(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流により放電点灯させる交流点灯ランプを用い、撮像素子であるＣＣＤからビデオ信号を出力する電子内視鏡装置において、
予め検出した上記交流点灯ランプの発光量の１垂直走査期間を単位とした周期的な変化に応じて設定され、１垂直走査期間毎の同一時間内の露光量の不均一を解消するための周期的に変わるゲイン値を記憶するメモリと、
上記ビデオ信号から上記発光量の周期的変化の基点を判定し、この発光量の周期的変化に上記メモリから読み出したゲイン値サイクルを同期させたゲイン制御信号を出力する制御回路と、
この制御回路からのゲイン制御信号に基づいて上記ＣＣＤで得られたビデオ信号のレベルを調整するレベル調整回路と、を設けた交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置。
【請求項２】
上記レベル調整回路としてアナログ領域の増幅器を用い、上記制御回路はアナログ処理のためのゲイン制御信号を上記増幅器へ出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載の交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置。
【請求項３】
上記レベル調整回路としてデジタル領域のレベル演算器を用い、上記制御回路はデジタル処理のためのカラー表示の各要素毎のゲイン制御信号を上記レベル演算器へ出力するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置、特に交流電流によって放電点灯させる交流点灯ランプを用いて照射光を被観察体内へ供給する内視鏡の光量制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６（Ａ）には、従来において内視鏡装置の光源として用いられるキセノンランプの構成が示されており、このランプは直流（ＤＣ）電力にて放電点灯するようになっている。図において、カソード（陰極）１とアノード（陽極）２がガラス放電管内に配置されており、所定の直流電圧を与えることにより、カソード１からアノード２へ電子が移動し、放電・点灯が行われる。
【０００３】
図６（Ｂ）には、近年、自動車等において使用され、交流（ＡＣ）電力を用いるキセノンランプの構成が示されており、これは高輝度放電ランプ（High intensity discharge lamp）といわれるものである。図示されるように、カソード３とアノード４は鋭角先端を持った同一形状とされており、これらカソード３及びアノード４には、正負の電流が交互に与えられる。従って、カソード３に負電流、アノード４に正電流が与えられたとき、電子はｃ１のようにカソード３からアノード４へ移動し、一方正負電流が逆になるとき、電子はｃ２のようにアノード４からカソード３へ移動することになり、このような交互の電子移動により放電が行われる。
【０００４】
上記のＡＣ点灯のランプによれば、ＤＣ点灯のランプと比較すると、電力の変換効率がよく、高輝度となり、熱の発生が少ない等の利点があると共に、集光させ易いという利点がある。即ち、ＤＣ点灯ランプの場合は、図６（Ａ）に示されるようにカソード１とアノード２との間隔はＤ１と比較的大きいが、図６（Ｂ）のＡＣ点灯ランプの場合のカソード３とアノード４との間隔Ｄ２は上記Ｄ１よりも相当小さくなる。従って、スコープ内に配置される細いライトガイドの入射端に効率よくランプ光を集光させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＡＣ点灯のランプでは、正負電流の切替えの間に点灯されない期間が存在することから、所定の露光時間内の光量が不均一になるという問題がある。特に、電子シャッタ機能を用いて露光時間（シャッタ速度）を可変制御する場合には、高速になればなる程、光量の不均一が顕著となる。
【０００６】
図７には、ランプ点灯、電子シャッタ制御及び撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）出力の変化量が示されており、従来では、図７（Ａ）に示されるように、例えばランプに対し約５００Ｈｚで交流電流が供給される。この図において、電極に負電流が与えられるときを点灯とすると、アノード４側ではａで示されるタイミング（及び期間）で点灯（放電）し、カソード３側ではｋで示されるタイミングで点灯する。従って、図７（Ｂ）に示される各フィールド（例えば１／６０秒）では、両方で約１６回の点灯が行われることになる。
【０００７】
しかし、フィールド期間とランプ点灯の周期が一致しないため、図７（Ｃ）の電子シャッタ制御のＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に示されるように、各フィールドにおいて同一のシャッタ速度で同一の露光期間を設定したとすると、露光期間Ｌ１，Ｌ４ではカソード点灯ｋが２回、アノード点灯ａが１回で、合計３回の点灯となるが、他の露光期間Ｌ２，Ｌ３ではカソード点灯ｋが１．６回、アノード点灯ａが１回で、合計２．６回の点灯というように点灯回数が異なることになる。
【０００８】
従って、同一の露光時間（シャッタ速度）であっても、その時間内のランプの発光量が異なることになり、図７（Ｄ）に示されるように、ＣＣＤ出力においてもｆの量だけ輝度変化が生じる。即ち、１フィールド期間を露光時間としたときの出力（輝度レベル）を１００％とすると、上記Ｌ１，Ｌ４では１８．７５％の出力が得られるが、上記Ｌ２，Ｌ３においては１６．２５％の出力しか得られない。この結果、同一の撮影条件であってもフィールド間で輝度レベルが変化し、表示画面上でフリッカーが生じることになる。このような現象は、電子シャッタ速度が速くなればなる程、顕著に現れる。
【０００９】
また、図６（Ｂ）に示されるように、ＡＣ点灯のランプのカソード３とアノード４の電極形状は同一とされるが、製造上のバラツキが生じることが多く、この電極形状のバラツキも発光量の不均一の原因となる。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ランプ発光量が不均一となる場合でもフリッカー現象をなくし、交流点灯ランプを使用できるようにする交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、交流により放電点灯させる交流点灯ランプを用い、撮像素子であるＣＣＤからビデオ信号を出力する電子内視鏡装置において、予め検出した上記交流点灯ランプの発光量の１垂直走査期間を単位とした周期的な変化に応じて設定され、１垂直走査期間毎の同一時間内の露光量の不均一を解消するためのものであって周期的に変わるゲイン値を記憶するメモリと、上記ビデオ信号から上記発光量の周期的変化の基点を判定し、この発光量の周期的変化に上記メモリから読み出したゲイン値サイクルを同期させたゲイン制御信号を出力する制御回路と、この制御回路からのゲイン制御信号に基づいて上記ＣＣＤで得られたビデオ信号のレベルをフィードフォワード制御で調整するレベル調整回路と、を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記レベル調整回路としてアナログ領域の増幅器を用い、上記制御回路はアナログ処理のためのゲイン制御信号を上記増幅器へ出力するようにしたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、上記レベル調整回路としてデジタル領域のレベル演算器を用い、上記制御回路はデジタル処理のためのカラー表示の各要素毎のゲイン制御信号を上記レベル演算器へ出力するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、垂直走査期間の例えば４倍の周期で繰り返される交流点灯ランプの発光量変化又はこの発光変化に対応したゲイン制御信号のパターンがメモリから読み出され、このゲイン制御信号がアナログ領域の増幅器に供給される。この増幅器としては、デジタル領域の前段に配置される自動利得制御回路やデジタル領域の後段に配置される出力アンプ等があり、これら増幅器により、上記ゲイン制御信号に基づくビデオ信号の増幅が行われる。この結果、交流点灯ランプの発光量のアンバランスに起因するビデオ信号の光量不均一が解消される。
【００１３】
また、デジタル領域のレベル演算器としては、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のＲＧＢ信号形成回路或いはＹ（輝度）／Ｃ（色信号）のＹ／Ｃ信号形成回路があり、これらＲ，Ｇ，Ｂ，Ｙ，Ｃの各要素に対しそれぞれの所定ゲイン係数が乗算され、これによって各要素のレベルが増幅、調整される。この場合は、各要素毎にゲイン係数を設定できるので、アナログ処理よりもきめ細かな調整が可能となり、光量の不均一をなくして色再現性を良好にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１乃至図２には、実施形態の第１例に係る交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置の構成が示されており、図１に示されるように、この電子内視鏡装置は、電子スコープ１０をプロセッサ本体１２に接続して構成され、映像出力はモニタ等へ供給される。上記電子スコープ１０の先端部には、対物光学系１３、固体撮像素子であるＣＣＤ１４、照射レンズ１５等が配置され、この照射レンズ１５には光源光を先端部へ導くためのライトガイド１６が接続される。また、このスコープ１０には、上記ＣＣＤ１４の出力信号につき、相関二重サンプリングと増幅処理をするＣＤＳ（相関二重サンプリング）／ＡＧＣ（自動利得制御）回路１７、電子スコープ１０のＩＤ識別情報や各種の処理条件等を記憶するＲＯＭ１８が設けられる。
【００１５】
一方、プロセッサ本体１２には、上記ＣＣＤ１４の電子シャッタ制御（蓄積電荷の掃出し、読出し制御）をするＣＣＤ駆動回路１９、上記ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１７から出力された信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器２０、このＡ／Ｄ変換器２０から出力されたデジタルビデオ信号につき各種の画像処理をするＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）回路２１、ビデオ信号をデジタル−アナログ変換するＤ／Ａ変換器２２、出力用アンプ２３等が設けられる。
【００１６】
また、上記スコープ１０に配設されたライトガイド１６の光入射端１６Ａに光を出力するために、集光レンズ２６及び交流（ＡＣ）点灯ランプ２７が設けられる。このランプ２７は、キセノンランプであり、上述した高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）と同様のもので、例えば後述の図２に示されるようになっている。
【００１７】
このＡＣ点灯ランプ２７には、点灯駆動回路２８が接続されており、この点灯駆動回路２８では、例えば５００Ｈｚ（これ以外の１０ｋＨｚ程度までの周波数でもよい）の点灯駆動パルスを形成し、この駆動パルス周波数の交流電流をランプ２７に供給する。また、このプロセッサ本体１２内には、全体を統括制御すると共に、交流点灯ランプ２７の発光量の周期的な変化に対応して露光量の不均一を解消するためのゲイン制御信号を出力するマイコン３１、プロセッサ本体側の各種の画像処理を行うためのデータやプログラムを記憶すると共に、上記周期的な変化に対応するゲイン値パターン（周期的変化に関するその他のデータでもよい）を記憶するＥＥＰＲＯＭ３２が配置される。
【００１８】
即ち、予め上記ＡＣ点灯ランプ２７の発光量を１垂直走査期間単位で検出し、その検出値の周期的な変化を求め、この周期的な変化に応じたゲイン値が上記ＥＥＰＲＯＭ３２に記憶される。例えば、上記発光量が順に１．０→０．８→０．９→０．７１（４垂直走査期間）のレベル比で周期的に変化するとすると、上記ゲイン値は１．０→１．２５→１．１→１．４となる。そして、この値はマイコン３１により読み出され、上記ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１７（又は出力アンプ２３）へゲイン制御信号として供給される。なお、変化の周期である上記４垂直走査期間は一例であり、他の周期で起こる場合はその周期に対応したデータが記憶される。
【００１９】
また、上記マイコン３１は発光量サイクルの基点を判定し、ゲイン値付与の制御を行う。例えば、上記ＤＳＰ２１で形成される輝度信号を入力し、この輝度値から発光レベルが最も大きい（又は最も小さい）垂直走査期間、ここでは上記１．０の期間を検出し、この１．０の期間に同期してゲイン値１．０の制御信号が与えられるように制御する。
【００２０】
図２のＡＣ点灯ランプ２７では、キセノンガスを封入したガラス球３４内に、先端が尖ったカソード３５、アノード３６を所定の間隔で配置しており、これらの電極（３５、３６）は同一形状に形成される。即ち、これらカソード３５、アノード３６には正負電流が交互に与えられ、それぞれがカソードとアノードの役割を交互に果たすことから、ｃ１とｃ２で示されるように、両方向で放電（電子移動）が行われる。従って、ｃ１とｃ２の両方向で同一の発光量の放電を達成するために、両電極は同一の形状とされる。
【００２１】
また、このＡＣ点灯ランプ２７では、上記カソード３５及びアノード３６が、点Ｘ１，Ｘ２を支点として振れる（例えば先端が所定の角度範囲で全方位方向に動く）ように支持されており、このカソード３５及びアノード３６は可動状態で接触する導体線３７，３８を介して上記点灯駆動回路２８に接続される。また、上記ガラス球３４の壁は内部で飛び交う多数の電子の衝突に耐え得る厚さ（強度）とされる。このような構成のＡＣ点灯ランプ２７によれば、周波数１０ｋＨｚ程度の高速の放電点灯も可能となる。
【００２２】
第１例は以上の構成からなり、次にその作用を図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）は、１／６０秒周期の垂直同期信号を示しており、この１／６０秒の１垂直走査期間（ＶＤ）において、図３（Ｂ）に示されるように電子シャッタ制御のための掃出しパルス（ＸＳＵＢ）が形成される。この掃出しパルスは、水平走査周期で形成され、ＣＣＤ１４に与えられる。
【００２３】
ここで、図３（Ｂ）のように、掃出しパルスをｐａの位置或いはｐｂの位置で終了させれば、図３（Ｃ）の露光時間ｈａ或いはｈｂの露光時間となるシャッタ速度が設定される。即ち、上記掃出しパルスｐａ，ｐｂではＣＣＤ１４に蓄積された電荷を掃き出し、この後に蓄積された電荷を垂直同期信号の終端位置で出力される読出しパルスによって読み出すことにより、上記時間ｈａ，ｈｂの露光の映像信号が出力される。
【００２４】
そして、図１の点灯駆動回路２８では、例えば５００Ｈｚの駆動パルスによりＡＣ点灯ランプ２７を交流点灯させており、図３（Ｄ）のｋ，ａに示されるように、カソード３５とアノード３６が交互に放電点灯することになる。しかし、上述したように、この交流点灯では一定時間（例えば１垂直走査期間）の間に実行される点灯回数の相違により、発光量のアンバランスが生じる。
【００２５】
例えば、シャッタ時間ｈａに固定した場合を考えると、図３（Ｅ）に示されるように、発光レベルが１サイクル（４ＶＤ）で１．０→０．８→０．９→０．７１の順に変化することになる。このＡＣ点灯ランプ２７の発光レベルの変化は、垂直走査期間単位で予め測定することにより検出されることになり、この変化を解消するための図３（Ｆ）に示されるゲイン値がＥＥＰＲＯＭ３２に格納される。
【００２６】
即ち、このゲイン値は、１．０→１．２５→１．１→１．４であり、このゲイン値が読み出されると共に、ＤＳＰ２１から入力した輝度信号により発光サイクルの基点が判定され、このサイクルに一致する状態（例えば発光最大値と１．０のゲイン値が一致する状態）で上記ゲイン値制御信号がＣＤＳ／ＡＧＣ回路１７へ供給される。そして、このＣＤＳ／ＡＧＣ回路１７では、上記ゲイン値の制御信号でビデオ信号を増幅することになり、これによってビデオ信号のレベルが一定となり、図３（Ｅ）の発光量の不均一が解消される。
【００２７】
なお、この第１例では、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１７により発光量不均一を解消する増幅を行ったが、Ｄ／Ａ変換器２２の後段の出力アンプ２３を用いて同様の増幅処理を実行するようにしてもよい。
【００２８】
図４には、実施形態の第２例におけるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）回路の構成が示されており、この第２例はデジタル領域でレベル調整を行うものである。図４のＤＳＰ回路４０では、Ａ／Ｄ変換器２０から出力されるデジタルビデオ信号を入力し、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各色信号に分離する色分離回路４０ａが設けられる。即ち、同時式では、シアン（Ｃｙ）、マジェンタ（Ｍｇ）、イエロー（ＹＬ）、グリーン（Ｇ）の色フィルタで得られた画素単位の信号からＲ，Ｇ，Ｂの色信号が分離される。
【００２９】
この色分離回路４０ａの後段に、レベル演算器としてのＲＧＢ信号形成回路４０ｂ、ガンマ補正回路４０ｃが設けられ、このＲＧＢ信号形成回路４０ｂでは、マイコン３１により出力された制御信号に基づき、所定のゲイン係数ａ１〜ａ４（ａｎ），ｂ１〜ｂ４（ｂｎ），ｃ１〜ｃ４（ｃｎ）をＲ，Ｇ，Ｂの各信号（要素）に乗算する。また、このＲＧＢ信号形成回路４０ｂの後段には、Ｙ（輝度）信号とＣ（カラー）信号を形成し、レベル演算器として機能するＹ／Ｃ信号形成回路４０ｄ、ガンマ補正回路４０ｅが接続される。このＹ／Ｃ信号形成回路４０ｄは、上記Ｒ，Ｇ，Ｂの信号をＹ，Ｃの信号へ変換すると共に、制御信号に基づき所定のゲイン係数ｄ１〜ｄ４（ｄｎ），ｅ１〜ｅ４（ｅｎ）をＹ，Ｃの各信号（要素）に与えることになる。なお、上記係数ａｎ，ｂｎ，ｃｎ，ｄｎ，ｅｎはＥＥＰＲＯＭ３２に格納される。
【００３０】
第２例は以上のように構成され、図５に示されるゲイン係数によってカラービデオ信号を構成する各信号が増幅演算される。上記図３（Ｅ）で説明したように、ＡＣ点灯ランプ２７の発光レベルが１．０→０．８→０．９→０．７１の順のサイクルで変化する場合、Ｒ信号についてはａ１，ａ２，ａ３，ａ４の順のゲイン係数、Ｇ信号についてはｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４の順の係数、…Ｃ信号についてはｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４というように順に所定係数が繰返し与えられて乗算される。
【００３１】
このようにして、Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｙ，Ｃの各信号では、撮像ヘッド部の光学特性を考慮した最適な係数によりレベル調整されることになり、交流点灯ランプ２７の発光量が不均一になることに起因するビデオ信号の光量不均一が解消される。また、第１例のアナログ処理よりも細かな調整が可能となり、良好な色再現性を得ることができる。なお、当該例では、ＲＧＢ信号とＹ／Ｃ信号によるカラー画像が表示できることになる。
【００３２】
上記実施形態例では、電子シャッタ制御をする場合について説明したが、電子シャッタ制御をしない場合でも、同様に適用することができる。また、発光量不均一のためのレベル調整を、アナログ領域（１７又は２３）とデジタル領域（４０ｂ，４０ｄ）の両方で行うようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、交流点灯ランプの発光量の周期的な変化に応じて設定されたゲインデータに基づいて、ビデオ信号のレベルをフィードフォワード制御で増幅・調整するので、不均一な発光量の影響を解消してフリッカー現象をなくすことができる。その結果、内視鏡装置において、電力変換効率がよく、高輝度で熱の発生が少ない等の利点がある交流点灯ランプを適用することが可能となり、また細いライトガイドの入力端に対してもランプ光を集光させ易くなる等の効果がある。
【００３４】
また、請求項３の発明では、ランプ発光量変化に対応し、デジタル領域においてカラー表示要素であるＲ，Ｇ，Ｂ，Ｙ，Ｃのレベルを増幅演算するようにしたので、アナログ処理よりも、撮像ヘッド部の光学特性を考慮したきめ細かな調整が可能となり、色再現性を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態の第１例の交流点灯光源を備えた電子内視鏡装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態例の交流点灯ランプ（キセノンランプ）の構成を示す図である。
【図３】第１例の各部での動作を示す波形図である。
【図４】実施形態の第２例におけるＤＳＰの構成を示すブロック図である。
【図５】第２例での発光レベルと各要素に与えられるゲイン係数との関係を示す図である。
【図６】従来のキセノンランプの構成を示し、図（Ａ）はＤＣ点灯ランプの図、図（Ｂ）はＡＣ点灯ランプの図である。
【図７】従来のＡＣ点灯ランプを内視鏡に適用した場合の各動作及びＣＣＤ出力の変化を示す波形図である。
【符号の説明】
１，３，３５  …  カソード、
２，４，３６  …  アノード、
１４  …  ＣＣＤ、  １９  …  ＣＣＤ駆動回路、
２１  …  ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）回路、
２７  …  ＡＣ点灯ランプ（キセノンランプ）、
２８  …  点灯駆動回路、
３１  …  マイコン、
４０ｂ  …  ＲＧＢ信号形成回路、
４０ｄ  …  Ｙ／Ｃ信号形成回路。
【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６】
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【図７】
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