(57)【要約】その遠位先端部分と関連するイメージング装置を有する小型の内視鏡は、２次元アレイの光電性ピクセルを有するイメージセンサチップと、該遠位先端部分から視認されるシーンのイメージを生成するように視野からの光をイメージセンサチップ上に集束させるために配置されたレンズ装置とを含む。レンズ装置は、好ましくは、ある量の透明な接着剤によってイメージセンサチップに直接固着される。イメージセンサチップに対するデータラインに沿った双方向通信の使用は、チップへの４本のみのワイヤの使用を可能にする。これらの特徴および他の特徴は、約２ミリメートルの直径までの内視鏡の小型化を可能にする一方で、大きいダイナミックレンジのカラーイメージを生成する。
2008532574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡であって、
（ａ）  遠位先端部分を有する細長い可撓性の本体と、
（ｂ）  該遠位先端部分に関連するイメージング装置であって、
（ｉ）  ２次元アレイの光電性ピクセルを含むイメージセンサチップと、
（ｉｉ）  該遠位先端部分から視認されるシーンのイメージを生成するように、視野からの光を該イメージセンサチップ上に光を集束するために配置されたレンズ装置と
を含むイメージング装置と
を備え、該レンズ装置は、ある量の透明な接着剤によって該イメージセンサチップに直接添付されている、内視鏡。
【請求項２】
前記レンズ装置は、円筒形のグレーデッドインデックス型のレンズを含む、請求項１に記載の内視鏡。
【請求項３】
前記レンズ装置は、複合レンズアセンブリを含む、請求項１に記載の内視鏡。
【請求項４】
前記レンズ装置は、少なくとも約６０°の視野を有する、請求項１に記載の内視鏡。
【請求項５】
前記レンズ装置は、少なくとも約９０°の視野を有する、請求項１に記載の内視鏡。
【請求項６】
前記２次元アレイの光電性ピクセルの面積は、０．５平方ミリメートル以下である、請求項１に記載の内視鏡。
【請求項７】
前記イメージング装置は、２ミリメートル以下の直径を有する請求項１に記載の内視鏡。
【請求項８】
（ａ）  前記遠位先端部分から視認されるシーンを照明するための、少なくとも１つの光源と、
（ｂ）  光学的に分散性の媒質であって、遠位で該光源を覆うことにより、該光学的に分散性の媒質が該光源からの照明を分散することに効果があり、これによって、該シーンから反射される光が前記レンズ装置に到達することを曇らせることなしに、該遠位先端部分から視認されるシーンを照明する、光学的に分散性の媒質と
をさらに備える、請求項１に記載の内視鏡。
【請求項９】
前記レンズ装置は、前記少なくとも１つの光源を越えた遠位に伸長し、前記光学的に分散性の媒質は、該レンズ装置を覆うことなしに該レンズ装置を囲む、請求項８に記載の内視鏡。
【請求項１０】
前記イメージング装置は、前記光源から前記シーンに向かう照明の伝播を曇らせることなしに、少なくとも該光源と前記２次元アレイの光電性ピクセルとの間に配置される実質的に不透明な媒質をさらに含む、請求項８に記載の内視鏡。
【請求項１１】
前記イメージング装置は、前記光学的に分散性の媒質および前記レンズ装置の両方を覆う実質的に透明な媒質をさらに含む、請求項８に記載の内視鏡。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの光源は、異なる色の複数の光源としてインプリメントされる、請求項８に記載の内視鏡。
【請求項１３】
前記イメージセンサチップは長方形であり、前記複数の光源は、該長方形のチップの２つ以下の辺に沿って配置され、前記２次元アレイの光電性ピクセルは、該長方形のチップの該２つの辺からもっとも遠い該イメージセンサチップの角の近くに配置されている、請求項１２に記載の内視鏡。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの光源および前記イメージセンサチップは、共通の回路基板上に配置される、請求項８に記載の内視鏡。
【請求項１５】
前記回路基板は、直径２ミリメートルの円形の断面にフィットする、請求項１４に記載の内視鏡。
【請求項１６】
前記イメージセンサチップおよび前記少なくとも１つの光源への接続のために、前記細長い可撓性の本体に沿って通る複数のワイヤをさらに備えており、該ワイヤは前記回路基板の近位側の上で該回路基板の接触領域に接続されている、請求項１４に記載の内視鏡。
【請求項１７】
前記イメージセンサチップは、前記複数のワイヤのうちのきっちり４本に接続されている、請求項１６に記載の内視鏡。
【請求項１８】
複数のセンサコイルを含む位置センサ装置をさらに備えており、該位置センサ装置は、前記細長い可撓性の本体内の前記回路基板の近位側の近くに配置されている、請求項１４に記載の内視鏡。
【請求項１９】
内視鏡であって、
（ａ）  遠位先端部分を有する細長い可撓性の本体と、
（ｂ）  該細長い可撓性の本体に関連するイメージングシステムであって、該イメージングシステムは、
（ｉ）  ２次元アレイの光電性ピクセルを含むイメージセンサチップであって、該遠位先端部分に関連する、イメージセンサチップと、
（ｉｉ）  該細長い可撓性の本体の近位部に関連するコントローラであって、該細長い可撓性の本体に沿って伸びる２本以下の通信ワイヤを介して、該イメージセンサチップと電気的に関連する、コントローラと
を含むイメージングシステムと
を備え、該イメージセンサチップは、該コントローラによって生成されたタイミング信号に応答することにより、該２次元アレイの光電性ピクセルの読み込みサイクルを、ローリングシャッタモードで行うように、かつイメージデータの単一のフレームを該コントローラに送信するように構成され、該タイミング信号および該イメージデータの両方が２本以下の通信ワイヤを介して送信される、内視鏡。
【請求項２０】
前記タイミング信号は、フレーム要求信号であり、前記イメージセンサチップは、イメージデータの前記単一のフレームを送信した後、前記コントローラから引き続くフレーム要求信号を受信するまで待機するように構成される、請求項１９に記載の内視鏡。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記イメージセンサチップを作動させることにより、異なる露出持続時間を有する類似のフレームの複数の組を生成するように構成され、該コントローラは、該類似のフレームの複数の組を同時処理することにより、該類似のフレームの組の各々よりも大きいダイナミックレンジを有する強化されたフレームを導くようにさらに構成されている、請求項２０に記載の内視鏡。
【請求項２２】
前記遠位先端部分から視認されるシーンを照明するために配置された照明システムをさらに備え、該照明システムは、該シーンを可視光線の３つの異なる色の各々を用いて選択的に照明するように構成され、該照明システムは、前記コントローラによって制御されることにより、該コントローラが該３つの異なる色の各々に対してサンプリングされた異なる露出持続時間を有する類似のフレームの１組から強化されたフレームを導き、該コントローラは、該強化されたフレームを結合して、カラーイメージを生成するようにさらに構成される、請求項２１に記載の内視鏡。
【請求項２３】
前記遠位先端部分から視認されるシーンを照明するために配置された照明システムをさらに備え、該照明システムは、該シーンを可視光線の３つの異なる色の各々を用いて選択的に照明するように構成され、該照明システムは、前記コントローラによって制御されることにより、該コントローラが該３つの異なる色の各々に対するフレームをサンプリングし、該コントローラは、該フレームを結合して、カラーイメージを生成するようにさらに構成される、請求項２０に記載の内視鏡。
【請求項２４】
前記遠位先端部分に関連する少なくとも１つの発光ダイオードを含む照明システムをさらに備え、該発光ダイオードおよび前記イメージセンサチップは、共通の回路基板上に取り付けられる、請求項２０に記載の内視鏡。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの発光ダイオードを覆うことにより該発光ダイオードからの照明を分散するための、ある量の光学的に分散性の媒質をさらに備えている、請求項２４に記載の内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡に関し、より詳細には、特に小さな直径の内視鏡と共に使用するための小型のイメージングセンサに関連する。
【背景技術】
【０００２】
肺、胃、結腸および腹部を含むがこれらに限定はされない身体の空洞のイメージを取得するためにイメージングセンサを有する内視鏡を使用することが公知である。肺内の空洞をイメージングするための内視鏡は、一般的に「気管支鏡」と呼ばれ、結腸内のイメージングするための内視鏡は、一般的に「結腸鏡」と呼ばれる。身体の空洞の内部を検査するためのイメージング能力を有するこのような全てのデバイスは、本明細書において、概して「内視鏡」と呼ばれる。現在までは、可撓性の内視鏡は、遠位の内視鏡の先端から内視鏡の近位側の末端までイメージを送るために光ファイバを使用した。最近数年では、ビデオ内視鏡が構築され、ここでビデオカメラが遠位端に配置され、イメージはその近位端に、電気的ワイヤを経由して送られる。この装置はピクチャの質を向上させ、内視鏡をより可撓性にする。なぜならば、電気的ワイヤはファイバスコープよりもより可撓性であるからである。
【０００３】
通常ビデオカメラは、飽和を回避するために露出持続時間を制御する自動利得制御装置（ＡＧＣ）を有する。ＡＧＣは、内部でインプリメントされ得、いくらかの物理的エリアを占め、あるいはＡＧは、コマンドラインを介して外側から制御され得る。極端に小型の、すなわち３ミリメートル未満の直径を有するセンサのために、後者が唯一の可能性のある解決策である。制御信号は、電力とビデオ出力のために必要とされる他のラインに加えて、専用のラインを経由してイメージセンサに送られる必要がある。それゆえ、所望されるラインの最少の数は、電力に対して少なくとも２本、ビデオ出力に対して２本および少なくとも１本の制御ラインで、全部で５本のラインを与える。アクティブな照明が内視鏡の先端と関連する発光エレメントによって行われる場合には、これはさらに２本のライを必要とする。３色の照明が使用される場合には、さらに４本のラインが必要とされる。
【０００４】
内視鏡は、その先端から視認されるシーンを照明するために、その独自の光源を含む。光は、典型的に球面波で放射され、球面の面積が増加する場合に、球面波においてフラックス密度（単位面積あたりの電力）は降下する。これが唯一の照明源である場合には、光の強度は、供給源と対象との間の距離の二乗の逆数の関数として、対象を照明する。小さな体内の空洞（例えば、小さな気管支）をイメージングすることは、隣接する組織の間の距離と、この管の中心から視認される比較的に遠い距離との間の大きな違いによって、大きなダイナミックセンシングレンジを必要とする。実際には、センサのダイナミックレンジが有限であるので、同一の露出時おいて非常に近い組織および非常に遠い組織が視認される広い視覚において、飽和のない、同時にシーンの暗いエレメントをはっきりと示すイメージを得ることは不可能である。短期の露出が、隣接する組織のイメージを獲得するために好ましく、一方でより遠位の組織は長期の露出を必要とする。
【０００５】
光源の非常に小型の内視鏡の遠位先端への組み込みは、しばしば、不規則な光の分布の問題を示す。特に、光を照明する異なる色が、異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）から供給されるか、または外部供給源から別々の光ファイバを経由して供給される場合には、異なる色に対する光源の様々な幾何学的位置はしばしば、イメージの異なる部分の間の色の不均衡を引き起こす。非常に小型のシステム内のさらなる問題は、イメージ検出器アレイに対する光源の近さであり、これはレンズ装置とイメージセンサアレイとの間の光の漏れを引き起こし得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それゆえ、照明の効果的な分散を達成し、イメージセンサチップに対するワイヤ接続の数を減らし、それによって約２ミリメートル以下の直径の内視鏡のインプリメンテーションを円滑化する小型の内視鏡に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、小型のイメージング装置を有する内視鏡である。
【０００８】
本発明の教示に従って、内視鏡であって、（ａ）遠位先端部分を有する細長い可撓性の本体と、（ｂ）該遠位先端部分に関連するイメージング装置とを備え、該イメージング装置は、（ｉ）２次元アレイの光電性ピクセルを含むイメージセンサチップと、（ｉｉ）該遠位先端部分から視認されるシーンのイメージを生成するように、視野からの光を該イメージセンサチップ上に集束するために配置されたレンズ装置とを含み、該レンズ装置は、ある量の透明な接着剤によって該イメージセンサチップに直接固着される、内視鏡が提供される。
【０００９】
本発明のさらなる特徴に従って、上記レンズ装置は、円筒形のグレーデッドインデックス型のレンズを含む。あるいは、該レンズ装置は、複合レンズアセンブリを含む。
【００１０】
本発明のさらなる特徴に従って、上記レンズ装置は、少なくとも約６０°の視野を有し、より好ましくは少なくとも約９０°の視野を有する。
【００１１】
本発明のさらなる特徴に従って、上記２次元アレイの光電性ピクセルの面積は、０．５平方ミリメートル以下である。
【００１２】
本発明のさらなる特徴に従って、上記イメージング装置は、２ミリメートル以下の直径を有する。
【００１３】
本発明のさらなる特徴に従って、（ａ）遠位先端部分から視認されるシーンを照明するための少なくとも１つの光源と、（ｂ）光学的に分散性の媒質であって、遠位で該光源を覆うことにより、該光学的に分散性の媒質が該光源からの照明を分散することに効果があり、これによって、該シーンから反射される光が上記レンズ装置に到達することを曇らせることなしに、該遠位先端部分から視認されるシーンを照明する、光学的に分散性の媒質とがまた、提供される。
【００１４】
本発明のさらなる特徴に従って、上記レンズ装置は、上記少なくとも１つの光源を越えた遠位に伸長し、上記光学的に分散性の媒質は、該レンズ装置を覆うことなしに該レンズ装置を囲む。
【００１５】
本発明のさらなる特徴に従って、上記イメージング装置は、上記光源から上記シーンに向かう照明の伝播を曇らせることなしに、少なくとも該光源と上記２次元アレイの光電性ピクセルとの間に配置される実質的に不透明な媒質をさらに含む。
【００１６】
本発明のさらなる特徴に従って、上記イメージング装置は、上記光学的に分散性の媒質および上記レンズ装置の両方を覆う実質的に透明な媒質をさらに含む。
【００１７】
本発明のさらなる特徴に従って、上記少なくとも１つの光源は、異なる色の複数の光源としてインプリメントされる。
【００１８】
本発明のさらなる特徴に従って、上記イメージセンサチップは長方形であり、上記複数の光源は、該長方形のチップの２つ以下の辺に沿って配置され、上記２次元アレイの光電性ピクセルは、該長方形のチップの該２つの辺からもっとも遠い該イメージセンサチップの角の近くに配置されている。
【００１９】
本発明のさらなる特徴に従って、上記少なくとも１つの光源および上記イメージセンサチップは、共通の回路基板上に配置される。
【００２０】
本発明のさらなる特徴に従って、上記回路基板は、直径２ミリメートルの円形の断面にフィットする。
【００２１】
本発明のさらなる特徴に従って、上記イメージセンサチップおよび上記少なくとも１つの光源への接続のために、上記細長い可撓性の本体に沿って通る複数のワイヤがまた提供され、該ワイヤは上記回路基板の近位側の上で該回路基板の接触領域に接続されている。
【００２２】
本発明のさらなる特徴に従って、上記イメージセンサチップは、上記複数のワイヤのうちのきっちり４本に接続されている。
【００２３】
本発明のさらなる特徴に従って、複数のセンサコイルを含む位置センサ装置がまた提供され、該位置センサ装置は、上記細長い可撓性の本体内の上記回路基板の近位側の近くに配置されている。
【００２４】
本発明の教示に従って、（ａ）遠位先端部分を有する細長い可撓性の本体と、（ｂ）外細長い可撓性の本体に関連するイメージングシステムであって、該イメージングシステムは、（ｉ）２次元アレイの光電性ピクセルを含むイメージセンサチップであって、該遠位先端部分に関連するイメージセンサチップと、（ｉｉ）該細長い可撓性の本体の近位部に関連するコントローラであって、該細長い本体に沿って伸びる２本以下の通信ワイヤを介して該イメージセンサチップと電気的に関連する、コントローラとを含むイメージングシステムとを備え、該イメージセンサチップは、該コントローラによって生成されたタイミング信号に応答することにより、該２次元アレイの光電性ピクセルの読み込みサイクルを、ローリングシャッタモード（ｒｏｌｌｉｎｇ−ｓｈｕｔｔｅｒ  ｍｏｄｅ）で行うように、かつイメージデータの単一のフレームを該コントローラに送信するように構成され、該タイミング信号および該イメージデータの両方が２本以下の通信ワイヤを介して送信される、内視鏡もまた提供される。
【００２５】
本発明のさらなる特徴に従って、上記タイミング信号は、フレーム要求信号であり、上記イメージセンサチップは、イメージデータの上記単一のフレームを送信した後、上記コントローラから引き続くフレーム要求信号を受信するまで、待機するように構成される。
【００２６】
本発明のさらなる特徴に従って、上記コントローラは、上記イメージセンサチップを作動させることにより、異なる露出持続時間を有する類似のフレームの組を生成するように構成され、該コントローラは、該類似のフレームの複数の組を同時処理することにより、該類似のフレームの組の各々よりも大きいダイナミックレンジを有する強化されたフレームを導くようにさらに構成されている。
【００２７】
本発明のさらなる特徴に従って、上記遠位先端から視認されるシーンを照明するために配置された照明システムもまた提供され、該照明システムは、該シーンを可視光線の３つの異なる色の各々を用いて選択的に照明するように構成され、該照明システムは、上記コントローラによって制御されることにより、該コントローラが３つの異なる色の各々に対してサンプリングされた異なる露出時間を有する類似のフレームの１組から強化されたフレームを導き、該コントローラは、概況かされたフレームを結合してカラーイメージを生成する。
【００２８】
本発明のさらなる特徴に従って、上記遠位先端部分に関連する少なくとも１つの発光ダイオードを含む照明システムもまた提供され、該発光ダイオードおよび上記イメージセンサチップは、共通の回路基板上に取り付けられる。
【００２９】
本発明のさらなる特徴に従って、上記少なくとも１つの発光ダイオードを覆うことにより、該発光ダイオードからの照明を分散するための、ある量の光学的に分散性の媒質も提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、例示のみのために添付する図面を参照して、記載される。
【００３１】
本発明は、小型のイメージング装置を有する内視鏡である。
【００３２】
本発明に従った、内視鏡の原理および動作は、図面および添付する記載の参照により、よりよく理解され得る。
【００３３】
ここで図面を参照し、図１は、全体が１０で指定された、本発明の教示に従って構成され動作される内視鏡の全体図を示す。内視鏡は、遠位先端部分１４を有する細長い可撓性の本体１２を有する。図２〜図５に視認されるように、イメージング装置１６は、遠位先端部分１４に関連する。イメージング装置１６は、２次元アレイ２０の光電性ピクセルを含むイメージセンサチップ１８と、遠位先端部分から視認されるシーンのイメージを生成するために、視野からの光をイメージセンサチップ１８上に集束するように配置されたレンズ装置２２とを含む。
【００３４】
一般的に細長い可撓性の本体１２、および特にイメージング装置１６は、小さな口径、好ましくは３ミリメートル以下の外径、もっとも好ましくは約２ミリメートル以下の外径のデバイスであることが、本発明の特に好ましい特性である。このことは、内視鏡が、より大きな寸法の従来の内視鏡に対しては、通常はアクセス不可能な、小さな体の空洞および通路に導入されることを可能にする。例えば、特定の好ましい実施形態に従って、内視鏡は、従来の気管支鏡のワーキングルーメンを経由して挿入され得、従来の手順では「ブラインド」での作業を必要とする従来の気管支鏡のリーチを越えた気管支気道に進入され得る。このような小さい寸法への内視鏡のイメージング装置の小型化は、インプリメンテーション上で、多くの重大な問題を引き起こす。本発明は主として多くのこのような問題に対する効果的な解決策に関する。
【００３５】
特に、このようなイメージングセンサの小型化インプリメンテーションを悩ませる１つの問題は、レンズ装置およびセンサチップの両方が、１ミリメートル以下のオーダの寸法を有する場合に、どのようにして、センサアレイ２０に対してレンズ装置２２の正確なアラインメントを達成し、維持するかということである。本発明の１つの局面に従って、この問題は、ある量の透明な接着剤２６（図５、レンズの側においてわずかに過剰に示される）によって、レンズ装置２２を直接イメージセンサチップ１８に固定することによって対処される。本発明のさらなる補足的な局面に従って、レンズ装置２２をイメージセンサチップ１８への、アレイ２０に対する正確なアラインメントで固定することを円滑化するための装置が提供される（図６Ａ〜図６Ｃ）。
【００３６】
イメージングセンサの小型化インプリメンテーションを悩ませるさらなる問題は、照明放射光の望ましくない、または不規則な分布である。内視鏡１０は、少なくとも１つの照明源（例えば、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）２４ａ、２４ｂおよび２４ｃ）を含む。センサアレイに光源が近接するために、光はレンズ装置２２のベースの周囲で漏れ得、これにより、画質を悪化させる。さらに、特に異なる色の光源がレンズ装置に関して非対称に配置される場合には、照明は視認されるシーンにわたって不均一となり、異なる色の間では不一致の傾向があり、出力イメージにおける色のインバランスを結果として導く。本発明のさらなる局面の１つに従って、光の漏れの問題は、図５において図示されるように、実質的に不透明な媒質２８を光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃと２次元アレイ２０の光電性ピクセルとの間に配置することにより、光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃから視認されるべきシーンに向かう照明の伝播を曇らせることなしに対処される。本発明の第２のさらなる局面に従って、不均一な光の分布の問題は、また図５に図示されるように、媒質３０が光源からの照明を分散することに有効であるように、遠位で光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃを覆う光学的に分散性の媒質３０を配置することにより対処され、これによって、シーンから反射される光がレンズ装置２２に到達することを曇らせることなしに、遠位先端部分から視認されるシーンを照明する。
【００３７】
内視鏡１０の小型化に対するやっかいなさらなる問題は、イメージング装置１６に取り付けられるために必要な接続ワイヤの数である。本発明のさらなる局面に従って、イメージセンサチップ１８への接続の数は、全部で４本（２本の電力接続および２本の通信接続）にまで減少する。この目的のために、本発明は、イメージセンサシステムを動作するためのシステムおよび方法の両方を提供し、これらにおいて、２本の通信接続は、イメージング装置へのフレーム要求のため、およびイメージング装置からのデータ出力のために双方向性で使用される。
【００３８】
本発明のこれらのおよび他の局面は、以下の詳細な記載からよりよく理解される。
【００３９】
本発明の特徴を述べる前に、本明細書における、記載および特許請求の範囲で使用される、特定の用語を定義することが役立つ。まず、言及が「光」および「照明」に対してなされる。これらの用語は、低費用のシリコンベースのイメージセンサ（例えば、ＣＭＯＳセンサ）によって検出され得る、電磁スペクトルの全ての部分を包括的に示すために、本明細書において使用される。これは、近紫外線から近赤外線までの波長範囲（０．２５マイクロメートルと１．１マイクロメートルとの間の波長）の全てを含む。より好ましくは、約０．４マイクロメートルから約０．７５マイクロメートルまでの波長範囲における可視光線が使用される。光は、単色光であり得、または多くの異なる色を同時にまたは交互に含み得る。広域スペクトル白色光がまた、使用され得る。照明に対する特定の特別に好ましいオプションは以下で議論される。
【００４０】
用語「光源」は、本明細書において、イメージング装置１６から視認されるべきシーンに向かう光を放出する全てのコンポーネントを示すために使用される。供給源は、ＬＥＤの場合のように、光を生成し得るか、または内視鏡の本体の近位部と関連する供給源から光を運ぶ光ファイバの場合のように、離れた位置から光を運び得る。
【００４１】
イメージング装置１６によって視認されるシーンは、内視鏡の遠位先端部分１４から見ることのできる全てのシーンであり得る。典型的に、本発明は、レンズ装置２２の光学軸が遠位先端部分１４の中心軸に概略的に平行である、フォワードルッキングイメージング装置としてインプリメントされる。しかしながら、他のインプリメンテーション（例えば、サイドルッキング内視鏡）もまた、本発明の範囲に含まれることが注意されるべきである。
【００４２】
ここでイメージング装置１６の特徴をさらに詳細に参照して、第１の好ましいオプションに従って、レンズ装置２２は、円筒形のグレーデッドインデックス型（「ＧＲＩＮ」）レンズを含む。あるいは、射出成形されたポリマコンポーネント（典型的には、ポリカーボネート）からなる小型化複合レンズアセンブリが使用される。いずれかの場合において、レンズ装置２２は、好ましくは、１．５ミリメートル以下の全高および１ミリメートル以下の直径を有する円筒形である。レンズ装置２２の視野は、好ましくは少なくとも約６０°であり、より好ましくは、少なくとも約９０°である。
【００４３】
イメージセンサチップ１８は、好ましくは、およそ１ミリメートル四方の主な寸法を有するＣＭＯＳチップである。表面積のおよそ半分（例えば、およそ０．７ｍｍの辺の正方形）がセンサアレイ２０を収容し、一方で残りの表面が関連するアレイを読み込むための電子コンポーネントに対して使用され、当該分野で公知のように図９に概略的に示される。従って、２次元アレイ２０の面積は、典型的に、約０．５平方ミリメートル（すなわち、５×１０−７ｍ２）以下である。現在の市販されている生産技術を用いた、これらの寸法は、約１００×１００ピクセルの解像度の単色光センサアレイをインプリメントするために十分であることが見出されている。
【００４４】
各ピクセルは、図１０に記載されるように伝統的な３トランジスタアーキテクチャから構成される。スイッチＭ１は、ピクセルをリセットすることおよび光ダイオードをチャージすることに対して有効である。入射する光は、ダイオードを放電させ、リセットレベルと比較すると電位差を生成する。光ダイオードの電圧は、トランジスタＭ２を介して読み出され、トランジスタＭ２は、供給源フォロワーとして働く。出力電圧は、列読み出しに送られる。センサは、「ローリングシャッタ」モードで動作し、すなわち、各行は、その行を読み込んでいる間に順番にリセットされる。図９に図示されるイメージセンサチップ１８のコンポーネントのリセットは、アレイを読み出すための必要な周辺論理である。制御論理は、垂直のアドレスデコーダ、水平のシフトレジスタ、固定されたパターンノイズを除去するための列増幅器およびオンチップのオシレータによって制御される所望のフレームおよびラインパルスを生成するセクションを含む。チップの面積が極端に小さいので、より複雑な特徴（例えば、プログラム可能なゲイン、オフセット調節、内部自動ゲイン制御など）をチップ上に組み込むことは不可能である。その代わりに、より複雑な制御は、好ましくは、センサから離れて位置され、内視鏡に沿って通るワイヤによって接続された個別のコントローラの使用によってインプリメントされる。この分割は、以下でさらに議論されるようにコントローラとイメージング装置との間の双方向通信を必要とする。
【００４５】
上記のように、点光源からの光は、光源の前の表面上で、光源と表面との間の距離の二乗に反比例して変化するフラックス密度で放射する。例えば、一方が光源から１ｍｍに配置され、もう一方が光源から２０ｍｍに配置される、２つの表面上で放射されるフラックス密度の差は、４００という係数である。イメージセンサのダイナミックレンジは、有限である。イメージが、非常に高い輝度および非常に低い輝度のエリアを結合する場合には、しばしば、結果は、明るいエリアの飽和または暗いエリアの不十分な表示のいずれかを生じる。非常に小さな体内の管内（例えば、小さな気管支）に配置される小型の内視鏡は、特にこの効果の影響を被る。イメージは、管の中心に沿って２５〜３０ｍｍまでのサイドにおける隣接する組織から、組織の非常に接近したおよび非常に離れた部分を結合する。結果として、隣接する組織から反射される光と、離れた部分から反射される光との間には非常に大きな差がある。このような管のイメージは、その管の中心において、非常に近い組織の飽和または暗いエリアの表示の非常に不十分で騒がしい質のいずれかの影響を被る。
【００４６】
この問題に対処するために、各ビデオフレームは、好ましくは、２つの異なる露出持続時間で露出される。図７は、２つのこのような露出の出力応答を示す。広範囲の輝度レベルを含むシーンに対して、十分に短い露出持続時間Ｔ１は、シーン全体に対する飽和を回避する。約１０倍の係数だけＴ１よりも長い第２のＴ２露出は、イメージのより暗いエリアのより良いイメージを生成するが、ある値Ｍよりも明るいピクチャエレメントに対する飽和状態になる。これらの２つのイメージは、次いで、図８に示されるように結合され、ここでは輝度レベルＭよりも大きいピクセルが、露出Ｔ１から得られ、Ｍよりも暗いエレメントは、それらの値は、露出の差に対する補正のために、Ｔ１／Ｔ２によってスケールを合わせられて、露出Ｔ２から得られる。
【００４７】
単色のセンサアレイを用いてカラーイメージングを達成するために、本発明は、好ましくは、複数の異なる色の光源、特に、本明細書においてＬＥＤ２４ａ、２４ｂおよび２４ｃとして図示される赤、緑および青（ＲＧＢ）の光源を使用する。原色のうちの各々による順次の照明を単独で用いて、フレームをキャプチャすることによって、単色のフレームは各々カラーのＲＧＢイメージの１つのチャネルを表す。
【００４８】
二重露出技術を３つの個別の色の照明と結合することは、各カラーフレームに対して、６つの露出を生じる。各露出は、以下に記載される露出制御方法に従って、対応する照明源のスイッチをオンおよびオフすることにより外部で制御される、独自の持続時間を有する。長期／短期の露出の組が、まず上記のように結合される。最終的なカラーイメージは次いで、３つのＲＧＢ露出の各々に対する二重露出の組み合わせである。第１に、３つの基本のＲＧＢレイヤの各々は、上記の二重露出技術に従って制御される。次いで、最終的なカラーイメージは、白色のバランスコントラストにおける各カラーレイヤの乗算によってなされる色の補正によって達成される。フレーム全体の各々のフレーム全体にわたる均質な露出を得るため、およびカラーフレームの混合を避けるために、ＬＥＤのスイッチをオンおよびオフするために、正確な同期が必要とされる。ローリングシャッタ読み込みサイクルは、好ましくは、露出の間に、すなわち、照明の欠如に起因してシーンが暗い場合にトリガされ、カラーフレームの混合を避ける。
【００４９】
任意のイメージセンサは、オフセットの変化および個別のピクセルのゲインから生じる固定されたパターンのノイズをある程度まで耐える。これらの変化を補正するためにデータは、測定され得、かつ内視鏡の一部としてインプリメントされるメモリ（例えば、ＥＰＲＯＭ）に格納され得る。さらなる歪みは、レンズ装置２２からの任意の補正されない色収差から生じ得る。全ての色が独自のレイヤを有するので、色のシフトに起因する幾何学的歪みは、幾何学的変換を用いて数学的に補正され得る。これらの変換に対する定数は、個別に較正され得、かつ内視鏡のメモリに格納され得る。
【００５０】
ここで、光の漏れおよび分布の問題を参照し、光源から直接的にセンサアレイまでの光の漏れを最小限にするための第１の注意として、光源は、好ましくは、イメージング装置の寸法によって許される限りセンサから離れて配置される。従って、本明細書に（例えば、図５に）示される好ましい例において、イメージセンサチップ１８は長方形であり、さらに特に正方形である。光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃは、長方形のチップ１８の２つ以下の辺に沿って配置され、センサアレイ２０は、イメージセンサチップ１８の、前述の２辺からもっとも遠い角の近くに配置される。
【００５１】
光の漏れに対するさらなる注意として、イメージング装置１６は、好ましくは、少なくとも光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃとセンサアレイ２０との間に、光源からシーンに向かう照明の伝播を曇らせることを回避するような方法で配置される、ある量の実質的に不透明な媒質２８をさらに含む。
【００５２】
照明の均一性を向上させるために、さらに特に、異なるカラーＬＥＤからの光の空間的分布をより類似させるために、イメージング装置１６はまた、好ましくは、光学的に分散性の媒質３０が該光源からの照明を分散することに効果があり、これによって、シーンから反射される光が前記レンズ装置に到達することを曇らせることなしに、該遠位先端部分から視認されるシーンを照明するように遠位で光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃを覆う、光学的に分散性の媒質３０を含む。これは、レンズ装置２２が光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃを越えて遠位まで伸長することを確実にし、かつ光学的に分散性の媒質３０を、レンズを覆うことなしにレンズ装置３０を囲んで配置することによって、有利に達成され得る。適切な光学的に分散性の媒質は、適切な光の散乱を生じさせる、商用に「ｆｏｇｇｅｄ  ｅｐｏｘｙ」として記載される接着剤、および小さな結晶質あるいはそうでなければ粒状の固体の混合剤を有する透明な接着剤を含むがこれらに限定はされない。
【００５３】
オプションとして、イメージング装置１６は、イメージング装置１６を包み、保護するために、光学的に分散性の媒質３０およびレンズ装置２２の両方を覆う実質的に透明な媒質（図示されず）をさらに含み得る。
【００５４】
好ましくは、イメージング装置１６は、光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃならびにイメージセンサチップ１８に対する共通の取り付け構造を提供する共通な回路基板３２を含む。オプションとして、光源は、サポートブロック（図示されない）の使用によって、回路基板の表面のレベルの上まで上昇させられ得る。回路基板３２は、好ましくは、直径２ミリメートルの円形の断面内にフィットする。最も好ましくは、直径約１．８ミリメートル以下のほぼ円形の回路基板が使用される。これは、約２ミリメートル以下の外径を有する内視鏡の構成を円滑化する。
【００５５】
光源２４ａ、２４ｂおよび２４ｃに対して電力を供給するため、かつ電源ならびにイメージセンサチップ１８へのデータ転送およびイメージセンサチップからのデータ転送のための電気的ワイヤ４２は、細長い可撓性の本体１２に沿って通る。回路基板のトップ上の貴重なスペースを取り上げることなしに、これらのワイヤのそれぞれのデバイスへの接続を円滑化するために、ワイヤの接続は、好ましくは、回路基板の近位側の（すなわち、視認方向から離れる）回路基板の接触領域への接続を介して達成される。回路基板上のこれらの接触領域とコンポーネントとの間の接続は、当該分野で公知のように、回路基板のスルーボアを介して達成される。対応する接触パッドへの取り付けのためのワイヤのアラインメントは、様々な手法を用いて達成され得る。図４に図示される、１つの、特に好ましいが、制限されない例によって、ワイヤは各ワイヤの小さなむき出しの長さを突出させたままにするように構成されるポジショニングディスク３４によって、所望される形式で保持される。アダプタブロック３６は、周辺チャネルを有して形成され、周辺チャネル内で、ワイヤの末端は、導電性の接着剤またはハンダの小さなドロップに取り付けられる。周辺チャネルは、導電性のコーティングによって形成され、これは接触パッド３８に電気的に接続される。接触パッド３８は、回路基板３２の裏面の対応する接触領域に沿って、一直線に並ぶように配置される。アダプタブロック３６および回路基板３２は、典型的に、接触パッド３８の各々に塗布されたドロップ導電性接着剤またはハンダと接触される。
【００５６】
好ましくは、遠位先端部分１４は、回路基板の近位側近くに配置された複数のセンサコイルを含む、位置センサ装置４０を含む。位置センサ装置４０は、好ましくは、６自由度の位置測定システムのセンサ装置としてインプリメントされ、最も好ましくは、米国特許第６，１８８，３５５号ならびに公開されたＰＣＴ出願、国際公開００／１０４５６号および国際公開０１／６７０３５号に従っており、これらの全ては本明細書によって参考として援用される。位置センサ装置４０は、本体内でのイメージング装置１６の位置のトラッキングを提供し、これによって、内視鏡のナビゲーションおよびイメージングデータの他の利用可能な情報の供給源との組み込みを円滑化する。
【００５７】
上記したように、内視鏡の小型化に対するやっかいな要因のうちの１つは、可撓性の本体に沿って伸び、イメージング装置に接続されなければならないワイヤ４２の数である。ワイヤの数を可能な限り減らすために、イメージセンサチップ１８が正確に４本のワイヤと接続されることが、本発明の特定の実施形態の特に好ましい特徴である。イメージング装置１６の動作は、コントローラによって制御され、コントローラは、細長い可撓性の本体１２の近位側と関連する専用の電子ユニットまたは汎用のコンピュータシステム４４（図１）としてインプリメントされ得る。イメージセンサチップの４本のワイヤの接続を達成するために、コントローラは、細長い可撓性の本体１２に沿って伸びる２本以下の通信ワイヤ４２を介して、イメージセンサチップ１８と電気的に関連する。通信は好ましくは、２次元アレイの光電性ピクセルの読み込みサイクルを行うため、およびイメージデータの単一のフレームをコントローラに送信するためにイメージセンサチップ１８をコントローラによって生成されたフレーム要求信号へ応答するように構成することによって、双方向で達成される。フレーム要求信号およびイメージデータの両方が、２本の通信ワイヤの片方または両方を介して送信される。好ましくは、少なくともイメージデータが、データの破損を最小にするために、異なる信号を用いて両方のワイヤで送信される。
【００５８】
イメージセンサチップ１８の読み込みサイクルの同期は、好ましくはコントローラによって制御される。従って、イメージセンサチップ１８は、好ましくは、イメージデータの単一のフレームを送信した後に、コントローラから引き続くフレーム要求信号を受信するまで待機するように構成される。実際には、イメージング装置は、暗闇で動作するので、露出制御は、好ましくは、主に、またコントローラによって制御される照明源の作動時間を制御することによって達成される。しかしながら、時間の有効な使用のために、チップの読み込み時間は、各露出が完了した後に迅速に開始されることが好ましい。従って、コントローラは、好ましくは、前述の各色の照明に対する短期の露出および長期の露出に対応する一様でない期間の組の終わりにフレーム要求信号を生成するように構成される。先に説明したように、異なる露出持続時間を有する類似のフレームの組が生成され、類似のフレームの組の各々よりも大きいダイナミックレンジを有する強化されたフレームを導くように、コントローラによって同時処理される。前述の好ましいカラーイメージングインプリメンテーションにおいて、コントローラはまた、好ましくは、照明の３つの色の各々に対する強化されたフレームを結合することにより、カラーイメージを生成するように構成される。
【００５９】
イメージセンサチップ１８とコントローラとの間の双方向通信に対する単純な電子的インプリメンテーションの制限されない１つの例が、図１１に図示される。イメージセンサチップ１８の電子部品はここで、５００で指定され、一方で外部電子部品（コントローラの一部）は５５０で指定される。イメージセンサチップは、ビデオ出力ライン５１０に沿って送信される、コントローラからのフレーム要求を介する外部同期を用いて、ローリングシャッタモードで動作し、該ラインは好ましくはデュアル差分ラインである。
【００６０】
デジタルまたはアナログのいずれかのビデオ出力信号は、ドライバ５０６によって引き出され、閉じたスイッチ５０４を介して、ライン５１０に沿って、レシーバ５５２に送信され、これは、ビデオ信号５５６をその最終的な目的地（例えば、コンピュータシステム４４または任意の他の所望される機器）まで送る。フルフレームが転送された後、スイッチ５０４は開き、イメージセンサはフレーム要求コマンドを待つ。この状態において、セルは、光電子を集める。フレーム要求を作動するために、スイッチ５５４は閉じ、ラインは接地し、これによって増幅器５０２の出力が変化することにより、イメージアレイの次の読み込みサイクルが作動される。読み込みサイクルはまた、イメージ出力データ転送の間にピクセルを行ごとにリセットする。外部電子部品５５０は、ＰＣ、マイクロコントローラまたは任意の他の適切な状態機械によって制御され得る。
【００６１】
より複雑なアーキテクチャの第２の限定されない例が、図１２に記載される。ここで、イメージセンサ電子部品６００および外部電子部品６５０は、双方向通信線６１０を介して接続され、これも好ましくはデュアル差分ラインである。ビデオイメージデータの伝送の間に、第１のスイッチ６０２は、出力ドライバ６０４をライン６１０に接続し、第２のスイッチ６５２は、ライン６１０を増幅器６５４に接続し、信号を受信する。フレームの転送の完了後に、スイッチ６０２および６５２は、状態を変化させ、ドライバ６５６が、増幅器６０６によって受信され、メモリ６０８に格納されるデジタルデータをイメージセンサに送信することを可能にする。このデジタルデータは、カウントダウンカウンタを用いて順次のビデオフレームの間の遅延を制御するために使用される。オプションとして、このポートは、他の制御コマンドに対しても役立ち得る。
【００６２】
上記の場合のいずれかにおいて、電子装置の実際のインプリメンテーションは、当業者の能力の範囲内であり、本明細書ではさらに詳しくは対処されない。
【００６３】
最後に、図６Ａ〜図６Ｃを参照して、イメージング装置１６のアセンブリに対して、特に、透明な接着剤によるチップ１８のセンサアレイへのレンズ装置２２の正確に並んだ取り付けに対して、有用な装置２００が示される。装置２００は、回路基板３２を掴むためのクランピング表面２０４（図６Ｂ）を有する第１の調節可能なプラットフォーム２０２を有する。調節可能なプラットフォーム２０２は、顕微鏡２０６の下に取り付けられることにより、チップ１８が視認され得、センサアレイ２０がプラットフォーム２０２の調節によって顕微鏡２０６の十字線の下で中心を合わせられ得る。装置２００は、調節可能なサポート２０８をさらに含み、これにちょうつがいフラップ２１０がちょうつがいを有して取り付けられる。ちょうつがいフラップ２１０は、レンズ装置２２を、明確に中心を合わせられた位置にクランプするためのレンズホルダ２１２を含む。調節可能なサポート２０８はまた、フラップがその下げられた位置にある（図６Ｃ）ときに、レンズホルダ２１２の裏（上）側のマーカを、顕微鏡の十字線に対して中心に合わせるために、ちょうつがいフラップ２１０の位置の調節を可能にする。
【００６４】
使用前に、ちょうつがいフラップ２１０は、図６Ｃの位置まで下げられ、調節可能なサポート２０８は、レンズホルダ２１２が顕微鏡の十字線に対して中心を合わせられるまで調節される。フラップ２１０は、次いで、図６Ａの位置まで上げられ、レンズ装置２２は、レンズホルダ２１２に挿入される。回路基板３２は、クランピング表面２０４にクランプされ、調節可能なプラットフォーム２０２は、顕微鏡の十字線に対してセンサアレイ２０を中心に合わせるように調節される。少量の透明な接着剤は、次いで、レンズ装置２２の末端に塗布され、ちょうつがいフラップ２１０は、レンズ装置２２がセンサアレイと接触するように徐々に下げられ、ここでレンズ装置２２は乾燥するまでそのままにされる。ちょうつがいフラップ２１０は、好ましくは、既定の接触圧力を、レンズ装置とセンサアレイとの間に加えるように構成され、これによって、レンズ装置がチップ表面に対して直角に固定されることを確実にすることに役立つ。
【００６５】
上記の記載は、例を提供することのみを意図され、多くの他の実施形態は、添付される特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲内で実行可能であることが認識される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の教示に従って、構成され、動作可能な内視鏡の概略図である。
【図２】図２は、本発明の教示に従って、構成され、動作可能な、外部カバーがイメージング装置を明らかにするために取り外された、図１の内視鏡の遠位先端部分の拡大された概略的な等角図である。
【図３】図３は、図２のイメージング装置のさらに拡大された概略的な等角図である。
【図４】図４は、図２のイメージング装置の部分的に分解された等角図である。
【図５】図５は、本発明のさらなる特徴に従って、イメージング装置の封入のレイヤ構造を示す図２のイメージング装置を介して得られる概略的な断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図２のイメージング装置の組み立てに使用するための装置の概略的な等角図であり、装置はチップのアラインメントステップの間を示される。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの「Ｂ」と指定された領域の拡大図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、レンズアタッチメントステップの間を示される、図６Ａの装置の概略的な等角図である。
【図７】図７は、「Ｔ１」および「Ｔ２」とラベルされた２つの異なる露出持続時間に対するピクセル出力信号とシーン輝度との間の関係のグラフ表示である。
【図８】図８は、図７に図示されるような２つの異なる露出の持続時間のうちの１組の露出から導かれるピクセル出力信号とシーン輝度との間の関係のグラフ表示である。
【図９】図９は、図２のイメージング装置からのＣＭＯＳイメージングセンサチップのレイアウトの概略図である。
【図１０】図９のチップからのＣＭＯＳイメージセンサピクセルエレメントの動作の機能図である。
【図１１】図１１は、本発明の教示に従った、図２のイメージングセンサ装置を有する双方向通信のための第１の通信装置の概略的な表現である。
【図１２】図１２は、本発明の教示に従った、図２のイメージングセンサ装置を有する双方向通信のための第２の通信装置の概略的な表現である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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