JP4012384B2

JP4012384B2 - 光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置

Info

Publication number: JP4012384B2
Application number: JP2001299226A
Authority: JP
Inventors: 一則阿部; 充樋口; 大輔綾目
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003102679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置、特に可動レンズを駆動しながらスコープ先端部を被観察体に近接させ、拡大像の撮影を行う電子内視鏡の画像処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子内視鏡装置は、照明光を照射して対物光学系を介して捉えられた被観察体像を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子で撮像し、この被観察体像をモニタ等に表示するものであるが、近年、この種の電子内視鏡装置では、上記対物光学系に可動レンズ（バリフォーカル系）を組み込み、この可動レンズを変倍機構により前後移動させ、被観察体像を光学的に拡大することが行われる。そして、この拡大像は画像処理されてモニタ等に表示されており、この拡大画像によって注目部位の細部を良好に観察することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学的変倍機構を有する電子内視鏡装置では、拡大像を得るための近接撮影において、変化する配光分布によって均一な明るさの画像が得られないという問題があった。即ち、図８には、スコープ先端部を被観察体に近接させたときの状態が示されており、図８（Ａ）に示されるように、被観察体１を撮像するスコープ先端部２には、ライトガイド３で導かれた光を照射する照明窓（レンズ）４ａ，４ｂ、対物光学系５の観察窓（レンズ）６が配置される。
【０００４】
そして、上記の変倍機能を用いない距離では、照明窓４ａ，４ｂからの光Ｓ₁，Ｓ₂が重なる状態で被観察体１に照射されるが、図８（Ａ）に示される近接距離Ｄａに先端部２がセットされた状態においては、照明窓４ａ，４ｂからの光Ｓ₁，Ｓ₂が重ならず、図８（Ｂ）に示されるように、被観察体１では光が直接照射されない場所ｚ（点線で示す領域）が生じる。
【０００５】
また、上記光Ｓ₁，Ｓ₂の照明領域では、光スポットの中心から周辺へ向けて光強度が小さくなり、上記場所ｚにおいても、照明位置から遠ざかるにつれて光量が少なくなり、被観察体への配光の分布が生じる。しかも、変倍機能を用いた場合、倍率に応じてピントの合う合焦距離が変化することから、被観察体１での照明光の強度が変わり、同時に配光分布も変化する。通常の撮影と異なり、変倍機構を用いて近接撮影を行う場合は、上記の配光分布の存在が大きく影響し、均一な明るさの画像を得難い場合があるという問題があった。
【０００６】
更に、可動レンズを例えば拡大端（Ｎｅａｒ端）へ駆動し、図８（Ａ）のようにスコープ先端部２を被観察体１に極めて近づけたとき、図８（Ｂ）の被観察体１の光が直接照射されない場所ｚでは、両側の光Ｓ₁，Ｓ₂が被観察体１の内部（例えば粘膜層内）で拡散することになり、生体内を被観察体とする電子内視鏡の撮像では、赤っぽい画像が形成されるという問題がある。
【０００７】
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、拡大像の撮影において、配光分布の影響をなくして均一な明るさの画像を得ることができ、また直接照明されない領域の赤っぽい画像を改善することができる光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置は、スコープ先端部に設けられ、被観察体を照明するための２つの照明窓と、対物光学系に可動レンズを組み込み、この可動レンズを近接側の合焦位置に駆動し、上記スコープ先端部と被観察体との距離を近づけることにより光学的に像拡大を行う変倍機構と、上記対物光学系を介して撮像素子から出力された信号に基づき、所定の画像信号を形成する画像信号形成回路と、上記２つの照明窓から光照射される照射域と照明光が直接照射されない領域において上記変倍機構の動作時に変化する照明光の配光分布により画像の明るさが不均一になるのを解消するために、上記２つの照射域と直接照射されない領域とを比較し、これらの差が信号レベル値の半値以上となる場合に、上記可動レンズによる合焦距離に応じ上記２つの照射域と直接照射されない領域の配光分布を考慮して設定された係数を上記画像信号に乗算する配光分布補正回路と、を含んでなることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、上記係数は、合焦距離における２つの照明窓からの照射域の中心位置の間隔とこれら照射域の半径を演算式に当てはめることにより演算することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、被観察体を照明する照明光の供給ラインに配置され、この照明光の赤帯域の長波長側をカットする赤成分カットフィルタを設け、上記配光分布補正回路では、この赤成分カットフィルタによる光量変化（及びそのときの配光分布）をも考慮した係数を乗算することを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、可動レンズを例えば前側へ移動させることにより拡大像が得られるが、このときの合焦位置は可動レンズの駆動レンズ位置としてマイコンで把握されており、それぞれのレンズ位置で設定されている配光分布解消の係数が各色信号、即ちＲ，Ｇ，Ｂ信号（或いは輝度信号、色差信号）に対し乗算される。これにより、拡大率で異なる配光分布となることに基づく照明光の不均一を解消することができる。
【００１０】
また、請求項３の構成によれば、赤成分カットフィルタにより赤の長波長側がカットされるので、生体である被観察体の赤っぽい画像（赤みを帯びた状態）が改善されると共に、粘膜と血管、その他の組織とを良好に区別して表示することができる。そして、このフィルタを用いた場合、光量不足が生じ、配光分布も変わることになり、この光量不足（及び配光特性）が係数乗算によって解消され、明るさの不均一と画像の赤っぽさが同時に改善されるという利点がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、実施形態の第１例に係る電子内視鏡装置の構成が示されており、この電子内視鏡装置は同時式とされ、スコープ１０、プロセッサ装置１１、光源装置１２及びモニタ１４等を有している。この図１の装置では、スコープ１０の先端面に、照明窓４ａ，４ｂ、観察窓６が配置されており、この照明窓４ａ，４ｂには光源装置１２から導かれるライトガイド３が光学的に連結される。
【００１２】
また、上記観察窓６は対物光学系を構成するが、この対物光学系の一部として可動レンズ１６を備えており、この可動レンズ１６は移動機構１８に保持、接続される。この移動機構１８には、回転する線状伝達部材２０を介してモータ駆動部２２が接続され、このモータ駆動部２２はマイコン２４で制御される。即ち、スコープ１０の操作部等に配置された変倍スイッチの操作に基づき、マイコン２４はモータ駆動部２２のモータを回転させ、その回転を線状伝達部材２０を介して移動機構１８に伝達し、この移動機構１８では回転運動を直線運動に変換して可動レンズ１６を前後移動させる。この可動レンズ１６は、Ｆａｒ端からＮｅａｒ端までの各位置（例えば２５６の制御位置）に駆動制御され、これによって光学的変倍が実行される。
【００１３】
上記可動レンズ１６を含む対物光学系の後側には、撮像素子であるＣＣＤ２６が設けられ、このＣＣＤ２６では画素単位の色フィルタ［例えばＭｇ（マゼンタ），Ｇ（グリーン），Ｃｙ（シアン），Ｙｅ（イエロー）］を介して被観察体像が捉えられる。即ち、上記光源装置１２からの光がライトガイド３を介してスコープ１０の先端から被観察体に照射されることにより、この被観察体がＣＣＤ２６で撮像される。
【００１４】
上記ＣＣＤ２６の後段には、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling−相関二重サンプリング）／ＡＧＣ（Automatic Gain Control−自動利得制御回路）２８が配置されており、このＣＤＳ／ＡＧＣ２８はＣＣＤ２６の出力信号に対し相関二重サンプリングを施すと共に、所定の増幅処理をする。このＣＤＳ／ＡＧＣ２８には、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２９を介して、ＤＳＰ（Digital Signal Processor−デジタル信号プロセッサ）３０が設けられる。
【００１５】
また、このスコープ１０では、上記可動レンズ１６の駆動レンズ位置（合焦距離）に対応した係数パターン（テーブル）データを記憶するパターンメモリ３２が設けられ、この係数パターンは、上記可動レンズ１６のレンズ位置を把握するマイコン２４の制御で上記ＤＳＰ３０に与えられる。このＤＳＰ３０の中には、ホワイトバランス、ガンマ補正等の各種の処理を施すと共に、Ｙ（輝度）信号とＲ（赤）−Ｙ及びＢ（青）−Ｙの色差（Ｃ）信号を形成する信号処理回路３４、Ｙ信号の低周波域を通過させる低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３５が設けられる。即ち、上記信号処理回路３４では、ＣＣＤ２６のＭｇ，Ｇ，Ｃｙ，Ｙｅの各色フィルタを介して得られた信号から色変換演算によってＹ信号とＲ−Ｙ及びＢ−Ｙの色差信号を形成する。
【００１６】
更に、上記色差信号をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の信号に変換するＲＧＢマトリクス回路３６、このＲＧＢマトリクス回路３６から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号を記憶する第１メモリ３７、上記係数パターンメモリ３２から読み出された係数をＲ，Ｇ，Ｂ信号毎に乗算する乗算器３８、この乗算器３８の出力を記憶する第２メモリ３９、この第２メモリ３９から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号をＲ−Ｙ，Ｂ−Ｙの色差信号に戻す色変換回路４０が設けられる。即ち、当該例では、Ｙ，Ｃ信号を色変換してＲ，Ｇ，Ｂ信号を取り出しており、マイコン２４にて判定した可動レンズ１６の駆動位置に応じた係数を係数パターンメモリ３２から読み出し、この係数をＲ，Ｇ，Ｂの各信号に対し画素単位で乗算する。
【００１７】
また、プロセッサ装置１１には、上記ＤＳＰ３０から出力されたＹ信号と色差Ｃ信号を入力する信号処理回路４２及びＤ／Ａ変換器４３が設けられており、この信号処理回路４２ではモニタ１４へ出力するための各種の信号処理を施す。
【００１８】
一方、光源装置１２では、ランプ４５、赤成分カットフィルタ４６、光量絞り４７、集光レンズ４８が設けられ、この集光レンズ４８から出力された光が上記ライトガイド３へ供給される。図２には、上記赤成分カットフィルタ４６の分光透過率特性が示されており、このフィルタ４６は、例えば分光透過率が６３０ｎｍ（±１０ｎｍ）で半値、６７０ｎｍで０となる特性を有する。この赤成分カットフィルタ４６によれば、図２に示されるように、ランプ４５からの出力光の中の６３０ｎｍ以上の波長成分について半分以上がカットされる。
【００１９】
第１例は以上の構成からなり、以下にその作用を説明する。まず、上述した光学的変倍機構によれば、スコープ１０の操作部等に設けられた変倍スイッチを操作することにより、可動レンズ１６が前後移動し、光学的に拡大した像を得ることができる。ここで、この可動レンズ１６をＦａｒ位置からＮｅａｒ位置へ向けて移動させるに伴って、ピントの合う合焦位置は近接側へシフトし、スコープの先端部と被観察体の距離は極めて近くなる。
【００２０】
一方、光源装置１２から出力された光はライトガイド３を介して被観察体へ照射され、この被観察体がＣＣＤ２６で撮像されると、このＣＣＤ２６からの出力信号は、ＣＤＳ／ＡＧＣ２８でサンプリングされると共に増幅され、Ａ／Ｄ変換器２９を介してＤＳＰ３０へ供給される。このＤＳＰ３０では、信号処理回路３４によりビデオ信号の各種の画像処理が施され、Ｙ（輝度）信号とＲ−Ｙ及びＢ−ＹのＣ（色差）信号が形成され、Ｙ信号はＬＰＦ３５を介して信号処理回路４２へ供給される。
【００２１】
一方、Ｃ信号はＲＧＢマトリクス３６でＲ，Ｇ，Ｂ信号へ変換され、第１メモリ３７へ格納されており、この第１メモリ３７から読み出されたＲ，Ｇ，Ｂ信号に対し乗算器３８にて係数が乗算される。即ち、図３に示されるように、変倍機構により可動レンズ１６を駆動したとき、合焦距離であるスコープ１０の先端部と被観察体１との距離がＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_ｎである場合を考えると、図４に示されるような係数が係数パターンメモリ３２に記憶される。
【００２２】
この図４において、例えば図４（Ａ）の距離Ｄ_１の場合、中央水平ラインＬｂではその中心位置が１．２５、光Ｓ_１，Ｓ_２の照射域の縁が１．１８、左右端が１．１０の係数に設定され、上側及び下側水平ラインＬａ，Ｌｃではその中心位置が１．２８、光Ｓ_１，Ｓ_２の照射域の縁が１．１８、左右端が１．１２の係数に設定される。その他も、図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）で示した値のように設定され、例えば距離Ｄ_ｎ以上では全ての係数が１となる（係数演算は行われない）。このような係数が乗算器３８にてＲ，Ｇ，Ｂの信号に乗算される。
【００２３】
この乗算器３８の出力は、第２メモリ３９に一旦記憶された後、色変換回路４０でＣ信号へ戻され、信号処理回路４２へ供給される。この信号処理回路４２では、その他の処理及び出力処理が施されることにより、Ｄ／Ａ変換器４３を介してモニタ１４に被観察体の画像が表示される。この結果、変倍機構によって拡大された画像において、合焦距離（倍率）で変化する配光分布により生じる光照明の不均一が解消される。なお、上記の合焦距離（又は拡大率）はモニタ１４に表示される。
【００２４】
図５には、光源装置１２に赤成分カットフィルタ４６を配置した場合の粘膜と血液の分光反射率が示されており、当該例では、赤成分カットフィルタ４６によって赤っぽい画像が良好に解消される。図５において、正常胃粘膜の分光反射率曲線はＣ_１（実線）、血液の分光反射率曲線はＣ_２（点線）で表され、この血液の分光反射率曲線Ｃ_２は、波長６００ｎｍ以上で非常に大きくなる。ここで、波長４００ｎｍから６００ｎｍ手前の曲線Ｃ_１とＣ_２で囲まれた領域Ｓ_１は、粘膜と血液やその他の組織のコントラストに寄与する成分であり、波長６００ｎｍ手前からそれ以上の曲線Ｃ_１とＣ_２で囲まれた領域Ｓ_２は、粘膜下層での光散乱を招き、むしろ粘膜と血液等とのコントラストの低下をもたらす成分となる。
【００２５】
当該例では、赤成分カットフィルタ４６を設けることにより、波長６７０ｎｍ手前からそれ以上の波長帯域が除去され、上記の領域Ｓ_２を領域Ｓ_３まで小さくすることができる。これによって、画像中の赤成分を減らすだけでなく、粘膜と血液等のコントラスト低下を招く波長成分を除去し、これらを良好なコントラストで表示できるという利点がある。また、この赤成分カットフィルタ４６を用いた場合には、光量不足が生じ、配光特性も変わることになるが、この光量不足（及び配光特性）が係数乗算によって解消され、明るさの不均一と画像の赤っぽさが同時に改善される。
【００２６】
図６には、実施形態の第２例が示されており、この第２例は、明るさを均一にするための係数をパターンメモリによらず、その都度、演算するようにしたものである。この図６において、当該例では、乗算器３８に係数を与える係数演算回路５０とこの係数演算回路５０を制御するマイコン５１が設けられており、上記の係数演算回路５０では、可動レンズ１８のレンズ位置（合焦距離）に応じた係数曲線（配光分布曲線の反転曲線）を演算する。
【００２７】
図７には、図３の距離Ｄ_１に合焦しているときの配光分布曲線［図（Ａ）］及び光照射状態［図（Ｂ）］が示されており、この配光分布曲線は、合焦距離で決定される光Ｓ_１，Ｓ_２の照射域における中心位置Ｏ_１，Ｏ_２の間隔ｄと、光照射域の半径ｒ等を演算式に当てはめることにより求められる。例えば、可動レンズ１６の位置に対応した上記ｄ，ｒの値と、演算式をメモリに記憶させ、距離Ｄ_１にピントが合う場合は、間隔ｄ_１とｒ_１の値を用いることにより、中央水平ラインＬｆでは曲線Ｋｆ、上側水平ラインＬｅでは曲線Ｋｅが係数演算回路５０で求められる。そして、この曲線Ｋｅ，Ｋｆの反転信号（係数曲線）が乗算器３８によってＲ，Ｇ，Ｂの信号に与えられることによって、拡大倍率で変化する配光分布で生じる光照明の不均一が解消される。
【００２８】
また、図７（Ｂ）の状態は、可動レンズ１６がＮｅａｒ端側にあるときに生じ、このときの画像の明るさが不均一となるので、光Ｓ_１，Ｓ_２の照射域と直接光照射されないｚ領域の中央部分とを比較し、この差が所定の信号レベル値の半値以上となる場合に上記の係数演算を行い、半値未満の場合は係数演算を行わないようにする。なお、この係数演算を別に設けたスイッチによって手動で行うようにしてもよい。
【００２９】
なお、上記例では、ＲＧＢマトリクス回路３６で形成したＲ，Ｇ，Ｂの信号に係数を乗算したが、信号処理回路３４から出力されたＹ信号、色差信号（Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙ）に対して係数を乗算することによっても、同様に配光分布の影響を改善することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、２つの照明窓からの照射域と直接照射されない領域とを比較し、これらの差が信号レベル値の半値以上となる場合に、可動レンズによる合焦距離に応じ２つの照明窓から照射される照射域と直接照射されない領域の配光分布を考慮して設定された係数を画像信号に乗算し、変倍機構の動作時に変化する配光分布によって画像の明るさが不均一になるのを解消するようにしたので、２つの照明窓を備える電子内視鏡装置の拡大撮影で、配光分布の影響をなくした均一な明るさの画像を得ることができる。
【００３１】
また、請求項３の発明によれば、照明光の赤帯域の長波長側をカットする赤成分カットフィルタを設け、この赤成分カットフィルタによる光量不足及びそのときの配光特性を考慮した係数を乗算するようにしたので、明るさの不均一を解消した上で、直接照明されない領域の赤っぽい画像を良好に改善することが可能となる。しかも、粘膜と血液等のコントラスト低下を招く波長成分が除去され、これらを良好なコントラストで表示し、観察しやすい拡大画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係る電子内視鏡装置の主要構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態例で用いた赤成分カットフィルタの分光透過率を示す特性図である。
【図３】実施形態例の変倍機構の動作においてピントが合う合焦距離を示す図である。
【図４】第１例の係数パターンメモリに格納されるもので、図３の距離に適用される係数値を示す図である。
【図５】実施形態例で赤成分カットフィルタを用いたときの正常胃粘膜と血液の分光反射率特性を示す図である。
【図６】実施形態の第２例の構成を示すブロック図である。
【図７】第２例で演算される合焦距離Ｄ_１の配光分布曲線［図（Ａ）］及び光照射状態［図（Ｂ）］を示す図である。
【図８】スコープ先端部を被観察体に近接させたときの光照射状態［図（Ａ）］及び図（Ａ）の被観察体の表示状態［図（Ｂ）］を示す図である。
【符号の説明】
４ａ，４ｂ…照明窓、６…観察窓、
１６…可動レンズ、１８…移動機構、
２４，５１…マイコン、２６…ＣＣＤ、
３０…ＤＳＰ、
３２…係数パターンメモリ、
３６…ＲＧＢマトリクス、３７…第１メモリ、
３８…乗算器、３９…第２メモリ、
４０…色変換回路、
４６…赤成分カットフィルタ、
５０…係数演算回路。

Claims

スコープ先端部に設けられ、被観察体を照明するための２つの照明窓と、
対物光学系に可動レンズを組み込み、この可動レンズを近接側の合焦位置に駆動し、上記スコープ先端部と被観察体との距離を近づけることにより光学的に像拡大を行う変倍機構と、
上記対物光学系を介して撮像素子から出力された信号に基づき、所定の画像信号を形成する画像信号形成回路と、
上記２つの照明窓から光照射される照射域と照明光が直接照射されない領域において上記変倍機構の動作時に変化する照明光の配光分布により画像の明るさが不均一になるのを解消するために、上記２つの照射域と直接照射されない領域とを比較し、これらの差が信号レベル値の半値以上となる場合に、上記可動レンズによる合焦距離に応じ上記２つの照射域と直接照射されない領域の配光分布を考慮して設定された係数を上記画像信号に乗算する配光分布補正回路と、を含んでなる光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。
上記係数は、合焦距離における２つの照明窓からの照射域の中心位置の間隔とこれら照射域の半径を演算式に当てはめることにより演算することを特徴とする請求項１記載の光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。
被観察体を照明する照明光の供給ラインに配置され、この照明光の赤帯域の長波長側をカットする赤成分カットフィルタを設け、上記配光分布補正回路では、この赤成分カットフィルタによる光量変化をも考慮した係数を乗算することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。