CN102397049A - 电子内视镜系统 - Google Patents

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平田英俊
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Abstract

公开了一种电子内视镜系统，包括电子内视镜、光源装置和温度转换器。电子内视镜在要插入患者体腔内的插入部的远端部中具有CMOS传感器。来自光源装置的照明光通过远端部施加至体腔。温度转换器获得来自CMOS传感器的成像信号中包含的光学黑色(OB)区的平均像素值，并使用温度转换表中的数据，逐帧地将平均OB像素值转换为CMOS传感器的温度。温度转换表表示平均OB像素值与CMOS传感器的温度之间的关系。根据CMOS传感器的温度调整照明光光量，防止图像质量劣化。

Description

电子内视镜系统
技术领域
本发明涉及使用图像传感器来捕获对象内部的图像的电子内视镜系统。
背景技术
在医疗和工业领域普遍使用电子内视镜系统检查对象。电子内视镜系统包括电子内视镜、连接至电子内视镜的处理装置、光源装置等。电子内视镜具有插入到对象内部的插入部。
电子内视镜在插入部的远端(distal end)具有远端部。远端部包括用于向对象内部施加照明光的照明窗、以及用于捕获对象内部的图像的捕获窗。图像传感器(成像设备)通过捕获窗，对照明光照明的对象内部的图像进行捕获。处理装置对图像传感器输出的成像信号进行多种处理，以产生用于诊断的观察图像。在连接至处理装置的监视器上显示观察图像。光源装置具有光量可调整的白色光源，并向电子内视镜提供照明光。在电子内视镜内插入贯通的光导将照明光引导至远端部。通过照明光学系统从照明窗向对象内部施加照明光。
在使用电子内视镜期间，由于光导的传输损失引起的热以及图像传感器发出的热，远端部的温度升高。结果，来自图像传感器的暗电流噪声增加，这使得白缺陷像素(所谓的白色光点)显著。因此，观察图像劣化。此外，光电转换特性可能随温度而变化。由此，成像信号可能饱和。
为了防止远端部中温度升高，已知一种电子内视镜系统，具有用于监控远端部的温度的温度传感器(参见日本专利特开No.63-071233和No.2007-117538)。该电子内视镜系统控制照明光的光量，以保持远端部的温度不超过预定值。
日本专利特开No.2007-252516和No.2008-035883分别公开了一种在远端部具有LED的电子内视镜。由于LED通过发射照明光来释放热，所以有必要根据使用温度传感器测量的远端部温度来控制或限制照明光的光量。
如上所述，测量远端部温度并控制照明光光量以最小化远端部中温度升高是不可或缺的。然而，在远端部中安装温度传感器和信号传输线，这需要额外的空间。相应地，插入部，尤其是插入部的远端部的直径增大。结果，当电子内视镜用于医疗用途时，增加了患者的身体负担。
当根据远端部温度过度减少照明光光量时，观察图像会变得太暗而无法进行诊断。为了适当控制光量，必须尽可能精确地测量远端部的温度，特别是图像传感器的温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子内视镜系统，能够精确检测插入部的远端部的温度，而无需使用温度传感器。
为了实现上述和其他目的，电子内视镜系统包括电子内视镜、存储器和温度转换器。电子内视镜包括要插入到对象内部的插入部、用于照明对象内部的照明部、以及用于捕获被照明的对象内部的图像的图像传感器。照明部通过插入部的远端施加照明光。图像传感器放置在远端处。图像传感器具有多个像素。每个像素具有光电转换功能。存储器存储温度转换信息，温度转换信息表示图像传感器的暗输出值与图像传感器的温度之间的关系。温度转换器获得来自图像传感器的暗输出值，并使用温度转换信息来确定温度。
优选地，电子内视镜系统还包括：光量控制器，用于根据温度控制照明光的光量。针对图像传感器的每N帧，获得暗输出值，N是大于或等于1的整数。针对每N帧，确定温度。当N大于或等于2时，使用第N帧的单独暗输出值或N帧的各个暗输出值的平均值，作为暗输出值。
优选地，在照明光施加过程中的暂停期间，从图像传感器获得暗输出值。在这种情况下，从部分像素获取暗像素值。该部分像素位于图像传感器中图像圈外部的区域中。所获取的暗像素值的平均值用作暗输出值。
优选地，像素分为第一组和第二组。第一组用于捕获对象的图像，第二组用于获得暗输出值。第二组由遮光膜遮蔽。从第二组的各个像素获取的暗像素值的平均值用作暗输出值。当针对每N帧执行温度检测时，该N帧的暗像素值的平均值可以用作暗输出值。
优选地，存储器是存储了温度转换信息的表存储器。使用插值来计算针对表存储器中未包含的暗输出值的温度。
优选地，光量控制器根据温度设置照明光的光量的上限，光量控制器控制照明光的光量不超过该上限。优选地，上限包括具有高光量的第一上限和具有低光量的第二上限，当温度超过第一温度(高温度)时，光量控制器设置第二上限作为所述上限，当温度等于或低于第二温度(低温度)时，光量控制器设置第一上限作为所述上限。
在本发明中，根据图像传感器的输出来检测温度。这消除了对温度传感器的需要。由此，简化了电子内视镜的结构，并防止了插入部直径的增大。
附图说明
从以下结合附图阅读的优选实施例的详细描述中，本发明的上述和其他目的和优点更加明显，在附图中，类似附图标记指示类似或相应部分，其中：
图1是电子内视镜系统的外部视图；
图2是示出了电子内视镜系统的电配置的框图；
图3是CMOS传感器的平面图；
图4是示出了CMOS传感器的电配置的框图；
图5是示出了输出电路的电配置的框图；
图6是示出了电子内视镜系统的操作步骤的流程图；
图7是示出了CMOS传感器的温度与照明光光量上限之间的关系的图；
图8A和8B示出了如何根据CMOS传感器温度的变化来切换光量上限；
图9是照明光光量的三个不同上限的示例图；
图10是照明光光量的上限的示例图；
图11是示出了CMOS传感器的图像圈的示例的说明图；
图12是具有孔径光阑机构(aperture stop mechanism)的光源设备的框图；
图13是示出了孔径光阑机构的示例的说明图；以及
图14是示出了使用CCD的配置的框图。
具体实施方式
图1中电子内视镜系统11包括电子内视镜12、处理装置13和光源装置14。电子内视镜12例如是用于医疗用途，具有要插入患者体内的柔性插入部16、连接至插入部16的基端部分的操作部17、连接至处理装置13和光源装置14的连接器18、以及将操作部17和连接器18连接的通用塞绳(universal cord)19。如图2所示，插入部16的远端(以下称为远端部)20具有成像设备，例如CMOS图像传感器(以下称为CMOS传感器)21。
操作部17具有操作组件，例如用于沿垂直和水平方向引导远端部20的角度旋钮(angle knob)，用于从远端部20上提供的喷嘴喷射空气和水的空气/水按钮，用于记录静止观察图像的释放按钮，以及用于指示监视器22上显示的观察图像的扩大或缩小的变焦按钮。在操作部17的端部形成有镊钳入口(forceps inlet)。通过镊钳入口插入医疗仪器，例如电手术刀。镊钳入口通过贯通插入部16的镊钳通道连接至在远端部20中提供的镊钳出口(forceps outlet)。
处理装置13电连接至光源装置14，并控制电子内视镜系统11的整体操作。处理装置13通过插入贯通通用塞绳19和插入部16的传输缆线向电子内视镜12提供电能，并控制CMOS传感器21。处理装置13通过该传输缆线获得从CMOS传感器21输出的成像信号。处理装置13对成像信号执行多种处理，以产生图像数据。图像数据作为观察图像显示在监视器22上，监视器22通过缆线与处理装置13连接。
如图2所示，远端部20具有镊钳出口、空气/水喷嘴、捕获窗23、照明窗24等。CMOS传感器21放置在捕获窗23后面，以便通过物镜光学系统25形成患者体内的图像。物镜光学系统25包括透镜组和棱镜。照明光通过照明窗24施加至患者体内。光源装置14向电子内视镜12提供照明光。通过光导28将照明光引导至电子内视镜12的照明透镜29。光导28延伸通过通用塞绳19并在电子内视镜12的插入部16中延伸。照明透镜29位于光导28的出射端。通过照明窗24从照明透镜29向患者体内施加照明光。
CMOS传感器21用于捕获被照明的患者体内的图像。CMOS传感器21具有二维布置的多个像素(见图4)。每个像素62具有光电转换功能。每个像素输出累积的信号电荷作为像素信号。每个像素信号按照时间序列被读取并形成成像信号。
如图3所示，CMOS传感器21具有成像表面51。多个像素62布置在成像表面51上。成像表面51具有允许在其上入射光的有效区52、以及围绕有效区52的光学黑区(optical black region，以下简称为OB区)53。有效区52和OB区53彼此区分开来。有效区52是图像捕获区。有效区52中每个像素根据入射光累积信号电荷，并在读取时输出信号电荷作为有效像素信号。另一方面，OB区53是由遮光膜遮蔽的非图像捕获区。OB区53根据暗电流累积信号电荷，并输出信号电荷作为OB像素信号。在有效区52的像素中也产生暗电流，该暗电流变为有效像素信号中的噪声。
有效区52中每个像素具有滤色器，滤色器包括例如拜耳布置(Bayerarrangement)形式的多个色段(color segment)。滤色器可以具有加性的原色(红、绿和蓝)或者减性的原色(青、品红和黄，或者青、品红、黄和绿)。
CMOS传感器21逐线(行线或列线)地读取像素62的像素信号。相应地，一条线的成像信号具有有效区52的有效像素信号，该有效像素信号夹在相应OB区53的OB像素信号之间。每一条线中OB信号的平均值用于从该条线的有效像素信号中减少暗电流导致的噪声。此外，一帧的OB信号的平均值(作为暗输出值)也用于检测CMOS传感器21的温度。温度检测是逐帧执行的。
在位于有效区52的边缘的OB区53中，仅利用OB像素信号形成扫描线。然而，该扫描线仅在消隐时段(blanking period)中产生，并被省略。扫描线中的OB信号也可以用于获得暗输出值。
操作部17具有时序发生器(以下简称为TG)26和CPU 27。TG 26向CMOS传感器21提供时钟信号。CMOS传感器21根据从TG26输入的时钟信号执行成像操作，并输出成像信号。TG 26可以设置在CMOS传感器21中。在电子内视镜12连接至处理装置13之后，电子内视镜12的CPU 27基于来自处理装置13的CPU 31的指令，启动TG 26。
从CMOS传感器21输出的成像信号通过通用塞绳19和连接器18输入到处理装置13。然后，将成像信号暂时存储在数字信号处理电路(以下简称为DSP)32的工作存储器(未示出)中。
处理装置13包括CPU 31、DSP 32、数字图像处理电路(以下简称为DIP)33、显示控制电路34、操作单元35等。
处理装置13的CPU 31通过数据总线、地址总线和控制线(全部都未示出)连接至处理装置13的每个部分，以控制处理装置13的整体操作。ROM 36存储多种程序(OS、应用程序等)和数据(图形数据等)，用于控制处理装置13的操作。CPU 31从ROM 36中读取程序和数据，并将它们在作为工作存储器的RAM 37中展开，以顺序地执行。CPU 31从操作单元35和/或例如LAN等网络获得文本信息(例如，随着每次检查而不同的检查日期、患者信息和操作员信息)，并将文本信息存储在RAM 37中。
DSP 32对有效像素信号(作为来自CMOS传感器21的成像信号的一部分)进行多种信号处理，例如色分离、色插值、增益校正、白平衡调整和伽马校正等，以产生图像信号。将产生的图像信号输入至DIP 33的工作存储器。DSP 32根据例如像素数据产生自动光控制(以下简称为ALC)所必需的数据(以下简称为ALC数据)，并将ALC数据输入到CPU 31。稍后将描述ALC。ALC数据包括像素亮度值的平均值等。
DSP 32还具有用于检测CMOS传感器21的温度的温度转换器38。温度转换器38从来自CMOS传感器21的成像信号之中获得来自OB像素信号的暗输出值。温度转换器38基于温度转换表39的数据，将暗输出值转换为CMOS传感器21的温度。在本实施例中，作为一帧的OB像素信号的平均值的平均OB像素值用作暗输出值。温度转换表39是包含CMOS传感器21的温度与平均OB像素值之间关系的数据表，所述数据表基于在检测CMOS传感器21的温度之前执行的实际测量。温度转换表39存储在作为ROM 36的一部分的表存储器中。CMOS传感器21的温度与平均OB像素值之间的关系基本上不受CMOS传感器21之间的个体差异的影响。相反，平均OB像素值相对于CMOS传感器21中的温度升高而呈指数地增大。例如，CMOS传感器21的温度每升高8℃，平均OB像素值基本上翻倍。通过平均OB像素值的转换而确定的CMOS传感器21温度用于控制照明光光量。这里，忽略CMOS传感器21之间的个体差异。为了更加精确，可以为每个CMOS传感器21单独创建温度转换表39。可以定期维护等方式更新温度转换表39，以反映使用时的误差或个体差异。
DIP 33对DSP 32中产生的图像数据执行多种图像处理，例如电子缩放、颜色增强和边缘增强等。然后，将图像数据作为观察图像输入至显示控制电路34。
显示控制电路34具有用于存储从DIP 33输入的观察图像的VRAM。显示控制电路34通过CPU 31从ROM 36和RAM 37接收图形数据等。图形数据等包括显示掩模(display mask)、文本信息和GUI。显示掩模允许仅显示有效区52中其上捕获了观察图像的成像区域。文本信息包括检查日期、检查时间、患者信息和操作员信息。显示控制电路34将显示掩模、文本信息和GUI叠加到VRAM中存储的观察图像上，然后将观察图像转换成符合监视器22的显示格式的视频信号(分量信号、合成信号等)，并向监视器22输出该视频信号。由此，在监视器22上显示观察图像。
操作单元35是提供给处理装置13的外壳的已知输入设备，例如操作面板、鼠标和键盘。操作单元35也包括电子内视镜12的操作部17中的按钮等。处理装置13的CPU31响应于来自操作单元35的操作信号，启动电子内视镜系统11的每个部分。
此外，处理装置13具有压缩电路、介质I/F、网络I/F等。压缩电路以预定格式(例如，JPEG格式)压缩图像数据。介质I/F响应于释放按钮的操作，将压缩的图像数据记录在可拆卸介质中。网络I/F控制处理装置13与LAN等网络之间的多种数据传输。压缩电路、介质I/F、网络I/F等经由数据总线等连接至CPU 31。
光源装置14具有光源41、波长选择滤波器42和CPU 43。光源41发射从红色到蓝色的宽波长范围中的光(例如，基本上从400nm到800nm的波长范围中的光，下面简称为正常光)。光源41能够控制从其发射的照明光的光量。光源41包括例如LED或LD，并由光源驱动器44驱动。通过聚光透镜46将光源41发射的照明光聚焦到光导28的入射端上。
在来自光源41的照明光之中，波长选择滤波器42仅允许预定波长范围中的窄带光(下面称为特殊光)通过。波长选择滤波器42是半圆形盘，被旋转以在光源41和聚光透镜46之间插入或退出。波长选择滤波器42由电机旋转，并具有用于检测其位置的传感器。在波长选择滤波器42的旋转期间，当波长选择滤波器42插入到光源41和聚光透镜46之间时，施加特殊光(特殊光通过波长选择滤波器42)，当波长选择滤波器42从光源41和聚光透镜46之间退出时，施加正常光。特殊光的示例包括波长在450nm、500nm、550nm、600nm和780nm附近的光。
使用波长在450nm附近的特殊光进行成像，这适合观察身体部位的表面上的精细结构，例如表面血管和麻点图案。波长在500nm附近的照明光适合对身体部位的凹进和凸出进行宏观观察。波长在550nm附近的照明光被血色素大量吸收，因此适合观察微脉管和红肿发炎。波长在600nm附近的照明光适合观察增生或增厚。为了清楚观察深的血管，静脉注射荧光材料，例如靛蓝花青绿(ICG)，并施加波长在780nm附近的照明光。
取代波长选择滤波器42或者附加地，可以使用发射不同波长范围中的光的LED或LD作为光源41。可以按需开启或关闭LED或LD，以在正常光与特殊光之间切换。备选地，可以使用磷光体或荧光材料。当暴露给蓝色激光束时，荧光材料发射绿色至红色激励光，用作正常光。此外，波长选择滤波器42可以用于仅透射特殊光。
光源装置14的CPU 43与处理装置13的CPU 31通信，以控制波长选择滤波器42的操作。CPU 43用作自动光控制设备，用于控制光源驱动器44根据成像条件自动控制照明光的光量。CPU 43基于DSP 32产生的ALC数据，执行自动光控制(以下简称为ALC)。
为执行ALC，光源装置14的CPU 43在每一帧，经由处理装置13的CPU 31，检测CMOS 21的温度。CPU 43根据CMOS传感器21的温度，对光源41输出的照明光的光量设置上限。
例如，如图7所示，针对CMOS传感器21的温度，预先设定高和低阈值Ta和Tb(Ta＞Tb)，并且预先设定照明光光量的高和低上限La和Lb(La＞Lb)。高和低上限La和Lb对应于高和低阈值Ta和Tb。当CMOS 21的温度超过高阈值Ta(例如，60℃)时，CPU 43设置低上限Lb作为上限。执行ALC，使得照明光的光量在不超过低上限Lb的范围内。另一方面，当CMOS 21的温度等于或低于低阈值Tb(例如，50℃)时，CPU 43设置高上限La作为上限，并执行ALC，使得照明光的光量在不超过高上限La的范围内。
将针对CMOS传感器21的温度的高和低阈值Ta和Tb设定为一范围内的预定值，在该范围中确保了CMOS传感器21的正常操作(即，在白色光点不显著或不显而易见的温度范围内)。对于电子内视镜12，逐个型号地设置照明光光量的高和低上限La和Lb。这是因为光导28中的传输损失以及至CMOS传感器21的热传递随电子内视镜12的型号而改变。换言之，至CMOS传感器21的热传递依赖于插入部16内部的结构，并且该结构随电子内视镜12的型号而改变。高和低阈值Ta和Tb例如存储在ROM 36中。
例如，光导28是使用条带(tape)捆绑在一起的石英光纤束。通过照明透镜29将引导至光导28的出射端的照明光分散，并施加至患者身体内部。
如图4所示，CMOS传感器21包括垂直扫描电路56、相关双采样(CDS)电路57、列选择晶体管58、水平扫描电路59、以及输出电路61。
像素62以例如二维方式在成像表面51上布置成矩阵。像素62中每一个像素具有光电二极管D1、放大晶体管M1、像素选择晶体管M2和复位晶体管M3。光电二极管D1根据入射光量将入射光光电转换成信号电荷，并累积信号电荷。由放大晶体管M1将光电二极管D1中累积的信号电荷放大作为像素信号，然后由像素选择晶体管M2以预定间隔读出。根据接收到的光量或电荷累积时间，按照时序，通过复位晶体管M3向漏极传送光电二极管D1中累积的信号电荷。像素选择晶体管M2和复位晶体管M3各自是N沟道晶体管，当高电平“1”施加至栅极时，该N沟道晶体管导通，而当低电平“0”施加至栅极时，该N沟道晶体管截止。
在成像表面51中，沿水平方向(X方向)，行选择线L1和行复位线L2连接至垂直扫描电路56。列信号线L3沿垂直方向(Y方向)连接至CDS电路57。行选择线L1连接至像素选择晶体管M2的栅极。行复位线L2连接至复位晶体管M3的栅极。列信号线L3连接至像素选择晶体管M2的源极。列信号线L3通过CDS电路57连接至相应列的列选择晶体管58。“行”和“列”仅用于指示彼此的相对关系。
CDS电路57基于从TG 26输入的时钟信号，对来自连接至垂直扫描电路56所选择的行选择线L1的像素62的像素信号进行保持，并从像素信号中去除噪声。水平扫描电路59基于从TG 26输入的时钟信号，产生水平扫描信号，以控制列选择晶体管58的导通和截止。
列选择晶体管58设置在CDS电路57与连接至输出电路61的输出总线线路63之间。列选择晶体管58响应于水平扫描信号，选择像素，来自该像素的像素信号传送给输出总线线路63。
按照时间序列读出的像素信号中的每一个作为成像信号通过输出总线线路63发送给输出电路61。输出电路61放大成像信号并对其执行A/D转换，然后输出作为数字数据的成像信号。通过从CPU 27向输出电路61输入增益控制信号，来控制用于放大成像信号的放大因子。输出电路61根据位于OB区53中的各个像素62的OB像素值，对像素62逐列地计算平均OB像素值(平均暗输出值)。输出电路61从位于有效区52中的每个像素62的有效像素值中减去平均OB像素值。由此，输出电路61对有效区52中的有效成像信号执行暗电流校正。然后，输出电路61对暗电流校正后的有效成像信号和平均OB像素信号进行A/D转换。输出电路61输出一条线的成像信号，其中平均OB像素信号和有效成像信号按照这种顺序依次排列。
如图5所示，例如，输出电路61具有平均OB像素值计算器71、平均OB像素值存储器72和LVDS(低压差分信号)电路73。
从CDS电路57输出的每一条线的成像信号被输入至分离器70。分离器70将成像信号分离成有效像素信号和OB像素信号。OB像素信号输入至平均OB像素值计算器71。平均OB像素值计算器71逐线地将OB像素值(暗输出值)平均并计算平均OB像素值(平均暗输出值)。A/D转换器74将平均OB像素值转换成数字数据，然后，数字的平均OB像素值暂时存储在平均OB像素值存储器72中。
在分离器70中分离出的有效像素信号通过一条线(one-line)的延迟电路(未示出)输入至放大器75。D/A转换器78将平均OB像素值转换回模拟数据，然后输入至放大器75。放大器75从有效像素值中减去平均OB像素值，以执行暗电流校正，然后以预定放大因子放大有效像素信号。从放大器75按照时间序列输出的每个有效像素信号(即，有效成像信号)被A/D转换器76转换为数字数据，然后输入至并行-串行转换器(PSC)77。
当暗电流校正后的有效成像信号以及来自平均OB像素值存储器72的平均OB像素值输入到PSC 77时，PSC 77产生成像信号，在该成像信号中，平均OB像素值和多个有效像素值按照这种顺序依次排列。成像信号是N比特的数字数据。数字成像信号被转换为串行信号(其中N比特中每一个比特被串行化)，然后被输入至LVDS电路73。
LVDS电路73是使用两条传输线来传输小幅度信号的差分接口。LVDS电路73将经由PSC 77输入的成像信号传输至DSP 32。在DSP 32中，由串行-并行转换器(未示出)将从LVDS电路37输入的串行成像信号转换成并行信号，然后其被接收。
接下来，描述如上配置的电子内视镜系统11的操作。为了使用电子内视镜12观察患者身体内部，操作员连接电子内视镜12、处理装置13和光源装置14，然后开启处理装置13和光源装置14。使用操作单元35输入患者信息等。将插入部16插入到患者体内以开始检查。响应于开始检查的指令，在通过远端部20的照明窗24施加照明光(例如，正常光)的同时，CMOS传感器21捕获患者身体内部的图像。CMOS传感器21输出所捕获图像的成像信号。基于成像信号产生观察图像，并将其显示在监视器22上。
如图6所示，在以预定光量的照明光照射患者身体内部的同时使用电子内视镜12捕获图像时(S11)，CMOS传感器21输出成像信号(S12)。在该步骤，CMOS传感器21逐列地从各个像素62输出的信号之中，计算平均OB像素值，平均OB像素值是位于OB区53中的像素62的OB像素值的平均值。CMOS传感器21从位于有效区52中的每个像素62的有效像素值中减去平均OB像素值，以执行暗电流校正。然后，CMOS传感器21产生成像信号，其中平均OB像素值被添加至一条线的校正后有效像素值。成像信号输入至DSP 32。
在来自CMOS传感器21的一条线的成像信号之中，DSP 32逐线地对有效像素信号执行多种信号处理，例如色分离、色插值、增益校正、白平衡调整和伽马校正。由此产生图像信号。图像信号输入至DIP 33。DSP 32根据产生的成像信号计算一帧的平均亮度等。一帧的平均亮度等用作ALC数据。DSP 32将ALC数据经由处理装置13的CPU 31输入至光源装置14的CPU 43。DIP 33对输入的图像信号执行多种图像处理，例如电子缩放、颜色增强和边缘增强。由此，产生观察图像。通过显示控制电路34将观察图像显示在监视器22上。
另一方面，DSP 32根据一条线的成像信号之中的平均OB像素值，使用算术平均来计算一帧的平均OB像素值(暗输出值)。温度转换器38基于温度转换表39中存储的平均OB像素值(暗输出值)与温度之间的关系，将平均OB像素值转换为CMOS传感器21的温度(S13)。针对每一帧获得CMOS传感器21的温度的数据，并通过处理装置13的CPU 31将数据输入至光源装置14的CPU 43，CPU 43执行光源41的ALC。
根据输入的CMOS传感器21的温度，光源装置14的CPU 43对用于执行ALC的照明光的光量设置上限，即预先设定的上限La和Lb之一(S14)。CPU 43自动将光源41发射的照明光的光量控制在不超过上限La或Lb的范围内(S15)。
重复电子内视镜系统11的上述操作步骤，直到检查结束，并中止对患者身体内部的图像捕获。
如图7所示，在CMOS传感器21的温度升高和降低之间，CMOS传感器21的温度和照明光光量上限之间的关系发生变化。当CMOS传感器21的温度不高并开始升高时，例如，紧接在检查开始之后，将光量上限设置为高上限La。保持高上限La，直到CMOS传感器21的温度达到Ta(高温度阈值)。当CMOS传感器21的温度超出高温度阈值Ta时，将光量上限切换为低上限Tb。在将光量上限设置为低上限Lb之后，当CMOS传感器21的温度降低时，保持低上限Lb，直到CMOS传感器21的温度达到Tb(低温度阈值)。当CMOS传感器21的温度等于或低于低阈值Tb时，将低上限Lb切换为高上限Ta。
如图8A和8B所示，例如，从紧接检查开始之后到时间A1，照明光光量上限设置为高上限La，以执行ALC。基于ALC数据，光源装置14的CPU 43自动将照明光光量控制在不超过高上限La的范围内，以便在监视器32上显示适合诊断的观察图像。
在体腔内部进行图像捕获期间，当CMOS传感器21的温度在时间A1超过温度Ta时，光源装置14的CPU 43从高上限La切换到低上限Lb。基于ALC数据，CPU 43自动将照明光光量控制在不超过低上限Lb的范围内。即使由ALC数据确定的为捕获适合诊断的观察图像而必需的照明光光量超过低上限Lb，照明光光量也被限制为不超过该低上限Lb。由此，例如，相比于在紧接检查开始之后与时间A1之间的时段中，在时间A1与时间B1之间的时段中，照明光光量减少。结果，在远端部20中，减少了由光导28的传输损失引起的热。
如上所述，在自动光控制下，使用不超过低上限Lb的光量的照明光，继续进行图像捕获。当CMOS传感器21的温度在时间B1等于或低于低温度阈值Tb时，光源装置14的CPU 43从低上限Lb切换到高上限La。由此，相比于在时间A1与时间B1之间的时段中，在时间B1与时间A2之间的时段中，在不超过上限La的范围内施加具有更高光量的照明光。
此后，以上述相同方式，光源装置14的CPU 43在根据CMOS传感器21的温度在照明光光量的上限之间进行切换的同时，执行ALC。由此，即使在图像捕获期间连续施加不超过上限La或Lb的光量的照明光，CMOS传感器21的温度也实质上保持在低温度阈值Tb与高温度阈值Ta之间。
如上所述，电子内视镜系统11不使用温度传感器来检测远端部20的温度，具体的是CMOS传感器21的温度。而是，电子内视镜系统11使用CMOS传感器21的暗电流来间接检测CMOS传感器21的温度。这消除了对温度传感器和信号传输线的空间的需要。因此，有利于减小插入部16的直径。
基于来自CMOS传感器21的成像信号，检测CMOS传感器21的温度。因此精确地确定CMOS传感器21的温度。
电子内视镜系统11在ALC期间根据CMOS传感器21的温度，在照明光光量的高和低上限之间切换。因此，可以在宽范围内设置针对CMOS传感器21温度的高和低阈值Ta和Tb以及光量的高和低上限La和Lb。当温度传感器与CMOS传感器21分离时，使用温度传感器测量的温度通常不符合CMOS传感器21的实际温度。在这种情况下，为了确保CMOS传感器21的温度不超过预定值，需要在比上述范围窄的范围内设置高和低阈值Ta和Tb以及高和低上限La和Lb。
在ALC期间，电子内视镜系统11在两个光量上限之间的切换具有相对于CMOS传感器21温度变化的滞后(参见图7)。这防止了两个上限之间的频繁切换。因此，减少了照明光亮度和观察图像亮度振荡而引起的不适感和不方便。如果没有滞后，并且无论CMOS传感器21的温度是升高还是降低，都以相同条件来切换上限，则可能会频繁地反复切换。例如，CMOS传感器21的温度可能在低上限切换到高上限的时刻升高，这导致从高上限切换到低上限，反之亦然。
在上述实施例中，作为示例，使用正常光作为照明光。备选地，可以使用特殊光作为照明光。正常光和特殊光可以结合使用，或者在需要时彼此切换。
在上述实施例中，作为示例，使用彩色图像传感器。备选地，可以使用单色图像传感器。使用旋转滤色器将照明光的颜色依次切换为红色、绿色和蓝色，以逐帧地获得每种颜色的成像信号(所谓的顺序方法)。
在上述实施例中，通过逐帧(针对每一帧)计算平均OB像素值，来确定CMOS传感器21的温度。因为CMOS传感器21的帧速率是例如60fps或30fps，并且这足够快于CMOS传感器21的温度变化速度，所以可以每N(N是大于或等于2的整数)帧检测一次温度，例如，每5帧。在这种情况下，也可以针对每5帧计算平均OB像素值。
为针对每N帧检测温度，可以使用相应N帧的平均像素值(N帧平均像素值)的算术平均，而不是第N帧的平均OB像素值。该N帧平均像素值进一步减小了随机噪声的影响。因此，精确检测CMOS传感器21的温度。
在上述实施例中，使用OB区53中所有OB像素，来获得一帧的平均OB像素值(暗输出值)。备选地，可以使用OB区53中单个OB像素的像素值，作为暗输出值。备选地，可以使用OB区53内部预定区域上的OB像素的平均OB像素值，作为暗输出值。由此，辅助了暗输出值的计算。
在上述实施例中，逐线地获得平均OB像素值，并逐线地执行有效成像信号的暗电流校正。备选地，可以预先获得一帧的平均OB像素值(帧平均OB像素值)。可以使用帧平均OB像素值来校正帧内的有效成像信号。此外，由于输出的OB像素信号之间夹有有效像素信号，所以可以使用前一条线的平均OB像素值来校正下一条线的有效成像信号。此外，前一帧的帧平均OB像素值可以用于下一帧的暗电流校正。
在上述实施例中，逐线地计算平均OB像素值。备选地，可以直接计算整个OB区53的平均OB像素值。备选地，可以对前一条线的OB像素值和下一条线的OB像素值求平均，以计算新的平均OB像素值。例如，可以在一帧中，逐线地累积地更新平均像素值。由此，进一步减小了时变随机噪声。因此，精确检测CMOS传感器21的温度。
在上述实施例中，作为示例，考虑到温度转换表39中存储的平均OB像素值与CMOS传感器21的温度之间的关系，将平均OB像素值转换为CMOS传感器21的温度。在温度转换表39中预先存储的数据可以是离散的。当温度转换表39未包含与所获得的平均OB像素值对应的CMOS传感器21的温度时，优选地，通过使用温度转换表39中包含的数据进行插值，来计算对应的温度。由此，减少了温度转换表39的数据容量。此外，更易于执行用于创建温度转换表39的测量。
在上述实施例中，作为示例，使用温度转换表39作为对平均OB像素值与CMOS传感器21的温度之间的关系进行表示的信息。可以获得CMOS传感器21的温度与平均OB像素值之间的关系的函数表达式或函数公式，来取代温度转换表39。可以使用函数表达式，根据平均OB像素值计算CMOS传感器21的温度。
在上述实施例中，作为示例，将平均OB像素值转换为CMOS传感器21的温度。平均OB像素值与CMOS传感器21的温度之间的关系实质上恒定，这允许省去将平均OB像素值转换为CMOS传感器21的温度的步骤。即，可以仅仅基于平均OB像素值来设置照明光光量上限。在上述实施例中，关于CMOS传感器21的温度来设置温度阈值Ta和Tb。另一方面，当在不转换为CMOS传感器21的温度的情况下，使用平均OB像素值作为ALC的参数，可以基于平均OB像素值来设置温度阈值。
在上述实施例中，作为示例，关于CMOS传感器21的温度设置了两个温度阈值Ta和Tb，并且针对照明光光量设置了两个上限La和Lb。可以按照需求，设置温度阈值的个数和上限的个数。
优选地，对CMOS传感器21的温度设置三个或更多个温度阈值。优选地，对照明光光量设置三个或更多个上限。例如，如图9所示，关于CMOS传感器21的温度设置了三个阈值Ta、Tb和Tc(Ta＞Tb＞Tc)。关于照明光光量设置了三个上限La、Lb和Lc(La＞Lb＞Lc)。在CMOS传感器21的温度T升高期间，当温度T满足T＜Tc时，将光量上限设置为最高上限La。当温度T满足Tb≤T(＜Ta)时，最高上限La切换到中等上限Lb。当温度T满足Ta≤T时，中等上限Lb切换到最低上限Lc。另一方面，为降低CMOS传感器21的温度T，当温度T满足Tb＜T时，将光量上限设置到最低上限Lc。当温度T满足(Tc＜)T≤Tb时，最低上限Lc切换到中等上限Lb。此后，当温度T满足T≤Tc时，中等上限Lb切换到最高上限La。因此，随着温度阈值个数的增多，更加平滑地调整照明光光量。结果，减小了照明光亮度和观察图像亮度的振动所导致的不适感和不方便。
在上述实施例中，温度阈值(Ta和Tb)的个数与照明光光量上限(La和Lb)的个数相等。备选地，温度阈值的个数与上限的个数可以彼此不同。例如，如图10所示，有两个温度阈值Ta和Tb，但是只有一个照明光光量上限Ls。在CMOS传感器21的温度升高期间，当CMOS传感器21的温度T满足T＜Ta时，去除上限，即，对于光源41的最大输出没有限制。当温度T满足Ta≤T时，设置上限Ls。另一方面，为降低CMOS传感器21的温度T，当温度T满足Tb＜T时，设置上限Ls。当T≤Tb时，去除上限Ls，即，对于光源41的最大输出没有限制。
在图像传感器不具有OB区53的情况下，或者在图像传感器不输出OB区53的数据的情况下，可以间歇地施加照明光。在照明光施加之间的暂停期间，来自有效区52中像素的输出信号可以用作暗电流。例如，类似图11所示CMOS传感器81，当整个成像表面是有效区83时，可以使用物镜光学系统25的图像圈82未覆盖的区域84a到84d，来取代OB区53。可以在照明期间获取来自区域84a到84d的输出信号。更优选地，在间歇性照明之间的暂停期间获取输出信号。
在上述实施例中，使用平均OB像素值来检测CMOS传感器21的温度。备选地，作为简单检测，可以使用有效成像信号(即，来自有效区52的输出信号)来检测CMOS传感器21的温度。
不使用光量可调的LED或LD，而使用例如氙气灯作为光源41。氙气灯发射自然白光。然而，氙气灯在加电之后需要较长时间来稳定发光。因此，在观察期间难以通过开启和关闭氙气灯来直接控制其发光量。在这种情况下，如图12所示，向光源装置14提供孔径光阑机构86，以调整照明光。该孔径光阑机构86受到光源装置14的CPU 43控制，并用于调整从光源41入射到光导28上的照明光的光量。
如图13所示，孔径光阑机构86被提供有光圈叶片88和弹簧89。光圈叶片88覆盖或露出孔阑87。弹簧89将光圈叶片88朝着覆盖孔阑87的位置偏置。对抗弹簧89的偏置力，电机(或仪表)产生的扭矩将光圈叶片88沿增大孔阑87的开口的方向(顺时针方向)转动。光圈叶片88停止在扭矩和弹簧89的偏置力相平衡的位置处。当扭矩增大时，对抗弹簧89的偏置力的力也增大。因此，孔阑87的开口增大。当扭矩减小时，对抗弹簧89的偏置力的力也减小。因此，孔阑87的开口减小。电机90的扭矩随PWM(脉宽调制)值的增大而增大，并随PWM值的减小而减小。
基于DSP 32计算的ALC数据，光源装置14的CPU 43控制包括光圈叶片88和弹簧89的孔径光阑控制机构91。根据ALC数据，CPU 43计算用于确定电机90的扭矩的PWM值。电机驱动器(未示出)根据PWM值产生驱动脉冲以驱动电机90。PWM值确定电机90的驱动脉冲的占空比或占空率(脉冲持续时间或脉冲宽度除以脉冲周期)。即，PWM值确定电机90的扭矩。当ALC数据是请求增大扭矩的信号时，CPU 43相应地增大PWM值。当ALC数据是请求减小扭矩的信号时，CPU 43相应地减小PWM值。
在上述实施例中，适当地使用已知的光量可调的LED或LD作为光源41。例如，通过同时从三种颜色(红、绿和蓝)芯片发射光，或者通过将发射蓝光的LD(或LED)与在暴露给蓝光时发射黄光的荧光板相组合，来产生白光。
在上述实施例中，根据CMOS传感器21的温度，直接控制照明光光量。备选地，可以根据CMOS传感器21的温度，在输出电路61中调整成像信号的放大因子。由此，间接减少ALC所需的照明光光量。
在上述实施例中，将CMOS传感器21用作在电子内视镜12中使用的图像传感器(成像设备)的示例。备选地，可以使用其他类型的图像传感器，例如CCD图像传感器(以下称为CCD)。如图14所示，当使用CCD 96作为图像传感器时，可以向模拟前端(AFE)97提供与CMOS传感器21的输出电路61兼容的CDS电路100或类似电路，以从CCD 96获得成像信号。
在上述实施例中，像素62包括三个晶体管M1到M3。像素62可以包括四个晶体管。像素62可以共享像素选择晶体管M2。像素62的晶体管M1和M2可以位于浮动扩散部(floating diffusion section)的下游，来自光电二极管D1的信号通过传输晶体管(transfer transistor)传送至浮动扩散部。像素62可以共享浮动扩散部，来自像素62的光电二极管D1的信号被传送至浮动扩散部。本发明可应用于上述任何配置。
从CMOS传感器21中各个像素62输出的暗输出值由于制造过程(在上述实施例中省略了描述)期间导致的结构误差而在像素之间发生变化。当读出成像信号时，逐像素地执行偏移校正，以使暗输出值基本上彼此相等。即使对CMOS传感器21输出的成像信号执行偏移校正，本发明也可应用。类似地，在使用CCD取代CMOS传感器21的情况下也执行偏移校正。
本发明中可以存在多种改变和修改，这些改变和修改应视为在本发明范围内。

Claims (14)

1.一种电子内视镜系统，包括：
电子内视镜，包括要插入到对象内部的插入部、用于照明对象内部的照明部、以及用于捕获被照明的对象内部的图像的图像传感器，照明部通过插入部的远端施加照明光，图像传感器放置在远端处，图像传感器具有多个像素，每个像素具有光电转换功能；
存储器，用于存储温度转换信息，温度转换信息表示图像传感器的暗输出值与图像传感器的温度之间的关系；以及
温度转换器，用于获得来自图像传感器的暗输出值，并使用温度转换信息来确定温度。
2.根据权利要求1所述的电子内视镜系统，还包括：光量控制器，用于根据温度控制照明光的光量。
3.根据权利要求2所述的电子内视镜系统，其中，针对图像传感器的每N帧，获得暗输出值，N是大于或等于1的整数。
4.根据权利要求3所述的电子内视镜系统，其中，针对每N帧，确定温度。
5.根据权利要求4所述的电子内视镜系统，其中，当N大于或等于2时，使用第N帧的单独暗输出值或N帧的各个暗输出值的平均值，作为暗输出值。
6.根据权利要求4所述的电子内视镜系统，其中，在照明光施加过程中的暂停期间，从图像传感器获得暗输出值。
7.根据权利要求6所述的电子内视镜系统，其中，从部分像素获取暗像素值，该部分像素位于图像传感器中图像圈外部的区域中，所述暗像素值的平均值用作暗输出值。
8.根据权利要求4所述的电子内视镜系统，其中，像素分为第一组和第二组，第一组用于捕获对象的图像，第二组用于获得暗输出值，第二组由遮光膜遮蔽。
9.根据权利要求8所述的电子内视镜系统，其中，从第二组的各个像素获取的暗像素值的平均值用作暗输出值。
10.根据权利要求9所述的电子内视镜系统，其中，暗输出值是N帧的暗像素值的平均值。
11.根据权利要求4所述的电子内视镜系统，其中，存储器是存储了温度转换信息的表存储器。
12.根据权利要求11所述的电子内视镜系统，其中，使用插值来计算与表存储器中未包含的暗输出值相对应的温度。
13.根据权利要求4所述的电子内视镜系统，其中，光量控制器根据温度设置照明光的光量的上限，光量控制器控制照明光的光量不超过该上限。
14.根据权利要求13所述的电子内视镜系统，其中，上限包括具有高光量的第一上限和具有低光量的第二上限，当温度超过作为高温度的第一温度时，光量控制器设置第二上限作为所述上限，当温度等于或低于作为低温度的第二温度时，光量控制器设置第一上限作为所述上限。
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