JP2017047186A - 光伝送ユニットおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単に高解像度な画像を提供すること
【解決手段】光伝送ユニットは、複数の光伝送路１０Ａと、前記複数の光伝送路の夫々の入射端の開口を制限する第１の開口制限手段２０Ａと、前記複数の光伝送路の夫々の出射端の開口を制限する第２の開口制限手段２０Ｂと、前記第１の開口制限手段によって制限された開口の変位方向及び変位量と、前記第２の開口制限手段によって制限された開口の変位方向及び変位量と、が等しくなるように、前記複数の光伝送路と、前記第１及び第２の開口制限手段と、の少なくとも一方を光伝送路の光軸方向の周りに回転変位させる変位手段（３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送ユニットおよび撮像装置に関する。

近年、内視鏡などの撮像装置では、画像の高解像度化が益々要求されている。特許文献1は、光ファイバー素線を整列状態で多数束ねた入射端面の前方にマスクを配置し、マスクを通った入射光を光ファイバーに投影させるレンズを設けた画像伝送路を提案している。マスクは、入射端面を拡大し、画像伝送に寄与しない部分の透過率を低下させる。また、従来の高解像度化手段として画素ずらしや画素シフトが知られている。

特許文献２は、ニポウディスクの開口形状を提案し、特許文献３は、トルクコイルについて提案している。

特開昭５８−１７４０３号公報 特開２０１１−２２１１７０号公報 特許第５４０８８０９号公報

特許文献１の構成は、画像伝送路を経た光から得られる画像の高コントラスト化には有効であるが、画像の高解像度化を実現することはできない。また、上述した従来の高解像度化手段は、フレームレートの速いイメージセンサや高い演算処理能力を有する画像処理手段が必要であり、高解像度化の実現が困難であった。

本発明は、比較的簡単に高解像度な画像を提供することが可能な光伝送ユニットおよび撮像装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の光伝送ユニットは、複数の光伝送路と、前記複数の光伝送路の夫々の入射端の開口を制限する第１の開口制限手段と、前記複数の光伝送路の夫々の出射端の開口を制限する第２の開口制限手段と、前記第１の開口制限手段によって制限された開口の変位方向及び変位量と、前記第２の開口制限手段によって制限された開口の変位方向及び変位量と、が等しくなるように、前記複数の光伝送路と、前記第１及び第２の開口制限手段と、の少なくとも一方を光伝送路の光軸方向の周りに回転変位させる変位手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡単に高解像度な画像を提供することが可能な光伝送ユニットおよび内視鏡を提供することができる。

本発明のファイバースコープの概略構成図である。（実施例１） 図１に示すファイバー束の端面とマスクの平面図である。（実施例１） 図１に示す駆動制御手段による駆動制御を示す図である。（実施例１） 図３のときの変位と露光の時間特性を示すグラフである。（実施例１） 図１に示す画像生成ユニットが多重化した開口分布を示す図である。（実施例１） 図１に示す被写体の例と、従来のファイバースコープによる被写体の撮像画像と、図１に示すファイバースコープによる被写体の撮像画像の図である。 図３に示す駆動制御によって得られる出射側マスクの光強度分布を示す図である。（実施例１） 図７の変形例を示す図である。（実施例１） 本発明のファイバースコープの概略構成図である。（実施例２） 図９に示すファイバー束の入射端面、マスク、それらの合成開口分布を示す図である。（実施例２） 図９に示す駆動制御手段による駆動制御を示す図である。（実施例２） 図１１のときの変位と露光の時間特性グラフである。（実施例２） 図９に示す画像生成ユニットが多重化した開口分布を示す図である。（実施例２） 本発明のマスク上の開口分布を示す平面図である。（実施例３） 図１４（ａ）に示すマスクを使用して多重化した開口分布を示す図である。（実施例３） 本発明のマスク上の開口分布を示す平面図である。（実施例３） 図１６（ｂ）に示すマスクを使用して多重化した開口分布（９０度）を示す図である。（実施例３） 図１６（ｂ）に示すマスクを使用して多重化した開口分布（１８０度）を示す図である。（実施例３） 図１６（ｂ）に示すマスクを使用して多重化した開口分布（２７０度）を示す図である。（実施例３） 図１６（ｂ）に示すマスクを使用して多重化した開口分布（３６０度）を示す図である。（実施例３） 本発明の六方最密配置されたファイバー束の垂直断面図である。（実施例４） 本発明の六方最密配置されたファイバー束の幾何的パラメータである。（実施例４） 本発明の六方最密配置されたファイバー束とアルキメデス螺旋曲線の重畳図（ａ＝Ｒ／πの場合）である。（実施例４） 本発明の比較例としての六方最密配置されたファイバー束とアルキメデス螺旋曲線の重畳図（ａ＞Ｒ／πの場合）である。（実施例４） 本発明の比較例としての六方最密配置されたファイバー束とアルキメデス螺旋曲線の重畳図（ａ＜Ｒ／πの場合）である。（実施例４） 本発明のマスクの開口位置を決定する方法を説明するための図である。（実施例４） 本発明のマスクの周縁部にある開口位置の径方向への入れ替えを説明するための図である。（実施例４）

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１のファイバースコープ（内視鏡、撮像装置）の概略基本構成図である。実施例１のファイバースコープは、対物レンズ２、光伝送ユニット、リレーレンズ４、イメージセンサ（撮像素子）５、画像生成ユニット（画像生成手段）６、モニタ（表示手段）７を有する。光伝送ユニットは、ファイバー束（伝送路ユニット）１０Ａ、マスク２０Ａ、Ｂ、アクチュエータ（駆動手段）３０Ａ、Ｂ、駆動制御手段４０Ａを有する。

対物レンズ２は、被写体Ｓの光学像（被写体像）をファイバー束１０Ａの被写体側の入射端面１１上にマスク（第１のマスク）２０Ａを介して結像させる。ファイバー束１０は複数の光ファイバー（複数の光伝送路）を備えている。対物レンズ２によって、被写体からの光はファイバー束１０Ａの各光ファイバーに入射される。各光ファイバーに入射した光は、相互に干渉することなく、独立に内部を伝搬し、ファイバー束１０Ａの反対側の出射端面１２からマスク（第２のマスク）２０Ｂを介して出射する。リレーレンズ４は、出射光をイメージセンサ（撮像素子）５の撮像面に結像させる。イメージセンサ５は、光伝送ユニットによって伝送された被写体の光学像を光電変換する。撮像された画像は、Ａ／Ｄ変換され、イメージセンサ５に接続された画像生成ユニット（画像生成手段）６で各種の処理を施されて画像化され、モニタ（表示手段）７を介して観察者Ｐに画像を提供する。

図２（ａ）は、ファイバー束１０Ａの端面の拡大平面図である。同図中、白色領域は光ファイバーの開口部（コア）１３、黒色領域は光伝搬に寄与しない遮光部（クラッド）１４である。各光ファイバーは、図２（ａ）の紙面に垂直な方向に延びている。ファイバー束１０Ａでは、複数の開口１３が３×３の正方行列状に配列されており、複数の光ファイバーは稠密に隣り合っている。

マスク２０Ａは、ファイバー束１０Ａの被写体側の入射端面１１上にファイバー束１０Ａに一体的に設けられる（即ち、不図示の固定手段によって入射端面１１に対して固定される）。マスク２０Ａは、複数の光ファイバーの夫々の入射端の開口１３（あるいは開口径）を制限する第１の開口制限手段として機能する。マスク２０Ｂは、ファイバー束１０Ａの撮像素子側の出射端面１２上にファイバー束１０Ａに一体的に設けられる（即ち、不図示の固定手段によって出射端面１２に対して固定される）。マスク２０Ｂは、複数の光ファイバーの夫々の出射端の開口１３（あるいは開口径）を制限する第２の開口制限手段として機能する。なお、第１及び第２の開口制限手段の構成は、機械的構成、光学的構成等、特に本実施例のマスクに限定されない。例えば、開口制限手段を、クラッド材に光吸収体・遮光体を混入させることによって構成してもよい。

アクチュエータ３０Ａ、Ｂと駆動制御手段４０Ａは、ファイバー束１０と、マスク２０Ａ及びＢと、の少なくとも一方を変位させる変位手段として機能する。変位手段は、マスク２０Ａにより制限された開口（即ち、開口２１）の変位方向及び変位量と、マスク２０Ｂにより制限された開口（即ち、開口２１）の変位方向及び変位量と、が等しくなるように、変位させる。即ち、変位手段は、複数の光ファイバーとマスク２０Ａ及びＢの全て、マスク２０Ａ及びＢのみ、または、複数の光ファイバーのみを変位させることができる。マスク２０Ａ、Ｂによって制限された開口の変位は光ファイバーに対する相対的変位であってもよい。この場合、変位手段は、入射端の開口１３に対するマスク２０Ａの開口２１の変位方向及び変位量と、出射端の開口１３に対するマスク２０Ｂの開口２１の変位方向及び変位量と、が等しくなるように、変位させることになる。「等しくなるように」とは、製造誤差、個体差による誤差、制御誤差等に基づく誤差を許容する趣旨である。なお、変位は、後述するように、光ファイバーの光軸方向（中心軸方向）周りの回転変位であってもよい。光ファイバーの光軸方向（中心軸方向）とは、光ファイバーの入射端又は出射端の中心（重心）における法線方向を意味する。

図２（ｂ）は、マスク２０Ａ、Ｂの平面図であり、ファイバー束１０Ａの開口１３を透過して示している。各マスクは、白色領域で示す開口２１と黒色領域で示す遮光部２２から構成されている。開口２１は、開口１３の面積よりも小さい面積を有し、これにより、各光ファイバーへの入出射光を制限している。このように、開口２１の大きさは、マスク２０Ａ、Ｂの間で等しい。開口２１は、各開口１３と一対一に対応し、ファイバー本数と同数だけ設けられる。図２（ｂ）において、図２（ａ）に示す開口１３は白色破線で示されている。本実施形態において、開口２１の径は開口１３の径の３分の１になっている。

アクチュエータ３０Ａは、マスク２０Ａを光軸に直交する面内で変位させ、アクチュエータ３０Ｂは、マスク２０Ｂを光軸に直交する面内で変位させる。マスク２０Ａはファイバー束１０Ａの入射端面１１に固定されているので、アクチュエータ３０Ａはマスク２０Ａと入射端面１１を一体的に変位させる。また、マスク２０Ｂはファイバー束１０Ａの出射端面１２に固定されているため、アクチュエータ３０Ｂはマスク２０Ｂと出射端面１２を一体的に変位させる。２つのアクチュエータ３０Ａ、Ｂは、駆動制御手段４０Ａに接続され、それぞれの変位量、変位方向、タイミングが、駆動制御手段４０Ａによって制御される。駆動制御手段４０Ａは、イメージセンサ５と接続され、イメージセンサ５と信号同期通信を行うことができる。駆動制御手段４０Ａは、アクチュエータ３０Ａ、３０Ｂによる変位とイメージセンサ５による画像取得のタイミングを同期させている。

図３は、駆動制御手段４０Ａによって制御される、時間経過に伴うマスク２０Ａ、Ｂの変位を示す正面図であり、右方向にＸ軸、下方向にＹ軸を設定している。破線は、ｔ＝５Δにおける位置を示している。図３では、変位手段は、ファイバー束１０の光軸に垂直な平面において、マスク２０Ａ、Ｂを２次元並進させている。

図４（ａ）は、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０ＡのＸ方向の変位量（縦軸）と時間ｔ（横軸）との関係を示すグラフである。図４（ｂ）は、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０ＡのＹ方向の変位量（縦軸）と時間ｔ（横軸）との関係を示すグラフである。

時刻がｔ＝１Δのときの位置を初期位置とすると、時刻がｔ＝２Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝１Δの位置からＸ方向に所定量（＋１）だけ移動させる。時刻がｔ＝３Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝２Δの位置からＸ方向に所定量（＋１）だけ移動させる。

時刻がｔ＝４Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝３Δの位置からＹ方向に所定量（＋１）だけ移動させる。時刻がｔ＝５Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝４Δの位置からＸ方向に所定量（−１）だけ移動させる。時刻がｔ＝６Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝５Δの位置からＸ方向に所定量（−１）だけ移動させる。

時刻がｔ＝７Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝６Δの位置からＹ方向に所定量（＋１）だけ移動させる。時刻がｔ＝８Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝７Δの位置からＸ方向に所定量（＋１）だけ移動させる。時刻がｔ＝９Δのときに、駆動制御手段４０Ａは、マスク２０Ａ、Ｂとファイバー束１０Ａを、ｔ＝８Δの位置からＸ方向に所定量（＋１）だけ移動させる。

図４（ｃ）は、イメージセンサ５の露光（縦軸）と時間ｔ（横軸）との関係を示すグラフである。「ｏｎ」は露光状態、「ｏｆｆ」は露光停止状態を示している。露光制御は、イメージセンサ５の不図示の電子シャッター手段を制御することによって行うことができる。図４（ｃ）に示すように、時刻１Δ〜９Δにおいて、露光がなされる。即ち、Ｘ方向に関しては時刻ｔの最小ステップ単位Δごとに変位し、３段階のＸ座標をとる。Ｙ方向に関しても３Δごとに変位し、こちらも３段階のＹ座標をとる。この結果、合計９段階の開口位置をとる。Ｙ方向の変位は上昇と下降で１セットとなっているので、結局１８Δを一周期とした繰り返し変位の運動となる。この間、イメージセンサ５は、９Δが１フレーム時間となるように露光時間が設定される。

図３は、入射側または出射側から見たときのマスク上の開口変位を示している。上述したように、変位手段は、入射側または出射側から見たときの、マスク２０Ａによって制限された開口１３の変位方向と変位量と、マスク２０Ｂによって制限された開口１３の変位方向と変位量が等しくなるように、マスク２０Ａ、Ｂを変位させる。例えば、入射側からマスク２０Ａと、マスク２０Ｂ（の撮像素子側）を、ｔ＝１Δにおいて、図３に示すように重ねて見た場合、ｔ＝２Δ〜９Δのそれぞれにおいて、図３に示すように変位する。

画像生成ユニット６は、変位手段によって変位されたマスク２０Ａ、Ｂのそれぞれの位置において、イメージセンサ５から得られる画像データを合成して画像化するよう構成される。図４からも明らかなように、１フレーム内にマスク２０Ａ、Ｂが採り得る位置はいわゆる「ロングシャッターで多重露光」されるかのごとく合成記録され、図５に示す合成開口を通して高解像度画像を取得したかのように機能する。前述したように、イメージセンサ５と駆動制御手段４０Ａが信号同期通信を行っているので、このような動作が可能となる。なお、画像生成ユニット６は、イメージセンサ５が撮像した画像データに対してその他の処理（ホワイトバランス、ガンマ補正、デモザイク処理など）を施してもよい。

被写体Ｓとして、図６（ａ）に示す文字Ａを考える。マスク２０Ａ、Ｂ、アクチュエータ３０Ａ、３０Ｂ、駆動制御手段４０Ａがない従来の構成において、対物レンズ２によって、Ａの光強度分布がファイバー束１０Ａの入射端面１１に形成される場合を考える。入射光は、各光ファイバー内を独立に伝搬するため、光ファイバー径よりも細かい光強度分布は出射端に届くころには平均化され、図６（ｂ）に示すように、光ファイバー単位でサンプリングされた低解像度の光強度分布となって出射端面１２に現れる。図６（ｂ）は、従来のファイバースコープにおいて図６（ａ）に示す文字Ａを光ファイバー単位でサンプリングした強度分布であり、文字Ａの解像度は失われている。

これに対して、実施例１によれば、ファイバー束１０Ａの出射端での光強度分布は図７に示すように推移する。これを１フレーム＝９Δとなるように露光時間を設定したイメージセンサ５で受像すると、図６（ｃ）に示すように、図６（ｂ）に示す従来のファイバースコープの９倍の解像度を有する高解像度の画像を取得することができる。１フレームの露光時間には、光軸に直交するＸ、Ｙ方向にマスクによって制限された開口を変位させる場合に全ての位置に変位させるのに必要な時間が設定される。

イメージセンサ５の解像度は、高解像度画像と同等以上に設定される。即ち、イメージセンサ５の最小画素の大きさは、マスク２０Ａ、Ｂのそれぞれの開口以下の大きさを有する。本実施例では、ファイバー束１０Ａを構成する光ファイバー本数の９倍以上の画素数を有するようなイメージセンサ５を用いる。これにより、図５（図６（ｃ））に示す高解像度を取得することができる。

実施例１は、開口１３の径の３分の１の開口径を有するマスク２０Ａ、Ｂを縦横にそれぞれ３ステップシフトして９倍の解像度の画像を取得していたが、同様にしてその他の解像度の画像も取得することができる。一般化すると、開口１３のＸ方向（第１の方向）の開口幅をＷｘ、Ｙ方向（第２の方向）の開口幅をＷｙとする。なお、Ｙ方向は、Ｘ方向とファイバー束１０Ａの光軸（Ｚ方向）の直交するものとする。マスク２０Ａ、Ｂの開口２１のサイズがＸ方向にＷｘ／ｍ、Ｙ方向にＷｙ／ｎ（ただしｍ、ｎは整数）とする。このとき、駆動制御手段４０は、１フレーム中に、Ｘ方向にｍステップ、Ｙ方向にｎステップだけ変位させることにより、最終的にｍ×ｎ倍の解像度の画像を得ることができる。

本実施例では、ファイバー束１０Ａとマスク２０Ａ、Ｂは一体的に変位するが、ファイバー束１０Ａとマスク２０Ａ、Ｂは相対的に（例えば、ファイバー束１０Ａが固定され、マスク２０Ａ、Ｂが同期して）変位してもよい。

図８は、マスク２０Ａ、Ｂがファイバー束１０Ａに相対的に変位する場合に、マスク２０Ｂ上で得られる光強度分布を示す図である。マスクとファイバー束１０Ａの相対移動によって、図２（ａ）に示す遮光部１４によってケラレる光が発生するが、光強度分布の時間推移の様子は図７と同様であり、高解像度化を実現することができる。

図３では、マスク２０Ａはファイバー束１０の入射端面１１に対して固定され、マスク２０Ｂはファイバー束１０の出射端面１２に対して固定されているので、マスク２０Ａ、Ｂの開口２１と開口１３の相対位置は変位しない。このため、変位手段は、各マスク２０Ａ、Ｂによって制限される開口の変位方向と変位量が互いに等しくなるようにマスク２０Ａ、Ｂを変位させる。

しかしながら、図８では、マスク２０Ａが入射端面１１に対して相対移動可能に設けられ、マスク２０Ｂはファイバー束１０の出射端面１２に対して相対移動可能に設けられている。開口２１は、マスク２０Ａ及びＢによって制限された開口である。この場合、変位手段は、開口１３に対する開口２１の変位方向（駆動方向）と変位量（駆動量）が、マスク２０Ａ、Ｂの間で等しくなるようにマスク２０Ａ、Ｂを変位させる。

駆動制御手段４０は、高解像度化のために、ファイバー束１０Ａの入射端面１１の開口変位と出射端面１２の開口変位が、どの時刻においても等しくなるようにアクチュエータ３０Ａ、Ｂの駆動を制御する。従来の画素ずらしや画素シフトといった高解像度化手法では、ファイバー束の入射端面を変位させるが出射端面は変位させず、取得した複数の低解像度画像データに対して計算負荷の高い画像復元処理を行って高解像度画像を取得していた。このため、フレームレートの速いイメージセンサや高い演算処理能力を有する画像処理手段が必要であった。本実施例は、高速イメージセンサや高速演算システムを必要としないので、比較的簡単に高解像度な画像を提供することができ、低コスト化や普及化が容易になる。

実施例１は、ファイバー束１０Ａの入射端面１１と出射端面１２を変位させるために、２つのアクチュエータ３０Ａ、Ｂが必要であった。細径ファイバースコープの場合、特に、入射端側にアクチュエータを設置することは困難であり、細径化が損なわれるおそれがある。そこで、本実施例は、アクチュエータを入射端側に配置せずに出射端側にのみ配置しつつ、入射端にも同様の変位を発生させ、高解像度化を実現する。

本実施例では、いわゆるトルクコイルを使用する。トルクコイルは、ファイバーやカテーテル、ケーブルなどに巻きつけた状態で使用される部品で、被駆動体の一方の末端を回転駆動した場合に、反対端も同量だけ従動する。トルクコイルを使用すれば、ファイバー束の入射端側にアクチュエータを設けなくても、出射端側から回転運動を与えることで入射端面も同様に回転させることができる。このため、トルクコイルは、アクチュエータ（回転駆動手段）による回転駆動力によってファイバー束の出射側を回転変位させると共にアクチュエータによる回転駆動力をファイバー束の入射側に伝達する伝達手段として機能する。実施例２では、ファイバー束に対して同心円状にトルクコイルを配置し、回転によって高解像度化を実現する。

図９は、本発明の実施例２のファイバースコープ（内視鏡、撮像装置）の構成図である。実施例２のファイバースコープは、光伝送ユニット、対物レンズ２、リレーレンズ４、イメージセンサ（撮像素子）５、画像生成ユニット（画像生成手段）６、モニタ（表示手段）７を有する。光伝送ユニットは、ファイバー束（伝送路ユニット）１０Ｂ、マスク２０Ｃ、Ｄ、アクチュエータ（駆動手段）３０Ｃ、駆動制御手段４０Ｂ、トルクコイル５０を有する。図１と同一の部材には同一の参照番号を付している。本実施例の光伝送ユニットでは、アクチュエータ３０Ａがなく、トルクコイル５０がファイバー束１０Ｂに巻かれ、ファイバー束１０Ｂの出射側にアクチュエータ３０Ｃが取り付けられている。

図１０（ａ）は、ファイバー束１０Ｂの入射端面の平面図である。ファイバー束１０Ｂでは、開口１３と遮光部１４の配置がファイバー束１０Ａとは異なり、同心円状に複数の開口１３が配列されている。同心円の中心はファイバー束１０Ｂの中心である。図１０（ｂ）は、マスク２０Ｃ、Ｄの平面図である。マスク２０Ｃ、Ｄは、ファイバー束１０Ｂの中心（回転中心）から径方向（放射方向）にそれぞれ延びる白色領域の開口２１と、黒色領域の遮光部２２を有する。各開口２１は、３度の中心角を有する同一の二等辺三角形形状又は扇形状を有し、２４個の開口２１が所定角度間隔（ここでは、１５度間隔）で配置されている。ファイバー束１０Ｂの中心とマスク２０Ｃ、Ｄの中心は一致している。図１０（ｃ）は、マスク２０Ｃ、Ｄを介してファイバー束１０Ｂの開口を見た状態を示す平面図である。

ファイバー束１０Ｂは、螺旋状に巻回された複数の素線から形成されたシャフト軸体として構成されてもよい。トルクコイル５０は、ファイバー束１０Ｂの外周面に螺旋状に巻回された単一のコイル素線から形成されたコイル体であってもよい。複数の素線の巻回方向と単一のコイル素線の巻回方向は同じである。トルクコイル５０は、ファイバー束１０Ｂを形成する素線と嵌合しない非嵌合部を挟んで離間してファイバー束１０Ｂに嵌合する。ファイバー束１０Ｂをアクチュエータ３０Ｃによって回転させることにより、ファイバー束１０Ｂの端部間をトルクコイル５０が送り移動可能に形成される。

図１１は、駆動制御手段４０Ｂによって制御される、時間経過に伴うマスク２０Ｃ、Ｄの変位を示す正面図である。図１２（ａ）は、マスク２０Ｃ、Ｄとファイバー束１０Ｂの回転変位量（角変位量）（縦軸）と時間ｔ（横軸）との関係を示すグラフである。図１２（ｂ）は、イメージセンサ５の露光（縦軸）と時間ｔ（横軸）との関係を示すグラフである。

回転変位量に関してはｔの最小ステップ単位であるΔごとに変位し、５段階の回転角をとる。この間、イメージセンサ５は５Δが１フレーム時間となるように露光時間が設定される。実施例１と同様に、１フレーム内にマスクが採り得る位置の多重化によって、画像生成ユニット６は、この期間の合成開口を、図１３に示すように、多重化する。この合成開口の解像度はファイバー束１０Ｂの端面のコアの解像度よりも格段に高くなっている。このような動作を行って、実施例１と同様に、画像取得を行い、従来ファイバースコープの５倍の解像度を有する高解像度画像を取得する。

このように、ファイバー束１０Ｂの出射端側の回転運動を、トルクコイル５０によってファイバー束１０Ｂの入射端側に伝達することにより、入射端側にアクチュエータを設けずに高解像度な画像を提供するファイバースコープを構成することができる。つまり、ファイバースコープの細径化と高解像度化を両立する効果がある。なお、図１０（ｂ）に示すマスク２０Ｃ、Ｄに組み合わされるファイバー束は、後述するニポウディスクの開口配列やアルキメデス螺旋状に開口配列されたものであってもよい。

実施例２においては、図１０（ｃ）に示すように、回転運動によって円周方向の開口位置は時系列的に多重化できるが、半径方向の開口位置は多重化できないため、高解像度化の方向に偏りが生じる。そこで、本実施例では、簡便に、偏りのない高解像度化を行う方法を提供する。

図１４（ａ）は、本実施例における不図示のファイバー束とマスク２０Ｅ、Ｆの配列状態の一部の概略平面図である。白色破線は、ファイバー束の開口１３の断面輪郭、白色円はマスク２０Ｅ、Ｆの開口部、十字印は回転中心を表している。ファイバー束の複数の開口１３の配列はニポウディスクの開口配列と同様である。ニポウディスク（Ｎｉｐｋｏｗ Ｄｉｓｋ）とは、複数のピンホールを扇状や複数の螺旋状に配列し、回転動作により時系列的に開口位置を多重化する円盤をいう。開口の空間解像度を時間多重化する手段として初期のテレビ装置やレーザー共焦点顕微鏡のビーム走査用に利用されている。

本実施例では、マスク２０Ｅ、Ｆの開口２１がニポウディスクの開口と同様に配列されており、開口２１とファイバー束の各光ファイバーの開口１３が一対一に対応している。図１４（ａ）は、便宜上疎らなファイバー束の開口分布を示しているが、実際には可能な限り稠密に近い状態で分布している。

図１４（ｂ）は、本実施例におけるファイバー束とマスク２０Ｅ、Ｆの配列状態の一部のより詳細な平面図である。開口位置を求めるための補助線としてまず、半径が等間隔で増加する同心円と、それらを等角で分割する半径線を描画する。図１４（ｂ）では、５度ずつの等角分割を行っている。図中実線の円がマスク２０Ｅ、Ｆの開口２１、破線の円がファイバー束の開口１３の断面形状を示しており、これらは図中太破線で示す螺旋曲線に沿って存在している。図１０（ａ）に示す同心円の開口配列と比較すると、以下のような特徴がある。まず、第１に、周方向に隣り合う開口同士は、径方向にずれて螺旋曲線上に配置されている。第２に、径方向に隣り合う開口同士は、周方向にずれて螺旋曲線上に配置されている。第３に、開口配置は一定角度（図１４（ｂ）では９０度）の回転により、元の配置と同一になる。

図１５は、図１４（ａ）に示すマスク２０Ｅ、Ｆを実施例２と同様に回転させ、一定回転角ピッチでマスクが採り得る位置を合成した開口分布を示す図である。図１４（ａ）で示す開口２１よりも、径方向、周方向の両方で開口の解像度が向上し、図１３で示す実施例２の場合の合成開口分布よりも、全体的な解像度むらが少なくなっているのが分かる。

ファイバー束の端面の変位が回転運動となる場合に適切なファイバー束のコアの配列やマスクの開口２１の形状は上述の実施例に限定されるものではない。

図１６（ａ）は、本実施例の変形例における不図示のファイバー束とマスク２０Ｇ、Ｈのアルキメデス螺旋配列状態の一部の概略平面図である。図中、太破線がファイバー束の開口１３の輪郭形状、実線で示した円が開口２１の形状を示している。細実線での渦巻状曲線がアルキメデス螺旋である。アルキメデス螺旋は極座標（ｒ、θ）平面において、ｒ＝ａθ（ａは定数）で表される曲線であり、蚊取り線香のように一定幅の長尺物を渦巻状巻きつけたような図形になっている。このような螺旋配列であればファイバーの稠密度を大きくでき、かつニポウディスクと同様に高解像度な画像を提供することができる。図１６（ｂ）は、静止した状態のファイバー束の入射端あるいは出射端面上の開口分布を示す平面図であり、分かりやすくするために、渦のひと巻き部分のみ抜粋して示しているが、実際は全面にわたって開口が分布している。図中十字線はアルキメデス螺旋の中心を示している。

図１７〜２０は、図１６（ｂ）に示す開口２１をアルキメデス螺旋の中心位置を中心に１度ピッチでそれぞれ，９０度，１８０度，２７０度，３６０度回転させて多重化した時の合成開口分布を示している。元の開口同士の間隙が、径方向と周方向の両方にむらなく補間されていることがわかる。つまり渦巻状に配置された開口の全周回についてこの高解像度化が行われることになるので、全面にわたってむらなく解像度向上を実現することができる。

実施例３では径方向と周方向の両方にむらなく高解像度を行うためのファイバー束と端面マスク上の開口分布について開示したが、前述のようにファイバー束断面が「アルキメデス螺旋配列」となるようにファイバー束を構成することは一般的ではない。本実施例のファイバー束はファイバー同士の隙間が最小となるような六方最密配置で構成される。六方最密配置の例を図２１に示す。図２１はファイバー束の垂直断面図を示しており、点線が各ファイバーの外形線、×印が各ファイバーの中心軸と垂直断面の交点を表している（以下、この交点を「ファイバー中心点」と呼ぶ）。図中、太実線で示した通り、任意のファイバー中心点に対し、最も近接するファイバーの中心点はいずれも６０度ずつ異なる方向に存在して正六角形を形成する配置となっている。

次に、上記のような六方最密配置のファイバー束を用いて本発明を実施する方法を以下に述べる。まず、上記六方最密配置のファイバー束の数式表現を行う。上記垂直断面をデカルト座標系のＸＹ面とするとき、任意のファイバー中心点（Ｘ_０、Ｙ_０）は図２２に示すような３つの単位ベクトル

の整数倍合成ベクトル位置に存在する。つまり、

という数式で記述される。

一方、アルキメデス螺旋曲線ｓは極座標（s,θ）平面において、

という数式で表される。ここで、ａ＝Ｒ／πとすると、

となる。上式より、θがπ増加するごとに中心点(0,0)から螺旋までの距離がRずつ増加する特性を有することがわかる。

これをデカルト座標系で表すと、

という数式で表される曲線になる。

図２３は数式（１）で表されるファイバー束とアルキメデス螺旋曲線を重畳して描画した図である。図中斜線ハッチング部は角度θを表している。前述したように数式（３）の関係により、θ=2π，4π，6πとなる位置で中心点(0,0)から螺旋までの距離sは2R,4R,6Rと2Rずつ増加している。例えば、x軸に沿って配置されているファイバーは常にその中心点でアルキメデス螺旋曲線と交わるような関係になっている。このように上記アルキメデス螺旋曲線は1回転するごとに回転中心点からの距離が2Rずつ増加する性質を有している。一方、本実施例で示されている六方最密配置のファイバー束においてファイバー同士の間隔は全域で2Rとなっている。このことから、1つのファイバーと上記螺旋曲線は1回のみ交差し、2回以上交差することがない、という性質を有することがわかる。これはアルキメデス螺旋曲線が、数式（２）においてａ＝Ｒ／πとなるよう設定された場合に成立する。

比較のため、数式（３）以外のケースについても分析してみる。図２４と図２５はそれぞれ数式（２）においてａ＞Ｒ／πとした場合とａ＜Ｒ／πとした場合の、ファイバー束とアルキメデス螺旋曲線を重畳して描画した図を示している。図２４において太実線で示された円はアルキメデス螺旋曲線と一度も交差しないファイバーを示している。そのようなファイバーが多数発生する様子がわかる。本発明では前述したようにマスク上の開口位置は個々のファイバー一本につき一個のみ設定することが必要なので、上記のアルゴリズムでマスク２０Ａ，Ｂの開口位置を定めると本発明には不適合であることがわかる。一方、図２５において太実線で示された円はアルキメデス螺旋曲線と２回以上交差してしまうファイバーを示している。こちらのアルゴリズムでマスク２０Ａ，Ｂの開口位置を定めた場合も本発明には不適合であることがわかる。

したがって、数式（２）においてａ＝Ｒ／πとなるよう設定された図２３のケースこそが本発明の実施形態に適している。つまり、半径Rのファイバーの集合体で構成されるファイバー束１０に対して、数式（３）で表されるアルキメデス螺旋曲線に沿ってマスク２０Ａ，Ｂの開口を配置していけばよいことがわかる。

次に、上記開口位置をマスクのアルキメデス螺旋曲線上のどの位置に設定するか、を決定するアルゴリズムについて説明する。前述したように、上記開口位置は個々のファイバー一本につき一個のみ設定することになる。そして本発明を適用する場合、回転動作によって画像補間を行う関係上、各開口の回転中心点からの距離はなるべく等間隔に分布するよう設定されていることが望ましい。このような観点から本実施例では図２６に示すように、開口位置（図中の黒丸点）を、前述した「アルキメデス螺旋曲線」と「各ファイバー中心点と回転中心点との結ぶ直線」との交点位置に設定している。このように設定すれば各開口の回転中心点からの距離は略等間隔となり、かつ個々のファイバー一本につき一個のみの開口が設定されるという原則も満足することができる。

ここまで述べた開口位置決定のアルゴリズムを数式で表現する。開口位置は「アルキメデス螺旋曲線」と「各ファイバー中心点と回転中心点との結ぶ直線」の交点に存在するので、数式（１）と数式（４）より、

なる実数tを求めればよい。

数式（５）に数式（１）を代入すると、

となり、数式（６）から、

を導くことができ、この結果から、

なる点を開口中心に設定するとよいことがわかる。

ところで、上記の開口配置アルゴリズムは開口中心を一意的に決定することができるが、実際には開口は有限の大きさをもつので、開口がファイバー断面の輪郭を超えると、1つの開口から複数のファイバーに光が漏れて入射するという課題が発生する。図２６では、そのようなファイバーを横切る開口に▼マークを付けて表示している。図からもこれらの開口を通過した光は2つのファイバーに光が入射してしまう可能性があることが見てとれる。これらの開口については、「径方向位置の入れ替え」という手法で上記課題を解決することができる。図２７を用いてその手法を述べる。図２７において、▼マークの付いた開口Ａ１はあるファイバーＦ１から突出しており、開口Ａ１を透過した光がファイバーＦ１のみに入射することが保証できない。そこでこの開口Ａ１をよりファイバーＦ１の中心Ｐ１に近い開口Ａ２と置換する。開口Ａ２としては、ファイバーＦ１から突出せずにファイバーＦ１内に収まるものを選択する。この置換により開口Ａ２の中心と回転中心点Ｍの距離は破線で示す円Ｃ２の半径分の長さとなり、開口Ａ１の中心と回転中心点Ｍの距離である破線で示す円Ｃ１の半径分の長さから変化する。

しかし、回転中心点Ｍからの距離が円Ｃ２の半径分の長さである開口が既に存在する場合、開口Ａ２の役割が重複してしまう。そこで、円Ｃ２上に中心があり、かつアルキメデス螺旋曲線上にある開口を探索する。これにより、図中▽マークの付いた開口Ｂ１が得られる。開口Ｂ１はもともとファイバーＦ２の中心付近に位置している。このため、回転中心点Ｍから円Ｃ２の半径分の長さだけ離れた開口Ｂ１を回転中心点Ｍから円Ｃ１の半径分の長さだけ離れた開口Ｂ２に置換しても、開口Ｂ２からは光漏れは生じないと考えられる。光漏れが生じるかどうかは、開口Ｂ２がファイバーＦ２から突出するかどうかで判断する。つまり、開口Ａ１を開口Ａ２に置換し、開口Ｂ１を開口Ｂ２に置換する。この開口入れ替え措置により、1つの開口から複数のファイバーに光が漏れて入射するという課題を解決でき、かつ本来の「重複やモレなく開口位置が時間多重的に合成される」という目的も達成することができる。

その結果、マスクの複数の開口のうちの２つの開口Ａ２、Ｂ２の中心は実線で示すアルキメデス螺旋からずれている。２つの開口Ａ２、Ｂ２は回転中心点Ｍから第１の距離（円Ｃ２の半径分）だけ離れた第１の中心を有する第１の開口（開口Ａ２）と回転中心点Ｍから第２の距離（円Ｃ１の半径分）だけ離れた第２の中心を有する第２の開口（開口Ｂ２）を有する。回転中心点Ｍから第２の距離だけ第１の中心に向かう方向に離れた位置（つまり、開口Ａ１の開口中心位置）と回転中心点Ｍから第１の距離だけ第２の中心に向かう方向に離れた位置（つまり、開口Ｂ１の開口中心位置）はアルキメデス螺旋上にある。

上記「径方向位置の入れ替え」のアルゴリズムをまとめると以下の（１）〜（６）ようになる。
（１）複数のファイバーへの光入射が懸念されるファイバーから突出した開口Ａ１を探索する。
（２）開口Ａ１を，複数のファイバーへの光入射が発生しない位置Ａ２に移動する。
（３）ファイバー束の回転中心点Ｍから開口Ａ２までの距離に等しい半径を有する円Ｃ２と、回転中心点Ｍから開口Ａ１までの距離に等しい半径を有する円Ｃ１の２つの同心円を描画する。
（４）円Ｃ２とアルキメデス螺旋曲線の交点位置に存在する別の開口Ｂ１を探索する。
（５）開口Ｂ１を径方向に移動させて円Ｃ１上の開口Ｂ２に置換したときに，複数のファイバーへの光入射が発生しない位置となるかどうかをチェックする。
（６）複数のファイバーへの光入射が発生しなければ開口Ｂ２を選択する。複数のファイバーへの光入射が発生すれば（２）に戻って再探索する。

本発明によれば、フレームレートの速いイメージセンサや、高い演算処理能力を有する画像処理システムを用いることなく、また、ファイバースコープを構成するファイバー束のファイバー本数を増やすことなく、取得する画像の解像度を向上させることができる。

本発明は、内視鏡の用途に適用することができる。

１１…入射端面、１２…出射端面、１３…コア（開口部）、２０Ａ、Ｃ、Ｅ…マスク（第１の開口制限手段）、２０Ｂ、Ｄ、Ｆ…マスク（第２の開口制限手段）

Claims (22)

1. 複数の光伝送路と、
   前記複数の光伝送路の夫々の入射端の開口を制限する第１の開口制限手段と、
   前記複数の光伝送路の夫々の出射端の開口を制限する第２の開口制限手段と、
   前記第１の開口制限手段によって制限された開口の変位方向及び変位量と、前記第２の開口制限手段によって制限された開口の変位方向及び変位量と、が等しくなるように、前記複数の光伝送路と、前記第１及び第２の開口制限手段と、の少なくとも一方を光伝送路の光軸方向の周りに回転変位させる変位手段と、
   を有することを特徴とする光伝送ユニット。
2. 前記第１及び第２の開口制限手段は、それぞれ、前記入射端および前記出射端の夫々の開口に対応しかつ該開口の夫々よりも小さい複数の開口が形成された遮光部から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光伝送ユニット。
3. 前記変位手段は、前記第１の開口制限手段と前記入射端を一体的に、かつ、前記第２の開口制限手段と前記出射端を一体的に、回転変位させることを特徴とする請求項１または２に記載の光伝送ユニット。
4. 前記変位手段による回転中心は、前記光伝送路の光軸に垂直な平面における前記複数の光伝送路の中心であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光伝送ユニット。
5. 前記変位手段は、
   前記光伝送路の出射側に設けられた回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段による回転駆動力によって前記光伝送路の出射側を回転変位させると共に前記回転駆動手段による前記回転駆動力を前記光伝送路の入射側に伝達する伝達手段と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光伝送ユニット。
6. 前記複数の光伝送路の開口は、前記平面において、前記中心のまわりに同心円状に配列されていることを特徴とする請求項４に記載の光伝送ユニット。
7. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれは、前記平面において、前記中心から径方向に延び、所定角度間隔で配置された複数の開口を有する遮光部から構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光伝送ユニット。
8. 前記複数の光伝送路の開口は、前記平面において、前記中心のまわりに螺旋状に配列されていることを特徴とする請求項４に記載の光伝送ユニット。
9. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれは、前記平面において、前記中心のまわりに螺旋状に配列されている複数の開口を有する遮光部から構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光伝送ユニット。
10. 前記螺旋状に配列された開口の配列は、ニポウディスクの開口配列であることを特徴とする請求項８に記載の光伝送ユニット。
11. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれは、ニポウディスクの開口配列の複数の開口を有する遮光部から構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光伝送ユニット。
12. 前記螺旋状に配列された開口の配列は、アルキメデス螺旋配列であることを特徴とする請求項８に記載の光伝送ユニット。
13. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれは、アルキメデス螺旋配列の複数の開口を有する遮光部から構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光伝送ユニット。
14. 前記複数の光伝送路は、六方最密配列された複数の開口を有することを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載の光伝送ユニット。
15. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれは、アルキメデス螺旋配列の複数の開口を有する遮光部から構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の光伝送ユニット。
16. 前記光伝送ユニットの夫々の開口の半径をRとするとき、
    前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれの前記複数の開口の中心をむすぶ螺旋曲線ｓは極座標（ｓ,θ）空間において、
    
    なる数式で表されるよう構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の光伝送ユニット。
17. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれの前記複数の開口の中心は、
    前記螺旋曲線ｓと、
    前記光伝送ユニットの複数の開口の中心と前記変位手段による回転中心との結ぶ複数の直線群との交点位置に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の光伝送ユニット。
18. 前記光伝送路の入射端もしくは出射端面上において、
    前記光伝送ユニットの複数の開口の中心位置が、
    
    なる（Ｘ_０、Ｙ_０）を用いて表されている時、
    前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれの前記複数の開口の中心点は
    
    なる数式によって決まる点に設定されていることを特徴とする請求項１７に記載の光伝送ユニット。
19. 前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれの前記複数の開口のうちの２つの開口の中心はアルキメデス螺旋からずれており、前記２つの開口は前記回転中心から第１の距離だけ離れた第１の中心を有する第１の開口と前記回転中心から第２の距離だけ離れた第２の中心を有する第２の開口を有し、
    前記回転中心から前記第１の中心に向かう方向に前記第２の距離だけ離れた点と前記回転中心から前記第２の中心に向かう方向に前記第１の距離だけ離れた点との両方は、アルキメデス螺旋上にあることを特徴とする請求項１７に記載の光伝送ユニット。
20. 請求項１乃至１９のうちいずれか１項に記載の光伝送ユニットと、
    前記光伝送ユニットによって伝送された光学像を光電変換する撮像素子と、
    を有することを特徴とする撮像装置。
21. 前記変位手段による回転変位と前記撮像素子による画像取得のタイミングが同期していることを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置。
22. 前記撮像素子の最小画素の大きさは、前記第１及び第２の開口制限手段のそれぞれの開口以下の大きさを有することを特徴とする請求項２０または２１に記載の撮像装置。