JP2014225839A - 撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率を高めた上で可視光画像と可視外光画像の光量バランスを最適化可能な撮像システムを提供する。【解決手段】撮像システム１は、撮像対象物Ｔを可視光で照明する第１照明装置２Ｂと、撮像対象物Ｔを可視光外の光で照明する第２照明装置２Ａと、所定周期のフレームごとに所定のシャッター期間に亘り第１照明装置２Ｂの可視光による撮像対象物Ｔからの光、及び第２照明装置２Ａの光による撮像対象物Ｔからの光を受光し、それぞれの光の受光量に応じた受光信号を出力するイメージセンサ１０Ｂと、を備え、第１照明装置２Ｂの可視光による受光量に基づいて生成した可視光画像に第２照明装置２Ａの可視外光による受光量に基づく可視外光画像を合わせて出力する撮像システム１であって、シャッター期間に同期して、シャッター期間に応じた光出力で第２照明装置２Ａを点灯する点灯制御手段２３を備える構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、可視光画像に可視外光画像を合わせて出力する撮像システムに関する。

手術等の医療現場においては、通常の可視光画像に加え、例えばインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の蛍光物質を患部に投与して撮影することで蛍光画像を生成し、これらの画像を重ねて表示して患部を観察することが行われている。ここで、可視光画像の光量が多くなると白飛び（ハレーション）が生じ、蛍光画像の光量が多くなると視認性が悪化することから、可視光画像及び蛍光画像の光量バランスを調整する必要がある。
そこで、従来、可視光画像及び蛍光画像を生成する撮像システムとして、所望の光量バランスで可視光及び蛍光を透過させる光学フィルタを設けたものや、可視光をカットする開口絞りを設けたものが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）

特許第４９７１８１６号明細書 国際公開第２０１１／００７４６１号

しかしながら、上記従来の構成では、光学系が複雑化するとともに、可視光をカットしているため、光利用効率が悪いという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、光利用効率を高めた上で可視光画像と可視外光画像の光量バランスを最適化可能な撮像システム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、本発明の撮像システムは、撮像対象物を可視光で照明する第１照明装置と、前記撮像対象物を前記可視光外の光で照明する第２照明装置と、所定周期のフレームごとに所定のシャッター期間に亘り前記第１照明装置の可視光による前記撮像対象物からの光、及び前記第２照明装置の光による前記撮像対象物からの光を受光し、それぞれの光の受光量に応じた受光信号を出力するイメージセンサと、を備え、前記第１照明装置の可視光による受光量に基づいて生成した可視光画像に前記第２照明装置の可視外光による受光量に基づく可視外光画像を合わせて出力する撮像システムであって、前記シャッター期間に同期して、前記シャッター期間に応じた光出力で前記第２照明装置を点灯する点灯制御手段を備えたことを特徴とする。

上記構成において、前記シャッター期間を調整可能にしてもよい。

上記構成において、前記点灯制御手段は、前記第１照明装置の可視光、及び前記第２照明装置の可視外光による各々の受光信号の強度の比が略等しくなる光出力で前記第２照明装置を点灯してもよい。

上記構成において、前記シャッター期間を調整するユーザ操作可能な調整手段を備えてもよい。

上記構成において、前記点灯制御手段は、前記シャッター期間の間だけ前記第２照明装置を点灯してもよい。

上記構成において、前記第２照明装置の可視外光による前記撮像対象物からの光は、前記第２照明装置の可視外光によって励起された蛍光であってもよい。

本発明によれば、シャッター期間に同期して、シャッター期間に応じた光出力で可視外光で照明する第２照明装置を点灯するため、可視光をカットすることがなく、光利用効率を高めた上で可視光画像と第２照明装置の可視外光による可視外光画像の光量バランスを最適化できる。

本発明の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。 シャッター期間（露光期間）が調整される前の撮影データのフレームを示す図であり、（Ａ）は撮影データ中の可視光及び蛍光の受光信号（受光量）、（Ｂ）は可視光光源の強度（光量）、（Ｃ）は可視外光光源の強度（光量）を示す。 可視光の受光量が最大量Ｖｍａｘ以下となるようにシャッター期間が調整された撮影データのフレームを示す図であり、（Ａ）は撮影データ中の可視光及び蛍光の受光信号（受光量）、（Ｂ）は可視光光源の強度（光量）、（Ｃ）は可視外光光源の強度（光量）を示す。 蛍光の受光量が最小量Ｖｍｉｎ以上となるような光出力で可視外光光源２Ａを点灯させた場合の撮影データのフレームを示す図であり、（Ａ）は撮影データ中の可視光及び蛍光の受光信号（受光量）、（Ｂ）は可視光光源の強度（光量）、（Ｃ）は可視外光光源の強度（光量）を示す。 開口絞りを備えた従来撮像システムの作用を示す説明図であり、（Ａ）はレンズへの入射光強度、（Ｂ）は開口絞りの透過率、（Ｃ）は撮像システムの受光信号を示す。 シャッター期間（露光期間）が調整されずに可視外光光源を常時点灯させた場合の撮像システムの作用を示す説明図であり、（Ａ）はレンズへの入射光強度、（Ｂ）は励起光カットフィルタの透過率、（Ｃ）は撮像システムの受光信号を示す。 シャッター期間（露光期間）を調整するとともに、可視外光光源をパルス点灯させた本実施形態の撮像システムの作用を示す説明図であり、（Ａ）は可視外光光源を消灯した時のレンズへの入射光強度、（Ｂ）は可視外光光源を点灯した時のレンズへの入射光強度、（Ｃ）は励起光カットフィルタの透過率、（Ｄ）は撮像システムの受光信号を示す。 本発明の変形例に係る撮像システムの構成を示す図である。 本発明の背景技術を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の背景技術について詳細に説明する。
医学研究や医療分野においては、皮下の血管の可視化法として、血管内のヘモグロビンが近赤外光を吸収する原理を応用して、近赤外反射光または近赤外透過光を撮影することで近赤外吸収像を生成する技術が知られている。
また、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）が近赤外の励起光（おおむね７４０−７８０ｎｍ）を照射すると近赤外の蛍光（おおむね８００−８５０ｎｍ）を発する原理を応用して、皮下や脂肪組織内のリンパ管・リンパ節・血管等にＩＣＧを投与し撮影することで近赤外蛍光画像を生成し可視化する技術が知られている。例えば、図９を参照し、癌細胞Ｃが転移する可能性のあるリンパ節ＬＮを可視化する場合には、まず、皮下に蛍光物質Ｒ（ＩＣＧ）を注入する。ここで、蛍光物質Ｒ（ＩＣＧ）は、迅速にリンパ管ＬＶ及びリンパ節ＬＮに吸収される。関心対象であるリンパ節ＬＮが位置する皮膚に近赤外光の励起光Ｋ１（約７４０−７８０ｎｍ）を照射すると、近赤外光の励起光Ｋ１は皮下２ｃｍまでは透過して、リンパ節ＬＮに届く。近赤外光の励起光Ｋ１によってリンパ節ＬＮ中のＩＣＧ分子が励起して近赤外の蛍光Ｋ３（約８００−８５０ｎｍ）を発し、この近赤外の蛍光Ｋ３は皮膚Ｄを透過してカメラ（不図示）に捕捉される。

医療現場では、肉眼作業を最適に行うことができるように、可視光照明（おおむね４００−７００ｎｍ）が関心領域に照射されている。
近赤外吸収像を観察する場合でも、あるいは、近赤外蛍光像を観察する場合でも、当該関心対象（近赤外吸収像または近赤外蛍光像）以外の背景が最適なバランスで撮像されることが望ましい。背景が同時に撮像されて初めて当該関心領域に関する位置情報を得ることが可能になるからである。
単一のイメージセンサからなる撮像システムで、当該関心対象と背景を最適なバランスで撮像する場合、可視光照明の強度を変化させることは不適である。なぜなら、可視光照明の強度は肉眼作業のために最適化されるべきであるからである。肉眼作業に最適化された照度の場合、被写体から反射される可視光のイメージセンサへの入射光量は過大である場合が多い。

そこで、従来文献（特許第４９７１８１６号明細書あるいは国際公開第２０１１／００７４６１号）には、光学フィルタまたは開口絞りによって、被写体から撮像システムに入射する可視光を減弱させる技術が開示されている。
一般に、近赤外吸収像あるいは近赤外蛍光像の強度は微弱であるため、肉眼作業に最適化された可視光の照度下で、上述のような従来技術を実施せずに、単一のイメージセンサからなる撮像システムで、当該関心対象と背景を最適なバランスで撮像することは困難である。なぜなら、背景となる可視光光量が過大にイメージセンサに入射し、いわゆる“白飛び現象”、“飽和現象”、“スミア”等を生じるからである。

指や四肢等の撮影対象に近赤外光を照射して近赤外反射光を単一のイメージセンサで撮影する反射型撮像システム、あるいは、指や四肢等の撮影対象に近赤外光を照射して近赤外透過光を単一のイメージセンサで撮像する透過型撮像システムにおいては、可視光照明の皮膚面から反射する可視光を減弱させるための光学フィルタをイメージセンサの入射光路に挿入する。しかし、この場合、可視光減光量を最適にするための光学フィルタを用意しなければならない。光学フィルタの代わりに開口絞りを配置した場合には、可視光光量のみを独立して連続的に制御することができるが、開口絞りを有する撮像システムは大型でコストが高くつく。
そこで、本実施形態では、撮像システムを、大型化を抑制するとともに光利用効率を高めた上で、可視光画像と可視外光画像（可視光外の光による画像）の光量バランスを最適化可能に構成している。

以下、本実施形態の撮像システムについて詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。
撮像システム１は、蛍光物質Ｒが投与された患部（撮像対象物）Ｔの可視外光画像（蛍光画像）及び可視光画像（背景画像）を合わせて成るカラー画像を生成し表示するシステムであり、光源装置（光源手段）２と、カメラ１０と、コントローラ２０と、表示装置３とを備えて構成されている。
光源装置２は、患部Ｔに対して、蛍光物質Ｒを励起する励起光（可視外の光、以下、単に可視外光と言う。）Ｋ１、及び背景用の可視光Ｋ２を照射する装置であり、上記励起光Ｋ１を照射する可視外光光源（第２照明装置）２Ａと、上記可視光Ｋ２を照射する可視光光源（第１照明装置）２Ｂとを備えている。可視外光光源２Ａ及び可視光光源２Ｂは、患部Ｔの撮像対象面ＴＢ側に配置されている。

ここで、本実施形態では、波長７４０−７８０ｎｍ付近の近赤外光により励起され波長８００−８５０ｎｍ付近の近赤外蛍光を発するＩＣＧ（インドシアニングリーン）が蛍光物質Ｒとして用いられている。したがって、可視外光光源２Ａには、波長７４０−７８０ｎｍ付近の近赤外光を放射する光源、例えば近赤外ＬＥＤを用いるとともに、波長７００ｎｍ以下の光をカットする非近赤外光カットフィルタ２Ｃが設けられている。一方、可視光光源２Ｂには、例えば白色ＬＥＤが用いられている。この可視光光源２Ｂは、外乱光（室内光源、例えば、室内灯、モニター類、無影灯等による光）の可視光Ｋ５とは別に可視光Ｋ２を照射する。

カメラ１０は、レンズ１０Ａと、２次元空間に離散的に配置されたＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ１０Ｂとを有するカメラであり、患部Ｔの撮像対象面ＴＢ側に配置されている。カメラ１０は、所定のフレームレートおよび所定の解像度でカラー画像を順次取り込みフレーム毎の撮影データとして順次コントローラ２０に出力する。このカメラ１０は、励起光Ｋ１に相当する波長域（波長７００〜８００ｎｍ）の光をカットする励起光カットフィルタ１０Ｃを備えている。励起光カットフィルタ１０Ｃは、蛍光物質Ｒの蛍光Ｋ３及び可視光Ｋ２，Ｋ５の反射光である可視光Ｋ２’を透過率１００％で透過する。こうすることで、撮影時に、可視外光光源２Ａの照射光の影響を受けずに蛍光Ｋ３のみを撮影し像に映し出すことができる。
イメージセンサ１０Ｂは、蛍光Ｋ３の波長域（本実施形態では近赤外波長域）及び可視光Ｋ２，Ｋ５の波長域の両方に感度を有し、画素Ｐごとに、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤外光（Ｉｒ）をそれぞれ受光する受光素子１１−１４を備えている。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の受光素子１１−１３は、可視光Ｋ２’の波長に感度を有し、患部Ｔで反射された可視光Ｋ２’の受光量に応じた受光信号をコントローラ２０に出力する。赤外光（Ｉｒ）を受光する受光素子１４は、蛍光Ｋ３の波長域（すなわち、波長８３０ｎｍ付近の近赤外蛍光）に感度を有し、蛍光Ｋ３の受光量に応じた受光信号をコントローラ２０に出力する。

コントローラ２０は、カメラ１０の撮影データに基づいて、蛍光画像と、可視光画像とを含むカラー画像を生成して表示装置３に表示する。カラー画像は、可視光画像と蛍光画像とを合算した画像と同等である。したがって、このカラー画像においては、患部Ｔを肉眼で観察する場合と同様な可視光画像に、蛍光画像によって得られる蛍光部位が重ねて表示されるため、可視光画像と蛍光画像をそれぞれ見比べて患部Ｔを観察する必要がなく患部Ｔの観察を容易かつ正確に行うことができる。特に、蛍光物質ＲとしてＩＣＧを用いることで、リンパ節や血管の血流が可視光画像に重ねて表示され、かかる血流を一目で認識でき、また血流と周辺組織との関係を明確に把握することができる。
また、コントローラ２０は、可視外光光源２Ａを駆動する可視外光用駆動回路２１、及び可視光光源２Ｂを駆動する可視光用駆動回路２２をそれぞれ備えている。

図２は、シャッター期間（露光期間）Ｓが調整される前の撮影データのフレームを示す図であり、図２（Ａ）は撮影データ中の可視光及び蛍光の受光信号（受光量）、図２（Ｂ）は可視光光源２Ｂの強度（光量）、図２（Ｃ）は可視外光光源２Ａの強度（光量）を示す。また、図３は、可視光の受光量が最大量Ｖｍａｘ以下となるようにシャッター期間Ｓが調整された撮影データのフレームを示す図であり、図３（Ａ）は撮影データ中の可視光及び蛍光の受光信号（受光量）、図３（Ｂ）は可視光光源２Ｂの強度（光量）、図３（Ｃ）は可視外光光源２Ａの強度（光量）を示す。なお、図２及び図３において、横軸は時間ｔを示す。

撮像システム１による撮影は動画撮影であるため、図２（Ａ）に示すように、シャッター期間（露光期間）Ｓは最長、フレームの長さ（フレーム間隔Ｆ）、例えば、１／３０秒に規定される。また、本実施形態では、シャッター期間Ｓの終了のタイミングは、フレームの終了と一致するものとする。
図１に示すカメラ１０は、所定のシャッター期間Ｓの間に亘り、可視光及び蛍光を受光し、光を電荷に変換して電荷を蓄積するように構成されている。したがって、図２（Ａ）に示すように、可視光及び蛍光の受光量（受光信号の強度）は、所定のシャッター期間Ｓの間だけ増加する。
ここで、所定のシャッター期間Ｓにおいて、可視光の受光量（可視光信号）が所定の最大量Ｖｍａｘを超え、可視光信号が飽和すると、カラー画像に白飛びが生じ、カラー画像が見づらくなってしまう。また、可視光光量は、肉眼作業に最適化されているため、制御することが困難である。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、シャッター期間Ｓ（図２）を調整するユーザ操作可能な操作部（調整手段）４を設けることで、シャッター期間Ｓを調整可能にしている。図２の例のように、可視光の受光量が白飛びを生じさせない最大量Ｖｍａｘを超える場合には、コントローラ２０は、その旨を表示装置３に表示する。ユーザは、シャッター期間Ｓを短くするように操作部４を操作して、可視光の受光量が最大量Ｖｍａｘ以下となるようにシャッター期間Ｓを調整する。本実施形態では、シャッター期間Ｓの終了のタイミングは、フレームの終了と一致するため、具体的には、シャッター期間Ｓの開始タイミングを調整することとなる。これにより、図３（Ａ）に示すように、可視光の受光量が最大量Ｖｍａｘ以下とすることができ、白飛びを防止できる。
一方、図示は省略するが、撮影データ中の可視光の受光信号（受光量）が最大量Ｖｍａｘより少ない場合には、シャッター期間Ｓを調整しなくともよいが、可視光の受光信号（受光量）が不十分な際には、フレーム間隔Ｆの範囲内でシャッター期間Ｓを長くして、可視光の受光信号（受光量）が最大量Ｖｍａｘとなるようにシャッター期間Ｓを調整する。なお、コントローラ２０は、可視光の受光量を表示装置３に表示するように構成されてもよい。

ところで、図１に示すカメラ１０は、可視光領域の感度に比べ、近赤外領域の感度が低い特性を有している。また、蛍光物質ＲとしてＩＣＧを用いた場合、照射した励起光に対する蛍光の光量は１％程度である。したがって、図３（Ａ）に示すように、蛍光の受光量は可視光に比べ少なくなる。所定のシャッター期間Ｓにおいて、蛍光の受光量が所定の最小量Ｖｍｉｎを下回ると、カラー画像における近赤外蛍光画像の視認性を確保できなくなってしまう。

そこで、本実施形態では、コントローラ２０は、蛍光の受光量が視認性を確保可能な最小量Ｖｍｉｎ以上となるような光出力で可視外光光源２Ａを点灯させる点灯制御部（点灯制御手段）２３を備えている。したがって、図４に示すように、蛍光の受光量が最小量Ｖｍｉｎ以上となるように、点灯制御部２３によって可視外光光源２Ａの光出力を調整することで、患部Ｔのカラー画像における蛍光部分の映り具合を簡単かつリアルタイムに調整することができる。
特に、外乱光を生じさせる室内光源は、肉眼作業を可能にするための可視光Ｋ５を照射するように構成されており、強度及び照射時間を制御できない場合が多い。本実施形態では、室内光源を通常通り点灯した状態で、外乱光及び可視光光源２Ｂの可視光の光出力に合わせて可視外光光源２Ａの光出力を調整することで、可視光画像（背景画像）と可視外光画像（蛍光画像）の光量バランスを最適化できる。

ここで、可視光と蛍光のバランスを最適化したときの、可視光（反射光）、及び蛍光の各々の受光量の比をＶ１：Ｖ２とする。
本実施形態の点灯制御部２３は、可視光、及び蛍光の各々の受光量の比Ｖ１：Ｖ２が略等しくなる光出力で可視外光光源２Ａを点灯するように構成されている。比Ｖ１：Ｖ２は、点灯制御部２３が備える記憶装置に予め設定されていてもよいし、ユーザによって設定可能にされてもよい。したがって、受光素子１１−１４（図１）への入射光（可視光及び蛍光）のバランスを最適化（Ｖ１：Ｖ２）した後に、受光素子１１−１４のシャッター期間を最長にすることで、最適な可視光と蛍光からなるカラー画像（動画映像）を容易に得ることができる。また、可視光及び蛍光の受光量のバランスを最適化（Ｖ１：Ｖ２）した後に、シャッター期間Ｓが調整され、可視光の受光量がＶｍａｘ以下となっても、可視光画像（背景画像）と可視外光画像（蛍光画像）の光量バランスを最適化した状態で維持できる。

ところで、可視外光光源２Ａに用いるＬＥＤには許容最大電力が規定されている。したがって、可視外光光源２Ａを常時点灯させている状態で、可視外光光源２Ａに用いる各ＬＥＤの光出力をあげると、やがて許容最大電力に到達してしまうおそれがある。したがって、可視外光光源２Ａ（図１）を常時点灯させた場合は、可視外光光源２Ａに用いるＬＥＤの発熱量の上限が、連続電流印加の定格上限、または、撮像対象への放射の安全上限に鑑み、所定値（放射強度×放射時間）に決められているため、可視外光（励起光）による蛍光の光量は、可視光による反射された可視光の光量に比べ微弱である。一方、可視外光光源２Ａに用いるＬＥＤの数を増やし、個々のＬＥＤの光出力（発熱量）を抑えることも考えられるが、可視外光光源２Ａの全体が大型化してしまう。
上述したように、微弱な蛍光を十分受光するために、例えば、シャッター期間を１／３０秒とした場合には、可視光については、白飛びを生じる悪い映像となる飽和レベルに達してしまう（図２）。

そこで、本実施形態のコントローラ２０は、図３（Ｃ）に示すように、シャッター期間Ｓの間だけ可視外光光源２Ａを点灯し（ＯＮ）、その他の期間では消灯する（ＯＦＦ）ように構成されている。具体的には、図１に示すように、可視外光用駆動回路２１は、可視外光光源２Ａに電源を所定の周期で供給するパルス電源５を介して可視外光光源２Ａに接続されている。この所定の周期は、シャッター期間Ｓと一致するように設定され、操作部４の操作によってシャッター期間Ｓが調整される度に、コントローラ２０が備えるパルス周期設定部２４によって再設定される。パルス周期設定部２４は、操作部４の操作によってシャッター期間Ｓが調整されると、当該期間をパルス電源５のパルス周期として設定し、可視外光用駆動回路２１に出力する。

このようにして、コントローラ２０の点灯制御部２３は、可視外光用駆動回路２１を制御して可視外光光源２Ａを所定の周期、すなわち、露光終了のタイミング（撮像データ読み出しのタイミング）を各フレーム間隔Ｆの終了のタイミングと一致させてシャッター期間Ｓの間だけ点灯させる。この場合においても、放射強度（Ｗ：ワット）×放射時間（ｓ：秒）で規定される、可視外光光源２Ａに用いるＬＥＤの発熱量（Ｊ：ジュール）の上限は、可視外光光源２Ａを常時点灯させた場合と同一である（図２、図３及び図４の各斜線部の面積）。これにより、可視外光光源２Ａに用いるＬＥＤの許容最大電力に到達することなく、また、可視外光光源２Ａを大型化することなく、可視外光光源２Ａの光出力をあげることができる。ここで、フレーム間隔Ｆ（１／３０秒）に対する可視外光光源２Ａの点灯時間（シャッター期間Ｓ）を可視外光光源２Ａのデューティー比とする。本実施形態では、可視外光光源２ＡとしてＬＥＤを用いるため、可視外光光源２Ａのデューティー比を２０％（１／１５０秒）にした場合には（図４）、ＬＥＤに印加可能な電流は５倍となり、可視外光光源２Ａの放射強度は常時点灯の上限の５倍になる。
このように、本実施形態では、シャッター期間Ｓ内に受光素子１１−１４（図１）に入射した光量が積分され、受光信号となる原理を応用して、励起光の照射をシャッター期間Ｓ中にのみ行い、相対的に強い可視光の影響を減弱させ、可視光画像と蛍光画像の光量バランスを最適化している。

なお、可視光用駆動回路２２は、可視光光源２Ｂに電源を常時供給する直流電源６を介して可視光光源２Ｂに接続されており、コントローラ２０は、可視光用駆動回路２２によって可視光光源２Ｂを常時点灯する。なお、可視光用駆動回路２２も、可視外光用駆動回路２１と同様にパルス電源に接続して、シャッター期間Ｓの間だけ可視光光源２Ｂを点灯するようにしてもよい。

次に、図５乃至図７を参照し、開口絞りを備えた従来の撮像システムと、シャッター期間（露光期間）が調整されずに可視外光光源２Ａを常時点灯させた場合の撮像システムと、シャッター期間Ｓを調整するとともに、可視外光光源２Ａをパルス点灯させた本実施形態の撮像システム１とを比較して説明する。
図５は、開口絞りを備えた従来撮像システムの作用を示す説明図であり、図５（Ａ）はレンズへの入射光強度、図５（Ｂ）は開口絞りの透過率、図５（Ｃ）は撮像システムの受光信号を示す。図５の例では、可視外光光源２Ａは常時点灯され、シャッター期間（露光期間）は１／３０秒とする。
レンズには、図５（Ａ）に示すように、被写体（患部Ｔ）から反射される可視光と、被写体から反射される励起光と、励起光によって発光する近赤外蛍光とが入射する。開口絞りを備えた従来の撮像システムでは、図５（Ｂ）に示すように、開口絞りは、可視光を減光し、励起光を遮断し（透過率０％）、蛍光を透過させる（透過率１００％）光学フィルタであり、可視光透過率は自在に可変できるように構成されている。すなわち、開口絞りは、可視光の透過率のみを制御できるため、蛍光が微弱な場合には蛍光の受光量は微弱となってしまう。また、開口絞りを備えるため、光学系が複雑化するとともに、可視光をカットしているので、光利用効率が悪いという問題がある。

図６は、シャッター期間（露光期間）が調整されずに可視外光光源２Ａを常時点灯させた場合の撮像システムの作用を示す説明図であり、図６（Ａ）はレンズへの入射光強度、図６（Ｂ）は励起光カットフィルタの透過率、図６（Ｃ）は撮像システムの受光信号を示す。
この撮像システムでも、図６（Ａ）に示すように、図５（Ａ）と同様に可視光、励起光、及び近赤外蛍光がレンズに入射する。この撮像システムでは、本実施形態と同様に、開口絞りの代わりに、図５（Ｂ）に示すように、励起光を遮断し（透過率０％）、可視光及び蛍光を透過させる（透過率１００％）励起光カットフィルタを用いている。微弱な蛍光を十分受光するために露光期間を１／３０秒とすると、図６（Ｃ）に示すように、可視光の受光量（可視光信号）が最大量Ｖｍａｘを超えて可視光信号が飽和し、カラー画像に白飛びが生じてしまう。

図７は、シャッター期間（露光期間）を調整するとともに、可視外光光源２Ａをパルス点灯させた本実施形態の撮像システム１の作用を示す説明図であり、図７（Ａ）は可視外光光源２Ａを消灯した時のレンズへの入射光強度、図７（Ｂ）は可視外光光源２Ａを点灯した時のレンズへの入射光強度、図７（Ｃ）は励起光カットフィルタの透過率、図７（Ｄ）は撮像システム１の受光信号を示す。
本実施形態では、上述したように、シャッター期間を短くするとともに、可視外光光源２Ａ（図１）をシャッター期間の間だけ点灯させ、さらに、蛍光の受光量（蛍光信号）が最小量Ｖｍｉｎ以上となるように可視外光光源２Ａの光出力を調整している。これにより、カラー画像の白飛びを防止するとともに、可視光画像と蛍光画像の光量バランスを最適化できる。具体的には、可視外光光源２Ａのデューティー比が２０％であるため、図７（Ｂ）に示すように、可視外光光源２Ａの放射強度を、図５（Ａ）及び図６（Ａ）の例の場合の５倍にすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、シャッター期間Ｓに同期して、シャッター期間Ｓに応じた光出力で蛍光物質Ｒが蛍光を発する励起光を点灯する点灯制御部２３を備える構成とした。この構成により、可視光をカットすることなく、光利用効率を高めた上で可視光画像（背景画像）と可視外光画像（蛍光画像）の光量バランスを最適化できる。また、従来のような開口絞りも必要としないので、撮像システム１を大型化することがなく、安価に撮像システム１を製造できる。

また、本実施形態によれば、シャッター期間Ｓを調整可能にし、より具体的には、シャッター期間Ｓを調整するユーザ操作可能な操作部４を備える構成とした。この構成により、可視光の受光量が白飛びを生じさせない最大量Ｖｍａｘ以下となるようにシャッター期間Ｓを調整することで、カラー画像に白飛びが生じることを防止できる。

また、本実施形態によれば、点灯制御部２３は、可視光の反射光、及び蛍光の各々の受光信号の強度の比Ｖ１：Ｖ２が略等しくなる光出力で励起光を点灯する構成とした。この構成により、シャッター期間Ｓが調整されても、可視光画像（背景画像）と可視光画像（蛍光画像）の光量バランスを最適化した状態で維持できる。

また、本実施形態によれば、点灯制御部２３は、露光終了のタイミング（撮像データ読み出しのタイミング）を各フレーム間隔Ｆの終了のタイミングと一致させてシャッター期間Ｓの間だけ可視外光光源２Ａの可視外光を点灯する構成とした。この構成により、可視外光光源２Ａに用いるＬＥＤの許容最大電力に到達することを防止できるとともに、可視外光光源２Ａの大型化も防止できる。

但し、上記実施形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施形態では、シャッター期間Ｓを１／１５０秒としたが、シャッター期間Ｓは、これに限定されるものではなく、フレーム間隔Ｆ（１／３０秒）以下であればよい。シャッター期間Ｓは、可視光画像（背景画像）と可視外光画像（蛍光画像）の光量バランスを最適化するように調整されるものであり、例えば、１／３０秒、１／１５０秒、１／３００秒、あるいは、１／１０００秒であってもよい。また、上記実施形態では、フレーム間隔Ｆを１／３０秒としたが、これに限定されるものではない。さらに、上記実施形態では、シャッター期間Ｓの終了タイミングがフレームの終了と一致していたが、シャッター期間Ｓの終了タイミングがフレームの終了と必ずしも一致する必要はない。

また、上記実施形態では、イメージセンサ１０Ｂは、画素Ｐごとに、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤外光（Ｉｒ）をそれぞれ受光する受光素子１１−１４を備え、蛍光画像と可視光画像とを含むカラー画像を生成していたが、これに限定されるものではない。例えば、イメージセンサ１０Ｂは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を受光する受光素子１１−１３と、赤外光（Ｉｒ）を受光する受光素子１４とを別体に備え、可視光画像（背景画像）と可視外光画像（蛍光画像）とを生成し、これらを合算したカラー画像を生成してもよい。

また、上記実施形態では、背景光として、撮像対象物で反射した可視光光源２Ｂ及び外乱光の可視光Ｋ２’を受光していたが、外乱光の可視光が十分な場合には、コントローラ２０は可視光光源２Ｂを消灯してもよい。また、外乱光の可視光が十分な場合には、可視光光源２Ｂ並びに可視光用駆動回路２２及び直流電源６を省略してもよい。これらの場合にも、外乱光の可視光の光出力に合わせて可視外光光源２Ａの光出力を調整することで、可視光画像（背景画像）と可視外光画像（蛍光画像）の光量バランスを最適化できる。なお、外乱光がない場合には外乱光の分だけ光出力を上げて可視光光源２Ｂを点灯すればよい。

また、上記実施形態では、シャッター期間Ｓを調整するユーザ操作可能な操作部４を設けたが、操作部４を設ける代わりに、コントローラ２０が、可視光の受光量が白飛びを生じさせない最大量Ｖｍａｘ以上となるようにシャッター期間Ｓを調整してもよい。この場合には、可視光の受光量が最大量Ｖｍａｘを越えた旨を表示装置３に表示しなくてもよい。

また、上記実施形態では、蛍光物質ＲとしてＩＣＧを例示したが、これに限るものではない。このとき、可視外光光源２Ａには、そのときに用いられた蛍光物質を励起する励起光を放射するＬＥＤを用いることは勿論である。

また、上記実施形態では、光源装置２の光源にＬＥＤを用いたが、光源は、ＬＥＤに限定されるものではなく、有機ＥＬ等の発光素子や、ランプ等であってもよい。

また、上記実施形態では、撮像システムを、患部を撮像対象物とした医療用の撮像システム１として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、部品を撮像対象物とした産業用の撮像システムであってもよい。この場合、部品に紫外光の照射によって蛍光を発する蛍光物質を浸透させ、当該部品に紫外光及び可視光を照射するようにすればよい。これにより、部品に生じた亀裂等の欠陥を映し出す蛍光画像が、背景画像である可視光画像と合わせて出力されるので、部品の欠陥を可視化できる。

また、特開２０１３−３６８８９に示すように、撮像システムは、植物を撮像対象物とした農業用の撮像システムであってもよい。この場合、植物にクロロフィル及び／又は病原菌体を励起させる励起光と可視光とを照射するようにすればよい。これにより、クロロフィル及び／又は病原菌体による蛍光画像が、背景となる可視光画像と合わせて出力されるので、植物の感染状態を可視化できる。

また、上記実施形態では、撮像システムは、可視光に関し、撮像対象物で反射した可視光を受光する反射型の撮像システム１として説明したが、撮像対象物を透過した可視光を受光する透過型の撮像システムであってもよい。この場合、点灯制御部２３は、撮像対象物を透過した可視光、及び蛍光の各々の受光信号の強度の比が略等しくなる光出力で可視外光光源２Ａを点灯すればよい。

また、上記実施形態では、可視外光光源２Ａの可視外光によって励起された蛍光を受光する蛍光型の撮像システム１として説明したが、撮像対象物で反射した可視外光光源２Ａの可視外光を受光する反射型の撮像システムであってもよいし、また、撮像対象物を透過した可視外光を受光する透過型の撮像システムであってもよい。
また、上記実施形態では、可視外光に蛍光物質を励起する励起光を用いたが、撮像対象物に蛍光物質を含ませない場合には、可視外光は励起光でなくともよい。
図８は、撮像対象物に蛍光物質を用いず、可視外光を撮像対象物に透過させて受光する撮像システム１００を示す図である。なお図８では、図１に示す撮像システム１と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
この撮像システム１００では、指Ｔを撮像対象物とし、光源装置２の可視外光光源２Ａによって指Ｔの背面である非撮像対象面ＴＡに可視外光Ｋ１（例えば、赤外光）を照射するとともに、光源装置２の可視光光源２Ｂによって指Ｔの腹面である撮像対象面ＴＢに可視光Ｋ２を照射している。すなわち、可視外光光源２Ａは非撮像対象面ＴＡ側に配置され、この可視外光光源２Ａに対向するようにカメラ１０が撮像対象面ＴＢ側に配置される。また、可視光光源２Ｂは撮像対象面ＴＢ側に配置される。なお、図８に示す撮像システム１００の可視外光光源２Ａ、可視光光源２Ｂ、非近赤外光カットフィルタ２Ｃ及びカメラ１０は、図１に示す撮像システム１のものと配置位置のみが異なるため、同一の符号を付している。
カメラ１０は、可視外光Ｋ１の透過光Ｋ１”と、可視光光源２Ｂの可視光Ｋ２及び外乱光の可視光Ｋ５による指Ｔの撮像対象面ＴＢで反射した可視光Ｋ２’とを受光し、撮影データとしてコントローラ２０に出力する。コントローラ２０は、カメラ１０の撮影データに基づいて、可視外光（赤外光）画像と、可視光画像とを生成し、それぞれを合わせて成るカラー画像を表示装置３に表示する。このカラー画像においては、指Ｔを肉眼で観察する場合と同様な可視光画像に、赤外部位（例えば、指Ｔの血管Ｖ）が重ねて表示されることとなる。図８の例では、点灯制御部２３は、指Ｔで反射した可視光Ｋ２’、及び指Ｔを透過した透過光Ｋ１”の各々の受光信号の強度の比が略等しくなる光出力で可視外光光源２Ａを点灯すればよい。図８の例でも、図１に示す撮像システム１と同様に、室内光源を通常通り点灯した状態で、外乱光及び可視光光源２Ｂの可視光の光出力に合わせて可視外光光源２Ａの光出力を調整することで、可視光画像と可視外光画像の光量バランスを最適化できる。図８の例においても、外乱光の可視光が十分な場合には、コントローラ２０は可視光光源２Ｂを消灯してもよく、また、可視光光源２Ｂ並びに可視光用駆動回路２２及び直流電源６を省略してもよいことは当然である。

１，１００ 撮像システム
２ 光源装置（光源手段）
２Ａ 可視外光光源（第２照明装置）
２Ｂ 可視光光源（第１照明装置）
４ 操作部（調整手段）
１０Ｂ イメージセンサ
２０ コントローラ
２３ 点灯制御部（点灯制御手段）
Ｆ フレーム間隔
Ｒ 蛍光物質
Ｓ シャッター期間
Ｔ 撮像対象物

Claims (6)

1. 撮像対象物を可視光で照明する第１照明装置と、
   前記撮像対象物を前記可視光外の光で照明する第２照明装置と、
   所定周期のフレームごとに所定のシャッター期間に亘り前記第１照明装置の可視光による前記撮像対象物からの光、及び前記第２照明装置の光による前記撮像対象物からの光を受光し、それぞれの光の受光量に応じた受光信号を出力するイメージセンサと、を備え、
   前記第１照明装置の可視光による受光量に基づいて生成した可視光画像に前記第２照明装置の可視外光による受光量に基づく可視外光画像を合わせて出力する撮像システムであって、
   前記シャッター期間に同期して、前記シャッター期間に応じた光出力で前記第２照明装置を点灯する点灯制御手段を備えたことを特徴とする撮像システム。
2. 前記シャッター期間を調整可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
3. 前記点灯制御手段は、
   前記第１照明装置の可視光、及び前記第２照明装置の可視外光による各々の受光信号の強度の比が略等しくなる光出力で前記第２照明装置を点灯することを特徴とする請求項２に記載の撮像システム。
4. 前記シャッター期間を調整するユーザ操作可能な調整手段を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の撮像システム。
5. 前記点灯制御手段は、前記シャッター期間の間だけ前記第２照明装置を点灯することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像システム。
6. 前記第２照明装置の可視外光による前記撮像対象物からの光は、前記第２照明装置の可視外光によって励起された蛍光であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の撮像システム。

Images