KR100722901B1

KR100722901B1 - 내시경용 촬상 장치

Info

Publication number: KR100722901B1
Application number: KR1020050083557A
Authority: KR
Inventors: 다까시 다니모또
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-05-30
Also published as: US20060050145A1; TW200610391A; JP2006075331A; KR20060051099A; CN1745695A

Abstract

캡슐형 내시경에 탑재되는 CCD 이미지 센서의 소형화가 제한되어, 캡슐형 내시경의 소형화가 어렵다. 촬상부(4i), 수평 전송부(4h), 출력부(4d)로 이루어지는 CCD 이미지 센서(4)를 캡슐형 내시경에 탑재한다. 체내에서는 기본적으로 암(暗)상태이고, LED의 발광 기간에 기초하여 원하는 노광 시간을 설정함으로써, CCD 이미지 센서(4)는, 프레임 전송형과 같은 차광된 축적부, 또한 인터 라인 전송형과 같은 수광 화소와는 별도로 차광된 수직 시프트 레지스터를 필요로 하지 않는다. 이와 같이, 신호 전하를 유지하기 위해 차광한 영역을 필요로 하지 않기 때문에, 그 만큼, CCD 이미지 센서(4)는 소형화가 가능하고, 캡슐형 내시경의 소형화가 실현된다.

촬상 소자, 수직 시프트 레지스터, 구동 회로, 배터리

Description

내시경용 촬상 장치{IMAGE PICKUP DEVICE FOR ENDOSCOPE}

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 캡슐형 내시경의 개략의 구성을 도시하는 모식도.

도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 CCD 이미지 센서의 개략의 구성을 도시하는 모식적인 평면도.

도 3은 본 발명의 실시 형태에서의 촬상 동작을 설명하는 플로우도.

도 4는 본 발명의 실시 형태에서의 촬상 동작에서의 구동 회로에 의한 LED 및 CCD 이미지 센서의 구동 방법을 설명하는 모식적인 타이밍도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : LED

4 : CCD 이미지 센서

4i : 촬상부

4h : 수평 전송부

4d : 출력부

6 : 구동 회로

8 : 신호 처리 회로

10 : 송신 회로

12 : 배터리

14 : 케이싱

특허 문헌 1 : 일본 특개 2002-345743호 공보

본 발명은, 내시경에 이용되는 촬상 장치에 관한 것이다.

내시경은, 사람의 눈이 닿지 않는 곳을 관찰하기 위해, 인체의 소화기 등의 내부 표면의 관찰과 같은 의료 용도 외에, 파이프나 기계, 구조물의 내부를 관찰하기 위해 공업의 분야에서도 이용되고 있다. 일반적인 내시경은, 관 형상의 삽입부를 관찰 대상부를 향하여 삽입한다. 삽입부는, 광 파이버에 의해 선단부의 화상을 조작자측에 유도하도록 구성되거나, 선단부에 이미지 센서를 내장하여, 이 이미지 센서로 얻어진 화상 신호를 조작자측으로 전달하도록 구성된다. 기본적으로, 관찰 대상은 암부(暗部) 내에 존재하기 때문에, 선단부에는 관찰 대상을 비추어 보기 위한 광원이 설치된다.

또한, 최근에는 인체의 소화기 등의 관찰 용도에 캡슐형의 내시경이 개발되어 사용되고 있다. 이것은 소형의 캡슐 내에 이미지 센서, 광원, 이들의 구동 회로 및 배터리 등을 내장한 것이다. 피검사자는 이 캡슐형 내시경을 삼키고, 캡슐형 내시경은 소화기계 내를 이동하면서, 촬영한 화상을 체외로 무선 송신한다. 이 러한 캡슐형 내시경은, 삽입부를 필요로 하지 않아, 삽입부의 삽입에 의한 고통을 경감할 수 있다.

종래부터, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서나 CCD(Charge Coupled Devices) 이미지 센서를 이용한 내시경이 있었다. 여기서, CCD 이미지 센서는, 수광 화소로 얻어진 신호 전하의 판독 방식에 따라서, 프레임 전송형, 인터 라인 전송형, 프레임·인터 라인 전송형이 존재하고, 종래의 내시경에도, 이들 중 어느 하나의 종류의 CCD 이미지 센서가 이용되고 있다.

내시경의 선단부는, 보다 작은 공간에의 침입을 가능하게 하거나, 또한 의료용에 있어서는 피검사자의 부담을 경감하기 위해, 한층 더 소형화가 기대되고 있다. 여기서, CCD 이미지 센서는, 노광 기간에 각 수광 화소에 의해 축적된 신호 전하를 소자 내의 전송 채널을 따라 순차적으로, 출력부를 향하여 이동시켜 판독한다. 종래의 CCD 이미지 센서는, 전송 도중에의 전하 패킷에의 스미어 성분의 혼입을 억제하기 위해서, 노광 기간 후의 신호 전하를 저장하는 차광된 전송 채널을 구비하고 있다. 예를 들면, 프레임 전송형 CCD 이미지 센서에서는, 촬상부와 수평 전송부 사이에 배치되는 축적부, 또한 인터 라인 전송형 CCD 이미지 센서에서는 수직 시프트 레지스터가 해당 차광된 채널 영역을 구성한다.

즉, 이들 차광된 채널 영역을 갖는 한, CCD 이미지 센서의 소형화가 제한되고, 나아가서는 내시경의 선단부의 소형화가 어렵다고 하는 문제가 있었다.

또한, 프레임 전송형 CCD 이미지 센서에서는, 노광 기간의 종료와 동시에 촬 상부에서 축적부로 프레임 전송이 실시된다. 이 프레임 전송은 고속으로 행해지고, 그 만큼, 소비 전력도 크다. 그 때문에, 예를 들면 캡슐형 내시경에서는 배터리의 소형화가 제한되어, 나아가서는 캡슐형 내시경의 소형화가 제한된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 내시경에서 이용되는 CCD 이미지 센서의 소형화를 도모하여, 삽입부의 선단이나 캡슐 사이즈가 보다 소형화한 내시경을 실현하는 내시경용 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 내시경용 촬상 장치는, 촬상 소자가, 각 비트가 입사광에 따른 신호 전하를 발생하는 수광 화소를 구성하는 복수의 수직 시프트 레지스터가 행 방향으로 배열되고, 해당 수직 시프트 레지스터에 의해 상기 수광 화소마다의 상기 신호 전하의 축적 및 수직 전송을 행하는 촬상부와, 상기 수직 시프트 레지스터에 의해 수직 전송되는 상기 신호 전하를 상기 촬상부에서 행 단위로 수취하여 수평 전송하는 수평 전송부와, 상기 수평 전송부로부터 출력되는 상기 신호 전하에 기초하여 화상 신호를 생성하는 출력부를 갖고, 구동 회로가, 노광 기간에 대응하여 광원을 점등하여, 상기 광원의 소등 기간에 상기 촬상 소자를 구동하여 상기 화상 신호를 판독하는 것이다.

다른 본 발명에 따른 내시경용 촬상 장치에서는, 상기 구동 회로가, 상기 노광 기간의 개시 타이밍에서 전자 셔터 동작을 행하여, 상기 촬상부에 축적된 상기 신호 전하를 일괄 배출한다.

본 발명이 적합한 양태는, 상기 광원 및 상기 구동 회로에 대하여 전력을 공급하는 배터리를 갖고, 캡슐에 저장되어, 생체 내에 투입되는 내시경용 촬상 장치이다.

<실시 형태>

이하, 본 발명의 실시 형태(이하 실시 형태라고 함)에 대하여, 도면에 기초하여 설명한다.

본 실시 형태는, 캡슐형 내시경이고, 도 1은 본 실시 형태에 따른 캡슐형 내시경의 개략의 구성을 도시하는 모식도이다. 이 캡슐형 내시경은, 예를 들면 피검사자의 소화기계의 내부 표면을 관찰하기 위한 것으로, LED(Light Emitting Diode)(2), CCD 이미지 센서(4), 구동 회로(6), 신호 처리 회로(8), 송신 회로(10), 및 배터리(12)를 캡슐 형상의 케이싱(14) 내에 포함하여 구성된다.

LED(2)는, 구동 회로(6)가 공급하는 전압 신호에 따라서 발광하는 광원이다. LED(2)가 발하는 광은, 케이싱(14)에 설치된 투명의 창으로부터 케이싱(14) 외의 피사체로 조사된다. 조사된 피사체로부터의 반사광은 케이싱(14)의 창으로부터 입사한다.

CCD 이미지 센서(4)는, 피사체에 따른 화상 신호를 생성하는 촬상 소자이다. CCD 이미지 센서(4)는 구동 회로(6)로부터의 각종 클럭에 기초하여 동작한다. CCD 이미지 센서(4)의 수광면 앞에는 렌즈 등의 광학계(도시 생략)가 배치된다. 이 광학계는, 피사체로부터 반사광에 기초하여 수광면에 광학상을 형성하고, CCD 이미지 센서(4)는, 이 광학상을 화상 신호 Vout으로 변환하여 출력한다.

구동 회로(6)는, 배터리(12)로부터 전력 공급을 받아, 전술된 바와 같이 LED(2) 및 CCD 이미지 센서(4)를 구동하기 위한 각종 신호를 생성한다.

신호 처리 회로(8)는, CCD 이미지 센서(4)로부터 아날로그 신호의 화상 신호 Vout가 입력되고, 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling: CDS), 자동 게인 제어(Automatic Gain Control: AGC), A/D 변환(Analog-to-Digital Conversion: ADC), 그 외에, 디지털 신호 처리 등의 신호 처리를 행한다.

송신 회로(10)는, 화상 신호를 무선 송신하는 회로이고, 신호 처리 회로(8)의 출력에 기초하여 변조된 전파 신호를 생성하여, 안테나로부터 송출한다. 또한, 배터리(12)는, 구동 회로(6) 외, 각 부에 전력을 공급한다.

케이싱(14)은, 예를 들면 위액 등에 의해 침식되지 않는 재질로, 수밀 구조로 통 형상으로 구성된다. 통 형상으로 함으로써, 체내에서 케이싱(14)은 통의 단부를 선두로 하여 축 방향으로 이동하기 쉽다. 따라서, 예를 들면 해당 단부로부터 밖을 향하도록 LED(2) 및 CCD 이미지 센서(4)가 배치되고, 진행 방향의 화상을 얻도록 구성된다. 덧붙여서 말하면, 도 1에서의 케이싱(14)의 형상은, 통의 중심축을 따른 단면을 모식적으로 나타내고 있고, 좌우 양단이 통의 단부에 상당한다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 통의 단부 단면에는 라운딩을 갖게 하여, 케이싱(14)이 축 방향으로 체내를 원활하게 진행하도록 구성된다.

도 2는 CCD 이미지 센서(4)의 개략의 구성을 도시하는 모식적인 평면도이다. 이 이미지 센서(4)는, 반도체 기판 표면에 형성된 촬상부(4i), 수평 전송부(4h) 및 출력부(4d)를 구비한다.

촬상부(4i)는 행 방향(수평 방향)으로 배열된 복수의 수직 CCD 시프트 레지스터(수직 시프트 레지스터(4v))로 구성된다. 이 수직 시프트 레지스터(4v)는 반도체 기판 위에 행 방향으로 복수개 받은 게이트 전극을 구비하고, 이들 게이트 전극은 반도체 기판에 형성되는 전송 채널의 전위를 제어한다. 구동 회로(6)는 예를 들면, 촬상부(4i)에 3상 클럭 φi를 공급한다. 이 클럭 φi에 의해, 게이트 전극은 3상 구동되고, 게이트 전극 3개마다 1개의 전위 웰을 형성하여, 해당 전위 웰에 신호 전하를 축적하고, 또한 전송 채널을 따라 신호 전하를 수직 전송한다.

게이트 전극은 예를 들면, 가시광을 투과하는 폴리실리콘 등의 재료로 형성되고, 수직 시프트 레지스터(4v)의 전송 채널에 대응하는 반도체 기판에 광이 입사 가능하게 구성된다. 이에 의해, 수직 시프트 레지스터(4v)의 각 비트가 각각, 입사광량에 따른 신호 전하를 발생하는 수광 화소로서 기능하고, 촬상부(4i)에는, 이 수광 화소가 복수, 행렬 배치된다.

수평 전송부(4h)는, CCD 시프트 레지스터로 이루어지고, 그 각 비트는 촬상부(4i)의 복수의 수직 시프트 레지스터(4v)의 각 출력에 접속된다. 수평 전송부(4h)는, 수직 시프트 레지스터(4v)로부터 1 행 단위로 신호 전하를 전송하고, 그 1행분의 신호 전하를 순차적으로, 출력부(4d)에 전송한다.

출력부(4d)는, 전기적으로 독립한 용량 및 그 전위 변화를 취출하는 앰프로 이루어지고, 수평 전송부(4h)로부터 출력되는 신호 전하를 1 비트 단위로 용량으로 받아 전압값으로 변환하고, 시계열의 화상 신호로서 출력한다.

도 3은 본 장치에 의한 촬상 동작을 설명하는 플로우도이고, 도 4는 그 촬상 동작에서의 구동 회로(6)에 의한 LED(2) 및 CCD 이미지 센서(4)의 구동 방법을 설명하는 모식적인 타이밍도이다. 도 4에는, 수직 동기 신호 VD, LED(2)에 공급되는 전압 신호 LG, 촬상부(4i)의 수직 시프트 레지스터(4v)를 구동하는 전송 클럭 신호 φi의 클럭 동작의 타이밍, 전자 셔터 동작의 트리거 신호 SH, 수평 전송부(4h)를 구동하는 전송 클럭 신호 φh의 클럭 동작의 타이밍이 나타나 있다. 또한, 도 4에서 시간은 횡축 우측 방향으로 경과한다.

수직 주사 기간 V에서는, 촬상부(4i)에서 전체 화소의 신호 전하를 판독하는 동작(기간 RD)과 LED(2)의 발광 동작(기간 L)이 순차적으로 행해진다. 여기서, 1 프레임의 촬영 동작은, LED(2)의 발광 개시 S30(타이밍 ζ1)으로부터 시작된다. 예를 들면, LED(2)의 발광 개시 타이밍 ζ1은 VD 펄스(100)의 하강(타이밍 ζ3)에 소정 시간 L만큼 선행하는 타이밍으로 설정되고, LED(2)는 이 타이밍에서 전압 펄스(102)가 인가되어 발광을 개시한다.

노광 기간 E의 개시는, LED(2)의 발광 기간 L 내에 행해지는 전자 셔터 동작 S35에 의해 규정된다. 전자 셔터 동작에서는, 전자 셔터의 트리거 펄스(104)에 따라서, 전송 클럭 φi1∼φi3이 모두 오프되고, 소정 기간, 촬상부(4i)의 각 화소의 전위 웰을 모두 소멸시킨다(타이밍 ζ2). 이에 의해, 전위 웰에 축적되어 있던 신호 전하는, 전송 채널로부터 기판 이면으로 배출된다.

전자 셔터 동작이 완료하면, φi의 소정 위상의 클럭 신호, 예를 들면 φi2가 온 상태로 된다. 이에 의해, φi2에 대응하는 게이트 전극 아래에 전위 웰이 형성되고, 재차 수광에 의한 신호 전하의 축적이 개시되게 되어, 이 타이밍에서 노광 기간 E가 시작된다.

트리거 펄스(104)의 생성 타이밍 ζ2는, VD 펄스(100)의 하강으로부터 기간 E만큼 선행하는 타이밍으로 설정된다. 여기서 체내에서는 기본적으로 LED(2) 이외에 광원은 존재하지 않기 때문에, LED(2)가 소등하면 노광 동작은 종료한다(단계 S40). 따라서, 전술한 제어에서는, 노광 기간 E의 종료 타이밍을 LED(2)의 발광 기간 L의 종료 타이밍인 VD 펄스(100)의 하강에 일치시키고, 이것을 기준으로 노광 기간 E의 개시로 되는 전자 셔터의 타이밍 ζ2를 정하고 있다.

또한, 예를 들면 발광 기간 L의 길이는 각 프레임으로 일정하다고 할 수 있고, 또한 노광 기간 E의 길이는, 선행하는 프레임에서의 노광 레벨에 기초하는 피드백 제어에 의해 정할 수 있다.

노광 기간 E가 종료하면, 촬상부(4i)에 축적된 신호 전하의 판독 동작(기간 RD)이 개시된다. 판독 동작 기간에서는, 촬상부(4i)에 축적된 신호 전하를 1행씩 수직 전송하는 라인 전송 동작 S45와, 라인 전송에 의해 수평 전송부(4h)로 이행된 1행의 신호 전하를 출력부(4d)로 수평 전송하는 동작 S50이 교대로 행해진다. 수직 시프트 레지스터(4v)에서의 라인 전송 동작에 관해서는, φi의 1 사이클의 클럭 동작(106)이 수평 주사 기간 H 주기로 반복된다. φh에 의한 1행의 수평 전송 동작은, 수평 전송부(4h)를 구성한다. CCD 시프트 레지스터의 비트수에 따른 사이클 수의 클럭 동작(108)에 의해 행해져서, 1H 기간 내에 완료된다.

1 프레임에 대응하는 라인 전송 동작 S45 및 수평 전송 동작 S50은, 촬상부 (4i)로부터의 신호 전하의 판독 완료까지, 즉 수직 시프트 레지스터(4v)의 비트수에 따른 횟수만큼 반복된다(단계 S55).

덧붙여서, CCD 이미지 센서(4)의 촬상부(4i)에서의 라인 전송은, 프레임 전송형 CCD 이미지 센서에서의 프레임 전송에 비하여 전송 속도가 작다. 그러나, 판독 동작 기간 RD에서는 LED(2)는 발광되지 않고, 체내는 양호한 암 상태로 유지되기 때문에, 전송 도중의 다른 화소에서는 기본적으로 수광에 의한 신호 전하가 중첩되지 않고, 스미어 등에 의한 화질의 열화가 회피된다.

VD의 주기, 즉 수직 주사 기간 V, 촬상부(4i)의 전체 화소의 신호 전하를 판독하는 기간 RD, 및 발광 기간 L은, V≥RD+L을 충족시키도록 설정되고, 1V 기간 마다 전술한 노광 동작 및 판독 동작이 행해져, CCD 이미지 센서(4)로부터 1 프레임의 화상 신호가 출력된다.

전술한 구성에서는, 노광 기간 E의 개시를 전자 셔터 동작에 의해 규정하였다. 여기서, 이미 설명한 바와 같이, 체 내에서는 기본적으로 LED(2) 이외의 광원은 존재하지 않고, 선행 프레임의 판독 완료 후의 촬상부(4i)의 각 화소에 축적되는 신호 전하는 노이즈에 의한 것으로 기본적으로 미약하다. 따라서, 전자 셔터 동작을 행하지 않고, 발광 기간 L 그 자체에 의해서 노광 기간 E를 규정할 수도 있다. 이 경우에는, 발광 기간 L의 길이를 가변 제어하여 노광 레벨의 조정을 행할 수 있다.

전술한 캡슐형 내시경에서는, 전술된 바와 같이 CCD 이미지 센서(4)를 이용하여 LED(2)와 연동한 촬영 동작을 행함으로써, CCD 이미지 센서(4)에 판독 동작 기간 RD 중에서의 신호 전하량을 유지하기 위한 차광부를 불필요하게 하여, CCD 이미지 센서(4)의 소형화에 의한 케이싱(14)의 사이즈의 축소를 가능하게 하고, 또한 프레임 전송이 불필요한 것에 의한 소비 전력의 저감에 의해 배터리(12)의 소형화가 도모되기 때문에 케이싱(14)의 사이즈의 축소가 가능하게 된다.

한편, 관 형상의 삽입부를 관찰 대상 영역에 삽입한 내시경에서도 본 발명을 적용할 수 있고, CCD 이미지 센서(4)의 소형화에 의한 선단부의 직경의 축소가 가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 촬상 소자는, 수직 시프트 레지스터의 각 비트가 수광 화소를 구성하고, 이 수직 시프트 레지스터로부터 출력되는 신호 전하를 수평 전송부에서 출력부로 전송하는 것이다. 즉, 이 촬상 소자는, 기본적으로 프레임 전송형 CCD 이미지 센서에서의 축적부를 생략한 구조를 갖고, 수평 전송부에서의 1 주기의 수평 전송 동작이 완료될 때마다, 복수의 수직 시프트 레지스터에 의해 신호 전하가 1 행씩 수평 전송부측으로 수직 전송(라인 전송)된다. 내시경의 관찰 대상은 기본적으로 암부에 존재하고, 광원의 점등 기간에서만 수직 시프트 레지스터에 의해 수광에 의한 신호 전하가 발생한다. 즉, 광원의 소등 기간에 수직 시프트 레지스터에서의 라인 전송을 행함으로써, 스미어 등, 전송 채널의 도중에서의 수광에 의한 노이즈 성분의 발생이 방지된다. 이와 같이, 본 발명의 내시경용 촬상 장치는, 광원의 점멸과 연동하여 촬상 소자의 노광 및 판독 동작을 행하고, 그것에 따라, 촬상 소자는 프레임 전송형 CCD 이미지 센서에서의 축적부나 인터 라인 전송형 CCD 이미지 센서에서의 수직 시프트 레지스터와 같이 차광된 채널 영역을 필요로 하지 않고 소형화가 도모될 수 있다. 또한 프레임 전송이 생략되는 만큼, 프레임 전송형 CCD 이미지 센서에 비하여 소비 전력의 저감이 도모되기 때문에, 그것에 따라 배터리를 소형화하여 보다 소형의 캡슐형 내시경을 실현하는 것이 용이해진다.

Claims

피사체에 조명광을 조사하는 광원과, 상기 피사체를 촬영하는 촬상 소자와, 상기 광원 및 상기 촬상 소자를 구동하는 구동 회로를 구비한 내시경용 촬상 장치에 있어서,

상기 촬상 소자는,

복수의 수직 시프트 레지스터가 행 방향으로 배열되고, 상기 수직 시프트 레지스터의 각 비트가 입사광에 따른 신호 전하를 발생하는 수광 화소를 구성하며, 상기 수직 시프트 레지스터에 의해 상기 수광 화소마다의 상기 신호 전하의 축적 및 수직 전송을 행하는 촬상부와,

상기 수직 시프트 레지스터에 의해 수직 전송되는 상기 신호 전하를 상기 촬상부로부터 행 단위로 수취하여 수평 전송하는 수평 전송부와,

상기 수평 전송부로부터 출력되는 상기 신호 전하에 기초하여 화상 신호를 생성하는 출력부를 갖고,

상기 구동 회로는, 노광 기간에 대응하여 상기 광원을 점등하여, 상기 광원의 소등 기간에 상기 촬상 소자를 구동하여 상기 화상 신호를 판독하는

것을 특징으로 하는 내시경용 촬상 장치.
제1항에 있어서,

상기 구동 회로는, 상기 노광 기간의 개시 타이밍에서 전자 셔터 동작을 행 하여, 상기 촬상부에 축적된 상기 신호 전하를 일괄 배출하는 것을 특징으로 하는 내시경용 촬상 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광원 및 상기 구동 회로에 대하여 전력을 공급하는 배터리를 갖고,

상기 내시경용 촬상 장치는 캡슐에 저장되어, 생체 내에 투입되는 것을 특징으로 하는 내시경용 촬상 장치.