DE3810295A1

DE3810295A1 - Bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE3810295A1
Application number: DE3810295A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tsuji
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1987-04-03
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1988-10-20
Also published as: US4868646A; JPH01198876A; JPH0671324B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Festkörper-Bildsensor, insbesondere eine Bildaufnahmeeinrich tung, in der eine Steuerspannung zum Treiben eines Festkörper- Bildsensors genau einstellbar ist.

Es sind Fernsehkameras und Videokameras bekannt, in denen als Bildaufnahmevorrichtung ein Festkörper-Bildsensor, wie ein CCD (Charge Coupled Device, Ladungsgekoppelte Einrichtung) verwen det wird. Es sind auch elektronische Endoskope bekannt, in de nen als Bildaufnahmeeinrichtung Festkörper-Bildsensoren zum Beobachten und Photographieren verwendet werden. Der Festkör per-Bildsensor ist am distalen Ende des Endoskops angeordnet. Es sind auch Bildaufnahmeeinrichtungen bekannt, bei denen eine Bildaufnahmeeinrichtung einschließlich eines Festkörper-Bild sensors und eine Signal-Verarbeitungseinrichtung getrennt voneinander vorgesehen sind. Beide Baugruppen sind elektrisch über Signalleitungen verbunden, um die Größe des Kamerakopfes zu verringern. Ein elektronisches Endoskop ist so aufgebaut, daß ein Festkörper-Bildsensor am distalen Ende eines einschieb baren Schlauches des Endoskops und eine Steuereinheit zum Steuern des Bildsensors getrennt davon derart angeordnet ist, daß sie vom Endoskop abnehmbar ist.

Es ist aber erforderlich, daß zumindest einige der Steuerspan nungen für einen Festkörper-Bildsensor für jeden Bildsensor in dividuell eingestellt werden müssen, da anderenfalls keine exakten Bildsignale gewonnen werden können. Dementsprechend müssen die Justierungen derart vorgenommen werden, daß die Sig nalspannungen für den Festkörper-Bildsensor auf Seiten der Steuereinheit den Anforderungen genügen. In diesem Fallen müs sen die Einstellungen nachteiligerweise immer dann vorgenommen werden, wenn das Endoskop ausgewechselt wird. Es ist eine Bild- Aufnahmevorrichtung bekannt, die zur Lösung dieses Problems ei nen Justier-Widerstand vorsieht, der in einem Verbindungsteil oder eine Steuer-Baugruppe eines Endoskops angeordnet ist. Der Widerstand ist im voraus einstellbar, siehe z.B. US-PS 45 39 586 und JP-OS 60-2 44 161.

Es sind aber verschiedene Steuersignale für einen Festkörper- Bildsensor erforderlich und mehrere Signalkabel werden von der Betätigungsbaugruppe zum distalen Ende des Endoskops geführt. Andererseits besteht aber die Forderung, den Durchmesser des Endoskops zu reduzieren, also insbesondere die Anzahl der Sig nalkabel zu verringern. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, eine Schaltung zum Erzeugen von Steuersignalen benachbart dem Festkörper-Bildsensor anzuordnen, so daß die erforderlichen Signale am distalen Ende erzeugt werden und die Anzahl der Sig nal-Kabel von der Steuereinrichtung zum distalen Ende des En doskops vermindert werden kann. Aber auch in diesem Falle ist es erforderlich, die Treiberspannungen genau zu justieren, da jeder Festkörper-Bildsensor eigene charakteristische Betriebs größen aufweist. Wird ein Justierwiderstand benachbart dem di stalen Ende des Endoskops angeordnet, so wird das distale Ende in seinem Umfang vergrößert.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Bildauf nahmevorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Anzahl der Signalkabel und die Größe der Einstell einrichtung für jeden Festkörper-Bildsensor sehr klein gehalten ist, wobei trotzdem ein sehr sauberes Bildsignal gewonnen werden soll.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit vorteilhaf ten Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird also ausgegangen von einer Bildaufnahmevor richtung mit einer Aufnahmeeinheit einschließlich eines Fest körper-Bildsensors und einer Erzeugungsschaltung zum Erzeugen von Steuerspannungen, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Amplitude der Treiberspannungen derart einstellbar ist, daß der Festkörper-Bildsensor exakt betrieben werden kann. Die Bildaufnahmeeinheit ist mit einer Signal-Verarbeitungsein heit über Signalkabel verbunden, so daß sie mit einer Vielzahl von Spannungen aus der Signalverarbeitungseinheit versorgt wer den kann; Die Spannungssignale werden so umgesetzt, wie es für den Bildsensor in der Steuerspannungs-Erzeugungsschaltung er forderlich ist, um den Festkörper-Bildsensor zu treiben. Gleichzeitig werden die Spannungssignale auch so eingestellt, daß den Anforderungen des benutzten, besonderen Festkörper- Bildsensor entsprochen wird;

Gemäß der Erfindung wird also die Schaltung zum Erzeugen der Steuerspannungen einschließlich der Justiereinrichtung be nachbart dem Festkörper-Bildsensor angeordnet, so daß es mög lich ist, den Bildsensor mit den exakten Steuerspannungen mit einer geringen Anzahl von Signalkabeln zu versorgen, ohne die Abmessungen der Teile des Endoskops zu vergrößern, die in die Körperhöhle des Patienten eingeführt werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines elektronischen Endoskopes einschließlich einer Bildaufnahmevorrich tung;

Fig. 2 eine elektrische Schaltung eines Festkörper-Bildsen sors und einer Generatorschaltung zum Erzeugen von Steuerspannungen für eine Bildaufnahmeeinheit gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Beispiel für eine Justiereinrichtung für Steuer spannungen zur Verwendung in einer Generatorschaltung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein weiteres Beispiel einer Justierschaltung für Steuerspannungen zur Verwendung in einer Generator schaltung gemäß Fig. 2;

Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Justiereinrichtung für Steuerspannungen zur Verwendung in einer Generatorschaltung;

Fig. 6 eine elektrische Schaltung eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels einer Generatorschaltung zum Erzeugen von Steuerspannungen, und

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer Generator schaltung zum Erzeugen von Steuerspannungen.

Ein in Fig. 1 gezeigtes elektronisches Endoskop 1 weist eine Bildaufnahmeeinheit (siehe auch Fig. 2) auf, welche am distalen Ende 2 eines elastischen, einschiebbaren Teils 3 (Schlauch) ei nes Endoskops angeordnet ist.

Das proximale Ende des einschiebbaren Teiles 3 ist mit einer Betätigungseinheit 4 des Endoskops 1 verbunden. Ein Lichtleiter 5 erstreckt sich von der Betätigungseinheit 4 zu einer Licht quelle 8. Eine Signalleitung 6 verbindet die Betätigungseinheit 4 mit einer Signal-Verarbeitungseinheit 10. Die Verbindung er folgt über ein Verbindungsstück 9. Das vordere Ende eines opti schen Fiber-Bündels 11 zur Beleuchtung ist am distalen Ende des Endoskops angeordnet. Das optische Fiber-Bündel 11 erstreckt sich innerhalb des einschiebbaren Abschnittes 3 und des Licht leiters 5 und wird über ein Verbindungsstück 7 mit der Licht quelle 8 verbunden, so daß Lichtstrahlen von der Lichtquelle 8 zum distalen Ende geführt werden können.

Ein Objektiv 12 ist ebenfalls am distalen Ende 2 angeordnet. Ein Festkörper-Bildsensor 13 ist in der Abbildungsebene des Ob jektivs 12 angeordnet. Ein Schaltkreisträger 14 mit einem Ge nerator für Steuerspannungen ist benachbart dem Festkörper- Bildsensor 13 angeordnet. Der Träger 14 und das Verbindungs stück sind mittels einer Vielzahl von Signalleitungen 15 miteinander verbunden, welche in dem einschiebbaren Abschnitt 3, der Betätigungseinheit 4 und dem Leiterstrang 6 verlaufen.

Die Signalleitungen 15 werden mit einer Vielzahl von Spannungen und Signalen aus Treiberschaltungen 16, 17 in der Signal-Verar beitungseinheit 10 versorgt. Ein Ausgangssignal aus dem Bild sensor 13 wird in einen Prozessor 18 innerhalb der Signal-Verar beitungseinheit eingegeben. Der Prozessor 18 wandelt Ausgangs signale des Bildsensors 13 in Bild-Videosignale um, welche in eine Anzeigeeinrichtung 19 eingegeben werden, um ein beobacht bares Bild zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt die Bildaufnahmeeinheit 20 (siehe auch Fig. 1) einschließlich des Festkörper-Bildsensors 13 und des Schalt kreis-Trägers 14. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ist der Fest körper-Bildsensor 13 mit Anschlüssen zum Eingeben und Ausgeben unterschiedlicher Spannungen und Signale versehen. Eine soge nannte Substrat-Spannung ist beispielsweise eine der einzustel lenden Treiberspannungen. Entsprechend ist eine an den Anschluß V _SUB anzulegende Spannung als Substrat-Spannung im Bereich von 4 bis 14 Volt einzustellen, um unterschiedlichen Anforderungen des Festkörper-Bildsensors zu genügen, die durch Herstellungs unterschiede bedingt sind.

Für den praktischen Betrieb reicht eine Justierung der Spannung mit 0,5 Volt Genauigkeit aus. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auf dem Schaltkreis-Träger 14 ein Substrat-Spannungsgenera tor 21 sowie eine Einstelleinrichtung für diesen vorgesehen. Der Substratspannungsgenerator 21 ist in integrierter Form ausgebildet. Ein Transistor 22 bildet eine Emitter-Folgeschal tung über einen Emitter-Widerstand 23. Eine Basis-Spannung des Transistors 22 wird mit geringer Impedanz als Emitter-Ausgang abgegeben und bildet die Substrat-Spannung. Die Basis des Transistors 22 ist über einen Widerstand 24 mit einer positiven Spannung V _DD verbunden sowie über eine Vielzahl von Widerstän den 25, 26, 27 und 28 mit dem Erdpotential verbindbar. Die IC-seitigen Anschlüsse der Widerstände 25 bis 28 sind mit einer Elektrode 29 auf dem Träger 14 verbunden. Der Träger 14 ist ein Halbleiter-Substrat. Fig. 3 zeigt Einzelheiten der strukturier ten Elektrode 29. Die Elektrode 29 ist teilweise verzweigt, um einerseits Anschlüsse für die Widerstände zu schaffen und andererseits einen Anschluß an die Masse.

Die Substrat-Spannung wird derart eingestellt, daß aus der Vielzahl von möglichen einstellbaren Spannungen einige der Wi derstände 25 bis 28 in Kombination an die Masse (oder äquiva lent ein Bezugspotential) angeschlossen werden, während andere Widerstände nicht angeschlossen werden oder auf ein höheres Po tential gelegt werden. Bei der gemäß Fig. 3 strukturierten Elektrode 29 sind zunächst alle Kontakte a bis d offen und nur ausgewählte Kontakte werden geschlossen (leitfähig). Da beim Ausführungsbeispiel vier Widerstände kombiniert werden können, ist es möglich, insgesamt 16 verschiedene Spannungen zu erzeu gen. Die Anzahl der Spannungen läßt sich durch eine größere Zahl von Widerständen erhöhen. Beträgt die Anzahl der Widerstän de n, so können insgesamt 2ⁿ Spannungen erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer strukturier ten Elektrode. Hier sind alle Kontakte a bis d der Elektrode 30 anfänglich geschlossen (leitfähig) und mit dem Massepotential verbunden. Die Spannungen werden dadurch eingestellt, daß ausgewählte Kontakte geöffnet (nicht-leitfähig) werden.

Fig. 5 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Justieren von Spannungen. Die Einstellung der Spannungen er folgt unter Verwendung von Verbindungsdrähten. Die Erzeugungs spannung 21 zum Erzeugen von Substratspannung dieses Ausfüh rungsbeispiels ist dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sehr ähnlich. Entsprechende Bauelemente weisen die gleichen Bezugs zeichen auf, so daß auf eine detaillierte Beschreibung ver zichtet werden kann.

Die Fixierung der Generatorschaltung 21 zum Erzeugen der Sub stratspannung auf dem Substrat 14 und die Eingabe der Versor gungsspannung sowie der Anschluß der Signalleitungen an die Generatorschaltung 21 erfolgt mittels eines Kontaktierungsver fahrens. Im einzelnen werden die Versorgungsleitung einer Spannungsquelle V _DD und der Kollektoranschluß des Transistors 23 über einen Kontaktdraht 50 angeschlossen, um die Spannung V _DD anzulegen. Der Anschluß V _SUB zum Anlegen der Substratspan nung und der Emitteranschluß des Transistors 22 sind über einen Kontaktdraht 51 miteinander verbunden und ein Widerstand 23 am Emitteranschluß ist über einen Kontaktdraht 56 mit der Masse- Leitung GND verbunden.

Die Versorgungsspannung und auch die Signalleitungen werden bei diesem Ausführungsbeispiel allgemein mit der aus IG-Chips gebildeten Schaltung über Kontaktdrähte verbunden. Insbesondere ist jeweils ein Ende der Widerstände 25 bis 28 jeweils mittels Kontaktdrähten 52 bis 55 mit ausgewählten Kontakten a bis d verbunden. Mit dieser Struktur werden die einzelnen Kontakte a bis d wahlweise in den Offen- oder Schließzustand gebracht, indem die Kontaktdrähte 52 bis 55 entweder leitend oder nicht leitend gemacht werden. Auf diese Weise kann die Substrat spannung eingestellt werden. Die beschriebene Anordnung er möglicht insbesondere eine geringe Baugröße des Substrates.

Es sind auch sogenannte Flip-Chip-Verfahren bekannt, um IC- Chips zu verbinden. Bei den Flip-Chip-Verfahren sind auf einem Halbleiterplättchen erhöht ausgeführt Kontaktierungsflecken zur Schnellmontage vorgesehen. Auch auf diese Weise können ausge wählte Kontakte zwischen einem IC-Chip und dem Substrat herge stellt werden.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Einstellung der Substratspannung in einem Spannungsgenerator auf einem Trä ger 14, der als Halbleiterplättchen ausgebildet ist. Eine Aus gangs-Torschaltung V _OG sei ein weiteres Beispiel für eine einzu stellende Steuerspannung. Die Ausgangs-Torschaltung soll ein stellbar sein durch einen Generatorschaltkreis 31 sowie eine Struktur-Elektrode 32 zum Auswählen bestimmter Widerstände (siehe Fig. 2), wie es anhand der Substrat-Spannung oben be schrieben ist. Entsprechend ergibt sich auch die Justierung von anderen Steuerspannungen.

Zusätzlich weist der Schaltkreis-Träger 14 noch eine Einrich tung zum Erzeugen anderer Treiberspannungen auf, die für den Betrieb des Festkörper-Bildsensors 13 erforderlich sind, sowie eine Teiler-Schaltung zum Aufteilen einer einzigen Treiberspan nung in eine Vielzahl von Treiber-Signalen sowie einen Puffer für Ausgangssignale. Diese Schaltungsteile sind in Fig. 5 nicht gezeigt und werden mittels integrierter Chips realisiert, die auf dem Träger 14 gut Platz finden. Da keine Raum-Probleme be stehen, ist es auch möglich, diese Schaltungsteile mit diskre ten Bauteilen, bedruckten Platinen oder dergleichen zu ver wirklichen.

Mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Anzahl der Signalleitungen und die Größe der Bild aufnahmeeinheit zu reduzieren und gleichzeitig den Fest körper-Bildsensor mit genau den erforderlichen Treiberspan nungen zu versorgen.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Generator schaltung zum Erzeugen einer Substratspannung. In der Genera torschaltung 21 A bildet ein Transistor 22 eine Emitter-Folge schaltung und ein Emitter-Widerstand 23 ist ähnlich dem Ausfüh rungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 5 geschaltet. Die Basis des Transistors 22 ist auf eine positive Spannung V _DD mittels eines Widerstandes 33 hochgelegt. Eine Vielzahl von Widerständen 34 bis 39 sind in Reihe mit dem Massepotential verbunden. Die Er dung erfolgt über den Widerstand 39. Jeder Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 34 bis 39 ist mit einzelnen zugeord neten Elektroden von Kontakten a bis e verbunden und einer der Kontakte a bis e ist selektiv geerdet, um eine Vielzahl von Substratspannungen zu erhalten. Bei der Generatorschaltung 21 A gemäß Fig. 6 ist es erforderlich, eine der Anzahl der erforder lichen Spannungen entsprechend Anzahl von ausgewählten Wider ständen bereitzustellen. Es muß aber nur einer der Widerstände geerdet werden und es ergibt sich die Regelmäßigkeit, daß die zu erzeugende Substratspannung in der gleichen Reihenfolge fällt bzw. steigt wie die Kontakte a bis e ausgewählt werden. Diese Anordnung ist deshalb insbesondere dann geeignet, wenn die Spannung mittels eines beweglichen Kontaktes, wie eines Gleit-Schalters, variiert werden soll.

Fig. 7 zeigt noch ein Beispiel für eine Generatorschaltung zum Erzeugen von Substratspannungen. Eine Generatorschaltung 21 B gemäß Fig. 7 erzeugt eine Spannungsstufe, die an die Basis ei nes in Emitter-Folgeschaltung geschalteten Transistors 22 an gelegt wird. Die Potentiale an den Basis-Anschlüssen von Tran sistoren 42 bis 45 ergeben sich aus einer durch die Widerstände 40, 41 gebildeten Spannungs-Teilerschaltung, wobei die Emitter- Potentiale der Transistoren 42 bis 45 gleich sind. Wird einer der Kontakte a bis d ausgewählt (geschlossen), so fließt ein zum Wert der Widerstände 46 bis 49 umgekehrt proportionaler Strom entsprechend dem ausgewählten Widerstand a bis d zwischen dem Kollektor und dem Emitter des zugehörigen Transistors, wel cher aus den Transistoren 42 bis 45 ausgewählt wurde. Entspre chend fließt die Gesamtsumme aller Ströme durch den Widerstand 24. Auf diese Weise ist es möglich, die Basis-Spannung am Tran sistor 22 in Stufen zu verändern. Werden die Widerstände 46 bis 49 in ganzzahligen Vielfachen gewählt, also als R, 2 R, 4 R und 8 R, so können 24 verschiedene Ausgangsspannungen der Emitter- Folgeschaltung in gleichen Stufen mittels der vier Kontakte er reicht werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Generatorschaltungen werden Transistoren vom npn-Typ verwendet und die Widerstände werden auf einer Seite geerdet. Es ist aber auch möglich, Transistoren vom pnp-Typ zu verwenden und die Widerstände auf höhere Spannun gen zu legen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Lichtquelle 8 und die Signal-Verarbeitungseinheit 10 gemäß Fig. 1 getrennt vorgesehen. Es ist aber auch möglich, beide Gruppen in einer einzigen Einheit anzuordnen und in einem Gehäuse unterzubringen. Auch ist es möglich, die beschriebene Bildaufnahmevorrichtung in anderen Einsatzgebieten zu verwenden als mit einem elektro nischen Endoskop.

Claims

1. Bildaufnahmevorrichtung mit einer Bild-Aufnahmeeinheit (20) und einer Signal-Verarbeitungseinheit (10), die über ein Signal-Leitungssystem (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bild-Aufnahmeeinheit (20) einen Festkörper-Bildsensor (13) und einen Generator-Schaltkreis (21; 21 A; 21 B) zum Erzeu gen von Steuerspannungen aufweist, welcher benachbart dem Fest körper-Bildsensor angeordnet ist und Einrichtungen (25 bis 28; 33 bis 39; 46 bis 49) aufweist, mit denen die Steuerspannungen zum Betrieb des Festkörper-Bildsensors einstellbar sind.

2. Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstellen der Steuerspannungen eine schrittweise Veränderung der Spannungen ermöglicht.

3. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung die Substratspannung für den Festkörper- Bildsensor (13) einstellbar ist.

4. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung die Ausgangs-Torschaltung des Festkör per-Bildsensors (13) einstellbar ist;

5. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der vorhergehendne An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung durch Stromverstärkung einer Spannung erzeugt wird, die mittels einer aus Widerständen gebildeten Spannungs-Teilerschaltung gewonnen wird.

6. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Einrichtung zum Einstellen der Steuerspannungen zumindest ein Widerstand aus einer Vielzahl von Widerständen (25-28; 34-39; 46-49) wahlweise zuschaltbar ist;

7. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstellen der Steuerspannungen eine Teil-Spannung zwischen einer einzigen vorgegebenen Spannung (am Widerstand 24) und einer Vielzahl von Widerständen (25-28) ein stellt, welche parallel geschaltet sind, wobei jeweils wahl weise unterschiedliche Widerstände zugeschaltet werden.

8. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstellen der Steuerspannungen eine Teil-Spannung zwischen einem einzigen Widerstand (33) und einer Vielzahl von Widerständen (34-39) einstellt, welche in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils ein Verbindungspunkt zwischen ausgewählten Widerständen zugeschaltet wird.

9. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung der Widerstände (25-28; 34-39) derart erfolgt, daß die Widerstandsanschlüsse und die Erdpotential- Anschlüsse einander gegenüberliegend anfänglich ohne leitende Verbindung angeordnet werden und wahlweise eine leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen hergestellt wird.

10. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der Widerstände (25-28; 34-39;) derart erfolgt, daß die Anschlüsse der Widerstände und die Erdpotential-Elektro de anfänglich leitend miteinander verbunden werden und daß dann wahlweise diese Verbindungen aufgetrennt werden.