JP5492382B2 - 作業面撮影用カメラ - Google Patents

Description

この発明は、例えば生体内部の試料採取などの遠隔作業を行う場合や、作業面に対して何らかの操作を行う場合において、作業面の最大範囲の画像を撮影することのできる作業面撮影用カメラに関し、詳しくは、操作手段を通過させるための操作開口を有し、その操作手段による作業面画像の欠落を最小とすることのできる作業面撮影用カメラに関するものである。

医療の分野で用いられる内視鏡などのように、遠隔の作業面を撮影するカメラが従来から使用されている。このようなカメラの例としては、下記の特許文献１のようなものがある。特許文献１には、可撓性を有する長尺の内視鏡本体に、鉗子等の処置具を挿通するチャンネルを設けた内視鏡が記載されている。内視鏡によって作業面を観察しながら、チャンネル内に挿通された鉗子などにより、作業面に対する操作を行うことができる。
特開平１１−７６１５５号公報

特許文献１に記載された内視鏡のようなカメラでは、カメラによる作業面の画像を観察しながら、鉗子などの操作手段により作業面に対する操作を行うことができるが、その操作手段自体が作業面の撮影の妨げになる場合がある。すなわち、カメラで作業面の画像を撮影する場合に、操作手段によって作業面が隠されてしまい、作業面の画像に欠落が生じてしまうのである。このため、作業面全体を撮影しようとすると、操作手段を撮影の妨げにならない退避位置まで移動させる必要がある。また、作業面の画像を確認しながら作業面に対する操作を行う場合には、確認が必要な部分の撮影の妨げにならないように、カメラと操作手段との相対位置関係を変更する必要が生じることも多い。

このように、作業面撮影用のカメラでは、操作手段の存在によって作業面の撮影に支障が出てしまうという問題点があった。また、このような問題点を回避するためには、操作手段の退避や、カメラと操作手段の相対位置の変更などのような、複雑で繁雑な操作を行う必要があった。

そこで、本発明は、作業面に対して何らかの操作を行う場合において、操作手段を通過させるための操作開口を有し、その操作手段による作業面画像の欠落を最小とすることができ、作業面の最大範囲の画像を撮影することのできる作業面撮影用カメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の作業面撮影用カメラは、作業面に対する操作を行う操作手段を通過させるための操作開口が設けられるとともに、前記操作開口の周囲に前記作業面の画像を取得するための３個以上の画像開口が設けられた前面部材と、前記画像開口のそれぞれに対応して配置された複数のカメラと、複数の前記カメラによって撮影した画像を処理する画像処理部とを有する。そして、３個以上の前記画像開口は、１直線上に全てが並ばないように配置されたものであるとともに、前記操作開口を中心とする円周上に配置されたものであり、前記画像処理部は、複数の前記カメラによって撮影した複数の画像から新たな画像を合成するものであり、当該新たな画像は前記操作手段によって前記作業面が隠される画像の範囲を減少させたものである。

また、上記の作業面撮影用カメラにおいて、複数の前記カメラは、画角の異なる複数種類のものが混在配置されたものとすることができる。

また、本発明の作業面撮影用カメラは、作業面に対する操作を行う操作手段を通過させるための操作開口が設けられるとともに、前記操作開口の周囲に前記作業面の画像を取得するための３個以上の画像開口が設けられた前面部材と、前記画像開口のそれぞれに対応して配置された複数のレンズと、前記レンズによる結像を伝送する複数の光ファイバ束と、前記光ファイバ束によって伝送された画像を撮影する複数のカメラと、複数の前記カメラによって撮影した画像を処理する画像処理部とを有する。そして、３個以上の前記画像開口は、１直線上に全てが並ばないように配置されたものであるとともに、前記操作開口を中心とする円周上に配置されたものであり、前記画像処理部は、複数の前記カメラによって撮影した複数の画像から新たな画像を合成するものであり、当該新たな画像は前記操作手段によって前記作業面が隠される画像の範囲を減少させたものである。

また、上記の作業面撮影用カメラにおいて、複数の前記レンズは、焦点距離の異なる複数種類のものが混在配置されたものとすることができる。

また、上記の作業面撮影用カメラにおいて、前記前面部材は、その位置および撮影方向を変更可能なものであることが好ましい。

また、上記の作業面撮影用カメラにおいて、前記前面部材は、前記画像開口が１０個以上設けられたものであることが好ましい。

また、上記の作業面撮影用カメラにおいて、前記前面部材は、前記操作開口を中心とする２つの円周上に前記画像開口が配置されたものであることが好ましい。

また、上記の作業面撮影用カメラにおいて、前記画像処理部は、複数の画像の平均値による画像処理を行うものとすることができる。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

操作開口の周囲に３個以上の画像開口が設けられているので、操作手段の存在による作業面の画像の欠落を最小とすることができ、作業面の最大範囲の画像を撮影することができる。このため、操作手段の退避や、カメラと操作手段の相対位置の変更などのような、複雑で繁雑な操作を行う必要がなく、効率的に作業面の撮影および操作を行うことができる。また、必要に応じて操作手段を半透明化したり、完全に消去したりすることができ、目的、用途に応じた多様な画像を出力することができる。

画角の異なる２種類のカメラを混在配置した場合には、画角の異なる２種類の画像を出力できる。その２種類の画像を同時にまたは選択してモニタすることができる。

光ファイバ束による画像伝送部を使用した作業面撮影用カメラでは、前面部材の直径を極めて小径とすることができ、狭隘な通路、貫通孔や隙間などを通過させることが可能となる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の作業面撮影用カメラの全体構成を示す図である。また、図２は、作業面撮影用カメラの先端部分の構成を示す斜視図である。本発明の作業面撮影用カメラは、作業面９の状態を撮影するためのものであり、特に、操作手段８によって作業面９に対して何らかの操作を行いながら、作業面９の状態を最大限に観察できるようにするためのものである。作業面９の具体的例としては、人体や生体内部の組織表面、遺跡などの内部空間の内表面、災害現場などにおける接近が困難な作業面などがある。

本発明の作業面撮影用カメラは、前面部材１と、画像伝送部４と、カメラ５の集合体であるカメラアレイ５０と、画像処理部６とを備えるものである。前面部材１には、中央に大きな操作開口２が形成されており、その操作開口２を通して操作手段８を作業面９に対して進退移動させることができる。操作手段８は作業面９に対する任意の操作や処理を行うものである。例えば、操作手段８により、作業面９から試料を採取したり、作業面９の表面を切断したり、作業面９の表面の開口を閉塞したりすることができる。

図２に示すように、前面部材１には、操作開口２の周囲に複数の画像開口３が設けられている。画像開口３は作業面９の画像を取得するために設けられた開口部である。画像開口３は、ここでは操作開口２を中心とする円周上に均等に１６個設けられている。画像開口３は３個以上設ける必要があり、しかもそれらの画像開口３は１直線上に全てが並ばないように配置される必要がある。もし、全ての画像開口３が１直線上に並んでしまうと、その直線と直交する方向に関して撮影角度の異なる画像が得られなくなるため、画像処理に不都合を生じてしまう。

画像開口３の数は、３個以上設ける必要があるが、さらに多くの数の方が好ましい。画像処理部６による画像処理を行って良好な画像を得るためには、画像開口３の数が１０個以上であることが望ましい。また、図２では、画像開口３を１６個設けた例を示しているが、本発明の試作例としては、画像開口３を２５個設けたものを製作し、その画像処理の動作などを検証した。

画像開口３には画像伝送部４の一端が配置され固定されている。画像伝送部４の他端には後述するようにカメラ５が接続されている。カメラアレイ５０はこのカメラ５が複数集合した集合体である。カメラ５の数は画像開口３と同数である。画像開口３を介して取得された作業面９の画像は、画像伝送部４を伝送され、画像伝送部４の他端のカメラ５によって撮影される。撮影画像はカメラアレイ５０から画像処理部６に送られ、画像処理部６では複数の撮影画像から画像処理による新たな画像が作られる。この画像処理の具体例な内容に関しては後述する。

図１には示されていないが、前面部材１の位置や撮影方向を変更するための機構が前面部材１に接続されている。前面部材１を移動させて任意の位置に位置決めしたり、前面部材１の向きを変更して撮影方向を変えたりすることができる。前面部材１を任意の方向および任意の位置に移動位置決めして、作業面９の任意の部分の画像を撮影することができる。また、その撮影画像をモニタしながら、操作手段８により作業面９に対する任意の操作や処理を行うことができる。

図３は、画像伝送部４およびカメラ５の構成を示す断面図である。画像伝送部４の内部には、図示のように多数の光ファイバを束ねた光ファイバ束４２が配置されている。光ファイバ束４２には、カメラ５の画素数に相当する多数の光ファイバが束ねられている。画像伝送部４の先端側（前面部材１側）には、光ファイバ束４２の先端面に結像するためのレンズ４１が配置されている。レンズ４１は、焦点深度を適当な値に設定することにより、ピント合わせ機構を省略した固定焦点レンズが使用できる。前面部材１を任意の位置に移動できるので、パンフォーカスとした固定焦点レンズでも支障はない。もちろん、ピント合わせ機構を設けて、フォーカス位置を調整可能としてもよい。

光ファイバ束４２の先端面に結像された画像は、光ファイバ内を伝送されて、光ファイバ束４２の後端面（カメラ５側の端面）から射出される。光ファイバ束４２の後端面から射出される画像は、先端面に結像された画像と同一である。画像伝送部４の後端側には、カメラ５が接続されている。カメラ５は、固定焦点のレンズ５１と、撮像素子であるＣＣＤ５２を有している。光ファイバ束４２の後端面の位置は変化しないので、レンズ５１は固定焦点でよい。光ファイバ束４２の後端面から射出された画像がＣＣＤ５２に結像し、画像のピントがＣＣＤ５２上に合うようにレンズ５１の位置が固定されている。

カメラ５によって撮影された画像は、画像処理部６に送られて、画像処理部６では複数の撮影画像から画像処理による新たな画像が作られる。なお、このカメラ５は、図１では複数個が集合されたカメラアレイ５０として示されている。カメラ５の数は前面部材１における画像開口３の数と同じである。しかし、カメラ５の配置形状は、画像開口３の配置形状と同じにする必要はなく、任意の配置状態とすることができる。画像開口３の配置状態を示す種々のパラメータは画像処理部６による画像処理に必要であるが、カメラ５の配置状態はこの画像処理には影響しない。

図４は、本発明の他の形態の作業面撮影用カメラの全体構成を示す図である。この形態の作業面撮影用カメラは、図１の作業面撮影用カメラの構成と類似しているが、画像伝送部４を用いずにカメラ５が前面部材１に直接配置されている点が異なる。この形態の作業面撮影用カメラでは、前面部材１の画像開口３の位置に対応して、複数のカメラ５が直接配置されている。カメラ５の構成は図３に示すものと同様であり、レンズ５１と撮像素子であるＣＣＤ５２を有しているが、レンズ５１の位置は作業面９の画像のピントがＣＣＤ５２上に合うようにされている。

レンズ５１は、焦点深度を適当な値に設定することにより、ピント合わせ機構を省略した固定焦点レンズが使用できる。前面部材１が移動可能であるから、パンフォーカスとした固定焦点レンズでも支障はない。もちろん、ピント合わせ機構を設けて、フォーカス位置を調整できるようにしてもよい。カメラ５によって撮影された画像は、信号ケーブルにより画像処理部６に送られる。画像処理部６では複数の撮影画像から画像処理による新たな画像が作られる。画像処理部６で行う画像処理は、図１の作業面撮影用カメラと全く同様である。

前面部材１の直径をそれほど小さくする必要がなければ、図４の形態の作業面撮影用カメラの方が、光ファイバ束４２による画像伝送部４を使用せずに済む分、構成が簡素化されコスト的にも有利である。しかし、狭隘な通路、貫通孔や隙間などを通過させる必要があり、前面部材１の直径を極めて小径とすることが求められる場合には、図１の形態の作業面撮影用カメラの方が適している。

図５は、前面部材１における画像開口３の配置例を示す図である。この配置例は、図２に示すものと同じものであり、画像開口３は操作開口２を中心とする円周上に均等に１６個設けられている。画像開口３の数は、３個以上設ける必要があるが、さらに多くの数の方が好ましい。画像処理部６による画像処理を行って良好な画像を得るためには、画像開口３の数が１０個以上であることが望ましい。また、図５では、画像開口３を１６個設けた例を示しているが、より多くの画像開口３を設けることが好ましい。本発明では、前述のように画像開口３を２５個設けたものを製作しその画像処理の動作などを検証した。

なお、画像開口３に対応して配置するカメラ５は、全てが同一の特性のものでもよいが、特性の異なるものを適宜配置するようにしてもよい。例えば、画角の異なる２種類のカメラを画像開口３に１つおきに配置するようにしてもよい。その場合、画角の狭いカメラの画像をまとめて処理した画像と、画角の広いカメラの画像をまとめて処理した画像の２種類の画像を出力できる。その２種類の画像を同時にまたは選択してモニタすることができる。なお、図１に示すような画像伝送部４を用いた作業面撮影用カメラにおいて、カメラ５の画角を異なるものとするには、レンズ４１の焦点距離を変更すればよい。

また、ここでは画像開口３を円周上に均等に配置しているが、必ずしもこのような配置でなくともよい。例えば、円周上の一部には画像開口３を配置せずＣ字形の配置としてもよく、さらには、画像開口３を多角形の各辺上に配置するようにしてもよい。また、前面部材１には、照明用の開口を設けることが好ましい。画像開口３の一部を照明用開口として使用することができる。

図６は、前面部材１における画像開口３の別の配置例を示す図である。図６では、画像開口３は操作開口２を中心とする２つの同心円の円周上に均等に１６個ずつ設けられている。この場合、画角の異なる２種類のカメラを、内側の円周と外側の円周とにそれぞれ配置するようにしてもよい。もちろん、内側の円周と外側の円周に同一の特性のカメラを配置してもよい。また、これらの画像開口３の一部を照明用の開口として使用してもよい。

図７は、画像処理の具体例を説明するための図である。ここでは、説明を簡素化するために、カメラは円周上に均等に配置された３台のカメラ５ａ，５ｂ，５ｃであるとする。カメラ５ａによる作業面９の撮影画像の範囲は円Ａの内部とし、カメラ５ｂの撮影画像の範囲は円Ｂの内部とし、カメラ５ｃの撮影画像の範囲は円Ｃの内部とする。各カメラ５ａ，５ｂ，５ｃの位置の相違が、それぞれの撮影画像の範囲の相違をもたらしている。

ここで、カメラ５ａのみによって撮影される画像領域をＲ（Ａ）と表示し、カメラ５ａとカメラ５ｂの２台によって撮影される画像領域をＲ（ＡＢ）と表示し、カメラ５ａ，５ｂ，５ｃの３台によって撮影される画像領域をＲ（ＡＢＣ）と表示する。他の領域も同様に表示する。単一のカメラによって撮影される画像領域Ｒ（Ａ），Ｒ（Ｂ），Ｒ（Ｃ）では、それらの画像をそのまま使用して出力画像とする。

２台のカメラによって撮影される画像領域Ｒ（ＡＢ），Ｒ（ＢＣ），Ｒ（ＡＣ）では、２台のカメラによる画像データを加算して２で除算する。すなわち、２台のカメラの画像データの平均値を演算して、その平均値を出力画像とする。そして、３台のカメラによって撮影される画像領域Ｒ（ＡＢＣ）では、３台のカメラによる画像データを加算して３で除算する。ここでも３台のカメラの画像データの平均値を演算して、その平均値を出力画像とする。

カメラ５ａ，５ｂ，５ｃが配置された円周の中心近傍に操作手段８が存在していても、その操作手段８の画像は各カメラ５ａ，５ｂ，５ｃによって異なる位置に撮影される。そのため、上記のような画像処理を行うと、操作手段８の画像データと他のカメラによる作業面９の画像データとが平均化され、操作手段８が半透明の画像となってその後ろ側の作業面９の画像が透けて見えるようになる。これにより、操作手段８によって隠されて見えなくなる作業面９の範囲を大幅に減少させることができる。

このように、上記のような平均化の画像処理を行うことにより、操作手段８を半透明化した画像を得ることができる。さらには、円Ａ，Ｂ，Ｃの内部の和集合として表される領域を適宜分割し、それぞれの領域で操作手段８が写り込まない画像のみ採用することにより、操作手段８が全く表示されない画像とすることもできる。

以上のように、本発明の作業面撮影用のカメラでは、操作手段の存在による作業面の画像の欠落を最小とすることができ、作業面の最大範囲の画像を撮影することができる。このため、操作手段の退避や、カメラと操作手段の相対位置の変更などのような、複雑で繁雑な操作を行う必要がなく、効率的に作業面の撮影および操作を行うことができる。また、必要に応じて操作手段を半透明化したり、完全に消去したりすることができ、目的、用途に応じた多様な画像を出力することができる。

なお、ここではカメラの撮像素子としてＣＣＤを使用した例を挙げているが、ＣＣＤ以外の任意の撮像素子を使用することができる。

本発明の作業面撮影用のカメラによれば、操作手段の存在による作業面の画像の欠落を最小とすることができ、作業面の最大範囲の画像を撮影することができ、効率的に作業面の撮影および操作を行うことができる。

本発明の作業面撮影用カメラの全体構成を示す図である。 作業面撮影用カメラの先端部分の構成を示す斜視図である。 画像伝送部４およびカメラ５の構成を示す断面図である。 本発明の他の形態の作業面撮影用カメラの全体構成を示す図である。 前面部材１における画像開口３の配置例を示す図である。 前面部材１における画像開口３の別の配置例を示す図である。 画像処理の具体例を説明するための図である。

符号の説明

１ 前面部材
２ 操作開口
３ 画像開口
４ 画像伝送部
５ カメラ
６ 画像処理部
８ 操作手段
９ 作業面
４１，５１ レンズ
４２ 光ファイバ束
５０ カメラアレイ
５２ ＣＣＤ

Claims (8)

1. 作業面（９）に対する操作を行う操作手段（８）を通過させるための操作開口（２）が設けられるとともに、前記操作開口（２）の周囲に前記作業面（９）の画像を取得するための３個以上の画像開口（３）が設けられた前面部材（１）と、
   前記画像開口（３）のそれぞれに対応して配置された複数のカメラ（５）と、
   複数の前記カメラ（５）によって撮影した画像を処理する画像処理部（６）とを有し、
   ３個以上の前記画像開口（３）は、１直線上に全てが並ばないように配置されたものであるとともに、前記操作開口（２）を中心とする円周上に配置されたものであり、
   前記画像処理部（６）は、複数の前記カメラ（５）によって撮影した複数の画像から新たな画像を合成するものであり、当該新たな画像は前記操作手段（８）によって前記作業面（９）が隠される画像の範囲を減少させたものである作業面撮影用カメラ。
2. 請求項１に記載した作業面撮影用カメラであって、
   複数の前記カメラ（５）は、画角の異なる複数種類のものが混在配置されたものである作業面撮影用カメラ。
3. 作業面（９）に対する操作を行う操作手段（８）を通過させるための操作開口（２）が設けられるとともに、前記操作開口（２）の周囲に前記作業面（９）の画像を取得するための３個以上の画像開口（３）が設けられた前面部材（１）と、
   前記画像開口（３）のそれぞれに対応して配置された複数のレンズ（４１）と、
   前記レンズ（４１）による結像を伝送する複数の光ファイバ束（４２）と、
   前記光ファイバ束（４２）によって伝送された画像を撮影する複数のカメラ（５）と、
   複数の前記カメラ（５）によって撮影した画像を処理する画像処理部（６）とを有し、
   ３個以上の前記画像開口（３）は、１直線上に全てが並ばないように配置されたものであるとともに、前記操作開口（２）を中心とする円周上に配置されたものであり、
   前記画像処理部（６）は、複数の前記カメラ（５）によって撮影した複数の画像から新たな画像を合成するものであり、当該新たな画像は前記操作手段（８）によって前記作業面（９）が隠される画像の範囲を減少させたものである作業面撮影用カメラ。
4. 請求項３に記載した作業面撮影用カメラであって、
   複数の前記レンズ（４１）は、焦点距離の異なる複数種類のものが混在配置されたものである作業面撮影用カメラ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載した作業面撮影用カメラであって、
   前記前面部材（１）は、その位置および撮影方向を変更可能なものである作業面撮影用カメラ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載した作業面撮影用カメラであって、
   前記前面部材（１）は、前記画像開口（２）が１０個以上設けられたものである作業面撮影用カメラ。
7. 請求項６に記載した作業面撮影用カメラであって、
   前記前面部材（１）は、前記操作開口（２）を中心とする２つの円周上に前記画像開口（３）が配置されたものである作業面撮影用カメラ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載した作業面撮影用カメラであって、
   前記画像処理部（６）は、複数の画像の平均値による画像処理を行うものである作業面撮影用カメラ。

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