JP2013141560A - Optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学系に関する。 The present invention relates to an optical system.
監視すべき領域の周囲の状況を広角度で監視する装置として、従来、魚眼レンズを使用した車両周辺監視装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a vehicle periphery monitoring device using a fisheye lens is known as a device that monitors a situation around an area to be monitored at a wide angle (see, for example, Patent Document 1).
車両の周辺を視認することに限らず、内視鏡においても、魚眼レンズを使用することが考えられ、これによって、内視鏡先端の周辺を広範囲に視認することができる。 In addition to visually recognizing the periphery of the vehicle, it is conceivable to use a fish-eye lens also in an endoscope, whereby the periphery of the distal end of the endoscope can be visually recognized in a wide range.
この場合、光ファイバを束ねた光ファイバ群の先端に撮影レンズとして魚眼レンズを設け、上記光ファイバの反対端に受光素子等の光を電気信号に変換する素子を設け、受光素子が出力した電気信号に基づいて、ディスプレイに表示する装置が考えられる。そして、魚眼レンズが設けられている光ファイバ群の先端から、被験者の口、喉を介して、たとえば、胃に挿通し、胃壁の画像をディスプレイに表示し、また、写真として画像保存する。 In this case, a fisheye lens is provided as a photographing lens at the tip of an optical fiber group in which optical fibers are bundled, an element for converting light such as a light receiving element into an electric signal is provided at the opposite end of the optical fiber, and an electric signal output from the light receiving element Based on the above, a device for displaying on the display can be considered. Then, from the tip of the optical fiber group provided with the fisheye lens, for example, the stomach is inserted through the mouth and throat of the subject, the stomach wall image is displayed on the display, and the image is stored as a photograph.
このようにすることによって、胃壁のうちで着目している部位を撮影することができるとともに、魚眼レンズの画角が広いので、上記着目部位が胃全体のうちで、どの辺りに位置するのかを、ディスプレイまたは写真を見ただけで知ることができる。 By doing this, it is possible to image the site of interest in the stomach wall, and since the angle of view of the fisheye lens is wide, it is possible to determine in which area the site of interest is located in the entire stomach. You can know just by looking at the display or photos.
ところで、上記内視鏡の先端に魚眼レンズを設けた例では、胃壁を広角で撮影することができるので、着目部位が胃全体のうちでどの辺りに位置するのかを、写真を見ただけで知ることができるが、注目している部位(画面の中央部)の倍率が低く、もっと拡大して表示して欲しいという要請に応じることができないという問題がある。 By the way, in the example where the fisheye lens is provided at the distal end of the endoscope, the stomach wall can be photographed at a wide angle, so it is possible to know where the target region is located in the entire stomach by just looking at the photograph. However, there is a problem that the magnification of the part of interest (the central part of the screen) is low and it is not possible to respond to a request for a more enlarged display.
この問題は、内視鏡で胃壁を撮影する場合に限らず、喉、大腸等、他の消化器系を撮影する場合にも生じる問題であり、また、内視鏡に限らず、観察ロボット等の他の観察装置においても生じる問題である。 This problem occurs not only when the stomach wall is imaged with an endoscope, but also when other gastrointestinal systems such as the throat and large intestine are imaged. This problem also occurs in other observation devices.
本発明は、注目している部位(画面の中央部)と、注目部位から離れている部位とを同時に撮影することができ、しかも、注目部位の倍率を高くして撮影することができる光学系を提供することを目的とする。 The present invention is capable of simultaneously imaging a site of interest (the center of the screen) and a site away from the site of interest, and capable of imaging with a higher magnification of the site of interest. The purpose is to provide.
本発明は、画角が120度〜180度のワイドレンズであって、光軸から離れるに従って曲率が大きくなるワイドレンズと、上記ワイドレンズを通過した光を、所定の平面に結像させる結像レンズと、上記結像レンズによって結像された光を電気信号に変換する受光素子とを有することを特徴とする光学系である。 The present invention is a wide lens having an angle of view of 120 degrees to 180 degrees, and has a wide lens whose curvature increases as it moves away from the optical axis, and an image that forms an image of light passing through the wide lens on a predetermined plane. An optical system comprising: a lens; and a light receiving element that converts light imaged by the imaging lens into an electrical signal.
本発明によれば、注目している部位(画面の中央部)と、注目部位から離れている部位とを同時に撮影することができ、しかも、注目部位の倍率を高くして撮影することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to simultaneously image a region of interest (the center portion of the screen) and a region that is away from the region of interest, and it is possible to perform imaging while increasing the magnification of the region of interest. There is an effect.
発明を実施するための形態は、以下の実施例である。 The modes for carrying out the invention are the following examples.
図1は、本発明の実施例1である光学系100を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an optical system 100 that is
光学系100は、ワイドレンズ10と、テレセントリック結像レンズ20と、受光素子30とを有する。
The optical system 100 includes a
ワイドレンズ10は、画角が120度〜200度であり、光軸から離れるに従って曲率が大きくなるワイドレンズである。すなわち、光軸近傍の曲率が所定の値であり、上記光軸から離れた部位の曲率が、上記所定の値よりも大きいレンズである。つまり、ワイドレンズ10は、光軸近傍の倍率が大きく、上記光軸から離れた部位の倍率が、光軸近傍の倍率よりも小さいレンズである。なお、ワイドレンズ10は、その光軸から周縁に向かって、曲率が連続的に変化し、曲率が次第に大きくなっている。
The
なお、画角は、120度、130度、140度、150度、160度、170度、180度、200度のいずれでもよく、また、それらの間の画角であってもよい。画角180度〜200度を、レンズのみで実現することが困難であれば、ミラー等を使用することによって、画角180度〜200度を実現することが可能である。また、上記画角は、好ましくは、120度〜180度であり、より好ましくは、160度〜180度である。 The angle of view may be any of 120 degrees, 130 degrees, 140 degrees, 150 degrees, 160 degrees, 170 degrees, 180 degrees, and 200 degrees, or may be an angle of view between them. If it is difficult to realize an angle of view of 180 to 200 degrees with only a lens, it is possible to realize an angle of view of 180 to 200 degrees by using a mirror or the like. Further, the angle of view is preferably 120 to 180 degrees, and more preferably 160 to 180 degrees.
テレセントリック結像レンズ20は、ワイドレンズ10を通過した光を、受光素子30の受光面31に結像させるレンズである。また、テレセントリック結像レンズ20は、ワイドレンズ10を通過した光を、受光素子30の受光面31にほぼ垂直に結像させる結像レンズである。
The
受光素子30は、受光面31を有し、テレセントリック結像レンズ20によって受光面31に結像された光を電気信号に変換する。
The
次に、光学系100の動作について説明する。 Next, the operation of the optical system 100 will be described.
図2は、光学系100が撮影しようとする被写体40を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a subject 40 to be photographed by the optical system 100.
被写体40は、英文字のFであり、上側の横線41と、縦線42と、中央部の横線43とによって構成されている。横線41、縦線42と、横線42とは、その太さが互いに同じである。 The subject 40 is an English letter F, and is composed of an upper horizontal line 41, a vertical line 42, and a central horizontal line 43. The horizontal line 41, the vertical line 42, and the horizontal line 42 have the same thickness.
図3は、光学系100で撮影した画像50がディスプレイD1に表示されている状態を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which an
図3に示すように、英文字Fである被写体40の画像50は、横線51と、縦線52と、横線53とによって構成され、横線51、縦線52、横線53は、それぞれ、横線41、縦線42、横線43に対応している。図3に示すように、横線51、縦線52の太さが細く、横線53の太さが太い。つまり、横線53は、視野の中央部に位置する像の一部分であり、これがワイドレンズ10の中央部によって拡大されるので、横線53の太さが太くなる。一方、横線51、縦線52が、視野の縁部分に位置する像であり、この像の光がワイドレンズ10の周縁部を通過し、ワイドレンズ10の周辺部では、像の拡大が少なく、しかも中央部(光軸上の位置)から遠い位置に存在しているので、横線51、縦線52の太さは細くなる。
As shown in FIG. 3, the
実施例1によれば、画角が広いので、注目部位(画面の中央部)から離れている部位(胃カメラで胃を撮影する場合に噴門、幽門等、胃壁の特徴的な部分)を、注目部位と同時に撮影することができるので、注目部位が胃全体のうちで、どの部分であるのかを写真を見ただけで推測することができる。しかも、ワイドレンズ10の光軸近傍の曲率が、ワイドレンズ10の周辺部における曲率よりも小さいので、注目部位の画像の倍率が高くなり、撮影した画像、写真を見れば、注目部位を詳細に視認することができる。
According to Example 1, since the angle of view is wide, a part away from a target part (center part of the screen) (a characteristic part of the stomach wall such as cardia and pylorus when photographing the stomach with a stomach camera) Since the region of interest can be imaged at the same time, it can be inferred only by looking at the picture which part of the whole stomach is the region of interest. Moreover, since the curvature of the
ところで、魚眼レンズは、その画角が通常、180度程度であり、曲率が一定であるレンズである。この魚眼レンズを使用して撮影した場合、撮影した画像のうちの周縁が円弧状に表示され、画像の周縁が比較的小さく表示され、画像の中央が比較的大きく表示される。従来の魚眼レンズで、画像の周縁が小さく表示されるのは、周縁に表示されている物体が、魚眼レンズから遠くに存在しているので、小さく表示され、画像の中央が大きく表示されるのは、中央に存在している物体が魚眼レンズの近くに存在しているからである。従来の魚眼レンズで撮影した画像において、その中央が大きく表示されるのは、画像の中央に存在している物体の倍率を高くしているからではない。 By the way, the fisheye lens is a lens whose angle of view is usually about 180 degrees and whose curvature is constant. When photographing using this fisheye lens, the periphery of the captured image is displayed in an arc shape, the periphery of the image is displayed relatively small, and the center of the image is displayed relatively large. In the conventional fisheye lens, the periphery of the image is displayed small, because the object displayed on the periphery is far away from the fisheye lens, the image is displayed small and the center of the image is displayed large. This is because the object existing in the center is present near the fisheye lens. In the image taken with the conventional fisheye lens, the center is displayed larger because the magnification of the object existing in the center of the image is increased.
実施例1において、ワイドレンズ10は、その光軸から遠ざかるに従って、その曲率が連続的に変化するが、このようにする代わりに、段階的に曲率が変化するレンズであってもよい。この場合、ディスプレイD1に表示される画像50に連続性が無いが、ディスプレイD1の中央部に表示される画像に欠落がないようにレンズ設計することができる。また、着目点(ディスプレイD1の中央部に表示されている画像)から離れた部位の画像がディスプレイD1の縁部分に、表示されるので、被写体(物体)の全体のうちのどの部位に、着目点が位置しているかを、操作者が容易に把握することができる。
In the first embodiment, the curvature of the
また、テレセントリック結像レンズ20を使用しているので、ワイドレンズ10を通過した光が、受光素子30の受光面31にほぼ垂直に結像される。したがって、受光面31と、テレセントリック結像レンズ20との距離が、多少変化しても、受光面31における像の倍率が変わらない。つまり、テレセントリック結像レンズ20から受光素子30までの距離が、製造上、多少変化しても、ピントが変化するものの、結像の倍率が変化しないので、製造上、位置決めの許容度が高い。
In addition, since the
なお、実施例1において、テレセントリック結像レンズ20の代わりに、テレセントリックではない結像レンズを使用するようにしてもよい。ただ、この場合、受光面31の位置が、光軸方向にずれると、受光面31に結像される像の倍率が変化する。
In the first embodiment, a non-telecentric imaging lens may be used instead of the
実施例1において、シャッターを設ければ、スチルカメラになる。また、実施例1は、スチル画像を撮影する撮影装置ではなく、動画像を撮影する撮影装置であってもよい。 In Example 1, if a shutter is provided, a still camera is obtained. Further, the first embodiment may be an imaging apparatus that captures a moving image instead of an imaging apparatus that captures a still image.
さらに、受光素子30の代わりに、フィルムを設けるようにしてもよい。
Furthermore, a film may be provided instead of the
図4は、本発明の実施例2である光学系200を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an optical system 200 that is
光学系200は、テレセントリック結像レンズ20を2枚のレンズ21、22で構成し、ワイドレンズ10とテレセントリック結像レンズ20との間に、リレーレンズL1が設けられている。
In the optical system 200, the
図5は、光学系200で撮影した画像50aがディスプレイD2に表示されている状態を示す図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which an image 50a captured by the optical system 200 is displayed on the display D2.
図5に示すように、英文字Fである被写体40の画像50aは、横線51aと、縦線52aと、横線53aとによって構成されているが、横線51a、縦線52aの太さが細く、横線53aの太さが太い。このようになるのは、横線51a、縦線52aが、視野の縁部分に対応する像であるので、それらの太さが細くなる。一方、横線53aは、視野の中央部に対応する像であり、しかも、ワイドレンズ10の光軸近傍の曲率が比較的小さいので、そこを通過する像が拡大され、横線53aの太さが太くなる。
As shown in FIG. 5, the image 50a of the subject 40, which is an English letter F, is composed of a horizontal line 51a, a vertical line 52a, and a horizontal line 53a, but the horizontal line 51a and the vertical line 52a are thin. The horizontal line 53a is thick. This is because the horizontal lines 51a and the vertical lines 52a are images corresponding to the edge portions of the field of view, so that their thicknesses are reduced. On the other hand, the horizontal line 53a is an image corresponding to the central portion of the field of view, and since the curvature near the optical axis of the
なお、テレセントリック結像レンズ20が、3枚以上のレンズで構成されていてもよい。つまり、テレセントリック結像レンズ20は、少なくとも1枚のレンズで構成されている。
The
また、実施例1、2では、ワイドレンズ10が1枚のレンズで構成されているが、2枚以上で構成されていてもよく、つまり、ワイドレンズ10は、少なくとも1枚のレンズで構成されている。
In
本発明の実施例3は、図示しないが、光学系100、200が内視鏡に使用されている実施例である。 The third embodiment of the present invention is an embodiment in which the optical systems 100 and 200 are used in an endoscope (not shown).
実施例1、2において、テレセントリック結像レンズ20による像の結像位置と、受光素子30の受光面31との間に、光ファイバを設け、この太さを、喉に通る程度の太さに設定すれば、内視鏡になり、食道、胃、大腸等の消化器系を視認することができる。この場合、内視鏡が撮影した画像の中央部の倍率が高いので、注目点を鮮明に視認することができ、同時に、実施例1、2における画角が広いので、現在の注目点が、たとえば胃のどの部位であるのかを容易に把握することができる。
In the first and second embodiments, an optical fiber is provided between the image formation position of the
本発明の実施例4は、図示しないが、光学系100、200が遠隔手術装置(遠隔操作装置)に使用されている実施例である。 The fourth embodiment of the present invention is an embodiment in which the optical systems 100 and 200 are used in a remote operation device (remote operation device) although not shown.
遠隔手術は、手術を受ける患者と手術を行う医者とが離れている状態で行う手術である。たとえば、都会の病院に勤務する医者が、離島の病院に入院している患者を手術する場合、患者の周囲にマニピュレータ(マジックハンド)を設け、このマニピュレータがメス等の医療器具をハンドリングし、遠隔地の医者が、患者の状態を観察しつつ、操作手段を操作し、この操作手段による操作内容(指令信号)が電気信号として、上記マニピュレータに有線または、無線で送信され、この電気信号に応じた動きをマニピュレータが実行し、手術が行われる。 Telesurgery is an operation performed in a state where the patient undergoing the operation and the doctor performing the operation are separated from each other. For example, when a doctor working in an urban hospital operates a patient admitted to a hospital on a remote island, a manipulator (magic hand) is provided around the patient, and this manipulator handles a medical instrument such as a scalpel. The local doctor operates the operation means while observing the patient's condition, and the operation content (command signal) by the operation means is transmitted as an electric signal to the manipulator by wire or wirelessly, and according to the electric signal The manipulator performs the movement and the operation is performed.
つまり、上記実施例4は、遠隔手術装置に使用され、遠隔からの指令信号によって手術器具を操作する際に、患者の手術対象である患部(手術部位)を中心とする領域を観察するために使用されている。 In other words, the fourth embodiment is used for a remote operation device, and is used for observing a region centered on an affected part (surgical site) that is a surgical target of a patient when operating a surgical instrument by a remote command signal. It is used.
この場合、実施例4では、患者の手術対象である患部(手術部位)だけではなく、患部の周囲の画像も医師側の表示装置に送信され、しかも、着目部位である患部の画像の倍率が、患部の周囲の画像よりも高いので、医者は、患部の状態を鮮明に視認することができるとともに、患部の周囲の状況をも確実に把握することができ、したがって、的確な手術を行うことができる。 In this case, in Example 4, not only the affected part (surgical site) that is the patient's surgical target but also the image around the affected part is transmitted to the display device on the doctor side, and the magnification of the image of the affected part that is the target site is Because it is higher than the image around the affected area, the doctor can clearly see the condition of the affected area and can also grasp the situation around the affected area, and therefore perform an appropriate operation. Can do.
本発明の実施例5は、図示しないが、光学系100、200が観察ロボットに使用されている実施例である。 The fifth embodiment of the present invention is an embodiment in which the optical systems 100 and 200 are used in an observation robot (not shown).
観察ロボットのうちでも、移動可能なロボットに光学系100、200が取り付けられている場合、実施例5は、画角が広いので、観察ロボットの足元を確実に撮影することができる。上記観察ロボットを、人間が入ると障害のある領域(粉塵が多い領域、高温高湿項の領域、爆発の可能性がある領域、放射線が強い領域等)を観察するのに適しているが、このような領域では、足元等の観察ロボットの周辺に障害物が散乱していることが多い。この場合、観察ロボットが移動する際に、遠隔地に存在しているオペレータが、上記障害物を確実に視認できるので、観察ロボットが障害物に衝突したり、接触したりすることがなく、また、視野狭窄による見落としが減少し、したがって、効率的かつ見落としが少ない観察を行うことができる。 Among the observation robots, when the optical systems 100 and 200 are attached to a movable robot, the fifth embodiment has a wide angle of view, so that the foot of the observation robot can be reliably photographed. The observation robot is suitable for observing areas that are disturbed by humans (areas with a lot of dust, areas with high temperature and high humidity, areas with explosion potential, areas with strong radiation, etc.) In such a region, obstacles are often scattered around the observation robot such as the feet. In this case, when the observation robot moves, the operator present in the remote place can surely see the obstacle, so that the observation robot does not collide with or touch the obstacle. Oversight due to narrowing of the visual field is reduced, and thus observation can be performed efficiently and with little oversight.
100…光学系、
10…ワイドレンズ、
20…テレセントリック結像レンズ、
30…受光素子、
40…被写体、
50…画像。
100: optical system,
10 ... Wide lens,
20 ... Telecentric imaging lens,
30. Light receiving element,
40 ... Subject,
50 ... Image.
Claims (8)
上記ワイドレンズを通過した光を、所定の平面に結像させる結像レンズと;
上記結像レンズによって結像された光を電気信号に変換する受光素子と;
を有することを特徴とする光学系。 A wide lens having an angle of view of 120 degrees to 200 degrees, the curvature of which increases with distance from the optical axis;
An imaging lens that forms an image of light passing through the wide lens on a predetermined plane;
A light receiving element that converts light imaged by the imaging lens into an electrical signal;
An optical system comprising:
上記結像レンズは、上記ワイドレンズを通過した光を、上記所定の平面にほぼ垂直に結像させるテレセントリック結像レンズであることを特徴とする光学系。 In claim 1,
The optical system, wherein the imaging lens is a telecentric imaging lens that forms an image of light that has passed through the wide lens substantially perpendicularly to the predetermined plane.
上記ワイドレンズは、少なくとも1枚のレンズで構成され、上記結像レンズは、少なくとも1枚のレンズで構成されていることを特徴とする光学系。 In claim 1,
The wide lens is composed of at least one lens, and the imaging lens is composed of at least one lens.
上記ワイドレンズは、上記光軸から遠ざかるに従って、上記曲率が連続的にまたは段階的に変化するレンズであることを特徴とする光学系。 In claim 1,
The optical system according to claim 1, wherein the wide lens is a lens in which the curvature changes continuously or stepwise as the distance from the optical axis increases.
上記光学系は、内視鏡に使用されていることを特徴とする光学系。 In claim 1,
The optical system is used in an endoscope.
上記光学系は、遠隔手術装置に使用され、遠隔からの指令信号によって手術器具を操作する際に、手術部位を中心とする領域を観察するために使用されていることを特徴とする光学系。 In claim 1,
The optical system is used for a telesurgical apparatus, and is used for observing a region centered on a surgical site when operating a surgical instrument by a remote command signal.
上記光学系は、観察ロボットの周囲を観察するために使用されていることを特徴とする光学系。 In claim 1,
An optical system, wherein the optical system is used for observing the periphery of an observation robot.
上記画角は、好ましくは、120度〜180度であり、より好ましくは、160度〜180度であることを特徴とする光学系。 In claim 1,
The angle of view is preferably 120 to 180 degrees, more preferably 160 to 180 degrees.
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