JP5326463B2 - 撮像装置、内視鏡装置および制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置、内視鏡装置およびこれらの装置に適用される制御装置に関する。
固体撮像素子としてCCDイメージセンサを備えた撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1の撮像装置としての監視カメラは、レンズ等の光学系と、CCDイメージセンサから構成される撮像部とを備えている。また、撮像部から読み出されたアナログ信号をデジタル信号に変換するAFE(アナログフロントエンド)と、AFEから入力されるデジタル信号を処理する信号処理部とを備えている。
特開2008−85410号公報
CCDイメージセンサから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するAFEの処理に際しては、CCDイメージセンサから得られた画像(画素)信号の信号波形に対して適切なタイミングでサンプル/ホールド処理を行い、デジタル信号に変換することが重要である。これは、CCDイメージセンサからの信号波形に対して適切なタイミングでサンプル/ホールド処理が行われないと、CCDイメージセンサが正常に機能したとしてもAFEにて適切にデジタル信号に変換されず、出力画像の品質が低下してしまうからである。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力画像の品質を向上させることができる撮像装置を提供することにある。
請求項1に記載の発明は、各種のタイミング信号を発生するタイミング発生部と、前記タイミング発生部が発生したタイミング信号に基づく駆動信号を取得し、取得した当該駆動信号に応じて画像信号を出力する撮像素子と、前記タイミング発生部が発生したタイミング信号に基づくタイミングパルスを取得し、取得した当該タイミングパルスに応じて、前記撮像素子から出力される画像信号を処理する画像信号処理部と、前記タイミング発生部が発生したタイミング信号を基に、前記撮像素子から出力され前記画像信号処理部に入力する画像信号と当該画像信号処理部に入力するタイミングパルスとの位相を調整する位相調整手段と、を含み、前記撮像素子は、前記タイミング発生部と前記画像信号処理部と前記位相調整手段を含む制御部と、ケーブルを介して接続されており、前記位相調整手段は、前記タイミング発生部と前記画像信号処理部との間に介在し、当該タイミング発生部から供給されるタイミング信号の位相をプログラマブルな制御により遅らせて前記画像信号の処理の基となる前記タイミングパルスとして当該画像信号処理部に供給し、当該画像信号と当該タイミングパルスとの位相の調整量は、前記ケーブルの長さ、透磁率及び誘電率に基づいて算出することを特徴とする撮像装置である。これにより、本発明を採用しない場合に比べて、所望のタイミングのタイミングパルスにすることができる。
請求項に記載の発明は、前記請求項1に記載の撮像装置は、被写体を撮像し、取得した駆動信号に基づいて画像信号を出力することを特徴とする内視鏡装置である。これにより、画像信号処理部に入力する画像信号とタイミングパルスとを適切なタイミングにすることができ、出力画像の品質を向上させた内視鏡装置を提供することができる。
画像信号処理部に入力する画像信号とタイミングパルスとを適切なタイミングにすることができ、出力画像の品質を向上させた撮像装置、内視鏡装置を提供できる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態(実施の形態)について詳細に説明する。
<実施形態>
図1は、実施形態に係る撮像装置1の概略構成を示す図である。この撮像装置1は、体腔内の観察や検査を行う内視鏡装置、あるいは監視カメラとして用いられるものである。
図1に示すように、撮像装置1は、レンズ等の光学系11と、固体撮像素子であるCCDイメージセンサ12とを有する先端部10を備えている。また、撮像装置1は、CCDイメージセンサ12からの出力信号を処理する制御部20を備えている。また、撮像装置1は、先端部10と制御部20とを有線で接続する同軸ケーブル30を備えている。
実施形態に係る先端部10のCCDイメージセンサ12は、対象物の光学像を電気的信号に変換し、2次元の画像として出力する装置であり、光電変換を行う複数の受光素子(フォトダイオード)を含む受光部と、転送ゲートと、シフトレジスタ(転送部)とを備えている。
受光部の各受光素子は受光量に応じた電荷を生成して蓄積する。そして電荷蓄積に必要な所定の時間が経過した後にシフト信号がアクティブになると、転送ゲートがオンになる。これにより、アナログの画像データである蓄積電荷が、転送ゲートを介して各受光素子に対応して設けられたシフトレジスタに転送される。そして、各シフトレジスタに転送された画像(画素)信号(蓄積電荷)Voutは、2相の駆動クロック(駆動信号)であるH1,H2に基づいて、CCDイメージセンサ12からシリアル出力される。
制御部20は、CCDイメージセンサ12からの出力信号である画像信号Voutを処理するAFE(アナログフロントエンド)21と、AFE21の出力をデジタル信号処理するデジタル信号処理部22とを備えている。また、制御部20は、CCDイメージセンサ12向け制御信号である後述する駆動クロックH1,H2を発生するとともに、AFE21向け制御信号である後述するAFE駆動パルスSHP,SHDなどの各種タイミング信号を発生するTG(Timing Generator)23を備えている。なお、AFE(アナログフロントエンド)21、デジタル信号処理部22およびTG23は、同一の制御基板に実装されている。
AFE21は、CCDイメージセンサ12から入力される画像信号(蓄積電荷)Voutをノイズ除去しながらサンプル/ホールド処理を行う画像信号処理部としてのCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)211と、サンプル/ホールド処理された画像信号を所定のレベルまで増幅するPGA(Programmable Gain Amplifier:可変利得増幅回路)212を備えている。また、AFE21は、PGA212にて増幅されたアナログの画像信号をデジタル信号に変換するA/D変換器213と、A/D変換器213にて変換されたデジタル信号を信号処理部22へ送出するラッチ部214とを備えている。
信号処理部22は、AFE21から出力されたデジタル信号に対して処理を施し、この撮像装置1において必要とされる撮像データ処理を行う。例えば、信号処理部22は、ホワイトバランス、ガンマ補正などの映像処理や、フォーマット処理、圧縮処理等のエンコード処理を行う。そして、信号処理部22にて所与の処理が施されたデータは、図示しない表示部において画像表示が行われたり、図示しない記録部において記録メディアに記録されたり、図示しない送信部から出力されたりする。
TG23は、CCDイメージセンサ12の画像信号出力の基となる駆動クロックH1,H2、およびCCDイメージセンサ12のゲートに入力されるリセットゲートパルスRGを発生し、CCDイメージセンサ12に向けて供給する。また、TG23は、CCDイメージセンサ12に向けの制御信号(タイミング信号)であるH1,H2,RGと同期したタイミング信号であり、AFE21のCDS211のサンプル/ホールド処理の基となるタイミングパルスSHP,SHDを発生し、AFE21に向けて供給する。
また、制御部20は、TG23から出力されたAFE駆動パルスSHP,SHDの位相を補正し、補正パルスX−SHP,X−SHDをAFE21に向けて出力するための位相シフト回路であるPSC(Phase Shift Circuit)24を、TG23とAFE21との間に介在するように備えている。
言い換えれば、AFE21、TG23およびPSC24は、TG23とAFE21との間にPSC24が接続されるように同一の制御基板に実装されている。このPSC24は、CCDイメージセンサ12から出力されAFE21のCDS211に入力する画像信号VoutをCDS211にて最適なタイミングでサンプル/ホールド処理可能なように、TG23から出力されたAFE駆動パルスSHP,SHDの位相を補正するものである。
以下に、このPSC24によるAFE駆動パルスSHP,SHDの位相の補正(調整)について説明する。
AFE21が、CCDイメージセンサ12から得た画素信号Voutの信号波形に対して適切なタイミングでサンプル/ホールド処理を行い、A/D変換しなければ、A/D変換された撮像画像データとして適切なデータが得られない。
図2は、AFE21のCDS211にて行われるサンプル/ホールド処理のタイミング波形を示す図である。波形Voutとして示した、CCDイメージセンサ12から出力されたある画素についての画像信号の信号波形に対して、サンプル/ホールド処理として、基準レベル(例えば、波形の黒レベル)に相当するポイントとデータレベルに相当するポイントのサンプリングを行う。
なお、CDS211が基準レベルの信号値とデータレベルの信号値の差分を採ることで、基準レベルに対する値としてのデータレベルを取得し、その差分をA/D変換器213にてA/D変換することで、AFE21は、基準レベルを基準とした適切なデータレベルをデジタルデータとして取得する。
そして、基準レベルのサンプル/ホールド処理のために図示するようなタイミングのAFE駆動パルスSHPが用いられ、またデータレベルのサンプル/ホールド処理のために図示するようなタイミングのAFE駆動パルスSHDが用いられる。
それゆえ、AFE21から適切な撮像画像データを得るためには、上記タイミングのAFE駆動パルスSHP,SHDが、CCDイメージセンサ12からの画像信号Voutに対して適切な位相状態でなければならない。もし、AFE駆動パルスSHP,SHDと画像信号Voutとの相互の位相が適切でない場合には、画像信号Voutの基準レベル及びデータレベルのタイミングでサンプリングできず、A/D変換された撮像画像データの値は適切な値にならない。つまり、AFE駆動パルスSHP,SHDのCCDイメージセンサ12からの画像信号Voutに対する位相が適切でないと画像の品質が低下してしまう。
一方、実施形態に係る撮像装置1のように、CCDイメージセンサ12を有する先端部10と、AFE21,TG23を有する制御部20が同軸ケーブル30で接続されている場合においては、同軸ケーブル30にて信号が伝送される際に、伝送遅延が発生する。特に、TG23とAFE21は同一の制御基板に実装され両者の離間距離が数mmあるいは数cmであるのに対して、同軸ケーブル30の長さが数mである場合には、同軸ケーブル30に起因する伝送遅延が顕著に現れる。
図3は、実施形態に係る撮像装置1に対して、TG23とAFE21との間に介在するPSC24を省いた構成の撮像装置におけるタイミングチャートである。なお、図3中、CKは、TG23の動作周波数におけるクロック信号であり、駆動クロックH1,H2およびリセットゲートパルスRGは、クロック信号が分周比2で分周されて出力されている。また、H1−1,H2−1,RG−1は、TG23から出力されたH1,H2,RGがCCDイメージセンサ12に至った時点の制御信号である。
図2は、CCDイメージセンサ12と制御部20との間に伝送遅延が生じないと仮定した場合のタイミングチャートでもあり、この図2の状態と図3の状態を比較する。
図3に示すように、同軸ケーブル30において伝送遅延が発生するために、TG23から出力された制御信号H1,H2,RGが同軸ケーブル30を介してCCDイメージセンサ12に至るまでには、TG23から出力された制御信号SHP,SHDがAFE21に至るまでに要する時間(TG23とAFE21の離間距離は数mmあるいは数cmであるのでほぼ0(sec))よりも長い時間d1(sec)が経過する。また、CCDイメージセンサ12から出力された画像信号Voutが同軸ケーブル30を介してAFE21に至るまでには、時間d2が経過する。
ここで、同軸ケーブル30の伝送遅延時間S(sec)は以下の式(1)を用いて算出できる。
S=L/Vp (sec)・・・(1)
ここで、L(m)は、同軸ケーブル30の長さであり、Vp(m/sec)は、同軸ケーブル30の伝送速度である。なお、Vp(m/sec)は、以下の式(2)を用いて算出できる。
ここで、Cは光速度(2.997925×10(m/sec))であり、μrは比透磁率であり、εrは比誘電率である。
同軸ケーブル30の場合、比透磁率μr=1、比誘電率εr=2.4であるので、これらの値を式(2)に入力すると、Vp=1.94×10(m/sec)である。
ゆえに、例えば、L=1(m)の同軸ケーブル30を使用した場合、伝送遅延時間S(sec)は、S=1/(1.94×10)≒5.2(nsec)となる。
また、この算出された遅延時間Sは、図3に示すタイミングチャートのd1(往路)とd2(復路)に相当するため、撮像装置1全体での伝送遅延時間は、d1+d2=2×S=10.4(nsec)となる。
なお、TG23の最高動作周波数が50MHzである場合、駆動クロックH1,H2およびAFE駆動パルスSHP,SHDの周期は、40(nsec)である。ゆえに、撮像装置1の同軸ケーブル30として1(m)の長さの同軸ケーブルを用いた場合には、同軸ケーブル30に起因する遅延時間のみで、正規の画像データに比較して25%もの位相のズレが生じる。
そこで、本実施の形態に係る撮像装置1においては、TG23とAFE21との間に位相調整手段としてのPSC24を介在させて、TG23から出力されたAFE駆動パルスSHP,SHDの位相を適切なタイミングに補正した補正パルスX−SHP,X−SHDを、AFE21のCDS211に入力させるようにする。
そのために、PSC24として、プログラマブルに位相制御することができ、入力された信号に対し最高分解能(遅延差)がNで位相を制御された少なくとも1つ以上のクロック信号を出力する位相制御(シフト)回路を用いる。最高分解能がNであるので、周波数f(Hz)(周期1/f(sec))入力の場合は、1/(f×N)(sec)単位にて位相補正することができる。
例えば、PSC24として、最高分解能が32である位相シフト回路を例にすると、TG23の最高動作周波数が50(MHz)で、AFE駆動パルスSHP,SHDの周波数が25(MHz)である場合には、1/(25(MHz)×32)=1.25(nsec)単位にて位相をシフトできる。
ゆえに、1(m)の長さの同軸ケーブル30に起因する遅延時間10.4(nsec)を補正するべく、遅延時間に相当する位相シフト量を得たい場合には、シフト量8(/32)にプログラムする。これにより、PSC24からAFE21に出力される補正パルスX−SHP,X−SHDが、TG23から出力されたAFE駆動パルスSHP,SHDに対して10(nsec)(=1.25(nsec)×8)遅延されることとなる。その結果、1(m)の長さの同軸ケーブル30に起因する遅延時間10.4(nsec)を10(nsec)補正することが可能となる。
図4は、実施形態に係る撮像装置1のPSC24として最高分解能が32の位相シフト回路を用い、シフト量を8にプログラムした場合におけるタイミングチャートである。なお、同軸ケーブル30の長さは1(m)とする。
同軸ケーブル30に起因してCCDイメージセンサ12からの画像信号Voutがd1+d2=10.4(nsec)遅れてAFE21に到達するが、AFE駆動パルスSHP,SHDもPSC24にて10(nsec)遅延されて出力され補正パルスX−SHP,X−SHDとしてAFE21に到達する。これにより、図4に示すように、AFE駆動パルスの補正パルスX−SHP,X−SHDが画像信号Voutに対して適切なタイミングとなるので、CDS211にてサンプル/ホールド処理が適切に行われることとなり、AFE21から適切な撮像画像データが得られる。その結果、PSC24にて位相補正を行わない撮像装置と比べると出力画像の品質が向上する。
上述した説明においては、同軸ケーブル30の長さを1(m)と仮定し、最高分解能が32であるPSC24のシフト量を8にプログラムする点について説明したが、同軸ケーブル30の長さに応じてシフト量を調整することが好適である。例えば、同軸ケーブル30の長さが2(m)である場合には、PSC24のシフト量を16にプログラムことが好適である。
また、PSC24として、最高分解能が32であるものを例示したが、例えば最高分解能が16である場合には、同軸ケーブル30の長さが1(m)のときにPSC24のシフト量を4にプログラムすることが好適である。
なお、内視鏡装置あるいは監視カメラに適用される撮像装置に、上述した実施形態に係る撮像装置1における、AFE21、デジタル信号処理部22、TG23およびPSC24をパーツ毎に区分けして備えることが必須ではなく、これらと同等の機能の形を問わずに備えていてもよい。
すなわち、各種のタイミング信号を発生するタイミング発生部と、タイミング発生部が発生したタイミング信号に基づく駆動信号を取得し、取得した当該駆動信号に応じて画像信号を出力する撮像素子と、タイミング発生部が発生したタイミング信号に基づくタイミングパルスを取得し、取得した当該タイミングパルスに応じて、撮像素子から出力される画像信号を処理する画像信号処理部と、タイミング発生部が発生したタイミング信号を基に、撮像素子から出力され画像信号処理部に入力する画像信号と当該画像信号処理部に入力するタイミングパルスとの位相を調整する位相調整手段とを含む撮像装置であることが好適である。
そして、タイミング発生部が、発生したタイミング信号を駆動信号として撮像素子に供給する一方で、位相調整手段は、タイミング発生部と画像信号処理部との間に介在し、当該タイミング発生部から供給され駆動信号と同期したタイミング信号の位相を遅らせて画像信号の処理の基となるタイミングパルスとして画像信号処理部に供給することが好適である。
あるいは、タイミング発生部が、発生したタイミング信号をタイミングパルスとして画像信号処理部に供給する一方で、位相調整手段は、タイミング発生部と撮像素子との間に介在し、当該タイミング発生部から供給されタイミングパルスと同期したタイミング信号の位相を進めて画像信号を出力する基となる駆動信号として当該撮像素子に供給することが好適である。
そして、タイミング発生部と画像信号処理部と位相調整手段を含む制御部と、撮像素子とがケーブルを介して接続されている場合には、位相調整手段による画像信号とタイミングパルスとの位相の調整量は、ケーブルの長さに応じた量であることが好適である。
また、撮像装置に適用される制御部10は、タイミング信号を発生し、発生したタイミング信号に基づく駆動信号を撮像素子に供給するとともに、当該撮像素子から当該駆動信号に応じて出力される画像信号を発生したタイミング信号に基づくタイミングパルスに応じて処理する制御装置であって、発生したタイミング信号を基に、撮像素子から出力される画像信号とタイミングパルスとの位相を調整する位相調整手段を備えることが好適である。
そして、発生したタイミング信号を駆動信号として撮像素子に供給する一方で、位相調整手段は、駆動信号と同期させて発生したタイミング信号の位相を遅らせて画像信号の処理の基となるタイミングパルスとして供給することが好適である。
あるいは、発生したタイミング信号をタイミングパルスとして画像信号処理に用いる一方で、位相調整手段は、タイミングパルスと同期させて発生したタイミング信号の位相を進めた信号を駆動信号として撮像素子に供給することが好適である。
また、位相調整手段による画像信号とタイミングパルスとの位相の調整量は、撮像素子に駆動信号を伝送するケーブルの長さに応じた量であることが好適である。
なお、上述したの実施形態においては、各シフトレジスタに転送された画像信号(蓄積電荷)Voutを、駆動クロック(駆動信号)であるH1,H2に基づいてシリアル出力する態様のCCDイメージセンサ12を備えた撮像装置1にPSC24を適用させた。しかしながら、PSC24あるいはPSC24を備える制御部10は、かかる態様のCCDイメージセンサ12以外のCCDイメージセンサを備える撮像装置を適用対象としてもよい。
実施形態に係る撮像装置の概略構成を示す図である。 AFEのCDSにて行われるサンプル/ホールド処理のタイミング波形を示す図である。 実施形態に係る撮像装置に対して、TGとAFEとの間に介在するPSCを省いた構成の撮像装置におけるタイミングチャートである。 実施形態に係る撮像装置におけるタイミングチャートである。
符号の説明
1…撮像装置、10…先端部、11…光学系、12…CCDイメージセンサ、20…制御部、21…AFE、22…信号処理部、23…TG、24…PSC、211…CDS、212…PGA、213…A/D変換器、214…ラッチ部

Claims (2)

  1. 各種のタイミング信号を発生するタイミング発生部と、
    前記タイミング発生部が発生したタイミング信号に基づく駆動信号を取得し、取得した当該駆動信号に応じて画像信号を出力する撮像素子と、
    前記タイミング発生部が発生したタイミング信号に基づくタイミングパルスを取得し、取得した当該タイミングパルスに応じて、前記撮像素子から出力される画像信号を処理する画像信号処理部と、
    前記タイミング発生部が発生したタイミング信号を基に、前記撮像素子から出力され前記画像信号処理部に入力する画像信号と当該画像信号処理部に入力するタイミングパルスとの位相を調整する位相調整手段と、を含み、
    前記撮像素子は、前記タイミング発生部と前記画像信号処理部と前記位相調整手段を含む制御部と、ケーブルを介して接続されており、
    前記位相調整手段は、前記タイミング発生部と前記画像信号処理部との間に介在し、当該タイミング発生部から供給されるタイミング信号の位相をプログラマブルな制御により遅らせて前記画像信号の処理の基となる前記タイミングパルスとして当該画像信号処理部に供給し、当該画像信号と当該タイミングパルスとの位相の調整量は、前記ケーブルの長さ、透磁率及び誘電率に基づいて算出することを特徴とする撮像装置。
  2. 前記請求項1に記載の撮像装置は、被写体を撮像し、取得した駆動信号に基づいて画像信号を出力することを特徴とする内視鏡装置。
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