JP3962564B2

JP3962564B2 - 光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置

Info

Publication number: JP3962564B2
Application number: JP2001299227A
Authority: JP
Inventors: 一則阿部; 充樋口; 大輔綾目
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003102675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置、特に可動レンズを駆動しながらスコープ先端部を被観察体に近接させ、拡大像の撮影を行う電子内視鏡の画像処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子内視鏡装置は、照明光を照射して対物光学系を介して捉えられた被観察体像を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子で撮像し、この被観察体像をモニタ等に表示するものであるが、近年、この種の電子内視鏡装置では、上記対物光学系に可動レンズ（バリフォーカル系）を組み込み、この可動レンズを変倍機構により前後移動させ、被観察体像を光学的に拡大することが行われる。そして、この拡大像は画像処理されてモニタ等に表示されており、この拡大画像によって注目部位の細部を良好に観察することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学的変倍機構を有する電子内視鏡装置では、拡大像を得るための近接撮影において、変化する配光分布によって均一な明るさの画像が得られないという問題があった。即ち、図６には、スコープ先端部を被観察体に近接させたときの状態が示されており、図６（Ａ）に示されるように、被観察体１を撮像するスコープ先端部２には、ライトガイド３で導かれた光を照射する照明窓（レンズ）４ａ，４ｂ、対物光学系５の観察窓（レンズ）６が配置される。
【０００４】
そして、上記の変倍機能を用いない距離では、照明窓４ａ，４ｂからの光Ｓ₁，Ｓ₂が重なる状態で被観察体１に照射されるが、図６（Ａ）に示される近接距離Ｄａに先端部２がセットされた状態においては、照明窓４ａ，４ｂからの光Ｓ₁，Ｓ₂が重ならず、図６（Ｂ）に示されるように、被観察体１では光が直接照射されない場所ｚ（点線で示す領域）が生じる。
【０００５】
また、上記光Ｓ₁，Ｓ₂の照明領域では、光スポットの中心から周辺へ向けて光強度が小さくなり、上記場所ｚにおいても、照明位置から遠ざかるにつれて光量が少なくなり、被観察体への配光の分布が生じる。しかも、変倍機能を用いた場合、倍率に応じてピントの合う合焦距離が変化することから、被観察体１での照明光の強度が変わり、同時に配光分布も変化する。通常の撮影と異なり、変倍機構を用いて近接撮影を行う場合は、上記の配光分布の存在が大きく影響し、均一な明るさの画像を得難い場合があるという問題があった。
【０００６】
更に、可動レンズを例えば拡大端（Ｎｅａｒ端）へ駆動し、図６（Ａ）のようにスコープ先端部２を被観察体１に極めて近づけたとき、図６（Ｂ）の被観察体１の光が直接照射されない場所ｚでは、両側の光Ｓ₁，Ｓ₂が被観察体１の内部（例えば粘膜層内）で拡散することになり、生体内を被観察体とする電子内視鏡の撮像では、赤っぽい画像が形成されるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、拡大像の撮影において、配光分布の影響をなくして均一な明るさの画像を得ることができ、また直接照明されない領域の赤っぽい画像を改善することができる光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置は、被観察体を照明するための２つの照明窓と、対物光学系に可動レンズを組み込み、この可動レンズの駆動により光学的に像拡大を行うための変倍機構と、上記対物光学系を介して撮像素子から出力された信号に基づき、輝度信号と色信号を形成する信号形成回路と、この信号形成回路から出力された水平ラインにおける所定数画素のブロック毎に輝度信号の平均値を求め、この画素ブロック毎の平均値が一定となる各画素ブロックの係数を算出する係数算出回路と、この係数算出回路からの係数を上記信号形成回路から出力された色信号に乗算する乗算器と、を含み、上記２つの照明窓からの照明光の配光分布による画像の明るさの不均一を解消することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、上記係数算出回路は、各画素ブロックの係数として水平ラインにおける各画素ブロック毎の平均値の平均値又は最大値に一致する係数を算出することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、上記画素ブロックを、水平ライン方向に３個以上設定することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、被観察体を照明する照明光の供給ラインに配置され、この照明光の赤帯域の長波長側をカットする赤成分カットフィルタを設けたことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、水平ラインの所定数画素単位の平均値が求められる共に、これらの平均値を水平ラインにおいて一定（均一）にするための係数が上記所定数画素単位で算出される。そして、この係数は、各色信号、即ちＲ，Ｇ，Ｂ信号（或いは輝度信号、色差信号）に対し乗算され、これによって、拡大率で異なる配光分布となることに起因する照明光の不均一が解消される。
【００１０】
また、請求項４の構成によれば、赤成分カットフィルタにより赤の長波長側がカットされるので、生体である被観察体の赤っぽい画像（赤みを帯びた状態）が改善されると共に、粘膜と血管、その他の組織とを良好に区別して表示することができる。そして、このフィルタを用いた場合、光量不足が生じ、配光分布も変わることになり、この光量不足（及び配光特性）が係数乗算処理によって解消され、明るさの不均一と画像の赤っぽさが同時に改善されるという利点がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、実施形態例に係る電子内視鏡装置の構成が示されており、この電子内視鏡装置は同時式とされ、スコープ１０、プロセッサ装置１１、光源装置１２及びモニタ１４等を有している。この図１の装置では、スコープ１０の先端面に、照明窓４ａ，４ｂ、観察窓６が配置されており、この照明窓４ａ，４ｂには光源装置１２から導かれるライトガイド３が光学的に連結される。
【００１２】
また、上記観察窓６は対物光学系を構成するが、この対物光学系の一部として可動レンズ１６を備えており、この可動レンズ１６は移動機構１８に保持、接続される。この移動機構１８には、回転する線状伝達部材２０を介してモータ駆動部２２が接続され、このモータ駆動部２２はマイコン２４で制御される。即ち、スコープ１０の操作部等に配置された変倍スイッチの操作に基づき、モータ駆動部２２のモータを回転させ、その回転を線状伝達部材２０を介して移動機構１８に伝達し、この移動機構１８では回転運動を直線運動に変換して可動レンズ１６を前後移動させる。この可動レンズ１６は、Ｆａｒ端からＮｅａｒ端までの各位置（例えば２５６の制御位置）に駆動制御され、これによって光学的変倍が実行される。
【００１３】
上記可動レンズ１６を含む対物光学系の後側には、撮像素子であるＣＣＤ２６が設けられ、このＣＣＤ２６では画素単位の色フィルタ［例えばＭｇ（マゼンタ），Ｇ（グリーン），Ｃｙ（シアン），Ｙｅ（イエロー）］を介して被観察体像が捉えられる。即ち、上記光源装置１２からの光がライトガイド３を介してスコープ１０の先端から被観察体に照射されることにより、この被観察体がＣＣＤ２６で撮像される。
【００１４】
上記ＣＣＤ２６の後段には、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling−相関二重サンプリング）／ＡＧＣ（Automatic Gain Control−自動利得制御回路）２８が配置されており、このＣＤＳ／ＡＧＣ２８はＣＣＤ２６の出力信号に対し相関二重サンプリングを施すと共に、所定の増幅処理をする。このＣＤＳ／ＡＧＣ２８には、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２９を介して、ＤＳＰ（Digital Signal Processor−デジタル信号プロセッサ）３０が設けられる。
【００１５】
このＤＳＰ３０の中には、ホワイトバランス、ガンマ補正等の各種の処理を施す信号処理回路３２が設けられており、この信号処理回路３２では、ＣＣＤ２６のＭｇ，Ｇ，Ｃｙ，Ｙｅの各色フィルタを介して得られた信号から色変換演算によって、Ｙ（輝度）信号とＲ（赤）−Ｙ及びＢ（青）−Ｙの色差（Ｃ）信号が形成される。また、この信号処理回路３２から出力されたＹ信号を水平ライン毎に記憶するラインメモリ３３、このラインメモリ３３から読み出された水平ライン信号の例えば３２画素（その他の画素数でもよい）毎の平均値を順次求める平均化回路３４、この平均化回路３４で算出された平均値を順に記憶するラインメモリ３５、このラインメモリ３５の平均値データを比較し、これらの平均値のレベルを所定レベルに一致させるための係数を算出する係数算出部３６が設けられる。
【００１６】
図２には、ＣＣＤ２６での平均化画素が示されており、図２の撮像面領域２６Ｓでは、例えば７６８画素、４９４ラインの画面領域が設定されるが、この７６８画素の水平ラインにおいて、３２画素単位でＹ信号の平均値が上記平均化回路３４で演算される。その結果、２４ブロックの平均値が得られることになり、この２４個の平均値が一定（均一）となる係数が上記係数算出部３６で求められる。
【００１７】
図３（Ａ）には、図２の水平ラインの３２画素単位の平均値が示されており、例えば図２の中央の水平ラインＬｃでは図示のように中央へ行くほど低い値を示す分布となり、この平均値分布は配光分布に対応するものとなる。上記係数算出部３６では、これら平均値の最大値ｅ_１に合わせるための係数が求められ、図３（Ｂ）に示されるような係数が３２画素単位で得られる。なお、この係数算出では、上記最大値ｅ_１ではなく、平均値ｅ_２に一致させるための係数を求めるようにしてもよい。
【００１８】
一方、上記信号処理回路３２から出力された色差信号をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の信号に変換するＲＧＢマトリクス回路３８、このＲＧＢマトリクス回路３８から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号に対し上記係数算出部３６から出力された係数を乗算する乗算器３９、この乗算器３９から出力されるＲ，Ｇ，Ｂ信号をＲ−Ｙ，Ｂ−Ｙの色差信号に戻す色変換回路４０が設けられる。即ち、上記乗算器３９にて、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号毎に水平ラインの３２画素単位で、Ｙ信号から得られた係数が乗算され、これにより配光分布の影響をなくすことができる。
【００１９】
また、プロセッサ装置１１には、上記ＤＳＰ３０から出力されたＹ信号と色差Ｃ信号を入力する信号処理回路４２及びＤ／Ａ変換器４３が設けられており、この信号処理回路４２ではモニタ１４へ出力するための各種の信号処理を施す。
【００２０】
更に、光源装置１２では、ランプ４５、赤成分カットフィルタ４６、光量絞り４７、集光レンズ４８が設けられ、この集光レンズ４８から出力された光が上記ライトガイド３へ供給される。図４には、上記赤成分カットフィルタ４６の分光透過率特性が示されており、このフィルタ４６は、例えば分光透過率が６３０ｎｍ（±１０ｎｍ）で半値、６７０ｎｍで０となる特性を有する。この赤成分カットフィルタ４６によれば、図４に示されるように、ランプ４５からの出力光の中の６３０ｎｍ以上の波長成分について半分以上がカットされる。
【００２１】
実施形態例は以上の構成からなり、以下にその作用を説明する。まず、上述した光学的変倍機構によれば、スコープ１０の操作部等に設けられた変倍スイッチを操作することにより、可動レンズ１６が前後移動し、光学的に拡大した像を得ることができる。ここで、この可動レンズ１６をＦａｒ端からＮｅａｒ位置へ向けて移動させるに伴ってピントの合う合焦位置は近接側へシフトし、スコープの先端部が被観察体へ近接する。そして、この被観察体には光源装置１２から出力された光がライトガイド３を介して照射されるが、この被観察体の照明光は上記可動レンズ１６の位置、即ち合焦距離で配光分布が相違することになる。
【００２２】
一方、光照明された被観察体はＣＣＤ２６で撮像され、このＣＣＤ２６からの出力信号は、ＣＤＳ／ＡＧＣ２８でサンプリングされると共に増幅され、Ａ／Ｄ変換器２９を介してＤＳＰ３０へ供給される。このＤＳＰ３０では、信号処理回路３２によりビデオ信号の各種の画像処理が施され、Ｙ（輝度）信号とＲ−Ｙ及びＢ−ＹのＣ（色差）信号が形成される。
【００２３】
次に、上記Ｙ信号は水平ライン毎にラインメモリ３３へ格納され、後段の平均化回路３４では、図２で説明したように、水平ラインのＹ信号データが３２画素単位で平均化される。その後、２４ブロック分（７６８画素分）の２４個の平均値がラインメモリ３５へ記憶され、これらの平均値は後段の係数算出部３６で比較され、例えば図３（Ａ）の最大値ｅ_１に一致させるための係数が算出される。この係数算出では、各ブロックでの平均値の差がある程度（しきい値）以上のときに行われ、例えば図３（Ｂ）に示すような係数が算出される。そして、これらの係数は乗算器３９へ与えられる。
【００２４】
一方、信号処理回路３２から出力されたＣ信号はＲＧＢマトリクス３８にてＲ，Ｇ，Ｂ信号へ変換された後、乗算器３９へ供給されており、この乗算器３９で上記の係数がＲ，Ｇ，Ｂ信号のそれぞれに対し乗算される。即ち、図２は、近接撮影時において照明光Ｓ_１，Ｓ_２が重ならず、その中間部分には直接光が当たっていない状態を示しており、図２の中央のラインＬｃでは、図３（Ａ）に示す配光分布となる。この配光分布において、各平均値を最大値ｅ_１に合わせるための係数が図示のように、３２画素単位で、1.00、1.00、1.10、1.10、1.15、1.20、1.25…となり、これら係数がＲ，Ｇ，Ｂ信号に乗算される。これによって、図３（Ａ）の配光分布による照明光のばらつきの影響が解消される。
【００２５】
上記乗算器３９から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号は、色変換回路４０でＣ信号へ戻され、信号処理回路４２へ供給される。この信号処理回路４２では、その他の処理及び出力処理が施されることにより、Ｄ／Ａ変換器４３を介してモニタ１４に被観察体の画像が表示される。この結果、変倍機構によって拡大された画像において、合焦距離（倍率）で変化する配光分布により生じる光照明の不均一が解消される。
【００２６】
また、上記マイコン２４では、上記係数の算出及び乗算の処理を、変倍機構において可動レンズ１６がＦａｒ端にあるときには実行せず、このＦａｒ端からＮｅａｒ端へ向けて駆動されたときのレンズ位置、或いは所定のレンズ位置（例えば中間レンズ位置）から開始するように制御する。即ち、当該例では、変倍動作時の近接撮影において照明光の配光分布が画面の明るさに与える影響を解消している。
【００２７】
図５には、光源装置１２に赤成分カットフィルタ４６を配置した場合の粘膜と血液の分光反射率が示されており、当該例では、赤成分カットフィルタ４６によって赤っぽい画像が良好に解消される。図５において、正常胃粘膜の分光反射率曲線はＣ_１（実線）、血液の分光反射率曲線はＣ_２（点線）で表され、この血液の分光反射率曲線Ｃ_２は、波長６００ｎｍ以上で非常に大きくなる。ここで、波長４００ｎｍから６００ｎｍ手前の曲線Ｃ_１とＣ_２で囲まれた領域Ｓ_１は、粘膜と血液やその他の組織のコントラストに寄与する成分であり、波長６００ｎｍ手前からそれ以上の曲線Ｃ_１とＣ_２で囲まれた領域Ｓ_２は、粘膜下層での光散乱を招き、むしろ粘膜と血液等とのコントラストの低下をもたらす成分となる。
【００２８】
当該例では、赤成分カットフィルタ４６を設けることにより、波長６７０ｎｍ手前からそれ以上の波長帯域が除去され、上記の領域Ｓ_２を領域Ｓ_３まで小さくすることができる。これによって、画像中の赤成分を減らすだけでなく、粘膜と血液等のコントラスト低下を招く波長成分を除去し、これらを良好なコントラストで表示できるという利点がある。また、この赤成分カットフィルタ４６を用いた場合には、光量不足が生じ、配光特性も変わることになるが、この光量不足（及び配光特性）が上記係数乗算によって解消され、明るさの不均一と画像の赤っぽさが同時に改善される。
【００２９】
なお、上記実施形態例では、ＲＧＢマトリクス回路３８で形成したＲ，Ｇ，Ｂの信号に係数を乗算したが、信号処理回路３２から出力された色差信号（Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙ）に対して係数を乗算することによっても、同様に配光分布の影響を改善することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、水平ラインにおける所定数画素のブロック毎に輝度信号の平均値を求め、この画素ブロック毎の平均値が一定となる各ブロックの係数を算出し、この係数を色信号に乗算するようにしたので、２つの照明窓を備える電子内視鏡装置で、拡大撮影時に変化する配光分布の影響をなくし、均一な明るさの画像を得ることができる。
【００３１】
また、請求項４の発明のように、照明光の赤帯域の長波長側をカットする赤成分カットフィルタを設けた場合は、この赤成分カットフィルタによる光量不足（及びそのときの配光特性）も解消されると共に、直接照明されない領域の赤っぽい画像を良好に改善することが可能となる。しかも、粘膜と血液等のコントラスト低下を招く波長成分が除去され、これらを良好なコントラストで表示し、観察しやすい拡大画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る電子内視鏡装置の主要構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態例の撮像素子撮像面での光照射状態と係数算出の単位となる画素数を示す図である。
【図３】図２の中央ラインＬｃの３２画素単位の平均値［図（Ａ）］及び３２画素単位の係数［図（Ｂ）］を示す図である。
【図４】実施形態例で用いた赤成分カットフィルタの分光透過率を示す特性図である。
【図５】実施形態例で赤成分カットフィルタを用いたときの正常胃粘膜と血液の分光反射率特性を示す図である。
【図６】スコープ先端部を被観察体に近接させたときの光照射状態［図（Ａ）］及び図（Ａ）の被観察体の表示状態［図（Ｂ）］を示す図である。
【符号の説明】
４ａ，４ｂ…照明窓、６…観察窓、
１６…可動レンズ、１８…移動機構、
２４…マイコン、２６…ＣＣＤ、
３０…ＤＳＰ、
３３，３５…ラインメモリ、３４…平均化回路、
３６…係数算出部、
３８…ＲＧＢマトリクス、３９…乗算器、
４０…色変換回路、
４６…赤成分カットフィルタ。

Claims

被観察体を照明するための２つの照明窓と、
対物光学系に可動レンズを組み込み、この可動レンズの駆動により光学的に像拡大を行うための変倍機構と、
上記対物光学系を介して撮像素子から出力された信号に基づき、輝度信号と色信号を形成する信号形成回路と、
この信号形成回路から出力された水平ラインにおける所定数画素のブロック毎に輝度信号の平均値を求め、この画素ブロック毎の平均値が一定となる各画素ブロックの係数を算出する係数算出回路と、
この係数算出回路からの係数を上記信号形成回路から出力された色信号に乗算する乗算器と、を含み、
上記２つの照明窓からの照明光の配光分布による画像の明るさの不均一を解消する光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。
上記係数算出回路は、各画素ブロックの係数として水平ラインにおける各画素ブロック毎の平均値の平均値又は最大値に一致する係数を算出することを特徴とする請求項１記載の光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。
上記画素ブロックは、水平ライン方向に３個以上設定することを特徴とする請求項１又は２記載の光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。
被観察体を照明する照明光の供給ラインに配置され、この照明光の赤帯域の長波長側をカットする赤成分カットフィルタを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学的変倍機構を備えた電子内視鏡装置。