JPH10286217A

JPH10286217A - 硬性鏡の視野変換システム

Info

Publication number: JPH10286217A
Application number: JP9094002A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Igarashi; 勉五十嵐
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1998-10-27
Also published as: US6402685B1; US5954634A

Abstract

(57)【要約】【課題】物体の空洞内を観察する硬性鏡の視野を好適に
変換でき且つ良質の画像を得ることの可能なシステムを
提供すること。【解決手段】硬性鏡１と撮像装置２は取り外し可能であ
る。硬性鏡１は観察物体３側から順に対物光学系４，リ
レー光学系５，接眼光学系６を配置しており、撮像装置
２は変倍機能を有する撮像光学系９と撮像素子１０を配
置しており、撮像素子１０を光軸に対し垂直方向に移動
させ、視野変換を行うようになっている。そして、光学
系は次の二つの条件式を満足するようになっている。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｗ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２・・・
（１）１．６≦Ｄｍ・｜ｆｔ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦４・・・
（２）但し、Ｄｍはリレー光学系５が形成する像８の大きさ、
Ｌｃは撮像素子１０の有効撮像面の対角長、ｆｏｃは接
眼光学系６の焦点距離、ｆｗは撮像光学系９の低倍端の
焦点距離、ｆｔは撮像光学系９の高倍端の焦点距離であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療及び工業分野
において使用される硬性鏡であって、体腔やパイプ等の
空洞内に挿入し、対象部位を外部表示装置によって観察
できるようにした硬性鏡の視野変換システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】外科手術の手術方法の一つとして、硬性
鏡を体腔内に挿入して対象部位をＴＶモニター等の画面
に表示させ、術者は、体内に別途挿入した縫合器，電気
メス，超音波吸引器等の各種処置具を、その画面を観察
しながら遠隔操作して処置する方法が知られている。そ
して、その方法で各種の処置を行う場合には、処置する
対象部位を、モニター画面の略中央位置に、しかも術者
の希望する大きさに表示することが望ましいため、従来
は、術者が処置に専念できるようにするために、術者の
ほかにスコープ保持者を配置し、そのスコープ保持者
が、術者の口頭指示に基づいて硬性鏡を操作し、その挿
入方向や位置を調整して、視野の移動と像の大きさをコ
ントロールしていた。

【０００３】しかし、その場合には、どうしても専任の
スコープ保持者が必要になってしまうという問題点と、
術者とスコープ保持者との連携が難しいため作業効率が
悪く、場合によっては術者に苛立ちを生じさせてしまう
というような問題点がある。そこで、それらの問題点を
解決するために、従来の光学的な切り出し（トリミン
グ）技術を採用した硬性鏡の視野変換システムが、特開
平８−３３２１６９号公報及び特開平９−２８６６３号
公報に提案されている。それらによれば、術者は、処置
具の操作に殆ど影響を与えることなしに、自分で、視野
変換を行うことが可能になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
各公報には、実施に際して直面する次のような三つの問
題点の解決手段が具体的に開示されていない。即ち、第
１の問題点は、既存の硬性鏡観察システムとの光学的互
換性の問題に関することである。既に広く普及している
硬性鏡観察システムは、硬性鏡と撮像装置が別体になっ
ており、両者の組合せを任意に変えて観察することが可
能になっているが、上記の各公報には、両者の組合せの
変更を可能にした場合に、視野変換を有効に機能させる
ことのできる光学系の構成が示されていない。従って、
本発明の第１の目的は、硬性鏡と撮像装置の組合せを変
えても、硬性鏡と撮像装置の間で、視野変換に必要な画
面サイズが得られるようにした硬性鏡の視野変換システ
ムを提供することである。

【０００５】また、第２の問題点は、硬性鏡の性能と撮
像素子の性能との関係に関することである。拡大像を良
好な画質で観察できるようにするためには、撮像素子の
数倍の情報量を有する高画質硬性鏡を用いる必要がある
が、その場合に、広角状態で伝達できる情報量は、撮像
素子の情報量によって制約されてしまうため、情報量の
少ない撮像素子を用いると、高画質硬性鏡の性能を充分
に生かせないことになってしまう。上記の各公報には、
この点を解消することについての記載がない。従って、
本発明の第２の目的は、硬性鏡の有する画質を最大限に
生かすことの可能な撮像装置を有する硬性鏡の視野変換
システムを提供することである。

【０００６】更に、第３の問題点は、立体観察に関する
ことである。最近においては、立体視硬性鏡の登場によ
り、立体視による処置具の遠隔操作が図られるようにな
っているが、上記の各公報には、視野変換と立体視を両
立させることについての具体的な構成が示されていな
い。従って、本発明の第３の目的は、視野変換と立体視
の両立を可能にした撮像装置を有する硬性鏡の視野変換
システムを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、請求項１に記載の発明は、長手方向の一端
から観察物体内へ所定量挿入して観察物体の光学像を形
成する硬性鏡と、前記硬性鏡の他端に接続される撮像装
置とからなり、前記撮像装置は、前記光学像を変倍して
結像させる撮像光学系と、前記撮像光学系による結像面
に配置された撮像素子とを有していて、前記撮像光学系
の一部もしくは全体、又は前記撮像素子を、光軸に対し
て垂直な方向に移動させることによって視野変換を行う
ようにした硬性鏡の視野変換システムにおいて、前記硬
性鏡は、前記一端側から順に対物光学系、リレー光学
系、接眼光学系を配置していて、前記リレー光学系が前
記他端側に像を形成し、しかも、以下の二つの条件式が
満足されるように構成する。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｗ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２１．６≦Ｄｍ・｜ｆｔ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦４Ｄｍ：リレー光学系が形成する像の大きさＬｃ：撮像素子の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系の焦点距離ｆｗ：撮像光学系の低倍端の焦点距離ｆｔ：撮像光学系の高倍端の焦点距離

【０００８】また、上記の第１の目的と第２の目的を達
成するために、請求項２に記載の発明は、長手方向の一
端から観察物体内へ所定量挿入して観察物体の光学像を
形成する硬性鏡と、前記硬性鏡の他端に接続される撮像
装置とからなり、前記撮像装置は、前記光学像を結像さ
せる撮像光学系と、前記撮像光学系による結像面に配置
された撮像素子とを有していて、前記撮像素子から得ら
れる画像情報の全部又は一部を選択的に表示装置に表示
することにより視野変換と像の拡大縮小を行うようにし
た硬性鏡の視野変換システムにおいて、前記硬性鏡は、
前記一端側から順に対物光学系、リレー光学系、接眼光
学系を配置していて、前記リレー光学系が前記他端側に
像を形成し、また、前記撮像素子の画素数は１００万以
上であり、しかも、以下の条件式が満足されるように構
成する。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｉ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２Ｄｍ：リレー光学系が形成する像の大きさＬｃ：撮像素子の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系の焦点距離ｆｉ：撮像光学系の焦点距離

【０００９】また、上記の第３の目的を達成するため
に、請求項３に記載の発明は、長手方向の一端から観察
物体内へ所定量挿入して観察物体の光学像を形成する硬
性鏡と、前記硬性鏡の他端に接続される撮像装置とから
なり、前記撮像装置は、前記光学像を変倍して結像させ
る撮像光学系と、前記撮像光学系による結像面に配置さ
れた撮像素子とを有していて、前記撮像光学系の一部も
しくは全体、又は前記撮像素子を、光軸に対して垂直な
方向に移動させることによって視野変換を行うようにし
た硬性鏡の視野変換システムにおいて、前記撮像光学系
内の瞳位置付近に時分割シャッター機構を設け、瞳内で
位置の異なる二つの光束を時分割的に切り替えて透過さ
せ、前記撮像素子が視差を有する左右の画像を時分割的
に撮像するように構成する。

【００１０】更に、上記の第２の目的と第３の目的を達
成するために、請求項４に記載の発明は、長手方向の一
端から観察物体内へ所定量挿入して観察物体の光学像を
形成する硬性鏡と、前記硬性鏡の他端に接続される撮像
装置とからなり、前記撮像装置は、前記光学像を結像さ
せる撮像光学系と、前記撮像光学系による結像面に配置
された撮像素子とを有していて、前記撮像素子から得ら
れる画像情報の全部又は一部を選択的に表示装置に表示
することにより視野変換と像の拡大縮小を行うようにし
た硬性鏡の視野変換システムにおいて、前記撮像素子の
画素数は１００万以上とし、また、前記撮像光学系内の
瞳位置付近に時分割シャッター機構を設け、瞳内で位置
の異なる二つの光束を時分割的に切り替えて透過させ、
前記撮像素子が視差を有する左右の画像を時分割的に撮
像するように構成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を、図示した各
実施例によって説明する。先ず、図１〜図３を用いて第
１実施例を説明する。本実施例は、上記した第１の目的
を達成するための構成をしており、図１はその全体構成
図であり、図２（ａ）〜（ｄ）は低倍時における条件式
の値の違いによって撮像面内の硬性鏡像と撮像素子の有
効範囲との関係が異なることを示す図であり、図３
（ａ）〜（ｄ）は高倍時における条件式の値の違いによ
って撮像面内の硬性鏡像と撮像素子の有効範囲との関係
が異なることを示す図である。

【００１２】本実施例の硬性鏡１は、周知のようにし
て、図１の左端部から、細長い円筒状の部分を体腔内に
所定量挿入させることができるようになっていて、他端
部は撮像装置２に接続されている。硬性鏡１と撮像装置
２の接続は、取り外しが可能であり、マウント方式を共
通化することによって、硬性鏡１に対して他の撮像装置
を接続したり、撮像装置２に対して他の硬性鏡を接続す
ることが可能になっている。硬性鏡１の内部には、体腔
内等の観察物体３側から順に、対物光学系４，リレー光
学系５，接眼光学系６が配置されていて、リレー光学系
５は、対物光学系４が形成した像７を少なくとも一回伝
送して、硬性鏡１の他端側に像８を形成し、接眼光学系
６は、その像８を眼視観察の可能な視度に変換するよう
になっている。尚、周知のように、硬性鏡１の内部に
は、上記のような観察光学系のほかに照明光学系も配置
されているが、発明とは直接関係しないので、図示せず
且つ説明を省略する。

【００１３】撮像装置２には、ズームレンズからなる撮
像光学系９と撮像素子１０が配置されていて、撮像光学
系９は、接眼光学系６からの光束を結像して撮像素子１
０の撮像面に硬性鏡像１１を形成するようになってい
る。視野変換は、撮像光学系９の光軸を固定しておき、
撮像素子１０を、撮像面内において、光軸に対して垂直
な方向へ移動させて行うことになる。そして、撮像され
た硬性鏡像１１は、周知のようにして図示していないＴ
Ｖモニターに画像として表示されるようになっている。
尚、撮像素子１０の移動は、上記した各公報に記載され
ているように、操作スイッチ（フットスイッチ等）を操
作してアクチュエータを作動させ、ＸＹステージ等を介
して所望の位置へ動かすことになる。

【００１４】そして、このような本実施例の構成におい
ては、ズームレンズである撮像光学系９がその低倍端状
態にあるときに、適切な大きさの画像がＴＶモニターに
表示されるようにするためには、次の式（１）の条件を
満足していることが必要になる。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｗ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２・・・（１）但し、Ｄｍ：リレー光学系５が形成する像８の大きさＬｃ：撮像素子１０の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系６の焦点距離ｆｗ：撮像光学系９の低倍端の焦点距離尚、リレー光学系５の像８の位置に視野マスクを配置し
た場合は、Ｄｍは視野マスクの内径になる。この式
（１）における｜ｆｗ／ｆｏｃ｜は、接眼光学系６と、
低倍端状態の撮像光学系９との組合せによる倍率を意味
している。そして、Ｄｍ・｜ｆｗ／ｆｏｃ｜は、低倍端
状態において撮像面に投影された硬性鏡像１１の大きさ
を意味している。従って、これを撮像素子１０の有効撮
像面の対角長Ｌｃで割ったものは、低倍端時においてＴ
Ｖモニターに表示される硬性鏡像の大きさを示すパラメ
ータになる。尚、以下においては、Ｄｍ・｜ｆｗ／ｆｏ
ｃ｜／Ｌｃの算出値を式（１）の値と称することにす
る。

【００１５】そこで、図２を用いて、式（１）の値の違
いによるＴＶモニターの画面上での画像の違いについて
説明する。尚、図２（ａ）〜（ｄ）においては、硬性鏡
像１１の形状（硬性鏡１の視野形状）は円形であり、撮
像素子１０の有効撮像面の縦横比は３：４の長方形と
し、ＴＶモニターの画面形状は撮像素子１０の有効撮像
面の形状と相似形をしているものとする。また、視野変
換は機能させておらず、光学系は無偏心状態とする。更
に、画面上には、切除される患部と、処置具としての鋏
が表示されている。

【００１６】図２（ａ）は、式（１）の値が０．６の場
合を示しており、ＴＶモニターの画面の上下端が硬性鏡
の視野の周辺縁と一致している。図２（ｂ）は、式
（１）の値が０．８の場合を示しており、ＴＶモニター
の画面の左右端が硬性鏡の視野の周辺縁と一致してい
る。図２（ｃ）は、式（１）の値が１の場合を示してお
り、ＴＶモニターの画面の対角端が硬性鏡の視野の周辺
縁と一致している。図２（ｄ）は、式（１）の値が１．
２の場合を示しており、硬性鏡の視野の周辺縁はＴＶモ
ニターの画面上には見えない状態となっている。

【００１７】撮像光学系９、即ちズームレンズの低倍端
での画面は、主に硬性鏡１の視野の全域を見渡す目的で
表示するので、硬性鏡像１１を出来るだけ多く表示でき
ることが好ましい。そのため、式（１）の値が大きすぎ
ると視野が狭くなって問題である。従って、図２（ｄ）
に示す状態が限界であり、これ以上、硬性鏡像１１を拡
大するのは好ましくない。他方、式（１）の値が小さす
ぎると画面上の暗黒部が多くなって観察しづらくなる。
図２（ａ）に示す状態は硬性鏡像１１が全て見えるもの
の、この状態が限界であり、更に縮小するのは好ましく
ない。以上のことから、低倍端において、観察者に好ま
れる画面は、図２（ｂ），図２（ｃ）の状態であり、図
２（ａ），図２（ｄ）の状態は、夫々、硬性鏡像１１の
大きさの下限と上限と考えられる。従って、式（１）を
満足させることが必要になる。

【００１８】他方、本実施例においては、ズームレンズ
である撮像光学系９がその高倍端状態のときに、適切な
大きさの画像がＴＶモニターに表示されるようにするた
めには、次の式（２）の条件を満足していることが必要
になる。１．６≦Ｄｍ・｜ｆｔ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦４・・・（２）但し、Ｄｍ：リレー光学系５が形成する像８の大きさＬｃ：撮像素子１０の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系６の焦点距離ｆｔ：撮像光学系９の高倍端の焦点距離尚、リレー光学系５の像８の位置に視野マスクを配置し
た場合は、Ｄｍは視野マスクの内径になる。この式
（２）における｜ｆｔ／ｆｏｃ｜は、接眼光学系６と、
高倍端状態の撮像光学系９との組合せによる倍率を意味
している。そして、Ｄｍ・｜ｆｔ／ｆｏｃ｜は、高倍端
状態において撮像面に投影された硬性鏡像１１の大きさ
を意味している。従って、これを撮像素子１０の有効撮
像面の対角長Ｌｃで割ったものは、高倍端時においてＴ
Ｖモニターに表示される硬性鏡像の大きさを示すパラメ
ータになる。尚、以下においては、Ｄｍ・｜ｆｔ／ｆｏ
ｃ｜／Ｌｃの算出値を式（２）の値と称することにす
る。

【００１９】そこで、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて、式
（２）の値の違いによるＴＶモニターの画面上での画像
の違いについて説明する。尚、硬性鏡像１１の形状（硬
性鏡１の視野形状）、撮像素子１０の有効撮像面の縦横
比、ＴＶモニターの画面との関係は、上記した図２
（ａ）〜（ｄ）の場合と同じである。そして、図３
（ａ）は、式（２）の値が１．６の場合を示しており、
光軸からＴＶモニターの画面の左右端までを２倍に延長
した点が硬性鏡の視野の周辺縁と一致している。図３
（ｂ）は、式（２）の値が２の場合を示しており、光軸
からＴＶモニターの画面の対角端までを２倍に延長した
点が硬性鏡の視野の周辺縁と一致している。図３（ｃ）
は、式（２）の値が３．２の場合を示しており、光軸か
らＴＶモニターの画面の左右端までを４倍に延長した点
が硬性鏡の視野の周辺縁と一致している。図３（ｄ）
は、式（２）の値が４の場合を示しており、光軸からＴ
Ｖモニターの画面の対角端までを４倍に延長した点が硬
性鏡の視野の周辺縁と一致している。

【００２０】撮像光学系９、即ちズームレンズの高倍端
での画面は、視野変換機能を最も活用する画面である。
そのため、式（２）の値が余り小さすぎると視野変換を
行う必然性がなくなることになる。例えば、上記した図
２（ｄ）に示す状態になってしまうと、撮像面の外側に
なる硬性鏡像が少ないため、もはや視野変換を行うとい
うレベルではなくなってしまうわけである。そこで、図
３（ａ）には、硬性鏡像に対して水平方向に二つの撮像
面が重複しないで得られるようにした状態が示されてい
るが、最低でもこのレベルに硬性鏡像を形成しないと意
味がないことになる。

【００２１】また、反対に、式（２）の値が大きすぎる
と、視野の変換機能以外のことで不都合が生じることに
なる。即ち、硬性鏡像を余り拡大した場合には、周知の
ように、撮像面上での照度の低下が顕著になり、モニタ
ー画面が見づらくなってしまう。また、もう一つの問題
点は、撮像光学系９の焦点距離を長くし変倍比を大きく
する必要があることから、撮像装置２が大型化してしま
うということである。図３（ｄ）には、それらの理由に
基づいた限界状態が示されている。この状態における硬
性鏡像の大きさは、視野変換機能を充分に発揮できる大
きさであるが、明るさに関しては図３（ａ）の場合の
０．１６倍であり、撮像光学系９の焦点距離は２，５倍
になっているので、これ以上拡大するのは好ましくな
い。以上のことから、高倍端における硬性鏡像の大きさ
は図３（ｂ），図３（ｃ）の状態が好ましく、図３
（ａ），図３（ｄ）の状態は、夫々、硬性鏡像１１の大
きさの下限と上限と考えられる。従って、式（２）を満
足させることが必要になる。

【００２２】以下に、本実施例に適用される光学系の数
値データを示しておく。尚、Ｒ１〜Ｒ６は硬性鏡光学系
の６種類のサンプル、Ｚ１，Ｚ２はズームレンズである
撮像光学系の２種類のサンプル、θは画角、ＮＡはリレ
ー光学系５の射出開口数を意味しており、その他の符号
は上記の式（１），式（２）に用いられている符号と同
じである。〔硬性鏡〕 Dm(mm) foc(mm) θ (°) NA NA・Dm R1 7 28.5 80 0.12 0.84 R2 7 22.0 100 0.05 0.35 R3 4.4 17.7 70 0.1 0.44 R4 5.5 31.0 60 0.055 0.30 R5 6 21.2 120 0.1 0.60 R6 7.2 34.0 80 0.1 0.72 〔撮像光学系〕 Lc(mm) fw(mm) ft(mm) Z1 4.56 16.9 41.3 Z2 3.07 10.5 37.6 〔式（１）及び式（２）の値〕 Z1との組合せ Z2との組合せ式(1) 式(2) 式(1) 式(2) R1 0.91 2.22 0.84 3.01 R2 1.18 2.88 1.09 3.90 R3 0.92 2.25 0.85 3.04 R4 0.66 1.61 0.61 2.17 R5 1.05 2.56 0.97 3.47 R6 0.78 1.92 0.72 2.59

【００２３】このように、本実施例における式（１）及
び式（２）は、互換性を可能にするために別体に構成さ
れている硬性鏡１と撮像装置２との全体の光学構成によ
って定まるものであるから、これらの二つの式の条件が
同時に満足されるように予めシステムを構築しておけ
ば、硬性鏡を用いた外科手術において、視野変換を有効
に行うことが可能になる。また、このような条件が満足
されるように構成されさえすれば、硬性鏡と撮像装置と
のマウント構造に問題がない限り、視野変換機能を有す
る特定の撮像装置に対して、視野方向，画角，外形等の
異なる種々の硬性鏡を、それが既製の硬性鏡であるなし
にかかわらず、選択して取り付け、使用することが可能
になる。勿論、逆に、特定の硬性鏡に対して、異なる仕
様の撮像装置を交換して取り付け、使用することも可能
になる。尚、撮像装置２に対して、上記の条件が得られ
ない硬性鏡を取り付けても、ズームレンズ付きの撮像装
置としては機能するので、用途が限定されることはな
い。

【００２４】また、本実施例の撮像装置２においては、
上記したように、視野変換を行うのに、撮像光学系９の
光軸を固定しておき、撮像素子１０を移動させるように
しているが、視野変換は、撮像面内に形成された硬性鏡
像１１と撮像素子１０の位置関係を相対的に変化させれ
ば可能であることから、撮像素子１０を固定しておき、
撮像光学系９の全体もしくは一部を、光軸に対して垂直
方向に移動させるようにしても、同様な効果を得ること
が可能になる。図４（ａ）には、そのようにして撮像光
学系９の全体を移動させるようにした場合の変形例が示
されており、また、図４（ｂ）には撮像光学系９をズー
ムレンズ９ａとレンズ９ｂで構成し、レンズ９ｂのみを
移動させるようにした場合の変形例が示されている。

【００２５】次に、図４を用いて第２実施例を説明す
る。本実施例は、上記した第１の目的と第２の目的を達
成するための構成をしているが、硬性鏡１の構成は、図
１に示した第１実施例の構成と全く同じであるから、同
じものには同じ符号を付け、詳細な説明を省略する。ま
た、撮像装置２の光学構成も、配置上は同じであるた
め、便宜上、第１実施例の場合と同じ符号を付けてあ
る。但し、本実施例における撮像光学系９はズームレン
ズではなく、また、撮像光学系９と撮像素子１０は、共
に固定されていて、視野変換時に移動されるようなこと
はない。更に、本実施例における撮像素子１０は、１０
０万以上の画素を有している。

【００２６】本実施例において、撮像素子１０で得られ
た硬性鏡像１１の全画像情報を表示する場合には、ＨＤ
ＴＶ信号処理系１２によって高解像規格の映像信号に変
換し、ＨＤＴＶモニター１３に出力させて表示するよう
になっている。他方、視野の変換を行う場合には、撮像
素子１０からの映像信号を画像メモリー１４に保存し
て、デジタル・シグナル・プロセッサー１５により部分
的に画像の切り出しが行えるようにしておく。そして、
術者が視野変換指示入力系１６を操作して指示すると、
画像切り出し制御回路１７がデジタル・シグナル・プロ
セッサー１５に対して、指示領域の切り出しを行わせ、
その部分的な画像情報をＮＴＳＣ信号処理系１８に出力
させる。それによって、ＮＴＳＣ信号処理系１８は、入
力された信号をＮＴＳＣの映像信号に整形し、ＴＶモニ
ター１９に表示させるようになっている。

【００２７】本実施例において撮像素子の画素数を１０
０万以上に限定しているのは、視野変換時に、電気的に
切り出した像の画質が、ＮＴＳＣ並の画質になるように
するためである。周知のように、電気的に切り出される
部分的な画像情報量は、全画像情報量よりも少ないか
ら、表示画像の解像度が低下するが、現在、ＮＴＳＣで
用いられている撮像素子の画素数は２５万から４０万程
度であるから、画像切り出しに際して、２５万程度の情
報量が得られれば良いことになる。そこで、撮像素子の
縦横比を考慮せずに単純に計算すれば、１００万画素の
撮像素子からは２５万画素に相当する情報量の画像が、
重複せずに４画面得られることになる。通常、硬性鏡像
の視野変換を行えるようにするためには、少なくともこ
の程度の比率が要求されることから、本実施例のように
１００万画素以上の撮像素子を備えていれば、少なくと
も２５万画素に相当する情報量の切り出し画像が得られ
ることになり、観察者の満足が得られることになる。

【００２８】そして、このような本実施例の構成におい
ては、適切な大きさの画像がＴＶモニターに表示される
ようにするためには、次の式（３）の条件を満足してい
ることが必要になる。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｉ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２・・・（３）但し、Ｄｍ：リレー光学系５が形成する像８の大きさＬｃ：撮像素子１０の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系６の焦点距離ｆｉ：撮像光学系９の焦点距離尚、リレー光学系５の像８の位置に視野マスクを配置し
た場合は、Ｄｍは視野マスクの内径になる。

【００２９】この式（３）における｜ｆｉ／ｆｏｃ｜
は、接眼光学系６と、撮像光学系９との組合せによる倍
率を意味している。そして、Ｄｍ・｜ｆｉ／ｆｏｃ｜
は、撮像面に投影された硬性鏡像１１の大きさを意味し
ているので、これを撮像素子１０の有効撮像面の対角長
Ｌｃで割ったものは、ＴＶモニターに表示される硬性鏡
像の大きさを示すパラメータになる。このことからも分
かるように、この式（３）は、第１実施例における式
（１）と同じ意味を持っており、上限及び下限の設定に
ついては、図２を用いて説明した通りである。従って、
Ｄｍ・｜ｆｉ／ｆｏｃ｜／Ｌｃの値が０．６未満になる
と、ＴＶモニターの画面上には画像の得られない暗黒部
が多くなって見づらくなり、また、１．２を超えると、
画面上に表示されない部分が多くなって問題となる。

【００３０】そこで、以下に、本実施例に適用される光
学系の数値データを示しておく。尚、Ｃ１，Ｃ２は本実
施例における撮像光学系９の２種類のサンプルを意味し
ている。また、Ｒ１〜Ｒ６は第１実施例の場合と同じで
ある。従って、硬性鏡のデータは、改めて示さない。そ
の他の符号は上記の式（３）に用いられている符号と同
じである。また、式（３）の値とは、Ｄｍ・｜ｆｉ／ｆ
ｏｃ｜／Ｌｃの値のことである。

【００３１】以上の説明から分かるように、本実施例に
よれば、式（３）の条件を満たすことによって、第１実
施例の場合と同様に、硬性鏡と撮像装置との組合せを自
由に選択することが可能となる。また、第１実施例と比
較して、視野変換のときに、撮像光学系の一部もしくは
全体、又は撮像素子を移動させる必要がないから、ＸＹ
ステージやそれを作動させるアクチュエータを用意する
必要がなく、撮像装置の軽量化が可能となり、また、故
障を少なくし且つ耐久性を向上させることが可能とな
る。

【００３２】更に、本実施例と、上記した第１実施例と
を比較してみた場合には、第１実施例における低倍端表
示が本実施例における全画素による表示に相当し、第１
実施例における高倍端表示が本実施例における部分的画
像切り出し表示に相当することになる。そこで、第１実
施例において撮像装置の信号系を仮にＮＴＳＣとした場
合には、低倍端においても高倍端においてもＮＴＳＣの
画質を得ることになるから、低倍端においては硬性鏡の
性能を生かした良質の画質を得ることができないが、本
実施例においては、撮像素子の全画素による表示を行う
場合に高解像の信号系を用いるので、硬性鏡の性能を余
すことなく生かした良質の画像を表示することができ、
また、視野変換を可能にして切り出した画像もＮＴＳＣ
並の画質を得ることが可能になる。

【００３３】尚、本実施例においては、撮像光学系９を
単焦点レンズとして構成しているが、それをズームレン
ズで構成するようにしても差し支えない。また、その場
合には、ズームレンズの変倍範囲の一部にて、式（３）
の条件が満たされれば良いことになる。更に、本実施例
においては、切り出し画像を、ＮＴＳＣ信号処理系１８
を用いることによってＴＶモニター１９に表示している
が、このほかにも広く普及しているＰＡＬやＹ／Ｃなど
の中解像の信号系を用いて表示してもよく、安価な表示
装置に良好な画像を表示することが可能になる。また、
本実施例においては、撮像素子１０で得られた全画像情
報に基づく画像を、ハイビジョン等のＨＤＴＶ系の規格
信号を介して表示装置に表示させているが、ＨＤＴＶ系
規格の表示装置は現状では非常に高価であるため、特に
その必要性を感じない場合には、上記のような中解像の
信号系を用いて表示させるようにしても差し支えない。

【００３４】ここで、上記した第１実施例及び第２実施
例に共通して適用できる変形例について説明しておく。
上記した各実施例は、いずれにしても、硬性鏡像を拡大
して投影することになるから、その結果として、被写界
深度が浅くなる傾向にある。従って、その点を改善し被
写界深度を深くするためには、撮像光学系９の入射面側
にある瞳位置付近に、可変絞り機構を配置するのが好ま
しい。図６（ａ）は、その場合に用いて好適な機械的な
可変絞り機構を示しており、絞り径制御ピン２０を操作
することによって３枚の絞り羽根２１を開閉し、光軸を
中心にして形成される透過部２２の面積を変えるように
なっている。また、図６（ｂ）に示すように、複数の画
素を有し、通常は遮光部２３を形成している液晶の可変
絞り機構を用いるようにしてもよい。その場合には、格
子状に配置された電極に対して選択的に通電し、光束２
４の透過部２５の面積を、光軸を中心にして変化させる
ことになる。

【００３５】次に、第３実施例を、図７及び図８を用い
て説明する。本実施例は、上記した第３の目的を達成す
ることを可能にしている。図７は、本実施例の構成図で
あるが、硬性鏡１は図１に示した硬性鏡１と同じであ
る。そのため、同じ符号を付け、その一部だけを示して
いる。また、撮像装置２も、図１の構成と殆ど同じであ
り、撮像光学系９の瞳位置付近に、時分割シャッター２
６を設けただけであるから、図１と同じものには同じ符
号を付けて示している。そして、時分割シャッター２６
としては、機械的時分割シャッターを用いてもよいが、
本実施例においては光学的スイッチング素子である液晶
の時分割シャッターを用いている。図８は、その作動説
明図であって、図８（ａ）は光軸の左側が光束２７の透
過部２８となり、右側が遮光部２９となっている状態を
示し、図８（ｂ）は、反対に、左側が遮光部２９とな
り、右側が透過部２８となっている状態を示している。

【００３６】このように、本実施例においては、時分割
シャッター２６によって、図８（ａ）の状態と図８
（ｂ）の状態とが得られるので、それによって、瞳内で
の光束２７の位置が、撮像素子１０の水平方向（左右）
に異なるように分離されるようになっている。そこで、
時分割シャッター２６を、撮像素子１０のフィールドも
しくはフレーム周波数に合わせて連続的に切り替えるこ
とにより、撮像素子１０の水平方向に視差を有する二つ
の画像を、フィールドもしくはフレームごとに時分割で
取得するようにしている。そして、時分割シャッター２
６に対しては、映像信号処理系３０の同期信号をトリガ
ーとして、時分割シャッター制御回路３１が駆動信号を
出力するようになっている。

【００３７】このようにしてフィールドもしくはフレー
ムごとに得られた二つの画像は、観察者の左右の眼に独
立して認識され得るようにすることによって立体視が可
能になる。本実施例においては、その媒体として周知の
立体視用液晶眼鏡３２が用いられており、映像信号処理
系３０から得られる画像信号は、液晶眼鏡制御発光部３
３によって振り分けられ、左右の眼によって夫々異なる
画像が認識されるようになっている。また、本実施例に
おいては、ＴＶモニター３４によっても観察できるよう
になっており、また撮像素子１０を移動させることによ
って視野変換も可能になっている。

【００３８】このように、本実施例においては、視野変
換機能と立体観察機能が独立して構成されているので、
立体観察を行いながら視野変換を行うことが可能であ
り、しかも撮像素子が一つでよいという利点がある。し
かし、使用するに当たっては、立体観察をせずに、視野
変換を行ってもよいし、処置を行うことも可能である。
また、本実施例の光学系についても、プリズム等で光路
を複数に分割する必要がなく、時分割シャッターの配置
だけを考慮すればよいから撮像装置の設計が非常に有利
となる。また、本実施例の場合にも、第１実施例の場合
と同様に、式（１）及び式（２）の条件を満たせば、硬
性鏡１と撮像装置２の組合せを自由に変えることが可能
である。

【００３９】また、視野変換を行った場合に焦点調節を
行うことがあるが、その調節はオートフォーカスシステ
ムによって自動的に行われるようにするのが望ましい。
しかし、その目的のためだけに光路を分割して位相差を
検出するようにするのは、装置の大型化やコストアップ
に繋がり、余り好ましいとは言えないが、本実施例の撮
像装置２においては、立体視を可能にしているので、こ
こで得られる奥行き情報を用いることによって、容易に
オートフォーカス化が可能となる。そのようにした場合
の変形例が図９に示されている。

【００４０】この変形例は、時分割シャッター２６と撮
像光学系９との間に、フォーカスレンズ３５を光軸方向
へ移動可能に配置している。そして、像ずれ検出回路３
６が、映像信号処理系３０から出力される一対のフィー
ルドもしくはフレーム画像信号から画像中心の水平方向
の像ずれを検出し、その検出結果に対応してフォーカス
レンズ３５が移動されるようになっている。尚、フォー
カスレンズ３５を配置せずに、像ずれ検出回路３６の検
出結果に基づき、撮像素子１０を光軸方向へ移動させる
ようにすることも可能である。

【００４１】次に、第４実施例を、図１０を用いて説明
する。本実施例の構成は、図５に示した構成に、第３実
施例で説明した立体観察構成を組み合わせたものであ
る。そのため、図１０においては、各部に、上記した符
号と同じ符号を付けており、また、硬性鏡１はその一部
だけを示し、図５に示した視野変換の制御と表示に関係
するものについては、図示を省略してある。このよう
に、本実施例の構成には、新しい構成要素が加わってい
ないので、重複を避けるために、構成の詳細説明を省略
する。

【００４２】このような構成をした本実施例によれば、
撮像素子１０の画素数は１００万以上であり、且つ立体
観察もできるから、上記した第２の目的と第３の目的を
達成することが可能である。また、光学系を、上記した
条件式（３）を満足させるように構成した場合には、上
記した第１の目的も達成することが可能となる。更に、
必要があれば、図９に示したようなオートフォーカス機
能を採用することも可能である。また、このほかにも、
既に説明した本実施例の構成と同じ構成についての作用
効果が、本実施例にも適用されることは言うまでもな
い。

【００４３】ここで、上記した第３実施例及び第４実施
例に共通して適用できる変形例について説明しておく。
第３実施例及び第４実施例においても硬性鏡像を拡大し
て投影することになるから、第１実施例及び第２実施例
と同様に、やはり、被写界深度が浅くなる傾向にある。
従って、それを改善するためには、既に図６（ａ）及び
図６（ｂ）を用いて説明したように、第３実施例及び第
４実施例においても撮像光学系９の入射面側にある瞳位
置付近に、可変絞り機構を配置すればよいことになる。
しかしながら、第３実施例及び第４実施例においては、
瞳位置付近に時分割シャッター２６として液晶シャッタ
ーが採用されているので、それを活用することが考えら
れる。

【００４４】そこで、時分割シャッター２６に液晶シャ
ッターを用い、且つそれに可変絞り機能を付与した場合
の説明図が図１１として示されている。この図１１に示
したシャッター２６は、時分割シャッターとしては、図
８の場合と同様にして作動する。従って、図１１は図８
（ｂ）の場合と同じ作動状態を示していることになる。
即ち、光軸から左側がシャッターとしての遮光部２９で
あり、右側がシャッターとしての透過部２８であるが、
透過部２８は透過領域が小さくなるように規制されてい
て、絞りとして機能するようにされている。従って、逆
に、図８（ａ）に示されているように、シャッターとし
ての透過部２８が左側になった場合には、当然のことな
がら、左側に、このような小さく規制された領域が形成
されることになる。そして、このような透過部２８の開
口規制は、撮像素子１０からの出力レベルが常に一定に
保たれるようにして制御してもよいし、撮像光学系９が
ズームレンズの場合には、変倍状態に応じて制御しても
差し支えない。

【００４５】最後に、各実施例に用いられている硬性鏡
１の好ましい態様についてついて説明する。即ち、硬性
鏡１の光学系は、次に示す式（４）及び式（５）の条件
を備えていることが好ましい。６０°≦θ≦１２０° ・・・・（４）０．３ｍｍ≦ＮＡ・Ｄｍ≦０．９ｍｍ・・・（５）但し、θ ：硬性鏡１の画角ＮＡ：リレー光学系５の開口数Ｄｍ：リレー光学系５が形成する像８の大きさ尚、リレー光学系５の像８の位置に視野マスクを配置し
た場合は、Ｄｍは視野マスクの内径になる。

【００４６】式（４）は視野変換を更に有効に機能させ
るための硬性鏡の画角を定めたものであり、６０°を下
回ると、硬性鏡で得られる視野が狭すぎて、視野の変更
を行うためには硬性鏡自体を移動させる必要が生じてし
まい、省力化のために視野変換機能を備える意味が薄く
なってしまう。また、１２０°を上回ると、硬性鏡像の
周辺部を視野変換で表示した場合、表示面が暗くなって
しまい望ましくない。硬性鏡像は、どのように視野変換
して表示した場合にも、明るさの分布が平均して得られ
ることが好ましい。しかし、硬性鏡の照明光学系による
配光は、角度の大きいところで非常に悪化するので、硬
性鏡像の中心部を観察する場合と、周辺部を観察する場
合の明るさに差が生じてしまう。

【００４７】このような問題の対策としては、広角にお
いて平坦な配光を実現する照明光学系が必要になるが、
画角が１２０°を超えると、平坦な配光を実現すること
が不可能になる。更に、画角が１２０°を超えた場合に
は、ディストーションの問題が発生する。視野変換時に
おいては光学系が偏心状態となるため、硬性鏡像がディ
ストーションを有すると、ＴＶモニター上では、偏心デ
ィストーションを生じてしまう。そのため、観察光学系
のディストーションを低減させる光学設計が必要になる
が、画角が１２０°を超える場合には、それを無くすこ
とが極めて困難である。従って、１２０°が限界とな
る。

【００４８】他方、式（５）は視野変換に必要な明るさ
と被写界深度を適度に確保するための条件である。硬性
鏡の観察光学系の明るさは、ＮＡ・Ｄｍの値の２乗に比
例し、被写界深度は、ＮＡ・Ｄｍの値に反比例する。特
に、視野変換時には硬性鏡像を拡大するため、明るさと
被写界深度の両方にとって不利な条件となる。そこで、
ＮＡ・Ｄｍの値が０．３ｍｍを下回ると、視野変換時に
必要な明るさが確保できなくなり、また、０．９ｍｍを
上回ると、視野変換時に必要な被写界深度を確保できな
くなり、いずれの場合も好ましくなくなってしまう。

【００４９】以上説明したことからも明らかなように、
以下に示す構成も本発明の特徴である。（１）前記撮像光学系内の瞳位置付近に可変絞り機構を
設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の硬性鏡
視野変換システム。（２）前記時分割シャッターは液晶シャッターからな
り、前記液晶シャッターを可変絞りとしても動作可能と
することを特徴とする請求項３又は４に記載の硬性鏡視
野変換システム。（３）立体観察時の左右の画像の画面中心付近でのずれ
量を演算処理して得たデフォーカス情報に基づき、前記
撮像光学系の一部又は全体、もしくは撮像素子を光軸方
向に動かしてオートフォーカスを可能にしたことを特徴
とする請求項３又は４に記載の硬性鏡視野変換システ
ム。（４）前記硬性鏡が以下の条件を満足することを特徴と
する請求項１乃至４の何れかに記載の硬性鏡視野変換シ
ステム。６０°≦θ≦１００° ０．３ｍｍ≦ＮＡ・Ｄｍ≦０．９ｍｍ θ ：硬性鏡の画角ＮＡ：リレー光学系のＮＡＤｍ：リレー光学系が形成する像の大きさ

【００５０】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、硬性鏡
と撮像装置の組合せを変えても、硬性鏡と撮像装置の間
で、視野変換に必要な画面サイズが的確に得られ、ま
た、撮像素子の画素数を１００万以上とすることによっ
て、硬性鏡の有する画質を最大限に生かすようにするこ
とも可能となり、更に、視野変換と立体視を両立させる
ようにすることも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の全体の構成図である。

【図２】図（ａ）〜図（ｄ）は、第１実施例において、
低倍時における条件式の値の違いによって撮像面内の硬
性鏡像と撮像素子の有効範囲との関係が異なることを示
す図である。

【図３】図（ａ）〜図（ｄ）は、第１実施例において、
高倍時における条件式の値の違いによって撮像面内の硬
性鏡像と撮像素子の有効範囲との関係が異なることを示
す図である。

【図４】第１実施例の撮像光学系の変形例を示す構成図
であり、図（ａ）は光軸の垂直方向に撮像光学系の全体
を移動させるようにした場合を示し、図（ｂ）は撮像光
学系の一部を移動させるようにした場合を示している。

【図５】第２実施例の全体の構成図である。

【図６】第１実施例及び第２実施例に適用して効果的な
絞り機構の説明図であって、図（ａ）は機械的な絞り機
構を、図（ｂ）は液晶の絞り機構を示している。

【図７】第３実施例の構成図であって、硬性鏡は、その
一部のみを示している。

【図８】第３実施例に用いられている液晶時分割シャッ
ターの作動説明図であって、図（ａ）は左画像の観察状
態を示し、図（ｂ）は右画像の観察状態を示している。

【図９】第３実施例の撮像装置の変形例を示す構成図で
ある。

【図１０】第４実施例の構成図であって、硬性鏡は、そ
の一部のみを示している。

【図１１】第３実施例及び第４実施例に適用して効果的
な可変絞り機能を有する時分割液晶シャッターの説明図
である。

【符号の説明】

１硬性鏡２撮像装置３観察物体４対物光学系５リレー光学系６接眼光学系７，８像９撮像光学系９ａズームレンズ９ｂレンズ１０撮像素子１１硬性鏡像１２ＨＤＴＶ信号処理系１３ＨＤＴＶモニター１４画像メモリー１５デジタル・シグナル・プロセ
ッサー１６視野変換指示入力系１７画像切り出し制御回路１８ＮＴＳＣ信号処理系１９，３４ＴＶモニター２０絞り径制御ピン２１絞り羽根２２，２５，２８透過部２３，２９遮光部２４，２７光束２６時分割シャッター３０映像信号処理系３１時分割シャッター制御回路３２立体視用液晶眼鏡３３液晶眼鏡制御発光部３５フォーカスレンズ３６像ずれ検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長手方向の一端から観察物体内へ所定量
挿入して観察物体の光学像を形成する硬性鏡と、前記硬
性鏡の他端に接続される撮像装置とからなり、前記撮像
装置は、前記光学像を変倍して結像させる撮像光学系
と、前記撮像光学系による結像面に配置された撮像素子
とを有していて、前記撮像光学系の一部もしくは全体、
又は前記撮像素子を、光軸に対して垂直な方向に移動さ
せることによって視野変換を行うようにした硬性鏡の視
野変換システムにおいて、前記硬性鏡は、前記一端側か
ら順に対物光学系、リレー光学系、接眼光学系を配置し
ていて、前記リレー光学系が前記他端側に像を形成し、
しかも、以下の二つの条件式が満足されるように構成し
たことを特徴とする硬性鏡の視野変換システム。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｗ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２１．６≦Ｄｍ・｜ｆｔ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦４Ｄｍ：リレー光学系が形成する像の大きさＬｃ：撮像素子の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系の焦点距離ｆｗ：撮像光学系の低倍端の焦点距離ｆｔ：撮像光学系の高倍端の焦点距離
【請求項２】長手方向の一端から観察物体内へ所定量
挿入して観察物体の光学像を形成する硬性鏡と、前記硬
性鏡の他端に接続される撮像装置とからなり、前記撮像
装置は、前記光学像を結像させる撮像光学系と、前記撮
像光学系による結像面に配置された撮像素子とを有して
いて、前記撮像素子から得られる画像情報の全部又は一
部を選択的に表示装置に表示することにより視野変換と
像の拡大縮小を行うようにした硬性鏡の視野変換システ
ムにおいて、前記硬性鏡は、前記一端側から順に対物光
学系、リレー光学系、接眼光学系を配置していて、前記
リレー光学系が前記他端側に像を形成し、また、前記撮
像素子の画素数は１００万以上であり、しかも、以下の
条件式が満足されるように構成したことを特徴とする硬
性鏡の視野変換システム。０．６≦Ｄｍ・｜ｆｉ／ｆｏｃ｜／Ｌｃ≦１．２Ｄｍ：リレー光学系が形成する像の大きさＬｃ：撮像素子の有効撮像面の対角長ｆｏｃ：接眼光学系の焦点距離ｆｉ：撮像光学系の焦点距離
【請求項３】長手方向の一端から観察物体内へ所定量
挿入して観察物体の光学像を形成する硬性鏡と、前記硬
性鏡の他端に接続される撮像装置とからなり、前記撮像
装置は、前記光学像を変倍して結像させる撮像光学系
と、前記撮像光学系による結像面に配置された撮像素子
とを有していて、前記撮像光学系の一部もしくは全体、
又は前記撮像素子を、光軸に対して垂直な方向に移動さ
せることによって視野変換を行うようにした硬性鏡の視
野変換システムにおいて、前記撮像光学系内の瞳位置付
近に時分割シャッター機構を設け、瞳内で位置の異なる
二つの光束を時分割的に切り替えて透過させ、前記撮像
素子が視差を有する左右の画像を時分割的に撮像するよ
うに構成したことを特徴とする硬性鏡の視野変換システ
ム。
【請求項４】長手方向の一端から観察物体内へ所定量
挿入して観察物体の光学像を形成する硬性鏡と、前記硬
性鏡の他端に接続される撮像装置とからなり、前記撮像
装置は、前記光学像を結像させる撮像光学系と、前記撮
像光学系による結像面に配置された撮像素子とを有して
いて、前記撮像素子から得られる画像情報の全部又は一
部を選択的に表示装置に表示することにより視野変換と
像の拡大縮小を行うようにした硬性鏡の視野変換システ
ムにおいて、前記撮像素子の画素数は１００万以上と
し、また、前記撮像光学系内の瞳位置付近に時分割シャ
ッター機構を設け、瞳内で位置の異なる二つの光束を時
分割的に切り替えて透過させ、前記撮像素子が視差を有
する左右の画像を時分割的に撮像するように構成したこ
とを特徴とする硬性鏡の視野変換システム。