(57)【要約】  【課題】  広角であり歪曲収差の発生が少なく、解像力の高い複眼光学系及びそれを用いた光学装置を提供すること。  【解決手段】  本発明の複眼光学系１は、少なくとも２つのレンズ群より構成される個眼２を複数個有し、前記個眼２同士を非平行に配列し、曲面上又は多面体上に像を形成した。【選択図】  図１
2008083398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのレンズ群より構成される個眼を複数個有し、前記個眼同士を非平行に配列し、曲面上又は多面体上に像を形成することを特徴とする複眼光学系。
【請求項２】
複数の個眼を有する複眼光学系と撮像面が曲面形状又は多面体形状を有する撮像素子を組み合わせた光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角の撮像光学系及びそれを用いた光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
広角の撮像光学系は、内視鏡、カプセル内視鏡、監視カメラ、ロボットの眼等に採用される撮像装置に用いられている。しかし、そのような撮像光学系として、従来のように共軸系広角レンズを用いた場合、周辺部に形成される像が縮小されて写る負の歪曲収差が発生してしまうという欠点があった。
【０００３】
この欠点を解決する方法として、複眼光学系を用いることが特許文献１、２及び非特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特公平６−１４１４１号公報
【特許文献２】特開昭５８−２１９５２２号公報
【非特許文献１】「SCIENCE  VOL 312  28 APRIL 2006」  557〜561頁                    The American Association for the Advancement of Science出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１、２及び非特許文献１に記載されているような複眼光学系を用いた場合、複眼を構成する個眼の視野が重複してしまうため、解像力が低いと言う欠点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広角であり歪曲収差の発生が少なく、解像力の高い複眼光学系及びそれを用いた光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の複眼光学系は、少なくとも２つのレンズ群より構成される個眼を複数個有し、前記個眼同士を非平行に配列し、曲面上又は多面体上に像を形成した。
【０００７】
また、上記の目的を達成するために、本発明の光学装置は、複数の個眼を有する複眼光学系と撮像面が曲面形状又は多面体形状を有する撮像素子を組み合わせた。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の複眼光学系及びそれを用いた光学装置によれば、広角であっても従来のように歪曲収差の発生が少なく、解像力の高い像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図示した実施例に基づき、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本実施例に係る光学装置を示す模式図である。図２は、図１の本実施例の複眼光学系を構成する個眼の拡大図である。
【００１１】
まず、図１を用いて、本実施例の複眼光学系１の構成を説明する。複眼光学系１は、複数の個眼２により構成されている。また、それらの個眼２は、その光軸Ｌが点Ｑにおいて交わるように、放射状に配置されている。なお、個眼２の像面となる位置には、点Ｑを球心とする球面状の撮像面を有する撮像素子３が配置されている。また、個眼２は３群のレンズにより構成されている。
【００１２】
本実施例及び後述する他の実施例に用いられる撮像素子３は、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ撮像素子等である。そして、その撮像面の形状は、撮像面上に形成される像面の形状にほぼ一致していれば良いため、球面状に限らず、曲面や、非球面や、自由曲面であっても構わない。さらに、多面体形状であっても構わない。なお、そのような形状の撮像面を有する撮像素子を作製するためには、ボール半導体や有機半導体等を用いると良い。
【００１３】
本実施例において、個眼２により結像され撮像素子３により撮影された像は、撮像素子３から信号処理回路９に送信され、映像信号に変換される。そのようにして得られた映像信号は、画像処理装置１０により処理される。その後、処理された映像信号に基いて、表示装置１１に画像が表示される。
【００１４】
なお、本実施例の複眼光学系１は、構成する個眼２の数が多いほど、より広角の撮影を行うことが可能である。また、本願の光学装置に共通して言えることであるが、画像処理を行わない場合には、画像処理装置１０はなくても良い。
【００１５】
次に、図１及び図２を用いて、本実施例の複眼光学系１を構成する個眼２について説明する。なお、物体面は点Ｑを球心とする球面であると仮定する。
【００１６】
複眼光学系１を構成する個眼２は、物体側から順に、対物レンズ２ａと、フィールドレンズ２ｂと、リレーレンズ２ｃとにより構成されている。なお、対物レンズ２ａの側面からリレーレンズ２ｃの側面には、隔壁４が配置されている。
【００１７】
物体面５上にある物体６を観察する場合、まず、対物レンズ２ａにより、その物体６の倒立像６ａが、フィールドレンズ２ｂ上に形成される。そして、その倒立像６ａの倒立した像、つまり、物体６の正立像６ｂが、リレーレンズ２ｃにより、撮像素子３の撮像面上に形成される。本実施例の場合には、このように複数の個眼２により形成される各々の物体像はいずれも正立像であるため、それらの像を互いになめらかにつなげることができる。
【００１８】
また、本実施例の個眼２は、以下の条件式（１）を満足するように構成されている。
2008083398.tif 000003
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
β1  ：  対物レンズの倍率
β2  ：  リレーレンズの倍率
である。
【００１９】
従って、本実施例の複眼光学系１を用いた場合には、複眼光学系１の複数の個眼２により、物体面５における物体６のβ倍の大きさの像が、撮像素子３の撮像面上に形成されることになる。
【００２０】
球心Ｑから物体面５が十分遠い位置にある場合、すなわち、球心Ｑから撮像素子３の撮像面までの距離、対物レンズ２ａの焦点距離及びリレーレンズ２ｃの焦点距離と比較して、球心Ｑから物体面５までの距離が十分に大きい場合には、以下の条件式（２）及び（３）が成り立つ。
2008083398.tif 000004
ただし、
ｆ1  ：  対物レンズの焦点距離
である。
【００２１】
なお、上記実施例１の光学装置に用いる複眼光学系１は、以下のように構成しても良い。
【００２２】
上記実施例１の複眼光学系１は、対物レンズ２ａ、フィールドレンズ２ｂ及びリレーレンズ２ｃはそれぞれ単レンズにより構成されているが、複数のレンズからなるレンズ群により構成しても構わない。また、対物レンズ２ａ、フィールドレンズ２ｂ及びリレーレンズ２ｃは、屈折率が分布した不均質レンズにより構成しても構わない。なお、不均質レンズにより構成する場合は、レンズ同士が結合されていても構わない。
【００２３】
また、上記実施例１の複眼光学系１は、対物レンズ２ａの側面からリレーレンズ２ｃの側面にかけて光を遮断する隔壁４を配置することにより、隣接する他の個眼２からの光の入り込みによるゴースト、フレア等の発生を防止している。なお、フィールドレンズ２ｂは、光束が像面まで通過できる場合には、なくても良い。
【００２４】
また、上記実施例１の複眼光学系１は、一つの個眼２により形成される像を、撮像素子３の複数の画素により撮像するように構成すると、得られる画像の解像度が向上する。
【００２５】
また、上記実施例１の複眼光学系１は、実用上は画像の多少のボケは許容されるため、上記の条件式（１）ではなく、以下の条件式（４）を満たすように、個眼２を構成してもかまわない。
2008083398.tif 000005
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００２６】
さらに、上記実施例１の複眼光学系１は、複眼光学系１に用いられる撮像素子３の画素が粗い場合等においては、上記の条件式（４）ではなく、以下の条件式（５）を満たすように、個眼２を構成しても構わない。
2008083398.tif 000006
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００２７】
また、上記実施例１の複眼光学系１を構成する個眼２は、以下の条件式（６）が成り立つ場合がある。
2008083398.tif 000007
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００２８】
この場合、ある個眼２により撮像される範囲は、隣接する他の個眼２により撮像される範囲と、一部において重なることになる。そのような場合には、画像処理装置１０によって、それぞれの個眼２により形成された像同士をつなぎ合わせる処理を行えば良い。なお、このような場合には、リレーレンズ２ｃと撮像素子３との間にも、隔壁を備えると良い。
【００２９】
また、上記実施例１の複眼光学系１を構成する個眼２は、以下の条件式（７）が成り立つ場合がある。
2008083398.tif 000008
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００３０】
この場合、ある個眼２により形成される像と、隣接する他の個眼２により形成される像とが重なり合うことになる。そのような場合には、画像処理装置１０によって、重なりあった像を分離させ後、つなぎ合わせる処理を行えば、なお良い。
【００３１】
なお、画像処理装置１０により、個眼２により形成された画像の処理を行う場合には、上記の条件式（４）、（５）を満たすように個眼２を構成しなくても良い。
【００３２】
最後に、本実施例に係る複眼光学系１の数値データを示す。
球心から対物レンズまでの距離  ：  Ｒ   ＝  １．５ｍｍ
球心から物体面までの距離      ：  Ｒ1  ＝  １０ｍｍ
球心から像面までの距離        ：  Ｒ2  ＝  ０．５ｍｍ
個眼の焦点距離              ：  ｆ   ＝  −０．５ｍｍ
対物レンズの焦点距離        ：  ｆ1  ＝  ０．５ｍｍ
リレーレンズの焦点距離      ：  ｆ2  ＝  ０．１２５ｍｍ
フィールドレンズの焦点距離  ：  ｆ3  ＝１／（ｆ1-1＋（２×ｆ2）-1）
＝  ０．１６６７ｍｍ
対物レンズの直径                ：  Ｄ   ＝  ０．１６ｍｍ
フィールドレンズの最小必要直径  ：  Ｄ3  ＝  ０．０５３１８ｍｍ
個眼のＦナンバー        ：  Ｆｎｏ   ＝  ３．１２５
対物レンズのＦナンバー  ：  Ｆｎｏ1  ＝  ３．１２５
個眼の倍率          ：  β   ＝  ０．０５
対物レンズの倍率    ：  β1  ≒  −０．０５
リレーレンズの倍率  ：  β2  ＝  −１
個眼の視野角  ：  ΔΦ   ＝  ｔａｎ-1（２×ｆ2／Ｆｎｏ/（２×ｆ2＋Ｒ2））
＝６．０８９度
複眼光学系の視野角  ：  ２ω   ＝  １８０度
個眼の像高  ：ＩＨ   ＝  ｆ1×ｔａｎ（ΔΦ／２）  ＝  ０．０２６５９ｍｍ
複眼光学系を構成する個眼の個数：Ｎ＝２π／（０．０００２３９×ΔΦ2）
≒  ７０９
なお、１ピクセルが直径０．０３ｍｍとすれば、
１つの個眼に含まれる画素数    ：  Ｎk  ＝  π×ＩＨ2／（π×０．００１５2）
≒  ３１４
複眼光学系に含まれる画素の総数  ：  Ｎp  ＝  ７０９×３１４  ＝２２２６２６
である。
【００３３】
また、上記実施例１の光学装置には、以下に示すような構成を有する複眼光学系を用いても良い。
【００３４】
図３は、本発明の光学装置に用いられる複眼光学系の他の構成例を示す部分拡大図である。図３に示す複眼光学系１’は、個眼２’、２’’、２’’’・・・を互いに非平行となるように配置されて構成されており、上記実施例１の光学装置に用いた複眼光学系１とは異なり、それらの光軸Ｌ’、Ｌ’’、Ｌ’’’・・・は、特定の一点において交わらない。また、個眼２’、２’’、２’’’・・・の像面には、撮像面が凸面の自由曲面形状である撮像素子３’が配置されている。
【００３５】
なお、個眼２’、２’’２’’’・・・は、図３に示すように、光軸Ｌ’、Ｌ’’、Ｌ’’’・・・が複数の点で交わるように配置しても構わないし、光軸同士が互いにねじれの関係となるように配置しても構わない。これは、いずれの場合であっても、画像処理により、各個眼により形成される画像を適宜つなぎ合わせれば、一つの広角の画像を得ることができるからである。
【００３６】
また、個眼２’、２’’、２’’’・・・は、必ずしも互いに同一の構造や特性を有していなくても構わない。例えば、それぞれの視野角が異なるように構成しても良いし、構成するレンズの大きさ等が異なっても構わない。
【実施例２】
【００３７】
図４は、光ファイバーを用いた本発明に係る光学装置を示す模式図である。
【００３８】
本実施例の光学装置は、上記実施例１の光学装置に用いたものと同様の複眼光学系１を用いて構成されている。本実施例の光学装置は、上記実施例１とは異なり、複眼光学系１と撮像面の形状が平面である撮像素子３’’との間に、物体側から順に、入射端７ａが放射状に形成された光ファイバー７の束、レンズ８、が配置されている。また、この光学装置は、信号処理回路９、画像処理装置１０、表示装置１１を備えている。
【００３９】
本実施例の光学装置では、まず、複眼光学系１から出射された光は、光ファイバー７の入射端７ａに入射する。そして、その光は光ファイバー７の出射端７ｂから出射され、レンズ８により、撮像素子３’’上に像を形成する。その後、撮像素子３’’により撮影された像は、信号処理回路９に送信されて映像信号に変換され、画像処理装置１０により処理され、表示装置１１に画像として表示される。
【００４０】
なお、本実施例においては、光導波路の一例として光ファイバー７を用いているが、他の光導波路を用いても良い。
【実施例３】
【００４１】
図５は、本発明に係る光学装置であるカプセル内視鏡を示す模式図である。
【００４２】
本実施例のカプセル内視鏡１２は、カプセルの両端の透明な部材により形成されているドーム部１２ａの内部に、上記実施例１、２に用いたものと同様の複眼光学系１と、撮像素子３とが配置されている。また、電源１２ｂや、信号処理回路９等は、二つのドーム部１２ａの間に配置されている。なお、光源として照明用白色ＬＥＤ１２ｃが配置されている。画像処理装置１０と表示装置１１は、カプセル内視鏡１２の外部に配置されている。
【００４３】
このカプセル内視鏡１２により撮影され得られた像は、まず、カプセル内視鏡１２内部に配置されている信号処理回路９により映像信号に変換される。その後、その映像信号は、無線によりカプセル内視鏡１２の外部に配置されている画像処理装置１０に送信されて処理され、表示装置１１に画像として表示される。
【００４４】
なお、このようなカプセル内視鏡１２に、複眼光学系１を用いる場合、各複眼光学系１の視野角は１８０度を超える範囲を撮影することができるように構成することが好ましく、この構成例においては、視野角は２１０度となるように構成されている。
【実施例４】
【００４５】
図６は、本発明に係る光学装置である電子内視鏡の先端部周辺を示す模式図である。
【００４６】
本実施例の電子内視鏡１３は、先端に、上記実施例１〜３に用いたものと同様の複眼光学系１と、撮像素子３が配置されている。また、複眼光学系１の周囲には、光源として照明用白色ＬＥＤ１３ａが配置されている。
【００４７】
この電子内視鏡１３により撮影され得られた像は、撮像素子３から不図示の信号処理回路に送信され、映像信号に変換される。そのようにして得られた映像信号は、不図示の画像処理装置により処理される。その後、処理された映像信号に基いて、不図示の表示装置に画像が表示される。なお、本願で述べる曲面には多面体も含むものとする。
【００４８】
最後に、上記の説明において用いた用語の定義を以下に述べる。
【００４９】
光学装置とは、光学系または光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能しなくても良い。つまり、装置の一部でも良い。
【００５０】
光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置等が含まれる。
【００５１】
撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ（携帯情報端末）用デジタルカメラ、ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置、電子動画記録装置、カムコーダ、ＶＴＲカメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジタルカメラ、人工視覚、レーザ走査型顕微鏡等がある。デジタルカメラ、カード型デジタルカメラ、テレビカメラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、録音装置のデジタルカメラ等はいずれも電子撮像装置の一例である。
【００５２】
観察装置の例としては、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡、双眼鏡、ルーペ、ファイバースコープ、ファインダー、ビューファインダー、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等がある。
【００５３】
表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン（ソニー社製プレイステーション）、ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、頭部装着型画像表示装置（ｈｅａｄ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ、携帯電話、人工視覚等がある。
【００５４】
照明装置の例としては、カメラのストロボ、自動車のヘッドライト、内視鏡の照明、内視鏡光源、顕微鏡光源等がある。
【００５５】
信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・書込装置、光計算機の演算装置、光インターコネクション装置、光情報処理装置、ＰＤＡ等がある。
【００５６】
なお、信号処理装置には、情報発信装置が含まれる。情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。
【００５７】
撮像素子は、例えばＣＣＤ、Ｃ−ＭＯＳ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム等を指す。
【００５８】
以上の本発明の複眼光学系及びそれを用いた光学装置は、特許請求の範囲の記載の他に、例えば次のように構成することができる。
【００５９】
（１）  少なくとも３つのレンズ群より構成される個眼を複数個有し、前記個眼同士を非平行に配列し、曲面状に像を形成することを特徴とする複眼光学系。
【００６０】
（２）  前記像が正立像であることを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載の複眼光学系。
【００６１】
（３）  前記像が物体に向かって凸面形状であることを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載の複眼光学系。
【００６２】
（４）  以下の条件式（５）を満たすことを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載の複眼光学系。
2008083398.tif 000009
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００６３】
（５）  前記像の面に光導波路の入射端を配置したことを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載の複眼光学系。
【００６４】
（６）  前記レンズ群の間に隔壁を設けたことを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載の複眼光学系。
【００６５】
（７）  前記撮像素子が半導体により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【００６６】
（８）  前記撮像素子が有機半導体により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【００６７】
（９）  前記撮像素子がボール半導体により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【００６８】
（１０）  前記撮像素子の撮像面が凸面形状であることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【００６９】
（１１）  前記個眼の一つにより形成される像が撮像素子の複数の画素により撮像されることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【００７０】
（１２）  請求項１又は上記（１）乃至（６）のいずれか１項に記載の複眼光学系と、撮像面が曲面形状を有する撮像素子とを組み合わせたことを特徴とする光学装置。
【００７１】
（１３）  前記個眼により形成された複数の像をつなぎ合わせ一つの像とする処理を行う画像処理装置を有することを特徴とする請求項２又は上記（７）乃至（１１）のいずれか１項に記載の光学装置。
【００７２】
（１４）  前記個眼により形成された複数の像をつなぎ合わせ一つの像とする処理を行う画像処理装置を有することを特徴とする上記（１２）に記載の光学装置。
【００７３】
（１５）  以下の条件式（６）を満たすことを特徴とする上記（１３）又は（１４）に記載の光学装置。
2008083398.tif 000010
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００７４】
（１６）  以下の条件式（７）を満たすことを特徴とする上記（１３）又は（１４）に記載の光学装置。
2008083398.tif 000011
ただし、
Ｒ1  ：  球心から物体面までの距離
Ｒ2  ：  球心から像面までの距離
β   ：  個眼の倍率
である。
【００７５】
（１７）  前記光学装置が内視鏡であることを特徴とする請求項２又は上記（７）乃至（１６）のいずれか１項に記載の光学装置。
【００７６】
（１８）  前記光学装置がカプセル内視鏡であることを特徴とする請求項２又は上記（７）乃至（１６）のいずれか１項に記載の光学装置。
【００７７】
（１９）  上記（５）に記載の光学系と、撮像面の形状が平面の撮像素子とを組み合わせたことを特徴とする光学装置。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施例１に係る光学装置を示す模式図である。
【図２】図１の複眼光学系を構成する個眼の拡大図である。
【図３】本発明の実施例１に係る光学装置の複眼光学系の他の構成例を示す部分拡大図である。
【図４】本発明の実施例２に係る光ファイバーを用いた光学装置を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例３に係る光学装置であるカプセル内視鏡を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例４に係る光学装置である電子内視鏡の先端部周辺を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７９】
１          複眼光学系
２、２’、２’’、２’’’      個眼
２ａ        対物レンズ
２ｂ        フィールドドレンズ
２ｃ        リレーレンズ
３、３’、３’’      撮像素子
４          隔壁
５          物体面
６          物体
６ａ        物体の倒立像
６ｂ        物体の正立像
７          光ファイバー
７ａ        光ファイバーの入射端
７ｂ        光ファイバーの射出端
８          レンズ
９          信号処理回路
１０        画像処理装置
１１        表示装置
１２        カプセル内視鏡
１２ａ      ドーム部
１２ｂ      電源
１２ｃ、１３ａ      照明用白色ＬＥＤ
１３        電子内視鏡
Ｌ、Ｌ’、Ｌ’’、Ｌ’’’      個眼の光軸
Ｑ          撮像素子の球心
【図１】
2008083398.tif 000012
【図２】
2008083398.tif 000013
【図３】
2008083398.tif 000014
【図４】
2008083398.tif 000015
【図５】
2008083398.tif 000016
【図６】
2008083398.tif 000017