JP4285641B2

JP4285641B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4285641B2
Application number: JP2003282793A
Authority: JP
Inventors: 和男袴田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2009-06-24
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Description

本発明は、光電子増倍部を有する固体撮像手段を用いた撮像装置およびこの撮像装置を用いた画像撮像装置に関するものである。

従来より、光学像を電気信号に変換するＣＣＤ等の固体撮像素子を用いて、観察部の光学像を撮像する撮像装置が知られている。また、近年、特許文献１に記載されたような増倍率制御信号に基づいた増倍率で、撮像された信号電荷を増倍する電荷増倍型の固体撮像素子が開発され、この固体撮像素子を搭載することにより、撮像装置の撮像感度の向上および撮像感度の制御が可能となっている。すなわち、光学像の光量が、従来の撮像素子を用いて撮像するには不十分な場合であっても、この固体撮像素子を用いて撮像を行えば、視認可能な画像として表示することができ、また適宜撮像感度を撮像条件に合わせて制御することも可能である。このような電荷増倍手段を備えた電荷増倍型の固体撮像素子は、ＣＭＤ（Charge Multiplying Detector）−ＣＣＤと呼ばれ、強度の電界領域中で電導電子と原子を衝突させ、このイオン化によって生じる電荷増倍効果により信号電荷を増倍し、撮像素子の撮像感度を向上させるものである。

電荷増倍型の固体撮像素子においては、電荷増倍手段は、信号電荷を順次信号電圧に変換して出力信号として取り出す電荷検出回路より前段において信号電荷を増倍するため、電荷検出回路において生じる読出ノイズを増倍することがなく、出力信号のＳ／Ｎを向上させることができる。したがって、電荷増倍型の固体撮像素子を用いることにより、光学像の光量が不十分な環境下での撮像を行うことがある撮像装置において、出力信号のＳ／Ｎの向上が可能となる。

また、従来より固体撮像素子を搭載した内視鏡装置が広く用いられている。これらの内視鏡装置は、固体撮像素子により撮像した画像をモニタ等に表示することにより複数の人間が同時に観察することができる利点を有し、また、撮像した画像を表示する前に種々の画像処理を施すことにより、画像を強調してモニタ上に表示することもでき、医療の発展に大きく貢献している。

一方、近年では、内視鏡の細径化が進み、従来の消化器系に限らず、気管支や耳鼻咽喉、関節等へも適用されている。しかしながら、内視鏡の細径化にともない、照明光を伝送するライトガイドの本数も制限されるため、十分な照明光を照射することがきない場合が生じ、所望の撮像感度で撮像可能な装置の開発が望まれていた。また、上述した励起光を照射して生体組織が発する蛍光を観察する蛍光観察等も行われている。生体組織が発する蛍光は微弱であり、撮像不可能な場合も生じるため、所望の撮像感度で撮像可能な装置の開発が待たれていた。これらの問題を解決するために、上記の電荷増倍型の固体撮像素子を、内視鏡装置へ搭載した装置が、特許文献２に開示されている。
特開平７−１７６７２１号公報特開２００１−２９３１３号公報

ところで、電荷増倍型の固体撮像素子を用いることにより、読出ノイズが少なくなるため、Ｓ／Ｎを向上させた出力信号を得ることができる。またその一方で、電荷増倍型の固体撮像手段においては、得られる出力データのノイズは、ダークノイズが支配的となる。さらに、高温下で撮影を行ったり、フルウェルサイズの大きい固体撮像素子を用いた場合、さらには信号電荷の読出時間が長い状況下においては、信号電荷に含まれるダークノイズが増倍される。このため、電荷増倍型の固体撮像素子においては、信号電荷が増倍されることによりダークノイズも増倍されてしまい、その結果、電荷増倍型の固体撮像素子を用いることにより読出ノイズが少なくなっても、出力信号のＳ／Ｎを向上させることができなくなってしまうという問題がある。

このため、固体撮像素子を冷却してダークノイズを低減することが考えられるが、内視鏡のように生体内部に挿入される部分に固体撮像素子を設けた場合、冷却装置の搭載は困難である。さらには、内視鏡は撮影時に被写体に照明光が照射されるため、照明光による温度の上昇に起因するダークノイズの増大を避けることができないという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、電荷増倍型の固体撮像素子を用いた撮像装置において、ノイズを低減してＳ／Ｎの良好な出力信号を得ることを目的とする。

本発明による撮像装置は、撮像により各画素において取得される信号電荷を増倍する電荷増倍部を有し、前記各画素のフルウェルサイズが装置仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量の１／Ｍである固体撮像手段と、
前記固体撮像手段から前記信号電荷の読み出しを所定時間当たりにＮ回行う読出手段とを備え、
各画素のフルウェルサイズが前記電子量と等しい準固体撮像手段から前記所定時間当たりに１回前記信号電荷の読み出しを行った場合におけるダークノイズをｎｄ、読出ノイズをｎｒとした場合、前記Ｍ、前記Ｎ、前記ダークノイズｎｄおよび前記読出ノイズｎｒが、
ｎｄ（１−１／Ｍ）＞ｎｒ²（Ｎ²−１）
の関係を満たすことを特徴とするものである。

「フルウェルサイズ」とは、１画素に蓄積可能な最大の電子量のことをいう。

「装置仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量」とは、本発明による撮像装置を適用した内視鏡装置等の装置において、装置の仕様に依存する撮像面の照度およびフレームレート等に基づいて、あるいは装置仕様から要求される固体撮像手段のサイズ、画素数およびフレームレート等に基づいて決定される、固体撮像手段の１画素において受光しうる最大光量に相当する電子量を意味する。

「所定時間」とは、一般的なテレビレートにおける１フレームの読出時間をいう。具体的には、ＮＴＳＣ方式のテレビレートは３０フレーム／ｓｅｃ、ＰＡＬ方式のテレビレートは２５フレーム／ｓｅｃ、ハイビジョン方式は６０フレーム／ｓｅｃであるため、所定時間を１／３０秒、１／２５秒あるいは１／６０秒とすればよい。

なお、本発明による撮像装置においては、さらに、
ｎｒ²／ｎｄ＝１／（２ＮＭ²）
の関係を満たすようにしてもよい。

本発明による画像撮像装置は、照明光を被測定部まで導光して照射する照射手段と、該照射手段による前記照明光の照射により前記被測定部から発生する光学像を撮像する本発明による撮像装置とを備えたことを特徴とするものである。

なお、本発明による画像撮像装置においては、前記照射手段および前記撮像装置の一部または全部を、生体内部に挿入される挿入部を有する内視鏡の形態としてもよい。これにより、本発明による画像撮像装置を、内視鏡装置として有効に利用することができる。

以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態による撮像装置を用いた内視鏡装置の構成を示す概略構成図である。図１に示すように、この内視鏡装置は生体観察部９に、照明光であるＲ光（赤色光）Ｌｒ、Ｇ光（緑色光）Ｌｇ、Ｂ光（青色光）Ｌｂ、参照光（近赤外光）Ｌｓおよび励起光Ｌｅを順次照射して、生体観察部９において反射された反射像および生体観察部９において発生した蛍光像を電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子により撮像し、観察部の画像をカラー画像としてモニタに表示する面順次方式の内視鏡装置であり、先端に電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子を備え、患者の病巣と疑われる部位に挿入される内視鏡挿入部１００、生体観察部９において得られた情報を表す画像データを処理する画像データ処理部１、および画像データ処理部１において処理された画像データを可視画像として表示するモニタ２００から構成される。

内視鏡挿入部１００は、内部に先端まで延びるライトガイド１０１およびＣＣＤケーブル１０２を備えている。ライトガイド１０１およびＣＣＤケーブル１０２の先端部、すなわち内視鏡挿入部１００の先端部には、照明光学系１０３、励起光カットフィルタ１０４および集光レンズ１０５を備えている。

ＣＣＤケーブル１０２の先端部には、微少な帯域フィルタ要素がモザイク状に組み合わされたモザイクフィルタ１０８がオンチップされた電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子１０６が接続され、ＣＣＤ撮像素子１０６にはプリズム１０７が取り付けられている。励起光カットフィルタ１０４は、波長４２０ｎｍ以上の全蛍光を透過するロングパスフィルタである。ライトガイド１０１の先端部と反対側の端部は後述する照明ユニット１１０へ接続されている。なお、ＣＣＤ撮像素子１０６は、Ｒ光Ｌｒ、Ｇ光ＬｇおよびＢ光Ｌｂの照射により生体観察部９において得られた反射像Ｚｒ，Ｚｇ，Ｚｂと、励起光Ｌｅの照射により生体観察部９から発生した蛍光像Ｚｅと、参照光Ｌｓの照射により生体観察部９において得られた反射像Ｚｓ（以下これらを光学像と称する）とを撮像し、デジタル値に変換して画像データとして出力するものである。

図２はＣＣＤ撮像素子１０６の構成を示す図である。図２に示すように、ＣＣＤ撮像素子１０６はフレームトランスファー型のＣＭＤ−ＣＣＤ撮像素子であり、撮像した光学像を信号電荷へ変換する受光部２１、信号電荷の一時的蓄積および転送を行う蓄積部２２、信号電荷の水平転送を行う水平転送部２３、入力された増倍率制御信号に基づいて信号電荷を増倍する電荷増倍部２４、および信号電荷を信号電圧へ変更し、増幅して出力端子２７から後述する画像処理ユニット１３０へ出力する出力部２５を備えている。

受光部２１は、光電変換および信号電荷の垂直転送を行う垂直転送ＣＣＤ３１が縦ｎ個、横ｎ’個並んで構成されている。説明を簡単にするために、図２においては縦３つ横４つの垂直転送ＣＣＤ３１から構成された受光部２１を記載しているが、実際のＣＣＤ撮像素子１０６は、縦横ともに、数百個の垂直転送ＣＣＤ３１が設けられている。

蓄積部２２は、薄い金属膜等により光遮蔽され、信号電荷の一時的蓄積および垂直転送を行う垂直転送ＣＣＤ３３から構成されている。水平転送部２３は、水平転送ＣＣＤ３５から構成されている。

電荷増倍部２４は、ｍ個の電荷増倍セル３６から構成されている。電荷増倍部２４に入力された信号電荷は、連続したパルス信号である増倍率制御信号に基づいて、増倍されながら順次転送される。この電荷増倍セル３６は、強度の電荷領域中で伝電子と原子を衝突させ、イオン化によって生じる電荷増倍効果を用いて、入力された電荷を増倍して出力するものであり、その増倍率は、上記増倍率制御信号の信号特性により変化する。なお、図２においては、蓄積部２２、水平転送部２３および電荷増倍部２４も、受光部２１と同様に簡略化されて記載されている。

出力部２５は、信号電荷を信号電圧（出力信号）へ変換する電荷検出部３７および出力信号を増幅する出力アンプ３８を備えている。

ここで、本実施形態においては、ＣＣＤ撮像素子１０６の各画素のフルウェルサイズを、装置仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量、すなわち内視鏡装置の仕様に依存する撮像面の照度およびフレームレート等に基づいて、あるいは内視鏡装置の仕様から要求されるＣＣＤ撮像素子１０６のサイズ、画素数およびフレームレート等に基づいて決定される、１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量（以下、装置が要求する電子量とする）の１／Ｍとし、所定時間当たりにＮ回の信号電荷の読み出しを行うものとする。具体的には、ＣＣＤ撮像装置１０６の垂直転送ＣＣＤ３３が蓄積可能な最大の電子量を、上記装置が要求する電子量の１／Ｍとしている。なお、画素サイズ、電荷転送路の大きさ等の寸法に応じて、垂直転送ＣＣＤ３３以外の他のＣＣＤが蓄積可能な最大の電子量を、装置が要求する電子量の１／Ｍとしてもよい。以下、ＭおよびＮの決定方法について説明する。

装置が要求する電子量と等しいフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子において、所定時間当たりに１回の読み出しを行うことにより得られる信号電荷の強度（以下単に出力信号とする）をＳ、ダークノイズをｎｄ、読出ノイズをｎｒとすると、出力信号Ｓに含まれるノイズｎ０は、下記の式（１）により表される。

ここで、所定時間とは、後述する回転フィルタ１１４を透過する各色または波長域の光のそれぞれが、回転フィルタ１１４が１回転する間に生体観察部９に照射される時間を言う。以下この所定時間を規定読出時間と称する。本実施形態においては、規定読出時間当たりに蓄積部２２からＮ回の信号電荷の読み出しを行うものであり、Ｎ回読み出しを行う際に１回当たりの読み出しにより得られる出力信号に含まれるノイズをｎ１とすると、ノイズｎ１は下記の式（２）により表される。

したがって、Ｎ回読み出された出力信号を積算して得られた積算信号に含まれるノイズｎ１′は、下記の式（３）により表される。

また、本実施形態においては、ＣＣＤ撮像素子１０６の各画素のフルウェルサイズを、装置が要求する電子量の１／Ｍとしている。ここで、フルウェルサイズを装置が要求する電子量の１／Ｍとし、規定読出時間当たりにＮ回読み出した場合の１回の読み出し当たりに得られる出力信号に含まれるノイズｎ２は下記の式（４）により表される。

したがって、１回の読み出し毎に得られるＮ個の出力信号を積算して得た積算信号に含まれるノイズｎｉは、下記の式（５）により表される。

ここで、本実施形態においては、各画素のフルウェルサイズを装置が要求する電子量の１／Ｍとするとともに、規定読出時間当たりにＮ回の読み出しを行った場合において得られる積算信号に含まれるノイズが、装置が要求する電子量と等しいフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子を用いて、規定読出時間当たりに１回の読み出しを行った場合において得られる出力信号に含まれるノイズよりも小さいこと、すなわち、ｎ０＞ｎｉとなることが必要である。したがって、

であり、式（６）を変形すると、

となる。よって、式（７）の関係を満たすように、ＭおよびＮを設定することにより、本実施形態において得られる積算信号のＳ／Ｎを向上することができる。

さらに、ノイズが最小となるＭおよびＮの条件を考える。式（５）をＭ，Ｎについてそれぞれ微分すると、

となる。

となり、これを変形すると、

となる。

ここで、分母は常に０よりも大きいため、分子＝０すなわち、

であることが必要である。したがって、

の時にノイズが最小となる。

なお、ＭおよびＮの値を種々変更した場合のノイズ特性を図３〜図６に示す。なお、図３〜図６において、縦軸は１画素当たりのノイズ（単位ｅ^-、参照符号ｎ４ｉとする）であり、数値は、（信号量ｅ^-，読出ノイズｅ^-，素子温度℃，露光時間ｓｅｃ，規定読出時間ｓｅｃ，Ｎ，Ｍ）を表す。なお、図３〜図６において縦軸の値１０は、装置が要求する電子量と等しいフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子を使用して図中に示した規定読出時間当たりに１回の読み出しを行った場合の１画素当たりのノイズを表す。

図３は読出ノイズを０．７ｅ^-、素子温度を６０℃、露光時間を１／６０ｓｅｃ、規定読出時間を１／６０ｓｅｃとし、規定読出時間１／６０秒当たりにＮ＝１，２，４，８回の読み出しを行う場合においてＭを種々変更した際のノイズ特性を示す。Ｎ＝２，４，８の場合において、装置が要求する電子量に相当するフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子を使用して規定読出時間１／６０秒当たりに１回の読み出しを行った場合、すなわちＮ＝１，Ｍ＝１の場合と同様の信号を得るためには、Ｎ＝２の場合はＭ＝２、Ｎ＝４の場合はＭ＝４、Ｎ＝８の場合はＭ＝８とする必要がある。Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合のノイズを点Ａに、Ｎ＝２，Ｍ＝２の場合のノイズを点Ｂに、Ｎ＝４，Ｍ＝４の場合のノイズを点Ｃに、Ｎ＝８，Ｍ＝８の場合のノイズを点Ｄに示す。図３に示す場合においては、Ｎ＝４，Ｍ＝４の場合が最もノイズが少ないものとなる。

図４は読出ノイズを２ｅ^-、素子温度を６０℃、露光時間を１／６０ｓｅｃ、規定読出時間を１／６０ｓｅｃとし、規定読出時間１／６０秒当たりにＮ＝１，２，４，８回の読み出しを行う場合においてＭを種々変更した際のノイズ特性を示す。Ｎ＝２，４，８の場合において、Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合と同様の信号を得るためには、Ｎ＝２の場合はＭ＝２、Ｎ＝４の場合はＭ＝４、Ｎ＝８の場合はＭ＝８とする必要がある。Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合のノイズを点Ａに、Ｎ＝２，Ｍ＝２の場合のノイズを点Ｂに、Ｎ＝４，Ｍ＝４の場合のノイズを点Ｃに、Ｎ＝８，Ｍ＝８の場合のノイズを点Ｄに示す。図４に示す場合においては、Ｎ＝２，Ｍ＝２の場合が最もノイズが少ないものとなる。

図５は読出ノイズを０．７ｅ^-、素子温度を６０℃、露光時間を１／６０ｓｅｃ、規定読出時間を１／６０ｓｅｃとし、Ｍ＝１，４，８，１２の場合において規定読出時間１／６０秒当たりの読出回数Ｎを種々変更して得られるノイズ特性を示す。Ｍ＝４，８，１２の場合において、Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合と同様の信号を得るためには、Ｍ＝４の場合はＮ＝４、Ｍ＝８の場合はＮ＝８、Ｍ＝１２の場合はＮ＝１２とする必要がある。Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合のノイズを点Ａに、Ｎ＝４，Ｍ＝４の場合のノイズを点Ｂに、Ｎ＝８，Ｍ＝８の場合のノイズを点Ｃに、Ｎ＝１２，Ｍ＝１２の場合のノイズを点Ｄに示す。図５に示す場合においては、Ｎ＝４，Ｍ＝４の場合が最もノイズが少ないものとなる。

図６は読出ノイズを２ｅ^-、素子温度を６０℃、露光時間を１／６０ｓｅｃ、規定読出時間を１／６０ｓｅｃとし、Ｍ＝１，４，８，１２の場合において規定読出時間１／６０秒当たりの読出回数Ｎを種々変更して得られるノイズ特性を示す。Ｍ＝４，８，１２の場合において、Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合と同様の信号を得るためには、Ｍ＝４の場合はＮ＝４、Ｍ＝８の場合はＮ＝８、Ｍ＝１２の場合はＮ＝１２とする必要がある。Ｎ＝１，Ｍ＝１の場合のノイズを点Ａに、Ｎ＝４，Ｍ＝４の場合のノイズを点Ｂに、Ｎ＝８，Ｍ＝８の場合のノイズを点Ｃに、Ｎ＝１２，Ｍ＝１２の場合のノイズを点Ｄに示す。図６に示す場合においては、Ｎ＝１，Ｍ＝１またはＮ＝４，Ｍ＝４の場合が最もノイズが少ないものとなる。

図３および図４の比較、並びに図５および図６の比較から、同一温度、同一露光時間、同一規定読出時間にて、装置が要求する電子量に相当するフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子を使用して１回の読み出しを行った場合、すなわちＮ＝１，Ｍ＝１の場合と同様の信号を得るようにＭ，Ｎを設定した場合において、読出ノイズが小さいほど、ノイズを低減できることが分かる。

次いで、本実施形態の読出ノイズおよび温度を考慮したノイズ特性について検討する。本実施形態に用いたＣＣＤ撮像素子１０６は、温度２１℃における１画素１秒当たりのダークノイズをｎｄ21とすると、任意の温度Ｔにおける１画素１秒当たりのダークノイズｎｄ（Ｔ）が、

となっている。なお、本実施形態に用いたＣＣＤ撮像素子１０６の温度とダークノイズｎｄ（Ｔ）との関係を図７に示す。

一方、露光時間をｔｅｘｐ、規定読出時間をｔｒｅａｄとすると、温度Ｔでのダークノイズｎｄ（Ｔ，ｔｅｘｐ，ｔｒｅａｄ）は、

となる。式（１５）を上記式（４）に代入すると、

となる。

式（１６）により読出ノイズおよび温度を考慮した場合のノイズ特性を図８および図９に示す。なお、図８および図９においては、Ｍ＝Ｎとし、縦軸は１画素当たりのノイズ（単位ｅ^-、参照符号ｎ５ｉとする）であり、数値は、（信号量ｅ^-，読出ノイズｅ^-，素子温度℃，露光時間ｓｅｃ，規定読出時間ｓｅｃ，Ｍ（＝Ｎ））を表す。なお、図８および図９において縦軸の値１０は、装置が要求する電子量と等しいフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子を使用して１回の読み出しを行った場合の１画素当たりのノイズを表す。

図８は素子温度を６０℃、露光時間を１／６０ｓｅｃ、規定読出時間を１／６０ｓｅｃとし、読出ノイズｎｒ＝０．７，２，４，８，１２の場合においてＭ＝Ｎを種々変更した場合のノイズ特性を示す。図９は素子温度を３０℃、露光時間を１／６０ｓｅｃ、規定読出時間を１／６０ｓｅｃとし、読出ノイズｎｒ＝０．７，２，４，８，１２の場合においてＭ＝Ｎを種々変更した場合のノイズ特性を示す。

図８および図９の比較から、０．７ｅ^-のように読出ノイズが小さい場合には、素子温度が高く（６０℃）したがってダークノイズｎｄが大きい状況にあるほど、本実施形態によるノイズを低減する効果が大きいことが分かる。

図１０はモザイクフィルタ１０８の構成を示す図である。図１０に示すように、モザイクフィルタ１０８は、４００ｎｍ〜９００ｎｍの波長域の光を透過させる広帯域フィルタ要素１０８ａおよび４３０ｎｍ〜５３０ｎｍの波長域の光を透過させる狭帯域フィルタ要素１０８ｂが交互に組み合わされ、各帯域フィルタ要素１０８ａ，１０８ｂはＣＣＤ撮像素子１０６の画素に一対一で対応している。

画像データ処理部１は、照明光を射出する照明ユニット１１０、画像データを表示するための画像処理を行う画像処理ユニット１３０、ＣＣＤ撮像素子１０６の動作を制御するＣＣＤコントローラ１４０、および各ユニットとＣＣＤコントローラ１４０との制御を行うコントローラ１５０から構成されている。

照明ユニット１１０は、白色光を射出するキセノンランプからなる白色光源１１１、白色光源１１１に電気的に接続されている光源用電源１１２、および白色光源１１１から射出される白色光を集光する集光レンズ１１３、白色光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光、参照光および励起光に順次色分解するための回転フィルタ１１４、および回転フィルタ１１４を回転させるモータ１１５を備えている。

図１１は回転フィルタの構成を示す図である。図１１に示すように、回転フィルタ１１４は、Ｒ，Ｇ，Ｂ、７５０ｎｍ〜９００ｎｍの近赤外域（ＩＲ）および４１０ｎｍの励起光の波長域の光を透過するフィルタ要素１１４ａ〜１１４ｅ並びに光を遮光する遮光要素１１４ｆからなる。

なお、回転フィルタ１１４が回転することにより、Ｒ，Ｇ，Ｂ、近赤外光および励起光の生体観察部９への照射並びに遮光のサイクルが繰り返される。ここで、生体観察部９にＲ光Ｌｒ、Ｇ光Ｌｇ、Ｂ光Ｌｂおよび参照光Ｌｓが照射されている間は、モザイクフィルタ１０８の広帯域フィルタ要素１０８ａを透過した光学像のみをＣＣＤ撮像素子１０６において検出し、励起光Ｌｅが照射されている間は広帯域フィルタ要素１０８ａおよび狭帯域フィルタ要素１０８ｂをそれぞれ透過した蛍光像をＣＣＤ撮像素子１０６において検出する。

ここで、各光の生体観察部９への照射時間が、テレビレートの１フレームに相当する時間（例えば１／６０秒、１／３０秒、１／２５秒）となるように、回転フィルタ１１４がモータ１１５により回転される。

ＣＣＤコントローラ１４０は、ＣＣＤ撮像素子１０６の動作タイミングを制御する動作制御信号および電荷増倍部２４における増倍率を制御する増倍率制御信号を出力するものである。使用者により設定された所望のピーク値を有する増倍率制御信号を出力することにより、電荷増倍部２４での電荷増倍率を制御することができる。ここで、ＣＣＤコントローラ１４０は、ＣＣＤ撮像素子１０６から１回の露光当たりにＮ回の信号電荷の読み出しを行うよう動作制御信号を出力する。

画像処理ユニット１３０は、ＣＣＤ撮像素子１０６において得られた信号のプロセス処理を行う信号処理回路１３１、信号処理回路１３１において得られた画像データをデジタル化するＡ／Ｄ変換回路１３２、反射像Ｚｒ，Ｚｇ，Ｚｂから得られた画像データを各色毎に保存する画像メモリ１３３、後述するように蛍光像Ｚｅから得られた広帯域蛍光画像を表す広帯域蛍光画像データと狭帯域蛍光画像を表す狭帯域蛍光画像データとをそれぞれ保存する蛍光画像メモリ１３５、反射像Ｚｓから得られた参照画像データを保存する画像メモリ１３６、広帯域蛍光画像データにより表される広帯域蛍光画像および狭帯域蛍光画像データにより表される狭帯域蛍光画像の対応する各画素値の比率を算出して演算値を得、この演算値にその値の大きさに応じた色情報を割り当てて色画像を表す色画像データを生成するとともに、参照画像データにより表される参照画像の各画素値にその値の大きさに応じた輝度情報を割り当てて輝度画像を表す輝度画像データを生成し、色画像データおよび輝度画像データを合成して蛍光診断画像を表す合成画像データを生成して出力する画像生成回路１３７、および画像メモリ１３３から同時化されて出力された３色の画像データ、および画像生成回路１３７において生成された合成画像データをビデオ信号に変換して出力するビデオ信号処理回路１３４を備えている。

なお、画像生成回路１３７は、画像メモリ１３６に記憶された参照画像データにより表される参照画像と、蛍光画像メモリ１３５の広帯域蛍光画像データにより表される広帯域蛍光画像または狭帯域蛍光画像データにより表される狭帯域蛍光画像との対応する各画素値の比率を算出して演算値を得、この演算値にその値の大きさに応じた色情報を割り当てて色画像を表す色画像データを生成するものであってもよい。

以下、本実施形態による内視鏡装置の作用について説明する。本実施形態による内視鏡装置においては、反射像Ｚｒ，Ｚｇ，Ｚｂの撮像、反射像Ｚｓの撮像、および蛍光像Ｚｅの撮像が時分割で行われ、反射像Ｚｒ，Ｚｇ，Ｚｂに基づいた通常画像１１および反射像Ｚｓおよび蛍光像Ｚｅに基づいた蛍光診断画像１３がモニタ２００に表示される。各光学像を時分割で撮像するために、照明ユニット１１０における回転フィルタ１１４を回転させ、白色光源１１１から射出される白色光を、回転フィルタ１１４を透過させることにより、Ｒ光Ｌｒ、Ｇ光Ｌｇ、Ｂ光Ｌｂ、参照光Ｌｓおよび励起光Ｌｅが順次生体観察部９に照射される。

まず、通常画像１１を表示する際の動作を説明する。白色光源１１１から射出された白色光が回転フィルタ１１４におけるフィルタ要素１１４ａを透過してＲ光Ｌｒとなり、このＲ光Ｌｒがライトガイド１０１により導光され、さらに照明光学系１０３を透過して生体観察部９に照射される。

生体観察部９において反射されたＲ光Ｌｒによる反射像Ｚｒは集光レンズ１０５により集光され、励起光カットフィルタ１０４を透過してプリズム１０７により反射され、モザイクフィルタ１０８の広帯域フィルタ要素１０８ａを透過してＣＣＤ撮像素子１０６上に結像される。

ＣＣＤ撮像素子１０６においては、受光部１０の垂直転送ＣＣＤ３１により反射像Ｚｒが受光され、光電変換されて光の強弱に応じた電気信号に変換される。

テレビレートの１フレームに相当する所定時間が経過すると、回転フィルタ１１４が回転して白色光源１１１から射出される白色光の光路上にあるフィルタ要素がＲ光用のフィルタ要素１１４ａからＧ光用のフィルタ要素１１４ｂに切り替わる。この所定時間が経過する間、蓄積部２２からＮ回の信号電荷の読み出しが行われる。以下、１回の読み出し動作について説明する。まず、垂直転送ＣＣＤ３１に蓄積された信号電荷は、蓄積部２２の垂直転送ＣＣＤ３３へ転送される。

蓄積部２２の垂直転送ＣＣＤ３３に転送された信号電荷は、並列に垂直転送され、水平転送部２３の水平転送ＣＣＤ３５に順次送り込まれる。

水平転送部２３では、横１ラインの画素の信号電荷が入ると、信号電荷は水平方向に転送され、順次電荷増倍部２４の電荷増倍セル３６へ転送される。電荷増倍セル３６において、信号電荷は増倍率制御信号に基づいて増倍されながら順次転送される。最後の電荷増倍セル３６から右端に設けられた出力部２５へ出力された信号電荷は、電荷検出部３７において信号電圧へ変換され、出力アンプ３８で増幅されて、出力端子２７から出力信号として出力される。

その後、次の横１ラインの信号電荷が、蓄積部２２から水平転送部２３へ転送される。このような動作を繰り返すことにより、受光部１０の左下の画素から右方向へ順次信号電荷が読み出され、横１ラインの信号電荷が読み出されると、次にその上の横１ラインの信号電荷が読み出され、順番に移動して、１回の読み出し動作においてＲ画像を形成する信号電荷が出力信号として読み出される。なお、ＣＣＤ撮像素子１０６における撮像動作は、ＣＣＤコントローラ１４０から入力された動作制御信号に基づいて実行されている。

ＣＣＤ撮像素子１０６より出力された１回分の出力信号は、画像処理ユニット１３０の信号処理回路１３１においてプロセス処理が施されてＡ／Ｄ変換回路１３２においてデジタル信号に変換され、画像メモリ１３３のＲ画像データの記憶領域へ記憶される。そして、画像メモリ１３３においてＮ回分の出力信号が積算されて、積算された出力信号からなるＲ画像データが画像メモリ１３３の記憶領域に記憶される。

以後、同様の動作によりＧ画像データおよびＢ画像データが取得され、画像メモリ１３３のＧ画像データの記憶領域およびＢ画像データの記憶領域にそれぞれ記憶される。

３色の画像データが画像メモリ１３３に記憶されると、表示タイミングに合わせて同時化されて出力され、ビデオ信号処理回路１３４においてビデオ信号に変換されてモニタ２００に出力され、カラー画像である通常画像１１として表示される。

次に蛍光診断画像１３を表示する際の動作を説明する。回転フィルタ１１４はコントローラ１５０からの信号に基づいて引き続き回転されており、フィルタ要素１１４ｃに続いてフィルタ要素１１４ｄが白色光源１１１から射出される白色光の光路上に位置する。これにより、生体観察部９には近赤外光である参照光Ｌｓが照射される。

生体観察部９において反射された参照光Ｌｓの反射像Ｚｓは、集光レンズ１０５により集光され、励起光カットフィルタ１０４を透過してプリズム１０７により反射され、モザイクフィルタ１０８の広帯域フィルタ要素１０８ａを透過してＣＣＤ撮像素子１０６上に結像される。

ＣＣＤ撮像素子１０６においては反射像Ｚｓが受光され、光電変換されて電気信号に変換され、上記と同様にして画像処理ユニット１３０に入力される。画像処理ユニット１３０に入力された電気信号は、信号処理回路１３１においてプロセス処理が施されてＡ／Ｄ変換回路１３２においてデジタル信号に変換され、画像メモリ１３６へ参照画像データとして記憶される。

次に励起光Ｌｅによる蛍光像Ｚｅを撮像する際の動作を説明する。回転フィルタ１１４はコントローラ１５０からの信号に基づいて引き続き回転されており、フィルタ要素１１４ｄに続いてフィルタ要素１１４ｅが白色光源１１１から射出される白色光の光路上に位置する。これにより、生体観察部９には励起光Ｌｅが照射される。

励起光Ｌｅが照射されることにより生じる生体観察部９からの蛍光像Ｚｅは、集光レンズ１０５により集光され、励起光カットフィルタ１０４を透過してプリズム１０７により反射され、モザイクフィルタ１０８の広帯域フィルタ要素１０８ａおよび狭帯域フィルタ要素１０８ｂをそれぞれ透過してＣＣＤ撮像素子１０６上に結像される。

ＣＣＤ撮像素子１０６においては蛍光像Ｚｅが受光され、広帯域フィルタ要素１０８ａおよび狭帯域フィルタ要素１０８ｂにそれぞれ対応する画素毎に光電変換されて電気信号に変換され、上記と同様にして画像処理ユニット１３０に入力される。画像処理ユニット１３０に入力された電気信号は、信号処理回路１３１においてプロセス処理が施されてＡ／Ｄ変換回路１３２においてデジタル信号に変換され、蛍光画像メモリ１３５へ広帯域蛍光画像データおよび狭帯域蛍光画像データとして記憶される。

広帯域蛍光画像データおよび狭帯域蛍光画像データが得られると、画像生成回路１３７では、相対応する画素において広帯域蛍光画像データおよび狭帯域蛍光画像データの信号強度の比率を算出し、その比率に対して色情報を割り当てて色画像データを得、さらに参照画像データの信号強度に輝度情報を割り当てて輝度画像データを得、これらを合成して合成画像データを生成し、ビデオ信号処理回路１３４へ出力する。ビデオ信号処理回路１３４では、合成画像データをビデオ信号に変換しモニタ２００に出力する。モニタ２００には、疑似カラー画像である蛍光診断画像１３が表示される。

なお、蛍光診断画像１３は、広帯域蛍光画像データの信号強度と狭帯域蛍光画像データの信号強度の相対的比率の変化に応じて表示色が変化し、参照画像データの信号強度に応じて輝度が変化する疑似カラーで表示されている。正常組織から発せられた蛍光と、病変組織から発せられた蛍光の表示色の差異が明らかになるような疑似カラーを設定することにより、例えば正常組織から発せられた蛍光を白色に表示し、病変組織から発せられた蛍光はピンクあるいは他の色として表示できる。このため、観察者は病変組織を容易に認識することができる。また、参照画像データの信号強度に応じて輝度が異なるため、生体観察部９の凹凸や、距離感を備えた蛍光診断画像を表示することができる。

このように、本実施形態においては、ＣＣＤ撮像素子１０６のフルウェルサイズを、装置が要求する電子量、すなわち装置仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量の１／Ｍとし、規定読出時間当たりにＮ回の信号電荷の読み出しを行うとともに、ｎｄ（１−１／Ｍ）＞ｎｒ²（Ｎ²−１）の関係が成立するようにしたものである。ここで、フルウェルサイズを小さくすると、ダークノイズを小さくすることができるものの、照明光の光量が大きい場合に信号電荷が飽和してしまう。これに対して、本実施形態のように複数回の読み出しを行えば信号電荷の飽和を回避することができる。しかしながら、読出ノイズが大きい場合に複数回の読み出しを行うことにより得られた信号電荷を積算すると、ダークノイズが小さくても得られる出力信号に含まれるノイズが大きくなってしまう。

本実施形態においては、電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子１０６を使用しているため、読出ノイズを少なくすることができ、さらにｎｄ（１−１／Ｍ）＞ｎｒ²（Ｎ²−１）の関係が成立するようにしたため、装置が要求する電子量と等しいフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子において、１回の露光につき１回の読み出しを行うことにより得られる出力信号と比較して、ダークノイズを含めたノイズを低減できる。したがって、ＣＣＤ撮像素子１０６を冷却しなくてもノイズの少ない出力信号を得ることができ、その結果、高画質の通常画像１１および蛍光診断画像１３をモニタ２００に表示することができる。

ここで、装置仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量が６万電子である場合において、ＣＣＤ撮像素子１０６のフルウェルサイズを６万電子の１／５とし、読出回数を５回とすると、ｎｄ（１−１／Ｍ）＞ｎｒ²（Ｎ²−１）の関係から、１／３０ｎｄ＞ｎｒ²となる。

通常、フルウェルサイズが６万電子のＣＣＤ撮像素子のダークノイズは、素子温度５５度で２０００電子であるため、１／３０ｎｄ＞ｎｒ²の関係から読出ノイズが約８．２電子以下であれば出力信号に含まれるノイズを低減できる。ここで、電荷増倍型のＣＣＤ撮像素子のように読出ノイズが非常に小さい撮像素子においては、読出ノイズを１電子以下とすることが可能であり、そのように読出ノイズを小さくすることにより、出力信号に含まれるノイズを低減することができる。

また、通常、ＣＣＤ撮像素子はフルウェルサイズが数万電子であり、その画素サイズは数ミクロン角である。本実施形態のように、フルウェルサイズを１／Ｍとすると、装置が要求する電子量に相当するフルウェルサイズを各画素が有するＣＣＤ撮像素子と比較して、画素サイズを１／Ｍとすることができ、その結果、撮像素子のサイズを１／Ｍ²とすることができる。したがって、ＣＣＤ撮像素子のサイズを小さくすることができ、その結果、本発明による撮像素子を内視鏡装置に適用した場合に、内視鏡を細径化することができる。

また、ＣＣＤ撮像素子のサイズを小さくすることができるため、ＣＣＤ撮像素子を製造する際に、１枚のウェハーから得られるＣＣＤ撮像素子の数を大きくすることができ、これにより、ＣＣＤ撮像素子の生産効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、内視鏡装置に本発明を適用しているが、内視鏡装置以外の他の撮影装置にも本発明を適用することができる。

例えば、カメラ付きの携帯電話、カメラ付きのＰＤＡ等の携帯端末装置に搭載される撮像素子は、低温から高温に亘る非常に厳しい温度環境下において使用に耐えうることおよび携帯性の観点から小型軽量化が要求される。さらに撮像素子の高画素化および高感度化の要望もある。ここで、携帯端末装置の使用温度環境が３０℃である場合、撮像素子の温度は６０℃にもなるため、ダークノイズが大きくなり、得られる画像の粒状性が悪化してしまう。この場合、冷却ファンやペルチェ素子等の冷却機構により撮像素子を冷却することが考えられるが、冷却機構を設けると携帯端末装置が大型化するとともに、冷却機構がバッテリの電力を消費するため、携帯端末装置の動作時間が短くなってしまう。

したがって、本発明による撮像装置を携帯端末装置に適用することにより、冷却機構を設けなくてもノイズが少ない高画質の画像を得ることができる。例えば、撮像装置に用いられるＣＣＤ撮像素子のフルウェルサイズを、携帯端末装置の仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量の１／４とし、かつ１回の露光当たりの読出回数を４回とすることにより、フルウェルサイズが携帯端末装置の仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量と等しいＣＣＤ撮像素子を用いる場合と比較して、１画素当たりに得られる出力信号の大きさを変更することなくノイズが少ない高画質の画像を得ることができる。具体的には、図８に示すように素子温度が６０℃の場合、読出ノイズを０．７ｅ^-とすると、撮像素子において発生するノイズはＮ＝Ｍ＝４の場合は、Ｎ＝Ｍ＝１の場合と比較して約１／２に低減されるため、上記式（１４）より、温度換算で約８℃の冷却と同様のノイズ低減効果を得ることができる。

本発明の実施形態による撮像装置を用いた内視鏡装置の構成を示す概略構成図ＣＣＤ撮像素子の構成を示す図ＭおよびＮの値を種々変更した場合のノイズ特性を示す図（その１）ＭおよびＮの値を種々変更した場合のノイズ特性を示す図（その２）ＭおよびＮの値を種々変更した場合のノイズ特性を示す図（その３）ＭおよびＮの値を種々変更した場合のノイズ特性を示す図（その４）本実施形態に用いるＣＣＤ撮像素子の温度とダークノイズとの関係を示す図読出ノイズおよび温度を考慮した場合のノイズ特性を示す図（その１）読出ノイズおよび温度を考慮した場合のノイズ特性を示す図（その１）モザイクフィルタの構成を示す図回転フィルタの構成を示す図

符号の説明

１画像データ処理部
９生体観察部
１１通常画像
１３蛍光診断画像
１００内視鏡挿入部
１０６ＣＣＤ撮像素子
１０８モザイクフィルタ
１１０照明ユニット
１３０画像処理ユニット
１４０ＣＣＤコントローラ
１５０コントローラ
２００モニタ

Claims

撮像により各画素において取得される信号電荷を増倍する電荷増倍部を有し、前記各画素のフルウェルサイズが装置仕様により決定される１画素で受光しうる最大光量に相当する電子量の１／Ｍである固体撮像手段と、
前記固体撮像手段から前記信号電荷の読み出しを所定時間当たりにＮ回行う読出手段とを備え、
各画素のフルウェルサイズが前記電子量と等しい基準固体撮像手段から前記所定時間当たりに１回前記信号電荷の読み出しを行った場合におけるダークノイズをｎｄ、読出ノイズをｎｒとした場合、前記Ｍ、前記Ｎ、前記ダークノイズｎｄおよび前記読出ノイズｎｒが下記の関係を満たすことを特徴とする撮像装置。
ｎｄ（１−１／Ｍ）＞ｎｒ²（Ｎ²−１）
さらに下記の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
ｎｒ²／ｎｄ＝１／（２ＮＭ²）
照明光を被測定部まで導光して照射する照射手段と、該照射手段による前記照明光の照射により前記被測定部から発生する光学像を撮像する請求項１または２記載の撮像装置とを備えたことを特徴とする画像撮像装置。
前記照射手段および前記撮像装置の一部または全部が、生体内部に挿入される挿入部を有する内視鏡の形態であることを特徴とする請求項３記載の画像撮像装置。