WO2017183371A1 - 内視鏡システム - Google Patents

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WO2017183371A1
WO2017183371A1 PCT/JP2017/010694 JP2017010694W WO2017183371A1 WO 2017183371 A1 WO2017183371 A1 WO 2017183371A1 JP 2017010694 W JP2017010694 W JP 2017010694W WO 2017183371 A1 WO2017183371 A1 WO 2017183371A1
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image
optical
refractive index
images
optical system
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PCT/JP2017/010694
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片倉正弘
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/04—Reversed telephoto objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/26—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes using light guides
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/95—Computational photography systems, e.g. light-field imaging systems
    • H04N23/958—Computational photography systems, e.g. light-field imaging systems for extended depth of field imaging

Definitions

  • the present invention relates to an endoscope system, and more particularly to a depth-of-field endoscope system.
  • the depth of field becomes narrower as the number of pixels of the imaging device increases. That is, when the pixel pitch (the vertical and horizontal dimensions of one pixel) is reduced in order to increase the number of pixels in the imaging device, the permissible circle of confusion is also reduced accordingly, and the depth of field of the imaging device is reduced.
  • Patent Documents 1, 2, and 3 disclose a configuration in which a self-portrait is divided and formed, and the acquired images are combined by image processing to increase the depth. .
  • This configuration is superior in that the self-portrait is divided and imaged, and the acquired images are combined by image processing to increase the depth.
  • Patent Documents 1, 2, and 3 are not preferable because a plurality of image sensors are required and the cost increases.
  • the present invention has been made in view of the above, and in an endoscope system using a depth expansion technique in self-portrait division using a prism, it is possible to obtain good image quality from the center region to the peripheral region of the screen.
  • An object is to provide an endoscope system.
  • One aspect of the endoscope system according to the present invention is as follows.
  • An objective optical system An optical path dividing unit that divides a subject image obtained by the objective optical system into two optical images with different focus using two prisms;
  • One image sensor for acquiring two optical images;
  • An endoscopic system having an image composition processing unit that selects an image having relatively high contrast between two acquired optical images in a predetermined region and generates a composite image,
  • the two prisms are bonded so that the bonding surfaces are substantially parallel with each other through a bonding agent,
  • the adhesive surface and the optical axis of the objective optical system form an angle of 45 degrees and satisfy the following conditional expression (1).
  • the unit of the angle is degrees ⁇ 10 ⁇ d ⁇ sin ( ⁇ ′ ⁇ 45) / (cos ⁇ ′ ⁇ im_pitch) ⁇ 10 (1) here, im_pitch is the pixel pitch of the image sensor, ⁇ ′ is the refraction angle of the light ray incident on the adhesive surface, d is the thickness of the bonding agent, It is.
  • the present invention has an effect of providing an endoscope system that can obtain a good image quality from the center region to the peripheral region of a screen in an endoscope system using a depth expansion technique in self-portrait division using a prism. .
  • FIG. 1 It is a figure which shows the cross-sectional structure of the objective optical system which the endoscope system which concerns on one Embodiment of this invention, an optical path division part, and an image pick-up element. It is a schematic block diagram of the optical path division part and imaging device which the endoscope system which concerns on embodiment of this invention has. It is a schematic structure figure of an image sensor which an endoscope system concerning an embodiment of the present invention has. It is a figure which shows the structure of the adhesive agent vicinity of an optical path division part.
  • A is a spot diagram of an optical system in which the x-direction shift is corrected.
  • (B) is a spot diagram of an optical system in which an x-direction shift occurs.
  • the endoscope system according to the embodiment of the present invention it is a diagram showing an imaging state when an image is formed on an imaging device after an odd number of reflections by a beam splitter.
  • SA spherical aberration
  • AS astigmatism
  • DT distortion
  • CC lateral chromatic aberration
  • E respectively show spherical aberration
  • AS astigmatism
  • DT distortion
  • CC lateral chromatic aberration
  • the endoscope system divides an object optical system OBL and a subject image obtained by the objective optical system OBL into two optical images with different focus using two prisms.
  • An image combining process for generating a composite image by selecting an image having a relatively high contrast between the acquired two optical images in a predetermined region
  • the two prisms are bonded so that the bonding surfaces are substantially parallel to each other with a bonding agent interposed between the bonding surface and the objective optical system OBL.
  • the optical axis forms an angle of 45 degrees and satisfies the following conditional expression (1).
  • the unit of angle is degrees.
  • im_pitch is the pixel pitch of the image sensor 22
  • ⁇ ′ is the refraction angle of the light ray incident on the bonding surface 21h
  • d is the thickness of the bonding agent 21g, It is.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the optical path splitting unit 20.
  • the light emitted from the objective optical system OBL enters the optical path dividing unit 20.
  • the optical path splitting unit 20 includes a polarizing beam splitter 21 that splits a subject image into two optical images with different focus, and an image sensor 22 that captures two optical images and acquires two images.
  • the polarization beam splitter 21 includes a first prism 21b, a second prism 21e, a mirror 21c, and a ⁇ / 4 plate 21d. Both the first prism 21b (object-side prism) and the second prism 21e (image-side prism) have beam split surfaces having an inclination of 45 degrees with respect to the optical axis AX.
  • a polarization splitting film 21f is formed on the beam splitting surface of the first prism 21b.
  • the first prism 21b and the second prism 21e constitute the polarization beam splitter 21 by bringing the beam split surfaces into contact with each other via the polarization separation film 21f.
  • the mirror 21c is provided near the end face of the first prism 21b via a ⁇ / 4 plate 21d.
  • An image sensor 22 is attached to the end face of the second prism 21e via a cover glass CG.
  • the subject image from the objective optical system OBL is separated into a P-polarized component (transmitted light) and an S-polarized component (reflected light) by the polarization separation film 21f provided on the beam splitting surface in the first prism 21b, and the reflected light side And an optical image on the transmitted light side are separated into two optical images.
  • the optical image of the S-polarized component is reflected to the imaging element 22 by the polarization separation film 21f, passes through the A optical path, passes through the ⁇ / 4 plate 21d, is reflected by the mirror 21c, and is folded back to the imaging element 22 side. It is.
  • the folded optical image is transmitted through the ⁇ / 4 plate 21d again to rotate the polarization direction by 90 °, passes through the polarization separation film 21f, and forms an image on the imaging device 22.
  • the optical image of the P-polarized component passes through the polarization separation film 21f, passes through the B optical path, and is reflected by a mirror surface provided on the opposite side of the beam splitting surface of the second prism 21e that folds vertically toward the image sensor 22.
  • the image is formed on the image sensor 22.
  • a prism glass path is set so that a predetermined optical path difference of, for example, about several tens of ⁇ m is generated between the A optical path and the B optical path, and two optical images with different focus are received on the light receiving surface of the image sensor 22. To form an image.
  • the first prism 21b and the second prism 21e can be separated into two optical images having different focus positions so that the optical path length (glass path length) on the transmitted light side to the imaging element 22 in the first prism 21b can be separated.
  • the optical path length on the reflected light side is short (small).
  • the image sensor 22 receives two optical images with different focus positions and individually receives and captures two optical regions (effective pixels) in the entire pixel area of the image sensor 22. Regions) 22a and 22b are provided.
  • the light receiving regions 22a and 22b are arranged so as to coincide with the image planes of these optical images in order to capture two optical images.
  • the light receiving area 22a is relatively shifted (shifted) to the near point side with respect to the light receiving area 22b, and the light receiving area 22b is in focus with respect to the light receiving area 22a.
  • the position is relatively shifted to the far point side. Thereby, two optical images with different focus are formed on the light receiving surface of the image sensor 22.
  • the optical path length to the image sensor 22 is changed so that the focus position with respect to the light receiving regions 22a and 22b is relatively shifted. Also good.
  • a correction pixel area 22c for correcting a geometric shift of the optical image divided into two is provided around the light receiving areas 22a and 22b.
  • a correction pixel area 22c for correcting a geometric shift of the optical image divided into two is provided.
  • manufacturing errors are suppressed, and correction by image processing is performed by an image correction processing unit 23b (FIG. 6) described later, thereby eliminating the geometrical deviation of the optical image described above. It has become.
  • the second lens group G2 of the present embodiment described above is a focusing lens and can be selectively moved to two positions in the direction of the optical axis.
  • the second lens group G2 is driven by an actuator (not shown) so as to move from one position to the other position and from the other position to one position between two positions.
  • the second lens group G2 In the state where the second lens group G2 is set to the front side (object side) position, the second lens group G2 is set so as to focus on the subject in the observation area when performing far-field observation (normal observation). Further, in the state where the second lens group G2 is set to the rear side position, it is set to focus on the subject in the observation region when performing close-up observation (magnification observation).
  • the polarization beam splitter 21 when used for the polarization separation, the brightness of the separated image is different unless the polarization state of the light to be separated is a circular polarization. Regular brightness differences are relatively easy to correct in image processing. However, if brightness differences occur locally and under viewing conditions, they cannot be corrected completely, resulting in uneven brightness in the composite image. May end up.
  • the subject observed with the endoscope may have uneven brightness in the relatively peripheral part of the visual field of the composite image. It should be noted that the brightness unevenness with the polarization state broken is conspicuous when the subject has a relatively saturated brightness distribution.
  • the endoscope In the peripheral part of the visual field, the endoscope often sees the blood vessel running and the mucous membrane structure of the subject image relatively close to each other, and there is a high possibility that the image will be very troublesome for the user. Therefore, for example, as shown in FIG. 2, it is preferable to arrange the ⁇ / 4 plate 21a closer to the object side than the polarization separation film 21f of the optical path splitting unit 20 so as to return the polarization state to the circularly polarized state. .
  • a half mirror that splits the intensity of incident light can be used instead of the polarizing beam splitter as described above.
  • FIG. 4 shows a configuration in the vicinity of the bonding agent 21 g of the optical path splitting unit 20.
  • the first prism 21b and the second prism 21e are bonded so that the bonding surfaces 21h and 21i are substantially parallel to each other with a bonding agent 21g interposed therebetween.
  • the bonding surface 21h and the optical axis AX of the objective optical system OBL form an angle of 45 degrees.
  • the angle formed by the adhesive surface 21h and the optical axis AX of the objective optical system OBL may be approximately 45 degrees.
  • the normal line of the bonding surface 21h is indicated by N.
  • the light beam AL is refracted in the direction of the angle ⁇ ′ on the bonding surface 21h.
  • the light beam is refracted by the difference between the refractive index of the prism and the refractive index of the bonding agent.
  • This refraction occurs on the surface including the 45 slope of the prism (x direction in FIG. 4), but does not occur in the vertical direction (y direction in FIG. 4).
  • the distance between the light beam AL that has traveled without being refracted and the light beam AL 'that has traveled after being refracted is referred to as x-direction shift x-sht (see FIG. 4). Note that the x-direction shift occurs in both the optical paths A and B in the prism.
  • Nd_Pr01 ⁇ sin ⁇ Nd_CE ⁇ sin ⁇ ′ (A) here, Nd_Pr01 is the refractive index at the d-line of the first prism 21b on the object side, Nd_CE is the refractive index of the bonding agent 21g at the d-line, ⁇ is the incident angle of the light beam AL incident on the bonding surface 21h, ⁇ ′ is the refraction angle of the light beam AL incident on the bonding surface 21h, It is.
  • Conditional expression (1) relates to x-direction shift.
  • FIG. 5A is a diagram showing a spot diagram of the optical system in which the x-direction shift is corrected in the present embodiment.
  • FIG. 5B is a spot diagram of an optical system in which an x-direction shift occurs in the conventional configuration.
  • the objective optical system OBL is an ideal lens without aberration, a circular object at the center of the screen becomes elliptical on the image plane. For this reason, the resolution is deteriorated, which is not preferable.
  • Satisfying conditional expression (1) makes it possible to reduce the x-direction shift, so that good optical performance can be obtained.
  • conditional expression (1) If the upper limit value of conditional expression (1) is exceeded or less than the lower limit value, the maximum value of the x-direction shift becomes larger than the pixel pitch of the image sensor. For this reason, since optical performance will deteriorate, it is not preferable.
  • conditional expression (1) ′ instead of conditional expression (1).
  • conditional expression (1) ′′ instead of conditional expression (1).
  • Nd_Pr01 is the refractive index at the d-line of the first prism 21b on the object side
  • Nd_Pr02 is a refractive index at the d-line of the second prism 21e on the image side
  • Nd_CE is the refractive index of the bonding agent 21g at the d-line
  • the refractive index Nd_Pr01 of the first prism 21b and the refractive index Nd_Pr02 of the second prism 21e are desirably the same value.
  • Conditional expression (2) relates to an appropriate ratio between the refractive index of the first prism 21b and the refractive index of the bonding agent 21g. Satisfying the conditional expression (2) is preferable because the amount of refraction of the light beam AL at the interface between the first prism 21b and the bonding agent 21g becomes small.
  • conditional expression (2) When the upper limit value of conditional expression (2) is exceeded or below the lower limit value, the amount of refraction of the light beam AL at the interface between the first prism 21b and the bonding agent 21g increases. This is not preferable because the x-direction shift becomes too large.
  • Conditional expression (3) relates to an appropriate ratio of the refractive indexes of the second prism 21e and the bonding agent 21g. Satisfying the conditional expression (3) is preferable because the amount of refraction of the light beam AL at the interface between the second prism 21e and the bonding agent 21g becomes small.
  • conditional expression (3) If the upper limit value of conditional expression (3) is exceeded or below the lower limit value, the amount of light refraction at the interface between the second prism 21e and the bonding agent 21g increases. This is not preferable because the x-direction shift becomes too large.
  • conditional expressions (2) ′ and (3) ′ are preferably satisfied instead of conditional expressions (2) and (3).
  • 0.8 ⁇ Nd_Pr01 / Nd_CE ⁇ 1.2 (2) ′ 0.8 ⁇ Nd_Pr02 / Nd_CE ⁇ 1.2 (3) ′
  • 0.9 ⁇ Nd_Pr02 / Nd_CE ⁇ 1.11 (3) "
  • d is the thickness of the bonding agent 21g
  • ⁇ ′ is the refraction angle of the light ray incident on the bonding surface 21h
  • fw is the focal length in the normal observation state of the objective optical system
  • ih is the image height
  • Conditional expression (4) relates to an appropriate ratio between the x-direction shift and the focal length of the objective optical system.
  • conditional expression (4) If the upper limit value of conditional expression (4) is exceeded, the x-direction shift becomes too large and the resolution is deteriorated, which is not preferable.
  • conditional expression (4) If the lower limit value of conditional expression (4) is not reached, the x-direction shift almost does not exist, so the problem of the present application itself does not occur.
  • Conditional expression (5) relates to an appropriate ratio between x-direction shift and image height.
  • conditional expression (5) If the upper limit value of conditional expression (5) is exceeded, the x-direction shift becomes too large, and the resolution is deteriorated.
  • conditional expression (5) If the lower limit of conditional expression (5) is not reached, there is almost no x-direction shift, so the problem of the present application itself does not occur.
  • conditional expressions (4) ′ and (5) ′ are preferably satisfied instead of conditional expressions (4) and (5).
  • (4) ′ 0.0015 ⁇ d ⁇ sin ( ⁇ ′ ⁇ 45) / (cos ⁇ ′ ⁇ ih) ⁇ 0.5 (5) ′
  • the first negative lens is provided on the most object side of the objective optical system and the following conditional expressions (6) and (7) are satisfied.
  • Nd_L01 is a refractive index at the d-line of the negative first lens L1
  • Nd_CE is the refractive index of the bonding agent 21g at the d-line
  • Nd_Pr01 is the refractive index at the d-line of the object-side prism 21b, It is.
  • Conditional expression (6) relates to an appropriate ratio between the refractive index of the negative first lens L1 and the refractive index of the bonding agent 21g.
  • Conditional expression (7) relates to an appropriate ratio between the refractive index of the negative first lens L1 and the refractive index of the first prism 21b.
  • conditional expression (7) If the upper limit of conditional expression (7) is exceeded, the refractive index of the first prism 21b becomes too small, making it difficult to obtain the material, which is not preferable.
  • conditional expressions (6) ′ and (7) ′ instead of the conditional expressions (6) and (7).
  • 0.8 ⁇ Nd_L01 / Nd_CE ⁇ 1.4 (6) ′ 0.8 ⁇ Nd_L01 / Nd_Pr01 ⁇ 1.3 (7) ′
  • conditional expressions (6) "and (7)” instead of the conditional expressions (6) and (7). 0.95 ⁇ Nd_L01 / Nd_CE ⁇ 1.3 (6) " 0.95 ⁇ Nd_L01 / Nd_Pr01 ⁇ 1.2 (7) "
  • the image processor 23 reads an image relating to two optical images captured by the image sensor 22 and has different focus positions, and an image for performing image correction on the two images read by the image reading unit 23a.
  • the image processing apparatus includes a correction processing unit 23b and an image composition processing unit 23c that performs image composition processing for compositing two corrected images.
  • the image correction processing unit 23b corrects the images related to the two optical images formed on the light receiving regions 22a and 22b of the image sensor 22 so that the differences other than the focus are substantially the same. That is, the two images are corrected so that the relative positions, angles, and magnifications in the optical images of the two images are substantially the same.
  • each optical image formed on the light receiving regions 22a and 22b of the image sensor 22 may have a relative displacement, a displacement, an angle, that is, a displacement in the rotation direction, and the like.
  • the lower one of the two images or images or the image or image having the lower luminance at the relatively same position of the two images or images is used as a reference. It is desirable to make corrections.
  • the image composition processing unit 23c selects a relatively high contrast image in a corresponding region between the two images corrected by the image correction processing unit 23b, and generates a composite image. That is, by comparing the contrast in each spatially identical pixel area in two images and selecting a pixel area having a relatively higher contrast, a composite image as one image synthesized from the two images Is generated.
  • a composite image is generated by a composite image process in which the pixel area is added with a predetermined weight.
  • the image processor 23 performs subsequent image processing such as color matrix processing, contour enhancement, and gamma correction on one image synthesized by the image synthesis processing unit 23c.
  • the image output unit 23d outputs an image that has been subjected to subsequent image processing.
  • the image output from the image output unit 23d is output to the image display unit 24.
  • first prism 21b and the second prism 21e are made of different glass materials according to the near point optical path and the far point optical path leading to the image sensor 22, and the refractive index is made different so that the relative focus position is relatively increased. It may be shifted.
  • step S101 the image correction processing unit 23b performs a correction process on two images, that is, the image related to the far point image and the image related to the near point image acquired by the image sensor 22 in the image correction unit 22b. That is, according to a preset correction parameter, the two images are corrected so that the relative position, angle, and magnification in the optical images of the two images are substantially the same, and the corrected images are combined.
  • the data is output to the processing unit 23c.
  • step S102 the two images that have undergone the correction processing are combined by the image combining processing unit 23c. At this time, contrast values are calculated and compared in the corresponding pixel regions of the two perspective images.
  • step S103 it is determined whether or not there is a difference in the compared contrast values. If there is a difference in contrast, the process proceeds to step S105, where a region having a high contrast value is selected and synthesized.
  • the difference in the contrast value to be compared is small or almost the same, it becomes an unstable factor in processing which of the two perspective images is selected. For example, if there are fluctuations in a signal such as noise, a discontinuous region may be generated in the composite image, or a problem may occur that the originally resolved subject image is blurred.
  • step S104 if the contrast values of the two images are substantially the same in the pixel region to be subjected to the contrast comparison, weighting is performed, and the image weighted in the next step S105 is added to perform image selection. The instability is resolved.
  • the field of view is prevented while preventing a discontinuous region from being generated in the composite image or the optical image from being blurred due to noise or the like.
  • An image with an increased depth can be acquired.
  • the manufacturing cost is reduced and the depth of field is increased without increasing the size of the device as compared with a device including a plurality of imaging devices. Can be obtained.
  • a desired depth of field can be obtained, and degradation of resolution can be prevented.
  • the mirror image correction by the odd number of reflections may be reversed by the image correction processing unit 23b. It is preferable to carry out by.
  • the imaging element 22 has a long shape in the endoscope longitudinal direction, it is preferable to appropriately rotate the composite image in consideration of the aspect ratio of the image display unit 24.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing a cross-sectional configuration of the objective optical system.
  • FIG. 9A is a diagram showing a cross-sectional configuration of the objective optical system in a normal observation state (a long distance object point).
  • FIG. 2B is a diagram showing a cross-sectional configuration of the objective optical system in the close-up observation state (short-distance object point).
  • the objective optical system includes, in order from the object side, a first lens group G1 having a negative refractive power, a second lens group G2 having a positive refractive power, and a third lens group G3 having a positive refractive power. , Is composed of.
  • the aperture stop S is disposed between the second lens group G2 and the third lens group G3.
  • the second lens group G2 moves on the optical axis AX to the image side, and corrects the change in the focal position accompanying the change from the normal observation state to the close observation state.
  • the first lens group G1 includes, in order from the object side, a plano-concave negative lens L1 having a plane facing the object side, a parallel flat plate L2, a biconcave negative lens L3, and a plano-convex positive lens L4 having a plane facing the image side. And consist of Here, the negative lens L3 and the positive lens L4 are cemented.
  • the second lens group G2 includes a positive meniscus lens L5 having a convex surface directed toward the object side.
  • the third lens group G3 includes, in order from the object side, a biconvex positive lens L6, a negative meniscus lens L7 with a convex surface facing the image side, a planoconvex positive lens L8 with a plane facing the object side, and a biconvex positive lens.
  • L9 and a negative meniscus lens L10 having a convex surface facing the image side.
  • the positive lens L6 and the negative meniscus lens L7 are cemented.
  • the positive lens L9 and the negative meniscus lens L10 are cemented.
  • the optical path splitting unit 20 described above is disposed on the image side of the third lens group G3. In the prism in the optical system, the optical path is bent.
  • the parallel flat plate L2 is a filter provided with a coating for cutting a specific wavelength, for example, 1060 nm of a YAG laser, 810 nm of a semiconductor laser, or an infrared region.
  • FIGS. 10A, 10B, 10C, and 10D show spherical aberration (SA), astigmatism (AS), distortion aberration (DT), and lateral chromatic aberration (CC) in the normal observation state of this embodiment.
  • 10E, 10F, 10G, and 10H show spherical aberration (SA), astigmatism (AS), distortion aberration (DT), and lateral chromatic aberration (CC) in the close-up observation state of this example. ).
  • These aberration diagrams are shown for wavelengths of 656.27 nm (C line), 587.56 nm (d line), and 435.84 nm (g line). In each figure, “ ⁇ ” indicates a half angle of view.
  • r are the radius of curvature of each lens surface
  • d is the distance between the lens surfaces
  • nd is the refractive index of the d-line of each lens
  • ⁇ d is the Abbe number of each lens
  • FNO is the F number
  • ⁇ is the half field angle It is.
  • the back focus fb represents the distance from the most image-side optical surface to the paraxial image surface in terms of air. The total length is obtained by adding back focus to the distance (not converted to air) from the lens surface closest to the object side to the optical surface closest to the image side.
  • Example 1 The numerical values of conditional expressions (1) to (7) in Example 1, Example 2, and Example 3 are shown below.
  • the specification values of the objective optical system OBL (Numerical Example 1) are common to the three examples.
  • Conditional expression (1) d ⁇ sin ( ⁇ '-45) / (cos ⁇ ' ⁇ im_pitch) (2) Nd_Pr01 / Nd_CE (3) Nd_Pr02 / Nd_CE (4) d ⁇ sin ( ⁇ '-45) / (cos ⁇ ' ⁇ fw) (5) d ⁇ sin ( ⁇ '-45) / (cos ⁇ ' ⁇ ih) (6) Nd_L01 / Nd_CE (7) Nd_L01 / Nd_Pr01 Value corresponding to conditional expression Example 1 Example 2
  • Example 3 (1) 1.12 1.92 9.98 (2) 1.10 1.14 1.29 (3) 1.10 1.14 1.29 (4) 0.0017 0.0038 0.013 (5) 0.0017 0.004 0.0135 (6) 1.26 1.26 1.29
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Nd_Pr01 1.63854 1.69895 1.883
  • Nd_Pr02 1.63854 1.69895 1.883
  • Nd_CE 1.49 1.49 1.46 d 0.01 0.015 0.015 ⁇ '51.04 53.73 65.78 im_pitch (um) 1.5 2
  • im_pitch (um) 1.5 2
  • 1.3 fw 1 1 1 ih 0.959 0.959 0.959 Nd_L01 1.883 1.883 1.883
  • the present invention is useful for an endoscope system that can acquire a high-quality image in which the depth of field is enlarged and aberrations are corrected favorably.

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Abstract

画面の中心領域から周辺領域にかけて良好な画質を得ることができる内視鏡システムを提供すること。　対物光学系ＯＢＬと、対物光学系ＯＢＬで得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に２つのプリズムを用いて分割する光路分割部２０と、２つの光学像を取得する１つの撮像素子２２と、取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部２３と、を有する内視鏡システムであって、２つのプリズムは、接合剤を介在して接着面どうしが略並行になるように接着され、接着面と対物光学系ＯＢＬの光軸は、４５度の角度をなすとともに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。　－１０＜ｄ×ｓｉｎ（θ'－４５）／（ｃｏｓθ'×ｉｍ＿ｐｉｔｃｈ）＜１０　…（１）

Description

内視鏡システム
　本発明は、内視鏡システム、特に被写界深度内視鏡システムに関する。
　一般に、内視鏡システムを始め、撮像素子を備えた機器において、撮像素子の高画素化に伴い、被写界深度が狭くなることが知られている。すなわち、撮像素子において、画素数を増やすために画素ピッチ（１画素の縦横の寸法）を小さくすると、これに伴って許容錯乱円も小さくなるため、撮像装置の被写界深度が狭くなる。
　被写界深度を拡大するために、例えば、特許文献１、２、３には、自画像を分割して結像させ、取得した画像を画像処理で合成し深度を拡大する構成が開示されている。この構成では、自画像を分割して結像させ、取得した画像を画像処理で合成し深度を拡大するという点で優れている。
国際公開第２０１３／０６１８１９号 特開２００８－９９７４６号公報 特許４２２６２３５号公報
　しかしながら、特許文献１、２、３の構成では撮像素子が複数必要となり、コストが上昇するため好ましくない。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プリズムを用いた自画像分割における深度拡大技術を用いた内視鏡システムにおいて、画面の中心領域から周辺領域にかけて良好な画質を得ることができる内視鏡システム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、本発明は、以下の手段を提供する。
　本発明に係る内視鏡システムの一態様は、
　対物光学系と、
　対物光学系で得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に２つのプリズムを用いて分割する光路分割部と、
　２つの光学像を取得する１つの撮像素子と、
　取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部と、を有する内視鏡システムであって、
　２つのプリズムは、接合剤を介在して接着面どうしが略並行になるように接着され、
　接着面と対物光学系の光軸は、４５度の角度をなすとともに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。角度の単位は、度である
　－１０＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｍ＿ｐｉｔｃｈ）＜１０　　　　　…（１）
　ここで、
　ｉｍ＿ｐｉｔｃｈは、撮像素子の画素ピッチ、
　θ’は、接着面へ入射した光線の屈折角、
　ｄは、接合剤の厚さ、
である。
　本発明は、プリズムを用いた自画像分割における深度拡大技術を用いた内視鏡システムにおいて、画面の中心領域から周辺領域にかけて良好な画質を得ることができる内視鏡システムを提供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が有する対物光学系、光路分割部及び撮像素子の断面構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内視鏡システムが有する光路分割部と撮像素子との概略構成図である。 本発明の実施形態に係る内視鏡システムが有する撮像素子の概略構成図である。 光路分割部の接合剤近傍の構成を示す図である。 （ａ）は、ｘ方向シフトが補正された光学系のスポットダイアグラムである。（ｂ）は、ｘ方向シフトが発生している光学系のスポットダイアグラムである。 本発明の実施形態に係る内視鏡システムの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る内視鏡システムにおいて、２つの光学像を合成する場合の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る内視鏡システムにおいて、ビームスプリッタにより奇数回の反射後に撮像素子に結像される場合の結像状態を示す図である。 本発明の実施例１に係る内視鏡システムが有する対物光学系、光路分割部及び撮像素子の断面構成を示す図であり、（ａ）は通常観察状態における断面図、（ｂ）は近接観察状態における断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ実施例１の通常観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示し、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、それぞれ近接観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示す収差図である。
　以下、本実施形態に係る内視鏡システムについて、図面を用いて、このような構成をとった理由と作用を説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
　本実施形態に係る内視鏡システムは、図１に示すように、対物光学系ＯＢＬと、対物光学系ＯＢＬで得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に２つのプリズムを用いて分割する光路分割部２０と、２つの光学像を取得する１つの撮像素子２２と、取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部２３（図６）と、を有する内視鏡システムであって、２つのプリズムは、接合剤を介在して接着面どうしが略並行になるように接着され、接着面と対物光学系ＯＢＬの光軸は、４５度の角度をなすとともに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。角度の単位は、度である。
　－１０＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｍ＿ｐｉｔｃｈ）＜１０　　　　　…（１）
　ここで、
　ｉｍ＿ｐｉｔｃｈは、撮像素子２２の画素ピッチ、
　θ’は、接着面２１ｈへ入射した光線の屈折角、
　ｄは、接合剤２１ｇの厚さ、
である。
　光路分割部２０の構成を説明する。図２は、光路分割部２０の概略構成を示す図である。
　対物光学系ＯＢＬを射出した光は、光路分割部２０に入射する。
　光路分割部２０は、被写体像をピントの異なる２つの光学像に分割する偏光ビームスプリッタ２１、２つの光学像を撮像して２つの画像を取得する撮像素子２２を有する。
　偏光ビームスプリッタ２１は、図２に示すように、第１プリズム２１ｂ、第２プリズム２１ｅ、ミラー２１ｃ、及びλ／４板２１ｄを備えている。第１プリズム２１ｂ（物体側のプリズム）及び第２プリズム２１ｅ（像側のプリズム）は共に光軸ＡＸに対して４５度の斜度であるビームスプリット面を有する。
　第１プリズム２１ｂのビームスプリット面には偏光分離膜２１ｆが形成されている。そして、第１プリズム２１ｂ及び第２プリズム２１ｅは、互いのビームスプリット面を偏光分離膜２１ｆを介して当接させて偏光ビームスプリッタ２１を構成している。
　また、ミラー２１ｃは、第１プリズム２１ｂの端面近傍にλ／４板２１ｄを介して設けられている。第２プリズム２１ｅの端面には、カバーガラスＣＧを介して撮像素子２２が取り付けられている。
　対物光学系ＯＢＬからの被写体像は、第１プリズム２１ｂにおいてビームスプリット面に設けられた偏光分離膜２１ｆによりＰ偏光成分（透過光）とＳ偏光成分（反射光）とに分離され、反射光側の光学像と透過光側の光学像との２つの光学像に分離される。
　Ｓ偏光成分の光学像は、偏光分離膜２１ｆで撮像素子２２に対して対面側に反射されＡ光路を通り、λ／４板２１ｄを透過後、ミラー２１ｃで反射され、撮像素子２２側に折り返される。折り返された光学像は、λ／４板２１ｄを再び透過する事で偏光方向が９０°回転し、偏光分離膜２１ｆを透過して撮像素子２２に結像される。
　Ｐ偏光成分の光学像は、偏光分離膜２１ｆを透過してＢ光路を通り、撮像素子２２に向かって垂直に折り返す第２プリズム２１ｅのビームスプリット面と反対側に設けられたミラー面によって反射され、撮像素子２２に結像される。この際、Ａ光路とＢ光路で、例えば、数十μｍ程度の所定の光路差を生じさせるように、プリズム硝路を設定しておき、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子２２の受光面に結像させる。
　すなわち、第１プリズム２１ｂ及び第２プリズム２１ｅを、被写体像をピント位置が異なる２つの光学像に分離できるように、第１プリズム２１ｂにおける撮像素子２２に至る透過光側の光路長（硝路長）に対して反射光側の光路長が短く（小さく）なるように配置する。
　撮像素子２２は、図３に示すように、ピント位置が異なる２つの光学像を各々個別に受光して撮像するために、撮像素子２２の全画素領域の中に、２つの受光領域（有効画素領域）２２ａ、２２ｂが設けられている。
　受光領域２２ａ、２２ｂは、２つの光学像を撮像するために、これらの光学像の結像面と各々一致するように配置されている。そして、撮像素子２２において、受光領域２２ａは受光領域２２ｂに対してそのピント位置が相対的に近点側にシフトしており（ずれており）、受光領域２２ｂは受光領域２２ａに対してそのピント位置が相対的に遠点側にシフトしている。これにより、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子２２の受光面に結像させるように構成されている。
　なお、第１プリズム２１ｂと第２プリズム２１ｅにおける両者の硝材の屈折率を異ならせることにより、撮像素子２２に至る光路長を変えて受光領域２２ａ、２２ｂに対するピント位置を相対的にずらすようにしても良い。
　また、受光領域２２ａ、２２ｂの周囲には、２つに分割された光学像の幾何的なズレを補正するための補正画素領域２２ｃが設けられている。補正画素領域２２ｃ内において製造上の誤差を抑え、後述する画像補正処理部２３ｂ（図６）にて画像処理による補正を行なうことで、上記した光学像の幾何学的なズレを解消するようになっている。
　上述の本実施形態の第２レンズ群Ｇ２は、フォーカシングレンズであり、光軸の方向における２つの位置に選択的に移動可能である。不図示のアクチュエータにより、第２レンズ群Ｇ２は、２つの位置間で一方の位置から他方の位置、他方の位置から一方の位置に移動するように駆動される。
　第２レンズ群Ｇ２を、前方側（物体側）の位置に設定した状態においては遠方観察（通常観察）する場合の観察領域の被写体にピントが合うように設定される。また、第２レンズ群Ｇ２を後方側の位置に設定した状態においては近接観察（拡大観察）する場合の観察領域の被写体にピントが合うように設定されている。
　なお、本実施形態のように、偏光ビームスプリッタ２１を適用して偏光分離をする場合、分離する光の偏光状態が円偏光でないと分離した像の明るさに差が生じてしまう。規則的な明るさの差異は画像処理での補正が比較的容易であるが、局所的に且つ観察条件で明るさの差異が生じた場合、補正しきれなくなり、合成画像に明るさムラが生じてしまう場合がある。
　内視鏡で観察する被写体は、合成画像の比較的視野周辺部で明るさムラが生じてしまう可能性がある。なお、この偏光状態が崩れた明るさムラは、被写体が比較的飽和気味の明るさ分布であると顕著に生じる。
　視野の周辺部において、内視鏡では比較的近接して被写体像の血管走行や粘膜構造を見る事が多く、ユーザーにとって非常に煩わしい画像になる可能性が高い。
　そこで、例えば、図２に示すように、この偏光状態が崩れた状態を円偏光に戻す様にλ／４板２１ａを、光路分割部２０の偏光分離膜２１ｆより物体側に配置することが好ましい。
　なお、上述のような偏光ビームスプリッタの代わりに、入射光を強度分割するハーフミラーを用いることもできる。
　本実施形態における光路分割部２０について、さらに説明する。図４は、光路分割部２０の接合剤２１ｇ近傍の構成を示している。第１プリズム２１ｂと、第２プリズム２１ｅは、接合剤２１ｇを介在して接着面２１ｈ、２１ｉどうしが略並行になるように接着されている。接着面２１ｈと対物光学系ＯＢＬの光軸ＡＸは、４５度の角度をなしている。なお、接着面２１ｈと対物光学系ＯＢＬの光軸ＡＸのなす角度は、略４５度であれば良い。
　光軸ＡＸに沿って進行する光線ＡＬは、第１プリズム２１ｂの接着面２１ｈに対して入射角θ＝４５°で入射する。接着面２１ｈの法線をＮで示す。そして、光線ＡＬは、接着面２１ｈにおいて角度θ’の方向に屈折する。
　２つの４５度プリズムを用いて光路を分割する光学系では、プリズムの屈折率と接合剤の屈折率との差によって光線が屈折する。この屈折は、プリズムの４５斜面度を含む面（図４のｘ方向）には発生するが、その垂直方向（図４のｙ方向）では発生しない。屈折しないで進行した光線ＡＬと、屈折して進行した光線ＡＬ’との距離をｘ方向シフトｘ－ｓｈｔとする（図４参照）。なお、ｘ方向シフトは、プリズムにおけるＡ光路とＢ光路との両方の光路において発生する。
　図４の構成において、以下の式（Ａ）の屈折の法則が成立する。
　Ｎｄ＿Ｐｒ０１×ｓｉｎθ＝Ｎｄ＿ＣＥ×ｓｉｎθ’　　　（Ａ）
　ここで、
　Ｎｄ＿Ｐｒ０１は、物体側の第１プリズム２１ｂのｄ線における屈折率、
　Ｎｄ＿ＣＥは、接合剤２１ｇのｄ線における屈折率、
　θは、接着面２１ｈへ入射した光線ＡＬの入射角、
　θ’は、接着面２１ｈへ入射した光線ＡＬの屈折角、
である。
　また、接合剤２１ｇの厚さをｄとすると、以下の式（Ｂ）が成立する。
　α＝ｄ／ｃｏｓθ’　　　（Ｂ）
　式（Ａ）、（Ｂ）からｘ方向シフトｘ－ｓｈｔは、次式で示される。
　ｘ－ｓｈｔ＝α×ｓｉｎ（θ’－θ）
　　　　　　＝ｄ×ｓｉｎ（θ’－θ）／ｃｏｓθ’
　このため、θ＝４５（°）として、ｘ方向シフトｘ－ｓｈｔをｉｍ＿ｐｉｔｃｈで割ることで条件式（１）を得ることができる。
　条件式（１）は、ｘ方向シフトに関する。図５（ａ）は、本実施形態において、ｘ方向シフトが補正された光学系のスポットダイアグラムを示す図である。図５（ｂ）は、従来構成において、ｘ方向シフトが発生している光学系のスポットダイアグラムの図である。このように、光線ＡＬのｘ方向シフトのため、対物光学系ＯＢＬを無収差の理想レンズにしても、画面中心において円形の物体が、像面では楕円形になってしまう。このため、解像力が劣化してしまうため好ましくない。
　条件式（１）を満足することで、ｘ方向シフトを小さくできるため、良好な光学性能を得ることができる。
　条件式（１）の上限値を上回ると、または下限値を下回るとｘ方向シフトの最大値が、撮像素子の画素ピッチに対して大きくなってしまう。このため、光学性能が劣化してしまうため好ましくない。
　なお、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１）’を満たすことが望ましい。
　－５＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｍ＿ｐｉｔｃｈ）＜５　　　…（１）’
　さらに、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１）”を満たすことが望ましい。
　－２＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｍ＿ｐｉｔｃｈ）＜２　　　…（１）”
　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）、（３）を満足することが望ましい。
　０．７＜Ｎｄ＿Ｐｒ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．３　　　…（２） 
　０．７＜Ｎｄ＿Ｐｒ０２／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．３　　　…（３）
　ここで、
　Ｎｄ＿Ｐｒ０１は、物体側の第１プリズム２１ｂのｄ線における屈折率、
　Ｎｄ＿Ｐｒ０２は、像側の第２プリズム２１ｅのｄ線における屈折率、
　Ｎｄ＿ＣＥは、接合剤２１ｇのｄ線における屈折率、
である。
　なお、第１プリズム２１ｂの屈折率Ｎｄ＿Ｐｒ０１と、第２プリズム２１ｅの屈折率Ｎｄ＿Ｐｒ０２は、同じ値であることが望ましい。
　条件式（２）は、第１プリズム２１ｂの屈折率と接合剤２１ｇの屈折率の適切な比に関する。条件式（２）を満足することで、第１プリズム２１ｂと接合剤２１ｇの界面における光線ＡＬの屈折量が小さくなるため好ましい。
　条件式（２）の上限値を上回ると、または下限値を下回ると、第１プリズム２１ｂと接合剤２１ｇの界面における光線ＡＬの屈折量が大きくなる。このため、ｘ方向シフトが大きくなりすぎてしまうため好ましくない。
　条件式（３）は、第２プリズム２１ｅと接合剤２１ｇの屈折率の適切な比に関する。条件式（３）を満足することで、第２プリズム２１ｅと接合剤２１ｇの界面における光線ＡＬの屈折量が小さくなるため好ましい。
　条件式（３）の上限値を上回ると、または下限値を下回ると、第２プリズム２１ｅと接合剤２１ｇの界面における光線の屈折量が大きくなる。このため、ｘ方向シフトが大きくなりすぎてしまうため好ましくない。
　なお、条件式（２）、（３）に代えて、以下の条件式（２）’、（３）’を満たすことが望ましい。
　０．８＜Ｎｄ＿Ｐｒ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．２　　　…（２）' 
　０．８＜Ｎｄ＿Ｐｒ０２／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．２　　　…（３）'
　さらに、条件式（２）、（３）に代えて、以下の条件式（２）”、（３）”を満たすことが望ましい。
　０．９＜Ｎｄ＿Ｐｒ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．１１　　　…（２）”
　０．９＜Ｎｄ＿Ｐｒ０２／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．１１　　　…（３）”
　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）、（５）を満足することが望ましい。
　０．００１＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｆｗ）＜５　　　…（４）
　０．００１＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｈ）＜３　　　…（５）
　ここで、
　ｄは、接合剤２１ｇの厚さ、
　θ’は、接着面２１ｈへ入射した光線の屈折角、
　ｆｗは、対物光学系の通常観察状態における焦点距離、
　ｉｈは、像高、
である。
　条件式（４）は、ｘ方向シフトと対物光学系の焦点距離の適切な比に関する。条件式（４）を満足することで、適切なｘ方向シフトに抑えることができるため、解像力が大きく劣化することはない。
　条件式（４）の上限値を上回ると、ｘ方向シフトが大きくなりすぎてしまい、解像力が劣化してしまうため好ましくない。
　条件式（４）の下限値を下回ると、ｘ方向シフトはほぼ存在しなくなるため、本願の課題自体も生じない。
　条件式（５）は、ｘ方向シフトと像高の適切な比に関する。条件式（５）を満足することで、適切なｘ方向シフトを達成できるため、解像力が大きく劣化することはない。
　条件式（５）の上限値を上回ると、ｘ方向シフトが大きくなりすぎてしまい、解像力が劣化してしまうため好ましくない。
　条件式（５）の下限値を下回ると、ｘ方向シフトはほぼ存在しなくなるため、本願の課題自体も生じない。
　なお、条件式（４）、（５）に代えて、以下の条件式（４）’、（５）’を満たすことが望ましい。
　０．００１５＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｆｗ）＜１　　　…（４）'
　０．００１５＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｈ）＜０．５　　　…（５）'
　さらに、条件式（４）、（５）に代えて、以下の条件式（４）”、（５）”を満たすことが望ましい。
　０．００１６＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｆｗ）＜０．１　　　…（４）”
　０．００１６＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｈ）＜０．１　　　…（５）”
　また、本実施形態の好ましい態様では、対物光学系の最も物体側に負の第１レンズを有し、以下の条件式（６）、（７）を満足することが望ましい。
　０．７＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．５　　　…（６）
　０．７＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿Ｐｒ０１＜１．５　　　…（７）
　ここで、
　Ｎｄ＿Ｌ０１は、負の第１レンズＬ１のｄ線における屈折率、
　Ｎｄ＿ＣＥは、接合剤２１ｇのｄ線における屈折率、
　Ｎｄ＿Ｐｒ０１は、物体側のプリズム２１ｂのｄ線における屈折率、
である。
　条件式（６）は、負の第１レンズＬ１の屈折率と接合剤２１ｇの屈折率の適切な比に関する。
　条件式（６）の上限値を上回ると、接合剤２１ｇの屈折率が小さくなりすぎてしまい、材料の入手性が困難になるため好ましくない。
　条件式（６）の下限値を下回ると、負の第１レンズＬ１の屈折率が小さすぎてしまい十分な負のパワーを得られないため好ましくない。
　条件式（７）は、負の第１レンズＬ１の屈折率と第１プリズム２１ｂの屈折率との適切な比に関する。
　条件式（７）の上限値を上回ると、第１プリズム２１ｂの屈折率が小さくなりすぎてしまい、材料の入手性が困難になるため好ましくない。
　条件式（７）の下限値を下回ると、負の第１レンズＬ１の屈折率が小さすぎてしまい十分な負のパワーを得られないため好ましくない。
　なお、条件式（６）、（７）に代えて、以下の条件式（６）’、（７）’を満たすことが望ましい。
　０．８＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．４　　　…（６）'
　０．８＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿Ｐｒ０１＜１．３　　　…（７）'
　さらに、条件式（６）、（７）に代えて、以下の条件式（６）”、（７）”を満たすことが望ましい。
　０．９５＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．３　　　…（６）”
　０．９５＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿Ｐｒ０１＜１．２　　　…（７）”
　次に、図６を参照して、取得した２つの画像の合成に関して説明する。
　画像プロセッサ２３は、撮像素子２２により撮像されたピント位置が異なる２つの光学像に係る画像を各々読み出す画像読出部２３ａと、画像読出部２３ａにより読み出された２つの画像に対する画像補正を行う画像補正処理部２３ｂと、補正された２つの画像を合成する画像合成処理を行う画像合成処理部２３ｃと、を有する。
　画像補正処理部２３ｂは、撮像素子２２の受光領域２２ａ、２２ｂにそれぞれ結像される２つの光学像に係る画像に対し、互いのピント以外の差異が略同一となるように補正する。すなわち、２つの画像の各光学像における相対的な位置、角度及び倍率が略同一となるように２つの画像に対して補正を行う。
　被写体像を２つに分離して撮像素子２２に各々結像させる場合、幾何的な差異が生じる場合がある。すなわち、撮像素子２２の受光領域２２ａ、２２ｂにそれぞれ結像される各々の光学像は、相対的に倍率ズレ、位置ズレ、角度すなわち回転方向のズレ等が発生する場合がある。
　これらの差異を製造時などにおいて、完全に解消することは困難であるが、それらのズレ量が大きくなると、合成画像が２重画像となったり、不自然な明るさムラ等を生じたりする。このため、画像補正処理部２３ｂにて上述した幾何的な差異、明るさ差異を補正する。
　２つの画像間における明るさの差異を補正する場合、２つの像または画像のうち輝度の低い方の像または画像、もしくは２つの像または画像の相対的に同一位置における輝度の低い方を基準にして補正を行うことが望ましい。
　画像合成処理部２３ｃは、画像補正処理部２３ｂにより補正された２つの画像間の対応する所定領域において、相対的にコントラストが高い画像を選択して合成画像を生成する。つまり、２つの画像における空間的に同一の画素領域それぞれにおけるコントラストを比較し、相対的にコントラストが高い方の画素領域を選択することにより、２つの画像から合成された１つの画像としての合成画像を生成する。
　なお、２つの画像の同一の画素領域におけるコントラスト差が小さい又は略同一である場合は、その画素領域に所定の重み付けして加算する合成画像処理により、合成画像を生成する。
　また、画像プロセッサ２３は、画像合成処理部２３ｃにより合成された１つの画像に対して、色マトリクス処理、輪郭強調、ガンマ補正等の後段画像処理を行う。画像出力部２３ｄは、後段画像処理された画像を出力する。画像出力部２３ｄから出力される画像は画像表示部２４に出力される。
　また、撮像素子２２に至る近点光路と遠点光路とに応じて、第１プリズム２１ｂと第２プリズム２１ｅとを異なる硝材で構成し、屈折率を異ならせることにより、相対的にピント位置をずらしても良い。
　これにより、ピントの異なる２つの光学像に係る画像を取得し、これら画像を画像合成処理部２３ｃで合成して合成被写界深度を得ることができる。内視鏡検査で広い範囲を俯瞰してスクリーニングする際には遠方観察が適しており、病変の詳細を観察したり、診断したりする際には、近接観察が適している。
　このような構成をとることで、より多画素化した撮像素子を使用しても解像力を落とすことなく被写界深度を拡大することが可能となる。更にフォーカシング機構があるので自在に観察範囲を切り替えて高画質の内視鏡観察や診断を行うことができる。
　次に、本実施形態において、２つの光学像を合成する場合の流れを図７のフローチャートに従って説明する。
　ステップＳ１０１において、撮像素子２２において取得された、ピントの異なる遠点像に係る画像と近点像に係る画像とが、画像補正処理部２３ｂにおいて、遠近２画像の補正処理が行なわれる。すなわち、予め設定された補正パラメータに従って、２つの画像の各光学像における相対的な位置、角度及び倍率が略同一となるように２つの画像に対して補正を行い、補正後の画像を画像合成処理部２３ｃに出力する。なお、必要に応じて２画像の明るさや色の差異を補正してもよい。
　ステップＳ１０２において、補正処理が行なわれた２つの画像が画像合成処理部２３ｃにて合成される。この際、遠近２画像の各々対応する画素領域において、コントラスト値が各々算出され、比較される。
　ステップＳ１０３において、比較されたコントラスト値に差があるか否かを判断し、コントラストに差がある場合、ステップＳ１０５に進み、コントラスト値の高い領域を選択して合成される。
　ここで、比較するコントラスト値の差が小さい乃至はほぼ同じである場合には、遠近２画像のどちらを選択するか処理上の不安定要因となる。例えば、ノイズ等の信号の揺らぎがあると、合成画像に不連続領域が生じたり、本来は解像している被写体像がボケてしまうといった不具合を生じさせたりする。
　そこで、ステップＳ１０４に進み、重み付けを行う。ステップＳ１０４において、コントラス比較を行なう画素領域において、２画像でコントラスト値がほぼ同一である場合には、重み付けを行い、次のステップＳ１０５で重み付けを行った画像の加算処理を行う事で、画像選択の不安定さを解消している。
　このように、本実施形態によれば、近接観察及び遠方観察の何れにおいても、ノイズ等によって合成画像において不連続領域が発生したり、光学像がぼけたりすることを防止しながら、被写界深度を拡大させた画像を取得することができる。
　また、２つの画像は、同一の撮像素子により撮像されているので、撮像素子を複数備えるものに比べて、製造コストを低減し、装置を大型化することなく被写界深度を拡大させた画像を取得することができる。
　また、所望する被写界深度を得られ、解像力の劣化を防止できる。
　なお、上述した図２の偏光ビームスプリッタ２１の場合には、１回、つまり奇数回の反射後に撮像素子２２に光学像が結像される。このため、何れか一方の画像が図８のような結像状態（鏡像）となり、画像プロセッサ２３において鏡像を反転させて像方向を一致させる画像処理が施される。
　光学的な偶数回の反射による鏡像の補正は、対物光学系の大型化やプリズムのコスト高となる場合があるので、奇数回の反射による鏡像の補正は、画像補正処理部２３ｂにて鏡像反転により行なうことが好ましい。
　なお、撮像素子２２が、内視鏡長手方向に長尺な形状となっている場合には、画像表示部２４のアスペクト比を考慮して合成画像を適宜回転させることが好ましい。
　（実施例１）
　次に、実施例１に係る内視鏡システムが有する対物光学系について説明する。
　図９（ａ）、（ｂ）は、対物光学系の断面構成を示す図である。ここで、図９（ａ）は、通常観察状態（遠距離物点）における対物光学系の断面構成を示す図である。図２（ｂ）は、近接観察状態（近距離物点）における対物光学系の断面構成を示す図である。
　本実施例に係る対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力の第３レンズ群Ｇ３と、から構成されている。また、明るさ絞りＳは、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３との間に配置されている。第２レンズ群Ｇ２は、光軸ＡＸ上を像側に移動して、通常観察状態から近接観察状態への変化に伴う焦点位置の変化を補正する。
　第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凹負レンズＬ１と、平行平板Ｌ２と、両凹負レンズＬ３と、像側に平面を向けた平凸正レンズＬ４と、からなる。ここで、負レンズＬ３と正レンズＬ４とは接合されている。第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５からなる。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸正レンズＬ６と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７と、物体側に平面を向けた平凸正レンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１０と、からなる。ここで、正レンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７とは接合されている。正レンズＬ９と負メニスカスレンズＬ１０とは接合されている。
　第３レンズ群Ｇ３の像側に、上述した光路分割部２０を配置している。光学系中のプリズムでは、光路が折り曲げられる。なお、平行平板Ｌ２は、特定の波長、例えばＹＡＧレーザーの１０６０ｎｍ、半導体レーザーの８１０ｎｍ、あるいは赤外域をカットするためのコーティングが施されたフィルターである。
　図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本実施例の通常観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
　図１０（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、本実施例の近接観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
　これら、諸収差図は、６５６．２７ｎｍ（Ｃ線）、５８７．５６ｎｍ（ｄ線）、及び４３５．８４ｎｍ（ｇ線）の各波長について示されている。また、各図中、「ω」は半画角を示す。
　以下に、上記各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、ＦＮＯはＦナンバー、ωは半画角である。また、バックフォーカスｆｂは、最も像側の光学面から近軸像面までの距離を空気換算して表したものである。全長は、最も物体側のレンズ面から最も像側の光学面までの距離（空気換算しない）にバックフォーカスを加えたものである。
数値実施例１
単位  ｍｍ
 
面データ
  面番号       r          d         nd       νd
      1        ∞        0.48     1.88300    40.76
      2       1.647      1.49
      3        ∞        0.55     1.52100    65.12
      4        ∞        0.34
      5      -7.955      0.96     1.88300    40.76
      6       1.999      1.37     1.84666    23.78
      7        ∞        可変  
      8       1.962      0.85     1.48749    70.23
      9       2.080      可変
     10(絞り)  ∞        0.07
     11       3.615      1.10     1.64769    33.79
     12      -1.551      0.32     2.00330    28.27
     13      -9.523      0.04
     14        ∞        0.78     1.69895    30.13
     15      -2.831      0.04
     16      11.007      0.92     1.48749    70.23
     17      -2.335      0.34     1.92286    18.90
     18      -5.022      4.48
     像面      ∞ 
 
データ
               通常観察状態  近接観察状態
焦点距離           1.00          1.00     
有効ＦＮＯ．       3.58          3.54      
画角２ω         145.01        139.17    
fb(in air)         4.44          4.35      
全長(in air)      16.18         16.18    
 
      d7           0.45          1.17        
      d10          1.60          0.88        
 
各群焦点距離
f1=-1.21   f2=21.02   f3=3.23   
 
　以下、実施例１、実施例２、実施例３における条件式（１）～（７）の数値を示す。なお、対物光学系ＯＢＬ（数値実施例１）の諸元値は、３つの実施例に関して、共通している。
 
条件式
(１)  d×sin(θ'-45)/(cosθ'×im_pitch)
(２)  Nd_Pr01/Nd_CE    
(３)  Nd_Pr02/Nd_CE
(４)  d×sin(θ'-45)/(cosθ'×fw) 
(５)  d×sin(θ'-45)/(cosθ'×ih) 
(６)  Nd_L01/Nd_CE  
(７)  Nd_L01/Nd_Pr01
 
条件式対応値
        実施例1   実施例2   実施例3    
(１)     1.12      1.92      9.98       
(２)     1.10      1.14      1.29     
(３)     1.10      1.14      1.29      
(４)     0.0017    0.0038    0.013    
(５)     0.0017    0.004     0.0135   
(６)     1.26      1.26      1.29     
(７)     1.15      1.11      1.00     
 
パラメータ値
　屈折率は、ｄ線における屈折率である。
 
              実施例1    実施例2    実施例3   
Nd_Pr01       1.63854    1.69895    1.883
Nd_Pr02       1.63854    1.69895    1.883
Nd_CE         1.49       1.49       1.46
d             0.01       0.015      0.015
θ'          51.04      53.73      65.78
im_pitch(um)  1.5        2          1.3
fw            1          1          1
ih            0.959      0.959      0.959
Nd_L01        1.883      1.883      1.883
 
　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。
　以上のように、本発明は、被深度が拡大され、良好に収差が補正された高画質な画像を取得できる内視鏡システムに有用である。
　１０　内視鏡システム
　２０　光路分割部
　２１　偏光ビームスプリッタ
　２１ａ　λ／４板
　２１ｂ　第１プリズム
　２１ｃ　ミラー
　２１ｄ　λ／４板
　２１ｅ　第２プリズム
　２１ｆ　偏光分離膜
　２１ｇ　接合剤
　２１ｈ、２１ｉ　接着面
　２２　撮像素子
　２２ａ、２２ｂ　受光領域
　２２ｃ　補正画素領域
　２３　画像プロセッサ
　２３ａ　画像読出部
　２３ｂ　画像補正処理部
　２３ｃ　画像合成処理部
　２３ｄ　画像出力部
　２４　画像表示部
　ＣＧ　カバーガラス
　ＯＢＬ　対物光学系
　Ｇ１　第１レンズ群
　Ｇ２　第２レンズ群
　Ｇ３　第３レンズ群
　Ｓ　　明るさ絞り

Claims (4)

  1. 　対物光学系と、
    　前記対物光学系で得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に２つのプリズムを用いて分割する光路分割部と、
    　前記２つの光学像を取得する１つの撮像素子と、
    　取得した前記２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部と、を有する内視鏡システムであって、
    　前記２つのプリズムは、接合剤を介在して接着面どうしが略並行になるように接着され、
    　前記接着面と前記対物光学系の光軸は、４５度の角度をなすとともに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする内視鏡システム。
    　－１０＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｍ＿ｐｉｔｃｈ）＜１０　　　　　　…（１）
    　ここで、
    　ｉｍ＿ｐｉｔｃｈは、前記撮像素子の画素ピッチ、
    　θ’は、前記接着面へ入射した光線の屈折角、
    　ｄは、前記接合剤の厚さ、
    である。
  2. 　以下の条件式（２）、（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
    　０．７＜Ｎｄ＿Ｐｒ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．３　　　…（２） 
    　０．７＜Ｎｄ＿Ｐｒ０２／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．３　　　…（３）
    　ここで、
    　Ｎｄ＿Ｐｒ０１は、物体側のプリズムのｄ線における屈折率、
    　Ｎｄ＿Ｐｒ０２は、像側のプリズムのｄ線における屈折率、
    　Ｎｄ＿ＣＥは、前記接合剤のｄ線における屈折率、
    である。
  3. 　以下の条件式（４）、（５）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
    　０．００１＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｆｗ）＜５　　　…（４）
    　０．００１＜ｄ×ｓｉｎ（θ’－４５）／（ｃｏｓθ’×ｉｈ）＜３　　　…（５）
    　ここで、
    　ｄは、前記接合剤の厚さ、
    　θ’は、前記接着面へ入射した光線の屈折角、
    　ｆｗは、前記対物光学系の通常観察状態における焦点距離、
    　ｉｈは、像高、
    である。
  4. 　前記対物光学系の最も物体側に負の第１レンズを有し、
    　以下の条件式（６）、（７）を満足することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
    　０．７＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿ＣＥ＜１．５　　　…（６）
    　０．７＜Ｎｄ＿Ｌ０１／Ｎｄ＿Ｐｒ０１＜１．５　　　…（７）
    　ここで、
    　Ｎｄ＿Ｌ０１は、前記負の第１レンズのｄ線における屈折率、
    　Ｎｄ＿ＣＥは、前記接合剤のｄ線における屈折率、
    　Ｎｄ＿Ｐｒ０１は、物体側のプリズムのｄ線における屈折率、
    である。
     
           
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