JP6118095B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、スコープによって器官内壁などの被写体を観察、処置等する内視鏡装置に関し、特に、揺らぎ等に起因する光源の光量変動に対する明るさ調整に関する。

内視鏡装置においては、プロセッサあるいは光源装置内部にキセノンランプなどの放電ランプが光源として設けられている。放電ランプは、広帯域スペクトルの光を照射し、色再現性の比較的優れた観察画像をもたらす。しかしながら、ランプ点灯中、アーク放電の特性等によりゆらぎが生じ、観察画像の明るさが不安定になる。

ランプの揺らぎに起因する明るさ変動を補償するため、たとえば、揺らぎを検知するフォトセンサを設け、光量変動を検出する。そして、検出した信号をサンプルホールドし、ゲイン回路において変動分を補償するように利得制御を行う（特許文献１参照）。

特開２００４−１４１３７７号公報

画像信号処理で揺らぎを補償する場合、観察画像の明るさ変動による画質低下を十分に補償することができない。特に、高速シャッタで撮像する場合、揺らぎによる光量変動が観察画像において顕在することになり、利得制御によって対処できず、観察画像の画質を低下させる恐れがある。

したがって、ランプの揺らぎ等による明るさ変動を確実に補償した観察画像を得ることが求められる。

本発明の内視鏡装置は、主光源と、主光源よりも光出力の小さい光を発光することが可能であり、また、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光光量を調整可能な補助光源と、補助光源からの光を主光源の光路へ導く補助光源用光学系とを備える。

主光源としては、光源特性によって光強度／光量の変動が非常に短い短期期間内で生じ、さらには長期期間において生じる光源が適用される。例えば、主光源は、アーク放電によって発光する放電ランプで構成可能である。補助光源としては、例えばＬＥＤが適用できる。なお、以下では、光強度、光量を同じ意味合いで使用するものとする。

さらに本発明は、主光源の発光光量を、１フィールドもしくは１フレーム（以下、１フィールド／フレームと表記する）期間よりも短い時間間隔（ここでは、検出時間間隔という）で検出する検出手段と、補助光源を発光制御し、主光源の光量変動を補償する照明制御手段を備える。１フィールド／フレーム期間は、画素信号読み出し時間間隔などに従って規定され、例えば、１／３０、１／６０秒などに定められる。

例えば、検出手段としてフォトセンサを用いることが可能である。主光源と補助光源用光学系との間に、主光源からの光をフォトセンサへ導くセンサ用光学系を設けてもよい。

主光源の光量変動が揺らぎなどに起因する場合、その変動は周期的なものであり、１フィールド／フレーム期間内において繰り返し現れる。フォトセンサがその変動を追随しながら検出し、補助光源が光量調整しながら主光源の光量変動分を補償するように補助光を発光する。

照明制御手段は、１フィールド／フレーム期間内における主光源の発光光量の変動特性を検知、抽出し、それに応じて発光光量を定めることが可能である。主光源の光量変動が短期的な周期性といった変動特性があれば、それに合わせて補助光源の出力幅、光量を算出、設定することが可能である。

補助光源の光量調整に関しては、補助光源の発光特性等に従い、できるだけ光量変動分を補償、相殺するように構成すればよい。主光源の光量増減分だけ補助光源を発光させてもよく、あるいは、補助光源をオフセット分だけ発光させ、そこから光量増減させてもよい。例えば、主光源および補助光源の総発光光量が一定となるように、補助光源を発光制御することが可能である。

補助光源がＬＥＤなどの場合、ＯＦＦ近傍の光量レベルでは微妙な調整が難しい。照明制御手段は、補助光源をリニア出力特性幅の範囲で発光させるのがよい。

補助光源の出力する光の光量／強度に関しては、主光源の周期的な光量変動の中で基準となる光量を定め、それに応じた出力基準レベル（オフセット）から光量を増減させることが可能である。例えば照明制御手段は、主光源の発光光量変動特性の中から主光源基準光量を定め、主光源基準光量に応じた補助光源基準光量に基づいて補助光源の光量を調整する。

主光源の基準値からの光量増減に対応させて補助光源の光量を設定することにより、非常に短い時間間隔で補助光源を出力制御する場合においても、容易に対応できる。例えば、照明制御手段は、主光源の最大光量を基準光量として定めることが可能である。

照明制御手段は、主光源基準光量を定期的に更新することが可能である。放電ランプの場合、経時変化などによって長期間に渡る全体的な光量変動が生じる。基準光量が更新されることにより、使用状況での光源特性に合わせた光量調整を行うことができる。

本発明の他の態様における内視鏡用光源装置は、内視鏡装置に設けられた主光源の発光光量を、１フィールド／フレーム期間よりも短い検出時間間隔で検出する検出手段と、主光源よりも光出力の小さい光を発光し、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光光量を調整可能な補助光源を発光制御することにより、主光源の光量変動を補償する照明制御手段とを備える。

このように本発明によれば、ランプの揺らぎ等に関係なく、適正な明るさで維持された観察画像を表示することができる。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。 光源ユニットのブロック図である。 放電ランプの光量変動およびＬＥＤの光出力強度と、観察部位への照明光の光量を示した図である。 放電ランプの光量変動およびＬＥＤの光出力強度と、観察部位への照明光の光量を示した図である。 システムコントロール回路において実行される照明制御処理を示したフローチャートである。

以下では、図面を参照して本実施形態である電子内視鏡装置について説明する。

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。

電子内視鏡装置は、その挿入部分が体内へ挿入されるビデオスコープ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７０等が接続されている。

プロセッサ２０は、内視鏡用光源装置を含み、キセノンランプなどの放電ランプを備えた光源ユニット２２を備える。光源ユニット２２から出力される照明光は、集光レンズ２３を介して、ビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド１１に入射する。ライトガイド１１に入射した光は、ライトガイド１１内部を通ってスコープ先端部から被写体（観察対象）に向けて照射される。

被写体で反射した照明光は、スコープ先端部に設けられた対物レンズ（図示せず）を通り、これによって被写体像が対物レンズ後方に位置するイメージセンサ（ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）１２の受光面に形成される。

イメージセンサ１２では、１フィールド／フレーム分の画像信号が駆動回路１４によって所定の読み出し時間間隔（例えば、１／６０秒もしくは１／３０秒間隔）で読み出される。イメージセンサ１２には、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｇ、ＭｇあるいはＲ、Ｇ、Ｂから成る色要素をモザイク配列させた補色フィルタあるいは原色フィルタが配設されており、同時単板式がカラー撮像方式として適用されている。

読み出された画像信号は、ＡＤ変換回路（図示せず）によってデジタル化された後、画像処理回路１７へ送られる。画像処理回路１７では、画像信号に対してホワイトバランス処理、ガンマ補正処理などの信号処理が施される。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像信号が生成される。なお、プロセッサ側で画像信号を生成してもよい。

後段画像処理回路２４では、輪郭強調などの画像処理が施される。後段画像処理回路２４から出力された画像信号は、映像信号としてモニタ４０に出力される。その結果、観察画像がリアルタイムの動画像としてモニタ４０に表示される。

ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むシステムコントロール回路３０は、光源ユニット２２などへ制御信号を出力し、プロセッサ２０全体の動作を制御する。プロセッサ制御に関するプログラムは、ＲＯＭにあらかじめ格納されている。一方、スコープコントローラ１５は、スコープ動作を制御し、システムコントロール回路３０との間で相互通信可能である。

光源ユニット２２とライトガイド１１との間には、絞り機構などの明るさ調整機構（図示せず）が設けられており、観察画像が所望する明るさとなるように自動調光処理が行われる。また、電子シャッタ機能によってイメージセンサ１２の露光時間を調整することにより、シャッタースピードの異なる観察画像を得ることができる。

なお、イメージセンサ１２の電子シャッタ機能の代わりに、ディスク状の半円弧開口部を設けたシャッタ部材をライドガイド１１と集光レンズ２３との間に設け、シャッタ部材の位相制御によって開口部通過時間を変化させるような構成にすることも可能である。

図２は、光源ユニットのブロック図である。

光源ユニット２２は、放電ランプ３１、ＬＥＤ３８を備えている。主光源としての放電ランプ３１は、連続的な広帯域スペクトル分布をもつ光をアーク放電によって発光し、例えばキセノンランプなどで構成される。高輝度出力型ＬＥＤ３８は、放電ランプ３１の光出力よりも比較的小さい光出力幅で白色光を発光し、後述するように補助光源として機能する。

放電ランプ３１の光路（光軸）Ｅ上には、ハーフミラーなどの光学系３６が配置されており、放電ランプ３１から放射された光の一部をフォトセンサ３２へ導く。フォトセンサ３２は、所定の時間間隔で光を検出し、Ａ／Ｄ変換器３４へ光強度／光量レベルを表す検出信号を出力する。デジタル化された検出信号は、システムコントロール回路３０へ送られる。

システムコントロール回路３０は、ＬＥＤドライバ３９を制御することによって、ＬＥＤ３８から出力される光に強度／光量を制御する。ＬＥＤ３８から出力された光は、ハーフミラー３６よりもライトガイド側の光路Ｅに配置されたハーフミラー３７によって、放電ランプ３１の光路Ｅに沿ってライトガイド側へ進行する。

これにより、放電ランプ３１の光とＬＥＤ３８の光とを合わせた光が照明光としてライトガイド１１に入射する。なお、プリズムなどの光学系をハーフミラーの代わりに設置してもよい。

ハーフミラー３６は、放電ランプ３１の光量変動のみを検出するように、ＬＥＤ３８からの光を光路Ｅへ導くハーフミラー３７と、放電ランプ３１との間に配置されている。システムコントロール回路３０は、検出される放電ランプ３１の光量変動に基づき、放電ランプ３１の光とＬＥＤ３８の光とを合わせた総光量、すなわち被写体への照明光量を調整する。以下、照明光の調整について説明する。

図３、４は、放電ランプの光量変動およびＬＥＤの光出力強度と、観察部位への照明光の光量を示した図である。

放電ランプ３１がアーク放電による発光のため、アーク放電位置の変動等によって揺らぎが生じる。ここでは、数十〜数百Ｈｚで規則的、周期的な揺らぎが生じ、揺らぎの結果光強度／光量変化が生じる。また、ランプ入力電流の精度によっても光量変動が生じる。

フォトセンサ３２は、数百〜数メガＨｚで放電ランプ３１の光量／光強度をサンプリングする。撮像における１フィールド／フレーム期間は、例えばＮＴＳＣ方式の場合には１／６０秒もしくは１／３０秒、ＰＡＬ方式の場合には１／５０秒もしくは１／２０秒であることから、フォトセンサ３２によって１フィールド／フレーム期間に渡る全体的な周期的光量変動の軌跡を検知することができる。

図３には、１フィールド／フレーム期間に渡る光量変動が図示されており、放物線を描くような光量減少から光量増加へ移る変動が繰り返される。一方、ＬＥＤ３８は、１フィールド／フレーム期間よりも非常に短い時間間隔で出力調整することが可能であり、出力幅においても、放電ランプ３１の出力よりも小さい光強度範囲で設定することができる。そこで、放電ランプ３１による光量変動分を補償し、相殺するため、ＬＥＤ３８を１フィールド／フレーム期間において光量を変動させながら発光させる。

システムコントロール回路３０は、１フィールド／フレーム期間に渡る放電ランプ３１の光量Ｔをフォトセンサ３２からの検出信号によって検知し、その中の最大光量ＬＭ、最少光量ＬＮを検出する。この最大光量ＬＭ、最少光量ＬＮに基づいてＬＥＤ３８の出力幅Ｓが定まる。

さらに、検出される最大光量ＬＭを基準値として設定し、１フィールド／フレーム期間内のＬＥＤ３８の出力値／光強度Ｌを、この基準値に応じたオフセット値Ｌ０を基準として発光する。放電ランプ３１の最大光量ＬＭからの光量減少割合と、ＬＥＤ３８のオフセット値からの光量増加割合が等しくなるようにＬＥＤ３８の出力幅が定められており、検出した放電ランプ３１の基準光量ＬＭと検出光量との比に基づいてＬＥＤ３８の光出力強度を算出することができる。

１フィールド／フレーム期間内におけるＬＥＤ３８の光出力強度Ｌは、放電ランプ３１の光量増減を相殺するように、放物線が繰り返された強度分布となる。そのため、放電ランプ３１の光とＬＥＤ３８の光を合わせた照明光の総発光量／総光強度は、１フィールド／フレーム期間において平滑化され、略一定となる。

このような非常に短い時間間隔で周期的に生じる揺らぎに加え、放電ランプ３１では、点灯開始直後の比較的長い一定期間（数十分）、照度不安定となる。また、長年使用による経時変化によって、全体的な光出力強度が低下する。そのため、設定した基準値を維持したまま光量調整を行っても、そのような光量変動を補償できない。

そこで、システムコントロール回路３０は、基準値を定期的に更新する。例えば、１フィールド／フレーム期間ごとに基準時を更新する。あるいは、数分、数時間ごとに更新する。その場合、定められた期間ごとに放電ランプ３１の光量変動分布を検知し、更新された基準値に基づいてＬＥＤ３８の光強度が算出される。

図４では、新たな最大光量ＬＭ１、最少光量ＬＮ２をもつ放電ランプ３１の光量変動分布を示している。最大光量ＬＭ１が基準値として新たに設定され、ＬＥＤ３８の光強度が算出される。最大光量ＬＭ１、最少光量ＬＮ２が異なるため、ＬＥＤ３８の出力幅Ｓ１、オフセット値Ｌ０１も変化する。

なお、ＬＥＤ消灯状態（ＯＦＦ状態）近傍の光出力範囲においては、入力電流値に対するノンリニアな光出力特性があるため、ＬＥＤドライバ３９は、光出力特性がリニア関係にある出力範囲でＬＥＤ３８を発光させるように、出力幅が設定される。

図５は、システムコントロール回路において実行される照明制御処理を示したフローチャートである。

１フィールド／フレーム期間における放電ランプ３１の最大光量、最少光量を検出し、最大光量を基準値として設定し、ＬＥＤ３８の出力幅、オフセット値を設定する（Ｓ１０１、Ｓ１０２）。そして、最大光量からの光量減少割合を、ＬＥＤ３８の出力増加割合として、次の１フィールド／フレーム期間に渡るＬＥＤ３８の光強度を算出する（Ｓ１０３）。設定された基準値等は、一時的にＲＡＭなどに記憶される。

あらかじめ設定した所定期間が経過したと判断されると（Ｓ１０４）、放電ランプ３１の最大光量、最少光量を検知し、新たに基準値が設定される。ＬＥＤ３８の光強度、オフセット値は、更新された基準値に基づいて算出される。

このように本実施形態によれば、放電ランプ３１とＬＥＤ３８とを備えた光源ユニット２２を配置し、放電ランプ３１から出力される光の光量を、フォトセンサ３２を用いて検出する。そして、検出された放電ランプ３１の光量変動を補償、相殺するように、ＬＥＤ３８を発光制御する。

画像信号処理などで揺らぎ補償をするのではなく、被写体への照明光を一定にする構成であるため、高速シャッタ動作などによって撮像する場合であっても、フリッカなど観察画像に揺らぎの影響が生じない。また、ＬＥＤを補助光源として使用することにより、放電ランプの光量変動幅に応じた光強度で精度よく補助光を出力させることができる。特に、最大光量を基準光量とするため、ＬＥＤは出力増加分だけ調整させればよい。

放電ランプの基準光量を設定し、ＬＥＤの基準発光量となるオフセット値を設定することにより、１フィールド／フレーム期間におけるＬＥＤの光強度を効率よく演算することが可能となり、非常に短い時間間隔でＬＥＤを発光制御することができる。

また、基準光量を更新するため、長時間使用によって放電ランプの全体的光量が変動した場合においても、ＬＥＤの発光光量を適正に調整することができる。

放電ランプ以外であって短い周期的な光量変動が生じる光源を用いてもよい。この場合においても、１フィールド／フレーム期間における光量変動特性に応じて照明制御すればよい。また、ＬＥＤ以外で同様の出力特性をもつ光源を適用してもよい。

１０ ビデオスコープ
１２ イメージセンサ
２０ プロセッサ
２２ 光源ユニット
３０ システムコントロール回路（照明制御手段、検出手段）
３１ 放電ランプ（主光源）
３２ フォトセンサ（検出手段）
３６ ハーフミラー（センサ用光学系）
３７ ハーフミラー（補助光源用光学系）
３８ ＬＥＤ（補助光源）

Claims (11)

1. 連続的な広帯域スペクトル分布をもつ光を発光する主光源と、
   前記主光源よりも光出力の小さい白色光を発光し、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光光量を調整可能な補助光源と、
   前記補助光源からの光を前記主光源の光路へ導く補助光源用光学系と、
   前記主光源の発光光量を、１フィールド／フレーム期間内において、１フィールド／フレーム期間よりも短い検出時間間隔で検出する検出手段と、
   １フィールド／フレーム期間内において、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で前記補助光源を発光制御することにより、前記主光源の光量変動を補償する照明制御手段と
   を備えたことを特徴とする内視鏡装置。
2. 主光源と、
   前記主光源よりも光出力の小さい光を発光し、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光光量を調整可能な補助光源と、
   前記補助光源からの光を前記主光源の光路へ導く補助光源用光学系と、
   前記主光源の発光光量を、１フィールド／フレーム期間よりも短い検出時間間隔で検出する検出手段と、
   前記補助光源を発光制御することにより、前記主光源の光量変動を補償する照明制御手段とを備え、
   前記照明制御手段が、１フィールド／フレーム期間内における前記主光源の発光光量の変動特性に応じて、前記補助光源の発光光量を定めることを特徴とする内視鏡装置。
3. 前記照明制御手段が、前記主光源の発光光量変動特性の中から主光源基準光量を定め、主光源基準光量に応じた補助光源基準光量に基づいて前記補助光源の光量を調整することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の内視鏡装置。
4. 前記照明制御手段が、主光源基準光量を定期的に更新することを特徴とする請求項３に記載の内視鏡装置。
5. 前記照明制御手段が、１フィールド／フレーム期間ごとに基準光量を設定し、次の１フィールド／フレーム期間において、設定した基準光量に基づく前記補助光源の光量調整を行うことを特徴とする請求項４に記載の内視鏡装置。
6. 主光源と、
   前記主光源よりも光出力の小さい光を発光し、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光光量を調整可能な補助光源と、
   前記補助光源からの光を前記主光源の光路へ導く補助光源用光学系と、
   前記主光源の発光光量を、１フィールド／フレーム期間よりも短い検出時間間隔で検出する検出手段と、
   前記補助光源を発光制御することにより、前記主光源の光量変動を補償する照明制御手段とを備え、
   前記照明制御手段が、前記主光源の発光光量変動特性の中から主光源基準光量を定め、主光源基準光量に応じた補助光源基準光量に基づいて前記補助光源の光量を調整し、
   前記照明制御手段が、前記主光源の最大光量を基準光量として定めることを特徴とする内視鏡装置。
7. 前記照明制御手段が、前記補助光源をリニア出力特性幅の範囲で発光させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内視鏡装置。
8. 前記検出手段が、フォトセンサを有し、
   前記主光源と前記補助光源用光学系との間に配置され、前記主光源からの光を前記フォトセンサへ導くセンサ用光学系をさらに有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の内視鏡装置。
9. 前記主光源が、アーク放電によって発光する放電ランプであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内視鏡装置。
10. 前記補助光源が、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の内視鏡装置。
11. 内視鏡装置に設けられた連続的な広帯域スペクトル分布をもつ光を発光する主光源の発光光量を、１フィールド／フレーム期間内において、１フィールド／フレーム期間よりも短い検出時間間隔で検出する検出手段と、
    主光源よりも光出力の小さい白色光を発光し、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光光量を調整可能な補助光源を、１フィールド／フレーム期間内において、１フィールド／フレーム期間よりも短い時間間隔で発光制御することにより、前記主光源の光量変動を補償する照明制御手段と
    を備えたことを特徴とする内視鏡用光源装置。
    

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