JP6010255B2 - 光源装置及び光源装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び光源装置の作動方法に関する。

内視鏡の照明のための光源装置が例えば国際公開第２０１３／１５０８９７号に開示されている。この光源装置には、光源として赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤが用いられている。この光源装置は、これらＬＥＤが射出する光を合波して白色光を照明光として射出する。光源装置には、各ＬＥＤが射出する光の量を検出する光センサが設けられている。光源装置は、光センサによって検出された光量に基づいて、各ＬＥＤの発光強度を調節し、照明光の色を適切な白色に調整する。しかしながら、国際公開第２０１３／１５０８９７号には、各ＬＥＤの光量をどのように検出するか具体的には開示されていない。

例えば内視鏡システムでは、照明光の最大光量と最小光量とで数千倍の幅がある。また、例えばカラーバランスを調整するためには、数％レベルで各色の光量を調整する必要がある。このため、光センサの検知範囲としては、最大値と最小値とで数万倍以上となる広い範囲が必要となる。しかしながら、一般的な光センサはこれほど広い検知レンジを有していない。

本発明は、最大光量と最小光量とに大きな幅を有しつつ、精度よく光量調整を行うことができる光源装置及び光源装置の作動方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、光源装置は、半導体光源と、前記半導体光源から射出される光の所定期間毎の光量を、パルス幅変調によって制御する光源制御部と、前記半導体光源から射出された光を受光することで受光量を取得する光センサと、前記光センサに前記パルス幅変調における最小パルス幅よりも短い露光期間で検出させて、前記光センサが取得した前記受光量を取得するセンサ制御部と、前記受光量に基づいて、前記半導体光源の発光強度を調整する強度調整部とを備える。

本発明の一態様によれば、光源装置の作動方法は、半導体光源から射出される光の所定期間毎の光量を、パルス幅変調によって制御するステップと、光センサに前記パルス幅変調における最小パルス幅よりも短い露光期間で前記半導体光源から射出された光を検出させて、前記光センサから受光量を取得するステップと、前記受光量に基づいて、前記半導体光源の発光強度を調整するステップと、を含む。

本発明によれば、最大光量と最小光量とに大きな幅を有しつつ、精度よく光量調整を行うことができる光源装置及び光源装置の作動方法を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内視鏡システムの構成例の概略を示すブロック図である。 図２は、一実施形態に係る光源装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図３は、変形例に係る光源装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図４は、変形例に係る内視鏡システムの構成例の概略を示すブロック図である。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る内視鏡システム１０は、図１に示すように、照明光を射出するための光源装置１００と、内視鏡２００と、ビデオプロセッサ３２０と、モニタ３４０とを備える。

内視鏡２００は、細長い形状をしている挿入部２０２を有する一般的な内視鏡である。内視鏡２００は、ライトガイド２１０と、レンズ２２０と、撮像素子２３０とを備える。ライトガイド２１０は、光源装置１００から射出された光を、内視鏡２００の挿入部２０２に沿って挿入部２０２の先端部へと導く。レンズ２２０は、挿入部２０２の先端部に設けられている。レンズ２２０からは、ライトガイド２１０によって導かれた光が照明光として射出される。撮像素子２３０は、挿入部２０２の先端部に設けられている。撮像素子２３０は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサといった素子である。撮像素子２３０は、レンズ２２０から射出された光によって照らされた領域を撮像し、画像信号を生成する。

光源装置１００は、内視鏡２００の照明光の光源として機能する装置である。本実施形態では、光源として、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）が用いられている。光源はＬＥＤに限らず、半導体レーザ等でもよく、種々の半導体光源が用いられ得る。光源装置１００は、制御部１１０と、ＬＥＤ駆動部１２０とを備える。

また、光源装置１００の光源として、赤色光（Ｒ）を発する第１のＬＥＤ１３１と、緑色光（Ｇ）を発する第２のＬＥＤ１３２と、青色光（Ｂ）を発する第３のＬＥＤ１３３とを備える。また、光源装置１００は、光学系１５０を備える。光学系１５０は、第１のＬＥＤ１３１から射出される光を平行光にする第１のコリメートレンズ１５１と、第２のＬＥＤ１３２から射出される光を平行光にする第２のコリメートレンズ１５２と、第３のＬＥＤ１３３から射出される光を平行光にする第３のコリメートレンズ１５３と、これらの集光レンズから出射される光を合波してライトガイドコネクタに導光するためのダイクロイックフィルタやミラー等を含む。このように、光源装置１００には、互いに波長が異なる複数の光源が設けられている。以降、必要に応じて第１のＬＥＤ１３１と第２のＬＥＤ１３２と第３のＬＥＤ１３３とをまとめて単にＬＥＤと記す。

また、光源装置１００は、第１のＬＥＤ１３１から射出された赤色光の強度を検出する第１の光センサ１４１と、第２のＬＥＤ１３２から射出された緑色光の強度を検出する第２の光センサ１４２と、第３のＬＥＤ１３３から射出された青色光の強度を検出する第３の光センサ１４３とを備える。このように、光源装置１００には、波長毎に受光量を取得する複数のセンサが設けられている。以降、必要に応じて第１の光センサ１４１と第２の光センサ１４２と第３の光センサ１４３とをまとめて光センサと記す。

ＬＥＤ駆動部１２０は、第１のＬＥＤ１３１と第２のＬＥＤ１３２と第３のＬＥＤ１３３とをそれぞれ駆動する。

制御部１１０は、例えばＣｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ（ＣＰＵ）又はＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ（ＡＳＩＣ）といった回路を含む。制御部１１０は、後述の記憶部１１８に記憶されたプログラムに従って動作する。制御部１１０は、センサ制御部１１２と、ＬＥＤ制御部１１４と、記憶部１１８とを有する。

センサ制御部１１２は、各々の光センサの動作を制御する。センサ制御部１１２は、第１の光センサ１４１と第２の光センサ１４２と第３の光センサ１４３とのそれぞれで検出された光量に係る値を取得する。

ＬＥＤ制御部１１４は、ＬＥＤ駆動部１２０によって駆動される各々のＬＥＤの動作を制御する。すなわち、ＬＥＤ制御部１１４は、各ＬＥＤに供給される電流を制御することで、各ＬＥＤの発光強度を調整する。ＬＥＤ制御部１１４は、強度調整部１１５を有する。強度調整部１１５は、センサ制御部１１２が取得した光センサによる検出値に基づいて、各ＬＥＤに供給する電流を調整する。強度調整部１１５は、例えばカラーバランスを調整するために各ＬＥＤに供給する電流を調整する。

記憶部１１８は、一般的なメモリによって構成され得る。記憶部１１８には、各種プログラムや、後述のＬＥＤに流れる電流と当該ＬＥＤの発光強度との関係等の情報が記憶されている。

ＬＥＤ制御部１１４の制御下で第１のＬＥＤ１３１、第２のＬＥＤ１３２及び第３のＬＥＤ１３３のそれぞれから射出された光は、光学系１５０によって合波される。合波された光は白色光となる。合波された白色光は、ライトガイド２１０へと導入される。この光は上述のとおり、内視鏡２００の挿入部２０２の先端部へと導かれ、照明光として射出される。なお、合波された光が適切な白色光となるためには、各ＬＥＤから射出される各色の光について適切に光量が調整される必要がある。

第１の光センサ１４１は、例えば、第１のＬＥＤ１３１から射出された光のうち、第１のコリメートレンズ１５１に入射しない広配光部分の光を受光できる位置に配置されている。同様に、第２の光センサ１４２は、例えば、第２のＬＥＤ１３２から射出された光のうち、第２のコリメートレンズ１５２に入射しない広配光部分の光を受光できる位置に配置されている。第３の光センサ１４３は、例えば、第３のＬＥＤ１３３から射出された光のうち、第３のコリメートレンズ１５３に入射しない広配光部分の光を受光できる位置に配置されている。第１の光センサ１４１、第２の光センサ１４２及び第３の光センサ１４３は、それぞれセンサ制御部１１２の制御下で動作し、各波長の光を検出する。光センサは、検出した光量をセンサ制御部１１２へと伝達する。

操作パネル１６０は、ユーザの操作を受け付ける操作部として機能する。操作パネル１６０には、例えばスイッチやダイヤルやキーボードやタッチパネル等が設けられている。

ビデオプロセッサ３２０は、内視鏡２００に設けられた撮像素子２３０で得られた画像信号を取得する。ビデオプロセッサ３２０は、取得した画像信号に対して画像処理を施す。ビデオプロセッサ３２０は、撮像素子２３０で撮像された画像をモニタ３４０に表示させるため、表示信号をモニタ３４０へと出力する。また、ビデオプロセッサ３２０は、内視鏡２００から出力される撮像信号に基づいて生成した画像の平均輝度と、所定の目標輝度との比率を算出し、当該算出した比率を示す明るさ制御情報を光源装置１００の制御部１１０へと出力する。

モニタ３４０は、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等、一般的なモニタである。モニタ３４０は、ビデオプロセッサ３２０で作成された表示信号に基づいて、内視鏡２００で撮像した画像を表示する。

本実施形態に係る内視鏡システム１０の動作について説明する。まず、光源装置１００における、光量の制御と光量の検出とについて、図２に示すタイミングチャートを参照して説明する。本実施形態に係る光源装置１００の光源であるＬＥＤの光量は、所定のフィールド毎にＬＥＤを流れる電流値と、電流が流れる時間との組み合わせによって制御される。なお、各フィールドの長さは、任意であるが、例えば１６．６７ｍｓ（６０Ｈｚ）である。

図２の１段目は、制御信号を示す。制御信号は、定期的なパルス信号である。このパルス信号は、フィールドの開始のタイミングを調整している。図２の２段目は、ＬＥＤに供給される電流値を示す。ＬＥＤに供給される電流は、最大電流Ｉｍａｘから最小電流Ｉｍｉｎまでの間で段階的に調整され得る。図２の３段目は、光センサが光量を検出するタイミングを示す。

図２の２段目に示すように、射出すべき光量が高いとき、各フィールド内でＬＥＤを流れる電流値が制御されることで、ＬＥＤから射出される光量が調整される。このとき、当該フィールドでは全期間にわたってＬＥＤに電流が供給される。電流値は、最大電流Ｉｍａｘから最小電流Ｉｍｉｎまでの間で段階的に調整される。例えば、図２において、第１フィールドでは、電流値が最大電流Ｉｍａｘとなっており、光量は最大となる。一方、第２フィールドでは、第１のフィールドよりも射出される光量は低くなり、第３フィールドでは、射出される光量はさらに低くなる。このように、ＬＥＤの発光強度によって単位時間あたりの発光光量が調整される。

電流値が最小電流Ｉｍｉｎであるときの光量よりも低い光量の光を射出させるべきときは、最小電流Ｉｍｉｎが印加される期間が調整される。すなわち、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）によってＬＥＤの光量が制御される。このとき、ＬＥＤを流れる電流は、最小電流Ｉｍｉｎで一定である。各フィールドにおいて、ＬＥＤに電流が流れる期間は、各フィールドの終了側に偏っている。すなわち、各フィールドにおいて、電流の供給が開始されるタイミングは異なり、電流の供給が終了するタイミングは各フィールドの終了のタイミングである。

例えば、図２においては、第３フィールドよりも第４フィールドでパルス幅が狭くなっており、第３フィールドよりも第４フィールドの方が、１フィールドあたりの発光光量は低くなる。同様に、第４フィールドよりも第５フィールドでパルス幅が狭くなっており、第４フィールドよりも第５フィールドの方が、１フィールドあたりの発光光量は低くなる。このように、発光光量が低いとき、ＬＥＤの発光強度は一定であるが、発光期間が異なることで、単位時間当たりの発光光量が調整される。

以上のように、電流値の制御とＰＷＭ制御とが組み合わされることによって、光源装置１００の光源であるＬＥＤでは、広いダイナミックレンジが実現され得る。例えば、最大電流Ｉｍａｘが最小電流Ｉｍｉｎの５倍であり、最小パルス幅が１フィールドの１／１０００であるとき、ＬＥＤが射出できる光量の最大値と最小値との比は５０００：１となる。

図２の３段目に示すように、光センサが光量を検出する期間、すなわち、光センサの露光期間は、各フィールドの終了間際の所定の期間に設定されている。この露光期間は、ＬＥＤのＰＷＭ制御における最小パルス幅に相当する期間よりも短い。このようにすることで、光センサは、パルス幅に関わらず、ＬＥＤに供給される電流値に対する単位時間当たりのＬＥＤの発光強度に係る値を取得することができる。

制御部１１０は、ビデオプロセッサ３２０から出力される光量指令値及びタイミング情報に基づき、基準ＬＥＤである第２のＬＥＤ１３２から発せられる緑色光の光量を調整するための光量制御パターン（第２のＬＥＤ１３２の駆動電流値及びＰＷＭ駆動の際のパルス幅の設定値）を設定するように構成されている。また、制御部１１０は、ビデオプロセッサ３２０から出力される明るさ制御情報と、光量制御パターンとに基づき、当該明るさ制御情報に応じた光量の緑色光が発せられるように第２のＬＥＤ１３２を駆動させるための制御をＬＥＤ駆動部１２０に対して１フィールド期間毎に行うように構成されている。

制御部１１０は、基準ＬＥＤとは異なる第１のＬＥＤ１３１から発せられる赤色光の光量を、緑色光を発する第２のＬＥＤ１３２に適用される光量制御パターンと同様の制御パターンを用いて調整するように構成されている。また、制御部１１０は、第１の光センサ１４１の露光期間に出力される光量検知信号と、第２の光センサ１４２の露光期間に出力される光量検知信号と、光量制御パターンとに基づき、緑色光の光量を基準光量とした場合の赤色光の光量比として、所定の色バランス又は操作パネル１６０の操作に応じて設定された色バランスになるような光量比を算出する。制御部１１０は、当該算出した光量比に応じた光量で赤色光を発する第１のＬＥＤ１３１を駆動させるように、第１のＬＥＤ１３１を駆動する際のＰＷＭ駆動のパルス幅を第２のＬＥＤ１３２と共通にする一方、駆動電流値を上記光量比に基づいた電流値とする制御をＬＥＤ駆動部１２０に対して１フィールド期間毎に行うように構成されている。

制御部１１０は、基準ＬＥＤとは異なる第３のＬＥＤ１３３から発せられる青色光の光量を、緑色光を発する第２のＬＥＤ１３２に適用される光量制御パターンと同様の制御パターンを用いて調整するように構成されている。また、制御部１１０は、第２の光センサ１４２の露光期間に出力される光量検知信号と、第３の光センサ１４３の露光期間に出力される光量検知信号と、光量制御パターンとに基づき、緑色光の光量を基準光量とした場合の青色光の光量比として、所定の色バランス又は操作パネル１６０の操作に応じて設定された色バランスになるような光量比を算出する。制御部１１０は、当該算出した光量比に応じた光量で青色光を発する第３のＬＥＤ１３３を駆動させるように、第３のＬＥＤ１３３を駆動する際のＰＷＭ駆動のパルス幅を第２のＬＥＤ１３２と共通にする一方、駆動電流値を上記光量比に基づいた電流値とする制御をＬＥＤ駆動部１２０に対して１フィールド期間毎に行うように構成されている。

すなわち、制御部１１０は、色バランス調整部としての機能を具備し、第１の光センサ１４１、第２の光センサ１４２及び第３の光センサ１４３の露光期間に出力される光量検知信号と、光量制御パターンとに基づいて、第１のＬＥＤ１３１及び第３のＬＥＤ１３３を駆動させるための制御を行うことにより、赤色光、緑色光及び青色光の色バランスを調整するように構成されている。

本実施形態によれば、状況に応じて変化し得るＬＥＤの発光強度を、１つのセンサで正確に検出することができる。すなわち、上述のとおりＬＥＤの最小発光強度は、最大発光強度の例えば１／５０００となる。発光強度を調整するために発光強度を正確に取得するためには、１／５０００の１／１００程度の差を検知する感度が必要となる。すなわち、例えば光センサが各フィールドにおけるＬＥＤの発光光量を検出する際には、例えば光センサは１：５０００００程度のダイナミックレンジが必要となる。一般にこのような広いダイナミックレンジを１つの光センサで実現することは困難である。そこで、例えば検出レベルの範囲が異なる複数の光センサが組み合わせて用いられることで広ダイナミックレンジが実現され得る。しかしながら、複数の光センサが用いられると、光源装置のコストは上昇する。

これに対して本実施形態では、光センサはＬＥＤの発光の最小パルス幅よりも短い露光期間でＬＥＤの発光強度を検出する。したがって、上述の例では、この露光期間におけるＬＥＤの最小発光強度は、最大発光強度の例えば１／５となる。したがって、光センサは１：５００程度のダイナミックレンジを有していればよいことになる。このように、本実施形態によれば、低価格で精度よく必要な発光強度の検出がされ得る。

本実施形態によれば、発光色が異なるＬＥＤ毎に発光強度の正確な検出が可能であるため、ＬＥＤ毎の発光強度の調整が精度よく行われ得る。このように、希望する色の調整などの調光が精度よく実現され得る。

なお、上述の実施形態では、ＬＥＤの発光のＰＷＭ制御において、発光期間は、図２に示すように各フィールドの終了時を基準に調整されているが、これに限らない。図３に示すように各フィールドの開始時を基準に調整されてもよい。この場合、露光期間は、各フィールドの開始時から始まる期間となる。

また、上述の実施形態では、３つのＬＥＤに対応させて３つの光センサが設けられる例を示したが、これに限らない。例えば、３つのＬＥＤから射出された光が合波された白色光を分光して検出してもよい。この場合、例えば図４に示すように、第１の光センサ１４１、第２の光センサ１４２及び第３の光センサ１４３の代わりに、カラーセンサ１４６が設けられる。このカラーセンサ１４６は、例えば合波された照明光がライトガイド２１０に入射する部分において、漏れ光を検出できるような位置に配置される。カラーセンサ１４６は、分光機能を有しており、波長毎の光量を検出し、その値をセンサ制御部１１２へと伝達する。

上述の実施形態では、射出する光の波長が異なる３つの光源が設けられ、それぞれの光源が射出する光の光量が調整される例を示したが、これに限らない。例えば、光源は白色光を射出する１つの光源であり、この光源から射出される光の光量を調整する場合にも、本実施形態は適用され得る。また、光源の数は４つ以上でも同様である。このように、光源の数は、いくつでもよい。

また、上述の実施形態では３色の光が合波されて白色光となる例を示したが、これに限らない。例えば、撮像素子が分光機能を持たずに、３色の光が順に射出され、各色光で照明された被写体の画像が順次に撮影されることで、時分割的にカラー画像が取得される構成でも、上述の実施形態は同様に適用され得る。

なお、極めて低光量の光を射出する必要がありＬＥＤから射出される光のパルス幅が光センサによる露光期間よりも短く設定されなければならないこともあり得る。この場合、光センサの検出値に基づく調整値の決定が行えない可能性がある。このような場合には、決定される調整値として、以前に決定された調整値が用いられてもよい。低光量であるときは、高光量の場合と比較して発熱量が低いためにＬＥＤの発光強度の基準値からの差異が小さい。このため、高い精度で調整値を決定する必要がなく、以前に決定された調整値が用いられても、問題にならないことがある。

上述の実施形態の技術は、内視鏡の光源に限らず、半導体光源から射出される光のフィールド毎の光量を、パルス幅変調によって制御する各種光源装置に適用され得る。

Claims (9)

1. 半導体光源と、
   前記半導体光源から射出される光の所定期間毎の光量を、パルス幅変調によって制御する光源制御部と、
   前記半導体光源から射出された光を受光することで受光量を取得する光センサと、
   前記光センサに前記パルス幅変調における最小パルス幅よりも短い露光期間で検出させて、前記光センサが取得した前記受光量を取得するセンサ制御部と、
   前記受光量に基づいて、前記半導体光源の発光強度を調整する強度調整部と
   を備える光源装置。
2. 前記光源制御部は、前記所定期間毎の前記光量を、前記パルス幅変調と前記半導体光源の発光強度とに基づいて制御する、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記半導体光源は、発光する光の波長が異なる複数の光源を含み、
   前記光センサは、前記波長毎に前記光を受光し、
   前記センサ制御部は、前記波長毎の前記受光量を取得し、
   前記強度調整部は、前記波長毎の前記受光量に基づいて、前記波長が異なる前記光源毎の前記発光強度を調整する、
   請求項１に記載の光源装置。
4. 前記光センサは、前記波長毎に設けられた複数のセンサを含む、請求項３に記載の光源装置。
5. 複数の前記光源から射出された光は合波され、
   前記光センサは、前記合波された前記光を分光して、前記波長毎の前記受光量を取得する、
   請求項３に記載の光源装置。
6. 前記強度調整部は、カラーバランスを調整するように、前記波長が異なる前記光源毎の前記発光強度を調整する、請求項３に記載の光源装置。
7. 前記複数の光源は、赤色光を発する第１の光源と、緑色光を発する第２の光源と、青色光を発する第３の光源とを含む、請求項６に記載の光源装置。
8. 前記所定期間は、１フィールド期間である、請求項１に記載の光源装置。
9. 半導体光源から射出される光の所定期間毎の光量を、パルス幅変調によって制御するステップと、
   光センサに前記パルス幅変調における最小パルス幅よりも短い露光期間で前記半導体光源から射出された光を検出させて、前記光センサから受光量を取得するステップと、
   前記受光量に基づいて、前記半導体光源の発光強度を調整するステップと、
   を含む光源装置の作動方法。

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