JP7239821B2 - 硬性内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、硬性内視鏡システムに関する。

可撓性のない挿入部を有する硬性内視鏡が知られている。硬性内視鏡は、挿入部の先端に配置された対物光学系により形成される観察像を、リレー光学系によって基端側に伝達する。基端側に伝達された観察像は撮像素子の受光面に結像され、画像信号に変換されて出力される（例えば、特許文献１）。

特開平８－１２２６６７号公報

硬性内視鏡システムは、医療の高度化に伴って高画質な出力画像が要求されるようになってきており、高画素の大型撮像素子が採用される傾向にある。撮像素子が大型化すると、像の被写界深度が浅くなり、厳密なフォーカス調整が要求される。すなわち、素早いフォーカス調整が困難である。一方で、被検者の体内に挿通される管体の外径は小さいので、全体の光学系のＦ値は大きく、例えば撮像素子が出力する観察画像を利用したコントラストＡＦには不利である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、硬性内視鏡システムにおいて迅速なオートフォーカスを実現することを目的とする。

本発明の具体的態様における硬性内視鏡システムは、直線状の管体と、当該管体の一端側に設けられた対物レンズと、当該管体の一端側とは反対の他端側に設けられた接眼レンズと、画像データを生成するための撮像信号を出力する撮像センサと、焦点検出を行うための検出信号を出力する焦点検出センサと、接眼レンズから射出される光束を撮像センサと焦点検出センサのそれぞれの方向へ分光する分光光学素子と、接眼レンズから射出された一部の光束を撮像センサへ結像させるための第１光学系と、接眼レンズから射出された一部の光束を焦点検出センサへ結像させるための第２光学系と、焦点検出センサが出力した検出信号に基づいて第１光学系に含まれる焦点調整レンズを光軸方向へ移動させることにより焦点調整を行う焦点調整部とを備え、対物レンズから第２光学系までの全体のＦ値は、対物レンズから第１光学系までの全体のＦ値よりも小さくなるように構成されている。

本発明により、硬性内視鏡システムにおいて迅速なオートフォーカスを実現することができる。

第１実施形態に係る硬性内視鏡システムの全体概略図である。 管体内部へ光学系を収容する様子を示す図である。 第２実施形態に係る硬性内視鏡システムの全体概略図である。 第３実施形態に係る硬性内視鏡システムの全体概略図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

図１は、第１実施形態に係る硬性内視鏡システム１００の全体概略図である。硬性内視鏡システム１００は、外観的には、直線状に伸延する管体１１０と、これにケーブルで接続される制御部２００および表示部２１０を主な構成要素とする。図は、管体１１０を断面図で表し、管体１１０に収容される主な要素を示している。

管体１１０は、例えばステンレス管であり、可撓性を有しない。管体１１０は、観察対象に向けられる先端側である一端から、基端側である他端へ直線状に伸延しており、基端側には、管体１１０から分岐する支管１１７と枝管１４０が設けられている。

本実施形態においては、管体１１０の中心軸が、主光学系の光軸ＯＰと一致する。管体１１０の内部には、複数のレンズが設置されている。具体的には、先端側から基端側へ向かって順に、対物レンズ１５１、リレーレンズ１６１、接眼レンズ１５２、および第１結像レンズ１５３が設置されている。管体１１０の他端には、撮像センサ１２１が設置されている。

対物レンズ１５１は、観察対象の観察像を形成し、リレーレンズ１６１は、対物レンズ１５１で形成された観察像を接眼レンズ１５２まで伝達する。対物レンズ１５１、リレーレンズ１６１、接眼レンズ１５２のそれぞれは、複数のレンズから構成されても良い。例えば、対物レンズ１５１は、負、正、正の３枚のレンズから構成される。また、一組のリレーレンズ１６１は、光軸方向に対象に配列された正、負、正、負、正の５枚のレンズによって構成される。特に、３枚目の正レンズは、リレー長を確保すべく、光軸方向の長さが直径より大きいロッドレンズを用いても良い。また、リレーレンズ１６１は、管体１１０の長さに応じて、複数組設置されても良い。図１に示す本実施形態においては、２組のリレーレンズ１６１が設置されている。

第１結像レンズ１５３は、接眼レンズ１５２を通った観察像を、撮像センサ１２１の受光面の大きさに合わせて、当該受光面上に再結像させる第１光学系としての機能を担う。図においては、一枚のレンズとして表現しているが、複数のレンズから構成されても良い。第１光学系として第１結像レンズ１５３が複数のレンズから構成される場合は、少なくとも一部のレンズがアクチュエータの駆動により光軸ＯＰ方向へ移動可能な焦点調整レンズとして構成される。第１結像レンズ１５３が単独で第１光学系を構成する場合には、第１結像レンズ１５３がアクチュエータの駆動により光軸ＯＰ方向へ移動可能な焦点調整レンズとして構成される。

撮像センサ１２１は、例えばＣＭＯＳセンサであり、受光面で結像した光学像を光電変換して、撮像信号として出力する。管体１１０の基端部に設けられた回路基板２２０は、撮像センサ１２１が出力した撮像信号をレベル調整してＡ／Ｄ変換し、画素データとして制御部２００へ送信する。

第１結像レンズ１５３と撮像センサ１２１の間には、ハーフミラー１３１が光軸ＯＰに対して斜交するように設置されている。ハーフミラー１３１は、第１結像レンズ１５３から射出される一部の光束を撮像センサ１２１側へ透過させる分光光学素子である。ハーフミラー１３１に対して撮像センサ１２１と共役の位置には光源１４１が設置される。管体１１０は、光源１４１を収容するための枝管１４０を有し、枝管１４０の内部空間は、管体１１０の内部空間と連通している。光源１４１は、例えば高輝度ＬＥＤが二次元的に配列されたＬＥＤパネルから成る照明素子であり、回路基板２２０によって駆動される。光源１４１からハーフミラー１３１へ向けて射出された照射光は、その一部がハーフミラー１３１に反射されて先端側へ導かれ、対物レンズ１５１から観察対象へ向けて照射される。

接眼レンズ１５２と第１結像レンズ１５３の間には、ハーフミラー１３２が光軸ＯＰに対して斜交するように設置されている。ハーフミラー１３２は、接眼レンズ１５２から射出される光束を撮像センサ１２１と焦点検出センサ１２２のそれぞれの方向へ分光する分光光学素子である。本実施形態においては、管体１１０から分岐する支管１１７にミラー１３３、第２結像レンズ１５４および焦点検出センサ１２２が収容されている。

ハーフミラー１３２が設置された付近において、管体１１０の内部空間と支管１１７の内部空間は互いに連通している。ハーフミラー１３２によって支管１１７側へ反射された光束は、ミラー１３３で更に反射され、第２結像レンズ１５４へ導かれる。第２結像レンズ１５４は、接眼レンズ１５２を通った観察像を、焦点検出センサ１２２の受光面の大きさに合わせて、当該受光面上に再結像させる第２光学系としての機能を担う。図においては、一枚のレンズとして表現しているが、複数のレンズから構成されても良い。第２光学系として第２結像レンズ１５４が複数のレンズから構成される場合は、少なくとも一部のレンズがアクチュエータの駆動により分岐された光軸ＯＰ方向へ移動可能な移動レンズとして構成される。第２結像レンズ１５４が単独で第２光学系を構成する場合には、第２結像レンズ１５４がアクチュエータの駆動により分岐された光軸ＯＰ方向へ移動可能な移動レンズとして構成される。移動レンズは、第１結像レンズの焦点調整レンズと連動する。

焦点検出センサ１２２は、例えば位相差ＡＦセンサであり、受光面側にセパレータレンズを備え、セパレータレンズによって２つに分割された像のずれ量に相当する位相差信号を出力する。回路基板２２０は、焦点検出センサ１２２が出力した位相差信号をＡ／Ｄ変換し、焦点検出情報として制御部２００へ送信する。

制御部２００は、例えばＣＰＵであり、回路基板２２０へ制御信号を送信することにより、撮像センサ１２１による画像取得を開始させたり、光源１４１を点灯させたりする。制御部２００は、画像取得時には、焦点検出センサ１２２から焦点検出情報を取得し、焦点調整レンズおよび移動レンズのそれぞれの移動位置を算出する。そして、それぞれのレンズが算出された移動位置まで移動するようにアクチュエータを制御する。すなわち、制御部２００は、焦点調整レンズおよび移動レンズを光軸方向へ移動させることにより焦点調整を行う焦点調整部としての機能を担う。

また、制御部２００は、回路基板２２０から画像データを受け取り、表示画像信号に変換して表示部２１０に表示させる。表示部２１０は、例えばＬＣＤパネルによるディスプレイであり、制御部２００で画像処理された観察対象の観察像を表示する。なお、本実施形態においては、制御部２００および表示部２１０を含めて硬性内視鏡システム１００として説明するが、硬性内視鏡システムは、例えば回路基板２２０が焦点調整部としての機能を担うのであれば、制御部２００や表示部を外部機器として接続する構成であっても良い。

上述のように、ハーフミラー１３２は、接眼レンズ１５２と、第１光学系を構成する第１結像レンズ１５３および第２光学系を構成する第２結像レンズ１５４との間に設置されている。このような構成において、対物レンズ１５１から第２結像レンズ１５４までをひとつの光学系（検出光学系）とみた場合の全体のＦ値は、対物レンズ１５１から第１結像レンズ１５３までをひとつの光学系（撮像光学系）とみた場合の全体のＦ値よりも小さくなるように光学設計が成されている。

撮像光学系も検出光学系も、管体１１０の管径によって制約を受けることから、それぞれの全体の入射瞳を共にＤとする。対物レンズ１５１の焦点距離をｆ_１、接眼レンズ１５２の焦点距離をｆ_２、第１結像レンズ１５３の焦点距離をｆ_３、第２結像レンズ１５４の焦点距離をｆ_４とする。撮像光学系のＦ値をＦ_１、検出光学系のＦ値をＦ_２とすると、
（数１）
Ｆ_１＝｛（ｆ_１／ｆ_２）×ｆ_３｝／Ｄ
（数２）
Ｆ_２＝｛（ｆ_１／ｆ_２）×ｆ_４｝／Ｄ
と表わされる。これらの関係式を用いて、Ｆ_１＞Ｆ_２となるように、入射瞳および各焦点距離を設計すれば良い。より具体的には、ｆ_３＞ｆ_４が実現されるように、第１結像レンズ１５３に対して、第２結像レンズ１５４の光学設計、焦点検出センサ１２２の選定、およびその配置位置の決定を行う。この場合において、焦点検出センサ１２２の受光面の面積が、撮像センサ１２１の受光面の面積よりも小さければ、比較的容易にＦ_１＞Ｆ_２を実現することができる。

このような光学設計が成された硬性内視鏡システム１００であれば、セパレータレンズによって２つに分割された像がより急峻となるので焦点検出センサ１２２が出力する位相差信号のＳＮ比が向上し、迷うことの少ない迅速なオートフォーカスを実現することができる。また、第２光学系にも焦点調整のための移動レンズを含ませているので、光学設計の自由度が高く、ｆ_４をｆ_３よりも相当小さく設計することもできる。

図２は、管体１１０の内部へ光学系を収容する様子を示す図である。単レンズとしての各レンズは、管体１１０の内壁に遊嵌する円環状の支持環１１１に支持される。支持環１１１は、例えば樹脂によって形成される。支持環１１１は、レンズ１９０を支持して、管体１１０の内部で面倒れしない程度に、光軸方向の厚みを有する。

本実施形態においては、観察対象を照射する照射光が基端側から先端側へ進み、観察像が先端側から基端側へ伝達されるので、レンズ１９０の両側に迷光を軽減する迷光軽減処理が施される。具体的には、例えば、レンズ１９０の有効径を囲むように、先端側に前側開口絞り１１２が、基端側に後側開口絞り１１３が設けられる。各開口絞りのエッジ断面は、レンズ１９０の表面から遠ざかる方向へ開くようにテーパが設けられる。前側開口絞り１１２および後側開口絞り１１３は、支持環１１１と一体に形成されても良いし、別体で形成されて支持環１１１に取り付けられても良い。

レンズとレンズの間隔は、調整環１１６を介在させることによって調整する。調整環１１６は、管体１１０の内壁に遊嵌する円環状のスペーサである。調整環１１６は、例えば樹脂によって形成される。

レンズ１９０を支持する支持環１１１および調整環１１６は、管体１１０の先端側開口から順番に内部に挿入される。隣接する支持環１１１と調整環１１６は、例えば接着剤により相互に連結される。このような組み付け作業を経て、図１で示したようなレンズ構成を実現する。なお、ハーフミラー１３１、１３２、ミラー１３３、第１結像レンズ１５３、第２結像レンズ１５４、撮像センサ１２１、焦点検出センサ１２２等は、基端側から組み付けられる。なお、支持環１１１は、複数のレンズをまとめて支持する構造であっても良い。

図３は、第２実施形態に係る硬性内視鏡システムの全体概略図である。第１実施形態に係る硬性内視鏡システム１００と同様の要素に対しては図１と同じ番号の符番を付し、特に言及する場合を除いてその説明を省略する。

硬性内視鏡システム１０１では、ハーフミラー１３２が、第１結像レンズ１５５と撮像センサ１２１との間に設置されている。第１結像レンズ１５５は、接眼レンズ１５２を通った観察像を、撮像センサ１２１の受光面の大きさに合わせて、当該受光面上に再結像させる第１光学系としての機能を担う。図においては、一枚のレンズとして表現しているが、複数のレンズから構成されても良い。第１光学系として第１結像レンズ１５５が複数のレンズから構成される場合は、少なくとも一部のレンズがアクチュエータの駆動により光軸ＯＰ方向へ移動可能な焦点調整レンズとして構成される。第１結像レンズ１５５が単独で第１光学系を構成する場合には、第１結像レンズ１５５がアクチュエータの駆動により光軸ＯＰ方向へ移動可能な焦点調整レンズとして構成される。

第１結像レンズ１５５と撮像センサ１２１との間に、光軸ＯＰに対して斜交するように配置されたハーフミラー１３２は、第１結像レンズ１５５から射出される光束を撮像センサ１２１と焦点検出センサ１２２のそれぞれの方向へ分光する。本実施形態においては、管体１１０から分岐する支管１１７にミラー１３３、第２結像レンズ１５６および焦点検出センサ１２２が収容されている。

ハーフミラー１３２によって支管１１７側へ反射された光束は、ミラー１３３で更に反射され、第２結像レンズ１５６へ導かれる。第２結像レンズ１５６は、第１結像レンズ１５５を通過した光束の一部を、焦点検出センサ１２２の受光面の大きさに合わせて、当該受光面上に結像させる第２光学系としての機能を担う。図においては、一枚のレンズとして表現しているが、複数のレンズから構成されても良い。第２結像レンズ１５６は、上述の第２結像レンズ１５４と異なり、光軸方向へ移動するレンズを含まない。すなわち、第１結像レンズ１５５の焦点調整レンズは、その移動によって、支管１１７側へ導かれる光束を焦点検出センサ１２２の受光面に結像させる。換言すると、焦点調整レンズによる焦点調整により当該光束が焦点検出センサ１２２の受光面で結像するように、第２結像レンズ１５６の光学設計が行われ、焦点検出センサ１２２が選定され、その配置位置が決定されている。

このような構成において、対物レンズ１５１から第１結像レンズ１５５を含んで第２結像レンズ１５６までをひとつの光学系（検出光学系）とみた場合の全体のＦ値は、対物レンズ１５１から第１結像レンズ１５５までをひとつの光学系（撮像光学系）とみた場合の全体のＦ値よりも小さくなるように光学設計が成されている。このような光学設計が成された硬性内視鏡システム１０１であれば、セパレータレンズによって２つに分割された像がより急峻となるので焦点検出センサ１２２が出力する位相差信号のＳＮ比が向上し、迷うことの少ない迅速なオートフォーカスを実現することができる。また、第２光学系に焦点調整のための移動レンズを設けていないので、第２光学系をシンプルに構成することができる。

なお、硬性内視鏡システム１０１は、ハーフミラー１３２が複数のレンズによって構成される第１結像レンズ１５５のうち、いずれかのレンズ間に配置される構成であっても良い。その場合は、接眼レンズ１５２とハーフミラー１３２の間に配置されたレンズが検出光学系に含まれる。

図４は、第３実施形態に係る硬性内視鏡システム１０２の全体概略図である。第１実施形態に係る硬性内視鏡システム１００と同様の要素に対しては図１と同じ番号の符番を付し、特に言及する場合を除いてその説明を省略する。

第１実施形態に係る硬性内視鏡システム１００は、光源１４１から射出された照射光が管体１１０の内部に設置された各レンズを通過する構成であったが、本実施形態に係る硬性内視鏡システム１０２は、観察対象を照射する照明光のライトガイドとして、光ファイバー１５９を備える。光ファイバー１５９は、管体１１０の内部空間に挿通されており、光ファイバー１５９の内部を伝播する照明光は、管体１１０の先端から拡散され、観察対象を照明する。図示するように、光ファイバー１５９の先端に拡散レンズ１６２を配置しても良い。光ファイバー１５９の基端側は、枝管１４８の内部に収容されており、その端面から、同じく枝管１４８の内部に収容されている照明ＬＥＤ１４９が射出する照明光が入射される。なお、図においては一本の光ファイバー１５９として表わしているが、管体１１０の内部空間において、レンズ群を取り囲むように複数本が配置されていても構わない。なお、硬性内視鏡システム１０２は、硬性内視鏡システム１００の変形例として説明したが、光ファイバー１５９を用いる構成は、硬性内視鏡システム１０１にも適用することもできる。

以上説明した硬性内視鏡システム１００、１０１、１０２においては、焦点検出センサ１２２として位相差ＡＦセンサを用いたが、焦点検出を行うための検出信号を出力するセンサであれば、位相差ＡＦセンサでなくても良い。例えば、焦点検出センサ１２２としても撮像センサを用いて、出力される連続画像からコントラストＡＦ（いわゆる山登りＡＦ）を行うように構成しても良い。この場合においても、焦点検出センサ１２２としての撮像センサの受光面の面積は、撮像センサ１２１の受光面の面積よりも小さいことが好ましい。コントラストＡＦを行う場合でも、上述のようなレンズ構成であれば像のコントラストが向上するので、迷うことの少ない迅速なオートフォーカスを実現することができる。

また、以上説明した硬性内視鏡システム１００、１０１、１０２においては、分光光学素子としてハーフミラー１３２を用いたが、接眼レンズ１５２から射出される光束を撮像センサ１２１と焦点検出センサ１２２のそれぞれの方向へ分光する素子であれば、これに限らない。例えば、赤外の波長帯域で焦点を検出する焦点検出センサ１２２を採用すれば、可視光を透過し赤外光を反射させるダイクロイックミラーを用いることができる。

なお、以上説明した硬性内視鏡システム１００、１０１、１０２において接眼レンズ１５２の後部で管体１１０を分割できる構成にすれば、ユーザは、接眼レンズをのぞき込むことにより観察対象を直接的に観察することができる。この場合は、撮像センサ１２１を含む基端側の構成をカメラユニットとして、管体１１０に着脱可能に構成すると良い。

１００、１０１、１０２ 硬性内視鏡システム、１１０ 管体、１１１ 支持環、１１２ 前側開口絞り、１１３ 後側開口絞り、１１６ 調整環、１１７ 支管、１２１ 撮像センサ、１２２ 焦点検出センサ、１３１ ハーフミラー、１３２ ハーフミラー、１３３ ミラー、１４０、１４８ 枝管、１４１ 光源、１４９ 照明ＬＥＤ、１５１ 対物レンズ、１５２ 接眼レンズ、１５３、１５５ 第１結像レンズ、１５４、１５６ 第２結像レンズ、１５９ 光ファイバー、１６１ リレーレンズ、１６２ 拡散レンズ、１９０ レンズ、２００ 制御部、２１０ 表示部、２２０ 回路基板

Claims (3)

1. 直線状の管体と、
   前記管体の一端側に設けられた対物レンズと、
   前記管体の前記一端側とは反対の他端側に設けられた接眼レンズと、
   画像データを生成するための撮像信号を出力する撮像センサと、
   焦点検出を行うための検出信号を出力する焦点検出センサと、
   前記接眼レンズから射出される光束を前記撮像センサと前記焦点検出センサのそれぞれの方向へ分光する分光光学素子と、
   前記接眼レンズから射出された光束を前記撮像センサへ結像させる第１光学系と、
   前記接眼レンズから射出された光束を前記焦点検出センサへ結像させる第２光学系と、
   前記検出信号に基づいて前記第１光学系に含まれる焦点調整レンズを光軸方向へ移動させることにより焦点調整を行う焦点調整部とを備え、
   前記焦点検出センサの受光面の面積を、前記撮像センサの受光面の面積よりも小さくすることで、前記対物レンズから前記第２光学系までの全体のＦ値を、前記対物レンズから前記第１光学系までの全体のＦ値よりも小さくした硬性内視鏡システム。
2. 前記分光光学素子は、前記接眼レンズと、前記第１光学系および前記第２光学系との間に設置され、
   前記第２光学系は、前記焦点調整レンズに連動して光軸方向へ移動する移動レンズを含む請求項１に記載の硬性内視鏡システム。
3. 前記分光光学素子は、前記第１光学系と前記撮像センサの間に設置され、
   前記第２光学系は光軸方向へ移動するレンズを含まない請求項１に記載の硬性内視鏡システム。

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