JP5975562B2 - 撮像装置及び撮像装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及び撮像装置の作動方法に関するものである。

近年、内視鏡を用いて観察対象を直接観察し、治療用レーザを用いて病変部を焼灼する内視鏡レーザ治療が行われている。この治療方法は、大規模な切開を必要としない低侵襲な治療法であり、脳内での癌治療や胎内での胎児治療等、重要器官での治療方法としても有効であると考えられている。このような重要器官の治療においては、周囲の健常な組織を傷つけることなく病変部のみを焼灼して治療することが望まれる。そのためには、内視鏡先端部から観察対象までの距離を測定して、観察対象の三次元形状を高精度に捉え、治療用レーザを病変部に正確に集光させることが重要となる。

しかし、従来の内視鏡レーザ治療においては、病変部までの距離を計測しておらず、治療用レーザを施術者の経験に基づいて操作するようにしている。そのため、治療用レーザが病変部に正しく集光されず、病変部と周辺の組織とが同時に焼灼される場合がある。

一方、内視鏡における三次元形状計測方法として、例えば、レーザ発光素子からのレーザ光を内視鏡先端部から走査手段及び投影レンズを経て観察対象に照射し、各走査位置におけるレーザスポットからの反射光を撮影レンズを経て位置検出素子で受光して、三角測量法の原理により観察対象までの距離を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４５５２０１１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示の内視鏡においては、観察対象の三次元形状を計測するための測距光学系と可視光画像を取得するための観察光学系とが、光軸を異ならせて独立して配置されることになる。そのため、例えば、計測された三次元形状情報と可視光画像とを重畳して三次元形状画像を生成する場合に、可視光画像と三次元形状情報との位置合わせが困難になる。しかも、投影レンズの焦点位置が固定となっているため、観察対象を走査する際に、観察対象の位置によって照射されるレーザスポットのピントがずれる。その結果、三次元形状を高精度で計測することが困難となる。このような問題は、内視鏡に限らず、観察対象を撮像するとともに、観察対象の三次元形状を計測して、観察対象の三次元形状画像を生成する他の撮像装置においても同様に生じるものである。また、特に、内視鏡の場合は、測距光学系と撮影光学系とが光軸を異ならせて独立して配置されていると、内視鏡挿入部に配置される部品点数が多くなって、挿入部の大径化を招くことになる。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、観察対象を撮像するとともに、観察対象の三次元形状を高精度で計測できる撮像装置及び撮像装置の作動方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る撮像装置は、対物光学系を経て観察対象の画像を撮像する撮像手段と、
前記対物光学系を経て前記観察対象に測距用の測定光を照射して、前記観察対象の三次元形状を計測する三次元形状計測手段と、を具備する撮像装置であって、
前記三次元形状計測手段は、
前記対物光学系に入射する前記測定光を前記観察対象に対して走査する走査手段と、
前記対物光学系を経て入射する前記観察対象からの前記測定光の反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段の受光出力情報に基づいて前記走査手段の制御情報を取得し、該制御情報に基づいて前記対物光学系から前記観察対象までの距離を算出する演算手段と、を備え、
前記走査手段は、
前記測定光の集光位置を光軸方向に走査する可変焦点光学素子を備え、
前記可変焦点光学素子は、透明基板と、該透明基板の表面に形成された第１の透明電極と、該第１の透明電極上から膨出した液体膨出部と、該液体膨出部の液表面に形成された保護膜と、該保護膜の表面に形成された第２の透明電極と、を備え、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に印加される電圧による静電気力により焦点距離が変化する可変焦点液体レンズからなり、
前記演算手段は、前記受光手段の受光出力情報に基づいて前記可変焦点液体レンズの前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間の静電容量変化を算出し、該静電容量変化に基づいて当該可変焦点液体レンズの焦点距離変化を前記制御情報として取得する、ことを特徴とするものである。

前記走査手段は、
前記測定光を前記光軸と直交する平面内で走査する二次元駆動ミラーを備える、ことを特徴とするものである。

前記受光手段は、前記反射光の光路中に、前記対物光学系による前記測定光の集光位置に関し共焦点光学系を構成するピンホールを備える、ことを特徴とするものである。

前記演算手段は、前記可変焦点液体レンズに直列接続した参照抵抗の両端の電位差、前記可変焦点液体レンズを含む交流ブリッジ回路の出力電圧、又は、前記可変焦点液体レンズを含む直列共振回路の共振周波数に基づいて、前記静電容量変化を算出する、ことを特徴とするものである。

前記第１の透明電極又は前記第２の透明電極は、前記焦点距離を変化させる電圧を印加する駆動用電極と、前記静電容量変化を検出するための電圧を印加する計測用電極と、を備える、ことを特徴とするものである。

前記可変焦点光学素子は、焦点距離の変化に応じて前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とが平行に対向する面積が変化する、ことを特徴とするものである。

前記撮像手段は、前記観察対象の色画像を撮像する第１の撮像素子と、前記観察対象の蛍光画像を撮像する第２の撮像素子と、前記対物光学系を経た前記観察対象からの光束を前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子に分岐する分岐光学系と、を備える、ことを特徴とするものである。

前記測定光は近赤外光である、ことを特徴とするものである。

前記対物光学系は、内視鏡の挿入部に配置されている、
ことを特徴とするものである。

更に、上記目的を達成する本発明に係る撮像装置の作動方法は、
上記のいずれかの撮像装置の作動方法であって、
前記撮像手段により、前記対物光学系を経て観察対象の画像を撮像しながら、前記三次元形状計測手段により、前記対物光学系を経て前記観察対象に測距用の測定光を、光軸方向及び光軸と直交する方向の三次元方向に集光位置を走査しながら照射して、前記観察対象の三次元形状を計測する、
ことを特徴とするものである。

前記観察対象の画像として、色画像と蛍光画像とを同時に撮像する、ことを特徴とするものである。

前記色画像及び／又は前記蛍光画像と、前記三次元形状の画像とを重畳して表示部に表示する、ことを特徴とするものである。

前記測定光の集光位置を可変焦点液体レンズにより前記光軸方向に走査し、前記可変焦点液体レンズの静電容量変化を算出して前記三次元形状の距離情報を取得する、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、観察対象を撮像するとともに、観察対象の三次元形状を高精度で計測することが可能となる。

第１実施の形態に係る内視鏡の要部の概略構成を示す図である。 図１の可変焦点液体レンズの概略構成を示す断面図である。 図２の可変焦点液体レンズの製造方法の一例を示す工程図である。 図２の可変焦点液体レンズの焦点距離を計測するのに使用した共焦点距離測定装置の概略構成を示す図である。 図２の可変焦点液体レンズの駆動電圧と焦点距離との関係を示す図である。 図２の可変焦点液体レンズの静電容量を測定するＲＣ回路による静電容量測定回路の一例の概略構成図である。 図２の可変焦点液体レンズの初期状態からの静電容量変化と焦点距離との関係を示す図である。 図２の可変焦点液体レンズの静電容量変化と受光素子の出力変化との関係を示す図である。 図２の可変焦点液体レンズの計測焦点距離と物体距離との関係を示す図である。 図２の可変焦点液体レンズの静電容量を測定する交流ブリッジ回路による静電容量測定回路の一例の概略構成図である。 図２の可変焦点液体レンズの静電容量を測定するＬＣＲ直列共振回路による静電容量測定回路の一例の概略構成図である。 図１の内視鏡による撮像画像及び三次元形状情報の重畳方法の一例を示すフローチャートである。 第２実施の形態に係る内視鏡の要部の概略構成を示す図である。 図１３の内視鏡を用いて得られる観察対象の画像の写真である。 図２の可変焦点液体レンズの変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では、内視鏡に適用した場合を例にとって説明するが、本発明は内視鏡に限定されるものではない。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る内視鏡の要部の概略構成を示す図である。この内視鏡１０は硬性鏡で、撮像手段１００及び三次元形状計測手段２００を備える。撮像手段１００は、内視鏡１０の挿入部２０に配置された対物光学系１０１及びリレー光学系１０２と、把持部３０に配置されたＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子１０３とを有している。そして、撮像手段１００は、照明装置５０からの照明光に基づく観察対象Ｓの画像を対物光学系１０１により形成し、その画像をリレー光学系１０２を経て撮像素子１０３に結像させる。

なお、図１では、照明装置５０が内視鏡１０と別体に設けられている場合を例示しているが、照明装置５０は内視鏡１０に内蔵される場合もある。また、撮像素子１０３により撮像される観察対象Ｓの画像には、例えば可視光像や蛍光像がある。可視光像の場合、観察対象Ｓには、照明装置５０から例えば白色光の照明光が照射される。また、蛍光像の場合、観察対象Ｓには、照明装置５０から観察対象Ｓが染色されている蛍光色素に応じた所定波長の励起光が照射される。

三次元形状計測手段２００は、撮像手段１００の対物光学系１０１及びリレー光学系１０２を共用する。また、三次元形状計測手段２００は、内視鏡１０の把持部３０に設けられた、所定波長の測距用の測定光を射出するレーザ発光素子２０１、ピンホール２０２、偏光ビームスプリッタ２０３、コリメータレンズ２０４、１／４波長板２０５、可変焦点液体レンズ２０６、二軸駆動ミラー２０７、バンドパスフィルタ２０８、ハーフミラー２０９、ピンホール２１０、及び受光素子２１１と、把持部３０の外部に設けられた演算制御部２１２とを有する。なお、演算制御部２１２は、一部又は全部が把持部３０に内蔵されてもよい。

そして、三次元形状計測手段２００は、レーザ発光素子２０１から射出される所定波長の測距レーザ（測定光）を、ピンホール２０２により点光源として、偏光ビームスプリッタ２０３を透過させてコリメータレンズ２０４で平行光束に変換した後、１／４波長板２０５により円偏光に変換する。なお、測定光としては、生体での吸収率が小さい生体の窓と呼ばれる波長帯域から所定の波長の光、例えば波長７８０ｎｍの近赤外光が使用される。その後、三次元形状計測手段２００は、測定光を、可変焦点液体レンズ２０６、二次元駆動ミラーを構成する二軸駆動ミラー２０７及びバンドパスフィルタ２０８を経てハーフミラー２０９に入射させ、該ハーフミラー２０９で反射される測定光を、リレー光学系１０２及び対物光学系１０１を経て観察対象Ｓに照射する。

ここで、可変焦点液体レンズ２０６及び二軸駆動ミラー２０７は、観察対象Ｓに対して測定光を走査する走査手段を構成し、演算制御部２１２により駆動制御される。つまり、可変焦点液体レンズ２０６は、可変焦点光学素子を構成し、焦点距離を可変することにより、対物光学系１０１による測定光の集光位置を光軸方向に走査する。この可変焦点液体レンズ２０６における焦点距離変化情報及び二軸駆動ミラー２０７の角度情報は、演算制御部２１２において走査手段の制御情報として取得される。

また、二軸駆動ミラー２０７は、二次元駆動ミラーを構成し、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により形成されて、対物光学系１０１による測定光の集光位置を光軸と直交する平面内で走査する。なお、二軸駆動ミラー２０７は、走査方向が直交する二つの駆動ミラーで構成されてもよい。ハーフミラー２０９は、撮像手段１００の撮像光路中に配置されている。

さらに、三次元形状計測手段２００は、観察対象Ｓからの測定光の反射光を、測定光の往路とは逆の経路を辿って、対物光学系１０１、リレー光学系１０２、ハーフミラー２０９、バンドパスフィルタ２０８、二軸駆動ミラー２０７、可変焦点液体レンズ２０６を経て１／４波長板２０５を透過させる。これにより、反射光の偏光方向を、往路の測定光とは直交する方向の直線偏光に変換する。なお、バンドパスフィルタ２０８は、測定光の波長の光を透過し、可視光を遮光する特性を有する。

その後、三次元形状計測手段２００は、１／４波長板２０５を透過した反射光を、コリメータレンズ２０４を経て偏光ビームスプリッタ２０３で反射させて、ピンホール２１０を経て受光素子２１１で受光する。この受光素子２１１の出力（受光出力情報）は、演算制御部２１２に供給される。ここで、ピンホール２１０及び受光素子２１１は、受光手段を構成する。また、ピンホール２１０は、対物光学系１０１による測定光の集光点に関し共焦点光学系を構成する。

演算制御部２１２は、演算手段を構成するもので、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離を変化させながら、各焦点位置において二軸駆動ミラー２０７により測定光を平面内で走査する。そして、各走査点において得られる受光素子２１１の出力に基づいて、対物光学系１０１から観察対象Ｓまでの距離を算出する。すなわち、各走査点において、受光素子２１１の出力がピークとなる可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離変化を計測する。そして、計測した可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離変化及び二軸駆動ミラー２０７の角度情報に基づいて、つまり走査手段の制御情報に基づいて対物光学系１０１から観察対象Ｓまでの距離を算出する。なお、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離の変化と、対物光学系１０１から観察対象Ｓまでの距離との関係は、演算制御部２１２のメモリ２１３にあらかじめ格納される。演算制御部２１２で算出された各走査点における距離情報は、距離に対応する輝度情報とともに、三次元形状情報として出力される。

なお、対物光学系１０１による画像は、ハーフミラー２０９を透過して撮像素子１０３により撮像される。また、ハーフミラー２０９と撮像素子１０３との間の光路中には、ハーフミラー２０９を透過する測定光の反射光を遮光し、対物光学系１０１による画像光を透過するフィルタ１０４が配置されている。フィルタ１０４は、ハーフミラー２０９に代えて、測定光の波長の光を反射させ、対物光学系１０１による画像光を透過する特性を有するミラーを用いることにより、省略することが可能である。

図２は、図１の可変焦点液体レンズ２０６の概略構成を示す断面図である。この可変焦点液体レンズ２０６は、透明基板３００、第１の透明電極３０１、絶縁部材３０２、液体膨出部３０３、保護膜３０４、第２の透明電極３０５を備える。第１の透明電極３０１は、透明基板３００の表面に形成されている。絶縁部材３０２は、第１の透明電極３０１上に形成されている。液体膨出部３０３は、絶縁部材３０２が円形に除去されたレンズ部３０６において第１の透明電極３０１上から膨出して形成されている。保護膜３０４は、絶縁膜からなり、液体膨出部３０３の液表面に形成されている。第２の透明電極３０５は、保護膜３０４の表面に形成されている。

図３（ａ）〜（ｄ）は、図２の可変焦点液体レンズ２０６の製造方法の一例を示す工程図である。なお、各図には、斜視図と矩形の透明基板３００の対角線に沿う断面図とを示している。先ず、図３（ａ）に示すように、透明基板３００として例えば厚さ７００μｍのガラス基板（ＳｉＯ_２）を用い、該透明基板３００上に、例えば厚さ１７０ｎｍのＩＴＯからなる第１の透明電極３０１、及び、例えば厚さ６００ｎｍの疎水性のアモルファスフッ素樹脂（例えば、ＣＹＴＯＰ（登録商標））からなる絶縁部材３０２を順次積層する。第１の透明電極３０１及び絶縁部材３０２は、例えばスピンコートを使用し、その後、オーブンで加熱して溶媒を飛ばすことにより成膜する。

次に、アルミニウムマスクを使用し、Ｏ_２プラズマを利用して、図３（ｂ）に示すように、絶縁部材３０２をパターニングする。これにより、例えば直径１０ｍｍの円形のレンズ部３０６と、第１の透明電極３０１の接続部３１１と、第２の透明電極３０５の接続部領域３１２とを形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、第１の透明電極３０１を、例えばウェットエッチングによりパターニングして、接続部領域３１２の第１の透明電極３０１を除去する。その後、アルミニウムマスクを取り除いて、レンズ部３０６の第１の透明電極３０１上に、例えばシリコーンオイル（例えば、信越化学工業（株）製のＨＩＶＡＣ−Ｆ−５（製品名））を例えば６μｌ塗布して液体膨出部３０３を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、接続部領域３１２の透明基板３００、絶縁部材３０２及び液体膨出部３０３の液表面に亘って、例えば厚さ１μｍのパリレンＣからなる保護層３０４、及び、例えば厚さ８ｎｍのＡｕからなる第２の透明電極３０５を順次積層する。なお、可変焦点液体レンズ２０６は、図２に拡大して示すように、レンズ部３０６の周縁において、第２の透明電極３０５が第１の透明電極３０１と保護層３０４を介して平行に対向する。そして、液体膨出部３０３の変形すなわち焦点距離の変化に応じて、第１の透明電極３０１と平行に対向する第２の透明電極３０５の面積が変化する。

図２に示した可変焦点液体レンズ２０６は、第２の透明電極３０５をＧＮＤとして、第１の透明電極３０１に駆動電圧Ｖｉｎが印加されると、両電極間に作用する静電気力によって液体膨出部３０３がより突出して、焦点距離が短くなる。本発明者らは、図２の可変焦点液体レンズ２０６について、第１の透明電極３０１と第２の透明電極３０５との間に印加する駆動電圧と、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離との関係について実験を行った。

図４は、この場合の実験に使用した共焦点距離測定装置の概略構成を示す図である。この共焦点距離測定装置は、図１に示した三次元形状計測手段２００の構成において、二軸駆動ミラー２０７から対物光学系１０１までの光学系を省略して、可変焦点液体レンズ２０６により測定光をアルミニウムミラーからなる測距用物体Ｏｂに直接照射するものである。したがって、図４において、図１に示した構成部材と同一構成部材には同一の参照符号を付して説明を省略する。ここで、ピンホール２１０は、可変焦点液体レンズ２０６による測定光の集光点に関し共焦点光学系を構成している。

実験では、駆動電圧を０Ｖから１５０Ｖまで上昇させ、その後、０Ｖまで戻す１サイクルにおいて、所定の駆動電圧毎に、測距用物体Ｏｂを可変焦点液体レンズ２０６の光軸方向に移動させる。そして、受光素子２１１の出力がピークとなる測距用物体Ｏｂと、可変焦点液体レンズ２０６との間の距離を、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離として計測する。

図５は、この場合の実験結果を示すものである。図５に示すように、図２の可変焦点液体レンズ２０６の場合、駆動電圧を、０Ｖから１５０Ｖまで上昇させ、その後、０Ｖまで戻すと、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離は、１５４ｍｍ〜８２ｍｍまで変化することが確認できた。したがって、演算制御部２１２に予め駆動電圧に対する可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離を記憶しておくことにより、受光素子２１１の出力がピークとなる駆動電圧から距離情報を得ることができる。

しかしながら、図５から明らかなように、駆動電圧の上昇時と下降時とでは、焦点距離の変化にヒステリシスがある。そのため、駆動電圧に対する可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離を一義的に設定すると、設定値と実際の焦点距離との間に誤差が生じることになる。その結果、図１に示した内視鏡においては、対物光学系１０１と測定対象Ｓとの間の距離の計測誤差が大きくなる。

そこで、本実施の形態に係る内視鏡おいては、可変焦点液体レンズ２０６が、図２に部分拡大図で示したように、液体膨出部３０３が変形すると、第１の透明電極３０１と保護層３０４を介して平行に対向するレンズ部３０６の周囲の第２の透明電極３０５の面積が変化して静電容量が変化することに着目する。そして、その静電容量変化から可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離変化（制御情報）を取得する。

ここで、図２において、真空の誘電率をε_０、保護層３０４（パリレンＣ）の比誘電率をε_parylene、保護層３０４（パリレンＣ）の厚さをｔ_parylene、レンズ部３０６の周囲において第１の透明電極３０１と保護層３０４を介して平行に対向する第２の透明電極３０５の面積変化をΔＳとすると、ΔＳによる静電容量変化ΔＣ_lensは、下記の（１）で表される。なお、面積変化ΔＳは、可変焦点液体レンズ２０６に駆動電圧が印加されていない初期状態からの変化を示す。

本実施の形態においては、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量Ｃ_lensを、例えば、下記の３つの方法のいずれかによって測定する。
i）可変焦点液体レンズ２０６と直列に抵抗（Ｒ）を接続してＲＣ回路を構成し、抵抗の両端の電位差から静電容量Ｃ_lensを算出する。
ii）可変焦点液体レンズ２０６を含む交流ブリッジ回路を構成して、静電容量Ｃ_lensを算出する。
iii）可変焦点液体レンズ２０６と直列に抵抗（Ｒ）及びコイル（Ｌ）を接続してＬＣＲ直列共振回路を構成し、その共振周波数から静電容量Ｃ_lensを算出する。

以下、静電容量Ｃ_lensの各測定方法について説明する。

図６は、ＲＣ回路による静電容量測定回路の一例の概略構成図である。この静電容量測定回路は、可変焦点液体レンズ２０６と直列に接続した参照抵抗Ｒ_refと、可変焦点液体レンズ２０６及び参照抵抗Ｒ_refの直列回路に駆動電圧Ｖ_act及び計測電圧Ｖ_measを重畳して印加する電源回路４００と、参照抵抗Ｒ_refの両端の電位差（出力電圧）を検出する電圧検出部４０１とを有する。

参照抵抗Ｒ_refは、例えば１００ｋΩとする。駆動電圧Ｖ_actは、例えば０Ｖから１５０Ｖまで上昇し、その後、０Ｖまで下降する電圧とする。計測電圧Ｖ_measは、例えば３Ｖpp、５００Ｈｚの電圧とする。電圧検出部４０１は、例えばロックインアンプを持って構成され、参照抵抗Ｒ_refに生じる計測電圧Ｖ_measによる出力電圧Ｖ_Ｒefを検出する。

図６の場合、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量Ｃ_lensは、計測電圧Ｖ_measの角周波数をω_measとすると、下記の（２）式で表される。

図７は、この場合の可変焦点液体レンズ２０６の初期状態からの静電容量変化ΔＣ_lens[ｐＦ]と、焦点距離Ｆ_lens［ｍｍ］との関係を示す図である。なお、図７の焦点距離Ｆ_lens［ｍｍ］は、図４に示した共焦点距離測定装置を用いて計測したものである。図７から可変焦点液体レンズ２０６の静電容量変化ΔＣ_lensと焦点距離Ｆ_lensとの間には、駆動電圧Ｖ_actの上昇時及び下降時に関わらず、ヒステリシスのない線形な下記の（３）式の関係が存在することがわかる。これにより、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離Ｆ_lensを、静電容量変化ΔＣ_lensから計測することができる。この場合のＲ^２値（決定係数）は、０．９９である。
Ｆ_lens＝−１．５６ΔＣ_lens＋１５１．６９ ・・・（３）

図８は、可変焦点液体レンズ２０６を連続駆動した場合に計測される静電容量変化ΔＣ_lens[ｐＦ]と、受光素子２１１の出力（反射光強度）[Ｖ]との関係を示す図で、図４の共焦点距離測定装置と図６の静電容量測定回路とを組み合わせて計測したものである。ここでは、測距用物体Ｏｂを可変焦点液体レンズ２０６から１１４ｍｍ離れて配置して、可変焦点液体レンズ２０６を、±１５０Ｖ、０．１Ｈｚの駆動電圧Ｖ_actで連続駆動した。図８から、測距用物体Ｏｂまでの距離が一定の場合、反射光強度がピークとなる時点の静電容量変化もほぼ一定であることが分かる。

図９は、可変焦点液体レンズ２０６の測距用物体Ｏｂまでの計測距離（計測焦点距離）と、物体位置（実測焦点距離）との関係を示す図で、同様に、図４の共焦点距離測定装置と図６の静電容量測定回路とを組み合わせて計測したものである。ここでは、測距用物体Ｏｂを可変焦点液体レンズ２０６から９４〜１４０ｍｍの位置に配置し、各物体までの距離を８回ずつ計測した際の距離計測結果を示している。可変焦点液体レンズ２０６の計測距離は、受光素子２１１の出力がピークとなる時点の静電容量変化に基づいて上記（３）式により算出した。

図９から明らかなように、図４に示した共焦点距離測定装置により、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量変化から焦点距離を算出すれば、平均標準偏差０．７ｍｍ、平均誤差６．８％、にて焦点距離を計測することが可能であることがわかる。

なお、図６において、電源回路４００から可変焦点液体レンズ２０６に印加する駆動電圧Ｖ_act及び計測電圧Ｖ_measは、上記の例に限らず、必要な焦点距離変化量や変化速度に起因して設定される。例えば、駆動電圧Ｖ_actは、ピーク値が２００Ｖ以下、周波数が１０Ｈｚ以下の電圧が使用される。また、計測電圧Ｖ_measは、例えば、ピーク値が３Ｖ以下、周波数が駆動電圧Ｖ_actよりも高周波数で１ｋＨｚ以上の電圧が使用される。

図１０は、交流ブリッジ回路による静電容量測定回路の一例の概略構成図である。この静電容量測定回路は、ブリッジ回路の第１辺に接続された可変焦点液体レンズ２０６及び可変抵抗Ｒ_４の直列回路と、第１辺と対向する第２辺に接続された既知抵抗Ｒ_１と、第１辺及び第２辺のそれぞれの一端を接続する第３辺に接続された既知容量Ｃ_１及び既知抵抗Ｒ_３の直列回路と、第１辺及び第２辺のそれぞれの他端を接続する第４辺に接続された可変抵抗Ｒ２とを有する。

第１辺及び第３辺の接続点Ｐ_１と、第２辺及び第４辺の接続点Ｐ_２との間には、電源回路４１０が接続されて、高電圧・低周波数（ピーク値２００Ｖ程度、周波数１０Ｈｚ程度）の駆動電圧Ｖ_act及び低電圧・高周波数（ピーク値２Ｖ程度、周波数１０ｋＨｚ程度）の計測電圧Ｖ_measが重畳して印加される。また、第２辺及び第３辺の接続点Ｐ_３と、第１辺及び第４辺の接続点Ｐ_４との間には、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４１１を介して電圧計測部４１２が接続される。

図１０のブリッジ回路では、下記の（４）式及び（５）式を満たすために、計測電圧Ｖ_measのみを印加した状態で、先ず、可変抵抗Ｒ_４を調整して、位相差をゼロとする。次に、可変抵抗Ｒ_２を調整して、電圧計測部４１２で計測される電圧をゼロとする。
Ｃ_lens＝Ｒ_１Ｃ_１／Ｒ_２ ・・・（４）
Ｒ_４＝Ｒ_２Ｒ_３／Ｒ_１ ・・・（５）

その後、ブリッジ回路に駆動電圧Ｖ_act及び計測電圧Ｖ_measを重畳して印加する。これにより、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量Ｃ_lensが変化して、ブリッジ回路の平衡状態が崩れ、接続点Ｐ_３と接続点Ｐ_４との間に電位差（電圧）が生じる。その電圧のうち、計測電圧成分のみを、ＨＰＦ４１１を経て電圧計測部４１２で検出する。

図１０の交流ブリッジ回路による静電容量測定方法によると、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量変化によって生じる電圧の変化量を増幅することができるので、図６のＲＣ回路による静電容量測定方法と比較して、より微小な静電容量変化を計測することが可能となる。したがって、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量変化ΔＣ_lensと焦点距離Ｆ_lensとの関係式を、上記（３）式よりも高精度で求めることができるので、これにより静電容量変化から焦点距離をより高精度で算出することができる。

なお、可変焦点液体レンズ２０６は、初期状態の静電容量が、０．１ｎＦ程度であるので、図１０のＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４、Ｃ_１は、それぞれ、Ｒ_１＝５ｋΩ、Ｒ_２＝０〜１０ｋΩ、Ｒ_３＝０〜１０ｋΩ、Ｒ_４＝５ｋΩ、Ｃ_１＝０．１ｎＦ、とすることができる。また、ＨＰＦ４１１は、図１０に部分拡大図を示すように、例えば、Ｃ_２＝０．１μＦ、Ｒ_５＝１３ｋΩのＣＲ回路で構成することができる。

図１１は、ＬＣＲ直列共振回路による静電容量測定回路の一例の概略構成図である。この静電容量測定回路は、可変焦点液体レンズ２０６と直列に接続されたコイルＬ及び参照抵抗Ｒを有する。このＬＣＲ直列回路には、電源回路４２０が接続されて、駆動電圧Ｖ_act及び計測電圧Ｖ_measが重畳して印加される。駆動電圧Ｖ_actは、高電圧・低周波数で、例えば、ピーク値２００Ｖ程度、周波数１０Ｈｚ程度である。また、計測電圧Ｖ_measは、低電圧・高周波数で、例えば、ピーク値が２Ｖ程度、周波数が１０ＭＨｚ前後でスイープする電圧である。そして、参照抵抗Ｒの両端の計測電圧成分の電位差（出力電圧）が、ＨＰＦ４２１を介して電圧検出部４２２により検出される。

図１１のＬＣＲ直列共振回路のインピーダンスＺ_ＬＣＲ及び共振周波数Ｆは、下記の（６）式及び（７）式で与えられる。

インピーダンスＺ_ＬＣＲは、共振周波数Ｆのとき最小値となる。そのときの参照抵抗Ｒによる電位差Ｖ_Ｒは、下記の（８）式で与えられる。なお、（８）式において、Ｉ_ＡＣは、計測電圧によって参照抵抗Ｒを流れる電流を示している。また、Ｖ_ＡＣは、計測電圧によって生じる参照抵抗Ｒの電圧降下を示している。

したがって、計測電圧Ｖ_measの周波数を１０ＭＨｚ前後でスイープしたときの参照抵抗Ｒの両端の電位差を電圧検出部４２２で計測し、電位差が最大となる周波数を求めることにより、上記（７）式の関係を用いて、可変焦点液体レンズ２０６の静電容量Ｃを計測することができる。これにより、例えば上記（３）式のような静電容量変化と焦点距離との関係式に従って、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離を算出することができる。なお、可変焦点液体レンズ２０６は、初期状態の静電容量が、０．１ｎＦ程度であるので、図１１のコイルＬ及び参照抵抗Ｒは、それぞれＬ＝２．５μＨ、Ｒ＝１ｋΩとすることができる。

なお、上述した静電容量測定回路は、可変焦点液体レンズ２０６を除いて、一部又は全部が、図１の演算制御部２１２に内蔵される。また、上記（３）式のような、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離Ｆ_lensと、静電容量変化ΔＣ_lensとの関係は、演算制御部２１２のメモリ２１３にあらかじめ格納される。

図１２は、図１の内視鏡１０による撮像画像及び三次元形状情報の重畳方法の一例を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１２０１において、照明装置５０により観察対象Ｓを照明して、観察対象Ｓの連続的撮像を開始するとともに、レーザ発光素子２０１を駆動して観察対象Ｓに対して測定光の照射を開始する。その後、ステップＳ１２０２において、観察対象Ｓに対して内視鏡１０の位置を調整して対物光学系１０１の焦点合わせを行う。

次に、ステップＳ１２０３において、演算制御部２１２により、可変焦点液体レンズ２０６を駆動して、受光素子２１１で受光される測定光の反射光を計測する。その際の測定点は、例えば、撮像素子１０３による撮像画像の中心位置とする。そして、ステップＳ１２０４において、演算制御部２１２により、受光素子２１１の出力にピークが有るか否か、つまり反射光のピークが有るか否かを判定する。その結果、出力のピークが無いと判定された場合（Ｎｏの場合）は、計測レンジ外としてステップＳ１２０２に戻って、内視鏡１０の位置を再調整する。

これに対し、ステップＳ１２０４において、受光素子２１１の出力にピークが有ると判定された場合（Ｙｅｓの場合）は、ステップＳ１２０５において、演算制御部２１２により、観察画面内の各走査点、例えば８×８の各走査点について、対物光学系１０１から観察対象Ｓまでの距離を計測する。つまり、ステップＳ１２０５において、走査点毎に可変焦点液体レンズ２０６を駆動して、受光素子２１１のピーク出力における可変焦点液体レンズ２０６の静電容量変化を算出し、その静電容量変化から可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離を算出する。そして、算出した可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離に基づいて、対物光学系１０１から観察対象Ｓまでの距離を計測する。各走査点において計測される対物光学系１０１から観察対象Ｓまでの距離情報は、距離に対応する輝度情報とともに演算制御部２１２のメモリ２１３に記憶される。

ステップＳ１２０５において、全ての走査点について観察対象Ｓまでの距離を計測したら、次に、ステップＳ１２０６において、演算制御部２１２により、メモリ２１３に記憶されている各走査点の輝度情報と距離情報とに基づいて、観察対象Ｓの三次元モデルを作成する。

その後、ステップＳ１２０７において、演算制御部２１２により、作成された三次元モデルに局地的な異常な段差が無いかを判定する。その結果、異常な段差が無いと判定された場合（Ｙｅｓの場合）は、ステップＳ１２０８において、撮像素子１０３による撮像画像と、作成された三次元モデルの距離情報とを、一つの表示部（図示せず）に重畳して、又は並列的に表示する、あるいは別々の表示部（図示せず）に表示する。なお、ステップＳ１２０８における撮像画像と三次元モデルの距離情報との重畳処理は、演算制御部２１２において、撮像素子１０３による撮像画像情報を入力して実行してもよいし、演算制御部２１２とは分離した画像処理部において、演算制御部２１２で作成された三次元モデルの距離情報と撮像素子１０３による撮像画像とを重畳してもよい。

一方、ステップＳ１２０７において、異常な段差が有ると判定された場合（Ｎｏの場合）は、ステップＳ１２０１に戻って再計測を行う。なお、異常な段差は、例えばステップＳ１２０２での対物光学系１０１の焦点合わせの際の撮影時に異常な反射光を観測したり、あるいは、ステップＳ１２０５での距離情報取得時にエラーが発生したりした場合に発生することがある。

以上のように、図１の内視鏡１０によると、撮像手段１００による観察対象Ｓの撮像画像と、三次元形状計測手段２００による観察対象Ｓの三次元形状情報とを、内視鏡１０の対物光学系１０１を共用して同軸で取得している。したがって、内視鏡１０の挿入部２０の大径化を招くことなく、観察対象Ｓの撮像画像と三次元形状情報とを同時にリアルタイムで取得して、それらを重畳表示あるいは並列表示することができる。しかも、測距用の測定光は、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離を制御することにより、集光位置を光軸方向に走査している。したがって、内視鏡操作に影響を与えることなく、観察対象Ｓの三次元形状を高精度かつ高速に計測することができるとともに、三次元形状計測手段２００の小型化が図れる。また、撮像素子１０３から得られる画像と、演算制御部２１２から得られる三次元形状情報とを重畳して三次元形状画像を生成する場合も、位置合わせが容易にでき、高精度の三次元形状画像を生成することができる。また、測定光として近赤外光を用いているので、撮像手段１００に影響を与えることなく、同一光軸で観察対象Ｓの三次元形状情報を取得することができる。

なお、可変焦点光学素子は、可変焦点液体レンズ２０６に限らず、例えば、特開平１１−１３３２１０号公報に開示されているような可変焦点レンズも使用可能である。かかる従来の可変焦点レンズは、薄板の光学ガラスからなる透明弾性板と、中央部の貫通孔に透明板が接合された導電性弾性板と、該導電性弾性板の両側に配設された第１電極及び第２電極と、透明板及び導電性弾性板と透明弾性板との間の密閉空間に充填された透明液体とを有し、透明弾性板、透明液体及び透明板によりレンズを構成している。そして、第１電極と導電性弾性板との間に電位差を与えることにより透明弾性板が突出した凸レンズを形成し、第２電極と導電性弾性板との間に電位差を与えることにより透明弾性板が窪んだ凹レンズを形成するようにしている。

しかしながら、かかる従来の可変焦点レンズにおいては、透明液体を、透明弾性板、第１電極、導電性弾性板、透明板、透明弾性板と第１電極との間のスペーサ、及び、第１電極と導電性弾性板との間のスペーサにより液密に保持するようにしている。そのため、構造が複雑で大型になるという課題があり、内視鏡への適用は困難となる。また、導電性弾性板、第１電極及び第２電極の３つの電極を有し、導電性弾性板と第１電極及び第２電極とのそれぞれの電極間の電位差を制御して焦点距離を制御するようにしている。そのため、制御が煩雑になるという課題もある。

これに対し、図１の内視鏡１に用いた可変焦点液体レンズ２０６は、液体膨出部３０３が、第１の透明電極３０１と、該第１の透明電極３０１上から膨出した保護膜３０４及び第２の透明電極３０５とにより形成されている。また、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離は、第１の透明電極３０１と第２の透明電極３０５との２つの電極間に電圧を印加することにより制御される。したがって、構造が簡単で小型にでき、焦点距離の制御も簡単にできるので、上述した従来の可変焦点レンズにおける課題を解決することができる。特に、保護層３０４をパリレンＣで形成した場合、パリレンＣは、光学ガラスよりも弾性の高い特徴を有するので、液体レンズの変形量を大きくすることができ、焦点距離の変化量を大きくできる。

（第２実施の形態）
図１３は、本発明の第２実施の形態に係る内視鏡の要部の概略構成を示す図である。この内視鏡１１は、図１に示した内視鏡１０において、撮像手段１００に、更に、対物光学系１０１に対して撮像素子１０３と共役な位置にＣＣＤ等からなる撮像素子１０５を設けたものである。そして、撮像素子１０３を可視光（色）画像用の第１の撮像素子とし、撮像素子１０５を蛍光画像用の第２の撮像素子として、撮像手段１００による観察対象Ｓの色画像及び蛍光画像と、三次元形状計測手段２００による三次元モデルとを同軸上で同時に取得可能に構成したものである。

そのため、図１３においては、ハーフミラー２０９と色画像用の撮像素子１０３との間に、フィルタ１０４に代えて、測定光を吸収し、可視光帯域の光を透過及び反射させる特性を有するミラー（分岐光学系）１０６が配置されている。また、ミラー１０６と蛍光画像用の撮像素子１０５との間には、所望の波長の蛍光を反射させるミラー１０７が配置されている。

そして、ハーフミラー２０９を透過した対物光学系１０１による色画像は、ミラー１０６を透過して撮像素子１０３で撮像される。また、ハーフミラー２０９を透過した対物光学系１０１による蛍光画像は、ミラー１０６で反射され、さらにミラー１０７で反射されて撮像素子１０５で撮像される。なお、三次元形状計測手段２００による測距動作については、第１実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

図１４（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る内視鏡２を用いて得られる観察対象Ｓの画像の写真を示すものである。ここで、観察対象Ｓは、ガラス基板上の２箇所に、蛍光色素のローダミンＢと、イオン液体の１−エチル−３−メチルイミダゾリウムエチルスルファート(1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate)とを混合した試液を滴下し、更にパリレンＣ膜で封止して作製したものを用いた。ローダミンＢは、５５０〜５８０ｎｍ程度の励起光で、５９０〜６５０ｎｍの蛍光を放出する。そのため、図１３において、ミラー１０７は、蛍光波長帯域の５９０〜６５０ｎｍの光を反射させる特性を有するものを用いる。

図１４（ａ）は、撮像素子１０３から得られる観察対象Ｓの色画像の写真を示す。図１４（ｂ）は、撮像素子１０５から得られる観察対象Ｓの蛍光画像の写真を示す。図１４（ｃ）は、距離計測系を用いて測定する距離情報を示す。図１４（ｄ）は、図１４（ｃ）のの距離情報を元にして作成した三次元モデルに、図１４（ａ），（ｂ）の色画像及び蛍光画像をテクスチャとして重畳した三次元画像の写真を示す。なお、図１４（ａ）〜（ｄ）に示した各画像は、別々の表示部に同時に表示してもよいし、表示部を適宜共用して、一つの表示部に異種の画像を画面分割して同時に表示してもよい。

図１３の内視鏡１１によると、観察対象Ｓに対して、同軸上で、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すような色画像、蛍光画像及び三次元モデルの三種の画像を同時に取得することができる。したがって、第１実施の形態と同様の効果が得られる他、上記の三種の画像を容易に位置合わせてして重畳することができる。これにより、図１４（ｄ）に示すような観察対象Ｓの色画像及び蛍光画像を含む三次元的な高精度のリアルな画像を取得することができ、より的確な施術や診断支援等が可能となる。

本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、可変焦点液体レンズ２０６は、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、透明基板３００上の第１の透明電極３０１を駆動用電極３０１ａと、計測用電極３０１ｂとに分離する。そして、第２の透明電極３０５を共通電極（ＧＮＤ）として、駆動用電極３０１ａに接続部３２１を介して焦点距離を変化させる駆動電圧Ｖ_actを独立して印加し、計測用電極３０１ｂに接続部３２２を介して静電容量変化を検出するための計測電圧Ｖ_measを独立して印加する。なお、図１５（ａ）は、駆動用電極３０１ａ及び計測用電極３０１ｂを模式的に示す透明基板３００の平面に沿った断面図であり、図１５（ｂ）は、駆動用電極３０１ａ及び計測用電極３０１ｂを示すようにレンズ光軸に沿った断面図である。

また、可変焦点液体レンズ２０６の焦点距離は、静電容量に限らず、印加電圧からヒステリシスを考慮して計測してもよい。つまり、印加電圧の上昇及び下降に対応する焦点距離の情報を予めメモリに格納して、印加電圧の上昇又は下降に応じて反射光がピークとなる焦点距離を計測してもよい。あるいは、印加電圧の上昇又は下降に対応する焦点距離の情報を予めメモリに格納して、印加電圧の上昇又は下降時のみ焦点距離を計測するようにしてもよい。

また、内視鏡は、硬性鏡に限らず、軟性鏡にも同様に適用でき、同様の効果を得ることが可能である。また、本発明は、内視鏡に限らず、物体表面の三次元形状計測機器や、三次元光造形機器などの撮像装置にも有効に適用することができる。

１０，１１ 内視鏡
２０ 挿入部
３０ 把持部
５０ 照明装置
１００ 撮像手段
１０１ 対物光学系
１０２ リレー光学系
１０３ 撮像素子
２００ 三次元形状計測手段
２０１ レーザ発光素子
２０２，２１０ ピンホール
２０６ 可変焦点液体レンズ
２０７ 二軸駆動ミラー
２１１ 受光素子
２１２ 演算制御部
２１３ メモリ
Ｓ 観察対象

Claims (13)

1. 対物光学系を経て観察対象の画像を撮像する撮像手段と、
   前記対物光学系を経て前記観察対象に測距用の測定光を照射して、前記観察対象の三次元形状を計測する三次元形状計測手段と、を具備する撮像装置であって、
   前記三次元形状計測手段は、
   前記対物光学系に入射する前記測定光を前記観察対象に対して走査する走査手段と、
   前記対物光学系を経て入射する前記観察対象からの前記測定光の反射光を受光する受光手段と、
   前記受光手段の受光出力情報に基づいて前記走査手段の制御情報を取得し、該制御情報に基づいて前記対物光学系から前記観察対象までの距離を算出する演算手段と、を備え、
   前記走査手段は、
   前記測定光の集光位置を光軸方向に走査する可変焦点光学素子を備え、
   前記可変焦点光学素子は、透明基板と、該透明基板の表面に形成された第１の透明電極と、該第１の透明電極上から膨出した液体膨出部と、該液体膨出部の液表面に形成された保護膜と、該保護膜の表面に形成された第２の透明電極と、を備え、
   前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に印加される電圧による静電気力により焦点距離が変化する可変焦点液体レンズからなり、
   前記演算手段は、前記受光手段の受光出力情報に基づいて前記可変焦点液体レンズの前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間の静電容量変化を算出し、該静電容量変化に基づいて当該可変焦点液体レンズの焦点距離変化を前記制御情報として取得する、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記走査手段は、
   前記測定光を前記光軸と直交する平面内で走査する二次元駆動ミラーを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記受光手段は、前記反射光の光路中に、前記対物光学系による前記測定光の集光位置に関し共焦点光学系を構成するピンホールを備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記演算手段は、前記可変焦点液体レンズに直列接続した参照抵抗の両端の電位差、前記可変焦点液体レンズを含む交流ブリッジ回路の出力電圧、又は、前記可変焦点液体レンズを含む直列共振回路の共振周波数に基づいて、前記静電容量変化を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記第１の透明電極又は前記第２の透明電極は、前記焦点距離を変化させる電圧を印加する駆動用電極と、前記静電容量変化を検出するための電圧を印加する計測用電極と、を備える、ことを特徴とする請求項１又は４に記載の撮像装置。
6. 前記可変焦点光学素子は、焦点距離の変化に応じて前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とが平行に対向する面積が変化する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像手段は、前記観察対象の色画像を撮像する第１の撮像素子と、前記観察対象の蛍光画像を撮像する第２の撮像素子と、前記対物光学系を経た前記観察対象からの光束を前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子に分岐する分岐光学系と、を備える、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記測定光は近赤外光である、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 前記対物光学系は、内視鏡の挿入部に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の撮像装置の作動方法であって、
    前記撮像手段により、前記対物光学系を経て観察対象の画像を撮像しながら、前記三次元形状計測手段により、前記対物光学系を経て前記観察対象に測距用の測定光を、光軸方向及び光軸と直交する方向の三次元方向に集光位置を走査しながら照射して、前記観察対象の三次元形状を計測する、
    ことを特徴とする撮像装置の作動方法。
11. 前記観察対象の画像として、色画像と蛍光画像とを同時に撮像する、ことを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置の作動方法。
12. 前記色画像及び／又は前記蛍光画像と、前記三次元形状の画像とを重畳して表示部に表示する、ことを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置の作動方法。
13. 前記測定光の集光位置を前記可変焦点液体レンズにより前記光軸方向に走査し、前記可変焦点液体レンズの静電容量変化を算出して前記三次元形状の距離情報を取得する、ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の撮像装置の作動方法。