JP2005257734A - オートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的拡大時の測距精度を高くし、良好に焦点合わせされた映像を得る。
【解決手段】マイコン４２に、ＣＣＤ２５で撮像される観察視野の測距エリアを設定する測距エリア設定部４２ａと、パッシブ方式のオートフォーカス制御部４２ａが設けられており、上記測距エリア設定部４２ａでは、光学的拡大をせず視野角が広いときは小さい面積（基準面積）とし、拡大時にはその倍率が高くなる程、基準面積よりも大きくなる面積を設定し、この測距エリアの高周波信号を上記オートフォーカス制御部４２ｂへ出力する。このオートフォーカス制御部４２ｂでは、ＢＰＦ部４０から出力された上記測距エリア内の高周波信号から焦点評価演算を行い、主に第１可動レンズ２３を最大評価点（最大焦点電圧）へ移動させる山登り動作を行う。
【選択図】図１

Description

本発明はオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置、特に対物光学系に設けた可動レンズによって光学的に拡大した被観察体像を撮像すると共に、オートフォーカス制御を行う電子内視鏡装置の構成に関する。

電子内視鏡装置は、固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等を先端部に搭載した電子内視鏡（電子スコープ）、プロセッサ装置及び光源装置等からなり、この光源装置からの光照明に基づき上記固体撮像素子によって被観察体を撮像し、この撮像信号に対し上記プロセッサ装置で映像処理を施すことにより、被観察体の映像をモニタへ表示するものである。

図７には、この種の電子内視鏡に適用される従来の対物レンズ移動機構付き内視鏡の先端部の構成（特開２００１−１００１１４号公報）が示されている。図７において、内視鏡先端部１の支持部２の先端面には、観察窓（レンズ）３が設けられ、この観察窓３の光路の後側に、プリズム４、カバーガラス５を介して固体撮像素子であるＣＣＤ６が配置される。このＣＣＤ６は、回路基板７、そして信号線８を介してプロセッサ装置へ接続される。

上記観察窓３とプリズム４との間には、対物光学系を構成する第１可動レンズ１０及び第２可動レンズ１１が配置され、この第１可動レンズ１０の保持枠１２と第２可動レンズ１１の保持枠１３は、その係合孔１２Ａと１３Ａが円柱状のカム軸１４の外周に嵌合することにより、当該カム軸１４に取り付けられる。また、上記の係合孔１２Ａにはカムピン１６、係合孔１３Ａにはカムピン１７が突出形成され、一方のカム軸１４には、その軸線に対して傾斜角度の異なるカム溝１８，１９が形成されており、このカム溝１８に上記カムピン１６、カム溝１９に上記カムピン１７が係合する。

そして、上記カム軸１４には、モータ２０の軸２０Ｚが取り付けられる。従って、モータ２０の回転制御によってカム軸１４を回転させれば、カム溝１８，１９とカムピン１６，１７の係合によって第１可動レンズ１０、第２可動レンズ１１が光軸方向に前後移動（異なる量の移動）し、これによって光学的変倍（拡大）等が行われる。

また、内視鏡においては、特開２００２-２６３０５８号公報に示されるように、オートフォーカス機構を持つようにしたものが製作されている。このオートフォーカスの制御としては、映像信号（所定測距エリア）から抽出された焦点評価信号（高周波信号）に基づいて可動レンズ１０，１１を駆動するパッシブオートフォーカス制御が採用されており、このオートフォーカス機構及び制御によれば、従来よりもピント合わせが精密かつ詳細に行われた拡大映像等をモニタに表示し、観察することが可能となる。
特開２００１-１００１１４号公報 特開２００２-２６３０５８号公報

しかしながら、従来の電子内視鏡装置のオートフォーカス制御では、例えば画面全体に単一周波数のチャートを撮像した場合でも、歪曲収差の存在によって画面中心と画面周辺との周波数が異なり、正確なオートフォーカスの評価値を取得できず、オートフォーカスの成果を十分に発揮させることができないという問題がある。即ち、電子内視鏡装置の対物光学系は、一般のビデオカメラ等の場合と比較すると体腔内等の比較的近い距離にある被観察体を観察することから、樽型歪曲するような光学特性を持っている。図６には、撮像された四角形物体をモニタ３６に表示した状態が示されており、例えば鎖線の四角形物体Ｆａを電子内視鏡装置で撮影すると、実線のＦｂのように樽型に歪曲した四角形物体が表示される（光学拡大しない場合）。

そして、オートフォーカス制御では、上記の樽型歪曲が存在することによって観察視野の映像信号における中心部と周辺部の高周波の周波数が異なり、検出される中心部と周辺部の焦点評価信号（高周波成分の積分値）に大きな差が生じることから、オートフォーカス制御が良好に行われない。そのため、従来では、オートフォーカス制御のための測距エリアを、図６で示される測距エリアＨ_０のように比較的小さい面積Ｓ_０に絞ることが行われており、この結果、測距精度が低下することになる。

このような樽型歪曲は、視野角が小さくなるに従って小さくなるという特性を有しており、視野角が小さい光学的拡大時には歪曲は小さくなる。従って、このことを利用し、光学的拡大時に測距エリアを拡大すれば、測距精度は高くなり、オートフォーカス機能を向上させることが可能になる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学的拡大時の測距精度を高くし、良好に焦点合わせされた映像を得ることができるオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、観察倍率を可変にする光学的変倍機能及びオートフォーカス機能を実行するための可動レンズを有する対物光学系と、この対物光学系を介して被観察体を撮像する固体撮像素子とを備え、この固体撮像素子の出力から映像信号を形成する電子内視鏡装置において、上記固体撮像素子の撮像域に設定される所定測距エリアの映像信号から合焦評価のための高周波信号を抽出し、この高周波信号に基づいて上記可動レンズを駆動制御するオートフォーカス制御回路と、で設定される拡大倍率に対応して上記固体撮像素子撮像域内の測距エリアを拡大する測距エリア可変設定回路と、を設けたことを特徴とする。

上記の構成によれば、固体撮像素子の撮像域において、光学的拡大をしない時（例えば視野角１４０度）は小さい面積の測距エリアが設定されるが、拡大時の倍率を高くする（例えば視野角５０度程度へ向けて広くする）につれて大きな面積の測距エリアが設定される。光学的拡大時には、その拡大率が高くなる程、歪曲収差が小さくなり、狭くなった観察視野での中心部と周辺部との焦点評価信号の周波数差も小さくなるので、測距エリアを大きくすることによって高精度のオートフォーカスが行われ、観察視野全体に良好にピントのあった映像を得ることが可能となる。

本発明の電子内視鏡装置によれば、光学的拡大の倍率に対応して固体撮像素子での測距エリアを拡大するので、拡大時には測距精度が向上し、観察視野全体に良好に焦点合わせされた映像を得ることが可能となる。

図１には、実施例に係る電子内視鏡装置の構成が示されている。図１において、内視鏡先端部２１には、図７の構成と同様に観察窓２２の後側に、対物光学系を構成する第１可動レンズ（又は群）２３及び第２可動レンズ（又は群）２４が配置され、この第２可動レンズ２４の後側に、固体撮像素子であるＣＣＤ２５が配置される。このＣＣＤ２５で撮像された信号は、回路基板及び信号線を介してプロセッサ装置へ供給される。

上記第１可動レンズ２３と第２可動レンズ２４は、それぞれのアクチュエータ２６Ａと２６Ｂに取り付けられており、これらのアクチュエータ２６Ａ，２６Ｂとしては、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ等のリニアアクチュエータや、図７で示したカム機構を可動レンズ２３，２４のそれぞれに配置し、そのカム軸をモータや線状伝達部材で駆動するもの等が用いられる。これらのアクチュエータ２６Ａ，２６Ｂによって上記第１及び第２の可動レンズ２３，２４が光軸方向に相対的に前後移動することになり、第１可動レンズ２３は主にオートフォーカス（ピント合せ）の役目をし、第２可動レンズ２４は主に光学的変倍（観察距離、観察深度、焦点距離等が可変）の役目をするように構成される。

また、当該装置には、上述したＣＣＤ２５を駆動するためのタイミングジェネレータ（ＴＧ）３０、このＣＣＤ２５の出力信号を入力して相関二重サンプリング動作と自動利得制御をするＣＤＳ（相関二重サンプリング）／ＡＧＣ（自動利得制御）回路３１が設けられ、このＣＤＳ／ＡＧＣ回路３１の後段には、Ａ／Ｄ変換器３２、各種の映像処理を施すためのＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）３３、１フレームの映像データを記憶する映像メモリ３４、Ｄ／Ａ変換器３５、プロセッサ装置に接続されるモニタ３６が配置される。更に、上記先端部２１に配置されたアクチュエータ２６Ａ，２６Ｂを駆動するためのアクチュエータ駆動回路３８が設けられる。なお、上述したＣＤＳ／ＡＧＣ回路３１からアクチュエータ駆動回路３８までの回路は、電子内視鏡とプロセッサ装置のいずれかに振り分けられて配置される。

このような電子内視鏡装置において、上記Ａ／Ｄ変換器３２の出力映像信号を入力し、この映像信号（輝度信号等）の高周波成分を取り出すＢＰＦ（帯域通過フィルタ）部４０が設けられており、このＢＰＦ部４０では通過帯域の異なる二つのＢＰＦによって焦点（又はコントラスト）を評価するための二種類の高周波成分（第１と第２の高周波検波信号）を取り出している。また、電子内視鏡又はプロセッサ装置の全体の制御を統括するマイコン４２が設けられ、このマイコン４２の中に、上記ＣＣＤ２５で撮像される観察視野（撮像域）の測距エリアを設定する測距エリア設定部４２ａと、パッシブ方式のオートフォーカス（ＡＦ）制御部４２ａが設けられる。更に、変倍操作のための変倍スイッチ４４が電子内視鏡の操作部等に設けられており、この操作信号は上記マイコン４２へ供給される。

上記測距エリア設定部４２ａは、上記ＣＣＤ２５の撮像域（面）内の測距エリアを設定しており、光学的拡大をせず視野角が広いときは小さい面積（基準面積）とし、拡大時には倍率が高くなる程、基準面積よりも大きくなる面積を設定し、この測距エリアの高周波信号を上記オートフォーカス制御部４２ｂへ出力する。このオートフォーカス制御部４２ｂは、上記ＢＰＦ部４０から出力された上記測距エリア内の二つの高周波信号から焦点評価演算を行い、第１及び第２可動レンズ２３，２４を最大評価点（最大焦点電圧）へ移動させる山登り動作を行う。

実施例は以上の構成からなり、その作用を図２〜図５の参照の下に説明する。まず、この電子内視鏡装置では、図１のＣＣＤ２５にて被観察体内が撮像され、その後段のＣＤＳ／ＡＧＣ回路３１〜Ｄ／Ａ変換器３５の回路による映像処理を経ることにより、モニタ３６の画面に被観察体の映像が表示される。また、変倍スイッチ４４が操作されると、アクチュエータ駆動回路３８を介して第１及び第２可動レンズ２３，２４が変倍位置及びピントが合う位置に駆動され、光学的に拡大した被観察体像がＣＣＤ２５で撮像されることになり、モニタ３６の画面には拡大した被観察体の映像が表示される。

図２には、主に変倍機能を果たす第２可動レンズ２４の動作状態が示されており、この第２可動レンズ２４は拡大されないときはｂ_１の位置にあるが、変倍スイッチ４４が操作されると、ｂ_２からｂ_ｎの位置へ向けて移動し、光学的な拡大が行われる。例えば、図３の被観察体１００に示されるように、図３（Ａ）の通常時には小さかった被観察体１００が図３（Ｂ）の拡大時のように拡大される。

図３には、上記の変倍動作に応じて設定される測距エリアが示されており、上記ＣＣＤ２５の撮像域において、図３（Ａ）に示されるように、上記第２可動レンズ２４がｂ_１位置にあって例えば視野角が１４０度程度となる拡大されない通常時には、小さな面積Ｓ_１の測距エリアＨ_１が設定され、図３（Ｂ）に示されるように、上記第２可動レンズ２４がｂ_ｎ位置にあって視野角が５０度程度となる最大拡大率の時は、大きな面積Ｓ_ｎの測距エリアＨ_ｎが設定される。そして、上記可動レンズ２４の位置がｂ_１からｂ_ｎの間にあるときは、拡大率が高い程、大きくなる面積Ｓ_２〜Ｓ_ｎ−１の測距エリアＨ_２〜Ｈ_ｎ−１となる。

このような測距エリアＨ_１〜Ｈ_ｎは、マイコン４２内の測距エリア設定部４２ａで設定されており、図１のＢＰＦ４０の出力に基づき上記測距エリアＨ_１〜Ｈ_ｎ内の映像信号の高周波信号（高域成分）が抽出される。そして、オートフォーカス制御部４２ｂでは高周波信号に基づいた焦点評価演算が実行され、主に第１可動レンズ２３を駆動しながら例えば山登り動作によって焦点合わせが行われる。実施例の通常時では、図３（Ａ）の小さな面積Ｓ_１の測距エリアＨ_１であるが、拡大時には例えば図３（Ｂ）の大きな面積Ｓ_２〜Ｓ_ｎの測距エリアＨ_２〜Ｈ_ｎで得られた高周波信号で焦点評価が行われるので、オートフォーカスが高精度となり、ピントのあった拡大像を撮影・観察することが可能となる。即ち、光学的拡大時に歪曲収差が小さくなるのを利用して測距エリアを拡大することにより、測距精度を向上させたものである。このことを図４及び図５によって説明する。

図４には、図１の第１及び第２可動レンズ２３，２４を含む対物光学系で生じる歪曲収差が示されており、この歪曲収差（％）は視野角に対応したパラメータであるω（半画角）が低くなる程、即ち視野角が狭くなる程、小さくなる（ディストーションａ_１〜ａ_ｎ）。従って、視野角１４０度程度の通常時では大きいディストーションａ_１であるが、光学的に拡大されて視野角が小さくなる程、ディストーションは小さくなり、視野角５０度程度の最大拡大時には小さなディストーションａ_ｎとなる。

図５には、上記図６の歪曲と比較するための四角形物体のモニタ表示状態が示されており、光学的拡大をして例えば鎖線の四角形物体Ｆｃを撮影すると、実線のように樽型歪曲した四角形物体Ｆｄが表示される。この図５と図６を比較すると、光学的拡大時には歪曲収差が小さくなり、オートフォーカス制御のために検出される観察視野の中央部と周辺部の高周波成分（ＢＭＰ４０の出力）の差も小さくなることが分かる。逆にいえば、測距エリアを拡大しても良好な高周波成分が得られるので、測距エリアを拡大させれば、それに応じたオートフォーカスの精度向上を図ることができることになる。

上記実施例において、光学的拡大率に応じた測距エリアＨ_１〜Ｈ_ｎの拡大は、第２可動レンズ２４の位置ｂ_１〜ｂ_ｎに対し面積Ｓ_１〜Ｓ_ｎを細かに設定するようにしたが、数段階の大まかな設定としてもよし、所定倍率よりも高いときに測距エリアの面積を拡大させるようにしてもよい。

本発明の実施例に係るオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置の構成を示す回路ブロック図である。 実施例の変倍機能のための可動レンズのレンズ位置を示す図である。 実施例のＣＣＤ撮像域で設定される測距エリアを示し、図（Ａ）は通常時の図、図（Ｂ）は最大拡大時の図である。 実施例の電子内視鏡装置で生じる歪曲収差を示すグラフ図である。 モニタ上での光学的拡大時の樽型歪曲の状態を示す図である。 モニタ上での通常時の樽型歪曲の状態を示す図である。 従来の電子内視鏡先端部の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，２１…内視鏡先端部、
１０，２３…第１可動レンズ、
１１，２４…第２可動レンズ、
２６Ａ，２６Ｂ…アクチュエータ、
３１…ＣＤＳ／ＡＧＣ回路、 ３３…ＤＳＰ、
３８…アクチュエータ駆動回路、
４０…ＢＰＦ部、 ４２…マイコン、
４２ａ…測距エリア設定部、
４２ｂ…オートフォーカス制御部。

Claims (1)

1. 観察倍率を可変にする光学的変倍機能及びオートフォーカス機能を実行するための可動レンズを有する対物光学系と、この対物光学系を介して被観察体を撮像する固体撮像素子とを備え、この固体撮像素子の出力から映像信号を形成する電子内視鏡装置において、
   上記固体撮像素子の撮像域に設定される所定測距エリアの映像信号から合焦評価のための高周波信号を抽出し、この高周波信号に基づいて上記可動レンズを駆動制御するオートフォーカス制御回路と、
   上記光学的変倍機能で設定される拡大倍率に対応して上記固体撮像素子撮像域内の測距エリアを拡大する測距エリア可変設定回路と、を設けたことを特徴とするオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置。

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