JP2008128675A - 分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光素子の透過帯域幅が波長毎に異なっていても、透過帯域の異なる複数の画像間の定量的な比較や演算を容易にする。
【解決手段】間隔をあけて対向するコート層を備えた複数の光学基板のコート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子と、該可変分光素子を透過した光を撮影して分光画像を取得する撮像部と、可変分光素子を透過する光の波長に対応した分光特性に関する情報を記憶する記憶部１８と、撮像部により取得された分光画像を記憶部１８に記憶されている分光特性に関する情報に基づいて可変分光素子を透過する光の波長毎に補正する画像補正部２１とを備える分光装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光装置に関するものである。

複数の基板の面間隔を変化させることにより光の透過帯域を可変としたエタロン分光素子を備えた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この撮像装置は、エタロン分光素子により撮影対象から放射される光の透過帯域を変化させ、撮影対象の分光情報を取得するものである。そして、コート層を施した２枚の基板の面間隔を変化させることにより異なる２つの透過特性を実現し、それぞれの画像の強度分布の差分を演算することにより、スペクトル分析を行っている。
特許第２７７１７８５号明細書

しかしながら、この特許文献１に開示されている撮像装置においては、エタロン分光素子の透過帯域幅について考慮されていない。例えば、波長に対する透過特性が均一なコート層を施すと、基板の面間隔を変化させることにより変化する透過帯域の幅は、当該透過帯域の波長にほぼ正比例して増加するという特性を有する。

このため、異なる透過帯域において取得された画像は、個々の画像が有する分光情報の帯域幅が異なることになる。すなわち、撮影対象が分光的に一定の強度を有する場合であっても、分光素子の透過帯域幅が異なるために、長波長側の画像が短波長側の画像よりも明るくなるという問題がある。したがって、透過帯域の異なる複数の画像間の定量的な比較や演算を容易に行うことができないという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、分光素子の透過帯域幅が波長毎に異なっていても、透過帯域の異なる複数の画像間の定量的な比較や演算を容易に行うことができる分光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、間隔をあけて対向するコート層を備えた複数の光学基板の前記コート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子と、該可変分光素子を透過した光を撮影して分光画像を取得する撮像部と、前記可変分光素子を透過する光の波長に対応した分光特性に関する情報を記憶する記憶部と、前記撮像部により取得された分光画像を前記記憶部に記憶されている分光特性に関する情報に基づいて可変分光素子を透過する光の波長毎に補正する画像補正部とを備える分光装置を提供する。

上記発明においては、前記分光特性に関する情報が、可変分光素子の透過率または所定の波長における透過光量を基準とした透過光量の比率であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記分光特性に関する情報が、可変分光素子の分光特性の半値幅およびピーク強度または所定の波長における分光特性の半値幅およびピーク強度を基準とした分光特性の半値幅およびピーク強度の比率であることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記コート層間の間隔寸法を検出する間隔検出部を備え、前記画像補正部が、前記間隔検出部により検出された前記コート層間の間隔寸法に基づいて前記記憶部に記憶された分光特性に関する情報を抽出し、分光画像を補正することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光学基板を間隔方向に移動させるアクチュエータを備え、前記画像補正部が、前記アクチュエータへの入力信号に基づいて前記記憶部に記憶された分光特性に関する情報を抽出し、分光画像を補正することとしてもよい。

また、上記発明においては、前記記憶部に、さらに前記撮像部の感度の波長特性が記憶され、前記画像補正部が、前記撮像部の感度特性に基づいて前記分光画像を補正することとしてもよい。
また、上記発明においては、照明光を照射する照明部を備え、前記記憶部に、さらに前記照明部から出射される照明光の波長特性が記憶され、前記画像補正部が、前記照明光の波長特性に基づいて前記分光画像を補正することとしてもよい。

また、上記発明においては、前記画像補正部が、前記撮像部により取得された分光画像を画素毎に補正することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記画像補正部により補正された異なる波長に対する複数の分光画像に基づいて、画像間演算を行う演算部を備えることとしてもよい。

本発明によれば、分光素子の透過帯域幅が波長毎に異なっていても、透過帯域の異なる複数の画像間の定量的な比較や演算を容易に行うことができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システム（分光装置）１について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１は、図１に示されるように、生体の体腔内に挿入される挿入部２と、該挿入部２内に配置される撮像ユニット３と、照明光を発する光源ユニット４と、前記撮像ユニット３を制御する制御ユニット５と、撮像ユニット３により取得された画像を表示する表示ユニット６とを備えている。

前記挿入部２は、生体の体腔に挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット３および前記光源ユニット４からの光を先端２ａまで伝播するライトガイド７とを備えている。
前記光源ユニット４は、体腔内の観察対象を照明し、観察対象において反射して戻る反射光を取得するための照明光を発する図示しない照明光用光源と、該照明光用光源を制御する光源制御回路とを備えている。

前記照明光用光源は、例えば、図示しないキセノンランプおよびバンドパスフィルタを組み合わせたもので、バンドパスフィルタの５０％透過域は、後述する可変分光素子による透過波長帯域λ１〜λ３を含む波長帯域に設定されている。すなわち、光源ユニット４は、波長帯域λ１〜λ３を含む波長帯域のの照明光を発生するようになっている。

前記撮像ユニット３は、図２に示されるように、観察対象Ａから入射される光を集光するための、３枚のレンズ８ａ，８ｂ，８ｃからなる撮像光学系８と、制御ユニット５の作動により分光特性を変化させられる可変分光素子１０と、撮像光学系８により集光された光を撮影して電気信号に変換するＣＣＤのような撮像素子１１とを備えている。

前記可変分光素子１０は、図３に示されるように、平行間隔を空けて配置され対向面の光学有効系の範囲に反射膜（コート層）１２ａ，１２ｂが設けられた２枚の平板状の光学部材１３ａ，１３ｂと、該光学部材１３ａ，１３ｂの間隔を変化させるアクチュエータ１４とを備えるエタロン型の光学フィルタである。

アクチュエータ１４は、例えば、圧電素子からなる柱状部材であって、周方向に間隔をあけて、例えば、４カ所に配置され、駆動信号に応じてその長さ寸法を伸縮させるようになっている。
この可変分光素子１０は、アクチュエータ１４の作動により光学部材１３ａ，１３ｂの間隔寸法を変化させることで、その透過する光の波長帯域を変化させることができるようになっている。

光学部材１３ａ，１３ｂ間の間隔寸法は極めて微小な値、例えば、ミクロンオーダーかそれ以下になるように設定されている。
また、光学有効系の外側にはアクチュエータ１４に対応する位置容量センサ電極１５ａ，１５ｂが配置されている。
前記反射膜１２ａ，１２ｂは、例えば、誘電体多層膜により構成されている。
また、容量センサ電極１５ａ，１５ｂは金属膜により構成されている。

本実施形態において、可変分光素子１０の可変波長帯域は、図４に示されるように、制御ユニット５からの制御信号に応じて３つの状態に変化させられるようになっている。
第１の状態は、ピーク波長λ１、半値全幅Ｗ１の帯域の光を透過させるようになっている。このときの透過光量はＳ１である。第２の状態は、ピーク波長λ２（＞λ１）、半値全幅Ｗ２の帯域の光を透過させるようになっている。このときの透過光量はＳ２である。第３の状態は、ピーク波長λ３（＞λ２）、半値全幅Ｗ３の帯域の光を透過させるようになっている。このときの透過光量はＳ３である。ここで、各状態において可変分光素子１を透過する光の半値全幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３、透過光量Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３の関係となっている。

前記制御ユニット５は、図１に示されるように、撮像素子１１により取得された画像情報を処理する画像処理部１６と、可変分光素子１０を駆動制御する可変分光素子制御回路１７と、波長毎の分光特性に関する情報を記憶する記憶部１８とを備えている。
画像処理部は、撮像素子１１により取得された画像情報を記憶する第１のフレームメモリ１９と、該第１のフレームメモリ１９に記憶された画像情報を処理する第１の画像処理回路２０と、該第１の画像処理回路２０により処理された画像情報を前記記憶部１８に記憶された分光特性に関する情報を用いて補正処理する第２の画像処理回路（画像補正部）２１と、該第２の画像処理回路２１により補正処理された画像情報を記憶する第２のフレームメモリ２２とを備えている。

可変分光素子制御回路１７は、可変分光素子１０の容量センサ電極１５ａ，１５ｂからの信号を処理する信号処理部２３と、処理された信号を用いてアクチュエータ１４をフィードバック制御するアクチュエータ制御部２４とを備えている。信号処理部２３は、例えば、容量センサ電極１５ａ，１５ｂからの信号を増幅するアンプ２３ａと、サンプル／ホールド回路２３ｂと、Ａ／Ｄ変換器２３ｃとを備えている。

前記可変分光素子制御回路１７には、信号処理部２３により処理された容量センサ電極１５ａ，１５ｂからの信号を用いて、前記記憶部１８内の分光特性に関する情報を抽出し、抽出された分光特性に関する情報を前記第２の画像処理回路２１に送る補償器２５が設けられている。
記憶部１８内の分光特性に関する情報とは、例えば、波長に対応して記憶された透過光量の比率である。例えば、波長λ１と対応づけてＳ１／Ｓ１＝１、波長λ２と対応づけてＳ１／Ｓ２、波長λ３と対応づけてＳ１／Ｓ３が記憶されている。

したがって、補償器２５は、容量センサ電極１５ａ，１５ｂからの信号により、コート層１２ａ，１２ｂ間の間隔寸法が算出されると、それに応じて可変分光素子１０を透過する光の波長が決定されるので、決定された波長に対応する透過光量Ｓ１〜Ｓ３の比率を記憶部１８から抽出するようになっている。
第１フレームメモリ１９および第２のフレームメモリ２２は、それぞれ、波長帯域毎の画像情報を記憶する第１〜第３メモリ１９ａ〜１９ｃ、２２ａ〜２２ｃを備えている。

可変分光素子制御回路１７が可変分光素子１０を第１の状態にしたときには、撮像素子１１から出力される画像情報が第１メモリ１９ａに出力されるようになっている。また、可変分光素子制御回路１７が、可変分光素子１０を第２の状態にしたときには、撮像素子１１から出力される画像情報が第２メモリ１９ｂに出力されるようになっている。さらに、可変分光素子制御回路１７が、可変分光素子１０を第３の状態にしたときには、撮像素子１１から出力される画像情報が第３メモリ１９ｃに出力されるようになっている。

また、第１の画像処理回路２０は、例えば、λ１の帯域の画像情報を第１メモリ１９ａから受け取り、λ２の帯域の画像情報を第２メモリ１９ｂから受け取り、λ３の帯域の画像情報を第３メモリ１９ｃから受け取って、所定の画像処理を施し、それぞれ第２の画像処理回路２１に出力するのようになっている。

第２の画像処理回路２１は、第１の画像処理回路２０により処理された画像情報に対し、補償器２５から送られてくる透過光量Ｓ１〜Ｓ３の比率を画素毎に乗算するようになっている。これにより、波長毎に可変分光素子１０の透過光量Ｓ１〜Ｓ３が異なることによって発生する画像毎の輝度の違いが規格化され、波長によらず透過光量Ｓ１〜Ｓ３が等しい画像情報となるように補正されるようになっている。
そして第２の画像処理回路２１により補正された画像情報は、それぞれ第２のフレームメモリ２２内の第１〜第３メモリ２２ａ〜２２ｃに記憶されるとともに、表示ユニット６に対して出力されるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、挿入部２を体腔内に挿入し、その先端２ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット４および制御ユニット５を作動させ、光源ユニット４から照明光を発生させる。

光源ユニット４において発生した照明光は、ライトガイド７を介して挿入部３の先端３ａまで伝播され、挿入部３の先端３ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
照明光は撮影対象Ａの表面において反射され、反射光が撮像光学系８により集光されて可変分光素子１０を透過して撮像素子１１に結像され、反射光画像情報が取得される。

波長λ１を含む帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路１７の作動により、可変分光素子１０を第１の状態に切り替える。これにより、撮像素子１１に到達する反射光の帯域を波長λ１を含み半値全幅Ｗ１、透過光量Ｓ１、ピーク光量Ｔ１に設定する。撮像素子１１により取得された反射光画像情報は、第１メモリ１９ａに記憶される。

波長λ２を含む帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路１７の作動により、可変分光素子１０を第２の状態に切り替える。これにより、撮像素子１１に到達する反射光の帯域を波長λ２を含み半値全幅Ｗ２、透過光量Ｓ２、ピーク光量Ｔ２に設定する。撮像素子１１により取得された緑の帯域の反射光画像情報は、第２メモリ１９ｂに記憶される。

波長λ３を含む帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路１７の作動により、可変分光素子１０を第３の状態に切り替える。これにより、撮像素子１１に到達する反射光の帯域を波長λ３を含み半値全幅Ｗ３、透過光量Ｓ３、ピーク光量Ｔ３に設定する。撮像素子１１により取得された緑の帯域の反射光画像情報は、第３メモリ１９ｃに記憶される。

このように、本実施形態に係る内視鏡システム１によれば、観察対象Ａからの反射光を異なる波長帯域毎に分光することができる。
この場合において、本実施形態に係る内視鏡システム１によれば、第１のフレームメモリ１９に記憶された反射光画像情報が、第１の画像処理回路２０により所定の処理を施された後に、第２の画像処理回路２１において、それぞれ透過光量の比率を乗算されることにより規格化された後に、第２のフレームメモリ２２に記憶されるとともに、表示ユニット６により表示される。

したがって、長波長側の波長帯域の反射光画像の輝度が他の波長帯域の反射光画像情報と比較して大きくなってしまう不都合の発生を防止することができる。
そして、このようにして波長帯域に対する透過光量の違いを補正された状態で第２のフレームメモリ２２に記憶された画像情報を用いることにより、複数の波長帯域の反射光画像情報を用いた重畳表示や、画像間演算においても、複雑な補正処理を行うことなく簡単に行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態に係る内視鏡システム１においては、以下の変形、変更が可能である。
まず、本実施形態に係る内視鏡システム１においては、記憶部１８に波長帯域λ１〜λ３毎の透過光量Ｓ１〜Ｓ３の比率１，Ｓ１／Ｓ２，Ｓ１／Ｓ３を記憶しておくこととしたが、これに代えて、透過光量Ｓ１〜Ｓ３の値を記憶しておき、第２の画像処理回路２１で比率を演算することにしてもよい。

また、透過光量Ｓ１〜Ｓ３の比率に代えて、各波長帯域λ１〜λ３毎の半値全幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３およびピーク光量Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の比率を記憶しておき、これらに基づいて透過光量Ｓ１〜Ｓ３の比率を算出することにしてもよい。

また、記憶部１８には、可変分光素子１０の分光特性のみならず、撮像素子１１の感度特性を記憶しておいてもよい。この場合に、波長帯域λ１〜λ３毎に記憶部１８から抽出した撮像素子１１の感度特性を用いて第２の画像処理回路２１において画像情報を補正することにより、撮像素子１１の感度が帯域毎に変動しても、この変動を除去して、均等な感度を有する撮像素子１１により取得されたのと同等の分光画像を取得することができる。

さらに、記憶部１８には、光源ユニット４の分光特性を記憶しておいてもよい。この場合においても上記と同様に、波長帯域λ１〜λ３毎に記憶部１８から抽出した光源ユニット４の分光特性を用いて第２の画像処理回路２１において画像情報を補正することにより、光源ユニット４の分光特性が帯域毎に変動しても、この変動を除去して、常に均等な照明光により照射したのと同等の分光画像を取得することができる。なお、光源ユニット４の分光特性は、光源の状態、例えば、作動時間や温度によって変動するので、これらのパラメータ毎に複数の分光特性を記憶しておき、その都度使い分けることにしてもよい。

また、内視鏡システム１としては、軟性鏡、硬性鏡のいずれに適用することとしてもよい。また、内視鏡システム１に限られず、他の分光装置に適用することにしてもよい。
上記実施の形態においては、光源として比較的広い帯域のスペクトル（波長帯域λ１〜λ３を含む）を有するキセノンランプからの光を利用してそれぞれの波長帯域毎に（反射または散乱）内視鏡像を撮影していた。これに対し、光源として波長帯域λ１、波長帯域λ２または波長帯域λ３の蛍光を誘起させる比較的狭帯域の励起光を発するレーザなどを採用し、蛍光内視鏡像を撮影するものであっても良い。具体的には、波長帯域λ１、波長帯域λ２および波長帯域λ３以外の帯域に含まれる複数の異なる波長の励起光を時分割に入射するとともに、当該複数の励起光毎の蛍光（波長帯域λ１，λ２，λ３のうちの少なくとも２つの波長帯域の蛍光画像）を取得し、これらの蛍光内視鏡画像を使って画像間演算を行い、所望の画像を得ることも可能である。

本発明の一実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。 図１の内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。 図２の撮像ユニットに備えられる可変分光素子の一例を示す縦断面図である。 図３の可変分光素子の分光特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 内視鏡システム（分光装置）
４ 光源ユニット（照明部）
１０ 可変分光素子
１１ 撮像素子（撮像部）
１２ａ，１２ｂ 反射膜（コート層）
１３ａ，１３ｂ 光学基板
１４ アクチュエータ
１５ａ，１５ｂ 容量センサ電極（間隔検出部）
１８ 記憶部
２１ 第２の画像処理回路（画像補正部）
λ１，λ２、λ３ 波長
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ ピーク強度
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 半値全幅（半値幅）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 透過光量

Claims (9)

1. 間隔をあけて対向するコート層を備えた複数の光学基板の前記コート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子と、
   該可変分光素子を透過した光を撮影して分光画像を取得する撮像部と、
   前記可変分光素子を透過する光の波長に対応した分光特性に関する情報を記憶する記憶部と、
   前記撮像部により取得された分光画像を前記記憶部に記憶されている分光特性に関する情報に基づいて可変分光素子を透過する光の波長毎に補正する画像補正部とを備える分光装置。
2. 前記分光特性に関する情報が、可変分光素子の透過率または所定の波長における透過光量を基準とした透過光量の比率である請求項１に記載の分光装置。
3. 前記分光特性に関する情報が、可変分光素子の分光特性の半値幅およびピーク強度または所定の波長における分光特性の半値幅およびピーク強度を基準とした分光特性の半値幅およびピーク強度の比率である請求項１に記載の分光装置。
4. 前記コート層間の間隔寸法を検出する間隔検出部を備え、
   前記画像補正部が、前記間隔検出部により検出された前記コート層間の間隔寸法に基づいて前記記憶部に記憶された分光特性に関する情報を抽出し、分光画像を補正する請求項１に記載の分光装置。
5. 前記光学基板を間隔方向に移動させるアクチュエータを備え、
   前記画像補正部が、前記アクチュエータへの入力信号に基づいて前記記憶部に記憶された分光特性に関する情報を抽出し、分光画像を補正する請求項１に記載の分光装置。
6. 前記記憶部に、さらに前記撮像部の感度の波長特性が記憶され、
   前記画像補正部が、前記撮像部の感度特性に基づいて前記分光画像を補正する請求項１に記載の分光装置。
7. 照明光を照射する照明部を備え、
   前記記憶部に、さらに前記照明部から出射される照明光の波長特性が記憶され、
   前記画像補正部が、前記照明光の波長特性に基づいて前記分光画像を補正する請求項１に記載の分光装置。
8. 前記画像補正部が、前記撮像部により取得された分光画像を画素毎に補正する請求項１に記載の分光装置。
9. 前記画像補正部により補正された異なる波長に対する複数の分光画像に基づいて、画像間演算を行う演算部を備える請求項１に記載の分光装置。

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