光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡
【課題】中心軸と略直交する方向の全方位の画像を撮像素子上に撮像することが可能であり、像歪が少なくＦ−θ特性の良い小型で解像力が高く安価な光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡を提供する。
【解決手段】中心軸Ｌを含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなり、透明媒体Ｌ１は、中心軸Ｌに対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸Ｌ側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面１０と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体Ｌ１に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４を経て像面１０側に外へ出る略Ｚ字状の光路Ａを構成する。
【解決手段】中心軸Ｌを含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなり、透明媒体Ｌ１は、中心軸Ｌに対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸Ｌ側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面１０と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体Ｌ１に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４を経て像面１０側に外へ出る略Ｚ字状の光路Ａを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡に関し、特に、回転対称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】
屈折光学系と、反射光学系と、結像光学系とが配置され、２つの光路を有し、パノラマ画像及び軸方向画像の撮像が可能な撮像光学系として特許文献１がある。また、同様に２つの光路を有する内視鏡として特許文献２がある。さらに、周囲全方位を観察できる内視鏡として特許文献３、周囲全方位を観察できるカプセル内視鏡として特許文献４がある。また、周囲全方位と前方を同時に撮像できる撮像装置として特許文献５がある。さらに、全方位の光学系として特許文献６乃至１３がある。
【特許文献１】特表２００３−０４２７４３号公報
【特許文献２】米国特許公開２００４−０２５４４２４号公報
【特許文献３】特開昭６０−４２７２８号公報
【特許文献４】特開２００１−１７４７１３号公報
【特許文献５】特開２００２−３４１４０９号公報
【特許文献６】米国特許第３５０５４６５号公報
【特許文献７】米国特許第５８５４７１３号公報
【特許文献８】米国特許第６１１５１９３号公報
【特許文献９】米国特許第６１７５４５４号公報
【特許文献１０】米国特許第６３５６２９６号公報
【特許文献１１】米国特許第６３９２６８７号公報
【特許文献１２】米国特許第６４４９１０３号公報
【特許文献１３】米国特許第６５９７５２０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で解像力の良い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、簡単な構成で中心軸と略直交する方向の全方位の画像を撮像素子上に撮像することが可能であり、像歪が少なくＦ−θ特性の良い小型で解像力が高く安価な光学素子、それを備えた光
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素子は、中心軸を含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、前記透明媒体は、前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、第１透過面より中心軸側に配置された第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、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、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字状の光路を構成し、前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、最大及び／又は最小画角を通る光路が中心軸と交差することを特徴とする。
【０００６】
また、前記画角は、１８０°又は少なくとも１８０°であることを特徴とする。
【０００７】
また、前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする。
【０００８】
また、前記第２透過面のメリジオナル断面のパワーは負であり、前記第２透過面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする。
【０００９】
また、前記光学素子は、屈折率１．５以上の透明媒質で構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１反射面及び前記第２反射面のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することを特徴とする。
【００１１】
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、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。
【００１２】
また、前記透明媒体の有する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。
【００１３】
さらに、上記目的を達成する本発明の光学素子を備えた光学系は、前群と、前記前群より像面側に配置された後群と、前記前群と前記後群の間に配置された開口とを備え、前記光学素子は、前記前群に配置され、前記中心軸を囲むように配置された物体の像を形成し、あるいは前記中心軸から放射する方向に物体の像を投影することを特徴とする。
【００１４】
また、前記光学系は、中心軸の周囲の円環状の物体の像を中心軸と直交する平面内に形成することを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第２透過面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする。
【００１７】
また、前記光学系は、光路中で中間像を形成しないことを特徴とする。
【００１８】
また、前記光学素子は開口に対して像面と反対側に配置されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００２０】
また、前記光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００２１】
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】
【００２２】
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】
【００２３】
以下、実施例に基づいて本発明の光学素子及びそれを備えた光学系について説明する。
【００２４】
図３は、後述する実施例１の光学系１の中心軸Ｌ（回転対称軸）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。
【００２５】
実施例１の光学系１は、中心軸Ｌに対して回転対称で、負のパワーを有する前群Ｇｆと、開口Ｓと、正のパワーを有する後群Ｇｂ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１０近傍の平行平板は撮像素子のカバーガラスＣＧ等である。
【００２６】
また、前群Ｇｆを負，後群Ｇｂを正にすることにより、所謂レトロフォーカスタイプとなり、特に観察画角を広く取りたい場合に有効である。
【００２７】
本発明の光学素子は、中心軸Ｌを含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなり、透明媒体Ｌ１は、中心軸Ｌに対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面より中心軸Ｌ側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体Ｌ１に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１を経て透明媒体Ｌ１内に入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から像面１０側に外へ出る略Ｚ字状の光路Ａを構成し、光路Ａは、中心軸Ｌに対して片側のみで構成され、最大及び／又は最小画角を通る光路が中心軸Ｌと交差する。
【００２８】
この構成により、中心軸Ｌを含む断面方向に約１８０°の画角をもちながら、光路Ａの第１反射面１２及び第２反射面１３への入射角度を比較的小さくすることが可能となり、
反射面で発生する偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。また、光路Ａを中心軸Ｌの片側のみで構成することにより、光学素子内の光路が中心軸Ｌを跨ぐことがなくなり、光学素子を薄くすることが可能となる。また、最大画角を通る光路が中心軸Ｌと交差するので、前方を視認することが可能となる。なお、画角は１８０°でも良いが、少なくとも１８０°である１８０°以上とすることも可能である。１８０°より多少小さい画角をも選択し得る。
【００２９】
さらに、本発明の光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい、この条件はメリジオナル断面での縮小角倍率を表しており、条件式（１）の下限を超えると本発明の光学素子にかかる負担が大きくなってしまい、光学素子が異常に大型化したり、屈折率が異常に高い高価なガラスが必要になったりする。また、条件式（１）の上限を超えると光学素子の画角縮小効果が無くなり、後群に入射する画角が広くなってしまい後群の負担が大きくなる。
【００３０】
さらに好ましくは
０．０２＜βω＜０．２ ・・・（１−１）
なる条件を満足するとよい。
【００３１】
また、第２透過面１４の近軸のパワーをＰ２、中心主光線の光学系全系のメリジオナル断面のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
なる条件を満足することが好ましい。この条件式（２）は全体のパワーに占める第２透過面１４の占める割合を表しており、条件式（２）の下限を超えると第２透過面１４の負のパワーが強くなることを意味し、角倍率を小さくすることが可能となるが、小さくしすぎるとこの面で発生するコマ収差や非点収差の発生が大きくなりすぎてしまい、他の面で補正することが不可能となる。また、条件式（２）の上限を超えると第２透過面１４の負のパワーが小さくなりすぎ条件式（１）と同様にメリジオナル断面の角倍率を大きく（縮小率を大きく）取れず、後群の負担が大きくなり光学系が大型になってしまう。
【００３２】
また、光学素子を屈折率１．５以上の媒質にして、反射作用を有する面を内部反射面で構成することにより、反射面で構成するより収差の発生が少なくなる。この構成により小型で高解像の光学系を構成することが可能となると同時に、２つの反射面を一体に構成することが可能となり、組み立て調整上好ましい。
【００３３】
さらに好ましくは屈折率１．７以上の媒質で構成することが好ましい。屈折率を上げるとそれだけ内部反射面の曲率を小さく（曲率半径を大きく）でき、特に本発明のように偏心光学系として構成している場合には、偏心収差の発生が小さくでき、解像力が向上する。
【００３４】
さらに好ましくは、屈折率を１．８以上にすることにより、臨界角は３３度となり、特に第１反射面を全反射面として構成することが可能となり、反射コーティングをしなくて良くなるため、加工上と光量の損失の点で好ましい。
【００３５】
また、第１反射面１２及び第２反射面１３のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することにより、反射膜を付ける必要がなくなり、製作が容易になると同時に反射率も１００％となり、明るい映像を撮像できる。
【００３６】
また、第１反射面１２と第２反射面１３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Ｌ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
ることにより、画角周辺部分の歪みを補正することが可能となる。
【００３７】
また、透明媒体Ｌ１の有する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Ｌ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により、画角中心に対して上下非対称な形状を与えることが可能であり、収差補正上好ましい。
【００３８】
この実施例において、反射作用を持つ２つの反射面はいずれも開口Ｓに凹面を向けている。これにより、反射面のパワー配置が負−正の配置となり、光学素子自身の反射面のパワー配置が所謂レトロフォーカス型となり、広画角を取りやすくなると同時にコマ収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００３９】
また、第２透過面は開口側に凹面を向けた強い負のパワーを持つ面とすることが好ましい。この面を通って光学素子から射出する画角を小さくすることにより、後群に入射する画角を小さくし、後群の収差補正上の負担を減らし、全体として小型で構成枚数の少ない光学系を達成することができる。
【００４０】
また、光学素子を開口より物体側に配置することにより、後群とのバランスを取りやすくなり、光学系の小型化と簡素化に良い結果が得られる。開口近傍では、メリジオナル断面の中心光線と画角の大きい光線が接近しているので、開口近傍に光学素子を配置すると、高い角倍率が得られなくなり、他のレンズの負担が増えてしまう。また、開口の像側に光学素子を配置すると、開口より物体側の前群により広い画角を取ることが不可能になる。
【００４１】
さらに好ましくは、光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４２】
条件式（３）の上限を超えると撮像素子に対して光学系の外径が大きくなってしまう。撮像素子はその値段と撮像素子のノイズ等によりある程度好ましい大きさが決まってしまう。たとえば１／３インチや１／４インチ等の比較的安価で入手しやすい高解像の撮像素子を使用した場合、条件式（３）の上限を超えると光学系全体をコンパクトに構成することが不可能になる。
【００４３】
さらに好ましくは
Ｄ／Ｄｒ＜５ ・・・（３−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４４】
さらに好ましくは、光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４５】
特に、内視鏡の撮像系として使用する場合は条件式（４）を満足することが被験者への負担を減らす意味で好ましい。
【００４６】
さらに好ましくは
Ｄ＜１０mm ・・・（４−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４７】
以下に、本発明の光学系の実施例１〜３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、物体面３から第１面に向かう中心主光線の延長が中心軸Ｌと交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、物体面３とは中心軸Ｌに対して反対側の中心軸Ｌに直交する方向をＹ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の像面１０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Ｌ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。
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）
【００５５】
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（回転対称軸）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Ｌ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Ｌ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及び図５、画角に対する像高を表す図を図６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。
【００６３】
第１実施例は、光学系１の中心軸Ｌ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、中心軸Ｌの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｌの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４及び第５群Ｇ５からなる。
【００６５】
前群は、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸Ｌ側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
【００６６】
第１群は、両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面１０側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面１０側に配置される第４透過面３１をもつ。
【００６７】
第２群は、１枚の両凸正レンズＬ４からなる。第５透過面４１と、第５透過面４１より像面１０側に配置される第６透過面４２をもつ。
【００６８】
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなり、第５透過面
５１と、第５透過面５１より像面１０側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面１０側に配置される第６透過面６１をもつ。
【００６９】
第４群は、両凸正レンズＬ７と像面１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第７透過面７１と、第７透過面７１より像面１０側に配置される接合面７８と、接合面７８より像面１０側に配置される第８透過面８１をもつ。
【００７０】
第５群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面９１と、第９透過面９１より像面１０側に配置される第１０透過面９２をもつ。
【００７１】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸Ｌに垂直な像面１０の中心軸Ｌから外れた外側に円環状に映像を形成する。
【００７２】
光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第１群の両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。続いて、第４群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。次に、第５群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、像面１０の中心軸Ｌから外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００７３】
この実施例１の仕様は、
画角 −１００°〜８０°
像の大きさ φ２．０１５〜φ３．５０２
Ｆナンバー ４．７４６
である。
【００７４】
実施例２の光学系１の中心軸Ｌに沿ってとった断面図を図７に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図８及び図９、画角に対する像高を表す図を図１０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。
【００７５】
第２実施例は、光学系１の中心軸Ｌ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。
【００７６】
光学系１は、中心軸Ｌの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｌの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４及び第５群Ｇ５からなる。
【００７７】
前群は、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸Ｌ側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
【００７８】
第１群は、両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面１０側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面１０側に配置される第４透過面３１をもつ。
【００７９】
第２群は、１枚の両凸正レンズＬ４からなる。第５透過面４１と、第５透過面４１より像面１０側に配置される第６透過面４２をもつ。
【００８０】
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなり、第５透過面５１と、第５透過面５１より像面１０側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面１０側に配置される第６透過面６１をもつ。
【００８１】
第４群は、両凸正レンズＬ７と像面１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第７透過面７１と、第７透過面７１より像面１０側に配置される接合面７８と、接合面７８より像面１０側に配置される第８透過面８１をもつ。
【００８２】
第５群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面９１と、第９透過面９１より像面１０側に配置される第１０透過面９２をもつ。
【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の物体面から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸Ｌに垂直な像面１０の中心軸Ｌから外れた外側に円環状に映像を形成する。
【００８４】
光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第１群の両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。続いて、第４群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。次に、第５群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、像面１０の中心軸Ｌから外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００８５】
この実施例２の仕様は、
画角 −１００°〜８０°
像の大きさ φ１．７９６〜φ３．５３６
Ｆナンバー ５．２６１
実施例３の光学系１の中心軸Ｌに沿ってとった断面図を図１１に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１２及び図１３、画角に対する像高を表す図を図１４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。
【００８６】
第３実施例は、光学系１の中心軸Ｌ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。
【００８７】
光学系１は、中心軸Ｌの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｌの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４及び第５群Ｇ５からなる。
【００８８】
前群は、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸Ｌ側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
【００８９】
第１群は、両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面１０側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面１０側に配置される第４透過面３１をもつ。
【００９０】
第２群は、１枚の両凸正レンズＬ４からなる。第５透過面４１と、第５透過面４１より像面１０側に配置される第６透過面４２をもつ。
【００９１】
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなり、第５透過面５１と、第５透過面５１より像面１０側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面１０側に配置される第６透過面６１をもつ。
【００９２】
第４群は、両凸正レンズＬ７と像面１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第７透過面７１と、第７透過面７１より像面１０側に配置される接合面７８と、接合面７８より像面１０側に配置される第８透過面８１をもつ。
【００９３】
第５群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面９１と、第９透過面９１より像面１０側に配置される第１０透過面９２をもつ。
【００９４】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸Ｌに垂直な像面１０の中心軸Ｌから外れた外側に円環状に映像を形成する。
【００９５】
光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
【００９６】
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第１群の両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。続いて、第４群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。次に、第５群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、像面１０の中心軸Ｌから外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００９７】
この実施例３の仕様は、
画角 −１１５°〜６５°
像の大きさ φ１．６７１〜φ３．３８２３
Ｆナンバー ４．９８４
また、光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとし、第２の透過作用を有する面のメリジオナル断面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍ、光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
実施例１ 実施例２ 実施例３
βω 0.095 0.102 0.107
P2/Pm -5.211 -4.203 -4.338
Ｄ 16.800 18.800 19.200
Ｄｒ 3.502 3.536 3.383
Ｄ／Ｄｒ 4.798 5.316 5.676
である。
【００９８】
以下に、上記実施例１〜３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、“ＲＥ”は反射面を示す。
【００９９】
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 ∞ ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2](ＲＥ) 0.000 偏心(3) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3](ＲＥ) 0.000 偏心(4) 1.5163 64.1
4 0.999 0.000 偏心(5)
5 ∞（絞り） 0.200
6 -2.198 0.600 1.8467 23.8
7 32.743 1.800 1.7400 28.3
8 -2.393 0.100
9 13.662 1.800 1.7200 46.0
10 -6.109 0.100
11 10.954 2.000 1.5638 60.6
12 -3.010 0.800 1.8467 23.8
13 10.664 0.674
14 3.426 2.400 1.5400 59.4
15 -5.066 0.800 1.8348 42.7
16 -20.781 2.000
17 ∞ 0.400 1.5163 64.1
18 ∞ 0.100
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 16.328
θ 90.000
Ｒ -8.416
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 4.957
θ 26.631
Ｒ -6.722
Ｃ3 2.9319E-002
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -5.454
θ 4.248
Ｒ -3.729
Ｃ3 1.3702E-001
偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -5.200
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
【０１００】
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 ∞ ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2](ＲＥ) 0.000 偏心(3) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3](ＲＥ) 0.000 偏心(4) 1.5163 64.1
4 1.119 0.000 偏心(5)
5 ∞（絞り） 0.200
6 -2.611 0.600 1.8467 23.8
7 2.113 1.800 1.7400 28.3
8 -2.198 0.100
9 29.360 1.800 1.7200 46.0
10 -4.890 0.100
11 14.935 2.000 1.5638 60.6
12 -3.763 0.800 1.8467 23.8
13 5.377 0.075
14 3.515 2.400 1.5400 59.4
15 -3.337 0.800 1.8348 42.7
16 -5.526 2.000
17 ∞ 0.400 1.5163 64.1
18 ∞ 0.100
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 20.000
θ 73.427
Ｒ -9.111
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 6.865
θ 16.487
Ｒ -7.441
Ｃ3 3.9112E-002
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -5.523
θ -0.941
Ｒ -3.450
Ｃ3 1.2855E-001
偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -5.200
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【０１０１】
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 ∞ ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2](ＲＥ) 0.000 偏心(3) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3](ＲＥ) 0.000 偏心(4) 1.5163 64.1
4 1.097 0.000 偏心(5)
5 ∞（絞り） 0.200
6 -2.683 0.600 1.8467 23.8
7 2.160 1.800 1.7400 28.3
8 -2.150 0.100
9 -25.379 1.800 1.7200 46.0
10 -4.597 0.100
11 8.220 2.000 1.5638 60.6
12 -3.769 0.800 1.8467 23.8
13 5.755 0.100
14 3.398 2.400 1.5400 59.4
15 -3.248 0.800 1.8348 42.7
16 -6.011 2.000
17 ∞ 0.400 1.5163 64.1
18 ∞ 0.100
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 20.000
θ 69.614
Ｒ -9.111
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 8.032
θ 14.155
Ｒ -7.401
Ｃ3 4.7903E-002
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -5.321
θ -1.059
Ｒ -3.399
Ｃ3 1.3200E-001
偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ ∞ Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -5.200
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
【０１０２】
以上の実施例では、光学系１の中心軸Ｌ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。
【０１０３】
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Ｌの周りで回転す
ることにより形成され中心軸Ｌ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。
【０１０４】
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１０の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。
【０１０５】
また、本発明の前群Ｇｆを構成する中心軸Ｌの周りで回転対称な透明媒体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Ｌ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Ｌ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。
【０１０６】
また、本発明の光学系は、中心軸Ｌ（回転対称軸）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。
【０１０７】
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、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、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、画像Ａ１をすべて撮像することができる。
【０１０８】
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スリット状に伸びる開口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。
【０１０９】
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、及び、第１透過面１１の前方に円形状の開口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。
【０１１０】
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の後方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。
【０１１１】
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、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。
【０１１２】
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１０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。
【０１１３】
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】
【０１１４】
【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の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図６】実施例１の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。
【図７】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８】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図９】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１０】実施例２の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。
【図１１】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１２】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１３】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１４】実施例３の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。
【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】
【０１１５】
１…光学系
１０…像面
Ｌ…中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子、それを備えた光学系及びそれを用いた内視鏡に関し、特に、回転対称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】
屈折光学系と、反射光学系と、結像光学系とが配置され、２つの光路を有し、パノラマ画像及び軸方向画像の撮像が可能な撮像光学系として特許文献１がある。また、同様に２つの光路を有する内視鏡として特許文献２がある。さらに、周囲全方位を観察できる内視鏡として特許文献３、周囲全方位を観察できるカプセル内視鏡として特許文献４がある。また、周囲全方位と前方を同時に撮像できる撮像装置として特許文献５がある。さらに、全方位の光学系として特許文献６乃至１３がある。
【特許文献１】特表２００３−０４２７４３号公報
【特許文献２】米国特許公開２００４−０２５４４２４号公報
【特許文献３】特開昭６０−４２７２８号公報
【特許文献４】特開２００１−１７４７１３号公報
【特許文献５】特開２００２−３４１４０９号公報
【特許文献６】米国特許第３５０５４６５号公報
【特許文献７】米国特許第５８５４７１３号公報
【特許文献８】米国特許第６１１５１９３号公報
【特許文献９】米国特許第６１７５４５４号公報
【特許文献１０】米国特許第６３５６２９６号公報
【特許文献１１】米国特許第６３９２６８７号公報
【特許文献１２】米国特許第６４４９１０３号公報
【特許文献１３】米国特許第６５９７５２０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で解像力の良い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、簡単な構成で中心軸と略直交する方向の全方位の画像を撮像素子上に撮像することが可能であり、像歪が少なくＦ−θ特性の良い小型で解像力が高く安価な光学素子、それを備えた光
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素子は、中心軸を含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、前記透明媒体は、前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、第１透過面より中心軸側に配置された第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、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、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字状の光路を構成し、前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、最大及び／又は最小画角を通る光路が中心軸と交差することを特徴とする。
【０００６】
また、前記画角は、１８０°又は少なくとも１８０°であることを特徴とする。
【０００７】
また、前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする。
【０００８】
また、前記第２透過面のメリジオナル断面のパワーは負であり、前記第２透過面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする。
【０００９】
また、前記光学素子は、屈折率１．５以上の透明媒質で構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１反射面及び前記第２反射面のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することを特徴とする。
【００１１】
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、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。
【００１２】
また、前記透明媒体の有する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。
【００１３】
さらに、上記目的を達成する本発明の光学素子を備えた光学系は、前群と、前記前群より像面側に配置された後群と、前記前群と前記後群の間に配置された開口とを備え、前記光学素子は、前記前群に配置され、前記中心軸を囲むように配置された物体の像を形成し、あるいは前記中心軸から放射する方向に物体の像を投影することを特徴とする。
【００１４】
また、前記光学系は、中心軸の周囲の円環状の物体の像を中心軸と直交する平面内に形成することを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第２透過面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする。
【００１７】
また、前記光学系は、光路中で中間像を形成しないことを特徴とする。
【００１８】
また、前記光学素子は開口に対して像面と反対側に配置されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００２０】
また、前記光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする。
【００２１】
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】
【００２２】
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】
【００２３】
以下、実施例に基づいて本発明の光学素子及びそれを備えた光学系について説明する。
【００２４】
図３は、後述する実施例１の光学系１の中心軸Ｌ（回転対称軸）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。
【００２５】
実施例１の光学系１は、中心軸Ｌに対して回転対称で、負のパワーを有する前群Ｇｆと、開口Ｓと、正のパワーを有する後群Ｇｂ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１０近傍の平行平板は撮像素子のカバーガラスＣＧ等である。
【００２６】
また、前群Ｇｆを負，後群Ｇｂを正にすることにより、所謂レトロフォーカスタイプとなり、特に観察画角を広く取りたい場合に有効である。
【００２７】
本発明の光学素子は、中心軸Ｌを含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなり、透明媒体Ｌ１は、中心軸Ｌに対して最外周に配置された第１透過面１１と、第１透過面より中心軸Ｌ側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体Ｌ１に入射する光束は、順光線追跡の順に、第１透過面１１を経て透明媒体Ｌ１内に入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から像面１０側に外へ出る略Ｚ字状の光路Ａを構成し、光路Ａは、中心軸Ｌに対して片側のみで構成され、最大及び／又は最小画角を通る光路が中心軸Ｌと交差する。
【００２８】
この構成により、中心軸Ｌを含む断面方向に約１８０°の画角をもちながら、光路Ａの第１反射面１２及び第２反射面１３への入射角度を比較的小さくすることが可能となり、
反射面で発生する偏心収差の発生を少なくすることが可能となる。また、光路Ａを中心軸Ｌの片側のみで構成することにより、光学素子内の光路が中心軸Ｌを跨ぐことがなくなり、光学素子を薄くすることが可能となる。また、最大画角を通る光路が中心軸Ｌと交差するので、前方を視認することが可能となる。なお、画角は１８０°でも良いが、少なくとも１８０°である１８０°以上とすることも可能である。１８０°より多少小さい画角をも選択し得る。
【００２９】
さらに、本発明の光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい、この条件はメリジオナル断面での縮小角倍率を表しており、条件式（１）の下限を超えると本発明の光学素子にかかる負担が大きくなってしまい、光学素子が異常に大型化したり、屈折率が異常に高い高価なガラスが必要になったりする。また、条件式（１）の上限を超えると光学素子の画角縮小効果が無くなり、後群に入射する画角が広くなってしまい後群の負担が大きくなる。
【００３０】
さらに好ましくは
０．０２＜βω＜０．２ ・・・（１−１）
なる条件を満足するとよい。
【００３１】
また、第２透過面１４の近軸のパワーをＰ２、中心主光線の光学系全系のメリジオナル断面のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（２）
なる条件を満足することが好ましい。この条件式（２）は全体のパワーに占める第２透過面１４の占める割合を表しており、条件式（２）の下限を超えると第２透過面１４の負のパワーが強くなることを意味し、角倍率を小さくすることが可能となるが、小さくしすぎるとこの面で発生するコマ収差や非点収差の発生が大きくなりすぎてしまい、他の面で補正することが不可能となる。また、条件式（２）の上限を超えると第２透過面１４の負のパワーが小さくなりすぎ条件式（１）と同様にメリジオナル断面の角倍率を大きく（縮小率を大きく）取れず、後群の負担が大きくなり光学系が大型になってしまう。
【００３２】
また、光学素子を屈折率１．５以上の媒質にして、反射作用を有する面を内部反射面で構成することにより、反射面で構成するより収差の発生が少なくなる。この構成により小型で高解像の光学系を構成することが可能となると同時に、２つの反射面を一体に構成することが可能となり、組み立て調整上好ましい。
【００３３】
さらに好ましくは屈折率１．７以上の媒質で構成することが好ましい。屈折率を上げるとそれだけ内部反射面の曲率を小さく（曲率半径を大きく）でき、特に本発明のように偏心光学系として構成している場合には、偏心収差の発生が小さくでき、解像力が向上する。
【００３４】
さらに好ましくは、屈折率を１．８以上にすることにより、臨界角は３３度となり、特に第１反射面を全反射面として構成することが可能となり、反射コーティングをしなくて良くなるため、加工上と光量の損失の点で好ましい。
【００３５】
また、第１反射面１２及び第２反射面１３のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することにより、反射膜を付ける必要がなくなり、製作が容易になると同時に反射率も１００％となり、明るい映像を撮像できる。
【００３６】
また、第１反射面１２と第２反射面１３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Ｌ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
ることにより、画角周辺部分の歪みを補正することが可能となる。
【００３７】
また、透明媒体Ｌ１の有する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Ｌ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により、画角中心に対して上下非対称な形状を与えることが可能であり、収差補正上好ましい。
【００３８】
この実施例において、反射作用を持つ２つの反射面はいずれも開口Ｓに凹面を向けている。これにより、反射面のパワー配置が負−正の配置となり、光学素子自身の反射面のパワー配置が所謂レトロフォーカス型となり、広画角を取りやすくなると同時にコマ収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００３９】
また、第２透過面は開口側に凹面を向けた強い負のパワーを持つ面とすることが好ましい。この面を通って光学素子から射出する画角を小さくすることにより、後群に入射する画角を小さくし、後群の収差補正上の負担を減らし、全体として小型で構成枚数の少ない光学系を達成することができる。
【００４０】
また、光学素子を開口より物体側に配置することにより、後群とのバランスを取りやすくなり、光学系の小型化と簡素化に良い結果が得られる。開口近傍では、メリジオナル断面の中心光線と画角の大きい光線が接近しているので、開口近傍に光学素子を配置すると、高い角倍率が得られなくなり、他のレンズの負担が増えてしまう。また、開口の像側に光学素子を配置すると、開口より物体側の前群により広い画角を取ることが不可能になる。
【００４１】
さらに好ましくは、光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４２】
条件式（３）の上限を超えると撮像素子に対して光学系の外径が大きくなってしまう。撮像素子はその値段と撮像素子のノイズ等によりある程度好ましい大きさが決まってしまう。たとえば１／３インチや１／４インチ等の比較的安価で入手しやすい高解像の撮像素子を使用した場合、条件式（３）の上限を超えると光学系全体をコンパクトに構成することが不可能になる。
【００４３】
さらに好ましくは
Ｄ／Ｄｒ＜５ ・・・（３−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４４】
さらに好ましくは、光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４５】
特に、内視鏡の撮像系として使用する場合は条件式（４）を満足することが被験者への負担を減らす意味で好ましい。
【００４６】
さらに好ましくは
Ｄ＜１０mm ・・・（４−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００４７】
以下に、本発明の光学系の実施例１〜３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、物体面３から第１面に向かう中心主光線の延長が中心軸Ｌと交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、物体面３とは中心軸Ｌに対して反対側の中心軸Ｌに直交する方向をＹ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の像面１０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Ｌ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。
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）
【００５５】
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（回転対称軸）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Ｌ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Ｌ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及び図５、画角に対する像高を表す図を図６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。
【００６３】
第１実施例は、光学系１の中心軸Ｌ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、中心軸Ｌの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｌの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４及び第５群Ｇ５からなる。
【００６５】
前群は、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸Ｌ側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
【００６６】
第１群は、両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面１０側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面１０側に配置される第４透過面３１をもつ。
【００６７】
第２群は、１枚の両凸正レンズＬ４からなる。第５透過面４１と、第５透過面４１より像面１０側に配置される第６透過面４２をもつ。
【００６８】
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなり、第５透過面
５１と、第５透過面５１より像面１０側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面１０側に配置される第６透過面６１をもつ。
【００６９】
第４群は、両凸正レンズＬ７と像面１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第７透過面７１と、第７透過面７１より像面１０側に配置される接合面７８と、接合面７８より像面１０側に配置される第８透過面８１をもつ。
【００７０】
第５群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面９１と、第９透過面９１より像面１０側に配置される第１０透過面９２をもつ。
【００７１】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸Ｌに垂直な像面１０の中心軸Ｌから外れた外側に円環状に映像を形成する。
【００７２】
光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第１群の両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。続いて、第４群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。次に、第５群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、像面１０の中心軸Ｌから外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００７３】
この実施例１の仕様は、
画角 −１００°〜８０°
像の大きさ φ２．０１５〜φ３．５０２
Ｆナンバー ４．７４６
である。
【００７４】
実施例２の光学系１の中心軸Ｌに沿ってとった断面図を図７に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図８及び図９、画角に対する像高を表す図を図１０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。
【００７５】
第２実施例は、光学系１の中心軸Ｌ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。
【００７６】
光学系１は、中心軸Ｌの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｌの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４及び第５群Ｇ５からなる。
【００７７】
前群は、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸Ｌ側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
【００７８】
第１群は、両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面１０側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面１０側に配置される第４透過面３１をもつ。
【００７９】
第２群は、１枚の両凸正レンズＬ４からなる。第５透過面４１と、第５透過面４１より像面１０側に配置される第６透過面４２をもつ。
【００８０】
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなり、第５透過面５１と、第５透過面５１より像面１０側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面１０側に配置される第６透過面６１をもつ。
【００８１】
第４群は、両凸正レンズＬ７と像面１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第７透過面７１と、第７透過面７１より像面１０側に配置される接合面７８と、接合面７８より像面１０側に配置される第８透過面８１をもつ。
【００８２】
第５群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面９１と、第９透過面９１より像面１０側に配置される第１０透過面９２をもつ。
【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の物体面から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸Ｌに垂直な像面１０の中心軸Ｌから外れた外側に円環状に映像を形成する。
【００８４】
光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第１群の両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。続いて、第４群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。次に、第５群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、像面１０の中心軸Ｌから外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００８５】
この実施例２の仕様は、
画角 −１００°〜８０°
像の大きさ φ１．７９６〜φ３．５３６
Ｆナンバー ５．２６１
実施例３の光学系１の中心軸Ｌに沿ってとった断面図を図１１に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１２及び図１３、画角に対する像高を表す図を図１４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。
【００８６】
第３実施例は、光学系１の中心軸Ｌ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。
【００８７】
光学系１は、中心軸Ｌの周りで回転対称な前群Ｇｆと、中心軸Ｌの周りで回転対称な後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置された開口Ｓとからなり、後群Ｇｂは、第１群Ｇ１、第２群Ｇ２、第３群Ｇ３、第４群Ｇ４及び第５群Ｇ５からなる。
【００８８】
前群は、中心軸Ｌの周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌ１からなる。透明媒体Ｌ１は、物体面に対向し、透明媒体Ｌ１の最も外側に配置されたトーリック面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１透過面１１に対して中心軸Ｌ側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌ１の内部に形成され、第１反射面１２に対して像面１０と反対側に配置され、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面１０側に配置され、球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。
【００８９】
第１群は、両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズからなり、第３透過面２１と、第３透過面２１より像面１０側に配置される接合面２３と、接合面２３より像面１０側に配置される第４透過面３１をもつ。
【００９０】
第２群は、１枚の両凸正レンズＬ４からなる。第５透過面４１と、第５透過面４１より像面１０側に配置される第６透過面４２をもつ。
【００９１】
第３群は、両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズとからなり、第５透過面５１と、第５透過面５１より像面１０側に配置される接合面５６と、接合面５６より像面１０側に配置される第６透過面６１をもつ。
【００９２】
第４群は、両凸正レンズＬ７と像面１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８の接合レンズからなり、第７透過面７１と、第７透過面７１より像面１０側に配置される接合面７８と、接合面７８より像面１０側に配置される第８透過面８１をもつ。
【００９３】
第５群は、１枚のカバーガラスＣＧからなり、第９透過面９１と、第９透過面９１より像面１０側に配置される第１０透過面９２をもつ。
【００９４】
光学系１は、光路Ａを形成する。光路Ａにおいて、光学系１の物体面から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸Ｌに垂直な像面１０の中心軸Ｌから外れた外側に円環状に映像を形成する。
【００９５】
光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌ１内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面１０と反対側に反射され、第２反射面１３で像面１０側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌ１から外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
【００９６】
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸Ｌに同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの第１群の両凹負レンズＬ２と両凸正レンズＬ３の接合レンズ内に第３透過面２１を経て入り、接合面２３を経て、第４透過面３１から外に出る。続いて、第２群の両凸正レンズＬ４内に第５透過面４１を経て入り、第６透過面４２から外に出る。次に、第３群の両凸正レンズＬ５と両凹負レンズＬ６の接合レンズ内に第７透過面５１を経て入り、接合面５６を経て、第８透過面６１から外に出る。続いて、第４群の両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８の接合レンズ内に第９透過面７１を経て入り、接合面７８を経て、第１０透過面８１から外に出る。次に、第５群のカバーガラスＣＧ内に第１１透過面９１を経て入り、第１２透過面９２から外に出て、像面１０の中心軸Ｌから外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００９７】
この実施例３の仕様は、
画角 −１１５°〜６５°
像の大きさ φ１．６７１〜φ３．３８２３
Ｆナンバー ４．９８４
また、光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとし、第２の透過作用を有する面のメリジオナル断面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍ、光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
実施例１ 実施例２ 実施例３
βω 0.095 0.102 0.107
P2/Pm -5.211 -4.203 -4.338
Ｄ 16.800 18.800 19.200
Ｄｒ 3.502 3.536 3.383
Ｄ／Ｄｒ 4.798 5.316 5.676
である。
【００９８】
以下に、上記実施例１〜３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、“ＲＥ”は反射面を示す。
【００９９】
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 ∞ ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2](ＲＥ) 0.000 偏心(3) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3](ＲＥ) 0.000 偏心(4) 1.5163 64.1
4 0.999 0.000 偏心(5)
5 ∞（絞り） 0.200
6 -2.198 0.600 1.8467 23.8
7 32.743 1.800 1.7400 28.3
8 -2.393 0.100
9 13.662 1.800 1.7200 46.0
10 -6.109 0.100
11 10.954 2.000 1.5638 60.6
12 -3.010 0.800 1.8467 23.8
13 10.664 0.674
14 3.426 2.400 1.5400 59.4
15 -5.066 0.800 1.8348 42.7
16 -20.781 2.000
17 ∞ 0.400 1.5163 64.1
18 ∞ 0.100
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 16.328
θ 90.000
Ｒ -8.416
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 4.957
θ 26.631
Ｒ -6.722
Ｃ3 2.9319E-002
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -5.454
θ 4.248
Ｒ -3.729
Ｃ3 1.3702E-001
偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -5.200
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
【０１００】
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 ∞ ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2](ＲＥ) 0.000 偏心(3) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3](ＲＥ) 0.000 偏心(4) 1.5163 64.1
4 1.119 0.000 偏心(5)
5 ∞（絞り） 0.200
6 -2.611 0.600 1.8467 23.8
7 2.113 1.800 1.7400 28.3
8 -2.198 0.100
9 29.360 1.800 1.7200 46.0
10 -4.890 0.100
11 14.935 2.000 1.5638 60.6
12 -3.763 0.800 1.8467 23.8
13 5.377 0.075
14 3.515 2.400 1.5400 59.4
15 -3.337 0.800 1.8348 42.7
16 -5.526 2.000
17 ∞ 0.400 1.5163 64.1
18 ∞ 0.100
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 20.000
θ 73.427
Ｒ -9.111
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 6.865
θ 16.487
Ｒ -7.441
Ｃ3 3.9112E-002
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -5.523
θ -0.941
Ｒ -3.450
Ｃ3 1.2855E-001
偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -5.200
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【０１０１】
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 ∞ ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 0.000 偏心(2) 1.5163 64.1
2 ＥＲＦＳ[2](ＲＥ) 0.000 偏心(3) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[3](ＲＥ) 0.000 偏心(4) 1.5163 64.1
4 1.097 0.000 偏心(5)
5 ∞（絞り） 0.200
6 -2.683 0.600 1.8467 23.8
7 2.160 1.800 1.7400 28.3
8 -2.150 0.100
9 -25.379 1.800 1.7200 46.0
10 -4.597 0.100
11 8.220 2.000 1.5638 60.6
12 -3.769 0.800 1.8467 23.8
13 5.755 0.100
14 3.398 2.400 1.5400 59.4
15 -3.248 0.800 1.8348 42.7
16 -6.011 2.000
17 ∞ 0.400 1.5163 64.1
18 ∞ 0.100
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 20.000
θ 69.614
Ｒ -9.111
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 8.032
θ 14.155
Ｒ -7.401
Ｃ3 4.7903E-002
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ -5.321
θ -1.059
Ｒ -3.399
Ｃ3 1.3200E-001
偏心[1]
Ｘ 0.000 Ｙ ∞ Ｚ 0.000
α 90.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[2]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[3]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ 0.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[4]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -5.200
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
偏心[5]
Ｘ 0.000 Ｙ 0.000 Ｚ -2.000
α 0.000 β 0.000 γ 0.000
【０１０２】
以上の実施例では、光学系１の中心軸Ｌ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。
【０１０３】
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Ｌの周りで回転す
ることにより形成され中心軸Ｌ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。
【０１０４】
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１０の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。
【０１０５】
また、本発明の前群Ｇｆを構成する中心軸Ｌの周りで回転対称な透明媒体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Ｌ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Ｌ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。
【０１０６】
また、本発明の光学系は、中心軸Ｌ（回転対称軸）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。
【０１０７】
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、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、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、画像Ａ１をすべて撮像することができる。
【０１０８】
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スリット状に伸びる開口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。
【０１０９】
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、及び、第１透過面１１の前方に円形状の開口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。
【０１１０】
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の後方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。
【０１１１】
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、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。
【０１１２】
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１０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。
【０１１３】
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】
【０１１４】
【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の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図６】実施例１の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。
【図７】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８】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図９】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１０】実施例２の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。
【図１１】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１２】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１３】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１４】実施例３の光学系全体のＦ−θ線図を示す図である。
【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】
【０１１５】
１…光学系
１０…像面
Ｌ…中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を含む断面内で、約１８０°の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、前記透明媒体は、前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、第１透過面より中心軸側に配置された第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、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、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字状の光路を構成し、前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、最大及び／又は最小画角を通る光路が中心軸と交差することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記画角は、１８０°又は少なくとも１８０°であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２透過面のメリジオナル断面のパワーは負であり、前記第２透過面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（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３のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学素子は、屈折率１．５以上の透明媒質で構成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１つに記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１反射面及び前記第２反射面のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項７】
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、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乃至請求項６のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項８】
前記透明媒体の有する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乃至請求項７のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項９】
前群と、前記前群より像面側に配置された後群と、前記前群と前記後群の間に配置された開口とを備え、前記光学素子は、前記前群に配置され、前記中心軸を囲むように配置された物体の像を形成し、あるいは前記中心軸から放射する方向に物体の像を投影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１つに記載の光学素子を備えた光学系。
【請求項１０】
前記光学系は、中心軸の周囲の円環状の物体の像を中心軸と直交する平面内に形成することを特徴とする請求項９に記載の光学系。
【請求項１１】
前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の光学系。
【請求項１２】
前記第２透過面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする請求項９乃
至請求項１１のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１３】
前記光学系は、光路中で中間像を形成しないことを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１４】
前記光学素子は、開口に対して像面と反対側に配置されることを特徴とする請求項９乃至請求項１３のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１５】
前記光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする請求項９乃至請求項１４のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１６】
前記光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１５に記載の光学系。
【請求項１７】
請求項９乃至請求項１６のいずれか１つ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、約１８０°の画角を有し、中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、前記透明媒体は、前記中心軸に対して最外周に配置された第１透過面と、第１透過面より中心軸側に配置された第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、前記透明媒体に入射する光束は、順光線追跡の順に、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字状の光路を構成し、前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成され、最大及び／又は最小画角を通る光路が中心軸と交差することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記画角は、１８０°又は少なくとも１８０°であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記光学素子のメリジオナル断面の角倍率をβωとするとき、
０．０１＜βω＜０．５ ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２透過面のメリジオナル断面のパワーは負であり、前記第２透過面のパワーをＰ２、中心主光線のメリジオナル断面の光学系全体のパワーをＰｍとするとき、
−１０＜Ｐ２／Ｐｍ＜−１ ・・・（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３のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学素子は、屈折率１．５以上の透明媒質で構成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１つに記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１反射面及び前記第２反射面のうちの少なくとも１つは、全反射作用を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項７】
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、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乃至請求項６のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項８】
前記透明媒体の有する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乃至請求項７のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項９】
前群と、前記前群より像面側に配置された後群と、前記前群と前記後群の間に配置された開口とを備え、前記光学素子は、前記前群に配置され、前記中心軸を囲むように配置された物体の像を形成し、あるいは前記中心軸から放射する方向に物体の像を投影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１つに記載の光学素子を備えた光学系。
【請求項１０】
前記光学系は、中心軸の周囲の円環状の物体の像を中心軸と直交する平面内に形成することを特徴とする請求項９に記載の光学系。
【請求項１１】
前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の光学系。
【請求項１２】
前記第２透過面は、前記開口側に凹面を向けて配置されることを特徴とする請求項９乃
至請求項１１のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１３】
前記光学系は、光路中で中間像を形成しないことを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１４】
前記光学素子は、開口に対して像面と反対側に配置されることを特徴とする請求項９乃至請求項１３のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１５】
前記光学素子の外径をＤ、像の外径をＤｒとするとき、
Ｄ／Ｄｒ＜１０ ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする請求項９乃至請求項１４のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１６】
前記光学素子の外径Ｄは、
Ｄ＜２０mm ・・・（４）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１５に記載の光学系。
【請求項１７】
請求項９乃至請求項１６のいずれか１つ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２０１０−２００６６（Ｐ２０１０−２００６６Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８００３３（Ｐ２００８−１８００３３）
【出願日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【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２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]