JP5373228B2 - 撮像装置および内視鏡 - Google Patents
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Description
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成によって被写界深度を拡大することができる撮像装置および内視鏡を提供することを目的とする。
本発明の参考例は、光軸の途中位置に配置されて物体からの入射光を通過させる開口部を有する明るさ絞りを備え、該明るさ絞りが、前記光軸に一致する部分に前記入射光を遮断する遮光部を有する対物光学系である。
本発明の参考例によれば、明るさ絞りの開口部を通過して結像した入射光の光学像を撮像素子等によって撮影することにより物体の画像を取得することができる。
このようにすることで、対物光学系から射出される光束には光軸に対して非対称な収差成分が含まれないので結像性能を向上することができる。
(1) 4 < Q < 50
ただし、Q=(前記遮光部の面積/前記開口部の面積)×100である。
このようにすることで、開口部を通過する入射光の光量を十分に確保しつつ、遮光部による被写界深度の拡大効果を十分に得ることができる。
このようにすることで、レンズやカバーガラス等の表面に金属を成膜するだけの簡便な方法で明るさ絞りを製造することができる。
このようにすることで、レンズやカバーガラス等の表面に金属を成膜するだけの簡便な方法で明るさ絞りを製造することができる。
このようにすることで、金属からなる平板に開口部となる貫通穴を形成するだけの簡便な方法で明るさ絞りを製造することができる。
本発明の第1の態様によれば、明るさ絞りの光軸と一致する位置に設けられた遮光部によって被写界深度が拡大されることにより、光軸方向の広い範囲にわたって像が鮮明に撮影された画像を取得することができる。また、上記第1の態様においては、撮像素子の配列方向による被写界深度の拡大効果を均等に得ることができる。
上記第1の態様においては、前記明るさ絞りが、1つの前記開口部と、該開口部の内側に設けられた1つの前記遮光部とを有する構成であってもよい。この構成においては、前記明るさ絞りが、下記条件式(1)を満足することが好ましい。
(1) 4 < Q < 50
ただし、Q=(前記遮光部の面積/前記開口部の面積)×100である。
上記第1の態様においては、前記遮光部が、ガラスの表面に金属を成膜してなることとしてもよい。
本発明の第2の態様は、上記いずれかに記載の撮像装置を備える内視鏡である。
本実施形態に係る対物光学系1は、図1に示されるように、物体側から順に第1から第5のレンズL1からL5と、第2のレンズと第3のレンズの間および第5のレンズの像側に配置された平行平板F1,F2と、平行平板F1の像側面に形成された明るさ絞りSとを備えている。
なお、明るさ絞りSは、平凸レンズ等の平面に金属を成膜することにより製造されてもよい。また、図2において、外形が円形の周辺部Cを例示しているが、周辺部Cの外形に特に制限はなく、例えば、矩形等でもよい。
(1) 4 < Q< 50
ただし、
Q=(遮光部Bの面積/開口部Aの面積)×100
である。
なお、明るさ絞りSは、好ましくは以下の条件式(1−1)を満たし、より好ましくは以下の条件式(1−2)を満たし、最も好ましくは(1−3)を満たす。
(1−1) 15 < Q< 40
(1−2) 15 < Q< 35
(1−3) 20 < Q< 35
本実施形態に係る対物光学系1のMTFは、図4に実線で示されるような特性を有する。すなわち、MTF(縦軸)は、低周波領域においては空間周波数(横軸)の増加に伴って単調に減少するが、高周波領域においては減少が一旦留まって略横ばいに変化する。ここで、MTFは、像の空間周波数に対するコントラストの応答を示した関数であり、ある空間周波数においてMTFが高いほどその空間周波数に対応する寸法の構造を鮮明に解像することができる。したがって、図4に示されるMTFの特性を有する対物光学系1によれば、高周波領域においても分解能が十分に高い状態が維持される。
本実施形態の参考例として、遮光部を有さず開口部のみによって構成される従来の明るさ絞りを備える対物光学系のMTFを図4に破線で示す。このような従来の対物光学系によれば、MTFは低周波側から高周波側に向かって単調に減少し続ける。
図5に示される明るさ絞りS’は、図2に示される明るさ絞りSと同様に、レンズ面に金属を成膜して遮光部Bを形成することにより容易に製造される。また、明るさ絞りS’は、金属等の遮光性を有する材料からなる平板に貫通穴を加工して開口部Aを形成することによっても容易に製造されることができる。
本発明の実施例1に係る対物光学系は、図6および下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図7に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.33mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.226mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=14.9である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 17.00 1.
1 ∞ 0.47 1.88815 40.76
2 0.8120 0.42 1.
3 ∞ 0.73 1.93429 18.90
4 20.4054 0.15 1.
5 ∞ 0.56 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.05 1.
7 ∞ 1.23 1.88815 40.76
8 −1.9073 0.20 1.
9 5.9797 1.18 1.73234 54.68
10 −1.3347 0.43 1.93429 18.90
11 −3.8757 0.97 1.
12 ∞ 2.20 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.986
焦点距離 1.000
レンズ全長 8.582
Fナンバー 1.282
画角 139.1°
本発明の実施例2に係る対物光学系は、図8及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図9に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.32mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.226mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=15.9である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 15.20 1.
1 ∞ 0.45 1.88815 40.76
2 0.8070 0.42 1.
3 ∞ 0.75 1.93429 18.90
4 −18.8610 0.32 1.
5 ∞ 0.33 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.06 1.
7 ∞ 1.20 1.88815 40.76
8 −1.9010 0.10 1.
9 6.3883 1.14 1.73234 54.68
10 −1.3423 0.43 1.93429 18.90
11 −3.9950 0.94 1.
12 ∞ 2.40 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.943
焦点距離 1.00003
レンズ全長 8.537
Fナンバー 1.356
画角 128.8°
本発明の実施例3に係る対物光学系は、図10及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図11に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.2465mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.226mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=26.8である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 15.00 1.
1 ∞ 0.41 1.88815 40.76
2 0.8450 0.38 1.
3 ∞ 0.74 1.85504 23.78
4 −9.6236 0.19 1.
5 ∞ 0.57 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.00 1.
7 ∞ 0.16 1.
8 9.4949 1.25 1.83932 37.16
9 −1.9712 0.05 1.
10 3.9867 1.25 1.69979 55.53
11 −1.2696 0.43 1.93429 18.90
12 −5.8760 1.04 1.
13 ∞ 0.75 1.51825 64.14
14 ∞ 0.75 1.61379 50.20
IMG ∞ 0.00
像高 0.96
焦点距離 1.00215
レンズ全長 7.968
Fナンバー 1.319
画角 130.8°
本発明の実施例4に係る対物光学系は、図12及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第7面)に形成されている。明るさ絞りは、図13に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.224mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.226mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=32.4である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 12.50 1.
1 ∞ 0.41 1.88815 40.76
2 0.8765 0.59 1.
3 −10.1322 0.73 1.85504 23.78
4 −4.2878 0.18 1.
5 ∞ 0.57 1.51564 75.00
6 ∞ 0.00 1.
7(S) ∞ 0.16 1.
8 9.6120 1.30 1.83932 37.16
9 −2.0932 0.05 1.
10 4.5979 1.27 1.69979 55.53
11 −1.2298 0.44 1.93429 18.90
12 −6.2165 0.54 1.
13 ∞ 1.50 1.51825 64.14
14 ∞ 0.75 1.61379 50.20
IMG ∞ 0.00
像高 0.96
焦点距離 1.00000
レンズ全長 8.487
Fナンバー 1.644
画角 129.9°
本発明の実施例5に係る対物光学系は、図14及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの物体側面(第5面)に形成されている。明るさ絞りは、図15に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.225mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.24mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=36.2である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 11.50 1.
1 ∞ 0.45 1.88815 40.76
2 0.8064 0.42 1.
3 ∞ 0.73 1.85504 23.78
4 −16.2332 0.17 1.
5 ∞ 0.56 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.03 1.
7 ∞ 1.24 1.88815 40.76
8 −1.8966 0.09 1.
9 6.4116 1.13 1.73234 54.68
10 −1.3374 0.43 1.93429 18.90
11 −4.0282 0.89 1.
12 ∞ 2.50 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.943
焦点距離 1.000
レンズ全長 8.649
Fナンバー 1.703
画角 127.6°
本発明の実施例6に係る対物光学系は、図16及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスと平凸レンズとの接合面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図17に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.28mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.184mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=13.7である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 19.50 1.
1 ∞ 0.50 2.18246 33.01
2 0.9683 0.42 1.
3 ∞ 0.72 1.93429 18.90
4 −5.4027 0.15 1.
5 ∞ 0.56 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.00 1.
7 ∞ 1.54 1.88815 40.76
8 −2.0953 0.20 1.
9 6.8599 1.18 1.73234 54.68
10 −1.3201 0.43 1.93429 18.90
11 −3.7233 0.83 1.
12 ∞ 2.50 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.94
焦点距離 0.99999
レンズ全長 9.024
Fナンバー 1.56
画角 127.7°
本発明の実施例7に係る対物光学系は、図18及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの物体側面(第5面)に形成されている。明るさ絞りは、図19に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.27mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.198mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=17.1である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 18.10 1.
1 ∞ 0.33 1.88814 40.78
2 0.6783 0.60 1.
3 3.5348 1.37 1.73234 54.68
4 −1.3630 0.09 1.
5(S) ∞ 0.35 1.52495 59.89
6 ∞ 0.52 1.
7 2.9104 1.26 1.69979 55.53
8 −0.9191 0.26 1.85504 23.78
9 −3.8252 0.61 1.
10 ∞ 1.23 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.895
焦点距離 0.99988
レンズ全長 6.608
Fナンバー 4.236
画角 117.1°
本発明の実施例8に係る対物光学系は、図20及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第5面)に形成されている。明るさ絞りは、図21に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.24mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.198mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=21.7である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 17.00 1.
1 ∞ 0.36 1.88814 40.78
2 0.7364 0.64 1.
3 2.7059 1.42 1.73234 54.68
4 −1.5183 0.10 1.
5(S) ∞ 0.38 1.52495 59.89
6 ∞ 0.51 1.
7 2.2462 0.99 1.69979 55.53
8 −0.9387 0.25 1.85504 23.78
9 −5.8320 0.72 1.
10 ∞ 0.95 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.971
焦点距離 1.00001
レンズ全長 6.3091
Fナンバー 4.415
画角 135.4°
本発明の実施例9に係る対物光学系は、図22及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、第2のレンズとカバーガラスとの間(第5面)に配置されている。明るさ絞りは、図23に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.26mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.226mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=24.1である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 15.50 1.
1 ∞ 0.35 1.77066 71.79
2 0.7698 0.71 1.
3 14.2136 1.79 1.73234 54.68
4 −1.5257 0.03 1.
5(S) ∞ 0.04 1.
6 ∞ 0.50 1.49557 75.00
7 ∞ 0.62 1.
8 5.3840 1.00 1.79196 47.37
9 −1.2014 0.29 1.93430 18.90
10 −3.2349 0.73 1.
11 ∞ 1.85 1.61379 50.20
IMG ∞ 0.00
像高 1.02
焦点距離 1.00001
レンズ全長 7.902
Fナンバー 1.452
画角 149.6°
本発明の実施例10に係る対物光学系は、図24及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、平凸レンズの平面(第4面)に形成されている。明るさ絞りは、図25に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.26mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.24mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=27.1である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 13.60 1.
1 34.3018 0.45 1.88815 40.76
2 0.8496 0.69 1.
3 5.3201 0.93 1.83932 37.16
4(S) ∞ 0.03 1.
5 ∞ 1.58 1.81078 40.88
6 −1.7164 0.11 1.
7 4.1479 1.18 1.73234 54.68
8 −1.2969 0.35 1.93429 18.90
9 −6.0600 0.89 1.
10 ∞ 1.56 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 1.00
焦点距離 1.00001
レンズ全長 7.7648
Fナンバー 4.078
画角 136.7°
本発明の実施例11に係る対物光学系は、図26及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本実施例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図27に示されるように、光軸を中心とし半径Φ=0.31mmの円形の外形を有する開口部と、光軸を中心とし一辺l=0.325mmの正方形の遮光部とを有している。条件式(1)において、Q=35.0である。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 14.50 1.
1 ∞ 0.50 2.18246 33.01
2 0.9456 0.46 1.
3 ∞ 0.72 1.93429 18.90
4 −7.4010 0.40 1.
5 ∞ 0.56 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.23 1.
7 18.8830 1.24 2.18246 33.01
8 −2.6600 0.20 1.
9 6.2845 1.17 1.73234 54.68
10 −1.3129 0.45 1.93429 18.90
11 −8.7654 1.10 1.
12 ∞ 2.06 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.935
焦点距離 1.00002
レンズ全長 9.089
Fナンバー 4.119
画角 128.7°
本発明の参考例1に係る対物光学系は、図28及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本参考例において明るさ絞りは、カバーガラスの像側面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図29に示されるように、光軸を中心に正方配列された4つの開口部と、これらの開口部を除く部分である遮光部とを有している。開口部の半径φ=0.0926mm、開口部の中心間距離の半分m=0.120mmである。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 13.50 1.00000
1 ∞ 0.41 1.88815 40.76
2 0.8450 0.38 1.00000
3 ∞ 0.74 1.85504 23.78
4 −9.6236 0.19 1.00000
5 ∞ 0.57 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.16 1.00000
7 9.4949 1.25 1.83932 37.16
8 −1.9677 0.05 1.00000
9 3.9867 1.25 1.69979 55.53
10 −1.2696 0.43 1.93429 18.90
11 −5.8760 1.01 1.00000
12 ∞ 1.50 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.96
焦点距離 1.00001
レンズ全長 7.937
Fナンバー 1.624
画角 131.2°
本発明の参考例2に係る対物光学系は、図30及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本参考例において明るさ絞りは、カバーガラスと平凸レンズとの接合面(第6面)に形成されている。明るさ絞りは、図31に示されるように、光軸を中心に正方配列された4つの開口部と、これらの開口部を除く部分である遮光部とを有している。開口部の半径φ=0.093mm、開口部の中心間距離の半分m=0.140mmである。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 14.80 1.
1 ∞ 0.50 2.18246 33.01
2 0.9683 0.42 1.
3 ∞ 0.72 1.93429 18.90
4 −5.4027 0.15 1.
5 ∞ 0.56 1.51564 75.00
6(S) ∞ 0.00 1.
7 ∞ 1.54 1.88815 40.76
8 −2.0953 0.20 1.
9 6.8599 1.18 1.73234 54.68
10 −1.3201 0.43 1.93429 18.90
11 −3.7233 0.85 1.
12 ∞ 2.50 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.94
焦点距離 0.99999
レンズ全長 9.042
Fナンバー 1.565
画角 127.1°
本発明の参考例3に係る対物光学系は、図32及び下記のレンズデータに示されるレンズ構成を有している。本参考例において明るさ絞りは、カバーガラスの物体側面(第5面)に形成されている。明るさ絞りは、図33に示されるように、光軸を中心に正方配列された4つの開口部と、これらの開口部を除く部分である遮光部とを有している。開口部の半径φ=0.120mm、開口部の中心間距離の半分m=0.144mmである。
面番号 r d ne νd
OBJ ∞ 19.80 1.
1 ∞ 0.33 1.88814 40.78
2 0.6783 0.60 1.
3 3.5348 1.37 1.73234 54.68
4 −1.3630 0.09 1.
5(S) ∞ 0.35 1.52495 59.89
6 ∞ 0.52 1.
7 2.9104 1.26 1.69979 55.53
8 −0.9191 0.26 1.85504 23.78
9 −3.8252 0.60 1.
10 ∞ 1.23 1.51825 64.14
IMG ∞ 0.00
像高 0.895
焦点距離 0.99988
レンズ全長 6.6
Fナンバー 2.091
画角 117.1°
各実施例に係る対物光学系について、表1に示されるように、使用が想定される撮像素子の解像度に基づいて被写界深度を算出した。すなわち、撮像素子の画素の2.5個分に相当する空間周波数に対してMTFが10%以上となる光軸方向の範囲を被写界深度として算出した。
空間周波数f=1/(2.5×1.5e−3)=266.7(本/mm)
と算出される。次に、対物光学系の視野の光軸方向の各位置において、空間周波数266.7(本/mm)に相当するMTFを算出すると、図34に示されるようなMTFのグラフが得られる。MTFは、図34に示されるように、対物光学系の先端面からの距離(物体距離)応じて変化し、対物光学系の合焦位置に対応する物体距離において最大となり、物体距離が合焦位置よりも近くまたは遠くなるにしたがって減少する。このようなグラフにおいて、MTFが10%以上となる物体位置の範囲を被写界深度として算出した。
2 撮像素子
10 撮像装置
L1〜L5 レンズ
F1,F2 平行平板
A 開口部
B 遮光部
C 周辺部
O 光軸
S,S’ 明るさ絞り
Claims (5)
- 光軸の途中位置に配置されて物体からの入射光を通過させる開口部を有する明るさ絞りを備える対物光学系と、
該対物光学系によって結像された前記物体の光学像を撮影する撮像素子とを備え、
該撮像素子は、互いに直交する2軸方向に沿って画素が正方配列され、
前記明るさ絞りが、前記画素の配列方向に対して45°傾いた辺からなる四角形状の遮光部を、前記光軸に一致する部分に有する撮像装置。 - 前記対物光学系が、複数のレンズを備え、
全ての前記レンズが、前記光軸に対して回転対称な形状を有する請求項1に記載の撮像装置。 - 前記明るさ絞りが、下記条件式(1)を満足する請求項1に記載の撮像装置。
(1) 4 < Q < 50
ただし、
Q:(前記遮光部の面積/前記開口部の面積)×100
である。 - 前記遮光部が、ガラスの表面に金属を成膜してなる請求項1に記載の撮像装置。
- 請求項1に記載の撮像装置を備える内視鏡。
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