JP2014228619A - 結像光学系、撮像装置、及び内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造でフォーカス調整が可能な結像光学系、撮像装置、及び内視鏡を提供する
【解決手段】 結像光学系１は、物体の像を撮像する撮像光学系Ｇ１と、撮像光学系Ｇ１の光路と交差するように配置され、撮像光学系Ｇ１の中心軸Ｃと平行な回転軸Ｃｖを中心に回転し、撮像光学系Ｇ１のフォーカスを変化させる可変光学系Ｇｖと、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォーカスを調整する結像光学系、撮像装置、及び内視鏡に関する。

従来、フォーカスの調整は、一般に光学系のレンズの一部又は全部を光軸方向に移動することによって、行われていた。そのため、シフト及びチルトが生じることのない高精度の移動機構が必要となり、構造が複雑で、大型化してしまう傾向にあった。例えば、特許文献１には、内視鏡対物レンズを光軸に沿って移動させることによって、通常観察状態と近接観察状態との２状態において観察可能とする技術が開示されている。

特開平４−２１８０１２号公報

本発明は、簡単な構造でフォーカス調整が可能な結像光学系、撮像装置、及び内視鏡を提供することを目的としている。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系は、物体の像を撮像する撮像光学系と、前記撮像光学系の光路と交差するように配置され、前記撮像光学系の中心軸と平行な回転軸を中心に回転し、前記撮像光学系のフォーカスを変化させる可変光学系と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学系は、前記回転軸を中心とした円弧状に配置される少なくとも１つの可変光学素子を有する。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、連続的に前記撮像光学系のフォーカスを変化させる。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、入射面と射出面が連続的な平面で構成される。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、前記入射面と前記射出面が前記回転軸に対して異なる角度を有する。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、入射面と射出面のうち少なくとも１つが連続的な曲面で構成される。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記曲面は、螺旋面で構成される。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記螺旋面は、常螺旋面で構成される。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記曲面は、部分的曲率が異なる。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記曲面は、自由曲面で構成される。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、不連続的に前記撮像光学系のフォーカスを変化させる。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、厚さの異なる複数の平行平面板で構成される。

本発明にかかる一実施形態である結像光学系では、前記可変光学素子は、入射面又は射出面の形状が部分的に異なる。

本発明にかかる一実施形態である撮像装置は、前記結像光学系と、像面に配置され、複数の画素を有する撮像素子と、を備え、前記可変光学系は、前記撮像光学系と前記撮像素子の間に配置することを特徴とする。

本発明にかかる一実施形態である内視鏡は、前記立体撮像装置を備えることを特徴とする。

本発明にかかる一実施形態によれば、簡単な構造でフォーカス調整が可能な結像光学系、撮像装置、及び内視鏡を提供することが可能となる。

本発明に係る一実施形態の結像光学系１の光学系中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。 図１の結像光学系１の可変光学系Ｇｖ付近を拡大した図である。 実施例１の可変光学系２を示す概略図である。 実施例２の可変光学系２を示す概略図である。 実施例３の可変光学系２を示す概略図である。 実施例３の自由曲面を示す図である。 実施例４の可変光学系２を示す概略図である。 実施例５の可変光学系２を示す概略図である。 実施例６の可変光学系２を示す概略図である。 実施例７の可変光学系２を示す概略図である。 他の例の可変光学系２を示す概略図である。 実施例１の結像光学系１の各物点での横収差図である。 実施例１の結像光学系１の各物点での横収差図である。 実施例１の結像光学系１の各物点での横収差図である。 他の例の結像光学系１の各物点での横収差図である。 他の例の結像光学系１の各物点での横収差図である。 他の例の結像光学系１の各物点での横収差図である。 本実施形態の結像光学系１を内視鏡１１０の先端に用いた例を示す図である。 内視鏡１１０の先端に用いた結像光学系１の一実施例を示す図である。 内視鏡１１０の先端に用いた結像光学系１の他の実施例を示す図である。 内視鏡１１０の先端に用いた結像光学系１の他の実施例を示す図である。 軟性電子内視鏡１１３の先端に本実施形態にかかる結像光学系１を用いた例を示す図である。

本実施形態の結像光学系１について説明する。

図１は、本発明に係る一実施形態の結像光学系１の光学系中心軸Ｃに沿ってとった断面図である。図２は、図１の結像光学系１の可変光学系Ｇｖ付近を拡大した図である。

本実施形態の結像光学系１は、光軸方向にレンズ又は撮像素子を移動する従来の方法ではなく、少なくとも可変光学系Ｇｖの可変光学素子２を回転軸Ｃｖを中心に回転させることでフォーカスを変化させるものである。

近年、撮像素子の画素数を増やして映像の解像力を向上させる努力が取り組まれている。しかしながら、光学系には回折によって決まってしまう解像限界が存在する。したがって、この解像限界を超えて画素数を増やしていっても、撮像された映像は回折限界で決まってしまった解像力以上の解像度は得られない。

そこで、画素数の増加に合わせて解像限界を上げるために、Fnoを明るくする必要がある。ただし、Fnoを明るくすると被写界深度が浅くなり、解像力の高いピントが合った映像を撮像するためにはフォーカス調整が必須となる。しかしながら、小型の撮像系では撮像素子も小型になるために光学系の焦点距離が短くなり、光軸方向にレンズを移動する従来の方法では移動量が微小になりすぎ制御が難しかった。また、偏心を起こさずに精度良く直線移動する機構を小型化することは難しかった。

本実施形態の結像光学系１は、物体の像を撮像する撮像光学系Ｇ１と、撮像光学系Ｇ１の光路と交差するように配置され、撮像光学系Ｇ１の中心軸Ｃと平行な回転軸Ｃｖを中心に回転し、撮像光学系Ｇ１のフォーカスを変化させる可変光学系Ｇｖと、を備えることが好ましい。

このような構成によって、可変光学素子２のパワーは、零、もしくは非常に少ないために、可変光学素子２に要求される偏心精度が極めてラフなので、簡単な機構で回転させても偏心による像の劣化がなく、小型の光学系を実現することが可能となる。

図３は、実施例１の可変光学系２を示す概略図である。

本実施形態の結像光学系１では、図３に示すように、可変光学系Ｇｖは、回転軸Ｃｖを中心とした円弧状に配置される少なくとも１つの可変光学素子２を有することが好ましい。

可変光学素子２は、入射面と射出面から構成された透過光学素子で構成される。回転軸Ｃｖと直交する面内に、可変光学素子２が一つの場合は、回転軸Ｃｖ周辺に円弧状に配され、可変光学系Ｇｖの回転により可変光学素子２の任意の部分を撮像光学系Ｇ１の光路が透過する。可変光学素子２が複数の場合は、撮像光学系の光路が複数の可変光学素子２を選択的に透過することによりフォーカスを変化させるものである。

本実施形態の結像光学系１では、可変光学素子２は、連続的に撮像光学系Ｇ１のフォーカスを変化させることが好ましい。

可変光学素子２は、入射面２１又は射出面２２の少なくとも一方の光学透過面を連続する面として構成し、その面の異なる部位を選択的に切り替えることにより常にピントの合った高解像力の映像を撮像することが可能となる。

本実施形態の結像光学系１では、図３に示すように、可変光学素子２は、入射面２１と射出面２２が連続的な平面で構成されることが好ましい。

撮像光学系Ｇ１の光路は、可変光学素子２の連続的な平面の一部を通過する。このとき、可変光学素子２を回転させることにより、撮像光学系Ｇ１の光路の通過領域を可変光学素子２の回転により連続的に変えることが可能となる。この可変光学素子２の連続的な平面に任意の特性を持たせることにより、異なる物点位置に対応した撮像状態にすることが可能となる。

本実施形態の結像光学系１では、図３に示すように、可変光学素子２は、入射面２１と射出面２２が回転軸Ｃｖに対して異なる角度を有することが好ましい。

入射面２１と射出面２２が回転軸Ｃｖに対して異なる角度を有する、いわゆる楔状を形成した可変光学素子２を回転することにより、直線的に可変光学素子２を通過する光路の光路長を変化させることが可能となる。この光路長の変化により、フォーカス調整を行うことが可能となる。

図４は、実施例２の可変光学系２を示す概略図である。

本実施形態の結像光学系１では、図４に示すように、可変光学素子２は、入射面２１と射出面２２のうち少なくとも１つが連続的な曲面で構成されることが好ましい。

撮像光学系Ｇｖの光路は、可変光学素子２の連続的な曲面の一部を通過する。可変光学素子２の連続的な曲面を任意形状にすることにより可変光学素子２の光路長、パワー又はその両方を連続的に変えることが可能となる。また、可変光学素子２を回転させることにより異なる物点位置に対応した撮像状態にすることが可能となる。

本実施形態の結像光学系１では、図４に示すように、曲面は、螺旋面で構成されることが好ましい。

可変光学素子２の入射面か射出面のうちどちらか一方を螺旋面とすることにより、可変光学素子２の回転と共に可変光学素子２を通過する撮像光学系Ｇｖの光路の光路長を変化させることが可能となる。さらに好ましくは、他方を平面として可変光学素子２を構成することが容易に制作できるので好ましい。

本実施形態の結像光学系１では、図４に示すように、螺旋面は、常螺旋面で構成されることが好ましい。

可変光学素子２を螺旋面を常螺旋面で構成することにより、撮像光学系Ｇｖの軸上主光線と螺旋面のなす角度は可変光学素子２を回転軸Ｃｖ周りで回転しても変化しないので像が移動することは無く連続的にフォーカスを調整することが可能となる。

図５は、実施例３の可変光学系２を示す概略図である。図６は、実施例３の自由曲面を示す図である。

本実施形態の結像光学系１では、図５及び図６に示すように、曲面は、部分的曲率が異なることが好ましい。

可変光学素子２は、少なくとも入射面又は射出面のどちらか一方をなめらかに曲率が変化する曲面で構成し、他方を平面で構成することが制作上好ましい。この可変光学素子２を回転軸Ｃｖ周りに回転し、曲率の異なる部分を連続的透過させることによりフォーカスを調整することが可能となる。

本実施形態の結像光学系１では、図５及び図６に示すように、曲面は、自由曲面で構成されることが好ましい。

可変光学素子２を自由曲面で構成することにより、設計の自由度を増加させることが可能となる。自由曲面は、偶数次項、奇数次項全て使用しても良い。

本実施形態の結像光学系１では、可変光学素子２は、不連続的に撮像光学系Ｇｖのフォーカスを変化させることが好ましい。

撮像光学系Ｇ１の中心軸Ｃと平行に配置した回転軸Ｃｖ周りに少なくとも複数の光路を選択できる不連続な複数の入射面２１と射出面２２を有する可変光学素子２を配置し、可変光学素子２を回転軸Ｃｖ周りに回転することによって、選択的にフォーカス調整を行うことが可能となる。

図７は、実施例４の可変光学系２を示す概略図である。図８は、実施例５の可変光学系２を示す概略図である。

本実施形態の結像光学系１では、図７及び図８に示すように、可変光学素子２は、厚さの異なる複数の平行平面板で構成されることが好ましい。

平行平面の光路長を変更することによりフォーカス調整を行う場合は、可変光学素子２の厚みが異なる部分を使うことになり、偏心しても像の劣化が低減するので、偏心精度を要求する必要が少なくなり、回転する場合の回転機構を簡略化することが可能となる。

図９は、実施例６の可変光学系２を示す概略図である。

本実施形態の結像光学系１では、図９に示すように、可変光学素子２は、入射面２１又は射出面２２の形状が部分的に異なることが好ましい。

特に、わずかに曲率が異なる少なくとも２つの部分を選択的に切り替えることによりフォーカス調整することが好ましい。この場合、可変光学素子２はパワーを有するが、非常に小さいので、偏心に対する許容度は大きく、簡単な構造で小型撮像装置を実現することが可能となる。さらに好ましくは、可変光学素子２の厚さと形状の両方を調整ことによって、物点距離の変化に対する球面収差の変化をコントロールすることも可能となる。

図１０は、実施例７の可変光学系２を示す概略図である。

本実施形態の結像光学系１では、図１０に示すように、可変光学素子２は、各実施形態を組み合わせて形成してもよい。例えば、図１０に示した実施例７の可変光学素子２は、不連続な常螺旋面を有している。

図１１は、他の例の可変光学系２を示す概略図である。

可変光学素子２は、図１１に示すように、２光軸の不連続な楔状の面を有してもよい。さらに、物体側の面と像面側の面で異なる種類の面を適用してもよい。他の例の結像光学系１は、２つの撮像光学系Ｇｖを可変光学系Ｇｖの中心軸Ｃｖに対して対称に配置することで２光軸の立体撮像光学系を構成する。

また、可変光学素子２は、撮像光学系Ｇ１と撮像素子３の間に配置することが好ましい。

撮像光学系Ｇ１と撮像素子３の間に配置することによって透過光路の光路長の変化を少なくすることが可能となる。これは撮像光学系Ｇ１を射出した部分の軸上マージナル光線の傾きが比較的大きく、少ない光路長の変化で大きく異なる物点位置の変化に対応できるからである。例えば、撮像光学系Ｇ１の絞りＳの前後に配置する場合は、撮像光学系Ｇ１の枠構造を前後で分割する必要があり、組立調整が難しくなってしまう。

さらに好ましくは、合焦検出手段や測距手段を用いて自動でフォーカス調整を行うことが好ましい。

さらに好ましくは、可変光学素子２を回転して交互に遠点と近点の撮像を行い、画像処理によりファーカスの合っている部分を選択的に抽出する処理を行う被写界深度拡大も可能である。例えば、可変光学素子２を毎秒６０回回転して交互に遠点と近点の撮像を行うことが好ましい。

以下に、本実施形態にかかる結像光学系１の各実施例を説明する。なお、実施例の数値データは、後述する。実施例における座標系は、結像光学系１の中心軸Ｃの像面に向かう方向をＺ軸正方向とする。

図１２〜図１４は、実施例１の結像光学系１の各物点での横収差図である。 図１５〜図１７は、実施例３の結像光学系１の各物点での横収差図である。なお、実施例４及び５の収差図は実施例１と同様である。

横収差図において、中央に示された角度は、（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、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

本実施形態にかかる結像光学系１の実施例１〜７では、同一の撮像光学系Ｇ１を用いる。結像光学系１は、図１に示すように、物体側から像面側へ順に、中心軸Ｃを光軸とする撮像光学系Ｇ１と、中心軸Ｃと平行に配置された回転軸Ｃｖを中心とする可変光学系Ｇｖと、を備える。

撮像光学系Ｇ１は、物体側から像面側へ順に、物体側に平面を向けた平凹負レンズＬｆ₁と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｆ₂と、両凸正レンズＬｆ₃と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬｆ₄と、平行平面板Ｌｆ₅と、を有する前群Ｇｆと、絞りＳと、両凹負レンズＬｂ₁と両凸正レンズＬｂ₂の後群第１接合レンズＳＵｂ₁と、両凸正レンズＬｂ₃と、両凸正レンズＬｂ₄と像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｆ₅の後群第２接合レンズＳＵｂ₂と、両凸正レンズＬｂ₆と、を有する後群Ｇｂと、を有する。

また、像面Ｉの手前には、フィルタを配置する。

図示しない物体面から前群Ｇｆに入射した光束Ｌは、図１に示すように、平凹負レンズＬｆ₁、負メニスカスレンズＬｆ₂、両凸正レンズＬｆ₃、正メニスカスレンズＬｆ₄、及び平行平面板Ｌｆ₅、を通過して前群Ｇｆを射出する。その後、絞りＳを通過して、後群Ｇｂに入射した光束Ｌは、後群第１接合レンズＳＵｂ₁、両凸正レンズＬｂ₃、後群第２接合レンズＳＵｂ₂、及び両凸正レンズＬｂ₆を通過する。以下、実施例２〜７の撮像光学系Ｇ１において、光束Ｌは実施例１と同様に撮像光学系Ｇ１を通過するので、説明を省略する。

実施例１の可変光学系Ｇｖは、図３に示した可変光学素子２であって、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１と回転軸Ｃｖに対して傾斜する射出面２２がそれぞれ連続的な平面で構成され、回転軸Ｃｖに対して異なる角度を有する楔形状で形成される。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、連続的に結像光学系１のフォーカスを変化させる。

図３において、第１領域Ｌｏ１は、第１物点８３．３３ｍｍからの光束が通過し、第２領域Ｌｏ２は、第２物点４１．６７ｍｍからの光束が通過し、第３領域Ｌｏ３は、第３物点２５．００ｍｍからの光束が通過する。第１領域Ｌｏ１の厚さは、０．４３２ｍｍ、第２領域Ｌｏ２の厚さは、０．４１６ｍｍ、第３領域Ｌｏ３の厚さは、０．３９６ｍｍである。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌの物点が、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点４１．６７ｍｍの時には、第２領域Ｌｏ２を通過し、第３物点２５．００ｍｍの時には、第３領域Ｌｏ３を通過するように、少なくとも１８０°回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

実施例２の可変光学系Ｇｖは、図４に示した可変光学素子２であって、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１と常螺旋面からなる射出面２２とがそれぞれ連続的に構成される。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、連続的に結像光学系１のフォーカスを変化させる。

図４において、第１領域Ｌｏ１は、第１物点８３．３３ｍｍからの光束が通過し、第２領域Ｌｏ２は、第２物点４１．６７ｍｍからの光束が通過し、第３領域Ｌｏ３は、第３物点２５．００ｍｍからの光束が通過する。第１領域Ｌｏ１の厚さは、０．４３２ｍｍ、第２領域Ｌｏ２の厚さは、０．４１６ｍｍ、第３領域Ｌｏ３の厚さは、０．３９６ｍｍである。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌの物点が、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点４１．６７ｍｍの時には、第２領域Ｌｏ２を通過し、第３物点２５．００ｍｍの時には、第３領域Ｌｏ３を通過するように、３６０°近く回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

実施例３の可変光学系Ｇｖは、図５及び図６に示した可変光学素子２であって、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１と自由曲面からなる射出面２２とがそれぞれ連続的に構成される。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、連続的に結像光学系１のフォーカスを変化させる。

図５において、第１領域Ｌｏ１は、第１物点８３．３３ｍｍからの光束が通過し、第２領域Ｌｏ２は、第２物点４１．６７ｍｍからの光束が通過し、第３領域Ｌｏ３は、第３物点２５．００ｍｍからの光束が通過する。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌの物点が、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点４１．６７ｍｍの時には、第２領域Ｌｏ２を通過し、第３物点２５．００ｍｍの時には、第３領域Ｌｏ３を通過するように、少なくとも１８０°回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

実施例４の可変光学系Ｇｖは、図７に示した可変光学素子２であって、不連続で厚さの異なる複数の平行平面板で構成され、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１及び射出面２２、で構成される。射出面２２は、それぞれ１８０°の扇形からなる第１射出面２２ａ及び第２射出面２２ｂを有する。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、結像光学系１のフォーカスを切り替える。

例えば、光学系の焦点距離をｆとしてｆ＝１ｍｍと仮定し、物体側焦点位置をＸ、像側焦点位置をＸ’、とすると、ニュートンの結像式ｆ×ｆ＝Ｘ×Ｘ’が成り立つ。したがって、焦点距離１ｍｍの撮像光学系Ｇ１の場合、第１物点８３．３３ｍｍから第２物点２５．００ｍｍになるとすると、第１物点８３．３３ｍｍの時、Ｘ’＝０．０１２ｍｍ、第２物点２５．００ｍｍの時、Ｘ’＝０．０４０ｍｍとなり、像側焦点位置は０．０２８ｍｍ変化する。空気換算長の計算から、屈折率１．８８２９９７のガラスを使用する場合、可変光学素子２の厚さを０．０６０ｍｍ変化させればよい。したがって、実施例４では、第１領域Ｌｏ１の厚さは、０．５００ｍｍ、第２領域Ｌｏ２の厚さは、０．４４０ｍｍである。なお、実際には、球面収差も変化するので、こちらも勘案して決定することが好ましい。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌの物点が、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１射出面２２ａの第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点２５．００ｍｍの時には、第２射出面２２ｂの第２領域Ｌｏ２を通過するように、少なくとも１８０°回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

実施例５の可変光学系Ｇｖは、図８に示した可変光学素子２であって、半円形状からなる。可変光学素子２は、不連続で厚さの異なる複数の平行平面板で構成され、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１及び射出面２２で構成される。射出面２２は、それぞれ６０°の扇形からなる第１射出面２２ａ、第２射出面２２ｂ及び第３射出面２２ｃを有する。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、結像光学系１のフォーカスを切り替える。

図８において、第１射出面２２ａの第１領域Ｌｏ１は、第１物点８３．３３ｍｍからの光束が通過し、第２射出面２２ｂの第２領域Ｌｏ２は、第２物点４１．６７ｍｍからの光束が通過し、第３射出面２２ｃの第３領域Ｌｏ３は、第３物点２５．００ｍｍからの光束が通過する。第１領域Ｌｏ１の厚さは、０．４３２ｍｍ、第２領域Ｌｏ２の厚さは、０．４１６ｍｍ、第３領域Ｌｏ３の厚さは、０．３９６ｍｍである。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌの物点が、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点４１．６７ｍｍの時には、第２領域Ｌｏ２を通過し、第３物点２５．００ｍｍの時には、第３領域Ｌｏ３を通過するように、少なくとも１２０°回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

実施例６の可変光学系Ｇｖは、図９に示した可変光学素子２であって、入射面２１又は射出面２２の形状が部分的に異なるものである。すなわち、第１物点の光束が通過する第１領域Ｌｏ１、第２物点の光束が通過する第２領域Ｌｏ２、及び第３物点の光束が通過する第３領域Ｌｏ３の形状が異なるものである。可変光学素子２は、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、結像光学系１のフォーカスを切り替える。

図９において、第１領域Ｌｏ１は、第１物点８３．３３ｍｍからの光束が通過し、第２領域Ｌｏ２は、第２物点４１．６７ｍｍからの光束が通過し、第３領域Ｌｏ３は、第３物点２５．００ｍｍからの光束が通過する。第１領域Ｌｏ１の凹面２ａの曲率はＲ３１２．５ｍｍ、第２領域Ｌｏ２は平面、第３領域Ｌｏ３の凸面２ｂの曲率はＲ２００．０ｍｍである。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌの物点が、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点４１．６７ｍｍの時には、第２領域Ｌｏ２を通過し、第３物点２５．００ｍｍの時には、第３領域Ｌｏ３を通過するように、少なくとも１８０°回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

実施例７の可変光学系Ｇｖは、図１０に示した可変光学素子２であって、半円形状からなる。可変光学素子２は、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１と、不連続な常螺旋面で構成される射出面２２と、で構成される。射出面２２は、それぞれ常螺旋面の第１射出面２２ａ及び第２射出面２２ｂを有する。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、結像光学系１のフォーカスを切り替える。

図１０において、第１射出面２２ａの第１領域Ｌｏ１は、第１物点８３．３３ｍｍからの光束が通過し、第１射出面２２ａの第２領域Ｌｏ２は、第２物点４１．６７ｍｍからの光束が通過し、第２射出面２２ｂの第３領域Ｌｏ３は、第３物点２５．００ｍｍからの光束が通過する。第１領域Ｌｏ１の厚さは、０．４３２ｍｍ、第２領域Ｌｏ２の厚さは、０．４１６ｍｍ、第３領域Ｌｏ３の厚さは、０．３９６ｍｍである。

可変光学系Ｇｖの可変光学素子２は、入射した光束Ｌが、第１物点８３．３３ｍｍの時には、第１領域Ｌｏ１を通過し、第２物点４１．６７ｍｍの時には、第２領域Ｌｏ２を通過し、第３物点２５．００ｍｍの時には、第３領域Ｌｏ３を通過するように、少なくとも１２０°回転可能である。その後、光束Ｌは、フィルタＦを通過して像面に入射する。

他の例の可変光学系Ｇｖは、図１１に示した可変光学素子２であって、異なる２つの撮像光学系に対応して、傾斜する２つの半円を有し、２つの半円が組み合わされた円形からなる。可変光学素子２は、回転軸Ｃｖに直交する入射面２１と、傾斜する２つの半円で構成される射出面２２と、で構成される。射出面２２は、それぞれ傾斜面の第１射出面２２ａ及び第２射出面２２ｂを有する。そして、回転軸Ｃｖを中心に回転することで、結像光学系１のフォーカスを切り替える。

例えば、可変光学素子２の傾斜面は、第１境界段部２２ａｂでのＸＹ平面に対する第１面部２２ａの角度及び第２境界段部２２ｂａでのＸＹ平面に対する第２面部２２ｂの角度である傾斜角度αを２．４６７°とする。

また、第１面部２２ａ及び第２面部２２ｂには、それぞれ物点１ｍｍの光束Ｌｏ３₁，Ｌｏ３₂を通過させるための通過孔２２ａ₁，２２ｂ₁が形成される。そして、物点１５ｍｍの光束Ｌｏ２₁，Ｌｏ２₂及び物点５０ｍｍの光束Ｌｏ１₁，Ｌｏ１₂は、第１面部２２ａ及び第２面部２２ｂをそれぞれ異なる位置で透過する。

物点５０ｍｍから物点１５ｍｍにフォーカスをあわせるためには、中心軸Ｃｖを中心に可変光学素子２を４５°回転させる。また、物点１５ｍｍから物点１ｍｍにフォーカスをあわせるためには、中心軸Ｃｖを中心に可変光学素子２を４５°回転させる。可変光学系Ｇｖの最も厚い部分は、０．７５４ｍｍで、最も薄い部分は、０．７０９ｍｍであり、第１面部２２ａ及び第２面部２２ｂは、連続的に傾斜する。

第１面部２２ａ及び第２面部２２ｂは、それぞれ所定の傾斜角で傾斜する少なくとも１つの傾斜面からなるので、可変光学素子２を回転させることにより、光路長が連続的に変化し、物点距離に応じて的確な回転角を与えてフォーカスをあわせることが可能となる。

なお、可変光学素子２が回転中心軸Ｃｖを中心に回転する場合、第１面部２２ａ及び第２面部２２ｂの垂線は、可変光学素子２の回転と共に２次元的な変化をする。そのため、通過する光束が屈折して、像中心が２次元的な移動をする。そのため、撮像素子からの画像の読み出し位置を変えて補正することが好ましい。また、像中心の移動を少なくするためには、可変光学系Ｇｖを像面の近くに配置することが好ましい。

以下に、実施例の構成パラメータを示す。なお、実施例２〜７の数値実施例は、実施例１と異なる部分のみを記載する。

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。

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。曲率半径に記載する“∞”は、無限大であることを示している。面間隔が変化する場合には、＊を付与している。

非球面データには、面データ中、非球面形状としたレンズ面に関するデータが示されている。非球面形状は、ｚを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると以下の式（ａ）にて表される。なお、データの記載されていない係数項は０である。

ｚ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）・（ｙ／ｒ）²｝^1/2］
＋ａｙ⁴＋ｂｙ⁶＋ｃｙ⁸＋ｄｙ¹⁰ ・・・（ａ）

ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ４次、６次、８次の非球面係数である。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。

また、実施形態で用いられる自由曲面ＦＦＳの形状は、以下の式（ｂ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面ＦＦＳの軸となる。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 Ｃ_j Ｘ^m Ｙⁿ ・・・（ｂ）
^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 Ｃ_j Ｘ^m Ｙ^n
j=1
＝Ｃ₁
＋Ｃ₂ Ｘ＋Ｃ₃ Ｙ
＋Ｃ₄ Ｘ² ＋Ｃ₅ ＸＹ＋Ｃ₆ Ｙ²
＋Ｃ₇ Ｘ³ ＋Ｃ₈ Ｘ² Ｙ＋Ｃ₉ ＸＹ² ＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴ ＋Ｃ₁₂Ｘ³ Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ² Ｙ² ＋Ｃ₁₄ＸＹ³ ＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵ ＋Ｃ₁₇Ｘ⁴ Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³ Ｙ² ＋Ｃ₁₉Ｘ² Ｙ³ ＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶ ＋Ｃ₂₃Ｘ⁵ Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴ Ｙ² ＋Ｃ₂₅Ｘ³ Ｙ³ ＋Ｃ₂₆Ｘ² Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵ ＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷ ＋Ｃ₃₀Ｘ⁶ Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵ Ｙ² ＋Ｃ₃₂Ｘ⁴ Ｙ³ ＋Ｃ₃₃Ｘ³ Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ² Ｙ⁵ ＋Ｃ₃₅ＸＹ⁶ ＋Ｃ₃₆Ｙ⁷
・・・・・・
ただし、Ｃ_j （ｊは１以上の整数）は係数である。

実施例１

面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ *1 83.330
1 ∞ 0.600 1.8830 40.7
2 非球面[1] 1.520
3 7.984 0.500 1.6668 33.0
4 4.197 0.688
5 22.220 1.000 1.9229 18.9
6 -7.440 0.594
7 4.312 1.000 1.9229 18.9
8 9.886 0.135
9 ∞ 0.500 1.5163 64.1
10 ∞ 0.050
11 絞り面 0.332
12 -98.576 0.400 1.9229 18.9
13 3.519 1.400 1.4387 94.9
14 -4.494 0.050
15 21.614 1.000 1.8830 40.7
16 -9.117 0.050
17 5.324 1.800 1.6204 60.3
18 -3.192 0.400 1.9229 18.9
19 -32.250 0.050
20 3.524 1.600 1.8830 40.7
21 -28.761 0.100
22 ∞ *2 0.432 1.8830 40.7
23 ∞ *3 0.198
24 ∞ 0.500 1.5163 64.1
25 ∞ 0.100
像 面 ∞

非球面[1]
曲率半径 1.413
k -9.9894e-001
a 4.1243e-003

面間隔
*1 83.330 41.670 25.000
*2 0.432 0.416 0.396
*3 0.198 0.214 0.234

仕様
画角 140°
焦点距離 0.835
絞り径 φ2.400
像の大きさ φ2.000
有効Fno 1.079

実施例２

実施例１と同じ

実施例３

面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
22 ∞ 0.416 1.8830 40.7
23 FFS[1] 0.214

非球面[1]
曲率半径 1.413
k -9.0353e-001
a -9.6047e-004

FFS[1]
Ｃ2 -1.1476e-002 Ｃ3 4.3851e-004 Ｃ4 -1.0515e-003
Ｃ5 1.7752e-003 Ｃ6 3.9883e-004 Ｃ7 4.9745e-004
Ｃ8 -1.5837e-005 Ｃ9 1.0224e-003 Ｃ10 -3.6906e-004
Ｃ11 4.9743e-005 Ｃ12 -1.2040e-004 Ｃ13 1.3702e-004
Ｃ14 -2.3055e-004 Ｃ15 6.5815e-005 Ｃ67 1.4000e+001

仕様
画角 140°
焦点距離 0.835
絞り径 φ2.400
像の大きさ φ2.000
有効Fno 1.094

実施例４

面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ *1 83.330
22 ∞ *2 0.500 1.8830 40.7
23 ∞ *3 0.130

面間隔
*1 83.330 25.000
*2 0.500 0.440
*3 0.130 0.190

実施例５

実施例１と同じ

実施例６

面番号 曲率半径 面間隔 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ *1 83.330
22 ∞ *2 0.432 1.8830 40.7
23 *4 312.5 *3 0.198

面間隔
*1 83.330 41.670 25.000
*2 0.432 0.416 0.396
*3 0.198 0.214 0.234

曲率半径
*4 312.5 ∞ 200.0

実施例７

実施例１と同じ

以下に、本実施形態の結像光学系１の適用例を説明する。

本実施形態の結像光学系１と、像面に配置され、複数の画素を有する撮像素子と、を備える撮像装置として使用することが好ましい。

本実施形態の結像光学系１を用いることで、撮像装置の小型化を実現することが可能となる。

また、撮像装置を備える内視鏡として使用することが好ましい。

本実施形態の撮像装置は、フォーカスの変更を非常に簡単な動きで動作するので、内視鏡のような小型の装置に用いることで、内視鏡の性能を向上させることが可能となる。

さらに好ましくは、合焦検出部又は測距部等を用いて自動でフォーカス調整を行うことが好ましい。

図１８は、本実施形態の結像光学系１を内視鏡１１０の先端に用いた例を示す図である。

図１８に示すように、硬性内視鏡１１０の先端に本実施形態にかかる結像光学系１を取り付けて撮像観察する。

図１９は、内視鏡１１０の先端に用いた結像光学系１の一実施例を示す図である。

図１９に示す例では、結像光学系１は、可変光学系Ｇｖが回転可能に内視鏡１１０の先端に設置される。撮像光学系Ｇ１は、内視鏡１１０の先端に固着される。可変光学系Ｇｖを構成する可変光学素子２は、可変光学素子２の回転軸に設置された軸部材３によって回転可能に設置される。軸部材３は、図示しない駆動部によって駆動される。結像光学系１の像面の位置には撮像素子１０が設置され、撮像装置を構成する。

このような構成の撮像装置及び内視鏡１１０によって、小型で高精細な観察が可能であり、簡単な構造でフォーカス調整が可能となる。

図２０は、内視鏡１１０の先端に用いた結像光学系１の他の実施例を示す図である。

図２０に示す例では、可変光学系Ｇｖを構成する可変光学素子２が扇形で形成されている。その他の構成は、図１９に示した内視鏡１１０と同様である。

図２１は、内視鏡１１０の先端に用いた結像光学系１の他の実施例を示す図である。

図２１に示す例では、結像光学系１は、可変光学系Ｇｖが回転可能に内視鏡１１０の先端に設置される。撮像光学系Ｇ１は、内視鏡１１０の先端に固着される。可変光学系Ｇｖを構成する可変光学素子２は、円環部材４の内周に外周部が固着される。円環部材４の可変光学素子２が設置されていない内周の一部には、軸部材３の先端に設置された歯車５に噛み合う歯が形成されている。したがって、結像光学系１は、軸部材３が図示しない駆動部によって駆動されると、歯車５が回転し、歯車５に噛み合う円環部材４が回転することで、可変光学素子２が回転する。

また、結像光学系１の像面の位置には図示しない撮像素子が設置され、撮像装置を構成する。このような構成の撮像装置及び内視鏡１１０によって、小型で高精細な観察が可能であり、簡単な構造でフォーカス調整が可能となる。

図２２は、軟性電子内視鏡１１３の先端に本実施形態にかかる結像光学系１を用いた例を示す図である。

図２２に示すように、軟性電子内視鏡１１３の先端に本実施形態にかかる光学系１を同様に取り付けて、撮影された画像を、表示装置１１４に画像処理を施し、歪みを補正して表示するようにしてもよい。

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変更して構成した実施形態及び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。

１…結像光学系
２…可変光学素子
Ｇ１…撮像光学系
Ｇｆ…前群
Ｇｂ…後群
Ｇｖ…可変光学系
Ｓ…絞り
Ｉ…像面

Claims (15)

1. 物体の像を撮像する撮像光学系と、
   前記撮像光学系の光路と交差するように配置され、前記撮像光学系の中心軸と平行な回転軸を中心に回転し、前記撮像光学系のフォーカスを変化させる可変光学系と、
   を備える
   ことを特徴とする結像光学系。
2. 前記可変光学系は、前記回転軸を中心とした円弧状に配置される少なくとも１つの可変光学素子を有する
   請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記可変光学素子は、連続的に前記撮像光学系のフォーカスを変化させる
   請求項２に記載の結像光学系。
4. 前記可変光学素子は、入射面と射出面が連続的な平面で構成される
   請求項３に記載の結像光学系。
5. 前記可変光学素子は、前記入射面と前記射出面が前記回転軸に対して異なる角度を有する
   請求項４に記載の結像光学系。
6. 前記可変光学素子は、入射面と射出面のうち少なくとも１つが連続的な曲面で構成される
   請求項３に記載の結像光学系。
7. 前記曲面は、螺旋面で構成される
   請求項６に記載の結像光学系。
8. 前記螺旋面は、常螺旋面で構成される
   請求項７に記載の結像光学系。
9. 前記曲面は、部分的曲率が異なる
   請求項６に記載の結像光学系。
10. 前記曲面は、自由曲面で構成される
    請求項９に記載の結像光学系。
11. 前記可変光学素子は、不連続的に前記撮像光学系のフォーカスを変化させる
    請求項２に記載の結像光学系。
12. 前記可変光学素子は、厚さの異なる複数の平行平面板で構成される
    請求項１１に記載の結像光学系。
13. 前記可変光学素子は、入射面又は射出面の形状が部分的に異なる
    請求項１１又は１２に記載の結像光学系。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の結像光学系と、
    像面に配置され、複数の画素を有する撮像素子と、
    を備え、
    前記可変光学系は、前記撮像光学系と前記撮像素子の間に配置する
    ことを特徴とする撮像装置。
15. 請求項１４に記載の撮像装置を備える
    ことを特徴とする内視鏡。

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