JP4663083B2 - 内視鏡装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、増幅率が可変である撮像デバイスを用いて撮像する内視鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、体腔内にスコープを挿入することにより、食道、胃、小腸、大腸などの消化管や肺等の気管を観察し、必要に応じて処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いて各種の治療処理のできる内視鏡が利用されている。特に、電荷結合素子（ＣＣＤ）等の固体撮像素子を用いた電子内視鏡はモニタ上に画像を表示でき、内視鏡を操作する術者の疲労が少ないために広く利用されている。
【０００３】
また、内視鏡による診断では、肉眼で見えるのと同様の画像をモニタに表示する通常観察の他に、紫外〜青色の励起光を生体組織に当てた時に出てくる自家蛍光の性質が正常粘膜と腫瘍で異なることを利用して診断を行う自家蛍光観察や、酸素が結合しているヘモグロビンと結合していないヘモグロビンの吸光度スペクトルが異なることを利用して血液中のヘモグロビンに含まれる酸素量を測って診断を行う酸素飽和度観察が検討されている。
【０００４】
ところで、Ｕ．Ｓ．パテント５，３３７，３４０号に示されているように、素子外から制御パルスを入力することにより、素子内での増幅率を制御できるＣＣＤが提案されている。そのＣＣＤでは、素子内に配置された電荷増倍素子（ＣＭＤ：Ｃｈａｒｇｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）においてイオン化を利用した電荷の増倍が可能となっている。ＣＭＤは、画素毎に配置して画素毎に増幅をすることも可能であり、転送チャンネルに配置して転送ライン毎に増幅することも可能である。
【０００５】
増幅率の制御には、ＣＭＤに入力する制御パルス（ＣＭＤゲートパルス）の振幅を変える方法とパルス数を変える方法があるが、振幅のみで増幅率を制御した場合には高い増幅率を得るために高い電圧をかける必要がある。
医療用内視鏡にこのＣＣＤを応用する場合には、スコープの先端に高い電圧をかけると安全性を保つための余分なスペースが必要となり装置が大きくなってしまうので、制御パルスのパルス数を用いて増幅率制御を行い低い電圧で制御できるようにする方が適している。
【０００６】
ＣＭＤを用いたＣＣＤでは、電荷の読み出し前に増幅が行われるので、ＣＣＤ外で増幅を行うよりも読み出しノイズの影響が少なくなり、非常に高いＳ／Ｎ比の画像が得られるというメリットがある。そのため高感度での撮像が可能であり、微弱光の撮像に適している。
【０００７】
また、内視鏡の検査時に食道等の管腔臓器を観察するとき等には、被写体がスコープに近い部分では画像信号が飽和して真っ白になってしまい、逆に被写体がスコープから遠い奥の方では真っ暗であまり見えないようなことが起こる。
そこで、ＣＣＤ等の撮像デバイスにより得られる画像のダイナミックレンジを上げるための工夫が試みられている。例えば特公平４−７５７０６号においては、光源から異なった光量の照明光を順次照射し、それぞれの照射ごとに読み出した画像信号を合成することにより、高いダイナミックレンジの画像を得る技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ダイナミックレンジの拡大のために異なる光量の光を順次照射して露光量の異なる画像を得る場合には、タイミングのずれた画像を得ることになり、合成したい画像間で被写体の位置がずれることがあった。従って、心拍の影響を受ける食道のように、被写体の動きが激しい時に適用することは困難であった。
【０００９】
（発明の目的）
本発明は被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることができる内視鏡装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
１つの撮像領域を、隣接する画素の配置に基づき複数の画像領域に分け、該複数の画像領域の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な電荷増倍機能付き撮像デバイスと、
前記電荷増倍機能付き撮像デバイスから可変可能な増幅率で出力された前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、を具備することにより、被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得られるようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１ないし図３は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は本発明の第１の実施の形態の内視鏡装置の構成を示し、図２はＣＣＤの構成を示し、図３は画像合成回路を構成するルックアップテーブルに格納されたデータの関数形を示す。本実施の形態の目的は被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることにある。
【００１２】
図１に示すように第１の実施の形態の内視鏡装置１は、体腔内等に挿入して内視鏡検診、検査を行うする内視鏡（以下、スコープと略記）２と、観察用の光を発するための光源装置３と、撮像素子で得られた画像信号の信号処理等を行うプロセッサ４と、画像を表示するモニタ５とより構成される。
【００１３】
スコープ２は体腔内等に挿入し易いように細長の挿入部５９を有し、この挿入部５９内には照明光を伝送するライトガイドファイバ６０が挿通され、このライトガイドファイバ６０の手元側の端部は光源装置３に着脱自在で接続される。
【００１４】
光源装置３は、光を放射するキセノンランプ６１と、このランプ６１の照明光路上に設けられ透過波長を制限する赤外カットフィルタ６２と、照射光量を制限する照明光絞り６３と、回転フィルタ板６４と、この回転フィルタ板６４を透過した光を集光してライトガイドファイバ６０の手元側の端部に入射させる集光レンズ６５とを有する。回転フィルタ板６４はモータ６６により回転駆動される。回転フィルタ板６４上には、それぞれ赤、緑、青の光をそれぞれ透過するＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタが配置されている。
【００１５】
光源装置３から手元側の端面に入射された照明光はライトガイドファイバ６０によりその先端面に伝送され、その先端面からさらに照明窓に取り付けた照明レンズ６７を経て被写体６８側に出射され、被写体６８側を照明する。
【００１６】
挿入部５９の先端部には照明窓に隣接して観察窓が設けてあり、この観察窓に取り付けた対物レンズ６９によりその結像位置に被写体６８の光学像を結ぶ。この結像位置には光電変換する固体撮像素子として、例えばＣＣＤ７０が配置され、このＣＣＤ７０で光電変換された信号はプロセッサ４に入力される。また、このスコープ２にはダイナミックレンジ拡大スイッチ７１が設けてある。
【００１７】
ＣＣＤ７０は、図２に示すように、２次元状の受光エリア８０における出力端側に２つの水平転送チャンネル８１ａ、８１ｂが設けてあり、２つの水平転送チャンネル８１ａ、８１ｂの後端にＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂと、２つの電荷検出部８３ａ、８３ｂとが順次配置されている。
【００１８】
受光エリア８０の奇数ラインの信号電荷は水平転送チャンネル８１ａに、偶数ラインの信号電荷は水平転送チャンネル８１ｂにそれぞれ出力され、それぞれＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂを経て２つの電荷検出部８３ａ、８３ｂからＣＣＤ出力信号として出力される。
【００１９】
プロセッサ４は、相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ処理）等を行うプリプロセス回路７２ａ、７２ｂ、Ａ／Ｄ変換回路７３ａ、７３ｂ、カラーバランス補正回路７４ａ、７４ｂ、画像合成回路７５、同時化回路７６、Ｄ／Ａ変換回路７７の順に映像信号が流れるように構成されており、さらに調光信号を出力する調光回路７８、ＣＣＤ７０の増幅率の制御を行う制御パルスを発生する制御パルス発生回路７９を備えている。
【００２０】
本実施の形態では、ＣＣＤ７０による１回の撮像画像により、被写体の動きによる位置ずれの影響を受けないで、隣接する画素の配置により得られる２つの画像領域の画像を異なる増幅率で合成してダイナミックレンジを拡大した画像を得られるようにしたことが特徴となっている。また、ダイナミックレンジの拡大が必要でない場合には解像度の劣化の無い画像を得られるようにしていることも特徴の１つとなっている。
【００２１】
次に本実施の形態の作用を説明する。光源装置３のランプ６１からは、可視領域、近赤外領域を含む波長領域の光が放射される。ランプ６１から放射された光は、赤外カットフィルタ６２、照明光絞り６３、回転フィルタ板６４を通過してスコープ２のライトガイドファイバ６０に入射される。照明光絞り６３は、プロセッサ４の調光回路７８から出力される調光信号（絞り制御信号）に応じて、光源装置３から出射される光の光量を制限する。回転フィルタ板６４は、モータ６６により回転駆動されることにより、順次赤、緑、青の光が出射される。
【００２２】
スコープ２のライトガイドファイバ６０に入射された光は、スコープ２の先端部から消化管等の被写体６８に照射される。被写体６８で散乱、反射された光はスコープ先端のＣＣＤ７０上に結像する。ＣＣＤ７０は回転フィルタ板６４の回転に同期して図示しないＣＣＤ駆動回路により駆動され、赤、青、緑の照射光に対応する画像信号が順次プロセッサ４に出力される。
【００２３】
ＣＣＤ７０では、受光エリア８０に蓄積された電荷が下向きに垂直転送された後に、奇数列の画素についてはＡチャンネル、偶数列の画素についてはＢチャンネルの２系統で水平転送チャンネル８１ａ、８１ｂ、ＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂにより転送され、電荷検出部８３ａ、８３ｂで電荷から電圧に変換されてプロセッサ４のプリプロセス回路７２ａ、７２ｂに入力される。
この時、ＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂでは、電荷が転送される毎にＣＭＤに制御パルスを入力することにより必要に応じた増幅率で増幅することができる。
【００２４】
ＡチャンネルのＣＭＤとＢチャンネルのＣＭＤでは別々の制御線から制御パルスが入力されるので、ＡチャンネルとＢチャンネルでそれぞれ個別に、ＣＭＤによる増幅率を設定できるが、本実施の形態では、Ａチャンネルは増幅を行わずに通常の明るさの画像を取得し、Ｂチャンネルのみ増幅を行いＢチャンネルからは明るい像が得られるように制御パルス発生回路７９からの制御パルスが送られる。
【００２５】
すなわち、ＢチャンネルのＣＭＤのみに対して制御パルスが送られることになる。同じチャンネルを通って読み出される画素については、全ての画素について同じＣＭＤにより増幅されることになるので、ＣＭＤの増幅係数のバラツキによる画素値のバラツキは生じない。
ＡチャンネルとＢチャンネルでは通るＣＭＤが異なるので増幅率のバラツキの影響は生じうるが、プロセッサ４のカラーバランス補正回路７４ａ、７４ｂで補正することにより、その影響を抑えることができる。
【００２６】
プロセッサ４に入力された画像信号は、まずプリプロセス回路７２ａ、７２ｂに入力され、各プリプロセス回路７２ａ、７２ｂではＣＤＳ等の処理により（リセットノイズを除去した）画像信号成分のみが取り出される。
【００２７】
プリプロセス回路７２ａ、７２ｂから出力される各チャンネルの信号はＡ／Ｄ変換回路７３ａ、７３ｂによりアナログ信号からデジタル信号に変換され、それぞれカラーバランス補正回路７４ａ、７４ｂに入力され、色バランスの補正とＣＭＤ増幅係数の補正が行われ、共通の画像合成回路７５に入力される。
【００２８】
画像合成回路７５では、ダイナミックレンジ拡大スイッチ７１からの指示に応じて、ＡチャンネルとＢチャンネルの例えば水平方向に隣接する２画素の信号を合成することにより、ダイナミックレンジを拡大した画像を作成する。
【００２９】
この時、隣接する２画素を合成するために画像の水平方向の解像度は低下することになる。画像合成回路７５はＲＯＭのルックアップテーブルで構成されており、ＡチャンネルのＣＭＤで増幅されていない信号とＢチャンネルのＣＭＤで増幅された信号とを合成して合成画像として出力する。
【００３０】
ここで、ルックアップテーブルには、Ａチャンネルからの入力をＩｈ、Ｂチャンネルからの入力をＩｌ、出力をＯとすると、
Ｏ＝ｆ（Ｉｈ）Ｉｌ＋（１−ｆ（Ｉｈ））×Ｉｈ
で表される関数がテーブル化されている。
【００３１】
ここでｆ（Ｉｈ）は図３に表されるような関数で、入力Ｉｈが小さい画像の暗い部分では大きい値となり、Ｉｈが大きくなる画像の明るい部分ほど小さい値になる。
【００３２】
従って、画像合成回路７５から出力される画像は、Ｉｈが小さい暗い領域では増幅された信号Ｉｌの割合が大きくなり、入力Ｉｈが大きい明るい領域では増幅されていない信号Ｉｈの割合が高くなるように画像が合成されることになり、ダイナミックレンジが拡大された画像となる。
従って、画像合成回路７５では、被写体の暗い部分についても明るく変換され管腔臓器の奥なども見やすくなると共に、元々明るい部分の画素値の飽和も抑えられた画像が作成される。
【００３３】
ダイナミックレンジ拡大スイッチ７１によりダイナミックレンジの拡大を行わない通常の観察が指示された場合には、画像の合成を行わずに解像度の劣化の無い画像を出力する。
画像合成回路７５から出力された信号は同時化回路７６において面順次画像の同時化が行われ、Ｄ／Ａ変換回路７７にてアナログ信号に変換され、モニタ５に表示される。
【００３４】
調光回路７８では、Ａチャンネルの画像信号に著しい飽和が生じないように調光信号を照明光絞り６３に送り、光源装置３から出射される光量を調整する。
制御パルス発生回路７９では、ダイナミックレンジ拡大スイッチ７１からダイナミックレンジ拡大が指示された時には、電荷の読み出し時にＢチャンネルだけで信号の増幅を行うようにＣＣＤ７０に制御パルスを送る。通常の観察が指示された時には、制御パルスを送らない。
【００３５】
なお、本実施の形態ではダイナミックレンジの拡大を行わない時には、ＣＭＤによる増幅率を常に１にしたが、ＡチャンネルとＢチャンネルを同じ増幅率で増幅するようにして、全体が暗い被写体に対応できるようにしてもよい。
また、後述する第２〜第４の実施の形態と組み合わせて、酸素飽和度観察を行えるようにしたり自家蛍光観察を行えるようにしてもよい。
【００３６】
本実施の形態は以下の効果を有する。
本実施の形態によると、時間をずらして複数の露光量の画像を取得して合成することによりダイナミックレンジの拡大を行うのではなく、１回の露光で得られた画像を用いるので、動きが激しい被写体に対しても位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大を行うことができる。
【００３７】
また、複数の撮像素子を用いることなく１つの撮像素子でダイナミックレンジの拡大を行うことができるので、製造コストを抑えることができる。
また、ダイナミックレンジの拡大が不要な時には、解像度が劣化しない画像を得ることができる。
また、ＣＭＤが水平転送チャンネルに配置されているので、画素毎の増幅係数バラツキの補正が不要になり、回路規模を縮小できる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態を図４ないし図９を参照して説明する。図４は第２の実施の形態の内視鏡装置の構成を示し、図５は回転フィルタ板の構成を示し、図６は回転フィルタ板の外周側に設けたＲＧＢフィルタの分光特性を示し、図７は回転フィルタ板の内周側に設けた狭帯域フィルタの分光特性を示し、図８はＣＭＤによる制御パルス数と増幅率の関係を示し、図９は、目標増幅率に対するＣＭＤ増幅率と乗算回路での増幅率の関係を示す。
【００３９】
本実施の形態の目的は固体撮像素子内で増幅が可能な撮像索子を用いた内視鏡装置において、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像が得られるようにすることと、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることである。
【００４０】
図４に示すように第２の実施の形態の内視鏡装置１Ａは、体腔内に挿入され、内視鏡検査を行うスコープ２Ａと、このスコープ２Ａに観察用の照明光を供給する光源装置３Ａと、スコープ２Ａに内蔵された撮像素子で得られた画像信号の信号処理等を行うプロセッサ４Ａと、プロセッサ４Ａの出力信号が入力されることにより、対応する内視鏡画像を表示するモニタ５とから構成される。
スコープ２Ａは体腔内等に挿入し易いように細長の挿入部６を有する。この挿入部６内には照明光を伝送するライトガイドファイバ７が挿通され、このライトガイドファイバ７の手元側の端部は光源装置３Ａに着脱自在で接続できる。
【００４１】
光源装置３Ａ内には、光を放射するキセノンランプ１１と、このランプ１１の照明光路上に設けられ透過波長を制限する赤外カットフィルタ１２と、光量を制限する照明光絞り１３と、回転フィルタ板１４と、この回転フィルタ板１４を透過した光を集光してライトガイドファイバ７の手元側の端部に入射させる集光レンズ１５とがそれぞれ配置されている。
【００４２】
また、回転フィルタ板１４を回転駆動するためのモータ１６と、回転フィルタ板１４を光軸に対して垂直方向に移動するための移動用モータ１７とを備えている。例えば、回転フィルタ板１４を回転するモータ１６には、ラックが設けてあり、このラックは移動用モータ１７の回転軸に設けたピニアンギヤと噛合し、移動用モータ１７を回転させる方向により、図４の矢印で示すように移動して回転フィルタ板１４の外周側のフィルタ部分を光軸上に配置したり、内周側のフィルタ部分を光軸上に配置したりすることができるようにしている。
【００４３】
ライトガイドファイバ７の手元側の端部に入射された照明光は伝送されて、ライトガイドファイバ７の他端側の先端面からさらに照明窓に取り付けた照明レンズ１９を経て、外部に出射され、体腔内の患部等の被写体２０側を照明する。
【００４４】
スコープ２Ａの先端部には照明窓に隣接して観察窓が設けてあり、この観察窓には対物レンズ２１が取り付けられ、この対物レンズ２１により被写体２０の光学像が結像される。その結像位置には、光電変換する固体撮像素子として、例えばＣＣＤ２２が配置されており、結像された光学像を光電変換する。
【００４５】
回転フィルタ板１４は、図５に示すように外周側にそれぞれ赤、緑、青の波長の光をそれぞれ透過する扇形状のＲフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが配置されている。
また、内周側には５８６ｎｍ、５７７ｎｍ、５６９ｎｍを中心波長とする半値全幅が５ｎｍの狭帯域の透過フィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃがそれぞれ配置されている。
【００４６】
外周側のＲ、Ｇ、Ｂフィルタ２３ａ、２３ｂ、２３ｃの分光特性を図６に示し、内周側の透過フィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの分光特性を図７に示す。なお、回転フィルタ板１４における各フィルタが配置されている以外の部分は、光を遮光する部材により構成されている。
【００４７】
上記ＣＣＤ２２は、ＣＭＤが画素毎に配置されているので外部からの制御パルスにより画素毎での増幅が可能である。全ＣＭＤには共通の制御線２５により制御パルス発生回路２６と接続されている。そして、この制御線２５を介して制御パルス発生回路２６から制御パルスが印加され、各ＣＭＤに入力される制御パルスの数は等しくなる。露光が終わって電荷を読み出す前に、制御パルス発生回路２６から制御パルスをＣＭＤに印加することにより、制御パルスの数に応じて増幅率を変えることができる。
【００４８】
制御パルスの数をｎとすると各画素での増幅率Ａは、
Ａ＝ａn （１）
で表される。ａはＣＭＤ増幅係数である。ａ＝１．２の場合の制御パルス数と増幅率の関係を図８に示す。図８のように、制御パルス数に応じて増幅率は指数関数的に増加する。ａの値は全画素でほぼ同じ値ではあるが、バラツキを完全に無くすことは技術的に困難である。また、（１）式のように指数関数の形式になっているため、ａ自体のバラツキは少しであっても、ｎが大きい場合には大きなバラツキとなって現れる。
これを補正するため、各スコープ２は不揮発性で書き換え可能なフラッシュメモリで構成される増幅率分布データメモリ２７を備えている。
【００４９】
プロセッサ４Ａは、ＣＣＤ２２の出力信号が入力され、ＣＤＳ等の前処理を行うプリプロセス回路３１、Ａ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換回路３２、乗算を行う乗算回路３３、画像補正を行う画像補正回路３４、ノイズを取り除くためのメディアンフィルタ３５、画像拡大を行う画像拡大回路３６、同時化を行う同時化回路３７、画像間の演算を行う画像間演算回路３８、Ｄ／Ａ変換を行うＤ／Ａ変換回路３９の順に映像信号が流れるように構成されており、さらにＡ／Ｄ変換回路３２の出力信号が入力され、調光を行う調光回路４０、Ａ／Ｄ変換回路３２と調光回路４０の出力信号が入力され、増幅率制御を行う増幅率制御回路４１、増幅率制御回路４１の出力信号が入力され、制御パルスを発生する制御パルス発生回路２６を備えている。
【００５０】
スコープ２Ａに設けた増幅率分布データメモリ２７はプロセッサ４Ａに設けた増幅率分布一時記憶メモリ４２と接続され、増幅率分布データメモリ２７に書き込んだ増幅率分布データを読み出して、増幅率分布一時記憶メモリ４２に一時格納し、画像補正回路３４による画像補正に利用する。
この画像補正回路３４には増幅率制御回路４１の出力信号も入力され、画像補正に利用される。
【００５１】
また、調光回路４０から出力される調光信号或いは絞り制御信号は光源装置３Ａの絞り１３を駆動して、適切な光量となるように制御する。
次に本実施の形態の作用を説明する。
【００５２】
光源装置３Ａのランプ１１からは、可視領域、近赤外領域を含む波長領域の光が放射される。このランプ１１から放射された光は、赤外カットフィルタ１２、照明光絞り１３、回転フィルタ板１４を通過してスコープ２のライトガイドファイバ７に入射される。赤外カットフィルタ１２は、赤外光をカットし、回転フィルタ板１４上の各フィルタに照射される不要な熱や光を遮断する。
【００５３】
照明光絞り１３は、プロセッサ４Ａの調光回路４０から出力される絞り制御信号に応じて、光源装置３Ａから出射される光の光量を制限し、ＣＣＤ２２で撮像される画像に著しい飽和が生じないように調光する。回転フィルタ板１４は、通常観察時には外周側のフィルタ２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃを代表）が光軸上に挿入され、モータ１６により所定の速度で回転駆動されることにより順次Ｒフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが光路上に介挿され、赤、緑、青の光が透過される。
【００５４】
また、ヘモグロビンの酸素飽和度を観察する酸素飽和度観察時には、回転フィルタ板１４は図示しないフィルタ位置制御回路からの信号に応じてモータ１７により光軸と垂直方向に移動されることにより、内周側のフィルタ２４（２４ａ，２４ｂ，２４ｃを代表）が光軸上に挿入される。
【００５５】
内周側のフィルタ２４の挿入時には５８６ｎｍ、５７７ｎｍ、５６９ｎｍを中心波長とする光が順次光源装置３から出射される。５８６ｎｍと５６９ｎｍは、酸素が結合しているオキシヘモグロビンと酸素が結合していないデオキシヘモグロビンの吸光度が等しい等吸収点であり、５７７ｎｍは、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸光度の差がある波長である。
【００５６】
全ヘモグロビン中のオキシヘモグロビンの量で表される酸素飽和度の分布は、これらの３つの波長で得られた画像を画像間演算することにより算出することができる。酸素飽和度を計測するためには、生体の散乱による影響などの測定誤差の要因を取り除くために、波長帯域の狭い光を照射して観察することが有効である。
【００５７】
しかし、波長帯域を狭くすると得られる画像が暗くなってしまいノイズの割合が増えて測定精度が落ちるので、より明るい画像を得ることができる高感度素子が望まれていた。本実施の形態では、ＣＭＤで増幅できるＣＣＤを用いているので、狭帯域フィルタを通った弱い光でもＣＭＤ増幅により高感度での撮像ができ、精度良く酸素飽和度を求めることが可能となる。
【００５８】
スコープ２Ａのライトガイドファイバ７に入射された光は、挿入部６の先端部から消化管等の被写体２０に照射される。被写体２０で散乱、反射された光は挿入部６の先端部の対物レンズ２１によりＣＣＤ２２上に像を結ぶ。
【００５９】
ＣＣＤ２２は回転フィルタ板１４の回転に同期して図示しないＣＣＤ駆動回路により駆動され、Ｒフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃ等回転フィルタ板１４のそれぞれのフィルタを透過した照射光に対応する画像信号が順次プロセッサ４Ａに出力する。ＣＣＤ２２では、必要に応じて制御パルス発生回路２６からの制御パルスが画素毎に配置されたＣＭＤに入力されることにより、蓄積された電荷の増倍が行われる。
【００６０】
プロセッサ４Ａに入力された画像信号は、まずプリプロセス回路３１に入力され、このプリプロセス回路３１ではＣＤＳ等の処理により画像信号が取り出される。プリプロセス回路３１から出力された信号はＡ／Ｄ変換回路３２によりアナログ信号からデジタル信号に変換され、乗算回路３３に入力され、増幅率制御回路４１で指定された係数に基づき乗算による増幅が行われる。
【００６１】
乗算回路３３から出力された信号は画像補正回路３４に入力され、画像補正回路３４では、画素毎のＣＭＤ増幅係数を記憶している増幅率分布一時記憶メモリ４２からの出力値と処理中の画像を撮像したときの制御パルス数に基づき画素毎に、
Ｖ′＝Ｖ×（ａ′ ／ａ）n （２）
の計算を行うことにより画像の補正を行う。
【００６２】
ここで、Ｖ′は補正後の画素値、Ｖは補正前の画素値、ａは（１）式におけるａと同じで着目画素におけるＣＭＤ増幅係数、ａ′はＣＣＤ全体でのａの平均値、ｎは制御パルス数を表す。画像補正回路３４にて（２）式の補正を行うことにより、画素毎の増幅率バラツキが補正された画像が得られる。
【００６３】
増幅率分布一時記憶メモリ４２では、プロセッサ４Ａの電源投入時と、スコープ２Ａが電気的にプロセッサ４Ａに接続された時に、増幅率分布データメモリ２７の内容がシリアル転送で読み込まれる。
【００６４】
増幅率分布一時記憶メモリ４２を設けることにより、増幅率分布データメモリ２７の読み出しを低速で行うことが可能となり、プロセッサ４Ａとスコープ２Ａを接続する信号線の数を減らすことができる。なお、増幅率分布データメモリ２７には、予め工場などで測定された画素毎のＣＭＤ増幅係数が記憶されている。
画像補正回路３４の出力信号はメデイアンフィルタ３５に入力され、メデイアンフィルタ３５においては、ＣＣＤ２２の暗電流ノイズが特に多い画素やＣＭＤ増幅係数が特に大きい画素が飽和したときに発生するノイズを取り除くために、着目画素を近傍画素の中央値で置き換える処理を行う。この処理により、孤立ノイズを取り除くことができる。
【００６５】
メデイアンフィルタ３５の出力信号は画像拡大回路３６に入力され、画像拡大回路３６では、モニタ５上に所望の大きさで画像を表示させるために画像の拡大や縮小を行う。画像拡大回路３６通過後の信号は、一般的には１つの画素内に複数画素の情報が入ってしまうので、画像補正回路３４やメディアンフィルタ３６は画像拡大回路３６よりも前に配置するのが適当である。
【００６６】
画像拡大回路３６の出力信号は同時化回路３７に入力され、同時化回路３７では、複数の同時化用メモリに順次記憶した画像を同時に読み出すことにより、面順次画像の同時化を行う。
【００６７】
同時化された画像に対して画像間演算回路３８によりリアルタイムで画像間演算を行い、画素ごとに酸素飽和度の算出を行うことができる。画像間演算回路３８では、回転フィルタ板１４の外周側、内周側の切り替えに応じて、通常観察（回転フィルタ板１４の外周側のフィルタ２３挿入時）の場合には同時化回路３７からの入力をそのまま出力する。また、回転フィルタ板１４の内周側のフィルタ２４が挿入されている酸素飽和度観察時には酸素飽和度分布の擬似カラー画像を算出、出力する。
【００６８】
画像間演算回路３８の出力は、図示しないガンマ補正回路においてモニタ５のガンマ特性を補正する変換が行われ、Ｄ／Ａ変換回路３９によりアナログ信号に変換され、モニタ５に表示される。
【００６９】
調光回路４０では、Ａ／Ｄ変換回路３２の出力に基づき、画像が適当な明るさになるように照明光絞り１３に対して絞り制御信号を送る。また、増幅率制御回路４１に対しては、絞り１３がいっぱいまで開ききっているか否かの情報を送る。
【００７０】
増幅率制御回路４１では、調光回路４０からの情報に基づき、絞り１３が開ききっている場合にはＣＭＤと乗算回路３３による増幅を指示し、絞り１３が開ききっていない場合にはＣＭＤと乗算回路３３での増幅率を１にする。絞り１３が開ききっている場合には、Ａ／Ｄ変換回路３２からの入力と、処理中の信号を得たときに用いた制御パルス数に基づき、画像が適当な明るさになるように目標増幅率Ｓを設定する。
【００７１】
次に、目標増幅率Ｓに近い増幅率をＣＭＤ増幅で得る場合に必要となる制御パルス数ｎを算出し、算出された制御パルス数を指示する信号を制御パルス発生回路２６に出力する。次に、目標増幅率を制御パルス数ｎにおけるＣＭＤ増幅率で割った値で増幅されるように、乗算回路３３に係数を出力する。すなわち、乗算回路３３での増幅率Ｂは、
Ｂ＝Ｓ／（ａ）n （３）
となる。
【００７２】
図９は、目標増幅率に対するＣＭＤ増幅率と乗算回路３３での増幅率の関係を表したグラフである。このように、制御パルス数に応じて乗算回路３３の増幅率を制御しているので、細かな調整の効かないＣＭＤの増幅を乗算回路３３の増幅により微調整することができ、所望の明るさの画像を得ることができる。
【００７３】
制御パルス発生回路２６では、増幅率制御回路４１からのパルス数指示信号で指示された数の制御パルスをＣＭＤに出力する。
なお、本実施の形態では、面順次方式の内視鏡装置１Ａで説明したが、同時式の内視鏡装置に適用してもよい。
また、本実施の形態では、ＣＭＤ増幅係数を増幅率分布データメモリ２７に記憶したが、各制御パルス数に対応させた増幅率を記憶し、増幅率が制御パルス数に対して完全には指数関数的に変化しない時に対応できるようにしてもよい。
【００７４】
また、ＣＭＤ増幅係数だけでなくＣＣＤ２２の画素毎の暗電流もＣＭＤ増幅係数と同様にメモリに記憶して補正するようにしてもよい。
また、乗算回路３３は画像の色バランスを調整するカラーバランス補正回路を兼ねるようにしてもよい。
また、画像補正回路３４はスコープ２Ａ内に設けるようにしてもよい。
【００７５】
また、本実施の形態では調光回路４０からの情報に応じて増幅率制御回路４１による制御を動作させるか否かを決めているが、通常観察と酸素飽和度観察の切り替えに応じて酸素飽和度観察のときだけ動作させるようにしてもよい。
【００７６】
また、ＣＭＤや乗算回路３３での増幅率は、回転フィルタ板１４のＲフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃの全てに対して同じ値にして制御を簡単にしてもよいし、各フィルタ別に異なる値にして暗い波長帯域からもＳ／Ｎの良い信号を得られるようにしてもよい。
【００７７】
本実施の形態は以下の効果を有する。
画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
また、固体撮像素子内のＣＭＤ増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【００７８】
また、固体撮像素子内に配置されているＣＭＤを用いて増幅を行っているので、固体撮像素子の読み出しノイズの影響か相対的に少なくなり微弱な光に対してもＳ／Ｎが良い画像が得られる。
また、スコープ２Ａ内の書き換え可能な記憶素子に増幅率分布データを記憶しているので、修理で固体撮像素子としてのＣＣＤ２２を交換するときにも記憶素子の交換をする必要がなく、新たなＣＣＤ２２の増幅率分布データを記憶素子に書き込むだけでよい。
【００７９】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態を図１０ないし図１４を参照して説明する。図１０は本発明の第３の実施の形態の内視鏡装置の全体構成を示し、図１１は蛍光用回転フィルタ板の構成を示し、図１２は蛍光観察用フィルタの分光特性を示し、図１３は励起光カットフィルタの分光特性を示し、図１４は目標増幅率とＣＭＤ増幅率と露光時間の関係を示す。本実施の形態の目的は第２の実施の形態の場合と同様である。
【００８０】
第３の実施の形態は、第２の実施の形態と類似する構成であるので、異なる点を中心に述べる。
図１０に示す第３の実施の形態の内視鏡装置１Ｂは、スコープ２Ｂと、光源装置３Ｂと、プロセッサ４Ｂと、モニタ５と、デジタル画像記録装置４５とから構成される。
【００８１】
光源装置３Ｂは図４の光源装置３Ａにおいて、回転フィルタ板１４の代わりに蛍光用回転フィルタ板４６が採用され、この蛍光用回転フィルタ板４６はモータ１６により回転駆動される。
【００８２】
この蛍光用回転フィルタ板４６は図１１に示すように内周側に紫外光透過フィルタ４７ａと可視光透過フィルタ４７ｂが配置されており、紫外光透過部分の面積が大きくなっている。それぞれのフィルタ４７ａ、４７ｂの分光透過特性は、図１２に示すようになっている。なお、外周側は回転フィルタ板１４の場合と同様にＲフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが設けてある。
【００８３】
また、本実施の形態におけるスコープ２Ｂは図１のスコープ２Ａにおいて、ＣＣＤ２２の前面には、図１３に示す特性のように紫外光をカットする紫外光カットフィルタ４８が配置されている。また、増幅率分布データメモリ２７の代わりに、スコープ識別素子４９が配置されている。また、ＣＣＤ２２は電子シャッタによる露光時間の制御が可能なものが採用されている。
【００８４】
プロセッサ４Ｂは、図４のプロセッサ４Ａにおいて、増幅率制御回路４１の代わりに露光時間制御回路５１が配置されており、また増幅率分布一時記憶メモリ４２の代わりに不揮発性の書き換え可能な増幅率分布記憶メモリ５２が配置されている。また、デジタル画像記録装置４５への画像の入出力制御などを行うためのデジタル記録制御回路５３が配置されている。
【００８５】
このデジタル記録制御回路５３はデジタル画像記録装置４５と接続されている。また、このプロセッサ４Ｂでは乗算回路３３が設けてなく、Ａ／Ｄ変換回路３２の出力信号は露光時間制御回路５１に入力されると共に、画像補正回路３４に入力される。
【００８６】
また、このプロセッサ４Ｂでは画像間演算回路３８が設けてなく、同時化回路３７の出力信号はデジタル記録制御回路５３を経てＤ／Ａ変換回路３９に入力されるようになっている。
【００８７】
次に本実施の形態の作用を説明する。
蛍光用回転フィルタ板４６は、通常観察時には外周側のフィルタ２３が光軸上に挿入され、モータ１６により所定の速度で回転駆動されることにより順次Ｒフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが光路上に入れられ、赤、緑、青の光が透過される。
【００８８】
また、生体粘膜からの自家蛍光を観察する蛍光観察時には、回転フィルタ板４６は図示しないフィルタ位置制御回路からの信号に応じてモータ１７により光軸と垂直方向に移動されることにより、内周側のフィルタ４７（４７ａ、４７ｂを代表）が光軸上に挿入される。蛍光観察時には、自家蛍光を観察するための紫外〜青色の励起光と反射光を観察するための可視光が順次光源装置３Ｂから被写体２０に照射される。
スコープ２Ｂ内に配置されている紫外光カットフィルタ４８は、励起光照射時の被写体２０からの反射光を除去し、励起光照射時の蛍光や可視光照射時の反射光を透過する。
【００８９】
この紫外光カットフィルタ４８の働きにより、励起光照射時の微弱な蛍光成分を観察することができる。スコープ識別素子４９は、スコープ１本１本に固有の値であるスコープＩＤ番号やスコープ種別を記憶したＲＯＭであり、プロセッサ４Ｂにおいて、どのようなスコープ２Ｂが接続されているかを認識することができる。
【００９０】
ＣＣＤ２２は蛍光用回転フィルタ板４６の回転に同期して図示しないＣＣＤ駆動回路により駆動され、例えば蛍光観察時には、紫外光透過フィルタ４７ａと可視光透過フィルタ４７ｂそれぞれのフィルタを透過した照射光に対応する画像信号を順次プロセッサ４Ｂに出力する。紫外光透過フィルタ４７ａの方が面積が大きい分長い露光時間での撮像が可能になっており、微弱な蛍光をより明るく撮像することができる。
【００９１】
本実施の形態の調光回路４０では、通常観察と自家蛍光観察の切り替えに応じて、通常観察時には照明光絞り１３を制御して適当な明るさを得られるようにし、自家蛍光観察時には照明光絞り１３を開放状態にして最大光量が得られるように制御する。
【００９２】
露光時間制御回路５１では、通常観察と自家蛍光観察の切り替えに応じて、通常観察時にはＣＭＤでの増幅率を１としてＣＣＤ２２での露光時間は最大にし、自家蛍光観察時にはＣＭＤによる増幅とＣＣＤ２２での電子シャッタによる露光時間制御を指示する。
【００９３】
紫外光透過フィルタ４７ａ挿入時の画像に対しては、Ａ／Ｄ変換回路３２からの入力と、処理中の信号を得たときに用いた制御パルス数に基づき、画像が適当な明るさになるように目標増幅率Ｓを設定する。次に、目標増幅率Ｓを超える最小の増幅率をＣＭＤで得る場合に必要となる制御パルス数ｎを算出し、算出された制御パルス数を指示する信号を制御パルス発生回路２６に出力する。
【００９４】
次に、目標増幅率を制御パルス数ｎにおけるＣＭＤ増幅率で割った値で露光時間を制御する。すなわち、最大露光時間を１と単純化すると露光時間ｔは、
ｔ＝Ｓ／（ａ）n （４）
で表される。図１４は、目標増幅率に対するＣＭＤ増幅率と最大露光時間を１としたときの露光時間の関係を表したグラフである。
【００９５】
このように、制御パルス数に応じて露光時間を制御しているので、細かな調整の効かないＣＭＤの増幅を露光時間により微調整することことができ、所望の明るさの画像を得ることができる。また、可視光透過フィルタ４７ｂ挿入時には、画像が明るくなりすぎないように、ＣＭＤ増幅率を１にして露光時間を制御して明るさを調整する。
【００９６】
デジタル記録制御回路５３では、同時化回路３７の出力に対して画像データの圧縮を行いデジタル画像記録装置４５に記録したり、デジタル画像記録装置４５の画像データを読み取りモニタ５に表示する働きを持つと共に、ＭＯディスクやスマートメディアに記録されている画素毎のＣＭＤ増幅係数を読み出して増幅率分布記憶メモリ５２に書込む機能を持つ。
【００９７】
デジタル画像記録装置４５は、着脱可能な記録メディアであるＭＯディスクヘの読み書きとスマートメディアヘの読み書きが可能である。使用者は、スコープ２Ｂを初めてプロセッサ４Ｂと組み合わせて使用するときには、デジタル画像記録装置４５にそのスコープ２Ｂの画素毎のＣＭＤ増幅係数とスコープＩＤ番号を記録したスマートメディアやＭＯディスクを挿入して、増幅率分布記憶メモリ５２に記憶する。
【００９８】
増幅率分布記憶メモリ５２は不揮発性のメモリであるので、次から同じスコープ２Ｂとプロセッサ４Ｂの組み合わせで使用する場合には、改めてＣＭＤ増幅係数を読み込む必要はない。増幅率分布記憶メモリ５２には、スコープＩＤ番号に対応付けて、スコープ２ＢのＣＭＤ増幅係数を記憶し、複数のスコープ２ＢのＣＭＤ増幅係数を記憶可能になっている。
【００９９】
増幅率分布記憶メモリ５２では、プロセッサ４Ｂの電源投入時と、スコープ２Ｂが電気的にプロセッサ４Ｂに接続された時に、スコープ識別素子４９のデータを読み込み、スコープＩＤ番号に対応したＣＭＤ増幅係数を画像補正回路３４に出力する。
【０１００】
画像補正回路３４では、増幅率分布記憶メモリ５２から出力されたＣＭＤ増幅係数データに基づき補正を行うことにより、画素毎の増幅率バラツキ補正が可能となる。
なお、本実施の形態では、面順次方式の内視鏡装置１Ｂで説明したが、同時式の内視鏡装置に適用してもよい。
【０１０１】
また、本実施の形態では自家蛍光を観察する装置に応用したが、フィルタの透過特性等を変更して薬剤の蛍光を観察する装置に応用してもよい。
また、増幅率分布の記憶にハードディスクを使用するようにして、より多くの数のスコープ２Ｂに対応できるようにしてもよい。
【０１０２】
本実施の形態は以下の効果を有する。
画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
また、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
固体撮像素子としてのＣＣＤ２２に配置されているＣＭＤを用いて増幅を行っているのでＣＣＤ２２の読み出しノイズの影響が相対的に少なくなり微弱な蛍光に対してもＳ／Ｎが良い画像が得られる。
【０１０３】
また、ＣＭＤ増幅係数をデジタル画像記録装置４５から入力しているので、修理等でスコープ２ＢのＣＣＤ２２を交換するときにも記憶素子４９の交換をする必要がなく、新たなＣＣＤ２２のＣＭＤ増幅係数を再度プロセッサ４Ｂに読み込むだけでよい。
【０１０４】
（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態を図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は本発明の第４の実施の形態の内視鏡装置の全体構成を示し、図１６は蛍光観察用フィルタの分光特性を示す。本実施の形態の目的は第２の実施の形態の場合と同様である。
【０１０５】
本実施の形態は、第３の実施の形態と類似しているので、異なる点を中心に述べる。
図１５に示す本実施の形態の内視鏡装置１Ｃは、スコープ２Ｂ′と、光源装置３Ｂ′と、プロセッサ４Ｃと、モニタ５と、デジタル画像記録装置４５とから構成される。
【０１０６】
本実施の形態における光源装置３Ｂ′は第３の実施の形態の場合と同様に蛍光用回転フィルタ板４６が採用されているが、通常の可視光透過フィルタ４７ｂの代わりに透過率の低い可視光透過フィルタ４７ｃが配置されており、その特性は図１６に示すようになっている。
【０１０７】
また、本実施の形態に使用する白色基準物体５６は、内面に一様な分光反射率の白色物質が塗布されており、スコープ２Ｂ′における挿入部６の先端部より一回り大きく先端部を囲う形状である。
なお、本実施の形態では第３の実施の形態における電子シャッタによる露光時間制御は行われない。
【０１０８】
また、本実施の形態におけるプロセッサ４Ｃは第３の実施の形態における図１０のプロセッサ４Ｂにおいて、露光時間制御回路５１の代わりにパルス振幅制御回路５７が採用されている。このパルス振幅制御回路５７はパルス数・パルス振幅指示の信号を画像補正回路３４に出力する。
【０１０９】
また、ＣＭＤ増幅係数を算出するためにＡ／Ｄ変換回路３２の出力信号が入力される増幅率分布算出回路５８が設けてあり、その出力信号は増幅率分布記憶メモリ５２に入力される。
なお、本実施の形態ではデジタル記録制御回路５３は増幅率分布記憶メモリ５２とは接続されていないで、デジタル画像記録装置４５と接続されている。その他の構成は第３の実施の形態と同様である。
【０１１０】
次に本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態では、図１６に示すように、可視光透過フィルタ４７ｃの透過率を低くしているので、紫外光透過フィルタ４７ａ挿入時に微弱な蛍光を受光する時と可視光透過フィルタ４７ｃ挿入時に反射光を受光するときとの間で、ＣＣＤ２２で受光される光の量に大きな差が起きないようにしている。
【０１１１】
パルス振幅制御回路５７では、通常観察時にはＣＭＤでの増幅率を１とし、自家蛍光観察時にはＣＭＤによる増幅を指示する。蛍光観察時には、Ａ／Ｄ変換回路３２からの入力と、処理中の信号を得たときに用いた制御パルス数・パルス振幅指示に基づき、画像が適当な明るさになるように目標増幅率Ｓを設定する。
【０１１２】
次に、標準の制御パルス振幅を用いて目標増幅率に近いＣＭＤ増幅率を得る場合に必要となる制御パルス数ｎを算出する。次に、目標増幅率を制御パルス数ｎにおけるＣＭＤ増幅率で割った値で増幅されるように、制御パルスの振幅を制御する。
【０１１３】
このように、制御パルス数に応じて制御パルス振幅を制御しているので、細かな調整の効かないＣＭＤの制御パルス数による増幅制御を制御パルス振幅により微調整することことができ、所望の明るさの画像を得ることができる。
【０１１４】
使用者は、スコープ３Ｂ′を初めてプロセッサ４Ｃと組み合わせて使用する時には、スコープ先端部を白色基準物体５６で覆った状態で、図示しない増幅率算出スイッチを操作することにより白色基準物体５６が撮像されるようにする。
【０１１５】
増幅率分布算出回路５８では、撮像された白色基準物体５６の画像から、被写体の一様性を仮定して画素毎のＣＭＤ増幅係数ａを算出する。白色基準物体を撮像したときの制御パルス数をｎ、制御パルス振幅は標準値とすると、各画素でのＣＭＤ増幅係数ａは、
ａn＝（ａ′）n×Ｖ／Ｖ″ （５）
を満たすａとして算出される。
【０１１６】
ここで、ａ′はａの設計値で定数。Ｖは着目画素の画素値、Ｖ″は着目画素の近傍４９画素の平均値である。ｎが０のときには（５）式が意味を持たなくなるので、ｎは１以上の数である必要があり、増幅率算出スイッチの操作に連動して適当な値が自動的に設定される。
【０１１７】
増幅率分布記憶メモリ５２では、スコープＩＤ番号に対応付けて、増幅率分布算出回路５８で算出されたＣＭＤ増幅係数を記憶する。増幅率分布記憶メモリ５２では、複数のスコープのＣＭＤ増幅係数を記憶可能になっている。増幅率分布記憶メモリ５２は不揮発性のメモリであるので、次から同じスコープとプロセッサ４Ｃの組み合わせで使用する場合には、改めてＣＭＤ増幅係数を算出する必要はない。
【０１１８】
増幅率分布記憶メモリ５２では、プロセッサ４Ｃの電源投入時と、スコープ２Ｂ′が電気的にプロセッサ４Ｃに接続された時に、スコープ識別素子４９のデータを読み込み、スコープＩＤ番号に対応したＣＭＤ増幅係数を画像補正回路３４に出力する。
画像補正回路で３４では、増幅率分布記憶メモリ５２から出力されたＣＭＤ増幅係数データに基づき補正を行うことにより、画素毎の増幅率バラツキ補正が可能となる。
【０１１９】
なお、本実施の形態では近傍画素の値に基づいて着目画素のＣＭＤ増幅係数を算出しているが、異なるＣＭＤ増幅率で撮像した２枚以上の画像からＣＭＤ増幅係数を算出してもよい。
また、増幅率算出スイッチの操作時に、画像のカラーバランスの調整も併せて行う構成にすると、操作者の手間が減ってよい。
また、増幅率分布算出回路５８等、マイクロコンピュータで代用できる回路部分を代用して、コストの削減を図ってもよい。
【０１２０】
本実施の形態は以下の効果を有する。
画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
また、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１２１】
また、固体撮像素子としてのＣＣＤ２２に配置されているＣＭＤを用いて増幅を行っているのでＣＣＤ２２の読み出しノイズの影響が相対的に少なくなり微弱な蛍光に対してもＳ／Ｎが良い画像が得られる。
また、ＣＭＤ増幅係数を増幅率分布算出回路６３で算出しているので、修理でＣＣＤ２２を交換するときにも記憶素子４９の交換をする必要がなく、新たなＣＣＤのＣＭＤ増幅係数を再度計測するだけでよい。
【０１２２】
［付記］
１．被写体を照射するための光を放射する光源手段と、
制御パルスの数により増幅率が可変である固体撮像素子と、
前記固体撮像素子からの出力信号を増幅する素子外増幅手段と、
前記制御パルスの数に応じて前記素子外増幅手段の増幅率を制御する増幅率制御手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
【０１２３】
（付記１〜６の背景）従来技術は従来の技術の欄での説明と同じ。
（従来技術の問題点）ＣＭＤの増幅率制御をパルス数で行う場合には、増幅率が離散的な値を取り、明るさの微妙な調整ができないという問題があった。
そのため、ＣＭＤの増幅率を固定して使用している場合は良いが、ＣＭＤの増幅率を被写体の明るさに応じて自動的に調整する場合には、画像の明るさが不自然に変化してしまっていた。 また、ＣＭＤが配置されたＣＣＤを用いた場合には、画素毎やライン毎での増幅が行われるが、画素毎やライン毎での増幅率のバラツキを完全に抑えることは技術的に困難である。そのため、増幅率のバラツキがノイズとなって画像上に生じてしまっていた。
【０１２４】
（付記１〜３の目的）固体撮像素子内で増幅が可能な撮像索子を用いた内視鏡装置において、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像が得られるようにすることにある。
（付記１の作用効果）固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス数に応じて、固体撮像素子外での増幅率を制御する素子外増幅率制御手段を設けたので、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
【０１２５】
２．被写体を照射するための光を放射する光源手段と、
制御パルスの数により増幅率が可変である固体撮像素子と、
前記制御パルスの数に応じて前記固体撮像素子の露光時間を制御する露光時間制御手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記２の作用効果）固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス数に応じて、固体撮像素子での露光時間を制御する露光時間制御手段を設けたので、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
【０１２６】
３．被写体を照射するための光を放射する光源手段と、
制御パルスの数と振幅により増幅率が可変である固体撮像素子と、
前記制御パルスの数に応じて前記制御パルスの振幅を制御するパルス振幅制御手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記３の作用効果）固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス数に応じて、固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス振幅を制御するパルス振幅制御手段を設けたので、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
【０１２７】
４．撮像面上の所定領域毎に増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記スコープに設けられ個々のスコープを区別するためのスコープ識別手段と、
前記スコープを着脱可能であり前記固体撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を行う信号処理手段と、
前記固体撮像素子の前記所定領域毎の増幅率を計測する増幅率分布計測手段と、
前記信号処理手段に設けられ前記増幅率分布計測手段により計測された前記所定領域毎の増幅率に基づく増幅率分布データを複数記憶する増幅率分布データ記憶手段と、
前記増幅率分布データ記憶手段に記憶された増幅率分布データと前記スコープ識別手段に基づき前記所定領域毎の増幅率のバラツキを補正する画像補正手段と、
前記信号処理手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
【０１２８】
（付記４〜６の目的）固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることである。
（付記４の作用効果）増幅率分布計測手段により計測された所定領域毎の増幅率に基づき、増幅率のバラツキを補正する画像補正手段を設けたので、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１２９】
５．撮像面上の所定領域毎に増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記スコープに設けられ個々のスコープを区別するためのスコープ識別手段と、
前記スコープを着脱可能であり前記固体撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を行う信号処理手 段と、
前記信号処理手段に設けられ前記所定領域毎の増幅率に基づく増幅率分布データを複数記憶する増幅率分布データ記憶手段と、
前記増幅率分布データを前記増幅率分布データ記憶手段に入力する増幅率分布データ入力手段と、
前記増幅率分布データ記憶手段に記憶された増幅率分布データと前記スコープ識別手段に基づき前記所定領域毎の増幅率のバラツキを補正する画像補正手段と、
前記信号処理手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記５の作用効果）増幅率分布入力手段により入力された所定領域毎の増幅率に基づき、増幅率のバラツキを補正する画像補正手段を設けたので、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１３０】
６．撮像面上の所定領域毎に増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記スコープを着脱可能であり前記固体撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を行う信号処理手 段と、
前記スコープに設けられ前記所定領域毎の増幅率に基づく増幅率分布データを記憶する書き換え可能な増幅率分布データ記憶手段と、
前記増幅率分布データ記憶手段に記憶された増幅率分布データに基づき前記所定領域毎の増幅率のバラツキを補正する画像補正手段と、
前記信号処理手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記６の作用効果）スコープの増幅率データ記憶手段に記憶された増幅率分布データに基づき、増幅率のバラツキを補正する画像補正手段を設けたので、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１３１】
７．撮像面上の所定領域毎に異なった増幅率で増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記固体撮像素子により得られた撮像信号を異なる増幅率で撮像された領域間で合成してダイナミックレンジの拡大された画像を作成する画像合成手段と、
前記画像合成手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記７の目的）被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることにある。
（付記７の作用効果）所定領域毎に異なる増幅率で撮像された画像の合成を行う画像合成手段を設けたので、位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることができる。
【０１３２】
８．前記増幅率が可変であることを特徴とする請求項７に記載の内視鏡装置。
（付記８の目的）付記７の目的に加えて、ダイナミックレンジ拡大の必要の無いときには、解像度の劣化の無い画像を得ることにある。
（付記８の作用効果）ダイナミックレンジの拡大が不要なときには解像度の劣化の無い画像を得ることができる。
【０１３３】
９．撮像領域が異なる複数の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な撮像デバイスと、
前記撮像デバイスより出力された撮像信号に応じて、前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、
を具備した内視鏡装置。
１０．出力制御入力部を備え、入力された出力制御信号に応じて離散的に出力可変された撮像信号を出力する撮像デバイスと、
前記撮像デバイスより離散的に可変出力された撮像信号のレベルを連続的に可変する撮像出力補正手段と、
前記撮像デバイスより出力された撮像信号に応じて、前記撮像出力補正手段を制御するとともに前記出力制御入力部に制御信号を出力する明るさ制御手段と、
を具備した内視鏡装置。
１１．内視鏡に設けた撮像デバイスにて被写体を撮像する内視鏡装置において、
前記撮像デバイスの複数の画素毎に設けられ、入力される出力可変信号に応じて増幅する複数の増幅手段と、
前記出力可変信号が所定の基準値のとき、前記複数の増幅手段により発生する増幅バラツキ量に応じた補正データを記憶する記憶手段と、
を具備した内視鏡装置。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、撮像領域が異なる複数の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な撮像デバイスと、
前記撮像デバイスより出力された撮像信号に応じて、前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、
を具備しているので、被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図２】ＣＣＤの概略の構成を示す図。
【図３】画像合成回路を構成する関数ｆ（Ｉｈ）の説明図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図５】回転フィルタ板の構成を示す図。
【図６】ＲＧＢフィルタの分光特性を示す図。
【図７】狭帯域フィルタの分光特性を示す図。
【図８】ＣＭＤにおける制御パルス数と増幅率の関係を示す説明図。
【図９】目標増幅率とＣＭＤ増幅率と乗算回路での増幅率の関係を示す説明図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図１１】蛍光用回転フィルタ板の構成を示す図。
【図１２】蛍光観察用フィルタの分光特性を示す図。
【図１３】励起光カットフィルタの分光特性を示す図。
【図１４】目標増幅率とＣＭＤ増幅率と露光時間の関係を示す説明図。
【図１５】本発明の第４の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図１６】蛍光観察用フィルタの分光特性を示す図。
【符号の説明】
１…内視鏡装置
２…スコープ
３…光源装置
４…プロセッサ
５…モニタ
５９…挿入部
６０…ライトガイドファイバ
６１…ランプ
６２…赤外カットフィルタ
６３…照明光絞り
６４…回転フィルタ板
６６…モータ
７０…ＣＣＤ
７１…ダイナミックレンジ拡大スイッチ
７２ａ，７２ｂ…プリプロセス回路
７３ａ，７３ｂ…Ａ／Ｄ変換回路
７４ａ，７４ｂ…カラーバライス回路
７５…画像合成回路
７６…同時化回路
７７…Ｄ／Ａ変換回路
７８…調光回路
７９…制御パルス発生回路
８０…受光エリア
８１ａ，８１ｂ…水平転送チャンネル
８２ａ，８２ｂ…ＣＭＤ付転送チャンネル
８３ａ，８３ｂ…電荷検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、増幅率が可変である撮像デバイスを用いて撮像する内視鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、体腔内にスコープを挿入することにより、食道、胃、小腸、大腸などの消化管や肺等の気管を観察し、必要に応じて処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いて各種の治療処理のできる内視鏡が利用されている。特に、電荷結合素子（ＣＣＤ）等の固体撮像素子を用いた電子内視鏡はモニタ上に画像を表示でき、内視鏡を操作する術者の疲労が少ないために広く利用されている。
【０００３】
また、内視鏡による診断では、肉眼で見えるのと同様の画像をモニタに表示する通常観察の他に、紫外〜青色の励起光を生体組織に当てた時に出てくる自家蛍光の性質が正常粘膜と腫瘍で異なることを利用して診断を行う自家蛍光観察や、酸素が結合しているヘモグロビンと結合していないヘモグロビンの吸光度スペクトルが異なることを利用して血液中のヘモグロビンに含まれる酸素量を測って診断を行う酸素飽和度観察が検討されている。
【０００４】
ところで、Ｕ．Ｓ．パテント５，３３７，３４０号に示されているように、素子外から制御パルスを入力することにより、素子内での増幅率を制御できるＣＣＤが提案されている。そのＣＣＤでは、素子内に配置された電荷増倍素子（ＣＭＤ：Ｃｈａｒｇｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）においてイオン化を利用した電荷の増倍が可能となっている。ＣＭＤは、画素毎に配置して画素毎に増幅をすることも可能であり、転送チャンネルに配置して転送ライン毎に増幅することも可能である。
【０００５】
増幅率の制御には、ＣＭＤに入力する制御パルス（ＣＭＤゲートパルス）の振幅を変える方法とパルス数を変える方法があるが、振幅のみで増幅率を制御した場合には高い増幅率を得るために高い電圧をかける必要がある。
医療用内視鏡にこのＣＣＤを応用する場合には、スコープの先端に高い電圧をかけると安全性を保つための余分なスペースが必要となり装置が大きくなってしまうので、制御パルスのパルス数を用いて増幅率制御を行い低い電圧で制御できるようにする方が適している。
【０００６】
ＣＭＤを用いたＣＣＤでは、電荷の読み出し前に増幅が行われるので、ＣＣＤ外で増幅を行うよりも読み出しノイズの影響が少なくなり、非常に高いＳ／Ｎ比の画像が得られるというメリットがある。そのため高感度での撮像が可能であり、微弱光の撮像に適している。
【０００７】
また、内視鏡の検査時に食道等の管腔臓器を観察するとき等には、被写体がスコープに近い部分では画像信号が飽和して真っ白になってしまい、逆に被写体がスコープから遠い奥の方では真っ暗であまり見えないようなことが起こる。
そこで、ＣＣＤ等の撮像デバイスにより得られる画像のダイナミックレンジを上げるための工夫が試みられている。例えば特公平４−７５７０６号においては、光源から異なった光量の照明光を順次照射し、それぞれの照射ごとに読み出した画像信号を合成することにより、高いダイナミックレンジの画像を得る技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ダイナミックレンジの拡大のために異なる光量の光を順次照射して露光量の異なる画像を得る場合には、タイミングのずれた画像を得ることになり、合成したい画像間で被写体の位置がずれることがあった。従って、心拍の影響を受ける食道のように、被写体の動きが激しい時に適用することは困難であった。
【０００９】
（発明の目的）
本発明は被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることができる内視鏡装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
１つの撮像領域を、隣接する画素の配置に基づき複数の画像領域に分け、該複数の画像領域の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な電荷増倍機能付き撮像デバイスと、
前記電荷増倍機能付き撮像デバイスから可変可能な増幅率で出力された前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、を具備することにより、被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得られるようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１ないし図３は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は本発明の第１の実施の形態の内視鏡装置の構成を示し、図２はＣＣＤの構成を示し、図３は画像合成回路を構成するルックアップテーブルに格納されたデータの関数形を示す。本実施の形態の目的は被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることにある。
【００１２】
図１に示すように第１の実施の形態の内視鏡装置１は、体腔内等に挿入して内視鏡検診、検査を行うする内視鏡（以下、スコープと略記）２と、観察用の光を発するための光源装置３と、撮像素子で得られた画像信号の信号処理等を行うプロセッサ４と、画像を表示するモニタ５とより構成される。
【００１３】
スコープ２は体腔内等に挿入し易いように細長の挿入部５９を有し、この挿入部５９内には照明光を伝送するライトガイドファイバ６０が挿通され、このライトガイドファイバ６０の手元側の端部は光源装置３に着脱自在で接続される。
【００１４】
光源装置３は、光を放射するキセノンランプ６１と、このランプ６１の照明光路上に設けられ透過波長を制限する赤外カットフィルタ６２と、照射光量を制限する照明光絞り６３と、回転フィルタ板６４と、この回転フィルタ板６４を透過した光を集光してライトガイドファイバ６０の手元側の端部に入射させる集光レンズ６５とを有する。回転フィルタ板６４はモータ６６により回転駆動される。回転フィルタ板６４上には、それぞれ赤、緑、青の光をそれぞれ透過するＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタが配置されている。
【００１５】
光源装置３から手元側の端面に入射された照明光はライトガイドファイバ６０によりその先端面に伝送され、その先端面からさらに照明窓に取り付けた照明レンズ６７を経て被写体６８側に出射され、被写体６８側を照明する。
【００１６】
挿入部５９の先端部には照明窓に隣接して観察窓が設けてあり、この観察窓に取り付けた対物レンズ６９によりその結像位置に被写体６８の光学像を結ぶ。この結像位置には光電変換する固体撮像素子として、例えばＣＣＤ７０が配置され、このＣＣＤ７０で光電変換された信号はプロセッサ４に入力される。また、このスコープ２にはダイナミックレンジ拡大スイッチ７１が設けてある。
【００１７】
ＣＣＤ７０は、図２に示すように、２次元状の受光エリア８０における出力端側に２つの水平転送チャンネル８１ａ、８１ｂが設けてあり、２つの水平転送チャンネル８１ａ、８１ｂの後端にＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂと、２つの電荷検出部８３ａ、８３ｂとが順次配置されている。
【００１８】
受光エリア８０の奇数ラインの信号電荷は水平転送チャンネル８１ａに、偶数ラインの信号電荷は水平転送チャンネル８１ｂにそれぞれ出力され、それぞれＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂを経て２つの電荷検出部８３ａ、８３ｂからＣＣＤ出力信号として出力される。
【００１９】
プロセッサ４は、相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ処理）等を行うプリプロセス回路７２ａ、７２ｂ、Ａ／Ｄ変換回路７３ａ、７３ｂ、カラーバランス補正回路７４ａ、７４ｂ、画像合成回路７５、同時化回路７６、Ｄ／Ａ変換回路７７の順に映像信号が流れるように構成されており、さらに調光信号を出力する調光回路７８、ＣＣＤ７０の増幅率の制御を行う制御パルスを発生する制御パルス発生回路７９を備えている。
【００２０】
本実施の形態では、ＣＣＤ７０による１回の撮像画像により、被写体の動きによる位置ずれの影響を受けないで、隣接する画素の配置により得られる２つの画像領域の画像を異なる増幅率で合成してダイナミックレンジを拡大した画像を得られるようにしたことが特徴となっている。また、ダイナミックレンジの拡大が必要でない場合には解像度の劣化の無い画像を得られるようにしていることも特徴の１つとなっている。
【００２１】
次に本実施の形態の作用を説明する。光源装置３のランプ６１からは、可視領域、近赤外領域を含む波長領域の光が放射される。ランプ６１から放射された光は、赤外カットフィルタ６２、照明光絞り６３、回転フィルタ板６４を通過してスコープ２のライトガイドファイバ６０に入射される。照明光絞り６３は、プロセッサ４の調光回路７８から出力される調光信号（絞り制御信号）に応じて、光源装置３から出射される光の光量を制限する。回転フィルタ板６４は、モータ６６により回転駆動されることにより、順次赤、緑、青の光が出射される。
【００２２】
スコープ２のライトガイドファイバ６０に入射された光は、スコープ２の先端部から消化管等の被写体６８に照射される。被写体６８で散乱、反射された光はスコープ先端のＣＣＤ７０上に結像する。ＣＣＤ７０は回転フィルタ板６４の回転に同期して図示しないＣＣＤ駆動回路により駆動され、赤、青、緑の照射光に対応する画像信号が順次プロセッサ４に出力される。
【００２３】
ＣＣＤ７０では、受光エリア８０に蓄積された電荷が下向きに垂直転送された後に、奇数列の画素についてはＡチャンネル、偶数列の画素についてはＢチャンネルの２系統で水平転送チャンネル８１ａ、８１ｂ、ＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂにより転送され、電荷検出部８３ａ、８３ｂで電荷から電圧に変換されてプロセッサ４のプリプロセス回路７２ａ、７２ｂに入力される。
この時、ＣＭＤ付転送チャンネル８２ａ、８２ｂでは、電荷が転送される毎にＣＭＤに制御パルスを入力することにより必要に応じた増幅率で増幅することができる。
【００２４】
ＡチャンネルのＣＭＤとＢチャンネルのＣＭＤでは別々の制御線から制御パルスが入力されるので、ＡチャンネルとＢチャンネルでそれぞれ個別に、ＣＭＤによる増幅率を設定できるが、本実施の形態では、Ａチャンネルは増幅を行わずに通常の明るさの画像を取得し、Ｂチャンネルのみ増幅を行いＢチャンネルからは明るい像が得られるように制御パルス発生回路７９からの制御パルスが送られる。
【００２５】
すなわち、ＢチャンネルのＣＭＤのみに対して制御パルスが送られることになる。同じチャンネルを通って読み出される画素については、全ての画素について同じＣＭＤにより増幅されることになるので、ＣＭＤの増幅係数のバラツキによる画素値のバラツキは生じない。
ＡチャンネルとＢチャンネルでは通るＣＭＤが異なるので増幅率のバラツキの影響は生じうるが、プロセッサ４のカラーバランス補正回路７４ａ、７４ｂで補正することにより、その影響を抑えることができる。
【００２６】
プロセッサ４に入力された画像信号は、まずプリプロセス回路７２ａ、７２ｂに入力され、各プリプロセス回路７２ａ、７２ｂではＣＤＳ等の処理により（リセットノイズを除去した）画像信号成分のみが取り出される。
【００２７】
プリプロセス回路７２ａ、７２ｂから出力される各チャンネルの信号はＡ／Ｄ変換回路７３ａ、７３ｂによりアナログ信号からデジタル信号に変換され、それぞれカラーバランス補正回路７４ａ、７４ｂに入力され、色バランスの補正とＣＭＤ増幅係数の補正が行われ、共通の画像合成回路７５に入力される。
【００２８】
画像合成回路７５では、ダイナミックレンジ拡大スイッチ７１からの指示に応じて、ＡチャンネルとＢチャンネルの例えば水平方向に隣接する２画素の信号を合成することにより、ダイナミックレンジを拡大した画像を作成する。
【００２９】
この時、隣接する２画素を合成するために画像の水平方向の解像度は低下することになる。画像合成回路７５はＲＯＭのルックアップテーブルで構成されており、ＡチャンネルのＣＭＤで増幅されていない信号とＢチャンネルのＣＭＤで増幅された信号とを合成して合成画像として出力する。
【００３０】
ここで、ルックアップテーブルには、Ａチャンネルからの入力をＩｈ、Ｂチャンネルからの入力をＩｌ、出力をＯとすると、
Ｏ＝ｆ（Ｉｈ）Ｉｌ＋（１−ｆ（Ｉｈ））×Ｉｈ
で表される関数がテーブル化されている。
【００３１】
ここでｆ（Ｉｈ）は図３に表されるような関数で、入力Ｉｈが小さい画像の暗い部分では大きい値となり、Ｉｈが大きくなる画像の明るい部分ほど小さい値になる。
【００３２】
従って、画像合成回路７５から出力される画像は、Ｉｈが小さい暗い領域では増幅された信号Ｉｌの割合が大きくなり、入力Ｉｈが大きい明るい領域では増幅されていない信号Ｉｈの割合が高くなるように画像が合成されることになり、ダイナミックレンジが拡大された画像となる。
従って、画像合成回路７５では、被写体の暗い部分についても明るく変換され管腔臓器の奥なども見やすくなると共に、元々明るい部分の画素値の飽和も抑えられた画像が作成される。
【００３３】
ダイナミックレンジ拡大スイッチ７１によりダイナミックレンジの拡大を行わない通常の観察が指示された場合には、画像の合成を行わずに解像度の劣化の無い画像を出力する。
画像合成回路７５から出力された信号は同時化回路７６において面順次画像の同時化が行われ、Ｄ／Ａ変換回路７７にてアナログ信号に変換され、モニタ５に表示される。
【００３４】
調光回路７８では、Ａチャンネルの画像信号に著しい飽和が生じないように調光信号を照明光絞り６３に送り、光源装置３から出射される光量を調整する。
制御パルス発生回路７９では、ダイナミックレンジ拡大スイッチ７１からダイナミックレンジ拡大が指示された時には、電荷の読み出し時にＢチャンネルだけで信号の増幅を行うようにＣＣＤ７０に制御パルスを送る。通常の観察が指示された時には、制御パルスを送らない。
【００３５】
なお、本実施の形態ではダイナミックレンジの拡大を行わない時には、ＣＭＤによる増幅率を常に１にしたが、ＡチャンネルとＢチャンネルを同じ増幅率で増幅するようにして、全体が暗い被写体に対応できるようにしてもよい。
また、後述する第２〜第４の実施の形態と組み合わせて、酸素飽和度観察を行えるようにしたり自家蛍光観察を行えるようにしてもよい。
【００３６】
本実施の形態は以下の効果を有する。
本実施の形態によると、時間をずらして複数の露光量の画像を取得して合成することによりダイナミックレンジの拡大を行うのではなく、１回の露光で得られた画像を用いるので、動きが激しい被写体に対しても位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大を行うことができる。
【００３７】
また、複数の撮像素子を用いることなく１つの撮像素子でダイナミックレンジの拡大を行うことができるので、製造コストを抑えることができる。
また、ダイナミックレンジの拡大が不要な時には、解像度が劣化しない画像を得ることができる。
また、ＣＭＤが水平転送チャンネルに配置されているので、画素毎の増幅係数バラツキの補正が不要になり、回路規模を縮小できる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態を図４ないし図９を参照して説明する。図４は第２の実施の形態の内視鏡装置の構成を示し、図５は回転フィルタ板の構成を示し、図６は回転フィルタ板の外周側に設けたＲＧＢフィルタの分光特性を示し、図７は回転フィルタ板の内周側に設けた狭帯域フィルタの分光特性を示し、図８はＣＭＤによる制御パルス数と増幅率の関係を示し、図９は、目標増幅率に対するＣＭＤ増幅率と乗算回路での増幅率の関係を示す。
【００３９】
本実施の形態の目的は固体撮像素子内で増幅が可能な撮像索子を用いた内視鏡装置において、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像が得られるようにすることと、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることである。
【００４０】
図４に示すように第２の実施の形態の内視鏡装置１Ａは、体腔内に挿入され、内視鏡検査を行うスコープ２Ａと、このスコープ２Ａに観察用の照明光を供給する光源装置３Ａと、スコープ２Ａに内蔵された撮像素子で得られた画像信号の信号処理等を行うプロセッサ４Ａと、プロセッサ４Ａの出力信号が入力されることにより、対応する内視鏡画像を表示するモニタ５とから構成される。
スコープ２Ａは体腔内等に挿入し易いように細長の挿入部６を有する。この挿入部６内には照明光を伝送するライトガイドファイバ７が挿通され、このライトガイドファイバ７の手元側の端部は光源装置３Ａに着脱自在で接続できる。
【００４１】
光源装置３Ａ内には、光を放射するキセノンランプ１１と、このランプ１１の照明光路上に設けられ透過波長を制限する赤外カットフィルタ１２と、光量を制限する照明光絞り１３と、回転フィルタ板１４と、この回転フィルタ板１４を透過した光を集光してライトガイドファイバ７の手元側の端部に入射させる集光レンズ１５とがそれぞれ配置されている。
【００４２】
また、回転フィルタ板１４を回転駆動するためのモータ１６と、回転フィルタ板１４を光軸に対して垂直方向に移動するための移動用モータ１７とを備えている。例えば、回転フィルタ板１４を回転するモータ１６には、ラックが設けてあり、このラックは移動用モータ１７の回転軸に設けたピニアンギヤと噛合し、移動用モータ１７を回転させる方向により、図４の矢印で示すように移動して回転フィルタ板１４の外周側のフィルタ部分を光軸上に配置したり、内周側のフィルタ部分を光軸上に配置したりすることができるようにしている。
【００４３】
ライトガイドファイバ７の手元側の端部に入射された照明光は伝送されて、ライトガイドファイバ７の他端側の先端面からさらに照明窓に取り付けた照明レンズ１９を経て、外部に出射され、体腔内の患部等の被写体２０側を照明する。
【００４４】
スコープ２Ａの先端部には照明窓に隣接して観察窓が設けてあり、この観察窓には対物レンズ２１が取り付けられ、この対物レンズ２１により被写体２０の光学像が結像される。その結像位置には、光電変換する固体撮像素子として、例えばＣＣＤ２２が配置されており、結像された光学像を光電変換する。
【００４５】
回転フィルタ板１４は、図５に示すように外周側にそれぞれ赤、緑、青の波長の光をそれぞれ透過する扇形状のＲフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが配置されている。
また、内周側には５８６ｎｍ、５７７ｎｍ、５６９ｎｍを中心波長とする半値全幅が５ｎｍの狭帯域の透過フィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃがそれぞれ配置されている。
【００４６】
外周側のＲ、Ｇ、Ｂフィルタ２３ａ、２３ｂ、２３ｃの分光特性を図６に示し、内周側の透過フィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの分光特性を図７に示す。なお、回転フィルタ板１４における各フィルタが配置されている以外の部分は、光を遮光する部材により構成されている。
【００４７】
上記ＣＣＤ２２は、ＣＭＤが画素毎に配置されているので外部からの制御パルスにより画素毎での増幅が可能である。全ＣＭＤには共通の制御線２５により制御パルス発生回路２６と接続されている。そして、この制御線２５を介して制御パルス発生回路２６から制御パルスが印加され、各ＣＭＤに入力される制御パルスの数は等しくなる。露光が終わって電荷を読み出す前に、制御パルス発生回路２６から制御パルスをＣＭＤに印加することにより、制御パルスの数に応じて増幅率を変えることができる。
【００４８】
制御パルスの数をｎとすると各画素での増幅率Ａは、
Ａ＝ａn （１）
で表される。ａはＣＭＤ増幅係数である。ａ＝１．２の場合の制御パルス数と増幅率の関係を図８に示す。図８のように、制御パルス数に応じて増幅率は指数関数的に増加する。ａの値は全画素でほぼ同じ値ではあるが、バラツキを完全に無くすことは技術的に困難である。また、（１）式のように指数関数の形式になっているため、ａ自体のバラツキは少しであっても、ｎが大きい場合には大きなバラツキとなって現れる。
これを補正するため、各スコープ２は不揮発性で書き換え可能なフラッシュメモリで構成される増幅率分布データメモリ２７を備えている。
【００４９】
プロセッサ４Ａは、ＣＣＤ２２の出力信号が入力され、ＣＤＳ等の前処理を行うプリプロセス回路３１、Ａ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換回路３２、乗算を行う乗算回路３３、画像補正を行う画像補正回路３４、ノイズを取り除くためのメディアンフィルタ３５、画像拡大を行う画像拡大回路３６、同時化を行う同時化回路３７、画像間の演算を行う画像間演算回路３８、Ｄ／Ａ変換を行うＤ／Ａ変換回路３９の順に映像信号が流れるように構成されており、さらにＡ／Ｄ変換回路３２の出力信号が入力され、調光を行う調光回路４０、Ａ／Ｄ変換回路３２と調光回路４０の出力信号が入力され、増幅率制御を行う増幅率制御回路４１、増幅率制御回路４１の出力信号が入力され、制御パルスを発生する制御パルス発生回路２６を備えている。
【００５０】
スコープ２Ａに設けた増幅率分布データメモリ２７はプロセッサ４Ａに設けた増幅率分布一時記憶メモリ４２と接続され、増幅率分布データメモリ２７に書き込んだ増幅率分布データを読み出して、増幅率分布一時記憶メモリ４２に一時格納し、画像補正回路３４による画像補正に利用する。
この画像補正回路３４には増幅率制御回路４１の出力信号も入力され、画像補正に利用される。
【００５１】
また、調光回路４０から出力される調光信号或いは絞り制御信号は光源装置３Ａの絞り１３を駆動して、適切な光量となるように制御する。
次に本実施の形態の作用を説明する。
【００５２】
光源装置３Ａのランプ１１からは、可視領域、近赤外領域を含む波長領域の光が放射される。このランプ１１から放射された光は、赤外カットフィルタ１２、照明光絞り１３、回転フィルタ板１４を通過してスコープ２のライトガイドファイバ７に入射される。赤外カットフィルタ１２は、赤外光をカットし、回転フィルタ板１４上の各フィルタに照射される不要な熱や光を遮断する。
【００５３】
照明光絞り１３は、プロセッサ４Ａの調光回路４０から出力される絞り制御信号に応じて、光源装置３Ａから出射される光の光量を制限し、ＣＣＤ２２で撮像される画像に著しい飽和が生じないように調光する。回転フィルタ板１４は、通常観察時には外周側のフィルタ２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃを代表）が光軸上に挿入され、モータ１６により所定の速度で回転駆動されることにより順次Ｒフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが光路上に介挿され、赤、緑、青の光が透過される。
【００５４】
また、ヘモグロビンの酸素飽和度を観察する酸素飽和度観察時には、回転フィルタ板１４は図示しないフィルタ位置制御回路からの信号に応じてモータ１７により光軸と垂直方向に移動されることにより、内周側のフィルタ２４（２４ａ，２４ｂ，２４ｃを代表）が光軸上に挿入される。
【００５５】
内周側のフィルタ２４の挿入時には５８６ｎｍ、５７７ｎｍ、５６９ｎｍを中心波長とする光が順次光源装置３から出射される。５８６ｎｍと５６９ｎｍは、酸素が結合しているオキシヘモグロビンと酸素が結合していないデオキシヘモグロビンの吸光度が等しい等吸収点であり、５７７ｎｍは、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸光度の差がある波長である。
【００５６】
全ヘモグロビン中のオキシヘモグロビンの量で表される酸素飽和度の分布は、これらの３つの波長で得られた画像を画像間演算することにより算出することができる。酸素飽和度を計測するためには、生体の散乱による影響などの測定誤差の要因を取り除くために、波長帯域の狭い光を照射して観察することが有効である。
【００５７】
しかし、波長帯域を狭くすると得られる画像が暗くなってしまいノイズの割合が増えて測定精度が落ちるので、より明るい画像を得ることができる高感度素子が望まれていた。本実施の形態では、ＣＭＤで増幅できるＣＣＤを用いているので、狭帯域フィルタを通った弱い光でもＣＭＤ増幅により高感度での撮像ができ、精度良く酸素飽和度を求めることが可能となる。
【００５８】
スコープ２Ａのライトガイドファイバ７に入射された光は、挿入部６の先端部から消化管等の被写体２０に照射される。被写体２０で散乱、反射された光は挿入部６の先端部の対物レンズ２１によりＣＣＤ２２上に像を結ぶ。
【００５９】
ＣＣＤ２２は回転フィルタ板１４の回転に同期して図示しないＣＣＤ駆動回路により駆動され、Ｒフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃ等回転フィルタ板１４のそれぞれのフィルタを透過した照射光に対応する画像信号が順次プロセッサ４Ａに出力する。ＣＣＤ２２では、必要に応じて制御パルス発生回路２６からの制御パルスが画素毎に配置されたＣＭＤに入力されることにより、蓄積された電荷の増倍が行われる。
【００６０】
プロセッサ４Ａに入力された画像信号は、まずプリプロセス回路３１に入力され、このプリプロセス回路３１ではＣＤＳ等の処理により画像信号が取り出される。プリプロセス回路３１から出力された信号はＡ／Ｄ変換回路３２によりアナログ信号からデジタル信号に変換され、乗算回路３３に入力され、増幅率制御回路４１で指定された係数に基づき乗算による増幅が行われる。
【００６１】
乗算回路３３から出力された信号は画像補正回路３４に入力され、画像補正回路３４では、画素毎のＣＭＤ増幅係数を記憶している増幅率分布一時記憶メモリ４２からの出力値と処理中の画像を撮像したときの制御パルス数に基づき画素毎に、
Ｖ′＝Ｖ×（ａ′ ／ａ）n （２）
の計算を行うことにより画像の補正を行う。
【００６２】
ここで、Ｖ′は補正後の画素値、Ｖは補正前の画素値、ａは（１）式におけるａと同じで着目画素におけるＣＭＤ増幅係数、ａ′はＣＣＤ全体でのａの平均値、ｎは制御パルス数を表す。画像補正回路３４にて（２）式の補正を行うことにより、画素毎の増幅率バラツキが補正された画像が得られる。
【００６３】
増幅率分布一時記憶メモリ４２では、プロセッサ４Ａの電源投入時と、スコープ２Ａが電気的にプロセッサ４Ａに接続された時に、増幅率分布データメモリ２７の内容がシリアル転送で読み込まれる。
【００６４】
増幅率分布一時記憶メモリ４２を設けることにより、増幅率分布データメモリ２７の読み出しを低速で行うことが可能となり、プロセッサ４Ａとスコープ２Ａを接続する信号線の数を減らすことができる。なお、増幅率分布データメモリ２７には、予め工場などで測定された画素毎のＣＭＤ増幅係数が記憶されている。
画像補正回路３４の出力信号はメデイアンフィルタ３５に入力され、メデイアンフィルタ３５においては、ＣＣＤ２２の暗電流ノイズが特に多い画素やＣＭＤ増幅係数が特に大きい画素が飽和したときに発生するノイズを取り除くために、着目画素を近傍画素の中央値で置き換える処理を行う。この処理により、孤立ノイズを取り除くことができる。
【００６５】
メデイアンフィルタ３５の出力信号は画像拡大回路３６に入力され、画像拡大回路３６では、モニタ５上に所望の大きさで画像を表示させるために画像の拡大や縮小を行う。画像拡大回路３６通過後の信号は、一般的には１つの画素内に複数画素の情報が入ってしまうので、画像補正回路３４やメディアンフィルタ３６は画像拡大回路３６よりも前に配置するのが適当である。
【００６６】
画像拡大回路３６の出力信号は同時化回路３７に入力され、同時化回路３７では、複数の同時化用メモリに順次記憶した画像を同時に読み出すことにより、面順次画像の同時化を行う。
【００６７】
同時化された画像に対して画像間演算回路３８によりリアルタイムで画像間演算を行い、画素ごとに酸素飽和度の算出を行うことができる。画像間演算回路３８では、回転フィルタ板１４の外周側、内周側の切り替えに応じて、通常観察（回転フィルタ板１４の外周側のフィルタ２３挿入時）の場合には同時化回路３７からの入力をそのまま出力する。また、回転フィルタ板１４の内周側のフィルタ２４が挿入されている酸素飽和度観察時には酸素飽和度分布の擬似カラー画像を算出、出力する。
【００６８】
画像間演算回路３８の出力は、図示しないガンマ補正回路においてモニタ５のガンマ特性を補正する変換が行われ、Ｄ／Ａ変換回路３９によりアナログ信号に変換され、モニタ５に表示される。
【００６９】
調光回路４０では、Ａ／Ｄ変換回路３２の出力に基づき、画像が適当な明るさになるように照明光絞り１３に対して絞り制御信号を送る。また、増幅率制御回路４１に対しては、絞り１３がいっぱいまで開ききっているか否かの情報を送る。
【００７０】
増幅率制御回路４１では、調光回路４０からの情報に基づき、絞り１３が開ききっている場合にはＣＭＤと乗算回路３３による増幅を指示し、絞り１３が開ききっていない場合にはＣＭＤと乗算回路３３での増幅率を１にする。絞り１３が開ききっている場合には、Ａ／Ｄ変換回路３２からの入力と、処理中の信号を得たときに用いた制御パルス数に基づき、画像が適当な明るさになるように目標増幅率Ｓを設定する。
【００７１】
次に、目標増幅率Ｓに近い増幅率をＣＭＤ増幅で得る場合に必要となる制御パルス数ｎを算出し、算出された制御パルス数を指示する信号を制御パルス発生回路２６に出力する。次に、目標増幅率を制御パルス数ｎにおけるＣＭＤ増幅率で割った値で増幅されるように、乗算回路３３に係数を出力する。すなわち、乗算回路３３での増幅率Ｂは、
Ｂ＝Ｓ／（ａ）n （３）
となる。
【００７２】
図９は、目標増幅率に対するＣＭＤ増幅率と乗算回路３３での増幅率の関係を表したグラフである。このように、制御パルス数に応じて乗算回路３３の増幅率を制御しているので、細かな調整の効かないＣＭＤの増幅を乗算回路３３の増幅により微調整することができ、所望の明るさの画像を得ることができる。
【００７３】
制御パルス発生回路２６では、増幅率制御回路４１からのパルス数指示信号で指示された数の制御パルスをＣＭＤに出力する。
なお、本実施の形態では、面順次方式の内視鏡装置１Ａで説明したが、同時式の内視鏡装置に適用してもよい。
また、本実施の形態では、ＣＭＤ増幅係数を増幅率分布データメモリ２７に記憶したが、各制御パルス数に対応させた増幅率を記憶し、増幅率が制御パルス数に対して完全には指数関数的に変化しない時に対応できるようにしてもよい。
【００７４】
また、ＣＭＤ増幅係数だけでなくＣＣＤ２２の画素毎の暗電流もＣＭＤ増幅係数と同様にメモリに記憶して補正するようにしてもよい。
また、乗算回路３３は画像の色バランスを調整するカラーバランス補正回路を兼ねるようにしてもよい。
また、画像補正回路３４はスコープ２Ａ内に設けるようにしてもよい。
【００７５】
また、本実施の形態では調光回路４０からの情報に応じて増幅率制御回路４１による制御を動作させるか否かを決めているが、通常観察と酸素飽和度観察の切り替えに応じて酸素飽和度観察のときだけ動作させるようにしてもよい。
【００７６】
また、ＣＭＤや乗算回路３３での増幅率は、回転フィルタ板１４のＲフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃの全てに対して同じ値にして制御を簡単にしてもよいし、各フィルタ別に異なる値にして暗い波長帯域からもＳ／Ｎの良い信号を得られるようにしてもよい。
【００７７】
本実施の形態は以下の効果を有する。
画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
また、固体撮像素子内のＣＭＤ増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【００７８】
また、固体撮像素子内に配置されているＣＭＤを用いて増幅を行っているので、固体撮像素子の読み出しノイズの影響か相対的に少なくなり微弱な光に対してもＳ／Ｎが良い画像が得られる。
また、スコープ２Ａ内の書き換え可能な記憶素子に増幅率分布データを記憶しているので、修理で固体撮像素子としてのＣＣＤ２２を交換するときにも記憶素子の交換をする必要がなく、新たなＣＣＤ２２の増幅率分布データを記憶素子に書き込むだけでよい。
【００７９】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態を図１０ないし図１４を参照して説明する。図１０は本発明の第３の実施の形態の内視鏡装置の全体構成を示し、図１１は蛍光用回転フィルタ板の構成を示し、図１２は蛍光観察用フィルタの分光特性を示し、図１３は励起光カットフィルタの分光特性を示し、図１４は目標増幅率とＣＭＤ増幅率と露光時間の関係を示す。本実施の形態の目的は第２の実施の形態の場合と同様である。
【００８０】
第３の実施の形態は、第２の実施の形態と類似する構成であるので、異なる点を中心に述べる。
図１０に示す第３の実施の形態の内視鏡装置１Ｂは、スコープ２Ｂと、光源装置３Ｂと、プロセッサ４Ｂと、モニタ５と、デジタル画像記録装置４５とから構成される。
【００８１】
光源装置３Ｂは図４の光源装置３Ａにおいて、回転フィルタ板１４の代わりに蛍光用回転フィルタ板４６が採用され、この蛍光用回転フィルタ板４６はモータ１６により回転駆動される。
【００８２】
この蛍光用回転フィルタ板４６は図１１に示すように内周側に紫外光透過フィルタ４７ａと可視光透過フィルタ４７ｂが配置されており、紫外光透過部分の面積が大きくなっている。それぞれのフィルタ４７ａ、４７ｂの分光透過特性は、図１２に示すようになっている。なお、外周側は回転フィルタ板１４の場合と同様にＲフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが設けてある。
【００８３】
また、本実施の形態におけるスコープ２Ｂは図１のスコープ２Ａにおいて、ＣＣＤ２２の前面には、図１３に示す特性のように紫外光をカットする紫外光カットフィルタ４８が配置されている。また、増幅率分布データメモリ２７の代わりに、スコープ識別素子４９が配置されている。また、ＣＣＤ２２は電子シャッタによる露光時間の制御が可能なものが採用されている。
【００８４】
プロセッサ４Ｂは、図４のプロセッサ４Ａにおいて、増幅率制御回路４１の代わりに露光時間制御回路５１が配置されており、また増幅率分布一時記憶メモリ４２の代わりに不揮発性の書き換え可能な増幅率分布記憶メモリ５２が配置されている。また、デジタル画像記録装置４５への画像の入出力制御などを行うためのデジタル記録制御回路５３が配置されている。
【００８５】
このデジタル記録制御回路５３はデジタル画像記録装置４５と接続されている。また、このプロセッサ４Ｂでは乗算回路３３が設けてなく、Ａ／Ｄ変換回路３２の出力信号は露光時間制御回路５１に入力されると共に、画像補正回路３４に入力される。
【００８６】
また、このプロセッサ４Ｂでは画像間演算回路３８が設けてなく、同時化回路３７の出力信号はデジタル記録制御回路５３を経てＤ／Ａ変換回路３９に入力されるようになっている。
【００８７】
次に本実施の形態の作用を説明する。
蛍光用回転フィルタ板４６は、通常観察時には外周側のフィルタ２３が光軸上に挿入され、モータ１６により所定の速度で回転駆動されることにより順次Ｒフィルタ２３ａ、Ｇフィルタ２３ｂ、Ｂフィルタ２３ｃが光路上に入れられ、赤、緑、青の光が透過される。
【００８８】
また、生体粘膜からの自家蛍光を観察する蛍光観察時には、回転フィルタ板４６は図示しないフィルタ位置制御回路からの信号に応じてモータ１７により光軸と垂直方向に移動されることにより、内周側のフィルタ４７（４７ａ、４７ｂを代表）が光軸上に挿入される。蛍光観察時には、自家蛍光を観察するための紫外〜青色の励起光と反射光を観察するための可視光が順次光源装置３Ｂから被写体２０に照射される。
スコープ２Ｂ内に配置されている紫外光カットフィルタ４８は、励起光照射時の被写体２０からの反射光を除去し、励起光照射時の蛍光や可視光照射時の反射光を透過する。
【００８９】
この紫外光カットフィルタ４８の働きにより、励起光照射時の微弱な蛍光成分を観察することができる。スコープ識別素子４９は、スコープ１本１本に固有の値であるスコープＩＤ番号やスコープ種別を記憶したＲＯＭであり、プロセッサ４Ｂにおいて、どのようなスコープ２Ｂが接続されているかを認識することができる。
【００９０】
ＣＣＤ２２は蛍光用回転フィルタ板４６の回転に同期して図示しないＣＣＤ駆動回路により駆動され、例えば蛍光観察時には、紫外光透過フィルタ４７ａと可視光透過フィルタ４７ｂそれぞれのフィルタを透過した照射光に対応する画像信号を順次プロセッサ４Ｂに出力する。紫外光透過フィルタ４７ａの方が面積が大きい分長い露光時間での撮像が可能になっており、微弱な蛍光をより明るく撮像することができる。
【００９１】
本実施の形態の調光回路４０では、通常観察と自家蛍光観察の切り替えに応じて、通常観察時には照明光絞り１３を制御して適当な明るさを得られるようにし、自家蛍光観察時には照明光絞り１３を開放状態にして最大光量が得られるように制御する。
【００９２】
露光時間制御回路５１では、通常観察と自家蛍光観察の切り替えに応じて、通常観察時にはＣＭＤでの増幅率を１としてＣＣＤ２２での露光時間は最大にし、自家蛍光観察時にはＣＭＤによる増幅とＣＣＤ２２での電子シャッタによる露光時間制御を指示する。
【００９３】
紫外光透過フィルタ４７ａ挿入時の画像に対しては、Ａ／Ｄ変換回路３２からの入力と、処理中の信号を得たときに用いた制御パルス数に基づき、画像が適当な明るさになるように目標増幅率Ｓを設定する。次に、目標増幅率Ｓを超える最小の増幅率をＣＭＤで得る場合に必要となる制御パルス数ｎを算出し、算出された制御パルス数を指示する信号を制御パルス発生回路２６に出力する。
【００９４】
次に、目標増幅率を制御パルス数ｎにおけるＣＭＤ増幅率で割った値で露光時間を制御する。すなわち、最大露光時間を１と単純化すると露光時間ｔは、
ｔ＝Ｓ／（ａ）n （４）
で表される。図１４は、目標増幅率に対するＣＭＤ増幅率と最大露光時間を１としたときの露光時間の関係を表したグラフである。
【００９５】
このように、制御パルス数に応じて露光時間を制御しているので、細かな調整の効かないＣＭＤの増幅を露光時間により微調整することことができ、所望の明るさの画像を得ることができる。また、可視光透過フィルタ４７ｂ挿入時には、画像が明るくなりすぎないように、ＣＭＤ増幅率を１にして露光時間を制御して明るさを調整する。
【００９６】
デジタル記録制御回路５３では、同時化回路３７の出力に対して画像データの圧縮を行いデジタル画像記録装置４５に記録したり、デジタル画像記録装置４５の画像データを読み取りモニタ５に表示する働きを持つと共に、ＭＯディスクやスマートメディアに記録されている画素毎のＣＭＤ増幅係数を読み出して増幅率分布記憶メモリ５２に書込む機能を持つ。
【００９７】
デジタル画像記録装置４５は、着脱可能な記録メディアであるＭＯディスクヘの読み書きとスマートメディアヘの読み書きが可能である。使用者は、スコープ２Ｂを初めてプロセッサ４Ｂと組み合わせて使用するときには、デジタル画像記録装置４５にそのスコープ２Ｂの画素毎のＣＭＤ増幅係数とスコープＩＤ番号を記録したスマートメディアやＭＯディスクを挿入して、増幅率分布記憶メモリ５２に記憶する。
【００９８】
増幅率分布記憶メモリ５２は不揮発性のメモリであるので、次から同じスコープ２Ｂとプロセッサ４Ｂの組み合わせで使用する場合には、改めてＣＭＤ増幅係数を読み込む必要はない。増幅率分布記憶メモリ５２には、スコープＩＤ番号に対応付けて、スコープ２ＢのＣＭＤ増幅係数を記憶し、複数のスコープ２ＢのＣＭＤ増幅係数を記憶可能になっている。
【００９９】
増幅率分布記憶メモリ５２では、プロセッサ４Ｂの電源投入時と、スコープ２Ｂが電気的にプロセッサ４Ｂに接続された時に、スコープ識別素子４９のデータを読み込み、スコープＩＤ番号に対応したＣＭＤ増幅係数を画像補正回路３４に出力する。
【０１００】
画像補正回路３４では、増幅率分布記憶メモリ５２から出力されたＣＭＤ増幅係数データに基づき補正を行うことにより、画素毎の増幅率バラツキ補正が可能となる。
なお、本実施の形態では、面順次方式の内視鏡装置１Ｂで説明したが、同時式の内視鏡装置に適用してもよい。
【０１０１】
また、本実施の形態では自家蛍光を観察する装置に応用したが、フィルタの透過特性等を変更して薬剤の蛍光を観察する装置に応用してもよい。
また、増幅率分布の記憶にハードディスクを使用するようにして、より多くの数のスコープ２Ｂに対応できるようにしてもよい。
【０１０２】
本実施の形態は以下の効果を有する。
画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
また、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
固体撮像素子としてのＣＣＤ２２に配置されているＣＭＤを用いて増幅を行っているのでＣＣＤ２２の読み出しノイズの影響が相対的に少なくなり微弱な蛍光に対してもＳ／Ｎが良い画像が得られる。
【０１０３】
また、ＣＭＤ増幅係数をデジタル画像記録装置４５から入力しているので、修理等でスコープ２ＢのＣＣＤ２２を交換するときにも記憶素子４９の交換をする必要がなく、新たなＣＣＤ２２のＣＭＤ増幅係数を再度プロセッサ４Ｂに読み込むだけでよい。
【０１０４】
（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態を図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は本発明の第４の実施の形態の内視鏡装置の全体構成を示し、図１６は蛍光観察用フィルタの分光特性を示す。本実施の形態の目的は第２の実施の形態の場合と同様である。
【０１０５】
本実施の形態は、第３の実施の形態と類似しているので、異なる点を中心に述べる。
図１５に示す本実施の形態の内視鏡装置１Ｃは、スコープ２Ｂ′と、光源装置３Ｂ′と、プロセッサ４Ｃと、モニタ５と、デジタル画像記録装置４５とから構成される。
【０１０６】
本実施の形態における光源装置３Ｂ′は第３の実施の形態の場合と同様に蛍光用回転フィルタ板４６が採用されているが、通常の可視光透過フィルタ４７ｂの代わりに透過率の低い可視光透過フィルタ４７ｃが配置されており、その特性は図１６に示すようになっている。
【０１０７】
また、本実施の形態に使用する白色基準物体５６は、内面に一様な分光反射率の白色物質が塗布されており、スコープ２Ｂ′における挿入部６の先端部より一回り大きく先端部を囲う形状である。
なお、本実施の形態では第３の実施の形態における電子シャッタによる露光時間制御は行われない。
【０１０８】
また、本実施の形態におけるプロセッサ４Ｃは第３の実施の形態における図１０のプロセッサ４Ｂにおいて、露光時間制御回路５１の代わりにパルス振幅制御回路５７が採用されている。このパルス振幅制御回路５７はパルス数・パルス振幅指示の信号を画像補正回路３４に出力する。
【０１０９】
また、ＣＭＤ増幅係数を算出するためにＡ／Ｄ変換回路３２の出力信号が入力される増幅率分布算出回路５８が設けてあり、その出力信号は増幅率分布記憶メモリ５２に入力される。
なお、本実施の形態ではデジタル記録制御回路５３は増幅率分布記憶メモリ５２とは接続されていないで、デジタル画像記録装置４５と接続されている。その他の構成は第３の実施の形態と同様である。
【０１１０】
次に本実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態では、図１６に示すように、可視光透過フィルタ４７ｃの透過率を低くしているので、紫外光透過フィルタ４７ａ挿入時に微弱な蛍光を受光する時と可視光透過フィルタ４７ｃ挿入時に反射光を受光するときとの間で、ＣＣＤ２２で受光される光の量に大きな差が起きないようにしている。
【０１１１】
パルス振幅制御回路５７では、通常観察時にはＣＭＤでの増幅率を１とし、自家蛍光観察時にはＣＭＤによる増幅を指示する。蛍光観察時には、Ａ／Ｄ変換回路３２からの入力と、処理中の信号を得たときに用いた制御パルス数・パルス振幅指示に基づき、画像が適当な明るさになるように目標増幅率Ｓを設定する。
【０１１２】
次に、標準の制御パルス振幅を用いて目標増幅率に近いＣＭＤ増幅率を得る場合に必要となる制御パルス数ｎを算出する。次に、目標増幅率を制御パルス数ｎにおけるＣＭＤ増幅率で割った値で増幅されるように、制御パルスの振幅を制御する。
【０１１３】
このように、制御パルス数に応じて制御パルス振幅を制御しているので、細かな調整の効かないＣＭＤの制御パルス数による増幅制御を制御パルス振幅により微調整することことができ、所望の明るさの画像を得ることができる。
【０１１４】
使用者は、スコープ３Ｂ′を初めてプロセッサ４Ｃと組み合わせて使用する時には、スコープ先端部を白色基準物体５６で覆った状態で、図示しない増幅率算出スイッチを操作することにより白色基準物体５６が撮像されるようにする。
【０１１５】
増幅率分布算出回路５８では、撮像された白色基準物体５６の画像から、被写体の一様性を仮定して画素毎のＣＭＤ増幅係数ａを算出する。白色基準物体を撮像したときの制御パルス数をｎ、制御パルス振幅は標準値とすると、各画素でのＣＭＤ増幅係数ａは、
ａn＝（ａ′）n×Ｖ／Ｖ″ （５）
を満たすａとして算出される。
【０１１６】
ここで、ａ′はａの設計値で定数。Ｖは着目画素の画素値、Ｖ″は着目画素の近傍４９画素の平均値である。ｎが０のときには（５）式が意味を持たなくなるので、ｎは１以上の数である必要があり、増幅率算出スイッチの操作に連動して適当な値が自動的に設定される。
【０１１７】
増幅率分布記憶メモリ５２では、スコープＩＤ番号に対応付けて、増幅率分布算出回路５８で算出されたＣＭＤ増幅係数を記憶する。増幅率分布記憶メモリ５２では、複数のスコープのＣＭＤ増幅係数を記憶可能になっている。増幅率分布記憶メモリ５２は不揮発性のメモリであるので、次から同じスコープとプロセッサ４Ｃの組み合わせで使用する場合には、改めてＣＭＤ増幅係数を算出する必要はない。
【０１１８】
増幅率分布記憶メモリ５２では、プロセッサ４Ｃの電源投入時と、スコープ２Ｂ′が電気的にプロセッサ４Ｃに接続された時に、スコープ識別素子４９のデータを読み込み、スコープＩＤ番号に対応したＣＭＤ増幅係数を画像補正回路３４に出力する。
画像補正回路で３４では、増幅率分布記憶メモリ５２から出力されたＣＭＤ増幅係数データに基づき補正を行うことにより、画素毎の増幅率バラツキ補正が可能となる。
【０１１９】
なお、本実施の形態では近傍画素の値に基づいて着目画素のＣＭＤ増幅係数を算出しているが、異なるＣＭＤ増幅率で撮像した２枚以上の画像からＣＭＤ増幅係数を算出してもよい。
また、増幅率算出スイッチの操作時に、画像のカラーバランスの調整も併せて行う構成にすると、操作者の手間が減ってよい。
また、増幅率分布算出回路５８等、マイクロコンピュータで代用できる回路部分を代用して、コストの削減を図ってもよい。
【０１２０】
本実施の形態は以下の効果を有する。
画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
また、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１２１】
また、固体撮像素子としてのＣＣＤ２２に配置されているＣＭＤを用いて増幅を行っているのでＣＣＤ２２の読み出しノイズの影響が相対的に少なくなり微弱な蛍光に対してもＳ／Ｎが良い画像が得られる。
また、ＣＭＤ増幅係数を増幅率分布算出回路６３で算出しているので、修理でＣＣＤ２２を交換するときにも記憶素子４９の交換をする必要がなく、新たなＣＣＤのＣＭＤ増幅係数を再度計測するだけでよい。
【０１２２】
［付記］
１．被写体を照射するための光を放射する光源手段と、
制御パルスの数により増幅率が可変である固体撮像素子と、
前記固体撮像素子からの出力信号を増幅する素子外増幅手段と、
前記制御パルスの数に応じて前記素子外増幅手段の増幅率を制御する増幅率制御手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
【０１２３】
（付記１〜６の背景）従来技術は従来の技術の欄での説明と同じ。
（従来技術の問題点）ＣＭＤの増幅率制御をパルス数で行う場合には、増幅率が離散的な値を取り、明るさの微妙な調整ができないという問題があった。
そのため、ＣＭＤの増幅率を固定して使用している場合は良いが、ＣＭＤの増幅率を被写体の明るさに応じて自動的に調整する場合には、画像の明るさが不自然に変化してしまっていた。 また、ＣＭＤが配置されたＣＣＤを用いた場合には、画素毎やライン毎での増幅が行われるが、画素毎やライン毎での増幅率のバラツキを完全に抑えることは技術的に困難である。そのため、増幅率のバラツキがノイズとなって画像上に生じてしまっていた。
【０１２４】
（付記１〜３の目的）固体撮像素子内で増幅が可能な撮像索子を用いた内視鏡装置において、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像が得られるようにすることにある。
（付記１の作用効果）固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス数に応じて、固体撮像素子外での増幅率を制御する素子外増幅率制御手段を設けたので、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
【０１２５】
２．被写体を照射するための光を放射する光源手段と、
制御パルスの数により増幅率が可変である固体撮像素子と、
前記制御パルスの数に応じて前記固体撮像素子の露光時間を制御する露光時間制御手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記２の作用効果）固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス数に応じて、固体撮像素子での露光時間を制御する露光時間制御手段を設けたので、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
【０１２６】
３．被写体を照射するための光を放射する光源手段と、
制御パルスの数と振幅により増幅率が可変である固体撮像素子と、
前記制御パルスの数に応じて前記制御パルスの振幅を制御するパルス振幅制御手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記３の作用効果）固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス数に応じて、固体撮像素子内での増幅率制御のための制御パルス振幅を制御するパルス振幅制御手段を設けたので、画像の明るさが不自然に変化することが無く、常に適切な明るさの画像を得ることができる。
【０１２７】
４．撮像面上の所定領域毎に増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記スコープに設けられ個々のスコープを区別するためのスコープ識別手段と、
前記スコープを着脱可能であり前記固体撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を行う信号処理手段と、
前記固体撮像素子の前記所定領域毎の増幅率を計測する増幅率分布計測手段と、
前記信号処理手段に設けられ前記増幅率分布計測手段により計測された前記所定領域毎の増幅率に基づく増幅率分布データを複数記憶する増幅率分布データ記憶手段と、
前記増幅率分布データ記憶手段に記憶された増幅率分布データと前記スコープ識別手段に基づき前記所定領域毎の増幅率のバラツキを補正する画像補正手段と、
前記信号処理手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
【０１２８】
（付記４〜６の目的）固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることである。
（付記４の作用効果）増幅率分布計測手段により計測された所定領域毎の増幅率に基づき、増幅率のバラツキを補正する画像補正手段を設けたので、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１２９】
５．撮像面上の所定領域毎に増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記スコープに設けられ個々のスコープを区別するためのスコープ識別手段と、
前記スコープを着脱可能であり前記固体撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を行う信号処理手 段と、
前記信号処理手段に設けられ前記所定領域毎の増幅率に基づく増幅率分布データを複数記憶する増幅率分布データ記憶手段と、
前記増幅率分布データを前記増幅率分布データ記憶手段に入力する増幅率分布データ入力手段と、
前記増幅率分布データ記憶手段に記憶された増幅率分布データと前記スコープ識別手段に基づき前記所定領域毎の増幅率のバラツキを補正する画像補正手段と、
前記信号処理手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記５の作用効果）増幅率分布入力手段により入力された所定領域毎の増幅率に基づき、増幅率のバラツキを補正する画像補正手段を設けたので、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１３０】
６．撮像面上の所定領域毎に増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記スコープを着脱可能であり前記固体撮像素子により得られた撮像信号に対して信号処理を行う信号処理手 段と、
前記スコープに設けられ前記所定領域毎の増幅率に基づく増幅率分布データを記憶する書き換え可能な増幅率分布データ記憶手段と、
前記増幅率分布データ記憶手段に記憶された増幅率分布データに基づき前記所定領域毎の増幅率のバラツキを補正する画像補正手段と、
前記信号処理手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記６の作用効果）スコープの増幅率データ記憶手段に記憶された増幅率分布データに基づき、増幅率のバラツキを補正する画像補正手段を設けたので、固体撮像素子内の増幅率バラツキの影響を受けない画像を得ることができる。
【０１３１】
７．撮像面上の所定領域毎に異なった増幅率で増幅が可能である固体撮像素子を備えたスコープと、
前記固体撮像素子により得られた撮像信号を異なる増幅率で撮像された領域間で合成してダイナミックレンジの拡大された画像を作成する画像合成手段と、
前記画像合成手段から出力される信号を表示する表示手段とを有することを特徴とする内視鏡装置。
（付記７の目的）被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることにある。
（付記７の作用効果）所定領域毎に異なる増幅率で撮像された画像の合成を行う画像合成手段を設けたので、位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得ることができる。
【０１３２】
８．前記増幅率が可変であることを特徴とする請求項７に記載の内視鏡装置。
（付記８の目的）付記７の目的に加えて、ダイナミックレンジ拡大の必要の無いときには、解像度の劣化の無い画像を得ることにある。
（付記８の作用効果）ダイナミックレンジの拡大が不要なときには解像度の劣化の無い画像を得ることができる。
【０１３３】
９．撮像領域が異なる複数の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な撮像デバイスと、
前記撮像デバイスより出力された撮像信号に応じて、前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、
を具備した内視鏡装置。
１０．出力制御入力部を備え、入力された出力制御信号に応じて離散的に出力可変された撮像信号を出力する撮像デバイスと、
前記撮像デバイスより離散的に可変出力された撮像信号のレベルを連続的に可変する撮像出力補正手段と、
前記撮像デバイスより出力された撮像信号に応じて、前記撮像出力補正手段を制御するとともに前記出力制御入力部に制御信号を出力する明るさ制御手段と、
を具備した内視鏡装置。
１１．内視鏡に設けた撮像デバイスにて被写体を撮像する内視鏡装置において、
前記撮像デバイスの複数の画素毎に設けられ、入力される出力可変信号に応じて増幅する複数の増幅手段と、
前記出力可変信号が所定の基準値のとき、前記複数の増幅手段により発生する増幅バラツキ量に応じた補正データを記憶する記憶手段と、
を具備した内視鏡装置。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、撮像領域が異なる複数の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な撮像デバイスと、
前記撮像デバイスより出力された撮像信号に応じて、前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、
を具備しているので、被写体の動きによる位置ずれの影響を受けずにダイナミックレンジの拡大された画像を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図２】ＣＣＤの概略の構成を示す図。
【図３】画像合成回路を構成する関数ｆ（Ｉｈ）の説明図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図５】回転フィルタ板の構成を示す図。
【図６】ＲＧＢフィルタの分光特性を示す図。
【図７】狭帯域フィルタの分光特性を示す図。
【図８】ＣＭＤにおける制御パルス数と増幅率の関係を示す説明図。
【図９】目標増幅率とＣＭＤ増幅率と乗算回路での増幅率の関係を示す説明図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図１１】蛍光用回転フィルタ板の構成を示す図。
【図１２】蛍光観察用フィルタの分光特性を示す図。
【図１３】励起光カットフィルタの分光特性を示す図。
【図１４】目標増幅率とＣＭＤ増幅率と露光時間の関係を示す説明図。
【図１５】本発明の第４の実施の形態の内視鏡装置の全体構成図。
【図１６】蛍光観察用フィルタの分光特性を示す図。
【符号の説明】
１…内視鏡装置
２…スコープ
３…光源装置
４…プロセッサ
５…モニタ
５９…挿入部
６０…ライトガイドファイバ
６１…ランプ
６２…赤外カットフィルタ
６３…照明光絞り
６４…回転フィルタ板
６６…モータ
７０…ＣＣＤ
７１…ダイナミックレンジ拡大スイッチ
７２ａ，７２ｂ…プリプロセス回路
７３ａ，７３ｂ…Ａ／Ｄ変換回路
７４ａ，７４ｂ…カラーバライス回路
７５…画像合成回路
７６…同時化回路
７７…Ｄ／Ａ変換回路
７８…調光回路
７９…制御パルス発生回路
８０…受光エリア
８１ａ，８１ｂ…水平転送チャンネル
８２ａ，８２ｂ…ＣＭＤ付転送チャンネル
８３ａ，８３ｂ…電荷検出部
Claims (2)
- １つの撮像領域を、隣接する画素の配置に基づき複数の画像領域に分け、該複数の画像領域の撮像信号毎に異なる増幅率で出力可能な電荷増倍機能付き撮像デバイスと、
前記電荷増倍機能付き撮像デバイスから可変可能な増幅率で出力された前記複数の撮像信号を合成し、ダイナミックレンジ拡大をする画像合成手段と、
を具備した内視鏡装置。 - 前記複数の画像領域は、前記１つの撮像領域において水平方向に隣接する奇数列及び偶数列の画素毎に分けられた領域であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
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