JP5622529B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡装置に関する。

撮像素子により体腔内の組織を観察する内視鏡装置が広く知られている。一般的な内視鏡装置は、キセノンランプ等の白色光源から出射された白色光を、ライトガイドを通じて体腔内の被観察領域に照明光として供給し、その白色光の照射による反射光の像を撮像素子により撮像して観察画像を生成する。撮像素子は、電子シャッタ機能が備えられ、電荷検出時間を制御することにより受光量を調整している。つまり、内視鏡装置では、撮像素子から出力された画像信号から光量の情報を取り出して、この光量の情報に基づいて電子シャッタの動作が行われる。例えば、光量が基準値より小さい場合は電子シャッタ速度を遅くして受光量を増加させ、逆に光量が基準値より大きい場合は電子シャッタ速度を速くして受光量を減少させる。この結果、観察対象に適した露光が行われ、画像の明るさを良好に維持することができる（特許文献１参照）。

ところが、生体の体腔内では、深い空洞部等で観察対象が観察しにくい位置にある場合、内視鏡先端部から照射された光が届かずに光量不足となり、観察に適した明るさの画像を得にくくなる。また、電子シャッタ速度を遅くして露光量を稼ごうとすると、ブレの影響を受けやすくなり、画像の鮮鋭度が低下してしまうことがある。

そこで、この問題を解決するため、撮像時の光量情報に応じて電子シャッタ制御を行いつつ、光源ランプの出力強度を増減制御すれば、暗視野であっても十分な光量で鮮明な画像が得られるようになる。図１２にシャッタ速度制御の一部詳細と、光量制御との関係を表す説明図を示した。図示例においては、シャッタ速度は、撮像画像の輝度レベルの増加に伴って１／３０秒（３３ｍｓ）、１／４５秒（２２ｍｓ）、１／６０秒（１６ｍｓ）等と段階的に短く設定され、各段階へ移行した光量から次のシャッタ速度に移行するまでの間で光源ランプの出力を漸減させている。

例えば画像信号の輝度レベルが増加して、輝度レベルＰａとしていた場合から輝度レベルＰｂに変化したとき、撮像素子を制御する撮像制御部は、シャッタ速度を１／３０秒から１／４５秒に変更し、光源を制御する光源制御部は、光源の出射光量をＩａからＩｂに変更する。これにより、撮像素子の露光量を一定にする光量調整が行われる。

特開２００５−２７０２６６号公報

ところで、一般に光源制御部は内視鏡装置の制御装置内に配置され、撮像制御部は制御装置にコネクタを介して接続される内視鏡プローブ側に配置されている。また、光源制御部への制御信号はパラレル信号で行われるが、撮像制御部への制御信号は、制御装置からシリアルデータとして出力されて内視鏡プローブ側の撮像制御部で再びパラレル信号に変換されることになる。

このため、内視鏡装置の制御装置から光源制御部と撮像制御部に一斉に制御信号を出力しても、撮像制御部への制御信号はシリアルデータへの変換と復元に時間がかかり、光源制御と撮像制御にタイムラグが生じる。その結果、上記の例では、輝度レベルがＰａからＰｂに変化する際に、内視鏡制御装置から撮像制御部にシャッタ速度を１／３０秒から１／４５秒に変更する制御信号と、光源制御部に光量ＩａからＩｂに変更する制御信号が出力されるが、撮像制御部の制御にタイムラグを生じてしまう。つまり、光源制御部が出射光量をリアルタイムで増加制御するが、シャッタ速度は、タイムラグのために１／３０秒のままで撮像することになる。すると、本来は光量Ｉｂでシャッタ速度１／４５秒で撮像する筈が、光量Ｉｂで遅いシャッタ速度１／３０秒で撮像することになる。その結果、図１３に示すように、撮像素子の露光量を制御する途中で、実質的に露光量が一時的に増加する調光反転現象が生じてしまう。上記のように、パラレル通信による光源制御とシリアル通信による撮像素子の制御とを同時に行う場合、所望の調光制御と撮像制御が行えず、画像品質が低下することがある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、調光反転現象を回避しつつ、撮像画像の光量に応じた最適な調光制御と撮像制御を行い、高画質な画像を取得できる内視鏡装置を提供することを目的としている。

本発明は下記構成からなる。
電子シャッタ機能を有する撮像素子が搭載され、被検体の撮像信号を出力する内視鏡スコープと、該内視鏡スコープが接続される制御装置とを有する内視鏡装置であって、
前記内視鏡スコープが、前記電子シャッタのシャッタ速度を制御する撮像制御手段を備え、
前記制御装置が、
半導体光源と、
該半導体光源をパルス点灯駆動して出射光量を制御する光源制御手段と、
前記撮像素子から出力される撮像信号に基づいて被検体像の光量を検出する光量検出手段と、
前記光量検出手段により検出された被検体像の光量に対応する前記シャッタ速度目標値と前記出射光量目標値とをそれぞれ求め、前記シャッタ速度目標値に制御するためのシャッタ速度制御信号を前記撮像制御手段に、前記出射光量目標値に制御するための光源制御信号を前記光源制御手段にそれぞれ出力して、前記撮像素子の露光量を制御する露光制御手段と、
を備え、
前記露光制御手段が、前記被検体像の光量に応じて、前記撮像制御手段によるシャッタ速度制御で前記露光量を制御するシャッタ速度制御と、前記光源制御手段による光源制御で前記露光量を制御する出射光量制御とのいずれかに切り替えて前記露光量を制御する内視鏡装置。

本発明の内視鏡装置によれば、シャッタ速度制御と出射光量制御とを別々に実施することで、光源制御と撮像制御を同時に行う場合に生じやすい調光反転現象を回避しつつ、撮像画像の光量に応じた最適な調光制御と撮像制御を行うことで、常に高画質な内視鏡画像を取得することができる。

本発明の実施形態を説明するための図で、内視鏡及び内視鏡が接続される各装置を表す内視鏡装置の構成図である。 内視鏡装置の具体的な構成例を示す外観図である。 撮像信号処理部による制御のブロック図である。 制御テーブルの内容を示すグラフである。 駆動パルスの制御例のタイミングチャートである。 最大光量から最小光量までの各光量に対する制御パラメータ情報の内容を示すグラフである。 撮像素子の露光・読出しのタイミングチャートを示す説明図である。 駆動パルスの制御例のタイミングチャートである。 光源装置の要部構成と、光照射窓へ導光する光路を模式的に表したブロック構成図である。 光源装置からの出射光により生成される照明光のスペクトルを示すグラフである。 １灯方式と２灯方式を組み合わせた光量制御パターンを示す説明図である。 従来におけるシャッタ速度制御の一部詳細と、光量制御との関係を表す説明図である。 従来における調光反転現象を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、内視鏡及び内視鏡が接続される各装置を表す内視鏡装置の構成図、図２は内視鏡装置の具体的な構成例を示す外観図である。
内視鏡装置１００は、図１に示すように、内視鏡スコープ（以下、内視鏡と称する）１１と、制御装置１３と、モニタ等の表示部１５と、制御装置１３に情報を入力するキーボードやマウス等の入力部１７とを備えている。制御装置１３は、光源装置１９と、撮像画像の信号処理を行うプロセッサ２１とを有して構成される。

内視鏡１１は、本体操作部２３と、この本体操作部２３に連設され被検体（体腔）内に挿入される挿入部２５とを備える。本体操作部２３には、ユニバーサルケーブル２７が接続され、このユニバーサルケーブル２７の先端は、光源装置１９にライトガイド（ＬＧ）コネクタ２９Ａを介して接続され、また、ビデオコネクタ２９Ｂを介してプロセッサ２１に接続されている。

図２に示すように、内視鏡１１の本体操作部２３には、挿入部２５の先端側で吸引、送気、送水を実施するためのボタンや、撮像時のシャッターボタン等の各種操作ボタン３１が併設されるとともに、一対のアングルノブ３３が設けられている。
挿入部２５は、本体操作部２３側から順に軟性部３５、湾曲部３７、及び先端部（内視鏡先端部）３９で構成され、湾曲部３７は、本体操作部２３のアングルノブ３３を回動することによって遠隔的に湾曲操作される。これにより、先端部３９を所望の方向に向けることができる。

また、図１に示すように、内視鏡先端部３９には、撮像光学系の観察窓４１と、照明光学系の光照射窓４３が配置され、光照射窓４３から照射される照明光による被検体からの反射光を、観察窓４１を通じて撮像素子４５により撮像するようになっている。撮像された観察画像は、プロセッサ２１に接続された表示部１５に表示される。

ここで、撮像光学系は、ＣＣＤ(charge coupled device）型イメージセンサ等の撮像素子４５と、撮像素子４５に観察像を結像させるレンズ等の光学部材４７とを有する。撮像素子４５には、撮像制御手段である撮像制御部４９から信号ケーブル５１を通じて撮像制御信号が入力され、撮像素子４５を所望の撮像条件で駆動する。

撮像素子４５の受光面に結像されて取り込まれる観察像は、電気信号に変換されて信号ケーブル５３を通じてプロセッサ２１の撮像信号処理部５５に入力され、撮像信号処理部５５で映像信号に変換される。なお、詳細は後述するが、撮像信号処理部５５は、撮像素子４５から出力される撮像信号に基づいて被検体像の光量を検出する光量検出手段として機能する。

一方、照明光学系は、半導体発光素子であるレーザ光源５７を有する光源装置１９と、光源装置１９に接続される光ファイバ５９と、光ファイバ５９の光出射端に配置された波長変換部６１と、光源制御手段である光源制御部６５とを有する。光ファイバ５９は、レーザ光源５７から出射されるレーザ光を内視鏡先端部３９へ導く。内視鏡先端部３９に導かれたレーザ光は、波長変換部６１からの発光とレーザ光とが合成された白色照明光を発生させる。波長変換部６１は、レーザ光により励起発光する蛍光体を含んで構成される。レーザ光源５７は、内視鏡制御部６３からの指令に基づく光源制御部６５からの駆動信号を受けて、所望の強度の光を出射する。つまり、内視鏡制御部６３は、レーザ光源５７の光源制御と撮像素子４５の制御を行って、撮像素子４５の露光量を制御する露光制御手段として機能する。

内視鏡制御部６３は、撮像信号や各種情報を保存する記憶手段としてのメモリ７３と接続され、撮像信号処理部５５から出力される画像データを画像処理部７５により適宜な画像処理を施して、表示部１５に映出する。また、図示しないＬＡＮ等のネットワークに接続されて画像データを含む情報を配信する等、内視鏡装置１００全体を制御する。

レーザ光源５７は、中心波長４４５ｎｍの青色発光の半導体レーザである。レーザ光源５７は、出射光量を制御されつつ青色レーザ光を出射し、この出射光が光ファイバ５９を通じて内視鏡挿入部２５の波長変換部６１に照射される。このレーザ光源５７としては、例えばブロードエリア型のＩｎＧａＮ系レーザダイオードが使用できる。

波長変換部６１は、レーザ光源５７から出射されるレーザ光の一部を吸収して緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光体（例えばＹＡＧ系蛍光体、或いはＢＡＭ（BaMgAl₁₀O₃₇）等を含む蛍光体等）を含んで構成される。これにより、レーザ光源５７からのレーザ光と、このレーザ光が波長変換された緑色〜黄色の励起光とが合波されて、白色光が生成される。

次に、上記構成の内視鏡装置１００が、観察画像の光量に応じて撮像素子４５の露光量を制御する手順を説明する。
図１に示すプロセッサ２１に設けた撮像信号処理部５５は、プロセッサ２１に接続された内視鏡１１の撮像素子４５が出力するＲＡＷデータを受け取り、このＲＡＷデータに応じた最適な露光量が得られるように、光源制御部６５にはレーザ光源５７の出射光量を制御する制御信号を出力し、撮像制御部４９には最適なシャッタ速度に制御する制御信号を出力する。

図３に撮像信号処理部５５による制御のブロック図を示した。撮像素子４５から出力されるＲＡＷデータ（生画像の情報）は、撮像信号処理部５５に入力され、ヒストグラム作成部６７は、このＲＡＷデータに対応する光量のヒストグラムを作成し、測光値算出部６９に出力する。測光値算出部６９は、入力されたヒストグラムと、各種の測光モード（ピーク値、平均値等）により求めた明るさ検出値とに基づいて測光値を算出する。そして、目標光量算出部７１は、算出された測光値に応じて次フレームの目標露光量を求める。ここで、目標露光量は、従前のキセノンランプ等の白色光源の絞り値に相当する値である。この目標露光量は例えば１２ビット階調（０〜４０９６）で表現され、測光値が低いほど目標露光量が大きく設定される。

次に、図１に示す内視鏡制御部６３は、撮像信号処理部５５から出力された目標露光量に基づいて、メモリ７３に記憶された制御テーブルを参照して、光源制御部６５と撮像制御部４９に出力する制御信号を決定する。そして、この決定したシャッタ速度制御信号を撮像制御部４９に出力し、光源制御信号を光源制御部６５に出力する。撮像制御部４９は制御装置１３の外部から接続される内視鏡１１側に配置されるため、内視鏡制御部６３はノイズ対策の容易なシリアル伝送によりシャッタ制御信号を撮像制御部４９に出力する。一方、光源制御信号は光源制御部６５に高速なパラレル伝送により出力する。

制御テーブルは、被検体像の光量に対応して、レーザ光源５７の出射光量と、撮像素子４５の電子シャッタのシャッタ速度との関係を規定するものであり、予めメモリ７３に登録されている。

図４に制御テーブルの内容を示した。図４の制御テーブルは、目標露光量に対するレーザ光源５７の出射光量の制御パターンと、撮像素子４５のシャッタ速度の制御パターンで表される。
即ち、被検体像の光量を表す測光値が低く、目標露光量がＲｂを超えるときは、レーザ光源５７の出射光量を制御してシャッタ速度を一定に保持する。目標露光量がＲｂ〜Ｒａの間はレーザ光源５７の出射光量を一定に保持してシャッタ速度を制御する。測光値が高く目標露光量がＲａ未満のときはレーザ光源５７の出射光量を制御してシャッタ速度を一定に保持する。

つまり、内視鏡制御部６３は、撮像信号処理部５５から出力される目標露光量が、Ｒａ未満ではＬ０〜Ｌ１の出射光量の制御を行い、Ｒａ〜Ｒｂの間ではＳ１〜Ｓ２のシャッタ速度の制御を行い、Ｒｂを超えるとＬ２〜Ｌ３の出射光量の制御を行う。このように、出射光量の制御とシャッタ速度の制御を排他的に実施し、２つの制御を同時に行わない。露光時間Ｔｖａ〜Ｔｖｂまでの間のシャッタ速度の制御は、例えば静止画像取得用の１／４００秒から１フレーム期間相当の１／３０（或いは１／６０秒）の間を制御範囲とすることができ、出射光量の制御は、例えば最大光量から７０％までの範囲と、７０％から最小光量までの範囲を制御範囲とすることができる。なお、閾値の７０％は、内視鏡スコープ先端部の発熱を抑制できる光量値として設定され、スコープの先端放熱性能に応じて５０〜７０％程度の値に設定することが好ましい。

この制御テーブルにおいて、目標露光量の最大側に出射光量の制御領域Ｌ２〜Ｌ３を設けることで、出射光量の大きい場合の調光制御対象を優先的にレーザ光源５７の出力制御にでき、目標露光量の低下分をレーザ出力の低減により、光源本体や光路から生じる発熱をいち早く抑えることができる。

また、目標露光量の最小側に出射光量の制御領域Ｌ０〜Ｌ１を設けて、シャッタ速度を固定するため、シャッタ速度が速すぎて動画撮影時の画像がコマ落ちを生じたようになることを防止できる。

上記のように、中間光量域のみを電子シャッタのシャッタ速度で露光量を制御し、シャッタ速度で制御する時はレーザ光源５７の出射光量を固定する。これにより、内視鏡制御部６３が、撮像制御部４９にシャッタ速度制御信号をシリアルデータで出力することと、光源制御部６５に光源制御信号をパラレルデータで出力することが排他的となり、双方の制御を同時に実施することがない。そのため、調光方向が逆転する調光反転現象の発生を回避しつつ、常に安定した高画質の画像を取得できる。また、光源の出射光量の制御と電子シャッタのシャッタ速度の制御との２種類の制御を個別に行って露光量を調整するので、制御幅を細かく設定することができる。

また、中間光量域にシャッタ速度制御を実施する領域を設けることで、光源の出射光量制御とシャッタ速度制御とを同時に行う場合よりも、制御の応答性が高められ、高速なフレームレートでの撮像や、観察領域を高速で移動させた場合の画像追従性を向上できる。

次に、内視鏡制御部６３によるレーザ光源５７のパルス点灯制御について説明する。
図１に示す内視鏡制御部６３は、レーザ光源５７の発光量を駆動パルスによってパルス点灯制御する。駆動パルスは、光源制御部６５で生成されてレーザ光源５７に入力される。駆動パルスの制御は、パルス数制御（ＰＮＭ：Pulse Number Modulation）及びパルス密度制御（ＰＤＭ：Pulse Density Modulation）と、パルス幅制御（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）との３種類、又は電流値制御を加えた４種類の制御を用いる。以下の説明では、上記４種類の制御を用いる例を示す。

図５に駆動パルスの制御例のタイミングチャートを示した。垂直同期信号ＶＤにより規定される画像の１フレームの期間内において、電子シャッタの露光期間Ｗの全てを点灯させる駆動パルス［１］を最大光量としている。ここで、１フレーム期間は３３ｍｓ、シャッタ速度は１／６０ｓとする。また、駆動パルス［１］の周波数は１２０ｋＨｚであり、電子シャッタの露光期間内に２０００個のパルスが含まれているものする。

駆動パルス［１］の最大光量時から光量を減少させる場合、光量の大きい順に、第1のパルス変調領域でＰＮＭ制御、第２のパルス変調領域でＰＤＭ制御、第３のパルス変調領域でＰＷＭ制御、第４のパルス変調領域で電流値制御を行い、光量を徐々に減少させる。

まず、ＰＮＭ制御においては、電子シャッタの露光期間Ｗの全てから、時間軸における後ろ詰めでパルス数を減少させ、点灯期間を短縮する。つまり、電子シャッタによる１フレーム内の露光期間に対し、駆動パルス［２］に示すように、所定の最小割合になるまで駆動パルスのパルス数を駆動開始タイミングが遅れるように減少させ、レーザ光源５７の点灯期間を短縮する。なお、最大光量は、電子シャッタの露光期間Ｗの全てでなく、１フレーム全期間の点灯であってもよく、連続点灯状態としてもよい。

次に、駆動パルス［３］に示すように、レーザ光源５７の点灯期間をＰＮＭ制御により所定の点灯期間Ｗminまで短縮した後、ＰＤＭ制御により駆動パルスを間引く処理を行う。このＰＤＭ制御においては、所定の点灯期間Ｗminまで短縮された点灯期間に対し、所定間隔で駆動パルスを間引くことで点灯期間内のパルス密度を減少させる。

そして、駆動パルス［４］に示すように、駆動パルスのパルス間隔が間引き限界に達するまで、即ち、駆動パルスが所定の最小パルス密度となるまでＰＤＭ制御を行う。

次に、駆動パルス［５］に示すように、駆動パルスが所定の最小パルス数となった後は、ＰＷＭ制御により駆動パルスのパルス幅を減少させる。そして、駆動パルス［６］に示すように、駆動パルスのパルス幅がＰＷＭ制御限界に達するまで、即ち、所定の最小パルス幅になるまでＰＷＭ制御を行う。

次に、駆動パルス［７］に示すように、駆動パルスが所定の最小パルス幅となった後は、駆動電流を小さくする。即ち、最小パルス幅とされた各駆動パルスに対し、パルス振幅を一律に減少させる。

上記の最大光量から最小光量までの各光量に対する制御パラメータ情報の内容を図６及び表１に纏めて示した。図６及び表１に示す制御パラメータの情報は、図１に示すメモリ７３に記憶され、内視鏡制御部６３から随時参照されて所望の駆動パルスが生成される。

このように、光量を減少制御する際、最大光量から最初にＰＮＭ制御を行うことで、レーザ光源５７の点灯期間を短縮して、ブレによる撮像画像の画像ボケ発生を抑制できる。また、レーザ光源５７の非点灯時間が長くなるので、連続点灯する場合と比較して、光源自体や光路上の各光学部材の発熱を低減する効果も得られる。

また、所定の点灯期間まで短縮された時点でＰＮＭ制御からＰＤＭ制御に切り替えることにより、適度の点灯期間（上記例では１４４パルス）を維持されて、動画観察時のフリッカを抑制することができる。

ＰＤＭ制御の下限であるパルス数（上記例では１６パルス）は、ＰＤＭ制御による調光分解能が粗くなることを防止することができる。

駆動パルスの間引き限界までＰＤＭ制御し、更に目標露光量を減少させる際にＰＤＭ制御からＰＷＭ制御に切り替える。ＰＷＭ制御では、各駆動パルスそれぞれのデューティ比を変更することで、間引き限界より低光量域における光量をより細かに調整でき、調光分解能が向上する。

ところで、レーザ光源５７をパルス点灯制御する際、レーザ光源５７はスペックルノイズによる照明ムラが生じるが、このスペックルノイズは高周波変調駆動により低減できる。本制御例では常時１２０ｋＨｚのパルス駆動をしており、十分なスペックルノイズ低減効果を得るために、ＰＷＭ制御におけるデューティ比は９５％を上限としている。

デューティ比の下限値については、次の通りである。即ち、実際のレーザ光は駆動の立ち上がり信号に忠実に追随することができず、ある程度の遅れ成分を有して立ち上がる。また、立下り時も同様に遅れ成分を有する。そのため、駆動パルスが極端に狭い狭幅パルスであると目標値に到達する前に立ち下がることが予想されるので、ＰＷＭ制御が正確に行えるデューティ比の下限値として、７．８％を設定している。

そして、光量制御の最小光量側となる最小パルス範囲で駆動パルスの電流値制御を行うことにより、高精度な光量制御が可能となる。即ち、設定する光量制御値に１．０〜０．２の係数値を乗じて出射光量を減少させる。レーザ光源は、発光素子自身の発熱状態によって発光開始電流値が微妙にずれて発光量制御の精度に影響するため、発光量、発熱量の大きい最多パルス範囲で電流値を変更することは好ましくない。しかし、発光量の小さい最少パルス範囲では、駆動パルスの電流値が小さくて済み、発光素子自身の発熱も安定している。このため、電流値制御を微小発光領域でのみ使用することで、高精度な光量制御が可能となる。

上記のＰＮＭ／ＰＤＭ制御、ＰＷＭ制御、電流値制御は、目標光量に応じて切り替えられ、いずれか１つの制御が他の制御と排他的に使用される。制御可能な光量のダイナミックレンジは、ＰＮＭ制御においては最大値２０００〜最小値１４４の範囲で１３．９：１、ＰＤＭ制御においては最大値１４４〜最小値１６の範囲で５．１４：１、ＰＷＭ制御においては最大値９５％〜最小値７．８％の範囲で１２．２：１、電流値制御においては、最大値１〜最小値０．２の範囲で５：１となる。よって、各制御を組み合わせることで、制御可能なダイナミックレンジは４３５８：１となる。

上記と同等のダイナミックレンジと調光分解能をＰＮＭ制御だけで実現する場合、パルス周波数は約４ＭＨｚ（６０Ｈｚ×４３５８×１６）となり、レーザ光源の高速な駆動回路が必要となる。また、同様にＰＷＭ制御だけで実現する場合は、約０．１２ｎｓ（１／（１２０ｋ×４３５８×１６）のパルス幅制御分解能となり、８ＧＨｚで動作する制御回路が必要となる。このように、ＰＮＭ単独、ＰＷＭ単独で光量制御する方法に対し、各調光領域に応じてＰＮＭ制御、ＰＤＭ制御、電流値制御を選択して制御することで、レーザ光源の駆動装置を大幅に簡略化することができる。

次に、撮像素子がローリングシャッタ方式の撮像素子を用いる場合のレーザ光源５７のパルス点灯制御について説明する。
ここでは、撮像光学系として、ＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor）型のイメージセンサ等のローリングシャッタ方式の撮像素子を用いる。ローリングシャッタ方式では、図７に撮像素子の露光・読出しのタイミングチャートを示すように、走査ラインとなるＬｉｎｅ（１）〜Ｌｉｎｅ（ｎ） （ｎは２以上の整数）の各画素行を備えるＣＭＯＳセンサでは、走査ライン上の各単位画素（０〜ｍ）をリセットした後にフォトダイオードへの露光を開始し、所定の露光時間の経過後に各フォトダイオードに蓄積された電荷を転送し、電荷信号を出力する。そして、このような動作がＬｉｎｅ（１）からＬｉｎｅ（ｎ）に向かって順に遅延して行われる。即ち、主走査方向に並ぶ単位画素のラインの走査読み出しを、それぞれ副走査方向に順次行って、各電荷信号を読み出してｎ行ｍ列の撮像画像を生成するモードである。

上記のタイミングチャートに示すように、ローリングシャッタ方式においては、露光期間が走査ライン毎に異なり、図５に示したＰＮＭ制御を全走査ラインに対して一律に実施することができない。そのため、駆動パルスは図８に示すように、フレームの全期間を点灯制御対象とし、駆動パルス［１］〜［３］までをＰＤＭ制御、駆動パルス［３］から［５］までをＰＷＭ制御、駆動パルス［５］〜［６］を電流値制御により調光制御する。これによれば、走査ライン毎に異なる露光期間であっても、それぞれの露光期間内で調光制御が可能となる。

次に、内視鏡装置の他の構成例を説明する。
図１に示す光源装置１９の要部構成と、光照射窓へ導光する光路を模式的に表したブロック構成図を図９に示した。
本構成例の光源装置１９Ａは、中心波長４４５ｎｍのレーザ光源ＬＤ１−１と、同じく中心波長４４５ｎｍの白色光用光源であるレーザ光源ＬＤ１−２と、中心波長４０５ｎｍの狭帯域光用光源であるレーザ光源ＬＤ２とを有している。また、各レーザ光源ＬＤ１−１，ＬＤ１−２，ＬＤ２は、それぞれを個別に制御する光源駆動回路７７ａ，７７ｂ，７７ｃに接続されている。そして、各レーザ光源ＬＤ１−１，ＬＤ１−２，ＬＤ２からの出射光は、コンバイナ７９で合波された後、カプラ８１で光ファイバ５９Ａ，５９Ｂに分波され、内視鏡先端部に配置された波長変換部６１Ａ，６１Ｂに出射される。

この光源装置１３Ａからの出射光により生成される照明光のスペクトルを図１０に示した。レーザ光源ＬＤ１−１，ＬＤ１−２は、中心波長４４５ｎｍの同じスペクトルのレーザ光を出射し、波長変換部６１Ａ，６１Ｂの蛍光体を励起発光させて緑色〜黄色の蛍光を発生させる。この中心波長４４５ｎｍの青色光と蛍光体からの蛍光は、互いに混合されることで白色光となり、白色照明光として供される。

また、レーザ光源ＬＤ２は、中心波長４０５ｎｍのレーザ光を出射する。波長変換部６１Ａ，６１Ｂからは僅かに蛍光が発生するが、出射光の殆どが波長変換部６１Ａ，６１Ｂを透過する。これにより、紫色の狭帯域光が生成されて照明光として供される。

これらレーザ光源ＬＤ１−１，ＬＤ１−２，ＬＤ２からの光は、内視鏡先端部の複数箇所に配置された光照射窓から、それぞれ等しい光量で出射される。以下に、上記構成の光源装置１９Ａを用いてパルス点灯制御する場合を説明する。

内視鏡制御部６３（図１参照）は、前述の図３に示す構成例と同様に、撮像素子からのＲＡＷデータと各種測光モードによる明るさを検出して、次フレームの目標露光量を算出する。なお、算出した目標露光量は、個々のレーザ光源の発光制御値を求める際に、以下の点を考慮して発光量を設定することが好ましい。
（１）全体光量制限
レーザ光源を検温し、その結果が規定温度を超える場合には、目標とする光量制御値から所定値を減じる補正制御を行う。逆に正常温度範囲であった場合は、減少制御された光量制御値に所定値を加えて、補正前の目標光量制御値に戻す。この補正制御は、内視鏡先端部の発熱を制限するために行う。

（２）光学部品の個体差補正
光学部品の機種差の補正を目的とし、装置全体の光量制御後における各レーザ光源の光量制御値に、そのレーザ光源に対応した係数をそれぞれ乗算する。ただし、全体光量は一定に維持するため、各係数の総和が一定値となるように係数を設定する。本構成ではコンバイナ７９を用いているため、この補正は不要であるが、複数のレーザ光源から個別に光照射する場合には光量制御値を補正する。

（３）レーザ光源発光比率
内視鏡の観察モードに対応して各レーザ光源の発光比率を設定するため、表２に示す係数を光量制御値に乗算する。なお、観察モードは、例えば図１に示す本体操作部２３の操作ボタン３１の一つである観察モード変更ボタン８３の押下により、内視鏡制御部６３が切り替える。

同じスペクトルの光を出射するＬＤ１−１，ＬＤ１−２のみ点灯させ、波長変換部６１と協働して白色光を生成する白色発光モードは、白色光の照射により患部を観察する通常観察を行うモードである。

血管強調モードは、白色光と中心波長４０５ｎｍの狭帯域光とを照射して、白色光の照射により得られる明るい通常画像と、中心波長４０５ｎｍの狭帯域光照明により得られる血管像とを合成して、血管像を選択的に強調した診断画像を提供するモードである。このモードでは、遠景観察でも血管が見やすい画像を生成できる。

微細血管モードは、中心波長４０５ｎｍの狭帯域光照明によって組織表層の毛細血管や微細構造が強調された画像を提供するモードである。

上記の各モードにおいては、光源毎に目標露光量の補正を行い、その後、各レーザ光源を駆動する際、目標露光量の大きい順に、前述したＰＮＭ制御、ＰＤＭ制御、ＰＷＭ制御、電流値制御を行って駆動パルスを生成し、各レーザ光源をパルス点灯制御する。

白色発光モードにおいては、白色照明光生成用のレーザ光源ＬＤ１−１、ＬＤ１−２を同じ比率で光量制御し、双方の光源からの合計光量が目標光量に相当する光量になるようにする（２灯方式の制御）。

目標光量が低い場合には、２つのレーザ光源のうち一方のレーザ光源のみを点灯させ、他方は消灯させる１灯方式の制御を行うことで、光量制御幅を拡大することができる。図１１に１灯方式と２灯方式を組み合わせた光量制御パターンを示した。２灯の光源を同時に点灯させて光量制御する場合、制御値Ｐ２maxのときに最大光量、Ｐ２minのときに最小光量となる。１灯の光源だけで光量制御する場合、制御値Ｐ１maxのときに最大光量、Ｐ１minのときに最小光量となる。

そこで、目標光量が高いときには２灯方式で光量制御して最大光量を稼ぎ、目標光量が低いときには１灯方式で光量制御して最小光量を２灯方式より更に低くすることで、光量制御幅を拡大することができる。また、目標光量が低いときに２灯方式から１灯方式に切り替えることで、１灯分の点灯期間が増加して、フリッカの発生を抑制する効果が得られる。

血管強調モードにおいては、３つのレーザ光源ＬＤ１−１，ＬＤ１−２，ＬＤ２を同じ比率で光量制御し、各光源からの合計光量が目標光量になるようにする。

微細血管モードにおいては、異なるスペクトルのレーザ光源を所定の出射光量比で点灯するが、この出射光量比の設定は駆動電流を増減制御することで調整する。そして、この設定された出射光量比を保持したまま、前述のＰＮＭ制御、ＰＤＭ制御、ＰＷＭ制御、電流値制御を行う。これにより、一旦設定された出射光量比が駆動パルスの光量制御によって乱れることなく、つまり、出射光の波長を一定に保持しつつ光量のみを増減制御することができる。また、電子シャッタ制御と各観察モードとの連動が容易となる利点もあり、スムーズな露光制御が可能となる。

また、狭帯域光照明用の光源としては、中心波長が３６０〜５３０ｎｍのレーザ光源、発光ダイオードが利用可能で、省電力で高輝度な照明光が得られる。また、白色照明光生成用の光源として、レーザ光源や発光ダイオード等の半導体発光素子からなる光源を用いることで、キセノンランプ等の白色光源を用いた場合と比較して広いダイナミックレンジを確保でき、より高画質な画像取得を可能にしている。また、キセノンランプ等の既存構成と同等の光源制御を実現しているので、既存のプロセッサをそのまま使用でき、汎用性を高めた構成にできる。更に、半導体光源は光源寿命がキセノンランプ等より格段に長いため、機器のメンテナンスを軽減できる。

以上説明したように、本構成の内視鏡装置によれば、光源の出射光量をパルス点灯制御する光源制御と、撮像素子の電子シャッタのシャッタ速度を制御する撮像制御とを、それぞれ排他的に実施することで、互いに同時に行う場合に生じやすい調光反転現象を回避しつつ、撮像画像の輝度に応じた最適な調光制御と撮像制御を実現でき、常に高画質な内視鏡画像を取得することができる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 電子シャッタ機能を有する撮像素子が搭載され、被検体の撮像信号を出力する内視鏡スコープと、該内視鏡スコープが接続される制御装置とを有する内視鏡装置であって、
前記内視鏡スコープが、前記電子シャッタのシャッタ速度を制御する撮像制御手段を備え、
前記制御装置が、
半導体光源と、
該半導体光源をパルス点灯駆動して出射光量を制御する光源制御手段と、
前記撮像素子から出力される撮像信号に基づいて被検体像の光量を検出する光量検出手段と、
前記光量検出手段により検出された被検体像の光量に対応する前記シャッタ速度目標値と前記出射光量目標値とをそれぞれ求め、前記シャッタ速度目標値に制御するためのシャッタ速度制御信号を前記撮像制御手段に、前記出射光量目標値に制御するための光源制御信号を前記光源制御手段にそれぞれ出力して、前記撮像素子の露光量を制御する露光制御手段と、
を備え、
前記露光制御手段が、前記被検体像の光量に応じて、前記撮像制御手段によるシャッタ速度制御で前記露光量を制御するシャッタ速度制御と、前記光源制御手段による光源制御で前記露光量を制御する出射光量制御とのいずれかに切り替えて前記露光量を制御する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、検出した被検体像の光量に応じて、シャッタ速度を制御する撮像制御と、光源の出射光量を制御する光源制御とのいずれか一方の制御を施すことにより、被検体像の光量に応じた最適な調光制御と撮像制御を行うことができる。また、撮像制御と光源制御を同時に行う場合に生じやすい調光反転現象を回避しつつ、常に高画質な内視鏡画像を取得することができる。

（２） （１）記載の内視鏡装置であって、
前記シャッタ速度目標値と前記出射光量目標値との関係を、前記被検体像の光量に対応して規定した制御テーブルを格納する記憶手段を備え、
前記露光制御手段が、前記制御テーブルを参照して、前記シャッタ速度制御信号と前記光源制御信号を生成する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、
この内視鏡装置によれば、記憶手段に記憶された制御テーブルを参照することで、光量に応じた露光量制御を迅速に実施でき、制御の応答性を高めることができる。

（３） （１）又は（２）の内視鏡装置であって、
前記露光制御手段が、前記シャッタ速度制御信号を前記撮像制御手段にシリアル伝送し、前記光源制御信号を前記光源制御手段にパラレル伝送する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、シリアル伝送されるシャッタ速度制御信号とパラレル伝送される光源制御信号により、それぞれ制御開始されるタイミングにタイムラグを生じる場合でも、各シャッタ速度制御と光源制御とを同時に行うことがないため、撮像素子の露光量が意図した制御から外れることがない。

（４） （１）〜（３）のいずれか１つの内視鏡装置であって、
前記露光制御手段が、前記出射光量制御を少なくとも前記被検体像の光量の最大領域で実施する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、光量の最大領域で出射光量制御を実施するので、露光量を減少制御する場合に、優先的に光源の光量を低下させることができる。これにより、光源本体や光路から生じる発熱をいち早く抑えることができる。

（５） （１）〜（４）のいずれか１つの内視鏡装置であって、
前記露光制御手段が、前記出射光量制御を少なくとも前記被検体像の光量の最小領域で実施する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、光量の最小領域で出射光量制御を実施するので、光量が小さい場合にシャッタ速度が固定されるため、シャッタ速度が速すぎて動画撮影時の画像がコマ落ちが生じたようになることを防止できる。

（６） （１）〜（５）のいずれか１つの内視鏡装置であって、
前記撮像素子の電子シャッタが、ローリングシャッタ方式である内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、走査ライン毎に露光期間が異なる場合でも、各操作ラインの露光量を適正にすることができる。

（７） （１）〜（６）のいずれか１つの内視鏡装置であって、
前記光源制御手段による前記出射光量制御が、前記被検体像の光量の最大側から順に、
前記電子シャッタによる１フレーム内の露光期間に対し、所定の点灯期間になるまで前記駆動パルスのパルス数を減少させて前記光源の点灯期間を短縮する第１のパルス変調と、
前記第１のパルス変調における所定の点灯期間に対し、所定間隔で前記駆動パルスを間引くことで前記点灯期間内のパルス密度を減少させる第２のパルス変調と、
前記第２のパルス変調において最小パルス数とされた各駆動パルスに対し、パルス幅を減少させる第３のパルス変調と、
を行うものである内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、光量（露光量）の最大側から順に、パルス数を減少させて点灯期間を短縮する第１のパルス変調、パルスを間引いてパルス密度を減少させる第２のパルス変調、パルス幅を減少させる第３のパルス変調を実施することで、光量が大きい場合には光源の点灯期間を短縮する制御が優先されて、撮像画像の画像ボケが抑制され、発熱が低減される。また、光量が小さい場合には所定の点灯期間内にパルスが複数存在するため、フリッカの発生を抑制できる。そして、異なる種類の制御を組み合わせることで、広いダイナミックレンジと、高い調光分解能を確保することができる。

（８） （７）の内視鏡装置であって、
前記光源制御手段が、前記第３のパルス変調時の光量より更に前記被検体像の光量が小さい場合に、前記第３のパルス変調で最小パルス幅とされた各駆動パルスに対し、パルス振幅を減少させる第４のパルス変調を行う内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、パルス振幅を制御することで、最小光量に対する光量制御幅を拡大することができる。

（９） （１）〜（８）のいずれか１つの内視鏡装置であって、
前記半導体光源が、同じスペクトルの光を出射する複数の発光素子を有し、
前記光源制御手段が、前記複数の発光素子を個別にパルス点灯制御する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、複数の発光素子をそれぞれ個別に制御することで、光量調整幅を拡大することができる。

（１０） （１）〜（８）のいずれか１つの内視鏡装置であって、
前記半導体光源が、互いに異なるスペクトルの光を出射する複数の発光素子を有し、
前記光源制御手段が、前記複数の発光素子をそれぞれ個別にパルス点灯制御する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、異なるスペクトルの複数の発光素子を個別に制御することで、各スペクトルの光を所望に比率にして出射することができ、この場合にもダイナミックレンジを拡大して調光分解能を高めることができる。

（１１） （１０）の内視鏡装置であって、
前記半導体光源が、白色光を生成するための白色光用光源と、所定の波長域からなる狭帯域光を生成する狭帯域光用光源と有し、
前記光源制御手段が、前記白色光用光源と前記狭帯域光用光源との出射光量比を変更する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、通常観察用の白色光用光源と、特殊光観察用の狭帯域光用光源との出射光量比を変更することで、通常観察画像と特殊光観察画像とを所望の割合で合成して、所望の内視鏡診断画像を得ることができる。

（１２） （１１）の内視鏡装置であって、
前記狭帯域光用光源が、中心波長３６０〜５３０ｎｍの狭帯域光を出射する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、中心波長３６０〜５３０ｎｍの可視短波長域の狭帯域光を用いることで、生体組織表層の毛細血管や微細構造の強調画像を得ることができる。

（１３） （１１）又は（１２）の内視鏡装置であって、
前記白色光用光源が、レーザ光源と、該レーザ光源からの出射光により発光する蛍光体とを備え、前記レーザ光源からの出射光と前記蛍光体からの発光光を混合して所望のスペクトルの照明光を生成する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、光源寿命の長いレーザ光源により高い光量制御性で、白色光等の所望のスペクトルの照明光を安定して得ることができる。

１１ 内視鏡
１３ 制御装置
１９ 光源装置
２１ プロセッサ
４５ 撮像素子
４９ 撮像制御部
５５ 撮像信号処理部
５７ レーザ光源
５９ 光ファイバ
６１ 波長変換部
６３ 内視鏡制御部
６５ 光源制御部
６７ ヒストグラム作成部
６９ 測光値算出部
７１ 目標光量算出部
７３ メモリ
７５ 画像処理部
７７ａ，７７ｂ，７７ｃ 光源駆動回路
７９ コンバイナ
８１ カプラ
８３ 観察モード変更ボタン
１００ 内視鏡装置

Claims (13)

1. 電子シャッタ機能を有する撮像素子が搭載され、被検体の撮像信号を出力する内視鏡スコープと、該内視鏡スコープが接続される制御装置とを有する内視鏡装置であって、
   前記内視鏡スコープが、前記電子シャッタのシャッタ速度を制御する撮像制御手段を備え、
   前記制御装置が、
   半導体光源と、
   該半導体光源をパルス点灯駆動して出射光量を制御する光源制御手段と、
   前記撮像素子から出力される撮像信号に基づいて被検体像の光量を検出する光量検出手段と、
   前記光量検出手段により検出された被検体像の光量に対応する前記シャッタ速度の目標値と前記出射光量の目標値とをそれぞれ求め、前記シャッタ速度目標値に制御するためのシャッタ速度制御信号を前記撮像制御手段に、前記出射光量目標値に制御するための光源制御信号を前記光源制御手段にそれぞれ出力して、前記撮像素子の露光量を制御する露光制御手段と、
   を備え、
   前記露光制御手段が、前記被検体像の光量に応じて、前記撮像制御手段によるシャッタ速度制御で前記露光量を制御するシャッタ速度制御と、前記光源制御手段による光源制御で前記露光量を制御する出射光量制御とのいずれかに切り替えて前記露光量を制御する内視鏡装置。
2. 請求項１記載の内視鏡装置であって、
   前記シャッタ速度目標値と前記出射光量目標値との関係を、前記被検体像の光量に対応して規定した制御テーブルを格納する記憶手段を備え、
   前記露光制御手段が、前記制御テーブルを参照して、前記シャッタ速度制御のシャッタ速度制御信号と前記光源制御信号を生成する内視鏡装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の内視鏡装置であって、
   前記露光制御手段が、前記シャッタ速度制御信号を前記撮像制御手段にシリアル伝送し、前記光源制御信号を前記光源制御手段にパラレル伝送する内視鏡装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の内視鏡装置であって、
   前記露光制御手段が、前記撮像素子の目標露光量の少なくとも最大側で前記出射光量制御を実施する内視鏡装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の内視鏡装置であって、
   前記露光制御手段が、前記撮像素子の目標露光量の少なくとも最小側で前記出射光量制御を実施する内視鏡装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の内視鏡装置であって、
   前記撮像素子の電子シャッタが、ローリングシャッタ方式である内視鏡装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の内視鏡装置であって、
   前記光源制御手段による前記出射光量制御が、前記被検体像の光量に応じた光源制御信号を、前記被検体像の光量の最大側から順に、第１のパルス変調、第２のパルス変調、第３のパルス変調の制御を用いて出力するものであり、
   前記第１のパルス変調が、前記電子シャッタによる１フレーム内の露光期間に対し、前記光量の減少に応じて所定の点灯期間になるまで前記駆動パルスのパルス数を減少させて前記光源の点灯期間を短縮する制御であり、
   前記第２のパルス変調が、前記第１のパルス変調における所定の点灯期間に対し、前記光量の減少に応じて所定間隔で前記駆動パルスを間引くことで前記点灯期間内のパルス密度を減少させる制御であり、
   前記第３のパルス変調が、前記第２のパルス変調において最小パルス数とされた各駆動パルスに対し、前記光量の減少に応じてパルス幅を減少させる制御である内視鏡装置。
8. 請求項７記載の内視鏡装置であって、
   前記光源制御手段が、前記第３のパルス変調時の光量より更に前記被検体像の光量が小さい場合に、前記第３のパルス変調で最小パルス幅とされた各駆動パルスに対し、パルス振幅を減少させる第４のパルス変調を行って前記光源制御信号を出力する内視鏡装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の内視鏡装置であって、
   前記半導体光源が、同じスペクトルの光を出射する複数の発光素子を有し、
   前記光源制御手段が、前記複数の発光素子を個別にパルス点灯制御する内視鏡装置。
10. 請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の内視鏡装置であって、
    前記半導体光源が、互いに異なるスペクトルの光を出射する複数の発光素子を有し、
    前記光源制御手段が、前記複数の発光素子をそれぞれ個別にパルス点灯制御する内視鏡
    装置。
11. 請求項１０記載の内視鏡装置であって、
    前記半導体光源が、白色光を生成するための白色光用光源と、所定の波長域からなる狭帯域光を生成する狭帯域光用光源と有し、
    前記光源制御手段が、前記白色光用光源と前記狭帯域光用光源との出射光量比を変更する内視鏡装置。
12. 請求項１１記載の内視鏡装置であって、
    前記狭帯域光用光源が、中心波長３６０〜５３０ｎｍの狭帯域光を出射する内視鏡装置。
13. 請求項１１又は請求項１２記載の内視鏡装置であって、
    前記白色光用光源が、レーザ光源と、該レーザ光源からの出射光により発光する蛍光体とを備え、前記レーザ光源からの出射光と前記蛍光体からの発光光を混合して所望のスペクトルの照明光を生成する内視鏡装置。

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