WO2019244339A1 - 照明装置および内視鏡システム - Google Patents

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村山 和章
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a lighting device and an endoscope system.
  • an illumination device for an endoscope in which a light distribution pattern of illumination light is controlled by a digital mirror array device (DMD, registered trademark) and illumination light is supplied to an endoscope via a light guide.
  • DMD digital mirror array device
  • illumination light is supplied to an endoscope via a light guide.
  • DMD digital mirror array device
  • halation or bright spots in which the image is partially excessively bright appear on the image, which hinders the observation of the subject.
  • halation occurs at a peripheral portion in an image by irradiating a strong illumination light to a cavity wall near the distal end of the endoscope.
  • the illumination light specularly reflected on the surface of the subject enters the objective lens of the endoscope When the illumination light specularly reflected on the surface of the subject enters the objective lens of the endoscope, a bright spot is generated in the image.
  • the DMD By controlling the light distribution pattern of the illumination light by the DMD so that the region where the halation and the bright spot occur is illuminated with weak illumination light, the halation and the bright spot can be suppressed.
  • the DMD comprises a two-dimensional array of a large number of micromirrors, which alternately switches the angle of each micromirror between + 10 ° and -10 °.
  • the ON light reflected by the + 10 ° micro mirror enters the light guide.
  • the off light reflected by the -10 ° micromirror does not enter the light guide. That is, in Patent Literature 1, a light distribution pattern is formed by excluding a part of light incident on a DMD from a light source. Therefore, there is an inconvenience that a loss occurs in the amount of illumination light.
  • the present invention has been made in view of the circumstances described above, and is an illumination device that can appropriately illuminate a subject according to imaging conditions and an imaging target, and that can prevent loss of the amount of illumination light. And an endoscope system.
  • One embodiment of the present invention has a light source, a light guide element having an entrance end and an exit end, guiding the illumination light incident on the entrance end, and emitting the illumination light from the exit end, and the illumination light from the light source.
  • a deflecting element having a deflecting surface that deflects toward the incident end of the light guide element, and causing the illumination light to be incident on the incident end at an incident angle corresponding to a deflection angle;
  • the deflection angle of the illumination light at each position on the deflection surface can be changed between a first deflection angle and a second deflection angle, and the illumination light is changed to the first deflection angle and the second deflection angle.
  • both the first portion of the illumination light deflected at the first deflection angle and the second portion of the illumination light deflected at the second deflection angle are incident on the incident end. Lighting device.
  • the illumination light emitted from the light source is deflected by the deflecting surface of the deflecting element, enters the incident end of the light guide element, is emitted from the exit end of the light guide element, and illuminates the subject.
  • the exit angle of the illumination light from the exit end depends on the incident angle of the illumination light on the entrance end, and the incidence angle of the illumination light on the entrance end is controlled by the deflection angle of the illumination light by the deflection element. Therefore, the light distribution of the illumination light for illuminating the subject can be controlled according to the deflection angle of the illumination light by the deflection element.
  • the light distribution of the illumination light for illuminating the subject is a combination of two light distributions. Therefore, various light distributions can be realized by changing the deflection angle of the illumination light at each position on the deflecting surface, and the subject can be appropriately illuminated according to the shooting conditions and the shooting target. Further, since both the first portion and the second portion of the illumination light are incident on the incident end of the light guide element and illuminate the subject, it is possible to prevent a loss of the light amount of the illumination light.
  • the deflection element may be capable of changing a light amount ratio between the first portion and the second portion. With this configuration, various light distributions of the illumination light can be realized.
  • the deflection element may be a mirror array device having an array of a plurality of mirrors, and the angles of the plurality of mirrors may be individually changeable.
  • the mirror array device has a two-dimensional array of a plurality of mirrors, and in the two-dimensional array, six or more mirrors are arranged in a first direction, and are orthogonal to the first direction. Six or more mirrors may be arranged in the second direction. With this configuration, the light distribution of the illumination light can be adjusted with higher resolution.
  • the mirror array device alternatively switches each angle of the plurality of mirrors to a first angle and a second angle, and determines the number of mirrors at the first angle and the second angle.
  • the number of mirrors at an angle may be changeable.
  • the mirror array device selectively switches each angle of the plurality of mirrors to a first angle and a second angle, and the illumination light deflected by the mirror at the first angle. Is incident on the end face of the incident end substantially perpendicularly, and the second part of the illumination light deflected by the mirror at the second angle is more than 15 ° on the end face of the incident end.
  • the light may be incident at an incident angle.
  • the brightness of the central portion of the illumination light emitted from the emission end of the light guide element can be controlled by the amount of light of the first portion deflected by the mirror at the first angle.
  • the brightness of the peripheral portion of the illumination light emitted from the emission end of the light guide element can be controlled by the second portion deflected by the mirror at the second angle.
  • the incident angle of the second portion to the incident end is equal to or greater than 15 °, the peripheral portion of the visual field having a wide angle of view such as an endoscope can be brightly illuminated.
  • an endoscope including: the illumination device according to any one of the above; and an imaging unit configured to acquire an image of a subject illuminated with illumination light emitted from the emission end of the light guide element. It is a mirror system.
  • a control unit that controls the deflection element based on the image of the subject may be provided. With this configuration, the light distribution of the illumination light can be automatically adjusted so that the brightness of each part of the image becomes appropriate.
  • the present invention it is possible to appropriately illuminate a subject in accordance with a shooting condition or a shooting target, and to prevent a loss in the amount of illumination light.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an endoscope system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an overall configuration diagram of a lighting device in the endoscope system of FIG. 1. It is a figure explaining the relation of the angle of incidence of illumination light to the entrance end of a light guide element, and the exit angle of illumination light from the exit end of a light guide element. It is a figure showing an example of illumination light emitted from an output end of a light guide element.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a light distribution characteristic of illumination light emitted from an emission end when only ON light is incident on a light guide element from a mirror array device.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an endoscope system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an overall configuration diagram of a lighting device in the endoscope system of FIG. 1. It is a figure explaining the relation of the angle of incidence of illumination light to the entrance end of a light guide element, and the exit angle of illumination light from the exit end
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a light distribution characteristic of illumination light emitted from an emission end when only off-light is incident on a light guide element from a mirror array device.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of light distribution characteristics of illumination light emitted from an emission end when both ON light and OFF light are incident on a light guide element from a mirror array device. It is a front view of a mirror array device. It is a figure explaining the control example of the micro mirror of the mirror array device when controlling the ratio of ON light and OFF light to 80:20.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating a light distribution characteristic of illumination light emitted from the emission end of the light guide element in the control of FIG. 6A.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of controlling a micromirror of a mirror array device when controlling the ratio of on-light to off-light to 30:70.
  • FIG. 7B is a diagram showing a light distribution characteristic of illumination light emitted from the emission end of the light guide element in the control of FIG. 7A.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of controlling a micromirror of a mirror array device when controlling the ratio of on-light to off-light to 15:85.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a light distribution characteristic of illumination light emitted from the emission end of the light guide element in the control of FIG. 8A.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another control example of the micro mirror of the mirror array device.
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram of a modification of the lighting device in FIG. 1.
  • an endoscope system 100 includes a long scope 2 and a light source device 3 connected to a base end of the scope 2.
  • the endoscope system 100 includes an imaging unit 4 that images the subject S, an illumination device 1 that illuminates the field of view of the imaging unit 4, and a control unit 5 that controls the illumination device 1.
  • the imaging unit 4 includes an imaging lens 4a and an image sensor 4b.
  • the imaging lens 4a is arranged on the distal end surface of the scope 2 and forms an image of light from the subject S.
  • the image sensor 4b is arranged in the scope 2, captures an image of the subject S formed by the imaging lens 4a, and generates an image.
  • the image of the subject S is transmitted from the image sensor 4b to the control unit 5.
  • the control unit 5 displays an image on a display device (not shown).
  • the illumination device 1 includes a light source 11 that emits illumination light L, a light guide element 12 that guides the illumination light L, and an illumination end of the light guide element 12 that transmits the illumination light L from the light source 11.
  • a mirror array device (deflection element) 13 deflects toward 12a, and a lens group 14 disposed between the mirror array device 13 and the light guide element 12.
  • the light source 11, the mirror array device 13, and the lens group 14 are arranged in the light source device 3.
  • the light guide element 12 is disposed in the scope 2 along the longitudinal direction from the base end of the scope 2 to the vicinity of the distal end.
  • the light source 11 is a solid light source such as an LED (light emitting diode), for example.
  • Reference numeral 15 denotes a parabolic mirror that forms the illumination light L, which is divergent light emitted from the light source 11, into substantially parallel light.
  • the light source 11 emits the illumination light L toward the side opposite to the mirror array device 13, and the parabolic mirror 15 reflects the illumination light L toward the mirror array device 13.
  • the light guide element 12 is a long optical member that guides the illumination light L in the longitudinal direction, for example, an image guide fiber.
  • the light guide element 12 guides the illumination light L from the base end side incident end 12a to the distal end side emission end 12b, and emits the illumination light L from the emission end 12b.
  • the end face of the incident end 12 a is perpendicular to the optical axis A of the light guide element 12.
  • An illumination lens 16 is arranged on the distal end surface of the scope 2 at a position facing the emission end 12b. The illumination lens 16 diffuses the illumination light L emitted from the emission end 12b, and emits the illumination light L toward the subject S.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate the relationship between the incident angle ⁇ in of light incident on the incident end 12a and the light distribution of light emitted from the output end 12b.
  • the illumination light L travels in the light guide element 12 in the longitudinal direction while repeating reflection. Since the illumination light L is also guided in the circumferential direction in the light guide element 12, as shown in FIG. 3B, the illumination light L emitted from the emission end 12b is annular and emitted from the emission end 12b.
  • the light distribution of the illumination light L is symmetric with respect to the center (light distribution angle 0 °). Further, since the angle of the illumination light L with respect to the optical axis A of the light guide element 12 is preserved, as shown in FIG.
  • the emission angle ⁇ out of the illumination light L from the emission end 12b is determined by the It becomes equal to the incident angle ⁇ in of the light L. Therefore, the light distribution of the illumination light L emitted from the emission end 12b changes according to the incident angle ⁇ in.
  • FIG. 4 and 4B show examples of the light distribution characteristics of the illumination light L emitted from the emission end 12b.
  • the illumination light L emitted from the light source 11 has a light distribution whose brightness decreases from the center toward the periphery.
  • the light distribution of the illumination light L emitted from the emission end 12b is shown in FIG. 4A.
  • a narrow light distribution having a peak intensity at the center and a high directivity is obtained.
  • the illumination light L emitted from the emission end 12b has a broad distribution having a peak intensity in a peripheral portion as shown in FIG. 4B. It becomes light.
  • the incident angle ⁇ in is larger, the light distribution angle indicating the peak intensity is displaced in a direction away from 0 °, and the light distribution of the illumination light L is widened (that is, the diameter of the annular illumination light L in FIG. 3B is larger). ).
  • the mirror array device 13 is a DMD (registered trademark, Digital @ Micromirror @ Device) having a two-dimensional array of a plurality of micromirrors 13a, as shown in FIG. In FIG. 5, one small square indicates one micro mirror 13a.
  • the mirror array device 13 has a deflecting surface 13b that receives the illumination light L from the light source 11 and deflects the illumination light L.
  • the micro mirrors 13a are arranged on the deflection surface 13b in two directions orthogonal to each other.
  • the mirror array device 13 alternately switches the angle of each micromirror 13a between an on angle (first angle) and an off angle (second angle), so that the illumination light L at each position on the deflecting surface 13b is changed.
  • the deflection angle is selectively switched between a first deflection angle ⁇ 1 and a second deflection angle ⁇ 2. Therefore, the mirror array device 13 deflects a part (first part) of the incident illumination light L at the first deflection angle ⁇ 1 and simultaneously deflects another part (second part) of the incident illumination light L. 2 at a deflection angle ⁇ 2.
  • on-light Lon a part of the illumination light L deflected by the on-angle micromirror 13a at the first deflection angle ⁇ 1
  • off-light Loff a part of the illumination light L deflected by the off-angle micromirror 13a at the second deflection angle ⁇ 2.
  • the incident angle ⁇ in of the illumination light L incident on the incident end 12a from the mirror array device 13 via the lens group 14 is determined according to the deflection angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the illumination light L by the mirror array device 13.
  • the ON light Lon is incident on the incident end 12a through the lens group 14 substantially in parallel with the optical axis A (substantially perpendicular to the end face of the incident end 12a).
  • the OFF light Loff is incident on the incident end 12a obliquely with respect to the optical axis A via the lens group 14. Accordingly, as shown in FIG. 4C, the light distribution of the illumination light L emitted from the emission end 12b is a combination of the light distribution of FIG. 4A and the light distribution of FIG. 4B.
  • FIG. 4C the light distribution of the illumination light L emitted from the emission end 12b is a combination of the light distribution of FIG. 4A and the light distribution of FIG. 4B.
  • FIG. 4A shows a light distribution when all of the illumination light L incident on the mirror array device 13 is deflected as ON light Lon
  • FIG. 4B shows all of the illumination light L incident on the mirror array device 13 off light.
  • the light distribution when the light is deflected as Loff is shown.
  • the ON light Lon mainly illuminates the central part of the field of view of the imaging unit 4
  • the OFF light Loff mainly illuminates the peripheral part of the field of view of the imaging unit 4.
  • the mirror array device 13 can individually control the angles of the micromirrors 13a, and can arbitrarily control the ratio of the number of on-angle micromirrors 13a to the number of off-angle micromirrors 13a. Therefore, the mirror array device 13 can arbitrarily change the light amount ratio between the ON light Lon and the OFF light Loff, thereby changing the light distribution of the illumination light L emitted from the emission end 12b. .
  • the lens group 14 guides both the ON light Lon and the OFF light Loff from the mirror array device 13 to the incident end 12a.
  • the lens group 14 includes a pair of lenses.
  • the lens on the mirror array device 13 side receives both the ON light Lon and the OFF light Loff from the mirror array device 13, and the lens on the light guide element 12 directs the ON light Lon and the OFF light Loff toward the incident end 12a. Out.
  • the control unit 5 receives the image of the subject S from the imaging unit 4 and controls the mirror array device 13 based on the image. For example, the control unit 5 detects a halation and a bright spot in the image based on the pixel value.
  • Halation is a phenomenon in which a subject S near the distal end of the scope 2 is irradiated with excessively strong illumination light L, so that a part of an image becomes white.
  • the luminescent spot is a small white spot generated when specular reflection light of the illumination light L from the surface of the subject S enters the imaging unit 4.
  • the control unit 5 detects, for example, a region having a pixel value equal to or larger than a predetermined threshold value as a halation or a bright spot.
  • control unit 5 determines the number of on-angle micromirrors 13a and the number of off-angle micromirrors 13a so as to decrease the brightness of the illumination light L in the area corresponding to the detected halation or bright spot. Change the ratio of
  • the control unit 5 is, for example, a processor such as a central processing unit.
  • the control unit 5 performs the above-described detection of halation and bright spots according to an image processing program stored in a storage device (not shown), and controls the mirror array device 13 according to a control program stored in the storage device.
  • the illumination light L of the divergent light emitted from the light source 11 is formed into substantially parallel light by the parabolic mirror 15, and the mirror array device 13 turns on and off the light Lon and off.
  • the light is deflected as Loff.
  • the ON light Lon and the OFF light Loff enter the light guide element 12 from the incident end 12a via the lens group 14.
  • the illumination light L in which the ON light Lon and the OFF light Loff overlap each other is emitted from the emission end 12b of the light guide element 12, and the illumination light L is emitted from the illumination lens 16 to the subject S.
  • the illumination light L reflected on the subject S is received by the imaging lens 4a.
  • the image of the subject S formed by the imaging lens 4a is captured by the image sensor 4b, and the image of the subject S is transmitted from the image sensor 4b to the control unit 5.
  • the control unit 5 detects a halation and a bright spot in the image.
  • the control unit 5 changes the ratio of the number of the on-angle micromirrors 13a to the number of the off-angle micromirrors 13a of the mirror array device 13 to change the on-light Lon and the on-light Lon.
  • the light amount ratio to the off-light Loff is changed, thereby reducing the brightness of the illumination light L in the halation or bright spot generation area.
  • halation occurs at the peripheral portion in the image due to the irradiation of the cavity wall near the distal end of the scope 2 with the strong illumination light L.
  • the control unit 5 increases the amount of ON light Lon by increasing the number of micromirrors 13a at the ON angle, and decreases the amount of OFF light Loff by reducing the number of micromirrors 13a at the OFF angle. Thereby, the brightness of the peripheral portion in the image is reduced and the halation is suppressed, and at the same time, the brightness of the central portion in the image is increased.
  • a bright spot is generated in the image.
  • the control unit 5 decreases the number of on-angle micromirrors 13a and increases the number of off-angle micromirrors 13a.
  • the control unit 5 increases the number of on-angle micromirrors 13a and decreases the number of off-angle micromirrors 13a.
  • the illumination light L from the light source 11 is simultaneously deflected by the mirror array device 13 at two mutually different deflection angles, and the two lights Lon and Loff are incident at mutually different incident angles.
  • the light enters the end 12a.
  • the mirror array device 13 By changing the light amount ratio of these two lights Lon and Loff by the mirror array device 13, the light distribution of the illumination light L illuminating the field of view of the imaging unit 4 is dynamically adjusted during observation of the subject S.
  • the subject S can be appropriately illuminated according to the shooting conditions and the shooting target, and an image of good image quality in which halation and bright spots are suppressed can be provided.
  • all of the illumination light L incident on the mirror array device 13 from the light source 11 is simultaneously deflected by the mirror array device 13 at two deflection angles, and all the deflected lights Lon and Loff are incident via the lens group 14.
  • the light is simultaneously incident on the end 12a and is irradiated on the subject S.
  • the incident angle ⁇ in of the off-light Loff is preferably 15 ° or more.
  • the two-dimensional array of the micromirrors 13a preferably has at least 6 ⁇ 6 micromirrors 13a.
  • FIGS. 6A, 7A, and 8A show examples of control of the mirror array device 13 by the control unit 5.
  • FIG. 6A, FIG. 7A and FIG. 8A the control unit 5 divides the two-dimensional array into two regions, and controls all micromirrors 13a in one region (white region in the deflection surface 13b).
  • the micromirrors 13a in the other area may be controlled to the off angle by controlling the on angle.
  • 6A, FIG. 7A and FIG. 8 the ratios of the number of on-angle micromirrors 13a to the number of off-angle micromirrors 13a are 80:20, 30:70 and 15:85, respectively.
  • FIGS. 6B, 7B, and 8B show the light distribution of the illumination light L generated in the settings of FIGS. 6A, 7A, and 8A.
  • FIG. 9 shows another control example of the mirror array device 13 by the control unit 5.
  • a white area indicates the micromirror 13a having an on angle
  • a black area indicates the micromirror 13a having an off angle.
  • the control unit 5 may control the micro mirror 13a at an arbitrary position in the two-dimensional array to an on angle, and may control the micro mirror 13a at another position to an off angle.
  • the light distribution of the illumination light L is controlled by controlling the ratio between the number of the on-angle micromirrors 13a and the number of the off-angle micromirrors 13a. May be.
  • the lenses of the lens group 14 may be hemispherical lenses 14a having a semicircular or substantially semicircular lens surface, as shown in FIG.
  • the focal point of the hemispherical lens 14a is located at the incident end 12a, and both the ON light Lon and the OFF light Loff from the mirror array device 13 are condensed on the incident end 12a by the hemispherical lens 14a.
  • the configuration of the lens group 14 can be simplified by using the hemispherical lens 14a. Further, since each of the ON light Lon and the OFF light Loff incident on the incident end 12a is not a parallel light but a convergent light, it includes light rays having various incident angles. Therefore, the light distribution of the illumination light L emitted from the emission end 12b is wider than in the case where substantially parallel light is incident on the incidence end 12a.
  • DMD is used as the mirror array device 13.
  • a plurality of mirrors arranged one-dimensionally or two-dimensionally are provided, and the angles of the plurality of mirrors are individually set.
  • Other mirror array devices that can be controlled may be used.
  • the illumination light L from the light source 11 is simultaneously deflected by the mirror array device at three or more deflection angles, and the three illumination lights are incident on the incident end 12a at mutually different incident angles.
  • a liquid crystal device that controls the deflection angle of light by the refractive index of liquid crystal may be used as the deflecting element.
  • the control unit 5 automatically controls the light amount ratio between the on-light Lon and the off-light Loff, but instead, the user may control it.
  • the user determines the light amount ratio between the ON light Lon and the OFF light Loff based on the image of the subject S displayed on the display device, and uses an input device (not shown) connected to the control unit 5 to The light amount ratio is input to the control unit 5.
  • the control unit 5 controls the mirror array device 13 according to the light amount ratio input by the user. Thereby, the user can adjust the light distribution of the illumination light L illuminating the subject S to a desired light distribution while observing the image of the subject S.

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Abstract

照明装置(1)は、光源(11)と、導光素子(12)と、光源(11)からの照明光(L)を導光素子(12)の入射端(12a)に向かって偏向する偏向面(13b)を有し、照明光(L)を偏向角度(θ1,θ2)に応じた入射角度で入射端(12a)に入射させる偏向素子(13)とを備え、偏向素子(13)が、偏向面(13b)の各位置における照明光(L)の偏向角度を第1の偏向角度(θ1)と第2の偏向角度(θ2)との間で変更可能であり、照明光(L)を第1の偏向角度(θ1)および第2の偏向角度(θ2)で同時に偏向し、第1の偏向角度(θ1)で偏向された第1の部分(Lon)および第2の偏向角度(θ2)で偏向された第2の部分(Loff)の両方が入射端(12a)に入射する。

Description

照明装置および内視鏡システム
 本発明は、照明装置および内視鏡システムに関するものである。
 従来、照明光の配光パターンをデジタルミラーアレイデバイス(DMD、登録商標)によって制御し、照明光をライトガイドを経由して内視鏡に供給する内視鏡用の照明装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。被写体上で部分的に強い反射光が発生した場合、画像が部分的に過度に明るくなるハレーションまたは輝点が画像に発生し、被写体の観察の妨げとなる。例えば、体腔内の観察において、内視鏡の先端近傍の腔壁に強い照明光が照射されることによって、画像内の周辺部分にハレーションが発生する。被写体の表面で正反射された照明光が内視鏡の対物レンズに入射することによって、画像内に輝点が発生する。このようなハレーションおよび輝点の発生領域が弱い照明光で照明されるように照明光の配光パターンをDMDによって制御することで、ハレーションおよび輝点を抑制することができる。
特許第4588843号公報
 DMDは、多数のマイクロミラーの2次元アレイを備え、個々のマイクロミラーの角度を+10°および-10°に択一的に切り替える。+10°のマイクロミラーによって反射されたオン光は、ライトガイドに入射する。-10°のマイクロミラーによって反射されたオフ光は、ライトガイドに入射しない。すなわち、特許文献1では、光源からDMDに入射した光の一部を排除することによって配光パターンを形成している。したがって、照明光の光量に損失が生じるという不都合がある。
 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、撮影条件や撮影対象に応じて被写体を適切に照明することができ、かつ、照明光の光量の損失を防ぐことができる照明装置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。
 本発明の一態様は、光源と、入射端および出射端を有し、前記入射端に入射した照明光を導光し前記出射端から出射する導光素子と、前記光源からの前記照明光を前記導光素子の前記入射端に向かって偏向する偏向面を有し、前記照明光を偏向角度に応じた入射角度で前記入射端に入射させる、偏向素子とを備え、該偏向素子が、前記偏向面の各位置における前記照明光の偏向角度を第1の偏向角度と第2の偏向角度との間で変更可能であり、前記照明光を前記第1の偏向角度および前記第2の偏向角度で同時に偏向し、前記第1の偏向角度で偏向された前記照明光の第1の部分および前記第2の偏向角度で偏向された前記照明光の第2の部分の両方が前記入射端に入射する照明装置である。
 本態様によれば、光源から発せられた照明光は、偏向素子の偏向面によって偏向され、導光素子の入射端に入射し、導光素子の出射端から出射され、被写体を照明する。出射端からの照明光の出射角度は、入射端への照明光の入射角度に依存し、入射端への照明光の入射角度は、偏向素子による照明光の偏向角度によって制御される。したがって、偏向素子による照明光の偏向角度に応じて、被写体を照明する照明光の配光を制御することができる。
 この場合に、照明光が偏向素子によって第1の偏向角度および第2の偏向角度で同時に偏向されるので、被写体を照明する照明光の配光は2つの配光の組み合わせとなる。したがって、偏向面の各位置における照明光の偏向角度を変化させることによって様々な配光を実現することができ、撮影条件や撮影対象に応じて適切に被写体を照明することができる。また、照明光の第1の部分および第2の部分の両方が導光素子の入射端に入射し被写体を照明するので、照明光の光量の損失を防ぐことができる。
 上記態様においては、前記偏向素子が、前記第1の部分と前記第2の部分との光量比を変更可能であってもよい。
 この構成によって、照明光のより様々な配光を実現することができる。
 上記態様においては、前記偏向素子が、複数のミラーのアレイを有するミラーアレイデバイスであり、前記複数のミラーの角度を個別に変更可能であってもよい。
 光量損失の少ないミラーを偏向素子として使用することによって、光源から出射された照明光の損失をさらに防ぐことができる。
 上記態様においては、前記ミラーアレイデバイスが、複数のミラーの2次元アレイを有し、該2次元アレイにおいて、第1の方向に6個以上の前記ミラーが配列され、前記第1の方向に直交する第2の方向に6個以上の前記ミラーが配列されていてもよい。
 この構成によって、照明光の配光をより高い分解能で調整することができる。
 上記態様においては、前記ミラーアレイデバイスが、前記複数のミラーの各々の角度を第1の角度および第2の角度に択一的に切り替え、前記第1の角度のミラーの数と前記第2の角度のミラーの数とを変更可能であってもよい。
 第1の角度のミラーの数と第2の角度のミラーの数とを変更することによって、第1の部分の光量と第2の部分の光量とを変化させ、照明光の配光を変化させることができる。
 上記態様においては、前記ミラーアレイデバイスが、前記複数のミラーの各々の角度を第1の角度および第2の角度に択一的に切り替え、前記第1の角度のミラーによって偏向された前記照明光の第1の部分が、前記入射端の端面に略垂直に入射し、前記第2の角度のミラーによって偏向された前記照明光の第2の部分が、前記入射端の端面に15°以上の入射角度で入射してもよい。
 第1の角度のミラーで偏向された第1の部分の光量によって、導光素子の出射端から出射される照明光の中心部分の明るさを制御することができる。第2の角度のミラーで偏向された第2の部分によって、導光素子の出射端から出射される照明光の周辺部分の明るさを制御することができる。また、第2の部分の入射端への入射角度が15°以上であることによって、内視鏡のような広画角の視野の周辺部分を明るく照明することができる。
 本発明の他の態様は、上記いずれかに記載の照明装置と、前記導光素子の前記出射端から出射された照明光で照明されている被写体の画像を取得する撮像部とを備える内視鏡システムである。
 上記態様においては、前記被写体の画像に基づいて前記偏向素子を制御する制御部を備えていてもよい。
 この構成によって、画像の各部分の明るさが適切になるように照明光の配光を自動調整することができる。
 本発明によれば、撮影条件や撮影対象に応じて被写体を適切に照明することができ、かつ、照明光の光量の損失を防ぐ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照明装置の全体構成図である。 導光素子の入射端への照明光の入射角度と、導光素子の出射端からの照明光の出射角度との関係を説明する図である。 導光素子の出射端から出射される照明光の一例を示す図である。 ミラーアレイデバイスから導光素子にオン光のみが入射しているときの、出射端から出射される照明光の配光特性の一例を示す図である。 ミラーアレイデバイスから導光素子にオフ光のみが入射しているときの、出射端から出射される照明光の配光特性の一例を示す図である。 ミラーアレイデバイスから導光素子にオン光およびオフ光の両方が入射しているときの、出射端から出射される照明光の配光特性の一例を示す図である。 ミラーアレイデバイスの正面図である。 オン光とオフ光の比を80:20に制御するときのミラーアレイデバイスのマイクロミラーの制御例を説明する図である。 図6Aの制御において、導光素子の出射端から出射される照明光の配光特性を示す図である。 オン光とオフ光の比を30:70に制御するときの、ミラーアレイデバイスのマイクロミラーの制御例を説明する図である。 図7Aの制御において、導光素子の出射端から出射される照明光の配光特性を示す図である。 オン光とオフ光の比を15:85に制御するときの、ミラーアレイデバイスのマイクロミラーの制御例を説明する図である。 図8Aの制御において、導光素子の出射端から出射される照明光の配光特性を示す図である。 ミラーアレイデバイスのマイクロミラーの他の制御例を説明する図である。 図1の照明装置の変形例の全体構成図である。
 以下に、本発明の一実施形態に係る照明装置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とを備えている。また、内視鏡システム100は、被写体Sを撮像する撮像部4と、撮像部4の視野を照明する照明装置1と、照明装置1を制御する制御部5とを備えている。
 撮像部4は、撮像レンズ4aと、イメージセンサ4bとを備えている。撮像レンズ4aは、スコープ2の先端面に配置され、被写体Sからの光を結像する。イメージセンサ4bは、スコープ2内に配置され、撮像レンズ4aによって形成された被写体Sの像を撮像し、画像を生成する。被写体Sの画像は、イメージセンサ4bから制御部5に送信される。制御部5は、図示しない表示装置に画像を表示させる。
 照明装置1は、図2に示されるように、照明光Lを発する光源11と、照明光Lを導光する導光素子12と、光源11からの照明光Lを導光素子12の入射端12aに向かって偏向するミラーアレイデバイス(偏向素子)13と、ミラーアレイデバイス13と導光素子12との間に配置されたレンズ群14とを備えている。
 光源11、ミラーアレイデバイス13およびレンズ群14は、光源装置3内に配置されている。導光素子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。
 光源11は、例えば、LED(発光ダイオード)のような固体光源である。符号15は、光源11から発せられた発散光である照明光Lを略平行光に形成する放物面ミラーである。光源11は、ミラーアレイデバイス13とは反対側に向かって照明光Lを出射し、放物面ミラー15は、ミラーアレイデバイス13に向かって照明光Lを反射する。
 導光素子12は、照明光Lを長手方向に導光する長尺の光学部材、例えばイメージガイドファイバである。導光素子12は、基端側の入射端12aから先端側の出射端12bまで照明光Lを導光し、出射端12bから照明光Lを出射する。入射端12aの端面は、導光素子12の光軸Aに垂直である。スコープ2の先端面には、出射端12bと対向する位置に照明レンズ16が配置されている。照明レンズ16は、出射端12bから出射された照明光Lを拡散させ、照明光Lを被写体Sに向かって出射する。
 図3Aおよび図3Bは、入射端12aに入射する光の入射角度θinと、出射端12bから出射される光の配光との関係を説明している。図3Aに示されるように、照明光Lは、反射を繰り返しながら導光素子12内を長手方向に進む。導光素子12内において、照明光Lは周方向にも導光されるので、図3Bに示されるように、出射端12bから出射される照明光Lは輪帯状であり、出射端12bから出射される照明光Lの配光は中心(配光角度0°)に対して対称である。さらに、導光素子12の光軸Aに対する照明光Lの角度は保存されるので、図3Aに示されるように、出射端12bからの照明光Lの出射角度θoutは、入射端12aへの照明光Lの入射角度θinと等しくなる。したがって、出射端12bから出射される照明光Lの配光は、入射角度θinに応じて変化する。
 図4および図4Bは、出射端12bから出射される照明光Lの配光特性の例を示している。
 光源11が発する照明光Lは、中心から周辺に向かって明るさが低下する配光を有する。照明光Lが、光軸Aに対して平行に(すなわち、入射角度θin=0°で)入射端12aに入射した場合、出射端12bから出射される照明光Lの配光は、図4Aに示されるように、光源11が発する照明光Lの配光と同様に、中心にピーク強度を有し指向性の高い狭配光となる。照明光Lが、光軸Aに対して斜めに入射端12aに入射した場合、出射端12bから出射される照明光Lは、図4Bに示されるように、周辺部分にピーク強度を有する広配光となる。入射角度θinが大きい程、ピーク強度を示す配光角度は0°から離間する方向に変位し、照明光Lの配光は広がる(すなわち、図3Bの輪帯状の照明光Lの径が大きくなる)。
 ミラーアレイデバイス13は、図5に示されるように、複数のマイクロミラー13aの2次元アレイを有するDMD(登録商標、Digital Micromirror Device)である。図5において、1個の小さい四角が1個のマイクロミラー13aを示している。ミラーアレイデバイス13は、光源11からの照明光Lが入射し照明光Lを偏向する偏向面13bを有している。マイクロミラー13aは、偏向面13b上に、相互に直交する2方向に配列されている。
 ミラーアレイデバイス13は、各マイクロミラー13aの角度をオン角度(第1の角度)およびオフ角度(第2の角度)に択一的に切り替えることによって、偏向面13bの各位置における照明光Lの偏向角度を第1の偏向角度θ1および第2の偏向角度θ2に択一的に切り替える。したがって、ミラーアレイデバイス13は、入射した照明光Lの一部(第1の部分)を第1の偏向角度θ1で偏向すると同時に、入射した照明光Lの他部(第2の部分)を第2の偏向角度θ2で偏向する。以下、オン角度のマイクロミラー13aによって第1の偏向角度θ1で偏向された照明光Lの一部をオン光Lonと言い、オフ角度のマイクロミラー13aによって第2の偏向角度θ2で偏向された照明光Lの他部をオフ光Loffと言う。
 ミラーアレイデバイス13からレンズ群14を経由して入射端12aに入射する照明光Lの入射角度θinは、ミラーアレイデバイス13による照明光Lの偏向角度θ1,θ2に応じて決まる。オン光Lonは、レンズ群14を経由して、光軸Aに略平行に(入射端12aの端面に略垂直に)入射端12aに入射する。オフ光Loffは、レンズ群14を経由して、光軸Aに対して斜めに入射端12aに入射する。したがって、出射端12bから出射される照明光Lの配光は、図4Cに示されるように、図4Aの配光と図4Bの配光との組み合わせになる。図4Aは、ミラーアレイデバイス13に入射した照明光Lの全てがオン光Lonとして偏向された場合の配光を示し、図4Bは、ミラーアレイデバイス13に入射した照明光Lの全てがオフ光Loffとして偏向された場合の配光を示している。オン光Lonが、撮像部4の視野の中心部分を主に照明し、オフ光Loffが撮像部4の視野の周辺部分を主に照明する。
 ミラーアレイデバイス13は、マイクロミラー13aの角度を個別に制御することができ、オン角度のマイクロミラー13aの数とオフ角度のマイクロミラー13aの数との比を任意に制御することができる。したがって、ミラーアレイデバイス13は、オン光Lonとオフ光Loffとの光量比を任意に変更することができ、それにより、出射端12bから出射される照明光Lの配光を変化させることができる。
 レンズ群14は、ミラーアレイデバイス13からのオン光Lonおよびオフ光Loffの両方を入射端12aに導く。参照する図面では、レンズ群14は、一対のレンズを備える。ミラーアレイデバイス13側のレンズは、ミラーアレイデバイス13からのオン光Lonおよびオフ光Loffの両方を受光し、導光素子12側のレンズは、オン光Lonおよびオフ光Loffを入射端12aに向かって出射する。
 制御部5は、撮像部4から被写体Sの画像を受信し、画像に基づいてミラーアレイデバイス13を制御する。
 例えば、制御部5は、画素値に基づいて画像内のハレーションおよび輝点を検出する。ハレーションは、スコープ2の先端近傍の被写体Sに過度に強い照明光Lが照射されることによって、画像の一部分が白くなる現象である。輝点は、被写体Sの表面からの照明光Lの正反射光が撮像部4に入射することによって生じる小さな白いスポットである。制御部5は、例えば、所定の閾値以上の画素値を有する領域をハレーションまたは輝点として検出する。次に、制御部5は、検出されたハレーションまたは輝点に対応する領域の照明光Lの明るさを低下させるように、オン角度のマイクロミラー13aの数とオフ角度のマイクロミラー13aの数との比を変化させる。
 制御部5は、例えば、中央演算処理装置のようなプロセッサである。制御部5は、記憶装置(図示略)に記憶された画像処理プログラムに従って上記のハレーションおよび輝点の検出を実行し、記憶装置に記憶された制御プログラムに従ってミラーアレイデバイス13を制御する。
 次に、このように構成された照明装置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、放物面ミラー15によって略平行光に形成され、ミラーアレイデバイス13によってオン光Lonおよびオフ光Loffとして偏向される。オン光Lonおよびオフ光Loffは、レンズ群14を経由して入射端12aから導光素子12内に入射する。導光素子12の出射端12bからは、オン光Lonとオフ光Loffとが重なり合った照明光Lが出射され、照明光Lが照明レンズ16から被写体Sへ照射される。
 被写体Sにおいて反射された照明光Lは、撮像レンズ4aによって受光される。撮像レンズ4aによって形成された被写体Sの像は、イメージセンサ4bによって撮像され、被写体Sの画像がイメージセンサ4bから制御部5に送信される。
 制御部5は、画像内のハレーションおよび輝点を検出する。ハレーションまたは輝点が検出された場合、制御部5は、ミラーアレイデバイス13のオン角度のマイクロミラー13aの数とオフ角度のマイクロミラー13aの数との比を変化させることによって、オン光Lonとオフ光Loffとの光量比を変化させ、それにより、ハレーションまたは輝点の発生領域における照明光Lの明るさを低下させる。
 例えば、腸のような細長い腔内をスコープ2によって観察しているとき、スコープ2の先端近傍の腔壁に強い照明光Lが照射されることによって、画像内の周辺部分にハレーションが発生する。制御部5は、オン角度のマイクロミラー13aの数を増やすことによってオン光Lonの光量を増大させ、オフ角度のマイクロミラー13aの数を減らすことによってオフ光Loffの光量を減少させる。これにより、画像内の周辺部分の明るさが低減されハレーションが抑制されると同時に、画像内の中心部分の明るさが増大する。
 被写体Sの表面で発生した正反射光が撮像レンズ4aに入射したとき、画像内に輝点が発生する。画像内の中心部分で輝点が発生している場合、制御部5は、オン角度のマイクロミラー13aの数を減少させ、オフ角度のマイクロミラー13aの数を増大させる。画像内の周辺部分で輝点が発生している場合、制御部5は、オン角度のマイクロミラー13aの数を増大させ、オフ角度のマイクロミラー13aの数を減少させる。これにより、正反射光の発生位置における照明光Lの明るさが低減され輝点が抑制される。
 このように、本実施形態によれば、光源11からの照明光Lがミラーアレイデバイス13によって相互に異なる2つの偏向角度で同時に偏向され、2つの光Lon,Loffが相互に異なる入射角度で入射端12aに入射する。この2つの光Lon,Loffの光量比がミラーアレイデバイス13によって変更されることで、撮像部4の視野を照明する照明光Lの配光が被写体Sの観察中に動的に調整される。これにより、撮影条件や撮影対象に応じて適切に被写体Sを照明し、ハレーションおよび輝点が抑制された良好な画質の画像を提供することができるという利点がある。
 また、光源11からミラーアレイデバイス13に入射した照明光Lの全部がミラーアレイデバイス13によって同時に2つ偏向角度で偏向され、偏向された全ての光Lon,Loffがレンズ群14を経由して入射端12aに同時に入射し、被写体Sに照射される。このように、光源11が発した照明光Lを損失無く被写体Sの照明に使用することができるという利点がある。
 出射端12bから出射される照明光Lの配光は、入射端12aへのオフ光Loffの入射角度θinが大きい程、広くなる。広角の撮像レンズ4aの視野の周辺部分をオフ光Loffによって明るく照明するために、オフ光Loffの入射角度θinは、15°以上であることが好ましい。
 2次元アレイにおけるマイクロミラー13aの数が多い程、出射端12bから出射される照明光Lの配光をより高い分解能で調整することができる。したがって、マイクロミラー13aの2次元アレイは、少なくとも6個×6個のマイクロミラー13aを有することが好ましい。
 図6A、図7Aおよび図8Aは、制御部5によるミラーアレイデバイス13の制御例を示している。図6A、図7Aおよび図8Aに示されるように、制御部5は、2次元アレイを2つの領域に分割し、一方の領域(偏向面13b内の白い領域)内の全てのマイクロミラー13aをオン角度に制御し、他方の領域(偏向面13b内の黒い領域)内の全てのマイクロミラー13aをオフ角度に制御してもよい。
 図6A、図7Aおよび図8において、オン角度のマイクロミラー13aの数とオフ角度のマイクロミラー13aの数との比はそれぞれ、80:20、30:70および15:85である。図6B、図7Bおよび図8Bは、図6A、図7Aおよび図8Aの設定において生成される照明光Lの配光を示している。
 図9は、制御部5によるミラーアレイデバイス13の他の制御例を示している。図9において、白い領域がオン角度のマイクロミラー13aを示し、黒い領域がオフ角度のマイクロミラー13aを表している。制御部5は、2次元アレイの任意の位置のマイクロミラー13aをオン角度に制御し、他の位置のマイクロミラー13aをオフ角度に制御してもよい。このように、ミラーアレイデバイス13の全体のマイクロミラー13aにおいて、オン角度のマイクロミラー13aの数とオフ角度のマイクロミラー13aの数との比率を制御することにより、照明光Lの配光を制御してもよい。
 本実施形態においては、レンズ群14のレンズが、図10に示されるように、レンズ面が半円または略半円である半球レンズ14aであってもよい。
 半球レンズ14aの焦点は入射端12aに配置され、ミラーアレイデバイス13からのオン光Lonおよびオフ光Loffの両方が半球レンズ14aによって入射端12aに集光される。
 このように、半球レンズ14aを使用することによって、レンズ群14の構成を簡略にすることができる。また、入射端12aに入射するオン光Lonおよびオフ光Loffの各々は、平行光ではなく収束光であるので、様々な入射角度の光線を含む。したがって、入射端12aに略平行光が入射する場合と比較して、出射端12bから出射される照明光Lの配光が広くなる。
 本実施形態においては、ミラーアレイデバイス13としてDMDを用いることとしたが、これに代えて、1次元的または2次元的に配列された複数のミラーを備え、該複数のミラーの角度を個別に制御することができる他のミラーアレイデバイスを用いてもよい。また、光源11からの照明光Lがミラーアレイデバイスによって3つ以上の偏向角度で同時に偏向され、3つの照明光が相互に異なる入射角度で入射端12aに入射するように、構成されていてもよい。
 また、偏向素子として、ミラーアレイデバイスに代えて、液晶の屈折率によって光の偏向角度を制御する液晶デバイスを用いてもよい。
 本実施形態においては、オン光Lonとオフ光Loffの光量比を制御部5が自動制御することとしたが、これに代えて、ユーザが制御してもよい。
 例えば、ユーザは、表示装置に表示される被写体Sの画像に基づいてオン光Lonとオフ光Loffの光量比を決定し、制御部5に接続された入力デバイス(図示略)を使用して、光量比を制御部5に入力する。制御部5は、ユーザによって入力された光量比に従って、ミラーアレイデバイス13を制御する。
 これにより、ユーザは、被写体Sの画像を観察しながら、被写体Sを照明する照明光Lの配光を所望の配光に調整することができる。
1 照明装置
2 スコープ
3 光源装置
4 撮像部
5 制御部
6 照明レンズ
11 光源
12 導光素子
12a 入射端
12b 出射端
13 ミラーアレイデバイス
13a マイクロミラー(ミラー)
13b 偏向面
14 レンズ群
15 放物面ミラー
100 内視鏡システム
L 照明光
Lon オン光(照明光の第1の部分)
Loff オフ光(照明光の第2の部分)
θ1 第1の偏向角度
θ2 第2の偏向角度
θin 入射角度

Claims (8)

  1.  光源と、
     入射端および出射端を有し、前記入射端に入射した照明光を導光し前記出射端から出射する導光素子と、
     前記光源からの前記照明光を前記導光素子の前記入射端に向かって偏向する偏向面を有し、前記照明光を偏向角度に応じた入射角度で前記入射端に入射させる、偏向素子とを備え、
     該偏向素子が、前記偏向面の各位置における前記照明光の偏向角度を第1の偏向角度と第2の偏向角度との間で変更可能であり、前記照明光を前記第1の偏向角度および前記第2の偏向角度で同時に偏向し、
     前記第1の偏向角度で偏向された前記照明光の第1の部分および前記第2の偏向角度で偏向された前記照明光の第2の部分の両方が前記入射端に入射する照明装置。
  2.  前記偏向素子が、前記第1の部分と前記第2の部分との光量比を変更可能である請求項1に記載の照明装置。
  3.  前記偏向素子が、複数のミラーのアレイを有するミラーアレイデバイスであり、前記複数のミラーの角度を個別に変更可能である請求項1または請求項2に記載の照明装置。
  4.  前記ミラーアレイデバイスが、複数のミラーの2次元アレイを有し、
     該2次元アレイにおいて、第1の方向に6個以上の前記ミラーが配列され、前記第1の方向に直交する第2の方向に6個以上の前記ミラーが配列されている請求項3に記載の照明装置。
  5.  前記ミラーアレイデバイスが、前記複数のミラーの各々の角度を第1の角度および第2の角度に択一的に切り替え、
     前記第1の角度のミラーの数と前記第2の角度のミラーの数とを変更可能である請求項3または請求項4に記載の照明装置。
  6.  前記ミラーアレイデバイスが、前記複数のミラーの各々の角度を第1の角度および第2の角度に択一的に切り替え、
     前記第1の角度のミラーによって偏向された前記照明光の第1の部分が、前記入射端の端面に略垂直に入射し、
     前記第2の角度のミラーによって偏向された前記照明光の第2の部分が、前記入射端の端面に15°以上の入射角度で入射する請求項3から請求項5のいずれかに記載の照明装置。
  7.  請求項1から請求項6のいずれかに記載の照明装置と、
     前記導光素子の前記出射端から出射された照明光で照明されている被写体の画像を取得する撮像部とを備える内視鏡システム。
  8.  前記被写体の画像に基づいて前記偏向素子を制御する制御部を備える請求項7に記載の内視鏡システム。
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