JPS6043711B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像素子を用いた撮像装置、特に内視鏡
を具える撮像装置に関するものである。

電荷結合素子℃ＣＤ等の固体撮像素子を用いて画像を
テレビジョン画面上に再生する場合、テレ ビジョンの
１フレーム期間（テレビジョン受像機において１フレー
ムを形成するのに要する期間）毎に、入射光による電荷
蓄積および信号（電荷）転送をおこなう駆動パルスを固
体撮像素子に供給する。すなわち、フレームトランスフ
ァ型ＣＣＤ撮像素子の場合、撮像部に送る駆動パルスは
第１図に示すようなものである。第１図においてＴはテ
レビジョンの１フレーム期間、Ｔｉは電荷蓄積期間、Ｔ
ｌは電荷転送期間を示す。電荷転送時に光電荷が読出信
号に混入することによる像のぼけを防ぐため、転送期出
Π゛。は蓄積期間Ｔｌに比べきわめて短かい。 蓄積期
間内に撮像素子に入射する光が強すぎると、過剰電荷が
撮像素子電極の下側部分からあふれ、像のにじみ（プル
ーミング）がおきる。

一方、撮像素子からの出力信号には暗電流雑音等の雑音
成分が含まているため、入射光が弱いと信号対雑音比が
低下する。このため、良好な画像を得るためには入射光
量を適正に制御する必要があ″る。固体撮像素子を用い
たテレビジョンカメラ等では絞りを用いて光量制御がお
こなわれている。また光量に応じ１フレーム期間内の蓄
積期間を短縮して制御することが特開昭５０−６２５１
８号明細書により提案されている。 さて、内視鏡に固
体撮像素子を用いた場合、次のような問題がある。

すなわち、内視鏡による観察においては被写体を内視鏡
先端部に設けた照明装置により照明しているため、被写
体の明るさは先端部からの距離により大幅に異る。この
ため光量制御を行なう必要性が大きいが、内視鏡先端部
に絞り機構を設けることは先端部を大型化し好ましくな
い。光が強すぎるときには光源部で照明光の強度を弱め
ることによりリ光量制御ができるが逆の光が弱すぎる時
には光源光強度をさらに増すほかない。しかし光源容量
を増すことには光源装置の寸法および重量や照明光用フ
ァイバーバンドルの入射端での耐熱性等による限界があ
る。これらの問題を解決するために照明光強度を一定と
し、入射光量に応じて固体撮像素子の蓄積期間を変化さ
せることが考えられる。すなわち第２図に示すように入
射光が強い時には蓄積期間を短く（Ｔ１″）、入射光が
弱いときには蓄積期間を長く（Ｔ１″）するものである
。しかし蓄積期間の変化に応じて所定の１フレーム期間
（Ｔ）をＴ１″或いはＴ１″″に変えることはテレビジ
ョン受像機の走査回路をきわめて複雑化し、また一般の
テレビジョン受像機が使用できなくなるという欠点を有
する。また内視鏡の体腔内挿入時等、内視鏡の動きが速
いときには蓄積期間を、従つて１フレーム期間をあまり
長くしすぎると画像のぼけが生じ好ましくない。本発明
の目的は、上述した欠点を解決しうるように適正に構成
配置され、適正な光量制御および適正な画像表示を達成
しうるようにした上述した種類の撮像装置を提供せんと
するにある。

本発明は、生体内または機械装置等の空洞内を．撮像す
る固体撮像素子と、該固体撮像素子に電荷蓄積および信
号転送を行なわせる駆動パルスを供給する駆動回路と、
生体内または空洞内を照明する光源装置と、前記固体撮
像素子への入射光量または前記固体撮像素子の出力信号
レベルを検出す３る検出手段と、該検出手段からの検出
値に応じ前記光源装置による照明光を制御する手段と、
前記の検出値に応じ、１フレーム期間が一定であるテレ
ビジョン受像機の１フレーム期間または複数フレーム期
間内に電荷蓄積をおこなうように前記駆４動パルスを制
御する手段とを具えたことを特徴とする。

また、本発明の好適例においては、固体撮像素子の画像
出力信号を記憶するフレームメモリを設け、前記固体撮
像素子の画像出力信号をテレビジョン受像機に直接供給
するか、或いは前記フレームメモリに記憶した画像信号
をテレビジョン受像機に供給するかを選択的に行ないう
るようにするのが好適である。

以下図面につき本発明を説明する。

本発明撮像装置の一例を第３図に示す。

内視鏡１内にはＣＣＤ撮像素子２および入射光を測光す
る受光素子３が組込まれている。撮像素子２にはフ駆動
回路４より第１図のような駆動パルスを送るが、撮像素
子２における電荷蓄積開始とともに受光素子３からの出
力を積分回路５で積分し、積分回路５の出力信号の値を
制御装置６にて常に鑑視する。もし前記の出力信号の値
が蓄積期間内に規・準レベル■Ｒに達した時Ｔｉ（第４
図参照）には、その時点で制御装置６から制御信号を光
源装置７に送り、この光源装置をスイッチ・オフさせる
か或いはシャッタ（図示せず）を用いることにより被写
体（図示せす）への照明を止め、露光過度と”なること
を防ぐ。この場合にも電荷蓄積開始よりＴ１時間後に信
号転送をおこなうことにより、１フレーム期間Ｔが一定
に保たれ、通常のテレビジョン受像機８により被写体の
画像を再生できる。このフレーム期間の終了時には駆動
回路４により積分回路５を零にリセットとし、次のフレ
ームの電荷蓄積開始時には動回路４により光源装置７を
スイッチ●オンさせ、光源装置７がファイバーバンドル
７″を介して被写体を照明し、積分回路５が再び積分を
開始するようにする。また、受光素子３への入射光が弱
く、積分回路５よりの信号が所定の蓄積期間Ｔ１中に規
準レベル■Ｒに達しない時には、信号（電荷）転送をお
こなわず、次の第２フレームにわたり電荷蓄積を継続す
る。

そして積分回路５よりの出力が規準レベル■Ｒに達した
時点Ｔ２（第５図参照）で光源装置をスイッチ●オフさ
せるとともに、この第２フレーム中の所定の蓄積期間Ｔ
１後に信号を転送する。上記の時点Ｔ２が転送期間Ｔ２
中となる場合には、更に次の第３フレームで信号転送を
行なう。また、第５図では第２フレーム目で適正露光と
なつた場合を示したが、積分回路５よりの出力によつて
は第３フレーム以降に適正露光に達する場合もあり、蓄
積開始から信号転送の終了までの期間が一般に所定のフ
レーム期間Ｔの整数倍であれば、テレビジョン受像機に
より正常に像再生をすることができる。複数フレーム期
間にわたり電荷蓄積を行なつた場合には、その間の画像
信号が欠けることになるが、第３図の回路中にフレーム
メモリ９を設け、各フレームの画像信号をこのフレーム
メモリ９に常時保持し、上述したように画像信号が欠け
た時にその前の最終フレームの信号をフレームメモリ９
から再生するようにすれば、テレビジョン画面上で連続
的な画像を観察できる。なお、第３図において、１０は
撮像素子２から供給される画像信号を増幅する増幅器で
あり、ＳＷは撮像素子２から供給される画像信号を直接
受像機８に供給するか、フレームメモリ９に記憶した画
像信号を撮像素子２に供給するかを選択するスイッチで
ある。また、駆動回路４および制御装置６は例えば次の
ような構成とすればよい。

すなわち、第６図に示すように駆動回路４内には電荷転
送パルスのパルス幅を設定する基本クロック信号Ａ（第
７図参照）を発生する発振器１１と、電荷転送期間を設
定する信号Ｂ（第７図）および各フレームの開始のタイ
ミングを設定する信号Ｃ（第７図）を基本クロック信号
Ａより得る分周器１２と、信号Ａ，Ｂ，Ｃのパルスより
駆動パルスを形成する混合器１３とを設ける。一方、制
御回路６内には、積分回路５からの信号を規準レベルと
常時比較し、この信号が規準レベルＶＲに達した時に光
源装置７をスイッチ・オフさせる制御信号を発生するコ
ンパレータ１４と、信号Ｃのパルスを遅延させた信号Ｃ
″により電荷転送開始の直前に積分回路５からの信号と
規準レベル■．とを比較し、この積分回路の信号が規準
レベル■Ｒに達しない時には撮像素子２への駆動パルス
を制御する信号を発生するコンパレータ１５とを設ける
。このような構成により、入射光が適正なレベルに達し
た時にコンパレータ１４からの信号により光源装置７を
スイッチ・オフさせて露光を適正に保つとともに、駆動
回路４からの信号Ｃに同期させて次期フレーム開始時に
再び光源装置７をスイッチ・オンさせることができる。
また、所定の蓄積期間中に入射光が適正なレベルに達し
ない場合コンパレータ１５からの信号により駆動回路４
中の混合器１３において信号ＡおよびＢのパルス合成を
止め第５図の上部に示すような駆動パルスを得ることが
できる。また、内視鏡の挿入時などのように内視鏡の動
きが速い時には、光量にかかわらず１フレーム期間ごと
に画像信号を転送し、ぼけのない画像を得るようにする
のが望ましい。

この目的の為には第６図に示すように動作切り換えスイ
ッチ１６を設け、このスイッチ１６によりコンパレータ
１５を不作動にしうるようにすることができる。すなわ
ち、コンパレータ１５は病変部の詳細な観察或いは画像
の記録や処理を行なう場合にのみ動作させるようにする
ことができる。第８図は本発明撮像装置の他の例を示す
。

本例では受光素子３からの出力を積分することなく、各
フレーム開始時に測光した値を用いて光量制御を行なう
。すなわち、受光素子３からの出力信号を制御回路６内
に設けたコンパレータ１７に供給し、この出力信号を駆
動回路４からのタイミングパルス（例えば第７図に示す
信号Ｃ）により各フレーム開始時に規準レベル■Ｒと比
較し、その差をとりだす。この差の信号をパルス幅変調
回路１８に供給し、第９図に示すような光量制御パルス
をとりだす。光量の大きい時にはパルス幅を狭く、光量
の小さい時にはパルス幅を広くして適正露光を与えるよ
うに設定し、光源装置７をパルスが高レベルにある期間
だけ点灯するようにする。さらに、光量が弱く複数のフ
レーム期間にわたり電荷蓄積をおこなう必要がある場合
には、パルス憤変調回路１８の出力信号により光量に応
じた複数フレーム期間にわたり電荷蓄積をおこなわせる
駆動パルスを駆動回路４が発生するようにする。駆動パ
ルスの制御は第６図の例と同様にしておきなうことがで
きる。また本例の場合も、第６図の例と同様に、内視鏡
の挿入時などのように内視鏡の動きが速い時にはパルス
幅変調回路牡スイッチＳＷおよびフレームメモリ９への
制御信号を遮断し、光量にかかわらず１フレーム期間ご
とに画像信号を転送するようにすることができること勿
論である。第１０図は本発明撮像装置の更に別の例を示
す。

本例では内視鏡内に受光素子を設けず、撮像素子２から
の信号出力レベルは蓄積期間内に撮像素子に入射した全
光量に比例することを利用し、撮像素子２からの出力信
号レベルにより光量制御をおこなう。ここで出力信号レ
ベルとは画面全体の出力信号の平均値または画面中央部
の平均値、或いは出力信号の低周波成分のピーク値等と
することができる。また本例では、第３および６図の例
や第１０図の例のように各フレーム内で光源装置７を点
滅させることにより光量制御をおこなうかわりに、光源
装置７による照明光の光量を各フレームごとに変化させ
て光量制御おこなうものとする。撮像素子２の出力信号
は制御回路６に供給される。

こ制御回路６内には、出力信号の平均値或いはピーク値
等を検出する処理回路１９と、あるフレームでの照明光
の光量値および電荷蓄積期間を記憶する記憶回路２０と
、照明光の光量および電荷蓄積期間を設定する演算回路
２１とを設ける。あるフレームでの照明光が過度または
不足となり出力信号レベルが適正値でない時には出力信
号レベルと記憶回路２０に記憶されている光量値とから
、適正な光量値を演算回路２１により定め、光源装置７
に制御信号を送る。照明光量が最大でありなお光量が不
足であつた場合には、露光が適正となるように複数のフ
レーム期間にわたる電荷蓄積期間を演算回路２１により
定め、駆動パルスを制御する。電荷蓄積期間が複数フレ
ーム期間にわたる場合、出力信号レベルは電荷蓄積期間
にも依存するので、出力信号レベルが適正でなかつた時
には、出力信号レベルと記憶回路２０に記憶されている
光量値および電荷蓄積期間とを用いて適正な光量値を定
め照明光および駆動パルスを制御する。複数フレーム期
間にわたり電荷蓄積を行なう場合に、回路中に設けたフ
レームメモリ９により．欠けた画像信号を補うことがで
きるのは前述した例と同様である。また、本例の場合も
、第６図のように内視鏡の動きが速い時には光量にかか
わらず１フレーム期間ごとに画像信号を転送するように
することができること勿論である。また、本例．に限ら
ず、第３および６図の例や第８図の例において、内視鏡
の動きが速い時に光量にかかわらず１フレーム期間ごと
に画像信号を転送し、フレームメモリに所定の複数フレ
ームごとに取出して記憶し、受像機にはこの記憶した画
像情報を複数フ・レームに亘り繰返し送るように構成す
ることもでき、この場合には駒撮りしたのと同じように
再生画像を見ることができる。本発明装置の一好適使用
例は、内視鏡の動きが早い時に光量にかかわらず１フレ
ーム期間ごとに信号を転送し、病変部の詳細な観察或い
は画像の記録や処理を行なう場合に、光量が少ない時に
複数のフレーム期間にわたつて電荷蓄積を行ない、信号
対雑音比の高い画像を得るようにすることである。

本発明は上述した例のみに限定されす幾多の変・更を加
えうること勿論である。

例えば、以上の説明はフレームトランスファ型ＣＣＤ撮
像素子についておこなつたが、他の固体撮像素子、すな
わちインターライントランスファ型ＣＣＤ撮像素子、Ｂ
ＢＤ（ＢａｃｋｅｔＢｒｉ？ＤｅＤｅｖｉｃｅ）撮像素
子、ＭＯＳフォトダイオードアレイにも適用できる。ま
た、本発明は先端部に固体撮像素子を組込んだ内視鏡だ
けでなく、ファイバーバンドルで伝達した像を生体外で
撮像するように固体撮像素子を用いた内視鏡にも適用で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はフレームトランスファ型ＣＣＤの電荷蓄積およ
び電荷転送パルスを示す説明図、第２図は入射光量に応
じて電荷蓄積期間および１フレーム期間を変化させた場
合の駆動パルスを示す説明図、第３図は本発明撮像装置
の一例を示す構成図、第４および５図は第３図の説明に
用いる波形図、第６図は第３図の一部を詳細に示すブロ
ック線図、第７図は第６図の説明に用いる波形図、第８
図は本発明装置の他の例を示す構成図、第９図は第８図
の動作説明用波形図、第１０図は本発明装置の更に他の
例を示す構成図である。 １・・・・・・内視鏡、２・・・・・・撮像素子、３・
・・・・・受光素子、４・・・・・・駆動回路、５・・
・・・・積分回路、６・・・・・・制御回路、７・・・
・・・光源装置、７″・・・・・・ファイバーバンドル
、８・・・・・・受像機、９・・・・・・フレームメモ
リ、１０・・・・・・増幅器、１１・・・・・・発振器
、１２・・・・・分周器、１３・・・・・・混合器、１
４，１５，１７・・・・コンパレータ、１６・・・・・
動作切り換えスイッチ、１８・・・・パルス幅変調回路
、１９・・・・・・処理回路、２０・・・記憶回路、２
１・・・・・演算回路、ＳＷ・・・・・・スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 生体内または機械装置等の空洞内を撮像する固体撮
   像素子と、該固体撮像素子に電荷蓄積および信号転送を
   行なわせる駆動パルスを供給する駆動回路と、生体内ま
   たは空洞内を照明する光源装置と、前記固体撮像素子へ
   の入射光量または前記固体撮像素子の出力信号レベルを
   検出する検出手段と、該検出手段からの検出値に応じ前
   記光源装置による照明光を制御する手段と、前記の検出
   値に応じ、１フレーム期間が一定であるテレビジョン受
   像機の１フレーム期間または複数フレーム期間内に電荷
   蓄積をおこなうように前記駆動パルスを制御する手段と
   を具えたことを特徴とする撮像装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の撮像装置において、前記の
   固体撮像素子の画像出力信号を記憶するフレームメモリ
   を設け、前記固体撮像素子の画像出力信号をテレビジョ
   ン受像機に直接供給するか、或いは前記フレームメモリ
   に記憶した画像信号をテレビジョン受像機に供給するか
   を選択的に行ないうるようにしたことを特徴とする撮像
   装置。