JPH0614707B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は解像度の低下を防止した撮像装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、電荷結合素子（ＣＣＤ）等の固体撮像素子を撮像
手段に用いた内視鏡が種々提案されている。

上記固体撮像素子を撮像手段に用いると、画像記録及び
再生等が容易であるし、画像の拡大あるいは縮小等の信
号処理も容易にできるという利点を有する。又、集積化
技術の進展に伴い、今後益々画素数の多い、解像度の高
い画像を実現できる。例えば実開昭５３−３６８８５号
に色面順次方式の照明手段を採用して、固体撮像素子を
撮像手段に用いた内視鏡が開示されている。しかしなが
らファイババンドルを用いた場合と略同様に、固体撮像
素子を用いた撮像手段においても、受光素子（画素）が
有限の開口を持つことから撮像された画像に以下に述べ
るような原因で帯域劣化が生じる。

今、話を簡単にするため、一次元で説明する。図示しな
い結像光学系によって、固体撮像素子の撮像面に結像さ
れた被写体像における受光素子のある配列方向（例えば
横方向に）における輝度分布ｆ_１（ｘ）が第５図（ａ）
に示すものであるとし、そのフーリエ変換で表わされる
空間周波数成分Ｆ_１（ｋ）が第５図（ｂ）であるとす
る。

上記撮像面に配列された各受光素子のピッチがτでその
開口（受光素子面）が無限小である固体撮像素子、つま
り第５図（ｃ）に示すようにデルタ関数をくしの歯状に
並べたシャー関数（あるいはコム関数） 的な受光特性を有する固体撮像素子で撮像した場合（こ
のシャー関数Ｓ（ｘ）のフーリエ変換成分Ｓ（ｋ）は第
５図（ｄ）に示すように、間隔が１／τとなるシャー関
数となる）、その（光電変換）輝度分布ｆ_２（ｘ）は第
５図（ｅ）に示すようになる。つまり、この輝度分布ｆ
_２（ｘ）は輝度分布ｆ_１（ｘ）とシャー関数Ｓ（ｘ）の
積で与えられる。この輝度分布ｆ_２（ｘ）のフーリエ変
換成分Ｆ_２（ｋ）は第５図（ｆ）に示すようになる。つ
まり被写体像の輝度分布ｆ_１（ｘ）の空間周波数成分Ｆ
_１（ｋ）が１／τの空間周波数ごとにサイドバンドとし
て現われる。尚、このフーリエ変換成分Ｆ_２（ｋ）は周
波数畳み込み積分により、以下のようにフーリエ変換成
分の合成積で表わされる： Ｆ_２（ｋ）＝Ｆ｛ｆ_１（ｘ）×Ｓ（ｘ）｝ ＝Ｆ_１（ｋ）＊Ｓ（ｋ） ここでＦはフーリエ変換記号を表わす。

このようにピッチがτで開口が無限小の受光素子列を有
する固体撮像素子で撮像した場合の空間周波数成分は第
５図（ｆ）になるので、同図（ｆ）の破線で示すように
1/(2τ）で急峻なカットオフ特性を有するローパスフィ
ルタで第１のサイドバンドのみを取り出せば、理想的な
被写体信号を得ることができる。（ただし、サンプリン
グ定理により、被写体像の空間周波数成分が1/(2τ）の
ナイキスト限界周波数以下にある時。） しかしながら、上記の場合、開口が無限小であるため、
第１のサイドバンドのみを取り出しても、その信号の振
幅は無限小となるので、この方法は現実的でない。
（尚、第５図（ｆ）では振幅を１に規格化して示してあ
る。） 実際の画素は必要とされる感度を得るために、画素ピッ
チに近い開口を持たせてあるし、又、光電変換されて出
力される映像信号は、後段の回路でサンプリングホール
ドされて、ステップ波形の輝度分布となる。この輝度分
布は、次のように表わされる。

第５図（ｇ）に示すようにピッチがτの区間でのみ一定
値を有するレクタングル関数（あるいはゲーティング関
数）ｒｅ（ｘ）を導入すると、この関数ｒｅ（ｘ）のフ
ーリエ変換成分Ｒｅ（ｋ）は第５図（ｈ）に示すよう
に、なだらかに減少して、ｋ＝１／τで０になるシンク
関数となり、この場合，ｋ＝１／（２τ）のナイキスト
限界周波数でｋ＝０の値から略４dB下がった値となる。

ところで、開口がτの各受光素子を殆んど接するように
配列した場合における固体撮像素子を用いた像に対する
輝度分布ｆ_３（ｘ）は略第５図（ｉ）に示すようにステ
ップ波形となる。このステップ波形の輝度分布ｆ
_３（ｘ）は ｆ_３（ｘ）＝［ｆ_１（ｘ）×Ｓ（ｘ）］＊ｒｅ（ｘ） で与えられる。

上記輝度分布ｆ_３（ｘ）のフーリエ変換成分Ｆ（ｋ）は
第５図（ｊ）に示すように［Ｆ_３（ｋ）＊Ｓ（ｋ）］×
Ｒｅ（ｋ）で与えられ、同図（ｂ）あるいは（ｆ）に示
すものよりも高周波成分側が次第に低下するものとな
り、ナイキスト周波数で約−４ｄＢの係数が掛けられた
帯域の劣化が生じる。

上記の説明は横方向等一次元について述べたが、他の方
向である縦方向についても同様に高域側で帯域劣化が生
じ、特に微細な部位に対する輝度成分の低下が大きく、
解像度が低下する。従って的確な診断を下す際、非常に
不都合なものとなる。この場合、表示される映像信号を
一様に大きくしても、コントラストが変化するのみで解
像度を向上させることを期待できない。

［発明の目的］ 本発明は上述した点にかんがみてなされたもので、各受
光素子が有限の開口を有することにより生じる解像度の
劣化等を防止し得る撮像装置を提供することを目的とす
る。

［発明の概要］ 本発明は、固体撮像素子の信号続出しと、この信号続出
しの際に書き込まれたフレームメモリからの信号続出し
とを受光素子の二次元的配列方向に沿った時系列信号と
なるように読み出すと共に、各読み出した信号を帯域補
正回路で特性劣化を補償して解像度の高い画像を得るこ
とができるようにしてある。

［発明の実施例］ 以下図面を参照して本発明を具体的に説明する。第１図
ないし第３図は本発明の１実施例に係り、第１図は１実
施例を備えた信号処理部の構成を示し、第２図は１実施
例が設けられた内視鏡の概略を示し、第３図は１実施例
に係る帯域補正回路を示し、第４図は第３図の帯域補正
回路の周波数特性を示す。

第２図に示すように１実施例を備えた内視鏡１は細長の
挿入部２の先端側に結像用の対物レンズ３を収納し、こ
の対物レンズ３の焦点面には、その撮像面が臨むように
して固体撮像素子４が配設されている。この固体撮像素
子４は、光電変換機能を有する多数の受光素子が縦横に
規則正しく配列され、ドライブ回路５から印加されるク
ロック信号によって、転送され、シフトレジスタ６から
画素信号が第１図の番号で示す縦方向順序、つまり１，
２，３，４，５…１６という具合の時系列で順次出力さ
れるようになっている。

第１図において簡単化のため、画素数を４×４（＝１
６）個として示してある。

上記固体撮像素子４から出力された画素信号は、プリア
ンプ８で増幅され、挿入部２内を挿通されたケーブルを
経て手元側の信号処理部９に入力されるようになってい
る。

ところで、上記挿入部２内には、照明光伝送手段として
可撓性のファイババンドルで形成されたライトガイド１
１が挿通され、このライトガイド１１の後端は光源装置
１２に着脱自在で装着できるようになっている。しかし
て、光源装置１２内の光源ランプ１３の照明光が赤，
緑、青の３原色の色透過フィルタからなる回転カラーフ
ィルタ１４を経て順次赤，緑，青の各波長の光にされ、
集光レンズで集光されてライトガイド１１の後端（入射
端）に照射され、ライトガイド１１の先端から配光レン
ズを経て被写体を色面順次で照明するようになってい
る。尚、回転カラーフィルタ１４は、例えばステッピン
グモータ１５で回転駆動される。

上記信号処理部９に入力された信号は、色面順次の照明
に同期して切換えられるマルチプレクサ１６を経て各色
信号処理回路１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂに入力される。各
色信号処理回路１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂは同一のブロッ
ク構成であり、入力された信号をサンプルホールド回路
１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂでそれぞれサンプルホールド
し、ローパスフィルタ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂでナイキ
スト限界の周波数（１／２τ）で急峻にカットすること
によりスムージングを行い、その後に次段の第１の帯域
補正回路２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに入力される。各帯域
補正回路（２０で代表する。他の番号にも流用する。）
で受光素子の縦方向の開口，サンプルホールド回路１
８，ローパスフィルタ１９のカットオフ特性等で劣化し
た縦方向の周波数帯域が補正される。しかる後各Ａ／Ｄ
変換器２１Ｒ，２１Ｇ，２１ＢでそれぞれＡ／Ｄ変換さ
れてそれぞれフレームメモリ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂに
第１図に示すように縦に記憶される。しかして、表示す
るための各フレームメモリ２２から読み出す場合には、
ＴＶモニタ等の表示装置にマッチングしたクロック周波
数で各フレームメモリ２２が横方向（これは上記受光素
子の一方向から読み出した方向と異る他方の方向）に
１，５，９，１３，２６，…１６という順序の時系列信
号として読み出される。この場合３個のフレームメモリ
２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂは同時に読み出され、各Ｄ／Ａ
変換器２３Ｒ，２３Ｇ，２３ＢでＤ／Ａ変換されて色信
号Ｒ，Ｇ，Ｂとなる。各色信号Ｒ，Ｇ，Ｂは各ローパス
フィルタ２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂで横方向のナイキスト
限界の周波数（この場合には縦方向の場合と等しい）で
カットしてスムージングを行い、次段の第２の帯域補正
回路２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂに入力される。各帯域補正
回路２５にて受信信号の横方向の開口，ローパスフィル
タ２４のカットオフ特性等によって劣化した横方向の周
波数帯域を補正し、ＴＶモニタ２６にてカラー画像とし
て表示されるようになっている。

このような構成及び動作する１実施例によって、開口そ
の他の諸々の信号処理部９で劣化した解像度（空間周波
数特性）を二次元的に補正できる。

次に各配列方向における特性を補正するための上記帯域
補正回路２０あるいは２５の具体的構成及びその動作を
以下に説明する。

第３図に示すように、帯域補正回路２０又は２５は、入
力信号を遅延させる第１及び第２のディレイライン（Ｄ
Ｈ）３１，３２と、入力信号とこれら直列接続したディ
レイライン３１，３２の出力信号とを加算して出力する
加算器３３と、この加算器３３出力を1/2にして反転す
る1/2反転器３４と、この1/2反転器３４の出力信号と第
１のディレイライン３１の出力信号とを加算する加算器
３５と、この加算器３５の出力をローパスフィルタ３６
及び乗算器３７を介した信号と、前記第１のディレイラ
イン３１を経た信号とを加算して出力する加算器３８と
からなる。

上記各ディレイライン３１，３２は、例えばナイキスト
限界周波数近くの入力信号に対し、その遅延位相量が略
πとなる遅延量を与えるものである。

上記構成の帯域補正回路２０又は２５の動作を以下に説
明する。

今、映像入力信号の時間に依存する部分がε
^{ｊ（ωｔ＋θ）}であるとし、一方ディレイライン３１，
３２の角周波数ωに対する遅延量（位相の遅れ）をθと
すれば、ディレイライン３１の出力は、ε^ｊωｔとな
り、ディレイライン３２の出力はε^{ｊ（ωｔ＋θ）}とな
る。

したがって加算器３３を経た1/2反転器３４の出力は −ε^ｊωｔ．（ε^ｊθ＋ε^−ｊθ）／２＝−ε^ｊωｔ・
ｃｏｓθとなり、加算器３５の出力は ε^ｊωｔ−ε^ｊωｔ・cosθ＝ε^ｊωｔ（１−cosθ） となる。この値に乗算器３７で適当な値Ｋを掛けてディ
レイライン３１の出力との和を加算器３８で行うと、 ε^ｊωｔ・［１＋Ｋ（１−cosθ）］ となる。この式をグラフに表わすと第４図の様になり、
cosθ＝−１となる周波数において振幅は最大となる。
その値はε^ｊωｔ・（１＋２Ｋ）となり、Ｋの値を調節
することにより、補正量が決まり、遅延量θによって最
大となる周波数が決められる。

従って、上記ディレイライン３１，３２の遅延位相量
を、ナイキスト限界周波数近傍の信号周波数に対して最
大の振幅を与えるθ＝πにすると共に、Ｋを適宜値に設
定すれば、開口による劣化を補正して解像度の優れた信
号出力（画像）を得ることができる。上記遅延量及びＫ
を適宜値に設定することによって、開口による劣化及び
フィルタ特性等の補正を有効に行うことができる。又、
帯域補正を強くかければ二次元の輪郭強調もできる。

尚、第１図又は第２図において、サンプルホールド回路
１８等を共用しても良い。つまり、プリアンプ８の出力
信号を共通のサンプルホールド回路１８でサンプルホー
ルドし、この値を共通のローパスフィルタ１９でカット
オフを行い、その後共通の帯域補正回路２０を通し、さ
らにこの信号を共通のＡ／Ｄ変換器２１でＡ／Ｄ変換し
た後、マルチプレクサ１６で切換えられたフレームメモ
リに書き込むようにする構成でも良い。

尚、上記実施例では、受光素子が縦横共に等しい配列に
してあるが、本発明はこれに限定されるものではない
し、受光素子の縦横の配列ピッチが異なる場合にも適用
できる。

又、縦横等しいあるいは等しくない受光素子数で撮像し
たものを、いずれかの方向で補間する手段を有する信号
処理手段に対しても適用できる。

尚、上記実施例では各帯域補正回路２０，２５は、ロー
パスフィルタ１９，２４の後段側に設けてあるが、本発
明はこれに限定されるものでなく、逆の場合も含むもの
である。又、帯域補正回路２０又は２５が、第３図に示
すものに限定されるものでなく、公知の回路構成を用い
ることもできる。さらに帯域補正回路２０又は２５の周
波数特性がナイキスト限界周波数より上部側で急峻に低
下するものであれば、ローパスフィルタ１９又は２４を
実質的に必要としない場合もあり得る。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、固体撮像素子の信号
続み出しと、この信号続み出しにより書き込まれたフレ
ームメモリからの信号続み出しにおける映像信号の時系
列信号を固体撮像素子における受光素子の縦横の二次元
的配列方向に沿うように行うと共に、各受光素子の受光
面積等の補償を行う帯域補正手段を設けてあるので、解
像度の高い画質を得ることができる。又、簡単な構成且
つ低コストで実現できるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の１実施例に係り、第１図
は１実施例を備えた信号処理部を示すブロック図、第２
図は１実施例を備えた内視鏡を示す構成図、第３図は１
実施例に係る帯域補正回路を示すブロック図、第４図は
第３図の帯域補正回路の周波数に対する利得（振幅）を
示す特性図、第５図は従来の撮像手段における帯域の劣
化が生じることを示す説明図である。 １……内視鏡、２……挿入部 ４……固体撮像素子、６……シフトレジスタ ９……信号処理部、１２……光源装置 １７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂ……色信号処理回路 １８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ……サンプルホールド回路 １９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ，２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂ……
ローパスフィルタ ２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ，２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ……
帯域補正回路 ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ……フレームメモリ ２６……ＴＶモニタ ３１，３２……ディレイライン ３３，３５，３８……加算器 ３６……ローパスフィルタ ３７……乗算器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−205379（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−202670（ＪＰ，Ａ) 社団法人テレビジョン学会編「テレビジ ョン・画像工学ハンドブック」昭和55年12 月30日オーム社刊、第517頁右欄（ａ）垂 直アパーチャ補償回路、図５，85.

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】有限の開口を有する受光素子が２次元的に
   配列された撮像手段と、前記撮像手段のアナログの出力
   信号を前記受光素子の配列ピッチで略規定されるナイキ
   スト限界周波数でカットオフする特性の帯域制限手段
   と、前記帯域制限手段からの出力信号の前記ナイキスト
   限界周波数近傍等で生じる帯域劣化の補償を行う帯域補
   正手段と、前記帯域補正手段より後段に設けられ前記帯
   域補正された出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段
   とを具備し、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力信号に基づき画
   像信号を生成することを特徴とする撮像装置。