(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に挿入する内視鏡挿入部の先端側に湾曲部を有する内視鏡装置であって、
前記湾曲部よりも先端側に撮像光学系を設けた撮像手段と、
前記湾曲部を湾曲させる湾曲駆動機構と、
前記湾曲部の姿勢を検出する湾曲部位置姿勢検出手段と、
前記撮像手段による前記被写体の撮像中心位置を略一定に保つ被写体捕捉動作の動作開始または動作解除する捕捉動作設定手段と、
前記捕捉動作設定手段により前記捕捉動作開始が指示された場合に、前記湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力から前記被写体の撮像中心位置を算出し、前記湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力に応じて、前記撮像中心位置に前記撮像光学系の光軸が向くように、前記湾曲駆動機構を駆動制御する撮像位置安定化手段と、を備えることを特徴とする内視鏡装置。
【請求項２】
前記被写体と前記撮像光学系との間の距離を測定する測距手段をさらに備え、前記撮像中心位置は、前記湾曲部位置姿勢検出手段および前記測距手段の各検出出力から算出されてなることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
【請求項３】
前記測距手段が、複数の視点で被写体を撮像するステレオ計測手段で構成され、少なくともその一部が前記撮像手段を兼ねることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡装置。
【請求項４】
前記湾曲部位置姿勢検出手段が、前記湾曲部の先端および基端にそれぞれ設けられた複数の加速度検出手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内視鏡装置。
【請求項５】
前記撮像手段により撮像される被写体の画像データから、前記被写体の撮像中心位置のずれ量を検出する画像ずれ検出手段を備え、
前記捕捉動作設定手段により前記捕捉動作開始が指示された場合に、前記撮像位置安定化手段が、前記画像ずれ検出手段により検出された前記撮像中心位置のずれ量に応じて、前記湾曲駆動機構を駆動制御できるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内視鏡装置。
【請求項６】
前記画像ずれ検出手段が、前記画像データとして、前記被写体の画像のコントラスト情報を抽出し、該コントラスト情報により前記被写体の撮像中心位置のずれ量を検出することを特徴とする請求項５に記載の内視鏡装置。
【請求項７】
前記撮像位置安定化手段が、
前記湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力に応じて前記湾曲駆動機構を駆動することにより第１の被写体捕捉動作を行い、
該第１の被写体捕捉動作を完了させてから、前記画像ずれ検出手段の検出出力に応じて前記湾曲駆動機構を駆動することにより第２の被写体捕捉動作を行うようにしたことを特徴とする請求項５または６に記載の内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内視鏡装置に関する。例えば、外乱を受けても、被写体内の略一定位置を中心とする画像を安定して撮像することができる内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内視鏡装置では、内視鏡挿入部の先端側を湾曲させる湾曲駆動機構を備え、その湾曲量を変更することにより、内視鏡挿入部の先端に設けられた撮像光学系の向きを制御して、所望位置の被写体の画像を取得できるようになっている。そして、例えば、検査のための内視鏡挿入部の移動や外乱などにより、撮像光学系と被写体との相対位置がずれた場合、湾曲駆動機構により湾曲量を調整して、撮像光学系と被写体との相対位置を補正するようにした装置が知られている。
例えば、特許文献１には、被写体像が拡大表示時にずれた場合、ずれ量をベクトルとして検出し、ずれ量を補正するように湾曲部の湾曲角を補正する内視鏡装置が記載されている。
特許文献２には、管内に挿入される内視鏡装置であって、被写体像の明るさ分布を検出する複数の光電素子を備え、その検出出力の偏差により湾曲量を制御して、先端構成部が被観察系の周壁の実質的中心方向に向かうようにする内視鏡が記載されている。
特許文献３には、被写体の画像を複数領域に分割し、分割された領域の明るさ情報を検出し、それらの明るさ情報を基にファジィ推論手段を用いて湾曲駆動手段の湾曲量を制御する内視鏡装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００１−０４６３３１号公報（図４、１７、１８）
【特許文献２】特公昭６１−３７９２７号公報（図１−５）
【特許文献３】特許第２９４８８３３号公報（図１、５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の内視鏡装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、被写体像の変化により移動方向、移動量を検出して湾曲量を補正するので、被写体像が撮像範囲内にある場合の移動には追従できるものの、撮像範囲から被写体が飛び出した場合には一旦低倍率に戻して被写体を撮像範囲に入れて湾曲量を補正してから、元の拡大倍率に戻すといった手間がかかる。そのため被写体が撮影範囲外に飛び出すような大きな外乱を受ける場合や、被写体を狭い視野角内で高倍率に拡大観察する場合に、安定した観察を効率よく行うことができないという問題がある。
特許文献２に記載の技術では、明るさ分布の偏差を検出して湾曲量を制御するので、管内の中心を観察する場合のように、明るさ分布が特定の分布を有する場合に限って湾曲量を安定的に制御することができるものである。したがって、撮像範囲内で明るさが略均一となるような偏差を抽出しにくい場合や特定の模様が同じパターン配列しているような場合などでは、湾曲量を正しく制御できなくなるという問題がある。
特許文献３に記載の技術では、明るさ分布を検出し、ファジィ推論を用いて湾曲量を制御する。そのため、被検体の明るさ分布に多少変動がある場合でも湾曲を制御することができるものの、ファジィ推論規則を設定するには、被写体、背景の明るさ分布にある程度の特徴がなければならない。そのため、程度の差はあっても特許文献２と同様の問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、例えば外乱を受けるなどして撮像位置がずれ、被写体が撮像範囲外に飛び出すような場合でも、被写体を撮像範囲の略中心位置に迅速に捕捉し、安定した観察を行うことができる内視鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、被検体に挿入する内視鏡挿入部の先端側に湾曲部を有する内視鏡装置であって、前記湾曲部よりも先端側に撮像光学系を設けた撮像手段と、前記湾曲部を湾曲させる湾曲駆動機構と、前記湾曲部の姿勢を検出する湾曲部位置姿勢検出手段と、前記撮像手段による前記被写体の撮像中心位置を略一定に保つ被写体捕捉動作の動作開始または動作解除する捕捉動作設定手段と、前記捕捉動作設定手段により前記捕捉動作開始が指示された場合に、前記湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力から前記被写体の撮像中心位置を算出し、前記湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力に応じて、前記撮像中心位置に前記撮像光学系の光軸が向くように、前記湾曲駆動機構を駆動制御する撮像位置安定化手段と、を備える構成とする。
この発明によれば、捕捉動作設定手段により被写体捕捉動作の動作開始が設定されると、撮像位置安定化手段により、湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力を取得し、その時点での被写体の撮像中心位置（以下、初期撮像中心位置と称する）を算出する。そして、湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力に応じて、初期撮像中心位置に撮像光学系の光軸が向くように湾曲駆動機構が駆動される。
そのため、被写体捕捉動作の動作開始後に被写体が撮像範囲から外れた場合でも、倍率を変えたりすることなく被写体を迅速かつ容易に初期撮像中心位置に捕捉することができる。
【０００６】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の内視鏡装置において、前記測距手段が、複数の視点で被写体を撮像するステレオ計測手段で構成され、少なくともその一部が前記撮像手段を兼ねる構成とする。
この発明によれば、測距手段が複数の支点で被写体を撮像するステレオ計測手段で構成され、少なくともその一部が撮像手段を兼ねるので簡素な構成とすることができる。
また、ステレオ計測手段により被写体の立体視画像を撮像することができるので、被写体の凹凸形状を参照して初期撮像中心位置の正確な位置決めを行うことができる。
ステレオ計測手段の全部が撮像手段である場合、撮像光学系が多焦点光学系となるが、本明細書では、この場合の撮像光学系の光軸は、特に断らない限り、多焦点の各光軸に対する対称軸を指すものとする。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の内視鏡装置において、前記湾曲部位置姿勢検出手段が、前記湾曲部の先端および基端にそれぞれ設けられた複数の加速度検出手段である構成とする。
この発明によれば、湾曲部位置姿勢検出手段が、加速度検出手段であるので、外乱などによる変位にも高速に応答することができるとともに、小型のセンサで設置位置での変位と方向とともに検出できるので、内視鏡挿入部の内部にも容易に設置することができる。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の内視鏡装置において、前記撮像手段により撮像される被写体の画像データから、前記被写体の撮像中心位置のずれ量を検出する画像ずれ検出手段を備え、前記被写体捕捉動作設定手段により前記捕捉動作開始が指示された場合に、前記撮像位置安定化手段が、前記画像ずれ検出手段により検出された前記撮像中心位置のずれ量に応じて、前記湾曲駆動機構を駆動制御できるようにした構成とする。
この発明によれば、撮像手段により撮像される被写体の画像データから被写体の撮像中心位置のずれ量を検出する画像ずれ検出手段を備えるので、被写体の画像データにより被写体の撮像中心位置を直接的に検出することができ、被写体捕捉動作の精度を向上することができる。
【０００９】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の内視鏡装置において、前記画像ずれ検出手段が、前記画像データとして、前記被写体の画像のコントラスト情報を抽出し、該コントラスト情報の変化により前記被写体の撮像中心位置のずれ量を検出する構成とする。
この発明によれば、画像ずれ検出手段が、被写体の画像のコントラスト情報の変化により被写体の撮像中心位置のずれ量を検出するので、検出に用いる画像データ量を圧縮することができるので、迅速な被写体捕捉動作を行うことができる。
【００１０】
請求項６に記載の発明では、請求項４または５に記載の内視鏡装置において、前記撮像位置安定化手段が、
前記湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力に応じて前記湾曲駆動機構を駆動することにより第１の被写体捕捉動作を行い、該第１の被写体捕捉動作を完了させてから、前記画像ずれ検出手段の検出出力に応じて前記湾曲駆動機構を駆動することにより第２の被写体捕捉動作を行う構成とする。
この発明によれば、湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力を用いる第１の被写体捕捉動作を行い、それを完了させてから、画像ずれ検出手段の検出出力を用いる第２の被写体捕捉動作を行うので、湾曲部位置姿勢検出手段に検出誤差などが生じるような場合でも、被写体の撮像中心位置のずれ量を検出する第２の被写体捕捉動作を行うので、捕捉目標を確実かつ高精度に捕捉することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の内視鏡装置によれば、被写体捕捉動作設定手段により前記捕捉動作開始が指示された場合に、撮像位置安定化手段により、湾曲部位置姿勢検出手段の検出出力に応じて湾曲駆動機構を駆動して、撮像光学系の光軸を捕捉動作開始時の被写体の撮像中心位置に向けることができるので、例えば外乱を受けるなどして被写体が撮像範囲から飛び出すような場合でも、倍率を変えたりすることなく迅速に撮像範囲内の略中心位置に被写体を捕捉することができ、安定した観察を行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１３】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の概略構成を説明するために模式的に描いた構成説明図である。
【００１４】
本実施形態の内視鏡装置５０は、例えば外力や振動などの外乱を受けた場合にも、観察中の被写体を撮像範囲の略中心位置に捕捉できるようにしたものである。被写体の種類は特に限定されず、例えば医療用、工業用、計測用など適宜の用途に用いることができるものである。
内視鏡装置５０の概略構成は、図１に示すように、挿入部１（内視鏡挿入部）、装置本体部５１、およびモニタ１３からなる。
【００１５】
挿入部１は、被検体内部に挿入して先端から被検体内の被写体像を取得するために全体として細長形状に形成された機構であり、その先端側に、湾曲先端部３（湾曲部の先端）、湾曲部２、および湾曲基端部８（湾曲部の基端）をこの順に備える。湾曲基端部８と接続する挿入部１の基端側部分は可撓性を有しており、装置本体部５１に接続されている。
湾曲先端部３は、湾曲部２と略同一外径を有する円板状または円柱状の硬質部分である。
湾曲先端部３の先端面３ａには、入射光を内部に導く入射口（不図示）が形成され、その内部側には、双眼レンズ４Ａ（撮像光学系）、撮像素子４Ｂが先端面３ａ側からこの順に配列されてなる撮像手段４が設けられている。
双眼レンズ４Ａは、同一の焦点距離、画角を有する対物レンズ４ａ、４ｂをそれぞれの光軸を所定距離ｄだけ離間して配置した撮像光学系である。そのため先端面３ａからの入射光による像を、同一平面に整列した結像面上に、視差ｄを有する視差画像として結像することができるようになっている。
このように双眼レンズ４Ａは、多焦点光学系であるが、便宜上、以下では、対物レンズ４ａ、４ｂの光軸の対称軸のことを、双眼レンズ４Ａの光軸と称する。
双眼レンズ４Ａの光軸は、湾曲先端部３の軸線方向、すなわち先端面３ａの法線方向に向けられている。
また、特に図示しないが、湾曲先端部３には、先端面３ａから外部に向かって照明光を出射する照明系が設けられている。
【００１６】
撮像素子４Ｂは、双眼レンズ４Ａにより結像される被写体像を光電変換するためのもので、例えばＣＣＤなどの固体撮像素子からなる。
撮像素子４Ｂは、対物レンズ４ａ、４ｂのそれぞれに対応して２つ設けられていてもよいし、１つだけ設けて、対物レンズ４ａ、４ｂに対応する画像を１つの撮像面上で撮像するようにしてもよい。いずれの場合でも、撮像素子４Ｂの出力である画像信号３００は、後述するカメラ制御ユニット（以下、ＣＣＵと略称する）１０４により、同一被写体に対する２つの視差画像３０１に適宜分離して処理することができるようになっている。
撮像素子４Ｂで撮像された画像信号３００は、挿入部１内の信号ケーブル７を通して装置本体部５１に送出される。
このように撮像手段４は、視差画像３０１を取得するステレオ計測手段を兼ねているものである。
【００１７】
撮像手段４の近傍には、３軸方向の加速度の変動分を検出して３次元の変位情報を取得するとともに、重力加速度との差分を元にして方向情報を取得する加速度センサ５Ａ（加速度検出手段）が固定されている。そのため、加速度センサ５Ａの出力により湾曲先端部３の変位と姿勢を検出できるようになっている。加速度センサ５Ａの検出出力は、挿入部１内を通る信号ケーブル５ａにより装置本体部５１に送出される。
【００１８】
湾曲部２は、湾曲先端部３と湾曲基端部８との間に設けられた湾曲可能な管状部材からなり、その内部に、湾曲駆動力を伝達するワイヤ１０Ａ、１０Ｂ、湾曲先端部３から延された信号ケーブル５ａ、７、および湾曲先端部３内の部材に必要な電流を供給する電源線（不図示）が挿通されている。
管状部材は、湾曲可能であれば適宜の構造を採用することができるが、例えば、ワイヤ１０Ａ、１０Ｂや信号ケーブル５ａ、７などを挿通する挿通孔を備えた複数の板状の湾曲コマが軸中心位置で等ピッチで配列され、周縁部では隣接する湾曲コマとの距離がワイヤ１０Ａ、１０Ｂの引張り力のバランスに応じて可変され、それぞれの湾曲コマが互いに傾斜することにより全体として湾曲するような構造を採用することができる。
【００１９】
ワイヤ１０Ａは、その両端部が、挿入部１の外周部近傍において挿入部１の中心軸線を挟んで対向された状態で配置され、湾曲先端部３の基端側に固定されている。そして、その中間部が後述する湾曲駆動機構５２のプーリ１１Ａに巻架されている。
また、ワイヤ１０Ｂは、ワイヤ１０Ａと同様にして、両端部が湾曲先端部３の基端側に固定され、中間部が湾曲駆動機構５２のプーリ１１Ｂに巻架されている。ただし、ワイヤ１０Ｂの各端部の固定位置は、ワイヤ１０Ａの各端部の固定位置に対して９０°ずらされている。例えば、湾曲先端部３の近傍では、ワイヤ１０Ａにおける対向するワイヤ対が、図１の紙面内に配置され、ワイヤ１０Ｂにおける対向するワイヤ対が、図１の紙面垂直面内に配置される。
そのため、例えば、湾曲駆動機構５２のモータ９Ａを駆動させワイヤ１０Ａを巻き取るプーリ１１Ａが一方向に回転すると、紙面内で、端部の一方が引っ張られて他方が緩む。また湾曲駆動機構５２のモータ９Ｂを駆動させワイヤ１０Ｂを巻き取るプーリ１１Ｂが一方向に回転すると、紙面垂直面で、端部の一方が引っ張られ他方が緩む。このようにそれぞれ独立したモータ９Ａ、９Ｂを制御してプーリ１１Ａ、１１Ｂの回転角をそれぞれ適宜設定することにより、遠方にある湾曲先端部３の向きを自由に変えられるようになっている。
【００２０】
湾曲基端部８は、湾曲部２を挿入部１の基端側の可撓管に接続する硬質部分で、湾曲部２の湾曲の基準端を構成している。そして、加速度センサ５Ａと同様の構成を有する加速度センサ５Ｂ（加速度検出手段）を内蔵している。加速度センサ５Ｂの検出出力は、挿入部１の後端側の可撓管内に挿通された信号ケーブル５ｂにより装置本体部５１に送出される。
加速度センサ５Ａ、５Ｂは、湾曲部２の先端および基端の位置および姿勢を検出する湾曲部位置姿勢検出手段を構成している。
【００２１】
装置本体部５１の概略構成は、図１に示すように、湾曲駆動機構５２、張力検出部５４、操作部１４、および制御ユニット５３からなる。
湾曲駆動機構５２は、ワイヤ１０Ａ、１０Ｂ（以下、それぞれ、単にワイヤ１０と称する場合がある。）の中間部をそれぞれプーリ１１Ａ、１１Ｂに巻き取って、湾曲先端部３と湾曲基端部８との間に張架されるワイヤ１０Ａ、１０Ｂの長さを可変して湾曲部２の湾曲量を可変する機構であり、ワイヤ１０Ａ、１０Ｂを巻き取るプーリ１１Ａ、１１Ｂと、それらを正逆転自在に回転駆動するモータ９Ａ、９Ｂ（以下、それぞれ、単にモータ９と称する場合がある。）とからなる。
各モータ９は、回転角の制御が可能であれば、適宜のモータを採用することができる。例えばロータリエンコーダなどの回転角検出手段を用いて回転角制御を行うＤＣサーボモータなどを採用することができる。
湾曲駆動機構５２によれば、前述のようにして湾曲先端部３の向きを自由に変えられるようになっている。
【００２２】
張力検出部５４は、各ワイヤ１０の張力を検出するためのもので、各ワイヤ１０に取り付けられた４つの歪みゲージ１２からなる。図１には、ワイヤ１０Ａ、１０Ｂに取り付けられた歪みゲージ１２Ａ、１２Ｂを図示している。
歪みゲージ１２の各検出出力は制御ユニット５３に送出される。
各ワイヤ１０の破断限界値、すなわち湾曲駆動機構５２による牽引量限界値は、後述するメモリ１０１に予め設定されている。
【００２３】
操作部１４は、内視鏡装置５０の操作入力を行うためのもので、少なくとも、湾曲部２の２軸方向の湾曲量を操作する湾曲操作機構１５と、撮像手段４により撮像された被写体の撮像中心位置を略一定に保つ被写体捕捉動作の動作開始を指示するロックボタン１６ａ（捕捉動作設定手段）と、捕捉動作の解除を指示するロック解除ボタン１６ｂ（捕捉動作設定手段）とを備える。湾曲操作機構１５は、例えばジョイスティックやアングルスイッチなどの機構を採用することができる。
ロック解除ボタン１６ｂが押されると、後述する制御部１００に対する割り込み信号が発生し、湾曲駆動機構５２の動作が停止されるとともに、後述する捕捉サーボＯＮフラグがリセットされるようになっている。それにより、被写体捕捉動作の実行中でも、被写体捕捉動作を強制終了し、湾曲操作機構１５を用いたマニュアル操作による湾曲を行うことができるようになっている。
操作部１４の操作により入力される各入力信号は、制御ユニット５３に送出される。
【００２４】
制御ユニット５３の概略構成は、制御部１００、メモリ１０１（記憶手段）、モータドライバ１０２、およびＣＣＵ１０４からなる。
制御部１００は、操作部１４、メモリ１０１、モータドライバ１０２、ＣＣＵ１０４、およびモニタ１３と電気的に接続され、操作部１４からの入力信号、加速度センサ５Ａ、５Ｂ、張力検出部５４の各検出出力、およびＣＣＵ１０４から送出される視差画像３０１に応じて、装置全体の制御や湾曲駆動機構５２の制御に関する種々の制御動作、処理動作を行うものである。そして、撮像位置安定化手段を構成している。制御部１００で処理された情報は、文字や画像などからなる適宜の画像データ３０３に変換して、モニタ１３に表示できるようになっている。
制御部１００は、適宜の制御回路群を有するハードウェアを用いて構成されていてもよいが、本実施形態では、不図示のＣＰＵと入出力インタフェースとにより構成されている。そして後述する各制御動作、処理動作を行うためのプログラム群をメモリ１０１にロードし、それらをＣＰＵが実行することにより、各プログラムに対応する各制御動作、処理動作を実現している。
【００２５】
モータドライバ１０２は、制御部１００から送出された制御信号に応じて、各モータ９の回転角を制御するものである。
ＣＣＵ１０４は、撮像素子４Ｂにより撮像された画像信号３００を、必要に応じて適宜の画像処理、例えば、輝度補正、シャープネス補正、ステレオ画像データ処理などを行って、モニタ１３に画像表示するための画像データ３０２を生成しモニタ１３に送出するとともに、ステレオ計測を行うための２つの視差画像３０１を生成して制御部１００に送出するものである。
【００２６】
次に、内視鏡装置５０の動作について説明する。
まず、本実施形態における湾曲部２の湾曲の検出動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の湾曲部の湾曲状態における先端と基端の位置関係について説明する斜視説明図である。
【００２７】
湾曲動作を行うには、操作部１４の湾曲操作機構１５などから、２軸方向の湾曲量を制御部１００指示する。それにより、各ワイヤ１０を適宜巻き取るための制御信号が、制御部１００からモータドライバ１０２に送出され、モータドライバ１０２により各モータ９が回転される。その結果、例えば、図２に示すように、ベクトルＢ方向に沿う方向に延びていた湾曲部２がベクトルＢの方向からずれて、湾曲先端部３の先端面３ａの法線がベクトルＡの方向に向くような湾曲を起こしたとする。
内視鏡装置５０において湾曲部２を湾曲させる目的は、湾曲先端部３を移動して湾曲先端部３に内蔵された撮像手段４により所望の被写体を撮像することにある。そのため、湾曲部２の湾曲形状は、湾曲先端部３と湾曲基端部８との相対的な位置関係が記述できれば十分である。
本実施形態では、湾曲先端部３、湾曲基端部８にそれぞれ設けられた加速度センサ５Ａ、５Ｂが検出する３軸方向の加速度に基づいて、湾曲先端部３、湾曲基端部８の位置および姿勢を検出する。
位置情報は、加速度センサ５Ａ、５Ｂが検出する加速度の変動分を積分することにより、初期的に配置された基準位置からの３次元の変位量として取得される。
姿勢情報は、加速度センサ５Ａ、５Ｂが検出する重力加速度成分に対する差分として３次元的に検出される。
加速度センサ５Ａ、５Ｂは、湾曲先端部３、湾曲基端部８の所定位置に固定されているので、これらの位置情報、姿勢情報は、硬質部分をなし実質的に剛体と見なしうる湾曲先端部３、湾曲基端部８では、それぞれの内部の任意の位置における位置情報、姿勢情報に容易に換算することができる。
【００２８】
このため、加速度センサ５Ａ、５Ｂにより検出された位置情報、姿勢情報により、湾曲先端部３、湾曲基端部８の剛体運動が、適宜のＸＹＺ直交座標系内のベクトルにより記述できる。
例えば、図２に示す単位方向ベクトルＡ、Ｂは、それぞれ湾曲先端部３、湾曲基端部８の姿勢を表現するものである。
Ａ＝（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）                                          ・・・（１）
Ｂ＝（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）                                          ・・・（２）
湾曲部２が湾曲したときの湾曲基端部８に対する湾曲先端部３の湾曲角度は、これら単位方向ベクトルＡ、Ｂとのなす角θとして次式のように定義される。
θ＝ｃｏｓ−１｛（Ａ＊Ｂ）／（｜Ａ｜・｜Ｂ｜）｝                  ・・・（３）
ここで、記号＊、・は、それぞれベクトルの内積、スカラの乗算を表すものとする。また、｜Ａ｜＝｜Ｂ｜＝１である。
また、湾曲方向は、単位方向ベクトルＡ、Ｂの差として定義される方向ベクトルＷとして表現される。
Ｗ＝Ａ−Ｂ
＝（Ａｘ−Ｂｘ，Ａｙ−Ｂｙ，Ａｚ−Ｂｚ）                        ・・・（４）
【００２９】
本実施形態の内視鏡装置５０は、被写体の撮像中心位置を略一定に保つことができるものであり、以下では、その被写体捕捉動作を中心に説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の動作について説明するためのフローチャートである。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の被写体像捕捉動作の原理について説明するための動作説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の変位ベクトルについて説明するためのベクトル図である。図５（ａ）、（ｂ）は、図４（ａ）の捕捉動作における湾曲角度および湾曲方向を算出するための幾何学的な関係を示す補助説明図である。図６は、視差画像を用いた距離測定について説明するための原理説明図である。
【００３０】
操作者は、操作部１４の湾曲操作機構１５を操作することにより、湾曲部２を適宜方向に湾曲させることで、双眼レンズ４Ａの光軸方向を可変し、被写体２０を種々の方向から撮像して観察することができる。
そして、所望のタイミングで、ロックボタン１６ａを押すことにより、その時点で撮像された被写体２０の撮像中心位置を略一定に保つ被写体捕捉動作を実行することができる。すなわち、ロックボタン１６ａを押すと、図３に示す動作フローが開始される。
【００３１】
ステップＳ１では、ロックボタン１６ａにより生成されたサーボ指令信号が制御部１００に送出される。制御部１００は、メモリ１０１に捕捉サーボＯＮフラグを立てる。
【００３２】
ステップＳ２では、制御部１００に加速度センサ５Ａ、５Ｂの検出出力を取り込み、捕捉動作開始時での湾曲先端部３、湾曲基端部８の位置、姿勢を取得する。
例えば、図４（ａ）に破線で示すように、被写体２０における被写体像中心ｐ（初期撮像中心位置）をその法線方向に光路長ｈ１だけ離れた撮像素子４Ｂで撮像するものとする。
簡単のために、加速度センサ５Ａは、湾曲先端部３の位置情報として、撮像素子４Ｂの撮像面の中心の点ａ０の位置を検出するものとする。また、加速度センサ５Ｂは、湾曲基端部８内の点ｂ０の位置を検出するものとし、点ａ０、ｂ０は、双眼レンズ４Ａの光軸の上にあるものとする。点ａ０、ｂ０間の距離はＬである。
この場合、加速度センサ５Ａ、５Ｂにより、位置情報として、点ａ０、ｂ０の位置ベクトルを検出し、姿勢情報は、単位方向ベクトルＡ０、Ｂ０を検出する。
この場合、式（３）において、Ａ＝Ａ０、Ｂ＝Ｂ０とすることで、湾曲角度θ０＝０が得られる。
また、湾曲方向として方向ベクトルＷ０＝Ａ０−Ｂ０＝（０，０，０）が得られる。
【００３３】
ステップＳ３では、この状態における点ａ０、ｂ０の位置情報および湾曲先端部３、湾曲基端部８の姿勢情報をメモリ１０１に記憶する。
【００３４】
ステップＳ４では、ＣＣＵ１０４から送出される視差画像３０１から、被写体２０の被写体像中心ｐまでの距離ｈ１を測定する。
この測定原理は、例えば特公平８−１２３３２号公報などに記載されている公知技術であるが、図６を参照して簡単に説明する。
図６に示すように、視差ｄを有するように配置された対物レンズ４ａ、４ｂにより、被写体２０の画像がそれぞれ画像Ｉ１、Ｉ２として撮像されるものとする。ここで、図中のＯ１、Ｏ２は、それぞれ対物レンズ４ａ、４ｂの中心位置であり、ｆは各レンズの焦点距離を表す。
被写体像中心ｐは、対物レンズ４ａ、４ｂにより、画像Ｉ１、Ｉ２上で、点ｐａ、ｐｂの位置に撮像される。画像Ｉ２、Ｉ１の撮像中心位置が一致するように重ね合わせると、点ｐａは、画像Ｉ２上で距離ｄｉだけずれた点ｑａに対応する。
よって、△Ｏ１ｐＯ２と△ｑａＯ２ｐｂとの相似関係から、次式が成り立つ。
ｈ＝ｆ・ｄ／ｄｉ                                                ・・・（５）
ｈ１＝ｈ＋ｆ                                                    ・・・（６）
ここで、ｈは、対物レンズ４ａ、４ｂの中心位置から被写体像中心ｐまでの距離を表す。
したがって、例えば、２つの視差画像３０１中の点ｐａ、ｐｂの位置を画像処理により抽出し、それらの画像上の位置ずれ量を算出することで、距離ｈ１を正確に算出することができる。また、各画像位置で、これらの計算を行うことにより、画像Ｉ１、Ｉ２から立体画像を生成することが可能となり、被写体２０上の立体測定が可能となる。
【００３５】
ステップＳ５では、ステップＳ４で算出した距離ｈ１をメモリ１０１に記憶する。
ステップＳ６では、ステップＳ２と同様の測定を行い、その結果をメモリ１０１の作業領域に格納する。これにより、現時点での情報が取得される。
例えば、現時点までの間に、挿入部１が外乱を受けて移動し、図４（ａ）に二点鎖線で示す状態となったとする。簡単のため、移動および回転はＺＸ平面に一致する図示紙面内で発生するものとする。
すなわち、撮像素子４Ｂが点ａ１に移動し、加速度センサ５Ｂが点ｂ１に移動し、それに応じて、位置ベクトル、単位方向ベクトルＡ１、Ｂ１が検出され、方向ベクトルＷ１＝Ａ１−Ｂ１、湾曲角度θ＝αが得られ、それぞれメモリの作業領域に格納される。
このとき、図４（ａ）に示すように、光軸２２上の点ｑに対する距離は、距離ｈ３となっている。また、距離ｈ２は、外乱を受ける前の撮像位置と加速度センサ５Ａとの間のＺ軸方向の距離である。
【００３６】
ステップＳ７では、メモリ１０１に記憶された点ａ０、ｂ０の位置、姿勢情報に基づく湾曲角度および湾曲方向と、距離ｈ１と、ステップＳ５、Ｓ６で測定された値とを比較し、ずれが生じている場合には、ずれを補正する湾曲目標値を算出する。
本実施形態では、初期撮像中心位置に撮像光学系の光軸が向くように制御する。そのため、ずれを補正する湾曲量は、図４（ａ）に実線で示すように、湾曲後の光軸２４が被写体像中心ｐを通るように湾曲部２を湾曲させる湾曲角度γで表される。
この算出過程の考え方について、簡単に説明する。
図４（ｂ）に示すように、外乱による変位を、変位ベクトルΔａ、Δｂで表す。
Δａ＝ａ１−ａ０
＝（Δａｘ，Δａｙ，Δａｚ）                                  ・・・（７）
Δｂ＝ｂ１−ｂ０
＝（Δｂｘ，Δｂｙ．Δｂｚ）                                  ・・・（８）
まず、図５（ａ）に示す幾何学的な関係から次式が求まる。
α＝ｓｉｎ−１｛（Δａｘ−Δｂｘ）／Ｌ｝                          ・・・（９）
湾曲部２が、図４（ａ）に示すように、点ｂ１を中心に角度αだけ、回転した状態を考えると、点ａ１が点ａ２に移動し、湾曲部２がΔｂだけ平行移動した状態に相当する。
【００３７】
この場合、Δｂの各成分と距離ｈ１、ｈ２との間に、図５（ｂ）に示すような幾何学的な関係が成り立つ。
図中の角度β１は、湾曲先端部３が、点ｂ１を中心として回転する場合であり、角度β２は、湾曲先端部３が点ａ２を中心として回転する場合である。これらは、極端な場合であり、実際の湾曲による湾曲先端部３の回転運動は、湾曲部２の中間部に回転中心を有するものとなる。そのため、角度βは、角度β１、β２の間の値をとる。角度βは、湾曲部２の湾曲機構の湾曲特性に依存して決まる値である。
そこで、次式が成り立つ。
ｈ２＝ｈ１＋Δｂｚ                                                ・・・（１０）
β＝ｔａｎ−１｛Δｂｘ／（ｈ２＋δ・Ｌ・ｃｏｓα）｝              ・・・（１１）
ここで、δ（ただし、０＜δ＜１）は、湾曲部２の湾曲機構の湾曲特性による回転中心の移動を考慮した補正係数であり、湾曲部２の構造の応じて、例えば実験などにより適宜設定することができる。本実施形態では、δ＝０．６としている。
式（９）、（１１）より、湾曲目標値の湾曲角度γは、次式のように求められる。
γ＝α＋β                                                        ・・・（１２）
【００３８】
以上では、補正係数δの導入する算出方法を分かりやすく説明するため、単純化した幾何学的な計算の例で説明したが、制御部１００で行う内部演算では、方向ベクトルから計算された湾曲角度θ、湾曲方向を規定する方向ベクトルＷ、および湾曲先端部３の回転中心の補正をする補正係数を用いて３次元のベクトル演算により、湾曲目標値である湾曲部２の湾曲角度、湾曲方向が決定される。これらの値は、メモリ１０１に格納される。
この場合、湾曲の初期状態は、上記の説明のように、真直状態である必要はない。
【００３９】
ステップＳ８では、ステップＳ７で算出された湾曲目標値が予めメモリ１０１に設定された湾曲の下限限界閾値以下かどうか判定する。
湾曲目標値が湾曲の下限限界閾値以下の場合、湾曲によりこれ以上の精度で捕捉することができない状態にあるので、湾曲動作を行わずに、ステップＳ１１に移行する。
湾曲目標値が湾曲の下限限界閾値より大きい場合、ステップＳ９を実行する。
湾曲の下限限界閾値は、湾曲部２の最小湾曲量や、湾曲制御精度などを考慮して必要に応じた値を設定する。
【００４０】
ステップＳ９では、ステップＳ７で算出された湾曲目標値が予めメモリ１０１に設定された湾曲の上限限界閾値以上かどうか判定する。
湾曲目標値が湾曲の上限限界閾値以上の場合、ステップＳ１２を実行し、警告表示を行う。例えば、限界を超えて湾曲しようとしたため捕捉動作が行えない旨を警告するメッセージが入った画像データ３０３をモニタ１３に送出するとともに、捕捉サーボを終了するためメモリ１０１の捕捉サーボＯＮフラグをリセットする。そして、ステップＳ１１に移行する。
ステップＳ９のような判定を行うことで、湾曲可能な限界を超えた湾曲を実行しようとして、各ワイヤ１０にかかる張力や、各モータ９の駆動負荷が過大となって、ワイヤ１０が破断したり、モータ９が損傷したりするのを防止することができる。
湾曲目標値が湾曲の上限限界閾値より小さい場合、ステップＳ１０を実行する。
湾曲の上限限界閾値は、湾曲部２の湾曲自由度や剛性などを考慮して必要に応じた値を設定する。
【００４１】
ステップＳ１０では、ステップＳ７で算出した湾曲目標値にしたがって湾曲部２の湾曲動作を行う。この湾曲動作について、図７を参照して説明する。
図７は、湾曲動作の詳細について説明するためのフローチャートである。
【００４２】
ステップＳ２０では、図３のステップＳ６と同様にして、現状（現在時点）の湾曲角度、湾曲方向の測定を行う。
ステップＳ２１では、ステップＳ２０で測定した湾曲角度、湾曲方向の値を、図３のステップＳ７で算出された湾曲目標値と比較する。
湾曲目標値に一致する場合は、ステップＳ２４に移行する。
湾曲目標値に一致しない場合は、ステップＳ２２に移行する。
【００４３】
ステップＳ２４では、モータドライバ１０２に制御信号を送出し、湾曲駆動機構５２の動作を停止する。本実施形態では、各モータ９を現状位置に停止する。
そして、湾曲動作を終了し、図３のステップＳ１１に移行する。
【００４４】
ステップＳ２２では、張力検出部５４から、各歪みゲージ１２の検出出力を取得し、それぞれが対応するワイヤ１０の張力値に換算する。
ステップＳ２３では、ステップＳ２２で換算された張力値の中にメモリ１０１に予め記憶された張力の限界閾値以上のものがあるかどうか判定する。
張力の限界閾値以上のものがある場合、ステップＳ２５に移行する。
すべての張力値が張力の限界閾値より小さい場合、ステップＳ２６に移行する。
【００４５】
ステップＳ２５では、ワイヤ１０の張力が限界値を超えたため湾曲動作を行えない旨を警告するメッセージが入った画像データ３０３をモニタ１３に送出するとともに、捕捉サーボを終了するために、メモリ１０１の捕捉サーボＯＮフラグをリセットする。そして、ステップＳ２４に移行する。
このため、ワイヤ１０が破断するのを防止することができる。
【００４６】
ステップＳ２６では、湾曲目標値と現在位置の湾曲状態との偏差に応じてモータドライバ１０２に制御信号を送って湾曲駆動機構５２を駆動する。そして、ステップＳ２０に戻り、上記の工程を繰り返す。
そのため、ワイヤ１０の張力の異常が検出されない限り、ステップＳ２６実行され、湾曲状態が湾曲目標値に一致した時点でステップＳ２４が実行され、湾曲動作が終了する。
その後、図３のステップＳ１１に移行する。
【００４７】
ステップＳ１１では、メモリ１０１を参照して、捕捉サーボＯＮフラグの有無を判定する。
捕捉サーボＯＮフラグがセットされている場合、ステップＳ６に戻り、上記の工程を繰り返す。そのため、これらの工程の実行中に、例えば外乱を受けたとしても、ステップＳ６〜Ｓ７の実行のたびに、外乱分を補正する湾曲目標値が設定され、捕捉サーボループが有効に機能する。
捕捉サーボＯＮフラグがリセットされている場合、捕捉動作を終了する。
【００４８】
以上により、例えば、外乱などにより挿入部１が移動し、湾曲先端部３の位置や方向が変化して、撮像手段４により撮像位置の中心が被写体像中心ｐから外れた場合でも、加速度センサ５Ａ、５Ｂによる位置、姿勢の検出出力と、ステレオ計測による被写体像中心ｐまでの距離の計測結果に基づいて、湾曲先端部３を湾曲移動させ、外乱を受ける前の被写体像中心ｐを撮像範囲内の略同一位置に捕捉することができる。
そのため、外乱が発生するたびに、マニュアル操作で光軸の向きを微調したり、被写体を探し出したりするといった手間をかけることなく、被写体像を安定して観察することができる。
【００４９】
このような被写体捕捉動作では、距離測定のため、初期撮像中心位置の距離を被写体２０の画像データを参照して測定するものの、それ以後は、被写体像中心ｐの画像を用いることなく捕捉動作を行うことができるので、例えば外乱などにより被写体像中心ｐの位置が撮像範囲外となる場合でも、湾曲可能な範囲にある限り容易に捕捉することができるという利点がある。そのため、湾曲可能範囲に応じて広範囲の捕捉範囲を備える。
また、被写体像中心ｐを捕捉するための湾曲量が、加速度センサ５Ａ、５Ｂの検出出力と、ステレオ計測による距離情報などの少数のパラメータで算出されるので、例えば、撮像範囲の画像データを加工する画像処理を行う場合に比べると、高速な演算を行うことができ、迅速な捕捉動作を行うことができるという利点がある。
【００５０】
また、湾曲部２の位置、姿勢、湾曲状態を湾曲先端部３、湾曲基端部８に内蔵した加速度センサ５Ａ、５Ｂにより検出し、それらの検出出力により捕捉サーボをかける構成としている。そのため、湾曲駆動機構５２の駆動精度に依存したオープンループ制御により捕捉動作を行う場合に比べて、湾曲駆動機構５２の駆動精度は同じでも、より高精度の捕捉動作を行うことができる。そのため安価な装置を構成することができるという利点がある。
【００５１】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置の概略構成を説明するために模式的に描いた構成説明図である。
【００５２】
本実施形態の内視鏡装置７０は、図８に示すように、第１の実施形態のモータ９を用いてワイヤ１０を駆動する湾曲駆動機構５２に代えて、例えばエア圧駆動などの流体圧駆動により湾曲動作を行う湾曲駆動機構７２を用いる点が異なる。それに応じて、内視鏡装置５０の張力検出部５４、制御ユニット５３、および２本のワイヤ１０に代えて、圧力検出部７４、制御ユニット７３、およびそれぞれ４本の供給チューブ３６、湾曲チューブ３７を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５３】
湾曲駆動機構７２の概略構成は、エアボンベ３０、レギュレータ３１、圧力センサ３２、チューブ継手２９、および電磁弁３３、３４からなる。
エアボンベ３０は、圧縮空気を内蔵するエア供給源である。
レギュレータ３１は、後述する制御部１０５（撮像位置安定化手段）の制御信号に応じてエアボンベ３０内の圧縮空気を一定圧に調整し、チューブ継手２９に供給する手段である。そして、チューブによりエアボンベ３０、チューブ継手２９と接続されている。
レギュレータ３１から供給されるエア圧は、圧力異常や突発的な圧力変動による湾曲の誤動作を防止するため、圧力センサ３２により検出され制御部１０５によりモニタされるようになっている。
【００５４】
チューブ継手２９は、レギュレータ３１から供給される一定圧力のエアを４本の供給チューブ３６に分配供給するものである。
４本の供給チューブ３６は、可撓性を有するが供給されるエア圧の範囲でエア圧による膨張や伸縮がほとんどない硬質のチューブからなり、湾曲駆動機構７２内、および挿入部１の基端部から湾曲基端部８が設けられている可撓管の範囲に配管されている。
各供給チューブ３６は、挿入部１内では、第１の実施形態のワイヤ１０と同様に、挿入部１の外周部近傍において外周方向を４等分する位置を通って挿入部１の中心軸線に対称に配置されている。
図８には、これらのうち対向する２本の供給チューブ３６Ａ、３６Ｂが図示されている。
【００５５】
各供給チューブ３６の先端側は、湾曲基端部８に設けられた不図示の管継手を介して、それぞれ供給されたエアの内圧により管路方向に伸縮が可能な軟質の湾曲チューブ３７が接続されている。
湾曲チューブ３７は、供給チューブ３６と同様な位置関係を保って、湾曲部２内に配管され、その先端部が湾曲先端部３まで延され、先端が閉塞された状態で湾曲先端部３の基端側の端面に固定されている。
【００５６】
湾曲駆動機構７２内において、各供給チューブ３６の管路上には、チューブ継手２９の側から、電磁弁３３、３４が、この順に配置されている。
電磁弁３３は、制御部１０５の制御信号に応じて駆動されるソレノイドにより動作する３方向電磁弁である。すなわち、ソレノイドＯＮのとき、図示のポートＰ、Ａ間が開かれるとともにポートＡ、Ｅ間が閉じられ、ソレノイドＯＦＦのとき、図示のポートＡ、Ｅ間が開かれるとともにポートＰ、Ａ間が閉じられるものである。
電磁弁３４は、制御部１０５の制御信号に応じて駆動されるソレノイドにより動作する２方向電磁弁である。すなわち、ソレノイドＯＮのとき、図示のポートＰ、Ａ間が開かれ、ソレノイドＯＦＦのとき、図示のポートＰ、Ａ間が閉じられるものである。
したがって、各電磁弁３３、４４の開閉を適宜操作することとにより、各電磁弁３４の下流側の供給チューブ３６、湾曲チューブ３７内へのエア量の増減を制御することができるようになっている。
【００５７】
圧力検出部７４は、湾曲チューブ３７がエア圧異常により破裂して湾曲動作が困難となることを防止するためのものであり、電磁弁３４の下流側の各供給チューブ３６上に配置された４つの圧力センサ３５からなる。
圧力センサ３５は、湾曲チューブ３７の破裂などを防止するために、電磁弁３４の下流側のエア圧を検出し、その検出出力を制御部１０５に送出するようになっている。
【００５８】
制御ユニット７３は、第１の実施形態の制御ユニット５３の制御部１００に代えて、制御部１０５を備える。
制御部１０５は、制御対象の一部が湾曲駆動機構５２から湾曲駆動機構７２に変更されたことに対応して、一部の制御方法を変えている点を除いて制御部１００と同様の構成を採用することができる。
ただし、制御部１００に予め記憶された張力の限界閾値は、湾曲チューブ３７の破裂を防止するための内圧の限界閾値に置き換える。
ここで、圧力センサ３５で測定されるのは、供給チューブ３６内のエア圧であるが、互いに接続された湾曲チューブ３７と供給チューブ３６の内圧は共通である。そして、湾曲チューブ３７が破裂しない内圧であれば、当然に供給チューブ３６も破裂しないものである。
【００５９】
このような構成によれば、エアボンベ３０から供給され、レギュレータ３１により一定圧に整えられたエアが、チューブ継手２９を介して、４本の供給チューブ３６に供給される。
制御部１０５は、操作部１４による指示入力や、図３のステップＳ１〜Ｓ７の動作の結果として得られる湾曲目標値に基づいて電磁弁３３、３４に制御信号を送出し、各供給チューブ３６、湾曲チューブ３７内のエア量を可変する。すなわち、電磁弁３３、３４のそれぞれのポートＰ、Ａ間を開くことで、エアが供給される。また電磁弁３４のポートＰ、Ａ間を閉じることでエア量が保持される。
そして、電磁弁３３のポートＡ、Ｅ間を開いた状態で、電磁弁３４のポートＰ、Ａ間を開閉制御することで、管路内のエアが適宜量だけ排気される。
そして、供給されたエアによる内圧に応じて、各湾曲チューブ３７が管路方向に伸縮するため、それらの伸縮量のバランスに応じて湾曲部２を２軸方向に湾曲させることができるようになっている。
【００６０】
次に、本実施形態の内視鏡装置７０の捕捉動作について説明する。
内視鏡装置７０は、第１の実施形態の内視鏡装置５０と同様に、被写体像を捕捉することができるもので、図３のステップＳ１０の動作のみが異なる。そこで、ステップＳ１０に対応する湾曲動作について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態の内視鏡装置の湾曲動作の詳細について説明するためのフローチャートである。
【００６１】
本実施形態の湾曲動作は、図９に示すように、図７のステップＳ２０〜Ｓ２４に対応して、ステップＳ３０〜Ｓ３４を備える。
ステップＳ３０では、図３のステップＳ６と同様にして、現在位置の湾曲角度、湾曲方向の測定を行う。
ステップＳ３１では、ステップＳ３０で測定した湾曲角度、湾曲方向の値を、図３のステップＳ７で算出された湾曲目標値と比較する。
湾曲目標値に一致する場合は、ステップＳ３４に移行する。
湾曲目標値に一致しない場合は、ステップＳ３２に移行する。
【００６２】
ステップＳ３４では、電磁弁３３、３４に制御信号を送出して、各電磁弁３３、３４を閉めてエアを封印し、湾曲駆動機構７２の動作を停止する。
そして、湾曲動作を終了し、図３のステップＳ１１に移行する。
【００６３】
ステップＳ３２では、圧力検出部７４、各圧力センサ３５で検出される供給チューブ３６、湾曲チューブ３７の内圧値を取得する。
ステップＳ３３では、ステップＳ３２で取得された内圧値の中にメモリ１０１に予め記憶された湾曲チューブ３７の内圧の限界閾値以上のものがあるかどうか判定する。
内圧の限界閾値以上のものがある場合、ステップＳ３５に移行する。
すべての内圧値が内圧の限界閾値より小さい場合、ステップＳ３６に移行する。
【００６４】
ステップＳ３５では、湾曲チューブ３７の内圧が限界値を超えたため湾曲動作を行えない旨を警告するメッセージが入った画像データ３０３をモニタ１３に送出するとともに、捕捉サーボを終了するためにメモリ１０１の捕捉サーボＯＮフラグをリセットする。そして、ステップＳ３４に移行する。
このため、湾曲チューブ３７（供給チューブ３６）が破裂するのを防止することができる。
【００６５】
ステップＳ３６では、湾曲目標値と現在位置の湾曲状態との偏差に応じて各電磁弁３３、３４に制御信号を送出し、各湾曲チューブ３７内の内圧を制御することで湾曲動作を行う。
そして、ステップＳ３０に戻り、上記の工程を繰り返す。
そのため、湾曲動作は、湾曲チューブ３７（供給チューブ３６）の内圧の異常が検出されない限り、ステップＳ３６が実行され、湾曲状態が湾曲目標値に一致した時点でステップＳ３４が実行され、湾曲動作が終了する。
その後、図３のステップＳ１１に移行する。
【００６６】
このようにして、本実施形態の内視鏡装置７０は、内視鏡装置５０の湾曲駆動機構が流体圧駆動手段に置き換えた場合の例になっている。そして本実施形態の被写体捕捉動作は、内視鏡装置５０の場合と本質的に同様に行うことができることが分かる。
【００６７】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る内視鏡装置について説明する。
本実施形態の内視鏡装置５００は、図１に示すように、第１の内視鏡装置５０の制御部１００に代えて、制御部２００を備えるものであり、捕捉動作の制御方法が異なるものである。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る内視鏡装置の動作について説明するためのフローチャートである。図１１（ａ）は、被写体の全体像の一例を示す模式図である。図１１（ｂ）は、コントラスト測定について説明するための模式説明図である。図１１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、図１１（ａ）上で初期の被写体像を捕捉する過程で取得される画像の例である。
【００６８】
本実施形態の内視鏡装置５００は、撮像された画像情報から被写体２０の位置ずれを検出する画像ずれ検出手段を備えることで、図１０に示すように、図３と略同様な動作による粗動捕捉動作（第１の被写体捕捉動作）と、画像ずれ検出手段の検出出力により湾曲量を補正する微動捕捉動作（第２の被写体捕捉動作）を行うように、捕捉すべき被写体像中心ｐの位置精度の向上を図るものである。
本実施形態では、画像情報として、画像のコントラスト情報を用いる例で説明する。画像ずれ検出手段は、双眼レンズ４Ａを有する撮像手段４による視差画像３０１を画像処理する制御部２００により構成される。
【００６９】
図１０のステップＳ４０〜Ｓ４４は、本実施形態の粗動捕捉動作に係る初期の湾曲状態を記憶するための動作であり、ぞれぞれ、図３のステップＳ１〜Ｓ５と同様の動作を行うようになっている。
【００７０】
ステップＳ４４に続くステップＳ４５は、微動捕捉動作を行うための初期の画像情報を取得するためのもので、本実施形態では、捕捉動作開始時において撮像手段４で撮像される画像、すなわち被写体２０の被写体像中心ｐ（図４（ａ）参照）を中心とした画像のコントラストの検出を行う。
例えば、被写体２０が、図１１（ａ）に示す不定形の濃淡画像であり、初期状態の撮像範囲がフレームＦ１で表されるものとする。被写体像中心ｐは、フレームＦ１の中心に位置する。
ステップＳ４５では、フレームＦ１の画像が、画像信号３００としてＣＣＵ１０４に取り込まれる。そして、ＣＣＵ１０４によりコントラスト検出画像３０５に加工した後に、それを制御部２００に送出する。
コントラスト検出画像３０５は、画像の移動を迅速に検出できる画像であれば、適宜の画像を採用することができるが、本実施形態では、例えば、図１１（ｂ）に示すように、フレームＦ１内をグリッド状に区分けして画像域Ｇに区分し、各区画内の平均輝度を算出してモザイク画像に変換した２次元輝度分布データを採用することができる。
ステップＳ４６では、コントラスト検出画像３０５をメモリ１０１に記憶する。この画像をコントラスト検出画像３０５Ａと称する。
【００７１】
続くステップＳ４７〜Ｓ４８は、粗動捕捉動作を行うための準備工程であり、それぞれ図３のステップＳ６〜Ｓ７と略同様の動作を行う。
ただし、ステップＳ４８で算出される湾曲目標値を湾曲目標値Ｉと称する。
ステップＳ４９では、ステップＳ４８で算出された湾曲目標値Ｉが予めメモリ１０１に設定された粗動捕捉動作を行う下限閾値以下かどうか判定する。すなわち、湾曲目標値Ｉが微小で被写体像中心ｐが撮像範囲に捉えられる偏差以内と算出された場合、粗動捕捉動作の段階を省略し、微動捕捉動作のみを行うようにするための工程である。この場合、粗動捕捉動作を省略するので、その分だけ高速な捕捉動作を行うことができるという利点がある。
湾曲目標値Ｉが粗動捕捉動作を行う下限閾値以下の場合、ステップＳ５３に移行する。
湾曲目標値Ｉが粗動捕捉動作を行う下限閾値より大きい場合、ステップＳ５０を実行する。
【００７２】
ステップＳ５０では、ステップＳ４８で算出された湾曲目標値Ｉが予めメモリ１０１に設定された湾曲の上限限界閾値以上かどうか判定する。
湾曲目標値Ｉが湾曲の上限限界閾値以上の場合、ステップＳ５２を実行し、警告表示を行う。例えば、限界を超えて湾曲しようとしたため捕捉動作が行えない旨を警告するメッセージが入った画像データ３０３をモニタ１３に送出するとともに、捕捉サーボを終了するためメモリ１０１の捕捉サーボＯＮフラグをリセットする。そして、ステップＳ５７に移行する。
【００７３】
ステップＳ５１は、図７に示す湾曲動作と同様の動作であり、ステップＳ５１の終了により、粗動捕捉動作が終了する。
【００７４】
このような粗動捕捉動作は、第１の実施形態で説明したように、データ量が多くなる画像情報から被写体像中心ｐの位置情報を取得して湾曲量を決める場合に比べて有利な点が多い。
ただし、被写体像中心ｐの位置情報を被写体の画像から直接に取得してフィードバックするわけではないので、例えば、加速度の検出誤差などのため、被写体像中心ｐの位置が撮像中心から外れる場合も考えられる。
例えば、粗動捕捉動作の過程において、図４（ａ）に示すように、挿入部１が破線、二点鎖線、実線の状態に移動、湾曲され、撮像範囲の中心が、点ｐ、ｑ、ｒ、ｐのように移動する場合、撮像画像は、例えば、それぞれ図１１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すように変化する場合がある。
すなわち、粗動捕捉動作終了後、フレームＦ４で捕捉された画像（図１１（ｆ）参照）は、捕捉誤差や撮像手段４と被写体像中心ｐとの距離が変化するなどの理由で、図１１（ｃ）に示す初期のフレームＦ１よりやや広いフレームＦ４内の画像となり、その画像中心は被写体像中心ｐとわずかにずれた点ｐ’となっている。
本実施形態では、このように被写体像中心ｐが撮像範囲内に捉えられた状態において、以下のように、被写体２０の画像情報を用いた微動捕捉動作を行う。
【００７５】
ステップＳ５３では、ステップＳ４５と同様にして、ＣＣＵ１０４により現在位置における画像信号３００からコントラスト検出画像３０５を加工し、制御部２００に送出する。制御部２００は、取得したコントラスト検出画像３０５をメモリ１０１の作業領域に格納する。この画像をコントラスト検出画像３０５Ｂと称する。
【００７６】
ステップＳ５４では、制御部２００で、ステップＳ４６でメモリ１０１に記憶されたコントラスト検出画像３０５Ａと、ステップＳ５３でメモリ１０１に格納されたコントラスト検出画像３０５Ｂとを比較演算して、撮像範囲内の画像移動量を算出し、被写体像中心ｐのずれ量を求める。そして、このずれ量に応じて、湾曲角度と湾曲方向を算出し、現在位置からの湾曲目標値ＩＩを算出する。
【００７７】
ステップＳ５５では、ステップＳ５４で算出された湾曲目標値ＩＩが予めメモリ１０１に設定された微動捕捉動作を行う下限閾値以下かどうか判定する。
微動捕捉動作を行う閾値範囲の下限値は、捕捉の収束判定を行うもので、被写体像中心ｐの捕捉精度から必要に応じて設定しておく。
本実施形態では、ステップＳ５５より前の工程で、粗動捕捉動作が実行されているか、粗動捕捉動作を行うまでもない程度の湾曲目標であることが判明しているので、上限閾値を設けて判定する工程は省略している。
湾曲目標値ＩＩが微動捕捉動作を行う下限閾値以下の場合、ステップＳ５７に移行する。
湾曲目標値ＩＩが微動捕捉動作を行う下限閾値より小さい場合、ステップＳ５６を実行する。
ステップＳ５６は、図７の湾曲動作と同様の動作である。ステップＳ５６が終了すると、ステップＳ５７に移行する。
以上で、微動捕捉動作が終了する。
【００７８】
ステップＳ５７では、図３のステップＳ１１と同様の動作を行う。すなわち、メモリ１０１を参照して、捕捉サーボＯＮフラグの有無を判定する。
捕捉サーボＯＮフラグが立っている場合、ステップＳ４７に戻り、上記の工程を繰り返す。そのため、これらの工程の実行中に、例えば外乱を受けたとしても、ステップＳ４７〜Ｓ４８、またはステップＳ５３〜Ｓ５４を実行するたびに、外乱分を補正する湾曲目標値Ｉ、またはＩＩが設定され、捕捉サーボが有効に機能する。
捕捉サーボＯＮフラグがリセットされている場合、捕捉動作を停止する。
【００７９】
本実施形態によれば、外乱のため、被写体像中心ｐが撮像範囲を外れるような場合、粗動捕捉動作が実行され、被写体像中心ｐが撮像範囲に捕捉される。そして、被写体像中心ｐ周りの画像情報に基づいて、被写体像中心ｐの撮像範囲の中心に対するずれ量を検出して微動捕捉動作が実行される。そのため、挿入部１が幅広い範囲で移動しても、粗動捕捉動作と微動捕捉動作とが、順次、あるいは場合によって選択的に行われるため、高精度かつ効率的な被写体捕捉動作を行うことができる。
【００８０】
次に、第３の実施形態の変形例について説明する。
本変形例の内視鏡装置７００は、図８に示すように、第２の実施形態の制御部１０５に代えて、画像ずれ検知手段の機能を有する制御部２０５を備えるものである。
すなわち、本変形例は、湾曲駆動機構が流体圧駆動を用いる場合において、第３の実施形態の粗動捕捉動作と微動捕捉動作とを行うようにした例である。
制御部２０５の構成、および内視鏡装置７００の動作は、上記、第２、第３の実施形態から容易に理解されるので、説明は省略する。
【００８１】
なお、上記の説明では、測距手段としてステレオ計測手段を用いる例で説明した。このようにすれば、撮像手段を兼用してステレオ計測手段に用いることができる利点があるが、被写体と撮像光学系と距離を測定できれば、このような構成に限定されるものではない。例えば、被写体に検出光を照射してその反射光により距離を測定する測距手段や、被写体にフォーカスして距離を測定する測距手段などを採用してもよい。
【００８２】
また、上記の説明では、撮像手段がステレオ計測手段を兼ねる例で説明したが、被写体のステレオ画像を撮像する必要がない場合には、撮像手段として、片側の対物レンズにより得られた画像をモニタに全面表示して観察を行い、被写体との距離を測定するときのみ、ステレオ画像を取得するようにしてもよい。
【００８３】
また、上記の説明では、湾曲部位置姿勢制御手段として、加速度検出手段を用いる例で説明したが、湾曲部の先端の位置、姿勢が検出できれば、これに限定されるものではない。例えば、湾曲先端部と基端部に複数のセンサコイルを配備して磁界中にさらしておくことにより、コイルの自己誘導起電力から傾きや変位、すなわち、位置、姿勢を検出するようにしてもよい。
【００８４】
また、上記の第３の実施形態の説明では、画像ずれ検出手段の画像情報として、コントラスト情報を用いる例で説明したが、画像情報はこれに限定されず、適宜に画像処理された画像情報を採用することができる。例えば、被写体画像をエッジ抽出処理することによりエッジ画像に加工し、エッジ画像の特徴抽出を行うことにより、画像ずれ量を検出するようにしてもよい。
【００８５】
また、上記の説明では、撮像光学系の光軸を初期撮像中心位置に向けるように被写体捕捉動作を行う例で説明したが、何らかのズーム機能を持たせ、測距手段により捕捉動作時に被写体との距離を測定し、その距離測定に応じてズーム範囲を可変することで、撮像範囲も一定に保持するように変形すれば、さらに好都合である。
ズーム機能は、電子ズームが容易であるが、撮像光学系に持たせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の概略構成を説明するために模式的に描いた構成説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の湾曲部の湾曲状態における先端と基端の位置関係について説明する斜視説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の動作について説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置の被写体像捕捉動作の原理について説明するための動作説明図およびその変位ベクトルについて説明するためのベクトル図である。
【図５】図４（ａ）の捕捉動作における湾曲角度および湾曲方向を算出するための幾何学的な関係を示す補助説明図である。
【図６】視差画像を用いた距離測定について説明するための原理説明図である。
【図７】湾曲動作の詳細について説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置の概略構成を説明するために模式的に描いた構成説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の内視鏡装置の湾曲動作の詳細について説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る内視鏡装置の動作について説明するためのフローチャートである。
【図１１】被写体の全体像の一例を示す模式図、コントラスト測定について説明するための模式説明図、および初期の被写体像を捕捉する過程で取得される画像の例である。
【符号の説明】
【００８７】
１  挿入部（内視鏡挿入部）
２  湾曲部
３  湾曲先端部（湾曲部の先端）
４  撮像手段
４Ａ  双眼レンズ（撮像光学系）
４ａ、４ｂ  対物レンズ
４Ｂ  撮像素子
５Ａ、５Ｂ  加速度センサ（加速度検出手段）
８  湾曲基端部（湾曲部の基端）
９、９Ａ、９Ｂ  モータ
１０、１０Ａ、１０Ｂ  ワイヤ
１２、１２Ａ、１２Ｂ  歪みゲージ
１４  操作部
１６ａ  ロックボタン（捕捉動作設定手段）
１６ｂ  ロック解除ボタン（捕捉動作設定手段）
２０  被写体
２１、２２、２３、２４  光軸（撮像光学系の光軸）
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３４、３４Ａ、３４Ｂ  電磁弁
３５、３５Ａ、３５Ｂ  圧力センサ
３６、３６Ａ、３６Ｂ  供給チューブ
３７、３７Ａ、３７Ｂ  湾曲チューブ
５０、７０、５００、７００  内視鏡装置
５１、７１  装置本体部
５２、７２  湾曲駆動機構
５３、７３  制御ユニット
５４  張力検出部
７４  圧力検出部
１００、１０５、２００、２０５  制御部（撮像位置安定化手段）
１０１  メモリ（記憶手段）
１０２  モータドライバ
１０４  カメラ制御ユニット（ＣＣＵ）
ｐ  被写体像中心（初期撮像中心位置）
ｑ、ｒ、ｐ’  被写体像中心（撮像中心位置）
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４  フレーム（撮像範囲）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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