JPWO2014208224A1

JPWO2014208224A1 - オートフォーカス装置

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Publication number: JPWO2014208224A1
Application number: JP2014559024A
Authority: JP
Inventors: 塩田　敬司; 敬司塩田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JP5792401B2; WO2014208224A1

Abstract

オートフォーカス装置は、フォーカス機構を有する観察部から観察画像が与えられ、前記観察画像に対するフォーカス演算によって合焦位置を求める演算部と、前記観察部の観察領域の一部の領域を前記フォーカス演算の対象となる第１の合焦領域に設定すると共に、前記第１の合焦領域に対する前記フォーカス演算によって合焦位置が求められない場合には、前記第１の合焦領域を変更して第２の合焦領域を設定する領域設定部と、前記演算部が求めた合焦位置に基づいて前記フォーカス機構を駆動する駆動制御部と、を具備する。

Description

本発明は、手術等に際して術部を観察する装置として好適なオートフォーカス装置に関する。

近年、手術等の医療行為に際して術部を観察するための内視鏡や手術用顕微鏡等の医療用観察装置が普及している。例えば、脳神経外科などにおいては、術部を手術するために手術用顕微鏡が用いられる。脳神経外科の手術では、様々な重要組織を避けながら、腫瘍などを切り取る手術が行なわれている。このため、手術時には、手術用顕微鏡は様々な方向に移動される。

ところが、手術用顕微鏡は、観察倍率が高く被写界深度が浅いことから、少しの移動でも簡単にピントがズレてしまうという問題がある。殆どの手術用顕微鏡には電動フォーカス機構が装備されており、術者は、顕微鏡の移動時には、フットスイッチまたはハンドスイッチを用いて電動フォーカス機構を駆動し、手動でピントを合わせ直すようになっている。

このような煩雑なフォーカス操作を省略するために、オートフォーカス機能が組み込まれた手術用顕微鏡も開発されている。例えば手術用顕微鏡の移動終了時に自動的にオートフォーカス制御を行う装置が開示されている。

ところで、通常、オートフォーカス制御は、日本国特開２０１３−２５１３２号公報に開示されているように、観察画像中のいずれかのエリア（合焦領域）にピントを合わせるように制御が行われる。例えば、ユーザは観察範囲の中央等の位置を合焦領域として指定することができる。この場合には、ユーザが主要被写体を観察範囲の中央に位置させることで、合焦が行われる。

また、観察範囲中に設けられた複数の合焦領域のうち、主要被写体があるであろうエリアを被写体のパターン認識によって推定して、そのエリアに自動的に合焦させるフォーカス制御が採用されることもある。また、複数の合焦領域のうち、観察範囲中の画像から人物の顔等の特定のパターンを検出して、このパターンが位置する合焦領域に自動的に合焦させるフォーカス制御が採用されることもある。

ところで、被写体パターンや特定パターンの認識によって自動的に合焦させるオートフォーカス制御を採用するためには、被写体パターンや特定パターンの認識のためのデータベースが必要である。人物や顔等のデータベースは既に構築されており、人物や風景等を撮影する一般的なカメラのオートフォーカス制御に利用されている。しかしながら、手術の状況は診療科や施設毎に術式が異なるだけでなく同じ症例でも患者の個人差によって千差万別であり、常に関心領域にフォーカス制御を行うためには診療科毎または施設毎に膨大な手術データを解析してデータベースを作る必要があり、現時点ではそのような技術は確立できていない。また特定の鉗子などを認識して合焦させることも考えられるが、鉗子類は頻繁に改善が図られるために、常に最新の鉗子情報へのアップデートが必要となるなど、現実的ではない。

また、ユーザが指定した合焦領域に合焦させるオートフォーカス制御を採用する場合には、術者は関心領域が当該合焦領域に位置するように、観察範囲を移動させる操作を行う。しかしながら、手術中は術部に血液等で濁った水が溜まっていたり、脳実質や骨など、コントラストが低い被写体が関心領域となるケースが多いため、精度良く合焦ができないケースが発生する。また、視野を移動した後に合焦領域の位置を設定し直すことも考えられるが、手術を行なっている時には両手が塞がっている場合が多く、設定作業が煩わしいという課題がある。

本発明は、関心領域又はその近傍に自動的に確実に合焦させることができるオートフォーカス装置を提供することを目的とする。

本発明に係るオートフォーカス装置は、フォーカス機構を有する観察部と、前記観察部が取得する画像からフォーカス演算によって合焦位置を求める演算部と、前記観察部の観察領域の一部の領域を前記フォーカス演算の対象となる第１の合焦領域に設定すると共に、前記第１の合焦領域に対する前記フォーカス演算によって合焦位置が求められない場合には、前記第１の合焦領域を変更して第２の合焦領域を設定する領域設定部と、前記演算部が求めた合焦位置に基づいて前記フォーカス機構を駆動する駆動制御部と、を具備する。

本発明の第１の実施の形態に係るオートフォーカス装置が組み込まれた医療用観察装置の概略構成を示す構成図である。合焦領域の設定を説明するための説明図である。合焦領域の設定を説明するための説明図である。合焦時の動作を説明するためのフローチャートである。観察画像の一例を示す説明図である。レンズ位置に対するコントラスト値の変化を示す説明図である。観察画像の一例を示す説明図である。レンズ位置に対するコントラスト値の変化を示す説明図である。合焦動作を説明するためのフローチャートである。合焦領域の決定方法を説明するための説明図である。本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。合焦動作を説明するためのフローチャートである。位相差法による合焦動作を説明するための説明図である。位相差法による合焦動作を説明するための説明図である。本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。第３の実施の形態を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るオートフォーカス装置が組み込まれた医療用観察装置の概略構成を示す構成図である。本実施の形態はビデオ観察式の手術用顕微鏡に適用した例であるが、光学観察式の手術用顕微鏡や、内視鏡やその他の医療用の観察装置にも適用可能である。

図１において、医療用観察装置１は、顕微鏡１０、カメラコントロールユニット（以下、ＣＣＵという）２０、３Ｄモニタ３０及びＡＦ制御部４０によって構成される。顕微鏡１０は、架台５０のアーム５１に支持されて、術野に移動自在に配置される。顕微鏡１０は、観察画像を３Ｄ観察するためのものであり、観察部としての撮像部１４Ｒ，１４Ｌを有している。右目用及び左目用の観察画像は撮像部１４Ｒ，１４Ｌによって光電変換されて、右目用の画像及び左目用の画像が取得される。顕微鏡１０は、３Ｄ観察を可能にするために、観察部位側から撮像部１４Ｒ，１４Ｌの撮像面に至る光軸上に、対物レンズ１１、ズームレンズ１２Ｒ，１２Ｌ及び結像レンズ１３Ｒ，１３Ｌが配置された光学系を有する。

対物レンズ１１は、モータ１５に駆動されて光軸方向に移動することで、フォーカス（合焦）状態を設定する。モータ（Ｍ）１５は後述するモータドライバ４６に制御されて回転することで、対物レンズ１１を光軸方向に進退移動させる。

対物レンズ１１の近傍にはエンコーダ（Ｅ）１６も配設されている。エンコーダ１６は、対物レンズ１１の可動領域内における位置（レンズ位置）を検出して、検出結果を後述するレンズ位置検出部４４に出力するようになっている。

ズームレンズ１２Ｒ，１２Ｌは、対物レンズ１１を介して入射した観察画像を変倍制御するためのものであり、ズームレンズ１２Ｒは右目用の観察画像のズーム変倍を行い、ズームレンズ１２Ｌは左目用の観察画像のズーム変倍を行う。結像レンズ１３Ｒ，１３Ｌは、ズーム変倍された右目用及び左目用の観察画像を夫々撮像部１４Ｌ，１４Ｒの撮像面に導く。

撮像部１４Ｒ，１４Ｌは、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子によって構成され、夫々撮像面に入射した観察画像を光電変換して右目用画像及び左目用画像を得る。撮像部１４Ｒ，１４Ｌからの右目用及び左目用の画像信号は、ＣＣＵ２０に供給される。なお、本実施の形態においては、顕微鏡１０として３Ｄ観察画像を取得する例を示しているが、２Ｄ観察画像を取得するものにも同様に適用可能である。

ＣＣＵ２０は、入力された右目用及び左目用の画像信号に対し所定の画像信号処理を施して、標準的な３Ｄ映像信号に変換するようになっている。ＣＣＵ２０からの３Ｄ映像信号は３Ｄモニタ３０に供給される。３Ｄモニタ３０は、入力された３Ｄ映像信号に基づいて、表示画面上に顕微鏡観察画像を映出するようになっている。

本実施の形態においては、ＣＣＵ２０からの映像信号は架台５０内に配設されたＡＦ制御部４０にも供給される。ＡＦ制御部４０は、顕微鏡１０の撮像領域（観察視野範囲）中にユーザの設定に基づいて所定サイズの複数の合焦領域を設定可能であり、合焦領域の画像部分が自動的に合焦するように、フォーカス制御を行うものである。更に、本実施の形態においては、合焦領域を変更することで、確実なフォーカス制御を可能にする。

ＡＦ制御部４０の検波部４１には、ＣＣＵ２０からの映像信号が入力される。検波部４１は、合焦領域設定部４２によって設定された合焦領域における映像信号の検波処理を行い、検波結果をコントラスト演算部４３に出力する。コントラスト演算部４３は、制御部４９に制御されて、検波部４１の検波処理結果に基づいて、合焦領域のコントラストを求める。

また、コントラスト演算部４３には、レンズ位置検出部４４の出力も与えられる。レンズ位置検出部４４は、顕微鏡１０のエンコーダ１６から対物レンズ１１の可動領域内における位置の検出結果が与えられる。レンズ位置検出部４４は、エンコーダ１６の出力に基づいて、現在のレンズ位置を求めてレンズ位置情報をコントラスト演算部４３に出力する。コントラスト演算部４３は、図示しないメモリを有しており、対物レンズ１１の各レンズ位置における合焦領域のコントラスト値をメモリに記憶させる。

コントラスト演算部４３がメモリに記憶させた各レンズ位置における合焦領域のコントラスト値は、制御部４９を介して合焦位置演算制御部４５に与えられる。制御部４９は、コントラスト値が所定の閾値（以下、合焦判定閾値という）を超えた場合にのみ、ピーク値が検出できるものと判定して、コントラスト演算部４３からのコントラスト値及びレンズ位置の情報を合焦位置演算制御部４５に与えるようになっている。また、制御部４９は、コントラスト値のピーク値が合焦判定閾値以下であったか否かの範囲結果を合焦領域設定部４２に与えるようになっている。

モータドライバ４６は、合焦位置演算制御部４５に制御されて、モータ１５を駆動し、対物レンズ１１を進退移動させるようになっている。合焦位置演算制御部４５は、このモータドライバ４６を制御することで、対物レンズ１１を所望の位置に進退移動させることができる。

合焦位置演算制御部４５は、制御部４９に制御されて対物レンズ１１を進退移動させると共に、各レンズ位置における合焦領域のコントラスト値に基づいて、いずれのレンズ位置の場合に合焦状態が得られるかを求める。例えば、合焦位置演算制御部４５は、コントラスト値のピーク検出によって、合焦状態の対物レンズ１１のレンズ位置（以下、合焦位置という）を求める。合焦位置演算制御部４５は、合焦状態が得られるレンズ位置となるように、モータドライバ４６を制御して対物レンズ１１を移動させる。

合焦領域設定部４２は、コントラスト値のピーク値が合焦判定閾値以下であるか否かによって合焦領域を変更するか否かを決定する。即ち、合焦領域設定部４２は、初期状態ではユーザが設定した領域を合焦領域に設定すると共に、フォーカス動作時に、メモリに記録されたコントラスト値が合焦判定閾値を超えない場合には、制御部４９に制御されて合焦領域を変化させるようになっている。この場合には、合焦領域設定部４２は、ユーザが設定した合焦領域に近接する位置に新たな合焦領域を設定する。また、合焦領域設定部４２は、直前に設定している合焦領域を含む合焦領域を新たに設定してもよい。合焦領域設定部４２は、コントラスト値が合焦判定閾値を超えるまで、合焦領域を変化させる。

図２及び図３は合焦領域の設定を説明するための説明図である。図２は観察視野範囲６１中にユーザが指定した合焦領域６２を示している。図２の例は、ユーザが観察視野範囲６１の中央に合焦領域を設定したことを示している。

図３はコントラスト値が合焦判定閾値以下である場合に、合焦領域設定部４２が、新たに設定する合焦領域を示している。合焦領域設定部４２は、コントラスト値が合焦判定閾値以下である場合には、ユーザが設定した合焦領域６２に近接した位置、図３では合焦領域の右又は左に隣接する位置に、新たな合焦領域６３ａを設定する。なお、合焦領域設定部４２は、合焦領域６２の左右の両側に新たに合焦領域６３ａを設定してもよく、左右の合焦領域６３ａの一方を先に設定し、その合焦領域のコントラスト値が合焦判定閾値以下であった場合に他方の合焦領域６３ａを設定するようにしてもよい。また、合焦領域設定部４２は、合焦領域６２，２つの合焦領域６３ａを含む領域を新たな合焦領域に設定してもよい。

新たな合焦領域６３ａのコントラスト値が合焦判定閾値以下であった場合には、合焦領域設定部４２は、合焦領域６３ａの左右に新たな合焦領域６３ｂを更に設定する。この場合にも、合焦領域設定部４２は、合焦領域６３ａの左右の両側に新たに合焦領域６３ｂを設定してもよく、左右の合焦領域６３ｂの一方を先に設定し、その合焦領域のコントラスト値が合焦判定閾値以下であった場合に他方の合焦領域６３ｂを設定するようにしてもよい。また、合焦領域設定部４２は、合焦領域６２，２つの合焦領域６３ａ及び２つの合焦領域６３ｂを含む領域を新たな合焦領域に設定してもよい。

以後同様にして、合焦領域設定部４２は、コントラスト値が合焦判定閾値を超えるまで、合焦領域を変化させる。なお、図３では新たに設定する合焦領域を、ユーザが設定した合焦領域６２の左右に広げる例を示したが、上下に広げるように合焦領域を設定してもよく、上下左右に広げるように合焦領域を設定してもよいことは明らかである。本実施の形態においては、ユーザが設定した合焦領域に近接する位置から離間する位置に向かって合焦領域を順次切換え又は広げるように変化させればよい。

次にこのように構成された実施の形態の動作について図４乃至図８を参照して説明する。図４は合焦時の動作を説明するためのフローチャートである。図５及び図７は観察画像の一例を示す説明図である。また、図６及び図８はレンズ位置に対するコントラスト値の変化を示す説明図である。

いま、顕微鏡１０によって図５の観察視野範囲７０が得られているものとする。観察視野範囲７０は、例えば、脳外科手術等の術部であり、顕微鏡１０によって観察視野範囲７０における観察画像７１が得られることを示している。観察画像７１は、例えば脳実質７２の一部に血管７３が存在することを示している。なお、脳実質７２は、一般的に、色及び凹凸の変化が乏しい。

いま、観察視野範囲７０の観察画像７１が非合焦状態であるものとする。ＡＦ制御部４０は、所定のタイミングで図４に示す合焦動作を実施する。また、ＡＦ制御部４０は、所定の時間間隔で合焦動作を実行してもよい。

ステップＳ１において、合焦領域設定部４２は、ユーザによって予め指定されている合焦領域６２を検波部４１に設定する。検波部４１は、ステップＳ２において、ＣＣＵ２０の出力のうち設定された合焦領域の映像信号を検波して検波結果をコントラスト演算部４３に出力する。コントラスト演算部４３には、レンズ位置検出部４４から対物レンズ１１の現在のレンズ位置の情報も与えられており、検波部４１の検波結果からコントラスト値を求める（ステップＳ３）と共に、現在のレンズ位置とコントラスト値とを対応付けてメモリに記憶させる（ステップＳ４）。

制御部４９は、合焦位置演算制御部４５を制御して、対物レンズ１１のレンズ位置を変化させながら（ステップＳ６）、コントラスト演算部４３のメモリに記憶されたコントラスト値を読み出し、コントラスト値のピークを検出する。制御部４９は、コントラスト値のピークが検出できない場合には、合焦位置演算制御部４５を制御してステップＳ６における対物レンズの移動を繰り返し、コントラスト値のピーク検出ができると、ステップＳ７においてコントラスト値のピーク値が合焦判定閾値を超えたか否かを判定する。

図６は図５に対応したものであり、横軸に対物レンズ１１のレンズ位置をとり縦軸にコントラスト値をとって、レンズ位置の変化に応じたコントラスト値の変化を示している。図５の観察視野範囲７０においては、ユーザが予め指定した合焦領域６２上を血管７３が通っており、合焦領域６２におけるコントラスト値は十分に高い。これにより、図６に示すように、コントラスト値は、合焦判定閾値を超えている。

この場合には、制御部４９は、コントラスト値及びレンズ位置の情報を合焦位置演算制御部４５に出力する。合焦位置演算制御部４５は、コントラスト値のピークが得られるレンズ位置となるように、モータドライバ４６を駆動する。こうして、対物レンズ１１は、合焦状態が得られるレンズ位置に進退駆動される（ステップＳ９）。

次に、顕微鏡１０によって図７の観察視野範囲８０が得られているものとする。観察視野範囲８０は、図６の観察視野範囲７０から少しずれた範囲であり、その観察画像８１は、血管７３が観察視野範囲８０の周辺領域に存在することを示している。

この場合にも、ＡＦ制御部４０の合焦領域設定部４２は、ステップＳ１において、ユーザによって予め指定されている合焦領域６２を検波部４１に設定する。この合焦領域６２において、ステップＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返されて、コントラスト値及びレンズ位置が求められ、コントラスト値のピークが合焦判定閾値を超えたか否かが判定される（ステップＳ７）。

合焦領域６２上には血管７３が通っておらず、脳実質７２は色及び凹凸の変化に乏しいことから、この場合には、合焦領域６２におけるコントラスト値は比較的低い。図８は図７に対応したものであり、図６と同様の表記方法によってレンズ位置に対するコントラスト値の変化を示している。図８（ａ）は合焦領域６２についてのコントラスト値の変化を示している。図８に示すように、いずれのレンズ位置においてもコントラスト値は低く、合焦判定閾値以下である。コントラスト値が合焦判定閾値以下である場合には、合焦位置の検出は困難であるものと考えられる。

この場合には、制御部４９は、コントラスト値が合焦判定閾値以下であることを合焦領域設定部４２に通知して、合焦領域設定部４２に合焦領域を変化させる（ステップＳ８）。合焦領域設定部４２は、合焦領域６３ａを検波部４１に設定する。こうして、合焦領域６３ａについて、ステップＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返されて、コントラスト値及びレンズ位置が求められ、コントラスト値のピークが合焦判定閾値を超えたか否かが判定される（ステップＳ７）。

図７の例では、合焦領域６３ａ上にも血管７３は通っておらず、合焦領域６３ａにおけるコントラスト値も比較的低い。即ち、この場合にも、コントラスト値の変化は、図８（ａ）と同様となり、いずれのレンズ位置においてもコントラスト値は合焦判定閾値以下となる。

合焦領域設定部４２は、合焦領域６３ａのコントラスト値が合焦判定閾値以下であることから、合焦領域を更に変化させ、検波部４１に合焦領域６３ｂを設定する（ステップＳ８）。こうして、合焦領域６３ｂについて、ステップＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返されて、コントラスト値及びレンズ位置が求められ、コントラスト値のピークが合焦判定閾値を超えたか否かが判定される（ステップＳ７）。

図７の観察視野範囲８０においては、合焦領域６３ｂ上を血管７３が通っており、合焦領域６３におけるコントラスト値は十分に高く、コントラスト値の変化は、例えば図８（ｂ）に示すものとなる。即ち、この場合には、コントラスト値は合焦判定閾値を超える。こうして、合焦位置演算制御部４５は、コントラスト値のピークが得られるレンズ位置となるように、モータドライバ４６を駆動し、合焦状態が得られる（ステップＳ９）。

このように本実施の形態においては、ユーザが予め指定した合焦領域において合焦位置が得られない場合には、ユーザが設定した合焦領域に近接する位置から離間する位置に向かって合焦領域を順次切換え又は広げるように変化させて、合焦位置を得るようになっている。これにより、術者が指定した例えば観察視野範囲中央の合焦領域に関心領域が位置しない場合でも、合焦領域が自動的に切換って合焦位置が得られる。また、術部等の関心領域に血液が溜まってコントラストが低い状態であっても、関心領域近傍の領域のコントラスト高い合焦領域において合焦位置が求められる。こうして、関心領域又はその近傍に自動的に確実に合焦させることが可能である。また、合焦動作は自動的に行われることから、手術等のように両手が塞がっている場合でも、確実な合焦が可能であり、利便性に優れている。また、合焦のために、被写体パターンや特定パターンの認識のためのデータベースは不要であり、比較的簡単な構成で、確実なオートフォーカス制御が可能である。

ところで、図４の例は、合焦領域のコントラスト値のピークが合焦判定閾値以下である場合に合焦領域設定部４２において合焦領域を変化させる例を示したが、複数の合焦領域についてコントラスト値を算出しておき、各合焦領域について求めたコントラスト値に応じて、フォーカス制御に用いる合焦領域を決定して、合焦位置を求めるようにすることも可能である。

図９はこの場合の合焦動作を説明するためのフローチャートであり、図１０は合焦領域の決定方法を説明するための説明図である。図９において図４と同一の手順には同一符号を付して説明を省略する。

図９のステップＳ１１において、合焦領域設定部４２は、ユーザが指定した合焦領域及びその周囲の１つ以上の合焦領域を検波部４１に設定する。合焦領域設定部４２が設定したこれらの複数の合焦領域について、ステップＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返されて、コントラスト値及びレンズ位置が求められて記憶される。即ち、この場合には、レンズ位置毎に、全ての合焦位置のコントラスト値が求められて、最終的に合焦位置毎にピーク検出が行われる。

全ての合焦領域についてのコントラスト値のピーク検出が終了すると、制御部４９は、ステップＳ１３において、コントラスト値のピーク値が合焦判定閾値を超えた合焦領域が存在するか否かを判定する。存在しない場合には、合焦領域設定部４２は、ステップＳ１１で設定した合焦領域の周囲に新たな合焦領域を設定するか又は広げて、合焦領域を再設定し（ステップＳ１４）、ステップＳ２〜Ｓ６，Ｓ１３の処理を繰り返す。

コントラスト値のピークが合焦判定閾値を超えた合焦領域が存在する場合には、制御部４９は、これらの合焦領域のうち、ユーザが予め設定した合焦領域に最も近い合焦領域を選択し、選択した合焦領域について求めたコントラストピークのレンズ位置を合焦位置演算制御部４５に与える。これにより、合焦位置演算制御部４５は、モータドライバ４６を制御して対物レンズ１１のレンズ位置を合焦位置に移動させる。

例えば、顕微鏡１０によって図１０の観察視野範囲９０が得られているものとする。観察視野範囲９０は、図６の観察視野範囲７０から少しずれた範囲であり、その観察画像９１は、血管７３が観察視野範囲９０の中央から若干ずれた領域に存在することを示している。また、図１０は合焦領域設定部４２が、ステップＳ１１において、ユーザにより指定された合焦領域６２及びその周辺の８つの合焦領域９２ａ〜９２ｈを設定することを示している。

図１０の例では、合焦領域９２ｄ，９２ｇ，９２ｈにおいて血管７３が通過しており、これらの合焦領域９２ｄ，９２ｇ，９２ｈのコントラスト値のみが合焦判定閾値を超えるものと考えられる。また、血管７３の多くの部分が領域内を通過することから、合焦領域９２ｄのコントラスト値が他の合焦領域９２ｇ，９２ｈのコントラスト値よりも高いものと考えられる。しかしこの場合でも、合焦領域９２ｇがユーザ設定の合焦領域６２に最も近いので、制御部４９は、ステップＳ１５において合焦領域９２ｇを選択し、合焦位置演算制御部４５を制御して、合焦領域９２ｇについて求めたコントラストピークのレンズ位置を用いて、合焦位置を決定させる。

このように、図９の例では、全ての合焦領域のコントラスト値を同時に求めることができ、合焦動作における処理時間を短縮することができる。また、ユーザ設定の合焦領域からの距離によって合焦領域を選択しており、ユーザが意図した合焦状態を得やすい。

（第２の実施の形態）
図１１は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。図１１において図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態は、顕微鏡１０が右目用及び左目用の観察画像を取得可能であることを利用して、位相差法によるフォーカス制御を行うものである。なお、顕微鏡が２次元用のものである場合でも、撮像部がオートフォーカス用のＡＦ画素を有している場合や位相検出用のセンサを有していれば、本実施の形態を適用可能である。

本実施の形態における医療用観察装置１００は、合焦領域設定部４２、コントラスト演算部４３及び合焦位置演算制御部４５に代えて夫々合焦領域設定部１０２、位相差演算部１０３及び合焦位置演算制御部１０５を用いたＡＦ制御部１０１を採用した点が第１の実施の形態と異なる。

本実施の形態においては、合焦領域設定部１０２は、右目用の観察画像と左目用の観察画像とで異なる合焦領域を検波部４１に設定する。例えば、合焦領域設定部１０２は、右目又は左目用の観察画像のいずれか一方に対して、比較的広い合焦領域である基準合焦領域を設定すると共に、他方の観察画像に対して比較的狭い合焦領域である比較合焦領域を設定する。

検波部４１は、右目用及び左目用に夫々設定された基準及び比較合焦領域の映像信号を検波して検波結果を位相差演算部１０３に出力する。位相差演算部１０３は、比較合焦領域が設定された観察画像に対する検波結果（以下、比較検波結果という）を基準合焦領域が設定された観察画像に対する検波結果（以下、基準検波結果という）上でシフトさせながら、基準検波結果と比較検波結果との一致比較を行う。即ち、位相差演算部１０３は、比較検波結果が基準合焦領域のうちのいずれの領域の基準検波結果に一致するかを求め、一致した領域と比較合焦領域との位置のずれを位相差として検出する。なお、位相差演算部１０３は、例えば、輝度分布や色毎のレベル分布等によって一致を判定する。

位相差演算部１０３が求めた位相差は、顕微鏡１０のピントずれに対応する。位相差演算部１０３が求めた位相差の情報は、制御部４９を介して合焦位置演算部１０４に与えられる。合焦位置演算制御部１０４は、位相差演算部１０３が求めた位相差に基づいて合焦位置を演算して求める。合焦位置演算制御部１０４は、モータドライバ４６を制御して対物レンズ１１を進退移動させて合焦位置に移動させる。これにより、顕微鏡１０は合焦状態となる。

ところで、位相差演算部１０３は、基準合焦領域及び比較合焦領域の両方の領域に、合焦に必要な特徴点を有する観察画像が含まれることによって、一致比較が可能である。しかし、比較合焦領域を比較的広い領域に設定した場合には、基準合焦領域及び比較合焦領域の両方に、似通った多くの特徴点を有する観察画像が含まれることとなり、一致比較が困難となる可能性がある。そこで、比較合焦領域については、比較的狭い領域に設定することで、比較合焦領域内に含まれる特徴点を少なくなるようにして、位相差の検出精度を向上させる。

しかしながら、基準合焦領域として十分広い合焦領域を設定することで合焦に必要な特徴点を有する観察画像が基準合焦領域内に含まれる可能性が高い一方、比較合焦領域は比較的狭い領域に設定されることから、合焦に必要な特徴点を有する観察画像が含まれない可能性がある。この場合には、位相差演算部１０３において正しい位相差を検出することができない。

そこで、本実施の形態においては、制御部４９は、位相差演算部１０３の演算結果が、比較合焦領域の全てのシフト位置において所定の閾値に到達しない場合には、位相差検出が不能であるものと判定して、判定結果を合焦領域設定部１０２に与えるようになっている。

合焦領域設定部１０２は、位相差検出が不能であると判定された場合には、比較合焦領域をシフト又は広げることで、合焦に必要な特徴点を有する観察画像が比較合焦領域にも含まれるように制御するようになっている。

次に、このように構成された実施の形態の動作について図１２乃至図１４を参照して説明する。図１２は合焦動作を説明するためのフローチャートである。図１３及び図１４は位相差法による合焦動作を説明するための説明図である。図１３は比較合焦領域に特徴点が含まれる場合の例を示している。

図１３（ａ）は左目用の観察視野範囲１１１Ｌを示しており、図１３（ｂ）は右目用の観察視野範囲１１１Ｒを示している。観察視野範囲１１１Ｌの観察画像１１２Ｌは、例えば脳実質１１３Ｌの一部に血管１１４Ｌが存在することを示している。同様に、観察視野範囲１１１Ｒの観察画像１１２Ｒは、例えば脳実質１１３Ｒの一部に血管１１４Ｒが存在することを示している。脳実質１１３Ｌ，１１３Ｒは相互に同一の観察物であり、血管１１４Ｌ，１１４Ｒも相互に同一の観察物である。観察視野範囲１１１Ｌ，１１１Ｒ上における各観察物の位置のずれ（位相差）が、ピントのずれ量に対応する。

この位相差を検出するために、合焦領域設定部１０２は、図１２のステップＳ２１において、基準合焦領域及び比較合焦領域を設定する。図１３の例では、左目用の観察視野範囲１１１Ｌに基準合焦領域１１５Ｌを設定し、右目用の観察視野範囲１１１Ｒに基準合焦領域１１５Ｒを設定した例を示している。

検波部４１は、これらの合焦領域１１５Ｌ，１１５Ｒの映像信号を検波して検波結果を位相差演算部１０３に出力する（ステップＳ２２）。図１３（ｃ）は合焦領域１１５Ｌ，１１５Ｒの検波結果を画像によって示している。基準合焦領域１１５Ｌにおいては、略中央に血管１１４Ｌの画像部分１１４Ｌａが含まれる。一方、比較合焦領域１１５Ｒにおいては、右端に血管１１４Ｒの画像部分１１４Ｒａが含まれる。位相差演算部１０３は、ステップＳ２３において、比較合焦領域１１５Ｒの検波結果を例えば画素単位でステップ移動させながら、同一サイズの基準合焦領域１１５Ｌの検波結果との一致比較を行う。

図１３（ｃ）の破線に示す範囲に、比較合焦領域１１５Ｒの検波結果をステップ移動させることにより、同一サイズの基準合焦領域１１５Ｌの検波結果と一致する。この場合の移動量が位相差に相当する。位相差演算部１０３は求めた位相差を合焦位置演算制御部１０４に出力する。なお、制御部４９は、一致演算の演算結果が所定の閾値に到達しなかった場合には、ステップＳ２４において位相差が検出不能であるものと判定する。

位相差が検出できた場合には、合焦位置演算制御部１０４は、位相差演算部１０３が求めた位相差からピントのずれ量を演算し合焦位置を求める（ステップＳ２５）。合焦位置演算制御部１０４は、ステップＳ２６において、モータドライバ４６を制御して対物レンズ１１を進退移動させて合焦位置に移動させる。こうして、顕微鏡１０を合焦状態にすることができる。

図１３は合焦領域設定部１０２が最初に設定した比較合焦領域に血管等の特徴点の観察画像が含まれる例を示した。しかし、観察視野範囲や倍率によっては、基準合焦領域に特徴点が含まれていても比較合焦領域には特徴点が含まれないこともある。或いは、図１３の状態から倍率を上げた場合には、比較合焦領域に特徴点が含まれなくなることもある。

図１４はこの場合の例を示しており、図１４（ａ），（ｂ）は図１３（ａ），（ｂ）の状態から倍率を高くした場合の観察視野範囲１２１Ｌ，１２１Ｒを示している。観察画像１１２Ｌは拡大されて観察画像１２２Ｌとなり、観察画像１１２Ｒは拡大されて観察画像１２２Ｒとなっている。また、拡大の結果、血管１１４Ｌは血管１２４Ｌとして観察され、血管１１４Ｒは血管１２４Ｒとして観察される。このため、基準合焦領域１１５Ｌには、血管１２４Ｌの特徴点が含まれる一方、比較合焦領域１１５Ｒには、血管１２４Ｒの特徴点が含まれなくなる。

この場合には、位相差演算部１０３の演算結果は所定の閾値に到達せず、制御部４９は、ステップＳ２４において位相差検出が不能であるものと判定して、判定結果を合焦領域設定部１０２に出力する。合焦領域設定部１０２は、ステップＳ２７において、比較合焦領域を拡大させる。

図１４（ｃ）は、比較合焦領域１１５Ｒが比較合焦領域１２５Ｒに拡大されたことを示している。この比較合焦領域１２５Ｒには、血管１２４Ｒのエッジ部分が特徴点として含まれている。これにより位相差演算部１０３によって位相差の検出が可能となり、ステップＳ２２，Ｓ２３によって、位相差が検出され、ステップＳ２５，Ｓ２６において、合焦位置の演算及び合焦位置への対物レンズ１１の移動が行われる。

このように本実施の形態においては、位相差法を用いたフォーカス制御において、位相差検出のための合焦領域を設定すると共に、この合焦領域に特徴点が含まれるように合焦領域を次第に広げながら位相差検出を行うよう制御される。これにより、確実な位相差検出を可能にして、合焦状態を設定することが可能である。例えば、拡大倍率を高くした場合等においても、合焦領域が拡大されて位相差検出が行われるので、合焦状態を確実に維持することが可能である。また、位相差法による高速なフォーカス制御が可能であるという利点もある。

（第３の実施の形態）
図１５は本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。図１５において図１及び図１１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態は、第１の実施の形態におけるコントラスト法によるフォーカス制御と、第２の実施の形態における位相差法によるフォーカス制御を組み合わせたものである。

本実施の形態における医療用観察装置１３０は、合焦領域設定部４２，１０２の機能を有する合焦領域設定部１３２、コントラスト演算部４３及び位相差演算部１０３の機能を有するコントラスト・位相差演算部１３３、合焦位置演算制御部４５，１０５の機能を有する合焦位置演算制御部１３５を用いたＡＦ制御部１３１を採用した点が第１及び第２の実施の形態と異なる。

次にこのように構成された実施の形態の動作について図１６のフローチャートを参照して説明する。

本実施の形態においては、コントラスト法によるフォーカス制御時の動作は第１の実施の形態と同様であり、位相差法によるフォーカス制御時の動作は第２の実施の形態と同様である。本実施の形態においては、コントラスト法と位相差法とを図１６のフローチャートに従って切換えるようになっている。

位相差法においては、コントラスト法に比べて高速なフォーカス制御が可能である。一方、コントラスト法は、位相差法に比べて高い精度のフォーカス制御が可能である。そこで、本実施の形態においては、先ず位相差法を先に採用して高速なフォーカス制御を可能にする。位相差法による制御によって、対物レンズ１１は、略コントラストピークが得られる位置近傍に位置することになり、この位置近傍のみで対物レンズ１１を移動させてコントラスト法を採用することにより、比較的短時間に高精度のフォーカス制御が可能となる。

先ず、ステップＳ３１において、合焦領域設定部１３２は、例えば図１０等で示したコントラスト法による複数の合焦領域を設定すると共に、図１３等で示した位相差法による合焦領域を設定する。検波部４１は設定された合焦領域の映像信号を検波し、検波結果をコントラスト・位相差演算部１３３に出力する。コントラスト・位相差演算部１３３は、ステップＳ３３においてコントラスト値及び位相差を求める。なお、ステップＳ３３では、コントラスト値については、所定の対物レンズ位置のコントラスト値のみが求まる。

制御部４９は、ステップＳ３４においてコントラスト・位相差演算部１３３によって位相差が検出できたか否かを判定する。位相差が検出できなかった場合には、ステップＳ３８，Ｓ３９を経て、合焦領域設定部１３２は、図１４に示したように、比較合焦領域を広げる。こうして、コントラスト・位相差演算部１３３において位相差が検出できると、ステップＳ３４，Ｓ３５を経てステップＳ３６に処理が移行し、合焦位置演算制御部１３５は位相差に基づき合焦位置を算出し、ステップＳ３７においてモータドライバ４６を制御して、対物レンズ１１を合焦位置に移動させる。

このように、位相差法を採用することにより、レンズ位置を移動させることなく高速での合焦位置演算が可能となる。しかしながら、対物レンズ１１の位置によっては、ピントのずれが大きく、画像が大きくボケて、合焦領域を広げても位相差を検出することができないことがある。

この場合には、位相差法によるフォーカス制御から、コントラスト法によるフォーカス制御に切換える。即ち、処理はステップＳ３４からステップＳ３８，３９，Ｓ４５を経てステップＳ４６に移行して、合焦位置演算制御部１３５は、対物レンズ１１を移動させる。次いで、ステップＳ３２，Ｓ３３が繰り返される。

なお、ステップＳ４６の対物レンズ移動処理においては、直前のコントラスト値との比較からコントラスト値の変化方向が検出され、コントラスト値が増加する方向に対物レンズ１１を移動させるように移動方向の制御が行われる。こうして、コントラスト法によって、対物レンズ１１が合焦位置に近づくと、再び位相差が検出可能となることがある。この場合には、処理がステップＳ３８からステップＳ４０に移行して比較合焦領域を初期化して狭くした後、ステップＳ３２，Ｓ３３が繰り返される。こうして、再度、位相差法によるフォーカス制御が行われて、比較的高速に合焦状態に移行する。

ステップＳ３７において、位相差法によって合焦が得られた場合、或いはコントラスト法によるフォーカス制御途中で位相差検出可能にならなかった場合には、コントラスト法によるフォーカス制御が新たに又は継続して行われる。即ち、ステップＳ３７，Ｓ３５，Ｓ３９から処理がステップＳ４５に移行し、ピークが検出されるまで、対物レンズ１１が移動制御される（ステップＳ４６）。ピークが検出されると、合焦位置演算制御部１３５は、ステップＳ４７においてコントラスト法による合焦位置演算を行い、モータドライバ４６を制御して対物レンズ１１を合焦位置に移動させる（ステップＳ４８）。これにより、高精度のフォーカス制御が行われることになる。

このように本実施の形態においては、第１及び第２の実施の形態と同様の効果が得られると共に、位相差法による高速なフォーカス制御と、コントラスト法による高精度のフォーカス制御とを組み合わせることで、高速且つ高精度のフォーカス制御を可能にすることができる。

また、本発明は、上記各実施形態にそのまま限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素の幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本出願は、２０１３年６月２４日に日本国に出願された特願２０１３−１３１７２３号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

本発明に係るオートフォーカス装置は、右目用及び左目用の光学像を結像する対物レンズを有する対物光学系と、前記対物光学系により結像された前記右目用及び左目用の光学像を撮像して右目用の映像信号及び左目用の映像信号を生成する撮像部と、前記右目用の映像信号があらわす右目用画像と、前記左目用の映像信号があらわす左目用画像とのいずれか一方の画像に対して所定の大きさの基準領域を設定するとともに、他方の画像に対して前記基準領域よりも小さい大きさの比較領域を設定する領域設定部と、前記基準領域内の映像信号及び前記比較領域内の映像信号を検波する検波部と、前記基準領域の映像信号の検波結果と、前記比較領域の映像信号の検波結果とに基づいて、前記右目用画像と左目用画像との位相差を算出する位相差演算部と、前記位相差に基づいて前記対物レンズの合焦位置を算出する合焦位置演算部と、前記対物レンズを駆動して前記合焦位置演算部によって算出された合焦位置に移動させる対物レンズ駆動部と、を具備する。

本発明に係るオートフォーカス装置は、右目用及び左目用の光学像を結像する対物レンズを有する対物光学系と、前記対物光学系により結像された前記右目用及び左目用の光学像を撮像して右目用の映像信号及び左目用の映像信号を生成する撮像部と、前記右目用の映像信号があらわす右目用画像と、前記左目用の映像信号があらわす左目用画像とのいずれか一方の画像に対して所定の大きさの基準領域を設定するとともに、他方の画像に対して前記基準領域よりも小さい大きさの比較領域を設定する領域設定部と、前記基準領域内の映像信号及び前記比較領域内の映像信号を検波する検波部と、前記基準領域の中から前記比較領域のサイズと等しい大きさに切り出した切り出し領域の検波結果と、前記比較領域の検波結果とを比較し、該比較結果が一致するまで前記切り出し領域を所定の移動方向に沿って移動させながら比較を行い、前記基準領域内の検波結果に一致させるために要した前記切り出し領域の移動量を前記右目用画像と左目用画像との位相差として算出する位相差演算部と、前記位相差に基づいて前記対物レンズの合焦位置を算出する合焦位置演算部と、前記対物レンズを駆動して前記合焦位置演算部によって算出された合焦位置に移動させる対物レンズ駆動部と、を具備し、前記領域設定部は、前記位相差演算部による演算結果によって前記基準領域の全範囲において前記比較領域との検波結果が一致しなかった場合、前記比較領域の前記移動方向における大きさを拡大させるように前記比較領域の大きさを設定する。

Claims

フォーカス機構を有する観察部と、
前記観察部が取得する画像からフォーカス演算によって合焦位置を求める演算部と、
前記観察部の観察領域の一部の領域を前記フォーカス演算の対象となる第１の合焦領域に設定すると共に、前記第１の合焦領域に対する前記フォーカス演算によって合焦位置が求められない場合には、前記第１の合焦領域を変更して第２の合焦領域を設定する領域設定部と、
前記演算部が求めた合焦位置に基づいて前記フォーカス機構を駆動する駆動制御部と、
を具備したことを特徴とするオートフォーカス装置。
前記領域設定部は、前記第２の合焦領域に対する前記フォーカス演算によって合焦位置が求められない場合には、合焦位置が求められるまで、前記第２の合焦領域を変更して新たに第２の合焦領域を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
前記領域設定部は、前記第１の合焦領域を前記観察領域内で移動させることにより前記第１の合焦領域に隣接する前記第２の合焦領域を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
前記領域設定部は、前記第１の合焦領域を前記観察領域内で広げることにより前記第１の合焦領域を含む前記第２の合焦領域を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
前記領域設定部は、前記第２の合焦領域として、前記第１の合焦領域とは異なる複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項３又は４に記載のオートフォーカス装置。
前記駆動制御部は、合焦位置が求められた前記第２の合焦領域のうち前記第１の合焦領域に最も近接した領域を合焦状態とする
ことを特徴とする請求項５に記載のオートフォーカス装置。
前記演算部は、コントラスト法又は位相差法によるフォーカス演算を行う
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のオートフォーカス装置。
前記演算部は、位相差法による前記フォーカス演算をコントラスト法による前記フォーカス演算に優先させて実施する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のオートフォーカス装置。
前記演算部は、前記フォーカス演算の演算結果が所定の閾値に到達したことによって合焦位置を求める
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載のオートフォーカス装置。
前記第１の合焦領域は、術者によって指定される
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載のオートフォーカス装置。