JP6158589B2 - 内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、器官内壁などの被写体を撮像する内視鏡装置に関し、特に、撮像素子において生じる画素信号の出力処理に関する。

電子内視鏡装置では、ビデオスコープの先端部にＣＭＯＳ、ＣＣＤなどの撮像素子（イメージセンサ）を備え、イメージセンサから読み出される画素信号に基づいて画像信号を生成し、被写体像をモニタに表示する。イメージセンサから出力される画素信号は、スコープ先端部に設けられる出力バッファ（出力アンプ）によって低インピーダンスに変換された後、伝送ケーブルを介してスコープコネクタ部もしくはプロセッサ内のアナログ信号処理回路に送られる。

ＣＣＤの発熱量が高くなると、暗電流が増加し、画質が低下する。また、内視鏡先端部から射出する照明光による熱がＣＣＤ出力信号に影響を与え、画質を低下させる。このような熱による信号劣化を防ぐため、例えば、ＣＣＤ傍の出力バッファに対する供給電力を制御し、ＣＣＤ出力信号が読み出されているときだけ電源ＯＮに設定し、それ以外の出力信号が読み出されない期間では供給電力を停止する（特許文献１、２参照）。

特許第２５７９３７２号公報 特開２００９−３０２８５０号公報

ＣＣＤ側の出力バッファに対して供給電力を制御すると、制御信号の出力および出力バッファのＯＮ／ＯＦＦ動作が頻繁に行われることになり、プロセッサ側へ伝送される画素信号にノイズが生じる恐れがある。特に、内視鏡装置の場合、ビデオスコープ内に配設された信号伝送ケーブルを介して制御信号を送信するため、スイッチング動作によって、画素信号が内視鏡内に設けられた信号ケーブルを伝送する過程でノイズが生じやすい。

したがって、熱による信号劣化を防ぐとともにノイズ発生を抑えながら、画素信号をプロセッサ側へ伝送し、信号処理することが求められる。

本発明の内視鏡装置は、撮像素子と、前記撮像素子から出力される画素信号を電流増幅する出力バッファとを有し、内視鏡先端側に設けられる撮像部と、信号ケーブルを介して前記撮像部から送られてくるアナログ画素信号を処理するアナログ信号処理回路と、被写体への照明光の光量を調整する明るさ調整部と、前記撮像部に供給される電流を制御することにより、画素信号の出力振幅を調整する画素信号出力調整部とを備える。

そして、前記画素信号出力調整部は、所定量以下の照明光量であるときの電流値を、所定量を超える照明光量であるときの電流値よりも大きくする。別の言い方をすれば、照明光量が所定量以下の場合、電流値を増加させ、そうでない場合には基準となる電流値に設定する。電流量増加によって画素信号の出力振幅が広がる。これによって、信号劣化の少ない画素信号が獲得される。

画素信号出力調整部は、様々な回路構成で電流値を制御することが可能である。プロセッサ側で電流値を調整することを考慮すれば、アナログ信号処理回路内に定電流回路を設け、アナログ信号処理回路内に設けられた電流抵抗に流れる電流量が変わるように定電流回路を制御することが可能である。

アナログ信号処理回路にゲイン処理回路が設けられている場合、出力振幅が大きいことから、ゲイン値を抑えることができる。画素信号出力調整部は、所定量以下の照明光量であるときのゲイン値を、所定量を超える照明光量であるときのゲイン値よりも小さくすることが可能である。電流値増加に伴ってゲイン値を減少させればよい。

例えば、画素信号出力調整部が、電流値とゲイン値との対応関係を示すテーブルをあらかじめ設定し、そのテーブルに基づいて、電流値およびゲイン値を定めることが可能である。電流量増加に比例してゲイン値を減少させてもよい。

照明光量が少ない観察状況であっても、スコープ先端部が被写体に近接しているとは限らない。観察画像の明るさが十分であることを補償するため、画素信号出力調整部が、所定量以下の照明光量であるとともに、所定値以上の画素信号輝度値であるとき、電流値を大きくするようにしてもよい。

このように本発明によれば、内視鏡装置において、信号劣化およびノイズ発生を抑え、ながら、高画質の画像を得ることができる。

本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。 アナログ画素信号の出力経路およびアナログ信号処理回路を示したブロック図である。 システムコントローラによって実行される電流制御処理のフローチャートである。

以下では、図面を参照して本実施形態である電子内視鏡装置について説明する。

図１は、本実施形態である電子内視鏡装置のブロック図である。図１を用いて、電子内視鏡装置の動作について説明する。

電子内視鏡装置は、その挿入部分が体内へ挿入されるビデオスコープ１０と、プロセッサ２０とを備え、ビデオスコープ１０はプロセッサ２０に着脱自在に接続される。プロセッサ２０には、モニタ６０が接続されている。

プロセッサ２０は、白色光を放射する光源４６を備え、光源４６から放射された光は、集光レンズ４４を介してビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド１１に入射する。ライトガイド１１に入射した光は、配光レンズ１３を介してビデオスコープ１０の先端部から射出し、被写体（観察部位）に照射される。

被写体で反射した光は、ビデオスコープ１０の先端部に設けられた対物レンズ１４によって結像し、被写体像がイメージセンサ１２の受光面に形成される。ここでは、イメージセンサ１２としてＣＣＤが用いられる。イメージセンサ１２の受光面上には、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｇ、Ｍｇから成る色フィルタ要素をモザイク状に配列させた補色フィルタ（図示せず）が配設されている。

イメージセンサ１２では、ＣＣＤ駆動回路３２から送られてくる駆動信号に従い、１フィールド／フレーム分の画像信号が所定の時間間隔で読み出される。例えば、ＮＴＳＣ方式の場合、１／６０秒間隔で読み出され、ＰＡＬ方式の場合、１／５０秒間隔で読み出される。読み出された画素信号は、出力バッファ１５において電流増幅処理された後、プロセッサ２０へ送られる。

プロセッサ２０のアナログ信号処理回路２２では、アナログ画素信号に対して増幅処理およびゲイン処理が行われる。そして、前段信号処理回路２４では、アナログ画素信号に対し、デジタル化処理、さらには、ホワイトバランス処理（ゲイン処理）、ガンマ補正処理などの様々な信号処理が施される。これにより、カラー画像信号が生成される。カラー画像信号は、メモリ２６、後段信号処理回路２８を経てモニタ６０に出力され、カラー画像がモニタ６０に表示される。

ＣＰＵ、ＲＯＭ等を含むシステムコントローラ３０は、タイミングコントローラ３４、光源電源４８、フロントパネルスイッチ３６などへ制御信号を出力し、プロセッサ２０全体の動作を制御する。絞り４２は、ライトガイド１１の入射端と集光レンズ４４との間に配置されており、モータ４０による開閉動作によって照明光量を増減させる。システムコントローラ３０は、自動調光処理を実行し、輝度信号に基づいてモータドライバ３８へ制御信号を送る。モータドライバ３８は、制御信号に基づいてモータ４０を駆動する。

図２は、アナログ画素信号の出力経路およびアナログ信号処理回路を示したブロック図である。図２を用いて、電流値の調整について説明する。

イメージセンサ１２から出力される画素信号は、スコープ先端側の出力バッファ１５からプロセッサ側のアナログ信号処理回路２２までの信号処理範囲ＡＰにおいてアナログ信号処理される。出力バッファ１５は、エミッタフォロア接続のトランジスタ１６から構成されており、イメージセンサ１２から出力される画素信号を電流増幅し、低インピーダンスに変換する。電流増幅された画素信号は、同軸ケーブルである伝送ケーブルＣＢを介してアナログ信号処理回路２２へ送られる。

アナログ信号処理回路２２は、定電流回路５３、抵抗５２、５４、コンデンサ５６、増幅回路５７、ゲイン処理回路５８を備えている。入力した画素信号は、抵抗５２、コンデンサ５６、抵抗５４を介して増幅回路５７へ送られる。抵抗５２には、出力バッファ１５を線形動作させるために直流バイアス電流が流れる。

増幅回路５７を経てゲイン処理回路５８に入力した画素信号に対し、ゲイン処理が施される。ゲイン値は、システムコントロール回路３０からの制御信号に基づいて定められる。順次ゲイン処理された１フィールド／フレーム分の画素信号は、アナログ信号処理回路２２から出力される。

イメージセンサ出力端と出力バッファ１５には、定められた電源電圧がプロセッサ２０の電源回路（図示せず）から供給されている。一方、イメージセンサ１２から出力される画素信号の出力振幅は、電流抵抗５２側へ流れる電流量に依存する。この電流量は、イメージセンサ１２、出力バッファ１５へ供給される電流量に対応していることから、抵抗５２側へ流れる電流量を増減させると、それに応じてイメージセンサ１２へ供給される電流も増減する。

信号ケーブルＣＢと抵抗５２との間に設けられた定電流回路５３は、信号処理範囲ＡＰにおいて流れる定電値を設定、変更可能であり、イメージセンサ１２へ供給される電流値、すなわち抵抗５２側へ流れる電流の電流値を大きくすることによって、イメージセンサ１２から出力される画素信号の振幅値（出力波形）を大きくすることができる。

画素信号の振幅値を大きくすることにより、ゲイン処理回路５８におけるゲイン値をその分比較的小さく設定することができる。これは、出力された画素信号に含まれる情報をなるべくそのまま利用して観察画像信号を生成することとなり、高画質の観察画像を得ることができる。

しかしながら、絞りの開度が比較的大きく、照明光量が多くなることでイメージセンサ１２が温度上昇しやすい観察作業状況では、電流量増加によって発生する熱との相互作用に伴い、あらかじめ規格されたスコープ先端部の許容温度を超え、画素信号が劣化する恐れがある。

そこで本実施形態では、熱の影響が少ない観察状況になると、電流値を増加させて画素信号出力振幅を大きくし、それ以外の観察状況では、熱発生による影響が生じないように電流値を抑える。

図３は、システムコントローラ３０によって実行される電流制御処理を示したフローチャートである。

システムコントローラ３０は、所定時間間隔（ここでは１／６０秒）で自動調光処理を実行しており、それに合わせて電流制御処理がサブルーチンとして所定時間間隔（例えば、同じ時間間隔）で実行されている。

ステップＳ１０１では、絞り４２の開度（絞り値）Ａがあらかじめ定められた許容最大開度Ｔ０以下であるか否かが判断される。絞り値ＡがＴ０以下の場合、ステップＳ１０２へ進み、画素信号の輝度値Ｙが許容最少輝度値Ｙ０以上であるか否かが判断される。

許容最大開度Ｔ０は、照明光量の熱がイメージセンサ１２の温度上昇に影響しない値を表す。また、許容最少輝度値Ｙ０は、被写体像を観察するのに適切な明るさの最少輝度値を表す。開度Ａ、輝度値Ｙが上記条件を満たす場合、被写体がスコープ先端部と近接し、僅かな照明光量によっても適切な明るさの被写体像を表示できる観察状況であると判断する。

開度Ａが許容最大開度Ｔ０以下であり、画素信号の輝度レベルＹが許容最少輝度値Ｙ０以上である場合、定電流回路５３を制御することによって電流値を増加させ（Ｓ１０３）、増加電流値に応じてゲイン値を補正する（Ｓ１０４）。

電流値とゲイン値との対応関係は、あらかじめルックアップテーブル（ＬＵＴ）として設定されており、増加した電流値の増加分（増加割合）に応じてゲイン値の減少分（減少割合）が定められる。ここでは、電流増加量に比例してゲイン値が減少する。

一方、開度Ａが許容最大値Ｔ０より大きく、あるいは、画素信号の輝度値Ｙが許容最少輝度値Ｙ０より小さい場合、照明光量が比較的多く、熱の影響によって画質が劣化する可能性が高く、電流値を増加可能な観察状況ではないと判断し、電流値、ゲイン値を基準値に設定する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。基準値は、あらかじめ製造時、使用開始時などに定められている。

このように本実施形態によれば、イメージセンサ１２から出力されるアナログ画素信号を出力バッファ１５において電流増幅し、伝送ケーブルＣＢを通じてプロセッサ２０のアナログ信号処理回路２２へ送信する。そして、絞り４２の開度が比較的小さく、かつ、画素信号の輝度値が比較的大きい場合、照明光量の熱による影響が少ないと判断し、画素信号の出力振幅を大きくするため、定電流回路５３を制御してイメージセンサ１２へ供給する電流量を増加させる。そして、電流量増加に伴い、ゲイン処理回路５８におけるゲイン値を小さくする。

電流量増加の判断に関しては、絞り開度だけで観察状況を判断してもよい。また、定電流回路以外の回路を設けて電流値を制御してもよい。イメージセンサとしては、ＣＭＯＳセンサなどＣＣＤ以外の構成にしてもよい。照明光量調整では、絞り以外の構成を採用してもよい。

１０ ビデオスコープ
１２ イメージセンサ（撮像素子）
１５ 出力バッファ
２２ アナログ信号処理回路
３０ システムコントローラ（画素信号出力調整部）
４２ 絞り
５３ 定電流回路（画素信号出力調整部）
ＣＢ 伝送ケーブル（信号ケーブル）

Claims (5)

1. 撮像素子と、前記撮像素子から出力される画素信号を電流増幅する出力バッファとを有し、内視鏡先端側に設けられる撮像部と、
   信号ケーブルを介して前記撮像部から送られてくるアナログ画素信号を処理するアナログ信号処理回路と、
   被写体への照明光の光量を調整する明るさ調整部と、
   前記撮像部に供給される電流を制御することにより、画素信号の出力振幅を調整する画素信号出力調整部とを備え、
   前記画素信号出力調整部が、所定量以下の照明光量であるときの電流値を、所定量を超える照明光量であるときの電流値よりも大きくし、
   前記アナログ信号処理回路が、ゲイン処理回路を有し、
   前記画素信号出力調整部が、所定量以下の照明光量であるときのゲイン値を、所定量を超える照明光量であるときのゲイン値よりも小さくすることを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記画素信号出力調整部が、所定時間間隔で、所定量以下の照明光量であるか否かを判断し、所定量以下の照明光量の場合には電流値を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記画素信号出力調整部が、電流値とゲイン値との対応関係を示すテーブルに基づいて、電流値およびゲイン値を定めることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
4. 前記画素信号出力調整部が、前記アナログ信号処理回路内に設けられた定電流回路を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内視鏡装置。
5. 撮像素子と、前記撮像素子から出力される画素信号を電流増幅する出力バッファとを有し、内視鏡先端側に設けられる撮像部と、
   信号ケーブルを介して前記撮像部から送られてくるアナログ画素信号を処理するアナログ信号処理回路と、
   被写体への照明光の光量を調整する明るさ調整部と、
   前記撮像部に供給される電流を制御することにより、画素信号の出力振幅を調整する画素信号出力調整部とを備え、
   前記画素信号出力調整部が、所定量以下の照明光量であるときの電流値を、所定量を超える照明光量であるときの電流値よりも大きくし、
   前記画素信号出力調整部が、所定量以下の照明光量であるとともに、所定値以上の画素信号輝度値であるとき、電流値を大きくすることを特徴とする内視鏡装置。
   

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