DE3718603C2 - Farbbild-abtastvorrichtung, sowie elektronisches endoskop hiermit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Farbbild-Abtastvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben und aus der DE-OS 34 10 401 bekannt ist.

Bei einer Farbbild-Abtastvorrichtung nach dem Stand der Technik ist ein elektronisches Endoskop vorgesehen, bei dem eine Bildabtastvorrichtung auf Halbleiterbasis, wie z. B. eine CCD (Charge Coupled Device) am distalen Ende des Einführabschnittes vorgesehen ist. Für gewöhnlich werden Endoskope zur Untersuchung der Innenseite einer Körperhöhle oder von engen rohrförmigen Teilen verwen­ det, die völlig lichtlos oder sehr dunkel sind. Somit ist die Verwendung von Beleuchtungslicht von einer Lichtquelleneinheit bei der Untersuchung nötig. Bei ei­ nem rahmensequentiellen elektronischen Endoskop ist ein Drehfilter mit roten, grünen und blauen Farbkomponenten vorderhalb einer Lampe angeordnet. Wenn somit der Filter eine Umdrehung ausführt, wird ein Beleuchtungslicht, das von der Lichtquelleneinheit emittiert und dem Lichtleiter des Endoskopes zugeführt wird, nacheinander rot, grün und blau eingefärbt. Dann werden Bilder der einzelnen Farb­ komponenten in ihren zugehörigen Rahmenspeichern abge­ speichert. Wenn die Bilder der drei Farbkomponenten in ihren Rahmenspeichern abgespeichert worden sind, werden sie gleichzeitig ausgelesen und das sich ergebende voll­ farbige Bild wird auf einem Monitor dargestellt.

Somit werden beim rahmensequentiellen System drei Farb­ komponenten-Bilder in ein vollfarbiges Bild syntheti­ siert. Bei der Erzeugung eines Standbildes eines sich schnell bewegenden Objektes unterliegen somit die drei Komponentenbilder einer Farbverschiebung, so daß kein Bild mit hoher Qualität erzeugt werden kann.

Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem die Drehge­ schwindigkeit des Drehfilters erhöht wird, um die drei Farbkomponenten-Bilder in einer kürzeren Zeitperiode aufzunehmen. Hierbei werden jedoch die Fotografierperio­ den für die einzelnen Komponentenbilder in nachteiliger Weise zu kurz, da nicht mehr eine ausreichende Lichtmenge für die Beleuchtung sichergestellt werden kann.

Bei einer Lichtquelleneinheit mit einer Blitzlampe, wie einem Stroboskop, oder einer Lampe mit intermittierender Lichtabgabe (gepulstes Licht) ist es nötig, einen Blen­ denmechanismus zu verwenden, der die Belichtung steuert, da die Blitzlichtmenge konstantist. Dieser Blendenme­ chanismus macht die Lichtquelleneinheit in ihrem Aufbau kompliziert.

Die geschilderten Umstände betreffen nicht nur elektro­ nische Endoskope sondern sämtliche Farbbild-Abtastvor­ richtungen, die nach dem rahmensequentiellen System ar­ beiten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Farbbild-Abtastvorrichtung des rahmensequentiellen Systems zu schaffen, welches Standbilder mit geringer Farbverschiebung erzeugen kann, wobei die Beleuchtungs­ lichtmenge nicht durch Erhöhung der Drehgeschwindigkeit eines Drehfilters verringert wird und wobei weiterhin die Menge von Beleuchtungslicht, das von einer Blitzlampe erzeugt wird, regelbar ist.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahmen auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1A und 1B Blockdiagramme eines elektronischen En­ doskopes als Farbbild-Abtastvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eineDraufsicht auf einen Drehfilter zur Verwen­ dung in dem elektronischen Endoskop gemäß den Fig. 1A und 1B;

Fig. 3A bis 3E Signalverläufe zur Erläuterung der Ar­ beitsweise des elektronischen Endoskopes gemäß den Fig. 1A und 1B;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines elektronischen Endoskopes als Farbbild-Abtastvorrichtung gemäß einer zwei­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein detailliertes Blockdiagramm zur Veranschau­ lichung eines Verzögerungsschaltkreises und eines Steuersignal-Generators in der zweiten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 6A bis 6F Signalverläufe zur Erläuterung derAr­ beitsweise der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform; und

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines elektronischen Endoskopes als Farbbild-Abtastvorrichtung gemäß einer drit­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Fall der nun vorliegenden Beschreibung wird ein elek­ tronisches Endoskop als Beispiel für die Abtastvorrich­ tung näher erläutert. Gemäß den Fig. 1A und 1B weist ein elektronisches Endoskop eine Endoskopeinheit 10 und eine Lichtquelleneinheit 12 auf. Hierbei dient die Lichtquel­ leneinheit 12 nicht nur als Lichtquelle, sondern auch als Kamerasteuerung zur Steuerung einer Bildabtastvorrichtung und als Videoprozessor zur Verarbeitung von Signalen von der Abtastvorrichtung. DieEndoskopeinheit 10 ist nicht auf ein medizinisches Endoskop zurBeobachtung des Inne­ ren einer Körperhöhle beschränkt, sondern kann auch ein industrielles Endoskop sein, welches verwendet wird, das Innere einer engen Röhre oder dergl. in einer Maschine zu untersuchen.

Am distalen Ende eines Einführabschnittes der Endoskop­ einheit 10 sind eine Objektivlinse 14 und ein Bildabtast­ element auf Halbleiterbasis (z. B. eine CCD) 16 angeord­ net, mittels denen ein Bild eines Objektives aufnehmbar ist.

Da das distale Ende der Endoskopeinheit 10 sehr eng ist, besteht die CCD 16 nur aus einem Ladungs-Speicherab­ schnitt (Bildabtastabschnitt) und weist keinen Abschirm­ abschnitt zur Ausgabe von Ladungen auf. Somit können Le­ sen und Speichern nicht gleichzeitig durchgeführt werden. Wie noch näher erläutert werden wird, werden Lesen und Speichern seriell durchgeführt, indem Beleuchtungslicht von der Lichtquelleneinheit 12 ausgestrahlt bzw. abge­ schattet wird.

Farbkomponentensignale, die nacheinander von der CCD 16 für jeden Rahmen ausgegeben werden, werden als Zweipha­ sen-Signale einem Gleichtaktungsunterdrückungs-Verstärker (Common-mode rejection amplifier) 22 in der Lichtquellen­ einheit 12 über einen Vorverstärker 18 zugeführt.

Die Endoskopeinheit 10 weist weiterhin einen Lichtleiter 20 auf, der aus einem Bündel von optischen Fasern gebil­ det ist. Ein Ende des Lichtleiters 20 ist mit der Licht­ quelleneinheit 12 verbunden und das andere Ende ist in das distale Ende der Endoskopeinheit 10 geführt. Be­ leuchtungslicht von der Einheit 12 wird über ein Licht­ leiter 20 übertragen und auf ein zu beobachtendes Objekt gerichtet.

Der Ausgang des Verstärkers 22 wird über einen Abtast/ Halteschaltkreis 24 (S/H), einen A/D-Wandler 26 und einem Multiplexer 28 geführt und wird in Rahmenspeichern 30 a, 30 b und 30 c abgespeichert. Der Multiplexer 28 wird bei jeder Bilderzeugung eines Farbkomponenten-Rahmens durch die CCD 16 umgeschaltet. Somit ist das Bilderzeugungs­ system ein rahmensequentielles System, welches drei Farbkomponentenrahmen für rot, grün und blau verwendet und Rahmensignale, welche für die Komponenten rot, grün und blau stehen, werden in den Speichern 30 a, 30 b und 30 c gespcihert.

Die in den Speichern 30 a bis 30 c gespeicherten Signale werden gleichzeitig aus den Speichern ausgelesen. Die Ausgänge der Speicher 30 a, 30 b und 30 c werden über D/A- Wandler 32 a, 32 b und 32 c und Tiefpaßfilter 34 a, 34 b und 34 c geführt und von Ausgangsanschlüssen 35 a, 35 b und 35 c für ein Rot-, Grün- und Blau-Signal abgegeben. Ein Farb­ monitor 64 und eine Bildspeichereinheit 66 sind mit den Anschlüssen 35 a bis 35 c verbunden. Eine optische Platte oder dergl. wird als Bildspeicher 66 verwendet.

Die Lichtquelleneinheit 12 weist einen Treiber 36 zur Erzeugung von Taktpulsen auf, mittels denen die CCD 16 betrieben wird.

Die einzelnen Schaltkreise in der Lichtquelleneinheit 12 werden mittels Zeitsteuerungs-Generatoren 38 und 40 zeitlich gesteuert. Für die Rahmenspeicher 30 a, 30 b und 30 c ist die Speicherungsgeschwindigkeit verschieden von der Auslesegeschwindigkeit. Das Einspeichern in die Speicher 30 a bis 30 c wird durch den Generator 38 ge­ steuert, um synchron mit der Bilderzeugung durch die CCD 16 zu sein. Das Auslesen aus den Speichern 30 a bis 30 c wird von dem Generator 40 gesteuert, um synchron mit ei­ nem Datentransfer zu sein, der für den Farbmonitor 64, die Bildspeichereinheit 66 und andere Vorrichtungen, welche an den Anschlüssen 35 a bis 36 c angeschlossen sind, nötig ist. Der Generator 38 ist mit dem Schaltkreis 24, dem A/D-Wandler 26, dem Multiplexer 28, den Rahmenspei­ chern 30 a bis 30 c und dem Treiber 36 verbunden. Der Ge­ nerator 40 ist mit den Speichern 30 a bis 30 c und den D/A-Wandlern 32 a bis 32 c verbunden. Der Generator 38 erhält ein Signal von einem Auslöseschalter 21, der in einem Manipulationsabschnitt der Endoskopeinheit 10 ange­ ordnet ist.

Die Lichtquelleneinheit 12 weist verschiedene Lichtquel­ len zur Beobachtung und zur Aufzeichnung eines Standbil­ des auf. Eine Lampe 42 (z. B. eine Xenon-Lampe), welche kontinuierlich Licht abstrahlt, wird als Beobachtungs­ lichtquelle verwendet. Als Lichtquelle für Aufzeichnungen wird ein Stroboskop 58, welches Blitzlicht erzeugt, ver­ wendet. Mit der Lampe 42 ist eine Lampensteuerung 54 zur Regelung des Lampenstroms verbunden. Das Stroboskop 58 ist mit einer Stroboskop-Steuerung 56 verbunden, welche einen Entladungsstrom für Blitzlichterzeugung liefert.

Die Emissionsrichtung der Lampe 42 ist zu der des Stro­ boskops 58 um 90° versetzt und ein beweglicher Spiegel 60 ist nahe des Schnittpunktes der beiden Emissionsrichtun­ gen angeordnet. Wenn der Spiegel 60 in einer Stellung ist, die in Fig. 1A mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, wird Licht von dem Stroboskop 58 von dem Spiegel 60 abgefangen und ein Lichtungslicht von der Lampe 42 wird über eine Linse und einen Drehfilter 44 dem Licht­ leiter 20 zugeführt. Wenn der Spiegel 60 in der Stellung ist, die in Fig. 1A gestrichelt dargestellt ist, wird Licht von der Lampe 42 von dem Spiegel 60 abgefangen und Licht von dem Stroboskop 58 wird von dem Spiegel 60 re­ flektiert und über die Linse und den Drehfilter 44 dem Lichtleiter 20 zugeführt. Die Bewegung des Spiegels 60 wird von der Stroboskop-Steuerung 56 gesteuert. Wenn die Lampe 42 eingeschaltet ist, ist der Spiegel 60 in der mit ausgezogenen Linien dargestellten Lage. Wenn das Stro­ boskop 58 eingeschaltet ist, ist der Spiegel 60 in der mit strichlierten Linien dargestellten Position. Die Lampensteuerung 54 und die Stroboskopsteuerung 56 werden abwechselnd von der Zeitsteuerung 38 gesteuert.

Wie bereits erwähnt dient der Filter 44 dazu, das Be­ leuchtungslicht nacheinander rot, grün und blau einzu­ färben, wobei Abschatt-Perioden zwischen den Einfärbpe­ rioden vorliegen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Filter 44 scheibenförmig ausgebildet und weist umlaufend in festgelegten Abständen rote, grüne und blaue Farbfil­ terelemente 70, 72 und 74 auf. Wenn die Elemente 70, 72 und 74 in der optischen Achse des Beleuchtungslichtes liegen, d. h. vor dem Lichtleiter 20, während sich der Filter 44 dreht, wird eine Signalladung entsprechend der Farbkomponenten-Bildinformation des Objektes in der CCD 16 gespeichert. Wenn danach das Licht durch die Bereiche zwischen den Filterelementen 70, 72 und 74 abgeschattet wird, wird die gespeicherte Ladung aus der CCD 16 ausge­ lesen. Die CCD 16 wird von dem Speichermodus in den Aus­ lesemodus mittels Öffnungen 76, 78 und 80 zur Erzeugung von Leseimpulsen, welche in Drehrichtung des Filters hinter den Filterelementen 70, 72 und 74 angeordnet sind, umgeschaltet. In Drehrichtung hinter dem Endbereich des blauen Filterelementes 74 ist eine Öffnung 82 zur Erzeu­ gung eines Startimpulses ausgebildet.

Der Drehfilter 44 wird von einem Schrittmotor 46 gedreht, der über eine PLL-Steuerung von einer Geschwindigkeits- Steuerung 48 geregelt wird. Ein Fotokoppler 50, der auf der einen Seite des Filters 44 ein lichtemittierendes Element und auf der anderen Seite ein lichtempfangendes Element aufweist, ist im Bereich der äußeren Umfangskante des Filters angeordnet. Der Fotokoppler erzeugt die Le­ seimpulse oder den Startimpuls, wenn er die Öffnungen 76, 78, 80 oder 82 erfaßt. Die Start- und Leseimpulse von dem Fotokoppler 50 werden über einen Verstärker 52 dem Gene­ rator 38 und der Geschwindigkeitssteuerung 48 zugeführt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3E soll nun die Ar­ beitsweise derAusführungsform gemäß den Fig. 1A und 1B erläutert werden. Die Geschwindigkeitssteuerung 48 ist mit einem Referenzsignal-Generator versehen, der Synchronisationsimpulse (z. B. in Intervallen von ¹/₃₀ s) als Referenzimpulse für die Steuerung der Drehung des Drehfilters 44 erzeugt. Somit bewirkt die Steuerung 48, daß der Schrittmotor 46 bzw. der Filter 44 mit einer Geschwindigkeit drehen, die synchron zu den Synchronisa­ tionsimpulsen ist. Wenn der Filter 44 auf diese Weise gedreht wird, geraten die Farbfilter 70, 72 und 74 nach­ einander in den optischen Weg des Beleuchtungslichtes, das auf den Lichtleiter 20 einfällt. Dies hat zur Folge, daß das Beleuchtungslicht nacheinander rot, grün und blau (Einfärbperioden; Perioden mit hohem logischen Level) eingefärbt werden, wobei Abschattperioden (Perioden mit niedrigem Level) zwischen den Farbperioden vorliegen, wie in Fig. 3B dargestellt.

Jeder Leseimpuls (nicht dargestellt) wird am Ende der Beleuchtung mit roten, grünem oder blauem Licht erzeugt, wobei jeder Startimpuls (nicht dargestellt) am Ende der blauen Beleuchtung erzeugt wird. Die Geschwindigkeits­ steuerung 48 steuert die Drehgeschwindigkeit des Schrittmotors 46 derart, daß die Startimpulse synchron mit den Synchronisationsimpulsen erzeugt werden.

In einem normalen Fotografiermodus (wenn der Auslöse­ schalter 21 nicht eingeschaltet ist) beliefert der Gene­ rator 38 die Lampensteuerung 54 mit einem Steuersignal, so daß die Lampe 42 aufleuchtet und beliefert die Stro­ boskop-Steuerung 56 mit einem Steuersignal, so daß das Stroboskop 58 nicht aufblitzt, wobei der Spiegel 60 in der in Fig. 1A mit durchgezogenen Linien dargestellten Stellung ist. In Fig. 3C, in der die Stellung des Spie­ gels 60 veranschaulicht ist, entsprechen die hohen bzw. niedrigen Levels den Stellungen, die durch gestrichelte bzw. ausgezogenen Linien in Fig. 1A dargestellt sind. somit wird in einem normalen Fotografiermodus Beleuch­ tungslicht für eine Beobachtung, das von der Lampe 42 emittiert wird, aufeinanderfolgend mittels des Drehfil­ ters 44 rot, grün und blau eingefärbt und dann dem Lichtleiter 20 zugeführt.

Während das Beleuchtungslicht rot, grün und blau einge­ färbt wird, werden in der CCD 16 Signalladungen entspre­ chend den Bilddaten der einzelnen Farbkomponenten einge­ speichert. Während der Abschattperioden unmittelbar nach den Einfärbperioden werden die gespeicherten Ladungen ausgelesen. Somit wird als Antwort auf den Leseimpuls, der am Ende einer jeden Periode zur Beleuchtung mit ro­ tem, grünem oder blauem Licht erzeugt wird jede gespei­ cherte Ladung aus der CCD 16 ausgelesen und in die Rah­ menspeicher 30 a, 30 b und 30 c eingelesen. Ein Bild eines Objektes, das auf diese Art und Weise im rahmensequen­ tiellen System aufgenommen wird, wird von den Ausgangs­ anschlüssen 35 a, 35 b und 35 c für R-, G- und B-Signale abgegeben und wird in Echtzeit auf dem Farbmonitor 64 gezeigt.

Normalerweise ist die Bilddarstellung auf dem Farbmonitor 64 ein bewegliches Bild. Alternativ hierzu kann jedoch auch ein Standbild auf dem Monitor dargestellt werden, um das zu untersuchende Objekt noch detaillierter darzu­ stellen. Durch bloßes Unterbrechen des Einspeicherns in die Rahmenspeicher 30 a bis 30 c und wiederholtes Auslesen der zuletzt gespeicherten Bilder kann eine Farbverschie­ bung nicht verhindert werden. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher die Standbild-Auf­ zeichnung wie folgt durchgeführt:
Unter Beobachtung des Bildschirms schließt eine Bedie­ nungsperson den Auslöseschalter 21 zu einer gewünschten Zeit, um eine Standbildaufzeichnung durchzuführen (Fig. 3A). Als Antwort hierauf wird der Generator 38 von einem Laufbildmodus in einen Standbildmodus umgeschaltet. Als Antwort auf den ersten Startimpuls der danach am Ende der blauen Beleuchtung erzeugt wird, schwenkt der Generator 38 den Spiegel 60 in die Stellung, die in Fig. 1A ge­ strichelt dargestellt ist, (Fig. 3C) und bewirkt, daß die Lampensteuerung 54 den Lampenstrom auf einen sehr gerin­ gen Wert, aber nicht auf Null (gestrichelte Linie in Fig. 3E) verringert. Da allerdings das von der Lampe 42 auf den Lichtleiter 20 einfallende Licht von dem Spiegel 60 abgeschattet wird, muß der Lampenstrom nicht unbedingt verringert werden.

Als Antwort auf drei Leseimpulse, von denen der erste gleichzeitig mit dem Startimpuls erzeugt wurde, erzeugt der Generator 38 Zeitsteuerimpulse, welche das Stroboskop 58 dreimal aufblitzen lassen, wie in Fig. 3D dargestellt. Nach der Erzeugung eines jeden Leseimpulses erzeugt die Stroboskop-Steuerung 56 Zeitimpulse mit einer festgeleg­ ten Verzögerungszeit. Die einzelnen Verzögerungszeiten sind so festgelegt, daß die Emission des ersten Blitz­ lichtes am Ende derRotlichtperiode endet, ein zweites Blitzlicht in der Mitte der Grünlichtperiode emittiert wird und die Emission eines dritten Blitzlichtes zu Be­ ginn der Blaulichtperiode beginnt (Fig. 3B und 3D). Jede Emissionsperiode des Stroboskops 58 ist festgelegt. Im Standbildmodus wird Beleuchtungslicht nur von dem Stro­ boskop 58 emittiert. Selbst während einer Einfärbeperiode des Drehfilters 44 ist daher die Beleuchtungslichtmenge Null, solange kein Blitzlicht emittiert wird, so daß eine Bildaufzeichnung (Speicherung einer Signalladung) nicht durchgeführt wird, solange kein Blitzlicht emittiert wird. Mit anderen Worten, eine Bildaufzeichnung findet nur dann statt, wenn ein Blitzlicht emittiert wird.

Somit ist bei dem elektronischen Endoskop gemäß dieser Ausführungsform die Zeitdauer zwischen dem Beginn der Darstellung des ersten Farbkomponentenbildes und dem Ende der Darstellung des dritten Farbkomponentenbildes kürzer als im Fall eines bekannten elektronischen Endoskops, bei dem die Bilddarstellung während der gesamten Einfärbepe­ riode stattfindet. Somit kann ein Standbild mit geringe­ rer Farbverschiebung ohne Verringerung der Beleuchtungs­ lichtmenge durch Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Drehfilters aufgezeichnet werden. Theoretisch kann das Blitzlicht für die Grünfarben-Darstellung zu jedem Zeit­ punkt während der Grünperiode emittiert werden. Wenn die Blitzlichtemission jedoch in der Mitte dieser Periode stattfindet, können die drei Farbkomponentenbilder in gleichen Zeitabständen aufgenommen werden.

Wenn danach die Blauperiode endet, beendet der Generator 38 den Aufzeichnungsmodus für ein Standbild. Der Spiegel 60 kehrt in die in Fig. 1A mit ausgezogenen Linien dar­ gestellte Lage zurück (Fig. 3C) und der Lampenstrom nimmt wieder den hohen Wert an (Fig. 3E). Weiterhin wird das Einschreiben von Signalen in die Rahmenspeicher 30 a bis 30 c unterbrochen gehalten, so daß das im Standbildmodus aufgezeichnete Bild erhalten bleibt und weiterhin auf dem Farbmonitor 64 angezeigt wird. Wenn der Auslöseschalter 21 wieder gedrückt wird, nachdem das aufgezeichnete Standbild in dem Bildspeicher 66 abgespeichert wurde, werden die Signale wieder in die Speicher 30 a bis 30 c eingeschrieben und der Farbmonitor 64 kehrt wieder in den Laufbild-Anzeigemodus zurück.

Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform sowohl die Lampe 42 als auch das Stroboskop 58 als Lichtquellen verwendet werden, kann das Stroboskop 58 allein vorgese­ hen werden. Wenn in diesem Falle die roten, grünen und blauen Filterelemente in ihrer Umfangslänge unterschied­ lich sind (entsprechend der Einfärbezeit) muß die von dem Stroboskop emittierte Lichtmenge durch Steuerung der Emissionsfrequenz und Emissionszeit des Stroboskops geändert werden. Die Empfindlichkeit der CCD auf die einzelnen Farben verringert sich in der Reihenfolge von rot über grün nach blau, so daß die Größenreihenfolge der Filterelemente blau, grün und rot ist. In diesem Fall sollte das kleinste Element für rot an der Stelle des Filterelementes für grün angeordnet werden, d. h., die Farbkomponente für rot sollte die zweite Komponente sein.

Die Belichtungssteuerung mit einem elektronischen Endos­ kop, welches nur eine Blitzlichtlampe aufweist, wird nun im folgenden beschrieben. Die Blitzlichtlampe umfaßt hierbei ein Stroboskop und eine Lampe, welche intermit­ tierend Licht abgeben kann (Impulslichtabgabe). Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines derartigen Endoskopes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung.

Eine Lichtquelleneinheit 102 ist mit einem elektronischen Endoskop 100 verbunden. Das Endoskop 100 weist einen Lichtleiter 106 und eine CCD 108 auf. Der Lichtleiter 106 ist aus einem Bündel optischer Fasern gebildet, der Be­ leuchtungslicht, welches von der Lichtquelleneinheit 102 emittiert wird zum distalen Ende eines Einführabschnittes führt, so daß hiermit ein Objekt 104 beleuchtbar ist. Die CCD 108 ist eine Bildabtastvorrichtung auf Halbleiterba­ sis und ist am distalen Ende des Einführabschnittes ange­ ordnet.

Die Lichtquelleneinheit 102 weist eine Lampe auf, welche intermittierend Licht abgeben kann (z. B. eine Xenon- Lampe 110). Wenn ein Ausgangsimpuls-Signal von einem Im­ pulsgenerator 112 einem Stromsteuer-Schaltkreis 114 zu­ geführt wird, emittiert die Lampe 110, welche normaler­ weise einer Stromkonstant-Steuerung unterliegt ein Blitzlicht snychron mit dem Impulssignal. Ein Schalt­ kreis 116 ist mit dem Stromsteuer-Schaltkreis 114 verbunden. Die Schaltkreise 114 und 116 bilden zusammen einen Lichtgeberschaltkreis 118.

Das von der Lampe 110 emittierte Licht wird durch ein optisches Linsensystem 122 und einen Drehfilter 124 ge­ führt und trifft dann auf den Lichtleiter 106 des Endos­ kops 100. Der Filter 124, der von einem Motor 128 gedreht wird, wird verwendet, um das Beleuchtungslicht nacheinan­ der rot, grün und blau einzufärben. Zwischen den Einfär­ beperioden für die einzelnen Farbkomponenten sind Ab­ schattperioden eingesetzt. Ein optischer Sensor 130 wird verwendet, um die Einfärbeperioden der Farbkomponenten des Filters 124 zu erfassen. Wenn eine jede Einfärbpe­ riode endet, gibt der Sensor 130 einen Impuls an einen Farbsynchronisations-Schaltkreis 132. Der Schaltkreis 132 liefert ein Farbsynchronisationssignal an einen Verzöge­ rungsschaltkreis 150 für eine festgesetzte Zeitdauer (entsprechend der Einfärbeperiode) nach einer festgeleg­ ten Periode (gleich der Abschattperiode) nachfolgend an den Empfang des Synchronisationsimpulses aus.

Ein Ausgangssignal von der CCD 108 wird der Lichtquellen­ einheit 102 über Signalleitungen und einen Anschluß 138 des elektronischen Endoskopes 100 zugeführt. Dieses Si­ gnal wird dem Eingang eines Signalverarbeitungsschalt­ kreises 140 zugeführt, der eine Verstärkung, Begrenzung und verschiedene andere Korrekturvorgänge durchführt. Der Ausgang des Schaltkreises 140 wird einem Videoschaltkreis 142 zugeführt und ein Bild erscheint auf einem Anzeige­ abschnitt (nicht dargestellt). Das gleiche Ausgangssignal wird weiterhin einem Differenzverstärker 144 zugeführt, der von einem Referenzspannungs-Generator 146 ein Refe­ renzsignal erhält. Der Signalverarbeitungs-Schaltkreis 140 und der Verstärker 144 bilden zusammen einen Steuer­ signalgenerator 152. Der Ausgang des Verstärkers 144 wird dem Verzögerungsschaltkreis 150 zugeführt, der den Aus­ gang des Farbsynchronisations-Schaltkreises 132 abhängig vom Ausgang des Verstärkers 144 verzögert.

Fig. 5 zeigt den genaueren Aufbau des Verzögerungs­ schaltkreises 150 und des Steuersignalgenerators 152 in der zweiten Ausführungsform. Das Ausgangssignal der CCD 108 wird dem Signalverarbeitungsschaltkreis 140 zuge­ führt. Der Ausgang des Schaltkreises 140 wird einem Inte­ grator 154 zugeführt, der aus einem Schalter S 1, einem Widerstand R 1 und einem Kondensator C 1 besteht. Die Be­ tätigung des Schalters S 1 wird mittels eines Steuer­ schaltkreises 156 gesteuert. Der Ausgang des Integrators 154 wird dem Differenzverstärker 144 zugeführt.

Der Verzögerungsschaltkreis 150 weist einen spannungsge­ steuerten Widerstand 158 (VCR = voltage-controlled resi­ stance) und einen monostabilen Multivibrator 160 auf. Der Widerstandswert des VCR 158 ändert sich in Abhängigkeit der angelegten Spannung. Der Ausgang des Differenzver­ stärkers 144 wird dem VCR 158 zugeführt, so daß dieser die Zeitkonstante des Multivibrators 160 bestimmt. Der Ausgang des Farbsynchronisationsschaltkreises 132 wird dem Multivibrator 160 zugeführt, dessen Ausgang wiederum dem Impulsgenerator 112 zugeführt wird.

Unter Bezugnahme auf die Zeitdiagramme in den Fig. 6A bis 6F wird nun die Arbeitsweise des elektronischen Endosko­ pes gemäß Fig. 4 beschrieben. Wenn sich der Drehfilter 124 dreht, werden Farbsynchronisationssignale (negative Impulse) von dem Farbsynchronisationsschaltkreis 132 er­ zeugt wie in Fig. 6A dargestellt. Fig. 6B zeigt die Art des Filtervorgangs durch den Filter 124. In Fig. 6B ist mit t 1 bzw. t 2 die Einfärbeperiode bzw. Abschattperiode bezeichnet. Am Ende einer jeden Einfärbeperiode wird ein Farbsynchronisationssignal abgegeben, welches den mono­ stabilen Multivibrator 160 triggert. In dieser Ausfüh­ rungsform wird die Zeitkonstante des Multivibrators 160 durch den VCR 158 bestimmt, dessen Widerstandswert in Abhängigkeit vom Ausgang des Steuersignalgenerators 152 schwankt. Der Ausgangswert des Multivibrators 160 steigt an, wenn eine Zeit äquivalent zur Zeitkonstanten ver­ strichen ist, nachdem der Multivibrator 160 getriggert wurde. Danach gibt der Multivibrator 160 einem Ausgangsimpuls mit einer festen Breite aus. Der Widerstandswert des VCR 158 steigt an und fällt, wenn der Wert des Steuersignales ansteigt und fällt. Somit ändert sich auch die Verzöge­ rungszeit des Verzögerungsschaltkreises 150 entsprechend dem Wert des Steuersignals.

Fig. 6C zeigt, wie sich das Videosignal von der CCd 108 verhält, wenn die Helligkeit des Objektes von mittel nach niedrig und von niedrig nach hoch schwankt. Das Videosi­ gnal wird von dem Integrator 154 integriert und das Er­ gebnis der Integration für jeden Rahmen wird in dem Kon­ densator C 1 gehalten. Fig. 6D zeigt den Integrationsaus­ gang, der einem Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 144 zugeführt wird. In Fig. 6D ist mit einer gestrichel­ ten Linie das Referenzsignal dargestellt, welches dem anderen Eingangsanschluß des Verstärkers 144 zugeführt wird. Der Unterschied zwischen dem Referenzsignal und dem Integrationssignal wird als Steuersignal oder Steuer­ spannung dem VCR 158 zugeführt. Somit ist die Verzöge­ rungszeit des Verzögerungsschaltkreises 150 umso länger, je höher die Helligkeit des Objektes ist.

Ein Verzögerungssignal, welches um eine Zeit T entspre­ chend der Helligkeit des Objektes verzögert ist, wird nach dem Erhalt des Farbsynchronisationssignales (Fig. 6A) von dem monostabilen Multivibrator 160 dem Impulsge­ nerator 112 zugeführt. Fig. 6E zeigt dieses Verzöge­ rungssignal. Während einer Zeitdauer t 3, während der das Verzögerungssignal erzeugt wird, bewirkt der Generator 112, daß der Lichtgeberschaltkreis 118 die Lampe 110 aufblitzen läßt. Wenn die Helligkeit des Objektes mittel oder hoch ist, beginnt die Abschattperiode t 2 des Dreh­ filters, bevor die Aufblitzperiode t 3 endet. Wenn die Helligkeit des Objektes gering ist, beginnt die Ab­ schattperiode t 2 am Ende der Aufblitzperiode t 3. Somit wird das Beleuchtungslicht während der letzten Hälfte der Aufblitzperiode unterbrochen, wenn die Helligkeit mittel oder hoch ist, wie in Fig. 6F dargestellt. Somit ist das Licht von der Lampe 110, welches in den Lichtleiter 106 einfällt, weniger als in dem Fall, in dem die Helligkeit des Objektes gering ist. Somit kann eine automatische Belichtungssteuerung ohne Verwendung irgendeiner Blende durchgeführt werden.

Die Blitzperiode t 3, die Einfärbeperiode t 1, die Ab­ schattungsperiode t 2, die Verzögerungszeit T müssen den folgenden Beziehungen genügen:

t 3 < t 2, (1)

t 1 + t 2 < T + t 3 (2)

Bei dieser Ausführungsform ist, wie beschrieben, eine Lichtquelleneinheit für ein Endoskop vorgesehen, bei der der Zeitpunkt für den Beginn des Aufblitzens der Lampe hinter den Start des Einfärbens durch den Drehfilter in Abhängigkeit von einem Lichtsteuersignal verzögert ist, so daß eine automatische Belichtungssteuerung auf einfa­ che Weise unter Verzicht auf eine Blendenvorrichtung be­ wirkt werden kann.

Da das Steuersignal auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Integrationsausgang und dem Referenzsignal bestimmt wird, kann die Belichtung auf einen gewünschten Helligkeitswert durch Änderung der Referenzspannung ein­ gestellt werden.

Das Blockdiagramm gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 5 im Aufbau des Verzögerungsschaltkreises 150. Der Ausgang des Differenzverstärkers 144 wird einem A/D-Wandler 170 zugeführt. Nur einer der Ausgänge 1 bis n des Wandlers 170 ist aktiviert, so daß nur der korre­ spondierende Analogschalter in einem Analogschalter- Schaltkreis 172 eingeschaltet ist. Dies hat zur Folge, daß einer von externen Widerständen Rx 1 bis Rxn ausge­ wählt und mit dem Zeitkonstanten-Schaltkreis des mono­ stabilen Multivibrators 160 verbunden wird, so daß die Zeitkonstante durch Rxi (i = 1 ∼ n) und Cx bestimmt wird. Auch bei der Anordnung gemäß Fig. 7 wird daher ein Ver­ zögerungssignal, welches von dem Farbsynchronisationssi­ gnal in Abhängigkeit von dem Lichtsteuersignal verzögert ist, dem Impulsgenerator 112 zugeführt. Somit wird der Beginn des Aufblitzens der Lampe 110 verzögert und eine automatische Belichtungssteuerung ist möglich.

Die Lampe 110 kann eine Gleichstrom-Bogenentladungslampe, eine Stroboskoplampe oder eine andere beliebige herkömm­ liche Lampe sein, mittels der ein Blitzlicht erzeugbar ist oder es kann eine Lampe zur intermittierenden Licht­ abgabe sein, um ein gepulstes Licht abzustrahlen. Wie erwähnt, sollte die Blitzlichtemission Erhöhen und Ver­ ringern der Lichtmenge in Abhängigkeit von Änderungen des Lampenstromes ermöglichen. Somit braucht die Lampe nicht immer während der Abschattperiode abgeschaltet werden. Weiterhin kann der Verzögerungsschaltkreis 150 so aufge­ baut sein, daß seine Verzögerungszeit anstelle der Ver­ wendung des Lichtsteuersignales von Hand einstellbar ist. Mit anderen Worten, die automatische Belichtungssteuerung kann durch eine manuelle Belichtungssteuerung ersetzt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist somit ein elektronisches Endoskop möglich, welches eine Belich­ tungssteuereinrichtung mit einfachem Aufbau aufweist und welche weder mechanische Blendeneinrichtungen noch einen Blendentreiber benötigt. Somit benötigt die Vorrichtung insgesamt weniger Bauteile und kann somit kompakter und preiswerter realisiert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von Abwandlungen und Modifikationen möglich. So ist der Drehfilter nicht auf die Farben Rot, Grün und Blau beschränkt sondern kann alternativ dazu die Farben Gelb, Fuchsin und Zyan aufweisen. Weiterhin kann der Drehfilter nur zwei Farbkomponenten und nicht drei aufweisen. Wei­ terhin sind bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform die einzelnen Farbfilterelemente des Drehfilters in ihrer Größe oder umfangsseitigen Länge gleich. Allerdings än­ dert sich die Empfindlichkeit der CCD abhängig von der Farbe. Somit müssen die Filterelemente vorzugsweise ver­ schiedene Größen aufweisen, so daß die einzelnen Farb­ komponentenbilder gleichmäßig belichtet werden.

Weiterhin ist in den beschriebenen Ausführungsformen die Bildabtastvorrichtung im distalen Ende eines Endoskopes angeordnet. Alternativ hierzu kann eine Fernsehkamera extern am Okkularabschnitt eines herkömmlichen Fasersko­ pes angeordnet werden. Weiterhin ist die vorliegende Er­ findung nicht auf elektronische Endoskope beschränkt. Sie können auch bei herkömmlichen Bildabtastvorrichtungen mit einem rahmensequentiellen System verwendet werden. Ge­ nauer gesagt, anstelle des Einfärbens des Beleuchtungs­ lichtes kann der Filter vor einer CCD angeordnet werden, so daß die Bildinformation für jede Farbkomponente wäh­ rend des Abbildungsvorganges zerlegt wird. Auch in diesem Fall wird das Zeitverhalten der Emission der Lichtquel­ lenlampe auf gleiche Weise wie obenerwähnt durchge­ führt.

Erfindungsgemäß wird, wie beschrieben, die Lampe zur Bildabbildung nur während eines Teiles der Einfärbepe­ riode für jede Farbe gezündet. Der Abbildungsvorgang für die erste Farbkomponente wird unmittelbar vor dem Ende der Einfärbeperiode durchgeführt, wohingegen der Abbil­ dungsvorgang für die letzte Farbkomponente unmittelbar nach dem Beginn der Einfärbeperiode durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Abbildungsvorgang für alle Far­ ben auf intensive Art und Weise innerhalb einer relativ kurzen Zeitdauer durchgeführt werden. Weiterhin werden Standbilder mit geringerer Farbverschiebung aufgezeich­ net, ohne die Beleuchtungslichtmenge durch Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes zu verringern.

Claims (13)

1. Farbbild-Abtastvorrichtung mit einer Lichtquelleneinrichtung zur Emission eines Blitzlichtes; einer Bildabtastvorrichtung zur Ab­ bildung eines Objektes, welches durch die Licht­ quelleneinrichtung beleuchtet wird; einer Filter­ einrichtung mit Filtern wenigstens zweier verschie­ dener Farben, welche zyklisch in einen optischen Pfad einbringbar sind, der sich von der Lichtquel­ leneinrichtung zu der Bildabtastvorrichtung er­ streckt; einer Lichtquellensteuereinrichtung welche mit dem Betrieb der Filtereinrichtung synchronisiert ist und die Lichtquelleneinrichtung zum Emittieren des Blitzlichtes jedes Mal dann veranlaßt, wenn ein Filter einer Farbe in demoptischen Pfad vorhanden ist; und Signalverarbeitungseinrichtungen zur Synthetisierung von Bildern wenigstens zweier ver­ schiedener Farbkomponenten, welche nacheinander von der Bildabtastvorrichtung abgegeben werden, um somit ein vollfarbiges Bild zu erzeugen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquellensteuereinrichtung (38) aufweist:
eine Vorrichtung (50) zum Detektieren eines Zeit­ punktes, zu dem jedes der Filter der Filtereinrich­ tung in dem optischen Pfad positioniert ist,
und eine Vorrichtung (56) zum Erzeugen eines Zeitsteuerungs­ signals nach einer festgelegten Verzögerung nach dem detektierten Zeitpunkt, wobei das Blitzlicht von der Lichtquelleneinrichtung (58) als Antwort auf das Zeitsteuerungssignal emittiert wird.

2. Farbbild-Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellensteuereinrich­ tung (38) die Emission eines ersten Blitzlichtes am Ende einer Einbringperiode für das Filter der ersten Farbkomponente beendet und die Emission des letzten Blitzlichtes mit Beginn einer Einbringperiode für das Filter der letzten Farbkomponente beginnt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Filtern ein Abschirmelement einge­ bracht ist, und wobei die Lichtquellensteuerein­ richtung (102) eine Vorrichtung (152) enthält zum Detektieren der Helligkeit des Objektes und eine Vorrichtung (150) enthält zum Betreiben der Licht­ quelleneinrichtung nach einer Verzögerung vom Start einer Einbringperiode für jedes Filter in den opti­ schen Pfad in Abhängigkeit von der mit der Detek­ tionsvorrichtung (152) detektierten Helligkeit.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (44) Filter mit drei ver­ schiedenen Farbkomponenten aufweist, und daß die Lichtquellensteuereinrichtung (38) die Lichtquelle derart steuert, daß ein zweites Blitzlicht in der Mitte einer Einbringperiode für eine zweite Farb­ komponente emittiert wird.

5. Elektronisches Endoskop mit
einer Endoskopeinheit (10; 100), welche eine Lichtleit­ einrichtung (20; 106) beinhaltet;
einer Farbbild-Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquellenein­ richtung (58; 102) mit der Endoskopeinheit ver­ bunden ist, um ein Beleuchtungslicht durch die Lichtleiteinrichtung (20; 106) einem abzubildenden Objekt zuzuführen, wobei die Filtereinrichtung (44; 124) zwischen der Lichtquelleneinrichtung (58; 102) und der Lichtleit­ einrichtung (20; 106) angeordnet ist, wobei die Bildabtastvorrichtung (16; 108) am distalen Ende der Endoskopeinheit (10) angeordnet ist, und wobei die Si­ gnalverarbeitungsvorrichtungen Speichereinrichtungen (30 a, 30 b, 30 c) aufweisen und mit der Endoskopeinheit verbunden sind, um Bildsignale für einzelne Farbkomponenten zu speichern, welche nacheinander von der Bildabtastvorrichtung (16; 108) er­ zeugt werden und um gleichzeitig alle gespeicherten Bildsignale für die Farbkomponenten auszugeben, ge­ kennzeichnet durch eine Standbildaufzeichnungsvorrichtung (21, 38) zum einmaligen Aufblitzenlassen der Lichtquellenein­ richtung (58) während des Einbringens eines jeden Filters der Filtereinrichtung (44) innerhalb eines Einbringzyklus der Filtereinrichtung, so daß die Emission eines ersten Blitzlichtes am Ende der Ein­ bringperiode für das Filter einer ersten Farbe endet und die Emission eines letzten Blitzlichtes zu Be­ ginn der Einbringperiode für das Filter der letzten Farbe beginnt, wobei die Aufzeichnungseinrichtung das Speichern der Signale in die Speichereinrichtung unterbricht, wenn die eine Einbringperiode endet.

6. Endoskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelleneinrichtung eine kontinuierlich strahlende Lampe (42), ein Stroboskop (58) zur Emission eines Blitzlichtes und eine Schalteinrich­ tung (60) für den optischen Pfad aufweist, mittels der Licht von der Lampe (42) in einem Beobachtungs­ modus in die Lichtleiteinrichtung (20) einbringbar ist und mittels derBlitzlicht von dem Stroboskop (58) in einem Standbildaufzeichnungsmodus in die Lichtleiteinrichtung (20) einbringbar ist.

7. Endoskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (44) ein scheibenförmi­ ges Drehfilter mit Filterelementen wenigstens zweier verschiedener Farben aufweist, welche entlang der Umfangsrichtung der Scheibe angeordnet sind.

8. Endoskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die neben den Filterelementen verbleibende Be­ reiche des Drehfilters als Abschatteile ausgebildet sind, wobei die Bildabtastvorrichtung abhängig von der Drehung des Drehfilters zwischen einem Spei­ chermodus und einem Auslesemodus derart umschaltbar ist, daß der Speichermodus erhalten wird, wenn eines der Filterelemente in demoptischen Pfad ist und der Auslesemodus erhalten wird, wenn ein Abschatteil in dem optischen Pfad ist.

9. Endoskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung Filterelemente dreier verschiedener Farbkomponente aufweist, wobei die Standbildaufzeichnungseinrichtung ein zweites Blitzlicht in der Mitte einer Periode emittiert, während das Filterelement einer zweiten Farbe in dem optischen Pfad ist.

10. Elektronisches Endoskop nach Anspruch 5,
bei dem das Beleuchtungslicht ein Blitzlicht aufweist,
bei dem zwischen den Filtern der Filtereinrichtung (124) ein Abschirmelement angeordnet ist, und bei dem die Signalverarbeitungsvorrichtungen eine Bild-Syntheti­ sierungsvorrichtung (12) aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquellensteuereinheit eine Vorrichtung (152) aufweist zum Detektieren der Helligkeit des Objektes und eine Vorrichtung (114) aufweist, die die Licht­ quelleneinheit zum Emittieren des Blitzlichtes nach einer Verzögerung vom Beginn einer Einbringperiode für jedes Filter in den optischen Pfad in Abhängig­ keit von der mit der Detektionsvorrichtung (152) detektierten Helligkeit veranlaßt.

11. Elektronisches Endoskop nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquellensteuer­ einheit eine Verzögerungsvorrichtung (150) aufweist, welche einen monostabilen Multivibrator (160) ent­ hält, dessen Zeitkonstante variabel ist und daß die Lichtquellensteuereinheit eine Vorrichtung (152) aufweist zum Integrieren des Ausgangs der Bild-Ab­ tastvorrichtung (108) und zum Verändern der Zeit­ konstante des monostabilen Multivibrators (160) entsprechend dem integrierten Wert.

12. Elektronisches Endoskop nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (124) eine Vorrichtung (130, 132) enthält zum Erzeugen von Synchronisationsimpulsen beim Beginn einer Ein­ bringperiode für jedes Filter in den optischen Pfad und zum Liefern des Synchronisationsimpulses an den monostabilen Multivibrator (160).

13. Elektronisches Endoskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (124) ein scheibenförmiges drehbares Filter eines abschirmen­ den Types enthält, welches mit Filtern von wenig­ stens zwei unterschiedlichen Farben, welche längs seiner Umfangsrichtung angebracht sind, ausgestattet ist, und daß die Bild-Abtastvorrichtung zwischen einem Speichermodus und einem Auslesemodus entspre­ chend der Drehung des Drehfilters geschaltet wird, so daß der Speichermodus hergestellt wird, während eines der Filter in dem optischen Pfad ist und der Auslesemodus hergestellt wird, während das Abschirm­ element in demoptischen Pfad ist.