JPWO2017104191A1 - ステレオ撮像ユニット - Google Patents
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Abstract
第１の対物光学系３１ｌが形成する第１の光学像を受光する第１の撮像素子３２ｌと、第２の対物光学系３１ｒが形成する第２の光学像を受光する第２の撮像素子３２ｒと、の各受光面３２ｌａ，３２ｒａ側を、第１，第２の光学像の光路上に配置される単一の芯出しガラス３４に対して接着によって位置決め固定し、この芯出しガラス３４を介して第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを保持枠３５に保持する。
Description
本発明は、視差を有する２つの撮像画像を取得可能なステレオ撮像ユニットに関する。
近年、医療用内視鏡や工業用内視鏡の分野において、ステレオ撮像ユニットを用いて被検体を立体観察するニーズが高まっている。
ステレオ撮像ユニットを用いた内視鏡の先端部の構造として、例えば、日本国特開平８−２９７０１号公報には、先端部材に設けた透孔に、２つの対物レンズ系（対物光学系）が一体でマウントされた対物レンズユニットを嵌入し、さらに、２つのＣＣＤ（撮像素子）が一体でマウントされたＣＣＤユニットを嵌入させた技術が開示されている。ここで、例えば、日本国特開平８−２９７０１号公報に開示されているように、一般に、各撮像素子は、それぞれ個別の芯出しガラスを介してホルダに位置決め固定される。すなわち、ホルダには各撮像素子に対応する芯出しガラスがそれぞれ保持され、各撮像素子は、各芯出しガラス上において位置決めされた後、当該芯出しガラスに接着されることによって保持される。
ところで、この種のステレオ撮像ユニットは、一般に、単一の対物光学系及び撮像素子を備えた単眼の撮像ユニットに比べて構造が複雑化する傾向にある。
また、この種のステレオ撮像ユニットでは２つの撮像画像の視差を最適化する必要があるが、特に、近距離から被検体を拡大して撮像する内視鏡においては、光軸間距離が広くなり、立体感が強くなりすぎる傾向にある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、適切な視差を有する２つの撮像画像を取得することができるステレオ撮像ユニットを提供することを目的とする。
本発明の一態様によるステレオ撮像ユニットは、第１の対物光学系が形成する第１の光学像を受光する第１の撮像素子と、前記第１の対物光学系と対をなす第２の対物光学系が形成する第２の光学像を受光する第２の撮像素子と、前記第１の光学像及び前記第２の光学像の光路上に配置され、前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子の各受光面側が接着によって位置決め固定された単一の光学部材と、前記光学部材を介して前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子を保持する保持枠と、を備えたものである。
以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係り、図１は内視鏡システムの全体構成を示す斜視図、図２は内視鏡の先端部の端面図、図３は図２のIII−III断面図、図４はステレオ撮像ユニットの拡大断面図、図５はステレオ撮像ユニットを基端側から示す分解斜視図である。
図１に示す内視鏡システム１は、被検体を異なる視点からステレオ撮像することが可能な立体内視鏡２と、この立体内視鏡２が着脱自在に接続されるプロセッサ３と、プロセッサ３により生成された画像信号を内視鏡画像として表示する表示装置としてのモニタ５と、を有して構成されている。
本実施形態の立体内視鏡２は、例えば、腹腔鏡手術に適用される硬性内視鏡である。この立体内視鏡２は、細長の挿入部６と、この挿入部６の基端側に連設する操作部７と、操作部７から延出してプロセッサ３に接続されるユニバーサルケーブル８と、を有して構成されている。
挿入部６には、主にステンレス等の金属製部材によって構成された先端部１１、湾曲部１２、及び、ステンレス等の金属管によって構成された硬性管部１３が、先端側から順に連設されている。
この挿入部６は体内に挿入する部分となっており、先端部１１には、被検体内をステレオ撮像するためのステレオ撮像ユニット３０（図３等参照）が内蔵されている。また、湾曲部１２及び硬性管部１３の内部には、ステレオ撮像ユニット３０と電気的に接続する撮像ケーブル束３９ｌ，３９ｒ（図３参照）、先端部１１に照明光を伝送するライトガイドバンドル（不図示）等が挿通されている。なお、本実施形態の立体内視鏡２は、湾曲部１２よりも基端側が硬性管部１３によって構成された硬性内視鏡を例示しているが、これに限定されることなく、湾曲部１２よりも基端側が可撓性を備えた可撓管部によって構成された軟性内視鏡であっても良い。
操作部７には、湾曲部１２を遠隔操作するためのアングルレバー１５が設けられ、さらに、プロセッサ３の光源装置やビデオシステムセンタ等を操作するための各種スイッチ１６が設けられている。
アングルレバー１５は、挿入部６の湾曲部１２を、ここでは上下左右の４方向に湾曲操作可能な湾曲操作手段である。なお、湾曲部１２は、上下左右の４方向に湾曲可能な構成に限定されることなく、例えば、上下のみ、或いは、左右のみの２方向に湾曲操作可能な構成としても良い。
次に、このような立体内視鏡２の先端部の構成について、図２，３を参照して詳細に説明する。
図３に示すように、先端部１１は、略円柱形状をなす先端部本体２０と、この先端部本体２０に先端が固定された略円筒形状をなす先端筒体２１と、を有して構成されている。ここで、先端部本体２０の外周には先端筒体２１の先端が嵌合されており、この先端筒体２１から露出する先端部本体２０の端面によって、先端部１１の先端面１１ａが形成されている。
図２，３に示すように、先端部本体２０には、先端面１１ａに開口する一対の観察用貫通孔２３ｌ，２３ｒが左右（すなわち、湾曲部１２による左右の湾曲方向）に並んで設けられている。左右の各観察用貫通孔２３ｌ，２３ｒには、ステレオ撮像ユニット３０を構成する一対の対物光学系（第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒ）がそれぞれ保持され、これにより、先端部１１の先端面１１ａには観察窓２４ｌ，２４ｒが形成されている。
また、例えば、図２に示すように、観察用貫通孔２３ｌ，２３ｒよりも上方（すなわち、湾曲部１２による上下の湾曲方向の上方）において、先端部本体２０には、先端面１１ａに開口する一対の照明用貫通孔２５ｌ，２５ｒが左右に並んで設けられている。左右の各照明用貫通孔２５ｌ，２５ｒには、図示しないライトガイドバンドルと光学的に接続する一対の照明光学系２７ｌ，２７ｒがそれぞれ保持され、これにより、先端部１１の先端面１１ａには照明窓２６ｌ，２６ｒが形成されている。
図３〜図５に示すように、ステレオ撮像ユニット３０は、第１の対物光学系３１ｌが形成する光学像（第１の光学像）を受光する第１の撮像素子３２ｌと、第２の対物光学系３１ｒが形成する光学像（第２の光学像）を受光する第２の撮像素子３２ｒと、第１，第２の光学像の光路上に配置され、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの各受光面３２ｌａ，３２ｒａ側が接着によって位置決め固定された光学部材としての単一の芯出しガラス３４と、芯出しガラス３４を介して第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを保持する保持枠３５と、を有して構成されている。
第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒは、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の固体撮像素子によって構成されている。これら第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒには、受光面３２ｌａ，３２ｒａを保護するためのカバーガラス３３ｌ，３３ｒが貼着されている。
また、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒに設けられた端子部（不図示）にはフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ基板）３８ｌ，３８ｒがそれぞれ電気的に接続されている。各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒには、例えば、撮像素子の駆動信号を発生させるためのデジタルＩＣ、デジタルＩＣの駆動電源を安定化させるためのＩＣ駆動電源安定化用コンデンサ、及び、抵抗等の各種電子部品がハンダ付け等によってそれぞれ実装されている。また、各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒには、撮像ケーブル束３９ｌ，３９ｒが電気的に接続されている。
なお、本実施形態において、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒ、各種電子部品を実装した各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒ、及び、各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒに電気的に接続する各撮像ケーブル３９ｌ，３９ｒの先端側は、単一のカバー体４２によって一体的に覆われている。
芯出しガラス３４は、先端部１１の左右方向に延在する透明なガラス基板によって構成されている。この芯出しガラス３４には、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの受光面３２ｌａ，３２ｒａ側が、カバーガラス３３ｌ，３３ｒを介してそれぞれ固定されている。
より具体的には、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒは、受光面３２ｌａ，３２ｒａに貼着されたカバーガラス３３ｌ，３３ｒが、紫外線硬化型透明接着剤（ＵＶ接着剤）等を介して芯出しガラス３４に接着されることにより、互いに所定間隔離間された状態にて位置決め固定されている。さらに、ガラス保持部３６には、カバー体４２の先端側が固設されている。
保持枠３５は、例えば、断面形状が略角丸長方形をなす柱状の金属部材によって構成されている（例えば、図５参照）。保持枠３５の基端側にはガラス保持部３６が凹設され、このガラス保持部３６には、芯出しガラス３４が、接着剤等によって固定されている。
また、例えば、図３，４に示すように、保持枠３５には、第１の対物光学系保持孔３７ｌと、第２の対物光学系保持孔３７ｒと、が予め設定された間隔を隔てて左右に並んで設けられている。これら第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒは、先端側が保持枠３５の端面（先端面１１ａ）において開放されるとともに、基端側がガラス保持部３６に連通する貫通孔によって構成されている。
これら第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒには、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒが、第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒとしてユニット化された状態にて、それぞれ保持されている。
すなわち、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒは、第１，第２のレンズ枠４１ｌ，４１ｒにそれぞれ保持されることによって第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒを構成する。そして、これら第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒが第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒ内に接着剤等を介して位置決め固定されることにより、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒは、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒとともに、単一の保持枠３５によって一体的に保持されている。
この場合において、各部の僅かな加工誤差や組立誤差等を補正して第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒの相対位置（光軸間距離やチルト角等）を適正化するため、第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒのうちの何れか一方（例えば、第１の対物光学系保持孔３７ｌ）は、他方（例えば、第２の対物光学系保持孔３７ｒ）よりも大径な貫通孔によって構成されている。すなわち、例えば、図４に示すように、本実施形態において、第１の対物光学系保持孔３７ｌは、第１のレンズ枠４１ｌを略隙間なく嵌入可能な内径ｒに所定の調整代Δｒを加えた内径を有する貫通孔によって構成されている。一方、第２の対物光学系保持孔３７ｒは、第２のレンズ枠４１ｒを略隙間なく嵌入可能な内径ｒを有する貫通孔によって構成されている。そして、第１の対物光学系ユニット４０ｌは、第２の対物光学系ユニット４０ｒに対し、光軸間距離やチルト角等が微調整された状態にて、第１の対物光学系保持孔３７ｌ内に接着固定されている。
次に、このような構成のステレオ撮像ユニット３０の組立方法の一例について説明する。
このステレオ撮像ユニット３０の組立工程において、先ず、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒが、ＵＶ接着剤を介して、芯出しガラス３４に位置決め固定される。
この場合において、芯出しガラス３４上における第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの相対位置は、例えば、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの受光面３２ｌａ，３２ｒａに配列されている光電変換素子等を、芯出しガラス３４越しに顕微鏡下で観察することにより、精度良く位置決め（芯出し）される。そして、このように位置決めされた状態において、紫外線が照射され、ＵＶ接着剤が硬化されることにより、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒ（より具体的には、カバーガラス３３ｌ，３３ｒ）は芯出しガラス３４に固定される。
次の工程において、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを保持した芯出しガラス３４が、保持枠３５に設けられたガラス保持部３６に対し、接着剤等によって固定される。その際、芯出しガラス３４は、例えば、第２の撮像素子３２ｒが、調整代Δｒを有しない第２の対物光学系保持孔３７ｒに対して予め設定された所定位置に位置するよう調整される。
次の工程において、第２の対物光学系ユニット４０ｒが、第２の対物光学系保持孔３７ｒ内に位置決め固定される。すなわち、第２の対物光学系保持孔３７ｒ内に挿入された第２の対物光学系ユニット４０ｒは、例えば、第２の撮像素子３２ｒに結像された第２の光学像の観察下において光軸方向の調整（ピント調整）が行われた後、接着剤等によって固定される。
次の工程において、第１の対物光学系ユニット４０ｌが、第１の対物光学系保持孔３７ｌ内に位置決め固定される。すなわち、第１の対物光学系保持孔３７ｌ内に挿入された第１の対物光学系ユニット４０ｌは、例えば、第１の撮像素子３２ｌに結像された第１の光学像の観察下において光軸方向の調整（ピント調整）が行われる。さらに、第１の対物光学系ユニット４０ｌは、第１の撮像素子３２ｌに結像された第１の光学像と第２の撮像素子３２ｒに結像された第２の光学像との比較に基づき、第１の対物光学系保持孔３７ｌに設定された調整代の範囲内において、第２の対物光学系ユニット４０ｒに対する相対位置（光軸間距離、及び、チルト角等）の調整が行われた後、接着剤等によって固定される。
このような実施形態によれば、第１の対物光学系３１ｌが形成する第１の光学像を受光する第１の撮像素子３２ｌと、第２の対物光学系３１ｒが形成する第２の光学像を受光する第２の撮像素子３２ｒと、の各受光面３２ｌａ，３２ｒａ側を、第１，第２の光学像の光路上に配置される単一の芯出しガラス３４に対して接着によって位置決め固定し、この芯出しガラス３４を介して第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを保持枠３５に保持することにより、簡単な構成により、適切な視差を有する２つの撮像画像を取得することができる。
すなわち、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを単一の芯出しガラス３４に位置決め固定して保持枠３５に保持することにより、第１，第２の撮像素子を個別の芯出しガラスを介して保持枠に位置決め固定する場合に比べ、部品点数を削減して構成を簡素化することができる。また、金属製の保持枠３５に比べて熱膨張や熱収縮の小さい単一の芯出しガラス３４上において第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの相対位置を確定させることにより、これらの位置決めを適切な視差位置に精度良く行うことができ、適切な視差を有する２つの撮像画像を取得することが可能となる。加えて、単一の芯出しガラス３４上に第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを固定する構成では、個別の芯出しガラス上に固定する構成に比べ、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの光軸間隔が過剰に広くなることを抑制することができ、立体観察する際の立体感が過剰に強くなることを抑制することができる。
この場合において、第１の対物光学系３１ｌを保持するための第１の対物光学系保持孔３７ｌと、第２の対物光学系３１ｒを保持するための第２の対物光学系保持孔３７ｒと、を保持枠３５に設けることにより、単一の保持枠３５によって第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒのみならず第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒをも保持することができ、更なる構造の簡素化を実現することができる。加えて、単一の保持枠３５に第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒを設けることにより、これらの光軸間隔についても過剰に広くなることを抑制することができる。
また、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒを、それぞれ第１，第２のレンズ枠４１ｌ，４１ｒにそれぞれ精度良く保持し、第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒとしてユニット化した状態にて保持枠３５に組み付けることにより、保持枠３５に対する第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒの取付精度を向上することができる。
また、第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒのうちの何れか一方に調整代を設けることにより、単一の保持枠３５に第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒを設けた場合にも、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒの相対的な位置調整を容易に実現することができる。
なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。
本出願は、２０１５年１２月１７日に日本国に出願された特願２０１５−２４６０１５号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。
本発明の一態様によるステレオ撮像ユニットは、第１の対物光学系が形成する第１の光学像を受光する第１の撮像素子と、前記第１の対物光学系と対をなす第２の対物光学系が形成する第２の光学像を受光する第２の撮像素子と、前記第１の光学像及び前記第２の光学像の光路上に配置され、前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子の各受光面側が接着によって位置決め固定された単一の光学部材と、前記光学部材を保持する保持部と、前記第１の対物光学系を保持するための第１の対物光学系保持孔と、前記第２の対物光学系を保持するための第２の対物光学系保持孔と、を有する保持枠と、を備えたものである。
本発明の一態様によるステレオ撮像ユニットは、第１の対物光学系が形成する第１の光学像を受光する第１の撮像素子と、前記第１の対物光学系と対をなす第２の対物光学系が形成する第２の光学像を受光する第２の撮像素子と、前記第１の光学像及び前記第２の光学像の光路上に配置され、前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子の各受光面側が接着によって位置決め固定された単一の光学部材と、前記光学部材を保持する保持部と、前記第１の対物光学系を保持するための第１の対物光学系保持孔と、前記第２の対物光学系を保持するための第２の対物光学系保持孔と、を有する単一の保持枠と、を備えたものである。
Claims (4)
- 第１の対物光学系が形成する第１の光学像を受光する第１の撮像素子と、
前記第１の対物光学系と対をなす第２の対物光学系が形成する第２の光学像を受光する第２の撮像素子と、
前記第１の光学像及び前記第２の光学像の光路上に配置され、前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子の各受光面側が接着によって位置決め固定された単一の光学部材と、
前記光学部材を介して前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子を保持する保持枠と、を備えたことを特徴とするステレオ撮像ユニット。 - 前記保持枠は、前記第１の対物光学系を保持するための第１の対物光学系保持孔と、前記第２の対物光学系を保持するための第２の対物光学系保持孔と、を有することを特徴とする請求項１に記載のステレオ撮像ユニット。
- 前記第１の対物光学系保持孔は、第１の対物光学系ユニットとしてユニット化された前記第１の対物光学系を保持し、前記第２の対物光学系保持孔は、第２の対物光学系ユニットとしてユニット化された前記第２の対物光学系を保持することを特徴とする請求項２に記載のステレオ撮像ユニット。
- 前記第１の対物光学系保持孔或いは前記第２の対物光学系保持孔の何れか一方は、前記第１の対物光学系ユニット或いは前記第２の対物光学系ユニットの何れか一方を、前記第１の対物光学系ユニット或いは前記第２の対物光学系ユニットの何れか他方に対して位置調整するための調整代を有することを特徴とする請求項３に記載のステレオ撮像ユニット。
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