JP2007209511A

JP2007209511A - 電子内視鏡装置

Info

Publication number: JP2007209511A
Application number: JP2006032283A
Authority: JP
Inventors: Hideo Sugimoto; 秀夫杉本; Kohei Iketani; 浩平池谷
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP4745850B2

Abstract

【課題】簡易な構成によって、高精度な自動調光処理を実行する。
【解決手段】ビデオスコープおよびプロセッサを備えた電子内視鏡装置において、１枚のロータリーシャッタを、ランプとライトガイドとの間に配置し、ロータリーシャッタの透過部と遮光部とが順次光束を通過するように、１フィールド期間に同期して回転させる。そして、被写体像の明るさが適正な明るさで維持されるように、ロータリーシャッタの回転位相をシフト制御する。また、ロータリーシャッタの透過部の形状を、増加線Ｎ１で示すような漸近的な光量増加となるように定める。
【選択図】図３

Description

本発明は、被写体像の明るさを調整可能な電子内視鏡装置に関し、特に、ロータリーシャッタを使用した自動調光処理に関する。

内視鏡装置では、絞りなどの調光機構、あるいは電子シャッタ機能を利用して自動調光可能であり、モニタに表示される被写体像の明るさを適正な明るさで維持するように、被写体へ照射する照明光の光量調整、あるいは撮像素子の電荷蓄積時間の調整を行う。

ロータリーシャッタを備えた調光機構では、光の透過部と遮光部とがそれぞれ周方向に沿って形成された２枚のロータリーシャッタが回転し、透過部の重なる透過領域とそれ以外の遮光部とが交互に照明光の光路を通る（横切る）ことによって、被写体が間欠的に照明され、照明された被写体からの反射光を受光した撮像素子で蓄積された電荷が遮光順次読み出される。被写体像の明るさを調整するため、２枚のロータリーシャッタの相対的な回転位相差を変化させ、光の透過領域の周方向長さを変化させることによって照明光の光量を調整する（特許文献１参照）。
特開２００２−１１９４６４号公報

２枚のロータリーシャッタを使用する場合、調光機構の構成が複雑になり、同時に回転している２つのロータリーシャッタの相対的な位相制御を行うため、高精度の自動調光処理が難しい。

また、ロータリーシャッタを連続的に回転させる場合、モータ等の機械的振動などによって回転速度が不規則に変動し、画像信号に対してジッタ（jitter）が生じる。具体的には、第１フレーム／フィールドによる画像の明るさと第２フレーム／フィールドによる画像の明るさに差が生じ、その結果、画像の明暗が繰り返し続き、明るさに関してチラついた不安定な画像が表示されてしまう。

本発明の電子内視鏡装置は、撮像素子を有するビデオスコープを備えた電子内視鏡装置であって、１枚のロータリーシャッタで明るさ調整可能な電子内視鏡装置である。電子内視鏡装置は、被写体を照明する光源と、撮像素子から読み出される画像信号に基づいて、被写体像に応じた輝度信号を検出する輝度信号検出手段と、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に従い、１フレーム又は１フィールド期間内において撮像素子へ電荷掃き出しパルスを出力する電荷蓄積時間調整手段とを備える。

本発明では、光源からの照明光を透過する透過部と、照明光を遮断する遮光部とを有する１枚のロータリーシャッタが設けられており、ロータリーシャッタは、遮光部と透過部とが照明光の光路を順に通過する（横切る）ように配置され、回転する。透過部には、例えば周方向に沿って半円分だけ開口部を形成してもよい。そして、本発明の電子内視鏡装置は、ロータリーシャッタの回転を制御するロータリーシャッタ制御手段を備える。ロータリーシャッタ制御手段は、ロータリーシャッタの回転を１フレーム又は１フィールド期間に同期させるとともに、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間内に照明期間の少なくとも一部が含まれるように、ロータリーシャッタを回転させる。ここで、照明期間は、透過部が照明光の光路を横切る期間を表す。例えば、照明期間を、電荷吐き出しパルス後から１フレームもしくは１フィールド期間までの電荷蓄積時間と一致させればよい。

ロータリーシャッタは、撮像方式等に従って構成すればよい。たとえば、単板同時式の場合、１フィールド期間に合わせて半回転させるロータリーシャッタの構成としては、半円分だけ周方向に沿って透過部が形成される。あるいは、１フィールド期間に合わせて半回転させるロータリーシャッタの構成としては、向かい合う四半分円の周方向に沿って一対の透過部が形成される。

本発明のロータリーシャッタ制御手段は、検出された輝度信号に従い、被写体像の明るさを適正な明るさで維持するように、ロータリーシャッタの回転速度を変えて回転位相をシフトさせる。被写体像が明るすぎる場合、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間内における照明期間を短くするように、ロータリーシャッタの位相を時系列に沿って先もしくは後へシフトさせる。一方、被写体像が暗い場合、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間内における照明期間を短くするように、ロータリーシャッタの位相をシフトさせる。位相シフトによって照明期間の一部が次、もしくは前の１フィールドまたは１フレーム期間に重なるが、電荷吐き出しパルスによって画像信号読み出しには影響しない。電化蓄積時間調整手段は、ここでは、光量調整する目的で電荷吐き出しパルスを出力するのではなく、ロータリーシャッタの位相シフトによって画像信号読み出しに不必要な蓄積電荷を吐き出す機能を果たす。このような電荷吐き出しパルスの出力を利用した１枚のロータリーシャッタの回転制御によって、自動調光処理が実行される。

さらに、本発明の透過部は、周方向に沿って形成されるとともに、径方向に沿った幅が回転方向に沿って漸近的に小さくなる開口部を有する。このような透過部の形状により、光路を通過する部分が遮光部から透過部に切り替わった後の最初の段階において到達する光量が小さく、回転するにつれて徐々に光量が多くなる。したがって、ジッタが生じても平均的な光量変化が少なくて済み、画像への影響が抑えられる。ただし、ジッタは、径方向に沿った幅の変化がある範囲内において生じるものとする。

本発明の電子内視鏡用自動調光装置は、ビデオスコープに設けられた撮像素子から読み出される画像信号に基づいて、被写体像に応じた輝度信号を検出する輝度信号検出手段と、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に従い、１フレーム又は１フィールド期間内において前記撮像素子へ電荷掃き出しパルスを出力する電荷蓄積時間調整手段と、光源からの照明光を透過する透過部と照明光を遮断する遮光部とを有し、前記遮光部と前記透過部とが照明光の光路を順に横切るように回転する１枚のロータリーシャッタと、前記ロータリーシャッタの回転を１フレーム又は１フィールド期間に同期させ、前記透過部が照明光の光路を横切る照明期間の少なくとも一部が、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に含まれるように、前記ロータリーシャッタを回転させるロータリーシャッタ制御手段とを備え、前記ロータリーシャッタ制御手段が、検出された輝度信号に従って被写体像の明るさを適正な明るさで維持するように、前記ロータリーシャッタの回転速度を変えて回転位相をシフトさせ、前記透過部が、周方向に沿って形成されるとともに、径方向に沿った幅が回転方向に沿って漸近的に小さくなることを特徴とする。

本発明によれば、簡易なロータリーシャッタの構成によって、高精度な自動調光処理を実行することができ、また、ロータリーシャッタを用いた撮像においても、明るさの安定した画像を得ることができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。

電子内視鏡装置は、ビデオスコープ１０とプロセッサ２０とを備え、ビデオスコープ１０はプロセッサ２０に着脱自在に接続される。プロセッサ２０には、モニタ６０が接続される。

プロセッサ２０のランプ電源２２がＯＮになると、ランプ電源２２からキセノンランプ等の放電管を有するランプ２４へ電源が供給され、ランプ２４から照明光が放射される。放射された光は、集光レンズ２６Ａを介してビデオスコープ１０内のライトガイド１２の入射端１２Ａに入射する。ライトガイド１２はランプ２４の光をスコープ先端部へ伝達し、ライトガイド１２から射出した照明光は配光レンズ１４を介して被写体に照射する。

照明光が照射された観察部位において反射した光は、対物レンズ１６を通ってＣＣＤ１８に到達し、これにより被写体像がＣＣＤ１８の受光面に形成される。カラーフィルタが受光面に設けられたＣＣＤ１８では、被写体像に応じた画像信号が所定時間間隔で読み出され、読み出された画像信号はプロセッサ２０の映像信号処理回路２６へ送られる。ＣＣＤ１８はＣＣＤドライバ２８によって駆動され、ここでは、ＮＴＳＣ方式に従い、１／６０秒間隔で１フィールド分の画像信号が読み出される。また、ＣＣＤ１８はインターライン型ＣＣＤであり、単板同時式に従って画像信号が読み出される。

映像信号処理回路２６では、画像信号に対してホワイトバランス処理、γ補正など様々な処理が施され、ＮＴＳＣ信号等の映像信号が生成される。映像信号はモニタ６０へ出力され、これにより観察画像がモニタ６０に表示される。また、映像信号処理回路２６において輝度信号が生成され、調光回路３６へ１フィールド間隔で順次送られる。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むシステムコントロール回路２９は、プロセッサ２０の動作を制御し、プロセッサ内の各回路へ制御信号を出力し、また、ランプ電源２２を制御してランプ２４の出力を調整可能である。

ランプ２４と集光レンズ２６Ａとの間にはロータリーシャッタ３２が設けられており、エンコーダ（ここでは図示せず）が取付けられたモータ３４によって回転する。モータ３４はステッピングモータであり、調光回路３６から送られてくるパルス信号に従って回転する。調光回路３６は、映像信号処理回路２６から送られてくる輝度信号に基づき、モータ３４の回転、すなわちロータリーシャッタ３２の回転を制御しており、ここではＤＳＰ（Digital Signal Processor）によって構成されている。本実施形態では、モニタ６０に表示される被写体像を適正な明るさで維持するため、調光回路３６によってロータリーシャッタ３２の回転の位相が制御される。

タイミングコントローラ３０は、ロータリーシャッタ３２の回転とＣＣＤドライバ２８による画像信号読み出し動作を同期させるように、クロックパルス信号を出力する。プロセッサ２０のフロントパネルには、被写体像の明るさを設定する参照輝度レベルスイッチ３８が設けられており、調光回路３６は、検出される輝度信号の輝度レベルと参照輝度レベルとの差に基づいて自動調光処理を実行する。

図２は、ロータリーシャッタ３２の平面図である。

図２に示すように、ロータリーシャッタ３２は、軸Ｃ周りに回転するディスク状の光量調整部材であり、周方向に沿って半円分の長さだけ弧状の透過部３２Ａが形成されている。透過部３２Ａは開口部として形成されており、ランプ２４からライトガイド１２の入射端１２Ａへ進む光を通過させる。透過部３２Ａ以外の遮光部３２Ｂはランプ２４の光を遮光する。また、透過部３２Ａは、回転方向ＲＲに沿って、周方向の幅Ｗが徐々に小さくなっている。

ランプ２４から放射される光の光束ＬＢの光路がロータリーシャッタ３２の外縁近くになるように、ロータリーシャッタ３２は配置され、ロータリーシャッタ３２が回転することによって光を透過する透過部３２Ａと遮光部３２Ｂとが順番に光束ＬＢの光路を繰り返し通過する（横切る）。ロータリーシャッタ３２は、ここでは１フィールド期間で１回転し、ＮＴＳＣ方式に従い１／６０秒毎（１／３０秒毎）に１回転（２回転）する。

図３は、自動調光処理のタイミングチャートを示した図である。

１フィールド期間Ｃ０は、ロータリーシャッタ３２の透過部３２Ａが光束ＬＢの光路を通る照明期間Ｃと、遮光部３２Ｂが光束ＬＢを通る遮光期間Ｃ１とに分かれ、照明期間Ｃだけランプ２４からの照明光がＣＣＤ１８に到達する。ＣＣＤドライバ２８は、各１フィールド期間内において電荷掃き出しパルス信号Ｋを出力し、パルス信号Ｋの出力は、照明期間Ｃに従う。その結果、パルス信号Ｋの出力前の期間Ｂにおいて蓄積された電荷は捨てられ、期間Ａの間照明光によって蓄積された電荷が次のフィールド期間において転送され、画像信号として読み出される。透過部３２Ａが光束ＬＢを通過する照明期間Ｃと画像信号読み出し用の電荷蓄積時間Ａとが一致した状態においては、照明期間Ｃにわたって得られる照明光量全部が画像信号生成に利用される。

あらかじめ定められた参照輝度レベルと検出された１フィールド分の輝度信号の輝度レベルとの差に基づき、被写体像の明るさが適正であるか判断される。そして、輝度差が生じている場合、ロータリーシャッタ３２の位相が制御される。ここでロータリーシャッタ３２の位相は、１フィールド期間を基準にした時のロータリーシャッタ３２の回転角度を表し、遮光部３２Ｂの光束ＬＢの通過開始時を基準角度とし、基準角度に基づいてロータリーシャッタ３２の位相が定められている。

被写体像の明るさが適正な明るさを超えている場合、すなわち、検出された輝度レベルが参照輝度レベルに比べて大きい場合、照明光量を減少させるようにロータリーシャッタ３２の位相がシフトされる。ここでは、ロータリーシャッタ３２の回転速度を一時的に低下させ、輝度差に応じた期間ＣＳだけロータリーシャッタ３２の位相をシフトする。モータ３４はステッピングモータであることから、モータ３４へ出力するパルス周期を一時的に低下させることによってロータリーシャッタ３２の回転速度が一時的に低下する。

位相シフトにより、図３に示すように、１フィールド期間において照明期間Ｃの一部期間Ｃ’だけが画像信号読み出し用の電荷蓄積期間Ａに収まり、シフトした期間ＣＳは電荷吐き出しパルスＫの出力前期間Ｂに属する。その結果、画像信号生成期間における照明期間が減少して画像信号生成期間における電荷蓄積量が減少し、被写体像の明るさが適正な明るさまで変化する。一方、被写体像の明るさが低下した場合、画像信号生成期間における照明期間を増加させるようにロータリーシャッタ３２の回転速度を一時的に上昇させ、それによってロータリーシャッタ３２の回転位相が所定量だけシフトされる。回転速度を一時的に上昇させる場合、モータ３４へ出力するパルス周期が一時的に高められる。

ロータリーシャッタ３２の透過部３２Ａが図２に示すような形状であるため、ＣＣＤ１８に到達する光の初期段階Ｍにおいては光量が徐々に増加し、その後一定となる。したがって、ロータリーシャッタ３２の位相制御によってジッタが生じ、光量の増加線Ｎ１が破線で示す増加線Ｎ２にシフトした場合においても、ジッタによって生じる光量変動デルタＬは微小となる。

図４は、自動調光処理の制御ブロック図である。

自動調光処理の制御システムは、位相補償器Ｔ１、増幅器Ｔ２、速度検出部Ｔ３、駆動部Ｔ４とを備える。輝度位相変換部Ｔ５では、あらかじめ設定された参照輝度レベルを表す信号と、検出された被写体像の輝度レベルを表す信号とを加算した信号が入力され、その差がロータリーシャッタ３２の回転位相シフト量を表す信号に変換される。

この回転位相シフト量を表す信号は、エンコーダ３３から送られてくる検出されたロータリーシャッタ３２の回転位相信号と加算され、タイミングコントローラ３０から送られてくる同期信号とともに位相補償器Ｔ１に入力される。位相シフト量に基づいて位相補償器Ｔ１からロータリーシャッタ３２の回転速度を上昇／低下させる速度信号が出力される。速度信号は、増幅器Ｔ２を介してエンコーダ３３から出力される検出用速度信号と加算され、駆動部Ｔ４へ入力される。

駆動部Ｔ４へ入力されると、駆動信号であるパルス信号がモータ３４へ出力される。モータ３４に同軸的に取付けられたエンコーダ３３は、モータ３４の回転速度および回転の位相を検出し、一回転するごとに位相検出用のパルス信号を出力するとともに、回転速度検出用に一連のパルス信号を出力する。速度検出部Ｔ３から検出された検出用回転速度信号はフィードバックされて増幅器Ｔ２から出力される制御信号、すなわち速度信号と加算され、駆動部Ｔ４へ入力される。このようなフィードバック制御によって回転速度が制御される。また、エンコーダ３３から出力される位相信号がフィードバックされて輝度位相変換部Ｔ５からの回転位相シフト量とともに位相補償器Ｔ１に入力されることにより、ロータリーシャッタ３２の位相が制御される。

このように第１の実施形態によれば、１枚のロータリーシャッタ３２がランプ２４とライトガイド１２との間に配置され、ロータリーシャッタ３２の透過部３２Ａと遮光部３２Ｂが順次光束ＬＢの光路を通過するように、１フィールド期間に同期して回転する。そして、被写体像の明るさが適正な明るさで維持されるように、ロータリーシャッタ３２の回転位相がシフト制御される。また、透過部３２Ａの形状が、回転方向に沿って径方向に沿った透過部３２Ａの幅が漸近的に小さくなるように定められている。これにより、透過部３２Ａが光を通過し始めてからの光量増加が緩やかになり、全体的なジッタによる光量変動が小さく、ジッタによる表示画像、自動調光処理への影響が抑えられる。

透過部の周方向に沿った長さは、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に合わせて定めればよい。また、透過部、遮光部の構成は第１、第２の実施形態以外の構成でもよい。ロータリーシャッタの回転は１フレーム期間に合わせて１回転、半回転させてもよく、これに合わせて透過部、遮光部を規則的に形成すればよい。ロータリーシャッタの回転位相は、時系列的に前後、どちらのシフト制御でも可能である。ロータリーシャッタを駆動するモータは、ステッピングモータ以外のモータを用いてもよい。ＣＣＤの電荷転送方式、および撮像方式については、実施形態以外の方式を適用してもよい。

第１の実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。ロータリーシャッタの平面図である。自動調光処理のタイミングチャートを示した図である。自動調光処理の制御ブロック図である。

符号の説明

１０ビデオスコープ
１８ＣＣＤ（撮像素子）
２０プロセッサ
２２ランプ電源
２４ランプ（光源）
２６映像信号処理回路
２８ＣＣＤドライバ
２９システムコントロール回路
３０タイミングコントローラ
３２ロータリーシャッタ
３４モータ
３６調光回路

Claims

撮像素子を有するビデオスコープを備えた電子内視鏡装置であって、
被写体を照明する光源と、
前記撮像素子から読み出される画像信号に基づいて、被写体像の明るさを示す輝度信号を検出する輝度信号検出手段と、
画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に従い、１フレーム又は１フィールド期間内において前記撮像素子へ電荷掃き出しパルスを出力する電荷蓄積時間調整手段と、
前記光源からの照明光を透過する透過部と照明光を遮断する遮光部とを有し、前記遮光部と前記透過部とが順次照明光の光路を横切るように回転する１枚のロータリーシャッタと、
前記ロータリーシャッタの回転を１フレーム又は１フィールド期間に同期させ、前記透過部が照明光の光路を横切る照明期間の少なくとも一部が、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に含まれるように、前記ロータリーシャッタを回転させるロータリーシャッタ制御手段とを備え、
前記ロータリーシャッタ制御手段が、検出された輝度信号に従って被写体像の明るさを適正な明るさで維持するように、前記ロータリーシャッタの回転速度を変えて回転位相をシフトさせ、
前記透過部が、周方向に沿って形成されるとともに、径方向に沿った幅が回転方向に沿って漸近的に小さくなることを特徴とする電子内視鏡装置。
前記透過部が、周方向に沿って半円分だけ形成された開口部を有し、前記ロータリーシャッタ制御手段が、前記ロータリーシャッタを１フィールド期間で１回転させることを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡装置。
撮像素子を有するビデオスコープが接続され、
被写体を照明する光源と、
前記撮像素子から読み出される画像信号に基づいて、被写体像に応じた輝度信号を検出する輝度信号検出手段と、
画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に従い、１フレーム又は１フィールド期間内において前記撮像素子へ電荷掃き出しパルスを出力する電荷蓄積時間調整手段と、
前記光源からの照明光を透過する透過部と照明光を遮断する遮光部とを有し、前記遮光部と前記透過部とが照明光の光路を順に横切るように回転する１枚のロータリーシャッタと、
前記ロータリーシャッタの回転を１フレーム又は１フィールド期間に同期させ、前記透過部が照明光の光路を横切る照明期間の少なくとも一部が、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に含まれるように、前記ロータリーシャッタを回転させるロータリーシャッタ制御手段とを備え、
前記ロータリーシャッタ制御手段が、検出された輝度信号に従って被写体像の明るさを適正な明るさで維持するように、前記ロータリーシャッタの回転速度を変えて回転位相をシフトさせ、
前記透過部が、周方向に沿って形成されるとともに、径方向に沿った幅が回転方向に沿って漸近的に小さくなることを特徴とする電子内視鏡装置のプロセッサ。
ビデオスコープに設けられた撮像素子から読み出される画像信号に基づいて、被写体像に応じた輝度信号を検出する輝度信号検出手段と、
画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に従い、１フレーム又は１フィールド期間内において前記撮像素子へ電荷掃き出しパルスを出力する電荷蓄積時間調整手段と、
光源からの照明光を透過する透過部と照明光を遮断する遮光部とを有し、前記遮光部と前記透過部とが照明光の光路を順に横切るように回転する１枚のロータリーシャッタと、
前記ロータリーシャッタの回転を１フレーム又は１フィールド期間に同期させ、前記透過部が照明光の光路を横切る照明期間の少なくとも一部が、画像信号読み出し用の電荷蓄積時間に含まれるように、前記ロータリーシャッタを回転させるロータリーシャッタ制御手段とを備え、
前記ロータリーシャッタ制御手段が、検出された輝度信号に従って被写体像の明るさを適正な明るさで維持するように、前記ロータリーシャッタの回転速度を変えて回転位相をシフトさせ、
前記透過部が、周方向に沿って形成されるとともに、径方向に沿った幅が回転方向に沿って漸近的に小さくなることを特徴とする電子内視鏡用自動調光装置。