(57)【要約】【課題】  カプセル型内視鏡に搭載されるＣＣＤイメージセンサの小型化が制限され、カプセル型内視鏡の小型化が難しい。【解決手段】  撮像部４ｉ、水平転送部４ｈ、出力部４ｄからなるＣＣＤイメージセンサ４をカプセル型内視鏡に搭載する。体内では基本的に暗状態であり、ＬＥＤの発光期間に基づいて所望の露光時間を設定することにより、ＣＣＤイメージセンサ４は、フレーム転送型のような遮光された蓄積部、またインターライン転送型のような受光画素とは別に遮光された垂直シフトレジスタを必要としない。このように、信号電荷を保持するために遮光した領域を必要としないため、その分、ＣＣＤイメージセンサ４は小型化が可能であり、カプセル型内視鏡の小型化が実現される。【選択図】        図２
2006075331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体に照明光を照射する光源と、前記被写体を撮影する撮像素子と、前記光源及び前記撮像素子を駆動する駆動回路と、を備えた内視鏡用撮像装置において、
前記撮像素子は、
各ビットが入射光に応じた信号電荷を発生する受光画素を構成する複数の垂直シフトレジスタを行方向に配列され、当該垂直シフトレジスタにより前記受光画素ごとの前記信号電荷の蓄積及び垂直転送を行う撮像部と、
前記垂直シフトレジスタにより垂直転送される前記信号電荷を前記撮像部から行単位で受け取り水平転送する水平転送部と、
前記水平転送部から出力される前記信号電荷に基づいて画像信号を生成する出力部と、
を有し、
前記駆動回路は、露光期間に対応して前記光源を点灯し、前記光源の消灯期間に前記撮像素子を駆動して前記画像信号を読み出すこと、
を特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内視鏡用撮像装置において、
前記駆動回路は、前記露光期間の開始タイミングにて電子シャッタ動作を行って、前記撮像部に蓄積された前記信号電荷を一括排出すること、を特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の内視鏡用撮像装置において、
前記光源及び前記駆動回路に対し電力を供給するバッテリを有し、
当該内視鏡用撮像装置はカプセルに格納され、生体内に投入されること、
を特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡に用いられる撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡は、人間の目の届かないところを観察するために、人体の消化器等の内部表面の観察といった医療用途の他、パイプや機械、構造物の内部を観察するために工業の分野においても利用されている。一般的な内視鏡は、管状の挿入部を観察対象部に向けて挿入する。挿入部は、光ファイバにより先端部の画像を操作者側に導くように構成されたり、先端部にイメージセンサを内蔵して、このイメージセンサで得られた画像信号を操作者側へ伝達するように構成される。基本的に、観察対象は暗部内に存在するので、先端部には観察対象を照らすための光源が設けられる。
【０００３】
また、近年では、人体の消化器等の観察用途にカプセル型の内視鏡が開発され使用されている。これは、小型のカプセル内にイメージセンサ、光源、それらの駆動回路及びバッテリ等を内蔵したものである。被検査者はこのカプセル型内視鏡を飲み込み、カプセル型内視鏡は消化器系内を移動しつつ、撮影した画像を体外へ無線送信する。このようなカプセル型内視鏡は、挿入部を必要とせず、挿入部の挿入による苦痛を軽減できる。
【０００４】
従来より、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサやＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサを用いた内視鏡があった。ここで、ＣＣＤイメージセンサは、受光画素で得られた信号電荷の読み出し方式に応じて、フレーム転送型、インターライン転送型、フレーム・インターライン転送型が存在し、従来の内視鏡にも、これらいずれかの種類のＣＣＤイメージセンサが用いられている。
【特許文献１】特開２００２−３４５７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内視鏡の先端部は、より小さな空間への侵入を可能としたり、また医療用においては被検査者の負担を軽減するために、一層の小型化が望まれている。ここで、ＣＣＤイメージセンサは、露光期間に各受光画素にて蓄積された信号電荷を素子内の転送チャネルに沿って順次、出力部に向けて移動させ読み出す。従来のＣＣＤイメージセンサは、転送途中での電荷パケットへのスミア成分の混入を抑制するため、露光期間後の信号電荷を格納する遮光された転送チャネルを備えている。例えば、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサでは、撮像部と水平転送部との間に配置される蓄積部、またインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサでは垂直シフトレジスタが当該遮光されたチャネル領域を構成する。
【０００６】
すなわち、それら遮光されたチャネル領域を有する分、ＣＣＤイメージセンサの小型化が制限され、ひいては内視鏡の先端部の小型化が難しいという問題があった。
【０００７】
また、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサでは、露光期間の終了と同時に撮像部から蓄積部へフレーム転送が実施される。このフレーム転送は高速に行われ、その分、消費電力も大きい。そのため、例えば、カプセル型内視鏡ではバッテリの小型化が制限され、ひいてはカプセル型内視鏡の小型化が制限されるという問題もあった。
【０００８】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、内視鏡で用いられるＣＣＤイメージセンサの小型化を図り、挿入部の先端やカプセルサイズがより小型化した内視鏡を実現する内視鏡用撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る内視鏡用撮像装置は、撮像素子が、各ビットが入射光に応じた信号電荷を発生する受光画素を構成する複数の垂直シフトレジスタを行方向に配列され、当該垂直シフトレジスタにより前記受光画素ごとの前記信号電荷の蓄積及び垂直転送を行う撮像部と、前記垂直シフトレジスタにより垂直転送される前記信号電荷を前記撮像部から行単位で受け取り水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から出力される前記信号電荷に基づいて画像信号を生成する出力部と、を有し、駆動回路が、露光期間に対応して光源を点灯し、前記光源の消灯期間に前記撮像素子を駆動して前記画像信号を読み出すものである。
【００１０】
他の本発明に係る内視鏡用撮像装置においては、前記駆動回路が、前記露光期間の開始タイミングにて電子シャッタ動作を行って、前記撮像部に蓄積された前記信号電荷を一括排出する。
【００１１】
本発明の好適な態様は、前記光源及び前記駆動回路に対し電力を供給するバッテリを有し、カプセルに格納され、生体内に投入される内視鏡用撮像装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、撮像素子は、垂直シフトレジスタの各ビットが受光画素を構成し、この垂直シフトレジスタから出力される信号電荷を水平転送部で出力部へ転送するものである。つまり、この撮像素子は、基本的にフレーム転送型ＣＣＤイメージセンサにおける蓄積部を省略した構造を有し、水平転送部での１周期の水平転送動作が完了する度に、複数の垂直シフトレジスタにて信号電荷が１行ずつ水平転送部側へ垂直転送（ライン転送）される。内視鏡の観察対象は基本的に暗部に存在し、光源の点灯期間でのみ垂直シフトレジスタにて受光による信号電荷が発生する。すなわち、光源の消灯期間に垂直シフトレジスタでのライン転送を行うことで、スミア等、転送チャネルの途中での受光によるノイズ成分の発生が防止される。このように、本発明の内視鏡用撮像装置は、光源の点滅と連動して撮像素子の露光及び読み出し動作を行い、それにより、撮像素子は、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサにおける蓄積部やインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサにおける垂直シフトレジスタのように遮光されたチャネル領域を必要とせず小型化が図れる。またフレーム転送が省略される分、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサに比べて消費電力の低減が図られ、それによりバッテリを小型化してより小型のカプセル型内視鏡を実現することが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
本実施形態は、カプセル型内視鏡であり、図１は、本実施形態に係るカプセル型内視鏡の概略の構成を示す模式図である。このカプセル型内視鏡は、例えば、被検査者の消化器系の内部表面を観察するためのものであり、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２、ＣＣＤイメージセンサ４、駆動回路６、信号処理回路８、送信回路１０、及びバッテリ１２をカプセル状の筐体１４内に含んで構成される。
【００１５】
ＬＥＤ２は、駆動回路６が供給する電圧信号に応じて発光する光源である。ＬＥＤ２が発する光は、筐体１４に設けられた透明の窓から筐体１４外の被写体へ照射される。照射された被写体からの反射光は筐体１４の窓から入射する。
【００１６】
ＣＣＤイメージセンサ４は、被写体に応じた画像信号を生成する撮像素子である。ＣＣＤイメージセンサ４は駆動回路６からの各種クロックに基づいて動作する。ＣＣＤイメージセンサ４の受光面の前にはレンズ等の光学系（図示せず）が配置される。この光学系は、被写体から反射光に基づいて受光面に光学像を形成し、ＣＣＤイメージセンサ４は、この光学像を画像信号Ｖoutに変換して出力する。
【００１７】
駆動回路６は、バッテリ１２から電力供給を受けて、上述のようにＬＥＤ２及びＣＣＤイメージセンサ４を駆動するための各種信号を生成する。
【００１８】
信号処理回路８は、ＣＣＤイメージセンサ４からアナログ信号の画像信号Ｖoutを入力され、相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling：ＣＤＳ）、自動ゲイン制御（Automatic
Gain Control：ＡＧＣ）、Ａ／Ｄ変換（Analog-to-Digital Conversion：ＡＤＣ）、その他、デジタル信号処理等の信号処理を行う。
【００１９】
送信回路１０は、画像信号を無線送信する回路であり、信号処理回路８の出力に基づいて変調された電波信号を生成し、アンテナから送出する。また、バッテリ１２は、駆動回路６の他、各部に電力を供給する。
【００２０】
筐体１４は、例えば、胃液等で浸食されない材質で、水密構造で筒形状に構成される。筒形状とすることで、体内にて筐体１４は筒の端部を先頭にして軸方向に移動しやすい。そこで、例えば、当該端部から外を臨むようにＬＥＤ２及びＣＣＤイメージセンサ４が配置され、進行方向の画像を得るように構成される。ちなみに、図１における筐体１４の形状は、筒の中心軸に沿った断面を模式的に表しており、左右両端が筒の端部に相当する。この図に表すように、筒の端部断面には丸みを持たせ、筐体１４が軸方向に体内を円滑に進むように構成される。
【００２１】
図２はＣＣＤイメージセンサ４の概略の構成を示す模式的な平面図である。このイメージセンサ４は、半導体基板表面に形成された撮像部４ｉ、水平転送部４ｈ及び出力部４ｄを備える。
【００２２】
撮像部４ｉは行方向（水平方向）に配列された複数の垂直ＣＣＤシフトレジスタ（垂直シフトレジスタ４ｖ）で構成される。この垂直シフトレジスタ４ｖは半導体基板上に行方向に複数本渡されたゲート電極を備え、これらゲート電極は半導体基板に形成される転送チャネルの電位を制御する。駆動回路６は例えば、撮像部４ｉに３相クロックφiを供給する。このクロックφiにより、ゲート電極は３相駆動され、ゲート電極３本毎に１つの電位井戸を形成し、当該電位井戸に信号電荷を蓄積し、また、転送チャネルに沿って信号電荷を垂直転送する。
【００２３】
ゲート電極は例えば、可視光を透過するポリシリコン等の材料で形成され、垂直シフトレジスタ４ｖの転送チャネルに対応する半導体基板に光が入射可能に構成される。これにより、垂直シフトレジスタ４ｖの各ビットがそれぞれ、入射光量に応じた信号電荷を発生する受光画素として機能し、撮像部４ｉには、この受光画素が複数、行列配置される。
【００２４】
水平転送部４ｈは、ＣＣＤシフトレジスタからなり、その各ビットは撮像部４ｉの複数の垂直シフトレジスタ４ｖの各出力に接続される。水平転送部４ｈは、垂直シフトレジスタ４ｖから１行単位で信号電荷を転送され、その１行分の信号電荷を順次、出力部４ｄに転送する。
【００２５】
出力部４ｄは、電気的に独立した容量及びその電位変化を取り出すアンプからなり、水平転送部４ｈから出力される信号電荷を１ビット単位で容量に受けて電圧値に変換し、時系列の画像信号として出力する。
【００２６】
図３は、本装置による撮像動作を説明するフロー図であり、図４は、その撮像動作における駆動回路６によるＬＥＤ２及びＣＣＤイメージセンサ４の駆動方法を説明する模式的なタイミング図である。図４には、垂直同期信号ＶＤ、ＬＥＤ２に供給される電圧信号ＬＧ、撮像部４ｉの垂直シフトレジスタ４ｖを駆動する転送クロック信号φiのクロック動作のタイミング、電子シャッタ動作のトリガ信号ＳＨ、水平転送部４ｈを駆動する転送クロック信号φhのクロック動作のタイミングが示されている。なお、図４において時間は横軸右方向に経過する。
【００２７】
垂直走査期間Ｖでは、撮像部４ｉから全画素の信号電荷を読み出す動作（期間ＲＤ）とＬＥＤ２の発光動作（期間Ｌ）とが順次、行われる。ここで、１フレームの撮影動作は、ＬＥＤ２の発光開始Ｓ３０（タイミングξ１）から始まる。例えば、ＬＥＤ２の発光開始タイミングξ１はＶＤパルス１００の立ち下がり（タイミングξ３）に所定時間Ｌだけ先行するタイミングに設定され、ＬＥＤ２はこのタイミングから電圧パルス１０２を印加されて発光を開始する。
【００２８】
露光期間Ｅの開始は、ＬＥＤ２の発光期間Ｌ内に行われる電子シャッタ動作Ｓ３５により規定される。電子シャッタ動作では、電子シャッタのトリガパルス１０４に応じて、転送クロックφi1〜φi3が全てオフされ、所定期間、撮像部４ｉの各画素の電位井戸を全て消滅させる（タイミングξ２）。これにより、電位井戸に蓄積されていた信号電荷は、転送チャネルから基板裏面へ排出される。
【００２９】
電子シャッタ動作が完了すると、φiの所定位相のクロック信号、例えばφi2がオン状態とされる。これにより、φi2に対応するゲート電極下に電位井戸が形成され、改めて受光による信号電荷の蓄積が開始されることとなり、このタイミングから露光期間Ｅが始まる。
【００３０】
トリガパルス１０４の生成タイミングξ２は、ＶＤパルス１００の立ち下がりから期間Ｅだけ先行するタイミングに設定される。ここで体内においては基本的にＬＥＤ２以外に光源は存在しないので、ＬＥＤ２が消灯すると露光動作は終了する（ステップＳ４０）。そこで、上述の制御では、露光期間Ｅの終了タイミングをＬＥＤ２の発光期間Ｌの終了タイミングであるＶＤパルス１００の立ち下がりに一致させ、これを基準に露光期間Ｅの開始となる電子シャッタのタイミングξ２を定めている。
【００３１】
なお、例えば、発光期間Ｌの長さは各フレームで一定とすることができ、また、露光期間Ｅの長さは、先行するフレームでの露光レベルに基づくフィードバック制御により定めることができる。
【００３２】
露光期間Ｅが終了すると、撮像部４ｉに蓄積された信号電荷の読み出し動作（期間ＲＤ）が開始される。読み出し動作期間では、撮像部４ｉに蓄積された信号電荷を１行ずつ垂直転送するライン転送動作Ｓ４５と、ライン転送により水平転送部４ｈに移された１行の信号電荷を出力部４ｄへ水平転送する動作Ｓ５０とが交互に行われる。垂直シフトレジスタ４ｖでのライン転送動作に関しては、φｉの１サイクルのクロック動作１０６が水平走査期間Ｈ周期で繰り返される。φｈによる１行の水平転送動作は、水平転送部４ｈを構成するＣＣＤシフトレジスタのビット数に応じたサイクル数のクロック動作１０８により行われ、１Ｈ期間内に完了する。
【００３３】
１フレームに対応するライン転送動作Ｓ４５及び水平転送動作Ｓ５０は、撮像部４ｉからの信号電荷の読み出し完了まで、すなわち垂直シフトレジスタ４ｖのビット数に応じた回数だけ繰り返される（ステップＳ５５）。
【００３４】
ちなみに、ＣＣＤイメージセンサ４の撮像部４ｉでのライン転送は、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサにおけるフレーム転送に比べて転送速度が小さい。しかし、読み出し動作期間ＲＤではＬＥＤ２は発光されず、体内は良好な暗状態に保たれるため、転送途中の他の画素では基本的に受光による信号電荷が重畳されず、スミア等による画質の劣化が回避される。
【００３５】
ＶＤの周期、すなわち垂直走査期間Ｖ、撮像部４ｉの全画素の信号電荷を読み出す期間ＲＤ、及び発光期間Ｌは、Ｖ≧ＲＤ＋Ｌを満たすように設定され、１Ｖ期間ごとに上述の露光動作及び読み出し動作が行われ、ＣＣＤイメージセンサ４から１フレームの画像信号が出力される。
【００３６】
上述の構成では、露光期間Ｅの開始を電子シャッタ動作により規定した。ここで、既に述べたように、体内においては基本的にＬＥＤ２以外の光源は存在せず、先行フレームの読み出し完了後の撮像部４ｉの各画素に蓄積される信号電荷はノイズによるもので基本的に微弱である。そこで、電子シャッタ動作を行わずに、発光期間Ｌそのものによって露光期間Ｅを規定することもできる。この場合には、発光期間Ｌの長さを可変制御して露光レベルの調整を行うことができる。
【００３７】
上述のカプセル型内視鏡においては、上述のようにＣＣＤイメージセンサ４を用いＬＥＤ２と連動した撮影動作を行うことにより、ＣＣＤイメージセンサ４に読み出し動作期間ＲＤ中における信号電荷量を維持するための遮光部を不要として、ＣＣＤイメージセンサ４の小型化による筐体１４のサイズの縮小を可能とし、またフレーム転送が不要であることによる消費電力の低減によりバッテリ１２の小型化が図られ筐体１４のサイズの縮小が可能となる。
【００３８】
一方、管状の挿入部を観察対象領域に挿入する内視鏡においても本発明を適用することができ、ＣＣＤイメージセンサ４の小型化による先端部の径の縮小が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係るカプセル型内視鏡の概略の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＣＣＤイメージセンサの概略の構成を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の実施形態での撮像動作を説明するフロー図である。
【図４】本発明の実施形態での撮像動作における駆動回路によるＬＥＤ及びＣＣＤイメージセンサの駆動方法を説明する模式的なタイミング図である。
【符号の説明】
【００４０】
２  ＬＥＤ、４  ＣＣＤイメージセンサ、４ｉ  撮像部、４ｈ  水平転送部、４ｄ  出力部、６  駆動回路、８  信号処理回路、１０  送信回路、１２  バッテリ、１４  筐体。
【図１】
2006075331.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006075331.tif 000005
【図４】
2006075331.tif 000006