JP5074114B2 - 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

光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡 Download PDF

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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。
本発明の一実施形態にかかる光学系は、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、前記前群は、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光学素子が配置され、前記光学素子は、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、第１透過面と、第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記中心軸近傍に前記第２透過面が配置され、その周辺部に前記第１反射面及び前記第２反射面が配置され、最周辺部に前記第１透過面が配置され、前記第１反射面は、前記開口に対して像面と反対側に配置されると共に、前記開口側に凹面を向けて配置され、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反射面で像面と反対側に反射され、前記第２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Ｚ字状の光路を構成し、前記光路は、前記透明媒体中で前記中心軸に対して片側のみで構成され、中間像を形成しないことを特徴とする。
また、前記第１反射面及び前記第２反射面は、トーリック面から形成されることを特徴とする。
また、前記第１反射面及び前記第２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。
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２反射面は、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、前記光学素子の回転対称軸方向に計った厚さをｔ、外径をｄとするとき、
１＜ｄ／ｔ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする。
また、前記光学素子の回転対称軸方向に計った厚さをｔ、外径をｄとするとき、
３＜ｄ／ｔ ・・・（１−１）
なる条件を満足することを特徴とする。
また、前記光学素子の前記第１反射面での中心主光線の入射角をθ１、前記第２反射面での中心主光線の入射角をθ２とするとき、
２０＜θ２＜４０ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする。
また、メリジオナル断面の画角の角倍率をβとするとき
０．０５＜β＜２ ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする。
また、メリジオナル断面の画角の角倍率をβとするとき
０．１＜β＜２ ・・・（４−１）
なる条件を満足することを特徴とする。
また、前記第１透過面は、前記中心軸を中心とした円錐面から形成される
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光学素子から構成される前群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。また、この実施例では、後群Ｇｂは理想レンズとしている。
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、第１透過面１１と、第１反射面１２と、第１反射面１２に対して像面５と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置された第２透過面１４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と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から像面５側に外へ出る略Ｚ字状の光路Ａを構成する。
この構成により、光路Ａの第１反射面１２及び第２反射面１３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。
また、中心軸２近傍に第２透過面１４を配置し、その周辺部に第１反射面１２及び第２反射面１３を配置し、最周辺部に第１透過面１１を配置したので、光路Ａは略中心軸２と直交する方向から入射し、第１反射面１２及び第２反射面１３で反射後、第２透過面１４を通過する構成にすることが可能となり、第１反射面１１及び第２反射面１３を内面反射面として構成することが可能となる。そして、内面反射面にすることにより、偏心収差の発生を小さくすることが可能となる。
また、第１反射面１２及び第２反射面１３は、トーリック面から形成されるので、画角周辺部分の歪みを小さくすることが可能となる。
また、第１反射面１２及び／又は第２反射面１３が全反射作用を有する場合は、反射面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及び第２反射面１３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２つの反射面がいずれも開口Ｓに凹面を向けるようにすると、反射面のパワー配置が負−正の配置となり、光学素子自身の反射面のパワー配置が所謂レトロフォーカス型となり、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できるので好ましい。
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難しくなる。
また、光学系は、光路中で中間像を形成しないので、光学系の全長を短くすることが可能となり、光学系の小型化に大きく貢献する。
また、光学素子の回転対称軸方向に計った厚さをｔ、外径をｄとするとき、
１＜ｄ／ｔ ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい。
条件式（１）は、光学系を小型にする為の条件で、下限を超えると、この光学素子の像側に配置される結像光学系を含めた全体の大きさが大きくなりすぎてしまう。
また、光学素子の回転対称軸方向に計った厚さをｔ、外径をｄとするとき、
３＜ｄ／ｔ ・・・（１−１）
なる条件を満足すると、光学系をさらに小型に構成することが可能になる。
また、光学素子の前記第１反射面での中心主光線の入射角をθ１、第２反射面での中心主光線の入射角をθ２とするとき、
２０＜θ２＜４０ ・・・（２）
なる条件を満足することが好ましい。
条件式（２）の下限を超えると、第２反射面１３での入射角度が小さくなりすぎ、第１反射面１２と第２透過面１４を隣接して配置することができなくなり、広い上下方向の画角を取れなくなったり、第１反射面１２が回転対称軸に近くなってしまうため、サジタル像面の湾曲が大きく発生したり、サジタルコマ収差の発生が大きくなり、他の面で補正できなくなる。
また、条件式（２）の上限を超えると、光学系が大型になると同時に、第２反射面１３で発生する偏心収差が大きくなり、奇数次項を使っても補正できなくなる。
さらに好ましくは、第１反射面１２は絞り開口Ｓに対して像面５と反対側に配置されることが好ましい。これは、後群Ｇｂのレンズと第１反射面１２の干渉を避けるために重要な条件で、第１反射面１２が絞り開口Ｓより像面５側に位置すると、後群Ｇｂの光学系又は任意の結像光学系と第１反射面１２が干渉してしまい。第１反射面１２を大きくせざるを得なくなり、結果として光学系全体が大型になってしまう。第１反射面１２が絞り開口Ｓに対して像面５と反対側に位置していれば、第１反射面１２と結像光学系の干渉を気にしなくて良い。
また、メリジオナル断面の画角の各倍率をβとするとき、
０．０５＜β＜２ ・・・（４）
なる条件を満足することが好ましい。
条件式（４）の下限を超えると、βが小さくなりすぎ、本発明の光学素子の縮小の角倍率が小さくなりすぎ、本光学素子の負担が増えて好ましい結果が得られない。また、後群の画角は小さくてよいが、焦点距離の長い光学系が必要となる。焦点距離の長いＦナンバーの小さい明るい後群は、光学系の大きさが大きくなる傾向があり、小型化の点で好ましくない。
条件式（４）の上限を超えると、後群の画角が大きく必要になり後群の焦点距離が短くなりすぎ、後群の画角に対する負担が大きくなりすぎ好ましくない。
また、メリジオナル断面の画角の各倍率をβとするとき、
０．１＜β＜２ ・・・（４−１）
なる条件を満足すると、さらに好ましい。
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＋・・・・＋Ｃn+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、画角と像高の関係（Ｆ−θ線図）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、既存の光学系の先端に取り付けるアタッチメント光学系として構成した例である。図中、矢印は理想レンズＬ０を示している。
光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、理想レンズＬ０からなる後群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とからなる。
前群Ｇｆ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、中心軸２に対して外側に形成され、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、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Ｌ２の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５と反対側に配置され、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１４をもつ。
後群Ｇｂは、理想レンズＬ０である。
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と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
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の理想レンズＬ０を経て、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 −５°〜９５°
像の大きさ φ０．２８〜φ０．９９
Ｆナンバー １．７８
理想レンズのｆ １．００
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、画角と像高の関係（Ｆ−θ線図）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、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１と第２群Ｇ２と第３群Ｇ３からなる。
なお、開口Ｓ付近に配置された並行平面板はフィルターＦ等として作用する。像面５近傍の平行平面板は撮像素子のカバーガラスＣ等である。
前群Ｇｆ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、中心軸２に対して外側に形成され、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、拡張回転自由曲面からなり、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と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
後群Ｇｂは、像面５側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなる第１群と、両凸正レンズＬ４からなる第２群と、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなる第３群とを有する。
第１群は、物体面３側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面５側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面５側に配置される第４透過面３１をもつ。
第２群は、両凸正レンズＬ４からなり、第５透過面４１と、第５透過面４１より像面５側に配置される第６透過面４２をもつ。
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズからなり、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と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
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１群の負メニスカスレンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に中心軸２を挟んで反対側で第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出て、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出て、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズ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 −５°〜９５°
像の大きさ φ０．２８〜φ１．００
Ｆナンバー １．８１
である。
実施例３の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図９に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１０、画角と像高の関係（Ｆ−θ線図）を図１１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、既存の光学系の先端に取り付けるアタッチメント光学系として構成した例である。図中、矢印は理想レンズＬ０を示している。
光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、理想レンズＬ０からなる後群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とからなる。
前群Ｇｆ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、中心軸２に対して外側に形成され、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、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ２の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、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１４をもつ。
後群Ｇｂは、理想レンズＬ０である。
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と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
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の理想レンズＬ０を経て、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３の仕様は、
画角 −５°〜９５°
像の大きさ φ０．２８〜φ１．００
Ｆナンバー １．８１
理想レンズのｆ １．００
である。
実施例４の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図１２に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１３、画角と像高の関係（Ｆ−θ線図）を図１４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、既存の光学系の先端に取り付けるアタッチメント光学系として構成した例である。図中、矢印は理想レンズＬ０を示している。
光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、理想レンズＬ０からなる後群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とからなる。
前群Ｇｆ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、中心軸２に対して外側に形成され、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、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ２の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、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１４をもつ。
後群Ｇｂは、理想レンズＬ０である。
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と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
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の理想レンズＬ０を経て、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４の仕様は、
画角 １０°〜１１０°
像の大きさ φ０．２８〜φ１．００
Ｆナンバー １．８５
理想レンズのｆ １．００
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 4.56 偏心(5)
5 ∞（絞り） 1.00 偏心(6)
6 理想レンズ 1.12
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -98.62
θ 45.00
Ｒ -8.26
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 12.09
θ 2.09
Ｒ -6.41
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 25.09
θ -10.83
Ｒ -2.94
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -8.26 Ｚ -8.26
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -6.41 Ｚ -6.41
α 2.09 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -2.94 Ｚ -10.43
α -10.83 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -6.99
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -1.50
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] 偏心(5)
5 ∞ 0.50 偏心(6) 1.5163 64.1
6 ∞（絞り） 0.10
7 3.94 0.30 1.8467 23.8
8 1.40 1.00 1.7407 44.9
9 -2.67 0.10
10 3.04 0.60 1.6204 60.3
11 -5.34 0.10
12 1.79 1.00 1.6204 60.3
13 -1.32 0.30 1.8467 23.8
14 9.16 0.30
15 ∞ 0.40 1.5163 64.1
16 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -145.30
θ 45.00
Ｒ -6.84
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 16.86
θ 2.40
Ｒ -5.14
Ｃ4 -1.1325E-03 Ｃ5 -6.7639E-04
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 63.33
θ -9.74
Ｒ -1.68
Ｃ4 -7.4594E-03 Ｃ5 -2.6870E-03
ＡＳＳ[1]
Ｒ 0.68
ｋ -1.3647E-01
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -6.84
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.14
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -9.24
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.48
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例３
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 4.05 偏心(5)
5 ∞（絞り） 1.00 偏心(6)
6 理想レンズ 1.20
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 135.56
θ 45.00
Ｒ -5.70
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 8.30
θ -2.95
Ｒ -4.70
Ｃ4 -4.0540E-03 Ｃ5 -1.5338E-03
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 28.47
θ -17.50
Ｒ -1.70
Ｃ4 -8.0029E-03 Ｃ5 -1.9714E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.70
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.70
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -7.13
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.74
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -1.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例４
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 1.45 偏心(5)
5 ∞（絞り） 1.00 偏心(6)
6 理想レンズ 1.29
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 7.21
θ 100.26
Ｒ -5.73
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 4.93
θ 22.65
Ｒ -3.89
Ｃ4 -8.8849E-03 Ｃ5 -2.0610E-04
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 9.10
θ -5.82
Ｒ -1.71
Ｃ4 -1.0337E-02 Ｃ5 -3.3607E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 60.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.31
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.97
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -6.15
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.95
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -1.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
また、光学素子の回転対称軸方向に計った厚さｔ、外径ｄ、第１反射面での中心主光線の入射角θ１、第２反射面での中心主光線の入射角θ２、第１反射面と絞りの間隔を回転対称軸方向に測った長さｔｓ、第１反射面の直径ｄ１、メリジオナル断面の画角の角倍率（空気中の：射出画角／入射画角）βは、
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
ｔ 3.5 5.0 4.8 3.26
ｄ 21.0 18.0 13.6 12.0
ｄ／ｔ 4.4 3.6 3.6 3.7
θ１ 42.9 42.6 47.9 57.0
θ２ 30.0 30.5 33.4 28.6
ｔｓ 4.7 0.6 3.0 6.0
ｄ１ 17.8 17.4 13.0 10.2
ｄ１／ｔｓ 3.8 29.0 4.3 1.7
β 0.18 0.15 0.18 0.18
である。
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。
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１５は、本実施例の画像と撮像素子の配置例を示す。図１５（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１５（ｂ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、図１５（ａ）と同様に上下方向の映像は使用しない場合を示す。図１５（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１６（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１６（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１６（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１７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の光路Ａにおける前群Ｇｆの前方及び第１透過面１１の周囲に開口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１６及び図１７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１８（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１８（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１５（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１９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２０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Ｆ−θ線図を示す図である。 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Ｆ−θ線図を示す図である。 本発明の実施例３の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例３の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。 本発明の実施例４の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例４の光学系全体の横収差図を示す図である。 実施例４の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。 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 (15)

  1. 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、
    前記前群は、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光学素子が配置され、
    前記光学素子は、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、
    第１透過面と、
    第１反射面と、
    前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、
    前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、
    を有し、
    前記中心軸近傍に前記第２透過面が配置され、
    その周辺部に前記第１反射面及び前記第２反射面が配置され、
    最周辺部に前記第１透過面が配置され、
    前記第１反射面は、前記開口に対して像面と反対側に配置されると共に、前記開口側に凹面を向けて配置され、
    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反射面で像面と反対側に反射され、
    前記第２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Ｚ字状の光路を構成し、
    前記光路は、
    前記透明媒体中で前記中心軸に対して片側のみで構成され、
    中間像を形成しない
    ことを特徴とする光学系。
  2. 前記第１反射面及び前記第２反射面は、トーリック面から形成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
  3. 前記第１反射面及び前記第２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又は請求項２に記載の光学系。
  4. 前記第１反射面と前記第２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３のいずれかに記載の光学系。
  5. 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４のいずれかに記載の光学系。
  6. 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１乃至請求項５のいずれかに記載の光学系。
  7. 前記第２反射面は、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１乃至請求項６のいずれかに記載の光学系。
  8. 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１乃至請求項７のいずれかに記載の光学系。
  9. 前記光学素子の回転対称軸方向に計った厚さをｔ、外径をｄとするとき
    １＜ｄ／ｔ ・・・（１）
    なる条件を満足する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光学系。
  10. 前記光学素子の回転対称軸方向に計った厚さをｔ、外径をｄとするとき
    ３＜ｄ／ｔ ・・・（１−１）
    なる条件を満足する
    ことを特徴とする請求項９に記載の光学系。
  11. 前記光学素子の前記第１反射面での中心主光線の入射角をθ１、前記第２反射面での中心主光線の入射角をθ２とするとき
    ２０＜θ２＜４０ ・・・（２）
    なる条件を満足する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光学系。
  12. メリジオナル断面の画角の角倍率をβとするとき
    ０．０５＜β＜２ ・・・（４）
    なる条件を満足する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の光学系。
  13. メリジオナル断面の画角の角倍率をβとするとき
    ０．１＜β＜２ ・・・（４−１）
    なる条件を満足する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の光学系。
  14. 前記第１透過面は、前記中心軸を中心とした円錐面から形成される
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の光学系。
  15. 請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の光学系を用いた内視鏡。
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