JP4504040B2 - Endoscope device - Google Patents
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Images
Description
本発明は、感度を制御できる固体撮像素子を用いて画像を得る内視鏡装置に関する。 The present invention relates to an endoscope apparatus that obtains an image using a solid-state imaging device capable of controlling sensitivity.
固体撮像素子を有する内視鏡装置は、細長の挿入部を体腔内等の被検体内に挿入し、内視鏡に内蔵されたライトガイドを経由して被写体に照射された光源装置からの照射光による反射光を、内視鏡先端に搭載された固体撮像素子で光電変換した後、この光電変換で得られる出力信号を信号処理してモニタ等に表示する装置である。 An endoscope apparatus having a solid-state image sensor inserts an elongated insertion portion into a subject such as a body cavity, and irradiates a subject via a light guide built in the endoscope. This is a device that photoelectrically converts light reflected by light with a solid-state imaging device mounted at the distal end of an endoscope, then processes the output signal obtained by this photoelectric conversion and displays it on a monitor or the like.
このような内視鏡装置としては、可視領域の照明光を用いた通常観察を行なう面順次式の内視鏡装置や、生体組織に対して励起光を照射し、これにより生体から発せられる自家蛍光や生体内へ注入しておいた薬剤の蛍光を2次元画像として撮像し、その蛍光画像を観察することにより早期癌等を発見するための蛍光診断用内視鏡装置等が知られている。 As such an endoscope apparatus, a plane sequential endoscope apparatus that performs normal observation using illumination light in the visible region, or a self emitted from a living body by irradiating a living tissue with excitation light. 2. Description of the Related Art Fluorescence diagnostic endoscope devices and the like for detecting early cancers by capturing fluorescence or fluorescence of a drug injected into a living body as a two-dimensional image and observing the fluorescence image are known. .
蛍光診断用内規鏡装置に用いられる撮像素子は、微弱な蛍光を観察するために高い感度が要求されることから、近年では、例えば特許文献1に開示されているように、電荷増倍機構を有して感度を可変可能な固体撮像素子を搭載した内視鏡が開発されており、微弱な蛍光によっても適正な明るさの観察画像を得ることが可能となった。
前述の感度可変の固体撮像素子を用いた内視鏡では、固体撮像素子の電荷増倍機構に印加するパルス信号のパルス数や電圧値を可変することにより感度を可変することができる。しかしながら、固体撮像素子に印加するパルス信号の電圧を可変して感度を可変し、従来よりも高い感度で微弱な光での観察を行おうとする場合、従来よりも高い信号電圧が必要となり、使用する電源で使用可能な上限電圧によって制限される場合がある。 In an endoscope using the above-described variable sensitivity solid-state imaging device, the sensitivity can be varied by varying the number of pulses and the voltage value of the pulse signal applied to the charge multiplication mechanism of the solid-state imaging device. However, if the sensitivity of the pulse signal applied to the solid-state image sensor is varied to vary the sensitivity, and if you want to observe with weak light with higher sensitivity than before, a higher signal voltage than before will be required. May be limited by the upper limit voltage that can be used by the power supply.
この場合、従来よりも高電圧・大容量の電源を使用することで対処可能であるが、固体撮像素子の駆動電圧や内視鏡の制御電圧は、発熱に対する対策や省エネルギー等の観点から低電圧化の傾向にあり、高電圧・大容量の電源を新規設計して用いることは、従来の内視鏡用電源との互換性を損ねるばかりでなく、システム全体としての大型化や重量増、コスト上昇を招く。 In this case, it can be dealt with by using a higher voltage and larger capacity power supply than before, but the driving voltage of the solid-state image sensor and the control voltage of the endoscope are low voltage from the viewpoint of measures against heat generation and energy saving. The new design and use of a high-voltage, large-capacity power supply not only impairs compatibility with conventional endoscope power supplies, but also increases the size, weight, and cost of the entire system. Invite rise.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電圧信号を印加して感度を可変可能な固体撮像素子を有する内視鏡に対し、電源の上限電圧による感度増幅率の制限を回避し、より高倍率の感度での観察を可能とする内視鏡装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and for an endoscope having a solid-state imaging device capable of varying the sensitivity by applying a voltage signal, avoiding the limitation of the sensitivity amplification factor due to the upper limit voltage of the power supply, and more An object of the present invention is to provide an endoscope apparatus that enables observation with high magnification sensitivity.
上記目的を達成するため、本発明による内視鏡装置は、電圧信号を印加することにより感度を可変可能な固体撮像素子を有する内視鏡と、極性が異なる複数の電圧値を出力する電源とを備えた内視鏡装置において、固体撮像素子で撮像した画像の測光結果に基づく信号を受け、前記電源から出力される正極性側の電圧と負極性側の電圧とを基準レベルに対する正負の極性とする制御信号を生成する制御信号生成手段と、前記制御信号の前記正負の極性による振幅を維持しながら高電位側にシフトさせ且つ前記制御信号の基底レベルを前記基準レベルに固定して前記固体撮像素子の感度を制御する感度制御信号として出力する感度制御信号出力手段とを備えたことを特徴とする。
To achieve the above object, an endoscope apparatus according to the present invention includes an endoscope having a solid-state imaging device whose sensitivity can be changed by applying a voltage signal, and a power source that outputs a plurality of voltage values having different polarities. The positive polarity voltage and the negative polarity voltage output from the power supply are positive and negative with respect to a reference level in response to a signal based on a photometric result of an image captured by a solid-state imaging device. generating a control signal for the control signal generating means, said fixing the basal level of said positive and negative and the control signal is shifted to the high potential side while maintaining the amplitude due to the polarity of the control signal to the reference level solid Sensitivity control signal output means for outputting as a sensitivity control signal for controlling the sensitivity of the image sensor is provided.
本発明の内視鏡装置は、電圧信号を印加して感度可変の固体撮像素子を有する内視鏡に対し、電源の上限電圧による感度増幅率の制限を回避し、より高倍率の感度での観察が可能となる。 The endoscope apparatus of the present invention avoids the limitation of the sensitivity amplification factor due to the upper limit voltage of the power supply for the endoscope having a solid-state imaging device whose sensitivity is variable by applying a voltage signal, and at a higher magnification sensitivity. Observation becomes possible.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1〜図17は本発明の実施の一形態に係り、図1は内視鏡装置の概略構成を示すブロック図、図2は電荷結合素子型固体撮像素子(以下、CCDと略記)のブロック図、図3は感度制御パルス及び水平転送パルスのタイミングチャート、図4はCCD感度に関する電荷増幅部印加電圧と感度増幅率との関係を示す説明図、図5はCCD駆動回路のブロック図、図6はドライバの等価回路図、図7はバイアス回路の説明図、図8は図7の回路における信号レベルの変化を示す説明図、図9はクランプ前後の感度制御パルスの波形図、図10は電圧可変制御による感度制御パルスの振幅の変化を示す説明図、図11は特殊光モード時のCCD駆動のタイミングチャート、図12は通常光モード時のCCD駆動のタイミングチャート、図13はCCD感度特性(モニタ出力信号)を示すグラフ、図14はCCD感度特性(S/N特性)を示すグラフ、図15はRGB回転フィルタの構成を示す平面図、図16は蛍光観察における光源装置の分光特性を示すグラフ、図17は蛍光観察における蛍光及び反射光の分光特性を示すグラフである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 17 relate to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an endoscope apparatus, and FIG. 2 is a block diagram of a charge coupled device type solid-state imaging device (hereinafter abbreviated as CCD). FIG. 3, FIG. 3 is a timing chart of sensitivity control pulses and horizontal transfer pulses, FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between charge amplification unit applied voltage and sensitivity amplification factor relating to CCD sensitivity, and FIG. 5 is a block diagram of a CCD driving circuit. 6 is an equivalent circuit diagram of the driver, FIG. 7 is an explanatory diagram of the bias circuit, FIG. 8 is an explanatory diagram showing a change in signal level in the circuit of FIG. 7, FIG. 9 is a waveform diagram of sensitivity control pulses before and after clamping, and FIG. FIG. 11 is a timing chart of CCD driving in the special light mode, FIG. 12 is a timing chart of CCD driving in the normal light mode, and FIG. 14 is a graph showing the D sensitivity characteristic (monitor output signal), FIG. 14 is a graph showing the CCD sensitivity characteristic (S / N characteristic), FIG. 15 is a plan view showing the configuration of the RGB rotation filter, and FIG. FIG. 17 is a graph showing the spectral characteristics of fluorescence and reflected light in fluorescence observation.
図1に示すように、本実施の形態の内視鏡装置1は、体腔内に挿入され、体腔内を撮像するための電子内視鏡(以下、内視鏡と略記)2、内視鏡2が着脱自在に接続され、内視鏡2で撮像された画像信号に対する信号処理を行う信号処理装置4と内視鏡2に照明光を供給する光源装置5とを内蔵するプロセッサ3、プロセッサ3に接続され、プロセッサ3で画像処理された映像信号を表示するモニタ6、内視鏡2及びプロセッサ3に電源を供給する電源装置7を備えて構成される。尚、光源装置5は、プロセッサ3とは別体に設けても良い。
As shown in FIG. 1, an
内視鏡2は、患者体腔内に挿入される細長の挿入部11を有している。挿入部11は、消化管用、気管支用、頭頸部用(咽頭部用)や膀胱用の場合には軟性部により構成され、腹腔、胸腔や子宮用の場合には硬性部により構成される。
The
挿入部11内には、光源装置5からの照明光を伝送するライトガイド12が挿通され、このライトガイド12の後端側がライトガイドコネクタを介して光源装置5に着脱自在に接続される。光源装置5から供給される照明光は、ライトガイド12によって伝送され、挿入部11の先端部15に配設される照明レンズ16から照明窓を経て出射され、体腔内の患部等の被写体側を照明する。
A light guide 12 that transmits illumination light from the
また、内視鏡2の先端部15には、照明窓に隣接して観察窓が設けてあり、この観察窓の内側に、被写体の光学像を結像する対物レンズ17と、特定の波長帯域のみを透過させる励起光カットフィルタ18と、対物レンズ17の結像位置に配設され、被写体の光学像を光電変換する固体撮像素子としてのCCD19とが順に配置されている。尚、図1では、CCD19は、直視状に配設されているが、斜視や側視状に配設されるように構成することも可能である。
The
被写体からの反射光や自家蛍光は、対物レンズ17及び励起光カットフィルタ18を介してCCD19の受光面に結像される。本実施の形態においては、励起光カットフィルタ18は、生体組織から生じる自家蛍光(おおむね500nm以上の波長)を透過させ、励起光を透過させない分光特性を有している。
Reflected light and autofluorescence from the subject are imaged on the light receiving surface of the
本実施の形態においては、CCD19として、例えば、U.S.PAT.No.5,337,340号”Charge Multiplying Detector(CMD)suitable for small pixel CCD image sensors”に記載されている衝突電離現象を用いた感度可変なCCDを用いており、複数のCCD駆動信号線13を介してプロセッサ3内の信号処理装置4のCCD駆動回路31に接続され、CCD駆動回路31から出力される感度制御信号(感度制御パルスφCMD)により感度が可変される(詳細は後述する)。
In the present embodiment, as the
対物レンズ17及び励起光カットフィルタ18によりCCD19の受光面に結像された被写体像は、CCD19の各画素で光電変換後転送されて出力アンプから出力される。このCCD19からの出力信号は、複数のCCD出力信号線14を介しプロセッサ3内の信号処理装置4のアナログ処理回路33に供給される。
The subject image formed on the light receiving surface of the
また、内視鏡2は、基端側に記憶装置20を搭載している。記憶装置20は、CPU21とメモリ22とを含んで構成されている。CPU21は、メモリ22へのデータ読み出し及び書き込み制御を行うとともに、プロセッサ3とのデータの送受(通信)を制御する。メモリ22は、例えば不揮発性のEEPROM等を用いており、電源OFF時にもデータを保持することができる。
In addition, the
メモリ22には、通常光モード時における、R,G,Bの3波長の蓄積時間(電子シャッタ速度)、特殊光モード(蛍光観察)時におけるEx1(蛍光)、Ex2(緑反射光)、Ex3(赤反射光)の3波長の蓄積時間(電子シャッタ速度)等のデータが格納されている。 The memory 22 stores an accumulation time (electronic shutter speed) of three wavelengths R, G, and B in the normal light mode, Ex1 (fluorescence), Ex2 (green reflected light), and Ex3 in the special light mode (fluorescence observation). Data such as accumulation time (electronic shutter speed) of three wavelengths of (red reflected light) is stored.
尚、メモリ22には、蓄積時間の代わりに、電荷クリア時間やR,G,BやEx1,Ex2、Ex3の3波長の蓄積時間比を格納しても良い。また、メモリ22において、蛍光の波長と反射光の2波長では、蛍光の波長の蓄積時間は反射光の2波長の蓄積時間よりも長く設定されている。 Note that the memory 22 may store the charge clearing time, the R, G, B, and the three wavelength accumulation time ratios of Ex1, Ex2, and Ex3 instead of the accumulation time. In the memory 22, the fluorescence wavelength accumulation time is set to be longer than the two-wavelength accumulation time of the reflected light at the fluorescence wavelength and the reflected light two wavelengths.
メモリ22に格納される通常光モードのR,G,Bの3波長の蓄積時間は、CCD19のような感度可変CCDでない一般的なCCDが搭載されている内視鏡よりも短い時間が設定されている。メモリ22に格納される特殊光モードの3波長の蓄積時間として、複数の内視鏡の種類(気管支用、上部消化管用、下部消化管用、頭頸部用、膀胱用等)によってそれぞれ最適な蓄積時間が設定されている。これは、部位毎に得られる蛍光強度と反射光強度は異なる為であり、それらが同等レベルの強度となるように蓄積時間が部位別に3波長間で設定されている。
The storage time of the three wavelengths R, G, and B in the normal light mode stored in the memory 22 is set to be shorter than an endoscope in which a general CCD that is not a sensitivity variable CCD such as the
更に、メモリ22には、前述の蓄積時間以外のデータにも、内視鏡に関連する他のデータ等が格納されている。この内視鏡に関連するデータとしては、例えば内視鏡機種(種類)名、内視鏡シリアルナンバー、ホワイトバランス設定値{通常光用、特殊光用(蛍光観察)}、内視鏡がプロセッサに接続され電源投入された回数、内視鏡の鉗子チャンネルの情報、内視鏡の先端部外径データ、内視鏡の挿入部外径データ等がある。 Further, the memory 22 stores other data related to the endoscope in addition to the data other than the above-described accumulation time. As data related to the endoscope, for example, endoscope model (type) name, endoscope serial number, white balance setting value {for normal light, special light (fluorescence observation)}, and endoscope is a processor. And the number of times the power is turned on, endoscope forceps channel information, endoscope tip outer diameter data, endoscope insertion section outer diameter data, and the like.
尚、通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)の蓄積時間データは、プロセッサ3側のメモリに記憶させておくようにしても良く、その分、内視鏡2のメモリ22の容量を少なくすることができる。
The storage time data of the normal light mode and the special light mode (fluorescence observation) may be stored in the memory on the
次に、信号処理装置4について説明する。
本実施の形態における信号処理装置4は、CPU30と、CCD駆動回路31と、CCD感度制御回路32と、アナログ処理回路33と、アナログ/デジタル変換器(以下、A/D変換器と呼ぶ)34と、デジタル処理回路35と、デジタル/アナログ変換器(以下、D/A変換器と呼ぶ)36と、測光回路37とを有している。
Next, the
The
内視鏡2がプロセッサ3に接続されると、CPU30は、メモリ22に格納されている各種データをCPU21を介して読み出し制御を行う。この場合、メモリ22に格納されている各種データはCPU21を介してCPU30に出力され、CPU30で各種データの読み出しが行われる。
When the
また、CPU30は、メモリ22から取得した通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)時の3波長の蓄積時間データをCCD駆動回路31に出力する。さらに、CPU30は、内視鏡機種名、シリアルNo.やホワイトバランス設定値(通常光用、特殊光用)等をデジタル処理回路35に出力する。
In addition, the
CCD駆動回路31は、CCD19に対し、駆動信号として、垂直転送パルスφP1,φP2、感度制御パルスφCMD、水平転送パルスφS1,φS2、電子シャッタパルスφOFDを出力する。このCCD駆動回路31からの駆動信号により、CCD19の電子シャッタ制御、信号電荷の蓄積、感度制御及び読み出しが行われる。
The
前述したように、本実施の形態のCCD19は、衝突電離現象を用いた感度可変なCCDである。このようなCCDにおいては、CCD内の水平転送路と出力アンプの間、或いは、画素毎に電荷増幅部が設けられ、この電荷増幅部に高電界のパルスを印加することにより、信号電荷が強電界からエネルギーを得て価電子帯の電子に衝突し、衝突電離により新たに信号電荷(2次電子)が生成される。例えば、アバランシェ効果を利用した場合は、1パルスの印加で2次電子生成が連鎖反応的に生じるが、衝突電離を利用した場合は比較的低電圧な1パルスの印加で1組の電子−正孔ペアが生成されるのみである。
As described above, the
衝突電離現象を用いた感度可変なCCDにおいて、電荷増幅部が出力アンプ前段に設けられている場合、印加するパルスの電圧値(振幅)を制御することにより信号電荷数を任意に増幅することが可能である。一方、電荷増幅部が画素毎に設けられている場合には、印加するパルスの電圧値(振幅)またはパルス数を制御することにより信号電荷数を任意に増幅することが可能である。 In a CCD with variable sensitivity using the impact ionization phenomenon, when the charge amplifier is provided in front of the output amplifier, the number of signal charges can be arbitrarily amplified by controlling the voltage value (amplitude) of the applied pulse. Is possible. On the other hand, when a charge amplifier is provided for each pixel, it is possible to arbitrarily amplify the number of signal charges by controlling the voltage value (amplitude) of the pulse to be applied or the number of pulses.
そして、本実施の形態の場合、CCD19として、図2に示すように、電荷増幅部を水平転送路と出力アンプの間に搭載したFFT(Full Frame Transfer)型のモノクロCCDを用いている。CCD19は、イメージエリア60、OB(Optical Black)部61、水平転送路62、ダミー63、電荷増幅部64、出力アンプ65を有しており、電荷増幅部64は、水平転送路62のセル数とほぼ同じセル数あるいは約2倍のセル数から構成されている。
In the present embodiment, as the
イメージエリア60の各画素で生成された信号電荷は、垂直転送パルスφP1,φP2により1水平ライン毎に水平転送路62に転送され、水平転送パルスφS1,φS2によって水平転送路62からダミー63及び電荷増幅部64に転送される。そして、複数のセルから成る電荷増幅部64の各セルに感度制御パルスφCMDが印加されることにより、電荷は各セルを転送されながら1段ずつ順次増幅が行われ、順次出力アンプ部65に転送される。出力アンプ部65は電荷増幅部64からの電荷を電圧に変換して出力する。
The signal charges generated in each pixel in the
電荷増幅部64で得られる感度増幅率は、CCD駆動回路31から電荷増幅部64に印加する感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)の大きさを変化させることにより可変となる。CCD駆動回路31は、図3に示すように、感度制御パルスφCMDを、水平転送パルスφS1,φS2との位相関係で出力し、特殊光モード時に、感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)をCCD感度制御回路32からの信号に基づいて動的に可変することにより、電荷増幅部64に印加する感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を変化させ、所望の感度増幅率が得られるようにCCD19を制御する。
The sensitivity amplification factor obtained by the
尚、本実施の形態においては、感度制御パルスφCMDと水平転送パルスφS1,φS2の位相は、φS1が立ち上がる前にφCMDが立ち上がり、φS1が立ち下がる前にφCMDが立ち下がっている。 In this embodiment, the phases of the sensitivity control pulse φCMD and the horizontal transfer pulses φS1 and φS2 are such that φCMD rises before φS1 rises and φCMD falls before φS1 falls.
電荷増幅部64で得られる感度増幅率は、図4に示すように電荷増幅部64への印加電圧に対して、ある閾値Vthを上回ると電荷増幅が始まり、各セルにて1段ずつ増幅が行われて感度が指数関数的に増幅する特性となっている。本実施の形態のCCD19は、閾値Vth=10Vとして、ピーク値+25Vの感度制御パルスφCMDを印加したとき、200倍の感度増幅率を得ることができる。尚、感度制御パルスφCMDが基準レベル(本形態においては、0Vとする)〜閾値Vth(本形態においては、10Vとする)では、信号電荷の増幅はされずに電荷増幅部64で転送されるだけである。
As shown in FIG. 4, the sensitivity amplification factor obtained by the
ここで、電荷増幅が始まる閾値や印加電圧に対する感度増幅率の急峻度は、CCDパラメータに依存するが、感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)による増幅率は、電源装置7の最大電圧出力によって制限される。例えば、200倍の感度増幅率を得ようとすると、ピーク値+25Vの感度制御パルスφCMDが必要となり、電源装置7の最大出力が25V以下である場合、そのままでは200倍の感度増幅率を得ることは困難である。
Here, the steepness of the sensitivity amplification factor with respect to the threshold at which charge amplification starts and the applied voltage depends on the CCD parameter, but the amplification factor based on the voltage value (amplitude) of the sensitivity control pulse φCMD depends on the maximum voltage output of the
電源装置7は、AC電源から電力供給を受け、主として、PWM制御のスイッチング回路等により複数の極性が異なるDC電源を生成し、CCD駆動電源や各種制御用電源として内視鏡2及びプロセッサ3に供給するものであり、比較的感度増幅率が小さいCCDを搭載した内視鏡、更には、感度可変CCDを搭載していない一般的な内視鏡に使用される電源装置として利用されている。
The
すなわち、電源装置7としては、例えば、+5V,±8V,+19V,−15V,+12Vの電圧出力を有する電源であり、新規設計による高電圧・大容量の電源を用いることなく、既にEMCノイズ対策や医療用安全規格に適合した既存の電源を用いている。
That is, the
このため、CCD駆動回路31には、電源装置7の出力電圧である+5V,±8V,+19V,−15V,+12Vから、200倍の感度増幅率を得ることのできるピーク値+25Vの感度制御パルスφCMDを出力可能とする回路構成が備えられている。
For this reason, the
図5は、CCD駆動回路31の構成を示すものである。CCD駆動回路31は、CCD感度制御回路32からの信号に基づいてCCD19を駆動するためのタイミング信号を発生するタイミングジェネレータ70、タイミングジェネレータから出力されるタイミング信号に基く水平転送パルスφS1,φS2と感度制御パルスφCMDとの位相差を調整するタイミング調整回路71、タイミング調整回路71からの信号を受け、それぞれ、水平転送パルスφS1,φS2、感度制御パルスφCMDを出力するためのドライバ72,73,74、タイミングジェネレータ70からのタイミング信号を受けて、それぞれ、垂直転送パルスφP1,φP2、電子シャッタパルスφOFDを出力するためのドライバ75,76,77を備えている。
FIG. 5 shows the configuration of the
各ドライバ72〜77は、図6に示すように、結合コンデンサC1及びバイアス用ダイオードD1を接続したPNP型トランジスタQ1と、結合コンデンサC2及びバイアス用ダイオードD2を接続したNPN型トランジスタQ2とを、各コレクタでプッシュプル接続したバッファアンプであり、それぞれの出力端がCCD駆動信号線13を介してCCD19に接続されている。
As shown in FIG. 6, each of the
これらのドライバ72〜77のうち、感度制御パルスφCMDを出力するためのドライバ74を除く各ドライバには、パルスの電圧値(振幅)及び極性に応じて設定された正負の電源が供給され、固定の出力レベル及び振幅を有するパルスが出力される。一方、感度制御パルスφCMDを出力するドライバ74には、電源装置7からの正負の電圧を所定の電圧に調整するための電圧レギュレータ78,79を介して電源が供給される。
Among these
前述したように、200倍の感度増幅率を所望する場合には、+25Vの感度制御パルスφCMDが要求される。最大30V程度の電圧出力が可能な新規設計の電源を用いる場合には、電圧レギュレータ78をCCD感度制御回路32からの信号によって制御することにより、+25Vの感度制御パルスφCMDを得ることが可能であるが、本実施の形態のように、+5V,±8V,+19V,−15V,+12Vの既存の電源装置7を用いる場合、単にドライバ74に供給する電源電圧の調整のみでは、+25Vの感度制御パルスφCMDを出力することはできない。
As described above, when a sensitivity gain of 200 times is desired, a sensitivity control pulse φCMD of +25 V is required. When a newly designed power supply capable of outputting a voltage of about 30 V at the maximum is used, it is possible to obtain a sensitivity control pulse φCMD of +25 V by controlling the voltage regulator 78 with a signal from the CCD
従って、本実施の形態においては、電圧レギュレータ78を、CCD感度制御回路32からの信号により、電源装置7からの+19Vの電圧を0〜+15Vに可変する可変レギュレータとし、電圧レギュレータ79を、電源装置7からの−15Vの電圧を−10Vの電圧に調整して固定する固定レギュレータとすることにより、ドライバ74から最大25Vの振幅(−10V〜+15Vの電圧差)を有する正負の極性を有するパルスを出力可能とし、この正負の極性のパルスの基底レベルを、振幅座標軸上で基準レベル(0V)までシフトさせることにより、ピーク値+25Vの感度制御パルスφCMDを得る。
Therefore, in the present embodiment, the voltage regulator 78 is a variable regulator that varies the voltage of + 19V from the
尚、電圧レギュレータ78,79は、双方を可変レギュレータとしても良く、また、電圧レギュレータ79を省略して電源装置7から負の電圧を直接供給するようにしても良い。要は、ドライバ74から電圧差25Vのパルスが出力されるようにすれば良い。
Both voltage regulators 78 and 79 may be variable regulators, or the voltage regulator 79 may be omitted and a negative voltage may be directly supplied from the
ここで、ドライバ74から出力される正負の極性を有するパルスの基底レベルを所定の基準レベル(0V)にシフトする回路としては、図7に例示するように、直流バイアスを与えるバイアス回路80が考えられる。このバイアス回路80は、ドライバ74からの出力パルス信号をコンデンサC3によって交流結合した後、調整回路VRを介して+15Vの電源から直流バイアスを与え、ドライバ74の出力パルスの基底レベルを基準レベル(0V)にシフトさせるものである。
Here, as a circuit for shifting the base level of a pulse having positive and negative polarities output from the
しかしながら、バイアス回路80によるレベルシフトは、コンデンサC3を介した交流成分の積分値の平均をシフトさせるに過ぎないため、ドライバ74に供給する電圧を可変制御したとき、バイアスも連動させて制御しないと、バイアス回路80から出力されるパルスの基底レベルが基準レベルに対して変動してしまう。
However, since the level shift by the
例えば、図8に示すように、ドライバ74から出力される−10V〜+15V振幅のパルス(a’点波形)をシフトさせて0〜+25V振幅のパルス(b’点波形)となるようにバイアスを設定しても、同じバイアスでは、ドライバ74からの出力パルスが−10V〜+15V以下の振幅に可変制御されたとき、バイアス回路80を経たパルスの基底レベルを基準レベル(0V)に維持することができず、オフセットδが生じてしまう。このオフセットδは、特に高倍率域での感度増幅率の制御誤差を拡大し、所望の感度増幅率での内視鏡観察を阻害する。このオフセットδを解消するには、ドライバ74の電圧可変制御にバイアスを連動させねばならず、制御上、困難である。
For example, as shown in FIG. 8, the pulse (a ′ point waveform) output from the
従って、本実施の形態においては、図5に示すように、ドライバ74の出力側に、ドライバ74から出力される正負極性のパルスを、振幅を維持しながら正側にシフトして基準レベルに固定するクランプ回路90が設けられている。このクランプ回路90は、高精度にはオペアンプ等のアクティブ素子を用いて構成しても良いが、コスト対効果の面から、ドライバ74からの出力をコンデンサC4に交流結合した後、ダイオードD4によってクランプするダイオードクランプ回路が有効である(ここでR1は、放電用の抵抗である)。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the positive and negative pulses output from the
図5のクランプ回路90は、ダイオードD4を理想ダイオードとしたときの基本構成を示すものであり、入力パルスの基底レベルを基準レベルである0レベルに固定するため、ダイオードD4のアノードを接地しており、図9に示すように、例えば、ドライバ74から−10V〜+15V振幅のパルス(a点波形)がクランプ回路90に入力された場合、この入力パルスの負側でダイオードD4が導通してコンデンサC3を充電し、クランプ回路90の出力を0レベルに固定する。更に、入力パルスの正側では、入力パルスの電圧(+15V)とコンデンサC3の充電電圧(−10V)との差がクランプ回路90の出力となり、+25Vのピーク値となる(b点波形)。
The
尚、実際のクランプ回路では、ダイオードD4の順方向特性の影響を打ち消す回路構成とすることが望ましい。 In an actual clamp circuit, it is desirable to have a circuit configuration that cancels the influence of the forward characteristics of the diode D4.
その結果、CCD感度制御回路32からの信号により電圧レギュレータ78を介して電圧可変制御されたドライバ74の出力パルス、例えば、図10に示すように、−10V〜0V,…,−10V〜+5V,…,−10V〜+15Vの振幅を有するパルスが、0〜+10V,…,0〜+15V,…,0〜+25Vのパルス振幅を有するパルスとして出力され、電源装置7の最大電圧(+19V)を越えたピーク値(+25V)且つ基底レベルが0レベルに固定された感度制御パルスφCMDを得ることができる。
As a result, the output pulse of the
このクランプ回路90によるドライバ74の出力パルスのクランプでは、プッシュプル型のドライバ74に生じる直流オフセット電圧を補正することができると共に、CCD19へ感度制御パルスφCMDを伝送するCCD駆動信号線13の周波数特性のばらつきによるバイアス変動を抑制することができ、安定したパルスの供給を可能として画質向上に寄与することができる。
In the clamp of the output pulse of the
次に、CCD19の電子シャッタ機能について説明する。
電子シャッタの動作原理は、一般のCCDと同じように、例えばオーバーフロードレイン(Over Flow Drain)に印加するパルスの電圧値(振幅)によるオーバーフロー特性の変化を利用した基板排出形である。
Next, the electronic shutter function of the
The operating principle of the electronic shutter is a substrate discharge type using the change in overflow characteristics due to the voltage value (amplitude) of a pulse applied to, for example, an overflow drain (Over Flow Drain), as in a general CCD.
オーバーフロードレインに印加する電子シャッタ用のパルスφOFDがCCD19に入力(Hレベル)されている期間では、CCD19の画素内の信号電荷(含ノイズ電荷)は基板に排出されて、CCD19の画素に信号電荷は蓄積されない。電子シャッタパルスφOFDがCCD19に入力されていない期間では、CCD19の画素に信号電荷が蓄積される。
During the period when the electronic shutter pulse φOFD to be applied to the overflow drain is input to the CCD 19 (H level), the signal charge (noise-containing charge) in the pixel of the
尚、電子シャッタパルスφOFDのパルス幅やパルス数として任意の値が設定可能なため、CCD19の信号電荷の蓄積時間は任意の時間で制御可能である。
Since any value can be set as the pulse width and the number of pulses of the electronic shutter pulse φOFD, the signal charge accumulation time of the
次に、CCD19の駆動タイミングについて説明する。
図11は、特殊光モード時の3波長の内、1波長分のCCD19の駆動信号と出力信号を示すタイミングチャートであり、図11(a)は特殊光モード時のRGB回転フィルタ43の動作、図11(b)は特殊光モード時の垂直転送パルスφP1,φP2、図11(c)は特殊光モード時の感度制御パルスφCMD、図11(d)は特殊光モード時の水平転送パルスφS1,φS2、図11(e)は特殊光モード時の電子シャッタパルスφOFD、図11(f)は特殊光モード時のCCD19の出力信号をそれぞれ示している。
Next, the drive timing of the
FIG. 11 is a timing chart showing the drive signal and output signal of the
図12は、通常光モード時の3波長の内、1波長分のCCD19の駆動信号と出力信号のタイミングチャートを示し、図12(a)は通常光モード時のRGB回転フィルタ43の動作、図12(b)は通常光モード時の垂直転送パルスφP1,φP2、図12(c)は通常光モード時の感度制御パルスφCMD、図12(d)は通常光モード時の水平転送パルスφS1,φS2、図12(e)は通常光モード時の電子シャッタパルスφOFD、図12(f)は通常光モード時のCCD19の出力信号をそれぞれ示している。
12 shows a timing chart of the drive signal and output signal of the
ここで、図11及び図12において、1サイクルとは、3波長の内1波長分のサイクルを示しており、RGB回転フィルタ43の1/3回転分の動作を示している。
Here, in FIG. 11 and FIG. 12, one cycle indicates a cycle corresponding to one of the three wavelengths, and indicates an operation corresponding to 1/3 rotation of the
期間TE(特殊光モード)、TE’(通常光モード)は、露光期間である。CCD19は、この露光期間中にCCD19受光面に被写体から入射された光を光電変換により信号電荷として蓄積可能になっている。
Periods TE (special light mode) and TE ′ (normal light mode) are exposure periods. The
また、期間TD(特殊光モード)、TD’(通常光モード)は、イメージエリア60にそれぞれ期間TE、TE’で蓄積された信号電荷を、1水平ライン毎に垂直転送パルスφP1,φP2により水平転送路62に転送し、水平転送パルスφS1,φS2によってダミー63、電荷増幅部64、出力アンプ65に順次転送して、出力アンプ65で電荷電圧変換して出力する期間である。
In the periods TD (special light mode) and TD ′ (normal light mode), the signal charges accumulated in the
特殊光モード時において、RGB回転フィルタ43には、1サイクルにおいて図11(a)に示す露光期間TEと遮光期間TDが設定されている。
In the special light mode, the
図11(e)に示す電子シャッタパルスφOFDは、図11(a)に示す露光期間TEの初めにCCD19の画素の電荷クリアを行うためのハイレベルのパルス期間TCとなり、その後、ローレベルに立ち下がり、CCD19の画素に電荷を蓄積させる電荷蓄積期間TAとなる。
The electronic shutter pulse φOFD shown in FIG. 11 (e) becomes a high level pulse period TC for clearing the charge of the pixels of the
図11(a)に示す遮光期間TD、即ちCCD19の読み出し期間TDにおいて、CCD駆動回路31は、図11(b)に示す垂直転送パルスφP1,φP2、図11(c)に示す感度制御パルスφCMD、図11(d)に示す水平転送パルスφS1,φS2を出力し、これによりCCD19の読み出しが行われ図11(f)に示すCCD19の出力信号が得られる。
In the light shielding period TD shown in FIG. 11A, that is, the readout period TD of the
ここで、CCD駆動回路31は、図11(c)に示す感度制御パルスφCMDに対し、CCD感度制御回路32から供給されるデータに基づいて電圧値(振幅)を可変している。CCD駆動回路31は、図11(c)に示す感度制御パルスφCMDを、図11(d)に示す水平転送パルスφS1,φS2との位相関係でCCD19に出力する。
Here, the
これにより特殊光モード時に、CCD駆動回路31は、電荷増幅部64に印加する感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を変化させ、所望の感度増幅率が得られるようにCCD19を制御する。
As a result, in the special light mode, the
一方、通常光モード時においては、RGB回転フィルタ43は、1サイクルにおいて図12(a)に示す露光期間TE’と遮光期間TD’が設定されている。
On the other hand, in the normal light mode, the
図12(e)に示す電子シャッタパルスφOFDは、図12(a)に示す露光期間TE’初めにCCD19の画素の電荷クリアを行うためのハイレベルのパルス期間TC’となり、その後、ローレベルに立ち下がり、CCD19の画素に電荷を蓄積させる電荷蓄積期間TA’となる。
The electronic shutter pulse φOFD shown in FIG. 12E becomes a high level pulse period TC ′ for clearing the charge of the pixels of the
図12(a)に示す遮光期間TD’、即ちCCD19の読み出し期間TD’において、CCD駆動回路31は、図12(b)に示す垂直転送パルスφP1,φP2、図12(d)に示す水平転送パルスφS1,φS2を出力し、これによりCCD19の読み出しが行われ図12(f)に示すCCD19の出力信号が出力される。
In the light shielding period TD ′ shown in FIG. 12A, that is, the readout period TD ′ of the
ここで、CCD駆動回路31は、通常光モード時には、図12(c)に示すように、電圧値Vth以下の感度制御パルスφCMDを出力する。これにより通常光モード時には、電荷増幅部64では電荷増幅は行われず、感度増幅率は1倍となる。
Here, in the normal light mode, the
尚、CCD19に用いたような感度可変CCDを搭載していない一般的な内視鏡がプロセッサ3に接続された場合は、CCD駆動回路31は、図12に示した通常光モード時の動作を行う。
When a general endoscope not equipped with a variable sensitivity CCD such as that used for the
図11(e)及び図12(e)に示す電子シャッタパルスφOFDは、各画素で蓄積された電荷を基板に排出させるパルスであり、露光期間開始から期間時間終了(遮光期間開始)まで任意のパルス幅または複数のパルス数で出力される。 The electronic shutter pulse φOFD shown in FIG. 11E and FIG. 12E is a pulse for discharging the charge accumulated in each pixel to the substrate, and is arbitrary from the exposure period start to the period end (light shielding period start). Output in pulse width or multiple pulses.
図11及び図12に示す期間TE,TE’はCCD19のイメージエリア60で被写体像の蓄積が可能な期間であるが、図11(e)及び図12(e)に示す電子シャッタパルスφOFDが出力されている期間TC,TC’は信号電荷は蓄積されない。そして、図11(e)及び図12(e)に示す電子シャッタパルスφOFDが出力されなくなるとCCD19の各画素に信号電荷が蓄積開始される。蓄積開始から遮光期間が始まるまでの期間TA(=期間TE−期間TC)(特殊光モード)、TA’(=期間TE’−期間TC’)(通常光モード)が実質的な蓄積時間となる。
The periods TE and TE ′ shown in FIGS. 11 and 12 are periods in which the subject image can be accumulated in the
各波長の電子シャッタパルスφOFDは、CPU30からの各波長の蓄積時間に基づいたパルス幅またはパルス数がCCD19に出力される。
As for the electronic shutter pulse φOFD of each wavelength, the pulse width or the number of pulses based on the accumulation time of each wavelength from the
例えば、特殊光モード時の3波長Ex1,Ex2,Ex3とすると、メモリ22に格納の特殊光モード時の3波長間の蓄積時間がTA(Ex1)=TE、TA(Ex2)=0.2*TE、TA(Ex3)=0.1*TEの場合は、これらのデータがCPU30を介してCCD駆動回路31に供給され、CCD駆動回路31からCCD19に出力される電荷クリアの電子シャッタパルスφOFDのパルス幅は、OFD(Ex1)=0*TE、OFD(Ex2)=0.8*TE、OFD(Ex3)=0.9*TEとなる。
For example, assuming that the three wavelengths Ex1, Ex2, and Ex3 in the special light mode are stored, the accumulation time between the three wavelengths in the special light mode stored in the memory 22 is TA (Ex1) = TE, TA (Ex2) = 0.2 *. In the case of TE, TA (Ex3) = 0.1 * TE, these data are supplied to the
また、メモリ22に格納の通常光モード時の3波長間の蓄積時間が例えばTA’(R)=0.7*TE’、TA’(G)=0.7*TE’、TA’(B)=0.7*TE’の場合は、これらのデータがCPU30を介してCCD駆動回路31に供給され、これらのデータに基づいてCCD駆動回路31からCCD19に電子シャッタパルスφOFDが出力される。電荷クリアを行う電子シャッタパルスφOFDのパルス幅は、OFD(R)=OFD(G)=OFD(B)=0.3*TE’となる。
Further, the storage time between the three wavelengths in the normal light mode stored in the memory 22 is, for example, TA ′ (R) = 0.7 * TE ′, TA ′ (G) = 0.7 * TE ′, TA ′ (B ) = 0.7 * TE ′, these data are supplied to the
次に、CCD19からの出力信号の処理系について説明する。
アナログ処理回路33には、CCD19からのCCD出力信号を増幅するためのプリアンプ及びCCDノイズを低減する為に相関2重サンプリングを行うCDS回路が設けられている。アナログ処理回路33でCDS処理された信号はA/D変換器34に出力され、デジタル信号に変換される。A/D変換器34の出力はデジタル処理回路35に出力される。
Next, a processing system for an output signal from the
The
デジタル処理回路35は、A/D変換器34から入力された映像信号に対して、クランプ処理、ホワイトバランス処理、色変換処理、電子ズーム処理、ガンマ変換処理及び画像強調処理等の信号処理を施した後、3波長の同時化処理を施して、D/A変換器36に出力する。D/A変換器36では、デジタル処理回路35からのデジタルの映像信号をアナログ信号に変換して出力する。
The
D/A変換器36から出力されたアナログの映像信号は、モニタ6に出力されて各種画像が表示される。また、D/A変換器36から出力された映像信号は、図示しない周辺機器である表示装置や記録装置にも出力される。
The analog video signal output from the D /
ここで、デジタル処理回路35におけるホワイトバランス処理や色変換処理は、通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)のそれぞれの観察モードで異なり、デジタル処理回路35は、モード切替回路50からのモード切替信号に応じて異なる処理を施している。モード切替回路50からのモード切替信号は、回転フィルタ切替機構46,RGB回転フィルタ制御回路47、測光回路37、CCD駆動回路31、CCD感度制御回路32、デジタル処理回路35に出力される。
Here, white balance processing and color conversion processing in the
モード切替回路50は、例えば、通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)のどちらかの観察モードを術者が任意に選択可能なスイッチであり、図1においては、光源装置5に設けられているが、プロセッサ3或いは内視鏡2に設けても良く、更には、これら全てに設けられても良い。
The
特殊光モード(蛍光観察)における色変換処理において、蛍光の波長と反射光の2波長に対して一定のマトリックス係数が乗算され、蛍光の波長と反射光の2波長の合成画像が構築される。また、ホワイトバランス処理において、メモリ22に格納されている設定値がCPU30経由でデジタル処理回路35に入力されることで、通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)で異なるホワイトバランスが設定される。
In the color conversion processing in the special light mode (fluorescence observation), a constant matrix coefficient is multiplied to the fluorescence wavelength and the reflected
測光回路37には、アナログ処理回路33からの映像信号が入力され、通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)における3波長の明るさの画面平均値を算出する。
The
ここで、測光回路37は、モード切替回路50からのモード切替信号に応じて、画面平均値の算出法が通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)で異なる動作を行う。
Here, according to the mode switching signal from the
通常光モードでは、測光回路37は、R,G,Bの3波長に対する画面平均値から輝度信号を算出し、光源装置5の絞り制御回路42に出力する。また、特殊光モード(蛍光観察)では、測光回路37は、Ex1,Ex2、Ex3の3波長に対する画面平均値を算出し、蛍光の波長と反射光の2波長からなる合成画像の画面平均値を生成し、CCD感度制御回路32及び絞り制御回路42に出力する。
In the normal light mode, the
CCD感度制御回路32は、特殊光モード時に、CCD19に設けられる電荷増幅部64をCCD駆動回路31を介して制御し、AGC(Auto Gain Control)を行う。CCD感度制御回路32は、CCD19の受光面に入射する被写体の強度変化に対応し、CCD19からの出力信号レベルの平均が所望の値となるようにCCD19の電荷増幅部64の感度増幅率の制御を行う。
In the special light mode, the CCD
CCD感度制御回路32には、測光回路37から蛍光画像と反射光の合成画像の画面平均値が入力され、その画面平均値と術者が任意に設定したモニタ明るさ値を比較する。尚、術者は光源装置5または信号処理装置4に設けられた図示しない明るさ設定スイッチ等からモニタ画面の任意の明るさの目標値を設定可能である。
The CCD
CCD感度制御回路32は、前記画面平均値と明るさ設定値(目標値)を比較し、比較結果(大小関係)に基づき、CCD駆動回路31からCCD19の電荷増幅部64に出力する感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を算出してCCD駆動回路31に出力する。
The CCD
CCD感度制御回路32のAGC制御法について以下に説明する。
図4に示した電荷増幅部64の感度制御パルスφCMDの電圧値と感度増幅率の関係は、下記式で近似される。
M(V)=C・Exp{α(V−Vth)}…(1)
但し、M(V)は感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)がV(v)の時の感度増幅率、Vthは電荷増幅が開始される閾値電圧、C、α、Vthは設計的に可変なデバイス固有の定数である。
The AGC control method of the CCD
The relationship between the voltage value of the sensitivity control pulse φCMD of the
M (V) = C · Exp {α (V−Vth)} (1)
However, M (V) is a sensitivity amplification factor when the voltage value (amplitude) of the sensitivity control pulse φCMD is V (v), Vth is a threshold voltage at which charge amplification is started, and C, α, and Vth are variable in design. Device-specific constants.
ある強度の被写体をCCDで撮像する場合、感度制御パルスφCMDの電圧値の増減により画像の画面平均値が指数関数的に変化することを利用し、CCD感度制御回路32は、被写体からの蛍光と反射光強度の変化に対し、合成された蛍光画像の画面平均値と術者が設定したモニタ明るさと目標値が一致するように感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)の大きさを変化(増減)させる。また、CCD感度制御回路32は、感度制御パルスφCMDの電圧値が閾値以下の場合に印加電圧が10(V)となるように、CCD駆動回路31を制御する。
When a subject having a certain intensity is imaged by the CCD, the CCD
図13及び図14は、電荷増幅部64に入力される感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を変化させることにより、感度増幅率を変化させた場合のモニタ6に表示される被写体強度に対する信号出力及びS/N特性を示している。
FIGS. 13 and 14 show the signal with respect to the subject intensity displayed on the
これらの図に示すように、微弱光領域(被写体強度が小さい)において、感度増幅率1倍(増幅なし)では、モニタ上での明るさは暗く、画質(S/N)は低いが、感度増幅率を大きくするに従いモニタは明るく、かつ、高画質となる特性を有する。 As shown in these figures, in a faint light region (subject intensity is low), when the sensitivity amplification factor is 1 (no amplification), the brightness on the monitor is dark and the image quality (S / N) is low. As the gain is increased, the monitor is brighter and has higher image quality.
次に、光源装置5について説明する。
光源装置5は、ランプ40と、絞り41と、絞り制御回路42と、RGB回転フィルタ43と、モータ44と、集光レンズ45と、回転フィルタ切替機構46と、RGB回転フィルタ制御回路47と、モード切替回路50とを含んで構成されている。
Next, the
The
ランプ40は、キセノンランプ、ハロゲンランプ、LED、LD(半導体レーザー)等からなる照明光を発生する。集光レンズ45は、ランプ40から絞り41とRGB回転フィルタ43を介して導かれる照明光の光束をライトガイド12の後端面に集光する。
The
絞り41とRGB回転フィルタ43は、ランプ40と集光レンズ45との間に挿入される。RGB回転フィルタ43は、モータ44の回転軸に回転可能に接続されており、RGB回転フィルタ制御回路47により所定の速度で回転制御される。
The diaphragm 41 and the
RGB回転フィルタ制御回路47は、モード切替回路50からのモード切替信号によりRGB回転フィルタ43(モータ44)の回転速度を所定の回転速度に制御可能になっている。RGB回転フィルタ制御回路47は特殊光モード時の回転速度を通常光モードよりも遅くして露光時間を延長することも可能である。
The RGB rotation filter control circuit 47 can control the rotation speed of the RGB rotation filter 43 (motor 44) to a predetermined rotation speed by a mode switching signal from the
絞り制御回路42には、測光回路37から画面平均値が入力され、その画面平均値と術者が任意に設定したモニタ明るさ目標値を比較する。絞り制御回路42は、前記比較結果(大小関係)から、ランプ40とRGB回転フィルタ43の間に配置されている絞り41の開閉動作を制御することにより、ライトガイド12の後端面への光量を制御する。
The
RGB回転フィルタ43は、図15に示すように内周部分と外周部分に2組のフィルタセット48、49を有する2重構造となっている。
As shown in FIG. 15, the
図1に示すように回転フィルタ切替機構46は、ランプ40とライトガイド12の後端面とを結ぶ照明光の光軸上に図15に示すRGB回転フィルタ43の内周側の第1フィルタセット48と外周側の第2フィルタセット49とのいずれかを選択的に移動させ、RGB回転フィルタ43全体を移動して照明光路上に配置させる。
As shown in FIG. 1, the rotary filter switching mechanism 46 has a first filter set 48 on the inner peripheral side of the
通常光モード時に回転フィルタ切替機構46は、ランプ40からの照明光路上に内周側のフィルタセット48を配置する(ランプ40からの光ビームP1(図15の実線)を内周側のフィルタセット48に入射させる)。 In the normal light mode, the rotary filter switching mechanism 46 arranges the inner peripheral filter set 48 on the illumination optical path from the lamp 40 (the light beam P1 from the lamp 40 (solid line in FIG. 15) is the inner peripheral filter set. 48).
特殊光モード時に回転フィルタ切替機構46は、ランプ40からの照明光路上に外周側のフィルタセット49を配置する(ランプ40からの光ビームP2(図15の破線)を外周側のフィルタセット49に入射させる)。 In the special light mode, the rotary filter switching mechanism 46 arranges the outer peripheral filter set 49 on the illumination optical path from the lamp 40 (the light beam P2 from the lamp 40 (broken line in FIG. 15) is applied to the outer filter set 49. Incident).
図15に示すように、RGB回転フィルタ43の内周部分の第1フィルタセット48は、通常光モード用のR,G,Bの3枚のフィルタであり、赤(R)、緑(G)、青(B)の波長帯域を透過する分光特性を有するフィルタ48R,48G,48Bを有する。
As shown in FIG. 15, the first filter set 48 in the inner peripheral portion of the
外周部分の第2のフィルタセット49には、特殊光モード(蛍光観察)用の分光特性を有するEx1、Ex2、Ex3の3枚のフィルタ51,52,53が設けられている。例えば、本実施の形態では、Ex1のフィルタ51は390〜470nm領域を透過する励起光用フィルタである。Ex2のフィルタ52は中心波長550nm付近、半値幅10nm程度の狭帯域でかつ透過率数%程度の分光特性を有する反射光用フィルタである。また、Ex3のフィルタ53は中心波長600nm付近、半値幅10nm程度の狭帯域でかつ透過率数%程度の分光特性を有する反射光用フィルタである。
The second filter set 49 in the outer peripheral portion is provided with three
特殊光モードにおいて、内視鏡2の照明レンズ16から照射される照明光は例えば図16に示すような分光特性を有している。
In the special light mode, the illumination light emitted from the
フィルタ48R、48G、48BはCCD19の露光期間に対応し、各フィルタ48R、48G、48Bの間54に設けられる遮光部は、CCD19の遮光期間(読み出し期間)に対応する。これは第2フィルタセット49も同様である。特殊光観察用の第2フィルタセット49のそれぞれの大きさは、通常光観察用の第1フィルタセット48よりも大きくしてある。これは、特殊光観察時には通常光観察時よりも露光時間を長くするためである。
The
尚、図15では通常光用のフィルタ48R、48G、48Bを内周に、特殊光用のフィルタ51,52,53を外周に設けたが、逆の配置でも良い。
In FIG. 15, the
次に、以上の内視鏡装置1の使用方法について説明する。
Next, the usage method of the
内視鏡検査を開始するに当たり、術者は複数種類の内視鏡の中から観察部位に対応した種類の内視鏡2をプロセッサ3に接続する。これにより、プロセッサ3のCPU30は内視鏡2の記憶装置20のCPU21を介してメモリ22に格納されている内視鏡2に関する各種データの読み出しを行う。そして、各種データの一つである内視鏡の種類に応じた通常光モードと特殊光モード(蛍光観察)のそれぞれの3波長のCCD19における電荷蓄積時間もメモリ22からCPU30に読み出される。この電荷蓄積時間データは観察モードに応じてCCD駆動回路31に出力される。
In starting the endoscopy, the surgeon connects the type of
次に、通常光モード及び特殊光モード(蛍光観察)の作用を説明する。 Next, the operation of the normal light mode and the special light mode (fluorescence observation) will be described.
術者は、内視鏡2の挿入部11を患者体腔内(気管支、食道、胃、大腸、腹腔、胸腔、膀胱、子宮等)に挿入し、観察を行う。
The surgeon inserts the insertion portion 11 of the
通常光観察(通常光モード)を行う場合には、回転フィルタ43は第1フィルタセット48が照明光路上に配置され、CCD19の感度増幅率は1倍(感度増幅なし)に設定される。ランプ40から照射される照明光は、第1フィルタセット48を透過することにより、R(赤)、G(緑)、B(青)の面順次照明光が生体組織に内視鏡2のライトガイド12を介して照明レンズ16から時系列的に照射される。
When normal light observation (normal light mode) is performed, the
CCD駆動回路31は、CPU30から入力される通常光モード時のR,G,Bの蓄積時間データに基づき、CCD19に、R,G,Bの反射光の各露光時間に電子シャッタパルスφOFDを出力し、電荷クリアされるパルス期間を制御して所望の蓄積時間制御を行う。
The
CCD19における画素の電荷の蓄積時間は、感度可変CCDを搭載していない一般的な内視鏡よりも短い。自家蛍光は微弱なため、CCD19の受光面への入射光量を大きくする必要があり、例えばライトガイド12は一般的な内視鏡よりも本数を多くしたり、対物レンズ17は一般的な内視鏡よりも明るいレンズが搭載された設計となっている。そのため、通常光観察を行うと、一般的な内視鏡に比べてCCD19の受光面への入射強度は大きくなるため、蓄積時間を短くすることにより入射量を調整するように、内視鏡の種類に応じて蓄積時間が設定されている。
The accumulation time of the pixel charges in the
測光回路37はモニタ画面に表示される輝度信号を算出し、絞り制御回路42に出力する。絞り制御回路42は、輝度信号と術者が設定したモニタ明るさの基準値(目標値)との比較を行い、比較結果(大小)に応じて絞り41の開閉制御を行う。
The
この絞り制御回路42は、モニタ画面(輝度信号)が基準値よりも明るい場合は絞り41を閉じる方向(ライトガイド12の後端面への照射強度が小さくなる)に動作させる。一方、モニタ画面が基準値よりも暗い場合は絞り41を開ける方向(ライトガイド12の後端面への照射強度が大きくなる)に動作させる。
When the monitor screen (luminance signal) is brighter than the reference value, the
以上のように、内視鏡装置1は、生体組織への照射強度を変化させることで、モニタ6の明るさが術者の設定値で維持されるように、絞り41の制御による自動調光動作(光源装置の絞り開閉制御による調光)を行う。
As described above, the
生体組織からのR,G,Bの反射光は、CCD19に順次入射される。CCD19からのR,G,Bの反射光に対応するCCD出力信号は信号処理装置4に入力され、アナログ処理回路33、デジタル処理回路35で各種信号処理が施され、モニタ6や記憶装置等の周辺機器に出力される。これにより、モニタ6や周辺機器に通常光画像の表示や記録が行われる。モニタ6には、図13及び図14に示すような感度増幅率1倍に対応する出力信号及びS/N特性が得られる。
The R, G, B reflected light from the living tissue sequentially enters the
蛍光観察(特殊光モード)を行う場合には、術者はモード切替回路50を構成する内視鏡2やプロセッサ3に設けられているモード切替スイッチ等で特殊光モード(蛍光観察)を選択する。この選択指示に伴い、回転フィルタ切替機構46は、RGB回転フィルタ43の第2フィルタセット49を照明光路上に配置する。また、絞り制御回路42は、CCD19への入射光強度が小さいために絞り41をほぼ全開の位置に保持する。
When performing fluorescence observation (special light mode), the surgeon selects the special light mode (fluorescence observation) with a mode switch provided in the
内視鏡2が生体組織に近接〜拡大した場合は、CCD19への蛍光の入射強度が大きくなり、電荷増幅部64の感度増幅率が1倍(増幅なし)でもモニタ画面が飽和となる場合がある。その場合は、絞り制御回路42は、絞り41を閉じる方向に制御し、これにより被写体への照射光量を調整する制御が行われる。
When the
光源装置5のランプ40から照射された照明光はRGB回転フィルタ43の第2のフィルタセット49を透過することにより発生する、フィルタEx1の励起光である青色帯域、フィルタEx2の緑狭帯域光、フィルタEx3の赤狭帯域光が、それぞれ集光レンズ45を介してライトガイド12の後端面に入射され、内視鏡2の先端部15に搭載されている照明レンズ16から生体組織に例えば図16に示すような分光特性(スペクトル、強度)を有する照明光として順次に照射される。
The illumination light emitted from the
CCD駆動回路31は、CPU30から入力される特殊光モード(蛍光観察)時の蛍光、緑反射光、赤反射光のそれぞれの蓄積時間データに基づき、CCD19に蛍光の波長と反射光の2波長の撮像時に電子シャッタパルスφOFDの電荷クリアするパルス幅(期間)を制御し、所望の蓄積時間となるように制御する。蛍光の波長と反射光の2波長の蓄積時間は、反射光の2波長よりも蛍光の方が長いため、電子シャッタパルスφOFDのパルス幅は蛍光よりも反射光の2波長の方が長くなる。
Based on the accumulation time data of fluorescence, green reflected light, and red reflected light in the special light mode (fluorescence observation) input from the
自家蛍光強度は反射光強度に対して非常に微弱であり、また、蛍光の波長と反射光の2波長の強度比は部位毎に異なる。このため、例えば図16に示すような照射光を正常な生体組織に照射すると、CCD19の受光面にある部位(複数の内視鏡の種類の一種類)では、例えば図17に示すような自家蛍光の波長と反射光の2波長のスペクトルが得られる。 The autofluorescence intensity is very weak with respect to the reflected light intensity, and the intensity ratio between the fluorescence wavelength and the two wavelengths of the reflected light differs from site to site. Therefore, for example, when normal living tissue as shown in FIG. 16 is irradiated onto a normal living tissue, the part on the light receiving surface of the CCD 19 (one kind of a plurality of endoscopes), for example, as shown in FIG. A spectrum of two wavelengths of fluorescence wavelength and reflected light is obtained.
ここで、各波長の強度比は、例えば、おおよそ蛍光:緑反射光(緑狭帯域):赤反射光(赤狭帯域)=1:5:10と仮定する。 Here, it is assumed that the intensity ratio of each wavelength is, for example, approximately fluorescence: green reflected light (green narrow band): red reflected light (red narrow band) = 1: 5: 10.
特殊光モード時の各波長の蓄積時間TAは、例えば蛍光=TE、緑反射光は0.2*TE、赤反射光は0.1*TEがメモリ22に格納されており、蛍光の波長と反射光の2波長をこの蓄積時間で撮像すると各波長では同等レベルの画面平均値となる。このように、蛍光は反射光の2波長よりも長い蓄積時間で撮像される。また、他の部位で蛍光と反射光の強度比が大きく異なればCPU30は、その強度比を考慮して蛍光の波長と反射光の2波長の蓄積時間を算出する。メモリ22には内視鏡の種類毎に最適な蓄積時間データが格納されている。
The storage time TA of each wavelength in the special light mode is, for example, fluorescence = TE, green reflected light is 0.2 * TE, and red reflected light is 0.1 * TE stored in the memory 22. When the two wavelengths of reflected light are imaged during this accumulation time, the average screen value at the same level is obtained at each wavelength. Thus, fluorescence is imaged with an accumulation time longer than two wavelengths of reflected light. Further, if the intensity ratio of the fluorescence and the reflected light is greatly different in other parts, the
測光回路37は、モニタ画面の明るさに関連する蛍光と反射光の合成画像の画面平均値を算出し、この結果を、CCD感度制御回路32と絞り制御回路42に出力する。
The
CCD感度制御回路32は、画面平均値と術者が設定したモニタ明るさの基準値(目標値)とを比較し、比較結果(大小)に応じてCCD19の電荷増幅部64の感度増幅率の制御を行うために、CCD駆動回路31からCCD19に出力される感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を可変制御する。
The CCD
モニタ画面が基準値よりも明るい場合、CCD感度制御回路32は感度制御パルスφCMDの電圧値をより小さくすることにより感度増幅率を小さくする。一方、モニタ画面が基準値よりも暗い場合には、CCD感度制御回路32は感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)をより大きくすることにより感度増幅率を大きくする。
When the monitor screen is brighter than the reference value, the CCD
これらの動作により、明るさが変化する被写体に対して、モニタ6の明るさを術者の設定値(目標値)に維持できるようにCCD19の電荷増幅部64の感度増幅率を変化させて自動調光動作(電荷増幅部64の感度増幅率制御によるAGC)が行われる。また、CCDの温度変化により感度増幅率が変化しても、モニタ6の明るさを術者の設定値(目標値)に維持できるようにCCD19の電荷増幅部64の感度増幅率を変化させる自動調光制御が行われる。
With these operations, the sensitivity amplification factor of the
対物レンズ17には、生体組織への励起光照射による励起光自身の反射光及び励起光により生体組織から発せられた概ね520nm付近にピークを有する自家蛍光が入射されるが、励起光カットフィルタ18により励起光自体はカットされ、CCD19の受光面には自家蛍光のみが入射する。また、緑狭帯域及び赤狭帯域の照明光に対する反射光は、対物レンズ17に入射し、励起光カットフィルタ18を透過してCCD19の受光面に入射する。
The
生体組織からの蛍光、緑反射光、赤反射光は、CCD19に順次入射される。CCD19からの各波長に対応するCCD出力信号は信号処理装置4に入力され、アナログ処理回路33、デジタル処理回路35で各種所定の信号処理が施され、モニタ6やパーソナルコンピュータ等の周辺機器において蛍光画像の表示や記憶が行われる。
Fluorescence, green reflected light, and red reflected light from the living tissue are sequentially incident on the
また、デジタル処理回路35では、蛍光、緑反射光、赤反射光の撮像時にホワイトバランス係数は、メモリ22に格納されている通常光モードとは異なる特殊光モード(蛍光観察)の設定値に切り換えられる。また、色変換処理では、例えば各波長の出力は、蛍光はGチャンネル、赤反射光はBチャンネル、緑反射光はRチャンネルに出力されるように色変換が施される。
Further, in the
これにより、モニタ6には、図13及び図14に示すような任意の感度増幅率に対応する出力信号及びS/N特性が得られる。特に微弱光領域において、CCD19の電荷増幅部64への感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を変え、感度増幅率を大きくすることにより、モニタ6には、感度増幅率に相当する出力信号及びS/N特性が得られる。
Thereby, an output signal and an S / N characteristic corresponding to an arbitrary sensitivity amplification factor as shown in FIGS. 13 and 14 are obtained in the
この場合、CCD19の感度増幅率は、3倍、10倍のみならず、感度制御パルスφCMDの電圧値(振幅)を制御することにより任意の値に増幅可能であり、本実施の形態においては、比較的低電圧の電源装置7を用いながら、この電源装置7の最大出力電圧(+19V)を越えた高電圧(+25V)の感度制御パルスφCMDを生成することができ、200倍といった高感度増幅率での観察を有効に行うことができる。
In this case, the sensitivity amplification factor of the
蛍光観察は、例えば青色領域の励起光を粘膜に照射すると520nm付近にピークを有する自家蛍光が得られ、この自家蛍光の強度比は正常部位に対して病変部位は小さい特性を利用したものである。 In fluorescence observation, for example, when the mucous membrane is irradiated with excitation light in a blue region, autofluorescence having a peak near 520 nm is obtained, and the intensity ratio of this autofluorescence uses a characteristic that a lesion site is smaller than a normal site. .
また、血液の影響、すなわちヘモグロビン吸収帯を鋭敏に捉えられる緑反射光、及び、参照光(血液の影響がない波長帯域)として赤反射光を用いることにより、観察対象部位を撮像して得られる合成画像は、炎症(血液)の影響を除外した病変の有無が鋭敏に検出可能な画像となる。例えば、蛍光観察により、炎症や過形成は正常組織と同じ色に表示され、腺腫やガンの部位は正常組織とは異なる色で表示される。これらにより、通常観察に比べて腫瘍性病変の拾い上げが容易となる。 In addition, it is obtained by imaging the site to be observed by using red reflected light as the influence of blood, that is, green reflected light capable of capturing the hemoglobin absorption band sensitively and reference light (wavelength band not affected by blood). The composite image is an image in which the presence or absence of a lesion excluding the influence of inflammation (blood) can be detected with high sensitivity. For example, by fluorescence observation, inflammation and hyperplasia are displayed in the same color as the normal tissue, and adenoma and cancer sites are displayed in a different color from the normal tissue. These make it easier to pick up neoplastic lesions compared to normal observation.
以上のように、本実施の形態によれば、CCDを高感度で駆動する際に、電源で使用可能な上限電圧による制限を回避して、電源の上限電圧を越えた高電圧の感度制御パルスで駆動することができ、より微弱な光で適切な明るさの観察画像を良好な画質で得られるようになる。従って、高電圧・大容量の新たな電源を用いることによるシステム全体としての大型化や重量増、コスト上昇を招くことなく、より高倍率の感度での内視鏡観察が可能となる。 As described above, according to the present embodiment, when the CCD is driven with high sensitivity, the limitation due to the upper limit voltage that can be used by the power supply is avoided, and the high-voltage sensitivity control pulse that exceeds the upper limit voltage of the power supply. Thus, an observation image with appropriate brightness can be obtained with a weaker light with good image quality. Therefore, it is possible to perform endoscopic observation with higher magnification sensitivity without increasing the size, weight, and cost of the entire system by using a new power source with high voltage and large capacity.
尚、本実施の形態においては、感度を可変可能な固体撮像素子として、水平転送路と出力アンプの間に電荷増幅部を搭載したCCDを例に取って説明したが、電荷増幅部を画素毎に搭載したCCDでも良い。その場合、電荷増幅はプロセッサからCCDの電荷増幅部に感度制御パルスの印加により可能となり、感度増幅率は感度制御パルスの電圧値(振幅)またはパルス数の制御により可能となる。 In the present embodiment, as a solid-state imaging device capable of varying sensitivity, a CCD having a charge amplification unit mounted between a horizontal transfer path and an output amplifier has been described as an example. It may be a CCD mounted on the. In that case, the charge amplification can be performed by applying a sensitivity control pulse from the processor to the charge amplification section of the CCD, and the sensitivity amplification factor can be controlled by controlling the voltage value (amplitude) or the number of pulses of the sensitivity control pulse.
また、本実施の形態では、内視鏡先端に1つの固体撮像素子であるCCDを搭載した例を示したが、内視鏡先端に2つのCCDを搭載し、第1のCCDを通常光モード用、第2のCCDを特殊光モード用にしても良い。その場合、内視鏡の内部または内視鏡とプロセッサを接続するケーブルの内部にリレー等からなるCCD駆動信号や読み出し信号のCCD切替スイッチ等を設けて、モード切替回路からのモード切替信号に応じて各観察モードに対応するCCDの駆動及び読み出しを行えば良い。また、プロセッサ内に2つのCCDに対応したCCD駆動及び読み出し回路を設けても良い。 In the present embodiment, an example is shown in which a single CCD, which is a solid-state imaging device, is mounted on the endoscope tip. However, two CCDs are mounted on the endoscope tip, and the first CCD is in the normal light mode. The second CCD may be used for the special light mode. In that case, a CCD drive signal consisting of a relay or the like, a CCD changeover switch for a readout signal, etc. are provided in the endoscope or in the cable connecting the endoscope and the processor, and according to the mode change signal from the mode change circuit. Then, the CCD corresponding to each observation mode may be driven and read out. Further, a CCD driving and reading circuit corresponding to two CCDs may be provided in the processor.
更に、本実施の形態ではCCDを内視鏡先端部に搭載したが、内視鏡内に画像を伝送するイメージファイバが設けられたファイバースコープの外部(挿入部以外の場所)にCCDを搭載し、一体型としたハイブリッド型の構成にしても良いし、一体型でなくて着脱自在型の構成にしても良い。 Furthermore, in this embodiment, the CCD is mounted on the distal end portion of the endoscope. However, the CCD is mounted outside the fiberscope (image location other than the insertion portion) provided with an image fiber for transmitting an image in the endoscope. Alternatively, it may be configured as an integrated hybrid type, or may be configured as a detachable type instead of an integrated type.
1…内視鏡装置
2…内視鏡
3…プロセッサ
4…信号処理装置
5…光源装置
7…電源装置
19…CCD
31…CCD駆動回路
32…感度制御回路
74…ドライバ
78,79…電圧レギュレータ
90…クランプ回路
φCMD…感度制御パルス
代理人 弁理士 伊 藤 進
DESCRIPTION OF
31 ...
Agent Patent Attorney Susumu Ito
Claims (5)
固体撮像素子で撮像した画像の測光結果に基づく信号を受け、前記電源から出力される正極性側の電圧と負極性側の電圧とを基準レベルに対する正負の極性とする制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記制御信号の前記正負の極性による振幅を維持しながら高電位側にシフトさせ且つ前記制御信号の基底レベルを前記基準レベルに固定して前記固体撮像素子の感度を制御する感度制御信号として出力する感度制御信号出力手段とを備えたことを特徴とする内視鏡装置。 In an endoscope apparatus including a solid-state imaging device capable of changing sensitivity by applying a voltage signal, and a power source that outputs a plurality of voltage values having different polarities,
Receiving a signal based on the image of the result of photometry captured by the solid-state imaging device, the control signal for generating a control signal for the positive and negative polarity relative to the positive polarity side voltage and a negative polarity side reference level and a voltage output from the power supply Generating means;
And outputs as the sensitivity control signal for controlling the sensitivity of the basal level is fixed to the reference level the solid elements of the positive and negative and the control signal is shifted to the high potential side while maintaining the amplitude due to the polarity of the control signal An endoscope apparatus comprising: a sensitivity control signal output unit.
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