JP5593004B2 - 内視鏡システム - Google Patents
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Description
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が、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。
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、該撮像素子により取得した2つの前記画像を、互いのピント以外の差異が略同一となるように補正する画像補正手段と、該画像補正手段により補正された2つの前記画像間の対応する所定領域において、相対的にコントラストが高い画像を選択して合成画像を生成する画像合成処理部と、を備え、前記光路分割手段が偏光ビームスプリッタであり、該偏光ビームスプリッタの入射面に対して45度をなす結晶軸を持つ結晶性フィルタを、前記偏光ビームスプリッタの物体側に配置した内視鏡システムを提供する。
このようにすることで、合成画像における不連続領域の発生や、光学像のボケを防止しながら、被写界深度を拡大させた画像を取得することができる。
このようにすることで、合成画像生成の際の、光学像のズレやボケ防止することができる。
このようにすることで、合成画像生成の際の、光学像のズレやボケ防止することができる。
このようにすることで、2つの画像の光学像の方向を一致させることができる。
2.4≦Fno/Pix≦4.28
を満たすことが好ましい。
このようにすることで、所望の明るさや解像力を維持しながら被写界深度を拡大した画像を取得することができる。
このようにすることで、2つの画像における極端な明るさの差が生じることを防止し、合成画像における明るさムラを抑制することができる。
このようにすることで、より合成画像における明るさムラを抑制することができる。
このようにすることで、より合成画像における明るさムラを抑制することができる。
このようにすることで、内視鏡システムの小型化に寄与することができる。
(第1の実施形態)
図1に示すように本発明の第1の実施形態の内視鏡システム1は、被検体内に挿入される内視鏡2と、この内視鏡2に照明光を供給する光源装置3と、内視鏡2に設けられた撮像素子により取得された画像信号に対する画像処理を行うプロセッサ装置4と、プロセッサ装置4により所定の画像処理がなされた画像信号を内視鏡画像として表示する画像表示装置5とを有する。
照明された観察対象部位は、先端部6aの照明窓15aに隣接して設けられた観察窓20に取り付けられた対物光学系16により、その後方側に配置した撮像素子17に被写体像を結像する。
撮像ユニット19は、対物光学系16の挿入部6後端部側に設けられ、被写体像をピントの異なる2つの光学像に分割する偏光ビームスプリッタ18、2つの光学像を撮像して2つの画像を取得する撮像素子17を備えている。
また、受光領域17a,17bの周囲には、2つに分割された光学像の幾何的なズレを補正するための補正画素領域17cが設けられている。補正画素領域17c内において製造上の誤差を抑え、後述する画像補正処理部32にて画像処理による補正を行なうことで、上記した光学像の幾何学的なズレを解消するようになっている。
撮像素子17は挿入部6、操作部7、第2のケーブル24内を挿通された信号線27a,27bと接続され、信号コネクタ24aがプロセッサ装置4に接続されることにより、プロセッサ装置4内に設けた画像処理部としての画像プロセッサ30と接続される。
つまり、相対的に明るい方、つまり輝度信号(例えばG信号)の強度(信号レベル)が低い方に合わせる様に明るさ補正を行なう。この補正と逆に明るい方に合わせると、画像に含まれるノイズ成分まで増幅することが必要になり、S/Nが劣化した合成画像になってしまう。
上記のように輝度の低い方を基準にし、輝度の高い方を基準となる輝度の低い方の輝度
に合わせるようにゲインを低下(または減衰)させるような明るさ補正を行うことにより
、S/Nの劣化による合成画像の画質の低下を防止できるようにしている。
内視鏡2にはその内視鏡2に固有の内視鏡識別情報(内視鏡ID)を格納したIDメモリ38を有すると共に、その内視鏡2において補正すべき固有の補正パラメータがある場合には、その内視鏡2に対応した補正パラメータを格納した補正パラメータ格納部37が設けてある。
画像補正処理部32は、制御部39から転送された上記補正パラメータに基いて各内視鏡2に搭載された撮像ユニット19に対応した画像補正を行う。
1つを基準像または基準画像として上述した倍率の差異の補正、位置の差異の補正等、画
像の補正を行う。例えば、2つの画像で倍率ズレが生じる場合は、対物光学系16の仕様による場合がある。
この様なテレセントリック性が崩れた対物光学系でピント位置をずらすと2つの画像間で倍率ズレが生じる事になる。
なお、アクチュエータ制御部25が制御部39を介することなく、IDを取得して、内視鏡2の種類が異なる場合にもアクチュエータ22を適切に駆動する制御を行う。
一般的な内視鏡において、ベスト距離をXとした場合の対物光学系(その焦点距離Fl)を用いて像面位置X’に、図3中に示す画素ピッチPixの撮像素子を配置した場合を考える。撮像素子を固定した条件において、物体を(Xから)Xnまで近接すると、近接時の像面位置Xn’は、撮像素子の撮像面位置からずれることになる。
すなわち、錯乱円径がδと一致するまでの範囲を近点側の被写界深度と定義することができる。
1/Xn−1/X=δFno/Fl2 …(1)
物体を(Xから)遠点側にXfまで移動した場合を考えることにより、同様に被写界深度の遠点側での式も以下のように定義される。
1/X−1/Xf=δFno/Fl2 …(2)
(1)式と(2)式を合わせると、
1/Xn−1/Xf=2δFno/Fl2 …(3)
となる。そして、焦点深度dに対応した被写界深度がXn−Xfとなる。
以上は幾何光学的に決まる一般的な被写界深度の定義である。
撮像素子をより微細化し、高画素化していくと被写界深度を定義する際には、波動光学的な影響が無視できない事が一般的に知られている。これは焦点位置において、幾何光学的に定義したスポットサイズから、回折の影響からスポットサイズが広がるため幾何光学的な被写界深度の計算からズレが生じるためである。従って、本実施形態のような回折限界に近い有効FナンバーFnoまで絞られるケースが多い多画素の撮像素子を搭載した内視鏡2では、回折が無視できない影響となる。
Fi=1/k1・Pix …(4)
となる。
このFiにおけるデフオーカスのMTF(Modulation Transfer Function)が約10%あれば、主観評価では像のボケは認識できず「見えている」と判断できる。言い換えると、MTFは約10%となるデフオーカス位置が深度端と見なす事ができる。
夫々の深度端でMTFを約10%以上を保ったまま合成される事となる(図5参照)。仮にMTF10%未満の端で2画像を合成すると、被写界深度ギャップが生じ、合成深度内でボケる領域が生じてしまう。
例えば、図6(A),(B)に示すように、撮像素子17上の対物光学系16側に近点像、内視鏡2側に遠点像を結像する場合、偏光ビームスプリッタ18の撮像素子17に至る硝路を夫々dn、dfとするとdn>dfとしている。
これにより、ピントの異なる2つの光学像に係る画像を取得し、これら画像を画像合成処理部33で合成して合成被写界深度XAf+XBfを得ることができる。内視鏡検査で広い範囲を俯瞰してスクリーニングする際には遠方観察が適しており、病変の詳細を観察したり、診断したりする際には、近接観察が適している。
2.4≦Fno/Pix≦4.28 …(5)
を満たすように設定している。(5)式の条件は、以下のような理由による。
この限界は、Rayleighにより、2つの点像が接近した時、別々の像として識別できる限界の距離として規定されており、λを光の波長、有効FナンバーをFnoとすると、1.22・λ・Fnoで表される。2つの点像の分離限界の距離、つまり分解能Rは、
R=1.22・λ・Fno …(6)
となる。
R=2・Pix …(7)
現実的には、採用する撮像方式における補間方法や電気系の特性に影響されるため、分解能Rは、任意の係数k1を用いて以下のように表される。
R=k1・Pix …(8)
係数k1は、撮像素子の性能を十分に引き出す必要があるため一般的には2≦k1≦3程度となる。
k1・Pix=1.22・λ・Fno …(9)
となる。また、対物光学系16に設定される有効FナンバーFnoは、製造バラツキなどを考慮して光学性能を十分に発揮できるようにある程度余裕を持たせる必要がある。
従って、Rayleigh限界式で規定される有効FナンバーFnoは、実際には任意のマージン係数k2を考慮して設定される。つまり、
kl・Pix=1.22・λ・Fno・k2 …(10)
のように設定される。尚、マージン係数k2は、対物光学系16のサイズや被写界深度とのバランスを考慮すると、0.6≦k2≦1程度が妥当な範囲となる。
(9)式、(10)式より設定すべき対物光学系16の有効FナンバーFnoは、
Fno*k2=(1/1.22・λ)・Pix・k1 …(11)
となる。
Fno/Pix=(1/1.22・λ)・k1・k2 …(12)
高画素の撮像素子を用いた内視鏡システムにおいては、上述した(5)式の関係を満たすことが望ましい。
図7においては、Fno/Pix、Pix、Fno、k1、k2、far1深度(遠方観察時における受光領域17aによる被写界深度)、far2深度(遠方観察時における受光領域17bによる被写界深度)、合成far深度(遠方観察時における合成画像の被写界深度)、near1深度(近接観察時における受光領域17aによる被写界深度)、near2深度(近接観察時における受光領域17bによる被写界深度)、合成near深度(近接観察時における合成画像の被写界深度(範囲))、near深度幅(合成near深度近点端から合成near深度遠点端までの深度幅)、撮像方式、総画素数(撮像素子の総画素数)の数値データを示している。また、BSTは、MTFが最大となる場合の物体距離としてのベスト距離を示している。
実施例1は、撮像ユニット19は補色系で同時式であり、この場合には係数k1を3程度とし、撮像素子17として100万画素で、1.7μmの画素(ピクセル)サイズを有する補色系の固体撮像素子を採用している。また、対物光学系16は解像力の劣化が生じないレベルまで絞って被写界深度を十分に確保している。つまり、対物光学系16の回折限界Fナンバーからのマージン係数k2をk2=0.95として(12)式より、
Fno/Pix=4.28 …(13)
となる。
Fno/Pix=2.4 …(14)
となり、実用上は十分な被写界深度が得られるようになっている。
2.4≦Fno/Pix≦3.56 …(5)‘
としても構わない。
ステップS1では、撮像素子17において取得された、ピントの異なる遠点像に係る画像と近点像に係る画像とが、画像補正処理部32において、遠近2画像の補正処理が行なわれる。すなわち、予め設定された補正パラメータに従って、2つの画像の各光学像における相対的な位置、角度及び倍率が略同一となるように2つの画像に対して補正を行い、補正後の画像を画像合成処理部33に出力する。なお、必要に応じて2画像の明るさや色の差異を補正してもよい。
W(i,j)=1 A<R …(15)
W(i,j)=0 R<B …(16)
W(i,j)=(R−B)/(A−B) B≦R≦A …(17)
また、(16)式では、コントラスト比がB未満で、確実に2画像のどちらかが選択される状態であり、W=0なので近点像のみ選択される。
(17)式では、遠近像のコントラスト比が略同じで、不安定な領域であるので、この領域では、重み付け係数Wが線形で掛かり、遠点像(Rf,Gf,Bf)と近点像(Rn,Gn,Bn)はある割合で加算処理される。この処理がないと合成画像が不連続になってしまう。
G’=W(i,j)Gf(i,j)+(1−W(i,j))Gn(i,j)…(18)
R’=W(i,j)Rf(i,j)+(1−W(i,j))Rn(i,j)…(19)
B’=W(i,j)Bf(i,j)+(1−W(i,j))Bn(i,j)…(20)
また、上述した(5)式を満たすように設定することにより、所望とする被写界深度を得られ、かつ内視鏡2の先端部6aに搭載可能な小型のサイズにでき、また所望の明るさを確保できると共に、解像力の劣化を防止できる。
なお、撮像素子が、内視鏡長手方向に長尺な形状となっている場合には、表示装置のアスペクト比を考慮して合成画像を適宜回転させることが好ましい。
θb=Arctan(n2/n1) …(21)
そこで、例えば、図12に示すように、この偏光状態が崩れた状態を円偏光に戻す様にλ/4板を、光路分割素子の偏光分離膜より物体側に配置することが好ましい。尚、偏光状態の解消効果を最も得られるように、図13に示すように、λ/4板をα又はβ方向に配置する事が望ましい。
また、偏光ビームスプリッタ18の物体側から見て、入射面に対して45度をなす結晶軸を持つ結晶性フィルターを偏光ビームスプリッタ18の物体側に配置することによって、分離した2つの像の明るさの差をなくすようにしても良い。
2 内視鏡
3 光源装置
4 プロセッサ装置
5 画像表示装置
6 挿入部
16 対物光学系
17 撮像素子
17a,17b 受光領域
17c 補正画素領域
18 偏光ビームスプリッタ
18a 第1プリズム
18b 第2プリズム
18c ミラー
18d λ/4板
18e 偏光分離膜
19 撮像ユニット
30 画像処理部
32 画像補正処理部
33 画像合成処理部
Claims (10)
- 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、
該撮像素子により取得した2つの前記画像を、互いのピント以外の差異が略同一となるように補正する画像補正手段と、
該画像補正手段により補正された2つの前記画像間の対応する所定領域において、相対的にコントラストが高い画像を選択して合成画像を生成する画像合成処理部と、
を備え、
前記光路分割手段が偏光ビームスプリッタであり、
該偏光ビームスプリッタの入射面に対して45度をなす結晶軸を持つ結晶性フィルタを、前記偏光ビームスプリッタの物体側に配置した内視鏡システム。 - 画像合成処理部が、2つの前記画像間の対応する所定領域において、各所定領域のコントラストが略同一である場合に、各所定領域に対して重み付けして合成画像を生成する請求項1記載の内視鏡システム。
- 前記画像補正手段が、2つの前記光学像の位置、角度及び倍率が略同一となるように前記画像を補正する請求項1又は請求項2に記載の内視鏡システム。
- 前記画像補正手段が、2つの前記光学像の明るさ、色が略同一となるように前記画像を補正する請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の内視鏡システム。
- 前記光路分割手段が、分割した一方の光学像を前記撮像素子に鏡像反転して結像させる場合、前記画像補正手段が、2つの前記画像のうち何れか一方を鏡像反転させる請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の内視鏡システム。
- 前記対物光学系と前記撮像素子が、前記対物光学系の有効FナンバーをFno、前記撮像素子の垂直方向ピクセルサイズをPixと表した場合に、以下の条件
2.4≦Fno/Pix≦4.28
を満たす請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の内視鏡システム。 - 前記結晶性フィルタが、λ/4板であり、
該λ/4板の高速軸が、前記挿入部先端に配置される照明光学系の光軸と前記対物光学系の光軸とを含む平面に対して、略平行又は垂直に配置されている請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の内視鏡システム。 - 前記挿入部先端に複数の照明光学系が配置され、前記対物光学系の光軸と複数の前記照明光学系のうち前記対物光学系から最も遠い照明光学系の光軸とを含む平面に対して、前記λ/4板の高速軸が略平行又は垂直に配置されている請求項7記載の内視鏡システム。
- 前記挿入部先端に複数の照明光学系が配置され、前記対物光学系の光軸と複数の前記照明光学系のうち照明光量が最も多い照明光学系の光軸とを含む平面に対して、前記λ/4板の高速軸が略平行又は垂直に配置されている請求項7記載の内視鏡システム。
- 前記λ/4板が、高分子フィルムである請求項7乃至請求項9の何れか1項に記載の内視鏡システム。
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