JP5022580B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡装置に関し、特にオートフォーカス機能を有する内視鏡装置に関する。

画像信号から得られる輝度信号等を用いた、いわゆる山登り制御によって焦点を調整するオートフォーカス機能を備えた内視鏡装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、光源から出射された照明光の被写体における反射光の光量を検出し、反射光の光量に応じて照明光の強度を調整する絞りを設け、この絞りの開閉位置、すなわち反射光の光量に基づいて被写体距離を予測し、焦点距離を調整する内視鏡装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
特開平８−１０６０６０号公報（段落［００１９］） 特開平４−１３１１２号公報（第２頁〜第５頁左上、第１図〜第５図等）

山登り制御を活用したオートフォーカスにおいては、合焦のために比較的長い時間を要することがある。特に、内視鏡観察においては、被写体距離が短い上に、光学系を頻繁に移動させることが多いため、山登り法によるオートフォーカスに時間を要し、迅速な合焦動作を常に実現することは困難である。

本発明は、迅速かつ正確に焦点距離を調整できるオートフォーカス機能を備えた内視鏡装置を実現することを目的とする。

本発明の合焦装置は、被写体に向けて所定の光量の照明光を出射する光源と、被写体における照明光の反射光が入射する対物光学系と、対物光学系を光軸方向に移動させる光学系移動手段と、反射光の光量を検知する光量検知手段とを備える。そして、合焦装置は、光学系移動手段が、対物光学系に入射する反射光の光量が減少すると、対物光学系を被写体から遠ざかる方向に移動させ、対物光学系に入射する反射光の光量が増加すると、対物光学系を被写体に向けて移動させることにより、対物光学系の焦点を被写体に合わせることを特徴とする。

対物光学系は、被写体に合焦しているか否かを判断する合焦判断手段をさらに有することが好ましい。

合焦装置は、対物光学系の焦点距離を制御するズーム手段をさらに有することが望ましい。この場合、光学系移動手段が対物光学系を移動させるためのスイッチをさらに有し、スイッチがオン状態になると、光学系移動手段が対物光学系を移動させるとともに、ズーム手段が作動することがより望ましい。

また、スイッチがオン状態になると、光学系移動手段が、合焦位置まで対物光学系を移動させることがより望ましい。

本発明の内視鏡装置は、先述の合焦装置と、反射光に基づいて被写体の画像信号を生成する撮像素子とを備えたことを特徴とする。内視鏡装置は、反射光の光量に基づいて、画像信号の生成のための露出を調整する露出調整手段をさらに有することが好ましい。この場合、露出調整手段は、例えば照明光の光量を調整する絞りを含む。

内視鏡装置は、対物光学系が被写体に焦点が合った合焦位置にあるか否かを判断する合焦判断手段をさらに有し、合焦判断手段が、画像信号の信号量がピークとなるときに、対物光学系が合焦位置にあると判断することが好ましい。そして合焦判断手段は、所定の周波数における画像信号の信号量がピークとなるときに、対物光学系が合焦位置にあると判断することがより好ましい。

本発明によれば、迅速かつ正確に焦点距離を調整できるオートフォーカス機能を備えた内視鏡装置を実現できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の内視鏡装置のブロック図である。

内視鏡装置１０は、ビデオスコープ２０とプロセッサ３０とを含む。ビデオスコープ２０は、被写体である体腔内の撮影に用いられ、プロセッサ３０は、ビデオスコープ２０から送られてくる画像信号を処理する。そしてプロセッサ３０には、オペレータが指示信号等を入力するためのキーボード５１、被写体像を表示するモニタ６０がそれぞれ接続されている。

プロセッサ３０には、プロセッサ３０全体を制御するシステムコントローラ３２、各回路の信号処理タイミングを調整するタイミングコントロール回路３４、照明光を出射する光源部３６等が設けられている。光源部３６に設けられた光源４０は、システムコントローラ３２の制御の下で、照明光を出射する。この照明光は、絞り４１により光量が調整された後に、ライトガイド３８に入射する。ライトガイド３８を通った照明光は、ビデオスコープ２０の先端部から、被写体である体腔内に向けて出射される。

被写体で反射した照明光の反射光は、ビデオスコープ２０の先端にある対物レンズ系２１に入射する。対物レンズ系２１には、複数のレンズが含まれるが、ここでは便宜上、単一のレンズとして図示している。対物レンズ系２１を通過した反射光は、ＣＣＤ２２の受光面に到達し、ＣＣＤ２２によって被写体を示す画像信号が生成される。この画像信号に所定の処理が施され、輝度信号、および色差信号が生成される。輝度信号と色差信号とは、初段信号処理回路４２に送信され、さらなる処理が施された後に、画像メモリ４４に記録される。

さらに、輝度信号と色差信号とからなる画像データは、画像メモリ４４から後段信号処理回路４８を介してモニタ６０に出力される。この結果、被写体の動画像がモニタ６０の画面上にリアルタイムで表示される。

ビデオスコープ２０には、フリーズボタン（図示せず）が設けられている。フリーズボタンが押下されると、静止画像を生成するための信号がシステムコントローラ３２に送られ、静止画像の画像データが生成される。生成された画像データは、画像メモリ４４に記録されるとともに、さらに後段信号処理回路４８において所定の処理が施された後に、モニタ６０に送られる。この結果、モニタ６０上に静止画像が表示される。

また、内視鏡装置１０は、対物レンズ系２１の焦点距離を制御するズーム機能と、被写体に焦点を合わせるオートフォーカス機能とを備えている。そして、ビデオスコープ２０には、ズーム・フォーカスボタン２４が設けられており、ズーム・フォーカスボタン２４が押下されてオン状態になると、ボタン操作に応じて画像の像倍率が変更されるとともに、後述するいわゆる山登り法により、対物レンズ系２１の可動レンズが被写体に焦点が合った合焦位置まで、光軸方向に沿って移動される。

すなわち、ズーム・フォーカスボタン２４が押下されたことを示す信号がシステムコントローラ３２に送られると、システムコントローラ３２の指示に基づき、ズーム・フォーカス制御回路５２は、対物レンズ系２１の可動レンズが被写体に焦点が合った合焦位置まで移動させ、なおかつ所定の像倍率になる焦点距離となるように、モータ２６を制御して対物レンズ系２１の可動レンズを移動させる。

また、初段信号処理回路４２には、対物レンズ系２１を介して被写体からＣＣＤ２２に入射した反射光の光量を検知するための光量検知部５０が設けられている。光量検知部５０においては、露出制御のために、輝度信号に基づき反射光の光量を示す信号（以下、ＡＥ信号という）が生成され、このＡＥ信号がシステムコントローラ３２に送信される。

システムコントローラ３２は、受信したＡＥ信号とＣＣＤ２２の撮影感度等に基づいて、絞り４１の絞り値とＣＣＤ２２の電子シャッタのシャッタ速度とを調整する。このとき、システムコントローラ３２から、所定の絞り値まで絞り４１を開閉するように指示する信号が光源部３６に、所定のシャッタ速度となるように指示する信号がＣＣＤ２２に、それぞれ送られる。

図２は、可動レンズが合焦位置よりもテレ端側にある状態のビデオスコープ２０の先端部を示す側断面図である。図３は、可動レンズが合焦位置にある状態のビデオスコープ２０の先端部を示す側断面図である。図４は、可動レンズが合焦位置よりもワイド端側にある状態のビデオスコープ２０の先端部を示す側断面図である。

内視鏡装置１０においては、以下のように、いわゆる山登り法により対物レンズ系２１の合焦制御が行なわれる。まず、先端構成部材２８の内側に設けられたライトガイド３８の出射端３８Ｏから、被写体Ｓに向けて照明光が出射される。この照明光の反射光Ｌが、可動レンズ２３、および第１〜第３不動レンズ２５、２７、２９を有する対物レンズ系２１に入射している状態で、可動レンズ２３が対物レンズ系２１の光軸方向に移動する。

可動レンズ２３は、例えば、図２に示すＣＣＤ２２に近いテレ端側のレンズ位置と、図４に示すＣＣＤ２２から遠いワイド端側のレンズ位置との間で、図３に示す合焦位置を経て移動する。そして、対物レンズ系２１を通過した反射光Ｌは、カバーガラス４３を介してＣＣＤ２２に入射し、生成された画像信号は、信号ケーブル４５を介してプロセッサ３０に送られる。

図５は、対物レンズ系２１の焦点が合っていない状態における、ＣＣＤ２２から出力された画像信号の信号量と周波数との関係を示す図である。図６は、対物レンズ系２１が合焦している状態における、ＣＣＤ２２から出力された画像信号の信号量と周波数との関係を示す図である。図７は、ＣＣＤ２２と可動レンズ２３の距離と、所定の周波数における信号量である評価量との関係を示す図である。

システムコントローラ３２では、ＣＣＤ２２から初段信号処理回路４２に送られた画像信号に基づいて、画像信号の周波数ごとの信号量が算出される。ここで、比較的高い周波数の画像信号は、通常、対物レンズ系２１が被写体Ｓに合焦しているとき、すなわち可動レンズ２３が合焦位置にあるときに最も高くなり、対物レンズ系２１の焦点が被写体Ｓに合っていないときには、可動レンズ２３の合焦位置からのずれが大きくなるほど低くなる。

従って、対物レンズ系２１が合焦していないとき（図２および図４参照）の画像信号の信号量と周波数との関係は図５に例示する通りであり、高周波数側の信号量が少ない。一方、対物レンズ系２１が合焦していると（図３参照）、図６に例示するように、高周波数側の信号量が多い。システムコントローラ３２では、予め定められた比較的高い周波数における画像信号の信号量が、評価値として検出される。

そして、移動した可動レンズ２３の複数のレンズ位置において評価値を検出することにより、図７に例示する、可動レンズ２３のＣＣＤ２２からの距離に対する評価値の分布のデータが得られる。システムコントローラ３２は、このデータにおける評価値のピークに対応するレンズ位置を合焦位置と判断する。そしてズーム・フォーカス制御回路５２が、合焦位置まで可動レンズ２３を移動させるようにモータ２６を制御することにより、対物レンズ系２１の焦点が被写体Ｓに合わせられる。

図７の評価値分布データにおいては、可動レンズ２３とＣＣＤ２２との距離が距離Ｄである図３に示すレンズ位置の評価値が、可動レンズ２３とＣＣＤ２２との距離がそれぞれ距離Ｄ₂、Ｄ₄である図２、図４に示すレンズ位置の評価値Ｖ₂、Ｖ₄よりも大きい最大評価値Ｖ_maxであったことから、図３に示したレンズ位置が合焦位置と定められる。そして、可動レンズ２３は合焦位置まで移動され、合焦動作は終了する。なお、評価値のデータは、合焦位置が検出されるまでデータメモリ（図示せず）に記憶される。

図８は、被写体Ｓの観察のために、被写体Ｓからの距離を変えながら移動するビデオスコープ２０の先端部を概略的に示す図である。図９は、ビデオスコープ２０の先端部が被写体Ｓに近づいた場合における、被写体Ｓの画像の明るさの変化を示す図である。図１０は、ビデオスコープ２０の先端部が被写体Ｓから離れた場合における、被写体Ｓの画像の明るさの変化を示す図である。

ビデオスコープ２０の先端部が、照明光の光量が一定の状態で、図８（Ｂ）の示す位置から図８（Ａ）の示す位置まで被写体Ｓに近づくように移動すると、ＡＥ信号の示す反射光の光量は増加する（図９参照）。このため、システムコントローラ３２により、直ちに絞り４１の絞り値が大きくなるように制御され、絞り４１は絞り込まれる。この結果、反射光の光量は、ビデオスコープ２０の先端部が移動する前の状態でＡＥ信号が示す量に戻る。

一方、照明光の光量が一定の状態で、図８（Ｂ）の示す位置から図８（Ｃ）の示す位置まで被写体Ｓから遠ざかるようにビデオスコープ２０が移動すると、ＡＥ信号の示す反射光の光量は減少する（図１０参照）。この場合、絞り４１の絞り値が小さくなるように、絞り４１がシステムコントローラ３２により制御され、反射光の光量は、ビデオスコープ２０の移動前の状態でＡＥ信号が示す量と同じ量に戻る。

このように、照明光の光量が一定の状態で反射光の光量が変化すると、ＣＣＤ２２を含むビデオスコープ２０の先端部と被写体Ｓとの距離が変化するため、ピントを合わせることが必要となる。そして、先述の山登り法による合焦動作においては、まず、反射光の光量の変化に応じた方向に可動レンズ２３が移動される。

すなわち、照明光の光量が一定であるにも関わらず反射光の光量が増加すると、ビデオスコープ２０と被写体Ｓとの距離は移動前よりも短くなったことから、システムコントローラ３２は、絞り４１による露出調整と同時に、可動レンズ２３を、反射光の光量が増加する直前のレンズ位置よりも、ＣＣＤ２２からの距離が大きくなるように、すなわちワイド端側（被写体Ｓ側）に移動させてから山登り法を実行させるように、ズーム・フォーカス制御回路５２を制御する。

一方、照明光の光量が一定の状態で反射光の光量が減少すると、ビデオスコープ２０と被写体Ｓとの距離は移動前よりも長くなったことから、システムコントローラ３２は、可動レンズ２３を、反射光の光量が減少する直前のレンズ位置よりも、ＣＣＤ２２からの距離が小さくなるように、すなわちテレ端側（被写体Ｓから遠ざかる方向）に移動させてから山登り法を実行させるように、ズーム・フォーカス制御回路５２を制御する。

このように、山登り制御によるオートフォーカスにおいて、最初に可動レンズ２３を適当な方向に移動させることにより、最初の移動方向を定めない場合に比べ、可動レンズ２３の移動量が少なくなり、合焦のために要する時間が短縮される。

図１１は、内視鏡装置１０における合焦制御ルーチンを示すフローチャートである。

合焦制御ルーチンは、光源４０により照明光が出射されると開始する。ステップＳ１１では、対物レンズ系２１が被写体Ｓに合焦している状態で、反射光の光量を示すＡＥ₁信号がシステムコントローラ３２により検知され、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、所定の時間が経過した後に新たにＡＥ₂信号が検知され、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、ＡＥ₁信号とＡＥ₂信号の値、すなわちＡＥ₁信号とＡＥ₂信号とが示す反射光の光量が等しいか否かが判断され、反射光の光量が等しいと判断されるとステップＳ１２に戻り、反射光の光量が等しくないと判断されると、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、ＡＥ₁信号の示す反射光の光量が、ＡＥ₂信号の示す反射光の光量よりも小さいか否かが判断される。そして、ＡＥ₁信号の示す反射光の光量がＡＥ₂信号の示す反射光の光量よりも小さい場合、ステップＳ１５に進み、ＡＥ₁信号の示す反射光の光量がＡＥ₂信号の示す反射光の光量よりも大きい場合、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１５においては、可動レンズ２３がワイド端側に移動され、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１６では、可動レンズ２３がテレ端側に移動され、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、山登り法により、可動レンズ２３が合焦位置まで移動され、ステップＳ１１に戻る。

以上のように、本実施形態においては、光源４０からの照明光以外に実質的に光が存在しない状態において反射光の光量を検知し、オートフォーカス動作において、可動レンズ２３を合焦位置に近づく適当な方向に最初に移動させることにより、対物レンズ系２１を速やかに合焦させることができる。さらに、最初に可動レンズ２３を適当な方向に移動させた後に、山登り制御を行なうことから、正確にピントを合わせることが可能である。

対物レンズ系２１は、ズームレンズでなくても良く、また可動レンズ２３と第１〜第３不動レンズ２５、２７、２９の数、配置等は本実施形態に限定されない。また、ズーム機能と、被写体に焦点を合わせるオートフォーカス機能とのそれぞれのために、独立したスイッチが設けられていても良い。

また、オートフォーカスの方式は、映像信号から高周波成分がどれだけあるかを検出するコントラスト方式を用いた本実施形態には限定されない。

対物レンズ系２１のうち、合焦動作時に移動する可動レンズ２３と、ズーム時に移動する可動レンズとが異なる場合、モータ２６は、異なる可動レンズを移動させるために複数設けられても良い。また、モータ２６の位置は、本実施形態に限定されず、例えばビデオスコープ２０の先端側に設けられても良い。

本実施形態の内視鏡装置のブロック図である。 可動レンズが合焦位置よりもテレ端側にある状態のビデオスコープの先端部を示す側断面図である。 可動レンズが合焦位置にある状態のビデオスコープの先端部を示す側断面図である。 可動レンズが合焦位置よりもワイド端側にある状態のビデオスコープの先端部を示す側断面図である。 対物レンズ系の焦点が合っていない状態における、ＣＣＤから出力された画像信号の信号量と周波数との関係を示す図である。 対物レンズ系が合焦している状態における、ＣＣＤから出力された画像信号の信号量と周波数との関係を示す図である。 ＣＣＤと可動レンズの距離と、所定の周波数における信号量である評価量との関係を示す図である。 被写体からの距離を変えながら移動するビデオスコープ２０の先端部を概略的に示す図である。 ビデオスコープの先端部が被写体に近づいた場合における、被写体画像の明るさの変化を示す図である ビデオスコープの先端部が被写体から離れた場合における、被写体画像の明るさの変化を示す図である。 内視鏡装置の合焦制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 内視鏡装置
２１ 対物レンズ系（対物光学系）
２２ ＣＣＤ（撮像素子）
２３ 可動レンズ（対物光学系）
２４ ズーム・フォーカスボタン（スイッチ）
２６ モータ（光学系移動手段・ズーム手段）
３２ システムコントローラ（露出調整手段・合焦判断手段）
４０ 光源
４１ 絞り（露出調整手段）
５０ 光量検知部（光量検知手段）
５２ ズーム・フォーカス制御回路（光学系移動手段・ズーム手段）
Ｌ 反射光
Ｓ 被写体

Claims (10)

1. 山登り法による合焦動作を実行するために、被写体に向けて一定光量の照明光を出射する光源と、
   前記被写体における前記照明光の反射光が入射する対物光学系と、
   前記対物光学系を光軸方向に移動させる光学系移動手段と、
   前記反射光の光量を検知する光量検知手段とを備え、
   前記対物光学系は、被写体から遠ざかる方向に移動すると相対的に遠くの被写体に合焦し、被写体に近づく方向に移動すると相対的に近くの被写体に合焦し、
   前記光学系移動手段が、前記光量検知手段により検知された光量が減少すると、前記合焦動作の開始時に前記対物光学系を前記被写体から遠ざかる方向に移動させ、前記光量検知手段により検知された光量が増加すると、前記合焦動作の開始時に前記対物光学系を前記被写体に向けて移動させることを特徴とする内視鏡装置用の合焦装置。
2. 前記対物光学系が、前記被写体に合焦しているか否かを判断する合焦判断手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記対物光学系の焦点距離を制御するズーム手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の合焦装置。
4. 前記光学系移動手段が前記対物光学系を移動させるためのスイッチをさらに有し、前記スイッチがオン状態になると、前記光学系移動手段が前記対物光学系を移動させるとともに、前記ズーム手段が作動することを特徴とする請求項３に記載の合焦装置。
5. 前記スイッチがオン状態になると、前記光学系移動手段が、合焦位置まで前記対物光学系を移動させることを特徴とする請求項４に記載の合焦装置。
6. 請求項１に記載の前記合焦装置と、前記反射光に基づいて前記被写体の画像信号を生成する撮像素子とを備えたことを特徴とする内視鏡装置。
7. 前記反射光の光量に基づいて、前記画像信号の生成のための露出を調整する露出調整手段をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の内視鏡装置。
8. 前記露出調整手段が、前記照明光の光量を調整する絞りを含むことを特徴とする請求項７に記載の内視鏡装置。
9. 前記対物光学系が前記被写体に焦点が合った合焦位置にあるか否かを判断する合焦判断手段をさらに有し、前記合焦判断手段が、前記画像信号の信号量がピークとなるときに、前記対物光学系が前記合焦位置にあると判断することを特徴とする請求項６に記載の内視鏡装置。
10. 前記合焦判断手段が、所定の周波数における前記画像信号の信号量がピークとなるときに、前記対物光学系が前記合焦位置にあると判断することを特徴とする請求項９に記載の内視鏡装置。

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