WO2017094071A1

WO2017094071A1 - 内視鏡および内視鏡システム

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Publication number: WO2017094071A1
Application number: PCT/JP2015/083607
Authority: WO
Inventors: 宮崎　靖浩
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20180263470A1; US11058283B2; JP6608951B2; JPWO2017094071A1

Abstract

内視鏡１０は、観察被写体に向けられる先端部１８を有する挿入部１２と、先端部内に設けられ、観察被写体を撮像して画像電気信号を出力する撮像部２６と、先端部内に設けられ、撮像部２６から出力される画像電気信号に基づいて画像光信号を出力する光変調素子２８と、挿入部内に挿通され、先端部外に設けられる通信用光源３０が発する光を光変調素子２８へ伝送する第１光ケーブル４１と、挿入部内に挿通され、光変調素子２８から出力される画像光信号を挿入部外へ伝送する第２光ケーブル４２と、を備える。通信用光源３０は、観察被写体を照明する照明光を発する照明用光源６４と異なり、光変調素子２８は、第１光ケーブル４１により伝送された光を変調して画像光信号を生成する。

Description

内視鏡および内視鏡システム

　本発明は、内視鏡に関し、特に、画像信号を光伝送する内視鏡に関する。

　医療分野において、患者等の被検体の臓器を観察する際に内視鏡装置が広く用いられている。内視鏡装置では、先端部に設けられる撮像素子からの映像信号をアナログ電気信号のまま内視鏡スコープ外に伝送する方式が一般的に用いられる。

　内視鏡スコープの全長は数メートルにわたるため、アナログの映像信号は伝送中に外部ノイズの影響を受けて画質が劣化する傾向にある。特に、内視鏡を使用する医療現場等では電気メス等の装置が動作する為、通常の環境には存在しないレベルのノイズが飛び交う状況にあり、ノイズによる影響は大きい。

　このようなノイズ影響を解決するため、撮像素子からの電気信号を光信号に変換して画像処理装置へ伝送する内視鏡装置が提案されている。例えば、内視鏡スコープの先端部に光変調部を設け、光変調部の発光により生成される光信号を光伝送ケーブルを介して画像処理装置に伝送する構成が挙げられる（特許文献１参照）。

特開２００８－３０７１４８号公報

　近年、より鮮明な画像観察を可能とするために、高画素数の撮像素子の使用が検討されている。この場合、伝送すべき画像信号の情報量が増えるため、伝送経路の高速化が必要となる。高速な光伝送を実現するには、光変調部の高速化および高出力化が有効であるが、それに伴って光変調部の消費電力が増大し、発熱の影響が生じる。内視鏡スコープの先端部は、患者等の被検体に挿入されることから、先端部の発熱量を抑えつつ高速な光伝送を実現することが望ましい。

　本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、先端部の熱影響を低減させた光伝送方式の内視鏡を提供することにある。

　本発明のある態様の内視鏡は、観察被写体に向けられる先端部を有する挿入部と、先端部内に設けられ、観察被写体を撮像して画像電気信号を出力する撮像部と、先端部内に設けられ、撮像部から出力される画像電気信号に基づいて画像光信号を出力する光変調素子と、挿入部内に挿通され、先端部外に設けられる通信用光源が発する光を光変調素子へ伝送する第１光ケーブルと、挿入部内に挿通され、光変調素子から出力される画像光信号を挿入部外へ伝送する第２光ケーブルと、を備える。通信用光源は、観察被写体を照明する照明光を発する照明用光源と異なり、光変調素子は、第１光ケーブルにより伝送された光を変調して画像光信号を生成する。

　本発明の別の態様は、内視鏡システムである。この内視鏡システムは、内視鏡と、内視鏡からの画像光信号を処理する画像処理装置と、を備える。内視鏡は、観察被写体に向けられる先端部を有する挿入部と、先端部内に設けられ、観察被写体を撮像して画像電気信号を出力する撮像部と、先端部内に設けられ、撮像部から出力される画像電気信号に基づいて画像光信号を出力する光変調素子と、挿入部内に挿通され、先端部外に設けられる通信用光源が発する光を光変調素子へ伝送する第１光ケーブルと、挿入部内に挿通され、光変調素子から出力される画像光信号を画像処理装置へ伝送する第２光ケーブルと、を含む。通信用光源は、観察被写体を照明する照明光を発する照明用光源と異なり、光変調素子は、第１光ケーブルにより伝送された光を変調して画像光信号を生成し、画像処理装置は、第２光ケーブルにより伝送された画像光信号を復調して観察被写体の撮像画像を生成する。

　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明のある態様によれば、先端部の熱影響を低減させた光伝送方式の内視鏡を提供できる。

ある実施例に係る内視鏡システムの構成を模式的に示す図である。内視鏡システムの機能構成を模式的に示すブロック図である。光源制御部の構成例を模式的に示す回路図である。光変調素子の構成を模式的に示す斜視図である。図５（ａ）～（ｃ）は、光変調素子の入出力信号を模式的に示すグラフである。プラグとレセプタクルの構造を模式的に示す図である。図７（ａ），（ｂ）は、第４光ケーブルと光電変換部のカップリング構造を模式的に示す図である。ある実施例に係る内視鏡システムの構成を模式的に示すブロック図である。ある実施例に係る内視鏡システムの構成を模式的に示すブロック図である。変形例に係るプラグとレセプタクルの構造を模式的に示す図である。変形例に係るプラグとレセプタクルの構造を模式的に示す図である。レーザ安全規格に定められるクラス分類を示す図である。

　はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
　本発明のある態様の内視鏡である。この内視鏡は、観察被写体に向けられる先端部を有する挿入部と、先端部内に設けられ、観察被写体を撮像して画像電気信号を出力する撮像部と、先端部内に設けられ、撮像部から出力される画像電気信号に基づいて画像光信号を出力する光変調素子と、挿入部内に挿通され、先端部外に設けられる通信用光源が発する光を光変調素子へ伝送する第１光ケーブルと、挿入部内に挿通され、光変調素子から出力される画像光信号を挿入部外へ伝送する第２光ケーブルと、を備える。通信用光源は、観察被写体を照明する照明光を発する照明用光源と異なり、光変調素子は、第１光ケーブルにより伝送された光を変調して画像光信号を生成する。

　この態様によると、通信用光源が内視鏡の先端部外にあるため、高出力の通信用光源を用いる場合であっても、先端部における発熱の影響を低減できる。また、照明用光源とは別の通信用光源を用いることで、より高品質な光伝送を実現できる。

　挿入部と接続する内視鏡操作部をさらに備えてもよい。通信用光源は、内視鏡操作部内に設けられてもよい。この態様によれば、患者等の被検体に挿入されることのない内視鏡操作部内に通信用光源が設けられるため、通信用光源の発熱による被検体への影響を抑えることができる。

　内視鏡操作部内に設けられ、通信用光源の出力を制御する光源制御部をさらに備えてもよい。光源制御部は、通信用光源の発光強度に基づいて通信用光源の出力を制御してもよい。

　挿入部と接続する内視鏡操作部と、画像光信号を処理する画像処理装置に接続可能な接続部と、通信用光源の出力を制御する光源制御部とをさらに備えてもよい。通信用光源および前記光源制御部の少なくとも一部は、接続部に設けられ、光源制御部は、通信用光源の発光強度に基づいて通信用光源の出力を制御してもよい。

　光源制御部は、第２光ケーブルにより伝送された画像光信号の光強度に応じて通信用光源の出力を制御してもよい。

　画像光信号の伝送経路を分岐させる光スプリッタをさらに備えてもよい。光源制御部は、光スプリッタにて分岐された画像光信号の光強度を検出する検出部を有し、検出部の検出値に応じて通信用光源の出力を制御してもよい。

　光スプリッタおよび光源制御部は、同一基板上に配置されて内視鏡操作部内に設けられてもよい。

　挿入部内に挿通され、光変調素子から出力される画像光信号を光源制御部へ伝送する第３光ケーブルをさらに備えてもよい。第２光ケーブルにより伝送される画像光信号は、内視鏡外へ伝送され、光源制御部は、第３光ケーブルにより伝送された画像光信号の光強度に応じて通信用光源の出力を制御してもよい。

　通信用光源は、半導体レーザであってもよく、第１光ケーブルおよび第２光ケーブルは、シングルモード光ファイバであってもよい。

　複数の光変調素子を備えてもよい。第２光ケーブルは、複数の光変調素子のそれぞれから出力される画像光信号を伝送可能なマルチコアファイバであってもよい。

　第２光ケーブルおよび第３光ケーブルの少なくとも一方は、マルチモード光ファイバであってもよい。

　通信用光源は、一又は複数の単波長光を発してもよい。

　画像光信号を処理する画像処理装置に接続可能な接続部をさらに備えてもよい。第２光ケーブルは、接続部において画像光信号が出射される凸形状のファイバ出射端を有してもよい。

　通信用光源は、１２００ｎｍ～１４００ｎｍの波長帯に含まれる光を発してもよい。

　この態様によると、通信用光源が内視鏡の先端部外にあるため、高出力の通信用光源を用いる場合であっても、先端部における発熱の影響を低減できる。また、照明用光源とは別の通信用光源を用いることで、より高品質な光伝送を実現することができる。

　通信用光源は、画像処理装置内に設けられてもよい。

　画像処理装置内に設けられ、通信用光源の出力を制御する光源制御部をさらに備えてもよい。光源制御部は、通信用光源の発光強度に基づいて通信用光源の出力を制御してもよい。

　内視鏡は、画像処理装置に接続可能な接続部をさらに備えてもよい。画像処理装置は、画像光信号を画像電気信号に変換する光電変換部と、第２光ケーブルにより伝送された画像光信号を光電変換部へ伝送する第４光ケーブルと、をさらに備えてもよい。第４光ケーブルは、光電変換部に向けて画像光信号が出射される凸形状のファイバ出射端を有してもよい。

　第４光ケーブルは、マルチモード光ファイバであってもよい。

　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（第１実施例）
　図１は、第１実施例に係る内視鏡システム１００の構成を模式的に示す図である。内視鏡システム１００は、内視鏡１０と、画像処理装置５０と、表示装置６０とを備える。内視鏡１０は、挿入部１２と、操作部１４と、接続部１６と、を備える。

　内視鏡１０は、内視鏡スコープといわれる装置であり、挿入部１２を被検体の管腔内に挿入し、その先端部１８を観察被写体に向けることで管腔内の目的部位の映像を撮像する装置である。内視鏡１０は、挿入部１２が可撓性を有する部材で構成され、先端部１８の近傍を屈曲させることにより先端部１８の向きが調整可能な軟性鏡である。先端部１８は、撮像レンズや撮像素子などを収容する部分であり、金属等の硬質な部材で外面が構成されている。そのため、先端部１８は、挿入部１２よりも可撓性が低い。

　操作部（内視鏡操作部ともいう）１４は、挿入部１２と接続部１６の間に設けられる。操作部１４は、内視鏡１０の使用時にユーザが把持する部分であり、先端部１８の方向を制御するための操作ノブ２４が設けられる。接続部１６は、画像処理装置５０のレセプタクル５２に接続するためのプラグ２０と、操作部１４とプラグ２０の間を接続するユニバーサルコード２２とを有する。内視鏡１０によって撮像された映像を示す画像信号は、プラグ２０を介して画像処理装置５０に伝送され、画像処理装置５０にて処理される。画像処理装置５０は、いわゆるビデオプロセッサであり、伝送された画像信号を処理し、観察被写体の映像を液晶ディスプレイ等の表示装置６０に表示させる。

　図２は、内視鏡システム１００の機能構成を模式的に示すブロック図である。内視鏡１０は、撮像部２６、光変調素子２８、通信用光源３０、光源制御部３２、光スプリッタ３８、第１光ケーブル４１、第２光ケーブル４２、照明部６６、照明用光ケーブル６８をさらに備える。

　撮像部２６は、先端部１８の内部に設けられる。撮像部２６は、撮像レンズを含む撮像光学系と、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子と、撮像素子を駆動するための同期信号生成部とを有する。撮像部２６は、観察被写体を撮像し、撮像画像に対応する画像電気信号を光変調素子２８に出力する。撮像部２６は、アナログの画像電気信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器を有しており、光変調素子２８にデジタルの画像電気信号を出力するように構成される。撮像部２６は、例えば、画素数が１９２０×１０８０となるフルＨＤの映像や、４Ｋや８Ｋといった画素数のより高い映像を撮像可能となるよう構成される。

　光変調素子２８は、先端部１８の内部に設けられる。光変調素子２８は、撮像部２６から出力される画像電気信号に基づいて画像光信号を出力する。光変調素子２８は、通信用光源３０から第１光ケーブル４１を介して伝送される光に強度変調を施すことにより、画像電気信号に対応する画像光信号を生成する。光変調素子２８は、生成した画像光信号を第２光ケーブル４２（４２ａ）に出力する。

　通信用光源３０は、操作部１４の内部に設けられる。通信用光源３０は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子で構成される。通信用光源３０は、後述する照明用光源６４とは異なる光源であり、光通信に適した単波長光を出力する。通信用光源３０として、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の材料で構成され、波長が８００ｎｍ～９００ｎｍの近赤外域の波長を出力するファブリペロー型のレーザダイオードを用いることができる。なお、面発光光源であるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を通信用光源３０として用いてもよい。通信用光源３０の出力光は、非球面レンズなどのカップリングレンズ（不図示）を用いて第１光ケーブル４１に入力される。

　光源制御部３２は、操作部１４の内部に設けられる。光源制御部３２は、光強度を検出する検出部３４と、検出部３４の検出結果に応じて通信用光源３０を動作させる駆動部３６とを有する。光源制御部３２は、通信用光源３０の出力強度や、第２光ケーブル４２（４２ａ）を通じて伝送された画像光信号の信号強度に応じて、通信用光源３０を駆動する。光源制御部３２は、例えば、第２光ケーブル４２により伝送される画像光信号の信号強度が所定の基準範囲内となるように通信用光源３０の出力をフィードバック制御する。

　光スプリッタ３８は、第２光ケーブル４２により伝送される画像光信号の一部を分岐させて、検出部３４に導くための光分割素子である。光スプリッタ３８は、例えば、二本のファイバを近接させて加熱溶融し、融着延伸して作られる溶融ファイバカップラであり、第２光ケーブル４２の一部区間を利用して作られる。光スプリッタ３８は、光変調素子２８から伝送される画像光信号の大部分（例えば、９９％以上）をプラグ２０へ向けて伝送させ、残りのわずかな部分（例えば、１％以下）を検出部３４に向けて分岐させる。

　第１光ケーブル４１および第２光ケーブル４２は、シングルモード光ファイバで構成され、挿入部１２の内部に挿通される。第１光ケーブル４１は、通信用光源３０の出力光を光変調素子２８に伝送する。第２光ケーブル４２は、光変調素子２８から出力される画像光信号をプラグ２０に伝送する。第２光ケーブル４２は、光変調素子２８と光スプリッタ３８の間の上流区間４２ａと、光スプリッタ３８とプラグ２０の間の下流区間４２ｂとが１本の光ファイバで構成される。なお、第２光ケーブル４２は、それぞれの区間４２ａ，４２ｂが別の光ファイバで構成されてもよい。

　照明部６６は、観察被写体を照明するための光学系であり、照明レンズなどを含む。照明用光ケーブル６８は、照明用光源６４から出力される照明光をプラグ２０から先端部１８まで伝送する光ファイバである。照明用光ケーブル６８は、例えば、複数本の光ファバ素線を束ねたファイババンドルで構成され、挿入部１２、操作部１４および接続部１６の内部に挿通される。

　画像処理装置５０は、レセプタクル５２、光伝送ケーブル４４、光電変換部５４、デコーダ５６、画像信号処理部５８、照明用光源６４を備える。

　レセプタクル５２は、プラグ２０と接続するように構成され、第２光ケーブル４２（４２ｂ）により伝送された画像光信号が第４光ケーブル４４に入力されるようにする。また、レセプタクル５２は、照明用光源６４から出力される照明光が照明用光ケーブル６８に入力されるようにする。

　光伝送ケーブル（第４光ケーブルともいう）４４は、画像処理装置５０の内部に設けられる光ファイバであり、レセプタクル５２から光電変換部５４に画像光信号を伝送する。光伝送ケーブル４４は、マルチモードファイバで構成される。光伝送ケーブル４４をマルチモードファイバとすることで、プラグ２０とレセプタクル５２の接続時にわずかな位置ずれが生じてしまう場合であっても、第２光ケーブル４２（４２ｂ）と光伝送ケーブル４４の結合効率の低下を抑えることができる。変形例においては、光伝送ケーブル４４をシングルモードファイバで構成してもよい。また、第２光ケーブル４２と光伝送ケーブル４４４の双方をマルチモード光ファイバで構成してもよい。その場合、光変調素子２８と第２光ケーブル４２との結合部における位置決め精度を緩和できる。

　光電変換部５４は、内視鏡１０から伝送された画像光信号を画像電気信号に変換する。光電変換部５４は、例えば、フォトダイオードなどの受光センサと、受光センサから出力される電流値を電圧値に変換するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）と、ＴＩＡからの出力を増幅するリミッティングアンプ（ＲＭＡ）とを含む。受光センサとして、近赤外域の受光感度が高いＩｎＧａＡｓ系またはＳｉ系の材料で構成されるものを用いることができる。デコーダ５６は、光電変換部５４にて変換された画像電気信号を映像信号に復調する。映像信号処理部５８は、復調された映像信号を処理して液晶ディスプレイ等の表示装置６０に表示させる。

　照明用光源６４は、観察被写体を照らすための照明光を出力する。照明用光源６４は、例えば、自然光に近い白色光を出力するキセノンランプなどで構成される。照明用光源６４は、狭帯域光観察を実現するための波長域が限定された光を出力するように構成されてもよい。また、照明用光源６４は、画像処理装置５０の内部ではなく、画像処理装置５０とは別の光源装置として独立して構成されてもよい。

　図３は、光源制御部３２の構成例を模式的に示す回路図である。回路７０は、オペアンプなどで構成される比較器７１と、トランジスタなどで構成されるドライバ７２と、レーザダイオード７３と、フォトダイオード７４と、電流検出抵抗７５と、可変抵抗７６とを有する。図２の構成と比較すると、比較器７１およびドライバ７２は、駆動部３６に対応し、レーザダイオード７３は、通信用光源３０に対応し、フォトダイオード７４は、検出部３４に対応する。

　回路７０は、レーザダイオード７３の出力強度をフォトダイオード７４および電流検出抵抗７５にて検出し、検出される電圧値と可変抵抗７６によって任意に設定される目標電圧値とを比較器７１にて比較する。比較器７１は、これら電圧値の差にしたがってドライバ７２の出力を制御し、レーザダイオード７３の出力をフィードバック制御する。回路７０は、光変調素子２８にて強度変調される画像光信号の信号周波数と比べて十分に小さい数Ｈｚ～数百Ｈｚ程度の変動を主に調整する。この変動は、温度といった動作環境の変化や、内視鏡１０を構成する各部品の経時変化等に起因する。したがって、回路７０を構成する各部品は、動作周波数の上限値がそれほど高くない比較的安価なもので構成されることができる。

　回路７０は、プリント基板やフレキシブル基板に各部品を実装することにより構成してもよいし、シリコン基板や石英基板などの同一基板上に半導体プロセスを利用して作られてもよい。後者の場合、光スプリッタ３８を平面型光導波路の技術を用いて作ることにより、回路７０が形成される基板上に光スプリッタ３８を一体的に形成してもよい。操作部１４の内部に設けられる通信用光源３０、光源制御部３２、光スプリッタ３８を同一基板上に形成して小型化を図ることにより、操作部１４の内部の限られた空間を有効利用できる。

　図４は、光変調素子２８の構成例を模式的に示す斜視図である。図示する光変調素子２８は、平面型光導波路の技術を用いて作られるマッハツェンダ型光強度変調器であり、二つの光路を伝搬する光の干渉を利用して光強度を変調する。この光変調素子２８は、入力ポート８１と、第１出力ポート８２と、第２出力ポート８３と、入力側カプラ８４と、出力側カプラ８５と、第１光導波路８６と、第２光導波路８７と、第１電極８８と、第２電極８９とを有する。

　入力ポート８１には、第１光ケーブル４１が接続され、第１出力ポート８２には第２光ケーブル４２（４２ａ）が接続される。第２出力ポート８３は、第３光ケーブル４３（後述する第２実施例にて使用）の接続が可能である。各光ケーブルは、ファイバ端面を各ポートに直接融着することにより接続できる。入力側カプラ８４および出力側カプラ８５は、多モード干渉を利用するＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラである。

　入力ポート８１に入力される光は、入力側カプラ８４にて分岐され、第１光導波路８６および第２光導波路８７を導波する。第１光導波路８６および第２光導波路８７は、電気光学効果を有する材料で構成され、入力側カプラ８４から出力側カプラ８５までの光路長が同等となるように構成される。第２光導波路８７は、第１電極８８と第２電極８９の間に印加される電圧Ｖ_ｉｎに応じて導波路の屈折率が変化するように構成される。その結果、印加電圧Ｖ_ｉｎに応じて、各導波路８６，８７を導波する光の間に位相差が生じる。

　各導波路８６，８７を導波した光は、出力側カプラ８５にて合成され、第１出力ポート８２および第２出力ポート８３から出力される。各導波路８６，８７を導波する光の位相が一致する場合、出力側カプラ８５における干渉によって第１出力ポート８２から光が出力されるが、第２出力ポート８３からは光が出力されない。一方、各導波路８６，８７を導波する光の位相が反転する場合、干渉によって第１出力ポート８２からは光が出力されず、第２出力ポート８３から光が出力される。光変調素子２８は、このようにして、第１出力ポート８２および第２出力ポート８３から出力される光の強度を印加電圧Ｖ_ｉｎに応じて変調する。

　図５（ａ）～（ｃ）は、光変調素子２８の入出力信号を模式的に示すグラフである。図５（ａ）は、入力ポート８１に入力される光の強度波形Ｐ_ｉｎを示す。入力ポート８１に入力される光は、通信用光源３０の出力光であり、光量が変調されておらず、強度が一定値Ｐ_０となるような連続光（ＣＷ）である。図５（ｂ）は、光変調素子２８の電極に印加される電圧波形Ｖ_ｉｎを示す。この電圧波形Ｖ_ｉｎは、撮像部２６から出力されるデジタルの画像電気信号である。図５（ｃ）は、第１出力ポート８２から出力される光の強度波形Ｐ_ｏｕｔを示す。図示されるように、第１出力ポート８２からの出力光は、電圧波形Ｖ_ｉｎにしたがってパルス状の画像光信号に変調される。光変調素子２８は、このようにして画像光信号を生成し、生成した画像光信号を第２光ケーブル４２に出力する。

　図６は、プラグ２０とレセプタクル５２の構造を模式的に示す図であり、第２光ケーブル４２（４２ｂ）と光伝送ケーブル４４のカップリング構造を示す。レセプタクル５２は、プラグ２０の接続端２０ａと係合可能な凹部５２ｂを有し、接続端２０ａと凹部５２ｂが係合することにより第２光ケーブル４２と光伝送ケーブル４４とが光学的に結合するように構成される。つまり、プラグ２０とレセプタクル５２は、両者の接続時に第２光ケーブル４２と光伝送ケーブル４４の光軸が一致するように位置決めされている。

　プラグ２０の接続端２０ａには、非球面レンズなどで構成されるカップリングレンズ４５が設けられ、第２光ケーブル４２の出射端から出力される発散光を平行光に変換する。同様に、レセプタクル５２の接続端５２ａには、非球面レンズなどで構成されるカップリングレンズ４６が設けられ、接続端２０ａから出射される平行光を集光させて光伝送ケーブル４４に結合させる。

　図７（ａ），（ｂ）は、光伝送ケーブル４４と光電変換部５４のカップリング構造を模式的に示す図である。図７（ａ）は、カップリングレンズ４７を用いる場合を示す。図示されるように、光伝送ケーブル４４から出射される画像光信号は、カップリングレンズ４７により光電変換部５４の受光センサ７８に集光される。

　図７（ｂ）は、光伝送ケーブル４４の出射端４４ａが凸形状に加工されたレンズドファイバを用いる場合を示す。この場合、光伝送ケーブル４４から出射される画像光信号は、凸形状の出射端４４ａによって受光センサ７８に集光される。このようなレンズドファイバは、ファイバ端面にマイクロレンズを接着や融着等により取り付けたり、ファイバ端面を研磨や放電などによりレンズ形状に加工したりすることで実現できる。

　以上の構成による内視鏡システム１００の動作について述べる。挿入部１２が被検体の管腔内に挿入され、その先端部１８が観察被写体に向けられる。撮像部２６は、照明部６６によって照明される観察被写体を撮像し、画像電気信号を光変調素子２８に出力する。通信用光源３０は、通信用光源３０の出力強度または画像光信号の強度が所定の基準範囲内となるように駆動され、第１光ケーブル４１を介して光変調素子２８に連続光を出力する。光変調素子２８は、通信用光源３０からの連続光を画像電気信号に基づいて変調し、第２光ケーブル４２を通じて画像処理装置５０に画像光信号を出力する。画像処理装置５０は、光伝送ケーブル４４を通じて受光する画像光信号を変調して映像信号を生成し、表示装置６０に観察被写体の映像を表示させる。

　本実施例によれば、空間的制約や熱的制約の大きい先端部１８に通信用光源３０を配置する代わりに、こうした制約に比較的余裕のある操作部１４に通信用光源３０を配置しているため、高出力の通信用光源３０を用いることができる。その結果、先端部１８に光源を設ける場合と比べて、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の優れた画像光信号を画像処理装置５０に伝送できる。また、先端部１８に発熱源となる通信用光源３０が存在しないため、撮像部２６や光変調素子２８に対する熱的制約を抑えることができる。その結果、撮像部２６や光変調素子２８をより高速に動作させることができ、より高精細で情報量の多い画像信号の伝送が可能となる。したがって、本実施例によれば、先端部１８における熱影響を抑えつつ、内視鏡システム１００の高画質化を実現できる。

　本実施例によれば、光変調素子２８で変調され、第２光ケーブル４２により伝送される画像光信号の光強度を用いて通信用光源３０をフィードバック制御しているため、画像処理装置５０に伝送される画像光信号の強度を所定の基準範囲内に保つことができる。内視鏡１０の使用中、挿入部１２は屈曲した状態にあり、その内部に挿通される第１光ケーブル４１や第２光ケーブル４２も屈曲した状態となる。その結果、第１光ケーブル４１や第２光ケーブル４２の伝送効率が低下し、画像処理装置５０に到達する画像光信号の強度が低下するおそれがある。本実施例では、操作部１４の位置で画像光信号の強度を検出しているため、挿入部１２の屈曲により信号強度が低下したとしても、その低下量を補うように通信用光源３０の出力をフィードバック制御できる。また、プラグ２０から出力される画像光信号の強度が高くなりすぎないように制御することで、レセプタクル５２からプラグ２０が抜けた時に、プラグ２０から高強度のレーザ光が出力されることを防ぐことができる。したがって、本実施例によれば、内視鏡システム１００の信頼性を高めることができる。

　本実施例によれば、発熱量が比較的大きい撮像素子から離れた位置に通信用光源３０を配置できるため、通信用光源３０が高温下で動作することによる素子寿命の低下を低減できる。

　本実施例によれば、挿入部１２に挿通される第１光ケーブル４１および第２光ケーブル４２を径の細いシングルモードファイバとしているため、光ケーブルの追加により挿入部１２の直径が増加する影響を低減できる。また、画像処理装置５０の内部に設けられる光伝送ケーブル４４をマルチモードファイバとしているため、画像光信号の受光側における結合ロスの影響を低減できる。

　本実施例によれば、画像処理装置５０に高強度の画像光信号を伝送できるため、画像処理装置５０の内部における光学経路の位置精度を緩和させることができる。具体的には、プラグ２０とレセプタクル５２のカップリング構造や、光伝送ケーブル４４と光電変換部５４のカップリング構造において、各部品の位置決め精度を緩和して結合ロスが大きくなったとしても、映像信号の復調に十分な信号強度を確保できる。したがって、本実施例によれば、内視鏡システム１００の組立時にかかるコストや、位置決め精度の高い部品を用いることによるコストを低減できる。

（第２実施例）
　図８は、第２実施例に係る内視鏡システム２００の構成を模式的に示すブロック図である。内視鏡システム２００は、光変調素子２８の出力に第２光ケーブル１４２および第３光ケーブル１４３が接続される点で上述の第１実施例と相違する。以下、内視鏡システム２００について、第１実施例との相違点を中心に説明する。

　内視鏡システム２００は、内視鏡１１０と、画像処理装置５０とを備える。内視鏡１１０は、挿入部１２、操作部１４、接続部１６、先端部１８、プラグ２０、撮像部２６、光変調素子２８、通信用光源３０、光源制御部３２、第１光ケーブル４１、第２光ケーブル１４２、第３光ケーブル１４３を備える。光源制御部３２は、検出部３４と駆動部３６を有する。なお、図８では、観察被写体を照明するための構成要素（例えば、照明用光源６４、照明部６６、照明用光ケーブル６８）の記載を省略している。

　第２光ケーブル１４２は、光変調素子２８とプラグ２０の間に設けられ、光変調素子２８から出力される画像光信号をプラグ２０に伝送する。第２光ケーブル１４２は、図４の第２光ケーブル４２に対応し、光変調素子２８の第１出力ポート８２に接続されている。

　第３光ケーブル１４３は、光変調素子２８と検出部３４の間に設けられ、光変調素子２８から出力される画像光信号を検出部３４に伝送する。第３光ケーブル１４３は、図４の第３光ケーブル４３に対応し、光変調素子２８の第２出力ポート８３に接続されている。第３光ケーブル１４３は、例えば、第２光ケーブル１４２にて伝送される画像光信号と位相が反転した波形を有する画像光信号を伝送する。

　本実施例によれば、二本の光ケーブル１４２，１４３を光変調素子２８に接続することで、上述の第１実施例に係る光スプリッタ３８を用いることなく、プラグ２０と検出部３４の双方に画像光信号を伝送できる。その結果、光スプリッタ３８にて生じる画像光信号の伝送ロスをなくして、画像処理装置５０に伝送する画像光信号の信号強度を高めることができる。したがって、本実施例によれば、光伝送信号のＳ／Ｎを向上させることができ、さらに、光スプリッタ削減によるコスト低減を実現できる。

（第３実施例）
　図９は、第３実施例に係る内視鏡システム３００の構成を模式的に示すブロック図である。内視鏡システム３００は、画像光信号の強度を検出するための検出部２３４が操作部１４ではなく、接続部１６のプラグ２２０の内部に設けられる点で上述の第２実施例と相違する。以下、内視鏡システム３００について、第２実施例との相違点を中心に説明する。

　内視鏡システム３００は、内視鏡２１０と、画像処理装置５０とを備える。内視鏡２１０は、挿入部１２、操作部１４、接続部１６、先端部１８、プラグ２２０、撮像部２６、光変調素子２８、通信用光源３０、光源制御部２３２、第１光ケーブル４１、第２光ケーブル１４２、第３光ケーブル２４３を備える。光源制御部２３２は、検出部２３４と駆動部３６を有する。

　検出部２３４は、接続部１６のプラグ２２０の内部に設けられ、第３光ケーブル２４３を通じて伝送される画像光信号を検出する。第３光ケーブル２４３は、光変調素子２８と検出部２３４の間に設けられ、光変調素子２８から出力される画像光信号を検出部２３４に伝送する。検出部２３４は、信号線２４０を通じて画像光信号の検出値を駆動部３６に電気信号として送信する。駆動部３６は、操作部１４の内部に設けられ、検出部２３４からの電気信号に基づいて通信用光源３０を駆動する。

　本実施例によれば、検出部２３４をプラグ２２０の内部に設けることで、操作部１４の内部空間に余裕を持たせることができる。第３光ケーブル２４３からの画像光信号を効率よく検出部２３４で検出するためには、カップリングレンズ等のカップリング構造が必要となる場合がある。操作部１４の内部空間には制約があるため、通信用光源３０や駆動部３６に加えて、検出部２３４および検出部２３４とのカップリング構造を組み込むことが難しい場合がある。本実施例によれば、光源制御部２３２の構成要素を操作部１４と接続部１６に分けて実装することで、空間的な制約を緩和し、設計自由度を高めることができる。

　なお、変形例として、第３光ケーブル２４３を設ける代わりに、第２光ケーブル１４２を分岐させる光スプリッタをプラグ２２０の内部に設けてもよい。この場合、第２光ケーブル１４２により伝送される画像光信号の一部は、プラグ２２０の内部の光スプリッタにより分岐され、プラグ２２０の内部の検出部２３４に伝送される。

　別の変形例として、検出部２３４および駆動部３６を含む光源制御部２３２を接続部１６に設け、通信用光源３０を操作部１４に設け、駆動部３６から通信用光源３０への駆動信号を接続部１６から操作部１４へ電気信号として送信する構成を用いてもよい。また、光源制御部２３２と通信用光源３０の双方を接続部１６に設け、第１光ケーブル４１、第２光ケーブル１４２、第３光ケーブル２４３を接続部１６と挿入部１２の間に設ける構成としてもよい。つまり、通信用光源３０および光源制御部２３２の任意の一部が接続部１６に設けられてもよいし、その全てが接続部１６に設けられてもよい。本変形例によれば、操作部１４および接続部１６の許容スペースに応じて各ユニットを配置して接続できるため、設計自由度を高めることが可能である。

　以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　図１０は、変形例に係るプラグ３２０とレセプタクル３５２の構造を模式的に示す図である。上述の実施例では、図６に示すプラグ２０とレセプタクル５２におけるカップリング構造として、カップリングレンズ４５，４６を用いる場合を示した。本変形例では、カップリング構造として、第２光ケーブル３４２の出射端３４２ａと光伝送ケーブル３４４の入射端３４４ｂのそれぞれを凸形状としている。

　図示されるように、プラグ３２０の接続端３２０ａには出射端３４２ａを保護するカバーガラス３４５が設けられ、レセプタクル３５２の接続端３５２ａには入射端３４４ｂを保護するカバーガラス３４６が設けられる。プラグ３２０は、レセプタクル３５２の凹部３５２ｂに係合し、第２光ケーブル３４２から出力される画像光信号を光伝送ケーブル３４４に結合させる。上述したように、第２光ケーブル３４２により伝送される画像光信号が高強度であるため、本変形例に係るカップリング構造を用いても、映像信号の復調に十分な画像光信号を画像処理装置５０に伝送できる。

　なお、プラグ３２０とレセプタクル３５２のカップリング構造において、一方の光ケーブルの端面のみを凸形状とし、他方の光ケーブルの端面にカップリングレンズを配置する構成としてもよい。

　図１１は、別の変形例に係るプラグ３２０とレセプタクル３５２の構造を模式的に示す図である。本変形例では、レセプタクル３５２の内部に光伝送ケーブル３４４を設ける代わりに、光電変換部３５４を構成する受光センサ３７８を設けている。受光センサ３７８は、レセプタクル３５２の接続端３５２ａの近傍に配置され、第２光ケーブル３４２の出射端３４２ａにて集光される画像光信号を受光するよう構成されている。受光センサ３７８は、レセプタクル３５２の内部に配設される電気ケーブル３７９と接続され、電気ケーブル３７９を介して光電変換部３５４を構成するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）やリミッティングアンプ（ＲＭＡ）に画像電気信号を出力する。本変形例によれば、上述の図７（ａ），（ｂ）に示すような光伝送ケーブル４４と受光センサ７８との間のカップリング構造を省くことができ、伝送効率の向上よび部品コストの削減を実現できる。

　なお、レセプタクル３５２の内部に光電変換部３５４を構成する受光センサ、トランスインピーダンスアンプ、リミッティングアップなどを全て設けることとしてもよい。この場合、レセプタクル３５２の内部に設けられる光電変換部３５４から出力される画像電気信号は、電気ケーブルを介してデコーダ５６に送信されてよい。

　上述の第３実施例では、検出部２３４をプラグ２２０の内部に設ける構成を示した。さらなる変形例においては、通信用光源と駆動部の双方をプラグ２２０の内部に配置してもよい。この場合、第１光ケーブルは、操作部１４のプラグ２２０から先端部１８の光変調素子２８まで配設されてよい。

　上述の実施例では、通信用光源として波長域が８００ｎｍ～９００ｎｍの単波長光を出力可能なＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体発光素子を用いる場合を示した。変形例においては、波長域が１２００ｎｍ～１４００ｎｍであるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系の半導体発光素子を用いてもよい。この場合、受光センサとしてＩｎＧａＡｓ系の材料で構成される受光素子を用いることが望ましい。このような波長域を選択することで、レーザ安全規格の範囲内でより高強度の画像光信号を用いることができる。

　図１２は、レーザ安全規格に定められるクラス分類を示すグラフである。図示されるように、１２００ｎｍ～１４００ｎｍの波長域では、その前後の波長域と比較してクラス１に分類される上限強度が高く、１０ｍＷを超える光強度をクラス１の範囲内として使用できる。したがって、通信用光源として波長域が１２００ｎｍ～１４００ｎｍのレーザ光源を用いることで、安全性を確保しながら、より高強度の画像光信号を用いて伝送品質を高めることができる。

　さらなる変形例においては、通信用光源が複数の単波長光を出力し、光変調素子が複数の単波長光のそれぞれを変調して複数の画像光信号を出力し、画像処理装置５０が複数の画像光信号を受信する構成としてもよい。この場合、出力波長の異なる複数の半導体発光素子で通信用光源を構成し、波長ごとに異なる複数の光変調素子を用いてもよい。その他、通信用光源が一つの単波長光を出力する場合であっても、光変調素子内または光変調素子の入力ポートに設けた光スプリッタにより通信用光源からの光を複数に分離して、複数の画像光信号が出力されるようにしてもよい。また、通信用光源から光変調素子までの伝送経路および光変調素子から画像処理装置までの伝送経路として、マルチコアファイバを利用してもよい。その他、波長分割多重通信技術を用いて、一本のシングルモードファイバに波長の異なる複数の画像光信号を伝送させてもよい。マルチコアファイバを用いる場合、各伝送経路の波長は同一であってもよい。通信用光源として、ＶＣＳＥＬアレイを用いてもよい。

　さらなる変形例においては、画像処理装置５０から撮像部２６に送信される制御信号を光ケーブルを用いて光伝送してもよい。例えば、上述の第１光ケーブルや第２光ケーブルとは別の光ケーブルを内視鏡１０の内部に挿通させて、撮像素子やその駆動回路に供給されるクロック信号やコントロール信号を光伝送してもよい。

　さらなる変形例においては、光源制御部を画像処理装置５０の内部に設けてもよい。この場合、通信用光源を画像処理装置５０の内部に配置し、画像処理装置５０から光変調素子２８に向けて光通信用の連続光を供給してもよい。また、通信用光源を操作部１４または接続部１６の内部に配置し、画像処理装置５０から通信用光源に向けて駆動信号を出力するよう構成してもよい。

　さらなる変形例においては、照明用光源を画像処理装置５０ではなく内視鏡装置内に設けてもよい。照明用光源は、操作部１４や接続部１６に設けられてもよいし、先端部１８に設けられてもよい。先端部１８に照明用光源を配置する場合、白色光の出力が可能な発光ダイオードを用いてもよい。

　上述の実施例では、内視鏡装置が軟性鏡である場合を示した。変形例では、挿入部が可撓性を有しないように構成された硬性鏡であってもよい。また、内視鏡装置は医療用途に用いられるものであってもよいし、工業用途に用いられるものであってもよい。

　１０…内視鏡、１２…挿入部、１４…操作部、１６…接続部、１８…先端部、２０…プラグ、２６…撮像部、２８…光変調素子、３０…通信用光源、３２…光源制御部、３４…検出部、３６…駆動部、３８…光スプリッタ、４１…第１光ケーブル、４２…第２光ケーブル、４３…第３光ケーブル、４４…光伝送ケーブル、５０…画像処理装置、５２…レセプタクル、５４…光電変換部、６４…照明用光源、１００…内視鏡システム、１１０…内視鏡、１４２…第２光ケーブル、１４３…第３光ケーブル、２００…内視鏡システム、２１０…内視鏡、２２０…プラグ、２３２…光源制御部、２３４…検出部、３００…内視鏡システム、３２０…プラグ、３４２…第２光ケーブル、３４４…光伝送ケーブル、３５４…光電変換部。

　本発明は、内視鏡に利用できる。

Claims

　観察被写体に向けられる先端部を有する挿入部と、
　前記先端部内に設けられ、前記観察被写体を撮像して画像電気信号を出力する撮像部と、
　前記先端部内に設けられ、前記撮像部から出力される前記画像電気信号に基づいて画像光信号を出力する光変調素子と、
　前記挿入部内に挿通され、前記先端部外に設けられる通信用光源が発する光を前記光変調素子へ伝送する第１光ケーブルと、
　前記挿入部内に挿通され、前記光変調素子から出力される前記画像光信号を前記挿入部外へ伝送する第２光ケーブルと、を備え、
　前記通信用光源は、前記観察被写体を照明する照明光を発する照明用光源と異なり、
　前記光変調素子は、前記第１光ケーブルにより伝送された光を変調して前記画像光信号を生成することを特徴とする内視鏡。
　前記挿入部と接続する内視鏡操作部をさらに備え、
　前記通信用光源は、前記内視鏡操作部内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
　前記内視鏡操作部内に設けられ、前記通信用光源の出力を制御する光源制御部をさらに備え、
　前記光源制御部は、前記通信用光源の発光強度に基づいて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡。
　前記挿入部と接続する内視鏡操作部と、前記画像光信号を処理する画像処理装置に接続可能な接続部と、前記通信用光源の出力を制御する光源制御部とをさらに備え、
　前記通信用光源および前記光源制御部の少なくとも一部は、前記接続部に設けられ、
　前記光源制御部は、前記通信用光源の発光強度に基づいて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
　前記光源制御部は、前記第２光ケーブルにより伝送された前記画像光信号の光強度に応じて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の内視鏡。
　前記画像光信号の伝送経路を分岐させる光スプリッタをさらに備え、
　前記光源制御部は、前記光スプリッタにて分岐された前記画像光信号の光強度を検出する検出部を有し、前記検出部の検出値に応じて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項５に記載の内視鏡。
　前記光スプリッタおよび前記光源制御部は、同一基板上に配置されて前記内視鏡操作部内に設けられることを特徴とする請求項６に記載の内視鏡。
　前記挿入部内に挿通され、前記光変調素子から出力される前記画像光信号を前記光源制御部へ伝送する第３光ケーブルをさらに備え、
　前記第２光ケーブルにより伝送される前記画像光信号は、前記内視鏡外へ伝送され、
　前記光源制御部は、前記第３光ケーブルにより伝送された前記画像光信号の光強度に応じて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の内視鏡。
　前記通信用光源は、半導体レーザであり、
　前記第１光ケーブルおよび前記第２光ケーブルは、シングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の内視鏡。
　複数の光変調素子を備え、
　前記第２光ケーブルは、前記複数の光変調素子のそれぞれから出力される画像光信号を伝送可能なマルチコアファイバであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の内視鏡。
　前記通信用光源は、一又は複数の単波長光を発することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の内視鏡。
　前記画像光信号を処理する画像処理装置に接続可能な接続部をさらに備え、
　前記第２光ケーブルは、前記接続部において前記画像光信号が出射される凸形状のファイバ出射端を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の内視鏡。
　前記通信用光源は、１２００ｎｍ～１４００ｎｍの波長帯に含まれる光を発することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の内視鏡。
　内視鏡と、前記内視鏡からの画像光信号を処理する画像処理装置と、を備え、
　前記内視鏡は、
　観察被写体に向けられる先端部を有する挿入部と、
　前記先端部内に設けられ、前記観察被写体を撮像して画像電気信号を出力する撮像部と、
　前記先端部内に設けられ、前記撮像部から出力される前記画像電気信号に基づいて前記画像光信号を出力する光変調素子と、
　前記挿入部内に挿通され、前記先端部外に設けられる通信用光源が発する光を前記光変調素子へ伝送する第１光ケーブルと、
　前記挿入部内に挿通され、前記光変調素子から出力される画像光信号を前記画像処理装置へ伝送する第２光ケーブルと、を含み、
　前記通信用光源は、前記観察被写体を照明する照明光を発する照明用光源と異なり、
　前記光変調素子は、前記第１光ケーブルにより伝送された光を変調して前記画像光信号を生成し、
　前記画像処理装置は、前記第２光ケーブルにより伝送された前記画像光信号を復調して前記観察被写体の撮像画像を生成することを特徴とする内視鏡システム。
　前記通信用光源は、前記画像処理装置内に設けられることを特徴とする請求項１４に記載の内視鏡システム。
　前記画像処理装置内に設けられ、前記通信用光源の出力を制御する光源制御部をさらに備え、
　前記光源制御部は、前記通信用光源の発光強度に基づいて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項１５に記載の内視鏡システム。
　前記光源制御部は、前記第２光ケーブルにより伝送された前記画像光信号の光強度に応じて前記通信用光源の出力を制御することを特徴とする請求項１６に記載の内視鏡システム。
　前記内視鏡は、画像処理装置に接続可能な接続部をさらに備え、
　前記画像処理装置は、前記画像光信号を画像電気信号に変換する光電変換部と、前記第２光ケーブルにより伝送された前記画像光信号を前記光電変換部へ伝送する光伝送ケーブルと、をさらに備え、
　前記光伝送ケーブルは、前記光電変換部に向けて前記画像光信号が出射される凸形状のファイバ出射端を有することを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項に記載の内視鏡システム。