JP2011245019A - 撮像ユニット及び内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡装置の先端部の小型化に好適な撮像ユニットを提供する。
【解決手段】被写体を照明する光を出射する照明光供給部２０と、該照明光供給部が出射した光を被写体に向けて透過させると共に、被写体の側から入射する光を照明光供給部及び被写体とは異なる方向に反射するハーフミラープリズム３０と、該ハーフミラープリズムによって上記異なる方向に反射された光を受光し、当該受光した光を電気信号に変換する撮像素子４０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像素子を有する撮像ユニット及び内視鏡装置に関するものである。

従来から、可撓性を有する細長の挿入具の先端部に撮像ユニット及び照明ユニットを内蔵した内視鏡装置が知られている。医療用の内視鏡装置においては、挿入具を被検者の体腔内に挿入し、照明ユニットから被写体に照明光を照射してその反射光を撮像ユニットで受光することにより、被写体の観察等を行うことができる。挿入具の先端部は、患者の苦痛を緩和するため、細径化及び短小化が望まれている。

この種の問題に関連する技術として、例えば、特許文献１には、対物レンズと、該対物レンズの後方に配置され、対物レンズから導入された光を対物レンズの中心軸方向と垂直な方向に反射させる反射面部を備えるプリズムと、該プリズムの反射面部で反射した光が進む方向であるプリズムの上方側に配置された固体撮像素子（ＣＣＤ）とを備えた電子内視鏡が開示されている。この電子内視鏡において、被検部位を照明する照明窓は、上記対物レンズ及びプリズムからなる光学系素子の左右両側方に配置されている。

特開平８−５５３号公報

このように、内視鏡装置の先端部を小型化するため、そこに内蔵される撮像ユニット及び照明ユニットをさらにコンパクト化することが望ましい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内視鏡装置の先端部の更なる小型化に好適な撮像ユニット及び内視鏡装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像ユニットは、被写体を照明する光を出射する照明光供給部と、前記照明光供給部が出射した光を前記被写体に向けて透過させると共に、前記被写体の側から入射する光を前記照明光供給部及び前記被写体とは異なる方向に反射する光学系と、前記光学系によって前記異なる方向に反射された光を受光し、当該受光した光を電気信号に変換する撮像素子とを備えることを特徴とする。

上記撮像ユニットにおいて、前記光学系は、前記照明光供給部の側から入射した光を透過させると共に、前記被写体の側から入射した光を前記異なる方向に反射するハーフミラー面を有するプリズムを含むことを特徴とする。

上記撮像ユニットは、前記照明光供給部と前記光学系との間に設けられ、前記照明光供給部から出射した光の広がり角を制限して前記光学系に入射させる絞りをさらに備えることを特徴とする。

上記撮像ユニットは、前記照明光供給部と前記光学系との間に設けられ、前記照明光供給部から出射した光を、第１の偏光方向を有する直線偏光に変換して出射する第１の偏光素子と、前記第１の偏光素子及び前記光学系を透過した直線偏光光を円偏光に変換して出射すると共に、前記被写体の側から入射する円偏光を前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する直線偏光に変換する第２の偏光素子と、前記光学系と前記撮像素子との間に設けられ、前記第２の偏光方向を有する直線偏光のみを透過させる第３の偏光素子とをさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る内視鏡装置は、上記撮像ユニットと、該撮像ユニットを、前記照明光供給部から出射される光の光軸方向が長手方向と略平行となるように収容する先端部とを備えることを特徴する。

本発明によれば、照明光を出射する照明光供給部と、受光光を撮像素子に導く光学系とを一直線上に配置するので、撮像ユニットをコンパクト化することができる。従って、このような撮像ユニットを備える内視鏡装置の先端部をさらに小型化することが可能となる。

図１は、実施の形態１に係る撮像ユニットを備えた内視鏡装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、実施の形態１に係る撮像ユニットを示す斜視図である。 図３は、図２に示す撮像ユニットの側面図である。 図４は、図２に示す撮像ユニットの正面図である。 図５は、実施の形態２に係る撮像ユニットを示す側面図である。 図６は、実施の形態３に係る撮像ユニットを示す側面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる撮像モジュールとして、内視鏡装置の挿入具の先端部に内蔵される撮像モジュールを例に詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率などは、現実と異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像ユニットを備えた内視鏡装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、内視鏡装置１は、細長な挿入部２と、この挿入部２の基端側であって内視鏡装置操作者が把持する操作部３と、この操作部３の側部より延伸する可撓性のユニバーサルコード４とを備える。ユニバーサルコード４は、ライトガイドケーブルや電気系ケーブルなどを内蔵する。

挿入部２は、ＣＣＤなどの撮像素子を有する撮像モジュールを内蔵した先端部（先端硬質部）５と、複数の湾曲駒によって構成され湾曲自在の湾曲部６と、この湾曲部６の基端側に設けられた長尺であって可撓性を有する可撓管部７とを備える。

ユニバーサルコード４の延伸側端部にはコネクタ部８が設けられており、コネクタ部８には、光源装置に着脱自在に接続されるライトガイドコネクタ９、ＣＣＤなどで光電変換した被写体像の電気信号を信号処理装置や制御装置に伝送するための電気接点部１０、先端部５のノズルに空気を送るための送気口金１１などが設けられている。なお、光源装置は、ハロゲンランプなどが内蔵されたものであり、ハロゲンランプからの光を、ライトガイドコネクタ９を介して接続された内視鏡装置１へ照明光として供給する。また、信号処理装置や制御装置は、撮像素子に電源を供給し、撮像素子から光電変換された電気信号が入力される装置であり、撮像素子によって撮像された電気信号を処理して接続する表示装置に画像を表示させるとともに、撮像素子のゲイン調整などの制御および駆動を行なう駆動信号の出力を行なう。

先端部５は、本実施の形態１に係る撮像ユニット１００を収容している。先端部５には、撮像窓５ａ及び処置窓５ｂが設けられている。撮像ユニット１００は、撮像窓５ａを介して被写体を照明すると共に、撮像窓５ａを介して入射した光を検出することによって被写体に関する画像情報を取得する。一方、処置窓５ｂは、被写体に対して種々の処置を行うための処置具を出し入れする際に用いられる。

操作部３には湾曲部６を上下方向および左右方向に湾曲させる湾曲ノブ１２、体腔内に生検鉗子、レーザプローブ等の処置具を挿入する処置具挿入部１３、信号処理装置や制御装置あるいは送気、送水、送ガス手段などの周辺機器の操作を行なう複数のスイッチ１４が設けられている。処置具挿入口に処置具が挿入された内視鏡装置１は、内部に設けられた処置具挿通用チャンネルを経て処置窓５ｂから処置具の先端処置部を突出させ、たとえば生検鉗子によって患部組織を採取する生検などを行なう。

次に、内視鏡装置１の先端部５に搭載される撮像ユニット１００の構成について説明する。図２は、撮像ユニット１００を示す斜視図であり、図３は、撮像ユニット１００を示す側面図である。
図２及び図３に示すように、撮像ユニット１００は、照明光供給部２０と、ハーフミラープリズム３０と、対物レンズ３２と、撮像素子４０とを備えている。この内の照明光供給部２０と対物レンズ３２とは、光軸が一致するように配置されている。

照明光供給部２０は、被写体を照明するための光を供給する。実施の形態１において、照明光供給部２０は、光源装置からライトガイドコネクタ９及びライトガイドケーブルを介して供給された光を伝送し、端部から出射するライトガイドからなっている。また、照明光供給部２０は、そこから出射される照明光の光軸が先端部５の長手方向と略平行となるように、先端部５内に設置されている。また、照明光供給部２０の断面の大きさは、先端部５の小型化という観点から、ハーフミラープリズム３０の断面の大きさ以下とすることが望ましい。なお、照明光供給部２０としては、ＬＥＤ等の照明素子を用いても良い。この場合には、照明素子の径方向の大きさがハーフミラープリズム３０の１辺の長さよりも小さくなるようにすると良い。

ハーフミラープリズム３０は、被写体から受光した光の光路を折り曲げる光路折り曲げ光学系であり、照明光供給部２０の照明光出射面と対向する照明光入射面３０ａと、対物レンズ３２と対向する受光光入射面３０ｂと、照明光供給部２０及び対物レンズ３２の光軸と４５度をなすように設けられた受光光反射面３０ｃと、撮像素子４０の受光領域４１と対向する受光光出射面３０ｄとを有している。この内の受光光反射面３０ｃは、照明光供給部２０の方向から入射した照明光を透過させると共に、被写体の方向から入射した光を撮像素子４０の方向に反射するハーフミラーとなっている。

対物レンズ３２は、ハーフミラープリズム３０を透過した照明光を被写体に向けて拡大しつつ透過させると共に、被写体から入射した光を、ハーフミラープリズム３０を介して撮像素子４０の受光領域４１に結像させる。

撮像素子４０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサ等に例示されるベアチップ状の半導体素子であり、被写体からの光を受光し、この受光した光を光電変換処理することにより被写体の画像を撮像する撮像機能を有する。撮像素子４０のチップ基板の上面（図の上側）には、受光領域４１が形成されている。受光領域４１は、格子形状等の所定の形状に配置される画素群、および、光を効率よく集光するために画素群上に形成されるマイクロレンズ等を用いて実現され、撮像素子４０のチップ基板上の所定位置に形成される。また、撮像素子４０は、撮像動作を実行するための駆動回路が形成された駆動回路部（図示しない）と、外部接続用電極（図示しない）とを備える。

また、撮像素子４０は、撮像動作を実行するための駆動回路が形成された駆動回路部（図示しない）と、外部接続用電極（図示しない）とを備える。撮像素子４０は、受光領域４１が形成された面を上面とするときの底面（図の下側）において、配線ケーブルが接続された基板に、外部接続用電極を介して実装される。受光領域４１は、受光した光を光電変換処理し、駆動回路部は、受光領域４１において光電変換処理された信号をもとに被写体の画像信号を生成し、この生成した画像信号を、外部接続用電極を介して基板側に出力する。

照明光供給部２０から出射した光は、ハーフミラープリズム３０を透過し、対物レンズ３２を介して撮像ユニット１００から出射して被写体を照射する。一方、被写体から撮像ユニット１００に入射した光は、対物レンズ３２を介してハーフミラープリズム３０に入射し、受光光反射面３０において反射されて撮像素子４０の受光領域４１に受光される。そして、この受光光は光電変換され、画像信号として出力される。

以上説明したように、実施の形態１によれば、照明光供給部２０と、ハーフミラープリズム３０と、対物レンズ３２とを一直線上に配置することができる。即ち、図４の正面図に示すように、照明光供給部２０の光出射面がハーフミラープリズム３０の１面の内側に収まるので、照明機能を含む撮像ユニット１００全体の径を小さくすることができる。従って、従来のような照明窓を設けるスペースは不要となり、撮像視野を維持したまま、内視鏡装置１の先端部５を小型化することが可能となる。反対に、先端部５の径を維持する場合には、撮像窓５ａを大きくすることにより、被写体に対する照明範囲及び撮像視野を広くすることが可能となる。

また、実施の形態１によれば、照明光供給部２０と対物レンズ３２とが同軸上に配置されるので、従来のように対物レンズの両側２箇所から照明する場合に比較して、不要な影の形成を抑制して、画質を向上させることが可能となる。

なお、実施の形態１において、図２には、光路折り曲げ光学系としてハーフミラープリズム３０が示されているが、照明光を透過させると共に受光光を撮像素子４０の方向に反射することができれば、光路折り曲げ光学系をどのように構成しても良い。例えば、立方体形状のハーフミラープリズム３０の代わりに、三角柱状のハーフミラープリズムを用いても良いし、板状のハーフミラーを照明光の光軸に対して４５度をなすように配置しても良い。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る撮像ユニットについて、図５を参照しながら説明する。図５は、実施の形態２に係る撮像ユニットを示す側面図である。
図５に示す撮像ユニット２００は、図３に示す照明光供給部２０の代わりに、照明光供給部５０と、開口５１ａが設けられた絞り５１とを備えている。その他の構成については、図３に示すものと同様である。

照明光供給部５０は、発光点５０ａが被写体側からの光の集光点付近に配置されるように設置されている。それにより、広がりを持った照明光が発光点５０ａから出射され、被写体を広い範囲に渡って照明するようにしている。

一方、絞り５１は、発光点５０ａから出射した照明光の広がり角を制限することにより、受光光反射面３０ｃを透過した照明光が撮像素子４０の受光領域４１に直接入射するのを防止している。絞り５１の開口５１ａは、例えば、発光点５０ａから出射し、開口５１ａを通過した照明光の広がり角が、被写体側から入射する光の集光角以下となるように設計されている。

このような実施の形態２によれば、照明光の受光領域４１への直接入射が防止されるので、フレアの発生を防ぎ、画質の低下を抑制することが可能となる。また、照明光供給部５０を、その光軸を受光領域４１に近付けるように配置することができるので、先端部５をさらに小型化することも可能となる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る撮像ユニットについて、図６を参照しながら説明する。図６は、実施の形態３に係る撮像ユニットを示す側面図である。

図６に示す撮像ユニット３００は、図５に示す絞り５１の代わりに、照明光供給部５０とハーフミラープリズム３０との間に挿入された偏光子６１と、ハーフミラープリズム３０と対物レンズ３２との間に挿入された１／４波長板６２と、ハーフミラープリズム３０と撮像素子４０との間に挿入された偏光板６３とを備えている。その他の構成については、図５に示すものと同様である。

偏光子６１は、所定の方向に振動する電場を吸収し、それと直交する方向に振動する電場を透過させる偏光素子である。偏光子６１は、照明光供給部５０から出射された照明光の内のＰ偏光成分のみを透過させるように配置されている。

１／４波長板６２は、透過する光の位相を１／４波長分（π／２）ずらすことにより、直線偏光と円偏光とを交互に変換する偏光素子である。１／４波長板６２は、受光光反射面３０ｃを透過して受光光入射面３０ｂから出射したＰ偏光を円偏光に変換する。また、１／４波長板６２は、被写体から対物レンズ３２を介して入射した円偏光をＳ偏光に変換する。

偏光板６３は、所定の方位の電場を吸収し、それと直交する方位の電場を透過させる偏光素子である。偏光板６３は、受光光出射面３０ｄから出射した光の内のＳ偏光成分のみを透過させるように配置されている。

照明光供給部５０の発光点５０ａから出射された照明光は、まず、偏光子６１を透過することによりＰ偏光に変換され、ハーフミラープリズム３０に入射して受光光反射面３０ｃを透過する。そして、このＰ偏光は、受光光入射面３０ｂを通ってハーフミラープリズム３０から出射し、１／４波長板６２を透過することにより円偏光に変換される。この円偏光は、さらに対物レンズ３２を通過し、被写体を照明する。

また、被写体からの受光光（円偏光）は、対物レンズ３２を通過し、１／４波長板６２によってＳ偏光に変換される。このＳ偏光は、受光光入射面３０ｂを通ってハーフミラープリズム３０に入射し、受光光反射面３０ｃによって受光光出射面３０ｄの方向に反射される。さらに、このＳ偏光は、偏光板６３を通過して撮像素子４０の受光領域４１に入射する。

一方、偏光子６１によってＰ偏光に変換され受光光反射面３０ｃを透過した照明光の内、広がり角が大きく、受光光入射面３０ｂまで到達しなかった照明光（迷光）は、直接受光光出射面３０ｄを通ってハーフミラープリズム３０から出射する。このＰ偏光成分からなる迷光は、偏光板６３に吸収されるため、受光領域４１に入射することはない。

以上説明したように、実施の形態３によれば、受光光反射面３０ｃを透過した迷光の受光領域４１への直接入射を防止するので、フレアの発生を防ぎ、画質の低下を抑制することが可能となる。また、照明光供給部５０を、その光軸を受光領域４１に近付けるように配置することができるので、先端部５をさらに小型化することも可能となる。

なお、実施の形態３においては、照明光供給部５０の後段に偏光子６１を設けることによりＰ偏光を生成したが、その代わりに、Ｐ偏光を出射する照明光供給部を設けても良い。例えば、ハロゲンランプ等の光源装置の後段に偏光子を配置することにより、Ｐ偏光成分のみをライトガイドコネクタ９を介して先端部５に供給するようにしても良い。

また、実施の形態３においては、Ｓ偏光の受光光を撮像素子４０に入射させ、Ｐ偏光の迷光をカットするように偏光子６１、１／４波長板６２、及び偏光板６３を配置したが、これらの偏光素子の配置はそれに限定されない。例えば、偏光子６１によって照明光をＳ偏光に変換し、１／４波長板６２によって受光光をＰ偏光に変換し、Ｐ偏光のみを透過させるように偏光板６３を配置しても良い。

なお、以上説明した実施の形態１〜３においては、内視鏡装置の挿入具の先端部に搭載される撮像ユニットを例に説明したが、もちろん、デジタルカメラおよびデジタルビデオカメラを始め、撮像機能を備えた携帯電話機など、各種態様の電子撮像装置に適用可能である。

本発明は、撮像素子を有する撮像ユニット、及びそのような撮像ユニットを挿入具の先端部に搭載した内視鏡装置において利用可能である。

１ 内視鏡装置
２ 挿入部
３ 操作部
４ ユニバーサルコード
５ 先端部
５ａ 撮像窓
５ｂ 処置窓
６ 湾曲部
７ 可撓管部
８ コネクタ部
９ ライトガイドコネクタ
１０ 電気接点部
１１ 送気口金
１２ 湾曲ノブ
１３ 処置具挿入部
１４ スイッチ
２０、５０ 照明光供給部
５０ａ 発光点
３０ ハーフミラープリズム（光路折り曲げ光学系）
３０ａ 照明光入射面
３０ｂ 受光光入射面
３０ｃ 受光光反射面
３０ｄ 受光光出射面
３２ 対物レンズ
４０ 撮像素子
４１ 受光領域
５１ 絞り
６１ 偏光子
６２ １／４波長板
６３ 偏光板
１００、２００、３００ 撮像ユニット

Claims (5)

1. 被写体を照明する光を出射する照明光供給部と、
   前記照明光供給部が出射した光を前記被写体に向けて透過させると共に、前記被写体の側から入射する光を前記照明光供給部及び前記被写体とは異なる方向に反射する光学系と、
   前記光学系によって前記異なる方向に反射された光を受光し、当該受光した光を電気信号に変換する撮像素子と、
   を備えることを特徴とする撮像ユニット。
2. 前記光学系は、前記照明光供給部の側から入射した光を透過させると共に、前記被写体の側から入射した光を前記異なる方向に反射するハーフミラー面を有するプリズムを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
3. 前記照明光供給部と前記光学系との間に設けられ、前記照明光供給部から出射した光の広がり角を制限して前記光学系に入射させる絞りをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像ユニット。
4. 前記照明光供給部と前記光学系との間に設けられ、前記照明光供給部から出射した光を、第１の偏光方向を有する直線偏光に変換して出射する第１の偏光素子と、
   前記第１の偏光素子及び前記光学系を透過した直線偏光光を円偏光に変換して出射すると共に、前記被写体の側から入射する円偏光を前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する直線偏光に変換する第２の偏光素子と、
   前記光学系と前記撮像素子との間に設けられ、前記第２の偏光方向を有する直線偏光のみを透過させる第３の偏光素子と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像ユニットと、
   前記撮像ユニットを、前記照明光供給部から出射される光の光軸方向が長手方向と略平行となるように収容する先端部と、
   を備えることを特徴する内視鏡装置。

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