JP5467182B1 - 撮像システム - Google Patents

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Abstract

露光ムラを防止するとともに、照明の調光範囲を拡大することができる撮像システムを提供する。撮像システム１は、被写体を照明する照明光を出射する照明部４１と、光を受光して光電変換を行うことにより電気信号を生成する画素が２次元状に配列された受光部２４４ｆと、画素から水平ライン毎に前記電気信号を順次読み出す読み出し部２４４ｇと、照明部４１に対し、隣接する２ラインをまたがる期間であって、隣接する各ラインの読み出し部２４４ｇによる読み出し期間の一部である期間に照明光を出射させ、かつ、各ラインにおける照明期間を等しくする制御を受光部２４４ｆの２ラインおきに行い、１フレーム期間における受光部２４４ｆのライン毎の照明期間を全て等しくする制御を行う照明制御部４２と、を備える。

Description

本発明は、撮影用の複数の画素のうち読み出し対象として任意に指定された画素から光電変換後の電気信号を画像情報として出力可能である撮像システムに関する。
従来、医療分野においては、患者等の被検体の臓器を観察する際に内視鏡システムが用いられている。内視鏡システムは、たとえば可撓性を有する細長形状をなし、被検体の体腔内に挿入される撮像装置（電子スコープ）と、撮像装置の先端に設けられて体内画像を撮像する撮像素子と、被検体を照明する照明光を出射する光源装置と、撮像素子が撮像した体内画像に所定の画像処理を行う処理装置（外部プロセッサ）と、処理装置が画像処理を行った体内画像を表示可能な表示装置とを有する。内視鏡システムを用いて体内画像を取得する際には、被検体の体腔内に挿入部を挿入した後、この挿入部の先端から体腔内の生体組織に照明光を照射し、撮像素子が体内画像を撮像する。医師等のユーザは、表示装置が表示する体内画像に基づいて被検体の臓器の観察を行う。
このような内視鏡システムが有する撮像素子として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを適用する場合がある。ＣＭＯＳセンサは、ライン毎にタイミングをずらして露光または読み出しを行うローリングシャッタ方式によって画像データを生成する。
また、撮像素子のライン毎の露光ムラによる画質の低下を防止するため、撮像素子の露光または読み出し周期に同期させてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で照明の点灯と消灯とを所定の周期で行う技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００７−３１８５８１号公報
しかしながら、上述した特許文献１では、撮像素子のライン毎の露光ムラをなくすため、照明の点灯と消灯とを高速に切り替える必要があるため、照明の点灯と消灯とを切り替る速度の限界により照明光の照射時間の可変幅を大きく取ることができず、照明の調光範囲を拡大することができないという問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、露光ムラを防止するとともに、照明の調光範囲を拡大することができる撮像システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる撮像システムは、被写体を照明する照明光を出射する照明部と、光を受光して光電変換を行うことにより電気信号を生成する画素が２次元状に配列された受光部と、前記画素から水平ライン毎に前記電気信号を順次読み出す読み出し部と、前記読み出し部による第１水平ラインの読み出し期間と、該第１水平ラインに隣接し、該第１水平ラインの直後に読み出される第２水平ラインの読み出し期間とをまたぐ期間内において、前記第１水平ラインの読み出し期間の終了時点を中心としたパルス状の前記照明光を出射させる制御を前記照明部に対して行う照明制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる撮像システムズは、上記発明において、前記照明制御部による制御を２ラインおきに行うことを特徴とする。
また、本発明にかかる撮像システムズは、上記発明において、前記受光部により受光される光の明るさを検出する明るさ検出部をさらに備え、前記照明制御部は、前記明るさ検出部による検出結果に基づいて、前記第１水平ラインの読み出し期間の終了時点を中心として、前記パルス状の前記照明光のパルス幅を可変するＰＷＭ制御を行うことを特徴とする。
本発明にかかる撮像システムによれば、照明制御部が照明部に対し、受光部の隣接する２ラインをまたがり、かつ、隣接する各ラインの読み出し部による読み出し期間の一部に照明光を出射させ、各ラインにおける照明期間を等しくする制御を受光部の２ラインおきに行い、１フレーム期間における受光部のライン毎の照明期間を全て等しくする制御を行う。これにより、露光ムラを防止するとともに、照明の調光範囲を拡大することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる内視鏡システムの概略構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施の形態にかかる内視鏡システムの要部の機能構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の一実施の形態にかかる内視鏡システムの撮影時における撮像素子の露光または読み出しタイミングと光源装置の点灯または消灯タイミングとの関係を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、患者等の被検体の体腔内の画像を撮像して表示する医療用の内視鏡システムを撮像システムとして説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる内視鏡システムの概略構成を示す図である。図２は、本発明の一実施の形態にかかる内視鏡システムの要部の機能構成を示すブロック図である。
図１および図２に示すように、内視鏡システム１は、被検体の体腔内に先端部を挿入することによって被検体の体内画像を撮像する内視鏡２（電子スコープ）と、内視鏡２が撮像した体内画像に所定の画像処理を施すとともに、内視鏡システム１全体の動作を統括的に制御する処理装置３（外部プロセッサ）と、内視鏡２の先端から出射する照明光を発生する光源装置４と、処理装置３が画像処理を施した体内画像を表示する表示装置５と、を備える。
内視鏡２は、可撓性を有する細長形状をなす挿入部２１と、挿入部２１の基端側に接続され、各種の操作信号の入力を受け付ける操作部２２と、操作部２２から挿入部２１が延びる方向と異なる方向に延び、処理装置３および光源装置４に接続する各種ケーブルを内蔵するユニバーサルコード２３と、を備える。
挿入部２１は、光を受光して光電変換を行うことにより信号を生成する画素が二次元状に配列された撮像素子２４４を内蔵した先端部２４と、複数の湾曲駒によって構成された湾曲自在な湾曲部２５と、湾曲部２５の基端側に接続され、可撓性を有する長尺状の可撓管部２６と、を有する。
先端部２４は、グラスファイバ等を用いて構成されて光源装置４が発光した光の導光路をなすライトガイド２４１と、ライトガイド２４１の先端に設けられた照明レンズ２４２と、集光用の光学系２４３と、光学系２４３の結像位置に設けられ、光学系２４３が集光した光を受光して電気信号に光電変換して所定の信号処理を施す撮像素子２４４と、を有する。
光学系２４３は、一または複数のレンズを用いて構成され、画角を変化させる光学ズーム機能および焦点を変化させるフォーカス機能を有する。
撮像素子２４４は、光学系２４３から光を光電変換して電気信号を出力するセンサ部２４４ａと、センサ部２４４ａが出力した電気信号に対してノイズ除去やＡ／Ｄ変換を行うアナログフロントエンド部２４４ｂ（以下、「ＡＦＥ部２４４ｂ」という）と、ＡＦＥ部２４４ｂが出力したデジタル信号（画像信号）をパラレル／シリアル変換して外部に送信するＰ／Ｓ変換部２４４ｃと、センサ部２４４ａの駆動タイミング、ＡＦＥ部２４４ｂおよびＰ／Ｓ変換部２４４ｃにおける各種信号処理のパルスを発生するタイミングジェネレータ２４４ｄと、撮像素子２４４の動作を制御する撮像制御部２４４ｅと、を有する。撮像素子２４４は、ＣＭＯＳセンサである。
センサ部２４４ａは、光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードおよびフォトダイオードが蓄積した電荷を増幅する増幅器をそれぞれ有する複数の画素が２次元状に配列された受光部２４４ｆと、受光部２４４ｆの複数の画素のうち読み出し対象として任意に設定された画素から水平ライン毎に電気信号を画像情報として順次読み出す読み出し部２４４ｇと、を有する。また、受光部２４４ｆの受光面には、各画素にカラーフィルタが設けられている。
ＡＦＥ部２４４ｂは、電気信号（アナログ）に含まれるノイズ成分を低減するノイズ低減部２４４ｈと、電気信号の増幅率（ゲイン）を調整して一定の出力レベルを維持するＡＧＣ（Auto Gain Control）部２４４ｉと、ＡＧＣ部２４４ｉを介して出力された画像情報（画像信号）としての電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２４４ｊと、を有する。ノイズ低減部２４４ｈは、たとえば相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling）法を用いてノイズの低減を行う。
撮像制御部２４４ｅは、処理装置３から受信した設定データに従って先端部２４の各種動作を制御する。撮像制御部２４４ｅは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や各種プログラムを記録するレジスタ等を用いて構成される。
操作部２２は、湾曲部２５を上下方向および左右方向に湾曲させる湾曲ノブ２２１と、被検体の体腔内に生体鉗子、レーザメスおよび検査プローブ等の処置具を挿入する処置具挿入部２２２と、処理装置３、光源装置４に加えて、送気手段、送水手段および送ガス手段等の周辺機器の操作指示信号を入力する操作入力部である複数のスイッチ２２３と、を有する。処置具挿入部２２２から挿入される処置具は、先端部２４の処置具チャンネル（図示せず）を経由して開口部（図示せず）から表出する。
ユニバーサルコード２３は、ライトガイド２４１と、一または複数の信号線をまとめた集合ケーブル２４５と、を少なくとも内蔵している。ユニバーサルコード２３は、処理装置３および光源装置４に着脱自在なコネタク部２７を有する。
コネタク部２７は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）２７１を有する。ＦＰＧＡ２７１は、撮像素子２４４から入力された電気信号を受信し、受信した電気信号を処理装置３に出力する。なお、ＦＰＧＡ２７１が、処理装置３からの設定データに従って、撮像素子２４４の各構成部の制御を行ってもよい。
つぎに、処理装置３の構成について説明する。処理装置３は、Ｓ／Ｐ変換部３０１と、画像処理部３０２と、明るさ検出部３０３と、調光部３０４と、読出アドレス設定部３０５と、駆動信号生成部３０６と、入力部３０７と、記録部３０８と、制御部３０９と、基準クロック生成部３１０と、を備える。
Ｓ／Ｐ変換部３０１は、コネタク部２７から入力された画像信号（電気信号）をシリアル／パラレル変換して画像処理部３０２に出力する。
画像処理部３０２は、Ｓ／Ｐ変換部３０１から入力された画像信号をもとに、表示装置５が表示する体内画像を生成する。画像処理部３０２は、同時化部３０２ａと、ホワイトバランス調整部３０２ｂ（以下、「ＷＢ調整部３０２ｂ」という）と、ゲイン調整部３０２ｃと、γ補正部３０２ｄと、Ｄ／Ａ変換部３０２ｅと、フォーマット変更部３０２ｆと、サンプル用メモリ３０２ｇと、静止画像用メモリ３０２ｈと、を有する。
同時化部３０２ａは、画素情報として入力された画像情報を同時化する。同時化部３０２ａは、同時化したＲＧＢ画像情報をＷＢ調整部３０２ｂへ順次出力するとともに、一部のＲＧＢ画像情報を、明るさ検出などの画像解析用としてサンプル用メモリ３０２ｇへ出力する。
ＷＢ調整部３０２ｂは、ＲＧＢ画像情報のホワイトバランスを自動的に調整する。具体的には、ＷＢ調整部３０２ｂは、ＲＧＢ画像情報に含まれる色温度に基づいて、ＲＧＢ画像情報のホワイトバランスを自動的に調整する。
ゲイン調整部３０２ｃは、ＲＧＢ画像情報のゲイン調整を行う。ゲイン調整部３０２ｃは、ゲイン調整を行ったＲＧＢ信号をγ補正部３０２ｄへ出力するとともに、一部のＲＧＢ信号を、静止画像表示用、拡大画像表示用または強調画像表示用として静止画像用メモリ３０２ｈへ出力する。
γ補正部３０２ｄは、表示装置５に対応させてＲＧＢ画像情報の階調補正（γ補正）を行う。
Ｄ／Ａ変換部３０２ｅは、γ補正部３０２ｄが出力した階調補正後のＲＧＢ画像情報をアナログ信号に変換する。
フォーマット変更部３０２ｆは、アナログ信号に変換された画像情報をハイビジョン方式等の動画用のファイルフォーマットに変更して表示装置５に出力する。
明るさ検出部３０３は、サンプル用メモリ３０２ｇが保持するＲＧＢ画像情報から、各画素に対応する明るさレベルを検出し、検出した明るさレベルを内部に設けられたメモリに記録するとともに制御部３０９へ出力する。また、明るさ検出部３０３は、検出した明るさレベルをもとにゲイン調整値および光照射量を算出し、ゲイン調整値をゲイン調整部３０２ｃへ出力する一方、光照射量を調光部３０４へ出力する。
調光部３０４は、制御部３０９の制御のもと、明るさ検出部３０３が算出した光照射量をもとに光源装置４が発生する光量、発光タイミング等を設定し、この設定した条件を含む調光信号を光源装置４へ出力する。
読出アドレス設定部３０５は、センサ部２４４ａの受光面における読み出し対象の画素および読み出し順序を設定する機能を有する。すなわち、読出アドレス設定部３０５は、ＡＦＥ部２４４ｂがセンサ部２４４ａから読み出す画素のアドレスを設定する機能を有する。また、読出アドレス設定部３０５は、設定した読み出し対象の画素のアドレス情報を同時化部３０２ａへ出力する。
駆動信号生成部３０６は、制御部３０９の制御のもと、撮像素子２４４を駆動するための駆動用のタイミング信号を生成し、集合ケーブル２４５に含まれる所定の信号線を介してタイミングジェネレータ２４４ｄへ送信する。このタイミング信号は、読み出し対象の画素のアドレス情報を含む。
入力部３０７は、内視鏡システム１の動作を指示する動作指示信号等の各種信号の入力を受け付ける。
記録部３０８は、フラッシュメモリやＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の半導体メモリを用いて実現される。記録部３０８は、内視鏡システム１を動作させるための各種プログラム、および内視鏡システム１の動作に必要な各種パラメータ等を含むデータを記録する。また、記録部３０８は、処理装置３の識別情報を記録する。ここで、識別情報には、処理装置３の固有情報（ＩＤ）、年式、スペック情報、伝送方式および伝送レート等が含まれる。
制御部３０９は、ＣＰＵ等を用いて構成され、撮像素子２４４および光源装置４を含む各構成部の駆動制御、および各構成部に対する情報の入出力制御などを行う。制御部３０９は、撮像制御のための設定データを、集合ケーブル２４５に含まれる所定の信号線を介して撮像制御部２４４ｅへ送信する。制御部３０９は、撮像素子２４４の各ラインの露光タイミングと読み出しタイミングを含む同期信号を光源装置４に出力する。
基準クロック生成部３１０は、内視鏡システム１の各構成部の動作の基準となる基準クロック信号を生成し、内視鏡システム１の各構成部に対して生成した基準クロック信号を供給する。
つぎに、光源装置４の構成について説明する。光源装置４は、照明部４１と、照明制御部４２と、を備える。
照明部４１は、被写体を照明する照明光を出射する。照明部４１は、光源４１ａと、光源ドライバ４１ｂと、を有する。
光源４１ａは、白色ＬＥＤを用いて構成され、照明制御部４２の制御のもと、白色光を発生する。光源４１ａが発生した光は、集光レンズ（図示せず）およびライトガイド２４１を経由して先端部２４から被写体に向けて照射される。
光源ドライバ４１ｂは、光源４１ａに対して照明制御部４２の制御のもとで電流を供給することにより、光源４１ａに白色光を発生させる。
照明制御部４２は、照明部４１に対し、隣接する受光部２４４ｆの２ラインをまたがる期間であって、隣接する各ラインの読み出し部２４４ｇによる読み出し期間の一部である期間に照明光を出射させ、各ラインにおける照明期間を等しくする制御を受光部２４４ｆの２ラインおきに行い、１フレーム期間における受光部２４４ｆのライン毎の照明期間を全て等しくする制御を行う。具体的には、照明制御部４２は、制御部３０９から入力された同期信号を受信するとともに、調光部３０４から入力された調光信号を受信し、これらの信号に基づいて、光源ドライバ４１ｂが光源４１ａに供給する電力量を制御するとともに、光源ドライバ４１ｂが光源４１ａを駆動する駆動タイミングをＰＷＭ制御する。
表示装置５は、映像ケーブルを介して処理装置３が生成した体内画像を処理装置３から受信して表示する。表示装置５は、液晶または有機ＥＬ（Electro Luminescence）を用いて構成される。
以上の構成を有する内視鏡システム１の撮影時における撮像素子２４４の露光または読み出しタイミングと光源装置４の点灯または消灯タイミングとの関係について説明する。
図３は、内視鏡システム１の撮影時における撮像素子２４４の露光または読み出しタイミングと光源装置４の点灯または消灯タイミングとの関係を示す図である。なお、図３において、横軸が時間を示す。また、図３（ａ）は、撮像素子２４４の各ラインの露光または読み出しタイミングを示し、１Ｈが各ラインの読み出し期間を示す。図３（ｂ）は、光源装置４の消光または点灯タイミングを示す。図３（ｃ）は、光源装置４の消光または点灯タイミングの別の一例を示す。
図３に示すように、照明制御部４２は、光源装置４の照明の点灯周期を、読み出し部２４４ｇが受光部２４４ｆから画像信号を読み出す２ライン周期でＰＷＭ制御を行う。たとえば、照明制御部４２は、読み出し部２４４ｇが受光部２４４ｆから画像信号を読み出す２ラインを一組（１単位）にし、この２ラインの読み出しタイミングの境界を基準にして前後等しくなる周期で光源装置４による照明の点灯周期を変化させることによって、照明期間がライン単位で等しくなるように制御する。
図３（ｂ）に示すように、照明制御部４２は、照明部４１に対して、受光部２４４ｆの隣接するｎライン（ｎ＝自然数）とｎ＋１ラインをまたがる期間であって、隣接するｎラインとｎ＋１ラインの読み出し部２４４ｇによる読み出し期間の一部である期間に照明光を出射させ、かつ、ｎラインとｎ＋１ラインにおける照明期間Ｗ２を等しくする制御を受光部２４４ｆの２ラインおきに行い、１フレーム期間における受光部２４４ｆのライン毎の照明期間を全て等しくする制御を行う。具体的には、照明制御部４２は、読み出し部２４４ｇが受光部２４４ｆのｎラインの読み出し期間の終了時点とｎ＋１ラインの読み出し期間の読み出し開始時点との境界を基準Ｐ１として、ｎラインにおける所定の時刻から基準Ｐ１まで照明している照明期間Ｗ２と、ｎ＋１ラインにおける基準Ｐ１から所定の時刻まで照明している照明期間Ｗ２とが等しくなる制御を行う。これにより、ｎラインとｎ＋１ラインにおける照明期間Ｗ２が連続的に連なるように光源４１ａの発光（連続照明）を行うことで、２ラインにおける発光と遮光との切り替えの回数を１回にすることができる。
また、図３（ｃ）に示すように、照明制御部４２は、照明部４１に対して、受光部２４４ｆの隣接するｎラインとｎ＋１ラインをまたがる期間であって、隣接するｎラインとｎ＋１ラインの読み出し部２４４ｇによる読み出し期間の一部である期間に照明光を出射させ、かつ、ｎラインとｎ＋１ラインにおける照明期間Ｗ３（Ｗ３＜Ｗ２）を等しくする制御を受光部２４４ｆの２ラインおきに行い、１フレーム期間における受光部２４４ｆのライン毎の照明期間を全て等しくする制御を行う。
このように内視鏡システム１は、光源４１ａの発光と消灯とを切り替える際のスイッチングスピードに限界があっても、２ラインおきに照明期間を制御することにより、１ラインにおける露光時間を短くすることができるので（図３（ｃ）を参照）、露光時間の可変範囲（照明の調光範囲）を拡大することができる。
以上説明した本発明の一実施の形態によれば、照明制御部４２が照明部４１に対し、隣接する受光部２４４ｆの２ラインをまたがる期間であって、隣接する各ラインの読み出し部２４４ｇによる読み出し期間の一部である期間に照明光を出射させ、かつ、各ラインにおける照明期間を等しくする制御を受光部２４４ｆの２ラインおきに行い、１フレーム期間における受光部２４４ｆのライン毎の照明期間を全て等しくする制御を行う。これにより、照明部４１の点灯と消灯とを切り替える際のスイッチングスピードに限界があっても、露光ムラを防止するとともに、照明の調光範囲を拡大することができる。
さらに、本発明の一実施の形態では、撮像素子２４４の電子シャッタによる露光時間と光源装置４による照明光の発光量とをそれぞれ独立して制御することができるので、よりきめ細かな明るさ制御を行うことができる。
なお、本発明では、異なる波長を有する光を順次照射する面順次式の光源装置に対しても適用することができる。
また、本発明では、光源装置４が白色の照明光と波長帯域が異なる光であって狭帯域バンドパスフィルタによって狭帯域化した緑色光（たとえば緑色光：５００ｎｍ〜６００ｎｍ）および青色光（たとえば青色光：４００ｎｍ〜５００ｎｍ）の２種類の帯域のＮＢＩ（Narrow Band Imaging）照明光であっても適用することができる。
また、本発明では、処理装置３と光源装置４とを一体的に設けてもよい。
また、本発明では、先端部２４に照明部としてのＬＥＤを設け、このＬＥＤに対して撮像制御部２４４ｅまたはＦＰＧＡ２７１が制御を行ってもよい。
また、本発明では、制御部３０９が調光信号と撮像素子２４４の露光または読み出しタイミングとに基づいて、照明部４１の点滅をＰＷＭ制御してもよい。
また、本発明では、読み出し部２４４ｇが受光部２４４ｆから読み出す１フィールド期間であっても適用することができる。
１ 内視鏡システム
２ 内視鏡
３ 処理装置
４ 光源装置
５ 表示装置
４１ 照明部
４１ａ 光源
４１ｂ 光源ドライバ
４２ 照明制御部
２４３ 光学系
２４４ 撮像素子
２４４ａ センサ部
２４４ｂ ＡＦＥ部
２４４ｃ Ｐ／Ｓ変換部
２４４ｄ タイミングジェネレータ
２４４ｅ 撮像制御部
２４４ｆ 受光部
２４４ｇ 読み出し部
３０１ Ｓ／Ｐ変換部
３０２ 画像処理部
３０３ 明るさ検出部
３０４ 調光部
３０５ 読出アドレス設定部
３０６ 駆動信号生成部
３０７ 入力部
３０８ 記録部
３０９ 制御部
３１０ 基準クロック生成部

Claims (3)

  1. 被写体を照明する照明光を出射する照明部と、
    光を受光して光電変換を行うことにより電気信号を生成する画素が２次元状に配列された受光部と、
    前記画素から水平ライン毎に前記電気信号を順次読み出す読み出し部と、
    前記読み出し部による第１水平ラインの読み出し期間と、該第１水平ラインに隣接し、該第１水平ラインの直後に読み出される第２水平ラインの読み出し期間とをまたぐ期間内において、前記第１水平ラインの読み出し期間の終了時点を中心としたパルス状の前記照明光を出射させる制御を前記照明部に対して行う照明制御部と、
    を備えたことを特徴とする撮像システム。
  2. 前記照明制御部による制御を２水平ラインおきに行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
  3. 前記受光部により受光される光の明るさを検出する明るさ検出部をさらに備え、
    前記照明制御部は、前記明るさ検出部による検出結果に基づいて、前記第１水平ラインの読み出し期間の終了時点を中心として、前記パルス状の前記照明光のパルス幅を可変するＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
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