JP4358531B2 - 内視鏡装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡装置に関し、特に、仕様や用途の異なる複数種の内視鏡を接続し、被写体の画像をモニタで観察するための内視鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内視鏡は、周知の通り、直接目視できない生体内等を観察することができ、医療分野を中心に診断、治療に広く使用されている。そして、近年、被写体像をＣＣＤ等の固体撮像素子によって電気信号に変換し、モニタにて観察可能とした電子内視鏡が普及している。
【０００３】
このような内視鏡は、観察する部位に応じて種々の内視鏡が用いられる。内視鏡は、光源装置や信号処理回路を含むカメラコントローラ（信号処理装置）等に接続されて使用される。また、信号処理回路には、画質向上や被写体の強調を目的とした画像処理回路が搭載されており、コントラスト改善のために、例えば、次に示すような、対称な２次元デジタルフィルタが用いられている。この次に示すマトリックスは、中心画素とその周囲の画素の値に対する係数を決定するものである。
【０００４】
−１ −５ −１
−５ ２５ −５
−１ −５ −１
一方、内視鏡光学系には、光学系の簡易さ、操作性の良さから、固定焦点光学系が一般的に用いられ、その観察部位に応じて必要な被写界深度が得られるように設計されている。しかし、固定焦点光学系で被写界深度を広くすると光学系のＦナンバーを大きくする必要があり、明るさが低下するといった問題が生じる。さらに、光の回折限界の理由から被写界深度の拡大には限界がある。
これに対し、光学系の被写界深度を拡大する手法は、例えば、米国特許５，７４８，３７１号や「Ｅｄｗａｒｄ Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ， Ｊｒ．， Ｗ．Ｔｈｏｍａｓ Ｃａｔｈｅｙ， ”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄｔｈｒｏｕｇｈ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｃｏｄｉｎｇ”， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．３４， １８５９−１８６６（１９９５）」等に開示されている。図２１は、従来例による拡大被写界深度光学系の構成を概略的に示す図である。
【０００５】
この手法による装置は、図２１に示されるように、ＣＣＤ等の撮像手段１０４と、物体１０１の像を撮像手段１０４の受光面に結像させるレンズ系１０３である光学系の瞳位置に配置されたキュービック位相変調マスク１０２と、撮像手段１０４からの画像データに基づいて画像を構築する画像処理装置１０５とを有している。
【０００６】
キュービック位相変調マスク１０２は、一方の面は平面で、他方の面は図２２に示されるようにＺ＝Ａ（Ｘ3＋Ｙ3）で表される形状をなしている。図２２は、このキュービック位相変調マスクの外観形状を説明するための図である。Ａは、任意の係数である。すなわち、一方の面は、ＸＹ平面上の平面であり、他方の面は、ＸＹ平面に直交するＺ軸方向に上記の式を満たす三次元曲面である。図２２は、Ｘ及びＹが−１から＋１の範囲における三次元曲面の状態を説明するための図である。従って、三次元曲面形状は、係数Ａに応じて変化する。
【０００７】
キュービック位相変調マスク１０２は、これを通過する光の位相にＰ（Ｘ，Ｙ）＝ｅｘｐ(ｊα（Ｘ3＋Ｙ3））のずれを与える。ここで、係数αは、２０よりも十分に大きな値が好ましく、これにより光学的伝達関数（以下、ＯＴＦともいう。）のレスポンスは０．２以下となり、回転非対称な収差（ボケ）による点像の大きさは、撮像手段１０４の画素に比べ十分に大きくなる。
【０００８】
このようなキュービック位相変調マスク１０２を持たない通常の光学系の場合、物体１０１が合焦位置からずれるに従って光学的伝達関数のレスポンスの様子は、図２３から図２４へ変化し、物体１０１がさらにずれると図２４から図２５へと変化する。
【０００９】
図２３は通常の光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図２４は通常の光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図２５は通常の光学系において物体が焦点位置から図２４のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。
【００１０】
これに対してキュービック位相変調マスク１０２を持つ拡大被写界深度光学系の場合、同じずれに対するＯＴＦのレスポンスはそれぞれ図２６〜図２８に示されるようになり、合焦位置においてもＯＴＦのレスポンスに低下が見られるが、合焦位置からのずれに対する変化は少ない。
【００１１】
図２６は拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図２７は拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）の強度分布を示すグラフである。図２８は拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から図２７のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。
【００１２】
この光学系によって結像された画像は、画像処理装置１０５によって、図２９に示されるキュービック位相変調マスク１０２のＯＴＦ特性の逆フィルタによる処理が行われることによって、図２２〜図２４に示されるＯＴＦに対してそれぞれ図３０〜図３２に示されるＯＴＦのレスポンスが得られる。
【００１３】
図２９は拡大被写界深度光学系において光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して行なわれる処理の逆フィルタの特性を示すグラフである。図３０は図２６の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図３１は図２７の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図３２は図２８の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。
【００１４】
図２９〜図３２に示されるＯＴＦのレスポンスは、いずれも、通常の光学系の合焦時のＯＴＦのレスポンスに近い形を有している。その逆フィルタとして、例えば次に示すような非対称な２次元デジタルフィルタが用いられる。次に示すマトリックスは、中心画素とその周囲の画素の値に対する係数を決定するものである。
【００１５】
次に、実際の画像で説明する。通常の光学系では、物体の焦点位置からずれるにつれて、焦点ずれによるボケが生じてくる。
【００１６】
これに対して、拡大被写界深度光学系を用いた場合、焦点位置をずらしたときの画像処理前の画像はボケてはいるが、焦点位置をずらしたそれぞれの画像においてボケ方が変化しない。そして、これらの画像に対し、前述の逆フィルタ（図２９）による画像処理を行うと、通常の光学系の焦点ずれがしていない画像と同等の画像が得られ、被写界深度が拡大できる。
【００１７】
さらに、これを内視鏡に応用したものが、特開２０００−５１２７号公報の明細書に開示されている。開示された内視鏡システムは、図３３に示すように、複数種の内視鏡を接続し、被写体の画像をモニタ１１６で観察するための内視鏡システムである。
【００１８】
この内視鏡システムは、図３３に示すように、固体撮像素子１１４と、その固体撮像素子１１４の受光面上に被写体の像を結像する対物光学系１１２とを有する内視鏡１１１と、内視鏡１１１で得られた画像信号を処理して映像信号を出力するカメラコントローラ（信号処理装置）１１７と、観察用の照明光を発生する光源装置１１８と、カメラコントローラ１１７からの映像信号を表示するモニタ１１６とを備えている。
【００１９】
複数種の内視鏡の内、少なくとも１つの内視鏡１１１は、光学系１１２の中にキュービック位相変調マスク等のような光位相変調部材１１３を有する。さらに、内視鏡１１１は、撮像装置１１４の出力側に内視鏡の光位相変調部材１１３に対応した光学的伝達関数復元手段１１５を備えている。
【００２０】
また、カメラコントローラ１１７は、図３４に示すように、接続された内視鏡１１１からの画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１２１と、前記デジタル信号を映像信号に変換する信号変換部１２２と、信号変換部１２２からの映像信号を信号処理する画像処理回路１２３と、前記画像処理回路１２３で信号処理された映像信号をモニタ４で表示可能なアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部１２４とで構成されている。
【００２１】
光学的伝達関数復元手段１１５は、光学系１１２内の光位相変調部材１１３の逆フィルタに相当する復元手段を含んでいる必要がある。光学的伝達関数復元手段１１５は、図３３に示されるように内視鏡１１１内部に設けられても良いし、内視鏡１１１が接続されかつモニタ１１６に映像を表示するカメラコントローラ（信号処理装置）１１７内に設けられても良い。これによれば、光位相変調部材１１３の種類や有無に関わらず、様々な内視鏡を接続しても、被写界深度の拡大や、高解像の画像を生成することができる。
【００２２】
【特許文献１】
米国特許５，７４８，３７１号
【００２３】
【特許文献２】
特開２０００−５１２７号公報
【００２４】
【非特許文献１】
Ｅｄｗａｒｄ Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ， Ｊｒ．， Ｗ．Ｔｈｏｍａｓ Ｃａｔｈｅｙ， ”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｔｈｒｏｕｇｈｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｃｏｄｉｎｇ”， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．３４， １８５９−１８６６（１９９５）
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許５，７４８，３７１号や、特開２０００−５１２７号公報等に示されるように、光字系に光位相変調部材１１３を用いて、被写界深度を拡大する技術を内視鏡に適用する場合、光位相変調部材１１３による光学的伝達関数の悪化を復元し、高解像の画像を得るための光学的伝達関数復元手段１１５が必要になるため、光位相変調部材１１３に一対一に応じた復元手段が、カメラコントローラ（信号処理装置）１１７内の画像処理回路、もしくは内視鏡１１１内部に搭載されている必要がある。
【００２６】
しかしながら、現状の一般的な内視鏡システムにおけるカメラコントローラ内の画像処理回路においては、撮像光学系を介して得られた画像の光学的伝達関数のレスポンスに対し、特定の周波数帯域を強調することによって画像の見えを調整する画像処理回路は搭載されているものの、例えば被写界深度拡大を目的とした、内視鏡光学系内に搭載した光位相変調部材に応じた復元手段は有していないため、前記内視鏡光学系内に光位相変調部材を有する内視鏡を接続すると、解像した画像を得ることができず、互換性を確保できない。
【００２７】
また、互換性を確保するために、内視鏡内部に光学的伝達関数復元手段を設ける場合、画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、デジタル信号化された画像信号を映像信号に変換する信号変換部と、光学的伝達関数復元のための画像処理部と、再び映像信号から画像信号に信号変換するための信号変換部、Ｄ／Ａ変換部が内視鏡内部に必要となるが、前記回路は複雑であり回路規模も大きくなるため、内視鏡本体の肥大化を招き、操作性が悪くなるという欠点が生じる。
【００２８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、内視鏡光学系に配置した光位相変調部材に応じた復元処理手段が搭載されていない信号処理装置に、光光位相変調部材を有した内視鏡を接続しても、被写界深度の拡大、ならびに高解像の画像を生成できる内視鏡装置を提供することを目的としている。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の内視鏡装置は、被写体像光を入光する対物光学系と、前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、を備え、前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子からの映像信号を表示するモニタにおける略対角方向に一致させるように、当該光軸周りに回転した位置に配置したことを特徴とする。
【００３０】
本発明の第２の内視鏡装置は、被写体像光を入光する対物光学系と、前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、を備え、前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子における前記受光面において当該固体撮像素子の画素ピッチが最も大きくなる方向に一致させるように、当該固体撮像素子に対して相対的に当該光軸周りに回転した位置に配置したことを特徴とする。
本発明の第３の内視鏡装置は、被写体像光を入光する対物光学系と、前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、を備え、前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子における前記受光面において当該固体撮像素子の画素ピッチが最も大きくなる方向に一致させると共に、前記固体撮像素子からの映像信号を表示するモニタにおける略対角方向に一致させるように、当該固体撮像素子に対して相対的に当該光軸周りに回転した位置に配置したことを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
【００３２】
第１の実施の形態：
図１ないし図１８は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は内視鏡システムの概略の構成を示す構成図、図２は図１の光位相変調部材を含む撮像ユニットの構成を説明するための図、図３は図２の明るさ絞りを配置した瞳変調素子の構造を説明するための概略説明図、図４は図３の瞳変調素子と固体撮像素子の光軸に対する回転位置の関係を示す概略説明図、図５は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離７１ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図６は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離１３．５ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図７は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離７．２ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図８は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離４ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図９は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの各物体距離の光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果を説明するための図、図１０は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離１３．５ｍｍのときの瞳変調素子Ｘ軸方向及び対角方向の光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果を説明するための図、図１１は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離７１ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１２は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離１３．５ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１３は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離７．２ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１４は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離４ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１５は通常の光学系における図２の撮像ユニットの各物体距離についての光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果を説明するための図、図１６は図２のレンズ枠、平凹レンズ及び両凸レンズで構成される部材の第１の変形例を示す図、図１７は図２のレンズ枠、平凹レンズ及び両凸レンズで構成される部材の第２の変形例を示す図、図１８は図２のレンズ枠、平凹レンズ及び両凸レンズで構成される部材の第３の変形例を示す図である。
【００３３】
（構成）
図１に示すように、固体操像素子１９と、前記固体撮像素子１９の受光面上に被写体の像を結像する対物光学系３２とで構成される撮像ユニット３１を設けた内視鏡１と、内視鏡１で得られた画像信号を処理して映像信号を出力するカメラコントローラ（信号処理装置）２と、カメラコントローラ２からの映像信号を表示するモニタ４と、観察用の照明光を発生する光源装置３とを備えている。
【００３４】
そして、本発明の内視鏡システムでは、複数の種類の内視鏡１を接続することができるようになっており、複数の種類の内視鏡１のうち、少なくとも１つの内視鏡１は、その対物光学系３２内に光位相変調部材（光位相変調マスク）１３が設けられている。
【００３５】
撮像ユニット３１は、図２に示すように、固体撮像素子１９と固体撮像素子１９の受光面上に被写体像を結像する対物光学系３２で構成される。本実施の形態で用いられる固体撮像素子１９は、例えば、画素ピッチが７μｍのものが用いられる。
【００３６】
対物光学系３２は、レンズ枠２１に接着固定される平凹レンズ１１、両凸レンズ１２と、レンズ枠２２に接着固定される瞳変調素子１３ａ、平レンズ１４、接合レンズ１５、平レンズ１６とで構成される。
【００３７】
レンズ枠２２に組みつけられる各レンズは、適当なレンズ間隔が得られるよう、各レンズの間に間隔環２５、２６が配置されている。固体撮像素子１９は平レンズ１７、及び受光面を保護するカバーガラス１８とともに撮像素子枠２３に接着固定されている。レンズ枠２１、２２は、両凸レンズ１２と光位相変調部材としての瞳変調素子１３ａの面間隔を保つように突き当てられ、かつ、各レンズ粋が保持するレンズの光軸が一致するよう嵌合し、かつ、光軸周りに回転可能に構成されている。
【００３８】
さらに、レンズ枠２２と撮像素子枠２３は、各枠が保持するレンズの光軸ならびに固体撮像素子１９の受光面中心が一致するよう嵌合し、かつ、平レンズ１６と平レンズ１７の面間隔を調整できるように光軸方向に摺動し、かつ、光軸周りに回転可能となるよう構成されている。
【００３９】
図３は光が入射する方向から見たときの瞳変調素子１３ａと明るさ絞り２４の外観を示す図である。入射光に垂直なＸＹ平面に平行に明るさ絞り２４が設けられ、明るさ絞り２４の開口部を通して入射した光が瞳変調素子１３ａに入射する。また、光が入射する方向から見て明るさ絞り２４の背面の位置に、光位相変調部材１３として瞳変調素子１３ａが配置されている。
【００４０】
光位相変調部材１３として用いた瞳変調素子１３ａは、例えば屈折率１．５２３の光学的に透明なガラスで形成されており、広い被写界深度にわたって光学的伝達関数が略一定となる変換手段である。該瞳変調素子１３ａは、図３に示すように、対物光学系３２の光軸をＺ軸としたときに、Ｚ軸と直行する面内にＸ、Ｙ軸を座標とし、Ｚ＝Ａ（Ｘ3＋Ｙ3）の形状をした自由曲面を有していて、本実施の形態ではＡ＝０．０５１とする。
【００４１】
図２に示される前記撮像ユニット３１のレンズデータを表１に示す。この光学系の焦点距離は１．６１ｍｍ、Ｆナンバーは８．７２２であり、明るさ絞り２４は第６面に、瞳変調素子１３ａの自由曲面部は第７面に相当する。
【００４２】
【表１】
明るさ絞り２４は、図３に示すように、正方形の開口を有するものであり、その正方形の形状は一辺０．４０８ｍｍである。また、瞳変調素子１３ａのＸ軸と、明るさ絞り２４の正方形開口の一辺は平行となるよう配置されている。
【００４３】
次に、撮像ユニット３１の組立方法について説明する。
まず、レンズ枠２１にレンズ１１、１２を接着固定する。また、レンズ枠２２に、明るさ絞り２４を貼り付けた瞳変調素子を接着固定し、さらに、レンズ１４、間隔環２５、レンズ１５、間隔環２６、レンズ１６の順でレンズ枠２２に挿入し接着固定する。また、撮像素子枠２３にはレンズ１７、カバーガラス１８、固体撮像素子１９を接着固定する。図示しないが、固体撮像素子には電気信号を伝達するケーブルが半田付けされており、カメラコントローラ２に接続される。
【００４４】
次に、図４に示すように、レンズ枠２２に固定されている瞳変調素子１３ａと撮像素子枠２３に固定されている固体撮像素子１９の光軸（Ｚ軸）周りの回転位置関係が、前記瞳変調素子１３ａのＸ軸と前記固体撮像素子１９の画素配列の水平（走査）方向（以降、Ｈ方向とする）が平行で、且つ、前記瞳変調素子１３ａのＹ軸と固体撮像素子１９の画素配列の垂直（走査方向と直交）方向（以降、Ｖ方向とする）が平行になるように、レンズ枠２２と撮像素子枠２３を位置決めする。さらに、光軸周りに回転位置決めした前記レンズ枠２２と前記撮像素子枠２３は、レンズ枠２１、２２で構成される対物光学系３２と前記撮像素子枠とのピント位置が適正となるように、平レンズ１６と平レンズ１７間の面間隔が調整された位置で接着固定される。
【００４５】
次に、レンズ枠２２にレンズ枠２１を組付け、光軸周りにレンズ枠２１を回転させることで、撮像ユニット３１の光学系のばらつきで発生する偏角が最小となるように調整し、接着固定する。固体撮像素子１９は、カメラコントローラ２を経由して、モニタ４に接続されている。
【００４６】
カメラコントローラ２は、接続された内視鏡１からの画像信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、前記ディジタル信号を映像信号に変換する信号変換部（図示せず）と、前記映像信号をモニタ４で表示可能なアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器（図示せず）とで構成されている。
【００４７】
（作用）
前記形状の瞳変調素子１３ａは、波長５８７．６ｎｍの平行光に対し、ｅｘｐ｛ｉ×２．４１４（Ｘ3＋Ｙ3）／０．２０４３｝の位相変調を行う。
【００４８】
観察する被写体は、前記瞳変調素子１３ａを含む対物光学系を通して、前記画素ピッチ７μｍの固体撮像素子１９上の受光面に結像し、固体撮像素子１９によって電気信号（画像信号）に変換される。前記電気信号はカメラコントローラ２内のＡ／Ｄ変換器にてディジタル信号に変換され、信号変換部にて映像信号に変換される。前記映像信号は、Ｄ／Ａ変換器によってモニタ４に表示可能なアナログ信号に変換され、モニタ４に被写体が映し出される。
【００４９】
ここで、固体撮像素子１９上のＨ方向、Ｖ方向は、それぞれ、モニタ４の水平（走査）方向（以降、Ｈ方向）、垂直（走査方向と直交）方向（以降、Ｖ方向）と一致するようカメラコントローラ２により信号処理される。瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向は前述したように固体撮像素子１９のＨ方向、Ｖ方向と一致しているため、それぞれ、モニタ４のＨ方向、Ｖ方向とも一致する。
【００５０】
前記撮像ユニット３１に対し、物体距離１３．５ｍｍの位置での固体撮像素子１９の受光面上での点像強度分布関数（ＰＳＦ）の面積がもっとも小さくなるようにピント調整行った。
【００５１】
物体距離を７ １ｍｍ、１３．５ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍとしたときの固体撮像素子１９の受光面上での点像、および各物体距離での光軸上の光学的伝達関数のレスポンスについて、光学シミユレーションソフトＣｏｄｅ−Ｖ（登録商標）を用いて計算をおこなった。この結果、各物体距離における固体撮像素子受光面上での点像の面積は、それぞれ１辺を２２μｍ、１４μｍ、２０μｍ、３１μｍとした正方形の領域内の大きさの点像として得られた。
【００５２】
前記点像について固体撮像素子受光面をＸＹ平面とし、各画素における光の強度（パーセント）をＺ軸とした結果を図５〜８に示す。また、各物体距離における光軸上で、且つ瞳変調素子Ｘ軸方向の光学的伝達関数のレスポンスの計算結果を図９に示す。また、物体距離１３．５ｍｍの時の、光軸上で、且つ、瞳変調素子Ｘ軸方向及び、対角方向の光学的伝達関数のレスポンスの計算結果を図１０に示す。
【００５３】
図５〜８において、ＸＹ平面は固体撮像素子受光面に相当し、Ｚ軸は光の強度である。図９において、Ａは物体距離７ １ｍｍ、Ｂは物体距離１３．５ｍｍ、Ｃは物体距離７．２ｍｍ、Ｄは物体距離４ｍｍの時の光学的伝達関数のレスポンスである。図１０において、Ｂは瞳変調素子Ｘ軸方向、Ｅは瞳変調素子のＸＹ軸を軸とするＸＹ平面内で第１象限及び第３象限を通る対角方向、Ｆは瞳変調素子ＸＹ軸を軸とするＸＹ平面内で第２象限及び第４象限を通る対角方向の光学的伝達関数のレスポンスである。
【００５４】
なお、ここでは瞳変調素子Ｘ軸方向の計算結果のみについて示したが、瞳変調素子Ｙ軸方向についてはＸ軸方向と同一の結果が得られるため、割愛した。
【００５５】
物体距離が１３．５ｍｍの場合の点像は、一辺が１４μｍの正方領域、つまり画素ピッチ７μｍの固体撮像素子の一辺が２画素分、面積にして４画素分に相当する、図６に示される光の強度分布を持つ点像として得られる。
【００５６】
また、物体距離が７１ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍの場合の点像は、それぞれ１辺が２２μｍ、２０μｍ、３１μｍつまり、一辺が３．１画素分、２．９画素分、４．４画素分に相当する正方領域に、図５、７〜９に示される光の強度分布として得られる。
【００５７】
さらに、画素ピッチ７μｍの固体撮像素子１９では、ナイキスト周波数は７１ラインペア／ｍｍとなるが、図９に示したように、物体距離が４ｍｍの位置におけるナイキスト周波数での光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上あり、解像していることがわかる。
【００５８】
また、図１０に示すように、瞳変調素子Ｘ軸方向に比べ、対角方向では特に高周波領域でレスポンスが０．１程度低下することがわかる。
【００５９】
比較例として、図２の撮像ユニット３１で瞳変調素子１３ａの代わりに同材質の平行平板を用いた通常の光学系の場合について説明する。前記通常の光学系のレンズデータは表１の第７面の形状を自由曲面から平面に変更したものである。
【００６０】
前記の瞳変調素子１３ａが配置された撮像ユニット３１の場合と同様に、物体距離１３．５ｍｍの位置での固体撮像素子受光面上の点像（ＰＳＦ）の面積がもっとも小さくなるように調整を行った。このときの物体距離を７１ｍｍ、１３．５ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍとしたときの固体撮像素子１９の受光面上での点像、および各物体距離での光軸上の光学的伝達関数のレスポンスについて、光学シミュレーションソフトＣｏｄｅ−Ｖ（登録商標）を用いて計算をおこなった。
【００６１】
この結果、各物体距離における固体操像素子受光面上での点像の面積は、それぞれ１辺を１６μｍ、１μｍ、１４μｍ、３６μｍとした正方形の領域内の大きさの点像として得られた。前記点像について固体撮像素子受光面をＸＹ平面とし、各画素における光の強度（パーセント）をＺ軸とした結果を図１１〜１４に示す。また、各物体距離での光軸上の光学的伝達関数のレスポンスの計算結果を図１５に示す。
【００６２】
図１５において、Ａは物体距離７１ｍｍ、Ｂは物体距離１３．５ｍｍ、Ｃは物体距離７．２ｍｍ、Ｄは物体距離４ｍｍの時の光学的伝達関数のレスポンスである。
【００６３】
物体距離が１３．５ｍｍの場合の点像は、１辺が１μｍの正方領域、つまり画素ピッチ７μｍの固体撮像素子１１の一辺が１画素分、面積にして１画素分に相当する、図１２に示される光の強度分布を持つ点像として得られる。また、物体距離が７１ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍの場合の点像は、それぞれ１辺が１６μｍ、１４μｍ、３６μｍ、つまり、一辺が２．３画素分、２画素分、５．１画素分に相当する正方領域に、図１１、図１３、１４に示される光の強度分布を持つ点像として得られる。さらに、図１５に示したように、ナイキスト周波数での光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上となるのは物体距離が７．２ｍｍ以上７１ｍｍ未満のときであることがわかる。
【００６４】
（効果）
前述したように、瞳変調素子１３ａを含まない通常の内視鏡の場合、物体距離７．２ｍｍより近接すると、ナイキスト周波数における光学的伝達関数のレスポンスが０．２より下回るため解像しない。
【００６５】
これに対し、本実施の形態における瞳変調素子１３ａを含む内視鏡の場合、物体距離４ｍｍでもナイキスト周波数における光学的伝達関数のレスポンスが０．２を上回っているため、解像することがわかる。さらに、前記瞳変調素子１３ａによる位相変調量ａは２．４ １ ４と十分小さな値に設定されているため、前記光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上となる被写界深度内において瞳変調素子１３ａによって発生する非対称な収差（ボケ）は最大でも数画素程度となり非対称な収差はモニタ４上で認識できないレベルとなる。このことから、被写界深度が拡大されていることがわかる。
【００６６】
さらに、本実施の形態における瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向は、それぞれモニタ４のＨ方向、Ｖ方向と一致しているため、モニタ４上のＨ方向、Ｖ方向は光学的伝達関数のレスポンスが比較的高くなり、モニタ４上の対角方向は光学的伝達関数のレスポンスが比較的低く表示される。人間の視覚の特性上、水平、垂直方向の分解能に比べ、対角方向の分解能は低いことが知られており、本実施の形態では、光学的伝達関数のレスポンスが比較的高い方向が視覚上の水平、垂直方向に、比較的低い方向が視覚上の対角方向に位置することとなるため、対角方向の光学的伝達関数のレスポンスの低下は視認しにくくなり、見かけ上の解像感の低下を防ぐことができる。
【００６７】
ここで、本実施の形態では、瞳変調素子１３ａのＸ軸方向とＹ軸方向を、それぞれモニタ４のＨ方向、Ｖ方向と一致するよう配置したが、これに限ったものではなく、モニタ４の対角方向と、瞳変調素子１３ａの対角方向が一致すれば、瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向が、それぞれモニタ４のＶ方向、Ｈ方向と一致させても同様の効果が得られることは言及するまでもない。
【００６８】
本実施の形態では固体撮像素子の画素ピッチを７μｍのものとしたが、これに限ったものではなく、固体撮像素子受光面上での点像の面積がもっとも小さくなるピント位置における点像の大きさが、一辺を画素ピッチの２画素分、面積にして４画素分となるように明るさ絞り２４の開口寸法、および瞳変調素子１３ａの形状を調整することで、同様の被写界深度の拡大が可能となる。
【００６９】
また、本実施の形態では固体撮像素子受光面上の点像の面積がもっとも小さくなるピント位置における点像の大きさを、一辺が固体撮像素子の画素ピッチの２画素分、面積にして４画素分となるように調整したが、点像の大きさを、一辺が画素ピッチの６画素分、面積にして３６画素分となるようにした場合、瞳変調素子の変調係数αは７．２４３で、物体距離４ｍｍにおける光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上となり、かつ物体距離４ｍｍにおける点像の大きさも一辺が８画素程度であるために、同様の被写界深度の拡大が可能となる。
【００７０】
本実施の形態では瞳変調素子１３ａにガラス材料を用いているが、樹脂材料を用いても良い。また、本実施の形態では瞳変調素子１３ａは光学的に透明なガラスが用いられているが、特定の波長のみ透過する光学フィルタ材料を用いても良い。また、本実施の形態での瞳変調素子１３ａの形状はＸ軸方向、Ｙ軸方向の光学的伝達関数の変換量を同一としているが、Ｘ軸方向、Ｙ軸力向で変換量が異なる構成にしても良い。例えば、明るさ絞り２４の開口形状を長方形に設定しても良いし、瞳変調素子１３ａの自由曲面の形状をＸ軸方向、Ｙ軸方向で異なる係数を使用しても良い。また、前記明るさ絞り２４は円形としても同様の効果が得られる。この場合は、明るさ絞り２４と瞳変調素子１３ａとの光軸に対する回転方向調整が必要なくなるという効果がある。また、明るさ絞り２４は瞳変調素子１３ａと別体でなくとも良く、瞳変調素子１３ａに蒸着等により直接形成されていても良い。
【００７１】
本実施の形態では、光軸周りにレンズ枠２１を回転させることで、撮像ユニット３１の光学系のばらつきで発生する偏角が最小となるように調整を行っているが、撮像ユニット３１で発生する偏角が大きい場合に対応できるよう、レンズ１１、１２を含むレンズ枠の構成を図１６〜１８に示したような構成としても良い。
【００７２】
図１６は、レンズ枠２１とレンズ１１の間にスペーサ２７を挿入し、レンズ枠２１の軸とレンズ１１の軸を傾けて構成したものである。図１７は、レンズ枠２１ａのレンズ１１の挿入部と、レンズ１２の挿入部との軸をずらして構成したものである。図１８は、レンズ枠２１ｂのレンズ１１の挿入部が、レンズ１１の外径より大きく加工されており、レンズ１１の軸をレンズ枠２１ｂの軸に対しずらして配置、固定して構成したものである。
【００７３】
上記図１６〜１８に示した構成では、レンズ枠２２と撮像素子枠２３とで発生する光学系のばらつきによる偏角が大きくても、レンズ１１、１２が接着固定されたレンズ枠部材の光軸が比較的大きく偏芯して構成されているため、撮像ユニット３１の偏角調整を行うことができる。
【００７４】
第２の実施の形態：
本実施の形態は、基本的な構成は第１の実施の形態と同じであり、瞳変調素子と固体撮像素子の光軸周りの回転位置関係が異なる。以下、相違点に重点をおいて説明する。
【００７５】
図１９に本発明の内視鏡システムの第２の実施の形態を示す瞳変調素子と固体撮像素子の光軸に対する回転位置の関係を示す概略図、図２０に固体撮像素子の画素ピッチを示す概略図を示している。
【００７６】
本実施の形態の撮像ユニットでは、図１９に示すように、レンズ枠２２に固定されている瞳変調素子１３ａと撮像素子枠２３に固定されている固体撮像素子１９の光軸（Ｚ軸）周りの回転位置関係が、前記瞳変調素子１３ａのＸ軸と前記固体撮像素子１９の画素配列のＨ方向が略４５度の角度を成し、且つ、前記瞳変調素子１３ａのＹ軸と固体撮像素子１９の画素配列のＶ方向が略４５度の角度を成すように、レンズ枠２２と撮像素子枠２３を位置決めされている。
【００７７】
（作用）
図２０に示すように、格子状に画素が配列されている固体撮像素子では、Ｖ方向、及びＨ方向の画素ピッチに対し、斜め方向の画素ピッチが小さくなる。つまり、Ｖ方向、およびＨ方向と比較し、斜め方向の方が固体撮像素子の分解能が高いことになる。
【００７８】
本実施の形態では、瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向は、固体操像素子１９の斜め方向と一致し、かつ瞳変調素子１３ａの対角方向は、固体撮像素子１９のＨ方向、Ｖ方向と一致する。
【００７９】
（効果）
瞳変調素子１ ３ ａの光学的伝達関数のレスポンスが比較的高いＸ軸方向、Ｙ軸方向は、固体撮像素子１９の分解能が比較的高い斜め方向と一致しており、且つ、瞳変調素子１３ａの光学的伝達関数のレスポンスが比較的低い対角方向が、固体撮像素子１９の分解能が比較的低いＶ方向、Ｈ方向と一致しているため、瞳変調素子１３ａで発生する光軸回りの光学的伝達関数のレスポンス変化の影響を最小限とすることが可能となる。
【００８０】
本実施の形態では固体撮像素子の画素配列が格子状のもので説明したが、これに限らず、ハニカム配列の固体撮像素子を用いても同様の効果を得ることが可能である。ハニカム配列の場合は、斜め方向よりも、Ｈ方向、及びＶ方向の方が、画素ピッチが小さいため、斜め方向と比較してＨ方向、Ｖ方向の分解能が高くなる。このため、瞳変調素子のＸ軸方向、Ｙ軸方向は、分解能の比較的高いＨ方向、Ｖ方向と一致するよう配置すれば良い。
【００８１】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、内視鏡光学系に配置した光位相変調部材に応じた復元処理手段が搭載されていない信号処理装置に、光位相変調部材を有した内視鏡を接続しても、被写界深度の拡大、ならびに高解像の画像を生成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る内視鏡システムの概略の構成を示す構成図
【図２】第１の実施の形態を示す光位相変調部材を含む撮像ユニットの断面図
【図３】第１の実施の形態を示す明るさ絞りを配置した瞳変調素子の概略図
【図４】第１の実施の形態を示す瞳変調素子と固体撮像素子の光軸周りの位置関係を示す概略図
【図５】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニツトでの物体距離７ １ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図６】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離１３．５ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図７】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離７．２ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図８】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離４ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図９】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの各物体距離における光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果の図
【図１０】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離１３．５ｍｍにおける光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果の図
【図１１】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離７１ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図１２】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離１３．５ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図である。
【図１３】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離７．２ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図１４】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離４ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図１５】通常の対物光学系における撮像ユニットでの各物体距離における光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果の図
【図１６】第１の実施の形態のレンズ枠２１、平凹レンズ１１及び両凸レンズ１２で構成される部材の１の変形例の断面図
【図１７】第１の実施の形態のレンズ枠２１、平凹レンズ１１及び両凸レンズ１２で構成される部材のその第２の変形例の断面図
【図１８】第１の実施の形態のレンズ枠２１、平凹レンズ１１及び両凸レンズ１２で構成される部材のその第３の変形例の断面図
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る瞳変調素子と固体撮像素子の光軸に対する回転位置の関係を示す概略図
【図２０】第２の実施の形態を示す固体撮像素子の画素ピッチを示す概略図
【図２１】従来例による拡大被写界深度光学系の構成を概略的に示す図
【図２２】従来例によるキュービック位相変調マスクの外観形状を説明するための図
【図２３】通常の光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２４】通常の光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２５】通常の光学系において物体が焦点位置から図２４のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２６】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２７】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）の強度分布を示すグラフ
【図２８】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から図２７のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２９】拡大被写界深度光学系において光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して行なわれる処理の逆フィルタの特性を示すグラフ
【図３０】図２６の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図３１】図２７の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図３２】図２８の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図３３】複数種の内視鏡を接続し、被写体の画像をモニタで観察するための従来の内視鏡システムの概略の構成を示す構成図
【図３４】図３３の従来のカメラコントローラの構成を示すブロック図
【符号の説明】
１…内視鏡
２…カメラコントローラ（信号処理装置）
３…光源装置
４…モニタ
１１…平凹レンズ
１２…両凸レンズ
１３…光位相変調部材
１３ａ…瞳変調素子
１４，１６，１７…平レンズ
１５…接合レンズ
１８…カバーガラス
１９…固体撮像素子
２１，２２…レンズ枠
２３…撮像素子枠
２４…明るさ絞り
２５，２６…間隔環
３１…撮像ユニット
３２…対物光学系
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡装置に関し、特に、仕様や用途の異なる複数種の内視鏡を接続し、被写体の画像をモニタで観察するための内視鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内視鏡は、周知の通り、直接目視できない生体内等を観察することができ、医療分野を中心に診断、治療に広く使用されている。そして、近年、被写体像をＣＣＤ等の固体撮像素子によって電気信号に変換し、モニタにて観察可能とした電子内視鏡が普及している。
【０００３】
このような内視鏡は、観察する部位に応じて種々の内視鏡が用いられる。内視鏡は、光源装置や信号処理回路を含むカメラコントローラ（信号処理装置）等に接続されて使用される。また、信号処理回路には、画質向上や被写体の強調を目的とした画像処理回路が搭載されており、コントラスト改善のために、例えば、次に示すような、対称な２次元デジタルフィルタが用いられている。この次に示すマトリックスは、中心画素とその周囲の画素の値に対する係数を決定するものである。
【０００４】
−１ −５ −１
−５ ２５ −５
−１ −５ −１
一方、内視鏡光学系には、光学系の簡易さ、操作性の良さから、固定焦点光学系が一般的に用いられ、その観察部位に応じて必要な被写界深度が得られるように設計されている。しかし、固定焦点光学系で被写界深度を広くすると光学系のＦナンバーを大きくする必要があり、明るさが低下するといった問題が生じる。さらに、光の回折限界の理由から被写界深度の拡大には限界がある。
これに対し、光学系の被写界深度を拡大する手法は、例えば、米国特許５，７４８，３７１号や「Ｅｄｗａｒｄ Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ， Ｊｒ．， Ｗ．Ｔｈｏｍａｓ Ｃａｔｈｅｙ， ”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄｔｈｒｏｕｇｈ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｃｏｄｉｎｇ”， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．３４， １８５９−１８６６（１９９５）」等に開示されている。図２１は、従来例による拡大被写界深度光学系の構成を概略的に示す図である。
【０００５】
この手法による装置は、図２１に示されるように、ＣＣＤ等の撮像手段１０４と、物体１０１の像を撮像手段１０４の受光面に結像させるレンズ系１０３である光学系の瞳位置に配置されたキュービック位相変調マスク１０２と、撮像手段１０４からの画像データに基づいて画像を構築する画像処理装置１０５とを有している。
【０００６】
キュービック位相変調マスク１０２は、一方の面は平面で、他方の面は図２２に示されるようにＺ＝Ａ（Ｘ3＋Ｙ3）で表される形状をなしている。図２２は、このキュービック位相変調マスクの外観形状を説明するための図である。Ａは、任意の係数である。すなわち、一方の面は、ＸＹ平面上の平面であり、他方の面は、ＸＹ平面に直交するＺ軸方向に上記の式を満たす三次元曲面である。図２２は、Ｘ及びＹが−１から＋１の範囲における三次元曲面の状態を説明するための図である。従って、三次元曲面形状は、係数Ａに応じて変化する。
【０００７】
キュービック位相変調マスク１０２は、これを通過する光の位相にＰ（Ｘ，Ｙ）＝ｅｘｐ(ｊα（Ｘ3＋Ｙ3））のずれを与える。ここで、係数αは、２０よりも十分に大きな値が好ましく、これにより光学的伝達関数（以下、ＯＴＦともいう。）のレスポンスは０．２以下となり、回転非対称な収差（ボケ）による点像の大きさは、撮像手段１０４の画素に比べ十分に大きくなる。
【０００８】
このようなキュービック位相変調マスク１０２を持たない通常の光学系の場合、物体１０１が合焦位置からずれるに従って光学的伝達関数のレスポンスの様子は、図２３から図２４へ変化し、物体１０１がさらにずれると図２４から図２５へと変化する。
【０００９】
図２３は通常の光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図２４は通常の光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図２５は通常の光学系において物体が焦点位置から図２４のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。
【００１０】
これに対してキュービック位相変調マスク１０２を持つ拡大被写界深度光学系の場合、同じずれに対するＯＴＦのレスポンスはそれぞれ図２６〜図２８に示されるようになり、合焦位置においてもＯＴＦのレスポンスに低下が見られるが、合焦位置からのずれに対する変化は少ない。
【００１１】
図２６は拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図２７は拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）の強度分布を示すグラフである。図２８は拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から図２７のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。
【００１２】
この光学系によって結像された画像は、画像処理装置１０５によって、図２９に示されるキュービック位相変調マスク１０２のＯＴＦ特性の逆フィルタによる処理が行われることによって、図２２〜図２４に示されるＯＴＦに対してそれぞれ図３０〜図３２に示されるＯＴＦのレスポンスが得られる。
【００１３】
図２９は拡大被写界深度光学系において光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して行なわれる処理の逆フィルタの特性を示すグラフである。図３０は図２６の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図３１は図２７の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。図３２は図２８の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフである。
【００１４】
図２９〜図３２に示されるＯＴＦのレスポンスは、いずれも、通常の光学系の合焦時のＯＴＦのレスポンスに近い形を有している。その逆フィルタとして、例えば次に示すような非対称な２次元デジタルフィルタが用いられる。次に示すマトリックスは、中心画素とその周囲の画素の値に対する係数を決定するものである。
【００１５】
【００１６】
これに対して、拡大被写界深度光学系を用いた場合、焦点位置をずらしたときの画像処理前の画像はボケてはいるが、焦点位置をずらしたそれぞれの画像においてボケ方が変化しない。そして、これらの画像に対し、前述の逆フィルタ（図２９）による画像処理を行うと、通常の光学系の焦点ずれがしていない画像と同等の画像が得られ、被写界深度が拡大できる。
【００１７】
さらに、これを内視鏡に応用したものが、特開２０００−５１２７号公報の明細書に開示されている。開示された内視鏡システムは、図３３に示すように、複数種の内視鏡を接続し、被写体の画像をモニタ１１６で観察するための内視鏡システムである。
【００１８】
この内視鏡システムは、図３３に示すように、固体撮像素子１１４と、その固体撮像素子１１４の受光面上に被写体の像を結像する対物光学系１１２とを有する内視鏡１１１と、内視鏡１１１で得られた画像信号を処理して映像信号を出力するカメラコントローラ（信号処理装置）１１７と、観察用の照明光を発生する光源装置１１８と、カメラコントローラ１１７からの映像信号を表示するモニタ１１６とを備えている。
【００１９】
複数種の内視鏡の内、少なくとも１つの内視鏡１１１は、光学系１１２の中にキュービック位相変調マスク等のような光位相変調部材１１３を有する。さらに、内視鏡１１１は、撮像装置１１４の出力側に内視鏡の光位相変調部材１１３に対応した光学的伝達関数復元手段１１５を備えている。
【００２０】
また、カメラコントローラ１１７は、図３４に示すように、接続された内視鏡１１１からの画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１２１と、前記デジタル信号を映像信号に変換する信号変換部１２２と、信号変換部１２２からの映像信号を信号処理する画像処理回路１２３と、前記画像処理回路１２３で信号処理された映像信号をモニタ４で表示可能なアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部１２４とで構成されている。
【００２１】
光学的伝達関数復元手段１１５は、光学系１１２内の光位相変調部材１１３の逆フィルタに相当する復元手段を含んでいる必要がある。光学的伝達関数復元手段１１５は、図３３に示されるように内視鏡１１１内部に設けられても良いし、内視鏡１１１が接続されかつモニタ１１６に映像を表示するカメラコントローラ（信号処理装置）１１７内に設けられても良い。これによれば、光位相変調部材１１３の種類や有無に関わらず、様々な内視鏡を接続しても、被写界深度の拡大や、高解像の画像を生成することができる。
【００２２】
【特許文献１】
米国特許５，７４８，３７１号
【００２３】
【特許文献２】
特開２０００−５１２７号公報
【００２４】
【非特許文献１】
Ｅｄｗａｒｄ Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ， Ｊｒ．， Ｗ．Ｔｈｏｍａｓ Ｃａｔｈｅｙ， ”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｔｈｒｏｕｇｈｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｃｏｄｉｎｇ”， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．３４， １８５９−１８６６（１９９５）
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許５，７４８，３７１号や、特開２０００−５１２７号公報等に示されるように、光字系に光位相変調部材１１３を用いて、被写界深度を拡大する技術を内視鏡に適用する場合、光位相変調部材１１３による光学的伝達関数の悪化を復元し、高解像の画像を得るための光学的伝達関数復元手段１１５が必要になるため、光位相変調部材１１３に一対一に応じた復元手段が、カメラコントローラ（信号処理装置）１１７内の画像処理回路、もしくは内視鏡１１１内部に搭載されている必要がある。
【００２６】
しかしながら、現状の一般的な内視鏡システムにおけるカメラコントローラ内の画像処理回路においては、撮像光学系を介して得られた画像の光学的伝達関数のレスポンスに対し、特定の周波数帯域を強調することによって画像の見えを調整する画像処理回路は搭載されているものの、例えば被写界深度拡大を目的とした、内視鏡光学系内に搭載した光位相変調部材に応じた復元手段は有していないため、前記内視鏡光学系内に光位相変調部材を有する内視鏡を接続すると、解像した画像を得ることができず、互換性を確保できない。
【００２７】
また、互換性を確保するために、内視鏡内部に光学的伝達関数復元手段を設ける場合、画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、デジタル信号化された画像信号を映像信号に変換する信号変換部と、光学的伝達関数復元のための画像処理部と、再び映像信号から画像信号に信号変換するための信号変換部、Ｄ／Ａ変換部が内視鏡内部に必要となるが、前記回路は複雑であり回路規模も大きくなるため、内視鏡本体の肥大化を招き、操作性が悪くなるという欠点が生じる。
【００２８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、内視鏡光学系に配置した光位相変調部材に応じた復元処理手段が搭載されていない信号処理装置に、光光位相変調部材を有した内視鏡を接続しても、被写界深度の拡大、ならびに高解像の画像を生成できる内視鏡装置を提供することを目的としている。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の内視鏡装置は、被写体像光を入光する対物光学系と、前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、を備え、前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子からの映像信号を表示するモニタにおける略対角方向に一致させるように、当該光軸周りに回転した位置に配置したことを特徴とする。
【００３０】
本発明の第２の内視鏡装置は、被写体像光を入光する対物光学系と、前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、を備え、前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子における前記受光面において当該固体撮像素子の画素ピッチが最も大きくなる方向に一致させるように、当該固体撮像素子に対して相対的に当該光軸周りに回転した位置に配置したことを特徴とする。
本発明の第３の内視鏡装置は、被写体像光を入光する対物光学系と、前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、を備え、前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子における前記受光面において当該固体撮像素子の画素ピッチが最も大きくなる方向に一致させると共に、前記固体撮像素子からの映像信号を表示するモニタにおける略対角方向に一致させるように、当該固体撮像素子に対して相対的に当該光軸周りに回転した位置に配置したことを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
【００３２】
第１の実施の形態：
図１ないし図１８は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は内視鏡システムの概略の構成を示す構成図、図２は図１の光位相変調部材を含む撮像ユニットの構成を説明するための図、図３は図２の明るさ絞りを配置した瞳変調素子の構造を説明するための概略説明図、図４は図３の瞳変調素子と固体撮像素子の光軸に対する回転位置の関係を示す概略説明図、図５は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離７１ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図６は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離１３．５ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図７は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離７．２ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図８は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離４ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図９は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの各物体距離の光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果を説明するための図、図１０は図２の瞳変調素子を含む撮像ユニットの物体距離１３．５ｍｍのときの瞳変調素子Ｘ軸方向及び対角方向の光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果を説明するための図、図１１は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離７１ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１２は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離１３．５ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１３は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離７．２ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１４は通常の光学系における図２の撮像ユニットの物体距離４ｍｍのときに得られる点像のシミュレーション結果を説明するための図、図１５は通常の光学系における図２の撮像ユニットの各物体距離についての光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果を説明するための図、図１６は図２のレンズ枠、平凹レンズ及び両凸レンズで構成される部材の第１の変形例を示す図、図１７は図２のレンズ枠、平凹レンズ及び両凸レンズで構成される部材の第２の変形例を示す図、図１８は図２のレンズ枠、平凹レンズ及び両凸レンズで構成される部材の第３の変形例を示す図である。
【００３３】
（構成）
図１に示すように、固体操像素子１９と、前記固体撮像素子１９の受光面上に被写体の像を結像する対物光学系３２とで構成される撮像ユニット３１を設けた内視鏡１と、内視鏡１で得られた画像信号を処理して映像信号を出力するカメラコントローラ（信号処理装置）２と、カメラコントローラ２からの映像信号を表示するモニタ４と、観察用の照明光を発生する光源装置３とを備えている。
【００３４】
そして、本発明の内視鏡システムでは、複数の種類の内視鏡１を接続することができるようになっており、複数の種類の内視鏡１のうち、少なくとも１つの内視鏡１は、その対物光学系３２内に光位相変調部材（光位相変調マスク）１３が設けられている。
【００３５】
撮像ユニット３１は、図２に示すように、固体撮像素子１９と固体撮像素子１９の受光面上に被写体像を結像する対物光学系３２で構成される。本実施の形態で用いられる固体撮像素子１９は、例えば、画素ピッチが７μｍのものが用いられる。
【００３６】
対物光学系３２は、レンズ枠２１に接着固定される平凹レンズ１１、両凸レンズ１２と、レンズ枠２２に接着固定される瞳変調素子１３ａ、平レンズ１４、接合レンズ１５、平レンズ１６とで構成される。
【００３７】
レンズ枠２２に組みつけられる各レンズは、適当なレンズ間隔が得られるよう、各レンズの間に間隔環２５、２６が配置されている。固体撮像素子１９は平レンズ１７、及び受光面を保護するカバーガラス１８とともに撮像素子枠２３に接着固定されている。レンズ枠２１、２２は、両凸レンズ１２と光位相変調部材としての瞳変調素子１３ａの面間隔を保つように突き当てられ、かつ、各レンズ粋が保持するレンズの光軸が一致するよう嵌合し、かつ、光軸周りに回転可能に構成されている。
【００３８】
さらに、レンズ枠２２と撮像素子枠２３は、各枠が保持するレンズの光軸ならびに固体撮像素子１９の受光面中心が一致するよう嵌合し、かつ、平レンズ１６と平レンズ１７の面間隔を調整できるように光軸方向に摺動し、かつ、光軸周りに回転可能となるよう構成されている。
【００３９】
図３は光が入射する方向から見たときの瞳変調素子１３ａと明るさ絞り２４の外観を示す図である。入射光に垂直なＸＹ平面に平行に明るさ絞り２４が設けられ、明るさ絞り２４の開口部を通して入射した光が瞳変調素子１３ａに入射する。また、光が入射する方向から見て明るさ絞り２４の背面の位置に、光位相変調部材１３として瞳変調素子１３ａが配置されている。
【００４０】
光位相変調部材１３として用いた瞳変調素子１３ａは、例えば屈折率１．５２３の光学的に透明なガラスで形成されており、広い被写界深度にわたって光学的伝達関数が略一定となる変換手段である。該瞳変調素子１３ａは、図３に示すように、対物光学系３２の光軸をＺ軸としたときに、Ｚ軸と直行する面内にＸ、Ｙ軸を座標とし、Ｚ＝Ａ（Ｘ3＋Ｙ3）の形状をした自由曲面を有していて、本実施の形態ではＡ＝０．０５１とする。
【００４１】
図２に示される前記撮像ユニット３１のレンズデータを表１に示す。この光学系の焦点距離は１．６１ｍｍ、Ｆナンバーは８．７２２であり、明るさ絞り２４は第６面に、瞳変調素子１３ａの自由曲面部は第７面に相当する。
【００４２】
【表１】
【００４３】
次に、撮像ユニット３１の組立方法について説明する。
まず、レンズ枠２１にレンズ１１、１２を接着固定する。また、レンズ枠２２に、明るさ絞り２４を貼り付けた瞳変調素子を接着固定し、さらに、レンズ１４、間隔環２５、レンズ１５、間隔環２６、レンズ１６の順でレンズ枠２２に挿入し接着固定する。また、撮像素子枠２３にはレンズ１７、カバーガラス１８、固体撮像素子１９を接着固定する。図示しないが、固体撮像素子には電気信号を伝達するケーブルが半田付けされており、カメラコントローラ２に接続される。
【００４４】
次に、図４に示すように、レンズ枠２２に固定されている瞳変調素子１３ａと撮像素子枠２３に固定されている固体撮像素子１９の光軸（Ｚ軸）周りの回転位置関係が、前記瞳変調素子１３ａのＸ軸と前記固体撮像素子１９の画素配列の水平（走査）方向（以降、Ｈ方向とする）が平行で、且つ、前記瞳変調素子１３ａのＹ軸と固体撮像素子１９の画素配列の垂直（走査方向と直交）方向（以降、Ｖ方向とする）が平行になるように、レンズ枠２２と撮像素子枠２３を位置決めする。さらに、光軸周りに回転位置決めした前記レンズ枠２２と前記撮像素子枠２３は、レンズ枠２１、２２で構成される対物光学系３２と前記撮像素子枠とのピント位置が適正となるように、平レンズ１６と平レンズ１７間の面間隔が調整された位置で接着固定される。
【００４５】
次に、レンズ枠２２にレンズ枠２１を組付け、光軸周りにレンズ枠２１を回転させることで、撮像ユニット３１の光学系のばらつきで発生する偏角が最小となるように調整し、接着固定する。固体撮像素子１９は、カメラコントローラ２を経由して、モニタ４に接続されている。
【００４６】
カメラコントローラ２は、接続された内視鏡１からの画像信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、前記ディジタル信号を映像信号に変換する信号変換部（図示せず）と、前記映像信号をモニタ４で表示可能なアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器（図示せず）とで構成されている。
【００４７】
（作用）
前記形状の瞳変調素子１３ａは、波長５８７．６ｎｍの平行光に対し、ｅｘｐ｛ｉ×２．４１４（Ｘ3＋Ｙ3）／０．２０４３｝の位相変調を行う。
【００４８】
観察する被写体は、前記瞳変調素子１３ａを含む対物光学系を通して、前記画素ピッチ７μｍの固体撮像素子１９上の受光面に結像し、固体撮像素子１９によって電気信号（画像信号）に変換される。前記電気信号はカメラコントローラ２内のＡ／Ｄ変換器にてディジタル信号に変換され、信号変換部にて映像信号に変換される。前記映像信号は、Ｄ／Ａ変換器によってモニタ４に表示可能なアナログ信号に変換され、モニタ４に被写体が映し出される。
【００４９】
ここで、固体撮像素子１９上のＨ方向、Ｖ方向は、それぞれ、モニタ４の水平（走査）方向（以降、Ｈ方向）、垂直（走査方向と直交）方向（以降、Ｖ方向）と一致するようカメラコントローラ２により信号処理される。瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向は前述したように固体撮像素子１９のＨ方向、Ｖ方向と一致しているため、それぞれ、モニタ４のＨ方向、Ｖ方向とも一致する。
【００５０】
前記撮像ユニット３１に対し、物体距離１３．５ｍｍの位置での固体撮像素子１９の受光面上での点像強度分布関数（ＰＳＦ）の面積がもっとも小さくなるようにピント調整行った。
【００５１】
物体距離を７ １ｍｍ、１３．５ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍとしたときの固体撮像素子１９の受光面上での点像、および各物体距離での光軸上の光学的伝達関数のレスポンスについて、光学シミユレーションソフトＣｏｄｅ−Ｖ（登録商標）を用いて計算をおこなった。この結果、各物体距離における固体撮像素子受光面上での点像の面積は、それぞれ１辺を２２μｍ、１４μｍ、２０μｍ、３１μｍとした正方形の領域内の大きさの点像として得られた。
【００５２】
前記点像について固体撮像素子受光面をＸＹ平面とし、各画素における光の強度（パーセント）をＺ軸とした結果を図５〜８に示す。また、各物体距離における光軸上で、且つ瞳変調素子Ｘ軸方向の光学的伝達関数のレスポンスの計算結果を図９に示す。また、物体距離１３．５ｍｍの時の、光軸上で、且つ、瞳変調素子Ｘ軸方向及び、対角方向の光学的伝達関数のレスポンスの計算結果を図１０に示す。
【００５３】
図５〜８において、ＸＹ平面は固体撮像素子受光面に相当し、Ｚ軸は光の強度である。図９において、Ａは物体距離７ １ｍｍ、Ｂは物体距離１３．５ｍｍ、Ｃは物体距離７．２ｍｍ、Ｄは物体距離４ｍｍの時の光学的伝達関数のレスポンスである。図１０において、Ｂは瞳変調素子Ｘ軸方向、Ｅは瞳変調素子のＸＹ軸を軸とするＸＹ平面内で第１象限及び第３象限を通る対角方向、Ｆは瞳変調素子ＸＹ軸を軸とするＸＹ平面内で第２象限及び第４象限を通る対角方向の光学的伝達関数のレスポンスである。
【００５４】
なお、ここでは瞳変調素子Ｘ軸方向の計算結果のみについて示したが、瞳変調素子Ｙ軸方向についてはＸ軸方向と同一の結果が得られるため、割愛した。
【００５５】
物体距離が１３．５ｍｍの場合の点像は、一辺が１４μｍの正方領域、つまり画素ピッチ７μｍの固体撮像素子の一辺が２画素分、面積にして４画素分に相当する、図６に示される光の強度分布を持つ点像として得られる。
【００５６】
また、物体距離が７１ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍの場合の点像は、それぞれ１辺が２２μｍ、２０μｍ、３１μｍつまり、一辺が３．１画素分、２．９画素分、４．４画素分に相当する正方領域に、図５、７〜９に示される光の強度分布として得られる。
【００５７】
さらに、画素ピッチ７μｍの固体撮像素子１９では、ナイキスト周波数は７１ラインペア／ｍｍとなるが、図９に示したように、物体距離が４ｍｍの位置におけるナイキスト周波数での光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上あり、解像していることがわかる。
【００５８】
また、図１０に示すように、瞳変調素子Ｘ軸方向に比べ、対角方向では特に高周波領域でレスポンスが０．１程度低下することがわかる。
【００５９】
比較例として、図２の撮像ユニット３１で瞳変調素子１３ａの代わりに同材質の平行平板を用いた通常の光学系の場合について説明する。前記通常の光学系のレンズデータは表１の第７面の形状を自由曲面から平面に変更したものである。
【００６０】
前記の瞳変調素子１３ａが配置された撮像ユニット３１の場合と同様に、物体距離１３．５ｍｍの位置での固体撮像素子受光面上の点像（ＰＳＦ）の面積がもっとも小さくなるように調整を行った。このときの物体距離を７１ｍｍ、１３．５ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍとしたときの固体撮像素子１９の受光面上での点像、および各物体距離での光軸上の光学的伝達関数のレスポンスについて、光学シミュレーションソフトＣｏｄｅ−Ｖ（登録商標）を用いて計算をおこなった。
【００６１】
この結果、各物体距離における固体操像素子受光面上での点像の面積は、それぞれ１辺を１６μｍ、１μｍ、１４μｍ、３６μｍとした正方形の領域内の大きさの点像として得られた。前記点像について固体撮像素子受光面をＸＹ平面とし、各画素における光の強度（パーセント）をＺ軸とした結果を図１１〜１４に示す。また、各物体距離での光軸上の光学的伝達関数のレスポンスの計算結果を図１５に示す。
【００６２】
図１５において、Ａは物体距離７１ｍｍ、Ｂは物体距離１３．５ｍｍ、Ｃは物体距離７．２ｍｍ、Ｄは物体距離４ｍｍの時の光学的伝達関数のレスポンスである。
【００６３】
物体距離が１３．５ｍｍの場合の点像は、１辺が１μｍの正方領域、つまり画素ピッチ７μｍの固体撮像素子１１の一辺が１画素分、面積にして１画素分に相当する、図１２に示される光の強度分布を持つ点像として得られる。また、物体距離が７１ｍｍ、７．２ｍｍ、４ｍｍの場合の点像は、それぞれ１辺が１６μｍ、１４μｍ、３６μｍ、つまり、一辺が２．３画素分、２画素分、５．１画素分に相当する正方領域に、図１１、図１３、１４に示される光の強度分布を持つ点像として得られる。さらに、図１５に示したように、ナイキスト周波数での光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上となるのは物体距離が７．２ｍｍ以上７１ｍｍ未満のときであることがわかる。
【００６４】
（効果）
前述したように、瞳変調素子１３ａを含まない通常の内視鏡の場合、物体距離７．２ｍｍより近接すると、ナイキスト周波数における光学的伝達関数のレスポンスが０．２より下回るため解像しない。
【００６５】
これに対し、本実施の形態における瞳変調素子１３ａを含む内視鏡の場合、物体距離４ｍｍでもナイキスト周波数における光学的伝達関数のレスポンスが０．２を上回っているため、解像することがわかる。さらに、前記瞳変調素子１３ａによる位相変調量ａは２．４ １ ４と十分小さな値に設定されているため、前記光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上となる被写界深度内において瞳変調素子１３ａによって発生する非対称な収差（ボケ）は最大でも数画素程度となり非対称な収差はモニタ４上で認識できないレベルとなる。このことから、被写界深度が拡大されていることがわかる。
【００６６】
さらに、本実施の形態における瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向は、それぞれモニタ４のＨ方向、Ｖ方向と一致しているため、モニタ４上のＨ方向、Ｖ方向は光学的伝達関数のレスポンスが比較的高くなり、モニタ４上の対角方向は光学的伝達関数のレスポンスが比較的低く表示される。人間の視覚の特性上、水平、垂直方向の分解能に比べ、対角方向の分解能は低いことが知られており、本実施の形態では、光学的伝達関数のレスポンスが比較的高い方向が視覚上の水平、垂直方向に、比較的低い方向が視覚上の対角方向に位置することとなるため、対角方向の光学的伝達関数のレスポンスの低下は視認しにくくなり、見かけ上の解像感の低下を防ぐことができる。
【００６７】
ここで、本実施の形態では、瞳変調素子１３ａのＸ軸方向とＹ軸方向を、それぞれモニタ４のＨ方向、Ｖ方向と一致するよう配置したが、これに限ったものではなく、モニタ４の対角方向と、瞳変調素子１３ａの対角方向が一致すれば、瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向が、それぞれモニタ４のＶ方向、Ｈ方向と一致させても同様の効果が得られることは言及するまでもない。
【００６８】
本実施の形態では固体撮像素子の画素ピッチを７μｍのものとしたが、これに限ったものではなく、固体撮像素子受光面上での点像の面積がもっとも小さくなるピント位置における点像の大きさが、一辺を画素ピッチの２画素分、面積にして４画素分となるように明るさ絞り２４の開口寸法、および瞳変調素子１３ａの形状を調整することで、同様の被写界深度の拡大が可能となる。
【００６９】
また、本実施の形態では固体撮像素子受光面上の点像の面積がもっとも小さくなるピント位置における点像の大きさを、一辺が固体撮像素子の画素ピッチの２画素分、面積にして４画素分となるように調整したが、点像の大きさを、一辺が画素ピッチの６画素分、面積にして３６画素分となるようにした場合、瞳変調素子の変調係数αは７．２４３で、物体距離４ｍｍにおける光学的伝達関数のレスポンスが０．２以上となり、かつ物体距離４ｍｍにおける点像の大きさも一辺が８画素程度であるために、同様の被写界深度の拡大が可能となる。
【００７０】
本実施の形態では瞳変調素子１３ａにガラス材料を用いているが、樹脂材料を用いても良い。また、本実施の形態では瞳変調素子１３ａは光学的に透明なガラスが用いられているが、特定の波長のみ透過する光学フィルタ材料を用いても良い。また、本実施の形態での瞳変調素子１３ａの形状はＸ軸方向、Ｙ軸方向の光学的伝達関数の変換量を同一としているが、Ｘ軸方向、Ｙ軸力向で変換量が異なる構成にしても良い。例えば、明るさ絞り２４の開口形状を長方形に設定しても良いし、瞳変調素子１３ａの自由曲面の形状をＸ軸方向、Ｙ軸方向で異なる係数を使用しても良い。また、前記明るさ絞り２４は円形としても同様の効果が得られる。この場合は、明るさ絞り２４と瞳変調素子１３ａとの光軸に対する回転方向調整が必要なくなるという効果がある。また、明るさ絞り２４は瞳変調素子１３ａと別体でなくとも良く、瞳変調素子１３ａに蒸着等により直接形成されていても良い。
【００７１】
本実施の形態では、光軸周りにレンズ枠２１を回転させることで、撮像ユニット３１の光学系のばらつきで発生する偏角が最小となるように調整を行っているが、撮像ユニット３１で発生する偏角が大きい場合に対応できるよう、レンズ１１、１２を含むレンズ枠の構成を図１６〜１８に示したような構成としても良い。
【００７２】
図１６は、レンズ枠２１とレンズ１１の間にスペーサ２７を挿入し、レンズ枠２１の軸とレンズ１１の軸を傾けて構成したものである。図１７は、レンズ枠２１ａのレンズ１１の挿入部と、レンズ１２の挿入部との軸をずらして構成したものである。図１８は、レンズ枠２１ｂのレンズ１１の挿入部が、レンズ１１の外径より大きく加工されており、レンズ１１の軸をレンズ枠２１ｂの軸に対しずらして配置、固定して構成したものである。
【００７３】
上記図１６〜１８に示した構成では、レンズ枠２２と撮像素子枠２３とで発生する光学系のばらつきによる偏角が大きくても、レンズ１１、１２が接着固定されたレンズ枠部材の光軸が比較的大きく偏芯して構成されているため、撮像ユニット３１の偏角調整を行うことができる。
【００７４】
第２の実施の形態：
本実施の形態は、基本的な構成は第１の実施の形態と同じであり、瞳変調素子と固体撮像素子の光軸周りの回転位置関係が異なる。以下、相違点に重点をおいて説明する。
【００７５】
図１９に本発明の内視鏡システムの第２の実施の形態を示す瞳変調素子と固体撮像素子の光軸に対する回転位置の関係を示す概略図、図２０に固体撮像素子の画素ピッチを示す概略図を示している。
【００７６】
本実施の形態の撮像ユニットでは、図１９に示すように、レンズ枠２２に固定されている瞳変調素子１３ａと撮像素子枠２３に固定されている固体撮像素子１９の光軸（Ｚ軸）周りの回転位置関係が、前記瞳変調素子１３ａのＸ軸と前記固体撮像素子１９の画素配列のＨ方向が略４５度の角度を成し、且つ、前記瞳変調素子１３ａのＹ軸と固体撮像素子１９の画素配列のＶ方向が略４５度の角度を成すように、レンズ枠２２と撮像素子枠２３を位置決めされている。
【００７７】
（作用）
図２０に示すように、格子状に画素が配列されている固体撮像素子では、Ｖ方向、及びＨ方向の画素ピッチに対し、斜め方向の画素ピッチが小さくなる。つまり、Ｖ方向、およびＨ方向と比較し、斜め方向の方が固体撮像素子の分解能が高いことになる。
【００７８】
本実施の形態では、瞳変調素子１３ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向は、固体操像素子１９の斜め方向と一致し、かつ瞳変調素子１３ａの対角方向は、固体撮像素子１９のＨ方向、Ｖ方向と一致する。
【００７９】
（効果）
瞳変調素子１ ３ ａの光学的伝達関数のレスポンスが比較的高いＸ軸方向、Ｙ軸方向は、固体撮像素子１９の分解能が比較的高い斜め方向と一致しており、且つ、瞳変調素子１３ａの光学的伝達関数のレスポンスが比較的低い対角方向が、固体撮像素子１９の分解能が比較的低いＶ方向、Ｈ方向と一致しているため、瞳変調素子１３ａで発生する光軸回りの光学的伝達関数のレスポンス変化の影響を最小限とすることが可能となる。
【００８０】
本実施の形態では固体撮像素子の画素配列が格子状のもので説明したが、これに限らず、ハニカム配列の固体撮像素子を用いても同様の効果を得ることが可能である。ハニカム配列の場合は、斜め方向よりも、Ｈ方向、及びＶ方向の方が、画素ピッチが小さいため、斜め方向と比較してＨ方向、Ｖ方向の分解能が高くなる。このため、瞳変調素子のＸ軸方向、Ｙ軸方向は、分解能の比較的高いＨ方向、Ｖ方向と一致するよう配置すれば良い。
【００８１】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、内視鏡光学系に配置した光位相変調部材に応じた復元処理手段が搭載されていない信号処理装置に、光位相変調部材を有した内視鏡を接続しても、被写界深度の拡大、ならびに高解像の画像を生成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る内視鏡システムの概略の構成を示す構成図
【図２】第１の実施の形態を示す光位相変調部材を含む撮像ユニットの断面図
【図３】第１の実施の形態を示す明るさ絞りを配置した瞳変調素子の概略図
【図４】第１の実施の形態を示す瞳変調素子と固体撮像素子の光軸周りの位置関係を示す概略図
【図５】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニツトでの物体距離７ １ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図６】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離１３．５ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図７】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離７．２ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図８】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離４ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図９】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの各物体距離における光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果の図
【図１０】第１の実施の形態を示す瞳変調素子を含む撮像ユニットでの物体距離１３．５ｍｍにおける光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果の図
【図１１】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離７１ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図１２】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離１３．５ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図である。
【図１３】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離７．２ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図１４】通常の対物光学系における撮像ユニットでの物体距離４ｍｍの時に得られる点像のシミュレーション結果の図
【図１５】通常の対物光学系における撮像ユニットでの各物体距離における光学的伝達関数のレスポンスのシミュレーション結果の図
【図１６】第１の実施の形態のレンズ枠２１、平凹レンズ１１及び両凸レンズ１２で構成される部材の１の変形例の断面図
【図１７】第１の実施の形態のレンズ枠２１、平凹レンズ１１及び両凸レンズ１２で構成される部材のその第２の変形例の断面図
【図１８】第１の実施の形態のレンズ枠２１、平凹レンズ１１及び両凸レンズ１２で構成される部材のその第３の変形例の断面図
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る瞳変調素子と固体撮像素子の光軸に対する回転位置の関係を示す概略図
【図２０】第２の実施の形態を示す固体撮像素子の画素ピッチを示す概略図
【図２１】従来例による拡大被写界深度光学系の構成を概略的に示す図
【図２２】従来例によるキュービック位相変調マスクの外観形状を説明するための図
【図２３】通常の光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２４】通常の光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２５】通常の光学系において物体が焦点位置から図２４のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２６】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置にあるときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２７】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）の強度分布を示すグラフ
【図２８】拡大被写界深度光学系において物体が焦点位置から図２７のときよりも更に外れたときの光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図２９】拡大被写界深度光学系において光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して行なわれる処理の逆フィルタの特性を示すグラフ
【図３０】図２６の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図３１】図２７の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図３２】図２８の光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスに対して図２９の特性を持つ逆フィルタによる処理を行なって得られる光学的伝達関数（ＯＴＦ）のレスポンスを示すグラフ
【図３３】複数種の内視鏡を接続し、被写体の画像をモニタで観察するための従来の内視鏡システムの概略の構成を示す構成図
【図３４】図３３の従来のカメラコントローラの構成を示すブロック図
【符号の説明】
１…内視鏡
２…カメラコントローラ（信号処理装置）
３…光源装置
４…モニタ
１１…平凹レンズ
１２…両凸レンズ
１３…光位相変調部材
１３ａ…瞳変調素子
１４，１６，１７…平レンズ
１５…接合レンズ
１８…カバーガラス
１９…固体撮像素子
２１，２２…レンズ枠
２３…撮像素子枠
２４…明るさ絞り
２５，２６…間隔環
３１…撮像ユニット
３２…対物光学系
Claims (6)
- 被写体像光を入光する対物光学系と、
前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、
前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、
を備え、
前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子からの映像信号を表示するモニタにおける略対角方向に一致させるように、当該光軸周りに回転した位置に配置した
ことを特徴とする内視鏡装置。 - 被写体像光を入光する対物光学系と、
前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、
前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、
を備え、
前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子における前記受光面において当該固体撮像素子の画素ピッチが最も大きくなる方向に一致させるように、当該固体撮像素子に対して相対的に当該光軸周りに回転した位置に配置した
ことを特徴とする内視鏡装置。 - 被写体像光を入光する対物光学系と、
前記対物光学系の光軸上後段側の当該光軸に対して垂直な平面上において、前記対物光学系に入光した被写体像光を結像する受光面の中心を前記光軸と一致させて配設され、前記対物光学系に入光した被写体像を撮像する固体撮像素子と、
前記対物光学系に設けられ、前記光軸を軸として非対称な光学的伝達関数を有する光位相変調部材と、
を備え、
前記光位相変調部材は、前記光軸に対して垂直な平面上において当該光軸と交わる点を含む当該平面上の軸方向であって、前記光学的伝達関数のレスポンスが最も低くなる軸方向を、前記固体撮像素子における前記受光面において当該固体撮像素子の画素ピッチが最も大きくなる方向に一致させると共に、前記固体撮像素子からの映像信号を表示するモニタにおける略対角方向に一致させるように、当該固体撮像素子に対して相対的に当該光軸周りに回転した位置に配置した
ことを特徴とする内視鏡装置。 - 前記光位相変調部材を有する対物光学系の前記光学的伝達関数のレスポンスは、前記光位相変調部材を持たない場合の対物光学系の被写界深度よりも広い物体距離にわたって、前記固体撮像素子のナイキスト周波数までレスポンスが０．２以上ある
ことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載の内視鏡装置。 - 点像の前記固体撮像素子受光面上の面積が最も小さくなる物体距離において、前記光位相変調部材を有する内視鏡の対物光学系の前記点像の固体撮像素子受光面上の面積Ｗは、前記固体撮像素子の画素ピッチをＰとしたときに、
Ｗ≦３６×Ｐ2
を満たす
ことを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の内視鏡装置。 - 前記光位相変調部材は、前記対物光学系の光軸をＺ軸としたときに互いに直交する２軸をＸ、Ｙとしたとき、
ｅｘｐ｛ｉ×α（Ｘ3＋Ｙ3）｝ （但し、｜Ｘ｜≦１、｜Ｙ｜≦１）
の位相の変換を行うものであり、前記係数αは８以下である
ことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の内視鏡装置。
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