JPH02177678A - 固体撮像素子による撮像方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野１ 本発明は、電子内視鏡装置に設けられる固体撮像素子を
面順次方式で駆動することによって、観察対象部の撮像
を行う撮像システム等として用いられる固体撮像素子に
よる撮像方式に関するものである。

〔従来の技術１ 医療用や工業用として用いられる電子内視鏡装置は、内
視鏡本体と、プロセッサと、モニタ装置とを備え、内視
鏡本体における挿入部を人体等の内部に挿入して、プロ
セッサに内蔵した照明装置から観察対象部に向けて照明
光を照射し、当該観察対象部からの反射像をＣＯＤ等の
撮像素子によって光電変換することにより画像信号を形
成するようになし、このようにして得た画像信号を撮像
素子から読み出してプロセッサに伝送し、該プロセッサ
に内蔵した映像信号処理回路により所定の信号処理を行
った上でモニタ装置にカラー表示するようにしている。

ここで、内視鏡本体の挿入部の細径化を図るために、１
枚の撮像素子を用い、しかもその解像度を向上させるた
めに、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の各色の画像を
それぞれフィールド毎に電気信号化し、これらの信号を
重ね合せることにより映像コンポジット信号となし、こ
の映像コンポジット信号をモニタ装置に伝送して、その
画像をモニタ画面に表示する、所謂面順次方式で撮像素
子を駆動するものが用いられる。

このように５面順次方式で撮像するためには、観察対象
部に向けて照射される照明光を、フィルタを介すること
によって、Ｒ，Ｇ、Ｂの３色に分解して、各色の波長光
による照明光を時分割して順次照射するようにしなけれ
ばならない、このために、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色の波長領域
光を透過させるフィルタ域を有する回転カラーフィルタ
を用い、この回転カラーフィルタを光源からの照明光の
光路に介在させるようにしたものが用いられている。

ここで、例えば白い物体をＲ，Ｇ、Ｂの各照明光で照射
して、その反射像を固体撮像素子により光電変換して、
その撮像を行ったときに、Ｒ２Ｏ，Ｂの各フィールドの
画像信号の出力レベルが等しくなっていなければならず
、それぞれの信号の出力レベルに差があると、モニタ装
置に画像を表示したときに、その色の再現性が悪くなる
。

ところで、一般に固体撮像素子は、赤外及び赤の長波長
領域に対する感度が高く、短波長領域である青色光に対
する感度が小さくなるという傾向がある。また１回転カ
ラーフィルタにおける各色のフィルタ域の光透過率は、
Ｂのフィルタ域は最小で、Ｇ、Ｈのフィルタ域の順に透
過光量が大きくなる。このために、固体撮像素子を用い
て観察対象部の撮像を行うに当って、Ｒフィールドにお
ける画像出力信号とＢフィールドの画像出力信号とを比
較したときに、Ｒフィールドの出力値がＢフィールドの
それよりかなり高くなる。具体的には、Ｒ，Ｇ、Ｈの各
フィールドの画像信号出力比はほぼ２．５：２：１とな
る。

従って、照明光の光量を大きくすると、Ｒフィールドに
おける信号が先に飽和してしまい、所謂白つぶれの現象
が起きて、モニタ画面に表示されるカラー画像の画質の
低下を来たすことになり、また、暗部や中間光部等にお
いては、画像が赤味がかった色となる等、再生画像の忠
実な色再現性を図ることができないという欠点がある。

さらに、前述した白つぶれ現象の発生を防止するために
は、光量を必要以、ヒ絞らなければならない。

ところが、固体撮像素子の光に対するダイナミックレン
ジは、撮像管と比較して、１７３〜１／１０と小さく、
このために、光量の絞りを大きくすると、ダイナミック
レンジの低下が著しくなり、Ｓ／Ｈの低下を来たすとい
う問題点もある。

このために、従来技術にあっては１回転カラーフィルタ
におけるＲ、Ｇ、Ｂの各フィルタ域の面積に差を持たせ
るようになし、これら各フィルタ域における照明光の光
量を調整するようにしていいた。

［発明が解決しようとする問題点ｊ ところで、固体撮像素子における受光特性は、個々の製
品について多少のばらつきがあるが、前述した従来技術
の方式による調整では、個々の固体撮像素子の受光特性
に対応させて、各フィールドの受光量を微細に調整する
ことはできないという欠点がある。また、各フィルタ域
のうち、狭いフィルタ域、即ちＲのフィルタ域における
透過光の光量の立ち上りに遅れが生じて、かえって光量
バランスが悪くなり、このＲフィルタ域にフンケープを
設ける必要があるだけでなく、フィルタ域を形成するた
めに、異なる３枚の異なるサイズの基板を用いる必要が
あり、このために製造が面倒となる等種々の問題点があ
る。

本発明は叙上の点に鑑みてなされたものであって、その
目的とするところは、回転力ラーフィルタにおける異な
る波長領域光を透過させる各フィルタ域の面積に差を持
たせることなく、観察対象部における画像の画質、特に
その色再現性を向上させることができるようにした固体
撮像素子による撮像方式を提供することにある。

［問題点を解決するための手段１ 前述した目的を達成するために１本発明は、それぞれ異
なる波長光による照明に基づく各色画像フィールドにお
ける信号蓄積時間に差を持たせることによって、回転カ
ラーフィルタの光減衰率や固体撮像素子の感度特性等に
起因して生じる固体撮像素子の各色画像信号における色
バランスのばらつきを防止しようとするものであって、
このために、前記各フィールドのうち、少なくとも一部
のフィールドの画像信号の蓄積時に、固体撮像素子に所
定の時間分だけドレイン信号を加えることにより、その
間に蓄積された電荷を掃き出させるようにしたことをそ
の特徴とするものである。

［作用ｌ 固体撮像素子におけるＲ、Ｇ、Ｂ等の相異なる波長領域
光による各色画像信号の出力レベルは、該固体撮像素子
の受光時間に差を持たせることにより調整することがで
きる。そこで、前述した各波長領域光によるそれぞれの
フィールドにおける色画像の信号電荷を蓄積する際に、
その全期間にわたって信号の蓄積を行わせず、所定時間
分だけ信号電荷をドレインに掃き出させて、非蓄積時間
を設定することにより、受光時間差を設けることができ
る。

そこで１本発明においては、固体撮像素子に所定の時間
だけドレイン信号を加えるようにする。

このドレイン信号が加えられている間は非蓄積時間とな
って、信号電荷の蓄積が行われず、そのまま外部に掃き
出される。そして、このドレイン信号を解除すると、信
号電荷の蓄積が行われる。この結果、各フィールドにお
ける出力レベルを調整することができる。

従って、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色画像を形成する場合において
は、固体撮像素子の分光感度特性、フィルタの光減衰率
等に応じて、最も低い感度のＢフィールドを基準とし、
それより高い感度のＧフィールド及びＲフィールドにお
ける信号の非蓄積時間を設け、しかもこれらＧフィール
ドよりＲフィールドの方が非蓄積時間を多くする。これ
により、Ｒ，Ｇ、Ｈの各フィールドにおける色画像信号
の出力レベルを均一化することができるようになり、画
像の色バランスが正確に取れるよう微細に調整すること
ができる。

ここで、固体撮像素子には、スミアやブルーミングの発
生を防１卜するために１強い光が受光されたときに生じ
る過剰な電荷を掃き出すようにした、所謂オーバフロー
ドレイン構造を有するのが一般的である。そこで、この
オーバフロードレイン機構を固体撮像素子における非電
荷蓄積時間とするためのドレイン機構として利用すれば
よい。

〔実施例１ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

まず、第１図に面順次方式の撮像システム全体の概略構
成を示す。

図中において、Ｓは内視鏡本体、Ｐはプロセッサ、Ｍは
モニタ装置をそれぞれ示し、プロセッサＰの内部には、
照明ランプ１ａと、反射鏡１ｂ及び集光レンズｌｃ、ｌ
ｄを有する照明装置ｌが内蔵されており、該照明装置１
は光源点灯回路２によって、その作動が制御されるよう
になっている。この照明装置ｌからの照明光は、ライト
ガイド３内に入射されて、該ライトガイド３の出射端か
ら観察対象部Ｏに向けて照明光を照射することができる
ようになっている。そして、照明装置ｌにおける集光レ
ンズｌｃ、ｌｄ間には、回転カラーフィルタ４が介装さ
れており、該回転カラーフィルタ４はモータ５により回
転駆動せしめられるようになっている。

ここで、回転カラーフィルタ４には、第２図に示したよ
うに、Ｒ，Ｇ、Ｂの各波長領域光のみを透過させるフィ
ルタ域４Ｒ，４Ｇ、４Ｂが形成されており、これら各フ
ィルタ域４Ｒ、４Ｇ　、　４Ｂは等しい面積を有する。

また、回転フィルタ４のフィルタ域４Ｒ，４Ｇ、４Ｂの
内側位置には、各フィルタ域４Ｒ。

４Ｇ、４Ｂの検出を可能ならしめるためのインデックス
８Ｒ，８Ｇ、ｅＢが形成されると共に、これら各インデ
ックスＳＲ，ＧＧ、８Ｂを検出するために、フォトセン
サ７がこのインデックス６Ｒ，θＧ、８Ｂに対面する位
置に配設されて、Ｒ，Ｇ、Ｂの各イネイブル信号を出力
することができるようになっている。

そして、この観察対象部Ｏからの反射像は対物レンズ８
を介して固体撮像素子としてのＣＣＤ９に入射されて、
該ＣＣＤ９により光電変換されるようになっている。こ
のＣＣＤ９を駆動するために、プロセッサＰ内には、Ｃ
ＯＤ駆動駆動回路ｌ膜けられており、またＣＣＤ９から
出力される画像信号を処理するための画像信号処理回路
１１が設けられている。さらに、モータ５の回転速度を
制御するために、モータ制御回路１２が設けられている
。

ここで、ＣＣＤ９は、第３図に示したように、イメージ
エリア９ｄと、ストレッジエリア９ｂ及び水平転送部９
ｃとを有し、観察対象部０に対してＲ２Ｏ，Ｈの波長光
による照明が行われている間に、イメージエリア９ａに
より信号電荷の蓄積が行われる。そして、Ｒ，Ｇ、Ｂの
各波長領域光による照明の移行部分における遮光部間に
該イメージエリア９ａに蓄積された信号電荷がストレッ
ジエリア９ｂに転送される。さらに、次のフィールドの
画像信号の蓄積が行われている間に、ストレッジエリア
９ｂから水平転送部３ｃに信号電荷が順次転送されるよ
うになっている。

このＣＣＤ９の駆動はＣＯＤ駆動回路１０により行われ
るようになっており、イメージエリア８ａからストレッ
ジエリア９ｂへの信号電荷の転送パルス及びストレッジ
エリア９ｂから水平転送部９ｃへの信号の転送パルス等
が該ＣＣＤ駆動回路１０からＣＯＤ駆動信号線１３を介
してＣＣＤ９に伝送されるようになっている。また、Ｃ
ＣＤ９における水平転送部８Ｃから出力されるＲ、Ｇ、
Ｂの各色画像信号は、画像信号伝送線１４を介して画像
信号処理回路１１に伝送されて、所定の信号処理を行っ
たＦで、該画像信号処理回路１１におけるメモリに書き
込まれ、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色画像信号がメモリに記録され
たときに、これらの信号を合成して映像コンポジット信
号となし、この映像コンポジット信号がモニタ装置Ｍに
伝送されて、該モニタ装置Ｍにおいて観察対象部０のカ
ラー画像が表示されるようになる。

ところで、Ｒ，Ｇ、Ｂの各フィルタ域４Ｒ，４Ｇ。

４Ｂにおける透過光の減衰率は、第４図（ＥＬ）に示し
た如く、Ｒ，Ｇ、Ｂの順に大きくなり、Ｂフィルタ域４
Ｂを透過する光が最も大きく減衰する。また、ＣＣＤ９
の分光感度特性は、一般に、第４図（ｂ）に示したよう
に、長波長域の方が短波長域より優れている。従って、
白色パターンを撮影したときにおけるＲ、Ｇ、Ｂの各フ
ィールドにおけるＣＣＤ９の出力レベルはＲフィールド
画像信号が最も高く、次いでＧフィールド画像信号ノ出
力レベルとなり、Ｂフィールド画像信号の出力レベルは
最も低くなる。

本発明においては、このＲ，Ｇ、Ｂの各フィールド画像
信号における出力レベルのばらつきを補正して、画像の
色再現性を良好ならしめるために、一定の期間だけＣＣ
Ｄ９のイメージエリア８ａに蓄積される信号電荷をドレ
インに掃き出させることにより、電荷の非蓄積時間を設
定するようにしている。

ここで、画像におけるスミアやブルーミング等の発生を
防止するために、ＣＣＤ９は通常オーバフロードレイン
機構を備えており、このオーバフロードレイン機構を非
蓄積時間を持たせるための機構として利用する。そこで
、以下に、オーバフロードレイン機構を利用して信号電
荷を掃き出させる構成について説明する。

まず、ＣＣＤθにおけるイメージエリア８ａの単位画素
を第５図に模式的に示す、同図から明らかなように、フ
ォトダイオード等からなる受光部２０を有し、該受光部
２０と転送用のＣＯＤからなるシフトレジスタ２１との
間にはトランスファゲート２２が設けられている。一方
、トランスファゲート２２が閉じた状態となっていると
きに、受光部２０における信号電荷の蓄積が過剰となっ
た場合に、シフトレジスタ２１側に電荷がオーバフロー
しないようにするために、オーバフロードレイン２３が
設けられている。該オーバフロードレイン２３と受光部
２０との間は所定のオーバフローポテンシャル２４によ
り隔てられており、このオーバフローポテンシャル２４
の電位は、トランスファゲート２２の電位より低く、し
かも同図に点線で示した標準信号レベルポテンシャルよ
り高い状態となっている。

従って、このオーバフローポテンシャル２４にオーバフ
ロー電圧を加えた状態に保持しておけば、受光部２０に
蓄積される信号電荷は、同図に一点鎖線で示したオーバ
フロー値を越えない限り、該受光部２０に蓄積されるこ
とになる。そして、このようにして蓄積された電荷をス
トレッジエリア９ｂに転送するには、転送パルスを電極
２５に加えることにより、トランスファゲート２２の電
位を点線状態に下げる。これによって、受光部２０内の
信号電荷はシフトレジスタ２１に移行して、ストレッジ
エリア３ｂに転送される。

然るに、オーバフローポテンシャル２４の電圧Ｖｏｆを
同図に点線で示した状態にまで下げると、受光部２０に
蓄積された信号電荷はオーバフロードレイン２３に流れ
ることになり、この結果、受光部２０には信号電荷の蓄
積が行われなくなる。従って、その間は非蓄積時間とな
る。

そこで、ＣＯＤ駆動回路１０に入力されるＲ２Ｏ，Ｂの
各イネイブル信号Ｒ，Ｇ、Ｈの各フィールドの画像信号
の蓄積を行うに際して、最も分光感度特性の高いＲフィ
ールドの画像信号の蓄積時には、非蓄積時間を最大とし
、また次に分光感度特性の高いＧフィールドの画像信号
蓄積時における非蓄積時間を設定し、さらに分光感度特
性の最も低いＢフィールドの画像信号蓄積時には、非蓄
積時間を設けないようにする。そして、第６図に示した
ように、この非蓄積時間を、非蓄積時間設定器３０に予
め設定しておき、フォトセンサ７からＲ，Ｇ、Ｂタイミ
ングパルス発生回路３１を介してＲ，Ｇ、Ｈの各イネイ
ブル信号を取り込んで、このイネイブル信号に基づいて
、トレイン電圧制御回路３２に非蓄積時間設定信号を入
力するようになっている。この結果、該ドレイン゛宅圧
制御回路３１から非蓄積時間分だけＶｏｆ電圧をＣＣＤ
９に出力することができるようになっている。

従って、第７図（ａ）に示したように、Ｒ２Ｏ，Ｈの各
波長光が観察対象部Ｏに向けて順次照射して、ＣＣＤ９
によりＲ，Ｇ、Ｂの各フィールドにおける色画像信号の
蓄積が順次行われ、ＣＯＤ駆動回路１０からＣＣＤ９に
印加される垂直転送パルス　（同図（ｂ）参照）により
Ｒ，Ｇ、Ｂの各色画像が読み出される。この間に、フォ
トセンサ７から取り込まれるＲ、Ｇ、Ｈの各イネイブル
信号に基づいてドレイン電圧制御回路３２からは同図（
Ｃ）に示したＶａｔ電圧がＣＣＤ駆動信号線１３を介し
てＣＣＤ９に入力されて、Ｒフィールド及びＧフィール
ドにおける画像信号蓄積時間が短縮される。この結果、
白パターンの撮像を行うに際して、同図（ｄ）に示した
ように、Ｒ，Ｇ、Ｈの各画像信号の出力レベルが等しく
なり、再生画像の色／ヘランスが良好となる。これに対
して、ＲｌＧ、Ｈの各画像信号蓄積時間を同一にした場
合には、同図（ｅ）に示したように、Ｒフィールドの出
力レベルが最も高く、次いでＧフィールドとなり、Ｂフ
ィールドは最も出力レベルが低くなるために、これらの
色画像信号を重ね合せたときには、色バランスが取れな
くなる。

従って、Ｒ，Ｇ、Ｂの各フィールドにおける非信号蓄積
時間を予め調整して、非蓄積時間設定器３０に設定して
おくことにより１回転カラーフィルタ４における各色波
長光の減衰率や、ＣＣＤ９の分光感度特性等に対応させ
て、しかも個々のＣＣＤ８の個性に応じて、Ｒ，Ｇ、Ｂ
の各フィールドにおける画像信号の出力レベルのバラン
スを改善することができるようになって、再生画像の色
再現性が著しく良好となり白つぶれ現象が抑制され、し
かも暗部や中間光部分における色の再現性が極めて良好
となる。

さらに、Ｂフィールドの画像信号形成時にＣＣＤ９が飽
和しない範囲内で、照明ランプ１による照明光の光量の
増大を図ることができるようになるので、ＣＣＤ９から
の出力信号レベルを大きくすることができ、ダイナミッ
クレンジが向上すると共にＳ／Ｎが良好となって、画質
の向上を図ることができる。

次に、−第８図に示したように、フォトダイオードから
なる受光部４０と、トランスファゲート４１及び埋込み
チャンネルＣＯＤからなる垂直シフトレジスタ４２を有
するインターライン転送方式のＣＯＤで、受光部４０の
位置と垂直シフトレジスタ４２の位置とでｐウェル４３
の深さを変えるようにした縦型オーバフロー構造のもの
は、ｐウェル４３とｎ形基板４４との間に逆バイアス電
圧Ｖ　ｓｕｂを印加することによって、受光部４０に蓄
積された信号電荷をｎ形基板４４に掃き出すことができ
る。この縦型オーバフロー構造のインターラインＣＯＤ
を用いる場合には、第９図に示したように、逆バイアス
電圧Ｖ　ｓｕｂをトランスファゲート電位ψｔｇｈより
低くすれば、その間は受光部４０に生じる信号電荷は、
該受光部４０内に蓄積されず、ｎ形基板４４に掃き出さ
れることになる。従って、前述した逆バイアス電圧Ｖ　
ｓｕｂを制御すれば、前述と同様にＲｌＧ、Ｂの各フィ
ールドにおける信号蓄積時間に差を持たせることができ
る。

「発明の効果１ 以上説明したように１本発明によれば、回転フィルタを
透過する各波長債域光のそれぞれのフィールドにおける
画像信号の蓄積時のうち、少なくとも一部のフィールド
に固体撮像素子にドレイン信号を加えることにより信号
電荷の蓄積を行わない非番積時間を設定することによっ
て、各フィールドの画像信号の蓄積時間に差を持たせる
ようにしたので、固体撮像素子による各色画像の出力信
号のバランスが良好となり、再生画像の色バランスを改
善することができ、忠実な再生画像を得ることができる
ようになり、また所謂白つ２≦；れ等の減少を抑制し、
暗部や中間光部における画像の色再現性が向上し、さら
に最も感度の低いフィールドを基準として照明光の光量
を調整することにより、ダイナミックレンジを大きくす
ることができるようになりＳ／Ｎが向丘して、画像の画
質を著しく向上させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は本発明の第１の実施例を示し、第１
図は面順次方式の撮像システム全体の概略構成説明図、
第２図は回転カラーフィルタの構成説明図、第３図（ａ
）は回転カラーフィルタの光減衰率を示す線図、第３図
（ｂ）は各フィールドの色画像の撮像時におけるＣＯＤ
の感度特性を示す線図、第４図は固体撮像素子の構成説
明図。 第５図はＣＯＤの単位画素の電位分布を示す模式図、第
６図は非蓄積時間の設定機構の構成を示すブロック図、
第７図（ａ）は照明サイクルを、同図（ｂ）は電荷転送
パルスを、同図（Ｃ）はＶａｔ電圧のパルス波形を、同
図（ｄ）は電荷蓄積時間の調整を行った状態の各色画像
信号の出力特性を、また同図（ｅ）は電荷蓄積時間の調
整を行わない状態の色画像信号の出力特性を、それぞれ
示す線図、第８図及び第９図は本発明の第２の実施例を
示すもので、第８図はＣＣＤの単位画素の構成説明図、
第９図は第８図の電位分布を示す模式ｌ：照明装置、３
ニライトガイド、４：回転カラーフィルタ、４Ｒ：Ｒフ
ィルタ域、４Ｇ：Ｇフィルタ域、４Ｂ：Ｂ；ｙイルタ域
、９：ＣＣＤ、８ａ：イメージエリア、９ｂ：ストレッ
ジエリア、８ｃ：水平転送部、１０：ＣＣＤ駆動回路、
ｌｌ：画像信号処理回路、１３：ＣＣＤ駆動信号線、１
４：画像信号伝送線、２０　、４０　：受光部、２１：
シフトレジスタ、２２゜４１ニドランスフアゲート、２
３ニオ−バフロードレイン、２４ニオ−バフローポテン
シャル、３０：非蓄積時間設定器、３１：タイミングパ
ルス発生器、３！二　ドレイン電圧制御回路、４２：垂
直シフトレジスタ、４３：ｐウェル、４４：ｎ形基板。 Ｓ：内視鏡本体、Ｐ：プロセッサ、Ｍ：モニタ装置、ｏ
：１８１察対象部。 第 図 （ａ） （ｂ） 第 図 ９ｃｍ−区り廻■コー 第 図 瞳−一一一→−− 一一一 一一一 第 図 ｏｆ 第 図 手続補正書（ろ幻 平成元年４月１３日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　光源からの照明光の光路に回転カラーフィルタを介装
   し、該回転カラーフィルタを回転させることにより異な
   る波長光による照明光を観察対象部に向けて順次照射し
   て、固体撮像素子により撮像するものにおいて、前記各
   波長に対応する各フィールドのうち、少なくとも一部の
   フィールド画像信号の蓄積時に、前記固体撮像素子に所
   定時間だけドレイン信号を加えることにより、その間に
   蓄積された電荷を掃き出させるようにしたことを特徴と
   する固体撮像素子による撮像方式。