JP2015011127A - 観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色再現性が高い観察装置を提供する。【解決手段】互いに射出する光の波長領域が異なる複数の光源を有するレーザ光源１２０は、レーザ光を射出する。このレーザ光は、光ファイバ１７０，２１５を介して光射出部２１０から照明光として射出される。撮像部２２０は、照明された被写体を撮像し、画像データを生成する。光量調整部１１０は、反射光の強度が高い波長領域については、レーザ光源１２０からの射出光量を低くし、反射光の強度が低い波長領域については、レーザ光源１２０からの射出光量を高くするように、レーザ光源１２０の各光源から射出するレーザ光の光量を算出する。画像処理部１５０は、レーザ光源の射出光量を考慮して、画像データに基づいてカラー画像を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、観察装置に関する。

レーザ光源として、従来から用いられている気体光源に対し、固体光源は、低消費電力、高接続効率、小型、高速切替可能などの長所を有する。このような固体光源に対する技術革新は目覚しい。このような小型の固体光源と光ファイバとが組み合わされた、いわゆるファイバ光源が知られている。ファイバ光源は、細い構造物内を照明するのに好適である。したがって、内視鏡等への応用も進められている。

例えば特許文献１には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源と、光ファイバと、拡散板とが組み合わされた光源装置が内視鏡に搭載されている例が開示されている。光ファイバはレーザ光源を高い効率で導光するため、このようなレーザ光源と光ファイバとの組み合わせによれば、高効率で明るい光源装置が実現され得る。特許文献１に係る光源装置では、波長４４１．６ｎｍの青色レーザ光、波長５３７．８ｎｍの緑色レーザ光、及び波長６３６．０ｎｍの赤色レーザ光を同時に射出する３原色（白色）レーザ光源であるＨｅ−Ｃｄレーザ光源と、波長６３２．８ｎｍの赤色レーザ光を射出するＨｅ−Ｎｅレーザ光源とが用いられている。これらの光源から射出されたレーザ光は、ライトガイドで内視鏡先端部まで導光され、拡散板及び照度分布調整フィルタを介して照明対象物である生体に照射される。

一般に拡散させたレーザ光が照明光として用いられる場合、レーザ光に含まれない波長の光の情報は欠落する。すなわち、例えば赤色として波長６３６．０ｎｍのレーザ光が用いられる場合、赤色のうち波長６３６．０ｎｍの反射率とそれ以外の波長の反射率とが大きく異なっている場合、赤色の色再現性が悪くなることが知られている。例えば、波長が６３６．０ｎｍ近傍である光をほとんど反射せず、それ以外の赤色領域の光をよく反射する物体を観察する場合、実際には赤色に見えるにも関わらず、波長６３６．０ｎｍの赤色レーザ光で照明した場合、暗く見えることがある。上述の特許文献１では、赤色の色再現性を向上させるため、波長６３６．０ｎｍの赤色レーザ光源に加えて波長６３２．８ｎｍの赤色レーザ光源が用いられている。しかしながらこれら光源が射出するレーザ光の波長差はわずか３．２ｎｍである。波長差が小さいと、色再現性の向上はそれほど期待できない。

特開平１０−２８６２３５号公報

上述の特許文献１に係る技術では、混合されたレーザ光は白色としている。しかしながら、白色光を照明光として利用して、全体的に赤色や青色など色みのついた被写体を撮像する場合、その色みによって色再現性が低くなる場合がある。例えば、赤色に色みの付いた被写体を撮像する場合、撮像部に入射する赤色光の強度は高く、撮像部に入射する緑色光や青色光の強度は低くなる。このため、撮像部において、赤色については露出オーバーとなったり、緑色又は青色については露出アンダーとなったりし得る。

そこで本発明は、色再現性が高い観察装置を提供することを目的とする。

前記目的を果たすため、本発明の一態様によれば、観察装置は、所定の波長領域である感度領域に含まれる光を受光したときに光電変換を行って第１の信号を生成する素子であって、前記感度領域が互いに異なる複数種類の前記素子を含み、被写体像に基づく前記第１の信号を含む画像データを生成する撮像部と、互いに波長が異なる狭スペクトル光を射出する複数の光源を含む光源部であって、前記撮像部に含まれる前記複数種類の素子の何れの前記感度領域にも、それぞれ少なくとも１つの前記狭スペクトル光の波長が含まれるように前記狭スペクトル光の波長が設定されている前記光源部と、前記複数種類の素子の何れもが高い機能を発揮するように、前記複数の光源の各々の光量を個別に調整する光量調整部と、前記画像データに基づいて、カラー画像を表す表示データを生成する画像処理部とを具備する。

本発明によれば、色再現性が高い観察装置を提供できる。

第１の実施形態に係る観察装置の構成例の概略を示すブロック図。 撮像素子の構成例の概略を示す図。 フィルタの光学特性の一例を示す図。 光電変換素子における入射光の波長と光電変換の感度との関係の一例を示す図。 標準試験色の反射スペクトルを示す図。 標準試験色の反射スペクトルを示す図。 マルチモード半導体レーザ光源の発振スペクトルの一例を示す図。 観察装置の動作の一例を示すフローチャート。 撮像素子における入射光の光量及び発生する第１の信号の強度とその頻度との関係を説明するための図。 被写体の平均反射率と波長との関係の一例を示す図。 撮像素子に設けられたカラーフィルタの光学特性と、レーザ光源の波長との関係を示す図。 第１の特徴値とドミナント波長との関係の一例を示す図。 赤色を呈している被写体を撮像したときのＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素に入射する光の輝度値とその頻度を表すヒストグラム。 第３の実施形態に係る観察装置の構成例の概略を示すブロック図。 光量決定テーブルの一例の概略を示す図。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る観察装置１の構成例の概略を示す。図１に示すように、観察装置１は、本体部１００と、外光の入らない暗い場所に挿入されるように構成されている挿入部２００とを備える。観察装置１は、挿入部２００の先端から照明光を照射しながら被写体を撮像する、暗部観察のための装置である。

挿入部２００は、細長形状をしており、その一端は、本体部１００に接続されている。この本体部１００に接続されている側の一端を基端側と称し、他端を先端側と称することにする。挿入部２００の先端部２５０には、光射出部２１０と、撮像部２２０とが設けられている。光射出部２１０には、光ファイバ２１５の一端が接続されている。光ファイバ２１５の他端は、本体部１００に接続されている。光ファイバ２１５は、本体部１００から光射出部２１０へ照明光を導く。光ファイバ２１５で導かれた照明光は、光射出部２１０から照射される。

挿入部２００は、観察対象物の内部空間に挿入され易い形状となっている。言い換えると、挿入部２００は、一般の光源装置では照明しにくい狭い入り口を有する観察対象物の内部空間を照明しやすい形状となっている。例えば図１に示されるように、観察対象物９００の内部空間としては、狭い入り口の奥側に存在するやや広がった空間などが考えられる。このような空間の内部には、室内照明や太陽光などの外光が侵入しにくい。特に挿入部２００が挿入されると、狭い入り口がさらに挿入部でふさがれるため、外光はほとんど内部に侵入しない。すなわち、内部空間における照明光のほとんどは、光射出部２１０から射出された光のみとなる。観察装置１が用いられる状況では、光射出部２１０から射出される光と比較して、外光はほとんど無視され得る。

撮像部２２０は、撮像素子を含む。撮像素子は、受光量に応じて光電変換によって電荷を発生させる。撮像素子を用いて撮像部２２０は、光射出部２１０から射出された光によって照らされた被写体を撮像し、反射光を電気信号に変換する。撮像部２２０は、この電気信号を画像データとして本体部１００に出力する。

図２に示すように、撮像部２２０に含まれる撮像素子２２２には、複数の画素２２３が設けられている。撮像素子２２２には、カラーフィルタ２２４がパターニングされている。カラーフィルタ２２４は、画素２２３に対応させて、赤色のフィルタを有する領域と、緑色のフィルタを有する領域と、青色のフィルタを有する領域とを含む。これら画素及びフィルタの配置は、例えばベイヤ配列に従う。赤色のフィルタが形成されている画素をＲ画素２２６と称し、緑色のフィルタが形成されている画素をＧ画素２２７と称し、青色のフィルタが形成されている画素をＢ画素２２８と称することにする。

図３に、カラーフィルタ２２４の光透過特性、すなわち、波長に対する光透過率の関係を示す。図３に示すように、青色フィルタは、波長４００ｎｍ台の光を主に透過させ、緑色フィルタは、波長５００ｎｍ台の光を主に透過させ、赤色フィルタは、波長６００ｎｍ以上の光を主に透過させる。

撮像素子２２２の各々の画素２２３は、光電変換によって電気信号を生成する。Ｒ画素２２６は主に赤色の光の強度を電気信号に変換し、Ｇ画素２２７は主に緑色の光の強度を電気信号に変換し、Ｂ画素２２８は主に青色の光の強度を電気信号に変換する。これら各画素で発生する波長領域別の電気信号を第１の信号と称することにする。撮像素子２２２は、全体として多数の第１の信号に係る情報を含む画像データを出力する。

図４に、撮像素子２２２に含まれる光電変換素子における入射光の波長と光電変換の感度との関係を示す。図４に示すように、撮像素子２２２の光電変換に関する感度は、波長によって異なる。また、撮像素子２２２は、光強度に応じた信号を出力できる適正光量範囲が存在する。光量が適正光量範囲よりも小さいとき、受光した光に基づく電気信号はノイズに埋もれてしまい、光量に応じた出力が得られない。一方で、光量が適正光量範囲よりも大きいとき、撮像素子２２２は、一定以上電荷を蓄積できない飽和状態となり、光量に応じた電気信号を出力できない。撮像素子２２２が光量に応じた電気信号を出力できる範囲を、その撮像素子２２２のダイナミックレンジと称する。

観察装置１に用いられる光源は、異なる波長の光を発する複数のレーザ光源であることが好ましい。観察装置１は狭い入口を有する閉空間内の観察に用いられることが想定されているので、挿入部２００の細径化が求められている。レーザ光源は発光点が小さく、射出されるレーザ光は直進性が高いため、レーザ光は、光ファイバなど細径光学部材に導入されやすい。このため、レーザ光源が用いられることは、挿入部２００の細径化に有利である。

なお、レーザ光のような狭スペクトル光でも、可視光領域に含まれる複数の異なる波長を有する光を混合した照明光によれば、照明光として十分な性能（演色性）が得られることが知られている（例えば、A. Neumann et al., Opt. Exp., 19, S4, A982 (July 4, 2011) 参照）。さらに、一種類の狭スペクトル光により得られる画像情報には、その波長に特異的な反射特性を有する物質に関する情報が含まれることがある。したがって、狭スペクトル光であるレーザ光によれば、通常の白色光による観察では得られない情報が得られる利点もある。

半導体レーザ光源は、半導体素子に電流が流されることでレーザ光を射出する固体光源装置である。一般に、半導体レーザ光源としては、紫外光から赤外光まで、様々な波長を射出するものが実用化されている。半導体レーザ光源は、小型、省電力などの特長を有している。高輝度化や波長多様化等、半導体レーザ光源の開発は盛んになされている。

本実施形態では、撮像部２２０において、Ｒ画素２２６、Ｇ画素２２７及びＢ画素２２８といった複数種類の画素２２３が設けられている。Ｒ画素２２６、Ｇ画素２２７及びＢ画素２２８には、図３に示すような波長透過特性を有するカラーフィルタ２２４が設けられている。この波長感度領域が照明光の波長を１つも含んでいない場合、その画素２２３は存在意義をなくす。したがって、各画素２２３の波長感度領域には少なくとも１つの照明光の波長が含まれていることが望ましい。

なお、本実施形態では、各画素２２３の波長感度領域を、対応するカラーフィルタ２２４の透過率が少なくとも２０％以上である波長領域と定義する。カラーフィルタ２２４において透過率を０％にすることは技術的に困難であり、カラーフィルタ２２４は、主に透過する波長領域以外の波長領域においても若干の透過性を有するためである。この定義は、適宜に変更される得ることは勿論である。

被写体の表面の光反射特性は、可視光領域に含まれる短波長から長波長までにおいて、様々であることが想定される。このため、光源には、少なくとも色の３原色又は光の３原色と言われている赤色領域、緑〜黄色領域、青色領域のそれぞれについて１波長ずつが必ず含まれることが求められる。上記文献（Neumann et al.）においても赤色（６３５ｎｍ）、黄色（５８９ｎｍ）、緑色（５３２ｎｍ）、青色（４５７ｎｍ）という離散的に設定された４つの波長が光源の波長として選択されている。

演色性は、例えばＣＩＥ（国際照明委員会）やＪＩＳ（日本工業規格）で定められた平均演色評価数によって表される。ＣＩＥやＪＩＳで定められている平均演色評価数は、自然界に多く存在していると想定されている複数の試験色に対し、太陽光や黒体放射光と比較してどの程度、色差が発生するかを指標化したものである。この平均演色評価数が低い照明光は、人間の目による視覚に限らず、撮像素子２２２を用いる本実施形態のような装置においても、色再現性が悪くなると考えられる。すなわち、平均演色評価数が低い場合、取得される画像が、被写体の本来の色を十分再現できないと考えられる。

カラーフィルタ２２４が３色であることに対応させて、３種類の波長のレーザ光源が用いられるとき、演色性がそれほど高くならないことが計算によって明らかになっている。光源の波長数が増加するとき、一般に平均演色評価数が増加する。観察装置１においても、少なくとも４種類の狭スペクトル光が混合された照明光が用いられることが望ましい。

光源として用いられる狭スペクトル光の波長の組み合わせについて説明する。可視光領域において照明光の波長が欠落している範囲が広いと、その波長領域に特異的な被写体の画像情報が得られないため望ましくない。図５Ａ及び５Ｂに示すＣＩＥやＪＩＳで標準試験色として定められている８種の反射スペクトルを参照すると、４００ｎｍ乃至７５０ｎｍの全領域で緩やかに反射スペクトルが変化している。このため、波長領域の全領域に照明光が存在する必要は無いと考えられる。複数の狭スペクトル光を照明光とした場合、照明光の各々の波長が近接しすぎていても、離れすぎていても、特定の波長領域情報が欠落してしまい、特徴的な被写体の色情報を再現できなくなるおそれがある。ＣＩＥやＪＩＳにおいて規格化している平均演色評価数の計算は全て５ｎｍごとの離散的なスペクトル情報に基づいて算出されている。このことからも、互いに隣接する波長は、少なくとも５ｎｍ以上離れているとき、演色性が有意に向上するものと考えられる。以上のことから、観察装置１の光源としては、少なくともピーク波長が５ｎｍ以上離れている４種類以上のレーザ光源が用いられることが望まれる。以降の説明では、互いに５ｎｍ以上離れた波長を有する照明光が用いられるとき、その波長間隔を高演色性維持波長間隔と称することにする。

また、観察装置１で取得されるカラー画像が高い色再現性を有している状態を高色再現状態と呼ぶ事とする。なお、カラー画像情報は、特定の規格に準じた情報群に限らず、画像表示装置が観察装置１に接続された場合に、人の目に適切に視認され得るよう変換された任意の情報を表す。

本体部１００には、図１に示すように、光射出部２１０から射出される照明光の光源である第１の半導体レーザ光源（ＬＤ）１２１と、第２の半導体レーザ光源１２２と、第３の半導体レーザ光源１２３と、第４の半導体レーザ光源１２４とが設けられている。これら４台の半導体レーザ光源が射出するレーザ光の波長は互いに異なる。なお、以降の説明において、第１の半導体レーザ光源１２１と、第２の半導体レーザ光源１２２と、第３の半導体レーザ光源１２３と、第４の半導体レーザ光源１２４とを合わせて、レーザ光源１２０と称することにする。なお、ここでは、光源として半導体レーザ光源が用いられる例を示すが、光源には種々のレーザ光源等、狭スペクトルを射出する光源が用いられ得る。

レーザ光源１２０に含まれる半導体レーザ光源は、いずれもマルチモードレーザ光源である。例えば図６に示すように、マルチモード半導体レーザ光源は、複数の波長のレーザ発振をするが、その波長は、最短のものから最長のものまで数ｎｍ程度の波長域に含まれる。図６は、波長が約４４０ｎｍで発光するマルチモード半導体レーザ光源の発光スペクトルの一例を示す。この発光スペクトルは、数十本の線スペクトル成分を有し、時間と共に比率や線スペクトルの数が変化する。発光スペクトルの波長領域の幅は、１ｎｍ程度の広がりを有している。このようなスペクトルを有するマルチモードレーザ光が狭帯域光として用いられる場合、本実施形態では、狭帯域光としてのピーク波長λｎｂを最も光強度が高い波長と定義する。本実施形態では、第１の半導体レーザ光源１２１のピーク波長λｎｂ１は４４０ｎｍであり、青色である。同様に、第２の半導体レーザ光源１２２のピーク波長λｎｂ２は５３０ｎｍであり、緑色である。第３の半導体レーザ光源１２３のピーク波長λｎｂ３は５９０ｎｍであり、オレンジ色である。第４の半導体レーザ光源１２４のピーク波長λｎｂ４は６４０ｎｍであり、赤色である。

本実施形態では、第１の半導体レーザ光源１２１のレーザ光スペクトルと第２の半導体レーザ光源１２２のレーザ光スペクトルとの間、第２の半導体レーザ光源１２２のレーザ光スペクトルと第３の半導体レーザ光源１２３のレーザ光スペクトルとの間、及び第３の半導体レーザ光源１２３のレーザ光スペクトルと第４の半導体レーザ光源１２４のレーザ光スペクトルとの間の領域であって、レーザ光が含まれない領域を、波長欠落領域と定義する。本実施形態では、各レーザ光におけるスペクトル成分が有する１ｎｍ以下の幅は、波長欠落領域の幅である数十ｎｍと比較して無視できる範囲である。したがって、各ピーク波長間の距離を波長欠落領域の幅とみなすことができる。

本体部１００には、図１に示すように、第１の半導体レーザ光源１２１を駆動する第１の駆動回路１３１と、第２の半導体レーザ光源１２２を駆動する第２の駆動回路１３２と、第３の半導体レーザ光源１２３を駆動する第３の駆動回路１３３と、第４の半導体レーザ光源１２４を駆動する第４の駆動回路１３４とが設けられている。以降の説明では、第１の駆動回路１３１と、第２の駆動回路１３２と、第３の駆動回路１３３と、第４の駆動回路１３４とを合わせて駆動回路１３０と称することにする。駆動回路１３０は、レーザ光源１２０を駆動し、レーザ光源１２０を点灯させたり消灯させたり光量を変化させたりする。さらに、本体部１００には、駆動回路１３０の動作を制御する光源制御部１４０が設けられている。光源制御部１４０は、後述の光量調整部１１０で決定された出力値に基づいて、駆動回路１３０にレーザ光源１２０を駆動させる。

本体部１００には、光カプラ１８０が設けられている。レーザ光源１２０の各々から射出されたレーザ光は、光ファイバ１７０によって、それぞれ光カプラ１８０に導かれる。光カプラ１８０は、導かれた各レーザ光を合波して、合波した光を上述の光ファイバ２１５に入射させる。光ファイバ２１５に入射した照明光は、光ファイバ２１５によって先端部２５０の光射出部２１０に導かれる。

光射出部２１０には、光ファイバ２１５によって導光された光を所望の照明光とするために、例えば拡散材を含む先端光学部材が設けられている。光射出部２１０から被写体の方向には、４色のレーザ光が混合及び拡散された状態の照明光が射出する。このように、レーザ光源１２０と、駆動回路１３０と、光ファイバ１７０と、光カプラ１８０と、光ファイバ２１５と、光射出部２１０とは、光源部１０を形成する。

本体部１００は、レーザ光源１２０から射出されるレーザ光の光量を決定する光量調整部１１０と、撮像部２２０が撮像して得た画像データを処理する画像処理部１５０と、例えば液晶表示素子といった表示デバイスを含む表示部１６０とをさらに備える。光量調整部１１０は、画素特徴値算出部１１１と、光源特徴値算出部１１２と、光量決定部１１３と、記憶部１１５とを備える。

画素特徴値算出部１１１は、画像処理部１５０から画像データを取得する。画素特徴値算出部１１１は、取得した画像データに基づいて、第１の特徴値を算出する。ここで第１の特徴値は、第１の信号に係る特徴値である。第１の信号とは、上述のとおり、撮像部２２０が有するＲ画素２２６の赤色、Ｇ画素２２７の緑色及びＢ画素２２８の青色に対応した所定の波長領域に係る各画素で発生する電気信号である。画素特徴値算出部１１１は、第１の特徴値を光源特徴値算出部１１２に送信する。

光源特徴値算出部１１２は、画素特徴値算出部１１１から取得した第１の特徴値に基づいて、第２の特徴値を算出する。ここで、第２の特徴値は、撮像部２２０が受光した光について、光源の波長毎に算出される特徴値である。光源特徴値算出部１１２は、第２の特徴値を光量決定部１１３に送信する。このように、光源特徴値算出部１１２は、第２の特徴値を算出する第２の特徴値算出部として機能する。ここで、第２の特徴値は、レーザ光源１２０に含まれる各々の光源の出力補正に関する特徴を示す。この出力補正は、光強度に関する補正であって、上記の第１の信号の強度に影響を与える補正である。

光量決定部１１３は、光源特徴値算出部１１２から取得した第２の特徴値に基づいて、レーザ光源１２０の各光源、すなわち、第１の半導体レーザ光源１２１と、第２の半導体レーザ光源１２２と、第３の半導体レーザ光源１２３と、第４の半導体レーザ光源１２４との各々から射出するレーザ光の光量、すなわち、出力値を算出する。光量決定部１１３は、算出した出力値を、光源制御部１４０に送信する。また、光量決定部１１３は、出力値を画像処理部１５０に送信する。

記憶部１１５は、上述の演算に必要な基準値１１６を記憶している。記憶部１１５は、光源特徴値算出部１１２や光量決定部１１３からの要求に応じて、基準値１１６を出力する。

光源制御部１４０は、光量決定部１１３から取得した出力値に基づいて、駆動回路１３０にレーザ光源１２０を駆動させる。その結果、レーザ光源１２０は、光量調整部１１０が決定した出力値に応じたレーザ光を出力する。

画像処理部１５０は、撮像部２２０で撮像した被写体像に係る画像データを取得する。また、画像処理部１５０は、光量決定部１１３からレーザ光源１２０の出力値を取得する。画像処理部１５０は、取得した画像データに画像処理を施す。この画像処理は、一般的な画像処理に加えてレーザ光源１２０の出力値に係る補正を含む。すなわち、画像処理部１５０は、青色、緑色、赤色の各々について、レーザ光源１２０からの射出光量が高い色については、撮像部２２０で取得された画像データについて値を低減させる補正を施し、レーザ光源１２０からの射出光量が低い色については、撮像部２２０で取得された画像データについて値を増加させる補正を施す。このような補正により、照明光として白色光が照射されたときの被写体の色が表現された画像が生成される。画像処理部１５０は、表示部１６０がカラー画像を表示できる形式を有する表示データを生成する。画像処理部１５０は、表示データを表示部１６０に出力し、表示部１６０に被写体の画像を表示させる。また、画像処理部１５０は、撮像部２２０から取得した画像データを画素特徴値算出部１１１に出力する。

次に本実施形態に係る観察装置１の動作について図７に示すフローチャートを参照して説明する。ステップＳ１０１において、光源制御部１４０は、駆動回路１３０にレーザ光源１２０を駆動させ、照明を開始させる。このとき、レーザ光源１２０の出力は所定の初期値とする。ステップＳ１０２において、撮像部２２０は、撮像動作を行う。すなわち、撮像部２２０は、撮像素子２２２で光電変換されて得られた画像データを画像処理部１５０に送信する。

ステップＳ１０３において、画像処理部１５０は、撮像素子２２２から取得した画像データに対して画像処理を施し、表示部１６０に表示させるのに適したカラー画像の情報を有する表示データを作成する。この際、画像処理部１５０は、光量決定部１１３からレーザ光源１２０の各光源の光量に係る出力値の情報を取得し、この出力値の情報を用いて表示データを作成する。また、画像処理部１５０は、撮像部２２０から取得した画像データを画素特徴値算出部１１１にも送信する。ここで画像データは、第１の信号に係る情報を含む。

ステップＳ１０４において、画素特徴値算出部１１１は、画像処理部１５０から取得した画像データに基づいて、第１の特徴値を算出する。ここで第１の特徴値は、撮像部２２０に含まれる各画素２２３が出力する第１の信号に係る特徴値である。このように、画素特徴値算出部１１１は、第１の特徴値を算出する第１の特徴値算出部として機能する。

本実施形態では、第１の特徴値は以下のような値である。撮像素子２２２に含まれる例えば全てのＲ画素２２６をＲ画素群と称することにする。同様に、撮像素子２２２に含まれる例えば全てのＧ画素２２７をＧ画素群と称し、撮像素子２２２に含まれる例えば全てのＢ画素２２８をＢ画素群と称することにする。第１の特徴値は、Ｒ画素群から出力された第１の信号の強度の平均値であるＲ画素平均強度と、Ｇ画素群から出力された第１の信号の強度の平均値であるＧ画素平均強度と、Ｂ画素群から出力された第１の信号の強度の平均値であるＢ画素平均強度とを含む。画素特徴値算出部１１１は、算出したＲ画素平均強度とＧ画素平均強度とＢ画素平均強度とを含む第１の特徴値を、光源特徴値算出部１１２に出力する。

なお、撮像素子２２２は、ダイナミックレンジを有する。例えばダイナミックレンジを超える明るい被写体を撮像するとき、撮像素子２２２の各画素における入射光の光量及び発生する第１の信号の強度とその頻度との関係は、図８に示すヒストグラムのようになる。図８において、破線は入射光の光量を示し、実線は第１の信号の信号強度の分布を示す。図８に示すような場合、第１の信号の強度の平均値を単純に求めると、その値は光量の平均値を正しく表さない。そこで、平均値ではなく、最頻値を第１の特徴値としてもよい。また、図８のような分布となったとき、ヒストグラムに基づいてカーブフィッティングを行い、その後、フィッティングカーブに基づいて平均値を算出してもよい。例えば第１の信号の信号強度の単純な平均値の０．５倍以上１．５倍以下に第１の特徴値が設定されることも好ましい。多くの場合、単純な平均値の０．５倍以上１．５倍以下の範囲に受光量の平均値に対応する値が存在するためである。

全ての画素について入射する光の光量が平均値に近い場合、すなわち、被写体の輝度差が小さい場合、露出オーバーになる画素や露出アンダーになる画素がないこともあり得る。この場合、第１の信号の強度の単純な平均値は、光量の平均値を表すことになる。しかしながら、光量の平均値とダイナミックレンジの平均値とが大きく異なる場合、第１の信号の平均値は、光量の平均値を表さないこともあり得る。このような場合にも適切な第１の特徴値が算出されるためには、上述のような算出方法が用いられる必要がある。

ステップＳ１０５において、光源特徴値算出部１１２は、第１の特徴値に基づいて、第２の特徴量を算出する。ここで、第２の特徴量は、第１の特徴値に対応した光源毎の値である。第２の特徴量については、具体例を挙げて後述する。光源特徴値算出部１１２は、第２の特徴値を光量決定部１１３に出力する。

ステップＳ１０６において、光量決定部１１３は、第２の特徴量に基づいて、レーザ光源１２０の各光源の出力値を決定する。光量決定部１１３は、決定した光源の出力値を光源制御部１４０と画像処理部１５０とに送信する。ステップＳ１０７において、光源制御部１４０は、光量決定部１１３から取得した光源の出力値に基づいて、駆動回路１３０にレーザ光源１２０を駆動させる。

ステップＳ１０８において、光量決定部１１３は、照明を終了するか否かを判定する。例えばユーザが図示しない入力部から照明終了の指示を入力したとき、照明は終了する。照明が終了でないと判定されたとき、処理はステップＳ１０２に戻る。このとき、再びステップＳ１０２で撮像部２２０が被写体を撮像し、ステップＳ１０３で画像処理部１５０は画像処理を行い表示データを作成する。ここで、画像処理部１５０は、ステップＳ１０６で決定された光源の出力値に基づいて画像処理を行う。すなわち、例えば光源光量が低い色については画像信号の利得を上げ、光源光量が高い色については画像信号の利得を下げる。

全体に赤色を呈している被写体を撮像する場合を例として、上述の動作をさらに説明する。例えば波長と撮像範囲全体の平均反射率との関係が図９に示すような特徴を有する被写体を観察する場合を考える。

光量決定部１１３は、照明開始時に、例えばレーザ光源１２０から射出される４種類のレーザ光の光量を何れも１００ｍＷに設定する。すなわち、光量決定部１１３は、ステップＳ１０１において、レーザ光源１２０の各光源の出力値を初期値の１００ｍＷに設定する。このとき、駆動回路１３０は、出力１００ｍＷでレーザ光源１２０を駆動する。

各光源、すなわち、第１の半導体レーザ光源１２１と、第２の半導体レーザ光源１２２と、第３の半導体レーザ光源１２３と、第４の半導体レーザ光源１２４とは、１００ｍＷのレーザ光を射出する。レーザ光源１２０から射出されたレーザ光は、光ファイバ１７０を介して光カプラ１８０に入射し、これらレーザ光は、光カプラ１８０で合波して光ファイバ２１５に入射する。レーザ光は、光ファイバ２１５によって光射出部２１０に導かれ、光射出部２１０から照明光として射出される。光ファイバ、光カプラ１８０、先端光学部材等における光の伝送効率を波長によらず仮に５０％とすると、各色のレーザ光は、光射出部２１０から５０ｍＷずつ被写体に向けて射出されることになる。

光射出部２１０から射出された照明光によって、被写体の色に応じたスペクトルを有する光を反射する。例えば図９に示すような反射特性を有する被写体を考える。このとき、各色について光射出部２１０から５０ｍＷずつの光が射出されると、被写体で反射される光強度は次のようになる。すなわち、
波長４４０ｎｍの光強度は６３６μＷ、
波長５３０ｎｍの光強度は７８９μＷ、
波長５９０ｎｍの光強度は１０５３μＷ、
波長６４０ｎｍの光強度は２３６８μＷ
となる。

この反射光は、撮像部２２０のカラーフィルタ２２４を透過して撮像素子２２２に入射する。図３に示したカラーフィルタ２２４の波長特性によれば、透過光の強度は次のようになる。すなわち、Ｒ画素２２６の平均については、
波長４４０ｎｍの光強度は２５μＷ、
波長５３０ｎｍの光強度は４７μＷ、
波長５９０ｎｍの光強度は９３７μＷ、
波長６４０ｎｍの光強度は２２２６μＷ
であり、各波の合計の光強度は３２３６μＷとなる。

また、Ｇ画素２２７の平均については、
波長４４０ｎｍの光強度は７０μＷ、
波長５３０ｎｍの光強度は７０３μＷ、
波長５９０ｎｍの光強度は５２６μＷ、
波長６４０ｎｍの光強度は３７９μＷ
であり、各波の合計の光強度は１６７８μＷとなる。

また、Ｂ画素２２８の平均については、
波長４４０ｎｍの光強度は５７２μＷ、
波長５３０ｎｍの光強度は１３４μＷ、
波長５９０ｎｍの光強度は４２μＷ、
波長６４０ｎｍの光強度は１６６μＷ
であり、各波の合計の光強度は９１４μＷとなる。

撮像素子２２２は、入射光を受光して光電変換し、画像データを生成する。本実施形態に係る撮像部２２０には、スピード可変シャッタは設けられておらず、露光時間は、常に１０ミリ秒であるとする。上述のような光を受光した撮像素子２２２において発生する第１の信号の強度は、図４に示した関係に基づくと、次のようになる。すなわち、Ｒ画素２２６における第１の信号の強度の平均値、すなわちＲ画素平均強度は、
（２５［μＷ］×２３１［ｍＡ／Ｗ］
＋４７［μＷ］×３００［ｍＡ／Ｗ］
＋９３７［μＷ］×３４６［ｍＡ／Ｗ］
＋２２２６［μＷ］×３８４［ｍＡ／Ｗ］）×０．０１
＝１２．０μＡ
となる。

Ｇ画素２２７における第１の信号の強度の平均値、すなわちＧ画素平均強度は、
（７０［μＷ］×２３１［ｍＡ／Ｗ］
＋７０３［μＷ］×３００［ｍＡ／Ｗ］
＋５２６［μＷ］×３４６［ｍＡ／Ｗ］
＋３７９［μＷ］×３８４［ｍＡ／Ｗ］）×０．０１
＝５．５μＡ
となる。

Ｂ画素２２８における第１の信号の強度の平均値、すなわちＢ画素平均強度は、
（５７２［μＷ］×２３１［ｍＡ／Ｗ］
＋１３４［μＷ］×３００［ｍＡ／Ｗ］
＋４２［μＷ］×３４６［ｍＡ／Ｗ］
＋１６６［μＷ］×３８４［ｍＡ／Ｗ］）×０．０１
＝２．５μＡ
となる。

ステップＳ１０２において、撮像部２２０は、第１の信号を含む画像データを画像処理部１５０に送信する。画像処理部１５０は、撮像部２２０から画像データを取得する。ステップＳ１０３において、画像処理部１５０は、取得した画像データに画像処理を施して、表示部１６０に表示させるために適したカラー画像である表示データを生成し、表示部１６０に出力する。また、画像処理部１５０は、光量調整部１１０の画素特徴値算出部１１１にも、撮像部２２０から取得した画像データを送信する。

画素特徴値算出部１１１は、ステップＳ１０４において、画像データに基づいて、例えば、上述のようにＲ画素平均強度が１２．０μＡ、Ｇ画素平均強度が５．５μＡ、Ｂ画素平均強度が２．５μＡという第１の特徴値を算出する。なお、例えば撮像素子２２２のダイナミックレンジの平均値が５μＡである場合、Ｒ画素の平均では入射光の強度は高過ぎ、Ｇ画素の平均では入射光の強度は適正であり、Ｂ画素の平均では入射光の強度は低過ぎる。画素特徴値算出部１１１は、算出した第１の特徴値を光源特徴値算出部１１２に出力する。

光源特徴値算出部１１２は、ステップＳ１０５において、第１の特徴値に含まれるＲ画素平均強度、Ｇ画素平均強度及びＢ画素平均強度という３つの値から、レーザ光源１２０の４つの光源毎の光量に係る値である第２の特徴値を算出する。ここで、第２の特徴値は、光源毎の出力の変更に係る出力補正に関する特徴を示す値である。続いて、光量決定部１１３は、ステップＳ１０６においてレーザ光源１２０の各光源の出力を決定する。ここでは、第２の特徴値及び各光源の出力値を算出するための２通りの方法を示す。

（第１の算出方法）
第１の算出方法において、光源特徴値算出部１１２が算出する第２の特徴値は、レーザ光源１２０の各光源の出力を現在の何倍にするかを表す倍率を算出するための倍率算出値である。

撮像素子２２２に設けられたカラーフィルタ２２４の光学特性と、レーザ光源の波長との関係を図１０に示す。カラーフィルタ２２４の透過率が２０％以上である波長について撮像素子２２２において光電変換が行われると考える。このとき、第１の半導体レーザ光源１２１から射出された光は、Ｂ画素２２８においてのみ検出される。同様に、第２の半導体レーザ光源１２２から射出された光はＧ画素２２７においてのみ検出され、第４の半導体レーザ光源１２４から射出された光は、Ｒ画素２２６においてのみ検出される。第３の半導体レーザ光源１２３から射出された光は、Ｇ画素２２７とＲ画素２２６とで検出される。

そこで、第２の特徴値である各半導体レーザ光源の出力の倍率を算出するための倍率算出値は、次に基づいて算出される。すなわち、第１の半導体レーザ光源１２１に係る第１の倍率算出値は、第１の特徴値のうちＢ画素平均強度に基づく。第２の半導体レーザ光源１２２に係る第２の倍率算出値は、第１の特徴値のうちＧ画素平均強度に基づく。第３の半導体レーザ光源１２３に係る第３の倍率算出値は、第１の特徴値のうちＧ画素平均強度とＲ画素平均強度との平均値に基づく。第４の半導体レーザ光源１２４に係る第４の倍率算出値は、第１の特徴値のうちＲ画素平均強度に基づく。

光源特徴値算出部１１２は、ステップＳ１０５において、第１の倍率算出値と、第２の倍率算出値と、第３の倍率算出値と、第４の倍率算出値とを含む第２の特徴値を算出する。光源特徴値算出部１１２は、算出した第２の特徴値を光量決定部１１３に送信する。

例えば上述の例では、光源特徴値算出部１１２は、第２の特徴値を次のように決定する。すなわち、第１の半導体レーザ光源１２１に係る第１の倍率算出値は２．５である。第２の半導体レーザ光源１２２に係る第２の倍率算出値は５．５である。第３の半導体レーザ光源１２３に係る第３の倍率算出値は（５．５＋１２．０）／２＝８．７５である。第４の半導体レーザ光源１２４に係る第４の倍率算出値は１２．０である。

光量決定部１１３は、ステップＳ１０６において、基準値１１６と第２の特徴値とを比較し、各レーザ光源の各光源の出力値の補正倍率を算出する。光量決定部１１３は、算出された補正倍率と、現在の各光源の出力値とに基づいて、次の出力値を決定する。決定された出力値に基づいて、駆動回路１３０は駆動される。

例えば、基準値１１６が５μＡであるとすると、上述の例では、第１の半導体レーザ光源１２１に係る第１の補正倍率は、
５．０／２．５＝２．０［倍］
と算出される。第２の半導体レーザ光源１２２に係る第２の補正倍率は、
５．０／５．５＝０．９０［倍］
と算出される。第３の半導体レーザ光源１２３に係る第３の補正倍率は、
５．０／８．７５＝０．５７［倍］
と算出される。第４の半導体レーザ光源１２４に係る第４の補正倍率は、
５．０／１２．０＝０．４２［倍］
と算出される。

これらの値に基づいて、第１の半導体レーザ光源１２１の出力値は、
１００［ｍＷ］×２．０＝２００［ｍＷ］
と決定される。第２の半導体レーザ光源１２２の出力値は、
１００［ｍＷ］×０．９０＝９０［ｍＷ］
と決定される。第１の半導体レーザ光源１２１の出力値は、
１００［ｍＷ］×０．５７＝５７［ｍＷ］
と決定される。第１の半導体レーザ光源１２１の出力値は、
１００［ｍＷ］×０．４２＝４２［ｍＷ］
と決定される。このように、調整後の出力値をＬ２、調整前の出力値をＬ１、基準値をＳ、第２の特徴値をＣ２としたときに、調整後の出力値Ｌ２は、
Ｌ２＝Ｌ１×Ｓ／Ｃ２
で表される。

ステップＳ１０７において、レーザ光源１２０は、これらの値に基づいて動作が制御される。この光量によって同一の被写体が照明されて、撮像されると、
Ｒ画素平均強度は５．７μＡ、
Ｇ画素平均強度は３．９μＡ、
Ｂ画素平均強度は３．３μＡ
となり、適正量に近づく。

このプロセスを３回繰り返すと、
第１の半導体レーザ光源１２１の光量は３０９ｍＷ、
第２の半導体レーザ光源１２２の光量は１３８ｍＷ、
第３の半導体レーザ光源１２３の光量は５７ｍＷ、
第４の半導体レーザ光源１２４の光量は３４ｍＷ
となる。このとき、
Ｒ画素平均強度は５．１μＡ、
Ｇ画素平均強度は４．９μＡ、
Ｂ画素平均強度は４．９μＡ
となり、何れも基準値１１６である５μＡに近い適正量となる。

（第２の算出方法）
第２の算出方法について説明する。標準的な白色光を透過させたときのカラーフィルタを透過する光の色みを代表する波長をドミナント波長と称する。図３に示す光学特性を有するカラーフィルタ２２４では、青色フィルタのドミナント波長であるＢ画素ドミナント波長は４７０ｎｍである。同様に、緑色フィルタのドミナント波長であるＧ画素ドミナント波長は５５５ｎｍであり、赤色フィルタのドミナント波長であるＲ画素ドミナント波長は６０５ｎｍである。上述のとおり、第１の特徴値であるＲ画素平均強度は１２．０μＡであり、Ｇ画素平均強度は５．５μＡであり、Ｂ画素平均強度は２．５μＡであるとき、これらの値をドミナント波長を用いて図示すると図１１のように表される。

第２の計算方法では、Ｂ画素の平均信号強度とＧ画素の平均信号強度とに基づいて得られた直線関係を表す関数と、Ｇ画素の平均信号強度とＲ画素の平均信号強度とに基づいて得られた直線関係を表す関数とを用いてレーザ光源の適正な光量を決定する。Ｒ画素の平均信号強度をＣ_ＣＦＲ、Ｇ画素の平均信号強度をＣ_ＣＦＧ、Ｂ画素の平均信号強度をＣ_ＣＦＢとする。Ｒ画素ドミナント波長をλ_ＣＦＲ、Ｇ画素ドミナント波長をλ_ＣＦＧ、Ｂ画素ドミナント波長をλ_ＣＦＢとする。このとき、レーザ光源の波長λ_ＬＳに対する平均信号強度Ｃ_ＬＳは、次のように表される。すなわち、Ｂ画素の平均信号強度とＧ画素の平均信号強度とに基づいて得られた直線関係を表す関数においては、
C_LS＝(C_CFG−C_CFB)／(λ_CFG−λ_CFB)×λ_LS
＋C_CFG−(C_CFG−C_CFB)／(λ_CFG−λ_CFB)×λ_CFG
である。Ｇ画素の平均信号強度とＲ画素の平均信号強度とに基づいて得られた直線関係を表す関数においては、
C_LS＝(C_CFR−C_CFG)／(λ_CFR−λ_CFG)×λ_LS
＋C_CFR−(C_CFR−C_CFG)／(λ_CFR−λ_CFG)×λ_CFR
である。

例えば上述のように、Ｒ画素の平均信号強度は１２．０μＡであり、Ｇ画素の平均信号強度は５．５μＡであり、Ｂ画素の平均信号強度は２．５μＡであるとする。このとき、Ｂ画素の平均信号強度とＧ画素の平均信号強度とに基づいて得られた直線関係を表す関数は、
Ｃ_ＬＳ＝０．０３６×λ_ＬＳ−１４．３
と表される。Ｇ画素の平均信号強度とＲ画素の平均信号強度とに基づいて得られた直線関係を表す関数は、
Ｃ_ＬＳ＝０．１２９×λ_ＬＳ−６６．０
と表される。

光源特徴値算出部１１２は、これら直線関係と、レーザ光源の波長λ_ＬＳとから、平均信号強度Ｃ_ＬＳを次のように算出する。すなわち、第１の半導体レーザ光源１２１については、
０．０３６×４４０−１４．３＝１．５４［μＡ］
となる。第２の半導体レーザ光源１２２については、
０．０３６×５３０−１４．３＝４．７８［μＡ］
となる。第３の半導体レーザ光源１２３については、
０．１２９×５９０−６６．０＝１０．１［μＡ］
となる。第４の半導体レーザ光源１２４については、
０．１２９×６４０−６６．０＝１６．６［μＡ］
となる。光源特徴値算出部１１２は、ステップＳ１０５において、このような平均信号強度Ｃ_ＬＳを第２の特徴値として算出する。この第２の特徴値は、各光源の出力の補正に関する特徴を示す値である。光源特徴値算出部１１２は、算出した第２の特徴値を光量決定部１１３に送信する。

光源特徴値算出部１１２から第２の特徴値を取得した光量決定部１１３は、ステップＳ１０６において、取得した第２の特徴値と、基準値１１６である例えば５μＡとから、各レーザ光源の光量の補正倍率を算出する。

例えば、上述の例では、第１の半導体レーザ光源１２１に係る補正倍率は、
５．０／１．５４＝３．５［倍］
と算出される。第２の半導体レーザ光源１２２に係る補正倍率は、
５．０／４．７８＝１．１［倍］
と算出される。第３の半導体レーザ光源１２３に係る補正倍率は、
５．０／１０．１＝０．５［倍］
と算出される。第４の半導体レーザ光源１２４に係る補正倍率は、
５．０／１６．６＝０．３［倍］
と算出される。

これらの値に基づいて、第１の半導体レーザ光源１２１の光量は、
１００［ｍＷ］×３．５＝３５０［ｍＷ］
と決定される。第２の半導体レーザ光源１２２の光量は、
１００［ｍＷ］×１．１＝１１０［ｍＷ］
と決定される。第３の半導体レーザ光源１２３の光量は、
１００［ｍＷ］×０．５＝５０［ｍＷ］
と決定される。第４の半導体レーザ光源１２４の光量は、
１００［ｍＷ］×０．３＝３０［ｍＷ］
と決定される。

これらの値に基づいて、レーザ光源１２０は動作する。この光量によって同一の被写体が照明されて、撮像されると、
Ｒ画素平均強度は４．６μＡ、
Ｇ画素平均強度は４．２μＡ、
Ｂ画素平均強度は５．３μＡ
となる。すなわち、何れの値も基準値１１６である５μＡに近い適正量となる。

以上、光量決定部１１３がレーザ光源１２０の光量を決定する手法の例を２つ示しているが、何れの手法が用いられてもよい。また、同様の趣旨で、他の手法が用いられてもよい。

光量決定部１１３は、さらに、レーザ光源１２０の出力に係る出力値を画像処理部１５０にも出力する。画像処理部１５０は、撮像部２２０から取得した画像データに対して、レーザ光源１２０の出力値を加味した画像処理を施す。すなわち、画像処理部１５０は、Ｒ画素２２６、Ｇ画素２２７及びＢ画素２２８から取得した信号に対して、それぞれ対応するレーザ光源１２０の強度に応じた重み付けを行う。画像処理部１５０は、重み付けを行った信号に基づいて、例えば表示部１６０に表示させる画像を表す表示データを作成する。

例えば上述の例では、青色の第１の半導体レーザ光源１２１から射出された光強度は強く、赤色の第４の半導体レーザ光源１２４から射出された光強度は弱い。したがって、画像処理部１５０は、撮像部２２０のＲ画素２２６で取得された画像信号の強度は光源の光強度に応じてより増幅させ、Ｂ画素２２８で取得された画像信号の強度は光源の光強度に応じてより減少させて、これらに基づいて表示データを作成する。このように、画像処理部１５０は、表示部１６０に表示される画像を、被写体に白色光が照射されたときに得られる画像となるように調整する。

なお、本実施形態では、撮像部２２０が受光するＲ画素２２６、Ｇ画素２２７及びＢ画素２２８の各々の平均信号強度がダイナミックレンジの中心となるように、レーザ光源１２０の光量を決定している。しかしながら、これに限らず、平均信号強度が所定の値となるように調整されてもよい。

また、本実施形態では、上述の演算により、光源毎の光量の比は、被写体の色みに応じて適切に決定されている。一般に、観察中には、被写体の色みの変化よりも、拡大及び縮小といった観察倍率の変更や、被写体に対する撮像部２２０の接近及び後退といった観察位置の変更によって生じる被写体反射率の変化の方が大きい。このため、一度色みに関わる光源毎の光量比を決定したら、それ以降は、決定した光量比を固定したまま、光量全体を変更するようにしてもよい。すなわち、光量調整部１１０は、レーザ光源１２０に含まれる各光源の光量比を固定したまま、レーザ光源１２０に含まれる光源の全体の光量を同様に変更するように構成されてもよい。被写体の色みがあまり変化せずに、全体の反射率のみが変化する状況においては、この方法によっても高い色再現性が維持される。このような方法によれば、演算量が減少する。

また、光量調整部１１０は、反射率の変化に関わる光量の変更と、色みに関わる光源毎の光量比の変更との両方を行うが、光量の変更を光量比の変更よりも頻繁に行ってもよい。

また、被写体の反射率が低かったり、被写体と光射出部２１０との距離が遠かったりするために、被写体からの反射光が弱い場合、各光源が最大出力で駆動されることが好ましい。したがって、光量調整部１１０は、レーザ光源１２０の最大出力の情報を保持し、計算により光源の最大出力値よりも大きな出力値が算出されたとき、レーザ光源１２０を最大出力で駆動できるように構成されていることが好ましい。

また、被写体からの反射光が極端に弱いときの一例として、例えば挿入部２００が観察対象物９００に挿入される前の状態が想定される。挿入部２００が観察対象物９００に挿入される前は、ユーザは、光射出部２１０から射出される照明光を撮像部２２０を介さずに自らの視覚によって直接確認することができる。このようなとき、照明光は白色であった方がユーザにとって違和感がない。そこで、このような場合に照明光が白色光となるように設定されることが好ましい。

本実施形態によれば、レーザ光源１２０の各光源が射出する光の強度が個別に調整されることによって、被写体の色みに応じて撮像素子２２２の何れの色の画素にも最適な光量の被写体像が入射する。さらに画像処理においては、各光源の出力値による色の補正が行われる。このため、本実施形態に係る観察装置１によれば高い色再現性が実現される。

一般に撮像装置では、撮像素子の被写体側に撮像素子への入射光量を制御するシャッタが設けられたり、撮像素子の受光量に応じて光源全体の光量が調整されたりすることによって、撮像素子のダイナミックレンジが最も広く利用されて色再現性が高くなるようにされている。この場合、照明光が太陽光や室内灯などの白色光であることが前提とされている。すなわち、例えば赤みを帯びているなど、被写体の色に偏りがある場合に波長領域毎にダイナミックレンジを考慮する調整については検討されていない。また、暗視野内を観察する内視鏡分野においても、光源としてキセノン光源やハロゲン光源など白色固体光源を想定しているため、波長領域ごとにダイナミックレンジを考慮する調整については検討されていない。

例えば、赤色を呈している被写体を撮像したときのＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素に入射する光の輝度値とその頻度を表すヒストグラムを図１２に示す。図１２に示すような場合、ダイナミックレンジが十分に広い撮像素子が用いられている場合には高い色再現性が実現され得る。しかしながら、一般的には、シャッタスピードや照明光の光量をどのように調整しても、赤色の明るい場所が露出オーバーとなったり、青色や緑色の暗い場所が露出アンダーとなったり、その両方になったりするため、被写体の色が正確に再現されない。例えば図８に示したような場合、撮像素子は、ダイナミックレンジを超える光強度を正確に表現できない。また、図４に示すように、撮像素子の感度の波長依存性も色再現性に悪影響を与えるおそれがある。

本実施形態では、観察装置１は、レーザ光源１２０から射出された光以外の照明光がない状態で用いられることが想定されている。このため、上述のように、各色の光源の光量が個別に制御されることで、高い色再現性が実現される。すなわち、撮像素子２２２に設けられたカラーフィルタ２２４の分光透過特性に応じて各光源の光量が調整されることで、白色の照明光の強度を調整する場合に比べて、撮像素子２２２の各画素のダイナミックレンジがより有効に活用される。この際、光量決定部１１３から画像処理部１５０に光源光量に係る情報が提供されるため、画像処理部１５０は、白色光で照明された場合の色を再現することができる。以上によって、高い色再現性が実現される。

また、カラーフィルタ２２４の分光特性を考慮して、ほぼ等間隔となるようにレーザ光源の４つの波長が選択されていることも、高い色再現性の実現に効果を奏する。また、撮像素子２２２のダイナミックレンジが記憶部１１５に記憶されており、この値が用いられることや、波長領域別の特徴値が用いられることは、適切な光源光量の決定に効果を奏する。また、光源としてレーザ光源が用いられていることは、細い挿入部の先端から明るい照明光を射出することに効果を奏する。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態では、第１の特徴値であるＲ画素平均強度、Ｇ画素平均強度及びＢ画素平均強度が、撮像素子２２２のダイナミックレンジの平均値となるように調整されている。これに対して本実施形態では、カラーフィルタ２２４の各色のフィルタを透過した光量を、色すなわち波長領域に関わらず同値とするように調整する。このため、本実施形態では、光源特徴値算出部１１２における演算が第１の実施形態の場合と異なる。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、レーザ光源１２０に含まれる第１の半導体レーザ光源１２１の波長は４４０ｎｍであり、第２の半導体レーザ光源１２２の波長は５３０ｎｍであり、第３の半導体レーザ光源１２３の波長は５９０ｎｍであり、第４の半導体レーザ光源１２４の波長は６４０ｎｍであるものとする。これら各光源の出力の初期値を何れも１００ｍＷとする。反射光の波長特性が図９に示すような特性を有する赤色を呈した被写体を撮像する場合を考える。このとき、第１の実施形態と同様に、第１の特徴値は以下のようになる。すなわち、
Ｒ画素平均強度は１２．０μＡ、
Ｇ画素平均強度は５．５μＡ、
Ｂ画素平均強度は２．５μＡ
となる。この第１の特徴値を取得した光源特徴値算出部１１２は、各光源の現在の出力に対する倍率に係る第２の特徴値を算出し、光量決定部１１３に送信する。光量決定部１１３は、第２の特徴値に基づいてレーザ光源１２０の出力値を算出する。本実施形態で光源特徴値算出部１１２及び光量決定部１１３において行われる演算について説明する。

青色フィルタのドミナント波長は４７０ｎｍであり、緑色フィルタのドミナント波長は５５５ｎｍであり、赤色フィルタのドミナント波長は６０５ｎｍである。図４に示す撮像素子２２２の波長と感度との関係より、
Ｒ画素のドミナント波長における感度は３５７ｍＡ／Ｗ、
Ｇ画素のドミナント波長における感度は３１９ｍＡ／Ｗ、
Ｂ画素のドミナント波長における感度は２５４ｍＡ／Ｗ
である。

各ドミナント波長における感度に基づいて、各画素が受光している光量の平均値の推定値を算出すると次のようになる。すなわち、Ｒ画素の平均光量推定値は、
１２．０［μＡ］／３５７［ｍＡ／Ｗ］／０．０１＝３３５６［μＷ］
となる。Ｇ画素の平均光量推定値は、
５．５［μＡ］／３１９［ｍＡ／Ｗ］／０．０１＝１７３８［μＷ］
となる。Ｂ画素の平均光量推定値は、
２．５［μＡ］／２５４［ｍＡ／Ｗ］／０．０１＝９８７［μＷ］
となる。

このように、Ｒ画素、Ｇ画素又はＢ画素に入射する光量の平均の推定値である平均光量推定値をＬｉ１とし、第１の特徴値をＣ１とし、ドミナント波長における素子の感度をＫ_Ｄとし、露光時間をｔとしたときに、Ｌｉ１は、
Ｌｉ１＝Ｃ１／Ｋ_Ｄ／ｔ
によって算出される。

緑色波長領域は人間の眼にとって最も感度の高い領域であり、人間の眼は緑色波長領域に対する明暗を最も精度良く感じる。そこで、本実施形態では緑色波長領域における適正光量を基準として、各波長領域の光量を決定する。基準値１１６が５．０μＡであるとき、Ｇ画素のドミナント波長における感度を基準に考えると、適正光量は、
５．０［μＡ］／３１９［ｍＡ／Ｗ］／０．０１＝１５６８［μＷ］
となる。

このように、適正光量をＲ１とし、基準値をＲ_{ｃｅｎｔｅｒ}としたときに、Ｒ１は、
Ｒ１＝Ｒ_{ｃｅｎｔｅｒ}／Ｋ_Ｄ／ｔ
によって算出される。

Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素のそれぞれに入射する平均光量推定値が１５６８μＷとなるように、各画素に入射する光量を次のように決定する。すなわち、Ｒ画素については
１５６８［μＷ］／３３５６［μＷ］＝０．４７［倍］
となる。Ｇ画素については
１５６８［μＷ］／１７３８［μＷ］＝０．９０［倍］
となる。Ｂ画素については
１５６８［μＷ］／９８７［μＷ］＝１．６［倍］
となる。

第１の半導体レーザ光源１２１の波長は、Ｂ画素にのみ検出されるので、第１の半導体レーザ光源１２１の出力値は、１．６倍にされる。第２の半導体レーザ光源１２２の波長は、Ｇ画素にのみ検出されるので、第２の半導体レーザ光源１２２の出力値は、０．９０倍にされる。第３の半導体レーザ光源１２３の波長は、Ｇ画素とＢ画素とに検出されるので、第３の半導体レーザ光源１２３の出力値は、０．９０倍と１．６倍との平均値である１．３倍にされる。第４の半導体レーザ光源１２４の波長は、Ｒ画素にのみ検出されるので、第４の半導体レーザ光源１２４の出力値は、０．４７倍にされる。

光源特徴値算出部１１２は、１．６倍、０．９０倍、１．３倍、０．４７倍という値を第２の特徴値とし、光量決定部１１３に送信する。このように、第２の特徴値は、各光源の出力の補正に関する特徴を示す値である。光量決定部１１３は、第２の特徴値に基づいて、レーザ光源１２０の出力値を決定する。すなわち、変更前のレーザ光源１２０の出力が１００ｍＷであるので、第１の半導体レーザ光源１２１の出力は、
１００［ｍＷ］×１．６＝１６０［ｍＷ］
とする。第２の半導体レーザ光源１２２の出力は、
１００［ｍＷ］×０．９０＝９０［ｍＷ］
とする。第３の半導体レーザ光源１２３の出力は、
１００［ｍＷ］×１．３＝１３０［ｍＷ］
とする。第４の半導体レーザ光源１２４の出力は、
１００［ｍＷ］×０．４７＝４７［ｍＷ］
とする。

このようにレーザ光源１２０の出力値が調整されることによって、第１の特徴値である
Ｒ画素平均強度は６．４μＡ、
Ｇ画素平均強度は４．１μＡ、
Ｂ画素平均強度は２．９μＡ
となる。このように、Ｒ画素平均強度、Ｇ画素平均強度及びＢ画素平均強度のそれぞれは、基準値１１６である５．０μＡに近づく。

このプロセスが３回繰り返されると、
Ｒ画素平均強度は５．８μＡ、
Ｇ画素平均強度は４．８μＡ、
Ｂ画素平均強度は３．９μＡ
となり、何れも基準値１１６の５．０μＡに近い適正量となる。

本実施形態によれば、Ｒ画素平均強度、Ｇ画素平均強度及びＢ画素平均強度は、基準値１１６と一致はしていない。しかしながら、カラーフィルタを透過する光量の色毎の平均値を互いに等しい値とするように調整するため、被写体の色みに関わらず、色毎に画素２２３に入射する被写体からの反射光の平均が、互いに等しくなる。例えば赤みを帯びている被写体を撮像する際にも、青みを帯びた被写体を撮像する際にも、撮像素子２２２にとっての被写体からの反射光のスペクトルは、白色に近い状態となる。すなわち、反射光はダイナミックレンジが有効に活用されやすいように無彩色光に近い光となる。そのため、挿入部２００を着脱する等して受光特性が異なる撮像素子に変更されたときにも、撮像素子の特性に関わらず、高い色再現性が得られる。本変形例によれば、撮像素子に依存しないので、観察装置１のシステムが簡便となり、観察装置１のシステムの低コスト化が実現される。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態では、第１の特徴値であるＲ画素平均強度、Ｇ画素平均強度及びＢ画素平均強度が、撮像素子２２２のダイナミックレンジの平均値となるように調整されている。これに対して本実施形態では、第１の特徴値に基づいてテーブル検索が行われ、各光源の光量比が調整される。ここで、人間の眼において感度が高い緑色を基準として各光源の光量が決定される。

図１３の概略図に示すように、本実施形態に係る記憶部１１５には、光量決定テーブル１１７とＧ画素基準値１１８とが記憶されている。光量決定テーブル１１７には、図１４に示すように、Ｒ画素平均強度／Ｇ画素平均強度とＢ画素平均強度／Ｇ画素平均強度との関係毎に被写体の特性がパターン分けされている。ここでは、これらの被写体特性のパターンをそれぞれ第１の想定被写体、第２の想定被写体等と称することにする。さらに光量決定テーブルは、各被写体の特性のパターン（想定被写体）に応じた各光源の出力の変更に係る基準倍率を含んでいる。また、Ｇ画素基準値１１８は、第１の実施形態に係る基準値１１６と同様の値であり、特にＧ画素に係る光量の基準値である。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、レーザ光源１２０に含まれる第１の半導体レーザ光源１２１の波長は４４０ｎｍであり、第２の半導体レーザ光源１２２の波長は５３０ｎｍであり、第３の半導体レーザ光源１２３の波長は５９０ｎｍであり、第４の半導体レーザ光源１２４の波長は６４０ｎｍであるものとする。これら各光源の出力の初期値を何れも１００ｍＷとする。反射光の波長特性が図９に示すような特性を有する赤色を呈した被写体を撮像する場合を考える。

このとき、第１の実施形態と同様に、第１の特徴値は以下のようになる。すなわち、
Ｒ画素平均強度は１２．０μＡ、
Ｇ画素平均強度は５．５μＡ、
Ｂ画素平均強度は２．５μＡ
となる。

この第１の特徴値を取得した光源特徴値算出部１１２は、各光源の現在の出力に対する倍率に係る第２の特徴値を算出し、光量決定部１１３に送信する。光量決定部１１３は、第２の特徴値に基づいてレーザ光源１２０の出力値を決定する。本実施形態で光源特徴値算出部１１２及び光量決定部１１３において行われる演算について説明する。

光源特徴値算出部１１２は、Ｇ画素平均強度に対するＲ画素平均強度及びＢ画素平均強度、すなわち、強度比率を算出する。例えば、
Ｒ画素平均強度／Ｇ画素平均強度＝２．２倍、
Ｂ画素平均強度／Ｇ画素平均強度＝０．４５倍
のようになる。

光源特徴値算出部１１２は、記憶部１１５から光量決定テーブル１１７を読み出す。光源特徴値算出部１１２は、強度比率と光量決定テーブル１１７とに基づいて、想定被写体を特定する。例えば、上述の例の場合、図１４に示す第２の想定被写体に該当する。光源特徴値算出部１１２は、第２の想定被写体に対応する、第１の基準値（Ｌ１）がＥ倍、第２の基準値（Ｌ２）がＦ倍、第３の基準値（Ｌ３）がＧ倍、第４の基準値（Ｌ４）がＨ倍という情報を取得する。

光源特徴値算出部１１２は、Ｇ画素のダイナミックレンジに係るＧ画素基準値１１８である５μＡと、Ｇ画素平均強度の５．５μＡとを用いて、各光源の出力の変更に係る倍率を次のように決定する。すなわち、第１の半導体レーザ光源の出力値の倍率を
Ｅ×５．０／５．５［倍］
とし、第２の半導体レーザ光源の出力値の倍率を
Ｆ×５．０／５．５［倍］
とし、第３の半導体レーザ光源の出力値の倍率を
Ｇ×５．０／５．５［倍］
とし、第４の半導体レーザ光源の出力値の倍率を
Ｈ×５．０／５．５［倍］
とする。光源特徴値算出部１１２は、これらの出力値の倍率を第２の特徴値として、光量決定部１１３に出力する。光量決定部１１３は、これら出力値の倍率に基づいて、レーザ光源１２０に含まれる各光源の出力値を決定し、その出力値を光源制御部１４０に出力する。

本実施形態によれば、光量調整部１１０における演算処理が簡素化される。その結果、観察装置１の低コスト化も実現される。また、本実施形態によれば、観察中に色みが大きく変化しない場合には、光量決定テーブル１１７を検索する必要がなく、Ｇ画素平均強度を算出するのみで、各画素のダイナミックレンジを適切に利用するようにレーザ光源１２０を動作させることができる。

１…観察装置、１０…光源部、１００…本体部、１１０…光量調整部、１１１…画素特徴値算出部、１１２…光源特徴値算出部、１１３…光量決定部、１１５…記憶部、１１６…基準値、１１７…光量決定テーブル、１１８…Ｇ画素基準値、１２０…レーザ光源、１２１…第１の半導体レーザ光源、１２２…第２の半導体レーザ光源、１２３…第３の半導体レーザ光源、１２４…第４の半導体レーザ光源、１３０…駆動回路、１３１…第１の駆動回路、１３２…第２の駆動回路、１３３…第３の駆動回路、１３４…第４の駆動回路、１４０…光源制御部、１５０…画像処理部、１６０…表示部、１７０…光ファイバ、１８０…光カプラ、２００…挿入部、２１０…光射出部、２１５…光ファイバ、２２０…撮像部、２２２…撮像素子、２２３…画素、２２４…カラーフィルタ、２２６…Ｒ画素、２２７…Ｇ画素、２２８…Ｂ画素、２５０…先端部。

Claims (16)

1. 所定の波長領域である感度領域に含まれる光を受光したときに光電変換を行って第１の信号を生成する素子であって、前記感度領域が互いに異なる複数種類の前記素子を含み、被写体像に基づく前記第１の信号を含む画像データを生成する撮像部と、
   互いに波長が異なる狭スペクトル光を射出する複数の光源を含む光源部であって、前記撮像部に含まれる前記複数種類の素子の何れの前記感度領域にも、それぞれ少なくとも１つの前記狭スペクトル光の波長が含まれるように前記狭スペクトル光の波長が設定されている前記光源部と、
   前記複数種類の素子の何れもが高い機能を発揮するように、前記複数の光源の各々の光量を個別に調整する光量調整部と、
   前記画像データに基づいて、カラー画像を表す表示データを生成する画像処理部と
   を具備する観察装置。
2. 前記光量調整部は、
   前記第１の信号の特徴を示す第１の特徴値を算出する第１の特徴値算出部と、
   前記複数種類の素子の何れもが高い機能を発揮するような前記第１の特徴値となるように、前記光量を決定する光量決定部と、
   を含む、請求項１に記載の観察装置。
3. 前記画像処理部は、前記画像データと前記光量とに基づいて、前記表示データを生成する、請求項２に記載の観察装置。
4. 前記光源部に含まれる前記複数の光源のうち少なくとも１つはレーザ光源である、請求項２又は３に記載の観察装置。
5. 前記光量調整部は、時間的に連続して前記光量の調整を行う、請求項２乃至４のうち何れか１項に記載の観察装置。
6. 前記光量調整部は、
   前記第１の特徴値に基づいて、前記複数の光源の各々の出力補正に関する特徴を示す第２の特徴値を算出する第２の特徴値算出部と、
   前記素子の前記機能に関わる基準値を記憶する記憶部と、
   をさらに含み、
   前記光量決定部は、調整前の前記光量をＬ１、調整後の前記光量をＬ２、前記基準値をＳ、前記第２の特徴値をＣ２としたときに、前記Ｌ２を
   Ｌ２＝Ｌ１×Ｓ／Ｃ２
   によって算出する、
   請求項２乃至５のうち何れか１項に記載の観察装置。
7. 前記感度領域毎に前記感度領域が同一である前記素子を素子群としたときに、
   前記第１の特徴値は、前記素子群に含まれる素子が生成した前記第１の信号の平均値の０．５倍以上１．５倍以下の値であり、
   前記基準値は、前記素子が有する出力信号のダイナミックレンジの中心値の０．５倍以上１．５倍以下の値である、
   請求項６に記載の観察装置。
8. 前記複数の光源は、
   前記狭スペクトル光の波長が１つの前記感度領域のみに含まれる第１の光源群と、
   前記狭スペクトル光の波長が２つ以上の前記感度領域に含まれる第２の光源群と、
   を含み、
   前記第１の光源群に対応する前記第２の特徴値は、前記光源が射出する前記狭スペクトル光の波長を含む前記感度領域を有する前記素子群に係る前記第１の特徴値であり、
   前記第２の光源群に対応する前記第２の特徴値は、前記光源が射出する前記狭スペクトル光の波長を含む前記感度領域を有する前記素子群に係る２つ以上の前記第１の特徴値の平均値である、
   請求項７に記載の観察装置。
9. 前記複数種類の前記素子は、前記波長領域毎にドミナント波長を有しており、
   注目する前記光源が射出する前記狭スペクトル光の波長に対して、最も近い前記ドミナント波長をλ_ＣＦ１とし、２番目に近い前記ドミナント波長をλ_ＣＦ２とし、
   前記最も近いドミナント波長に対応する前記第１の特徴値をＣ_ＣＦ１とし、
   前記２番目に近いドミナント波長に対応する前記第１の特徴値をＣ_ＣＦ２とし、
   前記注目する前記光源が射出する前記狭スペクトル光の波長をλ_ＬＳとし、
   前記注目する前記光源に関する前記第２の特徴値をＣ_ＬＳとしたときに、
   C_LS＝(C_CF1−C_CF2)／(λ_CF1−λ_CF2)×λ_LS
   ＋C_CF1−(C_CF1−C_CF2)／(λ_CF1−λ_CF2)×λ_CF1
   である、
   請求項６又は７に記載の観察装置。
10. 前記光量調整部は、
    前記第１の特徴値に基づいて、前記複数の光源の各々の出力補正に関する特徴を示す第２の特徴値を算出する第２の特徴値算出部と、
    前記素子の前記機能に関わる基準値を記憶する記憶部と、
    をさらに含み、
    前記感度領域毎に前記感度領域が同一である前記素子を素子群としたときに、
    前記第１の特徴値は、前記素子群に含まれる素子が生成した前記第１の信号の平均値の０．５倍以上１．５倍以下の値であり、
    前記素子群に入射する光量の平均の推定値である平均光量推定値をＬｉ１とし、前記第１の特徴値をＣ１とし、前記素子群の前記感度領域に含まれるドミナント波長における前記素子の感度をＫ_Ｄとし、露光時間をｔとしたときに、前記Ｌｉ１は、
    Ｌｉ１＝Ｃ１／Ｋ_Ｄ／ｔ
    によって算出され、
    前記基準値は、前記素子が有する出力信号のダイナミックレンジの中心値をＲ_{ｃｅｎｔｅｒ}とし、前記素子群に含まれる前記素子が正確に光電変換できる受光量の範囲の中心値をＲ１としたときに、
    Ｒ１＝Ｒ_{ｃｅｎｔｅｒ}／Ｋ_Ｄ／ｔ
    で算出される前記Ｒ１の０．５倍以上１．５倍以下であり、
    第２の特徴値算出部は、Ｒ１／Ｌｉ１に基づいて、前記第２の特徴値を算出し、
    前記光量決定部は、前記第２の特徴値に基づいて、前記光量を個別に調整する、
    請求項２乃至５のうち何れか１項に記載の観察装置。
11. 前記複数の光源は、
    前記狭スペクトル光の波長が１つの前記感度領域のみに含まれる第１の光源群と、
    前記狭スペクトル光の波長が２つ以上の前記感度領域に含まれる第２の光源群と、
    を含み、
    前記第１の光源群に対応する前記第２の特徴値は、前記光源が射出する前記狭スペクトル光の波長を含む前記感度領域を有する前記素子に係る前記Ｒ１／Ｌｉ１であり、
    前記第２の光源群に対応する前記第２の特徴値は、前記光源が射出する前記狭スペクトル光の波長を含む前記感度領域を有する前記素子に係る２つ以上の前記Ｒ１／Ｌｉ１の平均値である、
    請求項１０に記載の観察装置。
12. 前記光量調整部は、前記第１の特徴値に対応した前記光源の光量に関する値が記録された光量決定テーブルをさらに含み、
    前記光量決定部は、前記第１の特徴値と前記光量決定テーブルとに基づいて、前記光量を決定する、
    請求項２乃至５のうち何れか１項に記載の観察装置。
13. 前記光量調整部は、
    前記光源間の光量の比を変更する光量比変更動作と、
    前記光源間の光量の比を変更せずに全ての光源の光量を一様に変更する全体光量変更動作と
    を行い、
    前記全体光量変更動作の頻度は、前記光量変更動作の頻度よりも高い、
    請求項５に記載の観察装置。
14. 前記第１の特徴値が所定値以下のとき、前記光量決定部は、前記光源の光量を上限に決定する、請求項５に記載の観察装置。
15. 全ての前記光源の光量が上限であるとき、前記射出される狭スペクトル光の混合光は、白色である、請求項１４に記載の観察装置。
16. 前記光源部が射出する狭スペクトル光の波長数は４以上である、請求項５に記載の観察装置。

Images