(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物光学系と、
前記対物光学系で得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に分割する光路分割手段と、
前記光学像を取得する撮像素子と、
取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部と、を有し、
前記対物光学系は、最も物体側に負の第１レンズを有し、
以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする内視鏡システム。
３＜Ｄ_diff／ｉｍ_pitch≦１００      …（１）
０．００５＜Ｄ_diff／Ｒ1_r＜１．０      …（２）
ここで、
Ｄ_diffは、前記２つの光学像における光路長差の空気換算長、
ｉｍ_pitchは、前記撮像素子の画素ピッチ、
Ｒ1_rは、負の前記第１レンズの像側面における曲率半径、
である。
【請求項２】
以下の条件式（３）、（４）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム
−０．０５＜Ｄ_diff／Ｒ1_f＜０．０５      …（３）
−１．０＜Ｄ_diff／ＦＬ_L01＜−０．００５      …（４）
ここで、
Ｄ_diffは、前記２つの光学像における光路長差の空気換算長、
Ｒ1_fは、負の前記第１レンズの物点側面における曲率半径、
ＦＬ_L01は、前記第１レンズの焦点距離、
である。
【請求項３】
以下の条件式（５）、（６）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
０．０１＜Ｄ_diff／ｆw＜２．０      …（５）
０．００２＜Ｄ_diff／ＦＢ＜０．０５      …（６）
ここで、
Ｄ_diffは、前記２つの光学像における光路長差の空気換算長、
ｆwは、前記対物光学系の焦点距離、
ＦＢは、前記対物光学系の最終レンズから結像位置までの空気換算長、
である。
【請求項４】
前記対物光学系は、前記対物光学系内部のレンズを駆動することにより、通常観察と近接観察とが可能であり、以下の条件式（７）を満足することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
１．０１＜ω(w)／ω(t)＜２．０      …（７）
ここで、
ω(w)は、前記対物光学系の通常観察時の半画角、
ω(t)は、前記対物光学系の近接観察時の半画角、
である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡システム、特に被写界深度内視鏡システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内視鏡システムを始め、撮像素子を備えた機器において、撮像素子の高画素化に伴い、被写界深度が狭くなることが知られている。すなわち、撮像素子において、画素数を増やすために画素ピッチ（１画素の縦横の寸法）を小さくすると、これに伴って許容錯乱円も小さくなるため、撮像装置の被写界深度が狭くなる。【０００３】
被写界深度を拡大するために、例えば、特許文献１には、自画像を分割して結像させ、取得した画像を画像処理で合成し深度を拡大する構成が開示されている。また、例えば、特許文献２には、自画像を分割して結像させ、取得した画像を画像処理で合成し深度を拡大する構成が開示されている。この構成では、１つの撮像素子を用いて画像を取得することができるため、コスト面でも優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２２６２３５号公報
【特許文献２】特許第５５９３００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成は、撮像素子が複数必要となり、コストがかかりすぎるため好ましくない。また、特許文献２の構成は、中心領域及び周辺領域における画像に関して、対物光学系の好適な条件を規定していない。このため、中心領域から周辺領域にかけて、十分な収差補正がされず、良好な画像を得ることが困難な場合がある。【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被深度が拡大され、良好に収差が補正された高画質な画像を取得できる内視鏡システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明に係る内視鏡システムの一態様は、
対物光学系と、
対物光学系で得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に分割する光路分割手段と、
光学像を取得する撮像素子と、
取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部と、を有し、
対物光学系は、最も物体側に負の第１レンズを有し、
以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
３＜Ｄ_diff／ｉｍ_pitch≦１００      …（１）
０．００５＜Ｄ_diff／Ｒ1_r＜１．０      …（２）
ここで、
Ｄ_diffは、２つの光学像における光路長差の空気換算長、
ｉｍ_pitchは、撮像素子の画素ピッチ、
Ｒ1_rは、負の第１レンズの像側面における曲率半径、
である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施形態に係る内視鏡システムは、被深度が拡大され、良好に収差が補正された高画質な画像を取得できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内視鏡システムが有する対物光学系、光路分割手段及び撮像素子の断面構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る内視鏡システムが有する対物光学系、光路分割手段及び撮像素子の断面構成を示す図であり、（ａ）は通常観察状態における断面図、（ｂ）は近接観察状態における断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ実施例１の通常観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示し、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、それぞれ近接観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示す収差図である。
【図４】本発明の実施例２に係る内視鏡システムが有する対物光学系、光路分割手段及び撮像素子の断面構成を示す図であり、（ａ）は通常観察状態における断面図、（ｂ）は近接観察状態における断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ実施例２の通常観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示し、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、それぞれ近接観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示す収差図である。
【図６】本発明の実施例３に係る内視鏡システムが有する対物光学系、光路分割手段及び撮像素子の断面構成を示す図であり、（ａ）は通常観察状態における断面図、（ｂ）は近接観察状態における断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ実施例３の通常観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示し、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、それぞれ近接観察状態における球面収差（ＳＡ)、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）及び倍率色収差（ＣＣ)を示す収差図である。
【図８】本発明の実施形態に係る内視鏡システムの構成を示す機能ブロック図である。
【図９】本発明の実施形態に係る内視鏡システムが有する光路分割手段と撮像素子との概略構成図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る内視鏡システムが有する撮像素子の概略構成図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る内視鏡システムにおいて、２つの光学像を合成する場合の流れを示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態に係る内視鏡システムにおいて、ビームスプリッタにより奇数回の反射後に撮像素子に結像される場合の結像状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態に係る内視鏡システムについて、図面を用いて、このような構成をとった理由と作用を説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
本実施形態に係る内視鏡システムは、対物光学系と、対物光学系で得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に分割する光路分割手段と、光学像を取得する撮像素子と、取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部と、を有し、対物光学系は、最も物体側に負の第１レンズを有し、以下の条件式（１）、（２）を満足する。
３＜Ｄ_diff／ｉｍ_pitch≦１００      …（１）
０．００５＜Ｄ_diff／Ｒ1_r＜１．０      …（２）
ここで、
Ｄ_diffは、２つの光学像における光路長差の空気換算長、
ｉｍ_pitchは、撮像素子の画素ピッチ、
Ｒ1_rは、負の第１レンズの像側面における曲率半径、
である。
【００１２】
２つのピントの異なる光学像を取得し合成画像を生成することで、被写界深度の広い画像を得ることが可能になる。光路を分割するにはプリズムユニットなどの光学部材を配置する必要がある。このため、対物光学系の最終面から結像位置までの距離（ＦＢ）を通常の光学系に比べて長くする必要がある。
【００１３】
対物光学系の第１レンズに負屈折力を有するレンズを用いることで、少ないレンズ構成枚数で、長いＦＢを得ることができるため好ましい。
【００１４】
条件式（１）は、２つのピントの異なる光学像の適切なピント差を規定している。条件式（１）を満足する場合、適切なピント差を維持できる。このため、被写界深度を広げつつ、良好な画像を取得できる。
【００１５】
条件式（１）の上限値を上回ると、２つの光学像のピント差が大きくなりすぎてしまう。このため、２つの光学像の合成画像を生成しても、ピントが合わない被写体距離が存在してしまうため、好ましくない。
条件式（１）の下限値を下回ると、２つの光学像のピント差が小さくなりすぎる。このため、被写界深度を広げる効果が低減するので、好ましくない。
【００１６】
条件式（２）は、２つの光学像のピント差と負の第１レンズとの適切な関係を規定している。
条件式（２）の上限値を上回ると、負の第１レンズで発生する軸外収差の発生量が大きくなる。このため、画像周辺での画質が劣化してしまうため、好ましくない。
条件式（２）の下限値を下回ると、負の第１レンズのパワー（屈折力）が小さくなりすぎる。このため、必要なＦＢを得ることができず、好ましくない。
【００１７】
なお、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１）’を満たすことが望ましい。
２０＜Ｄ_diff／ｉｍ_pitch＜６０      …（１）'
さらに、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１）”を満たすことが望ましい。
２５＜Ｄ_diff／ｉｍ_pitch＜４５      …（１）”
【００１８】
なお、条件式（２）に代えて、以下の条件式（２）’を満たすことが望ましい。
０．０２０＜Ｄ_diff／Ｒ1_r＜０．１      …（２）’
さらに、条件式（２）に代えて、以下の条件式（２）”を満たすことが望ましい。
０．０２５＜Ｄ_diff／Ｒ1_r＜０.０４５      …（２）”
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、
以下の条件式（３）、（４）を満足することが望ましい。
−０．０５＜Ｄ_diff／Ｒ1_f＜０．０５      …（３）
−１．０＜Ｄ_diff／ＦＬ_L01＜−０．００５      …（４）
ここで、
Ｄ_diffは、２つの光学像における光路長差の空気換算長、
Ｒ1_fは、負の第１レンズの物点側面における曲率半径、
ＦＬ_L01は、第１レンズの焦点距離、
である。
なお、ＦＬ_L01の焦点距離は、ｅ線における焦点距離である。
【００２０】
条件式（３）、（４）は、それぞれ２つの光学像のピント差と、負の第１レンズとの適切な関係を規定している。
条件式（３）の上限値を上回ると、または下限値を下回ると、レンズの第１面の曲率半径が小さくなりすぎてしまい、水切れが悪くなる。これにより、水滴が付いたような部分的にピントがボケした画像になってしまうため、好ましくない。
【００２１】
条件式（４）の下限値を下回ると、負の第１レンズで発生する軸外収差の発生量が大きくなる。このため、周辺領域での画質が劣化してしまうため、好ましくない。
条件式（４）の上限値を上回ると、負の第１レンズのパワーが小さくなりすぎてしまう。これにより、必要なＦＢを得ることができないため、好ましくない。
【００２２】
なお、条件式（３）に代えて、以下の条件式（３）’を満たすことが望ましい。
−０．００５＜Ｄ_diff／Ｒ1_f＜０．００５      …（３）’
さらに、条件式（３）に代えて、以下の条件式（３）”を満たすことが望ましい。
−０．００１＜Ｄ_diff／Ｒ1_f＜０．００１      …（３）”
【００２３】
なお、条件式（４）に代えて、以下の条件式（４）’を満たすことが望ましい。
−０．８＜Ｄ_diff／ＦＬ_L01＜−０．０２      …（４）’
さらに、条件式（４）に代えて、以下の条件式（４）”を満たすことが望ましい。
−０．４＜Ｄ_diff／ＦＬ_L01＜−０．０３      …（４）”
【００２４】
また、本発明の好ましい態様によれば、
以下の条件式（５）、（６）を満足することが望ましい。
０．０１＜Ｄ_diff／ｆw＜２．０      …（５）
０．００２＜Ｄ_diff／ＦＢ＜０．０５      …（６）
ここで、
Ｄ_diffは、２つの光学像における光路長差の空気換算長、
ｆwは、対物光学系の焦点距離、
ＦＢは、対物光学系の最終レンズから結像位置までの空気換算長、
である。
【００２５】
条件式（５）は、２つのピントの異なる光学像のピント差と対物光学系の焦点距離との適切な関係を規定している。
条件式（５）を満足する場合、２つの画像は、適切なピント差である。このため、被写界深度を広げつつ、良好な画像を取得できる。
条件式（５）の上限値を上回ると、２つの画像のピント差が大きくなりすぎる。これにより、２つの光学像の合成画像を生成しても、ピントがボケしてしまう被写体の距離が存在するため好ましくない。
条件式（５）の下限値を下回ると、２つの画像のピント差が少なすぎる。これにより、被写界深度を広げる効果が少ないため、好ましくない。
【００２６】
条件式（６）は、光学像のピント差とＦＢとの適切な比を規定している。
条件式（６）の上限値を上回ると、ＦＢが短くなりすぎる。このため、光路を分割する光学素子を配置する空間的なスペースが無くなるため、好ましくない。
条件式（６）の下限値を下回ると、ＦＢが著しく長くなりすぎる。この結果、第１レンズの屈折力を著しく大きくする必要があり、主に軸外の収差が発生してしまうため好ましくない。
【００２７】
なお、条件式（５）に代えて、以下の条件式（５）’を満たすことが望ましい。
０．０３＜Ｄ_diff／ｆw＜１．０      …（５）’
さらに、条件式（５）に代えて、以下の条件式（５）”を満たすことが望ましい。
０．０４５＜Ｄ_diff／ｆw＜０．７５      …（５）”
【００２８】
なお、条件式（６）に代えて、以下の条件式（６）’を満たすことが望ましい。
０．００５＜Ｄ_diff／ＦＢ＜０．０２      …（６）’
さらに、条件式（６）に代えて、以下の条件式（６）”を満たすことが望ましい。
０．００８＜Ｄ_diff／ＦＢ＜０．０１４      …（６）”
【００２９】
また、本発明の好ましい態様によれば、
対物光学系は、対物光学系内部のレンズを駆動することにより、通常観察と近接観察とが可能であり、以下の条件式（７）を満足することが望ましい。
１．０１＜ω(w)／ω(t)＜２．０      …（７）
ここで、
ω(w)は、対物光学系の通常観察時の半画角、
ω(t)は、対物光学系の近接観察時の半画角、
である。
【００３０】
条件式（７）は、対物光学系の画角の変化の適切な比を規定している。
条件式（７）を満足する場合、２つのピントの異なる光学像において、被写界深度を広げながらも、さらに通常観察と近接観察が可能になる。特に、近接観察では倍率が大きくなるため被写界深度が小さくなる傾向にある。ここで、後述する画像合成技術を用いることで、近接観察において、被写界深度が小さくなることを低減できる。
【００３１】
条件式（７）の下限値を下回ると、近接観察ができない。このため、本実施形態のような技術は必要なくなってしまう。
条件式（７）の上限値を上回ると、画角の変化が大きすぎる。このため、レンズ径が肥大化してしまい、患者のＱＯＬ（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｏｆ  Ｌｉｆｅ）を低下させてしまい好ましくない。
【００３２】
なお、条件式（７）に代えて、以下の条件式（７）’を満たすことが望ましい。
１．０２＜ω(w)／ω(t)＜１．５      …（７）’
さらに、条件式（７）に代えて、以下の条件式（７）”を満たすことが望ましい。
１．０３＜ω(w)／ω(t)＜１．１      …（７）”
【００３３】
（実施例１）
次に、実施例１に係る内視鏡システムが有する対物光学系について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）は、対物光学系の断面構成を示す図である。ここで、図２（ａ）は、通常観察状態（遠距離物点）における対物光学系の断面構成を示す図である。図２（ｂ）は、近接観察状態（近距離物点）における対物光学系の断面構成を示す図である。
【００３４】
本実施例に係る対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力の第３レンズ群Ｇ３とから構成されている。また、明るさ絞りＳは、第３レンズ群Ｇ３内に配置されている。第２レンズ群Ｇ２は、光軸ＡＸ上を像側に移動して、通常観察状態から近接観察状態への変化に伴う焦点位置の変
化を補正する。
【００３５】
第１レンズ群Ｇ１は、平凹負レンズＬ１と、平行平板Ｌ２と、両凹負レンズＬ３と、両凸正レンズＬ４とからなる。ここで、負レンズＬ３と正レンズＬ４とは接合されている。
第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５からなる。
第３レンズ群Ｇ３は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７と、開口絞りＳと、平凸正レンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１０とからなる。ここで、正メニスカスレンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７とは接合されている。正レンズＬ９と負メニスカスレンズＬ１０とは接合されている。
【００３６】
第３レンズ群Ｇ３の像側に、光路分割部２０を配置している。光学系中のプリズムでは、光路が折り曲げられる。光路分割部２０に関しては、後述する。なお、平行平板Ｌ２は、特定の波長、例えばＹＡＧレーザーの１０６０ｎｍ、半導体レーザーの８１０ｎｍ、あるいは赤外域をカットするためのコーティングが施されたフィルターである。
【００３７】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本実施例の通常観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
図３（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、本実施例の近接観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
これら、諸収差図は、６５６．２７ｎｍ（Ｃ線）、５８７．５６ｎｍ（ｄ線）、及び４３５．８４ｎｍ（ｇ線）の各波長について示されている。また、各図中、「ω」は半画角を示す。以下、収差図に関しては、同様である。
【００３８】
（実施例２）
実施例２に係る内視鏡システムが有する対物光学系について説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、対物光学系の断面構成を示す図である。ここで、図４（ａ）は、対物光学系の、通常観察状態（遠距離物点）における断面図、図４（ｂ）は近接観察状態（近距離物点）における断面図である。
【００３９】
本実施例に係る対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力の第３レンズ群Ｇ３とから構成されている。また、明るさ絞りＳは、第３レンズ群Ｇ３内に配置されている。第２レンズ群Ｇ２は、光軸ＡＸ上を像側に移動して、通常観察状態から近接観察状態への変化に伴う焦点位置の変化を補正する。
【００４０】
第１レンズ群Ｇ１は、平凹負レンズＬ１と、平行平板Ｌ２と、両凹負レンズＬ３と、両凸正レンズＬ４とからなる。
第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５とからなる。
第３レンズ群Ｇ３は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７と、開口絞りＳと、平凸正レンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１０とからなる。ここで、正メニスカスレンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７とは接合されている。正レンズＬ９と負メニスカスレンズＬ１０とは接合されている。
【００４１】
第３レンズ群Ｇ３の像側に、光路分割部２０を配置している。光学系中のプリズムでは、光路が折り曲げられる。光路分割部２０に関しては、後述する。なお、平行平板Ｌ２は、特定の波長、例えばＹＡＧレーザーの１０６０ｎｍ、半導体レーザーの８１０ｎｍ、あるいは赤外域をカットするためのコーティングが施されたフィルターである。
【００４２】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本実施例の通常観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
図５（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、本実施例の近接観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
【００４３】
（実施例３）
実施例３に係る内視鏡システムが有する対物光学系について説明する。
図６（ａ）、（ｂ）は、対物光学系の断面構成を示す図である。ここで、図６（ａ）は、対物光学系の、通常観察状態（遠距離物点）における断面図、図６（ｂ）は近接観察状態（近距離物点）における断面図である。
【００４４】
本実施例に係る対物光学系は、物体側から順に、負の屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力の第３レンズ群Ｇ３とから構成されている。また、明るさ絞りＳは、第３レンズ群Ｇ３内に配置されている。第２レンズ群Ｇ２は、光軸ＡＸ上を像側に移動して、通常観察状態から近接観察状態への変化に伴う焦点位置の変化を補正する。
【００４５】
第１レンズ群Ｇ１は、平凹負レンズＬ１と、平行平板Ｌ２と、両凹負レンズＬ３と、両凸正レンズＬ４とからなる。ここで、負レンズＬ３と正レンズＬ４とは接合されている。
第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５からなる。
第３レンズ群Ｇ３は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７と、開口絞りＳと、両凸正レンズＬ８と、両凸正レンズＬ９と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１０とからなる。ここで、正メニスカスレンズＬ６と負メニスカスレンズＬ７とは接合されている。正レンズＬ９と負メニスカスレンズＬ１０とは接合されている。
【００４６】
第３レンズ群Ｇ３の像側に、光路分割部２０を配置している。光学系中のプリズムでは、光路が折り曲げられる。光路分割部２０に関しては、後述する。なお、平行平板Ｌ２は、特定の波長、例えばＹＡＧレーザーの１０６０ｎｍ、半導体レーザーの８１０ｎｍ、あるいは赤外域をカットするためのコーティングが施されたフィルターである。
【００４７】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本実施例の通常観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
図７（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、本実施例の近接観察状態における球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、倍率色収差（ＣＣ）を示す。
【００４８】
以下に、上記各実施例の数値データを示す。記号は、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数、ＦＮＯはＦナンバー、ωは半画角である。
【００４９】
数値実施例１
単位  ｍｍ
面データ
面番号      r          d         nd       νd
1        ∞        0.44     1.88300    40.76
2       1.277      0.62
3        ∞        0.66     1.51800    75.00
4        ∞        0.15
5      -3.765      0.22     1.88300    40.76
6       1.867      0.95     1.84666    23.78
7      -5.648      可変 
8       1.479      0.44     1.48749    70.23
9       1.634      可変
10      -3.521      0.90     1.64769    33.79
11      -0.998      0.22     1.88300    40.76
12      -2.573      0.06
13(絞り)  ∞        0.00
14        ∞        0.93     1.48749    70.23
15      -2.659      0.06
16       5.794      0.67     1.48749    70.23
17      -1.567      0.33     1.92286    18.90
18      -2.318      3.94
19(結像面） ∞        
ズームデータ
通常観察   近接観察
焦点距離       0.73      0.73      
ＦＮＯ．       3.58      3.52      
画角２ω     136.30    133.76   
d7           0.22      1.12       
d9           1.78      0.88        
各群焦点距離
f1=-1.29   f2=16.55   f3=2.51   
【００５０】
数値実施例２
単位  ｍｍ
面データ
面番号      r          d         nd       νd
1        ∞        0.41     1.88300    40.76
2       1.148      0.52
3        ∞        0.62     1.00000    65.13
4        ∞        0.21
5      -5.040      0.21     1.88300    40.76
6       1.370      0.78     1.84666    23.78
7     -10.799      可変
8       1.394      0.41     1.48749    70.23
9       1.623      可変
10      -4.845      0.83     1.64769    33.79
11      -0.940      0.21     1.88300    40.76
12      -2.618      0.06
13(絞り)  ∞        0.00
14        ∞        0.87     1.48749    70.23
15      -2.246      0.06
16       5.696      0.67     1.48749    70.23
17      -1.477      0.31     1.92286    18.90
18      -2.201      3.62
19(結像面)  ∞        
ズームデータ
通常観察  近接観察
焦点距離       0.71      0.71      
ＦＮＯ．       3.54      3.49      
画角２ω     144.97    141.76    
d7          0.21      0.75      
d9          1.32      0.78      
各群焦点距離
f1=-1.05   f2=12.66   f3=2.30   
【００５１】
数値実施例３
単位  ｍｍ
面データ
面番号      r          d         nd       νd
1        ∞        0.41     1.88300    40.76
2       1.187      0.52
3        ∞        0.60     1.51800    75.00
4        ∞        0.13
5     -10.716      0.42     1.88300    40.76
6       1.435      0.79     1.84666    23.78
7     -25.907      可変
8       1.280      0.52     1.48749    70.23
9       1.504      可変
10      -6.016      0.91     1.64769    33.79
11      -0.915      0.31     1.88300    40.76
12      -3.148      0.06
13(絞り)  ∞        0.00
14      43.657      1.00     1.48749    70.23
15      -2.302      0.03
16       3.834      0.91     1.48749    70.23
17      -1.454      0.31     1.92286    18.90
18      -2.191      3.22
19(結像面)  ∞ 
ズームデータ
通常観察  近接観察
焦点距離       0.72      0.72      
ＦＮＯ．       3.58      3.52      
画角２ω     144.52    141.51    
d7          0.26      0.79       
d9          1.08      0.55        
各群焦点距離
f1=-1.16   f2=10.01   f3=2.21   
【００５２】
以下、実施例１、実施例２、実施例３に係る対物光学系における条件式（１）〜（７）の数値を示す。
条件式                実施例１    実施例２    実施例３       
(1) D_diff/im_pitch        3.333      25.000     100.000     
(2) D_diff/R1_r            0.008       0.044       0.084 
(3) D_diff/R1_f            0.000       0.000       0.000  
(4) D_diff/FL_L01         -0.007      -0.039      -0.075  
(5) D_diff/fw              0.0136      0.0702      0.1386    
(6) D_diff/FB              0.003       0.014       0.031   
(7) ω(w)/ω(t)            1.019       1.024       1.015   
パラメータ               実施例１    実施例２    実施例３
D_diff                     0.01        0.05        0.1     
im_pitch                   0.003       0.002       0.001     
R1_r                       1.2771      1.1482      1.1868   
R1_f                       ∞          ∞          ∞    
FL_L01                    -1.4379     -1.2928     -1.3363    
fw                         0.7328      0.7126      0.7214  
FB                         3.94        3.6196      3.225    
ω(w)                     68.558      73.325      63.371    
ω(t)                     67.26       71.638      62.406      
【００５３】
（内視鏡システムの実施形態）
次に、上述の対物光学系を有する内視鏡システムについて説明する。
図８は、内視鏡システム１０の機能ブロック図である。図９は、光路分割部２０の概略構成を示す図である。
【００５４】
上述した各実施例の対物光学系ＯＢＬを射出した光は、光路分割部２０に入射する。
【００５５】
光路分割部２０は、被写体像をピントの異なる２つの光学像に分割する偏光ビームスプリッタ２１、２つの光学像を撮像して２つの画像を取得する撮像素子２２を有する。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ２１は、図９に示すように、第１プリズム２１ｂ、第２プリズム２１ｅ、ミラー２１ｃ、及びλ／４板２１ｄを備えている。第１プリズム２１ｂ及び第２プリズム２１ｅは共に光軸に対して４５度の斜度であるビームスプリット面を有する。
【００５７】
第１プリズム２１ｂのビームスプリット面には偏光分離膜２１ｆが形成されている。そして、第１プリズム２１ｂ及び第２プリズム２１ｅは、互いのビームスプリット面を偏光分離膜２１ｆを介して当接させて偏光ビームスプリッタ２１を構成している。
【００５８】
また、ミラー２１ｃは、第１プリズム２１ｂの端面近傍にλ／４板２１ｄを介して設けられている。第２プリズム２１ｅの端面には、カバーガラスＣＧを介して撮像素子２２が取り付けられている。
【００５９】
対物光学系ＯＢＬからの被写体像は、第１プリズム２１ｂにおいてそのビームスプリット面に設けられた偏光分離膜２１ｆによりＰ偏光成分（透過光）とＳ偏光成分（反射光）とに分離され、反射光側の光学像と透過光側の光学像との２つの光学像に分離される。
【００６０】
Ｓ偏光成分の光学像は、偏光分離膜２１ｆで撮像素子２２に対して対面側に反射されＡ光路を通り、λ／４板２１ｄを透過後、ミラー２１ｃで反射され、撮像素子２２側に折り返される。折り返された光学像は、λ／４板２１ｄを再び透過する事で偏光方向が９０°回転し、偏光分離膜２１ｆを透過して撮像素子２２に結像される。
【００６１】
Ｐ偏光成分の光学像は、偏光分離膜２１ｆを透過してＢ光路を通り、撮像素子２２に向かって垂直に折り返す第２プリズム２１ｅのビームスプリット面と反対側に設けられたミラー面によって反射され、撮像素子２２に結像される。この際、Ａ光路とＢ光路で、例えば、数十μｍ程度の所定の光路差を生じさせるように、プリズム硝路を設定しておき、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子２２の受光面に結像させる。
【００６２】
すなわち、第１プリズム２１ｂ及び第２プリズム２１ｅを、被写体像をピント位置が異なる２つの光学像に分離できるように、第１プリズム２１ｂにおける撮像素子２２に至る透過光側の光路長（硝路長）に対して反射光側の光路長が短く（小さく）なるように配置する。
【００６３】
撮像素子２２は、図１０に示すように、ピント位置が異なる２つの光学像を各々個別に受光して撮像するために、撮像素子２２の全画素領域の中に、２つの受光領域（有効画素領域）２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００６４】
受光領域２２ａ、２２ｂは、２つの光学像を撮像するために、これらの光学像の結像面と各々一致するように配置されている。そして、撮像素子２２において、受光領域２２ａは受光領域２２ｂに対してそのピント位置が相対的に近点側にシフトしており（ずれており）、受光領域２２ｂは受光領域２２ａに対してそのピント位置が相対的に遠点側にシフトしている。これにより、ピントが異なる２つの光学像を撮像素子２２の受光面に結像させるように構成されている。
【００６５】
なお、第１プリズム２１ｂと第２プリズム２１ｅにおける両者の硝材の屈折率を異ならせることにより、撮像素子２２に至る光路長を変えて受光領域２２ａ、２２ｂに対するピント位置を相対的にずらすようにしても良い。
【００６６】
また、受光領域２２ａ、２２ｂの周囲には、２つに分割された光学像の幾何的なズレを補正するための補正画素領域２２ｃが設けられている。補正画素領域２２ｃ内において製造上の誤差を抑え、後述する画像補正処理部２３ｂ（図８）にて画像処理による補正を行なうことで、上記した光学像の幾何学的なズレを解消するようになっている。
【００６７】
上述の各実施例の第２レンズ群Ｇ２は、フォーカシングレンズであり、光軸の方向における２つの位置に選択的に移動可能である。不図示のアクチュエータにより、第２レンズ群Ｇ２は、２つの位置間で一方の位置から他方の位置、他方の位置から一方の位置に移動するように駆動される。
【００６８】
第２レンズ群Ｇ２を、前方側（物体側）の位置に設定した状態においては遠方観察（通常観察）する場合の観察領域の被写体にピントが合うように設定される。また、第２レンズ群Ｇ２を後方側の位置に設定した状態においては近接観察（拡大観察）する場合の観察領域の被写体にピントが合うように設定されている。
【００６９】
なお、本実施形態のように、偏光ビームスプリッタ２１を適用して偏光分離をする場合、分離する光の偏光状態が円偏光でないと分離した像の明るさに差が生じてしまう。規則的な明るさの差異は画像処理での補正が比較的容易であるが、局所的に且つ観察条件で明るさの差異が生じた場合、補正しきれなくなり、合成画像に明るさムラが生じてしまう場合がある。
【００７０】
内視鏡で観察する被写体は、合成画像の比較的視野周辺部で明るさムラが生じてしまう可能性がある。尚、この偏光状態が崩れた明るさムラは、被写体が比較的飽和気味の明るさ分布であると顕著に生じる。
【００７１】
視野の周辺部において、内視鏡では比較的近接して被写体像の血管走行や粘膜構造を見る事が多く、ユーザーにとって非常に煩わしい画像になる可能性が高い。
そこで、例えば、図９に示すように、この偏光状態が崩れた状態を円偏光に戻す様にλ／４板２１ａを、光路分割部２０の偏光分離膜２１ｆより物体側に配置することが好ましい。
【００７２】
なお、上述のような偏光ビームスプリッタの代わりに、入射光を強度分割するハーフミラーを用いることもできる。
【００７３】
次に、図８を参照して、取得した２つの画像の合成に関して説明する。
【００７４】
画像プロセッサ２３は、撮像素子２２により撮像されたピント位置が異なる２つの光学像に係る画像を各々読み出す画像読出部２３ａと、画像読出部２３ａにより読み出された２つの画像に対する画像補正を行う画像補正処理部２３ｂと、補正された２つの画像を合成する画像合成処理を行う画像合成処理部２３ｃとを有する。
【００７５】
画像補正処理部２３ｂは、撮像素子２２の受光領域２２ａ、２２ｂにそれぞれ結像される２つの光学像に係る画像に対し、互いのピント以外の差異が略同一となるように補正する。すなわち、２つの画像の各光学像における相対的な位置、角度及び倍率が略同一となるように２つの画像に対して補正を行う。
【００７６】
被写体像を２つに分離して撮像素子２２に各々結像させる場合、幾何的な差異が生じる場合がある。すなわち、撮像素子２２の受光領域２２ａ、２２ｂにそれぞれ結像される各々の光学像は、相対的に倍率ズレ、位置ズレ、角度すなわち回転方向のズレ等が発生する場合がある。
【００７７】
これらの差異を製造時などにおいて、完全に解消することは困難であるが、それらのズレ量が大きくなると、合成画像が２重画像となったり、不自然な明るさムラ等を生じたりする。このため、画像補正処理部２３ｂにて上述した幾何的な差異、明るさ差異を補正する。
【００７８】
２つの画像間における明るさの差異を補正する場合、２つの像または画像のうち輝度の低い方の像または画像、もしくは２つの像または画像の相対的に同一位置における輝度の低い方を基準にして補正を行うことが望ましい。
【００７９】
画像合成処理部２３ｃは、画像補正処理部２３ｂにより補正された２つの画像間の対応する所定領域において、相対的にコントラストが高い画像を選択して合成画像を生成する。つまり、２つの画像における空間的に同一の画素領域それぞれにおけるコントラストを比較し、相対的にコントラストが高い方の画素領域を選択することにより、２つの画像から合成された１つの画像としての合成画像を生成する。
【００８０】
なお、２つの画像の同一の画素領域におけるコントラスト差が小さい又は略同一である場合は、その画素領域に所定の重み付けして加算する合成画像処理により、合成画像を生成する。
【００８１】
また、画像プロセッサ２３は、画像合成処理部２３ｃにより合成された１つの画像に対して、色マトリクス処理、輪郭強調、ガンマ補正等の後段画像処理を行う。画像出力部２３ｄは、後段画像処理された画像を出力する。画像出力部２３ｄから出力される画像は画像表示部２４に出力される。
【００８２】
また、撮像素子２２に至る近点光路と遠点光路とに応じて、第１プリズム２１ｂと第２プリズム２１ｅとを異なる硝材で構成し、屈折率を異ならせることにより、相対的にピント位置をずらしても良い。
【００８３】
これにより、ピントの異なる２つの光学像に係る画像を取得し、これら画像を画像合成処理部２３ｃで合成して合成被写界深度を得ることができる。内視鏡検査で広い範囲を俯瞰してスクリーニングする際には遠方観察が適しており、病変の詳細を観察したり、診断したりする際には、近接観察が適している。
【００８４】
このような構成をとる事で、より多画素化した撮像素子を使用しても解像力を落とすことなく被写界深度を拡大する事が可能となる。更にフォーカシング機構があるので自在に観察範囲を切り替えて高画質の内視鏡観察や診断を行うことができる。
【００８５】
次に本実施形態において、２つの光学像を合成する場合の流れを図１１のフローチャートに従って説明する。
【００８６】
ステップＳ１０１において、撮像素子２２において取得された、ピントの異なる遠点像に係る画像と近点像に係る画像とが、画像補正処理部２３ｂにおいて、遠近２画像の補正処理が行なわれる。すなわち、予め設定された補正パラメータに従って、２つの画像の各光学像における相対的な位置、角度及び倍率が略同一となるように２つの画像に対して補正を行い、補正後の画像を画像合成処理部２３ｃに出力する。なお、必要に応じて２画像の明るさや色の差異を補正してもよい。
【００８７】
ステップＳ１０２において、補正処理が行なわれた２つの画像が画像合成処理部２３ｃにて合成される。この際、遠近２画像の各々対応する画素領域において、コントラスト値が各々算出され、比較される。
【００８８】
ステップＳ１０３において、比較されたコントラスト値に差があるか否か判断し、コントラストに差がある場合、ステップＳ１０５に進み、コントラスト値の高い領域を選択して合成される。
【００８９】
ここで、比較するコントラスト値の差が小さい乃至はほぼ同じである場合には、遠近２画像のどちらを選択するか処理上の不安定要因となる。例えば、ノイズ等の信号の揺らぎがあると、合成画像に不連続領域が生じたり、本来は解像している被写体像がボケてしまうといった不具合を生じさせたりする。
【００９０】
そこで、ステップＳ１０４に進み、重み付けを行う。ステップＳ１０４において、コントラスト比較を行なう画素領域において、２画像でコントラスト値がほぼ同一である場合には、重み付けを行い、次のステップＳ１０５で重み付けを行った画像の加算処理を行う事で、画像選択の不安定さを解消している。
【００９１】
このように、本実施形態によれば、近接観察及び遠方観察の何れにおいても、ノイズ等によって合成画像において不連続領域が発生したり、光学像がぼけたりすることを防止しながら、被写界深度を拡大させた画像を取得することができる。
【００９２】
また、２つの画像は、同一の撮像素子により撮像されているので、撮像素子を複数備えるものに比して、製造コストを低減し、装置を大型化することなく被写界深度を拡大させた画像を取得することができる。
【００９３】
また、所望する被写界深度を得られ、解像力の劣化を防止できる。
【００９４】
なお、上述した図９の偏光ビームスプリッタ２１の場合には、１回、つまり奇数回の反射後に撮像素子２２に光学像が結像される。このため、何れか一方の画像が図１２のような結像状態（鏡像）となり、画像プロセッサ２３において鏡像を反転させて像方向を一致させる画像処理が施される。
【００９５】
光学的な偶数回の反射による鏡像の補正は、対物光学系の大型化やプリズムのコスト高となる場合があるので、奇数回の反射による鏡像の補正は、画像補正処理部２３ｂにて鏡像反転により行なうことが好ましい。
【００９６】
なお、撮像素子２２が、内視鏡長手方向に長尺な形状となっている場合には、画像表示部２４のアスペクト比を考慮して合成画像を適宜回転させることが好ましい。
【００９７】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、これら実施形態の構成を適宜組合せて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明は、被深度が拡大され、良好に収差が補正された高画質な画像を取得できる内視鏡システムに有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１０  内視鏡システム
２０  光路分割部
２１  偏光ビームスプリッタ
２１ａ  λ／４板
２１ｂ  第１プリズム
２１ｃ  ミラー
２１ｄ  λ／４板
２１ｅ  第２プリズム
２１ｆ  偏光分離膜
２２  撮像素子
２２ａ、２２ｂ  受光領域
２２ｃ  補正画素領域
２３  画像プロセッサ
２３ａ  画像読出部
２３ｂ  画像補正処理部
２３ｃ  画像合成処理部
２３ｄ  画像出力部
２４  画像表示部
ＣＧ  カバーガラス
ＯＢＬ  対物光学系
Ｇ１  第１レンズ群
Ｇ２  第２レンズ群
Ｇ３  第３レンズ群
Ｓ    明るさ絞り
【要約】
被深度が拡大され、良好に収差が補正された高画質な画像を取得できる内視鏡システムを提供する。
対物光学系ＯＢＬと、対物光学系ＯＢＬで得られた被写体像を２つのピントの異なる光学像に分割する光路分割手段２０と、光学像を取得する撮像素子２２と取得した２つの光学像を相対的にコントラストが高い画像を所定領域において選択し、合成画像を生成する画像合成処理部２３ｃと、を有し、対物光学系ＯＢＬは、最も物体側に負の第１レンズＬ１を有し、以下の条件式（１）、（２）を満足する。
３＜Ｄ_diff／ｉｍ_pitch＜１００      …（１）
０．００５＜Ｄ_diff／Ｒ1_r＜１．０      …（２）
ここで、
Ｄ_diffは、２つの光学像における光路長差の空気換算長、
ｉｍ_pitchは、撮像素子２２の画素ピッチ、
Ｒ1_rは、負の第１レンズＬ１の像側面における曲率半径、
である。【図１】
0006006464.tif 000002
【図２】
0006006464.tif 000003
【図３】
0006006464.tif 000004
【図４】
0006006464.tif 000005
【図５】
0006006464.tif 000006
【図６】
0006006464.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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