JP4895758B2 - 撮像システムおよび電子内視鏡システム - Google Patents

Description

この発明は、光源からの照射光を用いて画像を撮像するための撮像システム、および、上記撮像システムを備えた電子内視鏡システムに関する。

光源からの照射光を用いて画像を撮像するための撮像システムは、例えば電子内視鏡システムに採用される。電子内視鏡システムは、体腔内を撮像する撮像素子を先端部に備えた電子内視鏡と、該撮像素子から出力される画像信号を処理してモニタに出力するプロセッサを備えている。このような電子内視鏡システムでは、プロセッサの光源からの光を電子内視鏡先端から体腔内に向けて照射し、撮像素子により該体腔内の画像を撮像する。撮像素子は、該画像を画像信号としてプロセッサに出力する。プロセッサは、該画像信号に所定の処理を施し、モニタに出力する。これによりモニタには、上記体腔内に関する動画像または静止画像が表示される。

従来の撮像システムでは、画像の明るさを調整するために、電子シャッタが使用されていた。電子シャッタは、撮像素子の電荷蓄積期間を制御することにより表示（生成）される画像の明るさを調整する。このような撮像システムでは、光源から照射され体腔内を照明する光は連続光であり、電荷蓄積期間は、上記の電子シャッタによって調整される。

ここで、電子シャッタを使用する従来の撮像システムでは、上記の通り、連続光を使用する。そのため、連続光が外部に照射される部位が加熱されるおそれがある。例えば、該撮像システムを電子内視鏡システムに適用した場合、該連続光は、電子内視鏡の先端部から照射される。該先端部は、体腔内に挿入される部位であるため、熱上昇が生じない方が望ましい。

このような熱上昇に関する課題を解決するため、チョッパ機構を備える撮像システムが提案されている。チョッパ機構を備える撮像システムを採用する電子内視鏡システムは、例えば下記の特許文献１に開示される。特許文献１には、開口部と非開口部を有し、機械的に回転するチョッパを光源の前に配設する電子内視鏡システムが開示される。特許文献１に記載の電子内視鏡システムは、被写体への照明光をチョッパによって間欠光に変換する。そして、該間欠光は、電子内視鏡内に配設されたライトガイドを介して内視鏡先端から照射され、被写体を照明する。この構成によれば、間欠光が使用されるため、電子内視鏡先端部の熱上昇は生じない。

特公平６−３８１３４号公報

しかし、上記特許文献１に開示される電子内視鏡システムでは、チョッパを機械的な駆動手段によって回転駆動させるため、間欠的な照明光のオン／オフタイミングに回転ジッタ（回転回転ジッタ）が生じてしまう。該回転ジッタによって、１フレーム分の画像毎の露光期間にばらつきが生じてしまう。すなわち、連続して撮像される画像のフレーム毎の輝度が頻繁に変化する。これにより、モニタに表示される動画像の輝度が頻繁に変化する、換言すればフリッカが生じることになり、良好な画像観察の妨げになりかねない。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、照明光が照射される部位の意図しない熱上昇を抑えつつ、輝度のばらつきがない高品質な画像を撮像することができる撮像システム、および電子内視鏡システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の撮像システムは、間欠的に明滅する間欠光を連続して生成する間欠光生成手段と、間欠光により照明された被写体を撮像する撮像手段と、露光開始から電荷蓄積完了までの一連の撮像処理が実行されるように、間欠光生成手段および前記撮像手段を制御する制御手段と、を有し、間欠光の発光期間は、立ち上がりに関する不安定期間、安定期間、立ち下がりに関する不安定期間からなり、制御手段は、安定期間でのみ撮像処理が実行されるように、撮像手段を制御することを特徴とする。

請求項２に記載の撮像システムによれば、制御手段は、立ち上がりに関する不安定期間経過後に電荷掃捨パルスを撮像手段に送信し、立ち下がりに関する不安定期間経過前に電荷転送パルスを撮像手段に送信することができる。

また、請求項３に記載の撮像システムによれば、制御手段は、電荷掃捨パルスと電荷転送パルスの少なくとも一方に関する撮像手段への送信タイミングを変更することにより、撮像手段の電荷蓄積期間を変更する。例えば、電荷掃捨パルスの送信タイミングを調整自在に構成してもよい（請求項４）。これにより、ユーザによって、被写体に応じた任意の調光が可能になる。

さらに請求項５に記載の撮像システムによれば、電荷転送パルスの送信タイミングは、立ち下がりに関する不安定期間の開始直前に設定することが好ましい。

また、請求項６に記載の撮像システムによれば、間欠光生成手段は、連続光を照射する光源と、連続光に対する遮断、透過を繰り返す回転型チョッパ機構、を有する構成にすることができる。この場合、上記回転型チョッパ機構の回転動作は、電荷転送パルスに同期した信号を用いてＰＬＬ制御されることが望ましい（請求項７）。

また、請求項８に記載の電子内視鏡システムは、プロセッサと、プロセッサに接続される電子内視鏡と、上述した種々の特徴を持つ撮像システムと、を有することを特徴とする

本発明に係る撮像システム、さらには電子内視鏡システムによれば、間欠光を使用すると同時に撮像素子の電荷蓄積期間を制御するいわゆる電子シャッタ機能を併用することにより、間欠光のオン・オフタイミングに関する回転ジッタの影響を受けることがなくなり、常に一定の輝度を持つ高画質な画像を撮像することができる。

また、本発明に係る電子内視鏡システムによれば、間欠光を用いることにより、電子シャッタ機能によって、撮像素子に電荷が蓄積されていない期間における無用な光量損失や発熱を防ぐこともできる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の撮像システムを備える電子内視鏡システムについて説明する。

図１は、本実施形態の電子内視鏡システム１００の構成を示したブロック図である。電子内視鏡システム１００は、患者の体腔内を術者が観察・診断するためのシステムである。電子内視鏡システム１００は、プロセッサ１００Ａ、体腔内を撮像するための電子内視鏡１００Ｂ、モニタ１００Ｃを有している。

プロセッサ１００Ａは、システムコントローラ１、タイミングコントローラ２、光源部３、画像処理部４を有する。システムコントローラ１やタイミングコントローラ２は、プロセッサ１００Ａ本体のみならず、電子内視鏡システム１００全体の駆動制御や同期を図るための回路部である。光源部３は、電子内視鏡１００Ｂが撮像時に体腔内を照明するための間欠光を生成する。画像処理部４は、電子内視鏡１００Ｂにより撮像された体腔内の画像に関する信号（画像信号）に所定の処理を施し、モニタ１００Ｃに出力する。

電子内視鏡１００Ｂは、体腔内に挿入される可撓性の挿入部可撓管を有している。電子内視鏡１００Ｂ内部には、光の伝送路である光ファイバ束から成るライトガイド５が延在している。ライトガイド５の挿入部可撓管先端側には伝送された光を外部（つまり体腔内）に照射するための配光レンズ６が設けられている。また、上記先端には配光レンズ３の他に対物レンズ７が設けられており、その後方に固体撮像素子８が配置されている。また電子内視鏡１００Ｂは、スコープ制御部９、スイッチ１０、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１１、ＣＣＤ駆動回路１２を有する。

システムコントローラ１の制御の下、光源部３の光源３１から連続光が照射される。光源３１から照射された連続光の光路中には、回転板３６が配設されている。図２は、回転板３６を拡大して示す正面図である。回転板３６は、遮光材料により作製されており、回転軸３６ａを中心とした円盤形状を有している。そして、各々同一の開口角で規定された開口部３６ｂ、遮光部３６ｃが形成されている。また、各遮光部３６ｃの周縁部には凸部３６ｄが形成されている。

回転板３６は、モータ制御回路３２によって、駆動制御される。詳しくは、モータ制御回路３２は、ドライバ３３を介してモータ３４を駆動することにより回転フィルタ板３６を回転させる。モータ３４には、ロータリインクリメンタルエンコーダ３５が接続されている。ロータリインクリメンタルエンコーダ３５は、図示しないセンサ部を有し、回転板３６の凸部３６ｄがセンサ部を横切るたびにパルスを出力する。本実施形態では、モータ制御回路３２は、ロータリインクリメンタルエンコーダ３５から定期的に出力されるパルスと、タイミングコントローラ２から出力される同期信号を比較する。該同期信号は、後述の垂直転送パルスと同一のタイミングで出力されている。モータ制御回路３２は、比較結果に基づき、同期信号とエンコーダ３５からのパルスとの位相差をなくすように、回転板３６の回転動作をＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御する。

光源３１から照射された連続光は、回転板３６の開口部３６ｂが光路中にあるときのみライトガイド５の一端に入射する。つまり、光源３１から照射された連続光は、回転板３６のチョッパとしての作用により、連続して点滅を繰り返す間欠的な照明光（間欠光）に変換される。

間欠光は、ライトガイド５内を伝送し、配光レンズ６を介して、挿入部可撓管の先端から射出される。体腔内の生体組織で反射した間欠光は、対物レンズ７を介して固体撮像素子８に入射する。固体撮像素子８は、入射する光に応じた電荷を蓄積しつつ、システムコントローラ１の制御の下、定期的に電荷の掃捨、転送を繰り返す。なお、ここで掃捨とは蓄積した電荷を廃棄し画像生成には用いない処理を意味する。転送とは蓄積した電荷を画像信号として出力する処理を意味する。

固体撮像素子８から出力された画像信号は、ＤＳＰ１１に入力する。ＤＳＰ１１は、電子内視鏡１００Ｂとプロセッサ１００Ａとの間で信号の整合性をとるため、画像信号に所定の処理を施す。ここでいう所定の処理には、例えば、画像信号のダイナミックレンジを所定の範囲に制限するクリッピング処理、輝度の階調特性や色再現性特性が適切になるようにγ（ガンマ）特性を補正するガンマ補正処理等が含まれる。固体撮像素子８から出力された画像信号は、ＤＳＰ１１にてこれらの処理を施されることにより、モニタ１００Ｃの入力仕様を満たすように変換される。

具体的には、固体撮像素子８からの画像信号は、ＤＳＰ１１によりサンプリング、色分離されて輝度信号Ｙ、および色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙに変換される。そして、各信号Ｙ、Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙは、プロセッサ１００Ａに出力される。

ＤＳＰ１１から出力された各信号Ｙ、Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙは、プロセッサ１００Ａの画像処理部４に入力される。画像処理部４は、入力された各信号Ｙ、Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙに所定の処理を施し、モニタ１００Ｃの入力規格に適合する映像信号に変換し、モニタ１００Ｃに向けて出力する。モニタ１００Ｃは、入力された映像信号に対応する画像を表示する。

以下、本発明の特徴である、撮像処理について詳述する。なお、撮像処理は、術者がスイッチ１０を操作することにより実行される。詳しくは、スイッチ１０の操作に対応してスコープ制御部９から出力された制御信号を、システムコントローラが受信することにより撮像処理が実行される。図３は、撮像処理に関するタイミングチャートである。図３（Ａ）は、光源部３から照射された間欠光の発光タイミングを示す。一般に回転板３６を用いて機械的に間欠光を生成する場合、モータ３４等の影響により、各間欠光の立ち上がり時（つまり点灯タイミング）および立ち下がり時（つまり消灯タイミング）に回転ジッタが発生する。そのため、図３（Ａ）の斜線領域で示す期間内のいずれかのタイミングで立ち上がりおよび立ち下がりが発生する。これにより、各間欠光の発光期間にばらつきが生じてしまう。なお、以下の説明では、便宜上、該斜線領域で示す期間を不安定期間といい、また、回転ジッタの影響を受けず常に安定して発光している期間を安定期間という。つまり、間欠光一回の発光期間は、立ち上がり（点灯）に関する不安定期間、安定期間、立ち下がり（消灯）に関する不安定期間から構成される。

上記の発光期間のばらつきは、主として、モータ３４の回転ジッタに起因する。そこで、本実施形態においては、予め、システム１００ごとの、回転ジッタの程度を計測する。そして計測結果に基づき、システム１００ごとの安定期間を求め、それぞれのシステムコントローラ１に設定しておく。

システムコントローラ１は、タイミングコントローラ２とＣＣＤ駆動回路１２を介して固体撮像素子８に周期的に垂直転送パルスを送信する。図３（Ｂ）に垂直転送パルスの送信タイミングを示す。図３（Ｂ）に示すように、システムコントローラ１は、各間欠光の安定期間の終了時（立ち下がり時）よりも前に（早く）垂直転送パルスを送信している。本実施形態では、垂直転送パルスの送信タイミングは、間欠光を最大限利用できるように立ち下がりに関する不安定期間の開始直前に設定されている。

同様に、システムコントローラ１は、タイミングコントローラ２とＣＣＤ駆動回路１２を介して固体撮像素子８に周期的に電荷掃捨パルスを送信する。図３（Ｃ）に、初期設定状態での電子シャッタ速度（以下、中速という）時における電荷掃捨パルスの送信タイミングを示す。図３（Ｃ）に示すように、システムコントローラ１は、各間欠光の安定期間の開始時（立ち上がり時）よりも後に（遅く）、かつ垂直転送パルスよりも前に（早く）電荷掃捨パルスを送信している。

固体撮像素子８は、電荷掃捨パルスを受信すると、受信直前まで蓄積していた電荷を廃棄する。また、固体撮像素子８は、垂直転送パルスを電荷転送パルスとして受信すると、受信直前まで蓄積していた電荷を画像信号としてＤＳＰ１１に送信する。そのため、いずれのパルスを受信した場合であっても、露光量、換言すれば電荷蓄積状態はリセットされる。

上記のようなシステムコントローラ１の制御を受けた固体撮像素子８の露光量の変化を図３（Ｄ）に示す。図３（Ｄ）において、斜線領域は、間欠光の不安定期間に起因する露光量（変動量）を示す。つまり、不安定期間の影響により、固体撮像素子８の露光量は図３（Ｄ）の斜線領域内で変動してしまう。

ここで、本実施形態では、上述したようなタイミングで各パルスを固体撮像素子８に与えている。そのため、間欠光の不安定期間に対応した露光量の変動があったとしても、電荷掃捨パルスに同期して蓄積していた電荷は廃棄される。従って、実際の画像形成に寄与する露光動作（電荷蓄積動作）による露光量（以下、実露光量という）は、該不安定期間の影響を受けることなく常に一定となる。つまり、画像は所定の電子シャッタスピードで撮像される。

このように、本実施形態の電子内視鏡システム１００では、光源部３から間欠光を照射するとともに、固体撮像素子８が有する電子シャッタを機能させる。これにより、間欠光を用いた露光期間は常に一定となる。よって、撮像された画像はぶれることなく、いつでも一定の輝度を有している。

また、本実施形態の電子内視鏡システム１００によれば、間欠光を使用することにより、熱上昇を有効に防止している。

なお、本実施形態では、電荷掃捨パルスの出力タイミングを調整することにより、電子シャッタの速度を可変としている。例えば、図３（Ｅ）に示すように、電荷掃捨パルスの出力タイミングを垂直転送パルスの出力タイミングに近づけるようにすれば、高速で電子シャッタを機能させることができる。

図３（Ｅ）に示すようなタイミングで電荷掃捨パルスを出力することにより、高速で電子シャッタを機能させた場合であっても、図３（Ｆ）に示すように、中速時と同様、不安定期間の影響を受けず常に一定の実露光量が得られていることがわかる。

なお、上記説明では、各安定期間内で出力される垂直転送パルスの出力タイミングは固定されている。そして、電荷掃捨パルスの送信タイミングを可変とすることにより、電子シャッタスピードを調整自在にしている。本発明は、このような構成に限定されるものではない。例えば、垂直転送パルスと電荷掃捨パルスの双方の送信タイミングを可変としても良い。または、電荷掃捨パルスの送信タイミングを立ち上がりに関する不安定期間経過直後に固定し、垂直転送パルスの送信タイミングを可変としても良い。

図４は、上記のような特徴を有しない比較例の撮像システムを使用した場合における、撮像処理に関するタイミングチャートの一例を示す図である。

図４（Ａ）は、間欠光の発光タイミングを示しており、図３（Ａ）と同一である。電子シャッタ機能を使用せず間欠光のみを用いて撮像を行う、比較例の構成を用いた場合の固体撮像素子の露光量の変化を図４（Ｂ）に示す。比較例の構成の場合、垂直転送パルスは、図４（Ｃ）に示すように、間欠光の立ち下がり後（消灯後）出力される。そのため、図４（Ｂ）に示すように、不安定期間に起因する変動量が実露光量に含まれてしまう。結果として、撮像するごとに輝度の異なるフレーム画像が生成されることになり、術者（観察者）が診難いといった問題点が生じる。

また、電荷掃捨パルス（図４（Ｄ））を出力して電子シャッタ機能を用いる構成の場合であっても、図４（Ｅ）に示すように、やはり不安定期間に起因する変動量が実露光量に含まれてしまう。実露光量における変動量の占める割合は、図４（Ｆ）、（Ｇ）に示すように、電子シャッタを高速で機能させるほど、大きくなる。つまり、高速でよりぶれのない精細な画像を生成しようと意図したにもかかわらず、ちらつきの大きな診難い画像になってしまう。

図３と図４を比較検討することにより、本願発明に係る撮像システムおよび該撮像システムを備える電子内視鏡システムは、従来の構成の問題点を解決し、常にぶれがなくかつ一定な輝度を持つフレーム画像を生成していることがわかる。よって、モニタ１００Ｃに表示される動画像にフリッカ等が発生することないため、術者は、良好な画像観察を実行することができる。

以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。

本発明の実施形態の電子内視鏡システムの構成を示したブロック図である。 本発明の実施形態の回転板の構成を示した図である。 本発明の実施形態の撮像処理に関するタイミングチャートである。 比較例の撮像システムを使用した場合における、撮像処理に関するタイミングチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１ システムコントローラ
２ タイミングコントローラ
３ 光源部
３１ 光源
３２ モータ制御回路
３５ ロータリインクリメンタルエンコーダ
３６ 回転板
８ 固体撮像素子
１００ 電子内視鏡システム
１００Ａ プロセッサ
１００Ｂ 電子内視鏡
１００Ｃ モニタ

Claims (8)

1. 間欠的に明滅する間欠光を連続して生成する間欠光生成手段と、
   前記間欠光により照明された被写体を撮像する撮像手段と、
   露光開始から電荷蓄積完了までの一連の撮像処理が実行されるように、前記間欠光生成手段および前記撮像手段を制御する制御手段と、を有し、
   前記間欠光の発光期間は、立ち上がりに関する不安定期間、安定期間、立ち下がりに関する不安定期間からなり、
   前記制御手段は、前記安定期間でのみ前記撮像処理が実行されるように、前記撮像手段を制御することを特徴とする撮像システム。
2. 請求項１に記載の撮像システムにおいて、
   前記制御手段は、前記立ち上がりに関する不安定期間経過後に電荷掃捨パルスを前記撮像手段に送信し、前記立ち下がりに関する不安定期間経過前に電荷転送パルスを前記撮像手段に送信することを特徴とする撮像システム。
3. 請求項２に記載の撮像システムにおいて、
   前記制御手段は、前記電荷掃捨パルスと前記電荷転送パルスの少なくとも一方に関する前記撮像手段への送信タイミングを変更することにより、前記撮像手段の電荷蓄積期間を変更することを特徴とする撮像システム。
4. 請求項３に記載の撮像システムにおいて、
   前記電荷掃捨パルスの送信タイミングは、調整自在に構成されていることを特徴とする撮像システム。
5. 請求項３または請求項４に記載の撮像システムにおいて、
   前記電荷転送パルスの送信タイミングは、前記立ち下がりに関する不安定期間の開始直前に設定されていることを特徴とする撮像システム。
6. 請求項２から請求項５のいずれかに記載の撮像システムにおいて、
   前記間欠光生成手段は、
   連続光を照射する光源と、
   前記連続光に対する遮断、透過を繰り返す回転型チョッパ機構、を有することを特徴とする撮像システム。
7. 請求項６に記載の撮像システムにおいて、
   前記回転型チョッパ機構の回転動作は、前記電荷転送パルスに同期した信号を用いてＰＬＬ制御されることを特徴とする撮像システム。
8. プロセッサと、
   前記プロセッサに接続される電子内視鏡と、
   請求項１から請求項７のいずれかに記載の撮像システムと、を有することを特徴とする電子内視鏡システム。

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