(57)【要約】【課題】円筒状の装置に組み込まれてもその径を太くさせたり解像度を低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させる。【解決手段】所定方向に長く形成された単一の半導体基板上に受光部を有し、所定方向のそれぞれ異なった領域に第１の受光部と第２の受光部とを含む少なくとも２つの受光部と、第１の受光部が有する複数の受光素子に蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、第２の受光部が有する複数の受光素子に蓄積された電荷の転送先である第２の転送部とを含む少なくとも２つの転送部と、第１の転送部に転送された電荷と、第２の転送部に転送された電荷とを含む少なくとも２つの転送部に転送された電荷を加算して外部に出力する加算出力部とを備えている。【選択図】      図３
2004313523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に長く形成された単一の半導体基板上に、撮像対象からの光を受光するための複数の受光素子がマトリクス状に配置されている受光部を有した固体撮像素子であって、
前記所定方向のそれぞれ異なった領域に第１の受光部と第２の受光部とを含む少なくとも２つの受光部と、
前記第１の受光部が有する複数の前記受光素子に蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、
前記第２の受光部が有する複数の前記受光素子に蓄積された電荷の転送先である第２の転送部と、を含む少なくとも２つの転送部と、
前記第１の転送部に転送された前記電荷と、前記第２の転送部に転送された前記電荷と、を含む前記少なくとも２つの転送部に転送された電荷を加算して外部に出力する加算出力部と、を備えていること、を特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記少なくとも２つの受光部の各々が有している複数の前記受光素子の配列は、それぞれ同一であること、を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記少なくとも２つの受光部の各々で蓄積された前記電荷の各々は、前記所定方向の前記受光素子一列に蓄積された前記電荷毎に、前記少なくとも２つの転送部の各々に転送され、
前記加算出力部は、転送された各々の前記受光素子一列毎の前記電荷同士を加算して外部に出力すること、を特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記少なくとも２つの転送部は、前記所定方向に一列に整列した素子に含まれていること、を特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記受光部前面に前記撮像対象からの光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光束分割手段が配置され、前記第１の光束は前記第１の受光部に導かれ、前記第２の光束は前記第２の受光部に導かれること、を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光束分割手段はビームスプリッタであり、前記第１の光束は前記ビームスプリッタによる反射光束であり、前記第２の光束は前記ビームスプリッタによる透過光束であること、を特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１の受光部と第２の受光部のどちらか一方の前面には減光手段が配置されていること、を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項８】
所定方向に長く形成された単一の半導体基板上に、観察対象からの反射光を受光するための複数の受光素子がマトリクス状に配置されている受光部を有する固体撮像素子を、先端部内に備えた電子内視鏡であって、
前記固体撮像素子は、前記所定方向のそれぞれ異なった領域に第１の受光部と第２の受光部とを含む少なくとも２つの受光部と、
前記第１の受光部が有する複数の前記受光素子に蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、
前記第２の受光部が有する複数の前記受光素子に蓄積された電荷の転送先である第２の転送部と、を含む少なくとも２つの転送部と、
前記第１の転送部に転送された前記電荷と、前記第２の転送部に転送された前記電荷と、を含む前記少なくとも２つの転送部に転送された電荷を加算して外部に出力する加算出力部と、を備え、
さらに、前記半導体基板の長手方向と前記先端部の長手方向とが一致するように配置されていること、を特徴とする電子内視鏡。
【請求項９】
前記少なくとも２つの受光部の各々は、光学的に略等価に位置していること、を特徴とする請求項８に記載の電子内視鏡。
【請求項１０】
前記少なくとも２つの受光部の各々が有している複数の前記受光素子の配列は、それぞれ同一であること、を特徴とする請求項８または請求項９のいずれかに記載の電子内視鏡。
【請求項１１】
前記少なくとも２つの受光部の各々で蓄積された前記電荷の各々は、前記所定方向の前記受光素子一列に蓄積された前記電荷毎に、前記少なくとも２つの転送部の各々に転送され、
前記加算出力部は、転送された各々の前記受光素子一列毎の前記電荷同士を加算して外部に出力すること、を特徴とする請求項１０に記載の電子内視鏡。
【請求項１２】
前記少なくとも２つの転送部は、前記所定方向に一列に整列した素子に含まれていること、を特徴とする請求項８から請求項１１のいずれかに記載の電子内視鏡。
【請求項１３】
前記受光部前面に前記観察対象からの反射光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光束分割手段が配置され、前記第１の光束は前記第１の受光部に導かれ、前記第２の光束は前記第２の受光部に導かれること、を特徴とする請求項８から請求項１２のいずれかに記載の電子内視鏡。
【請求項１４】
前記光束分割手段はビームスプリッタであり、前記第１の光束は前記ビームスプリッタによる反射光束であり、前記第２の光束は前記ビームスプリッタによる透過光束であること、を特徴とする請求項１３に記載の電子内視鏡。
【請求項１５】
前記第１の受光部と第２の受光部のどちらか一方の前面には減光手段が配置されていること、を特徴とする請求項８から請求項１２に記載の電子内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単一の半導体基板上に複数の受光素子がマトリクス状に配置されている固体撮像素子と、この固体撮像素子を先端部に備えている電子内視鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内視鏡の先端部を含む挿入部を細径化することにより、体腔内、特に細い管内に内視鏡を挿入する際の患者の苦痛を軽減している。近年はその先端部にＣＣＤなどの固体撮像素子を備えている電子内視鏡が広く普及しており、その内部に備えられている種々の部品を小型化することによって細径化を達成している。この内視鏡や電子内視鏡は細ければ細いほど、体腔内の至る所に挿入できるようになり、また、体腔内を自在に動かすことができるようになるため、さらなる細径化が要求されている。
【０００３】
電子内視鏡では上述した理由により小型化に適したモノクロのＣＣＤを搭載したものが多く見られる。しかしながら近年は生体組織の状態をより正確に観察するため、カラー画像を得るような装置が実用に供している。このカラー画像を得る装置は大きく分類すると２通りある。一つは、電子内視鏡に接続されている光源装置の白色照明光により照明された観察対象（撮像対象）を、受光部にマトリクス状に配置されている複数の受光素子各々の前面にＲＧＢなどのカラーフィルタを備えたＣＣＤで撮像することによりカラー画像を得る、いわゆる同時方式を用いたものである。もう一つは、電子内視鏡に接続されている光源装置の回転カラーフィルタを介した各色の照明光により照明された観察対象を、モノクロのＣＣＤで撮像することによりカラー画像を得る、いわゆる面順次方式を用いたものである。
【０００４】
しかしながら、近年電子内視鏡のさらなる細径化が要求されており、この先端部に備えられているＣＣＤ等をさらに小型化させる必要がある。ＣＣＤを小型化させるためには１画素当たりのサイズを小さく形成する必要がある。ところが、この１画素当たりのサイズを小さく形成するにしたがって、１画素当たりに蓄積できる電荷量が少なくなってしまう。従って、撮影可能な明るさのダイナミックレンジが小さくなってしまう。
【０００５】
電子内視鏡の観察対象となる体腔内の生体組織などは、暗部である体腔内を照明装置で照明されることにより観察されているため、その暗部と明部での輝度差がデジタルカメラやビデオなどの画像と比べて特に大きくなる傾向にある。従ってダイナミックレンジを低下させると、暗部の画像が黒く潰れてしまい、かつ明部の画像が白くとぶという現象が頻発するようになってしまう。
【０００６】
そこで従来は、隣り合う感度の異なった受光素子を一対として、それぞれの受光素子に蓄積された電荷を転送し、上記一対の受光素子の電荷を加算することにより、ダイナミックレンジを向上させていた（例えば、特許文献１参照）。また、隣接する所定数の画素毎に同色のカラーフィルタを搭載して、設定されたモードに応じてそれら所定数の同色の画素により得られた電荷を加算してダイナミックレンジ及び感度を向上させていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２５２１０７号公報（第３〜５頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−２９８８００号公報（第３、４頁、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の特許文献１及び特許文献２に記載されている固体撮像素子では、複数の画素に蓄積された電荷を加算して１画素相当の信号を出力しているため、出力される画像の解像度は低下してしまう。すなわち、ダイナミックレンジや感度を向上させて画像の潰れや白とびなどを改善することはできるが、解像度の低下により出力される画像は不鮮明なものとなってしまう。従って、術者はモニタに表示されている生体組織などの画像からその生体組織の細部の状態を正確に把握し難くなってしまう。
【０００９】
また、解像度を維持しつつダイナミックレンジを向上させるために１画素当たりのサイズを極力大きくして蓄積できる電荷量を増加させた場合は、画像の鮮明さを低下させることなくダイナミックレンジの向上により滑らかな画像を得ることができる。しかしながら、画素数を維持しつつ１画素当たりのサイズを大きくするため、固体撮像素子のサイズの小型化に限界があり、その結果、電子内視鏡の細径化が思うように計れず、患者への負担を軽減することができない。
【００１０】
そこで、本発明は上記の事情に鑑み、円筒状の装置に組み込まれてもその径を太くさせたり解像度を低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させることができる固体撮像素子、及びその固体撮像素子を備えた電子内視鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明の一態様に係る固体撮像素子は、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上に、撮像対象からの光を受光するための複数の受光素子がマトリクス状に配置されている受光部を有したものである。この固体撮像素子は、所定方向のそれぞれ異なった領域に第１の受光部と第２の受光部とを含む少なくとも２つの受光部と、第１の受光部が有する複数の受光素子に蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、第２の受光部が有する複数の受光素子に蓄積された電荷の転送先である第２の転送部とを含む少なくとも２つの転送部と、第１の転送部に転送された電荷と、第２の転送部に転送された電荷とを含む少なくとも２つの転送部に転送された電荷を加算して外部に出力する加算出力部とを備えている。このように、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に配置された少なくとも２つの受光部に蓄積された各々の電荷を加算して出力することにより、所定方向と直交する方向に装置を大きくしたり解像度を低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させた画像情報を出力することができる。
【００１２】
また、上記固体撮像素子において、少なくとも２つの受光部の各々が有している複数の受光素子の配列はそれぞれ同一であることが好ましい。
【００１３】
また、上記固体撮像素子において、少なくとも２つの受光部の各々で蓄積された電荷の各々は、所定方向の受光素子一列に蓄積された電荷毎に、少なくとも２つの転送部の各々に転送されることが好ましい。また、加算出力部は、転送された各々の受光素子一列毎の電荷同士を加算して外部に出力することが好ましい。また、少なくとも２つの転送部は、所定方向に一列に整列した素子に含まれていることが好ましい。また、第１の受光部と第２の受光部のどちらか一方の前面には減光手段が配置されていることが好ましい。
【００１４】
また、上記固体撮像素子では、受光部前面に撮像対象からの光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光束分割手段が配置され、第１の光束は第１の受光部に導かれ、第２の光束は第２の受光部に導かれることが好ましい。また、光束分割手段はビームスプリッタであることが好ましい。このとき、第１の光束はビームスプリッタによる反射光束であり、第２の光束はビームスプリッタによる透過光束である。
【００１５】
また、上記の課題を解決する本発明の一態様に係る電子内視鏡は、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上に、観察対象からの反射光を受光するための複数の受光素子がマトリクス状に配置されている受光部を有する固体撮像素子を、その先端部内に備えたものである。この電子内視鏡に備えられている固体撮像素子は、所定方向のそれぞれ異なった領域に第１の受光部と第２の受光部とを含む少なくとも２つの受光部と、第１の受光部が有する複数の受光素子に蓄積された電荷の転送先である第１の転送部と、第２の受光部が有する複数の受光素子に蓄積された電荷の転送先である第２の転送部とを含む少なくとも２つの転送部と、第１の転送部に転送された電荷と、第２の転送部に転送された電荷とを含む少なくとも２つの転送部に転送された電荷を加算して外部に出力する加算出力部とを備えている。この固体撮像素子は、さらに、半導体基板の長手方向と電子内視鏡の先端部の長手方向とが一致するように配置されている。このように、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に配置された少なくとも２つの受光部に蓄積された各々の電荷を加算して出力することにより、電子内視鏡の径を太くしたり解像度を低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させた画像を出力することができる。従って、患者の負担を増やしたり画像の鮮明さを低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させて滑らかな画像を得ることができる画像情報を出力することができる。
【００１６】
また、上記電子内視鏡において、少なくとも２つの受光部の各々は光学的に略等価な位置に配置されていることが好ましい。
【００１７】
また、上記電子内視鏡において、少なくとも２つの受光部の各々が有している複数の前記受光素子の配列はそれぞれ同一であることが好ましい。
【００１８】
また、上記電子内視鏡において、少なくとも２つの受光部の各々で蓄積された電荷の各々は、受光素子一列に蓄積された電荷毎に、少なくとも２つの転送部の各々に転送されることが好ましい。また、加算出力部は、転送された各々の受光素子一列毎の電荷同士を加算して外部に出力することが好ましい。また、少なくとも２つの転送部は、所定方向に一列に整列した素子に含まれていることが好ましい。また、第１の受光部と第２の受光部のどちらか一方の前面には減光手段が配置されていることが好ましい。
【００１９】
また、上記電子内視鏡では、受光部前面に撮像対象からの光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光束分割手段が配置され、第１の光束は第１の受光部に導かれ、第２の光束は第２の受光部に導かれることが好ましい。また、光束分割手段はビームスプリッタであることが好ましい。このとき、第１の光束はビームスプリッタによる反射光束であり、第２の光束はビームスプリッタによる透過光束である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の電子内視鏡１００を備えている電子内視鏡装置５００の構成を示したブロック図である。この電子内視鏡装置５００は、患者の体腔内の画像情報を出力する電子内視鏡（電子スコープ）１００と、電子内視鏡１００から出力された画像情報に所定の処理を施し映像信号に変換する画像処理装置と光源装置を兼ね備えたプロセッサ２００と、プロセッサ２００から出力された映像信号に基づいて患者の体腔内を表示するモニタ３００から構成されている。以下に、この図１を用いてこの電子内視鏡装置５００の構成と作用を説明する。
【００２１】
プロセッサ２００は、本実施形態での観察対象である生体組織４００を照明する照明光を射出する光源部（光源ランプ）２１０を備えている。本実施形態の電子内視鏡装置５００では電子内視鏡１００先端部の細径化を達成するために面順次方式の撮像システムを採用しているため、この光源部２１０が射出する照明光は白色光であり、また、その光路上にはＲＧＢフィルタ回転２２０が配置されている。
【００２２】
このＲＧＢ回転フィルタ２２０は、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の三色のカラーフィルタ、及び遮光部を有している。これら三色のカラーフィルタは、各々対応した一色の光のみを透過するフィルタである。このＲＧＢ回転フィルタ２２０は、その回転方向に、順に、カラーフィルタ（Ｒ）、遮光部、カラーフィルタ（Ｇ）、遮光部、カラーフィルタ（Ｂ）、遮光部を有している。以下に、このＲＧＢ回転フィルタ２２０を用いた面順次方式によるカラー画像の生成のプロセスを説明する。
【００２３】
まず、タイミングジェネレータ２３０は、図示しないモータドライバに駆動信号を送信する。このモータドライバはこの受信した駆動信号に基づいてモータ２２２を駆動させる。このモータ２２２の回転軸はＲＧＢ回転フィルタ２２０を回転自在に支持しているため、モータ２２２の駆動に伴い、ＲＧＢ回転フィルタ２２０は回転する。ＲＧＢ回転フィルタ２２０が回転することにより光源部２１０から射出された照明光は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のフィルタを、それぞれの間に備えられた遮光部により間欠的に透過する。
【００２４】
プロセッサ２００はコネクタ２８０により電子内視鏡１００と接続されている。ＲＧＢ回転フィルタ２２０の各色のフィルタを透過した照明光の各々は、その光路上に配置されている集光レンズ２２４を介して電子内視鏡１００が備えるライトガイド１１０に入射する。そしてこの照明光は、ライトガイド１１０により電子内視鏡１００の先端部に導光される。このライトガイド１１０に導光された照明光は、電子内視鏡１００の先端部の前面に備えられた照明窓１２０を介して観察対象（撮像対象）である生体組織４００を照明する。
【００２５】
生体組織４００を照明した照明光はこの生体組織４００により反射し、観察光として対物光学系１３０に入射する。この対物光学系１３０を出射した観察光は、光路偏向部１４０により対物光学系１３０の光軸、言い換えると電子内視鏡１００の長手方向（挿入方向）と直交する方向に折り曲げられる。
【００２６】
本実施形態の電子内視鏡１００では、観察光を受光して光電変換を行い画像信号を生成する機能を有する固体撮像素子１５０は、電子内視鏡１００の長手方向に対しその受光面が平行となるよう配置されている。この固体撮像素子１５０は例えばＣＣＤである。
【００２７】
上述した光路偏向部１４０により折り曲げられた観察光は、この固体撮像素子１５０の受光面で結像して、この受光面が有しているマトリクス状に配置された複数の受光素子の各々に受光される。なお、生体組織４００は上述したようにＲＧＢ回転フィルタ２２０の各色のフィルタを順に透過した間欠的な照明光により照明されているため、固体撮像素子１５０の受光面は、各色の観察光を間欠的に順次受光する。
【００２８】
プロセッサ２００が備えているドライバ２４０は、タイミングジェネレータ２３０から送信されてくる駆動制御信号により固体撮像素子１５０を駆動している。さらに詳しく説明すると、このドライバ２４０はタイミングジェネレータ２３０から送信されてくる駆動制御信号に基づいて、固体撮像素子１５０がＲ光、Ｇ光、Ｂ光のいずれかの観察光を受光している期間はその観察光を各受光素子に蓄積するよう固体撮像素子１５０を駆動し、ＲＧＢ回転フィルタ２２０の遮光部により固体撮像素子１５０がいずれの観察光も受光しない期間は各受光素子に蓄積されている電荷を転送して画像信号として出力させるよう固体撮像素子１５０を駆動している。
【００２９】
固体撮像素子１５０から出力された画像信号は、プロセッサ２００に送信されて、後述する画像処理を施される。このプロセッサ２００に画像処理を施された信号は、外部表示機器に表示可能な種々のビデオ信号（映像信号）としてモニタ３００に出力され、このモニタ３００上でカラーの観察画像として表示される。以下に、プロセッサ２００で行われる画像処理のプロセスを説明する。
【００３０】
固体撮像素子１５０によって得られた体腔内の生体組織４００の画像信号は、プロセッサ２００に備えられている初段映像信号処理部２５０に送信される。この初段映像信号処理部２５０は、先ず、送信された画像信号を増幅させ、サンプリング、ホールド等の処理を行う。そして、この画像信号をデジタルの画像信号に変換させる。変換されたデジタルの画像信号は、さらに、初段映像信号処理部２５０が有している図示しないマルチプレクサによって固体撮像素子１５０の駆動と同期して切り替えられ、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の画像信号に分離されて、ＲＧＢメモリ２６０が有している各メモリに出力される。
【００３１】
ＲＧＢメモリ２６０はＲ、Ｇ、Ｂの各色に対応した３つのフレームメモリである図示しないＲメモリ、Ｇメモリ、Ｂメモリを備えており、初段映像信号処理部２５０に分離された各色の画像信号は、それぞれ対応するフレームメモリに格納される。
【００３２】
タイミングジェネレータ２３０は、ＲＧＢメモリ２６０の各フレームメモリに格納されている画像信号を同時に読み出すためのタイミング信号を送信する。このタイミング信号は、例えば、１秒当たり３０フレームから構成される動画がモニタ上において表示できるタイミングで送信される。すなわち、このタイミングジェネレータ２３０は、ＲＧＢメモリ２６０の各フレームメモリに格納されている画像信号を１秒当たり３０フレーム、同時に読み出すタイミング信号を送信する。このタイミング信号に基づき、各色の画像信号は同時に読み出されて、後段信号処理部２７０に出力される。
【００３３】
後段信号処理部２７０は、この信号をアナログ信号に変換させ、さらにこのアナログ信号をモニタ３００に表示させるためのコンポジットビデオ信号や、Ｙ／Ｃ信号、ＲＧＢコンポーネントビデオ信号に変換する。そして、これらのビデオ信号がモニタ３００に出力されると、モニタ３００上に生体組織４００の観察画像がカラー画像で表示される。
【００３４】
図２は、本発明の実施形態の電子内視鏡１００の先端部の内部構造を模式的に示した側断面図である。この図２では電子内視鏡１００の先端部の内部構造を図１より詳細に示したものである。以下に、この図２を用いて、この電子内視鏡１００の先端部の構成と作用をより詳細に説明する。
【００３５】
上述したように、対物光学系１３０を介して入射した生体組織４００の観察光は、光路偏向部１４０により電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向に折り曲げられる。この光路偏向部１４０は、第１のプリズム１４２と第２のプリズム１４４とを貼り合わせることにより形成されている。また、これらのプリズムは、電子内視鏡１００の長手方向に、対物光学系１３０側から第１のプリズム１４２、第２のプリズム１４４の順に並んで配置している。
【００３６】
第１のプリズム１４２は、生体組織４００の観察光の光路上に、光を分割する機能を有するビームスプリッタ１４２ａを有している。このビームスプリッタ１４２ａは、対物光学系１３０の光軸と一致する生体組織４００の観察光の光路に対して４５度傾いた状態で配置している。別の言い方をすると、このビームスプリッタ１４２ａは、電子内視鏡１００の長手方向に対して４５度傾いた状態で配置している。そのため、このビームスプリッタ１４２ａに入射した生体組織４００の観察光は、その一部が９０度折り曲げられて電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向、すなわち固体撮像素子１５０に向かって進行し、その一部が透過して第２のプリズム１４４内を電子内視鏡１００の長手方向に沿って進行していく。
【００３７】
さらに説明を加えると、このビームスプリッタ１４２ａは、折り曲げられる光（反射光）と透過する光との強度比が２：１となるように、生体組織４００の観察光を分割する機能を有している。ここでは、ビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光は、ビームスプリッタ１４２ａで折り曲げられた観察光に対してその光強度が低くなっている。
【００３８】
第２のプリズム１４４は、ビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光の光路上に、光を全反射する機能を有する全反射ミラー１４４ａを有している。この全反射ミラー１４４ａは、対物光学系１３０の光軸と一致するビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光の光路に対して４５度傾いた状態で配置している。別の言い方をすると、この全反射ミラー１４４ａは、電子内視鏡１００の長手方向に対して４５度傾いた状態で配置している。従って、ビームスプリッタ１４２ａを透過した観察光は、この全反射ミラー１４４ａにより９０度折り曲げられて、電子内視鏡１００の長手方向と直交する方向、すなわち固体撮像素子１５０に向かって進行する。
【００３９】
図３は、本発明の実施形態の電子内視鏡１００の先端部内に備えられている固体撮像素子１５０の構成を模式的に示した上面図である。この固体撮像素子１５０は、半導体基板上に、複数の受光素子がマトリクス状に配置されている受光部１５２を備えたものである。以下に、この図３を用いて、この固体撮像素子１５０の構成と作用を説明する。なお、この固体撮像素子１５０の基台である半導体基板の受光部１５２を備えている面は、図３に示す矢印Ｙ方向の辺が、矢印Ｘ方向に直交する矢印Ｘ方向の辺より長い長方形の形状を有している。
【００４０】
固体撮像素子１５０は、受光部１５２と、水平転送部１５４と、アンプ１５６とを備えている。上述したようにこの電子内視鏡装置５００は面順次方式によりカラー画像を生成しているため、この固体撮像素子１５０はモノクロＣＣＤである。また、電子内視鏡１００の細径化を達成するため、この固体撮像素子１５０は蓄積部を備えないフルフレーム型ＣＣＤである。
【００４１】
受光部１５２は、受光部１５２ａと受光部１５２ｂの２つのイメージエリア（撮像エリア）を有している。この受光部１５２ａは、ビームスプリッタ１４２ａで反射された観察光学像を撮像するためのイメージエリアであって、この観察光学像の結像面と一致するよう配置されている。また、受光部１５２ｂは、全反射ミラー１４４ａで反射された観察光学像を撮像するためのイメージエリアであって、この観察光学像の結像面と一致するよう配置されている。すなわち、受光部１５２ａと受光部１５２は電子内視鏡１００の長手方向に沿って並んで配置されている。また、これらの受光部１５２ａと受光部１５２ｂには、矢印Ｙ方向と矢印Ｘ方向のそれぞれに同一数の受光素子が同一ピッチで配置している。すなわち、受光部１５２ａと受光部１５２ｂは、互いに、同一形状かつ同一画素数の受光部として形成されている。
【００４２】
また、この固体撮像素子１５０はフルフレーム型ＣＣＤであるため、この受光部１５２は複数の受光素子各々に蓄積された電荷を、図３の矢印Ｘ方向に転送する垂直転送部の機能を兼ね備えている。なお、固体撮像素子１５０は微少サイズのチップであるため、受光部１５２ａと受光部１５２ｂとは光学的に略等価に配置されている。従って、これら２つの受光部には実質的に同一形状の観察像が結像する。
【００４３】
水平転送部１５４は、受光部１５２が備えている複数の受光素子の各々に蓄積された電荷が転送されてくる部位であって、半導体基板の長手方向に一列に整列した電荷結合素子から構成されている。この水平転送部１５４は、受光部１５２ａが有している受光素子に蓄積された電荷が転送されてくる水平転送部１５４ａと、受光部１５２ｂが有している受光素子に蓄積された電荷が転送されてくる水平転送部１５４ｂを含んでいる。
【００４４】
水平転送部１５４を構成している電荷結合素子の各々は、矢印Ｙ方向に関して、受光部１５２の受光素子と同ピッチで配置されている。水平転送部１５４に含まれている水平転送部１５４ａは、受光部１５２ａの受光素子各々と矢印Ｙ方向に一致して配置している電荷結合素子から構成されている。また、水平転送部１５４に含まれている水平転送部１５４ｂは、受光部１５２ｂの受光素子各々と矢印Ｙ方向に一致して配置している電荷結合素子から構成されている。なお、この水平転送部１５４を構成している電荷結合素子の各々は、受光部１５２の受光素子各々に蓄積された電荷が受光素子複数個相当蓄積されても飽和しないようその許容量を多くするため、矢印Ｘ方向に関して受光部１５２の受光素子より大きく形成されている。
【００４５】
図４は固体撮像素子１５０の電荷転送動作を示した図である。先ず、図４（ａ）に示すように、受光部１５２ａの矢印Ｘ方向下端部に位置する１ラインの受光素子の各々に蓄積された電荷が、矢印Ｘ方向の水平転送部１５４ａに一斉に転送される。例えば、受光部１５２ａの１５２ａ（１）に位置する受光素子に蓄積された電荷は、水平転送部１５４ａの矢印Ｙ方向右端部の１５４ａ（１）に位置する電荷結合素子に転送される。次いで、図４（ｂ）に示すように、水平転送部１５４ａの各電荷結合素子に転送・蓄積された電荷は、水平転送部１５４を矢印Ｙ方向に順次転送される。そして、図４（ｃ）に示すように、受光部１５２ａの１５２ａ（１）に位置する受光素子に蓄積されていた電荷が、水平転送部１５４ｂの矢印Ｙ方向右端部の１５４ｂ（１）に位置する電荷結合素子に転送された時に、受光部１５２ｂの矢印Ｘ方向下端部に位置する１ラインの受光素子の各々に蓄積された電荷が、矢印Ｘ方向の水平転送部１５４ｂに一斉に転送されて、先に転送されていた電荷とそれぞれ加算される。例えば、１５２ａ（１）に位置する受光素子に蓄積されていた電荷は、受光部１５２ｂの１５２ｂ（１）に位置する受光素子に蓄積されていた電荷と加算されて、１５４ｂ（１）に位置する電荷結合素子に蓄積される。最後に、水平転送部１５４ｂの各電荷結合素子に加算・蓄積された電荷は、アンプ１５６に順次転送される。アンプ１５６は、この加算された電荷を増幅してプロセッサ２００が備えている初段映像信号処理部２５０に出力する。
【００４６】
図５は、固体撮像素子１５０の撮像及び転送の周期と、固体撮像素子１５０に入射してくる観察光の周期とを示したタイミングチャートである。図５（ａ）は、固体撮像素子１５０の撮像及び転送を行うためのタイミングチャートであって、電荷を蓄積する蓄積期間と、蓄積した各色に対応した電荷を転送する転送期間とを交互に繰り返したものとなっている。また、図５（Ｂ）は、固体撮像素子１５０に入射してくる観察光の周期を示したタイミングチャートであって、各色の観察光が入射してくる期間と、観察光が遮光されている期間とを交互に繰り返したものとなっている。以下に、この図５に示したタイミングチャートの詳細を説明する。
【００４７】
図５に示すように、Ｒの照明光で照明された生体組織４００のＲ光の観察光が受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに入射している期間、固体撮像素子１５０は、受光部１５２ａ及び１５２ｂの受光素子の各々に、このＲ光の観察光による電荷を蓄積している。受光部１５２ａ及び１５２ｂに一定期間Ｒ光の観察光が入射するとＲＧＢ回転フィルタ２２０の遮光部により照明光が一定期間遮光され、各受光部に入射していた観察光も一定期間途絶える。この受光部１５２ａ及び１５２ｂに観察光が入射しない期間、固体撮像素子１５０は、受光部１５２ａ及び１５２ｂの受光素子の各々に蓄積されたＲ光の観察光による電荷の各々を、図４に示した動作手順に沿って、水平転送部１５４ａ、１５４ｂにそれぞれ転送し、加算する。水平転送部１５４にて加算された電荷は、Ｒ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００４８】
固体撮像素子１５０は同じ要領でＧ光の観察光による電荷を蓄積し、蓄積したＧ光の観察光による電荷を水平転送部１５４に転送し、加算する。水平転送部１５４にて加算された電荷は、Ｇ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。さらに、固体撮像素子１５０は同じ要領でＢ光の観察光による電荷を蓄積し、蓄積したＢ光の観察光による電荷を水平転送部１５４に転送し、加算する。水平転送部１５４にて加算された電荷は、Ｂ光の画像情報としてアンプ１５６から出力され、初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００４９】
このように、アンプ１５６から出力されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光それぞれの画像情報をプロセッサ２００で処理することにより１画面のカラー画像が形成される。また、この作業を所定の周期で繰り返すことによりモニタ３００上に生体組織４００の画像が動画として表示される。
【００５０】
図６は、図５の期間Ｔにおける受光素子に蓄積された電荷の転送動作を詳細に示したタイミングチャートである。この期間Ｔは、上述した、Ｇ光の観察光により蓄積した電荷を水平転送部１５４に転送してＧ光の画像情報としてアンプ１５６から出力する期間を示している。以下に、この図５に示したタイミングチャートで電荷の転送動作を説明する。
【００５１】
図６（ａ）は、受光部１５２ａの受光素子各々に蓄積された電荷を、受光部１５２ａの端部に位置する矢印Ｙ方向１ラインの受光素子を介して水平転送部１５４ａに順次転送させるＶ１信号のパルスを示したタイミングチャートである。また、図６（ｂ）は、受光部１５２ｂの受光素子各々に蓄積された電荷を、受光部１５２ｂの端部に位置する矢印Ｙ方向１ラインの受光素子を介して水平転送部１５４ｂに順次転送させるＶ２信号のパルスを示したタイミングチャートである。また、図６（ｃ）は、水平転送部１５４に転送された電荷を、水平転送部１５４の水平方向、すなわち矢印Ｙ方向に転送するＨ信号のパルスを示したタイミングチャートである。
【００５２】
図６に示すようにＶ１信号が受光部１５２ａに入力すると、受光部１５２ａの受光素子各々に蓄積されている全ての電荷は、矢印Ｘ方向に一段（１ライン）シフトする。その結果、水平転送部１５４ａの最も近くに配置している１ラインの受光素子に蓄積されている電荷の各々は、矢印Ｘ方向にシフトして水平転送部１５４ａの矢印Ｙ方向に一致する電荷結合素子の各々に転送される。
【００５３】
受光部１５２ａから水平転送部１５４ａに電荷が転送すると、Ｈ信号が水平転送部１５４に入力し、水平転送部１５４ａに転送された上記電荷をさらに矢印Ｙ方向に転送する。すなわち、上記で詳述したように、水平転送部１５４ａの電荷結合素子の各々に転送された各電荷は、このＨ信号により水平転送部１５４ｂの対応する電荷結合素子に転送される。
【００５４】
水平転送部１５４ａから水平転送部１５４ｂへの電荷転送が完了すると、Ｖ１信号が受光部１５２ａに入力し、Ｖ２信号が受光部１５２ｂに入力する。従って、上述の処理と同様に、受光部１５２ａの受光素子各々に蓄積されている全ての電荷は、矢印Ｘ方向に一段シフトし、水平転送部１５４ａの最も近くに配置している１ラインの受光素子に蓄積されている電荷の各々は、水平転送部１５４ａに転送される。また、Ｖ２信号もＶ１信号と同様の作用を有している。すなわち、受光部１５２ｂの受光素子各々に蓄積されている全ての電荷は、矢印Ｘ方向に一段シフトし、水平転送部１５４ｂの最も近くに配置している１ラインの受光素子に蓄積されている電荷の各々は、水平転送部１５４ｂに転送される。
【００５５】
上述のように、受光部１５２ｂから水平転送部１５４ｂに電荷が転送したとき、水平転送部１５４ｂの電荷結合素子の各々には予め水平転送部１５４ａから転送された受光部１５２ａ１ラインの電荷が既に蓄積されているため、この受光部１５２ａ１ラインの電荷の各々と受光部１５２ｂ１ラインの電荷の各々は水平転送部１５４ｂのそれぞれ同一の電荷結合素子に蓄積され、その結果、互いの電荷の加算が行われる。
【００５６】
水平転送部１５４ｂにおいて受光部１５２ａ１ラインの電荷と受光部１５２ｂ１ラインの電荷とが加算されると、再びＨ信号が水平転送部１５４に入力し、上記水平転送部１５４ｂにおいて加算された電荷はアンプ１５６に掃き出されて増幅し初段映像信号処理部２５０に送信される。またこのとき、Ｖ１信号により水平転送部１５４ａに転送されていた電荷は水平転送部１５４ｂに転送される。そして再びＶ１信号が受光部１５２ａに入力し、Ｖ２信号が受光部１５２ｂに入力すると、水平転送部１５４ｂの電荷は加算され、Ｈ信号によりアンプ１５６に掃き出されて増幅し初段映像信号処理部２５０に送信される。
【００５７】
上述した一連の動作は、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂに蓄積されている全ラインの電荷を初段映像信号処理部２５０に送信するまで繰り返される。全ラインの電荷がアンプ１５６から出力されると期間Ｔの転送動作は終了し、Ｂ光の観察光の蓄積動作が開始される。
【００５８】
図７は、受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂが備えている受光素子の信号出力（言い換えると蓄積電荷量）と観察光の入射光量（厳密には光路偏向部１４０に入射する光量）との関係を示したグラフである。このグラフの縦軸は受光素子の信号出力を示しており、横軸は受光素子に対する入射光量を示している。
【００５９】
このグラフで示されている特性Ａは受光部１５２ａの受光素子の信号出力と観察光の入射光量（光路偏向部１４０に入射する光量）との関係を示したものである。前述のように、光路偏向部１４０のビームスプリッタ１４２ａでは、反射光と透過光との強度比が２：１となるので、受光部１５２ａへの入射光量は観察光の入射光量の２／３となる。この特性Ａが示している信号出力は、水平転送部１５４ａの電荷結合素子の各々に転送される受光部１５２ａの受光素子の各々の蓄積電荷量に対応した値である。また、特性Ｂは受光部１５２ｂの受光素子の信号出力と観察光の入射光量（光路偏向部１４０に入射する光量）との関係を示したものである。同様に、受光部１５２ｂへの入射光量は観察光の入射光量の１／３となる。この特性Ｂが示している信号出力は、水平転送部１５４ｂの電荷結合素子の各々に転送される受光部１５２ｂの受光素子の各々の蓄積電荷量に対応した値である。また、特性（Ａ＋Ｂ）は受光部１５２ａ及び受光部１５２ｂの各々の受光素子の信号出力を加算した後の信号出力と観察光の入射光量（光路偏向部１４０に入射する光量）との関係を示したものである。すなわち、受光部１５２から得られる信号出力と観察光の入射光量との関係を示したものである。この特性（Ａ＋Ｂ）が示している信号出力は、水平転送部１５４ｂにおいて加算された水平転送部１５４ａと水平転送部１５４ｂとの蓄積電荷量である。
【００６０】
上述したように、ビームスプリッタ１４２ａによって、受光部１５２ａに入射する光と受光部１５２ｂに入射する光との強度比は２：１となる。また、受光部１５２ａと受光部１５２ｂの各々の受光素子は光学的に等価に配置されており、同一形状かつ同一特性を有している。従って、図７のグラフにおいて特性Ａは特性Ｂに対して２倍の傾きを有している。そのため、受光部１５２ａの受光素子が観察光の入射光量ｃで飽和信号出力ｄを得るとき、受光部１５２ｂの受光素子は観察光の入射光量２ｃで飽和信号出力ｄを得る。これは、受光部１５２ａの受光素子が受光部１５２ｂの受光素子と比較して２倍の感度を有していることと同じである。言い換えると、受光部１５２ｂの受光素子は受光部１５２ａの受光素子に比較して２倍のダイナミックレンジを有する。また、受光部１５２ａの受光素子は、光路偏向部１４０を介さずに直接観察光を受光素子で受光した場合に比べて１．５倍のダイナミックレンジを有する。従って、受光部１５２は、光路偏向部１４０を介さずに直接観察光を受光素子で受光した場合に比べて３倍のダイナミックレンジを有することになる。
【００６１】
前述のように、固体撮像素子１５０の受光部が受光部１５２ａ単体で且つ光路偏向部１４０を介さずに直接観察光を受光素子で受光した場合、この受光部は観察光の入射光量が（２／３）ｃで飽和してしまう。しかしながら、本実施形態のように受光部１５２が受光部１５２ａと受光部１５２ｂとを備えている場合、受光部１５２は入射光量２ｃまで飽和しなくなる。これは、固体撮像素子１５０の撮像可能な光量範囲が拡大したこと、すなわちダイナミックレンジが向上したことを意味している。
【００６２】
受光部１５２の信号出力特性である特性（Ａ＋Ｂ）は、観察光の入射光量が０からｃまでの間とｃから２ｃまでの間とでそれぞれ異なった特性を有している。観察光の入射光量が０からｃまでの間では受光部１５２ａと受光部１５２ｂのそれぞれの受光素子で電荷が蓄積されていくため、図６のグラフにおける特性（Ａ＋Ｂ）の傾きは特性Ａと特性Ｂとの傾きを合わせたものとなっている。また、観察光の入射光量がｃから２ｃまでの間では受光部１５２ａは飽和状態であるため、受光部１５２ｂの受光素子のみで電荷が蓄積されていき、図６のグラフにおける特性（Ａ＋Ｂ）の傾きは特性Ｂと等しいものとなっている。従って、観察光の入射光量が０からｃまでの間では、受光部が受光部１５２ａ単体である場合と比較して本実施形態の受光部１５２はより高い信号出力を得ることができる。言い換えると、本実施形態の受光部１５２は高い感度を有している。さらに、観察光の入射光量がｃから２ｃまでの間では、受光部が受光部１５２ａ単体である場合と異なり飽和することなく信号出力を得ることができる。言い換えると、本実施形態の受光部１５２はダイナミックレンジが拡大されている。
【００６３】
また、本実施形態の固体撮像素子１５０は、２つのイメージエリアである受光部１５２ａと受光部１５２ｂが電子内視鏡１００の先端部の長手方向に沿って並んで配置されている。従って、本実施形態の固体撮像素子１５０を備えることにより、電子内視鏡の径を太くしたり観察画像の解像度を低下させたりすることなく、固体撮像素子のダイナミックレンジ及び高輝度に対する感度を向上させることができる。
【００６４】
また、本実施形態の固体撮像素子１５０では、受光部１５２ａと受光部１５２ｂの電荷の転送路が１ラインの電荷結合素子である水平転送部１５４で形成されている。さらに、この水平転送部１５４は、電子内視鏡１００の先端部の長手方向に沿って配列されている。従って、電子内視鏡の径を太くすることなく受光部１５２ａと受光部１５２ｂとの電荷を加算することができる。
【００６５】
以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。
【００６６】
なお、本実施形態において、受光部１５２の信号出力と観察光の入射光量との関係は図７に示した特性（Ａ＋Ｂ）であるが、この特性は本実施形態のものに限定されることなく、例えば反射光の強度と透過光の強度の関係において、前者が後者よりも小さな特性となる等異なったものであってもよい。この特性を異なったものにするためには、本実施形態の光路偏向部１４０において、観察光に対する分割特性の異なったビームスプリッタ１４２ａを電子内視鏡１００の先端部内に配置すればよい。特に、ビームスプリッタ１４２ａの反射光と透過光との強度比が１：１となるものを用いた場合、ダイナミックレンジの向上だけでなくリニアリティも改善することができる。
【００６７】
また、本発明の実施形態において、ビームスプリッタ１４２ａの観察光に対する分割特性によって受光部１５２ａと受光部１５２ｂのそれぞれに異なった量の観察光を導きそれぞれの感度特性を異なったものにしているが、いずれか一方の受光部前面にＮＤフィルタ等の減光部材を配置してそれぞれの高輝度に対する感度特性を異なったものにしてもよい。また、受光部１５２ａの受光素子の各々に備えられているマイクロレンズの入射効率と、受光部１５２ｂの受光素子の各々に備えられているマイクロレンズの入射効率とをそれぞれ異なったものにして、それぞれの高輝度に対する感度特性を異なったものにしてもよい。
【００６８】
また、本発明の実施形態において、固体撮像素子１５０はモノクロＣＣＤであるが、受光素子毎にカラーフィルタが備えられているカラーＣＣＤであってもよい。この場合、面順次方式でないため、ＲＧＢ回転フィルタ２２０は不要となり、本実施形態と異なった電荷蓄積・転送のタイミングで固体撮像素子は駆動される。
【００６９】
また、本発明の実施形態において、固体撮像素子１５０は受光部１５２ａと受光部１５２ｂの２つのイメージエリアを有しているが、これらのイメージエリアは３つ以上であってもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように本発明の固体撮像素子は、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に配置された少なくとも２つの受光部に蓄積された各々の電荷を加算して出力している。従って、所定方向と直交する方向に装置を大きくしたり解像度を低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させた画像情報を出力することができる。
【００７１】
また、本発明の電子内視鏡は、所定方向に長く形成された単一の半導体基板上において所定方向のそれぞれ異なった領域に少なくとも２つの受光部が配置された固体撮像素子を備えており、これらの受光部に蓄積された各々の電荷を加算して出力している。そのため、電子内視鏡の径を太くしたり解像度を低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させた画像を出力することができる。従って、患者の負担を増やしたり画像の鮮明さを低下させたりすることなく、ダイナミックレンジを向上させて滑らかな画像を得ることができる画像情報を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電子内視鏡を備えている電子内視鏡装置の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の電子内視鏡の先端部の内部構造を模式的に示した側断面図である。
【図３】本発明の実施形態の電子内視鏡の先端部内に備えられている固体撮像素子の構成を模式的に示した上面図である。
【図４】固体撮像素子の電荷転送動作を示した図である。
【図５】固体撮像素子の撮像及び転送の周期と、固体撮像素子に入射してくる観察光の周期とを示したタイミングチャートである。
【図６】図４の期間Ｔにおける受光素子に蓄積された電荷の転送動作を詳細に示したタイミングチャートである。
【図７】受光部が備えている受光素子各々の入射光量に対する信号出力特性を示したグラフである。
【符号の説明】
１００  電子内視鏡
１４０  光路偏向部
１４２ａ  ビームスプリッタ
１５０  固体撮像素子
１５２ａ、１５２ｂ  受光部
１５４ａ、１５４ｂ  水平転送部
５００  電子内視鏡装置
【図１】
2004313523.tif 000003
【図２】
2004313523.tif 000004
【図３】
2004313523.tif 000005
【図４】
2004313523.tif 000006
【図５】
2004313523.tif 000007
【図６】
2004313523.tif 000008
【図７】
2004313523.tif 000009