JP5022630B2 - 電子内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオスコープを備えた電子内視鏡装置に関し、特に、ビデオスコープ先端部に設けられたＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子の入出力特性、すなわち光電変換特性に関する。

一般に、撮像素子に入力する光の強度に比例して出力信号のレベルが増加する。しかし、この増加は撮像素子のダイナミックレンジに制限され、ある光強度になるとゆるやかな増加を示す。したがって、受光強度−出力信号レベルの特性が線形性を有する使用範囲はダイナミックレンジの幅によって制限される。この問題を解決するため、例えば、画像合成処理などによってダイナミックレンジを拡大する。
特開２００５−１７６９４０号公報

撮像素子によって受光強度−出力信号レベルの特性（光電変換特性）が異なり、また、撮像素子の受光面に配置されたカラーフィルタの分光透過特性によってもダイナミックレンジが異なる。そのため、信号処理装置（プロセッサ）側にてダイナミックレンジに関する信号処理を、接続されるビデオスコープに関係なく一律に行った場合、輝度の高い画像において、その明度が撮像素子、すなわちビデオスコープの機種毎に変化する。また、使用されるカラーフィルタに適した信号処理が行われず、観察画像のカラーバランスも飽和領域付近において乱れる。

本発明の電子内視鏡装置では、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどが使用される撮像素子の光電変換特性に合わせてダイナミックレンジを拡大することが可能であって、観察画像の色合い、明るさを精度よく再現可能な電子内視鏡装置であり、照明制御手段と、検出手段と、信号補正手段とを備える。

照明制御手段は、被写体に照射する照明光の強度を調整可能であり、例えば、光源の光強度を増加させ、あるいは絞りを開閉させる。検出手段は、ビデオスコープの先端部に装着可能な照度計によって計測される照明光の輝度レベルを検知することができ、例えば積分球などにビデオスコープを挿入することが照明光の光強度、輝度レベルが計測される。また、検出手段は、撮像素子の入力範囲全般に渡った輝度レベルの検出に合わせて撮像素子から読み出される出力信号のレベルを検出することができる。照明光の強度を上げながら、輝度レベル、出力信号のレベルを検出することにより、撮像素子の入出力関係、すなわち光電変換特性が明らかになる。例えば、照明制御手段が、オペレータの操作に従い、照明光の強度を段階的に増加させる。この場合、検出手段は、照明光の変化に合わせて段階的に変化する出力信号のレベルを、輝度レベルと対応づけながら検出すればよい。さらに、輝度レベルと出力信号のレベルを対応づけたプロットデータをメモリへ記録すればよい。また、検出手段については、メモリに記憶されたプロットデータにより、前記輝度レベルと前記出力信号のレベルとのダイナミックレンジ内の線形関係を算出し、そのダイナミックレンジ内の線形関係から定められるダイナミックレンジ外の線形関係に基づいて、前記出力信号の補正値を算出し、実際に計測された出力信号のレベルと補正された出力信号のレベルとの比である補正係数と、実際に計測された出力信号のレベルとを対応づけるルックアップテーブルを生成するように構成するのがよい。

本発明の信号補正手段は、撮像素子のダイナミックレンジでの輝度レベルと出力信号のレベルとの線形関係に基づき、撮像素子から読み出される観察画像に応じた画像信号を、飽和点を超えるダイナミックレンジ外においてもダイナミックレンジ内と同様の線形性を維持するように補正する。例えば、信号補正手段は、輝度レベルと出力信号のレベルとのダイナミックレンズ外の（本来必要とされる）線形関係に基づき、ダイナミックレンジ外の出力信号のレベルに応じた補正係数を画像信号に乗じる。検出手段によって求められる線形関係に基づいて信号処理を行っているため、使用されているビデオスコープに設けられた撮像素子の光電変換特性に合わせてダイナミックレンジが拡大される。

本発明の内視鏡用信号補正方法は、被写体に照射する照明光の強度を変化させながら、ビデオスコープの先端部に装着された照度計によって計測される照明光の輝度レベルを、ビデオスコープに設けられた撮像素子の入力範囲全般に渡って検知し、その輝度レベルの検出に合わせて撮像素子から読み出される出力信号のレベルを検出し、撮像素子のダイナミックレンジでの輝度レベルと出力信号のレベルとの線形関係に基づき、撮像素子から読み出される観察画像に応じた画像信号を、飽和を超えるダイナミックレンジ外においてもダイナミックレンジ内と同様の線形性を維持するように補正することを特徴とする。

本発明によれば、高画質を維持した状態でダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。図２は、信号処理回路の一部を示したブロック図である。図３は、照度計を装着したビデオスコープの先端側から見た平面図である。

電子内視鏡装置は、ビデオスコープ１０と、プロセッサ２０とを備え、ビデオスコープ１０はプロセッサ２０に着脱自在に接続される。プロセッサ２０には、モニタ４０、キーボード５０が接続されている。

ビデオスコープ１０内には光ファイババンドであるライトガイド（図示せず）が設けられており、光源２４から放射された光はライトガイドを通ってビデオスコープ１０の先端部１０Ａから射出する。これにより、観察部位が照明される。

観察部位で反射した光は、対物レンズ（図示せず）を介してＣＣＤ１２に到達し、これにより被写体像がＣＣＤ１２の受光面に形成される。ＣＣＤ１２の受光面には、カラーフィルタが配置されており、各色要素に応じたアナログの画素信号がＣＣＤ１２において生じるとともに、ＮＴＳＣ方式などビデオ規格に応じて画像信号が所定の時間間隔でＣＣＤ１２から読み出される。読み出された画像信号は、プロセッサ２０の信号処理回路２２へ送られる。

信号処理回路２２には、図２に示すように、ＣＤＳ回路２５、Ａ／Ｄ変換回路２７、ゲイン回路（増幅回路）３１などが備えられており、ＣＣＤ１２から読み出されたアナログの画像信号は、ＣＤＳ回路２５で処理された後、Ａ／Ｄ変換回路２７においてデジタルの画像信号に変換される。

さらに、信号処理回路２２では、ホワイトバランス調整、ゲイン補正、ガンマ補正など様々な信号処理が送られてくる画像信号に対して施され、また、後述するように、ＣＣＤ１２のダイナミックレンジの拡大のため、線形補正回路２８では、画像信号に対して補正処理が施される。このような画像信号処理を経て、ＮＴＳＣ信号などの映像信号が生成される。映像信号はモニタ４０に出力され、これにより観察画像がモニタ４０に表示される。

不揮発性のメモリ２９を有するシステムコントロール回路２６は、プロセッサ２０の動作を制御し、光源２４、信号処理回路２２へ制御信号を出力する。オペレータの操作によって光源２４から放射される照明光の強度、光量を調整することが可能であり、キーボード５０に対する操作に従い、光源２４内に設けられた電源部（図示せず）へ制御信号を出力する。オペレータの段階的操作が行われることにより、光の強度が段階的に増加する。

ビデオスコープ１０の先端部１０Ａには、光の強度、輝度レベルを測定する照度計が装着可能であり、図３に示すように、照度計１６はリング状の保持部材１７へ固定され、先端部１０Ａを囲むように保持部材１７がビデオスコープ１０に装着される。なお、照度計１６を使用して照度値、輝度レベルを測定する場合、内面が白色（光反射色）である積分球１４が使用され、ビデオスコープ１０の先端部１０Ａ及び装着された照度計が積分球１４の挿入口に挿入される。

照度計１６は、光検出器（図示せず）を備え、受光部１６Ａを通った光を検出し、電圧値に変換して出力する。照度計１６は、所定のインターフェイス端子を介してプロセッサ２０と接続可能であり、システムコントロール回路２６は、照度計１６へ制御信号を出力するとともに、照度計からの検出信号を受信する。

図４は、ＣＣＤ１２の光電変換特性を示した図である。

図４に示すように、ＣＣＤ１２の光電変換特性、すなわち入出力関係は、ある光の強度（飽和点）まで、すなわちダイナミックレンジＤＲまで正比例関係を維持し、飽和点を過ぎると、同等の比例関係（線形関係）が維持されない。ダイナミックレンジ外では、光の強度の増加に対して出力信号のレベルの増加の割合が大きく低下する。ここでは、ＣＣＤ１２のダイナミックレンジＤＲにおける入出力関係は直線Ｌ１で表され、ダイナミックレンジＤＲを超えた範囲における入出力関係は直線Ｌ２で表される。ただし、図４の光電変換特性は、対数によって表されている。

本実施形態では、ダイナミックレンジＤＲを超えた範囲のＣＣＤ１２の出力信号を利用するため、ダイナミックレンジＤＲ外においてもダイナミックレンジＤＲと同じ比例関係を維持させる直線Ｌ１’に沿って、光の強度（輝度レベル）と出力信号を対応づける。例えば、出力信号のレベルが飽和点を超える“Ｖ０”の場合、レベル“Ｖ０”に対応する直線Ｌ１の点をＢに定める。そして、直線Ｌ１’上のＢ’におけるレベルＶ０’の出力信号を、実際の出力信号として対応づける。

図５は、システムコントロール回路２６によって実行される画像信号の補正処理を示したフローチャートである。

ステップＳ１０１では、メモリ２９に記憶されている照度値（輝度レベル）と出力信号のレベルとが読み出される。本実施形態では、あらかじめ照度計１６、積分球１４を用いて、ＣＣＤ１２の光電変換特性が計測され、メモリ２９に計測データが記憶されている。具体的には、オペレータが所定のキーボード操作を段階的に行うことで光源２４の光強度を段階的に上げていく。そして、各段階においてオペレータが所定のキーボード操作を行うことにより、システムコントロール回路２６が照度計１６、および信号処理回路２２へ制御信号を出力する。これにより、照度計１６から照明光の照度値、すなわち光強度とその検出された光強度におけるＣＣＤ１２の出力信号値がそれぞれ電圧値として計測され、メモリ２９に記憶される。その結果、図４に示した直線Ｌ１、Ｌ２に沿うようなプロットデータが得られる。なお、ここでは、ＣＣＤ１２の中央付近の所定の画素を対象として、光強度と出力信号レベルが測定される。

ステップＳ１０２では、ダイナミックレンジＤＲ外においても線形関係を維持させるルックアップテーブルが作成される。すなわち、メモリ２９に記憶されたプロットデータにより、図４に示す直線Ｌ１の傾きが算出され、その傾きから定められるダイナミックレンジ外の直線Ｌ１’に基づいて、出力信号の補正値が算出される。そして、実際に計測された出力信号のレベルと補正された出力信号のレベルとの比（補正係数）と、実際に計測された出力信号のレベルとを対応づけるルックアップテーブルが生成され、メモリ２９に格納される。

ステップＳ１０３では、ルックアップテーブルに関する制御信号がシステムコントロール回路２４から線形補正回路２８へ送信される。ＩＣチップなどによって構成される線形補正回路２８では、ルックアップルテーブルのデータがレジスタに格納され、ダイナミックレンジＤＲを超える画像信号が入力された場合、その画像信号のレベルに対応する補正係数が画像信号に乗じられる。

このように本実施形態によれば、ビデオスコープ１０の先端部１０Ａに照度計１６が装着され、光源２４からの光の強度を段階的に上げながら、照度計１６によって照度値（輝度レベル）が検出されるとともに、それに対応づけてＣＣＤ１２からの出力信号のレベルが検出される。検出された照度値と出力信号値とに基づいて、ＣＣＤ１２のダイナミックレンジＤＲ内での線形関係が求められ、ダイナミックレンジＤＲ内での線形関係に基づき、ダイナミックレンズ外の出力信号とそれに対する補正係数が対応づけられる。そして、積分球１４と照度計１６等が外された電子内視鏡装置において、実際の観察が成される時、線形補正回路２８では、ダイナミックレンジ外の出力信号に対して前述のルックアップテーブルのデータに基づいて補正係数が乗じられる。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。 信号処理回路の一部を示したブロック図である。 照度計を装着したビデオスコープの先端側から見た平面図である。 ＣＣＤの光電変換特性を示した図である。 システムコントロール回路によって実行される画像信号の補正処理を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ ビデオスコープ
１２ ＣＣＤ（撮像素子）
１６ 照度計
２４ 光源
２６ システムコントロール回路
２８ 線形補正回路
ＤＲ ダイナミックレンジ

Claims (4)

1. 撮像素子を有するビデオスコープと、
   被写体に照射する照明光の強度を調整可能な照明制御手段と、
   前記ビデオスコープの先端部に装着可能な照度計によって計測される照明光の輝度レベルを検知可能であるとともに、前記撮像素子の入力範囲全般に渡った輝度レベルの検出に合わせて前記撮像素子から読み出される出力信号のレベルを検出可能な検出手段と、
   前記撮像素子のダイナミックレンジ内での前記輝度レベルと前記出力信号のレベルとの線形関係に基づき、前記撮像素子から読み出される観察画像に応じた画像信号を、飽和点を超えるダイナミックレンジ外においてもダイナミックレンジ内と同様の線形性を維持するように補正する信号補正手段とを備え、
   前記照明制御手段が、オペレータの操作に従い、前記照明光の強度を段階的に増加させ、
   前記検出手段が、前記照明光の変化に合わせて段階的に変化する前記出力信号のレベルを、前記輝度レベルと対応づけながら検出し、
   前記信号補正手段が、前記出力信号のレベルが検出されると、前記輝度レベルと前記出力信号のレベルとのダイナミックレンジ内の線形関係を算出し、そのダイナミックレンジ内の線形関係から定められるダイナミックレンジ外の線形関係に基づいて前記出力信号の補正値を算出し、そして、実際に計測された出力信号のレベルと補正された出力信号のレベルとの比である補正係数と、実際に計測された出力信号のレベルとを対応づけるルックアップテーブルを生成し、
   前記信号補正手段が、ルックアップテーブル作成後の観察時において、画像信号がダイナミックレンジ外の画像信号の場合、その画像信号のレベルに応じた補正係数を画像信号に乗じることを特徴とする電子内視鏡装置。
2. 前記信号補正手段が、前記照度計が前記ビデオスコープから取り外された後の観察時において、補正係数を画像信号に乗じることを特徴とする電子内視鏡装置。
3. 前記検出手段が、輝度レベルと出力信号のレベルを対応づけたプロットデータをメモリへ記録することを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡装置。
4. 前記信号補正手段が、前記メモリに記憶されたプロットデータにより、前記輝度レベルと前記出力信号のレベルとのダイナミックレンジ内の線形関係を算出することを特徴とする請求項３に記載の電子内視鏡装置。

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