JP5074278B2 - 照明装置および照明撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、照明装置および照明撮像装置に関するものである。
従来、大画面液晶モニタやプロジェクタ等の表示装置の照明装置として、円環状に配列された多数のＬＥＤ光源を順次大電流でパルス点灯するとともに、その発光された光を高速回転する導光手段により取り込んで回転中心より射出させる方式の照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この照明装置においては、発生した光を液晶あるいはＤＭＤのような表示装置に透過あるいは反射させることにより映像情報を重畳させるため、高速での映像情報の切替が困難であるとの理由から、同一色のＬＥＤ光源をまとめて隣接して配置し、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の映像を順次投影させることとしていた。
特開２００４−１９９０２４号公報
しかしながら、この照明装置を撮像を伴う装置、例えば、内視鏡等のための照明装置として利用する場合には以下の不都合がある。
すなわち、撮像を伴う場合には調光が必要となり、遮光制御も光量制御も撮像露光期間を最大にして制御するのが一般的である。このため、照明光量が少なくて済むような撮影の場合には、ＳＮ比が小さくなってノイズが目立ち、画像の品質を劣化させてしまうことになる。
また、撮像装置側において露光量を調節する電子シャッタ方式では、ＳＮ比を向上して高品質な画像を得ることができるが、上記照明装置を適用する場合に、撮像装置の電子シャッタに合わせて点灯制御を行うと、照明される光の色がいずれかの色に偏って、色バランスが悪化するという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、色バランスを崩すことなく、撮像露光期間に合わせて照明期間を制御でき、指向性が高く明るい照明光を照射することができる照明装置およびそのような照明装置を用いて色バランスを崩すことなく高品質な画像を得ることができる照明撮像装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、円環状に配列され半径方向内方に向けて光を射出する複数の発光素子を含む光源と、該光源の半径方向内方に対向する入射端と、前記円環の中心軸上に配置された射出端とを備え、前記入射端から入射させた光を前記射出端まで導光する導光部材と、該導光部材を前記円環の中心軸回りに回転させる回転手段とを備え、前記光源が、異なる色の光を発生する複数種の前記発光素子を周方向に配列してなる単位光源ブロックを周方向に複数配列して構成されている照明装置を提供する。
本発明によれば、発光素子から発生した光は、その半径方向内方に対向する入射端から導光部材内に入射され、導光部材内を導光させられて中心軸上の射出端から射出される。回転手段の作動により導光部材を回転させることにより、導光部材内に入射させる光を発生する発光素子を順次切り替え、その切り替えに同期させたタイミングで大電流で発光素子をパルス点灯させることにより、発光素子の寿命を低減させることなく、定格電流で駆動する場合よりも明るい照明を得ることができる。
この場合において、光源が異なる色の光を発生する複数種の発光素子を周方向に配列してなる単位光源ブロックを周方向に複数配列して構成されているので、この単位光源ブロック単位で点灯制御することにより、色バランスを崩すことなく発光量を調節することができる。
上記発明においては、前記全ての単位光源ブロックを構成する複数種の前記発光素子が、周方向に同じ配列順序で配列されていることが好ましい。
このようにすることで、いずれの発光素子から単位光源ブロックを構成しても色バランスを崩すことなく発光量を調節することができる。その結果、さらに柔軟に露光調整を行うことができる。
また、本発明は、上記いずれかの照明装置と、該照明装置から発せられた光の被写体からの戻り光を撮影する撮像素子と、該撮像素子の露光期間を前記照明装置の単位光源ブロック単位で制御する制御部とを備える照明撮像装置を提供する。
本発明によれば、撮像素子の露光期間が制御されることにより、発光素子が消灯している際における露光を防止して、ＳＮ比を向上し、高品質の画像を取得することが可能となる。この場合に、制御部が、単位光源ブロック単位で撮像素子の露光期間を制御することにより、色バランスを崩すことなく露光を調節することができる。
上記発明においては、前記撮像素子による撮影周期と、前記回転手段による導光部材の回転周期とが異なることが好ましい。
このようにすることで、発光量を調節する際に発光素子の点灯頻度が偏って、特定の発光素子が早期に劣化してしまう不都合の発生を防止することができる。
本発明に係る照明装置によれば、色バランスを崩すことなく、撮像露光期間に合わせて照明期間を制御でき、指向性が高く明るい照明光を照射することができるという効果を奏する。また、本発明に係る照明撮像装置によれば、そのような照明装置を用いて色バランスを崩すことなく高品質な画像を得ることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る照明装置および照明撮像装置について、図１〜図７を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る照明撮像装置１は、例えば、内視鏡装置であって、図１に示されるように、体腔内に挿入される挿入部２と、該挿入部２の先端から体腔内壁Ａに向けて射出させる照明光を発生する照明装置３と、体腔内壁Ａにおける反射光、蛍光等の戻り光を撮影する撮像装置４と、これらを制御する制御装置５と、取得された映像を表示する表示モニタ６とを備えている。
挿入部２には、その長手方向の全長にわたって照明装置３からの照明光を導光するライトガイド２ａが備えられるとともに、その先端部に撮像装置４が配置されている。
撮像装置４は、体腔内壁Ａからの戻り光を集光する撮像レンズ４ａと、該撮像レンズ４ａにより集光された戻り光を撮影するＣＣＤのような撮像素子４ｂとを備えている。撮像素子４ｂにより取得された映像信号は挿入部２内を先端側から基端側に向けて配線７により伝送され、制御装置５に送られるようになっている。
本実施形態に係る照明装置３は、図２および図３に示されるように、周方向に配列された複数の光源ユニット８により円環状に形成され、半径方向内方に照明光を射出する光源９と、該円環状の光源９の半径方向内方に配置され光源９の中心に向かって半径方向に延びる導光部材１０と、該導光部材１０を光源の中心軸回りに回転させる回転手段１１とを備えている。なお、入射端１６ａがＢの発光素子１３（Ｂｎ）に対向する位置にあるときの導光部材１０を基準位置とし、この基準位置からの導光部材１０の回転角をθとして表している。
光源ユニット８は、図４に示されるように、基板１２と、該基板１２に固定され照明光を発生するＬＥＤのような発光素子１３と、該発光素子１３において発生した照明光を、指向性を高めつつ導光するテーパロッド１４と、発光素子１３から周辺方向に射出された照明光を反射してテーパロッド１４内に入射させる反射部材１５とを備えている。各光源ユニット８は、テーパロッド１４を半径方向に向けて配置しその射出端１４ａを半径方向内方に向けて配置することにより、発光素子１３において発生した照明光を半径方向内方に向けて射出させることができるようになっている。
導光部材１０は、図３に示されるように、テーパロッド１４の射出端１４ａと略同等の面積を有する入射端１６ａを一端に備える平行ロッド１６と、該平行ロッド１６の他端に接合された三角プリズム１７とから構成されている。三角プリズム１７は、円環状の光源９の中心軸上に配置され、その射出端１７ａを中心軸に沿う方向に向けて配置されている。
これにより、導光部材１０は、テーパロッド１４の射出端１４ａの半径方向内方に入射端１６ａが対向させられた状態で、テーパロッド１４の射出端１４ａから射出された照明光を入射端１６ａから入射させて半径方向内方に導光し、三角プリズム１７によりその導光方向を９０°偏向することによって、光源９の中心軸に沿って照明光を射出させるようになっている。
回転手段１１は、導光部材１０を支持する円板状の支持部材１８と、該支持部材１８を中心軸回りに回転させるモータ１９と、導光部材１０の回転位置を検出する回転位置センサ２０とを備えている。
さらに具体的には、図５（ａ）に示されるように、隣接する光源ユニット８間の相対角度をΔθとして、中央の特定の光源ユニット８Ａを基準とした±Δθの範囲で説明する。この特定の光源ユニット８Ａは、図５（ｂ）に符号Ｂで示されるように、±Δθの範囲内で、パルス状に点灯させられるようになっている。この場合に、この特定の光源ユニット８Ａから導光部材１０に入射する照明光の光量は、図５（ｂ）に三角形の領域Ｃで示されるように変化する。
すなわち、導光部材１０の入射端１６ａが隣接する光源ユニット８Ｂのテーパロッド１４の射出端１４ａの正面に対向する状態から導光部材１０の回転と共に徐々に増加して、その光源ユニット８Ａのテーパロッド１４の射出端１４ａの正面に対向する位置で最大となり、その後、導光部材１０の回転と共に徐々に減少する。このことが全ての光源ユニット８に対して成り立つので、各光源ユニット８における照明光の利用効率η＝Ｌｅ／Ｌとなる。
本実施形態に係る照明装置３においては、異なる色の光を発生する複数種の発光素子１３をそれぞれ有する複数の光源ユニット８が周方向に配列されたものを単位光源ブロックＰとし、その単位光源ブロックＰをさらに周方向に複数配列することにより構成されている。
例えば、図２に示す例では、単位光源ブロックＰは、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の照明光を発生する発光素子１３（Ｒｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）、Ｇｘ、Ｂｘ）をそれぞれ１つずつ備える３つの光源ユニット８により構成されている。そして、この単位光源ブロックＰが周方向に複数組配列されている。全ての単位光源ブロックＰ内の発光素子１３は、時計回りに、Ｒ，Ｇ，Ｂの順に配列されている。
制御装置５は、図１に示されるように、照明装置３における導光部材１０の回転を制御する回転駆動制御部２１と、照明装置３における発光素子１３の発光タイミングを制御する光源制御部２２と、該光源制御部２２による発光タイミングに従って撮像素子４ｂの露光期間を制御する撮像素子制御部２３と、撮像素子４ｂにより取得された映像信号を処理する映像信号処理部２４と、該映像信号処理部２４により処理された映像を表示用に処理する表示信号処理部２５と、映像信号処理部２４により抽出された画像の明るさに従って露光量を算出し、回転駆動制御部２１および光源制御部２２に指令信号を出力するシステム制御部２６とを備えている。
システム制御部２６は、映像信号処理部２４から送られてきた映像が暗く、露光量が足りないと判断したときは、光源制御部２２に対し、点灯する単位光源ブロックＰの数を増大させるように指令するようになっている。一方、システム制御部２６は、映像信号処理部２４から送られてきた映像が明るく、露光量が多すぎると判断したときは、光源制御部２２に対し、点灯する単位光源ブロックＰの数を低減させる指令を出力するようになっている。図６の左半分に示す例では、３つの単位光源ブロックＰを点灯させ、右半分に示す例では、１つの単位光源ブロックＰを点灯させるようになっている。
そして、撮像素子制御部２３は、光源制御部２２による発光タイミングを受信して、図６の左側の場合には３つの単位光源ブロックＰの点灯開始から消灯までの期間、右側の場合には１つの単位光源ブロックＰの点灯開始から消灯までの期間を撮像素子４ｂによる露光期間として設定するようになっている。なお、１フレーム中の残りの期間は、撮像素子４ｂからのデータ読み出し期間として設定されるようになっている。その結果、撮像素子４ｂの出力平均と露光期間とは、図７に示される関係に従って段階的に変化するようになっている。
このように構成された本実施形態に係る照明撮像装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る照明撮像装置１を用いて撮影を行うには、挿入部２を体腔内に挿入して挿入部２の先端を観察する患部近傍の体腔内壁Ａに対向させる。
この状態で、システム制御部２６からの指令信号により回転駆動制御部２１が、モータ１９を作動させて導光部材１０を回転させ、光源制御部２２が指令された発光タイミングに従って、発光素子１３をパルス点灯させる。
発光素子１３から発生された照明光は、その半径方向内方に対向する入射端１６ａから導光部材１０内に入射され、導光部材１０内を導光させられて中心軸上の射出端１７ａから射出される。モータ１９の作動により導光部材１０を回転させることで、導光部材１０内に入射させる照明光を発生する発光素子１３を順次切り替え、その切り替えに同期させたタイミングで大電流で発光素子１３をパルス点灯させることにより、発光素子１３の寿命を低減させることなく、定格電流で駆動する場合よりも明るい照明を得ることができる。
そして、本実施形態においては、光源制御部２２が、単位光源ブロックＰ単位で発光素子１３を点灯制御する。例えば、最初に設定された光量が、最低光量である場合には、光源制御部２２は、単一の単位光源ブロックＰのみを点灯させる。すなわち、導光部材１０が１回転する間に単一のＲ，Ｇ，Ｂの発光素子１３のみが点灯し他の発光素子１３が消灯することにより、最低光量の照明光が発生する。
そして、撮像素子制御部２３は、光源制御部２２による発光タイミングを受信して、単一の単位光源ブロックＰを構成する３つの発光素子１３が点灯している期間を露光期間として設定し、撮像素子４ｂにより映像を取得する。そして、取得された映像信号はシステム制御部２６に送信されてその露光量が判定され、露光量が足りない場合には、点灯する単位光源ブロックＰの数が増大させられ、露光量が多すぎる場合には、点灯する単位光源ブロックＰの数が低減させられる。
この場合において、本実施形態に係る照明撮像装置１によれば、照明装置３における発光素子１３の点灯が、隣接するＲ，Ｇ，Ｂ３つの発光素子１３からなる単位光源ブロックＰ単位で制御されるので、照射される照明光における色バランスを崩すことなく、その発光量を調節することができる。
また、本実施形態においては、全ての単位光源ブロックＰにおける発光素子１３の配列順序が同一であるので、Ｒ，Ｇ，Ｂいずれの発光素子１３から点灯を開始しても、その位置から単位光源ブロックＰを構成して、単位光源ブロックＰ単位で点灯制御することができる。これにより、撮像素子４ｂの露光期間をさらに細かく調節することができる。
さらに、本実施形態に係る照明撮像装置１によれば、照明装置３による発光素子１３の発光タイミングに同期して撮像素子４ｂの露光期間が調節されるので、発光素子１３が発光していない状態で撮像素子４ｂが露光されてしまうことによるノイズの増大を抑制し、ＳＮ比が高く高品質な映像を得ることができるという利点がある。
なお、本実施形態に係る照明撮像装置１においては、全ての単位光源ブロックＰのＲ，Ｇ，Ｂ３つの発光素子１３が同一の順序で配列されていることとしたが、これに代えて、異なる順序で配列されていてもよい。この場合においても単位光源ブロックＰ単位で発光素子の点灯制御を行うことにより、色バランスを崩すことなく光量調整を行うことができる。
また、単位光源ブロックＰを、Ｒ，Ｇ，Ｂ３種類の発光素子１３を有する３つの光源ユニット８により構成したが、これに代えて、図８に示されるように、色構成を変えることにしてもよい。図８に示される例では、２個のＲ、１個のＧ，Ｂの発光素子を備える４個の光源ユニット８により単位光源ブロックＰが構成されている。これに限定されるものではなく他の任意の色構成を有する単位光源ブロックＰを採用してもよい。
この場合においても、全ての単位光源ブロックＰにおいて発光素子１３の配列順序を同一にしておけば、いずれの発光素子１３から点灯を開始しても、その位置から単位光源ブロックＰを構成して単位光源ブロックＰ単位で点灯制御することができる。
また、本実施形態においては、モータ１９による導光部材１０の１回転と映像の１フレーム（撮像周期）とを一致させた場合を例示したが、図９に示されるように、導光部材１０の回転周期と撮像周期とを異ならせることとしてもよい。図９に示される例では、導光部材１０の回転周期を撮像周期より若干長く設定されている。
これにより、例えば、撮像周期の始期から点灯する発光素子１３の数を調節することで発光量を調節しても、発光素子１３の点灯頻度が偏ってしまう不都合の発生を防止することができる。その結果、全ての発光素子１３を均等に点灯させて、特定の発光素子１３の寿命のみが低下してしまわないようにすることができる。
同様の技術を利用することにより、全ての発光素子１３が単一の色（例えば白色）の照明光を発生する構成として、撮像周期と回転周期とをずらして、特定の発光素子１３の寿命低下を防止することもできる。
また、本実施形態に係る照明装置３および照明撮像装置１においては、光源ユニット８の配列順に従って発光素子１３を点灯させる場合について説明したが、これに代えて、図１０に示されるように、Ｒ，Ｇ，Ｂ３種類の発光素子１３を照明光の色毎にまとめて点灯させることにしてもよい。図１０に示す例では、最初にＲの発光素子１３（Ｒｘ）のみを点灯し、次に、Ｇの発光素子１３（Ｇｘ）のみを点灯し、最後にＢの発光素子１３（Ｂｘ）のみを点灯している。この場合には、各種の発光素子１３の点灯個数を調節することにより、各色の露光期間を変化させることができる。
照明方法は、各種の発光素子１３の発光量や撮像素子４ｂの撮像感度を考慮して、撮影される映像信号が所望のものとなるように、自由に選択することができる。
また、図１０に示す例では、１フレームの撮像期間を導光部材１０の２回転分に割り当てて設定したものであるが、これに限定されることなく、任意に設定することができる。
なお、内視鏡装置の場合、観察する部位に応じて挿入部（スコープ）２を交換する場合があるが、この場合に、挿入部２に備えられている撮像素子４ｂに応じて撮影条件を変更する必要がある場合等に、撮像期間および読み出し期間を容易に変更することができる。
また、本実施形態においては、光源ユニット８が、特定の色の照明光を発生する発光素子１３を有する場合を例示して説明したが、これに代えて、図１１に示されるように、発光素子１３としては、同一の波長帯域の励起光（例えば、紫外光）を発生するものと該励起光により励起され蛍光を発生する蛍光体２７とを組み合わせたものを採用することにしてもよい。この場合に、光源ユニット８毎に蛍光体２７を異ならせることで、発生する照明光の色を異ならせることができる。
本発明の一実施形態に係る照明撮像装置を示す全体構成図である。 図１の照明撮像装置に備えられる本実施形態に係る照明装置を、部分的に省略して示す正面図である。 図２の照明装置のＸ−Ｘ断面図である。 図２の照明装置を構成する光源ユニットを示す図である。 図２の照明装置における各光源ユニットの点灯動作を説明する図であり（ａ）隣接する光源ユニットの位置関係、（ｂ）各光源ユニットからの光の利用効率を説明する図である。 図１の照明撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。 図１の照明撮像装置の撮像素子の平均出力と撮像露光期間との関係を示すグラフである。 図２の照明装置の変形例を部分的に省略して示す正面図である。 図１の照明撮像装置の変形例における動作を説明するタイミングチャートである。 図２の照明装置による他の照明パターンを示すタイミングチャートである。 図４の光源ユニットの変形例を示す図である。
符号の説明
Ａ 対向内壁（被写体）
Ｐ 単位光源ブロック
１ 照明撮像装置
３ 照明装置
４ｂ 撮像素子
５ 制御部
９ 光源
１０ 導光部材
１１ 回転手段
１３ 発光素子
１６ａ 入射端
１７ａ 射出端

Claims (4)

  1. 円環状に配列され半径方向内方に向けて光を射出する複数の発光素子を含む光源と、
    該光源の半径方向内方に対向する入射端と、前記円環の中心軸上に配置された射出端とを備え、前記入射端から入射させた光を前記射出端まで導光する導光部材と、
    該導光部材を前記円環の中心軸回りに回転させる回転手段とを備え、
    前記光源が、異なる色の光を発生する複数種の前記発光素子を周方向に配列してなる単位光源ブロックを周方向に複数配列して構成されている照明装置。
  2. 前記全ての単位光源ブロックを構成する複数種の前記発光素子が、周方向に同じ配列順序で配列されている請求項１に記載の照明装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の照明装置と、
    該照明装置から発せられた光の被写体からの戻り光を撮影する撮像素子と、
    該撮像素子の露光期間を前記照明装置の単位光源ブロック単位で制御する制御部とを備える照明撮像装置。
  4. 前記撮像素子による撮影周期と、前記回転手段による導光部材の回転周期とが異なる請求項３に記載の照明撮像装置。
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