(57)【要約】【課題】一つのリレー光学系を挿入部に備える立体視硬性鏡に対して互いに同一の光学特性を持つ一対の対物光学系を採用することができ、然も、十分な基線長を確保しつつその挿入部の先端径をできるだけ小さくすることができる立体視硬性鏡用光学系を、提供する。【解決手段】立体視硬性鏡の挿入部１０は、一対の対物光学系１１，１２とリレー光学系１４との間に、光路合成素子１３を備える。光路合成素子１３は、一対の対物光学系１１，１２のそれぞれの透過光を互いに垂直な偏光方向を持つように偏光し、一方の偏光方向を持つ光を透過させて他方の偏光方向を持つ光を反射させる光路合成作用面１３ａを有し、各対物光学系１１，１２の光軸を何れも所定量だけ平行にシフトさせることによってその光路合成作用面１３ａにおいて同軸にし、さらに、第１対物光学系１１の光軸のシフト方向と第２対物光学系１２の光軸のシフト方向とがなす角度θを９０°以下にする。【選択図】図１
2005198800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
挿入部の先端に対向する被写体の像をその挿入部の基端側に形成するための立体視硬性鏡用光学系であって、
前記挿入部の先端面からその内部に向かって等距離の位置にそれぞれ配置されるとともに所定距離だけ互いに離間された第１対物光学系及び第２対物光学系，
前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系をそれぞれ透過する光を互いに垂直な偏光方向を持つようにそれぞれ偏光し、且つ、前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系の光軸を何れも所定量だけ平行にシフトさせることによって同軸にするとともに、前記第１対物光学系の光軸のシフト方向と前記第２対物光学系の光軸のシフト方向とがなす角度θを９０°以下にする光路合成手段，
前記光路合成手段によって互いに同軸とされた前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系の光軸に対して同軸な状態で前記挿入部内に配置されるとともに、前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系によりそれぞれ形成される一対の像を前記挿入部の先端近傍から基端近傍までリレーするリレー光学系，及び、
前記リレー光学系を透過した光の中から、前記光路合成手段により偏光された前記第１対物光学系からの光と、前記光路合成手段により偏光された前記第２対物光学系からの光とを、個別に取り出すことによって、前記第１対物光学系により形成された像と前記第２対物光学系により形成された像とを分離させる像分離手段
を備えることを特徴とする立体視硬性鏡用光学系。
【請求項２】
前記光路合成手段は、
前記第１対物光学系の光軸をクランク状に二回折り曲げることにより前記所定量だけ平行にシフトさせる第１反射面及び第２反射面と、
前記第２対物光学系の光軸を直角に折り曲げる第３反射面と、
前記第１対物光学系を透過して前記第１反射面及び前記第２反射面に反射されて前記リレー光学系に向かう光を第１偏光方向を持つように偏光するとともに、前記第２対物光学系を透過して前記第３反射面に反射された光のうち、前記第１偏光方向に直交する第２偏光方向を持つ光を、前記リレー光学系に向けて直角に反射することによって、前記第２対物光学系の光軸を前記所定量だけ平行にシフトさせて前記第１対物光学系の光軸と同軸にする光路合成光学面と、
を備える
ことを特徴とする請求項１記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項３】
前記各対物光学系の最大有効口径をそれぞれφoとし、前記リレー光学系の最大有効口径をφrとしたとき、以下の条件式（１）、
０．７５＜φo／φr＜１．１  ・・・（１）
を満たす
ことを特徴とする請求項１又は２記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項４】
前記光路合成手段における前記角度θが、以下の条件式（２）、
０．５８６＜ｓｉｎ（θ／２）＜０．６７５  ・・・（２）
を満たす
ことを特徴とする請求項３記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項５】
前記光路合成手段にシフトされる前の前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系のそれぞれの光軸が、前記リレー光学系の光軸と略平行である
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項６】
前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系，前記光路合成手段，並びに、前記リレー光学系が収容される外套管の中心軸に対し、前記リレー光学系の光軸がシフトしている
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項７】
前記像分離手段が、偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項８】
前記第１対物光学系により形成された像と前記第２対物光学系により形成された像とをそれぞれ撮影するための一対の撮像装置を、前記偏光ビームスプリッタによって反射された光の光路上と、前記偏光ビームスプリッタを透過した光の光路上とに、更に備える
ことを特徴とする請求項７記載の立体視硬性鏡用光学系。
【請求項９】
前記像分離手段が、前記光路合成手段により偏光された前記第１対物光学系からの光と、前記光路合成手段により偏光された前記第２対物光学系からの光とを、所定期間毎に交互に通過させる液晶シャッタであり、
前記第１対物光学系により形成された像と前記第２対物光学系により形成された像とを前記所定期間毎に交互に撮影するための撮像装置を、前記液晶シャッタの像側に、更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の立体視硬性鏡用光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体視硬性鏡の内部に組み込まれる光学系に、関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、身体や機械や瓦礫のような観察対象の内部を観察するために、硬性鏡が広く用いられている。従来の硬性鏡は、単眼用の光学系しか備えていなかったので、平面視観察しかできなかった。しかし、観察対象内部において様々な処置を精密に行うためには立体視観察が不可欠であったことから、近年では、立体視硬性鏡が開発されている。そして、このような立体視硬性鏡のうちの一つが、特許文献１において開示されている。
【０００３】
この特許文献１に第１実施例として記載された立体視硬性鏡は、偏光板を含む対物光学系を挿入部の先端部内に一対備えているとともに、偏光板を含む接眼光学系を挿入部の基端部内に一対備えている。この第１実施例では、一対の対物光学系をそれぞれ透過した光が、ハーフミラーを挟む位置にある一対のミラーによって、それぞれハーフミラーに向けて反射された後、そのハーフミラーで一つの光路に合成されることによって、一つのリレー光学系の先端面に導入される。また、そのリレー光学系の基端面から射出された光が、ハーフミラーで二つの光路に分離され、分離後の光が、一対の接眼光学系にそれぞれ導入される。ここで、左眼用の対物光学系と接眼光学系とにおいては、互いの偏光板の偏向方向が揃えられ、これと同様に、右眼用の対物光学系と接眼光学系とにおいても、互いの偏向方向が揃えられ、さらに、左眼用と右眼用の偏向方向が、互いに垂直となるように調整される。
【０００４】
また、その特許文献１に第２実施例として記載された立体視硬性鏡は、挿入部の内部に固定される一つのリレー光学系の先端近傍に円形の一枚の偏光板と一つの対物光学系を備えるとともに、そのリレー光学系の基端近傍に偏向方向選択装置を備えている。この第２実施例では、偏光板は、一方の半円領域と他方の半円領域との偏向方向が互いに直交するように構成され、偏光方向選択装置は、リレー光学系から射出された光に含まれる二つの偏光方向成分を交互に通過させるように、構成される。
【０００５】
さらに、その特許文献１に第３実施例として記載された立体視硬性鏡は、偏光板を含まない対物光学系を挿入部の先端部内に一対備えているとともに、挿入部の内部に固定される一つのリレー光学系の基端近傍に偏向方向選択装置を備えている。この第３実施例では、挿入部の先端面から各対物光学系までの距離が互いに等しく、それら光軸は、互いに平行である。また、一方の対物光学系の光軸は、リレー光学系の光軸と同軸に配置され、他方の対物光学系の光軸は、ミラーと偏光ビームスプリッタによって順に折り曲げられることによって、リレー光学系の光軸と同軸に配置される。さらに、偏光ビームスプリッタは、光を透過させる時の偏光方向と光を反射させる時の偏光方向とが互いに垂直となるように、調整される。
【特許文献１】特開平０５−３４１２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、特許文献１に記載された立体視硬性鏡は、その第１乃至第３実施例の何れにおいても、一つのリレー光学系を左眼用にも右眼用にも用いている。このため、リレー光学系によって生ずる左右の光学系同士の光学性能の差が、抑えられている。
【０００７】
しかしながら、その第１実施例では、左右一対の対物光学系をそれぞれ透過した光を反射させる一対のミラーが、ハーフミラーを挟むようにして配置されている。このため、特許文献１記載の立体視硬性鏡には、挿入部の先端径を小さくすることができないという問題があった。
【０００８】
また、その第２実施例では、一つの対物光学系の瞳を二等分することによって左右像を取得しているため、その入射瞳の直径の約半分の長さが、基線長となる。しかし、硬性鏡に用いられる対物光学系の焦点距離が短いことから、その入射瞳径は非常に小さくなってしまう。このため、特許文献１記載の立体視硬性鏡には、十分な基線長を確保することができないという問題があった。
【０００９】
さらに、その第３実施例では、一方の対物光学系におけるリレー光学系までの光路長が他方の対物光学系のそれと異なっていることから、互いに同一の光学特性を持つ一対の対物光学系を用いてしまうと、入射瞳が同一平面上に存在しないため、左右の物体距離に差が生じ、像倍率が左右で異なってしまう。このため、特許文献１記載の立体視硬性鏡には、同一の光学特性を持った対物光学系を採用することができないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、一つのリレー光学系を挿入部に備える立体視硬性鏡に対して互いに同一の光学特性を持つ一対の対物光学系を採用することができ、然も、十分な基線長を確保しつつその挿入部の先端径をできるだけ小さくすることができる立体視硬性鏡用光学系を、提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために発明された立体視硬性鏡用光学系は、挿入部の先端に対向する被写体の像をその挿入部の基端側に形成するための立体視硬性鏡用光学系であって、
前記挿入部の先端面からその内部に向かって等距離の位置にそれぞれ配置されるとともに所定距離だけ互いに離間された第１対物光学系及び第２対物光学系，前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系をそれぞれ透過する光を互いに垂直な偏光方向を持つようにそれぞれ偏光し、且つ、前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系の光軸を何れも所定量だけ平行にシフトさせることによって同軸にするとともに、前記第１対物光学系の光軸のシフト方向と前記第２対物光学系の光軸のシフト方向とがなす角度θを９０°以下にする光路合成手段，前記光路合成手段によって互いに同軸とされた前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系の光軸に対して同軸な状態で前記挿入部内に配置されるとともに、前記第１対物光学系及び前記第２対物光学系によりそれぞれ形成される一対の像を前記挿入部の先端近傍から基端近傍までリレーするリレー光学系，及び、前記リレー光学系を透過した光の中から、前記光路合成手段により偏光された前記第１対物光学系からの光と、前記光路合成手段により偏光された前記第２対物光学系からの光とを、個別に取り出すことによって、前記第１対物光学系により形成された像と前記第２対物光学系により形成された像とを分離させる像分離手段を備えることを、特徴としている。
【００１２】
このように、第１対物光学系及び第２対物光学系とリレー光学系との間に配置された光路合成手段が、第１対物光学系の光軸を所定量だけ平行にシフトさせるとともに、それと同じ所定量だけ第２対物光学系の光軸を平行にシフトさせるため、第１対物光学系からリレー光学系までの光路長が、第２対物光学系のそれと揃うこととなる。このため、立体視硬性鏡には、互いに同一の光学特性を持つ一対の対物光学系を採用することができる。
【００１３】
また、第１対物光学系と第２対物光学系とが所定距離だけ互いに離間されていることから、二つの入射瞳の中心間距離である基線長は、一対の対物光学系の光軸同士の間隔となる。このため、前述した特許文献１に第２実施例として記載された立体視硬性鏡に比べると、本発明による立体視硬性鏡用光学系には、基線長が十分に確保されることとなる。
【００１４】
さらに、光路合成手段が、第１対物光学系の光軸のシフト方向と第２対物光学系の光軸のシフト方向とがなす角度θを、９０°以下にすることから、第１対物光学系及び第２対物光学系が近接されることとなる。このため、前述した特許文献１に第１実施例として記載された立体視硬性鏡に比べると、第１対物光学系及び第２対物光学系や光路合成手段が組み込まれる挿入部の先端部分の径が、小さくなる。
【００１５】
ここで、光路合成手段による第１対物光学系の光軸のシフト方向が、光路合成手段による第２対物光学系の光軸のシフト方向に対し、９０°を上回るようになると、一対の対物光学系の間隔が急激に広がってしまう。その結果、挿入部の先端径も、急激に大きくなってしまうこととなる。そのため、第１対物光学系の光軸及び第２対物光学系の光軸の光路合成手段によるシフト方向がなす角度は、９０°以下であることが必要である。
【００１６】
なお、本発明による立体視硬性鏡用光学系は、各対物光学系の最大有効口径をそれぞれφoとし、リレー光学系の最大有効口径をφrとしたとき、以下の条件式（１）、
０．７５＜φo／φr＜１．１  ・・・（１）
を満たすように構成することが望ましい。対物光学系の最大有効口径φoが、リレー光学系の最大有効口径φrと比較して条件式（１）の下限を下回る程小さくなり過ぎると、対物光学系の焦点距離が小さくなることによって、各対物光学系のイメージサークルが小さくなる。このため、必要な像倍率を得るためには、リレー光学系自身又は拡大光学系によって像を拡大しなければならない。しかし、もし像を拡大してしまうと、合成Ｆナンバーが大きくなって、像が暗くなる。逆に、リレー光学系の最大有効口径φrが、対物光学系の最大有効口径φoと比較して条件式（１）の上限を上回る程小さくなり過ぎると、リレー光学系が伝送できるイメージサークルが、小さくなってしまう。このため、必要な像倍率を得るためには、像を拡大するための拡大光学系をリレー光学系以降に備える必要がある。しかし、もし像を拡大してしまうと、合成Ｆナンバーが大きくなって、やはり像が暗くなる。また、このようにリレー光学系の最大有効口径φrが小さくなり過ぎると、挿入部の長さを十分に確保するためには、リレー回数を増やさねばならない。しかしそうすると、リレー光学系を構成するレンズの枚数を増やさねばならず、面反射などによる透過率の減少を招くこととなる。
【００１７】
また、本発明による立体視硬性鏡用光学系が、前述した条件式（１）を満たす場合においては、光路合成手段は、前記第１対物光学系の光軸のシフト方向と前記第２対物光学系の光軸のシフト方向とがなす角度θが、以下の条件式（２）、
０．５８６＜ｓｉｎ（θ／２）＜０．６７５  ・・・（２）
を満たすように、構成されることが望ましい。このｓｉｎ（θ／２）が、この条件式（２）の上限を上回ると、一対の対物光学系をそれぞれ固定する一対のレンズ枠が、部品加工誤差などを見込んだ最低限の間隔以上の間隔を空けてしまうこととなる。逆に、このｓｉｎ（θ／２）が、この条件式（２）の下限を下回ると、一対の対物光学系をそれぞれ固定する一対のレンズ枠を、干渉させねばならなくなるが、そのような配置は、現実的には不可能となる。
【００１８】
ところで、本発明による立体視硬性鏡用光学系の光路合成手段は、第１対物光学系からの光を偏光する第１偏光手段と第２対物光学系からの光を偏光する第２偏光手段とをそれぞれ備えるものであっても良いし、第１対物光学系からの光と第２対物光学系からの光の光路とを合成する位置にいわゆる偏光ビームコンバイナを備えるものであっても良い。前者の場合には、第１対物光学系からの光と第２対物光学系からの光の光路とを合成する位置に、ハーフミラーが配置されていても良いし、偏光ビームコンバイナが配置されていても良い。
【発明の効果】
【００１９】
以上に説明したように、本発明によれば、一つのリレー光学系を挿入部に備える立体視硬性鏡に対して互いに同一の光学特性を持つ一対の対物光学系を採用することができ、然も、十分な基線長を確保しつつその挿入部の先端径をできるだけ小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面に基づいて、本発明を実施するための形態を、二例説明する。
【実施形態１】
【００２１】
図１は、本発明の第１実施形態である立体視硬性鏡の模式図である。この第１実施形態の立体視硬性鏡は、挿入部１０と撮影部２０とを、備えている。
【００２２】
このうち、挿入部１０は、その主要な構成部品として、第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２と、光路合成素子１３と、リレー光学系１４と、外套管１５とを、備えている。なお、外套管１５は、円筒状のパイプであり、身体や機械や瓦礫のような観察対象の内部に挿入することができるように細長く形成されている。この外套管１５は、前述した各光学系１１，１２，１４をそれぞれ内包するレンズ枠，及び、光路合成素子１３を、その内部に固定している。
【００２３】
第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２は、挿入部１０の先端に対向する被写体の像を形成するための光学系である。これら第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２は、外套管１５の先端からその内部に向かって等距離の位置にそれぞれ配置されている。また、これら各対物光学系１１，１２の光軸は、互いに平行であり、後述の基線長をもって離間されている。
【００２４】
光路合成素子１３は、その具体的な構成については後述するが、簡単に説明すると、第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２の光軸を何れも所定量だけ平行にシフトさせることによってそれら光軸をリレー光学系１４の光軸と同軸にするための光学素子である。つまり、この光路合成素子１３は、第１対物光学系１１の光軸を所定量だけ平行にシフトさせるとともに、それと同じ所定量だけ第２対物光学系１２の光軸を平行にシフトさせる。従って、第１対物光学系１１からリレー光学系１４までの光路長は、第２対物光学系１２のそれと揃っている。このため、前述した第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２には、互いに同一の光学特性を持つ光学系が、採用されている。
【００２５】
また、この光路合成素子１３は、第１対物光学系１１から射出された光と第２対物光学系１２から射出された光とを、それぞれ直線偏光する。この光路合成素子１３の通過後、リレー光学系１４に入射する直前においては、第１対物光学系１１からの光が持つ偏光方向は、第２対物光学系１２からの光が持つ偏光方向に対し、直交している。
【００２６】
リレー光学系１４は、第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２が各々その結像面に形成した像を挿入部１０の基端側へリレーするための光学系であり、多数のリレーレンズから構成されている。各対物光学系１１，１２による像は、各リレーレンズの結像面に順次形成され、最も像側の結像面には、各対物光学系１１，１２が形成した像とほぼ同じ大きさの像が、形成される。
【００２７】
他方、撮影部２０は、その主要な構成部品として、第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２と、光路分離素子２３と、筐体２４とを、備えている。なお、筐体２４は、円柱状に形成されており、その底面には、挿入部１０の外套管１５の基端を着脱自在に装着するための機構が、備えられている。前述した各撮像装置２１，２２と光路分離素子２３は、この筐体２４内に固定される。
【００２８】
第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２は、何れも、二次元配列された多数の画素により構成される撮像面を有する単板のエリアイメージセンサを、有しており、その撮像面上にはカラーフィルタがオンチップされている。これら撮像装置２１，２２は、その撮像面上に形成された像を画像データに変換し、その画像データに各種の処理を施してモニタ等の立体表示装置へ出力する。
【００２９】
光路分離素子２３は、リレー光学系１４から射出された光を、第１対物光学系１１から射出された光と第２対物光学系１２から射出された光とに分離するための光学素子である。この光路分離素子２３は、台形プリズム２３１及び三角プリズム２３２から構成されている。
【００３０】
台形プリズム２３１は、上底と下底と高さの比が１：２：１である直角台形の底面形状を有する台形柱状に、形成されており、その直角台形の下底に接する側面２３１ａの縦横の長さは、直角台形の上底及び下底の長さと等しい長さとなっている。この側面２３１ａを、以下では、入射面と表記する。また、その直角台形の斜辺の対辺に接する正方形状の側面２３１ｃを、以下では、第２射出面と表記する。
【００３１】
三角プリズム２３２は、直角二等辺三角形の底面形状を有する三角柱状に、形成されており、その直角二等辺三角形の底辺に接する側面２３２ｃは、台形プリズム２３１の入射面２３１ａと同じ大きさとなっている。従って、この側面２３２ｃの縦横比は、１：２となっている。この側面２３２ｃを、以下では、第１射出面と表記する。また、その直角二等辺三角形の一対の斜辺に接する側面２３２ａ，２３２ｂは、台形プリズム２３１における直角台形の斜辺に接する側面２３１ｂと同じ大きさとなっている。なお、一対の側面２３２ａ，２３２ｂのうちの一方の側面２３２ｂを、以下では、反射面と表記する。
【００３２】
そして、筐体２４の中では、台形プリズムの入射面２３１ａは、三角プリズム２３２の第１射出面２３２ｃに対して垂直となっている。また、台形プリズム２３１における直角台形の斜辺に接する側面２３１ｂは、三角プリズム２３２における反射面２３２ｂ及び第１射出面２３２ｃ以外の側面２３２ａと、接している。これら側面２３１ｂ，２３２ａ同士は、その四辺が互いに接した状態で、且つ、ｐ偏光成分を透過させるとともにｓ偏光成分を反射する偏光膜を挟んだ状態で、接着されている。この偏光膜とこれを挟んだ一対の側面２３１ｂ，２３２ａとからなる光学面を、以下では、光路分離作用面２３ａと表記する。
【００３３】
また、筐体２４に外套管１５が装着されている状態では、リレー光学系１４の光軸は、台形プリズム２３１の入射面２３１ａを垂直に貫き、光路分離作用面２３ａの中心においてこの面２３ａに対して４５°傾いて交差する。さらに、光路分離素子２３は、第１対物光学系１１からの光が持つ直線偏光の方向が光路分離作用面２３ａにおけるｐ偏光方向に一致し、且つ、第２対物光学系１２からの光が持つ直線偏光の方向が光路分離作用面２３ａにおけるｓ偏光方向に一致するように、配置されている。このため、第１対物光学系１１からの光は光路分離作用面２３ａを透過し、第２対物光学系１２からの光は光路分離作用面２３ａで反射される。つまり、この光路分離作用面２３ａは、偏光ビームスプリッタとして機能する。従って、第１対物光学系１１の光軸は、この光路分離作用面２３ａを貫き、第２対物光学系１２の光軸は、この光路分離作用面２３ａによって直角に折り曲げられることとなる。
【００３４】
第１対物光学系１１の光軸は、この光路分離作用面２３ａを通過した後、三角プリズム２３２の反射面２３２ｂの中心で直角に折り曲げられ、第１射出面２３２ｃを垂直に貫いて、第１撮像装置２１の撮像面に達する。一方、第２対物光学系１２の光軸は、この光路分離作用面２３ａで直角に折り曲げられた後、台形プリズム２３１の第２射出面２３１ｃの中心を垂直に貫いて、第２撮像装置２２の撮像面に達する。なお、第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２の筐体２４内での取り付け位置は、リレー光学系１４から各々の撮像面に至るまでの光路長が互いに等しくなるように、調整されている。
【００３５】
光路分離素子２３が、以上に説明したように構成されていることにより、第１撮像装置２１が、第１対物光学系１１によって形成されてリレー光学系１４によってリレーされた像を撮影することとなり、第２撮像装置２２が、第２対物光学系１２によって形成されてリレー光学系１４によってリレーされた像を撮影することとなる。従って、光路分離素子２３は、前述した像分離手段として機能する。
【００３６】
なお、この第１実施形態の立体視硬性鏡は、一対の対物光学系１１，１２を有していることから、立体視のための視差のある二つの画像の画像データをモニタ等に出力することができる。但し、実際にこの立体視硬性鏡により観察対象を観察する者に対してより快適に立体視させるためには、モニタ等の立体表示装置に出力された一対の画像を観察する者の輻輳点（視線の交点）と調節点（ピントの合う点）とを一致させるようにすることが望ましい。このような輻輳点と調節点との一致は、第１対物光学系１１の光軸と第２対物光学系１２の光軸とをリレー光学系１４の光軸を挟んで対称に傾けることによって、行っても良い。しかし、そうすると、互いの光軸が平行な状態にある一対の対物光学系１１，１２を近接させる場合に比べて、外套管の径を太くしなければならなくなる。そのため、この第１実施形態においては、一対の対物光学系１１，１２の光軸は、リレー光学系１４の光軸と略平行に配置しておき、輻輳一致は、第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２の各々の撮像面に直交する中心軸を第１対物光学系１１及び第２対物光学系１２の光軸に対してシフトさせることにより、或いは、第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２によって取得された画像データの中から画像処理装置が一部を選択して出力することによって、行っている。
【００３７】
次に、光路合成素子１３について、より詳しく説明する。
【００３８】
図２及び図３は、何れも、光路合成素子１３の斜視図である。なお、図２は、図１の下方からみたときの状態を示し、図３は、図１の上方から見たときの状態を示している。これら図２及び図３に示されるように、光路合成素子１３は、第１乃至第３プリズム１３１〜１３３から構成されている。
【００３９】
第１プリズム１３１は、二対の内角がそれぞれ４５°及び１３５°である平行四辺形の底面形状を有する四角柱状のプリズムである。図４は、この第１プリズム１３１の底面形状を示した平面図である。なお、以下では、この底面の一対の短辺に接する各側面１３１ａ，１３１ｄを、それぞれ、第１入射面及び第１透過面と表記する。また、平行四辺形の一対の長辺に接する各側面１３１ｂ，１３１ｃを、それぞれ、第１反射面及び第２反射面と表記する。
【００４０】
この第１プリズム１３１は、第１入射面１３１ａと平行な仮想平面に投影された場合には、長方形となり、その長方形の縦横比は、１：（２＋α）となっている。その長方形は、第１入射面１３１ａと第１透過面１３１ｄとが若干の所定幅ｈだけ重なってできる形状であり、第１入射面１３１ａと第１透過面１３１ｄは、上記仮想平面に投影された際に重複する部分を除くと、何れも、同じ大きさの正方形である。
【００４１】
第２プリズム１３２は、特殊な底面形状を有する柱状のプリズムである。図５は、この第２プリズム１３２の底面形状を示した平面図である。その底面形状は、具体的には、上記の平行四辺形（第１プリズム１３１の底面形状）と、その短辺から上記所定幅ｈを除いた長さが一辺の長さである正方形とを、結合したものと等しい形状であり、その正方形における平行四辺形に接する辺の一端は、平行四辺形の短辺における鋭角な内角がある側の端に、揃えられている。
【００４２】
このような底面形状を有する第２プリズム１３２において、その底面中の上記正方形部分における平行四辺形がある側とは反対側の辺に接している側面１３２ａを、以下、第２入射面と表記する。また、その底面中の上記平行四辺形における正方形が無い側の短辺に接している側面１３２ｄを、射出面と表記する。また、その底面中の上記平行四辺形部分における一対の長辺に接している側面のうち、射出面１３２ｄに対して１３５°傾いて接している側面１３２ｂを、第３反射面と表記する。
【００４３】
第３プリズム１３３は、三角プリズムであり、その斜面以外の矩形状の一対の側面は、第１プリズム１３１の入射面１３１ａから上記重複部分を除いてできる正方形と同じ大きさの正方形となっている。以下、この一対の正方形状側面のうちの一方の側面１３３ａを、第２透過面と表記する。
【００４４】
そして、第３プリズム１３３の第２透過面１３３ａは、第２プリズム１３２の射出面１３２ｄと平行になっており、第３プリズム１３３の斜面１３３ｂは、第２プリズム１３２における射出面１３２ｄに対して４５°傾いて接する側面１３２ｃに対し、接している。これら斜面１３３ｂ及び側面１３２ｃ同士は、その四辺が互いに接した状態で、且つ、ｐ偏光成分を透過させるとともにｓ偏光成分を反射する偏光膜を挟んだ状態で、接着されている。この偏光膜とこれを挟んだ斜面１３３ｂ及び側面１３２ｃとからなる光学面を、以下では、光路合成作用面１３ａと表記する。
【００４５】
また、第１プリズム１３１の第１透過面１３１ｄは、その正方形領域の中心が第３プリズム１３３の第２透過面１３３ａの中心と同軸になった状態で、この第２透過面１３３ａと接している。
【００４６】
第１乃至第３プリズム１３１〜１３３がこのような相対位置関係にある状態において、外套管１５の中では、第１対物光学系１１の光軸Ａｘ１が、第１プリズム１３１の第１入射面１３１ａにおける上記重複部分を除いてできる正方形領域の中心を、垂直に貫いている。このため、第１対物光学系１１の光軸Ａｘ１は、第１入射面１３１ａ内の正方形領域の中心を垂直に貫いた後、第１反射面１３１ｂ及び第２反射面１３１ｃによってクランク状に折り曲げられ、第１透過面１３１ｄ内の正方形領域の中心を垂直に貫く。さらに、第１対物光学系１１の光軸Ａｘ１は、第３プリズム１３３の第１透過面１３３ａの中心を垂直に貫き、光路合成作用面１３ａの中心においてこの面１３ａに対して４５°傾いて交差する。
【００４７】
一方、外套管１５の中では、第２対物光学系１２の光軸Ａｘ２が、第２プリズム１３２の第２入射面１３２ａの中心を垂直に貫いている。このため、第２対物光学系１２の光軸Ａｘ２は、第２入射面１３２ａの中心を垂直に貫いた後、第３反射面１３２ｂによって直角に折り曲げられ、光路合成作用面１３ａの中心においてこの面１３ａに対して４５°傾いて交差する。
【００４８】
ここで、この光路合成作用面１３ａは、第１対物光学系１１を透過して第１反射面１３１ｂ及び第２反射面１３１ｃで反射された光のうち、この面１３ａにおけるｐ偏光方向を持つ成分を、透過させるとともに、第２対物光学系１２を透過して第３反射面１３２ｂで反射された光のうち、この面１３ａにおけるｓ偏光方向を持つ成分を、反射する。これにより、第１対物光学系１１の光軸Ａｘ１は、この光路合成作用面１３ａを貫き、第２対物光学系１２の光軸Ａｘ２は、この光路合成作用面１３ａで垂直に折り曲げられることとなる。従って、一対の対物光学系１１，１２の光軸Ａｘ１，Ａｘ２は、互いに同軸となり、何れも、第２プリズム１３２の射出面１３２ｄにおける上記重複部分を除いてできる正方形領域の中心を、垂直に貫くこととなる。
【００４９】
そして、外套管１５の中では、リレー光学系１４の光軸Ａｘ０が、第２プリズム１３２の射出面１３２ｄ内の正方形領域の中心を、垂直に貫いている。この結果、一対の対物光学系１１，１２の光軸Ａｘ１，Ａｘ２は、光路合成素子１３によって、リレー光学系１４の光軸Ａｘ０と同軸にされる。然も、第１プリズム１３１の第１反射面１３１ｂ及び第２反射面１３１ｃによる第１対物光学系１１の光軸Ａｘ１のシフト量は、第２プリズム１３２の第３反射面１３２ｂ及び光路合成作用面１３ａによる第２対物光学系１２の光軸Ａｘ２のシフト量と、同じである。従って、第１対物光学系１１からリレー光学系１４までの光路長は、第２対物光学系１２のそれと揃うこととなる。
【００５０】
また、この光路合成素子１３においては、第１プリズム１３１の第１反射面１３１ｂ及び第２反射面１３１ｃによる第１対物光学系１１の光軸Ａｘ１のシフト方向が、第２プリズム１３２の第３反射面１３２ｂと光路合成作用面１３ａによる第２対物光学系１２の光軸Ａｘ２のシフト方向に対し、直角，又は、直角より数度少ない鋭角に、傾いている。図６は、一対の対物光学系１１，１２の光軸Ａｘ１，Ａｘ２のそれぞれのシフト方向を互いに鋭角に傾ける光路合成素子１３を、各対物光学系１１，１２側からみたときの正面図である。なお、この図６においては、第１入射面１３１ａと第２入射面１３２ａでの有効口径を示す円が、破線で示されており、射出面１３２ｄでの有効口径を示す円が、一点鎖線で示されている。このような、各対物光学系１１，１２の光軸Ａｘ１，Ａｘ２のそれぞれのシフト方向を直角，又は、直角より数度少ない鋭角に傾ける光路合成素子１３を用いれば、そのシフト方向が互いに逆側を向いている場合（前述した特許文献１の第１実施例）に比べて、各光学系１１，１２，１４を外套管１５内でより密に配置することができ、その結果として、外套管１５をできるだけ細くすることができる。
【００５１】
ここで、図６には、外套管１５の外形が示されているが、射出面１３２ｄでの有効口径を示す一点鎖線の円の中心は、各光学系１１，１２，１４を外套管１５内で密に配置するために、この外套管１５の中心に対し、シフトされている。そして、リレー光学系１４は、この一点鎖線の円の中心を光軸Ａｘ０が貫くようにして、外套管１５内に固定されるので、リレー光学系１４の光軸Ａｘ０は、外套管１５の中心軸からシフトされていることとなる。
【００５２】
ところで、この第１実施形態の立体視硬性鏡では、光学系の明るさを高く保つため、一対の対物光学系１１，１２の最大有効口径が、リレー光学系１４の最大有効口径と同程度となっている。より具体的には、第１実施形態の立体視硬性鏡は、一対の対物光学系１１，１２の最大有効口径をそれぞれφoとし、リレー光学系１４の最大有効口径をφrとしたとき、以下の条件式（１）、
０．７５＜φo／φr＜１．１  ・・・（１）
を満たすように、構成されている。
【００５３】
ここで、各対物光学系１１，１２の最大有効口径φoが、リレー光学系１４の最大有効口径φrと比較して条件式（１）の下限を下回る程小さくなり過ぎると、対物光学系の焦点距離が小さくなることによって、各対物光学系１１，１２のイメージサークルが小さくなる。このため、必要な像倍率を得るためには、リレー光学系１４自身又は拡大光学系によって像を拡大しなければならない。しかし、もし像を拡大してしまうと、合成Ｆナンバーが大きくなって、像が暗くなる。
【００５４】
逆に、リレー光学系１４の最大有効口径φrが、各対物光学系１１，１２の最大有効口径φoと比較して条件式（１）の上限を上回る程小さくなり過ぎると、リレー光学系１４が伝達できるイメージサークルが、小さくなってしまう。このため、必要な像倍率を得るためには、像を拡大するための拡大光学系をリレー光学系１４以降に備える必要がある。しかし、もし像を拡大してしまうと、合成Ｆナンバーが大きくなって、やはり像が暗くなる。また、このようにリレー光学系１４の最大有効口径φrが小さくなり過ぎると、挿入部１０の長さを十分に確保するためには、リレー回数を増やさねばならない。しかしそうすると、リレー光学系１４を構成するレンズの枚数を増やさねばならず、面反射などによる透過率の減少を招くこととなる。
【００５５】
図７は、一対の対物光学系１１，１２の光軸Ａｘ１，Ａｘ２のそれぞれの光路合成素子１３によるシフト方向が互いになす角度が取り得る値を算出する際に用いられる説明図である。
【００５６】
この図７において、実線で描かれた３個の円は、各光学系１１，１２，１４の光軸方向に視線を向けて見た場合における各光学系１１，１２，１４の有効口径の円を示している。なお、これら３個の実線の円は、何れも同じ半径を有しているが、これは、前述したように、光学系の明るさを高く保つ場合に対物光学系１１，１２の有効口径がリレー光学系１４の有効口径と同程度であることが望ましいためである。図７では、これら３個の実線の円の半径をｒと表現している。
【００５７】
また、この図７において、３個の実線の円のそれぞれの周囲には、破線の円が描かれており、これら３個の破線の円は、何れも、内包する実線の円と同心に配置されている。これら３個の破線の円は、各光学系１１，１２，１４をその内部で固定する円筒状のレンズ枠の外形を、示している。各レンズ枠は、何れも、同一の外径を有しており、図７では、破線の円の半径から実線の円の半径を差し引いて得られる長さが、各レンズ枠の厚さｔとして表現されている。
【００５８】
さらに、この図７において、第１対物光学系１１を示す実線の円と、第２対物光学系１２を示す実線の円は、何れも、リレー光学系１４を示す実線の円と接している。このように配置できるのは、一対の対物光学系１１，１２が、光路合成素子１３を挟んでリレー光学系１４がある側とは反対側に存在するため、両対物光学系１１，１２のレンズ枠がリレー光学系１４のレンズ枠に干渉することがないことによる。これに対し、第１対物光学系１１のレンズ枠は、第２対物光学系１２のレンズ枠に干渉してはならないため、第１対物光学系１１を示す破線の円は、第２対物光学系１２のレンズ枠を示す破線の円に対し、若干の間隙２ｐを空けている。
【００５９】
この図７に示されるように、各光学系１１，１２，１４の有効口径を示す実線の円とレンズ枠の外径を示す円とが以上のような関係を有している時、各光学系１１，１２，１４は、外套管１５内で最も密に配置されることとなる。従って、一対の対物光学系１１，１２の光軸Ａｘ１，Ａｘ２のそれぞれの光路合成素子１３によるシフト方向が互いになす角度は、各光学系１１，１２，１４の光軸を線分で結んでできる二等辺三角形の頂角の角度θに一致させれば良いことになる。以下、その角度θが具体的に取り得る範囲を、説明する。
【００６０】
まず、上記二等辺三角形の頂角を挟む一対の斜辺の長さは、２ｒであり、その二等辺三角形の底辺の長さは、２×（ｒ＋ｔ＋ｐ）である。従って、これら長さと頂角の角度θとの関係式は、ｓｉｎ（θ／２）＝[（ｒ＋ｔ＋ｐ）／２ｒ]と表現できる。なお、二等辺三角形の底辺の長さは、一対の対物光学系１１，１２の入射瞳の中心間距離でもあるため、基線長である。
【００６１】
ここで、第１実施形態の立体視硬性鏡に用いられる光学視管（レンズ枠）により形成される光学系の有効口径の半値（有効半径）ｒは、外套管１５の直径がφ１０〜１２ｍｍである場合には２ｍｍ程度、外套管１５の直径がφ４〜５ｍｍである場合には１ｍｍ程度である。また、レンズ枠の厚さｔには、十分な強度を得ることができる最低限度として、０．３ｍｍ程度が必要である。さらに、第１対物光学系１１のレンズ枠と第２対物光学系１２のレンズ枠との間隙２ｐには、部品加工誤差などを見込むと、０．１ｍｍ程度が必要である。
【００６２】
従って、有効半径ｒが２ｍｍである場合には、上記の関係式から、
ｓｉｎ（θ／２）＝[（２＋０．３＋０．０５）／（２×２）｝
＝０．５８７５
となり、有効半径ｒが１ｍｍである場合には、上記の関係式から
ｓｉｎ（θ／２）＝[（１＋０．３＋０．０５）／（２×１）｝
＝０．６７５
となる。
【００６３】
実際には、有効半径ｒは、１ｍｍ程度から２ｍｍ程度の間を取ることを考慮すると、ｓｉｎ（θ／２）は、０．５８７５から０．６７５までの値を取り得る。従って、角度θが具体的に取り得る範囲は、以下の条件式（２）、
０．５８７５＜ｓｉｎ（θ／２）＜０．６７５  ・・・（２）
となる。そして、これを変形すると、
３５．９８０＜（θ／２）＜４２．４５４
となるから、角度θが具体的に取り得る範囲は、
７１．９６＜θ＜８４．９１
となる。
【００６４】
ここで、このｓｉｎ（θ／２）が、条件式（２）の上限を上回ると、一対の対物光学系１１，１２をそれぞれ固定する一対のレンズ枠が、部品加工誤差などを見込んだ最低限の間隔以上の間隔を空けてしまうこととなる。逆に、このｓｉｎ（θ／２）が、この条件式（２）の下限を下回ると、一対の対物光学系１１，１２をそれぞれ固定する一対のレンズ枠を、干渉させねばならなくなるが、そのような配置は、現実的には不可能となる。
【実施形態２】
【００６５】
図８は、本発明の第２実施形態である立体視硬性鏡の模式図である。この図８と図１とを比較して明らかなように、本発明の第２実施形態は、前述した第１実施形態における光路分離素子２３の代わりに液晶シャッタ２５を備えているとともに、二台の第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２を一台の撮像装置２６に削減した以外は、第１実施形態と同じ構成である。従って、その相違点のみを説明する。
【００６６】
液晶シャッタ２５は、入射してきた光のうち、所定の偏光方向を持つ成分と、この偏光方向に直交する偏光方向を持つ成分とを、所定期間（例えば６０分の１秒）毎に交互に通過させるための装置である。この液晶シャッタ２５は、撮影部２０の筐体２４内に固定されており、この筐体２４に外套管１５が装着された際には、その外套管１５内のリレー光学系１４の光軸Ａｘ０上に配置される。ここで、この液晶シャッタ２５が通過させ得る一方の成分が持つ偏光方向は、第１対物光学系１１の光が持つ偏光方向に一致している。従って、この液晶シャッタ２５は、第１対物光学系１１を透過した光と、第２対物光学系１２を透過した光とを、所定期間毎に交互に通過させることとなる。
【００６７】
撮像装置２６は、第１実施形態の第１撮像装置２１及び第２撮像装置２２と同様に機能する撮影装置である。但し、撮像装置２６は、液晶シャッタ２５と同期しながら、上記の所定期間毎に、画像データを取得する。つまり、撮像装置２６は、第１対物光学系１１による像の画像データと、第２対物光学系１２による像の画像データとを、交互に取得する。このため、この撮像装置２６は、先に取得した画像データをバッファリングして、一対の画像データを同時に出力する。
【００６８】
従って、第２実施形態の立体視硬性鏡によっても、視差のある二つの画像の画像データをモニタ等の立体表示装置に出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態である立体視硬性鏡の模式図
【図２】光路合成素子の斜視図
【図３】光路合成素子の斜視図
【図４】第１プリズムの底面形状を示す平面図
【図５】第２プリズムの底面形状を示す平面図
【図６】一対の対物光学系の光軸をそれぞれシフトさせる光路合成素子をそれら光軸に視線を向けて見たときの正面図
【図７】光路合成素子による一対の対物光学系の光軸のそれぞれのシフト方向が互いになす角度が取り得る値を算出する際に用いられる説明図
【図８】本発明の第２実施形態である立体視硬性鏡の模式図
【符号の説明】
【００７０】
１０      挿入部
１１      第１対物光学系
１２      第２対物光学系
１３      光路合成素子
１３１    第１プリズム
１３１ｂ  第１反射面
１３１ｃ  第２反射面
１３２    第２プリズム
１３２ｂ  第３反射面
１３３    第３プリズム
１３ａ    光路合成作用面
１４      リレー光学系
１５      外套管
２０      撮影部
２１      第１カメラ
２２      第２カメラ
２３      光路分離素子
２３１    台形プリズム
２３２    三角プリズム
２３ａ    光路分離作用面
【図１】
2005198800.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005198800.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005198800.tif 000009
【図８】
2005198800.tif 000010