JP6154736B2 - 撮像装置、カプセル型内視鏡およびカプセル型内視鏡装置 - Google Patents
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Description
一般に、内視鏡では、病変をなるべく発見しやすくするために、広視野角の撮像光学系を用いることが望ましいことが知られている。広視野角の撮影が可能な内視鏡が提案されている(特許文献2、3参照)。
特許文献2では、魚眼レンズ(広角レンズ)を通った外光に基づいて形成される被写体像を、一の半球像に変換し、別の光学系を通った他の半球像と合成して、内視鏡の系外の全天周にわたる画像情報を球体の表面に有する「球面画像」を形成する。ここで、「球面画像」とは、系外の全天周(周囲360°)に位置する被写体の画像情報が球体の表面に投影された画像である。魚眼レンズは、全天周のほぼ半分の領域に位置する被写体を像面に投影する。
まず、偽画像のない展開画像を作成するには、解像度として約380kpix以上が必要である。カプセル型内視鏡に搭載できる魚眼レンズ(前玉)の直径は6mm程度であり、撮像エリア直径は、魚眼レンズ(前玉)の約1/10の0.6mmである。直径0.6mmの領域で380kpix以上の解像度が必要である。しかしながら、無機半導体を用いたCCD、CMOSのイメージセンサーでは380kpix以上の解像度を得ることは困難である。
次に、展開画像の元となる画像データは、撮像エリアの周辺域の画像データであるが、撮像エリア周辺域の画素では、光の入射角が大きくなり、隣接画素との混色が生じやすい。特に、画素サイズが1.2μm以下では混色の発生が顕著である。
また、本発明の撮像装置は、適正な展開画像を得ることから、ロボット分野における移動ロボットの視覚センサに適用することができる。
図1は、本発明の実施形態の撮像装置を示す模式的断面図である。
図1に示すように、撮像装置10は、例えば、被写体に対して相対的に移動して撮影するものである。被写体は、例えば、筒状構造体の内部である。筒状構造体としては、流体が流れる配管、例えば、水道管およびガス管等が挙げられる。これ以外にも、筒状構造体としては、例えば、生体内の体腔内管路、生体内の消化管、例えば、胃、小腸または大腸等が挙げられる。
撮像装置10においては、ケース12の内部12aに、レンズ14、撮像部16、画像形成部18およびメモリ20が設けられている。ケース12内部12aの撮像部16、画像形成部18およびメモリ20は、制御部22に接続されており、それぞれ制御部22で制御される。また、被写体の画像を表示する表示部24を有する。
撮像部16は、電気信号に変換するものは可視光に限定されるものではなく、可視光以外の波長帯の光を電気信号に変換するものであってもよい。撮像部16については後に詳細に説明する。
画像形成部18は、被写体の複数の球面画像間での動きを検出し、その結果を用いて、時系列合成画像を作成することもできる。この場合、被写体の画像は時系列で撮像されているので時間情報が特定される。また、撮像装置10の移動方向は、例えば、複数の被写体の球面画像で共通する被写体領域を抽出し、この被写体領域の移動経路を特定することにより、撮像装置10の移動経路、すなわち、撮像装置10の移動方向を特定する。これにより、撮像装置10が一定の経路で移動しない場合、例えば、撮像装置10の向きがランダムに変わるような場合でも、撮像装置10の移動方向を特定することができ、上述の合成展開画像データを得ることができる。
表示部24は、画像形成部18で得られ、メモリ20に記憶された被写体の展開画像(パノラマ画像)の画像信号をメモリ20から読み出し、被写体の展開画像(パノラマ画像)の画像を表示するものである。表示部24は、その表示形態は特に限定されるものではなく、モニタおよび携帯端末等の画面に表示するものでも、紙等の記録媒体にプリントして表示するものであってもよく、両方備えるものであってもよい。
図2(a)は、本発明の実施形態の撮像装置の撮像部を示す模式的断面図であり、(b)は、本発明の実施形態の撮像装置の撮像部の画素電極の配置を示す模式図である。
絶縁層32には、画素電極34と読出し回路60とを接続する第1の接続部64が形成されている。更には、対向電極38と対向電極電圧供給部62とを接続する第2の接続部66が形成されている。第2の接続部66は、画素電極34および有機層36に接続されない位置に形成されている。第1の接続部64および第2の接続部66は、導電性材料で形成されている。
上述のように、基板30上の絶縁層32の表面32aに、各第1の接続部64に接続された画素電極34が形成されたものを回路基板35という。なお、この回路基板35はCMOS基板ともいう。
有機層36は、電子ブロッキング層50が画素電極34側に形成されており、電子ブロッキング層50上に光電変換層52が形成されている。なお、有機層36は、電子ブロッキング層50を設けることなく、光電変換層52単層であってもよい。
光電変換層52は、入射光L、例えば、可視光等の受光した光の光量に応じた電荷を発生するものである。光電変換層52は、主に有機材料で構成されている有機光電変換層であり、電子ブロッキング層50上に、複数の画素電極34に跨って形成されている。
光電変換層52および電子ブロッキング層50は、画素電極34上で一定の膜厚であれば、それ以外で膜厚が一定でなくてもよい。この場合、光電変換層52および電子ブロッキング層50の膜厚とは、厚さが一定の領域での厚さのことである。なお、光電変換層52については、後に詳細に説明する。
対向電極38は、光電変換層52に光を入射させるため、入射光L(少なくとも可視光を含む光)に対して透明な導電性材料で構成されている。対向電極38は、光電変換層52よりも外側に配置された第2の接続部66と電気的に接続されており、第2の接続部66を介して対向電極電圧供給部62に接続されている。
対向電極38は、厚さが5〜30nmであることが好ましい。対向電極38を5nm以上の膜厚にすることにより、下層を十分に被覆することができ、均一な性能が得られる。一方、対向電極38の膜厚が30nmを超えると、対向電極38と画素電極34が局所的に短絡してしまい、暗電流が上昇してしまうことがある。対向電極38を30nm以下の膜厚にすることで、局所的な短絡が発生するのを抑制することができる。
なお、図示しないが、例えば、基板30にp領域によって囲まれた高濃度のn領域が形成されており、このn領域に第1の接続部64が接続されている。p領域に読出し回路60が設けられている。n領域は光電変換層52の電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能するものである。n領域に蓄積された信号電荷は読出し回路60によって、その電荷量に応じた信号に変換されて、例えば、配線層68を介して撮像部16の外部、例えば、画像形成部18およびメモリ20等に出力される。
保護膜40により、撮像部16の各製造工程において、有機溶媒等の溶液、プラズマ等に含まれる有機の光電変換材料を劣化させる因子の浸入を阻止して有機層36を保護する。また、撮像部16の製造後に、水分子、酸素等の有機の光電変換材料を劣化させる因子の浸入を阻止して、長期間の保存、および長期の使用にわたって、有機層36の劣化を防止する。更には、保護膜40を形成する際、既に形成された有機層36を劣化させない。また、入射光Lは保護膜40を通じて有機層36に到達する。このため、保護膜40は、有機層36で検知する波長の光、例えば、可視光に対して透明である。
保護膜40の総膜厚が30nmを下回るとバリア性が低下したり、カラーフィルタの現像液に対する耐性が低下する虞がある。一方、保護膜40の厚さが500nmを超えると、画素サイズが1μmを切る場合に、混色を抑制することが難しくなる。
なお、カラーフィルタ42を設ける構成としたが、カラーフィルタ42を設けなくてもよい。この場合、カラーフィルタ42以外に隔壁44および遮光層46も設けない。
撮像部16においては、有機層36、対向電極38およびカラーフィルタ42が上方に設けられた画素電極34、1つが単位画素になる。
光電変換層52の厚さとは、電子ブロッキング層50の表面50aから光電変換層52の表面52aまでの距離dのことである。
本発明では、画素サイズTを1.2μm以下とすることにより、上述の偽画像のない展開画像を作成する必要な解像度を得ることができる。
このように、本発明では、画素密度を高めるために画素サイズTを1.2μm以下としており、画素サイズTが小さいことにより生じる斜入射による混色を抑制するために光電変換層52の厚さを0.6μm以下としている。本発明では、画角αが180°以上と広いレンズ14を用いても、入射光Lの斜入射による混色を抑制することができる。
図3(a)は、本発明の実施形態の撮像装置の使用形態を説明するための模式図であり、(b)は、本発明の実施形態の撮像装置で得られる画像の一例を示す模式図である。
例えば、円筒管100の内部100aに、撮像部16の中心位置を円筒管100の中心線Cに一致させ撮像装置10を配置し、中心線Cに沿って方向Fに移動させつつ内部100aを撮像する。このとき、撮像装置10により、円筒管100の内部100aの領域Dが撮像される。撮像装置10を方向Fに移動させることにより、領域Dも方向Fに移動し、時系列で円筒管100の内部100aの全域に亘り撮像される。
このように、撮像装置10では系外の情報を正確に得ることができるため、ロボット分野における移動ロボットの視覚センサに適用した場合、好適である。
光電変換層52は、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料とを含むものである。p型有機半導体材料とn型有機半導体材料を接合させてドナーアクセプタ界面を形成することにより励起子解離効率を増加させることができる。このために、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料を接合させた構成の光電変換層は高い光電変換効率を発現する。特に、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料を混合した光電変換層は、接合界面が増大して光電変換効率が向上するので好ましい。
電子ブロッキング層50が単層の場合にはその層を無機材料からなる層にでき、複数層の場合には1つまたは2以上の層を無機材料からなる層にできる。
図4は、本発明の実施形態のカプセル型内視鏡を示す模式的断面図である。
なお、図4に示すカプセル型内視鏡70において、図1に示す撮像装置10と同じ構成物には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
処理部78は、上述の撮像装置10の画像形成部18と同様にパノラマ画像の画像データを得ることができる。なお、処理部78でパノラマ画像の画像データを作成せずに、後述する体外装置110の画像処理ユニット114で、パノラマ画像の画像データを作成するようにしてもよい。
カプセル型内視鏡70において、RGB−LEDのような異なる波長の光を放出する複数光源を照明部として備え、画素サイズTが0.9μm以下、光電変換層52の厚さが450nm以下の構成で、更にカプセル72の外径を9mm以下とすることで、早く小腸を通りすぎ、患者の負担が少ない一方、見落としのない画像を得ることができる。
また、カプセル型内視鏡70は、撮像部16を1つ設ける構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば、撮像部16を2つ設けてもよい。この場合、レンズ14が両端に配置される。撮像部16を2つ設けることにより、より詳細に被写体の画像を得ることができる。特に、移動方向に対して後ろ向きの撮像部で取得した大腸等の消化管の被写体の画像に基づき、連続展開画像を形成すれば、大腸等の消化管のひだ裏の病変の見落としが少ない、診断により適した画像を提供することができる。この場合、移動方向に対して前向きの撮像部で取得した被写体の画像は、主としてカプセル型内視鏡70の動きを検出する画像の提供の役割を果たす。
図5は、本発明の実施形態のカプセル型内視鏡の使用形態を説明するための模式図である。
図5に示すようにカプセル型内視鏡70は、体外装置110とともに用いられる。カプセル型内視鏡70と体外装置110とを合わせてカプセル型内視鏡装置130という。
更に、本発明者は、撮像部に、光電変換層の厚さが0.6μm、画素サイズが2μmの有機CMOSを用い、魚眼レンズに、直径が6mmのr=f・θ(等距離射影)の前玉レンズを用いた。また、撮像部は、カラーフィルタとマイクロレンズは付設しない。RGB−LEDを用いて、12f/sで面順次露光したところ、画素サイズが2μmと大きく解像度が足りず、大腸の長手方向に亘って連続した、つなぎ目の無い展開画像を得ることができなかった。
12 ケース
14 レンズ
16 撮像部
18 画像形成部
20、80 メモリ
22、22a 制御部
24 表示部
30 基板
32 絶縁層
34 画素電極
36 有機層
38 対向電極
40 保護膜
42 カラーフィルタ
70 カプセル型内視鏡
72 カプセル
76 白色LED
78 処理部
82 送受信部
100 円筒管
Claims (8)
- 被写体に対して相対的に移動して前記被写体を撮像する撮像装置であって、
前記被写体を時系列的に複数撮像し、前記被写体の画像の画像データを複数得るものであり、画素電極に跨って連続して形成された厚さが0.6μm以下の光電変換層を備える撮像部と、
前記撮像部の前記光電変換層上に配置された画角が180°以上のレンズと、
前記撮像部で得られた前記被写体の画像の複数の画像データを用いて、被写体の画像を球体の表面に配置された、前記被写体の球面画像を形成する画像形成部とを有し、
前記画像形成部は、前記被写体の複数の球面画像で共通する被写体領域を抽出し、前記被写体領域の移動経路を特定することにより、自身の移動方向を特定することを特徴とする撮像装置。 - 前記レンズは、fθレンズである請求項1に記載の撮像装置。
- 前記光電変換層の厚さは、前記画素電極の大きさの半分以下である請求項1または2に記載の撮像装置。
- 前記被写体は、筒状構造体の内部である請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 筒状構造体の内部を撮影するものであり、前記筒状構造体の内部を照明する照明部と、前記筒状構造体の内部を時系列的に複数撮像する撮像部と、前記撮像部上に配置されるレンズと、前記照明部と前記撮像部を覆う透明なカバー部とを有するカプセル型内視鏡であって、
前記撮像部で得られた前記被写体の画像の複数の画像データを用いて、被写体の画像を球体の表面に配置された、前記被写体の球面画像を形成する処理部とを有し、
前記処理部は、前記被写体の複数の球面画像で共通する被写体領域を抽出し、前記被写体領域の移動経路を特定することにより、自身の移動方向を特定するものであり、
前記撮像部は、画素電極に跨って連続して形成された厚さが0.6μm以下の光電変換層を有し、
前記レンズは、画角が180°以上のレンズであることを特徴とするカプセル型内視鏡。 - 前記レンズは、fθレンズである請求項5に記載のカプセル型内視鏡。
- 前記光電変換層の厚さは、前記画素電極の大きさの半分以下である請求項5または6に記載のカプセル型内視鏡。
- 筒状構造体の内部を撮影するものであり、前記筒状構造体の内部を照明する照明部と、前記筒状構造体の内部を時系列的に複数撮像する撮像部と、前記撮像部上に配置されるレンズと、前記照明部と前記撮像部を覆う透明なカバー部とを有するカプセル型内視鏡と、
前記撮像部で得られた前記被写体の画像の複数の画像データを用いて、被写体の画像を球体の表面に配置された、前記被写体の球面画像を形成する画像処理ユニットとを有し、
前記画像処理ユニットは、前記被写体の複数の球面画像で共通する被写体領域を抽出し、前記被写体領域の移動経路を特定することにより、自身の移動方向を特定するものであり、
前記撮像部は、画素電極に跨って連続して形成された厚さが0.6μm以下の光電変換層を有し、
前記レンズは、画角が180°以上のレンズであることを特徴とするカプセル型内視鏡装置。
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