JP2016524958A - 内視鏡小型撮像システム - Google Patents

Abstract

内視鏡カメラ（３８）は、筐体直径を有する円筒状の筐体（４０）と、筐体内に載置された撮像アレイ（６０）であって、前記撮像アレイの平坦面が前記筐体直径と平行となっている撮像アレイと、を備える。内視鏡カメラカメラ（３８）は、長方形の入射面と、出射面と、前記入射面から前記出射面まで放射光を反射するように構成された斜辺とを備える透明な直角プリズム（８０）を含む。前記入射面は第２端より長い第１端を備え、前記プリズムは、前記第１端が筐体直径と平行し、且つ前記出射面が前記撮像アレイの前記平坦面と結合するように、前記筐体内に載置されている。内視鏡カメラカメラ（３８）は、対象物から入って来る放射光を受け取るように構成されていると共に、前記プリズムの前記入射面及び前記出射面を介して入って来る放射光を前記撮像アレイに伝達するように載置された光学系（１００）を更に含む。

Description

本発明は、一般に、撮像に関し、特に小外径を有する内視鏡を使用した撮像に関する。

本明細書に参照によって組み込まれる米国特許第８，１７９，４２８号は、ＣＣＤ（電荷結合素子）の「ベアチップ（bare chip）」と該ベアチップとほぼ同じ厚みを有する回路基板とを共に使用する電子内視鏡用の撮像装置を記載する。

本明細書に参照によって組み込まれる、アドラーを発明者とする米国特許第６，６５９，９４０号は、制限された寸法を有する内視鏡を開示する。その内視鏡は、制限された寸法の範囲内で適合するように形づくられた画像収集装置（image gatherer）、画像ディストータ（image distorter）及び画像センサ（image sensor）を備えている。

ボレッリ等を発明者とする米国特許第４，６８４，２２２号は、本明細書に参照により組み込まれており、アナモルフィックとなるように形成され得る小型光学系を生産する方法を開示する。

本特許出願において、参照によって組み込まれる文書は、ある用語がこれらの組み込まれた文書において本願明細書で明確に又は暗黙的に定められた定義と矛盾するように定義されて本願明細書における定義だけが考慮されるべきである場合を除き、本特許出願と切離せない部分として考慮されるべきである。

米国特許第８，１７９，４２８号 米国特許第６，６５９，９４０号 米国特許第４，６８４，２２２号

本発明の一実施形態は、筐体直径を有する円筒状の筐体と、前記筐体内に載置された撮像アレイであって、該撮像アレイの平坦面が前記筐体直径と平行となっている撮像アレイと、第２端より長い第１端と有する長方形の入射面と、出射面と、前記入射面から前記出射面まで放射光を反射するように構成された斜辺とを備える透明な直角プリズムであって、前記第１端が前記筐体直径と平行し、且つ前記出射面が前記撮像アレイの前記平坦面と結合するように、前記筐体内に載置されている透明な直角プリズムと、対象物から入って来る放射光を受け取るように構成されていると共に、該入って来る放射光を前記プリズムの前記入射面及び前記出射面を介して前記撮像アレイに伝達するように載置された光学系と、を含む内視鏡カメラを提供する。

開示の実施形態において、前記光学系が屈折率分布型の（ＧＲＩＮ）光学系を含む。

典型的に前記光学系が円形断面を有する。

開示の更なる実施形態において、前記撮像アレイが前記第１端及び前記第２端に等しい辺を有する長方形である。

典型的に、第１倍率と、前記第１倍率に対して直角であり且つ前記第１倍率と異なる第２倍率と、を有するように、前記光学系が入って来る放射光を集光させる。 前記第１倍率と前記第２倍率との光学比が前記第１端と前記第２端とのプリズム比に対応し得る。代替的に又は追加的に前記第１倍率と前記第２倍率との比率が前記カメラにより撮像される対象物のアスペクト比に対応し得る。

更なる実施形態において、前記光学系がその上に歪んだ画像を生成するように前記撮像アレイによって得られた対象物の画像に歪みを導入し、内視鏡カメラは前記対象物の歪みのない画像を生成するように非歪み率（un-distortion factor）を歪んだ画像に適用するプロセッサを含む。典型的に前記歪みは、光学的歪みを含み、前記プロセッサが数値因子として非歪み率を適用するように構成されている。

代替的な実施形態において、前記透明な直角プリズムが二等辺のプリズムを備える。

更なる代替的な実施形態において、前記円筒状の筐体の軸が前記撮像アレイの前記平坦面と平行となるように、撮像アレイが載置されている。

更なる代替的な実施形態において、前記撮像アレイが前記第１端に等しい辺を有する正方形である。

本発明の実施形態によれば、筐体直径を有する円筒状の筐体を提供するステップと、撮像アレイの平坦面が前記筐体直径と平行となるように前記筐体内に前記撮像アレイを載置するステップと、第２端より長い第１端を有する長方形の入射面と、出射面と、前記入射面から前記出射面まで放射光を反射するように構成された斜辺とを備える透明な直角プリズムを、前記第１端が前記筐体直径と平行し、且つ前記出射面が前記撮像アレイの前記平坦面と結合するように、前記筐体内に載置されるステップと、対象物から入って来る放射光を受け取る光学系を提供するステップと、入って来る放射光を前記プリズムの前記入射面及び前記出射面を介して前記撮像アレイに伝達するように光学系を載置するステップと、を備える、内視鏡カメラを形成する方法が更に提供される。

本発明はその実施形態の以下の詳細な説明からより完全に理解される。そして、以下の図と共にとられる。

本発明の一実施形態に係る内視鏡撮像システムの概略図である。 本発明の一実施形態に係る撮像システムのカメラの概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係るカメラの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るカメラの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るカメラの構成要素の概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係るカメラの構成要素の概略上面図である。 本発明の一実施形態に係る代替的なカメラの構成要素の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る代替的なカメラの構成要素の概略上面図である。 本発明の一実施形態に係る図２Ａ〜図２Ｅのカメラの光学系の動作の概念を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る撮像システムの動作工程を表すフローチャートである。

手術において使用する内視鏡は、好ましくは小さな寸法を有する。特に低侵襲手術（minimally invasive surgery）の場合には、内視鏡の寸法、例えば直径がより少ないほど、手術を受ける患者上の外傷は、より少ない。付随する内視鏡の動作効率の減少を伴うことなく内視鏡の直径の減少を可能にするシステムは、有利である。

本発明の実施形態は、極めて小さな寸法の内視鏡カメラを提供する。概して、そのカメラは、手術の間に患者のルーメンを横断するように構成されたチューブの一部である円筒状の筐体に組み込まれることができる。本発明の実施形態において、筐体直径は、１ｍｍのオーダーでもよい。

そのカメラは、アレイの平坦面が筐体直径と平行となるように、筐体内に載置された撮像アレイを備える。また、概して、平坦面が筐体の軸と平行となるようにアレイが載置される。

また、カメラは、長方形の入射面と、出射面と、入射面から出射面までの放射光を反射するように構成される斜辺（hypotenuse）を有する透明な直角プリズムを備えている。概して、そのプリズムは、合同の入射面及び出射面を有する二等辺である。入射面の第１端は、第２端より長い。第１端が筐体直径と平行となり、且つ、プリズムの出射面が撮像アレイの平坦面と結合するように、プリズムは筐体内に載置され、概して、プリズムは、光学接着剤を用いるアレイに載置される。

カメラは、光学系を更に備えており、その光学系は、典型的にプリズムの入射面と結合するように取り付けられる。光学系はカメラにより撮像される対象物からの入って来る放射光を受け、その入って来る放射光はプリズムの入射面を透過して、プリズムの斜辺から反射し、撮像アレイに出射面を透過する。

光学系は典型的にアナモルフィック光学系であり、互いに直角する方向において異なる倍率を有する。予め定められたアスペクト比、例えば４：３の「標準」アスペクト比を有する対象物の画像がプリズムの出射面を完全に満たすように様々な倍率が選択される。（出射面のアスペクト比が対象物のアスペクト比と同様であるケースを除いて、出射面を完全に満たすには異なる倍率が必要とされる。）

従って、アナモルフィック光学系は、アレイの上に形成される画像を光学的に歪ませる。概して、カメラには回路を備え、その回路は、画素値の歪んだフレーム又はセットの形でアレイから画像を受け取ると共にアレイに結合されている。ピクセルの歪みのないフレームを生成するように、回路は、「非歪み（un-distortion）」数値因子（numerical factor）を歪んだフレームに適用するように構成され得る。ピクセルの歪みのないフレームは対象物の歪みのない画像を示すために用いることができる。すなわち、表示された画像はオブジェクトのアスペクト比（object aspect ratio）と同じアスペクト比を有する。

不均等な端を有する面を含むと共に撮像アレイに載置された直角プリズムの組合せは、ミリメートル寸法を有する内視鏡カメラの実施を可能にする。

（詳細な説明）
以下において、本発明の一実施形態に係る内視鏡撮像システム１０の概略図である図１が参照される。システム１０は、体腔の一部又は全体を撮像するために、ヒト患者の体腔１２に対する侵襲医療手技（invasive medical procedure）、典型的に低侵襲手技において用いられることができる。例示として、本明細書において、体腔は患者の膀胱であると想定される。体腔１２は本明細書において、膀胱１２とも称される。しかしながら、システム１０は実質的にヒトの如何なる体腔、例えば胃腸チューブの臓器、気管支又は胸部、又は人間外の空腔も撮像するために用いてもよいことが理解される。

システム１０には、膀胱１２に内視鏡１６を届けることを可能にする撮像装置１４が具備されている。装置１４は概して、患者の体のルーメンを横断することが可能であるチューブの形である。その結果、装置１４は本明細書においてチューブ１４とも称される。内視鏡１６は、メモリ２２と通信するプロセッサ２０を有する内視鏡モジュール１８により制御される。装置１４は、その近位端２６でハンドル２８と連結されている。ハンドルによって、本願明細書において医師と考えられるシステム１０の操作者が装置を膀胱に嵌入することができ、また膀胱の画像を得るように内視鏡を操作できる。本発明の幾つかの実施形態において、その画像を得るために、ハンドル２８を用いて内視鏡１６を手動操作させるよりもむしろ、スキャンすること等内視鏡は自動的に操作する。

操作者は制御装置３０を介して入力をモジュール１８に送ることが可能である。そして、制御装置３０は概してキーボード、ポインティングデバイス又はタッチスクリーンのうちの少なくとも１つから成る。代替的に又は追加的に、制御装置３０の少なくとも幾らかは、ハンドル２８に組み込まれることができる。説明を簡単にするため、制御装置３０はマウスを備えると想定され、制御装置は本願明細書においてマウス３０とも称される。

プロセッサは、メモリ２２に典型的に格納されたソフトウェアを制御システム１０に使用する。プロセッサ２０によって実行される動作の結果はシステム１０の操作者へとスクリーン３２上に表示されることができ、スクリーンは概してシステム１０によって生成される膀胱１２の画像を示す。スクリーン３２に表示される画像は、長方形であり、ｓ：１の表示アスペクト比（ＤＡＲ）を有すると想定される。ここで、ＤＡＲは、画像幅と画像高さとの比率である。概して、必ずしも必要ではないが、画像のＤＡＲはスクリーン３２の物理的な寸法に対応し、画像ＤＡＲは公知の標準比率のうちの１つ例えば４：３であることができる。１６：９のアスペクト比を有する高解像度画像を４：３の高さ：幅寸法を有するスクリーンに投影する際にされているように、画像のＤＡＲとスクリーンの寸法との違いはスクリーン上の黒い「バンド」を組み込むことにより適応されることができる。以下において更に詳細に説明されているように、本発明の実施形態は実質的に如何なるＤＡＲの目標値に対してもスクリーン３２上のシステム１０によって見られる対象物の歪みのない画像を表示することが可能である。

例示として、以下の説明において、特記のない限り、スクリーン３２のＤＡＲは４：３であると想定される。そして、スクリーン３２の上に形成される画像は幅７６８ピクセル×高さ５７６ピクセルのフォーマットであると想定される。

操作システム１０のためのソフトウェアは、例えば、ネットワークを通じて、電子形式でプロセッサ２０にダウンロードされることができ、又は代替的に又は追加的に例えば磁気メモリ、光学メモリ、又は電子メモリに提供され且つ／又は格納されることができる。

システム１０を作動するために、医師はチューブ１４の末端３６が膀胱に入るまで、尿道（urethra）３４を介してチューブ１４を嵌入する。チューブ１４の末端３６には、カメラ３８が具備されている。カメラ３８の構造及び動作は、図２Ａ〜図２Ｅを参照して以下において説明する。

図２Ａはカメラ３８の概略斜視図であり、図２Ｂ及び図２Ｃはカメラの概略断面図である。図２Ｄはカメラの要素の概略斜視図である。図２Ｅは、本発明の一実施形態に係るカメラの要素の概略上面図である。カメラ３８には、内部筐体直径４２を有する円筒状の筐体４０を備え、円筒状の筐体４０はほぼ平坦面４４によってその末端で終端されている。概して、円筒状の筐体４０は、チューブ１４と一体化されている。カメラ３８の説明を明確にするために、円筒状の筐体はｘｙｚ直交軸線の一組を画定し、図２Ａにおいてｚ軸が円筒状の筐体の対称軸４８に対応し、ｘ軸が紙の平面内に位置すると想定される。図２Ｂはｘｙ平面におけるカメラ３８の概略断面図であり、その図は、除去された平面４４と共に描かれている。

カメラ３８は、概してチューブ１４を横断すると共にチューブの末端でｚ軸にほぼ平行する４本の略類似の光チャネル４６を備えている。チャネル４６は表面４４を出る。チャネルは概して、表面４４から出る光を伝搬するためのファイバ光学系（図示されていない）を含むチューブである。ファイバ光学系からの光は空腔１２の要素を照らし、照らされた要素からの戻り光は、後述するように、要素の画像を生成するためにカメラ３８によって用いられる。代替的に、幾つかの実施形態で、光チャネル４６は、ファイバ光学系である。

カメラ３８は、チューブ１４を横断すると共にチューブの末端でｚ軸にほぼ平行する作業チェネル（working channel）５０を備えている。作業チェネル５０は、光チャネル４６より典型的に大きくて、医師によって様々な外科手術用ツール、例えば生体組織検査ツールを空腔１２に嵌入するために用いることができる。

カメラ３８は撮像ピクセルの長方形アレイ６０にその画像を生成し、アレイが筐体４０内に取り付けられる。長方形のアレイは概して、平坦な基板６２の上に形成される電荷結合素子（ＣＣＤ）である。そして、平坦な基板がアレイのための支持フレームとして機能する。アレイ６０は、アレイによって発生された画像を形成する放射光を受ける面６４を有する。アレイは、２つの端、長さ「ｂ」を有する第１端６６と、長さ「ａ」を有する第２端６８と、を有する。

本発明の実施形態において、アレイ６０の２つの端は長さにおいて等しくない、すなわち、ａ≠ｂである。本明細書において明確性のために、端６６が端６８より長い、すなわちｂ＞ａと想定され、端６６がより長い辺又は幅と呼ばれてもよく、端６８はより短い端又は高さと呼ばれてもよい。アレイ６０は、ｂ：ａのアレイアスペクト比（ＡＡＲ）を有するアレイである。アレイ６０のピクセルが四角い場合、横列のピクセル数の縦列のピクセル数に対する比に対応するアレイ６０のピクセル・アスペクト比（ＰＡＲ）もｂ：ａである。長方形のアレイ６０は、対称中心７０を有する。

開示された実施形態において、アレイ６０がｂ＝５００μｍと、ａ＝２８０μｍとを有し、そのアレイは、２．５μｍの正方ピクセルで形成される。この場合、アレイのピクセル寸法は、２００×１１２であり、ＡＡＲ＝ＰＡＲ＝５００：２８０＝２００：１１２である。これらと類似の寸法を有するアレイは従来技術において公知であり、カナダのパサデナ所在のフォルツァシリコン社のような撮像・センサ提供者によって提供され得る。

平面基板６２は筐体４０の中に載置され、筐体の軸４８が長方形のアレイの面６４と平行し、アレイのより長い端が直径４２と平行する。

図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、透明な直角プリズム８０は、筐体４０内に載置される。プリズム８０は、斜辺面８２と、本願明細書において出射面８４とも称されるベース面８４と、本願明細書において入射面８６とも称される直立面８６といった３つの長方形の面を有する。また、プリズムは、第１の二等辺の直角三角形状面８８及び第２の二等辺の直角三角形状面９０を有する。出射面８４がアレイ６０と同じ寸法を有するように、すなわち、出射面が端長ａ及びｂを有する長方形であるように、プリズム８０は提供される。入射面８６は、出射面８４と同じ寸法、すなわち、入射面が端長ａ及びｂを有する長方形である。入射面８６及び出射面８４は長さａの共通端９２を有し、すなわち共通端は出射面及び入射面の長い端である。

二等辺の直角三角形状面８８、及び二等辺の直角三角形状面９０の直角を成す辺の長さは、アレイ６０のより短い端の長さに対応し、その結果面８８、９０の２つの二等辺三角形は長さ：ａ，ａ，ａ√２を有する。長方形の斜辺面８２は、端長ａ√２，ｂを有する。

出射面８４がアレイと結合するようにプリズム８０はアレイ６０上に載置され、出射面のより短い端がアレイのより短い端と整列配置しており、出射面のより長い端がアレイのより長い端と整列配置している。プリズムのアレイ上への取付けは光学接着剤、概してアレイにプリズムを接着するエポキシ樹脂を用いて行われることができる。そのような取り付けは、アレイの表面６４から、及びプリズムの出射面からの望ましくない反射を減らす。

本願明細書において光学系１００と称される光学素子１００は筐体４０内に載置され、それらがプリズム８０の入射面と整列配置される。概して、光学系１００は、図にて図示したように、円筒状である。概して、その取付けるステップは、光学接着剤を用いて入射面８６に光学系１００を結合するステップを備える。光学系１００は光軸１０２を有する。そして、光軸が斜辺８２における反射の後にアレイ６０の中心７０と交差するように、光学系は載置される。

図３Ａはカメラ４３８の概略断面図である。図３Ｂは、本発明の別の実施形態に係るカメラの要素の概略上面図である。後述する相違点とは別として、カメラ４３８の動作は、一般的にカメラ３８の操作と類似する（図２Ａ〜図２Ｅ）。そして、カメラ３８及び４３８の両方において同一参照番号により示される要素は一般的に構造及び動作において同様である。

不均等な端を有する長方形のアレイ６０を使用するカメラ３８とは対照的に、カメラ４３８は、正方形のアレイ４４０を使用する。正方形のアレイ４４０は出射面８４のより長い辺と同じ長さを有する端を有するように構成される。すなわち、アレイ４４０は端長ｂを有する。

出射面のより短い端がアレイの端と整列配置するように、プリズム８０はアレイ４４０に載置する。図３Ｂにて図示したように、その取付けは典型的に対称形であり、出射面から放射光を受けないほぼ等しい断面４４２と、ｂ×ａの寸法を有すると共に出射面から放射光を受け取るように出射面に結合された長方形の断面４４４とがある。斜辺８２における反射後に、光軸１０２が断面４４４の対称中心４４６で交差するように、光学系１００は載置される。

開示された実施形態において、アレイ４４０がｂ＝５００μｍを有し、アレイは、２．５μｍ正方ピクセルで形成される。この場合、アレイのピクセル寸法は、２００の×２００である。（これらと類似の寸法を有するアレイは従来技術において公知であり、撮像センサ提供者、例えば上記提供者によって提供され得る。）開示された実施形態において、部分４４４は、カメラ３８のパラメータに対応する５００μｍ×２８０μｍの寸法と、２００の×１１２のピクセル寸法を有する。

カメラ４３８が作動するときに、プリズムの完全に満たされた出射面を介して断面上に投影される画像を得る部分４４４はアレイ４４０のアクティブ領域であるが、部分４４２は非アクティブ領域である。

図４は、本発明の一実施形態に係る光学系１００の動作の概念的表示のための模式図である。図４は、図２Ａ〜図２Ｅに関連して上で画定されたｘｙｚ軸を用いて図示されており、カメラ３８が考慮されていると仮定されている。当業者であれば、カメラ４３８の場合においても、以下の説明を適応させることが可能である。説明を簡単にするため、図はプリズム８０の存在なしで描かれている。その結果、中心７０を有するアレイ６０は中心７０’を有する一致アレイ６０’により表される。アレイ６０'は、アレイ６０の端６６及び６８に対応する端６６'及び６８'を有する。端６６'及び６８'はｙ及びｘ軸と平行となっており、中心７０'はｚ軸上にある。以下の説明は、中心７０を有するアレイ６０に戻る。

概念上の観点から、光学系１００はｘ方向及びｙ方向の異なる倍率を有するアナモルフィック光学系の特性を有すると考えられ得る。説明を簡単にするため、以下の説明において対象物１３０が光学系１００から非常に遠く離れており、その結果、対象物は効果的に無限であり、当業者はその説明を光学系１００により近い対象物に適応させることが可能である。さらに、対象物１３０は、ｚ軸上にセンター１３２と、それぞれｘ及びｙ軸と平行する端１３４及び１３６とを有する長方形であると想定される。端１３４は高さｈを有し、端１３６は幅ｗを有し、ｗ：ｈのオブジェクト・アスペクト比（object aspect ratio）を与える。

光学系１００は、対象物１３０の中央点１３２からｚ軸上の焦点１１２まで光線を焦束すると想定される。そして、アレイ６０の中心７０が焦点１１２と一致するように、光学系は配置される。対象物１３０は、このようにアレイ６０上に完全に集光していてもよい。

概して、対象物１３０の画像がプリズムの出射面を完全に満たし、且つアレイ６０を完全にカバーするように、光学系１００は構成される。この構成は、アレイ６０のすべてのピクセルを利用する。しかしながら、ｗ：ｈ＝ｂ：ａの場合を除いて、完全なカバーのためには光学系１００が対象物１３０の画像を歪める必要があり、その結果、光学系によって生成される画像は対象物と幾何学的にもはや類似しない。光学系によって導かれる歪みは、アナモフィック系として機能する、アレイ上の画像に関してｘ方向及びｙ方向に異なる倍率を生み出す光学系と等しい。

光学系１００倍率は、以下の方程式によって与えられる：
ｍ_ｘ＝ａ／ｈ;ｍ_ｙ＝ｂ／ｗ （１）
ここで、ｍ_ｘが、ｘ方向における光学系の倍率であり、ｍ_ｙが、ｙ方向における光学系の倍率である。

光学系によって生じる歪みの計測は、２つの方向における幅倍率：高さ倍率の比率、すなわち、幅倍率ｍ_ｙの高さ倍率ｍ_ｘに対する比率によって与えられる。
Ｄ＝ｍ_ｙ／ｍ_ｘ＝ｂｈ／ａｗ （２）
ここで、Ｄが光学系１００の歪みメトリックであり、幅倍率：高さ倍率の比率に等しい。

光学系１００によって導かれる歪みの第１の数値例として、その対象物１３０がｗ＝４０００μｍ及びｈ＝３０００μｍの寸法をし、対象物が４：３のアスペクト比を有すると仮定する。このアスペクト比は、「標準」撮像光学系の典型的値である。アレイ６０が上記の開示された実施形態の寸法、すなわち、５００μｍの幅及び２８０μｍの高さを有すると更に仮定する。この場合、方程式（１）から、光学系１００は、以下の倍率を有するように構成される：
ｍ_ｘ＝２８０／３０００＝０．０９３；ｍ_ｙ＝５００／４０００＝０．１２５（３）

この場合、方程式（２）から、光学系１００の幅倍率：高さ倍率は以下の通りである：
Ｄ＝ｂｈ／ａｗ＝（５００・３０００）／（２８０・４０００）＝１．３４ （４）

第２の数値例として、対象物１３０がｗ＝ｈの正方形であり、１：１のアスペクト比に対応するすると仮定する。この場合、光学系１００によって導かれた歪みＤは、方程式（２）から、アレイ６０のアスペクト比に等しい。すなわち、上記の開示された実施形態に対して、
Ｄ＝ｂ／ａ＝５００／２８０＝１．７９ （５）
である。

第３の数値例として、その対象物１３０が、アレイ６０のアスペクト比に等しいｂ：aのアスペクト比を有すると仮定する。この場合、光学系１００によって導かれる歪みはない。すなわち、ｘ及びｙ方向倍率は等しい、ｍ_ｘ＝ｍ_ｙ、そして、Ｄ＝１である。

上記の光学系１００の説明は、アレイ６０上に対象物１３０を映すために光学系によって必要とされるｘ及びｙ方向における高さ倍率ｍ_ｘ及び幅倍率ｍ_ｙに関連して説明してきた。特定の倍率ごとに、光学系１００の対応する焦点距離ｆ_ｘ，ｆ_ｙがある。焦点距離のための近似値は、単純な光学系に対して方程式（６）から決定されることができる：
ｆ＝（ｍｄ_ｏ）／（ｍ＋１） （６）
ここで、ｆが光学系１００の必要な焦点距離であり、ｄ_ｏが光学系から対象物１３０までの距離をあり、ｍは所望倍率である。

光学系１００の焦点距離ｆｘ，ｆｙを算出して、光学系及びシステム１０のための他のパラメータを算出するために、それらの当業者は方程式（６）又は光学分野において周知の他の方程式を使用することが可能である。

光学系１００は、同技術分野における周知方法を用いて、個々の「従来の」構成要素又はレンズで、あるいは、単一光レンズが用いられて光学系は実現され得る。例えば、上述の米国特許第４，６８４，２２２号は、小型アナモルフィックレンズを生産する方法を記載する。代替的に又は追加的に、光学系１００は、同技術分野における公知方法を用いて屈折率分布型の（ＧＲＩＮ）光学系を使用して確立され得る。ＧＲＩＮ光学系を用いる場合、プリズム入射面８６と結合する光学系１００の面が平らに作られ、入射面に光学系を結合することが容易となる。加えて、ＧＲＩＮ光学系は、従来の構成要素によって必要とされるサイズと比較して、光学系１００のサイズを減らすことができる。

図２Ｃ及び図２Ｅに戻ると、集積回路として典型的に実現される回路２００は、アレイ６０を駆動すると共にコネクタ２１０によってアレイに提供されるクロッキング信号を生成する。回路２００はローカルプロセッサ２０５により駆動される。そして、ローカルプロセッサ２０５は回路の動作の全体の制御部を有する。アレイ上の入射する放射光に対応してアレイによって発生される信号は、コネクタ２１０によって回路２００へ転送される。アレイ６０によって発生する信号は最初にアナログ形態であり。回路２００は、とりわけ、アナログ信号を増幅して、デジタル化し、概してアレイ６０上に入射する光学画像に対応するデジタル画像のフレームを形成する。それから、回路２００は、伝導要素２２０を介してデジタル化されたフレームをプロセッサ２０（図１）へ転送させる。少なくとも、要素２２０のいくらかは、概して、チューブ１４に取り付けられたフレキシブルプリント回路基板２４０上に形成されるか又は回路基板２４０に連結される。しかしながら、例えばファイバ光学系及び／又は無線伝送装置を用いる等の同技術分野の如何なる公知方法も、回路２００によって発生したデータをプロセッサ２０に転送するために実施され得る。

アレイ６０から出力されるデジタル化された画像は、方程式（２）に関して上で定められた歪みメトリックＤに従って光学系１００によって光学的に歪む。歪みがないようにスクリーン３２のアレイ６０によって得られた画像を表示するために、回路２００は数の「非歪み」率Ｕを受け取ったデジタル化画像に適用する。その結果、プロセッサ２０によって受け取られるデジタル化画像は歪みのないフォーマットにある。あるいは、非歪み率Ｕは、プロセッサ２０によって、回路２００により出力される歪んだデジタル画像に適用されることができる。

非歪み率Ｕは方程式（７）によって表される：
Ｕ＝１／Ｄ＝ｍ_ｘ／ｍ_ｙ （７）

言い換えると、方程式（７）から、スクリーン３２上の表示のためにアレイ６０から出力されるデジタル画像に適用される幅倍率：高さ倍率の比率Uは、光学系１００によって発生される幅倍率：高さ倍率の比率Ｄの逆である。以下において、必要な倍率をアレイ６０からデジタル化された画像に適用するための例について説明する。

図５は、本発明の一実施形態に係るステム１０の動作におけるステップを示すフローチャート５００である。フローチャート５００のステップでは、カメラ３８が用いられていると仮定されており、カメラ４３８の場合に当業者が必要な変更を加えてその説明を適応させることが可能である。

初期ステップ５０２において、一般的に図１に関して上述したようにシステム１０が実施される。実施は光学系１００を形成するステップを含み、光学系からの予め定められた対象物距離、対象物の予め定められたアスペクト比及びアレイ６０の予め定められたアスペクト比及びサイズのために、降格系は方程式（１）〜（６）及び付随する説明に従って形成される。光学系１００はアナモルフィックであると想定され、方程式（２）により定義される歪み率Ｄを有する。

照射ステップ５０４において、放射光は光チャネル４６から空腔１２内へ照射される。概して、必ずしも必要ではないが、放射光は、可視スペクトル内の光を含む。しかし、幾つかの実施形態で、放射光は、例えば赤外線及び／又は紫外線放射光の非可視要素を含む。

放射光は空腔１２内の空腔の壁を含む対象物を照らし、照らされた光学系からの戻り放射光は光学系１００によって得られる。

画像獲得ステップ５０６において、光学系１００は、照らされた対象物から入って来る放射光を受け取る。光学系は獲得の入って来る放射光を照らされた対象物の画像に集光させ、画像がアレイ６０の上に形成される。放射光の集光は、プリズム８０の入射面８６、プリズムの斜辺面斜辺面８２及びプリズムの出射面８４を介して獲得の入って来る放射光をアレイ６０に伝達する光学系により実行される。

デジタル画像ステップ５０８において、歪んだ画像のピクセルのフレーム又はセットを形成するように、アレイ６０及び回路２００は、アレイ６０に集光される画像をデジタル化する。それから、回路はピクセルのフレームに対して方程式（７）によって定められる非歪み率Ｕを適用され、非歪み画像を表す一組のピクセルを生成する。非歪み率Ｕの適用は、概して、歪みのないフォーマットでデジタル化されたピクセルフレームが生成されるように、アレイ６０から受け取られるデジタル画像におけるピクセルの追加、ピクセルの除去及び／又はピクセル値の変化を含む。以下の例は、非歪み画像のピクセルがどのように生成されるかについて説明する。

第１の実施例では、光学系１００が４：３のアスペクト比でアレイ６０の上に対象物１３０を映し出し、アレイ６０が２００：１１２のアスペクト比を有する上記開示された実施形態のアレイに対応すると想定される。それから、アレイ６０からの画像は、７６８ピクセル幅×５７６ピクセル高さの画像として、すなわち、対象物１３０と同じアスペクト比を有する画像としてスクリーン３２上に表示するに適する回路２００によって歪みのない画像となる。

光学系１００は、上記の第１の数値例に対応する歪み率Ｄを有するように、すなわち幅倍率：高さ倍率の比率が１．３４であるように構成される。

回路２００は、方程式（７）からの１／１．３４＝０．７５に等しい非歪み率Ｕを適用することによってアレイ６０からのデジタル化画像を歪みがないようにする。この率は、アレイ６０から受け取られるピクセルに回路２００によって導入された幅倍率：高さ倍率の比率に対応する。

ｙ方向において、アレイ６０は、３．８４の幅倍率に対して２００ピクセルを生成し、スクリーン３２がこの方向において７６８ピクセルを表示する。

ｘ（高さ）方向において、アレイ６０は１１２ピクセルを生成し、スクリーン３２は５．１４の高さ倍率に対してこの方向に５７６ピクセルを表示する。幅の実際倍率：高さの実際倍率の比率、３．８４／５．１４は、回路２００によって導かれた非歪み率Ｕ＝０．７５に対応する。

第２の実施例は、１６：９のアスペクト比に対して、スクリーン３２が１２８０の×７２０のピクセル寸法を有すると仮定する。このアスペクト比は、実質的にアレイ６０のアスペクト比（２００：１１２）に対応する。このように、アスペクト比１６：９を有する対象物はアレイ６０上へ歪みなしで撮像されることができる。そして、スクリーン３２に対して１２８０の×７２０ピクセルを生成する際に必要とされる「非歪み」がない。
光学系１００によって導かれる歪みがないので、光学系はこの場合球状光学系又は球状光学系に等しいものであることができる。この第２の実施例において、スクリーン３２のための幅倍率は１２８０／２００であり、高さ拡大（２００：１１２）は７２０／１１２であり、両方の倍率がほぼ６．４の同じ値を有する。

上記の値の考慮は、これらの実施例のために、非歪み画像のピクセルを表すフレームを生成するために、回路２００がピクセルをアレイ６０から受け取るデジタル化された値に導入することを示す。導入は、概してアレイからの値の間の内挿による。このように、ｙ方向において、回路２００は、スクリーン３２により示される縦列数に対応する、第１の実施例のための７６８ピクセル又は第２の実施例のための１２８０ピクセルを生み出すために受け取られた２００つの値間に内挿を行なう。同様に、ｘ方向において、回路２００は、クリーン３２により示される横列数に対応する、第１の実施例のための５７６ピクセル又は第２の実施例のための７２０ピクセルを生み出すために受け取られた１１２の値間に内挿を行なう。回路２００により実行された内挿は、公知技術のいかなる内挿も含むことができる。

それらの当業者は、他の対象物アスペクト比のための、そして、他のアレイアスペクト比のために、回路２００によって導入される幅倍率と高さ倍率を評価するために上記の実施例を適応させることが可能である。

最終的な表示ステップ５１０において、プロセッサ２０は、回路２００から対象物１３０の歪みのない画像に対応するピクセルでフレームを受け取り、非歪み画像をスクリーン３２に表示する。

上記のが例として引用されており、本発明が特に図と共に上述されたものに限られていないことはいうまでもない。むしろ、本発明の範囲は上記の様々な特徴の組合せ及び下位組合せと、前述の説明を読むと即座に当業者が想到でき且つ従来技術で開示されていないその変形例及び変更例とも含む。

４０ 筐体
６０ 撮像アレイ
８６ 入射面８４出射面
８２ 斜辺面
８０ 直角プリズム
１００ 光学系
３８ 内視鏡カメラ

Claims (24)

1. 筐体直径を有する円筒状の筐体と、
   前記筐体内に載置された撮像アレイであって、該撮像アレイの平坦面が前記筐体直径と平行となっている撮像アレイと、
   第２端より長い第１端と有する長方形の入射面と、出射面と、前記入射面から前記出射面まで放射光を反射するように構成された斜辺とを備える透明な直角プリズムであって、前記第１端が前記筐体直径と平行し、且つ前記出射面が前記撮像アレイの前記平坦面と結合するように、前記筐体内に載置されている透明な直角プリズムと、
   対象物から入って来る放射光を受け取るように構成されていると共に、該入って来る放射光を前記直角プリズムの前記入射面及び前記出射面を介して前記撮像アレイに伝達するように載置された光学系と、
   を備える内視鏡カメラ。
2. 前記光学系が屈折率分布型の（ＧＲＩＮ）光学系を備える請求項１に記載の内視鏡カメラ。
3. 前記光学系が円形断面を有する、請求項１に記載の内視鏡カメラ。
4. 前記撮像アレイが前記第１端及び前記第２端に等しい辺を有する長方形である、請求項１に記載の内視鏡カメラ。
5. 第１倍率と、前記第１倍率に対して直角であり且つ前記第１倍率と異なる第２倍率と、を有するように、前記光学系が入って来る放射光を集光させる、請求項１に記載の内視鏡カメラ。
6. 前記第１倍率と前記第２倍率との光学比が前記第１端と前記第２端とのプリズム比に対応する、請求項５に記載の内視鏡カメラ。
7. 前記第１倍率と前記第２倍率との比率が前記内視鏡カメラにより撮像される対象物のアスペクト比に対応する、請求項５に記載の内視鏡カメラ。
8. 前記光学系がその上に歪んだ画像を生成するように前記撮像アレイによって得られた対象物の画像に歪みを導入し、前記対象物の歪みのない画像を生成するように非歪み率（un-distortion factor）を歪んだ画像に適用するプロセッサを備える、請求項１に記載の内視鏡カメラ。
9. 前記歪みは、光学的歪みを含み、
   前記プロセッサが数値因子として非歪み率を適用するように構成されている、請求項８に記載の内視鏡カメラ。
10. 前記透明な直角プリズムが二等辺のプリズムを備える、請求項１〜９の何れか一項に記載の内視鏡カメラ。
11. 前記円筒状の筐体の軸が前記撮像アレイの前記平坦面と平行となるように、撮像アレイが載置されている、請求項１〜９の何れか一項に記載の内視鏡カメラ。
12. 前記撮像アレイが前記第１端に等しい辺を有する正方形である、請求項１〜９の何れか一項に記載の内視鏡カメラ。
13. 筐体直径を有する円筒状の筐体を提供するステップと、
    撮像アレイの平坦面が前記筐体直径と平行となるように前記筐体内に前記撮像アレイを載置するステップと、
    第２端より長い第１端を有する長方形の入射面と、出射面と、前記入射面から前記出射面まで放射光を反射するように構成された斜辺とを備える透明な直角プリズムを、前記第１端が前記筐体直径と平行し、且つ前記出射面が前記撮像アレイの前記平坦面と結合するように、前記筐体内に載置されるステップと、
    対象物から入って来る放射光を受け取る光学系を提供するステップと、
    入って来る放射光を前記直角プリズムの前記入射面及び前記出射面を介して前記撮像アレイに伝達するように光学系を載置するステップと、
    を備える、内視鏡カメラを形成する方法。
14. 前記光学系が屈折率分布型の（ＧＲＩＮ）光学系を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記光学系が円形断面を有する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記撮像アレイが第１端及び第２端に等しい辺を有する長方形である、請求項１３に記載の方法。
17. 第１倍率と、前記第１倍率に対して直角であり且つ前記第１倍率と異なる第２倍率とを有するように、前記光学系が入って来る放射光を集光させるステップを備える、請求項１３に記載の方法。
18. 前記第１端と前記第２端のプリズム比に応じて前記第１倍率と前記第２倍率との光学比を決定するステップを備える、請求項１７に記載の方法。
19. 前記内視鏡カメラにより撮像される対象物のアスペクト比に応じて前記第１倍率と前記第２倍率との比率を決定するステップを備える、請求項１７に記載の方法。
20. その上に歪んだ画像を生成するように前記撮像アレイによって得られた対象物の画像に歪みを導入する光学系を備えるステップと、
    前記対象物の歪みのない画像を生成するように非歪み率（un-distortion factor）を歪んだ画像に適用するステップを更に備える、請求項１７に記載の方法。
21. 前記歪みは、光学的歪みを含み、
    非歪み率が数値因子である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記透明な直角プリズムが二等辺のプリズムを備える、請求項１３〜２１の何れか一項に記載の方法。
23. 前記円筒状の筐体の軸が前記撮像アレイの前記平坦面と平行となるように、前記撮像アレイを載置するステップを備える、請求項１３〜２１の何れか一項に記載の方法。
24. 前記撮像アレイが前記第１端と等しい辺を有する正方形である、請求項１３〜２１の何れか一項に記載の方法。

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