JP2004138884A

JP2004138884A - Method for automatically focusing endoscope

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Publication number: JP2004138884A
Application number: JP2002304367A
Authority: JP
Inventors: Minoru Murayama; 村山　稔
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP4448277B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for automatically focusing an endoscope capable of quickly focusing. <P>SOLUTION: An auto-focusing endoscope comprises an objective optical system for varying power and focusing by moving a movable varying power element to a light axis direction while approaching to an observed object, and for shifting from a distal observation state to a proximal observation state; a driving means for moving the movable varying power element; a contrast detecting means for detecting contrast from an image of the observed object arrived at an object distance detecting means for detecting an object distance from the objective lens system to the observed object or at an imaging device; and a control part for controlling the driving means, base on the object distance information or contrast information. In the method, when X (of which the value is 0 at the time of the distal observation) represents a driving amount of the driving means; D<SB>0</SB>represents the object distance to the observed object; a formula D<SB>0</SB>=f(X) is established, and under the condition of X<SB>t</SB>/2≤X≤X<SB>t</SB>, following condition formula (1) is satisfied: 0.05<[f(X-X<SB>t</SB>/10)-f(X)]/D<SB>ot</SB><0.5, wherein, D<SB>ot</SB>is the object distance to the observed object in the proximal observation; X<SB>t</SB>is the driving amount of the driving means from a distant observation point (0≤X≤X<SB>t</SB>). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、内視鏡のオートフォーカス方法に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
広角での観察に加え、物体に近接しながら可動変倍要素（レンズ群の一部又は（及び）撮像素子）を移動させて変倍及び合焦を行い、遠点観察（通常観察）状態から近点観察（拡大観察）状態に移行させる内視鏡では、拡大側で対物レンズの倍率が大きくなり被写界深度が浅くなるので、レバーやスイッチ等を手動操作して随時フォーカシングを行うのは困難である。このため、オートフォーカスにより対物レンズ中の可動レンズ群や撮像素子の移動を制御する方法が提案されている。
【０００３】
オートフォーカスの方式には、ＬＥＤから補助光を発光して物体距離を検知するアクティブ式、ラインセンサ対で位相差を検知する位相差法、あるいは、撮像素子に結像した画像のコントラストを利用するコントラスト法等が知られてる。内視鏡への適用を考えた場合、小型化の点で補助光発光素子やラインセンサなどの補助装置が不要なコントラスト法が有利である（例えば、特許文献１）。コントラスト法では、可動変倍要素（可動レンズ群（フォーカスレンズ群）又は（及び）撮像素子）を移動させながら、撮像素子に結像した画像のコントラストをモニターしてピントの合っている位置を検出するが、このとき上記可動変倍要素を駆動する駆動手段の駆動量に対して物体距離変化が小さいと、少しだけ駆動手段を作動させただけでは物体距離が変化せず、コントラストの変化も小さい。従って駆動手段を大きく駆動させる必要があり、ピントを合わせるのに時間がかかる。
【０００４】
また、特許文献２は、物体距離の連続的な変化に随時フォーカシングするのではなく、被写界深度の幅を考慮して段階的にフォーカス位置を設定したゾーンフォーカス方式の内視鏡を提案しているが、ゾーンの切替え時に急激に倍率が変化するため不自然である。さらに、拡大倍率を大きくした場合には被写界深度が浅くなるため、拡大側のゾーンを多くしなければならない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−８１０１１号公報
【特許文献２】
特開平８−１３６８３２号公報
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、ピント合わせを迅速に行うことができる、内視鏡のオートフォーカス方法を得ることを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】
本発明による内視鏡のオートフォーカス方法は、観察物体に近接しながら可動変倍要素を光軸方向に移動させることにより変倍及び合焦を行い、遠点観察状態から近点観察状態に移行させる対物光学系と；上記可動変倍要素を移動させる駆動手段と；上記対物レンズ系から観察物体までの物体距離を検知する物体距離検知手段または撮像素子に届く観察物体の画像からコントラストを検知するコントラスト検知手段と；該物体距離情報またはコントラスト情報をもとに上記駆動手段を制御する制御部と；を有するオートフォーカス内視鏡において、上記駆動手段の駆動量をＸ（遠点観察時における値を０とする）、上記観察物体までの物体距離をＤ_ｏとして、Ｄ_ｏ＝ｆ（Ｘ）として表すとき、Ｘ_ｔ／２≦Ｘ≦Ｘ_ｔにおいて以下の条件式（１）を満足することを特徴としている。
（１）０．０５＜［ｆ（Ｘ−Ｘ_ｔ／１０）−ｆ（Ｘ）］／Ｄ_ｏｔ＜０．５
但し、
Ｄ_ｏｔ：近点観察時の観察物体までの物体距離、
Ｘ_ｔ：駆動手段の遠点観察位置からの駆動量（０≦Ｘ≦Ｘ_ｔ）、
である。
【０００８】
オートフォーカスの制御手段は、上記オートフォーカス制御手段は対物光学系による観察物体像を撮像する撮像素子の画像信号からコントラストを検知し、該コントラストから可動変倍要素を制御するコントラスト法を採用するのが好ましい。
【０００９】
撮像素子の撮像エリアの水平方向の大きさをＨとするとき、コントラストを検知する範囲は撮像エリア中心からＨ／３を半径とする円内とすることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明を適用したオートフォーカス電子内視鏡１の全体構成を示すブロック図である。オートフォーカス電子内視鏡１は、被検者の体腔内を撮像する電子内視鏡本体１と、電子内視鏡本体１が撮像した内視鏡画像を処理するプロセッサＰと、プロセッサＰが処理した内視鏡画像を表示するＴＶモニタ４１とを備えている。
【００１１】
電子内視鏡本体１は、可撓性を有する体内挿入部１１と、操作者が把持する把持操作部１２と、把持操作部１２から延設されたユニバーサルチューブ１３と、ユニバーサルチューブ１３の先端に設けられた、プロセッサＰに着脱可能なコネクタ部１４とを有している。
【００１２】
体内挿入部１１の先端部１１ａには、第１レンズ群１０が固定配置され、その後方に順に、図２、図３に示すように、該第１レンズ群１０とともに対物光学系１００を構成する、光軸Ｏに沿って移動可能な第２レンズ群２０と第３レンズ群３０、第４レンズ群４０及び撮像群５０が配置されている。
【００１３】
体内挿入部１１の先端部１１ａにはまた、第１照明用レンズ１６が固定配置されている。この第１照明用レンズ１６には、コネクタ部１４からユニバーサルチューブ１３、把持操作部１２及び体内挿入部１１内を通るライトガイド１９を介して、プロセッサＰが備えたランプＬからの照明光が与えられる。
【００１４】
図２、図３に示す対物光学系１００は、その第２レンズ群２０と第３レンズ群３０が、可動変倍要素である。この第２レンズ群２０、第３レンズ群３０は、図２に示す移動機構により光軸Ｏ方向に直線移動可能となっている。
図２に示すように、先端部１１ａ内には、光軸Ｏと平行な直線溝６２が穿設された、光軸Ｏ方向を向く固定部材である直進案内環６０が配置されている。この直進案内環６０の前端開口部には、第１レンズ群１０が直接支持されており、後端開口部には、レンズホルダ６４を介して第４レンズ群４０が支持されている。直進案内環６０の外側には、光軸Ｏ回りに回転自在なカム環６６が配設されており、カム環６６には、その展開状態を図３に示した前後一対のカム溝６８、７０が穿設されている。
第２レンズ群２０と第３レンズ群３０はそれぞれレンズホルダ７２、７４に支持されており、各レンズホルダ７２、７４の外周面に突設されたピン７６、７８が直線溝６２を貫通して前後のカム溝６８、７０に係合している。カム環６６の後端部に形成された周方向を向くギヤ部８０にはモータＭの出力軸が螺合している。第４レンズ群４０の直後には、平行平面板（フィルター５０Ａとカバーガラス５０Ｂを接合している）とＣＣＤ（コントラスト検知手段）（オートフォーカス制御手段）５０Ｃとからなる撮像群５０が配設されている。
モータＭが回転すると、その回転力がギヤ部８０を介してカム環６６に伝わり、カム環６６が光軸Ｏ回りに回転する。そして、カム環６６が回転することにより、直線溝６２に直進案内された第２レンズ群２０および第３レンズ群３０が光軸Ｏ方向に直進移動し、変倍とフォーカシングがなされる。
【００１５】
図４はレンズ構成と移動軌跡を示す簡略図であり、上段は遠点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示し、下段は近点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示している。
第２レンズ群２０と第３レンズ群３０は、モータＭ（駆動手段）の正逆回転により光軸Ｏ方向に駆動され、最大画角となる遠点観察位置（通常観察位置）と、最小画角となる近点観察位置（拡大観察位置）との間を移動することができる。第１レンズ群１０、第２レンズ群２０、第３レンズ群３０および第４レンズ群４０によって結像された画像は、ＣＣＤ５０Ｃによって電子画像化され、プロセッサＰを介してＴＶモニタ４１上で観察することができる。
【００１６】
把持操作部１２には、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０とを遠点観察位置に固定した通常観察モード（ノンオートフォーカスモード）と、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を遠点観察位置と近点観察位置との間で移動させる拡大観察モード（オートフォーカスモード）とを切り替えるオートフォーカス切替スイッチ１２ａが設けられている。本実施形態では、オートフォーカス切替スイッチ１２ａのオン状態で拡大観察モードが設定され、オフ状態で通常観察モードが設定される。
【００１７】
プロセッサＰには、ＣＣＤ５０Ｃ及びＣＣＤプロセス回路２２に同期信号を出力し、この同期信号に基づいてＣＣＤ５０Ｃを走査させるＣＣＤ駆動回路２１が備えられている。ＣＣＤプロセス回路２２は、ＣＣＤ駆動回路２１から入力した同期信号に同期して、ＣＣＤ５０Ｃの出力信号を読み込み、読み込んだ信号を前処理（信号増幅処理やノイズ除去処理など）する回路である。このＣＣＤプロセス回路２２から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換回路２３にてデジタル信号に変換され、ガンマ補正回路２４にて各画素のガンマ特性が補正された後、映像信号処理回路２５で各種の画像処理が施され、Ｄ／Ａ変換回路２６にてアナログ信号に変換されてＴＶモニタ４１へ出力される。つまり、ＣＣＤ５０Ｃの出力信号は、ＣＣＤプロセス回路２２、Ａ／Ｄ変換回路２３、ガンマ補正回路２４、映像信号処理回路２５及びＤ／Ａ変換回路２６を介して、ＴＶモニタ４１上に表示される。
【００１８】
またＣＣＤ５０Ｃの出力信号は、上述のＣＣＤプロセス回路２２及びＡ／Ｄ変換回路２３を介して、測光回路２７及び焦点情報検出回路３２にもそれぞれ入力される。測光回路２７は、入力信号から輝度情報を求め、この輝度情報に基づき絞り駆動パルス数を算出し、算出した絞り駆動パルス数だけ絞り駆動モータ２８を駆動させて絞りＳを開閉動作させる。ランプＬから射出された照明光は、絞りＳにより最適光量に調整された後、第２照明用レンズ３１及びライトガイド１９を介して第１照明用レンズ１６に供給される。
【００１９】
焦点情報検出回路３２は、オートフォーカス切替スイッチ１２ａにより拡大観察モードが設定されているときに動作する回路である。この焦点情報検出回路（コントラスト検出手段）（オートフォーカス制御手段）３２は、ＣＣＤ５０Ｃに結像される観察物体像のコントラスト情報を求め、コントラストの変化に基づき最適ピント位置情報を算出してモータ制御回路（制御部）（オートフォーカス制御手段）３３へ出力する。
【００２０】
上述のように、オートフォーカス方式には、アクティブ方式、位相差方式、コントラスト方式が知られているが、ＬＥＤやラインセンサを内視鏡の挿入部内に設けると、挿入部の径が大きくなってしまうため、撮像素子に結像した観察物体像情報を利用するコントラストを利用する方法が有利である。コントラスト法は、同一の物体を観察するとき、ピントが合っていないとコントラストは低く、ピントが合うとコントラストが最大になる事実を利用する。コントラスト法では、可動変倍要素（可動レンズ群（フォーカスレンズ群）又は（及び）撮像素子）を移動させながら、撮像素子に結像した画像のコントラストをモニターし（フォーカシング時における電気信号の波形の変化状態を解析し）、波形の起伏が最も激しいとき（コントラストが最も高いとき）をピントが合っているときと見なして、可動レンズ群（または撮像素子）の移動を停止させるものである。
【００２１】
すなわち、モータ制御回路３３は、焦点情報検出回路３２から入力した最適ピント位置情報に基づきモータ駆動回路３４を動作させ、モータＭを介して第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を移動させる。本実施形態では、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を拡大観察位置方向（望遠方向）に移動させるときのモータＭの回転方向を正転といい、通常観察位置方向（広角方向）に移動させるときのモータＭの回転方向を逆転という。なお、駆動手段としてはモータＭの他にアクチュエーター等も用いることができる。さらに、オートフォーカス方式としてアクティブ方式を採用してもよい。この場合は、プロセッサＰ内に物体距離情報検知手段（図示略）を設け、この物体距離情報手段により上記対物光学系１００から観察物体までの物体距離を検知し、該物体距離情報に基づいて、モータ制御回路３３によりモータ駆動回路３４を動作させるようにする。
【００２２】
条件式（１）は、迅速なオートフォーカス動作を可能とするための条件式である。
条件式（１）の下限を下回ると、駆動手段（モータＭ）の駆動量Ｘの変化量に対して、合焦する物体距離Ｄ_ｏの変化量が小さいため、コントラストの検知に時間がかかりスムーズなフォーカシングを行えない。
条件式（１）の上限を上回ると、駆動手段（モータＭ）の駆動量Ｘの変化量に対して、合焦する物体距離Ｄ_ｏの変化量が大きすぎ、フォーカシングの際に可動変倍要素を極微少量だけ移動させる必要があり、駆動手段の制御が困難になる。また、駆動手段の制御ピッチが大きいと、合焦できる位置が不連続になるため、ピントの合わない部分が生じてしまう。
【００２３】
さらに、Ｘの全域で条件式（１）を満足するようにすると、条件式（１）の上限により遠点観察時と近点観察時の物体距離の差を大きくできない。さらに、被写界深度の深い遠点側は、駆動手段の駆動量Ｘの変化量に対して合焦する物体距離の変化量が大きくても、被写界深度でカバーできるので、条件式（１）のＸの範囲は被写界深度の浅い中間位置〜近点観察位置の間、即ち、Ｘ_ｔ／２≦Ｘ≦Ｘ_ｔと定める。
【００２４】
オートフォーカスの制御をコントラスト検知により行う場合、周辺部までコントラストを検知するようにすると、紺子を内視鏡に挿入したとき、画面の周辺部に紺子が見えてこの紺子にピントを合わせるようにオートフォーカス機能が働いてしまう可能性がある。そのため本実施形態では、コントラストを検知する範囲は、ＣＣＤ５０Ｃの撮像エリアの水平方向の長さをＨとするとき、撮像エリア中心からＨ／３を半径とする円内としている。
【００２５】
次に具体的な実施例を示す。表中、ＦＥは実効Ｆナンバー、ｆは全系の焦点距離、Ｍは全系の横倍率、ｆ_Ｂはバックフォーカス、Ｗは半画角（゜）、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、Ｎ_ｄはｄ線の屈折率、ν_ｄはアッベ数を示す。
【００２６】
［実施例１］
図５は第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_ｏと、各物体距離Ｄ_ｏにおいて合焦するためのモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）との関係図である。図６はモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）と第１レンズ群１０の第１面から第２レンズ群２０及び第３レンズ群３０の前端面までの距離との関係図である。この実施例では、遠点観察時がＸ＝０、近点観察時がＸ＝２０である。表１はレンズデータである。さらに、表２はモータＭの回転量Ｘに対応する第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_ｏ、第２レンズ群２０、第３レンズ群３０の前端面までの距離の数値データである。第３レンズ群３０は、２枚のレンズ３０Ａ、３０Ｂを接合した接合レンズであり、第４レンズ群４０は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズである。撮像群５０は、物体側から順に並べられた、平行平面板（フィルター）５０Ａとカバーガラス５０Ｂ、ＣＣＤ５０Ｃ（図示されていない）とからなっている。対物レンズ系１００は、図４に示すように、遠点観察位置から近点観察位置への変倍に際しては、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０をともに物体側に移動させる。絞りＳは第２レンズ群２０と一緒に移動する。フォーカシングは、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０によって変倍と同時に行う。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
条件式（１）の値は、１０≦Ｘ≦２０において０．２１６〜０．２２４であり、条件式（１）を満足している。
【００３０】
図７乃至図９は本発明の第２の実施形態を示している。本実施形態の対物光学系２００は、第１レンズ群１０’、第２レンズ群２０’、第３レンズ群３０’、撮像群４０’を具備しており、可動変倍要素は、第２レンズ群２０’と第３レンズ群３０’と撮像群４０’である。なお、第２レンズ群と第３レンズ群は一体で移動する。対物光学系２００の移動機構は図示を省略しているが、第１レンズ群１０’は第１の実施形態と同様の直進案内環６０の前端開口部に支持され、第２レンズ群２０’、第３レンズ群３０’、撮像群４０’は、直進案内環６０およびカム環６６に直進移動自在に支持されている。図７はレンズ構成と移動軌跡を示す簡略図であり、上段は遠点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示し、下段は近点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示している。
【００３１】
次に具体的な実施例を示す。表中、ＦＥは実効Ｆナンバー、ｆは全系の焦点距離、Ｍは全系の横倍率、ｆ_Ｂはバックフォーカス、Ｗは半画角（゜）、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、Ｎ_ｄはｄ線の屈折率、ν_ｄはアッベ数を示す。
【００３２】
［実施例２］
図８は第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_ｏと、各物体距離Ｄ_ｏにおいて合焦するためのモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）との関係図である。図９はモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）と、第１レンズ群１０’の第１面から第２レンズ群２０’及び撮像群４０’の前端面までの距離との関係図である。この実施例では、遠点観察時がＸ＝０、近点観察時がＸ＝２０である。表３はレンズデータである。さらに、表４はモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）に対応する第１レンズ群１０’の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_ｏ、第２レンズ群２０’、　撮像群４０’の前端面までの距離の数値データである。第１レンズ群１０’は、物体側から順に、像面側に凹面を形成した平凹レンズ１０Ａと、像面側に凹面を向けたメニスカスレンズ１０Ｂとからなる。第３レンズ群３０’は、２枚のレンズ３０Ａ、３０Ｂを接合した接合レンズであり、撮像群４０’は、物体側から順に並べられた、平行平面板（フィルター）４０Ａと、カバーガラス４０Ｂと、ＣＣＤ（物体距離検知手段）４０Ｃ（図示されていない）とからなっている。対物レンズ系２００は、図７に示すように、遠点観察位置から近点観察位置への変倍に際しては、第２レンズ群２０’と第３レンズ群３０’をともに物体側に移動させ、かつ、撮像群４０’を像面側に移動させる。絞りＳは第２レンズ群２０’と一緒に移動する。
【００３３】
【表３】

【００３４】
【表４】

【００３５】
条件式（１）の値は、１０≦Ｘ≦２０において０．１０８〜０．３１６であり、条件式（１）を満足している。
【００３６】
［比較例］
比較例として、図１０に、第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_ｏと、各物体距離Ｄ_ｏにおいて合焦するためのモータＭの回転量Ｘとの関係図を示し、図１１に、モータＭの回転量Ｘと第１レンズ群１０の第１面から第２レンズ群２０及び第３レンズ群３０の前端面までの距離との関係図を示す。この比較例では、遠点観察時がＸ＝０、近点観察時がＸ＝２０である。さらに、モータの回転量Ｘに対応する第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_ｏ、第２レンズ群２０、第３レンズ群３０の前端面までの距離の数値データを表５に示した。なお、レンズ構成およびレンズデータは実施例１と同じである。
【００３７】
【表５】

【００３８】
この比較例では、条件式（１）の値は、１０≦Ｘ≦２０において０．０１６〜０．０８４であり、特に、８≦Ｘ≦２０の範囲において、Ｘの変化量に対して、合焦する物体距離Ｄ_ｏが殆ど変化しないので、ベストポイント位置を探すには第２レンズ群と第３レンズ群を大きく動かす必要があり、フォーカシングに時間が掛かってしまう。また、フォーカシングに時間がかかると、観察する生体の脈動やスコープ自体のブレなどで物体距離が素早く変動したときにフォーカシングが追いつかず観察できなくなってしまう。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ピント合わせを迅速に行うことができる、内視鏡のオートフォーカス方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のオートフォーカス電子内視鏡の概略図である。
【図２】対物光学系の具体的構成を示す側面図である。
【図３】対物光学系の移動機構のカム環の展開図である。
【図４】実施例１のレンズと撮像素子の構成と、これらの移動軌跡を示す簡略図である。
【図５】実施例１の第１レンズ群の第１面から観察物体までの物体距離と、各物体距離において合焦するためのモータＭの回転量との関係図である。
【図６】実施例１のモータの回転量と、第１レンズ群の第１面から第２レンズ群及び第３レンズ群の前端面までの距離との関係図である。
【図７】本発明の第２の実施形態（実施例２）のレンズと撮像素子の構成と、これらの移動軌跡を示す概略図である。
【図８】実施例２の第１レンズ群の第１面から観察物体までの物体距離と、各物体距離において合焦するためのモータの回転量との関係図である。
【図９】実施例２のモータの回転量と、第１レンズ群の第１面から第２レンズ群及び撮像群の前端面までの距離との関係図である。
【図１０】比較例の第１レンズ群の第１面から観察物体までの物体距離と、各物体距離において合焦するためのモータの回転量との関係図である。
【図１１】比較例のモータの回転量と、第１レンズ群の第１面から第２レンズ群及び第３レンズ群の前端面までの距離との関係図である。
【符号の説明】
１　　　オートフォーカス電子内視鏡
１０　１０’　第１レンズ群
１１　　体内挿入部
１１ａ　先端部
１２　　把持操作部
１２ａ　オートフォーカス切替スイッチ
１３　　ユニバーサルチューブ
１４　　コネクタ部
１６　　第１照明用レンズ
１９　　ライトガイド
２０　２０’　第２レンズ群
２１　　ＣＣＤ駆動回路
２２　　ＣＣＤプロセス回路
２３　　Ａ／Ｄ変換回路
２４　　ガンマ補正回路
２５　　映像信号処理回路
２６　　Ｄ／Ａ変換回路
２７　　測光回路
２８　　絞り駆動モータ
３０　３０’　第３レンズ群
３１　　第２照明用レンズ
３２　　焦点情報検出回路（コントラスト検出手段）（オートフォーカス制御手段）
３３　　モータ制御回路（制御部）（オートフォーカス制御手段）
３４　　モータ駆動回路
４０　　第４レンズ群
４０’　撮像群
４１　　ＴＶモニタ
１００　２００　対物光学系
Ｌ　　　ランプ
Ｍ　　　モータ（駆動手段）
Ｏ　　　光軸
Ｐ　　　プロセッサ
Ｓ　　　絞り[0001]
【Technical field】
The present invention relates to an endoscope autofocus method.
[0002]
[Prior art and its problems]
In addition to wide-angle observation, zooming and focusing are performed by moving the movable zoom element (part of the lens group or (and) the image sensor) while approaching the object, and from the far-point observation (normal observation) state In an endoscope that shifts to the near-point observation (magnification observation) state, the magnification of the objective lens becomes large on the magnification side and the depth of field becomes shallow. Have difficulty. For this reason, there has been proposed a method of controlling the movement of a movable lens group or an image sensor in an objective lens by autofocus.
[0003]
The autofocus method uses an active method in which an auxiliary light is emitted from an LED to detect an object distance, a phase difference method in which a phase difference is detected by a pair of line sensors, or a contrast of an image formed on an image sensor. A contrast method and the like are known. When application to an endoscope is considered, a contrast method that does not require an auxiliary device such as an auxiliary light emitting element or a line sensor is advantageous in terms of miniaturization (for example, Patent Document 1). In the contrast method, while moving a movable variable magnification element (a movable lens group (focus lens group) or (and) an image sensor), a contrast of an image formed on the image sensor is monitored to detect a focused position. However, at this time, if the object distance change is small with respect to the driving amount of the driving means for driving the movable variable magnification element, the object distance does not change even if the driving means is slightly operated, and the change in contrast is also small. . Therefore, it is necessary to largely drive the driving means, and it takes time to adjust the focus.
[0004]
Also, Patent Document 2 proposes a zone focus type endoscope in which a focus position is set stepwise in consideration of a width of a depth of field, instead of focusing on a continuous change of an object distance as needed. However, it is unnatural because the magnification changes rapidly when the zone is switched. Furthermore, when the enlargement magnification is increased, the depth of field becomes shallow, so that the enlargement side zone must be increased.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2-81011 [Patent Document 2]
JP-A-8-136732
[Object of the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an endoscope autofocus method that can quickly perform focusing.
[0007]
Summary of the Invention
The autofocus method for an endoscope according to the present invention performs zooming and focusing by moving a movable zooming element in the optical axis direction while approaching an observation object, and shifts from a far-point observation state to a near-point observation state. An objective optical system for driving; a driving means for moving the movable variable magnification element; an object distance detecting means for detecting an object distance from the objective lens system to an observation object, or a contrast detection from an image of the observation object reaching the image sensor. In an autofocus endoscope having a contrast detection unit and a control unit that controls the driving unit based on the object distance information or the contrast information, the driving amount of the driving unit is set to X (a value at the time of a far point observation). is referred to as 0), the object distance to the object to be observed as a _{D _o,} when expressed as D o = f _(X), the following conditional formula _{_{X t / 2 ≦ X ≦ X}} t ( ) It is characterized by satisfying the.
_{(1) 0.05 <[f (} X-X t / 10) -f (X)] / D ot <0.5
However,
D _ot : object distance to observation object at near point observation
X _t : the driving amount of the driving means from the far point observation position (0 ≦ X ≦ X _t );
It is.
[0008]
The auto-focus control means employs a contrast method in which the auto-focus control means detects a contrast from an image signal of an image sensor for imaging an observation object image by an objective optical system and controls a movable variable magnification element from the contrast. Is preferred.
[0009]
When the horizontal size of the imaging area of the imaging element is H, it is desirable that the range in which the contrast is detected be within a circle having a radius of H / 3 from the center of the imaging area.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an autofocus electronic endoscope 1 to which the present invention has been applied. The auto-focus electronic endoscope 1 includes an electronic endoscope main body 1 for imaging an inside of a body cavity of a subject, a processor P for processing an endoscope image captured by the electronic endoscope main body 1, and a processor P for processing. And a TV monitor 41 for displaying the endoscope image.
[0011]
The electronic endoscope body 1 includes a flexible insertion portion 11, a gripping operation portion 12 gripped by an operator, a universal tube 13 extending from the gripping operation portion 12, and a distal end of the universal tube 13. And a connector unit 14 provided to be detachable from the processor P.
[0012]
A first lens group 10 is fixedly arranged at the distal end 11a of the body insertion portion 11, and an objective optical system 100 is configured together with the first lens group 10 in the rear of the first lens group 10 as shown in FIGS. , A second lens group 20, a third lens group 30, a fourth lens group 40, and an imaging group 50 movable along the optical axis O are arranged.
[0013]
A first illumination lens 16 is also fixedly disposed at the distal end portion 11a of the body insertion portion 11. The first illumination lens 16 is provided with illumination light from a lamp L included in the processor P from a connector section 14 via a universal tube 13, a gripping operation section 12, and a light guide 19 passing through the inside of the body insertion section 11. Can be
[0014]
In the objective optical system 100 shown in FIGS. 2 and 3, the second lens group 20 and the third lens group 30 are movable variable magnification elements. The second lens group 20 and the third lens group 30 can be moved linearly in the optical axis O direction by the moving mechanism shown in FIG.
As shown in FIG. 2, a straight guide ring 60, which is a fixing member facing the optical axis O direction and having a straight groove 62 parallel to the optical axis O, is disposed in the distal end portion 11 a. The first lens group 10 is directly supported at the front end opening of the straight guide ring 60, and the fourth lens group 40 is supported at the rear end opening via the lens holder 64. A cam ring 66 rotatable around the optical axis O is disposed outside the straight guide ring 60. The cam ring 66 has a pair of front and

rear cam grooves

68, 70 in an expanded state shown in FIG. Are drilled.
The second lens group 20 and the third lens group 30 are supported by

lens holders

72 and 74, respectively.

Pins

76 and 78 projecting from the outer peripheral surfaces of the

lens holders

72 and 74 pass through the linear grooves 62. The front and

rear cam grooves

68 and 70 are engaged. The output shaft of the motor M is screwed into a gear portion 80 formed at the rear end of the cam ring 66 and facing in the circumferential direction. Immediately after the fourth lens group 40, an imaging group 50 including a plane parallel plate (joining the filter 50A and the cover glass 50B) and a CCD (contrast detecting means) (autofocus control means) 50C is provided. ing.
When the motor M rotates, the rotational force is transmitted to the cam ring 66 via the gear portion 80, and the cam ring 66 rotates around the optical axis O. Then, as the cam ring 66 rotates, the second lens group 20 and the third lens group 30 guided straight in the straight groove 62 move straight in the direction of the optical axis O, and zooming and focusing are performed.
[0015]
FIG. 4 is a simplified diagram showing the lens configuration and the movement trajectory. The upper part shows the arrangement of the lens and the CCD at the time of the far point observation, and the lower part shows the arrangement of the lens and the CCD at the time of the near point observation.
The second lens group 20 and the third lens group 30 are driven in the direction of the optical axis O by forward and reverse rotation of a motor M (driving means), and a far point observation position (normal observation position) at which a maximum angle of view is obtained, and a minimum image position. It is possible to move between a near point observation position (enlarged observation position) which is a corner. The image formed by the first lens group 10, the second lens group 20, the third lens group 30, and the fourth lens group 40 is converted into an electronic image by the CCD 50C and is observed on the TV monitor 41 via the processor P. be able to.
[0016]
The grasp operation unit 12 includes a normal observation mode (non-autofocus mode) in which the second lens group 20 and the third lens group 30 are fixed at a far-point observation position, and a second lens group 20 and a third lens group 30. An auto focus switch 12a is provided for switching between a magnification observation mode (auto focus mode) for moving between a far point observation position and a near point observation position. In the present embodiment, the magnification observation mode is set when the auto focus changeover switch 12a is on, and the normal observation mode is set when the auto focus changeover switch 12a is off.
[0017]
The processor P is provided with a CCD drive circuit 21 that outputs a synchronization signal to the CCD 50C and the CCD process circuit 22, and scans the CCD 50C based on the synchronization signal. The CCD process circuit 22 is a circuit that reads an output signal of the CCD 50C in synchronization with a synchronization signal input from the CCD drive circuit 21, and preprocesses the read signal (signal amplification processing, noise removal processing, and the like). The signal output from the CCD process circuit 22 is converted into a digital signal by an A / D conversion circuit 23 and the gamma correction circuit 24 corrects the gamma characteristics of each pixel. , And is converted to an analog signal by the D / A conversion circuit 26 and output to the TV monitor 41. That is, the output signal of the CCD 50C is displayed on the TV monitor 41 via the CCD process circuit 22, the A / D conversion circuit 23, the gamma correction circuit 24, the video signal processing circuit 25, and the D / A conversion circuit 26.
[0018]
The output signal of the CCD 50C is also input to the photometry circuit 27 and the focus information detection circuit 32 via the above-described CCD process circuit 22 and A / D conversion circuit 23, respectively. The photometric circuit 27 obtains luminance information from the input signal, calculates the number of aperture drive pulses based on the luminance information, drives the aperture drive motor 28 by the calculated number of aperture drive pulses, and opens and closes the aperture S. The illumination light emitted from the lamp L is adjusted to an optimal light amount by the stop S, and then supplied to the first illumination lens 16 via the second illumination lens 31 and the light guide 19.
[0019]
The focus information detection circuit 32 is a circuit that operates when the magnifying observation mode is set by the auto focus changeover switch 12a. The focus information detection circuit (contrast detection means) (autofocus control means) 32 obtains contrast information of the observation object image formed on the CCD 50C, calculates the optimum focus position information based on the change in contrast, and executes the motor control circuit. (Control unit) (Autofocus control means) Outputs to 33.
[0020]
As described above, the active method, the phase difference method, and the contrast method are known as the autofocus method. However, when the LED or the line sensor is provided in the insertion section of the endoscope, the diameter of the insertion section increases. Therefore, it is advantageous to use a contrast method that utilizes information on an observation object image formed on an image sensor. The contrast method utilizes the fact that when observing the same object, the contrast is low when the subject is out of focus, and the contrast is maximized when the subject is in focus. In the contrast method, the contrast of an image formed on the image sensor is monitored while moving a movable variable power element (a movable lens group (focus lens group) or (and) an image sensor) (the waveform of an electric signal during focusing is monitored). The moving state of the movable lens group (or the image pickup device) is stopped by assuming that the waveform is the most intense (when the contrast is the highest) and that the waveform is the most in-focus.
[0021]
That is, the motor control circuit 33 operates the motor drive circuit 34 based on the optimum focus position information input from the focus information detection circuit 32, and moves the second lens group 20 and the third lens group 30 via the motor M. In the present embodiment, the rotation direction of the motor M when the second lens group 20 and the third lens group 30 are moved in the enlarged observation position direction (telephoto direction) is referred to as forward rotation, and is in the normal observation position direction (wide angle direction). The direction of rotation of the motor M when moving is called reverse rotation. Note that an actuator or the like can be used as the driving means in addition to the motor M. Further, an active system may be adopted as the autofocus system. In this case, an object distance information detecting means (not shown) is provided in the processor P, the object distance information means detects the object distance from the objective optical system 100 to the observation object, and based on the object distance information, The motor drive circuit 34 is operated by the motor control circuit 33.
[0022]
Conditional expression (1) is a conditional expression for enabling a quick autofocus operation.
If the lower limit of conditional expression (1), since with respect to the change amount of the drive amount X of the driving means (motor M), the variation of the object distance D _o to focus is small, smooth it takes time detection of the contrast Focusing cannot be performed.
If the upper limit of condition (1), with respect to the change amount of the driving amount X of the driving means (motor M), the change amount is too large object distance D _o to focus, movable variable power element in focusing Needs to be moved by an extremely small amount, which makes it difficult to control the driving means. Also, if the control pitch of the driving means is large, the in-focus position is discontinuous, so that a part that is out of focus is generated.
[0023]
Furthermore, if conditional expression (1) is satisfied in the entire region of X, the difference between the object distances at the time of far-point observation and near-point observation cannot be increased due to the upper limit of conditional expression (1). Further, the far point side with a deep depth of field can be covered by the depth of field even if the amount of change in the object distance to be focused on the amount of change in the drive amount X of the driving means is large. X in the range of 1) during the shallow intermediate position and the near point observation position depth of field, i.e., defined as _{X t / 2 ≦ X ≦ X} t.
[0024]
When controlling the autofocus by contrast detection, if the contrast is detected to the peripheral part, when the child is inserted into the endoscope, the child will be seen in the peripheral part of the screen and focus on this child The auto focus function may work like this. Therefore, in the present embodiment, when the horizontal length of the imaging area of the CCD 50C is H, the range for detecting the contrast is within a circle having a radius of H / 3 from the center of the imaging area.
[0025]
Next, specific examples will be described. In the table, FE is effective F-number, f is the focal length of the entire system, M is the transverse magnification of the entire system, f _B is the back focus, W is the half angle (°), r is the radius of curvature, d is the lens thickness or lens distance, N _d is the refractive index of the d line, [nu _d designates the Abbe number.
[0026]
[Example 1]
Figure 5 is a the object distance D _o to the observation object from the first surface of the first lens group 10, and (driving amount of = drive means) rotation amount X of the motor M for focusing at each object distance D _o FIG. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the rotation amount X of the motor M (= the driving amount of the driving unit) and the distance from the first surface of the first lens unit 10 to the front end surfaces of the second lens unit 20 and the third lens unit 30. is there. In this embodiment, X = 0 at the time of far point observation and X = 20 at the time of near point observation. Table 1 shows lens data. Further, Table 2 shows the object distance _Do from the first surface of the first lens group 10 to the observation object corresponding to the rotation amount X of the motor M, and the distance from the front end surfaces of the second lens group 20 and the third lens group 30. Is numerical data. The third lens group 30 is a cemented lens in which two

lenses

30A and 30B are cemented, and the fourth lens group 40 is a meniscus lens having a concave surface facing the object side. The imaging group 50 includes a parallel plane plate (filter) 50A, a cover glass 50B, and a CCD 50C (not shown) arranged in order from the object side. As shown in FIG. 4, the objective lens system 100 moves both the second lens group 20 and the third lens group 30 to the object side when changing the magnification from the far point observation position to the near point observation position. The stop S moves together with the second lens group 20. Focusing is performed by the second lens group 20 and the third lens group 30 simultaneously with zooming.
[0027]
[Table 1]

[0028]
[Table 2]

[0029]
The value of conditional expression (1) is 0.216 to 0.224 when 10 ≦ X ≦ 20, which satisfies conditional expression (1).
[0030]
7 to 9 show a second embodiment of the present invention. The objective optical system 200 of the present embodiment includes a first lens group 10 ′, a second lens group 20 ′, a third lens group 30 ′, and an imaging group 40 ′. A group 20 ', a third lens group 30', and an imaging group 40 '. Note that the second lens group and the third lens group move integrally. Although the moving mechanism of the objective optical system 200 is not shown, the first lens group 10 'is supported by the front end opening of the rectilinear guide ring 60 similar to the first embodiment, and the second lens group 20', The third lens group 30 ′ and the imaging group 40 ′ are movably supported by a straight guide ring 60 and a cam ring 66. FIG. 7 is a simplified diagram showing the lens configuration and the movement trajectory. The upper part shows the arrangement of the lens and the CCD at the time of the far point observation, and the lower part shows the arrangement of the lens and the CCD at the time of the near point observation.
[0031]
Next, specific examples will be described. In the table, FE is effective F-number, f is the focal length of the entire system, M is the transverse magnification of the entire system, f _B is the back focus, W is the half angle (°), r is the radius of curvature, d is the lens thickness or lens distance, N _d is the refractive index of the d line, [nu _d designates the Abbe number.
[0032]
[Example 2]
Figure 8 is a and the object distance D _o to the observation object from the first surface of the first lens group 10, and (driving amount of = drive means) rotation amount X of the motor M for focusing at each object distance D _o FIG. FIG. 9 shows the relationship between the rotation amount X of the motor M (= the driving amount of the driving unit) and the distance from the first surface of the first lens group 10 ′ to the front end surface of the second lens group 20 ′ and the imaging group 40 ′. FIG. In this embodiment, X = 0 at the time of far point observation and X = 20 at the time of near point observation. Table 3 shows lens data. Further, Table 4 shows the object distance _Do from the first surface of the first lens group 10 'to the observation object corresponding to the rotation amount X of the motor M (= the driving amount of the driving means), the second lens group 20', It is numerical data of the distance to the front end face of the group 40 '. The first lens group 10 'includes, in order from the object side, a plano-concave lens 10A having a concave surface on the image surface side, and a meniscus lens 10B having a concave surface on the image surface side. The third lens group 30 'is a cemented lens in which two

lenses

30A and 30B are cemented. The imaging group 40' includes a parallel plane plate (filter) 40A and a cover glass 40B which are arranged in order from the object side. , CCD (object distance detecting means) 40C (not shown). As shown in FIG. 7, the objective lens system 200 moves both the second lens group 20 'and the third lens group 30' to the object side when changing the magnification from the far point observation position to the near point observation position. In addition, the imaging group 40 'is moved to the image plane side. The stop S moves together with the second lens group 20 '.
[0033]
[Table 3]

[0034]
[Table 4]

[0035]
The value of the conditional expression (1) is 0.108 to 0.316 when 10 ≦ X ≦ 20, which satisfies the conditional expression (1).
[0036]
[Comparative example]
As a comparative example, in FIG. 10, the object distance D _o to the observation object from the first surface of the first lens group 10, a graph showing the relationship between rotation amount X of the motor M to focus at each object distance D _o FIG. 11 shows a relationship diagram between the rotation amount X of the motor M and the distance from the first surface of the first lens unit 10 to the front end surfaces of the second lens unit 20 and the third lens unit 30. In this comparative example, X = 0 at the far point observation and X = 20 at the near point observation. Further, numerical data of the object distance _Do from the first surface of the first lens group 10 to the observation object and the distances to the front end surfaces of the second lens group 20 and the third lens group 30 corresponding to the rotation amount X of the motor are shown. The results are shown in Table 5. The lens configuration and lens data are the same as in the first embodiment.
[0037]
[Table 5]

[0038]
In this comparative example, the value of the conditional expression (1) is 0.016 to 0.084 when 10 ≦ X ≦ 20. since the object distance D _o to focus hardly changes, it is necessary to the search for the best point position moves large second lens group and the third lens group, it takes time to focusing. In addition, if the focusing takes a long time, the focusing cannot catch up and the observation cannot be performed when the object distance changes rapidly due to the pulsation of the living body to be observed or the blur of the scope itself.
[0039]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the autofocus method of an endoscope which can perform focusing quickly can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an autofocus electronic endoscope according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a specific configuration of an objective optical system.
FIG. 3 is a development view of a cam ring of a moving mechanism of the objective optical system.
FIG. 4 is a simplified diagram illustrating a configuration of a lens and an image sensor according to a first embodiment, and a locus of movement thereof.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between an object distance from a first surface of a first lens unit of the first lens unit to an observation object and a rotation amount of a motor M for focusing at each object distance.
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the amount of rotation of the motor according to the first embodiment and the distance from the first surface of the first lens unit to the front end surfaces of the second and third lens units.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of a lens and an image sensor according to a second embodiment (Example 2) of the present invention, and a movement locus thereof.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between an object distance from a first surface of a first lens unit to an observation object and a rotation amount of a motor for focusing at each object distance in the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a rotation amount of a motor according to the second embodiment and a distance from a first surface of a first lens unit to a front end surface of a second lens unit and an imaging unit.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between an object distance from a first surface of a first lens group of a comparative example to an observation object and a rotation amount of a motor for focusing at each object distance.
FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship between a rotation amount of a motor of a comparative example and a distance from a first surface of a first lens unit to a front end surface of a second lens unit and a third lens unit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autofocus electronic endoscope 10 10 '1st lens group 11 In-body insertion part 11a Tip part 12 Holding operation part 12a Autofocus changeover switch 13 Universal tube 14 Connector part 16 First illumination lens 19 Light guide 20 20' Second Lens group 21 CCD drive circuit 22 CCD process circuit 23 A / D conversion circuit 24 Gamma correction circuit 25 Video signal processing circuit 26 D / A conversion circuit 27 Photometry circuit 28 Aperture drive motor 30 30 'Third lens group 31 Second illumination Lens 32 focus information detection circuit (contrast detection means) (autofocus control means)
33 Motor control circuit (control unit) (auto focus control means)
34 motor drive circuit 40 fourth lens group 40 'imaging group 41 TV monitor 100 200 objective optical system L lamp M motor (drive means)
O Optical axis P Processor S Aperture

Claims

An objective optical system for performing zooming and focusing by moving the movable zooming element in the optical axis direction while approaching the observation object, and shifting from a far-point observation state to a near-point observation state;
Driving means for moving the movable variable magnification element;
Object distance detection means for detecting an object distance from the objective lens system to the observation object or contrast detection means for detecting contrast from an image of the observation object reaching the imaging device;
A control unit that controls the driving unit based on the object distance information or the contrast information;
In an autofocus endoscope having
When the driving amount of the driving means is X (the value at the time of the far point observation is 0), and the object distance to the observation object is D _o , and D _o = f (X), X _t / 2 ≦ X autofocus method of the endoscope, characterized by satisfying the following conditional expression (1) at ≦ X _t.
_{(1) 0.05 <[f (} X-X t / 10) -f (X)] / D ot <0.5
However,
D _ot : object distance to observation object at near point observation
_Xt : the driving amount of the driving means from the far point observation position (0 ≦ X ≦ _Xt ).

2. The autofocus method for an endoscope according to claim 1, wherein the autofocus control means comprising the contrast detection means and the control unit detects a contrast from an image signal of an image pickup device for picking up an observation object image by an objective optical system. An autofocus method for an endoscope, comprising a contrast method of controlling a movable variable magnification element from the contrast.

In the autofocus method for an endoscope according to claim 2, when the horizontal size of the imaging area of the imaging device is H, the range for detecting the contrast is a circle having a radius of H / 3 from the center of the imaging area. Is an endoscope autofocus method.