(57)【要約】【課題】投影方向における投影光学系からの距離が互いに異なる位置のそれぞれに順にスクリーンを出現させる三次元表示装置に対して映像信号を供給できる三次元撮影装置を、提供する。【解決手段】三次元撮影システムの投光ユニット３０が、カメラユニット１０内の撮影光学系１１の光軸方向において並ぶ４つの線光源３３を一つずつ順に点灯することによって、施術部位における第１乃至第４のピント位置にある部分を、一つずつ順に、輪切り状に照明し、それに同期して、カメラユニット１０が、第１乃至第４のピント位置にある各部分のうち、輪切り状に照明された部分にピントを合わせて撮影する。本体ユニット２０は、撮影により得られた映像信号のうちＧ信号に、第１乃至第４のピント位置の部分にそれぞれピントを合わせて写し取った４枚のフレームを一つの塊として定義付ける奥行同期信号（ＺＳＹＮＣ）を重畳して、出力する。【選択図】図１
2007194779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元映像を構成する第１乃至第Ｎの要素映像を表示するための映像信号を出力する三次元映像信号出力処理を、繰り返す三次元撮影装置であって、
合焦機能と像倍率を一定にするための補正機能とを有し、被写体像を形成する撮影光学系，
前記撮影光学系の光軸方向におけるその撮影光学系からの距離が互いに異なる前記被写体上の第１乃至第Ｎの位置のそれぞれに対し、順々に、その光軸方向に交差する幾つかの方向から照明光を照射する動作を、繰り返す投光部，
前記第１乃至第Ｎの位置のうち前記投光部が照明光を照射している位置に対し、前記撮影光学系の像倍率を一定にしたままそのピントを合わせる動作を、前記投光部の動作に同期して、繰り返す光学系駆動部，
前記撮影光学系が形成した被写体像を撮像して映像信号を生成する動作を、前記投光部の動作に同期して繰り返す撮影部，
前記撮影部が生成する映像信号に対し、その映像信号が表している要素映像が第１乃至第Ｎの要素映像の何れであるかを特定するための同期信号である奥行同期信号を、重畳する重畳部，及び、
前記重畳部が奥行同期信号を重畳した映像信号を出力する出力部
を備えることを特徴とする三次元撮影装置。
【請求項２】
前記撮影部は、幾つかの色成分毎の映像信号を生成し、
前記重畳部は、前記撮影部が生成する映像信号のうち、所定の色に関する映像信号に対し、前記奥行同期信号を重畳する
ことを特徴とする請求項１記載の三次元撮影装置。
【請求項３】
前記光学系駆動部は、
前記撮影光学系を構成するレンズのうち、その光軸方向に平行移動自在にすべき各レンズをそれぞれ保持するレンズ枠に備えられたカムフォロワ，
前記カムフォロワをそれぞれ貫通させるために、前記各レンズ枠を内蔵する鏡筒に穿たれたスリット，及び、
前記各スリットから前記鏡筒の外部に露出する各カムフォロワの先端がそれぞれ挿入されるカム溝を有するとともに、前記光軸方向と平行な中心軸周りに回転自在である円筒溝カム
を備えることを特徴とする請求項１記載の三次元撮影装置。
【請求項４】
前記各レンズ枠が、前記鏡筒内で摺動自在に嵌め込まれている
ことを特徴とする請求項３記載の三次元撮影装置。
【請求項５】
前記各レンズ枠が、前記鏡筒内でワットリンク機構を介して保持されることによって、互いに同軸の状態を維持しつつ前記光軸方向に平行移動自在となっている
ことを特徴とする請求項３記載の三次元撮影装置。
【請求項６】
前記投光部は、
前記撮影光学系の光軸方向に沿って並ぶ第１乃至第Ｎの線光源，
前記第１乃至第Ｎの線光源のそれぞれについて、その線光源に直交する方向へ放射する照明光の一部を平行光に変換して、前記第１乃至第Ｎの位置のうちその線光源の対応する位置へ射出する第１乃至第Ｎの平行化光学系，及び、
前記第１乃至第Ｎの線光源を一つずつ順に発光させる光源駆動部
を備えることを特徴とする請求項１記載の三次元撮影装置。
【請求項７】
前記投光部は、
前記撮影光学系の光軸に対しねじれの位置にある線光源，
前記線光源がそれに直交する方向へ放射する照明光の一部を平行光に変換する平行化光学系，
前記平行化光学系により平行光に変換された照明光を、前記線光源に直交する断面内で偏向するガルバノミラー，及び、
前記ガルバノミラーが偏向した照明光を反射することによって、互いの反射光が平行となるようにしつつ、前記第１乃至第Ｎの位置にそれぞれ入射させる第１乃至第Ｎのミラー
を備えることを特徴とする請求項１記載の三次元撮影装置。
【請求項８】
三次元映像を構成する第１乃至第Ｎの要素映像を表示するための映像信号を出力する三次元映像信号出力処理を、繰り返す三次元撮影装置であって、
合焦機能と像倍率を一定にするための補正機能とを有し、被写体像を形成する撮影光学系，
前記撮影光学系の光軸方向におけるその撮影光学系からの距離が互いに異なる前記被写体上の第１乃至第Ｎの位置のそれぞれに対し、順々に、その光軸方向に交差する幾つかの方向から照明光を照射する動作を、繰り返す投光部，
前記第１乃至第Ｎの位置のうち前記投光部が照明光を照射している位置に対し、前記撮影光学系の像倍率を一定にしたままそのピントを合わせる動作を、前記投光部の動作に同期して、繰り返す光学系駆動部，
前記撮影光学系が形成した被写体像を撮像して映像信号を生成する動作を、前記投光部の動作に同期して繰り返す撮影部，及び、
前記撮影部が生成した映像信号を出力する出力部
を備えることを特徴とする三次元撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元映像を表示するための映像信号を生成する三次元撮影装置に、関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に拠ると、映像（動画）を立体的に表示する方式には、大きく分けて、ヘッドマウント方式，眼鏡方式，及び、裸眼方式がある。このうち、ヘッドマウント方式は、ゴーグルに内蔵された一対の小型ディスプレイのそれぞれに、視差のある左右眼用映像を別々に表示する方式である。また、眼鏡方式は、特殊な眼鏡を通じて観察者に臨まれる一枚の画面に、視差のある左右眼用の映像が混在した映像を表示する方式であり、この方式には、具体的には、色フィルタ使用のアナグリフ式，偏光板使用の偏光眼鏡方式，及び、左右用映像を交互に表示するとともにそれに同期させて左右眼の前に配置された一対の液晶シャッタを交互に開閉する時分割方式がある。
【０００３】
また、残りの裸眼方式は、特殊なゴーグルや特殊な眼鏡を必要としない方式であり、非特許文献２に拠ると、この裸眼方式には、二眼方式，多眼方式，超多眼方式，立体錯視方式，及び、体積方式がある。
【０００４】
このうち、二眼方式は、左右の視差を生み出すためのフィルタで覆われた一枚の画面に通常の映像を表示する方式であり、この方式には、主なものとして、垂直方向に沿って互いに平行な複数のスリットが空けられているフィルタで画面を覆うパララックスバリア方式，及び、半円筒状の複数のレンズアレイが垂直方向に沿って平行に配置されているレンチキュラーシートで画面を覆うレンチキュラー方式がある。
【０００５】
また、多眼方式は、空間内の何れの位置に視点が置かれてもその位置に対応した視差を生じせしめる一枚の画面に通常の映像を表示する方式であり、この多眼方式には、主なものとして、複眼レンズ状のフィルタで画面を覆うインテグラル方式，及び、表面に微少な穴が無数に空いているフィルタで画面を覆うステップバリア方式がある。
【０００６】
また、超多眼方式は、複数の視点位置で物体を撮影して得た複数の映像を、左右眼の各々に二つ以上の映像が写り込むよう、左右眼に直接投影する方式である。この超多眼方式によれば、観察者は、輻輳位置にピントを合わせたとき（視覚疲労を生む調節と輻輳の矛盾を解消させたとき）、視差のある映像が重なったように見える。この超多眼方式には、主なものとして、集束化光源列（ＦＬＡ）方式，及び、投影光学系扇形配列（ＦＡＰＯ）方式がある。
【０００７】
また、立体錯視方式は、撮影方向における異なる二視点位置で撮影して得た二つの映像を、ハーフミラーを用いて一画面上に重ね合わせるとともに奥側の映像と手前側の映像の輝度値を変化させることにより、一枚の画面に表示する方式である。この立体錯視方式によれば、重ね合わされた画像が、奥行きを持った画像として観察者を錯覚させる。
【０００８】
また、体積方式は、物体を三次元的に走査しておいて、三次元的走査機構により空間中に像点を分布させることにより、三次元像を空間中に再現（表示）する方式であり、非特許文献２乃至４に拠ると、この体積方式には、主なものとして、ハーフミラー多層合成方式（特許文献１）、透視スクリーン多層合成方式（特許文献２及び３）、液晶スクリーン方式、バリフォーカルミラー方式，バリフォーカルレンズ方式（特許文献４及び５），平面スクリーン移動方式（特許文献６），平面スクリーン回転方式（特許文献７乃至１０）がある。
【０００９】
【非特許文献１】河合隆史、“立体メディアクリエーションのススメ  第三章立体ディスプレイ”、[online]、３Ｄコンソーシアム運営事務局、［平成１７年９月１４日検索］、インターネット＜URL：http://www.creatorslounge.com/seminar/003_3.html＞
【非特許文献２】“平成１６年度立体映像表示に関する調査研究報告書”、１８頁〜７２頁、[online]、社団法人日本機械工業連合会、社団法人日本オプトメカトロニクス協会、［平成１７年９月１４日検索］、インターネット＜URL：http://www.joem.or.jp/h16_rittaieizou.pdf＞
【非特許文献３】“３次元画像表示の基礎”、[online]、日本大学理工学部電子情報工学科吉川研究室、［平成１７年９月１４日検索］、インターネット＜URL：http://www.ecs.cst.nihon-u.ac.jp/oyl/3d/index.html＞
【非特許文献４】井上弘著、「立体視の不思議を探る」、オプトロニクス社、平成１４年１１月
【００１０】
【特許文献１】特開平０９−０９１４６８号公報
【特許文献２】特開２００１−０５４１４４号公報
【特許文献３】特許第３０８１５８９号公報
【特許文献４】特許第３４７９６３１号
【特許文献５】特開２０００−３３８９００号公報
【特許文献６】特開平０６−００６８３０号公報
【特許文献７】特開２００１−３５２５６５号公報
【特許文献８】特開２００１−３４６２２７号公報
【特許文献９】特開２０００−２７８７１１号公報
【特許文献１０】特開平０６−２７４１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、脳外科の分野において、立体顕微鏡を通じて施術部を拡大撮影して得た映像を立体的に表示するシステムが、開発されている。このシステムによれば、従来の立体顕微鏡のように患者に直接施術を施す施術者に対してのみ立体的な拡大像が提供できるだけではなく、施術を補助する者，遠隔地から施術の指示を出す者，施術技術を習得中の研修生や学生に対しても、立体的な拡大像を映像として提供できるようになる。
【００１２】
しかしながら、従来のシステムは、施術部の拡大像を、ヘッドマウント方式，眼鏡方式，二眼方式，多眼方式のように、視差を利用して立体的に表示するものしかなかった。このような視差を利用した表示方式によると、施術者の脳が、映像の映し出された画面と異なる位置（輻輳位置）に立体を知覚しているにも拘わらず、眼が画面にピントを合わせ込むため、奥行き感が得られなかったり、手前の物が奥にきて奥の物が手前にきてしまうような奥行き感の逆転現象が生じたりすることがあった。このため、視差を利用して拡大像を立体的に表示する従来の方式は、処置具の進退が分かるよう明確な奥行き感が求められている脳外科の分野には、導入しにくいという問題があった。
【００１３】
その一方、本出願人は、上記の問題を生む視差を利用した表示方式ではなく、三次元像を立体的に再現する体積方式が採用された三次元表示装置を、先に、提案している（特願２００４−３３９８７０号，特願２００４−３３９８７１号）。この三次元表示装置は、投影方向における投影光学系からの距離が互いに異なる複数の位置のそれぞれに対し順に且つ短期間にスクリーンを出現させるとともに、何れかの位置にスクリーンが出現している間、そのスクリーン上にピントの合った画像を投影することにより、残像作用を利用して三次元像を空間中に再現するというものである。しかし、この三次元表示装置を脳外科の分野に適用しようにも、その三次元表示装置に映像信号を供給できる撮影装置が存在していなかった。
【００１４】
本発明は、前述した従来の事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、投影方向における投影光学系からの距離が互いに異なる位置のそれぞれに順にスクリーンを出現させる三次元表示装置に対して映像信号を供給できる三次元撮影装置を、提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために案出された三次元撮影装置は、三次元映像を構成する第１乃至第Ｎの要素映像を表示するための映像信号を出力する三次元映像信号出力処理を、繰り返す三次元撮影装置であって、合焦機能と像倍率を一定にするための補正機能とを有し、被写体像を形成する撮影光学系，前記撮影光学系の光軸方向におけるその撮影光学系からの距離が互いに異なる前記被写体上の第１乃至第Ｎの位置のそれぞれに対し、順々に、その光軸方向に交差する幾つかの方向から照明光を照射する動作を、繰り返す投光部，前記第１乃至第Ｎの位置のうち前記投光部が照明光を照射している位置に対し、前記撮影光学系の像倍率を一定にしたままそのピントを合わせる動作を、前記投光部の動作に同期して、繰り返す光学系駆動部，前記撮影光学系が形成した被写体像を撮像して映像信号を生成する動作を、前記投光部の動作に同期して繰り返す撮影部，前記撮影部が生成する映像信号に対し、その映像信号が表している要素映像が第１乃至第Ｎの要素映像の何れであるかを特定するための同期信号である奥行同期信号を、重畳する重畳部，及び、前記重畳部が奥行同期信号を重畳した映像信号を出力する出力部を備えることを、特徴としている。
【００１６】
このように構成されるので、投影方向における投影光学系からの距離が互いに異なる第１乃至第Ｎの位置のそれぞれに順にスクリーンを出現させる三次元表示装置は、この映像信号を受信すると、その映像信号を構成するフレームを、その映像信号に重畳される奥行同期信号に基づいて、一つの三次元映像を構成する第１乃至第Ｎの映像要素としてのグループに分割し、第１乃至第Ｎの位置のスクリーンのそれぞれに対し、そのスクリーンに上にピントの合った映像要素を、投影することができる。
【００１７】
なお、本発明の三次元撮影装置において、奥行同期信号は、映像信号に重畳されていても良いし、されていなくても良い。後者のように奥行同期信号が映像信号に重畳されていない場合であっても、その三次元撮影装置から映像信号の供給を受ける三次元表示装置が、映像信号を構成するフレームを、一つの三次元映像を構成する第１乃至第Ｎの映像要素としてのグループに分割できるもの（例えば、フレームをＮ枚ずつ自動的に区切るよう処理する装置）であれば、その三次元撮影装置は、三次元表示装置に映像信号を供給できる装置として機能することとなる。
【発明の効果】
【００１８】
従って、本発明によれば、投影方向における投影光学系からの距離が互いに異なる位置のそれぞれに順にスクリーンを出現させる三次元表示装置に対して映像信号を供給できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための五つの最良の形態を、添附図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施形態１】
【００２０】
まず、第１の実施形態の三次元撮影システムの構成について、説明する。
【００２１】
第１の実施形態の三次元撮影システムは、例えば脳外科手術における施術部分を拡大撮影することにより、施術部分を三次元像として立体的に再現できる所定の三次元表示装置に供給するための映像信号を、生成するシステムである。
【００２２】
図１は、第１の実施形態の三次元撮影システムの構成図である。
【００２３】
図１に示されるように、第１の実施形態の三次元撮影システムは、カメラユニット１０，本体ユニット２０，及び、投光ユニット３０からなる。
【００２４】
カメラユニット１０は、視野内にある被写体の像を撮影するためのユニットであり、本体ユニット２０は、カメラユニット１０で生成された信号を処理して上記映像信号を出力するためのユニットであり、投光ユニット３０は、カメラユニット１０の撮影に必要な照明光を被写体に照射するためのユニットである。
【００２５】
図２は、カメラユニット１０の構成図である。
【００２６】
カメラユニット１０は、撮影光学系１１，駆動機構１２，駆動制御装置１３，回転検出器１４，及び、撮像素子１５を、含んでいる。
【００２７】
撮影光学系１１は、第１乃至第３のレンズ１１１〜１１３からなる。また、駆動機構１２は、第１乃至第３のレンズ枠１２１〜１２３，鏡筒１２ｂ，円筒溝カム１２ｃからなる。
【００２８】
第１乃至第３のレンズ１１１〜１１３は、第１乃至第３のレンズ枠１２１〜１２３に、それぞれ保持されており、それらレンズ枠１２１〜１２３は、鏡筒１２ｂ内で軸方向にのみ移動自在となるように嵌め込まれている。鏡筒１２ｂには、その軸方向と平行な三本のスリットが、一直線上に並ぶように、穿たれており、各スリットには、第１乃至第３のレンズ枠１２１〜１２３から突出形成されているピン状のカムフォロワ１２１ａ〜１２３ａが、貫通している。各カムフォロワ１２１ａ〜１２３ａの先端部分は、各々のスリットから鏡筒１２ｂの外部に露出し、円筒溝カム１２ｃの外周面に形成された三本のカム溝に、それぞれ挿入されている。円筒溝カム１２ｃは、鏡筒１２ｂと平行な方向に向けられた状態で、カメラユニット１０内に回転自在に取り付けられている。この円筒溝カム１２ｃが回転されたときには、カム溝とスリットの交点の移動に伴って、カムフォロワ１２１ａ〜１２３ａが軸方向へ平行移動し、第１乃至第３のレンズ１１１〜１１３が、対応するカムフォロワ１２１ａ〜１２３ａと一体に、軸方向へ平行移動する。
【００２９】
なお、第１の実施形態では、ピント位置の変更に拘わらず像倍率が一定となるよう、円筒溝カム１２ｃの各カム溝の形状，鏡筒１２ｂの各スリットの軸方向位置及び軸方向長さ，並びに、撮影光学系１１の仕様（フォーカス，コンペンセート等）が、定められている。
【００３０】
駆動制御装置１３は、円筒溝カム１２ｃを回転させるための図示せぬモーター，及び、その図示せぬモーターの回転力を円筒溝カム１２ｃに伝達するための図示せぬ幾つかのギアを、内蔵しており、図示せぬ内蔵モーターへ供給する電力の量及び極性を制御することにより、円筒溝カム１２ｃを回転させるとともにその回転速度及び回転方向を制御する。また、この駆動制御装置１３は、本体ユニット２０に接続されており、本体ユニット２０からの後述の切替信号が示すタイミングに応じて、円筒溝カム１２ｃの回転速度及び回転方向を変えるようになっている。より具体的には、駆動制御装置１３は、撮影光学系１１のピントを、その光軸方向において互いに異なる複数のピント位置に順に繰り返し合わせ込むよう、上記タイミングに合わせて、円筒溝カム１２ｃの回転量及び回転方向を変える。なお、本実施形態では、撮影光学系１１のピントは、撮影光学系１１に近い方から遠い方に向かって順に且つ等間隔に設定された第１乃至第４のピント位置に、合わせ込まれるようになっている。
【００３１】
回転検出器１４は、レゾルバやインクリメンタルロータリエンコーダやアブソリュートロータリエンコーダのような、円筒溝カム１２ｃの回転速度及び回転方向を検出するためのセンサである。この回転検出器１４は、本体ユニット２０に接続されており、検出信号が、本体ユニット２０へ出力されるようになっている。なお、検出信号は、駆動制御装置１３により駆動される円筒溝カム１２ｃの回転量のフィードバック制御と回転方向の検出とに、利用されるものである。
【００３２】
撮像素子１５は、二次元的に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であり、その撮像面上には補色系のカラーフィルタがオンチップされている。この撮像素子の撮像面は、撮影光学系１１の像面位置に配置され、撮影光学系１１が撮像面上に形成した被写体像は、撮像素子１５により補色信号に変換される。撮像素子１５は、本体ユニット２０に接続されており、本体ユニット２０からの後述のドライブ信号が示すタイミングに応じて、電荷掃出処理と補色信号出力処理とを行うようになっている。
【００３３】
図３は、本体ユニット２０の構成図である。
【００３４】
本体ユニット２０は、画像処理回路２１，同期制御回路２２，フレーム制御回路２３，映像信号用ＩＦ回路２４，及び、同期信号用ＩＦ回路２５を、含んでいる。
【００３５】
画像処理回路２１は、撮像素子１５から出力された補色信号に対してマトリクス処理などを行うことによりＲＧＢの映像信号を生成する回路である。
【００３６】
同期制御回路２２は、図示せぬタイミングジェネレータから出力される基準信号に基づいて各種の同期信号を生成する回路である。この同期制御回路２２は、映像信号で利用される垂直同期信号（ＶＳＹＮＣ）と水平同期信号（ＨＳＹＮＣ）とを、画像処理回路２１に出力する。また、この同期制御回路２２は、撮像素子１１での電荷蓄積期間と電荷掃出期間とを周期的に規定するドライブ信号を、撮像素子１５に出力する。さらに、この同期制御回路２２は、撮像素子１５へのドライブ信号と同等の切替信号を、駆動制御装置１３へ出力するようになっている。この駆動制御装置１３では、上記の電荷蓄積期間を規定する信号状態（ロー若しくはハイの信号レベルにある状態、又は、パルスからパルスまでの期間中）は、撮影光学系１１の各レンズ１１１〜１１３の静止期間を規定するものとして利用され、上記の電荷掃出期間を規定する信号状態は、各レンズ１１１〜１１３の移動期間を規定するものとして利用される。
【００３７】
フレーム制御回路２３は、同期制御回路２２から出力される垂直同期信号と水平同期信号とに基づいて、画像処理回路２１からの映像信号を所定枚（本実施形態では４枚）のフレームごとに区切るための奥行同期信号（ＺＳＹＮＣ）を生成する回路である。この奥行同期信号は、画像処理回路２１から出力されるＲＧＢの映像信号のうち、Ｇ信号に重畳される。
【００３８】
映像信号用ＩＦ回路２４は、画像処理回路２１から出力されたＲ信号及びＢ信号と、奥行同期信号が重畳されたＧ信号とを、外部端子を通じて上記の三次元表示装置に出力するための回路である。
【００３９】
同期信号用ＩＦ回路２５は、フレーム制御回路２３から出力された垂直同期信号と水平同期信号とを、外部端子を通じて上記の三次元表示装置に出力するための回路である。
【００４０】
投光ユニット３０は、図１に示されるように、円錐台筒ブロック３１，フランジ状衝立３２，線光源３３，平行化光学系３４，及び、照明制御装置３５を、含んでいる。
【００４１】
円錐台筒ブロック３１は、軸方向長さが径方向長さより相対的に短い円錐台筒状のブロックであり、その内面には、その内面に対して互いに同一の高さをもって垂直に突出した円錐面状のフランジ状衝立３２が、５枚形成されている。なお、図１では、円錐台筒ブロック３１及びフランジ状衝立３２が、中心軸周りにおける全周に亙って形成された状態ではなく、６０°の中心角の範囲を切り出してなる部分が、中心軸周りに均等角度間隔で三個（一個は紙面の手前にあるので図示略）配置した状態が、示されている。これら円錐台筒ブロック３１及びフランジ状衝立３２は、軸周りの全周に亙って形成されたものであっても良いが、図１のように三個以上の部分からなるものであっても良い。後者の場合、照明能力が多少低下するものの、施術部位への施術が行い易くなるという利点がある。
【００４２】
５枚のフランジ状衝立３２は、円錐台筒ブロック３１の母線方向において等間隔に並んでおり、一対のフランジ状衝立３２の間に挟まれた４つの空間のそれぞれには、線光源３３が備えられている。線光源３３は、線状に形成されており、上記空間における円錐台筒ブロック３１の内周面寄りにおいて、円錐台筒ブロック３１の周方向に沿って取り付けられている。この線光源３３は、その周方向に直交する断面において点光源となっており、通電されたときには、各点光源から全方向へ照明光を放射する。
【００４３】
また、上記４つの空間は、何れも、線光源３３よりも中心軸側に、平行化光学系３４を備えている。平行化光学系３４は、径方向に沿った断面において、照明光を、拡散光から平行光に変換する光学系である。
【００４４】
図４は、平行化光学系３４の具体的な光学構成を示す斜視図である。なお、図４では、円錐台筒ブロック３１の周方向に沿って湾曲している線光源３３と平行化光学系３４とが、直線状に展開されている。
【００４５】
図４に示されるように、平行化光学系３４は、第１及び第２のアナモフィックレンズ３４ａ，３４ｂからなる。第１のアナモフィックレンズ３４ａは、円錐台筒ブロック３１の母線に直交する断面（図４内では左右方向と前後方向にともに平行な断面）においてはパワーを持たず、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面（線光源３３に直交する断面）においては正メニスカスの面構成により全体として正のパワーを持つレンズであり、その周方向に直交する断面において照明光を拡散光から収束光に変換する。第２のアナモフィックレンズ３４ｂは、円錐台筒ブロック３１の母線に直交する断面においてはパワーを持たず、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面においては前面に負のパワーを持つレンズであり、その周方向に直交する断面内において、第１のアナモフィックレンズ３４ａによって収束光とされた照明光を、平行光に変換する。
【００４６】
上記４つの空間は、図４に示したような線光源３３と平行化光学系３４とを一つずつ含むため、それら４つの空間の何れにおいても、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面内では、線光源３３から放射された照明光が、平行化光学系３４により、拡散光から、フランジ状衝立３２と平行な平行光に変換され、その後、フランジ状衝立３２の間を通って、円錐台筒ブロック３１の中心軸に向かう。これにより、円錐台筒ブロック３１及びフランジ状衝立３２が軸周りの全周に亙って形成されたものである場合には、照明光は、全ての径方向から、その中心軸に向かって集まり、円錐台筒ブロック３１及びフランジ状衝立３２が図１に示されるように幾つかの部分からなるものである場合には、照明光は、それら部分のある径方向から中心軸に向かって集まる。前者と後者の何れの場合であっても、図１の左側から右側に向かって各線光源３３に第１乃至第４と順番をつけると、同一の順番の線光源３３から発せられた照明光は、同一位置に集光する。このとき、各線光源３３からの照明光の集光位置は、各線光源３３が円錐台筒ブロック３１の中心軸方向において並ぶ順と同じ順に、等間隔に並んでいる。
【００４７】
ここで、線光源３３や平行化光学系３４が取り付けられる円錐台筒ブロック３１は、図示せぬアームの先端に保持されるようになっており、その中心軸がカメラユニット１０内の撮影光学系１１の光軸と同軸となる状態で、患者の施術部位の近傍に設置される。このとき、撮影光学系１１のピントが合わせ込まれる上記の第１乃至第４のピント位置が、第１乃至第４の線光源３３からの各照明光の集光位置にそれぞれ一致するよう、カメラユニット１０の姿勢と円錐台筒ブロック３１の姿勢とが、調整される。
【００４８】
照明制御装置３５は、上記４つの空間内にそれぞれ取り付けられている第１乃至第４の線光源３３の点灯状態を制御するための装置である。この照明制御装置３５には、本体ユニット２０の同期制御回路２２から、垂直同期信号と同等の切替信号が、入力されるようになっており、映像信号におけるフレームの切替タイミングに合わせて、線光源３３に一つずつ通電し、４つの線光源３３を順に繰り返し点灯させる。従って、この照明制御装置３５により、照明光が、第１乃至第４のピント位置のそれぞれへ、一カ所ずつ、順に入射することとなる。
【００４９】
次に、第１の実施形態の三次元撮影システムの作用及び効果について、説明する。
【００５０】
利用者は、まず、施術前に、この三次元撮影システムのカメラユニット１０と円錐台筒ブロック３１とを、第１乃至第４のピント位置が施術部位に重なるようにして、設置する。続いて、利用者は、上記の三次元表示装置（図示略）と本体ユニット２０とを接続し、ＲＧＢの映像信号，垂直同期信号，及び、水平同期信号が、三次元表示装置に出力され得る状態にする。その後、利用者は、主電源を投入して、撮影を開始する。
【００５１】
すると、母線方向において並ぶ４つの線光源３３が一つずつ順に点灯され、それに同期して、円筒溝カム１２ｃが９０度ずつ回転し、それに同期して、撮像素子１５が蓄積電荷の掃出処理を繰り返し行う。これにより、施術部位における第１乃至第４のピント位置にある部分が、一つずつ順に、ほぼ輪切り状に照明され、それと並行して、カメラユニット１０が、第１乃至第４のピント位置にある各部分のうち、ほぼ輪切り状に照明された部分にピントを合わせて撮影する。
【００５２】
ここで、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面でみると、照明光の入射方向は、撮影光学系１１の光軸に直交する方向に対し、傾いている（図１ではこの傾きが強調されているが、実際には数度しか傾いていない）。これは、本来ならば、照明光は、撮影光学系１１の光軸に直交する方向から、施術部位に入射させるべきであるが、様々な障碍物などにより、施術部位に照明光が届かない場合が考えられるため、若干斜め方向から入射させるようにしたものである。この結果、施術部位が、完全な輪切り状には、照明されなくなってしまうが、このような照明光の入射方向の傾きによる照明位置とピント位置のズレに合わせて、撮影光学系１１の球面収差を補正するとともに、画像処理回路２１において各フレームに対して周知のキーストン補正を施すようにすれば、このようなズレが、多少、改善されることとなる。
【００５３】
そして、前述したような奥行方向（撮影光学系１１の光軸方向）へのサンプリングが繰り返し行われて得られた映像信号は、奥行同期信号（ＺＳＹＮＣ）がＧ信号に重畳されることによって、第１乃至第４のピント位置の部分にそれぞれピントを合わせて写し取った４枚のフレームを一つの塊として定義付けた状態で、出力される。このような映像信号が上記の三次元表示装置（図示略）に出力されることにより、上記の三次元表示装置（図示略）は、映像信号を通じて順に受け取るフレームを、４枚ずつのグループとして取得し、一つのグループを得る毎に、一つの三次元像を再現する。
【００５４】
なお、その三次元表示装置（図示略）の構造は、特願２００４−３３９８７０号や特願２００４−３３９８７１号に詳しく説明されているが、簡単に説明すると、投影方向における投影光学系からの距離が互いに異なる複数（本実施形態では４つ）の位置のそれぞれに対し順に且つ短期間にスクリーンを出現させるとともに、何れかの位置にスクリーンが出現している間、そのスクリーン上にピントの合った画像を投影することにより、残像作用を利用して三次元像を空間中に再現するというものである。
【００５５】
この三次元表示装置（図示略）は、本体ユニット２０からＲＧＢの映像信号が入力されると、Ｇ信号から奥行同期信号を抽出するようになっており、また、この三次元表示装置（図示略）は、その抽出した奥行同期信号と、別系統で入力される垂直同期信号とに基づいて、投影方向の光路内への４枚のスクリーンの出現タイミングを制御するとともに、光路内に出現した１枚のスクリーンへの投影光学系の焦合を制御する。
【００５６】
このような制御の結果、この三次元表示装置（図示略）では、４枚のフレームの画像が、奥行の異なる４枚のスクリーン上に、時間差を持って投影され、４枚のスクリーン上に投影された画像は、一つの三次元像として利用者を錯覚させる。利用者は、４枚のスクリーンを使って順次表示される複数の三次元像により、動きのある三次元像として知覚する。
【００５７】
このように、第１の実施形態の三次元撮影システムは、上記の三次元表示装置が処理できる映像信号を供給するシステムとして、利用することができる。
【実施形態２】
【００５８】
第２の実施形態は、線光源３３を挟んで第１のアナモフィックレンズがある側とは反対側に反射鏡を追加した形態である点において、第１の実施形態とは相違する。
【００５９】
図５は、第２の実施形態の平行化光学系４４の光学構成図である。
【００６０】
図５に示されるように、第２の実施形態の平行化光学系４４は、反射鏡４４ａ，第１及び第２のアナモフィックレンズ４４ｂ，４４ｃからなる。
【００６１】
反射鏡４４ａは、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面（図５の紙面と平行な断面）の形状が放物線形であるアナモフィック反射面を有する鏡である。この反射鏡４４ａは、放物断面の持つ焦点の位置が第１の実施形態における線光源３３の位置に一致する状態で、フランジ状衝立３２の間に取り付けられている。このため、上記断面内では、線光源３３から拡散される照明光のうち、反射鏡４４ａに反射された照明光は、フランジ状衝立３２と平行な平行光に変換される。
【００６２】
第１のアナモフィックレンズ４４ｂは、円錐台筒ブロック３１の母線に直交する断面（図５の紙面の上下方向に直交する断面）においてはパワーを持たず、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面（図５の紙面と平行な断面）においては正メニスカスの面構成により全体として正のパワーを持つレンズであり、その周方向に直交する断面において反射鏡４４ａからの照明光を平行光から収束光に変換する。
【００６３】
第２のアナモフィックレンズ４４ｃは、円錐台筒ブロック３１の母線に直交する断面においてはパワーを持たず、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面においては前面に負のパワーを持つレンズであり、その周方向に直交する断面において、第１のアナモフィックレンズ４４ｂによって収束光とされた照明光を、平行光に変換する。すなわち、第１及び第２のアナモフィックレンズ４４ｂ，４４ｃは、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面においてアフォーカルな光学系を構成している。
【００６４】
このような構成を採ることにより、線光源３３が第１のアナモフィックレンズ４４ｂ以外に向けて放射した照明光の多くが、反射鏡４４ａに反射されて、第１のアナモフィックレンズ４４ｂに導入される。これにより、同じ線光源３３を使っている場合、第１の実施形態に比べて、第２の実施形態の方が、照明光を明るくすることができる。
【実施形態３】
【００６５】
第３の実施形態は、反射鏡を備える点で第２の実施形態と同じ構成となっているが、その反射鏡が、周方向に直交する断面において、放物線形ではなく楕円形である点で、第２の実施形態と相違する。
【００６６】
図６は、第３の変形形態の平行化光学系５４の光学構成図である。
【００６７】
図６に示されるように、第３の実施形態の平行化光学系５４は、第２の実施形態と同様に、反射鏡５４ａ，第１及び第２のアナモフィックレンズ５４ｂ，５４ｃからなる。
【００６８】
反射鏡５４ａは、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面（図６の紙面と平行な断面）の形状が楕円形であるアナモフィック反射面を有する鏡である。この反射鏡５４ａは、楕円断面の持つ二焦点のうちの反射面から遠い側の焦点の位置が第１の実施形態における線光源３３の位置に一致する状態で、フランジ状衝立３２の間に取り付けられている。このため、上記断面内では、線光源３３から拡散される照明光のうち、反射鏡５４ａに反射された照明光は、反射鏡５４ａに反射された後、反射鏡５４ａから離れた側の焦点で一旦収斂して、拡散する。
【００６９】
第１のアナモフィックレンズ５４ｂは、円錐台筒ブロック３１の母線に直交する断面（図６の紙面の上下方向に直交する断面）においてはパワーを持たず、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面（図６の紙面と平行な断面）においては正メニスカスの面構成により全体として正のパワーを持つレンズであり、その周方向に直交する断面において反射鏡５４ａからの照明光を拡散光から収束光に変換する。
【００７０】
第２のアナモフィックレンズ５４ｃは、円錐台筒ブロック３１の母線に直交する断面においてはパワーを持たず、円錐台筒ブロック３１の周方向に直交する断面においては前面に負のパワーを持つレンズであり、その周方向に直交する断面において、第１のアナモフィックレンズ５４ｂによって収束光とされた照明光を、フランジ状衝立３２と平行な平行光に変換する。
【００７１】
このような構成を採ることにより、線光源３３が第１のアナモフィックレンズ５４ｂ以外に向けて放射した照明光の多くが、反射鏡５４ａの反射面によって収束された後、第１のアナモフィックレンズ５４ｂに導入される。これにより、同じ線光源３３を使っている場合、第１の実施形態に比べて、第３の実施形態の方が、照明光を明るくすることができる。
【実施形態４】
【００７２】
第４の実施形態は、第１乃至第３の実施形態のように撮影方向（奥行方向）に沿って配列された複数の線光源３３を一つずつ順に点灯する形態ではなく、一つの線光源３３から放射された照明光をガルバノミラーで偏向して第１乃至第４のピント位置へ順に導入させる形態である。なお、ガルバノミラーは、曲面として構成できないため、第４の実施形態は、直線状の線光源とガルバノミラーとを内蔵する投光ユニット６０を、施術部位の周囲に四台設置して、施術部位の四方から（カメラユニット１０内の撮影光学系１１の光軸に直交する四方向から）照明光を照射する形態となっている。
【００７３】
図７は、第４の実施形態の四台の投光ユニット６０のうちの一台の構成図である。
【００７４】
第４の実施形態の投光ユニット６０は、線光源６１，反射鏡６２，長尺レンズ６３，シリンドリカルレンズ６４，ガルバノミラー６５，四枚の第１のミラー６６，四枚の第２のミラー６７，及び、ミラー位置検出器６８を、備えている。
【００７５】
線光源６１は、前述したように直線状に形成されており、その直線方向に直交する断面（図７では紙面に平行な断面）において、点光源となっている。反射鏡６２は、その断面の形状が円弧状であるシリンドリカル反射面を有する鏡であり、その円弧を輪郭の一部に持つ円の中心の位置が線光源６１の位置に一致する状態で、投稿ユニット６０の筐体に取り付けられている。なお、線光源６１に直交する断面内においては、その線光源６１から放射された照明光のうち、反射鏡６２で反射された照明光は、線光源３３の位置で一旦収束した後、線光源３３から拡散する照明光と同様に、反射鏡６２がある側とは反対側に向かって拡散する。
【００７６】
長尺レンズ６３は、線光源６１を挟んで反射鏡６２がある側と反対側に配置され、線光源６１を含む断面（図７の紙面に直交する断面）においてはパワーを持たず、線光源６１に直交する断面（図７では紙面に平行な断面）においては正メニスカスの面構成により全体として正のパワーを持つレンズであり、線光源６１に直交する断面において、拡散する照明光を収束光に変換する。
【００７７】
シリンドリカルレンズ６４は、線光源６１を含む断面においてはパワーを持たず、線光源６１に直交する断面においては前面に負のパワーを持つシリンドリカルレンズであり、線光源６１に直交する断面において、長尺レンズ６３によって収束光とされた照明光を、平行光に変換する。
【００７８】
ガルバノミラー６５は、短冊状の鏡であり、その長手方向に沿った中心軸周りに回転自在となるよう、投光ユニット６０の筐体に取り付けられている。また、このガルバノミラー６５は、その中心軸が線光源６１と平行な状態で、シリンドリカルレンズ６４によって平行光に変換された照明光の光路上に、配置されており、照明光は、このガルバノミラー６５により、その中心軸に直交する方向へ、偏向されるようになっている。従って、このガルバノミラー６５が回転したときには、照明光の偏向方向が変更する。
【００７９】
第１のミラー６６も、短冊状の鏡である。四枚の第１のミラー６６は、何れも、ガルバノミラー６５が回転することによって照明光が偏向される範囲内に含まれる状態で、投光ユニット６０の筐体に取り付けられており、各々の反射面の向きは、反射光が互いに平行で且つ等間隔に並ぶ状態となるよう、調整されている。
【００８０】
第２のミラー６７も、短冊状の鏡である。四枚の第２のミラー６７は、四枚の第１のミラー６６が反射した照明光の光路上にそれぞれ配置される状態で、投光ユニット６０の筐体に取り付けられており、各々の反射面の向きは、反射光が互いに平行で且つ等間隔に並ぶ状態となるよう、調整されている。
【００８１】
ミラー位置検出器６８は、ガルバノミラー６５の回転によって四枚の第１のミラー６６に一回ずつ照明光を供給し始める時点を検出するための検出器であり、ガルバノミラー６５が回転することによって照明光が偏向される範囲のうち、四枚の第１のミラー６６への入射光に干渉しない状態で、投光ユニット６０の筐体に取り付けられている。
【００８２】
このように構成される投光ユニット６０は、第１乃至第３の実施形態と同様に、図示せぬアームの先端に保持されるようになっている。そして、この投光ユニット６０を施術部位の周囲に四台設置する際には、施術部位から最も離れている第２のミラー６６（図７における最も下側にある第２のミラー６６）からの反射光が、撮影光学系１１の光軸に直交する方向から、前述した第１の集光位置（第１のピント位置）に入射し、施術部位に最も寄っている第２のミラー６６からの反射光が、撮影光学系１１の光軸に直交する方向から、前述した第４の集光位置（第４のピント位置）に入射するよう、四台の投光ユニット６０の設置位置が調整される。
【００８３】
四台の投光ユニット６０におけるガルバノミラー６５の回転状態は、図示せぬ照明制御装置により制御される。この図示せぬ照明制御装置は、ガルバノミラー６５を駆動するモータ（図示略）へ電力を供給するとともに、ミラー位置検出器６８からの信号を受信することにより、そのモータ（図示略）へ供給する電力量を調節し、ガルバノミラー６５の回転速度をフィードバック制御する。また、この図示せぬ照明制御装置には、図３の本体ユニット２０の同期制御回路２２から、垂直同期信号と同等の切替信号が、入力されるようになっており、映像信号におけるフレームの切替タイミングに合わせて、ガルバノミラー６５の回転タイミングを制御して、四枚の第１のミラー６６に一つずつ照明光を入射させる。従って、この図示せぬ照明制御装置により、照明光が、第１乃至第４のピント位置のそれぞれへ、一カ所ずつ、順に入射することとなる。
【００８４】
このような第４の実施形態の三次元撮影システムによっても、施術部位における第１乃至第４のピント位置にある部分が、一つずつ順に、輪切り状に照明され、それと並行して、カメラユニット１０が、第１乃至第４のピント位置にある各部分のうち、輪切り状に照明された部分にピントを合わせて撮影し、本体ユニット２０が、奥行同期信号（ＺＳＹＮＣ）をＧ信号に重畳することによって、第１乃至第４のピント位置の部分にそれぞれピントを合わせて写し取った４枚のフレームを一つの塊として定義付けた状態で、映像信号を出力する。
【００８５】
よって、第４の実施形態の三次元撮影システムも、上記の三次元表示装置が処理できる映像信号を供給するシステムとして、利用することができる。
【実施形態５】
【００８６】
第５の実施形態は、各レンズ枠１２１〜１２３を鏡筒１２ｂ内に平行移動自在に嵌め込んだ形態ではなく、各レンズ枠１２１〜１２３を周知のワットリンク機構にて保持することにより平行移動自在にした形態である点で、第１の実施形態と相違する。
【００８７】
図８は、第５の実施形態のカメラユニット１０の駆動機構１２’の構成図である。
【００８８】
第５の実施形態の第１乃至第３のレンズ１１１〜１１３も、第１の実施形態と同様に、第１乃至第３のレンズ枠１２１’〜１２３’に、それぞれ保持されている。但し、それらレンズ枠１２１〜１２３は、ワットリンク機構１２ｗによって鏡筒１２ｂ’内に取り付けられており、これらワットリンク機構１２ｗによって、互いに同軸となる状態を維持しながら、軸方向へ平行移動自在となっている。
【００８９】
鏡筒１２ｂ’には、第１の実施形態と同様に、その軸方向と平行な三本のスリットが、一直線上に並ぶように、穿たれており、各スリットには、第１乃至第３のレンズ枠１２１’〜１２３’から突出形成されているピン状のカムフォロワ１２１ａ’〜１２３ａ’が、貫通している。各カムフォロワ１２１ａ’〜１２３ａ’の先端部分は、各々のスリットから鏡筒１２ｂ’の外部に露出し、第１の実施形態と同様に、円筒溝カム１２ｃの外周面に形成された三本のカム溝に、それぞれ挿入されている。
【００９０】
この第５の実施形態のように、カメラユニット１０のレンズ枠１２１’〜１２３’が、周知のワットリンク機構１２ｗに保持されていても、第１の実施形態のように鏡筒１２ｂ内でレンズ枠１２１〜１２３を摺動させる場合と同様に、円筒溝カム１２ｃの回転よるカム溝とスリットの交点の移動に伴って、カムフォロワ１２１ａ〜１２３ａが軸方向へ平行移動したときに、レンズ枠１２１’〜１２３’が、対応するカムフォロワ１２１ａ〜１２３ａと一体になった状態で、軸方向へ滑らかに平行移動する。然も、第１の実施形態のように摺動させる場合に比べると、第５の実施形態のワットリンク機構１２ｗのほうが、寿命が長いという利点がある。
【００９１】
なお、第５の実施形態では、周知のワットリンク機構１２ｗによりレンズ枠１２１’〜１２３’を平行移動自在に保持させるようにしたが、これに限定されない。例えば、チェルシェフリンク機構を用いても、平滑移動及び長寿命の効果は得られる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第１の実施形態の三次元撮影システムの構成図
【図２】カメラユニットの構成図
【図３】本体ユニットの構成図
【図４】平行化光学系の具体的な光学構成を示す斜視図
【図５】第２の実施形態の平行化光学系の光学構成図
【図６】第３の変形形態の平行化光学系の光学構成図
【図７】第４の実施形態の四台の投光ユニットのうちの一台の構成図
【図８】第５の実施形態のカメラユニットの駆動機構の構成図
【符号の説明】
【００９３】
１０    カメラユニット
１１    撮影光学系
１２    駆動機構
１３    駆動制御装置
１４    回転検出器
１５    撮像素子
２０    本体ユニット
２１    画像処理回路
２２    同期制御回路
２３    フレーム制御回路
２４    映像信号用ＩＦ回路
２５    同期信号用ＩＦ回路
３０    投光ユニット
３１    円錐台筒ブロック
３２    フランジ状衝立
３３    線光源
３４    平行化光学系
３５    照明制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007194779.tif 000008
【図７】
2007194779.tif 000009
【図８】
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