JPS6161588A - 固体撮像素子を用いた内視鏡 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、固体撮像素子を用いた内視鏡に関し、該素子
で得られる信号のダイナミックレンジの制御を、照明手
段と利得可変な増幅手段の双方で行い、かつ照明手段に
よる制御を増幅手段による制御で補うようにしたもので
ある。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、ＣＣＤ（’ＯＺ荷結合素子）等の固体撮像素子を
用いた内視鏡が種々提案されている。このような内視鏡
において、ＣＯＤが１個の場合のカラーＪＱ像方式には
、ＣＯＤと一体又は別体に色フィルタを設ける方法と、
３原色の光を順次切り換えてＣＯＤに照射する方法が知
られている。これらの詳細な構成については、例えば特
開昭５５−５ｄ９３３号公報および特開昭５１−６５９
６２号公報に記載されている。

一方、ＣＣＤについては、１９７４年２月発行の「サイ
エンティフィック・アメリカン」に記載されているよう
に、ピクセルと称される多数の感光画素を含み、これら
が対物レンズ系の広角中心線に対して垂直に配列され全
体として矩形の格子パターンを形成している。このよう
な格子パターン面を受光面とし、この受光面に光エネル
ギーが入射すると各ビクセル領域内に存する電子が蓄積
又は集合して電荷の塊りを形成する。これらの電荷は、
一定の時間間隔ののち各ビクセルに対応する電極に移動
され、電荷の塊りの大きさに比例した出力信号を得るこ
とができるのである。したがって、照射像の明るさが低
い部分の電荷の塊りは小さく、高い部分は大きくなる。

ところで、ＣＣＤの特性として問題となるのが感度およ
びダイナミックレンジである。ＣＣＤの感度は、光の光
量に応じた信号電荷をできるだけ大きな塊りとして県債
できることである。一方、ＣＣＤは、光量が少ない場合
には、暗・電流、スミアリング等が原因のノイズ電荷を
含んでいる。したがって、照射像の明るさが低い部分の
信号電荷はノイズ電荷によって埋もれてしまい、不鮮明
な画像となる。ＣＣＤのダイナミックレンジは、このノ
イズ電荷の借により決定される。

また、表示画像が不鮮明になる原因として、比視感度特
性に起因するものがある。即ち、３原色光を用いる方法
では、同一の明るさによって形成される照射像は、表示
画面において、緑色光、赤色光、青色光のＩＩＱに、明
るさが低下する。したがって、この方法を用いた内視鏡
では各３原色信号の郁度レベルに応じた制御を行なわな
いと正確なレベル制御は期待できないものであった。つ
まり、青、赤、緑の順に制御感度を異らせる必要があっ
た。

上記のような各問題に対処した従来の内視鏡の一例とし
て、第３図に示すものが知られている。

この第３図の内祝（（、′！は、色フィルタを用いたカ
ラー得像方式に属するものである。

同図において、内視鏡全体は符号１にて示され、その挿
入部２の前端側に硬性の先端（構成）部が連設され、該
先端部には撮像手段が形成されている。

即ち、先端部に形成した開口部には結像用の対物レンズ
３が配設され、該対物レンズ３の燻点面にその撮像面（
受光面）が位置するようにＣＣＤ４が配設されている。

上記対物レンズ３とＣＣＤ４との間の光路上で、例えば
対物レンズ３の瞳位置には検光子（偏光子）５が配設さ
れ、被写体からの反射光は、該検光子５を介して撮像面
に入射されるようになっている。

この検光子５は、回転駆動部６にて略９０度の角度範囲
内を回動できるようになっている。

上記撮像面に結像された被写体像は、該被写体像に対応
した映俄信号に変換されて、手元側のＴＶ信号変換部７
に入力されるようになっている。

このＴＶ信号変換部において、ＲＧＢａ色ＴＶ信号に変
換されて、カラーＴＶモニタ８のＲＧＢ端子に印加され
、被写体像を表示するようにしである。

一方、上記撮像手段の他に、挿入部２内には光学繊維束
（ファイババンドル）で形成された照明光伝達用のライ
トガイド９が挿通され、該ライトガイド９の後端は光源
装置１０に着脱自在で装着できるようになってｔ５つ、
該後端面には照明ランプ１１の照明光が反射鏡１２の凹
面で反射され、さらにコンデンサレンズ１３によって集
光されて照射されるようになっている。

上記コンデンサレンズ１３で集光された照明光は、ライ
トガイド９を経て、その前端面から配光レンズ１４を経
て拡開されて被写体側を照明する照明手段が形成される
ようになっている。

尚、上記配光レンズ１４とライトガイド９の前端面との
間における配光レンズ１４の瞳位置には偏光子１５が配
設され、ライトガイド９の前端面から照射される照明光
を適宜の偏光波（例えばＰ波と記す）Ｐ波に１（１１光
して被写体を照明するように溝成しである。

更に、上記照明手段ｆｌｌに配設した偏光子１５と撮像
手段側の検光子５を含み、照射光セにの変化による出力
信号レベルを検出して検光子５を回動制御し、照明光量
を可変する手段が次のように構成されている。

即ち、上記ＣＣＤ４から出力される映像信号は、比較器
１７の一方の入力端に印加され、該比較器１７の他方の
入力端は飽和レベル等の基準レベル■８に設定された電
位が印加されており、映像信号が該基準レベル７８以上
のとき、比較器１γからハイレベルの信号を出力するよ
うになっている。

この比較器１７の出力は積分器１８で１フレ一ム期間積
分し、その積分値を増幅器１９で増幅し、減算器２０に
て積分値がＯに対応するレベルＶ。

たけ差し引いた制御信号にて回転駆動部６を制御する帰
還回路が構成されている。

上記回転駆動部６は、減算器２０を経て入力される制御
信号（５２に７３１信号）のレベル値に応じて、回転駆
動力が変化し、例えば可動録＠型の電圧計のように入力
される信号レベル値が大きいと、初期状態位置に設定す
る力となるつる巻き状ばね等に抗して回転駆動力も大き
くなり、その回転軸に取付けられた（回転されてない状
態では入射光がＰ波成分のみを通すよう設定された）検
光子５を制御信号のレベルに応じた角度だけ回動させる
ことができる。

尚、上記固体撮像索子４の撮像面の前面には、モザイク
状配列等の３原色フィルタが配設してあり、撮像面の各
受光素子で受光したものは３原色の各波長の光の画素に
対応したものとなり、ＴＶ信号変換部７内のサンプルホ
ールド回路で各色信号に分離され、さらに水平及び垂直
同期信号が重畳されてＲＧＢの色信号として出力される
。

上記従来例は、！１Ｉｉ）逆回路からの制御信号で回転
駆動部６を駆動し、検光子５の回転角度を可変する。こ
の検光子５の回転角度に応じて、撮像面に入射される光
量を制御することができるのである。

しかしながら上記従来例は、ＣＣＤ４への照射光量を単
に出力信号レベルの変化に応じて地域させたもので、多
少はダイナミックレンジの低下を防止することはできて
も、少ない光量から大きな光量まで一様な鮮明画像とな
るように制御するものではなかった。

また、上記従来例は出力信号レベルが変化してから検光
子５が所定角度回転する迄に長時間を要し、即応性に欠
けるという欠点があった。

更に、上記従来例は、色フイルタ方式に関するもので、
３原色光を切換える方法とは構造的に異る。したがって
、比視感度特性に応じた制御を行うものではなかった。

〔発明の目°的〕

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、少ない光量
から大きな光量まで一様な鮮明画像を映出可能となるよ
うにダイナミックレンジを補正することのできる固体撮
像素子を用いた内視鏡を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、即応性に富む高速度の制御
を行うことの可能な固体撮像素子を用いた内視鏡の提供
を目的とする。

また、本発明の他の目的は、調光手段と電気的制御手段
の双方を用い、これらを単に同時に機能させるのではな
く、調光手段による制御を電気的制御手段にて補うよう
にした固体撮像素子を用いた内視鏡の提供を目的とする
。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明による内視鏡は、固体
撮像素子にて得られる信号の出°カレベルを検出し、こ
の検出レベルに基づいて照明用発光源からの光を調光す
る手段と、この手段の検出端における信号を増幅する利
得可変な増幅手段を有し、この増幅手段を経た信号を検
出してその検出レベルに基づいて前記増幅手段の利得制
御を行なう手段とから構成したものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明を図示の実施例について詳述する。

ここに、第１図は本発明の第１実施例に係る内視鏡を示
す構成図、第２図は第１図で用いた回転フィルタを示す
平面図である。

第１図において第３図と同一部分には同一符号を記し、
観察対象物を照明し、かつ調光機能を有した照明手段２
１と、ＣＣＤ４等の固体撮像素子にて得られる信号の振
幅を制御する利得制御手段２２を有している。

すなわち、内視鏡挿入部２の先端側に設けられた固体撮
像素子４からの信号は、前置増幅器２３および映像増幅
器２４の直列接続を介して照明手段２１の自動調光用第
１信号検出端２５に導びかれるとともに、この第１検出
端２５の後段に接続される利得制御手段２２に供給され
る。

照明子Ｒ２１は、回路部２１ａと光学部２１１）に分か
れ、回路部２１ａは前記第１検出端２５からの信号に基
づいて形成される調光制御信号Ｓ、を光学部２１ｂのガ
ルバノモータ２６の駆動信号としている。

このガルバノモータ２６の出力軸は、光源部１２′から
の照明光を調光する絞り部材２７を介して集光レンズ系
２８に入射される。この集光レンズ２８を通過する光は
、スリット２９の位置に集束され、このスリット２９の
後方近くに配された入射側伝達レンズ系３０に入射して
所定幅の照明光となる。

この照明光は、同期モータ３１によって回転駆動される
３原色の回転フィルタ３２を介して出射側伝達レンズ３
３に入射され、その出力光はライトガイドファイバ９の
入射端に導入される。尚、同期モータ３１はサーボ回路
３４を有し、回転フィルタ３２を一定方向に所定の一定
速度で回転する。

また、回転フィルタ３２は回転検出器３５によってその
回転スター１へ位置を示すパルスが検出されるようにな
っている。この検出器３５によって検出された信号は、
タイミング発生器３６に供給され、同発生器３６を制御
している。

一方、照明手段２１の回路部２１ａは、前記検出端２５
から導出される信号を３個の直列抵抗Ｒ１＋　Ｒ２＋烏
の一端に導入している。この直列抵抗Ｒ，、Ｒｅ　。

Ｒ５は、その他端が接地点に接続されるとともに前記一
端Ｐａおよび各交点ＰＲ１Ｐｌが３人カアナログスイッ
チ３７に供給されている。このアナログスイッチ３７に
供給される各Ｐ。ＩＦＢ、ＰＲの信号レベルは、順に緑
色光、赤色光、青色光の比視感度特性に合ったレベルに
設定され、各３原色信号期間で独立の調光ができるよう
になっている。つまり、前記回転検出器３５で検出され
たパルスを受けるタイミング発生器３６は、同フィルタ
３５の１回転期間の１／３回転ごとに切換パルスＳ２を
発生するようにしてあり、この切換パルスＳ、で前記ア
ナログスイッチ３７の位置を切換設定するのである。

こうして、３原色信号期間ごとに切り堕えられるアナロ
グスイッチ３７の出力は、ローパスフィルタ３８を介し
て第１比較増幅器３９の第１入力端に供給される。この
第１比較増幅器３９の第２入力端には、ＣＯＤ出力信号
のダイナミックレンジを許容できる最低限度の平均値に
対応したｖｒｌなる電圧を供給する基準電圧源が接続さ
れており、各３原色信号期間にアナログスイッチ３γか
らの信号の平均値（輝度信号）が前記■ｒ１　より低下
すると、第１比較増幅器３９は調光制御信号Ｓ１をガル
バノモータ２６に印加することができる。

次に、利得制御手段２２は、前記第１検出端２５の信号
を乗算器４０に受け、この乗算器４０の出力を第２検出
端４１に導出している。この第２検出端４１の信号は、
ＴＶ信号変換部７を介してカラーＴＶモニタ８に供給さ
れ映出されるとともに抵抗Ｒ，，Ｒ，，Ｒ，からなる直
列回路の一端に導入されている。この直列回路の他端は
、接地点に接続されており、その一端Ｑ。、および交点
ＱＲ２ＱＢ　　における信号はそれぞれアナログスイッ
チ４２に導入されている。このアナログスイッチ４２に
も、その切換制御を行うために照明手段２１側のアナロ
グスイッチ３７と同一の切換パルスＳ、が印加され、こ
のアナログスイッチ４２で選択された信号は、ローパス
フィルタ４３を介して第２比較増幅器４４の第１入力端
に供給される。この第２比較増醇器４４の第２入力端に
は、Ｖｒ□なる電圧を供給する基準電圧源が接続されて
いる。このｖｒ、は前記乗算器４０を経た信号、即ち調
光制御を受けた信号のダイナミックレンジを許容する最
低限度の輝度信号レベルに対応した電圧に設定され、前
記ローパスフィルタ４３からの信号のレベルがＶｒ、を
越えて低下したときに１乗算器４０の利得を制御するこ
とができる。

第２図は、前述した回転フィルタ３２を示し、３２Ｂ１
３２Ｇ、　３２Ｒは光源部１２の白色光からそれぞれ青
色光、緑色光、赤色光を透過するフィルタ部分である。

各フィルタ部分の間には、遮光部３２ＣＢ、　３２Ｃｏ
、　３２ＣＲとを有し、例えば、順次の各フィールド期
間中に１回転されることにより、所定の原色光を被写体
に照射する期間と、これら各期間の中間に遮光期間を作
り出すことができる。

尚、符号４５は回転フィルタ３２のスタートパルスを検
出するため透孔である。このスタートパルスは、各フィ
ールド期間の開始時点に発生する。

このような構成を有した内視鏡によれば、回転フィルタ
３２により遮光期間と各３原色光期間が設定された照明
光は、出射側伝達レンズ３３、ライトガイドファイバ９
、配光レンズ１４を伝達して被写体を照明し、ＣＣＤ４
の受光面には各期間の繰り返しに応じた像光エネルギー
が照射される。

これにより、ＣＣＤ４から読出される映像信号は、前置
増幅器２３および映像増幅器２４を経て第２検出端２５
に導びかれ、一部は乗算器４０に、一部は照明手段２１
側の直列抵抗Ｒ＋、＆　、Ｒａに導入１　　される。

しかして、例えば赤信号期間にはアナログスイッチ３７
は、抵抗Ｒ，と山の交点ＰＲに設定される分圧レベルの
赤信号を次段のローパスフィルタ３８に供給し、ローパ
スフィルタ３８はこの信号の平均値を第１比較増幅器３
９の第１入力端に印加する。このとき、前記平均値が基
準電圧ＶＲ，より小さい場合には、第１比較増幅器３９
は調光制御信号Ｓ１を発生し、ガルバノモータ２６をし
て絞り部材２７の開口を拡げることができる。これによ
り、光源部１２からの照明光量は多くなり、ＣＣＤ４に
到達する光エネルギーが増加され、映住信号のＺ度しベ
ルを大きくすることができる。このため、赤信号の振幅
は増大し、ダイナミックレンジを大きくすることができ
るのである。尚、第１比較増幅器３９は、■ｒＩとロー
パスフィルタ３８の出力レベルとのレベル差に比例した
調光制御信号を出力して、絞り部材２７をアナログ的に
制御することもできる。

また、本発明では照明手段２１における調光制御を、各
原色信号について独立の信号レベルでもって制御してい
る。すなわち、赤信号期間には前記ＰＲ点レベルで、緑
信号期間にはＰ。点レベルで、青信号期間にはＰＢ点ワ
レベル信号を第１比較増幅器３９の被比較信号としてい
る。このため、比視感度の最も弱い青信号は、最も小さ
い２３点レベルの信号に基づいて制御することができ、
他の赤信号期間および緑信号期間よりも調光制御を行う
率が高くなる。また、比視感度の最も強い緑信号期間は
、他の赤信号、青信号よりも大きな輝度レベルの低下で
調光制御が行なわれるものである。

次に、本発明では、上記調光制御を受けた信号を更に、
電気的に高速で利得制御を行うことができる。すなわち
、上記照明手段２１においては、第２検出端２５におけ
る信号レベルが低下して第２比較増幅器３９が調光制御
信号Ｓ、を出力したとしても、絞り部材２７がその絞り
を拡げる迄にかなりの時間を必要とする。この間にＣＣ
Ｄ４は、明るさの不足した照射光による信号を読出し、
乗算器４０に供給してしまう。そこで、本発明はこの乗
算器４０を経た第２検出端４１の信号をそれぞｆ”ＬＱ
。点、電点、９８点に所定の分圧レベルで＋＋３．成し
、各信号期間に応じてアナログスイッチ４２にそれぞれ
入力させる。このアナログスイッチ４２は、切換パルス
Ｓ、により照明手段２１（ＩＴＩＩのアナログスイッチ
３Ｔと同期して切換り動作し、各通訳−した信号をロー
パスフィルタ４３に供給する。第２比較増幅器４４は、
前記ローパスフィルタ４３によって形成される信号の平
均値とＶｒ、とのレベル差に比例した利得制御信号Ｓ、
を発生して乗算器４０を即座に制御することができる。

この制御速度は、照明手段２１側において、ガルバノモ
ータ２６および絞り部材２７が動作する期間よりはるか
に短く、調光制御が行なわれる迄の間の映像信号レベル
を増加することができるものである。

また、本発明は上記のように調光制御が行なわれた後の
映像信号を、利得制御手段２２にて制御するので、調光
制御だけでは信号レベルを充分に増加できずダイナミッ
クレンジが狭い場合に、利得制御手段２２による制御を
行うことができる。

また、一般に照明光を調光する方法より、回路利得を制
御する方法の方が信号対雑音比が優れているので、調光
制御と利得制御を並列的に行う場合より信号対雑音比が
向上するものである。その結果、本発明は調光制御より
も利得制御の方が憂゛先されることになる。

こうして本発明は、ダイナミックレンジが広くしかも比
視感度特性に即した画像が得られる。

尚、他の実施例として調光制御手段としては、上記ガル
バノモータ２６と絞り部材２７による措成以外に、例え
ば第３図で説明したような偏光フィルタを用いたり、或
いは偏光フィルタと液晶の組み合わせによって照明光量
を制御するようにしてもよい。また、本発明は調光制御
手段と利得制御手段を直列的に併用したことにあり、し
たがって、第３図のような色モザイクフィルタを用いた
内視鏡に適用してもよいものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、固体撮像素子の出
力信号を制御するための手段として、照明光の調光以外
に電気的に利得制御を行うようにしたので、調光制御手
段の機械的駆動部による応に調光制御だけでは充分なダ
イナミックレンジが得られない場合に、利得制御手段に
よる制御で信号対雑音比の良好な映（５！信号を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る内視鏡の一実施例を示す構成図、
第２図は第１図に用いる回転フィルタの正面図、第３図
は従来の内視鏡の一例を示す構成図である。 ２・・・挿入部、　　　　　　４・・・固体撮像素子、
２１・・・照明手段、　　　　２２・・・利得制御手段
、２５・・・第１信号検出端、　２７・・・絞り部材、
３１・・・同期モータ、　　　３２・・・回転フィルタ
、３５・・・回転検出器、　　　３６・・・タイミング
発生器、３７．４２・・・アナログスイッチ、 ３８　、４３・・・ローパスフィルタ、３９・・・第１
比較増１１８器、４０・・・乗算器、　　　　　４１・
・・第２検出端、４４・・・第２比較増幅器、　几〜凡
・・・抵抗。 手続ン甫正根ご（自発） 昭８１６０年７目１８日 ２、発明の名称　　　固捧県像素子を円ｔ・また内視鏡
３、補正を復る者 事１生どの間係　　　特許出顎人 代表者　　下　　山　　敏　　部 ４、代理人 １、明ｍｉｌ！第３頁第１９行目の「光量が少ない場合
には、」を削除しまず。 ２、明細書第１頁第４行目の「上記固体撮像素子４の」
を「上記ＣＣｌ）　４の」と訂正します。 ３、明ｔＭ書第９頁第１１行目〜第７行目の「更に、上
記従来例は、・・・制御１１を行うものではなかった。 」を次のように訂正しまず。［更に、従来の内視鏡にお
いては、光源装置内における光束中にＮＤにュートラル
・デンシティ）フィルタを挿入し、これを手動にて切り
換えることにより光量調整を行って来た。従って１１応
性に欠け、更には数段階の光ｆｆｌ調整しか出来ないと
いう欠点があった。」４、明１１Ｓ第１００第１８行目
のｒＣＣ０４等の」をｒｃｃＤ４　”答の」と訂正しま
ず。 ５、明細Ｂ第１１頁第２行目の「固体Ｆｉｉ像索子４か
らの」をｒＣＣＤ／Ｉ−からの」と訂正します。 ６、明細書第１２頁第４行目の「・・・示ずパルスが検
出され」を［・・・示づスタートパルス及びＲ，Ｇ。 Ｂの各読出し用遮光部を検出してＣＯＤからの読出し開
始像間を示すリードパルスが検出され」と訂正します。 ７．明ｍの第１２頁第１９行目〜第２０行口の「タイミ
ング発生器３６は、同フィルタ３５の１回転期間の１／
３回転ごとに・・・」を１゛タイミング生器３６は、前
記スタートパルス及びリードパルスにより、Ｒ，Ｇ、Ｂ
ごとに・・・」と訂正します。 ８、明細書第１５頁第６行目の［・・・透孔である。」
の次に「又、符号４６Ｒ，４６Ｇ、４６１３は名１で。 Ｇ、Ｂの映像信号読出しのためのリードパルスを検出す
る透孔である。」を挿入します。 ９、明細書第１６頁第８行目の「光源部１２」及びｒｃ
ｃＤ４Ｊを「光源部１２−」及びｒ　ＣＣ１）４−」と
訂正します。 １０、明細書第１７頁第１３行目の「第２検出喘２５」
を「第１検出端２５」と訂正しま１Ｊ。 １１、明■書第１７頁第１３行目〜第１／Ｉ行目の「第
２比較増幅器３９」を［第１比較増幅器３９」と訂正し
ます。 １２、明１１！占第１７頁′１５１６行口のｒＣＣＤ４
は、」をｒｃｃＤ４　＝は、」と訂正しまず。 １３　、　ＤＪＪｉｎＦ＋第２０１．−、Ｆ第１０行目
）ｒ　４　・［ｉ’ｌ休ｆ体１２像索子、」を「４′・
・・ＣＯＤ、Ｊと訂正しまず。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被写体像を撮像することのできる固体撮像素子と、前記
   被写体に照明光を与える発光手段と、前記固体撮像素子
   からの映像信号が供給され、この信号のレベルを検出す
   る第１のレベル検出手段と、この検出手段の検出レベル
   と予め設定される第１の基準レベルとを比較してそのレ
   ベル差に応じた第１の制御信号を出力する第１のレベル
   比較手段と、この第１の制御信号が供給され、この信号
   に基づいて前記発光手段からの照明光を調光する調光手
   段と、 前記第１のレベル検出手段における検出端からの映像信
   号を取込み、これを増幅する利得可変な増幅手段と、こ
   の増幅手段からの信号のレベルを検出する第２のレベル
   検出手段と、この検出手段の検出レベルと予め設定され
   る第２の基準レベルとを比較してそのレベル差に応じた
   第２の制御信号を形成し、この信号を前記増幅手段への
   利得制御信号とする回路手段とを具備したことを特徴と
   する固体撮像素子を用いた内視鏡。