JP2007143580A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硬性鏡や一般内視鏡にも適応可能な、簡単で、実装実現性の高いハレーション防止構造を実現する。
【解決手段】照明手段２および観察手段３を有し、これら照明手段２および観察手段３の光路中に、同一の偏光方向を有する偏光子４を配し、該偏光子４の物体側に偏光方向を回転せしめる位相板５を配置した内視鏡装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生体内を観察する内視鏡装置に関する。

近年、消化器内視鏡検査のみならず、外科手術も内視鏡によって処置できるようになってきている。この手術によると、腹部に４〜５ケ程度の小さな穴を開け、そこに硬性鏡と呼ばれる内視鏡と、処置用の鉗子類、各種処置具を挿入し、内視鏡の像をテレビモニタ上で表示し、処置することで、開腹を行うことなく、外科手術を実施できる。これにより、開腹手術にくらべ患者の傷は十分低侵襲で済むので、傷が治癒する時間を短くすることができる。

さて、消化器内視鏡検査、もしくは上記内視鏡外科手術においては、生体内の粘膜表面の反射によるハレーションが画像に生じ、観察したい箇所が見えにくいなどの問題が発生し、医師の手術遂行上のストレス要因となっている。
このようなハレーションを対策するための工夫は、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている。いずれも、照明光学系と観察光学系に偏光方向が直交する偏光子を配置し、ハレーション成分である粘膜表面の正反射成分を観察光学系に入射させないようにしている。
特開平６−１６９８８０号公報 特許２５８８４６０号明細書

硬性鏡は、外筒の外径がφ１０程度、長さが３００〜４００ｍｍ程度という細長い形状をしている。この外筒の中に、さらに観察レンズが入った中筒が偏心して外筒内面に接する形態で納められている。そして、中筒と外筒の隙間に照明用のライトガイドが充填されている。

硬性鏡は手術用具であるので、全体を高圧蒸気滅菌することが必須であり、気密構造とする必要がある。つまり、観察レンズの第一レンズは、側面をハンダ付け構造により気密封止することで、滅菌時に高圧水蒸気が観察光学系の中に進入することを防止する構造となっている。また、照明光学系は高圧蒸気滅菌に対応したライトガイドを使用している。

このような硬性鏡に、先行例のような直交偏光子によるハレーション防止手段を実装することは、以下の２点の理由によって、適応が難しいという問題がある。
１． ライトガイド前に配置すべき偏光子が、極端な細い三日月形状となってしまうので、加工が困難で、高コストとなる。
２． 仮に偏光子の形状が加工できたとしても、照明用ライトガイドの前に接着配置しただけでは、使用しているうちに高圧蒸気滅菌で接着剤が劣化し、脱落してしまう。なお、三日月のような特殊形状では、ハンダ付けを実施できないので、気密封止構造をとることもできない。

すなわち、先行例のようなハレーション防止手段は知られているものの、実装上無理があるため実用化はされていないという課題があった。
本発明は、これらの課題に鑑み、硬性鏡や一般内視鏡にも適応可能な、簡単で、実装実現性の高いハレーション防止構造を実現することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、照明手段および観察手段を有し、これら照明手段および観察手段の光路中に、同一の偏光方向を有する偏光子を配し、該偏光子の物体側に偏光方向を回転せしめる位相板を配置した内視鏡装置を提供する。

本発明によれば、簡単で、実装実現性の高いハレーション防止構造を実現し、低コスト化を図り、十分な滅菌を行うことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る内視鏡装置について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡装置１は、図１に示されるように、硬性鏡であって、照明光学系２および観察光学系３を有し、これら照明光学系２および観察光学系３の光路中に、同一の偏光方向を有する偏光板（偏光子）４を配し、該偏光板４の物体側に偏光方向を回転せしめるλ／４板（位相板）５を配置したものである。

これら偏光板４およびλ／４板５は、積層プレート６を構成し、照明光学系２および観察光学系３の前方に、それらの全面を覆うように配置されている。積層プレート６は、物体側より順にλ／４板５、偏光板４となっており、偏光板４の偏光方向は照明光学系２、観察光学系３とも、同方向である。

ここで、本実施形態に係る内視鏡装置１のハレーション防止構造について説明する。
図２（ａ）において、照明光学系２より出射された光は、紙面に垂直および平行な偏光成分を有している。偏光板４が紙面に平行な偏光方向を有しているとすると、照明光学系２から出射された光が偏光板４に入射されると、紙面に平行な振動方向の光のみが通過する。

偏光板４を通過した光は、λ／４板５により、振動方向が４５°だけ回転した形で粘膜Ａに投影される。この光が粘膜Ａ表面にて正反射すると、偏光方向は変わらずに戻ることになるが、再度λ／４板５を通過することで、偏光方向がさらに４５°回転し、結局、偏光方向は９０°回転することになる。

このため、正反射光の偏光方向は紙面に垂直な方向に変わるので、紙面に平行な偏光方向を有する偏光板４によりカットされ、観察光学系３に到達することができなくなる。これにより、粘膜Ａ表面の正反射光すなわちハレーション光が観察されなくなる。

一方、第２図（ｂ）において、偏光板４を通過した偏光光は、生体Ｂに当たることで散乱し、偏光が解消され、紙面に垂直および平行な偏光成分を有することになる。このため、偏光板４によって、紙面に平行な振動方向の光のみが観察光学系３に到達することになる。ここで、λ／４板５の影響は受けるものの光の通過という意味で影響はないので説明上無視している。

このような構造にすることで、照明光学系２と観察光学系３を同一の偏光板４で覆うことが可能となり、照明光学系２と観察光学系３で各々偏光方向を分けることに伴う実装上の困難は回避され、簡単な構造を実現しつつ、かつ、先行技術文献に開示されている偏光板の構成と同等のハレーション防止の効果を得ることが可能となるのである。

本実施形態に係る内視鏡装置１は、図１に示されるように、硬性鏡の外筒７を延長し、照明光学系２と観察光学系３とを一体的に封止する構造を示している。外面と接するカバーガラス８は、高圧蒸気滅菌耐性の高いサファイアを使用し、周辺部８ａをハンダ付け構造としている。これにより気密封止が保たれている。サファイアカバーガラス８と各光学系２，３との間には、λ／４板５と偏光板４とが各々配置されている。

内視鏡装置１を洗浄する方法として超音波洗浄という手法があるが、この洗浄手法は、照明光学系２を構成するライトガイド９がむき出しの場合には侵襲性が強く、ライトガイド９が壊れてしまう可能性がある。一方、サファイアカバーガラス８は超音波洗浄に対しても強い素材であるので、観察光学系３および照明光学系２を一体的にサファイアカバーガラス８によって封止することで、ライトガイド９への侵襲を防止し、超音波洗浄が可能となる。

この構造により、洗浄作業が著しく容易になる。
しかしながら、このような構造は、照明光学系２から射出する光が、サファイアカバーガラス８表面で直接反射して観察光学系３に入射することになるので、強度の強いフレア光が発生することになり、実現されなかった。

図３に、本実施形態に係る内視鏡装置１の先端部を拡大した図を示す。本実施形態に係る内視鏡装置１によれば、照明光学系２から出射されてサファイアカバーガラス８の裏面８ｃにおいて反射されたフレア光は、λ／４板５を２回経由するため、ハレーション光と同様に偏光方向が回転し、偏光板４により遮断される。このため、観察光学系３に入射せず、フレア光の問題は発生しない。したがって、本実施形態によれば、超音波洗浄可能な内視鏡装置１をも実現できる。

ここで、サファイアカバーガラス８は、一軸性結晶である。したがって、結晶軸の向きによって位相差の影響が生じる。複屈折材料を通過する常光線および異常光線の屈折率をそれぞれＮｏ，Ｎｅとすると、厚さｄだけ通過したときの光路長差は、（Ｎｏ−Ｎｅ）・ｄとなる。

この光路長差を、波長数で表すと、厚さｄのサファイアカバーガラス８を通過後の位相差φｓは、
φｓ＝２π（Ｎｏ−Ｎｅ）・ｄ／λ …（１）
とすることができる。

図３において、サファイアカバーガラス８の表面８ｂで反射するフレア光と、裏面８ｃで反射するフレア光の２種類のフレア光が、観察光学系３前面に配置された偏光板４および位相板５によって同時に遮断されるためには、サファイアカバーガラス８の表面８ｂで反射し、サファイアカバーガラス８を往復光路で通過する光と、サファイアカバーガラス８の裏面８ｃで反射する光との間で位相差が生じなければよい。

このひとつの手段は、屈折率Ｎｅの影響を受けないようにすればよい。つまり一軸性結晶としては、結晶軸の向きを光軸と平行に設定すればよい。
もうひとつの手段は、サファイアカバーガラス８の一回の光路で、λ／２板５としての作用を生じるように構成すればよい。このとき、往復光路で位相差の影響を受けなくてもよいので、
φｓ＝（２ｎ＋１）π （ｎ＝０，１，２，・・・・・） …（２）

この作用を発生させるためには、サファイアカバーガラス８の厚さを制御して、
ｄ＝（２ｎ＋１）・λ／｛２・（Ｎｏ−Ｎｅ）｝ …（３）
という条件式を満足すればよい。ここで、自然数ｎは、厚さｄが組立上十分に確保できるように選択すればよい。

ここで、内視鏡装置１としては、
ｄ＞０．１５ …（４）
という条件が必要である。この条件を下回ると、ハンダが乗りづらく組立がとても行いづらい。また、サファイアカバーガラス８の強度が十分保てなくなってくる。

一方、サファイアカバーガラス８においては、Ｎｏ＝１．７６８０８、Ｎｅ＝１．７５９９９であるので、
ｎ＞２ …（５）
という関係が導き出せる。

すなわち、サファイアカバーガラス８は、片側で、λ／２＋ｎ・λ（ただしｎ＞２）の位相差を有していることが望ましい。
このように構成することで、サファイアカバーガラス８の表面８ｂと裏面８ｃでの反射のフレア光をいずれも適切に防止することができる。

偏光板４には、ワイヤーグリッドを用いた反射型のものがある。この偏光板４は、ｓ偏光を反射させ、ｐ偏光を透過させることで、偏光を得るもので、高い熱耐性と、高透過特性を有している。しかしながら、この偏光板４を用いるにあたっては、ワイヤーグリッドで反射したｓ偏光が観察光学系３に入射してフレア光にならないように、工夫する必要がある。

次に、ワイヤーグリッド型の偏光板４を配置する際の適切な条件を、図４を参照して説明する。図４において、ライトガイド９から出射する照明光はθの広がりをもって出射され、偏光板４のワイヤーグリッド４ａ面に到達する。ｐ偏光はそのまま物体へ出射されていくが、ｓ偏光の成分はワイヤーグリッド面４ａにて正反射することになる。

この偏光成分が、観察光学系３に入射しないようにするには、幾何的に、
Ｌ＜Ｄ／２ｔａｎθ …（６）
の条件が成立していれば良い。

内視鏡装置１用のライトガイド９としては、ライトガイド９のＮＡがおよそ０．７程度あるので、θ＝４５°とみなし、
Ｌ＜Ｄ／２ …（７）
なる条件を満たす必要がある。

図５に、ワイヤーグリッド型の偏光板４とλ／４板５を一体的に構成することによって、ワイヤーグリッド偏光面と照明光学系２を構成するライトガイド９との間隔Ｌを極限まで短くした状態を示している。このような偏光板４を用いることは、照明光学系２と観察光学系３との間隔Ｄを小さくするのに有効であり、内視鏡装置１の細径化に有効である。なお、ワイヤーグリッド型の偏光板４の加工は、通常エシェレット回折格子の斜め方向から金属蒸着することによって均等ピッチのワイヤーグリッドを形成するように作るが、ミラー蒸着された基板をフェムト秒レーザを用いて、格子模様を形成する加工や、ＭＥＭＳ技術をもちいたプラズマエッチングの手法を用いて形成することも可能である。

図６は、さらに別の偏光子１０を追加して、フレア光を対策した構成に関して説明した図である。図において、ライトガイド９から出射する照明光はθの広がりをもって出射し、第１の偏光子４のワイヤーグリッド偏光面４ａに到達する。ｐ偏光はワイヤーグリッド偏光面４ａを通過し、物体へ出射されていくが、ｓ偏光の成分はワイヤーグリッド偏光面４ａにて正反射することになる。図６の形態では、観察光学系３の前面にもワイヤーグリッド型の偏光子１０を配置するようにしているため、ｓ偏光の反射光成分は観察光学系３に入射せず、ワイヤーグリッド偏光面４ａの位置や、観察光学系３と照明光学系２との距離などによらず、十分なフレア防止構造をとることができる。

ワイヤーグリッド以外の偏光子としては、銀ナノ粒子による偏光に応じた光の吸収作用を用いた偏光子も存在する。この偏光子は、偏光方向や波長成分によって光を吸収することによって偏光成分を選択している。このため、ワイヤーグリッドのようなｓ偏光の反射作用を考慮する必要がなく、偏光子の配置に関して設計的な工夫を必要以上に行う必要がなく、より取り扱いが簡単である。

一方、この偏光子を採用する上での問題点は、分光透過率がフラットな特性を示さないことである。図７に、ワイヤーグリッド型の偏光子と、銀ナノ粒子型の偏光子の分光透過特性を示す。ワイヤーグリッド型の偏光子は図のようにフラットな分光特性を有している。しかしながら、銀ナノ粒子型の偏光子は、短波長領域で透過率が低下するような特性を有している。このような偏光子を用いる場合は、例えば、ホワイトバランス調整機構のような電気的な色調補正手段と組み合わせて使用することで、全体の色調を適正にすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置２０について、図８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡装置２０は、従来使用されている硬性鏡２１の構造を踏襲した場合を前提に、ハレーション防止の効果を持たせた場合に使用される形態を示したものである。硬性鏡２１の外側に、別体式のシース２２を用意し、このシース２２の中に硬性鏡２１を挿入できるように構成している。シース２２の前面には、全面にわたってλ／４板５および偏光板４がそれぞれ配置されている。

本実施形態において用いられる偏光板４やλ／４板５の構造や作用は第１の実施形態において説明したものと同じであるが、シース２２により被覆する構造としたことによって、硬性鏡２１もシース２２もそれぞれ独立して洗浄滅菌可能な構造とすることが望まれる。たとえば、ワイヤーグリッド構造が外気に直接触れるような構造にすると、各種滅菌を行ううえで都合が悪い。

基本的な滅菌方法として、ガス滅菌可能な内視鏡装置２０を考えた場合は、λ／４板５と偏光板４とを接着する方法があり得るが、図９に示すような光学素子２３とすることも考えられる。これによると、耐性の弱いワイヤグリッド型偏光板４のような光学デバイスの耐性を向上するために光学デバイス全体を、ガラス成形によりガラス２４で気密シールしている。位相板５や偏光板４の条件は第１の実施形態で説明したとおりである。

より好ましい滅菌方法としては、高圧蒸気滅菌があげられる。
高圧蒸気滅菌対応をもたせるための条件としては、以下の条件を満たすことが必要となる。
１． 外表面に接する部分に、高圧蒸気が当たるため、ワイヤーグリッド等の微細構造物を配置することができない。また、外表面に接する部分は、繰り返し高圧蒸気滅菌を行うことで劣化してしまう。最低、一般ガラス程度の素材、できればサファイアカバーガラスが必要。
２． シース２２と光学要素４，５を連結するためには周辺をハンダ付けする必要がある。ハンダ付けに伴う応力がかかるので、一般ガラスでは応力により割れてしまうという問題がある。したがって、ハンダ付けに対しては応力変形に強い素材を使用する必要がある。サファイアカバーガラスが応力変形に強く、周辺部をハンダ付けすることが可能である。

本実施形態においては、このような条件を満たすために、図１０に示すような光学デバイス２５を構成した。
図１０において、条件１を満たすために、ワイヤーグリッド型の偏光板４をサファイアカバーガラス２６に密着後、ガラス成形レンズ２７にて封止を施した。これにより外表面に出る部分は、すべてガラス素材となって、高圧蒸気耐性を有することができる。この場合、ガラス成形レンズ２７による密着性を上げるために、サファイアカバーガラス２６にガラス成形レンズ２７が嵌め込まれる溝２８が加工されている。

また、条件２を満たすために、ハンダ付けを行う基板をサファイアカバーガラス２６とすることで、ハンダ付けに伴う応力耐性を高めた。また、サファイアカバーガラス２６の結晶軸を、λ／４板の作用を有するように設定とすることで、構造の単純化を図った。

このときの、サファイアカバーガラス２６の厚さｄは、結晶軸の向きを光軸に垂直な向きであると仮定すると、光と異常光との光路長差ｄ・（Ｎｏ−Ｎｅ）が、λ／４の位相差であれば良いので、
ｄ・（Ｎｏ−Ｎｅ）＝λ／４＋ｎ・λ （ｎ＝０，１，２，・・・） …（８）
すなわち、
ｄ＝（１／４＋ｎ）・λ／（Ｎｏ−Ｎｅ） …（９）
となる。

やはり、内視鏡装置として組み立て上必要な条件（４）と、サファイアの屈折率、Ｎｏ＝１．７６８０８、Ｎｅ＝１．７５９９９を考慮して、
ｎ ＞ ２ …（１０）
という関係が導き出せる。

すなわち、カバーガラス２６として配置するサファイアは、片側で、λ／４＋ｎ・λ（ただし、ｎ＞２）の位相差を有しており、また偏光子をガラス成形レンズ２７によって封止した構造を有している。
このときの偏光板４は、ワイヤーグリッド型でもよいし、銀蒸着型でもかまわない。

次に、第３の実施形態に係る内視鏡装置３０について、図１１を参照して説明する。
硬性鏡３１はテレビカメラ３２に組み合わせて使用されるケースが多いが、第３の実施形態に係る内視鏡装置３０は、硬性鏡３１側に照明光学系３４用の偏光板３３を配置し、テレビカメラ３２内に観察光学系３５用の偏光板３６を配置する構造を示している。この実施形態では、照明光学系３４の前には偏光板３３のみを配置し、観察光学系３５の偏光板３６の前段に、位相板３７を配置している。この位相板３７は基本的にはλ／２の位相差を発生させるものである必要がある。図中、符号３８は対物レンズ、符号３９は結像レンズ、符号４０はＣＣＤである。

なお、液晶などの電気系デバイスによって、位相差を可変するよう素子を用いると、被写体からの偏光の回転情報に応じて選択的に画像を調整することができるようになる。第３の実施形態では、このような選択的な操作を行う場合でも実装構造を得やすい構造となっている。

また、本ハレーション防止手段は、照明光学系３４による明るさの低下と、観察光学系３５の明るさの低下と、２乗で明るさ低下の影響を受けることになるが、ハレーションが問題になるときにのみ偏光状態を発生させることができれば、常に明るさを低下させなくてもよい。たとえば、ワイヤーグリッドの間隔を狭めたり広げたりすることで偏光状態と、偏光ナシ状態（明るさアップの状態）を切り替えるような素子を、観察光学系３５の偏光板３６に採用すると、明るさアップも図れて好ましい。

（付記）
なお、これらの実施形態から以下構成の発明が導かれる。
（付記項１） 照明手段および観察手段を有し、これら照明手段および観察手段の光路中に、同一の偏光方向を有する偏光子を配し、該偏光子の物体側に偏光方向を回転せしめる位相板を配置し、サファイアカバーガラスによって全体を気密封止した内視鏡。

（付記項２） 前記位相板と前記サファイアカバーガラスによる位相差が、λ／４＋ｎ・λ、（ｎ＝０，１，２，…）となる付記項１に記載の内視鏡。
ただし、
λは位相板とサファイアカバーガラスを通過した光の波長、ｎは自然数である。

（付記項３） 前記サファイアカバーガラスの結晶軸方向を、光軸と平行に設定した付記項１に記載の内視鏡。
（付記項４） 前記サファイアカバーガラスの結晶軸方向を、光軸と垂直方向に設定し、位相差をλ／２とする付記項１に記載の内視鏡。

（付記項５） 内視鏡にかぶせるシース構造体であって、特定の機能を有する光学素子を、さらにガラスによって気密封止した構造の光学素子を有するシース構造体。
（付記項６） 前記光学素子が、偏光子と位相板である付記項５に記載のシース構造体。

（付記項７） 内視鏡にかぶせるシース構造体であって、特定の機能を有する光学素子と一体的に構成されたサファイアカバーガラスを有し、該光学素子はサファイアカバーガラスに気密封止されているシース構造体。
（付記項８） 前記光学素子が偏光子である付記項７に記載のシース構造体。
（付記項９） 前記サファイアカバーガラスが位相板として作用する付記項８に記載のシース構造体。
（付記項１０）前記サファイアカバーガラスが以下の条件式を満たす付記項８に記載のシース構造体。
ｄ＝（λ／４）＋ｎ・λ
ただし、ｄはサファイアカバーガラスの厚さ、λはサファイアカバーガラスに入射する光の波長、ｎは自然数である。

（付記項１１） 前記偏光子がワイヤーグリッド型の偏光子であり、以下の条件式を満たす付記項１に記載の内視鏡。
Ｌ＜Ｄ／２
ただし、Ｄは照明手段と観察手段の間隔、Ｌは照明手段からワイヤーグリッド型偏光子の偏光面までの距離である。
（付記項１２） 前記偏光子が銀ナノ粒子型の偏光子である付記項１に記載の内視鏡。

（付記項１３） 特定の機能を有する光学素子を、さらにガラスによって気密封止した構造の光学素子。
（付記項１４） 偏光子と位相板で構成されている付記項１３に記載の光学素子。

（付記項１５） 特定の機能を有する光学素子をサファイアガラス板に気密封止した光学素子。
（付記項１６） 偏光子を含む付記項１５に記載の光学素子。
（付記項１７） 前記サファイアガラス板が位相板として作用する付記項１６に記載の光学素子。
（付記項１８） 前記サファイアガラス板が以下の条件式を満たす付記項１７に記載の光学素子。
ｄ＝（λ／４）＋ｎ・λ
ただし、ｄはサファイアガラス板の厚さ、λはサファイアガラス板に入射する光の波長、ｎは自然数である。

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の先端部を模式的に示す部分的な縦断面図である。 図１の内視鏡装置による（ａ）粘膜における、（ｂ）生体におけるハレーション防止構造をそれぞれ説明する模式図である。 図１の内視鏡装置によるカバーガラスにおけるハレーション防止構造を説明する模式図である。 図１の内視鏡装置にワイヤーグリッド型偏光子が用いられた場合のハレーション防止構造を模式的に示す部分的な縦断面図である。 図４の内視鏡装置の第１の変形例を示す部分的な縦断面図である。 図４の内視鏡装置の第２の変形例を示す部分的な縦断面図である。 ワイヤーグリッド型の偏光子と、銀ナノ粒子型の偏光子の分光透過特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置の先端部を模式的示す分解縦断面図である。 滅菌耐性を向上した光学デバイスを示す縦断面図である。 図９の変形例を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る内視鏡装置を模式的示す図である。

符号の説明

１，２０，３０ 内視鏡装置
２，３４ 照明光学系（照明手段）
３，３５ 観察光学系（観察手段）
４ 偏光板（偏光子）
５ λ／４板（位相板）

Claims (1)

1. 照明手段および観察手段を有し、これら照明手段および観察手段の光路中に、同一の偏光方向を有する偏光子を配し、該偏光子の物体側に偏光方向を回転せしめる位相板を配置した内視鏡装置。

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