JP4459549B2

JP4459549B2 - 固体撮像素子、電子内視鏡、及び電子内視鏡装置

Info

Publication number: JP4459549B2
Application number: JP2003138100A
Authority: JP
Inventors: 秀夫杉本; 貴之榎本
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP2004337379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単一の半導体基板上に複数の受光素子がマトリクス状に配置されている固体撮像素子と、この固体撮像素子を先端部に備えている電子内視鏡、さらにこの電子内視鏡を備えている電子内視鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内視鏡の挿入部を細径化することにより、体腔内、特に細い管状器官内に内視鏡を挿入する際の患者の苦痛を軽減している。近年はその挿入部先端部にＣＣＤなどの固体撮像素子を備えている電子内視鏡（電子スコープ）が広く普及しており、その挿入部内部に備えられている種々の部品を小型化することによって細径化を達成している。この内視鏡や電子内視鏡は細ければ細いほど、体腔内の至る所に挿入できるようになり、また、体腔内を自在に動かすことができるようになるため、さらなる細径化が要求されている。
【０００３】
電子内視鏡では上述した理由により小型化に適したモノクロのＣＣＤを搭載したものが多く見られる。しかしながら近年は生体組織の状態をより正確に観察するため、カラー画像を得るような装置が実用に供している。このカラー画像を得る装置は大きく分類すると２通りある。一つは、ＣＣＤ上にマトリクス状に配置されている複数の受光素子各々の前面にＲＧＢなどのカラーフィルタを備えたものによりカラー画像を得る、いわゆる同時方式を用いたものである。もう一つは、電子内視鏡に接続されている光源装置の回転カラーフィルタを介した各色の照明光で照明される生体組織をモノクロのＣＣＤで撮像することによりカラー画像を得る、いわゆる面順次方式を用いたものである。
【０００４】
しかしながら、近年電子内視鏡のさらなる細径化が要求されており、この先端部に備えられているＣＣＤなどをさらに小型化させる必要がある。ＣＣＤを小型化させるためには各受光素子のサイズを小さく形成する必要がある。ところが、この各受光素子のサイズを小さく形成するにしたがって、受光素子１つ当たりに蓄積できる電荷量が少なくなってしまう。従って、撮影可能な明るさのダイナミックレンジが小さくなってしまう。
【０００５】
電子内視鏡の観察対象となる体腔内の生体組織などは、暗部である体腔内を照明装置で照明されることにより観察されているため、その暗部と明部での輝度差がデジタルカメラやビデオなどの画像と比べて特に大きくなる傾向にある。従ってダイナミックレンジを低下させると、明部の輝度を適度に設定すると暗部の画像が黒く潰れてしまい、逆に暗部の輝度を適度に設定すると明部の画像が白くとぶという現象が頻発するようになってしまう。
【０００６】
そこで従来は、隣り合う感度の異なった受光素子を一対として、それぞれの受光素子に蓄積された電荷を転送し、上記一対の受光素子の電荷を加算することにより、ダイナミックレンジを向上させていた（例えば、特許文献１参照）。また、隣接する所定数の画素毎に同色のカラーフィルタを搭載して、設定されたモードに応じてそれら所定数の同色の画素により得られた電荷を加算してダイナミックレンジ及び感度を向上させていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２５２１０７号公報（第３〜５頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−２９８８００号公報（第３、４頁、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の特許文献１及び特許文献２に記載されている固体撮像素子では、複数の画素に蓄積された電荷を加算して１画素相当の信号を出力しているため、出力される画像の解像度は低下してしまう。すなわち、ダイナミックレンジや感度を向上させて画像の潰れや白とびなどを改善することはできるが、解像度の低下により出力される画像は不鮮明なものとなってしまう。従って、術者はモニタに表示されている生体組織などの画像からその生体組織の細部の状態を正確に把握し難くなってしまう。
【０００９】
また、解像度を維持しつつダイナミックレンジを向上させるために１画素当たりのサイズを大きくして蓄積できる電荷量を増加させた場合は、画像の鮮明さを低下させることなくダイナミックレンジの向上により滑らかな画像を得ることができる。しかしながら、画素数を維持しつつ１画素当たりの受光素子のサイズを大きくするため、固体撮像素子のサイズの小型化に限界があり、その結果、電子内視鏡の細径化が思うように図れず、患者への負担を軽減することができない。
【００１０】
そこで、本発明は上記の事情に鑑み、円筒状の装置に組み込まれてもその径を太くさせたりダイナミックレンジを低下させたりすることなく、高画質の観察画像を得ることができる固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を備えた電子内視鏡、さらにはこの電子内視鏡を備えた電子内視鏡装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明の一態様に係る固体撮像素子は、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に、被写体像を受光するための複数の受光素子を所定のピッチでマトリクス状に配置した第１、第２の受光素子群と、第１と第２の受光素子群に隣接すると共に所定方向に一列に整列した電荷結合素子とを有している。
【００１２】
また、第１、第２の受光素子群は、所定の光束分離手段を介して分離された各被写体像が結像する別個のイメージサークルに対応する位置であって、所定方向及びそれと直交する方向に相対的にピッチの半分相当ずれた被写体像が導かれる位置に配置されている。電荷結合素子は、第１の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、第２の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第２の転送部とを有している。
【００１３】
また、上記の課題を解決する本発明の一態様に係る電子内視鏡は、被写体像を結像させる対物光学系と、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に、共に所定のピッチで複数の受光素子がマトリクス状に配置されている第１の受光素子群と第２の受光素子群とを有した固体撮像素子と、第１の受光素子群及び第２の受光素子群において被写体像が結像するように、被写体像を、第１の受光素子群と第２の受光素子群とに向けて分離する光束分離手段とを先端部内に備えたものであって、光束分離手段は、第１の受光素子群と第２の受光素子群の各々に対して所定方向及び所定方向と直交する方向に相対的にピッチの半分相当ずれた被写体像を導く機能を有している。
【００１４】
また、上記の課題を解決する本発明の別の態様に係る電子内視鏡は、被写体像を結像させる対物光学系と、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に、共に所定のピッチで複数の受光素子がマトリクス状に配置されている第１の受光素子群と第２の受光素子群とを有した固体撮像素子と、第１の受光素子群及び第２の受光素子群において被写体像が結像するように、被写体像を、第１の受光素子群と第２の受光素子群とに向けて分離する光束分離手段とを先端部内に備えたものであって、第１の受光素子群と第２の受光素子群の各々が、所定方向及び所定方向と直交する方向に相対的にピッチの半分相当ずれた被写体像を受光するよう固体撮像素子を配置している。
【００１５】
また、上記電子内視鏡は、固体撮像素子を、半導体基板の長手方向と先端部の長手方向とが一致するように配置している。また、固体撮像素子が第１の受光素子群と第２の受光素子群に隣接して所定方向に一列に整列した電荷結合素子を更に有している。この電荷結合素子は、第１の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、第２の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第２の転送部とをさらに備えている。
【００１６】
また、上記の課題を解決する本発明の一態様に係る電子内視鏡装置は、上記の電子内視鏡と、第１の受光素子群に含まれている複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々の間に、第２の受光素子群に含まれている複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々が位置するように、第１の受光素子群と第２の受光素子群から得られた画像信号を合成する信号処理部を有したプロセッサとを備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の電子内視鏡１００を備えている電子内視鏡装置５００の構成を示したブロック図である。この電子内視鏡装置５００は、患者の体腔内の画像情報を出力する電子内視鏡（電子スコープ）１００と、電子内視鏡１００に出力された画像情報に所定の処理を施し映像信号に変換する画像処理装置に加えて観察像を得るための光束を電子内視鏡１００に供給する光源装置を備えたプロセッサ２００と、プロセッサ２００から出力された映像信号に基づいて患者の体腔内を表示するモニタ３００から構成されている。以下に、この図１を用いてこの電子内視鏡装置５００の構成と作用を説明する。
【００１８】
プロセッサ２００は、本実施形態での観察対象である生体組織４００を照明する照明光を射出する光源部（光源ランプ）２１０を備えている。本実施形態の電子内視鏡装置５００では電子内視鏡１００先端部の細径化を達成するために面順次方式の撮像システムを採用しているため、この光源部２１０が射出する照明光は白色光であり、また、その光路上にはＲＧＢ回転フィルタ２２０が配置されている。
【００１９】
このＲＧＢ回転フィルタ２２０は、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の三色のカラーフィルタ、及び遮光部を有している。これら三色のカラーフィルタは、各々対応した一色の光のみを透過するフィルタである。このＲＧＢ回転フィルタ２２０は、その回転方向に、順に、カラーフィルタ（Ｒ）、遮光部、カラーフィルタ（Ｇ）、遮光部、カラーフィルタ（Ｂ）、遮光部を有している。以下に、このＲＧＢ回転フィルタ２２０を用いた面順次方式によるカラー画像の生成のプロセスを説明する。
【００２０】
まず、タイミングジェネレータ２３０は、図示しないモータドライバに駆動信号を送信する。このモータドライバはこの受信した駆動信号に基づいてモータ２２２を駆動させる。このモータ２２２の回転軸はＲＧＢ回転フィルタ２２０を回転自在に支持しているため、モータ２２２の駆動に伴い、ＲＧＢ回転フィルタ２２０は回転する。ＲＧＢ回転フィルタ２２０が回転することにより光源部２１０から射出された照明光は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のフィルタを、それぞれの間に備えられた遮光部により間欠的に透過する。
【００２１】
プロセッサ２００はコネクタ２８０により電子内視鏡１００と接続されている。ＲＧＢ回転フィルタ２２０の各色のフィルタを透過した照明光の各々は、その光路上に配置されている集光レンズ２２４を介して電子内視鏡１００が備えるライトガイド１１０に入射する。そしてこの照明光は、ライトガイド１１０により電子内視鏡１００の先端部に導光される。このライトガイド１１０に導光された照明光は、電子内視鏡１００の先端部の前面に備えられた照明窓１２０を介して観察対象（撮像対象）である生体組織４００を照明する。
【００２２】
生体組織４００を照明した照明光はこの生体組織４００により反射し、観察光として対物光学系１３０に入射する。この対物光学系１３０を出射した観察光は、光路偏向部１４０により対物光学系１３０の光軸と直交する方向、言い換えると電子内視鏡１００の長手方向（挿入方向）と直交する方向に折り曲げられる。
【００２３】
本実施形態の電子内視鏡１００では、観察光を受光して光電変換を行い画像信号を生成する機能を有する固体撮像素子１５０は、電子内視鏡１００の長手方向に対しその受光面が平行となるよう配置されている。この固体撮像素子１５０は例えばＣＣＤである。
【００２４】
上述した光路偏向部１４０により折り曲げられた観察光は、この固体撮像素子１５０の受光面で結像して、この受光面が有しているマトリクス状に配置された複数の受光素子の各々に受光される。なお、生体組織４００は上述したようにＲＧＢ回転フィルタ２２０の各色のフィルタを順に透過した間欠的な照明光により照明されているため、固体撮像素子１５０の受光面は、各色の観察光を間欠的に順次受光する。
【００２５】
プロセッサ２００が備えているドライバ２４０は、タイミングジェネレータ２３０から送信されてくる駆動制御信号により固体撮像素子１５０を駆動している。さらに詳しく説明すると、このドライバ２４０はタイミングジェネレータ２３０から送信されてくる駆動制御信号に基づいて、固体撮像素子１５０がＲ光、Ｇ光、Ｂ光のいずれかの観察光を受光している期間はその観察光を各受光素子に蓄積するよう固体撮像素子１５０を駆動し、ＲＧＢ回転フィルタ２２０の遮光部により固体撮像素子１５０がいずれの観察光も受光しない期間は各受光素子に蓄積されている電荷を転送して画像信号として出力させるよう固体撮像素子１５０を駆動している。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態の電子内視鏡１００の先端部の内部構造を模式的に示した側断面図である。この図２では電子内視鏡１００の先端部の内部構造を図１より詳細に示したものである。以下に、この図２を用いて、この電子内視鏡１００の先端部の構成と作用をより詳細に説明する。
【００２７】
上述したように、対物光学系１３０を介して入射した生体組織４００の観察光は、光路偏向部１４０により電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向に折り曲げられる。この光路偏向部１４０は、第１のプリズム１４２と第２のプリズム１４４とを貼り合わせることにより形成されている。また、これらのプリズムは、電子内視鏡１００の長手方向に、対物光学系１３０側から第１のプリズム１４２、第２のプリズム１４４の順に並んで配置されている。
【００２８】
第１のプリズム１４２は、生体組織４００から得られた観察光の光路中に、光を分割する機能を有するビームスプリッタ１４２ａを有している。このビームスプリッタ１４２ａは、対物光学系１３０の光軸と一致する生体組織４００の観察光の光路に対して４５度傾いた状態で配置している。別の言い方をすると、このビームスプリッタ１４２ａは、電子内視鏡１００の長手方向に対して４５度傾いた状態で配置している。そのため、このビームスプリッタ１４２ａに入射した生体組織４００の観察光は、その一部が９０度折り曲げられて（反射されて）電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向、すなわち固体撮像素子１５０に向かって進行し、その一部が透過して第２のプリズム１４４内を電子内視鏡１００の長手方向に沿って進行していく。
【００２９】
第２のプリズム１４４は、ビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光の光路中に、光を全反射する機能を有する全反射ミラー１４４ａを有している。この全反射ミラー１４４ａは、対物光学系１３０の光軸と一致するビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光の光路に対して４５度傾いた状態で配置している。別の言い方をすると、この全反射ミラー１４４ａは、電子内視鏡１００の長手方向に対して４５度傾いた状態で配置している。従って、ビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光は、この全反射ミラー１４４ａにより９０度折り曲げられて、電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向、すなわち固体撮像素子１５０に向かって進行する。
【００３０】
図３は、本発明の実施形態の電子内視鏡１００の先端部内に備えられている固体撮像素子１５０の構成を模式的に示した上面図である。この固体撮像素子１５０は、半導体基板上に、複数の受光素子がマトリクス状に配置されている受光部１５２を備えたものである。以下に、この図３を用いて、この固体撮像素子１５０の構成と作用を説明する。なお、この固体撮像素子１５０の基台である半導体基板の受光部１５２を備えている面すなわち受光面は、図３に示す矢印Ｙ方向の辺が、矢印Ｙ方向に直交する矢印Ｘ方向の辺より長い長方形の形状を有している。
【００３１】
固体撮像素子１５０は、受光部１５２と、水平転送部１５４と、アンプ１５６とを備えている。上述したようにこの電子内視鏡装置５００は面順次方式によりカラー画像を生成しているため、この固体撮像素子１５０はモノクロＣＣＤである。また、電子内視鏡１００の細径化を達成するため、この固体撮像素子１５０は蓄積部を備えないフルフレーム型ＣＣＤである。
【００３２】
受光部１５２は、受光部１５２ａと受光部１５２ｂの２つのイメージエリア（撮像エリア）を有している。この受光部１５２ａは、ビームスプリッタ１４２ａで反射された観察光学像を撮像するためのイメージエリアであって、この観察光学像の結像面と一致するよう配置されている。また、受光部１５２ｂは、全反射ミラー１４４ａで反射された観察光学像を撮像するためのイメージエリアであって、この観察光学像の結像面と一致するよう配置されている。すなわち、受光部１５２ａと受光部１５２ｂは電子内視鏡１００の長手方向に沿って並んで配置されている。また、これら受光部１５２ａと受光部１５２ｂには、矢印Ｙ方向と矢印Ｘ方向のそれぞれに同一数の受光素子が同一ピッチで配置されている。すなわち、受光部１５２ａと受光部１５２ｂは、互いに、同一形状かつ同一受光素子数の受光部として形成されている。
【００３３】
また、上述したように、この固体撮像素子１５０はフルフレーム型ＣＣＤであるため、この受光部１５２は複数の受光素子各々に蓄積された電荷を、図３の矢印Ｘ方向に転送する垂直転送部の機能を兼ね備えている。なお、固体撮像素子１５０は微少サイズのチップであるため、受光部１５２ａと受光部１５２ｂとは光学的に略等価に配置されている。従って、これら２つの受光部には実質的に同一形状の被写体像が結像する。
【００３４】
図４は、受光部１５２と生体組織４００のイメージサークルとの関係を模式的に示した図である。図４（ａ）は、受光部１５２ａとイメージサークル４１０ａとの関係を示した模式図である。また、図４（ｂ）は、受光部１５２ｂとイメージサークル４１０ｂとの関係を示した模式図である。図４（ｃ）は、受光部１５２ａと受光部１５２ｂの画像信号に後述する画像合成処理を施すことにより生成された観察画像を模式的に示した図である。以下に、図２及び図３に加えてこの図４を用いて、固体撮像素子１５０の構成と作用を説明する。
【００３５】
図４（ａ）は、受光部１５２ａに入射してくる生体組織４００の像、すなわち対物レンズ１３０が受光部１５２ａ上で結ぶ生体組織４００のイメージサークル４１０ａと、受光部１５２ａとの位置関係を示したものである。この図４（ａ）において斜線で示された複数の四角部分の各々は、受光部１５２ａに含まれている受光素子１つ１つを示している。また、図４（ｂ）は、受光部１５２ｂに入射してくる生体組織４００の像、すなわち対物レンズ１３０が受光部１５２ｂ上で結ぶ生体組織４００のイメージサークル４１０ｂと受光部１５２ｂとの位置関係を示したものである。この図４（ｂ）において図４（ａ）と異なった斜線で示された複数の四角部分の各々、及び白で示された複数の四角部分の各々は、受光部１５２ｂが有している受光素子１つ１つを示している。なお、これらの受光部１５２ａ、１５２ｂに含まれている受光素子の各々は、互いに同一のピッチｐで配置されている。また、イメージサークル４１０ａとイメージサークル４１０ｂとにより形成される観察光学像は、実質的に同一の観察像である。また、この図４では説明を簡略化するためにそれぞれの受光部に含まれている受光素子を１６個ずつとして示しているが、これらの受光部１５２ａ、１５２ｂは、実際にはこの図４で示した数より多くの受光素子を有している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、受光部１５２ａは、複数の受光素子の各々の間に、受光機能を有していない領域からなる非受光部分を有している。受光部１５２ａの中心は、この非受光部分に該当する位置、すなわち受光素子と受光素子との間にあって、この受光部１５２ａの中心の最も近くに配置されている４つの受光素子それぞれの中心からＸ方向及びＹ方向に関してｐ／２ずれたところ、すなわち中間に位置している。対物レンズ１３０を介しビームスプリッタ１４２ａにより反射されて受光部１５２ａに向けて進行してくる生体組織４００のイメージサークル４１０ａは、その中心４１２ａが受光部１５２ａの中心と一致する形態で受光部１５２ａ上で形成されるように、対物レンズ１３０、ビームスプリッタ１４２ａ及び受光部１５２ａの相互の位置関係が定められている。
【００３７】
また、図４（ｂ）に示すように、受光部１５２ｂは、複数の受光素子の各々の間に、受光機能を有していない領域からなる非受光部分を有している。受光部１５２ａと同様に、受光部１５２ｂの中心１５３ｂも、この非受光部分に該当する位置、すなわち受光素子と受光素子との間にあって、この中心１５３ｂの最も近くに配置されている４つの受光素子それぞれの中心からＸ方向及びＹ方向に関してｐ／２ずれたところ、すなわち中間に位置している。対物レンズ１３０を介し全反射ミラー１４４ａに折り曲げられて進行してくる生体組織４００のイメージサークル４１０ｂは、その中心４１２ｂが受光部１５２ｂの中心１５３ｂの最も近くに配置されているいずれかの受光素子の中心と一致する形態で受光部１５２ｂ上で形成されるように、対物レンズ１３０、全反射ミラー１４４ａ及び受光部１５２ｂの相互の位置関係が定められている。
【００３８】
以上のように、それぞれのイメージサークルは、それぞれの受光部に対して相対的に異なった位置で形成されている。説明を加えると、それぞれのイメージサークルは、それぞれの受光部に対してＸ方向及びＹ方向に相対的にｐ／２ずれた位置で形成されている。従って、これらの受光部１５２ａ、１５２ｂは、互いの非受光部分に該当した部分の観察画像を得ることができる。そのため、受光部１５２ａと受光部１５２ｂにより得られた観察画像に後述する画像処理を施して、それぞれのイメージサークルの中心である中心４１２ａと中心４１２ｂとが一致するようにそれぞれの観察画像を重ね合わせると、図４（ｃ）に示すように、受光部１５２ａに含まれている複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々の間に、受光部１５２ｂに含まれている複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々が位置するように、互いの非受光部分に該当する部分の観察像を埋め合わせた、多くの画素数からなる観察画像、すなわち高画素の観察画像を得ることができる。
【００３９】
上述したようにそれぞれの受光部に対してＸ方向及びＹ方向に相対的にｐ／２ずれた位置でそれぞれのイメージサークルを形成させるように、受光部１５２及び光路偏向部１４０は配置されている。説明を加えると、受光部１５２ａと受光部１５２ｂは、Ｘ方向に関して互いの受光素子の各々がｐ／２相当ずれるように配置されている。また、ビームスプリッタ１４２ａと全反射ミラー１４４ａは、Ｙ方向に関して、イメージサークルがそれぞれの受光部に対して相対的にｐ／２ずれて形成されるように配置されている。また、Ｙ方向に関して別の言い方をすると、受光部１５２ａと受光部１５２ｂは、イメージサークルがそれぞれの受光部に対して相対的にｐ／２ずれて形成されるように配置されている。
【００４０】
また、別の実施形態では、それぞれの受光部に対してＸ方向及びＹ方向に相対的にｐ／２ずれた位置でそれぞれのイメージサークルを形成させるように、光路偏向部１４０を配置することもできる。説明を加えると、ビームスプリッタ１４２ａと全反射ミラー１４４ａは、Ｘ方向及びＹ方向に関して、イメージサークルがそれぞれの受光部に対して相対的にｐ／２ずれて形成されるように配置されている。すなわち、ビームスプリッタ１４２ａ、全反射ミラー１４４ａのいずれかは、入射した観察光を電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向に９０度折り曲げると共に、受光部１５２に観察光が入射した際に対物レンズ１３０の光軸からＸ方向にｐ／２ずれた位置を中心にイメージサークルが形成されるような角度をもって配置されている。
【００４１】
水平転送部１５４は、受光部１５２が備えている複数の受光素子の各々に蓄積された電荷が転送されてくる部位であって、半導体基板の長手方向に一列に整列した電荷結合素子から構成されている。この水平転送部１５４は、受光部１５２ａが有している受光素子に蓄積された電荷が転送されてくる水平転送部１５４ａと、受光部１５２ｂが有している受光素子に蓄積された電荷が転送されてくる水平転送部１５４ｂを含んでいる。
【００４２】
水平転送部１５４を構成している電荷結合素子の各々は、矢印Ｙ方向に関して、受光部１５２の受光素子と同ピッチで配置されている。水平転送部１５４に含まれている水平転送部１５４ａは、受光部１５２ａの受光素子各々と矢印Ｙ方向に一致して配置している電荷結合素子から構成されている。また、水平転送部１５４に含まれている水平転送部１５４ｂは、受光部１５２ｂの受光素子各々と矢印Ｙ方向に一致して配置している電荷結合素子から構成されている。なお、この水平転送部１５４を構成している電荷結合素子の各々は、受光部１５２の受光素子各々に蓄積された電荷が受光素子複数個相当蓄積されても飽和しないようその許容量を多くするため、矢印Ｘ方向に関して受光部１５２の受光素子より大きく形成されている。
【００４３】
水平転送部１５４ａには、受光部１５２ａが有している受光素子の各々に蓄積された電荷が、矢印Ｘ方向に直交する矢印Ｙ方向の受光素子１ライン毎に順次転送されてくる。また、水平転送部１５４ｂには、受光部１５２ｂが有している受光素子の各々に蓄積された電荷が、矢印Ｘ方向に直交する矢印Ｙ方向の受光素子１ライン毎に順次転送されてくる。そしてこの水平転送部１５４は、受光部１５２ａと受光部１５２ｂから転送されたそれぞれ１ラインずつの電荷をアンプ１５６に出力する。アンプ１５６は、この入力された電荷を増幅してプロセッサ２００が備えている初段映像信号処理部２５０に出力する。
【００４４】
固体撮像素子１５０から出力された画像信号は、プロセッサ２００に送信されて、後述する画像処理を施される。このプロセッサ２００に画像処理を施された信号は、外部機器に表示可能な種々のビデオ信号としてモニタ３００に出力され、このモニタ３００上でカラーの観察画像として表示される。以下に、プロセッサ２００で行われる画像処理のプロセスを説明する。
【００４５】
固体撮像素子１５０によって得られた体腔内の生体組織４００の画像信号は、プロセッサ２００に備えられている初段映像信号処理部２５０に送信される。この初段映像信号処理部２５０は、送信された画像信号を増幅し、サンプリング、ホールド等の処理を行う。そして、この画像信号をデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号は、さらに、初段映像信号処理部２５０が有している図示しないマルチプレクサによって固体撮像素子１５０の駆動と同期して切り替えられ、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の画像信号に分離されて、ＲＧＢメモリ２６０ａ、ＲＧＢメモリ２６０ｂが有している各メモリに出力される。
【００４６】
電子内視鏡１００は静止画ボタン１６０を備えている。この静止画ボタン１６０はモニタ３００上における観察画像の表示方法を切り替えるための操作ボタンであって、この静止画ボタン１６０がオンのときはモニタ３００上に観察対象の静止画を表示させることができ、この静止画ボタン１６０がオフのときはモニタ３００上に観察対象の動画を表示させることができる。
【００４７】
上述した静止画ボタン１６０がオンした状態のとき、プロセッサ２００に備えられているシステムコントロール２３２、タイミングジェネレータ２３０を介して初段映像信号処理部２５０に静止画ボタン１６０がオンしていることを表す信号が入力する。このとき初段映像信号処理部２５０は、ＲＧＢメモリ２６０ａ及びＲＧＢメモリ２６０ｂの各メモリにＲ、Ｇ、Ｂの各色の画像信号を出力する。また、この静止画ボタン１６０がオフした状態のときは初段映像信号処理部２５０に上記信号が入力しない。このとき初段映像信号処理部２５０は、ＲＧＢメモリ２６０ａの各メモリにＲ、Ｇ、Ｂの各色の画像信号を出力する。
【００４８】
ＲＧＢメモリ２６０ａ及びＲＧＢメモリ２６０ｂはＲ、Ｇ、Ｂの各色に対応した３つのフレームメモリである図示しないＲメモリ、Ｇメモリ、Ｂメモリを備えており、初段映像信号処理部２５０に分離された各色の画像信号は、それぞれ対応するフレームメモリに格納される。このＲＧＢメモリ２６０ａには受光部１５２ａにより得られた画像信号が入力し、このＲＧＢメモリ２６０ｂには受光部１５２ｂにより得られた画像信号が入力する。
【００４９】
静止画ボタン１６０がオンした状態のとき、タイミングジェネレータ２３０は、ＲＧＢメモリ２６０ａ及びＲＧＢメモリ２６０ｂの各フレームメモリに格納されている画像信号を同時に読み出すためのタイミング信号を送信する。このタイミング信号は、例えば、１秒当たり３０フレームから構成される動画がモニタ上において表示できるタイミングで送信される。すなわち、このタイミングジェネレータ２３０は、ＲＧＢメモリ２６０ａ及びＲＧＢメモリ２６０ｂの各フレームメモリに格納されている画像信号を１秒当たり３０フレーム、同時に読み出すタイミング信号を送信する。このタイミング信号に基づき、ＲＧＢメモリ２６０ａ及びＲＧＢメモリ２６０ｂに格納されている各色の画像信号は同時に読み出されて、画像合成処理部２９０に出力される。
【００５０】
画像合成処理部２９０は、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂで得られた画像情報を、図４（ｃ）に示すように、受光部１５２ａに含まれている複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々の間に、第２の受光部に含まれている複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々が位置するように、両画像情報を重ね合わせて合成し、１枚の静止画を生成する画像合成を行う信号処理部である。すなわちこの画像合成処理部２９０は、ＲＧＢメモリ２６０ａ及びＲＧＢメモリ２６０ｂの各々から同時に読み出された各色の画像信号を上述したように合成し、高画素の静止画を生成するものである。さらに、この画像合成処理部２９０は、合成後の画像信号をＲＧＢビデオ信号に変換してモニタ３００に出力する。これらのビデオ信号がモニタ３００に出力されると、モニタ３００上に生体組織４００の観察画像がカラーの静止画像で表示される。また、この画像合成処理部２９０は、合成後の画像信号を他の記録メディアに記録できるように出力することもできる。
【００５１】
静止画ボタン１６０がオフした状態のとき、タイミングジェネレータ２３０は、ＲＧＢメモリ２６０ａの各フレームメモリに格納されている画像信号を同時に読み出すためのタイミング信号を送信する。このタイミング信号に基づき、ＲＧＢメモリ２６０ａに格納されている各色の画像信号は同時に読み出されて、後段信号処理部２７０に出力される。
【００５２】
後段信号処理部２７０は、この信号をアナログ信号に変換させ、さらにこのアナログ信号をモニタ３００に表示させるためのコンポジットビデオ信号や、Ｙ／Ｃ信号、ＲＧＢビデオ信号に変換する。そして、これらのビデオ信号がモニタ３００に出力されると、モニタ３００上に生体組織４００の観察画像がカラーの動画で表示される。
【００５３】
図５は、静止画ボタン１６０オン時の固体撮像素子１５０の撮像及び転送の周期と、固体撮像素子１５０に入射してくる観察光の周期とを示したタイミングチャートである。図５（ａ）は、固体撮像素子１５０の撮像及び転送を行うためのタイミングチャートであって、電荷を蓄積する蓄積期間と、蓄積した各色に対応した電荷を転送する転送期間とを交互に繰り返したものとなっている。また、図５（ｂ）は、固体撮像素子１５０に入射してくる観察光の周期を示したタイミングチャートであって、各色の観察光が入射してくる期間と、観察光が遮光されている期間とを交互に繰り返したものとなっている。
【００５４】
図５に示すように、Ｒの照明光で照明された生体組織４００のＲ光の観察光が受光部１５２に入射している期間、固体撮像素子１５０は、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂの受光素子の各々に、このＲ光の観察光による電荷を蓄積している。これら受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに一定期間Ｒ光の観察光が入射するとＲＧＢ回転フィルタ２２０の遮光部により照明光が一定期間遮光され、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに入射していた観察光も一定期間途絶える。これら受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに観察光が入射しない期間、固体撮像素子１５０は、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂの受光素子の各々に蓄積されたＲ光の観察光による電荷の各々を、水平転送部１５４ａ及び水平転送部１５４ｂにそれぞれ転送する。水平転送部１５４に転送されたこれらの電荷は、Ｒ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００５５】
固体撮像素子１５０は同じ要領でＧ光の観察光による電荷を蓄積し、蓄積したＧ光の観察光による電荷を水平転送部１５４に転送する。水平転送部１５４に転送されたこの電荷は、Ｇ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。さらに、固体撮像素子１５０は同じ要領でＢ光の観察光による電荷を蓄積し、蓄積したＢ光の観察光による電荷を水平転送部１５４に転送する。水平転送部１５４に転送されたこの電荷は、Ｂ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００５６】
このように、アンプ１５６から出力されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光それぞれの画像情報を上述したようにプロセッサ２００で処理することにより１枚のカラーの静止画像が形成される。
【００５７】
図５（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）は、図５（ａ）の期間Ｔｂにおける受光素子に蓄積された電荷の転送動作を詳細に示したタイミングチャートである。この期間Ｔｂは、上述した、Ｇ光の観察光により蓄積した電荷を水平転送部１５４に転送してＧ光の画像情報としてアンプ１５６から出力する期間を示している。図５（ｃ）は、受光部１５２ａの受光素子各々に蓄積された電荷を、矢印Ｙ方向１ラインの受光素子毎に水平転送部１５４ａに順次転送させるＶ１信号のパルスを示したタイミングチャートである。また、図５（ｄ）は、受光部１５２ｂの受光素子各々に蓄積された電荷を、矢印Ｙ方向１ラインの受光素子毎に水平転送部１５４ｂに順次転送させるＶ２信号のパルスを示したタイミングチャートである。また、図５（ｅ）は、水平転送部１５４に転送された電荷を、水平転送部１５４の水平方向、すなわち矢印Ｙ方向に転送するＨ信号のパルスを示したタイミングチャートである。
【００５８】
期間Ｔｂは静止画ボタン１６０オン時であるため、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに蓄積された電荷を転送する期間である。従って、受光部１５２ａにＶ１信号が入力され、受光部１５２ｂにＶ２信号が入力される。Ｖ１信号が受光部１５２ａに入力すると、受光部１５２ａの受光素子各々に蓄積されている全ての電荷は、矢印Ｘ方向に一段シフトする。また、Ｖ２信号が受光部１５２ｂに入力すると、受光部１５２ｂの受光素子各々に蓄積されている全ての電荷は、矢印Ｘ方向に一段シフトする。その結果、水平転送部１５４ａ及び水平転送部１５４ｂの最も近くに配置しているそれぞれの受光部の１ラインの受光素子に蓄積されている電荷の各々は、矢印Ｘ方向にシフトして水平転送部１５４ａ及び水平転送部１５４ｂの矢印Ｙ方向に一致する電荷結合素子の各々に転送される。
【００５９】
Ｖ１信号及びＶ２信号により受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂから水平転送部１５４ａ及び水平転送部１５４ｂに電荷が転送されると、次に、Ｈ信号が水平転送部１５４に入力し、水平転送部１５４ａ及び水平転送部１５４ｂに転送された上記電荷を矢印Ｙ方向に転送する。すなわち、水平転送部１５４に転送された上記電荷は、アンプ１５６に掃き出されて増幅されて、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００６０】
上述した期間Ｔｂにおける一連の動作は、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに蓄積されている全ラインの電荷を初段映像信号処理部２５０に送信するまで繰り返される。全ラインの電荷がアンプ１５６から出力されると期間Ｔｂの転送動作は終了し、次に、Ｂ光の観察光の蓄積動作が開始される。
【００６１】
図６は、静止画ボタン１６０オフ時の固体撮像素子１５０の撮像及び転送の周期と、固体撮像素子１５０に入射してくる観察光の周期とを示したタイミングチャートである。図６（ａ）は図５（ａ）と同様のタイミングチャートであり、図６（ｂ）は図５（ｂ）と同様のタイミングチャートである。
【００６２】
図６に示すように、Ｒの照明光で照明された生体組織４００のＲ光の観察光が受光部１５２に入射している期間、固体撮像素子１５０は、受光部１５２ａの受光素子の各々に、このＲ光の観察光による電荷を蓄積している。この受光部１５２ａに一定期間Ｒ光の観察光が入射するとＲＧＢ回転フィルタ２２０の遮光部により照明光が一定期間遮光され、受光部１５２ａに入射していた観察光も一定期間途絶える。この受光部１５２ａに観察光が入射しない期間、固体撮像素子１５０は、受光部１５２ａの受光素子の各々に蓄積されたＲ光の観察光による電荷の各々を、水平転送部１５４ａに転送する。水平転送部１５４に転送されたこの電荷は、Ｒ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００６３】
固体撮像素子１５０は同じ要領でＧ光の観察光による電荷を蓄積し、蓄積したＧ光の観察光による電荷を水平転送部１５４ａに転送する。水平転送部１５４ａに転送されたこの電荷は、Ｇ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。さらに、固体撮像素子１５０は同じ要領でＢ光の観察光による電荷を蓄積し、蓄積したＢ光の観察光による電荷を水平転送部１５４ａに転送する。水平転送部１５４ａに転送されたこの電荷は、Ｂ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００６４】
このように、アンプ１５６から出力されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光それぞれの画像情報をプロセッサ２００で処理することにより１画面のカラー画像が形成される。また、この作業を繰り返すことによりモニタ３００上に生体組織４００の画像が動画として表示される。
【００６５】
図６（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）は、図６（ａ）の期間Ｔａにおける受光素子に蓄積された電荷の転送動作を詳細に示したタイミングチャートである。この期間Ｔａは、上述した、Ｇ光の観察光により蓄積した電荷を水平転送部１５４に転送してＧ光の画像情報としてアンプ１５６から出力する期間を示している。図６（ｃ）は図５（ｃ）と同様のタイミングチャートであり、図６（ｄ）は図５（ｄ）と同様のタイミングチャートであり、図６（ｅ）は図５（ｅ）と同様のタイミングチャートである。
【００６６】
期間Ｔａは静止画ボタン１６０オフ時であるため、受光部１５２ａに蓄積された電荷のみを転送する期間である。従って、受光部１５２ｂにＶ２信号は入力されず、受光部１５２ａにのみ転送動作のための信号であるＶ１信号が入力される。Ｖ１信号が受光部１５２ａに入力すると、受光部１５２ａの受光素子各々に蓄積されている全ての電荷は、矢印Ｘ方向に一段シフトする。その結果、水平転送部１５４ａの最も近くに配置している１ラインの受光素子に蓄積されている電荷の各々は、矢印Ｘ方向にシフトして水平転送部１５４ａの矢印Ｙ方向に一致する電荷結合素子の各々に転送される。
【００６７】
Ｖ１信号により受光部１５２ａから水平転送部１５４ａに電荷が転送されると、次に、Ｈ信号が水平転送部１５４に入力し、水平転送部１５４ａに転送された上記電荷を矢印Ｙ方向に転送する。すなわち、水平転送部１５４ａに転送された上記電荷は、アンプ１５６に掃き出されて増幅し初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００６８】
上述した期間Ｔａにおける一連の動作は、受光部１５２ａに蓄積されている全ラインの電荷を初段映像信号処理部２５０に送信するまで繰り返される。全ラインの電荷がアンプ１５６から出力されると期間Ｔａの転送動作は終了し、次に、Ｂ光の観察光の蓄積動作が開始される。
【００６９】
なお、上述したように、本実施形態の固体撮像素子１５０は、２つのイメージエリアである受光部１５２ａと受光部１５２ｂとが電子内視鏡１００の先端部の長手方向に沿って並んで配置されている。また、本実施形態の固体撮像素子１５０では、受光部１５２ａと受光部１５２ｂの電荷の転送路が１ラインの電荷結合素子である水平転送部１５４で形成されている。さらに、この水平転送部１５４は、電子内視鏡１００の先端部の長手方向に沿って配列されている。従って、本実施形態の固体撮像素子１５０を備えることにより、電子内視鏡の径を太くすることなく２つの受光部を備えることができ、その結果、高画質の観察画像を得ることができる。
【００７０】
以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。
【００７１】
なお、本実施形態において、静止画のときのみ２つの受光部から得られる画像信号を合成しているが、動画を得る際もこの画像信号の合成を行ってもよい。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように本発明の固体撮像素子は、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に第１の受光部と第２の受光部とを有し、互いの受光素子の各々を、所定方向と直交する方向において前記ピッチの半分相当ずらして配置している。従ってこの固体撮像素子は、円筒状の装置、例えば電子内視鏡に組み込まれてもその径を太くさせたりダイナミックレンジを低下させたりすることなく、それぞれの受光部に対して、互いの非受光部分に該当した部分の観察画像を生成させることができる。このような観察画像は、画像処理部を含んだ装置、例えば電子内視鏡装置によって、第１の受光部の複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々の間に、第２の受光部の複数の受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々が位置するように合成されることにより、高画質の観察画像として生成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電子内視鏡を備えている電子内視鏡装置の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の電子内視鏡の先端部の内部構造を模式的に示した側断面図である。
【図３】本発明の実施形態の電子内視鏡の先端部内に備えられている固体撮像素子の構成を模式的に示した上面図である。
【図４】受光部とイメージサークルとの関係を模式的に示した図である。
【図５】静止画ボタンオン時の固体撮像素子の撮像及び転送の周期と、固体撮像素子に入射してくる観察光の周期とを示したタイミングチャートである。
【図６】静止画ボタンオフ時の固体撮像素子の撮像及び転送の周期と、固体撮像素子に入射してくる観察光の周期とを示したタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００電子内視鏡
１４０光路偏向部
１５０固体撮像素子
１５２ａ、１５２ｂ受光部
１５４ａ、１５４ｂ水平転送部
５００電子内視鏡装置

Claims

所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において前記所定方向のそれぞれ異なった領域に、被写体像を受光するための複数の受光素子を所定のピッチでマトリクス状に配置した第１、第２の受光素子群と、
前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群に隣接すると共に前記所定方向に一列に整列した電荷結合素子と、
を有し、
前記第１、前記第２の受光素子群は、
所定の光束分離手段を介して分離された各被写体像が結像する別個のイメージサークルに対応する位置であって、前記所定方向及び前記所定方向と直交する方向に相対的に前記ピッチの半分相当ずれた前記被写体像が導かれる位置に配置され、
前記電荷結合素子は、
前記第１の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、
前記第２の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第２の転送部と、
を有すること、を特徴とする固体撮像素子。
被写体像を結像させる対物光学系と、
所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において前記所定方向のそれぞれ異なった領域に、共に所定のピッチで複数の受光素子がマトリクス状に配置されている第１の受光素子群と第２の受光素子群とを有した固体撮像素子と、
前記第１の受光素子群及び前記第２の受光素子群において前記被写体像が結像するように、前記被写体像を、前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群とに向けて分離する光束分離手段であって、前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群の各々に対して前記所定方向及び前記所定方向と直交する方向に相対的に前記ピッチの半分相当ずれた前記被写体像を導く光束分離手段と、
を先端部内に備え、
前記固体撮像素子は、
前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群に隣接すると共に前記所定方向に一列に整列した電荷結合素子を有し、
前記電荷結合素子は、
前記第１の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、
前記第２の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第２の転送部と、
を有すること、を特徴とする電子内視鏡。
被写体像を結像させる対物光学系と、
所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において前記所定方向のそれぞれ異なった領域に、共に所定のピッチで複数の受光素子がマトリクス状に配置されている第１の受光素子群と第２の受光素子群とを有した固体撮像素子と、
前記第１の受光素子群及び前記第２の受光素子群において前記被写体像が結像するように、前記被写体像を、前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群とに向けて分離する光束分離手段と、
を先端部内に備え、
前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群の各々が前記所定方向及び前記所定方向と直交する方向に相対的に前記ピッチの半分相当ずれた前記被写体像を受光するように前記固体撮像素子を配置し、
前記固体撮像素子は、
前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群に隣接すると共に前記所定方向に一列に整列した電荷結合素子を有し、
前記電荷結合素子は、
前記第１の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、
前記第２の受光素子群で蓄積された電荷の転送先である第２の転送部と、
を有すること、を特徴とする電子内視鏡。
前記固体撮像素子を、前記半導体基板の長手方向と前記先端部の長手方向とが一致するように配置したこと、を特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の電子内視鏡。
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電子内視鏡と、
前記第１の受光素子群に含まれている複数の前記受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々の間に、前記第２の受光素子群に含まれている複数の前記受光素子の各々で撮像された複数の画素の各々が位置するように、前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群から得られた画像信号を合成する信号処理部を有したプロセッサと、
を備えたこと、を特徴とする電子内視鏡装置。