JP3349737B2

JP3349737B2 - 内視鏡

Info

Publication number: JP3349737B2
Application number: JP34735992A
Authority: JP
Inventors: 勉五十嵐
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH06194582A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療分野や工業分野等
において使用される内視鏡に係り、特に、内視鏡内部で
画像のサンプリングが行われる方式の内視鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像の伝送方法により内視鏡を分類する
と、大きく以下の３つの方式に分類される。つまり、フ
ァイバー・スコープ（イメージガイドファイバによる光
像の伝送を行うもの）、ビデオ・スコープ（固体撮像素
子を用いて画像を電気信号による情報に変換してこの画
像情報の伝送を行うもの）、硬性鏡（リレーレンズを用
いた光学系による光像を伝送するもの）である。

【０００３】以上の各方式の内視鏡のうち、硬性鏡は対
物部から接眼部まで全てレンズ、プリズム、フィルタに
より構成されるため、内部で画像のサンプリングは行わ
れない。これに対して、他の２つ方式の内視鏡は、イメ
ージガイドファイバや固体撮像素子を用いるため、その
伝送過程で画像のサンプリングが行われるという違いが
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の如く、内視鏡に
は、その内部で画像のサンプリングが行われる方式のも
のと、内視鏡内部で画像のサンプリングが行われない方
式のものとがあるが、スコープ内部での画像のサンプリ
ングの有無は、フォーカシングに大きな影響を与える。

【０００５】リレーレンズ光学系を用いた硬性鏡は、観
察光学系全体が１つのレンズ系として扱えるため、肉眼
視においては、目のオートフォーカス機能を用いて、あ
る程度、物体へのフォーカシングが可能である。また、
ＴＶカメラを組み合わせた場合でも、ＴＶカメラもしく
は中継する光学アダプタ内で、レンズもしくは撮像素子
を動かすことにより、フォーカシングが可能である。こ
のため、スコープ単独として見れば、フォーカシングや
被写界深度に関して、それほど複雑な工夫を必要としな
い。

【０００６】これに対して、スコープ内部で画像のサン
プリングが行われる方式のファイバー・スコープやビデ
オ・スコープでは、スコープ先端部におけるイメージガ
イド入射端面、もしくは固体撮像素子の撮像面で、画像
のサンプリングが行われることから、物体へのフォーカ
シングはスコープ先端部で行われていなければならな
い。

【０００７】しかしながら、スコープの先端部における
対物レンズ光学系の部分にフォーカス機構を組み込む
と、そのスコープの先端部が太くなってしまい、内視鏡
としてはきわめて望ましくない。このことから、ファイ
バー・スコープやビデオ・スコープの対物レンズは、ほ
とんどがフォーカス機構をもたない固定焦点レンズであ
る。その結果、ここで、重要となるのがスコープの光学
仕様の１つである被写界深度であり、この設定を誤る
と、実用上頻繁に使う物体距離なのにピントがボケて見
づらい等の不具合を生じる。

【０００８】このようにスコープ内部で画像のサンプリ
ングが行われるファイバー・スコープやビデオ・スコー
プにあっては、被写界深度がきわめて重要である。そこ
で、この種のスコープは、被写界深度を光学仕様の重要
なものとして取り扱う。しかし、このことによって、そ
れに影響を与える対物レンズのＦナンバーの設定の自由
度が狭まり、Ｆナンバーを充分に小さくできない。つま
り、所望の明るさが得られないことが多い。これがファ
イバー・スコープやビデオ・スコープにあっての重大な
問題点とされている。

【０００９】本発明は前記課題に鑑み、なされるもので
あるが、以下、従来において、解明されなかった技術的
な背景を述べる。

【００１０】ファイバー・スコープを例にとって検討す
る。一般に、ファイバー・スコープの光学系は図１のよ
うな構成となっている。すなわち、ファイバー・スコー
プ１はその内部にイメージガイドファイバ２を配設して
なり、このイメージガイドファイバ２の先端側にはその
入射先端面に観察物体３を結像する対物レンズ４を設
け、イメージガイドファイバ２の手元端側には出射端面
の像を観察する接眼レンズ５を設置してある。また、ス
コープ１の内部にはライトガイドファイバ６が配置さ
れ、このライトガイドファイバ６の先端側には照明レン
ズ７を設置し、ライトガイドファイバ６の手元端面には
光源８の光が集光レンズ９を通じて入射させるようにな
っている。

【００１１】このファイバー・スコープの光学系に関わ
る仕様としては以下のような項目が挙げられる。Ｆ１：画角Ｆ２：イメージガイドの有効画素数（視野内に入るファ
イバ本数）Ｆ３：被写界深度、もしくは分解能（解像可能な物体面
上の最小ピッチ）Ｆ４：見かけの視野の大きさ（イメージガイドの有効径
×接眼倍率）Ｆ５：明るさ（接眼部出射後の像面照度）これらの項目は、すべて、スコープのユーザーの評価に
直接影響するものである。これに対して、例えば、以下
のような項目は、その値の大小がユーザーに対して直接
的な影響を与えるものではない。

【００１２】・対物レンズのＦナンバー・対物レンズの焦点距離・イメージ・ガイドの画素間隔・接眼部の倍率・イメージガイドの有効面積・ライトガイドの有効面積これらの項目は、ユーザーの立場における仕様とは異な
る、単なる設計上のパラメータとされてきたものであ
り、このパラメータは、前記Ｆ１〜Ｆ５の仕様の達成や
向上を図る際に設計者サイドが決めるべき項目である。
これらのパラメータは、前記Ｆ１〜Ｆ５の仕様や他の項
目との相関関係があるため、設定の自由度は少なくなる
ものの、その組合せによっては、前記Ｆ１〜Ｆ５で挙げ
た仕様の向上が図れるかも知れない。例えば、Ｆ１〜Ｆ
５の中で、Ｆ１〜Ｆ４を特定の数値に固定した場合、パ
ラメータの組み合わせによっては、Ｆ５の明るさの項目
を向上させる可能性がある。

【００１３】しかしながら、従来、明るさ向上のための
光学設計パラメータの設定に関する検討は、この種のフ
ァイバー・スコープに関して行われてこなかった。この
ため、パラメータの設定が不適当であるため、明るさが
十分に確保されないという問題があった。したがって、
スコープの光学仕様と他の光学系のパラメータとの間の
関係の検討が重要となった。

【００１４】一方、ビデオ・スコープの光学系は、一般
に、図２のような構成となっている。すなわち、ビデオ
・スコープ１１の先端部内に固体撮像素子１２を配設
し、この固体撮像素子１２の受光面には対物レンズ４を
介して観察物体３の像を結像する。また、前述したファ
イバー・スコープ１と同様にライトガイドファイバ６、
照明レンズ７、光源８および集光レンズ９が設けられて
いる。

【００１５】そして、このビデオ・スコープ１１の光学
系に関わる仕様としては以下のような項目が挙げられて
いる。Ｖ１：画角Ｖ２：固体撮像素子の有効画素数Ｖ３：被写界深度及び分解能Ｖ４：明るさ（固体撮像素子の映像信号出力）そして、前述したような事情、つまり、ユーザーの立場
における仕様とは異なる、単なる設計上のパラメータと
される項目の検討は、このビデオ・スコープの明るさを
向上させるために必要であることは、このビデオ・スコ
ープについても同様である。このビデオ・スコープの明
るさは、そのビデオ・スコープとしての光学系の設計パ
ラメータの選び方で良くも悪くもなる。

【００１６】本発明は前記課題に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、画像のサンプリングが行われ
る内視鏡の光学系の設計パラメータのうち、イメージガ
イドもしくは固体撮像素子の有効部の面積とライトガイ
ドの有効部の面積の比率の範囲を規定することにより、
内視鏡の明るさを向上させた内視鏡を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決する手段および作用】課題を解決するため
に第１の発明は、観察画像の伝送にイメージガイドを用
い、照明光の伝送にライトガイドを用いる内視鏡におい
て、以下の条件式を満足するものである。 0.1≦Si／(Si十Sl)≦0.4 hi／fl≧Ｗここで、Siはイメージガイドの有効面積、Slはライトガ
イドの有効面積であり、図７に示すように、Si、Slはそ
れぞれ画像光、照明光の伝送に用いる部分の面積であ
る。また、hiはイメージガイドの有効半径、flは対物レ
ンズの焦点距離、Ｗは対物レンズの半画角である。

【００１８】第２の発明は、観察系に固体撮像素子を用
い、照明光の伝送にライトガイドを用いる内視鏡におい
て、以下の条件式を満足することを特徴とする内視鏡で
ある。 O.1≦Sc／(Sc十Sl)≦0.4 ここで、Scは図８に示すように、実際の撮像に撮像に使
われる固体撮像素子の撮像面の有効面積、Slはライトガ
イドの有効面積である。第３の発明は、第２の発明にお
いて、以下の条件式を満足することを特徴とする内視鏡
である。 hc／fl≧Ｗここで、hcは固体撮像素子の撮像面の有効半径、flは対
物レンズの焦点距離、Ｗは対物レンズの半画角である。

【００１９】以下、本発明の構成について具体的に説明
する。まず、ファイバー・スコープを例に挙げて説明す
る。ファイバー・スコープ１の先端を除く挿入部内の光
学的な内蔵物は、通常、イメージガイド２とライトガイ
ド６しかなく、前述した（１）式の分数部分の分母（Ｓ
ｉ＋Ｓｌ）はスコープ挿入部におけるその両ガイドの光
学的な有効断面積の和を意味する。よって（１）式の分
数Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｌ）はスコープ挿入部の光学的な有
効断面積に対するイメージガイド２の有効面積の占める
比率を意味する。

【００２０】スコープ挿入部の光学的な有効断面積はユ
ーザーに直接の光学的な影響を及ぼす数値ではないた
め、通常、スコープの光学仕様ではないが、挿入部の機
械設計に対する影響は極めて大きく、この値が大きくな
ると明るさは向上するが当然の如くスコープの挿入部が
太くなってしまう。逆に、スコープ挿入部径やチャンネ
ル径などの挿入部仕様が定まっている場合には、明るさ
に考慮して可能な限り光ガイドファイバ２，６を多く詰
め込むことを考えると、光学的な有効断面積はあるレベ
ルに決まってしまい、選択の自由度は小さく他の光学パ
ラメータとは一線を画する。

【００２１】これに対して、イメージガイド２とライト
ガイド６の面積比率を示す（１）式の分数Ｓｉ／（Ｓｉ
＋Ｓｌ）の値には挿入部の機械設計への影響はあるもの
の、かなりの選択の自由度が残されている。このため、
スコープ１の機械設計的に挿入部の光学的な有効断面積
が固定された場合、（１）式におけるその分数Ｓｉ／
（Ｓｉ＋Ｓｌ）の値が光学仕様にどのような影響を与え
るかが重要となる。

【００２２】この分数Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｌ）の値が光学
仕様に与える影響を知るために、前述したＦ１〜Ｆ５の
スコープ光学仕様、およびその他の光学パラメータの関
係式をたてると、以下のようになる。なお、説明を容易
にするため、イメージガイド２の有効面形状は円、画素
は正方配列とする。

【００２３】Ｆ１：画角に関してｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ …（３）Ｆ２：イメージガイド２の有効画素数Ｎに関してＮ＝π・（ｈｉ／ｄｉ）² …（４）Ｆ３：被写界深度の能力値Ｄに関してＤ＝（４・ｄｉ・ｆｎ）／ｆｌ² …（５）分解能Ｐに関してＰ＝ｆｌ／２ｆｎ …（６）Ｆ４：見かけの視野サイズＦ（目からの距離ｘ）に関してＦ＝２ｈｉ・β …（７）Ｆ５：接眼出射後の虚像位置２０における像面照度Ｉに関してＩ＝Ｋｆ・｛Ｓｌ／（β²・ｆｎ²） …（８）上記に加えて以下の定義式もつけ加えておく。Ｓ＝π・ｈｉ²＋Ｓｌ …（９）Ａ＝Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｓｌ）＝（π・ｈｉ²）／Ｓ …（１０）但し、ｈｉはイメージガイド２の有効半径、ｆｌは対物
レンズの焦点距離、Ｗは対物レンズの半画角、ｄｉはイ
メージガイド２の画素間隔、Ｆｎは対物Ｆナンバ、Ｋｆ
は比例定数、βは接眼倍率、Ｓｌはライトガイド６の有
効断面積、Ｓはスコープ挿入部の光学的有効断面積の
和、Ａは（１）式の分数部分の代数である。

【００２４】ついで、（３）〜（８）式の由来について
説明する。（３）式はテレセントリックな内視鏡の対物
レンズに従来から用いられているもので、図５にその概
念図を示す。瞳の非対象配置により生じるディストーシ
ョンの影響がｓｉｎＷの形となって表れるため、（３）
式の形となる。

【００２５】（４）式は、有効画素数がイメージガイド
２の有効半径ｈｉの２乗に比例し、画素間隔ｄｉの２乗
に反比例することを表したもので、その設定を図３に示
す。正方配列としたため、（４）式の形になる。

【００２６】（５）式は被写界深度の能力をＦナンバ等
のパラメータを用いて表したものである。図６の設定に
おいて、ボケを感じない許容錯乱円径を画素間隔ｄｉを
用いてＣ×ｄｉ（Ｃを許容錯乱円定数とする）とする。
また、対物レンズ４の前側焦点位置１５から近点位置１
６までの距離を近点距離Ｘｎ、前側焦点位置１５から遠
点位置１７までの距離を遠点距離Ｘｆとして、ニュート
ンの式を用いることで下式が導ける。なお、図６におい
て前側焦点位置１５からベスト位置１８までのベスト距
離をＸｂで示す。（１／Ｘｆ）−（１／Ｘｎ）＝（２Ｃ・ｄｉ・ｆｎ）／ｆｌ² ≒Ｄ …（１１）上式はベスト距離に依存する部分を左辺に、依存しない
部分を右辺に分類したもので、左辺は直接被写界深度の
能力を示すものとなり、これをＤとすると、この値が大
きいほど同じベスト距離にピントを設定したとしても被
写界深度を広く確保できる。等式でつなげられた右辺も
当然、被写界深度の能力を示すものと考えることができ
るので、本発明では許容錯乱円定数Ｃ＝２として（５）
式を設定した。

【００２７】（６）式も（１１）式から導いたものであ
る。物体面上の細かいパターンを解像するためには、ピ
ントが合ってかつ倍率が大きくなる距離で物体を観察す
る必要があり、この条件を満たすのは被写界深度の近点
付近となる。分解能を解像できる最小の黒白ピッチと定
義してこれをＰとすると以下の関係式が成り立つ。 −（Ｐ・ｆｌ）／Ｘｎ＝２ｄｉ …（１２）（１１）式において通常｜Ｘｆ｜＞＞｜Ｘｎ｜であるこ
とを用いて１／Ｘｆ→Ｏと近似し、これを（１１）式と
組合わせてＰについて解くと下式が求まる。Ｐ＝ｆｌ／（Ｃ・ｆｎ） …（１３）Ｐは小さいほど物体の細部まで解像できることになり好
ましい。前記（６）式は（１３）式に許容錯乱円定数Ｃ
＝２を代入したものである。

【００２８】なお、被写界深度と分解能は、上記導出の
過程からもわかるように類似の仕様であるため、本発明
で明るさを比較する際、その仕様としてはどちらか一方
のみを用いる。通常、物体をどこまで細かく観察しえる
かが問題になるときに分解能を、それ以外では被写界深
度を用いる。

【００２９】前記（７）式は単に、イメージガイド２の
有効直径２ｈｉに接眼倍率をかけたものを見かけの視野
サイズＦとして定義したもので、その設定を図４に示
す。イメージガイド２に視野マスクがついている場合
は、視野マスクの内径をイメージガイド２の有効直径と
考えることとする。

【００３０】前記（８）式は同一物体を同一距離で観察
することを想定して、光学使用の一部と選択の自由度の
高い光学パラメータのみを選んで像面照度との相関を示
したものである。イメージガイドとライトガイドのコア
占有率やファイバーの透過率は選択の自由度があるとは
言い難いのでこの中には含めない。また、画角の違いに
よる配光角の変化に伴う物体面照度の変化も像面照度Ｉ
に影響を与えるが、これに関しても画角がスコープ光学
仕様そのもので要求値に固定されてしまうことから、前
記（８）式には含めない。像面照度Ｉが対物Ｆナンバー
ｆｎの２乗に反比例すること、接眼倍率βの２乗に反比
例すること（像の拡大・縮少により光の密度が変化）。
照明光伝送路の断面積に相当するＳｌに比例することは
ごく自然な考え方である。尚、像面照度を明るさの評価
値としたため、前記（８）式中には、イメージガイドの
有効半径ｈｉは含まれない。

【００３１】また、前記（９），（１０）式は説明を省
略化するためのもので、（９）式は挿入部の光学断面積
Ｓの定義式であり、（１０）式は、本発明の主要な特徴
を示す（１）式の分数部分の代数定義である。

【００３２】前述の式を用いて構成の説明に入るが、ま
ず、従来の考え方として被写界深度Ｄもしくは分解能Ｐ
による対物Ｆナンバーｆｎへの制約がないと仮定して、
像面照度ＩとＡの関係を調べる。（５），（６）以外の
式から、ｆｎ以外の小文字で示された光学パラメータを
消去して（８）式にまとめて整理すると下式が導かれ
る。Ｉ＝（４Ｋｆ／π）・｛Ｓ²・Ａ（１−Ａ）／（Ｆ²・ｆｎ²）｝ …（１４）この（１４）式において、４Ｋｆ／πは定数であり、見
掛けの視野サイズＦを光学仕様として固定、挿入部の光
学断面積Ｓを機械設計上の制約から上限に固定、対物Ｆ
ナンバｆｎをイメージガイドの開口数（ＮＡ）に合わせ
て固定した場合、ＩはＡのみの関数となる。この場合、
Ｉの値を最大とするＡの値は、０．５となり、イメージ
ガイド２の有効面積とライトガイド６の有効面積を等し
くするのが望ましいことになる。このことは上記の式を
用いずとも、単純に接眼側で得られる総光量は照明光の
伝送断面積、観察光の伝送断面積に比例すると考えても
同じ結果が得られる。従来はこのような考えに基づき、
イメージガイド２の有効面積とライトガイド６の有効面
積をほぼ等配分とする設計が行われてきた。

【００３３】続いて、本発明のポイントである被写界深
度Ｄによる対物Ｆナンバｆｎの制約が加わった場合の像
面照度ＩとＡとの関係について述べる。（５）式とその
他の式からｆｎを含めた全ての光学パラメータを消去し
て（８）式にまとめて整理すると下式が導かれる。Ｉ＝６４π・Ｋｆ・｛Ｓ（１−Ａ）・ｓｉｎ⁴Ｗ｝／（Ｆ²・Ｄ²・Ｎ） …（１５）前記（１５）式においても、（１４）式の場合と同様に
光学断面積Ｓとその他の光学仕様である半画角Ｗ、見か
けの視野サイズＦ、被写界深度の能力Ｄ、イメージガイ
ド２の画素数Ｎが固定として、像面照度ＩをＡの関数と
考えると、式の上ではＡが小さければ小さいほどＩが大
きくなり、明るさが向上することになる。但し、（１
５）式においてＡ＝０、つまりイメージガイド２の有効
面積が零のときにＩが最大になることは物理的に奇妙で
あるが、その理由は対物Ｆナンバｆｎの下限値に制約を
つけなかったことにより生じるもので、Ａ＝０（（１
０）式よりｈｉ＝０）のときにｆｎ＝０となることから
考えれば、数学的な矛盾はない。物理的には対物レンズ
の入射側の媒質と出射側の媒質が共に空気であれば、対
物Ｆナンバーｆｎの下限値は０．５となる。

【００３４】さらに、実用上は、イメージガイドの開口
数（ＮＡ）を越える光を対物レンズ側から入射させても
無駄になるので、通常イメージガイドの開口数（ＮＡ）
が、０．３〜０．６程度であることを考えるとｆｎの下
限値を１．５程度と考えるのが望ましい。故に、ｆｎ＞
１．５の範囲を保ちつつ、イメージガイド側の比率を小
さくして設定すれば、明るさをより多く確保できる。

【００３５】次に、被写界深度の能力Ｄの代りに分解能
Ｐによる対物Ｆナンバｆｎの制約が加わった場合につい
て述べる。前記（６）式を用いて被写界深度Ｄを用いた
ときと同様の数式処理を行うと下式が導かれる。Ｉ＝１６Ｋｆ・｛Ｐ²・Ｓ（１−Ａ）・ｓｉｎ²Ｗ｝／Ｆ² …（１６）この式の右辺においても、Ａを含む部分の形は、（１
５）式と同じであるから、（１５）式と同様の解釈が行
える。すなわち、対物Ｆナンバｆｎ＞１．５の範囲を保
ちつつ、イメージガイド側の比率を小さくしてＡを小さ
くする方が明るさを向上できる。

【００３６】ここまでの説明は、被写界深度の能力Ｄや
分解能Ｐを固定したときの像面照度ＩとＡの関係を述べ
てきたが、逆に、像面照度Ｉを固定したときの被写界深
度の能力Ｄや分解能ＰとＡの関係を見てもＡの好ましい
条件は変わらない。Ａが小さいほど明るさを大きくとれ
るということは、同じ明るさを確保する際に、対物Ｆナ
ンバｆｎを大きくできることを意味する。このことは、
（５）式と（６）式から被写界深度Ｄや分解能Ｐの向上
につなげることができる。つまり、Ａを小さく保つこと
でスコープの光学仕様全体のレベルアップを図ることが
可能となるのである。

【００３７】ところで、Ａの望ましい範囲についてであ
るが、（１５）式や（１６）式において、従来のＡ＝
０．５と比較して、明るさを少なくとも、２０％以上改
善するには、Ａを０．４以下とすればよい。また、Ａを
小さくし過ぎると、対物レンズのＦナンンバが対応でき
なくなることから、Ａは０．１以上が望ましい。故に、
（１）式を満足させればよい。

【００３８】ビデオ・スコープの場合もほとんどファイ
バー・スコープの場合と同様である。ビデオ・スコープ
ではファイバー・スコープで用いたイメージガイドの有
効面積Ｓｉの代りに、固体撮像素子の有効面積Ｓｃを用
いる。ファイバー・スコープの場合と同様にＶ１〜Ｖ４
の光学仕様、及び、その他の光学パラメータの関係式を
たてる。尚、説明を容易にするため、有効撮像面の形状
は円、撮像形式はいわゆるモノクロの固体撮像素子を用
いる面順次方式であると仮定する。

【００３９】Ｖ１：画角に関してｈｃ＝ｆｌ・sin Ｗ …（１７）Ｖ２：固体撮像素子の有効画素数に関してＮ＝π・（ｈｃ／ｄｃ）² …（１８）Ｖ３：被写界深度に関してＤ＝４・｛（ｄｃ・ｆｎ）／ｆｌ²｝ …（１９）分解能に関してＰ＝（ｆｌ／２ｆｎ） …（２０）Ｖ４：固体撮像素子の映像信号出力に関してＶ＝Ｋｖ・｛（Ｓｌ・ｄｃ²）／ｆｎ²｝ …（２１）Ｓ＝π・ｈｃ²＋Ｓｌ …（２２）Ａ＝Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｌ）＝π・ｈｃ²／Ｓ …（２３）但し、ｈｃは固体撮像素子の撮像面の有効半径、Ｋｖは
比例定数、ｄｃは固体撮像素子の画素間隔、Ｖは固体撮
像素子の映像信号出力である。

【００４０】前述した（１７）〜（２０）式は（３）〜
（６）式と考え方が全く同じであるため、説明は省略す
る。明るさに関する（２１）式について由来を説明す
る。ファイバー・スコープではスコープ内部では光学的
な処理のみが行われるため、像面照度という概念で明る
さの評価が行えるが、ビデオ・スコープでは固体撮像素
子内で光学的情報から電気的な情報への変換が行われる
ため、単純に対物レンズの像面照度を明るさの尺度に用
いることができない。固体撮像素子の転送形式やその他
の形式、素子の構造の違いが明るさに与える影響は大き
いが、本発明の目的から外れるため、ここではそれらの
違いは考慮しないこととする。同種の素子構造で、か
つ、開口効率が一定の固体撮像素子を考えた場合、１画
素当たりの電荷は、画素の光電変換面に入射する光エネ
ルギーに比例すると考えられるため、対物レンズの像面
照度に比例し、開口効率が一定という関係から画素間隔
の２乗に比例することになる。故に、（２１）式では明
るさの尺度として、固体撮像素子の映像信号出力Ｖを用
い、それが対物Ｆナンバーの２乗に反比例し、ライトガ
イドの有効面積に比例し、画素間隔の２乗に比例すると
した。（２２），（２３）式は、ファイバー・スコープ
における前述した（９），（１０）式と同様の定義であ
る。

【００４１】ファイバー・スコープにおける（１４），
（１６）に相当する式を上記の式を用いて導き、対応す
る順に並べると以下のようになる。Ｖ＝Ｋｖ・｛Ｓ²・Ａ（１−Ａ）｝／（Ｎ・ｆｎ²） …（２４）Ｖ＝１６π²・Ｋｖ・｛Ｓ（１−Ａ）・sin ⁴Ｗ｝／（Ｎ²・Ｄ²） …（２５）Ｖ＝４π・Ｋｖ・｛Ｐ²・Ｓ（１−Ａ）・sin ²Ｗ｝／Ｎ …（２６）この（２４）式は被写界深度Ｄや分解能Ｐによる対物Ｆ
ナンバー（ｆｎ）の制約がないと仮定したもので、映像
信号出力Ｖを最大にするには、Ａ＝０．５ととることに
なる。しかし、被写界深度Ｄや分解能Ｐはビデオ・スコ
ープの重要な仕様であり、これらの値を野放しにするわ
けにはいかないため、被写界深度Ｄによる対物Ｆナンバ
ーｆｎの制約を含む（２５）式か、分解能Ｐによるｆｎ
の制約を含む（２６）式を用いて判断を行うのが望まし
い。（２５），（２６）式のＡに関する部分を見れば明
らかなように、Ａを小さくするほど映像信号出力を大き
くとれ、明るくできることになる。

【００４２】但し、この場合にもファイバー・スコープ
と同様Ｆナンバー（ｆｎ）の下限値を考慮する必要があ
り、物理的な理論上の下限値としては０．５、また、対
物レンズの収差補正の限界を考えると実質的には１．５
程度が限界になると考えられる。故に、そのｆｎが１．
５より少さくならない程度に、固体撮像素子の有効面積
の光学断面積Ｓに占める比率Ａが小さくなるようにとれ
ば、明るさを増すことができる。

【００４３】Ａの望ましい範囲は、（２５），（２６）
式のＡを含む部分が式（１５）と式（１６）と同型であ
ることから、ファイバー・スコープの場合と同様に２０
％以上の明るさ改善をするには、（２）式を満足させれ
ばよい。

【００４４】尚、上記説明では式の設定に面順次方式の
モノクロ固体撮像素子を仮定したが、単板カラー撮像方
式の場合も、設計パラメータ算出の比例定数が変わるだ
けで、（２）式を満足させればよいことに変わりはな
い。

【００４５】上述の通り、（１５），（１６），（２
５），（２６）式を基に、光学断面積に対するイメージ
ガイドや固体撮像素子の有効面積の比率を小さくするこ
と、つまり、（１），（２）式を満足させることで、ス
コープの明るさを向上させることが可能なことを示して
きたが、更に、対物レンズのタル型のディストーション
を補正すると、明るさを改善できることについて述べ
る。（１５），（１６），（２５），（２６）式を求め
る時に用いた（３），（１７）式はテレセントリックな
対物レンズで通常残存してしまう大きなタル型のディス
トーションを考慮した式であるが、例えば非球面レンズ
の使用により、テレセントリック性を保ったまま、対物
レンズのタル型のディストーションを減少させられるこ
とが知られている。（３）式よりも対物レンズのディス
トーションを補正して、次式を用いた場合を考える。

【００４６】ｈｉ＝ｆｌ・Ｗ …（２７）（２７）式を（３）式の代りに用いると（１５）式は下
式に変化する。Ｉ＝６４π・Ｋｆ・｛Ｓ（１−Ａ）・Ｗ⁴｝／（Ｆ²・Ｄ²・Ｎ） …（２８）Ｗ＞sin Ｗなので、ディストーション以外、同仕様の条
件では（１５）式のＩよりも（２８）式のＩの方が大き
くなるから、ディストーションを補正した方が明るさが
増すことになる。故に、先に述べた有効面積の条件に加
えて、対物レンズのディストーションを補正すれば、よ
り一層望ましい。ファイバー・スコープの場合は明るさ
改善効果を考慮して下式を満足させるのが望ましい。ｈｉ／ｆｌ ≧ Ｗ …（２９）同様にビデオスコープでは下式を満足させるのが望まし
い。ｈｃ／ｆｌ ≧ Ｗ（３０）ここまでの説明においては説明の簡略化のため、イメー
ジガイドや固体撮像素子の有効面形状を円としていた
が、四角形や八角形等の円以外の形状でも、（１），
（２）式を満足させるのが望ましいことに変わりはな
い。このとき、機械的もしくは電気的視野マスクが用い
られている場合は、有効面積Ｓｉ，Ｓｃにはマスクの内
側に相当する部分の面積を用いる。また、画素の配列に
関しても正方配列以外の場合でも、望ましい条件は変わ
らず、（１），（２）式を満足させればよい。

【００４７】

【実施例】

第１の実施例（ファイバースコープ）スコープ仕様半画角Ｗ＝６０゜画素数Ｎ＝３００００被写界深度Ｄ＝０．０９ｍｍ^-1 （近点Ｘｎ＝−１０ｍｍ，遠点Ｘｆ＝−１００ｍｍ）見かけの視野サイズＦ＝４０ｍｍ光学断面積Ｓ＝８ｍｍ² 設計パラメータ (1) Ａ＝０．５ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型イメージガイドの有効半径ｈｉ＝１．１２８ｍｍ（従来タイプ）（Ｓｉ＝４ｍｍ²）対物焦点距離ｆｌ＝１．３０３ｍｍ画素間隔ｄｉ＝１１．５μ 対物Ｆナンバーｆｎ＝３．３２接眼倍率 β＝１７．７ライトガイド有効面積Ｓｌ＝４ｍｍ² (2) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｉ＝０．８７４ｍｍ（Ｓｉ＝
２．４ｍｍ²）ｆｌ＝１．００９ｍｍｄｉ＝８．９μ ｆｎ＝２．５７ β ＝２２．９Ｓｌ＝５．６ｍｍ² (3) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・Ｗ型ｈｉ＝０．８７４ｍｍ（Ｓｉ＝
２．４ｍｍ²）ｆｌ＝０．８３４ｍｍｄｉ＝８．９μ ｆｎ＝１．７６ β ＝２２．９Ｓｌ＝５．６ｍｍ² 明るさ比（像面照度比）Ｉ［（２）］／Ｉ［（１）］＝１．４Ｉ［（３）］／Ｉ［（１）］＝２．９９なお、ここで、各Ｉ［］は設計パラメータ（１）〜
（３）から求まるそれぞれの像面照度を表す。

【００４８】第２の実施例（ファイバースコープ）スコープ仕様Ｗ＝４０゜Ｎ＝２００００分解能Ｐ＝０．２ｍｍＦ＝３０ｍｍＳ＝６ｍｍ² 設計パラメータ (1) Ａ＝０．５ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｉ＝０．９７７ｍｍ（Ｓｉ＝３ｍｍ²）（従来タイプ）ｆｌ＝１．５２０ｍｍｄｉ＝１２．２μ ｆｎ＝３．８ β＝１５．４Ｓｌ＝３ｍｍ² (2) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｉ＝０．７５７ｍｍ（Ｓｉ＝１．８ｍｍ²）ｆｌ＝１．１７８ｍｍｄｉ＝９．５μ ｆｎ＝２．９５ β ＝１９．８Ｓｌ＝４．２ｍｍ² (3) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・Ｗ型ｈｉ＝０．７５７ｍｍ（Ｓｉ＝１．８ｍｍ²）ｆｌ＝１．０８４ｍｍｄｉ＝９．５μ ｆｎ＝２．７１ β ＝１９．８Ｓｌ＝４．２ｍｍ² 明るさ比Ｉ［（２）］／Ｉ［（１）］＝１．４Ｉ［（３）］／Ｉ［（１）］＝１．６５第３の実施例（ファイバースコープ）スコープ仕様Ｗ＝５０゜Ｎ＝３０００Ｄ＝０．９５ｍｍ^-1 （Ｘｎ＝−１ｍｍ，Ｘｆ＝−２０ｍｍ）Ｆ＝１０ｍｍＳ＝０．３ｍｍ² 設計パラメータ (1) Ａ＝０．５ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｉ＝０．２１９ｍｍ（Ｓｉ＝０．１５ｍｍ²）（従来タイプ）ｆｌ＝０．２８６ｍｍｄｉ＝７．１μ ｆｎ＝２．７４ β ＝２２．８Ｓｌ＝０．１５ｍｍ² (2) Ａ＝０．２ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｉ＝０．１３８ｍｍ（Ｓｉ＝０．０６ｍｍ²）ｆｌ＝０．１８０ｍｍｄｉ＝４．５μ ｆｎ＝１．７１ β ＝３６．２Ｓｌ＝０．２４ｍｍ² 明るさ比Ｉ［（２）］／Ｉ［（１）］＝１．６第４の実施例（ビデオスコープ面順次方式）スコープ仕様半画角Ｗ＝６０゜画素数Ｎ＝１０００００被写界深度Ｄ＝０．０９ｍｍ^-1 （近点Ｘｎ＝−１０ｍｍ，遠点Ｘｆ＝−１００ｍｍ）光学断面積Ｓ＝１２ｍｍ² 設計パラメータ (1) Ａ＝０．５ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型固体撮像素子の有効半径ｈｃ＝１．３８２ｍｍ（従来タイプ）（Ｓｃ＝６ｍｍ²）対物焦点距離ｆｌ＝１．５９６ｍｍ画素間隔ｄｃ＝７．７μ 対物Ｆナンバーｆｎ＝７．４４ライトガイド有効面積Ｓｌ＝６ｍｍ² (2) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｃ＝１．０７０ｍｍ（Ｓｃ＝３．６ｍｍ²）ｆｌ＝１．２３６ｍｍｄｃ＝６．０μ ｆｎ＝５．７３Ｓｌ＝８．４ｍｍ² (3) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・Ｗ型ｈｃ＝１．０７０ｍｍ（Ｓｃ＝３．６ｍｍ²）ｆｌ＝１．０２２ｍｍｄｃ＝６．０μ ｆｎ＝３．９２Ｓｌ＝８．４ｍｍ² 明るさ比（映像信号出力）Ｖ［（２）］／Ｖ［（１）］＝１．４Ｖ［（３）］／Ｖ［（１）］＝２．９９ここで、Ｖ［］は設計パラメータ（１）〜（３）から求まる像面照度を表す。

【００４９】第５の実施例（ビデオスコープ面順次方
式）スコープ仕様Ｗ＝７０゜Ｎ＝１０００００分解能Ｐ＝０．０５ｍｍＳ＝１２ｍｍ² 設計パラメータ (1) Ａ＝０．５ｈｃ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｃ＝１．３８２ｍｍ（Ｓｃ＝６ｍｍ²）（従来タイプ）ｆｌ＝１．４７１ｍｍｄｃ＝７．７μ ｆｎ＝１４．７１Ｓｌ＝６ｍｍ² (2) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｃ＝１．０７０ｍｍ（Ｓｃ＝
３．６ｍｍ²）ｆｌ＝１．１３９ｍｍｄｃ＝６．０μ ｆｎ＝１１．３９Ｓｌ＝８．４ｍｍ² (3) Ａ＝０．３ｈｉ＝ｆｌ・Ｗ型ｈｃ＝１．０７０ｍｍ（Ｓｃ＝
３．６ｍｍ²）ｆｌ＝０．８７６ｍｍｄｃ＝６．０μ ｆｎ＝８．７６Ｓｌ＝８．４ｍｍ² 明るさ比Ｖ［（２）］／Ｖ［（１）］＝１．４Ｖ［（３）］／Ｖ［（１）］＝４．０第６の実施例（ビデオスコープ面順次方式）スコープ仕様Ｗ＝６０゜Ｎ＝３００００Ｐ＝０．１ｍｍＳ＝６ｍｍ² 設計パラメータ (1) Ａ＝０．５ｈｉ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｃ＝０．９７７ｍｍ（Ｓｃ
＝３ｍｍ²）ｆｌ＝１．１２８ｍｍｄｃ＝１０．０μ ｆｎ＝５．６４Ｓｌ＝３ｍｍ² (2) Ａ＝０．４ｈｃ＝ｆｌ・sin Ｗ型ｈｃ＝０．８７４ｍｍ（Ｓｃ
＝２．４ｍｍ²）ｆｌ＝１．００９ｍｍｄｃ＝８．９μ ｆｎ＝５．０５Ｓｌ＝３．６ｍｍ² (3) Ａ＝０．４ｈｃ＝ｆｌ・Ｗ型ｈｃ＝０．８７４ｍｍ（Ｓｃ＝
２．４ｍｍ²）ｆｌ＝０．８３５ｍｍｄｃ＝８．９μ ｆｎ＝４．１８Ｓｌ＝３．６ｍｍ² 明るさ比Ｖ［（２）］／Ｖ［（１）］＝１．２Ｖ［（３）］／Ｖ［（１）］＝１．７５第１の実施例は挿入部径が太めで、割合高画質のファイ
バー・スコープの典型的なスコープ仕様において、Ａの
値及び対物レンズのディストーションの違いによる明る
さの改善を示したものである。設計パラメータ（１）〜
（３）に登場する値は（３）〜（７），（９），（１
０）式に仕様の値を代入して求めたものである。これら
の設計パラメータを用いて（８）式もしくは（１５）式
を基に明るさ比を求めると、Ａ＝０．５→Ａ＝０．３と
したことによる明るさの改善は、Ｉ［（２）］／Ｉ
［（１）］＝１．４倍となり、４０％の明るさ改善が図
れることがわかる。更に、対物レンズのディストーショ
ンをｆｌ・sin Ｗ型をｆｌ・Ｗ型とすることにより、Ｉ
［（３）］／Ｉ［（１）］＝２．９９倍となり、大幅な
明るさ改善が図れる。尚、（２）や（３）の設計パラメ
ータにおいて、Ｆナンバー（ｆｎ）は１．５より大き
く、また、画素間隔は９μ程度であり、実現可能な設計
であることがわかる。

【００５０】第２〜第６の実施例においても、Ａの値を
０．４以下と小さくすることにより、従来のＡ＝０．５
と比してＩ［（２）］／Ｉ［（１）］若しくはＶ
［（２）］／Ｖ［（１）］に示されるように２０％〜６
０％の明るさ改善を実現している。更に、対物レンズの
ディストーション補正により、一層の明るさ改善が望め
ることが、Ｉ［（３）］／Ｉ［（１）］若しくはＶ
［（３）］／Ｖ［（１）］の数値上明らかである。

【００５１】第２の実施例は、ファイバー・スコープに
おいて微細物体の観察を考慮して分解能Ｐを仕様として
固定した場合のものである。分解能を仕様としているた
め、その明るさ比は（８）式もしくは（１６）式で算出
している。

【００５２】第３の実施例は、非常に外径の細いファイ
バー・スコープの仕様による例である。Ａ＝０．２とし
た（２）において、イメージガイドの画素間隔ｄｉが
４．５μとなっているが、近年広く使われている石英系
のイメージガイドを用いれば余裕を持って実現できる設
計パラメータである。

【００５３】第４〜第６の実施例は面順次方式のビデオ
・スコープを想定したもので、設計パラメータは（１
７）〜（２０），（２２），（２３）式に仕様の値を代
入して求めた。また、明るさ比は（２１）式、もしくは
（２５）式［被写界深度を仕様としている場合］、（２
６）式［分解能を仕様としている場合］で算出してい
る。

【００５４】第４の実施例では、画素数が多い高画質仕
様のもの、第５実施例は広角、高画質で分解能に優れた
仕様のもの、第６の実施例は中程度の画質だが分解能が
高めの仕様のものでの明るさ比較を示している。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の条件を満足
させることにより、ファイバー・スコープやビデオ・ス
コープなどの画像のサンプリングが行われる内視鏡の光
学仕様である、明るさや被写界深度の向上が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的なファイバー・スコープの光学系の構成
の説明図。

【図２】一般的なビデオ・スコープの光学系の構成の説
明図。

【図３】画素の配列した状態の説明図。

【図４】接眼部の設定状態を概念的に示す説明図。

【図５】テレセントリックな内視鏡の対物レンズの状態
を概念的に示す説明図。

【図６】対物部の設定状態を概念的に示す説明図。

【図７】イメージガイドの有効面積とライトガイドの有
効面積の配置状態を示す図。

【図８】固体撮像素子の撮像面の有効面積とライトガイ
ドの有効面積の配置状態を示す図。

【符号の説明】

１…ファイバー・スコープ、２…イメージガイドファイ
バ、３…観察物体、６…ライトガイドファイバ、１１…
ビデオ・スコープ、１２…固体撮像素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 23/26 A61B 1/00 300 A61B 1/04 372 G02B 23/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】観察画像の伝送にイメージガイドを用い、
照明光の伝送にライトガイドを用いる内視鏡において、
以下の条件式を満足することを特徴とする内視鏡。 0.1≦Si／(Si十Sl)≦0.4 hi／fl≧Ｗここで、Siはイメージガイドの有効面積、Slはライトガ
イドの有効面積、hiはイメージガイドの有効半径、flは
対物レンズの焦点距離、Ｗは対物レンズの半画角であ
る。
【請求項２】観察系に固体撮像素子を用い、照明光の伝
送にライトガイドを用いる内視鏡において、以下の条件
式を満足することを特徴とする内視鏡。 O.1≦Sc／(Sc十Sl)≦0.4 ここで、Scは固体撮像素子の撮像面の有効面積、Slはラ
イトガイドの有効面積である。
【請求項３】以下の条件式を満足することを特徴とする
請求項２に記載の内視鏡。 hc／fl≧Ｗここで、hcは固体撮像素子の撮像面の有効半径、flは対
物レンズの焦点距離、Ｗは対物レンズの半画角である。