JPH043855B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は干渉フイルタを用いた固体撮像素子使
用の内視鏡用光源装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、テレビジヨンカメラとか内視鏡等に固体
撮像素子を用いた撮像装置が実用化される状況に
なつている。

現行の内視鏡は、イメージガイド及びライトガ
イドと呼ばれる直径が数10ミクロン程度の光学繊
維を例えば数万本最密状に束ねたものを像伝達手
段及び照明光伝達手段として用いており、特に内
視鏡本体の先端部に設けた結像光学系による被写
体像をイメージガイドの先端面に結像し、手元操
作部側まで挿通されたイメージガイドの後端の像
を接眼光学系にて観察できるようにしてある。

これに対して、上述した固体撮像素子を用いた
内視鏡においては、観察によつて正確な診断を下
すために、カラー撮像できることが必要とされ
る。

最も一般的にカラー撮像化する手段は、色分解
光学系および複数のモノクロの固体撮像素子とを
組合わせたものと、撮像面の前に赤、緑及び青の
３原色のフイルタをモザイク状に配列した固体撮
像素子を用いたものとが知られている。

しかしながら、前者のものは、色分解光学系及
び複数枚の固体撮像素子とを内視鏡の挿入部のよ
うに細く小さな空間内に配置することが困難であ
る。又、後者のものは、各色成分に分けて受光す
るため、各色成分光に対し、固体撮像素子の素子
数の1/3ずつを割り当てなければならず、モノク
ロの画像に比べて解像度が低下してしまう。

又、各色成分で受光するための素子が同一箇所
で受光してないので、混色した際色ずれを起こし
易い。このため第７図ａに示すように、照明手段
側にフイルタを設けて３原色の各色（波長）の光
で順次照明する従来例がある。

即ち、白色に近い光源５１を凹面状の反射鏡５
２で反射して略平行光束にし、この後方に配設し
た回転（カラー）フイルタ５３でフイルタして各
色成分の光にし、その後方の集光レンズ５４側に
進行させ、該集光レンズで集光してライトガイド
５５の入射端に照明し、このライトガイド５５の
出射端から拡開させた光で被写体を照明するもの
である。

尚、上記回転フイルタ５３は円板を３つに区画
して、３つに区画された各部分に３原色の各色フ
イルタが取付けてあり、駆動用モータ５６で回転
駆動されるようになつている。しかして、３原色
の各色の照明のもとでそれぞれ撮像した像の電気
信号を色信号としてカラー表示するものである。

上記従来例は、回転フイルタ５３に、吸収フイ
ルタとか、熱い強い干渉フイルタを用いることが
できるが、形状が大きくなるので、機械的に大き
な強度のものが要求され、且つ駆動用モータ６も
大型のものが要求され、コスト高になると共に、
全体の形状が嵩ばり、重量も増す。

一方、第７図ｂに示すように回転フイルタ５３
を集光レンズ５４と、ライトガイド５５の入射端
との間の光束の拡がり面積の小さい部分に挿入す
ることによつて、光が照明される面積を小さく、
回転フイルタ５３として形状（面積）の小さいも
ので使用できるようにすると共に、駆動用モータ
５６も小さなトルクのもので駆動できるようにす
ることができる。

しかしながら、この場合、回転フイルタ５３に
吸収フイルタを用いると耐熱性が低いため使用で
きなくなる虞れがある。又、耐熱性に優れた干渉
フイルタを用いると、該フイルタへの入射角が大
きくなるため、透過波長が全体的に短波長側にず
れてしまう。従つて、色再現性が劣化し、被写体
を忠実にカラー表示できなくなり、診断する際非
常に大きな障害になる。例えば、実開昭57−
40408号公報で開示されている従来例も同様な欠
点を有する。

［発明の目的］ 本発明は上述した点にかんがみてなされたもの
で、低コストで実現でき、且つ良好な色再現性を
可能とする固体撮像素子使用の内視鏡用光源装置
を提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明は回転フイルタへ入射される光束の入射
角を小さく、且つその光束の拡がり面積を小さく
する光学系を設けると共に、回転フイルタを干渉
フイルタを用いて構成することによつて、色再現
性の良い照明手段を実現している。

［発明の実施例］ 以下図面を参照して本発明を具体的に説明す
る。

第１図及び第２図は本発明の第１実施例に係
り、第１図は第１実施例の光源装置を設けた内視
鏡を示し、第２図は第１実施例における回転（カ
ラー）フイルタを示す。

第１実施例を備えた内視鏡１は、細径の挿入部
２の先端側に結像用の対物レンズ３が配設され、
該対物レンズ３の結像位置にその撮像面が臨むよ
うにCCD（電荷結合素子）等の固体撮像素子４が
配設されている。この固体撮像素子４の撮像面に
は光電変換機能を有する各受光素子が多数、規則
正しく配列されている。しかして、各受光素子で
画素に分解して受光し、光電変換された画素に対
応する電気信号は、図示しないクロツク信号によ
つて順次読み出され、この読み出された信号は低
雑音指数の前置増幅器（プリアンプ）５で増幅さ
れ、信号ケーブル６を経てビデオプロセス部７に
取り込まれるようになつている。このビデオプロ
セス部７は取り込まれた信号をＡ／Ｄ変換し、後
述する色面順次照明による各色の画像をマルチプ
レクサで切換えて、それぞれ専用のフレームメモ
リに書き込むようになつている。書き込まれた信
号（データ）は読み出しモードの際同時に読み出
され、Ｄ／Ａ変換器でアンログ量の色信号Ｒ，
Ｇ，Ｂにされ、さらに増幅されて後、図示しない
水平及び垂直同期信号が付加されてモニタ用カラ
ーテレビジヨン８に入力され、カラー画像として
表示可能とする撮像手段が構成されている。

上記挿入部２内には、対物レンズ３と隣接する
ように配光レンズ９が配設され、該配光レンズ９
内側にその出射端が臨むようにしてライトガイド
１０が挿通されている。

上記ライトガイド１０の入射端となる手元側後
端は第１実施例の光源装置１１に着脱自在で装着
できるようになつている。

上記光源装置１１内では、光源ランプ１２の照
明光が凹面状（放物面状）の反射鏡１３で反射さ
れて殆んど平行光束にされ、この平行光束にされ
た照明光は集光用の第１の凸レンズ系１４で集光
されて径の小さい凹レンズ系１５に入射され、こ
の凹レンズ系１５によつて殆んど平行光束にされ
る。この平行光束は回転フイルタ１６を透過し、
さらに集光用の第２の凸レンズ系１７で再び集光
されて、この焦点位置近傍にその端面が配設され
たライトガイド１０に照明されるようになつてい
る。尚、上記回転フイルタ１６は凹レンズ系１５
と凸レンズ系１７との間の光路上で、例えば凸レ
ンズ系１７の瞳位置に配設されている。このライ
トガイド１０の後端面に、最大入射角度が所定角
度にして照射された照明光は、ライトガイド１０
を形成する各光フアイバのコア部とその外周のク
ラツド層との境界面で全反射されながら伝送さ
れ、ライトガイド１０の先端面から直接あるいは
配光レンズ９でさらに拡散されて対象物（被写
体）側に照明され、この拡開して出射される照明
光によつて、対物レンズ３で結像可能となる範囲
を略均一に照明できるようになつている。

上記回転フイルタ１６は、第２図に示すように
赤、緑、青の各波長の光のみを透過する赤透過フ
イルタ１６Ｒ、緑透過フイルタ１６Ｇ、青透過フ
イルタ１６Ｂが120゜の扇状に形成されており、回
転駆動手段としてのモータ１８によつて回転駆動
されるようになつている。

尚、上記モータ１８は、モータ駆動回路１９か
ら供給される電力で駆動されるようになつてい
る。このモータ１８は例えば入力されるパルスに
よつて、所定角度ずつ回転するパルスモータが用
いられ、各色フイルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂが
凹レンズ１５及び凸レンズ１７の間の光路上にあ
る場合には短い所定時間、（パルス）モータ１７
に駆動用パルスが供給されないで、所定時間たつ
と駆動パルが供給されて、速やかに次の色フイル
タが凹レンズ１５と凸レンズ１７の間の光路上に
あるようにしてある。このようにして、３原色の
各透過フイルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを通して
被写体を各色で順次照明する色面順次照明手段が
形成されている。

上記モータ駆動回路１９の駆動用パルスは、ビ
デオプロセス部７側から供給される制御信号に基
づいて出力されるようになつている。

上記回転フイルタ１６を形成する各透過フイル
タ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂとして、例えばガラス
基板の表面に、真空蒸着等によつて、誘電体の透
明薄膜を、使用目的に応じて多層に積み重ね、こ
れら薄膜による光の干渉を利用して特定の波長の
光のみを透過させることのできる干渉フイルタ
（蒸着膜フイルタ）を用いている。この干渉フイ
ルタは耐熱性が良好であるので、上記第１実施例
のように集光した平行光束部分のように光のエネ
ルギー密度の高い部分にも使用できる。

ところで第１実施例においては被写体が近すぎ
て照明強度が大きすぎたり、被写体に反射強度が
大きいハイライト部分等が存在する場合等、照明
強度が大き（強）すぎて、ブルーミングが生じた
り、全体的に白つぽくなつて、コントラストが十
分現われなくなつてしまつたりすること等を防止
するために自動調光手段が設けられている。

即ち、ビデオプロセス部７から出力される色信
号Ｒ，Ｇ，Ｂを加算器２１で加算して輝度信号成
分を形成し、この輝度信号成分を１フレーム期間
程度の時定数を有する積分回路２２で積分して調
光信号として、光源ランプ１２の光源駆動電源２
３の制御端に印加して、光源ランプ１２の発光強
度（つまりライトガイド１０の先端面から出射さ
れる照明強度）を調整している。

上記光源駆動電源２３は制御端に印加されるバ
イアスレベルが大きくなるにつれて、その出力電
流あるいは出力電圧が小さく可変制御される電力
増幅回路等を用いて構成することができる。

このように構成された第１実施例の動作を以下
に説明する。内視鏡１の挿入部２先端側を患部等
の被写体に近づけたり、あるいは全体的特徴を把
握するために遠ざけたりした場合、その距離に応
じて、照明された被写体から入射される光量が変
化し、従つて最適となる照明強度が変化する。こ
の状態で固体撮像素子４から出力される各画素に
対応する信号はビデオプロセス部７で取り込ま
れ、各色で１フレーム分ごとにそれぞの各フレー
ムメモリに書き込まれる。しかして３種類の色で
の照明及び撮像がなされると、各色フレームメモ
リのデータは同時に読み出され、Ｄ／Ａ変換され
て色信号Ｒ，Ｇ，Ｂにされ（さらに増幅されて）、
カラーテレビジヨン８にカラー画像として表示さ
れると共に、自動調光手段を形成する加算器２１
に入力される。

この加算器２１で輝度信号にされ、さらに積分
回路２２を径て調光信号にされ、この調光信号の
レベルによつて、光源駆動電源２３の出力を制御
している。つまり、照明強度が大きすぎて、調光
信号のレベルが大きいと、光源駆動電源２３の出
力は小さくされ、逆に照明強度が小さすぎると、
調光信号のレベルが小さくなり、この調光信号に
よつて次の（カラーの）１フレーム期間（各色フ
レームについては３フレーム分の期間）光源ラン
プ１２の発光強度は適正な値に制御される。従つ
て、術者は照明強度を調整する手間が省け、診断
あるいは治療処置に専念でき、非常に便利であ
る。

又、第１実施例においては、第１の凸レンズ系
１４で集光し、凹レンズ系１５で面積の小さい平
行光束にして、耐熱性を有する干渉フイルタで形
成した回転フイルタ１６を通過させることにより
色面順次照明手段を形成しているので、従来例に
おける照明光のスペクトルが不十分になることを
防止できる。回転フイルタ１６として小さい形状
のものを用いることができると共に、該回転フイ
ルタ１６を回転駆動するトルクも小さくて済み、
小さなトルクのモータ１７で十分駆動できる。従
つて、光源装置１１を小型化でき、低コスト化す
ることもできる。又、色面順次照明方式であるの
で、解像度が低下することなく、微細な部位まで
鮮明に撮像及びカラー表示でき、診断する場合に
非常に役立つ。

第３図は本発明の第２実施例を備えた内視鏡３
１を示す。

この内視鏡３１における第２実施例の光源装置
３２は、上記第１実施例における凹レンズ系１５
を用いないで、凸レンズ系３３を用いている。

即ち、反射鏡１３で反射された平行光束を第１
の凸レンズ系１４で集光し、その焦点距離で一度
１点に集光し、その後再び拡開する光路の途中
に、凸レンズ系３３を配設し、この凸レンズ系３
３で略平行光束にしている。つまり１点に集光し
た位置からの距離がその焦点距離となる光軸上に
凸レンズ系３３を配設し、この凸レンズ系３３と
第２の集光用凸レンズ系１７との間には、第１実
施例と同様に回転フイルタ１６が配設してある。

一方、自動調光手段には、色補正手段が設けて
ある。即ち、積分回路２２の出力端は色補正用半
固定増幅器３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂの各入力端に
接続され、各半固定増幅器３４Ｒ，３４Ｇ，３４
Ｂの出力端はマルチプレクサ３５を介して光源駆
動電源２３の制御端に接続されている。

上記マルチプレクサ３５は、回転フイルタ１６
と同期して制御されるようになつており、各色透
過フイルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを通して照明
するのに同期して、マルチプレクサ３５は半固定
増幅器３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂと光源駆動電源２
３とを順次導通するようにしてある。

上記半固定増幅器３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂは光
源ランプ１２による照明光のスペクトル強度分布
とか、ライトガイド１０の波長に対する伝達特性
とか、固体撮像素子４の感光特性等を補正するた
めのものである。

その他は上記第１実施例と同様である。

この第２実施例の作用効果は上記第１実施例と
略同様であるが、さらに色補正手段を形成してあ
るので、各色ごとに色補正して自動調光できる。
従つて、より忠実な色調で撮像及びカラー表示で
きる。

第４図は第２実施例の変形例を示す。

この変形例では、第１の集光用の凸レンズ系１
４の焦点位置に絞り３６を設けて、平行光束にす
るための凸レンズ系３３で平行光束にならない有
害光を除去している。つまり、第１の凸レンズ系
１４は径が大きいので、収差の少い光学系にする
ことが難しくなり、収差の少いレンズ系にするた
めにはコストが嵩む。又、反射鏡１３についても
完全に平行光束にすることはコストが嵩むし、光
源ランプ１２の大きさも制約される。これらのこ
とから第１の凸レンズ系１４を経た光は、その焦
点位置で必ずしも１点に集光されないので、それ
ら１点から比較的ずれる光を絞り36で除去して、
平行光束にするための凸レンズ系３３に入射させ
ている。

この凸レンズ系３３は径が小さいので比較的収
差の小さいものが低コストで実現でき、この凸レ
ンズ系３３を通つたものは殆んど平行光束にされ
る。従つて、回転フイルタ１６に干渉フイルタを
用いても、入射角が殆んど0゜であり、通過波長が
正規のものからずれることを防止でき、色再現性
のよい照明手段を構成できるようになつている。

第５図は本発明の第３実施例の光源装置におけ
る光学系を示す。

この光源装置の光学系においては、集光用の第
１の凸レンズ系１４としては焦点距離の長いもの
が用いてあり、途中で絞り３６で有害光を除去
し、この凸レンズ系１４の焦点位置近傍に回転フ
イルタ１６が配設されている。

上記焦点距離の長い凸レンズ系１４によつて、
回転フイルタ１６に入射される入射角の最大角度
を波長シフトが十分小さくなるような範囲、例え
ば最大入射角度が15゜以内に設定されており、こ
の角度以内に設定することによつて、中心波長の
シフトが殆んどずれないようにしてある（例えば
入射角が0゜のときのフイルタされた各波長の中央
値を１とすると、15度のときは１から0.99にずれ
るにすぎない。）。

上記回転フイルタ１６を通した後、凹レンズ系
４１で光束を拡開し、さらに集光用の凸レンズ系
１７で集光してライトガイド１０の端面に大きな
入射角となるように照射して、このライトガイド
１０の出射端から照明光を拡開して出射できるよ
うにしてある。

上記第３実施例は、前述の第１実施例等と略同
様の作用効果を有する。

尚、凸レンズ系１４として、焦点距離の大きい
（長い）ものを用いることにより、曲率を小さく
できるので、収差も小さくできる。又、回転フイ
ルタ１６は焦点位置又はその近傍に設けることに
よつて、非常に小さな（面積の）干渉フイルタを
用いることができる。

第６図は、本発明の第４実施例を示す。

この実施例は、第５図に示す光学系において、
集光用凸レンズ系１４の焦点距離を小さくして光
束を大きく集光し、且つ凹レンズ系４２を設けて
この凹レンズ系４２で集光した光束を若干拡開さ
せることによつて、回転フイルタ１６への入射角
度の最大角度が上記第３実施例のように十分小さ
くなるようにしてある。このように凸レンズ系１
４で集光した光束を（絞り36を介して）直接回転
フイルタ１６を入射させないで凹レンズ系４２を
介装することによつて、光源装置の光学系の長さ
あるいは外形を小さくできる。

ところで、この実施例においては、積分回路２
２を通した信号はコンパレータ４３の非反転入力
端側に印加され、一方他方の入力端には基準電圧
Vsが印加されている。

従つて、積分回路２２を経た調光信号がある基
準電圧Vsを越えると、コンパレータ４３の出力
は反転又はハイレベルとなり、光源駆動電源２３
の駆動電流又は電圧が零になり、光源ランプ１２
が消灯されるようになつている。

つまりこの実施例では、点灯時での照明強度は
一定であるが、照明時間を制御して照明量を適切
なものにしている。

この実施例は、（光源）ランプ１２のように供
給される電流等の変化で発光スペクトル強度が変
化し易い場合に適する。

尚、光源ランプ１２の代りに高輝度の発光ダイ
オード等を用いることもできる。

尚、本発明の各実施例を部分的に組合わせたも
のも本発明に属する。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、ライトガイ
ドに集光照射する凸レンズ系の他に、２組のレン
ズ系を設けて光束の拡がり面積を小さくし、且つ
略平行光束に近い状態に設定した位置に耐熱性の
良好な干渉フイルタ用いて色面順次方式の照明手
段を形成したので、干渉フイルタを通した光の波
長のシフトも殆んどなく、良好なカラー撮像用の
照明手段を実現できる。従つて内視鏡に用いた場
合、患部等を色再現性が良い状態でカラー撮像及
びカラー表示でき、診断する場合非常に有効なも
のとなる。

又、自動調光手段を設けてあるので、術者は調
整することなく、常に適切なコントラストのカラ
ー画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例に係
り、第１図は第１実施例を設けた内視鏡の構成を
示す説明図、第２図は回転フイルタを示す正面
図、第３図は本発明の第２実施例を設けた内視鏡
を示す説明図、第４図は本発明の第２実施例の変
形例を示す説明図、第５図は本発明の第３実施例
の光学系を示す説明図、第６図は本発明の第４実
施例を示す説明図、第７図は従来例の光学系を示
す説明図である。 １，３１……内視鏡、２……挿入部、３……対
物レンズ、４……固体撮像素子、７……ビデオプ
ロセス部、８……カラーテレビジヨン、１０……
ライトガイド、１１，３２……光源装置、１２…
…光源ランプ、１３……反射鏡、１４……凸レン
ズ系、１５……凹レンズ系、１６……回転フイル
タ、１７……凸レンズ系、１８……駆動用モー
タ、１９……モータ駆動回路、２１……加算器、
２２……積分回路、２３……光源駆動電源、３３
……凸レンズ系、３６……絞り、４１……凹レン
ズ系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体撮像素子を使用した内視鏡におけるカラ
   ー撮像をするため、光源ランプの光を集光レンズ
   で集光してライトガイドの入射側の端面に照射す
   る光路上に、互いに異なる各波長の光をそれぞれ
   通す色透過フイルタを設けて形成した回転カラー
   フイルタを配設し、この回転カラーフイルタを回
   転駆動することによつて各波長の光で順次照明す
   る光源装置において、 上記光源ランプと集光レンズ系の途中の光路
   に、広がり面積を小さくし、かつ、その部分の光
   束を略平行光束ないしは広がりの小さい光束に設
   定する偏光手段を設け、この偏光手段と集光レン
   ズとの間の光路上に回転カラーフイルタを配設す
   ることを特徴とする固体撮像素子使用の内視鏡用
   光源装置。 ２ 上記偏光手段は、凹レンズ系と凸レンズ系か
   ら成る２組のレンズ系又は２組の凸レンズ系から
   成る２組のレンズ系で形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子使用の
   内視鏡用光源装置。 ３ 前記２組のレンズ系は、凸レンズ系で略１点
   に集光した場合には、その焦点位置近傍に絞りを
   配設したことを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載の固体撮像素子使用の内視鏡用光源装置。