JP5872911B2

JP5872911B2 - 撮像ユニットおよび撮像システム

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Publication number: JP5872911B2
Application number: JP2012006335A
Authority: JP
Inventors: 中村　幹夫; 幹夫中村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: US20140320619A1; WO2013108693A1; EP2805668A4; JP2013144064A; CN104039213A; CN104039213B; US9445709B2; EP2805668A1; EP2805668B1

Description

本発明は、撮像素子および光学部材を有する撮像ユニットおよび撮像システムに関するものである。

従来から、デジタルカメラおよびデジタルビデオカメラを始め、撮像機能を備えた携帯電話機、被検者の臓器内部を観察するための内視鏡システムなど、各種に対応した電子撮像システムが登場している。このうち、内視鏡システムは、被検者の臓器内部を撮像する撮像ユニットを有する内視鏡装置と、この内視鏡装置を制御する制御ユニットとを備える。撮像ユニットは、可撓性を有する細長の挿入具の先端部に撮像素子を実装して内蔵されている。この挿入具を体腔内に挿入することによって、被検部位の観察等が可能となる。

撮像ユニットは、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子を実装し、レンズ等の光学系によって撮像素子の受光部に被写体の光学像を結像し、この光学像の画像信号を光電変換処理することによって被写体の画像データを撮像する。

近年、円滑な診断および処置のために、体内画像の高精細化が要求されている。このような状況の下、高精細化に対応した情報量の多い画像信号を伝送するために、電気信号を光信号に変換し、この変換された光信号を、光ファイバーケーブルを用いて信号処理装置に伝送する内視鏡システムが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００７−２６００６６号公報

ところで、従来の内視鏡システムは、光ファイバーケーブルを用いて画像情報を信号処理装置（制御ユニット）に伝送するものであり、その伝送経路は、光ファイバーケーブルによる経路のみであった。撮像ユニットは、変換部において撮像素子からの画像信号を光信号に変換した後に、この光信号を外部に出力する。

このとき、撮像ユニットから得られた画像情報に異常がある場合、または撮像ユニットから画像情報が得られない場合、制御ユニットは、例えば光ファイバーケーブルを取り替えることによって、撮像ユニット側の異常であるのか、光ファイバーケーブル側の異常であるのかを判断することが可能である。

しかしながら、撮像ユニット側の異常である場合、伝送経路が光ファイバーケーブルによる経路のみであるため、その内部において、撮像素子側に異常があるのか、画像信号を光信号に変換する変換部の異常であるのかを判断することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、撮像ユニット内部の異常箇所を容易に判断することができる撮像ユニットおよび撮像システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる撮像ユニットは、動作制御用の制御ユニットに通信可能に接続されて、該制御ユニットの制御のもと撮像対象の撮像を行う一方、導通検査用の検査ユニットに通信可能に接続されて導通検査に供される撮像ユニットであって、前記撮像対象からの光を受光して光電変換する撮像素子を有する撮像部と、前記撮像部から入力される画像情報を含む信号を２つに分岐する分岐部と、前記分岐部によって分岐された信号のうち、一方の信号が入力され、該入力された信号に対して光信号に変換する変換処理を行う第１変換部と、前記分岐部によって分岐された信号のうち、他方の信号が入力され、該入力された信号に対して電気信号に変換する変換処理を行う第２変換部と、前記第１変換部によって変換された前記光信号を外部に出力する第１出力部と、前記第２変換部によって変換された前記電気信号を外部に出力する第２出力部と、当該撮像ユニットに接続したユニットを検出する検出部と、前記検出部によって検出されたユニットが前記制御ユニットである場合、前記第１出力部に前記光信号を出力させ、前記検出部によって検出されたユニットが前記検査ユニットである場合、前記第２出力部に前記電気信号を出力させる制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記の発明において、前記検出部は、光ファイバーケーブルの接続を検出することによって、前記制御ユニットの接続を検出することを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記の発明において、前記制御部は、前記制御ユニットとの接続時に前記第２出力部が出力する情報量を、前記検査ユニットとの接続時に前記第２出力部が出力する情報量と比して小さくする制御を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像システムは、上記の発明にかかる撮像ユニットと、前記第１出力部と通信可能に接続し、前記撮像ユニットからの信号を受信する第１の受信部、および該第１の受信部が受信した信号をもとに画像情報を生成する第１の画像処理部を有する前記制御ユニットと、前記第２出力部と通信可能に接続し、前記撮像ユニットからの信号を受信する第２の受信部、および該第２の受信部が受信した信号をもとに画像情報を生成する第２の画像処理部を有する前記検査ユニットと、前記第１の画像処理部または前記第２の画像処理部によって生成された画像情報に基づいて、画像表示を行う表示部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像システムは、上記の発明において、前記制御ユニットは、前記第２出力部と通信可能に接続し、前記撮像ユニットからの信号を受信する第３の受信部をさらに有し、前記第１の画像処理部は、該第３の受信部が受信した信号をもとに画像情報を生成することを特徴とする。

本発明によれば、撮像ユニットの内部に撮像部が取得した信号を分岐する分岐部、および分岐部に接続される複数の出力部を設け、接続されるユニットに応じて、信号の外部への出力経路を変更するようにしたので、撮像ユニット内部の異常箇所を容易に判断することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの全体構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの制御ユニットと、内視鏡装置の先端部に搭載される撮像ユニットとを示すブロック図である。図３は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの内視鏡装置の先端部に搭載される撮像ユニットと、検査ユニットとを示すブロック図である。図４は、本発明の実施の形態の変形例にかかる内視鏡システムの制御ユニットと、内視鏡装置の先端部に搭載される撮像ユニットとを示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、撮像システムの例として内視鏡システムを説明する。

まず、実施の形態における内視鏡システムについて説明する。図１は、本実施の形態にかかる内視鏡システム１の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態１における内視鏡システム１は、被検者の臓器内部を撮像する撮像ユニットを有する内視鏡装置２と、この内視鏡装置２を制御する動作制御用の制御ユニット３と、制御ユニット３に接続され、内視鏡装置２が撮像した撮像画像等を表示する表示ユニット４とを備える。

内視鏡装置２は、細長な挿入部２１と、この挿入部２１の基端側であって内視鏡装置操作者が把持する操作部２２と、この操作部２２の側部より延伸する可撓性のユニバーサルコード２３とを備える。ユニバーサルコード２３は、光ファイバーケーブルや電気系ケーブルなどを内蔵する。

挿入部２１は、ＣＣＤなどの撮像素子を有する撮像ユニットを内蔵した先端部２４と、複数の湾曲駒によって構成され湾曲自在の湾曲部２５と、この湾曲部２５の基端側に設けられた長尺であって可撓性を有する可撓管部２６とを備える。撮像ユニットは、動作制御用の制御ユニット３に通信可能に接続されて、制御ユニット３の制御のもと撮像対象の撮像を行う一方、導通検査用の検査ユニット６（図３参照）に通信可能に接続されて導通検査に供される。

ユニバーサルコード２３の制御ユニット３側の端部には、光源装置に着脱自在に接続されるライトガイドコネクタ、ＣＣＤなどで光電変換した被写体像の電気信号を制御ユニット３に伝送するための電気接点部、先端部２４のノズルに空気を送るための送気口金などが設けられている（図示せず）。なお、光源装置は、ハロゲンランプなどが内蔵されたものであり、ハロゲンランプからの光を、ライトガイドコネクタを介して接続された内視鏡装置２へ照明光として供給する。

操作部２２には湾曲部２５を上下方向および左右方向に湾曲させる湾曲ノブ２７、体腔内に生検鉗子、レーザプローブ等の処置具を挿入する処置具挿入部２８、信号処理装置や制御装置あるいは送気、送水、送ガス手段などの周辺機器の操作を行なう複数のスイッチ２９が設けられている。処置具挿入部２８の処置具挿入口に処置具が挿入された内視鏡装置２は、内部に設けられた処置具挿通用チャンネルを経て処置具の先端処置部を突出させ、たとえば生検鉗子によって患部組織を採取する生検などを行なう。

制御ユニット３は、撮像素子に電源を供給し、撮像素子から光電変換された電気信号が入力され、撮像素子によって撮像された電気信号を処理して接続する表示ユニット４に画像を表示させるとともに、撮像素子のゲイン調整などの制御および駆動を行なう駆動信号の出力を行なう。

表示ユニット４は、制御ユニット３の制御のもと、撮像素子によって撮像された撮像画像を表示させる表示部４１を有する。

つぎに、内視鏡装置２の先端部２４に搭載される撮像ユニットの構成および制御ユニットの構成について説明する。図２は、本実施の形態にかかる内視鏡システム１の制御ユニット３と、内視鏡装置２の先端部２４に搭載される撮像ユニット５とを示すブロック図である。

制御ユニット３は、撮像ユニット５を含む内視鏡システム全体を制御する制御部３０と、撮像ユニット５から出力される光信号を撮像ユニット５から受信する受信部３１（第１の受信部）と、受信部３１が受信した光信号を処理（電気信号に変換処理）して表示部４１に表示させる画像の画像情報を生成する画像処理部３２（第１の画像処理部）と、を有する。

撮像ユニット５は、撮像ユニット５全体を制御する制御部５０と、被写体の画像を取得する画像取得部５１と、撮像ユニット５に接続される他のユニットを検出する検出部５２と、を有する。

画像取得部５１は、複数のレンズからなる光学結像部５１１と、撮像対象からの光を受光して光電変換する撮像素子を有する撮像部５１２と、撮像部５１２から入力される画像情報を含む信号を分岐する分岐部５１３と、分岐部５１３によって分岐された信号のうち、一方の信号が入力されて、この入力された信号に対して変換処理を行う第１変換部５１４と、第１変換部５１４によって変換された信号を撮像ユニット５の外部に出力する第１出力部５１５と、分岐部５１３によって分岐された信号のうち、他方の信号が入力されて、この入力された信号に対して変換処理を行う第２変換部５１６と、第２変換部５１６によって変換された信号を撮像ユニット５の外部に出力する第２出力部５１７と、によって構成される。

光学結像部５１１は、外部からの光を集光する複数のレンズを有する。複数のレンズは、例えばそれぞれの中心が同一軸上に位置するように、レンズホルダ等に組みつけられる。なお、レンズホルダは、例えば耐食鋼で形成されており、少なくとも外側は遮光されている。

撮像部５１２は、少なくとも撮像対象からの光を受光して光電変換する撮像素子を有する。なお、撮像素子上にプリズムを載置して、プリズムに入射して折り曲げられた光を撮像素子が受光するようにしてもよい。

撮像素子は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサ等に例示されるベアチップ状の半導体素子であり、被写体からの光を受光して被写体の画像を撮像する撮像機能を有する。撮像素子には、チップ基板の上面に、被写体からの光を受光し、この受光した光を光電変換処理する受光部が形成されている。撮像ユニット５完成時、撮像素子は、例えば光学結像部５１１のレンズの光軸と受光部面とが略平行となるように配置される。

受光部は、格子形状等の所定の形状に配置される画素群、および、光を効率よく集光するために画素群上に形成されるマイクロレンズ等を用いて実現される。受光部の表面は長方形をなし、受光部は撮像素子のチップ基板上の所定位置に形成される。

撮像部５１２は、撮像素子の受光部が受光して光電変換処理した電気信号をもとに被写体の画像信号を生成し、この生成した画像信号を、分岐部５１３に出力する。

分岐部５１３は、制御部５０の制御のもと、撮像部５１２から入力された信号を２つに分岐して第１変換部５１４および／または第２変換部５１６に対して出力する。

第１変換部５１４は、分岐部５１３から入力された電気信号である画像信号を光信号に変換する。第１変換部５１４は、例えば、画像信号を含む電気信号を光信号に変換するＥ／Ｏ変換モジュールを有する。第１変換部５１４は、電気信号を光信号に変換後、第１出力部５１５に出力する。

第２変換部５１６は、分岐部５１３から入力された電気信号である画像信号を第２出力部５１７が出力する態様の電気信号に変換する。この電気信号の変換には、アナログ／デジタル変換や、周波数特性の調整等を含む。第２変換部５１６は、電気信号を変換後、第２出力部５１７に出力する。

検出部５２は、撮像ユニット５に外部のユニットが接続された場合、接続されたユニットの情報を取得して、取得したユニット検出情報を制御部５０に出力する。制御ユニット３の受信部３１は、撮像ユニット５（第１出力部５１５および第２出力部５１７）のいずれか１つと機械的に接続される。検出部５２は、例えば光ファイバーケーブル（ユニバーサルコード２３）が第１出力部５１５に接続されたか否かによって、制御ユニット３が接続されたか否かを判断する。

本実施の形態では、図２のように撮像ユニット５（内視鏡装置２）が制御ユニット３と接続されている場合は、撮像ユニット５と制御ユニット３とは、第１出力部５１５と受信部３１とによって通信可能に接続されている。このとき、検出部５２は、接続されているユニットの情報を取得して、接続されているユニットの検出情報を制御部５０に出力する。制御部５０は、検出部５２から取得したユニット検出情報をもとに、分岐部５１３、第１出力部５１５および第２出力部５１７を制御する。

これにより、制御ユニット３は、光信号を撮像ユニット５から、第１変換部５１４によって変換された、画像情報を含む光信号を受信するため、制御ユニット３と撮像ユニット５との間で、高精細化に対応した情報量の多い画像信号を伝送することが可能となる。

制御部３０は、受信部３１が受信した光信号に基づいて、画像処理部３２にこの光信号を処理して画像情報を生成させ、この画像情報をもとに表示ユニット４の表示部４１に画像の表示を行わせる。これにより、観察者は、表示部４１が表示した画像を確認して撮像ユニット５から得られた画像に異常があるか否かを判断することができる。

図３は、本実施の形態にかかる内視鏡システム１の内視鏡装置２の先端部２４に搭載される撮像ユニット５と、導通検査用の検査ユニット６とを示すブロック図である。検査ユニット６は、撮像素子に電源を供給可能であり、撮像ユニット５の出力状態を検査するものであって、検査ユニット６全体を制御する制御部６０と、撮像ユニット５から出力される光信号を撮像ユニット５から受信する受信部６１（第２の受信部）と、受信部６１が受信した光信号を処理して画像情報を生成する画像処理部６２（第２の画像処理部）と、画像処理部６２によって生成された画像情報に応じた画像の表示を行う表示部６３と、を有する。

図３のように撮像ユニット５（内視鏡装置２）が検査ユニット６と接続されている場合は、撮像ユニット５と検査ユニット６とは、第２出力部５１７と受信部３１とによって通信可能に接続されている。このとき、検出部５２は、接続されているユニットの情報を取得して、接続されているユニットの検出情報を制御部５０に出力する。制御部５０は、検出部５２から取得したユニット検出情報をもとに、分岐部５１３、第１出力部５１５および第２出力部５１７を制御する。すなわち、制御部５０は、検出部５２によって検出されたユニットが制御ユニット３である場合、第１出力部５１５に光信号を出力させ、検出されたユニットが検査ユニット６である場合、第２出力部５１７に電気信号を出力させる制御を行う。

制御部６０は、受信部６１が受信した電気信号に基づいて、画像処理部６２にこの電気信号を処理して画像情報を生成させ、この画像情報をもとに表示部６３に画像の表示を行わせる。これにより、観察者は、表示部６３が表示した画像を確認して撮像部５１２が撮像した画像に異常があるか否かを判断することができる。

ここで、第２変換部５１６によって変換された信号は、画像情報を含む電気信号であるため、撮像ユニット５と検査ユニット６との間で伝送される情報量は、制御ユニット３と撮像ユニット５との間で伝送される情報量と比して情報量が少なくなる。例えば、電気信号として伝送する情報量は、光信号として伝送する情報量の数十分の１〜数百分の１程度である。これにより、制御ユニット３と撮像ユニット５との間と比して情報量の落ちた信号伝送が行なわれることとなるが、異なる出力形態の信号における画像を確認できる。なお、受信部３１と第１出力部５１５との間において光信号を伝送するものとして、光ファイバーケーブルが用いられるが、この光ファイバーケーブルは、ガラス製であるため、電気信号用の信号ケーブルよりも屈曲や捻りに弱く、観察途中で断線してしまうおそれがある。これに対して、電気信号を伝送するケーブルは、屈曲や捻りに強い材質を用いて形成することができるため、断線等が起こりにくく、より確実な信号伝送を行なうことが可能となる。

上述したように、撮像ユニット５は、接続されるユニットに応じて信号の出力経路および出力形態を変えて画像情報を含む信号を接続されているユニットに伝送する。このとき、撮像ユニット５は、制御ユニット３に接続された場合に、第１変換部５１４によって変換された光信号を出力し、検査ユニット６に接続された場合に、第２変換部５１６によって変換された電気信号を出力する。なお、撮像ユニット５は、制御ユニット３と検査ユニット６のうち、いずれか一方と通信可能に接続する。

これにより、撮像ユニット５から得られた画像において異常があった場合、観察者が、各表示部４１，６３に表示された画像を確認することによって、撮像部５１２、分岐部５１３側による異常であるのか、第１変換部５１４および第１出力部５１５側による異常であるのかを判断することができる。

また、撮像ユニット５が、制御ユニット３と接続されている場合、撮像ユニット５の制御部５０は、制御ユニット３との接続時に第２出力部５１７が出力する情報量を、検査ユニット６との接続時に第２出力部５１７が出力する情報量と比して小さくすることが好ましく、第２出力部５１７の出力を０とすることがより好ましい。これにより、不要な出力を抑制し、電力消費および通電による発熱を低減することができる。

上述した実施の形態によれば、撮像ユニットの内部に撮像部が取得した信号を分岐する分岐部、分岐部に接続される複数の出力部を設け、接続されるユニットに応じて、出力経路を変更するようにしたので、撮像ユニット内部の異常箇所を容易に判断することができる。

図４は、本実施の形態の変形例にかかる内視鏡システムの制御ユニット３ａと、内視鏡装置２の先端部２４に搭載される撮像ユニット５ａとを示すブロック図である。上述した実施の形態では、制御ユニット３が、一方の出力部（第１出力部５１５）にのみ通信可能に接続されるものとして説明したが、変形例にかかる制御ユニット３ａのように、複数の出力部と通信可能に接続するものであってもよい。

変形例にかかる制御ユニット３ａは、撮像ユニット５ａを含む内視鏡システム全体を制御する制御部３０ａと、撮像ユニット５ａの第１出力部５１５と通信可能に接続され、第１出力部５１５から出力される光信号を受信する第１受信部３１ａ（第１の受信部）と、撮像ユニット５の第２出力部５１７と通信可能に接続され、第２出力部５１７から出力される電気信号を受信する第２受信部３１ｂ（第３の受信部）と、第１受信部３１ａまたは第２受信部３１ｂが受信した画像情報を含む信号を処理して表示部４１に表示させる画像の画像情報を生成する画像処理部３２ａ（第１の画像処理部）と、を有する。

また、変形例にかかる撮像ユニット５ａは、上述した画像取得部５１および検出部５２の制御を行う制御部５０ａを有する。また、制御部５０ａは、検出部５２から取得したユニット検出情報をもとに、接続先のユニットに信号を出力する出力部を第１出力部５１５および第２出力部５１７のうちから選択して、選択した出力部から信号を出力させる制御を行う。

上述した変形例のように、ユニット検出情報をもとに出力部を選択して信号を出力させることによっても、上述した実施の形態の効果を得ることも可能である。

また、上述した変形例において、非出力対象となった出力部をオフ状態とすることも可能であり、これによって電力消費および通電による発熱を低減することが可能となる。

なお、画像処理部３２ａが、第１受信部３１ａまたは第２受信部３１ｂが受信した画像情報を含む信号を処理するものとして説明したが、第１受信部３１ａおよび第２受信部３１ｂに応じて設けられ、第１受信部３１ａおよび第２受信部３１ｂがそれぞれ出力する信号の処理を個別に行う複数の画像処理部を有するものであってもよい。

上述した本実施の形態においては、内視鏡装置の挿入具の先端部に搭載される撮像ユニットを例に説明したが、もちろん、デジタルカメラおよびデジタルビデオカメラを始め、撮像機能を備えた携帯電話機など、各種態様の電子撮像ユニットに適用可能である。

１内視鏡システム
２内視鏡装置
３，３ａ制御ユニット
４表示ユニット
５，５ａ撮像ユニット
６検査ユニット
２１挿入部
２２操作部
２３ユニバーサルコード
２４先端部
２５湾曲部
２６可撓管部
２７湾曲ノブ
２８処置具挿入部
２９スイッチ
３０，３０ａ，５０，５０ａ，６０制御部
３１，６１受信部
３１ａ第１受信部
３１ｂ第２受信部
３２，３２ａ，６２画像処理部
４１，６３表示部
５１画像取得部
５２検出部
５１１光学結像部
５１２撮像部
５１３分岐部
５１４第１変換部
５１５第１出力部
５１６第２変換部
５１７第２出力部

Claims

動作制御用の制御ユニットに通信可能に接続されて、該制御ユニットの制御のもと撮像対象の撮像を行う一方、導通検査用の検査ユニットに通信可能に接続されて導通検査に供される撮像ユニットであって、
前記撮像対象からの光を受光して光電変換する撮像素子を有する撮像部と、
前記撮像部から入力される画像情報を含む信号を２つに分岐する分岐部と、
前記分岐部によって分岐された信号のうち、一方の信号が入力され、該入力された信号に対して光信号に変換する変換処理を行う第１変換部と、
前記分岐部によって分岐された信号のうち、他方の信号が入力され、該入力された信号に対して電気信号に変換する変換処理を行う第２変換部と、
前記第１変換部によって変換された前記光信号を外部に出力する第１出力部と、
前記第２変換部によって変換された前記電気信号を外部に出力する第２出力部と、
当該撮像ユニットに接続したユニットを検出する検出部と、
前記検出部によって検出されたユニットが前記制御ユニットである場合、前記第１出力部に前記光信号を出力させ、前記検出部によって検出されたユニットが前記検査ユニットである場合、前記第２出力部に前記電気信号を出力させる制御を行う制御部と、
を備えたことを特徴とする撮像ユニット。
前記検出部は、光ファイバーケーブルの接続を検出することによって、前記制御ユニットの接続を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
前記制御部は、前記制御ユニットとの接続時に前記第２出力部が出力する情報量を、前記検査ユニットとの接続時に前記第２出力部が出力する情報量と比して小さくする制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像ユニット。
請求項１〜３のいずれか一つに記載の撮像ユニットと、
前記第１出力部と通信可能に接続し、前記撮像ユニットからの信号を受信する第１の受信部、および該第１の受信部が受信した信号をもとに画像情報を生成する第１の画像処理部を有する前記制御ユニットと、
前記第２出力部と通信可能に接続し、前記撮像ユニットからの信号を受信する第２の受信部、および該第２の受信部が受信した信号をもとに画像情報を生成する第２の画像処理部を有する前記検査ユニットと、
前記第１の画像処理部または前記第２の画像処理部によって生成された画像情報に基づいて、画像表示を行う表示部と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。
前記制御ユニットは、前記第２出力部と通信可能に接続し、前記撮像ユニットからの信号を受信する第３の受信部をさらに有し、
前記第１の画像処理部は、該第３の受信部が受信した信号をもとに画像情報を生成することを特徴とする請求項４に記載の撮像システム。