立体摄影用对物光学系统以及内窥镜的制作方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:立体摄影用对物光学系统以及内窥镜的制作方法
技术领域
本发明涉及一种立体摄影用对物光学系统以及内窥镜。
背景技术
以往,已知如下一种立体摄影用光学系统对一个摄像面进行二分割来对同一个被摄体拍摄具有视差的两个图像(例如参照专利文献I和专利文献2)。在这些专利文献 1、2中,在与视差的方向正交的方向上排列两个图像来拍摄具有视差的两个图像。由此,在立体摄影中,能够无损于重要的视差方向的分辨率地进行立体摄影。专利文献I :日本特开平8-234339号公报专利文献2 日本特开2004-4869号公报

发明内容
发明要解决的问题然而,在专利文献I的光学系统中,通过基于三片反射镜的三次反射来使光轴向视差的方向和与视差正交的方向偏移,因此反射方向复杂。在这种情况下,如果不精密地进行每个反射镜的角度调节,则存在以下问题由于反射镜的倾斜误差而在两个图像中产生倾斜。为了消除图像的倾斜,需要设置调节机构来对每个反射镜的倾斜进行调节,这也导致了装置的大型化。另外,在专利文献2的光学系统中,通过基于两片反射镜的两次反射使光轴向视差的方向和与视差正交的方向偏移,这种方法简单,但在摄像面小且F数(光圈数)小的情况下,会存在以下问题无法将使光束全部反射那样的大的反射镜以互不干扰的方式进行配置。因此存在不能获取明亮的立体图像的问题。本发明是鉴于上述情况而完成的,提供一种能够实现装置的小型化、能够简单地抑制具有视差的两个图像的图像倾斜并且获取明亮的立体图像的立体摄影用对物光学系统以及内窥镜。用于解决问题的方案为了达成上述目的,本发明提供以下方式。本发明的第一方式是一种立体摄影用对物光学系统,具备第一棱镜对,其将从同一个被摄体发出的、在一个方向上隔开间隔地并列的具有大致平行的两个光轴的光束变换为在与上述并列方向交叉的方向上隔开间隔地并列的光束;以及第二棱镜对,其对通过该第一棱镜对变换后的两个光束进行变换以缩小该两个光束的光轴的间隔,该第二棱镜对的出射面排列成在与向上述第一棱镜对入射前的上述并列方向正交的方向上并列。根据上述本发明的第一方式,通过使从同一个被摄体发出的、在一个方向上隔开间隔地并列的大致平行的两个光束通过第一棱镜对,能够使并列方向旋转,从而将两个光束变换为在与向第一棱镜对入射前的并列方向交叉的方向上并列。之后,进一步使两个光束通过第二棱镜对,由此能够缩小两个光束的光轴间隔而从出射面射出,该出射面在与向第一棱镜对入射前的并列方向正交的方向上并列。由此,能够使从同一个被摄体发出的在一个方向上隔开间隔地并列的具有视差的两个光束成为在与该并列方向正交的方向上并排的两个光束而入射到同一个摄像面,来进行立体摄影。在这种情况下,不使用反射镜而使用棱镜,由此不需要进行反射面之间的位置调节,能够防止产生图像的倾斜。另外,不需要位置调节机构,从而能够实现小型化。并且,通过第二棱镜对使光束间隔缩小,因此在向第二棱镜对入射前的状态下,能够设为使光束间隔大的状态。其结果是,能够将具有大的光束直径的光束互不干扰地引导至同一个摄像面。 由此,能够降低F数来进行明亮的立体摄影。在上述第一方式中,也可以是上述第一棱镜对将两个上述光束变换为在与上述并列方向正交的方向上并列的光束。通过这样,第二棱镜对只要在与向第一棱镜对入射前的并列方向正交的方向上缩小光束间隔即可,从而能够采用避免第二棱镜之间的干扰的形状简单的棱镜,并且能够小型化。在上述第一方式中,也可以是构成上述第一棱镜对和上述第二棱镜对的各棱镜分别具备使入射的光束平行地偏移的相互平行的两个反射面。通过这样,即使不高精度地进行构成上述第一和第二棱镜对的各棱镜的定位,也能够使光束高精度地平行偏移。在上述第一方式中,也可以是从物体侧起依次具备一对负透镜群、上述第一棱镜对、一对正透镜群以及上述第二棱镜对,使从该第二棱镜对射出的两个大致平行的光束并排地入射到摄像面。通过这样,来自被配置在物体侧的被摄体的大范围的光束分别通过负透镜群而被变换为大致平行的光束,作为在一个方向上并列的相互大致平行的光束而分别入射到构成第一棱镜对的各棱镜中。在第一棱镜对中,使光束偏移以使并列方向旋转。并且,偏移后的两个光束被一对正透镜分别会聚,之后,通过第二棱镜对使光轴间隔缩小。由此,能够使两个光束在与向第一棱镜入射前的并列方向正交的方向上并排地入射到足够小的摄像面,来进行立体摄影。在这种情况下,能够在第二棱镜对的前级维持比较宽的光轴间隔,因此能够避免正透镜群之间的干扰而使用直径比较大的透镜,能够降低F数。在上述第一方式中,也可以是构成上述透镜群的一个以上的透镜具有复曲面,该复曲面对要向上述摄像面入射的光束施加倍率,其中,与该复曲面沿向上述第一棱镜对入射前的上述并列方向对光束施加的倍率相比,该复曲面沿与该并列方向正交的方向对光束施加的倍率小。这样,通过复曲面使沿着与视差方向正交的方向施加的倍率比沿着视差方向施加的倍率小,从而能够在立体摄影中保持重要的视差方向的分辨率,并且能够使两个光束并排地入射到同一个摄像面。在上述第一方式中,也可以是还具备缩小上述光束的光圈,上述复曲面被配置为比上述光圈更靠近物体侧。通过这样,能够使光圈的形状成为单纯的圆形。本发明的第二方式是一种内窥镜,该内窥镜在插入部的前端具备上述任一个立体摄影用对物光学系统。
根据上述本发明的第二方式,通过在插入部的前端配置小型的立体摄影用对物光学系统,能够实现插入部的外径尺寸的小型化,并且能够在插入了插入部的体腔内进行明売的立体摄影。发明的效果根据本发明,发挥以下效果能够实现装置的小型化,简单地抑制具有视差的两个图像的图像倾斜,并且获取明亮的立体图像。


图I是表示本发明的一个实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统的整体结构的(XZ)俯视图。图2是图I的立体摄影用对物光学系统的(YZ)侧视图。图3是从物体侧观察图I的立体摄影用对物光学系统而得到的主视图。图4是表示对由图I的立体摄影用对物光学系统收集到的光进行拍摄的摄像元件的摄像面的主视图。图5是表示图I的立体摄影用对物光学系统的变形例的(XZ)俯视图。图6是图5的立体摄影用对物光学系统的(YZ)侧视图。图7是从物体侧观察图5的立体摄影用对物光学系统而得到的主视图。图8A是表示本实施方式的第一实施例的沿XZ平面的镜头结构图。图8B是表示本实施方式的第一实施例的沿YZ平面的镜头结构图。图9A是图8A和图8B所示的镜头结构的XZ截面的球面像差图。图9B是图8A和图8B所示的镜头结构的YZ截面的球面像差图。图9C是图8A和图8B所示的镜头结构的像散,是用实线表示弧矢方向(YZ方向) 像散、用虚线表示子午方向(XZ方向)像散的像差图。图9D是图8A和图8B所示的镜头结构的对角方向的畸变像差图。图9E是图8A和图8B所示的镜头结构的对角方向的倍率色像差图。图IOA是表示本实施方式的第二实施例的沿XZ平面的镜头结构图。图IOB是表示本实施方式的第二实施例的沿YZ平面的镜头结构图。图IlA是图IOA和图IOB所示的镜头结构的XZ截面的球面像差图。图IlB是图IOA和图IOB所示的镜头结构的YZ截面的球面像差图。图IlC是图IOA和图IOB所示的镜头结构的像散,是用实线表示弧矢方向(YZ方向)像散、用虚线表示子午方向(XZ方向)像散的像差图。图IlD是图IOA和图IOB所示的镜头结构的对角方向的畸变像差图。图IlE是图IOA和图IOB所示的镜头结构的对角方向的倍率色像差图。图12A是表示本实施方式的第三实施例的沿XZ平面的镜头结构图。图12B是表示本实施方式的第三实施例的沿YZ平面的镜头结构图。图13A是图12A和图12B所示的镜头结构的XZ截面的球面像差图。图13B是图12A和图12B所示的镜头结构的YZ截面的球面像差图。图13C是图12A和图12B所示的镜头结构的像散,是用实线表示弧矢方向(YZ方向)像散、用虚线表示子午方向(XZ方向)像散的像差图。
图13D是图12A和图12B所示的镜头结构的对角方向的畸变像差图。图13E是图12A和图12B所示的镜头结构的对角方向的倍率色像差图。图14A是表示本实施方式的第四实施例的沿XZ平面的镜头结构图。图14B是表示本实施方式的第四实施例的沿YZ平面的镜头结构图。图15A是图14A和图14B所示的镜头结构的XZ截面的球面像差图。图15B是图14A和图14B所示的镜头结构的YZ截面的球面像差图。图15C是图14A和图14B所示的镜头结构的像散,是用实线表示弧矢方向(YZ方向)像散、用虚线表示子午方向(XZ方向)像散的像差图。图I 是图14A和图14B所示的镜头结构的对角方向的畸变像差图。图15E是图14A和图14B所示的镜头结构的对角方向的倍率色像差图。图16A是表示本实施方式的第五实施例的沿XZ平面的镜头结构图。图16B是表示本实施方式的第五实施例的沿YZ平面的镜头结构图。图17A是图16A和图16B所示的镜头结构的XZ截面的球面像差图。图17B是图16A和图16B所示的镜头结构的YZ截面的球面像差图。图17C是图16A和图16B所示的镜头结构的像散,是用实线表示弧矢方向(YZ方向)像散、用虚线表示子午方向(XZ方向)像散的像差图。图17D是图16A和图16B所示的镜头结构的对角方向的畸变像差图。图17E是图16A和图16B所示的镜头结构的对角方向的倍率色像差图。
具体实施例方式参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统以及内窥镜进行以下说明。本实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统I被配置在内窥镜的插入部的前端,如图I 图3所示,具备一对第一透镜群2,其被配置在物体侧;一对第一棱镜(第一棱镜对)3,其使通过该一对第一透镜群2的两个光束偏移;一对第二透镜群4,其使通过了该一对第一棱镜3的两个光束通过;以及一对第二棱镜(第二棱镜对)5,其使通过了该一对第二透镜群4的两个光束偏移以使它们的光轴靠近。如图I和图3所示,在一个方向上并列地配置第一透镜群2,该第一透镜群2分别具有负光焦度。由此,对从被配置在物体侧的被摄体的大范围发出的光进行会聚,形成大致为平行光束的两个光束。通过一对第一透镜群2形成的两个光束形成为互相具有间隔且大致平行。构成第一棱镜对的各棱镜3分别是由平行六面体构成的平行四边形棱镜。各棱镜 3具备互相平行的入射面3a和出射面3b以及配置在入射面3a和出射面3b之间的互相平行的两个反射面3c。当由第一透镜群2形成的光束从构成第一棱镜对的棱镜3的入射面 3a入射到棱镜3内时,在棱镜3内被两个反射面3c反射两次后,从出射面3b射出。如图I 图3所不,对于构成该第一棱镜对的各棱镜3的入射面3a,将其中心位置配置在与一对第一透镜群2的光轴分别一致的位置处。另外,对于各棱镜3的出射面3b,将其中心位置并列地配置在与一对第一透镜群2的并列方向正交的方向。即,一对第一棱镜 3改变光束以使一对第一透镜群2的光轴的并列方向旋转90°。
另外,一对第二透镜群4具有对从第一棱镜对的各棱镜3的出射面3b射出的光束进行会聚的正光焦度。另外,第二透镜群4通过排列多个透镜来构成,这些透镜中的一个以上的透镜具备复曲面。复曲面沿正交的两个方向对要通过的光束施加不同的倍率。在本实施方式中,与沿第一透镜群2的并列方向施加的倍率相比,沿与该并列方向正交的方向施加的倍率小。构成第二棱镜对的各棱镜5也分别是由平行六面体构成的平行四边形棱镜。各棱镜5具备互相平行的入射面5a和出射面5b以及配置在入射面5a和出射面5b之间的互相平行的两个反射面5c。当通过第二透镜群4形成的光束从构成第二棱镜对的棱镜5的入射面5a入射到棱镜5内时,在棱镜5内被两个反射面5c反射两次后,从出射面5b射出。另外,如图I 图3所不,对于构成第二棱镜对的各棱镜5的入射面5a,将中心位置配置在与一对第二透镜群4的光轴分别一致的位置处。另外,配置各棱镜5的出射面5b 以使从一对第二透镜群4射出的光束的光轴间隔缩小。即,通过了一对第二透镜群4的两个光束通过一对第二棱镜5,由此以不改变其并列方向而仅其光轴间隔缩小的状态从棱镜 5的出射面5b射出。从第二棱镜对射出的光束直接入射到配置在该棱镜对后级的摄像元件6的摄像面6a。即,如图4所示,光束C 1、C2沿与第一透镜群2的并列方向正交的方向并列地入射到摄像面6a,该光束C1、C2通过一对第二透镜群4而形成为具有第一透镜群2的并列方向长而与该并列方向正交的方向短这种截面形状。对以这种方式构成的本实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统I的作用进行以下说明。根据本实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统1,从被摄体发出的光被入射到光轴具有间隔的一对第一透镜群2,由此成为具有视差的大致平行的光束而射出。从第一透镜群2射出的光束被分别入射到配置在其后级的构成第一棱镜对的平行四边形棱镜3的入射面3a。在平行四边形棱镜3内具备被制造成高精度互相平行的两个反射面3c,因此从入射面3a入射的光束在棱镜3内被两个反射面3c反射两次之后从出射面3b射出。出射面 3b在与入射面3a的并列方向正交的方向上并列,因此使从两个出射面3b射出的两个光束的并列方向相对于入射到两个入射面3a时的并列方向旋转90°。在这种情况下,两个入射面3a的中心位置的间隔和两个出射面3b的中心位置的间隔分别较大,因此,即使使两个平行四边形棱镜3相对于入射面3a的并列方向倾斜地配置,也能够互不干涉地进行配置以使光轴的并列方向旋转90°。另外,从平行四边形棱镜3的出射面3b射出的光束的光轴与入射到入射面3a时的光束的光轴高精度地平行。在这种情况下,在本实施方式中,利用平行四边形棱镜3,因而两个反射面3c的平行度不受平行四边形棱镜3的安装精度的影响。因而,即使产生平行四边形棱镜3的安装误差,也能够高精度地保持入射光轴与出射光轴平行。并且,从平行四边形棱镜3的出射面3b射出的两个光束入射到一对第二透镜群4, 由此由于正光焦度而被会聚。在第二透镜群4的某一个透镜中设置有复曲面,因此两个光束成为具有扁平截面的光束而入射到构成第二棱镜对的棱镜5的入射面5a,该扁平截面是沿相互正交的方向对光束施加不同的倍率而得到的。
在这种情况下,根据本实施方式,使具有视差的两个光束以互相具有间隔的状态通过一对第二透镜群4,因此能够确保光束直径较大。因而,能够降低F数而获得明亮的立体图像。第二棱镜对也由两个平行四边形棱镜5构成,因此从入射面5a入射的光束在棱镜 5内被两个反射面5c反射两次后从出射面5b射出。从平行四边形棱镜5的出射面5b射出的光束的光轴与入射到入射面5a时的光束的光轴高精度地平行,即使产生平行四边形棱镜5的安装误差,也能够高精度地保持入射光轴与出射光轴平行。另外,将一对第二棱镜5以使横向比纵向长的长方形状的出射面5b的长边互相接近的方式相邻配置,使得仅在与向一对第一透镜群2入射光的入射光轴的并列方向正交的方向上缩小光轴间隔。由此,如图4所示,能够使具有视差的光束分别入射到摄像元件6的摄像面6a的相邻区域来进行拍摄,该摄像元件6在出射面5b的后级被配置成与射出面5b 相对置。在这种情况下,对于构成第二棱镜对的两个棱镜5,以使出射面5b的中心位置彼此充分靠近的方式进行配置,但由于仅缩小一个方向的光轴间隔,因此能够使棱镜5之间互不干扰地进行配置。并且,通过这样利用第二棱镜对来缩小两个光束的光轴间隔,能够使用小型的摄像元件6进行立体摄影。这样,根据本实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统1,与利用多个反射镜进行反射的以往的光学系统相比,不需要精密地进行反射镜之间的角度调节,能够简单地进行棱镜3、5的定位。因而,不需要设置精密的位置调节机构,能够小型化。由此,将本实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统I安装到插入部的前端的内窥镜也能够缩小插入部的直径尺寸。另外,即使简单地进行定位也无损于向平行四边形棱镜3、5入射的入射光轴与出射光轴之间的平行度,因此能够防止摄像面6a中的图像的倾斜。另外,即使增大光束直径也能够互不干扰地将光束引导至摄像面6a。其结果是,具有能够降低F数来进行明亮的立体摄影的优点。此外,在本实施方式中,设为在第一棱镜3中使两个光束的并列方向旋转90°,而在第二棱镜5中不发生旋转,但代替这种方式,也可以在第一和第二棱镜3、5中进行分配以使并列方向的旋转合计旋转90°。在这种情况下,优选在第一棱镜3中的旋转比在第二棱镜5中的旋转大。这是由于,在第二棱镜5中使出射面5b相互靠近,因此在同时进行并列方向的大的旋转的情况下,棱镜5之间会产生干扰,因而要削减干扰部分等,棱镜的形状变得复杂。另外,在本实施方式中,作为第一和第二棱镜3、5,分别由一对棱镜对构成,但如图 5 图7所不,也可以由两对以上的棱镜对构成。在图5 图7所不的例子中,利用构成第一棱镜对的棱镜3使光束向与两个光束的并列方向正交的方向偏移,使并列方向以小于90° 的角旋转。另外,作为一对第二棱镜5、一对第三棱镜7,采用了如下的棱镜使光束分别向与入射到第一棱镜3之前的两个光束的并列方向平行的方向和垂直的方向偏移。由此,作为具有与摄像面6a相对置的出射面7b的第三棱镜7,与上述实施方式同样地,能够采用具有以下功能的棱镜仅在与向一对第一透镜群2入射的入射光轴的并列方向正交的方向上缩小光束的间隔,从而能够使结构变得简单。另外,即使由于简单地进行定位而平行四边形棱镜7的两个反射面7c的位置变动,也无损于向平行四边形棱镜7入射的入射光轴与出射光轴之间的平行度,因此能够防止摄像面6a中的图像的倾斜。此外,棱镜的结构并不仅限于上述实施方式,能够进行如下等变形利用第一棱镜 3使光束向与两个光束的并列方向正交的方向偏移,将第二棱镜5设为使两个光束偏移以使两个光束在与入射到第一棱镜3前的并列方向正交的方向上并列。实施例在此,参照附图对本实施方式所涉及的立体摄影用对物光学系统I的实施例进行以下说明。在各实施例中,对两对透镜群2、4和两对棱镜3、5(或者三对棱镜3、5、7)中一方的透镜群2、4和棱镜3、5 (或者棱镜3、5、7)示出附图和透镜数据,而对另一方透镜群2、 4和棱镜3、5省略说明。(实施例I)在图8A和图8B中示出了实施例I所涉及的立体摄影用对物光学系统I的镜头结构图,透镜数据在下述示出。另外,在图9A至图9E中示出了本实施例的物镜的各像差图。 图8A是沿XZ平面的镜头结构图,图8B是沿YZ平面的镜头结构图。图9A是XZ截面的球面像差图,图9B是YZ截面的球面像差图,图9C是像散,是用实线表示弧矢方向(YZ方向)像散、用虚线表示子午方向(XZ方向)像散的像差图,图9D 是对角方向的畸变像差图,图9E是对角方向的倍率色像差图。另外,图9A、图9E中,实线为针对e线(546. 07nm)的像差图、点划线为针对F线(486. 13nm)的像差图、虚线为针对C线 (656. 27nm)的像差图。面数据
权利要求
1.一种立体摄影用对物光学系统,具备第一棱镜对,其将从同一个被摄体发出的、在一个方向上隔开间隔地并列的具有大致平行的两个光轴的光束变换为在与上述并列方向交叉的方向上隔开间隔地并列的光束;以及第二棱镜对,其对通过该第一棱镜对变换后的两个光束进行变换以缩小该两个光束的光轴的间隔,该第二棱镜对的出射面排列成在与向上述第一棱镜对入射前的上述并列方向正交的方向上并列。
2.根据权利要求I所述的立体摄影用对物光学系统,其特征在于,上述第一棱镜对将两个上述光束变换为在与上述并列方向正交的方向上并列的光束。
3.根据权利要求I所述的立体摄影用对物光学系统,其特征在于,构成上述第一棱镜对和上述第二棱镜对的各棱镜分别具备使入射的光束平行地偏移的相互平行的两个反射面。
4.根据权利要求I至3中的任一项所述的立体摄影用对物光学系统,其特征在于, 从物体侧起依次具备一对负透镜群、上述第一棱镜对、一对正透镜群以及上述第二棱镜对,使从该第二棱镜对射出的两个大致平行的光束并排地入射到摄像面。
5.根据权利要求4所述的立体摄影用对物光学系统,其特征在于,构成上述透镜群的一个以上的透镜具有复曲面,该复曲面对要向上述摄像面入射的光束施加倍率,其中,与该复曲面沿向上述第一棱镜对入射前的上述并列方向对光束施加的倍率相比,该复曲面沿与该并列方向正交的方向对光束施加的倍率小。
6.根据权利要求5所述的立体摄影用对物光学系统,其特征在于,还具备缩小上述光束的光圈,上述复曲面被配置为比上述光圈更靠近物体侧。
7.一种内窥镜,在插入部的前端具备根据权利要求I至6中的任一项所述的立体摄影用对物光学系统。
全文摘要
能够实现装置的小型化,简单地抑制具有视差的两个图像的图像倾斜并且获取明亮的立体图像。提供一种立体摄影用对物光学系统(1),其具备第一棱镜对(3),其将从同一个被摄体发出的、在一个方向上隔开间隔地并列的具有大致平行的两个光轴的光束变换为在与上述并列方向交叉的方向上隔开间隔地并列的光束;以及第二棱镜对(5),其对通过该第一棱镜对(3)变换后的两个光束进行变换以缩小该两个光束的光轴的间隔,该第二棱镜对的出射面排列成在与向上述第一棱镜对(3)入射前的上述并列方向正交的方向上并列。
文档编号G02B13/04GK102597871SQ20108004761
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月23日
发明者浪井泰志, 高头英泰 申请人:奥林巴斯医疗株式会社

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