JPH06235886A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 より安価で、結像光学系を小型化した撮像装
置を提供する。 【構成】 内視鏡挿入部先端の対物レンズからの画像
は、イメージガイドファイバ束８により接眼部９側に送
られ、フォーカシングレンズ１０でイメージガイドファ
イバ束８の射出端面からの光束が略平行な光束にされカ
バーガラス１１を通過しアダプタ３の瞳近傍に配設され
た光学的ローパスフィルタ１２に入射する。イメージガ
イドファイバ束８の射出端面の像は規則的に配列された
多数の微少な輝点から形成され周期的パターンを含み、
この光束は光学的ローパスフィルタ１２で分離され、第
１のレンズ群１３と第２のレンズ群１４とを通過し変倍
され第３のレンズ群１５に入射しカバーガラス１６を介
しＴＶカメラ４内の水晶フィルタ群１７，カラーモザイ
クフィルタ１８を介してＣＣＤ１９の撮像面上に結像さ
れる。このように多重像を形成して周期的パターンの高
周波成分を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周期的パターンを含む
被写体、例えば内視鏡のイメージガイドの端面像を撮像
素子を用いて撮影する撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、テレビモニタで観察する画像を撮
影する装置には、ＣＣＤ等固体撮像素子を用いた撮像光
学系が用いられている。これら撮像素子は撮像面上の光
の強度分布を、所定の周波数でサンプリングし光の強度
を電気信号に変換するものであり、それをテレビモニタ
上に再生する。

【０００３】ところで、上述のようにサンプリングをし
て像を再生する場合、サンプリング定理によりナイキス
ト限界までの周波数しか再生できず、さらに、ナイキス
ト限界付近では、モアレと呼ばれる偽解像を生じる。こ
のため、ナイキスト限界付近の周波数の像が、撮像面上
で解像しないよう光学系にローパス効果を持たせる様々
な工夫がなされており、例えば、特開平１−２８４２２
５号公報、特開平３−１１４４３１号公報に示されるよ
うに、最も一般的な光学的手段として、水晶フィルタに
よるものが挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、周期的
パターンを含む被写体、例えば、内視鏡のイメージガイ
ドの端面像を撮影する場合、擬信号が発生し易く、この
擬信号を除去するためには、複数枚、内視鏡の撮像装置
では４〜７枚程度の水晶フィルタを使う必要がある。

【０００５】ところが、上記水晶フィルタは高価なた
め、多くの水晶フィルタを使用すると、撮像装置が高価
になるとともに、撮像装置の結像光学系が大型化してし
まうといった問題がある。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、より安価で、結像光学系を小型化することのできる
撮像装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明による撮像装置は、周期的パターンを含む被写体
を離散的撮像構造を持つ撮像手段上に結像光学系を用い
て結像させることにより前記被写体を撮影する撮像装置
において、前記結像光学系の瞳近傍に、前記被写体の周
期的パターンの空間周波数又はその整数倍の空間周波数
をカットオフ周波数とする光学的ローパスフィルタを配
設したものである。

【０００８】

【作 用】上記構成において、周期的パターンを含む被
写体は、結像光学系を通過し離散的撮像構造を持つ撮像
手段上に結像させられる。ここで、上記結像光学系の瞳
近傍に配設されている光学的ローパスフィルタにより、
上記被写体の光束が分離され多重像が形成されて、上記
被写体の周期的パターンの空間周波数又はその整数倍の
空間周波数がカットオフされ、擬信号が除去される。

【０００９】上記結像光学系の光学的ローパスフィルタ
は、従来の水晶フィルタでなく実現できるので、撮像装
置を安価に、また小型にすることができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１〜図６は本発明の一実施例を示し、図１は撮
像装置の結像光学系の構成の説明図、図２は内視鏡装置
の説明図、図３は光学的ローパスフィルタの外観斜視
図、図４はカメラヘッドとアダプタとの接続部分の説明
図、図５は撮像面上の点像の説明図、図６は光学的ロー
パスフィルタの周波数特性を２次元空間周波数平面上で
示した図である。

【００１１】これらの図において、符号１は撮像装置の
一例としての内視鏡装置を示し、この内視鏡装置１は、
内視鏡２と、この内視鏡２とアダプタ３を介して接続さ
れるＴＶカメラ４と、光源装置および信号処理部等（い
ずれも図示せず）からなる本体装置５と、この本体装置
５に接続されるモニタ（図示せず）とから主に構成され
ている。

【００１２】上記内視鏡２は、可撓性の挿入部６と本体
部７とを有しており、この内視鏡挿入部６先端には、図
示しない対物レンズが設けられている。また、上記内視
鏡２には、上記対物レンズの射出面から上記内視鏡本体
部７の接眼部９に至るイメージガイドファイバ束８が内
蔵されている。上記内視鏡本体部７のイメージガイドフ
ァイバ束８の後方（アダプタ３側）には、このイメージ
ガイドファイバ束８の射出端面からの光束を略平行な光
束にするフォーカシングレンズ１０が配設されている。

【００１３】また、上記イメージガイドファイバ束８は
光学ファイバを俵積み状に多数束ねて構成したもので、
各ファイバのコアが光を発するため、このイメージガイ
ドファイバ束８の射出端面の像は、規則的に配列された
多数の微少な輝点から形成されている。

【００１４】尚、図中、符号１１は、上記内視鏡２の接
眼部９に設けられたカバーガラスである。

【００１５】また、上記内視鏡２の接眼部９と上記アダ
プタ３とを連結した状態において、上記アダプタ３内に
は、上記接眼部９側から順に、瞳位置近傍の光学的ロー
パスフィルタ１２と、第１のレンズ群１３と、第２のレ
ンズ群１４と、第３のレンズ群１５およびカバーガラス
１６とが配設されている。

【００１６】上記第１のレンズ群１３および第２のレン
ズ群１４は、光軸に沿って移動自在なレンズ群であり、
両者でズームレンズの変倍光学系を構成している。ま
た、上記第３のレンズ群１５は、上記第２のレンズ群１
４からの光束を、前記ＴＶカメラ４内に配設されている
光学的ローパス効果を有する水晶フィルタ群１７および
カラーモザイクフィルタ１８を介してＣＣＤ１９の撮像
面上に結像させるレンズ群である。

【００１７】また、上記瞳位置近傍に配設された光学的
ローパスフィルタ１２は、図３に示すように、光軸に垂
直な面が４面に形成されており、本実施例においては以
下のようなデータの光学的ローパスフィルタを用いた。

【００１８】形状は、図３のｘ座標，ｙ座標，ｚ座標に
おいて、角度単位を分とすると、 ｘ＞０，ｙ≧０の範囲では、ｚ＝ｙ×tan ２' ｘ≧０，ｙ＜０の範囲では、ｚ＝ｘ×tan ２' ｘ＜０，ｙ≦０の範囲では、ｚ＝−ｙ×tan ２' ｘ≦０，ｙ＞０の範囲では、ｚ＝−ｘ×tan ２' また材質の屈折率ｎｄは１．５１６３３、アッベ数νｄ
は６４．１である。

【００１９】さらに、図２に示すように、上記アダプタ
３には硬性鏡等、他の光学視管２０が連結可能に形成さ
れている。

【００２０】また、図４（ａ），（ｂ）に示すように、
上記アダプタ３の前記ＴＶカメラ４側の外側表面には突
起部２１が形成されており、この突起部２１を上記ＴＶ
カメラ４に形成されている溝部２２に挿入し、上記アダ
プタ３に回転可能に掛止されている回転リング２３を、
上記ＴＶカメラ４の先端側（アダプタ３側）に螺設され
ているねじ部２４に螺入することにより、上記ＴＶカメ
ラ４と連結する際の上記アダプタ３の回転方向の位置決
めができるようになっている。

【００２１】上記構成において、内視鏡挿入部６先端に
配設されている対物レンズ（図示せず）からの画像は、
イメージガイドファイバ束８により内視鏡本体部７の接
眼部９側に送られ、この接眼部９において、フォーカシ
ングレンズ１０によって上記イメージガイドファイバ束
８の射出端面からの光束が略平行な光束にされ、接眼部
９のカバーガラス１１を通過して、アダプタ３の瞳位置
近傍に配設されている光学的ローパスフィルタ１２に入
射する。

【００２２】ここで、上記イメージガイドファイバ束８
の射出端面の像は、規則的に配列された多数の微少な輝
点から形成されて周期的パターンを含む像となってい
る。そして、この周期的パターンを含む像を形成する光
束は、上記光学的ローパスフィルタ１２により分離さ
れ、第１のレンズ群１３と第２のレンズ群１４とを通過
し、所定に変倍（ズーミング）されて、第３のレンズ群
１５に入射する。

【００２３】さらに、上記第３のレンズ群１５に入射し
た光束は、カバーガラス１６を通過し、ＴＶカメラ４内
に配設されている光学的ローパス効果を有する水晶フィ
ルタ群１７およびカラーモザイクフィルタ１８を介して
ＣＣＤ１９の撮像面上に結像させられる。

【００２４】ここで、撮像面上の点像は、図５（ａ）に
示す黒点のようになっており、点像の間隔は、ズーミン
グにより変動する。また、周波数空間でのトラップライ
ン（空間周波数レスポンスがゼロ（カットオフ）になる
位置を示す線）もズーミングにより変動し、その周波数
は、前記イメージガイドファイバ束８のサンプリング周
波数とほぼ一致している。

【００２５】尚、図５（ｂ）に示す撮像面上の点像は、
上記光学的ローパスフィルタ１２を、４５度傾けて配設
した場合の点像を示すものである。

【００２６】次に、図６は、上述の図５（ｂ）に示した
分離パターンを生ずる光学的ローパスフィルタ１２の周
波数特性を２次元空間周波数平面上で示したもので、図
において横軸はｘ方向（水平方向）の周波数、縦軸はｙ
方向（垂直方向）の周波数を表す。また、Ｐx ，Ｐy は
それぞれＣＣＤ１９のｘ方向，ｙ方向のサンプリングピ
ッチを表し、Ｐx ＝９．９μｍ，Ｐy ＝９．６μｍであ
る。

【００２７】また、六角形に並んだ黒点は被写体である
イメージガイドファイバ束８の端面の像中に含まれる周
期的パターンの空間周波数スペクトルを表わす。すなわ
ち、上記イメージガイドファイバ束８は、光学ファイバ
を俵積み状に多数束ねて構成され、各ファイバのコアが
光を発するため、このイメージガイドファイバ束８の射
出端面の像は、規則的に配列された多数の微少な輝点か
らなっている。この輝点の繰り返し周期を表す周波数ス
ペクトルが上記六角形に並んだ黒点で表されている。一
方、図中斜めに描かれた線は上記光学的ローパスフィル
タ１２のトラップラインである。

【００２８】この図６では、イメージガイドファイバ束
８の周波数スペクトル及びトラップラインが２つずつ描
かれているが、これは、本実施例が変倍光学系を備えて
いるためである。すなわち、変倍を行うと、像面上での
イメージガイドファイバ束８の輝点の大きさ及び間隔が
変化する。このことは、ＣＣＤ１９の撮像面上に投影さ
れる像中の周期的パターンの周波数が変化することを意
味している。ワイド側（最短焦点距離状態）では結像倍
率が小さく輝点は密になっているので、周期パターンの
周波数が高い。一方、テレ側（最長短焦点距離状態）に
なると倍率が大きく輝点が粗くなるため、周期パターン
の周波数は低くなる。従って、イメージガイドファイバ
束８の周波数スペクトルは、２つの点を結ぶ線上で変倍
に応じて位置が変化する。しかし、光学的ローパスフィ
ルタ１２は、変倍光学系より前方に設けられているた
め、この光学的ローパスフィルタ１２のラップ線も、変
倍とともに実線と破線との間で移動する。この結果、変
倍を行っても擬信号を除去するローパス効果は変わらな
い。尚、図中二重丸はＣＣＤ１９の前面に設けられたカ
ラーモザイクフィルタ１８の規則配列により生ずるサン
プリングポイントである。

【００２９】以上のように、イメージガイドファイバ束
８の端面像を撮影する結像光学系の瞳近傍に光学的ロー
パスフィルタ１２を設け、光束を分離して多重像を形成
することにより、周期的パターンの高周波成分を除去、
つまり、レスポンスを下げるのである。ここで、高周波
成分とは、上記イメージガイドファイバ束８のサンプリ
ングピッチに相当する周波数、または、その整数倍の周
波数である。

【００３０】このように、周期的パターンを除去するこ
とにより、撮像素子、すなわちＣＣＤ１９のサンプリン
グによる擬信号を低減することができる。例えば、結像
光束が瞳に平行に入射するとき、光学的ローパスフィル
タ１２における面の傾きと、撮像面上の点像のズレ量の
関係を示すと次式で表現される。

【００３１】 Ｐ＝ｆθ（ｎ−ｎ') ・・・（１） ここで、Ｐは撮像面上での点像のズレ量、ｆはローパス
フィルタ後方の光学系の焦点距離、θは光軸に垂直な面
とローパスフィルタ面のなす角度、ｎおよびｎ' はロー
パスフィルタ面前後の媒質の屈折率である。

【００３２】そして、ローパスフィルタ面による２点の
距離を２Ｐとし、撮像面上でのイメージガイドファイバ
束のサンプリングピッチ（被写体の周期的パターンのピ
ッチ）をＳとすれば、次の（２）式を略満足すれば、擬
信号を低減できる。

【００３３】 Ｓ＝２×２Ｐ＝４Ｐ ・・・（２） 尚、本実施例でのＰ，Ｓ，ｆ，θは、以下の値で設定し
た。 Ｐ＝６．７８μｍ（ワイド側）〜１２．８２μｍ（テレ
側） Ｓ＝２７．１２μｍ（ワイド側）〜５１．２７μｍ（テ
レ側） ｆ＝２２．６３６μｍ（ワイド側）〜４２．７９３μｍ
（テレ側） θ＝２' （０．０００５８rad ） 一般的には、イメージガイドファイバ束の画素数より撮
像素子のほうが高画素であるので、上述のような構成と
すると光学系のレスポンスが撮像素子の解像限界より低
い周波数で低下するため画質が劣化するが、イメージガ
イドファイバ束等によりサンプリングされた像にはイメ
ージガイドファイバ束のサンプリング周波数までの情報
しかないので問題はない。

【００３４】また、通常、変倍光学系を用いて画像を拡
大縮小する場合、この変倍光学系の後方に光学的ローパ
スフィルタが配置されていると、撮像面におけるイメー
ジガイドファイバ束のサンプリング周波数は変動するた
め、上記光学的ローパスフィルタのカットオフ周波数と
イメージガイドファイバ束のサンプリング周波数との間
にズレが生じる。

【００３５】しかしながら、本実施例では、瞳近傍に光
学的ローパスフィルタ１２を設け、この光学的ローパス
フィルタ１２の後方に第１のレンズ群１３と、第２のレ
ンズ群１４により構成される変倍光学系を配設して、こ
の後方の変倍光学系で変倍を行うようにしているため、
前記（１）式のＰとｆとが比例関係にあることからも判
るように倍率の変化によるイメージガイドファイバ束の
サンプリングピッチの変動にともない、上記光学的ロー
パスフィルタ１２からの光束による多重像のピッチも変
動するため、常に、イメージガイドファイバ束のサンプ
リングピッチのレスポンスを低下させることが可能とな
り特に効果的である。

【００３６】また、本実施例で説明したような光学的ロ
ーパスフィルタ１２には、レスポンスに方向性があるた
めＣＣＤ１９のような撮像素子と組み合わせる場合に
は、光束の分割方向と、撮像素子の方向の位置決めをす
る必要が有る。この位置決めは、撮像素子と光学的ロー
パスフィルタとが一体に形成されている場合には、製作
時に、一度、位置決めをすれば良いが、別体の場合に
は、本実施例で説明したように、撮像素子側の部材と光
学的ローパスフィルタ側の部材とに、光軸に対する回転
方向の相対位置が一定に定まるような構成とすれば良
い。

【００３７】さらに、本実施例のように、複数の種類の
内視鏡が取り付け可能で、かつ、内視鏡のイメージガイ
ドファイバ束の撮像面上でのサンプリング周波数が異な
る場合には、瞳近傍の光学的ローパスフィルタを着脱可
能にして、内視鏡ごとに最適な光学的ローパスフィルタ
を選択して取り付けられるようにしても良い。このよう
な構成であれば、光学的ローパスフィルタの着脱による
ゴミの付着などがあっても、光学的ローパスフィルタが
撮像面から離れているため、観察像にゴミが映ることは
ない。

【００３８】次に、光学的ローパスフィルタの他の実施
例を図７、図８、図９に示す。これらの光学的ローパス
フィルタ３１，３２，３３ように、瞳を分割する稜線
が、必ずしも光軸と交わらなくとも、分割された光束の
断面積が実質上均等であれば得られる効果は変わらな
い。

【００３９】また、図１０に光軸に対する面の傾き角を
連続的に変化させた光学的ローパスフィルタ３４を示
す。このような面にすると、像面上に渦巻き状の強度分
布を示し、ローパス効果を得ることができる。この実施
例では、前記光学的ローパスフィルタ３１，３２に比べ
て、有効光束中にある段差が少ないので、光線の散乱等
によるフレアが発生しにくい。

【００４０】次いで、図１１は瞳分割面を球面に形成し
てパワーを持たせた光学的ローパスフィルタ３５を示す
図である。この光学的ローパスフィルタ３５の各曲面の
曲率中心は光軸から偏心しているので、分割された光束
はそれぞれ光軸からずれたところに結像するのである。

【００４１】この時、各分割面により分割された光束の
重心の軸が光軸と交わると、デフォーカス時に高周波成
分のＭＴＦが増加するので、光束の重心の軸は光軸と交
わらないほうが良く、分割面の各面が平面であっても
（例えば、前述の光学的ローパスフィルタ１２，３１，
３２，３３等）同様である。

【００４２】また、これらの面を非球面にすることによ
り、収差補正能力を高めることも可能である。

【００４３】さらに、近年、研究の進んでいる回折レン
ズや不均質媒質レンズを用いても良い。

【００４４】上述の各光学的ローパスフィルタで多重像
を形成する場合、これら各光学的ローパスフィルタの配
設された角度により多重像の位置が変わるが、例えば、
前述の図５（ａ）や図５（ｂ）のように、撮像する物体
の規則的パターンの方向によって任意に選択することが
できる。

【００４５】また、上述の各光学的ローパスフィルタに
おいては、各分割面の高さは全て同じ高さであるが、面
の高さが異なっていても撮像面上で多重像が形成されさ
えすれば同等の効果が得られる。

【００４６】次いで、図１２（ａ）は曲率中心は光軸上
にあるが各面のパワーが異なる光学的ローパスフィルタ
３６を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ方向の矢
視図である。本実施例においては、撮像面上に多重像を
作るのではなく、それぞれの領域を通る光学系の焦点距
離が異なるため、それぞれの光学系を通る光束の結像位
置の間に最小錯乱円の位置がくるので、それによるボケ
により、ローパス効果が得られるものである。

【００４７】上述の各光学的ローパスフィルタは、各分
割部分を個々に作成し、接合しても良いが、近年、その
製作技術が進歩してきたガラスやプラスチックの成形で
作成すれば、より安価に製作することができる。

【００４８】また、上記各光学的ローパスフィルタで
は、光束の分割の稜線が必ず有効光束内にある。この稜
線のダレは、製造上必ず発生するので、その部分に当た
る光束がフレアになる可能性がある。光束の径は光学系
により変わるが、稜線のダレは製造法が同じなら一定な
ので、光束径の細い光学系においてフレアの問題は発生
し易い。

【００４９】そこで、このようなフレアが問題になる場
合には、稜線上か、あるいは稜線の前にスミ塗りやＣr
Ｏ2 −Ｃr −Ｃr Ｏ2 蒸着などによる遮光手段を設けれ
ば良い。

【００５０】また、これらの要因等により、レスポンス
の低下が十分でない場合は、水晶フィルタと組み合わせ
ても良い。このように、水晶フィルタと組み合わせて光
学的ローパスフィルタを使用する場合には、先の構成で
説明したように、光学的ローパスフィルタ１２によりイ
メージガイドファイバ束８のサンプリング周波数のレス
ポンスを低下させ、変倍光学系（第１のレンズ群１３、
第２のレンズ群１４）および第３のレンズ群１５の後方
に水晶フィルタ群１７を配置し、ＣＣＤ１９のナイキス
ト限界の周波数のレスポンスを低下させれば、変倍を行
ってもイメージガイドファイバ束８のサンプリング周波
数とＣＣＤ１９のナイキスト限界の周波数のレスポンス
のどちらも常に低下させることでき効果的である。

【００５１】このように、本実施例によれば、瞳近傍に
配置した光学的ローパスフィルタの分割面を増やすこと
により、複数枚の水晶フィルタと同じ効果を得ることが
でき、また、分割した光束の方向を面の角度で自由に決
定できるため、偏光方向を考慮しなければならない水晶
フィルタよりも設計の自由度が高い。さらに、瞳の分割
面や、もう一方の面にパワーを持たせることもできるた
め、レンズ枚数の削減も可能である。

【００５２】また、本実施例では、撮像装置として内視
鏡装置を例に説明したが、周期的パターンを含む被写体
を離散的撮像構造を持つ撮像手段上に結像光学系を用い
て結像させる他の撮像装置であっても適用できる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、周
期的パターンを含む被写体を離散的撮像構造を持つ撮像
手段上に結像光学系を用いて結像させることにより前記
被写体を撮影する撮像装置において、前記結像光学系の
瞳近傍に前記被写体の周期的パターンの空間周波数又は
その整数倍の空間周波数をカットオフ周波数とする光学
的ローパスフィルタを配設したので、光学的ローパスフ
ィルタは、従来の水晶フィルタでなく実現でき、撮像装
置を安価、且つ小型にすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による撮像装置の結像光学系
の構成説明図

【図２】本発明の一実施例による内視鏡装置の説明図

【図３】本発明の一実施例による光学的ローパスフィル
タの外観斜視図

【図４】本発明の一実施例によるカメラヘッドとアダプ
タとの接続部分の説明図

【図５】本発明の一実施例による撮像面上の点像の説明
図

【図６】本発明の一実施例による光学的ローパスフィル
タの周波数特性を２次元空間周波数平面上で示した図

【図７】本発明による他の光学的ローパスフィルタの一
例の外観斜視図

【図８】本発明による他の光学的ローパスフィルタの一
例の外観斜視図

【図９】本発明による他の光学的ローパスフィルタの一
例の外観斜視図

【図１０】本発明による他の光学的ローパスフィルタの
一例の外観斜視図

【図１１】本発明による他の光学的ローパスフィルタの
一例の外観斜視図

【図１２】本発明による他の光学的ローパスフィルタの
一例で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向
の矢視図

【符号の説明】

１ 内視鏡装置 ２ 内視鏡 ３ アダプタ ４ ＴＶカメラ ８ イメージガイドファイバ束 １０ フォーカシングレンズ １２ 光学的ローパスフィルタ １３ 第１のレンズ群 １４ 第２のレンズ群 １５ 第３のレンズ群 １７ 水晶フィルタ群 １８ カラーモザイクフィルタ １９ ＣＣＤ

フロントページの続き (72)発明者 西岡 公彦 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 長谷川 晃 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期的パターンを含む被写体を離散的撮
   像構造を持つ撮像手段上に結像光学系を用いて結像させ
   ることにより前記被写体を撮影する撮像装置において、 前記結像光学系の瞳近傍に、前記被写体の周期的パター
   ンの空間周波数又はその整数倍の空間周波数をカットオ
   フ周波数とする光学的ローパスフィルタを配設したこと
   を特徴とする撮像装置。