JP4448277B2

JP4448277B2 - Endoscope autofocus method

Info

Publication number: JP4448277B2
Application number: JP2002304367A
Authority: JP
Inventors: 稔村山
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004138884A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、内視鏡のオートフォーカス方法に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
広角での観察に加え、物体に近接しながら可動変倍要素（レンズ群の一部又は（及び）撮像素子）を移動させて変倍及び合焦を行い、遠点観察（通常観察）状態から近点観察（拡大観察）状態に移行させる内視鏡では、拡大側で対物レンズの倍率が大きくなり被写界深度が浅くなるので、レバーやスイッチ等を手動操作して随時フォーカシングを行うのは困難である。このため、オートフォーカスにより対物レンズ中の可動レンズ群や撮像素子の移動を制御する方法が提案されている。
【０００３】
オートフォーカスの方式には、ＬＥＤから補助光を発光して物体距離を検知するアクティブ式、ラインセンサ対で位相差を検知する位相差法、あるいは、撮像素子に結像した画像のコントラストを利用するコントラスト法等が知られてる。内視鏡への適用を考えた場合、小型化の点で補助光発光素子やラインセンサなどの補助装置が不要なコントラスト法が有利である（例えば、特許文献１）。コントラスト法では、可動変倍要素（可動レンズ群（フォーカスレンズ群）又は（及び）撮像素子）を移動させながら、撮像素子に結像した画像のコントラストをモニターしてピントの合っている位置を検出するが、このとき上記可動変倍要素を駆動する駆動手段の駆動量に対して物体距離変化が小さいと、少しだけ駆動手段を作動させただけでは物体距離が変化せず、コントラストの変化も小さい。従って駆動手段を大きく駆動させる必要があり、ピントを合わせるのに時間がかかる。
【０００４】
また、特許文献２は、物体距離の連続的な変化に随時フォーカシングするのではなく、被写界深度の幅を考慮して段階的にフォーカス位置を設定したゾーンフォーカス方式の内視鏡を提案しているが、ゾーンの切替え時に急激に倍率が変化するため不自然である。さらに、拡大倍率を大きくした場合には被写界深度が浅くなるため、拡大側のゾーンを多くしなければならない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−８１０１１号公報
【特許文献２】
特開平８−１３６８３２号公報
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、ピント合わせを迅速に行うことができる、内視鏡のオートフォーカス方法を得ることを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】
本発明による内視鏡のオートフォーカス方法は、観察物体に近接しながら可動変倍要素を光軸方向に移動させることにより変倍及び合焦を行い、焦点距離が短い遠点観察状態から該遠点観察状態よりも焦点距離が長い近点観察状態に移行させる対物光学系と；上記可動変倍要素を移動させる駆動手段と；撮像素子に届く観察物体の画像からコントラストを検知するコントラスト検知手段と；該コントラスト検知手段のコントラスト情報をもとに上記駆動手段を制御する制御部と；を有するオートフォーカス内視鏡において、上記駆動手段の駆動量をＸ（遠点観察時における値を０とする）、上記観察物体までの物体距離（可動変倍要素を駆動量Ｘだけ移動させた場合の対物光学系の合焦距離）をＤ_oとして、Ｄ_o＝ｆ(Ｘ)として表すとき、Ｘ_t／２≦Ｘ≦Ｘ_tにおいて以下の条件式（１）を満足することを特徴としている。（１）０．０５＜[ｆ(Ｘ−Ｘ_t／１０)−ｆ(Ｘ)]／Ｄ_ot＜０．５
但し、
Ｄ_ot：近点観察時の観察物体までの物体距離、
Ｘ_t：駆動手段の遠点観察位置からの駆動量（０≦Ｘ≦Ｘ_t）。
【０００８】
オートフォーカスの制御手段は、上記オートフォーカス制御手段は対物光学系による観察物体像を撮像する撮像素子の画像信号からコントラストを検知し、該コントラストから可動変倍要素を制御するコントラスト法を採用するのが好ましい。
【０００９】
撮像素子の撮像エリアの水平方向の大きさをＨとするとき、コントラストを検知する範囲は撮像エリア中心からＨ／３を半径とする円内とすることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明を適用したオートフォーカス電子内視鏡１の全体構成を示すブロック図である。オートフォーカス電子内視鏡１は、被検者の体腔内を撮像する電子内視鏡本体１と、電子内視鏡本体１が撮像した内視鏡画像を処理するプロセッサＰと、プロセッサＰが処理した内視鏡画像を表示するＴＶモニタ４１とを備えている。
【００１１】
電子内視鏡本体１は、可撓性を有する体内挿入部１１と、操作者が把持する把持操作部１２と、把持操作部１２から延設されたユニバーサルチューブ１３と、ユニバーサルチューブ１３の先端に設けられた、プロセッサＰに着脱可能なコネクタ部１４とを有している。
【００１２】
体内挿入部１１の先端部１１ａには、第１レンズ群１０が固定配置され、その後方に順に、図２、図３に示すように、該第１レンズ群１０とともに対物光学系１００を構成する、光軸Ｏに沿って移動可能な第２レンズ群２０と第３レンズ群３０、第４レンズ群４０及び撮像群５０が配置されている。
【００１３】
体内挿入部１１の先端部１１ａにはまた、第１照明用レンズ１６が固定配置されている。この第１照明用レンズ１６には、コネクタ部１４からユニバーサルチューブ１３、把持操作部１２及び体内挿入部１１内を通るライトガイド１９を介して、プロセッサＰが備えたランプＬからの照明光が与えられる。
【００１４】
図２、図３に示す対物光学系１００は、その第２レンズ群２０と第３レンズ群３０が、可動変倍要素である。この第２レンズ群２０、第３レンズ群３０は、図２に示す移動機構により光軸Ｏ方向に直線移動可能となっている。
図２に示すように、先端部１１ａ内には、光軸Ｏと平行な直線溝６２が穿設された、光軸Ｏ方向を向く固定部材である直進案内環６０が配置されている。この直進案内環６０の前端開口部には、第１レンズ群１０が直接支持されており、後端開口部には、レンズホルダ６４を介して第４レンズ群４０が支持されている。直進案内環６０の外側には、光軸Ｏ回りに回転自在なカム環６６が配設されており、カム環６６には、その展開状態を図３に示した前後一対のカム溝６８、７０が穿設されている。
第２レンズ群２０と第３レンズ群３０はそれぞれレンズホルダ７２、７４に支持されており、各レンズホルダ７２、７４の外周面に突設されたピン７６、７８が直線溝６２を貫通して前後のカム溝６８、７０に係合している。カム環６６の後端部に形成された周方向を向くギヤ部８０にはモータＭの出力軸が螺合している。第４レンズ群４０の直後には、平行平面板（フィルター５０Ａとカバーガラス５０Ｂを接合している）とＣＣＤ（コントラスト検知手段）（オートフォーカス制御手段）５０Ｃとからなる撮像群５０が配設されている。
モータＭが回転すると、その回転力がギヤ部８０を介してカム環６６に伝わり、カム環６６が光軸Ｏ回りに回転する。そして、カム環６６が回転することにより、直線溝６２に直進案内された第２レンズ群２０および第３レンズ群３０が光軸Ｏ方向に直進移動し、変倍とフォーカシングがなされる。
【００１５】
図４はレンズ構成と移動軌跡を示す簡略図であり、上段は遠点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示し、下段は近点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示している。
第２レンズ群２０と第３レンズ群３０は、モータＭ（駆動手段）の正逆回転により光軸Ｏ方向に駆動され、最大画角となる遠点観察位置（通常観察位置）と、最小画角となる近点観察位置（拡大観察位置）との間を移動することができる。第１レンズ群１０、第２レンズ群２０、第３レンズ群３０および第４レンズ群４０によって結像された画像は、ＣＣＤ５０Ｃによって電子画像化され、プロセッサＰを介してＴＶモニタ４１上で観察することができる。
【００１６】
把持操作部１２には、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０とを遠点観察位置に固定した通常観察モード（ノンオートフォーカスモード）と、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を遠点観察位置と近点観察位置との間で移動させる拡大観察モード（オートフォーカスモード）とを切り替えるオートフォーカス切替スイッチ１２ａが設けられている。本実施形態では、オートフォーカス切替スイッチ１２ａのオン状態で拡大観察モードが設定され、オフ状態で通常観察モードが設定される。
【００１７】
プロセッサＰには、ＣＣＤ５０Ｃ及びＣＣＤプロセス回路２２に同期信号を出力し、この同期信号に基づいてＣＣＤ５０Ｃを走査させるＣＣＤ駆動回路２１が備えられている。ＣＣＤプロセス回路２２は、ＣＣＤ駆動回路２１から入力した同期信号に同期して、ＣＣＤ５０Ｃの出力信号を読み込み、読み込んだ信号を前処理（信号増幅処理やノイズ除去処理など）する回路である。このＣＣＤプロセス回路２２から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換回路２３にてデジタル信号に変換され、ガンマ補正回路２４にて各画素のガンマ特性が補正された後、映像信号処理回路２５で各種の画像処理が施され、Ｄ／Ａ変換回路２６にてアナログ信号に変換されてＴＶモニタ４１へ出力される。つまり、ＣＣＤ５０Ｃの出力信号は、ＣＣＤプロセス回路２２、Ａ／Ｄ変換回路２３、ガンマ補正回路２４、映像信号処理回路２５及びＤ／Ａ変換回路２６を介して、ＴＶモニタ４１上に表示される。
【００１８】
またＣＣＤ５０Ｃの出力信号は、上述のＣＣＤプロセス回路２２及びＡ／Ｄ変換回路２３を介して、測光回路２７及び焦点情報検出回路３２にもそれぞれ入力される。測光回路２７は、入力信号から輝度情報を求め、この輝度情報に基づき絞り駆動パルス数を算出し、算出した絞り駆動パルス数だけ絞り駆動モータ２８を駆動させて絞りＳを開閉動作させる。ランプＬから射出された照明光は、絞りＳにより最適光量に調整された後、第２照明用レンズ３１及びライトガイド１９を介して第１照明用レンズ１６に供給される。
【００１９】
焦点情報検出回路３２は、オートフォーカス切替スイッチ１２ａにより拡大観察モードが設定されているときに動作する回路である。この焦点情報検出回路（コントラスト検出手段）（オートフォーカス制御手段）３２は、ＣＣＤ５０Ｃに結像される観察物体像のコントラスト情報を求め、コントラストの変化に基づき最適ピント位置情報を算出してモータ制御回路（制御部）（オートフォーカス制御手段）３３へ出力する。
【００２０】
上述のように、オートフォーカス方式には、アクティブ方式、位相差方式、コントラスト方式が知られているが、ＬＥＤやラインセンサを内視鏡の挿入部内に設けると、挿入部の径が大きくなってしまうため、撮像素子に結像した観察物体像情報を利用するコントラストを利用する方法が有利である。コントラスト法は、同一の物体を観察するとき、ピントが合っていないとコントラストは低く、ピントが合うとコントラストが最大になる事実を利用する。コントラスト法では、可動変倍要素（可動レンズ群（フォーカスレンズ群）又は（及び）撮像素子）を移動させながら、撮像素子に結像した画像のコントラストをモニターし（フォーカシング時における電気信号の波形の変化状態を解析し）、波形の起伏が最も激しいとき（コントラストが最も高いとき）をピントが合っているときと見なして、可動レンズ群（または撮像素子）の移動を停止させるものである。
【００２１】
すなわち、モータ制御回路３３は、焦点情報検出回路３２から入力した最適ピント位置情報に基づきモータ駆動回路３４を動作させ、モータＭを介して第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を移動させる。本実施形態では、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０を拡大観察位置方向（望遠方向）に移動させるときのモータＭの回転方向を正転といい、通常観察位置方向（広角方向）に移動させるときのモータＭの回転方向を逆転という。なお、駆動手段としてはモータＭの他にアクチュエーター等も用いることができる。さらに、オートフォーカス方式としてアクティブ方式を採用してもよい。
【００２２】
条件式（１）は、迅速なオートフォーカス動作を可能とするための条件式である。
条件式（１）の下限を下回ると、駆動手段（モータＭ）の駆動量Ｘの変化量に対して、合焦する物体距離Ｄ_oの変化量が小さいため、コントラストの検知に時間がかかりスムーズなフォーカシングを行えない。
条件式（１）の上限を上回ると、駆動手段（モータＭ）の駆動量Ｘの変化量に対して、合焦する物体距離Ｄ_oの変化量が大きすぎ、フォーカシングの際に可動変倍要素を極微少量だけ移動させる必要があり、駆動手段の制御が困難になる。また、駆動手段の制御ピッチが大きいと、合焦できる位置が不連続になるため、ピントの合わない部分が生じてしまう。
【００２３】
さらに、Ｘの全域で条件式（１）を満足するようにすると、条件式（１）の上限により遠点観察時と近点観察時の物体距離の差を大きくできない。さらに、被写界深度の深い遠点側は、駆動手段の駆動量Ｘの変化量に対して合焦する物体距離の変化量が大きくても、被写界深度でカバーできるので、条件式（１）のＸの範囲は被写界深度の浅い中間位置〜近点観察位置の間、即ち、Ｘ_t／２≦Ｘ≦Ｘ_tと定める。
【００２４】
オートフォーカスの制御をコントラスト検知により行う場合、周辺部までコントラストを検知するようにすると、紺子を内視鏡に挿入したとき、画面の周辺部に紺子が見えてこの紺子にピントを合わせるようにオートフォーカス機能が働いてしまう可能性がある。そのため本実施形態では、コントラストを検知する範囲は、ＣＣＤ５０Ｃの撮像エリアの水平方向の長さをＨとするとき、撮像エリア中心からＨ／３を半径とする円内としている。
【００２５】
次に具体的な実施例を示す。表中、ＦＥは実効Ｆナンバー、ｆは全系の焦点距離、Ｍは全系の横倍率、ｆ_Bはバックフォーカス、Ｗは半画角（゜）、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、Ｎ_dはｄ線の屈折率、ν_dはアッベ数を示す。
【００２６】
[実施例１]
図５は第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_oと、各物体距離Ｄ_oにおいて合焦するためのモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）との関係図である。図６はモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）と第１レンズ群１０の第１面から第２レンズ群２０及び第３レンズ群３０の前端面までの距離との関係図である。この実施例では、遠点観察時がＸ＝０、近点観察時がＸ＝２０である。表１はレンズデータである。さらに、表２はモータＭの回転量Ｘに対応する第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_o、第２レンズ群２０、第３レンズ群３０の前端面までの距離の数値データである。第３レンズ群３０は、２枚のレンズ３０Ａ、３０Ｂを接合した接合レンズであり、第４レンズ群４０は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズである。撮像群５０は、物体側から順に並べられた、平行平面板（フィルター）５０Ａとカバーガラス５０Ｂ、ＣＣＤ５０Ｃ（図示されていない）とからなっている。対物レンズ系１００は、図４に示すように、遠点観察位置から近点観察位置への変倍に際しては、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０をともに物体側に移動させる。絞りＳは第２レンズ群２０と一緒に移動する。フォーカシングは、第２レンズ群２０と第３レンズ群３０によって変倍と同時に行う。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
条件式（１）の値は、１０≦Ｘ≦２０において０．２１６〜０．２２４であり、条件式（１）を満足している。
【００３０】
図７乃至図９は本発明の第２の実施形態を示している。本実施形態の対物光学系２００は、第１レンズ群１０’、第２レンズ群２０’、第３レンズ群３０’、撮像群４０’を具備しており、可動変倍要素は、第２レンズ群２０’と第３レンズ群３０’と撮像群４０’である。なお、第２レンズ群と第３レンズ群は一体で移動する。対物光学系２００の移動機構は図示を省略しているが、第１レンズ群１０’は第１の実施形態と同様の直進案内環６０の前端開口部に支持され、第２レンズ群２０’、第３レンズ群３０’、撮像群４０’は、直進案内環６０およびカム環６６に直進移動自在に支持されている。図７はレンズ構成と移動軌跡を示す簡略図であり、上段は遠点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示し、下段は近点観察時のレンズとＣＣＤの配置を示している。
【００３１】
次に具体的な実施例を示す。表中、ＦＥは実効Ｆナンバー、ｆは全系の焦点距離、Ｍは全系の横倍率、ｆ_Bはバックフォーカス、Ｗは半画角（゜）、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、Ｎ_dはｄ線の屈折率、ν_dはアッベ数を示す。
【００３２】
[実施例２]
図８は第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_oと、各物体距離Ｄ_oにおいて合焦するためのモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）との関係図である。図９はモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）と、第１レンズ群１０’の第１面から第２レンズ群２０’及び撮像群４０’の前端面までの距離との関係図である。この実施例では、遠点観察時がＸ＝０、近点観察時がＸ＝２０である。表３はレンズデータである。さらに、表４はモータＭの回転量Ｘ（＝駆動手段の駆動量）に対応する第１レンズ群１０’の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_o、第２レンズ群２０’、撮像群４０’の前端面までの距離の数値データである。第１レンズ群１０’は、物体側から順に、像面側に凹面を形成した平凹レンズ１０Ａと、像面側に凹面を向けたメニスカスレンズ１０Ｂとからなる。第３レンズ群３０’は、２枚のレンズ３０Ａ、３０Ｂを接合した接合レンズであり、撮像群４０’は、物体側から順に並べられた、平行平面板（フィルター）４０Ａと、カバーガラス４０Ｂと、ＣＣＤ（物体距離検知手段）４０Ｃ（図示されていない）とからなっている。対物レンズ系２００は、図７に示すように、遠点観察位置から近点観察位置への変倍に際しては、第２レンズ群２０’と第３レンズ群３０’をともに物体側に移動させ、かつ、撮像群４０’を像面側に移動させる。絞りＳは第２レンズ群２０’と一緒に移動する。
【００３３】
【表３】

【００３４】
【表４】

【００３５】
条件式（１）の値は、１０≦Ｘ≦２０において０．１０８〜０．３１６であり、条件式（１）を満足している。
【００３６】
[比較例]
比較例として、図１０に、第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_oと、各物体距離Ｄ_oにおいて合焦するためのモータＭの回転量Ｘとの関係図を示し、図１１に、モータＭの回転量Ｘと第１レンズ群１０の第１面から第２レンズ群２０及び第３レンズ群３０の前端面までの距離との関係図を示す。この比較例では、遠点観察時がＸ＝０、近点観察時がＸ＝２０である。さらに、モータの回転量Ｘに対応する第１レンズ群１０の第１面から観察物体までの物体距離Ｄ_o、第２レンズ群２０、第３レンズ群３０の前端面までの距離の数値データを表５に示した。なお、レンズ構成およびレンズデータは実施例１と同じである。
【００３７】
【表５】

【００３８】
この比較例では、条件式（１）の値は、１０≦Ｘ≦２０において０．０１６〜０．０８４であり、特に、８≦Ｘ≦２０の範囲において、Ｘの変化量に対して、合焦する物体距離Ｄ_oが殆ど変化しないので、ベストポイント位置を探すには第２レンズ群と第３レンズ群を大きく動かす必要があり、フォーカシングに時間が掛かってしまう。また、フォーカシングに時間がかかると、観察する生体の脈動やスコープ自体のブレなどで物体距離が素早く変動したときにフォーカシングが追いつかず観察できなくなってしまう。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ピント合わせを迅速に行うことができる、内視鏡のオートフォーカス方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のオートフォーカス電子内視鏡の概略図である。
【図２】対物光学系の具体的構成を示す側面図である。
【図３】対物光学系の移動機構のカム環の展開図である。
【図４】実施例１のレンズと撮像素子の構成と、これらの移動軌跡を示す簡略図である。
【図５】実施例１の第１レンズ群の第１面から観察物体までの物体距離と、各物体距離において合焦するためのモータＭの回転量との関係図である。
【図６】実施例１のモータの回転量と、第１レンズ群の第１面から第２レンズ群及び第３レンズ群の前端面までの距離との関係図である。
【図７】本発明の第２の実施形態（実施例２）のレンズと撮像素子の構成と、これらの移動軌跡を示す概略図である。
【図８】実施例２の第１レンズ群の第１面から観察物体までの物体距離と、各物体距離において合焦するためのモータの回転量との関係図である。
【図９】実施例２のモータの回転量と、第１レンズ群の第１面から第２レンズ群及び撮像群の前端面までの距離との関係図である。
【図１０】比較例の第１レンズ群の第１面から観察物体までの物体距離と、各物体距離において合焦するためのモータの回転量との関係図である。
【図１１】比較例のモータの回転量と、第１レンズ群の第１面から第２レンズ群及び第３レンズ群の前端面までの距離との関係図である。
【符号の説明】
１オートフォーカス電子内視鏡
１０１０’ 第１レンズ群
１１体内挿入部
１１ａ先端部
１２把持操作部
１２ａオートフォーカス切替スイッチ
１３ユニバーサルチューブ
１４コネクタ部
１６第１照明用レンズ
１９ライトガイド
２０２０’ 第２レンズ群
２１ＣＣＤ駆動回路
２２ＣＣＤプロセス回路
２３Ａ／Ｄ変換回路
２４ガンマ補正回路
２５映像信号処理回路
２６Ｄ／Ａ変換回路
２７測光回路
２８絞り駆動モータ
３０３０’ 第３レンズ群
３１第２照明用レンズ
３２焦点情報検出回路（コントラスト検出手段）（オートフォーカス制御手段）
３３モータ制御回路（制御部）（オートフォーカス制御手段）
３４モータ駆動回路
４０第４レンズ群
４０’ 撮像群
４１ＴＶモニタ
１００２００対物光学系
Ｌランプ
Ｍモータ（駆動手段）
Ｏ光軸
Ｐプロセッサ
Ｓ絞り[0001]
【Technical field】
The present invention relates to an autofocus method for an endoscope.
[0002]
[Prior art and its problems]
In addition to observation at a wide angle, the movable zoom element (a part of the lens group or (and) the image sensor) is moved close to the object to perform zooming and focusing, and from the far-point observation (normal observation) state In an endoscope that shifts to the near-point observation (magnification observation) state, the magnification of the objective lens increases and the depth of field decreases on the magnification side. Have difficulty. For this reason, a method of controlling the movement of the movable lens group and the image sensor in the objective lens by autofocus has been proposed.
[0003]
The auto focus method uses an active type that emits auxiliary light from an LED to detect an object distance, a phase difference method that detects a phase difference with a pair of line sensors, or a contrast of an image formed on an image sensor. The contrast method is known. When considering application to an endoscope, a contrast method that does not require an auxiliary device such as an auxiliary light emitting element or a line sensor is advantageous in terms of downsizing (for example, Patent Document 1). The contrast method detects the in-focus position by monitoring the contrast of the image formed on the image sensor while moving the movable zoom element (movable lens group (focus lens group) or (and) image sensor). However, at this time, if the change in the object distance is small relative to the driving amount of the driving means for driving the movable variable magnification element, the object distance does not change and the change in contrast is small even if the driving means is operated a little. . Therefore, it is necessary to drive the driving means greatly, and it takes time to focus.
[0004]
Further, Patent Document 2 proposes a zone focus type endoscope in which the focus position is set stepwise in consideration of the depth of field, instead of focusing on continuous changes in object distance as needed. However, it is unnatural because the magnification changes suddenly when the zone is switched. Furthermore, since the depth of field becomes shallow when the enlargement magnification is increased, the enlargement zone must be increased.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2-81011 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-136732
OBJECT OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide an autofocus method for an endoscope that can quickly focus.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION
Autofocus method of the endoscope according to the present invention performs zooming and focusing by moving the movable zooming element in the optical axis direction while close to the observation object, the distal focal length from short far point observation state An objective optical system for shifting to a near-point observation state having a focal length longer than that of the point observation state; drive means for moving the movable zoom element; and contrast detection means for detecting contrast from an image of an observation object reaching the image sensor A control unit that controls the driving means based on contrast information of the contrast detecting means ; and an amount of driving of the driving means is X (a value at the time of far-point observation is 0) ), the object distance to the observation object (the focal length of the objective optical system in the case of moving the movable zooming elements the amount of drive X) as D _o, when expressed as _{D o = f (X),} X t In / 2 ≦ X ≦ X _t is characterized by satisfying the following conditional expression (1). (1) 0.05 <[f (X−X _t / 10) −f (X)] / D _ot <0.5
However,
D _ot : Object distance to the observation object during near-point observation,
X _t : Driving amount from the far point observation position of the driving means (0 ≦ X ≦ X _t ).
[0008]
The autofocus control means employs a contrast method in which the autofocus control means detects the contrast from the image signal of the image sensor that captures the observation object image by the objective optical system, and controls the movable scaling element from the contrast. Is preferred.
[0009]
When the horizontal size of the imaging area of the imaging device is H, the contrast detection range is preferably within a circle having a radius of H / 3 from the center of the imaging area.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an autofocus electronic endoscope 1 to which the present invention is applied. The autofocus electronic endoscope 1 includes an electronic endoscope body 1 that captures an image of a body cavity of a subject, a processor P that processes an endoscope image captured by the electronic endoscope body 1, and a processor P that performs processing. And a TV monitor 41 for displaying the endoscopic image.
[0011]
The electronic endoscope main body 1 includes a flexible internal insertion portion 11, a grip operation portion 12 held by an operator, a universal tube 13 extended from the grip operation portion 12, and a distal end of the universal tube 13. It has the connector part 14 which was provided and can be attached or detached to the processor P. FIG.
[0012]
The first lens group 10 is fixedly disposed at the distal end portion 11a of the in-vivo insertion portion 11, and the objective optical system 100 is configured with the first lens group 10 in order behind the first lens group 10 as shown in FIGS. A second lens group 20, a third lens group 30, a fourth lens group 40, and an imaging group 50 that are movable along the optical axis O are disposed.
[0013]
A first illumination lens 16 is also fixedly disposed at the distal end portion 11 a of the in-body insertion portion 11. The first illumination lens 16 is provided with illumination light from the lamp L provided in the processor P through the universal tube 13, the grasping operation unit 12, and the light guide 19 passing through the body insertion unit 11 from the connector unit 14. It is done.
[0014]
In the objective optical system 100 shown in FIGS. 2 and 3, the second lens group 20 and the third lens group 30 are movable variable magnification elements. The second lens group 20 and the third lens group 30 can be linearly moved in the direction of the optical axis O by the moving mechanism shown in FIG.
As shown in FIG. 2, a linear guide ring 60, which is a fixed member facing the direction of the optical axis O and in which a linear groove 62 parallel to the optical axis O is formed, is disposed in the distal end portion 11a. The first lens group 10 is directly supported by the front end opening of the linear guide ring 60, and the fourth lens group 40 is supported by the rear end opening via a lens holder 64. A cam ring 66 that is rotatable around the optical axis O is disposed outside the linear guide ring 60. The cam ring 66 has a pair of front and

rear cam grooves

68, 70 shown in FIG. Is drilled.
The second lens group 20 and the third lens group 30 are respectively supported by

lens holders

72 and 74, and

pins

76 and 78 projecting from the outer peripheral surfaces of the

lens holders

72 and 74 pass through the linear groove 62. The front and

rear cam grooves

68 and 70 are engaged. An output shaft of the motor M is screwed to a gear portion 80 that is formed at the rear end portion of the cam ring 66 and faces the circumferential direction. Immediately after the fourth lens group 40, an imaging group 50 comprising a parallel flat plate (a filter 50A and a cover glass 50B are joined) and a CCD (contrast detection means) (autofocus control means) 50C is disposed. ing.
When the motor M rotates, the rotational force is transmitted to the cam ring 66 through the gear portion 80, and the cam ring 66 rotates around the optical axis O. Then, when the cam ring 66 rotates, the second lens group 20 and the third lens group 30 guided linearly in the linear groove 62 move straight in the direction of the optical axis O, and zooming and focusing are performed.
[0015]
FIG. 4 is a simplified diagram showing the lens configuration and the movement trajectory. The upper part shows the arrangement of the lens and the CCD during far-point observation, and the lower part shows the arrangement of the lens and the CCD during near-point observation.
The second lens group 20 and the third lens group 30 are driven in the direction of the optical axis O by forward / reverse rotation of a motor M (driving means), and a far point observation position (normal observation position) at which the maximum field angle is obtained, and a minimum image It is possible to move between near-point observation positions (enlarged observation positions) that are corners. The images formed by the first lens group 10, the second lens group 20, the third lens group 30, and the fourth lens group 40 are converted into electronic images by the CCD 50C and observed on the TV monitor 41 via the processor P. be able to.
[0016]
The gripping operation unit 12 includes a normal observation mode (non-autofocus mode) in which the second lens group 20 and the third lens group 30 are fixed at the far-point observation position, and the second lens group 20 and the third lens group 30. An autofocus change-over switch 12a for switching between an enlarged observation mode (autofocus mode) for moving between the far point observation position and the near point observation position is provided. In the present embodiment, the magnification observation mode is set when the autofocus change-over switch 12a is on, and the normal observation mode is set when it is off.
[0017]
The processor P includes a CCD drive circuit 21 that outputs a synchronization signal to the CCD 50C and the CCD process circuit 22 and scans the CCD 50C based on the synchronization signal. The CCD process circuit 22 is a circuit that reads the output signal of the CCD 50C in synchronization with the synchronization signal input from the CCD driving circuit 21, and preprocesses the read signal (signal amplification processing, noise removal processing, etc.). The signal output from the CCD process circuit 22 is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit 23, the gamma correction circuit 24 corrects the gamma characteristic of each pixel, and then the video signal processing circuit 25 performs various processing. The D / A conversion circuit 26 converts it into an analog signal and outputs it to the TV monitor 41. That is, the output signal of the CCD 50C is displayed on the TV monitor 41 via the CCD process circuit 22, the A / D conversion circuit 23, the gamma correction circuit 24, the video signal processing circuit 25, and the D / A conversion circuit 26.
[0018]
The output signal of the CCD 50C is also input to the photometry circuit 27 and the focus information detection circuit 32 via the CCD process circuit 22 and the A / D conversion circuit 23, respectively. The photometry circuit 27 obtains luminance information from the input signal, calculates the number of aperture driving pulses based on this luminance information, and drives the aperture driving motor 28 by the calculated number of aperture driving pulses to open / close the aperture S. The illumination light emitted from the lamp L is adjusted to an optimum light amount by the diaphragm S, and then supplied to the first illumination lens 16 via the second illumination lens 31 and the light guide 19.
[0019]
The focus information detection circuit 32 is a circuit that operates when the magnification observation mode is set by the autofocus switch 12a. The focus information detection circuit (contrast detection means) (autofocus control means) 32 obtains contrast information of an observation object image formed on the CCD 50C, calculates optimum focus position information based on the change in contrast, and calculates a motor control circuit. (Control unit) (Autofocus control means) 33 for output.
[0020]
As described above, the active method, the phase difference method, and the contrast method are known as the autofocus method. However, when the LED or the line sensor is provided in the insertion portion of the endoscope, the diameter of the insertion portion becomes large. Therefore, a method using contrast using observation object image information imaged on the image sensor is advantageous. The contrast method uses the fact that when observing the same object, the contrast is low if the focus is not achieved, and the contrast is maximized when the focus is achieved. In the contrast method, the contrast of the image formed on the image sensor is monitored while moving the variable magnification element (movable lens group (focus lens group) or (and) image sensor) (the waveform of the electric signal during focusing). The change state is analyzed), and the movement of the movable lens group (or image sensor) is stopped when the waveform is most undulating (when the contrast is highest) is regarded as being in focus.
[0021]
That is, the motor control circuit 33 operates the motor drive circuit 34 based on the optimum focus position information input from the focus information detection circuit 32 and moves the second lens group 20 and the third lens group 30 via the motor M. In the present embodiment, the rotation direction of the motor M when moving the second lens group 20 and the third lens group 30 in the magnified observation position direction (telephoto direction) is referred to as normal rotation, and in the normal observation position direction (wide angle direction). The direction of rotation of the motor M when moving is referred to as reverse rotation. In addition to the motor M, an actuator or the like can be used as the driving means. Furthermore, an active method may be adopted as the autofocus method .
[0022]
Conditional expression (1) is a conditional expression for enabling a quick autofocus operation.
If the lower limit of conditional expression (1), since with respect to the change amount of the drive amount X of the driving means (motor M), the variation of the object distance D _o to focus is small, smooth takes time detection of the contrast Can't focus properly.
If the upper limit of condition (1), with respect to the change amount of the driving amount X of the driving means (motor M), the change amount is too large object distance D _o to focus, movable variable power element in focusing Needs to be moved by a very small amount, which makes it difficult to control the driving means. In addition, when the control pitch of the driving means is large, the focusable position becomes discontinuous, and a portion out of focus is generated.
[0023]
Furthermore, if conditional expression (1) is satisfied over the entire area of X, the difference in object distance between far point observation and near point observation cannot be increased due to the upper limit of conditional expression (1). Further, the far point side having a deep depth of field can be covered by the depth of field even if the amount of change in the object distance to be focused is large with respect to the amount of change in the driving amount X of the driving means. The range of X in 1) is determined between the intermediate position where the depth of field is shallow and the near point observation position, that is, X _t / 2 ≦ X ≦ X _t .
[0024]
When autofocus control is performed by contrast detection, if the contrast is detected up to the periphery, when the insulator is inserted into the endoscope, the insulator appears in the periphery of the screen and is focused on this insulator. As a result, the autofocus function may work. Therefore, in the present embodiment, the contrast detection range is within a circle having a radius of H / 3 from the center of the imaging area, where H is the horizontal length of the imaging area of the CCD 50C.
[0025]
Next, specific examples will be described. In the table, FE is the effective F number, f is the focal length of the entire system, M is the lateral magnification of the entire system, f _B is the back focus, W is the half field angle (°), r is the radius of curvature, and d is the lens thickness or The lens interval, N _d is the refractive index of the d-line, and ν _d is the Abbe number.
[0026]
[Example 1]
Figure 5 is a the object distance D _o to the observation object from the first surface of the first lens group 10, and (driving amount of = drive means) rotation amount X of the motor M for focusing at each object distance D _o It is a relationship diagram. FIG. 6 is a relationship diagram between the rotation amount X of the motor M (= the driving amount of the driving means) and the distances from the first surface of the first lens group 10 to the front end surfaces of the second lens group 20 and the third lens group 30. is there. In this embodiment, X = 0 at the far point observation and X = 20 at the near point observation. Table 1 shows lens data. Further, Table 2 shows the object distance _Do from the first surface of the first lens group 10 to the observation object corresponding to the rotation amount X of the motor M, and the distances to the front end surfaces of the second lens group 20 and the third lens group 30. It is numerical data. The third lens group 30 is a cemented lens in which two

lenses

30A and 30B are cemented, and the fourth lens group 40 is a meniscus lens having a concave surface facing the object side. The imaging group 50 includes a plane parallel plate (filter) 50A, a cover glass 50B, and a CCD 50C (not shown) arranged in order from the object side. As shown in FIG. 4, the objective lens system 100 moves both the second lens group 20 and the third lens group 30 to the object side when zooming from the far point observation position to the near point observation position. The diaphragm S moves together with the second lens group 20. Focusing is performed simultaneously with zooming by the second lens group 20 and the third lens group 30.
[0027]
[Table 1]

[0028]
[Table 2]

[0029]
The value of conditional expression (1) is 0.216 to 0.224 when 10 ≦ X ≦ 20, which satisfies conditional expression (1).
[0030]
7 to 9 show a second embodiment of the present invention. The objective optical system 200 of the present embodiment includes a first lens group 10 ′, a second lens group 20 ′, a third lens group 30 ′, and an imaging group 40 ′, and the movable zooming element is a second lens. A group 20 ′, a third lens group 30 ′, and an imaging group 40 ′. The second lens group and the third lens group move together. Although the illustration of the moving mechanism of the objective optical system 200 is omitted, the first lens group 10 ′ is supported by the front end opening of the rectilinear guide ring 60 similar to the first embodiment, and the second lens group 20 ′, The third lens group 30 ′ and the imaging group 40 ′ are supported by the rectilinear guide ring 60 and the cam ring 66 so as to be movable linearly. FIG. 7 is a simplified diagram showing the lens configuration and the movement trajectory. The upper part shows the arrangement of the lens and the CCD during far-point observation, and the lower part shows the arrangement of the lens and the CCD during near-point observation.
[0031]
Next, specific examples will be described. In the table, FE is the effective F number, f is the focal length of the entire system, M is the lateral magnification of the entire system, f _B is the back focus, W is the half field angle (°), r is the radius of curvature, and d is the lens thickness or The lens interval, N _d is the refractive index of the d-line, and ν _d is the Abbe number.
[0032]
[Example 2]
Figure 8 is a and the object distance D _o to the observation object from the first surface of the first lens group 10, and (driving amount of = drive means) rotation amount X of the motor M for focusing at each object distance D _o It is a relationship diagram. FIG. 9 shows the relationship between the rotation amount X of the motor M (= the driving amount of the driving means) and the distances from the first surface of the first lens group 10 ′ to the front end surfaces of the second lens group 20 ′ and the imaging group 40 ′. FIG. In this embodiment, X = 0 at the far point observation and X = 20 at the near point observation. Table 3 shows lens data. Further, Table 4 shows the object distance D _o from the first surface of the first lens group 10 ′ to the observation object corresponding to the rotation amount X of the motor M (= the driving amount of the driving means), the second lens group 20 ′, It is numerical data of the distance to the front end surface of group 40 '. The first lens group 10 ′ includes, in order from the object side, a plano-concave lens 10A having a concave surface on the image surface side, and a meniscus lens 10B having a concave surface on the image surface side. The third lens group 30 ′ is a cemented lens in which two

lenses

30A and 30B are cemented. The imaging group 40 ′ includes a plane parallel plate (filter) 40A and a cover glass 40B arranged in order from the object side. CCD (object distance detecting means) 40C (not shown). As shown in FIG. 7, the objective lens system 200 moves both the second lens group 20 ′ and the third lens group 30 ′ to the object side upon zooming from the far point observation position to the near point observation position. In addition, the imaging group 40 ′ is moved to the image plane side. The stop S moves together with the second lens group 20 ′.
[0033]
[Table 3]

[0034]
[Table 4]

[0035]
The value of conditional expression (1) is 0.108 to 0.316 in 10 ≦ X ≦ 20, which satisfies conditional expression (1).
[0036]
[Comparative example]
As a comparative example, in FIG. 10, the object distance D _o to the observation object from the first surface of the first lens group 10, a graph showing the relationship between rotation amount X of the motor M to focus at each object distance D _o FIG. 11 shows the relationship between the rotation amount X of the motor M and the distances from the first surface of the first lens group 10 to the front end surfaces of the second lens group 20 and the third lens group 30. In this comparative example, X = 0 at the far point observation and X = 20 at the near point observation. Further, numerical data on the object distance D _o from the first surface of the first lens group 10 to the observation object and the distances to the front end surfaces of the second lens group 20 and the third lens group 30 corresponding to the rotation amount X of the motor is obtained. Table 5 shows. The lens configuration and lens data are the same as those in the first embodiment.
[0037]
[Table 5]

[0038]
In this comparative example, the value of the conditional expression (1) is 0.016 to 0.084 when 10 ≦ X ≦ 20, and particularly in the range of 8 ≦ X ≦ 20, since the object distance D _o to focus hardly changes, it is necessary to the search for the best point position moves large second lens group and the third lens group, it takes time to focusing. Further, if focusing takes time, focusing cannot catch up and observation becomes impossible when the object distance fluctuates quickly due to the pulsation of the living body to be observed or the shake of the scope itself.
[0039]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the autofocus method of an endoscope which can perform a focusing rapidly can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an autofocus electronic endoscope according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a specific configuration of an objective optical system.
FIG. 3 is a development view of a cam ring of a moving mechanism of the objective optical system.
FIG. 4 is a simplified diagram showing the configuration of the lens and the image sensor of Example 1 and their movement trajectories.
FIG. 5 is a relationship diagram between an object distance from a first surface of the first lens unit of Example 1 to an observation object and a rotation amount of a motor M for focusing at each object distance.
6 is a relationship diagram between the rotation amount of the motor of Example 1 and the distances from the first surface of the first lens group to the front end surfaces of the second lens group and the third lens group. FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of a lens and an image sensor according to a second embodiment (Example 2) of the present invention, and a movement locus thereof.
FIG. 8 is a relationship diagram between an object distance from the first surface of the first lens unit of Example 2 to an observation object and a rotation amount of a motor for focusing at each object distance.
FIG. 9 is a relationship diagram between the rotation amount of the motor of Example 2 and the distances from the first surface of the first lens group to the front end surfaces of the second lens group and the imaging group.
FIG. 10 is a relationship diagram between an object distance from the first surface of the first lens group of the comparative example to an observation object and a rotation amount of a motor for focusing at each object distance.
FIG. 11 is a relationship diagram between the rotation amount of the motor of the comparative example and the distances from the first surface of the first lens group to the front end surfaces of the second lens group and the third lens group.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Autofocus electronic endoscope 10 10 '1st lens group 11 In-vivo insertion part 11a Tip part 12 Grip operation part 12a Autofocus changeover switch 13 Universal tube 14 Connector part 16 First illumination lens 19 Light guide 20 20' Second Lens group 21 CCD drive circuit 22 CCD process circuit 23 A / D conversion circuit 24 Gamma correction circuit 25 Video signal processing circuit 26 D / A conversion circuit 27 Photometry circuit 28 Aperture drive motor 30 30 ′ Third lens group 31 For second illumination Lens 32 Focus information detection circuit (contrast detection means) (autofocus control means)
33 Motor control circuit (control unit) (autofocus control means)
34 Motor drive circuit 40 Fourth lens group 40 ′ Imaging group 41 TV monitor 100 200 Objective optical system L Lamp M Motor (drive means)
O Optical axis P Processor S Aperture

Claims

By moving the variable magnification element in the direction of the optical axis while moving close to the observation object, zooming and focusing are performed, and from a far point observation state with a short focal length, a near point observation with a longer focal length than the far point observation state. An objective optical system to be transferred to the state;
Driving means for moving the movable scaling element;
Contrast detection means for detecting contrast from an image of an observation object reaching the image sensor ;
A control unit for controlling the driving means based on contrast information of the contrast detecting means ;
In an autofocus endoscope having
The drive amount of the drive means is X (the value at the time of far-point observation is 0), the object distance to the observation object (the focus distance of the objective optical system when the movable zoom element is moved by the drive amount X) ) as the D _{_o,} D _o = when expressed as f (X), autofocus method of an endoscope, characterized by satisfying the following conditional expression _{X t / 2 ≦ X ≦ X} t a (1).
(1) 0.05 <[f (X−X _t / 10) −f (X)] / D _ot <0.5
However,
D _ot : Object distance to the observation object during near-point observation,
X _t : Driving amount from the far point observation position of the driving means (0 ≦ X ≦ X _t ).

The autofocus method for an endoscope according to claim 1, wherein the autofocus control means including the contrast detection means and the control unit detects contrast from an image signal of an image pickup device for picking up an observation object image by the objective optical system. An autofocus method for an endoscope comprising a contrast method for controlling a movable scaling element from the contrast.

3. The endoscope autofocus method according to claim 2, wherein when the horizontal size of the imaging area of the image sensor is H, the range in which the contrast is detected is within a circle having a radius of H / 3 from the center of the imaging area. Endoscope autofocus method.