JP5509400B1 - 内視鏡 - Google Patents

Abstract

装置を大型化することなく被写界深度を拡大させた画像を取得する。挿入部（２）先端に設けられ、被写体像を取得する対物光学系（３）と、被写体像をピントの異なる２つの光学像に分割する光路分割手段（４）と、ピントの異なる２つの光学像を撮像面（５ａ）上に配列した状態で同時に撮像して２つの画像を取得する撮像素子（５）と、撮像素子（５）上に配列される２つの光学像の少なくとも隣接する部分を切り欠く遮蔽手段（６）とを備え、条件式Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋Ｄを満足する内視鏡（１）を提供する。
ここで、Ａは、撮像面（５ａ）における受光領域の最大長さの半分、Ｂは、Ａの最大像高での撮像面（５ａ）への入射角（ＴＷ）、２つの光学像の光路長差（ｄ）として、Ｂ＝ｄ×ｔａｎＴＷ、Ｃは、撮像面（５ａ）上に結像される各光学像の配列方向の受光領域の長さの半分、Ｄは、２つの受光領域間の間隔寸法である。

Description

本発明は、内視鏡に関するものである。

一般に、内視鏡を始め、撮像素子を備えた機器において、撮像素子の高画素化に伴い、被写界深度が狭くなることが知られている。すなわち、撮像素子において、画素数を増やすために画素ピッチ（１画素の縦横の寸法）を小さくすると、これに伴って許容錯乱円も小さくなるため、撮像装置の被写界深度が狭くなる。被写界深度を拡大するために、例えば、特許文献１には、光路分割手段により被写体像をピントの異なる２つの像に分割し、これら各像を異なる撮像素子に夫々結像させ、２つの像を合成して被写界深度を拡大した像を取得することが開示されている。

一方、被写界深度を維持するために、光学系の絞り値を増大させることが考えられる。しかしながら、ノイズが増加して画質が劣化したり、回折の影響が大きくなり解像力が低下したりするという問題がある。解像力を向上させる技術として、例えば、特許文献２には、光路分割素子により分割したピントの異なる２つの被写体像を１つの撮像素子に結像させ、２つの像を加算処理することにより解像力を向上させた合成画像を取得する技術が開示されている。

特開２００３−０７８８０２号公報 特開２００４−３１３５２３号公報

しかしながら、上記した特許文献１の技術では、ピントの異なる被写体像を結像するために複数の撮像素子が設けられているため、撮像装置の大型化や製造コストが増大するという問題がある。また、特許文献２の技術では、ダイナミックレンジの拡大や解像力の向上を実現することはできるものの、２つの被写体像のピント差が大きすぎるので、夫々の被写界深度間にピントが合わない領域が生じる、又は、夫々の深度が重なり過ぎて被写界深度を拡大することができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、装置を大型化することなく被写界深度を拡大させた画像を取得することができる内視鏡を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、挿入部先端に設けられ、被写体像を取得する対物光学系と、前記被写体像をピントの異なる２つの光学像に分割する光路分割手段と、前記ピントの異なる２つの光学像を撮像面上に配列した状態で同時に撮像して２つの画像を取得する撮像素子と、該撮像素子上に配列される２つの光学像の少なくとも隣接する部分を切り欠く遮蔽手段とを備え、以下の条件式を満足する内視鏡を提供する。
Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋Ｄ （１）
ここで、Ａは、前記光学像の前記撮像面における受光領域の最大長さの半分、Ｂは、前記Ａの最大像高での前記撮像面への入射角（前記撮像面が空気中にあった場合）ＴＷ、２つの光学像の光路長差（空気換算長）ｄとして、
Ｂ＝ｄ×ｔａｎＴＷ
Ｃは、前記撮像面上に結像される各光学像の配列方向の前記受光領域の長さの半分、Ｄは、２つの前記受光領域間の間隔寸法である。

本態様によれば、挿入部の先端から対物光学系に入射した光は、光路分割手段によって２つの光路に分割され、撮像素子の撮像面上に配列されたピントの異なる２つの光学像が撮像素子により同時に撮影されることによって、ピントの異なる２つの画像が取得される。このようにして得られた２つの画像を合成することにより、被写界深度を向上することができる。

この場合において、撮像素子上に配列される２つの光学像の少なくとも隣接する部分が遮蔽手段によって切り欠かれるので、２つの光学像を構成する光束同士を近接させることができる。特に、遮蔽手段を配置することで、２つの光学像が相互に重なることとなる条件式（１）を満たす位置まで光束同士を近接させても光学像が重なることがなく、撮像素子の小型化を図りつつ被写界深度を拡大させた画像を取得することができる。

上記態様においては、前記光路分割手段が、入射光軸に対して４５°の角度をなして配置される偏光分離面と、該偏光分離面において偏向された光を１８０°折り返すように偏向するミラーと、該ミラーと前記偏光分離面との間に配置されたλ／４板と、前記偏光分離面を透過した光を９０°偏向する偏向面とを備え、入射された光を長さの異なる２つの光路を伝播させて、略平行な２つの光束として射出させてもよい。

このようにすることで、偏光分離面において偏光された光は、偏光分離面とミラーにより２回偏向された後に撮像素子に入射される。一方、偏光分離面を透過した光は、偏向面により１回だけ偏向されて撮像素子に入射される。したがって、光路分割手段により分割された２つの光路を通過した２つの光により構成される光学像は、偏向回数を１回異ならせるため、２つの光学像の中間の線を基準として対称に反転したものとなる。

上記態様においては、前記遮蔽手段が、前記光路分割手段の前記偏光分離面に入射する光束の少なくとも前記ミラー側の部分を遮蔽するフレア絞りを備えていてもよい。
このようにすることで、フレア絞りにより一部が遮蔽された光束が２つの光路に分割されて撮像素子に入射される。ミラー側の光束部分を遮蔽することにより、鏡面対称に構成される２つの光学像の隣接する部分が切り欠かれるので、簡易に２つの光学像を近接させることができ、撮像素子の小型化を容易にすることができる。

上記態様においては、前記フレア絞りが、内側に凸の円弧状の開口縁を有していてもよい。
このようにすることで、フレア絞りを結像点から光軸方向にずれた位置に配置しても、光束の広がりによる光学像の膨らみを抑えて、光学像間の隣接部分を直線状に形成し、光学像を十分に近接させて撮像素子の小型化を図ることができる。

上記態様においては、前記遮蔽手段が、前記光路分割手段から射出される２つの光束の間に配置された光を反射または吸収する材質からなる遮蔽部材であってもよい。
このようにすることで、光路分割手段から射出される２つの光束の隣接部分が遮蔽部材によって反射または吸収され、撮像素子の撮像面上において２つの光束が重なることを防止することができる。

上記態様においては、以下の条件式を満足してもよい。
０°≦ＴＷ≦２０°
０．００１ｍｍ≦ｄ≦０．１ｍｍ
上記態様においては、前記対物光学系が、物体側から順に、負レンズ群と正レンズ群とからなり、前記遮蔽部材が、前記負レンズ群と正レンズ群との間に配置されていてもよい。

本発明によれば、装置を大型化することなく、かつより効果的に被写界深度を拡大させた画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る内視鏡の挿入部先端の光学部品の配置を示す図である。 図１の内視鏡の撮像素子上の受光領域を示す図である。 図１の内視鏡の２つの光路の光路長差による光学像の広がりを説明する図である。 図１の内視鏡のフレア絞りの一例を示す図である。 図４のフレア絞りの変形例を示す図である。 図５のフレア絞りを用いた場合の撮像素子上の光学像を示す図である。 図４のフレア絞りの他の変形例を示す図である。 図１の内視鏡の変形例を示す図である。 図８の内視鏡の遮光部材を示す斜視図である。

本発明の一実施形態に係る内視鏡について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡１は、図１に示されるように、被検体内に挿入される挿入部２内に配置される対物光学系３と、該対物光学系３により集光された光を２つの光路に分割する光路分割手段４と、該光路分割手段４により分割された光を同時に撮像して２つの画像を取得する撮像素子５と、該撮像素子５上に結像される２つの光学像を部分的に切り欠くフレア絞り（遮蔽手段）６とを備えている。

対物光学系３は、図１に示されるように、物体側から順に、負レンズ群７と正レンズ群８とを備えている。広い視野範囲から負レンズ群７によって屈折した光は、正レンズ群８によって集光された後に、後段の光路分割手段４に向けて出力されるようになっている。

光路分割手段４は、大小２つの三角プリズム９，１０と、ミラー１１と、λ／４板１２とを組み合わせて構成されている。
第１プリズム９は、対物光学系３の光軸に直交する第１面９ａと光軸に対して４５°の角度をなした第２面９ｂと、光軸に平行な第３面９ｃとを備えている。第２プリズム１０は、対物光学系３の光軸に対して４５°の角度をなした第１面１０ａおよび第２面１０ｂと、光軸に平行な第３面１０ｃとを備えている。第２プリズム１０の第１面１０ａと第２面１０ｂとは相互に直交している。

第１プリズム９の第１面９ａは、対物光学系３から入射されてくる光束を入射させる入射面を構成している。
第１プリズム９の第２面９ｂと第２プリズム１０の第１面１０ａとは間に偏向分離膜（図示略）を挟んで隙間無く密着させられることにより、偏光分離面を構成している。
第２プリズム１０の第２面１０ｂは、第２プリズム１０内を光軸方向に進行してきた光を９０°偏向する偏向面を構成している。

ミラー１１は第１プリズム９の第３面９ｃとの間にλ／４板１２を挟んで配置されている。
これにより、対物光学系３から射出された光束は、第１プリズム９の第１面９ａから第１プリズム９内に入射した後に、偏向分離膜が配置された偏光分離面（９ｂ，１０ａ）においてＰ偏光成分（透過光）と、Ｓ偏光成分（反射光）とに分離される。

偏光分離面における反射光は、第１プリズム９の第３面９ｃからλ／４板１２を透過させられ、ミラー１１で１８０°折り返されるように偏向され、λ／４板１２を再度透過させられることで、偏光方向を９０°回転させられ、今度は偏光分離膜を透過して第２プリズム１０の第３面１０ｃから外部に射出されるようになっている。
一方、偏光分離面における透過光は、第２プリズム１０内を進行して第２プリズム１０の第２面１０ｂにおいて９０°偏向され、第２プリズム１０の第３面１０ｃから外部に射出されるようになっている。

第１プリズム９の第１面９ａから第１プリズム９内に入射した後、第２プリズム１０の第３面１０ｃから射出されるまでの、分割された２つの光路を進行する光の光路長は若干、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度の光路長差ｄを有している。
これにより、後述するように、第２プリズム１０の第３面１０ｃに対向して配置された撮像素子５に入射される２つの光束による光学像は、ピント位置が若干異ならされるようになっている。

撮像素子５は、第２プリズム１０の第３面１０ｃに平行間隔をあけて対向させられる撮像面５ａを有し、第２プリズム１０の第３面１０ｃから射出されてくる２つの光束を同時に入射させるようになっている。
すなわち、撮像素子５は、図２に示すように、ピント位置が異なる２つの光学像を同時に撮像するために、撮像素子５の全画素領域の中に、２つの矩形状の受光領域（有効画素領域）１３ａ，１３ｂを備えている。

受光領域１３ａ，１３ｂは、２つの光学像を撮像するために、これらの光学像の結像面と略一致するように配置されている。そして、撮像素子５において、受光領域１３ａは受光領域１３ｂに対してそのピント位置が相対的に近点側にシフトしており（ずれており）、受光領域１３ｂは受光領域１３ａに対してそのピント位置が相対的に遠点側にシフトしている。これにより、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子５の撮像面５ａに結像させるようになっている。

第１プリズム９と第２プリズム１０における両者の屈折率を異ならせることにより、撮像素子５に至る光路長を変えて受光領域１３ａ，１３ｂに対するピント位置を相対的にずらすようにしてもよい。

また、本実施形態に係る内視鏡１においては、撮像素子５上の２つの矩形状の受光領域１３ａ，１３ｂが、以下の条件式を満足するように配列されている。
Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋Ｄ （１）
ここで、図２および図３において、Ａは、受光領域１３ａ、または受光領域１３ｂの最大長さの半分（モニタに表示できる光学像の最大像高）、Ｂは、前記Ａの最大像高での撮像素子５の撮像面５ａへの入射角（撮像面５ａが空気中にあった場合）ＴＷ、２つの光学像の光路長差（空気換算長）ｄとして、
Ｂ＝ｄ×ｔａｎＴＷ
Ｃは、撮像素子５の撮像面５ａ上に結像される各光学像の配列方向の受光領域の長さの半分、Ｄは、２つの受光領域間の間隔寸法である。
上述した受光領域は、その領域の光学像をモニタに表示できる領域を意味する。２画像の位置修正等の画像処理を行う場合には、画像処理に必要なマージンを含めた領域と定義してもよい。また、受光領域の形状は長方形に限らず、八角形、円形としてもよい。受光領域の中心を含む最大長さの半分をＡと定義すればよい。例えば、円形の場合は円の半径がＡとＣに相当する。

フレア絞り６は、図４に示されるように、矩形状の開口部６ａを有し、対物光学系３に入射した光束の周辺部分を遮蔽して切り欠くようになっている。

このように構成された本実施形態に係る内視鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡１を用いて、被検体内の検査部位の観察を行うには、挿入部２の先端面を被検体内に挿入し、検査部位に対向して配置する。そして、図示しない光源から照明光を照射し、被検体から戻る反射光あるいは、被検体において発生する蛍光を対物光学系３によって集光する。

対物光学系３の負レンズ群７の先端レンズ７ａにより屈折された光束は、フレア絞り６を通過することにより、その横断面形状を整形された後、正レンズ群８によって集光されつつ第１プリズム９の第１面９ａに入射される。
第１プリズム９に入射した光束は、偏光分離面９ｂ，１０ａにおいて反射光と透過光とに分離される。

偏光分離面９ｂ，１０ａにおける反射光は、第１プリズム９の第３面９ｃ、λ／４板１２、ミラー１１、λ／４板１２、第１プリズム９の第３面９ｃを通過した後、偏光分離面９ｂ，１０ａを透過して第２プリズム１０の第３面１０ｃから射出され、該第３面１０ｃに対向して配置されている撮像素子５の撮像面５ａに結像される。
一方、偏光分離面９ｂ，１０ａにおける透過光は、第２プリズム１０の第２面１０ｂにおいて９０°偏向され、第３面１０ｃから射出されて、撮像素子５の撮像面５ａに結像される。

２つの光路を通過して同一の撮像素子５の撮像面５ａに至る光の光路長には光路長差ｄが設けられているので、撮像素子５の２つの受光領域１３ａ，１３ｂには、ピントの異なる２つの光学像が結像される。したがって、取得された２つの画像を合成することにより、被写界深度の大きな画像を得ることができる。

この場合において、本実施形態においては、負レンズ群７の先端レンズ７ａの後段に設けられたフレア絞り６により、光束の周辺光部分が遮蔽されて、略矩形状の横断面を有する光束に整形されるので、条件式（１）を満たすように、撮像素子５の撮像面５ａ上において受光領域１３ａ，１３ｂが相互に近接させられても、２つの光学像が重ならずに済み、鮮明な画像を取得することができるという利点がある。

そして、このようにして２つの受光領域１３ａ，１３ｂを十分に近接させることにより、撮像素子５を小型化でき、該撮像素子５を収容する挿入部２の細径化を図ることができる。
また、光束の周辺光部分を切り欠くことにより、第１プリズム９に入射する光束の光線高を低減でき、第１プリズム９および第２プリズム１０内部で発生するフレアを低減することもできるという利点もある。

本実施形態においては、フレア絞り６として、図４に示されるような矩形状の開口部６ａを有するものを例示したが、フレア絞り６の設置される位置が被写体位置から光軸方向に大きく離れる場合には、撮像面における光学像が矩形とならず、矩形の各辺部分が外側に膨らむ光学像となる。

この場合には、例えば、図５に示されるように、フレア絞り６の開口部６ａの少なくとも１辺の開口縁６ｂを内側に凸の円弧形状となるように構成することが好ましい。この開口縁６ｂは、図１の対物光学系３のフレア絞り６の位置に配置され、かつ、光軸に対しミラー１１と反対側に開口縁６ｂを配置する。

このようにすることで、ミラー１１側の周辺光部分が大きく切り欠かれた部分の光束が、撮像素子５の撮像面５ａに結像される２つの光学像の隣接側に配置される。その結果、図６に示されるように、撮像面５ａに結像される光学像が外側に膨らんでも開口縁６ｂに対応する部分は、直線状に維持されるので、２つの光学像を十分に近接させて、撮像素子５の小型化を図ることができる。

また、１辺の開口縁６ｂのみを内側に凸の形状にしたが、２辺以上、例えば、図７に示されるように、４辺全てについて内側に凸の開口縁形状を有する開口部６ａを採用することにより、撮像素子５に結像される光学像を矩形状に構成することにしてもよい。

本実施形態においては、２つの光学像の重なりを防止するためにフレア絞り６を用いた例を説明したが、配置する位置はこれに限定されるものではなく、第１プリズム９の第１面９ａに配置してもよい。これに代えて、図８および図９に示されるように、第２プリズム１０の第３面１０ｃから射出される２つの光束の間を仕切る位置に、遮蔽部材１５を配置してもよい。

遮蔽部材１５は、光を吸収する黒色の３角柱状に形成され、第２プリズム１０の第３面１０ｃに形成した３角溝１０ｄに嵌め込んで接着されている。これに代えて、３角溝１０ｄに硬化性の黒色塗料を充填することにより構成してもよい。
また、遮蔽部材１５は、３角柱状に限定されるものではなく、他の任意の断面形状を有する柱状に形成してもよい。

１ 内視鏡
２ 挿入部
３ 対物光学系
４ 光路分割手段
５ 撮像素子
５ａ 撮像面
６ フレア絞り（遮蔽手段）
６ｂ 開口縁
７ 負レンズ群
８ 正レンズ群
９ｂ 第２面（偏光分離面）
１０ａ 第１面（偏光分離面）
１０ｂ 第２面（偏向面）
１１ ミラー
１２ λ／４板
１５ 遮蔽部材（遮蔽手段）

Claims (7)

1. 挿入部先端に設けられ、被写体像を取得する対物光学系と、
   前記被写体像をピントの異なる２つの光学像に分割する光路分割手段と、
   前記ピントの異なる２つの光学像を撮像面上に配列した状態で同時に撮像して２つの画像を取得する撮像素子と、
   該撮像素子上に配列される２つの光学像の少なくとも隣接する部分を切り欠く遮蔽手段とを備え、
   以下の条件式を満足する内視鏡。
   Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋Ｄ
   ここで、Ａは、前記光学像の前記撮像面における受光領域の最大長さの半分、
   Ｂは、前記Ａの最大像高での前記撮像面への入射角（前記撮像面が空気中にあった場合）ＴＷ、２つの光学像の光路長差（空気換算長）ｄとして、
   Ｂ＝ｄ×ｔａｎＴＷ
   Ｃは、前記撮像面上に結像される各光学像の配列方向の前記受光領域の長さの半分、
   Ｄは、２つの前記受光領域間の間隔寸法である。
2. 前記光路分割手段が、入射光軸に対して４５°の角度をなして配置される偏光分離面と、該偏光分離面において偏向された光を１８０°折り返すように偏向するミラーと、該ミラーと前記偏光分離面との間に配置されたλ／４板と、前記偏光分離面を透過した光を９０°偏向する偏向面とを備え、
   入射された光を長さの異なる２つの光路を伝播させて、略平行な２つの光束として射出させる請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記遮蔽手段が、前記光路分割手段の前記偏光分離面に入射する光束の少なくとも前記ミラー側の部分を遮蔽するフレア絞りを備える請求項２に記載の内視鏡。
4. 前記フレア絞りが、内側に凸の円弧状の開口縁を有する請求項３に記載の内視鏡。
5. 前記遮蔽手段が、前記光路分割手段から射出される２つの光束の間に配置された光を反射または吸収する材質からなる遮蔽部材である請求項２に記載の内視鏡。
6. 以下の条件式を満足する請求項１から請求項５のいずれかに記載の内視鏡。
   ０°≦ＴＷ≦２０°
   ０．００１ｍｍ≦ｄ≦０．１ｍｍ
7. 前記対物光学系が、物体側から順に、負レンズ群と正レンズ群とからなり、
   前記遮蔽部材が、前記負レンズ群と正レンズ群との間に配置されている請求項３または請求項４に記載の内視鏡。

Images