JP2017225627A - 光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の方法では、内視鏡システムにおける照射光の強さであって、可視光領域において分光特性がフラットでなくフラットに近くもない照射光の強さを測定することができない。【解決手段】光測定装置を、電子スコープから又は電子スコープと接続可能な光源装置から射出される照射光の強さを測定するものであり、照射光を分離する分離手段と、分離手段により分離された照射光から、所定の波長幅毎の光成分を検出して信号に変換する変換手段と、各光成分に対応する信号を、電子スコープに備えられる固体撮像素子の分光特性に基づいて設定された係数で補正する補正手段と、補正後の各光成分に対応する信号に基づいて光源装置から射出される照射光の強さを計算する計算手段とを備える構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、光測定装置に関する。

内視鏡用光源装置に組み込まれる光源は、今後、キセノンランプ等のショートアークランプからＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）等の半導体発光素子が主流になるものと見込まれる。例えば特許文献１に、半導体発光素子を搭載した内視鏡用光源装置の具体的構成が記載されている。

特許文献１に記載の内視鏡用光源装置は、中心波長４４５ｎｍの青色発光のＬＤと中心波長４０５ｎｍの紫色発光のＬＤの２灯を備えており、観察モードに応じて２つのＬＤの出射光量比を制御する。モード（出射光量比）に応じて照射光のスペクトルを変化させることにより、例えば白色照明画像や強調観察画像、蛍光観察画像など、モードに応じた観察画像が得られる。

特開２０１６−５８０４号公報

ショートアークランプ等の光源では、可視光領域において分光特性がフラットに近いため、照射光の光量と強さとの相関が高い。そのため、この種の光源では、照射光の光量を測定することにより、内視鏡システムの特性を考慮した照射光の強さを高い精度で推定することができる。ここで、光量とは、測光量である。測光量とは、放射量に対して可視領域の光放射が人間の視覚に与える影響を重み付けした量であり、例示的には、放射量の分光密度（微小波長幅に含まれる放射量をその波長幅で割ったもの）に分光視感効率：V(λ)をかけて、可視領域（３６０μｍ〜８３０μｍ）の波長範囲について積分することによって求まる。測光量の主な用語として、光束（luminous flux）、光度（luminous intensity）、輝度（luminance）、照度（illuminance）等がある。光の強さとは、比視感度特性を考慮しない（比視感度補正されない）物理量であり、内視鏡システムにおいては、固体撮像素子で受光される光の物理量に相当する。

一方、半導体発光素子では、可視光領域において分光特性がフラットでなくフラットに近くもないため、照射光の光量と強さとの相関が低い。例えば、特許文献１に記載の紫色発光のＬＤは、比視感度特性において感度の低い（視感度係数の低い）４０５ｎｍにピークを持つ。そのため、紫色発光のＬＤの経時的な劣化によるピーク値の大幅な低下によって照射光の強さが大幅に低下した場合にも、光量としては低下が少ない。従って、特許文献１では、照射光の光量からその強さを高い精度で推定することができない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内視鏡システムにおける照射光の強さであって、可視光領域において分光特性がフラットでなくフラットに近くもない照射光の強さを測定するのに好適な光測定装置を提供することである。

本発明の一実施形態に係る光測定装置は、電子スコープから又は電子スコープと接続可能な光源装置から射出される照射光の強さを測定するものであり、電子スコープに備えられる固体撮像素子の分光特性に基づいて設定された分光特性を持つ光学フィルタと、光学フィルタによりフィルタリングされた照射光を受光して信号に変換する変換手段と、該信号に基づいて光源装置から射出される照射光の強さを計算する計算手段とを備える。

また、本発明の一実施形態において、光学フィルタの分光特性は、例えば、変換手段の分光特性と掛け合わせたときの特性が、固体撮像素子の分光特性と略等しい。

また、本発明の一実施形態に係る光測定装置は、電子スコープから又は電子スコープと接続可能な光源装置から射出される照射光の強さを測定するものであり、照射光を分離する分離手段と、分離手段により分離された照射光から、所定の波長幅毎の光成分を検出して信号に変換する変換手段と、各光成分に対応する信号を、電子スコープに備えられる固体撮像素子の分光特性に基づいて設定された係数で補正する補正手段と、補正後の各光成分に対応する信号に基づいて光源装置から射出される照射光の強さを計算する計算手段とを備える。

上記の係数は、例えば、光成分の波長に対する変換手段の感度と掛け合わせたときの値が、該波長に対する固体撮像素子の感度と略等しくなる値に設定されている。

また、本発明の一実施形態において、固体撮像素子の分光特性は、例えば、固体撮像素子の受光面の分光特性と、該受光面の前段に設置されたカラーフィルタの分光特性とを掛け合わせた特性である。

また、本発明の一実施形態に係る光測定装置は、光源装置に設けられた電子スコープ用のコネクタ部に又は電子スコープの先端面に着脱可能に取り付けられる構成としてもよい。

また、本発明の一実施形態に係る光測定装置は、計算手段により計算された照射光の強さを報知する報知手段を備える構成としてもよい。

本発明の一実施形態によれば、内視鏡システムにおける照射光の強さであって、可視光領域において分光特性がフラットでなくフラットに近くもない照射光の強さを測定するのに好適な光測定装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る電子内視鏡システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る光測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の受光面の分光特性及び受光面の前段に設置されたカラーフィルタの分光特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光測定装置の光学フィルタの分光特性及びＰＤ（Photodiode）の分光特性を示す図である。 本発明の別の一実施形態に係る光測定装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、本発明の一実施形態として電子内視鏡システムを例に取り説明する。

［電子内視鏡システム１の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電子内視鏡システム１の外観図である。図１に示されるように、本実施形態に係る電子内視鏡システム１は、電子スコープ１００及びプロセッサ２００を備えている。

図１に示されるように、電子スコープ１００は、可撓性を有するシースによって外装された挿入部可撓管１０２を備えている。挿入部可撓管１０２の先端部分（湾曲部１０６）は、挿入部可撓管１０２の基端に連結された手元操作部１０８からの遠隔操作に応じて湾曲する。湾曲機構は、一般的な内視鏡に組み込まれている周知の機構であり、手元操作部１０８の湾曲操作ノブの回転操作に連動した操作ワイヤの牽引によって湾曲部１０６を湾曲させる。

湾曲部１０６の先端には、硬質性を有する樹脂製筐体によって外装された先端部１０４の基端が連結している。先端部１０４内には固体撮像素子１０４ａが組み込まれている。固体撮像素子１０４ａは、ベイヤ型画素配置を有する単板式カラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサである。なお、固体撮像素子１０４ａは、ＣＣＤイメージセンサに限らず、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサやその他の種類の撮像装置に置き換えられてもよい。固体撮像素子１０４ａはまた、補色系フィルタを搭載したものであってもよい。

先端部１０４の方向が湾曲操作ノブの回転操作による湾曲動作に応じて変わることにより、固体撮像素子１０４ａによる撮像範囲が移動する。

手元操作部１０８からはユニバーサルケーブル１１０が延びており、その基端にコネクタ部１１２が接続されている。

コネクタ部１１２は、硬質性を有する合成樹脂で成形されたコネクタケース１１２ａを備えている。コネクタケース１１２ａは、略対称形状を持つ表側ケースと裏側ケースからなり、表側ケースと裏側ケースとを嵌め合わせることによって規定される閉空間内に電子回路基板等の各種部品を収容し保持すると共に外部衝撃から保護している。コネクタケース１１２ａは、電気接続用プラグＰｅ及び光接続用プラグＰｏを保持している。

プロセッサ２００が持つ筐体２０２のフロントパネル面には、コネクタ部が設けられている。コネクタ部は、電気接続用ジャックＪｅ及び光接続用ジャックＪｏを備えている。電気接続用ジャックＪｅは、プロセッサ２００に内蔵されている画像処理装置と電気的に接続されており、光接続用ジャックＪｏは、プロセッサ２００に内蔵されている光源装置と光学的に接続されている。

電気接続用ジャックＪｅは、電気接続用プラグＰｅに対応する接続構造を有しており、光接続用ジャックＪｏは、光接続用プラグＰｏに対応する接続構造を有している。電気接続用プラグＰｅ、光接続用プラグＰｏがそれぞれ、電気接続用ジャックＪｅ、光接続用ジャックＪｏと接続されることで、電子スコープ１００とプロセッサ２００とが電気的及び光学的に接続される。

プロセッサ２００内の光源装置には、ＬＥＤやＬＤ等の半導体発光素子２０４が組み込まれている。光源装置には、１つの半導体発光素子２０４が組み込まれていてもよく、また、互いに異なるスペクトルを持つ複数の半導体発光素子２０４が組み込まれていてもよい。光源装置（半導体発光素子２０４）から照射された照射光は、光接続用ジャックＪｏ及び光接続用プラグＰｏを介して電子スコープ１００のＬＣＢ（Light Carrying Bundle）内を伝播し、先端部１０４内に配置されたＬＣＢの射出端面より射出され、先端部１０４の先端面に配置された配光レンズを介して体腔内の生体組織に照射される。

［光測定装置３００の構成］
図２は、本発明の一実施形態に係る光測定装置３００の構成を示すブロック図である。光測定装置３００は、プロセッサ２００の光源装置から照射される照射光の強さを測定する装置であり、図２に示されるように、光接続用プラグＰｏ’、第一レンズ３０２、光学フィルタ３０４、第二レンズ３０６、ＰＤ３０８、計算回路３１０及び表示部３１２を備えている。光接続用プラグＰｏ’は、電子スコープ１００の光接続用プラグＰｏと同一形状を有している。そのため、光測定装置３００は、光接続用プラグＰｏ’を光接続用ジャックＪｏに差し込むことにより、プロセッサ２００の光源装置と光学的に接続される。図２においては、便宜上、光接続用ジャックＪｏを含むプロセッサ２００の一部の構成を一点鎖線で示す。

プロセッサ２００の光源装置から照射される照射光の強さを測定するにあたり、光接続用プラグＰｏ’が光接続用ジャックＪｏに差し込まれて、光測定装置３００と光源装置と光学的に接続される。光源装置から照射された照射光は、光接続用ジャックＪｏ、光接続用プラグＰｏ’及び第一レンズ３０２を介して光学フィルタ３０４に入射される。なお、照射光の強さの測定は、例えば工場出荷検査時やメンテナンス時等に行われる。

光学フィルタ３０４に入射された照射光は、光学フィルタ３０４でフィルタリングされた後、第二レンズ３０６を介してＰＤ３０８で受光される。ＰＤ３０８は、受光したフィルタリング後の照射光の強さに応じた電流を計算回路３１０に出力する。

計算回路３１０は、例えばトランスインピーダンスアンプを備えており、ＰＤ３０８の出力電流を電圧信号に変換する。計算回路３１０は、電圧信号をそのレベルに応じて数値化する。例示的には、初期（工場出荷段階）の光源装置から照射される照射光の強さに対応する電圧信号（以下、説明の便宜上「基準電圧信号」と記す。）の数値を１００とする。計算回路３１０は、ＰＤ３０８の出力電流から得た電圧信号が基準電圧信号の９０％である場合、この電圧信号を９０に数値化する。計算回路３１０は、このようにして計算した値を表示部３１２に出力する。

表示部３１２は、計算回路３１０より入力される値を表示画面に表示する。これにより、検査者（術者やオペレータ等）は、光源装置から照射される照射光の強さを把握することができる。なお、照射光の強さは、表示による報知でなく、音声など、別の手段で検査者に報知されてもよい。また、照射光の強さは、相対値でなく、例えばワットなど、特性の単位系を用いて絶対値で表わしてもよい。

図３（ａ）は、固体撮像素子１０４ａの受光面の分光特性（以下、説明の便宜上「分光特性１」と記す。）を示し、図３（ｂ）は、受光面の前段に設置されたカラーフィルタ（ここではベイヤ配列のカラーフィルタ）の分光特性（以下、説明の便宜上「分光特性２」と記す。）を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）の各図中、縦軸は、感度（単位：任意）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。固体撮像素子１０４ａの分光特性は、オンチップカラーフィルタを持つイメージセンサであることから、分光特性１と分光特性２とを掛け合せたものとなる。

図４（ａ）は、光学フィルタ３０４の分光特性を示し、図４（ｂ）は、ＰＤ３０８の分光特性を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）の各図中、縦軸は、感度（単位：任意）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。

本実施形態では、光測定装置３００も、分光特性１と分光特性２とを掛け合せた分光特性を持つ。具体的には、光学フィルタ３０４の分光特性とＰＤ３０８の分光特性とを掛け合せたものが、固体撮像素子１０４ａの分光特性、すなわち、分光特性１と分光特性２とを掛け合せた分光特性と略等しい。言い換えると、光学フィルタ３０４の分光特性は、固体撮像素子１０４ａの分光特性に基づいて設定されており、具体的には、ＰＤ３０８の分光特性と掛け合わせたときの特性が、固体撮像素子１０４ａの分光特性と略等しくなるように設定されている。

このように、本実施形態では、人間の眼の感度でなく、電子内視鏡システム１の眼として機能する固体撮像素子１０４ａの分光特性に応じた感度で照射光の物理量、すなわち、電子内視鏡システム１の特性を考慮した照射光の強さが測定される。そのため、固体撮像素子１０４ａで受光される観察光の強さをより正確に把握できるようになる。

また、光測定装置３００は、単純な構成であることから、持ち運びが容易な寸法・重量で設計することができる。そのため、検査者は、プロセッサ２００を工場に戻すことなく、病院等の現場で光測定装置３００を用いて照射光の強さを測定することができる。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本発明の実施形態に含まれる。

光測定装置３００は、上記の実施形態では、プロセッサ２００のコネクタ部（光接続用ジャックＪｏ）に着脱可能に取り付けられているが、別の実施形態では、電子スコープ１００の先端部１０４の先端面に着脱可能に取り付けられてもよい。この場合、先端面の配光レンズから照射された照射光が光測定装置３００内の第一レンズ３０２に入射される。この場合、先端面の配光レンズから照射された照射光が漏れなく光測定装置３００に導かれることが望ましい。そのため、先端面の配光レンズと第一レンズ３０２間を光学的に接続するように構成されたアタッチメント等を介在させてもよい。

なお、光源内蔵型の電子スコープもある。この場合も、光測定装置３００を電子スコープの先端部の先端面に取り付けることにより、電子スコープの眼として機能する固体撮像素子の分光特性に応じた感度で照射光の物理量、すなわち、電子スコープの特性を考慮した照射光の強さが測定される。そのため、固体撮像素子で受光される観察光の強さをより正確に把握できるようになる。

また、光測定装置３００は、プロセッサ２００に内蔵されてもよい。この場合、照射光の強さは、例えば一定期間経過毎に自動的に測定されるようにしてもよい。

図５は、本発明の別の一実施形態に係る光測定装置４００の構成を示すブロック図である。図５に示されるように、光測定装置４００は、光接続用プラグＰｏ’、分光器４０２、センサ４０４、計算回路４０６及び表示部４０８を備えている。

光源装置から照射された照射光は、光接続用ジャックＪｏ及び光接続用プラグＰｏ’を介して分光器４０２に入射される。

分光器４０２は、プリズムや回折格子等の光学素子を備えており、光接続用プラグＰｏ’を介して入射された照射光を分離する。

センサ４０４は、例えば複数の画素が線状に並ぶラインセンサである。センサ４０４の各画素は、分光器４０２にて分離された照射光から、所定の波長幅毎（例えば１ｎｍ幅）の光成分を検出（受光）し、検出された光成分の強さに応じた電流を計算回路４０６に出力する。

計算回路４０６は、例えばトランスインピーダンスアンプを備えており、センサ４０４の各画素の出力電流を電圧信号に変換する。計算回路４０６は、次いで、各画素に対応する電圧信号のレベルを、波長毎に予め用意されている所定の補正係数で補正する。

別の一実施形態では、センサ４０４の分光特性と補正係数群（波長毎の補正係数のセット）とを掛け合せたものが、固体撮像素子１０４ａの分光特性、すなわち、分光特性１と分光特性２とを掛け合せた分光特性と略等しい。言い換えると、各補正係数は、固体撮像素子１０４ａの分光特性に基づいて設定されており、具体的には、センサ４０４（画素）で検出された光成分の波長（注目波長）に対する該画素の感度と掛け合わせたときの値が、注目波長に対する固体撮像素子１０４ａの感度と略等しくなるように設定されている。

計算回路４０６は、補正後の各画素（言い換えると各波長）に対応する電圧信号をそのレベルに応じて数値化して、表示部４０８に出力する。表示部４０８は、計算回路４０６より入力される値を表示画面に表示する。これにより、検査者は、光源装置から照射される照射光の強さを把握することができる。

このように、別の一実施形態においても、人間の眼の感度でなく、電子内視鏡システム１の眼として機能する固体撮像素子１０４ａの分光特性に応じた感度で照射光の物理量、すなわち、電子内視鏡システム１の特性を考慮した照射光の強さが測定される。そのため、固体撮像素子１０４ａで受光される観察光の強さをより正確に把握できるようになる。

また、表示部４０８では、照射光の強さとして１つの値（すなわち、各波長に対応する電圧信号の値を合計したもの）が表示されてもよく、また、波長毎の値（すなわち、各波長に対応する電圧信号の各値）が表示されてもよい。

後者の表示では、検査者は、照射光の強さを波長単位で把握することができる。ここで、電子内視鏡システムの分野では、蛍光観察や狭帯域光観察など、視感度係数の低い波長域や肉眼では見ることが難しい波長域の光を用いて体腔内を観察する機能が求められる。検査者は、照射光の強さを波長単位で把握することにより、例えば、この種の波長域の光が十分な強さで生体組織に照射されているかどうかを評価することができる。

１ 電子内視鏡システム
１００ 電子スコープ
１０２ 挿入部可撓管
１０４ 先端部
１０４ａ 固体撮像素子
１０６ 湾曲部
１０８ 手元操作部
１１０ ユニバーサルケーブル
１１２ コネクタ部
１１２ａ コネクタケース
Ｐｅ 電気接続用プラグ
Ｐｏ 光接続用プラグ
２００ プロセッサ
２０２ 筐体
２０４ 半導体発光素子
３００ 光測定装置
３０２ 第一レンズ
３０４ 光学フィルタ
３０６ 第二レンズ
３０８ ＰＤ
３１０ 計算回路
３１２ 表示部
Ｊｅ 電気接続用ジャック
Ｊｏ 光接続用ジャック

Claims (7)

1. 電子スコープから又は電子スコープと接続可能な光源装置から射出される照射光の強さを測定する光測定装置であって、
   前記電子スコープに備えられる固体撮像素子の分光特性に基づいて設定された分光特性を持つ光学フィルタと、
   前記光学フィルタによりフィルタリングされた照射光を受光して信号に変換する変換手段と、
   前記信号に基づいて前記光源装置から射出される照射光の強さを計算する計算手段と、
   を備える、
   光測定装置。
2. 前記光学フィルタの分光特性は、
   前記変換手段の分光特性と掛け合わせたときの特性が、前記固体撮像素子の分光特性と略等しい、
   請求項１に記載の光測定装置。
3. 電子スコープから又は電子スコープと接続可能な光源装置から射出される照射光の強さを測定する光測定装置であって、
   前記照射光を分離する分離手段と、
   前記分離手段により分離された照射光から、所定の波長幅毎の光成分を検出して信号に変換する変換手段と、
   前記各光成分に対応する信号を、前記電子スコープに備えられる固体撮像素子の分光特性に基づいて設定された係数で補正する補正手段と、
   補正後の各光成分に対応する信号に基づいて前記光源装置から射出される照射光の強さを計算する計算手段と、
   を備える、
   光測定装置。
4. 前記係数は、
   前記光成分の波長に対する前記変換手段の感度と掛け合わせたときの値が、該波長に対する前記固体撮像素子の感度と略等しくなる値に設定されている、
   請求項３に記載の光測定装置。
5. 前記固体撮像素子の分光特性は、
   前記固体撮像素子の受光面の分光特性と、該受光面の前段に設置されたカラーフィルタの分光特性とを掛け合わせた特性である、
   請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光測定装置。
6. 前記光源装置に設けられた前記電子スコープ用のコネクタ部に又は前記電子スコープの先端面に着脱可能に取り付けられる、
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光測定装置。
7. 前記計算手段により計算された前記照射光の強さを報知する報知手段
   を備える、
   請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光測定装置。

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