JP7025177B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、撮像装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to an image pickup apparatus.
撮像装置、例えば、内視鏡装置では、以前は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサが主流であったが、近年、低コスト化、単電源化、低消費電力化等の利点を有するCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが主流になっている。CMOSイメージセンサでは、ローリングシャッタ方式が一般的に多く採用されているが、グローバルシャッタ方式が採用される場合もある。 In the past, CCD (Charge Coupled Device) image sensors were the mainstream in image pickup devices, for example, endoscope devices, but in recent years, CMOS (CMOS) has advantages such as cost reduction, single power supply, and low power consumption. Complementary Metal Oxide Semiconductor) Image sensors have become mainstream. In CMOS image sensors, the rolling shutter method is generally adopted in many cases, but the global shutter method may also be adopted.
本発明が解決しようとする課題は、観察するのに十分な画質を確保することができる撮像装置を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide an image pickup apparatus capable of ensuring sufficient image quality for observation.
実施形態の撮像装置は、行列状に配置され、一定周期で生じる受光期間において、光軸に沿って入射された光を受けることにより電気信号を発生する複数の画素を含み、前記複数の画素の最初の行から最後の行に向かって、少なくとも1行毎に順次露光を開始し、露光が終了した行から順に前記電気信号に基づく映像信号を出力する動作を、1フレーム毎に繰り返すローリングシャッタ方式のイメージセンサと、前記複数の画素が光を受けない非受光期間において、前記光軸と前記イメージセンサとの相対位置を変更する相対位置変更部と、前記相対位置が変更された状態で得られた映像信号と、前記相対位置が変更されない状態で得られた映像信号とに基づいて、画像データを生成する画像生成部と、前記受光期間が、前記複数の画素の各行の露光期間に共通するグローバル露光期間内となるように、前記イメージセンサを駆動させるイメージセンサ駆動部とを備え、前記相対位置が変更された状態でのグローバル露光期間と前記相対位置が変更されない状態でのグローバル露光期間とが交互に配置され、前記画像データは前記1フレームの期間の2倍の期間で外部に出力されることを特徴とする。 The image pickup apparatus of the embodiment is arranged in a matrix, and includes a plurality of pixels that generate an electric signal by receiving light incident along the optical axis in a light receiving period generated at a fixed cycle, and the plurality of pixels. A rolling shutter method in which exposure is started sequentially at least one row from the first row to the last row, and the operation of outputting a video signal based on the electric signal in order from the row where the exposure is completed is repeated every frame. The image sensor, a relative position changing portion that changes the relative position between the optical axis and the image sensor during a non-light receiving period in which the plurality of pixels do not receive light, and a state in which the relative position is changed. The image generation unit that generates image data based on the video signal obtained and the video signal obtained in a state where the relative position is not changed, and the light receiving period are common to the exposure period of each row of the plurality of pixels. An image sensor driving unit for driving the image sensor is provided so as to be within the global exposure period, and a global exposure period in a state where the relative position is changed and a global exposure period in a state where the relative position is not changed. Are alternately arranged, and the image data is output to the outside in a period twice the period of the one frame .
以下、図面を参照して、撮像装置の各実施形態を説明する。なお、実施形態は、以下の内容に限られるものではない。また、1つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。 Hereinafter, each embodiment of the image pickup apparatus will be described with reference to the drawings. The embodiment is not limited to the following contents. Further, in principle, the contents described in one embodiment or modification are similarly applied to other embodiments or modifications.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置10を備える撮像システム1の構成例を示す図である。図1に示されるように、第1の実施形態に係る撮像システム1は、撮像装置10と、光源30と、光ファイバ31とを備える。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an
撮像装置10は、例えば、医療用の硬性内視鏡として用いられ、被検体100の体内を撮像する装置である。撮像装置10は、スコープ11と、カメラヘッド12と、カメラケーブル13と、CCU(Camera Control Unit)14とを備える。
The
スコープ11は、撮像が行われる際に、被検体100の体内に挿入される。スコープ11の先端には、対物レンズ11aが設けられている。スコープ11は、屈曲しない硬性を有する。
The scope 11 is inserted into the body of the
カメラヘッド12は、色分解光学系12aと、イメージセンサ12b、12c、12dと、イメージセンサ制御回路12gと、相対位置変更機構12hとを備える。色分解光学系12aは、例えば、3分解ダイクロイックプリズムである。色分解光学系12aは、例えば、入射された光を赤色(R)の光、緑色(G)の光及び青色(B)の光に分光する。イメージセンサ12b、12c、12dは、例えば、CMOSイメージセンサである。イメージセンサ12bは、例えば、赤色に対応し、色分解光学系12aの赤色の分光の出射面に貼り付けられる。イメージセンサ12cは、例えば、緑色に対応し、色分解光学系12aの緑色の分光の出射面に貼り付けられる。イメージセンサ12dは、例えば、青色に対応し、色分解光学系12aの青色の分光の出射面に貼り付けられる。イメージセンサ12b、12c、12dの撮像面が貼り付けられる色分解光学系12aの端面は、光路上で対物レンズ11aの結像面と略一致するように形成されている。
The
イメージセンサ12b、12c、12dのそれぞれは、複数の画素(撮像要素)を備える。複数の画素は、各イメージセンサ12b、12c、12dの撮像面において行列状に配置される。イメージセンサ12b、12c、12dの各画素は、イメージセンサ制御回路12gによる駆動制御により、光を受光することにより映像信号(電気信号)を発生し、発生した映像信号を出力する。例えば、イメージセンサ12b、12c、12dの各画素は、光源30により被検体100の体内組織に照射された光の戻り光(反射光)を受光することにより、映像信号を出力する。
Each of the
イメージセンサ12b、12c、12dは、例えば、複数の画素の最初の行から最後の行に向かって、少なくとも1行毎に順次露光を開始し、露光が終了した行から順に映像信号を出力する処理を、1フレーム(画像)毎に繰り返すローリングシャッタ方式のイメージセンサである。ここで、露光とは、例えば、画素が電荷を蓄積可能となることを意味する。受光とは、実際に光を受けて電荷を蓄積することを意味する。イメージセンサ12b、12c、12dは、例えば、カメラケーブル13を介して、CCU14に映像信号を出力する。なお、イメージセンサ12b、12c、12dからは、アナログ信号又はデジタル信号の映像信号が出力される。
For example, the
イメージセンサ制御回路12gは、後述される制御回路14aから出力される制御信号、並びに、後述するタイミング信号発生回路14cから出力される水平同期信号及び垂直同期信号等の各種の同期信号に基づいてイメージセンサ12b、12c、12dを駆動制御する。
The image
相対位置変更機構12hは、制御回路14aから出力される制御信号、並びに、タイミング信号発生回路14cから出力される同期信号に基づいて対物レンズ11aからの入射光の光軸とイメージセンサ12b、12c、12dの相対位置を周期的に変更(光軸シフト)する。相対位置変更機構12hは、例えば、モータやアクチュエータ等の駆動機構を含む。相対位置変更機構12hは、相対位置変更部の一例である。
The relative
図2は、第1の実施形態に係るイメージセンサ12b、12c、12dの画素の配置および相対位置変更の一例を示す図である。図2の左側では、相対位置変更前のイメージセンサ12b、12c、12dの画素の配置(入射光による結像に対する相対的な位置)が模式的に示されている。この例では、空間画素ずらし法により、緑色(Gch)に対応するイメージセンサ12cの画素に対して、赤色(Rch)に対応するイメージセンサ12bの画素と青色(Bch)に対応するイメージセンサ12dの画素とが、縦方向及び横方向に半画素(1/2画素)ずれて配置されている。相対位置変更機構12hは、図2の左側に示される状態から、相対位置変更(光軸シフト)により、図2の右側に示されるように、全ての画素を縦方向及び横方向に半画素ずらす。すなわち、相対位置変更機構12hは、複数の画素の2次元の並びの斜め方向に半画素に対応する距離だけ、光軸とイメージセンサ12b、12c、12dの相対位置を変更する。相対位置の復帰により、相対位置は、図2の右側の状態から左側の状態に戻る。
FIG. 2 is a diagram showing an example of pixel arrangement and relative position change of the
図3は、第1の実施形態に係るイメージセンサ12b、12c、12dの画素の配置および相対位置変更の他の例を示す図である。図3の左側では、相対位置変更前のイメージセンサ12b、12c、12dの画素の配置(入射光による結像に対する相対的な位置)が模式的に示されている。この例では、緑色(Gch)に対応するイメージセンサ12cの画素と、赤色(Rch)に対応するイメージセンサ12bの画素と、青色(Bch)に対応するイメージセンサ12dの画素とが、同じ位置に配置されている。すなわち、空間画素ずらし法は用いられていない。相対位置変更機構12hは、図3の左側に示される状態から、相対位置変更(光軸シフト)により、図3の右側に示されるように、全ての画素を縦方向及び横方向に半画素ずらす。相対位置の復帰により、相対位置は、図3の右側の状態から左側の状態に戻る。
FIG. 3 is a diagram showing another example of pixel arrangement and relative position change of the
図4は、第1の実施形態に係る相対位置変更機構12hの一例を示す図である。図4は、例えば、光軸と交差する位置に配置された、ガラス等の光透過性のある材料により形成された平行板12iにより光軸シフトが行われる場合を示している。図1のカメラヘッド12の場合、例えば、色分解光学系12aとスコープ11の間の光軸と交差する位置に平行板12iが配置される。図4の上段では、平行板12iが入射光の光軸に垂直に維持され、入射光はそのままの状態で色分解光学系12aに入射する。図4の下段では、平行板12iが相対位置変更機構12hの駆動制御により傾けられることで、入射光の光軸が平行移動され、入射光は色分解光学系12aの異なる位置に入射する。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the relative
図5は、第1の実施形態に係る相対位置変更機構12hの他の例を示す図である。図5は、例えば、イメージセンサ12b、12c、12dが貼り付けられた色分解光学系12a自体の平行移動により光軸シフトが行われる場合を示している。図1のカメラヘッド12の場合、例えば、色分解光学系12aを支持する台座等に機械的な駆動機構が設けられる。図5の上段では、入射光は例えば色分解光学系12aの所定の位置(中心部等)を中心に入射する。図5の下段では、色分解光学系12aが相対位置変更機構12hの駆動制御により平行移動されることで、入射光の光軸が相対的に平行移動され、入射光は色分解光学系12aの異なる位置に入射する。
FIG. 5 is a diagram showing another example of the relative
図1に戻り、カメラケーブル13は、カメラヘッド12とCCU14との間で映像信号、制御信号及び同期信号を送受信するための信号線を収容するケーブルである。
Returning to FIG. 1, the
CCU14は、カメラヘッド12から出力された映像信号に基づいて画像データを生成し、CCU14に接続されたディスプレイ101に画像データを出力する。CCU14は、制御回路(MPU:Micro-Processing Unit)14aと、画像処理回路(DSP:Digital Signal Processor)14bと、タイミング信号発生回路(TG:Timing Generator)14cと、出力回路(Output I/F)14dと、記憶回路14eとを備える。イメージセンサ12b、12c、12dがアナログ信号の映像信号を出力する場合、CCU14は、図示しないAD(Analog to Digital)コンバータ等を備える。かかるADコンバータは、例えば、イメージセンサ12b、12c、12dから出力されたアナログ信号の映像信号をデジタル信号の映像信号に変換する。すなわち、ADコンバータは、アナログ形式の映像信号をデジタル形式の映像信号に変換する。
The
制御回路14aは、撮像装置10の各種の構成要素を制御する。例えば、制御回路14aは、イメージセンサ制御回路12g、相対位置変更機構12h、画像処理回路14b及びタイミング信号発生回路14cに対して制御信号を出力して、カメラヘッド12、画像処理回路14bやタイミング信号発生回路14cを制御する。制御回路14aは、例えば、記憶回路14eに記憶された撮像装置10の制御プログラムを読み込み、読み込んだ制御プログラムを実行することで、撮像装置10の各種の構成要素を制御する制御処理を実行する。或いは、制御回路14aは、内部に図示しない記憶回路を有しており、当該記憶回路に記憶された制御プログラムを実行する。
The control circuit 14a controls various components of the
画像処理回路14bは、制御回路14aから出力された制御信号、並びに、タイミング信号発生回路14cから出力された水平同期信号及び垂直同期信号等の各種の同期信号に基づいて、デジタル信号である映像信号に対して各種の信号処理を施す。例えば、画像処理回路14bは、イメージセンサ12b、12c、12dからデジタル信号の映像信号が出力される場合には、この映像信号に対して各種の信号処理を施す。又は、画像処理回路14bは、イメージセンサ12b、12c、12dからアナログ信号の映像信号が出力される場合には、ADコンバータによりデジタル形式に変換された映像信号に対して各種の信号処理を施す。画像処理回路14bは、画像生成部の一例である。
The
画像処理回路14bは、信号処理として、イメージセンサ12b、12c、12dの配置に空間画素ずらし法(図2の左側に示されたような配置)が用いられている場合、画素のずれを考慮した画素補間処理を行う。この画素補間処理は、例えば、モアレの除去のために行われるものであり、空間的にずれた位置で撮像された信号を処理に用いることで、モアレの原因となる偽信号成分の打消しが可能となる。また、画像処理回路14bは、相対位置変更機構12hにより相対位置を変更する前と後の映像信号に基づき、画素補間処理を行う。
When the spatial pixel shift method (arrangement as shown on the left side of FIG. 2) is used for the arrangement of the
画像処理回路14bは、映像信号に対して信号処理が施された結果得られたRGB信号を、ディスプレイ101に表示される画像を示す画像データとして出力回路14dに出力する。このように、画像処理回路14bは、デジタル形式に変換された映像信号に基づいて、画像データを生成して出力する。
The
タイミング信号発生回路14cは、図示しない発振回路により生成されたクロック信号を基に水平同期信号及び垂直同期信号や、撮像装置10全体の同期をとるためのその他の同期信号等の各種の同期信号を生成する。そして、タイミング信号発生回路14cは、生成された各種の同期信号をイメージセンサ制御回路12g、相対位置変更機構12h、制御回路14aや画像処理回路14bに出力する。
The timing signal generation circuit 14c transmits various synchronization signals such as a horizontal synchronization signal and a vertical synchronization signal based on a clock signal generated by an oscillation circuit (not shown), and other synchronization signals for synchronizing the entire
また、タイミング信号発生回路14cは、クロック信号、及び、制御回路14aから出力された制御信号を基に、光源制御信号を生成する。光源制御信号は、光源30から出射される光を制御するとともに撮像装置10全体の同期をとるための制御信号である。ここでは、相対位置変更機構12hの制御タイミングと連動し、相対位置の変更と復帰の過渡期において光源30を消灯させ、相対位置の安定期において点灯するように制御している。また、ローリングシャッタ方式のイメージセンサを用いる場合、複数の画素の各行の露光期間に共通するグローバル露光期間に光源30の点灯期間を同期させることで、映像信号の歪みを防止するようにしている。そして、タイミング信号発生回路14cは、生成した光源制御信号を光源30に出力する。タイミング信号発生回路14cは、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)により実現される。制御回路14a、タイミング信号発生回路14c及びイメージセンサ制御回路12gは、イメージセンサ駆動部の一例である。
Further, the timing signal generation circuit 14c generates a light source control signal based on the clock signal and the control signal output from the control circuit 14a. The light source control signal is a control signal for controlling the light emitted from the light source 30 and synchronizing the entire
出力回路14dは、画像処理回路14bから出力されたRGB信号(画像データ)をディスプレイ101に出力する。これにより、ディスプレイ101は、RGB信号に基づいた画像を表示する。出力回路14dは、例えば、HDMI(High-Definition Multimedia Interface)(登録商標)ドライバIC(Integrated Circuit)やSDI(Serial Digital Interface)ドライバICなどにより実現される。
The
記憶回路14eは、例えば、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。記憶回路14eは、各種のプログラムを記憶する。例えば、記憶回路14eは、制御回路14aが内部に記憶回路を有していない場合、制御回路14aにより実行される制御プログラムを記憶する。また、記憶回路14eには、画像処理回路14bにより映像信号が格納される。
The storage circuit 14e is realized by, for example, a RAM (Random Access Memory), a semiconductor memory element such as a flash memory, a hard disk, an optical disk, or the like. The storage circuit 14e stores various programs. For example, the storage circuit 14e stores a control program executed by the control circuit 14a when the control circuit 14a does not have a storage circuit inside. Further, a video signal is stored in the storage circuit 14e by the
光源30は、光源制御信号に基づいて、白色光を出射する。光源30は、駆動回路30aと、白色LED(Light Emitting Diode)30bとを備える。駆動回路30aは、タイミング信号発生回路14cから出力される光源制御信号に基づいて、白色LED30bを駆動させて点灯させる駆動制御を行う。白色LED30bは、駆動回路30aによる駆動制御により、白色光を出射する。白色光は、例えば、可視光である。光ファイバ31は、光源30からの白色光をスコープ11の先端部に導いて、スコープ11の先端部から出射させる。
The light source 30 emits white light based on the light source control signal. The light source 30 includes a
また、本実施形態では、イメージセンサ12b、12c、12dとして、いわゆるマルチフレーム露光が可能なイメージセンサが用いられる。すなわち、本実施形態では、イメージセンサ12b、12c、12dの露光期間は、撮像装置10からディスプレイ101に1フレームの映像信号が出力される期間と同一である。そして、制御回路14aは、露光期間よりも、読み出し期間が短くなるようにイメージセンサ12b、12c、12dを制御するための制御信号をイメージセンサ制御回路12gに出力する。
Further, in the present embodiment, as the
具体例を挙げて説明すると、撮像装置10からディスプレイ101に出力される映像信号(画像)のフレームレートを、A[fps(frame per second)]とする。この場合、読み出し期間を、1/(M・A)[s]とすることが可能なイメージセンサを、撮像装置10のイメージセンサ12b、12c、12dとして用いる。すなわち、1/(M・n・A)[s]毎に、各行の映像信号を出力することが可能なイメージセンサをイメージセンサ12b、12c、12dとして用いる。ただし、ただし、「M」は、1よりも大きい数であり、「n」は、イメージセンサ12b、12c、12dの画素の行数である。以下、M=2の場合を例に挙げて説明するが、Mは、2とは異なる数であって1よりも大きい数であってもよい。
To give a specific example, the frame rate of the video signal (image) output from the
そして、制御回路14aは、露光期間1/A[s]よりも短い読み出し期間1/(2A)[s]で1フレームの映像信号をイメージセンサ12b、12c、12dに出力させるための制御信号をイメージセンサ制御回路12gに出力する。
Then, the control circuit 14a outputs a control signal for outputting the video signal of one frame to the
後述する例では、A=60の場合を例に挙げて説明する。つまり、露光期間と、撮像装置10からディスプレイ101に1フレームの映像信号が出力される期間とが同一の1/60[s]であり、読み出し期間が1/120[s]である場合とする。
In the example described later, the case of A = 60 will be described as an example. That is, it is assumed that the exposure period and the period in which one frame of video signal is output from the
以上、第1の実施形態に係る撮像システム1の撮像装置10の構成例について説明した。ここで、比較例に係る撮像装置について説明する。比較例に係る撮像装置は、上述した第1の実施形態における相対位置変更機構12hを有さず、入射光の光軸とイメージセンサ12b、12c、12dの相対位置の変更を行わない。また、比較例に係る撮像装置は、光源30による点灯を連続して行い、点灯・消灯の繰り返しは行わない。また、比較例に係る撮像装置は、相対位置の変更が行われないことに対応し、画像処理回路14bにおける信号処理において、相対位置を変更する前と後の映像信号に基づく画素補間処理を行わない。ただし、比較例は、図2の左側に示されたような3板式における空間画素ずらし法を用いているものとし、画像処理回路14bにおける信号処理において、画素のずれを考慮した画素補間処理を行うものとする。更に、比較例は、いわゆるマルチフレーム露光は行わず、1フレーム露光を行うものとする。
The configuration example of the
図6は、比較例に係る撮像装置の動作の一例を説明するための図である。図6には、比較例に係る撮像装置の光源制御信号と、イメージセンサが備える複数の画素の各行の露光タイミングと、イメージセンサから出力される映像信号の出力タイミングと、撮像装置から出力される映像信号の出力タイミングとの関係の一例が示されている。図6に示されるように、比較例に係る撮像装置では、光源制御信号は撮像の行われる間は常に点灯を指示する値であり、光源は点灯の状態に維持される。また、1フレーム目の露光タイミングとして、複数の画素の最初の行から最後の行に向かって1行毎に順次露光が開始される。比較例に係る撮像装置では、露光期間は、1/60[s]である。 FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the operation of the image pickup apparatus according to the comparative example. FIG. 6 shows the light source control signal of the image pickup device according to the comparative example, the exposure timing of each line of a plurality of pixels included in the image sensor, the output timing of the video signal output from the image sensor, and the output timing from the image pickup device. An example of the relationship with the output timing of the video signal is shown. As shown in FIG. 6, in the image pickup apparatus according to the comparative example, the light source control signal is a value instructing lighting at all times while imaging is performed, and the light source is maintained in the lighting state. Further, as the exposure timing of the first frame, the exposure is sequentially started line by line from the first line to the last line of the plurality of pixels. In the image pickup apparatus according to the comparative example, the exposure period is 1/60 [s].
そして、図6に示されるように、比較例に係る撮像装置では、露光が終了した行から順に映像信号が出力される。すなわち、最初の行から最後の行に向かって行毎に、1フレーム目の映像信号が順々に出力される。ここで、比較例に係る撮像装置では、イメージセンサから1フレームの映像信号が出力される期間(読み出し期間)は、露光期間と同じ1/60[s]である。そして、図6に示されるように、2フレーム目以降も同様の処理が行われる。 Then, as shown in FIG. 6, in the image pickup apparatus according to the comparative example, video signals are output in order from the row at which the exposure is completed. That is, the video signals of the first frame are sequentially output line by line from the first line to the last line. Here, in the image pickup apparatus according to the comparative example, the period (reading period) in which the video signal of one frame is output from the image sensor is 1/60 [s], which is the same as the exposure period. Then, as shown in FIG. 6, the same processing is performed for the second and subsequent frames.
ここで、比較例に係る撮像装置では、3板式における空間画素ずらし法が用いられ、画素のずれを考慮した画素補間処理が行われる。そのため、赤色、緑色、青色の比率が同じになる無彩色に近い画像についてはモアレが有効に除去される。しかし、無彩色から遠ざかるほどモアレ除去の効果は小さくなり、画質の低下が発生してしまう場合がある。 Here, in the image pickup apparatus according to the comparative example, the spatial pixel shift method in the three-plate system is used, and the pixel interpolation process in consideration of the pixel shift is performed. Therefore, moire is effectively removed for images that are close to achromatic colors and have the same ratio of red, green, and blue. However, the farther away from the achromatic color, the smaller the effect of removing moire, and the deterioration of the image quality may occur.
また、比較例に係る撮像装置では、イメージセンサは、複数の画素の全ての行において、光を受光する期間(受光期間)が露光期間と同じ期間である。そのため、最初の行から最後の行に向かって、各行の受光期間が順々に時間軸方向にずれている。このように、比較例に係る撮像装置では、行毎に受光期間が異なるため、動きの速い被写体については画像に歪みが発生してしまう場合がある。 Further, in the image pickup apparatus according to the comparative example, the image sensor has a period of receiving light (light receiving period) in all rows of a plurality of pixels, which is the same period as the exposure period. Therefore, from the first row to the last row, the light receiving period of each row is sequentially shifted in the time axis direction. As described above, in the image pickup apparatus according to the comparative example, since the light receiving period is different for each row, the image may be distorted for a fast-moving subject.
その他の比較例として、イメージセンサに3板式のデュアルグリーン方式や4板撮像方式が適用されるものが考えられる。3板式のデュアルグリーン方式は、緑色の分光に対して互いに半画素ずらされた2枚のイメージセンサを用い、赤色と青色についてはフィルタにより1枚のイメージセンサを兼用するようにしたものであり、「G1/G2/RB」と略記できる。4板撮像方式は、緑色の分光に対して互いに半画素ずらされた2枚のイメージセンサを用い、赤色と青色についてもそれぞれ1枚ずつのイメージセンサを用いるようにしたものであり、「G1/G2/R/B」と略記できる。 As another comparative example, a three-panel dual green system or a four-panel imaging system may be applied to the image sensor. The three-plate dual green method uses two image sensors that are half a pixel offset from each other with respect to the green spectrum, and one image sensor is also used for red and blue by a filter. It can be abbreviated as "G1 / G2 / RB". The four-panel imaging method uses two image sensors that are half a pixel offset from each other with respect to the green spectrum, and one image sensor for each of red and blue. It can be abbreviated as "G2 / R / B".
ここで、3板式のデュアルグリーン方式では、緑色と無彩色の画像についてはモアレ除去を行うことができるが、その他の色、例えば赤色又は青色の単色系については効果が小さいと共に、赤色と青色が1枚のイメージセンサで兼用されるため、赤色と青色の画素数が少なく、解像度が低下するという問題がある。4板撮像方式では、緑色と無彩色の画像についてはモアレ除去を行うことができるが、その他の色、例えば赤色又は青色の単色系については効果が小さいという問題がある。また、いずれの比較例も、ローリングシャッタ方式に起因する画像の歪みを解消することはできない。このように、比較例は、画像を観察する医師等のユーザにとって、観察するのに画質が十分でないという問題がある。 Here, in the three-plate dual green method, moire can be removed for green and achromatic images, but the effect is small for other colors such as red or blue monochromatic systems, and red and blue are produced. Since one image sensor is also used, there is a problem that the number of red and blue pixels is small and the resolution is lowered. In the four-panel imaging method, moire can be removed for green and achromatic images, but there is a problem that the effect is small for other colors such as red or blue monochromatic systems. Further, in any of the comparative examples, the distortion of the image caused by the rolling shutter method cannot be eliminated. As described above, the comparative example has a problem that the image quality is not sufficient for observing a user such as a doctor who observes an image.
そこで、第1の実施形態に係る撮像装置10は、上述した構成のもと、ユーザが観察するのに十分な画質を確保することができるように、以下の動作を行う。
Therefore, the
図7は、第1の実施形態に係る撮像装置10の動作の一例を説明するための図である。図7には、第1の実施形態に係る撮像装置10のタイミング信号発生回路14cから光源30に与えられる光源制御信号と、相対位置変更機構12hによる相対位置変更(光軸シフト)の状態と、イメージセンサ12b、12c、12dが備える複数の画素の各行の露光タイミングと、イメージセンサ12b、12c、12dから出力される映像信号の出力タイミングと、出力回路14dから出力される映像信号の出力タイミングとの関係の一例が示されている。
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the operation of the
タイミング信号発生回路14cから光源30に与えられる光源制御信号は、例えば、1/60[s]の周期の矩形信号であり、1/120[s]毎にローレベルとハイレベルの信号出力を繰り返す。例えば、図7に示された時刻t0から時刻t1の間は消灯を指示するローレベルの信号となり、時刻t1から時刻t2の間は点灯を指示するハイレベルの信号となり、その後も動作中はこれが繰り返される。光源30の駆動回路30aは、光源制御信号に基づいて、光源制御信号がハイレベルの期間のみ、白色LED30bに白色光を出射させる。
The light source control signal given to the light source 30 from the timing signal generation circuit 14c is, for example, a rectangular signal having a period of 1/60 [s], and repeats low-level and high-level signal output every 1/120 [s]. .. For example, from time t0 to time t1 shown in FIG. 7, it becomes a low-level signal instructing to turn off, and from time t1 to time t2, it becomes a high-level signal instructing to turn on, and this is a high-level signal instructing to turn on after that. Repeated. The
相対位置変更機構12hによる相対位置変更(光軸シフト)は、例えば、1/60[s]の周期で行われ、シフト状態(0.5pixel shift)への移行とノーマル状態(No shift)への復帰とが繰り返される。例えば、図7に示された時刻t0でシフト状態への移行が開始され、時刻t1までに移行が完了する。また、時刻t2の経過の後にノーマル状態への復帰が開始され、時刻t3までに復帰が完了する。
The relative position change (optical axis shift) by the relative
イメージセンサ12b、12c、12dが備える複数の画素の各行の露光タイミングは、例えば、倍速の2フレーム露光により、1/120[s]のフレームの2個分の1/60[s]が1フレームとして用いられている。例えば、図7に示された時刻t0から時刻t2が、あるフレームの最初の行の露光期間であり、その後も1行毎に順次露光が開始され、時刻t1から時刻t3がそのフレームの最後の行の露光期間である。なお、光源制御信号により、この露光期間のうち時刻t1から時刻t2だけが受光期間(Shift0)となり、この期間はイメージセンサ12b、12c、12dの複数の画素の各行の露光期間に共通する期間(グローバル露光期間)である。そのため、被写体の動きが速い場合であっても、画像の歪みが防止される。また、あるフレームの露光期間に続いて、次のフレームの露光期間が開始し、これらが繰り返される。すなわち、あるフレームの最初の行の露光が終了する時刻t2から次のフレームの最初の行の露光が開始する。このフレームにおける受光期間はNormal1で表されている。その次のフレームの受光期間はShift1、その次のフレームの受光期間はNormal2で表されている。
The exposure timing of each row of a plurality of pixels included in the
イメージセンサ12b、12c、12dから出力される映像信号の出力タイミングは、例えば、フレームの最初の行における露光の終了時点から最後の行の露光の終了時点までである。例えば、図7に示された最初のフレームについては、時刻t2から時刻t3の期間にイメージセンサ12b、12c、12dから映像信号(Shift0)が出力される。イメージセンサ12b、12c、12dから出力された映像信号は、続くフレームの映像信号を処理する際において使用されるため、少なくとも次のフレームについての処理が行われるまでは記憶回路14eにより記憶される。次のフレームにおける映像信号はNormal1で表されている。その次のフレームの映像信号はShift1、その次のフレームの映像信号はNormal2で表されている。
The output timing of the video signal output from the
撮像装置10の出力として出力回路14dから出力される映像信号は、相対位置変更(光軸シフト)が行われない状態でイメージセンサ12b、12c、12dから取得された映像信号と、相対位置変更(光軸シフト)が行われた状態でイメージセンサ12b、12c、12dから取得された映像信号とから、画素補間処理により得られた映像信号である。出力回路14dから出力される映像信号の出力タイミングは、イメージセンサ12b、12c、12dから映像信号が出力されてから次のフレームの映像信号が出力されるまでの間が1フレーム分とされる。図7の例では、時刻t2から時刻t4において、映像信号Video0((Normal0+Shift0)/2)が出力されている。(Normal0+Shift0)/2は映像信号Normal0と映像信号Shift0の2つから画素補間処理により得られた映像信号であることを示している。なお、最初のフレームであるため、ノーマル状態の映像信号Normal0は存在せず、映像信号Video0は、時刻t2から時刻t3の間にイメージセンサ12b、12c、12dから取得された映像信号Shift0だけに基づくものとなる。また、時刻t4から時刻t6において、時刻t2から時刻t3の間にイメージセンサ12b、12c、12dから取得された映像信号Shift0と、時刻t4から時刻t5の間にイメージセンサ12b、12c、12dから取得された映像信号Normal1に基づく映像信号Video1((Normal1+Shift0)/2)が出力されている。続くフレームについても同様であり、映像信号Video2((Normal1+Shift1)/2)、映像信号Video3((Normal2+Shift1)/2)が順に出力される。
The video signals output from the
画像処理回路14bにより行われる画素補間処理により、モアレが有効に除去され、高画質化が図られる。すなわち、相対位置の変更により得られた半画素ずれた位置の信号が用いられることで、全ての色についてモアレの除去が可能となり、高画質化が図られる。別言すれば、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の3板式の場合、相対位置の変更により、疑似的に6板式(G1/G2/R1/R2/B1/B2)が実現されることになり、無彩色に限られずに全ての色の映像信号に対してモアレの除去が可能になる。
Moire is effectively removed by the pixel interpolation processing performed by the
(第1の実施形態の変形例)
前述した第1の実施形態では、硬性内視鏡に適用された例について説明したが、スコープが軟性を有する軟性内視鏡に適用されるものでもよい。また、適用対象は、医療用途に限られない。
(Variation example of the first embodiment)
In the first embodiment described above, an example applied to a rigid endoscope has been described, but the scope may be applied to a flexible endoscope having flexibility. Moreover, the application target is not limited to medical use.
また、前述した第1の実施形態では、ローリングシャッタ方式のイメージセンサを用いた例について説明したが、複数の画素の各行について共通するグローバル露光期間を有するグローバルシャッタ方式のイメージセンサを用いてもよい。グローバルシャッタ方式のイメージセンサは、複数の画素の露光を同時に開始し、複数の画素で発生した電気信号を一括して出力する処理を、1フレーム毎に繰り返す。 Further, in the first embodiment described above, an example using a rolling shutter type image sensor has been described, but a global shutter type image sensor having a common global exposure period for each row of a plurality of pixels may be used. .. The image sensor of the global shutter system starts the exposure of a plurality of pixels at the same time, and repeats the process of collectively outputting the electric signals generated by the plurality of pixels for each frame.
また、前述した第1の実施形態では、外部照明がない状態では受光が行われない体内等の空間の撮像を想定しているが、外光がある空間の撮像に適用することも可能である。この場合、例えば、カメラヘッド12において、スコープ11の対物レンズ11aから色分解光学系12aに向かう光軸の経路の途中に機械式又は電気式のシャッタが設けられる。機械式のシャッタは、例えば、光路を開閉(透過・遮光)する稼働部材により構成される。電気式のシャッタは、例えば、透過・遮光の切り替えが可能な液晶フィルタにより構成される。外光がある空間でのみ使用される場合、光源30及び光ファイバ31は不要となる。
Further, in the above-mentioned first embodiment, it is assumed that the image is taken in a space such as the inside of the body where light is not received in the absence of external lighting, but it can also be applied to the image in a space with external light. .. In this case, for example, in the
そして、シャッタは、タイミング信号発生回路14cにより発生される光源制御信号と同じタイミングの信号に基づき、相対位置変更機構12hによる相対位置変更が行われる過渡期は遮光を行い、相対位置変更が完了して受光が行われるグローバル露光期間にのみ透過を行う。
Then, the shutter shields light during the transitional period in which the relative position change is performed by the relative
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る撮像装置について説明する。第2の実施形態において、第1の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する場合がある。第2の実施形態に係る撮像装置は、カメラヘッドに単板式のイメージセンサを用いた点が第1の実施形態と異なる。
(Second embodiment)
Next, the image pickup apparatus according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment may be designated by the same reference numerals and description thereof may be omitted. The image pickup apparatus according to the second embodiment is different from the first embodiment in that a single plate type image sensor is used for the camera head.
図8は、第2の実施形態に係る撮像装置10を備える撮像システム1の構成例を示す図である。図8において、カメラヘッド12は、ベイヤフィルタ12eと、イメージセンサ12fと、イメージセンサ制御回路12gと相対位置変更機構12hとを備える。ベイヤフィルタ12eは、イメージセンサ12fの露光面に配置され、イメージセンサ12fの各画素に入射する色を赤色・緑色・青色等のいずれかに限定するものである。図9は、ベイヤフィルタ12eの配色の例を示す図であり、隣接する4つの画素のうち、2つが緑色に割り当てられ、残りの2つが赤色及び青色に割り当てられている。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of an
図8に戻り、イメージセンサ12fは、例えば、CMOSイメージセンサである。イメージセンサ12fの撮像面は、スコープ11の対物レンズ11aの結像面と略一致するように配置される。イメージセンサ12fは、複数の画素(撮像要素)を備える。複数の画素は、イメージセンサ12fの撮像面において行列状に配置される。イメージセンサ12fの各画素は、イメージセンサ制御回路12gによる駆動制御により、光を受光することにより映像信号(電気信号)を発生し、発生した映像信号を出力する。例えば、イメージセンサ12fの各画素は、光源30により被検体100の体内組織に照射された光の戻り光(反射光)を受光することにより、映像信号を出力する。
Returning to FIG. 8, the image sensor 12f is, for example, a CMOS image sensor. The image pickup surface of the image sensor 12f is arranged so as to substantially coincide with the image formation surface of the
イメージセンサ12fは、前述したローリングシャッタ方式又はグローバルシャッタ方式のいずれであってもよい。また、イメージセンサ12fからは、アナログ信号又はデジタル信号の映像信号が出力される。 The image sensor 12f may be either the rolling shutter method or the global shutter method described above. Further, a video signal of an analog signal or a digital signal is output from the image sensor 12f.
イメージセンサ制御回路12gは、前述した第1の実施形態と同様であるが、制御対象が単板式のイメージセンサ12fとなるため、対象の違いに応じた制御の違いは存在する。
The image
相対位置変更機構12hは、前述した第1の実施形態と同様であり、相対位置変更(光軸シフト)の具体的手法についても図4又は図5に示されたものと同様である。なお、色分解光学系12a及びイメージセンサ12b、12c、12dがベイヤフィルタ12e及びイメージセンサ12fに置き換わる。ただし、前述した第1の実施形態では、斜め方向(縦方向及び横方向)に半画素(1/2画素)に対応する距離だけずらしていたが、図9に示されたような配色のベイヤフィルタ12eを伴ったイメージセンサ12fに対しては、斜め方向に半画素に対応する距離ずらす場合に加え、斜め方向、横方向又は縦方向に1画素に対応する距離ずらすことが効果的である。すなわち、図9に示されたような配色では、1画素おきに同じ色となっているため、1画素ずらすことで同じ色について中間的な位置の情報を取得できるからである。
The relative
図8において、CCU14の構成及び動作については、前述した第1の実施形態と同様であるが、制御対象が単板式のイメージセンサ12fとなるため、対象の違いに応じた制御の違いは存在する。例えば、イメージセンサ12fの解像度と同じ解像度のRGBの映像信号を取得する場合、画像処理回路14bにより、画素毎に、当該画素の周辺の画素から出力される映像信号に基づいて、当該画素で直接得られない残りの2色の各映像信号を推定する推定処理が実行される。また、相対位置変更の画素ずらしの量が変わる場合は、画素補間処理におけるパラメータに変更が生ずる。
In FIG. 8, the configuration and operation of the
第2の実施形態によれば、単板式のイメージセンサ12fが用いられることにより、カメラヘッド12を小型に構成することができ、その小型の筐体において、高画質化が図られる。
According to the second embodiment, by using the single plate type image sensor 12f, the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
1 撮像システム
10 撮像装置
12b~12d、12f イメージセンサ
12h 相対位置変更機構
14b 画像処理回路
1
Claims (8)
前記複数の画素が光を受けない非受光期間において、前記光軸と前記イメージセンサとの相対位置を変更する相対位置変更部と、
前記相対位置が変更された状態で得られた映像信号と、前記相対位置が変更されない状態で得られた映像信号とに基づいて、画像データを生成する画像生成部と、
前記受光期間が、前記複数の画素の各行の露光期間に共通するグローバル露光期間内となるように、前記イメージセンサを駆動させるイメージセンサ駆動部とを備え、
前記相対位置が変更された状態でのグローバル露光期間と前記相対位置が変更されない状態でのグローバル露光期間とが交互に配置され、前記画像データは前記1フレームの期間の2倍の期間で外部に出力されることを特徴とする撮像装置。 It is arranged in a matrix and contains a plurality of pixels that generate an electric signal by receiving light incident along the optical axis in a light receiving period generated at a fixed cycle, and includes a plurality of pixels from the first row to the last of the plurality of pixels. A rolling shutter type image sensor that starts exposure sequentially at least one row at a time toward a row and outputs a video signal based on the electric signal in order from the row where the exposure is completed, every frame .
A relative position changing unit that changes the relative position between the optical axis and the image sensor during a non-light receiving period in which the plurality of pixels do not receive light.
An image generation unit that generates image data based on a video signal obtained in a state where the relative position is changed and a video signal obtained in a state where the relative position is not changed .
An image sensor driving unit for driving the image sensor is provided so that the light receiving period is within the global exposure period common to the exposure periods of each row of the plurality of pixels .
The global exposure period in the state where the relative position is changed and the global exposure period in the state where the relative position is not changed are arranged alternately, and the image data is externally arranged in a period twice the period of the one frame. An image pickup device characterized by being output .
前記シャッタは、前記相対位置の変更が行われている過渡期に遮光を行い、前記グローバル露光期間に透光を行う、請求項1に記載の撮像装置。 The image pickup device further includes a shutter arranged in the middle of the path of the optical axis.
The image pickup apparatus according to claim 1 , wherein the shutter shields light during a transitional period in which the relative position is changed, and transmits light during the global exposure period .
前記複数の画素は、前記光源から発せられた光の反射光を受光する、請求項1~3のいずれか一つに記載の撮像装置。 A light source that emits light during the light receiving period is provided.
The image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of pixels receive the reflected light of the light emitted from the light source.
前記相対位置変更部は、前記複数の画素の2次元の並びの斜め方向に半画素に対応する距離だけ前記光軸と前記イメージセンサの相対位置を変更する、請求項1~4のいずれか一つに記載の撮像装置。 The image sensor is a three-plate type sensor that receives light dispersed in each of the green, red, and blue colors.
One of claims 1 to 4, wherein the relative position changing unit changes the relative position of the optical axis and the image sensor by a distance corresponding to a half pixel in a diagonal direction of a two-dimensional arrangement of the plurality of pixels. The imaging device according to one.
前記相対位置変更部は、前記複数の画素の2次元の並びの縦、横又は斜めの方向に1画素に対応する距離だけ前記光軸と前記イメージセンサの相対位置を変更する、請求項1~4のいずれか一つに記載の撮像装置。 The image sensor is a single-panel sensor in which a filter of any color of green, red, or blue is arranged on the plurality of pixels.
The relative position changing unit changes the relative position of the optical axis and the image sensor by a distance corresponding to one pixel in the vertical, horizontal or diagonal direction of the two-dimensional arrangement of the plurality of pixels, according to claims 1 to 1. The image pickup apparatus according to any one of 4.
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