JP7154293B2 - 内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系および内視鏡システムに関するものである。

従来の内視鏡用の照明光学系は、光源と、光ファイバと、スコープの先端に設けられた照明レンズとを備えている（例えば、特許文献１～５参照。）。光源から出射された光は、光ファイバによって導光され、照明レンズから被写体に照射される。

特許第４５８８４３号公報 特開２００２－９８９１３号公報 特開２０１６－２３０２号公報 特開２０１０－２４３８７４号公報 特開２００５－３２８９９０号公報

特許文献１～５に記載の内視鏡の照明光は、ある条件に最適化された固定の配光特性を有するため、条件が異なるシーンにおいて被写体を適切に照明するとは限らない。例えば、大腸内視鏡によって腸内の襞を観察する場合、内視鏡画像内において、照明レンズからの距離が近い襞の領域でハレーションが発生し、画像の品質を大きく損なう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、被写体をシーンに応じて適切に照明しハレーションを低減することができる照明光学系および内視鏡システム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。
本発明の第１態様は、光源と、入射端および複数の出射端を有し、前記入射端に入射した光を導光し前記複数の出射端から出射する導光部材と、前記光源からの光を前記入射端に向かって偏向するとともに、偏向された前記光の前記入射端の端面への入射位置を変化させる偏向素子とを備え、前記入射端の端面が、複数の領域に分割されており、前記複数の領域の一に入射した光は、他の領域に入射した光が出射される出射端とは異なる一の前記出射端から出射される照明光学系と、該照明光学系の前記複数の出射端から出射された光で照明されている被写体を撮像する撮像光学系と、前記偏向素子を制御し前記入射端の端面への前記光の入射位置を変化させる制御部とを備え、該制御部が、前記撮像光学系によって取得された前記被写体の画像に基づいて前記偏向素子を制御する内視鏡システムである。
本発明の第２態様は、光源と、入射端および複数の出射端を有し、前記入射端に入射した光を導光し前記複数の出射端から出射する導光部材と、前記光源からの光を前記入射端に向かって偏向するとともに、偏向された前記光の前記入射端の端面への入射位置を変化させる偏向素子とを備え、前記入射端の端面が、複数の領域に分割されており、前記複数の領域の一に入射した光は、他の領域に入射した光が出射される出射端とは異なる一の前記出射端から出射される照明光学系と、該照明光学系の前記複数の出射端から出射された光で照明されている被写体を撮像する撮像光学系と、前記偏向素子を制御し前記入射端の端面への前記光の入射位置を変化させる制御部と、前記複数の出射端の各々と被写体との距離を測定する距離測定部とを備え、前記制御部が、前記距離測定部によって測定された距離に基づいて前記偏向素子を制御する内視鏡システムである。

本態様によれば、光源からの光は、偏向素子によって偏向され、導光部材の入射端に入射し、導光部材の複数の出射端から出射され、被写体を照明する。ここで、入射端の端面は複数の領域に分割されており、複数の領域に入射した光は、相互に異なる出射端から出射され被写体の相互に異なる範囲を照明する。したがって、入射端の端面への光の入射位置を偏向素子によって変化させることで、被写体の各範囲を照明する光の量を相互に独立に調整することができる。これにより、シーンに応じた適切な照明光で被写体を照明し、ハレーションを低減することができる。

上記態様においては、少なくとも１つのレンズを有し、前記光源と前記偏向素子との間に配置された第１レンズ群をさらに備え、該第１レンズ群が、前記光源からの光を略平行光に形成してもよい。
この構成によって、偏向素子に入射する光の光束径および偏向素子によって偏向された光の光束径を一定に制御することができる。

上記態様においては、前記偏向素子が、前記光源からの光の光軸上に配置されたガルバノミラーであってもよい。
ガルバノミラーの揺動によって、光の偏向角度を変化させ、入射端の端面への光の入射位置を変化させることができる。

上記態様においては、前記偏向素子が、複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーの各々の角度が可変である、ＭＥＭＳミラーデバイスであってもよい。
マイクロミラーの角度の変化によって、光の偏向角度を変化させ、入射端の端面への光の入射位置を変化させることができる。

上記態様においては、少なくとも１つのレンズを有し、前記偏向素子と前記入射端との間に配置された第２レンズ群をさらに備え、該第２レンズ群が、前記偏向素子によって偏向された光を前記導光部材の入射端に導いてもよい。
この構成によって、偏向素子による光の偏向角度の変化に関わらず、偏向素子から導光部材の入射端へ光を入射させることができる。

上記態様においては、前記ＭＥＭＳミラーデバイスが、ＤＭＤ（登録商標）であり、前記導光部材の入射端と光学的に共役な位置に配置されていてもよい。
ＤＭＤによって光源からの光の光束断面の配光パターンを変化させ、それにより、ＤＭＤと光学的に共役な位置に配置された導光部材の入射端の端面への光の入射位置を変化させることができる。

上記第１，２態様は、上記記載の照明光学系と、該照明光学系の前記複数の出射端から出射された光で照明されている被写体を撮像する撮像光学系と、前記偏向素子を制御し前記入射端の端面への前記光の入射位置を変化させる制御部とを備える内視鏡システムである。

上記第１態様においては、前記制御部が、前記撮像光学系によって取得された前記被写体の画像に基づいて前記偏向素子を制御する。
この構成によって、画像の明るさが適切になるように制御部によって偏向素子を自動制御することができる。

上記第２態様においては、前記複数の出射端の各々と被写体との距離を測定する距離測定部を備え、前記制御部が、前記距離測定部によって測定された距離に基づいて前記偏向素子を制御する。
出射端と被写体との距離が近い程、被写体を照明する照明光が強くなりハレーションが発生しやすい。被写体の各範囲に出射端との間の距離に応じた強度の照明光が照射されるように、制御部によって偏向素子を自動制御することができる。

本発明によれば、被写体をシーンに応じて適切に照明しハレーションを低減することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る内視鏡システムの全体構成図である。 図１の内視鏡システムにおけるスコープの先端部の斜視図である。 図１の内視鏡システムにおける照明光学系の全体構成図である。 図３Ａの照明光学系においてガルバノミラーの揺動による照明光の変位を説明する図である。 導光部材の入射端の端面の正面図であり、複数の領域の一例を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る照明光学系１および内視鏡システム１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１００は、図１に示されるように、長尺のスコープ２と、スコープ２の基端に接続された光源装置３と、画像プロセッサ４とを備えている。また、内視鏡システム１００は、被写体Ａを撮像する撮像光学系５と、撮像光学系５の視野を照明する照明光学系１と、照明光学系１を制御する制御部６とを備えている。

撮像光学系５は、撮像レンズ５ａと、イメージセンサ５ｂとを備えている。撮像レンズ５ａは、図２に示されるように、スコープ２の先端面に配置され、被写体Ａからの光を結像する。イメージセンサ５ｂは、スコープ２内に配置され、撮像レンズ５ａによって形成された被写体Ａの像を撮像し、画像信号を生成する。画像信号は、イメージセンサ５ｂから画像プロセッサ４に送信される。画像プロセッサ４は、画像信号から画像を生成し、図示しない表示装置に画像を表示させる。符号７は、処置具等が挿入されるチャネルである。

照明光学系１は、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、照明光Ｌを発する光源１１と、照明光Ｌを導光する長尺の導光部材１２と、光源１１からの照明光Ｌを導光部材１２の入射端１７に向かって偏向するガルバノミラー（偏向素子）１３と、光源１１とガルバノミラー１３との間に配置された第１レンズ群１４と、ガルバノミラー１３と導光部材１２との間に配置された第２レンズ群１５と、導光部材１２によって導光された照明光Ｌを被写体Ａに向かって出射する複数の照明レンズ１６とを備えている。

光源１１、ガルバノミラー１３、第１レンズ群１４および第２レンズ群１５は、光源装置３内に配置されている。導光部材１２は、スコープ２の基端から先端近傍まで、スコープ２内に長手方向に沿って配置されている。照明レンズ１６は、図２に示されるように、スコープ２の先端面に配置されている。
光源１１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）のような固体光源である。

導光部材１２は、基端側に単一の入射端１７を有し、先端側に複数の出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃを有している。出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、導光部材１２の長手方向に交差する方向に相互に異なる位置に配置されている。導光部材１２は、入射端１７から出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃまで照明光Ｌを導光し、出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから照明光Ｌを出射する。入射端１７の端面は、図４に示されるように、複数の領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃに分割されている。領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃの数は、出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃの数と同一である。参照する図面では、領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃの数および出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃの数はそれぞれ３個である。

図４において、入射端１７の端面は、中心回りの周方向に均等に分割され、扇形の領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃが周方向に配列しているが、入射端１７の端面の分割パターンはこれに限定されるものではない。例えば、入射端１７の端面は、同心の複数の環状の領域に分割されていてもよい。あるいは、入射端１７の端面は、一列に配列する複数の領域に分割されていてもよい。

領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃと出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、１対１で対応している。すなわち、領域１７ａは出射端１８ａと対応し、領域１７ｂは出射端１８ｂと対応し、領域１７ｃは出射端１８ｃと対応している。領域１７ａから出射端１８ａまでの光路と、領域１７ｂから出射端１８ｂまでの光路と、領域１７ｃから出射端１８ｃまでの光路は、相互に独立している。したがって、一の領域に入射した光は、他の２つの領域に入射した光が出射される２つの出射端とは異なる一の出射端から出射される。各出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃと対向する位置には照明レンズ１６が配置されている。

このような導光部材１２は、例えば、複数本の光ファイババンドル１２ａから構成される。各光ファイババンドル１２ａは、１本に束ねられた複数本の細径の光ファイバから構成されている。複数本の光ファイババンドル１２ａの基端部は、１つに束ねられている。例えば、複数の光ファイババンドル１２ａの基端部は、内部が複数の空間に区画された筒状の枠内に収容される。光源１１が発する照明光Ｌには、中心から周辺に向かって強度が低下する強度分布が一般に存在する。各光ファイババンドル１２ａに入射する照明光Ｌの強度を均一化するために、各光ファイババンドル１２ａの基端に、光を拡散する機能を有する導光ロッド１２ｂが接続されていてもよい。

ガルバノミラー１３は、光源１１とガルバノミラー１３との間の照明光Ｌの光軸上に配置され、該光軸に直交する揺動軸回りに揺動可能である。ガルバノミラー１３は、光源１１からの照明光Ｌを、導光部材１２の光軸に平行または略平行な方向に偏向する。ガルバノミラー１３の揺動によって、図３Ｂに示されるように、第２レンズ群１５を経由して導光部材１２の入射端１７に入射する照明光Ｌが、ガルバノミラー１３と入射端１７との間の光軸に交差する方向に変位し、入射端１７の端面への照明光Ｌの入射位置が変化し、各領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃに入射する照明光Ｌの量が変化する。したがって、ガルバノミラー１３の揺動角度によって、複数の出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから出射される照明光Ｌの光量を相互に独立に変化させることができる。ガルバノミラー１３は、入射端１７の端面への照明光Ｌの入射位置を２次元的に変化させることができるように、相互に交差する２つの揺動軸回りに揺動可能な２軸ガルバノミラーであってもよい。

第１レンズ群１４は、少なくとも１つのレンズを備える。第１レンズ群１４は、光源１１が発する発散光としての照明光Ｌを少なくとも１つのレンズによって略平行光に形成し、略平行光をガルバノミラー１３に向かって出射する。

第２レンズ群１５は、少なくとも１つのレンズを備える。第２レンズ群１５は、ガルバノミラー１３の揺動によって偏向方向が変化する照明光Ｌを入射端１７に導く。参照する図面では、第２レンズ群１５は、一対のレンズを備える。ガルバノミラー１３側のレンズは、ガルバノミラー１３によって偏向された照明光Ｌを受光し、導光部材１２側のレンズは、照明光Ｌを略平行光に形成する。このような第２レンズ群１５によって、照明光Ｌの光束径が、入射端１７の端面の寸法に適した寸法に調整される。また、ガルバノミラー１３の揺動角度に関わらず、照明光Ｌが、第２レンズ群１５から入射端１７へ、導光部材１２の光軸に平行に入射する。

制御部６は、ユーザの指示に基づいてガルバノミラー１３の揺動角度を制御する。ユーザの指示は、例えば、制御部６に接続された入力デバイス（図示略）を使用して制御部６に入力される。

次に、このように構成された照明光学系１および内視鏡システム１００の作用について説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１００によれば、光源１１が発した発散光の照明光Ｌは、第１レンズ群１４によって略平行光に形成され、ガルバノミラー１３によって偏向され、第２レンズ群１５によって導光部材１２の入射端１７に導かれる。入射端１７の端面に入射した照明光Ｌは、複数の出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから出射され、複数の照明レンズ１６から被写体Ａへ照射される。複数の照明レンズ１６から出射された照明光Ｌは、被写体Ａの相互に異なる範囲を照明する。

被写体Ａにおいて反射された照明光Ｌは、撮像レンズ５ａによって受光される。撮像レンズ５ａによって形成された被写体Ａの像は、イメージセンサ５ｂによって撮像され、画像信号がイメージセンサ５ｂから画像プロセッサ４に送信される。そして、画像プロセッサ４において画像信号から被写体Ａの画像が生成され、表示装置に画像が表示される。

ユーザは、表示装置に表示される画像に基づいて、撮像光学系５の視野内の被写体Ａが照明光Ｌで適切に照明されているか否かを判断する。画像内にハレーションが発生している場合、ユーザは、ガルバノミラー１３を揺動させるための指示を制御部６に入力し、ハレーションが発生している範囲に対応する領域１７ａ、１７ｂまたは１７ｃへの照明光Ｌの入射光量を低下させる方向にガルバノミラー１３の揺動角度を変化させる。

例えば、図３Ａに示されるように、被写体Ａの表面が凹凸を有する場合、出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから被写体Ａの表面までの距離に差異が生じる。図３Ａの例では、腸内の襞のような突起Ｂが出射端１８ｃの近傍に位置している。したがって、突起Ｂは強い照明光Ｌで照明され、画像内の突起Ｂの範囲にハレーションが発生する。ユーザは、図３Ｂにおいてガルバノミラー１３を下方向へ揺動させることによって、入射端１７の端面への照明光Ｌの入射位置を上方に移動させ、領域１７ｃへの照明光Ｌの入射光量を低下させる。これにより、出射端１８ｃからの照明光Ｌの出射光量を選択的に低下させ、画像内のハレーションを解消することができる。このときに、他の出射端１８ａ，１８ｂからの照明光Ｌの光量は維持されるので、画像内の他の範囲の明るさは維持される。

このように、本実施形態によれば、複数の出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃからの照明光Ｌによって、撮像光学系５の視野内の相互に異なる範囲が照明される。また、入射端１７の端面が複数の領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃに分割されており、領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃが相互に異なる出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃに対応している。したがって、入射端１７の端面への照明光Ｌの入射位置をガルバノミラー１３によって変化させることで、出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから出射される照明光Ｌの光量を相互に独立に調整し、視野の明るさを部分的に、かつ、被写体Ａの観察中に動的に調整することができる。これにより、シーンに応じた適切な照明光Ｌで被写体Ａを照明し、ハレーションを低減することができるという利点がある。

本実施形態においては、偏向素子１３が、ガルバノミラーであることとしたが、これに代えて、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーデバイスであってもよい。
ＭＥＭＳミラーデバイスは、平面上に配列された複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの角度が可変である。マイクロミラーの角度の変化によって、ガルバノミラー１３と同様に、入射端１７の端面への照明光Ｌの入射位置を変化させることができる。

ＭＥＭＳミラーデバイスは、ＤＭＤ（登録商標、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）であってもよい。
ＤＭＤは、各マイクロミラーの角度を個別に制御することによって、ＤＭＤに入射した照明光Ｌの光束断面に任意の配光パターンを付与することができる。具体的には、ＤＭＤは、各マイクロミラーの角度を２つの角度に択一的に切り替えることによって、各マイクロミラーによって反射される光をオン光とオフ光との間で切り替える。オン光は、ＤＭＤから第２レンズ群１５に出射される。オフ光は、ＤＭＤの外部に出射されない。

ＤＭＤは、入射端１７と光学的に共役な位置に配置され、ＤＭＤによって形成された照明光Ｌの配光パターンと同一の配光パターンが入射端１７の端面に形成される。したがって、ＤＭＤは、揺動せず、マイクロミラーの角度の切り替えによって入射端１７の端面への照明光Ｌの入射位置を変化させる。

本実施形態においては、制御部６が、被写体Ａの画像に基づいてガルバノミラー１３を制御してもよい。
例えば、制御部６は、画像内のハレーションを画素値に基づいて検出し、ハレーションが発生している範囲に対応する領域１７ａ、１７ｂまたは１７ｃへの照明光Ｌの入射光量を低下させる方向に、ガルバノミラー１３の揺動角度を変化させる。これにより、画像内のハレーションを自動的に解消することができる。

本実施形態においては、複数の出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃと被写体Ａとの間の距離を測定する距離測定部を備え、制御部６が、距離測定部によって測定された距離に基づいてガルバノミラー１３を制御してもよい。
距離測定部は、例えば、光源１１がレーザ光源である場合には、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の測距センサである。距離測定部は、格子、縞またはランダムドット等の明暗パターンを被写体Ａに投影する構造化照明方式の測距センサであってもよい。

ＴＯＦ方式の測距センサは、時間分解能が高い光検出器と、光検出器によって得られた信号から距離を算出する機能とを備える。構造化照明方式の測距センサは、明暗パターンを投影し、撮影された画像から距離を算出する機能を備える。いずれの方式においても、制御部６は、被写体Ａとの距離が近い出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから出射される照明光Ｌの光量を低下させる方向に、ガルバノミラー１３の揺動角度を変化させる。これにより、出射端１８ａ，１８ｂ，１８ｃから出射される照明光Ｌの配光特性を測定された距離に応じて適切に制御し、画像の品位を向上することができる。

１ 照明光学系
２ スコープ
３ 光源装置
４ 画像プロセッサ
５ 撮像光学系
６ 制御部
１１ 光源
１２ 導光部材
１３ ガルバノミラー（偏向素子）
１４ 第１レンズ群
１５ 第２レンズ群
１６ 照明レンズ
１７ 入射端
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 領域
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 出射端
１００ 内視鏡システム

Claims (7)

1. 光源と、
   入射端および複数の出射端を有し、前記入射端に入射した光を導光し前記複数の出射端から出射する導光部材と、
   前記光源からの光を前記入射端に向かって偏向するとともに、偏向された前記光の前記入射端の端面への入射位置を変化させる偏向素子とを備え、
   前記入射端の端面が、複数の領域に分割されており、
   前記複数の領域の一に入射した光は、他の領域に入射した光が出射される出射端とは異なる一の前記出射端から出射される照明光学系と、
   該照明光学系の前記複数の出射端から出射された光で照明されている被写体を撮像する撮像光学系と、
   前記偏向素子を制御し前記入射端の端面への前記光の入射位置を変化させる制御部とを備え、
   該制御部が、前記撮像光学系によって取得された前記被写体の画像に基づいて前記偏向素子を制御する内視鏡システム。
2. 光源と、
   入射端および複数の出射端を有し、前記入射端に入射した光を導光し前記複数の出射端から出射する導光部材と、
   前記光源からの光を前記入射端に向かって偏向するとともに、偏向された前記光の前記入射端の端面への入射位置を変化させる偏向素子とを備え、
   前記入射端の端面が、複数の領域に分割されており、
   前記複数の領域の一に入射した光は、他の領域に入射した光が出射される出射端とは異なる一の前記出射端から出射される照明光学系と、
   該照明光学系の前記複数の出射端から出射された光で照明されている被写体を撮像する撮像光学系と、
   前記偏向素子を制御し前記入射端の端面への前記光の入射位置を変化させる制御部と、
   前記複数の出射端の各々と被写体との距離を測定する距離測定部とを備え、
   前記制御部が、前記距離測定部によって測定された距離に基づいて前記偏向素子を制御する内視鏡システム。
3. 少なくとも１つのレンズを有し、前記光源と前記偏向素子との間に配置された第１レンズ群をさらに備え、
   該第１レンズ群が、前記光源からの光を略平行光に形成する請求項１または請求項２に記載の内視鏡システム。
4. 前記偏向素子が、前記光源からの光の光軸上に配置されたガルバノミラーである請求項１から請求項３のいずれかに記載の内視鏡システム。
5. 前記偏向素子が、複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーの各々の角度が可変である、ＭＥＭＳミラーデバイスである請求項１から請求項３のいずれかに記載の内視鏡システム。
6. 少なくとも１つのレンズを有し、前記偏向素子と前記入射端との間に配置された第２レンズ群をさらに備え、
   該第２レンズ群が、前記偏向素子によって偏向された光を前記導光部材の入射端に導く請求項１から請求項５のいずれかに記載の内視鏡システム。
7. 前記ＭＥＭＳミラーデバイスが、ＤＭＤ（登録商標）であり、前記導光部材の入射端と光学的に共役な位置に配置されている請求項５に記載の内視鏡システム。

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