(57)【要約】      （修正有）【課題】既存の光学系に付加可能で、直視、側視の２光路を形成し、前方と周囲全方位を同時撮像できる光学素子を提供する。【解決手段】光学素子は、中心軸２の周りで回転対称な透明媒体Ｌａからなり、透明媒体Ｌａは、第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸２側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面５と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置された第２透過面１４とを有し、透明媒体Ｌａの中心軸２を含む位置に貫通孔Ｌｂが形成され、透明媒体Ｌａに入射する光は、側視光路Ａと直視光路Ｂとを通過し、順光線追跡の順に、側視光路Ａは、第１透過面１１を経て透明媒体Ｌａ内に入り、第１反射面１２で像面５と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌａから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、直視光路Ｂは、貫通孔Ｌｂを貫通する光路を構成する。【選択図】図１
2016053631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、
前記透明媒体は、第１透過面と、前記第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、
前記透明媒体の中心軸を含む位置に貫通孔が形成され、
前記透明媒体に入射する光は、側視光路と直視光路とを通過し、
順光線追跡の順に、
前記側視光路は、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で前記像面と反対側に反射され、前記第２反射面で前記像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から前記像面側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、
前記直視光路は、前記貫通孔を貫通する光路を構成する
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、
前記透明媒体は、第１透過面と、前記第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、
前記透明媒体の中心軸を含む位置に前記中心軸に直交する平行平面が形成され、
前記透明媒体に入射する光は、側視光路と直視光路とを通過し、
順光線追跡の順に、
前記側視光路は、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で前記像面と反対側に反射され、前記第２反射面で前記像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から前記像面側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、
前記直視光路は、前記平行平面を貫通する光路を構成する
ことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成される
請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記像面側に凹面を向けて配置される
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項５】
前記第１反射面は、全反射作用を有する
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１反射面と前記第２透過面は、同一位置に配置された同一形状の面である
請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項７】
前記透明媒体の有する面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されている
請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項８】
前記透明媒体は一つの材料から一体に形成される
請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光学素子を含む前群と、
前記前群より前記像面側に配置された後群と、
前記前群と前記後群の間に配置された開口と、
を備え、
前記側視光路を通過する光束は、前記中心軸の周囲の物体の像を前記中心軸と直交する平面内に円環状に形成し、
前記直視光路を通過する光束は、前記中心軸上の物体の像を前記中心軸と直交する平面内の前記中心軸を含む位置に形成する
ことを特徴とする光学系。
【請求項１０】
前記側視光路Ａの像高の幅をＨａ、前記直視光路Ｂの像高の幅をＨｂとする時、以下の条件式（１）を満足する
請求項９に記載の光学系。
１  ＜  Ｈａ／Ｈｂ  ＜５                            （１）
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の光学系を用いた内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子、光学系及びそれを用いた内視鏡に関し、特に、前方と中心軸の周囲の映像を撮像素子に結像する機能又は表示素子に表示された映像を前方と中心軸の周囲に投影する機能を有する光学素子、光学系及びそれを用いた内視鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前方を視認することが可能な直視光路及び周囲全方位を視認することが可能な側視光路の２つの光路を有し、前方と周囲全方位とを同時に撮像できる光学系として特許文献１〜６がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許５０２５３５４号公報
【特許文献２】特許５０３０６７５号公報
【特許文献３】特許５０３０６７６号公報
【特許文献４】特開２００８−３０９８６０号公報
【特許文献５】特許５０７４１１４号公報
【特許文献６】特開２００６−５８４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献に記載された光学系は、直視光路と側視光路を含む専用の光学系として設計しなければならず、アダプターとして既存の光学系に後付けすることはできなかった。
【０００５】
本発明は、従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、既存の光学系に付加させることができ、簡単な構成で直視光路及び側視光路の２つの光路を形成し、前方と中心軸の周囲全方位との画像を同時に撮像素子上に撮像することが可能な機能又は表示素子に表示された映像を前方と中心軸の周囲全方位に投影する機能を有する光学素子、光学系及びそれを用いた内視鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態にかかる光学素子は、
中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、
前記透明媒体は、第１透過面と、前記第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、
前記透明媒体の中心軸を含む位置に貫通孔が形成され、
前記透明媒体に入射する光は、側視光路と直視光路とを通過し、
順光線追跡の順に、
前記側視光路は、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で前記像面と反対側に反射され、前記第２反射面で前記像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から前記像面側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、
前記直視光路は、前記貫通孔を貫通する光路を構成する
ことを特徴とする。
【０００７】
本発明の一実施形態にかかる光学素子は、
中心軸の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体からなり、
前記透明媒体は、第１透過面と、前記第１透過面より中心軸側に配置された第１反射面と、前記第１反射面より像面と反対側に配置された第２反射面と、前記第２反射面より像面側に配置された第２透過面と、を有し、
前記透明媒体の中心軸を含む位置に前記中心軸に直交する平行平面が形成され、
前記透明媒体に入射する光は、側視光路と直視光路とを通過し、
順光線追跡の順に、
前記側視光路は、前記第１透過面を経て前記透明媒体内に入り、前記第１反射面で前記像面と反対側に反射され、前記第２反射面で前記像面側に反射され、前記第２透過面を経て前記透明媒体から前記像面側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、
前記直視光路は、前記平行平面を貫通する光路を構成する
ことを特徴とする。
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる光学素子では、
前記光路は、前記中心軸に対して片側のみで構成される。
【０００９】
本発明の一実施形態にかかる光学素子では、
前記第１反射面及び前記第２反射面は、前記像面側に凹面を向けて配置される。
【００１０】
本発明の一実施形態にかかる光学素子では、
前記第１反射面は、全反射作用を有する。
【００１１】
本発明の一実施形態にかかる光学素子では、
前記第１反射面と前記第２透過面は、同一位置に配置された同一形状の面である。
【００１２】
本発明の一実施形態にかかる光学素子では、
前記透明媒体の有する面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されている。
【００１３】
本発明の一実施形態にかかる光学素子では、
前記透明媒体は一つの材料から一体に形成される。
【００１４】
本発明の一実施形態にかかる光学系は、
前記光学素子を含む前群と、
前記前群より前記像面側に配置された後群と、
前記前群と前記後群の間に配置された開口と、
を備え、
前記側視光路を通過する光束は、前記中心軸の周囲の物体の像を前記中心軸と直交する平面内に円環状に形成し、
前記直視光路を通過する光束は、前記中心軸上の物体の像を前記中心軸と直交する平面内の前記中心軸を含む位置に形成する
ことを特徴とする。
【００１５】
本発明の一実施形態にかかる光学系は、
前記側視光路Ａの像高の幅をＨａ、前記直視光路Ｂの像高の幅をＨｂとする時、以下の条件式（１）を満足する。
１  ＜  Ｈａ／Ｈｂ  ＜５                            （１）
【００１６】
さらに、本発明にかかる一実施形態は、前記光学系を用いた内視鏡であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上の本発明にかかる一実施形態の光学素子、光学系及びそれを用いた内視鏡においては、既存の光学系に付加させることができ、簡単な構成で直視光路及び側視光路の２つの光路を形成し、前方と中心軸の周囲全方位との画像を同時に撮像素子上に撮像することが可能な機能又は表示素子に表示された映像を前方と中心軸の周囲全方位に投影する機能を有することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明にかかる第１実施形態の光学系を説明するための図である。
【図２】本発明にかかる第２実施形態の光学系を説明するための図である。
【図３】拡張回転自由曲面の原理を示す図である。
【図４】側視光路Ａの像高の幅Ｈａと直視光路Ｂの像高の幅Ｈｂを示す。
【図５】実施例１の光学系１の光学素子Ｌａを透過するまでの側視光路Ａの座標系を示す。
【図６】実施例１の光学系１の光学素子Ｌａを透過した後の側視光路Ａの座標系を示す。
【図７】実施例１の光学系１の直視光路Ｂの座標系を示す。
【図８】実施例２の光学系１の光学素子Ｌａを透過するまでの側視光路Ａの座標系を示す。
【図９】実施例２の光学系１の光学素子Ｌａを透過した後の側視光路Ａの座標系を示す。
【図１０】実施例２の光学系１の直視光路Ｂの座標系を示す。
【図１１】既存の直視光学系ＬＬの中心軸を含む断面図を示す。
【図１２】図１１に示した既存の直視光学系に図１に示したアタッチメント光学素子を取り付けた光学系の断面図を示す。
【図１３】本実施形態のアタッチメント光学素子Ｌａを硬性内視鏡先端に用いた例を示す図である。
【図１４】本実施形態のアタッチメント光学素子Ｌａを内視鏡先端に用いる構造の例を示す図である。
【図１５】本実施形態のアタッチメント光学素子Ｌａを軟性内視鏡先端に用いた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施例に基づいて本発明の光学素子及びそれを備えた光学系について説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかる第１実施形態の光学系を説明するための図である。
【００２１】
第１実施形態にかかる光学素子Ｌａは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌａからなり、透明媒体Ｌａは、第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸２側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面５と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体Ｌａの中心軸２を含む位置に貫通孔Ｌｂが形成され、透明媒体Ｌａに入射する光は、側視光路Ａと直視光路Ｂとを通過し、順光線追跡の順に、側視光路Ａは、第１透過面１１を経て透明媒体Ｌａ内に入り、第１反射面１２で像面５と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌａから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、直視光路Ｂは、貫通孔Ｌｂを貫通する光路を構成することが好ましい。
【００２２】
第１実施形態にかかる光学素子Ｌａは、既存の光学系に付加させることができ、直視光路Ｂのフォーカス位置を変化させずに、簡単な構成で直視光路Ｂ及び側視光路Ａの２つの光路を形成し、前方と中心軸２の周囲全方位との画像を同時に撮像素子上に撮像する機能又は表示素子に表示された映像を前方と中心軸の周囲全方位に投影する機能を有することが可能となる。
【００２３】
また、第１透過面１１をまず側視光路Ａの物体側に配置し、反射光路中を屈折率１より大きい媒質で構成することにより、傾斜した反射面で発生する偏心収差を小さくすることが可能となる。
【００２４】
図２は、本発明にかかる第２実施形態の光学系を説明するための図である。
【００２５】
第２実施形態にかかる光学素子Ｌａは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌａからなり、透明媒体Ｌａは、第１透過面１１と、第１透過面１１より中心軸側に配置された第１反射面１２と、第１反射面１２より像面５と反対側に配置された第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置された第２透過面１４と、を有し、透明媒体Ｌａの中心軸２を含む位置に中心軸２に直交する平行平面２１，２２が形成され、透明媒体Ｌａに入射する光は、側視光路Ａと直視光路Ｂとを通過し、順光線追跡の順に、側視光路Ａは、第１透過面１１を経て透明媒体Ｌａ内に入り、第１反射面１２で像面５と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌａから像面５側に外へ出る略Ｚ字状の光路を構成し、直視光路Ｂは、平行平面２１，２２を貫通する光路を構成することが好ましい。
【００２６】
第２実施形態にかかる光学素子Ｌａは、既存の光学系に付加させることができ、直視光路Ｂのフォーカス位置を変化させずに、簡単な構成で直視光路Ｂ及び側視光路Ａの２つの光路を形成し、前方と中心軸２の周囲全方位との画像を同時に撮像素子上に撮像する機能又は表示素子に表示された映像を前方と中心軸の周囲全方位に投影する機能を有することが可能となる。
【００２７】
また、第１透過面１１をまず側視光路Ａの物体側に配置し、反射光路中を屈折率１より大きい媒質で構成することにより、傾斜した反射面で発生する偏心収差を小さくすることが可能となる。
【００２８】
さらに、直視光路Ｂが平行平面２１，２２を貫通する光路を構成するので、成形加工時に樹脂の回りが良く量産性を向上させることが可能となる。
【００２９】
なお、直視光路Ａのパワーを有さない平行平面２１，２２は厚みを有するので、近距離の有限物点の場合に、空気換算長によってフォーカス位置に少量のずれが発生する場合がある。これを防ぐためには、直視光路Ａは、有限距離の物点位置に対して像面の移動がないように、弱い正のパワーを有してもよい。すなわち、平行平面２１，２２の厚みとパワーを対応させることが好ましい。特に、物体側のＮＡが大きい顕微鏡対物レンズ等の場合には重要である。
【００３０】
本実施形態にかかる光学素子Ｌａでは、側視光路Ａは、中心軸２に対して片側のみで構成されることが好ましい。
【００３１】
側視光路Ａを中心軸２の片側のみで構成することにより、光学素子Ｌａ内の側視光路Ａが中心軸２を跨ぐことがなくなり、光学素子Ｌａを薄くすることが可能となる。
【００３２】
本実施形態にかかる光学素子Ｌａでは、第１反射面１２及び第２反射面１３は、像面５側に凹面を向けて配置されることが好ましい。
【００３３】
反射面のパワー配置が負−正の配置となり、光学素子自身の反射面のパワー配置が所謂レトロフォーカス型となり、広画角を取りやすくなると同時にコマ収差の発生を少なくすることが可能となる。
【００３４】
本実施形態にかかる光学素子Ｌａでは、第１反射面１２は、全反射作用を有することが好ましい。
【００３５】
第１反射面１２が全反射作用を有することで、第２透過面１４と有効領域が重なっても反射作用と透過作用を同一の面形状で配置することが可能となる。
【００３６】
本実施形態にかかる光学素子Ｌａでは、第１反射面１２と第２透過面１４は、同一位置に配置された同一形状の面であることが好ましい。
【００３７】
第１反射面１２と第２透過面１４を同一位置に配置された同一形状の面とすることで、光学素子Ｌａを小型に形成することが可能となる。
【００３８】
本実施形態にかかる光学素子Ｌａでは、光学素子Ｌａの面のうち少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形状される拡張回転自由曲面で構成されていることが好ましい。
【００３９】
図３は、拡張回転自由曲面の原理を示す図である。
【００４０】
拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。まず、図３に示すように、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
＋Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ｂ）
【００４１】
次いで、この曲線（ｂ）を、Ｘ軸正方向を向いて左回りを正として、角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。
【００４２】
ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ1 は円錐定数、Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。
【００４３】
なお、Ｚ軸を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 ，Ｃ5 ，…＝０とし、θ＝（円錐面の傾き角）、Ｒ＝（Ｘ−Ｚ面内での底面の半径）として与えられる。
【００４４】
光学素子Ｌａの少なくとも１面が拡張回転自由曲面で構成されることにより、通常の回転対称な非球面よりも偏心により発生する偏心収差を効果的に補正することが可能となる。
【００４５】
本実施形態にかかる光学素子Ｌａでは、透明媒体Ｌａは、一つの材料から一体に形成されることが好ましい。
【００４６】
透明媒体Ｌａが一つの材料から一体に形成されるので、簡単な構造で形成することが可能となる。
【００４７】
本実施形態にかかる光学系１は、光学素子Ｌａを含む前群Ｇｆと、前群Ｇｆより像面５側に配置された後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に配置された開口Ｓと、を備え、側視光路Ａを通過する光束は、中心軸２の周囲の物体の像を中心軸２と直交する平面内に円環状に形成し、直視光路Ｂを通過する光束は、中心軸２上の物体の像を中心軸２と直交する平面内の中心軸２を含む位置に形成することが好ましい。
【００４８】
既存の光学系に光学素子Ｌａを付加させることで、直視光路Ｂのフォーカス位置を変化させずに、簡単な構成で直視光路Ｂ及び側視光路Ａの２つの光路を形成し、光学系１が、前方と中心軸の周囲全方位との画像を同時に撮像素子上に撮像する機能又は表示素子に表示された映像を前方と中心軸の周囲全方位に投影する機能を有することが可能となる。
【００４９】
図４は、側視光路Ａの像高の幅Ｈａと直視光路Ｂの像高の幅Ｈｂを示す。
【００５０】
本実施形態にかかる光学系１は、側視光路Ａの像高の幅をＨａ、直視光路Ｂの像高の幅をＨｂとする時、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
１  ＜  Ｈａ／Ｈｂ  ＜５                            （１）
【００５１】
条件式（１）の下限を下回ると、観察画角が比較的大きい側視光路の像高が小さくなってしまい、結果的に側視の像歪みが大きく発生して、観察が困難になってしまう。
【００５２】
条件式（１）の上限を上回ると、直視光路Ｂの像が小さくなり、直視の観察像が小さくなってしまい、明瞭に観察する事が困難になる。
【００５３】
以下に、本実施形態の光学系の実施例を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。
【００５４】
図１に示した実施例１は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌａを有し、既存の光学系の先端に取り付けるアタッチメント光学素子として構成した例である。図中、矢印は既存の光学系としての理想レンズＬ０を示している。
【００５５】
光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、理想レンズＬ０からなる後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなる。
【００５６】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌａからなる。透明媒体Ｌａは、側視物体面３に対向し、中心軸２に対して外側に形成され、シリンドリカル面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌａの内部に形成され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌａの内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５と反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。また、透明媒体Ｌａは、直視物体面４に対向し、中心軸２を含む位置に貫通孔Ｌｂが形成される。
【００５７】
後群Ｇｂは、既存の光学系としての理想レンズＬ０である。
【００５８】
光学系１は、側視光路Ａ及び直視光路Ｂを形成する。側視光路Ａにおいて、透明媒体Ｌａの周囲に配置される側視物体面３から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸２に垂直な像面５の中心軸２から外れた外側に円環状に映像を形成する。直視光路Ｂにおいて、直視物体面４から入射する光束は、透明媒体Ｌａの貫通孔Ｌｂを貫通し、後群Ｇｂを経て中心軸２に垂直な像面５の中心軸２を含む位置に映像を形成する。
【００５９】
側視光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌａ内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面５と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌａから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
【００６０】
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの理想レンズＬ０を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００６１】
直視光路Ｂとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌａの貫通孔Ｌｂを貫通する。
【００６２】
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの理想レンズＬ０を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００６３】
図２に示した実施例２は、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌａを有し、既存の光学系の先端に取り付けるアタッチメント光学素子として構成した例である。図中、矢印は既存の光学系としての理想レンズＬ０を示している。
【００６４】
光学系１は、中心軸２の周りで回転対称な前群Ｇｆと、理想レンズＬ０からなる後群Ｇｂと、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置された開口Ｓとからなる。
【００６５】
前群Ｇｆは、中心軸２の周りで回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体Ｌａからなる。透明媒体Ｌａは、側視物体面３に対向し、中心軸２に対して外側に形成され、シリンドリカル面からなる第１透過面１１と、透明媒体Ｌａの内部に形成され、非球面からなり、負のパワーをもつ第１反射面１２と、透明媒体Ｌａの内部に形成され、第１反射面１２に対して像面５と反対側に配置され、非球面からなり、正のパワーをもつ第２反射面１３と、第２反射面１３より像面５側に配置され、非球面からなり、負のパワーをもつ第２透過面１４をもつ。また、透明媒体Ｌａは、直視物体面４に対向し、中心軸２を含む位置に第１透過平面２１と、第１透過平面２１の像面側に配置され、第１透過平面２１に対して平行な第２平行平面２２が形成される。
【００６６】
後群Ｇｂは、既存の光学系としての理想レンズＬ０である。
【００６７】
光学系１は、側視光路Ａ及び直視光路Ｂを形成する。側視光路Ａにおいて、光学系１の側視物体面３から入射する光束は、前群Ｇｆと後群Ｇｂを順に経て中心軸２に垂直な像面５の中心軸２から外れた外側に円環状に映像を形成する。直視光路Ｂにおいて、直視物体面４から入射する光束は、透明媒体Ｌａの第１透過平面２１と第２透過平面２２を通過し、後群Ｇｂを経て中心軸２に垂直な像面５の中心軸２を含む位置に映像を形成する。
【００６８】
側視光路Ａとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌａ内に第１透過面１１を経て入り、第１反射面１２で像面５と反対側に反射され、第２反射面１３で像面５側に反射され、第２透過面１４を経て透明媒体Ｌａから外に出る略Ｚ字状の光路を有する。
【００６９】
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの理想レンズＬ０を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００７０】
直視光路Ｂとして光学系１に入射する光束は、前群Ｇｆの透明媒体Ｌａの第１透過平面２１と第２透過平面２２を通過する。
【００７１】
その後、前群Ｇｆと後群Ｇｂの間に中心軸２に同軸に配置され絞りを構成する開口Ｓを経て、後群Ｇｂの理想レンズＬ０を経て、像面５の中心軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
【００７２】
以下に、実施例１及び実施例２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の “ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面を示す。
【００７３】
図５は、実施例１の光学系１の光学素子Ｌａを透過するまでの側視光路Ａの座標系を示す。図６は、実施例１の光学系１の光学素子Ｌａを透過した後の側視光路Ａの座標系を示す。図７は、実施例１の光学系１の直視光路Ｂの座標系を示す。
【００７４】
実施例１の側視光路Ａの座標系は、光学素子Ｌａを透過するまで、順光線追跡において、例えば図５に示すように、側視物体面３から第１透過面１１に向かう中心主光線Ｌｃの延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、原点Ｏから中心軸２に対して側視物体面３とは反対側で中心軸２に直交する方向をＺ軸正方向とし、図５の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、原点Ｏから像面５とは反対側の方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００７５】
実施例１の側視光路Ａの座標系は、光学素子Ｌａを透過した後、順光線追跡において、例えば図６に示すように、側視物体面３から第１透過面１１に向かう中心主光線Ｌｃの延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、原点Ｏから像面に向かう方向をＺ軸正方向とし、図６の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図６の原点Ｏから中心軸２に対して側視物体面３とは反対側で中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００７６】
実施例１の直視光路Ｂの座標系は、順光線追跡において、例えば図６に示したように、側視物体面３から第１透過面１１に向かう中心主光線Ｌｃの延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、図７に示すように、原点Ｏから像面に向かう方向をＺ軸正方向とし、図７の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図７の原点Ｏから中心軸２に対して側視物体面３とは反対側で中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００７７】
図８は、実施例２の光学系１の光学素子Ｌａを透過するまでの側視光路Ａの座標系を示す。図９は、実施例２の光学系１の光学素子Ｌａを透過した後の側視光路Ａの座標系を示す。図１０は、実施例２の光学系１の直視光路Ｂの座標系を示す。
【００７８】
実施例２の側視光路Ａの座標系は、光学素子Ｌａを透過するまで、順光線追跡において、例えば図８に示すように、側視物体面３から第１透過面１１に向かう中心主光線Ｌｃの延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、原点Ｏから中心軸２に対して側視物体面３とは反対側で中心軸２に直交する方向をＺ軸正方向とし、図８の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、原点Ｏから像面５とは反対側の方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００７９】
実施例２の側視光路Ａの座標系は、光学素子Ｌａを透過した後、順光線追跡において、例えば図９に示すように、側視物体面３から第１透過面１１に向かう中心主光線Ｌｃの延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、原点Ｏから像面に向かう方向をＺ軸正方向とし、図９の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図９の原点Ｏから中心軸２に対して側視物体面３とは反対側で中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００８０】
実施例２の直視光路Ｂの座標系は、順光線追跡において、例えば図９に示したように、側視物体面３から第１面に向かう中心主光線Ｌｃの延長が中心軸２と交差する点を偏心光学面の原点Ｏとし、図１０に示すように、原点Ｏから像面に向かう方向をＺ軸正方向とし、図１０の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１０の原点Ｏから中心軸２に対して側視物体面３とは反対側で中心軸２に直交する方向をＹ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００８１】
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系１の原点Ｏからの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系１の原点Ｏに定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００８２】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００８３】
また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。
【００８４】
なお、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。
Ｚ＝（Ｙ2 ／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｙ2 ／Ｒ2 ｝1 /2］
＋ａＹ4 ＋ｂＹ6 ＋ｃＹ8 ＋ｄＹ10＋・・・
・・・（ａ）
ただし、Ｚを軸とし、Ｙを軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
【００８５】
実施例１
面番号    曲率半径            面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面  シリンドリカル面[1]  10.000 
1    基準面[1]
2    シリンドリカル面[2]   0.000   偏心(1)   1.8830    40.7
3    非球面[1]             0.000   偏心(2)   1.8830    40.7
4    非球面[2]             0.000   偏心(3)   1.8830    40.7
5    非球面[1]             0.000   偏心(2)
6    基準面[2]             3.179   偏心(4)
7    絞り面                0.000
8    理想レンズ            1.119
像  面      ∞
シリンドリカル面[1]
ＲＹ   ∞
ＲＸ  10.000
シリンドリカル面[2]
ＲＹ   ∞
θ     0.000
Ｒ     3.500
非球面[1]
曲率半径      0.895
k   -2.9246e+000        a   0.76768e+000
非球面[2]
曲率半径      7.180
k   1.0085e+000 a  -0.123689e-002
偏心[1] 
Ｘ     0.000  Ｙ    0.000  Ｚ   -3.500 
α     0.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[2] 
Ｘ    0.000  Ｙ    1.475  Ｚ    0.000 
α  -90.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[3] 
Ｘ    0.000  Ｙ    2.275  Ｚ    0.000
α  -90.000  β    0.000  γ    0.000 
偏心[4] 
Ｘ    0.000  Ｙ    0.000  Ｚ    0.000 
α  -90.000  β    0.000  γ    0.000 
直視光路
面番号    曲率半径            面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞               10.000
6    基準面[2]             3.179
7    絞り面                0.000
8    理想レンズ            1.119
像  面      ∞
【００８６】
実施例２
面番号    曲率半径            面間隔  偏心     屈折率  アッベ数
物体面  シリンドリカル面[1]  10.000 
1    基準面[1]
2    ＥＲＦＳ[1]           0.000  偏心(1)   1.8348    42.7
3    ＥＲＦＳ[2]           0.000  偏心(2)   1.8348    42.7
4    ＥＲＦＳ[3]           0.000  偏心(3)   1.8348    42.7
5    ＥＲＦＳ[2]           0.000  偏心(2) 
6    基準面[2]             2.495  偏心(4)
7    絞り面                1.000
8    理想レンズ            1.111
像  面      ∞
シリンドリカル面[1]
ＲＹ   ∞
ＲＸ  10.000
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ   ∞
θ    10.000
Ｒ     3.500
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ   5.300
C4    -5.1563e-3
θ    45.599
Ｒ     2.181
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ   8.036
C4    -5.1347e-4
θ    73.140
Ｒ     2.300
偏心[1] 
Ｘ   0.000  Ｙ  0.000  Ｚ   -3.500 
α -10.000  β  0.000  γ    0.000 
偏心[2] 
Ｘ   0.000  Ｙ -0.106  Ｚ   -2.181 
α -45.599  β  0.000  γ    0.000 
偏心[3] 
Ｘ   0.000  Ｙ  1.900  Ｚ   -2.300
α -73.140  β  0.000  γ    0.000 
偏心[4] 
Ｘ   0.000  Ｙ  0.000  Ｚ    0.000
α -90.000  β  0.000  γ    0.000 
直視光路
面番号  曲率半径              面間隔  偏心     屈折率  アッベ数
物体面     10.000            10.000
1        ∞               偏心(1)           1.5163    64.1
2        ∞               偏心(2)
6    基準面[2]             0.000
7    絞り面                1.000
8    理想レンズ            1.111
像  面      ∞
偏心[1] 
Ｘ   0.000  Ｙ  0.000  Ｚ   -2.142 
α   0.000  β  0.000  γ    0.000 
偏心[2] 
Ｘ   0.000  Ｙ  0.000  Ｚ   -0.906 
α   0.000  β  0.000  γ    0.000 
【００８７】
次に、本実施形態の光学素子をアタッチメントとして、既存の直視光学系に取り付ける具体例について説明する。
【００８８】
図１１は、既存の直視光学系ＬＬの中心軸を含む断面図を示す。
【００８９】
既存の直視光学系ＬＬは、図１１に示すように物体側から像側に順に、物体側レンズ群Ｇobjと、像側レンズ群Ｇimgと、を備える。図中、Ｓは明るさ絞り、Ｆはフィルタ、Ｃはカバーガラス、Ｉは像面を示している。
【００９０】
物体側レンズ群Ｇobjは、物体側から像側に順に、物体側に平面を向けた平凹負レンズＬobj1と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬobj2と、両凸正レンズＬobj3と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬobj4と、平行平面板Ｌobj5と、を有する。
【００９１】
像側レンズ群Ｇimgは、両凹負レンズＬimg1と両凸正レンズＬimg2の接合レンズＳＵimg1と、両凸正レンズＬimg3と、両凸正レンズＬimg4と両凹負レンズＬimg5の接合レンズＳＵimg2と、両凸正レンズＬimg6と、有する。
【００９２】
以下に、既存の直視光学系ＬＬの構成パラメータを示す。
【００９３】
既存の直視光学系の仕様は、
画角                140°
焦点距離            0.835
絞り径            φ2.400mm
像の大きさ        φ2.000mm
有効Ｆナンバー      1.079
である。
【００９４】
既存の直視光学系の数値例
面番号  曲率半径              面間隔           屈折率  アッベ数
物体面      ∞                83.330
1        ∞                 0.600           1.8830    40.7
2    非球面[1]              1.520
3        7.984              0.500           1.6668    33.0
4        4.197              0.688
5       22.220              1.000           1.9229    18.9
6       -7.440              0.594
7        4.312              1.000           1.9229    18.9
8        9.886              0.135
9        ∞                 0.500           1.5163    64.1
10        ∞                 0.050
11    絞り面                 0.332
12      -98.576              0.400           1.9229    18.9
13        3.519              1.400           1.4387    94.9
14       -4.494              0.050
15       21.614              1.000           1.8830    40.7
16       -9.117              0.050
17        5.324              1.800           1.6204    60.3
18       -3.192              0.400           1.9229    18.9
19      -32.250              0.050
20        3.524              1.600           1.8830    40.7
21      -28.761              0.100
22        ∞                 0.416           1.8830    40.7
23        ∞                 0.214
24        ∞                 0.500           1.5163    64.1
25        ∞                 0.100
像  面      ∞
非球面[1]
曲率半径      1.413
k  -9.9894e-001      a   4.1243e-003
【００９５】
また、以下の表は、各実施例における条件式（１）の値を示す。
Ａ         Ｂ       Ａ／Ｂ
実施例１    0.455      0.197      2.307
実施例２    0.443      0.213      2.080
【００９６】
図１２は、図１１に示した既存の直視光学系に図１に示したアタッチメント光学素子を取り付けた光学系の断面図を示す。
【００９７】
図１１に示した既存の直視光学系ＬＬに図１に示したアタッチメント光学素子Ｌａを取り付ける場合、図７に示したアタッチメント光学素子Ｌａの原点Ｏと既存の直視光学系ＬＬの第１面ＬＬ１との距離を１ｍｍで取り付けることにより、図１２に示すような側視光路Ａと直視光路Ｂとを同時に形成可能な光学系１にすることができる。なお、この時、既存の直視光学系ＬＬのフォーカス位置と既存の直視光学系ＬＬにアタッチメント光学素子Ｌａを取り付けた光学系１の直視光路のフォーカス位置は変化せず、同じ位置となる。
【００９８】
図１３は、本実施形態のアタッチメント光学素子Ｌａを硬性内視鏡先端に用いた例を示す図である。
【００９９】
図１３（ａ）に示すように、内視鏡１１０の先端の光学系１として本実施形態にかかる光学系１を用いることが可能である。図１３（ｂ）は、硬性内視鏡１１０の先端にある既存の直視光学系ＬＬに、本実施形態にかかるアタッチメント光学素子Ｌａを取り付けて３６０°全方位の画像を撮像観察する光学系１とした例である。
【０１００】
図１４は、本実施形態のアタッチメント光学素子Ｌａを内視鏡先端に用いる構造の例を示す図である。
【０１０１】
図１４に示す例では、既存の直視光学系ＬＬを含む内視鏡先端の外周にネジ６を形成し、アタッチメント光学素子Ｌａの内周にも同様に図示しないネジを形成しておき、アタッチメント光学素子Ｌａを回転させることで、内視鏡先端とアタッチメント光学素子Ｌａを締結する。
【０１０２】
図１５は、本実施形態のアタッチメント光学素子Ｌａを軟性内視鏡先端に用いた例を示す図である。
【０１０３】
図１５は、軟性電子内視鏡１１３の先端に本実施形態にかかる光学系１を同様に取り付けて、撮影された画像を、表示装置１１４に画像処理を施して歪みを補正して立体的に表示するようにした例である。
【０１０４】
図１５に示すように、内視鏡１１３に、本実施形態の光学系１を用いることにより、全方位の画像を撮像観察することができ、従来と異なる角度から様々な部位を撮像観察することができる。
【０１０５】
以上の実施例では、光学系１の中心軸２に同心に回転対称な屈折率が１より大きい透明媒体の透過面及び反射面を、拡張回転自由曲面で設計されている例であるが、拡張回転自由曲面が回転対称面と直交し、高次項を使用していない場合、球面と等価な構成となる。
【０１０６】
また、前群Ｇｆの反射面、屈折面をそれぞれ任意形状の線分を中心軸２の周りで回転することにより形成され中心軸２上に面頂を有さない拡張回転自由曲面で設計しているが、それぞれ任意の曲面に置き換えてもよい。
【０１０７】
また、本発明の光学系は、回転対称面を形成する任意形状の線分を定義する式に奇数次項を含むものを用いることにより、偏心により発生する像面５の傾きや、絞りの逆投影時の瞳収差を補正している。
【０１０８】
また、本発明の前群Ｇｆを構成する中心軸２の周りで回転対称な透明媒体はそのまま用いることにより、３６０°全方位の画角を有する画像を撮影したり投影できるが、その透明媒体を中心軸２を含む断面で切断して２分の１、３分の１、３分の２等にすることにより、中心軸２の周りの画角が１８０°、１２０°、２４０°等の画像を撮影したり投影するようにしてもよい。
【０１０９】
また、本発明の光学系は、中心軸（回転対称軸）２を垂直方向に向けて天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角の画像を得る撮像あるいは観察光学系としてもよい。さらに、本発明は撮影光学系、観察光学系に限定されず、光路を逆にとって天頂を含む３６０°全方位（全周）の画角に画像を投影する投影光学系として用いることもできる。また、内視鏡は管内観察装置の全周観察光学系として用いることもできる。
【０１１０】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【０１１１】
１…光学系
２…中心軸
３…側視物体面
４…直視物体面
５…像面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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