光学系及びそれを用いた内視鏡
【課題】 簡単な構成で広い観察画角を撮像素子上に撮像することが可能であり、小型で安価な光学系及びそれを用いた内視鏡を提供する。
【解決手段】 第１反射面２２と第２反射面２３のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されており、透明媒体Ｌに入射する光束は、順光線追跡の順に、開口Ｓを通り、第１透過面２１を経て透明媒体Ｌ内に入り、第１反射面２２で像面５と反対側に反射され、第２反射面２３で像面５側に反射され、第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路Ａを構成し、第１光路Ａの少なくとも第１反射面２２と第２反射面２３の間は、中心軸２に対して片側のみで構成され、第１光路Ａ中に中間像が結像されることなく、像面５に円環状に結像されることを特徴とする。
【解決手段】 第１反射面２２と第２反射面２３のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されており、透明媒体Ｌに入射する光束は、順光線追跡の順に、開口Ｓを通り、第１透過面２１を経て透明媒体Ｌ内に入り、第１反射面２２で像面５と反対側に反射され、第２反射面２３で像面５側に反射され、第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路Ａを構成し、第１光路Ａの少なくとも第１反射面２２と第２反射面２３の間は、中心軸２に対して片側のみで構成され、第１光路Ａ中に中間像が結像されることなく、像面５に円環状に結像されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系及びそれを用いた内視鏡に関し、特に、中心軸周りの映像を撮像素子に円環状の映像として結像する機能を有する結像光学系又は投影光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２面の球面又は放物面鏡を組み合わせた光学系があった。
【特許文献１】特許第３３８２６８３号公報
【特許文献２】特許第３２１２７８４号公報
【特許文献３】特公昭６２−５２８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、どの特許文献に記載された光学系も、小型な構成で、且つ、高画角の映像を得ることはできなかった。
【０００４】
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、簡単な構成で広い観察画角を撮像素子上に撮像することが可能であり、小型で安価な光学系及びそれを用いた内視鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明の光学系は、中心軸を含む断面内で、前記中心軸の周りで回転対称な光学系において、前記光学系は、前記中心軸上の物体側に配置された開口と、前記開口の像面側に配置され、屈折率が１より大きい透明媒体とを有し、前記透明媒体は、前記開口近傍の前記中心軸上に配置された第１透過面と、前記第１透過面より像面側に配置され、像面側に凹面を向けた第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置され、像面側に凹面を向けた第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、中心軸上で不連続な曲面で構成されており、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、前記開口を通り、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で像面と反対側に反射され、前記第２反射面で像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路を構成し、前記第１光路の少なくとも前記第１反射面と前記第２反射面の間は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、前記第１光路中に中間像が結像されることなく、像面に円環状に結像されることを特徴とする。
【０００６】
前記反射面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記第１反射面は、全反射作用と、反射コーティングにより反射するように構成され、前記反射コーティングは前記第１反射面の中心軸近傍のみに施されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記第１透過面と前記第２反射面は、前記透明媒体の物体側に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１反射面と前記第２透過面は、前記透明媒体の像面側に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１反射面と前記第２透過面は、同一位置同一形状からなることを特徴とする。
【００１２】
また、前記透明媒体の物体側及び／又は像面側に屈折体を配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、最大像高をＩmax、前記透明媒体の外径をＤとするとき、
０．５＜Ｄ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１４】
また、最大像高をＩmax、前記開口から前記像面までの距離をＬとするとき、
０．５＜Ｌ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１５】
また、第１反射面の曲率をＲ１、第２反射面の曲率をＲ２とするとき、
０．２＜Ｒ１／Ｒ２＜５ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１６】
さらに、上記目的を達成する本発明は、前記光学系を用いた内視鏡であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上の本発明の光学系においては、簡単な構成で異なる方向を観察又は異なる方向に映像を投影することが可能な小型で収差が良好に補正された解像力の良い光学系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。
【００１９】
図３は、後述する実施例１の光学系１の中心軸（中心軸）２に沿ってとった断面図である。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、光路を逆にとって投影光学系として用いることもできる。
【００２０】
本発明に係る光学系１は、中心軸２に対して回転対称で、開口Ｓと、透明媒体Ｌとからなり、中間像を光路中に形成することなく像を形成又は投影する光学系１である。像面５近傍の平行平板は撮像素子のカバーガラスＣ等である。
【００２１】
実施例１の光学系１は、中心軸２を含む断面内で、中心軸２の周りで回転対称に構成され、中心軸２上の物体側に配置された開口Ｓと、開口Ｓの像面側に配置され、屈折率が１より大きい透明媒体Ｌとを有し、透明媒体Ｌは、開口Ｓ近傍の中心軸２上に配置された第１透過面としての後１群第１透過面２１と、後１群第１透過面２１より像面側に配置され、像面側に凹面を向けた第１反射面としての後１群第１反射面２２と、後１群第１反射面２２より像面と反対側に配置され、像面側に凹面を向けた第２反射面としての後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面側に配置された第２透過面としての後１群第２透過面２４と、を有し、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３のうち少なくとも１面は、中心軸２上で不連続な曲面で構成されており、透明媒体Ｌに入射する光束は、順光線追跡の順に、開口Ｓを通り、後１群第１透過面２１を経て透明媒体Ｌ内に入り、後１群第１反射面２２で像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路Ａを構成し、第１光路Ａの少なくとも後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３の間は、中心軸２に対して片側のみで構成され、第１光路Ａ中に中間像が結像されることなく、像面５に円環状に結像される。
【００２２】
なお、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されてもよい。
【００２３】
中心軸２上の物体側から光路順で、開口Ｓ及びその近傍に配置された後１群第１透過面２１、後１群第１反射面２２、後１群第２反射面２３、後１群第２透過面２４の順に配置され、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３は共に像側に凹面を向け配置されていることが重要である。
【００２４】
開口Ｓは物体側の後１群第１透過面２１近傍にあることが重要で、開口Ｓを本発明の透明媒体Ｌの像側に配置すると、非点収差が大きく発生しフラットな像を形成することが出来なくなる。また、射出主光線傾角が大きくなってしまい、テレセン性が悪くなる。さらに、後１群第１透過面２１と後１群第２反射面２３の有効径の干渉が起き、画角を大きく取ることが出来なくなってしまう。
【００２５】
次に、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３は像側に凹面を向けていることが重要である。この配置により物体側から光路順に負、正のパワー配置になり、所謂レトロフォーカス構成にすることが可能となり、広画角化が可能となる。また、この配置により光学系の主点を物体側に配置することが可能となり、Ｆバックを取ることが可能となる。
【００２６】
また、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３の間の光路は中心軸２を跨ぐことなく片側で構成されていることが重要である。中心軸２と光路とが交差することは、サジタル断面で中間像を結像することを意味し、光路長が長くなり、光学系の大型化を招いてしまう。
【００２７】
また、Ｚ字光路になっていることが重要である。Ｚ字光路をとることにより、各面での反射角を小さくすることが可能となり、偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。又、開口Ｓから入射する光束が比較的低い（中心軸２に近い）うちに後１群第１反射面２２に当てる事が可能となり、後１群第１反射面２２の強い負のパワーを持たせても、収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００２８】
次に、光路途中で結像することが無いように構成することが重要である。光路途中で結像させると、光束径を小さくすることが可能であるが、本発明のように光学系の全長を短く出来ることが特徴の光学系においては、中間像を形成すると光学系１の全長が長くなってしまい、光学系１を小型にすることが不可能になってしまう。
【００２９】
次に、中心軸２周りの物点を中心軸２と１回交差し反対側に結像するように構成することが重要である。物体からの光束は中心軸２上の開口Ｓを通過すると同時に中心軸２と１回交差して、物体とは反対側に入射する。そこで、各反射面で反射され結像されるが、物体と中心軸２を挟んで同一側に結像する構成をとると、結像されるまでにもう一度中心軸と交差する必要がある。サジタル断面では中心軸２上の開口を通過した光束が再び中心軸２と交差することは、開口Ｓの像を作ることを意味し、短い光学系全長のなかで、開口２の像を再結像すると射出瞳が像近傍に出来てしまい、テレセン性をよくすることが出来なくなってしまう。又、そのための余分なパワーを光路中に設ける必要が生じ、光学系の大型化を招くこととなってしまう。
【００３０】
次に、像面は円環状の平面の像面であることが重要である。又円環状の平面の像にすることにより、一つの平面の撮像素子又は表示素子により撮像又は投影することが可能となる。
【００３１】
さらに好ましくは、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形成される回転対称な拡張回転自由曲面で構成することが重要である。偏心光学系で光学系を構成すると、必ず偏心収差が発生する。この偏心収差の発生を少なくしたり、小さく補正することが可能となる。
【００３２】
さらに好ましくは、奇数次項を含む任意形状の線分であることが望ましい。この奇数次項により周辺光路Ａの画面周辺部分の歪の補正や像面の傾きを補正することが可能となる。
【００３３】
さらに、透過面の間に反射面を配置することにより、反射面を内部反射面で構成することにより、像面湾曲などの収差の発生を少なくすることが可能となる。また、後１群第１反射面２２に当る光線の傾きが空気中より小さくなるので、広画角にも良い結果をもたらす。
【００３４】
さらに、後１群第１反射面２２は画角の広い光線は全反射により反射するように構成し、画角中心付近の後１群第１反射面２２で全反射しない入射角の光線を反射させるように、後１群第１反射面２２の中心部に反射コーティング４ａすることが好ましい。これにより画角中心部の映像も撮像することが可能となる。さらに後１群第１反射面２２周辺部は全反射するために、この部分は反射コーティングを行わないことが望ましい。これにより中心部分の光線が光学系から射出するのを妨げることがなくなる。
【００３５】
さらに、後１群第１透過面２１と後１群第２反射面２３は透明媒体Ｌの物体側に近接して配置することが好ましい。これにより相互の面での光線の干渉が減り、広い画角を確保することが可能となる。
【００３６】
さらに、後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は透明媒体Ｌの像面５側に近接して配置することが好ましい。これにより透明媒体Ｌと像面５を短くすることが可能となり。光学系全長を短くすることが可能となる。
【００３７】
さらに、後１群第２反射面２３は周辺部に反射コーティング４ｂを行うことが望ましく、中心部分は後１群第１透過面２１又は開口Ｓを配置する関係から、反射コーティングしないことが望ましい。
【００３８】
さらに好ましくは、後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４を同一位置、同一形状で構成することが好ましい。この構成により、後１群第１反射面２２に部分的に全反射を使うことが可能となり光学系の画角を広く取れる。
【００３９】
また、透明媒体Ｌの物体側及び／又は像面側に屈折体Ｒｆ，Ｒｂを配置することにより、画角を大きくすることができる。
【００４０】
また、最大像高をＩmax、透明媒体の外径をＤとするとき、
０．５＜Ｄ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。
【００４１】
条件式（１）は、下限を超えるとテレセン性が悪くなり特にＣＣＤ等の撮像素子を利用して撮像する場合に周辺光量不足を起こす。上限を超えると光学系の外径が大きくなりすぎ光学系が大型になってしまう。
【００４２】
また、最大像高をＩmax、開口から像面までの距離をＬとするとき、
０．５＜Ｌ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（２）
なる条件を満足することが望ましい。
【００４３】
条件式（２）は、像高に対する光学系全長を規定するものであり、下限を超えるとやはりテレセン性が悪くなり周辺光量不足を起こす。上限を超えると全長が長くなりすぎ、小型の光学系を構成することはできない。
【００４４】
また、後１群第１反射面２２の曲率をＲ１、後１群第２反射面２３の曲率をＲ２とするとき、
０．２＜Ｒ１／Ｒ２＜５ ・・・（３）
なる条件を満足することが望ましい。
【００４５】
条件式（３）は、二つの反射面のパワーの比を規定しているものであり、下限を超えると、後１群第１反射面２２の曲率半径が小さくなり、後１群第２反射面２３の正のパワーに比べて、後１群第１反射面２２の負のパワーが大きくなり光学系の全長を短くすることが出来ない。上限を超えると、後１群第２反射面２３の曲率が小さくなり後１群第２反射面２３の正のパワーが大きくなりすぎ、物体側に凸の像面湾曲が大きく発生する。
【００４６】
なお、物体側の平行平面は、光学系保護用のものであり。無くてもよい。像側の平行平面は撮像素子保護用のものであり、無くてもよい。
【００４７】
以下に、本発明の光学系の実施例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。
【００４８】
座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように、絞り面が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、中心軸２に直交する方向をＹ軸方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１の像面５側の方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００４９】
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１の原点Ｏ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１の原点Ｏ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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、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、基準面からの偏心量で表わす。
【００５２】
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を軸とし、Ｙを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。
【００５３】
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。
【００５４】
まず、図２に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。
【００５５】
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（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（中心軸）となる。
【００５９】
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。
【００６０】
なお、Ｚ軸を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 ，Ｃ5 ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。
【００６１】
また、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、基準面からの偏心量で表わす。
【００６２】
実施例１の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図３に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図４、画角に対する像高を表す図を図５に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）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。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、同じ。
【００６３】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で共通に使用することなくすべて異なる面で構成した例である。
【００６４】
光学系１は、前群Ｇｆと、後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００６５】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい前群カバーガラスＣｆからなる。前群カバーガラスＣｆは、平行平板からなり、前群第１透過面１１と、前群第１透過面１１に対して像側に形成される前群第２透過面１２とを有する。
【００６６】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。
【００６７】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、後２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００６８】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群カバーガラスＣｆの前群第１透過面１１と前群第２透過面１２と、前群カバーガラスＣｆと透明媒体Ｌの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で反射コーティングにより像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００６９】
この実施例１の仕様は、
画角 10.00〜60.0°
入射瞳径 φ0.20mm
像の大きさ φ0.11〜φ2.18
である。
【００７０】
実施例２の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図６に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図７、画角に対する像高を表す図を図８に示す。
【００７１】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で一部共通に使用するように構成した例である。
【００７２】
光学系１は、中心軸２に同軸に配置された開口Ｓと、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００７３】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌの中心軸付近を反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は、同一位置同一形状からなる。
【００７４】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、第２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００７５】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、中心軸２に同軸に配置された開口Ｓを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で一部が反射コーティング４ａ、他部が全反射により像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００７６】
この実施例２の仕様は、
画角 20.00〜70.0°
入射瞳径 φ0.10mm
像の大きさ φ0.61〜φ2.00
である。
【００７７】
実施例３の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図９に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１０、画角に対する像高を表す図を図１１に示す。
【００７８】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で一部共通に使用するように構成した例である。
【００７９】
光学系１は、前群Ｇｆと、後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００８０】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい前群屈折体Ｒｆからなる。屈折体Ｒは、トーリック面からなる前群第１透過面１１と、第１透過面１１に対して像側に形成されるトーリック面からなる第２透過面１２とを有する。
【００８１】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌの中心軸付近を反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は、同一位置同一形状からなる。
【００８２】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、後２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００８３】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群屈折体Ｒｆの前群第１透過面１１と前群第２透過面１２と、前群屈折体Ｒｆと透明媒体Ｌの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で一部が反射コーティング４ａ、他部が全反射により像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００８４】
この実施例３の仕様は、
画角 0.00〜70.0°
入射瞳径 φ0.40mm
像の大きさ φ0.60〜φ1.99
である。
【００８５】
実施例４の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図１２に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１３、画角に対する像高を表す図を図１４に示す。
【００８６】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で一部共通に使用するように構成した例である。
【００８７】
光学系１は、前群Ｇｆと、後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００８８】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい前群屈折体Ｒｆからなる。屈折体Ｒは、トーリック面からなる前群第１透過面１１と、第１透過面１１に対して像側に形成されるトーリック面からなる第２透過面１２とを有する。
【００８９】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌの中心軸付近を反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は、同一位置同一形状からなる。
【００９０】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、後２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００９１】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群屈折体Ｒｆの前群第１透過面１１と前群第２透過面１２と、前群屈折体Ｒｆと透明媒体Ｌの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で一部が反射コーティング４ａ、他部が全反射により像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００９２】
この実施例４の仕様は、
画角 60.00〜120.0°
入射瞳径 φ0.07mm
像の大きさ φ0.78〜φ1.99
である。
【００９３】
また、最大像高をＩmax（mm）、最小像高をＩmin（mm）、最大画角をθmax（度）、最小画角をθmin（度）、焦点距離Ｆ＝（Ｉmax−Ｉmin）／（θmax−θmin)とし、光学系全体の外径をＤ（mm）、平行平面の保護ガラスを除いた光学系全長をＬ（mm）、第１反射面の曲率をＲ１、第２反射面の曲率をＲ２とするとき、
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
I max 1.09 1.00 1.00 1.00
θmax 60.00 70.00 30.00 70.00
I min 0.06 0.30 0.39 0.30
θmin 10.00 0.10 -30.00 20.00
Ｆ 0.021 0.010 0.010 0.014
Ｄ 6.400 3.000 2.700 5.00
Ｌ 4.650 4.250 3.500 2.30
Ｄ（２×Ｉmax） 2.932 1.502 1.354 2.500
Ｌ（２×Ｉmax） 2.130 2.128 1.755 1.150
Ｒ１ 3.16 2.16 1.17 2.24
Ｒ２ 3.88 2.26 1.58 2.77
Ｒ１／Ｒ２ 0.81 0.96 0.74 0.81
である。
【００９４】
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“ＡＳＳ”は非球面、“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＲＥ”は反射面を示す。なお、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。各面の偏心は像面からの偏心量で表わす。
【００９５】
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 ∞ 10.00
1 ∞ 0.50 1.5163 64.1
2 ∞ 0.10
3 ∞（絞り） 0.00
4 5.34 0.00 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
6 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
8 ∞ 4.16
9 ∞ 0.40 1.5163 64.1
10 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 3.16
θ -37.17
Ｒ 0.41
Ｃ4 -5.0544E-02
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 3.88
θ -65.60
Ｒ 2.86
Ｃ4 5.5888E-03 Ｃ5 5.8997E-04
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 1.87
θ -44.02
Ｒ 1.97
Ｃ4 1.1369E-01
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.23
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.34
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 2.45
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９６】
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 ∞ 10.00
1 ∞（絞り） 0.00
2 -7.33 0.00 1.8348 42.7
3 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
4 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1)
6 ∞ 2.87
7 ∞ 0.40 1.5163 64.1
8 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 2.24
θ -15.03
Ｒ 0.34
Ｃ4 -3.9400E-02 Ｃ5 1.0547E-01
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 2.77
θ -33.37
Ｒ 1.30
Ｃ4 9.6776E-03 Ｃ5 7.2508E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.05
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 1.30 Ｚ 0.20
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９７】
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 ∞ 10.00
1 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.00
4 3.59 0.00 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3) 1.8348 42.7
6 ＥＲＦＳ[4] 0.00 偏心(4) 1.8348 42.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
8 ∞ 2.12
9 ∞ 0.40 1.5163 64.1
10 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -0.76
θ 28.49
Ｒ -0.98
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -1.28
θ 23.48
Ｒ -0.50
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 2.16
θ -14.43
Ｒ 0.31
Ｃ4 -6.8178E-02 Ｃ5 1.4695E-01
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ 2.26
θ -33.01
Ｒ 1.06
Ｃ4 3.9712E-03 Ｃ5 9.6041E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -1.38
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.61
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.85
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.20
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９８】
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 ∞ ∞
1 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.00
4 2.51 0.00 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3) 1.8348 42.7
6 ＥＲＦＳ[4] 0.00 偏心(4) 1.8348 42.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
8 ∞ 2.28
9 ∞ 0.00 1.5163 64.1
10 ∞ 0.00
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 0.98
θ 29.80
Ｒ -0.65
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 0.40
θ 72.98
Ｒ -0.46
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 1.17
θ -24.14
Ｒ 0.30
Ｃ4 4.7714E-02
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ 1.58
θ -49.05
Ｒ 1.03
Ｃ4 1.6401E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.60
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.48
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.73
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.47
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９９】
以上の実施例では、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、拡張回転自由曲面で設計されている例であるが、拡張回転自由曲面が回転対称面と直交し、高次項を使用していない場合、球面と等価な構成となる。
【０１００】
また、前群Ｇｆの反射面、屈折面をそれぞれ任意形状の線分を中心軸２の周りで回転することにより形成され中心軸２上に面頂を有さない拡張回転自由曲面で設計しているが、それぞれ任意の曲面に置き換えてもよい。
【０１０１】
また、本発明の光学系は、回転対称面を形成する任意形状の線分を定義する式に奇数次項を含むものを用いることにより、偏心により発生する像面５の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。
【０１０２】
また、本発明の前群Ｇｆを構成する中心軸２の周りで回転対称な透明媒体Ｌ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、その透明媒体を中心軸２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２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。
【０１０３】
また、本発明の光学系は、中心軸（中心軸）２を垂直方向に向けて天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角の画像を得る撮像あるいは観察光学系としてもよい。さらに、本発明は、撮影光学系、観察光学系に限定されず、光路を逆にとって天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡は管内観察装置の全周観察光学系として用いることもできる。
【０１０４】
図１５は、本実施例の画像と撮像素子の配置例を示す。図１５（ａ）は、画面比が１６：９の撮像素子を使用した例である。上下方向の画像は使用しない場合、光路Ａの画像Ａ１の左右の位置に撮像素子５０の大きさを合致させると好ましい。図１５（ｂ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、図１５（ａ）と同様に上下方向の映像は使用しない場合を示す。図１５（ｃ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、光路Ａでの画像Ａ１に撮像素子５０の大きさを合致させた例である。このように、配置をすると、光路Ａの画像Ａ１をすべて撮像することができる。
【０１０５】
以下に、本発明の光学系１の適用例として、撮影光学系１０１又は投影光学系１０２の使用例を説明する。図１６は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を用いた例を示すための図であり、図１６（ａ）は、硬性内視鏡１１０の先端１０１に本発明による撮影光学系を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。図１６（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系１０１の前群Ｇｆの入射面１１の周囲には円周方向に伸びる開口１０６を有するケーシング等からなるフレア絞り１０７が配置され、フレア光が入射するのを防止している。また、図１６（ｃ）は、軟性電子内視鏡１１３の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系１０１を同様に取り付けて、表示装置１１４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。
【０１０６】
図１７は、カプセル内視鏡１２０に本発明による撮影光学系１０１を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。本発明による撮影光学系１０１の光路Ａにおける前群Ｇｆの第１透過面１１の周囲には円周方向に伸びる開口１０６を有するケーシング等に、フレア絞り１０７が形成され、フレア光が入射するのを防止している。
【０１０７】
図１６及び図１７に示すように、内視鏡に撮影光学系１０１を用いることにより、撮影光学系１０１の周囲の画像を撮像観察することができ、従来と異なる角度から様々な部位を撮像観察することができる。
【０１０８】
図１８（ａ）は、自動車１３０の前方に撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を取り付けて、車内の表示装置に各撮影光学系１０１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図であり、図１８（ｂ）は、自動車１３０の各コーナやヘッド部のポールの頂部に撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を複数取り付けて、車内の表示装置に各撮影光学系１０１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図である。この場合、図１８（ａ）に示したように、光路Ａの画像Ａ１の左右の位置に撮像素子５０の大きさを合致させると、左右の画像が広く撮像でき、好ましい。
【０１０９】
また、図１９は、投影装置１４０の投影光学系として本発明による投影光学系１０２を用い、その像面５に配置した表示素子にパノラマ画像を表示し、投影光学系１０２を通して３６０°全方位に配置したスクリーン１４１に３６０°全方位画像を投影表示する例である。
【０１１０】
さらに、図２０は、建物１５０の外部に本発明による撮影光学系１０１を用いた撮影装置１５１を取り付け、屋内に本発明による撮影光学系１０１を用いた投影装置１５１を配置し、撮影装置１５１で撮像された映像を電線１５２を介して投影装置１４０に送るように接続している。このような配置において、屋外の３６０°全方位の被写体Ｐを、撮影光学系１０１を経て撮影装置１５１で撮影し、その映像信号を電線１５２を介して投影装置１４０に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、投影光学系１０２を通して屋内の壁面等に被写体Ｐの映像Ｐ'を投影表示するようにしている例である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の光学系の座標系を説明するための図である。
【図２】拡張回転自由曲面の原理を示す図である。
【図３】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。
【図４】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図５】実施例１の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図６】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。
【図７】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図８】実施例２の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図９】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。
【図１０】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１１】実施例３の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図１２】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。
【図１３】実施例４の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１４】実施例４の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図１５】本発明の光学系の画像と撮像素子の配置例を示す図である。
【図１６】本発明の光学系を内視鏡先端の撮影光学系として用いた例を示す図である。
【図１７】本発明の光学系をカプセル内視鏡の撮影光学系として用いた例を示す図である。
【図１８】本発明の光学系を自動車の撮影光学系として用いた例を示す図である。
【図１９】本発明の光学系を投影装置の投影光学系として用いた例を示す図である。
【図２０】本発明の光学系を屋外の被写体を撮影する撮影光学系として用いた例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１…光学系
２…中心軸
５…像面
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系及びそれを用いた内視鏡に関し、特に、中心軸周りの映像を撮像素子に円環状の映像として結像する機能を有する結像光学系又は投影光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２面の球面又は放物面鏡を組み合わせた光学系があった。
【特許文献１】特許第３３８２６８３号公報
【特許文献２】特許第３２１２７８４号公報
【特許文献３】特公昭６２−５２８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、どの特許文献に記載された光学系も、小型な構成で、且つ、高画角の映像を得ることはできなかった。
【０００４】
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、簡単な構成で広い観察画角を撮像素子上に撮像することが可能であり、小型で安価な光学系及びそれを用いた内視鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明の光学系は、中心軸を含む断面内で、前記中心軸の周りで回転対称な光学系において、前記光学系は、前記中心軸上の物体側に配置された開口と、前記開口の像面側に配置され、屈折率が１より大きい透明媒体とを有し、前記透明媒体は、前記開口近傍の前記中心軸上に配置された第１透過面と、前記第１透過面より像面側に配置され、像面側に凹面を向けた第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置され、像面側に凹面を向けた第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、中心軸上で不連続な曲面で構成されており、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、前記開口を通り、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で像面と反対側に反射され、前記第２反射面で像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路を構成し、前記第１光路の少なくとも前記第１反射面と前記第２反射面の間は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、前記第１光路中に中間像が結像されることなく、像面に円環状に結像されることを特徴とする。
【０００６】
前記反射面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記第１反射面は、全反射作用と、反射コーティングにより反射するように構成され、前記反射コーティングは前記第１反射面の中心軸近傍のみに施されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記第１透過面と前記第２反射面は、前記透明媒体の物体側に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１反射面と前記第２透過面は、前記透明媒体の像面側に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１反射面と前記第２透過面は、同一位置同一形状からなることを特徴とする。
【００１２】
また、前記透明媒体の物体側及び／又は像面側に屈折体を配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、最大像高をＩmax、前記透明媒体の外径をＤとするとき、
０．５＜Ｄ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１４】
また、最大像高をＩmax、前記開口から前記像面までの距離をＬとするとき、
０．５＜Ｌ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１５】
また、第１反射面の曲率をＲ１、第２反射面の曲率をＲ２とするとき、
０．２＜Ｒ１／Ｒ２＜５ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１６】
さらに、上記目的を達成する本発明は、前記光学系を用いた内視鏡であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上の本発明の光学系においては、簡単な構成で異なる方向を観察又は異なる方向に映像を投影することが可能な小型で収差が良好に補正された解像力の良い光学系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。
【００１９】
図３は、後述する実施例１の光学系１の中心軸（中心軸）２に沿ってとった断面図である。なお、以下の説明は、結像光学系として説明するが、光路を逆にとって投影光学系として用いることもできる。
【００２０】
本発明に係る光学系１は、中心軸２に対して回転対称で、開口Ｓと、透明媒体Ｌとからなり、中間像を光路中に形成することなく像を形成又は投影する光学系１である。像面５近傍の平行平板は撮像素子のカバーガラスＣ等である。
【００２１】
実施例１の光学系１は、中心軸２を含む断面内で、中心軸２の周りで回転対称に構成され、中心軸２上の物体側に配置された開口Ｓと、開口Ｓの像面側に配置され、屈折率が１より大きい透明媒体Ｌとを有し、透明媒体Ｌは、開口Ｓ近傍の中心軸２上に配置された第１透過面としての後１群第１透過面２１と、後１群第１透過面２１より像面側に配置され、像面側に凹面を向けた第１反射面としての後１群第１反射面２２と、後１群第１反射面２２より像面と反対側に配置され、像面側に凹面を向けた第２反射面としての後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面側に配置された第２透過面としての後１群第２透過面２４と、を有し、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３のうち少なくとも１面は、中心軸２上で不連続な曲面で構成されており、透明媒体Ｌに入射する光束は、順光線追跡の順に、開口Ｓを通り、後１群第１透過面２１を経て透明媒体Ｌ内に入り、後１群第１反射面２２で像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路Ａを構成し、第１光路Ａの少なくとも後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３の間は、中心軸２に対して片側のみで構成され、第１光路Ａ中に中間像が結像されることなく、像面５に円環状に結像される。
【００２２】
なお、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されてもよい。
【００２３】
中心軸２上の物体側から光路順で、開口Ｓ及びその近傍に配置された後１群第１透過面２１、後１群第１反射面２２、後１群第２反射面２３、後１群第２透過面２４の順に配置され、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３は共に像側に凹面を向け配置されていることが重要である。
【００２４】
開口Ｓは物体側の後１群第１透過面２１近傍にあることが重要で、開口Ｓを本発明の透明媒体Ｌの像側に配置すると、非点収差が大きく発生しフラットな像を形成することが出来なくなる。また、射出主光線傾角が大きくなってしまい、テレセン性が悪くなる。さらに、後１群第１透過面２１と後１群第２反射面２３の有効径の干渉が起き、画角を大きく取ることが出来なくなってしまう。
【００２５】
次に、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３は像側に凹面を向けていることが重要である。この配置により物体側から光路順に負、正のパワー配置になり、所謂レトロフォーカス構成にすることが可能となり、広画角化が可能となる。また、この配置により光学系の主点を物体側に配置することが可能となり、Ｆバックを取ることが可能となる。
【００２６】
また、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３の間の光路は中心軸２を跨ぐことなく片側で構成されていることが重要である。中心軸２と光路とが交差することは、サジタル断面で中間像を結像することを意味し、光路長が長くなり、光学系の大型化を招いてしまう。
【００２７】
また、Ｚ字光路になっていることが重要である。Ｚ字光路をとることにより、各面での反射角を小さくすることが可能となり、偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。又、開口Ｓから入射する光束が比較的低い（中心軸２に近い）うちに後１群第１反射面２２に当てる事が可能となり、後１群第１反射面２２の強い負のパワーを持たせても、収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００２８】
次に、光路途中で結像することが無いように構成することが重要である。光路途中で結像させると、光束径を小さくすることが可能であるが、本発明のように光学系の全長を短く出来ることが特徴の光学系においては、中間像を形成すると光学系１の全長が長くなってしまい、光学系１を小型にすることが不可能になってしまう。
【００２９】
次に、中心軸２周りの物点を中心軸２と１回交差し反対側に結像するように構成することが重要である。物体からの光束は中心軸２上の開口Ｓを通過すると同時に中心軸２と１回交差して、物体とは反対側に入射する。そこで、各反射面で反射され結像されるが、物体と中心軸２を挟んで同一側に結像する構成をとると、結像されるまでにもう一度中心軸と交差する必要がある。サジタル断面では中心軸２上の開口を通過した光束が再び中心軸２と交差することは、開口Ｓの像を作ることを意味し、短い光学系全長のなかで、開口２の像を再結像すると射出瞳が像近傍に出来てしまい、テレセン性をよくすることが出来なくなってしまう。又、そのための余分なパワーを光路中に設ける必要が生じ、光学系の大型化を招くこととなってしまう。
【００３０】
次に、像面は円環状の平面の像面であることが重要である。又円環状の平面の像にすることにより、一つの平面の撮像素子又は表示素子により撮像又は投影することが可能となる。
【００３１】
さらに好ましくは、後１群第１反射面２２と後１群第２反射面２３のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸２の周りで回転させて形成される回転対称な拡張回転自由曲面で構成することが重要である。偏心光学系で光学系を構成すると、必ず偏心収差が発生する。この偏心収差の発生を少なくしたり、小さく補正することが可能となる。
【００３２】
さらに好ましくは、奇数次項を含む任意形状の線分であることが望ましい。この奇数次項により周辺光路Ａの画面周辺部分の歪の補正や像面の傾きを補正することが可能となる。
【００３３】
さらに、透過面の間に反射面を配置することにより、反射面を内部反射面で構成することにより、像面湾曲などの収差の発生を少なくすることが可能となる。また、後１群第１反射面２２に当る光線の傾きが空気中より小さくなるので、広画角にも良い結果をもたらす。
【００３４】
さらに、後１群第１反射面２２は画角の広い光線は全反射により反射するように構成し、画角中心付近の後１群第１反射面２２で全反射しない入射角の光線を反射させるように、後１群第１反射面２２の中心部に反射コーティング４ａすることが好ましい。これにより画角中心部の映像も撮像することが可能となる。さらに後１群第１反射面２２周辺部は全反射するために、この部分は反射コーティングを行わないことが望ましい。これにより中心部分の光線が光学系から射出するのを妨げることがなくなる。
【００３５】
さらに、後１群第１透過面２１と後１群第２反射面２３は透明媒体Ｌの物体側に近接して配置することが好ましい。これにより相互の面での光線の干渉が減り、広い画角を確保することが可能となる。
【００３６】
さらに、後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は透明媒体Ｌの像面５側に近接して配置することが好ましい。これにより透明媒体Ｌと像面５を短くすることが可能となり。光学系全長を短くすることが可能となる。
【００３７】
さらに、後１群第２反射面２３は周辺部に反射コーティング４ｂを行うことが望ましく、中心部分は後１群第１透過面２１又は開口Ｓを配置する関係から、反射コーティングしないことが望ましい。
【００３８】
さらに好ましくは、後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４を同一位置、同一形状で構成することが好ましい。この構成により、後１群第１反射面２２に部分的に全反射を使うことが可能となり光学系の画角を広く取れる。
【００３９】
また、透明媒体Ｌの物体側及び／又は像面側に屈折体Ｒｆ，Ｒｂを配置することにより、画角を大きくすることができる。
【００４０】
また、最大像高をＩmax、透明媒体の外径をＤとするとき、
０．５＜Ｄ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。
【００４１】
条件式（１）は、下限を超えるとテレセン性が悪くなり特にＣＣＤ等の撮像素子を利用して撮像する場合に周辺光量不足を起こす。上限を超えると光学系の外径が大きくなりすぎ光学系が大型になってしまう。
【００４２】
また、最大像高をＩmax、開口から像面までの距離をＬとするとき、
０．５＜Ｌ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（２）
なる条件を満足することが望ましい。
【００４３】
条件式（２）は、像高に対する光学系全長を規定するものであり、下限を超えるとやはりテレセン性が悪くなり周辺光量不足を起こす。上限を超えると全長が長くなりすぎ、小型の光学系を構成することはできない。
【００４４】
また、後１群第１反射面２２の曲率をＲ１、後１群第２反射面２３の曲率をＲ２とするとき、
０．２＜Ｒ１／Ｒ２＜５ ・・・（３）
なる条件を満足することが望ましい。
【００４５】
条件式（３）は、二つの反射面のパワーの比を規定しているものであり、下限を超えると、後１群第１反射面２２の曲率半径が小さくなり、後１群第２反射面２３の正のパワーに比べて、後１群第１反射面２２の負のパワーが大きくなり光学系の全長を短くすることが出来ない。上限を超えると、後１群第２反射面２３の曲率が小さくなり後１群第２反射面２３の正のパワーが大きくなりすぎ、物体側に凸の像面湾曲が大きく発生する。
【００４６】
なお、物体側の平行平面は、光学系保護用のものであり。無くてもよい。像側の平行平面は撮像素子保護用のものであり、無くてもよい。
【００４７】
以下に、本発明の光学系の実施例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。
【００４８】
座標系は、順光線追跡において、例えば図１に示すように、絞り面が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、中心軸２に直交する方向をＹ軸方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１の像面５側の方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００４９】
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１の原点Ｏ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１の原点Ｏ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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、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、基準面からの偏心量で表わす。
【００５２】
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を軸とし、Ｙを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。
【００５３】
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。
【００５４】
まず、図２に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。
【００５５】
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（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（中心軸）となる。
【００５９】
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。
【００６０】
なお、Ｚ軸を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 ，Ｃ5 ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。
【００６１】
また、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、基準面からの偏心量で表わす。
【００６２】
実施例１の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図３に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図４、画角に対する像高を表す図を図５に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）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。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、同じ。
【００６３】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で共通に使用することなくすべて異なる面で構成した例である。
【００６４】
光学系１は、前群Ｇｆと、後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００６５】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい前群カバーガラスＣｆからなる。前群カバーガラスＣｆは、平行平板からなり、前群第１透過面１１と、前群第１透過面１１に対して像側に形成される前群第２透過面１２とを有する。
【００６６】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。
【００６７】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、後２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００６８】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群カバーガラスＣｆの前群第１透過面１１と前群第２透過面１２と、前群カバーガラスＣｆと透明媒体Ｌの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で反射コーティングにより像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００６９】
この実施例１の仕様は、
画角 10.00〜60.0°
入射瞳径 φ0.20mm
像の大きさ φ0.11〜φ2.18
である。
【００７０】
実施例２の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図６に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図７、画角に対する像高を表す図を図８に示す。
【００７１】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で一部共通に使用するように構成した例である。
【００７２】
光学系１は、中心軸２に同軸に配置された開口Ｓと、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００７３】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌの中心軸付近を反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は、同一位置同一形状からなる。
【００７４】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、第２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００７５】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、中心軸２に同軸に配置された開口Ｓを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で一部が反射コーティング４ａ、他部が全反射により像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００７６】
この実施例２の仕様は、
画角 20.00〜70.0°
入射瞳径 φ0.10mm
像の大きさ φ0.61〜φ2.00
である。
【００７７】
実施例３の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図９に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１０、画角に対する像高を表す図を図１１に示す。
【００７８】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で一部共通に使用するように構成した例である。
【００７９】
光学系１は、前群Ｇｆと、後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００８０】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい前群屈折体Ｒｆからなる。屈折体Ｒは、トーリック面からなる前群第１透過面１１と、第１透過面１１に対して像側に形成されるトーリック面からなる第２透過面１２とを有する。
【００８１】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌの中心軸付近を反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は、同一位置同一形状からなる。
【００８２】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、後２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００８３】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群屈折体Ｒｆの前群第１透過面１１と前群第２透過面１２と、前群屈折体Ｒｆと透明媒体Ｌの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で一部が反射コーティング４ａ、他部が全反射により像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００８４】
この実施例３の仕様は、
画角 0.00〜70.0°
入射瞳径 φ0.40mm
像の大きさ φ0.60〜φ1.99
である。
【００８５】
実施例４の光学系１の中心軸２に沿ってとった断面図を図１２に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１３、画角に対する像高を表す図を図１４に示す。
【００８６】
本実施例は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、光路内で一部共通に使用するように構成した例である。
【００８７】
光学系１は、前群Ｇｆと、後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、後１群Ｇｂ１と後２群Ｇｂ２からなる。
【００８８】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい前群屈折体Ｒｆからなる。屈折体Ｒは、トーリック面からなる前群第１透過面１１と、第１透過面１１に対して像側に形成されるトーリック面からなる第２透過面１２とを有する。
【００８９】
後１群Ｇｂ１は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌからなる。透明媒体Ｌは、中心軸２上で球面からなる後１群第１透過面２１と、透明媒体Ｌの中心軸付近を反射コーティング４ａし、後１群第１透過面２１に対して像側に形成され、拡張回転自由曲面からなり、負のパワーをもつ後１群第１反射面２２と、透明媒体Ｌを反射コーティング４ｂし、後１群第１反射面２２に対して像面５と反対側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２反射面２３と、後１群第２反射面２３より像面５側に配置され、拡張回転自由曲面からなり、正のパワーをもつ後１群第２透過面２４とを有する。後１群第１反射面２２と後１群第２透過面２４は、同一位置同一形状からなる。
【００９０】
後２群Ｇｂ２は、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい後２群カバーガラスＣｂ２からなる。後２群カバーガラスＣｂ２は、平行平板からなり、後２群第１透過面３１と、後２群第１透過面３１に対して像側に形成される後２群第２透過面３２とを有する。
【００９１】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面３から入射する光束は、前群屈折体Ｒｆの前群第１透過面１１と前群第２透過面１２と、前群屈折体Ｒｆと透明媒体Ｌの間で中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとを経て、透明媒体Ｌ内に入る。透明媒体Ｌでは、後１群第１透過面２１を経て入り、後１群第１反射面２２で一部が反射コーティング４ａ、他部が全反射により像面５と反対側に反射され、後１群第２反射面２３で反射コーティングにより像面５側に反射され、後１群第２透過面２４を経て透明媒体Ｌから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。その後、後２群カバーガラスＣｂ２の後２群第１透過面３１と後２群第２透過面３２を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に円環状に結像する。
【００９２】
この実施例４の仕様は、
画角 60.00〜120.0°
入射瞳径 φ0.07mm
像の大きさ φ0.78〜φ1.99
である。
【００９３】
また、最大像高をＩmax（mm）、最小像高をＩmin（mm）、最大画角をθmax（度）、最小画角をθmin（度）、焦点距離Ｆ＝（Ｉmax−Ｉmin）／（θmax−θmin)とし、光学系全体の外径をＤ（mm）、平行平面の保護ガラスを除いた光学系全長をＬ（mm）、第１反射面の曲率をＲ１、第２反射面の曲率をＲ２とするとき、
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
I max 1.09 1.00 1.00 1.00
θmax 60.00 70.00 30.00 70.00
I min 0.06 0.30 0.39 0.30
θmin 10.00 0.10 -30.00 20.00
Ｆ 0.021 0.010 0.010 0.014
Ｄ 6.400 3.000 2.700 5.00
Ｌ 4.650 4.250 3.500 2.30
Ｄ（２×Ｉmax） 2.932 1.502 1.354 2.500
Ｌ（２×Ｉmax） 2.130 2.128 1.755 1.150
Ｒ１ 3.16 2.16 1.17 2.24
Ｒ２ 3.88 2.26 1.58 2.77
Ｒ１／Ｒ２ 0.81 0.96 0.74 0.81
である。
【００９４】
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“ＡＳＳ”は非球面、“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＲＥ”は反射面を示す。なお、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。各面の偏心は像面からの偏心量で表わす。
【００９５】
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 ∞ 10.00
1 ∞ 0.50 1.5163 64.1
2 ∞ 0.10
3 ∞（絞り） 0.00
4 5.34 0.00 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
6 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
8 ∞ 4.16
9 ∞ 0.40 1.5163 64.1
10 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 3.16
θ -37.17
Ｒ 0.41
Ｃ4 -5.0544E-02
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 3.88
θ -65.60
Ｒ 2.86
Ｃ4 5.5888E-03 Ｃ5 5.8997E-04
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 1.87
θ -44.02
Ｒ 1.97
Ｃ4 1.1369E-01
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.23
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.34
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 2.45
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９６】
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 ∞ 10.00
1 ∞（絞り） 0.00
2 -7.33 0.00 1.8348 42.7
3 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
4 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2) 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1)
6 ∞ 2.87
7 ∞ 0.40 1.5163 64.1
8 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 2.24
θ -15.03
Ｒ 0.34
Ｃ4 -3.9400E-02 Ｃ5 1.0547E-01
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 2.77
θ -33.37
Ｒ 1.30
Ｃ4 9.6776E-03 Ｃ5 7.2508E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 1.05
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 1.30 Ｚ 0.20
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９７】
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 ∞ 10.00
1 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.00
4 3.59 0.00 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3) 1.8348 42.7
6 ＥＲＦＳ[4] 0.00 偏心(4) 1.8348 42.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
8 ∞ 2.12
9 ∞ 0.40 1.5163 64.1
10 ∞ 0.10
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -0.76
θ 28.49
Ｒ -0.98
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -1.28
θ 23.48
Ｒ -0.50
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 2.16
θ -14.43
Ｒ 0.31
Ｃ4 -6.8178E-02 Ｃ5 1.4695E-01
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ 2.26
θ -33.01
Ｒ 1.06
Ｃ4 3.9712E-03 Ｃ5 9.6041E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -1.38
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.61
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.85
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.20
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９８】
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 ∞ ∞
1 ＥＲＦＳ[1] 0.00 偏心(1) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2)
3 ∞（絞り） 0.00
4 2.51 0.00 1.8348 42.7
5 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3) 1.8348 42.7
6 ＥＲＦＳ[4] 0.00 偏心(4) 1.8348 42.7
7 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
8 ∞ 2.28
9 ∞ 0.00 1.5163 64.1
10 ∞ 0.00
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 0.98
θ 29.80
Ｒ -0.65
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 0.40
θ 72.98
Ｒ -0.46
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 1.17
θ -24.14
Ｒ 0.30
Ｃ4 4.7714E-02
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ 1.58
θ -49.05
Ｒ 1.03
Ｃ4 1.6401E-03
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.60
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.48
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.73
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.47
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９９】
以上の実施例では、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、拡張回転自由曲面で設計されている例であるが、拡張回転自由曲面が回転対称面と直交し、高次項を使用していない場合、球面と等価な構成となる。
【０１００】
また、前群Ｇｆの反射面、屈折面をそれぞれ任意形状の線分を中心軸２の周りで回転することにより形成され中心軸２上に面頂を有さない拡張回転自由曲面で設計しているが、それぞれ任意の曲面に置き換えてもよい。
【０１０１】
また、本発明の光学系は、回転対称面を形成する任意形状の線分を定義する式に奇数次項を含むものを用いることにより、偏心により発生する像面５の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。
【０１０２】
また、本発明の前群Ｇｆを構成する中心軸２の周りで回転対称な透明媒体Ｌ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、その透明媒体を中心軸２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２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。
【０１０３】
また、本発明の光学系は、中心軸（中心軸）２を垂直方向に向けて天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角の画像を得る撮像あるいは観察光学系としてもよい。さらに、本発明は、撮影光学系、観察光学系に限定されず、光路を逆にとって天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡は管内観察装置の全周観察光学系として用いることもできる。
【０１０４】
図１５は、本実施例の画像と撮像素子の配置例を示す。図１５（ａ）は、画面比が１６：９の撮像素子を使用した例である。上下方向の画像は使用しない場合、光路Ａの画像Ａ１の左右の位置に撮像素子５０の大きさを合致させると好ましい。図１５（ｂ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、図１５（ａ）と同様に上下方向の映像は使用しない場合を示す。図１５（ｃ）は、画面比が４：３の撮像素子５０を使用し、光路Ａでの画像Ａ１に撮像素子５０の大きさを合致させた例である。このように、配置をすると、光路Ａの画像Ａ１をすべて撮像することができる。
【０１０５】
以下に、本発明の光学系１の適用例として、撮影光学系１０１又は投影光学系１０２の使用例を説明する。図１６は、内視鏡先端の撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を用いた例を示すための図であり、図１６（ａ）は、硬性内視鏡１１０の先端１０１に本発明による撮影光学系を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。図１６（ｂ）にその先端の概略の構成を示す。本発明によるパノラマ撮影光学系１０１の前群Ｇｆの入射面１１の周囲には円周方向に伸びる開口１０６を有するケーシング等からなるフレア絞り１０７が配置され、フレア光が入射するのを防止している。また、図１６（ｃ）は、軟性電子内視鏡１１３の先端に本発明によるパノラマ撮影光学系１０１を同様に取り付けて、表示装置１１４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。
【０１０６】
図１７は、カプセル内視鏡１２０に本発明による撮影光学系１０１を取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する例である。本発明による撮影光学系１０１の光路Ａにおける前群Ｇｆの第１透過面１１の周囲には円周方向に伸びる開口１０６を有するケーシング等に、フレア絞り１０７が形成され、フレア光が入射するのを防止している。
【０１０７】
図１６及び図１７に示すように、内視鏡に撮影光学系１０１を用いることにより、撮影光学系１０１の周囲の画像を撮像観察することができ、従来と異なる角度から様々な部位を撮像観察することができる。
【０１０８】
図１８（ａ）は、自動車１３０の前方に撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を取り付けて、車内の表示装置に各撮影光学系１０１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図であり、図１８（ｂ）は、自動車１３０の各コーナやヘッド部のポールの頂部に撮影光学系として本発明による撮影光学系１０１を複数取り付けて、車内の表示装置に各撮影光学系１０１を経て撮影された画像を、画像処理を施して歪みを補正して同時に表示するようにした例を示す図である。この場合、図１８（ａ）に示したように、光路Ａの画像Ａ１の左右の位置に撮像素子５０の大きさを合致させると、左右の画像が広く撮像でき、好ましい。
【０１０９】
また、図１９は、投影装置１４０の投影光学系として本発明による投影光学系１０２を用い、その像面５に配置した表示素子にパノラマ画像を表示し、投影光学系１０２を通して３６０°全方位に配置したスクリーン１４１に３６０°全方位画像を投影表示する例である。
【０１１０】
さらに、図２０は、建物１５０の外部に本発明による撮影光学系１０１を用いた撮影装置１５１を取り付け、屋内に本発明による撮影光学系１０１を用いた投影装置１５１を配置し、撮影装置１５１で撮像された映像を電線１５２を介して投影装置１４０に送るように接続している。このような配置において、屋外の３６０°全方位の被写体Ｐを、撮影光学系１０１を経て撮影装置１５１で撮影し、その映像信号を電線１５２を介して投影装置１４０に送り、像面に配置した表示素子にその映像を表示して、投影光学系１０２を通して屋内の壁面等に被写体Ｐの映像Ｐ'を投影表示するようにしている例である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の光学系の座標系を説明するための図である。
【図２】拡張回転自由曲面の原理を示す図である。
【図３】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。
【図４】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図５】実施例１の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図６】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。
【図７】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図８】実施例２の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図９】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。
【図１０】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１１】実施例３の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図１２】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。
【図１３】実施例４の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１４】実施例４の光学系全体の画角に対する像高を示す図である。
【図１５】本発明の光学系の画像と撮像素子の配置例を示す図である。
【図１６】本発明の光学系を内視鏡先端の撮影光学系として用いた例を示す図である。
【図１７】本発明の光学系をカプセル内視鏡の撮影光学系として用いた例を示す図である。
【図１８】本発明の光学系を自動車の撮影光学系として用いた例を示す図である。
【図１９】本発明の光学系を投影装置の投影光学系として用いた例を示す図である。
【図２０】本発明の光学系を屋外の被写体を撮影する撮影光学系として用いた例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１…光学系
２…中心軸
５…像面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を含む断面内で、前記中心軸の周りで回転対称な光学系において、前記光学系は、前記中心軸上の物体側に配置された開口と、前記開口の像面側に配置され、屈折率が１より大きい透明媒体とを有し、前記透明媒体は、前記開口近傍の前記中心軸上に配置された第１透過面と、前記第１透過面より像面側に配置され、像面側に凹面を向けた第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置され、像面側に凹面を向けた第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、中心軸上で不連続な曲面で構成されており、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、前記開口を通り、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で像面と反対側に反射され、前記第２反射面で像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路を構成し、前記第１光路の少なくとも前記第１反射面と前記第２反射面の間は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、前記第１光路中に中間像が結像されることなく、像面に円環状に結像されることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記反射面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項４】
前記第１反射面は、全反射作用と、反射コーティングにより反射するように構成され、前記反射コーティングは前記第１反射面の中心軸近傍のみに施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項５】
前記第１透過面と前記第２反射面は、前記透明媒体の物体側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光学系。
【請求項６】
前記第１反射面と前記第２透過面は、前記透明媒体の像面側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学系。
【請求項７】
前記第１反射面と前記第２透過面は、同一位置同一形状からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学系。
【請求項８】
前記透明媒体の物体側及び／又は像面側に屈折体を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光学系。
【請求項９】
最大像高をＩmax、前記透明媒体の外径をＤとするとき、
０．５＜Ｄ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光学系。
【請求項１０】
最大像高をＩmax、前記開口から前記像面までの距離をＬとするとき、
０．５＜Ｌ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の光学系。
【請求項１１】
第１反射面の曲率をＲ１、第２反射面の曲率をＲ２とするとき、
０．２＜Ｒ１／Ｒ２＜５ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光学系。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の光学系を用いた内視鏡。
【請求項１】
中心軸を含む断面内で、前記中心軸の周りで回転対称な光学系において、前記光学系は、前記中心軸上の物体側に配置された開口と、前記開口の像面側に配置され、屈折率が１より大きい透明媒体とを有し、前記透明媒体は、前記開口近傍の前記中心軸上に配置された第１透過面と、前記第１透過面より像面側に配置され、像面側に凹面を向けた第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置され、像面側に凹面を向けた第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、中心軸上で不連続な曲面で構成されており、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、前記開口を通り、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で像面と反対側に反射され、前記第２反射面で像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から像面側に外へ出る略Ｚ字状の第１光路を構成し、前記第１光路の少なくとも前記第１反射面と前記第２反射面の間は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、前記第１光路中に中間像が結像されることなく、像面に円環状に結像されることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記反射面のうち少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記第１反射面と前記第２反射面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項４】
前記第１反射面は、全反射作用と、反射コーティングにより反射するように構成され、前記反射コーティングは前記第１反射面の中心軸近傍のみに施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項５】
前記第１透過面と前記第２反射面は、前記透明媒体の物体側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光学系。
【請求項６】
前記第１反射面と前記第２透過面は、前記透明媒体の像面側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学系。
【請求項７】
前記第１反射面と前記第２透過面は、同一位置同一形状からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学系。
【請求項８】
前記透明媒体の物体側及び／又は像面側に屈折体を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光学系。
【請求項９】
最大像高をＩmax、前記透明媒体の外径をＤとするとき、
０．５＜Ｄ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光学系。
【請求項１０】
最大像高をＩmax、前記開口から前記像面までの距離をＬとするとき、
０．５＜Ｌ／（２×Ｉmax）＜１０ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の光学系。
【請求項１１】
第１反射面の曲率をＲ１、第２反射面の曲率をＲ２とするとき、
０．２＜Ｒ１／Ｒ２＜５ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光学系。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の光学系を用いた内視鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−８０４１２（Ｐ２００９−８０４１２Ａ）
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５１１０２（Ｐ２００７−２５１１０２）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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