JP7501538B2 - 撮像光学系、および撮像装置 - Google Patents
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Description
1≦(2×L×tan(w)+D)/D<1.4 ……(1)
λ/4*0.75<Re<λ/4*1.1 ……(2)
ただし、
L:開口絞りと光学的位相変調子との距離
D:開口絞りの絞り径(直径)
w:開口絞りに入射する主光線の最大入射角
λ:光の波長
Re:光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。
本開示の一実施の形態に係る撮像光学系において、光学的位相変調子は、2つの光学素子基板と2つの光学素子基板の間に形成された複屈折層とを有し、2つの光学素子基板のうちの1つの光学素子基板の表面に反射防止コートが施されている。また、光学的位相変調子は、光学的位相変調子よりも物体側に傾斜配置された光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置されている。
0.比較例
1.一実施の形態に係る撮像光学系の概要
2.適用例
3.望ましい構成例
4.効果
5.数値実施例
6.その他の実施の形態
医療用撮像機器において、高解像化されることは大きなメリットである。なぜならば、微細な血管や神経、リンパ節など、今までの解像度では見えなかった組織が見られることにより、手術の精度が上がることが期待できるからである。しかし、高解像度化に伴って被写界深度の低下が懸念される。ピント位置から少しでもずれると、ボケてしまっているように見えてしまうため、被写界深度の浅さから術者へのストレスを与えてしまう。またピント修正の頻度を上げてしまうなど、操作の負担を増大させる可能性も考えられる。医療用撮像機器としては、手術顕微鏡、内視鏡、および術野カメラなどが挙げられ、これらの機器は高解像度化と同時に被写界深度が拡大されることが望まれている。
一実施の形態に係る撮像光学系は、開口絞りと、結像光学系と、光学的位相変調子とを備える。結像光学系は、撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる。光学的位相変調子は、複屈折率を有する物質で構成され、直交関係にある2つの偏光に、それぞれ異なる位相変調を与えることによって、結像光学系に対して2つの瞳関数を与える光学素子である。
「(リタデーション)=Δn×(BMの厚み)」というパラメータで表される。リタデーションの目安は、おおよそ、主波長λに対しλ/4程度である。
Ψ2(u,v)=-Ψ1(u,v)
と共役の関係にある。
P1(u,v)=|P(u,v)|exp{+i(θ(u,v)+Ψ1(u,v))}
P2(u,v)=|P(u,v)|exp{+i(θ(u,v)-Ψ1(u,v))}
図7は、比較例に係る撮像光学系(通常光学系102)の光学特性と一実施の形態に係る撮像光学系(EDOF光学系)101の光学特性とを比較して示している。図7には、光学特性として、PSFとMTFの周波数特性との一例を示す。図8は、比較例に係る撮像光学系(通常光学系102)のスルーフォーカスMTFと一実施の形態に係る撮像光学系(EDOF光学系)101のスルーフォーカスMTFとを比較して示している。図8(A)には、比較例に係る撮像光学系(通常光学系102)のスルーフォーカスMTFの一例を示す。図8(B)には、一実施の形態に係る撮像光学系(EDOF光学系)101のスルーフォーカスMTFの一例を示す。
次に、一実施の形態に係る撮像光学系101の撮像装置への適用例を説明する。なお、以下では、上記一実施の形態に係る撮像光学系101の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図9は、一実施の形態に係る撮像光学系101の撮像装置への適用例1を概略的に示している。図9には、一実施の形態に係る撮像光学系101を内視鏡用カメラヘッド30に適用した構成例を示す。
図10は、一実施の形態に係る撮像光学系101の撮像装置への適用例2を概略的に示している。図10には、一実施の形態に係る撮像光学系101を手術顕微鏡用撮像カメラユニット40に適用した構成例を示す。
以下、一実施の形態に係る撮像光学系101の望ましい構成例について説明する。
一実施の形態に係る撮像光学系101において、BM10は位相変調が作用する面を開口絞りSt上に配置することが望ましい。しかし、ゴースト対策や、開口絞りStのメカ構造などの様々な要因により、理想的な位置にBM10を配置することが困難である。BM10の許容配置位置は、例えば、開口絞りStへの光線の入射角度から、条件式(1)によって規定される。
1≦(2×L×tan(w)+D)/D<1.4 ……(1)
ただし、
L:開口絞りStと光学的位相変調子(BM10)との距離
D:開口絞りStの絞り径(直径)
w:開口絞りStに入射する主光線の最大入射角
とする。
一実施の形態に係る撮像光学系101は、以下の条件式を満足することが望ましい。
λ/4*0.75<Re<λ/4*1.1 ……(2)
ただし、
λ:光の波長
Re:光学的位相変調子(BM10)の複屈折による位相のリタデーション
とする。
例えば図9に示した内視鏡用カメラヘッド30を硬性内視鏡に適用する場合、撮像光学系101の焦点距離は35mm換算で100mm以上の中望遠レンズであることが望ましい。条件式(3)を満たすことは、撮像光学系101が、そのような中望遠レンズであることに相当する。
h/f2<0.50 ……(3)
ただし、
h:撮像面Sipにおける対角方向の最大像高
f2:結像光学系20の開口絞りStよりも撮像面Sip側の光学系の焦点距離
とする。
図14は、一実施の形態に係る撮像光学系101Aにおけるフレア、およびゴーストの発生の概要を示している。図15は、一実施の形態に係る撮像光学系101Bにおけるフレア、およびゴーストの発生を抑制する構成例を示している。
ただし、
w1:撮像面Sipの短辺方向の像高に結像する光線の、開口絞りStへの入射角度
θ:BM10の傾斜角
とする。
内視鏡や手術顕微鏡に適用される撮像光学系101の多くは望遠レンズである。これらの用途で使われるレンズは小型である方が良く、撮像光学系101は、以下の条件式を満足することが望ましい。
L_all/f2<2.5 ……(5)
ただし、
L_all:開口絞りStより撮像面Sip側の光学系において、最も物体側のパワーのあるレンズの物体側の面から撮像面Sipまでの距離
f2:開口絞りStより撮像面Sip側の光学系の焦点距離(図11参照)
図16は、一実施の形態に係る撮像光学系101において、ビネッティングがある場合の光学的位相変調子(BM10)における中心光線の通過範囲と周辺光線の通過範囲との一例を示している。図17は、一実施の形態に係る撮像光学系101において、ビネッティングがある場合の中心光線と周辺光線の一例を示している。
以上説明したように、一実施の形態に係る撮像光学系101および撮像装置によれば、所定の条件を満たしつつ、BM10によって結像光学系20に対して2つの瞳関数を与えるようにしたので、解像性能の低下を抑制しつつ被写界深度の拡張を行うことが可能となる。
次に、本開示の一実施の形態に係る撮像光学系101の具体的な数値実施例について説明する。なお、以下では、一実施の形態に係る撮像光学系101の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
以下の実施例1~3に係る撮像光学系1~3はいずれも、物体側から撮像面Sip側に向かって順に、開口絞りStと、BM10と、結像光学系20とを備えている。結像光学系20と撮像面Sipとの間の光路上には、光学フィルタFLと、シールガラスSGとが配置されている。
図18は、実施例1に係る撮像光学系1におけるBM10の同心円状パターン領域と開口絞りStの直径とを概略的に示している。図19は、実施例1に係る撮像光学系1の全体構成を示している。
図22は、実施例2に係る撮像光学系2におけるBM10の同心円状パターン領域と開口絞りStの直径とを概略的に示している。図23は、実施例2に係る撮像光学系2の全体構成を示している。
図26は、実施例3に係る撮像光学系3における光学的位相変調子(BM10)の同心円状パターン領域と開口絞りStの直径とを概略的に示している。
図27は、実施例3に係る撮像光学系3の構成を示している。
[表7]には、上述の各条件式に関する値を、各実施例についてまとめたものを示す。[表7]から分かるように、実施例1,2については、各条件式を満たしている。実施例3については、条件式(4)以外は各条件式を満たしている。
本開示による技術は、上記実施の形態および実施例の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
以下の構成の本技術によれば、所定の条件を満たしつつ、光学的位相変調子によって結像光学系に対して2つの瞳関数を与えるようにしたので、解像性能の低下を抑制しつつ被写界深度の拡張を行うことが可能となる。
開口絞りと、
撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して2つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
を備え、
以下の条件式を満足する
撮像光学系。
1≦(2×L×tan(w)+D)/D<1.4 ……(1)
λ/4*0.75<Re<λ/4*1.1 ……(2)
ただし、
L:前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
D:前記開口絞りの絞り径(直径)
w:前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
λ:光の波長
Re:前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。
[2]
前記光学的位相変調子は、直交関係にある2つの偏光に、それぞれ異なる位相変調を与える
上記[1]に記載の撮像光学系。
[3]
前記結像光学系は、以下の条件式を満足する
上記[1]または[2]に記載の撮像光学系。
h/f2<0.50 ……(3)
ただし、
h:前記撮像面における対角方向の最大像高
f2:前記結像光学系の前記開口絞りよりも撮像面側の光学系の焦点距離
とする。
[4]
前記光学的位相変調子は、
屈折力を持たない光学素子であり、
光学素子基板と前記光学素子基板の表面上に形成された複屈折層とを有し、
前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも2つ以上有し、隣り合う2つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が90°である
上記[1]ないし[3]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[5]
前記光学的位相変調子は、
屈折力を持たない光学素子であり、
2つの光学素子基板と前記2つの光学素子基板の間に形成された複屈折層とを有し、
前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも2つ以上有し、隣り合う2つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が90°である
上記[1]ないし[3]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[6]
前記撮像素子による撮像画像には、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理が加えられる
上記[1]ないし[5]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[7]
前記光学的位相変調子は、以下の条件式を満足するように傾斜配置されている
上記[1]ないし[6]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
1<θ/w1<2 ……(4)
ただし、
w1:前記撮像面の短辺方向の像高に結像する光線の、前記開口絞りへの入射角度
θ:前記光学的位相変調子の傾斜角
とする。
[8]
前記光学的位相変調子は、前記光学的位相変調子よりも物体側に傾斜配置された光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置されている
上記[7]に記載の撮像光学系。
[9]
前記光学的位相変調子は、前記結像光学系の被写界深度を拡張させる効果を有する
上記[1]ないし[8]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[10]
前記開口絞りと前記撮像面との間には、前記開口絞りを通過した後に前記撮像面の有効像円内に結像する光線を遮る構造物が存在しない
上記[1]ないし[9]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[11]
前記結像光学系は、前記開口絞りよりも撮像面側において、最も物体側から順に、正のパワーを持つレンズ群と、負のパワーを持つレンズ群とを有する
上記[1]ないし[10]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[12]
以下の条件式を満足する
上記[1]ないし[11]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
L_all/f2<2.5 ……(5)
ただし、
L_all:前記開口絞りより撮像面側の光学系において、最も物体側に配置されたパワーのあるレンズの物体側の面から撮像面までの距離
f2:開口絞りより撮像面側の光学系の焦点距離
とする。
[13]
アフォーカル光学系による像を撮像するための光学系として構成されている
上記[1]ないし[12]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[14]
手術顕微鏡を介して患部を撮像するための光学系として構成されている
上記[1]ないし[13]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[15]
硬性内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
上記[1]ないし[13]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[16]
ファイバースコープを用いた内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
上記[1]ないし[13]のいずれか1つに記載の撮像光学系。
[17]
撮像光学系と、
前記撮像光学系による結像位置に配置された撮像素子と
を含み、
前記撮像光学系は、
開口絞りと、
前記撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して2つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
を備え、
以下の条件式を満足する
撮像装置。
1≦(2×L×tan(w)+D)/D<1.4 ……(1)
λ/4*0.75<Re<λ/4*1.1 ……(2)
ただし、
L:前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
D:前記開口絞りの絞り径(直径)
w:前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
λ:光の波長
Re:前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。
[18]
前記撮像素子による撮像画像に対して、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理を行う画像処理部、をさらに備える
上記[17]に記載の撮像装置。
Claims (16)
- 開口絞りと、
撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して2つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
を備え、
前記光学的位相変調子は、
2つの光学素子基板と前記2つの光学素子基板の間に形成された複屈折層とを有し、
前記2つの光学素子基板のうちの1つの光学素子基板の表面に反射防止コートが施され、
前記光学的位相変調子は、前記光学的位相変調子よりも物体側に傾斜配置された光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置され、
以下の条件式を満足する
撮像光学系。
1≦(2×L×tan(w)+D)/D<1.4 ……(1)
λ/4*0.75<Re<λ/4*1.1 ……(2)
ただし、
L:前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
D:前記開口絞りの絞り径(直径)
w:前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
λ:光の波長
Re:前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。 - 前記光学的位相変調子は、直交関係にある2つの偏光に、それぞれ異なる位相変調を与える
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記結像光学系は、以下の条件式を満足する
請求項1に記載の撮像光学系。
h/f2<0.50 ……(3)
ただし、
h:前記撮像面における対角方向の最大像高
f2:前記結像光学系の前記開口絞りよりも撮像面側の光学系の焦点距離
とする。 - 前記光学的位相変調子は、
屈折力を持たない光学素子であり、
前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも2つ以上有し、隣り合う2つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が90°である
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記撮像素子による撮像画像には、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理が加えられる
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記光学的位相変調子は、以下の条件式を満足するように傾斜配置されている
請求項1に記載の撮像光学系。
1<θ/w1<2 ……(4)
ただし、
w1:前記撮像面の短辺方向の像高に結像する光線の、前記開口絞りへの入射角度
θ:前記光学的位相変調子の傾斜角
とする。 - 前記光学的位相変調子は、前記結像光学系の被写界深度を拡張させる効果を有する
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記開口絞りと前記撮像面との間には、前記開口絞りを通過した後に前記撮像面の有効像円内に結像する光線を遮る構造物が存在しない
請求項1に記載の撮像光学系。 - 前記結像光学系は、前記開口絞りよりも撮像面側において、最も物体側から順に、正のパワーを持つレンズ群と、負のパワーを持つレンズ群とを有する
請求項1に記載の撮像光学系。 - 以下の条件式を満足する
請求項1に記載の撮像光学系。
L_all/f2<2.5 ……(5)
ただし、
L_all:前記開口絞りより撮像面側の光学系において、最も物体側に配置されたパワーのあるレンズの物体側の面から撮像面までの距離
f2:開口絞りより撮像面側の光学系の焦点距離
とする。 - アフォーカル光学系による像を撮像するための光学系として構成されている
請求項1に記載の撮像光学系。 - 手術顕微鏡を介して患部を撮像するための光学系として構成されている
請求項1に記載の撮像光学系。 - 硬性内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
請求項1に記載の撮像光学系。 - ファイバースコープを用いた内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
請求項1に記載の撮像光学系。 - 撮像光学系と、
前記撮像光学系による結像位置に配置された撮像素子と
を含み、
前記撮像光学系は、
開口絞りと、
前記撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して2つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
を備え、
前記光学的位相変調子は、
2つの光学素子基板と前記2つの光学素子基板の間に形成された複屈折層とを有し、
前記2つの光学素子基板のうちの1つの光学素子基板の表面に反射防止コートが施され、
前記光学的位相変調子は、前記光学的位相変調子よりも物体側に傾斜配置された光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置され、
以下の条件式を満足する
撮像装置。
1≦(2×L×tan(w)+D)/D<1.4 ……(1)
λ/4*0.75<Re<λ/4*1.1 ……(2)
ただし、
L:前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
D:前記開口絞りの絞り径(直径)
w:前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
λ:光の波長
Re:前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。 - 前記撮像素子による撮像画像に対して、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理を行う画像処理部、をさらに備える
請求項15に記載の撮像装置。
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