JP2007312290A - 観察ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光の波長の波長を利用して同時に複数方向の被写体を撮像することができる観察ユニットを提供することにある。
【解決手段】 波長の異なる複数の光を出射する光源と、前記光源からの光が入射され、入射された光を被写体が存在する方向へと出射する光学素子と、前記光学素子を介して光が出射された被写体を撮像する撮像素子と、を有する観察ユニットであって、前記光源から光の波長に基づいて、出射された異なる波長の光の方向の先にある被写体を同時に撮像することができる。また、同時に撮像された被写体は、複数の被写体を１の画面上に重畳的に表示することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光を被写体に照射して、その被写体を撮像する撮像素子を有する観察ユニットに関する。

患者の体内や下水管といった狭小空間内の観察や検査を行う場合、例えば、硬性鏡やファイバースコープなどが用いられる。一般的に、ファイバースコープには広角レンズが搭載されており、広範囲に存在する被写体を一度に捉えることが可能となっている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示されたファイバースコープは、広角レンズだけでなく、対物レンズや拡散板を有しており、広い角度から観察可能なものとなっている。

また、全長が長い下水管や水道管のうち、硬性鏡やファイバースコープが届かないところについては、例えば、ＴＶカメラを搭載した自走式カメラによって、管内の損傷等を観察する。この場合、自走式カメラに首振り機構を設けて、上下左右の映像を複数回に分けて捉えることが多い。

このように、狭小空間内の観察や検査を行う場合には、ファイバースコープにおける広角レンズや、自走式カメラにおける首振り機構などを用いて、広い範囲に存在する被写体を、なるべく効率的に視認するようにしている。

特開平０９−１４６０１４号公報（段落番号［０００８］）

しかしながら、広角レンズを搭載した従来のファイバースコープでは、一般的に広角レンズの倍率が低く焦点距離が短いため、細かい物を観察することが難しい。

この点、首振り機構を搭載した自走式カメラを用いれば、首を振った方向に存在する被写体を直接観察できることから、広範囲に存在する被写体を精度良く観察するができる。しかし、自走式カメラの場合、モーターや歯車等が必要になるため装置自体のサイズが大きくなってしまうし、また、可動部分が多いため操作時の引っ掛かり等による信頼性に不安が残る。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範囲に存在する被写体を精度良く観察することができるとともに、装置全体の大型化や信頼性の低下を防ぐことが可能な観察ユニットを提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、以下のものを提供する。

（１） 波長の異なる複数の光を出射する光源と、前記光源からの光が入射され、入射された光を被写体が存在する方向へと出射する光学素子と、前記光学素子を介して光が出射された方向に存在する被写体を撮像する撮像素子と、を有する観察ユニットであって、前記光源から光の波長に基づいて、前記光学素子による光の出射方向が異なることを特徴とする観察ユニット。

本発明によれば、光源からの光を被写体が存在する方向へ出射する光学素子と、光学素子を介して光が出射された方向に存在する被写体を撮像する撮像素子と、を有する観察ユニットで、光源からの光の波長に基づいて、光学素子による光の出射方向が異なることとしたので、例えば、ある波長の光（例えば青色光）が出射された方向に存在する被写体と、他の波長の光（例えば赤色光）が出射された方向に存在する被写体とは、異なる場所に位置することになる。

従って、撮像素子によって、波長の異なる複数の光によって照射された異なる場所に位置する複数の被写体を（例えば同時に）撮像することができ、ひいては広範囲に存在する被写体を観察することができる。特に、従来のファイバースコープのように、広角レンズを用いなくても、広範囲に存在する被写体を観察することができるので、細かい物まで見ることができ、観察精度を向上させることができる。

また、本発明では、光源からの光の波長に基づいて、光の出射方向が異なる光学素子を用いているので、自走式カメラにおける首振り機構のように、細かい物を観察するために首を振る必要はない。従って、観察ユニットの大型化を防ぐとともに、可動機構の存在に起因した信頼性低下を防ぐことができる。なお、本発明では、異なる位置に存在する被写体を撮像するのに、光学シャッタを利用するのではなく、波長の異なる複数の光を利用するので、光学シャッタを不要とし、コスト削減や観察ユニットの製造工程簡易化に資することができる。

ここで、「光源から光の波長」と「光学素子による光の出射方向」との関係性は、如何なる関係であっても構わない。例えば、緑色光は、光学素子の前方から出射され、赤色光は、光学素子の下方から出射され、青色光は、光学素子の上方から出射される、などである。また、この関係性は、固定されていなくてもよい。例えば、赤色光は、ある時は（又は、ある観察ユニットでは）、下方から出射され、ある時は（又は、ある観察ユニットでは）、上方から出射される、などである。

また、本発明における「光源」は、波長の異なる複数の光を出射するものであるが、例えば、フルカラーＬＥＤや、複数の単色ＬＥＤを合波させたものなど、如何なるものであってもよい。さらに、本発明における「撮像素子」は、被写体を「撮像」するものであるが、これは、動画撮像であっても静止画撮像であってもよい。

（２） 前記光源から出射される光の種類を選択する選択手段と、前記撮像素子によって生成される撮像信号に基づいて被写体が表示される表示手段と、を備え、前記表示手段には、前記選択手段によって選択された種類の光が出射された方向に存在する被写体が、重畳して表示されることを特徴とする（１）記載の観察ユニット。

本発明によれば、上述した観察ユニットに、光源から出射される光の種類を選択する選択手段と、撮像素子によって生成される撮像信号に基づいて被写体が表示される表示手段と、が設けられており、表示手段には、選択手段によって選択された種類の光が出射された方向に存在する被写体が、重畳して表示されることとしたので、波長の異なる複数の光によって照らされた複数の被写体を、１の表示手段で（例えば同時に）観察することができる。

特に、本発明では、選択手段を用いて、光源から出射される光の種類を選択することによって、表示手段に表示されるべき被写体を自由に選択することができ、ひいては実用価値を高めることができる。例えば、選択された光の種類が１種類である場合には、１方向に存在する被写体のみが表示手段に表示され、選択された光の種類が複数種類である場合は、複数方向に存在する被写体が重畳的に表示手段に表示されることになる。このように、本発明によれば、１の表示手段に、複数方向に存在する被写体を、同時かつ重畳的に、表示手段に表示させることも可能となる。

（３） 前記光学素子は、ダイクロイックプリズムであることを特徴とする（１）又は（２）記載の観察ユニット。

本発明によれば、光学素子は、ダイクロイックプリズムであることとしたので、広範囲に存在する被写体を観察することができるとともに、観察ユニットの汎用性を高めることができる。

（４） 前記光学素子と被写体との間には、収束レンズが配置されていることを特徴とする（１）から（３）のいずれか記載の観察ユニット。

本発明によれば、光学素子と被写体の間には、収束レンズが配置されていることとしたので、光学素子と被写体の距離に応じて、焦点距離を容易に変更することができる（すなわち、倍率変更が容易になる）。また、観察ユニットの外部に取り付けることができるため、交換可能による実用性を高めることができる。

（５） 前記光学素子と前記撮像素子との間には、マクロレンズが配置されていることを特徴とする（１）から（４）のいずれか記載の観察ユニット。

本発明によれば、光学素子と撮像素子との間には、マクロレンズが配置されていることとしたので、光学素子と被写体の距離に応じた焦点距離の調整を容易にすることができる。

（６） 前記光学素子と前記撮像素子を結ぶ光軸上には、前記光源からの光の方向を転換する光方向転換手段が配置されていることを特徴とする（１）から（５）のいずれか記載の観察ユニット。

本発明によれば、光学素子と撮像素子を結ぶ光軸上には、光源からの光の方向を転換する光方向転換手段（例えばビームスプリッタなど）が配置されていることとしたので、光源の配置自由度を高めることができる。例えば、光源を上述した光軸上ではなく、上述した光軸に対して垂直となるような位置に光源を配置することもできる。

（７） 前記光源は、ＲＧＢ三原色各々の光を出射するとともに、これらを合波させた白色光を出射することを特徴とする（１）から（６）のいずれか記載の観察ユニット。

本発明によれば、光源によって、ＲＧＢ三原色各々の光が出射されるとともに、これらを合波させた白色光も出射されるので、ＲＧＢを切り替えて出射させることにより（又は、ＲＧＢ全ての色の光を出射させることにより）、光学素子からみて所望の方向に存在する被写体を観察することができ、ひいては広範囲に存在する被写体を観察することができる

以上説明したように、本発明に係る観察ユニットによれば、広範囲に存在する被写体を、高精度で観察することができる。また、観察ユニットの大型化や、可動機構の存在に起因した信頼性低下を防ぐことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る観察ユニット１の機械構成を示す図である。

図１において、観察ユニット１は、ＬＥＤ１０（光源の一例）と、ビームスプリッター１１（光方向転換手段の一例）と、ダイクロイックプリズム１２（光学素子の一例）と、カメラ１３（撮像素子を含む撮像装置の一例）と、マクロレンズ１４と、を有している。なお、本実施形態では、ダイクロイックプリズム１２として、ダイクロイックＸ−ＣＵＢＥプリズムを用いて説明する。

ＬＥＤ１０は、フルカラーＬＥＤであって、波長の異なるＲＧＢ三原色各々の光を出射できるとともに、これら三原色の光を同時に点灯して、白色光を出射することもできる。ＬＥＤ１０から出射される光の種類を選択するに当たっては、例えば、ＬＥＤ１０に接続された電子回路（選択手段の一例）を用いることができる。この電子回路により、ＬＥＤ１０から赤色光だけを出射させることもできるし、ＬＥＤ１０から緑色光だけを出射させることもできるし、ＬＥＤ１０から青色光だけを出射させることもできる。なお、本実施形態では、ＬＥＤ１０から白色光が出射されるものとして考える。

ＬＥＤ１０から出射された白色光は、ビームスプリッター１１で反射して、進行方向が変えられる。すなわち、ビームスプリッター１１は、ダイクロイックプリズム１２とカメラ１３を結ぶ光軸上に配置され、ＬＥＤ１０からの白色光の方向を転換する機能を有している。

ビームスプリッター１１で進行方向が変えられた白色光は、ダイクロイックプリズム１２に入射した後、ＲＧＢの三原色各々の光に分解され、赤色光は図１中の上方向へと出射し、緑色光は図１中の左方向へと出射し、青色光は図１中の下方向へと出射する。詳細については、図２を用いて説明する。

図２は、光の波長に基づいて、ダイクロイックプリズム１２から出射される光の方向が異なる様子を示す図である。

図１及び図２（ａ）に示すように、ＬＥＤ１０から出射された白色光は、ＲＧＢの三原色各々の光に分解され、３方向へと出射される。仮に、ＬＥＤ１０から出射される光が緑色光だけである場合には、図２（ｂ）に示すように左方向に出射され、ＬＥＤ１０から出射される光が赤色光だけである場合には、図２（ｃ）に示すように上方向に出射され、ＬＥＤ１０から出射される光が青色光だけである場合には、図２（ｄ）に示すように下方向に出射される。

このように、ＬＥＤ１０からの光（緑，赤，青）の波長に基づいて、ダイクロイックプリズム１２による光の出射方向（左方向，上方向，下方向）が異なることになる（図２（ｅ）参照）。

ダイクロイックプリズム１２を介して各々の方向に出射された光は、各々の方向に存在する被写体（例えば水道管内の壁面）を照らし出す。より具体的には、ダイクロイックプリズム１２の左方向に存在する被写体は、緑色光によって照らし出され、ダイクロイックプリズム１２の上方向に存在する被写体は、赤色光によって照らし出され、ダイクロイックプリズム１２の下方向に存在する被写体は、青色光によって照らし出される。

なお、ダイクロイックプリズム１２を介して各々の方向に出射された光の焦点距離は、集光機能を有するマクロレンズ１４の位置・種類・大きさ等に依存している。

最後に、カメラ１３は、被写体からの反射光を取り込んで、その被写体を撮像する。そして、カメラ１３には、図示しないディスプレイ（表示手段の一例）が接続されており、このディスプレイには、カメラ１３において生成される撮像信号に基づいて、被写体が表示される。被写体が表示される様子について、図３を用いて詳述する。

図３は、ディスプレイに被写体が表示される様子を示す図である。

図３（ａ）に示すように、ＬＥＤ１０から白色光が出射された場合において、ディスプレイには、丸形の図形と、四角形の図形と、三角形の図形が表示されている。これは、緑色光によって照らし出された丸形の図形（図３（ｂ）参照）と、赤色光によって照らし出された三角形の図形（図３（ｃ）参照）と、青色光によって照らし出された四角形の図形（図３（ｄ）参照）と、が重畳して表示されている様子を示している。

以上説明したように、本実施形態に係る観察ユニット１によれば、波長の異なる複数の光を出射するＬＥＤ１０を用いて、複数の被写体を別々に撮像することもできるし（図３（ｂ）〜（ｄ）参照）、これらを同時に撮像することもできる（図３（ａ）参照）。

また、広範囲に存在する被写体を観察するための広角レンズを用いる必要もない。従って、広範囲に存在する被写体を、高精度に観察することができる。また、首振り機構を用いていないので、観察ユニット１の大型化を防ぐことができるとともに、可動機構の存在に起因した信頼性低下を防ぐこともできる。

また、観察ユニット１の先端（ダイクロイックプリズム１２）を動かすことなく被写体を観察することができるため、複雑な操作を不要とすることができる。更には、観察ユニット１の先端を動かすことに起因する観察位置の精度低下を防止することもできる。

なお、本実施形態では、ダイクロイックプリズム１２から出射される光の方向を３方向としているが、その他、何方向であっても構わない。また、光の出射角も、如何なる角度であってもよい。また、本実施形態に係る観察ユニット１は、下水管といった狭小空間内の観察や検査を行う用途だけでなく、複数の物体間の位置決めを行う用途が存在する。以下、この位置決めを行う用途について、詳述する。

［変形例］
図４は、本発明の他の実施の形態に係る観察ユニット１が、２物体間の位置決めに用いられている様子を示す図である。なお、図４において、観察ユニット１の両側にあるものは、それぞれ基板１５と金型１６である。

例えば、プレス加工等の金型構造を基板１５に転写させる際に、赤色光によって基板１５を照らし、青色光によって金型１６を照らし、基板１５と金型１６の各撮像画像を１のディスプレイで重畳的に表示させ、表示画像に基づいて基板１５又は金型１６の位置を調整する。このようにして、両被写体（基板１５及び金型１６）の位置決めを的確かつ簡易に行うことができる。

なお、図４を用いて説明した位置決めは、プレス加工後の検査確認等にも利用することもできる。また、基板１５又は金型１６を図４中の上下方向に動かすことで、上下方向の位置決めも可能である。また、観察ユニット１をマスクアライナーとして活用することもでき、マスクとウェアの間に設置してアライメント処理を行うことも可能である。また、テレセントリック光学系であれば、被写体との距離が変わっても、撮像される被写体の寸法は変わらないので、画面上で寸法等の計測を行うことも可能である。

図５は、本発明の他の実施の形態に係る観察ユニット１が、２物体間の位置決めに用いられている様子を示す図である。なお、図５において、観察ユニット１の両側にある物体のうち、一方の物体には目盛り１７が刻まれており、一方の物体には長方形の図形１８が描かれている。

図５において、ＬＥＤ１０から出射される光が赤色である場合には、ディスプレイに目盛り１７が表示される（図５（ａ）参照）。一方、ＬＥＤ１０から出射される光が青色である場合には、ディスプレイに図形１８が表示される。ＬＥＤ１０から出射される光が紫色（赤色＋青色）である場合には、図５（ｃ）に示すような画像がディスプレイに表示される。あとは、図形１８が描かれている物体をスライドさせることによって（図５（ｃ）→図５（ｄ））、図形１８の端を目盛り１７に合わせることができる。

図６は、本発明の実施の形態に係る観察ユニット１に種々のパーツを取り付けた様子を示す図である。

図６（ａ）では、光源としてＬＥＤ１０ａとＬＥＤ１０ｂを用い、これらから出射される光の合波光を、ダイクロイックプリズム１２に入射させるようにしている。これにより、フルカラーＬＥＤを使用しなくても、単価の安い複数の単色ＬＥＤで、広範囲の観察を行うことができる。

図６（ｂ）では、ダイクロイックプリズム１２の代わりに、ビームスプリッター１１'が用いられている。これにより、２方向の被写体を同時に撮像する場合に利用できる。単価の安いビームスプリッター１１'を用いることで、観察に掛かるコストを下げることができる。

図６（ｃ）では、ダイクロイックプリズム１２と被写体の間に、オプションレンズ１９（収束レンズの一例）が設けてられている。これにより、倍率調整を事後的に行うことができる。

図７は、本発明の他の実施の形態に係る観察ユニット１Ａ，１Ｂの機械構成を示す図である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）では、ダイクロイックプリズム１２から出射される光の方向が、斜め方向に分解されている。より具体的には、図７（ａ）に示す観察ユニット１Ａは、図７（ｃ）に示すような光路で光が進み、図７（ｂ）に示す観察ユニット１Ｂは、図７（ｄ）に示すような光路で光が進む。

図７（ａ）及び図７（ｂ）で用いられているダイクロイックプリズム１２は、それぞれ異なった形のプリズムを貼り合わせて（または同一のプリズムを異なる面で貼り合わせて）形成されたものであり、各々のプリズムの異なる面で異なる波長の光を反射させる特性を利用している。このように、ダイクロイックプリズム１２の形態としては、様々なものが考えられるが、本発明は、いずれの形態であっても構わない。

本発明に係る観察ユニットは、広範囲に存在する被写体を高精度で観察することができるものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る観察ユニットの機械構成を示す図である。 光の波長に基づいて、ダイクロイックプリズムから出射される光の方向が異なる様子を示す図である。 ディスプレイに被写体が表示される様子を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る観察ユニットが、２物体間の位置決めに用いられている様子を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る観察ユニットが、２物体間の位置決めに用いられている様子を示す図である。 本発明の実施の形態に係る観察ユニットに種々のパーツを取り付けた様子を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る観察ユニットの機械構成を示す図である。

符号の説明

１ 観察ユニット
１０ ＬＥＤ
１１，１１' ビームスプリッター
１２ ダイクロイックプリズム
１３ カメラ
１４ マクロレンズ
１５ 基板
１６ 金型
１７ 目盛り
１８ 図形
１９ オプションレンズ

Claims (7)

1. 波長の異なる複数の光を出射する光源と、
   前記光源からの光が入射され、入射された光を被写体が存在する方向へと出射する光学素子と、
   前記光学素子を介して光が出射された方向に存在する被写体を撮像する撮像素子と、を有する観察ユニットであって、
   前記光源から光の波長に基づいて、前記光学素子による光の出射方向が異なることを特徴とする観察ユニット。
2. 前記光源から出射される光の種類を選択する選択手段と、
   前記撮像素子によって生成される撮像信号に基づいて被写体が表示される表示手段と、を備え、
   前記表示手段には、前記選択手段によって選択された種類の光が出射された方向に存在する被写体が、重畳して表示されることを特徴とする請求項１記載の観察ユニット。
3. 前記光学素子は、ダイクロイックプリズムであることを特徴とする請求項１又は２記載の観察ユニット。
4. 前記光学素子と被写体との間には、収束レンズが配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の観察ユニット。
5. 前記光学素子と前記撮像素子との間には、マクロレンズが配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の観察ユニット。
6. 前記光学素子と前記撮像素子を結ぶ光軸上には、前記光源からの光の方向を転換する光方向転換手段が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の観察ユニット。
7. 前記光源は、ＲＧＢ三原色各々の光を出射するとともに、これらを合波させた白色光を出射することを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の観察ユニット。