JP4634645B2 - 電子内視鏡用ccd駆動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子内視鏡に搭載されたCCDの駆動装置及び駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年では、電子内視鏡に搭載されるCCDとしてインターライン方式や、フレーム転送方式も多く用いられているが、小型・細径化された挿入部を要求される電子内視鏡では、電極や信号線の数が少なくてすむ単相駆動のVPCCD(virtual phase charged coupled device)を用いることが望ましい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、製造工程での処理条件のばらつきなどにより、電極が設けられるクロックドフェーズ(clocked phase)部と電極が設けられないバーチャルフェーズ(virtual phase)部の電荷蓄積井戸の容量にばらつきが生じる。クロックフェーズ部とバーチャルフェーズ部との間において電荷蓄積井戸の容量のバランスが悪いと、受光量が多く過剰電荷が発生している場合、水平転送部から最も離れた水平ラインから溢れ出た過剰電荷が、1画像分の出力が終了したのち水平転送部に隣接する水平ラインに残留電荷として取り残される。取り残された残留電荷は、次の露光期間には撮像される画像の信号電荷に混入し画像不良を起こす。
【0004】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、VPCCDを用いた電子内視鏡において、常に良好な画像を得ることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子内視鏡用CCD駆動装置は、複数の画素が列状に配列される水平ラインをM段備える受光部と、M段の水平ラインのうち一番外側に位置する水平ラインの一方の水平ラインに隣接して平行に設けられ、これら複数の画素に蓄積される信号電荷を水平ライン単位で出力する水平転送部とを備える単相駆動のバーチャルフェーズCCDを撮像素子として用いた電子内視鏡において用いられ、露光期間中に各水平ラインの各画素に蓄積された信号電荷を、水平ラインを単位として水平転送部方向へ順次1段ずつ転送するとともに水平転送部に隣接する水平ラインに保持された信号電荷を水平転送部へ転送する垂直転送手段と、垂直転送手段により水平転送部へ転送された1水平ライン分の信号電荷を、垂直転送手段により次の水平ラインが転送されてくる前にCCDの外部へと出力する水平転送手段とを備え、垂直転送手段が、CCDが露光されない遮光期間中に少なくとも(M+1)段以上の水平ラインの転送を行うことを特徴としている。
【0006】
垂直転送手段は好ましくは、垂直駆動パルスにより駆動され、垂直駆動パルスのパルス数が水平ラインの転送される段数に対応している。また、垂直転送手段は、遮光期間中に(M+1)段の転送を行うときに最も転送期間を短くすることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態である電子内視鏡システムの回路構成を概略示すブロック図である。
【0008】
本実施形態の電子内視鏡システムは、電子内視鏡(電子スコープ)10、映像信号処理装置27、TVモニタ28から概略なる。電子内視鏡10は、映像信号処理装置(以後プロセッサと呼ぶ)27に着脱自在に接続され、TVモニタ28はビデオ信号用のケーブルを介してプロセッサ27のビデオ出力端子に接続される。なお本実施形態では、周辺装置としてTVモニタ28のみが示されているが、例えばビデオプリンタやVCR、コンピュータ等の周辺装置が同時に接続されていてもよい。
【0009】
電子内視鏡10は、細長で可撓性の挿入部11、電子内視鏡の操作を行うための操作部12、可撓性を有する連結部13、及びプロセッサ27との接続を行うためのコネクタ部20とからなる。挿入部11の先端には単相駆動式のVPCCD14が設けられている。VPCCD14は、コネクタ部20内に設けられたCCDドライバ24から出力されるCCD駆動パルスにより駆動制御され、CCDドライバ24は、タイミングコントロール回路25から出力されるクロックパルスに基づいて駆動される。
【0010】
電子内視鏡10は例えば面順次方式で撮像を行い、挿入部11の先端からは、R(赤)、G(緑)、B(青)の照明光が時系列に順次断続的に射出される。CCD14では、照射されたRGBの照明光に合わせて、RGBの各色毎に対応したモノクロの画像がアナログの画像信号として検出される。この画像信号は、信号ケーブルを介して電子内視鏡10のコネクタ部20に送られ前段処理回路21に入力される。前段処理回路21では、CCD14からの画像信号が適切な信号レベルに増幅されるとともに、サンプルホールド、ブランキング、クランプ、ホワイトバランス、ガンマ補正等の信号処理が施され、デジタルの画像信号に変換される。デジタルの画像信号は、RGB毎にモノクロの画像としてそれぞれ画像メモリ22r、22g、22bに出力され順次一時的に記憶される。画像メモリ22r、22g、22bにRGBの画像が1組揃うと、これらは後段処理回路23に同時化されて出力される。後段処理回路23では、デジタルの画像信号がアナログ信号に変換されるとともに増幅、クランプ、ブランキング処理を施され、例えば輝度信号Y、色信号Cに変換される。この輝度信号色信号Y/Cはプロセッサ27を介してTVモニタ28に出力される。前段処理回路21、フィールドメモリ22r、22g、22b、後段処理回路23は、タイミングコントロール回路25からのパルス信号に基づきシステムコントロール回路26により制御される。なおタイミングコントロール回路25の駆動はシステムコントロール回路26によって制御される。
【0011】
挿入部11の先端から照射されるRGBの光は、電子内視鏡10内に設けられた超極細の光ファイバーの束からなるライトガイド(図示せず)を介して、プロセッサ27に設けられたランプ(図示せず)から供給されるが、本図においてプロセッサ27に設けられたランプや電子内視鏡10に設けられたライトガイドは省略されている。なおランプは例えばキセノンやハロゲンランプなどの白色光源であり、従来公知の回転円盤状の色分解フィルタによりR光、G光、B光に分解され、RGBの照明光として挿入部11の先端部から順次時系列に照射される。
なお、RからG、GからB、BからRへ照明光が交代する間には、所定の時間照明光が照射されない遮光期間があり、RGBの照明光は、RGBの順で時系列に間断的に照射される。
【0012】
電子内視鏡10の後段処理回路23から出力され、プロセッサ27に入力された映像信号には、従来公知の映像信号処理が行われる。プロセッサ27において各種信号処理が行われた映像信号は輝度信号Y、色信号Cとして同期信号とともにTVモニタ28に出力される。
【0013】
図2は、本実施形態で用いられる単相駆動VPCCD14の平面的な構造を模式的に示す図である。
【0014】
VPCCD14の受光部30は、2次元格子状に(例えば垂直方向にM段、水平方向にN列)配列された多数の画素30pから構成され、受光部30の最下段には遮光された水平転送部31が隣接して設けられている(なお、受光部30のうち水平転送部31に略平行に並ぶ画素30pの1段分の画素群を水平ライン、水平転送部31に略垂直に並ぶ画素30pの1列分の画素群を垂直ラインと以後呼ぶ)。受光部30は垂直転送部も兼ねているため、露光期間中に受光部30の各画素30pにおいて生成・蓄積された信号電荷は、遮光期間中に垂直駆動パルスφpにより1水平ラインずつ順次水平転送部31側へ転送され水平転送部31及びFDA(フローティングディフュージョンアンプ)32を介して1水平ライン毎にVPCCD14の外部へ出力される。なお水平転送部31での水平方向(図中左側)への信号電荷の転送動作は、水平駆動パルスφsにより行われる。
【0015】
図3(a)、(b)は垂直駆動パルスφpと水平駆動パルスφsのタイミングチャートであり、図4は図1に示されたタイミングコントロール回路25の中で垂直駆動パルスφp及び水平駆動パルスφsの出力に係る部分の一例を示すブロック図である。図3、図4を参照して、本実施形態における垂直駆動パルスφpと水平駆動パルスφsとの基本的な出力動作について説明する。なお、図3(b)は図3(a)の区間ABを拡大したものである。
【0016】
図3(a)に示されるように、水平駆動パルスφsは図3(b)に示される所定のタイミングで常時出力されている。これに対して、垂直駆動パルスφpは、転送期間にのみ出力され、蓄積期間には出力されない。蓄積期間は、VPCCD14が露光され、各画素30pにおいて受光量に対応する信号電荷が蓄積される期間であり、露光期間に等しい。転送期間は、2つの蓄積期間(露光期間)に挟まれる期間であり、VPCCD14において光が受光されない遮光期間に含まれる。受光部30の各画素に蓄積された被写体像に対応する信号電荷は、1つの転送期間中に垂直転送・水平転送されVPCCD14の外部へと出力される。転送期間中、垂直駆動パルスφpは図3(b)に示されるように水平駆動パルスφsが所定の回数(N回)出力される毎に出力される。この回数Nは、受光部30に配列された画素30pの垂直ライン数Nに等しく、これにより水平転送部31に転送された1水平ライン分の信号電荷が全てFDA32を介して出力される。例えば垂直駆動パルスS1が出力されると、受光部30の各水平ラインに保持された信号電荷が1水平ライン分下方へシフトされ、最下段の信号電荷は水平転送部31に転送される。その後、水平駆動パルスφsがN回出力され、水平転送部31に保持された1水平ライン分の信号電荷が順次FDA32を介してVPCCD14の外部に出力される。N回にわたる水平駆動パルスφsの出力が終了すると、垂直駆動パルスS2が出力され再び受光部30の各水平ラインに保持された信号電荷が1水平ライン分下方へシフトされる。このとき最下段の水平ラインに保持されていた信号電荷は水平転送部31に転送される。この転送動作は、受光部30が遮光された転送期間中繰り返し行われ、受光部30の各画素30pに蓄積された信号電荷は、水平ライン単位で全てVPCCD14の外部へ出力される。
【0017】
垂直駆動パルスφp、水平駆動パルスφsはCCDドライバ24から出力され、その出力のタイミングはタイミングコントロール回路25からの垂直転送クロックφkp及び水平転送クロックφksに基づいて制御される。垂直転送クロックφkp、水平転送クロックφksは、クロック信号CLK、水平同期信号HD、垂直同期信号VDに基づいて、φpタイミング発生回路35、φsタイミング発生回路36においてそれぞれ生成される。なお、クロック信号CLK、水平同期信号HD、垂直同期信号VDは、例えばタイミングコントロール回路25内で生成される。
【0018】
図5(a)、(b)、(c)は、受光部30の垂直ラインに沿った断面の一部を概念的に示す図である。図5(a)、(b)、(c)を参照して、単相駆動のVPCCD14における垂直転送動作について説明する。
【0019】
VPCCD14は、単相の電極(例えば透明電極)41が設けられたクロックドフェーズ部Acと電極が設けられていないバーチャルフェーズ部Avより構成され、各部は更に障壁部Acb、Avbと井戸部Acw、Avwとから構成される。基板40の各部には井戸部Acwに対し障壁部Acbが階段状のポテンシャル障壁を作るように、井戸部Avwに対し障壁部Avbが階段状のポテンシャル障壁を作るようにイオンが注入されている。例えば、蓄積期間(露光期間)において基板には図5(a)の実線L0で示されようなポテンシャルが形成される。すなわち、蓄積期間において垂直駆動パルスφpにL(ロー)レベルの信号電圧が印加されることにより、井戸部Acw、Avwには、ポテンシャル▲1▼、▲2▼、▲3▼、▲4▼がそれぞれ形成され、生成された電荷はこれらのポテンシャルのうちの井戸▲2▼、▲4▼に蓄積される
【0020】
転送期間中、垂直駆動パルスφpには、H(ハイ)レベルの信号電圧とL(ロー)レベルの信号電圧とが交互に印加される。すなわち、転送期間におけるクロックドフェーズ部Acには、破線L1で表されるポテンシャルレベルと、破線L2で表されるポテンシャルレベルが交互に形成される。これを繰り返すことによりポテンシャルの井戸▲2▼、▲4▼に蓄積された信号電荷は図中右手方向(水平転送部31側)へ転送される。
【0021】
例えば図5(b)に示されるように、垂直駆動パルスφpとしてHレベルの信号電圧が電極41に印加されると、▲1▼、▲3▼のポテンシャルレベルが破線L1レベルに降下するため、より深い井戸▲1▼’、▲3▼’が形成され、図5(a)において井戸▲2▼に蓄積されていた信号電荷は、それぞれ右隣のクロックドフェーズ部Acに形成された井戸▲3▼’に移動する。同様に井戸▲4▼に蓄積されていた信号電荷は、右隣のクロックドフェーズ部Acに形成されるより深い井戸に移動し、井戸▲1▼’には左隣のバーチャルフェーズ部Avの井戸部Avwから信号電荷が移動してくる。次に、図5(c)に示されるように、垂直転送パルスφpとしてLレベルの信号電圧が電極41に印加されると、井戸▲1▼'、▲3▼'のポテンシャルレベルが破線L2レベルに上昇するため、図5(b)において井戸▲1▼’、▲3▼’に転送・蓄積された信号電荷は、ポテンシャル▲1▼''、▲3▼''から井戸▲2▼、▲4▼にそれぞれ移動する。以上のように電極41にH、Lのレベルの信号電圧を繰り返し印加するタイミング制御を行うことにより各画素に蓄積された信号電荷は、順次図中右手方向(水平転送部31側)に転送される。上述の説明では、1つの垂直ラインを例にとり垂直転送動作の原理を説明したが、これらは受光部30全ての垂直ラインにおいて同時に同一のタイミング制御が行われる。すなわち、1つの水平ライン上に蓄積された信号電荷は、同一水平ラインを保ちながら順次水平転送部31側へ転送される。なお、ここで1つの画素30pは、隣接する1組のクロックドフェーズ部Acとバーチャルフェーズ部Avとからなり、図5において例えば井戸▲2▼に蓄積される信号電荷は、1つの画素30pの信号電荷となる。
【0022】
上述の垂直転送動作は、従来1転送期間中に受光部30の全水平ライン分(M段分)しか行われない。すなわち、従来の垂直転送動作では、蓄積期間に図2の最上段の水平ラインに蓄積された信号電荷が水平転送部31に転送されると垂直転送動作は終了する。しかし、単相駆動のVPCCDを用いた電子内視鏡システムにおいてこのような垂直転送動作を行うと、以下図6(a)、(b)、(c)、図7、図8を参照して説明するような画像不良が生じることがある。
【0023】
図6(a)、(b)、(c)は、図5と同様に、垂直ラインに沿った基板40の断面の一部を概念的に表した図である。ただし、図6では、受光部30の最上段の水平ライン(図中左端)を含んだ部分を示している。図6(a)には、蓄積期間において信号電荷(斜線部E2、E4)がバーチャルフェーズ部Avの井戸部Avw(斜線部E21、E41に対応)および障壁部Avb(斜線部E22、E42に対応)に蓄積された様子が示されている。このようにバーチャルフェーズ部Avの井戸部Avwだけでなく障壁部Avbまで信号電荷の蓄積が行われてしまう状態は、例えば受光部30の上方部における受光量が大きいときに生じる。
【0024】
次に電極41にHレベルの信号電圧が印加されて転送期間に移行して、図6(c)に示されるポテンシャル状態となると、図6(a)においてバーチャルフェーズ部Avに保持され斜線部E2、E4で示された信号電荷の大部分は、右隣のクロックドフェーズ部Acに移動される(斜線部E3’、E5’で示される)。しかし、図6(a)の状態から図6(c)の状態に移る過程の1局面を表した図6(b)に示したように、転送の過程において、斜線部E22’で示される信号電荷の一部は、左隣のクロックフェーズ部Acに移動してしまい(斜線部Er)残留電荷となる。この斜線部Erで示される残留電荷は、その後の垂直転送動作により順次左の方向(水平転送部の方向)へ移動され、垂直転送動作が終了したときには、受光部30の最下段の水平ライン上に保持されることとなる。したがって、この垂直転送動作に続く蓄積期間において、受光部30における最下段の水平ラインの画素では、受光により生成される信号電荷に、上述の残留電荷が混入することとなる。すなわち、単相駆動のVPCCDを用いてビデオ撮影を行なう場合に、このような残留電荷(Er)が生じると、受光部30の最下段の水平ラインに対応する画像には、前画面の最上段の水平ラインに対応する画像がオーバーラップして表示されることとなる。
【0025】
次に、図7、図8を参照して、上述の残留電荷ErがTVモニタの画像表示に従来及ぼしてきた影響について説明する。図7は、通常のビデオカメラで撮影した映像をTVモニタに表示した場合を示し、図8は、電子内視鏡で撮像した映像をTVモニタに表示した場合を示している。
【0026】
図7、8において、矩形50はTVモニタでの画像表示領域を表しており、矩形51、52は、それぞれ通常のビデオカメラのCCD、及び電子内視鏡のCCD(VPCCD)で撮像される画像の有効領域を表している。すなわち、通常のビデオカメラに搭載されたCCDでは、矩形51で示される領域の画像が検出されるが、TVモニタの画像表示領域(矩形50)には検出された画像の一部(矩形51のうち矩形50に囲まれる領域)のみが表示される。一方、電子内視鏡のCCDは通常のビデオカメラに比べて小型であり画素数が少ないため、電子内視鏡のCCDで検出された矩形52に示される領域の画像は、その全てがTVモニタの画像表示領域(矩形50)に表示される。なお、TVモニタの画像表示領域(矩形50)のうち矩形52の外側の領域には、例えば黒レベルの映像信号が出力されている。
【0027】
図7、8の矩形51、52のうち斜線が施された領域51a、52aは、画面上で輝度が相対的に低く暗い領域を示しており、斜線が施されていない領域51b、52bは、画面上で輝度が相対的に高く明るい領域を示している。また矩形51、52のうち斜線が施されていない領域51c、52cはそれぞれ、矩形51、52で示される画像のうち最上段の水平ラインに対応する領域を示している。TVモニタに表示される画像の向きは、CCDの撮像面における画像の向きとは反対なので、領域51c、52cに表示される画像は、図2に示される受光部30の最下段の水平ラインで検出される画像に対応している。図6(a)、(b)、(c)を参照して説明したように、受光部30の上寄りの画素での受光量が多く、信号電荷に溢れが生じると、最下段の水平ラインで検出される信号電荷には、前画面の最上段の水平ラインで検出された過剰な信号電荷による残留電荷(Er)が混入する。すなわち、上述の残留電荷(Er)が生じるような条件のもとでは、CCDで検出され矩形51、52で示される画像における最下段の1水平ライン分の画像が、次の画像での最上段1水平ライン分の画像に重畳される。
【0028】
図7、8に示されるように、矩形51、52で示される画像のうち上寄りの領域が、斜線が施された領域51a、52aのように暗い場合、最上段の水平ラインの画像が残留電荷(Er)のために不連続に明るい画像となる。通常のビデオカメラの場合には、図7のように領域51cは画像表示領域(矩形50)に表示されないので何ら問題がないが、電子内視鏡の場合、図8に示すように、領域52cも画像表示領域(矩形50)に表示されるため、この領域が不連続な明るい線として現れ画像不良を起こす。
【0029】
次に図9を参照して、本実施形態において、上記不良画像を防止するために行なわれる残留電荷掃出動作について説明する。図9は、本実施形態における水平駆動パルスφs、垂直駆動パルスφpの出力タイミングを示すタイミングチャートである。
【0030】
図9は、図3(a)の区間CDを拡大して示したものである。ただし、垂直駆動パルスφpに対する水平駆動パルスφsのタイミングは概念的なものであり正確なものではない。すなわち、図3(b)の垂直駆動パルスS1、S2は、図9に示されたS1、S2に例えば対応し、これらの間には図3(b)に示されるようにN個の水平駆動パルスφsが存在する。VPCCD14の受光部30にM段の水平ラインがあるとき、全ての水平ラインをVPCCD14から出力するには、M個のパルスを垂直駆動パルスφpとして出力すれば十分である。したがって垂直駆動パルスφpは、従来受光部30の水平ライン数分(M回)しか出力されなかった。しかし、このような方法では、上述したような画像不良が生じてしまうので、本実施形態では、M個のパルスを垂直駆動パルスφpとして出力した後に、更にパルスSEを垂直転送パルスφpとして転送期間内に出力する。これにより、受光部30の最下段の水平ラインに保持された残留電荷(Er)は、水平転送部31へ転送される。水平転送部31へ転送された残留電荷(Er)は、常時出力されている水平駆動パルスφsによりVPCCD14の外部へと出力される。なお、パルスSEは、φpタイミング発生回路35から出力される垂直転送クロックφkpのパルス数をM+1に設定することにより行なわれる。また、本実施形態では、残留電荷を掃き出すために出力されたパルスSEは1回であったが、遮光期間(転送期間)内であれば何回出力してもよい。
【0031】
なお本発明は上記実地例に限定されるものでなく、CCDにカラーフィルターを用いた同時撮像方式の電子内視鏡においても有効であり、CCDの転送方式に関しても限定されるものでない。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、VPCCDを用いた電子内視鏡において、常に良好な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である電子内視鏡システムの回路構成を概略示すブロック図である。
【図2】本実施形態で用いられる従来公知のVPCCDの構造を模式的に示す平面図である。
【図3】VPCCDを駆動する垂直駆動パルスと水平駆動パルスの出力タイミングを示すタイミングチャートである。
【図4】垂直駆動パルスと水平駆動パルスの出力に係るタイミングコントロール回路の構成の一部を示すブロック図である。
【図5】単相駆動のVPCCDの垂直転送原理を説明するための図である。
【図6】単相駆動のVPCCDにおいて、最上段の水平ラインから溢れた信号電荷が垂直転送時に残留する原因を説明する図である。
【図7】通常のビデオカメラで撮影された画像をTVモニタに表示したときの検出画像と表示画像との関係を示す図である。
【図8】電子内視鏡で撮影された画像をTVモニタに表示したときの検出画像と表示画像との関係を示す図である。
【図9】図3(a)の区間CDを拡大して示したものであり、本実施形態における垂直駆動パルスφpのタイミングチャートである。
【符号の説明】
14 VPCCD
24 CCDドライバ
25 タイミングコントロール回路
30 受光部
30p 画素
31 水平転送部
Claims (3)
- 複数の画素が列状に配列される水平ラインをM段備える受光部と、前記M段の水平ラインのうち一番外側に位置する水平ラインの一方の水平ラインに隣接して平行に設けられ前記複数の画素に蓄積される信号電荷を前記水平ライン単位で出力する水平転送部とを備える単相駆動のバーチャルフェーズCCDを撮像素子として用いた電子内視鏡において、
露光期間中に前記各水平ラインの各画素に蓄積された信号電荷を、前記水平ラインを単位として前記水平転送部方向へ順次1段ずつ転送するとともに前記水平転送部に隣接する水平ラインに保持された信号電荷を前記水平転送部へ転送する垂直転送手段と、
前記垂直転送手段により前記水平転送部へ転送された1水平ライン分の信号電荷を、前記垂直転送手段により次の水平ラインが転送されてくる前に前記CCDの外部へと出力する水平転送手段とを備え、
前記垂直転送手段が、前記CCDが露光されない遮光期間中に少なくとも(M+1)段以上の水平ラインの転送を行う
ことを特徴とする電子内視鏡用CCD駆動装置。 - 前記垂直転送手段が垂直駆動パルスにより駆動され、前記垂直駆動パルスのパルス数が前記水平ラインの転送される段数に対応していることを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡用CCD駆動装置。
- 前記垂直転送手段が、前記遮光期間中に少なくとも(M+1)段の転送を行うことを特徴とする請求項1に記載の電子内視鏡用CCD駆動装置。
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