JP3055785B2 - 撮像光学系 - Google Patents

撮像光学系

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JP3055785B2 JP1215115A JP21511589A JP3055785B2 JP 3055785 B2 JP3055785 B2 JP 3055785B2 JP 1215115 A JP1215115 A JP 1215115A JP 21511589 A JP21511589 A JP 21511589A JP 3055785 B2 JP3055785 B2 JP 3055785B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、主としてビデオスコープに使用する撮像光
学系に関するものである。
[従来の技術] 従来のビデオスコープ用撮像光学系として、第9図に
示すような特開昭62−173415号に記載されたものがあ
る。この光学系は、主光線が発散する方向で像面に入射
する。また近赤外線を除去するためのフイルターFを光
学系の内部に配置している。
上記の従来例では、撮像面で反射した光がフイルター
面で反射されてそのまま戻ることがなく、光学系の外側
の方向に反射されて行く。したがって撮像面とフイルタ
ーとの間の繰返し反射によりフレアー等が生ずるおそれ
はない。
しかしこのタイプの光学系を、例えば色モザイクフイ
ルターを撮像面に貼り合わせたCCD等と組合わせて使用
する場合は、となりの色フイルターを通過した光が混入
して色むらを生ずる。またモノクロのCCDも、近年画素
が小型化し、上記従来例の光学系では、CCDに入射後に
にじみを生じてしまう。
以上の理由から撮像素子と組合わせて使用する光学系
も、主光線が像面に垂直に入射するテレセントリック系
であることが不可欠となった。
一方、内視鏡は、治療用としてYAGレーザーを使用す
るために対物光学系の内部にYAGレーザーよりの光を除
去するためのフイルターが配置されている。又近赤外線
を除去して色再現性を確保するためには、光学系内部に
近赤外線カットフイルターを配置する必要がある。しか
もこれらフイルターへの光線の入射角が像高によって異
なった場合、YAGレーザーよりの光をカットするフイル
ターによる光のカットが画面内で不均一になったり、色
再現性が悪化して色むらを生じたりする。これをさける
ためには、これらフイルターは、対物光学系の絞りと像
面の間の主光線の傾斜角の比較的小さい所に配置されて
いる。
[発明が解決しようとする課題] テレセントリック光学系においては、反射率が数パー
セント〜数十パーセントの固体撮像素子面での反射光
が、そのまま逆に光路をたどり、内蔵しているコンマ数
パーセントから数パーセントの反射率のフイルター面で
反射して光学系を再度通り撮像面でフレアーを生ずるこ
とになる。
本発明の目的は、テレセントリック系でその絞りから
像面までの間にフイルターが配置された光学系で、撮像
面での反射光がフイルターにより反射して起こるフレア
ーの少ない撮像光学系を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明の撮像光学系は、物体からの主光線をほぼ平行
な状態にて所定の像面に入射せしめる対物レンズと、前
記対物レンズを構成するレンズのうちの少なくとも一つ
のレンズを前記像面との間に挟むように配置されたフィ
ルターと、該フィルターよりも物体側に配置された絞り
と、前記像面に設けられた入射光の一部を反射する性質
を有する受光手段とを備え、下記の条件(1)乃至
(4)を満足するものである。
(1) fM/H>1.5 (2) f4/H>2 (3) D>0 (4) 20>f4/f>4 ただし、fMは前記受光手段の撮像面で反射された光が
前記フィルタにて反射されて該撮像面に戻るまでの系の
合成焦点距離、Hは最大像高、f4は前記フィルタと前記
像面の間に配置されたレンズの焦点距離、Dは前記フィ
ルターから前記フィルタと前記像面の間に配置されたレ
ンズまでの距離をa、該レンズの入射面から前側主平面
までの距離をbとしたとき、D=2a+2bで表わされる距
離、fは前記撮像光学系全系の焦点距離である。
また、本発明の撮像光学系は、内視鏡に用いられる撮
像光学系であって、物体からの主光線をほぼ平行な状態
にて所定の像面に入射せしめる対物レンズと、前記対物
レンズを構成するレンズのうちの少なくとも一つのレン
ズを前記像面との間に挟むように配置された干渉型のレ
ーザカットフィルターと、前記像面に設けられた入射光
の一部を反射する性質を有する受光手段とを備え、下記
の条件(1)を満足するものである。
(1) fM/H>1.5 ただし、fMは前記受光手段の撮像面で反射された光が
干渉型のレーザカットフィルターにて反射されて該撮像
面に戻るまでの系の合成焦点距離、Hは最大像高であ
る。
第1図は本発明の光学系の概念図であって、絞りSよ
りも前の前群(レンズL1,L2)で屈折して絞りの中心を
通った主光線lは、更に絞りSより後方の後群(レンズ
L3,L4)で屈折して像面Gに垂直に入射する。この像面
G上に位置している撮像面で数パーセント〜数十パーセ
ントの光が反射されて逆方向に戻り、フイルター面でコ
ンマ数パーセント〜数パーセント反射され、レンズL4
て屈折された後に像面上の光軸付近に結像する。この反
射光が前述のようにフレアーの原因になる。
このフレアー光の明るさIfは、次の式で表わすことが
出来る。
If=μf 2×L×R ただしμはフレアー光の射出側NA、Lは輝度、Rは
固体撮像素子面とフイルター面の合成の反射率である。
一方、内視鏡においては、像面において通常の結像光
の板面照度が適切な明るさになるように照明光の明るさ
を変化させている。そのため光学系の射出側NAに応じて
輝度Lが変化し、板面照度が一定になるようにしてい
る。そして板面照度I0は次のように表わせる。
I0=L・μ0 2=const. ただしμは光学系の射出側NAである。したがってL
=const./μ0 2となり輝度はμ0 2に逆比例する。
以上の式からフレアー光の明るさIfは次のように表わ
すことが出来る。
If=(μf 20 2)×const×R μ0,Rは光学系の仕様で決まる係数で、フレアーを暗
くするためには、μを小さくすればよい。
第2図は、第1図に示した光学系を像面Gにて折り返
し更にフイルター面Fで折り返したようすを示した図で
ある。この図からわかるようにμは、像高Hとレンズ
群LM(レンズL4をフイルター面で折り返して2ケ配置し
た系)の合成焦点距離fMとで次のように表わすことが出
来る。
μ=H/fM ここでHは仕様として決められるものであり、像高H
が大になるとμも大になりフレアー光は明るくなるこ
とを示している。
上記式からフレアー光を暗くするためには、fMを大に
すればよい。通常フレアー光の許容範囲としては、およ
そ次に示す通りである。
fM/H>1.5 上記条件が条件(1)である。即ち条件(1)を満足
することによってフレアーを許容の明るさ以下にするこ
とが出来る。
第3図は、レンズ群LMの部分を更に詳細に示した図で
ある。図において焦点距離fMは、レンズL4を前側主点位
置間がDであるように対称に配置したレンズ群LMの焦点
距離である。ここでフイルター面からレンズ前面までの
距離をa,前側主平面位置(レンズ入射面から前側主平面
までの距離)をbとすると次の式が成立つ。
D=2a+2b 尚図においては、前側主平面がレンズ入射面より前方
でマイナスになっている。
fMの大きい系LMを構成してフレアーを少なくするため
には、レンズL4に関して次の条件(2),(3)を満足
することが好ましい。
(2) f4/H>2 (3) D>0 レンズL4の焦点距離f4を大きくするには、内視鏡光学
系の物体側の方にパワーを集中することが必要である。
一方ほぼテレセントリックな光学系においてレンズの径
を出来るだけ小さくして内視鏡として適切な撮像光学系
にするためには、レンズL4にある程度のパワーを持たせ
る必要がある。以上のことから撮像光学系全系の焦点距
離fに対するレンズL4焦点距離f4が次の条件(4)を満
足することが望ましい。
(4) 20>f4/f>1 また絞りより像側の後群のレンズ系の中でのレンズL4
の屈折力がある程度以上ないとつまりf4をある程度小さ
くしないとテレセントリック系でのレンズの径の増大を
ひきおこす。一方f4がある程度以上長くないとフレアー
光の明るさを小さく押えることが出来ない。これらのこ
とから次の条件(5)を満足することが望ましい。
(5) 10>f4/fR>1 ただしfRは、後群の合成焦点距離(レンズL3とレンズ
L4の合成焦点距離)である。
フレアー除去のための別の手段としてフイルターの位
置特に干渉フイルター面等の反射率の高い面を前記の条
件を満足する位置からはずすことも考えられる。つまり
フイルターを対物レンズから外して前記の式での反射率
Rを0にし、他の影響の少ない位置においてもよい。例
えばフイルターを像面の直前に配置してフイルターと撮
像素子との間にレンズ系を置かないようにすることであ
る。このようにすれば撮像素子の面での反射光はいずれ
ももとの位置にもどるため集光されずフレアーの明るさ
を十分暗くすることが出来る。
[実施例] 次に本発明の撮像光学系の各実施例を示す。
実施例1 f=1.646 F/5.00 IH=1.6500 r1=∞ d1=0.5000 n1=1.88300 ν=40.78 r2=0.9400 d2=0.3700 r3=4.9000 d3=0.5300 n2=1.84666 ν=23.78 r4=−1.9580 d4=0.1000 r5=∞(絞り) d5=0.1000 r6=−2.0220 d6=0.3000 n3=1.80518 ν=25.43 r7=2.7600 d7=1.0500 n4=1.51633 ν=64.15 r8=−1.2960 d8=0.1000 r9=9.0870 d9=0.2600 n5=1.84666 ν=23.78 r10=2.8540 d10=1.3500 n6=1.51633 ν=64.15 r11=−2.8540 d11=0.2100 r12=∞ d12=0.4000 n7=1.51633 ν=64.15 r13=∞ d13=0.0300 r14=∞ d14=1.1000 n8=1.52000 ν=74.00 r15=∞ d15=0.4000 r16=3.6780 d16=1.1500 n9=1.51633 ν=64.15 r17=32.7150 d17=0.5000 r18=∞ d18=1.8700 n10=1.54869 ν10=45.55 r19=∞ d19=0.4000 n11=1.51633 ν11=64.15 r20=∞ 像高H=1.65 f=1.646 fR=2.547 f4=7.919 μ=0.10 実施例2 f=1.809 F/5.00 IH=1.6497 r1=∞ d1=0.4500 n1=1.88300 ν=40.78 r2=1.3450 d2=0.9800 r3=2.4980 d3=0.5000 n2=1.84666 ν=23.78 r4=−2.4980 d4=0.0500 r5=∞(絞り) d5=0.1500 r6=−1.5640 d6=0.2500 n3=1.84666 ν=23.78 r7=1.5640 d7=0.8700 n4=1.51633 ν=64.15 r8=−1.5640 d8=0.1000 r9=86.4780 d9=0.7500 n5=1.69680 ν=55.52 r10=−2.2420 d10=0.1000 r11=∞ d11=0.4000 n6=1.51633 ν=64.15 r12=∞ d12=0.0100 r13=∞ d13=0.7000 n7=1.52000 ν=74.00 r14=∞ d14=0.0100 r15=∞ d15=0.4000 n8=1.51633 ν=64.15 r16=∞ d16=0.4100 r17=−2.8540 d17=0.3000 n9=1.84666 ν=23.78 r18=−9.5620 d18=0.5800 n10=1.51633 ν10=64.15 r19=−5.0390 d19=0.4605 r20=4.2160 d20=0.8500 n11=1.77250 ν11=49.66 r21=∞ d21=1.5000 n12=1.54814 ν12=45.78 r22=∞ d22=0.4000 n13=1.51633 ν13=64.15 r23=∞ 像高H=1.65 f=1.809 fR=3.367 f4=12.573 μ=0.10 実施例3 f=2.003 F/5.00 IH=1.6500 r1=∞ d1=0.5000 n1=1.88300 ν=40.78 r2=2.2780 d2=0.6300 r3=∞ d3=5.0200 n2=1.80610 ν=40.95 r4=∞(絞り) d4=0.2000 r5=4.4560 d5=0.7300 n3=1.72916 ν=54.68 r6=−4.4560 d6=0.2000 r7=∞ d7=1.5000 n4=1.52000 ν=74.00 r8=∞ d8=1.4000 r9=∞ d9=1.3000 n5=1.51633 ν=64.15 r10=−1.7150 d10=0.5000 n6=1.84666 ν=23.78 r11=−4.5420 d11=0.5000 r12=4.8260 d12=1.0800 n7=1.72916 ν=54.68 r13=∞ d13=1.5000 n8=1.54869 ν=45.55 r14=∞ d14=0.4000 n9=1.51633 ν=64.15 r15=∞ 像高H=1.65 f=2.003 fR=4.186 f4=6.164 μ=0.10 実施例4 f=1.646 F/5.00 IH=1.6500 r1=∞ d1=0.5000 n1=1.88300 ν=40.78 r2=0.9400 d2=0.3700 r3=4.9000 d3=0.5300 n2=1.84666 ν=23.78 r4=−1.9580 d4=0.1000 r5=∞(絞り) d5=0.1000 r6=−2.0220 d6=0.3000 n3=1.80518 ν=25.43 r7=2.7600 d7=1.0500 n4=1.51633 ν=64.15 r8=−1.2960 d8=0.1000 r9=9.0870 d9=0.2600 n5=1.84666 ν=23.78 r10=2.8540 d10=1.3500 n6=1.51633 ν=64.15 r11=−2.8540 d11=0.2100 r12=∞ d12=1.1000 n7=1.5200 ν=74.00 r13=∞ d13=0.6900 r14=3.6780 d14=1.1500 n8=1.51633 ν=64.15 r15=32.7150 d15=0.0700 r16=∞ d16=0.4000 n9=1.51633 ν=64.15 r17=∞ d17=0.4000 r18=∞ d18=1.5000 n10=1.54869 ν10=45.55 r19=∞ d19=0.4000 n11=1.51633 ν11=64.15 r20=∞ 像高H=1.65 f=1.646 fR=2.546 f4=7.919 μ=0.10 ただしr1,r2,…はレンズ各面の曲率半径,d1,d2,…は
各レンズの肉厚およびレンズ間隔、n1,n2,…は各レンズ
の屈折率、ν12,…は各レンズのアッベ数である。
実施例1は、第4図に示すレンズ構成で、フイルター
とCCDの間に1枚の凸レンズを配置したものである。こ
の実施例のフイルターは、物体側の面にYAG光を反射す
る干渉フイルターを有し、その像側には近赤外光とYAG
光を吸収する赤外線カットフイルターを有している。
この実施例において、CCDで反射された光は、可視光
の反射率が数パーセントである前方のフイルターの前面
と、反射率がコンマ数パーセント〜数パーセントである
像側に配置した赤外線カットフイルターで反射し再びCC
D面に入射してフレアー光となる。しかし、フイルター
より像側のレンズからなるレンズ群LMの合成焦点距離fM
が条件(1)を満足する構成であり、これによってフレ
アーの強度は十分小さくなっている。また条件(1)を
満足するレンズ群LMを構成するためにf2,D等の値も各条
件を満足するようになっている。
この実施例1の光学系の条件(1)〜(5)に対応す
る値は下記の通りである。
(1) fM/H a) 2.88 b) 2.50 (2) f4/H a)b) 4.8 (3) D/H a) 1.56 b) 0.37 (4) f4/f a)b) 4.82 (5) f4/fR a)b) 3.11 上記の値のうちa)は、フイルター反射面をYAG光を
反射する面、b)は2枚のフイルターのうちの最終面と
した時の値である。
実施例2は、第5図に示す光学系でフイルターの像側
にメニスカス凸レンズ、平凸レンズを配置した構成であ
る。フイルターはYAG光カットフイルター2枚で赤外光
線カットフイルターをサンドウィッチにしたものであ
る。
この実施例2の条件(1)〜(5)に対応する値は下
記の通りである。
(1) fM/H a) 5.87 b) 5.23 (2) f4/H a)b) 7.62 (3) D/H a) 5.34 b) 4.15 (4) f4/f a)b) 7.62 (5) f4/fR a)b) 3.73 ここでa)は3枚構造のフイルターの第1面、b)は
3枚構造のフイルターの最終面をフイルター反射面とし
た時の値である。
実施例3はフイルターの像側に平凸レンズと、凸平レ
ンズを配置したものである。この実施例で用いているフ
イルターは、近赤外線吸収フイルターの片面にYAG光を
反射するコートを付けたものである。
この実施例3の条件(1)〜(5)に対応する値は下
記の通りである。
(1) fM/H a) 6.02 b) 3.97 (2) f4/H a)b) 3.73 (3) D/H a) 5.15 b) 3.95 (4) f4/f a)b) 3.08 (5) f4/fR a)b) 1.47 ここでa)はフイルターの物体側の面、b)はフイル
ターの像側の面をフイルター反射面とした時の値であ
る。
実施例4は、第7図に示す構成で、実施例1の光学系
に反射率の高いYAG光カットフイルターをレンズの像側
へ移した構成で、これによってフレアーを更に低減し
た。
この実施例4の条件(1)〜(5)に対応する値は下
記の通りである。
(1) fM/H a) 2.88 b) 2.59 (2) f4/H a)b) 4.8 (3) D/H a) 1.15 b) 0.72 (4) f4/f a)b) 4.82 (5) f4/fR a)b) 3.11 ここでa)はフイルターの物体側の面、b)はフイル
ターの像側面をフイルター反射面とした時の値である。
第8図は、実施例1および実施例4の光学系におい
て、フイルターをすべてレンズ系の後方に移動させたも
のである。このようにしてもテレセントリック系におけ
るフレアーを低減させ得る。しかし、この光学系は、レ
ンズの後面からCCDまでの距離が極めて長くなり光線高
が高くなるのでレンズの直径が大でコンパクトでない。
そのため使用範囲が限られる短所がある。
第8図の光学系のデーターは、次の通りである。
f=1.631 F/5.00 IH=1.6500 r1=∞ d1=0.5000 n1=1.88300 ν=40.78 r2=0.9400 d2=0.4000 r3=3.5000 d3=0.5300 n2=1.84666 ν=23.78 r4=−1.9580 d4=0.1000 r5=∞(絞り) d5=0.1000 r6=−1.9990 d6=0.2900 n3=1.80518 ν=25.43 r7=4.0180 d7=1.0500 n4=1.51633 ν=64.15 r8=−1.3920 d8=0.1000 r9=∞ d9=0.2600 n5=1.84666 ν=23.78 r10=2.7020 d10=1.4500 n6=1.51633 ν=64.15 r11=−2.7020 d11=0.7000 r12=4.3300 d12=1.1500 n7=1.72916 ν=54.68 r13=∞ d13=0.0300 r14=∞ d14=1.1000 n8=1.52000 ν=74.00 r15=∞ d15=0.0300 r16=∞ d16=0.4000 n9=1.51633 ν=64.15 r17=∞ d17=0.6000 r18=∞ d18=1.5000 n10=1.54869 ν10=45.55 r19=∞ d19=0.4000 n11=1.51633 ν11=64.15 r20=∞ 像高H=1.65 f=1.631 fR=2.546 f4=7.919 μ=0.10 [発明の効果] 本発明によれば、CCD等の高反射率の撮像面をもち、
又YAGフイルター等の高反射率でしかも透過特性に入射
角依存性のあるフイルターをレンズ系中の光線角度のゆ
るやかな絞りとCCDの間に配置され、更に像面に垂直に
光線を入射させるテレセントリック光学系において、撮
像面とフイルター面のくり返し反射によるフレアーを実
用上問題のないレベルにおさえることを可能にした。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の概念図、第2図は本発明の光学系にお
いて、像面にて折り返して示した断面図、第3図は第2
図の要部拡大図、第4図乃至第7図は本発明の実施例1
乃至実施例4の断面図、第8図はフレアーを除去した他
の光学系の断面図、第9図は従来の撮像光学系の断面図
である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】物体からの主光線をほぼ平行な状態にて所
    定の像面に入射せしめる対物レンズと、前記対物レンズ
    を構成するレンズのうちの少なくとも一つのレンズを前
    記像面との間に挟むように配置されたフィルターと、該
    フィルターよりも物体側に配置された絞りと、前記像面
    に設けられた入射光の一部を反射する性質を有する受光
    手段とを備え、下記の条件(1)乃至(4)を満足する
    撮像光学系。 (1) fM/H>1.5 (2) f4/H>2 (3) D>0 (4) 20>f4/f>4 ただし、fMは前記受光手段の撮像面で反射された光が前
    記フィルタにて反射されて該撮像面に戻るまでの系の合
    成焦点距離、Hは最大像高、f4は前記フィルタと前記像
    面の間に配置されたレンズの焦点距離、Dは前記フィル
    ターから前記フィルタと前記像面の間に配置されたレン
    ズまでの距離をa、該レンズの入射面から前側主平面ま
    での距離をbとしたとき、D=2a+2bで表わされる距
    離、fは前記撮像光学系全系の焦点距離である。
  2. 【請求項2】内視鏡に用いられる撮像光学系であって、
    物体からの主光線をほぼ平行な状態にて所定の像面に入
    射せしめる対物レンズと、前記対物レンズを構成するレ
    ンズのうちの少なくとも一つのレンズを前記像面との間
    に挟むように配置された干渉型のレーザカットフィルタ
    ーと、前記像面に設けられた入射光の一部を反射する性
    質を有する受光手段とを備え、下記の条件(1)を満足
    する撮像光学系。 (1) fM/H>1.5 ただし、fMは前記受光手段の撮像面で反射された光が干
    渉型のレーザカットフィルターにて反射されて該撮像面
    に戻るまでの系の合成焦点距離、Hは最大像高である。
  3. 【請求項3】前記干渉型のレーザカットフィルターはYA
    G光カットフィルターであることを特徴とする特許請求
    の範囲(2)に記載の撮像光学系。
  4. 【請求項4】前記干渉型のレーザカットフィルターは、
    近赤外線吸収フィルターの片面にレーザ光を反射するコ
    ートを付けたフィルターであることを特徴とする特許請
    求の範囲(2)に記載の撮像光学系。
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