JPS6141114A - 固体撮像素子使用の内視鏡用光源装置 - Google Patents

固体撮像素子使用の内視鏡用光源装置

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JPS6141114A
JPS6141114A JP16252284A JP16252284A JPS6141114A JP S6141114 A JPS6141114 A JP S6141114A JP 16252284 A JP16252284 A JP 16252284A JP 16252284 A JP16252284 A JP 16252284A JP S6141114 A JPS6141114 A JP S6141114A
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filter
color
light source
lens system
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弘善 藤森
Tatsuo Nagasaki
達夫 長崎
Tadashi Kato
正 加藤
Masahiko Sasaki
雅彦 佐々木
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は干渉フィ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、テレビジョンカメラとか内７Ｍ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っている。
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ミクロン程麿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？’ＡＭ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該イメージガ
イドの後端の像を接眼光学系にて観察できるようにしで
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、観察によっ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鴎像化する手段は、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原色のフィルタをモ
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、照明手段側にフィルタを設
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５２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
）フィルタ５３でフィ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の入射端に照射し、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、上記回転フィルタ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原色の各色フィルタが取付け
てあり、駆動用モータ５６で回転駆動されるようになっ
ている。しかして、３原色の各色の照明のもとてそれぞ
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、回転フィルタ５３に、吸収フィルタとか
、熱に強い干渉フィ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、重饅も増す。
一方、第７図（ｂ）に示すように回転フィルタ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って、
光が照射される面積を小さく、回転フィルタ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、回転フィルタ５３に吸収フィ
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ィルタを用いる
と、該フィ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。従って、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１、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ｖＡ＃ｌＬ用光源装置を提供するこ
とを目的とする。
［発明の概要］ 本発明は回転フィ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、回転フィルタを干渉フィルタを用いて構成
することによって、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）フィルタを示す。
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
の結像位置にその搬像面が臨むようにＣＯＤ　（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、充電変換された画素
に対応する電気信号は、図示しないクロック信号によっ
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
っている。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
ムメモリに書ぎ込むようになっている。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Ｒ２Ｇ、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ョン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
っている。
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によって殆んど平
行光束にされる。この平行光束は回転フィルタ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ＯＡされるようになっている。尚、上
記回転フィルタ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を形成する各光ファイバのコア部とその外周
のクラッ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）側に照射され、
この拡開して出射される照明光によって、対物レンズ３
で結像号能となる範囲を略均−に照明できるようになっ
ている。
上記回転フィルタ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ィルタ１６Ｒ９
緑透過フィルタ１６Ｇ、青透過フィルタ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によって回転駆動されるようになっている。
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っている。
このモータ１８は例えば入力されるパルスによって、所
定角度ずつ回転するパルスモータが用いられ、各色フィ
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
ィルタが凹レンズ１５と凸レンズ１７の間の光路上にあ
るようにしである。このようにして、３原色の各透過フ
ィルタ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、ピデオプａ
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
るようになっている。
上記回転フィルタ１６を形成する各透過フィルタ１６Ｒ
，１６Ｇ、１６Ｂとして、例えばガラス基板の表面に、
真空蒸着等によって、誘電体の透明Ｓ＊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
渉フィルタ（蒸着膜フィルタ）を用いている。この干渉
フィ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、照明強度が太き（強）すぎ
て、プルーミングが生じたり、全体的に白っぽくなって
、コントラストが十分環われなくなってしまったりする
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フレ一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１
２の光源駆動電源２３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Ｕ）“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１１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、従っ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フレ一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）、カラーテレビジョン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
を経て調光信号にされ、この調光信号のレベルによって
、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
信号によって次の（カラーの）１フレ一ム期間（各色フ
レームについては３フレ一ム分の期間）光源ランプ１２
の発光強度は適正な値に制御される。従って、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ィルタで形成した回転フィルタ
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。回転フィルタ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
ィルタ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。従って、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１３１を示す
。
この内祝１１３１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３３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３
３と第２の集光用凸レンズ系１７との間には、第１実施
例と同様に回転フィルタ１６が配設しである。
一方、自動調光手段には、色補正手段が設けである。即
ち、積分回路２２の出力端は色補正用半固定増幅器３４
Ｒ，３４Ｇ、３４Ｂの各入力端に接続され、各半固定増
幅器３４Ｒ，３４Ｇ、３４Ｂ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、回転フィルタ１６と同期し
て制御されるようになっており、各色透過フィルタ１６
Ｒ，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、３４
Ｂと光源駆動電源２３とを順次導通するようにしである
。
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であるので、白色ご
とに色補正して自動調光できる。
従って、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１４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魚から比較的ず
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
ったものは殆んど平行光束にされる。従って、回転フィ
ルタ１６に干渉フィルタを用いても、入射角が殆んどＯ
″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っ
ている。
第５図は本発明の第３実施例の光看、装置における光学
系を示す。
この先ヲ原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１
４の焦点位置近傍に回転フィルタ１６が配設されている
。
上記焦点距離の長い凸レンズ系１４によって、回転フィ
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
によって、中心波長のシフトが殆んどずれないようにし
である（例えば入射角が００のときのフィルタされた各
波長の中央値を１とすると、１５度のときには１から０
゜９９にずれるにすぎない。）。
上記回転フィルタ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である。
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、回転フィルタ１６は焦点位置又
はその近傍に設けることによって、非常に小さな（面積
の）干渉フィ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って、回転フィル
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である。このように凸レンズ
系１４で集光した光束を（絞り３６を介して）直接回転
フィルタ１６に入射させないで凹レンズ系４２を介装す
ることによって、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２２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
。
従って、積分回路２２を経た調光信号がある基準電圧Ｖ
ｓ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ってい
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射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ィルタを用いて
色面順次方式の照明手段を形成したので、干渉フィルタ
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。従って内視鏡に用いた
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であるので、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
図は回転フィルタを示す正面図、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・・・カラーテレビジョン 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
転フィルタ　　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・・・凹レンズ系第２図 第３図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）固体撮像素子を使用した内視鏡におけるカラー撮
    像するため、光源の光を凹面状の反射鏡等で略平行光束
    にし、且つ集光用凸レンズ系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、互いに異る各波長の
    光をそれぞれ通す色透過フィルタを扇状に設けて形成し
    た回転カラーフィルタを配設し、この回転カラーフィル
    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
    る色面順次方式を採用した光源装置において、前記反射
    鏡と、凸レンズ系の途中の光路に、拡がり面積を小さく
    し、且つその部分の光束を略平行光束ないしは広がり角
    度の小さい光束に設定する２組のレンズ系を配設し、且
    つその光路上に回転カラーフィルタを配設すると共に、
    この回転カラーフィルタを耐熱性の良好な干渉フィルタ
    で構成した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. （２）前記２組のレンズ系は凹レンズ系と凸レンズ系、
    又は２組とも凸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. （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。
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