JP2826339B2

JP2826339B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP2826339B2
Application number: JP1099100A
Authority: JP
Inventors: 公彦西岡; 勝白岩
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1998-11-18
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JPH02277016A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ファイバースコープのイメージガイドファ
イバー束端面に現われる像を撮像するための撮像装置に
関する。

〔従来の技術〕

最近、ファイバースコープ等の接眼部にTVカメラを取
付けて体腔内等をTVモニタで観察することが流行ってい
る。

ところが、ファイバースコープに用いられているイメ
ージガイドファイバー束の端面は、ファイバーのコアの
配列によって定まる規則的な明暗パターン（網目構造）
を有している。一方、TVカメラは、撮像管を用いたもの
ではその受光面の前にカラーストライプフィルタを有す
る場合、また固体撮像素子を用いたものではその前にカ
ラーモザイクフィルタを有する場合には、それらのフィ
ルタの各色要素の配列が規則的な配列を有し、またモザ
イクフィルタがない場合でも固体撮像素子の絵素が規則
的な配列を有している。このため、両方の規則的構造が
干渉してTV画像中にモアレが発生するという問題を有し
ている。

そして、近年固体撮像素子の水平走査方向の画素数が
増え、モアレの発生は少なくなる傾向にある。即ち、物
体の空間周波数スペクトルは一般に高周波になるにつれ
て値が小さくなるので、画素数が増えてサンプリング周
波数が高くなるとモアレが減るからである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、血管等に挿入されるファイバースコー
プは非常に細く、従ってそのイメージガイドファイバー
束も細いので、これによる像をTV画面いっぱいの大きさ
で見るためにイメージガイドファイバー束の射出端面の
像を撮像素子上に結像させる光学系の倍率が大きくな
り、その結果撮像素子上で像中の各ファイバーが非常に
太くなって（空間周波数スペクトルが低周波になって）
モアレが出にくくなる反面、各ファイバー像一つ一つが
はっきりと見えてしまい観察の妨げとなるという問題が
出てきた。

本発明は、上記問題点に鑑み、細いファイバースコー
プにTVカメラを接続して像を観察するような場合に邪魔
なファイバー配列模様が見えなくなるようにした撮像装
置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明による撮像装置は、イメージガイドファイバー
束と、前記イメージガイドファイバー束の射出端面の像
を形成する結像光学系と、前記射出端面の像を受ける撮
像素子と、該撮像素子で撮像された像を表示する表示装
置とを備え、前記撮像素子の垂直方向のサンプリング周
波数をN_yとし、前記撮像素子が水平方向にもサンプリン
グを行なう場合にはそのサンプリング周波数をN_xとし、
前記射出端面の像中のファイバー配列模様の水平方向及
び垂直方向の基本空間周波数を夫々U_x,U_yとする時、U_y
＜N_y/2及び／又はU_x＜N_x/2を満足する撮像装置におい
て、以下の条件式を満足する場合に、前記イメージガイドファイバー束の射出端面から前記
撮像素子に到る光路中に、前記結像光学系の空間周波数
レスポンスをU_y及び／又はU_xにおいて約0.5以下とする
光学素子を配置したことを特徴とする撮像装置である。

1/（tan^-1（φ/3H）≦20cpd ここで、φはイメージガイドファイバー束の射出端面
像のファイバー間隔、Ｈは表示装置の縦辺の長さ、cpd
は視角１゜当たりの明暗のパターン数である。

このような特徴を備えた結果、モアレが出ない場合に
おいてイメージガイドファイバー束の射出端面像中のフ
ァイバー配列模様がぼけるようになる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。

第１図は第１実施例を示しており、これは血管用ファ
イバースコープ１に、モザイクフィルタを用いたカラー
カメラ２を取付けたものである。ファイバースコープ１
において、、３は対物レンズ、４はイメージガイドファ
イバー束である。カラーカメラ２において、５は撮像レ
ンズ、６は光学的ローパスフィルター、７は赤外光カッ
トフィルター又はYAGレーザーカットフィルター、８は
光学的ローパスフィルター、９はモザイクフィルター、
10は固体撮像素子である。11は固体撮像素子10に接続さ
れたカメラコントロールユニット、12はTVモニターであ
る。

ここで、いかなる場合にモアレが生じず且つイメージ
ガイドファイバー束４の射出端面像中のファイバー配列
模様が観察の妨げになるかについて述べる。

まず、モアレが生じない場合を考えてみる。

固体撮像素子10の水平方向のサンプリング周波数（モ
ザイクフィルターの水平方向の繰り返し周波数）をN_xと
し、垂直方向のサンプリング周波数（モザイクフィルタ
ー９の垂直方向の繰り返し周波数又はその２倍。いずれ
になるかは、固体撮像素子10とモザイクフィルター９の
形式によって変わる。）をN_yとする。そして、イメージ
ガイドファイバー束４の射出端面の固体撮像素子10上の
像中のファイバー配列模様の水平方向及び垂直方向の基
本空間周波数を夫々U_x,U_yとすると、であれば、ファイバー配列模様の周波数がナイキスト限
界内であるからモアレは生じない。

次に、上記ファイバー配列模様が観察の妨げになる場
合を考えてみる。像中のファイバーの繰り返しがＶ（cb
d）の時、解像できる最も細かい物体の像の空間周波数
はV/2（cpd）となる。観察者はファイバー自体の配列模
様と物体像の明暗パターンの両方を同時に見ることにな
るので、ファイバー配列模様が良く見えると物体観察の
邪魔になる。尚、cpdは第２図に示した如く視角１゜当
り何サイクル即ち何本あるかということである。

ここで、文献「応用物理」第49巻第７号（1980年）の
第690頁右欄のFig.4（第３図にその要部を示してい
る。）によると、肉眼観察時のMTF（空間周波数レスポ
ンス）が2.5cpd当りで最大となり、その前後で低下する
ことが示されている。尚、Fig.4は、平均輝度20nit（＝
cd/m²）の単一空間周波数の明暗パターンをTVモニター
の画面全体に表示し、正常視力の被験者が肉眼でこれを
観察した際のMTFを横軸に空間周波数（単位cpd）を縦軸
に大きさ（単位dB）をとって示したものである。

実際に物体を見る時は、MTFに加えて物体の空間周波
数を各成分の大きさを考える必要がある。例えばＶ＝５
（cpd）の時V/2＝2.5（cpd）であって、第３図によれば
物体の解像限界のMTFの方がファイバー配列模様の周波
数のMTFより大きいからこれで充分であるように思える
が、現実の物体では高周波成分のスペクトルの大きさは
低周波成分のスペクトルより小さいので現実の見え方が
弱いことが多く、ファイバー配列模様に負けてしまう。
又、第３図によれば、Ｖ＝５のMTFは小さいとはいって
もＶ＝0.5のMTFと同じくらいなので、物体中の粗めのパ
ターンと同程度にファイバー配列模様か目立つ。従っ
て、Ｖをもっと大きくする必要があり、Ｖ＝20（cpd）
くらいになると第３図から推定して−30dB以下となり、
相当小さくなる。一方、V/2＝10（cpd）のMTFも−20dB
程度でかなり小さいが、これより少し低めの周波数（物
体中によくある）でMTFが最も大きくなる。従って、物
体中のパターンに対してファイバー配列模様が目立たな
くなり、見易くなる。

ここで、第１図に示した如く、TVモニター12の縦辺の
長さをＨとすると、標準的観察条件として、TVモニター
12から観察者までの距離Ｓは、Ｓ＝5H …（３）程度であるとされている。尚、Ｈ＝15〜25cm程度のこと
が多い。

従って、第４図に示した如くTVモニター12の画面上の
イメージガイドファイバ束４の射出端面像のファイバー
間隔をφとすると、である場合に、ファイバー配列模様が観察の邪魔にな
る。

実際にはTVモニター12までの距離が3H程度で見る場合
もあるので、である場合に、ファイバー配列模様が観察の邪魔にな
る。

尚、石英製のイメージガイドファイバ束のようにファ
イバー径がランダムな場合にはあ、最も粗いファイバー
間隔をφと考えれば良い。

従って、式（５）を満たす場合に光学的ローパスフィ
ルター８でファイバー像の基本空間周波数U_x,U_rのMTFを
低下せしめれば、実用上見やすい像が得られる。具体的
には、上記文献「応用物理」第49巻第７号（1980年）の
第691頁にMTFを0.5以下とすればかなり改善されること
が示されている。上記文献では空間周波数の低い明暗パ
ターンに空間周波数の高い明暗パターンを重ねた際の肉
眼によるパターンの見やすさについて検討している。そ
の第691頁右欄11〜20行目によると、マスキングパター
ン（高周波の方）のコントラストが0.5程度以下になる
と低周波パターンのコントラスト弁別閾値への影響が急
激に少なくなるとのことである。ファイバースコープの
像は物体の明暗パターン（色も含めて）にファイバーの
配列による網目模様（物体像より高周波である）が重な
っているから、この網目模様をマスキングパターンと考
えれば、そのコントラストつまりMTFが0.5以下になれ
ば、低周波のパターンのつまり物体像を見る際の邪魔の
程度が急減すると考えられる。

従って、光学的ローパスフィルター８の特性としては
空間周波数U_x,U_yでMTFが0.5以下になるものが望まし
い。

第５図及び第６図は夫々光学的ローパスフィルター８
の一例の構成及び断面を示しており、水晶板13及び14の
間に1/4波長板15を挟んで成るものである。第５図中、
矢印は像の分離方向を示している。又、第７図は光学的
ローパスフィルター８のMTFを２次元周波数平面で表わ
しており、図中点線はMTFが０になる線即ちトラップ線
である。

ところで、第４図によれば、であるが、U_x,U_y方向のMTFは余弦関数で減少していくの
で、U_x,U_yでのMTFを0.5以下にするには、第７図のトラ
ップ線の空間周波数をU_x0,U_y0とすると、でなければならない。

トラップ線の選び方は第７図の例以外に第８図のよう
にしても良い。これは第５図及び第６図に示した光学的
ローパスフィルター８を光軸のまわりに角度θまわした
ものであり、式（８），（９）をほぼ同様に適用するこ
とができる。

尚、光学的ローパスフィルター８は、水晶板の代りに
液晶ポリマー板，位相格子，回折格子，レンチクラール
レンズ，多面レンズ，ソフトフォーカスレンズ等を用い
て構成しても良い。又、1/4波長板も液晶ポリマー板か
ら構成しても良い。液晶ポリマー板は軽く、形も自由に
変えられるので便利である。

第９図は第２実施例を示しており、これはファイバー
スコープ１に３板式のカラーカメラ２を取付けたもので
あって、光学的ローパスフィルターとして多面レンズを
用いている。カラーカメラ２において、16は絞り、17は
多面レンズ、18は三色分解プリズムである。

第10図及び第11図は夫々多面レンズ17の断面及び正面
を示しており、多面レンズ17はΔだけ離れた近似球面の
球心を持つ二つの曲面（非球面でも良い）を組合わせて
成るものである。ここで、多面レンズ17の多面曲面の個
々の面を一つのレンズと考えたときの近軸倍率をβ_１、
該多面曲面より後のレンズ系19（第９図参照）の合成近
軸倍率をβ_２とするとき、の周波数でMTFが０になるようにすれば良い。そうすれ
ば、光線は固体撮像素子10の撮像面で｜（−Δ＋Δ
β_１）・β₂|だけ離れた２点に分離する。

尚、多面レンズ17は瞳近傍に置くのが良い。そうすれ
ば、画面全体に亘り同じローパス特性が得られる。

第12図は第３実施例を示しており、これはカラーカメ
ラ２の撮像レンズ５の一部を、偏心したレンズから成る
レンズ系20とすることによってローパス特性を得るよう
にしたものである。ここで、ローパス特性を可変とする
ためにレンズ系20の一部のレンズの偏芯量を可変として
も良い。

尚、上記光学的ローパスフィルター8,多面レンズ17,
偏芯したレンズ系20は何れもモアレ除去にも用いること
ができる。ここで、偏芯したレンズ系20がモアレ除去効
果を有する理由について述べる。

レンズ系は通常全てのレンズが共軸に（同芯的に）配
置されているものであり、その内の一つ以上のレンズが
偏芯するとそれに伴い収差が発生する。偏芯により発生
する収差は種々であるが、偏芯歪曲収差，偏芯像面湾曲
収差，偏芯コマ収差，偏心球面収差が主なものである。
このうち、偏心球面収差は別名一様コマ（uniform com
a）とも呼ばれており、画面全体で略一様にコマ収差状
のボケが発生する。従って、他の偏芯収差を生ずること
なく偏心球面収差のみ発生するようにレンズの偏心が起
こるならば、ソフトフォーカスレンズと同様のモアレ除
去効果が期待できる。

本願発明者の検討結果によれば、明るさ絞りの近くに
配置された絞りに対して略コンセントリックな形状のレ
ンズ面を若干偏芯させると偏芯球面収差が発生する一
方、他の偏芯収差はこれに比べて僅少に抑えられること
が明らかになった。従って、光学系の特性，モアレの性
質等に応じて偏芯量を調整することにより、モアレ除去
効果が得られる。

第13図は第４実施例を示しており、これはカラーカメ
ラの光学的ローパスフィルターとしてダハ角αを90゜か
らθだけ小さくしたダハプリズムを用いたものである。
ファイバースコープ１において、21は接眼レンズであ
る。カラーカメラ２において、22は絞り16の近傍に置か
れたダハプリズムである。これによれば、像面では光線
が下記のａだけ離れた２点に分かれ、同じ点の分離を生
ずる水晶フィルターと同等の効果がある。

ここで、ｎはダハプリズム22の屈折率、ψはダハプリ
ズム22の稜線の光軸と垂直な面とのなす角、Ｓはダハプ
リズム22より前群のレンズで得られたイメージガイドフ
ァイバ束４の射出面を物体とする像までの距離、はダハプリズム22以後の光学系の横倍率である。

第14図は第５実施例を示しており、これはカラーカメ
ラ２の撮像レンズとして強い正の歪曲収差を持った撮像
レンズ23を用いたものである。撮像レンズ23は、周辺に
行くにつれて主光線24の屈折作用が弱くなる非球面25が
用いてある。即ち、ファイバースコープ，硬性鏡等では
一般に対物レンズで強い負の歪曲収差が発生するので、
それを撮像レンズ23で減少させるために撮像レンズ23に
正の歪曲収差を持たせたのである。

この場合、光学的ローパスフィルタとして水晶フィル
ターを固体撮像素子10の直前に置くのは適当でない。何
故なら、イメージガイドファイバ束４のファイバーの像
は撮像レンズ23によって周辺ほど大きく拡大されるの
で、固体撮像素子10の直前に水晶フィルターを置いても
像の一部のモアレしか消すことができないからである。
そこで、本実施例では、非球面25より前方に位相フィル
ター26又は多面レンズ17を置くか、或いは又非球面より
前方で一つの物点からの光束が平行でないところに水晶
フィルター27を置くのが良い。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による撮像装置は、細いファイバ
ースコープにTVカメラを接続して像を観察するような場
合に邪魔なファイバー配列模様が見えないという実用上
重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による撮像装置の第１実施例の概略図、
第２図は1cpdの説明図、第３図は肉眼観察時のMTFの変
化を示す図、第４図はイメージガイドファイバ束の射出
端面像の要部拡大図、第５図及び第６図は夫々第１実施
例の光学的ローパスフィルターの一例の構成及び断面を
示す図、第７図は上記光学的ローパスフィルターのMTF
を２次元周波数平面で表わした図、第８図は上記光学的
ローパスフィルターを光軸のまわりに回転させた場合の
MTFを２次元周波数平面で表わした図、第９図は第２実
施例を示す図、第10図及び第11図は夫々第２実施例の多
面レンズの断面及び正面を示す図、第12図乃至第14図は
夫々第３乃至第５実施例を示す図である。１……ファイバースコープ、２……カラーカメラ、３…
…対物レンズ、４……イメージガイドファイバ束、5,23
……撮像レンズ、6,8……光学的ローパスフィルター、
７……赤外光カットフィルター、９……モザイクフィル
ター、10……固体撮像素子、11……カメラコントロール
ユニット、12……TVモニター、13,14……水晶板、15…
…1/4波長板、16……絞り、17……多面レンズ、18……
三色分解プリズム、19,20……レンズ系、21……接眼レ
ンズ、22……ダハプリズム、24……主光線、25……非球
面、26……位相フィルター、27……水晶フィルター。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 23/00 A61B 1/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イメージガイドファイバー束と、前記イメ
ージガイドファイバー束の射出端面の像を形成する結像
光学系と、前記射出端面の像を受ける撮像素子と、該撮
像素子で撮像された像を表示する表示装置とを備え、前
記撮像素子の垂直方向のサンプリング周波数をN_yとし、
前記撮像素子が水平方向にもサンプリングを行う場合に
はそのサンプリング周波数をN_xとし、前記射出端面の像
中のファイバー配列模様の水平方向及び垂直方向の基本
空間周波数を夫々U_x,U_yとする時、U_y＜N_y/2及び／又はU
_x＜N_x/2を満足する撮像装置において、以下の条件式を満足する場合に、前記イメージガイドフ
ァイバー束の射出端面から前記撮像素子に致る光路中
に、前記結像光学系の空間周波数レスポンスをU_y及び／
又はU_xにおいて約0.5以下とする光学素子を配置したこ
とを特徴とする撮像装置。 1/（tan^-1（φ/3H）≦20cpd ここで、φはイメージガイドファイバー束の射出端面像
のファイバー間隔、Ｈは表示装置の縦辺の長さ、cpdは
視角１゜当たりの明暗のパターン数である。