JP6250257B1

JP6250257B1 - 内視鏡装置

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Publication number: JP6250257B1
Application number: JP2017554421A
Authority: JP
Inventors: 武志菅
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2037-05-23
Also published as: JPWO2018003349A1

Abstract

２Ｄ観察と３Ｄ観察とをいずれも良好に観察できる内視鏡装置を提供すること。平面視用の２Ｄ観察と立体視用の３Ｄ観察を切り替えられる機能を有する内視鏡装置１において、３Ｄ観察時には、撮像光学系のディストーションを低減する画像処理部４を有し、画像処理部４は、以下の条件式（１）を満足する画像処理を行うことを特徴とする内視鏡装置である。０．１＜Ｂ／Ａ＜０．８、かつ、Ａ＜０（１）ここで、Ａは、２Ｄ観察時の最大像高のディストーション、Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、である。

Description

本発明は、内視鏡装置に関するものである。

内視鏡は、医療用分野及び工業用分野で広く使用されている装置である。医療用分野においては、体腔内に挿入された内視鏡により、体腔内の様々な部位の画像が得られる。この画像を用いて観察部位の診断（スクリーニングと精査）、及び、処置（治療）が行われる。このように、内視鏡は、体腔内の様々な部位の診断（スクリーニングと精査）、及び、処置（治療）に利用されている。

内視鏡による観察では、視差のある複数の像を撮像し、それにより複数の画像を融合して画像の立体表示（３Ｄ表示）が行われるようになってきている。

このような、立体感のある３Ｄ観察と、平面視用の２Ｄ観察とを切り替えることができる内視鏡装置が、例えば、特許文献１、２に提案されている。

また、３Ｄ観察において、歪み補正（ディスト―ション補正）を行う立体撮像システムが、特許文献３に提案されている。

特開２０１５−２２０６４３号公報特許第５８１８２６５号公報特開２００３−５２０５７号公報

観察者は、２Ｄ観察では広角な範囲を観察できる。これに対して、３Ｄ観察では、観察者の疲労を低減し、正しい奥行き表示ができることが望ましい。

特許文献１から３は、いずれも２Ｄ観察と３Ｄ観察とを良好に両立させることは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２Ｄ観察と３Ｄ観察とをいずれも良好に観察できる内視鏡装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る内視鏡装置は、平面視用の２Ｄ観察と立体視用の３Ｄ観察を切り替えられる機能を有する内視鏡装置において、３Ｄ観察時には、内視鏡装置の撮像素子で得られた撮像信号に対して撮像光学系のディストーションを低減する処理を行う画像処理部を有し、画像処理部は、以下の条件式（１）を満足する画像処理を行うことを特徴とする。
０．１＜Ｂ／Ａ＜０．８、かつ、Ａ＜０（１）
ここで、
Ａは、２Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
である。

本発明は、２Ｄ観察と３Ｄ観察とをいずれも良好に観察できる内視鏡装置を提供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装置の概略構成を示す図である。実施形態に係る内視鏡装置の被写体空間を説明する図である。実施形態に係る内視鏡装置の再生空間を説明する図である。正方格子を物体とした場合の、補正していない状態の観察像を示す図である。実施例１、２における補正式の特性を示す図である。実施例１において、補正した状態の観察像を示す図である。実施例３、４、５における補正式の特性を示す図である。実施例４において、補正した状態の観察像を示す図である。実施例に係る内視鏡装置の概略構成を示す図である。実施例に係る内視鏡装置のレンズ断面構成を示す図である。

以下に、実施形態に係る内視鏡装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、この発明が限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る内視鏡装置１の概略構成を示す図である。図１に示すように本実施形態の内視鏡装置１は、撮像装置として撮像素子１２（図２参照）を内蔵した電子内視鏡２と、電子内視鏡２に照明光を供給する光源を有する光源装置３と、電子内視鏡２の撮像素子１２に対する信号処理を行う画像処理部４と、画像処理部４を経て出力される映像信号による内視鏡画像を表示するモニタ５と、で構成されている。

電子内視鏡２は、撮像素子１２を内蔵した細長で可撓性を有する挿入部２１と、挿入部２１の後端に形成された太幅の操作部２２と、先端硬性部１０と、操作部２２の側部から延出されたユニバーサルコード２３と、から構成されている。ユニバーサルコード２３の端部には、光源装置３に着脱自在に接続可能なコネクタ部２４が設けられている。コネクタ部２４側に延出した接続コード２５の端部には、画像処理部４に着脱自在に接続可能な電気コネクタ部２６が設けられている。

図２は、実施形態に係る内視鏡装置１の被写体空間を説明する図である。本実施形態の内視鏡装置１は、右眼用光学系１１Ｒと、左眼用光学系１１Ｌとの２つの光学系を有している。２つの光学系の詳細な構成は、後述する。

被写体空間３０において、被写体ＯＢ１は、右眼用光学系１１Ｒと左眼用光学系１１Ｌとにより、それぞれ右眼像、左眼像が撮像素子１２の撮像面に結像される。画像処理部４は、撮像素子１２からの出力信号に対して、後述する画像処理を行う。そして、画像処理部４は、画像処理された右眼用画像の信号と、左眼用画像の信号をモニタ５へ出力する。

図２において、右目用光学系１１Ｒの光軸と最も物体側のレンズ面が交差する点と被写体ＯＢ１とを結ぶ直線と、左目用光学系１１Ｌの光軸と最も物体側のレンズ面が交差する点と被写体ＯＢ１とを結ぶ直線とがなす角度θａを内向角とする。

図３は、本実施形態における被写体像ＯＢ１´の再生について説明する図である。再生空間４０において、画像処理部４からの信号に基づいて、モニタ５のモニタ面５ａに、右眼用画像と左眼用画像とが表示される。

図３は、被写体像ＯＢ１´が、モニタ５のモニタ面５ａ上に表示されている場合を示す。観察者の右眼ＥＲの視線と被写体像ＯＢ１´とを結ぶ直線と、左眼ＥＬの視線と被写体像ＯＢ１´とを結ぶ直線とがなす角度θｂを輻輳角とする。

図２、図３を比較してわかるように、平面物体を観察した場合でも、３Ｄ観察では、中心部が手前に凸として出っ張り、周辺部は置く側へ引っ込むように見える。例えば、周辺部の被写体（物体）ＯＢ２は、モニタ面５ａの周辺に表示される被写体像ＯＢ２´として、モニタ面５ａよりも奥方向に再生される。

内視鏡装置１は、平面視用の２Ｄ観察と立体視用の３Ｄ観察を切り替えられる機能を有する内視鏡装置において、３Ｄ観察時には、撮像光学系のディストーションを低減する画像処理部４を有し、画像処理部４は、以下の条件式（１）を満足する画像処理を行うことを特徴とする。
０．１＜Ｂ／Ａ＜０．８、かつ、Ａ＜０（１）
ここで、
Ａは、２Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
である。

ここで、例えば消化器、気管支、膀胱等を観察対象とする内視鏡装置では、スクリーニング、精査、処置の使い方がある。

図４は、正方格子を物体とした場合の、補正していない状態の観察像を示す図である。
スクリーニングにおいては、広画角の視野で、病変を見落とさないことが重要となる。そのためには、図４に示すように、大きな負のディストーションを有する光学系を使うことが一般的である。また、スクリーニングでは物体距離が遠くなる場合があるため、３Ｄ観察では十分な立体感を得られない場合がある。よって、スクリーニングでは広角の２Ｄ観察で、広角な範囲を観察する必要がある。

次に、精査、処置においては、病変に近接して観察するため、必要な立体感を得られる。よって、３Ｄ観察を使えるようにすることが必要である。しかしながら、大きな負のディストーションを有する光学系の画像で３Ｄ観察を行うと、図２、３に示すように、３Ｄ再生空間が変形し、奥行き表示にズレが生じてしまう、また、画像周辺では上下ズレが発生し、観察者に疲労が発生してしまうことがある。

このため、本実施形態では、画像処理部４では、３Ｄ観察時には画像処理にて光学系のディストーション（図４）を低減する。画像処理部４は、以下の条件式（１）を満足する画像処理を行う。
０．１＜Ｂ／Ａ＜０．８、かつ、Ａ＜０（１）
ここで、
Ａは、２Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
である。

条件式（１）の上限値を下回ることで、奥行き表示にズレが生じないようにでき、また、画像周辺において上下ズレが減少し、観察者の疲労を低減できる。

条件式（１）の下限値を上回ることで、負のディストーションを少し残す構成としている。これにより、広い画角の視野を確保しやすくなり、かつ、補正量を小さくできるため、画像処理による周辺部分の画質劣化を最低限にすることができる。また、内視鏡先端部から挿出している処置具１３（図２参照）がモニタ５より奥側に再生できる。このため、観察者は寄り目になることなく、疲労を低減できる。例えば、負のディストーションを完全に補正すると、３Ｄ再生空間の変形がなくなるため、処理具の再生位置がモニタより前になり、疲労が発生する。本実施形態は、負のディストーションを少し残すことにより、この問題を回避している。

また、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．６＜Ｄ／Ｃ≦１、かつ、１００度＜Ｃ（２）
ここで、
Ｃは、２Ｄ観察時の最大画角、
Ｄは、３Ｄ観察時の最大画角、
である。

条件式（２）の上限値を下回ることで、３Ｄ観察の画角を狭く設定し、光学系のディストーション量を低減している。これにより、画像処理による補正量を小さくすることができ、画像処理による周辺部分の画質劣化を最小限にできる。

条件式（２）の下限値を上回ることで、３Ｄ観察で必要な視野範囲を確保できる。

また、本実施形態の好ましい態様によれば、画像処理部４は、以下の式（３）に従って、ディストーションを低減することが望ましい。
Ｙ＝Ｅ×Ｘ^３＋Ｆ×Ｘ^２＋Ｇ×Ｘ＋Ｈ（３）
Ｘの最大値において、０．４＜Ｙ＜０．８であり、
Ｘは、画像処理前の像高、
Ｙは、（画像処理前の像高）／（画像処理後の像高）、
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは、係数、
である。

パラメータＹを０．８以下にすることで、奥行き表示のズレを低減し、観察者の疲労を低減できる。

パラメータＹの下限値を０．４以上にすることで、画像処理による周辺部分の画質劣化を最小限にして、観察者が許容できるレベルにしている。すなわち、画像処理により画像中心から周辺方向に画像を拡大し、その拡大量は画像周辺部になるほど大きい。よって、画像周辺部では大きく拡大されるため、観察者は画像がボケていると認識する。また、画像ノイズも周辺方向のみに引き伸ばされるので、ノイズが楕円形状になり、画像品位が低下する。本実施形態では、これらの課題を対策している。

また、本実施形態の好ましい態様によれば、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
−０．７＜Ｂ＜−０．１（４）
ここで、
Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
である。

条件式（４）の下限値を上回ることで、奥行き表示にズレが生じないようにでき、また、画像周辺において上下ズレが減少し、観察者の疲労を低減できる。

条件式（４）の上限値を下回ることで、視野範囲と周辺部分の画質を確保できる。また、内視鏡先端部から挿出している処置具１３がモニタ５より奥側に再生できる。このため、観察者は寄り目になることなく、疲労を低減できる。

（対物光学系）
初めに、後述する実施例１から実施例５に共通する対物光学系について説明する。

図９は、実施例に係る撮像装置の概略構成を示す図である。図１０は、本実施例に係る撮像装置のレンズ断面構成を示す図である。

図９、１０に示すように本実施例は、互いに視差を有する２つの光学像を生成する、第１の光学系ＬＮＳ１と、第２の光学系ＬＮＳ２と、を有する。それぞれの光学系は、物体側から順に、像側に凹面を向けた平凹負レンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、平行平板Ｆ１と、明るさ絞りＳと、両凸正レンズＬ３と、フレア絞りＦＳと、両凸正レンズＬ４と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５と、平行平板Ｆ２と、平行平板ＣＧと、撮像素子ＩＭＧと、から構成される。ＡＸ１、ＡＸ２は、それぞれ光軸である。

第１のレンズＬ１は、第１の光学系ＬＮＳ１（例えば、従光学系）と第２の光学系ＬＮＳ２（例えば、主光学系）とに対して一体の部材で構成されている。正レンズＬ４と、負メニスカスレンズＬ５と、は接合されている。平行平板Ｆ２と、平行平板ＣＧと、撮像素子ＩＭＧと、は接合されている。Ｉは、像面（撮像面）である。

第１の光学系ＬＮＳ１のレンズ構成と、第２の光学系ＬＮＳ２のレンズ構成と、は同一である。

以下に、本実施例の数値データを示す。記号は、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数である。また、Ｓは明るさ絞り、ＦＳはフレア絞りである。

数値実施例１
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
1 ∞ 0.2500 1.88815 40.76
2 0.5920 0.5700
3 -4.5711 0.8554 1.85504 23.78
4 -3.3786 0.1100
5 ∞ 0.4000 1.49557 75.00
6 ∞ 0.1000
7(S） ∞ 0.1016
8 7.9475 0.7436 1.83932 37.16
9 -1.8802 0.3135
10(FS) ∞ 0.0000
11 1.3149 0.7438 1.69979 55.53
12 -0.8298 0.3347 1.93429 18.90
13 -5.6819 0.2635
14 ∞ 0.5000 1.51825 64.14
15 ∞ 0.3500 1.50700 63.26
撮像面 ∞

全系焦点距離ｆ１ 0.4249
視差１ｍｍ

以下、撮像装置の実施例１から実施例５について説明する。なお、以下の５つの実施例では、上述した対物光学系を共通して使用する。

補正式の内容
補正式Ｙ
実施例１、２
ＡＹ＝−１．１５８３Ｘ^３−１．１５４４Ｘ^２−０．００６９Ｘ＋１．００２１

実施例３、４、５
ＢＹ＝−５．１９４６Ｘ^３−０．１８６Ｘ^２−０．２１０６Ｘ＋１．００８１

以下、各実施例の値を示す。ＤＴは、ディストーションを示す。像高の単位は、ｍｍである。

ＤＴＤＴＤＴ画角(度) 画角(度) 画角(度) 補正式
２Ｄ観察３Ｄ観察(補正後) ２Ｄ観察３Ｄ観察時３Ｄ観察時
ＡＢＢ／ＡＣＤＤ/ＣＹ
実施例１ -84.8% -45.7% 0.54 163.7 134.9 0.82 A
実施例２ -84.8% -62.3% 0.73 163.7 150.8 0.92 A
実施例３ -84.8% -10.0% 0.12 163.7 99.98 0.61 B
実施例４ -84.8% -28.6% 0.34 163.7 134.9 0.82 B
実施例５ -84.8% -67.1% 0.79 163.7 163.7 1.00 B

計算データ
２Ｄ観察３Ｄ観察３Ｄ観察３Ｄ観察３Ｄ観察３Ｄ観察
像高像高像高像高ＤＴ画角
補正前補正後逆倍率補正前補正前
ＹＨ
実施例１ 0.43 0.4 0.54 0.7407407 -59.80% 134.9
実施例２ 0.43 0.42 0.593 0.7082631 -73.30% 150.8
実施例３ 0.43 0.33 0.45 0.7333333 -34.00% 99.98
実施例４ 0.43 0.4 0.71 0.5633803 -59.80% 134.9
実施例５ 0.43 0.43 0.93 0.4623656 -84.80% 163.7

３Ｄ観察のディストーション（ＤＴ）値Ｂの計算式を以下に示す。
ＤＴ補正前のディストーション定義
（｜Ｉ´｜−｜β×Ｉ｜）／｜β×Ｉ｜＝Ｈ（ＡＡ）
ここで、
Ｉは、物体面における物体高、
Ｉ´は、撮像面（ＣＣＤ面）における像高、
βは、前記物体（物体高Ｉ）を撮影したときの、横倍率、
である。

また、ＤＴ補正後のディストーション定義を以下に示す。
（｜Ｉ´／Ｙ｜−｜β×Ｉ｜）／｜β×Ｉ｜＝Ｂ（ＢＢ）
ここで、
Ｉは、物体面における物体高、
Ｉ´は、撮像面（ＣＣＤ面）における像高、
βは、前記物体（物体高Ｉ）を撮影したときの、横倍率、
Ｙは、補正前像高／補整後像高、
である。
そして、上記式（ＡＡ)と式（ＢＢ）より、次式を得られる。
｜Ｉ´｜＝（Ｈ＋１）×｜β×Ｉ｜
Ｂ＝（Ｈ＋１）／Ｙ−１

図５は、補正式Ａの特性を示す。図６は、実施例１、２における観察像を示す。図４と図６とを比較してわかるように、実施例１、２ではディスト―ションが低減されている。実施例１、２は、内視鏡先端を水中に入れた際のディストーション低減量と同等としている。

図７は、補正式Ｂの特性を示す。図８は、実施例３、４、５における観察像を示す。図４と図８とを比較してわかるように、実施例３、４、５ではディスト―ションが大きく低減されている。

また、ディストーションを低減する画像処理の補正式については、観察者に違和感の無いディストーションであること、観察者が使用する場面（空気中と水中の２つの場面）で問題が出ないことが望ましい。

実施例１では、被写体と撮像光学系（対物光学系）の間の空間を水（屈折率１．３３）に浸した場合の画像と同じになるように、ディストーション補正式を作成している。観察者は水中観察を行う場合があり、その画像に慣れているため、違和感のない画像となる。

また、補正式を適用している場合に、水中観察を行うと、ディストーションが０になり、正の逆ディストーションが発生しないようにしている。また、補正式の係数を電子内視鏡２の中に保存しておく。画像処理部４はその係数を読み取り、補正式を計算する。このように構成することで、電子内視鏡毎に最適な補正式を適用でき、かつ、電子内視鏡内部に係数のみを保存するので、必要な記憶領域を小さくすることができ、内視鏡のコスト低減も可能となる。

なお、上述の内視鏡装置は、複数の構成を同時に満足してもよい。このようにすることが、良好な内視鏡装置を得る上で好ましい。また、好ましい構成の組み合わせは任意である。また、各条件式について、より限定した条件式の数値範囲の上限値あるいは下限値のみを限定しても構わない。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、これら実施形態の構成を適宜組合せて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。例えば、本発明をズーム光学系に適用する場合には、各状態で光学ディストーションが異なる為、各状態に応じてディストーション補正を変えれば良い。また、レンズを偏心させた偏心光学系に適用しても良い。この場合、光学系のディストーションは回転非対称となる為、画像処理部４でのディストーション補正は、式（３）の回転対称な式を適用するのではなく、回転非対称な式を適用すれば良い。

以上のように、本発明は、２Ｄ観察と３Ｄ観察とをいずれも良好に観察できる内視鏡装置に有用である。

１内視鏡装置
２電子内視鏡
３光源装置
４画像処理部
５モニタ
５ａモニタ面
１０先端硬性部
１１Ｒ右眼用光学系
１１Ｌ左眼用光学系
１２撮像素子
１３処置具
２１挿入部
２２操作部
２３ユニバーサルコード
２４コネクタ部
２５接続コード
２６電気コネクタ部
３０被写体空間
４０再生空間
ＥＲ右眼
ＥＬ左眼
Ｓ明るさ絞り
ＦＳフレア絞り
ＡＸ１、ＡＸ２光軸
ＬＮＳ１第１の光学系
ＬＮＳ２第２の光学系
ＩＭＧ撮像素子
Ｉ像面（撮像面）
Ｌ１〜Ｌ５レンズ
Ｆ１、Ｆ２、ＣＧ平行平板
ＯＢ１被写体
ＯＢ１´ 被写体像
ＯＢ２被写体（物体）
ＯＢ２´ 被写体像

Claims

平面視用の２Ｄ観察と立体視用の３Ｄ観察を切り替えられる機能を有する内視鏡装置において、
３Ｄ観察時には、当該内視鏡装置の撮像素子で得られた撮像信号に対して撮像光学系のディストーションを低減する処理を行う画像処理部を有し、
前記画像処理部は、以下の条件式（１）を満足する画像処理を行うことを特徴とする内視鏡装置。
０．１＜Ｂ／Ａ＜０．８、かつ、Ａ＜０（１）
ここで、
Ａは、２Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
である。
以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
０．６＜Ｄ／Ｃ≦１、かつ、１００度＜Ｃ（２）
ここで、
Ｃは、２Ｄ観察時の最大画角、
Ｄは、３Ｄ観察時の最大画角、
である。
前記画像処理部は、以下の式（３）に従って、ディストーションを低減することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
Ｙ＝Ｅ×Ｘ^３＋Ｆ×Ｘ^２＋Ｇ×Ｘ＋Ｈ（３）
Ｘの最大値において、０．４＜Ｙ＜０．８であり、
Ｘは、画像処理前の像高、
Ｙは、（画像処理前の像高）／（画像処理後の像高）、
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは、係数、
である。
以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
−０．７＜Ｂ＜−０．１（４）
ここで、
Ｂは、３Ｄ観察時の最大像高のディストーション、
である。