DE3118341C2 - Bildabtastvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bildabtastvorrichtung mit einer Lichtquelle (21) zur Erzeugung beleuchtenden Lichtes, mit einem Faserbündel (20) zur Übertragung des beleuchtenden Lichtes auf einen im Bildvordergrund befindlichen Gegenstand (17), mit einem bildleitenden Faserbündel (22) zur Erfassung eines optischen Bildes des Bildgegenstandes (17) und zur Übertragung dieses Bildes, mit einem Video-Schaltkreis (33) zur Wandlung des optischen Bildes in ein Videosignal (E12) und mit einem Rückkopplungs-Schaltkreis (44) zur Wandlung des Videosignals (E12) in ein Lichtquellen-Treibersignal (E22) und zur Rückspeisung des Lichtquellen-Treibersignals (E22) in die Lichtquelle (21). Die Lichtquelle (21), das Beleuchtungs-Faserbündel (20), das bildleitende Faserbündel (22), der Video-Schaltkreis (33) und der Rückkopplungs-Schaltkreis (44) bilden zusammen eine automatische Pegelsteuerungsschleife, mit der ein Videosignal (E12) auf einen vorbestimmbaren Pegel setzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildabtastvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-AS 27 41 714 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für unterschiedliche Endoskope bekannt, bei der Beleuchtungslicht durch einen Lichtleiter an das zu beobachtende Objekt gelangt Ein optisches Bild, welches durch Reflexion am beleuchteten Objekt entsteht, wird über ein bildleitendes Faserbündel dem Beobachtungsabschnitt des Endoskopes zugeführt In dem Beobachtungsabschnitt ist ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet, welcher einen Teil des Bildes auf ein fotoelektrisches Lichtwandlerelement umleitet Das Ausgangssignal des Lichtwandlerelementes wird über eine Mehrfachfunktions-Verbindung an einen Gleichspannungsverstärker in der Beleuchtungsvorrichtung geführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird einer der Stehbildfotografie zugeordneten automatischen Belichtungssteuerung und über einen Betriebsartschalter einem Differenzverstärker zugeführt, welcher das über den Betriebsartschalter zugeführte Signal mit einem Bezugssignal einer Bezugssignalstufe vergleicht und in Abhängigkeit von der zwischen diesen Signalen auftretenden Differenz eine Lampensteuerstufe steuert, so daß das von der Beleuchtungslampe abgegebene Licht in Abhängigkeit von dem jeweiligen Endoskop verändert wird.

Da die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der DE-AS 27 41 714 zur Verwendung mit Endoskopen und Stehbildkamera ausgelegt ist, ist es notwendig, daß die Regelung des Lampenstromes so schnell wie möglich erfolgt, da die Signale, welche der jeweiligen Leuchtstärke der Belichtungslampe entsprechen, auf integriert werden.

Wird jedoch anstelle einer Stehbildkamera an dem Beobachtungsabschnitt des Endoskops eine Video-Erfassungsvorrichtung angeordnet, tritt das Problem auf, daß bei einer sehr hohen Regelgeschv/indigkeit der Beleuchtungsvorrichtung Verfälschungen der Bildhelligkeit des Videosignals auftreten. Die Ursache für derartige Verfälschungen ist darin zu sehen, daß im Falle eines Videosystems keine gleichzeitige, flächenmäßige Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht erfolgt, sondern das Bild von der Videoerfassungsröhre zeilen- oder spaltenweise abgetastet wird. Wird nun in der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der DE-AS 27 41 714 die Stehbildkamera durch ein Videoerfassungssystem ersetzt, bleibt die Helligkeit in einigen Bereichen des erzeugten Videobildes ungeregelt, falls die Regelgeschwindigkeit der Beleuchtungsvorrichtung zu gering ist. Ist die Regelgeschwindigkeit der Beleuchtungsvorrichtung jedoch sehr hoch, ergibt sich das Problem, daß sich bei hoher Auflösung die Geschwindigkeit der Abtastfrequenz des Videosignales der Regelgeschwindigkeit der Beleuch-

b5 tungsvorrichtung nähert, so daß sich ebenfalls Verfälschungen der wahren Helligkeit in Teilen des Bildes ergibt, da kein hoher Signal-Rauschabstand beibehalten werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Bildabtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die ein den Bildinhalt wiedergebendes elektronisches Signal abgibt und auch bei starkem Helligkeitswechsel des Bildinhaltes einen großen Signal-Rauschabstand ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Bildabtastvorrichtung mit zugehörigem Blockschaltbild;

Fig.2 ein Zeitdiagramm der Arbeitsweise für die Gleichspannungskorrektur der Bildabtastvorrichtung nach F i g. 1;

Fig.3 einen Schaltkreisaufbau eines !Comparators, der mit der Bildabtastvorrichtung von F i g. 1 benutzt wird;

F i g. 4 und 5 andere Ausführungsformen des Schaltkreises gemäß F i g. 3; und

F i g. 6 eine Abänderung eines Teils des Blockschaltbildes von F i g. 1.

Mit Bezug auf die Zeichnung werden für gleiche oder entsprechende Teile gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, so daß wiederholt die Beschreibungen entbehrlich sind. jo

Gemäß F i g. 1 weist ein als Endoskop verwendetes Fiberskop eine flexible Röhre 10 auf, die mit eüiem Steuerungstei! 8 für das Endoskop versehen ist. Die flexible Röhre 11 ist an einem distalen Endbereich 14 mit einem Biegeteil 12 verbunden. Die Spitze des distalen Endbereichs 14 ist auf einem Lichtpfad 16 aufgesetzt und weist eine Objektlinse 18 innerhalb eines optischen Beobachtungssystems auf. Der Lichtpfad 16 ist mit einer Lichtquelle 21 über ein lichtleitendes Faserbündel 20 verbunden. Die Lichtquelle 21 besteht aus einer weißes Licht erzeugenden Lampe 21 ft und ist mit einem Reflektor 21a versehen. Die Objektlinse 18 ist über ein bildleitendes Faserbündel 22 mit einem Augenadapterabschnitt 24 verbunden. Ein optisches System 28 und eine Bilderfassungsröhre 30 sind konzentrisch zu der optisehen Achse des proximalen Endes des bildleitenden Faserbündels 22 angeordnet und zu dem Augenadapterabschnitt 24 fixiert.

Die Lichtquelle 21 liefert ein Beleuchtungslicht an das Lichtleitfaserbündel 20 und dient dabei als Beleuchtungsvorrichtung für die Projektion des Beleuchtungslichtes auf einen im Bildvordergrund befindlichen Gegenstand 17. Das bildleitende Faserbündel 22 wirkt als Bildübertragungseinrichtung zur Übertragung des optischen Bildes des im Bildvordergrund befindlichen Gegenstandes 17 auf die Bilderfassungsröhre 30.

Die Bilderfassungsröhre 30 kann durch ein Vidikon oder ein CCD-Bild-Sensorelement gebildet werden. Eine Entfernung zwischen einer Aufnahmeebene 30a der Bilderfassungsröhre 30 und dem optischen System 28 wird so eingestellt, daß das optische Bild des im Bildvordergrund befindlichen Gegenstandes 17 exakt auf die Aufnahmeebene 30a fokussiert wird. Diese Scharfeinstellung kann durch eine Fokus-Steuervorrichtung bewirkt werden, wie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung 56-1 54 715 oder 57-5 019 beschrieben ist.

Ein Video-Ausgangssignal £10 von der Bilderfassungs- bzw. Bildaufnahmeröhre 30 wird an einen Videosignal-Verarbeitungsschaltkreis 32 angelegt, welcher seinerseits dieses Ausgangsvideosignal £10 wie beschrieben verarbeitet und ein Videosignal £12 erzeugt, das an ein übliches Fernsehsystem angepaßt ist. Detaillierte Informationen zu einem solchen Videosignalverarbeitungsschaltkreis 32 sind in der »1TV camera«-Schrift der Japan Broadcasting Publication Association enthalten. Die Bilderfassungsröhre 32 (oder ein Typ, der mit einer Fokus-Steuereinrichtung versehen ist) bilden zusammen eine Bildsignal-Wandlervorrichtung 33 zur Umsetzung des optischen Bildes des im Bildvordergrund befindlichen Gegenstandes 17, das durch das bildleitende Faserbündel 22 in ein Videosignal £12 überführt wird.

Das Videosignal £ 12 wird beispielsweise an eine Aufnafimevorrichtung (VTR) oder Monitorfernseheinrichtung und ebenso an einen Komparator 34 angelegt. Der Komparator 34, der bereits mit einem Referenzpotential VW beaufschlagt wird, vergleicht das Potential des Videosignals £ 12 mit dem Referenzsignal V_rcf und gibt ein erstes Signal £14 ab, das der Differenz zwischen beiden Potentialen entspricht. Das erste Signal £14 wird zu einem Halteschaltkreis 36 geleitet. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Spannungspegel, der dem letzten Sockelbetrag des ersten Signals £"14 nahekommt, an den Halteschaltkreis 36 gehalten, wenn ein Halteimpuls CL ausgegeben wird. Daher wird die Gleichstromkomponente des ersten Signals £14 wieder hergestellt. Der Halteimpuls CL wird synchronisiert mit einem Horizontal-Synchronisierungssignal weitergegeben, das in dem Videosignal £ 12 enthalten ist.

F i g. 2a und 2b zeigen Kurven, die die Arbeitsweise darstellen, in denen die oben erwähnte Gleichstromkomponente des ersten Signals £14 wieder hergestellt wird. F i g. 2a und 2b zeigen, daß der Gleichstrompegel des ersten Signals £14 bei einem vorbestimmten Punkt Pc gehalten ist, wo der Halteimpuls CL ausgegeben wird. Ein zweites Signal £16, das einer somit wieder hergestellten Gleichstromkomponente entspricht, wird an einen Tiefpaßfilter (LPF) 38 angelegt. Ein drittes Signal £ 18, das vollkommen von Welligkeitskomponenten durch den Tiefpaßfilter 38 befreit worden ist, wird durch einen invertierenden Verstärker 40 in ein viertes Signal £20 verstärkt. In der Ausführungsform gemäß F i g. 1 entspricht das dritte Signal E18 dem Mittelwert des zweiten Signals £14. Das vierte Signal £20 wird durch einen Stromverstärker 42 in ein Lichtquellen-Treibersignal £22 verstärkt, das eine ausreichende Leistung aufweist. Dieses Lichtquellen-Treibersignal £22 wird an die Lampe 21 b der Lichtquelle 21 angelegt. Die Elemente 34 bis 42 bilden zusammen die Rückkopplungsvorrichtung 44, die das Videosignal £12 in das Lichtquellen-Treibersignal £22 umwandeln und das Lichtquellen-Treibersignal £22 an die Lichtquelle 21 rückkoppelt.

Die Lichtquelle 21, das lichtleitende Faserbündel 20, das bildleitende Faserbündel 22, die Bildsignal-Wandlervorrichtung 33 und die Rückkopplungseinrichtung 44 bilden zusammen eine automatische Pegelsteuerschleife, die so betätigt wird, daß die Spannung des Videosignals £12 auf einen vorbestimmten Pegel gehalten wird, der dem Referenzpotential V_rcr entspricht. Unter der Annahme, daß der Lichtpfad 16 einen solchen Abstand von dem im Bildvordergrund befindlichen Gegenstand 17 aufweist, daß nur dunkles Licht auf die Aufnahmeebene 30a der Bildabtaströhre 30 projiziert wird, wird das Videosignal E12 zur Verkleinerung der Diffe-

renz zwischen dem Potential des Signals £12 und dem Referenzpotential V_rcf bezüglich des zugehörigen Spannungspegels verringert und bewirkt, daß das erste Signal £14 bezüglich seines Spannungspegels in Verbindung mit einem Spannungspegelanstieg des Lichtquellen-Treibersignals £22 fällt. Daraus folgt, daß die Lampe 2Ii) heller wird und daß ein größerer Lichtbetrag an den im Bildvordergrund befindlichen Gegenstand 17 angelegt wird. Dadurch wird ein helleres Licht auf die Aufnahmeebene 30a der Bildabtaströhre 30 projiziert, to wodurch ein Anstieg des Spannungspegels des Videosignals E12 erreicht wird. Umgekehrt wird dort, wo ein helleres Licht auf die Aufnahmeebene 30a projiziert wird, die Differenz zwischen dem Potential des Videosignals £12 und dem Referenzpotential V_Kr erhöht und dadurch wird die Lampe 21 b um den entsprechenden Betrag dunkler gesteuert. In jedem Falle wird die oben beschriebene automatische Spannungspegel-Steueroperation in einer solchen Weise ausgeführt, daß der Absolutwert einer Differenz zwischen dem Potential des Videosignals £12 und dem Referenzpotential V_rcr möglichst klein wird.

Das Ausmaß, bis zu welchem der Spannungspegel des Videosignals £12 durch die automatische Steuerungsschleife gesteuert wird, wird auf der Basis des Bezugs- potentials V_ref bestimmt. Wo daher die automatische Steuerungsschleife eine hinreichende Übertragungsfunktion haben kann, wird insofern die Steuerungsschleife stabil gehalten, als die Spannung des Videosignals £12 immer auf einen vorgegebenen Pegel entsprechend dem Bezugspotential V_rci gehalten wird. Mit anderen Worten: die Spannung des Videosignals £12 wird immer auf einen im wesentlichen festen Pegel gehalten und dies unabhängig davon, ob eine Verschlechterung (Änderungen in der Zeit) der Lampe 216 eintritt, ob Veränderungen in der Empfindlichkeit der Bilderfassungsröhre 30 auftreten, wie sie beispielsweise durch Änderungen in der umgebenden Temperatur möglich sind, und ob Veränderungen im Abstand zwischen dem im Bildvordergrund befindlichen Gegenstand 17 und dem distalen Endbereich 14 des Endoskops erfolgen. Diese Tatsache bedeutet, daß ein optisches Bild auf die Aufnahmefläche 30s der Bilderfassungsröhre 30 mit im wesentlichen stabilisierter Helligkeit projiziert werden kann, wodurch die Erzeugung eines Videosignals £12 mit einem hohen Signalrauschabstand (S/N-Verhältnis) sichergestellt werden kann.

Gemäß Fig. 3 ist ein Detailschaltbild desjenigen !Comparators 34 dargestellt, welcher in der Ausführungsform von F i g. 1 enthalten ist. Das Videosignal £12 wird an einen Gleitkontakt eines veränderlichen Widerstandes VR 34 über Widerstände R 341 und R 342 angelegt. Beide Enden des veränderlichen Widerstandes 34 sind mit einem positiven Potential + VS und einem negativen Potential — VS beaufschlagt Das Referenzpotential V_rt/wird von dem Gleitkontakt des veränderlichen Widerstandes VR 34 abgenommen. Das erste Signal £14 wird von der Verbindungsstelle der Widerstände R 341 und R 342 abgenommen.

In den F i g. 4 und 5 sind Abänderungen der Schaltung μ von Fig.3 dargestellt. Das Videosignal £12 wird an dem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers A 34 angelegt Das Referenzsignal V_n.i liegt an dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A 34 an. Gemäß F i g. 4 wird das b5 Referenzpotential V_rt._fvon dem Gleitkontakt des veränderlichen Widerstandes VR 34 wie in F i g. 3 dargestellt abgenommen. Bezogen auf F i g. 5 wird der Halteimpuls CL abgetastet und in einem S/H-Schaltkreis 35 als Spannungspegel festgehalten, wenn ein Horizontal-Synchronisierungsimpuls abgegeben wird. Dadurch wird ein Referenzpotential V_rer entsprechend dem HaI-teimpuis CL erzeugt.

Gemäß Fig.6 ist eine Abänderung der Rückkopplungsvorrichtung 44 von F i g. 1 dargestellt. F i g. 6 stellt die Anwendung eines üblichen PWM oder PCM-Modulators 50 dar, an den die Signale £ 18 oder £ 14 entsprechend dem Videosignal £ 12 angelegt werden. Der Horizontal-Synchronisierungsimpuls, der in dem Videosignal-Verarbeitungsschaltkreis 32 verwendet wird, wird an einen Abtastimpulsgenerator 52 angelegt, der durch einen Frequenzvervielfacher oder Frequenzteiler gebildet werden kann. Dieser Abtastimpulsgenerator 52 gibt bei Empfang des Horizontai-Synchronisierungsimpulses einen Abtastimpuls PS ab. Der Abtastimpuls PS wird an den oben erwähnten Modulator 50 angelegt, der ein Treibersignal £22 erzeugt, das einen dem Gleichspannungspegel des Signals E18, das an den Modulator 50 angelegt wird, entsprechenden Arbeitszyklus aufweist.

Die Helligkeit der Lampe 21 b ist im zeitlichen Durchschnitt im wesentlichen proportional dem Arbeitszyklus des Treibersignals £22. Die Lampe 21 b wird intermittierend in einem Zeitverlauf synchron mit der Horizontalabtastung betrieben. Die Lampe 2\b hat eine solche Wärmekapazität, daß auch dann, wenn das Treibersignal £22 nicht angelegt ist, die Lichtimmission fortdauert. Eine weitere sichtbare Nachleucht- oder Wirkungsdauer findet in der Bilderfassungsröhre statt Aus den vorstehend genannten Tatsachen ergibt sich, daß dann, wenn der Modulator 50 eine Abtastung bei einer genau gewählten Abtastrate ausführt, das Vorkommen eines Horizontal-Rauschprofils auf dem Videobild reproduzierenden Bildschirm praktisch unterdrückt werden kann. Der Modulator 50, der nur intermittierend betrieben wird, strahlt weniger Wärme aus als der Verstärker 42 gemäß F i g. 1 und verbraucht damit weniger Energie.

Selbstverständlich ist die in der Beschriebung und der zugehörigen Zeichnung dargestellte Ausführungsform nicht auf den konkreten Rahmen der Erfindung beschränkt, sondern kann im Bereich des fachmännischen Könnens abgeändert werden. So kann beispielsweise eine Konstantspannungsquelle an die Lampe 21 b angelegt werden, ein Iris- oder Blenden-Mechanismus zwischen der Lampe 2\b und dem lichtleitenden Faserbündel 20 geschaffen werden und der Arbeitsbereich des Iris-Mechanismus entsprechend dem Treibersignal £22 gesteuert werden. Eine Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise mit einem Endoskop genutzt werden, wie es beispielsweise in den deutschen Patentschriften P 29 51 764.4 und P 29 51 765.5 desselben Anmelders in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist Weiterhin kann bei der vorliegenden Erfindung die »Iris-Servo-Vorrichtung« verwendet werden, wie sie in der japanischen Patentschrift 56-1 53 327 desselben Anmelders beschrieben ist. Es ist also auch möglich, zusammen mit einer Bildabtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein zweites automatisches Pegelsteuersystem anzuwenden (wie bei der oben erwähnten Iris-Servo-Vorrichtung zum Ausdruck gebracht) das dann betrieben wird, wenn das automatische Pegelsteuersystem gemäß F i g. 1 der vorliegenden Erfindung in die Sättigung gerät oder übersteuert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Bildabtastvorrichtung mit einer Beleuchtungslicht abgebenden Lichtquelle,

mit einem lichtleitenden Faserbündel zum Leiten des Beleuchtungslichtes,

mit einem bildleitenden Faserbündel zum Leiten des Bildlichtes, wobei beide Faserbündel auf einen im Bildvordergrund befindlichen Gegenstand gerichtet sind,

mit einer Bilderfassungsvorrichtung und mit einer Rückkopplungsvorrichtung, die je einen Teil einer automatischen Pegelsteuerungsschleife zur Steuerung des Bildlichtes auf einen vorgegebenen Pegel bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bildsignal-Wandlervorrichtung (33) vorgesehen ist, die die Bilderfassut.gsvorrichtung (30) für das Umwandeln des Bildlichtes in ein Video-Ausgangssignal (E 10) und einen Videosignal-Verarbeitungsschaltkreis (32) aufweist, mit welchem das Video-Ausgangssignal (E 10) in ein Videosignal (E 12) wandelbar ist,

daß die Rückkopplungsvorrichtung (44) eine Komparatorvorrichtung (34) aufweist, mit welcher der Pegel des Videosignales (E 12) mit dem Pegel eines Referenzpotentiales (V_Kf) vergleichbar ist und mit welcher ein erstes Signal (E14) erzeugbar ist, wenn das Videosignal (Tl2) einen dem Referenzpotential (V_Kf) entsprechenden Pegel erreicht, und
daß die Rückkopplungsvorrichtung (44) ferner eine Signalaufbereitungsvorrichtung (36,38) aufweist, die ansprechend auf das erste Signal (E14) und einen Halteimpuls (CL) ein drittes Signal (£18) so aufbereitet abgibt, daß das dritte Signal (E 18) die automatische Pegelsteuerungsschleife steuert und das Videosignal (E 12) auf einem vorgegebenen Pegel hält.

2. Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsvorrichtung (36, 38) einen Haltekreis (36) aufweist, der ansprechend auf den Pegel des ersten Signales (EA4) in einer vorgegebenen Zeitsteuerung (Halteimpuls CL) einen vorbestimmten Pegel eines zweiten Signales (£16) während einer vorbestimmten Zeitdauer abgibt.

3. Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Pegelsteuerungsschleife eine das Referenzpotential (Vrcf) in Antwort auf einen Halteimpuls (CL) liefernde Vorrichtung (35) aufweist, welcher zu einem vorbestimmten Zeitpunkt abgegeben wird.

4. Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bildsignal-Wandlervorrichtung (33) ein Horizontal-Synchronisierungssignal abgebbar ist, und daß der Halteimpuls (CL) zu einem mit der Abgabe des Horizontal-Synchronisierungssignales synchronisierten Zeitpunkt abgebbar ist.

5. Bildabtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtlcitende Faserbündel und das bildleitende I userbündel in einer biegsamen Röhre (10) eines Faserlichtgerätes zusammengefaßt sind.

6. Bildabtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsvorrichtung (36, 38) einen AbtastimDuls-Generatorschaltkreis (52) aufweist, an welchen ein Horizontal-Synchronisierungsimpuls anlegbar ist und welcher einen Abtastimpuls ( PS) liefert und daß die Signalaufbereitungsvorrichtung (36, 38) einen Modulator (SC) aufweist, welcher ansprechend auf den Abtast'i.-npuls (PS) und das erste Signal (E 14) oder das dritte Signal (E 18) ein Treibersignal (E 22) für die Beleuchtungssteuerung abgibt.