JP4402800B2

JP4402800B2 - 内視鏡装置

Info

Publication number: JP4402800B2
Application number: JP2000085972A
Authority: JP
Inventors: 逸司南; 俊宮野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: JP2001269306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内視鏡装置、特に像面湾曲特性を変化させ得る対物レンズ群が用いられ、被観察体の高さ情報を表示する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子内視鏡装置等では、スコープ先端部の対物レンズ系に変倍のための可動レンズを配置し、光学的に被観察体像を拡大することが行われている。そして、この光学的に拡大された像はＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子で撮像され、このＣＣＤから出力されたビデオ信号（画像信号）につきプロセッサ装置により各種の画像処理を施すことにより、モニタに被観察体の拡大画像が表示される。
【０００３】
図１５には、上記電子内視鏡装置で形成された拡大表示画像の一例が示されており、図１５（Ａ）はモニタ上の表示、図１５（Ｂ）は表示された被観察体の断面である。この図１５（Ａ）は、モニタ１の円形マスクＭ内に患部の陥没部Ｋ₁を拡大表示したものであるが、内視鏡の変倍機構においては７０〜１００倍までの像拡大によって注目部位を観察できるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内視鏡の対物レンズ系においては、特に凹凸のある部位を拡大すると、非点収差，像面湾曲収差等によって周辺部位又は中央部がピンボケになる場合があった。例えば、図１５の場合で説明すると、拡大された陥没部Ｋ₁の中央部にピントが合っているとき、周辺部がピンボケになったり、陥没部Ｋ₁の周辺部にピントが合っているとき、中心部がぼやけたりするという現象が生じ、ピントが画像全体において均一に合った状態にならない場合があった。
【０００５】
一方、図１５等の凹凸部位の拡大画像においては、その凹部の深さ、凸部の高さ等がどの程度であるのかを正確に把握するのは比較的困難であり、この凹凸の高低（差）情報を提供することができれば、注目部位の診断、処置等に極めて役立つことになる。
【０００６】
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、像面湾曲特性を利用し、被観察体の凹凸部の形状に対応してピント合わせを行うことにより、凹凸形状の高低情報を得ることができる内視鏡装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る内視鏡装置は、内視鏡先端部に配置され、可動レンズを移動させることにより像面湾曲（非点収差を含む像面湾曲）特性を変化させ得る対物レンズ群と、この対物レンズ群の像面湾曲用可動レンズを駆動する駆動手段と、上記像面湾曲用可動レンズの駆動により画像の中心部と周辺部にピントが合ったときの像面湾曲量から、画像中心部の周辺部に対する被観察体の高低情報を演算する演算手段と、この演算手段により得られた被観察体の高低（差）情報を出力する出力手段とを含んでなることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記演算手段により得られた被観察体の高低情報をモニタに画面表示する表示制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、上記高低情報として等高線情報を表示することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、上記対物レンズ群の撮像領域を複数に分割し、この分割領域からの情報の比較により中心部と周辺部のピントが所定の範囲にあるか否かを判定する判定手段を設け、この判定手段の判定に基づいて中心部と周辺部のピントが所定の範囲にあるとき上記被観察体の高低情報をモニタに表示することを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、例えば対物レンズ群の中に２つの可動レンズ（群）を設けることにより、変倍をさせると共に像面湾曲特性を変化させるように構成することができる。この像面湾曲は、画面中心の像位置に対してアンダー方向、オーバー方向に生じ、アンダー方向への操作により凹部形状、オーバー方向への操作により凸部形状に応じてピント合わせを行うことが可能となる。そして、凹凸部に対しピントが合ったときの像面湾曲量は上記可動レンズの移動状態から把握することができ、この像面湾曲量から凹凸の中心部と周辺部の高低情報が演算される。この高低情報は、出力手段や表示制御手段により例えば断面形状と高低差値、或いは等高線及び高低差値等でモニタへ表示させ、プリンタ等の機器に出力することができる。
【００１０】
請求項４に係る発明によれば、比較手段により画像の中心部と周辺部のピントが合っているか否かが比較され、このピントの合否、即ち合焦状態が制御回路へ供給される。そして、この制御回路は画像全体が合焦状態にあるとき、高低情報の表示を実行することになり、これによれば高低情報の正確さを担保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、実施形態例に係る電子内視鏡装置の構成が示され、図２には、図１の対物レンズ群の構成が示されている。図１において、電子スコープ（電子内視鏡）１０の先端部には、第１レンズ（群）Ｌ₁、第２レンズ（群）Ｌ₂、第３レンズ（群）Ｌ₃からなる対物レンズ群（図の左側が物体側）及び撮像素子としてのＣＣＤ１１が設けられており、この対物レンズ群（第１例）は、所謂フローティングを利用したもので、例えば図２のような構成とすることができる。
【００１２】
図２に示されるように、第１レンズＬ₁は左側の観察窓レンズ（平凹）と平凸レンズの２枚からなり、固定レンズとして配置されるが、第２レンズＬ₂は主に変倍機能をするための１枚の平凸レンズ、第３レンズＬ₃は主に像面湾曲特性を変化させるための平凹レンズ及び両凸レンズの２枚からなり、両者共に可動レンズとして配置される。なお、絞りＤ₁は上記第２レンズＬ₂の前側に一体に取り付けられる。この対物レンズ群によれば、第２レンズＬ₂と第３レンズＬ₃の両方を光軸方向に相対的に移動させることにより、像を変倍させると共に、像面湾曲特性を変化させることができる。
【００１３】
図１において、上記第２レンズＬ₂にアクチュエータ１２Ａ、第３レンズＬ₃にアクチュエータ１２Ｂが設けられており、これらのアクチュエータ１２Ａ，１２Ｂとしては、電圧アクチュエータ、静電アクチュエータ等の各種リニアアクチュエータや、線状伝達部材をモータで回転駆動し、この回転運動をレンズＬ₂，Ｌ₃の直線運動に変換する構成等を用いることができる。これらアクチュエータ１２Ａ，１２Ｂには、ドライバ１４を介してマイコン１５が接続され、このマイコン１５の制御によって変倍動作、像面湾曲動作が実行される。このマイコン１５は、その他、装置機能の各種制御を行う。
【００１４】
また、電子スコープ１０の操作部１０Ｃ等には、Ｎｅａｒ方向とＦａｒ方向のそれぞれに操作する変倍スイッチ１７、アンダー方向とオーバー方向のそれぞれに操作する像面湾曲スイッチ１８（二動作）が配置されており、これらの操作信号は上記マイコン１５へ出力される。従って、マイコン１５は上記変倍スイッチ１７からの制御信号により画像の拡大及び縮小の制御をすると共に、像面湾曲スイッチ１８からの制御信号により像面湾曲特性をアンダー（中心に対し、外周部の焦点位置が物体側へ移動する）方向とオーバー（中心に対し、外周部の焦点位置が物体と反対側へ移動する）方向に発生させることができる。
【００１５】
図３には、図２の対物レンズ群（第１例）で得られる諸収差の特性が示されており、この図３の（Ａ）〜（Ｃ）は図２の（Ａ）〜（Ｃ）のレンズ位置に対応している。図４は、総合的な像面湾曲の特性を概念的に示したものであり、この図はＣＣＤ１１の撮像面の中心点から垂直Ｖ方向（高さ方向）における焦点位置を表している。例えば、図２の（Ａ）から（Ｃ）に示されるように、第２レンズＬ₂と第３レンズＬ₃を相対的に所定量だけ移動させると、物体側に像面が倒れた状態となるアンダー（特性Ｊ_a）から反対側に像面が倒れるオーバー（特性Ｊ_z）までの任意の像面湾曲特性に変化させることができる。
【００１６】
また、上記第２レンズＬ₂と第３レンズＬ₃の移動位置を検出するエンコーダ１６Ａ，１６Ｂが設けられ、上記マイコン１５はこのエンコーダ１６Ａ，１６Ｂの出力に基づき、拡大率を特定すると共に、現在発生している像面湾曲量を演算する。
図５には、第３レンズＬ₃の移動量（ｘ）に対する像面湾曲量（ｙ）の関係が示されており、例えば図３の非点収差のグラフに示されるように、画面の上下端（垂直方向）Ｖ₁の演算式は、像光の６割の所のサジタルとタンジェンシャルの平均像面で捉えたとすると、ｙ_Ｖ＝１．５０ｘ−０．０４（式１）で近似することができる。また、画面の左右端（水平方向）Ｈ₁の演算式は、像光の８割の所のサジタルとタンジェンシャルの平均像面で捉えたとすると、ｙ_Ｈ＝２．７５ｘ−０．０７（式２）で近似することができる。
【００１７】
上記の演算式１，２により、画面中央がｙ＝０となるときの上下端Ｖ₁及び左右端Ｈ₁の像面湾曲量が得られることになり、この像面湾曲量とそのときの拡大率により中央部と周囲の高低差が求められる。また、上記演算式は、像高（ｈ）に対応して得ることができ、複数箇所の演算式を用いて複数点の高低差を演算すれば等高線データを得ることができる。
【００１８】
一方、図１において、プロセッサ装置には上記ＣＣＤ１１から映像信号を読み出すための信号を供給するタイミングジェネレータ（ＴＧ）２０が設けられ、また映像信号の処理系として、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）／ＡＧＣ（自動利得制御）回路２２、Ａ／Ｄ変換器２３、ホワイトバランス、ガンマ補正、輪郭補正等の各種のデジタル処理を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）２４、画像を一旦記憶するフレームメモリ２５、Ｄ／Ａ変換器２６、表示器形式に合わせて出力処理をするエンコーダ（ＥＮＣ）２７が配置される。このエンコーダ２７から出力される被観察体の映像信号がモニタ２８へ供給される。
【００１９】
そして、当該例において上述の像面湾曲量に基づいた高低差情報を表示するため、ＲＯＭ（読出し専用メモリ）３１とキャラクタジェネレータ３２が設けられる。即ち、上記ＲＯＭ３１には第３レンズＬ₃の位置から上記演算式１及び２により求められる像高に応じてサンプリングされた像面湾曲量データであって、第２レンズＬ₂の位置から判定される拡大率に対応してテーブル化された高低差データが記憶され、これらのデータはマイコン１５により読み出されることになり、キャラクタジェネレータ３２ではこの高低差データに基づき図７〜図９に示すような高低差情報画を発生させる。
【００２０】
また、上記マイコン１５は、画像又は画面の中心部と周辺部のピントが合っているか否かを判定しており、この判定のために映像信号の高域成分（エッジ部分のコントラストデータ）を抽出する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３０が上記Ａ／Ｄ変換器２３の後段に設けられ、このＢＰＦ３０の出力がマイコン１５に供給される。
【００２１】
即ち、図１０に示されるように、画像（画面）領域を中心部ａと４つの周辺部ｂ，ｃ，ｄ，ｅに分割し、これらの分割領域ａ〜ｅの上記映像信号の高域成分を抽出し、例えば全ての領域（全部ではなく、ａとｂ〜ｅの何れか等でもよい）の高域成分が基準値以上となる場合に、画面全体が合焦状態であることを判定する。そして、当該例では、この合焦状態が判定されるときのみ、高低差情報を表示するように制御することもできるし、この合焦状態はモニタ等に表示するだけでもよい。
【００２２】
更に、上記の高低差情報は像面湾曲スイッチ１８の操作中に表示するように制御してもよいし、高低差表示の専用の操作スイッチをプロセッサ装置又は電子スコープ１０のいずれかに配置してもよい。
【００２３】
実施形態例は以上の構成からなり、その作用を説明する。当該装置では、上述した対物レンズ群（Ｌ₁〜Ｌ₃）により被観察体が捉えられ、この被観察体像がＣＣＤ１１で撮像されると、映像信号がタイミングジェネレータ２０の読出し信号により読み出され、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路２２で相関二重サンプリングと増幅処理が施された後、デジタル信号としてＤＳＰ２４で各種の処理が施される。このようにして形成された映像信号が、エンコーダ２７を介してモニタ２８に出力されることにより、モニタ２８に被観察体の動画が表示される。
【００２４】
そして、電子スコープ操作部１０Ｃの変倍スイッチ１７を操作したときは、第２レンズＬ₂及び第３レンズＬ₃がマイコン１５、ドライバ１４及びアクチュエータ１２Ａ，１２Ｂにより移動制御され、Ｎｅａｒ方向の焦点合わせにより基本像からの拡大像が得られ、Ｆａｒ方向の焦点合わせにより基本像へ戻る方向の縮小像が得られ、これらの像がＣＣＤ１１で撮像される。しかし、Ｎｅａｒ方向の拡大時において凹凸が存在する被観察体においては、像面湾曲特性により周辺部のピントが合わないことが起こる。
【００２５】
このようなとき、像面湾曲スイッチ１８を操作することにより周辺部のピントを合わせることができる。即ち、この像面湾曲スイッチ１８をオーバー方向に操作したときには、図２の（Ａ）〜（Ｃ）のように、第２レンズＬ₂と第３レンズＬ₃がアクチュエータ１２Ａ，１２Ｂにより移動制御され、これによって図４のアンダーの焦点位置（Ｊａ）からオーバーの焦点位置（Ｊｚ）へ変化する像面湾曲が付与される。また、アンダー方向に操作したときは、レンズＬ₂，Ｌ₃の上記と逆の移動動作により、オーバーの焦点位置（Ｊｚ）からアンダーの焦点位置（Ｊａ）へ変化する像面湾曲が設定される。
【００２６】
例えば、図６（Ａ）に示されるように、被観察体が陥没部Ｋ₁であった場合はアンダーの特性Ｊ₁の像面湾曲を付与することにより、陥没部Ｋ₁の形状に適したピント合わせが行われ、また図６（Ｂ）に示されるように、被観察体が突起部Ｋ₂であった場合はオーバーの特性Ｊ₂の像面湾曲を付与することにより、突起部Ｋ₂の形状に適したピント合わせが行われる。
【００２７】
そして、像面湾曲が発生しているとき、又は上記高低差表示スイッチが押されたとき等に、マイコン１５は、第２レンズＬ₂と第３レンズＬ₃の位置（エンコーダ１６Ａ，１６Ｂの出力）データに基づきＲＯＭ３１から高低差データを読み出し、この高低差データをキャラクタジェネレータ３２へ供給する。このキャラクタジェネレータ３２では、高低差値と共に現在の被観察体像の高低差表示画を形成し出力することになり、この高低差表示画はモニタ２８に表示される。
【００２８】
即ち、図７は凸部の高低差情報を断面表示したものであり、この場合は、モニタ２８には凸部断面形状と周辺部を基準（０）にした高さｂ₁，ｂ₂、水平方向の長さａ₁，ａ₂等の実際の寸法が表示される。
図８は、凸部の高低情報を等高線表示（俯瞰表示）したものであり、この場合は、等高線形状と周辺部を基準にした高さｃ₁〜ｃ₅等の寸法が表示される。
図９は、凹凸部を３次元表示したものであり、この場合は、図９（Ａ）の凸部、図９（Ｂ）の凹部のように、立体形状と周辺部を基準にした高さｂ₁，ｂ₂、水平方向の長さａ₁，ａ₂等の寸法がモニタ２８に表示される。なお、これらの高低表示画は、被観察体画像に重ねて表示される。また、上記高低情報はプリンタ等の機器に出力することもできる。
【００２９】
また、当該例のマイコン１５は上記ＢＰＦ３０から入力された高域成分に基づき、画像全体においてピントが合っているか否かの判定が行われる。図１１には、このときのマイコン１５の動作が示されており、Step１０１では図１０で説明した画像中心部ａの高域成分を抽出し、次のStep１０２によりこの抽出値が基準値よりも大きいか否か（抽出値＞基準値）の比較を行う。一方、Step１０３では図１０の画像周辺部ｂ，ｃ，ｄ，ｅの高域成分を抽出し、次のSTEP１０４によってこの抽出値が基準値よりも大きいか否か（抽出値＞基準値）の比較を行う。次に、Step１０５では、上記領域ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの比較出力が全てＹＥＳであるか否か（ａ・ｂ・ｃ・ｄ・ｅ＝ＹＥＳ？）の判定が行われ、ＹＥＳのときに合焦信号（全体ピント一致信号）を出力する（Step１０６）。
【００３０】
そして、上記Step１０６で合焦信号が出力されたとき、マイコン１５は上記の高低差情報の表示を許容するように制御することができる。これによれば、合焦信号が得られないときは高低差情報の表示をしないことにより、情報の正確さを確保することができる。
【００３１】
図１２には、図２とは異なる構成の第２例の対物レンズ群の構成が示されている。この第２例の対物光学系は、第１レンズ（群）Ｌ₅、第２レンズＬ₆、第３レンズＬ₇、第４レンズＬ₈（群）から構成され、第１レンズＬ₅は左側の観察窓レンズ（平凹）、平凹レンズ及び両凸レンズの３枚からなる固定レンズである。一方、可動レンズとしての第２レンズＬ₆は１枚の両凸レンズ、可動レンズとしての第３レンズＬ₇は像側に凹面を向けた１枚のメニスカレンズからなり、第４レンズＬ₈は両凸レンズ、両凹レンズ及び両凸レンズの３枚からなる固定レンズである。なお、絞りＤ₂は上記第３レンズＬ₇の後側に一体に取り付けられる。このような対物光学系によっても、第２レンズＬ₆と第３レンズＬ₇の両方を光軸方向に相対的に移動させることにより、変倍像が得られると共に像面湾曲を変化させることができる。
【００３２】
図１３には、この第２例の対物レンズ群の諸収差が示されており、このような特性の対物レンズ群においては、図１４に示される演算式を得ることができる。即ち、図１４には、第３レンズＬ₃の移動量（ｘ）に対する像面湾曲量（ｙ）が示されているが、この場合も、図１３の非点収差のグラフに示したように、画面の上下端Ｖ₂の演算式は、像高の６割の所のサジタルとタンジェンシャルの平均像面で捉えたとして、ｙ_Ｖ＝１．２０ｘ−０．０３９（式３）で近似することができる。また、画面の左右端Ｈ₂の演算式は、像光の８割の所のサジタルとタンジェンシャルの平均像面で捉えたとして、ｙ_Ｈ＝２．２０ｘ−０．０３４（式４）で近似することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対物レンズ群及び駆動手段により像面湾曲が生じるように構成し、これにより発生させた像面湾曲量から画像中心部の周辺部に対する高低情報を求め、この高低情報をモニタに画面表示し、また他の機器に出力できるようにしたので、拡大時における被観察体の凹凸部の周辺部のピントボケ状態が解消されるとともに、凹凸形状の高低情報を得ることが可能となり、注目部位の診断、処置等に役立つ情報を提供できるという利点がある。
【００３４】
請求項４の発明によれば、中心部と周辺部のピントが所定の範囲にあるか否かを判定する判定手段を設け、この判定手段の判定に基づいて中心部と周辺部のピントが所定の範囲にあるとき上記高低情報を表示するようにしたので、凹凸部の高低情報の精度を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る電子内視鏡装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態例の対物レンズ群の第１例の構成及びその動作状態を示す図［図（Ａ）〜図（Ｃ）］である。
【図３】対物レンズ群の第１例の諸収差を示すグラフ図である。
【図４】実施形態の対物レンズ群により生じる像面湾曲の状態（量）を示すグラフ図である。
【図５】対物レンズ群の第１例におけるレンズ移動量と像面湾曲量との関係を示す図である。
【図６】被観察体の凹凸形状と発生可能な像面湾曲特性との関係を示す図［図（Ａ），（Ｂ）］である。
【図７】モニタ上に被観察体凸部の高低差情報を断面表示したときの図である。
【図８】モニタ上に被観察体凸部の高低差情報を等高線表示したときの図である。
【図９】モニタ上に被観察体の凸部［図（Ａ）］及び凹部［図（Ｂ）］の高低差情報を３次元表示したときの図である。
【図１０】画像全体のピント判定手段で比較する分割領域を示す図である。
【図１１】実施形態例のマイコンにおけるピント判定動作を示すフローチャートである。
【図１２】実施形態例の対物レンズ群の第２例の構成を示す図である。
【図１３】対物レンズ群の第２例の諸収差を示すグラフ図である。
【図１４】対物レンズ群の第２例におけるレンズ移動量と像面湾曲量との関係を示す図である。
【図１５】従来の電子内視鏡装置において拡大された被観察体のモニタでの表示状態［図（Ａ）］とその被観察体の断面［図（Ｂ）］を示す図である。
【符号の説明】
１，２８ … モニタ、
１０ … 電子スコープ、
１１ … ＣＣＤ、１５ … マイコン、
１６Ａ，１６Ｂ … エンコーダ、
１７ … 変倍スイッチ、
１８ … 像面湾曲スイッチ、３１ … ＲＯＭ、
３２ … キャラクタジェネレータ、
Ｌ₁ … 第１レンズ（固定レンズ）、
Ｌ₂ … 第２レンズ（可動レンズ）、
Ｌ₃ … 第３レンズ（可動レンズ）。

Claims

内視鏡先端部に配置され、可動レンズを移動させることにより像面湾曲特性を変化させ得る対物レンズ群と、
この対物レンズ群の像面湾曲用可動レンズを駆動する駆動手段と、
上記像面湾曲用可動レンズの駆動により画像の中心部と周辺部にピントが合ったときの像面湾曲量から、画像中心部の周辺部に対する被観察体の高低情報を演算する演算手段と、
この演算手段により得られた被観察体の高低情報を出力する出力手段とを含んでなる内視鏡装置。
上記演算手段により得られた被観察体の高低情報をモニタに画面表示する表示制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の内視鏡装置。
上記高低情報として等高線情報を表示することを特徴とする請求項１又は２記載の内視鏡装置。
上記対物レンズ群の撮像領域を複数に分割し、この分割領域からの情報の比較により中心部と周辺部のピントが所定の範囲にあるか否かを判定する判定手段を設け、この判定手段の判定に基づいて中心部と周辺部のピントが所定の範囲にあるとき上記被観察体の高低情報をモニタに表示することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内視鏡装置。