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JP3609874B2 - 立体視内視鏡 - Google Patents

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JP3609874B2
JP3609874B2 JP19114395A JP19114395A JP3609874B2 JP 3609874 B2 JP3609874 B2 JP 3609874B2 JP 19114395 A JP19114395 A JP 19114395A JP 19114395 A JP19114395 A JP 19114395A JP 3609874 B2 JP3609874 B2 JP 3609874B2
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尊臣 関谷
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ペンタックス株式会社
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、外部から直接観察することができない空間内の物体を立体的に観察する立体視内視鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
立体視内視鏡は、例えば特開平6−194581号公報に開示されるように、物体像を形成する対物レンズ系、この像を伝達するリレー系から成る一次光学系が設けられた硬性鏡と、この一次光学系により伝達された像を立体視ができるよう左右に分割する瞳分割手段と、分割された2つの像をそれぞれ観察、あるいは撮像する2つの二次光学系とを備える。
【0003】
この種の立体視硬性内視鏡は、体腔内の部位を観察するための医療用、あるいはエンジン等の機械内部を観察するための工業用の用途等に用いられている。
【0004】
それぞれの二次光学系で撮影された画像は、例えば偏光眼鏡を利用した方法、液晶シャッター付きの眼鏡と同期させて時分割的に左右の画面を表示する方法、レンチキュラースクリーンを利用して背面から2つの投影機により投影する方法等により表示され、観察者は表示された画像を立体画像として認識することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報に記載された立体視硬性内視鏡は、2つの二次光学系が固定して設けられているため、立体視のための2つの視点の位置は固定されており、硬性鏡全体を物体に対して全体的に変位させなければ、物体に対する観察方向を変更することができない。
【0006】
一般に、物体を複数の異なる方向から観察することができれば、物体の形状等をより正確に判断することが可能であるが、内視鏡の観察対象は通常狭い空間内に存在するため、硬性鏡全体を動かして視点を変更することは困難である。
【0007】
【発明の目的】
この発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、一次光学系を移動させることなく物体に対する立体視の視点を変更することができる立体視内視鏡を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる立体視内視鏡は、上記の目的を達成させるため、一次光学系の瞳内の異なる領域を通過した光束を取り込む二次光学系を3つ以上設けたことを特徴とする。各二次光学系は、一次光学系の瞳内に配置されたセパレータレンズと、セパレータレンズによる結像位置と共役な位置に配置された撮像素子とを備える。
【0009】
3つのセパレータレンズを介して入力された画像のいずれか2つを選択することにより、立体視が可能となり、かつ、選択する二次光学系の組み合せを変更することにより、物体に対する立体視の見込み方向を変化させることができる。この構成によれば、一次光学系を移動させなくとも物体を複数の異なる方向から観察することができ、物体の性状をより正確に判断することができる。
【0010】
なお、この明細書では、立体視に必要な2つの視点のうちの少なくとも一方の位置の変更を「立体視の見込み方向の変更」と定義する。これには、2つの視点を結ぶ線分の方向の変更のみでなく、この線分の方向を変えずに視点を移動させることによる変更も含まれる。また、後者には、視点間隔を一定に保ちつつ2つの視点を移動させる場合と、視点間隔を変更して立体感を変化させつつ2つの視点の少なくとも一方を移動させる場合とが含まれる。
【0011】
2つの視点を結ぶ線分の方向性を変更するためには、セパレータレンズを一次光学系の瞳内で二次元的に配置する必要がある。線分の方向性を変化させなくともよい場合には、セパレータレンズを瞳内で一直線上に配置すればよい。
【0012】
撮影された画像をレンチキュラースクリーンを利用した投影装置により表示する場合、各二次光学系により撮影された画像をそれぞれ投影機により投影することにより、観察者は画面に対する視点を変化させることによって物体に対する観察角度を変化させることができる。なお、撮像素子により画像を撮影する場合には、リアルタイムで表示するのみでなく、ビデオテープ等に記録して保存することもできる。
【0013】
二次光学系の数は、3つ以上であれば足り、5つのセパレータレンズを一直線上に配置してもよいし、同数、あるいはより多くのセパレータレンズを二次元的に配置してもよい。また、二次光学系が4つ以上設けられている場合には、その少なくとも1つを肉眼による観察用として用いてもよく、例えば5つの二次光学系が設けられている場合には、3つを撮影用、2つを肉眼による観察用として用いることができ、さらに、観察用の2つを撮影用との共用とすることもできる。
【0014】
一次光学系は、体腔内等の空間に挿入される挿入部に配置され、挿入部の先端に位置する対物レンズ系と、少なくとも1つのリレーレンズ系とを備える。第1のリレーレンズ系により伝達される像は、後段のリレーレンズ系により挿入部の基端側に接続された観察部まで伝達される。この場合、二次光学系のセパレータレンズおよび撮像素子は観察部内に配置される。
【0015】
また、他の例では、挿入部の先端側にのみリレーレンズ系が配置され、このリレーレンズ系の挿入部内に位置する瞳に合わせて二次光学系のセパレータレンズが配置される。セパレータレンズにより形成される像は、イメージガイドファイバー束により観察部まで伝達されて観察部内の撮像素子により撮影され、あるいは、セパレータレンズの一次結像位置に配置された撮像素子により撮影されて電気信号として信号線により観察部まで伝達される。
【0016】
さらに、挿入部側と観察部側とに一次光学系と二次光学系とがそれぞれ分離して設けられている場合、挿入部として単眼用の硬性鏡を用い、観察部として立体視用アダプターを接続する構成とすることもできる。この場合、一次光学系と二次光学系との位置合わせのために、これらの相対的な位置関係を変更するための調整手段を設けてもよい。調整作用は、挿入部と観察部との位置を接続する接続手段に持たせてもよいし、セパレータレンズおよび撮像素子を一体に保持する保持部に持たせてもよい。
【0017】
【実施例】
以下、この発明にかかる立体視内視鏡の実施例を説明する。実施例1の立体視内視鏡は、図1(A)に示されるように、体腔内等の狭い空間内部に挿入される硬性の挿入部1と、この挿入部1の基端側に接続された観察部2とを備える。
【0018】
挿入部1の内部には、物体の像を形成する3群4枚構成の対物レンズ系11と、対物レンズ系11により形成された像を伝達する複数のレンズから構成される複数のリレーレンズ系12,12と、一次光学系10の射出瞳を形成する瞳形成レンズ系13とが物体側から順に配置され、これらのレンズ系により一次光学系10が構成されている。
【0019】
観察部2内には、一次光学系10の瞳Epに一致して5つの二次光学系から構成される受光ユニット30が設けられている。受光ユニット30は、図1(B)(C)に示されるように、瞳Epの直径上に一直線上に並列して配置された5つのセパレータレンズ37a,37b,37c,37d,37eと、これらのセパレータレンズにより形成された像を撮影する撮像素子38a,38b,38c,38d,38eとから構成されており、それぞれのセパレータレンズと撮像素子とが組となって1つの二次光学系を構成している。
【0020】
受光ユニット30は、図1(A)に示されるように調整手段40により光軸Ax1に沿った前後方向、そして光軸に対して垂直な左右方向(図1の紙面内)に沿って一体的に移動可能である。
【0021】
調整手段40は、受光ユニット30を左右両側から支持する保持枠41と、この保持枠41の受光ユニット30とは反対側の端部に架設され、両側を保持枠41により回転自在に支持された左右位置調整スクリュー44と、観察部2の取付部2aに光軸Ax1方向に進退可能に取り付けられ、左右位置調整スクリュー44を保持する前後位置調整ボルト45とから構成されている。
【0022】
前後位置調整ボルト45の先端には、左右位置調整スクリュー44に螺合するナット部45aが固定され、かつ、取付部2aの壁面内部には、前後位置調整ボルト45に螺合する前後位置調整つまみ46が回転可能に取り付けられている。
【0023】
この構成によれば、左右位置調整スクリュー44に固定された左右位置調整つまみ44aを回動調整することにより、受光ユニット30の左右の位置を全体的に調整することができ、かつ、前後位置調整つまみ46を調整することにより、受光ユニット30の前後方向の位置を全体的に調整することができる。
【0024】
これらの2次元方向の調整により、セパレータレンズ37〜37eの物体側の面が正確に一次光学系10の瞳Ep内に位置し、かつ、一次光学系10の光軸Ax1に対して対称となるよう位置決めされる。
【0025】
各撮像素子には、それぞれのセパレータレンズが瞳Ep内で占める位置に応じて物体をそれぞれ異なる角度からみた画像が取り込まれる。すなわち、5つの二次光学系にはそれぞれ互いに視差を有する画像が取り込まれており、このうちの任意の2つの画像を公知の立体画像表示方法により表示することにより、観察者は物体を立体的に観察することができる。
【0026】
また、選択される二次光学系を変更することにより、物体に対する立体視の見込み方向を変更することができる。例えば、表示される立体画像を両端のセパレータレンズ37a,37eを介して撮影される画像から内側のセパレータレンズ37b,37dを介して撮影される画像へ切り換えた場合には、視差が小さくなるために立体感は小さくなる。また、一方側の隣接するセパレータレンズ37a,37bを介して撮影される画像から他端側の隣接するセパレータレンズ37d,37eを介して撮影される画像へ切り換えた場合には、立体感は変化しないものの、物体に対する観察方向が変化し、機械的な移動を伴わずに物体に対する観察方向を変更することができる。
【0027】
さらに、レンチキュラースクリーンを利用した投影装置200で画像を表示する場合には、図2に示されるように、各二次光学系により取り込まれた5つの画像を水平方向に並列して設けられた5つの投影機210〜214からレンチキュラースクリーン220の背面に向けて同時に投影することができる。
【0028】
レンチキュラースクリーン220は、紙面と垂直な方向に母線を持つシリンドリカルレンズが多数集合して形成されており、各投影機からレンチキュラースクリーン220を透過して投影される画像の方向をそれぞれのシリンドリカルレンズへの入射角度に応じて所定の方向に限定する。したがって、観察者の視点が水平方向に変化すると、それに応じて撮影者は異なる投影機からの画像を観察することとなり、視点を変化させることにより物体に対する観察方向を変更することができる。
【0029】
例えば、撮影者の頭部Hが実線で示す位置にあれば、右眼には第2の投影機211の画像、左眼には第3の投影機212の画像が主として入射する。これに対して撮影者の頭部Hが水平方向に破線で示す位置まで移動すると、右眼には第4の投影機213の画像、左眼には第5の投影機214の画像が主として入射する。
【0030】
図3に示す実施例2の立体視内視鏡は、一次光学系10が設けられた挿入部1のみで単眼視用の内視鏡を構成しており、この内視鏡に二次光学系が設けられた観察部2を両眼視用アダプターとして取り付けて構成されている。光学的な構成、および調整手段40の構成は、図1に示す実施例1と同一である。
【0031】
挿入部1の基端側には、単眼での観察時に観察者の目の周囲に接触して周辺光を遮断するつば状のフード14が取り付けられている。観察部2は、このフード14に取り付けられたアタッチメント50を介して挿入部1に固定されている。
【0032】
アタッチメント50は、フード14に観察部2側から当てつけられてフード14を外側から囲み込む取り付け環51と、このフード14に物体側から当接して取り付け環51に当てつける当てつけ片52と、当てつけ片52を取り付け環51に固定する固定ボルト53とから構成される。
【0033】
取り付け環51は、フード14に当接する中央に開口が形成された円板部51aと、この円板部51aの周縁部から物体側に向けて立ち上げられてフード14の外周を囲む円筒部51bと、この円筒部の物体側先端から内周に向けて形成されたフランジ部51cとから一体に構成されている。当てつけ片52は、断面L字状の小片であり、周方向の少なくとも3カ所でフード14を取り付け環51に当てつけている。
【0034】
また、取り付け環51の観察部2側の面の外周部には、周方向の3カ所に観察部2側に向けて突出する調整ボルト54が固定されている。観察部2には、挿入部1側の周辺部に外方フランジ2bが形成されると共に、この外方フランジ2bには調整ボルト54が挿通される貫通孔2cが穿設されている。調整ボルト54は、貫通孔2cに挿通された状態で外方フランジ2bの両側に位置するナット55,56により外方フランジ2bに固定され、アタッチメント50に取り付けられた挿入部1を観察部2に対して固定する。
【0035】
なお、この実施例では、3本の調整ボルト54に螺合するそれぞれのナット55,56の位置を調整することにより、アタッチメント50と観察部2との位置関係を三次元的に調整することができる。
【0036】
図4〜図7は、この発明の実施例3〜6を示す。これらの実施例では、挿入部1の先端側にのみリレーレンズ系12、瞳形成レンズ系13が配置され、挿入部1内に位置する一次光学系の瞳に合わせて二次光学系のセパレータレンズ37a〜37eが配置される。したがって、挿入部1のレンズ11〜13が配置された先端部1aは実施例1と同様に硬性であるが、この先端部1aと観察部2とを接続する中間部1bには、軟性のチューブを用いることもできる。
【0037】
図4に示す実施例3では、セパレータレンズの一次結像位置に撮像素子が配置されて図1と同様の受光ユニット30が構成されており、各撮像素子からの画像信号は電気信号として信号線30aにより中間部1bを通して観察部2まで伝達される。
【0038】
図5に示す実施例4では、セパレータレンズ37a〜37eの一次結像位置に入射端面を一致させてイメージガイドファイバー束39a〜39eが配置され、これにより観察部2まで伝達された画像が、結像レンズ32a〜32eを介して観察部2内に固定された撮像素子38a〜38e上に結像される。
【0039】
図6に示す実施例5では、実施例4とほぼ同様にイメージガイドファイバー束39a〜39eを用いてセパレータレンズにより取り込まれた画像を観察部2側に伝達しているが。ただし、この例では二次光学系は、撮像素子38a〜38cを備える3つの他に、肉眼による観察が可能な2つの接眼光学系を備えている。すなわち、イメージガイドファイバー束39a,39c,39eにより伝達された画像は、結像レンズ32a,32b,32cによりそれぞれ撮像素子38a,38b,38c上に結像される。一方、イメージガイドファイバー束39b,39dにより伝達された画像は、接眼レンズ33a,33bを介して観察部2の外部に伝達され、肉眼による観察を可能としている。
【0040】
図7(A)およびその一部拡大図である図7(B)に示す実施例6では、実施例5と同様の構成を採用しつつ、肉眼による観察用に用いられる画像を撮影用に兼用している。イメージガイドファイバー束39a,39c,39eからの画像を直接結像させる中央の3つの二次光学系の構成は実施例5と同一である。
【0041】
イメージガイドファイバー束39b,39dにより伝達されて結像レンズ32d,32eを透過した光束の一部は、光路分割手段としてのハーフミラー60a,60bにより反射され、再結像レンズ32f,32gを介して撮像素子38d,38e上に結像する。ハーフミラー60a,60bを透過した光束は、接眼レンズ33a,33bを介して肉眼による観察に供される。
【0042】
以上の実施例では、いずれも5つの二次光学系を備え、セパレータレンズが一次光学系の瞳上で直径上に並列して5個設けられているが、二次光学系の数は図8に示す実施例7のように3つであってもよい。
【0043】
図8の例では、実施例1と同様に硬性の挿入部1に一次光学系10が配置され、観察部2内に3つのセパレータレンズ37a,37b,37cとそれぞれの結像位置に配置された撮像素子38a,38b,38cとから構成される二次光学系が設けられている。
【0044】
この例では、中央のセパレータレンズ37cと撮像素子38cとは一体として観察部2に対して固定されており、両側のセパレータレンズ37a,37bと撮像素子38a,38bとはそれぞれ一体として支持部材47a,47bにより移動可能に支持されている。
【0045】
支持部材47a,47bの基端部は、保持枠41の一次光学系10側となる先端側に回転自在に支持された間隔調整スクリュー42に螺合しており、この間隔調整スクリュー42の中央には間隔調整つまみ43が一体に固定されている。保持枠41の取付部2aへの取付構造は実施例1と同一であるため説明を省略する。
【0046】
間隔調整スクリュー42には、間隔調整つまみ43を境として互いに螺旋の向きが逆巻のネジ溝が形成されており、間隔調整つまみ43を回転調整することにより、支持部材47a,47bが移動し、結果としてセパレータレンズ37a,37bと撮像素子38a,38bとが一次光学系10の光軸Ax1を中心として対称となるよう互いに離反し、あるいは互いに接近するよう移動する。
【0047】
実施例7の構成によれば、図9(A)(B)に示すように中央のセパレータレンズ37cを境として両側のセパレータレンズ37a,37bの間隔を変更することが可能であり、観察視野の立体感を連続的に変更することが可能となる。
【0048】
なお、二次光学系を3つとする場合、図9(C)に示すようにセパレータレンズ37a〜37cが瞳Ep内で隙間なく配列するよう配置すれば、セパレータレンズの移動は不可能となるが、各二次光学系に取り込まれる光量を最大限確保することができる。
【0049】
また、観察方向の変更という観点からは、観察部に設けられた3つのセパレータレンズを図9(D)に示すように互いに外接するように配置すると共に、これら3つのセパレータレンズとそれぞれに対応して設けられた撮像素子とを一体的に移動可能とすることにより、3つの二次光学系の相対関係を変化させずにそれぞれの二次光学系が取り込む光束の範囲を瞳Ep内で変更することも可能である。
【0050】
さらに、セパレータレンズの配列としては、上記の図1(C)および図9のように一直線上に配列するのみでなく、図10に示されるように、3つ、あるいはより多くのセパレータレンズを二次元的に配列してもよい。図1(C)および図9の配列では、選択された2つの二次光学系の物体に対する立体視の見込み方向をセパレータレンズの配列方向である1方向においてのみ変更可能である。
【0051】
したがって、これが水平方向である場合には、他の方向、例えば垂直方向から観察した立体画像を得るためには内視鏡全体を回転させる必要があり、水平方向の画像と垂直方向の画像とが得られるタイミングに時間差が生じる。内視鏡の観察対象である内臓や機械の内部機構は動きを伴う場合が多く、画像の切換に時間差が生じることは好ましくない。
【0052】
図10のようにセパレータレンズを二次元的に配置した場合には、二次光学系の選択を変更するのみで、2つの視点を結ぶ線分の方向性を変更することができる。
【0053】
例えば図10(A)の例では、選択するセパレータレンズ(二次光学系)の組み合わせを変更することにより、視点を結ぶ線分の方向性をd1,d2,d3の互いに60°異なる方向に変更することができる。また、図10(B)の配置によれば、セパレータレンズの選択により2つの視点を結ぶ線分の方向性を水平方向dhと垂直方向dvの間で切り換えることができる。
【0054】
図10(C)(D)は、一次光学系の瞳Ep内により多くのセパレータレンズを配置した例を示す。これらの例によれば、選択の自由度がより高くなり、一次光学系を移動させることなく物体に対する立体視の見込み方向を変更することができる。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、セパレータレンズと撮像素子とから成る二次光学系を3つ以上設けることにより、少なくとも3つのセパレータレンズを介して入力された画像のいずれか2つを選択することにより、立体視が可能となり、かつ、選択する二次光学系の組み合せを変更することにより、物体に対する立体視の見込み方向を変更し、物体を複数の方向からより詳細に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の立体視内視鏡の実施例1を示し、(A)は全体の断面図、(B)は受光ユニットの拡大図、(C)は瞳上でのセパレータレンズの配置を示す平面図である。
【図2】レンチキュラースクリーンを利用した立体画像表示装置の原理を示す説明図である。
【図3】実施例2の立体視内視鏡を示す観察部の拡大図である。
【図4】実施例3の立体視内視鏡を示す全体の断面図である。
【図5】実施例4の立体視内視鏡を示す全体の断面図である。
【図6】実施例5の立体視内視鏡を示す全体の断面図である。
【図7】実施例6の立体視内視鏡を示す全体の断面図である。
【図8】実施例7の立体視内視鏡を示す全体の断面図である。
【図9】瞳上でのセパレータレンズの配置の変形例を示す平面図である。
【図10】瞳上でのセパレータレンズの配置の他の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
1 挿入部
2 観察部
10 一次光学系
11 対物レンズ系
12 リレーレンズ系
13 瞳形成レンズ系
14 フード
200 投影装置
210〜214 投影機
220 レンチキュラースクリーン
30 受光ユニット
30a 信号線
32a〜32e 結像レンズ
32f,32g 再結像レンズ
33a,33b 接眼レンズ
37a〜37e セパレータレンズ
38a〜38e 撮像素子
39a〜39e イメージガイドファイバー束
40 調整手段
50 アタッチメント
51 取り付け環
52 当てつけ片
53 固定ボルト
54 調整ボルト
55,56 ナット
60a,60b ハーフミラー

Claims (10)

  1. 対物レンズ系およびリレーレンズ系を有する一次光学系と、該一次光学系の瞳内の異なる領域を通過した光束を取り込む複数の二次光学系とを有する立体視内視鏡において、
    前記二次光学系は、それぞれ前記一次光学系の瞳内に配置されたセパレータレンズと、該セパレータレンズによる結像位置と共役な位置に配置された撮像素子とを備え、この二次光学系が少なくとも3つ以上設けられていることを特徴とする立体視内視鏡。
  2. 前記撮像素子は、前記セパレータレンズの一次結像位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の立体視内視鏡。
  3. 前記各二次光学系は、前記セパレータレンズの一次結像位置にそれぞれ入射端面を位置させて設けられたイメージガイドファイバー束を有し、前記撮像素子は、前記イメージガイドファイバー束により伝達される像を受像する二次結像位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の立体視内視鏡。
  4. 前記セパレータレンズは、前記二次光学系の任意の2つを選択することにより観察対象となる物体に対する立体視の見込み方向を視野内の1方向において変更できるように、前記一次光学系の瞳内で一直線上に並んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載の立体視内視鏡。
  5. 前記セパレータレンズは、前記二次光学系の任意の2つを選択することにより観察対象となる物体に対する立体視の見込み方向を視野内の複数方向において変更できるように、前記一次光学系の瞳内で二次元的に並んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載の立体視内視鏡。
  6. 前記セパレータレンズは、少なくとも3つが三角形の頂点に中心を一致させるよう配置されていることを特徴とする請求項5に記載の立体視内視鏡。
  7. 前記セパレータレンズは、相対的に離反、接近する方向に移動可能であることを特徴とする請求項4に記載の立体視内視鏡。
  8. 前記二次光学系は、前記撮像素子を備える少なくとも3つの他に、前記一次光学系の瞳位置に配置された2つのセパレータレンズと、該セパレータレンズにより取り込まれた像を観察する接眼レンズ系とから構成される接眼光学系を2つ備えることを特徴とする請求項1に記載の立体視内視鏡。
  9. 前記接眼光学系は、前記セパレータレンズと前記接眼レンズ系との間に光路分割手段を備え、該光路分割手段により分割された一方の光束を受光する撮像素子を備えることを特徴とする請求項8に記載の立体視内視鏡。
  10. 請求項1に記載された立体視内視鏡用の表示装置であって、
    レンチキュラースクリーンと、前記複数の撮像素子からの画像信号をそれぞれ前記レンチキュラースクリーンに向けて投影する複数の投影器とを備えることを特徴とする表示装置。
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