JPWO2015064521A1

JPWO2015064521A1 - 撮像装置

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Publication number: JPWO2015064521A1
Application number: JP2015527707A
Authority: JP
Inventors: 武志菅
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2034-10-27
Also published as: CN105474067A; JP5841700B2; CN105474067B; US9417445B2; US20160161732A1; EP3064983A1; WO2015064521A1; EP3064983A4

Abstract

観察方向を直視と斜視との間で切り替え可能としつつ、焦点が適切な位置に合った画像を取得する。物体の光学像を形成する対物光学系（２）と、該対物光学系（２）によって形成された光学像を撮影する撮像素子（３）と、対物光学系（２）の光軸の途中位置に挿脱可能な光学部材（４）と、該光学部材（４）を対物光学系（２）の光軸上の位置と、光軸から外れた位置との間で移動させる移動機構とを備え、光学部材（４）が、対物光学系（２）の光軸を偏向する偏向面（４ａ）と、パワーを有する屈折面（４ｂ）とを有する撮像装置（１）を提供する。

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

従来、対物光学系の光軸上に設けられたプリズムを備え、斜め方向の視野を撮影する斜視型の内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。プリズムは、対物光学系の光軸に対して傾斜した傾斜面を有する楔形であり、該傾斜面によって対物光学系の入射側の光軸が偏向されることにより、斜め方向の視野が観察されるようになっている。

特開２００２−５５０号公報

このような楔形のプリズムを直視用の対物光学系の光軸上に挿脱することにより、観察方向を直視と斜視との間で切り替えることができる。しかしながら、対物光学系の光軸上にプリズムを挿入したときに、対物光学系の光軸上の空気換算長が変化することによって、焦点が適切な位置からずれてしまうという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、観察方向を直視と斜視との間で切り替え可能としつつ、焦点が適切な位置に合った画像を取得することができる撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、物体の光学像を形成する対物光学系と、該対物光学系によって形成された光学像を撮影する撮像素子と、前記対物光学系の光軸の途中位置に挿脱される光学部材と、該光学部材を、前記対物光学系の光軸上の第１の位置と該光軸から外れた第２の位置との間で移動させる移動機構とを備え、前記光学部材が、前記対物光学系の光軸を偏向する偏向面と、パワーを有する屈折面とを有する撮像装置である。

本態様によれば、対物光学系の光軸から外れた第２の位置に光学部材が配置されているときには、対物光学系の光軸が一直線になり、対物光学系の正面前方の視野が観察される。一方、対物光学系の光軸上の第１の位置に光学部材が配置されているときには、偏向面によって対物光学系に入射する光の光軸が偏向されることによって、対物光学系の斜め前方の視野が観察される。したがって、移動機構によって光学部材をこれら第１の位置と第２の位置との間で移動させることによって、観察方向を直視と斜視との間で切り替えることができる。

この場合に、光学部材を光軸上に挿入することによって発生する焦点のずれが、屈折面が有するパワーによって補正される。これにより、斜視観察においても焦点が適切な位置に合った画像を撮像素子によって取得することができる。

上記態様においては、前記屈折面が、正のパワーを有していてもよい。
このようにすることで、光学部材の光軸上への挿入によって発生する焦点の物体側へのずれが、屈折面の正のパワーによって相殺される。したがって、斜視観察において、対物光学系の手前側に焦点の合った画像を取得することができる。
上記態様においては、前記光学部材が、前記光軸に沿って互いに対向配置される２つの面を有し、これら２つの面のうち、一方が前記偏向面であり、他方が前記屈折面であってもよい。
このようにすることで、光学部材の形状を簡易にすることができる。

上記態様においては、前記光学部材が、前記対物光学系の光軸に対して傾斜した平面からなる前記偏向面と、前記対物光学系の光軸を対称軸とする球面または非球面からなる前記屈折面とを有する略楔形であってもよい。
このようにすることで、光学部材の形状を簡易にすることができる。

上記態様においては、前記光学部材の近傍に配置される絞りを備え、該絞りは、短軸と長軸とを有する細長い形状の開口を有すると共に、該開口の前記短軸が前記偏向面による前記対物光学系の光軸の偏向方向と一致するように配置され、前記移動機構が、前記光学部材と前記絞りとを一体的に移動させてもよい。
このようにすることで、対物光学系の光軸に挿入された光学部材によって収差が発生し、特に偏向面による前記光軸の偏向方向において非対称収差が発生する。そこで、絞りの開口の寸法を、前記偏向方向において小さくすることによって、非対称収差の発生を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、観察方向を直視と斜視との間で切り替え可能としつつ、焦点が適切な位置に合った画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る撮像装置の直視観察状態における全体構成図である。本発明の一実施形態に係る撮像装置の斜視観察状態における全体構成図である。図２に示される光学部材および絞りの、物体側から見た正面図である。図３Ａの光学部材および絞りの側面図である。移動機構の構成と動作を示す図である。図３Ａの絞りの開口の変形例を示す図である。図３Ａの絞りの開口のもう１つの変形例を示す図である。図３Ａの絞りの開口のもう１つの変形例を示す図である。図３Ａの絞りの開口のもう１つの変形例を示す図である。図２の撮像装置の変形例を示す全体構成図である。図１の直視観察状態の撮像装置によって取得される直視画像の一例である。図２の斜視観察状態の撮像装置によって取得される斜視画像の一例である。図１および図２の撮像装置が備えるプリズムの変形例を示す側面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る撮像装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る撮像装置１は、図１および図２に示されるように、物体の光学像を形成する対物光学系２と、対物光学系２によって形成された光学像を撮影する撮像素子３と、楔形のプリズム（光学部材）４と、該プリズム４を対物光学系２の光軸Ａ上に挿脱する移動機構５とを備えている。なお、図１、図２および図９においては、図が煩雑になることを避けるために、移動機構５の構成のうち枠５ａ（後述）のみを図示している。

図１は、光軸Ａ上にプリズム４を含まず、対物光学系２の正面前方を観察する直視観察状態を示している。図２は、光軸Ａ上にプリズム４を含み、対物光学系２の斜め前方を観察する斜視観察状態を示している。このように、対物光学系２は、直視観察状態においては、その中心軸に沿った一直線状の光軸Ａを有し、斜視観察状態においては、プリズム４の偏向作用によってプリズム４よりも入射側において中心軸に対して傾斜した光軸Ａを有する。したがって、本実施形態に係る撮像装置１は、後で詳述するように、プリズム４の移動のみによって観察方向を直視と斜視との間で切り替えることができ、対物光学系２の姿勢を変更することが難しい内視鏡に好適に適用される。

対物光学系２は、本例において、物体側から順に、第１群Ｇ１と、明るさ絞りＳと、第２群Ｇ２とを備えている。第１群Ｇ１および第２群Ｇ２は、少なくとも１つのレンズを有している。符号Ｆは、フィルタ等の平行平板であり、符号ＣＧは、撮像素子３の撮像面３ａを覆うカバーガラスである。対物光学系２は、図１の直視観察状態において良好な光学性能が得られるように最適化されている。

プリズム４は、互いに対向する偏向面４ａと屈折面４ｂとを有している。偏向面４ａは、所定の光軸Ｂに対して傾斜した平坦面である。光軸Ｂに対する偏向面４ａの傾斜角度は、例えば、１０．５°である。屈折面４ｂは、所定の光軸Ｂを対象軸とする凸の球面または非球面であり、光軸Ｂに沿って偏向面４ａ側から入射する光に対して正のパワーを有している。

移動機構５は、図３Ａ、図３Ｂおよび図４に示されるように、プリズム４の周縁部分を保持する環状の枠５ａと、該枠５ａに一端が接続されたアーム５ｂと、該アーム５ｂを他端を中心に揺動させる図示しないモータとを備えている。符号６は、対物光学系２を内部に保持するレンズ枠を示している。移動機構５は、アーム５ｂの揺動によって、プリズム４を、実線で示される挿入位置（第１の位置）と、二点鎖線で示される退避位置（第２の位置）との間で移動可能である。挿入位置は、プリズム４の所定の光軸Ｂと対物光学系２の光軸Ａとが一致する位置である。挿入位置において、プリズム４は、偏向面４ａを入射側に向けて配置される。退避位置は、プリズム４全体が対物光学系２を構成するレンズよりも半径方向外側に配置され、プリズム４が対物光学系２を通過する光と干渉しない位置である。

移動機構５は、光線高が低い明るさ絞りＳの近傍において、プリズム４を光軸Ａ上に挿脱する。これにより、プリズム４および移動機構５の径寸法が小さく済み、撮像装置１全体を細径にすることができる。なお、プリズム４の挿入位置は、明るさ絞りＳの近傍に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

枠５ａは、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、プリズム４の屈折面４ｂに固定されており、プリズム４の中心部に対応する部分に形成された開口５ｃを有する絞りを構成している。これにより、絞りが、プリズム４と一体となって退避位置と挿入位置との間で移動するようになっている。開口５ｃは、短軸と長軸とを有する細長い形状を有し、短軸の方向Ｃ１が、偏向面４ａの、光軸Ｂに対する傾斜方向Ｄと一致している。矢印Ｃ２は、長軸の方向を示している。

図５から図８は、開口５ｃの形状の変形例を示している。開口５ｃは、図５から図７に示されるように、長方形または楕円形であってもよく、長方形の角部が丸く面取りされた形状であってもよい。
また、挿入位置に配されたときの枠５ａと偏向面４ａとの相対的な向きに応じて、枠５ａに形成される開口５ｃの短軸の方向Ｃ１は、適宜変更される。例えば、図１において、傾斜方向Ｄが、奥行き方向（紙面に垂直な方向）である場合には、開口５ｃは、図８に示されるように、図３Ａに対して９０°回転する必要がある。

次に、このように構成された撮像装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る撮像装置１によれば、移動機構５によってプリズム４の位置を退避位置と挿入位置との間で変更することによって、観察方向を、直視と斜視との間で変更することができる。

具体的には、プリズム４が退避位置に配置される直視観察状態においては、対物光学系２の光軸Ａが、対物光学系２の中心軸に沿って一直線となり、対物光学系２の正面前方に位置する物体から対物光学系２へ光が入射するので、対物光学系２の正面方向の視野の直視画像を取得することができる。一方、プリズム４が挿入位置に配置される斜視観察状態においては、偏向面４ａによって対物光学系２の入射側の光軸Ａが偏向され、対物光学系２の斜め前方に位置する物体から対物光学系２へ光が入射するので、対物光学系２の斜め前方の視野の斜視画像を取得することができる。

ここで、斜視観察状態において、空気の屈折率よりも大きな屈折率を有するプリズム４によって対物光学系２の光軸Ａ上の空気換算長が短くなり、焦点が、対物光学系２から遠ざかる方向に移動する。一方、屈折面４ｂが有する正のパワーによって、焦点が、対物光学系２に近接する方向に移動する。すなわち、本実施形態によれば、プリズム４の挿入によって発生する焦点のずれを屈折面４ｂの正のパワーによって補正し、直視観察状態から斜視観察状態に切り替えたときに、焦点が遠ざかってしまうことを防ぐことができる。これは、例えば、撮像装置１を適用した内視鏡において、内視鏡先端から突出する処置具を観察する場合に有効であり、内視鏡先端に対して手前側に位置する処置具に焦点が合った斜視画像を取得することができる。

さらに、偏向面４ａが光軸Ａに対して傾斜しているため、プリズム４の傾斜方向Ｄ（光軸Ａの偏向方向）においてはプリズム４の形状が光軸Ａを中心に非対称となり、その結果、プリズム４および開口５ｃを通過した光には、非対称収差であるコマ収差および非点収差が発生する。一般に、コマ収差の発生量は、開口５ｃの寸法の２乗に比例し、非点収差の発生量は、開口５ｃの寸法に比例する。そこで、開口５ｃの寸法を、非対称収差が発生する傾斜方向Ｄにおいて小さくすることで、非対称収差の発生量を低減することができ、画質の良好な斜視画像を取得することができる。

本実施形態においては、プリズム４の屈折面４ｂが、正のパワーを有することとしたが、これに代えて、屈折面４ｂが、凹の球面または非球面であり、負のパワーを有していてもよい。
このようにすることで、直視観察状態から斜視観察状態に切り替えたときに、焦点がより遠くへ移動する。したがって、遠くに位置する対象を斜視観察する用途においては、このようにすることで、観察対象が鮮明に撮影された斜視画像を取得することができる。

本実施形態においては、枠５ａが絞りを兼ねており、絞りがプリズム４に一体的に形成されていることとしたが、これに代えて、絞りが、枠５ａおよびプリズム４とは別体であってもよい。この場合には、プリズム４の移動に連動して絞りも移動するように、もう１つの移動機構を備えればよい。

本実施形態においては、図９に示されるように、第１群Ｇ１および第２群Ｇ２に対して、プリズム４、移動機構５および明るさ絞りＳからなる第３群Ｇ３の位置を、光軸Ａ方向に調整可能に構成されていてもよい。具体的には、第１群Ｇ１と第２群Ｇ２と第３群Ｇ３とが、互いに別体の筒状のレンズ枠６１，６２，６３内に保持されている。第３群Ｇ３を保持するレンズ枠６３の両端部は、第１群Ｇ１および第２群Ｇ２を保持するレンズ枠６１，６２の端部に入れ子式に嵌合されており、レンズ枠６３が、レンズ枠６１，６２に対して光軸Ａ方向に移動可能になっている。これにより、レンズ枠６３の移動によって、第１群Ｇ１および第２群Ｇ２に対する第３群Ｇ３の位置を調整し、焦点を光軸Ａ方向に調整することができる。

プリズム４の挿入による焦点のずれは、前述したように、屈折面４ｂが有する正のパワーによって補正されるが、プリズム４の面形状の製造誤差によっては、十分な焦点精度を得られない可能性がある。そこで、斜視観察状態における焦点を、プリズム４の光軸Ａ方向の位置の微調整によって最終調整し、その後にレンズ枠６３をレンズ枠６１，６２に対して固定することによって、プリズム４の寸法公差の向上だけでは達成することが難しい高い焦点精度を、容易にかつ確実に得ることができる。

本実施形態においては、直視画像および斜視画像に対して、開口部を有する視野マスクを重畳するマスク処理を施し、マスク処理された画像をディスプレイに表示してもよい。この場合に、撮像装置１は、図１０に示されるように、直視画像Ｘに対しては、８角形の開口部を有する一般的な視野マスクを使用し、斜視画像Ｙに対しては、図１１に示されるように、前記８角形の開口部よりも小さい直径を有する円形の開口部を有する視野マスクを使用することが好ましい。図１０および図１１において、黒色部分が、視野マスクを示し、白色部分が開口部を示している。

図２に示されるように、斜視観察状態においては、光軸Ａに対して半径方向外側に位置する視野の一部の領域における画角が９０°に近づく。このような画角が大きい領域から対物光学系２に向かう光は、対物光学系２の周辺のレンズ枠６等の部材によって蹴られて対物光学系２に入射しない。その結果、周辺部の一部において像が欠けた斜視画像Ｙが撮像素子３によって取得される。

図１１に示される例では、約６５°の半画角を有する対物光学系２を使用し、直視方向に対して１５°だけ観察方向を下方に傾けている。この場合に、視野の上半分においては、直視のときと同様に半円状の像が得られるが、視野の下半分においては、右下部分および左下部分において画角が８０°（実際には、ディストーションの影響によって画角が略９０°）になり、斜視画像Ｙ内の右下部分よび左下部分において像が欠けてしまう。その結果、全体として視野が上下非対称になる。
そこで、像が欠けた部分を、小さい円形の開口部を有する視野マスクを使用して隠すことによって、観察者に違和感を与えない斜視画像Ｙを表示することができる。

本実施形態においては、挿入位置において、プリズム４が、光軸Ａを中心に回転可能に設けられていてもよい。
プリズム４が光軸Ａを中心に回転することによって、偏向面４ａによって偏向されている入射側の光軸Ａの向きが変化し、観察方向が変化する。これにより、観察可能な範囲を拡大することができる。例えば、図２においては、紙面において斜め下方の視野が観察されるが、プリズム４を９０°回転したときには、斜め左右方向の視野を、１８０°回転したときには、斜め上方の視野を、それぞれ観察することができる。また、プリズム４を連続的に回転させることによって、直視のときの視野の周辺を見回すことができる。

本実施形態においては、パワーを有するプリズム４について説明したが、図１２に示されるように、パワーを有さないプリズム４’を採用してもよい。すなわち、プリズム４’は、屈折面４ｂに代えて、軸Ｂに垂直に交差する平坦面４ｃを有していてもよい。
この場合には、プリズム４の光軸Ａへの挿入に因る焦点のずれを補正することはできないが、偏向面４ａによって発生する非点収差を効果的に抑制し、画質の良好な斜視画像を取得することができる。

１撮像装置
２対物光学系
３撮像素子
３ａ撮像面
４プリズム（光学部材）
４ａ偏向面
４ｂ屈折面
４ｃ平坦面
５移動機構
５ａ枠（絞り）
６，６１，６２，６３レンズ枠
Ａ光軸
Ｘ直視画像
Ｙ斜視画像

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、直視用の対物光学系と、該対物光学系によって形成された光学像を撮影する撮像素子と、前記対物光学系の光軸の途中位置に挿脱される光学部材と、該光学部材を、前記対物光学系の光軸上の第１の位置と該光軸から外れた第２の位置との間で移動させる移動機構とからなり、前記光学部材が、前記対物光学系の光軸を偏向する偏向面と、パワーを有する屈折面とを有する撮像装置である。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、単一の対物光学系と、該対物光学系によって形成された光学像を撮影する撮像素子と、前記対物光学系の光軸の途中位置に挿脱される光学部材と、該光学部材を、前記対物光学系の光軸上の第１の位置と該光軸から外れた第２の位置との間で移動させる移動機構とからなり、前記光学部材が、前記対物光学系の光軸を偏向する偏向面と、パワーを有する屈折面とを有する撮像装置である。

Claims

物体の光学像を形成する対物光学系と、
該対物光学系によって形成された光学像を撮影する撮像素子と、
前記対物光学系の光軸の途中位置に挿脱される光学部材と、
該光学部材を、前記対物光学系の光軸上の第１の位置と該光軸から外れた第２の位置との間で移動させる移動機構とを備え、
前記光学部材が、前記対物光学系の光軸を偏向する偏向面と、パワーを有する屈折面とを有する撮像装置。
前記屈折面が、正のパワーを有する請求項１に記載の撮像装置。
前記光学部材が、前記光軸に沿って互いに対向配置される２つの面を有し、
これら２つの面のうち、一方が前記偏向面であり、他方が前記屈折面である請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
前記光学部材が、前記対物光学系の光軸に対して傾斜した平面からなる前記偏向面と、前記対物光学系の光軸を対称軸とする球面または非球面からなる前記屈折面とを有する略楔形である請求項１から請求項３のいずれかに記載の撮像装置。
前記光学部材の近傍に配置される絞りを備え、
該絞りは、短軸と長軸とを有する細長い形状の開口を有すると共に、該開口の前記短軸が前記偏向面による前記対物光学系の光軸の偏向方向と一致するように配置され、
前記移動機構が、前記光学部材と前記絞りとを一体的に移動させる請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像装置。