JP2017221658A

JP2017221658A - 硬性内視鏡システム

Info

Publication number: JP2017221658A
Application number: JP2017113237A
Authority: JP
Inventors: 晃史大石; Akinori Oishi; 秀紀天花寺; Hidenori Tenkaji
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2017-12-21

Abstract

【課題】管体の外径を抑制しつつ高解像の観察像を取得できる硬性内視鏡システムを提供する。【解決手段】直線状の管体１１０と、管体１１０の一端側に設けられた対物レンズ１５１と、管体の一端側とは反対の他端側に設けられた接眼レンズ１５２と、管体１１０の、接眼レンズ１５２より更に他端側に設けられた結像レンズ１５３と、結像レンズ１５３によって結像される像を光電変換する撮像素子１２１と、照明光を投射する照明素子１４１と、結像レンズ１５３と撮像素子１２１の間に設けられ、結像レンズ１５３から出射される少なくとも一部の光束を撮像素子側へ導くと共に、照明素子１４１から出射される少なくとも一部の照明光を結像レンズ側へ導く分割光学素子１３１とを備え、対物レンズ１５１、接眼レンズ１５２および結像レンズ１５３を含む光学系の入射瞳径が、管体１１０の外径の６０％以上である硬性内視鏡システム１００。【選択図】図１

Description

本発明は、硬性内視鏡システムに関する。

可撓性のない挿入部を有する硬性内視鏡が知られている。硬性内視鏡は、挿入部の先端
に配置された対物光学系により形成される観察像を、リレー光学系によって基端側に伝達
する。観察対象は、例えば被検者の体内組織であるので、硬性内視鏡は、多くの場合にお
いて、観察対象を照射する照射部を有する。照射部は、例えば、光源と接続した光ファイ
バーを基端部から先端部まで挿通して、先端部から観察対象を照射する構成を有する（例
えば、特許文献１）。

特開平９−１７３２８２号公報

硬性内視鏡は、被検者の体内に挿通されて用いられることもあり、管体の外径は小さい
ほど好ましい。しかし、管体の内部に光ファイバーを挿通すると、光学系として利用でき
る径が小さくなってしまう。近年、硬性内視鏡は、観察像を撮像素子で光電変換してディ
スプレイで観察する硬性内視鏡システムとして利用されつつあるが、光学系の瞳径が小さ
くシステム全体として、観察像の解像度が十分得られないという問題があった。もしくは
、管体と撮像光学系の隙間からファイバーによって外から光を導く方法では解像度を得る
ために瞳径を大きくするとファイバー部分の面積が十分に確保できず、光量が不足してし
まう問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、管体の外径を抑制し
つつ高解像の観察像を取得できる硬性内視鏡システムを提供するものである。

本発明の第１の態様における硬性内視鏡システムは、直線状の管体と、管体の一端側に
設けられた対物レンズと、管体の一端側とは反対の他端側に設けられた接眼レンズと、管
体の、接眼レンズより更に他端側に設けられた結像レンズと、結像レンズによって結像さ
れる像を光電変換する撮像素子と、照明光を投射する照明素子と、結像レンズと撮像素子
の間に設けられ、結像レンズから出射される少なくとも一部の光束を撮像素子側へ導くと
共に、照明素子から出射される少なくとも一部の照明光を結像レンズ側へ導く分割光学素
子とを備え、対物レンズ、接眼レンズおよび結像レンズを含む光学系の入射瞳径が、管体
の外径の６０％以上である。

本発明の第２の態様における硬性内視鏡システムは、直線状の管体と、管体の一端側に
設けられた対物レンズと、管体の一端側とは反対の他端側に設けられた接眼レンズと、管
体の、接眼レンズより更に他端側に設けられた結像レンズと、結像レンズによって結像さ
れる像を光電変換する撮像素子と、照明光を投射する照明素子と、対物レンズと接眼レン
ズの間に設けられ、対物レンズから出射される少なくとも一部の光束を接眼レンズ側へ導
くと共に、照明素子から出射される少なくとも一部の照明光を対物レンズ側へ導く分割光
学素子と、照明素子と分割光学素子の間に設けられ、照明光を平行光にするコリメート光
学系とを備え、対物レンズ、接眼レンズおよび結像レンズを含む光学系の入射瞳径が、管
体の外径の６０％以上である。

本発明により、管体の外径を抑制しつつ高解像の観察像を取得できる硬性内視鏡システ
ムを提供できる。

本発明の第１実施形態にかかる硬性内視鏡システムの全体概略図である。管体内部へ光学系を収容する様子を示す図である。管体外径と入射瞳径との関係を説明する図である。本発明の第２実施形態にかかる硬性内視鏡システムの部分概略図である。本発明の第３実施形態にかかる硬性内視鏡システムの部分概略図である。

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

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

管体１１０は、例えばステンレス管であり、可撓性を有しない。本実施形態においては
、管体１１０の中心軸が、光学系の光軸ＯＰと一致する。管体１１０の内部には、複数の
レンズが設置されている。具体的には、観察対象に向けられる先端側である一端から、基
端側である他端へ向かって順に、対物レンズ１５１、リレーレンズ１６１、接眼レンズ１
５２、および結像レンズ１５３が設置されている。管体１１０の他端には、撮像素子１２
１が設置されている。

対物レンズ１５１は、観察対象の観察像を形成し、リレーレンズ１６１は、対物レンズ
１５１で形成された観察像を伝達し、接眼レンズ１５２は、伝達された観察像を結像させ
る。さらに、結像レンズ１５３は、一旦結像された観察像を、撮像素子１２１の受光面の
大きさに合わせて、当該受光面上に再結像させる。

それぞれのレンズは、複数のレンズから構成されても良い。例えば、対物レンズ１５１
は、負、正、正の３枚のレンズから構成される。また、一組のリレーレンズ１６１は、
光軸方向に対象に配列された正、負、正、負、正の５枚のレンズによって構成される。特
に、３枚目の正レンズは、リレー長を確保すべく、光軸方向の長さが直径より大きいロッ
ドレンズを用いても良い。また、リレーレンズ１６１は、管体１１０の長さに応じて、複
数組設置されても良い。図１に示す本実施形態においては、３組のリレーレンズ１６１が
設置されている。

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

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

制御部２００は、例えばＣＰＵであり、回路基板２２０へ制御信号を送信することによ
り、撮像素子１２１による画像取得を開始させたり、光源１４１を点灯させたりする。ま
た、回路基板２２０から画像データを受け取り、表示画像信号に変換して表示部２１０に
表示させる。表示部２１０は、例えばＬＣＤパネルによるディスプレイであり、撮像素子
１２１で光電変換され、制御部２００で画像処理された観察対象の観察像を表示する。な
お、本実施形態においては、制御部２００および表示部２１０を含めて硬性内視鏡システ
ム１００として説明するが、硬性内視鏡システムは、制御部２００および表示部２１０の
少なくとも一方を外部機器として接続する構成であっても良い。

図２は、管体１１０の内部へ光学系を収容する様子を示す図である。単レンズとしての
各レンズは、管体１１０の内壁に遊嵌する円環状の支持環１１１に支持される。支持環１
１１は、例えば樹脂によって形成される。支持環１１１は、レンズ１９０を支持して、管
体１１０の内部で面倒れしない程度に、光軸方向の厚みを有する。

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

迷光軽減処理としては、有効径の外側に黒色塗装を施す処理であっても良い。また、す
べての単レンズに迷光軽減処理を施さなくても良い。例えば、リレーレンズ１６１を構成
する各レンズに迷光軽減処理を施しても良い。

レンズとレンズの間隔は、調整環１１６を介在させることによって調整する。調整環１
１６は、管体１１０の内壁に遊嵌する円環状のスペーサである。調整環１１６は、例えば
樹脂によって形成される。

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

また、調整環１１６は、図示する円筒状の構造でなくても良く、レンズ間隔を調整でき
る構造であれば良い。例えば、先端側と基端側でそれぞれ支持環１１１に接する２つの円
環体を、管体１１０の内壁に沿って光軸方向に延びる複数の連結棒で接続した構造体であ
っても良い。

ここで、光源から出射した照射光が管体１１０の内壁面等で反射される方が、出射光の
利用効率の観点からは好ましい。したがって、出射光の利用効率の観点からは、管体１１
０の内壁等に鏡面処理を施すことが好ましい。しかし、本実施形態においては、同一の内
部空間を観察像の伝達にも利用するので、撮像素子１２１に結像する光学像をより鮮明に
する観点を優先させる。そこで、本実施形態においては、管体１１０の内壁および調整環
１１６に、反射防止処理を施している。具体的には、反射防止処理として、梨地処理を施
したり、黒色塗装を施したり、薄膜反射防止シートを貼着したりする。

対物レンズ、接眼レンズ、結像レンズからなる硬性内視鏡システムの焦点距離トータル
ｆ（ｔ）は（式１）で定義される。

ｆ（ｔ）＝ｆ（ａ）／ｆ（ｂ）×ｆ（ｃ） …（式１）
ｆ（ｔ）：焦点距離トータル
ｆ（ａ）：対物レンズ焦点距離
ｆ（ｂ）：接眼レンズ焦点距離
ｆ（ｃ）：結像レンズ焦点距離

一方、光学系の入射瞳径をＤ（レンズ有効径）とすると、硬性内視鏡システムの総合Ｆ
値は（式２）で定義される。

Ｆ＝ｆ（ｔ）÷Ｄ …（式２）

また、回折限界ｒは（式３）で表される。

ｒ＝１．２２×Ｆ×λ …（式３）
Ｆ：総合Ｆ値
λ：可視光波長代表値：Ｇｒｅｅｎ５５０ｎｍ

焦点距離トータルｆ（ｔ）は結像の大きさを決めるので、結像の大きさが同じであれば
、焦点距離トータルｆ（ｔ）は同じ値となる。入射瞳径Ｄが管体の外径Ｓに対して約５０
％の従来技術の総合Ｆ値に対して、本発明を用いて入射瞳径Ｄを管体の外径Ｓに対して約
１００％とすると総合Ｆ値は１／２になるので、回折限界ｒは１／２になり、同じ撮像素
子サイズに対して２倍の解像度を実現できる硬性内視鏡システムが構築できる。

図３は、管体１１０の外径Ｓと入射瞳径Ｄとの関係を説明する図である。本実施形態に
おいては、照射光を導光するための光ケーブルを挿通させるスペースを必要とせず、観察
像を伝達させるレンズ有効径の内部を照射光が通過する構成としたので、管体１１０の外
径Ｓに対して各レンズの有効径を大きくすることができる。より具体的には、管体１１０
の外径をφＳとし、対物レンズ１５１、接眼レンズ１５２および結像レンズ１５３を含む
光学系の入射瞳径をφＤとすると、（φＳ＞）φＤ＞（０．６×φＳ）を達成できた。例
えば、φＳ＝１０．０ｍｍ＋αの場合は、φＤは最大１０ｍｍを確保できる。

ここで、観察対象を観察するために必要な光学系全体としての焦点距離トータルｆ（ｔ
）を２３ｍｍと設定すると、この光学系の総合Ｆ値は、Ｆ＝２３／１０＝２．３となる。
この光学系の、可視波長５５０ｎｍにおける回折限界ｒは、１．２２×０．５５×２．３
＝１．５６μｍとなる。ベイヤー配列のカラー撮像素子の画素数に対する解像度の係数は
経験的に０．８程度であり、回折限界ｒに０．８を乗じれば解像可能な画素ピッチが求め
られる。上記の回折限界ｒに０．８を乗じて画素ピッチを計算すると１．５６×０．８＝
１．２５μｍとなる。すなわち、ベイヤー配列を採用する撮像素子の場合、画素ピッチ１
．２５μｍを超えて画素数を増やしたとしても解像することはできない。

１．２５μｍ×１．２５μｍの画素サイズ（１．２５μｍの画素ピッチ）は、現時点に
おいて実用化されており、例えば１／３インチサイズのＣＭＯＳセンサで４Ｋ（約８００
万画素）の撮像素子を製作可能である。このようなＣＭＯＳセンサを撮像素子１２１とし
て利用すれば、４Ｋの解像度で観察像を表示させる硬性内視鏡システムを実現することが
できる。

１．２５μｍ画素ピッチの４Ｋ撮像素子を用いて硬性内視鏡システムを実現するために
は、回折限界ｒを１．２５μｍ以下にする必要がある。Ｇｒｅｅｎの可視光波長５５０ｎ
ｍにおける回折限界ｒを１．２５μｍ以下とするために、上述したようにベイヤー配列を
用いた場合の回折限界ｒの係数が０．８であることから、総合Ｆ値はＦ＝１．２５／１．
２２／０．５５／０．８＝２．３以下を満たす必要がある。総合Ｆ値をＦ＝２．３以下と
するためには、焦点距離トータルｆ（ｔ）が２３ｍｍである場合、入射瞳径Ｄを約１０ｍ
ｍ以上にする必要がある。

同様に、２．４μｍ画素ピッチの２Ｋ撮像素子を用いて硬性内視鏡システムを実現する
ためには、総合Ｆ値はＦ＝２．４／１．２２／０．５５／０．８＝４．５以下を満たす必
要がある。つまり、焦点距離トータルｆ（ｔ）が２３ｍｍである場合、現状の２Ｋ（約２
００万画素）の撮像に必要な入射瞳径Ｄは約５ｍｍ以上であり、４Ｋ撮像に必要な入射瞳
径１０ｍｍは、２Ｋ撮像に必要な入射瞳径５ｍｍの２倍であることがわかる。
また、硬性内視鏡はトロッカ―と呼ばれる挿入口の大きさ以下にする必要があるため、
一般的に管体の外径Ｓは１０ｍｍ＋αである。これは被検者の体内に挿通され、挿入口が
大きいほど患者の負荷が大きくなるため、今後も挿入口が大きくなる見込みはない。
すなわち２Ｋより大きい解像度が要求されるのであれば、２Ｋ撮像に必要な入射瞳径５
ｍｍよりも少なくとも１ｍｍ大きくする必要があり、つまり、入射瞳径Ｄを管体の外径Ｓ
に対して６ｍｍ／１０ｍｍ＝６０％以上にすることが、硬性内視鏡システムにおいて２Ｋ
より大きい解像度で観察像を表示させる条件となる。

次に、以上に説明した第１実施形態にかかる硬性内視鏡システム１００の変形例につい
ていくつか説明する。図４は、本発明の第２実施形態にかかる硬性内視鏡システム１０１
の部分概略図である。図示する部分以外の構成は第１実施形態にかかる硬性内視鏡システ
ム１００と同様であるので、省略する。

硬性内視鏡システム１０１は、ハーフミラー１３１がリレーレンズ１６１と接眼レンズ
１５２の間に設置されている点で、硬性内視鏡システム１００と異なる。ハーフミラー１
３１をリレーレンズ１６１と接眼レンズ１５２の間に配置する場合には、光源１４１と撮
像素子１２１とをハーフミラー１３１に対して共役の位置に配置する必要が無い。一方、
光源１４１から照射される照射光を平行光にしてハーフミラー１３１に入射させることが
好ましいので、光源１４１とハーフミラー１３１との間に、照射光をコリメートするコリ
メートレンズ１７１を設置する。

図５は、本発明の第３実施形態にかかる硬性内視鏡システム１０２の部分概略図である
。図示する部分以外の構成は第１実施形態にかかる硬性内視鏡システム１００と同様であ
るので、省略する。

硬性内視鏡システム１００は、ハーフミラー１３１を用いたので、光源１４１を出射し
た照射光の約半分が透過してしまってロスとなり、また、観察像の光束の約半分が反射さ
れて撮像素子１２１に届かなかった。そこで、硬性内視鏡システム１０２では、ハーフミ
ラー１３１の代わりに、Ｐ偏光を反射しＳ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ３２を設
置する。そして、偏光ビームスプリッタ１３２と結像レンズ１５３の間に、直交する偏光
成分に１／４波長分の位相差を生じさせる波長板１８１を設置する。さらに、偏光ビーム
スプリッタ１３２と光源１４１の間に、Ｓ偏光をＰ偏光に変換し、Ｐ偏光をＰ偏光のまま
とする偏光変換素子１８２を設置する。

このような硬性内視鏡システム１０２においては、光源１４１から出射した照射光は、
すべてＰ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１３２で反射され、観察対象により多く
到達する。また、波長板８１は、円偏光で到達する観察像をＳ偏光に変換するので、観察
像は、偏光ビームスプリッタ１３２を反射することなく透過して撮像素子１２１へ到達す
る。したがって、観察像は、より明るく撮像素子１２１の受光面に結像する。なお、Ｐ偏
光とＳ偏光の関係は逆であっても構わない。また、光源１４１の光量が十分であれば、偏
光変換素子１８２の設置を省いても構わない。

以上、第３実施形態にかかる硬性内視鏡システム１０２は、第１実施形態にかかる硬性
内視鏡システム１００をベースとして、偏光ビームスプリッタ１３２、波長板１８１、偏
光変換素子１８２を設置したが、第２実施形態にかかる硬性内視鏡システム１０１をベー
スとして、これらを設置しても良い。すなわち、図４で示したハーフミラー１３１の代わ
りに偏光ビームスプリッタ１３２を設置し、偏光ビームスプリッタ１３２とリレーレンズ
１６１（間接的には対物レンズ１５１）との間に波長板１８１を設置する。また、偏光ビ
ームスプリッタ１３２と光源１４１との間に偏光変換素子１８２を設置する。このように
配置しても、第３実施形態にかかる硬性内視鏡システム１０２と同様の効果を享受するこ
とができる。

１００、１０１、１０２硬性内視鏡システム、１１０管体、１１１支持環、１１２
前側開口絞り、１１３後側開口絞り、１１６調整環、１２１撮像素子、１３１
ハーフミラー、１３２偏光ビームスプリッタ、１４０枝管、１４１光源、１５１
対物レンズ、１５２接眼レンズ、１５３結像レンズ、１６１リレーレンズ、１７１
コリメートレンズ、１８１波長板、１８２偏光変換素子、１９０レンズ、１９１
入射瞳、２００制御部、２１０表示部、２２０回路基板

Claims

直線状の管体と、
前記管体の一端側に設けられた対物レンズと、
前記管体の前記一端側とは反対の他端側に設けられた接眼レンズと、
前記管体の、前記接眼レンズより更に前記他端側に設けられた結像レンズと、
前記結像レンズによって結像される像を光電変換する撮像素子と、
照明光を投射する照明素子と、
前記結像レンズと前記撮像素子の間に設けられ、前記結像レンズから出射される少なく
とも一部の光束を前記撮像素子側へ導くと共に、前記照明素子から出射される少なくとも
一部の照明光を前記結像レンズ側へ導く分割光学素子と
を備え、
前記対物レンズ、前記接眼レンズおよび前記結像レンズを含む光学系の入射瞳径が、前
記管体の外径の６０％以上である硬性内視鏡システム。
前記結像レンズと前記分割光学素子の間に設けられた波長板を備え、
前記分割光学素子は、前記波長板から出射された光束を前記撮像素子側へ導く偏光ビー
ムスプリッタである請求項１に記載の硬性内視鏡システム。
前記偏光ビームスプリッタと前記照明素子の間に、前記照明素子から出射される照明光
を、前記偏光ビームスプリッタが前記結像レンズ側へ導くことができる偏光光に変換する
偏光変換素子を備える請求項２に記載の硬性内視鏡システム。