JP4440769B2 - ビデオ観察及び直接観察を同時にするボアスコープ - Google Patents

Description

本発明は、観察者による直接観察のための虚像と、ディスプレイ上で観察するビデオ画像とを同時に提供するボアスコープ（borescope）に関する。

本明細書において「ボアスコープ」という用語は、接近が困難な位置または不便な位置にある対象物の画像を形成し、その画像をより観察に便利な別の位置に伝送するために使用される光学器械の任意の形態のことを指す。このような器械は、エンドスコープ、ファイバスコープまたはビデオスコープなどの他の名前で呼ばれることも多い。

これらの器械は、通常、その近位端にハウジングを有する、剛体または可撓性の挿入チューブを含む。挿入チューブの遠位端にある対物レンズ系は、対象物の画像を作る。この画像が観察のために近位端に伝送される。ボアスコープは、一般に、視覚系（visual system）を備えるものか、またはビデオ系を備えるものの２つのカテゴリに分類される。

視覚系は３つの光学部分からなる。第１に、挿入チューブの遠位端に対物レンズ系が備えられる。これは、観察の方向を変化させるプリズム構成を含む。この対物レンズ系は対象物の画像を形成する。第２に、挿入チューブの遠位端から近位端まで画像を移すリレー系が備えられる。これは、標準レンズ、ロッドレンズ、勾配率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ、または一束の光ファイバなどの一連のレンズであってもよい。第３に、スコープの近位端のハウジング内に接眼レンズ系が備えられる。これはリレー系の端から実像を受け取り、十分な距離離れた位置、典型的には−１ジオプトリに相当する１メートル離れた位置に、観察者の眼に対して虚像を形成する。

視覚系の利益には、高解像の画像、高ダイナミックレンジ（画像の明るい領域と暗い領域の両方を同時に詳細に観察する能力）、高輝度の画像、可搬性、より低いコスト、及び挿入チューブの高耐温性が含まれる。

ビデオ系は、視覚スコープのように対物レンズ系も含むが、この場合、画像はＣＣＤ（電荷結合素子）などの画像−ビデオコンバータ上に形成される。ＣＣＤは、光学画像を、スコープの近位端までケーブルによって伝達可能な電気信号に変換する。画像プロセッサが備えられ、ビデオ信号をモニタスクリーン等のディスプレイ上で観察可能である形態に加工する。

ビデオ系の利益には、画像を記録及び操作し、スクリーン上に画像を表示し、その結果検査中の対象物の高拡大が得られる能力と、複数の観察者が同時にその画像を見ることのできる能力とが含まれる。さらに、眼の緊張の軽減にもつながり、さらにスコープのハウジングのサイズを減少できるので、スコープをより狭い空間で使用することができる。

視覚ボアスコープの接眼部（eyepiece）にスチルカメラまたはビデオカメラを取り付け、画像をビデオ信号に変換することが可能である。しかし、これをすると、視覚画像を同時に調査するという能力を失うことになる。これは、複雑さとコストを増大させ、またカメラをスコープに接続するためのアダプタも必要となる。カメラとアダプタのサイズの増加は、限られた空間でのスコープの有用性を制限するおそれがある。

本発明は、挿入チューブに接続された遠位端と観察者がのぞき込むことのできる接眼部を備える近位端とを有する本体を含む、ボアスコープを提供する。前記本体は、挿入チューブ内のリレー系から光を受け取るリレーレンズと、観察者による観察用の虚像を形成する接眼レンズと、リレーレンズと接眼レンズとの間の光路に設けられ、リレーレンズから受け取った光の一部を前記光路の側方に設けられた画像−ビデオ変換装置に向かわせるように動作可能なビームスプリッタと、を備え、接眼レンズ、ビームスプリッタ装置及び画像−ビデオ変換装置が、本体によって支持されるマウンティングであって、焦点調整を可能とするために光路に平行な方向で前記本体に対して平行移動可能である共通のマウンティング内に配置されており、リレーレンズがテレセントリックレンズであることを特徴とする。

このようにすると、単一のコンパクトなユニットにて視覚スコープ及びビデオスコープの利点を得ることができ、また、スコープの異なる動作範囲の、可視画像の経路及びビデオ画像の経路について同時に焦点調整を行うことができる。

本体上に回転可能に設けられ、共通のマウンティングに結合された環を備え、当該環の回転によって、光路に平行な方向にマウンティングが平行移動できるようにすることが好ましい。

好ましい実施形態では、ビームスプリッタ装置は、光の一部を光路に対しほぼ９０°の方向に向けるように動作可能なビームスプリッタキューブである。

ビームスプリッタ装置は、受け取った光の約５０％を画像−ビデオ変換装置に向けるように動作可能であると、都合が良い。

ビームスプリッタ装置は、画像−ビデオ変換装置に向けられる光の割合を変更するように調整可能であると、利点がある。

一実施形態では、ビームスプリッタ装置は、光路に沿ってリレーレンズから受け取った全ての光を接眼レンズに伝えるように動作可能な第１の要素と、光の第１部分を光路に沿って伝え、光の第２部分を画像−ビデオ変換装置へ向けるように動作可能な第２要素と、受け取った光の全てを画像−ビデオ変換装置に向けるように動作可能な第３要素と、を含み、前記第１、第２及び第３の要素は、一度に１つの要素を光路に位置させるように選択的に移動可能であることを特徴とする。

このようにすると、ユーザは、用途に応じて、可視画像とビデオ画像を同時に得るか、または画像の任意の一形態を最適化するかを選択することができる。

画像−ビデオ変換装置は、コンパクトさのために、好ましくはフルデジタル信号処理手段を含むＣＣＤボードカメラを含むと、都合が良い。

挿入チューブの遠位端に側面観察用のプリズムを備えるボアスコープを用いた使用に適応するために、画像−ビデオ変換装置は、画像の反転の補正ができるようにプログラム可能であってもよい。

代替的に、ビームスプリッタ装置は、画像−ビデオ変換装置によって受け取られる画像が偶数回反射されていることを確実にするように構成することができる。

さらに、反転補正装置は、接眼レンズの近くの本体内に設けることができ、これによって、観察者により直接観察される画像の補正を確実にする。

画像にはっきりとしたエッジを与えるために、最後のリレーレンズとビームスプリッタ装置の間の、最後の実像の位置で光路にフィールドマスクを設けてもよい。

以下、添付の図面を参照し、例示のみを目的として本発明を詳細に記述する。

図１は、ボアスコープの近位端に備えられたアセンブリ１０を示す。アセンブリ１０は、ハウジング１２と、ユーザの手によって把持可能なハンドル部１４とを含む。挿入チューブ（図示せず）は、図中右方に示されているハウジング１２の遠位端に接続される。

挿入チューブは、従来の視覚系を含む。すなわち、遠位端にある観察窓と、対象物の画像を形成する対物レンズ系と、挿入チューブの近位端及びリレー系の最後のリレーレンズ１６が備えられるハウジング１２内に画像を伝えるリレー系とを含む。

接眼レンズ１８は、図の左方に示されているハウジング１２の近位端に向かって設けられている。当分野では既知のように、最後のリレーレンズ１６及び接眼レンズ１８は、単一のレンズであっても、または二枚以上のレンズの組合せのどちらでもよい。

焦点調整環（focus collar）２０は、ハウジング１２に回転可能に設けられるが、これについては後述する。

スコープが側面方向の観察、すなわち、挿入チューブの側方の対象物を観察する場合、スコープは、挿入チューブの遠位端に、画像を反転するプリズムを含む。この反転を補正するために、この場合、接眼レンズ１８の遠位側でハウジング１２内に、ドーブプリズム２２などの補正系が設けられる。さらに、挿入チューブがその長手軸の周りに回転可能であり全周走査（orbital scanning）する場合、走査制御環２４をハウジング１２に回転可能に設けることができる。

典型的に、観察中の対象物の照明は、光ガイドからの光を挿入チューブに沿って伝送する光ファイバの束によって与えられる。従来の方式で、光ファイバの束（図示せず）を外部光源（図示せず）からのケーブルに結合する光ガイドコネクタ２６をハンドル１４に組み込むことができる。

したがって、従来の視覚系のように、本発明のボアスコープにおいて、リレーレンズ１６からの光は接眼レンズ系１８に渡され、その後、アセンブリ１０の近位端で接眼部に接して位置する観察者の眼に届く。

しかしながら、本発明には、最後のリレーレンズ１６と接眼レンズ１８の間に備えられるビームスプリッタ装置２８がさらに組み込まれている。これは、リレーレンズ１６と接眼レンズ１８の間の光路にほぼ垂直な最後のリレーレンズ１６から受け取った光の一部を、光路に対し９０°の角度で設けられたＣＣＤ３０などの画像−ビデオ変換装置へと向きを変える。ビームスプリッタ装置２８は任意のタイプのものであってよいが、現在のところ、界面にコーティングが施された２つの直角プリズムから形成されるビームスプリッタキューブが好ましい。

ハンドル部１４に接続されたケーブル３２は、ＣＣＤ３０にパワー入力を提供し、またＣＣＤ３０からディスプレイモニタ（図示せず）に伝送するビデオ出力を受け取る。したがって、観察者は、接眼部を通して画像を直接観察するのと同時に、ディスプレイモニタ上で画像のビデオ信号を観察することができる。

好ましくは、系は、ディスプレイモニタ上にフルスクリーン画像を与えるために、ＣＣＤ３０をオーバフィル（overfill）するように設計されている。また、接眼部をのぞき込む観察者によって観察される画像にはっきりしたエッジを与えるために、フィールドマスク３４、すなわち、円形の開口部を持つプレートが、接眼レンズ１８とビームスプリッタ２８との間の、系の最終的な実像の位置に配置されている。接眼レンズ１８は、従来の視覚スコープと同じ視野で、フィールドマスク３４と最終画像の両方の虚像を形成するように設計されている。

好ましくは、ＣＣＤ３０は支持柱３６に設けられ、支持柱は、接眼レンズ１８とフィールドマスク３４とビームスプリッタ２８とを支えるマウンティングキャリッジ３８に接続されている。このキャリッジ３８は、スコープを通過する主要光路と平行な方向に平行移動可能である。この平行移動は、キャリッジ３８に結合された焦点調整環２０によって実現され、焦点調整環２０の回転によってキャリッジ３８の直線平行移動が行われる。したがって、スコープの異なる動作範囲の、ＣＣＤの経路と可視画像の経路について同時に焦点調整を実行することができる。スコープ特性の必要な動作範囲に対して、ＣＣＤ及び接眼レンズの両方の焦点移動が同一となるように、レンズが設計される。

さらに、光学設計は、ビームスプリッタ装置２８を原因とする球面収差が排除されるように設計される。ビームスプリッタ装置の使用時に出現する非点収差、コマ収差（coma）、及び歪曲収差などの軸収差を取り除くため、最後のリレーレンズ１６からの光線が全て平行となるように、テレセントリック（telecentric）設計が使用される。

画像−ビデオ変換装置は、フルデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）セットを備えるＣＣＤボードカメラ３０である。これは、装置がコンパクトであり、パワー入力ケーブルとビデオ出力ケーブル３２しか必要としないことを意味する。好ましい実施形態では、パワー変換ボード４０がハンドル部１４内に配置され、７〜３０ボルトの電圧範囲を入力として使用できるようにする。

ＣＣＤ３０は、スコープが遠位端に側方観察用のプリズムを持つときのように、系内で奇数回の反射が起こる場合に生じる画像の反転を補正できるように、プログラム可能となっている。

代替的に、ビームスプリッタ２８は、図２の第２の実施形態に示すように、光がＣＣＤ３０に入力する前に偶数回の反射が起こることを確実にするように構成可能である。ここで、一度目の反射は挿入チューブの遠位端のプリズム内で発生し、二度目の反射はリレーレンズ系の一部であるドーブプリズム２２内で発生する。したがって、接眼レンズ１８を通過する光は、二回の反射を経る。ビームスプリッタ２８は、さらに二回の反射を与えるように構成されており、ＣＣＤが偶数回の画像の反射を受け取ることを確実にする。

典型的に、ビームスプリッタ２８は、受け取る光の約５０％を接眼レンズ１８に伝え、残りの５０％をＣＣＤ３０の方向に向けるように構成される。しかし、将来のＣＣＤセンサはより高感度になりうると予測され、もしそうなれば、視覚系及びビデオ系の両方について画像の輝度を最大にするように上記割合を変更することができる。

さらに、特定の用途では、視覚系又はビデオ系のいずれかを通る光のスループットを最大とすることか好ましい場合もある。図３の本発明の第３の実施形態では、並設された３つの代替要素を備える追加の装置４６が備えられる。中心にはビームスプリッタキューブ２８があり、これは、リレーレンズ１６から受け取った光の一部を接眼レンズ１８に伝え、残りの部分をＣＣＤに向かわせる。一方の側にはグラスキューブなどの要素４８があり、これは全ての光を伝え、向きを変えない。もう一方の側にはプリズムなどの第３の要素５０があり、これは、全ての光をＣＣＤ３０に向かわせ、接眼レンズ１８には何も伝えない。３つの要素２８、４８、５０の寸法は、最終画像への光路長が同一となるようにする。装置４６は、矢印で示すように、光路に対して垂直な方向に平行移動することができる。これによってユーザは、要素２８、４８、５０のうちどれを光路に配置するかを選択することができ、したがって、全ての光をＣＣＤ３０に向かわせるのか、全ての光を眼に伝えるのか、あるいはその２つの間で分離するのかを選択することができる。

このように、本発明は、単一のコンパクトな構成で、視覚とビデオの能力を兼ね備えたボアスコープを提供する。視覚系及びビデオ系の両方の利益を同時に利用可能である。当業者は、特許請求の範囲に述べられた本発明の範囲を逸脱することなく、上述の正確な詳細説明に対し多数の変更及び修正をなすことができることを認めるであろう。

本発明の第１の実施形態によるボアスコープのハウジングの断面図である。 本発明の第２の実施形態において使用されるレンズ及びプリズム構成の側面図である。 本発明の第３の実施形態において使用されるレンズ及びプリズム構成の透視図である。

Claims (12)

1. 挿入チューブに接続された遠位端と、観察者がのぞき込むことのできる接眼部を備える近位端とを有する本体を含む、ボアスコープであって、
   前記本体は、
   前記挿入チューブ内のリレー系から光を受け取るリレーレンズと、
   観察者による観察用の虚像を形成する接眼レンズと、
   前記リレーレンズと前記接眼レンズとの間の光路に設けられ、前記リレーレンズから受け取った光の一部を、前記光路の側方に設けられた画像−ビデオ変換装置に向かわせるように動作可能なビームスプリッタ装置と、を備え、
   前記接眼レンズ、ビームスプリッタ装置及び画像−ビデオ変換装置が、前記本体によって支持されるマウンティングであって、焦点調整を可能とするために前記光路に平行な方向で前記本体に対して平行移動可能である共通のマウンティング内に配置されており、前記リレーレンズがテレセントリックレンズであることを特徴とする、ボアスコープ。
2. 前記本体上に回転可能に設けられ前記共通のマウンティングに結合された環であって、当該環の回転によって、前記光路に平行な方向に前記マウンティングが平行移動することを特徴とする請求項１に記載のボアスコープ。
3. 前記ビームスプリッタ装置は、光の一部を前記光路に対しほぼ９０°の方向に向けるように動作可能なビームスプリッタキューブであることを特徴とする請求項１または２に記載のボアスコープ。
4. 前記ビームスプリッタ装置は、受け取った光の約５０％を前記画像−ビデオ変換装置に向けるように動作可能であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のボアスコープ。
5. 前記ビームスプリッタ装置は、前記画像−ビデオ変換装置に向けられる光の割合を変更するよう調節可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のボアスコープ。
6. 前記ビームスプリッタ装置は、
   前記光路に沿って前記リレーレンズから受け取った全ての光を前記接眼レンズに伝えるように動作可能な第１の要素と、
   光の第１部分を前記光路に沿って伝え、光の第２部分を前記画像−ビデオ変換装置へ向けるように動作可能な第２の要素と、
   受け取った光の全てを前記画像−ビデオ変換装置に向けるように動作可能な第３の要素と、を含み、
   前記第１、第２及び第３の要素は、一度に１つの要素を前記光路に位置させるように選択的に移動可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のボアスコープ。
7. 前記画像−ビデオ変換装置がＣＣＤボードカメラを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のボアスコープ。
8. 前記ＣＣＤボードカメラがフルデジタル信号処理手段を含むことを特徴とする請求項７に記載のボアスコープ。
9. 前記画像−ビデオ変換装置は、画像の反転の補正ができるようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のボアスコープ。
10. 前記ビームスプリッタ装置は、前記画像−ビデオ変換装置によって受け取られる画像が偶数回反射されていることを確実にするように構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のボアスコープ。
11. 前記接眼レンズの近くの本体内に設けられた反転補正装置をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のボアスコープ。
12. 最後のリレーレンズと前記ビームスプリッタ装置の間に、最後の実像の位置で光路に設けられたフィールドマスクをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のボアスコープ。

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