JP6029159B1 - 観察光学系、観察撮像装置、観察撮像システム、結像レンズ系及び観察光学系の調整方法 - Google Patents
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Abstract
Description
但し、
Y : 前記像面の対角長の半分の長さ
P : 前記像面における画素ピッチ
β : 前記結像レンズ系の横倍率
但し、
β : 前記結像レンズ系の横倍率
1−1.レンズ構成
まず、本件発明に係る観察光学系の実施の形態を説明する。本件発明に係る観察光学系は、観察被写体側から順に対物レンズ系と、結像レンズ系とで構成され、対物レンズ系によって結像された観察被写体像を結像レンズ系により撮像素子の像面に結像させるための観察光学系であって、後述する所定の条件式を満足することを特徴とする。
以下、当該観察光学系が満足することが好ましい条件について説明する。
当該観察光学系は、以下の条件を満足することを特徴とする。
但し、
Y : 撮像素子の像面の対角長の半分の長さ
P : 撮像素子の像面における画素ピッチ
β : 結像レンズ系の横倍率
当該観察光学系は、以下の条件を満足することが好ましい。
但し、
Fno : 当該観察光学系のFナンバー
条件式(3)は、対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズに関する条件を規定した式である。条件式(3)の説明に先立ち、当該レンズの屈折力について説明する。当該観察光学系では、対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズが負の屈折力を有することが好ましい。対物レンズ系において、最も観察被写体側に配置されるレンズが負の屈折力を有する場合、当該対物レンズ系の広角化を図ることが容易になり、広い範囲の観察を可能としつつ、当該対物レンズ系を構成するレンズの外径の小型化を図ることができる。そのため、狭小空間の内部観察に適した対物レンズ系とすることができる。これと同時に、像面湾曲及びコマ収差の補正を良好に行うことができる。そのため、より高性能の観察光学系を実現することが可能になる。
但し、
fL1 :対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズの焦点距離
ff :対物レンズ系の焦点距離
なお、当該対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズが複数の単レンズを接合した接合レンズである場合、fL1は、当該接合レンズ全体の焦点距離をいうものとする。
当該観察光学系は、以下の条件を満足する所定のレンズを少なくとも1枚有することが好ましい。
但し、
Nd : d線における屈折率
当該観察光学系は、以下の条件を満足することが好ましい。
但し、
ff: 対物レンズ系の焦点距離
f : 当該観察光学系全系の合成焦点距離
結像レンズ系が上記リレーレンズ系を備える場合、当該リレーレンズ系が以下の条件を満足することが好ましい。
0.9 < |βr| ・・・(6)
但し、
βr : リレーレンズ系の横倍率
条件式(7)は、当該観察光学系のフォーカス群に関する条件を規定した式である。上述したとおり、当該観察光学系では、結像レンズ系がフォーカス群を有することが好ましい。結像レンズ系がフォーカス群を有する場合、当該フォーカス群が以下の条件を満足することが好ましい。
但し、
βf : フォーカス群の横倍率
βs : フォーカス群より前記像面側に配置されるレンズ群の合成横倍率
当該観察光学系では、対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズが以下の条件を満足することが好ましい。
但し、
CrL1r: 前記対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズの像側面の曲率半径
次に、本件発明に係る結像レンズ系について説明する。本件発明に係る結像レンズ系は、対物レンズ系によって結像された観察被写体像を撮像素子の像面に結像させるためのレンズ系であって、以下の条件を満足することを特徴とする。なお、当該結像レンズ系は、上記本件発明に係る観察光学系を構成する結像レンズ系であってもよく、上記本件発明に係る観察光学系を構成する対物レンズ系によって結像された観察被写体像を撮像素子の像面に結像させるためのレンズ系であってもよい。
但し、
β : 結像レンズ系の横倍率
次に、本件発明に係る観察光学系の調整方法について説明する。本件発明に係る観察光学系の調整方法は、上記観察光学系において空気間隔を調整することで製造誤差によって発生する誤差量を小さくすることを特徴とする。
次に、本件発明に係る観察撮像装置について説明する。本件発明に係る観察撮像装置は、上記本件発明に係る観察光学系と、当該観察光学系の像側に撮像素子とを備え、当該観察光学系によって形成された観察被写体像を撮像素子により画像データに変換することを特徴とする。
次に、本件発明に係る観察撮像システムについて説明する。本件発明に係る観察撮像システムは、上記本件発明に係る観察撮像装置を含む観察撮像システムであって、上記観察撮像装置により生成された観察被写体像に関する画像データを電気的に加工する画像処理部を有することを特徴とする。
図1は、本件発明に係る実施例1の観察光学系の無限遠合焦時におけるレンズ構成を示すレンズ断面図である。当該観察光学系は、観察被写体側から順に、対物レンズ系G1と、リレーレンズ系Rを含む結像レンズ系G2とから構成されている。当該観察光学系では、対物レンズ系G1により、中間被写体像が第1の中間結像面MIPに結像される。この中間被写体像は、結像レンズ系G2において、第2の中間結像面MIPにリレーレンズ系Rにより結像された上で、撮像素子の像面IPに結像される。結像レンズ系G2には、当該リレーレンズ系Rの他、無限遠物体から近距離物体への合焦の際に、光軸に沿って物体側に移動するフォーカス群を有している。なお、図1(a)には、リレーレンズ系RをブロックRとして表示し、図1(b)にリレーレンズ系Rのレンズ構成を示している。リレーレンズ系Rの観察被写体側及び像面側に表示する光軸に直交する細長いラインは、それぞれ観察被写体側から順に、第1の中間結像面MIP、第2の中間結像面MIPを示している。また、図1(a)において、「CG」はカバーガラス等である。これらの点は、他の実施例においても同じであるため、以下では説明を省略する。
次に、当該観察光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。本実施例の観察光学系のレンズデータを表1及び表2に示す。表1及び表2において、「面番号」は物体側から数えたレンズ面の順番、「r」はレンズ面の曲率半径、「d」はレンズ面の光軸上の間隔、「n」はd線(波長λ=587.6nm)に対する屈折率、「ν」はd線に対するアッベ数をそれぞれ示している。また、面番号の次の欄に表示する「S」開口規正面を表している。なお、各表中の長さの単位は全て「mm」であり、画角の単位は全て「°」である。ここで、表1において、面番号「1」と「2」の欄には硝材が記載されていないが、図1に示す観察光学系において、最も観察被写体側に配置されるレンズL1を保護する等の目的で、当該レンズL1の観察被写体側にカバーガラスを挿入してもよい。これらのレンズデータに関する事項は他の実施例で示す各表においても同様であるため、以下では説明を省略する。
図3は、本件発明に係る実施例2の観察光学系の無限遠合焦時におけるレンズ構成を示すレンズ断面図である。当該観察光学系は、観察被写体側から順に、対物レンズ系G1と、リレーレンズ系Rを含む結像レンズ系G2とから構成されている。当該観察光学系では、対物レンズ系G1により、中間被写体像が第1の中間結像面MIPに結像される。この中間被写体像は、結像レンズ系G2において、第2の中間結像面MIPにリレーレンズ系Rにより結像された上で、撮像素子の像面IPに結像される。結像レンズ系G2には、当該リレーレンズ系Rの他、無限遠物体から近距離物体への合焦の際に、光軸に沿って物体側に移動するフォーカス群を有している。なお、図3(a)では、対物レンズ系G1とリレーレンズ系Rを上段に、リレーレンズ系Rの像面側のレンズ構成を下段に示している。
次に、当該観察光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。本実施例の観察光学系のレンズデータを表4及び表5に示す。また、表6に、当該観察光学系の光軸上の可変間隔、緒元表、各レンズ群の焦点距離を示す。また、各条件式(1)〜条件式(9)の数値を表18に示す。さらに、図4に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図及を示す。
図5は、本件発明に係る実施例3の観察光学系の無限遠合焦時におけるレンズ構成を示すレンズ断面図である。当該観察光学系は、観察被写体側から順に、対物レンズ系G1と、第1のリレーレンズ系R1及び第2のリレーレンズ系R2を含む結像レンズ系G2とから構成されている。当該観察光学系では、対物レンズ系G1により、中間被写体像が第1の中間結像面MIPに結像される。この中間被写体像は、結像レンズ系G2において、第1のリレーレンズ系R1により第2の中間結像面MIPに、第2のリレーレンズ系R2により第3の中間結像面MIPにそれぞれ結像された上で、撮像素子の像面IPに結像される。結像レンズ系G2には、当該第1のリレーレンズ系R1及び第2のリレーレンズ系R2の他、無限遠物体から近距離物体への合焦の際に、光軸に沿って物体側に移動するフォーカス群を有している。なお、図5(a)では、対物レンズ系G1と第1のリレーレンズ系R1及び第2のリレーレンズ系R2を上段に、第2のリレーレンズ系R2の像面側のレンズ構成を下段に示している。また、図5(b)には、第1のリレーレンズ系R1のレンズ構成を示す。第2のリレーレンズ系R2のレンズ構成は、第1のリレーレンズ系R1と略同じであり、図示しないレンズL19〜L28により構成される。
次に、当該観察光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。本実施例の観察光学系のレンズデータを表7〜表9に示す。また、表10に、当該観察光学系の光軸上の可変間隔、緒元表、各レンズ群の焦点距離を示す。また、各条件式(1)〜条件式(9)の数値を表18に示す。さらに、図6に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図及を示す。
図7は、本件発明に係る実施例4の観察光学系の無限遠合焦時におけるレンズ構成を示すレンズ断面図である。当該観察光学系は、観察被写体側から順に、対物レンズ系G1と、第1のリレーレンズ系R1、第2のリレーレンズ系R2及び第3のリレーレンズ系R3を含む結像レンズ系G2とから構成されている。当該観察光学系では、対物レンズ系G1により、中間被写体像が第1の中間結像面MIPに結像される。この中間被写体像は、結像レンズ系G2において、第1のリレーレンズ系R1により第2の中間結像面MIPに、第2のリレーレンズ系R2により第3の中間結像面MIPに、第3のリレーレンズ系R3により第4の中間結像面MIPにそれぞれ結像された上で、撮像素子の像面IPに結像される。結像レンズ系G2には、当該第1のリレーレンズ系R1、第2のリレーレンズ系R2及び第3のリレーレンズ系R3の他、無限遠物体から近距離物体への合焦の際に、光軸に沿って物体側に移動するフォーカス群を有している。なお、図7(a)では、対物レンズ系G1と第1のリレーレンズ系R1、第2のリレーレンズ系R2及び第3のリレーレンズ系R3を上段に、第3のリレーレンズ系R3の像面側のレンズ構成を下段に示している。また、図7(b)には、第1のリレーレンズ系R1のレンズ構成を示す。第2のリレーレンズ系R2及び第3のリレーレンズ系R3のレンズ構成は、第1のリレーレンズ系R1と略同じであり、図示しないレンズL19〜L28、レンズL29〜L38によりそれぞれ構成される。
次に、当該観察光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。本実施例の観察光学系のレンズデータを表11、表12及び表13に示す。また、表14に、当該観察光学系の光軸上の可変間隔、緒元表、各レンズ群の焦点距離を示す。また、各条件式(1)〜条件式(9)の数値を表18に示す。さらに、図8に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図及を示す。
図9は、本件発明に係る実施例5の観察光学系の無限遠合焦時におけるレンズ構成を示すレンズ断面図である。当該観察光学系は、観察被写体側から順に、対物レンズ系G1と、リレーレンズ系Rを含む結像レンズ系G2とから構成されている。当該観察光学系では、対物レンズ系G1により、中間被写体像が第1の中間結像面MIPに結像される。この中間被写体像は、結像レンズ系G2において、第2の中間結像面MIPにリレーレンズ系Rにより結像された上で、撮像素子の像面IPに結像される。結像レンズ系G2には、当該リレーレンズ系Rの他、無限遠物体から近距離物体への合焦の際に、光軸に沿って物体側に移動するフォーカス群を有している。
次に、当該観察光学系の具体的数値を適用した数値実施例について説明する。本実施例の観察光学系のレンズデータを表15及び表16に示す。また、表17に、当該観察光学系の光軸上の可変間隔、緒元表、各レンズ群の焦点距離を示す。また、各条件式(1)〜条件式(9)の数値を表18に示す。さらに、図10に当該光学系の無限遠合焦時における縦収差図及を示す。
G2 ・・・結像レンズ
R1 ・・・リレーレンズR1
R2 ・・・リレーレンズR2
R3 ・・・リレーレンズR3
MIP・・・中間結像面
IP ・・・像面
Claims (20)
- 観察被写体側から順に対物レンズ系と、結像レンズ系とで構成され、前記対物レンズ系によって結像された観察被写体像を前記結像レンズ系により撮像素子の像面に結像させるための観察光学系であって、
前記対物レンズ系における最物体側面の有効径が前記像面における当該観察光学系の最大画角の像高より小さく、
観察被写体の距離に応じて光軸方向に移動させることで合焦を行うフォーカス群を前記結像レンズ系にのみ備え、
以下の条件を満足することを特徴とする観察光学系。
4000 < Y/P×|β| < 32000 ・・・(1)
0.10 < ff/|f| < 0.45 ・・・(5)
但し、
Y : 前記像面の対角長の半分の長さ
P : 前記像面における当該観察光学系の画素ピッチ
β : 前記結像レンズ系の横倍率
f : 当該観察光学系全系の合成焦点距離
ff: 当該対物レンズ系の焦点距離 - 以下の条件を満足する請求項1に記載の観察光学系。
50 < Y/P/Fno < 600 ・・・(2)
但し、
Fno : 当該観察光学系のFナンバー - 前記対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズが負の屈折力を有する請求項1又は請求項2に記載の観察光学系。
- 前記対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズが以下の条件を満足する請求項3に記載の観察光学系。
−3.00 < fL1/ff < −0.80 ・・・(3)
但し、
fL1 :前記対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズの焦点距離 - 当該観察光学系は、以下の条件を満足する所定のレンズを少なくとも1枚有する請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の観察光学系。
1.86 < Nd ・・・(4)
但し、
Nd : d線における屈折率 - 前記所定のレンズは負の屈折力を有する請求項5に記載の観察光学系。
- 前記結像レンズ系は、前記対物レンズ系の結像面と前記像面との間の中間結像面に前記観察被写体像を結像させるリレーレンズ系を少なくとも一つ備える請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の観察光学系。
- 前記リレーレンズ系が以下の条件を満足することを特徴とする請求項7に記載の観察光学系。
0.9 < |βr| ・・・(6)
但し、
βr : 前記リレーレンズ系の横倍率 - 前記フォーカス群が以下の条件を満足する請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の観察光学系。
0.2 < |{(1−(βf×βf)}×βs×βs| < 12.0 ・・・(7)
但し、
βf : 前記フォーカス群の横倍率
βs : 前記フォーカス群より前記像面側に配置されるレンズ群の合成横倍率 - 前記対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズが以下の条件を満足する請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の観察光学系。
0.70 < CrL1r/ff < 2.50 ・・・(8)
但し、
CrL1r: 前記対物レンズ系において最も観察被写体側に配置されるレンズの像側面の曲率半径 - 前記対物レンズ系は、正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズとが接合された接合レンズを少なくとも1枚有し、その接合面が負の屈折力を有する請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の観察光学系。
- 前記結像レンズ系が以下の条件を満足する請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の観察光学系。
2.5 < |β| < 12.0 ・・・(9)
但し、
β : 前記結像レンズ系の横倍率 - 前記撮像素子の画素ピッチが8μm以下である請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の観察光学系。
- 前記撮像素子の画素ピッチが2μm以上である請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の観察光学系。
- 請求項1から請求項14のいずれか一項に記載の観察光学系と、当該観察光学系の像側に前記撮像素子とを備え、前記観察光学系によって形成された観察被写体像を前記撮像素子により画像データに変換することを特徴とする観察撮像装置。
- 請求項15に記載の観察撮像装置を含む観察撮像システムであって、
前記観察撮像装置により生成された観察被写体像に関する画像データを電気的に加工する画像処理部を有することを特徴とする観察撮像システム。 - 前記画像処理部は、前記画像データのうち、歪曲収差に関するデータを電気的に加工する請求項16に記載の観察撮像システム。
- 前記画像処理部は、前記画像データのうち、倍率色収差に関するデータを電気的に加工する請求項16又は請求項17に記載の観察撮像システム。
- 請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の観察光学系の調整方法であって、
空気間隔を調整することで製造誤差によって発生する誤差量を小さくすることを特徴とする観察光学系の調整方法。 - 請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の観察光学系の調整方法であって、
当該観察光学系に含まれるレンズのうち、少なくとも1つのレンズを偏芯させることで製造誤差によって発生する誤差量を小さくすることを特徴とする観察光学系の調整方法。
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