JP2006288432A - 電子内視鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 挿入部の先端部11には、光軸O方向に移動される焦点距離可変の接合レンズ17dを含む対物レンズ系17と、その結像される像を受光して撮像するCCD18とが設けてある。解像力が高い物体距離dに配置した35μmのピッチの白黒の帯(ストライプ)60を識別可能とする条件を満たし、対物レンズ系17に隣接するチャンネルの先端開口26から処置具28の先端側を突出させることにより、その処置具28の先端側の像がCCD18に結像され、処置を円滑に行うことを可能とした。
【選択図】 図8
Description
前者のズーム光学系を採用した電子内視鏡は、先端部の構成を大型化させない制約から複雑な構成は採用できず、1つのレンズ群を移動させ、視野角を変化させる変倍ズーム光学系が一般的である。
これによると、変倍時に物像間距離が変化しない小型で高性能な2焦点タイプの内視鏡対物変倍光学系を得ることができ、ズーム光学系による被写体の詳細な観察ができるといった効果がある。
また、後者の多画素な固体撮像素子を用いた高解像内視鏡では、従来よりも多画素な固体撮像素子を用いることで、被写体をより高解像に撮像することができるため、被写体の詳細な観察が可能になるといった効果がある。
一方、チャンネル先端開口より突出した処置具が、固体撮像素子を含む撮像光学系によって撮像されるためには、撮像光学系の画角と、撮像光学系と処置具との距離により決定し、撮像光学系と処置具が近ければ近いほど、また、撮像光学系の画角が広ければ広いほど、処置具は撮像光学系に早く撮像される。
本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、焦点距離可変の対物光学系を用いた場合において、近点側での被写体の詳細観察をしながら処置具での処置が可能な電子内視鏡及び電子内視鏡システムを提供することを目的とする。
前記固体撮像素子に結像させる所定の視野角を備えた対物光学系と、
同じ幅の白と黒の帯の被写体を撮像した時に得られる画像信号から生成された輝度信号を基に、前記白の被写体に対する輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体での輝度信号の最小値をImin、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した時、
挿入部の先端から所定距離離間した位置に配置した被写体を前記対物光学系の近点側で所定値以上のコントラストIで捉えるために、前記対物光学系を構成する少なくとも一部のレンズを駆動し、前記対物光学系の焦点距離を被写界深度が一部重複するように変化させる焦点位置可変手段と、
所定距離突出される処置具の先端を、前記焦点距離可変手段によって近点側に設定された時の視野角内に配置させるように開口した処置具挿通チャンネルと、
を具備することを特徴とする。
上記構成により、焦点距離可変な対物光学系を用いた場合において、近点側での被写体の詳細観察をしながら処置具での処置が可能となるようにしている。
を備えた電子内視鏡システムにおいて、
同じ幅の白と黒の帯の被写体を撮像した時に得られる映像信号から生成された輝度信号を基に、前記白の被写体を撮像した時に得られる輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体に対する輝度信号の最小値をImin、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した際に、
挿入部の先端から所定距離離間した位置に配置した被写体を前記対物光学系の近点側で所定以上のコントラストIで捉えるために、前記対物光学系の焦点距離を変化させる焦点距離可変手段と、
所定距離突出される処置具の先端を、前記焦点距離可変手段によって近点側に設定された時のモニタ上の視野範囲内に配置させるように開口した処置具挿通チャンネルと、
を具備することを特徴とする。
上記構成により、焦点距離可変な対物光学系を用いた場合において、近点側での被写体の詳細観察をしながら処置具での処置が可能となるようにしている。
図1に示すように電子内視鏡システム1は、実施例1の電子内視鏡2と、この電子内視鏡2の照明光を供給する光源装置3と、電子内視鏡2に内蔵した撮像手段に対する信号処理を行う画像処理装置(信号処理装置)4と、画像処理装置4から出力される標準的な映像信号が入力されることにより、内視鏡画像を表示するハイビジョンTV(HDTVと略記)方式に対応したモニタ5とから構成される。
挿入部7は、その先端に硬質の先端部11が設けられ、この先端部11には後述する撮像ユニットなどが設けられている。
挿入部7内には照明光を伝送するライトガイド14が挿通されており、このライトガイド14の後端側はケーブル部9を経てその端部に設けたライトガイドコネクタ15に至る。このライトガイドコネクタ15を光源装置3に接続することにより、光源装置3からライトガイド14の後端面には、照明光が供給される。
先端部11には、照明窓に隣接して観察窓(撮像窓)が設けてあり、この撮像窓には、照明された被写体の光学像を結ぶ対物レンズ系(対物光学系)17と、この対物レンズ系17の結像位置にその受光面(光電変換面)が配置された固体撮像素子としての例えば電荷結像素子(CCDと略記)18とを備えた撮像ユニット19が配置されている。
撮像ユニット19には、信号ケーブル21の一端が接続され、挿入部7内に挿通された信号ケーブル21はさらにケーブル部9内を挿通されてその後端の信号コネクタ22にその他端が接続されている。
この撮像信号は、画像処理装置4内で信号処理されて映像信号が生成され、モニタ5には、内視鏡画像が表示される。
また、挿入部7内には様々な処置具を挿通可能とするチャンネル25が設けてある。このチャンネル25は、先端部11において開口するチャンネル先端開口(先端開口或いは鉗子口ともいう)26と、操作部8の前端付近の処置具挿入口27と、先端開口26及び処置具挿入口27とを接続するチャンネルチューブ25aとからなる。
また、本実施例においては、患部組織等の検査対象或いは処置対象とする被写体と共に、先端開口26から突出される処置具28の先端側を撮像ユニット19の視野内に入れてこの突出する処置具28をモニタ5の表示面に表示し、処置等を円滑に行うことができるようにしている。
本実施例では、CCD18は、補色のモザイクカラーフィルタを備えたモザイクカラーフィルタ方式のCCDであり、画素ピッチは2.5μmであり、モニタ表示に有効な画素数は、130万画素のものを採用している。
この対物レンズ系17は、光の回折限界を超えないようにFno(Fナンバ)が例えば10.0程度以下に設定されている。また、近景時の物体距離の時に最高の解像力が得られるように設定されている。
本実施例における撮像ユニット19の構成について、図2を用いて説明する。
図2の場合には、レンズ17bと17cの間の面間隔はスペーサ32により設定されている。なお、対物レンズ系17を構成し、先端側から順次配置された第1、第2,第3レンズ17aは、それぞれ平凹レンズ、両凸レンズ、赤外カットフィルタである。
また、このレンズ枠31に嵌合するCCD枠33内には、接合レンズ17dが保持されたレンズ保持枠部34aが、対物レンズ系17の光軸O方向にスライド自在に設けてある。
また、このCCD枠33内には、レンズ保持枠部34aの後方側の位置には、平行平板レンズ17e及びCCDチップ18bとが固定されている。
CCDチップ18bには、CCD基板18cがバンプ接続等により電気的に接続されている。また、CCD基板18c上にはカップリングコンデンサや、電流増幅用のトランジスタ等のCCD駆動用部品18dが半田付けされている。CCDチップ18bの受光面には、この受光面を保護するための封止ガラス18aが光学接着剤等にて接着固定されている。
レンズ枠31は、対物レンズ系17の光軸方向に平行移動可能なように、CCD枠33と嵌合しており、前記対物レンズ系17の光軸と、前記CCDチップ18bの受光面が垂直となるように、CCD枠33にCCDチップ18bが接着固定されている。
上記レンズ保持枠部34a、アーム部34b及びアクチュエータ連結部34cにより、接合レンズ17dを移動する移動レンズ枠34が形成されている。
また、アクチュエータ連結部34cを介して移動レンズ枠34と共に接合レンズ17dを移動するアクチュエータ29は、アクチュエータ連結部34cに連結されたアクチュエータ移動部29aと、このアクチュエータ移動部29aを、対物レンズ系17の光軸Oと平行な方向に移動するアクチュエータ本体29bとから構成されている。このアクチュエータ本体29bは、CCD枠33の外周側で固定されている。
アクチュエータ本体29bは、このアクチュエータ駆動信号に応じてアクチュエータ移動部29aをアクチュエータ本体29b側となる後方側に移動させたり、アクチュエータ本体29bから離間する前方側に移動させたりすることができるようにしている。
このアクチュエータ駆動部36は、画像処理装置4内に設けられたオートフォーカス部37を構成するCPU37cからの制御信号に対応したアクチュエータ駆動信号を発生(出力)する。
また、アクチュエータ駆動信号により最も後方側に移動された場合には、接合レンズ17dは図3の実線で示す最も後方側の位置に設定され、この状態は遠点側となる遠景時の設定状態となる。この遠景時の設定状態では、遠景にフォーカスし、遠景を所定の解像度及び被写界深度が10mm〜100mmの大きな状態でCCDチップ18bに結像する状態となる。
このように接合レンズ17dは、近景の位置から遠景の位置までを可動範囲として、その可動範囲内の任意の位置に移動設定できるようにしている。なお、図3は動作説明の図であるので、一部の構成要素のみに符号を付けて示している。
このCCD保護枠38には、CCDチップ18bの背面部付近となる位置に、切り欠き部が設けられており、この切り欠き部から挿入するように熱伝導性の良い、例えばアルミニウム合金や、銅合金で形成された放熱部材39が配置されている。この放熱部材39には、熱伝導性の良い金属を導体とした、放熱用ケーブル40が半田付けや接着剤等で機械的に接続されている。
CCD保護枠38内部には、封止樹脂41が充填され、熱収縮性のあるチューブ42にてCCDチップ18b周辺は封止される。放熱用ケーブル40は、熱容量の大きい部材、例えば挿入部7の先端部11に半田付けされている。
挿入部7の先端部11は、図4に示されるように、先端の第1レンズ17aの外径が例えばφ2.8mmである対物レンズ系17を含む撮像ユニット19と、チャンネル先端開口26と、対物レンズ系17の外表面に送水、送気して付着した汚物を除去する送気送水ノズル43と、光源装置3に接続されたライトガイド14により伝送(導光)された光により被写体を照明するための照明レンズ16a、16bとが配設されている。
撮像ユニット19は、被写体を撮像し、モニタ5に表示したときのモニタ5上の上下方向が、図4に示す挿入部7の先端部11の上下方向と一致するように、先端部11に取り付けられている。また、本実施例におけるチャンネルチューブ25aは、例えばテフロン(登録商標)製の内径2.8mmのチューブを用いている。
図1に示すように光源装置3は、ランプ45を有し、このランプ45の照明光は、絞り駆動部46により駆動される絞り47の開口により透過光量が調整された後、集光レンズ48を経てライトガイドコネクタ15におけるライトガイド14の入射端面に入射される。そして、上述のようにライトガイド14の先端からさらに照明レンズ16a、16bを経て被写体側に照明光が出射される。
図1に示すように画像処理装置4には、CCD18からの画像信号が入力されるCDS回路49を有し、このCDS回路49により信号成分が抽出された後、A/D変換器50によりデジタル信号に変換される。
このA/D変換器50により変換されたデジタルの画像信号は、輝度信号と色信号からなる映像信号を生成する信号変換部51に入力される。この信号変換部51により、生成された映像信号は、γ補正等、様々の画像処理を行う画像処理部52に入力される。この画像処理部52の出力信号は、D/A変換器53に入力され、アナログのHDTV方式に対応した映像信号に変換された後、モニタ5に出力される。
処置具検出部54aは、例えば処置具の反射光量や色によって、処置具が撮像ユニット19の視野内に入ったこと(換言するとCCD18の受光面上に処置具の画像が結像されること)を検出する。
また、輝度検出部54bは、処置具検出部54aにて処置具を検出した場合には、処置具の像が結像される領域付近におけるピーク輝度(光量)や、この領域付近での平均輝度(光量)を検出する。
また調光信号生成部54cは、輝度検出部54bからのピーク輝度や平均輝度の信号により適正な明るさの信号が得られるように光源装置3の照明光量を調整する自動調光信号を生成し、光源装置3の絞り駆動部46に出力する。
自動調光部54の自動調光信号は、光源装置3の絞り駆動部46に入力され、自動調光信号に応じて絞り駆動部46は絞り47の開口量を自動調整して、調光信号生成部54cの基準値に相当する観察に適した明るさの画像が得られるように制御する。
また、信号検出部51の輝度信号は、オートフォーカス部37を構成する明るさ検出部37aに入力され、明るさ検出部37aにより画像の明るさが検出される。
明るさ検出部37aにより検出された明るさ情報と、コントラスト検出部37bにより検出されたコントラスト情報は、CPU37cに入力され、このCPU37cは、明るさ情報及びコントラスト情報により、例えば山登り方式のオートフォーカス制御を行う。
また、本実施例では、以下に説明するように、近景に設定した場合においても、広い視野角(画角)を確保し、処置具を使用した場合にもチャンネル25の先端開口26から突出された処置具の先端側を視野内に入れて詳細な処置を行い易い構成にしている。
このような構成による本実施例の作用を以下に説明する。
図1に示すように電子内視鏡2のライトガイドコネクタ15を光源装置3に接続し、また信号コネクタ22を画像処理装置4に接続する。また、この画像処理装置4の映像出力端にモニタ5のケーブルを接続して、内視鏡検査を行える状態にする。
次に、電子内視鏡2の挿入部7を患者の体腔内に挿入し、挿入部7の先端部11を体腔内における患部等の内視鏡検査を行おうとする部位の被写体を観察できる状態にする。 この場合、先端部11に設けた撮像ユニット19における対物レンズ系17は、被写体をCCD18の受光面上に結像する。CCD18の受光面上に結像された像は、光電変換されて画像信号に変換される。
この場合、本実施例ではCCD18として補色のモザイクカラーフィルタを採用しているので、この信号変換部51は、例えば隣接する4種類のカラーフィルタの画素の信号出力から平均をとった輝度信号や、各色の画素信号出力の差分により得られる色差信号といった映像信号に変換される。
その後、D/A変換器53によりモニタ5に表示可能なアナログのHDTV方式に対応した映像信号に変換される。モニタ5は、入力されるHDTV方式の映像信号に対応したCCD18による撮像された被写体の画像をモニタ画面5aに表示する。
まず、自動調光の機能について説明する。
自動調光部54は、処置具28が撮像ユニット19の視野内に入っていない場合は、輝度検出部54bにより、画面全体の明るさ(具体的にはピーク輝度或いは平均輝度)を検知し、調光信号生成部54cに出力する。この調光信号生成部54cは、画面が暗いときは光源装置3に増光するように制御信号、具体的には自動調光信号を出力する。また、画面が明るすぎる場合は減光するように光源装置3を制御する制御信号としての自動調光信号を出力する。
次に撮像ユニット19による内視鏡検査により、患部等の被写体に対して治療のための組織採取や病変部の切除するために処置具28が使用された場合における自動調光の作用について説明する。
処置具28をチャンネル25に挿入して処置具28を挿入部7の先端部11の先端開口26を経てその先端面から突出させることにより、撮像ユニット19の視野内に処置具が入ることになる。
この場合は、例えば処置具28の色や、処置具28の反射光等から、処置具検出部54aは処置具28が視野内に入ったことを検知し、前記処置具28を中心とした一定の領域のピーク輝度や平均輝度による明るさを検知する。前記処置具28付近の明るさが明るすぎる場合は光源装置3を減光し、暗すぎる場合は光源装置3を増光するよう、調光信号生成部54cは制御信号としての自動調光信号を出力する。
次に、撮像ユニット19に配置した放熱部材39、並びに放熱用ケーブル40の作用について説明する。
CCD18を駆動すると、CCDチップ18bや、電流アンプ等のCCD駆動用部品18dが発熱する。一般に、画素数が多くなるほど駆動周波数が高くなり、消費電力も増えCCDは発熱する。放熱部材39は、CCDチップ18b及びCCD基板18cに隣接して配置されているため、CCDチップ18bの熱は、放熱部材39に伝導し、その後放熱用ケーブル40に伝導する。
また、信号ケーブル21は、一括シールドとシースの間にテープが巻かれているため、例えば信号ケーブル21に捻れの機械的ストレスがかかった際に、シースの捻れと一括シールドとのねじれ方の違いによる一括シールドとシース間での摩擦や、シースによる一括シールドへの引張り力が、一括シールドとシース間のテープにより緩和されるために、捻れ耐性がアップするといった効果がある。
また、本実施例においては、オートフォーカス部37により、対物レンズ系17を構成する接合レンズ17dは、常時CCD18の受光面に被写体像がフォーカス状態で結像されるように制御する。
CPU37cは、明るさ検出部37aにより検出された明るさが所定値以上か否かを判定し、所定値を超える状態の場合には、コントラスト検出部37bから検出される高域側の輝度信号によるコントラスト情報により、山登り方式でフォーカス状態を検出し、接合レンズ17dをフォーカス状態の位置に設定する。
図6は山登り方式のオートフォーカス(図6ではAFと略記)する処理内容を示す。
具体的には、CPU37cは、アクチュエータ駆動部36を制御し、アクチュエータ29を介して接合レンズ17dを一方に移動し、その際に移動前後においてコントラスト検出部37bから出力さえるコントラスト情報が大きくなるかの判断を行う。そして、CPU37cは、コントラストが大きくなる方向がレンズ移動方向と判定し、その方向に接合レンズ17dを移動させる。
このため、ピーク値を僅かに過ぎた位置まで接合レンズ17dを移動することにより、ピーク値を検出することができる。
次のステップS3においてCPU37cは、ピーク値に対応する位置まで接合レンズ17dを戻すようにアクチュエータ駆動部36を制御する。このようにして接合レンズ17dをフォーカス位置に設定することができる。
次に、チャンネル25に処置具を挿入して処置する場合について説明する。操作者は、操作部8付近に設けられた処置具挿入口27に、使用する処置具を挿入する。処置具挿入口27から挿入された処置具は、挿入部7内のチャンネルチューブ25aのチャンネル25内を通り、挿入部7の先端部11側に誘導される。操作者が更にその処置具28を深部側に挿入すると、先端部11のチャンネル先端開口26より処置具28の先端が突出する。
Hmin=(D−Lh−R)×tan(90°−θ/2)= 1.38mm (式1)
一方、処置具28が最も撮像ユニット19より離れた方向に位置した場合に、処置具28が突出されて、処置具28の先端全体が撮像ユニット19によって撮像されるために必要な条件は、挿入部7の先端部11の先端面からの処置具28の突出量Hallとして、式2に示すように導出される。
式1,式2に示されるように、処置具28は、先端部11の先端面からの突出量が1.38mm以上から撮像ユニット19の視野内に入り始め、2.45mm突出された時に、処置具28の先端のほぼ全体が視野内に入る。
以上により、本実施例における撮像ユニット19の近点側に設定された状態では、被写界深度は5.2mm〜10mmとなり、処置具28の先端側は、確実に撮像ユニット19の視野内に入り、モニタ5上でも視認可能となる。
次に、図8を参照して撮像ユニット19により、近点側に設定した状態で、白黒ペアの帯が35μmピッチの被写体等を撮像したときの作用について説明する。
この場合、処置がし易い条件としては、処置対象とする患部等に対しては、詳細に観察できることが望まれると共に、先端開口26から突出される処置具28の先端側も詳細に観察できることが望まれる。
本実施例においては、以下のようにしてこれらを満たすようにしている。まず、説明をより明確にするために以下のように輝度コントラストG(MTF)を定義する。
このように輝度コントラストGを定義した場合、前記のように構成された撮像ユニット19では、近点に設定された状態において、物体距離5.2mmから6.8mmの時に、白黒ペアの帯60のピッチが35μmの被写体を撮像した際、CCD受光面上に結像された白の帯と黒の帯の輝度コントラストGは、10%以上となる。
上記対物レンズ系17によってCCD18の受光面上に結像したピッチ35μmの白黒ペアの帯の被写体の像は、白帯が結像された画素から出力される画像信号と、黒帯が結像された画素から出力される画像信号の差は、略10%以上となる。
そして、前記白の被写体により得られた輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体により得られた輝度信号の最小値をIminとし、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した場合、(上記白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体を撮像した際には)コントラストIが10%以上になるように出力される。以上により、撮像ユニット19で撮像された35μmピッチの白黒ペアの帯は、モニタ5上で白黒ペアの帯として視認可能となる。このようにコントラストIが10%以上になると識別し易い状態で観察できることになる。
図8においても、チャンネルの先端開口26から処置具28を突出した様子を示し、撮像ユニット19の視野内に処置具28の先端が入った後、さらに前方に突出させることにより処置具28の先端は、35μmピッチの白黒ペアの帯60を視認できる物体距離dの状態になる。この状態では、物体距離dは、式2のHallより大きいので、式2から
d≧(D−Lh+R)×tan(90°−θ/2) (式5) の条件を満たす状態となる。なお、式5は書き換えると、
D≦d/tan(90°−θ/2)+Lh−R
となる。
本実施例は以下の効果を有する。
本実施例では、撮像ユニット19を構成する対物レンズ系17として焦点位置を可変させたとき画角が殆ど変化しない可変焦点光学系を採用しているために、単焦点光学系の場合と比較して近景側から遠景側まで高い解像度の内視鏡画像を得ることができる。
また、近点側に設定した状態では35μmピッチの白黒ペアの帯がモニタ上で視認可能な距離が5.2mmから6.8mmであるため、本実施例においては、その距離よりもかなり手前の物体距離において、処置具28の先端側を視野内に入れることができ、さらに前方側に突出させることにより最高解像力が得られる距離に達する状態になる。
さらに、遠景側に設定した場合においても、所定の解像度を保持し、近景時よりも被写界深度が大きい状態で被写体像を得ることができる。
さらに、処置具28が挿入されてその先端がモニタ5に表示される状態になると、処置具28付近の明るさが最適となるように光源装置3による照明光量を制御する為、処置がしやすくなる。
なお、本実施例では、CCD18の画素ピッチを2.5μm、有効画素数を130万画素とし、撮像ユニット19の最大画角を138°、近点側の被写界深度を5.2mmから10mmとし、撮像ユニット19の光軸Oと先端開口26中心との距離を6mmとしたが、これに限ったものではない。
画角は、周囲の観察性を考慮した一般的な内視鏡で用いられる100°以上の画角が好ましく、画角がより広い方が、処置具検出距離が短くなるといった効果がある。
また、本実施例の画像処理装置4及び、モニタ5は、HDTV方式の映像信号に対応したもので説明したが、これに限ったものではなく、例えばSVGAやXGAといった高解像のモニタに対応した表示方式を用いても良い。
また、放熱用ケーブル40として、信号ケーブル21の一部を用いても良い。例えば信号ケーブル21内に、駆動に使用しないダミーケーブルを設けても良いし、信号ケーブル21の電磁遮蔽を目的とした外部シールドを用いても良い。また、放熱部材35を設けずに、放熱用ケーブル40の導体部分をCCDチップ18b付近に導電性の良い封止樹脂にて固定することでも、同様の放熱効果が得られる。
また、CCDチップ18b内部の出力段を、外部アンプとしてCCD基板18c上に配置し、CCDチップ18bの消費電力を、外部基板上の部品に配分することにより、CCDチップ18bの発熱を押さえることも有効である。
本実施例における電子内視鏡2Bの先端部11には、図10或いは図11に示す対物レンズ系72及びCCD73を備えた撮像ユニット19Bが採用されている。
このCCD73は、画素ピッチ2.8μmでモニタ表示に有効な画素数は80万画素のものが採用されている。
また、撮像ユニット19Bは、例えば近点側(近景)に設定した状態においては、最大画角160°となる変倍光学系の対物レンズ系72を有し、この対物レンズ系72の最先端の第1レンズ72aとしてメニスカス形状をしたものが配置されている。
撮像ユニット19Bは、被写体を撮像し、モニタ5に表示したときのモニタ5上の上下方向が、図10に示す挿入部先端の上下方向と一致するように、挿入部先端に取り付けられている。
内径φ2.8mmの処置具チャンネル25は、撮像ユニット19Bに対し、水平方向から若干ずれた左斜め下方向に配置されており、図10に示すように、先端部11の上下方向をY軸、左右方向をX軸とすると、処置具チャンネル25の中心軸と、撮像ユニット19Bの光軸Oを結ぶ直線は、前記X軸に対しαの角度を成している。
本実施例においても、図11に示す第1レンズ72a、第2レンズ72b及び第3レンズ72cは第1レンズ枠31に取り付けられており、この第1レンズ枠31に嵌合するCCD枠33内に実施例1と同様に接合レンズ17dがレンズ保持枠により移動自在に配置され、接合レンズ17dは、アクチュエータ29を介して光軸O方向に移動される。
また、ビデオプロセッサ4Bに設けたCPU71は、基本的には実施例1における連続的にオートフォーカス制御を行う代わりに、接合レンズ17dを近景位置と遠景位置との2つの位置の間で、よりフォーカスに近い状態となるようにフォーカス制御を行う。つまり2段階(オート切替による擬似)フォーカス制御を行う。
そして、CPU71は、2段階のフォーカス制御を行う場合、接合レンズ17dが実際に設定されている一方の位置に設定された状態におけるコントラスト情報の変化の時間的変化を調べ、RAM71cに格納された光学特性情報を参照することにより、その変化が他方の位置に切り替えた方がより大きなコントラスト値が得られる、つまりよりフォーカス状態に近いか否かの判断を行う。
また、CPU71は、接合レンズ17dを他方の位置に設定した場合にも、時間的にその状態でのコントラスト情報を監視して、同様の動作を行うことにより、2つのレンズ位置において、よりフォーカス状態に近いレンズ位置となるように制御する。
この場合、CPU71は、信号変換部51からの輝度信号から明るさ情報を検出し、さらに画像処理部52からコントラスト情報を検出して、所定の明るさ以上の状態において、上記のようにコントラスト情報の時間的変化を監視し、光学特性情報を参照することにより切り替えるべきか否かを判断し、その判断結果に応じて接合レンズ17dを2つの位置で制御する。
そして、両者の特性における解像度は、近景と遠景との中間の距離においてほぼ逆の傾向を示す状態でクロス(重なる)する部分があるため、そのクロス部分において、クロスする位置から或程度ずれた状態では、接合レンズ17dをいずれの位置に設定した方が、フォーカス状態(合焦状態)により近いかを判断することができる。CPU71は、その判断を行い、かつその判断結果に従って、接合レンズ17dの位置切替の制御を行う。 なお、本実施例では、近景と遠景に設定された状態での対物レンズ系72における被写界深度は所定値以上の部分で連続(重なる)ように設定されており、かつ所定の値の空間周波数までの範囲において、コントラストIも所定値以上(例えば10%)以上を持つ部分で重なるように設定されている。
まず、撮像ユニット19Bにより、白黒ペアの帯が35μmピッチの被写体を近景時において撮像したときの作用について説明する。
本撮像ユニット19Bでは、近点に設定された状態において、物体距離4.4mmから5.8mmの時に、白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体を撮像した際、CCD受光面上に結像された白の帯と、黒の帯のコントラストGは、10%以上となる。
前記対物レンズ系72によってCCD73の受光面上に結像されたピッチ35μmの白黒ペアの帯の被写体の像は、光電変換される。そして、白帯が結像された画素から出力される画像信号と、黒帯が結像された画素から出力される画像信号の差は、略11.5%となる。
また、近景時から物体距離が大きくなると、コントラスト値が小さくなるため、CPU71は切り替えた方がより大きなコントラスト値が得られると判断した場合には、接合レンズ17dを遠景時の位置に切り替える制御を行う。
また、前記最大対角となるP点は、P点と画面中心を結んだ直線と、モニタ画面上の水平方向とから成す角度がαとなるように設定されており、さらに、撮像ユニット19Bは、図10に示すように挿入部の先端部11のX軸方向とモニタ水平方向が一致するように配置されている為、X軸に対し角度αの位置に配置されている処置具チャンネル25の先端開口26Bから突出させた処置具28は、図12に示すように、モニタ5上の概略で言うと水平方向、より厳密に言うと水平方向より少し下側となる左下のP点付近より表示エリア5b内に表示される。
Hmin=(D−Lh−R)×tan(90°−θ/2)=0.58mm (式3)
一方、処置具28が最も撮像ユニット19Bより離れた方向に位置して場合に、処置具28が突出されて、処置具28の先端全体が撮像ユニット19Bによって撮像されるために必要な条件は、先端部11の先端面からの処置具28の突出量Hallとして、式4に示すように導出される。
式3,式4に示されるように、処置具28は、先端部11の先端面からの突出量が0.58mm以上から撮像ユニット19Bの視野内に入り始め、1.07mmより突出された時に、処置具28の先端のほぼ全体が視野内に入る。
以上から、本実施例における撮像ユニット19Bの近点側に設定した状態の35μmピッチの白黒ペアの帯がモニタ上で視認可能な距離4.4mmから5.8mmにおいては、処置具28の先端側は撮像ユニット19Bの視野内に入り、モニタ5上でも視認可能となる。
本実施例は、以下の効果を有する。
本実施例は、撮像ユニット19Bを構成する対物光学系として焦点距離が変化する可変焦点光学系を採用しているために、単焦点光学系の場合よりも近景側から遠景側まで解像度の高い画像を得ることができる。
ここで、本実施例では、CCD73の画素ピッチを2.8μm、有効画素数を80万画素とし、撮像ユニット19Bの最大画角を160°、近点側に設定した状態の被写界深度を4.4mmから12mmとし、撮像ユニット19Bの光軸Oと先端開口26中心との距離を6mmとしたが、これに限ったものではない。
例えば、白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体を撮像したときに、前記白の被写体を撮像した画素から得られる出力信号と、前記黒の被写体を撮像した画素から得られる出力信号の差が10%以上となるように、画素ピッチ、有効画素数、最大画角、近点側の被写界深度等を変更し、かつ、前記35μmの被写体を撮像したときに出力信号の差が10%以上となる物体距離において、処置具が観察可能となるように、最大画角、及び撮像ユニット19の光軸Oと先端開口26中心との距離を変更しても、ほぼ同様の効果が得られる。
また、本実施例でも、照明光として切替式等の三原色の光を用い、順次照射した三原色の光と同期してモノクロ(白黒)のCCDにて被写体を取り込んで画像処理装置にてカラー化する方式を採用することができ、この場合、有効画素数25万画素程度のCCDを用いた場合に、モザイクフィルタ方式の60万画素と同等の効果が得られる。
また、より一般的に、表示エリアにおける表示エリアが広い(或いは大きい)方向に対応するように先端開口を配置することにより、この先端開口から突出された処置具28が表示エリアが広い方向に表示されるようにしても良い。
なお本実施例の第1変形例として、図13に示すようにCPU71により2段階オートフォーカス制御機能71aと3段階オートフォーカス制御機能71bをモード切替スイッチSW1により選択できるようにしても良い。
そして、このCPU71は、例えば電子内視鏡2Bの操作部8に設けたモード切替スイッチSW1により選択された選択信号に応じて、2段階オートフォーカスモード或いは3段階オートフォーカスモードでフォーカス制御を行う。
本変形例の場合も、スコープIDメモリ74には、その電子内視鏡2Bに固有の光学特性情報が格納されている。この場合には、接合レンズ17dを近点、遠点の他に近点及び遠点の間に設定した中間点に設定した場合のコントラストに関する光学特性の情報が格納されている。また、中間点の位置に接合レンズ17dを駆動(移動)する情報も格納されている。
3段階のフォーカス制御を行うメリットとしては、近点及び遠点の2段階のフォーカス制御では、両者の中間位置付近では両者の光学特性の谷間になるため、例えば被写界深度と解像度とをより好ましい特性を持つように改善することが困難になり易い。
例えば、近景と遠景時では、被写界深度が所定値以上で連続し、かつコントラストIが10%以上の場合に対して、両者の中間点の位置にも切り替えられるようにした場合には、これらの条件よりもより大きな被写界深度の値及びコントラストIの値で連続させることが可能となり、より改善された光学特性を実現できる。
3段階のフォーカス制御を行う制御方法は、2段階と類似している。例えば近点に設定されている状態で、CPU71はその状態でのコントラスト情報の時間的変化をモニタし、その場合には近点の状態と中間点との切替を行うか否かを判断する。
また、中間点に設定された状態においても、コントラスト情報の時間的変化をモニタして近点側に変化しているか遠点側に変化しているかに応じて、近点側或いは遠点側に切り替えるか否かを判断する。このため、実施例2の場合と類似の制御で、3段階のフォーカス制御も行うことができる。
2段階オートフォーカス制御機能71aは、実施例2で説明したものと同様である。 モード切替スイッチSW1により2段階マニュアル制御モードに設定された場合には、CPU71は、マニュアル操作スイッチSW2における近点指示スイッチが操作された場合には、接合レンズ17dを近点側に移動する。
一方、マニュアル操作スイッチSW2における遠点指示スイッチが操作された場合には、CPU71は、接合レンズ17dを遠点側に移動する制御動作を行う。
このようにモード選択手段を設けることにより、操作者は電子内視鏡2Bを用いて診断等を行う場合における観察(撮像)の選択肢が広くなり、より使い易いものを実現できる。
また、本実施例の画像処理装置4及び、モニタ5は、HDTV方式の映像信号に対応したもので説明したが、これに限ったものではなく、例えば、NTSC方式や、PAL方式といった映像信号に対応したものでも良い。また、VGA方式や、SVGA方式のものを用いても良い。
なお、上述した実施例等を部分的に変形したり、組み合わせる等して構成される実施例等も本発明に属する。
1.所定の画素数を備えた固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に結像させる所定の視野角を備えた対物光学系と、
同じ幅の白と黒の帯の被写体を撮像した時に得られる画像信号から生成された輝度信号を基に、前記白の被写体に対する輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体での輝度信号の最小値をImin、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した時、
挿入部の先端から所定距離離間した位置に配置した白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体を前記対物光学系の近点側でほぼ10%以上のコントラストIで捉えるために、前記対物光学系を構成する少なくとも一部のレンズを駆動し、前記対物光学系の焦点距離を被写界深度が一部重複するように変化させる焦点位置可変手段と、
所定距離突出される処置具の先端を、前記焦点距離可変手段によって近点側に設定された時の視野角内に配置させるように開口した処置具挿通チャンネルと、
を具備することを特徴とする電子内視鏡。
前記対物光学系の結像する位置に受光面が配置され、この受光面に結像された光学像を光電変換する固体撮像素子とを挿入部に有する電子内視鏡と、前記固体撮像素子からの画像信号をモニタに表示するための映像信号に変換する画像処理装置と、
を備えた電子内視鏡システムにおいて、
同じ幅の白と黒の帯の被写体を撮像した時に得られる映像信号から生成された輝度信号を基に、前記白の被写体を撮像した時に得られる輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体に対する輝度信号の最小値をImin、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した際に、
挿入部の先端から所定距離離間した位置に配置した白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体を前記対物光学系の近点側でほぼ10%以上のコントラストIで捉えるために、前記対物光学系の焦点距離を変化させる焦点距離可変手段と、
所定距離突出される処置具の先端を、前記焦点距離可変手段によって近点側に設定された時のモニタ上の視野範囲内に配置させるように開口した処置具挿通チャンネルと、
を具備することを特徴とする電子内視鏡システム。
2…電子内視鏡
3…光源装置
4…画像処理装置
5…モニタ
7…挿入部
11…先端部
14…ライトガイド
16a、16b…照明レンズ
17…対物レンズ系
18…CCD
19…撮像ユニット
21…信号ケーブル
25…チャンネル
26…チャンネル先端開口
27…処置具挿入口
28…処置具
31…レンズ枠
33…CCD枠
37…オートフォーカス部
37a…明るさ検出部
37b…コントラスト検出部
37c…CPU
45…ランプ
47…絞り
51…信号変換部
52…画像処理部
54…自動調光部
54a…処置具検出部
54b…輝度検出部
54c…調光信号生成部
Claims (14)
- 所定の画素数を備えた固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に結像させる所定の視野角を備えた対物光学系と、
同じ幅の白と黒の帯の被写体を撮像した時に得られる画像信号から生成された輝度信号を基に、前記白の被写体に対する輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体での輝度信号の最小値をImin、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した時、
挿入部の先端から所定距離離間した位置に配置した被写体を前記対物光学系の近点側で所定値以上のコントラストIで捉えるために、前記対物光学系を構成する少なくとも一部のレンズを駆動し、前記対物光学系の焦点距離を被写界深度が一部重複するように変化させる焦点位置可変手段と、
所定距離突出される処置具の先端を、前記焦点距離可変手段によって近点側に設定された時の視野角内に配置させるように開口した処置具挿通チャンネルと、
を具備することを特徴とする電子内視鏡。 - 前記焦点位置可変手段は、前記対物光学系が、近点側で白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体をほぼ10%以上の前記コントラストIで捉えることができる被写界深度を有し、かつ遠点側で挿入部先端からの距離が50mmの位置に0.5mmの被写体を撮像した際にほぼ10%以上の前記コントラストIで捉えることができる被写界深度を有する、前記対物光学系を構成する少なくとも1つのレンズを連続的に変化可能にしたことを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡。
- 前記焦点位置可変手段は、前記対物光学系が、近点側で白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体をほぼ10%以上の前記コントラストIで捉えることができる被写界深度を有し、かつ遠点側で挿入部先端からの距離が50mmの位置に0.5mmの被写体を撮像した際にほぼ10%以上の前記コントラストIで捉えることができる被写界深度を有する、前記対物光学系を構成する少なくとも1つのレンズを、前記近点側及び前記遠点側の2つの位置に設定可能にしたことを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡。
- 前記焦点位置可変手段は、さらに前記近点側及び前記遠点側の2つの位置の間となる第3の位置に、前記対物光学系を構成する少なくとも1つのレンズを設定可能にしたことを特徴とする請求項3に記載の電子内視鏡。
- 前記対物光学系の先端レンズ面での光線高Lh、前記処置具挿通チャンネルの先端開口の半径R、前記対物光学系の光軸と前記先端開口の中心との距離D、前記対物光学系による前記固体撮像素子に結像可能な画角θ、前記被写体までの距離をdとした場合、
D≦d/tan(90°−θ/2)+Lh−R
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡。 - 前記焦点可変手段により焦点位置が近景になっている時の前記対物光学系及び前記固体撮像素子を含む撮像装置の視野角が、100°以上で、前記固体撮像素子は、モニタ表示に有効な画素数が60万画素以上のモザイクカラーフィルタを有することを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡。
- 前記焦点可変手段により焦点位置が近景になっている時の前記対物光学系及び前記固体撮像素子を含む撮像装置の視野角が、100°以上で、前記固体撮像素子は、モニタ表示に有効な画素数が25万画素以上の白黒の固体撮像素子を有することを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡。
- 被写体の光学像を結ぶ対物光学系と、前記対物光学系の結像する位置に受光面が配置され、この受光面に結像された光学像を光電変換する固体撮像素子とを挿入部に有する電子内視鏡と、前記固体撮像素子からの画像信号をモニタに表示するための映像信号に変換する画像処理装置と、
を備えた電子内視鏡システムにおいて、
同じ幅の白と黒の帯の被写体を撮像した時に得られる映像信号から生成された輝度信号を基に、前記白の被写体を撮像した時に得られる輝度信号の最大値をImax、前記黒の被写体に対する輝度信号の最小値をImin、コントラストIをI=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)と定義した際に、
挿入部の先端から所定距離離間した位置に配置した被写体を前記対物光学系の近点側で所定以上のコントラストIで捉えるために、前記対物光学系の焦点距離を変化させる焦点距離可変手段と、
所定距離突出される処置具の先端を、前記焦点距離可変手段によって近点側に設定された時のモニタ上の視野範囲内に配置させるように開口した処置具挿通チャンネルと、
を具備することを特徴とする電子内視鏡システム。 - 前記焦点位置可変手段は、前記対物光学系が、近点側で白黒ペアの帯のピッチが35μmの被写体をほぼ10%以上の前記コントラストIで捉えることができる被写界深度を有し、かつ遠点側で挿入部先端からの距離が50mmの位置に0.5mmの被写体を撮像した際にほぼ10%以上の前記コントラストIで捉えることができる被写界深度を有する、前記対物光学系を構成する少なくとも1つのレンズを移動させることを特徴とする請求項8に記載の電子内視鏡システム。
- 前記固体撮像素子の出力信号に基づいて前記焦点距離可変手段を制御する制御信号を発生し、前記対物光学系を合焦状態に設定するフォーカス制御手段を有することを特徴とする請求項8に記載の電子内視鏡システム。
- 前記対物光学系の先端レンズ面での光線高Lh、前記処置具挿通チャンネルの先端開口の半径R、前記対物光学系の光軸と前記先端開口の中心との距離D、前記対物光学系による前記固体撮像素子に結像可能な画角θ、前記被写体までの距離をdとした場合、
D≦d/tan(90°−θ/2)+Lh−R
を満たすことを特徴とする請求項8に記載の電子内視鏡システム。 - 前記チャンネルの先端開口は、前記モニタ上における前記固体撮像素子により撮像された光学像を表示する表示エリアにおける表示エリアの広い方向に対向するように配置されていることを特徴とする請求項8に記載の電子内視鏡システム。
- 前記焦点可変手段により焦点位置が近景になっている時の前記対物光学系及び前記固体撮像素子を含む撮像装置の視野角が、100°以上で、前記固体撮像素子は、モニタ表示に有効な画素数が60万画素以上のモザイクカラーフィルタを有することを特徴とする請求項8に記載の電子内視鏡システム。
- 前記焦点可変手段により焦点位置が近景になっている時の前記対物光学系及び前記固体撮像素子を含む撮像装置の視野角が、100°以上で、前記固体撮像素子は、モニタ表示に有効な画素数が25万画素以上の白黒の固体撮像素子を有することを特徴とする請求項8に記載の電子内視鏡システム。
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