JP2020012896A - 撮像光学系及び内視鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、及び各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態に係る内視鏡装置の構成を示す構成図である。
図1に示すように、内視鏡装置1は、ビデオプロセッサ等の機能を備えた本体部2と、本体部2に接続される内視鏡3とを有して構成されている。本体部2は、内視鏡画像、操作メニュー等が表示される、例えば液晶パネル(LCD)等の表示部4を有する。この表示部4には、タッチパネルが設けられていてもよい。
挿入部5の先端部11には、例えばCMOSイメージセンサ等の撮像素子34(図3参照)が内蔵されている。撮像素子34は、挿入部5の先端部11に設けられた観察窓(図示せず)に入射した入射光を受光する。また、撮像光学系は、後述するように、2つのピント位置を切り替え可能な構成を有している。
なお、切り替えボタン6b2の操作により、通常観察モードにおいて、右眼観察モードあるいは左眼観察モードの選択をすることができるようにしてもよい。
表示部4には、映像信号処理部22で処理された撮像信号IPSに基づく映像が表示される。
図3は、光学アダプタ10が先端部11に装着されたときの撮像光学系を示す。撮像光学系31は、ステレオ光学系であり、右眼光学系ROSと、左眼光学系LOSと、光学素子可動部32と、シャッタ部33とを含む。撮像光学系31の基端部には、撮像素子34が配設されている。右眼光学系ROSと左眼光学系LOSは、左右対称の光学系である。
撮像光学系31は、先端側から、カバーガラス41、2つの平凹レンズ42R、42L、2つの凸平レンズ43R,43L、2つの平凹レンズ44R,44L、光学素子可動部32、シャッタ部33、2つのメニスカスレンズ45R,45L、カバーガラス46、47,平凸レンズ48、両凸レンズ49、凹平レンズ50、平板ガラス51、カバーガラス52を有している。
2つの平凹レンズ42R,42Lは、ここでは別部材であるが、一体成形された一つの部材でもよい。同様に、2つの凸平レンズ43R,43L、2つの平凹レンズ44R,44L及び2つのメニスカスレンズ45R,45Lの各2つの光学素子も、ここでは別部材であるが、一体成形された一つの部材でもよい。
図4では、右眼光学系ROSにおける光路のみが記載されている。
絞り部材32aは、円形の2つの開口32a1、32a2を有する。2つの開口32a1と32a2がそれぞれ右眼光学系ROSと左眼光学系LOSの2つの光路に位置するように、光学素子可動部32は撮像光学系31中に配設される。2つの開口32a1、32a2の内径は、それぞれ後述する固定絞り33a1、33a2の内径よりも大きい。
光学素子保持部32bは、絞り部材32aに固定された軸部材32cの軸回りに回動可能なアーム32b1と、アーム32b1の先端に形成された円環部材32b2とを有している。円環部材32b2には永久磁石32mが設けられている。
すなわち、平行平板ガラス37は、右眼光学系ROSの光路と左眼光学系LOSの光路内のいずれか一方の光路中に選択的に配置可能となっている。
絞り部材33aは、2つの固定絞り33a1、33a2を有し、2つの固定絞り33a1と33a2は、それぞれ右眼光学系ROSと左眼光学系LOSの2つの光路の絞りを構成する。円形の2つの固定絞り33a1、33a2が、それぞれ右眼光学系ROSと左眼光学系LOSに配置されるように、シャッタ部33は、撮像光学系31内に配設される。
(作用)
次に、上述した撮像光学系の作用について説明する。
P1とP2は、平凹レンズ42R、42Lと凸平レンズ43R、43Lと平凹レンズ44R、44Lがないときの、遠点と近点のピント位置をそれぞれ示す。遠点のピント位置P1は、平行平板ガラス37が光路中にあるときのピント位置であり、近点のピント位置P2は、平行平板ガラス37が光路中にないときのピント位置であるとすると、右眼光学系ROSの光軸O上におけるP1とP2の差d1は、次の式(1)で示される。
d1=(dg/n1)−(dg/n2) ・・・(1)
ここで、dgは、平行平板ガラス37の光軸O方向に沿った厚さであり、n1は、空気の屈折率であり、n2は、平行平板ガラス37の屈折率である。
すなわち、平行平板ガラス37を光路中に配置することにより、ピント位置を、差d1だけ変化させることができる。よって、平行平板ガラス37は、ピント位置を変更する光学素子である。そして、平行平板ガラス37は、ピント位置を遠点とするとき2つの光路中の一方に配置され、ピント位置を近点とするとき当該光路から退避される。
次に、平行平板ガラス37を左眼光学系LOSの光路中に配置し、かつシャッタ部の遮蔽部材38を右眼光学系ROSの光路上に配置する。
ユーザが、ステレオ計測モードを選択し、かつ近点観察モードを選択している場合は、平行平板ガラス37と遮蔽部材38が左眼光学系LOSの光路中に配置され、右眼光学系ROSの光路を通った光による右眼近点画像と、平行平板ガラス37と遮蔽部材38が右眼光学系ROSの光路中に配置され、左眼光学系LOSの光路を通った光による左眼近点画像と、が取得される。
(1)近点ステレオ画像のための右眼近点画像、
(2)近点ステレオ画像のための左眼近点画像、
(3)遠点ステレオ画像のための右眼遠点画像、
(4)遠点ステレオ画像のための左眼遠点画像、
の4つの画像が得られる。これら4つの画像は、光学特性が互いに異なる画像である。すなわち、4つの光学特性を有する4つの画像が取得される。
特に、上述した実施の形態によれば、ステレオ計測モードにおいて、近点のステレオ計測と、遠点のステレオ計測が可能となる。
(変形例1−1)
次に、本実施の形態の変形例1−1について説明する。
一般に、近点画像は、被写界深度が浅くなるため、本変形例の撮像光学系では、近点画像における被写界深度が深くなるようにした。
図8は、光学アダプタ10が先端部11に装着されたときの撮像光学系を示す。撮像光学系31Aは、ステレオ光学系であり、右眼光学系ROSと、左眼光学系LOSと、シャッタ部33Aと、光学素子可動部32と、絞り可動部53とを含む。撮像光学系31Aの基端部には、撮像素子34が配設されている。
光学素子可動部32の構成は、図5に示した光学素子可動部32の構成と同じである。但し、光学素子可動部32は、平行平板ガラス37に代えて、可動光学素子としての凹平レンズ37Aを有する。凹平レンズ37Aは、電磁石35に電流を流すことによって2つの位置の間で移動可能である。凹平レンズ37Aは、透過性の光学部材であり、撮像光学系31Aのピント位置を変更するレンズである。
固定絞り部材53aには、2つの固定絞り53a1、53a2を構成する2つの開口が形成されている。2つの固定絞り53a1と53a2は、それぞれ右眼光学系ROSと左眼光学系LOSの2つの光路の固定絞りを構成する。
可動絞り部材53bは、矢印で示すように、固定絞り53a1を覆う第1の位置と、固定絞り53a2を覆う第2の位置と、の間で移動可能となっている。開口53b2の内径は、固定絞り53a1、53a2の内径よりも小さい。すなわち、絞り部材である可動絞り部材53bの内径は、各固定絞り53a1、53a2の内径より小さい。
また、2つの固定絞り53a1と53a2の中心間の距離L2も、ステレオ計測における基線長である。図9に示すように、距離L1は、距離L2よりも長い。
撮像光学系31Aは、先端側から、カバーガラス41x、2つの平凹レンズ42Rx、42Lx、2つの平板ガラス43Rx,43Lxと2つの平凸レンズ44Rx,44Lxのそれぞれからなる2つの接合平凸レンズ、シャッタ部33A、光学素子可動部32A、絞り可動部53、両凸レンズ45x、凹平レンズ46x、カバーガラス47、平凸レンズ48、両凸レンズ49、凹平レンズ50、平板ガラス51、カバーガラス52を有している。
2つの平凹レンズ42Rx,42Lxは、ここでは別部材であるが、一体成形された一つの部材でもよい。
光学素子可動部32の構成は、上述した光学素子可動部32の構成と同じであるが、光学素子可動部32の光学素子は、平行平板ガラス37に代えて、凹平レンズ37Aである。
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態は、4つの異なる光学特性を有する被写体の4つの光学像から、近点でのステレオ計測と遠点でのステレオ計測が可能な撮像光学系があるが、本実施の形態は、4つの異なる光学特性を有する被写体の4つの光学像から、倍率がテレ側にあるときの近点画像と遠点画像の2つの光学像と、倍率がワイド側にあるときの近点画像と遠点画像の2つの光学像を形成することができる撮像光学系に関する。
撮像光学系31Bは、テレ光学系TOSと、ワイド光学系WOSを有する。テレ光学系TOSは、望遠光学系であり、ワイド光学系WOSは、広角光学系である。
また、光学素子可動部32は、テレ光学系TOSとワイド光学系WOSのいずれか一方の光学系に配置される。
図12は、光学アダプタ10が装着されたときの内視鏡の撮像光学系の構成図である。
図12は、テレ光学系TOSにおける光路のみが記載されている。図12では、平行平板ガラス37がワイド光学系WOSの光路上に配置され、シャッタ部33の遮蔽部材38もワイド光学系WOSの光路上に配置されているので、テレ光学系TOSにおいて、被写体に対して近点で撮像された近点画像の撮像信号が、撮像素子34から出力される。すなわち、テレ近点画像が取得される。
(1)テレ近点画像、
(2)テレ遠点画像、
(3)ワイド近点画像、
(4)ワイド遠点画像、
の4つの画像が得られる。これら4つの画像は、光学特性が互いに異なる画像である。すなわち、4つの光学特性を有する4つの画像が取得される。
例えば、比較的大きな空間内で、使用しているとき、ワイド側で遠点で対象部位を見ているときに、テレ側の近点画像に切り替えることで、その対象部位の拡大観察ができる。
すなわち、光学アダプタや内視鏡自体の交換なしに、広い視野の観察と、高い解像力の拡大観察を同時に行うことができる。
(変形例2−1)
本変形例1では、平行平板ガラス37に代えて、凸平レンズ37Bを用いて、テレ側とワイド側のそれぞれにおいて、近点画像と遠点画像を得るようにした。
撮像光学系31Cは、先端側から、カバーガラス41、テレ光学系TOSとワイド光学系WOS、シャッタ部33、両凸レンズ68、凹平レンズ69、カバーガラス47、平凸レンズ48、両凸レンズ49、凹平レンズ50、平板ガラス51、カバーガラス52を有している。テレ光学系TOSとワイド光学系WOSは、カバーガラス41と両凸レンズ68の間に配設されている。
シャッタ部33は、メニスカスレンズ62Aと両凸レンズ68の間で、かつ両凸レンズ65Bと両凸レンズ68の間に配設されている。ここでは、シャッタ部33と光学素子可動部32は、隣り合っていない。
図14において、凸平レンズ37Bがワイド光学系WOSの光路上に配置されると、テレ遠点画像が取得される。
図15において、凸平レンズ37Bがワイド光学系WOSの光路上に配置されると、ワイド遠点画像が取得される。
(1)テレ近点画像、
(2)テレ遠点画像、
(3)ワイド近点画像、
(4)ワイド遠点画像、
の4つの画像が得られる。これら4つの画像は、光学特性が互いに異なる画像である。すなわち、4つの光学特性を有する4つの画像が取得される。
(変形例2−2)
テレ光学系TOS及びワイド光学系WOSにおいて光軸を偏心するようにしてもよい。すなわち、テレ光学系TOS及びワイド光学系WOSの2つの光路の各々には、互いに偏心した2つ以上の光学部材を含むようにしてもよい。
平凹レンズ61Bの光軸とメニスカスレンズ64Bの光軸は、同軸である。凸平レンズ62Bと平凹レンズ63Bの光軸も、同軸である。しかし、平凹レンズ61Bの光軸とメニスカスレンズ64Bの光軸に対して、凸平レンズ62Bと平凹レンズ63Bの光軸は、撮像光学系31Dの光軸側に偏心、言い換えると、撮像素子34の撮像面の中心に直交する軸側に偏心している。
一部の光学素子を偏心させることによって、光学系の対称性を維持して、光学性能の向上を図ることができる。
(第3の実施の形態)
第1の実施の形態では、撮像光学系はステレオ光学系であり、第2の実施の形態では、撮像光学系はテレ光学系とワイド光学系を有するが、本実施の形態では、撮像光学系は、直視光学系と側視光学系を有する。
図17は、光学アダプタ10が装着されたときの内視鏡の撮像光学系の構成図である。
図18は、プリズム部72の斜視図である。プリズム部72は、プリズム72aの斜面部と、プリズム72bの斜面部とが接合されている。図17に示すように、プリズム72aが光学アダプタ10の先端側に位置し、プリズム72bが光学アダプタ10の基端側に位置するように、プリズム部72のプリズム光学系は、光学アダプタ10内に配設される。さらに、プリズム72aの一面が平凹レンズ71に対向し、プリズム72bの一面が平凹レンズ76に対向するように、プリズム部72のプリズム光学系は、光学アダプタ10内に配設される。
なお、ミラーとして機能すればアルミ以外を蒸着してもよい。また、金属のミラーを物理的に配置するなど蒸着法以外であってもよい。
すなわち、プリズム部72のプリズム光学系は、平凹レンズ71を通った光束LT1と平凹レンズ76を通った光束LT2とを交差させて、所定の領域に出射する交差光学系を構成する。
平行平板ガラス37が、平凹レンズ76の光路上に配設されると、側視の遠点画像が形成される。
平行平板ガラス37が、平凹レンズ76の光路上に配設されると、直視の近点画像が形成される。
ここでは光軸が互いに直交する例を示したが、例えば光軸が互いに60°で交差するなど、任意の角度で交差する構成としてもよい。
(1)直視近点画像、
(2)直視遠点画像、
(3)側視近点画像、
(4)側視遠点画像、
の4つの画像が得られる。これら4つの画像は、光学特性が互いに異なる画像である。すなわち、4つの光学特性を有する4つの画像が取得される。
(変形例3−1)
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
撮像光学系31Fは、先端側から、平凹レンズ71、プリズム部72、2つの凸平レンズ77F、77S、両凸レンズ78、凹平レンズ79、カバーガラス47、平凸レンズ48、両凸レンズ49、凹平レンズ50、平板ガラス51、カバーガラス52を有している。
図20では、凹平レンズ37Cは、凸平レンズ77Fの光路上に配設されている光学素子である。よって、凸平レンズ77Fからの光が、ミラー領域72c以外の領域を透過して、両凸レンズ78に出射して、撮像素子34には、挿入部5の先端部11の前方の遠点の被写体の光学像が結像している。
同様に、凹平レンズ37Cが凸平レンズ77Sの光路上に配設され、遮蔽部材38が凸平レンズ77Fの光路上に配設されれば、撮像素子34には、挿入部5の先端部11の側方の遠点の被写体の光学像が結像する。
(1)直視近点画像、
(2)直視遠点画像、
(3)側視近点画像、
(4)側視遠点画像、
の4つの画像が得られる。これら4つの画像は、光学特性が互いに異なる画像である。すなわち、4つの光学特性を有する4つの画像が取得される。
(第4の実施の形態)
第2の実施の形態では、テレ側における近点画像と遠点画像と、ワイド側の近点画像と遠点画像の4つの光学特性の異なる4つの画像が得られるが、本実施の形態では、テレ側とワイド側に関係なく、2つの光学系の一方のピント位置と他方のピント位置を異ならせると共に、さらに遠点の範囲を広げる撮像光学系に関する。
撮像光学系31Gは、先端側から、カバーガラス41、2つの平凹レンズ81a、81b、2つの平板ガラス82a、82bと2つの平凸レンズ83a、83bからなる2つの接合平凸レンズ、シャッタ部33、光学素子可動部32、両凸レンズ84、凹平レンズ85、カバーガラス47、平凸レンズ48、両凸レンズ49、凹平レンズ50、平板ガラス51、カバーガラス52を有している。
特に、平凹レンズ81aの凹面の光軸O1を通る点と、平板ガラス82aの先端面の光軸O1を通る点との間の距離dbと、平凹レンズ81bの凹面の光軸O2を通る点と、平板ガラス82bの先端面の光軸O2を通る点との間の距離daは異なっており、daはdbより大きい。
なお、第2光学系SOSの遠点より、第1光学系FOSの近点のほうがピント位置のより遠いほうが観察できる範囲が広がるのでより望ましい。
図22は、撮像光学系31Gにおけるピント位置を説明するための図である。上述したように、撮像光学系31Gは、第1光学系FOSと、第2光学系SOSを有する。
図22に示すように、P21は、直視の超遠点のピント位置を示し、P22は、直視の遠点のピント位置を示し、P23は、直視の近点のピント位置を示し、P24は、超近点のピント位置を示している。
従って、上述した撮像光学系によれば、
(1)直視超遠点画像、
(2)直視遠点画像、
(3)直視近点画像、
(4)直視超近点画像、
の4つの画像が得られる。
以上のように、2つの光路を有する2つの光学系は、被写体側のピント位置が互いに異なっている。
(第5の実施の形態)
第1の実施の形態は、平行平板ガラスを用いて、ステレオ光学系においてピント位置を遠点と近点に切り替える撮像光学系に関するが、本実施の形態は、ピント位置を変えないフィルタを用いて、明るさ等の光学特性を変更する撮像光学系に関する。
撮像光学系31Hは、先端側から、カバーガラス41、2つの平凹レンズ91a、91b、2つの平凹レンズ92a、92b、2つの両凸レンズ93a、93b、光学素子可動部32A、32B、シャッタ部33、両凸レンズ49x、凹平レンズ50x、カバーガラス47、平凸レンズ48、両凸レンズ49と凹平レンズ50の接合レンズ、平板ガラス51、カバーガラス52を有している。
光学素子可動部32A、32Bは、NDフィルタ39を有している。各光学可動素子部32a、32bは、制御部21からの駆動信号DS1、DS2により駆動される。
工業分野では、溶鉱炉などの検査では、極めて明るい被写体がある。本実施の形態の撮像光学系は、そのような被写体に対して有効であり、被写体の明るさのダイナミックレンジを広く変更可能である。
なお、ここでは、光学素子可動部32A、32Bは、NDフィルタ39を有して入射光量を減少させているが、IR(赤外線)カットフィルタ、UV(紫外線)カットフィルタ、R/G/Bなどのカラーフィルタ、偏光フィルタ、バンドパスフィルタなどの他の光学特性を変更する他のフィルタを有するようにしてもよい。
また、4つの光学特性の画像が必要なければ、3つであってもよい。例えば、図17の撮像光学系を管状の被写体の中を観察するとき、側視において遠点の画像の必要がなければ、省略して3つの画像が得られるようにしてもよい。
Claims (21)
- 2つの光路を有する光学系を備えた撮像光学系において、
前記2つの光路の内のいずれか一方の光路を通る光を遮蔽するように、前記2つの光路中に選択的に配置される遮蔽部材と、
前記2つの光路の内のいずれか一方の光路中に選択的に配置される光学作用部材と、
前記遮蔽部材を駆動する第1のアクチュエータと、
前記光学作用部材を駆動する第2のアクチュエータと、
を有する、ことを特徴とする撮像光学系。 - 前記光学作用部材は、光学素子である、ことを特徴とする請求項1に記載の撮像光学系。
- 前記光学素子は、ピント位置を変更する、ことを特徴とする請求項2に記載の撮像光学系。
- 前記ピント位置を変更する前記光学素子は、レンズである、ことを特徴とする請求項3に記載の撮像光学系。
- 前記ピント位置を変更する前記光学素子は、平行平板ガラスである、ことを特徴とする請求項3に記載の撮像光学系。
- 前記平行平板ガラスは、前記ピント位置を遠点とするとき前記ピント位置を前記遠点とする前記2つの光路中の一方に配置され、前記ピント位置を近点とするとき前記一方から退避される、ことを特徴とする請求項5に記載の撮像光学系。
- 前記平行平板ガラスは、物体側から入射する光束が発散している位置に配置される、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記光学作用部材は、絞り部材である、ことを特徴とする請求項1に記載の撮像光学系。
- 前記2つの光路を有する光学系は、2つの固定絞りを備え、
前記絞り部材は、前記第2のアクチュエータにより、各固定絞りの中心軸から偏心して配置され、
前記絞り部材の内径は各固定絞りの内径より小さい、ことを特徴とする請求項8に記載の撮像光学系。 - 前記第2のアクチュエータは、前記絞り部材を、前記2つの固定絞りの2つの中心軸間の距離よりも大きな距離を移動させる、ことを特徴とする請求項9に記載の撮像光学系。
- 前記2つの光路を有する2つの光学系は、被写体側の画角が互いに異なる、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記2つの光路を有する2つの光学系は、被写体側のピント位置が互いに異なる、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記2つの光路を有する2つの光学系は、被写体側の観察視野方向が互いに異なる、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記2つの光路を有する光学系は、ステレオ光学系である、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- ピント位置が変更されたときのピントの移動量を規定する変倍投影光学系を備える、ことを特徴とする請求項3から14のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記変倍投影光学系の物体側に負パワーの物体側レンズを備える、ことを特徴とする請求項15に記載の撮像光学系。
- 前記光学作用部材の像側に配設され、前記光学作用部材から射出した光束を撮像素子に結像させるための結像光学系を備える、ことを特徴とする請求項1から16のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記結像光学系は、最も物体側に正レンズを有する、ことを特徴とする請求項17に記載の撮像光学系。
- 前記変倍投影光学系は、メニスカスレンズである、ことを特徴とする請求項15、16、17、18のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 前記2つの光路の各々には、互いに偏心した2つ以上の光学部材を含む、ことを特徴とする請求項1〜19のいずれか1つに記載の撮像光学系。
- 請求項1から20のいずれか1つの撮像光学系を備えた、ことを特徴とする内視鏡。
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