(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体画像観察用の光学観察装置において、該光学観察装置が、生体内に挿入するのに十分小径な棒状先端部を有し該棒状先端部の長手方向の成分を含む方向に視差を有する像を取得する先端光学系を前記棒状先端部が含む画像入力手段と、前記先端光学系から受けた像の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを変えて変換像を形成する画像変換手段と、変換された画像の立体観察を可能にする立体画像観察手段と、を含み、
前記画像入力手段によって得られた像を元に立体形状マップを生成する手段と、前記画像入力手段の視点とは異なる視点から見た立体画像に変換する手段と、をさらに含むことを特徴とする光学観察装置。
【請求項２】
前記画像変換手段が変換像を形成するとき前記先端光学系から受けた像の視差量を変えることを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項３】
前記画像入力手段が、光学入力部と、偏光面とを含み、前記光学入力部は一端において棒状であり前記棒状の光学入力部の長手方向に沿った成分を含む方向に視差を有する光学系を含み、視差を有する像を伝送する二つの光路が前記偏光面で一つの光路に結合され、前記光学入力部の光学入力面を透過する前記二つの光路の光軸は分離され互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項４】
前記変換された像の視差量を拡大又は縮小させることが可能なことを特徴とする請求項２に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項５】
前記先端光学系の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを検出する検出手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項６】
立体画像観察用の光学観察装置において、該光学観察装置が、生体内に挿入するのに十分小径な棒状先端部を有し該棒状先端部の長手方向の成分を含む方向に視差を有する像を取得する先端光学系を前記棒状先端部が含む画像入力手段と、前記先端光学系から受けた像の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを変えて変換像を形成する画像変換手段と、変換された画像の立体観察を可能にする立体画像観察手段と、を含み、
前記画像変換手段が、変換像を形成するとき前記先端光学系から受けた像の視差量を変えるとともに、前記画像入力手段から受けた像の視差方向も変えることを特徴とする立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項７】
前記画像入力手段に着脱可能で撮像素子を有する保持部本体と、前記画像入力手段を前記保持部本体から取り外して前記保持部本体に取り付け可能な顕微鏡画像入力手段と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項８】
前記画像入力手段がプリズム光学系と、二つの負レンズを前記分離され互いに平行な光軸にそれぞれ同軸に配置して一体的に成形した光学部材と、をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項９】
前記先端光学系の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを検出する検出手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項１０】
立体画像観察用の光学観察装置において、該光学観察装置が、生体内に挿入するのに十分小径な棒状先端部を有し該棒状先端部の長手方向の成分を含む方向に視差を有する像を取得する先端光学系を前記棒状先端部が含む画像入力手段と、前記先端光学系から受けた像の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを変えて変換像を形成する画像変換手段と、変換された画像の立体観察を可能にする立体画像観察手段と、を含み、
前記先端光学系の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを検出する検出手段をさらに含むとともに、前記先端光学系の視差方向が前記検出手段によって検出され、前記立体画像観察手段の視差方向に対応させるように前記画像変換手段によって変換されることを特徴とする立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項１１】
前記検出手段が前記先端光学系から受けた像の視差量を計測し、前記計測された視差量が、立体画像観察手段で観察される像の視差量の変換比を変えるのに用いられることを特徴とする請求項９に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【請求項１２】
前記画像入力手段が、プリズム光学系を含み、偏光成分により光路を分離する光路分離手段用膜を備えた境界面と、偏光成分にかかわらずに光を反射する膜を備えた境界面と、光を繰り返し反射することにより光路を横ずらしする光学部材と、分離されたそれぞれの光路に対応する光学系が一体に設けられた先玉凹レンズとを有することを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用の光学観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用光学機器に用いる光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系に関し、特に、外科手術に使用する光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系に関する。さらに詳しくは、撮像素子で画像を撮像して、画像観察装置を用いて画像を観察する硬性鏡、手術用顕微鏡、等の手術に使用するための光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低侵襲手術として、内視鏡や手術用顕微鏡を用いた手術が広く実施されている。さらに、撮像素子で画像を撮像し、表示装置で画像観察を行いながら、マニピュレータを用いて微細な手術を行う方法が提案され、実際の手術への適用が進められている。
【０００３】
この種の外科手術に使用する光学観察装置の従来例としては、瞳分割方式硬性鏡と立体観察装置とを組み合わせたタイプの光学観察装置が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００４】
このようなタイプの光学装置に用いる瞳分割方式硬性鏡は、例えば、図１８(a)に示すように、硬性の挿入部５１と、挿入部５１に連結された保持部５２とを備える。
【０００５】
挿入部５１は、先端側から、複数のレンズからなる対物レンズ５３と、複数のレンズ群からなるリレーレンズ部５４とを内蔵する。そして、この対物レンズ５３、及びリレーレンズ部５４が一つの画像入力光学系を構成し、被写体を後述する分割手段へ伝達する。
【０００６】
保持部５２には、一つの画像入力光学系を介して伝達された被写体像を左右の像に分割する絞り５５及び瞳分割プリズム５６，５６’が配置される。瞳分割プリズムの反射面５６ａ，５６’ａは、光軸に対して４５°となるように配置される。そして、この瞳分割プリズム５６，５６’は、瞳に絞り５５を介して左右に入射した左右の被写体像を、それぞれ光軸に直角に反射する。
【０００７】
また、保持部５２は、瞳分割プリズム５６，５６’で反射することによって分割され左右の被写体像をそれぞれ直角に反射する反射面を有するプリズム５７，５７’と、結像レンズ５８，５８’と、ＣＣＤ５９，５９’とを内蔵する。ＣＣＤ５９，５９’は結像レンズ５８，５８’の結像位置に配置されており、左右の被写体像を電気信号に変換し、図示省略した制御装置を介して、図示省略したモニタ等に表示する。
【０００８】
さらに、保持部５２は、絞り５５、左右の瞳分割プリズム５６，５６’〜ＣＣＤ５９，５９’（これらを撮像系側光学系Ｓと呼ぶ）を挿入部５１に対して一体的に回転させることができるように構成される。
【０００９】
このような瞳分割方式硬性鏡では、視差量を決める光軸間隔ｄは、図１８(b)に示すように、リレーレンズ５４の外径Ｄに対し１／４〜１／８程度であり、視差は少ない。
【００１０】
また、このような瞳分割方式硬性鏡は、図１８(a)に示す挿入部５１の先端面Ｉを長手方向に対して斜めに構成して被写体斜視観察用の硬性鏡とした場合には、先端面Ｉの斜視方向に合わせて撮像系側光学系Ｓを回転することにより、立体観察装置の視差方向に像の姿勢を補正することができる。
【００１１】
また、瞳分割手段を構成する絞り５５における２つの開口５５ａ，５５ｂの間隔の大きさを可変にすることで観察しやすい視差量に補正することができる。
また、この種の外科手術に使用する光学観察装置の他の従来例としては、２本光学系型硬性鏡と立体撮影装置とを組み合わせたタイプの光学観察装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【００１２】
このタイプの光学装置に用いる２本光学系型硬性鏡は、例えば、図１９(a)に示すように、硬性の挿入部６１と、挿入部６１に連結された保持部６２とを備える。
【００１３】
挿入部６１は、先端側から、複数のレンズからなる対物レンズ６３，６３’と、複数のレンズ群からなるリレーレンズ部６４，６４’とで構成された２つの画像入力光学系６５，６５’を内蔵する。
【００１４】
保持部６２は、二つの画像入力光学系６５，６５’が伝達したそれぞれの被写体像用に、それぞれ、プリズム６６，６７と結像レンズ６８とＣＣＤ６９とで構成された撮像光学系と、プリズム６６’，６７’と結像レンズ６８’とＣＣＤ６９’とで構成された撮像光学系とを内蔵する。ＣＣＤ６９，６９’は、二つの画像入力光学系６５，６５’を介して伝達されたそれぞれの被写体像をそれぞれ電気信号に変換し、図示省略した制御装置を介して、モニタ等に表示する。
【００１５】
このような２本光学系型硬性鏡では、図１９(b)に示すように、光学系の配置スペース径Ｄに対して、約１／２の視差量ｄが得られ、立体観察においては、瞳分割方式硬性鏡以上の視差を得ることができる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平６−５９１９９号公報（図１、図１２）
【００１７】
【特許文献２】
特開平６−２０２００６号公報（図１）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１８に示す瞳分割方式硬性鏡を用いた光学装置は、像姿勢の補正は可能ではあるものの、視差量を十分に確保することができないという問題があった。
【００１９】
他方、図１９に示す２本光学系型硬性鏡を用いた光学装置は、視差量を大きく取ることができるものの、視差量を変更することができないため、近接観察時など視差量が大きすぎて観察に支障を来し、また、視差方向を変更することができないため、像姿勢の補正ができず、斜視での観察時に支障を来すという問題があった。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、視差量を十分確保しながら、像の姿勢の補正が可能な立体観察用の光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系、より詳しくは、先端部が固定されている視差方向を有する光学系と組み合わせて、像の姿勢の補正を実現する立体観察用の光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系を提供することを目的とする。
【００２１】
又本発明は、観察者に対し最適な視差量でもって観察可能な立体観察用の光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系、より詳しくは、先端部が固定されている視差量を有する光学系と組み合わせて、立体視差の拡大及び縮小を実現し得る立体観察用の光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学観察装置及びこれに用いる立体画像入力光学系は、
（１）  立体画像観察用の光学観察装置において、該光学観察装置が、生体内に挿入するのに十分小径な棒状先端部を有し該棒状先端部の長手方向の成分を含む方向に視差を有する像を取得する先端光学系を前記棒状先端部が含む画像入力手段と、前記先端光学系から受けた像の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを変えて変換像を形成する画像変換手段と、変換された画像の立体観察を可能にする立体画像観察手段と、を含むことを特徴とする。
（２）  前記画像変換手段が変換像を形成するとき前記先端光学系から受けた像の視差量を変えることを特徴とする。
（３）  光学観察装置用の立体画像入力光学系において、該立体画像入力光学系が、光学入力部と、偏光面とを含み、前記光学入力部は一端において棒状であり前記棒状の光学入力部の長手方向に沿った成分を含む方向に視差を有する光学系を含み、視差を有する像を伝送する二つの光路が前記偏光面で一つの光路に結合され、前記光学入力部の光学入力面を透過する前記二つの光路の光軸は分離され互いに平行であることを特徴とする。
（４）  前記変換された像の視差量を増加又は減少させることが可能なことを特徴とする。
（５）  前記先端光学系の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを検出する検出手段を含むことを特徴とする。
（６）  前記画像変換手段が、前記画像入力手段から受けた像の視差方向も変えることを特徴とする。
（７）  前記画像入力手段に着脱可能で撮像素子を有する保持部本体と、前記画像入力手段を前記保持部本体から取り外して前記保持部本体に取り付け可能な顕微鏡画像入力手段と、をさらに含むことを特徴とする。
（８）  プリズム光学系と、二つの負レンズを前記分離され互いに平行な光軸にそれぞれ同軸に配置して一体的に成形した光学部材と、をさらに含むことを特徴とする。
（９）  前記先端光学系の視差方向又は視差量のうち少なくとも一つを検出する検出手段をさらに含むことを特徴とする。
（１０）  前記先端光学系の視差方向が前記検出手段によって検出され、前記立体画像観察手段の視差方向に対応させるように前記画像変換手段によって変換されることを特徴とする。
（１１）  前記検出手段が前記先端光学系から受けた像の視差量を計測し、前記計測された視差量が、立体画像観察手段で観察される像の視差量の変換比を変えるのに用いられることを特徴とする。
（１２）  前記画像入力手段によって得られた像を元に立体形状マップを生成する手段と、前記画像入力手段の視点とは異なる視点から見た立体画像に変換する手段と、をさらに含むことを特徴とする。
（１３）  プリズム光学系を含み、偏光成分により光路を分離する光路分離手段用膜を備えた境界面と、偏光成分にかかわらずに光を反射する膜を備えた境界面と、光を繰り返し反射することにより光路を横ずらしする光学部材と、分離されたそれぞれの光路に対応する光学系が一体に設けられた先玉凹レンズとを有することを特徴とする。
（１４）  保持部本体と、保持部に保持されたＴＶカメラ部と、ＴＶカメラ部に交換して接続可能な内視鏡及び対物レンズとからなることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの形態は、視差方向は固定されていても視差量自体を大きく確保することができる光学系として採用する。さらに、細径化で視差確保が困難な場合は、長手方向に視差を有するように２本の光軸の位置を設定する。
【００２４】
加えて、視差方向変換手段を配置して、画像を画像処理演算によって立体観察装置の視差方向に応じた画像に変換し、変換された画像を立体観察装置で観察する。
【００２５】
なお、画像入力手段の視差方向を検出する手段を設け、常に、立体観察装置の視差方向に合致する方向に画像を回転変換することで、常に正常な視差で観察可能にするのが好ましい。
【００２６】
また、本発明の別の形態は、視差量が固定の画像入力光学系に、画像の視差量自体を拡大、縮小変換する画像変換手段を組み合わせ、変換後の画像を立体画像表示装置に表示することで適切な視差で画像観察することができる。
【００２７】
さらに、画像の視差量を計測する手段を設けるとともに、画像の視差量を適切な量に固定させることができるように、視差量の拡大、縮小の係数を計測視差量に応じて変更できる。
【００２８】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例にかかる光学観察装置の全体構成を示す説明図である。
【００２９】
第１実施例の光学観察装置は、先端部１と先端保持部２とで構成された画像入力部３と、保持部本体４と、画像表示部５と、関節部６，７とを有して構成される。
【００３０】
先端部１は、細径の棒状に形成され先端保持部２に保持される。また、先端部１には、視差を有する画像を入力するための光学系が配置される。
先端保持部２は、ＴＶカメラ部を構成する。
【００３１】
画像入力部３は、関節部６を介して保持部本体４に保持される。また、画像入力部３は、先端光学部（先端部）１と、先端保持部２とを図中Ｄで示した部分において着脱可能に構成される。
【００３２】
保持部本体４には、光源装置ＬＳと、ＴＶカメラコントロールユニットＣＵと、画像変換処理を行うコンピュータＰＣとが内蔵される。
画像表示部５は関節部７を介して保持部本体４に保持される。
【００３３】
そして、第１実施例の光学観察装置では、図２(a)に示すように、視差をより大きく確保するため、あるいは、同じ視差量において太さをより細くするために、図２(a)に示すように、先端部１の端面を長手方向に対して斜めに設けて斜視方向の観察系とするとともに、その端面近傍に二つの凹面１ｂ1，１ｂ2を有する凹レンズ１ｂを設けて先端部１に２光軸を配置した構成となっている。なお、図２中、１ａはカバーガラスである。
【００３４】
また、第１実施例の光学観察装置では、画質の確保のため、先端部１に内蔵する光学系の配置スペース一杯に画像を形成することができるように、偏光成分の異なる２画像を重ね合わせて伝送し、後に偏光成分に応じて光路を分離する構成を採用する。
【００３５】
具体的には、図２(a)に示すように、画像入力手段として、例えば、先端部１のプリズム光学系１ｃ，１ｄの境界には、偏光成分により透過又は反射して光を分離する分離面１ｃ1が配置される。より具体的には、プリズム光学系１ｃが、結晶軸を境界面に対し平行に向けた結晶材料で構成される。
【００３６】
プリズム１ｃは、ｎｅ＞ｎｏの一軸結晶であり（ｎｅは異常光に対する屈折率、ｎｏは常光に対する屈折率）、プリズム１ｄの屈折率ｎはｎ＝ｎｅの均質媒質からなる。光線の偏光成分により、分離面１ｃ1での作用が異なるため以下のような光線の振る舞いとなる。
【００３７】
物体からの光線のうち、実線で示した光線が分離面１ｃ1に入射したとき、ｓ成分は結像に無関係な方向に屈折し、ｐ成分は像面に向かって透過する。破線で示した光線は、実線で示した光線とは視差を有する光線であり、１回目に分離面１ｃ1に入射したときは両成分が透過し、面１ｃ2で反射した後２回目に分離面１ｃ1に入射したときはｓ成分は全反射して像面に向かって進行し、ｐ成分は透過して結像に無関係な方向に進行する。よって、視差を有する二つの光線が分離面１ｃ1によって一つに結合される。
【００３８】
なお、図２(a)中、１ｅは平行平板であり、一方の光路位置に穴をあけて、２つの光路長が同じになるように構成される。また、図２の構成では、棒状の先端部１のレンズ外径の０．６倍に光軸間の距離が離れた視差を確保している。
【００３９】
図３は第１実施例の光学観察装置における画像入力部３の内部に設けられた光学系の全体構成を示す概略構成図である。
画像入力部３には、先端対物光学系１ｆを介して結像した画像がリレー光学系１ｇを介して再度結像し、偏光分離光学系１ｈを介して偏光成分に応じて視差の異なる画像に分離後、２個のＴＶカメラ１ｉ，１ｉ’に結像する。図３中、１ｈ1は異なる偏光成分ごとに反射又は透過する偏光面である。偏光分離光学系１ｈは、偏光面１ｈ1を有するプリズムと、偏光面１ｈ1を介して分離された光をそれぞれ異なる二つの光路に導くプリズム及びレンズとで構成される。
【００４０】
加えて、第１実施例の画像入力部３は、図中の分離位置Ｄにおいて、先端光学部１と、ＴＶカメラ部１ｉ，１ｉ’を備えた先端保持部２とが分離できるとともに、先端光学部１を対物レンズ８に交換して先端保持部２に接続可能に構成されており、通常の顕微鏡としての画像観察に容易に切り替えることが可能である。
【００４１】
図４は第１実施例の光学観察装置に用いる視差方向変換手段の概念図である。
第１実施例において、棒状の先端部１を視差方向が術者から見て左右方向になるように配置した場合には、術者の視差方向と一致するため、そのままで立体観察が可能となる。しかし、棒状の先端部１を視差方向が術者から見て上下方向になるように配置した場合には、術者の視差方向に対して視差方向が９０°回転しているため、術者は立体観察ができない。そこで、本発明では、そのような場合を想定して、画像入力部から入力されることで生じる視差方向を異なる方向に変更可能な画像変換手段を設けることでこの問題を解消する。
【００４２】
第１実施例の光学観察装置における画像の視差方向変更手段は、次に述べるような処理を、図１の保持部本体４に設けられたコンピュータＰＣを介して行う。
両画像は常に、視差方向にのみ位置ずれした画像となる。このため、両画像に関して、その走査線方向に左右像の対応画像の位置を算出することで、各画素単位での左右の位置ずれ量が算出できる。対応画像の位置を探す手法は、パターンマッチングと言われている。この方法の一例を特開平１０−２４８８０６号を参考に示す。図５にパターンマッチングのフローチャートを示す。
【００４３】
まず、サブルーチンのパターンマッチング処理を実行して、左右の２画像（ステレオ画像）の対応点であるマッチングポイントを検出する（ステップＳ１）。
次に、対応点の座標から左右の２画像のずれ量を求める（ステップＳ２）。
【００４４】
次に、対象としている点の３次元座標を計算し、本ルーチンを終了する（ステップＳ３）。
ここで、上記サブルーチンにおける３次元座標解析処理の基本原理について、図６を用いて説明する。図６はｘ，ｙ，ｚ軸を持つ３次元座標上の右左２画像の位置関係を示す図であって、被写体の点Ｐが撮像素子２８の右結像面２８Ｒ、左結像面２８Ｌ上に結像した状態を示している。図６において、点ＯＲ，ＯＬを光学系の瞳位置とし、距離ｆを焦点距離とし、点ＱＲ，ＱＬを点Ｐの結像位置とし、距離Ｌを点ＯＲ−点ＯＬ間の距離とする。
【００４５】
図６において、直線ＱＲ−ＯＲから次式が成立する。
ｘ／ｘR’＝｛ｙ−（Ｌ／２）｝／｛ｙR’−（Ｌ／２）｝＝ｚ／（−ｆ）
また、直線ＱＬ−ＯＬから次式が成立する。
【００４６】
ｘ／ｘL’＝｛ｙ＋（Ｌ／２）｝／｛ｙL’＋（Ｌ／２）｝＝ｚ／（−ｆ）
これらの式をｘ，ｙ，ｚについて解けば、点Ｐの３次元座標が得られる。
次に、図５(a)の３次元座標解析処理のステップＳ１においてコールされるサブルーチンのパターンマッチング処理について図５(b)を用いて説明する。
【００４７】
まず、パターンマッチングを行うパターンの大きさを設定するためのパターンエリアの絞り込みを行い（ステップＳ１１）、値ｋに対応したパターンエリアを設定する（ステップＳ１２）。すなわち、ｋ＝１ではパターンエリアを３６×３６（ピクセル）、ｋ＝２ではパターンエリアを２４×２４（ピクセル）、ｋ＝３ではパターンエリアを１２×１２（ピクセル）とし、値ｋを小から大へ切り換えて領域を大から小へ絞り込んでいき、対応点検出の精度を上げるようにする。
【００４８】
次に、検索範囲を設定する（ステップＳ１３）。すなわち、パターンを探す右画像の領域を決定する。
次に、設定された検索範囲でのパターンマッチングを行う（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。このパターンマッチングは、正規化相互相関による対応点検出を行い、最も正規化相互関数の大きな座標（Ｘ，Ｙ）を上記対応点とする。
【００４９】
次に、値ｋをインクリメントし、その値ｋに対応してパターンを絞り込み、対応点検出を行う（ステップＳ１７）。
次に、マッチングポイントの設定を行う（ステップＳ１８）。このとき、正規化相互相関の値をモニタ画面上に表示し、これをマッチングの信頼性の尺度としてもよい。また、正規化相互相関の値（０〜１）が所定の値よりも小さい場合は、手動式のマッチング処理に切り換えてもよい。
【００５０】
これを、全画素に対して行うことで、左右画像の位置ずれマップが作成できる。
なお、上記パターンマッチングに利用する正規化相互相関関数Ｍ（ｕ，ｖ）は、一般的な以下の式を用いる。すなわち、ｔ（ｘ，ｙ）をテンプレートとし、ｆ（ｘ，ｙ）を画像データとし、ｔ’をテンプレートの平均輝度とし、さらに、ｆ’を画像の平均輝度として、次式が適用される。
Ｍ（u，v）＝｛ΣΣ（ｆ（x＋u，y＋v）−ｆ’）（ｔ（x，y）−ｔ’）｝
／｛ΣΣ（ｆ（x＋u，y＋v）−ｆ’）2×ΣΣ（ｔ（x，y）−ｔ’）2｝1/2
次に、位置ずれマップから、視点の変換を行う。その方法を、図７を用いて示す。
【００５１】
光学系の左右光軸間隔が既知であれば、位置ずれ量から凹凸の量を演算し計算することができる。視点間距離は既知である（＝Ｌ）。対応点Ｑｕ、Ｑｄから３次元位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を演算する。
【００５２】
この時点で、被写体の立体形状マップが計測されたことになる。
次に、視差変換すべき座標系がわかっている（たとえば、この場合は、９０°回転）ので、その方向から見た座標系に投影することで、異なった視点から見た立体画像に変換することができる。
【００５３】
この場合は、同じ視点間距離Ｌで、ＱＬ、ＱＲの座標にＰ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置を投影すれば求まる。
さらに、第１実施例においては、先端光学系の向きと観察装置の姿勢が、図１に示す関節部６、７に配置されたエンコーダーＥを介して検出することができる。このため、画像の変換視点を逐次変更することで、常に観察装置では正しい視差方向を保持しながら観察することができる。
【００５４】
なお、上記実施例では、視差方向が９０°回転した場合について説明したが、投影座標の位置を適宜変更することで、連続的な回転位置への変換は可能である。
【００５５】
なお、第１実施例における図２に示した先端対物光学系１ｆの変形例を図８〜１１に示す。
これらの先端対物光学系１ｆを備える先端部１の基本構成は、図２と同様である。
【００５６】
図８の先端対物光学系１ｆは、斜視６０°に構成されている。プリズム１ｃ，１ｄの境界面に偏光膜が施され、偏光成分に応じて偏光膜を透過又は反射することで二つの光路に分離される。
【００５７】
なお、視差量はレンズ外径の約０．５倍である。通常、レンズ外径は１０ｍｍ〜１ｍｍ程度に設計され、光軸間隔はその約１／２程度となる。
図９の先端対物光学系１ｆは、斜視３０°に構成されている。図８と同様、プリズム１ｃと１ｄとの境界面に偏光膜が施され、偏光成分に応じて偏光膜を透過又は反射することで二つの光路に分離される。なお、プリズム１ｃを複屈折材料を用いて構成してもよい。また、図９の例においては、それぞれの光路ごとに凹レンズ１ｂ’を用いている。図９中、１ｊは反射面を持つプリズムである。
【００５８】
図１０の先端対物光学系１ｆは、斜視７０°に構成されている。プリズム１ｃの凸レンズ側の境界面に偏光膜が施され、偏光成分に応じて偏光膜を透過又は反射することで２つの光路に分離される。なお、図１０中、１ｋはプリズムである。
【００５９】
図１１の先端対物光学系１ｆは、側視９０°に構成されている。図８と同様、プリズム１ｃとプリズム１ｄとの境界面に偏光膜が施され、偏光成分に応じて偏光膜を透過又は反射することで二つの光路に分離される。さらに、図１１の例におけるプリズム１ｃ，１ｄの配置では、二つの光路の反射回数が異なる。このため、図において省略した画像入力部と接続するコンピュータの画像処理手段を介して一方の光路の画像の反転処理が施される。
【００６０】
図１２は上記各実施例のように構成された先端対物光学系１ｆを備えた先端光学部１に対し、先端保持部２’側にＴＶカメラを一つ設けて構成した画像入力部３’の一実施例を示す概略構成図である。
【００６１】
先端対物光学系１ｆは、上記各実施例のいずれかと同様に構成される。ＴＶカメラ側には、先端保持部２’に可変位相素子２ａと検光子２ｂが光路中に配置され、ＴＶカメラコントロールユニットＣＵ、及びドライバを介して位相を９０°交互に変更することで、先端対物光学系を経て得られた異なる視差の画像を一つのＴＶカメラで交互に撮像できる。なお、図１２中、２ｃはＣＣＤである。また、ＴＶカメラコントロールユニットＣＵには分配器が接続され、分配器には左右の表示素子が接続されており、撮像された視差の異なる画像がドライバの駆動タイミングと同期した分配器を介して交互に左右の表示素子に表示されることで立体観察することができる。
【００６２】
図１３は本発明による光学観察装置における先端部１と通常の顕微鏡対物レンズ８との交換を可能に構成した画像入力部の一実施例を示す概略構成図である。対物レンズ８の後方には異なる偏光成分の光路を合成する光学素子Ｎを備えた光路合成部９が配置され、対物レンズ８を先端保持部２’に取り付けた場合においても、図１２に示すようなＴＶカメラの駆動に応じて、立体観察をすることができる。
【００６３】
その他、本発明の上記各実施例の光学観察装置において、リレー光学系１ｇは１本の光学系の構成に限られるものではなく、先端光学系１ｆと図１９に示した従来例の２本リレー光学系との組み合わせで構成しても有効である。
【００６４】
従来例のように２本リレー光学系を用いて構成した場合には、画像入力部単独では視差方向の変換は不可能であったが、本発明では別個に画像変換手段と組み合わせたので、視差方向の変更が可能となる。
【００６５】
ところで、観察対象によっては瞳分割方式の視差量が最適となる場合もある。
従って、本発明では、図１８に示した従来例の瞳分割方式の光学系と、画像の視点回転変換手段との組み合わせも有効である。この場合は、先端部とＴＶカメラ部との相対的な回転操作が不要となり、操作性が向上するとともに機械的な可動部が無く信頼性が高くなる。
（第２実施例）
図１４は本発明の第２実施例にかかる光学観察装置の先端部を示す概略構成図である。
【００６６】
第２実施例の先端部１は、先端対物光学系１ｆと、偏光切り換え素子１ｑと、撮像素子１ｒを備える。先端対物光学系１ｆには、対物レンズ１ｍと、互いの境界面に偏光面を有するプリズム１ｃ，１ｄと、凸レンズ１ｎ，１ｏと、ズーム・フォーカス部１ｐが設けられる。
【００６７】
ズーム・フォーカス部１ｐは、ズームレンズとして構成されており、後部から伸びたワイヤー１ｐ1の回転操作によって、ズームレンズのズームカム１ｐ2を介して、レンズ群１ｐ3，１ｐ4が移動されズームが機能する。
【００６８】
また、第２実施例では、先玉の対物レンズ１ｍに凸レンズを配置し、その後方はアフォーカル光束となるように構成されている。アフォーカル光束であるためレンズ間隔によらず結像関係が維持されるので、光路を自由に設定でき、二つの光路の光軸間隔を例えば図８に示した場合に比べて大きく取ることができる。
【００６９】
撮像素子１ｒの手前には、ＴＶカメラの撮像タイミングと同期して時間的に偏光方向を９０°回転させる偏光切り替え素子１ｑが配置され、視差のある画像を、交互に順次撮像素子で読み込むことができる。
【００７０】
又第２実施例の先端部には、第１実施例と同様に画像変換手段と画像表示手段が備えられる（図示省略）。動作と効果は第１実施例と同様であり、説明は省略する。
（第３実施例）
図１５は本発明の第３実施例にかかる光学観察装置の先端部を示す概略構成図である。
【００７１】
第３実施例の先端部１は、先端対物光学系１ｆ’と撮像素子１ｒとで構成された光学系を二つ長手方向に配置して構成され、一つの対物光学系を配置した場合に比べて大きな視差を得ることができる。
【００７２】
先端対物光学系１ｆ’は、凹レンズ１ｂ’とプリズム１ｆ’1とレンズ１ｆ’2とレンズ１ｆ’3とで構成される。
また、先端対物光学系１は、先端面が斜視６０°に構成されており、断面の長さは、横に並列に並べた場合の約２倍である。このため、同じ外径の従来例に対して大きな視差を取ることができる。また、視差量が十分である場合には、外径をその分細くすることが可能である。
【００７３】
加えて、本発明では、上述の実施例で説明したように、視差方向変換手段を組み合わせている。このため、第３実施例の先端部を備えた光学観察装置においても、大きな視差を得ることができると同時に、視差方向を補正して正しい視差方向での立体観察が可能である。
（第４実施例）
図１６は本発明の第４実施例にかかる光学観察装置の全体構成を示す説明図である。
【００７４】
第４実施例の光学観察装置は、先端部１と先端保持部２とで構成された画像入力部３と、保持部本体４と、立体画像表示装置５’とで構成される。なお、全体構成は図１に示す構成であってもよい。
【００７５】
先端部１は、細径の棒状に形成され、先端保持部２に保持される。また、先端部１には、視差を有する画像を入力するための光学系が配置される。
画像入力部３は先端光学部１として硬性鏡と、先端保持部２に内蔵されたＴＶカメラ部とからなる。硬性鏡は瞳分割式である。
【００７６】
光源装置ＬＳと、ＴＶカメラコントロールユニットＣＵと、画像変換のためのコンピュータＰＣと、立体画像観察装置５’は、保持部本体４を構成するカートに備えられる。また、立体観察用の眼鏡１０、１１が備えられている。立体観察用眼鏡１０は左右のレンズが互いに異なる偏光成分のみを透過するレンズで構成され、立体観察用眼鏡１０を通して立体画像観察装置５’に表示された画像を観察したときに立体画像が得られる。立体観察用眼鏡１１は画像変換のためのコンピュータＰＣに接続されており、コンピュータＰＣ内で異なる偏光成分毎の像が左右のレンズに送られることによって立体画像を観察することができる。
【００７７】
また、第４実施例の光学観察装置は、後述の視差量変換手段が備えられ、視差量の拡大又は縮小をすることができる。
図１７は第４実施例の光学観察装置に用いる視差量変換手段の概念図である。
【００７８】
視差量変換手段は、図４に示した視点方向移動手段と内容的には共通する。
両画像は常に視差方向にのみ位置ずれした画像となる。このため、両画像に関し、その走査線方向に左右像の対応点を検出演算することで、各画素単位での左右の位置ずれ量を算出できる。これを全画素に対して行うことで、左右画像の位置ずれマップが作成できる。
【００７９】
光学系の左右光軸間隔が既知であれば、位置ずれ量から凹凸の量を計算することができる。
この時点で、被写体の立体形状マップが計測されたことになる。
【００８０】
次に、視差変換すべき座標系がわかっている（たとえばこの場合は、視差量を２倍に拡大するものとする）ので、その方向から見た座標系に投影することで、異なった視点から見た立体画像に変換することができる。
【００８１】
さらに、第４実施例においては、両画像の画像ずれ量が視差量変換時に把握できるため、この画像ずれ量に基づいて、視差量変換係数を変更し画像の変換視点を逐次変更することで、常に観察装置において適切な視差量を保持しながら観察することができる。
【００８２】
なお、第４実施例の画像入力光学系３は、図１５に示した対物光学系と撮像素子からなる２本の光学系と、視差量変換手段とを組み合わせて構成してもよい。または、図１９に示した従来例の２本リレー光学系と、視差量変換光学系とを組み合わせて構成してもよい。そのような構成は、近接観察時において視差量が増大しすぎて観察できない場合に有効である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、視差方向固定の立体画像入力光学系と、立体観察装置の視差方向に応じた画像に変換する画像変換手段とを組み合わせたので、先端の細径化に対応した立体画像観察をすることができる。
【００８４】
また、画像入力手段の視差方向を検出する手段を設けたので、常に、立体観察装置の視差方向に合致する方向に画像の回転変換することで、常に正常な視差で観察をすることができる。
【００８５】
又、視差量が固定の光学像入力光学系に、画像の視差量自体を拡大、縮小変換する画像変換手段を組み合わせたので、視差の大きさ、先端部の径などに応じた最適な光学系の選択の幅を広げることができる。
【００８６】
さらに、画像の視差量を計測する手段を設け、適切な視差量に固定するように、視差拡大、縮小係数を計測視差量に応じて変更することで、常に良好な視差量で観察をすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例にかかる光学観察装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】  第１実施例の光学観察装置の先端光学系１ｆを示す概略構成図であり、(a)は長手方向に沿う断面図、(b)は先端面を示す平面図である。
【図３】  画像入力部３の内部の光学系全体を示す概略構成図である。
【図４】  第１実施例の光学観察装置に用いる視差方向変換手段の概念図である。
【図５】  第１実施例における画像の視差方向変更手段において用いるパターンマッチングの一例を示すフローチャートであり、(a)は3次元座標解析処理のフローチャート、(b)はパターンマッチング処理のフローチャートである。
【図６】  ｘ，ｙ，ｚ軸を持つ３次元座標上の右左２画像位置関係を示す図である。
【図７】  ｘ，ｙ，ｚ軸を持つ３次元座標上の右左２画像位置関係を示す図である。
【図８】  第１実施例における図２に示した先端対物光学系１ｆの一変形例を示す概略構成図である。
【図９】  第１実施例における図２に示した先端対物光学系１ｆの他の変形例を示す概略構成図である。
【図１０】  第１実施例における図２に示した先端対物光学系１ｆのさらに他の変形例を示す概略構成図である。
【図１１】  第１実施例における図２に示した先端対物光学系１ｆのさらに他の変形例を示す概略構成図である。
【図１２】  上記各実施例のように構成された先端光学系１ｆを備えた先端光学部１に対し、先端保持部２’にＴＶカメラを一つ設けて構成した画像入力部３’の一実施例を示す概略構成図である。
【図１３】  先端部１と通常の顕微鏡対物レンズ８との交換を可能に構成した一実施例を示す概略構成図である。
【図１４】  本発明の第２実施例にかかる光学装置に用いる先端部を示す概略構成図である。
【図１５】  本発明の第３実施例にかかる光学観察装置の先端部を示す概略構成図である。
【図１６】  第４実施例にかかる光学観察装置の全体構成を示す説明図である。
【図１７】  第４実施例の光学観察装置に用いる視差量変換手段の概念図である。
【図１８】  瞳分割方式硬性鏡と立体観察装置とを組み合わせたタイプの光学観察装置に用いる瞳分割方式硬性鏡の一従来例を示す概略構成図である。
【図１９】  ２本光学系型硬性鏡と立体撮影装置とを組み合わせたタイプの光学観察装置に用いる２本光学系型硬性鏡の一従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１    先端（光学）部
１ａ    カバーガラス
１ｂ，１ｂ’    凹レンズ
１ｂ1，１ｂ2    凹面
１ｃ，１ｄ    プリズム光学系
１ｃ1    分離面
１ｅ    穴あき平行平面
１ｆ，１ｆ’    先端対物光学系
１ｇ    リレー光学系
１ｈ    偏光分解光学系
１ｈ1    偏光面
１ｉ，１ｉ’    ＴＶカメラ
１ｊ    反射面を持つプリズム
１ｋ，１ｆ’1，６６，６７    プリズム
１ｍ    対物レンズ
１ｎ，１ｏ，１ｆ’2，１ｆ’3    レンズ
１ｐ    ズーム・フォーカス部
１ｐ1    ワイヤー
１ｐ2    ズームカム
１ｐ3，１ｐ4    レンズ群
１ｑ    偏光切り換え素子
１ｒ    撮像素子
２，２’    先端保持部
２ａ    可変位相素子
２ｂ    検光子
３    画像入力部
４    保持部本体
５    画像表示部
５’    立体画像観察装置
６，７    関節部
８，５３，６３，６３’    対物レンズ
９    光路合成部
１０，１１    立体画像観察用眼鏡
５１，６１    挿入部
５２，６２    保持部
５４，６４，６４’    リレーレンズ部
６５，６５’    画像入力光学系
６８，６８’    結像レンズ
６９，６９’    ＣＣＤ
ＬＳ    光源装置
ＣＵ    ＴＶカメラコントロールユニット
ＰＣ    画像変換処理を行うコンピュータ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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