JP6523577B2 - 撮像素子、撮像装置および内視鏡 - Google Patents
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Description
〔内視鏡システムの構成〕
図1は、本発明の実施の形態1に係る内視鏡システムの全体構成を模式的に示す概略図である。図1に示す内視鏡システム1は、内視鏡2と、伝送ケーブル3と、コネクタ部5と、プロセッサ6と、表示装置7と、光源装置8と、を備える。
次に、内視鏡システム1の要部の機能について説明する。図2は、内視鏡システム1の要部の機能を示すブロック図である。
まず、内視鏡2の構成について説明する。
図2に示す内視鏡2は、撮像装置20と、伝送ケーブル3と、コネクタ部5と、を備える。撮像装置20は、撮像素子21(撮像チップ)と、撮像素子21に被写体像を結像する光学系22と、を備える。
次に、プロセッサ6の構成について説明する。
プロセッサ6は、電源電圧を生成し、この生成した電源電圧VDDをグランドGNDとともに、コネクタ部5の電源電圧生成部53へ供給する電源部61と、内視鏡システム1の各構成部の動作の基準となる基準クロック信号を生成し、この基準クロック信号をコネクタ部5のパルス生成部51へ出力するクロック生成部62と、CPU(Central Processing Unit)等を用いて構成され、内視鏡システム1の全体を統括的に制御するプロセッサ制御部63と、内視鏡2から入力されたデジタルの撮像信号に対して、同時化処理、ホワイトバランス(WB)調整処理、ゲイン調整処理、ガンマ補正処理、デジタルアナログ(D/A)変換処理、フォーマット変換処理等の画像処理を行って画像信号に変換し、この画像信号を表示装置7へ出力する画像処理部64と、を備える。
次に、上述した撮像素子21の詳細な構成について説明する。図3は、図2に示す撮像素子21の詳細な構成を示すブロック図である。
次に、上述した撮像素子21の回路について詳細に説明する。図4は、撮像素子21の構成を模式的に示す回路図である。
まず、画素230の構成について説明する。
図4に示すように、上述した受光部23には、多数の画素230が二次元マトリクス状に配列されてなる。各画素230は、光電変換素子231(フォトダイオード)と、電荷変換部233と、転送トランジスタ234(第1の転送部)と、画素リセット部236(トランジスタ)と、画素ソースフォロワトランジスタ237と、を含む。
次に、ノイズ除去部243の構成について説明する。
図4に示すノイズ除去部243は、各画素230の列毎に設けられる。具体的には、ノイズ除去部243は、垂直転送線239毎に設けられる。ノイズ除去部243は、転送容量252(AC結合コンデンサ)と、クランプスイッチ253(トランジスタ)と、を有する。なお、本実施の形態1では、ノイズ除去部243がクランプ回路として機能する。
次に、列ソースフォロワバッファ244の構成について説明する。
図4に示す列ソースフォロワバッファ244は、各画素230の列毎に設けられる。具体的には、列ソースフォロワバッファ244は、垂直転送線239毎に設けられる。列ソースフォロワバッファ244は、列ソースフォロワトランジスタ254と、列選択スイッチ255と、を有する。なお、本実施の形態1では、列ソースフォロワバッファ244が列側回路として機能する。
次に、バッファ部25の構成について説明する。
図4に示すバッファ部25は、水平走査部245によって順次選択された列ソースフォロワバッファ244が接続されることによって、ボルテージフォロワ回路を形成し、入力される撮像信号の電圧に対してインピーダンス変換を行ってA/D変換装置27へ出力する。具体的には、バッファ部25は、水平走査部245によって順次選択された列ソースフォロワバッファ244が接続されることによって、入力される撮像信号をボルテージフォロワにより1倍に増幅してA/D変換装置27へ出力する。バッファ部25は、画素230の奇数列および偶数列それぞれに設けられた第1のグローバル側回路260および第2のグローバル側回路270を有する。なお、第1のグローバル側回路260および第2のグローバル側回路270は、インピーダンス変換部として機能する。
次に、上述した図3において説明した基準電圧生成部246の構成について説明する。図5は、基準電圧生成部246の構成を示す回路図である。
次に、上述した図3および図4において説明した基準信号生成部26の詳細な構成について説明する。図6は、基準信号生成部26の構成を模式的に示す回路図である。
次に、第1のA/D変換部280の構成について説明する。図7は、第1のA/D変換部280の構成を模式的に説明する回路図である。なお、第1のA/D変換部280および第2のA/D変換部290は、同じ回路構成のため、以下においては、第1のA/D変換部280の構成のみ説明し、第2のA/D変換部290の構成の説明は省略する。また、図7に示す第1のA/D変換部280は、逐次比較型のA/D変換装置であり、9ビット(bit)出力のA/D変換装置であるが、これに限定されず、出力ビット数を適宜変更することができる。なお、第1のA/D変換部280は、逐次比較型のA/D変換装置である必要はなく、省電力可能なA/D変換装置であればよく、例えばナイキスト型のA/D変換装置であってもよい。
次に、補正用トランジスタ404aの容量と比較回路403の容量の電圧依存特性について説明する。図8は、比較回路403の入力容量と補正回路404の補正用トランジスタ404aの入力容量との電圧依存特性の関係を示す図である。図8において、横軸が比較回路403の入力電圧(V)を示し、縦軸が容量を示す。また、図8において、曲線L1が比較回路403の電圧依存特性を示し、曲線L2が補正用トランジスタ404aの電圧依存特性を示し、曲線L3が補正用トランジスタ404aの容量(VBパラメータ)と比較回路403の入力容量との合成容量における電圧依存特性を示す。
次に、撮像装置20の動作について説明する。図11Aは、撮像装置20の動作を示すタイミングチャートである。図11Bは、図11Aの領域R1のタイミングチャートの一部を拡大した模式図である。図11Aにおいては、受光部23の行<n>の画素230から撮像信号を読み出し、A/D変換装置27からデジタルの撮像信号が出力されるまでを説明する。また、図11Aに示すタイミングチャートでは説明の便宜上、画素230に1つの光電変換素子231のみが含まれるものとしている。画素230に複数の光電変換素子231が含まれる場合(画素共有の場合)には、このタイミングチャートに示す1映像信号ライン分の動作を画素230に含まれる光電変換素子231の数分だけ繰り返し行う。また、図11Aにおいて、最上段から順に、駆動信号φR、駆動信号φT、駆動信号φVCL、駆動信号SW21〜SW2n、転送容量252の電圧VIN1〜VINn、バッファ部25の出力電圧Vout、A/D変換装置27の変換タイミング、基準クロックCLK、A/D変換装置27の変換結果の出力タイミングおよび基準信号VREFを示す。また、図11Bにおいて、最上段から順に、基準信号VREF、バッファ部25の出力電圧Vout、基準クロックCLK、A/D変換装置27の動作モードおよびバッファ部25の出力電圧Voutから基準信号VREFの差分(Vout−VREF)を示す。
次に、本発明の実施の形態1の変形例1について説明する。本実施の形態1の変形例1は、上述した実施の形態1に係る基準信号生成部26の構成が異なる。以下においては、本実施の形態1の変形例1に係る基準信号生成部の構成について説明する。なお、上述した実施の形態1に係る内視鏡システム1と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図12は、本発明の実施の形態1の変形例1に係る基準信号生成部の構成を模式的に示す回路図である。
次に、本発明の実施の形態1の変形例2について説明する。本実施の形態1の変形例2は、上述した実施の形態1に係る基準信号生成部26の構成が異なる。以下においては、本実施の形態1の変形例2に係る基準信号生成部の構成について説明する。なお、上述した実施の形態1に係る内視鏡システム1と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図13は、本発明の実施の形態1の変形例2に係る基準信号生成部の構成を模式的に示す回路図である。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態2は、上述した実施の形態1に係る撮像素子21の構成が異なる。以下においては、本実施の形態2に係る撮像素子の構成を説明後、本実施の形態2に係る撮像素子の動作について説明する。なお、上述した実施の形態1に係る内視鏡システム1と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図14は、本発明の実施の形態2に係る撮像素子の構成を模式的に示す回路図である。図14に示す撮像素子21aは、上述した実施の形態1に係る撮像素子21のバッファ部25および基準信号生成部26に換えて、バッファ部25aおよび基準信号生成部26cを備える。
まず、バッファ部25aの構成について説明する。バッファ部25aは、水平走査部245によって順次選択された列ソースフォロワバッファ244が接続されることによって、ボルテージフォロワ回路となり、入力される撮像信号をボルテージフォロワにより1倍増幅にしてA/D変換装置27へ出力する。バッファ部25aは、画素230の奇数列および偶数列それぞれに設けられた第1のグローバル側回路260aおよび第2のグローバル側回路270aを有する。第1のグローバル側回路260aおよび第2のグローバル側回路270aは、インピーダンス変換部として機能する。
次に、図14において説明した基準信号生成部26cの詳細な構成について説明する。図15は、基準信号生成部26cの構成を模式的に示す回路図である。
次に、撮像装置20の動作について説明する。図16Aは、撮像装置20の動作を示すタイミングチャートである。図16Bは、図16Aの領域R2のタイミングチャートの一部を拡大した模式図である。図16Aにおいては、受光部23の行<n>の画素230から撮像信号を読み出し、A/D変換装置27からデジタルの撮像信号が出力されるまでを説明する。また、図16Aに示すタイミングチャートでは説明の便宜上、画素230に1つの光電変換素子231のみが含まれるものとしている。画素230に複数の光電変換素子231が含まれる場合(画素共有の場合)には、このタイミングチャートに示す1映像信号ライン分の動作を画素230に含まれる光電変換素子231の数分だけ繰り返し行う。また、図16Aにおいて、最上段から順に、駆動信号φR、駆動信号φT、駆動信号φVCL、駆動信号SW21〜SW2n、転送容量252の電圧VIN1〜VINn、バッファ部25aの出力電圧Vout、A/D変換装置27の変換タイミング、基準クロックCLK、A/D変換装置27の変換結果の出力タイミングおよび基準信号VREFを示す。また、図16Bにおいて、最上段から順に、基準信号VREF、バッファ部25の出力電圧Vout、基準クロックCLK、A/D変換装置27の動作モードおよびバッファ部25の出力電圧Voutから基準信号VREFの差分(Vout−VREF)を示す。
次に、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3は、上述した実施の形態1に係るA/D変換装置27における第1のA/D変換部280および第2のA/D変換部290と構成が異なる。以下においては、本実施の形態3に係る第1のA/D変換部および第2のA/D変換部の構成について説明する。なお、上述した実施の形態1に係る内視鏡システム1と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図17は、本実施の形態3に係る第1のA/D変換部の構成を模式的に示す回路図である。なお、本実施の形態3に係る第1のA/D変換部および第2のA/D変換部は、同じ回路構成のため、以下においては、第1のA/D変換部の構成のみ説明し、第2のA/D変換部の構成の説明は省略する。また、図17に示す第1のA/D変換部280aは、逐次比較型のA/D変換装置であり、9ビット(bit)出力のA/D変換装置であるが、これに限定されず、出力ビット数を適宜変更することができる。
次に、上述した補正回路406のバイアス電圧の調整方法について説明する。図18は、補正回路406のバイアス電圧の調整方法を示すフローチャートである。図19A〜図19Cは、補正回路406のバイアス電圧(n)を変化させたときのINL特性(9ビットADC)を模式的に示す図である。図19A〜図19Cにおいて、横軸がcodeを示し、縦軸がINL[a.u]を示す。また、図19Aの曲線L41がバイアス電圧VB=VB(1)のINL特性を示し、図19Bの曲線L42がバイアス電圧VB=Vb(N)のINL特性を示し、図19Cの曲線L43がバイアス電圧VB=VB(n)のINL特性を示す。
本発明の実施の形態では、伝送ケーブルを介して撮像装置が生成した撮像信号をプロセッサへ伝送していたが、例えば有線である必要はなく、無線であってもよい。この場合、所定の無線通信規格(例えばWi−Fi(登録商標)やBluetooth(登録商標))に従って、撮像信号をプロセッサへ伝送するようにすればよい。もちろん、他の無線通信規格に従って無線通信を行ってもよい。さらに、撮像信号以外にも、内視鏡の各種情報を更新するための更新情報を伝送してもよい。
2 内視鏡
3 伝送ケーブル
4 操作部
5 コネクタ部
6 プロセッサ
7 表示装置
8 光源装置
20 撮像装置
21,21a 撮像素子
23 受光部
24 読み出し部
25,25a バッファ部
26,26a〜26c 基準信号生成部
27 A/D変換装置
28 タイミング生成部
29 ヒステリシス部
51 パルス生成部
52 信号処理部
53 電源電圧生成部
61 電源部
62 クロック生成部
63 プロセッサ制御部
64 画像処理部
100 挿入部
101 先端部
230 画素
231 光電変換素子
233 電荷変換部
234 転送トランジスタ
236 画素リセット部
237 画素ソースフォロワトランジスタ
239 垂直転送線
241 垂直走査部
242 定電流源
243 ノイズ除去部
244 列ソースフォロワバッファ
245 水平走査部
246 基準電圧生成部
252 転送容量
253 クランプスイッチ
254 列ソースフォロワトランジスタ
255 列選択スイッチ
256 定電流源
257 水平転送線
260,260a 第1のグローバル側回路
261 スイッチ
262 第1のトランジスタ
263 第2のトランジスタ
264 第3のトランジスタ
265 定電流源
266 第4のトランジスタ
267 定電流源
268 第5のトランジスタ
269 定電流源
270,270a 第2のグローバル側回路
280,280a 第1のA/D変換部
290 第2のA/D変換部
304 画素相当回路
305 ノイズ除去相当回路
306 列相当回路
307,307a バッファ相当回路
401 サンプリング回路
402 容量性DAC回路
403 比較回路
404,406 補正回路
404a 補正用トランジスタ
404b,406b バイアス回路
405 制御回路
Claims (9)
- 二次元マトリクス状に配置されてなり、外部からの光を受光して光電変換を行うことによって撮像信号を生成する複数の画素と、
前記複数の画素の配置における列毎に設けられ、前記撮像信号に含まれるノイズ成分を除去するノイズ除去部と、
前記複数の画素の配置における列毎に設けられ、前記ノイズ除去部が前記ノイズ成分を除去した前記撮像信号を増幅して出力する複数の列ソースフォロワバッファと、
前記複数の列ソースフォロワバッファを順次選択して前記撮像信号を出力させる水平走査部と、
前記水平走査部によって順次選択された前記列ソースフォロワバッファと接続することによってボルテージフォロワ回路を形成し、前記列ソースフォロワバッファから出力された前記撮像信号の電圧に対してインピーダンス変換を行って外部へ出力するバッファ部と、
を備え、
前記バッファ部は、
前記ノイズ除去部が前記ノイズ成分を除去した前記撮像信号を読み出す第1の定電流源と、
ソース端子が前記列ソースフォロワバッファに接続され、ゲート端子が外部へ前記撮像信号を伝送する信号線に接続された第1のトランジスタと、
ソース端子がグランドに接続され、ドレイン端子が前記第1のトランジスタのドレイン端子および前記信号線に接続された第2のトランジスタと、
ソース端子がグランドに接続された第3のトランジスタと、
前記第3のトランジスタのドレイン端子、前記第3のトランジスタのゲート端子および前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された第2の定電流源と、
を有することを特徴とする撮像素子。 - 前記バッファ部は、
ドレイン端子が前記グランドに接続され、ゲート端子が前記第1のトランジスタを介して前記列ソースフォロワバッファに接続された第4のトランジスタと、
ドレイン端子が電源電圧に接続され、ソース端子が前記信号線に接続された第5のトランジスタと、
一端側が前記電源電圧に接続され、他端側が前記第4のトランジスタのソース端子および前記第5のトランジスタのゲート端子に接続された第3の定電流源と、
一端側が前記グランドに接続され、他端側が前記第5のトランジスタのソース端子および前記信号線に接続された第4の定電流源と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 - 前記列ソースフォロワバッファは、
前記ノイズ除去部が前記ノイズ成分を除去した前記撮像信号を増幅する列ソースフォロワトランジスタと、
前記列ソースフォロワトランジスタと前記バッファ部とを接続可能に切り替える列選択スイッチと、
を有し、
前記バッファ部は、
前記列選択スイッチと同じ抵抗値を有し、前記列選択スイッチと前記第1のトランジスタとを常時接続するスイッチをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 - 前記バッファ部から出力された前記撮像信号に対してA/D変換処理を行うA/D変換装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記画素で生成された前記撮像信号と同相の揺らぎ成分を有する基準信号を生成する基準信号生成部をさらに備え、
前記A/D変換装置は、
前記撮像信号および前記基準信号を外部からの同一タイミングでサンプリングし、前記撮像信号をデジタル信号に変換することを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。 - 前記A/D変換装置は、
前記撮像信号および前記基準信号を、差動入力信号として入力される一対のアナログ信号としてサンプリングするサンプリング回路と、
前記サンプリング回路によりサンプリングされた一対のアナログ信号を保持するバイナリ容量部を有し、前記バイナリ容量部を介して前記一対のアナログ信号に参照信号の信号レベルを反映させることにより一対の電圧信号を発生させる容量回路と、
前記一対の電圧信号が入力される入力トランジスタを有し、前記一対の電圧信号をなす一方の信号と他方の信号とを比較する比較回路と、
前記比較回路の前段側に設けられ、前記入力トランジスタにおける寄生容量を相殺した前記一対の電圧信号を前記比較回路へ出力する補正回路と、
前記比較回路による比較の結果に基づき、前記バイナリ容量部のバイナリ容量に対応するデジタル信号の各ビットの値を2分探索法により逐次的に判定し、前記デジタル信号の各ビットの値を前記参照信号に反映させる制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の撮像素子。 - 前記基準信号生成部は、前記画素と等価な構造の素子または回路を有することを特徴とする請求項5に記載の撮像素子。
- 請求項1に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の受光面に被写体像を結像する光学系と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 請求項8に記載の撮像装置と、
被検体に挿入可能であり、先端部に前記撮像装置を設けた挿入部と、
を備えることを特徴とする内視鏡。
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