JPS59109020A - 固体撮像装置を用いた内視鏡 - 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】 本発明は内視鏡、とくに静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ
　）を固体撮像装置として用いた内視鏡に関する。

周知のように内視鏡は、生体または機械装置などの被検
体の空洞内に挿入されるヘッド部と、内視鏡を操作した
シ空洞内の撮影画像すなわち内祝像を可視表示したシす
る操作表示部と、両部を連結する可撓性の鞘部すなわち
連結部とからなる。

ヘッド部でとらえた画像を操作表示部に光信号のまま導
くイメージバンドルとして光ファイバを用いた光フアイ
バ内視鏡が多く用いられている。しかし、撮像装置とし
て固体撮像装置を使用し、映像信号を電気信号として操
作表示部へ送る固体撮像装置を用いた内視鏡は、ヘッド
部が小型化され、経済性などの点においても多くの優れ
た利点を有するので、とくに医療用としての用途が多く
期待できる。

内視鏡に利用できる固体撮像装置としては、電荷結合デ
バイス（ＣＣＤ　）　、パケットブリケ゛−ドデバイス
（ＢＢＤ　）　、呼び水転送デバイス（ＣＰＤ　）々ど
の電荷転送デバイス（ＣＴＤ　）がある。しかしこれら
の固体撮像装置は、入射光に応じて発生した電荷を信号
としてそのままの形で読み出すものであるから信号レベ
ルが小さい。一般に内視鏡ヘッド部と操作表示部の間は
距離（たとえばｌ〜４１ｎ）があり、その間を映像信号
が転送される途中様々な外来雑音の影響を受けやすい。

たとえば、医療用内視鏡であれば高周波メスや他の電気
的治療器具および装置からの雑音を受け、工業用内視鏡
であれば溶接や切断装置の電源の影響を受けることがあ
る。したがって、このような低レベルの信号は操作表示
部において増幅しても信号対雑音（Ｓ／Ｎ　）比が小さ
いので、良質の画像を得ることは困離である。

このような雑音の影響を少なくするために、たとえば実
開昭５２−７４６８５では固体撮像装置から操作表示部
に至る信号線を撚り対線として一種の平衡伝送を行なっ
ている。

操作表示部で受信する映像信号の雑音成分を画像信号処
理で除去することも考えられる。その場合、ある画素の
信号とその周囲の、画素の信号どを所定の重み付けで重
ね合わせるなどの平均化処理を行なうが、従来の固体撮
像装置は本質的に蓄積電荷を破壊的に読み出すので、こ
のような２次元演算のためには画像メモリを用意しなけ
ればならない（たとえば特開昭５３−９０６８５　）。

したがって、高度な診断情報を必要とした９、画像処理
を行なったシする内視鏡には、上述の固体撮像装置は適
していない。

ところでＭＯＳ　（金属酸化膜半導体）型固体撮像装置
では、水平走査スイッチング用トランジスタのソースお
よびドレーンの対ダート間浮遊容量のために映像信号転
送ラインにス・ぐイク雑音が乗り、これが各素子ごとに
ばらつくので低域フィルタ（ＬＰＦ　）では除去しきれ
ない固定・ぐターンノイズ（ＦＰＮ　）が表示画面に現
われることがある。これに対して各セルから得られる信
号レベルは前述のように微弱であるので、このス・ぐイ
ク雑音は非常にＳ／Ｎを劣化させる。

内視鏡は狭い空洞内にヘッド部を挿入して使用するため
、照明系から得られる明るさが上述の固体撮像装置にと
ってはとくに不十分である。

とυわけ生体に使用する医療用内視鏡にあっては、発熱
量の制約から大出力の照明系を使用することができず、
また、光ガイドとして元ファイバを使用していることか
ら機構的にも視野像の周辺部の光量が不足しがちである
。

照明系の絶対照明の不足に対しては、ヘッド部の撮像光
学系に光増倍器を用いたり（たとえば特開昭５６−４５
６３０）、特定の波長域の光（たとえば青）だけ他の波
長域の光よシ長い期間照明光を照射したシ（特開昭５５
−１２３２７９　）することが提案されている。

視野像の周辺光量不足に対しては、固体撮像装置の２次
元セルアレイの走査に同期して映像信号の自動利得制量
（ＡＧＣ）回路の利得を調整し、周辺部の画像の輝度を
高めたり（たとえば特開昭５５−４２６２５　）、２次
元セルアレイの周辺部のセルの受光面積を大きくして感
度を高くする（たとえば実開昭５５−４５３６１　）彦
どの対策が提案されている。

本発明は、簡略な装置構成で、良好かつ安定な内祝像が
得られる内視鏡を提供することを目的とする。

この目的は、ヘッド部の撮像装置としてＳＩＴを含む撮
像セルの配列を有する固体撮像装置を用いることによっ
て達成される。

ＳＩＴは、通常の電荷転送デバイスのように入射光によ
って励起された電荷を信号としてそのまま読み出すので
はなく、元キャリアの蓄積によるケ゛−ト電位の変化を
ソース・ドレーン電流の変化として読み出すので、撮像
セル自体に信号増幅機能を有し、その増幅率は１０３以
上である。したがって高感度であシ高いＳ／Ｎ比を有す
る撮像装置が実現される。また、本質的に蓄積電荷の非
破壊読出しが行なわれるので、この性質を利用して画像
メモリを用いることなく画像処理演算を行なうことがで
き、一層良好な画質の内祝像を得ることができる。

次に添付凹面を参照して本発明によるＳＩＴを用いた内
視鏡の実施例を詳細に説明する。

第１図は縦形ＳＩＴを用いた固体撮像装置の１つの画素
を示す。各画素は、デート領域がコントロールグー）（
ＣＧ）とシールディングケ８−）（ＳＧ）に分離してい
ないいわゆる非分割ケ゛−ト型ＳＩＴからなり、このよ
うな画素が１次元または２次元に配列されて固体撮像装
置の撮像領域を形成している。

基本的には１つの画素は、ｎ＋ｓｉ基板１０の一方の主
表面上にエピタキシャル成長させたｎ（ν）形または真
性（ｉ＞の層１２の表面付近にｎ＋領域１４およびｐ十
領域２０を形成し、前者がドレーン領域に、後者がケ８
−ト領域となる。基板１０の他方の主表面には電極層５
２が形成され、これはソース電極となる。

エピタキシャル層１２の表面にはＳ　ｉ０２膜２４が形
成され、ドレーン領域１４の」二は開口を通してドレー
ン電極３６が、デー）領域２０の上は開口全通して５ｉ
０２　ｒ　ＳｉＮ　＋　Ｔａ２０５などの絶縁層６およ
びその上のダート電極７がそれぞれ形成されている。ゲ
ート電極７は５ｎ０２　、　Ｉｎ２Ｏ３などの透明電極
材料、または多結晶シリコンもしくはシリサイドなどが
有利である。

ゲート″電極７は読出しアドレス回路１に接続され、読
出し用ケ”　−）　ｉＲルスφＧが供給される。

ドレーン電極３６はスイッチングトランジスタ３を介し
て出力端子８に接続され、また、負荷抵抗４を介してビ
デオ電圧電源５に接続されている。スイッチングトラン
ジスタ３のケゝ−トにはビデオライン選択・ぐルスφＳ
を供給する選択回路２が接続されている。なお、この例
ではｎ＋領域１４がドレーン、ｎ子基板１０がソースで
おるが、ｎ十領域１４をソース、ｎ子基板１０をドレー
ンとしてもよい。後者の場合、電源５は逆極性にして接
続し、スイッチングトランジスタ３はｎ子基板１０側に
接続するのが有利である。

第２図Ｈコントロールケ８−トとシールディンググー　
トが分離されたいわゆる分割グー１・型ＳＩＴを示す。

これは、第１図のケ゛−ト領域２０の代シに２つのダー
ト領域１６および１８が設けられ、前者は光励起された
キャリアの蓄積および読出しを行なうコントロールケ９
−ト、後者は他の画素との分離および基準電位を与える
だめのシールディングゲートである。々お、以下の各図
において第１図と同様の構成要素は同じ参照符号で示す
。第２図に示す１つの画素が１次元または２次元に複数
配列されて撮像領域を構成する。なお分割ケ゛−ト型Ｓ
ＩＴにおいてもソースおよびドレーンは互いに入替え可
能である。

第３図は第２図の分割ケ゛−ト型ＳＩＴの他の例を示し
、ドレーン（またはソース）領域１４がシールディング
ゲート１８に近く設けられ、コントロールゲ−ト領域１
６の空乏層の広がシを大きくすることによって光キャリ
アを多く蓄積するようにしたものである。丑だ、シール
ディンググ’−）ＩＪｔ［１Ｂはコントロールゲ−ト領
域１６よυ深く形成され、画素分離効果が改善されてい
る。なお、コントロールグー１−ｔｆｉ域１６およびド
レーン（ソース）領域以外の部分では光キャリアを発生
させないようにＡｔなどの遮光層５Ｇで破缶されている
。

第２図に示す分割ケ゛−１・型ＳＩＴを２次元に配列し
た固体撮像装置を同図上方から見た概念的な平面図を第
４図に示す。固体撮像装置をなす構体９２には各画素セ
ルを・１祷成するＳＩＴ　９４が２次元配列され、各セ
ル９４のコントロールゲ−ト領域７はＹ方向に透明電極
材料９６によって相互に接続され、各ソース（捷だはド
レーン）電極３６はＸ方向に電極材料９８によって相互
に接続されている。なお、層間分離層などは図の複雑化
を避けるため図示を省略しである。

第４図に示すような矩形（長方形捷たは正方形）のセル
９４は第６Ａ図に示すように縦横のアレイすなわちマト
リクスとして配列され、１画面の撮像領域を構成する。

感光セルは第５図に示すような六角形状を々すもの９４
Ａでもよい。この場合は、中央の六角形がコントロール
ゲート領域１６、その六角形の各辺に対応して合計６個
のソース（またはドレーン）領域１４、その外側にやは
り六角形のシールディングゲート領域１８が配置されて
いる。このような六角形状すなわち蜂の巣状のセル９４
Ａは第６Ｂ図に示すように最密配置をとった撮像セルア
レイを構成することができる。

なお、六角形は必らずしも正六角形に限ることなく、他
の等透穴角形や二等辺六角形であってもよい。このよう
な最密セルアレイは従来の光ファイバを用いた内視鏡と
の両立性を保持している。

セル９４または９４Ａの接続の様子を電気的に示したの
が第７図である。構体９２は画素セルすなわちＳＩＴ　
９４が２次元配列されたマトリクスすなわちアレイをな
し、リード９６は読出しアドレス回路１から読出しダー
ト・やルスφＧ１〜φａｍを供給し、リード９８はスイ
ッチングトランジスタ３に接続されている。各スイッチ
ングトランジスタ３はビデオライン選択回路２よシビデ
オライン選択パルスφ−８１〜φＳｎが与えられる。な
お同図では、シールディングダート１８を点線で模式的
に示し、これに基準電位を与えるための電極リードは５
４で示されている。

たとえばテレビジョン画像などのラスク走査によって１
つのフィールドが完成される画像の場合、第７図に示す
ｍＸｎ個のセル配列では、ビデオライン選択回路２によ
ってスイッチングトランジスタ３を１水平走査（ＩＨ）
期間だけ選択的に付勢し、その間読出しアドレス回路ｌ
によって各ＳＩＴ　９４のケ゛−トを順次付勢すること
で、１本の水平走査線に対応する映像信号が出力端子８
に出力される。

第８図を参照すると、ＩＨ期間ビデオライン選択パルス
φｓ１が付勢され、これによってケ９−トが駆動される
スイッチングトランジスタ３のドレーンに接続されてい
るＸ方向のすべてのＳＩＴ　９４のソースに電源５の正
電位が供給される。このＩＨ期間中に読出しグー）　ノ
９ルスφＧ１〜φＧｍが読出しアドレス回路１からケ゛
−ト線９６に順次供給され、水平走査が行なわれる。

ビデオライン選択回路スφｓ１でソースが付勢されたＳ
ＩＴ’９４は、読出しダートパルスφＧ１〜φＧｍによ
って順次ダートが付勢されると、光照射によってケ゛−
トに蓄積されていたキャリアに応じたドレーン電流が出
力端子８に順次出力され、ＩＨの映像信号が形成される
。

次にビデオライン選択ノ４ルスφｓ２がビデオライン選
択回路２から発生すると、第７図の１＝ｉｈら２列目の
ＳＩＴ　９４について同様の読み出しが行なわれる。こ
のような読出し動作は最古列す々わち第ｎ番目のＳＩＴ
　９４についてまで順次行なわれる。

このようなＳＩＴ固体撮像装ｍｌを使用した内視鏡の実
施例が第９図に示されている。内視鏡は、生体や機械装
置などの空洞内に挿入されるヘッド部２００と、これに
結合された長い（たとえば１〜４　ｍ　）の可撓性管状
の鞘または連結部２０２と、内視鏡を操作したシ、内祝
像を可視表示する操作表示部２０４とを有する。

ヘッド部２００は、全体として円筒状をなし、その端面
には透明窓２，０６が設けられている。

透明窓２０６の内側には撮像レンズ２０８が配設されて
いる。撮像レンズ２０８の結像面にＳＩＴ固体撮像装置
９２の受光領域２１０が位置するように固体撮像装置９
２が装着されている。

透明窓・２０６には１だ、空洞内部すなわち被写体を照
明するための照明光を、導く光ガイドとして元ファイバ
束２１２の端面２１４が開口している。光ファイバ束２
１２は鞘部２０２の内部を通過してその他方の端面２１
６は操作表示部２０４において回転円板フィルタ２１８
に対向して開口している。鞘部２０２の内部には撮像装
置９２の駆動線２２０および映像信号出力線２２２も収
容されている。なお、内視鏡ヘッド部２００にはこの他
に、鉗子などの処置具や薬液注出口およびこれらの導路
などの内視鏡に必要な装備が収容されるが、図の複雑化
を避けるため図示されていない。

回転円板フィルタ２１８は３つの分解色セグメント２２
４Ｒ，２２４Ｇおよび２２４Ｂを有し、矢印２２６の方
向にモータ２２８によって回転駆動される。セグメン）
　２２４Ｒハ赤（Ｒ）色透明フィルタであシ、セグメン
）２２４Ｇｕ緑’（Ｇ　）の透明フィルタであシ、セグ
メント２２４Ｂは青ＣＢ）の透明フィルタである。光源
２３０は、これから出た元がフィルタセグメント２２４
Ｒ，２２４Ｇおよび２２４Ｂのいずれかを透過し、ハー
フミラ−２３２を通過してファイバ束２１２の開口端２
１６に入射し、ハーフミラ−２３２で反射された元２３
４は光検出器２３６に入射するように構成されている。

このように内視鏡の照明系は面順次でＲ，ＧおよびＢ光
を開口端２１４から射出し、被写体を照明するので、固
体撮像装置９２の撮像領域２１０には順次、Ｒ，Ｇおよ
びＢの成分光の被写体像が撮像レンズ２０８によって結
像される。

光検出器２３６は入射光２３４の分解色に応じた出力を
色切換検出回路２４２に与え、色切換検出回路２４２は
、光検出器２３６の出力２４０から照明系がいずれの分
解色光を照射中であるかを識別する。

走査回路２４４は色切換検出回路２４２に応動して自走
クロックを発生し、固体撮像装置９２の駆動線２２０に
は撮像セル９４（第７図）を読み出すだめの同期信号を
供給し、掃引回路２４Ｂには陰極線管（ＣＲＴ　）　２
４６のビーム偏向回路を駆動するための水平および垂直
同期信号を供給する。

走査回路２４４によってＸＹアドレスの指定されたセル
９４から読み出された映像信号は、信号線２２２によっ
て映像増幅回路２５０に入力される。映像増幅回路２５
０は、固体撮像装置９２で撮像された視野像の中央領域
の信号レベルを減衰させて周辺領域と同程度にするため
の利得調整回路を有してもよい。

映像増幅回路２５０で増幅された映像信号は切換回路２
５２によって３つの映像出力回路２５４Ｒ，２５４Ｇお
よび２５４Ｂに振シ分けられる。前述のように、映像信
号ｍ２２２上の映像信号は面順次で３分解色に分かれて
現われるが、切換回路２５２は色切換検出回路２４２か
らリード２５６に与えられる照明系の色分解照明光に対
応した同期信号に応動して映像増幅回路２５０の出力２
５８の映像信号を、Ｒ成分信号はり−ド２６０Ｒへ、Ｇ
成分信号はリード２６０Ｇへ、Ｂ成分信号は２６０Ｂへ
切シ換えて振シ分ける。各映像出力回路２５４　Ｒ，２
５４Ｇおよび２５４Ｂはそれぞれ対応する分解色信号を
ＣＲＴ　２４６の対応する分解色の電子銃に供給する。

このようにしてＣＲＴ　２４６の表示スクリーン２６２
には、３分解色画像が面順次で形成され、固体撮像装置
９２で撮像された内祝像がカラーで表示される。

前に述べたように、ＳＩＴ固体撮像装置は、光照射によ
って発生した電荷を信号としてそのまま読み出すのでは
なく、元キャリアによるダート電位の変化をソース・ド
レーン電流の変化として読み出すものである。したがっ
て本来的に、ＳＩＴ自体に信号増幅機能があシ、また非
破壊的に信号を読み出すことができる。

この信号増幅機能が故に、高感度で高いＳ／Ｎ比が得ら
れるが、これは小型であることを必須条件とし、かつ十
分な明るさの照明が得難い内視鏡にあっては、ＳＩＴ固
体撮像装置の採用は大きな利点がある。たとえば、ヘッ
ド部２００から操作表示部２０４への映像信号伝送路２
２２は、通常の不平衡伝送路であっても十分なＳハ比が
得られ、他の外来雑音に対して十分な耐性がある。また
、ＭＯ８型固体撮像装置のような固定・セターンノイズ
に対しても良いＳ／Ｎ比が得られる。

内祝錆、とくに医療用内視鏡では温度上昇などの医学上
の制約から通常の固体撮像装置にとっては必らずしも十
分な明るさの照明が得られない。しかし、ＳＩＴはセル
９４自体に信号増幅機能があるので、十分な感度が視野
像の周縁領域についても得られる。また、視野像の中央
領域の映像信号について増幅利得を調整する利得調整回
路を映像増幅回路２５０に使用すれば、視野像の全面に
ついて平均した感度を達成することができる。

ＳＩＴの非破壊読出しの特徴を利用して画像処理を行な
えば、視野像の中央領域と周辺領域の光量差を２次元演
算によって補償することができる。この場合、非破壊読
出しであるので、とくにフレームメモリなどの画像メモ
リを設ける必要はない。

ＳＩＴ固体撮像装置はこのように実質的に非破壊読出し
が可能であるので、複数のフィールドにわたって反復し
て読み出すことが可能である。

このような非破壊読出しが可能な固体撮像装置を使用す
れは、フレームメモリなどの映像記憶装置を使用するこ
となく、固体撮像装置の各セルのうちとびとびのセルの
画素信号をサンプル抽出して自動露出側（財）（ＥＥ）
を行なったシ（たとえば特開昭５７−９５７７１）、映
像信号を磁気記録する場合に発生し得る記録誤りを軽減
するために同じ画素の信号を複数回固体撮像装置から読
み出して記録したり（たとえば特願昭５５−１７１９０
１　）、固体撮像装置から繰返し画像信号をテレビジョ
ン信号レートで読み出してモニタ表示装置にソフトコピ
ーとして表示するとともにこれ。より遅いレートで読み
出して磁気記録を行なう（たとえば特願昭５５−１、７
１９０２　）などの様々な応用が可能である。

本発明による内視鏡では、このようなオンチップのメモ
リ機能のために、とシわけ、画像の強調や平均化などの
２次元画像処理演算に効果的に適用することができる（
たとえば特開昭５７−９５７６８）。そのような画像処
理演算を行なう装置を第１０図に示す。

第１０図に示す画像処理装置は、読出回路１４０のビデ
オライン選択回路２によって選択された水平走査線にお
いて、読出しアドレス回路１が順次各セル９４をアドレ
ス指定することによってその水平走査線の画素信号がリ
ード９８に現われる。各セル９４はＳＩＴで構成され、
非破壊読出しが可能であるから、同じセル９４が反復的
にアクセスされても同じレベルの画素信号が出力される
。

制呻部１４２は読出しアドレス回路１および読出回路１
４０を制御して、第１１Ａ図に示すように、ある画素１
２０の画素信号を固体撮像装置から読み出す際に、それ
に隣接する四方の画素１２２．１２４．１２６および１
２８の画素信号も複数本の出力リード１４４に読み出す
。

演算部１４６は、たとえば第１１Ａ図に示す重み付けに
よシ各画素の信号を重ね合わせることによってラプラス
型エンハンスメントを行なったシ、第１　］、　Ｂ図に
示すような重みで重ね合わせることによって雑音成分の
平均化を行なうことができる。このような２次元画像処
理を行なった結果の映像信号は出力１４８に出力される
。

なお、これらの演算部１４６および制■部１４２は操作
表示部２０４に設けるのがよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は非分割ダート型ＳＩＴを用いた固体撮像装置の
一部分を例として概念的に示す説明断面図、 第２図および第３図は分割ケ゛−ト型ＳＩＴを用いた固
体撮像装置の一部分を例として概念的に示す説明断面図
、 第４図は第２図の固体撮像装置の画素配列を概念的に示
す平面図、 第５図は六角形状の撮像セルの平面図、第６Ａ図および
第６Ｂ図は撮像セルの配置例を示す平面図、 第７図はＳＩＴ固体撮像装置の回路構成例を示す回路図
、 第８図は第７図の回路の動作説明に使用するタイミング
図、 第９図は本発明によるＳＩＴを用いた内視鏡の実施例を
示す概略ブロック図、 第１０図は内視鏡における２次元画像処理演算を行なう
装置構成例を示すブロック図、第１１Ａ図および第１１
Ｂ図は２次元画像処理演算の例を示す説明図である。 ９２・・・ＳＩＴ固体撮像装置 ２００・・・ヘッド部 ２０４・・・操作表示部 ２１０・・・撮像領域 ２１２・・・光ガイド ２４４・・・走査回路 ２４６・・・陰極線管 ２５０・・・映像増幅回路 第３図 ９０ 第４因　　　　゛ 第５因 第６Ａ因　　　第６８図 ヘ２ φＳｎ □哨間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検体の空洞内に挿入可能なヘッド部と、内視鏡を操作
   し、内祝像を可視表示するための操作表示部と、該ヘッ
   ド部および操作表示部を連結する可撓性管状の連結部と
   を含み、前記ヘッド部はＳＩＴ　（静電誘導トランジス
   タ）を含む撮像セルの配列を有する固体撮像装置を含み
   、該固体撮像装置が撮像した内視像を前記操作表示部に
   可視表示することを特徴とする固体撮像装置を用いた内
   視鏡。