JPH03133280A - 電子内視鏡の撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、固体撮像素子を用いた撮像装置に関し、特に
電子内視鏡装置の観察システム等として用いられ、照明
光の照射下において、被写体の撮影を行うための撮像装
置に関するものである。

［従来の技術１ 医療用や工業用として用いられる電子内視鏡装置は、内
視鏡本体と、プロセッサと、モニタ装置とを備え、内視
鏡本体における挿入部を体腔等の内部に挿入して、プロ
セッサに内蔵した照明装置から被写体に向けて照明光を
照射し、当該被写体からの反射像をＣＣＤ等の固体撮像
素子によって撮影して、電気信号に変換し、この映像信
号をフロセッサに伝送して、該プロセッサにおいて所定
の信号処理を行った上でモニタ装置にカラー表示するも
のである。

ここで、内視鏡本体の挿入部の細径化を図るために、通
常は、１枚の固体撮像素子を用いてカラー映像信号を取
得するようにしている。この固体撮像素子の駆動方式の
代表的なものとしては、固体撮像素子の受光部上にＲ，
Ｇ、Ｂの各波長光を透過させるカラーフィルタアレイを
市松模様に配置して、この固体撮像素子を露光して受光
部における各画素にＲ，Ｇ、Ｂからなるカラー映像信号
を蓄積させて、この蓄積信号を読み出すようにした所謂
同時駆動方式と、光源からの照明光を回転カラーフィル
タを介することによりＲ，Ｇ、Ｂの各色波長領域光によ
る照明を順次繰り返して行い、この間に固体撮像素子に
より電荷の蓄積及び転送を繰り返すことによって、Ｒ，
Ｇ、Ｂの各色画像信号をそれぞれフィールド毎に形成し
て、これら各色画像信号をフィールドメモリを介して同
時式信号に変換してカラー映像信号を出力するようにし
た面順次駆動方式とがある。

ここで、同時駆動方式であると、面順次駆動方式である
とを問わず、固体撮像素子を駆動して被写体の映像を撮
影する際において、鮮明で高画質の映像を得るには、適
正な照明光量で照明しなければならない。然るに１、被
写体と照明窓及び観察窓を設けた挿入部の先端との位置
関係や、被写体の反射率等によっては、適正な照明光量
は一定ではない。例えば、被写体が遠い位置にあると、
この被写体からの反射光量が少なくなるので、固体撮像
素子の受光量も少なくなり、モニタ画面が暗くなる。こ
れに対して、被写体が近い位置にあると、固体撮像素子
の受光量が大き過ぎてすぐに固体撮像素子が飽和してし
まい、所謂白つぶれ現象が生じて１、モニタ画像の白部
分の詳細情報が欠落し、やはり画質が悪化する。

そこで、従来技術においては、被写体の位置や該被写体
の光の反射率等に応じて光源から照射される照明光量を
調整することによって、被写体からの反射光量の変化に
伴なう固体撮像素子の受光量の変化を調整する構成とし
たものが用いられている。この照明光量の調整を行う機
構としては、光源とライトガイドとの間に設けられ、光
源光、量を機械的に制御するための光量絞り部材と、こ
の光量絞り部材を制御するために、モータ等の駆動手段
を備えたサーボ機構、とからなる光量絞り機構が用いら
れる。そして、固体撮像素子から出力される映像信号を
検波して、その中から輝度情報を取り出して、この輝度
レベルを所定の基準レベルと比較して、その偏差に基づ
いてサーボ機構に駆動信号を入力し、該サーボ機構によ
って光量絞り部材を作動させて、映像信号の輝度レベル
がほぼ一定となるように照明光量を増減させるように調
整している。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、前述したような光量絞り機構を用いると、光
源部の構成が複雑かつ大型化するだけでなく、絞り機構
の応答性が悪く、また絞り速度制御性の問題等からハン
チング現象が生じて映像が安定しない場合もあり、さら
に光量絞り部材の種類によっては色バランスが悪くなる
という問題点もあり、さらにまた機械的な作動機構を用
いる関係から、故障の発生のおそれかあるので、照明光
の光量調整機構に十分な信頼性か得られない等の欠点が
ある。

本発明は叙上の点に鑑みてなされたものであって、機械
的に作動する絞り機構を用いることなく、固体撮像素子
の受光量に応じてその感度を調整することにより出力映
像信号レベルを一定に保つように調整することかできる
電子内視鏡の撮像装置を提供することをその目的とする
ものである。

［問題点を解決するための手段］ 前述した目的を達成するために、本発明は、被写体に向
けて照明光を照射する光源と、該光源からの照明下にお
いて、当該被写体の映像を撮影する挿入部先端部分に配
設した固体撮像素子と、該固体撮像素子から出力される
映像信号レベルからその受光量を検出して、基準レベル
との偏差を演算する受光量検出手段と、該受光量検出手
段からの光量偏差信号に基づいて、前記固体撮像素子の
全電荷蓄積時間のうちの一部を無効蓄積時間とすること
によって、有効電荷蓄積時間を変化させる電荷蓄積時間
調整手段とからなり、被写体からの反射光量に応じて前
記固体撮像素子の電荷蓄積時間を調整する構成としたこ
とをその特徴とするものである。

［作用ｌ このように、固体撮像素子における電荷蓄積時間を制御
してその感度調整を行うことによって、光源光量自体を
変化させなくとも、被写体の位置や状態等に応じて固体
撮像素子の受光量を調整することができ、該固体撮像素
子の映像信号の出力レベルを精度良く一定化することが
できる。即ち、固体撮像素子は、１フイールドにおける
全電荷蓄積時間は一定（通常は１／６０秒）であるが、
この全電荷蓄積時間内に蓄積される電荷をすべて取り出
すのではなく、その一部を無効電荷として掃き出させる
ようにすることによって、有効電荷蓄積時間を制限して
固体撮像素子の感度を自動的に補正する０例えば、被写
体の位置が近い場合には、無効電荷蓄積時間を長くし、
有効電荷蓄積時間を少なくして、固体撮像素子に余分の
電荷を掃き出すことによって、該固体撮像素子が薫和す
るのを防止することができる。また、被写体の位置が遠
く、この被写体からの反射光量が少ない場合には、有効
電荷蓄積時間を長く取ることにより固体撮像素子の感度
を上げて、全体の出力映像信号の出力レベルを向上させ
ることかできる。

ここで、有効電荷蓄積時間を制限するには、全電荷蓄積
時間の途中で蓄積電荷の掃き出しを行う不要電荷転送パ
ルスを固体撮像素子に印加して、それまでに蓄積された
電荷を一度掃き出させ、この不要電荷を掃き出すパルス
が印加された後に蓄積された電荷のみを取り出して映像
信号処理回路に伝送する。そして、この不要電荷の掃き
出しパルスの印加タイミングを変えることによって、有
効電荷蓄積時間を変化させることができる。而して、こ
の固体撮像素子に対する不要電荷掃き出しパルスの印加
タイミングは、従来技術と同様、固体撮像素子からの出
力映像信号を検波して、その輝度信号を取り出して、所
定の基準レベルを比較することにより決定する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

まず、第１図に面順次方式で駆動される固体撮像素子を
用いた電子内視鏡の撮像装置の概略構成を示す。

図中において、１は照明ランプを示し、該照明ランプ１
は白色発光するものが用いられる。この照明ランプ１か
ら照射される照明光は、集光レンズ３９回転カラーフィ
ルタ４を介してライトガイド５に入射され、該ライトガ
イド５の出射端から被写体に向けて照明光を照射するこ
とかできるようになっている。ここで、回転カラーフィ
ルタ４には、第２図に示したように、Ｒ，Ｇ、Ｂの各波
長領域光のみを透過させるフィルタ域４Ｒ，４Ｇ、　４
Ｂが形成され、また各フィルタ域４Ｒ，４Ｇ、　４Ｂ間
には遮光域が形成されている。そして、この被写体から
の反射像は、ライトガイド５の出射端に近接する位置に
設けた対物レンズ６を介して固体撮像素子としてのＣＣ
Ｄ７に入射され、該ＣＣＤ７により光電変換されて、Ｒ
，Ｇ、Ｂの各色画像信号が得らえるようになっている。

ＣＣＤ７を駆動するために、同期信号発生回路１０が設
けられており、該同期信号発生回路１０から出力される
同期信号はタイミングパルス発生回路１１を介してＣＯ
Ｄ駆動回路１２に入力されて、該ＣＣＤ駆動回路１２か
ら読み出し駆動信号をＣＣＤ７に印加することにより、
Ｒ，Ｇ、Ｂのフィールド毎の色画像信号が読み出される
ようになっている。そして、Ｒ，Ｇ、Ｂの各フィールド
の色画像信号は映像信号処理口、路１３を介してＡ／Ｄ
変換器１４によってＡ／Ｄ変換されて、フィールドメモ
リ１５における各メモリ域１５Ｒ，１５Ｇ、　１５Ｂに
それぞれＲ，Ｇ、Ｂの各色画像信号が順次格納され、い
ずれかの色画像信号が２フイ一ルド分フィールドメモリ
１５に格納されたときに、これら各色画像信号は同時に
読み出されて同時式信号となり、それぞれＤ／Ａ変換器
１６Ｒ，１６Ｇ、　１６Ｂによりアナログ変換されて、
これらＲ，Ｇ、Ｂの各色の映像信号をエンコーダ１７を
介して重ね合わせることによりコンポジット映像信号が
出力されて、モニタ装置に被写体の像をカラー表示する
ことができるようになっている。

ここで、既に説明したように、ライトガイド５及びＣＣ
Ｄ７の出射端と被写体との間の距離や被写体における光
の反射率等の関係から、撮影時において、被写体から反
射してＣＣＤ７が受光する光量が変化する。然るに、本
発明においては、光源としての照明ランプ１の光量自体
は、被写体の位置や状態等とは無関係に一定となし、ま
たこの光源側には光量絞り機構は設けられていない。こ
れに代えて、ＣＣＤ７の電荷蓄積時間を制御することに
よって、その感度調整を行い、もって被写体からの反射
光量が変化しても、モニタ装置に表示される被写体の映
像をほぼ一定の明るさの状態で表示させるようにして、
高画質の映像を得るように構成している。

即ち、ＣＣＤ７の各フィールドにおける電荷蓄積時間は
一定であるが、この全電荷蓄積時間の一部を無効とし、
映像信号として取り出す有効電荷蓄積時間を制御するこ
とによって、出力映像信号のレベルが一定となるように
ＣＣＤ７の感度調整が行われるようになっている。

そこで、以下にフレームインタライン転送方式のＣＯＤ
を用いた場合における各フィールドの出力レベルの調整
を行う方式について具体的に説明する。

フレームインタライン転送方式でＣＣＤ７を駆動するに
は、周知のように、各フレームにおける順次照明が行わ
れている間に該ＣＣＤ７の受光部に受光させることによ
り、該受光部に信号電荷の蓄積を行わせる。ここで、通
常このＣＣＤ７による電荷蓄積時間は通常１７６０秒で
あり、従って１７６０秒毎に蓄積電荷の読み出しが行わ
れることになる。しかしながら、この全電荷蓄積時間の
うち、ある任意の時間が経過したときに、蓄積電荷を掃
き出す不要電荷読出パルスを受光部に加えて、この間に
受光部にＨ＆された電荷を不要電荷としてドレーンに掃
き出させる。そして、この不要電荷読出パルス印加後に
、新たに受光部に蓄積した信号電荷は垂直ブランキング
期間に正転送パルスをＣＣＤ７に印加することにより映
像信号として取り出す。

而して、この不要電荷読出パルスを加えるために、第１
図から明らかなように、電荷蓄積時間制御回路１８が設
けられており、該電荷蓄積時間制御回路１８から出力さ
れる信号に基づいて電荷蓄積時間中に加えられる不要電
荷読出パルスの出力タイミングを設定することができる
ようになっている。そして、この電荷蓄積時間制御回路
１８は受光量検出手段１９に接続されており、この受光
量検出手段１９においては、ＣＣＤ７に、おける実際の
出力映像信号のレベルと所定の基準レベルとの偏差か演
算されるようになっており、この受光量検出手段１９か
らの偏差信号を電荷蓄積時間制御回路１８に入力するこ
とによって、不要電荷転送パルスの出力タイミングを調
整するようになっている。

このために、該受光量検出手段１９は映像信号処理回路
１３に接続されている。この映像信号処理回路１３は、
第３図に示したように、ローパスフィルタ１３ａ、ホワ
イトバランス回路１３ｂ、γ補正回路１３ｃを有し、Ｃ
ＣＤ７から出力されるＲ、Ｇ、Ｂの各フィールドの色画
・像信号が順次処理されるが、このホワイトバランス回
路１３ｂからγ補正回路１３ｃに伝送される映像信号を
取り出して、増幅器１９ａにより増幅して、検波回路１
９ｂによって検波してその出力輝度レベルを検出するよ
うにしている。そして、このようにして検出されたＣＣ
Ｄ７からの画像出力信号の輝度レベルを基準レベル設定
器１９ｃにより予め設定されている基準レベルと比較器
１９ｄにおいて比較して、そのレベル差に関する光量偏
差信号が電荷蓄積時間設定回路１８に入力されて、この
偏差信号に基づいて不要電荷読出パルスの出力タイミン
グを決定する。このようにしてタイミング設定された不
要電荷読出パルスは、タイミングパルス発生回路１１か
らＣＣＤ駆動回路１２に伝送され、該ＣＣＤ駆動回路１
２からＣＣＤ７に加えられるＣＣＤ駆動信号に搬送させ
て。

該ＣＣＤ７に所定のタイミングで印加する構成となって
いる。

而して、第４図（ａ）に示したように、照明ランプ１か
らの照明光は回転カラーフィルタ４を介することによっ
て、Ｒ，Ｇ、Ｂのそれぞれの波長光による照明が行われ
て、ＣＣＤ７が露光されるフィールド期間Ｆと、各色の
フィールド期間Ｆ間において遮光状態となった垂直ブラ
ンキング期間Ｂが順次繰り返されることになる。そして
、第４図（ｂ）に示したように、それぞれのフィールド
期間Ｆの間にＣＣＤ７に信号電荷の蓄積が行われ、垂直
ブランキング期間Ｂ内に、転送パルスＴＰを加えること
により、該ＣＣＤ７の受光部に蓄積された信号電荷が蓄
積部に転送される。

然るに、前述したフィールド期間Ｆにおける全電荷蓄積
時間の全てを蓄積部に転送するのではなく、無効蓄積時
間ＦＤを設けて、ＣＣＤ７の電荷蓄積途中において、そ
れまでに蓄積された電荷を不要電荷としてトレインに掃
き出させ、この無効蓄積時間ＦＤ以後の有効電荷蓄積時
間ＦＥ間に蓄積された信号電荷のみを映像信号として取
り出されることになる。

そこで、ＣＣＤ７から出力される映像信号を受光量検出
手段１９を構成する検波回路１９ａに取り込んで、該検
波回路１９ａによって出力映像信号の輝度レベルを検出
して、この信号レベルを比較器１９ｄに入力し、基準レ
ベル設定器１９ｃで設定した基準レベルと比較して、そ
のレベル差を演算してその偏差信号を電荷蓄積時間制御
回路１８に入力する。この偏差信号に基づいて電荷蓄積
時間制御回路１８によって不要電荷読出パルスＲＰの印
加タイミングを割り出す。このようにして割り出された
不要電荷読出パルスＲＰが、タイミング回路１１及びＣ
ＣＤ駆動回路１２を順次介してＣＣＤ７に入力されると
、該ＣＣＤ７の受光部にそれまでに蓄積された電荷が蓄
積部に転送される。そして、この不要電荷が転送された
後の有効電荷蓄積時間ＦＥ間に受光部に電荷が蓄積され
て、この蓄積電荷が、垂直ブランキング期間Ｂになると
、ＣＣＤ７にホトダイオード読出パルスＴＰを加えるこ
とにより蓄積部に転送される。然るに、このホトダイオ
ード読出パルスＴＰを印加したときに、蓄積部に不要電
荷を残さないようにするために、該ホトダイオード読出
パルスＴＰの前に不要電荷掃き出しの転送パルスＤＰが
加えられて、不要電荷がドレンに掃き出される。さら・
に、信号電荷が垂直転送部に転送された有効電荷は、有
効電荷転送パルスＨＰを印加することによって、蓄積部
に転送されて、順次信号電荷が読み出されることになる
。

このようにして読み出されたＲ、Ｇ、Ｂの各色画像信号
は、Ａ／Ｄ変換器１４を介してフィールドメモリ１５の
各メモリ域１５Ｒ，１５Ｇ、　１５Ｂに書き込まれて、
これらＲ，Ｇ、Ｂの各色画像信号が記録されると、それ
らが同時に読み出されて、エンコーダ１７により合成さ
れたコンポジット映像信号が形成される。

この結果、光源光量・を調整しなくとも、被写体からの
反射光の強弱を補正して、第４図（ｃ）に実線で示した
ように、はぼ一定の映像信号が得られるように制御する
ことができる。このように、不要電荷読出パルスＲＰの
印加タイミングを被写体からの反射光の光量に基づいて
変化させるようにすることによって、被写体が近くにあ
り、反射光量が大きく、同図に点線で示したように出力
レベルが高い場合も、該被写体が遠くにあって、反射光
量が少なく、−点鎖線で示したように出力レベルが低い
場合も、モニタ画面上では、はぼ同じ明るさで被写体を
映し出すことができる。なお、このように、ＣＣＤ７の
全電荷蓄積時間中に無効蓄積時間を設けることによって
、出力映像信号のレベルの調整を行うものであるから、
照明ランプ１から照射される照明光の光量は、遠い位置
で、反射光量が少ない場合で、も十分な映像信号レベル
か得られる程度に保持しておく必要があることはいうま
でもない。

このように、ＣＣＤ７の有効電荷蓄積時間を制限するこ
とによって、その感度を自動的に補正して出力映像信号
のレベル調整を行うように制御しているから、光源光量
を機械的に制御する従来技術のものと比較して、光源部
の構成を小型化、コンパクト化することができ、コスト
的に有利であるだけで・なく、機械的絞り機構に特有な
ハンチング現象や色ずれ現象の発生が抑止され、また機
械的な駆動部材を用いないので、作動が安定し、信頼性
が高くなる。

さらに、内視鏡としては、例えば胃鏡、十二指腸鏡、大
腸鏡等のように各種のものがあるが、この内視鏡の種類
によっては、ＣＯＤの結像サイズが異なり、このために
光源側の光量を同じにしても、このＣＣＤから出力され
る映像信号のレベルが変化する。そこで、基準レベル設
定器１９ｃで設定される基準レベルを適宜変更すること
ができるように構成すれば、こ０ＣＣＤの結像サイズに
応じた最適の出力レベルの映像信号を得るように調整す
ることがてきるようになる。

なお、前述した実施例においては、フレームインタライ
ン転送方式のＣＣＤについて説明したが、インタライン
転送方式のＣＯＤ、ＭＯＳ形ＣＣＤにおいても、前述と
同様の信号電荷蓄積時間の制御が可能となる。例えば、
ＶＯＦＤ式のインタライン転送ＣＯＤを用い、受光部に
水平走査期間毎に不要電荷の掃き出しを行うパルスを印
加すれば、この不要電荷を水平ブランキング期間中に基
板に掃き出すようになし、この掃き出しのパルスを印加
する時間を制御することによってもＲ２Ｏ，Ｂの信号電
荷蓄積時間の制御を行うことかできるようになる。また
、ＣＣＤの駆動方式としては、前述した面順次駆動方式
のものに限らず、同時駆動方式のＣＯＤにあっても、同
様の制御を行うことができる。さらに、回転カラーフィ
ルタやＣＯＤの色に対する感度特性等によって、ＲｌＧ
、Ｂの各色画像信号相互の間でも出力信号のばらつきが
あるが、Ｒ，Ｇ、Ｂ各フィールド毎に無効蓄積時間を変
化させるようにすれば、Ｒ，Ｇ。

Ｂ各フィールド毎の出力映像信号の色バランスをも改善
することができ、画像の再現性が極めて良好となる。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、被写体からの反
射光の受光量を、固体撮像素子から出力される映像信号
レベルから反射光量検出手段で検出して、その出力信号
のレベルを基準レベルと比較して、その偏差信号に基づ
いて、固体撮像素子の全電荷蓄積時間の一部を無効蓄積
時間とすることによって、その有効電荷蓄積時間を変化
させて、固体撮像素子の有効電荷蓄積時間を制御するよ
うに構成したので、機械的な絞り機構を光源部に配設す
ることなく、被写体からの反射光が変化しても、映像信
号の出力レベルをほぼ一定に保つことができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る撮像装置を、内視鏡における面順
次方式の撮像システム全体の概略構成説明図、第２図は
回転カラーフィルタの構成説明図、第３図は第１図の映
像信号処理回路及び電荷蓄積時間制御信号設定手段の構
成説明図、第４図（ａ）は照明光の照射サイクルを、同
図（ｂ）は転送及び不要電荷転送パルスの印加タイミン
グを、同図（ｃ）はＣＯＤの映像信号の出力タイミング
をそれぞれ示す説明図である。 ｌ　：照明ランプ、４：回転カラーフィルタ、４Ｒ：Ｒ
フィルタ域、４Ｇ：Ｇフィルタ域、４Ｂ：Ｂフィルタ域
、７：ＣＣＤ、１０：同期信号発生回路、１１：タイミ
ングパルス発生回路、１２：ＣＣＤ駆動回路、１８：電
荷蓄積時間制御回路、１９：受光量検出手段。 第 ２ 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　被写体に向けて照明光を照射する光源と、該光源から
   の照明下において、当該被写体の映像を撮影する挿入部
   先端部分に配設した固体撮像素子と、該固体撮像素子か
   ら出力される映像信号レベルからその受光量を検出して
   、基準レベルとの偏差を演算する受光量検出手段と、該
   受光量検出手段からの光量偏差信号に基づいて、前記固
   体撮像素子の全電荷蓄積時間のうちの一部を無効蓄積時
   間とすることによって、有効電荷蓄積時間を変化させる
   電荷蓄積時間調整手段とからなり、被写体からの反射光
   量に応じて前記固体撮像素子の電荷蓄積時間を調整する
   構成としたことを特徴とする電子内視鏡の撮像装置。