WO2016189644A1 - 光学系、撮像装置、内視鏡システム、及び測距離システム - Google Patents

光学系、撮像装置、内視鏡システム、及び測距離システム Download PDF

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研野　孝吉
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Olympus Corp
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    • A61B1/00188—Optical arrangements with focusing or zooming features
    • A61B1/0019—Optical arrangements with focusing or zooming features characterised by variable lenses

Definitions

  • the present invention relates to an optical system, an imaging device, an endoscope system, and a distance measuring system that can simultaneously obtain a plurality of baseline-direction parallax images.
  • Patent Document 1 an optical system capable of simultaneously obtaining a plurality of baseline parallax images has been disclosed.
  • Patent Document 1 forms an image once in the prism body of the front group, and relays the image formed once to form an image again. If the distance is increased or the number of components is not increased, aberration correction cannot be performed, and the optical path length becomes longer and may become larger.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is an optical system that can form an image with parallax for observing an object surface from a plurality of baseline directions, which is small and has a wide observation angle of view.
  • An object is to provide an imaging device, an endoscope system, and a distance measuring system.
  • An optical system includes: A rotationally symmetric front group located on a single rotational symmetry axis passing through the center of the image plane; A rotationally symmetric rear group; An opening, With The front group has two internal reflection surfaces and two transmission surfaces, A light beam incident on the front group from at least one object surface is incident on the first transmission surface, is reflected by the first reflection surface, is reflected by the second reflection surface, and forms an optical path that exits from the second transmission surface. , Pass through the rear group and the opening, An image is formed at a position away from the rotational symmetry axis of the image plane without intermediate imaging within a cross section including the rotational symmetry axis.
  • An imaging apparatus is The optical system; An image sensor that converts the amount of light for each pixel of an image formed through the optical system into an electrical signal; It is characterized by providing.
  • An endoscope system includes: The imaging device; A display unit for displaying the image; It is characterized by providing.
  • a distance measuring system is: The imaging device; After performing image processing on the captured image of the object acquired by the imaging device, a calculation process is performed, and a distance calculation device for obtaining a distance from the object; It is characterized by providing.
  • the optical system, the imaging apparatus, and the endoscope system according to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain a small and high-resolution three-dimensional image with a wide observation angle of view.
  • a compact and high-resolution distance measuring system can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view including a rotational symmetry axis of an optical system of Example 1.
  • FIG. FIG. 2 shows lateral aberration diagrams of the optical system of Example 1.
  • FIG. Sectional drawing containing the rotational symmetry axis of the optical system of Example 2 is shown.
  • FIG. 3 shows lateral aberration diagrams of the optical system of Example 2.
  • Sectional drawing containing the rotational symmetry axis of the optical system of Example 3 is shown.
  • FIG. 5 shows lateral aberration diagrams of the optical system of Example 3.
  • Sectional drawing containing the rotational symmetry axis of the optical system of Example 4 is shown.
  • FIG. 5 shows lateral aberration diagrams of the optical system of Example 4.
  • optical system 1 of this embodiment will be described.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a rotational symmetry axis C of an optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the axis of rotational symmetry by enlarging the vicinity of the aperture of the optical system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the front group Gf taken along the rotational symmetry axis C of the optical system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical system 1 of the present embodiment includes a rear group Gb having a rotationally symmetric front group Gf disposed on a single rotational symmetry axis C passing through the center of the image plane Im, and a plurality of rotationally symmetric lenses Lb1 to Lb7.
  • the opening S, the front group Gf has two internal reflection surfaces and two transmission surfaces, and the light beam incident on the front group Gf from at least one object plane Ob is the first of the transparent body Lf.
  • An image is formed at a position away from the rotationally symmetric axis C of the image plane Im without intermediate imaging within the cross section including the axis C.
  • the central principal ray Lc is incident on the first transmission surface 11 from the center of the observation angle of view and passes through the center of the opening S.
  • the optical system 1 can be easily adjusted by assembling all the optical components with rotationally symmetric optical elements. However, since it becomes impossible to form an image with parallax, stereoscopic viewing cannot be performed.
  • the aperture S in the optical system 1 of the present embodiment forms a plurality of baseline parallaxes by forming an annular entrance pupil on the object side by the two reflecting surfaces of the transparent body Lf of the front group Gf. Then, the rotationally symmetric rear group Gb forms a plurality of light beams having parallaxes in the baseline direction emitted from the front group Gf on the image plane Im. That is, the optical system 1 shown in FIG. 1 can stereoscopically view an object in a portion where light beams including the rotational symmetry axis C overlap.
  • the front group Gf is configured by an even-numbered reflection transparent body Lf composed of the first reflecting surface 12 and the second reflecting surface 13, thereby preventing the mirror image from being reversed left and right, and is preferable for stereoscopic observation. Furthermore, it comprises the first transmissive surface 11 and the second transmissive surface 14 and is composed of the transparent body Lf having a refractive index larger than 1, thereby making the reflective surfaces 12 and 13 internal reflective surfaces without crossing each other. A so-called Z-shaped optical path that reflects twice is formed, and it becomes possible to reduce the incident angle of light on each of the reflecting surfaces 12 and 13, and the light is incident on the reflecting surfaces 12 and 13 obliquely. The occurrence of decentration aberrations can be reduced.
  • the front group Gf functions as an afocal system having a small magnification on the sagittal plane including the rotator symmetry axis C, and reduces the wide observation angle of view from the object side to a light beam having a narrow angle of view and leads to the rear group Gb to form an image.
  • the front group Gf is configured so as not to form an intermediate image, and the light beam emitted from the front group Gf is made to be a substantially parallel light beam, so that the rear group Gb only needs to form a parallel light beam having a narrow angle of view. Therefore, the burden on the rear group Gb is reduced, and the overall length can be shortened.
  • the first reflecting surface 12 of the front group Gf has a negative power with the convex surface facing the object side.
  • the sagittal surface including the rotational symmetry axis in the first reflecting surface 12 is given a strong negative power with the convex surface facing the object side, and a light beam having a wide field angle is changed to a light beam having a narrow field angle and the first reflecting surface 12 and thereafter. It is important to reduce the effective diameter of the optical surface.
  • the first transmission surface 11 is disposed outside the second reflection surface 13 with respect to the rotational symmetry axis C, and the first reflection surface 12 is the second transmission surface. It is preferable to be disposed outside the surface 14.
  • the second reflection surface 13 By disposing the first transmission surface 11 on the outer side of the second reflection surface 13 with respect to the rotational symmetry axis C, the second reflection surface 13 can be disposed in the vicinity of the rotation symmetry axis C, and the second reflection surface is obtained.
  • the incident angle of the light beam on the surface 13 can be reduced, and the decentration aberration generated on the second reflecting surface 13 can be reduced.
  • the angle formed between the two upper and lower light beams across the rotational symmetry axis C that emits the front group Gf is reduced.
  • the light beam can be emitted to the rear group Gb, the angle of view of the light incident on the rear group Gb is narrowed, and the aberration correction burden of the rear group Gb is remarkably reduced.
  • the optical path in the front group Gf of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the opening S intersects the rotational symmetry axis C.
  • the optical path in the front group Gf of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the opening S intersects the rotational symmetry axis C.
  • the optical path in the front group Gf of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the opening S intersects the rotational symmetry axis C.
  • the rotational symmetry axis C Preferably not.
  • the distance in the direction orthogonal to the rotational symmetry axis C between the position where the central principal ray Lc is transmitted on the first transmission surface 11 and the position where the central principal ray Lc is reflected on the second reflection surface 13 is shortened.
  • the incident angle of the surface 12 can be reduced, and the occurrence of decentration aberration can be reduced.
  • an optical path that is incident on the front group Gf from the object plane Ob and forms an image on the image plane Im is formed in a direction perpendicular to the rotational symmetry axis C of the first transmission surface 11.
  • the effective region in which the width of the effective region is D1 and an optical path that is incident on the front group Gf from the object plane Ob and forms an image on the image plane Im in a direction perpendicular to the rotational symmetry axis C of the second reflecting surface 13 is formed. If the width of is D2, it is preferable that the following conditional expression (1) is satisfied. 0.05 ⁇ D2 / D1 ⁇ 1 (1)
  • Conditional expression (1) is a condition for increasing the first transmission surface 11 and reducing the second reflection surface 13, and is necessary for obtaining a wide observation angle of view while correcting the curvature of field and reducing the effective diameter. This is a condition. If the upper limit of conditional expression (1) is exceeded, the second reflecting surface 13 becomes large, the first transmitting surface 11 becomes relatively small, and the angle of the light beam cannot be made wide, and the wide-angle optical system 1 is configured. I can't. If the lower limit of conditional expression (1) is exceeded, the second reflecting surface 13 becomes too small to form an image with good resolving power that provides the necessary image height.
  • the optical system 1 of the present embodiment forms an optical path that enters the front group Gf from the object plane Ob and forms an image on the image plane Im in a direction perpendicular to the rotational symmetry axis C of the first transmission surface 11.
  • An optical path is formed which is incident on the front group Gf from the object plane Ob and forms an image on the image plane Im in a direction parallel to the rotational symmetry axis C of the first transmission surface 11 with the width of the effective region being D1.
  • the width of the effective region is D3, it is preferable that the following conditional expression (2) is satisfied.
  • Conditional expression (2) relates to the inclination of the first transmission surface 11. If the upper limit of conditional expression (2) is exceeded, the inclination of the first transmission surface 11 becomes smaller with respect to the rotational symmetry axis C, and It becomes difficult to take a wide angle of view. If the lower limit of the conditional expression (2) is not reached, the inclination of the first transmission surface 11 becomes large and the angle of view having parallax information cannot be widened.
  • the first transmission surface 11 of the front group Gf has a positive power with a convex surface facing the object side.
  • the first reflecting surface 12 is composed of a reflecting surface with a convex surface facing the object side in order to reduce the effective diameter of the second reflecting surface 13 and the second transmitting surface 14 and to increase the observation angle of view.
  • the surface curvature is strongly generated in the direction in which the reflected light beam has a convex surface facing the image side in the traveling direction.
  • the first transmission surface 11 facing the object side toward the convex surface. Accordingly, it is possible to generate a curvature of field with a convex surface facing the image side opposite to the first reflecting surface 12 and to cancel each other. Further, by forming the first transmission surface 11 as a convex surface, it is possible to reduce the occurrence of image distortion.
  • At least one surface of the front group Gf is constituted by a rotationally symmetric free-form surface.
  • Structuring at least one surface with a rotationally symmetric free-form surface increases the degree of freedom in correcting image distortion, and is effective in reducing image distortion.
  • the first transmission surface 11 is composed of a rotationally symmetric free-form surface.
  • At least one surface of the rear group Gb is configured by a rotationally symmetric free-form surface.
  • Examples 1 to 4 of the optical system 1 of the present invention will be described below.
  • the configuration parameters of these optical systems will be described later.
  • the configuration parameters of these embodiments are based on the result of tracking forward rays from the object plane to the image plane Im through the front group Gf and the rear group Gb.
  • the coordinate system is rotated with the position where the diaphragm surface S and the rotational symmetry axis C intersect as the origin O of the decentered optical surface of the decentered optical system, for example, as shown in FIG.
  • a direction along the light traveling direction of the symmetry axis (center axis) C is defined as a positive Z-axis direction, and a plane including the Z axis corresponding to the paper surface of FIG. 1 and the center of the image plane Im is defined as a YZ plane.
  • the direction that passes through the origin O and is orthogonal to the YZ plane is the X-axis positive direction, forms the right-handed orthogonal coordinate system with the X and Z axes, and the axis that goes from the origin O toward the center of the image plane Im is the Y axis And
  • the amount of decentering from the center of the origin of the optical system in the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and the optical system
  • the inclination angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ (°), respectively) of the coordinate system defining each surface centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin are given.
  • positive ⁇ and ⁇ mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis
  • positive ⁇ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis.
  • the ⁇ , ⁇ , and ⁇ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by ⁇ and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by ⁇ . It is.
  • optical action surfaces constituting the optical system of each embodiment when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, in addition, the curvature radius of the surface, The refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods.
  • the term relating to the aspherical surface for which no data is described in the constituent parameters described later is zero.
  • the refractive index and the Abbe number are shown for the d-line (wavelength 587.56 nm).
  • the unit of length is mm.
  • the eccentricity of each surface is represented by the amount of eccentricity from the position where the entrance pupil 2 is projected onto the rotational symmetry axis (center axis) 1 as described above.
  • an aspherical surface is a rotationally symmetric aspherical surface given by the following definition.
  • Z (Y 2 / R) / [1+ ⁇ 1 ⁇ (1 + k) Y 2 / R 2 ⁇ 1/2 ] + AY 4 + bY 6 + cY 8 + dY 10 + (a)
  • Z is an optical axis (axial principal ray) with the light traveling direction being positive, and Y is a direction perpendicular to the optical axis.
  • R is a paraxial radius of curvature
  • k is a conic constant
  • a, b, c, d,... are fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspherical coefficients, respectively.
  • the Z axis of this defining formula is the axis of a rotationally symmetric aspherical surface.
  • the extended rotation free-form surface is a rotationally symmetric surface given by the following definition.
  • the curve F (Y) is translated in the Y positive direction by a distance R (Y negative direction if negative), and then the rotationally symmetric surface is rotated by rotating the translated curve around the Z axis. Let it be a free-form surface.
  • the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free-form curve) in the YZ plane and a circle with a radius
  • the Z axis is the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).
  • C 1 is the conic constant, C 2 , C 3 , C 4 , C 5 . Aspheric coefficient.
  • FIG. 4 and FIG. 5 are cross-sectional views illustrating an example of a coordinate system and an extended rotation free-form surface of an optical system according to an embodiment of the present invention.
  • the observation angle of view of the lower light beam is ⁇ 40 ° to + 80 °
  • the light beam that passes through the aperture center from the light flux at the center of the observation angle of view is set with the angle of view being the center of + 20 ° for convenience of design.
  • the central principal ray Lc is used as a reference.
  • the first to third surfaces which are extended rotation free-form surfaces, are eccentric from the position of the fifth surface, which is a virtual surface 20 mm from the object plane Ob, and the origins of the first to third surfaces are given.
  • the first surface is lowered by ⁇ 4.500 mm in the Y-axis direction given by the eccentricity (1) from the fifth surface, the origin O is located at the left of ⁇ 3.154 mm in the Z-axis direction, and the angle is inclined by + 50.481 ° Arranged.
  • the shape of the surface is a curvature radius of 22.601 mm, the C1 term corresponding to the conic constant of the aspherical surface is 8.2015E + 0, and the C4 term which is the third power term is 2.0201E-3.
  • the first surface is a rotationally symmetric surface obtained by finally rotating the Z axis as the rotationally symmetric axis C.
  • the extended rotation free-form surface has the origin of each surface on the central principal ray Lc, and the eccentricity Y corresponds to the height of the central principal ray Lc in the Y-axis direction. This is a design problem, and it is not necessary to make the center principal ray Lc coincide with the origin, and can be arbitrarily determined.
  • the second and third surfaces are similarly extended rotation free-form surfaces.
  • the fourth surface is a normal aspheric surface arranged at the same place as the fifth surface.
  • the sixth surface is a stop, which is disposed at the same position as the fourth surface and the fifth surface, and the position of the seventh surface is determined by the surface spacing of the sixth surface, and thereafter the same as the normal spherical lens system up to the fifteenth surface. It is.
  • the 16th surface to the 18th surface on the image side of the rear group are also extended rotation free-form surfaces, which are indicated by a surface interval, a Y eccentricity, and an inclination angle ⁇ along the Z axis.
  • Example 1 an interval between the extended rotation free-form surface on which the central principal ray Lc hits and the image plane Im is given by the surface interval of the 18th surface.
  • the chromatic aberration of magnification is particularly well corrected by configuring the rear group also with an extended rotation free-form surface.
  • the chromatic aberration of magnification is far from the rotational symmetry axis C, and becomes large as the image height increases, and is corrected by a cemented lens having a different Abbe number.
  • the image height close to the rotational symmetry axis C is obtained.
  • a rotationally symmetric free-form surface is used as means for correcting the color of magnification at a low portion.
  • FIG. 6 is a sectional view including the rotational symmetry axis C of the optical system 1 according to the first embodiment. However, in FIG. 6, only the optical path incident on one side with respect to the central axis C in the cross section is shown, and there are optical paths that are symmetrical with respect to the central axis C at the same time, but the illustration is omitted.
  • FIG. 7 is a transverse aberration diagram of the optical system 1 of Example 1.
  • the optical system 1 includes a rotationally symmetric front group Gf, a rotationally symmetric rear group Gb, and an aperture S that are arranged on a single rotationally symmetric axis C that passes through the center of the image plane Im.
  • the front group Gf has two internal reflection surfaces and two transmission surfaces. A light beam incident on the front group Gf from at least one object surface is incident on the first transmission surface 11 and is reflected by the first reflection surface 12. An optical path that is reflected, reflected by the second reflecting surface 13 and emitted from the second transmitting surface 14 is formed, passes through the rear group Gb and the opening S, and does not form an intermediate image within the cross section including the rotational symmetry axis C. The image is formed at a position away from the rotational symmetry axis C of the image plane Im.
  • the front group Gf of Example 1 has a front group transparent body Lf.
  • the first transmission surface 11 is arranged outside the second reflection surface 13 and the first reflection surface 12 is arranged outside the second transmission surface 14 with respect to the rotational symmetry axis.
  • the first transmission surface 11, the first reflection surface 12, and the second reflection surface 13 are made of an extended rotation free-form surface, and the second transmission surface 14 is made of an aspheric surface.
  • the first transmission surface 11 has a positive power with the convex surface facing the object side
  • the first reflection surface 12 has a negative power with the convex surface facing the object side
  • the second reflection surface 13 has an image.
  • the second transmission surface 14 has a positive power with the convex surface facing the image side.
  • the rear group Gb of Example 1 includes a cemented lens SUb1 of a biconcave negative lens Lb1 and a biconvex positive lens Lb2, a biconvex positive lens Lb3, a positive meniscus lens Lb4 having a convex surface facing the object side, and a convex surface facing the object side.
  • the optical path of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the aperture S does not intersect the rotational symmetry axis C in the front group Gf, and is a rotationally symmetric axis at the center of the aperture S. Crosses C, and does not cross the rotational symmetry axis C in the rear group Gb.
  • the magnification color is corrected by the joined transparent body SUb2 of the extended rotation free-form surface of the rear group Gb.
  • the rear group can be simplified by making the field curvature convex to the object side generated in the front group Gf using the reflecting surface cancel the field curvature generated in the rear group. It becomes possible to make a simple configuration.
  • FIG. 8 is a sectional view including the rotational symmetry axis C of the optical system 1 of the second embodiment. However, in FIG. 8, only an optical path incident on one side with respect to the central axis C in the cross section is shown, and an optical path symmetrical with respect to the central axis C also exists at the same time, but the illustration is omitted.
  • FIG. 9 is a transverse aberration diagram of the optical system 1 of Example 2.
  • the optical system 1 of Example 2 includes a rotationally symmetric front group Gf, a rotationally symmetric rear group Gb, and an aperture S that are arranged on a single rotationally symmetric axis C that passes through the center of the image plane Im.
  • the front group Gf has two internal reflection surfaces and two transmission surfaces. A light beam incident on the front group Gf from at least one object surface is incident on the first transmission surface 11 and is reflected by the first reflection surface 12. An optical path that is reflected, reflected by the second reflecting surface 13 and emitted from the second transmitting surface 14 is formed, passes through the rear group Gb and the opening S, and does not form an intermediate image within the cross section including the rotational symmetry axis C. The image is formed at a position away from the rotational symmetry axis C of the image plane Im.
  • the front group Gf of Example 2 has a front group transparent body Lf.
  • the first transmission surface 11 is arranged outside the second reflection surface 13 and the first reflection surface 12 is arranged outside the second transmission surface 14 with respect to the rotational symmetry axis.
  • the first transmission surface 11, the first reflection surface 12, and the second reflection surface 13 are formed of an extended rotation free-form surface.
  • the first transmission surface 11 has a positive power with the convex surface facing the object side
  • the first reflection surface 12 has a negative power with the convex surface facing the object side
  • the second reflection surface 13 has an image.
  • the second transmission surface 14 has a positive power with the convex surface facing the image side.
  • the rear group Gb of Example 2 includes a cemented lens SUb1 of a biconcave negative lens Lb1 and a biconvex positive lens Lb2, a biconvex positive lens Lb3, a first rear group transparent body Lb4 whose both surfaces are aspheric surfaces, and both surfaces of which are non-surface. And a joined transparent body SUb2 joined with a second rear group transparent body Lb7 made of a spherical surface.
  • the optical path of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the aperture S does not intersect the rotational symmetry axis C in the front group Gf, and is a rotationally symmetric axis at the center of the aperture S. Crosses C, and does not cross the rotational symmetry axis C in the rear group Gb.
  • the magnification color is corrected by the rotationally symmetric aspherical surface of the rear group Gb.
  • FIG. 10 is a sectional view including the rotational symmetry axis C of the optical system 1 according to the third embodiment. However, in FIG. 10, only an optical path incident on one side with respect to the central axis C in the cross section is shown, and an optical path symmetrical with respect to the central axis C also exists at the same time, but the illustration is omitted.
  • FIG. 11 is a transverse aberration diagram of the optical system 1 of Example 3.
  • the optical system 1 includes a rotationally symmetric front group Gf, a rotationally symmetric rear group Gb, and an aperture S that are arranged on a single rotationally symmetric axis C that passes through the center of the image plane Im.
  • the front group Gf has two internal reflection surfaces and two transmission surfaces. A light beam incident on the front group Gf from at least one object surface is incident on the first transmission surface 11 and is reflected by the first reflection surface 12. An optical path that is reflected, reflected by the second reflecting surface 13 and emitted from the second transmitting surface 14 is formed, passes through the rear group Gb and the opening S, and does not form an intermediate image within the cross section including the rotational symmetry axis C. The image is formed at a position away from the rotational symmetry axis C of the image plane Im.
  • the front group Gf of Example 3 has a front group transparent body Lf.
  • the first transmission surface 11 is arranged outside the second reflection surface 13 and the first reflection surface 12 is arranged outside the second transmission surface 14 with respect to the rotational symmetry axis.
  • the first transmission surface 11, the first reflection surface 12, and the second reflection surface 13 are formed of an extended rotation free-form surface.
  • the first transmission surface 11 has a negative power with the concave surface facing the object side
  • the first reflection surface 12 has a negative power with the convex surface facing the object side
  • the second reflection surface 13 is the object.
  • the second transmission surface 14 has a positive power with the convex surface facing the image side.
  • the rear group Gb of Example 3 includes a negative meniscus lens Lb1 having a convex surface facing the image side, a cemented lens SUb1 of a positive meniscus lens Lb2 having a convex surface facing the image side, and a negative meniscus lens Lb3 having a convex surface facing the object side. And consist of
  • the optical path of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the aperture S does not intersect the rotational symmetry axis C in the front group Gf, and is a rotationally symmetric axis at the center of the aperture S. Crosses C, and does not cross the rotational symmetry axis C in the rear group Gb.
  • FIG. 12 is a sectional view including the rotational symmetry axis C of the optical system 1 of the fourth embodiment. However, in FIG. 12, only an optical path incident on one side with respect to the central axis C in the cross section is shown, and an optical path symmetrical with respect to the central axis C also exists at the same time, but the illustration is omitted.
  • FIG. 13 is a lateral aberration diagram of the optical system 1 of Example 4.
  • the optical system 1 of Example 4 includes a rotationally symmetric front group Gf, a rotationally symmetric rear group Gb, and an aperture S that are disposed on a single rotationally symmetric axis C that passes through the center of the image plane Im.
  • the front group Gf has two internal reflection surfaces and two transmission surfaces. A light beam incident on the front group Gf from at least one object surface is incident on the first transmission surface 11 and is reflected by the first reflection surface 12. An optical path that is reflected, reflected by the second reflecting surface 13 and emitted from the second transmitting surface 14 is formed, passes through the rear group Gb and the opening S, and does not form an intermediate image within the cross section including the rotational symmetry axis C. The image is formed at a position away from the rotational symmetry axis C of the image plane Im.
  • the front group Gf of Example 4 has a front group transparent body Lf.
  • the first transmission surface 11 is arranged outside the second reflection surface 13 and the first reflection surface 12 is arranged outside the second transmission surface 14 with respect to the rotational symmetry axis.
  • the first transmission surface 11, the first reflection surface 12, and the second reflection surface 13 are extended rotation free-form surfaces, and the second transmission surface 14 is an aspheric surface.
  • the first transmission surface 11 has a positive power with the convex surface facing the object side
  • the first reflection surface 12 has a negative power with the convex surface facing the object side
  • the second reflection surface 13 has an image.
  • the second transmission surface 14 has a positive power with the convex surface facing the image side.
  • the rear group Gb of Example 4 includes a cemented lens SUb1 of a biconcave negative lens Lb1 and a biconvex positive lens Lb2, a biconvex positive lens Lb3, a first rear group transparent body Lb4 whose both surfaces are aspheric surfaces, and both surfaces which are non-spherical. And a joined transparent body SUb2 joined with a second rear group transparent body Lb5 made of a spherical surface.
  • the optical path of the central principal ray Lc that enters the first transmission surface 11 from the center of the viewing angle of view and passes through the center of the aperture S does not intersect the rotational symmetry axis C in the front group Gf, and is a rotationally symmetric axis at the center of the aperture S. Crosses C, and does not cross the rotational symmetry axis C in the rear group Gb.
  • the color of magnification is corrected by the rotationally symmetric aspherical surface of the rear group Gb.
  • the optical system 1 of Example 4 is an example in which the viewing angle of view is ⁇ 45 ° and stereoscopic viewing is possible at all angles of view.
  • the central principal ray Lc is a ray with a field angle of zero.
  • Example 1 Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface 20.000 20.000 1 ERFS [1] 0.000 Eccentricity (1) 2.0033 28.3 2 ERFS [2] 0.000 Eccentricity (2) 2.0033 28.3 3 ERFS [3] 0.000 Eccentricity (3) 2.0033 28.3 4 Aspherical [1] 0.000 5 ⁇ 0.000 6 Diaphragm surface 1.138 7 -2.065 0.400 1.7987 28.2 8 2.649 1.200 1.7203 49.3 9 -2.455 1.577 10 16.739 1.003 1.8830 40.7 11 -4.613 0.100 12 3.166 0.830 1.8830 40.7 13 8.271 0.121 14 219.799 0.500 1.7279 24.2 15 2.829 0.572 16 ERFS [4] 1.505 Eccentricity (4) 1.4875 70.4 17 ERFS [5] 0.505 Eccentricity (5) 1.9229 18.9 18 ERFS [6] 0.400 Eccentricity (6) Image plane ⁇ ERFS
  • Example 4 Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface 20.000 20.000 1 ERFS [1] 0.000 Eccentricity (1) 2.0033 28.3 2 ERFS [2] 0.000 Eccentricity (2) 2.0033 28.3 3 ERFS [3] 0.000 Eccentricity (3) 2.0033 28.3 4 Aspherical surface [1] 0.000 Eccentricity (4) 5 ⁇ -1.000 6 Diaphragm surface 0.100 7 -1.462 0.400 1.7325 28.2 8 2.230 0.925 1.7380 48.0 9 -2.015 2.547 10 5.067 0.955 1.6653 31.3 11 -3.181 0.638 12 Aspherical surface [2] 0.400 1.4875 70.4 13 Aspherical surface [3] 1.200 1.9229 18.9 14 Aspherical [4] 0.353 Image plane ⁇ ERFS [1] RDY 24.174 ERFS [2] RDY 4.918 C1 -8.5134e + 000 C4 -6.5400e-003 ER
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 D1 5.157 4.267 4.251 D2 0.972 1.086 1.557 D3 5.531 4.216 2.959
  • Conditional expression (1) D2 / D1 0.188 0.255 0.366
  • Conditional expression (2) D1 / D3 0.933 1.012 1.734
  • the optical system 1 of each example is designed with an object point distance of 20 mm, but can be easily changed to infinity or any distance by moving the image plane position.
  • the light beam emitted from the object point on the rotational symmetry axis C enters the annular entrance pupil conically, passes through the optical system 1 and forms an image on the image plane Im.
  • the X-direction sagittal surface (cross section orthogonal to the rotational symmetry axis) of the second image height in the aberration diagram becomes the arc direction, and the aberration becomes remarkably large.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an internal circuit of a main part of the image pickup apparatus 2 using the optical system 1 of the present embodiment.
  • the imaging apparatus 2 is connected to the operation unit 21, the control unit 22 connected to the operation unit 21, and the control signal output port of the control unit 22 via buses 23 and 24.
  • the image pickup drive circuit 25, the temporary storage memory 26, the image processing unit 27, and the storage unit 28 are provided.
  • the temporary storage memory 26, the image processing unit 27, and the storage unit 28 described above can mutually input and output data via the bus 31.
  • an imaging device 32 such as a CCD and a CDS / ADC unit 33 are connected to the imaging drive circuit 25.
  • the operation unit 21 includes various input buttons and switches, and notifies the control unit 22 of event information input from the operator via these buttons.
  • the control unit 22 is a central processing unit composed of, for example, a CPU, and includes a program memory (not shown) and controls the imaging device 2 according to a program stored in the program memory.
  • the image pickup device 32 is driven and controlled by the image pickup drive circuit 25, converts the amount of light for each pixel of the object image formed via the optical system 1 into an electric signal, and outputs the electric signal to the CDS / ADC unit 33.
  • the CDS / ADC unit 33 amplifies the electrical signal input from the image sensor 32 and performs analog / digital conversion, and raw video data (Bayer data, hereinafter RAW data) obtained by performing only the amplification and digital conversion. Is output to the temporary storage memory 26.
  • the temporary storage memory 26 is a buffer made of, for example, SDRAM, and is a memory device that temporarily stores RAW data output from the CDS / ADC unit 33.
  • the image processing unit 27 reads out RAW data stored in the temporary storage memory 26 or RAW data stored in the storage unit 28, and performs various corrections including distortion correction based on the image quality parameter specified by the control unit 22. It is a circuit that performs image processing electrically.
  • the storage unit 28 detachably mounts a card-type or stick-type storage medium made of, for example, a flash memory or the like, and RAW data transferred from the temporary storage memory 26 or an image by the image processing unit 27 to these flash memories. Record and store the processed image data.
  • the image pickup apparatus 2 configured as described above can be made small and suitable for moving image pickup by adopting the optical system 1 of the present embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing an endoscope system 4 using the optical system 1 of the present embodiment as a photographing optical system at the distal end of a rigid endoscope.
  • FIG. 15A shows an endoscope system 4 in which the optical system 1 according to the present embodiment is attached to the distal end of the long portion 41a of the rigid endoscope 41 and an image is stereoscopically observed.
  • FIG. 15B shows a schematic configuration of the tip.
  • the optical system 1 according to the present embodiment is installed at the distal end of the rigid endoscope 4, and the image sensor 32 is installed on the image plane of the optical system 1.
  • the image formed on the image pickup device 32 the light amount for each pixel is converted into an electric signal, and is displayed on a display unit (not shown) via each electronic component of the image pickup apparatus 2 shown in FIG. That is, the endoscope system 4 includes the imaging device 2 as shown in FIG.
  • the display unit is configured by a liquid crystal display monitor or the like, and may display captured RAW data, image data, an operation menu, and the like.
  • the main electronic components of the imaging device 2 do not need to be built in the distal end of the rigid endoscope 41, and may be provided in the operation unit 21 shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram showing an endoscope system 4 using the optical system 1 of the present embodiment as a photographing optical system at the tip of a flexible endoscope.
  • the optical system 1 is attached to the distal end of the long portion 42 a of the flexible electronic endoscope 42, and an image formed on the image sensor 32 shown in FIG. 14 is displayed on the display unit.
  • 29 is an endoscope system 4 in which image processing is performed on the image 29 to correct distortion and display the image stereoscopically. That is, the endoscope system 4 includes the imaging device 2 and the display unit 29 shown in FIG. 14 using the optical system 1 built in the flexible endoscope 42.
  • the display unit 29 is configured by a liquid crystal display monitor or the like, and may display captured RAW data, image data, an operation menu, and the like.
  • the main electronic components of the imaging device 2 do not need to be built in the distal end of the soft electronic endoscope 42, and may be provided in the operation unit 21 or a separate case 42b as shown in FIG. Good.
  • the endoscope system 4 includes the imaging device 2 using the optical system 1 and the display unit 29, so that an image can be captured and observed stereoscopically.
  • the endoscope system 4 wirelessly transmits an image signal formed on the image sensor 32 via the optical system 1 housed inside the capsule to the outside of the capsule, and displays the transmitted image on a display unit outside the capsule. You may comprise with such a capsule endoscope.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example in which the optical system 1 of the present embodiment is used as a vehicle distance measuring system 5.
  • FIG. 18 is a block diagram of a distance measuring system 5 using the optical system 1 of the present embodiment.
  • the optical system 1 of the imaging device 2 is attached to the front of the automobile 50, the front of the automobile is imaged, and image processing is performed via each electronic component as shown in FIG. Then, after correcting the distortion, the distance calculation device shown in FIG. 18 is used to calculate the distance to the object such as the vehicle ahead. Moreover, you may display the image imaged through each optical system 1 on the display apparatus in a vehicle which is not shown in figure. Further, the distance measuring system 5 obtains the speed or acceleration of the vehicle from the speed information detection unit 60, and determines that there is a possibility of colliding with the front object from the relationship between the distance to the object and the speed or acceleration. The present invention may be applied to an automatic braking device 61 that automatically brakes. Moreover, you may apply to the alarm device 62 which sounds an alarm when it is judged that there exists a possibility of colliding with the front target object.
  • FIG. 17B is an example in which a plurality of optical systems 1 according to the present embodiment are attached to the corners of the automobile 50 and the tops of the poles of the head portion.
  • the distance measuring system 5 performs image processing via each electronic component as shown in FIG. 14 to correct distortion, and then performs calculation processing by the distance calculation device shown in FIG. Can be obtained.
  • the distance measuring system 5 obtains the speed or acceleration of the vehicle from the speed information detection unit 61 and determines that there is a possibility of colliding with the front object from the relationship between the distance to the object and the speed or acceleration.
  • the present invention may be applied to an automatic braking device 60 that automatically brakes.
  • the distance measuring system 5 using the imaging device 2 including the optical system 1 of the present embodiment can acquire a high-resolution image, the distance can be measured even for a particularly small object. Is possible.

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Abstract

小型で観察画角が広く、物体面を複数の基線方向から観察する視差のある像を結像することが可能な光学系、撮像装置、内視鏡システム、及び測距離システムを提供する。　光学系（１）は、像面（Ｉｍ）の中心を通る単一の回転対称軸（Ｃ）上に配置された回転対称な前群（Ｇｆ）と、回転対称な後群（Ｇｂ）と、開口（Ｓ）と、を備え、前群（Ｇｆ）は、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、少なくとも一つの物体面（Ｏｂ）から前群（Ｇｆ）に入射する光束は、第１透過面（１１）に入射し、第１反射面（１２）で反射し、第２反射面（１３）で反射し、第２透過面（１４）から射出する光路を形成し、後群（Ｇｂ）と開口（Ｓ）を通過し、回転対称軸（Ｃ）を含む断面内で中間結像すること無く、像面（Ｉｍ）の回転対称軸（Ｃ）から離れた位置に結像することを特徴とする。

Description

光学系、撮像装置、内視鏡システム、及び測距離システム
　本発明は、複数の基線方向の視差画像を同時に得られる光学系、撮像装置、内視鏡システム、及び測距離システムに関する。
　従来、複数の基線方向の視差画像を同時に得られる光学系が開示されている（特許文献１参照）。
特許４６１１１１１号公報
　特許文献１に記載された技術は、前群のプリズム体内で一回結像するものであり、一回結像された像を再度リレーして結像するため、後群に負担がかかり物像間距離を長くしたり、構成枚数を多くしないと収差補正ができず、光路長が長くなり、大型になる場合があった。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型で観察画角が広く、物体面を複数の基線方向から観察する視差のある像を結像することが可能な光学系、撮像装置、内視鏡システム、及び測距離システムを提供することを目的としている。
　本発明の一実施形態である光学系は、
　像面の中心を通る単一の回転対称軸上に配置された回転対称な前群と、
　回転対称な後群と、
　開口と、
を備え、
　前記前群は、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、
　少なくとも一つの物体面から前記前群に入射する光束は、第１透過面に入射し、第１反射面で反射し、第２反射面で反射し、第２透過面から射出する光路を形成し、
　前記後群と前記開口を通過し、
　前記回転対称軸を含む断面内で中間結像すること無く、前記像面の前記回転対称軸から離れた位置に結像する
ことを特徴とする。
　本発明の一実施形態である撮像装置は、
　前記光学系と、
　前記光学系を介して形成された画像の画素ごとの光量を電気信号に変換する撮像素子と、
を備える
ことを特徴とする。
　本発明の一実施形態である内視鏡システムは、
　前記撮像装置と、
　前記画像を表示する表示部と、
を備える
ことを特徴とする。
　本発明の一実施形態である測距離システムは、
　前記撮像装置と、
　前記撮像装置が取得した対象物の撮影画像に画像処理を施した後、演算処理し、前記対象物との距離を求める距離演算装置と、
を備える
ことを特徴とする。
　本発明の一実施形態である光学系、撮像装置、及び内視鏡システムによれば、小型で高解像な観察画角の広い立体像を得ることが可能となる。また、小型で高解像な測距離システムを得ることが可能となる。
本発明に係る一実施形態の光学系の回転対称軸に沿ってとった断面図である。 本発明に係る一実施形態の光学系の開口付近を拡大して回転対称軸に沿ってとった断面図である。 本発明に係る一実施形態の光学系の回転対称軸に沿ってとった前群の断面図である。 本発明に係る一実施形態の光学系の座標系及び拡張回転自由曲面を説明する一例の断面図である。 本発明に係る一実施形態の光学系の座標系及び拡張回転自由曲面を説明する一例の断面図である。 実施例１の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。 実施例１の光学系の横収差図を示す。 実施例２の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。 実施例２の光学系の横収差図を示す。 実施例３の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。 実施例３の光学系の横収差図を示す。 実施例４の光学系の回転対称軸を含む断面図を示す。 実施例４の光学系の横収差図を示す。 本実施形態の光学系を用いた撮像装置の主要部の内部回路を示すブロック図である。 本実施形態の光学系を硬性内視鏡先端の撮影光学系として用いた内視鏡システムを示す図である。 本実施形態の光学系を軟性内視鏡先端の撮影光学系として用いた内視鏡システムを示す図である。 本実施形態の光学系を自動車の測距離システムとして用いた例を示す図である。 本実施形態の光学系を用いた測距離システムのブロック図である。
　本実施形態の光学系１について説明する。
　図１は、本発明に係る一実施形態の光学系１の回転対称軸Ｃに沿ってとった断面図である。図２は、本発明に係る一実施形態の光学系の開口付近を拡大して回転対称軸に沿ってとった断面図である。図３は、本発明に係る一実施形態の光学系１の回転対称軸Ｃに沿ってとった前群Ｇｆの断面図である。
　本実施形態の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な複数のレンズＬｂ１～Ｌｂ７を有する後群Ｇｂと、開口Ｓと、を備え、前群Ｇｆは、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、少なくとも一つの物体面Ｏｂから前群Ｇｆに入射する光束は、透明体Ｌｆの第１透過面１１に入射し、第１反射面１２で反射し、第２反射面１３で反射し、第２透過面１４から射出する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｓを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。中心主光線Ｌｃは、観察画角の中心から第1透過面１１に入射し、開口Ｓの中心を通る光線とする。
　一般に、光学系１は、光学部品の全てを回転対称な光学素子で構成することにより、組み立て調整が容易になる。しかし、視差のある像を結像することができなくなるために、立体視をすることができなかった。
　本実施形態の光学系１における開口Ｓは、前群Ｇｆの透明体Ｌｆの二つの反射面によって物体側に円環状の入射瞳を形成することにより、複数の基線方向の視差を形成する。そして、回転対称な後群Ｇｂが前群Ｇｆから射出した複数の基線方向の視差を有する光束を像面Ｉｍに結像する。すなわち、図１に示した光学系１は、回転対称軸Ｃを含む光束が重なる部分の物体を立体視することが可能である。
　前群Ｇｆは、第１反射面１２と第２の反射面１３からなる偶数回反射の透明体Ｌｆで構成することにより、左右が反転する鏡像になることを防げ、立体観察する場合に好ましい。さらに、第１透過面１１と第２透過面１４で構成し、屈折率が１より大きい透明体Ｌｆで構成することにより、反射面１２，１３を内部反射面とすることにより、交差することなく２回反射する所謂Ｚ字状の光路を形成し、それぞれの反射面１２，１３への光線入射角を小さくすることが可能となり、反射面１２，１３に斜めに光線が入射することにより発生する偏心収差の発生を少なくすることができる。
　前群Ｇｆは、回転体対称軸Ｃを含むサジタル面では倍率の小さいアフォーカル系として働き、物体側からの広い観察画角を狭い画角の光束に縮小して後群Ｇｂに導き結像させる働きを有する。
　さらに、前群Ｇｆを中間結像しない構成にして前群Ｇｆから射出される光束をほぼ平行光束とすることにより、後群Ｇｂはこの画角の狭くなった平行光束を結像すれば良いだけになるので、後群Ｇｂの負担が少なくなり全長を短く構成することが可能となる。
　また、本実施形態の光学系１では、前群Ｇｆの第１反射面１２は、物体側に凸面を向けた負のパワーを有することが好ましい。
　入射瞳の実像を前群Ｇｆに投影しない光学系１では、観察画角を広く取ろうとすると、前群Ｇｆの有効径が大きくなってしまう問題がある。そこで、第１反射面１２に回転対称軸を含むサジタル面では物体側に凸面を向けた強い負のパワーを持たせ、画角の広い光束を狭い画角の光束にして第１反射面１２以降の光学面の有効径を小さくすることが重要である。加えて、第１透過面１１を透過するときに屈折率１以上の媒質に入射させることによって画角を狭くする効果があり、第２反射面１３と第２透過面１４の有効径を小さく抑えて比較的小型の前群Ｇｆでありながら広い観察画角を取ることが可能となる。
　また、本実施形態の光学系１は、前群Ｇｆでは、回転対称軸Ｃに対して、第１透過面１１が第２反射面１３より外側に配置され、第１反射面１２が第２透過面１４より外側に配置されていることが好ましい。
　回転対称軸Ｃに対して、第１透過面１１を第２反射面１３の外側に配置することにより、第２反射面１３を回転対称軸Ｃの近傍に配置することが可能となり、第２反射面１３への光束の入射角を小さくして、第２反射面１３で発生する偏心収差を小さくすることが可能となる。
　さらに、前群Ｇｆの第１反射面１２を第２透過面１４の外側に配置することにより、前群Ｇｆを射出する回転対称軸Ｃを挟んで上下二つの光束のお互いになす角度を小さくして後群Ｇｂに射出させることが可能となり、後群Ｇｂに入射する光の画角が狭くなり後群Ｇｂの収差補正の負担が著しく小さくなる。
　また、本実施形態の光学系１は、観察画角の中心から第１透過面１１に入射し、開口Ｓの中心を通る中心主光線Ｌｃの前群Ｇｆにおける光路は、回転対称軸Ｃと交差しないことが好ましい。
　第１透過面１１における中心主光線Ｌｃが透過する位置と、第２反射面１３における中心主光線Ｌｃが反射する位置との回転対称軸Ｃに直交する方向での距離が短くなり、第１反射面１２の入射角を小さくすることができ、偏心収差の発生を少なくできる。
　また、本実施形態の光学系１は、第１透過面１１の回転対称軸Ｃに対して垂直な方向において、物体面Ｏｂから前群Ｇｆに入射し像面Ｉｍに結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ１、第２反射面１３の回転対称軸Ｃに対して垂直な方向において、物体面Ｏｂから前群Ｇｆに入射し像面Ｉｍに結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ２、とすると、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
　　０．０５　＜　Ｄ２／Ｄ１　＜　１　　　　　（１）
　条件式（１）は、第１透過面１１を大きくし、第２反射面１３を小さくする条件であり、像面湾曲の補正と有効径を小さくしつつ、広い観察画角を取るために必要となる条件である。条件式（１）の上限を上回ると、第２反射面１３で大きくなってしまい、相対的に第１透過面１１が小さくなり、光線の角度が広く取れず、広角の光学系１を構成することができない。条件式（１）の下限を上回ると、第２反射面１３が小さくなりすぎ必要な像高が得られる解像力の良い像を結像できない。
　また、本実施形態の光学系１は、第１透過面１１の回転対称軸Ｃに対して垂直な方向において、物体面Ｏｂから前群Ｇｆに入射し、像面Ｉｍに結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ１、第１透過面１１の回転対称軸Ｃに対して平行な方向において、物体面Ｏｂから前群Ｇｆに入射し、像面Ｉｍに結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ３、とすると、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
　　０．２　＜　Ｄ１／Ｄ３　＜　５　　　　　　（２）
　条件式（２）は、第１透過面１１の傾きに関するものであり、条件式（２）の上限を上回ると、第１透過面１１の傾きが回転対称軸Ｃに対して小さくなり、外側の画角を広く取ることが難しくなる。条件式（２）の下限を下回ると、今度は第１透過面１１の傾きが大きくなり、視差情報を有する画角が広くとれなくなる。
　また、本実施形態の光学系１は、前群Ｇｆの第１透過面１１は、物体側に凸面を向けた正のパワーを有することが好ましい。
　第１反射面１２は、第２反射面１３と第２透過面１４の有効径を小さくするため及び観察画角を広く取るために、物体側に凸面を向けた反射面で構成するが、像面湾曲は反射後の光線が進行方向で像側に凸面を向けた方向に強く発生する。
　これを補正するためには、第１透過面１１を物体側に凸面を向けた正のパワーを与えることが好ましい。これにより第１反射面１２とは逆の像側に凸面を向けた像面湾曲を発生させ、打ち消し合うことが可能となる。さらに第１透過面１１を凸面で構成することにより像歪の発生も小さくすることが可能となる。
　また、本実施形態の光学系１は、前群Ｇｆの少なくとも１面は、回転対称自由曲面で構成されていることが好ましい。
　少なくとも１面を回転対称自由曲面で構成することにより、像歪の補正の自由度が大きくなり、像歪の低減に効果がある。特に、第１透過面１１を回転対称自由曲面で構成することが望ましい。
　また、本実施形態の光学系１は、後群Ｇｂの少なくとも１面は、回転対称自由曲面で構成されていることが好ましい。
　第１透過面１１で発生する回転対称軸Ｃの近傍ほど大きく発生する色収差を補正するために、後群Ｇｂに回転対称自由曲面の面を配置することが色収差補正上好ましい。
  以下に、本発明の光学系１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。これら実施例の構成パラメータは、例えば図１に示すように、物体面から前群Ｇｆと後群Ｇｂを経て像面Ｉｍに至る順光線追跡の結果に基づくものである。
  座標系は、順光線追跡において、実施例１～４では、例えば図１に示すように、絞り面Ｓと回転対称軸Ｃが交差する位置を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとし、回転対称軸（中心軸）Ｃの光の進行方向に沿う方向をＺ軸正方向とし、図１の紙面に対応するＺ軸と像面Ｉｍの中心を含む平面をＹ－Ｚ平面とする。原点Ｏを通りＹ－Ｚ平面に直交する方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成し、原点Ｏから像面Ｉｍの中心に近づく方向に向かう軸をＹ軸とする。
  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の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点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。
  なお、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、入射瞳２を回転対称軸（中心軸）１に投影した位置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を光の進行方向を正とした光軸（軸上主光線）とし、Ｙを光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、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（ｃ）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。
  実施例１を用いて、座標系についてさらに説明する。
  図４及び図５は、本発明に係る一実施形態の光学系の座標系及び拡張回転自由曲面を説明する一例の断面図である。
　本実施形態の光学系１は、唯一の回転対称軸Ｃに対して全ての面が回転対称なので、回転対称軸Ｃを含む断面では上下二つの光路が存在するが、図４に示すように、慣用に従い下側から入射する光線に付いて面の配置と光路に付いて説明する。
　本実施形態では下側光線の観察画角は－４０°から＋８０°であり、設計の便宜上中心である＋２０°を画角中心として、観察画角中心の光束の中から開口中心を通る光線を中心主光線Ｌｃとし、この中心主光線Ｌｃを基準として設計している。
　物体面Ｏｂの面間隔は２０mmで、面番号１から４面の面間隔は全て０なので、物体面Ｏｂから２０mmの距離に仮想面の第５面がある。拡張回転自由曲面である第１面から第３面は物体面Ｏｂから２０mm像側の仮想面である第５面のある位置からの偏心で第１～３面の原点が与えられる。
　第１面は第５面から偏心(１)で与えられるＹ軸方向に－４．５００mm下がって、Ｚ軸方向に－３．１５４mm左の場所に原点Ｏがあり、角度は＋５０．４８１°傾いて配置される。
　面の形状は曲率半径２２．６０１mmで、非球面の円錐定数に相当するＣ１項は８．２０１５Ｅ＋０、３乗項であるＣ４項は、２．０２０１Ｅ－３である。第１面は最後にＺ軸を回転対称軸Ｃとして回転して得られる回転対称面である。
　拡張回転自由曲面は中心主光線Ｌｃ上に各面の原点を有し、偏心Ｙは中心主光線ＬｃのＹ軸方向の高さに相当する。これは設計上の問題であり、中心主光線Ｌｃと原点を一致させる必要は無く任意に定めることが可能である。
　第２面、第３面も同様に拡張回転自由曲面である。第４面は、第５面と同一場所に配置された通常の非球面である。第６面は絞りで、第４面及び第５面と同一位置に配置され、第６面の面間隔で第７面の位置が決定され、以降第１５面までは通常の球面レンズ系と同じである。後群の像側の第１６面～第１８面の３面も拡張回転自由曲面であり、Ｚ軸に沿って面間隔とＹ偏心、傾き角αで示す。最後に第１８面の面間隔で中心主光線Ｌｃが当たる拡張回転自由曲面と像面Ｉｍとの間隔が与えられる。実施例１は、後群も拡張回転自由曲面で構成することにより、特に倍率の色収差の補正がよくなされている。
　一般に倍率の色収差は回転対称軸Ｃから離れ、像高が高くなると大きく発生し、アッベ数の異なる接合レンズで補正される。本実施例のように第１透過面１１に入射する画角－４０°の光束が後群Ｇｂの回転対称軸Ｃの近い所を通過する光学系１においては回転対称軸Ｃに近い像高の低い部分で倍率の色を補正する手段として回転対称自由曲面を用いている。
  図６は、実施例１の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図６では断面内の中心軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、中心軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。図７は、実施例１の光学系１の横収差図を示す。
  実施例１の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｓと、を備え、前群Ｇｆは、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１透過面１１に入射し、第１反射面１２で反射し、第２反射面１３で反射し、第２透過面１４から射出する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｓを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。
　実施例１の前群Ｇｆは、前群透明体Ｌｆを有する。前群透明体Ｌｆでは、回転対称軸に対して、第１透過面１１が第２反射面１３より外側に配置され、第１反射面１２が第２透過面１４より外側に配置されている。
　前群透明体Ｌｆにおいて、第１透過面１１、第１反射面１２、及び第２反射面１３は、拡張回転自由曲面からなり、第２透過面１４は非球面からなる。光路上、第１透過面１１は物体側に凸面を向けた正のパワーを有し、第１反射面１２は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面１３は像側に凸を向けた負のパワーを有し、第２透過面１４は像側に凸面を向けた正のパワーを有する。
　実施例１の後群Ｇｂは、両凹負レンズＬｂ１と両凸正レンズＬｂ２の接合レンズＳＵｂ１と、両凸正レンズＬｂ３と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬｂ４と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｂ５と、両面が拡張回転自由曲面からなる第１後群透明体Ｌｂ６と両面が拡張回転自由曲面からなる第２後群透明体Ｌｂ７とを接合した接合透明体ＳＵｂ２と、からなる。
　観察画角の中心から第１透過面１１に入射し、開口Ｓの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、前群Ｇｆで回転対称軸Ｃと交差せず、開口Ｓの中心で回転対称軸Ｃと交差し、後群Ｇｂで回転対称軸Ｃと交差しない。
　　実施例１の光学系１では、後群Ｇｂの拡張回転自由曲面の接合透明体ＳＵｂ２で倍率の色を補正しているものである。実施例１の光学系１では、反射面を使用した前群Ｇｆで発生する物体側に凸の像面湾曲が後群で発生する像面湾曲と打ち消し合うようにすることにより、後群を簡単な構成にすることが可能となる。
  図８は、実施例２の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図８では断面内の中心軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、中心軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。図９は、実施例２の光学系１の横収差図を示す。
  実施例２の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｓと、を備え、前群Ｇｆは、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１透過面１１に入射し、第１反射面１２で反射し、第２反射面１３で反射し、第２透過面１４から射出する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｓを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。
　実施例２の前群Ｇｆは、前群透明体Ｌｆを有する。前群透明体Ｌｆでは、回転対称軸に対して、第１透過面１１が第２反射面１３より外側に配置され、第１反射面１２が第２透過面１４より外側に配置されている。
　前群透明体Ｌｆにおいて、第１透過面１１、第１反射面１２、及び第２反射面１３は、拡張回転自由曲面からなる。光路上、第１透過面１１は物体側に凸面を向けた正のパワーを有し、第１反射面１２は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面１３は像側に凸を向けた負のパワーを有し、第２透過面１４は像側に凸面を向けた正のパワーを有する。
　実施例２の後群Ｇｂは、両凹負レンズＬｂ１と両凸正レンズＬｂ２の接合レンズＳＵｂ１と、両凸正レンズＬｂ３と、両面が非球面からなる第１後群透明体Ｌｂ４と両面が非球面からなる第２後群透明体Ｌｂ７とを接合した接合透明体ＳＵｂ２と、からなる。
　観察画角の中心から第１透過面１１に入射し、開口Ｓの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、前群Ｇｆで回転対称軸Ｃと交差せず、開口Ｓの中心で回転対称軸Ｃと交差し、後群Ｇｂで回転対称軸Ｃと交差しない。
　実施例２の光学系１では、後群Ｇｂの回転対称な非球面で倍率の色を補正しているものである。
  図１０は、実施例３の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図１０では断面内の中心軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、中心軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。図１１は、実施例３の光学系１の横収差図を示す。
  実施例３の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｓと、を備え、前群Ｇｆは、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１透過面１１に入射し、第１反射面１２で反射し、第２反射面１３で反射し、第２透過面１４から射出する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｓを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。
　実施例３の前群Ｇｆは、前群透明体Ｌｆを有する。前群透明体Ｌｆでは、回転対称軸に対して、第１透過面１１が第２反射面１３より外側に配置され、第１反射面１２が第２透過面１４より外側に配置されている。
　前群透明体Ｌｆにおいて、第１透過面１１、第１反射面１２、及び第２反射面１３は、拡張回転自由曲面からなる。光路上、第１透過面１１は物体側に凹面を向けた負のパワーを有し、第１反射面１２は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面１３は物体側に凸面を向けた正のパワーを有し、第２透過面１４は像側に凸面を向けた正のパワーを有する。
　実施例３の後群Ｇｂは、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｂ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬｂ２の接合レンズＳＵｂ１と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬｂ３と、からなる。
　観察画角の中心から第１透過面１１に入射し、開口Ｓの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、前群Ｇｆで回転対称軸Ｃと交差せず、開口Ｓの中心で回転対称軸Ｃと交差し、後群Ｇｂで回転対称軸Ｃと交差しない。
　実施例３の光学系１では、後群Ｇｂをさらに簡素化したものである。
  図１２は、実施例４の光学系１の回転対称軸Ｃを含む断面図を示す。ただし、図１２では断面内の中心軸Ｃに対して片側に入射する光路のみを図示しており、中心軸Ｃに対して対称な光路も同時に存在するが、図示は省いてある。図１３は、実施例４の光学系１の横収差図を示す。
  実施例４の光学系１は、像面Ｉｍの中心を通る単一の回転対称軸Ｃ上に配置された回転対称な前群Ｇｆと、回転対称な後群Ｇｂと、開口Ｓと、を備え、前群Ｇｆは、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、少なくとも一つの物体面から前群Ｇｆに入射する光束は、第１透過面１１に入射し、第１反射面１２で反射し、第２反射面１３で反射し、第２透過面１４から射出する光路を形成し、後群Ｇｂと開口Ｓを通過し、回転対称軸Ｃを含む断面内で中間結像すること無く、像面Ｉｍの回転対称軸Ｃから離れた位置に結像する。
　実施例４の前群Ｇｆは、前群透明体Ｌｆを有する。前群透明体Ｌｆでは、回転対称軸に対して、第１透過面１１が第２反射面１３より外側に配置され、第１反射面１２が第２透過面１４より外側に配置されている。
　前群透明体Ｌｆにおいて、第１透過面１１、第１反射面１２、及び第２反射面１３は、拡張回転自由曲面、第２透過面１４は、非球面からなる。光路上、第１透過面１１は物体側に凸面を向けた正のパワーを有し、第１反射面１２は物体側に凸面を向けた負のパワーを有し、第２反射面１３は像側に凸を向けた負のパワーを有し、第２透過面１４は像側に凸面を向けた正のパワーを有する。
　実施例４の後群Ｇｂは、両凹負レンズＬｂ１と両凸正レンズＬｂ２の接合レンズＳＵｂ１と、両凸正レンズＬｂ３と、両面が非球面からなる第１後群透明体Ｌｂ４と両面が非球面からなる第２後群透明体Ｌｂ５とを接合した接合透明体ＳＵｂ２と、からなる。
　観察画角の中心から第１透過面１１に入射し、開口Ｓの中心を通る中心主光線Ｌｃの光路は、前群Ｇｆで回転対称軸Ｃと交差せず、開口Ｓの中心で回転対称軸Ｃと交差し、後群Ｇｂで回転対称軸Ｃと交差しない。
　実施例４の光学系１では、後群Ｇｂの回転対称な非球面で倍率の色を補正しているものである。実施例４の光学系１は、観察画角を±４５°とし、全画角で立体視が可能な例である。また、中心主光線Ｌｃは、画角０の光線となっている。
  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"ＥＲＦＳ"は拡張回転自由曲面をそれぞれ示す。
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　   20.000 　　   20.000 
   1　　ERFS[1]           0.000 偏心(1) 　2.0033　　28.3
   2　　ERFS[2]           0.000 偏心(2) 　2.0033　　28.3
   3　　ERFS[3]           0.000 偏心(3) 　2.0033　　28.3
   4　　非球面[1]         0.000
   5　　　　∞            0.000 
   6　　絞り面            1.138 
   7　　   -2.065         0.400 　　　　　1.7987　　28.2
   8　　    2.649         1.200 　　　　　1.7203　　49.3
   9　　   -2.455         1.577 
  10　　   16.739         1.003 　　　　　1.8830　　40.7
  11　　   -4.613         0.100 
  12　　    3.166         0.830 　　　　　1.8830　　40.7
  13　　    8.271         0.121 
  14　　  219.799         0.500 　　　　　1.7279　　24.2
  15　　    2.829         0.572 
  16　　ERFS[4]           1.505 偏心(4) 　1.4875　　70.4
  17　　ERFS[5]           0.505 偏心(5) 　1.9229　　18.9
  18　　ERFS[6]           0.400 偏心(6) 
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1] 
RDY 　22.601
Ｃ1 　 8.2015e+000　　Ｃ4 　 2.0201e-003

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2] 
RDY 　 5.797
Ｃ1 　-2.6533e+000　　Ｃ4 　 4.6187e-003

　　　　　　　　　　　　　ERFS[3] 
RDY 　-9.029

　　　　　　　　　　　　　ERFS[4] 
RDY 　-6.111

　　　　　　　　　　　　　ERFS[5] 
RDY 　-5.401

　　　　　　　　　　　　　ERFS[6] 
RDY 　-6.150

　　　　　　　　　　　　　非球面[1]
曲率半径　   -3.828
k  -3.6188e+000

　　　　　　偏心[1] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -4.500  Ｚ　 -3.154 
α　 50.481  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[2] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -2.170  Ｚ　  0.038 
α　 10.907  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[3] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -0.634  Ｚ　 -6.062 
α　 -4.044  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[4] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　  0.605  Ｚ　  0.000 
α　 26.929  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[5] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　  0.806  Ｚ　  0.000 
α　-41.928  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[6] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　  0.753  Ｚ　  0.000 
α　-21.960  β　  0.000  γ　  0.000 

仕様
  観察画角        １２０°（－４０°～＋８０°）
  絞り径          φ１．００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．８００～φ２．４９６ｍｍ
実施例２
面番号　曲率半径　　　　 面間隔　偏心　　 屈折率  アッベ数
物体面　   20.000        20.000 
   1　　ERFS[1]           0.000 偏心(1) 　2.0033　　28.3
   2　　ERFS[2]           0.000 偏心(2) 　2.0033　　28.3
   3　　ERFS[3]           0.000 偏心(3) 　2.0033　　28.3
   4　　   -2.859         0.000 
   5　　　　∞           -1.000 
   6　　絞り面            0.100 
   7　　   -1.510         0.400 　　　　　1.8821　　27.4
   8　　    2.693         1.389 　　　　　1.7978　　44.4
   9　　   -2.190         0.100 
  10　　    3.784         4.351 　　　　　1.7094　　50.1
  11　　   -3.047         0.866 
  12　　非球面[1]         0.400 　　　　　1.4875　　70.4
  13　　非球面[2]         1.200 　　　　　1.9000　　27.1
  14　　非球面[3]         0.200 
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1] 
RDY 　19.487

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2] 
RDY 　 4.153

　　　　　　　　　　　　　ERFS[3] 
RDY  -20.866

　　　　　　　　　　　　　非球面[1]
曲率半径　   -0.204
k  -1.9502e+000

　　　　　　　　　　　　　非球面[2]
曲率半径　    0.305
k  -2.3016e+000

　　　　　　　　　　　　　非球面[3]
曲率半径　    3.381
k   0.0000e+000

　　　　　　偏心[1] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -3.500  Ｚ　 -4.235 
α　 44.624  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[2] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -1.400  Ｚ　 -0.954 
α　 11.732  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[3] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -0.555  Ｚ　 -6.147 
α　 -1.528  β　  0.000  γ　  0.000 

仕様
  観察画角        １２０°（－４０°～＋８０°）
  絞り径          φ０．９００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．７９７～φ２．４９６ｍｍ
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　   20.000 　　　 20.00
   1　　ERFS[1]           0.000  偏心(1) 　2.0033　　28.3
   2　　ERFS[2]           0.000  偏心(2) 　2.0033　　28.3
   3　　ERFS[3]           0.000  偏心(3) 　2.0033　　28.3
   4　　   -4.267         0.000
   5　　　　∞            0.000 
   6　　絞り面            0.100 
   7　　   -1.641         0.400            1.8106    21.3
   8　　  -98.538         1.383            1.8830    40.7
   9　　   -2.282         2.906 
  10　　    3.149         3.504            1.8830    40.7
  11　　    2.255         0.489 
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1] 
RDY  -19.710

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2] 
RDY 　 7.950

　　　　　　　　　　　　　ERFS[3] 
RDY  103.054

　　　　　　偏心[1] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -3.500  Ｚ　 -3.787 
α　 35.758  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[2] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -1.438  Ｚ　  0.090 
α　 10.409  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[3] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -0.767  Ｚ　 -5.238 
α　  0.577  β　  0.000  γ　  0.000 

仕様
  観察画角        １２０°（－４０°～＋８０°）
  絞り径          φ０．８００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．７９９～φ２．４９４ｍｍ
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　   20.000 　　　 20.000 
   1　　ERFS[1]           0.000 偏心(1) 　2.0033　　28.3
   2　　ERFS[2]           0.000 偏心(2) 　2.0033　　28.3
   3　　ERFS[3]           0.000 偏心(3) 　2.0033　　28.3
   4　　非球面[1] 　　　  0.000 偏心(4) 
   5　　　　∞           -1.000 
   6　　絞り面            0.100 
   7　　   -1.462         0.400 　　　　　1.7325　　28.2
   8　　    2.230         0.925 　　　　　1.7380　　48.0
   9       -2.015         2.547 
  10　　    5.067         0.955 　　　　　1.6653　　31.3
  11　　   -3.181         0.638 
  12　　非球面[2]         0.400 　　　　　1.4875　　70.4
  13　　非球面[3]         1.200 　　　　　1.9229　　18.9
  14　　非球面[4]         0.353 
像　面　　　∞

　　　　　　　　　　　　　ERFS[1] 
RDY 　24.174

　　　　　　　　　　　　　ERFS[2] 
RDY 　 4.918
Ｃ1 　-8.5134e+000　　Ｃ4 　-6.5400e-003

　　　　　　　　　　　　　ERFS[3] 
RDY  -74.534

　　　　　　　　　　　　　非球面[1]
曲率半径　   -2.486
k   0.0000e+000

　　　　　　　　　　　　　非球面[2]
曲率半径　   -0.164
k  -2.3066e+000

　　　　　　　　　　　　　非球面[3]
曲率半径　    0.184
k  -1.9461e+000

　　　　　　　　　　　　　非球面[4]
曲率半径　    2.413
k   0.0000e+000

　　　　　　偏心[1] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -3.750  Ｚ　 -6.482 
α　 42.493  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[2] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -1.439  Ｚ　 -1.004 
α　  8.362  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[3] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　 -0.648  Ｚ　 -8.349 
α　 -0.556  β　  0.000  γ　  0.000 

　　　　　　偏心[4] 
Ｘ　  0.000  Ｙ　  0.000  Ｚ　 -1.000 
α　  0.000  β　  0.000  γ　  0.000 

仕様
  観察画角        ９０°（－４５°～＋４５°）
  絞り径          φ１．０００ｍｍ
  像の大きさ      φ０．７９３～φ２．５０１ｍｍ
　以下の表は、各実施例の要素と条件式（１）及び（２）に対応する値を示す。

　　　　　　　　　　　　実施例１        実施例２        実施例３
D1                    5.157           4.267           4.251
D2                    0.972           1.086           1.557
D3                    5.531           4.216           2.959
条件式（１）D2/D1     0.188           0.255           0.366
条件式（２）D1/D3     0.933           1.012           1.734
　各実施例の光学系１は、物点距離が２０mmで設計されているが、像面位置を移動させることによって、無限遠又は任意の距離に容易に変更することが可能である。
　また、回転対称軸Ｃ上の物点から射出する光束は輪帯状の入射瞳に円錐状に入射し、光学系１を通過して像面Ｉｍ上に円として結像する。このため収差図の第２像高のＸ方向サジタル面（回転対称軸と直交する断面）は円弧方向となり収差が著しく大きくなる。
　図１４は、本実施形態の光学系１を用いた撮像装置２の主要部の内部回路を示すブロック図である。
　図１４に示されるように、撮像装置２は、操作部２１と、この操作部２１に接続された制御部２２と、この制御部２２の制御信号出力ポートにバス２３及び２４を介して接続された撮像駆動回路２５並びに一時記憶メモリ２６、画像処理部２７、記憶部２８を備えている。
　上記の一時記憶メモリ２６、画像処理部２７、記憶部２８は、バス３１を介して相互にデータの入力、出力が可能とされている。また、撮像駆動回路２５には、ＣＣＤ等の撮像素子３２とＣＤＳ／ＡＤＣ部３３が接続されている。
　操作部２１は、各種の入力ボタンやスイッチを備え、これらを介して操作者から入力されるイベント情報を制御部２２に通知する。制御部２２は、例えばＣＰＵなどからなる中央演算処理装置であって、不図示のプログラムメモリを内蔵し、プログラムメモリに格納されているプログラムに従って、撮像装置２を制御する。
　撮像素子３２は、撮像駆動回路２５により駆動制御され、光学系１を介して形成された物体像の画素ごとの光量を電気信号に変換し、ＣＤＳ／ＡＤＣ部３３に出力する。
　ＣＤＳ／ＡＤＣ部３３は、撮像素子３２から入力される電気信号を増幅し、かつ、アナログ／デジタル変換を行って、この増幅とデジタル変換を行っただけの映像生データ（ベイヤーデータ、以下ＲＡＷデータという。）を一時記憶メモリ２６に出力する回路である。
　一時記憶メモリ２６は、例えばＳＤＲＡＭ等からなるバッファであり、ＣＤＳ／ＡＤＣ部３３から出力されるＲＡＷデータを一時的に記憶するメモリ装置である。
　画像処理部２７は、一時記憶メモリ２６に記憶されたＲＡＷデータ又は記憶部２８に記憶されているＲＡＷデータを読み出して、制御部２２にて指定された画質パラメータに基づいて歪曲収差補正を含む各種画像処理を電気的に行う回路である。
　記憶部２８は、例えばフラッシュメモリ等からなるカード型又はスティック型の記憶媒体を着脱自在に装着して、これらのフラッシュメモリに、一時記憶メモリ２６から転送されるＲＡＷデータや画像処理部２７で画像処理された画像データを記録して保持する。
　このように構成された撮像装置２は、本実施形態の光学系１を採用することで、小型で動画撮像に適したものとすることが可能となる。
　図１５は、本実施形態の光学系１を硬性内視鏡先端の撮影光学系として用いた内視鏡システム４を示す図である。
　図１５（ａ）は、硬性内視鏡４１の長尺部４１ａの先端に本実施形態にかかる光学系１を取り付けて画像を立体的に撮像観察する内視鏡システム４である。図１５（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。硬性内視鏡４の先端には、本実施形態にかかる光学系１を設置し、光学系１の像面に撮像素子３２を設置する。撮像素子３２に形成された画像は、画素ごとの光量が電気信号に変換され、図１４に示した撮像装置２の各電子部品を介して図示しない表示部に表示される。すなわち、内視鏡システム４は、硬性内視鏡４１に内蔵された光学系１を用いた図１４に示したような撮像装置２と図示しない表示部を含む。表示部は、液晶表示モニター等にて構成され、撮影したＲＡＷデータ、画像データや操作メニューなどを表示してもよい。なお、撮像装置２の主要電子部品は、硬性内視鏡４１の先端に内蔵される必要はなく、図１５（ａ）に示した操作部２１又は別体のケース内等に設けてもよい。
　図１６は、本実施形態の光学系１を軟性内視鏡先端の撮影光学系として用いた内視鏡システム４を示す図である。
　図１６に示す例は、軟性電子内視鏡４２の長尺部４２ａの先端に本実施形態にかかる光学系１を取り付けて、図１４に示した撮像素子３２に形成された画像を、表示部２９に画像処理を施して歪みを補正して立体的に表示するようにした内視鏡システム４である。すなわち、内視鏡システム４は、軟性内視鏡４２に内蔵された光学系１を用いた図１４に示した撮像装置２と表示部２９を含む。表示部２９は、液晶表示モニター等にて構成され、撮影したＲＡＷデータ、画像データや操作メニューなどを表示してもよい。なお、撮像装置２の主要電子部品は、軟性電子内視鏡４２の先端に内蔵される必要はなく、図１６に示したように、操作部２１又は別体のケース４２ｂ内等に設けてもよい。
　このように、内視鏡システム４は、光学系１を用いた撮像装置２及び表示部２９を含むことにより、画像を立体的に撮像観察することが可能となる。なお、内視鏡システム４は、カプセル内部に収納した光学系１を経て撮像素子３２に形成された画像信号を無線でカプセル外部に送信し、カプセル外部の表示部に送信された画像を表示させるようなカプセル内視鏡で構成してもよい。
　図１７は、本実施形態の光学系１を自動車の測距離システム５として用いた例を示す図である。図１８は、本実施形態の光学系１を用いた測距離システム５のブロック図である。
　図１７（ａ）は、自動車５０の前方に本実施形態にかかる撮像装置２の光学系１を取り付けて、自動車前方を撮像し、図１４に示したように各電子部品を介して画像処理を施して歪みを補正した後、図１８に示した距離演算装置によって演算処理し、前方の車両等の対象物との距離を求める。また、図示しない車内の表示装置に各光学系１を経て撮像された画像を表示してもよい。さらに、測距離システム５は、速度情報検出部６０から車両の速度又は加速度等を求め、対象物との距離と速度又は加速度等の関係から前方の対象物に衝突するおそれがあると判断した場合に自動で制動する自動制動装置６１に適用してもよい。また、前方の対象物に衝突するおそれがあると判断した場合に警報を鳴らす警報装置６２に適用してもよい。
　図１７（ｂ）は、自動車５０の各コーナやヘッド部のポールの頂部に本実施形態にかかる光学系１を複数取り付けた例である。この場合も、測距離システム５は、図１４に示したように各電子部品を介して画像処理を施して歪みを補正した後、図１８に示した距離演算装置によって演算処理し、対象物との距離を求めることができる。また、図示しない車内の表示装置に各光学系１を経て撮像された画像を表示してもよい。さらに、測距離システム５は、速度情報検出部６１から車両の速度又は加速度等を求め、対象物との距離と速度又は加速度等の関係から前方の対象物に衝突するおそれがあると判断した場合に自動で制動する自動制動装置６０に適用してもよい。また、対象物に衝突するおそれがあると判断した場合に警報を鳴らす警報装置６２に適用してもよい。
　なお、本実施形態の光学系１を含む撮像装置２を用いた測距離システム５は、高解像な像を取得することができるので、特に小さな対象物であっても距離を測定することが可能である。
　なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。
１…光学系
Ｇｆ…前レンズ群
Ｇｂ…後レンズ群
Ｓ…絞り
Ｉｍ…像面                                      

Claims (13)

  1. 　像面の中心を通る単一の回転対称軸上に配置された回転対称な前群と、
    　回転対称な後群と、
    　開口と、
    を備え、
    　前記前群は、２つの内部反射面と２つの透過面を有し、
    　少なくとも一つの物体面から前記前群に入射する光束は、第１透過面に入射し、第１反射面で反射し、第２反射面で反射し、第２透過面から射出する光路を形成し、
    　前記後群と前記開口を通過し、
    　前記回転対称軸を含む断面内で中間結像すること無く、前記像面の前記回転対称軸から離れた位置に結像する
    ことを特徴とする光学系。
  2. 　前記前群の前記第１反射面は、物体側に凸面を向けた負のパワーを有する
    請求項１に記載の光学系。
  3. 　前記前群では、前記回転対称軸に対して、
    　　前記第１透過面が前記第２反射面より外側に配置され、
    　　前記第１反射面が前記第２透過面より外側に配置されている
    請求項２に記載の光学系。
  4. 　観察画角の中心から前記第１透過面に入射し、前記開口の中心を通る中心主光線の前記前群における光路は、前記回転対称軸と交差しない
    請求項２又は３に記載の光学系。
  5. 　前記第１透過面の前記回転対称軸に対して垂直な方向において、前記物体面から前記前群に入射し前記像面に結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ１、

    　前記第２反射面の前記回転対称軸に対して垂直な方向において、前記物体面から前記前群に入射し前記像面に結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ２、
    とすると、
    以下の条件式（１）を満足する
    請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光学系。
    　　０．０５　＜　Ｄ２／Ｄ１　＜　１　　　　　（１）
  6. 　前記第１透過面の前記回転対称軸に対して垂直な方向において、前記物体面から前記前群に入射し、前記像面に結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ１、

    　前記第１透過面の前記回転対称軸に対して平行な方向において、前記物体面から前記前群に入射し、前記像面に結像する光路が形成される有効領域の幅をＤ３、
    とすると、以下の条件式（２）を満足する
    請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学系。
    　　０．２　＜　Ｄ１／Ｄ３　＜　５　　　　　　（２）
  7. 　前記前群の前記第１透過面は、物体側に凸面を向けた正のパワーを有する
    請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学系。
  8. 　前記前群の少なくとも１面は、回転対称自由曲面で構成されている
    請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光学系。
  9. 　前記後群の少なくとも１面は、回転対称自由曲面で構成されている
    請求項８に記載の光学系。
  10. 　請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の光学系と、
    　前記光学系を介して形成された画像の画素ごとの光量を電気信号に変換する撮像素子と、
    を備える撮像装置。
  11. 　前記撮像装置を操作する操作部と、
    　前記操作部からの信号に基づいて前記撮像装置を制御する制御部と、
    　前記撮像素子からの電気信号を処理し画像を取得する画像処理部と、
    　前記取得した画像を記録する記録部と、
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
  12. 　請求項１０又は１１に記載の撮像装置と、
    　前記画像を表示する表示部と、
    を備えること特徴とする内視鏡システム。
  13. 　請求項１０又は１１に記載の撮像装置と、
    　前記撮像装置が取得した対象物の撮影画像に画像処理を施した後、演算処理し、前記対象物との距離を求める距離演算装置と、
    を備えることを特徴とする測距離システム。
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