JP6318206B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びこれを備える内視鏡装置に関する。

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の白色光を、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照射し、その白色光の照射による反射光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を有し、電荷蓄積時間を電子シャッタで増減制御することにより受光量を調整している。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情報を取り出し、この光量情報に基づいて電子シャッタによる露光時間（シャッタ速度）が制御される。例えば、取り出した光量情報が基準値より小さい場合はシャッタ速度を遅くして受光量を増加させ、逆に光量情報が基準値より大きい場合はシャッタ速度を速くして受光量を減少させる。この結果、照明光強度と観察対象に応じた露光が行われ、撮像画像の明るさを良好に維持できる（特許文献１参照）。

また、近年になり、キセノンランプ等の白色光源に代わる光源として、レーザ光源やＬＥＤ光源等の半導体光源が高効率でメンテナンス性もよいことから採用されるようになってきた。また、撮像素子についても、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型撮像素子より低消費電力で読み出し速度が速いＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサが採用されるようになってきた。

特開２００５−２７０２６６号公報

ＣＭＯＳ型イメージセンサ等のＭＯＳ型撮像素子は、通常ローリングシャッタ方式によって駆動される。ローリングシャッタ方式とは、ＭＯＳ型の撮像素子において、少なくとも１つ以上の走査ラインや画素毎に順次露光動作を行う、即ち、走査ラインや画素毎に順次リセットを行い、電荷の蓄積を開始し蓄積した電荷を読み出す方式（フォーカルプレーンシャッタ方式ともいう）である。ローリングシャッタ方式の撮像素子は、露光期間の同時性が保たれるグローバルシャッタ方式の撮像素子とは異なり、撮像面の各ラインの走査タイミングに従ってライン毎に露光開始タイミングがずれる特性がある。そのため、一定光量で連続点灯する照明光の下で露光する場合は問題ないが、半導体光源等のパルス駆動される光源による照明光下で露光する場合、ライン毎に受光量が変化することがある。その場合、ライン毎に明るさの異なった輝度ムラの生じた撮像画像が得られることになる。

半導体光源等のパルス駆動される光源を用いる場合、パルス幅変調（ＰＷＭ：pulse width modulation）等のパルス変調によって出射光量を制御するが、同じ変調方式のみでの駆動では、調光ダイナミックレンジが不足し、低光量域では調光分解能が不足する場合がある。また、シャッタによる露光時間を最大露光時間に固定した場合は、動きの速い被写体がブレる場合もある。このように、パルス駆動する光源からの照明光の下で、ローリングシャッタ方式の撮像素子により撮像する場合には、必要十分な画像品質や調光性能が得られないのが実情であった。

そこで本発明は、ローリングシャッタ方式の撮像素子を用いて、パルス駆動する光源の照明光下で撮像する場合に、撮像素子の各ラインでパルス照明光に起因する受光量変動を生じさせることなく、広い調光ダイナミックレンジと高い調光分解能を共に実現できる撮像装置及びこれを備える内視鏡装置を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
（１） パルス駆動により発光する光源と、
上記光源をパルス変調駆動してその光源からの出射光量を制御する光源制御部と、
複数の画素が水平方向及び垂直方向に配列された撮像素子を有し、その撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動して撮像する撮像部と、を備え、
上記光源制御部は、上記撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動する際の露光開始タイミング間隔の１／ｐ（ｐは１以上の整数）を周期とするタイミングパルス信号に同期したタイミングで上記光源をパルス駆動し、
上記撮像素子が受光する受光量の目標値が所定値以上の領域では、受光量の目標値に応じて上記光源のパルス変調駆動におけるパルス変調パターンを変更し、受光量の目標値が所定値未満の領域では、受光量の目標値に応じて上記撮像素子のローリングシャッタ方式による駆動におけるシャッタ速度を変更する受光量制御部をさらに備える撮像装置。

本発明によれば、ローリングシャッタ方式の撮像素子を用いてパルス発光駆動される照明光の下で撮像する場合に、撮像素子の各ラインでパルス照明光に起因する受光量変動を生じさせることなく、広い調光ダイナミックレンジと高い調光分解能を共に実現できる。

本発明の実施形態を説明するための図で、内視鏡装置の概略構成を示すブロック構成図である。 内視鏡装置の具体的な一構成例を示す外観図である。 撮像信号処理部による制御ブロック図である。 受光量制御テーブルの内容を模式的に示す説明図である。 ローリングシャッタ方式による撮像素子の露光タイミングを示す模式的な説明図である。 第１のパルス幅制御領域（ＰＷＭ１）Ｓ１における露光時間とパルス駆動信号との関係を示す説明図である。 シャッタ速度制御領域Ｓ２におけるローリングシャッタの露光時間とパルス駆動信号との関係を示す説明図である。 パルス数制御領域（ＰＮＭ）Ｓ３、及び第２のパルス幅制御領域（ＰＷＭ２）Ｓ４におけるローリングシャッタの露光時間とパルス駆動信号との関係を示す説明図である。 シャッタ閉動作とシャッタ開動作のバラツキを模式的に示す説明図である。 （Ａ）はパルス駆動信号の各パルスを、少なくともいずれかのラインの露光終了タイミングを基準とする後ろ詰めでパルス幅を増減する様子を示すタイミングチャートで、（Ｂ）はパルス駆動信号の各パルスを、少なくともいずれかのラインの露光終了タイミングを基準とする前詰めでパルス幅を増減する様子を示すタイミングチャートである。 他の内視鏡装置の概略構成を示すブロック構成図である。 設定光量に対するチョッパ回路からの駆動信号の波形を示すグラフである。 ローリングシャッタによる各ラインの露光期間のタイミングと駆動信号との関係を示すタイミングチャートである。 露光時間内の駆動信号の波形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、内視鏡装置の概略構成を示すブロック構成図、図２は内視鏡装置の具体的な一構成例を示す外観図である。

＜内視鏡装置の構成＞
内視鏡装置１００は、図１、図２に示すように、内視鏡スコープ（以下、内視鏡と称する）１１と、内視鏡１１が接続される制御装置１３と、制御装置１３に接続される液晶モニタ等の表示部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とを備える。制御装置１３は、照明光を生成する光源装置１９と、撮像画像の信号処理等を行うプロセッサ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に連設され体腔内に挿入される挿入部２５とを備える。本体操作部２３は、ユニバーサルコード２７が接続される。このユニバーサルコード２７は、先端が二つに分かれており、一方の先端に設けたライトガイドコネクタ２９Ａは光源装置１９に接続され、他方の先端に設けたビデオコネクタ２９Ｂはプロセッサ２１に接続される。

内視鏡１１の挿入部２５の本体操作部２３とは反対側の先端には、照明窓３１と観察窓３３が設けてある。照明窓３１はライトガイド３５を通じて導光された照明光を被検体に向けて出射し、観察窓３３は撮像素子３７に観察像を提供する。

光源装置１９は、パルス駆動により発光する光源３９と、光源３９の出射光量をパルス発光駆動により制御する光源制御部４１を備える。光源３９からの発光光はライトガイド３５に導入される。

プロセッサ２１は、撮像信号処理部４３と、内視鏡制御部４５と、画像処理部４７と、メモリ４９とを備える。また、内視鏡１１は、撮像素子３７を駆動制御するための撮像制御部５１を備える。撮像制御部５１は、内視鏡制御部４５からの指示に応じて撮像素子３７の駆動を制御する。撮像素子３７は、照明窓３１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３３及び図示しないレンズを通じて撮像して撮像画像を生成する撮像素子３７は、生成した観察画像の映像信号をプロセッサ２１に出力する。

内視鏡制御部４５は、観察画像や後述する各種情報を保存する記憶手段としてのメモリ４９と接続され、撮像信号処理部４３から出力される映像信号を画像処理部４７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、内視鏡制御部４５は、図示しないＬＡＮ等のネットワークに接続され、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。

撮像素子３７は、所謂、ローリングシャッタ方式で駆動されるＣＭＯＳ型イメージセンサである。撮像素子３７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プロセッサ２１の撮像信号処理部４３に入力されて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４３は、撮像素子３７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も機能する。

光源３９は、半導体発光素子であるレーザ光源を１つ又は複数備える。光源３９は、白色光を生成するもの以外にも、特定の波長光を単独又は複数の波長光と同時に照射するものであってもよい。白色光を生成する光源は、中心波長４４５ｎｍの青色レーザ光を出力するレーザ光源と、この青色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（ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_３７）等を含む蛍光体等）を含む波長変換部材と、を有して構成できるが、これに限らない。

このレーザ光源としては、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。上記構成によれば、レーザ光源からの青色レーザ光と、この青色レーザ光が波長変換された緑色〜黄色の励起光とが合波して、白色光が生成される。光源３９からの出射光強度は、パルス変調駆動により任意に調整される。

図示しない波長変換部材は、光源３９内に配置され、波長変換部材を通じて取り出される白色光は、多数本のファイバ束からなるファイババンドルで構成されたライトガイド３５を通じて、内視鏡挿入部２５の先端に配置される照明窓３１まで導光される。

光源３９は、上記白色光用のレーザ光源以外にも、例えば、中心波長４０５ｎｍのレーザ光を出力するレーザ光源を備えることで生体組織表層の毛細血管や微細模様の観察に適した照明光を生成させることができる。その場合、光源３９を、中心波長４０５ｎｍのレーザ光と、中心波長４４５ｎｍのレーザ光による白色光とを任意の割合の強度で同時に発光させて照射した混合光を、内視鏡観察用の照明光として用いる構成にするとよい。

また、照明窓３１の直近位置に波長変換部材が配置される構成としてもよい。その場合、一本乃至数本のシングルモード光ファイバを内視鏡挿入部２５に沿って敷設し、光出射端を波長変換部材に向けて光出射させる構成にでき、内視鏡挿入部の細径化が図られる。

更に、光源３９は、レーザ光源に代えて発光ダイオードで構成してもよく、更に、白色光と特定波長光を選択的に抽出するカラーフィルタとを組み合わせて所望の波長光を得る構成としてもよい。

＜受光量制御＞
次に、上記構成の内視鏡装置１００が撮像素子の受光する目標受光量を設定し、設定された目標受光量となるように光源３９と撮像素子３７とを制御する手順を説明する。
図１に示すプロセッサ２１に設けられた撮像信号処理部４３は、プロセッサ２１に接続された内視鏡１１の撮像素子３７が出力するＲＡＷデータを受け取る。撮像信号処理部４３は、このＲＡＷデータに応じた最適な受光量（撮像素子が検出する輝度値）が得られるように、光源３９の出射光量を制御する制御信号を光源制御部４１に、撮像素子３７を最適なシャッタ速度に制御する制御信号を撮像制御部５１に、それぞれ内視鏡制御部４５から出力させる。

図３に撮像信号処理部４３による制御ブロック図を示した。撮像素子３７から出力されるＲＡＷデータ（生画像の情報）は、ヒストグラム作成部５５に入力される。ヒストグラム作成部５５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５７に出力する。測光値算出部５７は、作成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５９は、算出された測光値に応じて次フレームの目標受光量を求める。ここで、目標受光量は、例えば１２ビット階調（０〜４０９６）で表現され、測光値が基準値より高い場合に、現在の目標光量値より高い値に設定される制御パラメータである。本内視鏡装置１００は、目標受光量として表される制御パラメータにより、後述する各種制御パターンを選択する。

図１に示す内視鏡制御部４５は、メモリ４９に記憶された受光量制御テーブルを参照して、撮像信号処理部４３から出力される目標受光量に基づいて、光源制御部４１と撮像制御部５１に出力する各制御信号を決定する。そして、内視鏡制御部４５は、これら決定した各制御信号に基づいて光源３９と撮像素子３７を駆動し、撮像素子の受光量を制御する受光量制御部として機能する。例えば、被写体の状態によって撮像素子が検出する輝度が低下した場合には、現在の出射光量と露光時間の組み合わせに対応する受光量より大きい受光量を目標受光量に変更して、検出輝度が目標輝度になるように制御する。なお、内視鏡制御部４５は、上記機能構成とする以外にも、光源制御部４１に受光量制御テーブルに基づく駆動パルス生成機能を持たせ、内視鏡制御部４５から光源制御部４１に光源３９の発光強度信号を出力する構成としてもよい。

受光量制御テーブル４９ａは、被検体像の反射率や距離に応じた輝度と、光源３９の出射光量と、撮像素子３７の電子シャッタのシャッタ速度との関係を定めて撮像素子３７の受光量を規定する。受光量制御テーブル４９ａは、実験的・解析的な手法や経験則により、目標受光量に対して、制御変量として光源駆動信号とシャッタ速度とを、最適にする制御パターンが設定されており、メモリ４９に記憶されている。

図４に本構成例における受光量制御テーブルの内容を模式的に示した。受光量制御テーブル４９ａは、撮像素子３７の受光量に対して、光源３９からの出射光量と撮像素子３７の露光時間との組み合わせを対応付けたテーブルであり、目標受光量に対する光源３９の出射光量の制御パターンと、撮像素子３７のシャッタ速度の制御パターンで表される。各制御パターンは、目標受光量に対する出射光量の目標値、撮像素子のシャッタ速度の目標値等を得るための、各部の制御信号や制御パラメータで構成される。

受光量制御テーブル４９ａは、撮像素子の露光時間を一定とし、光源３９に出力するパルス駆動信号のパルス幅を増減させる第１のパルス幅制御領域（ＰＷＭ１）Ｓ１、光源３９のパルス駆動信号のパルス幅を一定とし、撮像素子３７の露光時間を増減させるシャッタ速度制御領域Ｓ２、露光時間が水平走査周期のｎ倍（ｎは２以上の整数）の整数倍に固定された状態でパルス駆動信号のパルス数を増減させるパルス数制御領域（ＰＮＭ：pulse number modulation）Ｓ３、露光時間が水平走査周期のｎ倍の整数倍に固定され、光源のパルス駆動信号が間引かれた状態で、パルス駆動信号のパルス幅を増減させる第２のパルス幅制御領域（ＰＷＭ２）Ｓ４、の順に受光量が小さく設定された制御領域を有する。

各制御領域における制御パターンは、目標受光量が最大の場合は第１のパルス幅制御領域Ｓ１となり、目標受光量が低下すると、第１のパルス幅制御領域Ｓ１とシャッタ速度制御領域Ｓ２とは目標受光量Ｒａで切り換わる。更に低下すると、シャッタ速度制御領域Ｓ２とパルス数制御領域Ｓ３とは目標受光量Ｒｂで切り換わり、パルス数制御領域Ｓ３と第２のパルス幅制御領域Ｓ４とは目標受光量Ｒｃで切り換わる。

以上の光量制御は、撮像素子の露光開始タイミング間隔の１／ｐ（ｐは１以上の整数）を周期とするタイミングパルス信号に同期したタイミングで、光源３９をパルス駆動するものとなっている。

次に、上記受光量制御について詳細に説明する。
図５にローリングシャッタ方式による撮像素子の露光タイミングを示す模式的な説明図を示す。
ローリングシャッタ方式は、ここでは、水平方向Ｈ及び垂直方向Ｖに多数の光電変換素子からなる画素が配列された撮像素子の画素領域において、水平方向Ｈに並ぶ各水平画素ラインＬ１，Ｌ２，・・・を、上端ラインから下端ラインまで垂直方向Ｖに順次走査する際、各水平画素ラインＬ１，Ｌ２，・・・の露光開始タイミングを、垂直方向一端側の上端ラインから順次水平走査周期ｔだけ、遅延させる方向にずらして設定するものとしている。水平走査周期ｔとは、１水平画素ライン（以下、単にラインと称することもある）の１ラインに対して、リセット、蓄積電荷ライン読み出し等の論理回路上での指令に要する一ライン当たりの所要時間であり、図５に示すラインＬ１とラインＬ２の露光開始時間差として表される。

いま、水平画素ラインの全ライン数を任意の整数ｍ（ｍは２以上の整数）で等分したｎラインからなるラインブロックＬＢを定義する。例えば、全ラインが１０２４ラインでｎ＝８ラインであれば、ラインブロックＬＢは１２８個存在する。このラインブロックＬＢの各ラインＬ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎに対する露光時間Ｔは、水平走査周期ｔをｎ倍したブロック周期ｔｎで割り切れる長さに設定されている。

つまり、１つのラインブロックＬＢのライン数をｎラインとし、ｍ個のラインブロックＬＢが存在する場合、１フレーム分の全ライン数Ｌはｎの整数倍である。１つのラインブロックＬＢと、これに続く同ライン数からなるラインブロックＬＢとの露光開始タイミングのずれは、ブロック周期ｔｎとなる。これにより、各ラインＬ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎの露光時間Ｔは、ブロック周期ｔｎの整数倍となる。

図６は第1のパルス幅制御領域（ＰＷＭ１）Ｓ１における露光時間とパルス駆動信号との関係を示す説明図である。内視鏡制御部４５は、目標受光量が最大値からＲａの間の領域であるとき、ＴＶ信号としての垂直同期信号ＶＤで規定される１フレームにおいて、ローリングシャッタの露光時間を、全ラインで同一の最大露光時間Ｔｍａｘにする。なお、図６には、１フレーム内の全ラインのうち、一つのラインブロックＬＢに対してのみ示している。

内視鏡制御部４５は、光源３９を駆動させるためのパルス駆動信号を、目標受光量が最大値であるとき、最大パルス幅Ｗｍａｘに設定し、光源３９を連続点灯状態にさせる。パルス駆動信号は、水平走査周期ｔのｎ倍であるブロック周期ｔｎを一周期とする同一パターンのパルス信号であり、内視鏡制御部４５は、このパルス駆動信号を、ラインブロックＬＢにおける先頭ラインの露光開始タイミングと同期させて出力する。また、少なくとも撮像素子の全ラインのうちいずれかが露光時間に設定されている間は繰り返し出力する。

内視鏡制御部４５は、目標受光量が最大値からＲａまでの領域では、ローリングシャッタの露光時間を最大露光時間Ｔｍａｘのまま固定し、パルス駆動信号の各パルスを目標受光量に対してパルス幅変調を行う。例えば、目標受光量Ｒａのときのパルス幅Ｗａは、最大パルス幅Ｗｍａｘの２０％とする。このときのパルス駆動信号のパルス数は、ブロック周期ｔｎ内でｎ個とする。即ち、水平走査周期ｔが１つのパルスの１００％相当のパルス幅となる。これにより、目標受光量の最大側で優先的に光源３９の出射光量を低減させるため、電力消費を抑えることができる。

なお、内視鏡制御部４５は、目標受光量がＲａより更に低い場合に、次に説明するシャッタ速度制御領域Ｓ２の制御を行わずに、目標受光量がＲａ１になるまでの間、パルス駆動信号のパルス数を減少させるパルス数制御を行ってもよい。つまり、撮像素子の露光時間を第１のパルス幅制御領域Ｓ１における露光時間と同じ露光時間に固定し、光源３９のパルス駆動信号のパルス幅を一定とした状態で、光源３９のパルス駆動信号のパルス数を増減させた場合の受光量を対応付けた第２のパルス数制御領域を設ける。この第２のパルス数制御領域における受光量は、第１のパルス幅制御領域Ｓ１における受光量とシャッタ速度制御領域Ｓ２における受光量との間とする。そして、受光量制御部４５は、シャッタ速度制御領域Ｓ２における露光時間をブロック周期単位で増減させる。

この場合、パルス駆動信号は図６の二点鎖線内に示すように等間隔パルスではなくなるが、水平走査周期ｔのｎ倍であるブロック周期ｔｎ単位で繰り返し出力されているため、ブロック周期ｔｎの整数倍に設定された各ラインの露光時間内においては、パルス光による積分受光量が常に一定に維持される。

次に、シャッタ速度制御領域Ｓ２の制御を説明する。内視鏡制御部４５は、目標受光量Ｒａまでの間は第１のパルス幅制御を行い、目標受光量がＲｂ以上、Ｒａ未満の領域に対して、シャッタ速度制御を行う。なお、前述のように、目標受光量Ｒａ未満、Ｒａ１以上の領域においてパルス数制御を行う場合は、シャッタ速度制御を行う。

図７はシャッタ速度制御領域Ｓ２におけるローリングシャッタの露光時間とパルス駆動信号との関係を示す説明図である。内視鏡制御部４５は、目標受光量がＲａからＲｂまでの領域では、パルス駆動信号を目標受光量Ｒａの状態に固定する。そして、各ラインの露光時間を水平走査周期ｔを単位として変更し、目標受光量Ｒｂにおいては水平走査周期ｔのｎ倍であるブロック周期ｔｎと等しい最小露光時間Ｔｍｉｎに設定する。このときの露光時間の増減は、露光時間の終了タイミングを基準とする後ろ詰めで行う。

内視鏡制御部４５が露光時間を増減制御しても、パルス駆動信号のパルスは、シャッタ開閉の遷移期間内に重ならないように制御されているので、各ラインの露光時間内においては、パルス光による積分受光量が常に一定に維持される。

なお、前述したパルス数変調により目標受光量をＲａ１とした場合、内視鏡制御部４５は、シャッタ速度の変更を、水平走査周期ｔのｎ倍であるブロック周期ｔｎを単位として増減させる。その場合のシャッタ速度制御は、ＲａとＲａ１との間で行ったパルス数変調分を加味して行う。

次に、パルス数制御領域Ｓ３の制御を説明する。内視鏡制御部４５は、目標受光量Ｒｂまでシャッタ速度制御を行い、目標受光量がＲｃ以上、Ｒｂ未満の領域に対して、パルス数制御を行う。

図８はパルス数制御領域（ＰＮＭ）Ｓ３、及び第２のパルス幅制御領域（ＰＷＭ２）Ｓ４におけるローリングシャッタの露光時間とパルス駆動信号との関係を示す説明図である。内視鏡制御部４５は、目標受光量がＲｂからＲｃまでの領域では、各ラインの露光時間をブロック周期ｔｎと等しい最小露光時間Ｔｍｉｎに固定する。そして、パルス駆動信号を、目標受光量Ｒｂの状態からパルス数を減少させるパルス数制御を行い、目標受光量がＲｃにおいてはブロック周期ｔｎ内で１パルスまで減少させる。

目標受光量がＲｃ未満である場合は、内視鏡制御部４５は、各ラインの露光時間をブロック周期ｔｎと等しい最小露光時間Ｔｍｉｎに固定したまま、光源３９のパルス駆動信号が間引かれた状態で、パルス駆動信号のパルス幅を減少させる第２のパルス幅制御を行う。

内視鏡制御部４５によるパルス幅変調においては、パルス駆動信号のパルスを、撮像素子３７のシャッタ開閉の遷移期間内に重ならないタイミングで出力することが好ましい。

図９はシャッタ閉動作とシャッタ開動作のバラツキを模式的に示す説明図である。各ラインの露光終了タイミング、露光開始タイミングにおけるシャッタ動作の挙動は、全ラインでそれぞれ一定ではなく、終了誤差Δｔ１，開始誤差Δｔ２の各ライン固有のバラツキを有している。そこで、内視鏡制御部４５は、このバラツキを有する期間ｔｃについては、パルス駆動信号のパルスが入らないように制御する。

具体的には、内視鏡制御部４５は、図１０（Ａ）に示すように、パルス駆動信号の各パルスを、少なくともいずれかのラインの露光終了タイミングを基準とする後ろ詰めでパルス幅を増減する。即ち、パルス駆動信号のパルス６１の立ち下がりタイミングを、ローリングシャッタのシャッタ閉タイミングに同期させる。

こうすることで、各ラインの露光時間におけるパルス駆動信号の受光パルス数は、この場合、どのラインでも４パルスとなり、受光量が均等になる。

一方、図１０（Ｂ）に示すように、パルス駆動信号の各パルスを、少なくともいずれかのラインの露光終了タイミングを基準とする前詰めでパルス幅を制御すると、４パルスのラインと、３．５パルスのラインが混在して、全ラインで受光パルス数が一定とならない。これは、いずれかのラインで、図９に示す露光時間のバラツキ期間Ｔｃ内にパルスが存在するために生じる。

内視鏡制御部４５は、パルス駆動信号のパルスを、基本的には上記のようにシャッタ開閉の遷移期間内にパルス駆動信号のパルスを出力させないように制御するが、第１のパルス幅制御領域Ｓ１、シャッタ速度制御領域Ｓ２においては、積分受光量に対する誤差分が僅かである。そのため、少なくともパルス数制御領域Ｓ３、及び第２のパルス幅制御領域Ｓ４の領域で、上記のシャッタ開閉の遷移期間内にパルスが重ならないようにパルスの出力タイミングを制御すれば、実質的に露光量の精度が下がることはない。

なお、目標受光量をＲｂから増加させる場合には、内視鏡制御部４５は、例えば目標受光量ＲｂからＲｂ１までの間は、Ｓ２のシャッタ速度制御に移行せずに、パルス駆動信号をパルス幅制御してもよい。このように、パルス変調制御をシャッタ速度制御に切り換えるよりも、パルス変調制御をそのまま延長させることで、制御対象の切り換えがなく、よりスムーズな調光制御が可能となる。つまり、図４に示す受光量制御テーブルの各制御領域を跨いで受光量を変化させる際、目標受光量の大きい側から小さい側へ変化させる場合と、小さい側から大きい側へ変化させる場合とでは、互いに異なる受光量制御を実施するヒステリシス制御を行ってもよい。

例えば、各制御領域の変化点における受光量の値が互いに異なる受光量制御テーブルを複数用意し、受光量の変化方向によって受光量制御テーブルを切り換えて参照し、光源からの出射光量の目標値と撮像素子の露光時間の目標値とを決定する。こうして、異なる出射光量と露光時間の組み合わせによって制御する。

また、受光量制御テーブルに、同一の受光量を得るための追加領域を有し、受光量の変化方向の一方に対してのみ、その追加領域を使用して、異なる出射光量と露光時間の組み合わせによって制御する。

以上説明したように、本構成の内視鏡装置１００によれば、受光量制御部が、撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動する際の露光開始タイミング間隔の１／ｐを周期とするタイミングパルス信号に同期したタイミングで光源をパルス駆動する。この制御を行うことで、パルス駆動信号の制御を、ローリングシャッタ方式の撮像素子による露光時間のずれに応じて、特別に変更する必要がない。また、ローリングシャッタ方式の撮像素子を用いて、出射光量がパルス点灯制御される光源からの照明光で撮像しても、撮像素子の露光期間がライン毎に異なることに起因する照明ムラがない高品位な画像を安定して得られる。

また、撮像素子の全水平画素ラインの数Ｌをｍで等分したｎ個のラインからなるラインブロックが垂直方向に配列される１つのブロック周期に対し、この１つのブロック周期を１周期として、同一パターンのパルス信号を、光源のパルス駆動信号として出力するように光源と撮像素子とが制御される。
よって、露光タイミングが全画素同時でないローリングシャッタ方式の撮像素子でも、光量制御の破綻を生じさせることなく、広い調光ダイナミックレンジにできる。そして、設定可能な受光量幅の広い受光量制御が行える。更に、内視鏡制御部が、光源のパルス駆動に加えてシャッタ速度の制御を組み合わせて受光量制御を行うため、光源のパルス点灯制御のみで調光する場合よりも調光分解能を高めることができる。

例えば、キセノンランプやハロゲンランプ等の白色光源と、機械的なシャッタにより光量制御を行う場合の調光ダイナミックレンジと比較しても、これと同等、或いは同等以上の広い調光ダイナミックレンジの受光量制御が実現でき、常に高画質な内視鏡画像の取得が可能となる。特に内視鏡画像においては、微妙な陰影像から診断を下さなければならず、正確な医療診断のために通常の写真よりも広い調光ダイナミックレンジで、しかも調光分解能の高い画像が必要とされる。本構成による内視鏡装置によれば、このような厳しい画像品質に対応できる高画質な観察画像情報を提供できる。

次に、内視鏡装置の他の構成を説明する。
図１１は、内視鏡装置２００の概略構成を示すブロック構成図である。内視鏡装置２００は、光源３９をチョッピングパルス信号により連続点灯させるため、光源制御部４１に接続され光源３９の駆動信号を生成するチョッパ回路６５を備える他は、図１に示す内視鏡装置１００と同様である。

チョッパ回路６５は、平滑回路定数が固定の場合、生成される駆動信号にチョッピングによる脈動を発生させる。この脈動により、光源３９の発光量は駆動信号の脈動に応じた光強度の脈動を生じさせる。図１２に設定光量に対するチョッパ回路からの駆動信号の波形を示した。設定光量が最大時から消灯時までの途中範囲では、図中光量２０％や６０％の場合に示すように、駆動信号はバイアス成分とチョッピングパルス成分とが重畳された脈動を有する。この脈動の波形は、設定光量が大きくなるほど平滑化され、最大光量時では殆ど平坦となる。

図１３にローリングシャッタによる各ラインの露光期間のタイミングと駆動信号との関係を示した。本構成では、光源制御部４１がタイミングパルス信号の全てのタイミングにおいて、光源３９を駆動して発光させる。また、前述のパルス変調制御の場合と同様に、撮像素子の露光開始タイミング間隔の１／ｐを周期とするタイミングパルス信号（駆動信号）に同期したタイミングで光源３９を駆動する。

従って、上記の駆動によれば、図１４に示すように、撮像素子の各ライン（Ｌｎ、Ｌｎ＋１，・・・）に対する露光時間内の駆動信号には、それぞれ等しい数の脈動が含まれる。そのため、駆動信号の積分強度は各ラインで等しくなり、受光量変動が生じない。よって、広い調光ダイナミックレンジと高い調光分解能を共に実現できる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、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。上記例では内視鏡装置を例示しているが、これに限らない。少なくとも、図１に示す光源装置１９，プロセッサ２１，撮像素子３７，撮像制御部５１を備えた撮像装置によれば、上述したように、広い調光ダイナミックレンジで高い調光分解能の高品位な撮像画像を得ることができる。

以上、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） パルス駆動により発光する光源と、
上記光源をパルス変調駆動してその光源からの出射光量を制御する光源制御部と、
複数の画素が水平方向及び垂直方向に配列された撮像素子を有し、その撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動して撮像する撮像部と、を備え、
上記光源制御部は、上記撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動する際の露光開始タイミング間隔の１／ｐ（ｐは１以上の整数）を周期とするタイミングパルス信号に同期したタイミングで上記光源をパルス駆動する撮像装置。
（２） （１）記載の撮像装置であって、
上記撮像部は、上記画素が水平方向に並ぶ水平画素ラインを、その水平画素ラインの垂直方向一端側から他端側に順次走査駆動し、各水平画素ラインの露光開始タイミングを、１水平画素ラインを走査する期間である水平走査周期分だけずらして駆動し、
更に、上記光源からの出射光量と上記撮像素子の露光時間との組み合わせと、その場合の上記撮像素子が受光すると想定される受光量とを対応付けた受光量制御テーブルを有し、上記光源からの出射光量の目標値と上記撮像素子の露光時間の目標値とを、その受光量制御テーブルを参照して決定し、決定した出射光量の目標値と露光時間の目標値とに基づいて、上記光源制御部及び上記撮像部を制御する受光量制御部と、を備え、
上記光源制御部は、上記撮像素子の全水平画素ラインの数Ｌをｍ（ｍは２以上の整数）で等分したｎ個（ｎは２以上の整数）のラインからなるラインブロックが上記垂直方向に配列されるブロックの露光開始タイミング間隔であるブロック周期を１周期とする同一パターンのパルス駆動信号により、上記光源をパルス駆動する撮像装置。
（３） （２）記載の撮像装置であって、
上記受光量制御テーブルは、少なくとも、
上記撮像素子の露光時間を一定とし、上記光源のパルス駆動信号のパルス幅を増減させた場合の上記受光量を対応付けた第１のパルス幅制御領域と、
上記光源のパルス駆動信号のパルス幅を一定とし、上記撮像素子の露光時間を増減させた場合の上記受光量を対応付けたシャッタ速度制御領域と、
上記撮像素子の露光時間を上記水平走査周期をｎ倍したブロック周期の整数倍に固定した状態で、上記光源のパルス駆動信号のパルス数を増減させた場合の上記受光量を対応付けた第１のパルス数制御領域と、
上記撮像素子の露光時間を上記ブロック周期の整数倍に固定し、上記光源のパルス駆動信号が間引かれた状態で、上記パルス駆動信号のパルス幅を増減させた場合の上記受光量を対応付けた第２のパルス幅制御領域と、を有する撮像装置。
（４） （３）記載の撮像装置であって、
上記受光量制御テーブルの上記受光量は、
上記第１のパルス幅制御領域、
上記シャッタ速度制御領域、
上記第１のパルス数制御領域、
上記第２のパルス幅制御領域、の順に小さくなっている撮像装置。
（５） （４）記載の撮像装置であって、
上記光源制御部は、上記第１のパルス数制御領域及び上記第２のパルス幅制御領域における上記パルス駆動信号を、上記撮像素子のシャッタ開閉動作期間内に重ならないタイミングで出力する撮像装置。
（６） （５）記載の撮像装置であって、
上記光源制御部は、上記第１のパルス幅制御領域及び上記第２のパルス幅制御領域における上記パルス駆動信号のパルス幅を、少なくともいずれかの上記水平画素ラインの露光終了タイミングを基準とする後ろ詰めで増減させて出力する撮像装置。
（７） （３）〜（６）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記受光量制御テーブルの上記第１のパルス幅制御領域における上記撮像素子の露光時間は、１フレームの最大露光時間である撮像装置。
（８） （３）〜（７）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記光源制御部は、上記第１のパルス幅制御領域における上記パルス駆動信号の各パルスの最大幅を上記水平走査周期として出力する撮像装置。
（９） （３）〜（８）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記光源制御部は、上記水平画素ラインの露光時間内における上記パルス駆動信号のパルス数を、いずれの上記水平画素ラインに対しても同一のパルス数として出力する撮像装置。
（１０） （３）〜（９）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記受光量制御部は、上記シャッタ速度制御領域における上記露光時間を上記水平走査周期単位で増減させる撮像装置。
（１１） （４）〜（１０）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記受光量制御テーブルは、更に、上記撮像素子の露光時間を上記第１のパルス幅制御領域における露光時間と同じ露光時間に固定し、上記光源のパルス駆動信号のパルス幅を一定とした状態で、上記光源のパルス駆動信号のパルス数を増減させた場合の上記受光量を対応付けた第２のパルス数制御領域を有し、その第２のパルス数制御領域における上記受光量は、上記第１のパルス幅制御領域における上記受光量と上記シャッタ速度制御領域における受光量との間であり、
上記受光量制御部は、上記シャッタ速度制御領域における上記露光時間を上記ブロック周期単位で増減させる撮像装置。
（１２） （３）〜（１１）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記受光量制御部は、各制御領域の変化点における受光量の値が互いに異なる複数の受光量制御テーブルを有し、上記撮像素子の受光量の変化方向に応じて異なる受光量制御テーブル参照し、上記光源からの出射光量の目標値と上記撮像素子の露光時間の目標値とを決定する撮像装置。
（１３） （１）記載の撮像装置であって、
上記光源制御部は、上記タイミングパルス信号の全てのタイミングにおいて、上記光源を駆動して発光させる撮像装置。
（１４） （１）〜（１３）のいずれか一項記載の撮像装置であって、
上記光源が半導体発光素子である撮像装置。
（１５） （１）〜（１４）のいずれか一項記載の撮像装置を備える内視鏡装置。

１１ 内視鏡
１３ 制御装置
１９ 光源装置
２１ プロセッサ
３７ 撮像素子
３９ 光源
４１ 光源制御部
４３ 撮像信号処理部
４５ 内視鏡制御部
４７ 画像処理部
４９ メモリ
５１ 撮像制御部
５５ ヒストグラム作成部
５７ 測光値算出部
５９ 目標光量算出部
６１ パルス
１００ 内視鏡装置

Claims (2)

1. パルス駆動により発光する光源と、
   前記光源をパルス変調駆動して該光源からの出射光量を制御する光源制御部と、
   複数の画素が水平方向及び垂直方向に配列された撮像素子を有し、該撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動して撮像する撮像部と、を備え、
   前記光源制御部は、前記撮像素子をローリングシャッタ方式にて駆動する際の露光開始タイミング間隔の１／ｐ（ｐは１以上の整数）を周期とするタイミングパルス信号に同期したタイミングで前記光源をパルス駆動し、
   前記撮像素子が受光する受光量の目標値が所定値以上の領域では、受光量の目標値に応じて前記光源のパルス変調駆動におけるパルス変調パターンを変更し、受光量の目標値が所定値未満の領域では、受光量の目標値に応じて前記撮像素子のローリングシャッタ方式による駆動におけるシャッタ速度を変更する受光量制御部をさらに備える撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置であって、
   前記受光量制御部は、前記光源のパルス変調駆動におけるパルス変調パターンを変更する場合に、パルス幅を変更する撮像装置。

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