JP4482418B2

JP4482418B2 - 内視鏡装置

Info

Publication number: JP4482418B2
Application number: JP2004295539A
Authority: JP
Inventors: 逸司南
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: EP1645220B1; JP2006106520A; EP1645220A1; US7901352B2; US20060084841A1; ATE536798T1

Description

本発明は内視鏡装置、特に光学的に拡大した被観察体像を得ると同時に、オートフォーカス制御を実行する内視鏡の構成に関する。

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（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６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が示されている。図６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で得られた撮像信号は、信号線７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９及び第２可動レンズ１０が配置され、バリフォーカル光学系を構成し、この第１可動レンズ９の保持枠１１と第２可動レンズ１０の保持枠１２は、その係合孔１１Ａと１２Ａが円柱状のカム軸１３の外周に嵌合することにより、このカム軸１３に取り付けられる。また、上記の係合孔１１Ａにはカムピン１５、係合孔１２Ａにはカムピン１６が突出形成され、一方のカム軸１３には、その軸線に対して傾斜角度の異なるカム溝１７，１８が形成されており、このカム溝１７に上記カムピン１５、カム溝１８に上記カムピン１６が係合する。

そして、上記カム軸１３には、多重コイルバネからなる線状伝達部材１９が連結されており、この線状伝達部材１９の他端は操作部に設けられたモータ等に取り付けられる。従って、モータ等の駆動によって線状伝達部材１９を介してカム軸１３を回転させれば、カム溝１７，１８とカムピン１５，１６の係合によって第１可動レンズ９、第２可動レンズ１０が光軸方向に相対的に前後移動し、これによって光学的変倍（拡大）等が行われる。

一方、内視鏡においては、特開平６‐２２９０３号公報に示されるように、操作部の操作スイッチを操作することにより、急速変形圧電アクチュエータで合焦レンズを駆動し、ピント合わせをするようにしたものが存在する。
また、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内視鏡も製作されている。このオートフォーカス機構では、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）に基づいてオートフォーカス用の可動レンズを駆動するように構成され、このオートフォーカス機構の制御によれば、自動的にピント合わせが行われた被観察体像をモニタで観察することが可能となる。
特開２００２‐４８９８４号公報特開２００２‐２６３０５８号公報特開平６‐２２９０３号公報特開２００３‐１４００３０号公報

ところで、図６で説明した光学的変倍を行う内視鏡装置では、変倍する際、第１可動レンズ９の動きに連動させて第２可動レンズ１０を動かすことにより、光学的変倍を行う（観察距離、観察深度、焦点距離等が可変となる）が、焦点位置の変更に伴い、被観察体と電子内視鏡（スコープ）の先端部との距離を近づける等の位置調整とピントの補正が必要となり、拡大位置では観察深度の関係でピント合わせに限界が生じる。従って、更に詳細なピント合わせを自動的に行うことができれば、拡大された鮮明な被観察体映像を簡単に得ることが可能となる。即ち、従来、ピントが合わない場合には、被観察体との距離を変えるために内視鏡先端部を少し動かすピント合わせの操作をする必要があり、このような操作が煩雑となる。

一方、内視鏡の先端部は細径化が図られているため、光学的変倍機構に加えて自動的なピント合わせを行うオートフォーカス機構を設ける場合には、効率のよい構成・配置を採用することが必要となる。

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、光学的変倍機構と独立したオートフォーカス機構を細径化された先端部へ効率よく配置し、ピント合わせされた拡大映像を自動的かつ簡単に得ることができる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、請求項１に係る発明は、内視鏡先端部の中心軸（円柱形中心軸）からずれた位置に配置された対物光学系の中に移動可能に組み込まれ、観察倍率を可変にするための変倍用可動レンズと、挿入部以外に設けられた駆動手段から上記先端部まで配設され、上記変倍用可動レンズを駆動するための線状伝達部材と、この線状伝達部材の先端側に接続され、上記対物光学系に沿って配置された変倍レンズ駆動部と、上記対物光学系を介して被観察体を撮像する撮像素子とを備えた内視鏡装置において、上記変倍用可動レンズの後側で移動可能に上記対物光学系の中に組み込まれ、オートフォーカス機能を実行するためのフォーカス調整用可動レンズと、このフォーカス調整用可動レンズを保持するフォーカスレンズ保持枠と、上記先端部内の支持部に取り付けられ、上記フォーカスレンズ保持枠に係合させた駆動軸の駆動により上記フォーカス調整用可動レンズを前後移動させるアクチュエータとを設け、上記撮像素子をその撮像面が略水平となる位置として上記対物光学系の下側に配置し、かつ上記アクチュエータも上記対物光学系の下側に配置するとき、上記変倍レンズ駆動部を上記対物光学系の上側から上記先端部の中心軸方向へ傾けた位置関係となるように配置すると共に、上記アクチュエータはその駆動軸が上記撮像素子へ向く位置となるように配置することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記変倍用可動レンズによる変倍動作に連動して上記オートフォーカス機能を実行し、このオートフォーカス機能において合焦動作を開始するとき、上記フォーカス調整用可動レンズを上記アクチュエータによってストッパで停止する始点位置へセットし、この始点位置から合焦位置へ移動制御するオートフォーカス制御回路を設けたことを特徴とする。

上記請求項１の構成によれば、変倍用可動レンズとは別個に高速のアクチュエータで駆動するフォーカス調整用可動レンズが設けられることにより、精細なピント合わせが自動的に行われる。
また、請求項２の構成では、合焦動作の際にフォーカス調整用可動レンズをストッパで停止する始点位置へセットし、この始点位置からアクチュエータの駆動パルス制御又は駆動時間計測等によってレンズ移動（位置）制御を実行するので、特に位置検出センサを配置することなく、フォーカス制御が可能となる。

本発明の内視鏡装置によれば、変倍用可動レンズの駆動には線状伝達部材を用いるが、フォーカス調整用可動レンズの駆動については先端部内に配置した小さなアクチュエータで行う構成で、撮像素子をその撮像面が略水平となる位置として対物光学系の下側に配置し、かつ上記アクチュエータも対物光学系の下側に配置するとき、変倍レンズ駆動部を対物光学系の上側から内視鏡先端部の中心軸方向へ傾けた位置関係となるように配置すると共に、上記アクチュエータはその駆動軸が撮像素子へ向く位置となるように配置することにより、光学的変倍機構と独立したオートフォーカス機構を細径化された先端部へ効率よく配置し、ピント合わせされた拡大映像を自動的かつ簡単に得ることが可能となる。
また、請求項２の構成によれば、オートフォーカス制御を位置検出センサ等を用いずに行うので、内視鏡の細径化に寄与できるという利点がある。

図１及び図４には、実施例に係る電子内視鏡装置の構成が示され、図１は内視鏡先端部の構成につきプリズム及び撮像素子部以外を図２のＩ−Ｉ線で切断した状態で示している。図１において、電子内視鏡（スコープ）先端部２０には、対物光学系として、前側から順に、観察窓（レンズ）２２ａ、固定レンズ２２ｂ、バリフォーカルレンズとして構成された変倍用の第１可動レンズ２３ａ及び第２可動レンズ２３ｂ、固定レンズ２２ｃ及びフォーカス用の第３可動レンズ２３ｃが配置されており、この第３可動レンズ２３ｃの後側に、プリズム２４、カバーガラス２５を介して固体撮像素子であるＣＣＤ２６が配置される。このＣＣＤ２６で撮像された信号は、回路基板２７及び信号線２８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２３ａは、係合孔３０Ａを有する保持枠３０に、第２可動レンズ２３ｂは係合孔３１Ａを有する保持枠３１に保持され、この係合孔３０Ａ，３１Ａが円柱状のカム軸３３の外周に嵌合する状態で、各レンズ２３ａ，２３ｂはこのカム軸３３に取り付けられる。上記の係合孔３０Ａにはカムピン３５、係合孔３１Ａにはカムピン３６が突出配置され、一方のカム軸３３には、その軸線に対して傾斜角度の異なるカム溝３７，３８が形成されており、このカム溝３７に上記カムピン３５、カム溝３８に上記カムピン３６が係合する。

そして、上記カム軸３３には、多重コイルバネ等からなる線状伝達部材３９が連結されており、この線状伝達部材３９の他端は操作部に設けられた駆動部４０（図４）のモータ軸に取り付けられる。従って、モータの駆動によって線状伝達部材３９を介してカム軸３３を回転させれば、カム溝３７，３８とカムピン３５，３６の係合によって第１可動レンズ２３ａ、第２可動レンズ２３ｂが光軸方向の前後にそれぞれ異なる量だけ移動し、これによって光学的変倍（拡大）等が行われる。即ち、第１及び第２の可動レンズ２３ａ，２３ｂは、バリフォーカル光学系を構成して、相対的に前後移動しながら光学的変倍を行う（観察距離、観察深度、焦点距離等が可変となる）が、移動による焦点位置の変更に伴い、被観察体と電子内視鏡の先端部との距離を近づける等の位置調整を行い、更にピントの補正を行うことでモニタが面上の倍率を変化（拡大）させる。

一方、上記フォーカス用の第３可動レンズ２３ｃを駆動するために、圧電素子を利用した小形で高速のアクチュエータ４２が支持部４３に取り付けられており、このアクチュエータ４２の駆動軸４２Ａの外周に、第３可動レンズ２３ｃの保持枠４５の係合孔４５Ａが移動可能に嵌合配置される。このアクチュエータ４２では、図３に示されるように、駆動軸４２Ａに圧電素子４２Ｂが取り付けられており、この圧電素子４２Ｂで駆動軸４２Ａを緩急をもって前後に動かすことにより、第３可動レンズ２３ｃを前後方向へ移動させることができる。このアクチュエータ４２としては、静電アクチュエータ等の他の小形リニアアクチュエータを用いてもよい。なお、図３の４４は第３可動レンズ２３ｃを始点位置ａ_１で停止させるためのストッパである。

なお、図２に示されるように、上記先端部２０には、図１の構成の他に、ライトガイド、このライトガイドから供給された光を照射するための照明窓４６Ａ，４６Ｂや処置具挿通チャンネル４７等が配置される。

図４には、実施例の電子内視鏡装置の回路構成が示されており、上述のＣＣＤ２６の出力信号を入力して相関二重サンプリング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５１が設けられ、このＣＤＳ／ＡＧＣ回路５１の後段には、Ａ／Ｄ変換器５２、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）５３、１フレームの映像データを記憶する映像メモリ５４、Ｄ／Ａ変換器５５、そしてモニタ５６が配置される。

また、上記Ａ／Ｄ変換器５２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５８が設けられており、このＢＰＦ部５８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）を評価するための高周波成分（２種類の高周波検波信号）を取り出す。更に、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６０が設けられ、このマイコン６０の中に、パッシブ方式のオートフォーカス（ＡＦ）制御部６０ａが設けられる。また、変倍操作のための変倍スイッチ６２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６０へ供給される。

実施例は以上の構成からなり、この装置では、図４のＣＣＤ２６にて被観察体が撮像され、その後段のＣＤＳ／ＡＧＣ回路５１〜Ｄ／Ａ変換器５５の回路による映像処理を経ることにより、モニタ５６の画面に被観察体の映像が表示される。一方、変倍スイッチ６２が操作されると、駆動部４０を介して線状伝達部材３９が回転し、図１のカム軸３３を回転させることにより、第１可動レンズ２３ａと第２可動レンズ２３ｂが駆動され、所望の変倍位置に移動する。そして、移動による焦点位置の変更に伴い、被観察体と電子内視鏡先端部との距離を近づける等の位置調整を行い、更にピントの補正を行う。この結果、光学的に拡大した被観察体像がＣＣＤ２６で撮像され、モニタ５６の画面には拡大した被観察体の映像が表示される。

このように被観察体と電子内視鏡先端部を近づけた状態では、観察深度の関係でピント補正の操作が煩雑となり、また被観察体が拍動等で動いているような場合は常にピントがあっている状態を維持するのが一層困難となる。そこで、実施例では変倍動作と同時に、オートフォーカス用の第３可動レンズ２３ｃによるオートフォーカス制御が行われる。即ち、図４のＢＰＦ部５８では映像信号から焦点評価値である高周波成分が取り出されており、この高周波成分をオートフォーカス制御部６０ａへ供給することにより、第３可動レンズ２３ｃの移動制御が行われる。そして、このオートフォーカス制御では、開始時にまず第３可動レンズ２３ｃが始点位置へセットされ、この始点位置からの移動が行われる。

図５には、アクチュエータ４２の圧電素子４２Ｂに与えられる電圧波形が示されており、図５（Ａ）がレンズ２３ｃを後進（観察窓側を前とする）させるときの波形、図５（Ｂ）が前進させるときの波形である。即ち、レンズ２３ｃは図５（Ａ）の電圧パルスのゆっくりとした立上り時に後進し、図５（Ｂ）の電圧パルスのゆっくりとした下降時に前進する。実施例では、例えば図５の１つの鋸波形で１ステップ移動させ、図３に示されるように、第３可動レンズ２３ｃがｎステップ（例えば１０ステップ）からなる位置ａ_１〜ａ_ｎの範囲を移動できるように構成する。そして、実施例では、図５（Ａ）の鋸波形を１０個以上圧電素子４２Ｂに与えることにより、第３可動レンズ２３ｃがどの位置にあっても、この第３可動レンズ２３ｃを図３の始点位置ａ_１（ストッパ４４で停止する位置）に移動させる。これによって、第３可動レンズ２３ｃの始点位置ａ_１が特定されることになり、位置検出センサは不要となる。なお、上記の始点位置は前端のａ_ｎであってもよい。

そして、この始点位置ａ_１から又は所定位置へ移動した後、焦点評価値が高くなる方向へ第３可動レンズ２３ｃを動かすことにより、所謂山登り動作が行われ、最大焦点評価値によってこの第３可動レンズ２３ｃは合焦位置へ移動配置される。このようにして、実施例では、光学的変倍用の第１、第２可動レンズ２３ａ，２３ｂとは別個の第３可動レンズ２３ｃによってオートフォーカスが行われるので、従来よりも精細なピント合わせが可能となる。

即ち、上記の変倍機能においても、上記第１可動レンズ２３ａ及び第２可動レンズ２３ｂにて所定の距離（領域）においてピントが合うが、被観察体と電子内視鏡先端部との距離によってはピントがずれることが生じる（特に拡大率が高いとき）。従って、このようなときに、上記オートフォーカス制御は有効に機能することになり、ピントが合う位置まで電子内視鏡先端部を動かす操作・作業が不必要となる。

本発明の実施例に係る電子内視鏡装置の先端部の構成を示し、プリズムと撮像素子部以外を図２のＩ−Ｉ線で切断した図である。実施例の先端部を正面側から見た図である。実施例のフォーカス調整用可動レンズを駆動する圧電アクチュエータの構成及び動作範囲を示す図である。実施例の電子内視鏡装置の全体構成を示す図である。実施例の圧電アクチュエータを駆動するための電圧（駆動パルス）波形を示す図である。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

１，２０…電子内視鏡先端部、６，２６…ＣＣＤ、
９，２３ａ…第１可動レンズ、
１０，２３ｂ…第２可動レンズ、２３ｃ…第３可動レンズ
１３，３３…カム軸、１９，３９…線状伝達部材、
４０…駆動部、
４２…アクチュエータ、４２Ａ…駆動軸、
５８…ＢＰＦ部、６０…マイコン、
６０ａ…オートフォーカス制御部、６１…変倍スイッチ。

Claims

内視鏡先端部の中心軸からずれた位置に配置された対物光学系の中に移動可能に組み込まれ、観察倍率を可変にするための変倍用可動レンズと、挿入部以外に設けられた駆動手段から上記先端部まで配設され、上記変倍用可動レンズを駆動するための線状伝達部材と、この線状伝達部材の先端側に接続され、上記対物光学系に沿って配置された変倍レンズ駆動部と、上記対物光学系を介して被観察体を撮像する撮像素子とを備えた内視鏡装置において、
上記変倍用可動レンズの後側で移動可能に上記対物光学系の中に組み込まれ、オートフォーカス機能を実行するためのフォーカス調整用可動レンズと、
このフォーカス調整用可動レンズを保持するフォーカスレンズ保持枠と、
上記先端部内の支持部に取り付けられ、上記フォーカスレンズ保持枠に係合させた駆動軸の駆動により上記フォーカス調整用可動レンズを前後移動させるアクチュエータとを設け、
上記撮像素子をその撮像面が略水平となる位置として上記対物光学系の下側に配置し、かつ上記アクチュエータも上記対物光学系の下側に配置するとき、上記変倍レンズ駆動部を上記対物光学系の上側から上記先端部の中心軸方向へ傾けた位置関係となるように配置すると共に、
上記アクチュエータはその駆動軸が上記撮像素子へ向く位置となるように配置することを特徴とする内視鏡装置。
上記変倍用可動レンズによる変倍動作に連動して上記オートフォーカス機能を実行し、このオートフォーカス機能において合焦動作を開始するとき、上記フォーカス調整用可動レンズを上記アクチュエータによってストッパで停止する始点位置へセットし、この始点位置から合焦位置へ移動制御するオートフォーカス制御回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の内視鏡装置。