹負レンズ11の平面からなる第1面r1でγ=55.01°偏心し、実質的に第1面r1に同一の第2面r2から入射する。第2面r2から平凹負レンズ11に入射した光束は、負の屈折力を有する第3面r3から平凹負レンズ11を射出する。
平凹負レンズ11を射出した光束は、第1の正のレンズ群20の負メニスカスレンズ21の物体側の負の屈折力を有する第4面r4から入射し、像面側の正の屈折力を有する第5面r5から射出する。
負メニスカスレンズ21を射出した光束は、光軸偏向部30のプリズム光学系31に絞り面である第6面r6から入射し、反射面である第7面r7でα=45°偏心し反射され、反射面である第8面r8でα=45°偏心し反射され、正の屈折力を有する第9面r9から射出する。
光軸偏向部30のプリズム光学系31を射出した光束は、第2の正のレンズ群40の接合レンズ41の物体側の正の屈折力を有する第10面r10から負メニスカスレンズ41aに入射し、負メニスカスレンズ41aの像側の面且つ両凸正レンズ41bの物体側の負の屈折力を有する第11面r11を通過して、両凸正レンズ41bの像側の正の屈折力を有する第12面r12から接合レンズ41を射出する。
接合レンズ41を射出した光束は、フィルタFに第13面r13から入射し第14面r14から射出する。フィルタFを通過した光束は、第2の正のレンズ群40の平凸正レンズ42の正の屈折力を有する第15面r15に入射し、第16面r16から射出する。第2の正のレンズ群40を射出した光束は、像面50に入射する。
実施例1の仕様は、以下のように定義される。
入射瞳径 φ0.119
最大画角 70deg
像高 0.35×0.4(縦×横)
このような実施例1の構成によって、光軸性能を向上しつつ光軸方向の寸法を短縮することが可能となる。また、反射面を自由曲面で構成することにより、偏心収差により発生する像歪を補正することが可能となる。特に、本実施例のように、両眼で立体視する立体撮像光学系1では、観察時の輻輳による像面湾曲を補正することが可能となる。
次に、本実施形態の実施例2について説明する。
図7は、実施例2の立体撮像光学系1の第1の光学系LU1の偏心面における断面を示した図である。また、図8は、実施例2の立体撮像光学系1の物体面におけるX軸方向からYZ面を見た透視図である。さらに、図9は、実施例2の立体撮像光学系1の物体面におけるY軸方向からXZ面を見た透視図である。また、図10は、実施例2の立体撮像光学系1の全体の横収差図である。
実施例2の立体撮像光学系1は、物体側から順に、間隔をあけてそれぞれの光軸が配置された一対の負のレンズ群10と、負のレンズ群10を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群20と、第1の正のレンズ群20を透過した光が入射し、偏向して射出する光軸偏向部30と、光軸偏向部30により偏向され射出した光が入射する第2の正のレンズ群40と、像面50と、を備え、光軸偏向部30は、プリズム光学系31を含み、プリズム光学系31は、少なくとも1つの反射面31R1,31R2を有し、反射面31R1,31R2は、中心主光線LCと反射面31R1,31R2との交点における垂線に対して回転非対称である。
負のレンズ群10は、物体側に平面を向けた1枚の平凹負レンズ11からなる。
第1の正のレンズ群20は、両凸正レンズ21からなる。
光軸偏向部30は、プリズム光学系31と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズ32との接合透過体SU30からなる。
第2の正のレンズ群40は、物体側に凸面を向けた1枚の平凸正レンズ41からなる。なお、光軸偏向部30と第2の正のレンズ群40の平凸正レンズ41との間には、フィルタFが配置されている。
物体面を射出した光束は、負のレンズ群10の平凹負レンズ11の平面からなる第1面r1でγ=55.01°偏心し、実質的に第1面r1に同一の第2面r2から入射する。第2面r2から平凹負レンズ11に入射した光束は、負の屈折力を有する第3面r3から平凹負レンズ11を射出する。
平凹負レンズ11を射出した光束は、第1の正のレンズ群20の両凸正レンズ21の物体側の正の屈折力を有する第4面r4から入射し、像面側の絞り面である第5面r5から射出する。
両凸正レンズ21を射出した光束は、光軸偏向部30の接合透過体SU30のプリズム光学系31に第6面r6から入射し、反射面である第7面r7でα=45°偏心し反射され、反射面である第8面r8でα=45°偏心し反射され、正の屈折力を有する第9面r9から射出する。
プリズム光学系31を射出した光束は、接合透過体SU30の第9面r9から負メニスカスレンズ32に入射し、負メニスカスレンズ32の像側の正の屈折力を有する第10面r110から接合透過体SU30を射出する。
光軸偏向部30を射出した光束は、フィルタFに第11面r11から入射し第12面r12から射出する。フィルタFを通過した光束は、第2の正のレンズ群40の平凸正レンズ41の正の屈折力を有する第13面r13に入射し、第14面r14から射出する。第2の正のレンズ群40を射出した光束は、像面50に入射する。
実施例2の仕様は、以下のように定義される。
入射瞳径 φ0.129
最大画角 70deg
像高 0.35×0.4(縦×横)
このような実施例2の構成によって、光軸性能を向上しつつ光軸方向の寸法を短縮することが可能となる。また、反射面を自由曲面で構成することにより、偏心収差により発生する像歪を補正することが可能となる。特に、本実施例のように、両眼で立体視する立体撮像光学系1では、観察時の輻輳による像面湾曲を補正することが可能となる。
以下に、上記実施例1及び実施例2の構成パラメータを示す。偏心は、各面の原点を光軸が通過するので、各面の原点を偏心で与えるのではなく、面間隔で示している。よって、以下の表中の偏心データは回転の偏心データのみ示している。なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は0である。また、屈折率、アッベ数については、d線(波長587.56nm)に対するものを示している。曲率半径に記載する“FFS”は自由曲面を示し、 “∞”は、無限大であることを示している。長さの単位は、mmである。なお、記号“e”は、それに続く数値が10を底にもつ、べき指数であることを示している。例えば「1.0e−5」は「1.0×10-5」であることを意味している。
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 ∞ 16.00
1 ∞ 0.00 偏心(1)
2 ∞ 0.20 1.8830 40.7
3 0.34 0.20
4 -3.44 0.60 1.8830 40.7
5 -0.67 0.10
6 ∞(絞り面) 0.20 1.8830 40.7
7 FFS[1](反射面) -0.61 偏心(2) 1.8830 40.7
8 FFS[2](反射面) 0.55 偏心(3) 1.8830 40.7
9 -1.24 0.10
10 2.31 0.20 1.9229 18.9
11 0.60 0.40 1.5688 56.3
12 -2.01 0.10
13 ∞ 0.20 1.5229 59.9
14 ∞ 0.30
15 1.50 0.45 1.5163 64.1
16 ∞ 0.00 偏心(4)
像 面 ∞ 0.00

FFS[1]
C4 -7.7885e-004
C6 -2.4354e-004
C8 9.2496e-005
C10 1.3756e-004
C11 -4.1426e-003
C13 2.7839e-003
C15 -1.7803e-003

FFS[2]
C4 7.6574e-005
C6 1.0113e-004
C8 -1.3341e-003
C10 -5.8478e-004
C11 -1.4717e-002
C13 -1.1677e-002
C15 -3.3254e-003

偏心[1]
α 0.00 β 0.00 γ 55.01

偏心[2]
α 45.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
α 45.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
α 0.00 β 0.00 γ -55.01
実施例2
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ 16.00
1 ∞ 0.00 偏心(1)
2 ∞ 0.20 1.8830 40.7
3 0.30 0.20
4 1.98 0.65 1.8830 40.7
5 -0.60(絞り面) 0.10
6 ∞ 0.20 1.8830 40.7
7 FFS[1](反射面) -0.61 偏心(2) 1.8830 40.7
8 FFS[2](反射面) 0.70 偏心(3) 1.8830 40.7
9 -0.45 0.25 1.9229 18.9
10 -1.88 0.10
11 ∞ 0.20 1.5229 59.9
12 ∞ 0.11
13 1.50 0.45 1.5163 64.1
14 ∞ 0.00 偏心(4)
像 面 ∞

FFS[1]
C4 -3.9058e-003
C6 -1.8492e-003
C11 9.2706e-002
C15 2.0586e-002

FFS[2]
C4 -1.9456e-003
C6 -1.1156e-003
C11 -2.4860e-003
C15 8.7331e-004

偏心[1]
α 0.00 β 0.00 γ 55.01

偏心[2]
α 45.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
α 45.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
α 0.00 β 0.00 γ -55.01
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
例えば、反射面をトーリック面で構成してもよい。反射面をトーリック面で構成することにより、X曲率とY曲率とを異ならせることができ、偏心により発生する偏心収差を補正することが可能となる。
1…立体撮像光学系
10…負のレンズ群
20…第1の正のレンズ群
30…光軸偏向部
40…第2の正のレンズ群
50…像面

Claims (8)

  1. 物体側から順に、
    間隔をあけてそれぞれの光軸が配置された一対の負のレンズ群と、
    前記負のレンズ群を透過した光が入射する一対の第1の正のレンズ群と、
    前記第1の正のレンズ群を透過した光が入射し、偏向して射出する光軸偏向部と、
    前記光軸偏向部により偏向され射出した光が入射する第2の正のレンズ群と、
    を備え、
    前記光軸偏向部は、プリズム光学系を含み、
    前記プリズム光学系は、少なくとも1つの反射面を有し、
    前記反射面は、中心主光線と前記反射面との交点における垂線に対して回転非対称である
    ことを特徴とする立体撮像光学系。
  2. 前記反射面は、自由曲面である
    請求項1に記載の立体撮像光学系。
  3. 前記反射面は、トーリック面である
    請求項2に記載の立体撮像光学系。
  4. 前記第2の正のレンズ群が、一対の前記第1の正のレンズ群に対応して一対設けられている
    請求項1乃至3のいずれか1項に記載の立体撮像光学系
  5. 一対の前記第2の正のレンズ群を構成するレンズ対は、一体的に成形されている
    請求項4に記載の立体撮像光学系
  6. 一対の前記第2の正のレンズ群は、一対の前記第1の正のレンズ群の配列方向に対して直交する方向に配列されている
    請求項4又は請求項5に記載の立体撮像光学系
  7. 一対の前記負のレンズ群を構成するレンズ対は、一体的に成形されている
    請求項1乃至6のいずれか1項に記載の立体撮像光学系
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の立体撮像光学系と、
    前記立体撮像光学系の像側に配置された撮像面を持つ撮像素子と、
    を備えたことを特徴とする内視鏡。
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