JP2010194001A - 診断用医療機器用の自動調光処理装置、診断用医療機器用の画像信号処理装置、及び医療用システム - Google Patents

Abstract

【課題】何れの電子スコープを使用する場合も応答速度が高速かつ安定的な自動調光を実現すること。
【解決手段】照明光を照射する光源と、照明光の光量を調節する絞り部材と、調節された照明光を撮像装置に供給する照明光供給部と、撮像装置からの画像信号から輝度信号を生成する輝度信号生成部と、生成された輝度信号のレベルを変換する信号レベル変換部と、レベルの変換がされた輝度信号を基に該画像の輝度値を演算する輝度値演算部と、演算された輝度値と所定の参照輝度値との差分に基づいて絞り部材の目標開度を設定する目標開度設定部と、絞り部材を該差分に応じた速度で目標開度に向けて動作させる絞り動作制御部とを有し、信号レベル変換部は、生成された輝度信号をレベルに応じた変化率でレベル変換する。
【選択図】図３

Description

本発明は、被写体を照明する照明光の光量を自動的に調節する診断用医療機器用の自動調光処理装置、該自動調光処理装置を搭載した画像信号処理装置、及び該画像信号処理装置を有する医療用システムに関連し、詳しくは、電子スコープの利用に適した自動調光処理装置、該自動調光処理装置を搭載した医療用プロセッサ、及び電子スコープと医療用プロセッサを有する医療用システムに関する。

医師が患者の体腔内を観察するときに使用する医療機器として電子スコープが一般的に知られている。電子スコープを使用する医師は、電子スコープの挿入部を体腔内に挿入して、挿入部の先端に備えられた先端部を観察対象近傍に導く。医師は、先端部に搭載されたＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子により体腔内を撮影するため、電子スコープやビデオプロセッサの操作部を必要に応じて操作する。医師は、各種操作を行った結果得られる体腔内の映像をモニタを通じて観察し検査や施術などを行う。

上記の医療用システムには、自然光の届かない体腔内を照明する光源装置が備えられている。光源装置には、被写体の映像を常に適正な明るさでモニタに表示するための自動調光機能が実装されている。自動調光機能によれば、被写体の明るさが輝度値として検出され、検出された輝度値に基づき電子スコープのライトガイド入射端と光源との間にある絞りの開度が制御される。これにより、光源による照明光の光量が自動的に調節されることとなる。

この種の調光方式では、例えば被写体の明るさの平均値を示す平均輝度値が演算される。次いで、演算された平均輝度値と、被写体像の基準となる明るさを示す参照輝度値とが比較される。平均輝度値と参照輝度値との差分に基づいて、絞りが目標位置に達するまでの絞りの移動量が計算される。計算された絞りの移動量に応じてモータが駆動されて絞りの開度が制御され、光源による照明光の光量が調節される。自動調光機能が実装された光源装置の一例が特許文献１に開示されている。

特開２００５−２１４４５号公報

ところで、内視鏡の分野においては、一般に、気管支系スコープや消化器系スコープなど、観察部位に応じて種々のタイプの電子スコープが使用される一方、光源装置としては各種電子スコープに対応した汎用的な装置が使用される。つまり、一台の光源装置に対して、観察部位に応じた異なるタイプの電子スコープが接続されて検査などが行われている。近年では、例えば特定の部位に反応する特殊光の観察に対応した電子スコープを用いて検査などを行う場合にも、他の電子スコープと共通の光源装置が使用される。

特殊光観察対応型の電子スコープは、被写体からの入射光（例えば励起光により励起された蛍光や血管形状を強調観察するための狭帯域波長の光など）の光量が一般的なカラー画像対応型の電子スコープに比べて格段に低い。そこで、被写体の光量不足を補うべく感度の高い固体撮像素子が実装されており、適正な明るさの映像が得られるように構成されている。

しかし、一般的な光源装置の自動調光機能は、例えばカラー画像対応型の電子スコープに適した設計がされている。そのため、特殊光観察対応型の電子スコープを使用した場合には、カラー画像対応型の電子スコープとの感度差に起因して（つまり、特殊光観察対応型の電子スコープにおいて負帰還増幅回路の信号増幅率が必然的に低下するので）、自動調光の応答速度が低下する。被写体の明るさが急激に変動した時（例えば通常観察から特殊光観察に切り替えた瞬間や観察領域を移動させた時）などに映像の明るさが適正な応答速度で追従できず、映像が一瞬、過度に暗くなる又は明るくなる問題が生じる。

なお、自動調光の応答速度に起因した上記の問題は、固体撮像素子の感度差だけが原因ではない。例えば固体撮像素子の画素数や照明光の光路、拡散範囲、対物レンズの開口数、被写界深度（絞りの設定）などによって電子スコープ全体としての感度が電子スコープ毎に相違するため、自動調光の応答速度が、それぞれ異なり（感度が低い電子スコープでは応答速度が低下して）、上記の問題が生じる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、何れの電子スコープを使用する場合も自動調光の応答速度が高速かつ安定的な自動調光機能を有する診断用医療機器用の自動調光処理装置、該自動調光処理装置を搭載した画像信号処理装置、及び該画像信号処理装置を有する医療用システムを提供することにある。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る診断用医療機器用の自動調光処理装置は、照明光を照射する光源と、照射された照明光の光量を開度の可変によって調節する絞り部材と、調節された照明光を所定の撮像装置に供給する照明光供給部と、供給された照明光により照明された被写体を撮像装置が撮影して生成した画像信号から輝度信号を生成する輝度信号生成部と、生成された輝度信号のレベルを変換する信号レベル変換部と、レベルの変換がされた輝度信号を基に該画像の輝度値を演算する輝度値演算部と、演算された輝度値と所定の参照輝度値との差分に基づいて絞り部材の目標開度を設定する目標開度設定部と、絞り部材を該差分に応じた速度で目標開度に向けて動作させる絞り動作制御部とを有する。信号レベル変換部は、生成された輝度信号のレベルが参照輝度値に対応する参照レベルを含む該参照レベル近傍の範囲に収まるとき、該輝度信号を第一の変化率でレベル変換する。信号レベル変換部は、生成された輝度信号のレベルが上記範囲の上限を超えたとき、そのレベルが高いほど変換後の輝度信号のレベルがより一層高くなるように、該輝度信号を第一の変化率より高い第二の変化率でレベル変換する。信号レベル変換部は、生成された輝度信号のレベルが上記範囲の下限を下回ったとき、そのレベルが低いほど変換後の輝度信号のレベルがより一層低くなるように、該輝度信号を第一の変化率より高い第三の変化率でレベル変換する。

このように、本発明に係る自動調光処理装置は、被写体の急激な明るさの変動に対して映像の明るさを適正な応答速度で追従させるべく、画像の輝度値が参照輝度値に対して大きく外れた場合に絞り部材を高速で動作させて、絞り部材の開度を目標開度に速やかに到達させるように構成されている。何れの撮像装置を使用する場合にも、応答速度が高速かつ安定的な自動調光が達成される。応答速度が安定的な自動調光とは、各種撮像装置における自動調光の応答速度の差が一定幅内に収まることである。

本発明に係る診断用医療機器用の自動調光処理装置は、撮像装置が有する撮像素子の駆動を制御する撮像素子駆動制御部を更に有した構成としてもよい。この場合に、撮像素子駆動制御部は、生成された輝度信号のレベルが上記範囲の上限より高い第一のレベル閾値を超えたとき、撮像素子を所定の通常の電子シャッタ速度より速い高速の電子シャッタ速度で動作させる。一方、生成された輝度信号のレベルが上記範囲の下限より低い第二のレベル閾値を下回ったときには、撮像素子を上記高速の電子シャッタ速度より遅い電子シャッタ速度で動作させる。

絞り部材の動作制御と撮像素子の電子シャッタ速度制御とを併用した場合には、自動調光の応答速度が更に高速化する。そのため、被写体の明るさが著しく急激に変動したときにも、映像の明るさを適正な応答速度で追従させることができる。

本発明に係る診断用医療機器用の自動調光処理装置は、絞り部材の開度を検知する開度検知手段を更に有する構成としてもよい。かかる場合に、撮像素子駆動制御部は、検知された開度に応じて電子シャッタ速度を可変する。撮像素子駆動制御部は、例えば検知された開度が第一の開度閾値以下であるとき、撮像素子の撮像面と被写体との距離が近く、像ブレが生じ易い状況にあると判断する。そのため、撮像素子を通常の電子シャッタ速度より速い高速の電子シャッタ速度で動作させて、像ブレを生じにくくする。一方、撮像素子駆動制御部は、例えば検知された開度が第一の開度閾値より高い第二の開度閾値以上であるとき、撮像素子の撮像面と被写体との距離が遠いため、画像信号のＳ／Ｎ比の向上を図るべく、撮像素子を上記高速の電子シャッタ速度より遅い電子シャッタ速度で動作させる。

絞り動作制御部は、絞り部材を動作させるＤＣモータを有する構成としてもよい。絞り動作制御部は、目標開度付近における絞り部材のハンチングを効果的に抑えるため、生成された輝度信号のレベルが上記範囲外から該範囲に達したとき、ＤＣモータをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で駆動する構成としてもよい。

本発明に係る診断用医療機器用の自動調光処理装置は、使用者が所望の明るさの映像を観察できるように、参照輝度値の設定操作を受け付ける操作部を更に有する構成としてもよい。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る診断用医療機器用の画像信号処理装置は、上記の何れかに記載の自動調光処理装置と、撮像装置からの画像信号をモニタ表示可能に処理する画像信号処理部とを有する。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る医療用システムは、上記画像信号処理装置と、上記自動調光処理装置からの照明光により照明された被写体を撮影して画像信号を生成する電子スコープとを有する。

本発明に係る診断用医療機器用の自動調光処理装置、診断用医療機器用の画像信号処理装置、及び医療用システムによれば、何れの電子スコープを使用する場合も応答速度が高速かつ安定的な自動調光が達成される。

本発明の実施形態の医療用システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の実施形態の前段信号処理回路及びその周辺回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態のＬＵＴの輝度信号レベルの変換特性を示す図である。 本発明の実施形態のフロントパネルに対する輝度調節操作後におけるＬＵＴの信号レベルの変換特性を示す図である。 本発明の実施形態のＬＵＴへの入力信号のレベルとモータに印加される駆動信号との関係を示す図である。 本発明の実施形態の固体撮像素子の電子シャッタ速度制御を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の医療用システムについて説明する。

図１は、本実施形態の医療用システム１の構成を概略的に示すブロック図である。図１に示されるように、医療用システム１は、体腔内を撮像する電子スコープ１００、自然光の届かない体腔内を電子スコープ１００を介して照明すると同時に電子スコープ１００からの信号を処理するプロセッサ２００、及びプロセッサ２００により処理された信号を映像として表示するモニタ３００を有している。

プロセッサ２００は、システムコントローラ２０２、タイミングコントローラ２０４を有している。システムコントローラ２０２は、医療用システム１を構成する各要素を制御する。タイミングコントローラ２０４は、信号の処理タイミングを調整するクロックパルスを医療用システム１内の各回路に出力する。

プロセッサ２００の電源が投入されたとき、ランプ電源２０６からランプ２０８に電源が供給されてランプ２０８が点灯する。ランプ２０８には、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプなどの高輝度ランプが適している。ランプ２０８から照射された照明光は、集光レンズ２１０により集光されつつ絞り２１２を介して適正な光量に制限されて、電子スコープ１００が有するＬＣＢ（light carrying bundle）１０２に入射される。

絞り２１２には、図示省略されたアームやギアなどの伝達機構を介してモータ２１４が機械的に連結されている。モータ２１４は例えばＤＣモータであり、ドライバ２１６のドライブ制御下で駆動される。絞り２１２は、モニタ３００に表示される映像を適正な明るさにするため、モータ２１４によって動作されて開度が変化して、ランプ２０８から照射された照明光の光量を開度に応じて制限する。なお、適正とされる映像の明るさの基準は、術者によるフロントパネル２１８の輝度調節操作に応じて変わる。

ＬＣＢ１０２に入射された光は、ＬＣＢ１０２の内部を伝搬して、電子スコープ１００の先端に配されたＬＣＢ１０２の射出端から射出される。ＬＣＢ１０２から射出された光は、配光レンズ１０４を介して被写体を照明する。被写体からの反射光は、対物レンズ１０６に入射されて、対物レンズ１０６のパワーにより固体撮像素子１０８の受光面上で光学像を結ぶ。

固体撮像素子１０８は、例えばベイヤ型画素配置を有する単板式カラーＣＣＤであり、受光面上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積して、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に応じた画像信号に変換する。変換された画像信号は、プリアンプ１１０により増幅されてドライバ信号処理回路１１２に入力される。

ドライバ信号処理回路１１２は、タイミングコントローラ２０４のクロックパルスに基づき、固体撮像素子１０８をプロセッサ２００側で処理される映像のフレームレートに同期したタイミングで駆動制御する。メモリ１１４には、電子スコープ１００固有の情報（例えば固体撮像素子１０８の画素数や感度、対応可能なレート、或いは型番など）が格納されている。ドライバ信号処理回路１１２は、メモリ１１４にアクセスして電子スコープ１００固有の情報を読み出す。ドライバ信号処理回路１１２は、読み出された固有情報をシステムコントローラ２０２に、画像信号を前段信号処理回路２２０に、それぞれ出力する。ドライバ信号処理回路１１２と前段信号処理回路２２０との間には、フォトカップラなどを使用した絶縁回路（不図示）が配置され、電子スコープ１００とプロセッサ２００とが電気的に絶縁されている。

システムコントローラ２０２は、ドライバ信号処理回路１１２からの上記固有情報に基づいて各種演算を行って制御信号を生成し、プロセッサ２００に接続中の電子スコープに適した処理がされるようにプロセッサ２００内の各回路の動作やタイミングを制御する。また、システムコントローラ２０２は、電子スコープの型番と、該型番の電子スコープに適した制御情報とを対応付けたテーブルを有した構成としてもよい。かかる場合、システムコントローラ２０２は、対応テーブルの制御情報を参照して、プロセッサ２００に接続中の電子スコープに適した処理がされるようにプロセッサ２００内の各回路の動作やタイミングを制御する。

図２は、前段信号処理回路２２０及びその周辺回路の構成を示すブロック図である。ドライバ信号処理回路１１２からの画像信号は、アンプ１０による信号増幅、フィルタ１２によるノイズカットを経て、Ａ／Ｄコンバータ１４によりデジタル形式に変換される。デジタル形式に変換された画像信号は、画像信号処理回路１６及び輝度信号生成回路１７に出力される。

画像信号処理回路１６は、Ａ／Ｄコンバータ１４からの画像信号に所定の処理を施して画像メモリ２２２に出力する。画像メモリ２２２は、入力された画像信号をバッファリングするフレームバッファである。画像メモリ２２２は、バッファリングした画像信号を後段映像信号処理回路２２４に所定のタイミングで掃き出す。後段映像信号処理回路２２４は、画像メモリ２２２からの画像信号をＮＴＳＣ（National Television System Committee）などの所定の映像規格に適合した映像信号に変換して、モニタ３００に出力する。これにより、被写体の映像がモニタ３００に表示される。術者は、体腔内の映像をモニタ３００を通じて観察し検査や施術などができるようになる。

輝度信号生成回路１７は、Ａ／Ｄコンバータ１４からのＲ、Ｇ、Ｂの各色に応じた画像信号に基づき１フレーム分の輝度信号を演算して、ＬＵＴ（Look up Table）１８に出力する。ＬＵＴ１８は、入力された輝度信号のレベルの変換を行うための入出力対応テーブルである。図３に、ＬＵＴ１８の輝度信号レベルの変換特性を示す。図３の横軸は、ＬＵＴ１８に入力される輝度信号のレベルを、図３の縦軸は、ＬＵＴ１８から出力される輝度信号のレベルを、それぞれ示す。

図３に示されるように、ＬＵＴ１８の輝度信号レベルの変換特性は、安定領域Ｂの中央値ｃを基準として、入力レベルに対する出力レベルの増加率又は減少率が低い安定領域Ｂ、入力レベルに対する出力レベルの減少率が高い高速領域Ａ１及びＡ２、及び入力レベルに対する出力レベルの増加率が高い高速領域Ａ３及びＡ４を有している。別の表現によれば、ＬＵＴ１８は、入力された輝度信号を入力レベルに応じた係数でレベル変換するように構成されている。なお、図３に示されるように、高速領域Ａ１は、入力レベルが点ａ’を下回る領域として定義される。高速領域Ａ２は、入力レベルが点ａ’以上でかつ点ａを下回る領域として定義される。安定領域Ｂは、入力レベルが点ａ以上でかつ点ｂを下回る領域として定義される。高速領域Ａ３は、入力レベルが点ｂ以上でかつ点ｂ’を下回る領域として定義される。高速領域Ａ４は、入力レベルが点ｂ’以上の領域として定義される。高速領域Ａ１〜Ａ４は、入力された輝度信号を安定領域Ｂより高い係数でレベル変換する領域として定義される。

ＬＵＴ１８の入出力対応テーブルは、フロントパネル２１８における輝度の調節値毎に用意されている。例えば輝度が十段階で調節可能である場合には、ＬＵＴ１８の入出力対応テーブルは十通り存在する。図４に、輝度が図３に対応する設定輝度から所定段階上げられた場合の入出力対応テーブルの特性を示す。図４に示されるように、ＬＵＴ１８の入出力対応テーブルは、輝度の調節量に応じて高速領域Ａ１〜Ａ４及び安定領域Ｂの各領域が全体的にシフトした特性を有している。

ＬＵＴ１８に入力される輝度信号のレベルは、負帰還で制御されて安定領域Ｂ内のレベル（例えば安定領域Ｂの中央値ｃ）に収束される。ここで、かかる負帰還制御についての詳細な説明をする。

ＬＵＴ１８は、入力された輝度信号を入力レベルに応じた係数でレベル変換して、ヒストグラム処理回路２０に出力する。ヒストグラム処理回路２０は、入力された輝度信号を用いてヒストグラム処理を行う。ヒストグラム処理回路２０は、生成されたヒストグラムデータを用いて、１フレーム分の被写体像の輝度の平均値を示す平均輝度値を算出する。ヒストグラム処理回路２０は、算出された平均輝度値と、フロントパネル２１８にて設定されている輝度値に対応した参照輝度値とを比較して差分を求める。ここで、参照輝度値は、被写体像の基準となる明るさを示す輝度値であり、フロントパネル２１８における輝度の設定値毎に予め定められている。より詳細には、参照輝度値は、例えば安定領域Ｂの中央値ｃの入力レベルに対応する輝度値として定義される。

ヒストグラム処理回路２０は、平均輝度値と参照輝度値との差分に基づいて、目標となる絞り２１２の開度（つまり、ＬＵＴ１８への入力レベルを安定領域Ｂの中央値ｃに一致させるための理想的な開度、又はＬＵＴ１８への入力レベルを安定領域Ｂ内の任意のレベルに収めるための大凡の開度であり、以下、「目標開度」と記す。）を計算する。そして、計算された目標開度をＳＷ１を介して（ＳＷ１が図２中実線で示される側にスイッチングされているとき）比較器２２の−入力端子に出力する。なお、ＳＷ１及び後述のＳＷ２に対するスイッチングは、タイミング回路３４によるタイミングで制御される。

比較器２２の＋入力端子には、後述するレジスタ３２から絞り２１２の開度（実測値）が入力される。比較器２２は、絞り２１２の実測開度と目標開度とを比較して、その差分に応じた信号をＤ／Ａコンバータ２４を介してドライバ２１６に出力する。ドライバ２１６は、入力された信号に応じた電圧をモータ２１４に供給し駆動させて、絞り２１２の開度を調節する。モータ２１４には、絞り２１２の実測開度と目標開度との差分に比例した電圧が供給される。すなわち、モータ２１４は、絞り２１２の実測開度と目標開度との差が大きいほど高い電圧が印加されて、絞り２１２を高速で動作させる。

モータ２１４が初期位置に対して所定角度回転したとき、絞り２１２も初期位置（例えば全閉状態）に対して所定角度回転して所定の開度となる。つまり、モータ２１４の初期位置に対する回転角度と絞り２１２の開度は一義的に決まっている。モータ２１４の初期位置に対する回転角度は、変位検出器２６により検出される。変位検出器２６の具体的デバイス例としては、モータ２１４に連結支持された光学式ロータリエンコーダなどが想定される。変位検出器２６により検出された回転角度は、プリアンプ２７、フィルタ２８、及びＡ／Ｄコンバータ３０を介して、絞り２１２の実測開度を示す情報としてレジスタ３２に書き込まれる。レジスタ３２は、タイミング回路３４によるタイミング制御下で、書き込まれた絞り２１２の実測開度をＳＷ２を介して（ＳＷ２が図２中実線で示される側にスイッチングされているとき）比較器２２の＋入力端子に出力する。絞り２１２の開度調節に伴う照明光量の制御により、ＬＵＴ１８に入力される輝度信号のレベルは、安定領域Ｂ内のレベルに収束されることとなる。

図３を用いて、医療用システム１で実行される自動調光処理の具体例を説明する。例えば通常観察から特殊光観察に切り替えたり観察領域を移動させたりして被写体の明るさが急激に暗くなり、ＬＵＴ１８に入力される信号レベルが高速領域Ａ２内のレベルに低下した場合を考える。かかる場合、ＬＵＴ１８から出力される輝度信号のレベルは、通常時（安定領域Ｂに収まるとき）に比べて、入力レベルが低いほどより一層低下する。そのため、ＬＵＴ１８からヒストグラム処理回路２０には、ＬＵＴ１８への入力レベルが低いほど実際よりも一層暗めの画像に対応したレベルの輝度信号が入力される。この結果、ヒストグラム処理回路２０は、映像をより一層明るくすべく、適正な明るさに対応した理想的な開度より開口の大きい開度を目標開度として計算する。比較器２２には、本来的には適正とされる理想的な目標開度より大きい目標開度が入力されるため、比較器２２から出力される差分は大きくなる。差分が大きいため、モータ２１４に高い電圧が印加されて、絞り２１２が高速で動作する。

絞り２１２は、ＬＵＴ１８への入力レベルが高速領域Ａ２内に収まる間は適正な目標開度を超えた開度に向けて高速で動作する。絞り２１２の開度がより一層短時間で適正な目標開度に近付いて、ＬＵＴ１８への入力レベルが安定領域Ｂに速やかに達することとなる。安定領域Ｂでは、入力に対する出力のレベル変換の変化率が低下する（例えば等倍に近い値などに低下する）ため、ＬＵＴ１８からは適正な目標開度に適合したレベルの信号が出力される。従って、ＬＵＴ１８への入力レベルが安定領域Ｂに達したとき、絞り２１２は、適正な目標開度（ＬＵＴ１８への入力レベルとしては例えば安定領域Ｂの中央値ｃ又は安定領域Ｂ内の任意の値）に向けて、高速領域Ａ２に対応する上記速度より低速で開度を変える。安定領域Ｂ内における絞り２１２の速度を低速としたのは、目標開度近辺における絞り２１２のハンチングを抑制するためである。

上記の具体例によれば、被写体の明るさが急激に変動したときにも絞り２１２の開度が目標開度に迅速に達するため、自動調光の応答速度が高速化する。従って、映像の明るさは、急激な変動に対して適正な応答速度で追従してほぼ一定に保たれる。例えば感度の低い電子スコープを使用する場合にも自動調光が速やかになされて、映像の明るさが輝度変化に適正な応答速度で追従する。すなわち、何れの電子スコープをプロセッサ２００に接続して使用する場合も、応答速度が高速かつ安定的な自動調光が達成される。ここでいう、応答速度が安定的な自動調光とは、各種電子スコープにおける自動調光の応答速度の差が一定幅内に収まることである。

プロセッサ２００は、目標開度近辺における絞り２１２のハンチングを更に抑制するため、次に説明されるように構成されている。かかる構成を説明するための特性図を図５に示す。図５の横軸は絞り２１２の動作時間を、図５の縦軸はモータ２１４に印加される駆動信号を、それぞれ示す。なお、図５は、上記の具体例に対応している。

ＬＵＴ１８に入力される輝度信号レベルは、図５中、時間ｔ１に達するまで高速領域Ａ２に対応するレベルであり、時間ｔ１以降は安定領域Ｂに対応するレベルである。図５中破線は、時間ｔ１以降の駆動信号の傾きを延長した線である。かかる破線は、時間ｔ１に達するまでの期間において、目標開度が本来の適正な開度に設定されている場合における仮想的な駆動信号を示している。時間ｔ１に達するまでの期間は、目標開度が本来の適正な開度より開口の大きい開度に設定されている。そのため、図５を参照してみると、モータ２１４は、時間ｔ１に達するまで破線より高い電圧が印加され、絞り２１２を高速で動作させていることが分かる。

絞り２１２は時間ｔ１に達するまで高速で動作するため、絞り２１２の回転軸周りに大きな慣性モーメントが発生する。このとき発生した慣性モーメントは大きいため、時間ｔ１が経過して絞り２１２が低速にされた後に減衰し始めても速やかには消滅しない。従って、絞り２１２をハンチングさせる原因となり得る。

そこで、時間ｔ１経過後（つまり、ＬＵＴ１８に入力される輝度信号レベルが安定領域Ｂに達した後）は、タイミング回路３４がＳＷ１およびＳＷ２を所定の周期でスイッチングする。ＳＷ１およびＳＷ２をスイッチングすることにより、レジスタ３２から比較器２２への入力、及び比較器２２の出力が間欠的になる。ドライバ２１６は、Ｄ／Ａコンバータ２１６を介した比較器２２からの間欠的な入力に応じて、ブレーキパルス（例えばＰＷＭ波形の電圧）を生成してモータ２１４に供給する。なお、図５においては、ブレーキパルスを時間ｔ１以降に示す縦線により概念的に図示している。時間ｔ１以降の波形は、実際には例えばＰＷＭ制御に対応するパルス波形である。

絞り２１２の回転軸周りの慣性モーメントは、例えばＰＷＭ波形の供給電圧オフ期間に大きく減衰されるため、絞り２１２が目標開度近辺に達するまでに大幅に減衰される。別の表現によれば、絞り２１２は、ＰＷＭ制御により、実測開度と目標開度との差分に応じた速度に対して実質的に減速されているため、上記の慣性モーメントが急激に減衰される。そのため、目標開度近辺における絞り２１２のハンチングが効果的に抑えられる。なお、上記のブレーキパルスは、モータ２１４の回転を間欠的に逆転させるための逆パルスの波形としてもよい。かかる場合には、上記の慣性モーメントが更に速やかに減衰されるため、高いハンチング防止効果が得られる。

ところで、絞り２１２及びモータ２１４などの機械的要素は、急激な変動に対して追従が遅れる動作特性を有している。そのため、例えば被写体の明るさの変動が著しく急激な場合には、絞り２１２の高速化だけでは対応できないことも想定される。そこで、本実施形態のプロセッサ２００は、被写体の明るさの変動が著しく急激な場合にも映像の明るさを適正な応答速度で追従させるべく、固体撮像素子１０８の電子シャッタを併用するように構成されている。

図６は、固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度制御を説明するための図である。図６の横軸は時間を、図６の縦軸はシャッタ速度を、それぞれ示す。ＬＵＴ１８に入力される信号レベルは、図６中時間ｔ２に達するまで、例えば安定領域Ｂ又は高速領域Ａ２或いはＡ３に対応するレベルである。このとき絞り２１２の実測開度と目標開度との差は、一定の差以下である。そのため、被写体の明るさの変動に対して映像の明るさを絞り２１２の高速化だけで十分に追従させることができる。従って、固体撮像素子１０８は、通常の電子シャッタ速度（１／ｎ秒）で動作する。

例えば図６中時間ｔ２に達したときに被写体の明るさが急激に明るくなり、ＬＵＴ１８に入力される信号レベルが高速領域Ａ４に対応するレベルに上昇する場合を考える。このとき絞り２１２の実測開度と目標開度との差が開き過ぎているため、被写体の明るさの変動に対して映像の明るさを絞り２１２の高速化だけで十分に追従させることができない。そのため、システムコントローラ２０２は、タイミングコントローラ２０４、ドライバ信号処理回路１１２を介して固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度を高速化させる。

具体的には、システムコントローラ２０２は、固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度を上記の通常速度から徐々に高速化させて、所定時間後（図６中時間ｔ３）に高速の電子シャッタ速度（１／４ｎ秒）で動作させる。電子シャッタ速度の高速化により、固体撮像素子１０８の各画素に蓄積される電荷量が減少する。その結果、映像の明るさが暗くなり、ＬＵＴ１８に入力される信号レベルが安定領域Ｂ側に低下する。それと同時に、絞り２１２の開度が上記の負帰還制御下で全閉側に絞られて、ＬＵＴ１８に入力される信号レベルが安定領域Ｂ側に低下する。このように、絞り２１２の開度調節と固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度制御とを併用した場合には、自動調光の応答速度が更に高速化する。そのため、被写体の明るさが著しく急激に変動したときにも、映像の明るさを適正な応答速度で追従させることができる。

固体撮像素子１０８は、被写体の明るさが急激に暗くなり、例えばＬＵＴ１８に入力される信号レベルが高速領域Ａ１に対応するレベルに低下するまで高速の電子シャッタ速度で動作し続ける。ＬＵＴ１８に入力される信号レベルは、例えば図６中時間ｔ４に達したときに高速領域Ａ１に対応するレベルに低下する。このとき絞り２１２の実測開度と目標開度との差が開き過ぎているため、被写体の明るさの変動に対して映像の明るさを絞り２１２の高速化だけで十分に追従させることができない。そのため、システムコントローラ２０２は、固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度を高速度（１／４ｎ秒）から徐々に低速化させて、所定時間後（図６中時間ｔ５）に通常の電子シャッタ速度（１／ｎ秒）で動作させる。電子シャッタ速度の低速化により、固体撮像素子１０８の各画素に蓄積される電荷量が増加する。その結果、映像の明るさが明るくなり、ＬＵＴ１８に入力される信号レベルが安定領域Ｂ側に上昇する。それと同時に、絞り２１２の開度は上記の負帰還制御下で全開側に開かれて、ＬＵＴ１８に入力される信号レベルが安定領域Ｂ側に上昇する。絞り２１２及び固体撮像素子１０８を併用することにより、自動調光の応答速度が更に高速化するため、被写体の明るさが著しく急激に変動したときにも、映像の明るさを適正な応答速度で追従させることができる。

固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度の変化率（図６中グラフの傾き）や最高速度（図６中１／４ｎ秒）は、固体撮像素子の仕様（画素数や感度、対応可能なレートなど）に応じて適正値が変わる。そのため、システムコントローラ２０２は、ドライバ信号処理回路１１２からの上記固有情報に応じて、固体撮像素子１０８に対する適正な電子シャッタ速度の変化率や最高速度を電子スコープ毎に設定する。

ここで、電子スコープ１００の撮像面（固体撮像素子１０８の受光面）と被写体との距離が近い場合には、被写体自身の動きや電子スコープ１００の手ブレなどに起因して、撮影される被写体像に像ブレが生じ易い。像ブレは、画質を低下させるため望ましくない。システムコントローラ２０２は、このようなマクロ撮影時における像ブレを解消するために次の動作をする。

具体的には、絞り２１２が目標開度に達したとき（つまり、比較器２２の出力が略０であるとき）、ＳＷ１が図２中破線で示される側にスイッチングされる。これ以降、Ａ／Ｄコンバータ３０の出力は、レジスタ３２、ＳＷ２を介して比較器２２の＋入力端子に、ＳＷ１を介して比較器２２の−入力端子に、それぞれ入力される。すなわち、同一の信号が比較器２２の両方の入力端子に入力されるため、比較器２２により出力される差分が０に固定されて、絞り２１２の開度がロックされる。

絞り２１２の開度がロックされるため、Ａ／Ｄコンバータ３０から開度比較器３６には、固定された値の開度の情報が入力し続ける。開度比較器３６は、入力される実測開度を第一の参照開度（例えば全開に対する開口率が３０％の開度）、第二の参照開度（例えば全開に対する開口率が８０％の開度）のそれぞれと比較する。

ここで、一般的に、電子スコープの撮像面と被写体とが接近したときに被写体像の光量が増加するため、絞りは全閉側に絞られやすい。一方、電子スコープの撮像面と被写体との距離が離れたときには被写体像の光量が減少するため、絞りは全開側に開かれやすい。開度比較器３６は、このような絞りの開閉特性を利用して、固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度をドライバ信号処理回路１１２を介して制御する。

すなわち、開度比較器３６は、Ａ／Ｄコンバータ３０からの実測開度が第一の参照開度以下である場合には、電子スコープの撮像面と被写体との距離が近く、像ブレが生じ易い状況にあると判断する。開度比較器３６は、固体撮像素子１０８を高速の電子シャッタ速度（１／４ｎ秒）で動作させる。これと同時に、ＳＷ１はヒストグラム処理回路２０側にスイッチングされて、絞り２１のロックが解除される。電子シャッタ速度を高速化させることによって上記の像ブレが生じ難くなり、映像の画質が向上する。

その後、絞り２１２は、電子シャッタ速度の高速化による各画素の電荷蓄積量の減少を補填すべく、全開側に開かれやすくなる。開度比較器３６は、Ａ／Ｄコンバータ３０からの実測開度が第二の参照開度に達したとき、電子スコープの撮像面と被写体との距離が離れたと判断する。このとき開度比較器３６は、固体撮像素子１０８の電子シャッタ速度を通常速度（１／ｎ秒）に落とす。電子シャッタ速度を低速化させることにより、固体撮像素子１０８が生成する画像信号のＳ／Ｎ比が向上する。

一方、開度比較器３６は、Ａ／Ｄコンバータ３０からのロックされた実測開度が第二の参照開度以上である場合には、電子スコープの撮像面と被写体との距離が遠いと判断する。開度比較器３６は、画像信号のＳ／Ｎ比を向上させるため、固体撮像素子１０８を通常の電子シャッタ速度（１／ｎ秒）で動作させる。これと同時に、ＳＷ１はヒストグラム処理回路２０側にスイッチングされて、絞り２１２のロックが解除される。

絞り２１２は、電子シャッタ速度の低速化による各画素の電荷蓄積量の増加分を相殺すべく、全閉側に閉じられやすくなる。開度比較器３６は、Ａ／Ｄコンバータ３０からの実測開度が第一の参照開度に達したとき、電子スコープの撮像面と被写体とが接近していると判断する。このとき開度比較器３６は、像ブレを無くすべく、固体撮像素子１０８を高速の電子シャッタ速度（１／４ｎ秒）で動作させる。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば医療用システム１は、面順次方式に対応した構成としてもよい。

１ 医療用システム
１８ ＬＵＴ
２０ ヒストグラム処理回路
１００ 電子スコープ
１０８ 固体撮像素子
２００ プロセッサ
２０２ システムコントローラ
２０４ タイミングコントローラ
２０８ ランプ
２１２ 絞り
３００ モニタ

Claims (8)

1. 照明光を照射する光源と、
   前記照射された照明光の光量を開度の可変によって調節する絞り部材と、
   前記調節された照明光を所定の撮像装置に供給する照明光供給部と、
   前記供給された照明光により照明された被写体を前記撮像装置が撮影して生成した画像信号から輝度信号を生成する輝度信号生成部と、
   前記生成された輝度信号のレベルを変換する信号レベル変換部と、
   前記レベルの変換がされた輝度信号を基に該画像の輝度値を演算する輝度値演算部と、
   前記演算された輝度値と所定の参照輝度値との差分に基づいて前記絞り部材の目標開度を設定する目標開度設定部と、
   前記絞り部材を前記差分に応じた速度で前記目標開度に向けて動作させる絞り動作制御部と、
   を有し、
   前記信号レベル変換部は、
   前記生成された輝度信号のレベルが前記参照輝度値に対応する参照レベルを含む該参照レベル近傍の範囲に収まるとき、該輝度信号を第一の変化率でレベル変換し、
   前記生成された輝度信号のレベルが前記範囲の上限を超えたとき、該生成された輝度信号のレベルが高いほど該輝度信号のレベルがより一層高くなるように、該輝度信号を前記第一の変化率より高い第二の変化率でレベル変換し、
   前記生成された輝度信号のレベルが前記範囲の下限を下回ったとき、該生成された輝度信号のレベルが低いほど該輝度信号のレベルがより一層低くなるように、該輝度信号を前記第一の変化率より高い第三の変化率でレベル変換することを特徴とする診断用医療機器用の自動調光処理装置。
2. 前記撮像装置が有する撮像素子の駆動を制御する撮像素子駆動制御部を更に有し、
   前記撮像素子駆動制御部は、
   前記生成された輝度信号のレベルが前記範囲の上限より高い第一のレベル閾値を超えたとき、前記撮像素子を所定の通常の電子シャッタ速度より速い高速の電子シャッタ速度で動作させ、
   前記生成された輝度信号のレベルが前記範囲の下限より低い第二のレベル閾値を下回ったとき、前記撮像素子を前記高速の電子シャッタ速度より遅い電子シャッタ速度で動作させることを特徴とする、請求項１に記載の診断用医療機器用の自動調光処理装置。
3. 前記絞り部材の開度を検知する開度検知手段を更に有し、
   前記撮像素子駆動制御部は、前記検知された開度に応じて前記電子シャッタ速度を可変することを特徴とする、請求項２に記載の診断用医療機器用の自動調光処理装置。
4. 前記撮像素子駆動制御部は、
   前記検知された開度が第一の開度閾値以下であるとき、前記撮像素子を前記通常の電子シャッタ速度より速い高速の電子シャッタ速度で動作させ、
   前記検知された開度が前記第一の開度閾値より高い第二の開度閾値以上であるとき、前記撮像素子を前記高速の電子シャッタ速度より遅い電子シャッタ速度で動作させることを特徴とする、請求項３に記載の診断用医療機器用の自動調光処理装置。
5. 前記絞り動作制御部は、
   前記絞り部材を動作させるＤＣモータを有し、
   前記生成された輝度信号のレベルが前記範囲外から該範囲に達したとき、前記ＤＣモータをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御で駆動することを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載の診断用医療機器用の自動調光処理装置。
6. 前記参照輝度値の設定操作を受け付ける操作部を更に有することを特徴とする、請求項１から請求項５の何れかに記載の診断用医療機器用の自動調光処理装置。
7. 請求項１から請求項６の何れかに記載の診断用医療機器用の自動調光処理装置と、
   前記撮像装置からの前記画像信号をモニタ表示可能に処理する画像信号処理部と、
   を有する診断用医療機器用の画像信号処理装置。
8. 請求項７に記載の診断用医療機器用の画像信号処理装置と、
   前記自動調光処理装置からの照明光により照明された被写体を撮影して画像信号を生成する電子スコープと、
   を有する医療用システム。

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