成像器件驱动单元,电子内窥镜和内窥镜系统的制作方法

专利名称：成像器件驱动单元,电子内窥镜和内窥镜系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据所发射的照明光的图样来驱动成像器件的成像器 件驱动单元。
背景技术：
已知在插入管首端具有成像器件的电子内窥镜。通过将光源发出 的照明光经由光纤发送到插入管的首端，可对黑暗环境，例如体内或 机构内部的目标进行拍照和/或录像。
具有特殊可视效果的图像可利用在目标上特殊的照明方法显示。 例如，在已知的技术中，目标被由脉冲发射产生的光脉冲照明。通过 拍摄由频率被调节为几乎与声带震动频率相同的光脉冲照明的声带， 可以生成看上去是慢速震动的快速震动的声带的图像。
如果用户想要观察快速运动的目标，该用户通常会选择脉冲光。 因此，为了采用脉冲光照明来获得目标的光学图像，优选的情况是所 有的像素同时接收到光。另一方面，如果用户想要观察静止的或慢速 运动的目标，该用户会选择连续光。因此，当使用连续光照明时，优 选的情况是生成所获得的图像中的噪声被降低的图像信号。
为了利用球形曝光拍摄目标同时降低噪声，过去的电子内窥镜通
常采用CCD成像器件。然而，存在包括CCD成像器件的高制造成本， 驱动CCD成像器件的高电压，以及CCD成像器件中需要大量信号线 的一些问题。
为了解决这些问题，日本未审查专利公开第2002-58642号提出了 一种相对CCD成像器件具有较低的功耗和制造成本的CMOS成像器 件，该器件用于电子内窥镜。然而，存在当采用球形曝光时，CMOS 成像器件产生的图像信号中具有较高的信噪比的问题。因此，当采用 CMOS成像器件通过球形曝光生成图像信号时，与脉冲光照明相比， 当目标被连续光照明时所显示的图像中噪声更加明显。

发明内容
因此，本发明的目的是提出一种成像器件驱动单元，该成像器件 驱动单元根据发射的照明光的时间图样，例如脉冲光或连续发射光，
充分地驱动CMOS成像器件。
根据本发明所述，提出了一种包括探测器和曝光控制器的成像器 件驱动单元。该成像器件驱动单元控制安装在内窥镜中的CMOS成像 器件。探测器探测发射的照明光的图样。该照明光由光源发射。该照 明光照射在目标上。CMOS成像器件被命令获取目标的光学图像。当 探测器探测到所发射的照明光的图样为第一图样和第二图样时，曝光 控制器控制成像器件分别执行球形曝光和线性曝光。
进一步地，光源分别发射第一图样和第二图样的脉冲光和连续光。


可参考附图通过以下描述更好的理解本发明的目的和优点，其中 图1是具有本发明的实施例中的成像器件驱动单元的内窥镜系统 的内部结构框图2是光源单元的内部结构框图3是成像器件的结构框图4是像素的内部电路框图5是描述用于驱动成像器件采用线性曝光产生图像信号的时序 的时序图；禾口
图6是描述用于驱动成像器件采用球形曝光产生图像信号的时序 的时序图。
具体实施例方式
以下将参考附图所示的实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，内窥镜系统10包括内窥镜处理器20、电子内窥镜 30和监控器11。内窥镜处理器20被连接到电子内窥镜30和监控器11。
内窥镜处理器20发射照明光，用来照明所需目标。被照明的目标 被电子内窥镜30拍照和/或录像，然后电子内窥镜30生成图像信号。 该图像信号被发送到内窥镜处理器20。
内窥镜处理器20对接收到的图像信号做预定的信号处理。经过预定信号处的图像信号被发送到监控器11，在监控器11中显示与接收到 的图像信号对应的图像。
内窥镜处理器20包括光源单元21、图像信号处理电路22、系统 控制器23和其他部件。如下文所述，光源单元21向光导31的入射端 发射照明光用于照明所需目标。此外，如下文所述，图像信号处理电 路22对图像信号进行预定的信号处理。此外，系统控制器23控制内 窥镜系统10中所有部件的操作。
通过将内窥镜处理器20连接到电子内窥镜30的连接器37上，光 源单元21与安装在电子内窥镜30中的光导31被光学连接。此外，通 过将内窥镜处理器20连接到连接器37上，图像信号处理电路22与安 装在电子内窥镜30中的成像器件32之间，以及系统控制器23与安装 在电子内窥镜30中的成像器件驱动器33之间，建立了电连接。
如图2所示，光源单元21包括灯24、转动快门25、聚光透镜26、 电源电路27、马达28、快门驱动器29和其他部件。
灯24是例如氙气灯或卤素灯，并发射白光。转动快门25和聚光 透镜26安装在从灯25到光导31的入射端的白光的光路上。
转动快门25为圆盘形状，具有孔径区和阻挡区。当白光应从光源 单元21发射出时，将孔径区插入白光的光路。另一方面，当白光的发 射应中止时，将阻挡区插入白光的光路以阻挡白光。马达28使转动快 门25转动。通过调节转动快门25的转速，照明光在发射与中止之间 切换。此外，通过将孔径保持在光路中，连续地从光源单元21发出白 光。
马达25被快门驱动器29驱动。快门驱动器29被系统控制器23 控制。
光源单元21发出的白光被聚光透镜26聚集，并引导到光导31的 入射端。电源电路27为灯24提供电源。系统控制器23控制从电源电 路27提供给灯24的电源的开关，使灯24开启或关闭。
接下来，详细描述电子内窥镜30的结构。如图1所示，电子内窥 镜30包括光导31、成像器件32、成像器件驱动器33、光探测器34、 发散透镜35、物镜36和其他部件。
光导31为一束光纤，并在连接器37中分支。 一个分支被光学连接到光探测器34。另一个分支，以下称为输出端，被安装在电子内窥 镜30的插入管37的首端。与两个分支相反的束端穿出连接器37，并 光学连接到光源单元21。
如上文所述，光源单元21发出的白光到达光导31的输入端。此 后光被发送到光探测器和输出端。根据光导31所传送的光，光探测器 34确定光源单元21为脉冲发射或连续发射。在脉冲发射中，光源单元 21通过重复地在光发射与光中止之间交替来发射脉冲光。在连续发射 中，光源单元21连续发射光。所确定的发射类型被传达给成像器件驱 动器33。在脉冲发射的情况下，成像器件驱动器33向成像器件32发 送球形曝光命令信号。另一方面，在连续发射情况下，成像器件驱动 器33向成像器件32发送线性曝光命令信号。成像器件驱动器33的这 些操作由系统控制器23控制。
传送到输出端的光通过发散透镜35照射插入管38首端附近的外 围区域。
被白光照明的目标的反射光的光学图像通过物镜35到达成像器件 32的光接收表面。成像器件驱动器33驱动成像器件32生成与到达光 接收表面的光学图像对应的图像信号。
成像器件32为CMOS成像器件。如图3所示，多个像素40以矩 阵方式排列在成像器件32的光接收表面上。每个像素40根据该像素 40接收到的光的量产生像素信号。像素信号通过输出模块32o —个接 一个按顺序输出。图像信号包括由整个光接收表面上的所有像素40产 生的多个像素信号。由行选择电路32r和列选择电路32c选则应被命令 输出像素信号的像素40。
下面结合图4描述每个像素40的内部结构。像素40包括光电二 级管(PD) 41、浮置扩散装置(FD) 42、快门晶体管43、复位晶体管 44、放大晶体管45和行选择晶体管46。
根据由PD 41的光电转换接收并存储的光的量产生信号电荷。当 快门晶体管被开启时，所储存的信号电荷被发送到FD42。 FD42为电 容器，其电位根据所存储的信号电荷而变化。
快门信号线(未画出)沿每行像素40安装。快门信号线被连接到 排列在给定行中的所有像素40中的快门晶体管43。快门信号，以下称
7为cJ)SH，被发送到所有快门信号线。4)SH具有高状态和低状态。被发 送到每行快门信号线的cj) SH，对每一行在不同的时刻被设为高状态。 当cl)SH被设为高状态时，快门晶体管43被开启，因此，快门晶体管 43导通。
当复位晶体管44被开启时，FD42被复位。然后，存储在FD42 中的信号电荷流向电源，以下称为Vdd。此后，FD42的电位被复位为 Vdd的电{立。
复位信号线(未画出)沿像素40的每行安装。复位信号线被连接 到排列在给定行中的所有像素40中的复位晶体管44。复位信号，以下 称为小R，被发送到所有复位信号线。小R具有高状态和低状态。被发 送到每行复位信号线的4)R对于各行在不同的时刻被设为高状态。当 (l)R被设为高状态时，复位晶体管44被开启，使得复位晶体管44导 通。
放大晶体管45根据FD 42的电位，将像素信号输出到行选择晶体 管46。当行选择晶体管被开启时，像素信号被输出到垂直输出线32v。
垂直输出线32v沿每列像素40安装。所有排列在给定列中的像素 被连接到相同的相邻垂直输出线32v。通过分别开启每个行选择晶体管 46，像素信号可分开地从连接到相同的垂直输出线32v的像素40输出。
行选择信号线(未画出)沿每行像素40安装。该行信号线被连接 到排列在给定行中的所有像素40中的行选择晶体管46上。行选择信 号，以下称为c])SL，被发送到所有的行选择信号线。(J)SL具有高状态 和低状态。被发送到每行的行选择信号线上的(1)SL，对于每一行在不 同的时刻被设为高状态。当小SL被设为高状态时，行选择晶体管46 被开启，使得行选择晶体管46导通。
垂直输出线32v通过列选择晶体管32cs连接到水平输出线32h。 通过一个接一个地按顺序开启列选择晶体管32cs，输出到所有列的垂 直输出线32v的像素信号，可通过垂直输出线32h和输出模块32o分 开地输出到图像信号处理电路22。
列选择信号，以下称为小SC，被分开地传送到列选择晶体管32cs。 当4)SC被设为高状态时，列选择晶体管32cs被开启，使得列选择晶体 管32cs导通。行选择电路32r将d)SH、巾R和(J)SL输出到快门信号线、复位信 号线和行选择信号线，用来控制快门晶体管43、复位晶体管44和行选 择晶体管46的开关操作。列选择电路32c将4)SC输出到列选择晶体 管32cs，用来控制列选择晶体管32cs的开关操作。
行选择电路32r和列选择电路32c根据从成像器件驱动器33 (曝 光控制器)传送来的用来驱动成像器件的信号，例如时钟信号，控制 开关操作。
根据以下的详细描述，当行选择电路32r和列选择电路32c接收到 球形曝光命令信号时，行选择电路32r和列选择电路32c执行快门晶体 管43、复位晶体管44、行选择晶体管46和列选择晶体管32cs的开关 操作，从而实现球形曝光。另一方面，当行选择电路32r和列选择电路 32c接收到线性曝光命令信号时，行选择电路32r和列选择电路32c执 行快门晶体管43、复位晶体管44、行选择晶体管46和列选择晶体管 32cs的开关操作，从而实现线性曝光。
以下描述成像器件32产生图像信号的操作。
周期性地在高状态和低状态之间切换的帧信号从系统控制器22传 送到成像器件驱动器33。当帧信号被保持在高状态或低状态时，在成 像器件32的整个光接收表面上的所有像素40产生像素信号，并输出 像素信号。
以下参考图5，描述成像器件32通过线性曝光产生图像信号的操作。
在第一周期中的时刻tl，第一行的4)SH，以下称为4)SH1，被设 为高状态，然后PD41存储的信号电荷被传送到第一行中的像素40中 的FD42。在信号电荷传送之后以及4)Sm被设置为低状态之后，第一 行中的所有像素40中的PD开始产生并存储信号电荷。
在第一帧周期中的时刻tl之后的时刻t2，第二行的小SH，以下称 为巾SH2，被设为高状态，然后PD41存储的信号电荷被传送到第二行 中的像素40中的FD42。在信号电荷的传送之后，以及小SH2被设为 低状态之后，第二行中所有像素40中的PD41开始产生并存储信号电
荷o
从这时开始，通过一个接一个地按顺序将己被设置为高状态的每
9行的4) SH设置为低状态，每行中所有像素40中的PD 41开始产生并 存储信号电荷。
对于第一帧周期，在最后一行输出像素信号之后，第一帧周期结 束。此后，第二帧周期开始(见时刻"t3")。在时刻t4，经过了一段足 以在PD41中存储足够的信号电荷的预定周期(见"p")之后，第一行 的(J)R，以下称为小R1，被设为高状态，然后第一行中所有像素中的复 位晶体管44被开启。通过开启复位晶体管44， FD42被复位，然后存 储在FD 42中的信号电荷流向Vdd。
在复位第一行中的像素40中的FD 42之后的时刻t5，第一行的4) SL，以下称为(J) SL1被设为高状态，第一行中所有像素40的行选择晶 体管46被开启。通过开启第一行中的像素40中的行选择晶体管46， 第一行中的像素40作好输出像素信号的准备。如下文所述，小SL1被 保持在高状态，直到完成从第一行中所有像素输出像素信号。
此外，紧随时刻t5之后，cl)SHl被设置为高状态，然后在时刻tl 到时刻t5之间(参见在"第一行中像素信号"一行中的"S")由PD41产 生并存储的信号电荷被传输到FD 42。
当信号电荷到FD42的传输完成后，第一列到第n列的d)SC，以 下称为4)SC1到(J)SCn，被一个接一个按顺序设为高状态，然后第一列 到第n列中的列选择晶体管32 cs被按顺序一个接一个地开启。其中， n为正整数。因此，第一行中，第一到第n列之间的所有像素信号从成 像器件32按顺序输出。
在输出由第一行中第n列像素产生的像素信号之后的时刻t6， (J) SL1被设为低状态。接下来，第二行的d)R，以下称为4)R2，被设为高 状态。然后，第二行中的像素40中的FD42被复位，如第一行那样。 在复位FD42之后，第二行的4)SL，以下称为(J)SL2，被设为高状态， 然后第二行中的像素40作好输出像素信号的准备。
在小SL2被设为高状态之后的时刻t7，小SH2被设为高状态，然 后在时刻t2和时刻t7之间(参见在"第二行中的像素信号"一行中的 "S")产生并存储的信号电荷被传送到FD42，如第一行那样。此外， 第一行中所有像素信号从成像器件32按顺序输出，如第一行那样。
此后，第三行到第m行(即最后一行)中的像素信号按顺序输出，如第一行那样。在完成第m行的像素信号的输出之后的时刻t8，帧信 号被设为高状态。当帧信号在高状态和低状态之间切换时，完成了对 应于所获得的光学图像的图形信号的一帧的信息生成，此后，后续的 帧开始生成。
接下来，参考图6描述采用球形曝光生成图像信号的成像器件32 的操作。
在第一周期的时刻tl，第一行到第m行的4)SH，以下称为4)SH1 到(J)SHm，被同时地设为高状态，然后PD 41存储的信号电荷被传送 到所有行中的像素40中的FD 42。在信号电荷传送之后，以及(J)SH1 到(b SHm被设为低状态之后，所有行中的所有像素40中的PD开始生 成并存储信号电荷。
在第一帧周期中输出第m行的像素信号之后的时刻t2，第一帧周 期结束，第二帧周期开始。在时刻t3，在经过预定的足以在PD 41中 存储足够的信号电荷的一段周期(参见"pl")之后，第一行到第m行 的4)R (参见小R1至iJ(J)Rm)被设为高状态，此后，FD42存储的信号 电荷流向Vdd，如在线性曝光方法中一样。
在复位所有像素40中的FD42之后的时刻t4， (J)SL1被设为高状 态，且第一行中所有像素40中的行选择晶体管46被开启。通过开启 第一行中像素40中的行选择晶体管46，第一行中的像素40作好了输 出像素信号的准备。如下文所述，(J)SL1被保持在高状态，直到从第 一行所有像素中输出像素信号。
此外，在时刻t4， (J)SH1到cJ)SHm被设为高状态，然后在时刻tl 和时刻t4之间(参见在"第1行到第m行中像素信号"一行中的"S") 由PD41产生并存储的信号电荷被传送到FD 42。
当完成信号电荷到FD 42的传输时，cj) SC1到小SCn被一个接一 个地按顺序设为高状态，然后第一到第n列中的列选择晶体管32cs被 一个接一个地按顺序开启。因此，在第一行中，从第一列到第n列中 所有像素信号从成像器件32中按顺序输出。
在输出第一行中第n列的像素产生的像素信号之后的时刻t5， 4) SL1被设为低状态。在时刻t6，小SL2被设为高状态。
当4)SL2被保持在高状态时，小SH2被保持在低状态，与第一行
ii不同。因此，在时刻t4传输的信号电荷被FD 42存储直到时刻t6之后。
当巾SL2被保持在高状态时，所有列的小SC被一个接一个按顺序 从第一列到第n列被设为高状态，然后第一到第n列中的列选择晶体 管32cs被一个接一个按顺序开启，如第一行那样。因此，第二行中第 一到第n列之间的所有像素信号从成像器件32中按顺序输出。
此后，第三行到第m行的cJ)SL，以下称为cf)SL3到4)SLm，被按 顺序设为高状态。当4)SL3到cbSLm被按顺序设为高状态时，巾SC1 到4)SCn被按顺序设为高状态，而不将信号电荷传送到FD，如第二行 那样。因此，第三到第m行中的第一到第n列之间所有的像素信号从 成像器件32中按顺序输出。
在上述实施例中，根据用于获取目标所发射的照明光的图样， COMS成像器件可被命令执行球形曝光或线性曝光。
如上文所述，可优选地控制整个光接收表面，从而采用脉冲白光 同时地获取目标的光学图像，因为用户通常希望拍摄快速运动的物体。 在上述实施例中，当探测到脉冲白光的发射时，CMOS成像器件被命 令执行球形曝光。因此，可以降低所获取的运动目标图像中的失真。
另一方面，如上文所述，当采用连续光时，可优选地降低噪声在 所获取的图像中的影响。当CMOS成像器件执行球形曝光时，固定模 式噪声，例如无照电流可能增加，因为在将信号电荷传送到FD 42之 后，从某些行的像素开始读出像素信号需要很长时间。然而，在上述 实施例中，当探测到连续白光的发射时，CMOS成像器件被命令执行 线性曝光。因此，能够减少图像中的固定模式噪声。
在上述实施例中，根据所探测到的是脉冲光还是连续光，CMOS 成像器件分别被命令执行球形曝光或线性曝光。然而，根据所发射照 明光的其他可能的图样在球形和线性曝光之间选择，也可以获得益处。 如果必须降低运动目标图像中的失真，则应该采用球形曝光。另一方 面，如果必须降低图像中的噪声，则应该采用线性曝光。
尽管本文中参考附图描述了本发明的实施例，但显而易见地，本 领域的技术人员在不超出本发明范围的前提下可以做出很多修正和改 变。
权利要求
1、一种用于控制安装在内窥镜中的CMOS成像器件的成像器件驱动单元，包括探测器，用于探测所发射的照明光的图样，所述照明光由光源发射，所述照明光照射在目标上，所述CMOS成像器件被命令获得所述目标的光学图像；以及曝光控制器，当所述探测器探测到的所发射的照明光的所述图样分别为第一图样和第二图样时，该曝光控制器分别命令所述CMOS成像器件执行球形曝光和线性曝光。
2、 根据权利要求1所述的成像器件驱动单元，其中所述光源在所 述第一图样中发射脉冲光。
3、 根据权利要求1所述的成像器件驱动单元，其中所述光源在所 述第二图样中发射连续光。
4、 一种电子内窥镜，包括 CMOS成像器件；探测器，用于探测所发射的照明光的图样，所述照明光由光源发 射，所述照明光照射在目标上，所述CMOS成像器件被命令获取所述 目标的光学图像；以及曝光控制器，当所述探测器探测到所发射的照明光的所述图样分 别为第一图样和第二图样时，该曝光控制器分别命令所述CMOS成像 器件执行球形曝光和线性曝光。
5、 一种内窥镜系统，包括 具有CMOS成像器件的内窥镜；探测器，用于探测所发射的照明光的图样，所述照明光由光源发 射，所述照明光照射在目标上，所述CMOS成像器件被命令获取所述 目标的光学图像；以及曝光控制器，当所述探测器探测到所发射的照明光的所述图样分 别为第一图样和第二图样时，该曝光控制器分别命令所述CMOS成像 器件执行球形曝光和线性曝光。
全文摘要
本发明提供了成像设备器件驱动单元，电子内窥镜和内窥镜系统。提供了一种具有探测器和曝光控制器的成像器件驱动单元。该成像器件驱动单元控制安装在内窥镜中的CMOS成像器件。探测器探测所发射的照明光的图样。所述照明光由光源发射。所述照明光照射在目标上。CMOS成像器件被命令用来获取目标的光学图像。当探测器探测到所发射的照明光的图样分别为第一和第二图样时，曝光控制器分别命令所述CMOS成像器件执行球形曝光和线性曝光。
文档编号A61B1/04GK101449959SQ20081018279
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月4日 优先权日2007年12月5日
发明者入山典子, 谷信博 申请人:Hoya株式会社