JP2014124263A

JP2014124263A - 内視鏡装置

Info

Publication number: JP2014124263A
Application number: JP2012281686A
Authority: JP
Inventors: Toshio Tachibana; 俊雄橘
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2014-07-07
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: JP6063733B2

Abstract

【課題】Ｘ−Ｙアドレス型撮像素子を使用した内視鏡装置において、ロータリーシャッタと読み出しタイミングの同期ずれによる画質低下を防ぐ。
【解決手段】スコープ先端部にＣＭＯＳ型イメージセンサを設け、一対のロータリーシャッタを回転位相制御することによって露光期間を調整可能な内視鏡装置において、受光エリアの上部エリアＴＡ、下部エリアＴＢのラインＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に対し、ライン読み出し順を相互に入れ替える。そして、ライン配列上隣り合う一方、ライン読み出し順に関して離れているライン群Ｇ１、Ｇ３、および／あるいはライン群Ｇ２、Ｇ４の信号分布状態を相互比較することにより、位相ずれを検出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、スコープによって器官内壁などの被写体を撮像し、観察画像をモニタに表示する電子内視鏡装置に関し、特に、ロータリーシャッタを使用した露光制御に関する。

内視鏡装置では、ロータリーシャッタを用いて露光期間、画像明るさを調整する構成が知られており、遮光部と開口部から構成されるロータリーシャッタを１フィールド／フレーム期間に同期させながら回転させる（特許文献１、２参照）。

そこでは、同じ周方向長さをもつ弧状開口部をそれぞれ設けた１組のロータリーシャッタ対を対向配置させ、同じ回転速度で回転させる。これにより、開口部が周期的に光路を通過する。そして、相対的に位相をシフトさせることによって、開口部が光路を通過する期間、すなわち露光期間を変化させる。露光期間調整は、被写体像の調光処理、あるいは静止画像撮影時のシャッタスピード調整などを目的として行われる。

一方、スコープ先端部には、ＣＣＤなどの電荷転送型撮像素子だけでなく、ＣＭＯＳなどのＸ−Ｙアドレス型撮像素子を設ける内視鏡装置も知られており、撮像素子とともに周辺回路を同一基板上に配置することが可能となる。この場合、１水平ラインごとに信号電荷（画素信号）が順次読み出される（たとえば、特許文献３参照）。

特開２００２−１１９４６４号公報特開２００８−１０４６１４号公報特開２０１１−２５０９２６号公報

ロータリーシャッタを使用した露光期間調整の場合、ロータリーシャッタの位相が電荷読み出しのタイミングとずれると、ラインによっては画素信号読み出し前に次の開口部通過が開始される。その結果、同一ライン上で二度に渡る露光が行わることになり、画質が低下する。

しかしながら、位相ずれを検出するためには、複数のフレームメモリを用意して、複雑な画像解析を行う必要がある。これでは、位相ずれを迅速に解消することができない。

したがって、ロータリーシャッタの位相と電荷読み出しのタイミングの同期ずれを容易に検知し、また同期ずれを解消することが求められる。

本発明の内視鏡装置は、スコープ先端部に設けられたＸ−Ｙアドレス型撮像素子と、開口部と遮光部を有し、開口部が光源の光路を通過するように回転するロータリーシャッタと、画素信号の読み出し禁止期間を設け、１フィールドもしくはフレーム期間に従い、撮像素子から１フィールド／フレーム分の画素信号をラインごとに読み出す露光制御手段と、ロータリーシャッタを回転制御し、開口部の光路通過期間を読み出し禁止期間内に収めるロータリーシャッタ位相制御手段と、読み出した１フィールド／フレーム分の画素信号に基づき、読み出し禁止期間に対するロータリーシャッタの位相ずれを検出する位相ずれ検出手段とを備える。

そして、露光制御手段は、撮像素子の受光エリアにおいて上部および下部に位置する１つもしくは複数のラインに対し、読み出し順を相互に入れ替え、位相ずれ検出手段は、ライン配列上隣り合う一方で読み出し順が離れた１つもしくは複数から成るラインの画素信号同士から、位相ずれを検知する。

１つのラインもしくは複数のライン（ライン群）は、上部および下部の少なくとも一方に位置するラインであり、例えば、上から１〜３０番目までの範囲、最後尾から３０番目の範囲内のラインを取り上げることが可能である。そして、ロータリーシャッタ位相制御手段は、検出された位相ずれを解消するように、ロータリーシャッタを回転制御するようにすればよい。

位相ずれ検出手段は、上記のような１つのラインもしくはライン群に関し、配列上隣り合っていて読み出し順が離れた画素信号同士を比較することにより、位相ずれを検知する。特定のライン上の画素信号を比較する簡単な処理によって、二重露光発生を確実に検知することができる。

例えば、位相ずれ検出手段は、上部、下部でそれぞれ隣り合う２組のライン対について読み出し順を対ごとに入れ替えることができる。２つのラインに基づいて位相ずれを検出することで確実に相違しているか判断することが可能となる。

１フィールド／フレーム分の画素信号に基づいて観察画像を生成する画像処理手段を設けた場合、画像処理手段は、画質劣化を防ぐため、読み出し順の入れ替えられたラインの画素信号を、観察画像形成に利用しないようにすることができる。

このように本発明によれば、Ｘ−Ｙアドレス型撮像素子を使用した内視鏡装置において、ロータリーシャッタと読み出しタイミングの同期ずれによる画質低下を防ぐことができる。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。ロータリーシャッタ対から成るシャッタ機構の概略的平面図である。ＣＭＯＳ型イメージセンサにおける露光期間と画素信号読み出しを示した図である。画素信号の読み出しライン順を示した図である。読み出した画素信号のラインに沿った信号分布状態を示した図である。システムコントロール回路によって実行される位相ずれ検出処理のフローチャートである。

以下では、図面を参照して本実施形態である電子内視鏡装置について説明する。

図１は、本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。図２は、ロータリーシャッタ対から成るシャッタ機構の概略的平面図である。

電子内視鏡装置は、その挿入部分が体内へ挿入されるビデオスコープ１０と、プロセッサ２０とを備え、ビデオスコープ１０はプロセッサ２０に着脱自在に接続される。プロセッサ２０には、モニタ５０が接続されている。

プロセッサ２０は、キセノンランプなどの光源２２を備え、光源２２から放射された照明光は、集光レンズ２８を介してビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド１１に入射し、ライトガイド１１を通ってスコープ先端部から被写体（観察対象）に向けて照射される。

被写体に反射した照明光は、スコープ先端部に設けられた対物レンズ（図示せず）を通り、これによって被写体像がイメージセンサ（撮像素子）１２の受光面（受光エリア）に形成される。イメージセンサ１２は、Ｘ−Ｙアドレス型撮像素子であり、ここではＣＭＯＳイメージセンサが適用される。イメージセンサ１２には、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｇ、ＭｇあるいはＲ、Ｇ、Ｂ等から成る色要素をモザイク配列させた色フィルタが配設されている。

イメージセンサ１２では、１フレーム分の画素信号が、撮像素子駆動回路３２からの駆動信号に従い、所定のフレーム時間間隔（ここでは１／３０秒間隔）で読み出される。画素信号読み出し方式としては、ローリングシャッタ方式が採用されており、ラインごとに順番に読み出される。

イメージセンサ１２から読み出された１フレーム分の画素信号は、プロセッサ２０の初期回路３４においてデジタル化、ノイズ除去処理などが施され、画像処理回路３６へ送られる。なお、イメージセンサ１２の傍に設置された信号処理回路においてデジタル化処理等を行ってもよい。また、撮像素子駆動回路３２をイメージセンサ１２の傍に配置してもよい。

画像処理回路３６では、入力された１フレーム分の画素信号に対し、ホワイトバランス処理、ガンマ補正処理などの信号処理が施される。これにより、カラー画像信号が生成される。生成されたカラー画像信号が映像信号としてモニタ５０に出力されることにより、観察画像がリアルタイムの動画像としてモニタ５０に表示される。システムコントロール回路３０は、画像処理回路３６などへ制御信号を出力し、プロセッサ２０全体の動作を制御する。

光源２２とライトガイド１１との間には、一対のロータリーシャッタ２７、２９を同軸に対面配置させたシャッタ機構２４が設けられている。ロータリーシャッタ対２７、２９は、図２に示すように、円盤状板にそれぞれ弧状の開口部２７Ａ、２９Ａを形成したシャッタ部材であり、開口部２７Ａ、２９Ａ以外が遮光部として構成される。

ロータリーシャッタ対２７、２９は、そのサイズが同一であって、開口部２７Ａ、２９Ａの周方向長さは、ともに半周分長さとなっている。ロータリーシャッタ対２７、２９は、図示しないモータなどのシャッタ駆動機構によって駆動される。

ロータリーシャッタ２７、２９それぞれの回転により、光源２２から放射される光の光路ＬＢには、遮光部と透過部が交互に通過する。これによって被写体へ照射される露光期間が調整される。ロータリーシャッタ対２７、２９は、１フレーム期間に合わせて一定速度で回転する。

さらに、ロータリーシャッタ対２７、２９は、互いに位相シフトさせて回転すること可能であり、ロータリーシャッタ２７に対するロータリーシャッタ２９の位相を相対的に早め、あるいは遅くすることによって、開口部２７Ａの一部がロータリーシャッタ２９の遮光部と重なる（図２参照）。その結果、光路ＬＢが開口部２７Ａ、２９Ａ両方を通過する遮光期間、すなわち露光期間が変化する。

オペレータは、例えば、フリーズ操作によって静止画像を記録する場合、あるいは光源の出力特性などに応じて露光期間を調整したい場合、キーボード６０などの入力部材を操作することにより、露光期間を調整することができる。

モニタに表示される被写体像の明るさは、絞り２６の開閉によって行われる。ここでは、被写体像の明るさが基準となる輝度レベルとなるようにシステムコントロール回路３０によって自動調光処理が行われる。

ただし、ロータリーシャッタ対２７、２９によって明るさ調整を行うことも可能である。この場合、一方のロータリーシャッタの位相を相対的に進める、あるいは遅らせる位相制御を続けることにより、光量を連続的に増減させることが可能である。

また、２つのロータリーシャッタから構成されるシャッタ機構を採用する代わりに、１枚のロータリーシャッタの回転を読み出しタイミングに応じて位相シフト制御することにより、露光期間を調整することも可能である。

図３は、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおける、ロータリーシャッターを使用する場合の露光期間と画素信号読み出しを示した図である。以下、図３を用いて、ロータリーシャッタの位相と画素信号読み出しタイミングの同期ずれについて説明する。

ＣＭＯＳ型イメージセンサ１２の通常画素信号読み出し方式であるローリングシャッタ方式では、受光面における上方のラインから下方のラインに向けて画素信号がラインごとに順次読み出される。図３では、説明のため便宜上ライン数を１６としている。

ロータリーシャッタ２７、２９の開口部２７Ａ、２９Ａを光が通過する期間（以下、照射期間という）ＭＡは、１フレーム期間ＦＡ内に収まるように、画素信号を読み出さない期間（以下、読み出し禁止期間という）ＳＡに合わせて設定される。ここでは、照射期間ＭＡと読み出し禁止期間ＳＡが一致している。各ラインの順次読み出し走査タイミングは、１フレーム期間ＦＡに従って調整されている。

照射期間ＭＡ、すなわち露光期間中に画素信号が読み出されず、全ラインの画素信号を読み出すのにかかる読み出し期間ＳＢは、ロータリーシャッタ２７、２９による遮光期間と重なり、実質的に露光されない。この場合、ロータリーシャッタ２７、２９の位相と画素信号読み出しタイミングは、同期しているものとみなす。

一方、ロータリーシャッタ２７、２９の回転制御のフィードバック制御追従性の問題等により、ロータリーシャッタ２７、２９の位相と画素信号読み出しタイミングとの間で同期ずれが生じる場合がある。その結果、画素信号読み出し期間ＳＢと照射期間ＭＡが部分的に重なる。図３では、ロータリーシャッタ２７、２９の位相が進んだ場合の状態を示している。

このような同期／位相ずれが生じると、一部ライン上の画素に対して次のフレーム期間における照射期間ＭＡが開始されることによって、二重露光が生じてしまう。図３では、下部の第１３〜１６ラインに該当するエリアが二重露光となっている。

そこでは、本実施形態では、一部ラインの画素信号読み出しラインを入れ替えることによって、１フレーム分の画素信号全体を解析することなく、位相ずれを検出する。以下、これについて説明する。

図４は、画素信号の読み出しライン順を示した図である。図５は、読み出した画素信号のラインに沿った信号分布状態を示した図である。

通常のローリングシャッタ方式に従って上のラインから下のラインに向けて画素信号を順番に読み出す一方、受光面の上部エリアＴＡと、下部エリアＴＢに関して読み出し順を変更する。この上部エリアＴＡ、下部エリアＴＢは、二重露光が発生する領域として定められている。

ロータリーシャッタ２７、２９の位相が進んだ場合、図４に示すように下部エリアＴＢにおいて二重露光が発生する。位相が遅れた場合、上部エリアＴＡにおいて二重露光が発生する。そのため、上部エリアＴＡ、下部エリアＴＢを実際の観察画像には使用せず、位相ずれ検出のみに利用し、第５〜１２ライン間の画素信号によって観察画像を生成される。

上部エリアＴＡについては、隣り合う第１、第２ラインＥ１と、第３、第４ラインＥ２とが位相ずれ検出のため１つのライン群となり、下部エリアＴＢについては、第１３、１４ラインＥ３と、第１５、１６ラインＥ４とがまとまったライン群として定められている。

そして、画素信号を読み出すとき、第１５、１６ラインＥ４の画素信号を、第１、第２ラインＥ１の代わりに最初に読み出す。その後、第３〜１２ライン、および第１３、１４ラインまでは、通常と同じように上から下に順番に画素信号を読み出す。そして、第１、第２ラインＥ１の画素信号を、最後に読み出す。

このような画素信号読み出し後、ライン配列上隣り合うライン群同士の信号分布を比較する。図４に示すように、ライン配列に基づいてライン群を並べてみると、第１５、１６ラインＥ４に相当するライン群Ｇ１と第１３、１４ラインＥ３に相当するライン群Ｇ３は読み出し順において一方が先頭、もう一方が末尾近くとなっている。

図３のようにロータリーシャッタ２７、２９の位相が進んでいる場合、上記読み出しライン順で画素信号を読み出すと、第１３、１４ラインＥ３に相当するライン群Ｇ３は二重露光発生となるが、第１５、１６ラインＥ４に相当するライン群Ｇ１は、一番初めに読み出されているため、二重露光が発生しない。

図５には、ライン群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４のライン上に沿った信号分布、すなわち輝度レベル分布が図示されている。位相が進んでいる場合、読み出し順の変更されていないライン群Ｇ３と、読み出し順が変更されたライン群Ｇ１とを比較すると、画素信号分布に違いが生じる。同様に、最後に読み出されるライン群Ｇ４（第１、２ラインＥ１）と、読み出し変更されないライン群Ｇ２（第３、４ラインＥ２）とを比較すると、ライン群Ｇ２は二重露光が発生せず、ライン群Ｇ４には二重露光が発生するため、画素信号分布に違いが生じる。

そのため、ライン群Ｇ１とＧ３、Ｇ２とＧ４との間には、輝度分布に相違が生じる。したがって、ライン配列に関しては互いに隣り合うライン群である一方、読み出し順に関して離れているライン群同士について、画素信号分布状態を相互比較することにより、位相ずれを検出することができる。

これは、ロータリーシャッタ２７、２９の位相が遅れた場合も同様である。

図６は、システムコントロール回路３０によって実行される位相ずれ検出処理のフローチャートである。

撮像中、上述したようなライン順で画素信号を読み出すように、システムコントロール回路３０が撮像素子駆動回路３２へ制御信号を出力し、イメージセンサ１２が駆動される。所定の１フレーム分の画素信号を初期回路３４から取得すると（Ｓ１０１）、ライン群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４のライン上に沿った信号分布特性を検出する（Ｓ１０２〜Ｓ１０５）。信号分布特性としては、ここではラインに沿った輝度分布を抽出する。なお、ヒストグラムデータ、最大値、最少値、平均値などによって、輝度分布特性を検出してもよい。以下、その特性値をＦ（Ｇ１）、Ｆ（Ｇ２）、Ｆ（Ｇ３）、Ｆ（Ｇ４）と表す。

Ｆ（Ｇ１）、Ｆ（Ｇ３）あるいはＦ（Ｇ２）、Ｆ（Ｇ４）いずれか一方が一致しない場合、Ｆ（Ｇ３）と、Ｆ（Ｇ１）の大小を比較する（Ｓ１０６〜Ｓ１０９）。Ｆ（Ｇ３）の方がＦ（Ｇ１）よりも大きい場合、二重露光が下部エリアＴＢにおいて発生している、すなわち、図５のように位相が進んでいると判断する。そして、ロータリーシャッタ２９の位相を相対的に遅らせ、照射開始タイミングを遅らせる（Ｓ１０９）。

一方、Ｆ（Ｇ１）の方がＦ（Ｇ３）よりも大きい場合、二重露光が上部エリアＴＡにおいて発生している、すなわち位相が遅れていると判断する。そして、ロータリーシャッタ２９の位相を相対的に進ませ、照射開始タイミング進ませる（Ｓ１１０、Ｓ１１１）。

このような位相ずれ検出と遮光開始タイミングの調整をフィードバック制御することにより、同期ずれを解消することができる。なお、Ｆ（Ｇ１）とＦ（Ｇ３）とを比較する代わりに、Ｆ（Ｇ２）とＦ（Ｇ４）とを比較してもよい。あるいは、両方を比較してもよい。

このように本実施形態によれば、スコープ先端部にＣＭＯＳ型イメージセンサを設け、一対のロータリーシャッタを回転位相制御することによって露光期間を調整可能な内視鏡装置において、受光エリアの上部エリアＴＡ、下部エリアＴＢのラインＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に対し、ライン読み出し順を相互に入れ替える。そして、ラインの配列上隣り合う一方でライン読み出し順に関して離れているライン群Ｇ１、Ｇ３、あるいはライン群Ｇ２、Ｇ４の信号分布状態を相互比較することにより、位相ずれを検出する。

高度な画像解析処理をすることなく、ロータリーシャッタとイメージセンサにおける露光タイミングの同期ずれを検知することができる。また、読み出し順を入れ替えたラインについては観察画像形成に利用しないため、画質に影響を及ぼさない。さらに、ライン全体に渡った信号レベル分布を抽出するため、二重露光発生を確実に検知することができる。

ラインの読み出し順の入れ替えについては、上記方式に限定されない。例えば、第１〜Ｎラインまである場合、Ｎ、２、Ｎ−２、・・・・、３、Ｎ−１、１という順で、１つずつラインを互い違いに入れ替えた読み出し順にしてもよい。また、第１〜Ｍライン、第Ｎ−Ｍ＋１〜Ｎラインを一塊のラインとし、読み出し順を入れ替えるようにしてもよい。また、１フィールド期間の読み出し方式に適用してもよい。

１０ビデオスコープ
１２イメージセンサ（Ｘ−Ｙアドレス型撮像素子）
２０プロセッサ
２４シャッタ機構
２７、２９ロータリーシャッタ
３０システムコントロール回路

Claims

スコープ先端部に設けられたＸ−Ｙアドレス型撮像素子と、
開口部と遮光部を有し、前記開口部が前記光源の光路を通過するように回転するロータリーシャッタと、
画素信号の読み出し禁止期間を設け、１フィールド／フレーム期間に従い、前記撮像素子から１フィールド／フレーム分の画素信号をラインごとに読み出す露光制御手段と、
前記ロータリーシャッタを回転制御し、前記開口部の光路通過期間を読み出し禁止期間内に収めるロータリーシャッタ位相制御手段と、
読み出した１フィールド／フレーム分の画素信号に基づき、読み出し禁止期間に対する前記ロータリーシャッタの位相ずれを検出する位相ずれ検出手段とを備え、
前記露光制御手段が、前記撮像素子の受光エリアにおいて上部および下部に位置する１つもしくは複数のラインに対し、読み出し順を相互に入れ替え、
前記位相ずれ検出手段が、ライン配列上隣り合う一方で読み出し順が離れた１つもしくは複数から成るラインであって、上部および下部の少なくとも一方のライン上に沿った画素信号同士から、位相ずれを検知することを特徴とする内視鏡装置。
前記位相ずれ検出手段が、ライン上に沿った画素信号分布を比較することによって位相ずれを検知することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
前記位相ずれ検出手段が、上部、下部でそれぞれ隣り合う２組のライン対について読み出し順を対ごとに入れ替えることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の内視鏡装置。
前記１フィールド／フレーム分の画素信号に基づいて観察画像を生成する画像処理手段をさらに有し、
前記画像処理手段が、読み出し順の入れ替えられたラインの画素信号を、観察画像形成に利用しないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに内視鏡装置。
前記ロータリーシャッタ位相制御手段が、検出された位相ずれを解消するように、前記ロータリーシャッタを回転制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内視鏡装置。