CN103068300B - 内窥镜系统、控制方法以及摄像装置 - Google Patents

Abstract

提供内窥镜系统、控制方法以及摄像装置等，通过自动判定观察状态，判断进行使景深和分辨率中的哪一个优先的光圈控制等。内窥镜系统包括：摄像部（200），其经由光学系统和摄像元件（206）拍摄被摄体；观察状态判定部（320），其判定由摄像部（200）取得的被摄体的观察状态；以及光圈控制部，其根据由观察状态判定部（320）判定出的观察状态，对包含在光学系统中的光圈的状态进行控制，光圈控制部在判定为观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过摄像元件（206）确定的分辨率，在判定为观察状态是第二观察状态的情况下，与第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈。

Description

内窥镜系统、控制方法以及摄像装置

技术领域

本发明涉及内窥镜系统、控制方法以及摄像装置等。

背景技术

在内窥镜那样的摄像装置中，为了不对医生的诊断造成妨碍，对于在体腔内拍摄的图像，要求实现全景对焦的图像。但是，在内窥镜的情况下，作为对象的被摄体不限于平面，而是大肠或支气管等的管腔状的被摄体。因此内窥镜使用光圈值（以下也称之为F值）较大的光学系统来加深景深，从而实现这样的性能。

另一方面，近些年来在内窥镜系统中逐渐开始使用超过100万像素的高像素的摄像元件。但是，在内窥镜系统的情况下，设置于末端部的摄像元件的大小存在制约，为了增大像素数，必须减小像素节距（1个像素的纵横尺寸）。因此，光学系统的景深是根据容许弥散圆的大小来确定的，但由于高像素的摄像元件中容许弥散圆与像素节距都很小，因而摄像装置的景深变小。这种情况下，虽然可考虑通过增大光学系统的光圈值来维持景深，但是光学系统会变暗且噪声增加，由此导致画质变差。另外，如果光圈值增大，则衍射的影响也会增大，成像性能会变差，从而会产生即便提高了摄像元件的像素，也无法取得较高分辨率的图像的问题。

在专利文献1中示出了在存在有上述问题且具有可变光圈的内窥镜系统中兼顾景深和光量的例子。专利文献1是如下技术：能够通过使对焦功能和光圈动作适当地联动，使得不会徒劳地观察景深的范围。

另外，专利文献2示出了抑制基于光圈值而产生的分辨率变化的例子。在该例子中，在减小光学系统的光圈值的情况下减弱轮廓强调，在增大光学系统的光圈值的情况下加强轮廓强调，从而能与光圈值无关地取得固定的分辨率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-342122号公报

专利文献2：日本特开平8-181909号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1的方法中，具有对焦功能的光学系统以固定最远点的亮度的方式调整光圈，由此能够使得不会徒劳地观察景深内的范围，但在将焦点对准到近点侧的情况下，缩小光圈，因此无法得到原本摄像元件所具备的分辨率。并且，该方法无法应用于原本没有对焦功能的内窥镜系统。

通过把专利文献2的方法应用于以无法忽视上述衍射影响的F值拍摄的摄像图像，能一定程度地恢复分辨率，但是会产生这样的问题：由于高频成分原本就不具备足够的能量，因此会成为极端地提升高频的处理，噪声会增大。

根据本发明的几个方式，能够提供一种内窥镜系统、控制方法以及摄像装置等，通过自动判定观察状态，判断进行使景深和分辨率中的哪一个优先的光圈控制等。

另外，根据本发明的几个方式，能够提供一种内窥镜系统、控制方法以及摄像装置等，所述内窥镜系统具有可变光圈，即使在使用了如下像素节距的摄像元件的情况下，也能拍摄原本摄像元件所具备的分辨率的图像，其中，上述像素节距使得为了得到实用的景深而增大F值时，其弥散圆由于衍射的影响而无法收敛于作为目标的容许弥散圆以下。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式涉及内窥镜系统，其包括：摄像部，其经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体；观察状态判定部，其判定由所述摄像部取得的所述被摄体的观察状态；以及光圈控制部，其根据由所述观察状态判定部判定出的所述观察状态，对包含在所述光学系统中的光圈的状态进行控制，所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈。

在本发明的一个方式中，在例如自动判定出观察状态后，根据判定出的观察状态进行光圈的控制。因此，能够实现可变光圈，即使在使用了如下像素节距的摄像元件等的情况下，也能拍摄摄像元件原本所具备的分辨率的图像，其中，上述像素节距是：例如为了得到实用的景深而增大F值时，其弥散圆由于衍射的影响而无法收敛于作为目标的容许弥散圆以下。

本发明的另一方式涉及控制方法，其中，经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体，对所拍摄的所述被摄体的观察状态进行判定，在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈。

本发明的又一方式涉及摄像装置，其包括：摄像部，其经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体；观察状态判定部，其判定由所述摄像部取得的所述被摄体的观察状态；以及光圈控制部，其根据由所述观察状态判定部判定出的所述观察状态，对包含在所述光学系统中的光圈的状态进行控制，所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈。

附图说明

图1（A）是没有考虑衍射极限时的光的会聚的例子，图1（B）是考虑到衍射极限时的光的会聚的例子。

图2是艾里斑（Airy disk）直径d与F值的值F之间的关系图。

图3是景深的说明图。

图4是艾里斑直径d小于容许弥散圆的大小K·P的情况下的例子。

图5（A）是景深的远点的说明图，图5（B）是景深的近点的说明图。

图6是艾里斑直径d大于容许弥散圆的大小K·P的情况下的例子。

图7（A）是景深的远点的说明图，图7（B）是景深的近点的说明图。

图8是第一观察模式（诊察状态）和第二观察模式（搜索状态）之间的关系图。

图9是F值的值F与容许弥散圆的大小之间的关系图。

图10是景深幅度与F值的值F之间的关系图。

图11是用于实现景深幅度D的F值的值F的说明图。

图12是本实施方式的系统结构例。

图13是使用了LED光源的光源部的结构例。

图14是旋转滤色器的结构例。

图15是滤色器的分光特性。

图16是图像处理部的结构例。

图17是观察状态判定部的结构例。

图18是控制部的结构例。

图19（A）～图19（C）是示出运动信息与F值之间的关系的例子的图。

图20是观察状态判定部的另一结构例。

图21（A）是周缘部比中心部亮的情况下的说明图，图21（B）是中心部比周缘部亮的情况下的说明图。

图22（A）是拍摄管腔状的被摄体时的说明图，图22（B）是正对被摄体时的说明图。

图23是观察状态判定部的又一结构例。

具体实施方式

下面对本实施方式进行说明。另外，以下说明的本实施方式并不对权利要求书中记载的本发明的内容进行不恰当的限定。另外，本实施方式所说明的所有结构并非都是本发明所必须的构成要件。

1.本实施方式的方法

首先说明衍射极限和艾里斑。光由于具有波动的性质，因而存在衍射现象，因此即便光会聚于1点（焦点对准），也不会如图1（A）所示会聚于无限小的点，而是会如图1（B）所示具有某种程度的大小。该极限就称作衍射极限，会聚点的大小称作艾里斑。图1（B）中，d表示艾里斑直径。越增大F值（越缩小光圈），则艾里斑直径d会变得越大，成为图2所示的关系。

接着使用图3来详细地说明景深。在此，朝右的箭头表示正值的矢量，朝左的箭头表示负值的矢量。首先考虑在与光学系统的后侧焦点位置相距XB’的位置处配置了像素节距（1个像素的纵横尺寸）为P的摄像元件的情况。此时，光学系统在摄像元件的摄像面上成像性能最好的被摄体位置（对焦位置）被表示为与光学系统的前侧焦点位置相距XB的位置。当XB’确定时，XB可根据如下的牛顿成像式被唯一地计算出来。此处，f是光学系统的焦距。

XB·XB’=－f·……（1）

当使被摄体从XB移动到XN的位置时，此时的像面位置XN’从摄像面向光学系统的反方向移动。然而，当摄像面上的弥散圆的直径比摄像装置的分辨率K·P（其中K是根据滤色器排列方式和插值处理而确定的系数）小的情况下，XN的物体可看作是已对焦。将此时的分辨率K·P作为容许弥散圆。

将摄像面上的弥散圆直径小于等于K·P的范围定义为近点侧的景深，将弥散圆直径与K·P一致的被摄体位置称作近点。此后将近点位置表示为与前侧焦点位置相距XN的位置。远点侧关于景深的定义也相同，将远点侧的弥散圆直径与K·P一致的被摄体位置称作远点。此后将远点的位置表示为与前侧焦点位置相距XF的位置。

关于被摄体处于近点时摄像面上的弥散圆的直径，可以使用光学系统的数值孔径NA’=sin（u’）（其中，u’是图3所示射入摄像面的光线与光轴所成的角），近似为：弥散圆直径=2（XN’－XB’）·NA’。由于近点处弥散圆的直径与K·P一致，因此下式（2）成立。

2（XN’－XB’）·NA’=K·P……（2）

使用作为F值与数值孔径的关系式的下式（3）对上式（2）进行变形，得到下式（4）。其中F是光学系统的F值。

$F=\frac{1}{2N{A}^{\′}}.....\left(3\right)$

XN’－XB’＝K·P·F……（4）

进而使用（1）式所示的牛顿式对（4）式进行变形时，式（5）所示近点侧的景深的关系式成立。

$\frac{1}{\mathrm{XB}}-\frac{1}{\mathrm{XN}}=\frac{K\·P\·F}{f^2}.....\left(5\right)$

如果采用与近点侧相同的方法来计算远点侧的景深的关系式，则可得如下的式（6）。

$\frac{1}{\mathrm{XF}}-\frac{1}{\mathrm{XB}}=\frac{K\·P\·F}{f^2}.....\left(6\right)$

上式（5）、（6）还可以进行如下变形，使用它们可以计算出近点位置XN和远点位置XF。

$\mathrm{XN}=\frac{f^2\·\mathrm{XB}}{f^2-\mathrm{KPF}\·\mathrm{XB}}.....\left(7\right)$

$\mathrm{XF}=\frac{f^2\·\mathrm{XB}}{f^{2+}\mathrm{KPF}\·\mathrm{XB}}.....\left(8\right)$

上式（7）、（8）表示下述情况：在光学系统的焦距f、F值F、系数K、对焦位置XB固定的情况下，随着摄像装置的分辨率K·P变小，近点和远点接近对焦位置，景深的幅度变小。

反之表示下述情况：若将摄像装置的分辨率K·P的K或F值F设定得较大，则景深的幅度会变大。在本实施方式中，考虑这样的方法：K固定，通过改变F来改变景深。

接着说明容许弥散圆与艾里斑之间的关系。如图4所示，当艾里斑直径d比容许弥散圆的大小K·P小的情况下，如图5（A）和图5（B）所示，可通过上述方式求出景深。

另一方面，如图6所示，当艾里斑直径d比容许弥散圆的大小K·P大的情况下，景深不是通过K·P而是通过d来确定的。由图可知，这是由于弥散圆的大小大于等于d，因此即使在对焦的状态下，也不会小于等于K·P。亦即，此时容许弥散圆的大小并非K·P而是d。

由于容许弥散圆变大，因此分辨率会降低（分辨率下降），而如图7（A）、图7（B）所示，景深可能变大。

本申请人提出了如下的方法：在医生移动内窥镜末端来搜索病变的状态（搜索状态）下，将d设定为大于K·P，并且在医生使内窥镜末端静止来诊察关注区域的状态（诊察状态）下，将d设定为小于K·P。由此，既能取得最大限度地发挥了摄像装置的能力的分辨率的图像，又能实现全景对焦（景深较大的状态）。

具体而言，在搜索状态下，增大F值（缩小光圈），特意增大衍射极限的影响，由此，虽然分辨率会降低，然而能实现加大景深的模式。另外，在诊察状态下，减小F值，使得处于不受衍射极限的影响的状态，由此，虽然景深会变小，然而能实现取得摄像装置所确定的高分辨率的图像的模式。

图8表示出搜索状态和诊察状态。例如以d=K·P的点作为界线，来确定是搜索状态还是诊察状态。

进一步说明要实现全景对焦时，使用搜索状态的优点。

图9示出设搜索状态与诊察状态的界线处的F值为F’时F值与容许弥散圆之间的关系。当F小于F’时，容许弥散圆的大小为K·P且固定。另外，当F大于F’时，容许弥散圆的大小通过d来确定，而如图8所示，d具有随着F增大而变大的性质，因此如图9所示，在搜索状态下，随着F变大，容许弥散圆也会变大。

如上所述，景深具有随着F值变大而变大的性质，另外，随着容许弥散圆变大也会变大。也就是说，对景深与F值之间的关系进行图示时，成为图10所示那样。当F小于F’（诊察状态）时，随着F变大，由于F值增大的影响，景深也会以某个斜率S1增大。并且，当F大于F’（搜索状态）时，由于同时受到F值增大的影响和容许弥散圆增大的影响，景深会以使得S2＞S1的斜率S2增大。

因而，相比仅使用不受衍射极限影响的模式（诊察状态）的情况，能增大景深相对于F值增大的增大率。因此当需要某种景深时，相比仅使用诊察状态的情况，能通过较小的F值实现该景深。图11图示出这种情况。当需要景深D时，在仅使用诊察状态的情况下需要使F值为F2，而如果使用搜索状态，则可使用使得F1＜F2的F1来实现。

也就是说，当实现相同的景深D时，由于能使用较小的F值，因此能取得更为明亮的图像。尤其在内窥镜系统的窄带光观察（例如NBI等）等、原本光量较少而容易成为较暗图像的系统中能够发挥效果。

2.第一实施方式

图12是示出第一实施方式的内窥镜系统的整体结构的框图。本实施方式的内窥镜系统包括光源部100、摄像部200、处理器部300、显示部400、外部I/F部500。

光源部100包括白色光源101、光源光圈102、驱动光源光圈102的光源光圈驱动部103、具有多个分光透射率的旋转滤色器104、驱动旋转滤色器104的旋转驱动部105、使来自旋转滤色器104的具有分光特性的光会聚到光纤201的入射端面上的聚光透镜106。

光源光圈驱动部103通过根据来自处理器部300的控制部330的控制信号进行光源光圈102的开闭来进行光量的调节。例如图13所示，此处光源部100也可以设为替代白色光源101和光源光圈102而具有LED光源107和LED驱动部108的结构。LED驱动部108根据来自处理器部300的控制部330的控制信号调整LED光源107的光量。

例如图14所示，旋转滤色器104由三原色的红色滤色器601、绿色滤色器602、蓝色滤色器603和旋转电动机803构成。这3个滤色器的分光特性如图15所示。

旋转驱动部105根据来自处理器部300的控制部330的控制信号，使旋转滤色器104在摄像元件206的摄像期间同步地以规定转速旋转。例如使滤色器在1秒内旋转20转，则各滤色器会以60分之1秒的间隔横穿过入射白色光，摄像元件206以60分之1秒的间隔完成三原色各色光（R或G或B）的反射光的图像信号的摄像和传送。其中，摄像元件206是单色用摄像元件。也就是说，在例子中的内窥镜系统中，以60分之1秒的间隔按面序拍摄R图像信号、G图像信号、B图像信号。

摄像部200例如为了能插入到体腔而形成为细长且可以弯曲。摄像部200具有：用于引导由光源部100会聚的光的光纤201；使通过该光纤201而被引导至末端的光扩散并照射到观察对象的照明透镜202；会聚从观察对象返回的反射光的物镜203；可变光圈204；根据控制部330的控制对可变光圈204进行开闭的物镜光圈驱动部205；用于检测会聚的反射光的摄像元件206；以及将来自摄像元件206的经过光电转换后的模拟信号转换为数字信号的A/D转换部207。其中，上述摄像元件206如上所述为黑白单板摄像元件，可使用CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合器件）或CMOS(complementary metal oxide semiconductor：互补金属氧化物半导体)等。

处理器部300由图像处理部310、观察状态判定部320和控制部330构成。由A/D转换部207进行了数字转换的图像信号被传送到图像处理部310。由图像处理部310进行了处理的图像信号被传送到观察状态判定部320和显示部400。观察状态判定部320将从图像信号检测到的观察状态信息传送到控制部330。控制部330与光源光圈驱动部103、旋转驱动部105、物镜光圈驱动部205、摄像元件206、图像处理部310以及外部I/F部500连接，并对这些部件进行控制。

显示部400是CRT(cathode ray tube：阴极射线管)或液晶监视器等能显示动态图像的显示装置。

外部I/F部500是用于进行用户对该摄像装置的输入等的接口，构成为包括用于接通/断开电源的电源开关、用于开始摄影操作的快门按钮、用于切换摄影模式和其他各种模式的模式切换按钮等。而且该外部I/F部500向控制部302传送所输入的信息。

接着用图16说明图像处理部310。图像处理部310具有预处理部311、降噪部312、同步处理部313和后处理部314。A/D转换部207与预处理部311连接。预处理部311与降噪部312连接。降噪部312与同步处理部313连接。同步处理部313与后处理部314以及观察状态判定部320连接。后处理部314与显示部400连接。控制部330与预处理部311、降噪部312、同步处理部313以及后处理部314连接，并对这些部件进行控制。

预处理部311针对由A/D转换部207转换并输入的数字图像信号，使用预先保存于控制部330的OB钳位值、增益校正值、WB系数值，进行OB钳位处理、增益校正处理、WB校正处理。将实施预处理后的图像信号传送到降噪部312。

降噪部312根据控制部330的控制信号，对由预处理部进行处理后的图像信号进行低通滤波。该低通滤波朝如下方向作用：在从控制部330传送了强化降噪处理的控制信号的情况下，进一步去除高频噪声。将进行降噪处理后的图像信号传送到同步处理部313。

同步处理部313根据控制部330的控制信号，针对由降噪部312实施降噪处理后的图像信号，使面序的R图像信号、G图像信号、B图像信号同步。将进行同步处理后的图像信号传送到后处理部314和观察状态判定部320。

后处理部314使用预先保存于控制部330的灰度转换系数、颜色转换系数、轮廓强调系数，进行灰度转换处理、颜色处理、轮廓强调处理。将实施了后处理的图像信号传送到显示部400。

接着使用图17说明观察状态判定部320。观察状态判定部320具有亮度检测部321、存储部322和运动检测部323。图像处理部310与亮度检测部321、存储部322以及运动检测部323连接。亮度检测部321与控制部330连接，传送图像信号的亮度信息。存储部322与运动检测部323连接，将从图像处理部310输入的图像信号之前的图像信号传送到运动检测部323。运动检测部323与控制部330连接，传送图像信号的运动信息。

亮度检测部321对从图像处理部310输入的图像信号的亮度信息进行检测。这里例如将图像信号整体的亮度平均值设为亮度信息。此外，亮度信息不限于图像整体的亮度平均值，可以设为图像中心部的亮度平均值，也可以设为在时间上连续的图像信号的亮度的平均值。将检测到的亮度信息传送到控制部330。

存储部322对从图像处理部310传送的图像信号（之后也记作当前图像信号）进行存储，并将当前图像信号之前的图像信号输出到运动检测部。具体而言，当前图像信号由R图像信号、G图像信号、B图像信号的颜色信号构成，各颜色信号以60分之1秒的间隔被依次更新。例如，在当前图像信号中更新了R图像信号的情况下，将紧接着当前图像信号之前更新R图像信号后的图像信号（之后也记作之前图像信号）传送到运动检测部323。G图像信号和B图像信号也进行同样的处理。

运动检测部323对从图像处理部310传送的当前图像信号与存储在存储部322中的之前图像信号之间的被摄体的运动进行检测。具体而言，通过对在当前图像信号中被更新后的颜色信号、和同色的之前图像信号的颜色信号进行比较，计算被摄体的运动。此外，用于运动检测的图像信号不应限定于R图像信号、G图像信号和B图像信号中的被更新的图像信号。也可以根据RGB求出亮度信号，并基于亮度信号进行运动检测。

运动检测例如采用如下方法：在对当前图像信号的R图像信号进行了更新的情况下，将当前图像信号的R图像信号分割为块，按照每个块根据之前图像信号的R图像信号检测运动。在该方法中，针对当前图像信号的分割后的块中的关注块，在之前图像信号的搜索范围内，确定与该关注块的差异最小的位置。根据该所确定的位置，确定表示相对于关注块的、以块为单位的被摄体的移动方向和移动量的矢量（之后记作运动矢量）。

即，针对搜索范围内的所有矢量计算块单位的差分绝对值或该差分绝对值对应的相似度评价值，根据计算出的差分绝对值或相似度评价值，决定与关注块的差异最小的位置，从而确定关注块的运动矢量。例如将块尺寸规定为16×16、16×8、8×16、8×8像素的尺寸。计算各块的运动矢量的绝对值，将所有块的总和作为运动信息传送到控制部330。

接着用图18说明控制部330。控制部330具有物镜光圈控制部331、光源光圈控制部332和选择部333。观察状态判定部320与物镜光圈控制部331以及光源光圈控制部332连接。物镜光圈控制部331与光源光圈控制部332以及物镜光圈驱动部205连接。光源光圈控制部332与光源光圈驱动部103以及选择部333连接。外部I/F部500与选择部333连接。选择部333与预处理部311、降噪部312以及摄像元件206连接。此外，虽然未图示，但控制部330控制在图像处理部310中进行的各处理。此外，结合旋转驱动部105的旋转时刻产生从摄像元件206取得图像的同步信号。

物镜光圈控制部331根据由观察状态判定部320检测到的运动信息，将控制可变物镜光圈204的光圈量的信号传送到物镜光圈驱动部205。具体而言，在如图19（A）所示那样运动信息小于阈值M’的情况下开放光圈来增大镜头孔径，将其容许弥散圆设定为能取得摄像元件206的极限分辨率的状态F’。由此虽然将景深限定得较小，然而能够在焦点位置取得完全发挥了摄像元件的性能的高分辨率的图像。另一方面，在运动信息大于M’的情况下缩小光圈而减小镜头孔径，设定为能得到实用的分辨率和景深的容许弥散圆的大小。其中，所谓实用的分辨率指的是虽无法得到摄像元件206的极限分辨率但例如与通过前1代的旧制造工艺制成的摄像元件相当的分辨率。此外，可以使用图19（B）、（C）作为F值相对于运动信息的关系的例子。将根据运动信息设定的光圈值记述为F_x。将所设定的光圈值F_x传送到光源光圈控制部332和物镜光圈驱动部205。

光源光圈控制部332根据由观察状态判定部320检测到的亮度信息、和物镜光圈的控制信号，将控制光源光圈102的光圈量的信号传送到光源光圈驱动部103。具体而言，在将从外部预先输入的期望的亮度记述为Ya、检测到的亮度信息记述为Yb、由物镜光圈控制部331设定的物镜光圈值记述为F_x、当前的物镜光圈值记述为Fy、当前的光源光圈值记述为F_z、待设定的光源光圈值记述为F1时，能够用以下的式（9）设定F1。

$\mathrm{Fl}=\mathrm{Fz}\·\sqrt{\frac{\mathrm{Yb}}{\mathrm{Ya}}}\·\frac{\mathrm{Fy}}{\mathrm{Fx}}.....\left(9\right)$

将所设定的光源光圈值F1传送到光源光圈驱动部103。此外，在所设定的光源光圈值F1超过了光源光圈102的孔径极限的情况下，将控制信号传送到选择部333。

选择部333仅在传送了来自光源光圈控制部332的控制信号的情况下，根据外部I/F部500的信号，选择进行摄像元件的帧频变更、或降噪处理的强化中的哪一个。具体而言，首先通过外部I/F部500，根据利用模式切换按钮的来自用户的模式切换请求，设定是否进行帧频转换。在通过用户请求设定了帧频转换模式的情况下，向摄像元件传送降低帧频的控制信号。另一方面，在未设定帧频转换模式的情况下，向预处理部311传送提高增益校正量的控制信号，向降噪部312传送强化降噪处理的控制信号。

通过降低帧频，每1帧的摄像图像的曝光时间变长，从而能够得到明亮的图像。此外，还能够通过提高增益校正量得到明亮的图像。即，能够针对缩小光圈以加深景深从而变暗的图像，用开放光源光圈以外的方法进行亮度校正。

如上所述，根据第一实施方式，通过自动检测多个观察状态，能够在医生不用进行烦琐操作的情况下，在各观察状态下得到高画质的图像，能按照目的进行最佳观察。

尤其是，伴随摄像元件的细微化，在由于基于光学系统光圈的衍射极限对像素节距的影响而使得无法得到摄像元件原本的分辨率的情况下，也能通过切换大景深低分辨率状态（搜索状态）和小景深高分辨率状态（诊察状态），观察到摄像元件本来具备的最大分辨率的图像。

此外，作为变形例，可以不进行运动检测，而检测以血管结构和病变部为首的关注区域，进行观察状态的判定。即，根据是否判断为在所拍摄的图像内存在特定的血管结构或病变部来判定是搜索状态还是诊察状态。在检测到关注区域的情况下，用户（医生）判断为对检测到的关注区域进行诊察，进行与诊察状态对应的光圈等的控制。此外，在未检测到关注区域的情况下，判断为是正在搜索关注区域的状态，进行与搜索状态对应的光圈控制等。此时，为了检测关注区域，也可以进行以NBI（Narrow BandImaging：窄带成像）等为代表的特殊光观察。

在以上的本实施方式中，如图12所示，内窥镜系统包括：摄像部200、判定观察状态的观察状态判定部320、根据观察状态控制光圈状态的光圈控制部（相当于图18中的物镜光圈控制部331和光源光圈控制部332。在LED光源的情况下相当于控制LED驱动部108的控制部330）。摄像部200经由光学系统和摄像元件206拍摄被摄体。观察状态判定部320判定被摄体的观察状态。

由此，能够在自动判定观察状态后，选择与观察状态对应的光圈状态。因此，能够减轻基于用户的模式切换等烦杂的作业。具体而言，在第一观察状态（具体为例如诊察状态）下，通过使之不受衍射极限的影响，能设定为F值较小的状态，该状态虽然景深幅度较小，但能取得完全发挥了摄像元件能力的分辨率的图像。此外，在第二观察状态（例如搜索状态）下，通过与第一观察状态相比缩小光圈，特意增大衍射极限的影响，能够设定虽然分辨率降低但能加大景深幅度的F值较大的状态。

此外，如图17所示，观察状态判定部320可以包括对表示被摄体与摄像部200的相对运动的运动信息进行检测的运动检测部323，并根据运动信息的检测结果判定被摄体的观察状态。

由此，能够使用运动信息判定观察状态。运动信息表示被摄体与摄像部200的相对运动，作为运动，可考虑如下的所有情形：摄像部200静止且被摄体运动；被摄体静止且摄像部200运动；摄像部200和被摄体两方都运动。

此外，观察状态判定部320在由运动信息表示的运动量大于给定的基准值的情况下，可以将被摄体的观察状态判定为第二观察状态。

由此，能够将运动量大的情况判定为第二观察状态。第二观察状态具体是指例如搜索状态，假定以搜索病变部等为目的较大程度移动摄像部200的情形等。该情况下，期望提供在较大范围对焦的图像，因此如上所述，进行缩小光圈的控制。

此外，运动检测部323可以根据由摄像部200在第一时刻拍摄的图像信号和在第二时刻拍摄的图像信号检测运动信息。

由此，能够使用图像信息检测运动信息。具体而言，根据在不同的时刻即第一时刻和第二时刻取得的、不同的两个图像信号检测运动信息。更具体而言，例如，如上所述，求出第一时刻的图像信号与第二时刻的图像信号之间的运动矢量，并将求出的运动矢量设为运动信息即可。但是，运动信息的检测不限于求出运动矢量的方法。

此外，内窥镜系统包括：照射被摄体的光源（例如图12中的白色光源101或图13中的LED光源107）；以及控制光源的射出光量的光量控制部（例如图18中的控制部330，其控制光源光圈102或图13中的LED驱动部108）。光量控制部在判定为观察状态是第二观察状态的情况下，与判定为第一观察状态的情况相比，可以增大光量。

由此，能够进行光量的控制。在第二观察状态下，如上所述，与第一观察状态相比进行缩小光圈的控制。因此，图像整体变暗，视觉辨认性降低。为了应对该问题，在第二观察状态下，避免增大光源的光量本身，从而图像变暗的情况。

此外，如图16所示，内窥镜系统可以包括对图像信号实施降噪处理的降噪部312。降噪部312在判定为观察状态是第二观察状态的情况下，与判定为第一观察状态的情况相比，可以进行强化降噪处理的图像处理。

由此，能够在第二观察状态下进行较强的降噪处理。在第二观察状态下，如上所述，由于缩小光圈，因此图像变暗。因此，通过由光源光圈控制部332开放光源光圈102来增加光量。此外，在尽管光量增加亮度也不够的情况下，考虑通过实施增益提升处理使图像变得明亮。但是，噪声量也由于增益提升处理而增大，因此需要进行适当的降噪处理。由于以上的理由，在第二观察状态下，与第一观察状态相比可以强化降噪处理。在第二观察状态（搜索状态）下，由于受到衍射极限的影响，分辨率降低，高频成分的信号减少，因此认为高频成分是噪声的可能性高，减少高频成分，画质的劣化将会减少。

此外，如图12所示，内窥镜系统包括控制部330，控制部330还进行摄像元件206的控制。并且，控制部330在判定为第二观察状态的情况下，与判定为第一观察状态的情况相比，可以增长摄像元件206的每1帧的曝光时间。

由此，能够控制摄像元件206的每1帧的曝光时间。其中曝光时间是摄像元件（例如由CCD构成）的电荷蓄积时间。具体而言，进行降低帧频的控制，由此即使在图像信号容易变暗的第二观察状态下，也能够提供明亮的图像信号。但是，通过降低帧频，动态图像性能降低。因此在本实施方式中，如上所述，委托用户判断是否可以进行降低帧频的控制。

此外，观察状态判定部320可以根据由摄像部200取得的图像信号判定被摄体的观察状态。

由此，能够进行基于图像信号的观察状态的判定。具体而言，例如假定如下情形等：如上所述，根据图像信号（在不同的两个时刻取得的图像信号）检测运动信息，并根据检测到的运动信息判定观察状态。

此外，本实施方式也可以是如下控制方法：拍摄被摄体，并对所拍摄的被摄体的观察状态进行判定，在判定为观察状态是第一观察状态（诊察状态）的情况下，控制光圈状态，使得通过光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过摄像元件206确定的分辨率，并且在判定为第二观察状态（搜索状态）的情况下，与第一观察状态相比缩小光圈。

由此，不限于内窥镜系统，在控制方法中也能够应用本实施方式的方法，从而得到上述效果。

此外，本实施方式不限于内窥镜系统，也可以用于摄像装置。具体而言，摄像装置包括摄像部、判定被摄体的观察状态的观察状态判定部、和根据观察状态控制光圈状态的光圈控制部。并且光圈控制部在判定为第一观察状态的情况下，开放光圈，选择实现完全发挥了摄像元件能力的分辨率的光圈状态。此外，在判定为第二观察状态的情况下，与判定为第一观察状态的情况相比，缩小光圈。

由此，不限于内窥镜系统，在一般的摄像装置中也能够应用本实施方式的方法，从而得到上述效果。

3.第二实施方式

第二实施方式中的观察状态判定部320的结构与第一实施例的结构不同。

使用图20说明观察状态判定部320。观察状态判定部320具有亮度检测部321和形状检测部325。图像处理部310与亮度检测部321以及形状检测部325连接。形状检测部325与控制部330连接，向其传送被摄体的形状信息。

对本实施方式中的形状检测部325的详细情况进行说明。具体而言，首先，针对从图像处理部310输出的图像，如图21（A）、图21（B）那样设定区域1和区域2。这里将距离图像中心的距离r为0≦r≦r0的区域设定为区域1、将r0＜r的区域设定为区域2。将r0设为区别图像中心部和周边部的常数，从外部预先输入。并且，计算区域1和区域2的平均亮度L1和L2。这里，使用图21（A）、图21（B）和图22（A）、图22（B）对被摄体的各形状中的平均亮度L1和L2之间的关系进行说明。图22（A）、图22（B）的粗线表示作为被摄体的生物体的形状，虚线表示摄像部200的视场角。并且通过未图示的设置于摄像部附近的照明部对与视场角大致重叠的范围进行照明。

如图22（A）所示那样摄像部200在管腔状的被摄体中移动的情况（搜索状态）下，位于图像的中心附近的被摄体与位于图像的周边部的被摄体相比位于距离摄像部非常远的位置。其结果，如图21（A）所示，作为图像的周边部的区域2成为比作为中心部的区域1明亮的图像。此外，在图22（B）所示那样摄像部200大致正对被摄体的壁面的情况（诊察状态）下，将关注部调整到位于图像的中心附近。该情况下，在图像的中心和周边从摄像部到被摄体的距离变动不怎么大，因此一般而言，由于照明的配光和光学系统的遮光的影响等，如图21（B）所示，图像的中心部成为比周边部明亮的图像。形状信息L用下式（10）计算。

L=L2/L1……（10）

形状信息L被传送到控制部330。另外，在本实施方式中使用了图像信号的亮度作为特征量，但也可以使用亮度以外的特征量。例如，可以针对所输入的图像信号进行已有的频率分解，并根据其频率特性检测形状信息。

在控制部330中，将第一实施例的运动信息置换为形状信息进行处理。

如上所述，根据第二实施方式，自动检测被摄体的形状，由此在医生正对观察关注部的情况下能够得到高画质的图像，在管腔状的被摄体中移动的情况下能够得到高深度的图像，因此能按照目的进行最佳观察。

此外，在上述处理中，可以图22（A）、图22（B）所示那样使用形状信息来判断是否正对被摄体。即，内窥镜系统如图23所示那样具有判断是否正对的正对有无检测部326即可，不限于取得形状信息的方法。具体而言，例如，也可以通过在摄像部200上安装测量与被摄体的距离的测距部（作为一例为有源红外线传感器等），在距离信息取得部327中取得与被摄体的距离信息。如图22（A）那样，在没有正对被摄体的情况下通过距离信息表示的距离变大，如图22（B）那样，在正对被摄体的情况下距离变小。这样能够通过设置给定的阈值，并进行与阈值的比较来判定与被摄体的距离。

在以上的本实施方式中，如图20所示，观察状态判定部320包括对形状信息进行检测的形状检测部325，该形状信息表示从摄像部200观察到的被摄体的形状。并且，观察状态判定部320根据形状信息判定被摄体的观察状态。具体而言，例如，在推断为形状信息示出的形状是平面的情况下，可以将观察状态判定为第一观察状态。

由此，能够根据被摄体的形状信息判定观察状态。形状信息是例如表示图22（A）、图22（B）那样的情形下的从摄像部200观察到的关注部的形状的信息。在图22（A）中，关注部是构成管腔状的形状的一部分，且在图22（B）中，关注部是平面状。其中，在图22（B）那样的情形下，认为是正在注视关注部的诊察状态，因此在推断为形状信息示出的形状是平面的情况下，判定为第一观察状态。

此外，观察状态判定部320可以根据图像信号的中央区域和周边区域的特征量，推断形状信息示出的形状是否为平面。

由此，能够使用图像信息的特征量，进行形状信息示出的形状的推断。具体而言，例如，可以如21（A）、图21（B）所示，根据中央区域的亮度信息（明亮度信息）与周边区域的亮度信息之比推断形状。在如图22（A）所示那样观察管腔状的对象时，图21（A）那样中央区域变暗，周边区域变亮。与此相对，在如图22（B）所示那样观察平面状的对象时，图21（B）那样中央区域变亮，周边区域变暗。因此，能够根据上述式（10）推断形状。

此外，如图23所示，观察状态判定部320可以包括检测摄像部200是否正对被摄体的正对有无检测部326。根据正对有无检测部326的检测结果判定被摄体的观察状态。并且，在检测到正对被摄体的情况下，将被摄体的观察状态判定为第一观察状态。

由此，只要能够判定是否正对被摄体，即使不判定形状也能够判定观察状态。具体而言，只要能够检测图22（A）、图22（B）所示的不同即可。并且，在检测到正对被摄体的情况（图22（B）的情形）下，认为是用户正在注视（正在诊察）被摄体的状态，判定为第一观察状态。

此外，如图23所示，正对有无检测部326可以包括取得距离信息的距离信息取得部327，该距离信息表示摄像部200与被摄体之间的距离。正对有无检测部326在通过距离信息表示的距离小于给定阈值的情况下，判定为摄像部200正对被摄体。

由此，能够使用距离信息判定是否正对。具体而言，如图22（A）所示，在没有正对的情况下距离变大，如图22（B）所示，在正对的情况下距离变小。因此，能够通过设定适当的阈值并进行阈值判断，根据距离信息判定是否正对。

以上对应用了本发明的2个实施方式1～2及其变形例进行了说明，但本发明不直接限定于各实施方式1～2及其变形例，在实施阶段，可以在不脱离发明主旨的范围内对构成要素进行变形而具体化。另外，通过适当组合上述各实施方式1～2和变形例所公开的多个构成要素，能形成各种发明。例如可以从各实施方式1～2及其变形例所记载的所有构成要素中删除掉某些构成要素。进而，还可以适当组合不同实施方式和变形例中所说明的构成要素。这样，能够在不脱离发明主旨的范围内实现各种变形和应用。

标号说明

100光源部；101白色光源；102光源光圈；103光源光圈驱动部；104旋转滤色器；105旋转驱动部；106聚光透镜；107LED光源；108LED驱动部；200摄像部；201光纤；202照明透镜；203物镜；204可变光圈；205物镜光圈驱动部；206摄像元件；207A/D转换部；300处理器部；301图像处理部；311预处理部；312降噪部；313同步处理部；314后处理部；320观察状态判定部；321亮度检测部；322存储部；323运动检测部；325形状检测部；326正对有无检测部；327距离信息取得部；330控制部；331物镜光圈控制部；332光源光圈控制部；333选择部；400显示部；500外部I/F部；601滤色器；602滤色器；603滤色器；803旋转电动机。

Claims (15)

1.一种内窥镜系统，其中，包括：

摄像部，其经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体；

观察状态判定部，其判定由所述摄像部取得的所述被摄体的观察状态；以及

光圈控制部，其根据由所述观察状态判定部判定出的所述观察状态，对包含在所述光学系统中的光圈的状态进行控制，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈；

其特征在于，所述观察状态判定部还包括对表示所述被摄体与所述摄像部的相对运动的运动信息进行检测的运动检测部，

所述观察状态判定部根据所述运动信息的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态。

2.根据权利要求1所述的内窥镜系统，其特征在于，

所述观察状态判定部在由检测到的所述运动信息表示的运动量大于给定的基准值的情况下，将所述被摄体的所述观察状态判定为所述第二观察状态。

3.根据权利要求1所述的内窥镜系统，其特征在于，

所述运动检测部根据由所述摄像部在第一时刻取得的图像信号和在第二时刻取得的图像信号检测所述运动信息。

4.根据权利要求1所述的内窥镜系统，其特征在于，该内窥镜系统还包括：

光源，其向被摄体照射照射光；以及

光量控制部，其对所述光源的射出光量进行控制，

所述光量控制部在判定为所述观察状态是所述第二观察状态的情况下，与判定为所述观察状态是所述第一观察状态的情况相比，增大所述光源的照射光量。

5.根据权利要求1所述的内窥镜系统，其特征在于，

该内窥镜系统还包括对由所述摄像部取得的图像信号实施降噪处理的降噪部，

所述降噪部在判定为所述观察状态是所述第二观察状态的情况下，与判定为所述观察状态是所述第一观察状态的情况相比，进行强化所述降噪处理的图像处理。

6.根据权利要求1所述的内窥镜系统，其特征在于，

该内窥镜系统还包括控制所述摄像元件的控制部，

所述控制部在判定为所述观察状态是所述第二观察状态的情况下，与判定为所述观察状态是所述第一观察状态的情况相比，增长所述摄像元件的每1帧的曝光时间。

7.一种内窥镜系统，其中，包括：

摄像部，其经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体；

观察状态判定部，其判定由所述摄像部取得的所述被摄体的观察状态；以及

光圈控制部，其根据由所述观察状态判定部判定出的所述观察状态，对包含在所述光学系统中的光圈的状态进行控制，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈；

其特征在于，所述观察状态判定部还包括对形状信息进行检测的形状检测部，该形状信息表示从所述摄像部观察到的被摄体的形状，

所述观察状态判定部根据所述形状信息的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态。

8.根据权利要求7所述的内窥镜系统，其特征在于，

所述观察状态判定部推断检测到的所述形状信息表示的形状，在推断为由检测到的所述形状信息表示的形状为平面的情况下，将所述被摄体的所述观察状态判定为所述第一观察状态。

9.根据权利要求8所述的内窥镜系统，其特征在于，

所述观察状态判定部根据由所述摄像部取得的图像信号中的图像内的中央部区域即中央区域的特征量、和所述图像内的周边部区域即周边区域的特征量，推断由检测到的所述形状信息表示的形状是否为平面。

10.一种内窥镜系统，其中，包括：

摄像部，其经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体；

观察状态判定部，其判定由所述摄像部取得的所述被摄体的观察状态；以及

光圈控制部，其根据由所述观察状态判定部判定出的所述观察状态，对包含在所述光学系统中的光圈的状态进行控制，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈；

其特征在于，所述观察状态判定部还包括在拍摄所述被摄体时检测所述摄像部是否正对所述被摄体的正对有无检测部，

所述观察状态判定部根据所述正对有无检测部的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态。

11.根据权利要求10所述的内窥镜系统，其特征在于，

在所述正对有无检测部检测到拍摄所述被摄体时所述摄像部正对所述被摄体的情况下，所述观察状态判定部将所述被摄体的所述观察状态判定为所述第一观察状态。

12.根据权利要求10所述的内窥镜系统，其特征在于，

所述正对有无检测部包括取得距离信息的距离信息取得部，该距离信息表示所述摄像部与所述被摄体之间的距离，

在所述距离信息表示的距离小于给定阈值的情况下，所述正对有无检测部判定为所述摄像部正对所述被摄体。

13.根据权利要求1或7或10所述的内窥镜系统，其特征在于，

所述观察状态判定部根据所述摄像部取得的图像信号判定所述被摄体的所述观察状态。

14.一种控制方法，包括，

经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体，

对所拍摄的所述被摄体的观察状态进行判定，

在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，

在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈；

其特征在于，对所拍摄的所述被摄体的观察状态进行判定包括：

对表示所述被摄体与所述光学系统和摄像元件的相对运动的运动信息进行检测，根据所述运动信息的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态；

或者，

对形状信息进行检测，该形状信息表示从所述光学系统和摄像元件观察到的被摄体的形状，根据所述形状信息的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态；

或者，

在拍摄所述被摄体时检测所述光学系统和摄像元件是否正对所述被摄体，根据检测结果判定所述被摄体的所述观察状态。

15.一种摄像装置，包括：

摄像部，其经由光学系统和摄像元件拍摄被摄体；

观察状态判定部，其判定由所述摄像部取得的所述被摄体的观察状态；以及

光圈控制部，其根据由所述观察状态判定部判定出的所述观察状态，对包含在所述光学系统中的光圈的状态进行控制，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第一观察状态的情况下，控制光圈状态，使得通过所述光学系统的光圈的衍射极限确定的分辨率大于等于通过所述摄像元件确定的分辨率，

所述光圈控制部在判定为所述观察状态是第二观察状态的情况下，与所述第一观察状态下的光圈状态相比，缩小光圈；

其特征在于，所述观察状态判定部还包括对表示所述被摄体与所述摄像部的相对运动的运动信息进行检测的运动检测部，所述观察状态判定部根据所述运动信息的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态；

或者，

所述观察状态判定部还包括对形状信息进行检测的形状检测部，该形状信息表示从所述摄像部观察到的被摄体的形状，所述观察状态判定部根据所述形状信息的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态；

或者，

所述观察状态判定部还包括在拍摄所述被摄体时检测所述摄像部是否正对所述被摄体的正对有无检测部，所述观察状态判定部根据所述正对有无检测部的检测结果判定所述被摄体的所述观察状态。