JPWO2017072922A1 - 撮像装置および内視鏡システム - Google Patents

Abstract

本発明に係る撮像装置は、光学素子を保持し、所定の方向に沿って移動可能な可動枠と、可動枠を所定の方向に沿って移動可能に保持する保持枠と、コイルおよび磁石を有するボイスコイルモータと、保持枠に対する可動枠の位置に関する情報を検出して位置信号を生成する位置検出部と、位置信号をもとに保持枠に対する可動枠の移動量および移動方向に関する駆動信号を生成するとともに、位置信号が正常であるか否かを判断する信号処理部と、撮像素子と、撮像信号をもとに画像信号を生成する画像処理部と、駆動信号に基づいて、コイルに流す電流を制御して可動枠を駆動する第１駆動制御部と、画像信号に基づいて、コイルに流す電流を制御して可動枠を駆動する第２駆動制御部と、信号処理部の判断結果に基づいて、第１および第２駆動制御部のうち可動枠の駆動制御を行う駆動制御部を選択する選択部と、を備えた。

Description

本発明は、撮像装置および内視鏡システムに関する。

生体内に内視鏡を導入し、内視鏡が撮像した被写体の画像を観察することにより生体の診断を行う内視鏡システムが広く普及している。内視鏡システムにおいては、医師や看護師などの術者による診断および処置に支障をきたさないよう、できるだけ深い被写界深度が要求される。近年では、撮像素子の高画素化によって被写界深度が浅くなってきているため、オートフォーカス（以下、ＡＦ：Auto focusともいう）を行って被写体に焦点を合わせる内視鏡システムが提案されている。オートフォーカスを行うためのアクチュエータとして、ボイスコイルモータ（Voice Coil Motor：ＶＣＭ）が一般的によく用いられている。

内視鏡特有の問題として、処置中にＡＦを行う駆動部が制御不能になった場合でも、内視鏡を被検体から抜くことなく処置が続けられる程度の解像度を維持する必要がある。例えば、可動レンズの位置を検出する位置検出装置などは電気的に弱く、温度や湿度等により故障してしまう可能性があるため、位置検出装置が故障した場合の対策が必要となる。このような対策を行う技術として、可動レンズの位置絶対値を検出する絶対位置検出センサと、可動レンズの変位量を検出する相対位置検出センサとを備え、各センサの検出結果を用いて相対位置検出センサに異常があるか否かを検出し、相対位置検出センサに異常がある場合、絶対位置検出センサの検出結果をもとに可動レンズの位置を決定する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第５３８４３２０号公報

しかしながら、特許文献１が開示する技術は、相対位置検出センサと絶対位置検出センサとの両方が必要であり、各センサを配設するためのスペースを確保しなければならない。これにより、内視鏡システムが大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大型化を抑制しつつ、可動レンズの位置検出が正常に行えなくなった場合でも、被検体に対する処置を継続可能な画質を維持することができる撮像装置および内視鏡システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、光を透過する光学素子と、前記光学素子を保持し、所定の方向に沿って移動する可動枠と、前記可動枠を保持する保持枠と、磁石およびコイルを有し、前記可動枠を前記所定の方向に沿って前記保持枠に対して相対移動させるボイスコイルモータと、前記保持枠に対する前記可動枠の位置に関する情報を検出して位置信号を生成する位置検出部と、前記位置検出部が検出した位置信号をもとに前記保持枠に対する前記可動枠の移動量および移動方向に関する駆動信号を生成するとともに、前記位置信号が正常であるか否かを判断する信号処理部と、前記光学素子を通過した光を光電変換して撮像信号を生成する撮像素子と、前記撮像信号をもとに画像信号を生成する画像処理部と、前記信号処理部が生成した前記駆動信号に基づいて、前記コイルに流す電流を制御する第１駆動制御部と、前記画像処理部が生成した前記画像信号に基づいて、前記コイルに流す電流を制御する第２駆動制御部と、前記信号処理部の判断結果に基づいて、前記第１および第２駆動制御部のうち前記可動枠の駆動制御を行う駆動制御部を選択する選択部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る内視鏡システムは、被検体の内部に挿入されて該被検体の内部を観察する内視鏡システムであって、上記の発明に係る撮像装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、大型化を抑制しつつ、可動レンズの位置検出が正常に行えなくなった場合でも、被検体に対する処置を継続可能な画質を維持することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光学システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。 図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図４は、図１のＣ−Ｃ線断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る光学システムが行う処理を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施の形態１の変形例に係る光学システムの概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る内視鏡を備えた内視鏡システムの構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光学システムの概略構成を示す模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であって、図１に示す直交座標系におけるＸＹ平面と平行な面を切断面とする断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図であって、図１に示す直交座標系におけるＹＺ平面と平行な面を切断面とする断面図である。図４は、図１のＣ−Ｃ線断面図であって、図１に示す直交座標系におけるＸＺ平面と平行な面を切断面とする断面図である。図２〜４に示す断面図は、切断面が、後述する可動レンズ２１の中心を通過しているものとして説明する。

図１に示す光学システム１は、レンズを光軸方向に移動可能な光学ユニット２と、光学ユニット２を含む各構成部の駆動制御、および各構成部に対する情報の入出力制御を行う制御装置３と、光学ユニット２を介して受光した光に対して光電変換処理を施す撮像素子３ａとを備える。

撮像素子３ａは、光を受光して光電変換を行うことにより撮像信号を生成する画素が２次元状に配列された撮像素子を用いて実現される。撮像素子としては、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサや、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが挙げられる。撮像素子３ａは、受光面が、ＸＹ平面と平行、かつ光学ユニット２の光軸と交差する位置に設けられ、生成した撮像信号を制御装置３に出力する。

光学ユニット２は、撮像装置の筐体や、内視鏡の先端部に固定される固定枠１０（保持枠）と、固定枠１０に対して移動可能な可動枠２０と、可動枠２０に設けられる可動レンズ２１と、可動枠２０を支持するとともに、固定枠１０に対する可動枠２０の移動方向を案内する主軸２２と、可動枠２０を支持するとともに、固定枠１０に対する可動枠２０の移動方向を案内する副軸２３と、可動枠２０に固定され、主軸２２と摺動自在に接触する軸受２４と、固定枠１０に対して可動枠２０を移動させる駆動力を発生するボイスコイルモータ３０Ａ，３０Ｂと、固定枠１０に対する可動枠２０の位置を検出する位置検出部１００と、を備える。

固定枠１０は、角柱状の中空空間が形成された中空角柱状をなす。固定枠１０には、該中空角柱状の貫通方向の中心軸と直交する方向（本実施の形態１では、図１に示すＺ軸方向）に貫通する貫通孔１０ａが形成されている。また、固定枠１０の開口方向（本実施の形態１では、図１に示すＹ軸方向）の一端側には、後述するヨーク１１Ａが設けられ、開口方向の他端側には、後述するヨーク１１Ｂが設けられている。ヨーク１１Ａ，１１Ｂは、鉄などの透磁率の高い材料を用いて形成される環形状をなす。

可動枠２０には、可動レンズ２１を保持する保持孔２０ａと、軸受２４を挿通して支持する挿通孔２０ｂと、副軸２３を挿通して支持する挿通孔２０ｃとが形成されている。可動枠２０は、可動レンズ２１の光軸、例えば、図４に示す軸Ｎ１であって、Ｚ軸方向に沿って延びている光軸が、貫通孔１０ａの中心軸と略一致するように、可動レンズ２１を保持する。挿通孔２０ｂは、軸受２４の外周の径に応じた径を有する孔である。挿通孔２０ｃは、副軸２３の外周の径に応じた径を有する孔である。可動枠２０は、耐熱性の観点から、軽金属または耐熱樹脂を用いて形成されることが好ましい。軽金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ベリリウムなどの金属や、これらの金属を含む合金などが挙げられる。耐熱樹脂は、例えば、６０℃以上の耐熱性を有する樹脂が挙げられる。可動レンズ２１は、一つまたは複数のレンズを用いて構成される。

主軸２２は、Ｚ軸方向に沿って棒状をなして延び、両端が固定枠１０に固定される。主軸２２は、耐熱性の観点から、金属材料または合金を用いて形成されることが好ましい。

副軸２３は、Ｚ軸方向に沿って棒状をなして延び、両端が固定枠１０に固定される。副軸２３は、可動レンズ２１の中心軸に対して主軸２２と反対側に設けられる。副軸２３は、耐熱性の観点から、金属材料または合金を用いて形成されることが好ましい。

軸受２４は、Ｚ軸方向に沿って延びる筒状をなし、主軸２２の外周の一部を覆うとともに、可動枠２０に保持される。軸受２４は、両端にそれぞれ設けられ、主軸２２と摺動自在に接する摺接部２４ａ，２４ｂを有する。軸受２４は、耐熱性の観点から、金属材料、合金または耐熱樹脂を用いて形成されることが好ましい。

主軸２２の外周または軸受２４の主軸２２との接触部（端部）には、潤滑剤が塗布されている。潤滑剤としては、グリースや潤滑油などが挙げられる。また、潤滑手段として、固体潤滑剤を設けてもよいし、フッ素潤滑メッキ、潤滑アルマイトなどによるコーティング処理を施すものであってもよい。潤滑手段としては、例えば６０℃以上の高温下での耐熱性を有することが好ましく、潤滑効果を得ることができれば、上述した手段に限らない。

ボイスコイルモータ３０Ａは、ヨーク１１Ａと、ヨーク１１Ａの内周側に取り付けられる磁石１２Ａと、可動枠２０に支持されるとともに、磁石１２Ａが取り付けられる側と反対側のヨーク１１Ａに巻回されるコイル１３Ａと、を有する。磁石１２Ａは、永久磁石を用いて実現され、Ｚ軸方向に延びた形状をなす。

ボイスコイルモータ３０Ｂは、ヨーク１１Ｂと、ヨーク１１Ｂの内周側に取り付けられる磁石１２Ｂと、可動枠２０に支持されるとともに、磁石１２Ｂが取り付けられる側と反対側のヨーク１１Ｂに巻回されるコイル１３Ｂと、を有する。磁石１２Ｂは、永久磁石を用いて実現され、Ｚ軸方向に延びた形状をなす。

この場合、磁石１２Ａ，１２Ｂの磁気分極方向は、可動レンズ２１の光軸方向（Ｚ軸方向）に対して直交するＹ軸方向である。なお、より一般に磁石１２Ａ，１２Ｂの磁気分極方向は、光軸（Ｚ軸）方向と交差する方向であればよい。

コイル１３Ａ，１３Ｂに電流を流すと、磁石１２Ａ，１２Ｂの磁界の影響によって、可動枠２０にＺ軸方向の力が発生し、固定枠１０に対して可動枠２０がＺ軸方向に移動する。例えば、コイル１３Ａ，１３Ｂにそれぞれ流す電流を制御することによって、可動枠２０を主軸２２に沿って所望の方向に移動させることができる。

位置検出部１００は、固定枠１０に取り付けられ、位置検出センサである一つのホール素子１４と、可動枠２０に設けられる検出用磁石２５と、からなる。ホール素子１４は、所定の時間間隔で磁界強度を検出し、該検出した磁界強度を順次電圧値に変換して位置信号として制御装置３に出力する。ホール素子１４は、例えば、主軸２２の長手方向（可動枠２０の移動方向）と直交する方向の磁界を検出する。検出用磁石２５は、主軸２２の近傍であって、可動枠２０の光軸と直交する方向の側面に設けられる。また、検出用磁石２５は、中心を通過しＸ軸方向に延びる直線が、主軸２２および副軸２３の中心軸と交差する位置に配置されることが望ましい。

次に、制御装置３の構成について説明する。制御装置３は、入力部３１、信号処理部３２、画像処理部３３、選択部３４、第１駆動制御部３５、第２駆動制御部３６、バッファ３７、制御部３８および記憶部３９を備える。なお、固定枠１０、可動枠２０、可動レンズ２１、ボイスコイルモータ３０Ａ，３０Ｂ、位置検出部１００、信号処理部３２、画像処理部３３、選択部３４、第１駆動制御部３５および第２駆動制御部３６により、撮像装置を構成する。

入力部３１は、制御装置３に対するユーザからの入力等を行うためのインターフェースであり、電源のオン／オフを行うための電源スイッチ、可動枠２０の目標位置や移動方向を指示するための指示入力ボタンなどを含んで構成されている。なお、手動で合焦操作を行う場合は、入力部３１を介して合焦（可動枠２０の移動）にかかる指示信号（指示値）が入力され、自動合焦の場合は、制御部３８の制御のもとで合焦操作が行われる。指示値には、可動枠２０の位置、例えば、可動枠２０の移動範囲において付与された数値であって、該移動範囲における位置を示す数値が含まれている。

信号処理部３２は、現在の可動枠２０の位置と、手動合焦の場合は入力部３１を介して入力された指示入力、自動合焦の場合は制御部３８から入力された指示入力により指示された位置との差分を算出することにより、可動枠２０の移動量および移動方向を求めるとともに、該差分をもとに、位置検出部１００が取得した位置信号が異常であるか否かを判断する。信号処理部３２は、第１差分算出部３２１および判断部３２２を有する。

第１差分算出部３２１は、現在の可動枠２０の位置と、上述した指示入力により指示された位置との差分を算出する。この差分は、可動枠２０の移動量および移動方向を示す値である。移動方向は、現在の可動枠２０の位置（信号値）と、指示入力により指示された位置（指示値）との差分の正負をもとに、所定の方向に対して一方の方向（例えば＋方向）であるか、他方の方向（例えば−方向）であるかを判断することにより求められる。第１差分算出部３２１は、算出した差分をバッファ３７に入力する。

判断部３２２は、第１差分算出部３２１が算出した差分をもとに、位置検出部１００が取得した位置信号が異常であるか否かを判断する。判断部３２２は、例えば、可動枠２０の駆動制御中に、得られた差分と、バッファ３７から取得した過去の差分とを比較した場合に、可動枠２０が移動中であるのに差分がほとんど変化しておらず、かつ差分が閾値以上であり、目標位置に到達していない場合に異常であると判断する。判断部３２２は、判断結果を画像処理部３３に入力するとともに、位置信号が異常ではない場合、差分を駆動信号として第１駆動制御部３５に入力する。なお、判断部３２２は、移動中であるか否かについて、判断するための閾値を設けて、第１差分算出部３２１が算出した差分が閾値以上である場合に移動中であると判断する。

画像処理部３３は、撮像素子３ａが生成した撮像信号をもとに、外部の表示装置が表示する画像データを生成する。画像処理部３３は、撮像信号に対して、所定の画像処理を実行して撮像画像を含む画像データを生成する。撮像画像は、色空間としてＲＧＢ表色系を採用した場合の変数であるＲ、Ｇ、Ｂの値をそれぞれ有するカラー画像である。画像処理部３３は、撮像画像のコントラスト値を含む画像データをバッファ３７に入力する。ここでいう、コントラスト値は、撮像画像において最も明るい部分の輝度値と最も暗い部分の輝度値との比である。

また、画像処理部３３は、判定部３３１および第２差分算出部３３２を有する。判定部３３１は、判断部３２２の判断結果を取得し、該判断結果が、位置信号が異常であるか否かを判定する。第２差分算出部３３２は、判定部３３１により位置信号が異常であると判定された場合に、最新の画像データの直前の画像データのコントラスト値（代表信号値）をバッファ３７から取得し、最新の画像データのコントラスト値（代表信号値）と、その直前の画像データのコントラスト値との差分を算出する。この差分についても、上述した第１差分算出部３２１が算出した差分と同様に、差分の値および正負が、コントラスト値が大きくなる方向を正とした可動枠２０の移動量および移動方向を示す。第２差分算出部３３２は、算出した差分をバッファ３７に入力するとともに、該差分を駆動信号として第２駆動制御部３６に入力する。

選択部３４は、判断部３２２の判断結果を取得し、判断結果に応じて、第１駆動制御部３５および第２駆動制御部３６のうち可動枠２０を駆動制御する駆動制御部に切り替える（設定する）。選択部３４は、判断部３２２の判断結果が、位置信号が異常ではない場合、駆動制御する駆動制御部を第１駆動制御部３５に設定する。これに対して、選択部３４は、判断部３２２の判断結果が、位置信号が異常である場合、駆動制御する駆動制御部を第２駆動制御部３６に設定する。

第１駆動制御部３５は、第１差分算出部３２１が算出した差分に応じて、可動枠２０の停止位置を維持するための電流をコイル１３Ａ，１３Ｂに流す制御を行ったり、可動枠２０を移動させるための電流をコイル１３Ａ，１３Ｂに流す制御を行ったりして、可動枠２０を駆動制御する。第１駆動制御部３５は、第１差分算出部３２１から差分である駆動信号を取得すると、例えば、駆動信号の増幅や位相の調整を行う。第１駆動制御部３５は、調整後の駆動信号に応じた電流値で、制御部３８を介してコイル１３Ａ，１３Ｂに電流を流すことによって可動枠２０の駆動制御を行う。

第２駆動制御部３６は、可動枠２０の停止位置を維持するための電流をコイル１３Ａ，１３Ｂに流す制御を行ったり、第２差分算出部３３２が算出した差分に応じて可動枠２０を移動させるための電流をコイル１３Ａ，１３Ｂに流す制御を行ったりして、可動枠２０を駆動制御する。第２駆動制御部３６は、第２差分算出部３３２から差分である駆動信号を取得すると、例えば、駆動信号の増幅や位相の調整を行う。第２駆動制御部３６は、調整後の駆動信号に応じた電流値で、制御部３８を介してコイル１３Ａ，１３Ｂに電流を流すことによって可動枠２０の駆動制御を行う。本実施の形態１では、第２駆動制御部３６は、差分をもとに、位置信号が異常であると判断される直前の画像データのコントラスト値となる位置に可動枠２０を移動させる制御を行う。なお、第１駆動制御部３５が行うゲイン調整と、第２駆動制御部３６が行うゲイン調整とは、各駆動制御部に入力される駆動信号の値が異なるため、駆動信号の増幅率は異なっている。

バッファ３７は、例えばリングバッファを用いて実現され、第１差分算出部３２１が算出した差分や、画像処理部３３が生成した画像データ（コントラスト値を含む）を各々時系列に沿って記憶する。容量が不足すると、最も古い情報を最新の情報で上書きすることで、各々の最新の情報を時系列順に記憶する。

制御部３８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を用いて構成され、光学ユニット２を含む各構成部の駆動制御、および各構成部に対する情報の入出力制御などを行う。制御部３８は、第１駆動制御部３５または第２駆動制御部３６が生成した信号（電流値に応じた電流）等を、所定の信号線を介して光学ユニット２へ送信する。制御部３８は、自動合焦を行う場合、画像信号をもとに可動枠２０の移動位置を指示する指示値を生成して、可動枠２０の制御を行う。

記憶部３９は、光学システム１を動作させるための各種プログラム、および光学システム１の動作に必要な各種パラメータ等を含むデータを記憶する。記憶部３９は、フラッシュメモリやＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の半導体メモリを用いて実現される。また、記憶部３９は、位置信号が異常であるか否かを判断するための閾値である差分変化量の基準値や、目標位置に到達している（定位置保持中である）か否かを判断するための閾値、可動枠２０が移動中であるか否かを判断するための閾値などを記憶する駆動情報記憶部３９１を有する。

続いて、本実施の形態１に係る駆動制御を、図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る光学システムが行う処理を説明するフローチャートである。以下で説明する駆動制御は、指示値の入力があり、位置信号が正常である場合に、その指示値に応じた位置（以下、目標位置という）に可動枠２０が到達するまでの制御を行うものとして説明する。なお、本フローチャートでは、手動合焦を行うものとして、入力部３１を介して指示値が入力される例を説明するが、自動合焦を行う場合、制御部３８が指示値を生成する。

まず、制御部３８は、入力部３１を介して指示値の入力があるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。制御部３８は、指示値の入力があると判断すると（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に移行する。一方、制御部３８は、指示値の入力がないと判断すると（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、指示値の入力の確認を繰り返すか、または駆動制御を終了する。

ステップＳ１０２では、制御部３８は、位置検出部１００から位置信号を取得する。位置信号は、上述したように、ホール素子１４が検出した磁界強度を電圧値に変換したものである。

位置信号取得後、第１差分算出部３２１が、位置信号（信号値）と、指示値との差分を算出する（ステップＳ１０３）。第１差分算出部３２１は、算出した差分を判断部３２２に入力する。

判断部３２２は、第１差分算出部３２１から差分が入力されると、この差分が時間的に変化しているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。判断部３２２は、例えば、バッファ３７から取得した過去の差分であって、例えば今回取得した差分の直前に算出された差分を取得し、今回算出された差分と、過去の差分とを比較して、差分に変化があれば、位置信号は正常であると判断し、差分がほとんど変化していない場合、位置信号が異常である可能性があると判断する。判断部３２２は、例えば、この差分の差と、駆動情報記憶部３９１に記憶されている閾値とをもとに、位置信号が異常であるか否かを判断する。この閾値は、例えば、可動枠２０が移動した際に最低限変化するとさされる差分の差の最小値に基づいて設定される。判断部３２２は、判断結果を画像処理部３３に入力する。画像処理部３３は、位置信号が正常である場合は、上述したような画像データの生成処理などを行う。

判断部３２２によって差分に変化があると判断されると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、選択部３４が、可動枠２０を駆動制御する駆動制御部を、第１駆動制御部３５に設定する（ステップＳ１０５）。

第１駆動制御部３５に設定後、信号処理部３２は、第１差分算出部３２１により算出された差分を駆動信号として第１駆動制御部３５に入力する（ステップＳ１０６）。

第１駆動制御部３５は、駆動信号として差分が入力されると、該差分をもとに可動枠２０の駆動制御を行う（ステップＳ１０７）。具体的に、第１駆動制御部３５は、駆動信号の増幅や位相の調整を行う。第１駆動制御部３５は、調整後の駆動信号に応じた電流値で、制御部３８を介してコイル１３Ａ，１３Ｂに電流を流すことによって可動枠２０の駆動制御を行う。

一方、ステップＳ１０４において、判断部３２２は、差分に変化がないと判断すると（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０３で算出された差分が、閾値よりも以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。判断部３２２は、差分が閾値より小さければ（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、位置信号が正常であって、可動枠２０が目標位置に到達していると判断し、ステップＳ１０５に移行する。これに対し、判断部３２２は、差分が閾値以上であれば（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、位置信号が異常であると判断し、ステップＳ１０９に移行する。ステップＳ１０８における閾値は、可動枠２０が停止位置を維持するための制御（定位置保持制御）されている際に、時間的に変化する差分（定位置保持制御中における可動枠２０の移動に応じた差分）に基づいて設定される。判断部３２２は、判断結果を画像処理部３３に入力する。なお、判断部３２２によって差分が閾値以上（位置信号が異常）であると判断された場合に、音や、光、画像などで報知するようしてもよい。

ステップＳ１０９では、選択部３４が、可動枠２０を駆動制御する駆動制御部を、第２駆動制御部３６に設定する（ステップＳ１０９）。

第２駆動制御部３６に設定後、判定部３３１が、判断結果に基づき位置信号が異常である旨を判定すると、第２差分算出部３３２が、画像データのコントラスト値の差分を算出する（ステップＳ１１０）。具体的に、第２差分算出部３３２は、入力された指示値を、位置信号が異常であると判断される直前の画像データのコントラスト値に置きかえ、今回取得した画像信号のコントラスト値と、指示値に置きかえられたコントラスト値（位置信号が正常である場合のコントラスト値）との差分を算出する。その後、第２差分算出部３３２は、算出した差分を第２駆動制御部３６に入力する（ステップＳ１１１）。

第２駆動制御部３６は、駆動信号として差分が入力されると、該差分をもとに可動枠２０の駆動制御を行う（ステップＳ１１２）。具体的に、第２駆動制御部３６は、駆動信号の増幅や位相の調整を行う。第２駆動制御部３６は、調整後の駆動信号に応じた電流値で、制御部３８を介してコイル１３Ａ，１３Ｂに電流を流すことによって可動枠２０の駆動制御を行う。この場合の駆動制御は、位置信号が異常であると判定される直前の位置に可動枠２０を移動させる制御を行う。

上述した駆動制御によって、位置信号に異常が生じ、駆動処理中に可動枠２０が制御不能になった場合でも、ある程度の解像度を維持する位置、具体的には異常発生前の位置に可動枠２０を移動させることができる。なお、目標位置に達した（差分が閾値以下になった）場合に、位置信号の正常異常判定を終了し、通常の可動枠２０の位置制御のみのフローにしてもよいし、目標位置に達しても位置信号の正常異常判定を繰り返して位置制御を行うフローにしてもよい。

以上説明した本発明の実施の形態１によれば、位置検出部１００が検出した位置信号が正常であれば、この位置信号を用いて可動枠２０の駆動制御を行い、位置信号が異常であれば、撮像素子３ａが撮像した撮像信号をもとに可動枠２０の駆動制御を行うようにしたので、一つの位置検出部１００のみであっても、可動レンズ２１の位置検出が正常に行えなくなった場合でも、被検体に対する処置を継続可能な画質を維持した画像を取得することができ、かつ大型化を抑制することができる。

また、本実施の形態１によれば、検出用磁石２５を、主軸２２の近傍であって、可動枠２０の光軸と直交する方向の側面に設けたので、主軸２２および軸受２４の間のガタツキによって、可動枠２０に主軸２２まわりの煽りが生じた場合であっても、位置検出誤差を小さくすることができる。

また、本実施の形態１によれば、可動枠２０を軽金属または耐熱樹脂を用いて形成して、軽金属以外の金属を用いて形成した場合と比して軽量化するようにしたので、アクチュエータを小さくすることができ、その結果、光学ユニット２を小型化することができる。

なお、本実施の形態１では、固定枠１０に磁石１２Ａ，１２Ｂ、可動枠２０にコイル１３Ａ，１３Ｂを設けるものとして説明したが、固定枠１０にコイル１３Ａ，１３Ｂ、可動枠２０に磁石１２Ａ，１２Ｂを設けてもよい。

また、本実施の形態１では、第２駆動制御部３６が、位置信号が異常であると判断される直前のコントラスト値に基づいて合焦を判断して可動枠２０の駆動を制御するものとして説明したが、これに限らず、閾値を設けて、コントラスト値がこの閾値を超えるまでフィードバック制御をかけて可動枠２０を駆動制御してもよいし、直前のコントラスト値ではなく、所定の期間内のコントラスト値のうち最大のコントラスト値を用いてフィードバック制御をかけてもよいし、シングルスキャンオートフォーカス（シングルスキャンＡＦ）を行って、合焦値をもとに可動枠２０の駆動制御を行ってもよいし、撮像素子３ａに位相差画素を設けて像面位相差方式によりオートフォーカスを行って合焦値をもとに可動枠２０の駆動制御を行ってもよい。シングルスキャンＡＦを行う場合は、指示値として置きかえる値がないため、一定のステップ量（所定の期間内）で得られた複数の画像信号のコントラスト値の最大値を検出し、この最大値を指示値として置きかえる。また、画像におけるマスクのサイズを検出して、当該マスクのサイズが、所定の大きさとなるように可動枠２０を移動させてもよい。

このほか、画素値（輝度値）の輝度分散、高周波成分のゼロクロス回数、エッジ量、および隣り合う画素の画素値の差分のうちのいずれかの値をもとに可動枠２０を制御するものであってもよいし、コントラスト値を含めたこれらの値を組み合わせて可動枠２０を制御するものであってもよい。

例えば、画素値（輝度値）の輝度分散を用いる場合は、画像処理部３３が、撮像素子３ａが生成した撮像信号に含まれる１画素ごとの画素値の輝度分散をみることで、合焦しているか否かを判断する。輝度分散が大きい、すなわち輝度値が分散していればしているほど明暗がはっきりしており、輝度分散が大きい場合に合焦していると判断する。

また、高周波成分のゼロクロス回数を用いる場合、画像処理部３３が、撮像素子３ａが生成した撮像信号に含まれる１画素ごとの画素値の高周波成分の信号値を抽出し、隣り合う画素の高周波成分の信号値に対して２次微分を行う。２次微分により得られる値は、画素位置によって正から負、または負から正に変化する。この位置（隣り合う画素の組み合わせ）をゼロクロスと呼び、このゼロクロスの回数が多いほど、合焦していると判断できる。そのため、ゼロクロスの回数に閾値を設けておけば、合焦しているか否かを判断することができる。

また、エッジ量を用いる場合、まず、画像処理部３３が、画像にフィルタをかけてエッジ成分の信号値を抽出し、その信号値を積分することによりエッジ量を算出する。このエッジ量が大きいほど、画像中にエッジ成分を多く含むため、合焦していると判断できる。そのため、エッジ量に閾値を設けておけば、合焦しているか否かを判断することができる。

また、隣り合う画素の画素値の差分を用いる場合、画像処理部３３が、まず、隣り合う画素の画素値の差分を算出し、その差分値を積分することにより積分値を算出する。この積分値が大きいほど画素間の変化が大きくなっており、この変化が大きいほど合焦していると判断できる。そのため、積分値に閾値を設けておけば、合焦しているか否かを判断することができる。

（実施の形態１の変形例）
上述した実施の形態１では、主軸２２に沿って可動枠２０を移動させるものとして説明したが、これに限らない。例えば、可動枠が、固定枠に保持され、固定枠の内周面を摺動しながら移動するものであってもよい。図６は、本発明の実施の形態１の変形例に係る光学システムの概略構成を示す模式図であって、光軸を通過する平面を切断面とする部分断面図である。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号が付してある。

本変形例に係る光学システム１ａは、レンズを光軸方向に移動可能な光学ユニット２ａと、光学ユニット２ａを含む各構成部の駆動制御、および各構成部に対する情報の入出力制御を行う制御装置３と、光学ユニット２ａを介して受光した光に対して光電変換処理を施す撮像素子３ａとを備える。

光学ユニット２ａは、固定枠４（保持枠）と、固定枠４に対して摺動可能な可動枠５と、固定枠４に対して可動枠５を摺動させる駆動力を発生するボイスコイルモータ８と、を備える。

固定枠４は、固定枠本体４０と、可動枠５が保持する可動レンズ群Ｇｖよりも物体側の物体側固定レンズ群Ｇｆを保持し固定枠本体４０の物体側に取り付けられた前枠部６と、可動レンズ群Ｇｖよりも像側の像側固定レンズ群Ｇｂを保持し固定部本体４０の像側に取り付けられた後枠部７と、を有する。

固定枠本体４０は、所定の軸Ｎ２を中心とした筒形状の部材からなる。固定枠本体４０には、径方向にそれぞれ貫通した複数の肉抜き部４０ａが形成されている。

前枠部６は、筒状の部材である。前枠部６は、物体側固定レンズ群Ｇｆを保持する。物体側固定レンズ群Ｇｆは、前第１レンズＬｆ１及び前第２レンズＬｆ２を有し、物体側からこの順に並んでいる。前枠部６は、内周部で前第１レンズＬｆ１および前第２レンズＬｆ２を保持する。

後枠部７は、筒状の部材である。後枠部７は、像側固定レンズ群Ｇｂを保持する。像側固定レンズ群Ｇｂは、後第１レンズＬｂ１及び後第２レンズＬｂ２を有する。後枠部７は、内周部において、後第１レンズＬｂ１及び後第２レンズＬｂ２を物体側からこの順序で保持する。また、後枠部７の外周部には、上述したホール素子１４が設けられている。

可動枠５は、筒状の部材である。可動枠５は、可動レンズ群Ｇｖを保持する。具体的には、可動枠５は、内周部において、可動レンズ群Ｇｖが有する可動第１レンズＬｖ１を保持する。また、可動枠５の内周部には、上述した検出用磁石２５が設けられており、ホール素子１４と検出用磁石２５とにより、位置検出部１００を構成している。

可動枠５は、外周部の一部が固定枠本体４０の内周面と接触しながら固定部本体４０に挿入される。この際、像側固定レンズ群Ｇｂの少なくとも一部が可動枠５の径方向内側、すなわち可動枠５が形成する中空空間内に存在することとなる。本変形例において、可動枠５が最も物体側に移動した場合には、物体側固定レンズ群Ｇｆの少なくとも一部が可動枠５の径方向内側に存在する。

ボイスコイルモータ８は、図６に示すように、固定枠４の固定枠本体４０に配置されたコイル９Ａと、コイル９Ａに対向するように可動枠５に配置された磁石９Ｂと、を有する。

コイル９Ａは、固定枠本体４０の外周に巻かれる二つのコイル９０，９１を軸Ｎ２方向に沿って並べて配置してなる。軸Ｎ２方向に沿って隣り合う二つのコイルは、直列で接続されることが好ましいが、並列に接続されてもよい。

第１磁石９２及び第２磁石９３は、固定枠４の各肉抜き部４０ａ内に入るように可動枠５にそれぞれ配置される。第１磁石９２及び第２磁石９３は、例えば、周方向に沿って配置される四つの磁石をそれぞれ有する。第１磁石９２の組と第２磁石９３の組とは、それぞれ可動枠５の径方向に着磁され、磁極が互いに逆向きである。

本変形例において、コイル９０，９１は、第１磁石９２の組と第２磁石９３の組との間で巻回方向が反転することが好ましい。または、コイル９０，９１の巻回方向を同一とし、電流方向が逆になるようにコイル９０，９１を接続してもよい。この場合、コイル９０に流れる電流の向きと、コイル９１に流れる電流の向きとが逆方向になっていればよい。

光学ユニット２ａのコイル９Ａに電流を流すと、磁石９Ｂの磁界の影響によって、可動部５に軸Ｎ２方向の力が発生し、固定枠４に対して可動枠５が軸Ｎ２方向に移動する。例えば、コイル９０，９１にそれぞれ流す電流を制御することによって、可動枠５を固定枠４に対して移動させることができる。

以上説明した構成を有する光学ユニット２ａを用いて、上述した実施の形態１に係る駆動制御を行う場合においても、位置検出部１００が検出した位置信号が正常であれば、この位置信号を用いてコイル９０，９１への電流を制御して可動枠５の駆動制御を行い、位置信号が異常であれば、撮像素子３ａが撮像した撮像信号をもとにコイル９０，９１への電流を制御して可動枠５の駆動制御を行う。これにより、光学システム１ａにおいても、大型化を抑制しつつ、可動レンズの位置検出が正常に行えなくなった場合でも、被検体に対する処置を継続可能な画質を維持することができる。

なお、本実施の形態１および変形例では、固定枠側にホール素子、可動枠側に検出用磁石を設けるものとして説明したが、固定枠側に検出用磁石、可動枠側にホール素子を設けてもよい。

また、本実施の形態１および変形例では、位置検出センサとしてホール素子を例に説明したが、ＭＲセンサを用いて位置を検出するものであってもよい。

また、本実施の形態１および変形例において、検出用磁石を設けずに、ボイスコイルモータの磁石を用いて位置検出を行うものであってもよい。

また、上述した実施の形態１および変形例において、ボイスコイルモータの磁石、コイルの配置を逆にしてもよい。

また、上述した実施の形態１および変形例では、ホール素子が、検出した磁界強度を順次電圧値に変換し、磁界強度に基づく電圧値を位置信号として制御装置に出力するものとして説明したが、磁界強度を位置信号として制御装置に出力するものであってもよい。この場合は、電圧値を磁界強度に代えて各々が算出される。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る内視鏡を備えた内視鏡システムの構成を示す図である。同図に示す内視鏡システム５０は、内視鏡５１と、制御装置５５と、表示装置５７とを備える。内視鏡５１は、上述した実施の形態１または変形例に係る光学システム１，１ａのいずれかを備える。以下、光学システム１（光学ユニット２）を備えるものを例に説明する。

内視鏡５１は、人体等の被検体内に導入可能であって、被検体内の所定の観察部位を光学的に撮像する。なお、内視鏡５１が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体でもよく、機械、建造物等の人工物でもよい。換言すれば、内視鏡５１は、医療用内視鏡でもよいし、工業用内視鏡でもよい。

内視鏡５１は、被検体の内部に導入される挿入部５２と、挿入部５２の基端に位置する操作部５３と、操作部５３から延出される複合ケーブルとしてのユニバーサルコード５４と、を備える。

挿入部５２は、先端に配設される先端部５２ａ、先端部５２ａの基端側に配設される湾曲自在な湾曲部５２ｂ、および湾曲部５２ｂの基端側に配設されて操作部５３の先端側に接続され可撓性を有する可撓管部５２ｃを有する。先端部５２ａには、被写体からの光を集光して該被写体を撮像する撮像部５８が設けられている。撮像部５８は、被写体からの光を集光する光学ユニット２と、光学ユニット２が集光した光を光電変換して出力する撮像素子３ａとを有する。なお、内視鏡５１は、挿入部５２に可撓管部５２ｃを有しない硬性内視鏡でもよい。

操作部５３は、湾曲部５２ｂの湾曲状態を操作するアングル操作部５３ａと、上述したボイスコイルモータ３０Ａ，３０Ｂの作動を指示し、光学ユニット２におけるズーム作動もしくは合焦作動を行う光学ユニット操作部５３ｂと、を有する。アングル操作部５３ａはノブ形状で形成され、光学ユニット操作部５３ｂはレバー形状で形成されているが、それぞれボリュームスイッチ、プッシュスイッチ等の他の形式であってもよい。

ユニバーサルコード５４は、操作部５３と制御装置５５とを接続する部材である。内視鏡５１は、ユニバーサルコード５４の基端部に設けられるコネクタ５４ａを介して制御装置５５に接続される。

挿入部５２、操作部５３およびユニバーサルコード５４には、ワイヤ、電気線および光ファイバ等のケーブル５６が挿通される。

制御装置５５は、湾曲部５２ｂの湾曲状態を制御する駆動制御部５５ａと、撮像部５８を制御する画像制御部５５ｂと、図示しない光源装置を制御する光源制御部５５ｃと、を有する。制御装置５５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサを有し、内視鏡システム５０の全体を統括して制御する。制御装置５５は、上述した制御装置３の構成要素である入力部３１、信号処理部３２、選択部３４、バッファ３７および記憶部３９を有する。

駆動制御部５５ａは、アクチュエータを有し、ワイヤを介して操作部５３および湾曲部９２ｂと機械的に接続される。駆動制御部５５ａは、ワイヤを進退させることで湾曲部５２ｂの湾曲状態を制御する。また、駆動制御部５５ａは、上述した制御装置３の構成要素である第１駆動制御部３５および第２駆動制御部３６を有し、フィードバック制御を行って、光学ユニット２の可動枠２０を所望の位置まで移動させる。

画像制御部５５ｂは、電気線を介して撮像部５８および操作部５３と電気的に接続される。画像制御部５５ｂは、撮像部５８が有するボイスコイルモータ３０Ａ，３０Ｂの駆動制御および撮像部５８が撮像した画像の処理を行う。画像制御部５５ｂが処理した画像は、表示装置５７で表示される。また、画像制御部５５ｂは、画像処理部３３を有し、画像データの生成をこの画像処理部３３が行うものであってもよい。

光源制御部５５ｃは、光ファイバを介して光源および操作部５３と光学的に接続される。光源制御部５５ｃは、先端部５２ａから照射される光源の明るさ等を制御する。

なお、操作部５３を挿入部５２と別体で形成し、遠隔操作によって挿入部５２の操作を行う構成としてもよい。

以上の構成を有する内視鏡システム５０は、上述した光学ユニット２を有する撮像部５８を備えるため、小型で高精度なズーム変更、もしくは合焦動作を行うことができる。また、制御装置３の構成要素を有するため、位置検出部１００からの位置信号に異常がある場合でも、被検体に対する処置を継続可能な画質を維持した画像を取得することができる。なお、内視鏡システム５０に光学ユニット２を適用する場合、可動枠２０等に用いられる耐熱性の樹脂は、例えば、１４０℃以上の耐熱性を有する樹脂が好ましい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含み得るものであり、請求の範囲に記載した技術的思想を逸脱しない範囲内において適宜設計変更等を行うことが可能である。

１，１ａ 光学システム
２，２ａ 光学ユニット
１０ 固定枠
１１Ａ，１１Ｂ ヨーク
１２Ａ，１２Ｂ 磁石
１３Ａ，１３Ｂ コイル
１４ ホール素子
２０ 可動枠
２１ 可動レンズ
２２ 主軸
２３ 副軸
２４ 軸受
２４ａ，２４ｂ 摺接部
２５ 検出用磁石
８，３０Ａ，３０Ｂ ボイスコイルモータ
３１ 入力部
３２ 信号処理部
３３ 画像処理部
３４ 選択部
３５ 第１駆動制御部
３６ 第２駆動制御部
３７ バッファ
３８ 制御部
３９ 記憶部
５０ 内視鏡システム
５１ 内視鏡
５２ 挿入部
１００ 位置検出部

Claims (12)

1. 光を透過する光学素子と、
   前記光学素子を保持し、所定の方向に沿って移動する可動枠と、
   前記可動枠を保持する保持枠と、
   磁石およびコイルを有し、前記可動枠を前記所定の方向に沿って前記保持枠に対して相対移動させるボイスコイルモータと、
   前記保持枠に対する前記可動枠の位置に関する情報を検出して位置信号を生成する位置検出部と、
   前記位置検出部が生成した位置信号をもとに前記保持枠に対する前記可動枠の移動量および移動方向に関する情報を含む駆動信号を生成するとともに、前記位置信号が正常であるか否かを判断する信号処理部と、
   前記光学素子を通過した光を光電変換して撮像信号を生成する撮像素子と、
   前記撮像信号をもとに画像信号を生成する画像処理部と、
   前記信号処理部が生成した前記駆動信号に基づいて、前記コイルに流す電流を制御して前記可動枠を駆動する第１駆動制御部と、
   前記画像処理部が生成した前記画像信号に基づいて、前記コイルに流す電流を制御して前記可動枠を駆動する第２駆動制御部と、
   前記信号処理部の判断結果に基づいて、前記第１および第２駆動制御部のうち前記可動枠の駆動制御を行う駆動制御部を選択する選択部と、
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記選択部は、前記位置信号が正常であると前記信号処理部が判断した場合に前記第１駆動制御部を選択し、前記位置信号が正常ではないと前記信号処理部が判断した場合に前記第２駆動制御部を選択する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記可動枠の移動位置を指示する指示信号の入力を受け付ける入力部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記位置信号の信号値と、前記指示信号の信号値との差分を算出し、該差分に基づいて前記位置信号が正常であるか否かを判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記画像信号をもとに可動枠の移動位置を指示する指示値を生成する制御部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記位置信号の信号値と、前記指示値との差分を算出し、該差分に基づいて前記位置信号が正常であるか否かを判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記第２駆動制御部は、前記画像処理部が生成した前記画像信号の代表信号値が所定値となる位置まで前記可動枠が移動するように前記コイルに流す電流を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記所定値は、前記位置信号が正常ではないと判断される直前の前記画像信号の代表信号値である
   ことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記所定値は、所定の期間内における複数の前記画像信号の代表信号値のうち最も高い値である
   ことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
8. 前記所定値は、シングルスキャンオートフォーカスにより合焦していると判断された値である
   ことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記画像処理部は、コントラスト値、輝度値および位相差のうち少なくとも一つを含む前記画像信号を生成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
10. 前記第２駆動制御部は、前記画像処理部が生成した前記画像信号をもとに前記可動枠のフィードバック制御を行う
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
11. 前記位置検出部は、
    前記可動枠および前記保持枠のうちの一方に設けられ、位置検出用の磁界を発生する磁界発生部と、
    前記可動枠および前記保持枠のうちの他方に設けられており、前記可動枠の移動方向と直交する磁界を検出する磁界検出部と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
12. 被検体の内部に挿入されて該被検体の内部を観察する内視鏡システムであって、
    請求項１に記載の撮像装置を備えたことを特徴とする内視鏡システム。

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