DE3429789C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen automatischen Signalpegel­ regler für eine Videoeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Videoeinrichtung ist insbesondere für En­ doskope vorteilhaft.

Mit der Entwicklung von Halbleiterbildabtastern oder -bild­ gebern, die auch manchmal Ladungsverschiebeelemente (CCD = charge-coupled devices) genannt werden, kann jetzt der Such- oder Spiegelkopf eines Endoskops mit einer äußerst kleinen Videokamera bestückt werden, die es gestattet, den Kopf in beschränkte Räume oder Bereiche zu leiten, die bisher über diese Art von Sichtgeräte unzugänglich waren. Die Kamera enthält meist einen einzigen Schwarzweißbild­ geber oder -abtaster, der die aufgezeichneten Bilddaten, die bei jeder Bildaufbaufolge gewonnen werden, integrieren kann. Auch Videovollfarbenbilder können vom Objekt unter Verwendung eines einzigen Bildgebers verwendet werden, in dem das Objekt der Reihenfolge nach mit dem Licht der Grundfarben beleuchtet werden, um eine Reihe von getrennten Farbbildern zu erzeugen. Die Grundfarben Rot, Grün und Blau werden meist für diesen Zweck eingesetzt. Nach der Aufzeich­ nung eines jeden farbgetrennten Bildes werden die Bilddaten vom Bildgeber taktgesteuert ausgetastet und gelangen an einen Videoprozessor, wo die kombinierten Daten in ein für die Anzeige auf einem Fernsehbildschirm geeignetes Format umgesetzt werden.

Ein Signalpegelregler gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 ist bekannt (DE-OS 31 18 341). Die intermittierend betriebene Lampe wird synchron mit der Horizontalabtastung des Videogenerators beschaltet, das heißt die Impulsfre­ quenz der Lampe ist konstant. Zur Helligkeitssteuerung der Lampe dient ein Treibersignal, das in einem Komparator und einem Halteschaltkreis sowie einem Tiefpaßfilter er­ zeugt wird. Eine andere bekannte Schaltung (US 35 55 181) dient zur Aufnahme von Videobildern im Umgebungslicht ohne Lichtquelle. Vielmehr wird abhängig von der Hellig­ keit des Umgebungslichtes die optische Blende des Aufnahme­ gerätes gesteuert.

Wie ferner bekannt ist (US Reissue 31 289 und 31 290) können drei einzelne Lampen zur Beleuchtung des Zielobjekts mit dem Licht der Grundfarben verwendet werden, um die gewünschte Farbtrennung zu erreichen. In einer weiteren US-PS 40 74 306 wird ein Endoskop mit Videoeinrichtung beschrieben, das eine einzige in Verbindung mit einer Farbenscheibe arbeitende Lampe verwendet, um die Farb­ trennung zu erzielen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die farbgetrennten Bilder der Reihenfolge nach auf einer Braunschen Röhre übereinandergelegt, um ein Farbbild des Zielobjekts zu erzeugen, wobei der Passer der Bilder und der richtige Farbausgleich der Grundfarben äußerst schwierig sind. Eine Einlampenbeleuchtungsein­ richtung, welche die Schwierigkeiten der US-PS 40 74 306 vermeidet, wird in der US-PS 45 46 379 offenbart. Bei dieser Einrichtung wird die Ausgangsleistung der Lampe während der einzelnen Farbtrennungsfolgen zum Bildaufbau sehr stark geregelt, so daß die im Videobild erscheinenden Farben proportional ausgeglichen sind, um eine farbtreue Wiedergabe des Originalobjekts zu erzielen. Wie allgemein bekannt, ist der Such- oder Spiegelkopf des Endoskops am entfernten Ende des Einführungsrohrs montiert, wobei er im allgemei­ nen innerhalb eines sehr beengten Bereiches arbeiten muß, der wenig, wenn überhaupt, Umgebungslicht aufweist. Dies gilt insbesondere für den Einsatz der Einrichtung für medizi­ nische Anwendungen. Licht wird meist durch ein optisches Faserbündel zum Bildbereich geleitet. Wenn der Spiegelkopf zu einem gegebenen Objekt in diesem verhältnismäßig be­ schränkten Bereich herangefahren oder von ihm entfernt wird, ändert sich die vom Zielobjekt zum Bildgeber reflek­ tierte Lichtmenge erheblich. Obwohl der Videoteil der Ein­ richtung eine automatische Verstärkungsregelschaltung auf­ weisen kann, braucht dies selbst noch nicht zu genügen, um zu verhindern, daß der Abtaster oder Bildgeber mit Licht gesättigt wird (überstrahlt oder verschleiert), wenn der Kopf nahe an ein Zielobjekt heranbewegt wird. Ebenso ist auch die Lichtmenge, die durch das Faserbündel zum Objekt­ bereich hingeleitet werden kann, begrenzt, und daher kann der Verstärkungsgrad des Videosignals auf einen Pegel ab­ fallen, auf dem Grundhelligkeitsstörungen sichtbar werden, wenn der Kopf um eine verhältnismäßig geringe Distanz vom Objekt hinwegbewegt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, den Regelbereich für den Signalpegel einer Videoeinrichtung zu erweitern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Videoeinrichtung eignet sich für den Einsatz in einem Endoskop. Sie weist eine automatische Videoverstärkungsregelung wie auch eine automatische Lichtregelung für die Beleuchtung des Zielobjektes auf, welche miteinander zusammenwirken, um den Videosignalpegel innerhalb eines optimalen Bereiches zu regeln. Die Hellig­ keit der Bildfeldausleuchtung für den Bildgeber wird da­ durch verändert, daß die Impulsfrequenz der Blitzlampe über den Zähler einstellbar ist. Ist die Bildhelligkeit zu hoch, so zählt der Zähler abwärts und die Impulsfrequenz wird erniedrigt, während im anderen Fall die Impulsfrequenz erhöht wird, wenn das Bild zu dunkel ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, in der eine Schaltung für einen Signalpegelregler schema­ tisch dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt einen automatischen Signalpegelregler für ein Endoskop mit Videoeinrichtung, die ein Videobild eines entfernten Objekts erzeugen kann. Wie in den vorer­ wähnten Patenten Re. 31 289 und Re. 31 290 näher ausge­ führt ist, ist ein Halbleiterbildgeber 10 am entfernten Ende eines Einführungsrohres 28 angeordnet, so daß die Aufzeichnungsfläche des Bildgebers ein Objekt 27 abta­ sten kann. Normalerweise ist das Zielobjekt in einem ent­ fernten Bereich angeordnet, wodurch wenig oder gar kein Umgebungslicht zu seiner Beleuchtung vorhanden ist. Wie in den US-Abänderungspatenten Re. 31 289 und Re. 31 290 erläutert wurde, wird das Licht zum Ziel- oder Objektbe­ reich von einer Außenquelle, wei einer Bogenlampe 25 über ein optisches Faserbündel 26 geleitet. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine einzige Lam­ pe verwendet, die in rascher Folge blitzen kann, um das Objekt mit einer Reihe von Lichtimpulsen während einer jeden Bildaufbaufolge beleuchten zu können. Ein Video­ teilbild gelte für die Zwecke dieser Offenbarung als Bild­ aufbaufolge. Es sei jedoch bemerkt, daß vor der Lampe eine Farbenscheibe angeordnet werden kann, und, nach der US-PS 45 46 379 zur sequentiellen Beleuchtung des Objekts mit dem Licht verschiedener Grundfarben dienen kann, um farbgetrennte Bilder des Objekts zu erzeugen. Die getrenn­ ten Bilder können dann zur Erzeugung eines vollfarbigen Videobildes des Objekts wieder vereinigt werden.

Der Bildabtaster oder Bildgeber ist vorzugweise ein La­ dungsverschiebeelement (CCD = charge-coupled device), der die auf ihn einfallenden reflektierten Licht-Bildes inte­ griert, wenn er ein bestimmtes Bild während der Bildauf­ bau- oder Bildgeberfolge aufzeichnet. Somit kann auch die Blitzlampe viele Male während einer jeden Bildaufnahme­ folge impulsbeaufschlagt werden, um unter Verwendung eines verhältnismäßig kleinen Lichtbogens eine Gesamtspitzenhel­ ligkeit zu erzielen. Wie bekannt, ist die Querschnittsflä­ che des lichtübertragenden Bündels 26 meist durch den ver­ fügbaren Raum innerhalb des Einführungsrohres begrenzt. Da­ her kann das Bündel nicht immer die gesamte Energie in einem einzigen Entladungsstoß abgeben, die für die Be­ leuchtung des Objekts erforderlich ist. Es ergab sich, daß durch schnelle Impulssteuerung der Lampe während der Bild­ aufbaufolge eine Spitzenhelligkeit mit einem Minimum an Lichtverlust und ohne merkliche Wärmeentwicklung in und um den Objektbereich erzielt werden kann. Dieser Punkt ist von Bedeutung, wenn das Gerät in medizinischer Anwendung zur Durchmusterung einer begrenzten Körperhöhle verwendet wird.

In der Praxis setzt der Halbleiterbildgeber die aufgezeich­ neten Bilddaten in ein Videoausgangssignal um, das an einem Videoprozessor 35 über eine Videoleitung 31 anliegt. Die Signale werden im Prozessor in ein gewünschtes Format gebracht, das mit einer Fernseheinrichtung kompatibel ist, so daß die aufgezeichneten Daten entweder auf einem Fern­ sehbildschirm angezeigt oder für zukünftiges Betrachten auf Videoband gespeichert werden können. Die vom Bildgeber 10 taktgesteuerten Videoausgangssignale gelangen in einem frühen Stadium der Verarbeitung zu einem Verstärker 11 mit veränderlichem Verstärkungsgrad. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird von einer Ausblendschaltung für Extrem­ werte (peak feature extractor) 12 überwacht, der ein Rück­ führungssignal auf einer Leitung 13 für den Verstärker er­ zeugt. Der Verstärker und die Ausblendschaltung für Ex­ tremwerte bilden einen herkömmlichen automatischen Ver­ stärkungsregelkreis, der beispielsweise so eingestellt werden kann, daß er aus einem großen Bereich von Eingangs­ signalen ein Ausgangssignal von 1V _SS erzeugt.

Außer Einschränkungen für die Schaltung gibt es noch wei­ tere Punkte, welche den Arbeitsbereich der automatischen Verstärkungsregelung im Rahmen eines Endoskops einengen.

Wenn z. B. der Such- oder Spiegelkopf des Instruments nahe an das Objekt herangebracht wird, können bestimmte Flä­ chen auf dem Bildgeber mit Licht gesättigt werden, wobei die Verstärkungsregelung beim Versuch diese Überbeleuch­ tung auszugleichen so niedrig eingestellt wird, daß un­ nötigerweise verwendbare nicht gesättigte Bereiche abge­ dunkelt werden. Wenn andererseits der Suchkopf weit genug vom Objekt wegbewegt wurde, so daß die begrenzte Stärke des vorhandenen Lichts nicht ausreicht, eine optimale Ob­ jektbeleuchtung zu bilden, dann erhöht die automatische Verstärkungsregelung den Pegel des Ausgangssignals bis zu einem Punkt, bei dem unerwünschte Grundhelligkeitsstörun­ gen erhöht und damit auch am Bildschirm dargestellt werden. Meist wird der Verstärkungsregler so eingestellt, daß er in einem Bereich unterhalb der Sättigung und über dem Pe­ gel der Grundhelligkeitsstörungen arbeitet. Diese Grenzen können jedoch leicht überschritten werden, wenn der Spie­ gelkopf innerhalb eines begrenzten Bereiches bewegt wird, wobei die Beleuchtungsstärke verändert werden muß, um die Videosignale innerhalb des Sollarbeitsbereiches zu halten.

Wie nachstehend näher erläutert wird, wird nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren der automatischen Verstärkungsregel­ kreis mit einem automatischen Lichtregler gekoppelt, um die Beleuchtungsstärke für das Zielobjekt während einer jeden Beleuchtungsfolge zu verändern, falls der Verstär­ kungsregler den Videosignalpegel nicht innerhalb des op­ timalen Bereichs halten kann. Eine untere Verstärkungs­ schwelle wird über das Potentiometer 17 in die Vergleichs­ schaltung 15 eingegeben. Die untere Verstärkungsschwelle ist so gewählt, daß die Vergleichsschaltung 15 beauf­ schlagt wird, wenn das Videosignal bis zu einem Punkt an­ steigt, der gerade unterhalb dem liegt, bei welchem der Bildgeber mit Licht gesättigt wird und daher anfängt, zu überstrahlen oder verschleiern. Wenn das Rückführungssignal den unteren Schwellwertpegel erreicht und die Vergleichs­ schaltung beaufschlagt wird, liegt am nachgeschalteten Rückwärts-Vorwärtszähler 20 ein Erhöhungssignal an, das bewirkt, daß der Zähler die Zählung um eine Eins verrin­ gert. Der Vorwärts-Rückwärtszähler 20 regelt seinerseits einen Blitzimpulsgenerator 21 in der Lampensteuerschal­ tung. Der Generator läßt die Lampe eine Anzahl von Malen aufblitzen, die gleich ist der Zählung des Zählers. Ein Regler 19 steht in Wirkverbindung mit dem Zähler, der eine Maximal- und Minimalzählung zuläßt, die in den Zäh­ ler einzugeben ist, so daß die Betriebsmöglichkeiten der Einrichtung nicht überschritten werden.

Der Impulsgenerator wird von einem Signal des Videofarb­ sortierers 36 beaufschlagt. Der Farbsortierer schaltet den Generator zu Beginn eines Videoteilbildes an und er­ möglicht ihm, die Lampe eine vorgegebene Anzahl von Malen während der Teilbildperiode blitzen zu lassen. Nachdem die Zählung erreicht ist, schaltet der Generator ab und wird so lange nicht beaufschlagt, bis eine neue Bildauf­ baufolge beim Beginn eines nachfolgenden Teilbildes be­ gonnen wird.

Ebenso wird in die Vergleichsschaltung 14 ein oberer Schwellwert für den Verstärkungsgrad über ein Potentio­ meter 16 abgegeben. Auch hier wird der obere Schwell­ wert so eingestellt, daß die Vergleichsschaltung beauf­ schlagt wird, wenn die dem Videosignal aufgeschaltete Verstärkung einen Punkt erreicht, der gerade unter dem liegt, an welchem die Grundhelligkeitsstörungen beginnen, das Bild zu verschlechtern. Jetzt schaltet die Vergleichs­ schaltung 16 an und überträgt ein Signal an den Zähler 20, welcher die Zählung um einen Zählschritt erhöht und damit auch die Beleuchtungsstärke, mit der das Objekt während der Beleuchtungsfolge angestrahlt wird.

Als Ergebnis dieses Überwachungsverfahrens wird die Bild­ helligkeit, die am Halbleiterbildabtaster einfällt, auto­ matisch geregelt, um den Videoausgangssignalpegel während aller Phasen einer Untersuchung mit Endoskop innerhalb eines optimalen Bereichs zu halten. Während dieses Ver­ fahrens wird die Beleuchtungsstärke in Einzelschritten verändert, wenn der automatische Verstärkungsregler be­ reit ist, den Signalpegel innerhalb des Sollbereichs zu halten. Infolge des gemeinsamen Betriebes von automati­ schen Verstärkungsregler und automatischem Beleuchtungs­ regler kann der Videosignalpegel innerhalb des optimalen Arbeitsbereiches gehalten werden, da der Spiegelkopf des Instruments mit Bezug auf ein gegebenes Objekt neu posi­ tioniert werden kann, um Videobilder hoher Qualität über einen großen Bereich vor Ort zu erzielen.

Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (6)

1. Automatischer Signalpegelregler für eine Video­ einrichtung, bei der ein Halbleiterbildgeber Lichtbilder eines entfernten Objekts aufzeichnet und Videosignale erzeugt, mit einem Verstärker mit veränderlichem Ver­ stärkungsgrad, der den Pegel eines am Videoprozessor anliegenden Signals regelt, mit einer automatischen Ver­ stärkungsregelschaltung, welche den Pegel des Video­ ausgangssignals des Verstärkers abtastet und ein Rück­ führungselement für den Verstärker erzeugt, um den Pegel des Videosignals innerhalb eines optimalen Bereiches zu halten, mit einer intermittierend betriebenen Lampe zum Beleuchten des Objekts, mit einer programmierbaren Steuerung zur Regelung der Beleuchtungsstärke der Lampe und mit einer Vergleichsschaltung, der das Rückführungs­ signal und eine Bezugsspannung zuführbar ist und von der die Helligkeit der Lampe steuerbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Impulsgenerator (21) mit veränderbarer Impulsfrequenz zur Helligkeits­ steuerung einer Blitzlampe (25) vorgesehen ist, wobei die Impulsfrequenz des Impulsgenerators erhöht wird, wenn der Pegel des Rückführungssignals eine erste obere Bezugsspannung überschreitet und die Impulsfrequenz verkleinert wird, wenn der Pegel des Rückführungssignals eine zweite untere Bezugsspannung unterschreitet.

2. Signalpegelregler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung eine erste Vergleichsstufe (14) mit Eingängen für das Rückführungssignal und die obere Bezugsspannung und eine zweite Vergleichsstufe (15) mit Eingängen für das Rück­ führungssignal und der unteren Bezugsspannung aufweist.

3. Signalpegelregler nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ansteuerung des Impulsgenerators (21) ein Zähler (20) vorgesehen ist, der einen mit der ersten Vergleichsstufe (14) verbun­ denen Eingang zum Abwärtszählen und einen mit der zweiten Vergleichsstufe (15) verbundenen Eingang zum Aufwärts­ zählen aufweist.

4. Signalpegelregler nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zähler (20) von einem Signal eines Videobildordners (36) zu Beginn jeweils einer Videobild-Belichtungsperiode aktiviert wird.

5. Signalpegelregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Bezugsspannung kleiner als die Spannung ist, bei der der Bildgeber (10) den Sättigungszustand erreicht.

6. Signalpegelregler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (20) von einer Steuerstufe (19) auf einen minimalen und maximalen Zählerstand einstellbar ist.