JP7501985B2 - Endoscopic imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、撮像光学系、及びそれを備えた撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging optical system and an imaging device equipped with the same.
光学系の特性を表す物理量として、被写界深度が知られている。被写界深度は、焦点を物体に合わせたときに、物体の像を鮮明に得ることができる範囲である。 Depth of field is known as a physical quantity that represents the characteristics of an optical system. Depth of field is the range in which a clear image of an object can be obtained when the focus is on the object.
被写界深度は、物体空間における2つの点の間隔で表される。2つの点は、光軸上に位置している。 Depth of field is expressed as the distance between two points in object space. The two points are located on the optical axis.
2つの点のうち、一方の点を遠点とし、他方の点を近点とすると、近点は、遠点よりも光学系の近くに位置している。近点から遠点までの間に、焦点を合わせた物体の位置(以下、「合焦位置」という)が含まれている。 If one of the two points is called the far point and the other the near point, the near point is located closer to the optical system than the far point. The position of the focused object (hereafter referred to as the "focus position") is included between the near point and the far point.
通常光学系における被写界深度について説明する。通常光学系は、収差が良好に補正された光学系である。以下、通常光学系における被写界深度を、「通常深度」という。また、通常深度内に位置する物点に対応する光学像を、「通常点像」という。 The depth of field in a normal optical system is explained below. A normal optical system is an optical system in which aberrations are well corrected. Hereinafter, the depth of field in a normal optical system is referred to as the "normal depth." In addition, an optical image corresponding to an object point located within the normal depth is referred to as the "normal point image."
第1の状態は、物点の位置が合焦位置と一致している状態である。第2の状態は、物点の位置が遠点の位置と一致している状態である。第3の状態は、物点の位置が近点の位置と一致している状態である。 The first state is a state in which the position of the object point coincides with the in-focus position. The second state is a state in which the position of the object point coincides with the position of the far point. The third state is a state in which the position of the object point coincides with the position of the near point.
点像N1は、第1の状態における通常点像である。点像N2は、第2の状態における通常点像である。点像N3は、第3の状態における通常点像である。 Point image N1 is a normal point image in the first state. Point image N2 is a normal point image in the second state. Point image N3 is a normal point image in the third state.
通常点像の鮮明さは、点像N1で最も高い。よって、点像N2の鮮明さと点像N3の鮮明さは、点像N1の鮮明さよりも低い。 Normally, the sharpness of the point image is highest for point image N1. Therefore, the sharpness of point image N2 and point image N3 are lower than the sharpness of point image N1.
ただし、点像N2の鮮明さと点像N1の鮮明さとの間に、大きさ違いはない。点像N3の鮮明さと点像N1の鮮明さとの間に、大きな違いはない。よって、点像N2の鮮明さと点像N3の鮮明さは、点像N1の鮮明さと、ほぼ同じであるとみなすことができる。 However, there is no difference in size between the clarity of point image N2 and the clarity of point image N1. There is also no significant difference between the clarity of point image N3 and the clarity of point image N1. Therefore, the clarity of point image N2 and the clarity of point image N3 can be considered to be approximately the same as the clarity of point image N1.
物点が通常深度内に位置している場合、物点の位置にかかわらず、通常点像の鮮明さは点像N1の鮮明さと同じか、又は、ほぼ同じである。これに対して、物点が通常深度内に位置していない場合、通常点像の鮮明さは、点像N1の鮮明さよりも低い。 When an object point is located within the normal depth, the sharpness of the normal point image is the same or nearly the same as the sharpness of point image N1, regardless of the position of the object point. In contrast, when an object point is not located within the normal depth, the sharpness of the normal point image is lower than the sharpness of point image N1.
物体の表面(以下、「表面OB」という)は、複数の物点で形成されている。表面OBが非平面で、通常深度よりも広い範囲に位置している場合、物点の光学像の鮮明さは、物点の位置に応じて異なる。 The surface of an object (hereinafter referred to as "surface OB") is formed by multiple object points. If the surface OB is non-planar and located in a range wider than the normal depth, the clarity of the optical image of the object points will vary depending on the position of the object points.
通常深度内に位置している物体の表面(以下、「表面OBin」という)では、点像N1の鮮明さと同じ鮮明さ(以下、「鮮明さH」という)で、各物点の光学像が形成される。よって、表面OBinの光学像は、鮮明さHを有する。鮮明さHには、点像N1の鮮明さとほぼ同じ鮮明さが含まれている。 On the surface of an object located within normal depth (hereinafter referred to as "surface OBin"), an optical image of each object point is formed with the same sharpness (hereinafter referred to as "sharpness H") as the sharpness of the point image N1. Therefore, the optical image of the surface OBin has sharpness H. Sharpness H contains approximately the same sharpness as the sharpness of the point image N1.
これに対して、通常深度内に位置していない物体の表面(以下、「表面OBoff」という)では、点像N1の鮮明さよりも低い鮮明さ(以下、「鮮明さL」という)で、各物点の光学像が形成される。よって、表面OBoffの光学像は、鮮明さLを有する。 In contrast, on the surface of an object that is not located within the normal depth (hereinafter referred to as "surface OBoff"), an optical image of each object point is formed with a sharpness (hereinafter referred to as "sharpness L") lower than the sharpness of the point image N1. Therefore, the optical image of the surface OBoff has sharpness L.
表面OBの光学像を撮像素子で撮像することで、表面OBの画像を取得することができる。表面OBが通常深度よりも広い範囲に位置している場合、通常光学系で取得された画像には、表面OBinの画像と表面OBoffの画像が含まれる。 An image of the surface OB can be obtained by capturing an optical image of the surface OB with an imaging element. If the surface OB is located in a range wider than the normal depth, the image captured by the normal optical system includes an image of the surface OBin and an image of the surface OBoff.
表面OBinの画像は、鮮明さHを持つ画像である。鮮明な画像を、鮮明さHを持つ画像とすると、表面OBinの画像は鮮明な画像である。 The image of the surface OBin is an image with sharpness H. If a sharp image is an image with sharpness H, then the image of the surface OBin is a sharp image.
表面OBoffの画像は鮮明さLを持つ画像である。不鮮明な画像を、鮮明さLを持つ画像とすると、表面OBoffの画像は不鮮明な画像である。 The image with the surface OBoff is an image with sharpness L. If a blurry image is an image with sharpness L, then the image with the surface OBoff is a blurry image.
このように、表面OBが通常深度よりも広い範囲に位置している場合、通常光学系で取得された画像には、鮮明な画像と不鮮明な画像とが含まれる。 In this way, when the surface OB is located in a range wider than the normal depth, the image acquired with the normal optical system includes clear and blurry images.
1つの画像では、鮮明さの違いができるだけ少ない方が好ましい。鮮明さの違いを少なくするには、被写界深度を広くすれば良い。 It is preferable to have as little difference in sharpness as possible within a single image. To reduce the difference in sharpness, you can increase the depth of field.
被写界深度は、例えば、以下の式で表される。
DOF=DOFf+DOFn
DOFf=(H×D)/(H-D)
DOFn=(H×D)/(H+D)
H=f2/(F×c)
ここで、
DOFは、被写界深度、
DOFfは、遠点側の被写界深度、
DOFnは、近点側の被写界深度、
Hは、過焦点距離、
Dは、光学系から合焦位置までの距離、
fは、光学系の焦点距離、
Fは、光学系のFナンバー、
cは、許容錯乱円の直径、
である。
The depth of field is expressed, for example, by the following formula:
DOF = DOFf + DOFn
DOFf=(H×D)/(H−D)
DOFn=(H×D)/(H+D)
H = f2 / (F x c)
here,
DOF is depth of field,
DOFf is the depth of field on the far side,
DOFn is the depth of field on the near point side,
H is the hyperfocal distance,
D is the distance from the optical system to the focal point,
f is the focal length of the optical system,
F is the F-number of the optical system.
c is the diameter of the permissible circle of confusion,
It is.
被写界深度を広くする方法として、EDoF(Extended of Depth of Field)が知られている。EDoFを用いた光学系(以下、「EDoF光学系」という)では、例えば、収差の追加が、意図的に行われる。 Extended Depth of Field (EDoF) is known as a method for widening the depth of field. In an optical system using EDoF (hereinafter referred to as an "EDoF optical system"), for example, aberration is intentionally added.
被写界深度を表す式には、許容錯乱円の直径が含まれている。点像N1の大きさは、許容錯乱円の直径と見なすことができる。よって、点像N1の大きさを変えることで、被写界深度を変えることができる。 The formula for depth of field includes the diameter of the permissible circle of confusion. The size of point image N1 can be considered as the diameter of the permissible circle of confusion. Therefore, by changing the size of point image N1, the depth of field can be changed.
点像N1の鮮明さが変化すると、点像N1の大きさが変化する。収差の追加では、点像N1の鮮明さが低下するように、球面収差が追加される。 When the sharpness of the point image N1 changes, the size of the point image N1 changes. When adding aberration, spherical aberration is added so that the sharpness of the point image N1 decreases.
点像N1の鮮明さが低下すると、点像N1の大きさが大きくなる。点像N1の大きさが大きくなると、許容錯乱円の直径が大きくなる。よって、被写界深度が広げることができる。 When the sharpness of the point image N1 decreases, the size of the point image N1 increases. When the size of the point image N1 increases, the diameter of the permissible circle of confusion increases. Therefore, the depth of field can be expanded.
EDoF光学系では、点像N1の大きさが大きくなるような収差の追加が行われる。その結果、EDoF光学系は、通常深度よりも広い被写界深度を有する。以下、EDoF光学系における被写界深度を、「拡張深度」という。また、拡張深度内に位置する物点に対応する光学像を、「拡張点像」という。 In an EDoF optical system, aberration is added such that the size of the point image N1 becomes larger. As a result, the EDoF optical system has a depth of field that is wider than the normal depth. Hereinafter, the depth of field in an EDoF optical system will be referred to as the "extended depth." Also, an optical image corresponding to an object point located within the extended depth will be referred to as the "extended point image."
点像E1は、第1の状態における拡張点像である。点像E2は、第2の状態における拡張点像である。点像E3は、第3の状態における拡張点像である。 Point image E1 is an extended point image in a first state. Point image E2 is an extended point image in a second state. Point image E3 is an extended point image in a third state.
拡張点像の鮮明さは、点像E1で最も高い。よって、点像E2の鮮明さと点像E3の鮮明さは、点像E1の鮮明さよりも低い。 The clarity of the extended point images is highest for point image E1. Therefore, the clarity of point image E2 and point image E3 are lower than the clarity of point image E1.
ただし、点像E2の鮮明さと点像E1の鮮明さとの間に、大きさ違いはない。点像E3の鮮明さと点像E1の鮮明さとの間に、大きさ違いはない。よって、点像E2の鮮明さと点像E3の鮮明さは、点像E1の鮮明さと、ほぼ同じであるとみなすことができる。 However, there is no difference in size between the clarity of point image E2 and the clarity of point image E1. There is no difference in size between the clarity of point image E3 and the clarity of point image E1. Therefore, the clarity of point image E2 and the clarity of point image E3 can be considered to be approximately the same as the clarity of point image E1.
物点が拡張深度内に位置している場合、物点の位置にかかわらず、拡張点像の鮮明さは点像E1の鮮明さと同じか、又は、ほぼ同じである。これに対して、物点が拡張深度内に位置していない場合、拡張点像の鮮明さは、点像E1の鮮明さよりも低い。 When an object point is located within the extended depth, the sharpness of the extended point image is the same or nearly the same as the sharpness of point image E1, regardless of the position of the object point. In contrast, when an object point is not located within the extended depth, the sharpness of the extended point image is less than the sharpness of point image E1.
物体が通常深度よりも広い範囲に位置する場合について説明する。 This explains the case where an object is located at a range wider than the normal depth.
拡張深度は、通常深度よりも広い。よって、表面OBoffであっても、表面OBoffが拡張深度内に位置していれば、点像E1の鮮明さと同じ鮮明さで、表面OBoffの光学像が形成される。 The extended depth is wider than the normal depth. Therefore, even if the surface OBoff is located within the extended depth, an optical image of the surface OBoff is formed with the same clarity as the point image E1.
ただし、点像E1の大きさは、点像N1の大きさよりも大きい。そのため、点像E1の鮮明さは、点像N1の鮮明さより低い。その結果、EDoF光学系で取得された画像では、表面OBinの画像と表面OBoffの画像は、不鮮明な画像になる。 However, the size of point image E1 is larger than the size of point image N1. Therefore, the sharpness of point image E1 is lower than the sharpness of point image N1. As a result, in the image acquired by the EDoF optical system, the image of surface OBin and the image of surface OBoff are blurred images.
不鮮明な画像は、焦点がぼけた画像である。そのため、不鮮明な画像のままでは、例えば、観察と診断に用いることができない。しかしながら、不鮮明な画像に対して回復処理を施すことで、鮮明な画像を得ることができる。 A blurry image is an image that is out of focus. Therefore, a blurry image cannot be used for observation and diagnosis, for example. However, a clear image can be obtained by performing a restoration process on the blurry image.
光学系による結像では、以下の関係が成立する。
I(x,y)=O(x,y)*PSF(x,y) (A)
ここで、
O(x,y)は、物体、
I(x,y)は、物体の光学像、
PSF(x,y)は、点像分布関数、
*は、コンボリューションを表す演算子、
である。
In imaging by an optical system, the following relationship holds:
I(x,y)=O(x,y)*PSF(x,y) (A)
here,
O(x,y) is the object,
I(x,y) is the optical image of the object;
PSF(x,y) is the point spread function,
* is the operator representing convolution,
It is.
式(A)から分かるように、I(x,y)とPSF(x,y)から、O(x,y)を求めることができる。回復処理では、I(x,y)とPSF(x,y)を用いてデコンボリューションが行われる。その結果、O(x,y)を求めることができる。 As can be seen from equation (A), O(x,y) can be calculated from I(x,y) and PSF(x,y). In the recovery process, deconvolution is performed using I(x,y) and PSF(x,y). As a result, O(x,y) can be calculated.
式(A)は、物体と、その物体の光学像との関係を表している。そのため、物体が光軸方向の広い範囲に位置する場合、光軸方向における物体の位置(以下、「物体位置」という)ごとに、PSF(x,y)を求めなくてはならない。 Equation (A) expresses the relationship between an object and its optical image. Therefore, if the object is located over a wide range in the optical axis direction, the PSF(x, y) must be found for each object position in the optical axis direction (hereafter referred to as "object position").
PSF(x,y)は、点像の強度分布を表している。点像の強度分布は、光学系の瞳関数に基づいて求めることができる。よって、光学系の瞳関数から、PSF(x,y)を求めることができる。 PSF(x,y) represents the intensity distribution of a point image. The intensity distribution of a point image can be calculated based on the pupil function of the optical system. Therefore, PSF(x,y) can be calculated from the pupil function of the optical system.
ただし、点像の強度分布は、物体位置ごとに異なる。そのため、物体位置ごとに、PSF(x,y)を求めなくてはならない。しかしながら、物体位置ごとにPSF(x,y)を求めることは、非常に困難である。 However, the intensity distribution of the point image differs for each object position. Therefore, the PSF(x, y) must be calculated for each object position. However, it is very difficult to calculate the PSF(x, y) for each object position.
上述のように、EDoF光学系では、点像E2の鮮明さと点像E3の鮮明さは、点像E1の鮮明さとほぼ同じである。そのため、物点が拡張深度内に位置している場合、拡張点像の強度分布は、物体位置にかかわらず同じであると見なすことができる。 As mentioned above, in an EDoF optical system, the sharpness of point image E2 and the sharpness of point image E3 are approximately the same as the sharpness of point image E1. Therefore, when an object point is located within the extended depth, the intensity distribution of the extended point image can be considered to be the same regardless of the object position.
全ての物体位置で拡張点像の強度分布が同じ場合、全ての物体位置における拡張点像の強度分布は、1つのPSF(x,y)で表すことができる。よって、EDoF光学系では、物体位置ごとにPSF(x,y)を求める必要が無い。 When the intensity distribution of the extended point image is the same at all object positions, the intensity distribution of the extended point image at all object positions can be expressed by a single PSF(x, y). Therefore, in an EDoF optical system, there is no need to calculate a PSF(x, y) for each object position.
EDoF光学系では、PSF(x,y)の数は1つになる。回復処理では、1つPSF(x,y)を用いれば良いので、容易に、O(x,y)を求めることができる。 In an EDoF optical system, the number of PSF(x, y) is one. In the restoration process, only one PSF(x, y) needs to be used, so O(x, y) can be easily calculated.
広い被写界深度を有する結像光学系が、特許文献1に開示されている。この結像光学系では、被写界深度を拡大するために、意図的に球面収差が光学系に付加されている。球面収差は、位相板により付加されている。
この結像光学系では、以下の条件を満足する。
A/10≧B
ここで、
Aは、球面収差が付加された後の球面収差量、
Bは、球面収差が付加される前の結像光学系の像面湾曲の最大値、
である。
This imaging optical system satisfies the following conditions:
A/10≧B
here,
A is the amount of spherical aberration after the spherical aberration is added,
B is the maximum value of the field curvature of the imaging optical system before spherical aberration is added,
It is.
この条件を満足することで、被写界深度の拡大に対する像面湾曲の影響を、実質的に除去できる。 By satisfying this condition, the effect of field curvature on the extension of the depth of field can be essentially eliminated.
特許文献1の結像光学系では、球面収差が付加される前の結像光学系において、像面湾曲を小さくしている。像面湾曲を小さくするためには、例えば、結像光学系に使用するレンズの枚数を多くすれば良い。しかしながら、レンズの枚数を多くすると、光学系の全長が長くなってしまう。
In the imaging optical system of
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、光学系の全長が短く、被写界深度が広い撮像光学系を提供することを目的とする。また、被写界深度が広く、且つ鮮明な画像を、容易に生成できる撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of these problems, and aims to provide an imaging optical system with a short overall optical system length and a wide depth of field. It also aims to provide an imaging device that has a wide depth of field and can easily generate clear images.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る内視鏡撮像装置は、
光学系と、
撮像面を持ち、且つ光学系により撮像面上に形成された像を電気信号に変換する撮像素子と、を有し、
光学系が、
物体側から順に、
負の屈折力を有する第1レンズ群と、
第2レンズ群と、
正の屈折力を有する第3レンズ群と、を有し、
第1レンズ群は、最も物体側に、物体側に平面を向けた平凹負レンズを有し、
第2レンズ群は、絞りと、位相変調を行う光学面と、を有し、
位相変調を行う光学面は位相変調素子の像側面に設けられ、位相変調素子の物体側の面は平面であり、
光学面は、絞りと一致する位置、又は、絞りの隣に配置され、
位相変調によって、波面の位相に変化が生じ、
変化が生じたときの被写界深度の大きさは、変化が生じないときの被写界深度の大きさよりも大きくなるように、
位相変調によって、球面収差が付加され、
球面収差は、Fナンバーの値が小さくなるにつれてマイナス方向へ大きくなり、
以下の条件式(1)、(2)および(3)’を満足する撮像光学系であることを特徴とする。
D2×cosα<D1 (1)
D1<D2 (2)
65°≦α (3)’
ここで、
マイナス方向は、近軸像面から撮像光学系に向かう方向、
αは、撮像光学系の半画角、
D1は、第1レンズ面における軸上光束の直径、
D2は、第1レンズ面における所定の軸外光束の直径、
第1レンズ面は、第1レンズ群において最も物体側に位置するレンズ面、
所定の軸外光束は、半画角で定義される光束、
である。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, an endoscopic imaging device according to at least some embodiments of the present invention comprises:
An optical system;
an image sensor having an image pickup surface and converting an image formed on the image pickup surface by an optical system into an electrical signal;
The optical system is
From the object side,
a first lens group having negative refractive power;
A second lens group; and
a third lens group having a positive refractive power,
the first lens group has a plano-concave negative lens, the plano-concave lens being located closest to the object and having a flat surface facing the object;
the second lens group has a diaphragm and an optical surface that performs phase modulation;
the optical surface performing the phase modulation is provided on the image side of the phase modulation element, and the object side surface of the phase modulation element is a flat surface;
The optical surface is located coincident with or adjacent to the aperture;
Phase modulation causes a change in the phase of the wavefront,
The depth of field when a change occurs is greater than the depth of field when no change occurs.
Phase modulation adds spherical aberration,
Spherical aberration increases in the negative direction as the F-number decreases,
The imaging optical system is characterized in that it satisfies the following conditional expressions (1) , (2) and (3)' .
D2 × cos α < D1 (1)
D1 < D2 (2)
65°≦α (3) '
here,
The negative direction is the direction from the paraxial image plane toward the imaging optical system.
α is the half angle of view of the imaging optical system,
D1 is the diameter of the axial beam at the first lens surface,
D2 is the diameter of a given off-axis ray bundle at the first lens surface,
the first lens surface is a lens surface located closest to the object in the first lens group;
The predetermined off-axis light flux is a light flux defined by a half angle of view,
It is.
また、本発明の撮像装置は、
光学系と、
撮像面を持ち、且つ光学系により撮像面上に形成された像を電気信号に変換する撮像素子と、を有し、
光学系が撮像光学系であることを特徴とする。
Moreover, the imaging device of the present invention comprises:
An optical system;
an image sensor having an image pickup surface and converting an image formed on the image pickup surface by an optical system into an electrical signal;
The optical system is characterized in that it is an imaging optical system.
本発明によれば、光学系の全長が短く、広い被写界深度を有する撮像光学系を提供することができる。また、被写界深度が広く、且つ鮮明な画像を、容易に生成できる撮像装置を提供することができる。 The present invention can provide an imaging optical system with a short overall optical system length and a wide depth of field. It can also provide an imaging device that can easily generate clear images with a wide depth of field.
実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。 Before describing the examples, the effects of an embodiment relating to a certain aspect of the present invention will be described. When specifically describing the effects of this embodiment, specific examples will be shown. However, as in the case of the examples described below, these exemplified aspects are merely a portion of the aspects included in the present invention, and there are many variations in these aspects. Therefore, the present invention is not limited to the exemplified aspects.
本実施形態の撮像光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群と、第2レンズ群と、正の屈折力を有する第3レンズ群と、を有し、第2レンズ群は、絞りと、位相変調を行う光学面と、を有し、光学面は、絞りと一致する位置、又は、絞りの近傍に配置され、位相変調によって、波面の位相に変化が生じ、変化が生じたときの許容錯乱円の大きさは、変化が生じないときの許容錯乱円の大きさよりも大きく、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
D2×cosα<D1 (1)
ここで、
αは、撮像光学系の半画角、
D1は、第1レンズ面における軸上光束の直径、
D2は、第1レンズ面における所定の軸外光束の直径、
第1レンズ面は、第1レンズ群において最も物体側に位置するレンズ面、
所定の軸外光束は、半画角で定義される光束、
である。
The imaging optical system of this embodiment has, in order from the object side, a first lens group having negative refractive power, a second lens group, and a third lens group having positive refractive power, the second lens group having an aperture and an optical surface that performs phase modulation, the optical surface being disposed at a position coinciding with the aperture or in the vicinity of the aperture, a change in the phase of the wavefront occurs due to the phase modulation, the size of the permissible circle of confusion when the change occurs is larger than the size of the permissible circle of confusion when no change occurs, and is characterized in satisfying the following conditional expression (1):
D2 × cos α < D1 (1)
here,
α is the half angle of the imaging optical system,
D1 is the diameter of the axial beam at the first lens surface,
D2 is the diameter of a given off-axis ray bundle at the first lens surface,
the first lens surface is a lens surface located closest to the object in the first lens group;
The predetermined off-axis light flux is a light flux defined by a half angle of view,
It is.
図1は、本実施形態の撮像光学系のレンズ断面図である。撮像光学系OBJは、第1レンズ群G1と、第2レンズ群G2と、第3レンズ群G3と、を有する。 Figure 1 is a cross-sectional view of the lenses of the imaging optical system of this embodiment. The imaging optical system OBJ has a first lens group G1, a second lens group G2, and a third lens group G3.
第1レンズ群G1は、負の屈折力を有する。第2レンズ群G2は、正の屈折力を有する。ただし、第2レンズ群G2の屈折力は、正の屈折力に限られない。第3レンズ群G3は、正の屈折力を有する。 The first lens group G1 has negative refractive power. The second lens group G2 has positive refractive power. However, the refractive power of the second lens group G2 is not limited to positive refractive power. The third lens group G3 has positive refractive power.
第1レンズ群G1、第2レンズ群G2、及び第3レンズ群G3は、例えば、以下のように形成することができる。 The first lens group G1, the second lens group G2, and the third lens group G3 can be formed, for example, as follows.
第1レンズ群G1は、負レンズL1を有することができる。第2レンズ群G2は、正レンズL2と、位相変調素子PMと、絞りSと、を有することができる。第3レンズ群G3は、正レンズL3と、正レンズL4と、負レンズL5と、正レンズL6と、を有することができる。 The first lens group G1 can have a negative lens L1. The second lens group G2 can have a positive lens L2, a phase modulation element PM, and a diaphragm S. The third lens group G3 can have a positive lens L3, a positive lens L4, a negative lens L5, and a positive lens L6.
撮像光学系OBJでは、負レンズL1が、最も物体側に配置されている。そのため、広い画角を確保することができる。 In the imaging optical system OBJ, the negative lens L1 is positioned closest to the object. This allows a wide angle of view to be ensured.
撮像光学系OBJの像面には、光学像が形成される。光学像は、例えば、撮像素子を用いて撮像することができる。撮像素子は、カバーガラスを有する。カバーガラスの配置を可能にするためには、長いバックフォーカスが必要である。 An optical image is formed on the image plane of the imaging optical system OBJ. The optical image can be captured, for example, using an imaging element. The imaging element has a cover glass. A long back focus is required to enable placement of the cover glass.
広い画角を有する光学系では、焦点距離が短い。焦点距離が短い光学系では、バックフォーカスが短い。撮像光学系OBJは広い画角を有するので、バックフォーカスが短い。よって、広い画角を確保しつつ、長いバックフォーカスを確保する必要がある。 In an optical system with a wide angle of view, the focal length is short. In an optical system with a short focal length, the back focus is short. Since the imaging optical system OBJ has a wide angle of view, the back focus is short. Therefore, it is necessary to ensure a long back focus while also ensuring a wide angle of view.
長いバックフォーカスを確保できる光学系として、レトロフォーカス型の光学系が知られている。レトロフォーカス型の光学系では、屈折力の並びが、負の屈折力、正の屈折力になっている。 Retrofocus optical systems are known as optical systems that can ensure a long back focus. In retrofocus optical systems, the order of refractive power is negative and positive.
撮像光学系OBJでは、第1レンズ群G1と第3レンズ群G3とで、屈折力の並びが、負の屈折力、正の屈折力になっている。この場合、撮像光学系OBJでは、レトロフォーカス型の光学系が形成されていると考えることができる。そのため、バックフォーカスを十分に確保することができる。その結果、像面の物体側に、カバーガラスを配置することができる。また、像面の物体側に、光学フィルタを配置することができる。 In the imaging optical system OBJ, the first lens group G1 and the third lens group G3 have negative and positive refractive powers. In this case, the imaging optical system OBJ can be considered to have a retrofocus optical system. Therefore, a sufficient back focus can be ensured. As a result, a cover glass can be placed on the object side of the image plane. Also, an optical filter can be placed on the object side of the image plane.
第2レンズ群G2では、位相変調が行われる。位相変調とは、例えば、波面の位相を変化させることである。波面の位相に変化が生じると、収差が変化する。よって、位相変調は、収差の付加と見なすことができる。 In the second lens group G2, phase modulation is performed. Phase modulation means, for example, changing the phase of the wavefront. When a change occurs in the phase of the wavefront, the aberration changes. Therefore, phase modulation can be considered as the addition of aberration.
位相変調は、光学面で行うことができる。位相変調を行うために、第2レンズ群G2には、位相変調を行う光学面(以下、「位相変調面」という)が配置されている。 Phase modulation can be performed by an optical surface. To perform phase modulation, an optical surface that performs phase modulation (hereinafter referred to as the "phase modulation surface") is disposed in the second lens group G2.
第2レンズ群G2は、絞りSと、位相変調面PMSと、を有する。位相変調面PMSは、位相変調素子PMの像側面に設けられている。位相変調素子PMの物体側面は、平面である。 The second lens group G2 has a diaphragm S and a phase modulation surface PMS. The phase modulation surface PMS is provided on the image side surface of the phase modulation element PM. The object side surface of the phase modulation element PM is a flat surface.
絞りSは、撮像光学系OBJの瞳位置に配置されている。ただし、絞りSは、瞳位置の近傍に配置されていても良い。この場合、絞りSは、開口絞りと見なすことができる。 The aperture stop S is disposed at the pupil position of the imaging optical system OBJ. However, the aperture stop S may also be disposed near the pupil position. In this case, the aperture stop S can be considered as an aperture stop.
位相変調面PMSは、絞りSと一致する位置、又は、絞りSの近傍に配置されている。上述のように、絞りSは、撮像光学系OBJの瞳位置に配置されている。そのため、軸上光束と軸外光束の両方に対して、同じ位相変調を行うことができる。 The phase modulation surface PMS is positioned at a position coincident with the aperture stop S or in the vicinity of the aperture stop S. As described above, the aperture stop S is positioned at the pupil position of the imaging optical system OBJ. Therefore, the same phase modulation can be performed on both the on-axis light beam and the off-axis light beam.
撮像光学系OBJでは、位相変調によって、波面の位相に変化が生じる。波面の位相に変化が生じると、位相変調面PMSから射出される波面の位相は、位相変調面PMSに入射する波面の位相と異なる。 In the imaging optical system OBJ, a change occurs in the phase of the wavefront due to phase modulation. When a change occurs in the phase of the wavefront, the phase of the wavefront emerging from the phase modulation surface PMS differs from the phase of the wavefront incident on the phase modulation surface PMS.
波面の位相に変化が生じることで、許容錯乱円の大きさが変化する。変化が生じたときの許容錯乱円の大きさは、変化が生じないときの許容錯乱円の大きさよりも大きい。 When a change occurs in the phase of the wavefront, the size of the permissible circle of confusion changes. The size of the permissible circle of confusion when a change occurs is larger than the size of the permissible circle of confusion when no change occurs.
許容錯乱円の大きさが大きくなると、物体距離の変化に対する許容錯乱円の大きさの変化(以下、「所定の変化」という)が小さくなる。所定の変化が小さいということは、被写界深度が広いことを意味している。よって、波面の位相に変化が生じたときの被写界深度は、波面の位相に変化が生じないときの被写界深度よりも広くなる。 When the size of the permissible circle of confusion increases, the change in the size of the permissible circle of confusion with respect to a change in object distance (hereinafter referred to as the "predetermined change") becomes smaller. A small predetermined change means that the depth of field is wide. Therefore, the depth of field when a change occurs in the phase of the wavefront is wider than the depth of field when no change occurs in the phase of the wavefront.
波面の位相に変化が生じないとき、収差が良好に補正されているとする。収差が良好に補正されている光学系は、通常光学系である。撮像光学系OBJでは、波面の位相に変化が生じている。よって、撮像光学系OBJにおける被写界深度は、通常光学系における被写界深度よりも広い。 When there is no change in the phase of the wavefront, it is said that the aberration is well corrected. An optical system in which the aberration is well corrected is a normal optical system. In the imaging optical system OBJ, a change occurs in the phase of the wavefront. Therefore, the depth of field in the imaging optical system OBJ is wider than the depth of field in a normal optical system.
通常光学系における被写界深度は、通常深度である。撮像光学系OBJは、通常深度よりも広い被写界深度を有する。上述のように、EDoF光学系は、通常深度よりも広い被写界深度を有する。よって、撮像光学系OBJは、EDoF光学系である。 The depth of field in a normal optical system is the normal depth. The imaging optical system OBJ has a depth of field wider than the normal depth. As described above, the EDoF optical system has a depth of field wider than the normal depth. Therefore, the imaging optical system OBJ is an EDoF optical system.
本実施形態の撮像光学系は、EDoF光学系であると共に、条件式(1)を満足する。条件式(1)は、軸上光束の直径と所定の軸外光束の直径に関する条件式である。軸上光束の直径と所定の軸外光束の直径について説明する。 The imaging optical system of this embodiment is an EDoF optical system and satisfies conditional expression (1). Conditional expression (1) is a conditional expression relating to the diameter of the on-axis light beam and the diameter of the predetermined off-axis light beam. The diameter of the on-axis light beam and the diameter of the predetermined off-axis light beam will be described below.
図2は、第1レンズ面に入射する光束を示す図である。図2には、負レンズL1、光束Lon、及び光束Loffが図示されている。 Figure 2 shows a light beam incident on the first lens surface. Figure 2 shows the negative lens L1, light beam Lon, and light beam Loff.
負レンズL1は、第1レンズ面S1を有する。第1レンズ群G1では、負レンズL1が、最も物体側に配置されている。よって、第1レンズ面S1は、第1レンズ群G1において最も物体側に位置するレンズ面である。 The negative lens L1 has a first lens surface S1. In the first lens group G1, the negative lens L1 is disposed closest to the object. Therefore, the first lens surface S1 is the lens surface in the first lens group G1 that is located closest to the object.
第1レンズ面S1には、様々な角度で光束が入射する。第1レンズ面S1に入射する光束には、軸上光束と軸外光束が含まれている。軸上光束では、中心光線が光軸AXと一致している。軸外光束では、中心光線が光軸AXと交差している。 Light beams are incident on the first lens surface S1 at various angles. The light beams incident on the first lens surface S1 include on-axis light beams and off-axis light beams. For on-axis light beams, the central ray coincides with the optical axis AX. For off-axis light beams, the central ray intersects with the optical axis AX.
光束Lonでは、中心光線が光軸AXと一致している。よって、光束Lonは、軸上光束である。 In the light beam Lon, the central ray coincides with the optical axis AX. Therefore, the light beam Lon is an axial light beam.
光束Loffは、主光線CRmaxが光軸AXと交差している。よって、光束Loffは、軸外光束を表している。 The principal ray CRmax of the light beam Loff intersects with the optical axis AX. Therefore, the light beam Loff represents an off-axis light beam.
光束Loffでは、主光線CRmaxと光軸AXとのなす角がαである。撮像光学系OBJの画角をωとすると、α=ω/2である。よって、αは、撮像光学系OBJの半画角を表している。画角は、光学系で撮像することができる物体空間の最大範囲を表す角度である。 For the light beam Loff, the angle between the chief ray CRmax and the optical axis AX is α. If the angle of view of the imaging optical system OBJ is ω, then α = ω/2. Therefore, α represents the half angle of view of the imaging optical system OBJ. The angle of view is the angle that represents the maximum range of the object space that can be imaged by the optical system.
主光線と光軸とのなす角度が半画角のときの光束を、半画角で定義される光束とする。また、半画角で定義される光束を、所定の軸外光束とする。 The light beam when the angle between the chief ray and the optical axis is half the angle of view is defined as the light beam defined by the half angle of view. In addition, the light beam defined by the half angle of view is defined as a specified off-axis light beam.
光束Loffでは、主光線CRmaxと光軸AXとのなす角度が半画角である。よって、光束Loffは、半画角で定義される光束である。半画角で定義される光束は所定の軸外光束なので、光束Loffは所定の軸外光束を表している。 For light beam Loff, the angle between the chief ray CRmax and the optical axis AX is the half angle of view. Therefore, light beam Loff is a light beam defined by the half angle of view. Since the light beam defined by the half angle of view is a specified off-axis light beam, light beam Loff represents a specified off-axis light beam.
光束Lonと光束Loffは、物点が無限遠に位置しているときの光束を表している。物点は無限遠に位置しているため、光束Lonと光束Loffは、共に平行光束である。光束Lonと光束Loffは、第1レンズ面S1に入射する。 Light fluxes Lon and Loff represent the light fluxes when the object point is located at infinity. Since the object point is located at infinity, both light fluxes Lon and Loff are parallel light fluxes. Light fluxes Lon and Loff are incident on the first lens surface S1.
直径D1は、第1レンズ面S1における光束Lonの直径である。光束Lonは軸上光束なので、直径D1は、第1レンズ面S1における軸上光束の直径である。直径D2は、第1レンズ面S1における光束Loffの直径である。光束Loffは所定の軸外光束なので、直径D2は、第1レンズ面S1における所定の軸外光束の直径である。 Diameter D1 is the diameter of the light beam Lon at the first lens surface S1. Since the light beam Lon is an on-axis light beam, diameter D1 is the diameter of the on-axis light beam at the first lens surface S1. Diameter D2 is the diameter of the light beam Loff at the first lens surface S1. Since the light beam Loff is a predetermined off-axis light beam, diameter D2 is the diameter of the predetermined off-axis light beam at the first lens surface S1.
光束Lonの直径は、中心光線と直交する平面内における光束の直径である。光束Lonでは、中心光線と直交する平面は、第1レンズ面S1と平行である。よって、光束Lonの直径は、直径D1と等しい。 The diameter of the light beam Lon is the diameter of the light beam in a plane perpendicular to the central ray. For the light beam Lon, the plane perpendicular to the central ray is parallel to the first lens surface S1. Therefore, the diameter of the light beam Lon is equal to the diameter D1.
光束Loffの直径は、主光線CRmaxと直交する平面内における光束の直径である。光束Loffでは、主光線CRmaxと直交する平面は、第1レンズ面S1と非平行である。よって、光束Loffの直径は、直径D2と異なる。光束Loffの直径は、D2×cosαである。 The diameter of the light beam Loff is the diameter of the light beam in a plane perpendicular to the chief ray CRmax. For the light beam Loff, the plane perpendicular to the chief ray CRmax is non-parallel to the first lens surface S1. Therefore, the diameter of the light beam Loff is different from the diameter D2. The diameter of the light beam Loff is D2 x cos α.
光束の直径と収差の発生量との関係について説明する。 Explains the relationship between the diameter of the light beam and the amount of aberration.
本実施形態の撮像光学系は、通常光学系に位相変調面が配置された光学系、と見なすことができる。上述のように、位相変調は、収差の付加と見なすことができる。よって、本実施形態の撮像光学系で発生する収差には、通常光学系で発生する収差(以下、「基本収差」という)と、位相変調面で発生する収差(以下、「追加収差」という)と、が含まれる。 The imaging optical system of this embodiment can be considered as an optical system in which a phase modulation surface is disposed in a normal optical system. As described above, phase modulation can be considered as the addition of aberration. Therefore, the aberrations that occur in the imaging optical system of this embodiment include aberrations that occur in normal optical systems (hereinafter referred to as "basic aberrations") and aberrations that occur at the phase modulation surface (hereinafter referred to as "additional aberrations").
被写界深度の広さは、許容錯乱円の大きさに応じて変化する。位相変調によって被写界深度を変化させるためには、許容錯乱円の大きさが、主に追加収差によって変化すれば良い。許容錯乱円の大きさを追加収差によって変化させるためには、基本収差の収差量(以下、「基本収差量」という)が、追加収差の収差量に比べて非常に少なければ良い。 The width of the depth of field changes depending on the size of the permissible circle of confusion. To change the depth of field by phase modulation, the size of the permissible circle of confusion only needs to be changed mainly by additional aberrations. To change the size of the permissible circle of confusion by additional aberrations, the amount of basic aberrations (hereinafter referred to as "basic aberration amount") needs to be much smaller than the amount of additional aberrations.
基本収差量は、軸上収差の収差量(以下、「軸上収差量」という)と、軸外収差の収差量(以下、「軸外収差量」という)と、で決まる。 The amount of basic aberration is determined by the amount of on-axis aberration (hereafter referred to as "on-axis aberration amount") and the amount of off-axis aberration (hereafter referred to as "off-axis aberration amount").
軸外光束のFナンバーの値が軸上光束のFナンバーの値と同じ場合、一般的には、軸外収差量の方が、軸上収差量よりも多い。基本収差量を少なくするためには、軸外収差量を少なくする必要がある。通常光学系において軸外収差量を少なくするためには、多くのレンズを用いる必要がある。 When the F-number of the off-axis light beam is the same as the F-number of the on-axis light beam, the amount of off-axis aberration is generally greater than the amount of on-axis aberration. In order to reduce the amount of basic aberration, it is necessary to reduce the amount of off-axis aberration. In a normal optical system, many lenses must be used to reduce the amount of off-axis aberration.
条件式(1)を満足する場合、所定の軸外光束の直径は、軸上光束の直径よりも小さい。そのため、所定の軸外光束におけるFナンバーの値は、軸上光束におけるFナンバーの値よりも大きい。 When conditional expression (1) is satisfied, the diameter of the specified off-axis light beam is smaller than the diameter of the on-axis light beam. Therefore, the F-number value for the specified off-axis light beam is larger than the F-number value for the on-axis light beam.
被写界深度は、Fナンバーの値が大きくなるほど広くなる。そのため、本実施形態の撮像光学系では、所定の軸外光束における被写界深度は、軸上光束における被写界深度よりも広い。 The greater the F-number, the wider the depth of field. Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, the depth of field for a given off-axis light beam is wider than the depth of field for an on-axis light beam.
収差量は、Fナンバーの値が大きくなるほど少なくなる。そのため、本実施形態の撮像光学系では、軸外光束のFナンバーの値が軸上光束のFナンバーの値と同じ場合に比べて、軸外収差量が少ない。 The amount of aberration decreases as the F-number increases. Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, the amount of off-axis aberration is smaller than when the F-number of the off-axis light beam is the same as the F-number of the on-axis light beam.
上述のように、軸外収差量を少なくするためには、通常光学系において、多くのレンズを用いる必要がある。しかしながら、本実施形態の撮像光学系では、軸外収差量が少ない。そのため、通常光学系において、多くのレンズを用いる必要がない。よって、光学系の全長を短くすることができる。 As described above, in order to reduce the amount of off-axis aberration, it is necessary to use many lenses in a normal optical system. However, in the imaging optical system of this embodiment, the amount of off-axis aberration is small. Therefore, it is not necessary to use many lenses in a normal optical system. Therefore, the overall length of the optical system can be shortened.
また、許容錯乱円の大きさは、Fナンバーの値が大きくなるほど大きくなる。そのため、本実施形態の撮像光学系では、軸外光束のFナンバーの値が軸上光束のFナンバーの値と同じ場合に比べて、軸外光束における許容錯乱円の大きさが大きい。 The size of the permissible circle of confusion also increases as the F-number increases. Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, the size of the permissible circle of confusion for the off-axis light beam is larger than when the F-number for the off-axis light beam is the same as the F-number for the on-axis light beam.
許容錯乱円の大きさが大きくなるほど、軸外収差量が許容錯乱円に及ぼす影響は小さくなる。そのため、本実施形態の撮像光学系では、軸外光束のFナンバーの値が軸上光束のFナンバーの値と同じ場合に比べて、通常光学系において、より大きな軸外収差の発生を許容することができる。その結果、例えば、像面湾曲が大きく発生していても、広い被写界深度を得ることができる。 The larger the size of the permissible circle of confusion, the smaller the effect of the amount of off-axis aberration on the permissible circle of confusion. Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, the occurrence of larger off-axis aberrations can be tolerated in a normal optical system compared to when the F-number value of the off-axis light beam is the same as the F-number value of the on-axis light beam. As a result, for example, even if there is a large curvature of field, a wide depth of field can be obtained.
また、光学系の製造では、例えば、レンズの加工と光学系の組み立てが行われる。レンズの加工では加工誤差が生じ、光学系の組み立てでは組み立て誤差が生じることがある。これらの誤差が生じると、例えば、片ボケと呼ばれる現象が生じる。片ボケが生じると、取得した画像では、右側の周辺部は鮮明であっても、左側の周辺部は不鮮明になる。 In addition, in the manufacture of an optical system, for example, lens processing and optical system assembly are performed. Processing errors may occur in lens processing, and assembly errors may occur in the assembly of an optical system. When these errors occur, a phenomenon called one-sided blur occurs, for example. When one-sided blur occurs, the peripheral area on the right side of the acquired image is clear, but the peripheral area on the left side is unclear.
片ボケが生じているときのPSF(x,y)は、設計時のPSF(x,y)と異なる。そのため、設計時のPSF(x,y)を用いて回復処理を行っても、被写界深度が広い画像を鮮明に取得することができない。 The PSF(x, y) when one-sided blur occurs differs from the PSF(x, y) at the time of design. Therefore, even if the restoration process is performed using the PSF(x, y) at the time of design, it is not possible to obtain a clear image with a wide depth of field.
本実施形態の撮像光学系では、より大きな軸外収差の発生を許容することができる。片ボケを軸外収差と見なすと、本実施形態の撮像光学系では、片ボケの影響を最小限に抑えることができる。そのため、取得した画像に片ボケが生じていても、設計時のPSF(x,y)を用いて回復処理を行うことで、被写界深度が広い画像を鮮明に取得することができる。 The imaging optical system of this embodiment can tolerate larger off-axis aberrations. If one-sided blur is considered to be off-axis aberration, the imaging optical system of this embodiment can minimize the effect of one-sided blur. Therefore, even if one-sided blur occurs in the acquired image, a clear image with a wide depth of field can be acquired by performing recovery processing using the PSF(x, y) at the time of design.
物点が無限遠に位置していない場合、光束Lonと光束Loffは、共に発散光である。この場合、光束Lonと光束Loffの比較は、物体側開口数で行うことができる。条件式(1)を満足する場合、所定の軸外光束における物体側開口数の値は、軸上光束における物体側開口数の値よりも小さい。 When the object point is not located at infinity, both the light beams Lon and Loff are diverging light. In this case, the comparison of the light beams Lon and Loff can be made in terms of the object-side numerical aperture. When conditional expression (1) is satisfied, the value of the object-side numerical aperture for a given off-axis light beam is smaller than the value of the object-side numerical aperture for an axial light beam.
被写界深度は、物体側開口数の値が小さくなるほど広くなる。そのため、本実施形態の撮像光学系では、所定の軸外光束における被写界深度は、軸上光束における被写界深度よりも広い。 The depth of field becomes wider as the object-side numerical aperture becomes smaller. Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, the depth of field for a given off-axis light beam is wider than the depth of field for an on-axis light beam.
よって、物点が無限遠に位置していても、物点が無限遠に位置していなくても、本実施形態の撮像光学系では、所定の軸外光束における被写界深度は、軸上光束における被写界深度よりも広い。 Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, whether the object point is located at infinity or not, the depth of field for a given off-axis light beam is wider than the depth of field for an on-axis light beam.
位相変調素子PMでは、物体側面は平面である。しかしながら、物体側面は、球面にすることができる。物体側面を球面にすることで、物体側面を、通常光学系の収差補正に用いることができる。 In the phase modulation element PM, the object side surface is a plane. However, the object side surface can be made spherical. By making the object side surface spherical, the object side surface can be used to correct aberrations in a normal optical system.
位相変調素子PMの像側面は、通常光学系の収差補正に用いても良い。この場合、位相変調素子PMの像側面では、位相変調と通常光学系の収差補正が行われる。また、通常光学系を形成するレンズのレンズ面に、位相変調を付加しても良い。 The image side surface of the phase modulation element PM may be used for aberration correction of the normal optical system. In this case, phase modulation and aberration correction of the normal optical system are performed on the image side surface of the phase modulation element PM. Phase modulation may also be added to the lens surface of the lens that forms the normal optical system.
本実施形態の撮像光学系は、以下の条件式(2)を満足することが好ましい。
D1<D2 (2)
ここで、
D1は、第1レンズ面における軸上光束の直径、
D2は、第1レンズ面における所定の軸外光束の直径、
第1レンズ面は、第1レンズ群において最も物体側に位置するレンズ面、
所定の軸外光束は、半画角で定義される光束、
である。
It is preferable that the imaging optical system of this embodiment satisfies the following conditional expression (2).
D1 < D2 (2)
here,
D1 is the diameter of the axial beam at the first lens surface,
D2 is the diameter of a given off-axis ray bundle at the first lens surface,
the first lens surface is a lens surface located closest to the object in the first lens group;
The predetermined off-axis light flux is a light flux defined by a half angle of view,
It is.
条件式(2)を満足することで、視野の周辺での解像力の低下を防止することができる。その結果、本実施形態の撮像光学系よれば、視野の中心から周辺まで、ほぼ同じ解像力を維持することができる。 By satisfying conditional expression (2), it is possible to prevent a decrease in resolution at the periphery of the field of view. As a result, the imaging optical system of this embodiment can maintain approximately the same resolution from the center to the periphery of the field of view.
本実施形態の撮像光学系は、以下の条件式(3)を満足することが好ましい。
40°≦α (3)
ここで、
αは、撮像光学系の半画角、
である。
It is preferable that the imaging optical system of this embodiment satisfies the following conditional expression (3).
40°≦α (3)
here,
α is the half angle of the imaging optical system,
It is.
条件式(3)を満足することで、広い視野を得ることができる。 By satisfying conditional expression (3), a wide field of view can be obtained.
本実施形態の撮像光学系は、撮像装置、例えば内視鏡の対物光学系に用いることができる。内視鏡では、対物光学系は、例えば体腔内に挿入される。本実施形態の撮像光学系によれば、体腔内の広い範囲を、鮮明に観察することができる。 The imaging optical system of this embodiment can be used in an imaging device, for example, an objective optical system of an endoscope. In an endoscope, the objective optical system is inserted, for example, into a body cavity. The imaging optical system of this embodiment allows clear observation of a wide area inside the body cavity.
本実施形態の撮像光学系では、全ての物体位置で、以下の条件式(4)を満足する所定の空間周波数帯域を有し、所定の空間周波数帯域の最大空間周波数は、ナイキスト周波数の近傍の空間周波数であることが好ましい。
0.08≦VMTF (4)
ここで、
VMTFは、物体高がゼロのときのMTFの値、
物体位置は、近点から遠点までの間の任意の位置、
近点は、撮像光学系の被写界深度において、撮像光学系に対して最も近くに位置する点、
遠点は、被写界深度において、撮像光学系に対して最も遠くに位置する点、
である。
It is preferable that the imaging optical system of this embodiment has a predetermined spatial frequency band that satisfies the following conditional expression (4) at all object positions, and the maximum spatial frequency of the predetermined spatial frequency band is a spatial frequency close to the Nyquist frequency.
0.08≦VMTF (4)
here,
VMTF is the MTF value when the object height is zero.
The object position is any position between the near point and the far point,
The near point is the point located closest to the imaging optical system in the depth of field of the imaging optical system.
The far point is the point located farthest from the imaging optical system in the depth of field.
It is.
本実施形態の撮像光学系よれば、視野の中心から周辺まで、高い解像力を維持することができる。 The imaging optical system of this embodiment can maintain high resolution from the center to the periphery of the field of view.
本実施形態の撮像光学系では、位相変調によって、球面収差が付加されることが好ましい。 In the imaging optical system of this embodiment, it is preferable that spherical aberration is added by phase modulation.
本実施形態の撮像光学系よれば、広い被写界深度を得ることができる。 The imaging optical system of this embodiment can provide a wide depth of field.
本実施形態の撮像光学系は、球面収差は、Fナンバーの値が小さくなるにつれてマイナス方向へ大きくなり、マイナス方向は、近軸像面から撮像光学系に向かう方向であり、球面収差の収差曲線は、変曲点を有することが好ましい。 In the imaging optical system of this embodiment, the spherical aberration increases in the negative direction as the F-number value decreases, and the negative direction is the direction from the paraxial image surface toward the imaging optical system, and it is preferable that the aberration curve of the spherical aberration has an inflection point.
本実施形態の撮像光学系よれば、広い被写界深度を得ることができる。 The imaging optical system of this embodiment can provide a wide depth of field.
本実施形態の撮像光学系では、第1レンズ面は、凸面又は平面であることが好ましい。 In the imaging optical system of this embodiment, it is preferable that the first lens surface is a convex surface or a flat surface.
第1レンズ面は、物体に面している。そのため、第1レンズ面は、物体と接触する可能性がある。第1レンズ面を凸面又は平面にすることで、接触時の衝撃を緩和することができる。 The first lens surface faces the object. Therefore, there is a possibility that the first lens surface may come into contact with the object. By making the first lens surface convex or flat, it is possible to reduce the impact of contact.
また、本実施形態の撮像光学系は、内視鏡の対物光学系に用いることができる。第1レンズ面を凸面又は平面にすることで、第1レンズ面の汚れを容易に落とすことができる。 The imaging optical system of this embodiment can also be used in the objective optical system of an endoscope. By making the first lens surface convex or flat, dirt on the first lens surface can be easily removed.
第1レンズ面が凸面の場合、凸面はなめらかな面であることが好ましい。また、凸面の曲率半径は大きいことが好ましい。凸面の曲率半径を大きくすることで、物体側への突出量を少なくすることができる。 If the first lens surface is convex, it is preferable that the convex surface be a smooth surface. It is also preferable that the radius of curvature of the convex surface is large. By increasing the radius of curvature of the convex surface, it is possible to reduce the amount of protrusion toward the object side.
本実施形態の撮像光学系では、0からナイキスト周波数近傍までの周波数帯域、かつ近距離物体から遠距離物体までの領域で物体高0の光線のMTFが8%以上であることが好ましい。 In the imaging optical system of this embodiment, it is preferable that the MTF of light rays at an object height of 0 is 8% or more in the frequency band from 0 to near the Nyquist frequency and in the range from close objects to far objects.
本実施形態の撮像光学系よれば、視野の中心から周辺まで、高い解像力を維持することができる。 The imaging optical system of this embodiment can maintain high resolution from the center to the periphery of the field of view.
本実施形態の撮像装置は、光学系と、撮像面を持ち、且つ光学系により撮像面上に形成された像を電気信号に変換する撮像素子と、を有し、光学系が本実施形態の撮像光学系であることを特徴とする。 The imaging device of this embodiment has an optical system and an imaging element that has an imaging surface and converts an image formed on the imaging surface by the optical system into an electrical signal, and is characterized in that the optical system is the imaging optical system of this embodiment.
本実施形態の撮像装置よれば、被写界深度が広く、且つ鮮明な画像を、容易に生成することができる。 The imaging device of this embodiment can easily generate clear images with a wide depth of field.
以下に、撮像光学系の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。 Below, an embodiment of the imaging optical system will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment.
図3は、実施例1の撮像光学系のレンズ断面図である。第1レンズ群はG1、第2レンズ群はG2、第3レンズ群はG3、絞りはS、像面(撮像面)はIで示してある。 Figure 3 is a lens cross-sectional view of the imaging optical system of Example 1. The first lens group is indicated as G1, the second lens group as G2, the third lens group as G3, the aperture as S, and the image plane (imaging plane) as I.
実施例1の撮像光学系は、物体側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群G1と、正の屈折力を有する第2レンズ群G2と、正の屈折力を有する第3レンズ群G3と、を有する。 The imaging optical system of Example 1 has, in order from the object side, a first lens group G1 having negative refractive power, a second lens group G2 having positive refractive power, and a third lens group G3 having positive refractive power.
第1レンズ群G1は、物体側に平面を向けた平凹負レンズL1を有する。 The first lens group G1 has a plano-concave negative lens L1 with its flat surface facing the object side.
第2レンズ群G2は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL2と、位相変調素子PMと、を有する。位相変調素子PMでは、物体側は平面で、像側面は非球面である。 The second lens group G2 has a positive meniscus lens L2 with a convex surface facing the image side, and a phase modulation element PM. The object side surface of the phase modulation element PM is flat, and the image side surface is aspheric.
第3レンズ群G3は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズL3と、両凸正レンズL4と、平凹負レンズL5と、像側に平面を向けた平凸正レンズL6と、を有する。両凸正レンズL4と平凹負レンズL5とが接合されている。 The third lens group G3 has a positive meniscus lens L3 with a convex surface facing the image side, a biconvex positive lens L4, a plano-concave negative lens L5, and a plano-convex positive lens L6 with a flat surface facing the image side. The biconvex positive lens L4 and the plano-concave negative lens L5 are cemented together.
絞りSは、第2レンズ群G2に配置されている。より詳しくは、位相変調素子PMの像側面に配置されている。 The aperture stop S is disposed in the second lens group G2. More specifically, it is disposed on the image side of the phase modulation element PM.
図4は、実施例1の撮像光学系のMTFを示す図である。図4(a)は、物体距離が3mmのときのMTFである。図4(b)は、物体距離が6.6mmのときのMTFである。図4(c)は、物体距離が150mmのときのMTFである。 Figure 4 shows the MTF of the imaging optical system of Example 1. Figure 4(a) shows the MTF when the object distance is 3 mm. Figure 4(b) shows the MTF when the object distance is 6.6 mm. Figure 4(c) shows the MTF when the object distance is 150 mm.
実線は、軸上光束におけるMTFである。破線と一点鎖線は、所定の軸外光束におけるMTFである。破線はラジアル方向におけるMTFで、一点鎖線はタンジェンシャル方向におけるMTFである。点線は、回折限界におけるMTFの最大値を示している。 The solid line is the MTF for an on-axis beam. The dashed and dashed lines are the MTF for a given off-axis beam. The dashed line is the MTF in the radial direction, and the dashed line is the MTF in the tangential direction. The dotted line shows the maximum MTF at the diffraction limit.
軸上光束では、物体距離の変化に伴って、MTF曲線のピークの位置が大きく変化している。一方、所定の軸外光束でも、物体距離の変化に伴って、MTF曲線のピークの位置が変化している。 For an axial light beam, the position of the peak of the MTF curve changes significantly as the object distance changes. On the other hand, even for a given off-axis light beam, the position of the peak of the MTF curve changes as the object distance changes.
しかしながら、所定の軸外光束におけるピークの位置の変化は、軸上光束におけるピークの位置の変化よりも小さい。特に、タンジェンシャル方向におけるMTFでは、ピークの位置が変化は非常に小さい。 However, the change in the position of the peak for a given off-axis light beam is smaller than the change in the position of the peak for an on-axis light beam. In particular, the change in the position of the peak is very small for the MTF in the tangential direction.
これは、所定の軸外光束では、物体距離が変化したときのデフォーカスの影響が、軸上光束に比べて小さいことを意味している。デフォーカスの影響が小さいということは、許容錯乱円の大きさの変化が小さいということである。 This means that for a given off-axis light beam, the effect of defocus when the object distance changes is smaller than for an on-axis light beam. A smaller effect of defocus means a smaller change in the size of the permissible circle of confusion.
上述のように、許容錯乱円の大きさの変化が小さいと、被写界深度が広い。よって、本実施例の撮像光学系では、所定の軸外光束における被写界深度は、軸上光束における被写界深度よりも広い。 As mentioned above, when the change in the size of the permissible circle of confusion is small, the depth of field is wide. Therefore, in the imaging optical system of this embodiment, the depth of field for a given off-axis light beam is wider than the depth of field for an on-axis light beam.
また、MTF曲線のピークの値は、軸上光束と所定の軸外光束とで、ほぼ同じである。よって、本実施例の撮像光学系では、視野の中心から周辺まで、ほぼ同じ解像力を維持することができる。 In addition, the peak value of the MTF curve is approximately the same for the on-axis light beam and a specified off-axis light beam. Therefore, the imaging optical system of this embodiment can maintain approximately the same resolution from the center to the periphery of the field of view.
以下に、実施例1の数値データを示す。面データにおいて、rは各レンズ面の曲率半径、dは各レンズ面間の間隔、neは各レンズのe線の屈折率、νdは各レンズのアッベ数、*印は非球面である。 The numerical data for Example 1 is shown below. In the surface data, r is the radius of curvature of each lens surface, d is the distance between each lens surface, ne is the refractive index of each lens for the e-line, νd is the Abbe number of each lens, and * denotes an aspheric surface.
各種データにおいて、OBは物体距離、fは全系の焦点距離、FNO.はFナンバー、αは半画角である。 In the various data, OB is the object distance, f is the focal length of the entire system, FNO. is the F-number, and α is the half angle of view.
また、非球面形状は、光軸方向をz、光軸に直交する方向をyにとり、円錐係数をk、非球面係数をA4、A6、A8、A10、A12、A14…としたとき、次の式で表される。
z=(y2/r)/[1+{1-(1+k)(y/r)2}1/2]
+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10+A12y12+A14y14+…
また、非球面係数において、「E+n」(nは整数)は、「10n」を示している。なお、これら諸元値の記号は後述の実施例の数値データにおいても共通である。
In addition, the aspheric shape is expressed by the following equation, where the optical axis direction is z, the direction perpendicular to the optical axis is y, the conic coefficient is k, and the aspheric coefficients are A4, A6, A8, A10, A12, A14 . . .
z = (y 2 /r)/[1 + {1 - (1 + k) (y/r) 2 } 1/2 ]
+ A4y4 + A6y6 + A8y8 + A10y10 + A12y12 + A14y14 +...
In addition, in the aspheric coefficient, "E+n" (n is an integer) indicates "10 n ". The symbols of these specification values are common to the numerical data of the examples described later.
数値実施例1
単位 mm
面データ
面番号 r d ne νd
1 ∞ 0.220 1.88815 40.76
2 0.6260 0.549
3 -3.1353 0.472 1.97188 17.47
4 -1.8636 0.033
5 ∞ 0.801 1.51825 64.14
6* ∞ 0
7(絞り) ∞ 0.187
8 -7.8277 0.582 1.88815 40.76
9 -1.3859 0.088
10 2.0766 0.692 1.69979 55.53
11 -1.3376 0.297 1.97188 17.47
12 ∞ 0.362
13 1.6055 0.953 1.51825 64.14
14 ∞ 0
像面 ∞
非球面データ
第6面
k=0.000
A4=-2.7933E+01,A6=3.0550E+03,A8=-1.5491E+05,
A10=4.0813E+06,A12=-5.7054E+07,A14=3.3699E+08
各種データ
OB 6.6
f 0.5
FNO. 3.8
α 65
Numerical Example 1
Unit: mm
Surface data surface number rd ne νd
1∞0.2201.8881540.76
2 0.6260 0.549
3 -3.1353 0.472 1.97188 17.47
4 -1.8636 0.033
5 ∞ 0.801 1.51825 64.14
6*∞0
7(Aperture) ∞ 0.187
8 -7.8277 0.582 1.88815 40.76
9 -1.3859 0.088
10 2.0766 0.692 1.69979 55.53
11 -1.3376 0.297 1.97188 17.47
12∞0.362
13 1.6055 0.953 1.51825 64.14
14∞0
Image plane ∞
Aspheric data No. 6
k=0.000
A4=-2.7933E+01, A6=3.0550E+03, A8=-1.5491E+05,
A10=4.0813E+06, A12=-5.7054E+07, A14=3.3699E+08
Various data OB 6.6
f 0.5
FNO. 3.8
Alpha 65
実施例1における条件式の値を以下に掲げる。
実施例1
(1)D2×cosα 0.063
(2)D1<D2
D1 0.121
D2 0.148
(3)α 65
The values of the conditional expressions in the first embodiment are given below.
Example 1
(1) D2 × cosα 0.063
(2) D1<D2
D1 0.121
D2 0.148
(3) α 65
図5は、撮像装置の実施例を示す図である。撮像装置1は、撮像光学系2と、撮像素子3と、を有する。撮像光学系2には、例えば、実施例1の撮像光学系が用いられている。
撮像光学系2によって、像面に、物体4の光学像が形成される。
5 is a diagram showing an embodiment of an imaging device. The
The imaging
像面には、撮像素子3の撮像面が位置している。撮像素子3によって、光学像は撮像される。光学像は電気信号に変換される。その結果、物体4の画像が取得される。
The imaging surface of the
撮像光学系2は、EDoF光学系である。EDoF光学系で取得された画像は、物体が拡張深度内に位置していても、不鮮明な画像である。よって、撮像装置1では、物体4の不鮮明な画像が取得される。
The imaging
撮像装置1は、画像処理装置5と組み合わせることができる。物体4の画像は、画像処理装置5に入力される。画像処理装置5では、物体4の画像に対して回復処理を施すことができる。その結果、物体4の鮮明な画像を得ることができる。
The
以上のように、本発明は、光学系の全長が短く、広い被写界深度を有する撮像光学系に適している。また、本発明は、被写界深度が広く、且つ鮮明な画像を、容易に生成できる撮像装置に適している。 As described above, the present invention is suitable for an imaging optical system that has a short overall optical system length and a wide depth of field. The present invention is also suitable for an imaging device that has a wide depth of field and can easily generate clear images.
G1 第1レンズ群
G2 第2レンズ群
G3 第3レンズ群
PM 位相変調素子
PMS 位相変調面
S 絞り
L1 負レンズ
Lon、Loff 光束
S1 第1レンズ面
AX 光軸
CRmax 主光線
α 半画角
ω 画角
D1、D2 直径
I 像面
1 撮像装置
2 撮像光学系
3 撮像素子
4 物体
5 画像処理装置
G1 First lens group G2 Second lens group G3 Third lens group PM Phase modulation element PMS Phase modulation surface S Aperture L1 Negative lens Lon, Loff Light flux S1 First lens surface AX Optical axis CRmax Chief ray α Half angle of view ω Angle of view D1, D2 Diameter I Image surface 1
Claims (2)
撮像面を持ち、且つ前記光学系により撮像面上に形成された像を電気信号に変換する撮像素子と、を有し、
前記光学系が、
物体側から順に、
負の屈折力を有する第1レンズ群と、
第2レンズ群と、
正の屈折力を有する第3レンズ群と、を有し、
前記第1レンズ群は、最も物体側に、物体側に平面を向けた平凹負レンズを有し、
前記第2レンズ群は、絞りと、位相変調を行う光学面と、を有し、
前記位相変調を行う前記光学面は位相変調素子の像側面に設けられ、前記位相変調素子の物体側の面は平面であり、
前記光学面は、前記絞りと一致する位置、又は、前記絞りの隣に配置され、
前記位相変調によって、波面の位相に変化が生じ、
前記変化が生じたときの被写界深度の大きさは、前記変化が生じないときの被写界深度の大きさよりも大きくなるように、
前記位相変調によって、球面収差が付加され、
前記球面収差は、Fナンバーの値が小さくなるにつれてマイナス方向へ大きくなり、
以下の条件式(1)、(2)および(3)’を満足する撮像光学系であることを特徴とする内視鏡撮像装置。
D2×cosα<D1 (1)
D1<D2 (2)
65°≦α (3)’
ここで、
前記マイナス方向は、近軸像面から前記撮像光学系に向かう方向、
αは、前記撮像光学系の半画角、
D1は、第1レンズ面における軸上光束の直径、
D2は、前記第1レンズ面における所定の軸外光束の直径、
前記第1レンズ面は、前記第1レンズ群において最も物体側に位置するレンズ面、
前記所定の軸外光束は、前記半画角で定義される光束、
である。 An optical system;
an image sensor having an image pickup surface and converting an image formed on the image pickup surface by the optical system into an electrical signal;
The optical system comprises:
From the object side,
a first lens group having negative refractive power;
A second lens group; and
a third lens group having a positive refractive power,
the first lens group includes a plano-concave negative lens having a flat surface facing the object side, the plano-concave negative lens being located closest to the object side;
the second lens group has a diaphragm and an optical surface that performs phase modulation;
the optical surface performing the phase modulation is provided on an image side surface of a phase modulation element, and the object side surface of the phase modulation element is a flat surface;
the optical surface is positioned coincident with or adjacent to the aperture;
The phase modulation causes a change in the phase of the wavefront,
The magnitude of the depth of field when the change occurs is greater than the magnitude of the depth of field when the change does not occur.
The phase modulation adds spherical aberration,
The spherical aberration increases in the negative direction as the F-number value decreases,
An endoscopic imaging apparatus characterized in that it has an imaging optical system which satisfies the following conditional expressions (1) , (2) and (3)' .
D2 × cos α < D1 (1)
D1 < D2 (2)
65°≦α (3) '
here,
the negative direction is a direction from a paraxial image plane toward the imaging optical system,
α is the half angle of view of the imaging optical system,
D1 is the diameter of the axial beam at the first lens surface,
D2 is the diameter of a given off-axis ray bundle at the first lens surface,
the first lens surface being a lens surface located closest to an object in the first lens group;
The predetermined off-axis light flux is a light flux defined by the half angle of view,
It is.
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