DE3724761C1 - Video-Endoskop - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Video-Endoskop nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Moderne Endoskope verwenden zur Generierung von Bildsignalen Halbleiter-Bildwandler. Diese erzeugen aus dem auf ihre Sen­ sor fallenden Licht, das üblichweise durch einen Lichtleiter zum Endoskop geleitet wird, Signale, die dem Abbild des zu be­ trachtenden Gegenstandes entsprechen. Diese Signale werden zur Erzeugung von Video-kompatiblen Signalen einer weiteren Verarbeitung unterworfen und schließlich auf einem Fernseh­ monitor abgebildet. Zur Erzeugung von Farbbildern mit derar­ tigen Endoskopen ist es beispielsweise aus der DE-PS 34 35 598 bekannt, das Objekt hintereinander mit den drei Primärfarben zu beleuchten, den jeweiligen Farbauszug zwischenzuspeichern und anschließend in der nächsten Halbbild- oder Bildperiode die drei Farbauszüge simultan auszulesen und zu einem fern­ sehkompatiblen Signal zusammenzusetzen.

Ein Problem bei der Anwendung eines derartigen Endoskopes besteht darin, daß bei der Betrachtung von Objekten mit un­ terschiedlichem Reflexionsgrad und/oder in unterschiedlicher Entfernung die auf den Bildwandler fallende Lichtmenge zu ei­ ner Überstrahlung des Bildwandlers führen kann oder zur Er­ zeugung eines guten Fernsehbildes nicht mehr ausreicht, wenn sie zu gering ist.

Die aus der DE-PS 34 32 018 bekannte Endoskopanordnung schlägt zur Lösung dieses Problems eine automatische, rein elektronisch arbeitende Helligkeitsregelung durch die Regelung der an einer das Licht aussendenden Lichtquelle liegendenden Spannung in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Integration der aufbereiteten RGB-Ausgangssignale vom Halbleiter-Bild­ wandler vor. Es hat sich aber gezeigt, daß eine elektronische Regelung allein nicht die für eine gute Ausleuchtung des zu betrachtenden Objektes bei verschiedenen Objektabständen er­ forderliche hohe Dynamik der Lichtstärke erreicht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vi­ deo-Endoskop der angegebenen Art so weiterzubilden, daß die Lichtintensität in Abhängigkeit vom betrachteten Objekt mit hinreichender Dynamik so geregelt wird, daß der Halbleiter- Bildwandler einerseits nicht in die Sättigung gerät und ande­ rerseits stets ein optimales Videobild erzeugt wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die kombinierte Regelung des Lichtstromes durch eine elektronische Steuerung der Spannung an der Lampe und durch eine mechanische Steuerung eines optischen Regelelementes im Strahlengang des Lichtes bringt den Vor­ teil, daß durch den impulsweisen Betrieb der Lampe deren Lichtausbeute wesentlich höher liegt als im kontinuierli­ chen Betrieb, wodurch in Kombination mit der zweistufigen Regelung die Dynamik des Lichtstromes erhöht wird.

Die Weiterbildungen des Endoskopes gemäß den Ansprüchen 5 und 6 haben darüberhinaus den Vorteil, daß der Motorantrieb des für die sequenzielle Belichtung des Objektes mit den drei Primärfarben vorgesehenen Filterrades vom Video-Prozessor synchronisiert wird. Dadurch wird die quarzgenaue Synchro­ nisation mehrerer Bildaufnahmegeräte ermöglicht.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Video-Endoskopes,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm, welches die zeitliche Beziehung zwischen dem Belichten des Objektes und dem Abspei­ chern der vom Bildwandler erzeugten Signale einer­ seits und der Ansteuerung der Lampe andererseits darstellt,

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Filterrad zur Erzeugung der verschiedenfarbigen Farbauszüge des zu betrachten­ den Objektes.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Endos­ kopes wird ein Abbild eines durch eine Lichtquelle 24 beleuchte­ ten Gegenstandes auf die Oberfläche eines miniarturisierten Halbleiter-Bildwandlers 3 abgebildet. Der Bildwandler 3 ist im Endbereich des Endoskopes 1 mit einer davorliegenden Ob­ jektivlinse 2 zum Fokussieren des Bildes positioniert. Er dient zur Umwandlung des Gegenstandsabbildes in elektrische Signale, die über einen Verstärker 4 und einen Video-Prozes­ sor 7 zu fernsehkompassiblen Signalen aufbereitet werden. Die­ se werden als im Video-Prozessor 7 erzeugte RGB-Signale auf einen RGB-Monitor 8 oder als gleichfalls erzeugtes FBAS-Sig­ nal auf einen Farbfernsehempfänger 30 geführt, wo sie zur An­ zeige gelangen.

Bei in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung dient eine Edelgas­ bogenlampe 15 ausgeführte Lichtquelle zur Erzeugung eines zur Betrachtung des Gegenstandes erforderlichen Lichtstromes. Ein Parabolspiegel 17 und eine Sammellinse 16 erhöhen die nutzbare Lichtmenge. Die Lichtzuführung zum Endoskop 2 er­ folgt über einen Lichtleiter 5. Ein Filterrad 18 mit den Pri­ märfarben rot, grün, blau liegt im Strahlengang zwischen der Lampe 15 und dem Eintritt in den Lichtleiter 5. Das Filter­ rad 18 wird von einem Motor 20 nach Erzeugung eines jeden Farbauszuges um einen solchen Winkel gedreht, daß das nächste Filter für die Erzeugung des nächsten Farbauszuges im Strah­ lengang liegt. Für die Synchronisierung des Motors dient in diesem Ausführungsbeispiel eine Gabellichtschranke 19 und die Motorregelung 21.

Im Strahlengang zwischen dem Filterrad 18 und dem Eintritt in den Lichtleiter 5 ist eine elektrisch betätigte Blende ange­ ordnet, mit der die auf den Gegenstand auftreffende Lichtmen­ ge gesteuert wird. Die Blende 9 wird von einer Blendensteue­ rung 11 über einen Blendenmotor 10 in der Art gesteuert, daß das FBAS-Signal am Fernsehempfänger 30 auf einen durch einen Einsteller 26 einstellbaren Sollwert ausgeregelt wird, wobei die Regelung von einem Regelkreis 12 vorgenonmen wird. Der Regelkreis 12 erzeugt bei Regelabweichungen zwischen Ist- und Sollwert zwei Signale: Ein erstes Signal für eine Lampen­ steuerung 13, welche die Lichtintensität der Edelgasbogenlampe 15 synchron mit der Erzeugung der einzelnen Farbauszüge hoch­ tastet, und zwar derart, daß die Intensität der Lichtimpulse im Sinne einer linearen Verstärkung oder Schwächung unter Bei­ behaltung der Amplitudenverhältnisse der Lichtimpulse im Ver­ hältnis zueinander zur Kompensation der Regelabweichung nach­ geregelt wird, und ein zweites Signal, daß an die Blenden­ steuerung 11 geführt wird.

Wesentlich ist nun, daß das zweite Signal für die Blenden­ steuerung 11 erst entwickelt wird, wenn die Lampensteuerung 13 nicht mehr in der Lage ist, das FBAS-Signal auf den Soll­ wert zu regeln. Die Kombination der Regelung des Lichtstromes einerseits durch das Verändern der Lichtintensität der Lampe 15 und andererseits durch das Verstellen der Blende 9 bietet zum einen den Vorzug einer sehr genauen elektronischen Rege­ lung in engen Grenzen und zum anderen eine sehr hohe Dynamik der Lichtstärke (typisch 1 bis 100%).

Die zeitliche Relation zwischen den Belichtungen des Gegen­ standes mit jeweils einer Farbe, dem Abspeichern der Signale und der Ansteuerung der Lampe 15 ergibt sich aus Fig. 2.

Im oberen Teil des Diagramms sind die während einer Bildperi­ ode T auftretenden Belichtungsimpulse dargestellt, die vom Video-Prozessor 7 als Steuersignale dem Halbleiter-Bildwand­ ler 3 zugeführt werden. Ihre Anzahl entspricht der Anzahl der zu erzeugenden Teilfarben, im vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechend den drei Primärfarben. Jeder Belichtungsphase a) folgt eine Abspeicherphase b), während der die vom Bildwand­ ler 3 erzeugten Signale abgespeichert werden. Bei einigen Bildwandlern darf während des Auslesens des Bildinhaltes kein Licht auf dessen Sensorfläche fallen, da dies zu einem Ver­ schmieren des Bildes führen würde. Erreicht wird dies in dem Ausführungsbeispiel während der Auslesephase durch die Verwendung des Filterrades 18, welches während die­ ser Phase weitergedreht wird, so daß die Filter des Filter­ rades 18 (Fig. 3) dann nicht im Strahlengang liegen. Nach einer Bildperiode werden die abgespeicherten Teilfarbbilder oder Farbauszüge gemeinsam ausgelesen und im Video-Prozessor 7 zu einem Vollfarbbild aufgearbeitet.

Wie im unteren Teil des Diagramms dargestellt, wird die Lampe 15 während jeder Belichtungszeit ausgehend von einer Grund­ lichtstärke L 1 durch die Lampensteuerung 13 hochgetastet. Die im Ausführungsbeispiel verwendete Edelgasbogenlampe wird beim Einschalten durch die Zündung 14 einmal gezündet und brennt danach dauernd mit einem gewissen Ruhestrom, woraus die im Diagramm bezeichnete Grundlichtstärke resultiert. Während der Integrationszeit des Halbleiter-Bildwandlers 3 wird die Licht­ intensität pulsartig in der Amplitude gesteigert, wobei die Amplitude von dem in dem Regelkreis 12 erzeugten ersten Sig­ nal abhängt.

Die Lichtmodulation erfolgt demnach mit einem geradzahligen Vielfachen der Bildwiederholungsfrequenz (50 Hertz bei CCIR, 60 Hertz bei EIA) synchron mit dem Belichtungs- und Abspeicher­ zyklus.

Damit wird der Gesamtleistungsverbrauch gegenüber einer An­ wendung mit unmoduliertem Licht bei gleicher Bildhelligkeit gesenkt. Weiterhin resultiert daraus eine höhere Lichtausbeu­ te, da die Lampe im Pulsbetrieb ein mehrfaches an Lichtaus­ beute liefern kann, als dies im kontinuierlichen Betrieb der Fall wäre, denn im Impulsbetrieb kann sie wesentlich höhere Ströme verkraften. Somit läßt sich der Bildwandler 3 während der Integrationszeit mit einer wesentlich höheren Lichtinten­ sität beaufschlagen als bei einem kontinuierlichen Betrieb der Lampe. Darüberhinaus bietet dieser Betrieb der Lampe die Möglichkeit, die Impulsamplitude während der einzelnen Farb­ auszüge unterschiedlich hoch zu wählen und so die Transmis­ sionsunterschiede der einzelnen Farbfilter des Filterrades 18 und die spektrale Empfindlichkeit des Bildwandlers 3 aus­ zugleichen. Damit wird erreicht, daß bei einer weißen Bild­ vorlage der Bildwandler 3 gleichmäßig in allen Farbauszügen belichtet wird, so daß sich für alle derselbe Signal-Rausch­ abstand ergibt.

Die motorgesteuerte Blende 9 ist vorzugsweise zweistufig aus­ geführt in dem Sinne, daß bei einer großen Regelabweichung die Blende mit höherer und bei einer kleinen Regelabweichung mit niedrigerer Geschwindigkeit nachgefahren wird. Dadurch wird zum einen die Trägheit der Lichtregelung reduziert und zum anderen die Schwingneigung des Regelkreises unterdrückt, die sich durch periodisches Auf- und Zufahren der Blende bei gleichem Objektabstand aufgrund eines zu schnellen Motoran­ triebs bei kleiner Hysterese ausdrücken würde. Anstelle ei­ ner mechanischen Blende kann auch ein Graukeilverlaufsfil­ ter verwendet werden, dessen Lage im Strahlengang des Lich­ tes verstellt wird.

Fig. 3 zeigt ein typisches Filterrad mit drei Farbfiltern F, die wie beschrieben beim rotierenden Filterrad nacheinander und periodisch in den Strahlengang der Lampe gebracht werden. Die Radien der Filter R 1, R 2, R 3 sind nicht notwendigerweise gleich. Unterschiedliche Radien können zu einer Anpassung der durchtretenden Lichtmenge an die Sensorcharakteristik des Bildwandlers 3 vorgesehen sein.

Die Filter können sich auch in den Farben von den primären Farben rot, grün, blau unterscheiden. Beispielsweise können die Farben weiß, zyan und gelb verwendet werden. Daraus er­ gibt sich der Vorteil eines höheren Störsignalabstandes, da die spektralen Durchlaßbereiche dieser Filterkombination größer sind.

Der das Filterrad 18 antreibende Motor ist gemäß einer vor­ teilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Gleichstrommotor. Seine Drehzahl und Phasenlage in bezug auf die ensprechende Teilfarbe wird synchron mit der vom Video-Prozessor 7 be­ stinmten Wiederholungsfrequenz gesteuert. Der Einsatz von ei­ nem Gleichstrommotor vereinfacht somit die Ansteuerung, spart darüberhinaus Platz und senkt die Herstellungskosten.

Die Konzeption des vorliegenden Endoskopes gestattet es zudem daß der Video-Prozessor 7 die gesamte Synchronisation sowohl der Bildaufnahme als auch der Steuerimpulse für den Lampenbe­ trieb und den Motor des ggf. verwendeten Filterrades übernimmt. Dies ermöglicht die Synchronisation mehrerer Bildaufnahmege­ räte. Bei einer Zusammenschaltung mehrerer Bildaufnahmegeräte ist es erforderlich, daß die Geräte in einem Master-Slave-Be­ trieb synchronisiert sind. Hierbei kann nun das Video-Endoskop sowohl als Master, das heißt als Taktgeber, als auch als Slave betrieben werden, wobei dann ein anderes Bildaufnahmegerät die Synchronisation übernimmt. Durch die genannte Maßnahme ist die Synchronisation darüberhinaus nun nicht mehr von mechanischen Parametern abhängig, da sie nun quarzgenau im Video-Prozessor erzeugt wird. Damit entfallen die bei bekannten Endoskopen eingesetzten Gabellichtschranken, mit Hilfe derer die Synchronisation über das Filterrad vorgenommen wurde.

Claims (6)

1. Video-Endoskop mit einem im Endoskop eingebauten Halbleiter- Bildwandler, der das Bild des periodisch mittels einer Be­ leuchtungseinrichtung mit einer Folge von Teilfarben be­ leuchteten Objektes aufnimmt und in Teilfarbenauszügen des Bildes entsprechende Videosignalkomponenten umwandelt, die nacheinander und selektiv nach Teilfarben getrennt in ei­ nem Zwischenspeicher eingelesen und anschließend zur Bil­ dung eines Echtzeit-Einzelbildes simultan ausgelesen und zur Darstellung des Einzelbildes mit einem Videoprozessor zu fernsehkompatiblen Videosignalen verarbeitet werden, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lampe (15) der Beleuchtungs­ einrichtung (24) impulsweise und mit variablen Impulsampli­ tuden betrieben wird, und zwar in Abhängigkeit von der An­ zahl der zu erzeugenden Teilfarben mit einem ganzzahligen Vielfachen der Bildwiederholungsfrequenz, daß der Licht­ strom der von der Lampe (15) abgegebenen Lichtimpulse in Abhängigkeit vom Ist-Wert der jeweiligen Amplituden des Vi­ deosignals veränderbar ist, um in einem vorgegebenen Regel­ bereich den genannten Ist-Wert auf einen gewünschten Soll- Wert zu bringen, und daß im Strahlengang der Lampe (15) ein optisches Regelelement (9), wie eine Blende oder ein Graukeil­ filter, angeordnet ist, das eine weitere Regelung der Licht­ intensität übernimmt, sobald der vorerwähnte Regelbereich verlassen wird.

2. Video-Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (15) während der Pausen zwischen den Lichtimpul­ sen mit Ruhestrom betrieben wird.

3. Video-Endoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert des Videosignals einem Regelkreis (12) zugeführt wird, in dem dieser Ist-Wert mit einem einstellbaren Soll-Wert des Videosignals verglichen wird, daß bei Regelabweichungen zwischen beiden Werten ein erstes Signal entwickelt und an eine Lampensteuerung (13) gegeben wird, um die Intensität der Lichtimpulse im Sinne einer linearen Verstärkung oder Schwächung, wobei die Am­ plitudenverhältnisse der Lichtimpulse im Verhältnis zuein­ ander erhalten bleiben, zwecks Kompensation der Regelab­ weichung nachzuregeln, und daß der Regelkreis (12) ein zwei­ tes Signal zur Verstellung des optischen Regelelementes (9) entwickelt, sobald die genannte Kompensation über die Lam­ pensteuerung (13) nicht erreichbar ist.

4. Video-Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine als optisches Regelelement (9) ver­ wendete Blende von einem Blendenmotor (10) gesteuert wird, der über eine elektrische Blendensteuerung (11) vom vorer­ wähnten zweiten Signal des Regelkreises (12) zweistufig ge­ steuert wird, und zwar bei einer großen Regelabweichung mit höherer und bei einer kleinen Regelabweichung mit niedri­ gerer Geschwindigkeit.

5. Video-Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Teilfarben zur Beleuchtung des Objektes mit einem Fil­ terrad erzeugt werden, das elektrisch von einem Motor an­ getrieben wird und mit Filtern ausgestattet ist, die bei rotierendem Filterrad nacheinander und periodisch in den Strahlengang der Lampe bringbar sind, dadurch gekennzeich­ net, daß der Motor (20) ein Gleichstrommotor ist, dessen Drehzahl und Phasenlage in bezug auf die entsprechende Teil­ farbe synchron mit der vom Video-Prozessor (7) bestimmten Wiederholungsfrequenz gesteuert wird.

6. Video-Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Video-Prozessor den Betrieb des Bildwandlers mit Synchronsignalen steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Video-Prozessor (7) in Abhängigkeit von und synchron mit diesen Synchronsignalen Steuerimpulse für den Lampenbe­ trieb und den Motor (20) des gegebenenfalls verwendeten Filterrades entwickelt.