JP4402802B2

JP4402802B2 - 電子内視鏡装置

Info

Publication number: JP4402802B2
Application number: JP2000096063A
Authority: JP
Inventors: 逸司南; 俊宮野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001275955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子内視鏡装置、特に変倍用可動レンズを設けて光学的な拡大像を観察することができる装置において上記可動レンズの移動位置情報を得るための構成に関する。
【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、この可動レンズをアクチュエータ等で駆動し、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からの出力信号（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。このような光学変倍機構においては、７０〜１００倍程度まで観察像を拡大することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記電子内視鏡装置の光学変倍機構においては、変倍用の可動レンズの移動位置を検出するために、エンコーダ等が配置される。即ち、駆動機構によって移動する可動レンズの光軸方向の位置をエンコーダで検出することにより、拡大倍率の正確な値を把握することが可能となる。
【０００４】
しかしながら、上記可動レンズは内視鏡先端部の対物光学系内に組み込まれており、位置検出のエンコーダも当該先端部内に配置することとなる場合は、内部構成が複雑になると共に、細径化された先端部の径が大きくなるという問題があった。
【０００５】
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、エンコーダ等を用いることなく変倍のための可動レンズの移動位置を検出し、各種の制御等に利用することができる電子内視鏡装置を提供することにある。
【０００６】
【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に係る発明は、変倍のための可動レンズを有する対物光学系と、この対物光学系で捉えられた拡大像を撮像する撮像素子とを備えた電子内視鏡装置において、上記撮像素子の撮像面に結像されたイメージサークル（対物光学系で形成される像光円領域）の移動する境界位置を、当該撮像素子の出力信号から検出する検出手段と、このイメージサークルの境界位置を上記可動レンズの移動位置情報として各種の制御を実行する制御回路とを設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記対物光学系には、像面湾曲を変化させるための可動レンズを設けたことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、変倍用可動レンズを拡大方向へ移動させると、これに対応して撮像面に形成される対物光学系のイメージサークルが少しずつ大きくなることに着目し、このイメージサークルの移動の境界位置（縁）を検出する。即ち、撮像素子で得られた画像情報から、イメージサークルの境界位置において、拡大していない標準時位置に対する拡大時位置の径方向の移動量がマイコン等で検出され、この移動量により可動レンズのＦａｒ端からＮｅａｒ端の間の現在の変倍位置が判定される。そして、この可動レンズの移動位置情報は、モニタへの倍率表示、電気マスク開口の大きさの制御、可動レンズの駆動制御等に利用される。
【０００８】
また、上記対物光学系に上記変倍のための可動レンズと共に像面湾曲特性を変化させる像面湾曲用可動レンズを設けた場合は、中心部と周辺部の焦点位置をずらした像面湾曲を発生させることにより、凹凸が存在する被観察体の周辺部、即ちイメージサークル境界部のピントボケをなくすことができる。従って、凹凸のある被観察体等において拡大時のイメージサークルの境界位置及びその移動量が精度よく検出できることになる。
【０００９】
【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、可動レンズＬ₂，Ｌ₃を有する対物光学系１１が設けられ、この対物光学系１１の結像位置に、撮像面を一致させるようにしてＣＣＤ１２が配置される。上記対物光学系１１には、変倍を行うと共に像面湾曲を変化させるレンズ群が組み込まれており、例えば図２のような構成（第１実施例）となっている。
【００１０】
図２において（図の左側が物体側）、この対物光学系１１は、第１レンズ（群）Ｌ₁、第２レンズＬ₂、第３レンズ（群）Ｌ₃から構成され、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。一方、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（所謂フローティングを利用したもの）、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。このような対物光学系１１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。
【００１１】
図３には、像面湾曲の特性が概念的に示されており、この図はＣＣＤ１２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）までの任意量の像面湾曲を発生させることができる。
【００１２】
図１において、上記第２レンズＬ₂にアクチュエータ１３Ａ、第３レンズＬ₃にアクチュエータ１３Ｂが設けられており、これらのアクチュエータ１３Ａ，１３Ｂとしては、圧電アクチュエータ、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１３Ａ，１３Ｂ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。
【００１３】
また、電子スコープ１０の操作部１０Ｃ等には、Ｎｅａｒ（拡大）方向とＦａｒ（縮小）方向のそれぞれに操作する変倍スイッチ（二動作スイッチ）１７が配置されており、この操作信号は上記マイコン１５へ出力される。なお、上記像面湾曲をアンダー（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）方向に変化させる像面湾曲スイッチを設けることもできる。
【００１４】
図１において、プロセッサ装置には、上記ＣＣＤ１２へビデオ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、またビデオ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た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ビデオ信号がモニタ２８へ供給される。
【００１５】
そして、上記マイコン１５は、上記フレームメモリ２５に格納された画像情報に基づき、対物光学系１１の像光円領域であるイメージサークルの境界位置を検出し、例えばＦａｒ端（標準位置）からの移動量を演算する。即ち、図４に示されるように、ＣＣＤ１２の長方形撮像面（有効画素領域）Ｓに対し、拡大しない標準時（Ｆａｒ端）のイメージサークルｋ₁を図４（Ａ）のように撮像面Ｓ内に収まる大きさに設定し、最大拡大時（Ｎｅａｒ端）のイメージサークルｋ₂を例えば図４（Ｂ）のように撮像面Ｓの四隅の点を通る大きさに設定する（これらの設定は任意である）。
【００１６】
ここで、上記イメージサークルｋ₁の半径をｒ₁、他方のイメージサークルｋ₂の半径をｒ₂とすると、変倍のための可動レンズＬ₂，Ｌ₃のＦａｒ端からＮｅａｒ端までの移動に応じて、図４（Ｃ）に示されるように、イメージサークルの境界位置が半径ｒ₁から半径ｒ₂の位置まで移動・変化することになる。従って、この境界位置の径方向の移動（Ｆａｒ端からの長さ又はＮｅａｒ端からの長さ）を検出することにより、可動レンズＬ₂，Ｌ₃の変倍位置、即ち拡大率を演算することができる。
【００１７】
図５及び図６には、イメージサークルの境界位置検出の説明図が示されており、ＣＣＤ１２の右下部においてＦａｒ端イメージサークルｋ₁の境界位置（検出線Ｌ_D上の位置）が例えば４００ライン（ＣＣＤ１２の走査水平ライン）にあり、Ｎｅａｒ端イメージサークルｋ₂の境界位置が４５０ラインにあるとすると、この４００ラインから４５０ラインの間のライン位置を検出し、ｋ₁位置からの移動量ｙから、次の数式１［ｘ_(A)］で変倍位置ｘを求めることができる。
【００１８】
【数１】

【００１９】
即ち、図６のＦａｒ端（ｘ_０）からＮｅａｒ端（ｘ_ｅ）までの変倍位置が演算されることになり、例えば図５のようにイメージサークルがｋａの位置にあったときは、ｋ₁からの移動量ｙ_ａが求められ、このｙ_ａを上記数式１に当てはめることにより、変倍位置ｘ_ａが算出される。このｘ_ａは、図６に示されるようにＦａｒ端（ｘ_０）基準として求めた変倍位置となる。
【００２０】
図１において、プロセッサ装置には更に電気マスク等の各種キャラクタを形成するためのデータ、或いは変倍位置を求めるための演算データ（数式１，２に基づくテーブルデータ）等を格納する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、このキャラクタジェネレータ３２では、変倍率を表示する画像や変倍に応じて大きさを変化させた電気マスクを形成する。
【００２１】
図７には、変倍率表示の一例が示されており、当該例では、水平方向に置かれた棒状体内において明るい点灯部分が左側から伸びてくるようなメータ表示画を用い、右端にＷ（ワイド）、左端にＴ（テレ）を付して、変倍率に応じてＷ端からＴ端へ向けて点灯部（斜線部）が段階的に伸びるように表示する。
【００２２】
図８には、電気マスク表示の一例が示されており、図８（Ａ）はモニタ２８上において標準時のマスクＭ₁が付加された画像、図８（Ｂ）は拡大時のマスクＭ₂が付加された画像である。上記のマスクＭ₁は、図４のイメージサークルｋ₁に対応したものであるが、光学変倍をした場合は、画像の拡大に応じて開口が大きくなるマスク、例えばＭ₂が形成・付加される。このマスクＭ₂の大きさは、上記の変倍位置情報に基づいてマイコン１５により拡大処理される。
【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、上述した対物光学系１１により被観察体が捉えられ、この被観察体の結像はＣＣＤ１２にて撮像される。変倍機構を利用しない標準時（Ｆａｒ端）においては、図４（Ａ）に示されるイメージサークルｋ₁の大きさの被観察体画像が得られ、この画像は図８（Ａ）に示されるように、マスクＭ₁が付加された状態でモニタ２８上に表示される。
【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がドライバ１４及びアクチュエータ１３Ａ，１３Ｂにより移動制御され、Ｎｅａｒ方向への焦点合わせにより基本像に対し拡大した像が得られ、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ＣＣＤ１２で撮像される。
【００２５】
この被観察体の変倍像がＣＣＤ１２で撮像されると、ビデオ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ビデオ信号は、フレームメモリ２５に一旦格納された後、再度読み出されてエンコーダ２７を介してモニタ２８に出力されることにより、モニタ２８に被観察体の拡大画像が表示される。
【００２６】
また同時に、上記フレームメモリ２５の所定の画像情報は、マイコン１５へ供給され、このマイコン１５にて変倍位置が演算される。即ち、図５で説明したように、マイコン１５はイメージサークル境界位置検出に必要な領域の画像データをアドレス指定により読み出し、この所定アドレスの画像信号レベルを比較し、演算することによって、現在のイメージサークル（例えばｋ_ａ）のＦａｒ時のｋ₁位置からの移動量ｙ（例えばｙ_ａ）を求める。
【００２７】
そして、上記ＲＯＭ３１に格納された数式１に基づく演算データから変倍位置ｘ（例えばｘ_ａ）が演算される。この変倍位置ｘは、レンズの移動位置及び拡大率を示す情報であり、この変倍位置情報により次のような制御が行われる。まず、マイコン１５の制御とキャラクタジェネレータ３２により図７の変倍率表示画が形成され、現在の変倍率が伸縮するメータ状点灯部でモニタ２８上に表示される。また、マイコン１５の制御によりキャラクタジェネレータ３２は変倍率に応じた大きさのマスクを形成し、図８（Ｂ）に示すように、拡大画像であるイメージサークルの縁部及びその外側を隠す大きさの円形マスクＭ₂がモニタ２８上に表示される。
【００２８】
更に、上記変倍位置情報によりマイコン１５はドライバ１４を介して可動レンズＬ₂，Ｌ₃の駆動制御をすることになる。例えば、Ｆａｒ端及びＮｅａｒ端に近い位置にあることを判定し、ドライバ１４へブレーキ指令を発したり、或いは駆動速度低下の指令を与えることにより、可動レンズＬ₂，Ｌ₃が端部に突き当たる際の駆動機構の衝撃を緩和すること等が可能となる。
【００２９】
また、当該例の対物光学系１１では、上述のように像面湾曲をも変化させることができ、これによって凹凸が存在する被観察体における拡大像の周辺部のピント合わせが従来に比較して良好になる。即ち、陥没部、ポリープ部（突起部）等をイメージサークル全体に拡大する場合には、周辺部にピントが合わないことが起こる。しかし、当該例では、像面湾曲スイッチを操作したり或いは自動的な補正制御をすることによって、可動レンズＬ₂，Ｌ₃を駆動し、図３で説明したように、像面湾曲をアンダーの焦点位置（Ｊａ）又はオーバーの焦点位置（Ｊｚ）へ変化させることができる。
【００３０】
これにより、周辺部にもピントが合い、全体にピントが合った凹凸部の拡大像を得ることができる。従って、このような像面湾曲を変化させる対物光学系１１を有する当該例では、イメージサークルの境界部分もシャープな画像となるので、画像情報による境界位置の検出が精度よく行えるという利点がある。
【００３１】
図９には、実施形態例の対物光学系１１において図２とは異なる第２実施例の構成が示されている。この第２実施例の対物光学系１１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枚のメニスカスレンズからなり、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。
【００３２】
このような対物光学系１１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。そして、この第２実施例の対物光学系１１を使用した場合の変倍位置ｘの演算式は、次の数式２［ｘ_(B)］となり、この数式２に基づいて変倍位置ｘが求められる。
【００３３】
【数２】

【００３４】
上記実施形態例の対物光学系１１では、像面湾曲についても変化させることができるレンズ構成としたが、単に変倍を行う可動レンズのみを配置する構成としてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、撮像面に結像されたイメージサークルの境界位置の変化を画像信号から検出する検出手段と、このイメージサークル境界位置を変倍可動レンズの位置情報として各種の制御をする制御回路を設けたので、位置検出のためのエンコーダ等を用いることなく変倍用可動レンズの移動位置を把握し、各種の制御等に利用することができ、内視鏡先端部の構成を複雑にすることもないという効果がある。
【００３６】
請求項２の発明によれば、上記対物光学系に変倍用の可動レンズと共に像面湾曲を変化させるための可動レンズを設けたので、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、イメージサークルの境界位置及びその移動量を精度よく検出できるという利点がある。
【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】実施形態例における対物光学系の第１実施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】実施形態の対物光学系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４】実施形態においてＦａｒ端及びＮｅａｒ端でのイメージサークルの大きさ及びその変化を示す説明図［図（Ａ）〜図（Ｃ）］である。
【図５】実施形態例におけるイメージサークルの境界位置検出の説明図である。
【図６】実施形態例にて検出される変倍位置を示す説明図である。
【図７】実施形態例のモニタにおける変倍率表示の一例を示す図である。
【図８】実施形態例において形成される電気マスクを示す説明図である。
【図９】実施形態例における対物光学系の第２実施例の構成及びその動作状態を示す図［図（Ａ）〜図（Ｃ）］である。
【符号の説明】
１０ … 電子スコープ、１１ … 対物光学系、
１２ … ＣＣＤ、１５ … マイコン、
１７ … 変倍スイッチ、
２５ … フレームメモリ、
２８ … モニタ、
３１ … ＲＯＭ、
３２ … キャラクタジェネレータ、
Ｌ₂，Ｌ₆ … 第２レンズ（可動レンズ）、
Ｌ₃，Ｌ₇ … 第３レンズ（可動レンズ）。

Claims

変倍のための可動レンズを有する対物光学系と、この対物光学系で捉えられた拡大像を撮像する撮像素子とを備えた電子内視鏡装置において、
上記撮像素子の撮像面に結像されたイメージサークルの移動する境界位置を、当該撮像素子の出力信号から検出する検出手段と、
このイメージサークルの境界位置を上記可動レンズの移動位置情報として各種の制御を実行する制御回路とを設けたことを特徴とする電子内視鏡装置。
上記対物光学系には、像面湾曲特性を変化させるための可動レンズを設けたことを特徴とする請求項１記載の内視鏡装置。