JP2010117665A - 光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】前方視野のみの観察と、前方視野と側方全周囲の視野の同時観察との切り替えが可能で、且つ、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察状態における側方全周囲の視野の観察像を詳細に観察することが可能な光学系を提供する。
【解決手段】前方観察光学系１と、側方全周囲観察光学系２と、観察光学系２の像側に配置された可変絞り３と、結像光学系４と、撮像素子５を有し、可変絞り３が、観察視野を、少なくとも、前方視野のみの第一の観察視野と、第一の観察視野よりも狭角の前方視野と側方全周囲の視野とを含む第二の観察視野とに、切り替え可能に構成されている。観察光学系１は、観察光学系２中央部の開口２ａの物体側に配置されている。可変絞り３は、第一の観察視野に切り替えられたときに、観察光学系２の光路を遮断し、第二の観察視野に切り替えられたときに、観察光学系２の光路を開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、前方観察光学系と側方全周囲観察光学系を備えた光学系に関する。
従来、この種の光学系としては、例えば、次の特許文献１〜３に記載の光学系が提案されている。これらの光学系は、異なる観察視野に切り替えが可能な構成となっている。
特開２００５−２６１５５７号公報 特開平９−２４８２７６号公報 特開平１１−１３７５１２号公報
特許文献１に記載の光学系は、視野方向を変更可能な内視鏡に用いられたものである。図７(a)に示すように、挿入部５１の先端部には、挿入部５１の軸Ｏ１方向を観察する直視用観察光学系５２と、挿入部５１の軸Ｏ１方向に対して直交する方向を観察する側視用観察光学系５３とが配置されている。図７(a)中、５２ａは直視用観察光学系の対物光学系、５３ａは側視用観察光学系の対物光学系、５３ｂは対物光学系５２ａからの光を直視用観察光学系５２の光軸と平行な向きに偏向するミラーである。また、結像光学系５４及びＣＣＤ５５が、直視用観察光学系５２と側視用観察光学系５３とに共通の光路上に配置されている。さらに、対物光学系５２ａ、ミラー５３ｂと、結像光学系５４との間には、回転シャッター５６が配置されている。回転シャッター５６には、図７(b)に示すように、絞りとしての貫通穴５７が設けられている。
そして、対物光学系５２ａ，５３ａの光軸上に配置した回転シャッター５６を回転させて貫通穴５７を透過した光束を選択的にＣＣＤ５５で撮像することにより、挿入部５１の軸Ｏ１方向前方の部位Ｐの立体観察画像と、挿入部５１の軸Ｏ１方向前方の部位Ｐ及び軸Ｏ１方向前方Ｐとは異なる方向の部位Ｐ’の観察画像のいずれかが得られるようになっている。
また、特許文献２に記載の光学系は、視野方向を変更可能な硬性鏡に用いられたものである。図８(a)に示すように、硬性鏡６０側の対物光学系６１とリレーレンズ系６２及び接眼光学系６３と、ＴＶカメラ６４側の結像光学系６５及び撮像素子６６を有している。対物光学系６１は、最も物体に近い位置に配置される直視方向と側視方向にそれぞれ向いた２つの対物レンズ６１ａ，６１ｂと、この２つの対物レンズからの光束を異なる面で入射する第１プリズム６１ｃと、第１プリズム６１ｃからの光束を同一面から入射する第２プリズム６１ｄと、上記した視野方向（直視方向と側視方向）に対応して瞳６１ｅａ，６１ｅｂに分割する瞳分割絞り６１ｅとからなる前方レンズ群６１’を有している。前方レンズ群６１’の後方には、瞳６１ｅａ，６１ｅｂからの光束を収斂させて対物像を結像させるための後方レンズ群６１”が配置されている。
対物光学系６１を介して作られる複数の視野方向からの像Ｉ1と，瞳６１ｅａ，６１ｅｂとがリレーレンズ系６２により接眼光学系６３方向に伝達されていく。図８(b)中、Ｐ2はリレーレンズ系６２により伝達された各視野方向に対応する複数の瞳を示している。リレーレンズ系６２と接眼光学系６３の間には像Ｉ2が結像し、接眼光学系６３を介して、各視野方向に対応した複数の瞳Ｐ3が得られる。
瞳Ｐ3の後方には、視野方向選択手段としての瞳選択絞り６７が配置されている。瞳選択絞り６７には、瞳６１ｅａ，６１ｅｂのいずれか一方のみの光を透過させる開口部６７ａが設けられている。そして、瞳選択絞り６７を、開口部６７ａの向きを任意に選択して配置し、開口部６７ａを透過した光束を撮像素子６６で撮像することにより、直視方向と側視方向のいずれかの視野方向の観察画像が得られるようになっている。
また、特許文献３に記載の光学系は、視野方向を変更可能な内視鏡に用いられたものである。図９(a)，(b)に示すように、先端硬性部７１に、直視用対物レンズ７２と、側視用対物レンズ７３と、ミラー７４と、固体撮像素子７５を備えている。ミラー７４は、駆動素子７６によって、駆動素子７６の周りを回動可能に構成されている。図９(b)中、７７はミラー７４における直視用対物レンズ７２側の面を遮光する遮光板である。
そして、駆動素子７６により回動されるミラー７４が、直視用対物レンズ７２からの光又は側視用対物レンズ７３からの光を切り替えて、固体撮像素子７５に入射させることにより、直視方向と側視方向のいずれかの視野方向の観察画像が得られるようになっている。
ところで、内視鏡等を用いた管状物体の内部の観察においては、内視鏡等を管状物体の内部への挿入時に前方視野の観察を行い、挿入後、管状の物体の内面において詳細な観察が必要な部位を発見したときに、側方の視野に関し、その部位を含む管状物体の内面を全周にわたって詳細に観察することが求められている。
また、例えば、胃やエンジンパイプなどの検査においては、前方視野と側方全周囲の視野とを同時観察できる光学系が強く求められている。管の側方を観察するときに、管の深さ方向の位置が確認できないと検査位置を見誤るおそれがあり、また、前方視野と側方全周囲の視野のいずれか一方のみを観察できる光学系を備えた内視鏡では、異なる視野を観察するたびに管の内部に所望の観察視野が観察できる光学系を備えた内視鏡を挿入し直さなければならず、被検者の肉体的負担が大きくなり、また、検者の作業も煩雑化してしまうからである。
しかし、特許文献１〜３の記載の光学系では、側方視野の観察に際しては、一部の範囲の視野を観察できるにすぎず、側方全周囲の視野を観察することができない。これでは、管の内面における全周方向での病変や異変を見落とし易い。
また、特許文献２及び３に記載の光学系では、前方視野と側方視野のいずれかを観察するようになっており、前方視野と側方視野を同時に観察することができない。これでは、管の側方を観察するときに、管の深さ方向の位置を確認することができない。
また、特許文献１に記載の光学系では、側方視野の観察像と前方視野の観察像を時分割により撮像素子で撮像し、夫々の観察画像を一つの表示画面に並列表示させる構成のものが開示されているが、上述したように、側方全周囲の視野を観察することができず、しかも表示されている夫々の視野の観察像の位置関係が実際の観察視野と異なるため、管の側方を観察するときに、管の深さ方向の位置を把握し難い。
しかるに、従来、前方視野と側方全周囲の視野を同時に観察できる光学系として、例えば、次の特許文献４〜６に記載の光学系がある。
特開２００２−３４１４０９号公報 特表２００２−５２３８０１号公報 特開２００４−３１２５９３号公報
特許文献４に記載の光学系は、図１０に示すように、回転対称な凸面鏡８１と、凸面鏡８１と対向する位置に配置されるカメラ８２と、凸面鏡８１とカメラ８２とを連結する透明な筒体８３と、凸面鏡８１の中央部に形成された貫通孔８４の内部又はその貫通孔８４の軸線上に配設されたレンズ８５を有している。図１０中、８２ａは結像レンズ、８２ｂは撮像素子である。そして、前方視野からの光がレンズ８５を通り結像レンズ８２ａを経て撮像素子８２ｂの撮像面における中央領域８６に結像するとともに、側方全周囲の視野からの光が凸面鏡８１で反射して結像レンズ８２ａを経て撮像素子８２ｃの撮像面における周辺領域８７に結像することで、前方視野の観察画像と側方全周囲の視野の観察画像とを同時に得ることができるようになっている。
特許文献５に記載の光学系は、図１１に示すように、前方視野からの光を通過させ、側方全周囲の視野からの光を反射するように形成された凸型反射面９１ａを備えた回転対称なレンズブロック９１と、レンズブロック９２と、レンズブロック９１より前方に配置されたレンズ系９３と、レンズブロック９２より後方に配置されたレンズ系９４と、画像取り込み装置９５を有している。そして、前方視野からの光がレンズ系９３を経て、レンズブロック９１の内部に入射し、レンズブロック９３、レンズ系９４を経て画像取り込み装置９５の結像面における中央領域に結像するとともに、側方全周囲の視野からの光が凸型反射面９１ａで反射し、レンズブロック９１，９２、レンズ系９４を経て画像取り込み装置９５の結像面における周辺領域に結像することで、前方視野の観察画像と側方全周囲の視野の観察画像とを同時に得ることができるようになっている。
特許文献６に記載の光学系は、図１２に示すように、その中央に開口部１０１ａを有する回転対称な凸型反射鏡１０１と、凸型反射鏡１０１に対向配置された、その中央に開口部１０２ａを有する回転対称な反射鏡１０２と、反射鏡１０２の開口部１０２ａに設けられたレンズ１０３と、凸型反射鏡１０１によって反射鏡１０２方向へ反射された後、反射鏡１０２によって凸型反射鏡１０１の開口部１０１ａ方向へ反射された反射光とレンズ１０３を透過し凸型反射鏡１０１の開口部１０１ａ方向へ入射した入射光とを受光することにより撮像する撮像手段１０４を有している。なお、図１２中、１０５は透明カバー、１０６は画像表示装置である。そして、前方視野からの光がレンズ１０３を透過して開口部１０１ａを通り撮像手段１０４の撮像面における中央領域に結像するとともに、側方全周囲の視野からの光が透明カバー１０５を透過し凸型反射鏡１０１によって反射鏡１０２方向へ反射された後、反射鏡１０２によって凸型反射鏡１０１の開口部１０１ａ方向へ反射され開口部１０１ａを通り撮像手段１０４の撮像面における中央領域に結像することで、前方視野の観察画像と側方全周囲の視野の観察画像とを同時に得ることができるようになっている。
このように、特許文献４〜６に記載の光学系は、前方視野からの光を撮像手段に導く光学系と、側方全周囲の視野からの光を撮像手段に導く光学系を有し、前方視野の観察画像と側方全周囲の視野の観察画像とを同時に得ることができるようになっている。
ところで、前方視野、側方全周囲の視野の夫々を観察する場合には、撮像手段の撮像領域における当該視野の観察画像の結像領域の占める割合が小さいと詳細な観察が難くなるため、撮像手段の撮像領域における当該視野の観察画像の結像領域の占める割合を極力大きくすることが望ましい。但し、上述したように、側方全周囲の視野を観察する場合は、前方視野も観察できるようにしないと、管の深さ方向の位置が把握できず、検査位置を見誤り易くなってしまう。
従って、側方全周囲の視野を詳細に観察するには、撮像手段の撮像領域に占める前方視野の観察画像の結像領域の割合を、管の深さ方向の位置確認ができる程度にして、側方全周囲の視野の観察画像の結像領域を極力大きくとるようにすることが望ましい。また、一方、前方視野を詳細に観察するには、撮像手段の撮像領域の全てを前方視野の観察画像の結像領域が占めるようにすることが必要となる。
しかし、特許文献４〜６に記載の光学系では、前方視野からの観察画像の撮像領域と、側方全周囲の視野からの観察画像の撮像領域の面積の割合が５：５〜３：７程度に固定されている。このため、前方視野、側方全周囲の視野のいずれからの観察画像も撮像領域において大きくとることができず、夫々の観察視野において詳細な観察をすることができない。
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、前方視野のみの観察と、前方視野と側方全周囲の視野の同時観察との切り替えが可能で、且つ、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察状態における側方全周囲の視野の観察像を詳細に観察することが可能な光学系を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明による光学系は、前方観察光学系と、側方全周囲観察光学系と、側方全周囲観察光学系の像側に配置された可変絞りと、結像光学系と、撮像素子を有し、前記可変絞りが、観察視野を、少なくとも、前方視野のみの第一の観察視野と、前記第一の観察視野よりも狭角の前方視野と側方全周囲の視野とを含む第二の観察視野とに、切り替え可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の光学系においては、前記側方全周囲観察光学系が、その中央部に開口を有し、前記前方観察光学系が、前記開口の物体側に配置されているのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、前記第一の観察視野に切り替えられたときに、前記側方全周囲観察光学系の光路を遮断するように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、前記第二の観察視野に切り替えられたときに、前記側方全周囲観察光学系の光路を開放するように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、前記側方全周囲観察光学系と、前記結像光学系との間に配置された２つの絞りからなり、前記２つの絞りは、一方の絞りを開放したときには他方の絞りを絞るように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、前記側方全周囲観察光学系と、前記結像光学系との間の光軸上を移動するのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記結像光学系及び前記撮像素子が、前記可変絞りと一体的に移動するのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りが、観察視野を、さらに、側方全周囲の視野のみの第三の観察視野にも切り替え可能に構成されているのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、前記第三の観察視野に切り替えられたときに、前記側方全周囲観察光学系の光路を開放するとともに、前記前方観察光学系の光路を遮断するように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、液晶素子からなるのが好ましい。
また、本発明の光学系においては、前記可変絞りは、前記側方全周囲観察光学系と、前記結像光学系との間に配置された２つの液晶素子からなり、前記２つの液晶素子は、前記第一の観察視野に切り替えられたときに、一方の液晶素子が前記側方全周囲観察光学系の光路を遮断するとともに、他方の液晶素子が光路を開放し、前記第二の観察視野に切り替えられたときに、前記一方の液晶素子が前記側方全周囲観察光学系の光路を開放するとともに、前記他方の液晶素子が光路を絞り、前記第三の観察視野に切り替えられたときに、前記一方の液晶素子が前記側方全周囲観察光学系の光路を開放し、且つ、前記前方観察光学系の光路を遮断するとともに、他方の液晶素子が光路を絞る、ように構成されているのが好ましい。
本発明によれば、前方視野のみの観察と、前方視野と側方全周囲の視野の同時観察との切り替えが可能で、且つ、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察状態における側方全周囲の視野の観察像を詳細に観察することが可能な光学系が得られる。
第一実施形態
図１は本発明の第一実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野と側方全周囲の視野のそれぞれの観察像の結像領域を示す説明図、(c)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(d)は(c)の観察状態での撮像素子の撮像面における側方全周囲の視野の観察像の結像領域を示す説明図である。図２は図１の光学系の一変形例を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図である。
第一実施形態の光学系は、前方観察光学系１と、側方全周囲観察光学系２と、可変絞り３と、結像光学系４と、撮像素子５を有している。
前方観察光学系１は、前方の視野を観察するための光学系であり、側方全周囲観察光学系２の物体側に配置されており、凹レンズ１１と凸レンズ１２とで構成されている。なお、前方観察光学系１を構成するレンズ要素は、図１の構成に限定されるものではない。
側方全周囲観察光学系２は、側方全周囲の視野を観察するための光学系であり、入射面２ｂと透過反射面２ｃと反射面２ｄを有するとともに、その中央部に開口２ａを有する、環状プリズムで構成されている。そして、側方全周囲観察光学系２は、側方全周囲の視野からの入射光を、入射面２ｂを透過させ、透過反射面２ｃで全反射し、反射面２ｄで反射し、透過反射面２ｃを透過させて結像光学系４側に向かわせるとともに、前方観察光学系１を出射した前方視野からの光を、開口２ａを通過させて結像光学系４側に向かわせる機能を備えている。なお、側方全周囲観察光学系２は、図１の構成に限定されるものではない。
可変絞り３は、側方全周囲観察光学系２と結像光学系４との間に配置された、絞り３１と、絞り３２とで構成されている。
絞り３１は、側方全周囲観察光学系２の近傍に配置されている。そして、開放状態のときには、前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの光の光路と、側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路を開放する。一方、閉じ状態のときには、前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの光の光路のみを開放し、側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路を遮断するように構成されている。
絞り３２は、絞り３１よりも像側に離れて配置されている。そして、開放状態のときには、絞り３１を通過した光の光路を開放する。一方、閉じ状態のときには、絞り３１を通過した光のうち、前方視野からの視野角の狭い範囲Ｎの光の光路及び側方全周囲の視野からの光の光路を開放し、前方視野からの視野角の広い範囲Ｗの光の光路を遮断するように構成されている。
また、可変絞り３は、絞り３１と絞り３２の一方を開放したときには、他方を絞るように構成されている。
そして、可変絞り３は、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察に観察視野を切り替えたときに、絞り３１を開放するとともに絞り３２を絞った状態となる。このときには、絞り３１が側方全周囲観察光学系２の視野絞り、絞り３２が前方観察光学系１における広角の視野範囲の光に対する視野絞り、狭角の視野範囲の光に対する明るさ絞り、側方全周囲観察光学系２の明るさ絞りとして機能する。一方、前方視野のみの観察に観察視野を切り替えたときに、絞り３１を絞るとともに絞り３２を開放した状態となる。このときには、絞り３１が前方観察光学系１の明るさ絞り、及び側方全周囲観察光学系２の視野絞り、絞り３２が前方観察光学系１の視野絞りとして機能するようになっている。
また、絞り３１，３２は、一般的な絞り羽根で構成されている。なお、絞り３１，３２は、液晶素子で構成してもよい。
結像光学系４は、前方観察光学系１を出射して、側方全周囲観察光学系２の開口２ａ、可変絞り３を通過した前方視野からの光を、主光線の軸が略平行になるようにして撮像素子５の撮像面における中央領域Ｉ１に結像するとともに、側方全周囲観察光学系２を出射して、可変絞り３を通過した側方全周囲からの光を、主光線の軸が略平行になるようにして撮像素子５の撮像面における周辺領域Ｉ２にそれぞれ結像するように構成されている。
このように構成された第一実施形態の光学系の作用について説明する。
前方視野からの光は、前方観察光学系１のレンズ１１，１２を出射し、側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過する。一方、側方全周囲の視野からの光は、側方全周囲観察光学系２の入射面２ｂを透過し、透過反射面２ｃで全反射され、反射面２ｄで反射されて、透過反射面２ｃを透過する。
ここで、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察に観察視野を切り替えたときには、図１(a)に示すように、絞り３１が開放状態、絞り３２が絞った状態となる。このときには、絞り３に入射した、前方視野からの光と、側方全周囲の視野からの光は、いずれも絞り３１を通過する。絞り３１を通過した光のうち、前方視野からの視野角の広い範囲Ｗの光が絞り３２で遮断される。一方、前方視野からの視野角の狭い範囲Ｎの光と側方全周囲の視野からの光が、絞り３２を交差しながら通過した後、結像光学系４に入射する。結像光学系４に入射した、前方視野からの光と、側方全周囲の視野からの光は、結像光学系４を介して、図１(b)に示すように、撮像素子５の撮像面５ａにおける所定領域Ｉ１，Ｉ２にそれぞれ結像される。
一方、前方視野のみの観察に観察視野を切り替えたときには、図１(c)に示すように、絞り３１を絞った状態、絞り３２が開放状態となる。このときには、絞り３に入射した、前方視野からの光と、側方全周囲の視野からの光のうち、側方全周囲の視野からの光は絞り３１で遮断され、前方視野からの光のみが絞り３１を交差しながら通過し、絞り３２を通過した後、結像光学系４に入射する。結像光学系４に入射した、前方視野からの光は、結像光学系４を介して、図１(d)に示すように、撮像素子５の撮像面５ａにおける全領域Ｉ１に結像される。
このとき、第一実施形態の光学系では、可変絞り３を絞り３１と絞り３２とで構成したので、絞り３２を結像光学系４側に極力近づけた配置とすることによって、前方視野の視野角を極力狭くすることができる。その結果、絞り３２を交差しながら通過した前方視野からの光の光束は、径が極力小さくなり、結像光学系４を介して撮像素子５の撮像面に結像される領域Ｉ１が極力小さくなる。その結果、側方全周囲の視野からの観察像の撮像面での結像領域Ｉ２を相対的に極力広くとることができるようになる。
一方、絞り３１は、絞り３２よりも前方観察光学系１に近い位置に配置されるので、絞り３１を側方全周囲観察光学系２に極力近づけて配置することで、前方視野の視野角を極力広くとることができる。その結果、絞り３１を交差しながら通過した前方視野からの光の光束は、径が極力大きくなり、結像光学系４を介して撮像素子５の撮像面に結像される領域Ｉ１を極力大きくとることができるようになる。
したがって、第一実施形態の光学系によれば、前方視野のみの観察と、前方視野と側方全周囲の視野の同時観察との切り替えが可能となる。そして、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察状態においては、側方全周囲の視野からの観察像の結像領域を極力大きくとることができ、側方全周囲の視野の観察像を詳細に観察することが可能となる。また、前方視野のみの観察の観察状態においては、前方視野からの観察像の結像領域を極力大きくとることができ、前方視野の観察像を詳細に観察することが可能となる。
なお、側方全周囲観察光学系は、図１の例では、環状プリズム２で構成したが、その他にも、例えば、図２に示すように、側方全周囲の視野からの光を結像光学系４側に向けて反射する凸状の反射面２ａ’を有する環状ミラー２’で構成してもよい。
また、図１の例の光学系では、像側テレセントリック光学系で構成したが、図２に示すようにテレセントリックでない光学系で構成してもよい。
第二実施形態
図３は本発明の第二実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野と側方全周囲の視野のそれぞれの観察像の結像領域を示す説明図、(c)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(d)は(c)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野の観察像の結像領域を示す説明図である。図４は図３の光学系の一変形例を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図である。なお、第一実施形態と略同じ構成部材については、同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
第二実施形態の光学系は、可変絞り３’が、側方全周囲観察光学系２と、結像光学系４との間の光軸上を移動するように構成されている。
詳しくは、可変絞り３’は、所定の大きさに径が絞られている。そして、図３(a)に示すように、結像光学系４に最も近づいたときには、前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの視野角の狭い範囲の光の光路及び側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路を開放し、前方観察光学系１を出射した前方視野からの視野角の広い範囲の光の光路を遮断する。一方、図３(c)に示すように、側方全周囲観察光学系２に最も近づいたときには、前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの光の光路のみを開放し、側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路を遮断するように構成されている。
そして、可変絞り３’は、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察に観察視野を切り替えたときに、結像光学系４に最も近づいた状態となる。このときには、前方観察光学系１における広角の視野範囲の光に対する視野絞り、狭角の視野範囲の光に対する明るさ絞り、側方全周囲観察光学系２の明るさ絞りとして機能する。一方、前方視野のみの観察に観察視野を切り替えたときに、側方全周囲観察光学系２に最も近づいた状態となる。このときには、前方観察光学系１の明るさ絞り、及び側方全周囲観察光学系２の視野絞りとして機能するようになっている。
また、可変絞り３’は、一般的な絞り羽根で構成されている。なお、可変絞り３’は、液晶素子で構成してもよい。
また、図３の例の光学系は、テレセントリックでない光学系で構成されている。なお、像側テレセントリック光学系で構成してもよい。
その他の構成は、第一実施形態の光学系と略同じである。
このように構成された第二実施形態の光学系の作用について説明する。
前方視野からの光は、前方観察光学系１のレンズ１１，１２を出射し、側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過する。一方、側方全周囲の視野からの光は、側方全周囲観察光学系２の入射面２ｂを透過し、透過反射面２ｃで全反射され、反射面２ｄで反射されて、透過反射面２ｃを透過する。
ここで、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察に観察視野を切り替えたときには、図３(a)に示すように、可変絞り３’が結像光学系４に最も近づいた状態となる。このときには、可変絞り３’に入射した、前方視野からの光と、側方全周囲の視野からの光のうち、前方視野からの視野角の広い範囲Ｗの光が可変絞り３’で遮断される。一方、前方視野からの視野角の狭い範囲Ｎの光と側方全周囲の視野からの光が、可変絞り３’を交差しながら通過した後、結像光学系４に入射する。結像光学系４に入射した、前方視野からの光と、側方全周囲の視野からの光は、結像光学系４を介して、図３(b)に示すように、撮像素子５の撮像面５ａにおける所定領域Ｉ１，Ｉ２にそれぞれ結像される。
一方、前方視野のみの観察に観察視野を切り替えたときには、図３(c)に示すように、可変絞り３’が側方全周囲観察光学系２に最も近づいた状態となる。このときには、絞り３’に入射した、前方視野からの光と、側方全周囲の視野からの光のうち、側方全周囲の視野からの光は可変絞り３’で遮断され、前方視野からの光のみが可変絞り３’を通過した後、結像光学系４に入射する。結像光学系４に入射した、前方視野からの光は、結像光学系４を介して、図３(d)に示すように、撮像素子５の撮像面５ａにおける全領域Ｉ１に結像される。
このとき、第二実施形態の光学系では、可変絞り３’を側方全周囲観察光学系２と結像光学系４との間の光軸上を移動するように構成したので、可変絞り３’を結像光学系４側に極力近づけることによって、前方視野の視野角を極力狭くすることができる。その結果、可変絞り３’を交差しながら通過した前方視野からの光の光束は、径が極力小さくなり、結像光学系４を介して撮像素子５の撮像面に結像される領域Ｉ１が極力小さくなる。その結果、側方全周囲の視野からの観察像の撮像面での結像領域Ｉ２を相対的に極力広くとることができるようになる。
一方、可変絞り３’を側方全周囲観察光学系２に極力近づけることで、前方視野の視野角を極力広くとることができる。その結果、可変絞り３’を交差しながら通過した前方視野からの光の光束は、径が極力大きくなり、結像光学系４を介して撮像素子５の撮像面に結像される領域Ｉ１を極力大きくとることができるようになる。
したがって、第二実施形態の光学系によれば、前方視野のみの観察と、前方視野と側方全周囲の視野の同時観察との切り替えが可能となる。そして、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察状態においては、側方全周囲の視野からの観察像の結像領域を極力大きくとることができ、側方全周囲の視野の観察像を詳細に観察することが可能となる。また、前方視野のみの観察の観察状態においては、前方視野からの観察像の結像領域を極力大きくとることができ、前方視野の観察像を詳細に観察することが可能となる。
また、第二実施形態の光学系では、可変絞り３’を側方全周囲観察光学系２と結像光学系４との間の光軸上を移動する構成としたことにより、可変絞り３’の位置に応じて、前方視野からの観察像の結像領域と側方全周囲の視野からの観察像の結像領域の大きさの比率が連続的に変化する。従って、第二実施形態の光学系によれば、観察用途に応じて前方視野からの観察像の結像領域と側方全周囲の視野からの観察像の結像領域の大きさの比率を所望の比率に調整することができる。
また、第二実施形態の光学系によれば、可変絞りを一部材で構成することができ、その分、全体の部品点数を減らすことができる。
なお、側方全周囲観察光学系は、図３の例では、環状プリズム２で構成したが、その他にも、例えば、図４に示すように、側方全周囲の視野からの光を結像光学系４側に向けて反射する凸状の反射面２ａ’を有する環状ミラー２’で構成してもよい。
第三実施形態
図５は本発明の第三実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図である。
第三実施形態の光学系は、図４に変形例として示した第二実施形態の構成において、結像光学系４及び撮像素子５が、可変絞り３’と一体的に移動するように構成されている。
その他の構成は、第二実施形態の光学系と略同じである。
図３、図４に示した第二実施形態の構成において、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察をする場合に、前方視野の観察像の結像領域の比率を極力小さくするには、可変絞り３’を結像光学系４に極力近づけることが望ましい。一方、前方視野のみの観察をする場合において、広角の視野からの観察像を観察するには、可変絞り３’を側方全周囲観察光学系２（２’）に極力近づけることが望ましい。
可変絞り３’を側方全周囲観察光学系２（２’）に最も近づけたときには、可変絞り３’と結像光学系４との距離が最も離れることになる。
ところで、可変絞り３’と結像光学系４との距離が離れるにしたがって、可変絞り３’で交差しながら透過して結像光学系４に向かう光が広がっていく。
このため、図３、図４の構成では、前方視野のみの観察をする場合に前方観察光学系１を出射した光の全てを結像光学系４に入射させるようとすると、結像光学系４が大型化してしまい易い。
しかるに、第三実施形態の光学系によれば、結像光学系４及び撮像素子５が、可変絞り３’と一体的に移動するようにしたので、可変絞り３’と結像光学系４及び撮像素子５との相対的な位置関係を一定に保つことができ、結像光学系４を大型化させずに済む。このため、第三実施形態の光学系によれば、生体の細管内を観察する内視鏡等に用いると、内視鏡等の先端部を細径化でき、人体への負担軽減に大きな効果が得られる。
その他の作用効果は、第二実施形態の光学系と略同じである。
第四実施形態
図６は本発明の第四実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野と側方全周囲の視野のそれぞれの観察像の結像領域を示す説明図、(c)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(d)は(c)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野の観察像の結像領域を示す説明図、(e)は側方全周囲の視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(f)は(e)の観察状態での撮像素子の撮像面における側方全周囲の視野の観察像の結像領域を示す説明図である。
第四実施形態の光学系は、図１に示した第一実施形態の光学系における可変絞り３の代わりに、液晶素子３１”と、液晶素子３２”とで構成された可変絞り３”が、側方全周囲観察光学系２と結像光学系４との間に配置されている。
液晶素子３１”は、側方全周囲観察光学系２の近傍に配置されている。液晶素子３２”は、液晶素子３１”よりも像側に離れて配置されている。
そして、可変絞り３”は、次の３つの観察視野の切り替えに応じて液晶素子３１”と液晶素子３２”の絞りの状態が変化するように構成されている。
第一の観察視野として、前方視野のみの観察視野に切り替えたときには、図６(c)に示すように、液晶素子３１”が前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの光の光路のみを開放し、側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路を遮断するとともに、液晶素子３２”が液晶素子３１”を透過した光の光路を開放する。
第二の観察視野として、前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察視野に切り替えたときには、図６(a)に示すように、液晶素子３１”が前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの光の光路と、側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路を開放し、液晶素子３２”が液晶素子３１”を透過した光のうち、前方視野からの視野角の狭い範囲Ｎの光の光路及び側方全周囲の視野からの光の光路を開放し、前方視野からの視野角の広い範囲Ｗの光の光路を遮断する。
第三の観察視野として、側方全周囲の視野のみの観察の観察視野に切り替えたときには、図６(e)に示すように、液晶素子３１”が前方観察光学系１を出射し側方全周囲観察光学系２の開口２ａを通過した前方視野からの光の光路を遮断し、側方全周囲観察光学系２を出射した側方全周囲の視野からの光の光路のみを開放するとともに、液晶素子３２”が液晶素子３１”を透過した光の光路を絞る。
その他の構成は、第一実施形態の光学系と略同じである。
このように構成された第四実施形態の光学系では、第一の観察視野（前方視野のみの観察視野）及び第二の観察視野（前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察視野）での観察においては、前方視野、側方全周囲の視野からの観察像の結像領域が、夫々図６(d)，(b)に示すように第一実施形態の光学系と同様の効果を奏する。
それに加えて、第四実施形態の光学系では、第三の観察視野（側方全周囲のみの視野の観察視野）での観察において、可変絞り３”に入射した光のうち、前方視野からの光は液晶素子３１”で遮断され、側方全周囲の視野からの光のみが液晶素子３１”を透過する。液晶素子３１”を透過した光は、液晶素子３２”を交差しながら透過した後、結像光学系４に入射する。結像光学系４に入射した、側方全周囲の視野からの光は、結像光学系４を介して、図６(f)に示すように、撮像素子５の撮像面５ａにおける所定領域Ｉ２に結像される。そして、撮像素子５の撮像面における所定領域Ｉ１は暗くなる。
管内の観察において、前方視野の観察対象と観察光学系との距離が近い場合、前方視野に位置する観察対象からの観察光学系に入射する照明光の反射光の強度が強くなり過ぎる場合がある。そのような場合において、前方視野と側方全周囲の視野とを同時に観察すると、前方視野からの観察像が明る過ぎるために相対的に側方全周囲の視野からの観察像が暗くなる等して観察し難くなりやすい。
しかるに、第四実施形態の光学系によれば、第一実施形態の光学系と同様の第一の観察視野（前方視野のみの観察視野）及び第二の観察視野（前方視野と側方全周囲の視野との同時観察の観察視野）での観察に加えて、第三の観察視野として側方全周囲の視野のみの観察の観察視野での観察への切り替えに対応して、光路を開閉する液晶素子３１”，３２”で可変絞り３”を構成したので、第二の観察視野での観察において、狭角での前方視野と側方全周囲の視野との同時観察をして、進入方向の観察位置の確認をした後に、第三の観察視野での観察に切り替えて、側方全周囲の視野からの観察像を良好な明るさで詳細に観察することができる。
本発明は、内視鏡等を用いて管の内部を観察して診断することが求められる医療、工業の分野に有用である。
本発明の第一実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野と側方全周囲の視野のそれぞれの観察像の結像領域を示す説明図、(c)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(d)は(c)の観察状態での撮像素子の撮像面における側方全周囲の視野の観察像の結像領域を示す説明図である。 図１の光学系の一変形例を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の第二実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野と側方全周囲の視野のそれぞれの観察像の結像領域を示す説明図、(c)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(d)は(c)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野の観察像の結像領域を示す説明図である。 図３の光学系の一変形例を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の第三実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の第四実施形態にかかる光学系の概略構成を示す説明図であり、(a)は前方視野と側方全周囲の視野との同時観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野と側方全周囲の視野のそれぞれの観察像の結像領域を示す説明図、(c)は前方視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(d)は(c)の観察状態での撮像素子の撮像面における前方視野の観察像の結像領域を示す説明図、(e)は側方全周囲の視野のみの観察のときの観察状態を示す光軸に沿う断面図、(f)は(e)の観察状態での撮像素子の撮像面における側方全周囲の視野の観察像の結像領域を示す説明図である。 観察視野を切り替え可能な光学系の一従来例を示す説明図で、(a)は断面図、(b)は(a)のＡ−Ａ断面図である。 観察視野を切り替え可能な光学系の他の従来例を示す説明図で、(a)は断面図、(b)は(a)の光学系の一構成要素である瞳分割絞りの正面図である。 観察視野を切り替え可能な光学系のさらに他の従来例を示す説明図で、(a)は内視鏡先端部の斜視図、(b)は(a)のＢ−Ｂ断面図である。 前方視野と側方視野とを観察可能な光学系の一従来例を示す説明図である。 前方視野と側方視野とを観察可能な光学系の他の従来例を示す説明図である。 前方視野と側方視野とを観察可能な光学系のさらに他の従来例を示す説明図である。
符号の説明
１ 前方観察光学系
１１ 凹レンズ
１２ 凸レンズ
２ 側方全周囲観察光学系（環状プリズム）
２ａ 開口
２ｂ 入射面
２ｃ 透過反射面
２ｄ 反射面
２’ 環状ミラー
２ａ’ 凸状の反射面
３，３’，３” 可変絞り
３１，３２ 絞り
３１”，３２” 液晶素子
４ 結像光学系
５ 撮像素子
Ｉ１ 撮像面における中央領域
Ｉ２ 撮像面における周辺領域
Ｎ 前方視野からの視野角の狭い範囲
Ｗ 前方視野からの視野角の広い範囲
５１ 挿入部
５２ 直視用観察光学系
５２ａ 対物光学系
５３ 側視用観察光学系
５３ａ 対物光学系
５３ｂ ミラー
５４ 結像光学系
５５ ＣＣＤ
５６ 回転シャッター
５７ 貫通穴
６０ 硬性鏡
６１ 対物光学系
６１ａ，６１ｂ 対物レンズ
６１ｃ 第１プリズム
６１ｄ 第２プリズム
６１ｅ 瞳分割絞り
６１ｅａ，６１ｅｂ 瞳
６１’ 前方レンズ群
６１” 後方レンズ群
６２ リレーレンズ系
６３ 接眼光学系
６４ ＴＶカメラ
６５ 結像光学系
６６ 撮像素子
６７ 瞳選択絞り
６７ａ 開口部
７１ 先端硬性部
７２ 直視用対物レンズ
７３ 側視用対物レンズ
７４ ミラー
７５ 固体撮像素子
７６ 駆動素子
８１ 回転対称な凸面鏡
８２ カメラ
８２ａ 結像レンズ
８２ｂ 撮像素子
８３ 透明な筒体
８４ 貫通孔
８５ レンズ
８６ 撮像面における中央領域
８７ 撮像面における周辺領域
９１ 回転対称なレンズブロック
９１ａ 凸型反射面
９２ レンズブロック
９３，９４ レンズ系
９５ 画像取り込み装置
１０１ 回転対称な凸型反射鏡
１０１ａ 開口部
１０２ 回転対称な反射鏡
１０２ａ 開口部
１０３ レンズ
１０４ 撮像手段
１０５ 透明カバー
１０６ 画像表示装置

Claims (11)

  1. 前方観察光学系と、側方全周囲観察光学系と、側方全周囲観察光学系の像側に配置された可変絞りと、結像光学系と、撮像素子を有し、
    前記可変絞りが、観察視野を、少なくとも、前方視野のみの第一の観察視野と、前記第一の観察視野よりも狭角の前方視野と側方全周囲の視野とを含む第二の観察視野とに、切り替え可能に構成されていることを特徴とする光学系。
  2. 前記側方全周囲観察光学系が、その中央部に開口を有し、
    前記前方観察光学系が、前記開口の物体側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
  3. 前記可変絞りは、前記第一の観察視野に切り替えられたときに、前記側方全周囲観察光学系の光路を遮断するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
  4. 前記可変絞りは、前記第二の観察視野に切り替えられたときに、前記側方全周囲観察光学系の光路を開放するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学系。
  5. 前記可変絞りは、前記側方全周囲観察光学系と、前記結像光学系との間に配置された２つの絞りからなり、
    前記２つの絞りは、一方の絞りを開放したときには他方の絞りを絞ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学系。
  6. 前記可変絞りは、前記側方全周囲観察光学系と、前記結像光学系との間の光軸上を移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学系。
  7. 前記結像光学系及び前記撮像素子が、前記可変絞りと一体的に移動することを特徴とする請求項６に記載の光学系。
  8. 前記可変絞りが、観察視野を、さらに、側方全周囲の視野のみの第三の観察視野にも切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学系。
  9. 前記可変絞りは、前記第三の観察視野に切り替えられたときに、前記側方全周囲観察光学系の光路を開放するとともに、前記前方観察光学系の光路を遮断するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光学系。
  10. 前記可変絞りは、液晶素子からなることを特徴とする請求項１〜５、８、９のいずれかに記載の光学系。
  11. 前記可変絞りは、前記側方全周囲観察光学系と、前記結像光学系との間に配置された２つの液晶素子からなり、
    前記２つの液晶素子は、
    前記第一の観察視野に切り替えられたときに、一方の液晶素子が前記側方全周囲観察光学系の光路を遮断するとともに、他方の液晶素子が光路を開放し、
    前記第二の観察視野に切り替えられたときに、前記一方の液晶素子が前記側方全周囲観察光学系の光路を開放するとともに、前記他方の液晶素子が光路を絞り、
    前記第三の観察視野に切り替えられたときに、前記一方の液晶素子が前記側方全周囲観察光学系の光路を開放し、且つ、前記前方観察光学系の光路を遮断するとともに、前記他方の液晶素子が光路を絞る、
    ように構成されていることを特徴とする請求項８に従属する請求項１０に記載の光学系。
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