WO2020008613A1 - 対物光学系 - Google Patents

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    • G02B9/58—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only arranged - + + -

Definitions

  • the spherical lens produces large aberrations. Therefore, in order to obtain an image with less aberration, there is a disadvantage that a correction optical component such as a plano-convex lens for correcting the aberration generated by the spherical lens is required.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an objective optical system capable of suppressing the occurrence of aberration by a spherical lens and forming an object image with less aberration by the spherical lens. And
  • One embodiment of the present invention includes a first spherical lens and a second spherical lens arranged in order from the object side, and at least one of a first optical medium and a second optical medium,
  • the optical medium is a solid or liquid disposed on the object side of the first spherical lens, and is in close contact with the entire optical path on the object side surface of the first spherical lens;
  • the medium is a solid or liquid disposed on the side of the second spherical lens opposite to the object, and adheres over the entire optical path on the surface of the second spherical lens opposite to the object;
  • An optical path between the first spherical lens and the second spherical lens is an objective optical system that is filled with air.
  • the present invention it is possible to suppress the occurrence of aberration by the spherical lens, and to produce an object image with small aberration by the spherical lens.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram of a modified example of the objective optical system in FIG. 1.
  • FIG. 9 is an overall configuration diagram of another modification of the objective optical system in FIG. 1.
  • FIG. 9 is an overall configuration diagram of another modification of the objective optical system in FIG. 1. It is a figure which shows the off-axis light whose principal ray is outward at the exit surface of the second group. It is a figure which shows the off-axis light whose principal ray is telecentric at the exit surface of the second group. It is a figure which shows the off-axis light whose principal ray is inward at the exit surface of the second group.
  • FIG. 9 is a graph showing a relationship between a chief ray inclination and an aberration obtained by an optical simulation.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method for deriving conditional expression (1).
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method for deriving conditional expression (2).
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to a first embodiment.
  • FIG. 9 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 8.
  • FIG. 7 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 10.
  • FIG. 9 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 12.
  • FIG. 14 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 15 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 14.
  • FIG. 14 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to a fifth embodiment.
  • FIG. 14 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to Example 6.
  • FIG. 14 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to a seventh embodiment.
  • FIG. 19 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 18.
  • FIG. 2 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to Comparative Example 1.
  • 21 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 20.
  • FIG. 7 is an overall configuration diagram of an objective optical system according to Comparative Example 2.
  • FIG. 23 is an aberration diagram of the objective optical system of FIG. 22.
  • the objective optical system 10 includes a first group G1 and a second group G2 arranged on the optical axis A in order from the object O side.
  • the objective optical system 10 may further include an optical element having substantially no refractive power, such as a cover glass and a filter.
  • the first group G1 includes a first spherical lens 1 and a first optical medium 3.
  • the first spherical lens 1 has a lens surface 1a on the object O side and a lens surface 1b on the opposite side to the object O.
  • the lens surfaces 1a and 1b are spherical surfaces having the same radius of curvature and a common center of curvature.
  • the first optical medium 3 is arranged on the object O side of the first spherical lens 1.
  • the first optical medium 3 is in close contact with the lens surface 1a over the entire optical path on the lens surface 1a through which light from the object O passes.
  • the surface (object side surface) 3a on the object O side of the first optical medium 3 is a flat surface or a spherical surface having an arbitrary curvature.
  • the second group G2 includes a second spherical lens 2 and a second optical medium 4.
  • the second spherical lens 2 has a lens surface 2a on the object O side and a lens surface 2b on the opposite side to the object O.
  • the lens surfaces 2a and 2b are spherical surfaces having the same radius of curvature and a common center of curvature.
  • the second optical medium 4 is arranged on the side of the second spherical lens 2 opposite to the object O.
  • the second optical medium 4 is in close contact with the lens surface 2b over the entire optical path on the lens surface 2b through which light from the object O passes.
  • the surface (image side surface) 4b of the second optical medium 4 opposite to the object O is a flat surface or a spherical surface having an arbitrary curvature.
  • the optical path between the lens surface 1b and the lens surface 2a is filled with air.
  • the lens surface 1b and the lens surface 2a may be in contact with each other at one point on the optical axis A, or may be separated from each other.
  • the light from the object O forms an image by transmitting through the first optical medium 3, the first spherical lens 1, the second spherical lens 2, and the second optical medium 4.
  • the imaging position at this time may be inside the second spherical lens 2 or the second optical medium 4. In that case, the light flux after image formation will pass through the second spherical lens 2 and the second optical medium 4, or the second optical medium 4.
  • the rear focal point of the objective optical system 10 (the rear focal point of the entire first group G1 and second group G2) is located on the opposite side of the lens surface 2a from the object O.
  • the rear focal point is an image forming position when a parallel light beam enters the lens system.
  • the first optical medium 3 and the second optical medium 4 are optically transparent liquids or optically transparent solids.
  • the liquid is, for example, water or oil.
  • the solid is, for example, plastic, glass or a coating.
  • the optical media 3 and 4 have a refractive index larger than that of air. It is preferable that the optical media 3 and 4 be an optical adhesive or a resin from the viewpoint of ease of manufacture of each of the first group G1 and the second group G2.
  • the optical media 3 and 4 are formed by curing a general-purpose optical adhesive on the lens surfaces 1a and 2b.
  • the first spherical lens 1 and the second spherical lens 2 each have a positive refractive power. Therefore, light that has entered the objective optical system 10 from the object O can be condensed by the first spherical lens 1 and the second spherical lens 2, and an image I of the object O can be formed.
  • the manufacturing technology of the steel ball for the bearing can be applied to the manufacture of the ball lenses 1 and 2, the manufacture and miniaturization of the ball lenses 1 and 2 are easy. Further, since the spherical lenses 1 and 2 are spherical, assembly is easy. Therefore, for example, there is an advantage that a small objective optical system 10 suitable for mounting on a distal end portion of a small-diameter endoscope can be easily manufactured. Further, the refraction angle of the light beam on the lens surface 1a is reduced by the first optical medium 3 in close contact with the lens surface 1a, as compared with the case where the first optical medium 3 is not present.
  • the refraction angle of the light beam on the lens surface 2b is reduced by the second optical medium 4 that is in close contact with the lens surface 2b, as compared with the case where the second optical medium 4 does not exist. Accordingly, there is an advantage that the amount of aberration generated by the spherical lenses 1 and 2 is suppressed, and a high-quality image I with little aberration can be formed by the spherical lenses 1 and 2.
  • the provision of the optical medium 3 weakens the positive refractive power of the first group G1 compared to the positive refractive power of the spherical lens 1 alone.
  • the positive refractive power of the second group G2 is weaker than the positive refractive power of the spherical lens 2 alone.
  • the use of the two spherical lenses 1 and 2 compensates for the weakening of the refractive power caused by the optical media 3 and 4, and is equal to or higher than the positive refractive power of the single spherical lens 1 or 2. Positive refractive power can be realized.
  • a “spherical lens” is a lens in which a lens surface on the object side and a lens surface on the side opposite to the object have a same radius of curvature and have a common center of curvature. is there. Therefore, the “spherical lens” includes a lens whose surface other than the two lens surfaces on the object side and the side opposite to the object has a shape other than a spherical surface.
  • both the first optical medium 3 and the second optical medium 4 are provided, but instead, as shown in FIGS. 2A and 2B, the first optical medium 3 and the second optical medium 4 are provided. Only one of the optical medium 3 and the second optical medium 4 may be provided. Even in a configuration in which one of the optical media 3 and 4 is omitted, the effect of reducing the refraction angle of the light beam on the lens surface 1a or the lens surface 2b can be obtained. Therefore, with the two spherical lenses 1 and 2 and the one optical medium 3 or 4, it is possible to achieve both a large refractive power and an angle of view and suppression of occurrence of aberration.
  • the rear focal point F is preferably located inside the second spherical lens 2 as shown in FIG.
  • the object side surface 3a and the lens are compared with the design in which the rear focal point F is located on the opposite side to the object O of the second spherical lens 2.
  • the negative refractive power of the surface 1a decreases, and the maximum ray height of the marginal ray of each light beam decreases. Therefore, spherical aberration and chromatic aberration can be further reduced.
  • the first and second spherical lenses 1 and 2 use the same. Dust and the like on the optical surface affect the formed object image at infinity, and the quality of the object image at infinity is reduced. Since the rear focal point F is located in the second spherical lens 2, the defocus on the optical surfaces 1 a, 1 b, 2 a, 2 b, 3 a, and 4 b in the optical path is not focused, and the influence of the debris and the like is eliminated. Can prevent the quality of the object image at infinity from deteriorating.
  • n 1 is the refractive index of the first and second spherical lenses 1 and 2
  • R 1 is the radius of the first and second spherical lenses 1 and 2
  • n 3 is the first optical medium 3 Is the distance on the optical axis A between the lens surface 1b and the lens surface 2a.
  • N (n 1 n 3 + n 1 -2n 3 ) / R 1 .
  • Conditional expression (1) defines a condition that the rear focal point F is located inside the second spherical lens 2. That is, by designing so as to satisfy the conditional expression (1), the objective optical system 11 in which the rear focal point F is located in the second spherical lens 2 can be manufactured.
  • the conditional expression (1) is rewritten as the following conditional expression (1 ′). 0 ⁇ ⁇ n 1 (2n 3 ⁇ n 1 ) ⁇ / ⁇ 2n 3 ⁇ (n 1 ⁇ 3n 3 ) (n 1 ⁇ 2) ⁇ ⁇ 2 (1 ′)
  • the objective optical system 11 may satisfy the following conditional expression (2).
  • R 1 is the radius of the first spherical lens 1
  • R 2 is the radius of the second spherical lens 2
  • L is the distance between the lens surface 1 b and the lens surface 2 a on the optical axis A
  • n 2 is the refractive index of the second spherical lens 2
  • n 4 is the refractive index of the second optical medium 4.
  • Conditional expression (2) defines a condition that a ray parallel to the optical axis A at the maximum image height passes through the first group G1 and the second group G2 without being kicked. That is, by satisfying the conditional expression (2), the occurrence of vignetting in the first group G1 and the second group G2 can be prevented, and the field of view can be maximized.
  • the positive chief ray inclination ⁇ means that the principal ray of the most off-axis light is outward (see FIG. 4A), and the negative chief ray inclination ⁇ is that the principal ray of the most off-axis light is inward (see FIG. 4A). 4C.).
  • FIG. 5 shows the result of analyzing the relationship between the principal ray tilt angle ⁇ and the aberration by an optical simulation with respect to the objective optical system of Example 5 described later.
  • ⁇ ⁇ 5 ° In the range of ⁇ ⁇ 5 °, almost no wavefront aberration occurs.
  • the wavefront aberration increases as the chief ray inclination angle ⁇ increases.
  • the chief ray inclination angle ⁇ As described above, by controlling the chief ray inclination angle ⁇ to 5 ° or less by the position of the brightness stop 6 arranged on the side opposite to the object O of the second group G2, the occurrence of aberration can be further suppressed. .
  • the objective optical systems 10 and 11 including the aperture stop 6 can be suitably combined with an image sensor.
  • the image sensor is arranged, for example, on the opposite side of the image transmission system 5 from the object O.
  • the brightness of the image I captured by the image sensor can be appropriately adjusted by the brightness stop 6.
  • an arbitrary device such as a lens, an aperture, a lens frame, or the like may be arranged on the opposite side of the image transmission system 5 from the object O.
  • Conditional expression (1) is derived as follows. As shown in FIG. 6, paraxial ray tracing is performed.
  • the rear focal point F is a position where the paraxial ray i incident parallel to the optical axis A crosses the optical axis A.
  • the fact that the rear focal point F is located inside the second spherical lens 2 means that the paraxial ray j refracted on the lens surface 2a of the second spherical lens 2 has an optical axis A before the paraxial ray j reaches the lens surface 2b. Intersecting, that is, the distance X between the lens surface 2a and the rear focal point F is equivalent to satisfying the following expression (a).
  • Conditional expression (2) is derived as follows. First, as shown in FIG. 7, h max is determined from the condition that the light beam k traveling from the image I to the object O passes through the lens surface 2a.
  • reference numeral C1 indicates the center of the first spherical lens 1
  • reference numeral C2 indicates the center of the second spherical lens 2.
  • conditional expression (2) is derived from the expressions (f) and (g). However, the following expression is satisfied from Snell's law on the lens surfaces 2a and 2b.
  • ⁇ 2 sin ⁇ 1 (1 / n 2 )
  • r is the radius of curvature (mm)
  • d is the surface interval (mm)
  • Nd is the refractive index for the d-line
  • vd is the Abbe number for the d-line
  • OBJ is the object plane
  • IMG is the image plane.
  • S indicate the aperture stop.
  • the aberration diagrams of the objective optical system according to each example show aberrations of an image formed by the first group and the second group.
  • FIG. 8 shows the configuration of the objective optical system according to the first embodiment of the present invention.
  • the objective optical system according to the present example includes a first spherical lens, a second spherical lens, a first optical medium, a second optical medium, and a brightness stop.
  • illustration of the aperture stop is omitted.
  • FIG. 9 shows an aberration diagram of the objective optical system of the present embodiment.
  • FIG. 20 shows an objective optical system according to Comparative Example 1.
  • the objective optical system of Comparative Example 1 includes a single spherical lens and a brightness stop. In FIG. 20, the illustration of the aperture stop is omitted.
  • the lens data and various data of Comparative Example 1 are as follows.
  • FIG. 21 shows an aberration diagram of the objective optical system of Comparative Example 1. As can be seen from the comparison between FIG. 9 and FIG. 21, the aberration of the objective optical system of Example 1 of the present invention, particularly the spherical aberration, the chromatic aberration and the field curvature, are significantly reduced as compared with the aberration of Comparative Example 1. ing.
  • FIG. 22 shows an objective optical system according to Comparative Example 2.
  • the objective optical system of Comparative Example 2 includes a single spherical lens, plano-convex lens, and aperture stop.
  • the plano-convex lens has a role of correcting the aberration generated by the spherical lens.
  • the illustration of the aperture stop is omitted.
  • the lens data of the comparative example 2 is as follows, and the object-side numerical aperture is 0.018.
  • An aberration diagram of the objective optical system of Comparative Example 2 is shown in FIG. As can be seen from the comparison between FIG. 9 and FIG.
  • the aberration of the objective optical system of Example 1 of the present invention in particular, the spherical aberration, the chromatic aberration, and the field curvature are compared with those of the objective optical system of Comparative Example 2. It has been greatly reduced. That is, the effect of suppressing the aberration of the spherical lens by the first and second optical media is greater than the effect of correcting the aberration of the spherical lens by the plano-convex lens.
  • FIG. 10 shows the configuration of the objective optical system according to the second embodiment of the present invention.
  • the objective optical system according to the present example includes a first spherical lens, a second spherical lens, a first optical medium, a second optical medium, and a brightness stop.
  • the illustration of the aperture stop is omitted.
  • the first spherical lens and the second spherical lens have the same radius and are formed of the same material.
  • the rear focal point F is located in the second spherical lens.
  • the distance between the rear focal point F and the lens surface of the second spherical lens opposite to the object is 0.244 mm.
  • FIG. 11 shows an aberration diagram of the objective optical system of the present embodiment. Compared with the first embodiment, the spherical aberration and the chromatic aberration of the objective optical system of the present embodiment are further reduced.
  • FIG. 12 shows the configuration of the objective optical system according to the third embodiment of the present invention.
  • the objective optical system according to the present example includes a first spherical lens, a second spherical lens, a first optical medium, a second optical medium, and a brightness stop.
  • the illustration of the aperture stop is omitted.
  • the first spherical lens and the second spherical lens have the same radius and are formed of the same material.
  • the object side surface of the first optical medium is a flat surface perpendicular to the optical axis.
  • the rear focal point F is located in the second spherical lens.
  • the value of the middle side of the inequality expression of the conditional expression (1) is 1.456, and the objective optical system of the present embodiment satisfies the conditional expression (1).
  • the distance between the rear focal point F and the lens surface of the second spherical lens opposite to the object is 0.268 mm.
  • FIG. 13 shows an aberration diagram of the objective optical system of the present embodiment.
  • FIG. 14 shows the configuration of the objective optical system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the objective optical system according to the present example includes a first spherical lens, a second spherical lens, a first optical medium, a second optical medium, and a brightness stop.
  • the illustration of the aperture stop is omitted.
  • the first spherical lens and the second spherical lens have the same radius and are formed of the same material.
  • the first spherical lens and the second spherical lens are in contact with each other at one point on the optical axis.
  • the object side surface of the first optical medium is a flat surface perpendicular to the optical axis.
  • the rear focal point F is located in the second spherical lens. Specifically, the value of the middle side of the inequality expression of the conditional expression (1 ′) is 1.52, and the objective optical system of the present embodiment satisfies the conditional expression (1 ′). The distance between the rear focal point F and the lens surface of the second spherical lens opposite to the object is 0.336 mm.
  • FIG. 15 shows an aberration diagram of the objective optical system of the present embodiment.
  • FIG. 16 shows the configuration of the objective optical system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the objective optical system according to the present embodiment is an example in which an image transmission system including a combination of a plurality of lenses is combined with the objective optical system according to the fourth embodiment.
  • the aperture stop is arranged in the image transmission system.
  • FIG. 17 shows the configuration of the objective optical system according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the objective optical system according to the present embodiment is an example in which an image transmission system including a GRIN lens is combined with the objective optical system according to the second embodiment.
  • the aperture stop is arranged in the image transmission system.
  • FIG. 18 shows the configuration of the objective optical system according to Example 7 of the present invention.
  • the objective optical system according to the present example includes a first spherical lens, a second spherical lens, a first optical medium, a second optical medium, and a brightness stop.
  • An image transmission system may be further provided on the side of the second optical medium opposite to the object.
  • the image side surface of the second optical medium is a flat surface perpendicular to the optical axis.
  • FIG. 19 shows an aberration diagram of the objective optical system of the present embodiment.
  • Lens data surface number rd Nd ⁇ d OBJ 1 10.0 1 0.1 0.1 1.561 35.4683 2 0.5 1.0 1.58913 61.13 3 -0.5 0.0 4 ⁇ 0.0 5 0.5 1.0 1.58913 61.13 6 -0.5 0.1 1.561 35.4683 7 ⁇ 1000 8S ⁇ -1000 9 ⁇ -0.2635 IMG 0.0 0.0

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Abstract

対物光学系（１０）は、物体側から順に配列された第１の球レンズ（１）および第２の球レンズ（２）と、第１の光学媒体（３）および第２の光学媒体（４）のうち少なくとも一方とを備え、第１の光学媒体（３）が、第１の球レンズ（１）の物体側に配置された固体または液体であり、第１の球レンズ（１）の物体側の面（１ａ）上の光路の全域に密着し、第２の光学媒体（４）が、第２の球レンズ（２）の物体とは反対側に配置された固体または液体であり、第２の球レンズ（２）の物体とは反対側の面（２ｂ）上の光路の全域に密着し、第１の球レンズ（１）と第２の球レンズ（２）との間の光路が、空気で満たされている。

Description

対物光学系
　本発明は、対物光学系に関するものである。
　従来、球レンズを備える対物光学系が知られている（例えば、特許文献１参照。）。球レンズは、形状が単純であるため、製造、組み立ておよび微小化が容易である。したがって、球レンズは、細径な内視鏡の対物光学系に好適である。
特表２００７－５１５２１１号公報
　しかしながら、球レンズが発生させる収差は大きい。したがって、収差の少ない画像を得るためには、球レンズが発生させた収差を補正するための平凸レンズのような補正用光学部品が必要になるという不都合がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、球レンズによる収差の発生を抑制し、収差の少ない物体像を球レンズによって形成することができる対物光学系を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、物体側から順に配列された第１の球レンズおよび第２の球レンズと、第１の光学媒体および第２の光学媒体のうち少なくとも一方とを備え、前記第１の光学媒体が、前記第１の球レンズの前記物体側に配置された固体または液体であり、前記第１の球レンズの前記物体側の面上の光路の全域にわたって密着し、前記第２の光学媒体が、前記第２の球レンズの前記物体とは反対側に配置された固体または液体であり、前記第２の球レンズの前記物体とは反対側の面上の光路の全域にわたって密着し、前記第１の球レンズと前記第２の球レンズとの間の光路が、空気で満たされている対物光学系である。
　本発明によれば、球レンズによる収差の発生を抑制し、収差の少ない物体像を球レンズによって形成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対物光学系の全体構成図である。 図１の対物光学系の変形例の全体構成図である。 図１の対物光学系の他の変形例の全体構成図である。 図１の対物光学系の他の変形例の全体構成図である。 第２群の射出面において主光線が外向きである軸外光を示す図である。 第２群の射出面において主光線がテレセントリックである軸外光を示す図である。 第２群の射出面において主光線が内向きである軸外光を示す図である。 光学シミュレーションによって得られた主光線傾角と収差との関係を示すグラフである。 条件式（１）の導出方法を説明する図である。 条件式（２）の導出方法を説明する図である。 実施例１に係る対物光学系の全体構成図である。 図８の対物光学系の収差図である。 実施例２に係る対物光学系の全体構成図である。 図１０の対物光学系の収差図である。 実施例３に係る対物光学系の全体構成図である。 図１２の対物光学系の収差図である。 実施例４に係る対物光学系の全体構成図である。 図１４の対物光学系の収差図である。 実施例５に係る対物光学系の全体構成図である。 実施例６に係る対物光学系の全体構成図である。 実施例７に係る対物光学系の全体構成図である。 図１８の対物光学系の収差図である。 比較例１に係る対物光学系の全体構成図である。 図２０の対物光学系の収差図である。 比較例２に係る対物光学系の全体構成図である。 図２２の対物光学系の収差図である。
　以下に、本発明の一実施形態に係る対物光学系について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係る対物光学系１０は、図１に示されるように、物体Ｏ側から順に光軸Ａ上に配列された第１群Ｇ１および第２群Ｇ２を備えている。対物光学系１０は、カバーガラスおよびフィルタのような、実質的に屈折力を有しない光学素子をさらに備えていてもよい。
　第１群Ｇ１は、第１の球レンズ１および第１の光学媒体３を備えている。
　第１の球レンズ１は、物体Ｏ側のレンズ面１ａと、物体Ｏとは反対側のレンズ面１ｂと、を有している。レンズ面１ａおよびレンズ面１ｂは、相互に同一の曲率半径を有するとともに共通の曲率中心を有する球面である。
　第１の光学媒体３は、第１の球レンズ１の物体Ｏ側に配置されている。第１の光学媒体３は、物体Ｏからの光が通過するレンズ面１ａ上の光路全域において、レンズ面１ａと密着している。第１の光学媒体３の物体Ｏ側の面（物体側面）３ａは、平坦面または任意の曲率を有する球面である。
　第２群Ｇ２は、第２の球レンズ２および第２の光学媒体４を備えている。
　第２の球レンズ２は、物体Ｏ側のレンズ面２ａと、物体Ｏとは反対側のレンズ面２ｂと、を有している。レンズ面２ａおよびレンズ面２ｂは、相互に同一の曲率半径を有するとともに共通の曲率中心を有する球面である。
　第２の光学媒体４は、第２の球レンズ２の物体Ｏとは反対側に配置されている。第２の光学媒体４は、物体Ｏからの光が通過するレンズ面２ｂ上の光路全域において、レンズ面２ｂと密着している。第２の光学媒体４の物体Ｏとは反対側の面（像側面）４ｂは、平坦面または任意の曲率を有する球面である。
　レンズ面１ｂとレンズ面２ａとの間の光路は、空気で満たされている。レンズ面１ｂとレンズ面２ａは、光軸Ａ上で１点で相互に接触していてもよく、相互に離間していてもよい。
　物体Ｏからの光は、第１の光学媒体３、第１の球レンズ１、第２の球レンズ２および第２の光学媒体４を透過することによって結像される。このときの結像位置は、第２の球レンズ２または第２の光学媒体４の内部になる場合もある。その場合には、結像後の光束が第２の球レンズ２および第２の光学媒体４、または第２の光学媒体４を透過することになる。対物光学系１０の後側焦点（第１群Ｇ１および第２群Ｇ２全体の後側焦点）は、レンズ面２ａの物体Ｏとは反対側に位置している。後側焦点は、レンズ系に平行光束が入射したときの結像位置である。
　第１の光学媒体３および第２の光学媒体４は、光学的に透明な液体、または、光学的に透明な固体である。液体は、例えば、水または油である。固体は、例えば、プラスチック、ガラスまたはコーティング材である。光学媒体３，４は、空気の屈折率よりも大きな屈折率を有する。第１群Ｇ１および第２群Ｇ２の各々の製造の容易性の観点から、光学媒体３，４は、光学接着剤または樹脂であることが好ましい。例えば、光学媒体３，４は、汎用の光学接着剤をレンズ面１ａ，２ｂ上で硬化させることによって形成される。
　次に、このように構成された対物光学系１０の作用について説明する。
　第１の球レンズ１および第２の球レンズ２は、正の屈折力をそれぞれ有する。したがって、物体Ｏから対物光学系１０に入射した光を、第１の球レンズ１および第２の球レンズ２によって集光させ、物体Ｏの像Ｉを形成することができる。
　この場合に、球レンズ１，２の製造にはベアリング用鋼球の製造技術を応用することができるため、球レンズ１，２は、製造および微小化が容易である。また、球レンズ１，２は、球体であるため組み立てが容易である。したがって、例えば細径の内視鏡の先端部への搭載に好適な、小型の対物光学系１０を容易に製造することができるという利点がある。
　また、レンズ面１ａに密着した第１の光学媒体３によって、レンズ面１ａでの光線の屈折角が、第１の光学媒体３が存在しない場合と比較して低減される。同様に、レンズ面２ｂに密着した第２の光学媒体４によって、レンズ面２ｂでの光線の屈折角が、第２の光学媒体４が存在しない場合と比較して低減される。これにより、球レンズ１，２による収差の発生量を抑制し、収差の少ない高品質な像Ｉを球レンズ１，２によって形成することができるという利点がある。
　また、光学媒体３が設けられていることによって、第１群Ｇ１の正の屈折力は、球レンズ１単体の正の屈折力と比較して弱まる。同様に、光学媒体４が設けられていることによって、第２群Ｇ２の正の屈折力は、球レンズ２単体の正の屈折力と比較して弱まる。本実施形態によれば、２つの球レンズ１，２を用いることによって、光学媒体３，４に因る屈折力の弱まりを補い、単体の球レンズ１または２の正の屈折力と同等以上の正の屈折力を実現することができる。
　また、２つの球レンズ１，２が設けられていることによって、単一の球レンズからなる対物光学系の画角と同等以上の画角を確保することができるという利点がある。例えば、球レンズ２および光学媒体４のみからなる対物光学系の画角は、球レンズ２のみからなる対物光学系の画角に比べて小さくなる。このような光学媒体３，４に因る画角の減少を、２つの球レンズ１，２によって補うことができる。
　なお、本明細書において、「球レンズ」とは、物体側のレンズ面および物体とは反対側のレンズ面が、相互に同一の曲率半径を有するとともに共通の曲率中心を有する球面であるレンズである。したがって、「球レンズ」は、物体側および物体とは反対側の２つのレンズ面以外の面が球面以外の形状であるレンズを含む。
　本実施形態においては、第１の光学媒体３および第２の光学媒体４の両方が設けられていることとしたが、これに代えて、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、第１の光学媒体３および第２の光学媒体４のいずれか一方のみが設けられていてもよい。
　光学媒体３，４のうちいずれか一方を省いた構成においても、レンズ面１ａまたはレンズ面２ｂでの光線の屈折角の低減効果を得られる。したがって、２つの球レンズ１，２および１つの光学媒体３または４によって、大きな屈折力および画角と、収差の発生の抑制とを両立することができる。
　本実施形態において、図３に示されるように、第２の球レンズ２の物体Ｏとは反対側に配置され、第１および第２の球レンズ１，２によって形成された像Ｉを伝送する像伝送系５をさらに備えていてもよい。
　像伝送系５は、複数のレンズの組み合わせ、または、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズである。像伝送系５を設けることによって、第１群Ｇ１および第２群Ｇ２によって形成された像Ｉを所望の位置の像面ＩＭＧに再結像させることができる。
　像伝送系５を備える対物光学系１１において、後側焦点Ｆは、図３に示されるように、第２の球レンズ２の内部に位置していることが好ましい。後側焦点Ｆが第２の球レンズ２内に位置する設計において、後側焦点Ｆが第２の球レンズ２の物体Ｏとは反対側に位置する設計と比較して、物体側面３ａおよびレンズ面１ａの負の屈折力は小さくなり、各光束のマージナル光線の最大光線高さが低くなる。したがって、球面収差および色収差をさらに低減することができる。また、後側焦点が球レンズ１，２または光学媒体３，４の光学面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，３ａ，４ｂに一致している場合、第１および第２の球レンズ１，２によって形成される無限遠の物体像に光学面上の塵等が影響を与え、無限遠の物体像の品質の低下を招く。後側焦点Ｆが第２の球レンズ２内に位置することによって、光路中の光学面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，３ａ，４ｂ上のゴミ等に焦点が合うことがなく、ゴミ等の影響による無限遠の物体像の品質の低下を防ぐことができる。
　第１の球レンズ１および第２の球レンズ２が、相互に同一の半径を有するとともに相互に同一の材料から形成され、第１の光学媒体３の物体側面３ａが光軸Ａに垂直な平坦面である場合、対物光学系１１は、下記条件式（１）を満たす。
　０≦｛ｎ１（２ｎ３－ｎ１）－ｎ１ＬＮ｝／｛２ｎ３－（ｎ１－３ｎ３）（ｎ１－２）－（ｎ１－１）ＬＮ｝≦２　　　…（１）
　ここで、ｎ１は、第１および第２の球レンズ１，２の屈折率、Ｒ１は、第１および第２の球レンズ１，２の半径、ｎ３は、第１の光学媒体３の屈折率、Ｌは、レンズ面１ｂとレンズ面２ａとの間の光軸Ａ上の間隔である。Ｎ＝（ｎ１ｎ３＋ｎ１－２ｎ３）／Ｒ１である。
　条件式（１）は、後側焦点Ｆが第２の球レンズ２の内部に位置する条件を規定している。すなわち、条件式（１）を満たすように設計することによって、後側焦点Ｆが第２の球レンズ２内に位置する対物光学系１１を製造することができる。
　レンズ面１ｂとレンズ面２ａが光軸Ａ上で相互に接している（すなわち、Ｌ＝０）場合、条件式（１）は、下記条件式（１’）のように書き替えられる。
　０≦｛ｎ１（２ｎ３－ｎ１）｝／｛２ｎ３－（ｎ１－３ｎ３）（ｎ１－２）｝≦２　　　…（１’）
　後側焦点Ｆが第２の球レンズ２内に位置し像側面４ｂが光軸Ａに垂直な平坦面である場合、対物光学系１１は、下記条件式（２）を満たしていてもよい。
　１≦（Ｒ１＋Ｒ２）＊[｛１／ｃｏｓ（２θ２－θ１）｝―１］／Ｌ　　　…（２）
　ここで、Ｒ１は、第１の球レンズ１の半径、Ｒ２は、第２の球レンズ２の半径、Ｌは、レンズ面１ｂとレンズ面２ａとの間の光軸Ａ上の間隔、ｎ２は、第２の球レンズ２の屈折率、ｎ４は、第２の光学媒体４の屈折率である。θ１＝ｓｉｎ－１（１／ｎ４）、θ２＝ｓｉｎ－１（１／ｎ２）である。
　条件式（２）は、最大像高における光軸Ａに平行な光線が、蹴られることなく第１群Ｇ１および第２群Ｇ２を通過する条件を規定している。すなわち、条件式（２）を満たすことによって、第１群Ｇ１および第２群Ｇ２におけるケラレの発生を防ぎ、視野を最大限確保することができる。
　本実施形態においては、対物光学系１０，１１が、光路中の任意の位置に明るさ絞り６をさらに備えていてもよい。明るさ絞り６によって、物体像Ｉの明るさを適切に制御することができる。
　明るさ絞り６は、第２群Ｇ２の物体Ｏとは反対側に配置されていることが好ましく、例えば、図３に示されるように、像伝送系５内に配置される。
　収差の発生量は、第２の球レンズ２のレンズ面２ｂにおける最軸外光の主光線の光軸に対する傾角に依存する。この傾角は、対物光学系１０，１１内における明るさ絞り６の位置によって制御される。明るさ絞り６は、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、第２群Ｇ２の光線の射出面（レンズ面２ｂまたは像側面４ｂ）での軸外光の主光線が外向き、テレセントリックまたは略テレセントリックになる位置に配置される。
　具体的には、明るさ絞り６は、主光線傾角θが５°以下になる位置に配置される。主光線傾角θは、最軸外光の主光線の光軸Ａに対する傾角である。正の主光線傾角θは、最軸外光の主光線が外向き（図４Ａ参照。）であることを意味し、負の主光線傾角θは、最軸外光の主光線が内向き（図４Ｃ参照。）であることを意味する。
　図５は、後述する実施例５の対物光学系について、主光線傾角θと収差との関係を光学シミュレーションによって解析した結果を示している。θ≦５°の範囲では、波面収差はほとんど発生しない。一方、θ＞５°の範囲では、主光線傾角θが大きい程、波面収差が大きくなる。
　このように、第２群Ｇ２の物体Ｏとは反対側に配置された明るさ絞り６の位置によって主光線傾角θを５°以下に制御することで、収差の発生をさらに抑制することができる。
　明るさ絞り６を備える対物光学系１０，１１は、撮像素子と好適に組み合わせることができる。撮像素子は、例えば、像伝送系５の物体Ｏとは反対側に配置される。明るさ絞り６によって、撮像素子によって撮影される像Ｉの明るさを適切に調整することができる。撮像素子に代えて、レンズ、絞り、鏡枠等の任意の素子が、像伝送系５の物体Ｏとは反対側に配置されてもよい。
　次に、条件式（１）および（２）の導出方法について、図６および図７を参照して説明する。
　条件式（１）は、以下のようにして導かれる。
　図６に示されるように、近軸光線追跡を実行する。後側焦点Ｆは、光軸Ａと平行に入射した近軸光線ｉが光軸Ａと交わる位置である。後側焦点Ｆが第２の球レンズ２の内部に位置するということは、第２の球レンズ２のレンズ面２ａにおいて屈折した近軸光線ｊがレンズ面２ｂに到達する前に光軸Ａと交わること、すなわち、レンズ面２ａと後側焦点Ｆとの間の距離Ｘが、下式（ａ）を満たすことと等価である。
　０≦Ｘ≦２×Ｒ１　　　…（ａ）
　各面３ａ，１ａ，１ｂ，２ａでの屈折マトリクスＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４および伝達マトリクスＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、以下の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　物体側面３ａに入射した近軸光線ｉ（ｈ１，０）が、レンズ面２ａにおける屈折によって光線ｊ（ｈ４，α４）になる場合、下式（ｂ）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　式（ｂ）からα４，ｈ４を求めると、Ｘ＝ｈ４／（α４／ｈ１）が得られる。Ｘと式（ａ）から、条件式（１）が導かれる。
　条件式（２）は、以下のように導かれる。
　まず、図７に示されるように、像Ｉから物体Ｏへ向かう光線ｋがレンズ面２ａを通過する条件から、ｈｍａｘを求める。図７において、符号Ｃ１は、第１の球レンズ１の中心を示し、符号Ｃ２は、第２の球レンズ２の中心を示している。
　光線ｋがレンズ面２ａを通過するためには、スネルの法則に基づき、下式を満たす必要がある。
　ｎ２ｓｉｎθ２≦１　　　…（ｃ）
　また、レンズ面２ｂでのスネルの法則から下式（ｄ）が成立する。
　ｎ４ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２　　　…（ｄ）
　ここで、ｓｉｎθ１＝ｈ／Ｒ２…（ｅ）である。式（ｃ），（ｄ），（ｅ）から、１≦Ｒ２／ｈｎ４が得られ、これから、ｈｍａｘ＝Ｒ２／ｈ４と算出される。
　次に、レンズ面２ａの縁を通過した光線が第１の球レンズ１と交わる条件について考える。この条件は、レンズ面２ａの縁を通過した光線が、第１の球レンズ１および屈折率ｎ３の物質を通過する条件と略等価である。
　上記条件において、図７のＤは、Ｄ≦Ｒ１…（ｆ）を満たす。
　図７の幾何学的な関係から、Ｄは、下式（ｇ）の通り表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　式（ｆ）および式（ｇ）から、条件式（２）が導かれる。ただし、レンズ面２ａおよびレンズ面２ｂにおけるスネルの法則から、下式を満たす。
　θ１＝ｓｉｎ－１（ｈｍａｘ／Ｒ２）＝ｓｉｎ－１（１／ｎ４）
　θ２＝ｓｉｎ－１（１／ｎ２）
　次に、本実施形態に係る対物光学系１０，１１の実施例について説明する。
　各実施例のレンズデータにおいて、ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッべ数、ＯＢＪは物体面、ＩＭＧは像面、Ｓは明るさ絞りを示している。各実施例に係る対物光学系の収差図は、第１群および第２群によって形成される像の収差を示している。
（実施例１）
　本発明の実施例１に係る対物光学系の構成を図８に示す。本実施例に係る対物光学系は、第１の球レンズ、第２の球レンズ、第１の光学媒体、第２の光学媒体、および明るさ絞りから構成されている。図８において、明るさ絞りの図示は省略されている。
　本実施例の対物光学系の収差図を図９に示す。
レンズデータ
面番号　　　　　　　　ｒ　　　　ｄ　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　　　　∞　　　１０
　　１　　　　　　　　∞　　０．０
　　２　　　　　　　　∞　　０．０
　　３　－０．４１２４２　　０．０５　　１．５６１　　　　　３５．４６８３
　　４　　０．５　　　　　　１．０　　　１．４８７４９　　　７０．４０５８
　　５　－０．５　　　　　　０．０
　　６　　　　　　　　∞　　０．１
　　７　　０．５　　　　　　１．０　　　１．５１０１５８　　５８．９３４９
　　８　－０．５　　　　　　０．０５　　１．５６１　　　　　３５．４６８３
　　９　－０．５０９４５　　０．０
　１０　　　　　　　　∞　　０．２
　１１　　　　　　　　∞　　１０００
　１２Ｓ　　　　　　　∞　－１０００
　１３　　　　　　　　∞　－０．１
ＩＭＧ　　　　　　　　∞　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．３５ｍｍ
倍率　　　　　－０．０３４
半画角　　　　４０．０°
像高　　　　　０．１８ｍｍ
　図２０に、比較例１に係る対物光学系を示す。比較例１の対物光学系は、単一の球レンズおよび明るさ絞りから構成されている。図２０において、明るさ絞りの図示は省略されている。比較例１のレンズデータおよび各種データは、以下の通りである。比較例１の対物光学系の収差図を図２１に示す。
　図９と図２１との比較から分かるように、本発明の実施例１の対物光学系の収差、特に球面収差、色収差および像面湾曲は、比較例１の収差と比較して大幅に低減されている。
レンズデータ
面番号　　　　　ｒ　　　　　ｄ　　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　∞　　　　１０
　　１　　　０．５　　　１．０　　　１．５１６８　　６４．１６７３
　　２　　－０．５　　　０．０
　　３　　　　　∞　　　０．０
　　４　　　　　∞　　１０００
　　５Ｓ　　　　∞　－１０００
　　６　　　　　∞　　　０．２８８９
ＩＭＧ　　　　　∞　　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．７３ｍｍ
倍率　　　　　－０．０７５
半画角　　　　４０．０°
像高　　　　　０．３８ｍｍ
　図２２に、比較例２に係る対物光学系を示す。比較例２の対物光学系は、単一の球レンズ、平凸レンズおよび明るさ絞りから構成されている。平凸レンズは、球レンズが発生させた収差を補正する役割を担う。図２２において、明るさ絞りの図示は省略されている。比較例２のレンズデータは、以下の通りであり、物体側開口数は０．０１８である。比較例２の対物光学系の収差図を図２３に示す。
　図９と図２３との比較から分かるように、本発明の実施例１の対物光学系の収差、特に球面収差、色収差および像面湾曲は、比較例２の対物光学系の収差と比較して大幅に低減されている。すなわち、第１および第２の光学媒体による球レンズの収差の抑制効果は、平凸レンズによる球レンズの収差の補正効果よりも大きい。
レンズデータ
面番号　　　　　　　ｒ　　　　ｄ　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　　　∞　　　１０
　　１Ｓ　　　　　　∞　　０．０
　　２　　　　　１．５　　３．０　　　１．５６１　　３５．４６８３
　　３　　　　－１．５　　０．０
　　４　　　　　　　∞　　３．２９０７
　　５　　　５．１６８　　２．０　　　１．５６１　　３５．４６８３
　　６　　　　　　　∞　　０．０
　　７　　　　　　　∞　　１００
　　８　１９．７８３８　　２．０　　　１．４９２７　６９．８２
　　９　　　　　　　∞　６３．３９７７
ＩＭＧ　　　　　　　∞　　０．０
（実施例２）
　本発明の実施例２に係る対物光学系の構成を図１０に示す。本実施例に係る対物光学系は、第１の球レンズ、第２の球レンズ、第１の光学媒体、第２の光学媒体、および明るさ絞りから構成されている。図１０において、明るさ絞りの図示は省略されている。
　第１の球レンズおよび第２の球レンズは、同一の半径を有するとともに同一の材質から形成されている。後側焦点Ｆは、第２の球レンズ内に位置する。後側焦点Ｆと、第２の球レンズの物体とは反対側のレンズ面と、の間の距離は、０．２４４ｍｍである。
　本実施例の対物光学系の収差図を図１１に示す。実施例１と比較して、本実施例の対物光学系の球面収差および色収差はさらに低減されている。
レンズデータ
面番号　　　　　　　　ｒ　　　　　ｄ　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　　　　∞　　　　１０
　　１　－７．６１９８８　　　０．１　　１．５６１　　３５．４６８３
　　２　　　　　　０．５　　　１．０　　１．５１６８　６４．１６７３
　　３　　　　　－０．５　　　０．０
　　４　　　　　　　　∞　　　０．１
　　５　　　　　　０．５　　　１．０　　１．５１６８　６４．１６７３
　　６　　　　　－０．５　　　０．１　　１．５６１　　３５．４６８３
　　７　　　　　　　　∞　　１０００
　　８Ｓ　　　　　　　∞　－１０００
　　９　　　　　　　　∞　　－０．２
ＩＭＧ　　　　　　　　∞　　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．４８ｍｍ
倍率　　　　　－０．０４７
半画角　　　　４０．０°
像高　　　　　０．２８ｍｍ
（実施例３）
　本発明の実施例３に係る対物光学系の構成を図１２に示す。本実施例に係る対物光学系は、第１の球レンズ、第２の球レンズ、第１の光学媒体、第２の光学媒体、および明るさ絞りから構成されている。図１２において、明るさ絞りの図示は省略されている。
　第１の球レンズおよび第２の球レンズは、同一の半径を有するとともに同一の材質から形成されている。第１の光学媒体の物体側面は、光軸に垂直な平坦面である。後側焦点Ｆは、第２の球レンズ内に位置する。具体的には、条件式（１）の不等式の中辺の値は、１．４５６であり、本実施例の対物光学系は条件式（１）を満たす。後側焦点Ｆと、第２の球レンズの物体とは反対側のレンズ面と、の間の距離は、０．２６８ｍｍである。
　本実施例の対物光学系の収差図を図１３に示す。
レンズデータ
面番号　　　　　ｒ　　　　　ｄ　　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　∞　　　　１０
　　１　　　　　∞　　　０．１　　　１．５６１　　　３５．４６８３
　　２　　　０．５　　　１．０　　　１．５１６８　　６４．１６７３
　　３　　－０．５　　　０．０
　　４　　　　　∞　　　０．１
　　５　　　０．５　　　１．０　　　１．５１６８　　６４．１６７３
　　６　　－０．５　　　０．１　　　１．５６１　　　３５．４６８３
　　７　　　　　∞　　１０００
　　８Ｓ　　　　∞　－１０００
　　９　　　　　∞　　－０．２１６８
ＩＭＧ　　　　　∞　　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．４９ｍｍ
倍率　　　　　－０．０４８
半画角　　　　４０．０°
像高　　　　　０．２８ｍｍ
（実施例４）
　本発明の実施例４に係る対物光学系の構成を図１４に示す。本実施例に係る対物光学系は、第１の球レンズ、第２の球レンズ、第１の光学媒体、第２の光学媒体、および明るさ絞りから構成されている。図１４において、明るさ絞りの図示は省略されている。
　第１の球レンズおよび第２の球レンズは、同一の半径を有するとともに同一の材質から形成されている。第１の球レンズおよび第２の球レンズは、光軸上の一点において相互に接触している。第１の光学媒体の物体側面は、光軸に垂直な平坦面である。後側焦点Ｆは、第２の球レンズ内に位置する。具体的には、条件式（１’）の不等式の中辺の値は、１．５２であり、本実施例の対物光学系は条件式（１’）を満たす。後側焦点Ｆと、第２の球レンズの物体とは反対側のレンズ面と、の間の距離は、０．３３６ｍｍである。
　本実施例の対物光学系の収差図を図１５に示す。
レンズデータ
面番号　　　　　ｒ　　　　　ｄ　　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　∞　　　　１０
　　１　　　　　∞　　　０．１　　１．５６１　　　　３５．４６８３
　　２　　　０．５　　　１．０　　１．５８９１３　　６１．１３
　　３　　－０．５　　　０．０
　　４　　　　　∞　　　０．０
　　５　　　０．５　　　１．０　　１．５８９１３　　６１．１３
　　６　　－０．５　　　０．１　　１．５６１　　　　３５．４６８３
　　７　　　　　∞　　１０００
　　８Ｓ　　　　∞　－１０００
　　９　　　　　∞　　－０．２６３５
ＩＭＧ　　　　　∞　　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．４３ｍｍ
倍率　　　　　－０．０４２
半画角　　　　５２．５°
像高　　　　　０．３０２５ｍｍ
（実施例５）
　本発明の実施例５に係る対物光学系の構成を図１６に示す。本実施例に係る対物光学系は、実施例４の対物光学系に、複数のレンズの組み合わせからなる像伝送系を組み合わせた例である。明るさ絞りは、像伝送系内に配置されている。
レンズデータ
面番号　　　　　　　　ｒ　　　ｄ　　　　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　　　∞　　　１０
　　１　　　　　　　∞　　０．２　　　　１．５６１　　　　３５．４６８３
　　２　　１．０　　　　　２．０　　　　１．５８９１３　　６１．１３
　　３　－１．０　　　　　０．０
　　４　　　　　　　∞　　０．１
　　５　　１．０　　　　　２．０　　　　１．５８９１３　　６１．１３
　　６　－１．０　　　　　０．２　　　　１．５６１　　　　３５．４６８３
　　７　　　　　　　∞　　０．５６
　　８　　１．８２８８　　１．１６５３　１．９０２０　　　２５．１０１４
　　９　　１．１５５６　　１．４０２１
　１０　　１．６４６４　　０．７６４８　１．８４１３９　　２４．５５９１
　１１　　０．９９９５　　２．８０１２　１．５５８８　　　６２．５５８５
　１２　－１．０４７６　　０．５９６８　１．６４７６８９　３３．８４８２
　１３　　６．９２８４　　１．１７８７
　１４　－１１５．４２８　２．０７　　１．７１７３６　　　２９．６２０１
　１５　－４．１６７７　　０．１７１８
　１６Ｓ　　　　　∞　　　０．１７１８
　１７　　４．１６７７　　２．０７　　　１．７１７３６　　２９．６２０１
　１８　１１５．４２７８　１．１７８７
　１９　－６．９２８４　　０．５９６８　１．６４７６８９　３３．８４８２
　２０　　１．０４７６　　２．８０１２　１．５５８８　　　６２．５５８５
　２１　－０．９９９５　　０．７６４８　１．８４１３９　　２４．５５９１
　２２　－１．６４６４　　１．４０２１
　２３　－１．１５５６　　１．１６５３　１．９０２　　　　２５．１０１４
　２４　－１．８２８８　　１．８５２１
　２５　　　　　　　∞　　０．９３９２
ＩＭＧ　　　　　　　∞　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．４５ｍｍ
倍率　　　　　０．０９２
半画角　　　　４０．０°
像高　　　　　０．５５６２ｍｍ
（実施例６）
　本発明の実施例６に係る対物光学系の構成を図１７に示す。本実施例に係る対物光学系は、実施例２の対物光学系に、ＧＲＩＮレンズからなる像伝送系を組み合わせた例である。明るさ絞りは、像伝送系内に配置されている。
レンズデータ
面番号　　　　　　　　ｒ　　　　ｄ　　　　　　　Ｎｄ　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　　　　∞　　　１０
　　１　－７．６１９８８　　０．１　　　１．５６１　　３５．４６８３
　　２　　　　　　０．５　　１．０　　　１．５１６８　６４．１６７３
　　３　　　　　－０．５　　０．０
　　４　　　　　　　　∞　　０．１
　　５　　　　　　０．５　　１．０　　　１．５１６８　６４．１６７３
　　６　　　　　－０．５　　０．１　　　１．５６１　　３５．４６８３
　　７　　　　　　　　∞　　３．５７３６
　　８Ｓ　　　　　　　∞　　３．８７
　　９　　　　　　　　∞　　０．０
ＩＭＧ　　　　　　　　∞　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．４８ｍｍ
倍率　　　　　０．０４７
半画角　　　　４０．０°
像高　　　　　０．２８ｍｍ
（実施例７）
　本発明の実施例７に係る対物光学系の構成を図１８に示す。本実施例に係る対物光学系は、第１の球レンズ、第２の球レンズ、第１の光学媒体、第２の光学媒体、および明るさ絞りから構成されている。第２の光学媒体の物体とは反対側に像伝送系がさらに設けられていてもよい。第２の光学媒体の像側面は、光軸に垂直な平坦面である。本実施例に係る対物光学系は、Ｌ＝０であるので、条件式（２）を満たす。
　本実施例の対物光学系の収差図を図１９に示す。
レンズデータ
面番号　　　　　ｒ　　　　　ｄ　　　　　　Ｎｄ　　　　　　　νｄ
ＯＢＪ　　　　　∞　　１０．０
　　１　　　　　∞　　　０．１　　　１．５６１　　　　３５．４６８３
　　２　　　０．５　　　１．０　　　１．５８９１３　　６１．１３
　　３　　－０．５　　　０．０
　　４　　　　　∞　　　０．０
　　５　　　０．５　　　１．０　　　１．５８９１３　　６１．１３
　　６　　－０．５　　　０．１　　　１．５６１　　　　３５．４６８３
　　７　　　　　∞　　　１０００
　　８Ｓ　　　　∞　　－１０００
　　９　　　　　∞　　－０．２６３５
ＩＭＧ　　　　　∞　　　０．０
各種データ
像側開口数　　０．１
焦点距離　　　０．４３ｍｍ
倍率　　　　　－０．０４２
半画角　　　　５２．５°
像高　　　　　０．３０２５ｍｍ
１０，１１　対物光学系
１　第１の球レンズ
２　第２の球レンズ
３　第１の光学媒体
４　第２の光学媒体
５　像伝送系
６　明るさ絞り
Ｇ１　第１群
Ｇ２　第２群
Ａ　光軸
Ｆ　後側焦点
Ｉ　像
Ｏ　物体

Claims (6)

  1. 　物体側から順に配列された第１の球レンズおよび第２の球レンズと、
    　第１の光学媒体および第２の光学媒体のうち少なくとも一方とを備え、
    　前記第１の光学媒体が、前記第１の球レンズの前記物体側に配置された固体または液体であり、前記第１の球レンズの前記物体側の面上の光路の全域に密着し、
    　前記第２の光学媒体が、前記第２の球レンズの前記物体とは反対側に配置された固体または液体であり、前記第２の球レンズの前記物体とは反対側の面上の光路の全域に密着し、
    　前記第１の球レンズと前記第２の球レンズとの間の光路が、空気で満たされている対物光学系。
  2. 　後側焦点が、前記第２の球レンズの前記物体側の面の前記物体とは反対側に位置している請求項１に記載の対物光学系。
  3. 　前記第２の球レンズの前記物体とは反対側に配置された像伝送系を備え、前記後側焦点が、前記第２の球レンズの内部に位置する請求項２に記載の対物光学系。
  4. 　前記第１の球レンズおよび前記第２の球レンズが、相互に同一の半径を有し、相互に同一の材料から形成され、
    　前記第１の光学媒体の前記物体側の面が、光軸に垂直な平坦面であり、
    　下記条件式（１）を満たす請求項３に記載の対物光学系。
    　０≦｛ｎ１（２ｎ３－ｎ１）－ｎ１ＬＮ｝／｛２ｎ３－（ｎ１－３ｎ３）（ｎ１－２）－（ｎ１－１）ＬＮ｝≦２　　　…（１）
    　ただし、
    　ｎ１は、前記第１の球レンズおよび前記第２の球レンズの屈折率、
    　Ｒ１は、前記第１の球レンズおよび前記第２の球レンズの半径、
    　ｎ３は、前記第１の光学媒体の屈折率、
    　Ｌは、前記第１の球レンズの前記物体とは反対側の面と前記第２の球レンズの前記物体側の面との間の光軸上の間隔
    であり、
    　Ｎ＝（ｎ１ｎ３＋ｎ１－２ｎ３）／Ｒ１
    である。
  5. 　前記第２の光学媒体の前記反対側の面が、光軸に垂直な平坦面であり、
    　下記条件式（２）を満たす請求項３または請求項４に記載の対物光学系。
    　１≦（Ｒ１＋Ｒ２）＊[｛１／ｃｏｓ（２θ２－θ１）｝―１］／Ｌ　　　…（２）
    　ただし、
    　Ｒ１は、前記第１の球レンズの半径、
    　Ｒ２は、前記第２の球レンズの半径、
    　Ｌは、前記第１の球レンズの前記物体とは反対側の面と前記第２の球レンズの前記物体側の面との間の光軸上の間隔、
    　ｎ２は、前記第２の球レンズの屈折率、
    　ｎ４は、前記第２の光学媒体の屈折率
    であり、
    　θ１＝ｓｉｎ－１（１／ｎ４）、θ２＝ｓｉｎ－１（１／ｎ２）
    である。
  6. 　明るさ絞りをさらに備え、
    　該明るさ絞りが、前記第２の球レンズの前記物体とは反対側に配置されている請求項１から請求項５のいずれかに記載の対物光学系。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022190280A1 (ja) * 2021-03-10 2022-09-15 オリンパス株式会社 対物光学系、光学ユニットおよび内視鏡装置
US12422665B2 (en) 2020-06-19 2025-09-23 Olympus Corporation Optical unit, fiber scanning device, and method for manufacturing optical unit

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56149009A (en) * 1980-04-21 1981-11-18 Fujitsu Ltd Production of spherical lens array
JPS5735808A (en) * 1980-08-14 1982-02-26 Fujitsu Ltd Spherical lens array and its manufacture
JP2005528182A (ja) * 2002-06-06 2005-09-22 オプティスコープ テクノロジーズ リミテッド 内視鏡のための光学装置
JP2009276502A (ja) * 2008-05-14 2009-11-26 Olympus Medical Systems Corp 内視鏡用照明光学系
JP2010236870A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Daido Gakuen 孔形状測定方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2783757A (en) * 1954-10-21 1957-03-05 Richard Wolf Endoscope for the observation of ventricles of the body or the like
US3930729A (en) * 1973-06-29 1976-01-06 International Business Machines Corporation Interferometer apparatus incorporating a spherical element of index of refraction of two
JPS57181516A (en) * 1981-05-01 1982-11-09 Agency Of Ind Science & Technol Heterogeneous refractive index lens
US4848882A (en) * 1986-03-25 1989-07-18 Canon Kabushiki Kaisha Gradient index lens
JPS6323118A (ja) * 1986-03-25 1988-01-30 Canon Inc 屈折率分布型レンズ
JP4336406B2 (ja) * 1998-12-11 2009-09-30 キヤノン株式会社 撮影装置
US6594086B1 (en) * 2002-01-16 2003-07-15 Optonics, Inc. (A Credence Company) Bi-convex solid immersion lens
US7160248B2 (en) * 2002-06-06 2007-01-09 Optiscope Technologies Ltd. Optical device for viewing of cavernous and/or inaccessible spaces
TWI242368B (en) * 2004-09-02 2005-10-21 Asia Optical Co Inc Image capturing system of image formation on curved surface
US8675284B2 (en) * 2011-05-24 2014-03-18 Tyco Electronics Corporation Truncated ball lens for an expanded beam connector
US9104018B2 (en) 2012-03-30 2015-08-11 Canon Kabushiki Kaisha Imaging apparatus having a curved image surface
JP5972010B2 (ja) * 2012-03-30 2016-08-17 キヤノン株式会社 撮像装置
JP2015118136A (ja) 2013-12-17 2015-06-25 コニカミノルタ株式会社 リレー光学系及び硬性鏡
CN206710686U (zh) * 2017-03-20 2017-12-05 信华精机有限公司 一种紧凑型的光学镜头

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56149009A (en) * 1980-04-21 1981-11-18 Fujitsu Ltd Production of spherical lens array
JPS5735808A (en) * 1980-08-14 1982-02-26 Fujitsu Ltd Spherical lens array and its manufacture
JP2005528182A (ja) * 2002-06-06 2005-09-22 オプティスコープ テクノロジーズ リミテッド 内視鏡のための光学装置
JP2009276502A (ja) * 2008-05-14 2009-11-26 Olympus Medical Systems Corp 内視鏡用照明光学系
JP2010236870A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Daido Gakuen 孔形状測定方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12422665B2 (en) 2020-06-19 2025-09-23 Olympus Corporation Optical unit, fiber scanning device, and method for manufacturing optical unit
WO2022190280A1 (ja) * 2021-03-10 2022-09-15 オリンパス株式会社 対物光学系、光学ユニットおよび内視鏡装置
US12490883B2 (en) 2021-03-10 2025-12-09 Olympus Corporation Objective optical system, optical unit, and endoscope apparatus with lenses of partially spherical shape

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