JP2764872B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複数の光学特性の像を得ることができる撮
像装置に関する。 ［従来の技術と発明が解決しようとする問題点］ 近年、電荷結合素子（CCD）等の固体撮像素子を撮像
手段を用いた小型のビデオカメラや、電子内視鏡等の撮
像装置が種々提案されている。 ところで、前記固体撮像素子を用いた撮像装置では、
従来、受光面に入射する光量を調整するために、受光部
前面のレンズ系、または光源部に、絞り機構を設けてい
た。 しかしながら、受光部前面のレンズ系に絞り機構を設
けたものでは、前記絞り機構が、レンズの光路内にあ
り、また、複数の板状の遮光部材で構成されているた
め、大型であり、また、最小絞りの精度が悪く、そのた
め、ビデオカメラのごとくシャッタースピードが一定の
撮像装置においては、高照度時にはNDフィルタにて光量
を減じていた。また、絞りの変化に伴って、被写界深度
が変化してしまうという問題点がある。 また、面順次方式によってカラー画像を得る撮像装置
では、被写体像を時系列的に色分解する手段として、照
明光学系内に、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色光
を順次透過させる回転カラーフィルタを設け、光源から
の光を前記回転カラーフィルタを透過させることによ
り、照明光をR,G,Bに順次切換えていた。 しかしながら、前記回転カラーフィルタは、R,G,Bの
各フィルタを光源光路中に時系列的に介装して、光源か
らの光を時系列的にR,G,Bの各色光にするため、光源装
置が大型になるという問題点がある。 また、電子内視鏡のような撮像装置を用いて、被写体
を観察する場合、特に生体内では患部と正常部とを見分
ける場合、微妙な色調の差を検知（認識）する必要があ
る。ところが、観察部位の色調の変化が微妙である場
合、この微妙な差を検知するには高度な知識と経験が必
要とされ、その上、検知するまでに長時間を必要とし、
また、検知の間注意力を集中しても常に適性な判断をす
るのは困難であった。 これに対処するに、例えば特開昭56−3033号公報に
は、可視領域以外の領域、例えば赤外波長領域では色調
の変化が大きくなるものもあることに着目して、少なく
とも一つの赤外波長領域を含むように分光するフィルタ
を設け、波長領域に対応して電気信号を処理し、特定の
色信号により波長領域の画像を表示するようにした技術
が開示されている。この従来例によれば、赤外波長領域
で得られる不可視情報を可視情報に変換することがで
き、例えば患部と正常部の識別を迅速、容易に行うこと
が可能になる。 また、赤外光は生体内を透過しやすいことが知られて
おり、赤外光を用いて観察することにより、組織内部、
例えば粘膜下の血管の血流状態や血管の微細構造等を観
察することが可能になる。 しかしながら、上記従来例では、観察波長領域が固定
されているため、例えば、赤外光を利用した観察の場合
には一般的な可視領域の画像が得られないため、両画像
の比較が困難であるという問題点がある。 このように、従来は、撮像装置を大型化することな
く、複数の光学特性の像、すなわち、入射光量を変化さ
せた像や、面順次の各色照明光による像や、可視領域の
像と不可視領域の像等を得ることが困難であった。 尚、本発明の関連技術として、特開昭60−136714号公
報、特開昭60−149267号公報、特開昭60−149269号公報
等には、MOS,CCD等の固体撮像素子では、光電変換され
た信号を読出すためのスイッチ回路や電荷転送用の転送
ライン等があり、受光面積に占める感光部の割合が、例
えばインターライン型CCDの場合約30％と低いため、圧
電素子を用い撮像素子本体または光学部品をフィールド
周波数で1/2画素移動させ、見掛け上の画素数を増加さ
せ、解像度を向上させる技術が開示されている。 ［発明の目的］ 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小
型で、複数の光学特性の像を得ることができ、かつ、CC
Dの画素に対する光学フィルタの位置決めが容易とな
り、CCDの画素に対するフィルタの開口率が大きくでき
る撮像装置を提供することを目的としている。 ［問題点を解決するための手段及び作用］ 本発明による撮像装置は、固体撮像素子の感光部に対
応する位置と非感光部に対応する位置とに配置可能であ
って、互いに光学特性の異なる複数組の光学部材が隣接
してストライプ状に配置された光学フィルタと、前記光
学フィルタと前記固体撮像素子の感光部との相対的な光
学的位置を連続的に変化させる移動手段とを設け、移動
手段によって、光学フィルタと固体撮像素子の感光部と
の相対的な光学的位置を連続的に変化させることによ
り、前記固体撮像素子の感光部に入射する被写体像の光
学特性を変化させることができるようにしたものであ
る。 ［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 第１図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第
１図は固体撮像素子の構成を示す説明図、第２図は光学
フィルタを示す説明図、第３図は撮像装置の構成を示す
ブロック図、第４図は電子内視鏡装置の全体を示す側面
図である。 本実施例の撮像装置は、例えば第４図に示すような電
子内視鏡に適用される。この電子内視鏡１は、細長で例
えば可撓性の挿入部２の後端に太径の操作部３が連設さ
れている。前記操作部３の後端部からは、側方に可撓性
のユニバーサルコード４が延設され、このユニバーサル
コード４の先端部にコネクタ５が設けられている。一
方、光源装置及び信号処理回路が内蔵された制御装置６
には、前記コネクタ５を接続可能なコネクタ受け８が設
けられ、前記電子内視鏡１は、前記コネクタ５を前記コ
ネクタ受け８に接続することにより、前記制御装置６に
接続されるようになっている。更に、前記制御装置６に
は、表示手段としてのカラーモニタ７が接続されるよう
になっている。 前記挿入部２の先端側には、硬性の先端部９及びこの
先端部９に隣接する後方側に湾曲可能な湾曲部10が順次
設けられている。また、前記操作部３に設けられた湾曲
操作ノブ11を回動操作することによって、前記湾曲部10
を上下／左右方向に湾曲できるようになっている。ま
た、前記操作部３には、挿入部２内に設けられた処置具
チャンネルに連通する挿入口12が設けられている。 本実施例の撮像装置21は、第３図に示すように構成さ
れている。 前記先端部９には、対物レンズ等からなる結像光学系
22が設けられ、この結像光学系22の結像位置には、撮像
手段としての固体撮像素子、例えばCCD23が、例えば挿
入部２の軸方向に垂直に配設されている。また、前記CC
D23の前面側には、光学フィルタ31が配設され、この光
学フィルタ31の径方向の両端部には、この光学フィルタ
31を径方向、すなわち結像光学系22の光軸に対して垂直
方向に移動させる移動手段としての圧電振動子32a,32b
が取付けられている。 一方、前記制御装置６内には、前記CCD23を駆動し、
感光部で光電変換されて蓄積された信号電荷を読出すCC
Dドライバ24が設けられている。このCCDドライバ24は、
タイミング発生回路25から出力されるタイミング信号よ
って、駆動タイミングが制御され、このCCDドライバ24
からの駆動パルスは、前記制御装置６に接続された電子
内視鏡１のユニバーサルコード４及び挿入部２内に挿通
された図示しない信号線を介して前記CCD23に印加され
るようになっている。前記CCD23から読出された信号
は、例えば前記電子内視鏡１の先端部９内に設けられた
プリアンプ26で増幅され、前記挿入部２及びユニバーサ
ルコード４内に挿通された図示しない信号線を介して、
前記制御装置６内に設けられた信号レベル検出回路27に
入力され、この信号レベル検出回路27で信号レベルが検
出されるようになっている。この信号レベル検出回路27
から出力される信号レベル信号は、前記圧電振動子32a,
32bを、例えば径方向の厚みが変化するように駆動する
圧電振動子駆動回路28に入力されるようになっている。
そして、前記圧電振動子32a,32bは、前記信号レベル検
出回路27で検出される信号レベルに応じて前記圧電振動
子駆動回路28によって駆動され、前記光学フィルタ31を
径方向に前記信号レベルに応じた量だけ移動するように
なっている。また、前記信号レベル検出回路27を介して
出力されるCCD23の出力信号は、信号処理回路29に入力
され、この信号処理回路29で映像信号処理され、この信
号処理回路29から出力される映像信号が、カラーモニタ
７に入力され、このカラーモニタ７に被写体像が表示さ
れるようになっている。尚、前記タイミング発生回路25
は、前記信号処理回路29にもタイミング信号を印加し
て、この信号処理回路29のタイミングを制御するように
なっている。 ところで、前記CCD23は、第１図に示すように、例え
ばインターライン転送型CCDが用いられ、光エネルギを
電気信号に変換する感光部35と、この感光部35に蓄積さ
れた信号電荷を読出す読出しゲート36と、前記感光部35
と水平方向に交互に配列され、前記読出しゲート36から
読出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送CCD3
7と、前記感光部35及び垂直転送CCD37の下側に設けら
れ、前記垂直転送CCD37によって垂直方向に転送された
信号電荷を水平方向に転送する水平転送CCD38とで構成
されている。尚、図中、符号39は、非感光部、すなわち
垂直転送CCD37を含めた１画素を示している。 一方、前記光学フィルタ31は、第２図に示すよう、前
記CCD23の感光部35に対応する位置と、非感光部である
垂直転送CCD37に対応する位置とに、交互に配列され
た、互いに光学特性の異なる第１のフィルタ群41と第２
のフィルタ群42とで構成されている。本実施例では、前
記第１のフィルタ群41は、可視カラー用の赤，緑，青等
の各色光をモザイク状等に配列したモザイクフィルタに
なっている。一方、前記第２のフィルタ群42は、遮光部
材で構成されている。 また、前記光学フィルタ31の水平方向の両端部に、前
記圧電振動子32a,32bが取付けられている。この圧電振
動子32a,32bは、前記圧電振動子駆動回路28によって駆
動され、例えば、一方が径方向に収縮すると共に、他方
が伸展することによって、前記光学フィルタ31を第２図
の水平方向に平行移動できるようになっている。そし
て、この光学フィルタ31は、第２図（ａ）に示すよう
に、前記信号レベル検出回路27で検出される信号レベル
に応じて、感光部35上にモザイクフィルタである第１の
フィルタ群41が配置された状態から、第２図（ｂ）に示
すように、感光部35上に遮光部材からなる第２のフィル
タ群42が配置された状態まで、任意の位置に配置される
ようになっており、この光学フィルタ31等によって絞り
機構が構成されている。すなわち、前記感光部35が入射
する光量が大きい場合には、感光部35上に配置される第
２のフィルタ群42の割合が増加し、感光部35に入射する
光量が減少し、一方、前記感光部35に入射する光量が小
さい場合には、感光部35上に配置される第２のフィルタ
群42の割合が減少し、感光部35に入射する光量が増加す
るようになっている。 このように、本実施例では、CCD23の前面側に、感光
部35に対応する位置と、非感光部である垂直転送CCD37
に対応する位置とに、交互に配列された、モザイクフィ
ルタからなる第１のフィルタ群41と遮光部材からなる第
２のフィルタ群42とで構成された光学フィルタ31が配設
されている。この光学フィルタ31は、信号レベル検出回
路27で検出される信号レベルに応じて、圧電振動子32a,
32bによって移動され、感光部35に入射する光量に応じ
て、前記感光部35上に配置される第１のフィルタ群41と
第２のィルタ群42の割合が変化する。すなわち、前記感
光部35に入射する光量が大きい場合には、感光部35上に
配置される第２のフィルタ群42の割合が増加し、感光部
35に入射する光量が減少し、一方、前記感光部35に入射
する光量が小さい場合には、感光部35上に配置される第
２のフィルタ群42の割合が減少し、感光部35に入射する
光量が増加する。 このように、本実施例によれば、前記光学フィルタ31
等によって、CCD23のチップと略同形状の小型の絞り機
構を構成できる。 従来は、非感光部上に位置する光学フィルタは、CCD2
3から読出される信号に対しては意味を持たなかった
が、本発明のように、感光部上に位置する光学部材と非
感光部上に位置する光学部材とに互いに異なった光学特
性を与え、この光学部材を移動させることにより、撮像
装置を大型化することなく、複数の光学特性の像（本実
施例においては、入射光量を変化させた像）を得ること
が可能になる。 また、本実施例によれば、画素の開口率が変化するの
で、被写界深度が変化しない絞り機構を提供することが
できる。また、NDフィルタが不要になる。 尚、前記光学フィルタ31を連続的に移動せずに、第２
図（ａ）に示す位置と第２図（ｂ）に示す位置とに切換
えるように移動することにより、シャッタのような動作
を行わせることも可能である。 また、従来の絞り機構との併用で、露出制御範囲の拡
大が可能となる。 第５図及び第６図は本発明の第２実施例に係り、第５
図は撮像装置の構成を示すブロック図、第６図は本実施
例の動作を示す説明図である。 第６図に示すように、CCD23の前面側には、第１実施
例と同様に、第１のフィルタ群51と第２のフィルタ群52
とで構成された光学フィルタ50が配設されている。本実
施例では、前記第１フィルタ群51は、一般的な可視カラ
ー画像を得るためのモザイクフィルタになっており、一
方、前記第２のフィルタ群52は、紫外または赤外の不可
視領域に透過波長領域を有するモザイクフィルタ、すな
わち、赤外領域や紫外領域内で、互いに異なる波長領域
に透過特性を有するフィルタをモザイク状等に配列した
ものになっている。この光学フィルタ50は、第１実施例
と同様に、圧電振動子駆動回路28によって駆動される圧
電振動子32a,32bによって、径方向（水平方向）に平行
移動できるようになっている。本実施例では、前記圧電
振動子駆動回路28は、フィルタ切換回路55によって制御
され、前記光学フィルタ50は、このフィルタ切換回路55
の切換信号に応じて、第６図（ａ）に示すように感光部
35上に第１のフィルタ群51が配置された状態と、第６図
（ｂ）に示すように感光部35上に第２のフィルタ群52が
配置された状態とに選択的に配置されるようになってい
る。 尚、本実施例では、プリアンプ26を経たCCD23の出力
信号の信号レベルを検出する信号レベル検出回路27は設
けられていない。 その他の構成は、第１実施例と同様である。 本実施例では、CCD23の感光部35上に可視カラー用の
第１のフィルタ群51が配置されると、一般的な可視カラ
ー画像を得ることができる。一方、前記感光部35上に、
不可視用の第２のフィルタ群52が配置されると、CCD23
の各画素の画素信号にそれぞれ例えば赤，緑，青の各色
が割当てられて、不可視領域の像が疑似カラー表示され
る。例えば、前記第２のフィルタ群52に赤外領域に透過
波長領域を有するフィルタを用いると、赤外領域の像が
得られ、この赤外領域の像から、一般的な可視領域の像
では識別が困難な各部位の色調差を検出することが可能
になり、また、粘膜下の血管の走行状態や腫瘍の湿潤範
囲等の情報を得ることができる。 このように、本実施例によれば、光学フィルタ50を移
動させ、CCD23の感光部35上に、第１のフィルタ群51と
第２のフィルタ群52とを選択的に配置させることによ
り、観察部位や観察目的に応じて、可視画像と不可視画
像とを切換えて観察することができる。 また、前記光学フィルタ50を連続的に移動させ、感光
部35上に占める第１のフィルタ群51と第２のフィルタ群
52の割合を変化させることにより、一般可視画像と不可
視画像が任意の割合でミックスされた画像を得ることが
可能になり、一般画像では観察不可能であった被観察物
の特徴が観察可能となる。 また、CCD23のチップと略同形状の小型の光学フィル
タ50等を付加することによって、小型で、可視画像と不
可視画像の観察が可能な撮像装置を構成できる。 尚、前記第１のフィルタ群51と第２のフィルタ群52の
分光特性は、適宜に選択することができ、例えば、第１
のフィルタ群51を赤外透過フィルタとし、第２のフィル
タ群52を紫外透過フィルタとしても良い。また、光学フ
ィルタを、可視透過フィルタ群と、赤外透過フィルタ群
と、紫外透過フィルタ群とで構成し、この光学フィルタ
を、各フィルタ群が感光部35上に選択的に配置される位
置に移動させることにより、可視画像、赤外画像及び紫
外画像が選択的に得られるようにしても良い。 また、赤外透過フィルタや紫外透過フィルタは、モザ
イクフィルタとせずに、１種類の透過波長領域のみを有
するものとして、赤外画像や紫外画像は白黒画像として
表示するようにしてもよい。 ところで、本発明の実施例ではないが、以下の様な撮
像装置も考えられる。第７図は固体撮像素子及び光学フ
ィルタを示す説明図、第８図は撮像装置の構成を示すブ
ロック図、第９図は第８図における撮像装置の動作を示
す説明図である。 この撮像装置では、第７図に示すように、CCD23の前
面側に、１画素39に対応する水平方向の領域内に、赤，
緑，青の各色光をそれぞれ透過するストライプ状のＲフ
ィルタ61,Gフィルタ62,Bフィルタ63が水平方向に順次配
列された光学フィルタ60が配設されている。この光学フ
ィルタ60は、第８図に示すように、圧電振動子駆動回路
28によって駆動される圧電振動子32a,32bによって、径
方向（水平方向）に平行移動できるようになっている。
この撮像装置では、前記圧電振動子駆動回路28は、CCD2
3にR,G,B読出しパルスを印加するタイミング発生回路25
からのタイミング信号によって制御され、前記光学フィ
ルタ60は、第９図（ａ）に示すように感光部35上にＢフ
ィルタ63が配置された状態と、第９図（ｂ）に示すよう
に感光部35上にＧフィルタ62が配置された状態と、第９
図（ｃ）に示すように感光部35上にＲフィルタ61が配置
された状態の３つの状態に選択的に配置されるようにな
っている。 この撮像装置では、前記タイミング発生回路25で、１
フレーム期間の時間をa,b,cの３つに分割したタイミン
グを発生し、その各タイミングに同期して圧電振動子駆
動回路28が圧電振動子32a,32bを駆動し、第９図（ａ）
に示すように時間ａの時には感光部35上にＢフィルタ63
が配置され、第９図（ｂ）に示すように時間ｂの時には
感光部35上にＧフィルタ62が配置され、第９図（ｃ）に
示すように時間ｃの時には感光部35上にＲフィルタ61が
配置されるようになっている。 また、前記CCD23は、前記光学フィルタ60の位置の切
換に同期して読出され、このCCD23からは、１フレーム
期間中に、R,G,Bの画像信号が出力される。この画像信
号は、プリアンプ26で増幅された後、信号処理回路29で
映像信号処理され、この信号処理回路29から、R,G,B信
号、または例えばNTSC方式の映像信号が出力される。 このように、この撮像装置によれば、光源側にてR,G,
Bの面順次の照明光を発光することなく、一般の白色光
を用いて、面順次方式のカラー撮像が可能になる。 また、光源側に、回転フィルタやモータ等の大型部品
が不要になるため、撮像装置全体の小型化が可能にな
る。 尚、前記光学フィルタ60としては、R,G,Bの原色型で
はなく、黄（Ye），マゼンタ（Ｍ），シアン（Cy）等の
補色型でも良い。 また、前記光学フィルタ60の位置の切換は、１フレー
ム期間中ではなく、１フィールド期間中で行っても良
い。 尚、本発明は、上記各実施例に限定されず、例えば、
移動手段として、バイモルフ圧電素子等の可動範囲の広
い素子を用いても良い。また、移動手段によって、光学
フィルタではなく、CCD等の固体撮像素子を移動させる
ようにしても良い。 また、固体撮像素子としては、インタライン転送型CC
Dに限らず、例えば、フレーム転送型CCDを用いて、感光
部に対応する位置と蓄積部に対応する位置とに配置可能
な複数組の光学部材を有する光学フィルタを設けても良
い。また、その他、MOS型撮像素子や、CPDやCSD等であ
っても良いことは言うまでもない。 尚、第１及び第２実施例において、カラー撮像方式
は、モザイクフィルタを用いた同時方式に限らず、面順
次方式であっても良い。 また、光学フィルタの複数組の光学部材は、上記実施
例の組合せに限らず、例えば、１組を赤外カットフィル
タとしたり、互いに屈折率等が異なるフィルタとして焦
点距離を可変できるようにしても良い。 尚、また、本発明は、電子内視鏡に限らず、ビデオカ
メラ等の種々の撮像装置に適用できる。 ［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、互いに光学特性
の異なる複数組の光学部材を有する光学フィルタと固体
撮像素子の感光部との相対的な光学的位置を変化させる
ことにより、前記固体撮像素子の感光部に入射する被写
体像の光学特性を変化させることができるので、小型の
撮像装置で、複数の光学特性の像を得ることができ、か
つ、CCDの画素に対する光学フィルタの位置決めが容易
となり、CCDの画素に対するフィルタの開口率が大きく
できるという効果がある。 また、前記光学フィルタと前記固体撮像素子の感光部
との相対的な光学的位置は、移動手段により連続的に変
化させられるので、感光部上に占める第１のフィルタ群
と第２のフィルタ群の割合を変化させることができ、被
写界深度が変化しない絞り機構とすることができたり、
さらに、一般可視画像と不可視画像が任意の割合でミッ
クスされた画像を得ることが可能になり、一般画像では
観察不可能であった被観察物の特徴が観察可能となると
いう効果も得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図ないし第４図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は固体撮像素子の構成を示す説明図、第２図は光学フ
ィルタを示す説明図、第３図は撮像装置の構成を示すブ
ロック図、第４図は電子内視鏡装置の全体を示す側面
図、第５図及び第６図は本発明の第２実施例に係り、第
５図は撮像装置の構成を示すブロック図、第６図は本実
施例の動作を示す説明図、第７図は固体撮像素子及び光
学フィルタを示す説明図、第８図は撮像装置の構成を示
すブロック図、第９図は第８図における撮像装置の動作
を示す説明図である。 １……電子内視鏡、22……結像光学系 23……CCD、31……光学フィルタ 35……感光部、37……垂直転送CCD 32a,32b……圧電振動子 41……第１のフィルタ群 42……第２のフィルタ群

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．撮像手段としての固体撮像素子を用いた撮像装置に
   おいて、 前記固体撮像素子の感光部に対応する位置と非感光部に
   対応する位置とに配置可能であって、互いに光学特性の
   異なる複数組の光学部材が隣接してストライプ状に配置
   された光学フィルタと、前記光学フィルタと前記固体撮
   像素子の感光部との相対的な光学的位置を連続的に変化
   させる移動手段とを設けたことを特徴とする撮像装置。