JP2008015014A - 光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で撮影画角の広い映像を撮像できる小型で収差が良好に補正されて解像力の良い光学系。
【解決手段】中心軸１の周りで回転対称な凹面状の物体面４を中心軸に直交する平面の像面５に結像させる結像系であって、中心軸１の周りで回転対称で、物体面４に沿った第１透過面３１と中心軸１の周りで回転対称な第２透過面３２とを有する屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子３を備え、物体面４からの光束は、屈折素子３を経て像面５に結像する光学系において、第２透過面３２は、像面５側に凹面を向けており、中心軸１から外れた位置で、中心軸１を含む断面内で負のパワーを有する光学系。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学系に関し、特に画角の大きい部分の物体の像を平面の輪帯状の像面に結像させる対物光学系又は撮像光学系に関するものである。

従来、画角の広い周辺部を撮像する手段としては魚眼レンズ等の広角な光学系を用いていた。しかし、広画角の撮像を行うためには光学系の構成枚数が増えて、小型の光学機器、特に内視鏡やカプセル内視鏡に適用することはむずかしかった。

従来、特許文献１では、カプセル内視鏡の先端の半球状の透明カバーの内面を円錐面とすることで、観察範囲を広角にすることが提案されているが、その原理は明らかでない。また、特許文献２では、カプセル内視鏡の先端の透明カバー前面を円錐面とするものが提案されている。しかし、この透明カバーを利用して広画角化するものではない。
特開２００１−１７４７１３号公報 米国特許第５，６０４，５３１号明細書

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で撮影画角の広い映像を撮像できる小型で収差が良好に補正されて解像力の良い光学系を提供することである。

上記目的を達成する本発明の光学系は、中心軸の周りで回転対称な凹面状の物体面を中心軸に直交する平面の像面に結像させる結像系であって、中心軸の周りで回転対称で、前記物体面に沿った第１透過面と中心軸の周りで回転対称な第２透過面とを有する屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子を備え、物体面からの光束は、前記屈折素子を経て像面に結像する光学系において、
前記第２透過面は、像面側に凹面を向けており、中心軸から外れた位置で、中心軸を含む断面内で負のパワーを有することを特徴とするものである。

この場合に、中心軸と前記第２透過面が交差する近傍において、前記第２透過面の法線が中心軸と角度をなしていることが望ましい。

また、前記第２透過面が中心軸の周りで回転対称なトーリック面からなることが望ましい。

また、中心軸と前記第１透過面が交差する近傍において、前記第１透過面の法線が中心軸と角度をなしているものであってもよい。

また、前記第２透過面が中心軸の周りで回転対称な球面からなっていてもよい。

また、前記屈折素子より像面側に、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群を備え、物体面からの光束は、前記屈折素子と前記後群とを順に経て像面に結像するものであることが望ましい。

また、前記屈折素子と前記後群の間あるいは前記後群の中に中心軸に同軸に配置された開口を備えていることが望ましい。

また、像面に結像される物体像の中心軸近傍部分を用いないことが望ましい。

また、前記前記屈折素子で発生する非点収差を補正する非球面を、前記開口を挟んで反対側に配置してもよい。

本発明は、以上の光学系を有する内視鏡、以上の光学系を有し、前記屈折素子をドーム形状の透明カバーに用いたカプセル内視鏡を含むものである。

さらに、像面に配置された画像を物体面に投影する光学系として用いられる光学系も本発明に含まれる。

以上の本発明によると、簡単な構成で撮影画角の広い映像を撮像したり、投影することができる小型で収差が良好に補正されて解像力の良い光学系を得ることができる。

以下、本発明の光学系を実施例に基づいて説明する。

図１は、実施例１の光学系の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図である。なお、以下の説明は、カプセル内視鏡のドーム形状の透明カバー（屈折素子）３の半球状の外面（第１透過面）３１に密着する曲面物体面４の像を像面５に結像する結像光学系として説明するが、光路を逆にとって平面の像面５を透明カバー３の半球状の外面３１の曲面物体面４に投影する投影光学系として用いることもできる。

まず、本発明の光学系を図１の実施例１に基づいて説明する。図１の光学系では、例えばカプセル内視鏡のカプセルのドーム状の透明カバー（中心軸１の周りで回転対称で屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子）３の内側の面（第２透過面）３２を、本発明に従って、像面５側に凹面を向けており、中心軸１から外れた位置で、中心軸１を含む断面内で負のパワーを有する面で構成している。具体的には、内側の面（第２透過面）３２は、中心軸１を含む断面（図１の面）において、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧からなる曲線を配置し、この曲線を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる面で構成している。

そして、透明カバー３より像面５側に配置される結像光学系７は中心軸１の周りで回転対称な通常の光学系で構成する。結像光学系７の透明カバー３側あるいはその内部に開口絞り６が中心軸１と同軸に配置される。

このような構成であるので、メリジオナル断面（中心軸１を含む断面）では、透明カバー３の内側の第２透過面３２は負の屈折力（パワー）を持つため、その第２透過面３２で光束が屈曲され、通常のドーム形状では得られない広画角な映像を結像光学系７にリレーし、中心軸１に垂直な平面状の像面５に結像することが可能となる。サジタル断面（メリジオナル断面に直交しかつ主光線２を含む断面）における第２透過面３２は中心軸１と同心の面となるので屈折力を持たないため、第２透過面３２では屈曲されずに結像光学系７に入射し、中心軸１の周りの３６０°円周方向の光束を方位角を変えないで像面５に結像する。

さらに、中心軸１上の物点も像面５の中心軸から離れた位置に結像されるため観察することが可能である。像面５の画面中心は、第２透過面３２の中心の尖った部分３３から来る光束が結像することになるので、像面５に結像された画像を表示する際には、この部分の画像は表示しない方が好ましい。

さらに好ましくは、第２透過面３２は、中心軸１上の尖がり部３３（この尖がり部３３が生じるのは、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる面であるからである。）が型加工上問題となる場合には、図２（ａ）に示すように、内面の中心部分３４を滑らかな曲線で補完するようにしてもよい。この場合、像面５に結像された画像を表示する際に、中心部の表示しない領域を大きくすることが必要である。さらに、中心の表示しない領域を画像処理することにより、あたかも滑らかに連続した映像として表示するようにすることは容易なことである。

さらに好ましくは、第２透過面３２の周辺部の中心軸１に向けて径が狭まって部分は省いて、図２（ｂ）に示すように、最大径部分に円筒面３５を接続するようにすることにより、このような凹状の第２透過面３２を型加工する上で好ましいものとなる。

さらに好ましくは、メリジオナル断面における第１透過面３１（曲面物体面４）の曲率半径をＲ１、第２透過面３２の曲率半径をＲ２、第１透過面３１と第２透過面３２の間の最小肉厚をｄとするとき、
１．１＜Ｒ１／（Ｒ２＋ｄ） ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい。

上記条件式（１）の下限の１．１を越えると、ドーム状の屈折素子３による画角の広画角化効果が小さくなってしまう。

後記の実施例１〜４のＲ１、Ｒ２、ｄ、Ｒ１／（Ｒ２＋ｄ）の値は次のようになる。

実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
Ｒ１ 5.50 5.50 20.00 5.50
Ｒ２ 2.60 2.60 2.50 2.60
ｄ 1.00 1.00 1.50 1.00
Ｒ１／（Ｒ２＋ｄ） 1.53 1.53 5.00 1.53 。

ところで、第２透過面３２は、メリジオナル断面のパワーが負でサジタル断面のパワーが０となるので、非点収差が発生する。この面で発生する非点収差を補正するような非球面を絞り６を挟んで像面５側に配置し、その非点収差を補正するようにすることが好ましい。さらに好ましく、この非球面は像面５近傍に配置することにより、非点収差の補正能力は向上する。

さらに好ましくは、非点収差を補正する面は、サジタル面とメリジオナル面でパワーが異なる回転対称自由曲面で構成し、像面付近に配置することが好ましい。なお、回転対称自由曲面については後記する。

ところで、以上の説明から明らかなように、ドーム状の屈折素子３を内視鏡の先端部分に取り付けることにより、広画角にすることが可能となる。

さらに、実施例１のように、屈折素子３の第１透過面３１に丸みを持たせることが可能となり、内視鏡挿入がよりスムーズに行うことが可能となる。

また、本発明の図１のような光学系をカプセル内視鏡に用い、ドーム状の屈折素子３を透明カバーに用いることにより、小型なカプセルでありながら、観察画角の広いカプセル内視鏡を実現できる。

ところで、中心軸１近傍の像は二重像になるので、像面５に結像された画像を表示する際には、中心軸１近傍の画像は表示しない方が好ましい。

また、本発明の上記のような光学系による凹面状の物体面４の像は、像面５に輪帯状に結像されており、像面５に結像された映像を表示する際に中心軸１近傍の映像は表示しないことで、見やすい映像となる。

さらに好ましく、凹面状の物体面４の中心軸１近傍の映像は、像面５に結像される輪帯状の映像の内周の円付近に結像される（物体面４の外周の映像は輪帯状の映像の外周に結像される。）。この内周の映像を画像処理により中心の点の映像として歪ませて表示するようにすることが好ましい。

以下に、本発明の光学系の実施例１〜４をより詳しく説明する。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４から透明カバー３と結像光学系７を経て像面５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、例えば図１に示すように、絞り面６中心を原点として、回転対称軸（中心軸）１の像面５へ向かう方向をＺ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１の面の紙面の表から裏に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸正方向とする。

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、絞り面中心からの偏心量で表わす。

なお、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＋・・・・＋Ｃ_n+1 Ｙⁿ ＋・・・・
・・・（ｂ）
次いで、この曲線（ｂ）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Ｚ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の光学系の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図を図１に示す。

この実施例の光学系は、中心軸１の周りで回転対称な屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子（透明カバー）３と、中心軸１の周りで回転対称な結像光学系７と、屈折素子３と結像光学系７の間に中心軸１に同軸に配置された絞り６とからなっており、屈折素子３の第１透過面３１は中心軸１上に中心を有する凸の球面、第２透過面３２は、中心軸１を含む断面において、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧からなる曲線を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる凹状のトーリック面（拡張回転自由曲面）からなり、中心軸１と第２透過面３２が交差する近傍において、第２透過面３２の法線が中心軸１と角度をなすような形状になっていて、像面５方向への尖がり部３３を有している。そして、この光学系の物体面４は、半球状の第１透過面３１に一致している。

結像光学系７は、平凸正レンズＬ１と、凸平正レンズＬ２とからなり、絞り６は平凸正レンズＬ１の直前に配置されている。そして、この光学系の像面５は平行平板８の裏面に一致している。

このような構成であるので、中心画角（中心軸１から測った画角）４５°で範囲−９°〜８５°の画角の広い物体面４の画像が、中心軸１の周りで回転対称な屈折素子３と絞り６と結像光学系７を経て、中心軸１に垂直な平面状の像面５に結像される。

この実施例１の仕様は、
画角（半画角） ９４°
画角範囲 −９°〜８５°（中心画角４５°）
入射瞳径 ０．２７ｍｍ
像の大きさ φ０．１４〜φ１．６９ｍｍ
である。

図３に、この実施例の光学系の横収差を示す。この横収差図において、中央に示された角度は、中心軸１から測った画角を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。以下、同じ。

実施例２の光学系の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図を図４に示す。

この実施例の光学系は、結像光学系７を３群で構成し、絞り６を結像光学系７内に配置した例であり、中心軸１の周りで回転対称な屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子（透明カバー）３と、中心軸１の周りで回転対称な結像光学系７と、結像光学系７中に中心軸１に同軸に配置された絞り６とからなっており、屈折素子３の第１透過面３１は中心軸１上に中心を有する凸の球面、第２透過面３２は、中心軸１を含む断面において、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧からなる曲線を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる凹状のトーリック面（拡張回転自由曲面）からなり、中心軸１と第２透過面３２が交差する近傍において、第２透過面３２の法線が中心軸１と角度をなすような形状になっていて、像面５方向への尖がり部３３を有している。そして、この光学系の物体面４は、半球状の第１透過面３１に一致している。

結像光学系７は、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズＬ１と、平凸正レンズＬ２と、凸平正レンズＬ３とからなり、絞り６はメニスカスレンズＬ１と平凸正レンズＬ２の間に配置されている。そして、この光学系の像面５は平行平板８の裏面に一致している。

このような構成であるので、中心画角（中心軸１から測った画角）４５°で範囲−５°〜８５°の画角の広い物体面４の画像が、中心軸１の周りで回転対称な屈折素子３と絞り６と結像光学系７を経て、中心軸１に垂直な平面状の像面５に結像される。

この実施例２の仕様は、
画角（半画角） ９０°
画角範囲 −５°〜８５°（中心画角４５°）
入射瞳径 ０．２１ｍｍ
像の大きさ φ０．１０〜φ１．５４ｍｍ
である。

図５に、この実施例の光学系の横収差を示す。

実施例３の光学系の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図を図６に示す。

この実施例の光学系は、屈折素子（透明カバー）３の第１透過面３１を、中心軸１を含む断面において、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧からなる曲線を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる尖がり形状の拡張回転自由曲面から形成し、第２透過面３２を中心軸１上に中心を有する凹の球面で構成した例であり、中心軸１の周りで回転対称な屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子（透明カバー）３と、中心軸１の周りで回転対称な結像光学系７と、屈折素子３と結像光学系７の間に中心軸１に同軸に配置された絞り６とからなっており、屈折素子３の第１透過面３１は、中心軸１を含む断面において、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧からなる曲線を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる尖がり形状の拡張回転自由曲面からなり、第２透過面３２は、中心軸１上に中心を有する凹の球面からなり、第１透過面３１は、中心軸１と第１透過面３１が交差する近傍において、第１透過面３１の法線が中心軸１と角度をなすような形状になっていて、像面５と反対側に尖がり部３６を有している。そして、この光学系の物体面４は、尖がり形状の第１透過面３１に一致している。

結像光学系７は、平凸正レンズＬ１と、凸平正レンズＬ２とからなり、絞り６は平凸正レンズＬ１の直前に配置されている。そして、この光学系の像面５は平行平板８の裏面に一致している。

このような構成であるので、中心画角（中心軸１から測った画角）４５°で範囲０°〜８９．５°の画角の広い物体面４の画像が、中心軸１の周りで回転対称な屈折素子３と絞り６と結像光学系７を経て、中心軸１に垂直な平面状の像面５に結像される。

なお、この実施例において、第１透過面３１の中心軸１上の尖がり部３６（この尖がり部３６が生じるのは、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる面であるからである。）を、図７に示すような滑らかな曲線（曲面）３７で補完するようにしてもよい。

この実施例３の仕様は、
画角（半画角） ９０°
画角範囲 ０°〜８９．５°（中心画角４５°）
入射瞳径 ０．２１ｍｍ
像の大きさ φ０．００〜φ１．４８ｍｍ
である。

図８に、この実施例の光学系の横収差を示す。

実施例４の光学系の中心軸（回転対称軸）１に沿ってとった断面図を図９に示す。

この実施例の光学系は、実施例１と同様の構成において、特に屈折素子３で発生した非点収差等を補正するために、結像光学系７の最終面に中心軸１の周りで回転対称な拡張回転自由曲面を導入した例であり、中心軸１の周りで回転対称な屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子（透明カバー）３と、中心軸１の周りで回転対称な結像光学系７と、屈折素子３と結像光学系７の間に中心軸１に同軸に配置された絞り６とからなっており、屈折素子３の第１透過面３１は中心軸１上に中心を有する凸の球面、第２透過面３２は、中心軸１を含む断面において、中心軸１から離れた位置に中心を持つ円弧からなる曲線を中心軸１を回転対称軸として回転させて得られる凹状のトーリック面（拡張回転自由曲面）からなり、中心軸１と第２透過面３２が交差する近傍において、第２透過面３２の法線が中心軸１と角度をなすような形状になっていて、像面５方向への尖がり部３３を有している。そして、この光学系の物体面４は、半球状の第１透過面３１に一致している。

結像光学系７は、平凸正レンズＬ１と、凸平正レンズＬ２とからなり、凸平正レンズＬ２の像面５側の面９は拡張回転自由曲面からなる。絞り６は平凸正レンズＬ１の直前に配置されている。そして、この光学系の像面５は平行平板８の裏面に一致している。

このような構成であるので、中心画角（中心軸１から測った画角）４５°で範囲−９°〜８５°の画角の広い物体面４の画像が、中心軸１の周りで回転対称な屈折素子３と絞り６と結像光学系７を経て、中心軸１に垂直な平面状の像面５に結像される。

この実施例４の仕様は、
画角（半画角） ９４°
画角範囲 −９°〜８５°（中心画角４５°）
入射瞳径 ０．２７ｍｍ
像の大きさ φ０．１７〜φ１．６７ｍｍ
である。

図１０に、この実施例の光学系の横収差を示す。

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 5.50 偏心(1)
1 5.50 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.03
4 ∞ 0.90 1.7880 47.3
5 -1.00 0.10
6 1.70 0.62 1.7880 47.3
7 ∞ 0.33
8 ∞ 0.40 1.5163 64.1
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 2.60
θ 45.00
Ｒ -3.18
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.18
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

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 5.50 偏心(1)
1 5.50 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2)
3 1.80 0.50 偏心(3) 1.6259 35.7
4 0.40 0.40
5 ∞（絞り） 0.03
6 ∞ 0.90 1.7880 47.3
7 -1.00 0.10
8 1.70 0.70 1.7880 47.3
9 ∞ 0.50
10 ∞ 0.40 1.5163 64.1
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 3.00
θ 45.00
Ｒ -3.18
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.18
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.90
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

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 ＥＲＦＳ[1] 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(1) 1.5163 64.1
2 2.50 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.03
4 ∞ 0.90 1.7880 47.3
5 -1.00 0.10
6 1.70 0.62 1.7880 47.3
7 ∞ 0.23
8 ∞ 0.40 1.5163 64.1
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 20.00
θ 45.00
Ｒ -3.89
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.89
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

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 5.50 偏心(1)
1 5.50 偏心(1) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.00
4 ∞ 0.90 1.7880 47.3
5 -1.00 0.10
6 1.70 1.7880 47.3
7 ＥＲＦＳ[2] 偏心(3)
8 ∞ 0.40 偏心(4) 1.5163 64.1
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 2.60
θ 45.00
Ｒ -3.18
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -6.48
θ -5.06
Ｒ 0.54
Ｃ4 -2.2094 ×10^-1
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -3.18
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.62
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.85
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

また、以上の実施例１、２、４では、屈折素子３の第２透過面３２に円弧からなる曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる面を用いていたが、高次項を有する円弧状の曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面を用いてもよく、さらには任意の曲面に置き換えることも容易である。

また、本発明の屈折素子３はそのまま用いることにより、３６０°全方位の画角を有する画像を撮影したり投影できるが、その屈折素子３を中心軸１を含む断面で切断して２分の１、３分の１、３分の２等にすることにより、中心軸１の周りの画角が１８０°、１２０°、２４０°等の画像を撮影したり投影するようにしてもよい。

なお、以上の数値実施例の数値を係数倍することによって任意の像高を得る光学系とすることは可能である。また、屈折素子３の半球状の曲面物体面４の半径を任意に変えた場合は、像面５を中心軸１方向にずらしてフォーカスすることも、結像光学系７の一部又は全部を移動してフォーカスすることも可能である。

以下に、本発明の光学系の適用例として、広画角撮影光学系４１の使用例を説明する。図１１は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明による広画角撮影光学系４１を用いた例を示すための図であり、図１１（ａ）は、硬性内視鏡５１の先端４１に本発明による広画角撮影光学系４１を取り付けて３６０°全方位の広画角画像を撮像観察する例である。図１１（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。また、図１１（ｃ）は、軟性電子内視鏡５２の先端に本発明による広画角撮影光学系４１を同様に取り付けて、表示装置５３に撮影された画像を画像処理を施して歪みを補正して表示するようにした例である。

図１２は、カプセル内視鏡５４の撮影光学系として本発明による広画角撮影光学系４１を用いた例を示すための図であり、カプセル内視鏡５４の先端の半球状の透明カバー（屈折素子）３に密接する腸壁等の３６０°全方位の広画角画像をこの広画角撮影光学系４１で撮像観察するものである。

本発明の実施例１の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例１の透明カバーの半球状の内面（第２透過面）の変形例を示す断面図である。 実施例１の光学系の横収差図である。 本発明の実施例２の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例２の光学系の横収差図である。 本発明の実施例３の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例３の透明カバーの外面（第１透過面）の変形例を示す断面図である。 実施例３の光学系の横収差図である。 本発明の実施例４の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。 実施例４の光学系の横収差図である。 内視鏡先端の撮影光学系として本発明による広画角撮影光学系を用いた例を示すための図である。 カプセル内視鏡の撮影光学系として本発明による広画角撮影光学系を用いた例を示すための図である。

符号の説明

１…中心軸（回転対称軸）
２…主光線
３…透明カバー（屈折素子）
４…曲面物体面
５…像面
６…開口絞り
７…結像光学系
８…平行平板
９…結像光学系の最も像面側の面
３１…外面（第１透過面）
３２…内側の面（第２透過面）
３３…尖がり部
３４…内面の中心部分
３５…円筒面
３６…尖がり部
３７…滑らかな曲線（曲面）
４１…広画角撮影光学系（硬性内視鏡の先端）
５１…硬性内視鏡
５２…軟性電子内視鏡
５３…表示装置
５４…カプセル内視鏡
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…レンズ

Claims (12)

1. 中心軸の周りで回転対称な凹面状の物体面を中心軸に直交する平面の像面に結像させる結像系であって、中心軸の周りで回転対称で、前記物体面に沿った第１透過面と中心軸の周りで回転対称な第２透過面とを有する屈折率が１より大きな透明媒体からなる屈折素子を備え、物体面からの光束は、前記屈折素子を経て像面に結像する光学系において、
   前記第２透過面は、像面側に凹面を向けており、中心軸から外れた位置で、中心軸を含む断面内で負のパワーを有することを特徴とする光学系。
2. 中心軸と前記第２透過面が交差する近傍において、前記第２透過面の法線が中心軸と角度をなしていることを特徴とする請求項１記載の光学系。
3. 前記第２透過面が中心軸の周りで回転対称なトーリック面からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光学系。
4. 中心軸と前記第１透過面が交差する近傍において、前記第１透過面の法線が中心軸と角度をなしていることを特徴とする請求項１記載の光学系。
5. 前記第２透過面が中心軸の周りで回転対称な球面からなることを特徴とする請求項１又は４記載の光学系。
6. 前記屈折素子より像面側に、中心軸の周りで回転対称で正パワーを有する後群を備え、物体面からの光束は、前記屈折素子と前記後群とを順に経て像面に結像することを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の光学系。
7. 前記屈折素子と前記後群の間あるいは前記後群の中に中心軸に同軸に配置された開口を備えていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の光学系。
8. 像面に結像される物体像の中心軸近傍部分を用いないことを特徴をする請求項１から７の何れか１項記載の光学系。
9. 前記前記屈折素子で発生する非点収差を補正する非球面を、前記開口を挟んで反対側に配置することを特徴とする請求項７又は８記載の光学系。
10. 請求項１から９の何れか１項記載の光学系を有することを特徴とする内視鏡。
11. 請求項１から９の何れか１項記載の光学系を有し、前記屈折素子をドーム形状の透明カバーに用いたことを特徴とするカプセル内視鏡。
12. 像面に配置された画像を物体面に投影する光学系として用いられることを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の光学系。

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