可変分光素子、分光装置および内視鏡システム
【課題】透過帯域の波長に対する透過帯域幅の変化を抑制する。
【解決手段】間隔をあけて対向する複数のコート層２ａ，２ｂを備え、該コート層２ａ，２ｂ間の光路長を調整することにより該コート層２ａ，２ｂを通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子１であって、透過帯域を変化させる分光波長帯域内において、任意の２つの透過帯域間の中心波長の変化の割合よりも、これら透過帯域間の透過帯域幅の変化の割合が小さくなるように前記コート層２ａ，２ｂが構成されている可変分光素子１を提供する。
【解決手段】間隔をあけて対向する複数のコート層２ａ，２ｂを備え、該コート層２ａ，２ｂ間の光路長を調整することにより該コート層２ａ，２ｂを通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子１であって、透過帯域を変化させる分光波長帯域内において、任意の２つの透過帯域間の中心波長の変化の割合よりも、これら透過帯域間の透過帯域幅の変化の割合が小さくなるように前記コート層２ａ，２ｂが構成されている可変分光素子１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変分光素子、分光装置および内視鏡システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の基板の面間隔を変化させることにより光の透過帯域を可変としたエタロン分光素子を備えた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この撮像装置は、エタロン分光素子により撮影対象から放射される光の透過帯域を変化させ、撮影対象の分光情報を取得するものである。そして、コート層を施した２枚の基板の面間隔を変化させることにより異なる２つの透過特性を実現し、それぞれの画像の強度分布の差分を演算することにより、スペクトル分析を行っている。
【特許文献１】特許第２７７１７８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この特許文献１に開示されている撮像装置においては、エタロン分光素子の透過帯域幅について考慮されていない。例えば、波長に対する透過特性が均一なコート層を施すと、基板の面間隔を変化させることにより変化する透過帯域の幅は、当該透過帯域の波長にほぼ正比例して増加するという特性を有する。
【０００４】
このため、異なる透過帯域において取得された画像は、個々の画像が有する分光情報の帯域幅が異なることになる。すなわち、短波長側では波長幅が狭い画像が得られ、長波長側では波長幅の広い画像（波長分解能が低い画像）が得られる。また、撮影対象が分光的に一定の強度を有する場合であっても、分光素子の透過帯域幅が異なるために、長波長側の画像が短波長側の画像よりも明るくなるという問題がある。したがって、透過帯域の異なる複数の画像間の定量的な比較や演算を容易に行うことができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、透過帯域の波長に対する透過帯域幅の変化を抑制することができる可変分光素子および分光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、間隔をあけて対向する複数のコート層を備え、該コート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子であって、透過帯域を変化させる分光波長帯域内において、任意の２つの透過帯域間の中心波長の変化の割合よりも、これら透過帯域間の透過帯域幅の変化の割合が小さくなるように前記コート層が構成されている可変分光素子を提供する。
【０００７】
上記発明においては、前記分光波長帯域内において、透過帯域の幅が波長によらず一定であることが好ましい。
また、上記発明においては、前記透過帯域の幅が半値全幅であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記コート層の特性が均一であることが好ましい。
【０００８】
また、上記発明においては、前記コート層の反射率が、波長の増加に従って単調増加することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記コート層が、間隔をあけて配置される２つの光学部材の対向面にそれぞれ設けられていることとしてもよい。
【０００９】
また、上記発明においては、前記対向面間の光路長が、該対向面に沿う方向に変化することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記対向面の内の少なくとも一方が、１段以上の階段状に形成されていることとしてもよい。
【００１０】
また、上記発明においては、前記対向面間の間隔が、該対向面に沿う方向に漸次変化することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記コート層の波長に対する反射率特性が、以下の関係式で表されることが好ましい。
【数２】
上記発明においては、前記コート層が誘電体材料からなることとしてもよい。
【００１１】
また、本発明は、上記いずれかの可変分光素子を備える分光装置を提供する。
上記発明においては、前記可変分光素子を通過した光を撮影する２次元の撮像素子を備えることとしてもよい。
【００１２】
また、上記発明においては、撮影対象が生体であることとしてもよく、撮影対象が体腔内の一部であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記可変分光素子のコート層間の間隔が、前記分光波長帯域において透過帯域が１つだけ存在する間隔であることとしてもよい。
また、本発明は、上記いずれかの可変分光素子を備える分光内視鏡システムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、透過帯域の波長に対する透過帯域幅の変化を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施形態に係る可変分光素子１およびこれを備えた内視鏡システム（分光装置）１０について、図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る可変分光素子１は、図１に示されるように、平行間隔を空けて配置され対向面の光学有効径の範囲に反射膜（コート層）２ａ，２ｂが設けられた２枚の平板状の光学部材３ａ，３ｂと、該光学部材３ａ，３ｂの間隔を変化させるアクチュエータ４とを備えるエタロン型の光学フィルタである。
【００１５】
アクチュエータ４は、例えば、圧電素子からなる円筒状の部材であって、駆動信号に応じてその長さ寸法を伸縮させるようになっている。
この可変分光素子１は、アクチュエータ４の作動により光学部材３ａ，３ｂの間隔寸法を変化させることで、その透過する光の波長帯域を変化させることができるようになっている。
【００１６】
光学部材３ａ，３ｂ間の間隔寸法は極めて微小な値、例えば、ミクロンオーダーかそれ以下になるように設定されている。
また、光学有効径の外側には輪帯形状の容量センサ電極５ａ，５ｂが配置されている。
【００１７】
前記反射膜２ａ，２ｂは、例えば、誘電体多層膜により構成されている。
また、容量センサ電極５ａ，５ｂは金属膜により構成されている。容量センサ電極５ａ，５ｂからの信号をフィードバックして駆動手段への駆動信号を制御することにより、透過特性の調節精度を向上することができるようになっている。
【００１８】
さらに具体的には、本実施形態に係る可変分光素子１は、図２に示されるような反射率特性を有している。この反射率特性は、以下の関係式（１）を満足している。
【数３】
【００１９】
ここで、上記式（１）の導出について説明する。
反射膜２ａ，２ｂの１面の反射率Ｒ（λ）、光の入射角θ、反射膜２ａ，２ｂ間の媒質の屈折率ｎ、反射膜２ａ，２ｂの間隔ｄとすると、透過率Ｔは、次式（２）で表される。
【００２０】
【数４】
【００２１】
ここで、半値全幅ＦＷＨＭは、次式（３）により表される。
【数５】
【００２２】
ここで、光路長をｎｄ＝ｍλ／２（ｍ：１以上の整数）の関係で変化させると、波長λにおいて垂直入射で透過率が最大値となる。この関係を式（３）に代入し、反射率Ｒ（λ）について得られた２次方程式の解を求めることにより、式（１）を得ることができる。
そして、上記式（１）において、半値全幅ＦＷＨＭを定数とすることにより、図２の反射率特性を得ることができる。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係る可変分光素子１によれば、光学部材３ａ，３ｂの間隔寸法を変化させて、光の透過帯域を変化させても、その波長にかかわらず半値全幅ＦＷＨＭが一定となるので、長波長側での波長分解能の低下を抑制することができるとともに、波長による透過光量の変化を防止することができる。
【００２４】
次に、本実施形態に係る可変分光素子１を用いた内視鏡システム１０について、図３〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１０は、図３に示されるように、生体の体腔内に挿入される挿入部１１と、該挿入部１１内に配置される撮像ユニット（撮像手段）１２と、照明光を発する光源ユニット１３と、前記撮像ユニット１２および光源ユニット１３を制御する制御ユニット１４と、撮像ユニット１２により取得された画像を表示する表示ユニット１５とを備えている。
【００２５】
前記挿入部１１は、生体の体腔に挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット１２および前記光源ユニット１３からの光を先端１１ａまで伝播するライトガイド１６とを備えている。
前記光源ユニット１３は、体腔内の観察対象を照明し、観察対象において反射して戻る反射光を取得するための照明光を発する照明光用光源１７と、該照明光用光源１７を制御する光源制御回路１８とを備えている。
【００２６】
前記照明光用光源１７は、例えば、図示しないキセノンランプおよびバンドパスフィルタを組み合わせたもので、バンドパスフィルタの５０％透過域は、４３０〜７００ｎｍである。すなわち、照明光用光源１７は、波長帯域４３０〜７００ｎｍの照明光を発生するようになっている。
【００２７】
前記撮像ユニット１２は、図４に示されるように、観察対象Ａから入射される光を集光するための、３枚のレンズ１９ａ，１９ｂ，１９ｃからなる撮像光学系１９と、制御ユニット１４の作動により分光特性を変化させられる本実施形態に係る可変分光素子１と、撮像光学系１９により集光された光を撮影して電気信号に変換する撮像素子２０とを備えている。
【００２８】
本実施形態において、可変分光素子１の可変波長帯域は、図５に示されるように、制御ユニット１４からの制御信号に応じて３つの状態に変化させられるようになっている。
第１の状態は、可視光の青の領域である波長４３０〜４６０ｎｍの帯域の光を透過させるようになっている。以下、透過帯域幅はピーク強度の半値全幅ＦＷＨＭで定義している。
第２の状態は、可視光の緑の領域である波長５３０〜５６０ｎｍの帯域の光を透過させるようになっている。
第３の状態は、可視光の赤の領域である波長６３０〜６６０ｎｍの帯域の光を透過させるようになっている。
【００２９】
前記制御ユニット１４は、図３に示されるように、撮像素子２０を駆動制御する撮像素子制御回路２１と、可変分光素子１を駆動制御する可変分光素子制御回路２２と、撮像素子２０により取得された画像情報を記憶するフレームメモリ２３と、該フレームメモリ２３に記憶された画像情報を処理して表示ユニット１５に出力する画像処理回路２４とを備えている。
【００３０】
可変分光素子制御回路２２が、可変分光素子１を第１の状態にしたときには、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第１のフレームメモリ２３ａに出力させるようになっている。また、可変分光素子制御回路２２が、可変分光素子１を第２の状態にしたときには、撮像素子駆動回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂに出力するようになっている。さらに、可変分光素子制御回路２２が、可変分光素子１を第３の状態にしたときには、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃに出力させるようになっている。
【００３１】
また、画像処理回路２４は、例えば、青の帯域の画像情報を第１のフレームメモリ２３ａから受け取って表示ユニット１５の第１のチャネルに出力し、緑の帯域の画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂから受け取って表示ユニット１５の第２のチャネルに出力し、赤の帯域の画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃから受け取って表示ユニット１５の第３のチャネルに出力するようになっている。
【００３２】
このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１０を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、挿入部１１を体腔内に挿入し、その先端１１ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット１３および制御ユニット１４を作動させ、光源制御回路１８の作動により、照明光用光源１７を作動させて照明光を発生させる。
【００３３】
光源ユニット１３において発生した照明光は、ライトガイド１６を介して挿入部１１の先端１１ａまで伝播され、挿入部１１の先端１１ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
照明光は撮影対象Ａの表面において反射され、反射光が撮像光学系１９により集光されて可変分光素子１を透過して撮像素子２０に結像され、反射光画像情報が取得される。
【００３４】
青の帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１を第１の状態に切り替えることで、撮像素子２０に到達する反射光の帯域を波長４３０〜４６０ｎｍに制限することができる。そして、取得された青の帯域の反射光画像情報は、第１のフレームメモリ２３ａに記憶され、表示ユニット１５の第１のチャネルに出力されることになる。
【００３５】
緑の帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１を第２の状態に切り替えることで、撮像素子２０に到達する反射光の帯域を波長５３０〜５６０ｎｍに制限することができる。そして、取得された緑の帯域の反射光画像情報は、第２のフレームメモリ２３ｂに記憶され、表示ユニット１５の第２のチャネルに出力されることになる。
【００３６】
赤の帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１を第３の状態に切り替えることで、撮像素子２０に到達する反射光の帯域を波長６３０〜６６０ｎｍに制限することができる。そして、取得された緑の帯域の反射光画像情報は、第３のフレームメモリ２３ｃに記憶され、表示ユニット１５の第３のチャネルに出力されることになる。
【００３７】
このように、本実施形態に係る内視鏡システム１０によれば、観察対象Ａからの反射光を異なる波長帯域毎に分光して表示することができる。
生体に対しては様々な波長による画像情報を取得することが有用であるが、本実施形態に係る内視鏡システム１０によれば、広い波長帯域にわたって可変分光素子１の透過帯域幅を一定にすることができる。したがって、長波長側の波長帯域の反射光画像情報の波長分解能が他の波長帯域の反射光画像情報と比較して低下したり、長波長側の波長帯域の反射光画像の強度が他の波長帯域の反射光画像情報と比較して大きくなってしまったりする不都合の発生を防止することができる。
その結果、複数の波長帯域の反射光画像情報を用いた重畳表示や、画像間演算においても、複雑な補正処理を行うことなく簡単に行うことができるという利点がある。
【００３８】
なお、本実施形態に係る可変分光素子１および内視鏡システム１０においては、以下の変形、変更が可能である。
まず、本実施形態に係る可変分光素子１においては、分光波長帯域の全域において、図２に示される反射率特性を有する場合について説明したが、これに代えて、図６に示されるように、分光情報を取得する波長帯域Ｘのみにおいて、上記式（１）の反射率特性を有することとしてもよい。このようにすることで、反射膜２ａ，２ｂの設計および製造に関する制約条件を軽減することができ、設計および製造を容易にすることができるという利点がある。
【００３９】
また、これに代えて、図７に示されるように、式（１）の反射率特性に近似する１次関数からなる反射率特性を有する反射膜２ａ，２ｂを採用してもよい。この場合の１次関数としては、０より大きい正の比例係数を有し、波長に応じて単調増加するものが採用される。このようにすることで、透過帯域の波長に依存した透過帯域幅の変化を抑制することができる。
また、本実施形態においては、透過帯域幅を表す量として半値全幅ＦＷＨＭを用いたが、それ以外の量を指標とすることとしてもよい。
【００４０】
また、本実施形態に係る可変分光素子１においては、２枚の光学部材３ａ，３ｂの間隔寸法を圧電素子からなるアクチュエータ４により変化させるものを例示したが、これに代えて、他のアクチュエータにより間隔寸法を変化させるものでもよい。また、光学部材３ａ，３ｂ間の隙間に充填される媒質（例えば、液体や気体）の屈折率を変化させることにより、間隔を維持したまま光路長を変化させることとしてもよい。
【００４１】
また、内視鏡システム１０としては、軟性鏡、硬性鏡のいずれに適用することとしてもよい。また、内視鏡ではなく、生体内部観察用の対物レンズ等に適用することとしてもよい。本実施形態によれば、波長帯によらず、透過帯域幅を一定にすることを、例えば、複数の光学フィルタの光路への挿脱という方法を用いる必要もなく、１個の可変分光素子で実現できるので、径方向の寸法に制約のある内視鏡などの生体内部観察系に特に好適である。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡システム１０′について図８〜図１３を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る内視鏡システム１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
本実施形態に係る内視鏡システム１０′においては、光源ユニット１３′が、照明光用光源１７の他に励起光用光源２５を備えている。
照明光用光源１７は、図示しないキセノンランプおよびバンドパスフィルタを組み合わせたもので、バンドパスフィルタの５０％透過域は、４３０〜４６０ｎｍである。
また、励起光用光源２５は、例えば、ピーク波長６６０±５ｎｍの励起光を出射する半導体レーザである。この波長の励起光は、Ｃｙ５．５、Ｃｙ７（Amersham社製）やALEXAFLUOR700（Molecular Probes社製）等の蛍光薬剤を励起することができる。
【００４４】
本実施形態の説明においては、このうち、Ｃｙ５．５（ピーク波長６９４ｎｍ、蛍光波長領域６７０〜７１０ｎｍ）と、Ｃｙ７（ピーク波長７６７ｎｍ、蛍光波長領域７６０〜８００ｎｍ）の２種類の蛍光薬剤を用いる。
前記光源制御回路１８は、後述するタイミングチャートに従う所定のタイミングで、照明光用光源１７と励起光用光源２５とを交互に点灯および消灯させるようになっている。
【００４５】
前記撮像ユニット１２′は、図９に示されるように、観察対象Ａから入射されてくる励起光を遮断する励起光カットフィルタ２６をさらに備えている。
励起光カットフィルタ２６は、例えば、波長帯域４２０〜６４０ｎｍで透過率８０％以上、波長帯域６５０〜６７０ｎｍでＯＤ値４以上（＝透過率１×１０−４以下）、波長帯域６９０〜７５０ｎｍで透過率８０％以上の透過率特性を有している。
【００４６】
可変分光素子１は、図１０および図１２に示されるように、固定透過帯域および可変透過帯域を有している。固定透過帯域は、可変分光素子１の状態によらず、常に光を透過する帯域であり、例えば、波長４２０〜５４０ｎｍの範囲に配置され、平均透過率６０％以上に設計されている。また、可変透過帯域は、可変分光素子１の状態に応じて透過率特性を変化させる帯域である。このような可変分光素子１を構成するために、反射膜２ａ，２ｂは、図１１に示すように、固定透過帯域において反射率が４０％以下に設定され、可変透過帯域において第１の実施形態において説明した式（１）に従う反射率特性を有している。
【００４７】
本実施形態において、可変分光素子１は、蛍光薬剤が励起光により励起されることによって発生する蛍光（薬剤蛍光）の波長を含む波長帯域（例えば、６８０〜７１０ｎｍおよび７６０〜７９０ｎｍ）に可変透過帯域を備えている。そして、可変分光素子１は、制御ユニット１４からの制御信号に応じて、可変透過帯域を波長帯域６８０〜７１０ｎｍに設定する第１の状態と可変透過帯域を波長帯域７６０〜７９０ｎｍに設定する第２の状態の２つの状態に制御されるようになっている。
【００４８】
撮像素子制御回路２１および可変分光素子制御回路２２は前記光源制御回路１８に接続され、光源制御回路１８による照明光用光源１７および励起光用光源２５の切替に同期して可変分光素子１および撮像素子２０を駆動制御するようになっている。
具体的には、図１３のタイミングチャートに示されるように、光源制御回路１８の作動により、励起光用光源２５から励起光が発せられるときには、可変分光素子制御回路２２が可変分光素子１を第１の状態として、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第１のフレームメモリ２３ａに出力させるようになっている。
【００４９】
また、励起光用光源２５からの励起光が発せられてから所定時間経過後には、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１が第２の状態とされ、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂに出力させるようになっている。
さらに、光源制御回路１８の作動により、照明光用光源１７から照明光が発せられるときには、可変分光素子制御回路２２が可変分光素子１を第２の状態に維持して、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃに出力させるようになっている。
【００５０】
また、前記画像処理回路２４は、例えば、励起光の照射により得られるＣｙ５．５の蛍光画像情報を第１のフレームメモリ２３ａから受け取って表示ユニット１５の第１のチャネルに出力し、Ｃｙ７の蛍光画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂから受け取って表示ユニット１５の第２のチャネルに出力し、照明光の照射により得られる反射光画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃから受け取って表示ユニット１５の第３のチャネルに出力するようになっている。
【００５１】
このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１０′の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１０′を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、蛍光薬剤を体内に注入するとともに、挿入部１１を体腔内に挿入し、その先端１１ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット１３′および制御ユニット１４を作動させ、光源制御回路１８の作動により、照明光用光源１７および励起光用光源２５を交互に作動させて照明光および励起光をそれぞれ発生させる。
【００５２】
光源ユニット１３′において発生した励起光および照明光は、それぞれライトガイド１６を介して挿入部１１の先端１１ａまで伝播され、挿入部１１の先端１１ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
励起光が撮影対象Ａに照射された場合には、撮影対象Ａに浸透している蛍光薬剤が励起されて蛍光が発せられる。撮影対象Ａから発せられた蛍光は、励起光カットフィルタ２６を透過し、撮像ユニット１２′の撮像光学系１９のレンズ１９ａ，１９ｂにより集光されて可変分光素子１に入射される。
【００５３】
可変分光素子１は、可変分光素子制御回路２２の作動により励起光用光源２５の作動に同期して第１の状態に切り替えられているので、Ｃｙ５．５の蛍光に対する透過率が増大させられており、入射された蛍光を透過させることができる。この場合に、撮影対象Ａに照射された励起光の一部が、撮影対象Ａにおいて反射され、蛍光とともに撮像ユニット１２′に入射されるが、撮像ユニット１２′には励起光カットフィルタ２６が設けられているので、励起光は遮断され、撮像素子２０に入射されることが阻止される。
【００５４】
そして、可変分光素子１を透過した蛍光はレンズ１９ｃにより集光されて撮像素子２０に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、第１のフレームメモリ２３ａに記憶され、画像処理回路２４によって、表示ユニット１５の第１のチャネルに出力されて表示ユニット１５により表示される。
【００５５】
次に、可変分光素子１は、可変分光素子制御回路２２の作動により励起光用光源２５の作動から所定時間経過後に第２の状態に切り替えられるので、Ｃｙ７の蛍光に対する透過率が増大させられ、入射された蛍光を透過させることができる。そして、可変分光素子１を透過した蛍光は撮像素子２０に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、第２のフレームメモリ２３ｂに記憶され、画像処理回路２４によって、表示ユニット１５の第２のチャネルに出力されて表示ユニット１５により表示される。
【００５６】
一方、照明光が撮影対象Ａに照射された場合には、撮影対象Ａの表面において照明光が反射され、励起光カットフィルタ２６および撮像光学系１９のレンズ１９ａ，１９ｂを透過し、可変分光素子１に入射される。照明光の反射光の波長帯域は、可変分光素子１の固定透過帯域に位置しているので、可変分光素子１に入射された反射光は全て可変分光素子１を透過させられる。
【００５７】
そして、可変分光素子１を透過した反射光は、レンズ１９ｃにより集光されて撮像素子２０に入射され、反射光画像情報が取得される。取得された反射光画像情報は、第３のフレームメモリ２３ｃに記憶され、画像処理回路２４によって、表示ユニット１５の第３のチャネルに出力されて表示ユニット１５により表示される。
この場合に、励起光用光源２５がオフにされているので、波長６６０ｎｍの励起光による蛍光は発生していない。照明光用光源１７の波長域は、上記蛍光薬剤に対しては励起効率が極めて低いので、実質的に発生しないと考えてよい。これにより、反射光のみが撮像素子２０により撮影されることになる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る内視鏡システム１０′によれば、２つの蛍光画像と反射光画像とを合成した画像を使用者に提供することができる。
また、本実施形態に係る内視鏡システム１０′によれば、波長帯域の異なる２つの蛍光を透過する透過帯域幅が同一であるため、２つの蛍光画像を定量的に比較・演算する場合に、容易に実行することができる。
【００５９】
なお、本実施形態においては、蛍光薬剤としてＣｙ５．５およびＣｙ７を例示したが、これに限定されるものではなく、他の蛍光薬剤を使用することもできる。また、複数の蛍光薬剤を１波長の励起光により励起することとしたが、複数の励起光により個別に励起することとしてもよい。また、可視の反射光画像と薬剤蛍光画像との組合せではなく、自家蛍光画像と薬剤蛍光画像の組合せに適用することとしてもよい。
【００６０】
また、上記実施形態においては、空気間隙をあけて対向する２つの光学部材３ａ，３ｂの対向面に反射膜２ａ，２ｂを設けたが、これに代えて、単一の光学部材の両面に反射膜２ａ，２ｂを設けることとしてもよい。これは２つのコート層の間隙に、空気ではなく光学部材を配置したことに相当するが、この場合には光学部材の屈折率を用いて反射膜２ａ，２ｂの反射率特性を演算すればよい。また、光学部材３ａ，３ｂ間の間隙に、空気以外の気体や液体等の媒質を充填する場合、それらの媒質の屈折率を用いて反射膜２ａ，２ｂの反射率特性を演算すればよい。
【００６１】
また、上記第１，第２の実施形態においては、可変分光素子１として、２つの光学部材３ａ，３ｂ間の間隔寸法を圧電素子からなるアクチュエータ４により変更する方式のものを例示したが、これに限定されるものではなく、図１４に示されるように、間隔をあけて対向する２つの光学部材３ａ′，３ｂ′の少なくとも一方（例えば、光学部材３ａ′）が、対向面に沿う方向に１段以上のステップを有する階段状に形成されているものを採用してもよい。対向面には第１の実施形態と同様の反射膜２ａ，２ｂが施されている。この可変分光素子１′は、光軸に直交する方向に移動可能に設けられている。
【００６２】
したがって、光軸に対して直交する方向に可変分光素子１′を移動させることにより、光の透過する部位における間隔寸法を段階的に変化させることができ、それによって、光の透過帯域を第１の実施形態と同様に変化させることができる。第１の実施形態においては、容量センサ電極５ａ，５ｂを設けてフィードバック制御することとしたが、この例では、可変分光素子１′自体の位置検出を図示しない位置検出装置により行ってフィードバック制御することとすればよい。
【００６３】
このように構成することにより、対向する反射膜２ａ，２ｂの間隔を固定できる。したがって、圧電素子からなるアクチュエータ４の制御により間隔を調節する場合と比較すると、簡易かつ迅速に精度よく透過帯域を切り替えることができる。
【００６４】
また、階段状の光学部材３ａ′を有する可変分光素子１′に代えて、図１５に示されるように、反射膜２ａ，２ｂが設けられる２つの面が非平行なくさび状の光学部材３″を有する可変分光素子１″を採用することとしてもよい。このようにすることで、階段状の光学部材３ａ′の場合と同様に、光軸に直交する方向に可変分光素子１″を移動させることにより、連続的に反射膜２ａ，２ｂ間の間隔寸法を変化させ、透過帯域を連続的に変化させることができる。
【００６５】
また、固定された光軸に直交する方向に可変分光素子１′，１″を移動させることに代えて、可変分光素子１′，１″を固定し、図示しない任意の走査手段を用いて、可変分光素子１′，１″への光の入射位置を変化させることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る可変分光素子を示す縦断面図である。
【図２】図１の可変分光素子の反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。
【図４】図３の内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【図５】図３の内視鏡システムを構成する可変分光素子の透過率特性を示すグラフである。
【図６】図１の可変分光素子の変形例における反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図７】図１の可変分光素子の他の変形例における反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。
【図９】図８の内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【図１０】図８の内視鏡システムを構成する可変分光素子の透過率特性を示すグラフである。
【図１１】図１０の可変分光素子の反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図１２】図８の内視鏡システムを構成する各光学部品の透過率特性、照明光および励起光の波長特性を示す図である。
【図１３】図８の内視鏡システムの動作を説明するタイミングチャートである。
【図１４】図１０の変形例に係る可変分光素子を有する撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【図１５】図１０の他の変形例に係る可変分光素子を有する撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
Ａ 撮影対象
１，１′，１″ 可変分光素子
２ａ，２ｂ 反射膜（コート層）
３ａ，３ｂ；３ａ′，３ｂ′ 光学部材
１０，１０′ 内視鏡システム（分光装置）
２０ 撮像素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変分光素子、分光装置および内視鏡システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の基板の面間隔を変化させることにより光の透過帯域を可変としたエタロン分光素子を備えた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この撮像装置は、エタロン分光素子により撮影対象から放射される光の透過帯域を変化させ、撮影対象の分光情報を取得するものである。そして、コート層を施した２枚の基板の面間隔を変化させることにより異なる２つの透過特性を実現し、それぞれの画像の強度分布の差分を演算することにより、スペクトル分析を行っている。
【特許文献１】特許第２７７１７８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この特許文献１に開示されている撮像装置においては、エタロン分光素子の透過帯域幅について考慮されていない。例えば、波長に対する透過特性が均一なコート層を施すと、基板の面間隔を変化させることにより変化する透過帯域の幅は、当該透過帯域の波長にほぼ正比例して増加するという特性を有する。
【０００４】
このため、異なる透過帯域において取得された画像は、個々の画像が有する分光情報の帯域幅が異なることになる。すなわち、短波長側では波長幅が狭い画像が得られ、長波長側では波長幅の広い画像（波長分解能が低い画像）が得られる。また、撮影対象が分光的に一定の強度を有する場合であっても、分光素子の透過帯域幅が異なるために、長波長側の画像が短波長側の画像よりも明るくなるという問題がある。したがって、透過帯域の異なる複数の画像間の定量的な比較や演算を容易に行うことができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、透過帯域の波長に対する透過帯域幅の変化を抑制することができる可変分光素子および分光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、間隔をあけて対向する複数のコート層を備え、該コート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子であって、透過帯域を変化させる分光波長帯域内において、任意の２つの透過帯域間の中心波長の変化の割合よりも、これら透過帯域間の透過帯域幅の変化の割合が小さくなるように前記コート層が構成されている可変分光素子を提供する。
【０００７】
上記発明においては、前記分光波長帯域内において、透過帯域の幅が波長によらず一定であることが好ましい。
また、上記発明においては、前記透過帯域の幅が半値全幅であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記コート層の特性が均一であることが好ましい。
【０００８】
また、上記発明においては、前記コート層の反射率が、波長の増加に従って単調増加することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記コート層が、間隔をあけて配置される２つの光学部材の対向面にそれぞれ設けられていることとしてもよい。
【０００９】
また、上記発明においては、前記対向面間の光路長が、該対向面に沿う方向に変化することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記対向面の内の少なくとも一方が、１段以上の階段状に形成されていることとしてもよい。
【００１０】
また、上記発明においては、前記対向面間の間隔が、該対向面に沿う方向に漸次変化することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記コート層の波長に対する反射率特性が、以下の関係式で表されることが好ましい。
【数２】
上記発明においては、前記コート層が誘電体材料からなることとしてもよい。
【００１１】
また、本発明は、上記いずれかの可変分光素子を備える分光装置を提供する。
上記発明においては、前記可変分光素子を通過した光を撮影する２次元の撮像素子を備えることとしてもよい。
【００１２】
また、上記発明においては、撮影対象が生体であることとしてもよく、撮影対象が体腔内の一部であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記可変分光素子のコート層間の間隔が、前記分光波長帯域において透過帯域が１つだけ存在する間隔であることとしてもよい。
また、本発明は、上記いずれかの可変分光素子を備える分光内視鏡システムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、透過帯域の波長に対する透過帯域幅の変化を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施形態に係る可変分光素子１およびこれを備えた内視鏡システム（分光装置）１０について、図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る可変分光素子１は、図１に示されるように、平行間隔を空けて配置され対向面の光学有効径の範囲に反射膜（コート層）２ａ，２ｂが設けられた２枚の平板状の光学部材３ａ，３ｂと、該光学部材３ａ，３ｂの間隔を変化させるアクチュエータ４とを備えるエタロン型の光学フィルタである。
【００１５】
アクチュエータ４は、例えば、圧電素子からなる円筒状の部材であって、駆動信号に応じてその長さ寸法を伸縮させるようになっている。
この可変分光素子１は、アクチュエータ４の作動により光学部材３ａ，３ｂの間隔寸法を変化させることで、その透過する光の波長帯域を変化させることができるようになっている。
【００１６】
光学部材３ａ，３ｂ間の間隔寸法は極めて微小な値、例えば、ミクロンオーダーかそれ以下になるように設定されている。
また、光学有効径の外側には輪帯形状の容量センサ電極５ａ，５ｂが配置されている。
【００１７】
前記反射膜２ａ，２ｂは、例えば、誘電体多層膜により構成されている。
また、容量センサ電極５ａ，５ｂは金属膜により構成されている。容量センサ電極５ａ，５ｂからの信号をフィードバックして駆動手段への駆動信号を制御することにより、透過特性の調節精度を向上することができるようになっている。
【００１８】
さらに具体的には、本実施形態に係る可変分光素子１は、図２に示されるような反射率特性を有している。この反射率特性は、以下の関係式（１）を満足している。
【数３】
【００１９】
ここで、上記式（１）の導出について説明する。
反射膜２ａ，２ｂの１面の反射率Ｒ（λ）、光の入射角θ、反射膜２ａ，２ｂ間の媒質の屈折率ｎ、反射膜２ａ，２ｂの間隔ｄとすると、透過率Ｔは、次式（２）で表される。
【００２０】
【数４】
【００２１】
ここで、半値全幅ＦＷＨＭは、次式（３）により表される。
【数５】
【００２２】
ここで、光路長をｎｄ＝ｍλ／２（ｍ：１以上の整数）の関係で変化させると、波長λにおいて垂直入射で透過率が最大値となる。この関係を式（３）に代入し、反射率Ｒ（λ）について得られた２次方程式の解を求めることにより、式（１）を得ることができる。
そして、上記式（１）において、半値全幅ＦＷＨＭを定数とすることにより、図２の反射率特性を得ることができる。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係る可変分光素子１によれば、光学部材３ａ，３ｂの間隔寸法を変化させて、光の透過帯域を変化させても、その波長にかかわらず半値全幅ＦＷＨＭが一定となるので、長波長側での波長分解能の低下を抑制することができるとともに、波長による透過光量の変化を防止することができる。
【００２４】
次に、本実施形態に係る可変分光素子１を用いた内視鏡システム１０について、図３〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１０は、図３に示されるように、生体の体腔内に挿入される挿入部１１と、該挿入部１１内に配置される撮像ユニット（撮像手段）１２と、照明光を発する光源ユニット１３と、前記撮像ユニット１２および光源ユニット１３を制御する制御ユニット１４と、撮像ユニット１２により取得された画像を表示する表示ユニット１５とを備えている。
【００２５】
前記挿入部１１は、生体の体腔に挿入できる極めて細い外形寸法を有し、その内部に、前記撮像ユニット１２および前記光源ユニット１３からの光を先端１１ａまで伝播するライトガイド１６とを備えている。
前記光源ユニット１３は、体腔内の観察対象を照明し、観察対象において反射して戻る反射光を取得するための照明光を発する照明光用光源１７と、該照明光用光源１７を制御する光源制御回路１８とを備えている。
【００２６】
前記照明光用光源１７は、例えば、図示しないキセノンランプおよびバンドパスフィルタを組み合わせたもので、バンドパスフィルタの５０％透過域は、４３０〜７００ｎｍである。すなわち、照明光用光源１７は、波長帯域４３０〜７００ｎｍの照明光を発生するようになっている。
【００２７】
前記撮像ユニット１２は、図４に示されるように、観察対象Ａから入射される光を集光するための、３枚のレンズ１９ａ，１９ｂ，１９ｃからなる撮像光学系１９と、制御ユニット１４の作動により分光特性を変化させられる本実施形態に係る可変分光素子１と、撮像光学系１９により集光された光を撮影して電気信号に変換する撮像素子２０とを備えている。
【００２８】
本実施形態において、可変分光素子１の可変波長帯域は、図５に示されるように、制御ユニット１４からの制御信号に応じて３つの状態に変化させられるようになっている。
第１の状態は、可視光の青の領域である波長４３０〜４６０ｎｍの帯域の光を透過させるようになっている。以下、透過帯域幅はピーク強度の半値全幅ＦＷＨＭで定義している。
第２の状態は、可視光の緑の領域である波長５３０〜５６０ｎｍの帯域の光を透過させるようになっている。
第３の状態は、可視光の赤の領域である波長６３０〜６６０ｎｍの帯域の光を透過させるようになっている。
【００２９】
前記制御ユニット１４は、図３に示されるように、撮像素子２０を駆動制御する撮像素子制御回路２１と、可変分光素子１を駆動制御する可変分光素子制御回路２２と、撮像素子２０により取得された画像情報を記憶するフレームメモリ２３と、該フレームメモリ２３に記憶された画像情報を処理して表示ユニット１５に出力する画像処理回路２４とを備えている。
【００３０】
可変分光素子制御回路２２が、可変分光素子１を第１の状態にしたときには、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第１のフレームメモリ２３ａに出力させるようになっている。また、可変分光素子制御回路２２が、可変分光素子１を第２の状態にしたときには、撮像素子駆動回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂに出力するようになっている。さらに、可変分光素子制御回路２２が、可変分光素子１を第３の状態にしたときには、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃに出力させるようになっている。
【００３１】
また、画像処理回路２４は、例えば、青の帯域の画像情報を第１のフレームメモリ２３ａから受け取って表示ユニット１５の第１のチャネルに出力し、緑の帯域の画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂから受け取って表示ユニット１５の第２のチャネルに出力し、赤の帯域の画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃから受け取って表示ユニット１５の第３のチャネルに出力するようになっている。
【００３２】
このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１０を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、挿入部１１を体腔内に挿入し、その先端１１ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット１３および制御ユニット１４を作動させ、光源制御回路１８の作動により、照明光用光源１７を作動させて照明光を発生させる。
【００３３】
光源ユニット１３において発生した照明光は、ライトガイド１６を介して挿入部１１の先端１１ａまで伝播され、挿入部１１の先端１１ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
照明光は撮影対象Ａの表面において反射され、反射光が撮像光学系１９により集光されて可変分光素子１を透過して撮像素子２０に結像され、反射光画像情報が取得される。
【００３４】
青の帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１を第１の状態に切り替えることで、撮像素子２０に到達する反射光の帯域を波長４３０〜４６０ｎｍに制限することができる。そして、取得された青の帯域の反射光画像情報は、第１のフレームメモリ２３ａに記憶され、表示ユニット１５の第１のチャネルに出力されることになる。
【００３５】
緑の帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１を第２の状態に切り替えることで、撮像素子２０に到達する反射光の帯域を波長５３０〜５６０ｎｍに制限することができる。そして、取得された緑の帯域の反射光画像情報は、第２のフレームメモリ２３ｂに記憶され、表示ユニット１５の第２のチャネルに出力されることになる。
【００３６】
赤の帯域の反射光画像を取得するには、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１を第３の状態に切り替えることで、撮像素子２０に到達する反射光の帯域を波長６３０〜６６０ｎｍに制限することができる。そして、取得された緑の帯域の反射光画像情報は、第３のフレームメモリ２３ｃに記憶され、表示ユニット１５の第３のチャネルに出力されることになる。
【００３７】
このように、本実施形態に係る内視鏡システム１０によれば、観察対象Ａからの反射光を異なる波長帯域毎に分光して表示することができる。
生体に対しては様々な波長による画像情報を取得することが有用であるが、本実施形態に係る内視鏡システム１０によれば、広い波長帯域にわたって可変分光素子１の透過帯域幅を一定にすることができる。したがって、長波長側の波長帯域の反射光画像情報の波長分解能が他の波長帯域の反射光画像情報と比較して低下したり、長波長側の波長帯域の反射光画像の強度が他の波長帯域の反射光画像情報と比較して大きくなってしまったりする不都合の発生を防止することができる。
その結果、複数の波長帯域の反射光画像情報を用いた重畳表示や、画像間演算においても、複雑な補正処理を行うことなく簡単に行うことができるという利点がある。
【００３８】
なお、本実施形態に係る可変分光素子１および内視鏡システム１０においては、以下の変形、変更が可能である。
まず、本実施形態に係る可変分光素子１においては、分光波長帯域の全域において、図２に示される反射率特性を有する場合について説明したが、これに代えて、図６に示されるように、分光情報を取得する波長帯域Ｘのみにおいて、上記式（１）の反射率特性を有することとしてもよい。このようにすることで、反射膜２ａ，２ｂの設計および製造に関する制約条件を軽減することができ、設計および製造を容易にすることができるという利点がある。
【００３９】
また、これに代えて、図７に示されるように、式（１）の反射率特性に近似する１次関数からなる反射率特性を有する反射膜２ａ，２ｂを採用してもよい。この場合の１次関数としては、０より大きい正の比例係数を有し、波長に応じて単調増加するものが採用される。このようにすることで、透過帯域の波長に依存した透過帯域幅の変化を抑制することができる。
また、本実施形態においては、透過帯域幅を表す量として半値全幅ＦＷＨＭを用いたが、それ以外の量を指標とすることとしてもよい。
【００４０】
また、本実施形態に係る可変分光素子１においては、２枚の光学部材３ａ，３ｂの間隔寸法を圧電素子からなるアクチュエータ４により変化させるものを例示したが、これに代えて、他のアクチュエータにより間隔寸法を変化させるものでもよい。また、光学部材３ａ，３ｂ間の隙間に充填される媒質（例えば、液体や気体）の屈折率を変化させることにより、間隔を維持したまま光路長を変化させることとしてもよい。
【００４１】
また、内視鏡システム１０としては、軟性鏡、硬性鏡のいずれに適用することとしてもよい。また、内視鏡ではなく、生体内部観察用の対物レンズ等に適用することとしてもよい。本実施形態によれば、波長帯によらず、透過帯域幅を一定にすることを、例えば、複数の光学フィルタの光路への挿脱という方法を用いる必要もなく、１個の可変分光素子で実現できるので、径方向の寸法に制約のある内視鏡などの生体内部観察系に特に好適である。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡システム１０′について図８〜図１３を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る内視鏡システム１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
本実施形態に係る内視鏡システム１０′においては、光源ユニット１３′が、照明光用光源１７の他に励起光用光源２５を備えている。
照明光用光源１７は、図示しないキセノンランプおよびバンドパスフィルタを組み合わせたもので、バンドパスフィルタの５０％透過域は、４３０〜４６０ｎｍである。
また、励起光用光源２５は、例えば、ピーク波長６６０±５ｎｍの励起光を出射する半導体レーザである。この波長の励起光は、Ｃｙ５．５、Ｃｙ７（Amersham社製）やALEXAFLUOR700（Molecular Probes社製）等の蛍光薬剤を励起することができる。
【００４４】
本実施形態の説明においては、このうち、Ｃｙ５．５（ピーク波長６９４ｎｍ、蛍光波長領域６７０〜７１０ｎｍ）と、Ｃｙ７（ピーク波長７６７ｎｍ、蛍光波長領域７６０〜８００ｎｍ）の２種類の蛍光薬剤を用いる。
前記光源制御回路１８は、後述するタイミングチャートに従う所定のタイミングで、照明光用光源１７と励起光用光源２５とを交互に点灯および消灯させるようになっている。
【００４５】
前記撮像ユニット１２′は、図９に示されるように、観察対象Ａから入射されてくる励起光を遮断する励起光カットフィルタ２６をさらに備えている。
励起光カットフィルタ２６は、例えば、波長帯域４２０〜６４０ｎｍで透過率８０％以上、波長帯域６５０〜６７０ｎｍでＯＤ値４以上（＝透過率１×１０−４以下）、波長帯域６９０〜７５０ｎｍで透過率８０％以上の透過率特性を有している。
【００４６】
可変分光素子１は、図１０および図１２に示されるように、固定透過帯域および可変透過帯域を有している。固定透過帯域は、可変分光素子１の状態によらず、常に光を透過する帯域であり、例えば、波長４２０〜５４０ｎｍの範囲に配置され、平均透過率６０％以上に設計されている。また、可変透過帯域は、可変分光素子１の状態に応じて透過率特性を変化させる帯域である。このような可変分光素子１を構成するために、反射膜２ａ，２ｂは、図１１に示すように、固定透過帯域において反射率が４０％以下に設定され、可変透過帯域において第１の実施形態において説明した式（１）に従う反射率特性を有している。
【００４７】
本実施形態において、可変分光素子１は、蛍光薬剤が励起光により励起されることによって発生する蛍光（薬剤蛍光）の波長を含む波長帯域（例えば、６８０〜７１０ｎｍおよび７６０〜７９０ｎｍ）に可変透過帯域を備えている。そして、可変分光素子１は、制御ユニット１４からの制御信号に応じて、可変透過帯域を波長帯域６８０〜７１０ｎｍに設定する第１の状態と可変透過帯域を波長帯域７６０〜７９０ｎｍに設定する第２の状態の２つの状態に制御されるようになっている。
【００４８】
撮像素子制御回路２１および可変分光素子制御回路２２は前記光源制御回路１８に接続され、光源制御回路１８による照明光用光源１７および励起光用光源２５の切替に同期して可変分光素子１および撮像素子２０を駆動制御するようになっている。
具体的には、図１３のタイミングチャートに示されるように、光源制御回路１８の作動により、励起光用光源２５から励起光が発せられるときには、可変分光素子制御回路２２が可変分光素子１を第１の状態として、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第１のフレームメモリ２３ａに出力させるようになっている。
【００４９】
また、励起光用光源２５からの励起光が発せられてから所定時間経過後には、可変分光素子制御回路２２の作動により、可変分光素子１が第２の状態とされ、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂに出力させるようになっている。
さらに、光源制御回路１８の作動により、照明光用光源１７から照明光が発せられるときには、可変分光素子制御回路２２が可変分光素子１を第２の状態に維持して、撮像素子制御回路２１が撮像素子２０から出力される画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃに出力させるようになっている。
【００５０】
また、前記画像処理回路２４は、例えば、励起光の照射により得られるＣｙ５．５の蛍光画像情報を第１のフレームメモリ２３ａから受け取って表示ユニット１５の第１のチャネルに出力し、Ｃｙ７の蛍光画像情報を第２のフレームメモリ２３ｂから受け取って表示ユニット１５の第２のチャネルに出力し、照明光の照射により得られる反射光画像情報を第３のフレームメモリ２３ｃから受け取って表示ユニット１５の第３のチャネルに出力するようになっている。
【００５１】
このように構成された本実施形態に係る内視鏡システム１０′の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡システム１０′を用いて、生体の体腔内の撮影対象Ａを撮像するには、蛍光薬剤を体内に注入するとともに、挿入部１１を体腔内に挿入し、その先端１１ａを体腔内の撮影対象Ａに対向させる。この状態で、光源ユニット１３′および制御ユニット１４を作動させ、光源制御回路１８の作動により、照明光用光源１７および励起光用光源２５を交互に作動させて照明光および励起光をそれぞれ発生させる。
【００５２】
光源ユニット１３′において発生した励起光および照明光は、それぞれライトガイド１６を介して挿入部１１の先端１１ａまで伝播され、挿入部１１の先端１１ａから撮影対象Ａに向けて照射される。
励起光が撮影対象Ａに照射された場合には、撮影対象Ａに浸透している蛍光薬剤が励起されて蛍光が発せられる。撮影対象Ａから発せられた蛍光は、励起光カットフィルタ２６を透過し、撮像ユニット１２′の撮像光学系１９のレンズ１９ａ，１９ｂにより集光されて可変分光素子１に入射される。
【００５３】
可変分光素子１は、可変分光素子制御回路２２の作動により励起光用光源２５の作動に同期して第１の状態に切り替えられているので、Ｃｙ５．５の蛍光に対する透過率が増大させられており、入射された蛍光を透過させることができる。この場合に、撮影対象Ａに照射された励起光の一部が、撮影対象Ａにおいて反射され、蛍光とともに撮像ユニット１２′に入射されるが、撮像ユニット１２′には励起光カットフィルタ２６が設けられているので、励起光は遮断され、撮像素子２０に入射されることが阻止される。
【００５４】
そして、可変分光素子１を透過した蛍光はレンズ１９ｃにより集光されて撮像素子２０に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、第１のフレームメモリ２３ａに記憶され、画像処理回路２４によって、表示ユニット１５の第１のチャネルに出力されて表示ユニット１５により表示される。
【００５５】
次に、可変分光素子１は、可変分光素子制御回路２２の作動により励起光用光源２５の作動から所定時間経過後に第２の状態に切り替えられるので、Ｃｙ７の蛍光に対する透過率が増大させられ、入射された蛍光を透過させることができる。そして、可変分光素子１を透過した蛍光は撮像素子２０に入射され、蛍光画像情報が取得される。取得された蛍光画像情報は、第２のフレームメモリ２３ｂに記憶され、画像処理回路２４によって、表示ユニット１５の第２のチャネルに出力されて表示ユニット１５により表示される。
【００５６】
一方、照明光が撮影対象Ａに照射された場合には、撮影対象Ａの表面において照明光が反射され、励起光カットフィルタ２６および撮像光学系１９のレンズ１９ａ，１９ｂを透過し、可変分光素子１に入射される。照明光の反射光の波長帯域は、可変分光素子１の固定透過帯域に位置しているので、可変分光素子１に入射された反射光は全て可変分光素子１を透過させられる。
【００５７】
そして、可変分光素子１を透過した反射光は、レンズ１９ｃにより集光されて撮像素子２０に入射され、反射光画像情報が取得される。取得された反射光画像情報は、第３のフレームメモリ２３ｃに記憶され、画像処理回路２４によって、表示ユニット１５の第３のチャネルに出力されて表示ユニット１５により表示される。
この場合に、励起光用光源２５がオフにされているので、波長６６０ｎｍの励起光による蛍光は発生していない。照明光用光源１７の波長域は、上記蛍光薬剤に対しては励起効率が極めて低いので、実質的に発生しないと考えてよい。これにより、反射光のみが撮像素子２０により撮影されることになる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る内視鏡システム１０′によれば、２つの蛍光画像と反射光画像とを合成した画像を使用者に提供することができる。
また、本実施形態に係る内視鏡システム１０′によれば、波長帯域の異なる２つの蛍光を透過する透過帯域幅が同一であるため、２つの蛍光画像を定量的に比較・演算する場合に、容易に実行することができる。
【００５９】
なお、本実施形態においては、蛍光薬剤としてＣｙ５．５およびＣｙ７を例示したが、これに限定されるものではなく、他の蛍光薬剤を使用することもできる。また、複数の蛍光薬剤を１波長の励起光により励起することとしたが、複数の励起光により個別に励起することとしてもよい。また、可視の反射光画像と薬剤蛍光画像との組合せではなく、自家蛍光画像と薬剤蛍光画像の組合せに適用することとしてもよい。
【００６０】
また、上記実施形態においては、空気間隙をあけて対向する２つの光学部材３ａ，３ｂの対向面に反射膜２ａ，２ｂを設けたが、これに代えて、単一の光学部材の両面に反射膜２ａ，２ｂを設けることとしてもよい。これは２つのコート層の間隙に、空気ではなく光学部材を配置したことに相当するが、この場合には光学部材の屈折率を用いて反射膜２ａ，２ｂの反射率特性を演算すればよい。また、光学部材３ａ，３ｂ間の間隙に、空気以外の気体や液体等の媒質を充填する場合、それらの媒質の屈折率を用いて反射膜２ａ，２ｂの反射率特性を演算すればよい。
【００６１】
また、上記第１，第２の実施形態においては、可変分光素子１として、２つの光学部材３ａ，３ｂ間の間隔寸法を圧電素子からなるアクチュエータ４により変更する方式のものを例示したが、これに限定されるものではなく、図１４に示されるように、間隔をあけて対向する２つの光学部材３ａ′，３ｂ′の少なくとも一方（例えば、光学部材３ａ′）が、対向面に沿う方向に１段以上のステップを有する階段状に形成されているものを採用してもよい。対向面には第１の実施形態と同様の反射膜２ａ，２ｂが施されている。この可変分光素子１′は、光軸に直交する方向に移動可能に設けられている。
【００６２】
したがって、光軸に対して直交する方向に可変分光素子１′を移動させることにより、光の透過する部位における間隔寸法を段階的に変化させることができ、それによって、光の透過帯域を第１の実施形態と同様に変化させることができる。第１の実施形態においては、容量センサ電極５ａ，５ｂを設けてフィードバック制御することとしたが、この例では、可変分光素子１′自体の位置検出を図示しない位置検出装置により行ってフィードバック制御することとすればよい。
【００６３】
このように構成することにより、対向する反射膜２ａ，２ｂの間隔を固定できる。したがって、圧電素子からなるアクチュエータ４の制御により間隔を調節する場合と比較すると、簡易かつ迅速に精度よく透過帯域を切り替えることができる。
【００６４】
また、階段状の光学部材３ａ′を有する可変分光素子１′に代えて、図１５に示されるように、反射膜２ａ，２ｂが設けられる２つの面が非平行なくさび状の光学部材３″を有する可変分光素子１″を採用することとしてもよい。このようにすることで、階段状の光学部材３ａ′の場合と同様に、光軸に直交する方向に可変分光素子１″を移動させることにより、連続的に反射膜２ａ，２ｂ間の間隔寸法を変化させ、透過帯域を連続的に変化させることができる。
【００６５】
また、固定された光軸に直交する方向に可変分光素子１′，１″を移動させることに代えて、可変分光素子１′，１″を固定し、図示しない任意の走査手段を用いて、可変分光素子１′，１″への光の入射位置を変化させることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る可変分光素子を示す縦断面図である。
【図２】図１の可変分光素子の反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。
【図４】図３の内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【図５】図３の内視鏡システムを構成する可変分光素子の透過率特性を示すグラフである。
【図６】図１の可変分光素子の変形例における反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図７】図１の可変分光素子の他の変形例における反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示すブロック図である。
【図９】図８の内視鏡システムの撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【図１０】図８の内視鏡システムを構成する可変分光素子の透過率特性を示すグラフである。
【図１１】図１０の可変分光素子の反射膜の反射率特性を示すグラフである。
【図１２】図８の内視鏡システムを構成する各光学部品の透過率特性、照明光および励起光の波長特性を示す図である。
【図１３】図８の内視鏡システムの動作を説明するタイミングチャートである。
【図１４】図１０の変形例に係る可変分光素子を有する撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【図１５】図１０の他の変形例に係る可変分光素子を有する撮像ユニット内部の構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
Ａ 撮影対象
１，１′，１″ 可変分光素子
２ａ，２ｂ 反射膜（コート層）
３ａ，３ｂ；３ａ′，３ｂ′ 光学部材
１０，１０′ 内視鏡システム（分光装置）
２０ 撮像素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をあけて対向する複数のコート層を備え、該コート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子であって、
透過帯域を変化させる分光波長帯域内において、任意の２つの透過帯域間の中心波長の変化の割合よりも、これら透過帯域間の透過帯域幅の変化の割合が小さくなるように前記コート層が構成されている可変分光素子。
【請求項２】
前記分光波長帯域内において、透過帯域の幅が波長によらず一定である請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項３】
前記透過帯域の幅が半値全幅である請求項２に記載の可変分光素子。
【請求項４】
前記コート層の特性が均一である請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項５】
前記コート層の反射率が、波長の増加に従って単調増加する請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項６】
前記コート層が、間隔をあけて配置される２つの光学部材の対向面にそれぞれ設けられている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項７】
前記コート層が、１つの光学部材の対向面にそれぞれ設けられている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項８】
前記対向面間の光路長が、該対向面に沿う方向に変化する請求項６または請求項７に記載の可変分光素子。
【請求項９】
前記対向面の内の少なくとも一方が、１段以上の階段状に形成されている請求項８に記載の可変分光素子。
【請求項１０】
前記対向面間の間隔が、該対向面に沿う方向に漸次変化する請求項８に記載の可変分光素子。
【請求項１１】
前記コート層の波長に対する反射率特性が、以下の関係式で表される請求項１から請求項１０のいずれかに記載の可変分光素子。
【数１】
【請求項１２】
前記コート層が誘電体材料からなる請求項１１に記載の可変分光素子。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の可変分光素子を備える分光装置。
【請求項１４】
前記可変分光素子を通過した光を撮影する２次元の撮像素子を備える請求項１３に記載の分光装置。
【請求項１５】
撮影対象が生体である請求項１４に記載の分光装置。
【請求項１６】
撮影対象が体腔内の一部である請求項１５に記載の分光装置。
【請求項１７】
前記可変分光素子のコート層間の間隔が、前記分光波長帯域において透過帯域が１つだけ存在する間隔である請求項１３に記載の分光装置。
【請求項１８】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の可変分光素子を備える分光内視鏡システム。
【請求項１】
間隔をあけて対向する複数のコート層を備え、該コート層間の光路長を調整することにより該コート層を通過する光の透過帯域を変化させる可変分光素子であって、
透過帯域を変化させる分光波長帯域内において、任意の２つの透過帯域間の中心波長の変化の割合よりも、これら透過帯域間の透過帯域幅の変化の割合が小さくなるように前記コート層が構成されている可変分光素子。
【請求項２】
前記分光波長帯域内において、透過帯域の幅が波長によらず一定である請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項３】
前記透過帯域の幅が半値全幅である請求項２に記載の可変分光素子。
【請求項４】
前記コート層の特性が均一である請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項５】
前記コート層の反射率が、波長の増加に従って単調増加する請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項６】
前記コート層が、間隔をあけて配置される２つの光学部材の対向面にそれぞれ設けられている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項７】
前記コート層が、１つの光学部材の対向面にそれぞれ設けられている請求項１に記載の可変分光素子。
【請求項８】
前記対向面間の光路長が、該対向面に沿う方向に変化する請求項６または請求項７に記載の可変分光素子。
【請求項９】
前記対向面の内の少なくとも一方が、１段以上の階段状に形成されている請求項８に記載の可変分光素子。
【請求項１０】
前記対向面間の間隔が、該対向面に沿う方向に漸次変化する請求項８に記載の可変分光素子。
【請求項１１】
前記コート層の波長に対する反射率特性が、以下の関係式で表される請求項１から請求項１０のいずれかに記載の可変分光素子。
【数１】
【請求項１２】
前記コート層が誘電体材料からなる請求項１１に記載の可変分光素子。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の可変分光素子を備える分光装置。
【請求項１４】
前記可変分光素子を通過した光を撮影する２次元の撮像素子を備える請求項１３に記載の分光装置。
【請求項１５】
撮影対象が生体である請求項１４に記載の分光装置。
【請求項１６】
撮影対象が体腔内の一部である請求項１５に記載の分光装置。
【請求項１７】
前記可変分光素子のコート層間の間隔が、前記分光波長帯域において透過帯域が１つだけ存在する間隔である請求項１３に記載の分光装置。
【請求項１８】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の可変分光素子を備える分光内視鏡システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−３１６４８６（Ｐ２００７−３１６４８６Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４８０４１（Ｐ２００６−１４８０４１）
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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