CN103608713B - 物镜光学***、拍摄装置以及内窥镜 - Google Patents
物镜光学***、拍摄装置以及内窥镜 Download PDFInfo
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Abstract
利用简单的结构放大景深。一种物镜光学***,其具备亮度光圈(S),该亮度光圈(S)具有开口部(A),该开口部(A)配置于光轴(O)的中途位置且使来自物体的入射光通过,该亮度光圈(S)在与光轴(O)重合的部分具有遮挡入射光的遮光部(B)。另外,一种拍摄装置,其具备上述物镜光学***和拍摄元件,该拍摄元件对物体的利用该物镜光学***成像的光学像进行拍摄。
Description
技术领域
本发明涉及一种物镜光学***、拍摄装置以及内窥镜。
背景技术
以往,在装备于内窥镜等拍摄装置的光学***中,使用光瞳调制元件作为放大景深的单元(例如,参照专利文献1、2)。光瞳调制元件具有在较大景深范围内使光学传递函数大致恒定的作用。
专利文献
专利文献1:日本特开2000-98302号公报
专利文献2:日本特开2003-235794号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而,由于光瞳调制元件的光学面具有复杂的三维形状,因此非常难以制造,存在制造成本增高的不便。
本发明是鉴于上述情况而完成的,其目的在于提供一种能够利用简单的结构放大景深的物镜光学***、拍摄装置以及内窥镜。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的,本发明提供以下的技术方案。
本发明的第1方式的物镜光学***具备亮度光圈,该亮度光圈具有开口部,该开口部配置于光轴的中途位置且使来自物体的入射光通过,该亮度光圈在与上述光轴重合的部分具有遮挡上述入射光的遮光部。
根据本发明的第1方式,能够通过利用拍摄元件等对通过亮度光圈的开口部而成像了的入射光的光学像进行拍摄来获得物体的图像。
在这种情况下,表示像相对于空间频率的分辨率的调制传递函数(MTF)一般随着从空间频率的低侧朝向高侧去而单调减少。根据本发明,设置于与亮度光圈的光轴重合位置的遮光部使调制传递函数的减少在中途停止,并在高频区域大致平稳。即,能够在从低频区域到以往无法得到足够分辨率的高频区域整个范围内得到足够的分辨率。如此,能够利用仅在亮度光圈的开口的局部设置遮光部的简单结构来放大景深。
在上述第1方式的基础上,优选的是,上述物镜光学***具备多个透镜,上述透镜均具有相对于上述光轴旋转对称的形状。
通过这样做,由于在从物镜光学***射出的光束中不包含相对于光轴不对称的像差成分,因此能够提高成像性能。
在上述第1方式的基础上,也可以是,上述亮度光圈具有一个上述开口部和一个设置于该开口部的内侧的上述遮光部。在该结构的基础上,优选的是,上述亮度光圈满足下述条件式(1)。
(1) 4<Q<50
其中,Q=(上述遮光部的面积/上述开口部的面积)×100。
通过这样做,能够在充分确保通过开口部的入射光的光量同时,充分得到由遮光部带来的对景深的放大效果。
另外,在于上述开口的内侧具有遮光部的结构中,也可以是,通过将金属以膜状形成于玻璃的表面而得到上述遮光部。
通过这样做,能够利用只是将金属以膜状形成于透镜、盖玻片等的表面这一简便的方法制造亮度光圈。
在上述第1方式的基础上,也可以是,上述亮度光圈具有以包围上述光轴的方式排列的多个上述开口部。在该结构的基础上,也可以是,通过将金属以膜状形成于玻璃的表面而得到上述遮光部。
通过这样做,能够利用只是将金属以膜状形成于透镜、盖玻片等的表面这一简便的方法制造亮度光圈。
另外,在上述具有多个上述开口部的结构的基础上,也可以是,上述亮度光圈由金属构成。
通过这样做,能够利用只是在由金属构成的平板形成成为开口部的贯通孔这一简便的方法制造亮度光圈。
本发明的第2方式是拍摄装置,其具备:上述任一方式所述的物镜光学***;以及拍摄元件,其对上述物体的利用该物镜光学***成像的光学像进行拍摄。
根据本发明的第2方式,通过利用设置于与亮度光圈的光轴重合的位置的遮光部来放大景深,能够获得在光轴方向的大范围内清晰地拍摄到图像。
本发明的第3方式的内窥镜具备上述任一方式所记载的拍摄装置。
发明的效果
根据本发明,起到能够利用简单的结构放大景深的效果。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图2是图1的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图3A是对图2的亮度光圈与拍摄元件的像素的排列方向之间的位置关系进行说明的图,且示出图2的亮度光圈。
图3B是对图2的亮度光圈与拍摄元件的像素的排列方向之间的位置关系进行说明的图,且示出拍摄元件的像素的排列。
图4是示出图1的物镜光学***的MTF的一例与以往的物镜光学***的MTF的一例的图。
图5是示出图2的亮度光圈的变形例的主视图。
图6是示出本发明的实施例1的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图7是本发明的实施例1的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图8是示出本发明的实施例2的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图9是本发明的实施例2的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图10是示出本发明的实施例3的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图11是本发明的实施例3的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图12是示出本发明的实施例4的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图13是本发明的实施例4的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图14是示出本发明的实施例5的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图15是本发明的实施例5的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图16是示出本发明的实施例6的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图17是本发明的实施例6的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图18是示出本发明的实施例7的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图19是本发明的实施例7的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图20是示出本发明的实施例8的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图21是本发明的实施例8的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图22是示出本发明的实施例9的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图23是本发明的实施例9的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图24是示出本发明的实施例10的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图25是本发明的实施例10的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图26是示出本发明的实施例11的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图27是本发明的实施例11的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图28是示出本发明的实施例12的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图29是本发明的实施例12的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图30是示出本发明的实施例13的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图31是本发明的实施例13的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图32是示出本发明的实施例14的物镜光学***的整体结构的透镜剖视图。
图33是本发明的实施例14的物镜光学***所具备的亮度光圈的主视图。
图34是示意性示出预定的空间频率下的MTF与物距之间的关系的图。
具体实施方式
以下,参照图1~图5对本发明的一实施方式的物镜光学***1以及具备该物镜光学***1的拍摄装置10进行说明。
如图1所示,本实施方式的物镜光学***1从物体侧依次具备第1~第5透镜Ll~L5、配置于第2透镜与第3透镜之间以及配置于第5透镜的像侧的平行平板Fl、F2、以及形成于平行平板Fl的像侧面的亮度光圈S。
第1~第5透镜Ll~L5由单一的玻璃材料构成并且具有相对于光轴O旋转对称的光学特性。
平行平板Fl、F2是由光学上透明的玻璃材料构成的盖玻片等。如图2所示,亮度光圈S具有:开口部(影线所示区域)A,其使从物体(省略图示)入射至第1透镜Ll的入射光通过;以及遮光部B,其形成于与物镜光学***1的光轴O重合的位置,并用于遮挡入射光。开口部A具有以光轴O为中心的半径为φ的圆形外形。遮光部B是以光轴O为中心的边长为I的正四边形,且具有相对于光轴O点对称的形状。
通过利用蒸镀等直接将金属以膜状形成于平行平板Fl的像侧面而形成开口部A的周边部C以及遮光部B来制成亮度光圈S。由此,能够容易地制造在开口部A的中央配置遮光部B构造的亮度光圈S。
此外,也可以通过将金属以膜状形成于平凸透镜等的平面来制成亮度光圈S。另外,在图2中,虽然例示了外形为圆形的周边部C,但周边部C的外形不特别限定,例如也可以是矩形等。
亮度光圈S满足以下条件式(1)。
(1) 4<Q<50
其中,
Q=(遮光部B的面积/开口部A的面积)×100。
条件式(1)限定了开口部A的面积与遮光部B的面积之比。在Q为4以下的情况下,无法充分获得由亮度光圈S带来的对景深的放大效果(后述),故而不作为优选。另一方面,在Q为50以上的情况下,由于入射光被过度遮挡而会使利用拍摄元件2获得的图像的质量降低,故而不作为优选。
此外,优选的是亮度光圈S满足以下条件式(1-1),更加优选的是满足以下条件式(1-2),最优选的是满足(1-3)。
(1-1) 15<Q<40
(1-2) 15<Q<35
(1-3) 20<Q<35
本实施方式的物镜光学***1与CCD、CMOS这样的拍摄元件2一并构成拍摄装置10。在拍摄装置10中,平行平板F2接合于对拍摄元件2的拍摄面进行密封的玻璃罩,对在拍摄面成像的物体的光学像进行拍摄。
如图3B所示,在拍摄面2a中沿着彼此正交的两个轴向(X轴方向以及Y轴方向)呈正方形排列有像素2b。如图3A所示,物镜光学***1以亮度光圈S的遮光部B的边的方向(参照箭头P。)相对于像素的排列方向即X轴方向以及Y轴方向倾斜45°的方式配置于拍摄元件2。如此,由后述的遮光部B所带来的对景深的放大效果在图像的各方向上均衡地显现,这是优选的。
接下来,对如此构成的物镜光学***1以及具备该物镜光学***1的拍摄装置10的作用进行说明。
本实施方式的物镜光学***1的MTF具有图4中用实线所表示的特性。即,MTF(纵轴)在低频区域中伴随着空间频率(横轴)的增加而单调减少,在高频区域中暂时停止减少而变化为大致平稳。在此,MTF是表示像的对比度相对于空间频率的响应的函数,在某一空间频率下,MTF越高,越能够清晰地分辨与该空间频率对应的尺寸的构造。因而,根据具有图4所示的MTF特性的物镜光学***1,在高频区域中也能够维持分辨率足够高的状态。
对这样的MTF特性进行如下说明。MTF利用光瞳函数的自相关性函数表示。本实施方式的物镜光学***1的光瞳函数的自相关性函数因遮光部B存在于相当于光瞳中心位置的光轴位置而暂时停止减少。伴随于此,MTF也在高频区域中停止减少。
作为本实施方式的参考例,在图4中利用虚线表示具备不具有遮光部而仅利用开口部构成的以往的亮度光圈的物镜光学***的MTF。根据这种以往的物镜光学***,MTF从低频侧朝向高频侧继续单调减少。
如此,根据本实施方式的物镜光学***1以及拍摄装置10,高频区域中MTF具有足够值的范围、例如扩大超过10%的范围。这表示扩大了能够得到足够分辨率的视场的光轴O方向范围,即,实质上扩大了景深。如此,根据本实施方式,具有以下优点:是仅在亮度光圈S的与光轴O重合的位置设置遮光部B的简单结构,同时能够高效地放大景深。
而且,由于构成物镜光学***1的全部透镜Ll~L5以及亮度光圈S具有相对于光轴O旋转对称的光学特性,因此形成于拍摄面2C的光学像不包含相对于光轴O不对称的像差成分。由此,具有能够最大限度发挥图像处理效果的优点。另外,根据具备本实施方式的拍摄装置10的内窥镜,具有以下优点:即使不依赖于特别的图像处理装置、变焦功能等,也能够在足够大的景深范围内得到清晰的图像。
此外,与使用以往的亮度光圈的物镜光学***相比,本实施方式的物镜光学***1的MTF具有在低频区域减少的趋势。通过对利用拍摄元件2获得的图像进行图像处理而能够足够良好地校正这种分辨率在低频区域中的降低。在图像处理中,例如通过模拟计算出基于物镜光学***1的MTF,根据该结果将MTF的低频区域设定为预定的特性。
在本实施方式中,虽然例示了正方形的遮光部B,但遮光部B的形状不限定于此。例如,在图2中,也可以将遮光部B设为圆形。另外,也可以以包围光轴O的方式设置多个开口部。即使这样做,以简单且低价的结构提高高频区域中的MTF,由此能够放大景深。另外,开口部A的周边部C的形状也不限定于图2所示的圆形,也可以是其他形状。
在设置多个开口部A的情况下,如图5所示,优选的是开口部A沿着像素的排列方向(X轴方向、Y轴方向)相对于光轴O均衡地排列。通过形成这样的排列,能够在图像的各位置均衡地放大景深。
与图2所示的亮度光圈S相同,通过将金属以膜状形成于透镜面而形成遮光部B来容易地制成图5所示的亮度光圈S’。另外,也能够通过在由金属等具有遮光性的材料构成的平板加工贯通孔而形成开口部A来容易地制成亮度光圈S’。
实施例
接下来,参照图6~图34对上述实施方式的实施例1~14进行说明。此外,首先说明各实施例的物镜光学***的结构,在说明结构之后对由各物镜光学***带来的对景深的放大效果进行说明。在各实施例所记载的透镜数据中,r为曲率半径,d为面间隔,ne为相对于e线的折射率,υd是相对于d线的阿贝数,OBJ是物体面,IMG是像面。另外,对相当于亮度光圈的面编号标注S。在透镜剖视图中,IMG表示像面。
〔实施例1〕
本发明的实施例1的物镜光学***具有图6以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第6面)。如图7所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.33mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.226mm。在条件式(1)中,Q=14.9。
透镜数据
各种数据
〔实施例2〕
本发明的实施例2的物镜光学***具有图8以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第6面)。如图9所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.32mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.226mm。在条件式(1)中,Q=15.9。
透镜数据
各种数据
〔实施例3〕
本发明的实施例3的物镜光学***具有图10以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第6面)。如图11所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.2465mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.226mm。在条件式(1)中,Q=26.8。
透镜数据
各种数据
〔实施例4〕
本发明的实施例4的物镜光学***具有图12以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第7面)。如图13所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.224mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.226mm。在条件式(1)中,Q=32.4。
透镜数据
各种数据
〔实施例5〕
本发明的实施例5的物镜光学***具有图14以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的物体侧面(第5面)。如图15所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.225mm的圆形外形;正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.24mm。在条件式(1)中,Q=36.2。
透镜数据
各种数据
〔实施例6〕
本发明的实施例6的物镜光学***具有图16以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片与平凸透镜的接合面(第6面)。如图17所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.28mm的圆形外形;正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.184mm。在条件式(1)中,Q=13.7。
透镜数据
各种数据
〔实施例7〕
本发明的实施例7的物镜光学***具有图18以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的物体侧面(第5面)。如图19所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.27mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.198mm。在条件式(1)中,Q=17.1。
透镜数据
各种数据
〔实施例8〕
本发明的实施例8的物镜光学***具有图20以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第5面)。如图21所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.24mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.198mm。在条件式(1)中,Q=21.7。
透镜数据
各种数据
〔实施例9〕
本发明的实施例9的物镜光学***具有图22以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈配置于第2透镜与盖玻片之间(第5面)。如图23所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.26mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.226mm。在条件式(1)中,Q=24.1。
透镜数据
各种数据
〔实施例10〕
本发明的实施例10的物镜光学***具有图24以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于平凸透镜的平面(第4面)。如图25所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.26mm的圆形外形;正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.24mm。在条件式(1)中,Q=27.1。
透镜数据
各种数据
〔实施例11〕
本发明的实施例11的物镜光学***具有图26以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第6面)。如图27所示,亮度光圈包括:开口部,其以光轴为中心,且具有半径φ=0.31mm的圆形外形;以及正方形的遮光部,其以光轴为中心,且一边I=0.325mm。在条件式(1)中,Q=35.0。
透镜数据
各种数据
〔实施例12〕
本发明的实施例12的物镜光学***具有图28以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的像侧面(第6面)。如图29所示,亮度光圈包括:四个开口部,其以光轴为中心呈正方形排列;以及遮光部,其是除了这些开口部以外的部分。开口部的半径开口部中心之间的距离的一半m=0.120mm。
透镜数据
各种数据
〔实施例13〕
本发明的实施例13的物镜光学***具有图30以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片与平凸透镜之间的接合面(第6面)。如图31所示,亮度光圈包括:四个开口部,其以光轴为中心呈正方形排列;以及遮光部,其是除了这些开口部以外的部分。开口部的半径=0.093mm,开口部中心之间的距离的一半m=0.140mm。
透镜数据
各种数据
〔实施例14〕
本发明的实施例14的物镜光学***具有图32以及下述透镜数据所示的透镜结构。在本实施例中,亮度光圈形成于盖玻片的物体侧面(第5面)。如图33所示,亮度光圈包括:四个开口部,其以光轴为中心呈正方形排列;以及遮光部,其是除了这些开口部之外的部分。开口部的半径开口部中心之间的距离的一半m=0.144mm。
透镜数据
各种数据
接下来,对上述本发明的实施例1~14的物镜光学***以及具备该物镜光学***的拍摄装置带来的对景深的放大效果进行说明。
关于各实施例的物镜光学***,如表1所示,根据假设使用的拍摄元件的分辨率计算出景深。即,将MTF相对于与拍摄元件的2.5个像素相当的空间频率为10%以上的、光轴方向的范围计算为景深。
表1
例如,在实施例1的情况下,与在排列方向上相邻的像素彼此的中心间隔的距离、即间距为1.5μ的拍摄元件组合使用。计算出该情况下的相当于2.5个像素的空间频率f为,
空间频率f=1/(2.5×1.5e-3)=266.7(根/mm)。接下来,计算出在物镜光学***的视场的光轴方向的各位置的、相当于空间频率为266.7(根/mm)的MTF,得到图34所示的MTF的图表。如图34所示,MTF根据与物镜光学***的顶端面相距的距离(物距)而变化,在与物镜光学***的调焦位置对应的物距处最大,随着物距靠近或远离调焦位置而减少。在这样的图表中,将MTF为10%以上的物***置的范围计算为景深。
另外,作为比较例,针对具有与本发明的各实施例的物镜光学***相同的透镜结构且仅将亮度光圈替换为以往的亮度光圈的物镜光学***的景深(单位:mm)以相同的方法进行计算。也就是说,在相对于实施例1~实施例14的比较例中,计算具备仅具有一个半径为φ或者的开口部的亮度光圈的、物镜光学***的景深。
本发明的实施例1~14的物镜光学***以及各比较例的物镜光学***的景深如表1所示。如此,与具备以往的亮度光圈的物镜光学***相比,本发明的实施例1~14的物镜光学***均具有较大的景深。
附图标记的说明
1 物镜光学***
2 拍摄元件
10 拍摄装置
Ll~L5 透镜
Fl、F2 平行平板
A 开口部
B 遮光部
C 周边部
O 光轴
S、S’ 亮度光圈
Claims (5)
1.一种拍摄装置,其具备:
物镜光学***,其具备亮度光圈,该亮度光圈具有开口部,该开口部配置于光轴的中途位置且使来自物体的入射光通过;以及
拍摄元件,其对上述物体的利用该物镜光学***成像的光学像进行拍摄;
该拍摄元件沿着彼此正交的两个轴向呈正方形排列有像素,
上述亮度光圈在与上述光轴重合的部分具有由相对于上述像素的呈正方形的排列成45°倾斜的边构成的四边形的遮光部。
2.根据权利要求1所述的拍摄装置,其中,
上述物镜光学***具备多个透镜,
所有的上述透镜均具有相对于上述光轴旋转对称的形状。
3.根据权利要求1所述的拍摄装置,其中,
上述亮度光圈满足下述条件式(1),
(1) 4<Q<50
其中,
Q:(上述遮光部的面积/上述开口部的面积)×100。
4.根据权利要求1所述的拍摄装置,其中,
通过将金属以膜状形成于玻璃的表面而得到上述遮光部。
5.一种内窥镜,其具备权利要求1所述的拍摄装置。
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