(57)【要約】高解像度で小型の内視鏡装置を提供する。内視鏡装置１００は、体腔内に挿入され、被写体Ａからの光を導光する挿入部１１０と、挿入部１１０に装着され、被写体Ａを照明する照明装置１２０と、マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を備え、挿入部内を導光された被写体Ａからの反射光を受光し、被写体Ａの画像データを出力する撮像装置１３０と、を備える。撮像装置１３０の画素のピッチは、照明手段が出射する照明光の最も長い波長以上である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体腔内に挿入され、被写体からの光を導光する挿入部と、  前記挿入部に装着され、前記被写体を照明する照明手段と、  マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を備え、前記挿入部により導光された前記被写体からの反射光を受光し、前記被写体の撮像信号を出力する撮像素子と、を備え、  前記撮像素子の画素のピッチは、前記照明手段が出射する照明光の最も長い波長以上である、  ことを特徴とする内視鏡装置。
【請求項２】
前記照明手段は、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子の出力する光を導く導光手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
【請求項３】
前記照明手段から出力される照明光は、前記撮像素子の感応周波数帯域内に複数の周波数の光を含み、  前記画素のピッチは、前記撮像素子の感応周波数帯に含まれる周波数を有し、所定の閾値以上の強度を有する光の周波数のうち最も高いものよりも大きい、  ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内視鏡装置。
【請求項４】
前記撮像素子は、画素電圧を画素データに変換する手段を備え、  前記撮像素子から提供される画素データからフレームデータを構築し、前記フレームデータを加工処理する画像処理部と、  前記画像処理部に接続され、前記フレームデータを表示する表示装置と、  前記撮像素子と前記画像処理部との間を接続する１〜１０ｍのケーブルと、をさらに備える、  ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
細長い挿入部を体腔に挿入し、体腔内の様子を撮影する内視鏡装置が広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。  また、８Ｋ等と呼ばれる高解像度の映像技術が実用化されている。このため、内視鏡装置にこれらの高解像度の映像技術を適用することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２７７１７３号公報
【特許文献２】特開２０１５−０７７４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イメージセンサの画素数を、単純に８Ｋ（7680×4320ピクセル）にするだけでは、ディスプレイ上で８Ｋの真の解像度（画像の緻密さ）を実現できるとは限らない。  【０００５】
真に８Ｋの解像度を実現するためには、「画素のサイズが大きいこと」が必要である。イメージセンサの画素のサイズが小さすぎると、光の回折限界のために解像できず、ぼやけた画像になってしまう。内視鏡装置に適用する場合、体腔に挿入できるという制限から、内視鏡装置の内蔵レンズの径が非常に小さいため、そのままでは、大型のイメージセンサを使用することは困難である。  【０００６】
内視鏡装置内を導かれてきた光の径を、拡大レンズによりイメージセンサいっぱいに広げることが考えられる。しかし、倍率を上げれば上げるほど（焦点距離を遠くとるほど）、画面上のイメージサークルの面積は増えるが、反射光を得る術野範囲が狭くなる。このため、イメージセンサで受ける光（光子）の量が減り、画像が暗くなってしまう。このように、イメージサークルの大きさと明るさとはトレードオフの関係にあり、両立させることが困難である。  【０００７】
また、８Ｋ用のカメラは非常に大型であり、内視鏡装置への取りつけは困難である。また、８Ｋ用のカメラを取りつけた内視鏡装置は大型であり、取り回しが困難である。  【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高解像度で小型の内視鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る内視鏡装置は、  体腔内に挿入され、被写体からの光を導光する挿入部と、  前記挿入部に装着され、前記被写体を照明する照明手段と、  マトリクス状に配置された８Ｋレベル以上の画素を備え、前記挿入部により導光された前記被写体からの反射光を受光し、前記被写体の撮像信号を出力する撮像素子と、を備え、  前記撮像素子の画素のピッチは、前記照明手段が出射する照明光の最も長い波長以上である、  ことを特徴とする。  【００１０】
前記照明手段は、例えば、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子の出力する光を導く導光手段と、を備える。  前記照明手段から出力される照明光が、前記撮像素子の感応周波数帯域内に複数の周波数の光を含んでいる場合、前記画素のピッチは、前記撮像素子の感応周波数帯に含まれる周波数を有し、所定の閾値以上の強度を有する光の周波数のうち最も高いものよりも大きい、ことが望ましい。  【００１１】
前記撮像素子は、画素電圧を画素データに変換する手段を備え、前記撮像素子から提供される画素データからフレームデータを構築し、前記フレームデータを加工処理する画像処理部と、前記画像処理部に接続され、前記フレームデータを表示する表示装置と、前記撮像素子と前記画像処理部との間を接続する１〜１０ｍのケーブルと、をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、照明光の回折の影響のすくない真に高解像度の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る内視鏡装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す内視鏡装置の詳細構成を示す図である。
【図３】図２に示す撮像素子の画素ピッチを説明する図である。
【図４】図１に示す制御装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図５】内視鏡装置の円筒部の開口率を説明する図であり、（ａ）は実施の形態の構成を、（ｂ）は従来の構成を、それぞれ示す。
【図６】第１変形例に係る挿入部の構成を示す図である。
【図７】第２変形例に係る挿入部の構成を示す図である。
【図８】第３変形例に係る挿入部の構成を示す図である。
【図９】第４変形例に係る挿入部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態に係る内視鏡装置について、図面を参照して詳細に説明する。  
【００１５】
本実施形態に係る内視鏡装置１００は、主に腹腔鏡や管腔鏡として用いられる硬性鏡であり、図１に示すように、挿入部１１０、照明装置１２０、撮像装置１３０、制御装置１４０、表示装置１５０を備える。  
【００１６】
挿入部１１０は、被検者等の体腔内に挿入される細長の部材である。挿入部１１０は、筒状部１１１、対物レンズ１１２、中空導光領域１１３を備える。  
【００１７】
円筒部１１１は、ステンレス鋼材等の金属材や硬質の樹脂材等が、例えば、直径８ｍｍ〜９ｍｍの円筒状あるいは楕円筒状に形成された部材である。円筒部１１１の基端近傍の側面には、照明装置１２０が着脱可能に取りつけられ、また、円筒部１１１の基端部には、撮像装置１３０が着脱可能に取り付けられている。  
【００１８】
対物レンズ１１２は、照明装置１２０から照射され、体腔内の被写体Ａで反射した光を取り込む導光手段である。対物レンズ１１２は、例えば、広角レンズで構成される。対物レンズ１１２は、挿入部１１０の先端面から露呈するように配置される。対物レンズ１１２は、被写体Ａからの反射光を集光し、中空導光領域１１３を介して、被写体Ａの像を撮像装置１３０の撮像面に結像する。対物レンズ１１２の側面は、円筒部１１１の先端部の内壁面に接着剤等を用いて固定され、挿入部１１０の先端面は密封されている。  
【００１９】
中空導光領域１１３は、円筒部１１１の基端部と先端部との間に配置される空間であり、対物レンズ１１２を通過した光を、撮像装置１３０に導光する導光手段として機能する。  
【００２０】
照明装置１２０は、光ファイバ１２１と、拡散層１２２と、光源部１２３とを備える。  光ファイバ１２１は、光源部１２３から引き出され、円筒部１１１の内面に接着剤などで固定され、円筒部１１１の先端部の拡散層１２２まで延在している。  
【００２１】
拡散層１２２は、光ファイバ１２１を介して光源部１２３から供給される光を拡散して出力する。拡散層１２２は、例えば、入射した光を拡散して射出する拡散板、拡散レンズにより構成される。  
【００２２】
光源部１２３は、被写体Ａを照明するための光を光ファイバ１２１の基端部に供給する。光源部１２３は、図２に示すように、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子１２５とドライバ回路１２６とを備える。  
【００２３】
ＬＥＤ素子１２５は、内部に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）３色を発光する素子を内蔵し、混色による白色光を光ファイバ１２１の入射端に照射する。  
【００２４】
ドライバ回路１２６は、制御装置１４０の制御に従って、ＬＥＤ素子１２５を駆動する。ドライバ回路１２６は、制御装置１４０の制御に従って、ＰＷＭ制御等により、ＬＥＤ素子１２５を調光制御する機能を有する。  
【００２５】
撮像装置１３０は、挿入部１１０の基端部に着脱可能に装着され、円筒部１１１の中空部１１３通過して入射した光により、被写体Ａの画像を撮像し、制御装置１４０に撮像した画像を供給する。より詳細には、撮像装置１３０は、図２に示すように、撮像素子１３１と、ドライバ回路１３２と、Ａ／Ｄ変換部１３３と、送信部１３４とから構成される。  
【００２６】
撮像素子１３１は、いわゆる８Ｋ、即ち、7680×4320ピクセル（画素）のカラーイメージセンサから構成される。図３に示すように、撮像素子１３１のピクセルのピッチＰは、被写体Ａの照明に使用される主要光の回折限界以上の大きさを有する。具体的には、ピッチＰは、拡散層１２２から出射される照明光の波長、即ち、ＬＥＤ素子１２５の発光光の波長に相当する基準波長λより大きい値に設定されている。なお、照明光が複数の波長の光を含む場合、基準波長λは、照明光を構成する三原色の光のうちの波長が最も長い光、即ち、赤い光の主成分の波長を意味する。即ち、赤色に対応するスペクトル領域でエネルギーの最も大きい波長を意味する。  撮像素子１３１は、８Ｋ相当以上のピクセルを備えてもよい。  
【００２７】
ドライバ回路１３２は、制御装置１４０の制御に従って、撮像素子１３１の露光の開始と終了を制御し、また、各画素の電圧信号（画素電圧）を読み出す。  Ａ／Ｄ変換部１３３は、ドライバ回路１３２が撮像素子１３１から読み出した画素電圧をデジタルデータ（画像データ）に変換し、送信部１３４に出力する。  送信部１３４は、Ａ／Ｄ変換部１３３から出力された輝度データを制御装置１４０に出力する。  
【００２８】
制御装置１４０は、内視鏡装置１００全体を制御するものであり、図４に示すように、制御部１４１，画像処理部１４２、記憶部１４３，入出力ＩＦ（インタフェース）１４４，入力装置１４５を備える。  
【００２９】
制御部１４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリなどから構成され、送信部１３４から送信された輝度データを記憶部１４３に記憶させ、また、画像処理部１４２に画像データを処理させ、また、表示装置１５０に表示する。制御部１４１は、さらに、ドライバ回路１２６，１３２を制御する。  
【００３０】
画像処理部１４２は、イメージプロセッサ等から構成され、制御部１４１の制御に従って、記憶部１４３に記憶された画像データを処理して、１フレーム分の画像データ（フレームデータ）を再生し、蓄積する。また、画像処理部１４２は、記憶部１４３に記憶されているフレーム単位の画像データに種々の画像処理を施す。例えば、画像処理部１４２は、各画像フレームを任意の倍率で拡大・縮小する拡大・縮小処理を行う。  
【００３１】
記憶部１４３は、制御部１４１の動作プログラム、画像処理部１４２の動作プログラム、送信部１３４から受信した画像データ、画像処理部１４２が再生したフレームデータ、処理したフレームデータ等を記憶する。  
【００３２】
入出力ＩＦ１４４は、制御部１４１と外部装置との間のデータの送受信を制御する。  入力装置１４５は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネルなどから構成され、ユーザの指示を入出力ＩＦ１４４を介して制御部１４１に供給する。  
【００３３】
表示装置１５０は、８Ｋ対応の表示画素数を有する液晶表示装置等から構成され、制御装置１４０の制御に従って、操作画面、撮像画像、処理済画像などを表示する。  
【００３４】
内視鏡装置はテレビ放送用のカメラと異なり、専用の施設で使用される。このため、挿入部１１０に装着された撮像装置１３０と制御装置１４０とは、数ｍ程度のケーブルで接続される。制御装置１４０と表示装置１５０とは、載置台等に載置される。  
【００３５】
照明装置１２０及び撮像装置１３０と制御装置１４０が別体とされている。このため、挿入部１１０に付属する構成は軽量化かつ小型化されており、挿入部１１０の取り回しは比較的容易である。また、照明装置１２０及び撮像装置１３０と制御装置１４０とを結ぶケーブルは、施術室ではせいぜい１〜１０ｍであり、場合により数１００ｍを超える放送の現場とは異なる。ケーブルによる信号の劣化もわずかであり、分離による悪影響はほとんどない。  
【００３６】
次に、上記構成を有する内視鏡装置１００の動作について説明する。  内視鏡装置１００の使用時、ユーザ（施術者）は、入力装置１４５を操作し、この内視鏡装置１００のオンを指示する。この指示に応答し、制御部１４１は、ドライバ回路１２６と１３２をオンする。  
【００３７】
ドライバ回路１２６は、ＬＥＤ素子１２５を点灯し、ドライバ回路１３２は、撮像素子１３１による撮像を開始する。  ＬＥＤ素子１２５から出力された白色光は、光ファイバ１２１を介して拡散層１２２で拡散され、照射される。  
【００３８】
撮像
素子１３１は、対物レンズ１１２と中空導光部１１３を介して入射した映像を撮像する。撮像素子１３１の画素のピッチＰが、照明光の主要光の最大波長域の主要光の波長λ以上である。このため、画素のピッチＰは、ほぼ全ての照明光の波長より大きい。このため、撮像素子１３１は、光の回折の影響をあまり受けずに高品質の画像を取得できる。  
【００３９】
ドライバ回路１３２は、撮像素子１３１から各画素の画素電圧を順次読み出し、Ａ／Ｄ変換部１３３によりデジタル画像データに変換し、送信部１３４から制御装置１４０に、ケーブルを介して順次送信する。  
【００４０】
制御装置１４０の制御部１４１は、送信された画像データを入出力ＩＦ１４４を介して順次受信し、記憶部１４３に順次格納する。  
【００４１】
画像処理部１４２は、制御部１４１の制御下に、記憶部１４３に格納された画像データを処理しフレームデータを再生すると共に適宜加工処理を行う。  
【００４２】
制御部１４１は、記憶部１４３記憶されたフレームデータを適宜読み出し、入出力ＩＦ１４４を介して表示装置１５０に供給し、表示させる。  
【００４３】
ユーザは、表示装置１５０の表示を確認しながら、挿入部１１０を体腔に挿入する。挿入部１１０が体腔に挿入されると、被写体Ａが拡散層１２２からの光により照明され、撮像素子１３１は、被写体Ａの画像を撮像し、撮像画像が表示装置１５０に表示される。  
【００４４】
ここで、円筒部１１１の内径が小さいため、内視鏡装置１００の視野に限界がある。このため、内視鏡装置１００では、被写体Ａの比較的広い範囲を観察したい場合には、対物レンズ１１２との間隔を空けて、被写体Ａを観察する。また、拡大画像を必要とする場合には、対物レンズ１１２を被写体Ａに近づけるのではなく、入力装置１４５より画像の拡大を指示し、これにより画像処理部１４２がフレーム画像を拡大することにより、表示装置１５０の表示画像を拡大するいわゆるソフトウエアズームを行う。ソフトウエアズームであっても、画素数が多いため、画像の劣化はさほどおこらない。  
【００４５】
本実施の形態の内視鏡装置１００によれば、照明装置１２０の光源として大きなエネルギーが得られるＬＥＤ素子１２５を使用する。このため、明るい照明光を得ることができ、ひいては、明るい画像を得ることができる。  
【００４６】
また、照明光を円筒部１１１の内壁に配置した光ファイバ１２１により導くので、円筒部１１１の中空導光部１１３の空間を被写体Ａからの光の導光に有効に活用することができる。より具体的に説明すると、内視鏡装置１００の照明の形態として、図５（ｂ）に示すように、円筒部２１１の円周上に光ファイバ２２１を配置する方式が知られている。この手法では、照明用光ファイバ２２１によって、円筒部２１１内の空間が占有されてしまう。このため、被写体画像の行路が狭められ、大きな画像を撮像素子１３１の撮像面に投影することが困難である。これに対し、内視鏡装置１００では、図５（ａ）に示すように、円筒部１１１の中空導光部１１３を広く被写体Ａからの光の導光に利用できる。内視鏡装置１００の場合、挿入部１１０の外径に制限があるため、中空導光部１１３を有効に活用できることは大きな効果を奏する。  
【００４７】
本実施の形態においては、撮像装置１３０と制御装置１４０とは分離され、ケーブルにより接続されている。このため、撮像装置１３０と制御装置１４０とが一体化されているカメラを挿入部１１０に装着する場合に比して、取り扱いが容易である。また、使用環境が施術室内に限られるため、接続ケーブルが１０ｍ以下で済み、大きな問題は発生しない。  
【００４８】
また、照明が明るいため、ソフトウエアズームを用いて撮影された被写体Ａの像を拡大しても、像が暗くなることはない。  
【００４９】
（変形例）  上記実施の形態では、円筒部１１１の通過光をそのまま撮像素子１３１上に結像したが、図６に示すように、円筒部１１１の基端部に凹レンズ１１４を配置し、円筒部１１１を通過した光束を拡径して、撮像素子１３１に照射してもよい。  
【００５０】
また、図１、図２，図６等では、レンズを１枚レンズで示したが、被写体Ａから反射された反射光を集光して、撮像装置１３０の撮像素子１３１上に結像することができればよく、その形状、サイズ、屈折率、枚数等は任意である。また、レンズの素材は、光学ガラス、プラスチック、蛍石等、光を透過する素材であれば任意である。また、凹レンズや非球面レンズ等とを組み合わせてもよい。１つのレンズ（群）が複数枚のレンズから構成されてもよい。  さらに、図７に示すように、いわゆるリレーレンズ１１５を配置してもよい。  
【００５１】
また、照明光を導く手段としては、円筒部１１１の内壁に配置した光ファイバ１２１を例示したが、光ファイバ１２１は、図８に示すように、円筒部１１１の外壁に配置してもよい。  
【００５２】
また、光ファイバ１２１により導光する例に限定されず、図９に示すように、反射鏡１２７により、ＬＥＤ素子１２５が発光した照明光を拡散層１２２に導光してもよい。  
【００５３】
上記実施の形態においては、照明光がＲＧＢ成分を含む白色光であるため、基準波長λを、照明光を構成する三原色のうちの波長が最も長い赤の主要光の波長とした。この発明はこれに限定されない。例えば、ＬＥＤ素子１２５が単色光を発光する場合には、その波長を基準波長λとして、画素ピッチＰが基準波長λよりも大きくなるようにすればよい。また、照明光に高周波数ではあるが、弱い強度の光が含まれている場合、その光は、照明光としては実質的に寄与できないため基準波長λとはしない。また、照明光に含まれる光であっても、撮像素子１３１が感応しない帯域の光については、実質的に照明光としては機能していないため、基準波長λとはしない。また、非可視光であっても、撮像素子１３１が感応する帯域の光で撮影に影響を与える程度に強度が強い場合には、その光の波長を基準波長λとすることが望ましい。  
【００５４】
即ち、基準周波数λは、撮像素子１３１の感応周波数帯に含まれる周波数の光であって、撮像に影響を与える程度の基準を示す閾値以上の強度を有する光の周波数のうちで、最も高いものである。  
【００５５】
また、ＬＥＤ素子１２５の発光光をそのまま照明に使用したが、例えば、ＬＥＤ素子１２５の出力光を蛍光体等の周波数変換機能を有するものにより周波数を変換して照明に使用する場合には、周波数変換後の照明光の主要光のうちの波長の最も長いものの波長をλとすればよい。  
【００５６】
撮像素子１３１は、８Ｋ相当以上のピクセルを備えてもよい。  また、拡散層１２２は設けなくてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１００〜１０４…内視鏡装置、１１０…挿入部、１１１、２１１…円筒部、１１２…対物レンズ、１１３…中空導光領域、１１４…凹レンズ、１１５…リレーレンズ、１２０…照明装置、１２１、２２１…光ファイバ、１２２…拡散層、１２３…光源部、１２５…ＬＥＤ素子、１２６…ドライバ回路、１２７…反射鏡、１３０…撮像装置、１３１…撮像素子、１３２…ドライバ回路、１３３…Ａ／Ｄ変換部、１３４…送信部、１４０…制御装置、１４１…制御部、１４２…画像処理部、１４３…記憶部、１４４…入出力ＩＦ、１４５…入力装置、１５０…表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2017204089.tif 000012
2017204089.tif 000013
2017204089.tif 000014
2017204089.tif 000015