JP2010172638A - 撮像装置、内視鏡及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高解像度のカラー撮像を行う撮像装置、内視鏡及び電子機器等を提供すること。
【解決手段】撮像装置は、第１〜第３の色成分の照明光を生成する第１〜第３の光源３１０−１〜３１０−３と、第１〜第３の色成分の照明光を、その周波数が互いに異なる第１〜第３の周波数で光強度変調する変調部３２０と、第１〜第３の色成分の照明光を照射して得られる被写体からの反射光を光電変換するフォトセンサ５０と、フォトセンサ５０の出力信号から、第１〜第３の色成分の信号を復調する復調部３３０と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置、内視鏡及び電子機器等に関する。

昨今、極細の内視鏡等のニーズが高まり、小型の撮像装置が求められている。このような小型の撮像装置においては、高解像度のカラー撮像を行うことが困難であるという課題がある。

例えば、カラー撮像を実現する手法として、カラーフィルタ付きのイメージセンサ（２次元撮像素子）を用いる手法がある。しかしながら、この手法では、モノクロのイメージセンサに比べて解像度が不利なため撮像装置の小型化が困難になる。あるいは、カラー撮像を実現する他の手法として、各色成分の照明光を時分割に被写体に照射する面順次照明方式がある。しかしながら、この手法では、各色成分の照明光を時分割に照射するため色ずれが発生するおそれがある。

また、撮像装置の小型化を実現するためには撮像系の小型化が必要であるため、撮像素子も小さくする必要がある。そして、撮像素子を小型化すれば画素数が減少し、解像度が劣化する。そのため、所望の解像度を確保しつつ撮像装置を小型化することは困難となる。

なお、内視鏡等に用いられる撮像装置についての従来技術として、特許文献１には、複数の光変調器により１つの光源からの光を光強度変調して光送信する手法が開示されている。

また、特許文献２及び特許文献３には、レーザー光のビームを光ファイバ先端から出射し、その光ファイバを振動させることで被写体にスポット光を走査させ、被写体からの反射光をフォトセンサで検出して撮像する手法が開示されている。

特開平６−１０４８６７号公報 特開２００８−４３７６３号公報 米国特許第６，９５９，１３０号明細書

本発明の幾つかの態様によれば、高解像度のカラー撮像を行う撮像装置、内視鏡及び電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、第１〜第３の色成分の照明光を生成する第１〜第３の光源と、前記第１〜第３の色成分の照明光を、その周波数が互いに異なる第１〜第３の周波数で光強度変調する変調部と、前記第１〜第３の色成分の照明光を照射して得られる被写体からの反射光を光電変換するフォトセンサと、前記フォトセンサの出力信号から、前記第１〜第３の色成分の信号を復調する復調部と、を含む撮像装置に関係する。

本発明の一態様によれば、第１〜第３の光源が第１〜第３の色成分の照明光を生成し、変調部が、その第１〜第３の色成分の照明光を第１〜第３の周波数で光強度変調し、光強度変調された第１〜第３の色成分の照明光が被写体に照射される。そしてフォトセンサが、照明光を照射することで得られる被写体からの反射光をセンシングして出力信号を出力し、復調部が、その出力信号から第１〜第３の色成分の信号を復調する。

このように本発明の一態様によれば、変調部が、第１〜第３の色成分の照明光を第１〜第３の周波数で光強度変調し、復調部が、フォトセンサの出力信号から第１〜第３の色成分の信号を復調することで、カラー撮像を行う撮像装置を実現できる。また、第１〜第３の色成分の照明光を連続的に照射できるため、高感度のカラー撮像を行うことができる。

また本発明の一態様によれば、撮像素子としてフォトセンサを用いることで、小型で高解像度の撮像装置を実現できる。例えば、２次元の撮像素子であるイメージセンサを用いた撮像装置に比べて、イメージセンサの画素ピッチによって解像度が制限されることがない。そのため、高解像度のカラー撮像を行うことができる。

また、本発明の一態様では、前記被写体からの反射光が入射され、撮像面に前記被写体を結像する結像光学系と、前記被写体が結像された前記撮像面の一部を遮光する遮光ポイントと、前記遮光ポイントを前記撮像面内において走査する走査部と、前記撮像面に入射する前記被写体からの反射光を光電変換する前記フォトセンサからの出力信号から画像を構成する画像構成部と、を含んでもよい。

このようにすれば、フォトセンサを用いて被写体を撮像できる。具体的には、遮光ポイントが撮像面の一部を遮光し、走査部が遮光ポイントを撮像面内において走査することで、被写体の像を走査して撮像することができる。これにより、イメージセンサを用いることなく被写体を撮像できる。

また、本発明の一態様では、前記被写体からの反射光が入射され、撮像面に前記被写体を結像する結像光学系と、前記被写体が結像された前記撮像面の一部に入射端面を有し、前記入射端面から入射した光を導光する導光体と、前記導光体の前記入射端面を前記撮像面内において走査する走査部と、前記導光体で導光した前記被写体からの反射光を光電変換する前記フォトセンサからの出力信号から画像を構成する画像構成部と、を含んでもよい。

このようにすれば、操作部が導光体の入射端面を撮像面内において走査し、導光体が入射端面に入射した光をフォトセンサに導光することで、被写体の像を走査して撮像することができる。これにより、フォトセンサを用いて被写体を撮像できる。
また、本発明の一態様では、前記第１〜第３の色成分の照明光をスポット光として射出する光ファイバと、前記光ファイバを振動させて、前記スポット光によって被写体を走査するアクチュエータと、前記スポット光によって被写体を走査して得られる反射光を光電変換する前記フォトセンサからの出力信号から画像を構成する画像構成部と、を含んでもよい。

このようにすれば、光ファイバが第１〜第３の色成分の照明光をスポット光として射出し、アクチュエータがスポット光によって被写体を走査することで、スポット光によって被写体を走査して得られる反射光をフォトセンサで光電変換できる。このようにして、フォトセンサを用いた撮像装置を実現できる。

また、本発明の一態様では、前記変調部が、前記第１〜第３の光源の駆動電流を変調して、前記第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調してもよい。

あるいは、本発明の一態様では、前記変調部が、前記第１〜第３の光源からの前記第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調するための第１〜第３の光学素子を有し、前記光強度変調するための変調信号を前記第１〜第３の光学素子の各光学素子に供給してもよい。

これらの態様によれば、互いに異なる周波数である第１〜第３の周波数で第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調することができる。

また、本発明の一態様では、前記変調部が、前記第１〜第３の周波数の第１〜第３のキャリア信号に基づいて、前記第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調し、前記復調部が、前記第１〜第３のキャリア信号に基づいて、前記フォトセンサの出力信号から前記第１〜第３の色成分の信号を検波してもよい。

このようにすれば、フォトセンサの出力信号から第１〜第３の色成分の信号を復調することができる。例えば、本発明の一態様では、第１〜第３のキャリア信号に基づく同期検波により第１〜第３の色成分の信号が検波されてもよい。

また、本発明の一態様では、前記遮光ポイントまたは前記導光体の前記入射端面が、棒状体の一端の端面で構成され、前記棒状体の前記一端が走査されることで、前記遮光ポイントまたは前記導光体の前記入射端面が前記撮像面内において走査されてもよい。

このように、遮光ポイントが棒状体の一端の端面で構成されることで、撮像面の一部を遮光する遮光ポイントを実現できる。また、導光体の入射端面が棒状体の一端の端面で構成されることで、撮像面の一部に入射端面を有し、その入射端面から入射した光を導光する導光体を実現できる。そして、棒状体の一端が走査されることで、遮光ポイントまたは導光体の入射端面の撮像面内における走査を実現できる。

また、本発明の一態様では、前記棒状体が、帯電された帯電振動棒であり、前記帯電振動棒の一端が、印加された電圧により走査されてもよい。

あるいは、本発明の一態様では、前記棒状体の一端が、圧電アクチュエータにより走査されてもよい。

これらの態様によれば、棒状体の一端の端面で構成された遮光ポイントの撮像面内における走査を実現できる。また、帯電振動棒または圧電アクチュエータに印加された電圧に基づいて遮光ポイントの位置情報を求め、その位置情報に基づいて画像を構成することもできる。

また、本発明の一態様では、前記被写体からの反射光が入射され、撮像面に前記被写体を結像する結像光学系と、前記被写体が結像された前記撮像面に固定され、前記撮像面の一部を遮光する遮光ポイントと、前記撮像面自体を走査して、前記遮光ポイントを走査する走査部と、前記撮像面に入射する前記被写体からの反射光を光電変換する前記フォトセンサの出力信号から画像を構成する画像構成部と、を含んでもよい。

このようにすれば、撮像面に遮光ポイントが固定され、遮光ポイントが撮像面の一部を遮光し、その撮像面自体が走査されることで、被写体の像を走査することができる。これにより、フォトセンサを用いた撮像を実現し、小型の撮像装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の撮像装置を含む内視鏡に関係する。

また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の撮像装置を含む電子機器に関係する。

本実施形態の構成例。 変調動作及び、復調動作の説明図。 変調動作及び、復調動作の説明図。 変調動作及び、復調動作の説明図。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、撮像装置先端部の構造構成例。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、遮光ポイントの走査手法の説明図。 本実施形態のシステム構成例のブロック図。 画像構成手法の説明図。 画像構成手法の説明図。 帯域制限処理の説明図。 撮像装置先端部の第１の変形例。 撮像装置先端部の第２の変形例。 撮像装置先端部の第３の変形例。 本実施形態の変形例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．カラー撮像装置
１．１．構成例
図１に本実施形態の構成例を示す。図１に示す構成例は、第１〜第３の光源３１０−１〜３１０−３、変調部３２０、復調部３３０、結像光学系１０（光学素子）、遮光ポイント２０、フォトセンサ５０（光電変換素子）、ライトガイド３００を含む。そして、この構成例は、光源３１０−１〜３１０−３からの照明光を変調して被写体Ｏｂｊに照射し、被写体Ｏｂｊの反射光をフォトセンサ５０でセンシングし、センシングされた信号を復調してカラー撮像を行う。

なお、被写体Ｏｂｊの画像は、被写体Ｏｂｊの像が結像された撮像面ＰＦ内において遮光ポイント２０が走査され、フォトセンサ５０でセンシングされた信号から画像構成されることで撮像される。この撮像手法については、図５（Ａ）等で後述する。

光源３１０−１〜３１０−３は、第１〜第３の色成分の照明光を生成する。具体的には、光源３１０−１〜３１０−３は、第１〜第３の色成分の照明光としてＲＧＢ（Ｒ：赤色、Ｇ：緑色、Ｂ：青色）の照明光を生成する。この光源３１０−１〜３１０−３は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）により構成できる。

変調部３２０は、ＲＧＢの照明光を互いに異なる周波数で光強度変調（振幅変調）する。具体的には、変調部３２０は、第１〜第３の変調部３２２−１〜３２２−３を含む。そして、変調部３２２−１がＲ成分の照明光を第１の周波数で変調し、変調部３２２−２がＧ成分の照明光を第２の周波数で変調し、変調部３２２−３がＢ成分の照明光を第３の周波数で変調する。

ライトガイド３００は、変調されたＲＧＢの照明光を撮像装置先端部に導光する。そして、撮像装置先端部からＲＧＢの照明光が被写体Ｏｂｊに照射され、被写体Ｏｂｊからの反射光がフォトセンサ５０によってセンシング（光電変換）される。例えば、ＲＧＢの照明光は、クロスダイクロイックプリズム３４０により合成され、レンズ３５０（光学素子）を介してライトガイド３００に導入される。

復調部３３０は、フォトセンサ５０の出力信号（受光量信号）を受けて、ＲＧＢの信号（ＲＧＢの各色成分に対応する被写体の反射係数信号）を復調（検波）する。具体的には、復調部３３０は、第１〜第３の復調部３３２−１〜３３２−３を含む。そして、復調部３３２−１がＲ成分の信号を復調し、復調部３３２−２がＧ成分の信号を復調し、復調部３３２−１がＲ成分の信号を復調する。

この復調されたＲＧＢの信号は、例えばＡ／Ｄ変換回路（Analog to Digital Converter）によりサンプリングされ、サンプリングされたデータに基づいてＲＧＢのカラー画像が構成される。

ところで、内視鏡等に用いる小型の撮像装置においては、高解像度のカラー撮像を行うことが困難であるという課題がある。

この点、図１の構成例によれば、光源３１０−１〜３１０−３がＲＧＢの照明光を生成し、変調部３２０が、そのＲＧＢの照明光を、互いに異なる周波数の第１〜第３の周波数で光強度変調し、光強度変調されたＲＧＢの色成分の照明光が被写体Ｏｂｊに照射され、フォトセンサ５０が、被写体Ｏｂｊからの反射光をセンシングして出力信号を出力し、復調部３３０が、その出力信号からＲＧＢの信号を復調する。

このように本実施形態では、変調部３２０が、ＲＧＢの照明光を互いに異なる周波数の第１〜第３の周波数で光強度変調し、復調部３３０が、フォトセンサ５０の出力信号からＲＧＢの信号を復調することで、被写体Ｏｂｊの各色成分の反射係数に対応する信号を取得できる。これにより、カラー撮像を行う撮像装置を実現できる。

例えば、カラー撮像を実現する手法として、カラーフィルタ付きのイメージセンサ（イメージャ）を用いる手法がある。しかしながら、カラーフィルタ付きのイメージセンサを用いると、小型化の際に解像度が不足してしまう。

この点、本実施形態では、フォトセンサ５０が、被写体Ｏｂｊからの反射光をセンシングして出力信号を出力する。例えば本実施形態では、被写体Ｏｂｊの像が結像された撮像面ＰＦ内において遮光ポイント２０を走査し、撮像面ＰＦに入射した光をフォトセンサ５０でセンシングしてもよい。あるいは、図１４で後述するように、ＲＧＢの照明光をスポット光として射出し、スポット光によって被写体Ｏｂｊを走査して得られる反射光をフォトセンサ５２０でセンシングしてもよい。

このように、撮像素子としてフォトセンサを用いることで、小型の撮像装置を実現できる。そして、イメージセンサの画素ピッチによって解像度が制限されないため、高解像度のカラー撮像を行うことができる。

カラー撮像を実現する他の手法として、各色成分の照明光を時分割に被写体に照射する面順次照明方式がある。この面順次照明方式を用いれば、フォトセンサや、モノクロのイメージセンサによりカラー撮像を行うこともできる。しかしながら面順次照明方式を用いると、各色成分の照明光を時分割に照射するため、被写体や撮像装置が動いたときに色ずれが発生してしまう。

この点、本実施形態によれば、変調部３２０がＲＧＢの照明光を第１〜第３の周波数で光強度変調し、復調部３３０がフォトセンサ５０の出力信号からＲＧＢの信号を復調することで、各色成分の照明光を連続的に被写体Ｏｂｊに照射できる。これにより、被写体や撮像装置が動いたときでも色ずれのないカラー撮像を行うことができる。また、各色成分の照明光を連続的に被写体Ｏｂｊに照射するため、各色成分の照明光を時分割に照射する面順次照明方式に比べて、各色成分の照明光の照射時間が長い。これにより、面順次照明方式に比べて高感度のカラー撮像を行うことができる。

なお、本実施形態では、変調部３２０が、光源３１０−１〜３１０−３の駆動電流を変調して、ＲＧＢの照明光を光強度変調してもよい。例えば、光源３１０−１〜３１０−３を赤色ＬＥＤ・緑色ＬＥＤ・青色ＬＥＤで構成し、各ＬＥＤの駆動電流をそれぞれ第１〜第３の周波数で変調して、ＲＧＢの照明光を光強度変調してもよい。

あるいは、本実施形態では、変調部３２０が、ＲＧＢの照明光を光強度変調するための第１〜第３の光学素子を有し、第１〜第３の光学素子に変調信号を供給して、ＲＧＢの照明光を光強度変調してもよい。例えば、第１〜第３の光学素子は、電気光学素子や音響光学素子で構成されてもよい。そして、ＲＧＢの照明光としてＲＧＢのレーザー光を用い、第１〜第３の光学素子がそれぞれＲＧＢのレーザー光を第１〜第３の周波数で変調してもよい。

本実施形態によれば、これらの変調手法を用いることで、互いに異なる周波数である第１〜第３の周波数でＲＧＢの照明光を光強度変調することができる。

１．２．変復調動作
図２〜図４を用いて、本実施形態の変調動作及び復調動作の動作例について説明する。
図２のＡ１に示すように、Ｒ成分の照明光は第１の周波数ｆｒで変調され、Ｇ成分の照明光は第２の周波数ｆｇで変調され、Ｂ成分の照明光は第３の周波数ｆｂで変調される。そして、Ａ２に示すように、これらの照明光が合成されて被写体に照射される。

上述の図１の構成例では、この照明光の被写体からの反射光は結像面に結像され、その結像面で遮光ポイントが走査される。そのためＡ３に示すように、フォトセンサによってセンシングされた信号には、周波数ｆｒ、ｆｇ、ｆｂを中心として被写体の反射係数情報（遮光ポイントの走査に伴う反射係数の時系列情報）を含む。そして、Ａ４に示すように、ＲＧＢの各色成分に対応する信号が復調され、これらの信号に基づいてＲＧＢの各色成分の画像が構成される。

より具体的には、図３のＢ１に示すように、角周波数ωのキャリア信号（搬送波）ｃｏｓωｔ＋１に比例する強度の照明光が被写体に照射される。ここで、Ｒ成分の照明光は、ω＝２πｆｒの第１のキャリア信号に比例し、Ｇ成分の照明光は、ω＝２πｆｇの第２のキャリア信号に比例し、Ｂ成分の照明光は、ω＝２πｆｂの第３のキャリア信号に比例する。

そして、Ｂ２に示すように、遮光ポイント（または、スポット光）の走査に従って被写体の反射係数Ｒ（ｔ）が時系列に変化するため、Ｂ３に示すように、被写体からの反射光強度は、被写体の反射係数とキャリア信号との積Ｌ＝Ｒ（ｔ）（ｃｏｓωｔ＋１）に比例する。

図４のＣ１に示すように、この反射光がフォトセンサによりセンシングされることでＬ＝Ｒ（ｔ）×（ｃｏｓωｔ＋１）に比例する出力信号が得られる。そして、この出力信号からＣ２に示すキャリア信号ｃｏｓωｔに基づいて反射係数信号が検波される。反射係数信号の検波は、例えば同期検波により行うことができる。具体的には、下式（１）に示すように、フォトセンサの出力信号とキャリア信号とがミキシング（乗算処理）される。

Ｒ（ｔ）（ｃｏｓωｔ＋１）・ｃｏｓωｔ
＝Ｒ（ｔ）（ｃｏｓ^２ωｔ＋ｃｏｓωｔ）
＝Ｒ（ｔ）｛１／２（ｃｏｓ２ωｔ＋ｃｏｓ０）＋ｃｏｓωｔ｝
＝１／２Ｒ（ｔ）ｃｏｓ２ωｔ＋Ｒ（ｔ）ｃｏｓωｔ＋１／２Ｒ（ｔ）
・・・ （１）

Ｃ３に示すように、ミキシングされた信号には、被写体の反射係数１／２Ｒ（ｔ）のスペクトルが含まれ、Ｃ４に示すように、このスペクトルをローパスフィルタにより取り出すことで、被写体の反射係数１／２Ｒ（ｔ）の情報を含む反射係数信号が復調される。

本実施形態によれば、上記の変調動作・復調動作を行うことで、ＲＧＢの照明光の光強度変調及び、フォトセンサの出力信号からのＲＧＢの信号の復調を実現できる。

２．遮光ポイントによる撮像手法
図５（Ａ）に撮像装置先端部の構造の構成例を示す。図５（Ａ）の構成例は、結像光学系１０（光学素子）、遮光ポイント２０、フォトセンサ５０（光電変換素子）、ライトガイド３００を含む。

結像光学系１０は、被写体Ｏｂｊの像を結像面ＩＦ（結像位置、焦点面）に結像させる。例えば、結像光学系１０は、１又は複数のレンズにより構成されるレンズユニットや、ピンホール等によって構成できる。

遮光ポイント２０は、撮像面ＰＦに設けられ、撮像面ＰＦの一部を遮光する。この撮像面ＰＦは、結像面ＩＦ上の領域であり、撮像面ＰＦには、本実施形態の撮像対象である撮像被写体面Ｏｂｊ’の像が結像されている。そして図５（Ａ）のＤ１に示すように、遮光ポイント２０は、撮像面ＰＦ内において２次元的に順次走査され、撮像被写体面Ｏｂｊ’の像の一部を順次遮光する。遮光ポイント２０は、走査部（例えば図７に示す走査部６０）により走査される。

フォトセンサ５０は、遮光ポイント２０により遮光された一部を除く撮像面ＰＦを通過した光をセンシング（光電変換）する。センシングされた信号は、画像構成部（例えば図７の画像構成部１４０）によって画像として構成される。フォトセンサ５０は、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光電変換素子により構成できる。

図５（Ｂ）に示すように、ライトガイド３００としてライトガイド３００−１〜３００−４を、遮光ポイント２０を走査するための電極ＰＰ１、ＮＰ１、ＰＰ２、ＮＰ２の外側に設けることができる。これらの電極については後述する。

なお本実施形態は、図５（Ａ）に示すように、導光路４０を含むこともできる。この導光路４０は、撮像面ＰＦを通過する光を導光路４０の内面で反射して、フォトセンサ５０に導光する。このようにすれば、撮像面ＰＦに結像された撮像被写体面Ｏｂｊ’の像を効率よくセンシングできる。これにより、フォトセンサ５０の信号強度が増し、Ｓ／Ｎを向上できる。

ここで、極細の内視鏡などの小型撮像装置を実現するためには、小型の撮像素子を用いる必要があるという課題がある。例えば、小型の撮像素子として２次元の撮像を行うイメージセンサを用いると、画素の微細化に限度があるため、小型化により解像度が劣化するという課題がある。

この点、本実施形態によれば、結像光学系１０が被写体Ｏｂｊを撮像面ＰＦに結像し、遮光ポイント２０が撮像面ＰＦの一部を遮光し、走査部が遮光ポイント２０を撮像面ＰＦ内において走査し、フォトセンサ５０が遮光ポイント２０により遮光された撮像面ＰＦに入射する光をセンシングし、画像構成部がフォトセンサ５０の出力信号から画像を構成する。

このように本実施形態によれば、遮光ポイント２０が撮像面ＰＦの一部を遮光し、走査部が遮光ポイント２０を撮像面ＰＦ内において走査することで、被写体の像を走査して撮像することができる。これにより、２次元の撮像を行うイメージセンサを用いることなく被写体Ｏｂｊを撮像できるため、小型の撮像素子を用いて高解像度の撮像を実現できる。このようにして、小型で高解像度の撮像装置や、極細の内視鏡を実現できる。

また本実施形態によれば、フォトセンサ５０が、遮光された一部以外の撮像面ＰＦに入射する光をセンシングすることで、フォトセンサ５０の暗電流に比べて被写体からの反射光量を十分に確保できる。これにより、高Ｓ／Ｎで高感度な撮像を実現できる。

３．遮光ポイントの走査
図６（Ａ）、図６（Ｂ）を用いて、遮光ポイント２０の走査手法について説明する。
遮光ポイント２０は、上述の図５（Ａ）に示す振動棒３０（棒状体）の一端の端面により構成できる。そして、その振動棒３０の他端を固定し、遮光ポイント２０側の一端を振動させることで、遮光ポイント２０を撮像面ＰＦ内において走査できる。

例えば本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、帯電された帯電振動棒を振動棒３０として用いてもよい。帯電振動棒は、例えば弾力性のある金属で振動棒３０を構成し、その振動棒３０に電圧を印加して分極させることで実現できる。そして、帯電振動棒の周囲に電極ＰＰ１、ＮＰ１、ＰＰ２、ＮＰ２を設け、これらの電極に電圧を印加する電源ＰＳ１、ＰＳ２の出力電圧を変化させて、帯電振動棒の一端を振動させてもよい。

あるいは本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、遮光ポイント２０が圧電アクチュエータＰＺ１〜ＰＺ４（圧電素子、ピエゾ素子）により走査されてもよい。具体的には、振動棒３０が弾力性のある金属や樹脂等で構成され、振動棒３０の固定された側の他端に圧電アクチュエータが設けられ、その圧電アクチュエータＰＺ１〜ＰＺ４によって振動棒３０の一端が振動させられてもよい。

このようにすれば、振動棒３０の一端の端面により遮光ポイント２０を構成することができる。そして、帯電振動棒あるいは圧電アクチュエータを用いることで、振動棒３０の遮光ポイント２０側の一端を振動させ、撮像面ＰＦ内において遮光ポイント２０を走査できる。

また本実施形態によれば、帯電振動棒あるいは圧電アクチュエータを用いることで、電極に印加された電圧または圧電アクチュエータに印加された電圧から、遮光ポイント２０の位置情報（座標）を得ることができる。これにより、遮光ポイント２０の位置情報とフォトセンサ５０の出力信号に基づいて画像を構成できる。

４．システム構成例
図７に、本実施形態のシステム構成例のブロック図を示す。図７の構成例は、光学的帯域制限フィルタ１００、フォトセンサ５０、フォトセンサ駆動部１２０、信号処理部１３０、画像構成部１４０、帯域制限処理部１５０、走査部６０、システム制御部１８０を含む。

光学的帯域制限フィルタ１００（光学的ローパスフィルタ）は、撮像面ＰＦに設けられ、サンプリングによるエイリアシングノイズ（折り返しノイズ）を防ぐために、被写体の結像の空間周波数を帯域制限する。例えば、撮像面ＰＦにおけるサンプリングピッチをｓとすれば、光学的帯域制限フィルタ１００は、ｆｏ≦１／２ｓを満たすカットオフ周波数ｆｏで帯域制限する。

フォトセンサ駆動部１２０は、フォトセンサ５０を駆動する。例えば、フォトセンサ５０としてフォトダイオード用いた場合には、フォトセンサ駆動部１２０は、フォトダイオードに逆バイアスを印加してフォトダイオードを駆動する。

信号処理部１３０は、フォトセンサ５０の出力信号を信号処理する。具体的には、信号処理部１３０は、フォトセンサ５０の出力信号を伝送し、伝送された出力信号をローパスフィルタ処理する。そして信号処理部１３０は、ローパスフィルタ処理された信号をＡ／Ｄ変換処理（Analog to Digital conversion）してサンプリングし、デジタルデータを出力する。

画像構成部１４０は、信号処理部１３０からのデジタルデータと走査部６０からの位置情報ｉ，ｊとを受けて、画像を構成し、画像データを出力する。例えば、画像構成部１４０は、図４及び図５で後述する画像構成手法により画像を構成する。

帯域制限処理部１５０（帯域制限フィルタ、ローパスフィルタ）は、画像構成部１４０からの画像データを受けて、画像データの空間周波数をカットオフ周波数ｆｃで帯域制限処理（ローパスフィルタ処理）する。帯域制限処理部１５０は、例えばデジタルローパスフィルタにより構成され、デジタルローパスフィルタには、システム制御部１８０からカットオフ周波数ｆｃが設定される。

走査部６０は、遮光ポイント走査駆動部１６０、遮光ポイント制御部１７０を含み、遮光ポイント２０を撮像面ＰＦにおいて走査する。

具体的には、遮光ポイント走査駆動部１６０は、遮光ポイント２０の走査を駆動する。例えば図６（Ａ）で説明したように、遮光ポイント走査駆動部１６０は、電極と電源を含んでもよく、電極と電源により帯電振動棒を振動させることで遮光ポイント２０の走査を駆動してもよい。あるいは、図６（Ｂ）で説明したように、圧電アクチュエータを含んでもよく、圧電アクチュエータにより振動棒３０を振動させることで遮光ポイント２０の走査を駆動してもよい。

遮光ポイント制御部１７０は、遮光ポイント走査駆動部１６０を制御する。例えば、遮光ポイント制御部１７０は、図６（Ａ）で説明した電極に印加する電圧を制御する。あるいは、図６（Ｂ）で説明した圧電アクチュエータに印加する電圧を制御する。そして、遮光ポイント制御部１７０は、印加した電圧値に基づいて遮光ポイント２０の位置情報ｉ，ｊを求め、位置情報ｉ，ｊを画像構成部１４０に出力する。

システム制御部１８０は、本実施形態の制御を行う。具体的には、システム制御部１８０は、遮光ポイント制御部１７０、フォトセンサ駆動部１２０を制御する。また、システム制御部１８０は、帯域制限処理部１５０のカットオフ周波数ｆｃを設定する。

なお本発明では、出力処理部２００、表示装置２１０を含んでもよい。そして、これらを含むことで、内視鏡が構成されてもよく、デジタルカメラ・デジタルビデオカメラ等の電子機器が構成されてもよい。

出力処理部２００は、帯域制限処理部１５０からの画像データを受けて、その画像データを出力処理して表示装置２１０に出力する。出力処理部２００は、例えば画像データのガンマ補正処理や色彩強調処理を行って、画像データを出力処理する。

表示装置２１０（電気光学装置）は、出力処理部２００からの画像データを受けて、画像表示を行う。表示装置２１０は、例えば、液晶パネル（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）やＥＬパネル（ＥＬ：Electro-Luminescence）等の電気光学パネル、及び電気光学パネルを駆動するドライバを含む。

なお、本実施形態の構成は、図７に示す構成に限定されず、他の構成要素を追加したり、構成要素を省略したりする等の種々の変形実施が可能である。

５．画像構成手法
図８、図９を用いて、画像構成部１４０が行う画像構成の手法例について説明する。
図８に示すように、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とし、撮像面ＰＦがＸＹ平面上にあるものとする。そうすると、遮光ポイント２０は、例えばＸ方向に走査され、そのＸ方向の走査が順次Ｙ方向に移動して繰り返されることで、撮像面ＰＦにおいて走査される。

このとき、遮光ポイント２０が走査されるのに従って、複数のサンプリングポイントにおいて撮像面ＰＦの入射光量が順次サンプリングされる。ここで、この遮光ポイント２０の位置情報（または、サンプリングポイントの位置情報）をＸ方向についてｉで表し、Ｙ方向についてｊで表すものとする（ｉ，ｊは自然数）。そして、位置情報ｉ，ｊに対応する撮像面ＰＦの入射光量として、フォトセンサ受光量Ｌｉｊがサンプリングされるものとする。

そうすると、フォトセンサ受光量Ｌｉｊが、遮光ポイント２０によって遮光された部分以外の撮像面ＰＦに入射する光量であることから、位置情報ｉ，ｊに対応する画素値Ｉｉｊは、下式（２）で表される。
Ｉｉｊ＝Ｐ−Ｌｉｊ ・・・ （２）

Ｐは、遮光ポイント２０によって遮光された部分を含む撮像面ＰＦ全体に入射する光量である。この全入射光量Ｐは、実際には測定されない光量であるため、実際にサンプリングされる光量であるＬｉｊを用いて画素値Ｉｉｊを求める必要がある。

そこで本実施形態では、下式（３）に示すように、隣接する画素値の差分ΔＩｉｊをフォトセンサ受光量Ｌｉｊを用いて求める。
ΔＩｉｊ＝Ｉ(i+1)ｊ−Ｉｉｊ
＝（Ｐ−Ｌ(i+1)ｊ）−（Ｐ−Ｌｉｊ）
＝Ｌｉｊ−Ｌ(i+1)ｊ ・・・ （３）

そして、図５に示すように、この差分ΔＩｉｊを積算して画素値Ｉｉｊを求める。具体的には、図５に示すようにＹ方向の位置情報がｊである画素を例にすれば、下式（４）に示すように、Ｉ０ｊを基点に差分ΔＩｉｊを積算して画素値Ｉｉｊを求める。
Ｉ１ｊ＝Ｉ０ｊ＋ΔＩ０ｊ，
Ｉ２ｊ＝Ｉ１ｊ＋ΔＩ１ｊ，
・・・，
Ｉ(i+1)ｊ＝Ｉｉｊ＋ΔＩｉｊ ・・・ （４）

なお画素値Ｉ０ｊは、例えば、上式（３）、（４）と同様に求めることができる。例えば、位置情報j-1の最後のフォトセンサ受光量と位置情報ｊの最初のフォトセンサ受光量の差分を求め、その差分を位置情報j-1の最後の画素値に加算することで求めることができる。このようにすれば、画素値Ｉ００を基点に画素値の差分を積算して画素値Ｉｉｊを求めることができる。

ここで、基点となる画素値Ｉ００は、例えば被写体の明るさに応じて適応的に設定される。例えば、フォトセンサ受光量Ｌ００は被写体の明るさを反映した受光量と考えられることから、画素値Ｉ００としてＬ００を全画素数で除算した値が用いられてもよい。または、画素値Ｉ００は、求められた画素値Ｉｉｊの最小値がゼロ以上になるように任意に設定されてもよい。

このように、本実施形態によれば、上式（３）、（４）に示すように、フォトセンサ受光量Ｌｉｊと、その次のサンプリングポイントに対応するフォトセンサ受光量Ｌ(i+1)ｊとの差分から求められた画素値の差分ΔＩｉｊが積算されて、画素値Ｉｉｊが求められる。

このようにすれば、遮光ポイント２０の位置情報ｉ，ｊと、フォトセンサ５０の出力信号であるフォトセンサ受光量Ｌｉｊとに基づいて、画像を構成することができる。また、上式（３）、（４）に示すように、全入射光量Ｐを用いることなく、実測されるフォトセンサ受光量Ｌｉｊを用いて画素値Ｉｉｊを求めることができる。

６．帯域制限処理
図１０に、帯域制限処理部１５０が行う帯域制限処理の説明図を示す。
図１０のＥ１に示すように、例えば一辺の大きさａの遮光ポイント２０が撮像面において走査され、サンプリングピッチｓ毎にフォトセンサ受光量がサンプリングされて画素値が求められるものとする。

Ｅ２に示すように、求められた画素値は、被写体の明るさの時間分布（または、空間分布）がピッチｓでサンプリングされた画素値に対応する。そしてＥ３に示すように、この画素値により構成された画像が帯域制限処理部１５０により帯域制限処理（ローパスフィルタ処理）される。

これを周波数分布（または、空間周波数分布）で見れば、Ｅ４に示すように、一辺の大きさａの遮光ポイント２０は、周波数１／ａでゼロクロスするシンク関数（標本化関数）で表される。そのため、撮像された画像の周波数分布は、Ｅ４に示すシンク関数とＥ５に示す被写体の明るさの周波数分布との積により表される。そしてＥ６に示すように、この撮像された画像の周波数分布は、カットオフ周波数ｆｃで帯域制限処理される。

画素値のサンプリングピッチがｓであることから、画像の周波数分布の再現帯域は１／２ｓとなる。そのため、カットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ≦１／２ｓを満たす範囲で設定される。

例えば、カットオフ周波数ｆｃは、画像の明るさを優先して低周波数側（例えばｆｃ＜１／ａ）に設定されてもよい。このようにすれば、例えば被写体の明るさが不足するときに、高周波数側のノイズを抑制して高Ｓ／Ｎの撮像を行うことができる。

あるいは、カットオフ周波数ｆｃは、高精細化を優先して高周波数側（例えばｆｃ＝１／２ｓ）に設定されてもよい。このようにすれば、例えば被写体が十分明るいときに、画像の周波数成分を高周波数側まで有効利用して、高精細な撮像を行うことができる。

７．撮像装置先端部の変形構成例
図１１に、撮像装置先端部の第１の変形例を示す。第１の変形例は、結像光学系１０、遮光ポイント２０、導光路４０、フォトセンサ５０、圧電アクチュエータＰＺＢ１、ＰＺＢ２を含み、撮像面ＰＦに固定された遮光ポイント２０により、撮像面ＰＦの一部が遮光される変形例である。

第１の変形例では、撮像面ＰＦを含む撮像装置先端部が、圧電アクチュエータＰＺＢ１、ＰＺＢ２（走査部）によって走査されて、遮光ポイント２０が走査される。フォトセンサ５０にセンシングされた撮像面ＰＦの入射光量は、図８等で説明した画像構成手法と同様の手法により、画像構成される。

上記第１の変形例によれば、遮光ポイント２０が固定された撮像面ＰＦ自体を走査することで、遮光ポイント２０を走査して被写体Ｏｂｊを撮像できる。また、例えば撮像面ＰＦに設けられたガラス・樹脂等の表面に、微少な遮光ポイント２０を容易に形成することもできる。

なお、図１１の撮像装置により微細な構造物や血管内を撮像すると、撮像装置先端部の振動によって構造物内壁や血管内壁を傷つける可能性も考えられる。このような場合には、振動部外側をチューブで覆ったり、内壁を支持するバルーンを設けたりして、振動部と内壁との間隔を確保してもよい。

図１２に、撮像装置先端部の第２の変形例を示す。第２の変形例は、結像光学系１０、遮光ポイント２０（振動棒３０の端面）、導光路４０、フォトセンサ５０、圧電アクチュエータＰＺＣを含む。

図１２のＦ１に示すように、第２の変形例では、遮光ポイント２０が撮像面ＰＦにおいてらせん状に走査される。このように本発明では、遮光ポイント２０がらせん状に走査されてもよく、図８等で説明したように１ラインずつ走査されてもよい。

図１３に、撮像装置先端部の第３の変形例を示す。第３の変形例は、結像光学系１０、導光チューブ４００（導光体）、フォトセンサ５０、圧電アクチュエータＰＺＤを含み、導光チューブ４００により撮像面ＰＦの入射光を導光する変形例である。

第３の変形例は、撮像面ＰＦに入射する光の一部が導光チューブ４００の一端である入射端面に入射して、その一端に入射した光が導光チューブ４００によりフォトセンサ５０に導光されるように構成される。そして、導光チューブ４００が圧電アクチュエータＰＺＤによって撮像面ＰＦにおいて走査され、フォトセンサ５０の出力信号から画像が構成される。

このように、導光チューブ４００を用いることで撮像素子を小型化し、撮像装置の小型化を図ることもできる。

８．カラー撮像装置の変形例
図１４に、本実施形態の撮像装置の変形例を示す。図１４に示す変形例は、光ファイバ５００、光学系５１０（光学素子）、フォトセンサ５２０、アクチュエータ５３０、第１〜第３の光源３１０−１〜３１０−３、変調部３２０、復調部３３０を含む。なお、上述の図１等で説明した構成要素には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

この変形例は、光ファイバ５００の先端から出射されるスポット光ＳＰにより被写体Ｏｂｊを走査して、被写体Ｏｂｊを撮像する撮像装置である。

具体的には、光ファイバ５００には、合成されたＲＧＢの照明光が入射され、光ファイバ５００の先端部から照明光が出射される。光ファイバ５００から出射された照明光は、光学系５１０（例えばレンズ）によりスポット光ＳＰとして被写体Ｏｂｊに照射される。

アクチュエータ５３０（例えば、圧電アクチュエータ）は、光ファイバ５００を振動させる。例えば、アクチュエータ５３０は、光ファイバ５００の先端部をらせん状に振動させてもよく、あるいは、光ファイバ５００の先端部を１ラインずつ走査するように振動させてもよい。そして、アクチュエータ５３０が光ファイバ５００を振動させることで、スポット光ＳＰにより被写体Ｏｂｊが走査される。

フォトセンサ５２０は、被写体Ｏｂｊからのスポット光ＳＰの反射光をセンシングし、センシングした信号を出力信号として復調部３３０に出力する。そして、上述の図１等で説明したように、復調部３３０がＲＧＢの各色成分の信号を復調し、画像構成部（例えば、上述の図７に示す画像構成部１４０）が復調された信号に基づいてカラー画像を構成する。

この撮像装置の変形例によれば、被写体Ｏｂｊの各色成分の反射係数に対応する信号を取得して、カラー撮像を実現できる。そして、撮像素子としてフォトセンサを用いることで、小型で高解像度の撮像装置を実現できる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語（変調、復調、第１〜第３の色成分、フォトセンサ、センシング、棒状体等）と共に記載された用語（光強度変調、検波、ＲＧＢ、光電変換素子、光電変換、振動棒等）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また変調部、復調部、走査部、画像構成部、撮像装置、内視鏡等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ 結像光学系、２０ 遮光ポイント、３０ 棒状体、４０ 導光路、
５０ フォトセンサ、６０ 走査部、１００ 光学的帯域制限フィルタ、
１２０ フォトセンサ駆動部、１３０ 信号処理部、１４０ 画像構成部、
１５０ 帯域制限処理部、１６０ 遮光ポイント走査駆動部、
１７０ 遮光ポイント制御部、１８０ システム制御部、２００ 出力処理部、
２１０ 表示装置、３００ ライトガイド、
３１０−１〜３１０−３ 第１〜第３の光源、３２０ 変調部、３３０ 復調部、
４００ 導光チューブ、５００ 光ファイバ、５１０ 光学系、
５２０ フォトセンサ、５３０ アクチュエータ、
Ｏｂｊ 被写体、ＩＦ 結像面、ＰＦ 撮像面、ＰＰ１ 電極、
ＰＺＡ１ 圧電アクチュエータ、ｆｏ，ｆｃ カットオフ周波数、ｉ，ｊ 位置情報、
Ｌｉｊ フォトセンサ受光量、Ｉｉｊ 画素値、ｓ サンプリングピッチ、
ＳＰ スポット光

Claims (13)

1. 第１〜第３の色成分の照明光を生成する第１〜第３の光源と、
   前記第１〜第３の色成分の照明光を、その周波数が互いに異なる第１〜第３の周波数で光強度変調する変調部と、
   前記第１〜第３の色成分の照明光を照射して得られる被写体からの反射光を光電変換するフォトセンサと、
   前記フォトセンサの出力信号から、前記第１〜第３の色成分の信号を復調する復調部と、
   を含むことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１において、
   前記被写体からの反射光が入射され、撮像面に前記被写体を結像する結像光学系と、
   前記被写体が結像された前記撮像面の一部を遮光する遮光ポイントと、
   前記遮光ポイントを前記撮像面内において走査する走査部と、
   前記撮像面に入射する前記被写体からの反射光を光電変換する前記フォトセンサからの出力信号から画像を構成する画像構成部と、
   を含むことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１において、
   前記被写体からの反射光が入射され、撮像面に前記被写体を結像する結像光学系と、
   前記被写体が結像された前記撮像面の一部に入射端面を有し、前記入射端面から入射した光を導光する導光体と、
   前記導光体の前記入射端面を前記撮像面内において走査する走査部と、
   前記導光体で導光した前記被写体からの反射光を光電変換する前記フォトセンサからの出力信号から画像を構成する画像構成部と、
   を含むことを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１において、
   前記第１〜第３の色成分の照明光をスポット光として射出する光ファイバと、
   前記光ファイバを振動させて、前記スポット光によって被写体を走査するアクチュエータと、
   前記スポット光によって被写体を走査して得られる反射光を光電変換する前記フォトセンサからの出力信号から画像を構成する画像構成部と、
   を含むことを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記変調部が、
   前記第１〜第３の光源の駆動電流を変調して、前記第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調することを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記変調部が、
   前記第１〜第３の光源からの前記第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調するための第１〜第３の光学素子を有し、
   前記光強度変調するための変調信号を前記第１〜第３の光学素子の各光学素子に供給することを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記変調部が、
   前記第１〜第３の周波数の第１〜第３のキャリア信号に基づいて、前記第１〜第３の色成分の照明光を光強度変調し、
   前記復調部が、
   前記第１〜第３のキャリア信号に基づいて、前記フォトセンサの出力信号から前記第１〜第３の色成分の信号を検波することを特徴とする撮像装置。
8. 請求項２又は３において、
   前記遮光ポイントまたは前記導光体の前記入射端面が、
   棒状体の一端の端面で構成され、
   前記棒状体の前記一端が走査されることで、前記遮光ポイントまたは前記導光体の前記入射端面が前記撮像面内において走査されることを特徴とする撮像装置。
9. 請求項８において、
   前記棒状体が、
   帯電された帯電振動棒であり、
   前記帯電振動棒の一端が、印加された電圧により走査されることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項８において、
    前記棒状体の一端が、
    圧電アクチュエータにより走査されることを特徴とする撮像装置。
11. 請求項１において、
    前記被写体からの反射光が入射され、撮像面に前記被写体を結像する結像光学系と、
    前記被写体が結像された前記撮像面に固定され、前記撮像面の一部を遮光する遮光ポイントと、
    前記撮像面自体を走査して、前記遮光ポイントを走査する走査部と、
    前記撮像面に入射する前記被写体からの反射光を光電変換する前記フォトセンサの出力信号から画像を構成する画像構成部と、
    を含むことを特徴とする撮像装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の撮像装置を含むことを特徴とする内視鏡。
13. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の撮像装置を含むことを特徴とする電子機器。

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