CN101112303A - 内窥镜装置及其拍摄方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供内窥镜装置及其拍摄方法，其中，CMOS成像传感器以LSI制造工艺低成本地实现单片化(system on chip)，而在结构上由于从最初的像素到最后的像素的读出时间，容易在快速移动的被摄体的静止图像中发生像抖动等。内窥镜装置安装有摄像系统，该摄像系统当在外部光束基本无法到达的体腔内拍摄静止图像时，停止LED(5a、5b)进行的照明，使此前在CMOS成像传感器(1)的各个像素内蓄积的电荷复位。从该复位状态起打开LED(5a、5b)，由CMOS成像传感器(1)进行静止图像的拍摄，在从各个像素读出电荷的期间内，停止LED(5a、5b)进行的照明，不会对读出前的像素进一步蓄积电荷。

Description

内窥镜装置及其拍摄方法
技术领域
本发明涉及内窥镜装置中设置于插入部前端的摄像元件的信号处理。
背景技术
通常在内窥镜装置的插入部前端设置有对体腔内部进行照明的光源(光导等)以及用于取入观察像的物镜。通过物镜形成的观察像由固体摄像元件(例如CCD成像传感器或者CMOS成像传感器)进行光电转换而作为图像信号向摄像机控制单元(CCU)输出，并且在实施白平衡调整等各种图像处理后显示于显示部。
观察者对操作部进行操作而使插入部前端沿着体腔内部形状弯曲插入以观察运动图像，并且对设置于操作部的快门开关进行操作来对认为需要的观察部位拍摄静止图像。
专利文献1：日本特开2003-18456号公报
非专利文献1：“CCD/CMOSイメジ·センサの基礎と応用”CQ出版社P179-180：6-1-4[蓄稹の同時性]
在前述的使用固体摄像元件拍摄静止图像的情况下，也会由于被摄体明亮度的原因而容易在快速移动的被摄体的静止图像中发生像抖动等。例如非专利文献1所述，CCD成像传感器能够对所有像素同时读出蓄积于垂直CCD的电荷。通过将该动作与电子快门组合，即使对移动较快的被摄体进行追踪，也能够获得无抖动的静止图像。但是由于CCD成像传感器无法像CMOS成像传感器那样以类似LSI制造工艺的制造工艺进行生产，因此实现单片化(system on chip)时的制造成本很高。
另一方面，CMOS成像传感器为XY地址方式，设置于各个像素的开关依次接通以读出所蓄积的电荷。因此，CMOS成像传感器对以像素单位蓄积的电荷进行放大输出，从而与CCD成像传感器相比，具有如下的优点：不易在信号传输路径上受到噪声的影响，并且由于指定XY地址来进行读出而可以控制进行读出的像素区域。即，从观察像整体看能够仅指定(修剪或者缩放)需要的区域。相反，在一幅图像(或帧)中所读出的最初的像素到最后的像素的读出时间的定时会产生偏差。即，CMOS成像传感器在各个像素读出电荷后立即再次开始电荷的蓄积，从而产生电荷蓄积非同步的问题。
因此在拍摄快速移动的被摄体时，在读出最初的像素的电荷时的被摄体构图和读出最后的像素的电荷时的被摄体构图之间存在被摄体的变化差异。由于这些不同的被摄体构图中的电荷，在生成一幅静止图像时在被摄体像中产生失真。关于这种现象例如在非专利文献1中所述那样。
作为防止这种在被摄体像中产生的失真的技术，在专利文献1中提出了一种图像处理装置，其安装有机械快门机构，在拍摄静止图像前在快门关闭状态下使所蓄积的电荷复位。这种快门机构难以在内窥镜装置的插入部前端进行设置，并且在进行灭菌处理时从卫生角度考虑也不够理想。
发明内容
因此本发明的目的在于提供内窥镜装置及其拍摄方法，从而能够在使用CMOS成像传感器进行拍摄时具有电荷蓄积的同步性，即使对于快速移动的被摄体也能够获得没有图像失真和像畸变的观察像。
本发明为了实现上述目的，提供一种内窥镜装置，其具有：内窥镜主体，其设置有插入部和开关，其中，该插入部通过在前端设置的CMOS成像传感器，在外部光束无法到达的体腔内部，对被光源照明的被摄体拍摄由运动图像或者静止图像构成的观察像，该开关与该插入部连接，用于进行静止图像的拍摄指示；摄像机控制单元，其具有控制部，该控制部进行如下的静止图像拍摄控制：通过所述开关的操作来关闭所述光源，使在所述CMOS成像传感器的所有像素内蓄积的电荷复位，然后从该复位状态起打开所述光源，由所述CMOS成像传感器来进行静止图像的拍摄，并且在拍摄结束后关闭所述光源进行的照明，从各个像素读出电荷；以及监视器，其显示由所拍摄的所述运动图像或者所述静止图像构成的观察像和与该观察像有关的信息。
并且，本发明提供一种内窥镜装置的拍摄方法，该拍摄方法通过CMOS成像传感器对被光源照明的体腔内的被摄体进行拍摄，将拍摄到的图像作为由运动图像或者静止图像构成的观察像进行观察，该拍摄方法的特征在于，当在所述体腔内拍摄静止图像时，关闭所述光源，使所述CMOS成像传感器的各个像素内所蓄积的电荷复位，从该复位的状态起打开光源，由所述CMOS成像传感器进行静止图像的拍摄，在从各个像素读出电荷的期间内再次关闭所述光源，从而控制对所述CMOS成像传感器的像素进行蓄积的同步性。
根据本发明，能够提供一种内窥镜装置及其拍摄方法，从而在使用CMOS成像传感器进行拍摄时具有电荷蓄积的同步性，并且即使对于快速移动的被摄体也能够拍摄没有图像失真和图像畸变的观察像。
附图说明
图1是表示第一实施方式的摄像系统结构例子的图。
图2是表示安装第一实施方式的摄像系统的内窥镜装置结构例子的图。
图3是用于对安装于内窥镜装置的摄像系统的拍摄动作进行说明的时序图。
图4是用于对安装于内窥镜装置的摄像系统的拍摄动作进行说明的流程图。
图5是用于对第二实施方式的摄像系统的拍摄动作进行说明的时序图。
符号说明
1 CMOS成像传感器；2 CMOS传感器驱动控制电路；3噪声除去电路/AGC/AD电路(AFE)；4数字信号处理部(DSP)；5、5a、5b LED(光源)；6、6a、6b LED驱动器；7中央处理部(CPU)；8定格开关(freezeswitch)；9存储部；10 DA电路/驱动器；10a DA电路；10b驱动器；11监视器；21插入部；22操作部；23电缆；24摄像机控制单元(CCU)
具体实施方式
下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
在图1中示出本发明的摄像系统的概略结构例子。
该摄像系统由如下部分构成：对被摄体进行拍摄并通过光电转换而生成图像信号的CMOS成像传感器1；驱动CMOS成像传感器1的CMOS传感器驱动控制电路2；用于对所生成的图像信号进行噪声除去和增益调整并实施数字信号化的噪声除去电路/AGC/AD电路3；对数字图像信号进行图像合成或者白平衡处理等各种图像处理的数字信号处理部(DSP)4；在CMOS成像传感器1进行拍摄时对拍摄范围进行照明的光源5(LED5a、5b)；控制LED 5a、5b的发光量来进行驱动的LED驱动器6(6a、6b)；进行装置整体的控制和运算处理的中央处理部(CPU：控制部)7；进行用于通过CMOS成像传感器1来拍摄静止图像的快门指示(触发动作)的定格开关8；将从DSP 4输出的经过图像处理的图像数据以帧单位或者以一幅图像为单位进行存储的存储部9；进行用于显示图像数据的处理(例如模拟化处理等)而向监视器11输出的DA电路/驱动器10；以及显示由运动图像或者静止图像构成的观察像和与该观察像有关的信息(观察位置或者参数等)的液晶显示器等显示用监视器11。
在图2中作为第一实施方式示出了安装前述的摄像系统的内窥镜装置结构例子。在本实施方式的结构部位，对于和图1所示结构部位等同的部位赋予相同的参考符号，省略其说明。
该内窥镜装置由如下部分构成：插入到外部光束基本无法到达的体腔内部(暗空间)的插入部21；与插入部21连接并设置有用于进行静止图像拍摄的指示的定格开关8的操作部22；驱动控制摄像元件和光源而对拍摄到的图像信号进行各种处理的摄像机控制单元(CCU)24；以及显示拍摄到的观察像的监视器11。内窥镜装置主体由插入部21和操作部22构成，并通过由多条信号线构成的电缆23与CCU 24连接，传输包含有拍摄到的图像信号和定格信号的各个控制信号。另外，内窥镜装置主体可以构成为，插入部21具有挠性，能够通过设置于操作部22的操作部位进行弯曲控制。
在插入部21的前端部分上设有CMOS成像传感器1和LED 5a、5b以及未图示的钳子孔(钳子通道)。此处省略对钳子孔的说明。CMOS成像传感器1经由电缆23与CMOS传感器驱动控制电路2连接，LED 5a、5b经由电缆23与LED驱动器6a、6b连接。
CCU 24仅示出了与拍摄有关的部分，其至少具有：前述的CMOS传感器驱动控制电路2；AFE(噪声除去电路/AGC/AD电路)3；数字信号处理部DSP 4；LED驱动器6；CPU 7；存储部9；以及DA电路10a、驱动器10b(DA电路/驱动器10)。此外，对于其它的内窥镜装置驱动所需的通常结构部位作为所配备的部分而省略说明。
另外，虽然在该内窥镜装置的结构例子中，将LED 5a、5b设置于插入部21的前端部分，但是除此以外也可以在操作部22内或者CCU 24内进行设置，并通过光导来进行导光。另外，也可以替代LED而使用激光二极管。如果构成为在CCU 24内设置光源，则能够使用打开和关闭的响应快的灯。另外，在本实施方式中，虽然是使用一个CMOS成像传感器的结构例子，但是也能够适用于采用两个以上的CMOS成像传感器来拍摄立体图像的摄像系统。本实施方式在体腔内拍摄静止图像时，首先关闭LED 5a、5b，从CMOS成像传感器1的各个像素内高速读出(转出)此前所蓄积的电荷，使电荷量复位于“0”。另外，该复位也不限于使所有像素的电荷量为0，而优选尽可能转出为接近“0”，并且最好在静止图像摄影前使所有像素形成均匀的电荷量。或者，如果是具有全局集合(global set)功能的CMOS成像传感器，则使所有像素的电荷量复位。其中，当使LED 5a、5b关闭时，外部光束基本无法到达位于体腔内的CMOS成像传感器1，不会在各个像素中蓄积电荷。
通过这些方法，使蓄积于各个像素的电荷复位时，成为在CMOS成像传感器1的所有像素中没有蓄积电荷的状态。从该复位状态起打开LED5a、5b而使用CMOS成像传感器来拍摄静止图像。从而实现对CMOS成像传感器1的像素进行蓄积的同步性。
参照图3所示的时序图和图4所示的流程图来对该结构中的拍摄动作进行详细说明。
首先将插入部21插入体腔内，在监视器11上显示CMOS成像传感器1所拍摄的运动图像的观察像(步骤1)。然后判定是否有结束体腔内观察的操作(步骤2)。这里如果观察结束，则结束程序。另一方面，观察没有结束(为“否”)时，判定是否有用于进行静止图像拍摄的定格开关8的接通操作(步骤3)。在该判定中如果没有定格开关8的接通操作(为“否”)，则返回步骤1而继续运动图像显示。另一方面，如果进行了定格开关8的接通操作(为“是”)，则产生图3中的定格信号，并且关闭LED 5a、5b(时间t1)。然后，在期间ta中高速转出所有像素中的蓄积电荷S1、S2而复位(步骤5)。另外，通过全局集合功能而使蓄积于所有像素的电荷整体复位。
接着在电荷复位结束后(时间t2)，打开LED 5a、5b(步骤6)，对CMOS成像传感器2的所有像素同时开始电荷蓄积(步骤7)。此时的打开可以是闪动打开(含闪烁)，也可以是通常的打开。另外，拍摄静止图像时的照明光量S5为了实现拍摄时间的高速化而可以如图3所示那样设计为比显示运动图像时的照明光量S4、S6多。
另外，判定是否经过设想的电荷量S3蓄积于所有像素的预定的设定时间(充电期间tb)(步骤8)。在该判定中，如果经过了设定时间(时间t3)(为“是”)，则关闭LED 5a、5b(步骤9)，并且开始从CMOS成像传感器1的像素读出所蓄积的电荷(步骤10)。另外，电荷的读出方法有从所有像素的电荷读出方法和例如基于修剪或者缩放等进行的从像素整体来看为一部分区域的像素的读出方法。
在此，对伴随照明的停止而从像素读出电荷的方法进行说明。CMOS成像传感器1如在发明内容部分说明的那样，在结构上无法对所有像素同时进行读出，而是按照XY地址方式依次读出。因此，越是电荷读出顺序靠后的像素，受光时间越长，导致蓄积了电荷。因此，在本实施方式中，当从各个像素依次读出电荷时，通过预先使LED 5a、5b关闭，避免对读出前的像素进一步蓄积电荷。通过该操作，即使在以通常速度读出电荷时，由于使所有像素的受光时间相同，从而能够生成没有失真的观察像。
接着判定对各个像素的电荷读出(期间tc)是否结束(步骤11)。在该判定中如果读出结束，则打开LED 5a、5b(步骤12)，开始取入运动图像。此时，为了进行拍摄确认，在将运动图像显示于监视器11之前显示拍摄到的静止图像(步骤13)。如果经过在监视器11上确认该静止图像所需的时间，则自动切换为运动图像。当然也可以通过手动操作开关而从静止图像切换为运动图像。
如上所述，本实施方式的第一实施方式的摄像系统，在将内窥镜的插入部21插入体腔内等暗空间内来进行静止图像的拍摄时，在关闭状态下使CMOS成像传感器1的所有像素中蓄积的电荷复位。通过该复位使以不同电荷量蓄积于各个像素的各个电荷消失而成为0或者接近0的大致相同值的电荷。另外，从该时点起打开光源来对被摄体进行照明，并且在使各个像素获得所需光量后关闭，在关闭状态下读出在各个像素中蓄积的电荷。该关闭状态下的电荷读出产生与在电子照相机中的曝光后关闭快门的状态下从摄像元件读出电荷的情况完全相同的状态。因此，在从像素读出电荷的过程中，能够避免进一步对读出前的像素提供光量，可以防止静止图像的像抖动和失真的发生。
并且，本实施方式的摄像系统除了体腔内以外，只要是光源关闭时无法向CMOS成像传感器提供光量的被摄体环境，也能够适用于这种被摄体环境。例如可以考虑对在敷设的管道等的内部移动或者运动的被摄体进行拍摄的摄像系统。
下面参照图5所示的时序图来对第二实施方式进行说明。
本实施方式是如下的例子：相对于前述的第一实施方式，使光源即LED 5a、5b的每个单位时间的发光量增大，并且使CMOS成像传感器1的各个像素中的电荷的蓄积时间缩短。本实施方式的结构除了光源(LED5a、5b)的发光量以外与前述的第一实施方式的结构相同，使用相同参考符号并省略结构说明。
本实施方式如图5所示，在通过定格开关8的接通操作产生定格信号的同时，关闭LED 5a、5b(时间t1)。然后在时间ta之内，使所有像素中的蓄积电荷S1、S2复位。在电荷复位结束后(时间t2)，打开LED 5a、5b，照射出光量比第一实施方式的光量大的照明光。通过按照大光量打开而使曝光时间缩短。从而获得图像抖动和失真更少的静止图像。此时的打开可以是闪动打开(含闪烁)，也可以是通常的打开。在该照明下，可以在短时间内使各个像素的电荷充电到所需的电荷量。在本例中，如图5所示，在充电期间td后，关闭LED 5a、5b，并且开始从CMOS成像传感器1的像素读出所蓄积的电荷。在电荷读出结束后的任意期间te后，打开LED 5a、5b(时间t6)，开始运动图像的取入。此时，与第一实施方式同样，为了进行确认而在监视器11上显示拍摄到的静止图像，然后切换为运动图像。
为了这样照射大光量的照明光，除了使用LED驱动器的发光控制以外，还有其它多种方法。例如选择发光量较大的LED或者增加LED的数量来进行发光控制。或者选择发光量较大的LED，并且在拍摄运动图像时使两个LED中的一个LED打开而在拍摄静止图像时打开两个LED等方式。
另外，CMOS成像传感器中的电荷读出比CCD易于实现读出速度的高速化。这可通过将用于构成XY地址方式的读出用配线(行选择线和列信号线)复线化而在大致同时从多个像素进行读出，并且通过使外观上的读出速度提高而能够在仅接着的区域使静止图像显示于监视器。
本发明包括以下发明。
一种摄像系统，其由如下部分构成：CMOS成像传感器，其在外部光束无法到达的暗空间拍摄被照明的被摄体，并通过光电转换而生成图像信号；
驱动所述CMOS成像传感器的CMOS传感器驱动控制电路；
对所生成的图像信号进行包含噪声除去在内的信号调整和数字化处理的信号调整电路；
对数字图像信号实施图像处理的数字信号处理部；
将经过图像处理的图像信号按照帧单位或者一幅图像的单位进行存储的存储部；
在CMOS成像传感器进行拍摄时对拍摄范围进行照明的光源；
控制所述光源的发光量来对所述光源进行驱动的光源驱动部；
进行装置整体的控制和运算处理的中央处理部；
进行用于使用所述CMOS成像传感器拍摄静止图像的快门指示的定格开关；
记录从数字信号处理部输出的图像数据的存储部；
实施用于显示图像数据的处理的显示驱动部；以及
显示从显示驱动部输出的图像信号的监视器，
其特征在于，
在通过所述定格开关拍摄静止图像之前，停止使用所述光源进行的照明，使在所述CMOS成像传感器的各个像素内所蓄积的电荷复位，并且从该复位的状态起打开所述光源，使用该CMOS传感器拍摄静止图像，在拍摄结束后从各个像素读出电荷的期间内，停止使用所述光源进行的照明，控制对所述CMOS成像传感器的像素进行蓄积的同步性，从而避免对读出前的像素进一步蓄积电荷。

Claims (3)

1.一种内窥镜装置，其特征在于，该内窥镜装置具有：
内窥镜主体，其设置有插入部和开关，其中，该插入部通过在前端设置的CMOS成像传感器，在外部光束无法到达的体腔内部，对被光源照明的被摄体拍摄由运动图像或者静止图像构成的观察像，该开关与该插入部连接，用于进行静止图像的拍摄指示；
摄像机控制单元，其具有控制部，该控制部进行如下的静止图像拍摄控制：通过所述开关的操作来关闭所述光源，将所述CMOS成像传感器的所有像素内所蓄积的电荷复位，然后从该复位的状态起打开所述光源，由所述CMOS成像传感器来进行静止图像的拍摄，在拍摄结束后停止所述光源进行的照明，从各个像素读出电荷；以及
监视器，其显示由所拍摄的所述运动图像或者所述静止图像构成的观察像和与该观察像有关的信息。
2.根据权利要求1所述的内窥镜装置，其特征在于，在所述内窥镜装置中，
所述光源设置于所述插入部的前端或者操作部内的任一处，并通过发光二极管或者激光二极管中的任一方构成。
3.一种内窥镜装置的拍摄方法，该拍摄方法通过CMOS成像传感器对被光源照明的体腔内的被摄体进行拍摄，将拍摄到的图像作为由运动图像或者静止图像构成的观察像进行观察，该拍摄方法的特征在于，
当在所述体腔内拍摄静止图像时，关闭所述光源，使所述CMOS成像传感器的各个像素内所蓄积的电荷复位，从该复位的状态起打开光源，使用所述CMOS成像传感器拍摄静止图像，在从各个像素读出电荷的期间内，再次关闭所述光源，从而控制对所述CMOS成像传感器的像素进行蓄积的同步性。
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