全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システム
【課題】先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく高解像に取得可能な全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムの提供。
【解決手段】軸Ｏに対して対称な角錐面をなし、且つ、夫々が軸Ｏに対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１の近傍に配置され、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面１ａと、軸Ｏ上に配置され、軸Ｏに対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に瞳位置Ｐ１における瞳を拡大してリレーするリレー光学系２と、瞳位置Ｐ１と共役な瞳位置に配置された３つ以上の側方観察用の開口絞り３ａと、開口絞り３ａに対応して配置された３組以上の側方観察用の結像光学系３ｂと、結像光学系３ｂに対応して配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子３ｃを有する。
【解決手段】軸Ｏに対して対称な角錐面をなし、且つ、夫々が軸Ｏに対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１の近傍に配置され、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面１ａと、軸Ｏ上に配置され、軸Ｏに対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に瞳位置Ｐ１における瞳を拡大してリレーするリレー光学系２と、瞳位置Ｐ１と共役な瞳位置に配置された３つ以上の側方観察用の開口絞り３ａと、開口絞り３ａに対応して配置された３組以上の側方観察用の結像光学系３ｂと、結像光学系３ｂに対応して配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子３ｃを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、管状の内壁面等、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察する全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械・設備等に設けられた管状部材や体内の器官等を観察する装置として、工業用及び医療用の内視鏡や観察装置などが広く用いられている。しかるに、このような管状体の観察においては、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察できることが求められる。
従来、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察することができる構成としては、例えば、次の先行文献１，２に記載の内視鏡や、特許文献３に記載の管状体の内面撮影装置に用いられたものがある。
【０００３】
図８は特許文献１に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
特許文献１に記載の内視鏡は、図８に示すように、先端部にモータ５１と、ミラー５２と、撮像部５３と、円筒状の観察窓５４を有している。ミラー５２は、モータ５１の回転軸５１ａに取り付けられていて、観察窓５４を通過した側方からの光を反射して撮像部５３の方向に導くようになっている。そして、図８に示す構成を備えた特許文献１に記載の内視鏡は、モータ５１を介してミラー５２を回転させ、観察窓５４を通過しミラー５２で反射された光を、撮像部５３に設けられている図示しない撮像素子で撮像することによって、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって時分割で観察することができるようになっている。
【０００４】
図９は特許文献２に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
特許文献２に記載の内視鏡は、図９に示すように、円錐形等の回転対称形状に形成された凸面鏡６１と、凸面鏡６１と対向する位置に配置された撮像部６２と、円筒状の観察窓６３を有している。そして、特許文献２に記載の内視鏡は、観察窓６３を通過し、回転対称形状の凸面鏡６１によって反射された光を撮像部６３に設けられている図示しない撮像素子で撮像することによって、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって同時に観察することができるようになっている。また、特許文献２に記載の内視鏡は、回転対称形状の凸面鏡６１の頂点部に孔部６１ａを有し、孔部６１ａを介して前方に位置する観察対象も観察することができるようになっている。
【０００５】
図１０は特許文献３に記載の管状体の内面撮影装置における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は(a)に示される反射鏡部材を軸方向から示す図である。
特許文献３に記載の内面撮影装置は、図１０に示すように、各々が管状体内周面の管状領域と対向する位置に、管状体の中心軸を囲むように配置された、３以上のＮ個の平坦な反射面７１ａを有する反射鏡部材７１と、夫々の反射面７１ａに対向する位置に、管状体の円周方向に沿う向きに並べられた、Ｎ個のレンズ７２及び一次元イメージセンサ７３を有している。そして、特許文献３に記載の内視鏡は、側方の観察対象の円周方向の全領域からの光をＮ個の反射面７１ａでＮ個の領域に分割し、Ｎ個のレンズ７２で集光しＮ個の一次元イメージセンサ７３で撮像することによって、側方に位置する観察対象の一次元の像を全周囲にわたって同時に得ることができるようになっている。また、特許文献３に記載の内面撮影装置は、検査対象の円周方向の領域の分割数に応じて、レンズ７２を含む一次元イメージセンサ７３の有効視野が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−４０２３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２３３４９４号公報
【特許文献３】特開平０８−２６１９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の内視鏡のように、ミラー５２を回転させることによって側方に位置する観察対象を全周囲にわたって時分割で撮像する構成では、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって同時に観察することができず、全周囲にわたる画像が得られるまでに、ミラー５２の回転、撮像といった動作の繰り替えしが必要となり時間がかかってしまう。また、ミラー５２を回転させるためのモータ５１等の駆動部材を必要とする分、先端部が大型化し、コスト高となってしまう。
【０００８】
これに対し、特許文献２に記載の内視鏡のように、回転対称形状の凸面鏡６１を備えて構成すれば、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって同時に観察することができ、特許文献１に記載の内視鏡におけるモータ５１のような駆動部材が不要となる。
しかし、特許文献２に記載の内視鏡のような回転対称形状の凸面鏡６１を備えた構成では、観察視野の周辺部にいくにしたがって像が縮小し歪みが大きくなってしまう。しかも、特許文献２に記載の内視鏡のように１つの撮像部６２で側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像する構成では、特許文献１に記載の内視鏡に比べて、同じ面積の観察対象を撮像するために用いることのできる撮像素子の面積が減る分、撮像素子の解像度が悪くなってしまう。
【０００９】
また、特許文献３に記載の内面撮影装置のように、観察対象の円周方向の全領域からの光をＮ個の反射面７１ａでＮ個の領域に分割し、Ｎ個のレンズ７２で集光しＮ個の一次元撮像素子７３で撮像するようにすれば、側方に位置する観察対象の一次元の像を全周囲にわたって同時に得ることができる。また、夫々の反射面７１ａが平坦であるので、特許文献２に記載の内視鏡における回転対称形状の凸面鏡６１を備えた構成のような、観察視野の周辺部における像の歪みが生じない。
しかし、特許文献３に記載の内面撮影装置では、観察対象を全周にわたって同時に得られるのは一次元の像であり、二次元の像として観察するためには、内面撮影装置を管の長手方向に所定量移動し一次元の像を撮像し、撮像した一次元の画像を接合するといった処理を繰り返さなければならず、時間がかかってしまう。
また、特許文献３に記載の内面撮影装置では、上述のように、検査対象の円周方向の領域の分割数に応じて、レンズ７２を含む一次元イメージセンサ７３の有効視野が定められている。即ち、特許文献３に記載の内面撮影装置では、視野の起点が管状体の中心軸に一致するように、管状体の中心軸から反射面７１ａまでの距離と等距離、反射面７１ａから離れた位置に瞳を設けた構成となっている。しかし、それでは、反射面７１ａに光が入射する面積が大きくなってしまう。また、二次元の画像を同時に取得するためには、反射面７１ａを軸の長手方向に大きくするとともに、それに対応した撮像素子を用いる必要があるが、反射面７１ａから離れた位置に瞳を設けた構成では、反射面７１ａが非常に大きくなってしまい、先端部の径が大型化してしまう。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく、高解像に取得可能な全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明による全周囲観察光学系は、所定の軸に対して対称な所定の角錐面をなし、且つ、夫々が前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置の近傍に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面と、前記所定の軸上に配置されていて、前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするリレー光学系と、前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に夫々配置された３つ以上の側方観察用の開口絞りと、前記夫々の側方観察用の開口絞りに対応して夫々配置された３組以上の側方観察用の結像光学系と、前記夫々の側方観察用の結像光学系に対応して夫々配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子、を有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記３つ以上の側方観察用の開口絞りが、前記夫々の側方観察用の第２の瞳位置に夫々配置されているのが好ましい。
【００１３】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、前記所定の軸に対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜しているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設けられ、前記夫々の反射面に囲まれた前記頭頂部の平坦面に開口が設けられ、前記開口は、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置し、前記リレー光学系は、さらに、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前記前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするように構成され、さらに、前記前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に配置された前方観察用の開口絞りと、前記前方観察用の開口絞りに対応して配置された前方観察用の結像光学系と、前記前方観察用の結像光学系に対応して配置された前方観察用の撮像素子、を有するのが好ましい。
【００１５】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記前方観察用の開口絞りが、前記前方観察用の第２の瞳位置に配置されているのが好ましい。
【００１６】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなるのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する透明な角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなり、前記開口が、前記透明な角錐部材の前記頭頂部の平坦面で構成されているのが好ましい。
【００１８】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、夫々板状のミラー面で構成されているのが好ましい。
【００１９】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、さらに、前記所定の軸と同軸に配置されていて、前記側方の全周にわたる観察対象からの光を前記夫々の反射面に入射させる円筒状の透明窓を有するのが好ましい。
【００２０】
また、本発明による全周囲観察システムは、上記本発明のいずれかの全周囲観察光学系と、前記夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部と、前記パノラマ画像合成処理部で作成された前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を表示するパノラマ画像表示部を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく、高解像に取得可能な全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる全周囲観察光学系の基本構成を示す説明図である。
【図２】第一実施形態の全周囲観察光学系をより具体化した一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面の位置関係及び夫々の反射面に対応する側方の観察対象領域を軸方向から示す図、(c)は(b)に示す側方観察用の第１の瞳と側方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図、(d)は側方観察用の撮像素子で撮像した夫々の観察対象領域の画像を構成したパノラマ画像の一例を概念的に示す図である。
【図３】本発明の第二実施形態にかかる全周囲観察光学系の一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面、並びに前方観察用の第１の瞳と開口の位置関係を軸方向から示す図、(c)は側方観察用の第２の瞳と側方用の撮像ユニット、並びに前方観察用の第２の瞳と前方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図である。
【図４】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプカメラ式内面観察システムの概念図である。
【図５】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用軟性鏡システムの概念図である。
【図６】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用硬性鏡システム又はパイプ観察用観察システムの概念図である。
【図７】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたねじ穴観察用硬性鏡システム又はねじ穴観察用観察システムの概念図で、(a)はその一例を示す図、(b)は他の例を示す図である。
【図８】特許文献１に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
【図９】特許文献２に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
【図１０】特許文献３に記載の管状体の内面撮影装置における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は(a)に示される反射鏡部材を軸方向から示す図である。
【図１１】本件出願人が本発明の創出過程において検討した側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像する一構成例を軸方向から示す説明図である。
【図１２】本件出願人が本発明の創出過程において検討した側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像する他の構成例を示す説明図で、(a)は軸方向から見た図、(b)は(a)に示される１組の側視光学系及び撮像素子の配置を軸に沿って示す図である。
【図１３】視野の基点となる瞳位置を円周の中心に位置させたときの観察対象の径の大きさと、互いに隣接する観察対象領域との重なり度合いとの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明の創出過程及び本発明の作用効果について説明する。
まず、本件出願人は、側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像するための構成として、図１１、図１２に示すような構成例を着想し、これらについて検討・考察した。
図１１の構成例は、レンズ８１ａや撮像素子８１ｂを備えた撮像ユニット８１を、軸Ｏを中心として放射状に複数個配置し、側方に位置する観察対象を夫々の撮像ユニット８１に備わる撮像素子８１ｂが撮像するように構成したものである。
また、図１２の構成例は、側方からの光を反射して撮像素子９２の方向に導くミラー９１ｂを内部に備えた複数の側視光学系９１を、軸Ｏを中心として放射状に複数組配置するとともに、夫々の側視光学系９１を経由して結像される観察対象の像を撮像する撮像素子９２を、夫々の側視光学系９１に対応させて軸Ｏを中心とする円周上に複数個配置し、側方に位置する観察対象を夫々の撮像素子９２が撮像するように構成したものである。図１２中、９１ａ，９１ｃはレンズである。
【００２４】
図１１、図１２のように構成すれば、側方の全周囲にわたる観察対象の像を同時に観察することが可能となる。
【００２５】
しかし、図１１、図１２のように構成すると、視野の基点となる瞳位置Ｐが、円周の中心である軸Ｏから離れたものとなる。そして、視野の基点となる瞳位置Ｐが円周の中心から離れれば離れるほど、隣り合う夫々の撮像素子を介して撮像された画像における、互いに隣接する観察対象領域の重なり度合いが、側方に位置する観察対象の径の大きさによって大きく変化し、全周にわたる観察に悪影響を及ぼす。
【００２６】
例えば、図１１、図１２に示すように、半径がＲ１の大きさの管状体を観察するときに互いに隣接する観察対象領域が重なることなく観察できる場合、半径がＲ１よりも大きな半径Ｒ２の大きさの管状体を観察する場合には、管状体の半径が大きくなればなるほど、互いに隣接する観察対象領域の重なり度合いが増加してしまう。一方、半径がＲ１よりも小さな半径Ｒ３の管状体を観察する場合には、観察できない領域が生じてしまう。
【００２７】
また、図１１の構成では、夫々の撮像ユニット８１を放射状に配置するので、径が大きくなりすぎ、径の細い管状体の内部を観察することが難しい。
また、図１１、図１２のいずれの構成も、外径を小さくしようとすると、撮像素子の面積が小さくなるため、特許文献２に記載の内視鏡と同様、高解像な観察像が得られない。
【００２８】
側方に位置する観察対象の径の大きさに依存する、互いに隣接した観察対象領域の重なり度合いの変化をなくして、全周にわたる観察に悪影響を及ぼさないようにするためには、図１３に示すように、視野の基点となる瞳位置Ｐを円周の中心Ｏに位置させることが望ましい。しかし、瞳位置Ｐを円周の中心Ｏ近傍に設けたのでは、観察対象を結像するためのレンズや、撮像素子を配置することが難しい。
【００２９】
このような検討・考察を経て、本件出願人は、本発明の全周囲観察光学系を想到するに至った。本発明の全周囲観察光学系は、所定の軸に対して対称な所定の角錐面をなし、且つ、夫々が前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置の近傍に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面と、所定の軸上に配置されていて、所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするリレー光学系を備えるとともに、夫々の側方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置（例えば、夫々の側方観察用の第２の瞳位置）に夫々配置された３つ以上の側方観察用の開口絞りと、夫々の側方観察用の開口絞りに対応して夫々配置された３組以上の側方観察用の結像光学系と、夫々の側方観察用の結像光学系に対応して夫々配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子を有する。
【００３０】
上記構成によれば、リレー光学系は、像側から物体側へと光路を辿った場合、側方観察用の第２の瞳位置における瞳を縮小して側方観察用の第１の瞳位置にリレーする。従って、側方観察用の第１の瞳位置における瞳は側方観察用の第２の瞳位置における瞳よりも所定の軸に近づくことになる。しかるに、管状体を観察する装置においては、一般に、管状体の観察時に所定の軸を、側方の全周囲にわたる観察対象の面によって形成される円周の中心に一致させる。従って、上記構成によれば、視野の基点となる側方観察用の第１の瞳位置を側方の全周囲にわたる観察対象の面によって形成される円周の中心に極力近づけることができる。その結果、側方に位置する観察対象の径の大きさに依存する、互いに隣接した観察対象領域の重なり度合いの変化を極力少なくして、全周にわたる観察に悪影響を極力及ぼさないようにすることができるようになる。
【００３１】
また、上記構成のように、反射面を側方観察用の第１の瞳位置に備えれば、反射面を所定の軸に近づけることができるとともに、反射面に光が入射する面積を最小にすることができる。このため、反射面を小型化でき、また、反射面を内蔵する先端部の径を小さくすることができる。その結果、螺子孔等、非常に細径の観察対象も観察できるようになる。また、先端部周辺に照明手段等の配置スペースを得やすくなる。
【００３２】
また、上記構成のように、側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大して側方観察用の第２の瞳位置にリレーするリレー光学系を備えれば、反射面を内蔵する先端部の径を小さくしたまま、反射面から離れた位置に面積の大きな撮像素子を配置することが可能となり、高解像な観察像が得られる。
【００３３】
小型化した反射面を所定の軸に近づけて配置するにつれて、反射面に対応する光学系や撮像素子を配置することが、これらの光学部材の製造可能な大きさ等との関係から難しくなってくる。また仮に、反射面の大きさに合わせて小型化した光学系や撮像素子を配置することができたとしても、それでは、特許文献２に記載の内視鏡と同様、特許文献１に記載の内視鏡に比べて、同じ面積の観察対象を撮像する個々の撮像素子の面積が小さくなるため、撮像素子の解像度が悪くなってしまう。
撮像素子の解像度を上げるためには、撮像素子の面積を大きくする必要がある。しかるに、本発明の全周囲観察光学系によれば、リレー光学系が側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大して側方観察用の第２の瞳位置にリレーするので、撮像素子の面積を大きくでき、観察画像の解像度を上げることができる。
【００３４】
なお、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面が、所定の軸に対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜しているのが好ましい。
夫々の反射面の傾斜角が４５°±１５°の範囲内の所定角度であれば、側方の所定視野内におけるいずれの方向からの光も後方のリレー光学系へ向けて反射することができる。
【００３５】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設け、夫々の反射面に囲まれた前記頭頂部の平坦面に開口を設け、開口は、所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置するようにする。そして、リレー光学系は、さらに、所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするように構成する。そして、前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置（例えば、前方観察用の第２の瞳位置）に配置された前方観察用の開口絞りと、前方観察用の開口絞りに対応して対応して配置された前方観察用の結像光学系と、前方観察用の結像光学系に対応して配置された前方観察用の撮像素子を有するのが好ましい。
【００３６】
先端部を小型化するためには上記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を極力所定の軸に近づけるのが望ましいが、所定の軸に近づけすぎると、側方観察用の開口絞り、側方観察用の結像光学系、側方観察用の撮像素子を配置できる程度に、所定の軸から離れた側方観察用の第２の瞳位置にリレー光学系で瞳を拡大することが難しくなる。このため、上記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳は、所定の軸に近づけるようにしたとしても所定の軸からある程度離れた位置に設けざるを得ない。一方、管状体内部の観察に際しては、用途に応じて、側方の全周囲にわたる観察対象とともに前方の観察対象の観察が必要となる場合がある。
そこで、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設け、夫々の反射面に囲まれた頭頂部の平坦面が開口となるように構成する。そして、開口を、所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置させる。また、リレー光学系に、さらに、所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーする機能を持たせる。そして、前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置（例えば、前方観察用の第２の瞳位置）に前方観察用の開口絞りを備えるとともに、前方観察用の開口絞りに対応して前方観察用の結像光学系、前方観察用の結像光学系に対応して前方観察用の撮像素子を夫々備え、開口を介して前方の観察対象を観察できるようにする。
このようにすれば、側方の全周囲にわたる観察対象と前方の観察対象とを同時に観察することができる。
【００３７】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面を、角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けて構成するのが好ましい。
あるいは、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面を有する透明な角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けて構成し、上記開口を、透明な角錐部材の頭頂部の平坦面で構成するのが好ましい。
夫々の反射面を角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けて構成すれば、夫々の反射面同士の位置関係を高精度に維持することができる。
【００３８】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面を、夫々板状のミラー面で構成してもよい。
夫々の反射面を、夫々板状のミラー面で構成すれば、その分、先端部を軽量化できる。
【００３９】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、さらに、所定の軸と同軸に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を夫々の反射面に入射させる円筒状の透明窓を有するのが好ましい。
円筒状の透明窓を設ければ、側方の全周にわたる観察対象からの光を同時に取り込むことができるとともに、軸方向に視野を外れた領域からの不要な光をカットすることができる。また、ミラー部の汚れも排除できるので、メンテナンス時のクリーニングも簡易になる。
【００４０】
そして、本発明による全周囲観察システムは、上記本発明のいずれかの全周囲観察光学系と、夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部と、パノラマ画像合成処理部で作成された側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を表示するパノラマ画像表示部を有する。
これにより、先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく、高解像に取得可能な全周囲観察システムが実現できる。
【００４１】
第一実施形態
図１は本発明の第一実施形態にかかる全周囲観察光学系の基本構成を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図である。
【００４２】
第一実施形態の全周囲観察光学系は、図１に示すように、３面以上の反射面１ａと、リレー光学系２と、夫々の反射面１ａに対応する３組以上の側方観察用の撮像ユニット３（図においては便宜上１つのみ示してある）を有している。なお、図１中、４は円筒状の透明窓、５は筒状のハウジング、６は側方に位置する観察対象を全周にわたって照明する側方観察用の照明部である。
【００４３】
反射面１ａは、角錐プリズム１における軸Ｏに対して対称な夫々の角錐面に反射膜を設けて構成されている。また、夫々の反射面１ａは、軸Ｏに対して対称な側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１の近傍に、軸Ｏに対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜して配置されている。そして、夫々の反射面１ａは、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方（図１における右側）に反射する。
【００４４】
リレー光学系２は、中間像結像レンズ２ａと、瞳結像レンズ２ｂとで構成され、軸Ｏ上に配置されている。
中間像結像レンズ２ａは、少なくとも夫々の反射面１ａで分割して後方に反射された、側方の夫々の領域ごとの観察対象からの光を中間結像位置Ｉ１で結像させる。
瞳結像レンズ２ｂは、中間像結像レンズ２ａよりも大きな径を有し、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１よりも軸Ｏから離れた、軸Ｏに対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳を拡大して投影する。
【００４５】
夫々の側方観察用の撮像ユニット３は、側方観察用の開口絞り３ａと、側方観察用の結像光学系３ｂと、側方観察用の撮像素子３ｃを有している。
側方観察用の開口絞り３ａは、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に夫々配置されている。
側方観察用の結像光学系３ｂは、夫々の側方観察用の開口絞り３ａに対応して、軸Ｏに対して対称な所定の位置に夫々配置されている。そして、夫々の反射面１ａで後方に反射されリレー光学系２を介してリレーされた側方の夫々の領域ごとの観察対象からの光を、軸Ｏに対して夫々対称な最終結像位置Ｉ２に結像する。
側方観察用の撮像素子３ｃは、夫々の側方観察用の開口絞り３ａに対応して、軸Ｏに対して対称な最終結像位置Ｉ２に夫々配置されている。
【００４６】
円筒状の透明窓４は、先端部において軸Ｏと同軸に配置されており、側方の全周にわたる観察対象からの光を夫々の入射面に入射させる。
ハウジング５は、軸Ｏと同軸に配置された円筒状部材で構成されていて、内部に、リレー光学系２、撮像ユニット３を備えている。
照明部６は、ハウジング５の先端に環状に配置されていて、側方に位置する観察対象を全周にわたって照明する。
【００４７】
このように構成された第一実施形態の全周囲観察光学系の作用効果について、図１の構成における側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１での瞳と側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２での瞳の大きさ及び軸Ｏからの瞳の中心までの距離を比較しながら説明する。
側方の全周にわたる観察対象からの光は、夫々の反射面１ａで３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割されて反射し、リレー光学系２で夫々の中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に配置された側方観察用の開口絞り３ａ、側方観察用の結像光学系３ｂを経て夫々の最終結像位置Ｉ２に結像し、側方観察用の撮像素子３ｃを介して撮像される。
このとき、リレー光学系２は、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳を拡大倍率β（ただし、１＜β）で側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２にリレーしている。
ここで、軸Ｏから側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳の中心までの距離をｒp、軸Ｏから側方観察用の第２の瞳位置における瞳の中心までの距離をＲpとすると、
Ｒp＝ｒp×β
と表すことができる。
即ち、リレー光学系２を用いることによって、側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２においては、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における軸Ｏから瞳の中心までの距離ｒpのβ倍、瞳の中心を軸Ｏから離すことができる。また、瞳の径もβ倍大きくなる。このため、撮像素子の面積を大きくし且つ配置スペースを作ることができ、その結果、解像度を上げることができる。
【００４８】
また、リレー光学系２は、側方観察用の第１の瞳側からみた場合、側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２における瞳を縮小倍率１／βで側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１にリレーしている。
ここで、軸Ｏから側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳の中心までの距離ｒpは、
ｒp＝Ｒp×１／β
と表すことができる。
即ち、リレー光学系２を用いることによって、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１においては、軸Ｏから側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２における瞳の中心までの距離Ｒの１／βに、瞳の中心を軸Ｏに近づけることができる。このため、反射面１ａを小型化でき、先端部を細径化できるとともに、視野の起点を円周の中心に近づけることができ、その結果、側方に位置する観察対象との距離によって得られる隣接する領域の画像の重なり度合いの変化を少なくし、全周にわたる観察に及ぼす悪影響を抑えることができる。
【００４９】
次に、第一実施形態の全周囲観察光学系を用いて、側方の全周囲にわたる観察対象を同時に観察するための構成について説明する。
図２は第一実施形態の全周囲観察光学系をより具体化した一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面の位置関係及び夫々の反射面に対応する側方の観察対象領域を軸方向から示す図、(c)は(b)に示す側方観察用の第１の瞳と側方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図、(d)は側方観察用の撮像素子で撮像した夫々の観察対象領域の画像を構成したパノラマ画像の一例を概念的に示す図である。なお、図１の構成部材と実質的に同様の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。
【００５０】
図２の全周囲観察光学系は、図２(a)に示すように、６面の反射面１ａ1〜１ａ6と、リレー光学系２と、夫々の反射面１ａ1〜１ａ6に対応する６組の側方観察用の撮像ユニット３1〜３6を有している。反射面１ａ1〜１ａ6は、頭頂部に平坦面をもつ６角錐プリズムの角錐面に反射膜を設けて構成されている。なお、図２の全周囲観察光学系には、図示しないパソコンの中央処理演算装置等で構成された観察制御装置が接続されている。観察制御装置は、夫々の側方観察用の撮像素子３1〜３6が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部として機能する。
【００５１】
このように構成された図２の全周囲観察光学系では、側方の全周にわたる観察対象からの光は、夫々の反射面１ａ1〜１ａ6で６つの領域ごとの観察対象からの光に分割されて反射し、リレー光学系２で中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２1〜Ｐ２6に配置された側方観察用の開口絞り３ａ1〜３ａ6、側方観察用の結像光学系３ｂ1〜３ｂ6を経て夫々の最終結像位置Ｉ２1〜Ｉ２6に結像し、側方観察用の撮像素子３ｃ1〜３ｃ6を介して撮像される。
【００５２】
ここで、撮像素子３ｃ1は、図２(b)に示す観察対象領域Ａ１の画像を、撮像素子３ｃ2は図２(b)に示す観察対象領域Ａ２の画像を、撮像素子３ｃ3は図２(b)に示す観察対象領域Ａ３の画像を、撮像素子３ｃ4は図２(b)に示す観察対象領域Ａ４の画像を、撮像素子３ｃ5は図２(b)に示す観察対象領域Ａ５の画像を、撮像素子３ｃ6は図２(b)に示す観察対象領域Ａ６の画像を、夫々撮像している。
パノラマ画像合成処理部は、観察対象領域Ａ１の画像と観察対象領域Ａ２の画像における隣り合う端部同士を画像情報に過不足のないように画像処理を行なって接合する。観察対象領域Ａ２の画像と観察対象領域Ａ３の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ３の画像と観察対象領域Ａ４の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ４の画像と観察対象領域Ａ５の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ５の画像と観察対象領域Ａ６の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ６の画像と観察対象領域Ａ１の画像における隣り合う端部同士についても、同時に同様の画像処理を行って接合する。これにより、側方の全周にわたって連続した観察対象の画像が出来上がる。このように合成された画像を展開した状態でモニタ等の表示装置（図示省略）を介して表示させることで側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を同時に観察することができるようになる。
【００５３】
第二実施形態
図３は本発明の第二実施形態にかかる全周囲観察光学系の一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面、並びに前方観察用の第１の瞳と開口の位置関係を軸方向から示す図、(c)は側方観察用の第２の瞳と側方用の撮像ユニット、並びに前方観察用の第２の瞳と前方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図である。なお、図１の構成部材と実質的に同様の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。
【００５４】
第二実施形態の全周囲観察光学系は、図３(a)に示すように、８面の反射面１ａ1〜１ａ8と、１組のリレー光学系２と、夫々の反射面１ａ1〜１ａ8に対応する８組の側方観察用の撮像ユニット３1〜３8を有し、さらに、開口１ｂと、開口１ｂに対応する１組の前方観察用の撮像ユニット３’を有している。図３(a)中、７は前方視野を拡大する光学ユニット、８は前方に位置する観察対象を照明する前方観察用の照明部である。
反射面１ａ1〜１ａ8は、頭頂部に平坦面をもつ透明な８角錐プリズムの角錐面に反射膜を設けて構成されている。
開口１ｂは、夫々の反射面１ａ1〜１ａ8に囲まれた頭頂部の平坦面に構成されている。また、開口１ｂは、軸Ｏ上に位置する前方観察用の第１の瞳位置Ｐ１’の近傍に位置している。
また、リレー光学系２は、さらに、軸Ｏ上に位置する前方観察用の第２の瞳位置Ｐ２’に、前方観察用の第１の瞳位置Ｐ１’における瞳を拡大してリレーするように構成されている。
前方観察用の撮像ユニット３’は、前方観察用の開口絞り３ａ’と、前方観察用の結像光学系３ｂ’と、前方観察用の撮像素子３ｃ’を有している。
前方観察用の開口絞り３ａ’は、前方観察用の第２の瞳位置Ｐ２’に配置されている。
前方観察用の結像光学系３ｂ’は、前方観察用の開口絞り３ａ’に対応して、軸Ｏ上の所定の位置に配置されている。そして、開口１ｂを通過し、リレー光学系２を介してリレーされた前方の観察対象からの光を、軸Ｏ上の最終結像位置Ｉ２’に結像する。
前方観察用の撮像素子３ｃ’は、前方観察用の開口絞り３ａ’に対応して、軸Ｏ上の最終結像位置Ｉ２’に配置されている。
【００５５】
このように構成された第二実施形態の全周囲観察光学系では、側方の全周にわたる観察対象からの光は、夫々の反射面１ａ1〜１ａ8で８つの領域ごとの観察対象からの光に分割されて反射し、リレー光学系２で夫々の中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２1〜Ｐ２8に配置された側方観察用の開口絞り３ａ1〜３ａ8、側方観察用の結像光学系３ｂ1〜３ｂ8を経て夫々の最終結像位置Ｉ２1〜Ｉ２8に結像し、側方観察用の撮像素子３ｃ1〜３ｃ8を介して撮像される。
また、これと同時に、前方の観察対象からの光は、前方視野を拡大する光学系ユニット７を経て、開口１ｂを通り、リレー光学系２で中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、前方観察用の第２の瞳位置Ｐ２’に配置された前方観察用の開口絞り３ａ’、前方観察用の結像光学系３ｂ’を経て最終結像位置Ｉ２’に結像し、前方観察用の撮像素子３ｃ’を介して撮像される。
従って、第二実施形態の全周囲観察光学系によれば、側方の全周囲にわたる観察対象と同時に前方の観察対象も観察できる。
その他の作用効果は、第一実施形態の全周囲観察光学系と略同じである。
【００５６】
なお、図３の例では、前方視野を拡大する光学系ユニット７を備えた構成としたが、前方視野を拡大する光学系ユニット７を備えずに、前方の観察対象からの光を、８角錐プリズムに入射させるように構成してもよい。
また、図３の例では、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面をもつ透明な８角錐プリズムの角錐面に反射膜を設けて構成したが、６角錐等、その他の多角錐プリズムにおける角錐面に構成してもよい。
また、図１〜図３の例では、夫々の反射面を、多角錐プリズムの角錐面に構成したが、板状のミラー面で構成してもよい。
さらに、図１〜図３の例では、リレー光学系を１組備えた構成としたが、夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーする構成（図３の例では、さらに前方観察用の第２の瞳位置に、前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーする構成）であれば、複数組のリレー光学系を備えて瞳を複数回リレーするようにしてもよい。例えば、図１〜図３の例における１組のリレー光学系に加えて、さらに、そのリレー光学系における瞳結像レンズと径、焦点距離の同じ２枚のレンズで構成された１組以上のリレー光学系を追加してもよい。また、追加する複数組のリレー光学系を、レンズの径が徐々に太く、あるいはレンズの焦点距離が徐々に長くなるようにして備えてもよい。
【００５７】
次に、本発明の各実施形態の全周囲観察光学系の構成を備えた全周囲観察システムの例について図面を用いて説明する。
図４は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプカメラ式内面観察システムの概念図である。
図４のシステムは、パイプカメラ１１と、ケーブル１２と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
パイプカメラ１１は、細径の先端部１１ａと、先端部１１ａに比べて径の大きなカメラ部１１ｂを有している。
先端部１１ａの内部には、第一実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面（図示省略）が設けられている。また先端部１１ａには円筒状の透明窓が設けられている。
カメラ部１１ｂの内部には、第一実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
ケーブル１２は、パイプカメラ１１と観察制御装置１３とを接続している。
観察制御装置１３は、パソコンの中央処理演算装置等で構成され、ケーブル１２を介してパイプカメラ１１の移動、撮像、照明等について所定の制御を行うとともに、パノラマ画像合成処理部として機能し、パイプカメラ１１における夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、側方の全周にわたるパイプ１５内の内壁面のパノラマ画像を作成する。
モニタ１４は、パノラマ画像合成処理部で作成されたパイプ１５内の側方の全周にわたる内壁面のパノラマ画像を表示する。
なお、図４中、１５はパイプ、１６はパイプカメラ１１の軸をパイプ１５の軸に一致するように調整可能なセンタリング装置、１７はパイプカメラ１１をパイプ１５内で移動可能にするため車輪である。
【００５８】
そして、図４のパイプカメラ式内面観察システムでは、パイプカメラ１１をパイプ１５の内部に挿入し、センタリング装置１６を介してパイプ１５の軸にパイプカメラ１１の軸をパイプ１５の軸に一致するように調整する。次いで、車輪１７を介してパイプカメラ１１を所望の観察位置へとパイプ１５の軸方向に沿って移動させ、パイプ１５内の側方の全周にわたる内壁面の画像を、先端部１１ａ内に設けられた側方観察用の反射面（図示省略）を介して分割された夫々の領域ごとに、パイプカメラ部１１ｂ内に設けられた側方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像する。撮像した側方の夫々の領域の内壁面の画像は、観察制御装置１３を介してパノラマ画像に合成され、合成されたパノラマ画像は、モニタ１４に表示される。
【００５９】
図５は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用軟性鏡システムの概念図である。なお、図４のシステムに用いられている構成部材と実質的に同様の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。
図５のシステムは、挿入部１８と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
挿入部１８は、細径の先端部１８ａと、先端部１８ａに比べて径の大きなカメラ部１８ｂと、軟性鏡部１８ｃを有している。
先端部１８ａの内部には、第二実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面及び開口が設けられている。また先端部１８ａには円筒状の透明窓が設けられている。
カメラ部１８ｂの内部には、第二実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）、前方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
軟性鏡部１８ｃの内部には、照明光を送る光ファイバ（図示省略）、又はＬＥＤと電線ケーブル（図示省略）と、カメラ部１８ｂと観察制御装置とを接続するケーブル（図示省略）が備えられている。
【００６０】
そして、図５のパイプ観察用軟性鏡システムでは、挿入部１８を図示しない管状体の内部に挿入し、管状体内の側方の全周にわたる内壁面の画像を、先端部１８ａ内に設けられた反射面（図示省略）を介して分割された夫々の領域ごとに、カメラ部１８ｂ内に設けられた側方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像するとともに、管状体内の前方の画像を、カメラ部１８ｂ内に設けられた前方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像する。撮像した夫々の領域の内壁面の画像は、観察制御装置１３を介してパノラマ画像に合成され、合成されたパノラマ画像は、モニタ１４に表示される。また、撮像した前方領域の画像は、観察制御装置１３を介して所定の画像処理が施され、モニタ１４に表示される。
【００６１】
図６は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用硬性鏡システム又はパイプ観察用観察システムの概念図である。なお、図４のシステムに用いられている構成部材と実質的に同様の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。
図６のシステムは、挿入部１９と、把持部２０と、ケーブル１２と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
挿入部１９は、細径の先端部１９ａと、先端部１９ａに比べて径の大きな硬性鏡部１９ｂを有している。
先端部１９ａの内部には、第二実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面及び開口が設けられている。また先端部１９ａには円筒状の透明窓が設けられている。
硬性鏡部１９ｂの内部には、第二実施形態と同様に構成された１組のリレー光学系（図示省略）に加えて、さらに、上記リレー光学系における瞳結像レンズと径、焦点距離の同じレンズで構成された１組以上のリレー光学系が設けられており、中間結像された像や側方観察用の第２の瞳位置における瞳をリレーすることで、撮像ユニットを先端部１９ａからより遠くに離して配置することができるようにしている。
把持部２０の内部には、第二実施形態と同様に構成された側方観察用の撮像ユニット（図示省略）、前方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
図６のパイプ観察用硬性鏡システム又はパイプ観察用観察システムの作用効果は、図５のパイプ観察用軟性鏡システムと略同じである。
【００６２】
図７は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたねじ穴観察用硬性鏡システム又はねじ穴観察用観察システムの概念図で、(a)はその一例を示す図、(b)は他の例を示す図である。なお、図４のシステムに用いられている構成部材と実質的に同様の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。
図７(a)のシステムは、挿入部２１と、カメラ部２２と、ケーブル１２と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
挿入部２１は、ねじ穴に挿入可能な細径の先端部２１ａのみで構成されている。先端部２１ａの内部には、第一実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面（図示省略）が設けられている。また先端部２１ａには円筒状の透明窓が設けられている。
カメラ部２２の内部には、第一実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
図７(b)のシステムは、モニタ（表示装置）１４がカメラ部２２と一体化しており、カメラ部２２の内部には、第一実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）に加えて、第一実施形態におけるパノラマ画像合成処理部として機能する中央処理演算装置（図示省略）が設けられている。その他の構成は、図７(a)のシステムと略同じである。なお、図７(b)中、２３はプレート、２３ａはプレートに設けられたねじ穴である。
【００６３】
そして、図７のねじ穴観察用硬性鏡システム又はねじ穴観察用観察システムでは、先端部２１を、例えば図７(b)に示すプレート２３のねじ穴２３ａに挿入し、ねじ穴２３ａの全周にわたる側面の画像を、先端部２１内に設けられた反射面（図示省略）を介して分割された夫々の領域ごとに、カメラ部２２内に設けられた側方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像する。撮像した夫々の領域のねじ穴２３ａの側面の画像は、パノラマ画像合成処理部として機能する中央処理演算装置（図示省略）を介してパノラマ画像に合成され、合成されたパノラマ画像は、モニタ１４に表示される。
【００６４】
なお、図７(a)，(b)の観察用硬性鏡システム及び観察用観察システムは、上記説明では、ねじ穴観察用としたが、それ以外にも、小径で長さの短い孔や溝を観察する用途に用いることができ、例えば、貫通孔の内面を観察するような用途に用いてもよい。
【００６５】
また、上述した各実施形態では、側方観察用の開口絞りを、側方観察用の第２の瞳位置に夫々配置したが、側方観察用の開口絞りの配置はこれらに限られるものではない。側方観察用の開口絞りは、側方観察用の第１の瞳位置に共役な瞳位置であればどこに配置してもよく、例えば、側方観察用の第１の瞳位置を構成する角錐プリズムの角錐面に直接、側方観察用の開口絞りに相当する形状に遮光膜の蒸着を施し、あるいは、複数組のリレーレンズで伝送される光路上における、側方観察用の第１の瞳位置と側方観察用の第２の瞳位置との間の中間位置に形成される瞳位置に配置してもよい。同様に、図３の例における前方観察用の開口絞りは、前方観察用の第１の瞳位置に共役な瞳位置であればどこに配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の全周囲観察光学系及びそれを用いた全周囲観察システムは、これらの用途に限定されるものではなく、管状体の内側面を全周にわたって同時に観察することが求められる分野に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 多角錐プリズム
１ａ 角錐面形状の反射面
１ｂ 開口
２ リレー光学系
２ａ 中間像結像レンズ
２ｂ 瞳結像レンズ
３ 側方観察用の撮像ユニット
３ａ、３ａ1、３ａ2、３ａ3、３ａ4、３ａ5、３ａ6、３ａ7、３ａ8 側方観察用の絞り
３ｂ、３ｂ1、３ｂ2、３ｂ3、３ｂ4、３ｂ5、３ｂ6、３ｂ7、３ｂ8 側方観察用の結像レンズ
３ｃ、３ｃ1、３ｃ2、３ｃ3、３ｃ4、３ｃ5、３ｃ6、３ｃ7、３ｃ8 側方観察用の撮像素子
３’ 前方観察用の撮像ユニット
３ａ’ 前方観察用の絞り
３ｂ’ 前方観察用の結像レンズ
３ｃ’ 前方観察用の撮像素子
４ 円筒状の透明窓
５ ハウジング
６ 側方観察用の照明部
７ 前方視野を拡大する光学ユニット
８ 前方観察用の照明部
１１ パイプカメラ
１１ａ 先端部
１１ｂ カメラ部
１２ ケーブル
１３ 観察制御装置
１４ モニタ（表示装置）
１５ パイプ
１６ センタリング装置
１７ 車輪
１８ 挿入部
１８ａ 先端部
１８ｂ カメラ部
１８ｃ 軟性鏡部
１９ 挿入部
２０ 把持部
２１ 挿入部
２１ａ 先端部
２２ カメラ部
２３ プレート
２３ａ ねじ穴
Ｏ 軸
Ｐ１、Ｐ１1、Ｐ１2、Ｐ１3、Ｐ１4、Ｐ１5、Ｐ１6、Ｐ１7、Ｐ１8 側方観察用の第１の瞳位置
Ｐ２、Ｐ２1、Ｐ２2、Ｐ２3、Ｐ２4、Ｐ２5、Ｐ２6、Ｐ２7、Ｐ２8 側方観察用の第２の瞳位置
Ｐ１’ 前方観察用の第１の瞳位置
Ｐ２’ 前方観察用の第２の瞳位置
Ｉ１ 中間結像位置
Ｉ２、Ｉ２1、Ｉ２2、Ｉ２3、Ｉ２4、Ｉ２5、Ｉ２6、Ｉ２7、Ｉ２8、Ｉ２’ 最終結像位置
５１ モータ
５１ａ 回転軸
５２ ミラー
５３ 撮像部
５４ 観察窓
６１ 回転対称形状の凸面鏡
６１ａ 孔部
６２ 撮像部
６３ 観察窓
７１ 反射鏡部材
７１ａ 反射面
７２ レンズ
７３ 一次元イメージセンサ
８１ 撮像ユニット８１
８１ａ レンズ
８１ｂ 撮像素子
９１ 側視光学系
９１ａ、９１ｃ レンズ
９１ｂ ミラー
９２ 撮像素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、管状の内壁面等、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察する全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械・設備等に設けられた管状部材や体内の器官等を観察する装置として、工業用及び医療用の内視鏡や観察装置などが広く用いられている。しかるに、このような管状体の観察においては、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察できることが求められる。
従来、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察することができる構成としては、例えば、次の先行文献１，２に記載の内視鏡や、特許文献３に記載の管状体の内面撮影装置に用いられたものがある。
【０００３】
図８は特許文献１に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
特許文献１に記載の内視鏡は、図８に示すように、先端部にモータ５１と、ミラー５２と、撮像部５３と、円筒状の観察窓５４を有している。ミラー５２は、モータ５１の回転軸５１ａに取り付けられていて、観察窓５４を通過した側方からの光を反射して撮像部５３の方向に導くようになっている。そして、図８に示す構成を備えた特許文献１に記載の内視鏡は、モータ５１を介してミラー５２を回転させ、観察窓５４を通過しミラー５２で反射された光を、撮像部５３に設けられている図示しない撮像素子で撮像することによって、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって時分割で観察することができるようになっている。
【０００４】
図９は特許文献２に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
特許文献２に記載の内視鏡は、図９に示すように、円錐形等の回転対称形状に形成された凸面鏡６１と、凸面鏡６１と対向する位置に配置された撮像部６２と、円筒状の観察窓６３を有している。そして、特許文献２に記載の内視鏡は、観察窓６３を通過し、回転対称形状の凸面鏡６１によって反射された光を撮像部６３に設けられている図示しない撮像素子で撮像することによって、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって同時に観察することができるようになっている。また、特許文献２に記載の内視鏡は、回転対称形状の凸面鏡６１の頂点部に孔部６１ａを有し、孔部６１ａを介して前方に位置する観察対象も観察することができるようになっている。
【０００５】
図１０は特許文献３に記載の管状体の内面撮影装置における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は(a)に示される反射鏡部材を軸方向から示す図である。
特許文献３に記載の内面撮影装置は、図１０に示すように、各々が管状体内周面の管状領域と対向する位置に、管状体の中心軸を囲むように配置された、３以上のＮ個の平坦な反射面７１ａを有する反射鏡部材７１と、夫々の反射面７１ａに対向する位置に、管状体の円周方向に沿う向きに並べられた、Ｎ個のレンズ７２及び一次元イメージセンサ７３を有している。そして、特許文献３に記載の内視鏡は、側方の観察対象の円周方向の全領域からの光をＮ個の反射面７１ａでＮ個の領域に分割し、Ｎ個のレンズ７２で集光しＮ個の一次元イメージセンサ７３で撮像することによって、側方に位置する観察対象の一次元の像を全周囲にわたって同時に得ることができるようになっている。また、特許文献３に記載の内面撮影装置は、検査対象の円周方向の領域の分割数に応じて、レンズ７２を含む一次元イメージセンサ７３の有効視野が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−４０２３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２３３４９４号公報
【特許文献３】特開平０８−２６１９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の内視鏡のように、ミラー５２を回転させることによって側方に位置する観察対象を全周囲にわたって時分割で撮像する構成では、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって同時に観察することができず、全周囲にわたる画像が得られるまでに、ミラー５２の回転、撮像といった動作の繰り替えしが必要となり時間がかかってしまう。また、ミラー５２を回転させるためのモータ５１等の駆動部材を必要とする分、先端部が大型化し、コスト高となってしまう。
【０００８】
これに対し、特許文献２に記載の内視鏡のように、回転対称形状の凸面鏡６１を備えて構成すれば、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって同時に観察することができ、特許文献１に記載の内視鏡におけるモータ５１のような駆動部材が不要となる。
しかし、特許文献２に記載の内視鏡のような回転対称形状の凸面鏡６１を備えた構成では、観察視野の周辺部にいくにしたがって像が縮小し歪みが大きくなってしまう。しかも、特許文献２に記載の内視鏡のように１つの撮像部６２で側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像する構成では、特許文献１に記載の内視鏡に比べて、同じ面積の観察対象を撮像するために用いることのできる撮像素子の面積が減る分、撮像素子の解像度が悪くなってしまう。
【０００９】
また、特許文献３に記載の内面撮影装置のように、観察対象の円周方向の全領域からの光をＮ個の反射面７１ａでＮ個の領域に分割し、Ｎ個のレンズ７２で集光しＮ個の一次元撮像素子７３で撮像するようにすれば、側方に位置する観察対象の一次元の像を全周囲にわたって同時に得ることができる。また、夫々の反射面７１ａが平坦であるので、特許文献２に記載の内視鏡における回転対称形状の凸面鏡６１を備えた構成のような、観察視野の周辺部における像の歪みが生じない。
しかし、特許文献３に記載の内面撮影装置では、観察対象を全周にわたって同時に得られるのは一次元の像であり、二次元の像として観察するためには、内面撮影装置を管の長手方向に所定量移動し一次元の像を撮像し、撮像した一次元の画像を接合するといった処理を繰り返さなければならず、時間がかかってしまう。
また、特許文献３に記載の内面撮影装置では、上述のように、検査対象の円周方向の領域の分割数に応じて、レンズ７２を含む一次元イメージセンサ７３の有効視野が定められている。即ち、特許文献３に記載の内面撮影装置では、視野の起点が管状体の中心軸に一致するように、管状体の中心軸から反射面７１ａまでの距離と等距離、反射面７１ａから離れた位置に瞳を設けた構成となっている。しかし、それでは、反射面７１ａに光が入射する面積が大きくなってしまう。また、二次元の画像を同時に取得するためには、反射面７１ａを軸の長手方向に大きくするとともに、それに対応した撮像素子を用いる必要があるが、反射面７１ａから離れた位置に瞳を設けた構成では、反射面７１ａが非常に大きくなってしまい、先端部の径が大型化してしまう。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく、高解像に取得可能な全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明による全周囲観察光学系は、所定の軸に対して対称な所定の角錐面をなし、且つ、夫々が前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置の近傍に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面と、前記所定の軸上に配置されていて、前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするリレー光学系と、前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に夫々配置された３つ以上の側方観察用の開口絞りと、前記夫々の側方観察用の開口絞りに対応して夫々配置された３組以上の側方観察用の結像光学系と、前記夫々の側方観察用の結像光学系に対応して夫々配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子、を有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記３つ以上の側方観察用の開口絞りが、前記夫々の側方観察用の第２の瞳位置に夫々配置されているのが好ましい。
【００１３】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、前記所定の軸に対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜しているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設けられ、前記夫々の反射面に囲まれた前記頭頂部の平坦面に開口が設けられ、前記開口は、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置し、前記リレー光学系は、さらに、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前記前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするように構成され、さらに、前記前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に配置された前方観察用の開口絞りと、前記前方観察用の開口絞りに対応して配置された前方観察用の結像光学系と、前記前方観察用の結像光学系に対応して配置された前方観察用の撮像素子、を有するのが好ましい。
【００１５】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記前方観察用の開口絞りが、前記前方観察用の第２の瞳位置に配置されているのが好ましい。
【００１６】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなるのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する透明な角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなり、前記開口が、前記透明な角錐部材の前記頭頂部の平坦面で構成されているのが好ましい。
【００１８】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、前記夫々の反射面が、夫々板状のミラー面で構成されているのが好ましい。
【００１９】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、さらに、前記所定の軸と同軸に配置されていて、前記側方の全周にわたる観察対象からの光を前記夫々の反射面に入射させる円筒状の透明窓を有するのが好ましい。
【００２０】
また、本発明による全周囲観察システムは、上記本発明のいずれかの全周囲観察光学系と、前記夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部と、前記パノラマ画像合成処理部で作成された前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を表示するパノラマ画像表示部を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく、高解像に取得可能な全周囲観察光学系及びそれを備えた全周囲観察システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる全周囲観察光学系の基本構成を示す説明図である。
【図２】第一実施形態の全周囲観察光学系をより具体化した一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面の位置関係及び夫々の反射面に対応する側方の観察対象領域を軸方向から示す図、(c)は(b)に示す側方観察用の第１の瞳と側方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図、(d)は側方観察用の撮像素子で撮像した夫々の観察対象領域の画像を構成したパノラマ画像の一例を概念的に示す図である。
【図３】本発明の第二実施形態にかかる全周囲観察光学系の一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面、並びに前方観察用の第１の瞳と開口の位置関係を軸方向から示す図、(c)は側方観察用の第２の瞳と側方用の撮像ユニット、並びに前方観察用の第２の瞳と前方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図である。
【図４】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプカメラ式内面観察システムの概念図である。
【図５】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用軟性鏡システムの概念図である。
【図６】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用硬性鏡システム又はパイプ観察用観察システムの概念図である。
【図７】本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたねじ穴観察用硬性鏡システム又はねじ穴観察用観察システムの概念図で、(a)はその一例を示す図、(b)は他の例を示す図である。
【図８】特許文献１に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
【図９】特許文献２に記載の内視鏡における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図である。
【図１０】特許文献３に記載の管状体の内面撮影装置における、側方に位置する観察対象を全周囲にわたって観察するための要部の構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は(a)に示される反射鏡部材を軸方向から示す図である。
【図１１】本件出願人が本発明の創出過程において検討した側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像する一構成例を軸方向から示す説明図である。
【図１２】本件出願人が本発明の創出過程において検討した側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像する他の構成例を示す説明図で、(a)は軸方向から見た図、(b)は(a)に示される１組の側視光学系及び撮像素子の配置を軸に沿って示す図である。
【図１３】視野の基点となる瞳位置を円周の中心に位置させたときの観察対象の径の大きさと、互いに隣接する観察対象領域との重なり度合いとの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明の創出過程及び本発明の作用効果について説明する。
まず、本件出願人は、側方に位置する観察対象の全周囲にわたる像を同時に撮像するための構成として、図１１、図１２に示すような構成例を着想し、これらについて検討・考察した。
図１１の構成例は、レンズ８１ａや撮像素子８１ｂを備えた撮像ユニット８１を、軸Ｏを中心として放射状に複数個配置し、側方に位置する観察対象を夫々の撮像ユニット８１に備わる撮像素子８１ｂが撮像するように構成したものである。
また、図１２の構成例は、側方からの光を反射して撮像素子９２の方向に導くミラー９１ｂを内部に備えた複数の側視光学系９１を、軸Ｏを中心として放射状に複数組配置するとともに、夫々の側視光学系９１を経由して結像される観察対象の像を撮像する撮像素子９２を、夫々の側視光学系９１に対応させて軸Ｏを中心とする円周上に複数個配置し、側方に位置する観察対象を夫々の撮像素子９２が撮像するように構成したものである。図１２中、９１ａ，９１ｃはレンズである。
【００２４】
図１１、図１２のように構成すれば、側方の全周囲にわたる観察対象の像を同時に観察することが可能となる。
【００２５】
しかし、図１１、図１２のように構成すると、視野の基点となる瞳位置Ｐが、円周の中心である軸Ｏから離れたものとなる。そして、視野の基点となる瞳位置Ｐが円周の中心から離れれば離れるほど、隣り合う夫々の撮像素子を介して撮像された画像における、互いに隣接する観察対象領域の重なり度合いが、側方に位置する観察対象の径の大きさによって大きく変化し、全周にわたる観察に悪影響を及ぼす。
【００２６】
例えば、図１１、図１２に示すように、半径がＲ１の大きさの管状体を観察するときに互いに隣接する観察対象領域が重なることなく観察できる場合、半径がＲ１よりも大きな半径Ｒ２の大きさの管状体を観察する場合には、管状体の半径が大きくなればなるほど、互いに隣接する観察対象領域の重なり度合いが増加してしまう。一方、半径がＲ１よりも小さな半径Ｒ３の管状体を観察する場合には、観察できない領域が生じてしまう。
【００２７】
また、図１１の構成では、夫々の撮像ユニット８１を放射状に配置するので、径が大きくなりすぎ、径の細い管状体の内部を観察することが難しい。
また、図１１、図１２のいずれの構成も、外径を小さくしようとすると、撮像素子の面積が小さくなるため、特許文献２に記載の内視鏡と同様、高解像な観察像が得られない。
【００２８】
側方に位置する観察対象の径の大きさに依存する、互いに隣接した観察対象領域の重なり度合いの変化をなくして、全周にわたる観察に悪影響を及ぼさないようにするためには、図１３に示すように、視野の基点となる瞳位置Ｐを円周の中心Ｏに位置させることが望ましい。しかし、瞳位置Ｐを円周の中心Ｏ近傍に設けたのでは、観察対象を結像するためのレンズや、撮像素子を配置することが難しい。
【００２９】
このような検討・考察を経て、本件出願人は、本発明の全周囲観察光学系を想到するに至った。本発明の全周囲観察光学系は、所定の軸に対して対称な所定の角錐面をなし、且つ、夫々が前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置の近傍に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面と、所定の軸上に配置されていて、所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするリレー光学系を備えるとともに、夫々の側方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置（例えば、夫々の側方観察用の第２の瞳位置）に夫々配置された３つ以上の側方観察用の開口絞りと、夫々の側方観察用の開口絞りに対応して夫々配置された３組以上の側方観察用の結像光学系と、夫々の側方観察用の結像光学系に対応して夫々配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子を有する。
【００３０】
上記構成によれば、リレー光学系は、像側から物体側へと光路を辿った場合、側方観察用の第２の瞳位置における瞳を縮小して側方観察用の第１の瞳位置にリレーする。従って、側方観察用の第１の瞳位置における瞳は側方観察用の第２の瞳位置における瞳よりも所定の軸に近づくことになる。しかるに、管状体を観察する装置においては、一般に、管状体の観察時に所定の軸を、側方の全周囲にわたる観察対象の面によって形成される円周の中心に一致させる。従って、上記構成によれば、視野の基点となる側方観察用の第１の瞳位置を側方の全周囲にわたる観察対象の面によって形成される円周の中心に極力近づけることができる。その結果、側方に位置する観察対象の径の大きさに依存する、互いに隣接した観察対象領域の重なり度合いの変化を極力少なくして、全周にわたる観察に悪影響を極力及ぼさないようにすることができるようになる。
【００３１】
また、上記構成のように、反射面を側方観察用の第１の瞳位置に備えれば、反射面を所定の軸に近づけることができるとともに、反射面に光が入射する面積を最小にすることができる。このため、反射面を小型化でき、また、反射面を内蔵する先端部の径を小さくすることができる。その結果、螺子孔等、非常に細径の観察対象も観察できるようになる。また、先端部周辺に照明手段等の配置スペースを得やすくなる。
【００３２】
また、上記構成のように、側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大して側方観察用の第２の瞳位置にリレーするリレー光学系を備えれば、反射面を内蔵する先端部の径を小さくしたまま、反射面から離れた位置に面積の大きな撮像素子を配置することが可能となり、高解像な観察像が得られる。
【００３３】
小型化した反射面を所定の軸に近づけて配置するにつれて、反射面に対応する光学系や撮像素子を配置することが、これらの光学部材の製造可能な大きさ等との関係から難しくなってくる。また仮に、反射面の大きさに合わせて小型化した光学系や撮像素子を配置することができたとしても、それでは、特許文献２に記載の内視鏡と同様、特許文献１に記載の内視鏡に比べて、同じ面積の観察対象を撮像する個々の撮像素子の面積が小さくなるため、撮像素子の解像度が悪くなってしまう。
撮像素子の解像度を上げるためには、撮像素子の面積を大きくする必要がある。しかるに、本発明の全周囲観察光学系によれば、リレー光学系が側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大して側方観察用の第２の瞳位置にリレーするので、撮像素子の面積を大きくでき、観察画像の解像度を上げることができる。
【００３４】
なお、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面が、所定の軸に対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜しているのが好ましい。
夫々の反射面の傾斜角が４５°±１５°の範囲内の所定角度であれば、側方の所定視野内におけるいずれの方向からの光も後方のリレー光学系へ向けて反射することができる。
【００３５】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設け、夫々の反射面に囲まれた前記頭頂部の平坦面に開口を設け、開口は、所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置するようにする。そして、リレー光学系は、さらに、所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするように構成する。そして、前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置（例えば、前方観察用の第２の瞳位置）に配置された前方観察用の開口絞りと、前方観察用の開口絞りに対応して対応して配置された前方観察用の結像光学系と、前方観察用の結像光学系に対応して配置された前方観察用の撮像素子を有するのが好ましい。
【００３６】
先端部を小型化するためには上記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を極力所定の軸に近づけるのが望ましいが、所定の軸に近づけすぎると、側方観察用の開口絞り、側方観察用の結像光学系、側方観察用の撮像素子を配置できる程度に、所定の軸から離れた側方観察用の第２の瞳位置にリレー光学系で瞳を拡大することが難しくなる。このため、上記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳は、所定の軸に近づけるようにしたとしても所定の軸からある程度離れた位置に設けざるを得ない。一方、管状体内部の観察に際しては、用途に応じて、側方の全周囲にわたる観察対象とともに前方の観察対象の観察が必要となる場合がある。
そこで、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設け、夫々の反射面に囲まれた頭頂部の平坦面が開口となるように構成する。そして、開口を、所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置させる。また、リレー光学系に、さらに、所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーする機能を持たせる。そして、前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置（例えば、前方観察用の第２の瞳位置）に前方観察用の開口絞りを備えるとともに、前方観察用の開口絞りに対応して前方観察用の結像光学系、前方観察用の結像光学系に対応して前方観察用の撮像素子を夫々備え、開口を介して前方の観察対象を観察できるようにする。
このようにすれば、側方の全周囲にわたる観察対象と前方の観察対象とを同時に観察することができる。
【００３７】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面を、角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けて構成するのが好ましい。
あるいは、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面を有する透明な角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けて構成し、上記開口を、透明な角錐部材の頭頂部の平坦面で構成するのが好ましい。
夫々の反射面を角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けて構成すれば、夫々の反射面同士の位置関係を高精度に維持することができる。
【００３８】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、夫々の反射面を、夫々板状のミラー面で構成してもよい。
夫々の反射面を、夫々板状のミラー面で構成すれば、その分、先端部を軽量化できる。
【００３９】
また、本発明の全周囲観察光学系においては、さらに、所定の軸と同軸に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を夫々の反射面に入射させる円筒状の透明窓を有するのが好ましい。
円筒状の透明窓を設ければ、側方の全周にわたる観察対象からの光を同時に取り込むことができるとともに、軸方向に視野を外れた領域からの不要な光をカットすることができる。また、ミラー部の汚れも排除できるので、メンテナンス時のクリーニングも簡易になる。
【００４０】
そして、本発明による全周囲観察システムは、上記本発明のいずれかの全周囲観察光学系と、夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部と、パノラマ画像合成処理部で作成された側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を表示するパノラマ画像表示部を有する。
これにより、先端部の径を大型化させずに、側方の全周囲にわたる観察対象の画像を、同時に、歪ませることなく、高解像に取得可能な全周囲観察システムが実現できる。
【００４１】
第一実施形態
図１は本発明の第一実施形態にかかる全周囲観察光学系の基本構成を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図である。
【００４２】
第一実施形態の全周囲観察光学系は、図１に示すように、３面以上の反射面１ａと、リレー光学系２と、夫々の反射面１ａに対応する３組以上の側方観察用の撮像ユニット３（図においては便宜上１つのみ示してある）を有している。なお、図１中、４は円筒状の透明窓、５は筒状のハウジング、６は側方に位置する観察対象を全周にわたって照明する側方観察用の照明部である。
【００４３】
反射面１ａは、角錐プリズム１における軸Ｏに対して対称な夫々の角錐面に反射膜を設けて構成されている。また、夫々の反射面１ａは、軸Ｏに対して対称な側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１の近傍に、軸Ｏに対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜して配置されている。そして、夫々の反射面１ａは、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方（図１における右側）に反射する。
【００４４】
リレー光学系２は、中間像結像レンズ２ａと、瞳結像レンズ２ｂとで構成され、軸Ｏ上に配置されている。
中間像結像レンズ２ａは、少なくとも夫々の反射面１ａで分割して後方に反射された、側方の夫々の領域ごとの観察対象からの光を中間結像位置Ｉ１で結像させる。
瞳結像レンズ２ｂは、中間像結像レンズ２ａよりも大きな径を有し、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１よりも軸Ｏから離れた、軸Ｏに対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳を拡大して投影する。
【００４５】
夫々の側方観察用の撮像ユニット３は、側方観察用の開口絞り３ａと、側方観察用の結像光学系３ｂと、側方観察用の撮像素子３ｃを有している。
側方観察用の開口絞り３ａは、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に夫々配置されている。
側方観察用の結像光学系３ｂは、夫々の側方観察用の開口絞り３ａに対応して、軸Ｏに対して対称な所定の位置に夫々配置されている。そして、夫々の反射面１ａで後方に反射されリレー光学系２を介してリレーされた側方の夫々の領域ごとの観察対象からの光を、軸Ｏに対して夫々対称な最終結像位置Ｉ２に結像する。
側方観察用の撮像素子３ｃは、夫々の側方観察用の開口絞り３ａに対応して、軸Ｏに対して対称な最終結像位置Ｉ２に夫々配置されている。
【００４６】
円筒状の透明窓４は、先端部において軸Ｏと同軸に配置されており、側方の全周にわたる観察対象からの光を夫々の入射面に入射させる。
ハウジング５は、軸Ｏと同軸に配置された円筒状部材で構成されていて、内部に、リレー光学系２、撮像ユニット３を備えている。
照明部６は、ハウジング５の先端に環状に配置されていて、側方に位置する観察対象を全周にわたって照明する。
【００４７】
このように構成された第一実施形態の全周囲観察光学系の作用効果について、図１の構成における側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１での瞳と側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２での瞳の大きさ及び軸Ｏからの瞳の中心までの距離を比較しながら説明する。
側方の全周にわたる観察対象からの光は、夫々の反射面１ａで３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割されて反射し、リレー光学系２で夫々の中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２に配置された側方観察用の開口絞り３ａ、側方観察用の結像光学系３ｂを経て夫々の最終結像位置Ｉ２に結像し、側方観察用の撮像素子３ｃを介して撮像される。
このとき、リレー光学系２は、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳を拡大倍率β（ただし、１＜β）で側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２にリレーしている。
ここで、軸Ｏから側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳の中心までの距離をｒp、軸Ｏから側方観察用の第２の瞳位置における瞳の中心までの距離をＲpとすると、
Ｒp＝ｒp×β
と表すことができる。
即ち、リレー光学系２を用いることによって、側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２においては、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における軸Ｏから瞳の中心までの距離ｒpのβ倍、瞳の中心を軸Ｏから離すことができる。また、瞳の径もβ倍大きくなる。このため、撮像素子の面積を大きくし且つ配置スペースを作ることができ、その結果、解像度を上げることができる。
【００４８】
また、リレー光学系２は、側方観察用の第１の瞳側からみた場合、側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２における瞳を縮小倍率１／βで側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１にリレーしている。
ここで、軸Ｏから側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１における瞳の中心までの距離ｒpは、
ｒp＝Ｒp×１／β
と表すことができる。
即ち、リレー光学系２を用いることによって、側方観察用の第１の瞳位置Ｐ１においては、軸Ｏから側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２における瞳の中心までの距離Ｒの１／βに、瞳の中心を軸Ｏに近づけることができる。このため、反射面１ａを小型化でき、先端部を細径化できるとともに、視野の起点を円周の中心に近づけることができ、その結果、側方に位置する観察対象との距離によって得られる隣接する領域の画像の重なり度合いの変化を少なくし、全周にわたる観察に及ぼす悪影響を抑えることができる。
【００４９】
次に、第一実施形態の全周囲観察光学系を用いて、側方の全周囲にわたる観察対象を同時に観察するための構成について説明する。
図２は第一実施形態の全周囲観察光学系をより具体化した一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面の位置関係及び夫々の反射面に対応する側方の観察対象領域を軸方向から示す図、(c)は(b)に示す側方観察用の第１の瞳と側方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図、(d)は側方観察用の撮像素子で撮像した夫々の観察対象領域の画像を構成したパノラマ画像の一例を概念的に示す図である。なお、図１の構成部材と実質的に同様の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。
【００５０】
図２の全周囲観察光学系は、図２(a)に示すように、６面の反射面１ａ1〜１ａ6と、リレー光学系２と、夫々の反射面１ａ1〜１ａ6に対応する６組の側方観察用の撮像ユニット３1〜３6を有している。反射面１ａ1〜１ａ6は、頭頂部に平坦面をもつ６角錐プリズムの角錐面に反射膜を設けて構成されている。なお、図２の全周囲観察光学系には、図示しないパソコンの中央処理演算装置等で構成された観察制御装置が接続されている。観察制御装置は、夫々の側方観察用の撮像素子３1〜３6が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部として機能する。
【００５１】
このように構成された図２の全周囲観察光学系では、側方の全周にわたる観察対象からの光は、夫々の反射面１ａ1〜１ａ6で６つの領域ごとの観察対象からの光に分割されて反射し、リレー光学系２で中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２1〜Ｐ２6に配置された側方観察用の開口絞り３ａ1〜３ａ6、側方観察用の結像光学系３ｂ1〜３ｂ6を経て夫々の最終結像位置Ｉ２1〜Ｉ２6に結像し、側方観察用の撮像素子３ｃ1〜３ｃ6を介して撮像される。
【００５２】
ここで、撮像素子３ｃ1は、図２(b)に示す観察対象領域Ａ１の画像を、撮像素子３ｃ2は図２(b)に示す観察対象領域Ａ２の画像を、撮像素子３ｃ3は図２(b)に示す観察対象領域Ａ３の画像を、撮像素子３ｃ4は図２(b)に示す観察対象領域Ａ４の画像を、撮像素子３ｃ5は図２(b)に示す観察対象領域Ａ５の画像を、撮像素子３ｃ6は図２(b)に示す観察対象領域Ａ６の画像を、夫々撮像している。
パノラマ画像合成処理部は、観察対象領域Ａ１の画像と観察対象領域Ａ２の画像における隣り合う端部同士を画像情報に過不足のないように画像処理を行なって接合する。観察対象領域Ａ２の画像と観察対象領域Ａ３の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ３の画像と観察対象領域Ａ４の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ４の画像と観察対象領域Ａ５の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ５の画像と観察対象領域Ａ６の画像における隣り合う端部同士、観察対象領域Ａ６の画像と観察対象領域Ａ１の画像における隣り合う端部同士についても、同時に同様の画像処理を行って接合する。これにより、側方の全周にわたって連続した観察対象の画像が出来上がる。このように合成された画像を展開した状態でモニタ等の表示装置（図示省略）を介して表示させることで側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を同時に観察することができるようになる。
【００５３】
第二実施形態
図３は本発明の第二実施形態にかかる全周囲観察光学系の一構成例を示す説明図で、(a)は軸に沿う断面図、(b)は側方観察用の第１の瞳と反射面、並びに前方観察用の第１の瞳と開口の位置関係を軸方向から示す図、(c)は側方観察用の第２の瞳と側方用の撮像ユニット、並びに前方観察用の第２の瞳と前方用の撮像ユニットの位置関係を軸方向から示す図である。なお、図１の構成部材と実質的に同様の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。
【００５４】
第二実施形態の全周囲観察光学系は、図３(a)に示すように、８面の反射面１ａ1〜１ａ8と、１組のリレー光学系２と、夫々の反射面１ａ1〜１ａ8に対応する８組の側方観察用の撮像ユニット３1〜３8を有し、さらに、開口１ｂと、開口１ｂに対応する１組の前方観察用の撮像ユニット３’を有している。図３(a)中、７は前方視野を拡大する光学ユニット、８は前方に位置する観察対象を照明する前方観察用の照明部である。
反射面１ａ1〜１ａ8は、頭頂部に平坦面をもつ透明な８角錐プリズムの角錐面に反射膜を設けて構成されている。
開口１ｂは、夫々の反射面１ａ1〜１ａ8に囲まれた頭頂部の平坦面に構成されている。また、開口１ｂは、軸Ｏ上に位置する前方観察用の第１の瞳位置Ｐ１’の近傍に位置している。
また、リレー光学系２は、さらに、軸Ｏ上に位置する前方観察用の第２の瞳位置Ｐ２’に、前方観察用の第１の瞳位置Ｐ１’における瞳を拡大してリレーするように構成されている。
前方観察用の撮像ユニット３’は、前方観察用の開口絞り３ａ’と、前方観察用の結像光学系３ｂ’と、前方観察用の撮像素子３ｃ’を有している。
前方観察用の開口絞り３ａ’は、前方観察用の第２の瞳位置Ｐ２’に配置されている。
前方観察用の結像光学系３ｂ’は、前方観察用の開口絞り３ａ’に対応して、軸Ｏ上の所定の位置に配置されている。そして、開口１ｂを通過し、リレー光学系２を介してリレーされた前方の観察対象からの光を、軸Ｏ上の最終結像位置Ｉ２’に結像する。
前方観察用の撮像素子３ｃ’は、前方観察用の開口絞り３ａ’に対応して、軸Ｏ上の最終結像位置Ｉ２’に配置されている。
【００５５】
このように構成された第二実施形態の全周囲観察光学系では、側方の全周にわたる観察対象からの光は、夫々の反射面１ａ1〜１ａ8で８つの領域ごとの観察対象からの光に分割されて反射し、リレー光学系２で夫々の中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、夫々の側方観察用の第２の瞳位置Ｐ２1〜Ｐ２8に配置された側方観察用の開口絞り３ａ1〜３ａ8、側方観察用の結像光学系３ｂ1〜３ｂ8を経て夫々の最終結像位置Ｉ２1〜Ｉ２8に結像し、側方観察用の撮像素子３ｃ1〜３ｃ8を介して撮像される。
また、これと同時に、前方の観察対象からの光は、前方視野を拡大する光学系ユニット７を経て、開口１ｂを通り、リレー光学系２で中間結像位置Ｉ１に中間結像された後、前方観察用の第２の瞳位置Ｐ２’に配置された前方観察用の開口絞り３ａ’、前方観察用の結像光学系３ｂ’を経て最終結像位置Ｉ２’に結像し、前方観察用の撮像素子３ｃ’を介して撮像される。
従って、第二実施形態の全周囲観察光学系によれば、側方の全周囲にわたる観察対象と同時に前方の観察対象も観察できる。
その他の作用効果は、第一実施形態の全周囲観察光学系と略同じである。
【００５６】
なお、図３の例では、前方視野を拡大する光学系ユニット７を備えた構成としたが、前方視野を拡大する光学系ユニット７を備えずに、前方の観察対象からの光を、８角錐プリズムに入射させるように構成してもよい。
また、図３の例では、夫々の反射面を、頭頂部に平坦面をもつ透明な８角錐プリズムの角錐面に反射膜を設けて構成したが、６角錐等、その他の多角錐プリズムにおける角錐面に構成してもよい。
また、図１〜図３の例では、夫々の反射面を、多角錐プリズムの角錐面に構成したが、板状のミラー面で構成してもよい。
さらに、図１〜図３の例では、リレー光学系を１組備えた構成としたが、夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーする構成（図３の例では、さらに前方観察用の第２の瞳位置に、前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーする構成）であれば、複数組のリレー光学系を備えて瞳を複数回リレーするようにしてもよい。例えば、図１〜図３の例における１組のリレー光学系に加えて、さらに、そのリレー光学系における瞳結像レンズと径、焦点距離の同じ２枚のレンズで構成された１組以上のリレー光学系を追加してもよい。また、追加する複数組のリレー光学系を、レンズの径が徐々に太く、あるいはレンズの焦点距離が徐々に長くなるようにして備えてもよい。
【００５７】
次に、本発明の各実施形態の全周囲観察光学系の構成を備えた全周囲観察システムの例について図面を用いて説明する。
図４は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプカメラ式内面観察システムの概念図である。
図４のシステムは、パイプカメラ１１と、ケーブル１２と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
パイプカメラ１１は、細径の先端部１１ａと、先端部１１ａに比べて径の大きなカメラ部１１ｂを有している。
先端部１１ａの内部には、第一実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面（図示省略）が設けられている。また先端部１１ａには円筒状の透明窓が設けられている。
カメラ部１１ｂの内部には、第一実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
ケーブル１２は、パイプカメラ１１と観察制御装置１３とを接続している。
観察制御装置１３は、パソコンの中央処理演算装置等で構成され、ケーブル１２を介してパイプカメラ１１の移動、撮像、照明等について所定の制御を行うとともに、パノラマ画像合成処理部として機能し、パイプカメラ１１における夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、側方の全周にわたるパイプ１５内の内壁面のパノラマ画像を作成する。
モニタ１４は、パノラマ画像合成処理部で作成されたパイプ１５内の側方の全周にわたる内壁面のパノラマ画像を表示する。
なお、図４中、１５はパイプ、１６はパイプカメラ１１の軸をパイプ１５の軸に一致するように調整可能なセンタリング装置、１７はパイプカメラ１１をパイプ１５内で移動可能にするため車輪である。
【００５８】
そして、図４のパイプカメラ式内面観察システムでは、パイプカメラ１１をパイプ１５の内部に挿入し、センタリング装置１６を介してパイプ１５の軸にパイプカメラ１１の軸をパイプ１５の軸に一致するように調整する。次いで、車輪１７を介してパイプカメラ１１を所望の観察位置へとパイプ１５の軸方向に沿って移動させ、パイプ１５内の側方の全周にわたる内壁面の画像を、先端部１１ａ内に設けられた側方観察用の反射面（図示省略）を介して分割された夫々の領域ごとに、パイプカメラ部１１ｂ内に設けられた側方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像する。撮像した側方の夫々の領域の内壁面の画像は、観察制御装置１３を介してパノラマ画像に合成され、合成されたパノラマ画像は、モニタ１４に表示される。
【００５９】
図５は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用軟性鏡システムの概念図である。なお、図４のシステムに用いられている構成部材と実質的に同様の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。
図５のシステムは、挿入部１８と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
挿入部１８は、細径の先端部１８ａと、先端部１８ａに比べて径の大きなカメラ部１８ｂと、軟性鏡部１８ｃを有している。
先端部１８ａの内部には、第二実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面及び開口が設けられている。また先端部１８ａには円筒状の透明窓が設けられている。
カメラ部１８ｂの内部には、第二実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）、前方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
軟性鏡部１８ｃの内部には、照明光を送る光ファイバ（図示省略）、又はＬＥＤと電線ケーブル（図示省略）と、カメラ部１８ｂと観察制御装置とを接続するケーブル（図示省略）が備えられている。
【００６０】
そして、図５のパイプ観察用軟性鏡システムでは、挿入部１８を図示しない管状体の内部に挿入し、管状体内の側方の全周にわたる内壁面の画像を、先端部１８ａ内に設けられた反射面（図示省略）を介して分割された夫々の領域ごとに、カメラ部１８ｂ内に設けられた側方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像するとともに、管状体内の前方の画像を、カメラ部１８ｂ内に設けられた前方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像する。撮像した夫々の領域の内壁面の画像は、観察制御装置１３を介してパノラマ画像に合成され、合成されたパノラマ画像は、モニタ１４に表示される。また、撮像した前方領域の画像は、観察制御装置１３を介して所定の画像処理が施され、モニタ１４に表示される。
【００６１】
図６は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたパイプ観察用硬性鏡システム又はパイプ観察用観察システムの概念図である。なお、図４のシステムに用いられている構成部材と実質的に同様の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。
図６のシステムは、挿入部１９と、把持部２０と、ケーブル１２と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
挿入部１９は、細径の先端部１９ａと、先端部１９ａに比べて径の大きな硬性鏡部１９ｂを有している。
先端部１９ａの内部には、第二実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面及び開口が設けられている。また先端部１９ａには円筒状の透明窓が設けられている。
硬性鏡部１９ｂの内部には、第二実施形態と同様に構成された１組のリレー光学系（図示省略）に加えて、さらに、上記リレー光学系における瞳結像レンズと径、焦点距離の同じレンズで構成された１組以上のリレー光学系が設けられており、中間結像された像や側方観察用の第２の瞳位置における瞳をリレーすることで、撮像ユニットを先端部１９ａからより遠くに離して配置することができるようにしている。
把持部２０の内部には、第二実施形態と同様に構成された側方観察用の撮像ユニット（図示省略）、前方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
図６のパイプ観察用硬性鏡システム又はパイプ観察用観察システムの作用効果は、図５のパイプ観察用軟性鏡システムと略同じである。
【００６２】
図７は本発明の全周囲観察光学系の構成を備えたねじ穴観察用硬性鏡システム又はねじ穴観察用観察システムの概念図で、(a)はその一例を示す図、(b)は他の例を示す図である。なお、図４のシステムに用いられている構成部材と実質的に同様の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。
図７(a)のシステムは、挿入部２１と、カメラ部２２と、ケーブル１２と、観察制御装置１３と、モニタ（表示装置）１４を有している。
挿入部２１は、ねじ穴に挿入可能な細径の先端部２１ａのみで構成されている。先端部２１ａの内部には、第一実施形態と同様に構成された側方観察用の反射面（図示省略）が設けられている。また先端部２１ａには円筒状の透明窓が設けられている。
カメラ部２２の内部には、第一実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）が設けられている。
図７(b)のシステムは、モニタ（表示装置）１４がカメラ部２２と一体化しており、カメラ部２２の内部には、第一実施形態と同様に構成されたリレー光学系（図示省略）、側方観察用の撮像ユニット（図示省略）に加えて、第一実施形態におけるパノラマ画像合成処理部として機能する中央処理演算装置（図示省略）が設けられている。その他の構成は、図７(a)のシステムと略同じである。なお、図７(b)中、２３はプレート、２３ａはプレートに設けられたねじ穴である。
【００６３】
そして、図７のねじ穴観察用硬性鏡システム又はねじ穴観察用観察システムでは、先端部２１を、例えば図７(b)に示すプレート２３のねじ穴２３ａに挿入し、ねじ穴２３ａの全周にわたる側面の画像を、先端部２１内に設けられた反射面（図示省略）を介して分割された夫々の領域ごとに、カメラ部２２内に設けられた側方観察用の撮像素子（図示省略）で撮像する。撮像した夫々の領域のねじ穴２３ａの側面の画像は、パノラマ画像合成処理部として機能する中央処理演算装置（図示省略）を介してパノラマ画像に合成され、合成されたパノラマ画像は、モニタ１４に表示される。
【００６４】
なお、図７(a)，(b)の観察用硬性鏡システム及び観察用観察システムは、上記説明では、ねじ穴観察用としたが、それ以外にも、小径で長さの短い孔や溝を観察する用途に用いることができ、例えば、貫通孔の内面を観察するような用途に用いてもよい。
【００６５】
また、上述した各実施形態では、側方観察用の開口絞りを、側方観察用の第２の瞳位置に夫々配置したが、側方観察用の開口絞りの配置はこれらに限られるものではない。側方観察用の開口絞りは、側方観察用の第１の瞳位置に共役な瞳位置であればどこに配置してもよく、例えば、側方観察用の第１の瞳位置を構成する角錐プリズムの角錐面に直接、側方観察用の開口絞りに相当する形状に遮光膜の蒸着を施し、あるいは、複数組のリレーレンズで伝送される光路上における、側方観察用の第１の瞳位置と側方観察用の第２の瞳位置との間の中間位置に形成される瞳位置に配置してもよい。同様に、図３の例における前方観察用の開口絞りは、前方観察用の第１の瞳位置に共役な瞳位置であればどこに配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の全周囲観察光学系及びそれを用いた全周囲観察システムは、これらの用途に限定されるものではなく、管状体の内側面を全周にわたって同時に観察することが求められる分野に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 多角錐プリズム
１ａ 角錐面形状の反射面
１ｂ 開口
２ リレー光学系
２ａ 中間像結像レンズ
２ｂ 瞳結像レンズ
３ 側方観察用の撮像ユニット
３ａ、３ａ1、３ａ2、３ａ3、３ａ4、３ａ5、３ａ6、３ａ7、３ａ8 側方観察用の絞り
３ｂ、３ｂ1、３ｂ2、３ｂ3、３ｂ4、３ｂ5、３ｂ6、３ｂ7、３ｂ8 側方観察用の結像レンズ
３ｃ、３ｃ1、３ｃ2、３ｃ3、３ｃ4、３ｃ5、３ｃ6、３ｃ7、３ｃ8 側方観察用の撮像素子
３’ 前方観察用の撮像ユニット
３ａ’ 前方観察用の絞り
３ｂ’ 前方観察用の結像レンズ
３ｃ’ 前方観察用の撮像素子
４ 円筒状の透明窓
５ ハウジング
６ 側方観察用の照明部
７ 前方視野を拡大する光学ユニット
８ 前方観察用の照明部
１１ パイプカメラ
１１ａ 先端部
１１ｂ カメラ部
１２ ケーブル
１３ 観察制御装置
１４ モニタ（表示装置）
１５ パイプ
１６ センタリング装置
１７ 車輪
１８ 挿入部
１８ａ 先端部
１８ｂ カメラ部
１８ｃ 軟性鏡部
１９ 挿入部
２０ 把持部
２１ 挿入部
２１ａ 先端部
２２ カメラ部
２３ プレート
２３ａ ねじ穴
Ｏ 軸
Ｐ１、Ｐ１1、Ｐ１2、Ｐ１3、Ｐ１4、Ｐ１5、Ｐ１6、Ｐ１7、Ｐ１8 側方観察用の第１の瞳位置
Ｐ２、Ｐ２1、Ｐ２2、Ｐ２3、Ｐ２4、Ｐ２5、Ｐ２6、Ｐ２7、Ｐ２8 側方観察用の第２の瞳位置
Ｐ１’ 前方観察用の第１の瞳位置
Ｐ２’ 前方観察用の第２の瞳位置
Ｉ１ 中間結像位置
Ｉ２、Ｉ２1、Ｉ２2、Ｉ２3、Ｉ２4、Ｉ２5、Ｉ２6、Ｉ２7、Ｉ２8、Ｉ２’ 最終結像位置
５１ モータ
５１ａ 回転軸
５２ ミラー
５３ 撮像部
５４ 観察窓
６１ 回転対称形状の凸面鏡
６１ａ 孔部
６２ 撮像部
６３ 観察窓
７１ 反射鏡部材
７１ａ 反射面
７２ レンズ
７３ 一次元イメージセンサ
８１ 撮像ユニット８１
８１ａ レンズ
８１ｂ 撮像素子
９１ 側視光学系
９１ａ、９１ｃ レンズ
９１ｂ ミラー
９２ 撮像素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の軸に対して対称な所定の角錐面をなし、且つ、夫々が前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置の近傍に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面と、
前記所定の軸上に配置されていて、前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするリレー光学系と、
前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に夫々配置された３つ以上の側方観察用の開口絞りと、
前記夫々の側方観察用の開口絞りに対応して夫々配置された３組以上の側方観察用の結像光学系と、
前記夫々の側方観察用の結像光学系に対応して夫々配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子、
を有することを特徴とする全周囲観察光学系。
【請求項２】
前記３つ以上の側方観察用の開口絞りが、前記夫々の側方観察用の第２の瞳位置に夫々配置されていることを特徴とする請求項１に記載の全周囲観察光学系。
【請求項３】
前記夫々の反射面が、前記所定の軸に対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の全周囲観察光学系。
【請求項４】
前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設けられ、
前記夫々の反射面に囲まれた前記頭頂部の平坦面に開口が設けられ、
前記開口は、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置し、
前記リレー光学系は、さらに、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前記前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするように構成され、さらに、
前記前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に配置された前方観察用の開口絞りと、
前記前方観察用の開口絞りに対応して配置された前方観察用の結像光学系と、
前記前方観察用の結像光学系に対応して配置された前方観察用の撮像素子、
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項５】
前記前方観察用の開口絞りが、前記前方観察用の第２の瞳位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の全周囲観察光学系。
【請求項６】
前記夫々の反射面が、角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項７】
前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する透明な角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなり、
前記開口が、前記透明な角錐部材の前記頭頂部の平坦面で構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の全周囲観察光学系。
【請求項８】
前記夫々の反射面が、夫々板状のミラー面で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項９】
さらに、前記所定の軸と同軸に配置されていて、前記側方の全周にわたる観察対象からの光を前記夫々の反射面に入射させる円筒状の透明窓を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の全周囲観察光学系と、
前記夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部と、
前記パノラマ画像合成処理部で作成された前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を表示するパノラマ画像表示部を有することを特徴とする全周囲観察システム。
【請求項１】
所定の軸に対して対称な所定の角錐面をなし、且つ、夫々が前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第１の瞳位置の近傍に配置されていて、側方の全周にわたる観察対象からの光を側方の３つ以上の領域ごとの観察対象からの光に分割して後方に反射する３面以上の反射面と、
前記所定の軸上に配置されていて、前記所定の軸に対して夫々対称な側方観察用の第２の瞳位置に、前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするリレー光学系と、
前記夫々の側方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に夫々配置された３つ以上の側方観察用の開口絞りと、
前記夫々の側方観察用の開口絞りに対応して夫々配置された３組以上の側方観察用の結像光学系と、
前記夫々の側方観察用の結像光学系に対応して夫々配置された３つ以上の側方観察用の撮像素子、
を有することを特徴とする全周囲観察光学系。
【請求項２】
前記３つ以上の側方観察用の開口絞りが、前記夫々の側方観察用の第２の瞳位置に夫々配置されていることを特徴とする請求項１に記載の全周囲観察光学系。
【請求項３】
前記夫々の反射面が、前記所定の軸に対して４５°±１５°の範囲内の所定角度で傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の全周囲観察光学系。
【請求項４】
前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する角錐における角錐面に設けられ、
前記夫々の反射面に囲まれた前記頭頂部の平坦面に開口が設けられ、
前記開口は、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第１の瞳位置の近傍に位置し、
前記リレー光学系は、さらに、前記所定の軸上に位置する前方観察用の第２の瞳位置に、前記前方観察用の第１の瞳位置における瞳を拡大してリレーするように構成され、さらに、
前記前方観察用の第１の瞳位置と共役な瞳位置に配置された前方観察用の開口絞りと、
前記前方観察用の開口絞りに対応して配置された前方観察用の結像光学系と、
前記前方観察用の結像光学系に対応して配置された前方観察用の撮像素子、
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項５】
前記前方観察用の開口絞りが、前記前方観察用の第２の瞳位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の全周囲観察光学系。
【請求項６】
前記夫々の反射面が、角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項７】
前記夫々の反射面が、頭頂部に平坦面を有する透明な角錐部材における夫々の角錐面に反射膜を設けてなり、
前記開口が、前記透明な角錐部材の前記頭頂部の平坦面で構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の全周囲観察光学系。
【請求項８】
前記夫々の反射面が、夫々板状のミラー面で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項９】
さらに、前記所定の軸と同軸に配置されていて、前記側方の全周にわたる観察対象からの光を前記夫々の反射面に入射させる円筒状の透明窓を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の全周囲観察光学系。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の全周囲観察光学系と、
前記夫々の側方観察用の撮像素子が撮像した隣り合う領域の観察対象の画像同士を接合して、前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を作成するパノラマ画像合成処理部と、
前記パノラマ画像合成処理部で作成された前記側方の全周にわたる観察対象のパノラマ画像を表示するパノラマ画像表示部を有することを特徴とする全周囲観察システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１６３６１９（Ｐ２０１２−１６３６１９Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８６３（Ｐ２０１１−２１８６３）
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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