JP3550346B2 - ビデオカメラのピントおよびズームの調節装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラのピントおよびズームの調節装置に関し、特に内視鏡のようにカメラヘッドが小さいビデオカメラに適用するのに好適なピントおよびズームの調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医師が、助手に頼らず内視鏡カメラ本体を自から保持するかまたは機械的な保持アームによって内視鏡カメラ本体を固定して使用する場合、ピント調整を自動化できると、内視鏡の操作性は顕著に向上し、医師は外科活動もしくは診断活動に集中することができる。しかしながら実用上、内視鏡の自動ピント調節（オートフォーカス）は人間の目に知覚されないように動作しなけらばならい。このため特に内視鏡においては、制御系および駆動装置は非常に高速でなければないと同時に、カメラヘッド内およびカメラコントローラに接続するケーブル内において画像信号に障害を起さないようにする必要がある。
【０００３】
慣用的なビデオカメラでは、オートフォーカスに電動モータを使用している。たとえば、スピンドルを介して直線的に案内されたピント調節部材を電動モータによって駆動する方法が実現されている。また、電動モータによるその他の運動伝達形態としては、ピント調節部材を包含しているスリーブに周設するギアを介して行われる。この場合、このスリーブが回転すると、その回転運動はスリーブ内の螺旋形スリットを通して焦点スリーブの並進的調節に変換される。ここで仮に、内視鏡のカメラヘッド内に電動モータを使用すると、ビデオ画像に障害が引き起こされてしまう。さらに、電動モータは１つの方向に連続して運動するので、特定の目標位置に瞬時に移動することはできず、内視鏡で求められるような目で知覚できない高速ピント調節は困難である。
【０００４】
内視鏡においては、圧電アクチュエータを用いたオートフォーカスが開示されている（米国特許第５４９００１５号）。このフォーカス駆動部の圧電アクチュエータは、複数の板状の圧電式セラミック素子と、それらの間に配された電極層と、が互いに上下に積み重ねられた圧電式積層アクチュエータであり、相応の操作で瞬発的に膨張させることができる。付着摩擦によって溝内に位置決めされている圧電式アクチュエータは、この瞬発的膨張によって機械的な衝撃力を起こして溝内で滑動する。このようにして、アクチュエータと接続されたピント調節レンズの保持部材を瞬発的に動かすことができる。この瞬発運動を連続的に反復すると知覚可能となる。この場合、前または後への方向付けは、圧電式アクチュエータに印加される操作電圧のスロープによって規定される。しかし、十分な調節行程を達成するためには特定の時間内に連続的な電圧パルスが必要となり、これらの電圧パルスはビデオ画像にノイズを招く。なぜならば、カメラケーブル内では、制御導線から画像（ビデオ）信号導線への誘導妨害はある程度避けられないからである。またヘッド内において、敏感なカメラ電子装置に調節部材を直接隣接させる場合においても、同様のことが当てはまる。
【０００５】
一方、カメラのズームレンズを操作するため駆動系として直列の駆動機構が知られている。ドイツ特許出願第４３１２４８９Ａ１号、欧州特許出願第０６３４６８０Ａ２号にはバリオレンズのために同期モータもしくはブラシモータを使用し、また伝動のためにピニオン、ラックおよび螺旋形ガイドを使用した電動駆動装置が開示されている。これは標準ビデオカメラに使用するための実用的な解決手段である。しかし、内視鏡では、このような電動モータの駆動によっても画像にノイズが発生する恐れがある。さらに、これらの電動モータは通常かなりのスペースを必要とするので、内視鏡内の駆動装置としては適していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題に基づいてなされたもので、従来の装置を改良して、カメラヘッド内およびカメラコントローラに接続するケーブル内で、画像信号に障害を引き起こさないビデオカメラ用のピントおよびズームの調節装置を提供することを目的とする。特に、内視鏡カメラのように比較的小さなカメラヘッドを備えるカメラ用のピントおよびズームの調節装置を提供することを目的とする。また本発明は、体腔内で内視鏡が及ぼす力を最小限にし、ピント調節行程を短くし、軽量で小さいピント調節装置を提供することを目的とする。これによって、調節行程の解像度および伝動に対する高い要求を満足させることができる。さらに本発明は、ズーム駆動をより正確にして、ズーム駆動時に振動および画像の歪みを与えないズーム調節装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、請求項１記載の発明によって解決される。この発明の本質的な特徴は、ビデオ信号内で抽出される垂直同期パルスに基づいて時間窓を形成し、利用することである。この時間窓を、ピント調節回路およびズーム制御回路に供給して、この時間窓によって指定された帰線消去期間内でのみ、ピント調節回路からのピント調節信号を圧電式アクチュエータに供給すると共に、前述の時間窓によって指定された帰線消去期間内でのみ、ズーム制御回路からのズーム調節信号をズーム駆動部に供給することを特徴としている。
【０００８】
このように、ビデオ画像データの読み出しに関わりない持続時間、たとえば２０ｍｓのサイクルのうち１．６ｍｓを、ピント調節のためのピント調節信号の出力に用い、且つズーム駆動装置のためのズーム調節信号の出力にに用いるので、ＣＣＩＲもしくはＰＡＬ規格のテレビ系において操作電流がビデオ信号に干渉せず、画像障害を除去できる。
【０００９】
そして、本発明によるピント調節装置には、圧電式曲げアクチュエータを用いる。２つまたは３つの条片状の圧電式曲げアクチュエータを用いるのが好適である。この圧電式アクチュエータをレンズの光軸に沿って平行に配置し、その一端をたとえば鋳込みによって定置部分に固定する。圧電式曲げアクチュエータに電荷を供給すると、その自由端を変位させることができる。このように形成されたアクチュエータの自由端の運動は、リンク部材を介して、ピント調節レンズを取り囲んで支持するピントレンズスリーブに伝達される。曲げアクチュエータの自由端は光軸に対して直交方向に運動し、リンク部材の傾きによって光軸に沿った運動に変換される。このような圧電式曲げアクチュエータを用いれば、瞬発的な位置決めが可能であり、たとえば始動段階または強度のコントラスト変化中に障害となるピンボケを防止することができる。また、本発明にかかる圧電式アクチュエータは、高速であるため、２つのビデオ半画像の間の短い時間窓を利用してピントを調節することができる。
【００１０】
さらに、本発明においてはズームレンズ系のズーム調節装置にステップモータを使用する。このステップモータは、上述のように各々の帰線消去期間にそれぞれ１つのステップを開始する。そして、ロータ回転運動は、ステップモータの軸に接続された溝ローラを介して、ズームレンズスリーブと接続されたピンを通してズームレンズスリーブの直線的な軸方向運動に変換される。本発明のズーム調節装置によれば、公知の組み合わせ（ピニオン、ラック、螺旋形ガイド）と比較して、特に遊びと摩擦がわずかである。ここで、溝ローラのねじ山長さは、正確にズーム区間に相応しており、溝ねじ山のピッチにより、所望のズーム速度を指定できる。そして、ステップモータは半ステップモードの場合に特に高い運転静音性を有するので、半ステップモードが優先される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はピント調節回路の機能ブロック図を概略的に示したものである。内視鏡カメラのコントローラブロック９内には、ピントを評価して合焦点（インフォーカス）位置を検出する合焦点位置検出部１と、垂直同期ストリッパ２と、電子電位差計３と、マルチビット信号により電位差計３を操作するための比較部４と、カメラコントローラ５と、カメラヘッド７に接続している接続ケーブル８とのインタフェース６と、が組み込まれいる。そして、カメラヘッド７には以下に述べるフォーカス駆動部とズーム駆動部とが組み込まれている。
【００１２】
カメラヘッド７とコントローラブロック９との間の接続ケーブル８は、数メートルになることもある。カメラヘッド７内にはピント調節レンズのための駆動部があり、ピント調節のための制御導線はカメラ機能のための導線と画像データのための導線とに区分される。この場合、従来技術で述べたように、ピント調節レンズを駆動するためのフォーカス駆動部を操作する電流の振幅変化は、一般にビデオ信号（画像データ）に対してノイズを引き起こす恐れがある。ここで本発明者は画像データ伝送中に駆動部を操作しないか、作動しない場合のみ、無ノイズが保証され得ることに注目した。つまり、画像データ伝送と、駆動部の操作と、を時分割すればノイズを抑えることができる。この実施形態では、時分割のためにビデオ半画像間のポーズを用いる。尚、このポーズは、明らかに区別可能な方形パルスすなわちビデオ信号内の垂直同期パルス（Ｖ_Ｓｙｎｃ）によって導入される。そして、この方形パルスを、画像データ伝送を行わない所定の位相を決めるために用いて、この位相中にフォーカス駆動部の圧電式アクチュエータおよびズーム駆動部のステップモータにそれらの位置を変更するための電圧を供給する。
【００１３】
合焦点位置はピント検知部１内で受動的に求められる。この値は、たとえばマイクロコントローラとして構成されている比較部４内でさらに加工される。引き渡された値が以前の値と比較され、この比較に基づいて電子電位差計３への新しい入力値が求められる。この入力値が電子電位差計３に１７ビットフォーマットで引き渡される。このとき、新しい値による電位差計３の作動は１７ビットを引き渡した後で初めて行われることが本発明の特徴である。この最後のビットは、カメラ電子装置から直接信号として得られるか、または垂直同期ストリッパ２によりビデオ信号から抽出された垂直同期パルスＶ_Ｓｙｎｃのフロントスロープによって、正当化が行われたときに初めて送られる。このようにして、電位差計の抵抗は帰線消去期間の開始をもって初めて変更される。これによって後述する圧電式曲げアクチュエータの中央位置に対する電圧が、増減される。この圧電式曲げアクチュエータに対する電圧の増減は、電位差計３によって規定された電圧が完全に印加されるまで続く。この過程は、圧電式曲げアクチュエータの中立位置からの最大変位においても、１．６ｍｓ以内で起こる。これにより、ピント調節（焦点調節）の働きをするピント調節装置の全調節が帰線消去期間内で行われることができ、したがってビデオ画像に障害は生じ得ない。
【００１４】
図２は、圧電式曲げアクチュエータを用いたピント調節装置の第１実施形態を示す概略的な縦断面図である。このピント調節装置では２つの条片状の圧電式曲げアクチュエータ１０および１１を用いている。この圧電式曲げアクチュエータ１０，１１は、スリーブ１７内に包含されている光学レンズ系１９の光軸に沿って、かつ該光軸に対して対称的に配置されている。どちらの圧電式曲げアクチュエータ１０、１１もその一端を固定端とし、たとえば鋳込みによって固定されている（固定箇所２１および２２）。上述したように、垂直帰線消去期間に曲げアクチュエータに電荷が供給されると、この時間間隔内に圧電式アクチュエータ１０および１１は、その自由端（図中左側）を変位させることができる（矢印ＡおよびＢ）。この変位は各々１つのリンク部材１３および１４を介して、ピント調節レンズ１５を支持するピントレンズスリーブ１６に伝達される。この伝達により、光軸とは直交する方向への運動が、接続要素としてのリンク部材１３および１４の傾きにより、光軸に沿った運動ΔＦに変換される。つまり、光軸に対して圧電式アクチュエータ１０、１１の自由端が遠ざかるとピントレンズ１５は図中左側に移動し、その逆に、光軸に対して圧電式アクチュエータ１０、１１の自由端が近づくとピントレンズ１５は図中右側に移動する。
【００１５】
内側スリーブ１７はレンズ系１９を包含し、一方、ピントレンズスリーブ１６はピントレンズ１５を包含していて、図２に示されているように、この２つのスリーブ（内側スリーブ１７、ピントレンズスリーブ１６）が互いに摺動可能であって、この直線案内性により焦点レンズ１５は光軸に対して傾くことが防止されている。
【００１６】
バイモルフ圧電式曲げアクチュエータとして構成された圧電式曲げアクチュエータ１０および１１は、図１に基づいて説明したピント調節回路から、求める曲げ変位に応じて、−３０Ｖと＋３０Ｖとの間で可変な電圧を受け取る。この可変電圧はアクチュエータの中央位置で印加され、他方、外側電極にはそれぞれ−３０Ｖおよび＋３０Ｖの静的電圧が供給される。ここで、圧電式曲げアクチュエータ１０および１１は同期的に操作される。
【００１７】
次に、図３および図４を基に本発明に係る圧電式曲げアクチュエータを備えたピント調節装置の第２実施形態を説明する。図３および図４はぞれぞれ縦断面および横断面の概略図である。この実施形態では、３つの圧電式曲げアクチュエータ１０、１１および１２を用いている。それぞれのピント調節レンズ１５の光軸に対して平行に、かつ光軸に対して対称的にそれぞれ１２０°の角度でずらして配置されている。
【００１８】
圧電式曲げアクチュエータ１０、１１および１２の自由端の曲げ運動は、ピント調節レンズ枠１６の外周に１２０°の間隔で設けられた３つのワイヤリンク２３、２４および２５によって転向される。この方式によれば、第１実施形態（図２）のようなピント調節レンズを直線案内する方法を採らずに済む。尚、３つのアクチュエータ１０、１１および１２の変位差は操作によって補償できる。
【００１９】
さらに付言すると、カメラレンズ系１９を包含しているスリーブ１７には、通常のように１つのＣＣＤセンサまたはプリズムおよび３つのＣＣＤセンサとを有する撮影系１８が接続しており、このピント調節装置がカメラヘッド７（図１）内に配置されている。
【００２０】
図２〜図４に示される実施形態によれば、圧電式曲げアクチュエータ１０、１１および１２の変位速度は速いので、ビデオ技術で実用化されている受動的制御に対して、より効果的なアルゴリズムを適用する様々な可能性が開かれる。また、このような瞬発的な位置決めにより、通常の電動自動ピント調節装置で始動段階に生じてしまう妨害的なピンボケを防止することができる。さらに、このアクチュエータの高速性により、垂直帰線消去期間によって指定された２つのビデオ半画像間の時間窓を利用して、ピント調節を行うことができる。その結果、本発明によるピント調節装置によれば、ピント調節のための操作電流がビデオ信号に対して干渉せずにすみ、画像障害を除去することができる。
【００２１】
図５は、ズーム制御回路（機能ブロック図）と組み合わせた本発明によるズーム調節装置の実施形態を示す概略図である。モータ保持具４０に固定されているステップモータ３０は、ねじ状の溝４１を有する溝ローラ３１を駆動する。この溝ローラ３１を介して、ステップモータ３０の回転運動がピン３２に伝達される。ピン３２自体は、外側スリーブ３４に軸方向に開口したスリットに挿通されて、外側スリーブ３４内に案内されているズームレンズスリーブ４２と結合している。そして、軸方向に働くピン３２力がズームレンズスリーブ３３に伝達して、ズームレンズスリーブ３３が軸方向に摺動する。この方式によれば、公知の解決手段に比べて特に遊びおよび摩擦を少なくすることができる。尚、モータ保持具４０は外側スリーブ３４をセンタリングおよび固定する働きもしている。
【００２２】
溝ローラ３１のねじ山区間は、軸方向に見て正確にズーム区間に対応している。ねじ山溝４１のピッチを介して所望のズーム速度を指定できる。ここで、このズーム調節方法では、ステップモータ３０の運転モードを用いることによりさらなる効果を発揮することができる。半ステップモードでは１ステップ角を９°とし、一方、全ステップモードでは１ステップ角を１８°とする。そのため、５０Ｈｚの交流電源を供給する場合、半ステップモードでは１．２５ｓ^−１の回転数に相応し、全ステップモードにおいて１８°は回転数２．５ｓ^−１に相応する。ここで、半ステップモードではステップモータ３０の運転静音性を高く維持することができるので、半ステップモードが優先される。
【００２３】
溝ローラ３１は、好ましくはプラスチック、アルミニウム、チタンまたは他の軽合金から成る。しかし、ステップモータ３０のモータトルクが溝ローラ３１の慣性モーメントよりも十分に高い場合には、より高密度の他の材料を用いるのが好ましい。
【００２４】
また図５の上側には、ズーム制御回路のブロック図が示されている。ズーム制御回路は、ズームキー３７および３８と接続された制御ブロック３６と、プログラム可能なゲートアレイ３５と、を有する。ゲートアレー３５はビデオ信号４３を受け取り、特に色分割プリズム系を使用する際は「カラーシェーディング」修正のための信号４４を生成する。制御ブロック３６は、モーター駆動部と、場合によってはネット部とを有している。
【００２５】
ステップモータ３０の運転に関して言うと、キー３７操作中であればＣＣＤブランクの間も絶えず通電するが、電流の転極は「帰線消去期間」の開始時にその都度同期させている。そのため「帰線消去期間」ごとに、ステップモータ３０のロータはその都度新しい位置に移動する。これはほぼ５００μｓで行われるので、「帰線消去期間」後のＣＣＤブランクの開始時には位相電流の変化はもはやなく、したがってビデオ画像の障害は引き起こされない。ここで、モータ位相全般の電流を帰線消去中の時間窓の間だけにすることは有効ではない。なぜならば、この場合に、モータ３０のロータは振動する傾向があり、それにより、場合によっては規定されないステップ増分を行うことがあるからである。
【００２６】
半画像帰線消去周波数は５０Ｈｚであり、したがってまた帰線消去時間窓の反復周波数でもある。すなわち、上述したように、２０ｍｓのサイクルにおいて、１．６ｍｓの時間窓がその都度のステップ回転に利用できる。半ステップモードの場合モータ３０の半ステップ角９°であるので、角速度５０ｓ^−１×９°＝４５０°／ｓとなり、したがって回転数１．２５ｓ^−１となる。これにより、溝ローラ３１のねじ山のピッチを介して、ズーム速度を調節できる。上述のようなモータを２倍の周波数で駆動すること、すなわち「帰線消去期間」当たり２回のステップ増分を導入することも可能である。そうすることによって、２倍の速さの調節速度が得られる。
【００２７】
ビデオ信号４３および自由にプログラム可能なゲートアレイ３５を用いて、ブロック３６内のモータ駆動部の制御のほかに、その都度のズーム位置に比例する、「カラーシェーディング」修正のための信号４４も同様に形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるピント調節装置を操作するピント調節回路の概略的な機能ブロック図である。
【図２】本発明によるピント調節装置の第１実施形態を示す概略的な縦断面図である。
【図３】本発明によるピント調節装置の第２実施形態を示す概略的な縦断面図である。
【図４】図３の第２実施形態の概略的な横断面図である。
【図５】ズーム制御回路（機能ブロック図）と組み合わせたズーム調節装置の一実施形態を示す概略的な縦断面図である。

Claims (14)

1. 少なくとも２つの条片状の圧電式曲げアクチュエータ（１０、１１）によってレンズ系（１９）のピント調節レンズ（１５）を駆動するフォーカス駆動部と、前記曲げアクチュエータ（１０、１１）を動作させるピント調節信号を生成するためのピント調節回路（１〜４）と、レンズ系のズームレンズ（３３）を駆動するズーム駆動部と、入力されたズーム信号に基づいて前記ズーム駆動部へ供給するズーム調節信号を生成するズーム制御回路（３５〜３８）と、を備えたビデオカメラ用のピントおよびズームの調節装置であって、
   前記フォーカス駆動部は、前記曲げアクチュエータ（１０、１１）を前記ピント調節レンズ（１５）の光軸に沿って且つ該光軸に対して対称的に配置し、そしてこれら曲げアクチュエータ（１０、１１）の自由端をそれぞれリンク部材（１３、１４）を介して前記ピント調節レンズ（１５）を支持するピントレンズスリーブ（１６）に接続することにより、前記曲げアクチュエータ（１０、１５）の曲げ変位を変換して前記ピントレンズスリーブ（１６）を前記光軸方向に直線的に摺動させる構造となっており、
   カメラ電子部から直接または抽出回路によりビデオ信号から抽出する垂直同期信号（Ｖ_Ｓｙｎｃ）に基づいて時間窓を形成し、該時間窓を前記ピント調節回路（１〜４）および前記ズーム制御回路（３５〜３８）に提供し、そして、前記時間窓によって指定された帰線消去期間内でのみ前記ピント調節信号を前記曲げアクチュエータ（１０、１１）に供給すると共に前記ズーム調節信号を前記ズーム駆動部に供給することを特徴とするピントおよびズームの調節装置。
2. リンク部材（１３、１４）がプラスチックフィルムリンクである請求項１記載のピントおよびズームの調節装置。
3. ３つの条片状の圧電式曲げアクチュエータ（１０、１１、１２）をピント調節レンズ（１５）の光軸に沿って且つ該光軸に対し１２０°の角度でずらして配置し、これら曲げアクチュエータ（１０、１１、１２）の自由端をそれぞれリンク部材（２３〜２５）を介してピント調節レンズを支持するピントレンズスリーブ（１６）に接続してある請求項１記載のピントおよびズームの調節装置。
4. リンク部材（２３〜２５）がワイヤリンクである請求項３記載のピントおよびズームの調節装置。
5. レンズ系（１９）の光学的構成要素を包含する内側スリーブ（１７）の外側に、ピントレンズスリーブ（１６）を直線的に滑動可能に配してある請求項１〜４のいずれか１項記載のピントおよびズームの調節装置。
6. 圧電式曲げアクチュエータ（１０、１１、１２）の一端を自由端とし、他端をカメラヘッド内の定置部分（２１、２２）に固定する請求項１〜５のいずれか１項記載のピントおよびズームの調節装置。
7. ピント調節回路は、ピント調節レンズ（１５）のピント度合いを検出するピント検出部（１）と、検出されたピント度合いを以前のピント度合いと比較し、この比較に基づいて電圧発生器（３）への入力信号を形成する比較部（４）と、を備え、前記電圧発生器（３）が前記ピント調節レンズ（１５）の位置に相応するピント調節電圧を、垂直帰線消去期間内のみ圧電式曲げアクチュエータ（１０、１１、１２）に供給する請求項１〜６のいずれか１項記載のピントおよびズームの調節装置。
8. 電圧発生器（３）は電子電位差計である請求項７記載のピントおよびズームの調節装置。
9. ピント調節回路は、電子電位差計（３）への入力信号をマルチビット信号として形成するマイクロプロセッサ（１、４）を備える請求項８記載のピントおよびズームの調節装置。
10. ズーム駆動部は、ズームレンズ（３３）を駆動するステップモータ（３０）を備え、該ステップモータ（３０）が帰線消去期間あたりそれぞれ１ステップまたは半ステップ調整できるようにズーム制御回路（３５〜３８）によって操作される請求項１〜９のいずれか１項記載のピントおよびズームの調節装置。
11. ズーム駆動部は、ズームレンズ（３３）を支持するズームレンズスリーブ（４２）を、カメラヘッド内に定置された外側スリーブ（３４）内で直線的に案内し、前記ズームレンズスリーブ（４２）から半径方向に突出させて設けたピンを、前記外側スリーブ（３４）に設けた軸方向縦スリットを通して、ステップモータ（３０）のモータ軸の軸方向延長上に座着している溝ローラ（３１）のねじ状溝（４１）へ係合させ、これによりモータの回転運動を前記ズームレンズスリーブ（４２）の軸方向直線運動に変換するようにしてある請求項１０記載のピントおよびズームの調節装置。
12. 溝ローラ（３１）がプラスチックまたは軽合金から成る請求項１１記載のピントおよびズームの調節装置。
13. ズーム制御回路（３５〜３８）はステップモータ（３０）に半ステップモードを優先させる請求項１０〜１２のいずれか１項記載のピントおよびズームの調節装置。
14. ステップモータ（３０）の半ステップ角が９°である請求項１３記載のピントおよびズームの調節装置。

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