(57)【要約】【課題】拡大映像において拍動等の動きに追従した迅速なＡＦ制御を行い、またＡＦ制御によって内視鏡の細径化が損なわれないようにする。【解決手段】マイコン４２に、パッシブＡＦ制御部４２ＡとアクティブＡＦ制御部４２Ｂを設け、ａ倍率以下ではパッシブＡＦ制御、ａ倍よりも高いときは、アクティブＡＦ制御をするように切り替える。上記パッシブＡＦ制御では、映像信号の高周波信号により焦点評価演算を行い、この焦点評価値に基づいて山登り動作を行うように可動レンズ２３，２４を駆動する。一方、アクティブＡＦ制御では、投光に基づく被観察体反射光を受光部２８Ｂで受光し、測距を行った後（超音波を用いた測距でもよい）、可動レンズ２３，２４を駆動制御する。このアクティブＡＦ制御によれば、短い時間でＡＦ動作を行うことができ、高い倍率の拡大時でも動きが良好に捉えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向に移動し観察倍率を可変にする可動レンズを有する対物光学系と、この対物光学系を介して被観察体を撮像する固体撮像素子とを備え、この固体撮像素子の出力から映像信号を形成する電子内視鏡装置において、
上記映像信号から合焦評価のための高周波信号を抽出し、この信号に基づいて上記可動レンズを駆動制御するパッシブオートフォーカス制御回路と、
被観察体までの距離をアクティブ方式にて計測する測距手段と、
この測距手段から出力された測距情報に基づいて上記可動レンズを駆動制御するアクティブオートフォーカス制御回路と、
上記可動レンズで設定される所定の最低倍率までは、上記パッシブオートフォーカス制御回路を実行し、上記最低倍率よりも高いとき、上記アクティブオートフォーカス制御回路を実行する切替え制御回路と、を設けたことを特徴とするオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置。
【請求項２】
上記測距手段として、被観察体へ向けて測距光を投光する投光部と、この投光部の投光に基づいた被観察体からの反射光を受光し、測距情報を出力する受光部と、を設けたことを特徴とする請求項1記載の電子内視鏡装置。
【請求項３】
上記測距手段として、被観察体へ向けて超音波を送信すると共にこの送信された超音波の反射波を受信し、測距情報を得る超音波送受信部を設けたことを特徴とする請求項1記載の電子内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置、特に対物光学系に設けた可動レンズによって光学的に拡大した被観察体像を撮像すると共に、オートフォーカス制御を行う電子内視鏡装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子内視鏡装置は、固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等を電子内視鏡（電子スコープ）の先端部に搭載し、光源装置からの光を照明することにより被観察体を撮像し、またこの電子内視鏡で得られたＣＣＤの撮像信号をプロセッサ装置へ出力し、このプロセッサ装置で映像処理を施すことにより、被観察体の映像をモニタへ表示するものである。
【０００３】
図７には、この種の電子内視鏡において、特開２００１−１００１１４号公報等に示されるような対物レンズ移動機構付き内視鏡の先端部の構成が示されている。図７において、内視鏡先端部１の支持部２の先端面には、観察窓（レンズ）３が設けられ、この観察窓３の光路の後側に、プリズム４、カバーガラス５を介して固体撮像素子であるＣＣＤ６が配置される。このＣＣＤ６は、回路基板７を介して信号線８に接続されており、この信号線８を介してＣＣＤ６で撮像された信号はプロセッサ装置へ供給される。
【０００４】
上記観察窓３とプリズム４との間には、対物光学系を構成する第１可動レンズ１０及び第２可動レンズ１１が配置され、この第１可動レンズ１０の保持枠１２と第２可動レンズ１１の保持枠１３は、その係合孔１２Ａと１３Ａが円柱状のカム軸１４の外周に嵌合することにより、当該カム軸１４に取り付けられる。また、上記の係合孔１２Ａにはカムピン１６、係合孔１３Ａにはカムピン１７が突出形成され、一方のカム軸１４には、その軸線に対して傾斜角度の異なるカム溝１８，１９が形成されており、このカム溝１８に上記カムピン１６、カム溝１９に上記カムピン１７が係合することになる。
【０００５】
そして、上記カム軸１４には、モータ２０の軸２０Ｚが取り付けられる。従って、モータ２０の回転制御によってカム軸１４を回転させれば、カム溝１８，１９とカムピン１６，１７の係合によって第１可動レンズ１０、第２可動レンズ１１が光軸方向に前後移動（異なる量の移動）し、これによって光学的変倍（拡大）等が行われる。
【０００６】
また、近年では、特開２００２-２６３０５８号公報に示されるように、内視鏡においてオートフォーカス機構を持つようにしたものが製作されており、このオートフォーカス機構及び制御によれば、従来よりもピント合わせが精密かつ詳細に行われた拡大映像等をモニタに表示し、観察することが可能となる。
【特許文献１】特開２００１-１００１１４号公報
【特許文献２】特開２００２-２６３０５８号公報
【特許文献３】特開平８−３３４６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電子内視鏡装置のオートフォーカス制御として、映像信号から抽出された焦点評価信号に基づいて可動レンズ１０，１１を駆動するパッシブオートフォーカス制御が行われており、このパッシブ方式では、上記焦点評価信号の抽出に時間がかかり、特に拡大した映像においては動きに追従させた迅速な制御ができないという問題があった。即ち、映像信号はフィールド単位で形成されることから、焦点評価信号も例えば１／６０秒の１フィールド期間（垂直走査期間）毎に抽出されることになり、また映像はその拡大率が高くなる程、動きの影響が大きくなり、例えば拍動のタイミングで動くような被観察体の場合には、その動きに追従した映像が得られないことになる。
【０００８】
一方、内視鏡ではなく、カメラ等のフォーカス制御として、投光した光の反射光を受光することにより測距（三角側法）を行うアクティブオートフォーカス制御が行われているが、このアクティブオートフォーカスの測距で、遠い距離を測定するためには受光センサの基線長方向の幅を大きくする必要があり、また測距の分解能を高めるためには受光センサ自体が大型化することになる。しかし、細径化される内視鏡の先端部に投光部及び受光部を配置する場合、その配置スペースは限られており、幅の広い大きな受光センサを搭載すれば、細径化が損なわれるという問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、拡大映像において拍動等の動きに追従した迅速なオートフォーカス制御を行うことができ、またオートフォーカス制御によって内視鏡の細径化が損なわれることのないオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、光軸方向に移動し観察倍率を可変にする可動レンズを有する対物光学系と、この対物光学系を介して被観察体を撮像する固体撮像素子とを備え、この固体撮像素子の出力から映像信号を形成する電子内視鏡装置において、上記映像信号から合焦評価のための高周波信号を抽出し、この信号に基づいて上記可動レンズを駆動制御するパッシブオートフォーカス制御回路と、被観察体までの距離をアクティブ方式にて計測する測距手段と、この測距手段から出力された測距情報に基づいて上記可動レンズを駆動制御するアクティブオートフォーカス制御回路と、上記可動レンズで設定される所定の最低倍率までは、上記パッシブオートフォーカス制御回路を実行し、上記最低倍率よりも高いとき、上記アクティブオートフォーカス制御回路を実行する切替え制御回路と、を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、上記測距手段として、被観察体へ向けて測距光を投光する投光部と、この投光部の投光に基づいた被観察体からの反射光を受光し、測距情報を出力する受光部と、を設けたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、上記測距手段として、被観察体へ向けて超音波を送信すると共にこの送信された超音波の反射波を受信し、測距情報を得る超音波送受信部を設けたことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、例えば光学拡大率がａ倍のときを境として、これよりも低い倍率のときはパッシブオートフォーカス制御が行われ、このパッシブオートフォーカスでは、映像信号の高周波信号によって焦点が評価され（又はコントラストが評価され）、この焦点評価値が最大となる方向へ可動レンズを山登り動作させることによって合焦状態（ピントの合う状態）が得られる。拡大率が低い場合は、映像表示において動きの影響が小さく、従来と同様にパッシブオートフォーカス制御で十分となる。
【００１３】
一方、ａ倍よりも高い倍率のときはアクティブオートフォーカス制御が行われ、このアクティブオートフォーカス制御では、投光した光の反射光を受光し（又は送信した超音波の反射波を受信し）、その受光位置（受信状態）から被観察体の距離が求められ、この測距情報に基づいて可動レンズが駆動される。拡大率が高い場合は、映像表示において動きの影響が大きいが、１フィールド期間よりも極めて短い時間でオートフォーカス動作が行われるので、例えば拍動のタイミングの動きがある被観察体でも、ブレのない良好な（ピントの合った）映像を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電子内視鏡装置によれば、上述のように、光学拡大率が高い領域で迅速なアクティブオートフォーカス制御を行うので、拡大時においても拍動等の動きに追従した良好な映像を得ることができ、またアクティブオートフォーカスで用いる受光部は、拡大率が高い領域では小さなセンサを用いることができ、内視鏡の細径化が損なわれることもない。内視鏡の変倍機構では、倍率を高くするとピント位置が近距離側へシフトする。即ち、観察距離（スコープ先端から被観察体までの距離）が短くなるので、高い倍率が設定される領域では近距離側の測距を行う小さな受光センサで十分となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明は、実施例１のように光の投受光で測距を行うものだけでなく、実施例２のように超音波の送受信で測距を行うアクティブオートフォーカスにも適用することができる。
【実施例１】
【００１６】
図１には、実施例１に係るオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置の構成が示されている。図１において、内視鏡先端部２１には、図７の構成と同様に観察窓２２の後側に、対物光学系を構成する第１可動レンズ（又は群）２３及び第２可動レンズ（又は群）２４が配置され、この第２可動レンズ２４の後側に、固体撮像素子であるＣＣＤ２５が配置される。このＣＣＤ２５で撮像された信号は、回路基板及び信号線を介してプロセッサ装置へ供給される。
【００１７】
上記第１可動レンズ２３と第２可動レンズ２４は、それぞれのアクチュエータ２６Ａと２６Ｂに取り付けられており、これらのアクチュエータ２６Ａ，２６Ｂとしては、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ等のリニアアクチュエータや、図７で示したカム機構を可動レンズ２３，２４のそれぞれに配置し、そのカム軸をモータや線状伝達部材で駆動するもの等が用いられる。これらのアクチュエータ２６Ａ，２６Ｂによって上記第１及び第２の可動レンズ２３，２４が光軸方向に相対的に前後移動することになり、第１可動レンズ２３は主にオートフォーカス（ピント合せ）の役目をし、第２可動レンズ２４は光学的変倍（観察距離、観察深度、焦点距離等が可変）の役目をするように構成される。
【００１８】
そして、この先端部２１には、アクティブオートフォーカス制御のために、投光窓２７Ａから測距光（赤外光等）を投光する投光部２７Ｂと、被観察体からの反射光を受光窓２８Ａを介して受光する受光部（受光センサ）２８Ｂが設けられる。この受光部２８Ｂのセンサとしては、短い被観察体距離（例えば１５ｍｍ以下）を計測できる小型のものでよい。
【００１９】
また、当該装置には、上述したＣＣＤ２５を駆動するためのタイミングジェネレータ（ＴＧ）３０、このＣＣＤ２５の出力信号を入力して相関二重サンプリング動作と自動利得制御をするＣＤＳ（相関二重サンプリング）／ＡＧＣ（自動利得制御）回路３１が設けられ、このＣＤＳ／ＡＧＣ回路３１の後段には、Ａ／Ｄ変換器３２、各種の映像処理を施すためのＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）３３、１フレームの映像データを記憶する映像メモリ３４、Ｄ／Ａ変換器３５、プロセッサ装置に接続されるモニタ３６が配置される。更に、上記先端部２１に配置されたアクチュエータ２６Ａ，２６Ｂを駆動するためのアクチュエータ駆動回路３８が設けられる。なお、上述したＣＤＳ／ＡＧＣ回路３１からアクチュエータ駆動回路３８までの回路は、電子内視鏡とプロセッサ装置のいずれかに振り分けられて配置されている。
【００２０】
このような電子内視鏡装置において、上記Ａ／Ｄ変換器３２の出力映像信号を入力し、この映像信号（輝度信号等）の高周波成分を取り出すＢＰＦ（帯域通過フィルタ）部４０が設けられており、このＢＰＦ部４０では通過帯域の異なる二つのＢＰＦによって焦点（又はコントラスト）を評価するための二種類の高周波成分（第１と第２の高周波検波信号）を取り出している。また、電子内視鏡又はプロセッサ装置の全体の制御を統括するマイコン４２が設けられ、このマイコン４２の中に、パッシブオートフォーカス（ＡＦ）制御部４２Ａ、アクティブオートフォーカス（ＡＦ）制御部４２Ｂ及び切替え制御部４２Ｃが設けられる。
【００２１】
上記パッシブＡＦ制御部４２Ａは、映像信号から抽出され、かつ上記ＢＰＦ部４０から出力された二つの高周波信号から焦点評価演算を行い、可動レンズ２３，２４を最大評価点（最大焦点電圧）へ移動させる山登り動作を行う。一方、上記アクティブＡＦ制御部４２Ｂは、上記投光部２７Ｂの投光素子から赤外光を出力させ、上記受光部２８Ｂで受光した光の位置（センサでの位置）の検出信号を測距情報として入力することにより、可動レンズ２３，２４の移動を制御する。なお、変倍操作のための変倍スイッチ４４が電子内視鏡の操作部等に設けられており、この操作信号は上記マイコン４２へ供給される。
【００２２】
図２には、上記パッシブオートフォーカス制御の山登り動作が示されており、この制御では、二つの高周波信号から演算された焦点評価値（焦点電圧）に基づき山登りの方向が決定され、例えば矢示Ｃのように遠距離（∞）から至近距離へ向けて可動レンズ２３，２４の位置を動かし、レンズ位置がＰ２からＰ３へ移動して焦点評価値が低下するときを把握すること等により、焦点深度Ｆ内に可動レンズ２３，２４を移動させる。
【００２３】
図３には、実施例１における倍率とベストピントの距離、前側被写界深度（前側ピント位置）及び後側被写界深度（後側ピント位置）の範囲との関係が示されており、上記の可動レンズ２３，２４の動作では、倍率を高くすればする程、ベストピント位置及びピントが合う範囲が前側（近距離側）へシフトする。このような観察距離を可変にする動作において、実施例では、ａ（例えば７５）倍を境として、倍率がａ倍以下のとき（観察距離が遠距離側にあるとき）は、パッシブオートフォーカス制御を行い、倍率がａ倍よりも大きいとき（観察距離が近距離側にあるとき）は、アクティブオートフォーカス制御を行うようにする。
【００２４】
実施例１は以上の構成からなり、その作用を図４の参照の下に説明する。まず、この例の電子内視鏡装置では、図１のＣＣＤ２５にて被観察体内が撮像され、その後段のＣＤＳ／ＡＧＣ回路３１〜Ｄ／Ａ変換器３５の回路による映像処理を経ることにより、モニタ３６の画面に被観察体の映像が表示される。また、変倍スイッチ４４が操作されると、可動レンズ２３，２４が変倍位置及びピントが合う位置に駆動され、光学的に拡大した被観察体像がＣＣＤ２５で撮像されることになり、モニタ３６の画面には拡大した被観察体の映像が表示される。
【００２５】
そして、図４のStep１０１に示されるように、マイコン４２にてオートフォーカス動作指示を受けると、Step１０２では可動レンズ２３，２４の位置データが読み込まれ、次のstep１０３では、現在設定されている倍率がａ倍よりも高いか否かが判定される。ここで、倍率がａ以下（≦ａ）である場合［Ｎ（NO）］は、パッシブＡＦ制御部４２Ａが実行され、次のStep１０４にて映像信号がＢＰＦ４０へ入力され、第１高周波信号の検波（Step１０５）と第２高周波信号の検波（Step１０６）が行われ、次のStep１０７にて、上記二つの高周波信号に基づいた焦点評価演算が行われる。
【００２６】
次いで、Step１０８では、上記の焦点評価演算で得られた焦点評価値に基づいて合焦しているか否かが判定され、Ｙ（YES）のときは元へ戻り、ＮのときはStep１０９にて山登り動作方向が決定され、レンズ動作が実行される（Step１１０）。即ち、遠距離（∞）から至近距離へ向かう方向又は至近距離から遠距離へ向かう方向のいずれかで、焦点評価値が向上する方向を決定し、この決定方向へ向けて可動レンズ２３，２４を移動させ、Step１０２へ戻る。このような動作を繰り返すことにより、可動レンズ２３，２４が最終的に合焦の位置に移動し、この結果、被観察体に良好にピントの合った通常或いは拡大した映像がモニタ３６上に表示される。
【００２７】
一方、上記Step１０３にて、倍率がａよりも高い（＞ａ）の場合（Ｙ）は、アクティブＡＦ制御部４２Ｂが実行され、Step１１１にて投光部２７Ｂによる投光が行われると共に、Step１１２にて受光部２８Ｂにより反射光が受光される。そして、受光部２８Ｂからの受光位置出力が制御部４２Ｂに入力されると(Step１１３)、Step１１４にて測距が行われた後に、可動レンズ２３，２４が駆動され（Step１１５）、これによってピント合わせが行われる。
【００２８】
図５には、映像出力と受光部２８Ｂで用いられるセンサ(フォトダイオード)の動作を比較した図が示されており、１フィールドの映像信号が１／６０秒(垂直走査期間)で得られるのに対し、受光部２８Ｂは１／４００秒で反射光を受光する。また、アクティブオートフォーカス制御での測距演算からレンズ動作も、パッシブオートフォーカス制御での焦点評価演算からレンズ動作と比較すると、短い時間で行われる。従って、ａ倍よりも高い倍率で映像が拡大されている状態（観察距離が近距離側の領域）において、拍動のタイミングで被観察体が動くような場合でも、その動きを捉えた良好な映像が撮影されるという利点がある。また、ａ倍以下(観察距離が遠距離側の領域)ではパッシブオートフォーカス制御によって従来と同様の良好な映像が得られる。
【実施例２】
【００２９】
図６には、実施例２の構成が示されており、この実施例２は測距手段として超音波を送受信するアクティブ方式を適用したものである。図６に示されるように、実施例２では、アクティブな測距手段として、内視鏡先端部２１に、超音波と信号の変換をする超音波トランスデューサ４６と送受信部４７が設けられており、この送受信部４７から出力された送信信号に基づき超音波トランスデューサ４６から超音波パルスが送信されると、被観察体から反射した反射波の受信信号は超音波トランスデューサ４６を介して送受信部４７で受信される。この送受信部４７では、超音波の送信時間と受信時間の差から被観察体の距離情報が求められる。そして、この距離情報はマイコン４２内の上述したアクティブＡＦ制御部４２Ｂへ供給されており、これによって実施例１と同様に、変倍率がａ倍よりも高いときのアクティブオートフォーカス制御が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１に係るオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】実施例のパッシブオートフォーカス制御における山登り動作を示す図である。
【図３】実施例で設定される倍率と観察距離の関係及びパッシブオートフォーカス制御とアクティブオートフォーカス制御の動作範囲を示す図である。
【図４】実施例のマイコンでの動作を示すフローチャートである。
【図５】実施例の映像出力と受光部のセンサの動作を示す図である。
【図６】実施例２のオートフォーカス機能を備えた電子内視鏡装置の先端部の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の電子内視鏡先端部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，２１…内視鏡先端部、
１０，２３…第１可動レンズ、
１１，２４…第２可動レンズ、
２６Ａ，２６Ｂ…アクチュエータ、
２７Ｂ…投光部、            ２８Ｂ…受光部、
３１…ＣＤＳ／ＡＧＣ回路、  ３３…ＤＳＰ、
３８…アクチュエータ駆動回路、
４０…ＢＰＦ部、            ４２…マイコン、
４２Ａ…パッシブＡＦ制御部、
４２Ｂ…アクティブＡＦ制御部、
４２Ｃ…切替え制御部、
４６…超音波トランスデューサ、  ４７…送受信部。
【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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