(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光強度を変調し可視領域外の光を出力する強度可変光源と、
可視領域の光を出力する可視光源と、
前記強度可変光源と可視光源それぞれの出力光を観察対象に照射するライトガイド手段と、
光を照射された観察対象の画像を結像する結像手段と、
前記画像を伝達するイメージガイド手段と、
前記イメージガイド光学系で伝達された画像から前記強度可変光源の波長成分と前記可視光源の波長成分とを分離する分離手段と、
前記分離手段で分離された前記強度可変光源の波長成分の画像を入力され撮像ゲインを変調する撮像ゲイン可変イメージセンサ手段と、
前記分離手段で分離された前記可視光源の波長成分の画像を入力され観察対象の画像を出力する第２イメージセンサ手段と、
前記強度可変光源の出力光強度の変調と前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段の撮像ゲインの変調との時間変化パターンが異なる組合せであるときに前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段で得られた複数の画像信号間の強度比から距離を算出し観察対象の奥行き距離を画像の濃淡で表す距離画像を出力する信号演算処理手段とを
有することを特徴とする立体内視鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の立体内視鏡において、
前記ライトガイド手段と前記イメージガイド手段とを共用することを特徴とする立体内視鏡。
【請求項３】
請求項１または２に記載の立体内視鏡において、
前記強度可変光源は、パルス光を出力し、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、前記撮像ゲインを時間と共に増加及び減少させ、
前記信号演算処理手段は、前記撮像ゲインを時間と共に増加させながら撮像した画像と前記撮像ゲインを時間と共に減少させながら撮像した画像との間の強度比から距離を算出することを特徴とする立体内視鏡。
【請求項４】
請求項１または２に記載の立体内視鏡において、
前記強度可変光源は、前記光強度を時間と共に増加及び減少させて出力し、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、前記撮像ゲインをパルス状に短時間一定値とし、
前記信号演算処理手段は、前記光強度を時間と共に増加させながら撮像した画像と前記前記光強度を時間と共に減少させながら撮像した画像との間の強度比から距離を算出することを特徴とする立体内視鏡。
【請求項５】
請求項１または２に記載の立体内視鏡において、
前記強度可変光源は、前記光強度を矩形波状に変調して出力し、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、前記撮像ゲインを前記光強度と同一周期で矩形波状に変調し、
前記信号演算処理手段は、前記光強度と前記撮像ゲインが同位相のとき撮像した画像と前記光強度と前記撮像ゲインが逆位相のとき撮像した画像との間の強度比から距離を算出することを特徴とする立体内視鏡。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載の立体内視鏡において、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、イメージインテンシファイアと、リレーレンズまたはファイバプレートと、ＣＣＤ撮像素子とを組合せたものであることを特徴とする立体内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体内視鏡に関し、特に、観察対象の奥行き形状を検出し３次元情報を取得する立体内視鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
観察対象の３次元形状を観察する立体内視鏡として、異なる視差から観察対象を観察する２眼方式を用いた、特開平９−５６４３号公報、特開平５−３４１２０６号公報に記載のものがある。また、レーザ光を照射し干渉縞を形成して距離を求める方式を用いた、特開平８−２４８３２６号公報に記載のものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、２眼方式においては、左目画像と右目画像間でのマッチングをとり、各点の距離を算出するための時間を要する画像演算処理が必要であり、動く観察対象に対し、観察範囲全体の奥行き距離のデータを高速に取得することは困難である。また、レーザ光を照射し、観察対象上のポイントを１点ごとに算出する方法においては、観察範囲全体をレーザ光で２次元走査が必要であり、時間を要する。
【０００４】
また、干渉縞画像より奥行き距離を検出する方式においても、複雑な画像処理が必要であり、高速検出と多画素検出を両立することはできない。このように従来方式では、動く観察対象の奥行き距離情報をリアルタイムで検出することは困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、距離情報をリアルタイムで検出することができる立体内視鏡を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、光強度を変調し可視領域外の光を出力する強度可変光源と、
可視領域の光を出力する可視光源と、
前記強度可変光源と可視光源それぞれの出力光を観察対象に照射するライトガイド手段と、
光を照射された観察対象の画像を結像する結像手段と、
前記画像を伝達するイメージガイド手段と、
前記イメージガイド光学系で伝達された画像から前記強度可変光源の波長成分と前記可視光源の波長成分とを分離する分離手段と、
前記分離手段で分離された前記強度可変光源の波長成分の画像を入力され撮像ゲインを変調する撮像ゲイン可変イメージセンサ手段と、
前記分離手段で分離された前記可視光源の波長成分の画像を入力され観察対象の画像を出力する第２イメージセンサ手段と、
前記強度可変光源の出力光強度の変調と前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段の撮像ゲインの変調との時間変化パターンが異なる組合せであるときに前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段で得られた複数の画像信号間の強度比から距離を算出し観察対象の奥行き距離を画像の濃淡で表す距離画像を出力する信号演算処理手段とを有することにより、
複数の画像信号間の強度比を計算するだけで距離を高速に算出することができ、距離情報をリアルタイムで検出することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の立体内視鏡において、
前記ライトガイド手段と前記イメージガイド手段とを共用することにより、
装置の光学系全体を簡単な構成とすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の立体内視鏡において、
前記強度可変光源は、パルス光を出力し、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、前記撮像ゲインを時間と共に増加及び減少させ、
前記信号演算処理手段は、前記撮像ゲインを時間と共に増加させながら撮像した画像と前記撮像ゲインを時間と共に減少させながら撮像した画像との間の強度比から距離を算出することにより、
パルスレーザ光が使用でき、分解能が高い距離検出が可能となる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の立体内視鏡において、
前記強度可変光源は、前記光強度を時間と共に増加及び減少させて出力し、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、前記撮像ゲインをパルス状に短時間一定値とし、
前記信号演算処理手段は、前記光強度を時間と共に増加させながら撮像した画像と前記前記光強度を時間と共に減少させながら撮像した画像との間の強度比から距離を算出することにより、
発光ダイオードなどインコヒーレントな照明も使用でき、高輝度で広い範囲を照明でき、人物の距離検出などが可能となる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の立体内視鏡において、
前記強度可変光源は、前記光強度を矩形波状に変調して出力し、
前記撮像ゲイン可変イメージセンサ手段は、前記撮像ゲインを前記光強度と同一周期で矩形波状に変調し、
前記信号演算処理手段は、前記光強度と前記撮像ゲインが同位相のとき撮像した画像と前記光強度と前記撮像ゲインが逆位相のとき撮像した画像との間の強度比から距離を算出することにより、
検出される検出信号量が多くなり、信号対ノイズ比が高い撮像が可能であり、高分解能な距離検出が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の立体内視鏡の第１実施例の構成図を示す。同図中、光源１は、出力光強度を高速に変調可能な光源である。この光源１の出力光を光照射用のライトガイド光学系２に入力する。光源１としては、レーザ光ダイオードや発光ダイオードなどを発光素子として使用し、発光素子を直接変調するか、もしくは音響光学素子など外部変調素子により発光素子の出力光を変調するものが使用できる。
【００１３】
光の波長として、観察対象の表面の反射率が高いものやファイバ光学系の透過率特性が高く、撮像ゲイン可変撮像素子の光電面の感度特性に最適な波長を選択する。外光がある環境下での距離検出では、外光に含まれている波長成分が少ない波長域を選択することで、外乱要因の影響を少なく抑えることができる。また、人体に対するレーザ光の安全性を確保するには、波長１．５４μｍのアイセーフ波長域の光を使用することが有効である。
【００１４】
カラーカメラでカラー画像を取得するために、別途、可視光で照明する場合は、距離検出用の強度変調光として紫外または近赤外または赤外域の光を使用する。出力光強度を高速に変調可能な光源１として、レーザ光の代わりに、インコヒーレント光で広帯域な波長特性の発光ダイオードを使用すれば、レーザ光で生じるスペックルノイズを除去できる。
【００１５】
光源１からライトガイド光学系２への光の入射は、集光レンズを使うことで効率よく入射できる。ライトガイド光学系２は入力光に対し高い透過率を示す材料を使用する。ライトガイド光学系２には、複数の微細なプラスティックまたはガラス製のファイバ束により構成されるイメージファイバを利用する。
【００１６】
ライトガイド光学系２の観察対象側の端面から出力光３を観察対象４の全体に照射する。このとき、ライトガイド光学系２の出力端面にレンズや拡散板を設けることで、観察対象４の全体に対し光強度の面内一様性よく照明できる。また、後述する画像取り込み用のイメージガイド光学系６の回りを取り囲むように、ライトガイド光学系２のファイバ束の出力端面を配置することで、照射光の影を少なくすことができる。
【００１７】
照射光で照らされた観察対象４の画像をレンズ５で結像し、その結像画像をイメージガイド光学系６でリレーレンズ光学系７に伝達する。イメージガイド光学系６は、複数の微細なプラスティックまたはガラス製のファイバ束により構成されるイメージファイバを利用する。また、大きな曲率は得られないものの高い透過率と高い解像度を得るためには、微小なレンズ群や屈折率分布レンズを使用してリレーレンズ光学系７を構成する。
【００１８】
イメージガイド光学系６の撮像側端面に伝達された画像はリレーレンズ光学系７を用いて撮像ゲイン可変イメージセンサ８に結像入力する。リレーレンズ光学系７ではイメージガイド光学系６端面の比較的微小な２次元画像を撮像ゲイン可変イメージセンサ８に拡大結像して入力する。このとき、光量を効率良く結像するためのリレーレンズ光学系７の条件としては、イメージガイド光学系６端面の光出力の開口数（ＮＡ）と同等のＮＡをリレーレンズ光学系７の光取り込み側に持つことである。
【００１９】
さらに、リレーレンズ光学系７の光入力側開口数ＮＡｉ、ライトガイド端面の画像をイメージセンサの有効結像面積に結像する際の拡大結像率をβとすると、リレーレンズ光学系７の出力側開口数ＮＡｏをＮＡｏ≧βＮＡｉとすることで、光ロスを少なく効率的に、光を撮像ゲイン可変イメージセンサ８に伝達できる。また、別の手段として、リレーレンズ光学系７の代わりにファイバプレートを直接イメージガイド光学系６端面と撮像ゲイン可変イメージセンサ８の受光部分との間に密着させて配置することで光ロスを低減させることが可能となる。
【００２０】
撮像ゲイン可変イメージセンサ８で取得した画像信号は、距離算出演算処理部９に供給される。距離算出演算処理部９では、撮像ゲイン可変イメージセンサ８で照射光の変調パターンと撮像ゲインの変調パターンが異なるときに撮影された２枚の画像信号を切替器１０で切替え、メモリ１１とメモリ１２にそれぞれ入力する。演算処理回路１３は、メモリ１１，１２に記憶された２枚の画像信号間の強度比から距離を算出し、観察対象の奥行き距離を画像の濃淡で表す距離画像を生成して出力する。出力される距離画像は図示しない画像表示モニタに表示したり、また、画像記録装置等に供給されて記録される。
【００２１】
また、図２に示すように、ライトガイド光学系と結像画像撮像用のイメージガイド光学系を共用することで装置の光学系全体を簡単な構成とすることができる。図２において、光源１からの出力光をプリズム１５によりライトガイド光学系１４内に入射して観察対象に照射すると共に、反射光を同じライトガイド光学系１４を用いて結像画像を撮像側に伝達することができる。この場合、光のロスが大きい欠点があるもの、軽量・コンパクトで、直径が小さく細い内視鏡が可能となる。
【００２２】
図３は、本発明の立体内視鏡の第２実施例の構成図を示す。同図中、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。前述の第１の実施例では観察対象の奥行き形状を示す距離画像のみを得る立体内視鏡を示したが、図３に示す第２の実施例では、観察対象のカラー画像と距離画像を同時に得る。
【００２３】
図３において、出力光強度を変調可能な光源１からの出力光を、プリズム１５を介して、ライトガイド光学系２に入力する。同時に、カラー画像を撮像するのに必要となる可視領域の波長の光を出力する光源１６の出力光をプリズム１５を介してライトガイド光学系２に入力する。各光波長として、光源１からの波長を近赤外光から赤外光とし、光源１６からの光を可視光として、それぞれの波長を光学的に分離でき、カラー画像撮影と距離画像撮影とが互いに影響を及ぼさないようにできる。
【００２４】
可視光のみの光を得るためには光源１６として白色光源を使用し、出力光を波長選択特性フィルタにより、強度変調光の波長域を除去したものを使用する。また、可視域のレーザ光や発光ダイオード出力光も使用できる。光源１を、レーザ光や発光ダイオードとし、波長を７５０ｎｍ以上の長波長帯域を選択することで可視光とのクロストークをなくすことができると共に、距離検出用の近赤外波長が可視光領域から大きく離れていないため、レンズ光学系による結像特性もカラー画像と距離画像で大きく異なることなく、どちらもほぼ同じ画角の画像が得られ、レンズ光学系の設計も容易である。
【００２５】
プリズム１５の特性として例えば、光源１の波長に対しては高い透過率を示し、光源１６の波長に対しては高い反射率を示す特性をもつダイクロイックプリズムを使用して、効率良くライトガイド光学系２にそれぞれの光を入射することができる。ライトガイド光学系２の観察対象側端面から観察対象４全体に強度変調光と可視光の出力光３を照射する。観察対象４からの反射光は、レンズ５でイメージガイド光学系６の端面に結像され、イメージガイド光学系６のイメージセンサ側端面に伝達される。
【００２６】
イメージガイド光学系６の撮像側端面を分割結像光学系１７に接続し、可視光の結像画像をカラーカメラ１８に供給し、強度変調光の結像画像を距離検出用の撮像ゲイン可変イメージセンサ８に供給する。分割結像光学系１７の構成例としては、強度変調光の波長と可視光の波長を分割するダイクロイックプリズム１９と、カラーカメラ用のリレーレンズ光学系２０と、距離検出用のリレーレンズ光学系２１とからなる。
【００２７】
分割結像光学系１７の構成としては、リレーレンズ光学系をイメージガイド光学系６とダイクロイックプリズム１９との間に挿入する構成でも可能である。しかし、図３に示す構成の方が、各リレーレンズ光学系２０，２１は波長帯域が限定されているため波長により最適化し易く、高い結像性能の結像ができる。また、カラーカメラ１８の撮像素子サイズヘの倍率変換と、撮像ゲイン可変イメージセンサ８の倍率変換を個々独立に扱うことができる。強度変調光は撮像ゲイン可変イメージセンサ８に入力し、距離算出演算処理部９で距離を算出し、観察対象の奥行き距離を画像の濃淡で表す距離画像を生成して出力する。
【００２８】
距離画像とカラー画像をフレーム単位で同期させることは、カラーカメラ１８と撮像ゲイン可変イメージセンサ８と距離算出演算処理部９を外部同期駆動させると共に、カラー画像信号を遅延回路２２で遅延して出力することにより、距離画像とカラー画像をフレーム単位で同期させることが可能とある。
【００２９】
出力されたカラー画像と距離画像は、画像表示モニタに表示したり、画像記録装置等に入力され記録される。更に、得られたカラー画像と距離画像から、視差画像を作成し、図示しない立体表示装置で立体的に表示し、立体観察することも可能となる。
【００３０】
この実施例においても、図２に示すように、ライトガイド光学系と結像画像撮像用のイメージガイド光学系を共用することで装置光学系全体を簡単な構成とすることができる。
【００３１】
次に、距離検出の原理を説明する。
【００３２】
図４を用いて、強度変調光として短時間のパルス光を使用し、撮像ゲインを時間と共に高速に増加させながら撮像した画像と、撮像ゲインを時間と共に高速に減少させながら撮像した画像間で演算を行い、距離を検出する方法を説明する。
【００３３】
距離ｄの位置にある観察対象に、図４（Ａ）に示すように、光強度Ｆ０のパルス光２３を時刻ｔｐに照射し、観察対象からの反射光２４を時間と共に係数ｇで増加する撮像ゲイン２５を持つイメージセンサで撮像した場合のカメラで検出される信号量Ｅ＋（ｄ，ｔｐ）は、（１）式で表される。
【００３４】
【数１】
0004195574.tif 000002
ここで、ＴＬはライトガイド光学系２やイメージガイド光学系６などのレンズ光学系の透過率、ρは観察対象表面の反射特性係数、τはパルス幅、ｃは光速、２ｄ／ｃは撮像ゲイン可変イメージセンサ８から観察対象４までの距離ｄを光が往復する時間、ｌはレンズ５から観察対象４までの距離であり、式の分母は光の拡散による減衰を考慮した項である。次に、図４（Ｂ）に示すように、時間と共に係数ｇで減少する撮像ゲイン２６を持つイメージセンサで撮像した場合のカメラで検出される信号量Ｅ−（ｄ，ｔｐ）は、（２）式で表される。
【００３５】
【数２】
0004195574.tif 000003
ここで、Ｔは撮像ゲインの変調周期である。（１）式と（２）式より、撮像ゲインの異なる２枚の画像間での強度比Ｒ＝Ｅ＋／Ｅ−をとり、距離ｄを求めると、（３）式となる。
【００３６】
【数３】
0004195574.tif 000004
上記（３）式で示されるように、撮像ゲイン増加時と撮像ゲイン減少時に撮像した２つの画像間の強度比Ｒを計算するだけで、観察対象の反射率や光の拡散による光の減衰効果等の影響をキャンセルし、高速に距離を求めることができる。
【００３７】
このように、パルス状の光と、時間と共に変化する撮像ゲインの組合せでは、パルスレーザが使用でき、Ｑスイッチパルスレーザ光、モード同期パルス光など、パルス幅がピコ秒からフェムト秒のパルスレーザ光が使用できるため、分解能が高い距離検出が可能となる。
【００３８】
この場合、測定できる範囲（測定レンジ）Ｄは、（４）式で表される。
【００３９】
【数４】
0004195574.tif 000005
次に、強度変調光として時間と共に光強度が増加および減少する光と、撮像ゲイン可変イメージセンサ８の撮像ゲインをパルス状に短時間一定値とする所謂シャッタ機能を持つ撮像装置による距離検出方法について説明する。距離ｄに置かれた観察対象に、図５（Ａ）に示すように、時間と共に係数ｓで光強度が増加する強度変調光２７を照射し、観察対象からの反射光２８を時刻ｔｓにパルス状撮像ゲイン２９で短時間撮像した場合、カメラで検出される信号量Ｅ＋（ｄ，ｔｓ）は、（５）式で表される。
【００４０】
【数５】
0004195574.tif 000006
ここで、ＴＬはライトガイド光学系２やイメージガイド光学系６などのレンズ光学系の透過率、ρは観察対象表面の反射特性係数、τはパルス幅、ｃは光速、２ｄ／ｃは撮像ゲイン可変イメージセンサ８から観察対象４までの距離ｄを光が往復する時間、ｌはレンズ５から観察対象４までの距離であり、式の分母は光の拡散による減衰を考慮した項であり、△ｔは撮像時間幅である。
【００４１】
次に、図５（Ｂ）に示すように、時間と共に係数ｓで光強度が減少する強度変調光３０を照射し、観察対象からの反射光３１を時刻ｔｓにパルス状撮像ゲイン２９で短時間撮像した場合、カメラで検出される信号量Ｅ−（ｄ，ｔｓ）は、（６）式で表される。
【００４２】
【数６】
0004195574.tif 000007
ここで、Ｔは光強度の変調周期である。（５）式と（６）式より、光強度の異なる２枚の画像間での強度比Ｒ＝Ｅ＋／Ｅ−をとり、距離ｄを求めると、（７）式となる。
【００４３】
【数７】
0004195574.tif 000008
（７）式で示されるように、光強度増加時と光強度減少時に撮像した２つの画像間の比Ｒを計算するだけで、観察対象の反射率や光の拡散による光の減衰効果等の影響をキャンセルし、高速に距離を求めることができる。
【００４４】
このように、時間と共に強度変化する光源は、パルス照射光より低い周波数特性でも実現できるため、レーザ光源以外に、ＬＥＤ（発光ダイオード）などインコヒーレントな照明も使用できるため、高輝度で広い範囲を照明でき、人物の距離検出なども可能となる。
【００４５】
次に、矩形波状に変調した強度変調光と、矩形波状に撮像ゲインが変化する撮像装置による距離検出方法を説明する。距離ｄに位置する観察対象に、図６（Ａ）に破線で示すような矩形の強度変調光３２（光強度Ｆ０、変調周期Ｔ）を照射し、その反射光３３を強度変調光３２と同一周期で同位相の矩形状の撮像ゲイン３４（ゲインｇ、周期Ｔ）で撮像する場合、カメラで検出される信号量Ｅ＋（ｄ，ｔｐ）は、（８）式で表される。
【００４６】
【数８】
0004195574.tif 000009
ここで、ＴＬはライトガイド光学系２やイメージガイド光学系６などのレンズ光学系の透過率、ρは観察対象表面の反射特性係数、τはパルス幅、ｃは光速、２ｄ／ｃは撮像ゲイン可変イメージセンサ８から観察対象４までの距離ｄを光が往復する時間、ｌはレンズ５から観察対象４までの距離であり、式の分母は光の拡散による減衰を考慮した項である。
【００４７】
次に、図６（Ｂ）に示すように、周期Ｔだけシフトした強度変調光３２と逆位相の矩形状の撮像ゲイン３５（ゲインｇ、周期Ｔ）で撮像する場合、カメラで検出される信号量Ｅ−（ｄ，ｔｐ）は、（９）式で表される。
【００４８】
【数９】
0004195574.tif 000010
（８）式と（９）式より、２つの画像間の強度比Ｒ＝Ｅ＋／Ｅ−をとり、距離ｄを求めると、（１０）となる。
【００４９】
【数１０】
0004195574.tif 000011
（１０）式で示されるように、２つの画像間の比Ｒを計算するだけで、観察対象の反射率や光の拡散による光の減衰効果等の影響をキャンセルし、高速に距離を求めることができる。
【００５０】
このように強度変調照射光と、撮像ゲインを同じ周期の幅を持つ矩形波状とすることで、カメラで検出される検出信号量が多くなり、信号対ノイズ比が高い撮像が可能であり、高分解能な距離検出が可能となる。
【００５１】
図７は、撮像ゲイン可変イメージセンサ８の一実施例の構成図を示す。同図中、リレーレンズ光学系７によりイメージインテンシファイア３６に画像を結像させる。イメージインテンシファイア３６は、その光電変換面とマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）間の印加電圧の値を制御することで、撮像感度を時間と共に高速に変化できる。
【００５２】
また、印加電圧をパルス形状とすることで、１ｎｓ以下の短時間のゲート撮像も可能となる。光電変換面の材料は、距離検出に使用する強度変調光の波長感度特性により選択する。例えば、波長８００ｎｍの場合は３種類以上のアルカリを使用した光電変換材料であるマルチアルカリ（Ｓｂ・Ｎａ・Ｋ・Ｃｓ：Ｓ−２０）が使用でき、さらに長波長の８５０ｎｍの場合はＧａＡｓを使用することで高い量子効率が得られ、ＳＮ比のよい撮像画像が得られる。
【００５３】
撮像ゲインを高速に変化させ、または短時間のゲート動作を行わせて画像を撮像するため、１回の撮像で得られる信号量は非常に微弱である。このため、出力光強度を高速に変調可能な光源１の出力タイミングとイメージインテンシファイア３６の撮像ゲイン変調タイミングを同期させて繰り返し撮像を行い、イメージインテンシファイア３６の出力蛍光面の画像を画像伝達光学系３７でＣＣＤカメラ３８に入力し、ＣＣＤカメラ３８の蓄積効果で十分な感度を確保することができる。
【００５４】
画像伝達光学系３７はファイバプレートもしくはリレーレンズ光学系で実現できる。画像伝達光学系３７をファイバプレートとし、イメージインテンシファイア３６の出力蛍光面とＣＣＤカメラ３８のＣＣＤ面を連結することで、高い効率で蛍光面出力光をＣＣＤに入力できる。
【００５５】
一方、画像伝達光学系３７をリレーレンズ光学系とした場合、光の利用効率が下がるが、ＣＣＤカメラを交換できＣＣＤカメラの選択の幅が広がると共に、結像倍率の制御が可能であり、かつ、ファイバプレート使用時に発生する固定パターンノイズの影響がなく良好な画像が得られる。
【００５６】
イメージインテンシファイア３６の撮像の解像度は、イメージインテンシファイアを構成する光電変換面とＭＣＰの間隔、ＭＣＰと蛍光面の間隔、ＭＣＰを構成する導電性のガラスキャピラリの直径に大きく依存する。そのため、光電変換面とＭＣＰの間隔、ＭＣＰと蛍光面の間隔それぞれを近接させると共に、ＭＣＰを構成する導電性のガラスキャピラリの直径を６μｍ程度以下の細かいものを使用すると高解像度に有利である。
【００５７】
また、イメージガイド光学系６の端面の結像画像をリレーレンズ光学系７により拡大し、イメージインテンシファイア３６の光電面に結像入力する。これと共に、イメージインテンシファイア３６の蛍光面の光画像を画像伝達光学系３７としてのリレーレンズ光学系で縮小結像してＣＣＤカメラ３８に入力することで解像度を高く保つことができる。
【００５８】
本発明による距離検出実験について説明する。強度変調照射光としてパルス光を使用し、撮像ゲインを時間と共に変化させ距離を検出した。また、光照射用のライトガイド光学系２と撮像用のイメージライトガイド光学系６は使用せずに、距離検出性能を調べた。
【００５９】
図８は、本発明の立体内視鏡の実験装置の一実施例の構成図を示す。同図中、光源にレーザ光ダイオード３９を使用し、出力光４０の波長は８０３ｎｍ、パルス半値幅７０ｐｓ、繰り返し周波数４０ＭＨｚ、平均出力光強度１ｍＷである。シリンドリカルレンズ４１で光束を約１０×１０ｃｍ２に広げ、４９ｃｍ離れた５ｍｍ間隔の階段状の被写体４２を照明する。
【００６０】
反射光をカメラレンズ４３でイメージインテンシファイア４４の光電面に結像し、蛍光面出力画像をリレーレンズ光学系４５によりＣＣＤカメラ４６に入力する。光の変調信号とイメージインテンシファイアのゲイン変調信号は信号発生器４７からそれぞれ供給する。パルス光の出力タイミングと、イメージインテンシファイア４４の撮像ゲイン変調タイミングを外部同期信号４８により同期させ、１フレーム毎にパルストリガータイミングの切替えを位相切替器４９で行う。そして、撮像ゲイン増加時の画像とゲイン減少時の画像の画像をＣＣＤカメラ４６で交互に撮像し、これら２枚の画像間で（３）式の演算を信号処理装置５０で行い距離画像５１を出力する。
【００６１】
同様に、カラーカメラ５２でカラー画像５３を撮影する。図９（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ距離画像算出の元となる増加ゲイン時と減少ゲイン時の撮像画像のビデオ信号の波形図である。図９（Ａ）のゲイン増加時の撮像画像信号では、近い観察対象ほど輝度信号レベルが低く、遠い観察対象ほど高い輝度信号レベルが得られている。一方、図９（Ｂ）のゲイン減少時の撮像画像信号では、その逆の傾向となっている。
【００６２】
これら２画像間で（３）式の演算を行い、得られた距離画像のビデオ信号の波形図が図９（Ｃ）である。観察対象の反射率などの影響が補正され、観察対象形状を現す平坦な階段形状の波形が得られ、５ｍｍ間隔の段差を明確に分離できていることがわかる。
【００６３】
また、被写体のカメラからの距離と、距離画像の輝度レベルとの関係を図１０に示す。測定範囲の中心位置（約４９ｃｍ）におけるビデオ信号のノイズ成分の実効値より、距離検出分解能を求めた結果、２．０ｍｍであった。測定レンジは７ｃｍであった。図１０に示す特性が測定レンジの端部（約４５ｃｍ，約５５ｃｍ）において非線型であるのは、撮像ゲインの変調特性の非線形性によるものであり、距離画像のガンマ補正等により直線性を補正できる。
【００６４】
実験では、距離画像の更新時間１／１５秒、画素数３５万点が得られ、動く観察対象の距離検出が可能であることが実験により確かめられた。本発明の立体内視鏡では、上記実験装置にライトガイド光学系２およびイメージガイド光学系６が加わる形態となり、照射光量や結像に寄与する光量が本実験と異なると予想されるが、距離検出の基本原理は本実験で実証された。
【００６５】
本発明では、２つの画像間の比Ｒを計算するだけで、時間を要する高度で煩雑な演算処理が不要であり、また光ビームを走査する必要がない。そのため、観察対象の奥行き距離画像をテレビジョンのビデオレート（フレームレート６０Ｈｚ）相当で撮像でき、しかも、通常テレビ画像やハイビジョンテレビ画像と同等の画素数で奥行き距離情報が得られる。そのため、人体内部など動く観察対象においても、高精細な３次元形状をリアルタイムで取得することが可能である。
【００６６】
本発明のの内視鏡の応用分野としては、医療用の体内検査、自動車や航空、宇宙、船舶分野におけるエンジン等の機器内の観察や、ガス管、排気口、水道管、ボイラー、タービン内の検査、古墳や遺跡内の調査や動物生態の観察などに適用できる。
【００６７】
なお、光源１が請求項記載の強度可変光源に対応し、ライトガイド光学系２がライトガイド手段に対応し、レンズ５が結像手段に対応し、イメージガイド光学系６がイメージガイド手段に対応し、撮像ゲイン可変イメージセンサ８が撮像ゲイン可変イメージセンサ手段に対応し、距離算出演算処理部９が信号演算処理手段に対応し、光源１６が可視光源に対応し、分割結像光学系１７が分離手段に対応し、カラーカメラ１８が第２イメージセンサ手段に対応する。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、複数の画像信号間の強度比を計算するだけで距離を高速に算出することができ、距離情報をリアルタイムで検出することができる。
【００７０】
請求項２に記載の発明によれば、装置の光学系全体を簡単な構成とすることができる。
【００７１】
請求項３に記載の発明によれば、パルスレーザ光が使用でき、分解能が高い距離検出が可能となる。
【００７２】
請求項４に記載の発明によれば、発光ダイオードなどインコヒーレントな照明も使用でき、高輝度で広い範囲を照明でき、人物の距離検出などが可能となる。
【００７３】
請求項５に記載の発明によれば、検出される検出信号量が多くなり、信号対ノイズ比が高い撮像が可能であり、高分解能な距離検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体内視鏡の第１実施例の構成図である。
【図２】ライトガイド光学系と結像画像撮像用のイメージガイド光学系を共用した実施例の構成図である。
【図３】本発明の立体内視鏡の第２実施例の構成図である。
【図４】短時間のパルス光を使用し撮像ゲインを時間と共に高速に増加させながら撮像した画像と撮像ゲインを時間と共に高速に減少させながら撮像した画像による距離検出方法を説明するための図である。
【図５】強度変調光として時間と共に光強度が増加および減少する光と短時間シャッタ機能を持つ撮像装置による距離検出方法を説明するための図である。
【図６】矩形波状に変調した強度変調光と矩形波状に撮像ゲインが変化する撮像装置による距離検出方法を説明するための図である。
【図７】撮像ゲイン可変イメージセンサの一実施例の構成図である。
【図８】本発明の立体内視鏡の実験装置の一実施例の構成図である。
【図９】増加ゲイン時と減少ゲイン時の撮像画像及び距離画像のビデオ信号の波形図である。
【図１０】被写体のカメラからの距離と、距離画像の輝度レベルとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１６  光源
２  ライトガイド光学系
３，４０  出力光
４  観察対象
５  レンズ
６  イメージガイド光学系
７，２０，２１，４５  リレーレンズ光学系
８  撮像ゲイン可変イメージセンサ
９  距離算出演算処理部
１０  切替器
１１，１２  メモリ
１３  演算処理回路
１４  ライトガイド光学系
１５  プリズム
１７  分割結像光学系
１８  カラーカメラ
１９  ダイクロイックプリズム
２２  遅延回路
２３  パルス光
２４，２８，３３  反射光
２５，２６，３４，３５  撮像ゲイン
２７，３０，３２  強度変調光
２９  パルス状撮像ゲイン
３６，４４  イメージインテンシファイア
３７  画像伝達光学系
３８，４６  ＣＣＤカメラ
３９  レーザ光ダイオード
４１  シリンドリカルレンズ
４２  被写体
４３  カメラレンズ
４７  信号発生器
４８  外部同期信号
４９  位相切替器
５０  信号処理装置
５１  距離画像
５２  カラーカメラ
５３  カラー画像
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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