JPS6359332B2

JPS6359332B2 -

Info

Publication number: JPS6359332B2
Application number: JP56126560A
Authority: JP
Priority date: 1981-08-14
Filing date: 1981-08-14
Publication date: 1988-11-18
Also published as: JPS5829439A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、物体の広範囲にわたる内視鏡像を一
度に観察することができる広視野内視鏡に関する
ものである。

物体の内部の像、たとえばパイプ等の内壁面の
疵、種々の体腔内壁の状態などを観察したい場合
に、よの内視鏡が用いられる。

第１図は、その様子を示したもので、１は観察
しようとするパイプ内壁、２は内視鏡先端部、３
はその内視鏡先端部２の内部に設けた対物レンズ
を含む観察光学系、４はその観察光学系による画
像を接眼部等に導くための、たとえばオプチカル
フアイバ束により構成したイメージガイドであ
る。

この図から明かなように、従来の内視鏡では、
パイプ内壁１のごく狭い部分しか見えないため、
広い範囲を検査する場合に時間がかかるばかりで
はなく、一度に広い範囲を見ることができないの
で、疵の変化の様子が捕え難いなどの欠点があ
る。

これを改善するためには、たとえば第２図に示
した如く、内視鏡先端部２内に、観察面が異なる
ように配置した複数の観察光学系３ａ，３ｂ，３
ｃを設けることが考えられるが、このようにする
と、それら観察光学系のそれぞれに対しイメージ
ガイド４ａ，４ｂ，４ｃを設ける必要があるの
で、内視鏡の径および重量が、観察光学系の本数
に比例して増大するなどの欠点を生ずる。

本発明の目的は、上記の如き諸欠点を解消する
ために、広範囲にわたる内視鏡像を一度に観察し
うる小形軽量な広視野内視鏡を提供しようとする
ものであつて、内視鏡先端部内に設けた複数組の
対物光学系を介して、被観察物の部分画像をその
複数組の各光学系に対設したそれぞれの固体撮像
素子により撮像し、それら複数の静電誘導トラン
ジスタ形イメージセンサからの出力電気信号を処
理して広視野な一つの画像に合成して再生するこ
とを特徴とするものである。

本発明の最も特徴的な点は、従来技術の変形と
して考えられる第２図の如き多視野形内視鏡のイ
メージガイド４ａ，４ｂ，４ｃに代えて、静電誘
導トランジスタを用いたイメージセンサ（以下
「SITイメージセンサ」という。）のような固体撮
像素子を設け、これにより各観察光学系３ａ，３
ｂ，３ｃによる投影像を映像信号として取り出す
とともにこれらの映像信号を合成して連結した１
つの広視野画像を再生することにある。

第３図は、本発明の広視野内視鏡の一例を示す
実施例の構成図である。同図には本発明による側
視形内視鏡を断面図で示してあり、また第１図も
しくは第２図の部分と同一部分は、同一符号を付
してある。

すなわち、内視鏡先端部２内に、被観察内壁１
の異なる部分を視野とするように複数の対物光学
系５ａ〜５ｄを設け、それら各対物光学系の像位
置にＸ方向およびＹ方向走査回路を含むSITイメ
ージセンサ６ａ〜６ｄを配置して、各対物光学系
５ａ〜５ｄによる各SITイメージセンサ６ａ〜６
ｄ上の投影像を光電変換し、それぞれ影像信号と
して取り出すようにしたものである。

以上の本発明内視鏡では、従来のようなイメー
ジガイドを用いる必要がなく、またSITイメージ
センサ６ａ〜６ｄは十分薄形に形成しうるので、
これを対物光学系５ａ〜５ｄの光軸に対し垂直に
置くことができ、従つて従来例におけるが如きプ
リズムを必要としないから、小形軽量化しうる特
長を有する。もしも第１図あるいは第２図に示し
た従来例において、観察光学系３あるいは３ａ〜
３ｃにおけるプリズムを省くためには、イメージ
ガイド４あるいは４ａ〜４ｃを強く折り曲げなけ
ればならず、イメージガイドのガラス繊維が折れ
ることになるか、あるいは折り曲げ半径を大きく
して、折れを避けなければならず、内視鏡の外径
を大きくせざるを得ない。

本発明の広視野内視鏡では、以上説明した内視
鏡先端部２内の各SITイメージセンサ６ａ〜６ｄ
からの出力信号を、信号回線７を介して各SITイ
メージセンサの駆動手段を含む信号処理回路８に
導き、この信号処理回路８により合成処理し、各
対物光学系５ａ〜５ｄにより得られた内壁１の異
なる部分画像を連続した広視野画像として一挙
に、モニタテレビジヨン受像機９で再生して観察
するようにしたものである。

この場合、第３図から明らかなように、SITイ
メージセンサ６ａ〜６ｄ上の像は、上下左右が逆
であり、実際上は互に重なつてる視野範囲の部分
をもつが、イメージセンサ６ａ〜６ｄの出力は電
気信号であるので、それらは信号処理回路８によ
り電気的に処理し、正しい一つの像としてモニタ
テレビジヨン受像機９に表示することは容易であ
る。これを、従来のイメージガイドを用いたもの
で実現しようとすると、像の上下左右を正しくす
るためには、イメージガイドをひねるか、あるい
はプリズム等を用いなければならず、しかもその
ようにして、上下左右を正しくしても、隣り合う
二つのイメージガイド上の像のうち、重複した部
分を正しくつなぐことは不可能である。

また、本発明方法においては、部分的に像を拡
大して見たい場合信号処理回路８によつて、適当
に信号処理することにより、モニタテレビジヨン
受像機上で再生像を拡大することは容易である
が、光学的にこれを行なうためにはズームレンズ
などの複雑な光学系を必要とし、この点でも本発
明方法は優れている。

なお、１０ａ〜１０ｄは、内壁１を照明するた
めに各対物光学系に近接して設けた発光ダイオー
ド（以下「LED」という。）であり、信号処理回
路８からの駆動信号により発光するように構成さ
れている。これら発光ダイオード１０ａ〜１０ｄ
に代えてライトガイドを用いてもよいが、小形化
するうえにはLEDを用いた方が好都合である。

ここでSITイメージセンサについて説明する。

第４図ＡおよびＢはSITイメージセンサの各画
素の一例の構成を示す断面図およびその等価回路
図を示すものである。このSITイメージセンサは
読み出し用MOS形SIT１１とホトトランジスタ
１２とからなり、増幅機能を有する表面照射形
で、浮遊領域により形成されたn^+p接合を含むも
のである。MOS形SIT１１およびホトトランジ
スタ１２は分離用絶縁領域１３で囲まれたｐ形半
導体基体１４に形成され、ホトトランジスタ１２
は表面透明電極１５、n⁺層１６、p^-領域１７、
ｐ浮遊領域１８およびn⁺浮遊領域１９を有する
フローテイングエミツタ構造となつている。n⁺
浮遊領域１９はホトトランジスタ１２のエミツタ
であると同時に読み出し用MOS形SIT１１のド
レイン電極２１に接続されている。このドレイン
電極２１上には絶縁層２２を介して導電層２３が
被着され、これらドレイン電極２１、絶縁層２２
および導電層２３により蓄積容量C_Sを構成してい
る。MOS形SIT１１のゲート領域（Ｐチヤンネ
ル）２４はn⁺浮遊領域１９に接合して形成され、
このゲート領域２４の上方にはゲート酸化膜２５
を介してゲート電極２６が設けられている。ま
た、n⁺のソース領域２７はＰチヤンネルのゲー
ト領域２４に接合して形成され、このソース領域
２７にソース電極２８が接続されている。なお、
ドレイン電極２１、導電層２３、ゲート電極２６
およびソース電極２８は絶縁層２９により互いに
絶縁されていると共に、SIT１１のドレイン電極
２１、導電層２３およびホトトランジスタ１２は
絶縁層３０により絶縁されている。

上述したSITイメージセンサにおいて、ホトト
ランジスタ１２の表面透明電極１５にはP^-領域
１７が空乏化するに十分な正のバイアス電圧V_S
（＋）が印加される。また、MOS形SIT１１のゲ
ート電極２６にはホトトランジスタ１２を介して
蓄積容量C_Sに記憶された電圧を読み出すための信
号を供給する読み出しライン３１が接続され、ソ
ース電極２８には読み出された電圧を出力する読
み出し用ビツト線３２が接続される。

以下、上述したSITイメージセンサの動作を第
５図を参照して説明する。

ホトトランジスタ１２の表面透明電極１５に第
５図Ａに示すようにp^-領域１７が空乏化するに
十分な正のバイアス電圧V_S（＋）が印加した状態
で、該表面透明電極１５に入射光hνが入射する
と、これにより励起された電子−ホール対のうち
電子は表面のn⁺層１６に直ちに吸収され、ホー
ルはp^-領域１７に加わつている強電界により加
速されてｐ浮遊領域１８に流れ込み、このｐ浮遊
領域１８を第５図ＢにV_p（ｔ）で示すように正に
帯電する。ｐ浮遊領域１８が正に帯電すると、
n⁺浮遊領域１９との間が順方向にバイアスされ
ることになる。すなわち、n⁺浮遊領域１９から
電子がｐ浮遊領域１８に注入され、注入された電
子はこのｐ浮遊領域１８を通過し、高抵抗のP^-
領域１７をドリフト走行して表面のn⁺層１６に
吸収される。このようにn⁺浮遊領域１９から電
子が流出すると、この領域１９も電子が不足して
第５図ＣにV_o（ｔ）で示すように正に帯電される
ことになる。

このn⁺浮遊領域１９の電位V_o（ｔ）は、ｐ浮遊
領域１８が極めて薄い場合は、 V_o（ｔ）ｑ・ｓ・ｃ／C_f・ｔとなる。ただし、C_fはｐ浮遊領域１８の容量、ｑ
は単位電荷、ｓは光子密度、ｃは光速を表わす。
上式から明らかなように、電位V_o（ｔ）は入射光
量および露出時間ｔに比例し、C_fに反比例する。
したがつて、ｐ浮遊領域１８の容量C_fは小さい程
僅かなホールの流入で大きな電圧変化を得ること
ができ、感度を向上させることができる。なお、
n⁺浮遊領域１９に接続された蓄積容量C_sは、フ
ツク構造の増幅作用により、C′_Sにあまり依存せ
ずに浮遊n⁺p接合が所定の順方向バイアスになる
までn⁺浮遊領域１９から電子が流れ出すから、
この領域１９の電圧値にあまり影響を与えない。

これに対し、従来のMOSイメージセンサにお
いては、蓄積領域の電位がｑ・ｓ・ｃ／C_S・ｔで与えられる。したがつて、上述したSITイメージセ
ンサと比べると、SITイメージセンサにおいては
C_s／C_f倍の感度を得ることができる。なおC_s／C_f
はC_fを容易に小さくできることから、10〜100程
度とすることができる。

SITイメージセンサにおいては、読み出しは破
壊読み出しにも、非破壊読み出しにもできる。非
破壊読み出しを行なう場合には、第５図Ｄに示す
ようなパルスを読み出しライン３１を介して
MOS形SIT１１のゲートに加えて導通させる。
MOS形SIT１１が導通すると、ソース領域２７
からＰチヤンネルのゲート領域２４を介して電子
がn⁺浮遊領域１９に流れ込んで第５図Ｃに示す
ようにn⁺浮遊領域１９の正電圧V_o（ｔ）を低下さ
せるが、このときには第５図Ｂで示すようにｐ浮
遊領域１８の電位V_P（ｔ）が増加して浮遊n⁺p接
合の順方向バイアスが深くなるから流れ込んだ電
子は直ちに高抵抗のp^-領域１７に注入される。
したがつて、読み出し用ビツト線３２の寄生容量
C_Bに殆んどよらないで第５図Ｅに示すような読
み出し電圧Voutを得ることができると共に、n⁺
浮遊領域１９の電位は１回読み出しが行なわれて
一旦低下しても、しばらく時間が経過するとそれ
以前とほぼ同じように増加し続ける。

以上説明したところから明らかなように、SIT
イメージセンサは次のような特長を有する。

(1) SITが直線性の良い不飽和形の電流電圧特性
を有することから、蓄積容量C_Sにアナログ的に
書き込まれた電圧に対し読み出し電圧を相当広
い範囲に亘つて直線的に変化させることがで
き、したがつてダイナミツクレンジを極めて広
くすることができる。

(2) 集積度が高いのでSITイメージセンサの個々
のエレメントの表面積を極めて小さくでき、高
解像度を得ることができる。

(3) 破壊読み出し、非破壊読み出しのいずれも可
能である。

(4) 増幅率が大きいから、光検出感度が高く、入
射光量が少なくても大きな信号が得られる。

(5) 個々のエレメントを独立に駆動できるのでラ
ンダムな読み出しが可能であると共に、個々の
エレメントの感度を調整することもできる。

(6) チヤンネル中の電子の移動度が大きいことか
ら、書き込み／読み出しを高度速度で行なうこ
とができる。

(7) 蓄積容量C_Sに接続されるリフレツシユ用の
SITを同一基体に形成し、このリフレツシユ用
のSITを選択的に駆動することにより蓄積容量
C_Sを容易にリフレツシユすることができる。

本発明では、上述の如き特長を有するSITイメ
ージセンサ等の固体撮像素子を、各撮像部に用
い、これら各撮像部から出力信号を、各撮像部に
おける撮像視野がつながるように一挙に再生して
内視鏡像を観察するものであるから、高感度撮像
し得てしかも高解像力の再生像が得られる。

本発明の内視鏡においてはSITイメージセンサ
の代りに、電荷給合デパイス用いたイメージセン
サ（以下「CCDイメージセンサ」という。）を用
いることもできる。しかし、CCDイメージセン
サはSITイメージセンサに比べ感度が低いので、
強力な照明光学系を必要とし、そのために内視鏡
の外径を大きくしなければならない。これに対
し、SITイメージセンサを撮像部に用いたものに
おいては、前述の実施例のようにLEDで得られ
る程度の照度で十分足りるので、そのために内視
鏡の外径を特に大きくする必要はない。

また、従来のイメージガイドを用いたものにお
いては、内視鏡先端部の外径を細くするには、単
一のイメージガイドによつて構成することが望ま
しいが、これにより広視野を実現しようとする
と、光学的に無理が生じて著しい歪曲収差が発生
し、画面周辺の像は、非常に小さくなつてしまう
欠点がある。これに対し、本発明では、一つの対
物光学系とこれに対する固体撮像素子を１組とす
る複数組の撮像部を内視鏡先端部内に設けている
ので個々の対物光学系の画角は小さいものとする
ことができ、歪曲収差を減らすことができる。そ
してまた、各対物光学系と対をなして撮像部を構
成する固体撮像素子としてSITイメージセンサを
用いる場合には、十分な感度があるので、対物光
学系内で歪曲収差を光学的に補正することが可能
であるのみならず、電気的信号処理によつても歪
曲収差、色収差を補正し得て、正しい広視野内視
鏡像を観察することができる。

第６図は、本発明内視鏡の他の実施例の構成の
一例を示す概念的構成図であつて、そのＡ図は側
面の断面図、Ｂ図はそのＡ−A′線における断面
図である。この実施例のものは、パイプ内壁、人
体の大腸、気管支などを360゜にわたつて見たい場
合に便利なように、内視鏡先端部２の周囲四箇所
に90゜間隔で光学窓を設けて対物光学系５ａ〜５
ｄを配設し、それら各対物光学系５ａ〜５ｄのそ
れぞれにSITイメージセンサ６ａ〜６ｄを対設し
て、四つの撮像部を内視鏡先端部２に内蔵させた
構成となつている。これら各SITイメージセンサ
６ａ〜６ｄからの出力信号は、第３図の実施例の
場合と同様に、信号処理装置８に導いて連続した
画像となるようにに信号処理しモニタテレビジヨ
ン受像機９によつて再生すれば、360゜のパノラマ
像として観察することができる。なお、３３はラ
イトガイドである。

第７図は、直視と側視の光路が互に交叉する二
つの対物光学系５ａ，５ｂのそれぞれの像位置に
SITイメージセンサ６ａ，６ｂを設けた２組の撮
像部を内視鏡先端部２内に配置した実施例の構成
を概念的断面図で示したもので、体内壁３４の正
面と側面の両方を一つの画像にして観察する場合
に適している。従来は、このような目的に対し
て、たとえば実開昭54−36994号公報に記載され
た構成が採られていた。すなわち第８図の如き回
転プリズム３５を含む複雑な構成の光学系を用
い、この光学系による像をイメージガイド４に投
影していたが、その光学系の視野を変更する場合
には、前記回転プリズム３５をワイヤーなどで引
いて動かさねばならず、その機械的構造も複雑
で、これが内視鏡の外径を大きくする原因となつ
ていた。また、回転プリズム３５の側面に光線が
あたるのを避けるため、画角を60゜以上広げるこ
とが困難であつたが、第７図に示した本発明の内
視鏡を用いれば、上起の問題点は解消し、観察し
ようとする体内壁３４の正面方向と側面方向の好
きな方向を選んで観察し得るだけでなく、各撮像
部からの出力信号を信号処理することにより正面
から側面まで、ひとつづきの像として観察するこ
とも可能である。

第９図および第１０図は、第７図に示した実施
例の広視野内視鏡により撮像した出力信号の再生
像を観察するに適した再生用スクリーンの構成例
を示したものである。すなわち、第７図の各SIT
イメージセンサ６ａ，６ｂからの出力信号を第３
図に示した信号処理回路８に導いて信号処理した
映像信号を、たとえば投写型モニタテレビジヨン
受像機（図示省略）により第９図の如き彎曲した
再生用スクリーン４９または第１０図の如き屈曲
した再生用スクリーン５０に投影するようにすれ
ば、あたかも観察者３７が体内に入つて体壁を見
ているかのような感覚をもつて内視像を観察する
ことができる。このような観察方法は、本発明の
広視野内視鏡を構成する複数の撮像部に、SITイ
メージセンサを用い、各撮像部からの出力信号を
信号処理して、一つの画像として再生するように
した本発明方法により初めて可能なものといえ
る。

第１１図は、第１２図に示したようなSITイメ
ージセンサ６の光入射側に対物レンズ３８を接着
して形成した撮像ユニツト３９の複数個を、被観
察内壁１の各部を撮像し得るよう内視鏡先端部２
内に配列した本発明内視鏡の他の実施例の構成を
示したものである。その機能は、さきに説明した
第３図のものに同じであるので、その説明を省略
する。

なお、前記撮像ユニツトは、第１２図のものに
限定されるものではなく、たとえば第１３図のよ
うに、半径方向に屈折曲の変化するセルフオツク
レンズ４０をSITイメージセンサ６に接着して構
成してもよく、また、第１４図のように枠４１に
対物レンズ３８およびSITイメージセンサ６を互
いに対向するように取付けた構成のものであつて
もよい。

このようにレンズとSITイメージセンサを一体
化したものは、たとえば複写機、フアクシミリな
どの他の光学製品にも応用できるので、共通部品
化によるコストダウンが可能となり、修理に際し
てもユニツトの交換ですむので作業が容易であ
る。

また、それら撮像ユニツトにさらに照明光源を
付加して一体的したものを用いてもよい。第１５
図は、その一例を示したもので、第１２図に示し
た対物光学系３８とSITイメージセンサ６とから
なる撮像ユニツトに、照明光源としてLED４２
を付加した構成のものである。このように照明光
源を内蔵させた撮像ユニツトは、各種の光学器
械、測定機との共用部品として適用することがで
きるので、さきの撮像ユニツトと同様に、大量生
産によるコストダウン上有利である。

第１６図は、撮像ユニツトの他の実施例の構成
の一部を示す断面図である。このものは、SITイ
メージセンサ６を構成する個々の画素４３のうえ
にそれぞれ微小レンズ４４を置くとともに、各画
素４３間にLED４５を配設してなるもので、各
LED４５は導線４６を介して供給される駆動信
号により発光するように構成されている。第１７
図および第１８図は、その場合のLED４５のそ
れぞれ異なる配置例を示すための撮像ユニツトの
一部上面図である。すなわち、第１７図のよう
に、LEDは、縦方向に並ぶ画素４３間に配置す
るか、または第１８図のように各画素４３を囲む
ように配置する。

このように構成した撮像ユニツトにおいては、
一つの画素には像の一画素分の明るさの情報のみ
しか入射しないが、一画素の大きさは200μ以下
に形成できるので、被観察内壁１に対し殆んど密
接させてその内壁１を撮像することができる。な
お、その場合SITイメージセンサ６とLED４５と
を一体構造に形成するようにしても差し支えない
ことは勿論である。

第１９図は、第１６図に示した実施例のものに
おいて、そのレンズ４４に代えて、一枚のガラス
板４６のSITイメージセンサ６における各画素４
３に対設する部分４７ごとにセルフオツクレンズ
化した構成のものであり、SITイメージセンサ６
と一体形成したLED４５が位置する部分４８は
ガラスのままとなつている。すなわち、第１６図
に示した構成のものは、SITイメージセンサ６の
個々の画素について微小レンズ４４を形成する必
要があるので、製作が容易ではないが、この実施
例のように一枚のガラス板の画素に当接する部分
を、セルフオツクレンズ化することは、たとえば
エレクトロマイグレーシヨンにより製作するのが
比較的容易である点で第１６図のものよりも優れ
ている。

以上の説明で明らかなように本発明によれば、
内視鏡先端部内に複数の対物光学系を設け、それ
らの光学系による光像をそれぞれ別個の固体撮像
素子で受け、それら各固体撮像素子の出力電気信
号を合成して一つの連続した画像として再生する
ようにしたものであるから、一つの対物光学系の
みでは得られない広視野を観察することができ、
また、内視鏡自体も小形軽量化することができ
る。また、固体撮像素子として、SITイメージセ
ンサと用いると、その特長であるダイナミツクレ
ンジの広い高感度、高解像度をもつた広視野内視
鏡像を得ることができる等の優れた効果を有す
る。

なお、SITイメージセンサの特長の一つである
個々の画素を独立に駆動しうる点を利用して、局
部的な内視鏡像の出力信号を取り出し、これを拡
大再生して観察することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来構成の内視鏡によりパイプ内壁
を観察する場合の様子を示す図、第２図は、従来
技術から考えられる多視野形の内視鏡構成図、第
３図は本発明方法の一実施例の構成を示す図、第
４図Ａ，ＢはSITイメージセンサの各画素の一例
の構成を示す断面図およびその等価回路、第５図
はその動作説明のための波形図、第６図、第７図
および第１１図は本発明内視鏡の他のそれぞれ異
なる実施例の構成を示す概念図、第８図は、直視
と側視の両像を見るための従来の内視鏡の構成を
示す概念図、第９図および第１０図はそれぞれ異
なる再生用スクリーンの説明図、第１２図ないし
第１４図はそれぞれ異なる撮像ユニツトの構成
図、第１５図は撮像ユニツトとLEDを一体に形
成した構成例、第１６図および第１９図はLED
を内蔵する撮像ユニツトのそれぞれ異なる実施例
の構成の一部を示す断面略図、第１７図および第
１８図はLEDの異なつた配置例をそれぞれ示す
撮像ユニツトの一部正面図である。１……被観察内壁、２……内視鏡先端部、５
ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ……対物光学系、６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄ……SITイメージセンサ、７……
出力電気導線、８……信号処理回路、９……モニ
タテレビジヨン受像機、１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄ，４２，４５……発光ダイオード、３
３……ライトガイド、３４……体内壁、４９……
再生用彎曲スクリーン、５０……再生用屈曲スク
リーン、３７……観察者、３８……対物レンズ、
３９……撮像ユニツト、４０……セルフオツクレ
ンズ、４１……枠、４３……SITイメージセンサ
を構成する画素、４４……微小レンズ、４６……
ガラス板、４７……セルフオツクレンズ化部分、
４８……ガラス部分。

Claims

【特許請求の範囲】

１内視鏡先端部内に設けた複数の対物光学系の
それぞれにより、被観察物の部分画像を、それら
各対物光学系に対応して配置した個々の固体撮像
素子に投影するように構成してなる複数組の撮像
部を先端部内に設けるとともにこれら固体撮像素
子からの出力電気信号を処理して広視野な一つの
画像に合成したことを特徴とする広視野内視鏡。