專利名稱：透射光學(xué)元件以及使用該透射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透射光學(xué)元件以及使用該透射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及使視場(chǎng)角較大的部分的物體像在平面環(huán)帶狀的像面上成像的物鏡光學(xué)系統(tǒng)或攝像光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以往，使用魚眼鏡頭等廣角光學(xué)系統(tǒng)來作為對(duì)視場(chǎng)角寬廣的周邊部進(jìn)行攝像的裝置。但是，進(jìn)行較寬的視場(chǎng)角的攝像會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)量的增加，從而難以應(yīng)用于小型光學(xué)設(shè)備尤其是內(nèi)窺鏡和膠囊型內(nèi)窺鏡中。
以往，在專利文獻(xiàn)1中提出了將膠囊型內(nèi)窺鏡前端的半球狀的透明罩的內(nèi)表面形成為圓錐面、從而使觀察范圍變?yōu)閺V角的方案，然而其原
理并不明確。另外，在專利文獻(xiàn)2中提出了將膠囊型內(nèi)窺鏡前端的透明
罩前表面形成為圓錐面的方案。但是其并非使用該透明罩來實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)角的拓寬。日本特開2001-174713號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)2]美國專利第5,604,531號(hào)說明書
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的情況，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且攝影視場(chǎng)角寬廣，尤其可以對(duì)主要來自中心軸的垂直方向的映像進(jìn)行攝像，結(jié)構(gòu)小型且像差良好地得以校正的透射光學(xué)元件以及使用該透射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的透射光學(xué)元件通過具有2面的圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射面、且折射率大于1的透明介質(zhì)構(gòu)成，該透射光學(xué)元件的特征在于，至少1面的透射面具有在上述透射面與中心軸相交的附近處、上述透射面的法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀。
另外，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)是使圍繞中心軸的物體在與中心軸正交的平面的像面上成像的成像系統(tǒng)，其特征在于，該光學(xué)系統(tǒng)具有圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的前組和圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱且具有正放大率的后組，上述前組至少具有1個(gè)透射光學(xué)元件，該透射光學(xué)元件通過具有2面的圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射面、且折射率大于1的透明介質(zhì)構(gòu)成，上述透射光學(xué)元件的上述透射面的至少1面具有在上述透射面與中心軸相交的附近處、上述透射面的法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀。
這種情況下，優(yōu)選在上述前組與上述后組之間或者在上述后組之中具有與中心軸同軸配置的開口。
另外，優(yōu)選上述透射光學(xué)元件的上述透射面都具有凹面朝向上述開口的面形狀。
另外，優(yōu)選為，當(dāng)以由沿著中心軸的方向的視場(chǎng)角中心經(jīng)由上述幵口中心的光線作為主光線時(shí)，假設(shè)主光線照到上述透射光學(xué)元件的第1
透射面的點(diǎn)與主光線照到第2透射面的點(diǎn)在2個(gè)面上的切線所形成的角度為e (。)，則滿足1°<9<90°的條件。
另外，優(yōu)選為，上述前組的至少最靠近物體側(cè)的上述透射光學(xué)元件具有遮蔽來自中心軸上的光的遮光部件。
另外，優(yōu)選為，上述后組通過與中心軸同心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。
另外，優(yōu)選為，具有上述正放大率的后組用于校正上述前組所產(chǎn)生的倍率的色像差。
另外，優(yōu)選為，將圓筒狀或球狀的360。全周的映像成像在配置于上述像面上的二維攝像元件上。
另外，優(yōu)選為，在與中心軸相交的附近處法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀的上述透射面具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀，該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀是使不具備對(duì)稱面的任意形狀的曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而形成的。
另外，優(yōu)選為，在與中心軸相交的附近處法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀的上述透射面具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀，該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀是使包含奇數(shù)次項(xiàng)的任意形狀的曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而形成的。
進(jìn)而，如下光學(xué)系統(tǒng)也包含于本發(fā)明之中，即用作將配置于像面上的圖像投影到物體面上的光學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)如上的本發(fā)明，可以獲得能夠以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)視場(chǎng)角寬闊的映像進(jìn)行攝像或投影的、小型、像差校正良好且分辨率良好的透射光學(xué)元件以及使用該透射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)。
圖1是沿著本發(fā)明實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。圖2是實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。
圖3是表示實(shí)施例1的子午剖面上的物體高度和像高度的關(guān)系的圖。
圖4是表示實(shí)施例1的透射光學(xué)元件的變形例的剖面圖。
圖5是沿著本發(fā)明實(shí)施例2的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。
圖6是實(shí)施例2的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。
圖7是表示實(shí)施例2的子午剖面的物體高度和像高度的關(guān)系的圖。
圖8是實(shí)施例2的變形例的剖面圖。
圖9是實(shí)施例2的另一個(gè)變形例的剖面圖。
圖10是沿著本發(fā)明實(shí)施例3的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。
圖11是實(shí)施例3的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。
圖12是表示實(shí)施例3的子午剖面上的視場(chǎng)角和像高度的關(guān)系的圖。圖13是沿著本發(fā)明實(shí)施例4的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。圖14是實(shí)施例4的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。
圖15是表示實(shí)施例4的子午剖面上的視場(chǎng)角和像高度的關(guān)系的圖。圖16是沿著本發(fā)明實(shí)施例5的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。圖17是實(shí)施例5的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。
圖18是表示實(shí)施例5的子午剖面上的視場(chǎng)角和像高度的關(guān)系的圖。圖19是沿著本發(fā)明實(shí)施例6的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。圖20是實(shí)施例6的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。圖21是表示實(shí)施例6的子午剖面上的視場(chǎng)角和像高度的關(guān)系的圖。
圖22是沿著本發(fā)明實(shí)施例7的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸截取的剖面圖。圖23是實(shí)施例7的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差圖。
圖24是表示實(shí)施例7的子午剖面上的視場(chǎng)角和像高度的關(guān)系的圖。圖25是用于表示使用本發(fā)明的寬視場(chǎng)角攝影光學(xué)系統(tǒng)作為內(nèi)窺鏡前
端的攝影光學(xué)系統(tǒng)的例子的圖。
圖26是用于表示使用本發(fā)明的寬視場(chǎng)角攝影光學(xué)系統(tǒng)作為膠囊型內(nèi)
窺鏡的攝影光學(xué)系統(tǒng)的例子的圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)實(shí)施例來說明本發(fā)明的透射光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)。圖1是沿著實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸)1截取的剖面圖。并且，在下面的說明中，是作為使圍繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的物體面6的像在與中心軸1正交的平面的像面7上成像的成像光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行說明的，然而也可以用作將光路逆轉(zhuǎn)而使像面7投影到物體面6上的投影光學(xué)系統(tǒng)。
首先，根據(jù)圖1的實(shí)施例1說明本發(fā)明的透射光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)。圖1的光學(xué)系統(tǒng)包括前組3的后組4，前組3至少具有1個(gè)圍繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀的透射光學(xué)元件2，后組4相對(duì)前組3配置于像面7偵U，由通常的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，圍繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱并具有正放大率；在前組3與后組4之間或者在后組4的內(nèi)部，與中心軸1同軸配置有開口光圈5。
在本實(shí)施例中，作為前組3的構(gòu)成要素的1個(gè)透射光學(xué)元件2的兩個(gè)透射面21、 22都按照本發(fā)明在包含中心軸1的剖面(圖1的面)上且在偏離中心軸1的位置上配置了任意的曲線，通過使曲線圍繞中心軸1旋轉(zhuǎn)而成的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面構(gòu)成，透射面21、 22都具有在中心軸1的附近處透射面21、 22的法線和中心軸1構(gòu)成角度的形狀。并且后面將詳細(xì)敘述擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面。
由于前組3的透射光學(xué)元件2按照這樣具有由擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面構(gòu)成的至少1面透射面21、 22，并且具有在與中心軸1相交的附近處該透 射面21、 22的法線和中心軸1構(gòu)成角度的形狀，因此在包含中心軸1的 剖面(子午剖面)中，通過較強(qiáng)的楔效果將來自中心軸1的周圍的像的 光束轉(zhuǎn)換為來自后組4前方(沿著中心軸1的方向)的像的光束。后組4 用作如下光學(xué)系統(tǒng)將通過前組3轉(zhuǎn)換了視場(chǎng)角的前方的像(實(shí)像或虛 像)在像面7上投影成環(huán)帶狀的像。
作為轉(zhuǎn)換視場(chǎng)角的視場(chǎng)角轉(zhuǎn)換元件的前組3的透射光學(xué)元件2的形 狀是通過使子午剖面的厚度隨著從中心軸1朝向周圍而變厚的形狀的大 致楔形的形狀圍繞中心軸1旋轉(zhuǎn)而得到的，這一點(diǎn)十分重要。在該楔形 形狀的折射作用下，通過以中心軸1為旋轉(zhuǎn)中心配置為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，從而 能夠順暢地將來自與中心軸1大致正交的方向的光束引導(dǎo)至后組4。
另一方面，在現(xiàn)有的魚眼鏡頭等中，將同樣較強(qiáng)的負(fù)凹凸形狀的鏡 頭配置在第1面上而獲得同樣的效果，然而在不特別需要中心軸1上的 成像性能的情況下，面的形狀無需在中心軸1附近處連續(xù)，這是因?yàn)椴?連續(xù)的情況會(huì)更易于獲得周圍的折射作用。
因此，本實(shí)施例中，兩個(gè)透射面21、 22都在中心軸1的位置上構(gòu)成 為不連續(xù)的面。
另外，通過在透射光學(xué)元件2的像側(cè)配置與中心軸同軸的開口光圈5 和具有正放大率的光學(xué)系統(tǒng)(后組4)，從而僅允許被開口光圈5所限制 的光束向后組4入射，能夠?qū)?duì)比度良好的映像進(jìn)行攝像或投影。
更為優(yōu)選的是，為了減少幀像差的產(chǎn)生，將透射光學(xué)元件2的兩個(gè) 透射面21、 22都構(gòu)成為凹面朝向開口光圈5的面形狀，這點(diǎn)是十分重要 的。
進(jìn)一步優(yōu)選的是，如圖4所示，使透射面21、 22的中心軸1附近處 的區(qū)域相互形成為平行面23、 24等不連續(xù)的光學(xué)面，從而還能將中心軸 1方向的映像成像在像面7上后進(jìn)行攝像。
更優(yōu)選的是，在將從視場(chǎng)角中心經(jīng)由開口光圈5中心的光線作為主 光線10時(shí)，假設(shè)主光線10照到最接近物體側(cè)的透射光學(xué)元件2的第1 透射面21的點(diǎn)與主光線10照到第2透射面22上的點(diǎn)在兩個(gè)面上的切線
8所形成的角度為e (°)，則滿足如下條件
io<e<90。 (i)。
如果不足上述條件式(i)的下限r(nóng)，則透射光學(xué)元件2的視場(chǎng)角的 轉(zhuǎn)換量變小，無法獲得寬廣的周邊視野。另外，如果超過上限90。，則視 場(chǎng)角的轉(zhuǎn)換量變得過大，產(chǎn)生的色像差變大，無法在其他面上進(jìn)行校正。
進(jìn)一步優(yōu)選的是，在按照這樣需要增大轉(zhuǎn)換角的情況下，最好使用 兩組以上基于本發(fā)明的透射光學(xué)元件。
更為優(yōu)選的是，滿足如下條件
ioo<e<6o° (i-i)。
后述實(shí)施例i~7的e的值如下。
實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例5 實(shí)施例6實(shí)施例7 9 44.60。
45.79° 58.62°34.215。
33.667°30.962。 25.8923°
進(jìn)一步優(yōu)選的是，具有正放大率的后組4由與中心軸1同心且旋轉(zhuǎn) 對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，從而也能將透射光學(xué)元件2用作通常的光學(xué)系統(tǒng) 的輔助光學(xué)系統(tǒng)。
更為優(yōu)選的是，由于透射光學(xué)元件2具有較強(qiáng)的楔作用，因而期望 通過色散較少的玻璃材料來進(jìn)行制作，然而色散較少的(色散系數(shù)較大) 玻璃折射率也較低，在校正像差上由透射光學(xué)元件2產(chǎn)生的色像差會(huì)變 大。這種情況下，通過使用后組4來校正由透射光學(xué)元件2產(chǎn)生的色像 差，能提升分辨率。另外，由于透射光學(xué)元件2上產(chǎn)生的色像差主要是 倍率的色像差，因此，在為攝像光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，通過校正電子攝像得到的 圖像大小，或者在為投影光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，事先按照每種顏色校正顯示元件 上的映像大小，從而能獲得整體上色像差較少且分辨率較高的映像。
進(jìn)一步優(yōu)選的是，本實(shí)施例中通過旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的面形狀而獲得楔效果， 然而不限于此，可以通過HOE、 DOE、雜質(zhì)介質(zhì)、菲涅耳透鏡等具有使 光線(電磁波)折射的作用的透射面來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)將折射作用設(shè)定為在 中心軸1附近處不連續(xù)是很重要的，只要是具有將入射的光線與中心軸1 所形成的角度由大向小進(jìn)行轉(zhuǎn)換的作用，就可以使用任意的面。
進(jìn)而，由這樣的透射光學(xué)元件2、與中心軸1同軸配置的開口光圈5、同軸的具有正放大率并具備聚光作用的后組4構(gòu)成。
更為優(yōu)選的是，在透射光學(xué)元件2的透射面21、 22中，在弧矢剖面 (與子午剖面正交且包含主光線10的剖面)和子午剖面上形成為放大率 不同的面，因此會(huì)產(chǎn)生非點(diǎn)像差。所產(chǎn)生的該非點(diǎn)像差是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非 點(diǎn)像差，然而并非在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)中所產(chǎn)生的單純的非點(diǎn)像差。因此， 優(yōu)選將具有校正該非點(diǎn)像差的作用的非球面配置在像面7附近。
進(jìn)一步優(yōu)選的是，關(guān)于校正非點(diǎn)像差的面，將弧矢剖面與子午剖面 上放大率不同的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面配置在像面附近。
進(jìn)而，透射光學(xué)元件2的透射面21、 22使用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的面形狀，該
旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的面形狀是使不具備對(duì)稱面的任意形狀的曲線圍繞中心軸1旋 轉(zhuǎn)而形成的，從而可以校正視場(chǎng)角周邊部分的失真。
進(jìn)而，前組3的至少最靠近物體側(cè)的上述透射光學(xué)元件2優(yōu)選具有 遮蔽來自中心軸1上的光線的遮光部件。由于來自物體面6的成像光不 會(huì)入射到透射光學(xué)元件2的中心軸1附近，因此可以通過遮光部件來遮 蔽該位置，從而防止雜光等不需要的光入射到光學(xué)系統(tǒng)。
更為優(yōu)選的是，該曲線是包含奇數(shù)次項(xiàng)在內(nèi)的任意形狀的曲線?？?以通過該奇數(shù)次項(xiàng)對(duì)視場(chǎng)角中心賦予上下非對(duì)稱的形狀，這在校正像差 上是優(yōu)選的。
下面進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例1~7。后面將描述這些 光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成參數(shù)。例如圖1所示，這些實(shí)施例的構(gòu)成參數(shù)基于從物 體面6經(jīng)過前組3和后組4到達(dá)像面7的順光線追蹤的結(jié)果而得到。
例如圖1所示，坐標(biāo)系在順光線追蹤之中，以將主光線10與物體面 6相交的點(diǎn)投影到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸(中心軸)1上的點(diǎn)(實(shí)施例1、 2)、或?qū)?主光線10與透射光學(xué)元件2的第1透射面21相交的點(diǎn)投影到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 軸(中心軸)l上的點(diǎn)(實(shí)施例3~7)作為偏心光學(xué)系統(tǒng)的偏心光學(xué)面的 原點(diǎn)，以偏離旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸(中心軸)1的像面7的方向作為Y軸正方向， 設(shè)圖1的紙面內(nèi)為Y-Z平面。而且，以圖1的紙面內(nèi)的當(dāng)前認(rèn)為的物體 側(cè)的相反側(cè)方向作為Z軸正方向，以Y軸、Z軸和構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系 的軸作為X軸正方向。針對(duì)偏心面，賦予從定義了該面的坐標(biāo)系的上述光學(xué)系統(tǒng)的原點(diǎn) 的中心起的偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向分別為X、 Y、 Z)，
以及坐標(biāo)系的傾角(分別為a、 (3、 y (。))，該坐標(biāo)系定義分別以定義在 光學(xué)系統(tǒng)原點(diǎn)上的坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸為中心的各面。這種情況 下，正的a和卩表示相對(duì)于各軸的正方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，正的Y表示相對(duì) 于Z軸的正方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。并且，面的中心軸的a、 (3、 Y的旋轉(zhuǎn)方法 是，首先使定義各面的坐標(biāo)系繞定義于光學(xué)系統(tǒng)原點(diǎn)上的坐標(biāo)系的X軸 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)a，接著繞該旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)系的Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(3，然后繞 該旋轉(zhuǎn)后的又一個(gè)新坐標(biāo)系的Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Y。
另外，在構(gòu)成各實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)作用面之中，在特定的面 和與其連續(xù)的面構(gòu)成共軸光學(xué)系統(tǒng)的情況下，被賦予面間隔，另外還按
照通常方法來賦予面的曲率半徑、介質(zhì)的折射率、色散系數(shù)。
并且，后述的構(gòu)成參數(shù)中沒有記載數(shù)據(jù)的非球面所涉及的項(xiàng)為0。折 射率、色散系數(shù)的表述是相對(duì)于d線(波長(zhǎng)587.56 nm)而言的。長(zhǎng)度單 位是mm。如上所述，各面的偏心是用從上述光學(xué)系統(tǒng)原點(diǎn)起的偏心量來 表不。
并且，擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面是通過如下定義所賦予的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面。 首先，在Y-Z坐標(biāo)面上確定經(jīng)過原點(diǎn)的如下曲線(b)。 Z=(y2/ry)/[l+{ 1-(C,+1)YVrY2) 1/2]C2y+C3y2+C4y3+C5y4+C6y5
+C7Y6+....+C21Y20+....+Cn+1 Yn+....... (b)
接著，確定使該曲線(b)朝向X軸正方向且以左旋轉(zhuǎn)為正旋轉(zhuǎn)了角
度0 (°)的曲線F (Y)。該曲線F (Y)也在Y-Z坐標(biāo)面上經(jīng)過原點(diǎn)。 將使該曲線F(Y)向Z正方向平行移動(dòng)距離R(為負(fù)時(shí)為Z負(fù)方向)，
之后可以將平行移動(dòng)后的曲線旋轉(zhuǎn)該繞Y軸而得的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面作為擴(kuò)張
旋轉(zhuǎn)自由曲面。
其結(jié)果，擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面在Y-Z面內(nèi)為自由曲面(自由曲線)，在 X-Z平面內(nèi)成為半徑IRI的圓。
根據(jù)該定義，Y軸成為擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面的軸(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸)。 這里，RY是Y-Z剖面上的球面項(xiàng)的曲率半徑，d是圓錐常數(shù)，C2、C3、 C4、 C5等分別是l次、2次、3次、4次等的非球面系數(shù)。
而且，在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選前組3的至少1面的透射面是
這種擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面。通過至少1個(gè)透射面具備這種面形狀，從而可
以使前組3在子午剖面內(nèi)具有較強(qiáng)的楔作用，可以對(duì)寬視場(chǎng)角的映像進(jìn) 行攝影或投影。
圖1表示沿著實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸)1截取的 剖面圖。
該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)包括前組3和后組4;前組3由繞中心軸1旋轉(zhuǎn)
對(duì)稱且折射率大于1的透明介質(zhì)制造的透射光學(xué)元件2構(gòu)成；后組4相
對(duì)于前組3配置在像面7側(cè)，由包括兩組兩個(gè)的透鏡系統(tǒng)構(gòu)成，且繞中 心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱并具有正放大率；在前組3和后組4之間與中心軸1同 軸配置有開口光圈5;在包含中心軸1的剖面上，透射光學(xué)元件2的第1 透射面21由尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面形成，該尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn) 自由曲面是以中心軸1為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，使在離開中心軸1的位置上具有 中心的圓弧所構(gòu)成的曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而得到的；第2透射面22也同樣是由 以中心軸1為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，使在離開中心軸1的位置上具有中心的圓弧 所構(gòu)成的曲線旋轉(zhuǎn)而得到的尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面形成的；第1 透射面21和第2透射面22都呈凹面朝向開口光圈5的面形狀。而且， 透射面21、 22都成為在中心軸1與透射面21、 22相交的附近處透射面 21、 22的法線和中心軸1構(gòu)成角度的形狀；在包含中心軸1的剖面上， 隨著從中心軸1朝向周邊，呈現(xiàn)出子午剖面的厚度變厚的大致楔形的形 狀。
而且，在該實(shí)施例中，物體面6由與中心軸1同心的外圓筒面11、 內(nèi)圓筒面12構(gòu)成，與該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)用透明圓筒體8的外圓 筒面11 一致。
后組4通過平凸正透鏡Ll和凸平正透鏡L2構(gòu)成，開口光圈5配置 在平凸正透鏡L1正前方。而且，該光學(xué)系統(tǒng)的像面7與平行平板9的背 面一致。
并且，可以在該實(shí)施例中省略透明圓筒體8和平行平板9。由于采用這種構(gòu)成，所以圓筒狀的物體面6的士4 mm的寬視場(chǎng)角的 物體的圖像經(jīng)過繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射光學(xué)元件2和光圈5和后組4 的透鏡系統(tǒng)，在與中心軸1垂直的平面狀的像面7上成像為環(huán)帶狀。
該實(shí)施例1的規(guī)格為，
物體高度 ±4 mm
開口數(shù)(NA) 0.1
像的大小 (p0.26~cpl.64 mm。
圖2表示該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的橫像差。在該橫像差圖中，中央表 示的數(shù)字表示相對(duì)物體高度，表示該物體高度上Y方向(子午方向)與 X方向(弧矢方向)的橫像差。如下在實(shí)施例2中也相同。
另外，圖3示出該實(shí)施例的子午剖面上的物體高度(mm)與像高度 (mm)的關(guān)系。圖中線性的直線表示物體高度和像高度處于線性關(guān)系的 情況。以下在實(shí)施例2中也相同。
圖5示出沿著實(shí)施例2的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸)1截取的 剖面圖。
該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)基本上與實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)相同，是在透射 光學(xué)元件2的中心設(shè)有孔13的光學(xué)系統(tǒng)，包括前組3和的后組4;前組 3由繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱且折射率大于1的透明介質(zhì)制造的透射光學(xué)元件 2構(gòu)成；后組4相對(duì)于前組3配置在像面7側(cè)，通過包括兩組兩個(gè)的透鏡 系統(tǒng)構(gòu)成，繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱并具有正放大率；在前組3和后組4之 間與中心軸1同軸配置有開口光圈5;在包含中心軸1的剖面上，透射光 學(xué)元件2的第1透射面21由尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面形成，該尖頭 形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面是以中心軸1為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸使在離開中心軸1 的位置上具有中心的圓弧所構(gòu)成的曲線旋轉(zhuǎn)而得到的；第2透射面22也 同樣是由以中心軸1為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸使在離開中心軸1的位置上具有中心 的圓弧所構(gòu)成的曲線旋轉(zhuǎn)而得到的尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面形成 的；第1透射面21和第2透射面22都呈將凹面朝向開口光圈5的面形 狀。而且透射面21、 22都成為在中心軸1與透射面21、 22相交的附近 處透射面2K 22的法線和中心軸1構(gòu)成角度的形狀，在包含中心軸1的
13剖面上，隨著從中心軸1朝向周邊，呈現(xiàn)出子午剖面的厚度變厚的大致 楔形的形狀。另外，透射面21和透射面22在中心軸1的附近處相交， 以中心軸1為中心的孔13形成在正中央。
而且，在該實(shí)施例中，物體面6由與中心軸1同心的外圓筒面11、 內(nèi)圓筒面12構(gòu)成，與該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)用透明圓筒體8的外圓 筒面11 一致。
后組4通過平凸正透鏡Ll和凸平正透鏡L2構(gòu)成，開口光圈5配置 在平凸正透鏡Ll正前方。而且該光學(xué)系統(tǒng)的像面7與平行平板9的背面 一致。
并且，在該實(shí)施例中可以省略透明圓筒體8和平行平板9。 由于采用這種構(gòu)成，所以圓筒狀的物體面6的士2 mm的寬視場(chǎng)角的 物體的圖像經(jīng)由繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射光學(xué)元件2和光圈5和后組4 的透鏡系統(tǒng)，在與中心軸1垂直的平面狀的像面7上成像為環(huán)帶狀。 該實(shí)施例2的規(guī)格為， 物體高度 ±2.00 mm
開口數(shù)(NA) 0.01 像的大小 cp0.45 (pl.26mm。 圖6表示該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)與圖2相同的橫像差。 另外，圖7表示該實(shí)施例的子午剖面上的物體高度(mm)與像高度 (mm)的關(guān)系。
在該實(shí)施例中，透射光學(xué)元件2的第2透射面22配置為與中心軸1 平行，并且構(gòu)成為相對(duì)于與中心軸1正交的平面呈面對(duì)稱的形狀。
圖8表示該實(shí)施例2的變形例的剖面圖。本實(shí)施例中，相對(duì)于與中 心軸1正交的平面呈面對(duì)稱的方式配置本實(shí)施例的兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，此時(shí) 將一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的透射光學(xué)元件2與另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的透射光學(xué)元件2' 構(gòu)成為共通的1個(gè)透射光學(xué)元件20，在沿著該透射光學(xué)元件20的中心軸 1的方向的上下，配置各個(gè)后組4、 4'和像面7、 7'，將位于共通的透明 圓筒體8的外圓筒面上且排列為上下一致的物體面6、 6'的圖像成像在各 個(gè)像面7、 7'上，本實(shí)施例可以同時(shí)對(duì)較寬的物體面進(jìn)行攝像。圖9表示該實(shí)施例2的另一個(gè)變形例的剖面圖。該實(shí)施例是通過如 下而進(jìn)一步減小了整體尺寸的實(shí)施例在該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的前組3 與后組4之間配置與中心軸1正交的平面鏡14以折回光路，并在透射光
學(xué)元件2的中心的孔13內(nèi)配置后組4和像面7。
圖10表示沿著實(shí)施例3的光學(xué)系統(tǒng)的中心軸(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸)1截取 的剖面圖。
該實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)是如下光學(xué)系統(tǒng)通過在中心軸1上具有中心
的凸球面來構(gòu)成透射光學(xué)元件2的第1透射面21，通過以中心軸1為旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱軸使具有高次項(xiàng)的曲線旋轉(zhuǎn)而得到的尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲 面僅構(gòu)成第2透射面22，并且將后組4為兩組4個(gè)的鏡頭結(jié)構(gòu)；該實(shí)施 例的光學(xué)系統(tǒng)包括前組3和的后組4，前組3由繞中心軸1旋轉(zhuǎn)對(duì)稱且折 射率大于1的透明介質(zhì)制造的透射光學(xué)元件2構(gòu)成；后組4相對(duì)于前組3 配置在像面7側(cè)，通過包括兩組4個(gè)的透鏡系統(tǒng)構(gòu)成，且繞中心軸1旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱并具有正放大率；在前組3和后組4之間與中心軸1同軸配置有 開口光圈5，透射光學(xué)元件2的第1透射面21在中心軸1上具有中心， 通過凸面朝向Y軸正方向的球面形成；第2透射面22由尖頭形狀的擴(kuò)張 旋轉(zhuǎn)自由曲面形成，該尖頭形狀的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)自由曲面是以中心軸1為旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱軸來旋轉(zhuǎn)對(duì)球面項(xiàng)施加了 Y的3次項(xiàng)和4次項(xiàng)的曲線而得到的， 第1透射面21和第2透射面22都呈將凹面朝向開口光圈5的面形狀。 而且第2透射面22成為在與中心軸1相交的附近處該透射面22的法線 和中心軸1構(gòu)成角度的形狀，在包含中心軸1的剖面上，隨著從中心軸1 朝向周邊，透射光學(xué)元件2呈現(xiàn)出子午剖面的厚度變厚的大致楔形的形 狀。
而且在該實(shí)施例中，物體面6被設(shè)定為在一Z軸方向上無限遠(yuǎn)。 后組4通過平凹負(fù)透鏡Ll和雙凸正透鏡L2的接合透鏡以及雙凸正 透鏡L3和凹平負(fù)透鏡L4的接合透鏡構(gòu)成，開口光圈5配置在平凹負(fù)透 鏡L1正前方。而且，該光學(xué)系統(tǒng)的像面7與平行平板9的背面一致。并 且可以在該實(shí)施例中省略平行平板9。
由于采用這種構(gòu)成，所以無限遠(yuǎn)的視場(chǎng)角范圍為65。的寬視場(chǎng)角的物
權(quán)利要求
1. 一種透射光學(xué)元件，其由具有2面的圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射面、且折射率大于1的透明介質(zhì)構(gòu)成，該透射光學(xué)元件的特征在于，至少1面的透射面具有在中心軸與上述透射面相交的附近處、上述透射面的法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀。
2. —種光學(xué)系統(tǒng)，其是使圍繞中心軸的物體在與中心軸正交的平面的 像面上成像的成像系統(tǒng)，其特征在于，上述成像系統(tǒng)具有圍繞中心軸旋 轉(zhuǎn)對(duì)稱的前組和圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱且具有正放大率的后組，上述前組 至少具有1個(gè)透射光學(xué)元件，該透射光學(xué)元件由具有2面的圍繞中心軸 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射面、且折射率大于1的透明介質(zhì)構(gòu)成，上述透射光學(xué)元 件的上述透射面中的至少1面具有在與中心軸相交的附近處、上述透射 面的法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，在上述前組與上述 后組之間或者在上述后組之中具有與中心軸同軸配置的開口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，上述透射光學(xué)元件 的上述透射面都具有凹面朝向上述開口的面形狀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)以從沿著中 心軸的方向的視場(chǎng)角中心經(jīng)由上述開口中心的光線作為主光線時(shí)，在假 設(shè)主光線照到上述前組的最接近物體側(cè)的上述透射光學(xué)元件的第1透射 面上的點(diǎn)、與主光線照到第2透射面上的點(diǎn)在兩個(gè)面上的切線所形成的 角度為9 (°)時(shí)，滿足1°<0<90°的條件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，上 述前組的至少最靠近物體側(cè)的上述透射光學(xué)元件具有遮蔽來自中心軸上 的光的遮光部件。
7，根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，將 圓筒狀或球狀的360。全周的映像成像在配置于上述像面上的二維攝像元 件上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，在與中心軸相交的附近處法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀的上述透射面具有 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀，該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀是使不具備對(duì)稱面的任意形狀的曲 線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而形成的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，在 與中心軸相交的附近處法線和中心軸構(gòu)成角度的形狀的上述透射面具有 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀，該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀是使包含奇數(shù)次項(xiàng)的任意形狀的曲 線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而形成的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 上述光學(xué)系統(tǒng)用作將配置于像面上的圖像投影到物體面上的光學(xué)系統(tǒng)。
11. 一種內(nèi)窺鏡，其特征在于，其具有權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所 述的光學(xué)系統(tǒng)。
12. —種膠囊型內(nèi)窺鏡，其特征在于，其具有權(quán)利要求2至4中任意 一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)。
13. —種內(nèi)窺鏡，其特征在于，上述內(nèi)窺鏡在前端內(nèi)部具有權(quán)利要求 2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，上述光學(xué)系統(tǒng)的中心軸沿著上述內(nèi)窺鏡前端部的長(zhǎng)度方向配置，上述前端部的側(cè)面上具有遍及整個(gè)周面的透明部，來自物體的光通過上述透明部入射到上述光學(xué)系統(tǒng)。
14. 一種膠囊型內(nèi)窺鏡，其特征在于，上述膠囊型內(nèi)窺鏡在內(nèi)部具有 權(quán)利要求2至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，上述光學(xué)系統(tǒng)的中心軸配置成與上述膠囊型內(nèi)窺鏡的長(zhǎng)度方向的中 心軸大致平行，上述膠囊型內(nèi)窺鏡的長(zhǎng)度方向的側(cè)面上具有遍及整個(gè)周面的透明部，來自物體的光通過上述透明部入射到上述光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攝影視場(chǎng)角寬廣、尤其能對(duì)主要來自中心軸的垂直方向的映像進(jìn)行攝像、小型且像差校正良好的透射光學(xué)元件以及使用該透射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)，是使圍繞中心軸(1)的物體(6)在與中心軸(1)正交的平面的像面(7)上成像的成像系統(tǒng)，其具有圍繞中心軸(1)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的前組(3)和圍繞中心軸(1)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱且具有正放大率的后組(4)，前組(3)至少具有1個(gè)透射光學(xué)元件(2)，該透射光學(xué)元件(2)由具有2面的圍繞中心軸(1)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透射面(21、22)、且折射率大于1的透明介質(zhì)構(gòu)成，透射光學(xué)元件(2)的透射面(21、22)的至少1面具有在與中心軸(1)相交的附近處、透射面(21、22)的法線和中心軸(1)構(gòu)成角度的形狀。
文檔編號(hào)G02B13/04GK101484834SQ20078002572
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者研野孝吉 申請(qǐng)人:奧林巴斯株式會(huì)社