JPH0856891A - 立体視硬性内視鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 手元側の光軸方向の長さ短縮により小型化で
きる立体視硬性内視鏡を提供すること。 【構成】 対物光学系２で結像された物体１の像は、同
じ光軸Ｏ上に配置されたリレー光学系３により伝送さ
れ、手元側に最終像４を結び、この最終像４から光軸Ｏ
の左右に偏心する光軸Ｏａ，Ｏｂ上に配置された分離撮
像光学系５Ａ，５Ｂに主光線が斜めの入射角θで入射さ
れ、かつこの入射角θと同じ符号の出射角で斜め後方に
出射され、これら光軸Ｏａ，Ｏｂよりもさらに中心軸１
７ａ，１７ｂが左右に偏心して配置された撮像素子１６
Ａ，１６Ｂの撮像面に左右の像を撮像面像７Ａ，７Ｂと
して結ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検体を立体視観察で
きる立体視硬性内視鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、外科手術の手技の発達に伴い、従
来の開腹手術に換えて硬性内視鏡を使って腹部に小さな
穴をあけて腹腔内を観察したり、手術を行う内視鏡下の
外科手術が普及してきている。

【０００３】これまでは、硬性内視鏡とＴＶカメラを組
み合わせた装置で観察を行っていたが、奥行き情報がな
いため手術に時間がかかっていた。しかし、最近になっ
て奥行き情報を併せ持った立体視硬性内視鏡システムが
開発されている。図９はそのシステム６１の概念図であ
り、基本的には以下に示す４つの系を含む。

【０００４】被検体内に挿入する挿入部６２を有し、観
察光学系、撮像素子、照明光学系を含む構成で、視差を
有する２つの物体像を取得する立体視硬性内視鏡６３
と、上記撮像素子により取得した信号を処理する映像信
号処理系６４と、上記映像信号処理系６４により生成さ
れた映像信号から立体画像を観察者に提供する立体表示
系６５と、立体視硬性内視鏡６３に照明光を供給する照
明用光源装置６６とを有する。

【０００５】図１０（ａ）に示す構成の従来例の立体視
硬性内視鏡４１は、完全に独立した２本の光学系を並列
に配置し、撮像素子１６Ａ′，１６Ｂ′上に結像する。
つまり２つの対物光学系２Ａ′，２Ｂ′で互いに視差の
ある左右像を取り込み、それぞれの像をリレー光学系３
Ａ′，３Ｂ′で伝送し、左右光軸間隔を拡げるための軸
間隔拡大光学系４Ａ′，４Ｂ′で光路を変更し、さらに
撮像光学系１５Ａ′，１５Ｂ′を経て撮像素子１６
Ａ′，１６Ｂ′上に結像する構成になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１０（ａ）の光学系
では左右それぞれの光学系が独立しているため、視野方
向のバラツキや、倍率、ピント等の光学性能には、左右
光学系の相対的な差があるために、それをなくすための
光学調整が非常に煩雑になる。また、左右それぞれに光
学系が独立しているために部品点数が多くなり、高価と
なる。

【０００７】一方、図１０（ｂ）に示す従来例（独実案
Ｇ９２１７９８０）の立体視硬性内視鏡９１は、挿入部
に物体像を結像させる対物光学系２′と、この対物光学
系２′の像をリレーするリレー光学系３′と、そのリレ
ー光学系３′の最終像４′を無限遠に結像させる無限遠
結像光学系９が組込まれていて、これらは同一の光軸を
有している。

【０００８】その後方には、２つの開口部を有した明る
さ絞り６′と、その明るさ絞り６′で制限された光束を
撮像素子１６Ａ′，１６Ｂ′の撮像面に像７Ａ′，７
Ｂ′を結像させるために並列に配置された２つの分離撮
像光学系５Ａ′，５Ｂ′（５′で総称）と、左右光軸間
隔を拡げるための軸間隔拡大光学系１０Ａ，１０Ｂと、
撮像素子１６Ａ′，１６Ｂ′がそれぞれ２つ配置された
構成となっている。

【０００９】この立体視硬性内視鏡５１は、光軸が対物
光学系２′、リレー光学系３′、無限遠結像光学系９を
共に共有している。従って、図１０（ａ）の２本光学系
の構成に生じた左右画像のピントのバラツキ、倍率のバ
ラツキが大きいという欠点と部品点数が多くなるという
点は改善されている。

【００１０】しかし、この構成では、左右の光軸間隔を
拡げるための軸間隔拡大光学系１０Ａ′，１０Ｂ′が存
在するため、プリズムもしくはミラーの光学調整が必要
となり調整が複雑化する。また、軸間隔拡大光学系１０
Ａ′，１０Ｂ′を用いない構成とした場合においても、
この従来例の構成では分離撮像光学系５Ａ′，５Ｂ′の
光軸上に撮像素子１６Ａ′，１６Ｂ′の撮像面の中心を
設定しているので、手元側（挿入部以外の部分）が光軸
方向に長くなり大型化してしまい、操作しにくくなると
いう問題がある。

【００１１】本発明は上述した課題に鑑みなされたもの
で、その目的は手元側の光軸方向の長さ短縮により小型
化できる立体視硬性内視鏡を提供することにある。ま
た、本発明の他の目的は撮像素子側の光軸間隔を拡げる
軸間隔拡大光学系が不要で左右の光学調整が容易である
立体視硬性内視鏡を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】被検体内に挿
入される挿入部と、前記挿入部先端内に配置され、１つ
の光軸を有して物体の像を結ぶための対物光学系と、前
記対物光学系と共通の光軸を有し、かつ、前記対物光学
系で結像した像を手元側方向に伝達するためのリレー光
学系と、２つの光軸を有し、かつ、前記リレー光学系の
手元側に形成された最終像からの光束を斜め後方側に導
き、互いに視差のある２つの像に分離して結像する分離
撮像光学系と、前記分離して結像される左右の像を撮像
する撮像素子と、を有することによって、リレー光学系
の最終像からの光束を分離撮像光学系により斜め後方側
に導いて撮像素子上に左右の像を結ぶようにして光軸方
向の長さを短縮できるようにして小型化を可能にする。

【００１３】また、この構成で軸間隔拡大光学系を不要
にすることができ、この場合には軸間隔拡大光学系の調
整が不要で、かつ手元側の光学系を小型化することもで
きる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を具体
的に説明する。図１〜図５は本発明の第１実施例に係
り、図１は本発明の第１実施例の立体視硬性内視鏡の概
略の構成を示し、図２は第１実施例の立体視硬性内視鏡
の光学系の具体的な構成を示し、図３（ａ）は図２の光
学系を機能的な模式図で示し、図３（ｂ）は比較のため
の従来例の光学系を機能的な模式図で示し、図４は分離
撮像光学系の一部を示し、図５は非球面の座標系を示
す。

【００１５】図１に示すように本発明の第１実施例の立
体視硬性内視鏡１１は直視型の硬性内視鏡部（スコープ
部と略記）１２ａと、このスコープ部１２ａに着脱自在
で接続されるカメラヘッド部１３とから構成される。ま
た、直視型のスコープ部１２ａの代わりに斜視型のスコ
ープ部１２ｂと、このスコープ部１２ｂに着脱自在で接
続されるカメラヘッド部１３とから構成することもでき
る。

【００１６】スコープ部１２ａ又は１２ｂは、被検体内
に挿入可能なように硬性で細長にされた挿入部１４と、
この挿入部１４の後端に形成された太径の把持部１５と
を有し、この把持部１５の後端にはカメラヘッド部１３
が着脱自在で接続できる。

【００１７】挿入部１４内には図示しないライトガイド
が挿通され、このライトガイドは把持部１５の側部のラ
イトガイド口金に至り、図示しないライトガイドケーブ
ルを介して光源装置と接続することにより光源装置から
の照明光を伝送し、挿入部１４の先端部の照明窓から前
方或いは斜め前方に出射し、被検体内の患部などの物体
１（図２参照）を照明する。照明された物体１は挿入部
１４の先端部に配置した対物光学系２によってその結像
位置に、物体１の像を結ぶ。

【００１８】対物光学系２の光軸（斜視型の場合には対
物光学系２の後群レンズ系の光軸）Ｏ上に挿入部１４内
及び把持部１５内にリレー光学系３が配置され、後方側
に像を順次結び、像を後方側に伝送する。そして、リレ
ー光学系３の後方位置に伝送した最終像４（図２参照）
を結ぶ。この最終像４はカメラヘッド部１３内に、左右
に配置された分離撮像光学系５Ａ，５Ｂ（図２の絞り６
も含めて分離撮像光学系５とも記す）によってそれぞれ
斜め後方側の左右の結像位置に像７Ａ，７Ｂを結ぶ。左
右の結像位置には撮像素子１６ａ，１６ｂの撮像面が配
置され、結像された左右の像７Ａ，７Ｂをそれぞれ光電
変換する。このように左右の結像位置は撮像面の位置で
もあるので、像７Ａ，７Ｂを撮像面像７Ａ，７Ｂとも記
す。

【００１９】図２は例えば直視型のスコープ部１２ａに
カメラヘッド部１３を装着した場合の光学系全体の具体
的構成を示し、図３（ａ）はその光学系を機能的な模式
図で示している。

【００２０】この実施例の光学系では、分離撮像光学系
５以降が２光軸の偏心光学系となり、少なくとも５本の
機械的に定まる光軸（対物・リレー光学系の光軸Ｏ、左
右の２本の分離撮像光学系５Ａ，５Ｂの光軸Ｏａ，Ｏ
ｂ、左右２個の撮像素子１６Ａ，１６Ｂの撮像面中心軸
１７ａ，１７ｂ）が存在する。

【００２１】図２に示すように物体１の中心を出射する
２本の光線は、光軸Ｏ上に配置された対物光学系２、リ
レー光学系３を経て最終像４の位置に至る。そして、こ
の最終像４の位置から出た光線は光軸Ｏの後方側に左右
に偏心して形成された絞り６の各開口を通る斜めの光路
を通り、光軸Ｏから左右に偏心する光軸Ｏａ，Ｏｂに配
置された分離撮像光学系５Ａ，５Ｂ、光学フィルタ群１
７を経て、光軸Ｏａ，Ｏｂよりもさらに大きく左右に偏
心して配置された左右の撮像素子１６Ａ，１６Ｂの撮像
面の中心に到達するように、手元側の光学系（分離撮像
光学系５以降）が設定されている。

【００２２】図２で物体１の中心を出射する２本の光線
は、上記のように共通の光軸Ｏ上の対物光学系２、リレ
ー光学系３を経て最終像４の位置に至り、この最終像４
の位置から出た光線はさらに分離撮像光学系５Ａ，５
Ｂ、光学フィルタ群１７を経てそれぞれ左右の撮像素子
１６Ａ，１６Ｂの撮像面の中心に到達するので、上記２
本の光線は光学的に定まる左右の立体視軸とみなすこと
ができる。

【００２３】後述のデータ中に示した内向角とは、これ
ら２本の立体視軸の物体１側でのはさみ角であり、この
大きさが立体感を左右する。内向角が大きいほど立体感
が増大し、奥行き方向の情報を捉えやすくなるが、内向
角が大きすぎると観察者が疲労しやすくなるため、用途
に応じた適度な内向角の設定が必要となる。

【００２４】本実施例の光学系では図１０（ａ）に示し
た従来のタイプよりも内向角が小さくなりやすいため、
対物光学系２、リレー光学系３を非立体視の硬性内視鏡
よりも太くして開口数を大きくとることにより適度な内
向角が得られるようにしている。

【００２５】対物光学系２は斜視化も想定して設計して
いる。図２に示したものは直視であるが、物体側の長い
棒状部材２ａを斜視プリズムに置き換えることによっ
て、斜視型も構成できる。対物光学系２のその他の特徴
としては、非球面を用いてディストーションを補正して
いることが挙げられる。

【００２６】先端部の平凹レンズ２ｂの凹面が非球面で
あり、非球面の形状をレンズの周辺にいくに従い曲率が
弱まる形状とすることにより主光線の過度の屈折を抑制
し、ディストーションを補正している。ディストーショ
ンが残存するとそれによる像の歪みを奥行き方向の情報
と錯覚してしまい正確な立体感を得にくくなり望ましく
ない。ディストーションを補正しない場合は画角６５°
で−１５％程度のタル型ディストーションとなるが、本
実施例のデータでは−２．８８％であり、ディストーシ
ョンは十分に補正されている。

【００２７】リレー光学系３は像伝送を例えば３回行う
ために３つのリレーレンズ系３ａ，３ｂ，３ｃで構成し
た部分光学系を有し、リレーレンズ系３ａと３ｂを同一
の構成としている。また、リレーレンズ系３ａ，３ｂは
光軸方向に沿って前後に対称なレンズ系で構成され、像
倍率は−１倍、入射瞳・射出瞳位置は無限遠で設計して
いる。リレーレンズ系３ｃは像倍率が−１．１６倍、入
射瞳位置は無限遠、射出瞳位置は有限で設計している。
また、リレーレンズ系３ｃの構成をリレーレンズ系３
ａ，３ｂと変えている理由はリレー光学系３の射出瞳位
置を分離撮像光学系５の入射瞳位置（図２では明るさ絞
り６の位置）に合わせるためである。

【００２８】リレー光学系３の射出瞳位置が分離撮像光
学系５の入射瞳位置からずれると、軸外の光束が明るさ
絞り６の左右の開口を通過できなくなり、視野周辺の像
がけられる問題が生じる。このため、リレーレンズ系３
ｃではリレー最終像４に最も近接したところに正のパワ
ーのフィールドレンズ３ｄを配置して、そのパワーによ
り射出瞳位置を制御している。

【００２９】尚、製品の構成上、スコープ部１２ａとカ
メラヘッド部１３を分離して構成する場合は、リレー光
学系３中にスコープ部の組立時ピント調整を行うための
ピント調整機構を設けるとよい。具体的には、リレーレ
ンズ系３ｃ中のレンズの少なくとも一部を光軸方向に移
動させる機構を持たせればよい。本実施例では図中の３
ｄを単独で光軸方向に移動することによりピント調整を
行うことができる。

【００３０】尚、フィールドレンズ３ｄに入射する光束
は平行光束になるように設計している。また、レンズを
動かさないピント調整方法としては、カメラヘッド部１
３と接続する際の機械的位置を決定するスコープ部１２
ａ又は１２ｂのつきあて位置とリレー最終像４の間隔を
機械的に変動可能なようにする方法がある。

【００３１】明るさ絞り６はこの実施例においては分離
撮像光学系５の最前方に配置している。この場合、製品
構成上のスコープ部１２ａ又は１２ｂとカメラヘッド部
１３の分離は明るさ絞り６の前後どちらかで行うのが望
ましい。

【００３２】明るさ絞り６をスコープ部１２ａ又は１２
ｂに配置する場合はカメラヘッド部１３内の分離撮像光
学系５と機械的に別体となってしまうため、分離撮像光
学系５の左右光軸と明るさ絞り６の左右開口の軸合わせ
に配慮した機械設計が必要となる。特に、スコープ部１
２ａ又は１２ｂとカメラヘッド部１３を相対的に回転さ
せる場合は、スコープ部１２ａ又は１２ｂ内の明るさ絞
り６はスコープ部１２ａ又は１２ｂの回転と同期せず
に、カメラヘッド部１３と同期させ光軸ずれが生じない
ようにせねばならない。

【００３３】分離撮像光学系５の左右の分離撮像光学系
５Ａ，５Ｂはそれぞれ第１及び第２分離撮像レンズ系５
ｃ，５ｄの２つの部分光学系からなり、前側レンズ群と
なる第１分離撮像レンズ系５ｃは撮像素子１６Ａ，１６
Ｂ側に凸面を有する正の接合メニスカスレンズ、後側レ
ンズ群となる第２分離撮像レンズ系５ｄは第１分離撮像
レンズ系５ｃ側から順に正の単レンズ、負の単レンズか
らなる。第２分離撮像レンズ系５ｄを正負のパワー配置
で構成した理由は、主点位置を第１分離撮像レンズ系５
ｃ側によせてバックフォーカスを短くし、少しでも手元
側の光学系の長さを短くするためである。

【００３４】第１及び第２分離撮像レンズ系５ｃ，５ｄ
の間では平行光束が得られるように設計しているが、こ
れはスコープ部１２ａ又は１２ｂとカメラヘッド部１３
を分離して構成する際に効果を発揮するもので、カメラ
ヘッド部１３のピント調整を行う際に非常に有効であ
る。レンズを光軸方向に移動させることによるピント調
整では、通常は同時に像倍率の変動が生じてしまう。こ
のため、左右独立にピント調整を行わざるを得ない場合
には左右の倍率差が生じてしまう。

【００３５】本実施例の構成では、第１及び第２分離撮
像レンズ系５ｃ，５ｄ間が平行光束であることにより、
そのどちらか一方をピント調整のために移動させても像
倍率の変動がほとんど生じない。そのため、左右独立に
ピント調整を行っても左右の倍率差が生じないため、立
体視への悪影響がない。

【００３６】尚、撮像素子１６Ａ，１６Ｂの光軸方向の
移動機構が設置可能であれば、分離撮像光学系５でのピ
ント調整は不要である。

【００３７】左右の分離撮像光学系５Ａ，５Ｂの光軸間
隔ｄは両撮像面の中心軸間の間隔Ｄ（単に中心軸間隔Ｄ
とも記す）よりも狭いため、レンズの配置に困難を伴う
場合がある。本実施例の場合、左右の分離撮像光学系５
Ａ，５Ｂの光軸間隔ｄよりも左右の分離撮像光学系５
Ａ，５Ｂ中のレンズ有効径の方が大きいため、円形のレ
ンズでは左右のレンズ同士がぶつかる問題が生じてしま
う。このため、左右の分離撮像光学系５Ａ，５Ｂに用い
るレンズは単なる円形でなく左右相対する側の一部を削
ったレンズを用いる必要がある。具体的には、図４の如
く機械的障害の生じる側のレンズの外周部を直線状に削
りおとすのが望ましい。尚、図４には第１分離撮像レン
ズ系５ｃのみしか表示していないが、第２分離撮像レン
ズ系５ｄにも同様の加工が施されている。

【００３８】撮像素子１６Ａ，１６Ｂと左右の分離撮像
光学系５Ａ，５Ｂの間には光学フィルタ群１７を配置し
ている。その内訳は、赤外カットフィルタ、処置用レー
ザ光カットフィルタ（主にＹＡＧレーザ）、光学的ロー
パスフィルタ（主に水晶）などである。

【００３９】続いて、リレー光学系３と分離撮像光学系
５の間を境にスコープ部１２ａ又は１２ｂとカメラヘッ
ド部１３を分離する際の光学調整について述べる。図１
に示す構成では、１つのカメラヘッド部１３に複数のス
コープ部１２ａ又は１２ｂを取り付けて使用するため、
各システムの光学的互換性の確保が重要となる。そのた
めには、製品組立時の光学調整として以下の調整機構が
必要である。

【００４０】スコープ部１２ａ又は１２ｂのピント調整
機構（リレー光学系３における光軸方向のレンズ移動、
または、カメラヘッド部１３と接続するマウントつきあ
て位置の光軸方向の調整） カメラヘッド部１３のピント調整機構（分離撮像光学系
５における光軸方向のレンズ移動、または、撮像素子１
６Ａ，１６Ｂの光軸方向の移動） カメラヘッド部１３における、撮像素子１６Ａ，１６Ｂ
の光軸に垂直な平面内での位置移動による偏心調整 カメラヘッド部１３における、撮像素子１６Ａ，１６Ｂ
の光軸に垂直な平面内での回転方向の調整 上記に示す調整機構を持たせないと、スコープ部１２ａ
又は１２ｂとカメラヘッド部１３を分離する際の光学的
互換性の確保が困難となり、スコープ部１２ａ又は１２
ｂとカメラヘッド部１３を接続しただけで良好な立体観
察を行うことが困難となり、ユーザにとって不便にな
る。

【００４１】図３（ａ）の光学系模式図においては、こ
の実施例の大きな特徴となるリレー光学系以降の部分に
関しては、レンズのパワー配置を用いて示している。図
３（ａ）において、太線の矢印は実像を示し、細線で両
端に矢を有する矢印はレンズによる正のパワーを示す。
物体１を出た光束は対物光学系２、リレー光学系３を通
過後、リレー最終像４を形成する。リレー最終像４は左
右に分離されていない単なる１つの実像である。

【００４２】リレー最終像４を出た光束は、左右独立の
２光軸からなる分離撮像光学系５Ａ，５Ｂに入射し、左
右の像を形成する光束はここで完全に分離される。通常
は分離撮像光学系５Ａ，５Ｂの前後もしくは内部に明る
さ絞り６を設ける。分離撮像光学系５Ａ，５Ｂを通過し
た光束は左右独立の２つの実像である撮像面像７Ａ，７
Ｂを形成する。この撮像面像７Ａ，７Ｂの位置に撮像素
子１６Ａ，１６Ｂの撮像面をそれぞれ配置することによ
り、視差を有する左右の物体像の撮像が可能となる。

【００４３】手元側の光軸方向の長さはリレー最終像４
から撮像面像７Ａ，７Ｂまでの距離Ｌに依存し、距離Ｌ
が小さいほど手元側を短くでき望ましい。仕様からのＬ
の見積値をＬｅとすると第１実施例の構成におけるＬｅ
は下式で求められる。

【００４４】 Ｌｅ＝Ｄ（１−β）／｜２（ｔａｎθ−βｔａｎθ′）｜ （１） （１）式にてθ′＝θの場合には Ｌｅ＝Ｄ／｜２ｔａｎθ｜ （２） また、（１）式にてθ′＝０°の場合には Ｌｅ＝Ｄ（１−β）／｜２ｔａｎθ｜ （３） ここで、θ，θ′はリレー最終像４の中心から出射し、
明るさ絞り６の左右の開口中心を通る分離撮像光学系５
Ａ，５Ｂの主光線の入射角，出射角、Ｄは撮像面像７
Ａ，７Ｂの中心軸間の間隔、βはリレー最終像４から撮
像面像７Ａ，７Ｂまでの光学系における像の近軸横倍率
である。本実施例の構成ではβは分離撮像光学系５Ａ，
５Ｂの近軸横倍率となる。また、θ，θ′共に正であ
る。

【００４５】（１）式中のパラメータのうち、θ，Ｄ，
βは設計仕様に応じておおよそ定まってしまう。入射角
θの選択は立体感に影響を与えるが、立体感を大きくす
るためにはリレー光学系３の開口数をフルに活用する必
要が生じるため、入射角θはリレー光学系３の開口数に
応じて定まる。

【００４６】中心軸間隔Ｄは手元側の横幅縮小のために
は左右の撮像素子１６Ａ，１６Ｂのパッケージがぶつか
り合わない程度で小さな値を選択する必要がある。近軸
横倍率βは用いる撮像素子１６Ａ，１６Ｂに応じて定め
られている。

【００４７】このように、リレー光学系３の開口数と撮
像素子１６Ａ，１６Ｂが決まればθ，Ｄ，βの取り得る
値がほぼ決定されてしまう。故に、（１）式中に残され
た自由度を有するパラメータは出射角θ′だけとなる。

【００４８】（１）式では出射角θ′が大きくなるほど
見積値Ｌｅを小さくできることがわかる。参考にθ′＝
θの場合の（２）式、θ′＝０°の場合の（３）式を比
べると、見積値Ｌｅは常に（２）式の方が（３）式より
も小さい。特にβ≦−１の拡大系の場合は２倍以上の違
いを生じてしまう。

【００４９】本実施例の構成ではリレー最終像４の直後
に分離撮像光学系５Ａ，５Ｂを配置させて、リレー最終
像４の中心から出射し、明るさ絞り６の左右の開口中心
を通る分離撮像光学系５Ａ，５Ｂの主光線を斜めに出射
させることにより、見積値Ｌｅを小さくし手元側の長さ
を短縮した。

【００５０】次に、比較のため、従来の構成における見
積値Ｌｅについて述べる。図３（ｂ）は従来例である独
実案Ｇ９２１７９８０の構成から軸間隔拡大光学系１０
Ａ′，１０Ｂ′を削除した構成における光学系の模式図
である。物体１からリレー最終像４′までは図３（ａ）
とほぼ同じであるが、それ以降の光学系が大きく異なっ
ている。

【００５１】リレー最終像４′を出た光束は、リレー光
学系３′と同軸の無限遠結像光学系９で平行光束に変換
される。平行光束は左右独立の２光軸からなる分離撮像
光学系５′及び明るさ絞り６′を通過して、左右独立の
２つの実像である撮像面像７Ａ′，７Ｂ′を形成する。
この構成の場合には、θ′＝０°に限られることによ
り、見積値Ｌｅは先に示した（３）式で表現される。
尚、図３（ｂ）の場合の近軸横倍率βは無限遠結像光学
系９の焦点距離をｆａ、分離撮像光学系５′の焦点距離
をｆｂとすると、β＝−ｆｂ／ｆａの関係にある。

【００５２】リレー光学系３′の開口数と撮像素子が同
じで、かつθ，Ｄ，βの値が同じという条件でここに述
べた従来例の構成による（３）式と本実施例の構成によ
る（１）式を比較すると、本実施例の（１）式による見
積値Ｌｅの方が小さくなり、手元側の長さを短縮でき
る。後述する本実施例のデータを基に計算例を示すと以
下のようになる。

【００５３】θ＝７．１２° Ｄ＝１６．０８［ｍ
ｍ］ β＝−１．０２ θ′＝２．８５° （１）式より 本実施例では、Ｌｅ＝９２．４４［ｍ
ｍ］ （３）式より 従来例では、Ｌｅ＝１３０．０２［ｍ
ｍ］ 上記データでは本実施例の構成による見積値Ｌｅの方が
従来例の構成による見積値Ｌｅよりも３８ｍｍ程度短
く、この差は非常に大きい。

【００５４】本実施例の構成では、意識的に出射角θ′
を０°とせずに大きくすることにより手元側の長さの短
縮を図っているが、撮像素子として広く用いられている
カラー固体撮像素子を用いる場合は、出射角θ′が大き
すぎると色シェーディングの問題が生じる。色シェーデ
ィングの発生度合いは固体撮像素子毎に異なるが、出射
角θ′が３°を大きく越えると問題になる可能性が高
い。このため、第１実施例のデータではθ′＝３°以下
に抑えて、色シェーディングの発生を防止している。

【００５５】また、この実施例では図１に示すように立
体視内視鏡１１を挿入部１４を有するスコープ部１２ａ
又は１２ｂと、カメラヘッド部１３の２体に分けてい
る。これらは使用時に機械的に接続される。スコープ部
１２ａ又は１２ｂとカメラヘッド部１３を分離したメリ
ットとして以下の点が挙げられる。

【００５６】仕様の異なる複数のスコープ部（例えば視
野方向や挿入部外径の異なる物）を用意して手技に適し
たものを選んで使用できる。この際、カメラヘッド部は
１台あればよい。（一体化するとユーザの費用負担が増
大する） 電子部品、機械的可動部をもたないスコープ部はオート
クレーブによる滅菌を可能にし得る。（一体化するとオ
ートクレーブ耐性を得るのは困難） 上記メリットの中で特に重要なのが、視野方向の異なる
スコープ部を選べることである。図１は１つのカメラヘ
ッド部１３に対し直視のスコープ部１２ａと斜視のスコ
ープ部１２ｂが接続可能であることを示している。尚、
斜視のスコープ部１２ｂを用いる場合は、挿入部１４を
回転させて観察視野を広げることが頻繁に行われる。

【００５７】この際、スコープ部１２ｂとカメラヘッド
部１３が同期して回転すると、観察像も回転するため非
常に処置が行いづらい。このため、カメラヘッド部１３
とスコープ部１２ａ又は１２ｂの接続部は、スコープ部
１２ａ又は１２ｂのリレー光学系３の光軸を回転軸とし
て相対的に回転可能であることが望ましい。つまり、カ
メラヘッド部１３が空間的に固定されている場合でもス
コープ部１２ａ又は１２ｂが自由に回転できるように構
成するのが良い。尚、上記メリットがあまり重要でない
場合は一体型として構成してもよく、第１実施例の光学
系の構成はどのような製品構成にも対応可能である。

【００５８】本実施例のレンズデータを以下に載せる
が、本実施例の光学系は上述の如く偏心光学系を含むた
め、リレー最終像４を境界として２分割してレンズデー
タを載せる。尚、以下の２分割のデータを製品構成上の
スコープ部、カメラヘッド部の分離と対応させる必要は
なく、製品構成上の機械的分離はこの切り分けとは別に
定めてよい。 上述の第１実施例の対物光学系２〜リレー最終像４のレンズデータ〉 面番号（Ｋ） 曲率半径（Ｒ） 面間隔（Ｓ） 屈折率（Ｎ） アッベ数（ν） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 1 ∞ 0.4000 1.76820 71.79 2 ∞ 0.2000 1.00000 3 ∞ 0.8000 1.78472 25.76 4(非球面) 5.0000 1.4000 1.00000 5 ∞ 21.5700 1.88300 40.78 6 ∞ 5.6000 1.88300 40.78 7 -8.3140 1.1000 1.00000 8 -6.2590 1.0000 1.57501 41.49 9 9.4380 3.5000 1.88300 40.78 10 -28.6400 0.7000 1.00000 11 ∞ 11.5000 1.88300 40.78 12 -14.1320 1.3000 1.00000 13 -12.9550 1.7000 1.80518 25.43 14 5.8830 5.3000 1.48749 70.21 15 -13.3400 0.3000 1.00000 16 27.1360 10.2000 1.88300 40.78 17 -13.7980 1.2000 1.80518 25.43 18 -90.6670 5.0000 1.00000 19 ∞ 5.0000 1.00000 20 18.7500 34.0200 1.62004 36.25 21 -7.7830 1.9800 1.80518 25.43 22 -24.3640 0.5000 1.00000 23 26.1580 20.0000 1.62004 36.25 24 -26.1580 0.5000 1.00000 25 24.3640 1.9800 1.80518 25.43 26 7.7830 34.0200 1.62004 36.25 27 -18.7500 10.0000 1.00000 28 18.7500 34.0200 1.62004 36.25 29 -7.7830 1.9800 1.80518 25.43 30 -24.3640 0.5000 1.00000 31 26.1580 20.0000 1.62004 36.25 32 -26.1580 0.5000 1.00000 33 24.3640 1.9800 1.80518 25.43 34 7.7830 34.0200 1.62004 36.25 35 -18.7500 10.0000 1.00000 36 18.7500 34.0200 1.62004 36.25 37 -7.7830 1.9800 1.80518 25.43 38 -24.3640 0.5000 1.00000 39 26.1580 20.0000 1.62004 36.25 40 -26.1580 0.5000 1.00000 41 19.3750 3.0000 1.88300 40.78 42 ∞ 1.5000 1.72825 28.46 43 8.6820 6.1200 1.00000 44 12.4200 3.0000 1.77250 49.60 45 19.0720 20.7800 1.00000 46 16.6190 4.0000 1.88300 40.78 47 135.1380 6.0000 1.00000 48 ∞ 非球面（第４面） Ｐ＝１ Ｅ＝−０．５３３７６×１０＾（−３） Ｆ＝−０．８０５７６×１０＾（−４） Ｇ＝０．１９３３３×１０＾（−５）

【００５９】［仕様・その他のデータ］ 物体距離 −４０ 明るさ絞り位置（射出瞳位置） 最終面（４８面）か
ら３２ リレー最終像高 ４．０８ 対物最終像高 ３．５ レンズ有効径 φ９．２ Ｆ ｎｏ． ３．１６６ 画角 ６５．２° 物体距離−４０における内向角（物体側での左右の立体
視軸のはさみ角）２．０６° 焦点距離 −６．８０６ ディストーション（最大像高） −２．８８％

【００６０】 〈リレー最終像４〜分離撮像光学系５のレンズデータ〉 面番号（Ｋ） 曲率半径（Ｒ） 面間隔（Ｓ） 屈折率（Ｎ） アッベ数（ν） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 1 ∞ 25.3000 1.00000 2 ∞ 3.0000 1.7682 71.79 3 ∞ 5.0000 1.00000 4(明るさ絞り) ∞ 10.0000 1.00000 5 ∞ 1.0000 1.51633 64.15 6 ∞ 2.0000 1.00000 7 -75.4950 1.5000 1.78472 25.71 8 18.7500 9.7100 1.77250 49.60 9 -27.9810 5.0000 1.00000 10 45.2840 4.0000 1.77250 49.60 11 -45.2840 12.9700 1.00000 12 -19.1790 1.5000 1.66680 33.04 13 -112.7350

【００６１】［仕様・その他データ］ 適用撮像素子撮像面サイズ １／２インチＣＣＤ 垂直４．９×水平６．６ 近軸像倍率β −１．０２ 明るさ絞り開口径 φ２．８ Ｆ ｎｏ． １１．７ 分離撮像光学系の光軸間隔ｄ ８ 撮像面の中心軸間隔Ｄ １６．０８ 焦点距離 ２３．１４７ リレー最終像から撮像面像までの距離Ｌ １０９．
３５ θ＝７．１２° θ′＝２．８５° （１）式 Ｌｅ＝９２．４４ ［（２）式 Ｌｅ＝６４．３７ ］ ［（３）式 Ｌｅ＝１３０．０２］ 尚、上記データ中には非球面が存在するが、その定義に
ついて述べる。本明細書で用いている非球面は図５に示
すＹ−Ｚ座標系に従い下式で定義される。

【００６２】Ｚ＝(Ｙ＾2／R)／（1＋√(1ーPＹ＾2／R＾
2)＋EＹ＾4＋FＹ＾6＋GＹ＾8 ここで、R は非球面の近軸曲率半径、P は２次曲面項の
形状を決めるパラメータ、E，F，G はそれぞれ４次，６
次，８次の非球面係数であり、Ｚ軸の符号は像側の方向
を正とする。ここで、例えば√(Ｊ)はＪの平方根を表
し、またＹ＾2 はＹの２乗を表す。

【００６３】上記データにおいて、実寸であるリレー最
終像から撮像面像までの距離Ｌは１０９．３５ｍｍであ
り、見積である（１）式のＬｅは９２．４４ｍｍであ
る。ＬはＬｅよりも大きめであるが、この差は分離撮像
光学系５の実設計における個別レンズのパワー配置によ
る主点間隔の影響やガラス媒質存在による面間隔増加の
影響によるものであり、通常はＬ＞Ｌｅの傾向にならざ
るを得ない。

【００６４】ここまでで述べてきた第１実施例は腹部に
刺入して使用される腹腔用内視鏡（腹腔鏡と略記）を想
定したためリレー光学系３のレンズ有効径が大きいもの
で設計している。

【００６５】本実施例の基本構成に追加すると望ましい
構成について説明する。上記の説明において、本実施例
をふまえて様々な細部の構成について述べてきた。ここ
では、それらのまとめとして基本構成に追加すると望ま
しい構成を整理して述べる。

【００６６】（１）対物・リレー光学系光軸、分離撮像
光学系光軸、撮像面中心軸が平行であり、分離撮像光学
系光軸間隔が撮像面中心軸間隔よりも小さい。 （２）（１）において、左右の分離撮像光学系のレンズ
周辺部同士の衝突を防ぐために、分離撮像光学系中に外
周部が円以外の形状を有するレンズを含む。

【００６７】（３）スコープ部とカメラヘッド部の２体
で構成されており、スコープ部は対物光学系とリレー光
学系を含み、カメラヘッド部は分離撮像光学系と撮像素
子を含む。 （４）（３）において、スコープ部がカメラヘッド部に
対してリレー光学系の光軸を回転軸として回転可能であ
る。 （５）（４）において、スコープ部がカメラヘッド部と
の接続部付近に明るさ絞りを有し、スコープ部とカメラ
ヘッド部を接続した際に前記明るさ絞りはカメラヘッド
部に対し同期して固定され、スコープ部の回転には同期
しない。 （６）リレー最終像と分離撮像光学系の間に軸間隔拡大
光学系を含まない。

【００６８】本実施例では、光学・機械設計の容易さを
考慮して、これらの光軸がすべて平行になるように設計
している。これらが平行でない設計も考えられるが、傾
いた像面を補正する光学的工夫が必要となること、及
び、機械部品の加工が複雑になること等の問題が生じる
ため好ましくない。また、上記に加え、撮像面中心軸間
隔Ｄに対し、分離撮像光学系の光軸間隔ｄを短くするこ
とにより出射角θ′を正としている。この関係が逆転す
ると出射角θ′が負となり、見積値Ｌｅの短縮が図れず
逆に増大させてしまうことになる。

【００６９】この第１実施例では軸間隔拡大光学系を不
要にしてバラツキの調整箇所を少なくしていると共に、
分離撮像光学系５Ａ，５Ｂを用いて主光線の入射角θ
（＞０）と同じ符号の出射角θ′（＞０）の主光線に沿
って斜め後方側に導き、分離撮像光学系５Ａ，５Ｂの光
軸Ｏａ，Ｏｂよりもさらに左右に偏心して（撮像面の中
心軸１７ａ，１７ｂ）が配置された撮像素子１６Ａ，１
６Ｂに像を分離して結像することにより、手元側の光学
系の光軸方向の長さを短縮できるようにしている。

【００７０】次に本発明の第２実施例を説明する。図６
は第２実施例の光学系の模式図を示し、図７は手元側の
光学系の構成を示す。この実施例は第１実施例に対し、
更に手元側の長さ短縮を図りつつ、色シェーディングの
発生を回避する構成にしたものである。

【００７１】このために、図６のごとく、分離撮像光学
系５Ａ，５Ｂと撮像素子１６Ａ，１６Ｂ上の撮像面像７
Ａ，７Ｂの間に分離撮像光学系５Ａ，５Ｂから撮像素子
１６Ａ，１６Ｂに入射する光束の傾きを小さくする斜入
射抑制光学素子８を設けている。

【００７２】尚、斜入射抑制光学素子８は撮像面像７
Ａ，７Ｂの近傍に配置するのが望ましく、そうすること
によりＬｅに影響をほとんど与えずに斜入射抑制効果を
得ることができる。

【００７３】斜入射抑制光学素子８としては、図７
（ａ）の如く、２本の撮像面中心軸の中央に光軸を有す
る正のパワーのフィールドレンズ１８を用いるのが望ま
しい。また、図７（ｂ）の如く、くさび角を有する屈折
プリズム１９を用いても良い。尚、斜入射抑制光学系素
子８は斜入射の角度を小さくする作用が得られればよい
ため、軸間隔拡大光学系のような複雑な光学調整は不要
であり、光学調整の複雑化を招かない。斜入射抑制光学
素子８を用いれば、出射角θ′をさらに大きくでき、よ
りいっそうの見積値Ｌｅの短縮が図れる。

【００７４】この第２実施例は第１実施例よりも手元側
の光学系の距離の見積値Ｌｅを短縮でき、かつ色シェー
ディングの発生も回避できる。その他は第１実施例と同
様の効果を有する。

【００７５】つまり、上記第１実施例で基本構成に追加
すると望ましい構成を（１）〜（６）で説明したが、こ
の実施例ではこれらに加えて以下の大きな機能を有す
る。 （７）分離撮像光学系と撮像素子の間に配置され、分離
撮像光学系から撮像素子に入射する光束の傾きを小さく
する斜入射抑制光学素子を有する。

【００７６】上述の実施例では腹腔鏡を想定して光学系
のレンズ径を決定したが、他の用途（関節鏡、膀胱・尿
道鏡、脳外科用硬性鏡等）においてはもっとレンズ有効
径の小さい設計が必要となる。

【００７７】その場合はリレー光学系３の開口数が小さ
くなり、分離撮像光学系５Ａ，５Ｂの光軸間隔を第１実
施例よりも狭めざるを得ず、分離撮像光学系５に用いる
レンズの加工が困難になることがある。

【００７８】このために、水平方向（左右方向）と上下
方向（垂直方向）との結像倍率が異なるアナモルフィッ
クレンズを用いてリレー光学系３を構成すれば良い。つ
まり、左右方向には上下方向よりも圧縮して像を伝送す
るレンズ系を採用することにより、左右方向の開口数を
実質的に大きくできる。そして、リレー光学系３の最終
レンズ付近に設けた伸長用のアナモルフィックなレンズ
系で左右方向に圧縮された像を伸長して結像するように
する。伸長された像をリレー光学系最終像とみなして分
離撮像光学系５Ａ，５Ｂにより第１実施例或いは第２実
施例のように撮像素子に結像するようにする。なお、対
物光学系も上下方向よりも左右方向に圧縮して像を結像
するアナモルフィックなレンズ系を採用しても良い。

【００７９】細径の立体視硬性内視鏡において、アナモ
ルフィックなレンズ系を採用しない場合には本発明の他
の目的の１つである軸間隔拡大光学系の削除をし得ない
場合が生じる。図８（ａ），（ｂ）は本発明の第３実施
例における手元側光学系を示し、第１実施例の基本構成
に軸間隔拡大光学系を加えたもので、リレー最終像４と
分離撮像光学系５の間に軸間隔拡大光学系２０を配置し
ている。図８（ａ）は軸間隔拡大光学系２０として２回
反射する平行四辺形のプリズム２２を用いたものであ
り、図８（ｂ）は左右方向に肉厚となる屈折プリズム２
３を用いたものである。

【００８０】この際、軸間隔拡大光学系２０の入射面で
左右の光束を分離するのが望ましく、明るさ絞り６はそ
の付近に配置するのがよい。以上の如く、第３実施例は
本発明の第２の目的を達成できないが（つまり左右の光
学調整の手間を犠牲にして）、挿入部の細系化を優先
し、本発明の基本構成において分離撮像光学系５の前側
に軸間隔拡大光学系２０を配置してもよい。

【００８１】この場合においても、分離撮像光学系５
Ａ，５Ｂを用いて主光線の入射角と同じ符号の出射角の
主光線に沿って斜め後方側に導き、分離撮像光学系５
Ａ，５Ｂの光軸Ｏａ，Ｏｂよりもさらに左右に偏心して
（撮像面の中心軸）が配置された撮像素子１６Ａ，１６
Ｂに像を分離して結像するようにしている。このため、
軸間隔拡大光学系を含む同一条件で従来例と比較すれ
ば、本実施例の方が手元側の光学系の長さを短縮でき
る。つまり、第１の目的は達成できている。なお、撮像
素子は２つの撮像素子を用いるものに限定されるもので
なく、１つの撮像面に２つの像を結ぶものでも良い場合
がある。

【００８２】［付記］ （１）前記分離撮像光学系は前記リレー光学系の最終像
から入射される主光線の入射角と同じ符号の出射角で主
光線に沿って出射し、互いに視差のある２つの像に分離
して結像する請求項１記載の立体視硬性内視鏡。

【００８３】

【発明の効果】上述の如く、本発明では被検体内に挿入
される挿入部と、前記挿入部先端内に配置され、１つの
光軸を有して物体の像を結ぶための対物光学系と、前記
対物光学系と共通の光軸を有し、かつ、前記対物光学系
で結像した像を手元側方向に伝達するためのリレー光学
系と、２つの光軸を有し、かつ、前記リレー光学系の手
元側に形成された最終像からの光束を斜め後方側に導
き、互いに視差のある２つの像に分離して結像する分離
撮像光学系と、前記分離分離して結像される左右の像を
撮像する撮像素子とを設けているので、撮像素子側の光
軸間隔を拡げる軸間隔拡大光学系を用いることなく手元
側の光軸方向の長さを短縮でき、操作し易い小型化の立
体視硬性内視鏡を実現できる。又、左右の光学調整が容
易である。

【００８４】

【図面の簡単な説明】

【００８５】

【図１】本発明の第１実施例の立体視硬性内視鏡の概略
の構成図。

【００８６】

【図２】第１実施例の立体視硬性内視鏡の光学系の具体
的な構成図。

【００８７】

【図３】図２の光学系を機能的に示す模式図。

【００８８】

【図４】分離撮像光学系の一部を示す斜視図。

【００８９】

【図５】非球面の座標系を示す説明図。

【００９０】

【図６】本発明の第２実施例における光学系を機能的に
示す模式図。

【００９１】

【図７】斜入射抑制光学素子を有する分離撮像光学系の
具体的な構成図。

【００９２】

【図８】本発明の第３実施例における分離撮像光学系の
具体的な構成図。

【００９３】

【図９】従来例における内視鏡システムの全体構成図。

【００９４】

【図１０】従来例の光学系の概略構成図。

【００９５】

【符号の説明】

１…物体 ２…対物光学系 ３…リレー光学系 ４…最終像 ５Ａ，５Ｂ…分離撮像光学系 ６…絞り ７Ａ，７Ｂ…撮像面像 １１…立体視硬性内視鏡 １２ａ，１２ｂ…スコープ部 １３…カメラヘッド部 １４…挿入部 １５…把持部 １６Ａ，１６Ｂ…撮像素子 １７ａ，１７ｂ…中心軸 Ｏ，Ｏａ，Ｏｂ…光軸 ｄ…光軸間隔 Ｄ…中心軸間隔 Ｌ…距離 θ…入射角 θ′…出射角

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体内に挿入される挿入部と、 前記挿入部先端内に配置され、１つの光軸を有して物体
   の像を結ぶための対物光学系と、 前記対物光学系と共通の光軸を有し、かつ、前記対物光
   学系で結像した像を手元側方向に伝達するためのリレー
   光学系と、 ２つの光軸を有し、かつ、前記リレー光学系の手元側に
   形成された最終像からの光束を斜め後方側に導き、互い
   に視差のある２つの像に分離して結像する分離撮像光学
   系と、 前記分離して結像される左右の像を撮像する撮像素子
   と、 を有する立体視硬性内視鏡。
2. 【請求項２】 前記分離撮像光学系と撮像素子の間に配
   置され、分離撮像光学系から撮像素子に入射する光束の
   傾きを小さくする斜入射抑制光学素子、を有する請求項
   １記載の立体視硬性内視鏡。
3. 【請求項３】 前記対物光学系とリレー光学系の光軸、
   分離撮像光学系の光軸、撮像素子の撮像面中心軸が平行
   であり、分離撮像光学系の光軸間隔が撮像面中心軸の間
   隔よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の
   立体視硬性内視鏡。
4. 【請求項４】 左右の分離撮像光学系のレンズ周辺部同
   士の衝突を防ぐために、分離撮像光学系中に外周部が円
   以外の形状を有するレンズを含むことを特徴とする請求
   項３記載の立体視硬性内視鏡。
5. 【請求項５】 スコープ部とカメラヘッド部の２体で構
   成され、スコープ部は対物光学系とリレー光学系を含
   み、カメラヘッド部は分離撮像光学系と撮像素子を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の立体視硬性内視
   鏡。
6. 【請求項６】 スコープ部がカメラヘッド部に対してリ
   レー光学系の光軸を回転軸として回転可能であることを
   特徴とする請求項５記載の立体視硬性内視鏡。
7. 【請求項７】 スコープ部がカメラヘッド部との接続部
   付近に明るさ絞りを有し、スコープ部とカメラヘッド部
   を接続した際に前記明るさ絞りはカメラヘッド部に対し
   同期して固定され、スコープ部の回転には同期しないこ
   とを特徴とする請求項６記載の立体視硬性内視鏡。
8. 【請求項８】 リレー最終像と分離撮像光学系の間に軸
   間隔拡大光学系を含むことを特徴とする請求項１又は２
   記載の立体視硬性内視鏡。