JPH10145802A - 視野をセグメントに分割する小型デジタルカメラ - Google Patents

視野をセグメントに分割する小型デジタルカメラ

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JPH10145802A
JPH10145802A JP9299981A JP29998197A JPH10145802A JP H10145802 A JPH10145802 A JP H10145802A JP 9299981 A JP9299981 A JP 9299981A JP 29998197 A JP29998197 A JP 29998197A JP H10145802 A JPH10145802 A JP H10145802A
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lenslet
array
photodetectors
image
subgroup
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JP9299981A
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Mark Marshall Meyers
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Eastman Kodak Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 デジタルカメラを小型化できるレンズレット
アレイを提供する。 【解決手段】 小型デジタルカメラが複数のレンズレッ
ト１２からなるレンズレットアレイ１０を用いて作られ
ており、各レンズレット１２の軸方向の光が全視野の相
異なるセグメントにあたるように、各レンズレット１２
はレンズレットアレイ１０中のその放射方向位置に対応
して偏心している。光検出器の複数のサブグループ２２
からなるホトセンサアレイ２０は、各サブグループ２２
がそれぞれのレンズレット１２の軸方向の光に沿って位
置決めされるように配置されている。少なくともひとつ
のアパーチュアプレートからなる視野制限バッフルは、
その開口の中心がそれぞれのレンズレット１２の軸方向
の光に沿って位置決めされるように配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にデジタルカ
メラの分野に関し、より詳細には、離間されている光検
出器サブグループの間の未使用空間に挿入される関連電
子装置と共に、レンズレットアレイを有する改良型イメ
ージセンサであり、これまで使用されてきたものよりも
レンズレット数が減少して、レンズレット当たりの光検
出器数が多い改良型イメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】レンズレットアレイは、写真レンズによ
り光検出面上に結像した光を、更に小さな領域に集光し
て入射光をできるだけ多く光検出器アレイの感光領域に
入れてピクセル間の不感光領域へ入る光を少なくするた
めに使用されている。このことについては、光学ハンド
ブック第１巻、基礎、技術、設計、第2版、第２２章３
２ー３４頁、ティモシー・Ｊ・トレッドウェル(Timothy
J. Tredwell)の論文「可視光アレイ検出器(Visible Ar
ray Detectors)」などで取り上げられている。これらの
レンズレットアレイは、対応するホトセンサのすぐ上に
中心があり、視野中の異なる部分を別々に見れるように
は設計されていない。むしろ、現存イメージからの光
で、写真レンズにより形成された光をピクセルの開口に
集めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】米国特許明細書第４，
９９４，６６４号、ヴェルカム(Veldkamp)による「レン
ズレットおよびマルチプレクサを用いる光学的結合焦平
面アレイ」では、ホトセンササイト間の領域で増幅回路
の位置決めができるように、入射光をホトセンサアレイ
上に集光するために回折レンズレットアレイを使用して
いる。これらのレンズレットは、感光サイト上に中心を
おいて、シリコン基板上のホトセンサアレイの反対側に
作られている。また、シリコン基板を使用しているが、
シリコンは可視波長光線を透過しないので、ホトセンサ
上に可視光線を結像しない。この発明は、要素が全て回
折性の光学機械から成り、かなりの色収差を受けるた
め、可視波長範囲の光線では機能することができない。
【０００４】米国特許明細書第５，２３３，１７４号、
ズメック(Zmek)による「ヌルコレクタ(null corrector)
としてレンズレットを有する波面センサ」では、偏心(d
ecenters)している回折レンズレットアレイを呈示して
いる。この偏心は、干渉試験またはハートマン式テスト
における検査中のレンズからの単色性波面が局所的に傾
かないように調整されている。ハートマンテストは、種
々の光学レンズの表面の質を認定するために使用され
る。テストしているレンズが受入れ基準の範囲内にある
場合、センサアレイに入射する波面は、所定のピクセル
上に中心を合わせた光点を形成する。この波面が所望の
波面以外のものであれば、光点は異なったピクセル素子
に入る。中心に置かれたレンズレットが、より広い視野
の角変位した部分に合わせてあるわけではないため、こ
の発明は本発明には応用できない。またこの発明は、回
折レンズレットの色収差により白色光線での用途に対し
ても適用できない。
【０００５】米国特許明細書第５，３４０，９７８号、
ロストカー(Rostoker)らによる「ＬＣＤディスプレイパ
ネルおよび感光素子アレイを備えたイメージ検出ディス
プレイ」では、視野のセグメントイメージを形成する偏
心レンズのアレイを簡潔に開示している。これらのレン
ズは大きく離間されており、ピクセル群が見る視野を限
定する方法は含んでいない。また、大きく離間されたピ
クセルを使用することで、センサのコストをかなり増大
させることになってしまう。というのも、所定の大きさ
の基板またはウェーハ上に作られるセンサアレイが少な
くなってしまい、所定の製造工程で仕上がるセンサアレ
イの歩留まりを減らしてしまうからである。レンズアレ
イの焦点距離と、ピクセルの視野の角サブテンス間に、
トレードオフ議論は何ら存在しない。レンズレットの焦
点距離があまりに短い場合、或るピクセル群に入射する
或る角位置からの光は、隣のピクセル群の視野の中にも
入る。極めて短い焦点距離でも同等の角分解能を得るた
めに必要とされるピクセルの大きさは小さすぎて、リソ
グラフィ工程で造ることはできない。ピクセルの大きさ
がかなり小さくなっている場合、ピクセルの集光領域は
小さすぎて、所定の入射強度について、確実に測定でき
るだけの数の電子を生成できない。ロストカーは、色消
し用に回折／屈折ハイブリッドレンズ系を使用すること
を考えにいれておらず、この特許では均一に成形された
レンズレットアレイを使用している。だが一方本発明で
は、レンズレットアレイ中でそれらの中心からの放射位
置の関数としてレンズレット表面プロファイルを変える
ユーティリティによって、所定位置を問わず、更に高い
レベルの収差補正が可能になっている。本発明では、レ
ンズは互いに境を接しており、不透明バッフルは各ピク
セルの視野を限定するために光検出器の上に置かれてい
る。参照した特許では、３色のカラーピクセル群ごと
に、ひとつのレンズレットを使用している。本発明で
は、各レンズレットの焦点距離が適切に調節されている
（大きくなっている）場合、各レンズレットごとに、小
さなピクセルアレイを形成することが有利であることを
示している。
【０００６】フォッサム(Fossum)らによる米国特許明細
書第５，４７１，５１５号「ピクセル内電荷移行を伴う
アクティブピクセルセンサ(Active Pixel Sensor with
Intra-Pixel charge Transfer)」において開示されてい
る発明では、電荷をアクティブピクセルのユニットセル
内に配置されているセンスノード（典型的にはコンデン
サ）へ移行させることによって、半導体ホトセンサのホ
トゲート下に蓄えられている光生成された電荷を電圧へ
変換している。フォッサムは更に、信号雑音を低減し
て、暗電流の効果をホトセンサから除去するために、電
圧基準信号のデュアルサンプル相関２回サンプリング法
(dual sample correlated double sampling)を利用して
いる。イメージ露光に因る電圧は、ホトセンサの行また
は列の端部に位置決めされた電圧差動増幅器により、試
料が暗いうちに読み取った電圧から減算される。適切な
行列選択データラインを使用することによって、イメー
ジアレイ全体を読み出さずに、アレイのサブセクション
(subsection)を読み出すことができる。しかしながら、
本願では、アクティブピクセル上に集光するためのレン
ズアレイの使用を開示しているが、フォッサムの発明で
は、ホトセンサ（ＣＣＤ検出器素子）の感度全体を増大
させることはできないし、視野の異なるセグメントイメ
ージを形成するためにアレイ光学系型構造を利用するこ
とも考慮していない。フォッサムは、電圧増幅モード
で、ほとんどの信号処理を行っているが、本発明では、
カレントモード信号処理の利点を利用している。更に本
発明は、個々のホトセンササイトで、デジタル化とデジ
タルイメージデータの記憶を行う。
【０００７】ヨシモトらによる米国特許明細書第５，０
０４，９０１号「光学データ媒体駆動装置およびサーボ
回路内で使用するためのカレントミラー増幅器(Current
Mirror Amplifier for use in an Optical Data Mediu
m Driving Apparatus and Servo Circuit)」では、光学
ディスクトラッキングおよびリードセンサからの光生成
電流は、一連の切り換え可能なカレントミラーによって
一定ののステップに増幅されるが、ここで、カレントミ
ラーは、ベースが並列に接続されている増倍出力トラン
ジスタのどちらかひとつを組み込んでいる出力ステージ
を使用することにより、或いは入力側トランジスタのエ
ミッタ領域の整数倍のエミッタ領域を有する出力トラン
ジスタを使用することにより電流増倍を行っている。ヨ
シモトの発明の目的は、調整可能な比率で、入力電流を
乗算することによって、大きなダイナミックレンジで、
受け取った光電流を利用できるようにすることである。
尚ここで、増倍電流比率は、差動増幅器の切り換え可能
なネットワークを介して選択している。ヨシモトの発明
は、アレイイメージセンサの分野に関係していない。そ
の上、差動増幅器の切り換え可能なアレイを使用しなけ
らばならない。ヨシモトの発明は、ホトセンサからの電
流を積分しておらず、光学ディスクヘッドから放出され
たレーザ光からの光を受け取ることによって、電流を連
続的に生成している。センサは、本発明におけるよう
に、イメージ露光されないが、連続光学ディスクポジシ
ョン監視モードで使用される。ヨシモトは、本発明に開
示されているようなノイズリダクションのためのデュア
ルスロープ相関２回サンプリング法(dual slope correl
ated double sampling)を利用していない。ヨシモト
は、センサアレイにおける放射方向の位置の関数として
視野が変わるアレイ光学系の使用についても何ら言及を
していない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
ひとつ若しくはそれ以上解決することを意図している。
簡潔にまとめると、本発明のひとつの側面によれば、複
数のレンズレットからなるレンズレットアレイであっ
て、各レンズレットの軸方向の光が全視野の異なるセグ
メントに当たるように、レンズレットアレイ内のその中
心からの放射方向位置に対応する偏心を各レンズレット
が行っているレンズレットアレイと、光検出器の複数の
サブグループからなるホトセンサアレイであって、各サ
ブグループが銘々のレンズレットの軸方向の光に沿って
配置されているホトセンサアレイと、少なくともひとつ
のアパーチュアプレートから成る視野制限バッフルであ
って、開口の中心がそれぞれのレンズレットの軸方向の
光に沿って位置するように配置される、視野制限バッフ
ルとを具備する小型デジタルカメラが提供される。
【０００９】本発明は以下に挙げる利点を有する。つま
り、光検出器アレイのすぐ近くにレンズレットアレイを
有する極小型デジタルカメラを造る際、サブイメージの
寸法が大きくなることにより全イメージを構築するため
にレンズレットの数を減らさねばならなくなるが、信号
処理電子装置用に光検出器のサブグループ間の隙間を利
用することでデジタルカメラを単一の基板上に形成でき
るようになっており、更に、光検出器のサブグループの
使用により高分解能センサを統合できるわけである。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１、２を参照する。レンズレッ
トアレイ１０は、色消しした屈折／回折レンズレット１
２または屈折レンズレットのアレイを備えて形成されて
おり、更にこれらのレンズレットは、形成された光検出
器２４のサブグループ２２越しに、感光性アレイ(photo
sensitive array)２０（図３の断面図において更に詳細
に図示してある）に中心を合わせてある。図１より、各
レンズレット１２の機械的光軸１４の中心が、中央レン
ズレットの光軸からその放射方向の距離の関数として、
一定のセンサ間距離に対して変位しているということが
わかる。各レンズレット１２の機械的光軸１４の周りに
現れているライン１５は、レンズレット表面の高さの変
化を示す局所形状表示線(topographical lines)であ
る。レンズレット１２間の領域には、レンズレットを迂
回する光が、感光性アレイ２０に達しないように、不透
明マスク１６が充填してある。図１に示されているレン
ズレットアレイ１０は、実際にカメラの中で使用される
アレイのほんの小さな部分しか表していない。実際は、
およそ１５０×１００のレンズレットがレンズレットア
レイ１０を形成するために使用されており、各レンズレ
ットアレイは、１０×１０の光検出器素子２４を備えて
形成されている光検出器２２の関連サブグループを有す
る。
【００１１】レンズレットアレイ１０が相異なる視野を
観れるように、レンズレットアレイ１０内のレンズレッ
ト１２の光軸１４は、ホトセンサアレイ２０中の光検出
器２２のサブグループの中心間距離よりも、段々と距離
が大きくなる所に配置される。レンズレット光軸１４の
変位は、レンズレットアレイ１０の中心から放射方向に
大きくなる。レンズレットの光軸を中心から外せば、軸
のずれた視野角からレンズレットの視野の中心へ光を曲
げることになる。レンズレットアレイ１０の中心からの
距離が大きくなると共に、更に放射方向外側にレンズレ
ットの光軸を移動することによって、所定のレンズレッ
ト／光検出器のサブグループの視野の中心にある被写体
の角位置は、全視野の段々と軸から外れてゆくセグメン
トを基点とすることになる（図３に更に詳細に示してあ
る）。
【００１２】例えば、光線を、所望の視野角から光検出
器２２のレンズレット関連サブグループ中心へ偏向させ
るために必要な焦点距離ＦＬiのレンズレットに必要な
偏心は、近軸光線追跡方程式から決定できる。この近軸
方程式は、
【数１】 である。なお、式中、ｙ’は次の面へ伝播した後の高
さ、ｙoは前の面における高さ、ｕは近軸傾斜角（ラジ
アン）、ｕoは屈折前の傾斜角、Φはレンズレットの倍
率（Φ＝１／ｆ）、ｎはレンズレット媒体の屈折率であ
る。
【００１３】従って、中心光線を、所定の入射角ｕoか
ら所望の角度ｕ’へ曲げるのに必要な倍率Φ（Φ＝１／
ｆ）を有する所定のレンズレットの変位ｄは、屈折後次
式で与えられる。
【００１４】
【数２】 ただし、ここで、ｆは、レンズレットの焦点距離であ
る。
【００１５】本発明では、レンズレットのアレイを利用
しており、ここでは、各レンズレットの光軸の局所的変
位ｄは、レンズレットアレイの中央に配置されているレ
ンズレットの光軸に対してその放射方向位置ｒの関数と
して変化して、１次式で
【数３】 となる。
【００１６】本発明は、所定のレンズレットの視野の範
囲内の中心光線についてｕ’（ｒ）＝０となるように、
レンズレットの偏心を調節する工程を含む（図３参
照）。この場合、所定のレンズレットについて必要な偏
心は、中央レンズレットの光軸からのレンズレットの放
射方向距離の一次関数となる。
【００１７】光検出器２２の個々のサブグループは、支
持基板１００上またはこの中にあるオープンスペースに
配置した関連アレイ状電子装置(electronics)を備えて
いてもよい。またアレイ状電子装置は、マルチプレクサ
およびクロック回路８０と、カレントミラー３０と、相
関２回サンプリング回路(correlated double sampling
circuit)４０と、Ａ／Ｄ変換器５６と、サブイメージピ
クセルインバータ４８と、不揮発性メモリセル５８とを
含んでいてもよい。光検出器２２の各サブグループは、
行アドレスデコーダ６０と列アドレスデコーダ６２とか
らの信号に応じて、データバス５０に接続される。図２
は、感色性アレイ(color sensitive array)について、
緑、青、赤光検出器素子２４の好適な配置を示してい
る。
【００１８】図３の断面図を参照すると、レンズレット
アレイ１０は、ホトセンサアレイ２０の上に配置されて
おり、このホトセンサアレイ２０は、少なくとも、レン
ズレットアレイ１０を形成するレンズレット１２の数に
対応する多数の光検出器２２サブグループを有している
ＣＣＤアレイであってもよい。３色環境の場合、光検出
器２２の各サブグループ内の光検出器素子２４の１／３
までは、所定のカラー（赤、または緑、青）フィルター
を備える。レンズレットアレイ１０は、スペーサ７０に
よって、光検出器素子２４の表面から離間した距離を維
持しており、また、これらのスペーサは、バッフルの役
目を果たすものであってもよい。視野絞りアパーチュア
プレート７２と組み合わせたレンズレットアレイ１０上
の不透明マスク１６は、光検出器２２のどの特定サブグ
ループについてもその視野を制限して、特定サブグルー
プの視野が隣の視野と大きく重ならないようにしてい
る。視野絞りアパーチュアプレート７２は、レンズレッ
トアレイ１０の表面からおよそ０．５ｍｍから３ｍｍの
所に配置される。視野絞りアパーチュアプレート７２
は、この片面に不透明マスクパターンを形成した透明ガ
ラスの層であってもよい。
【００１９】アパーチュアプレート７２内の開口の中心
は、対応するレンズレットの視野の中心に調整される。
これらの中心の間隔は、各レンズレットの放射方向位置
の関数としてレンズレットアレイの中心から放射方向に
増大し、このため、アパーチュアプレートは関連レンズ
アレイよりも僅かに大きくなっている。アパーチュアプ
レート７２を備える不透明マスク１６と、所定レンズレ
ットの焦点距離との組み合わせにより、光検出器２２の
サブグループの視野が決まる。レンズレットアレイ１０
は、エッチングした石英、または射出成形したプラスチ
ック、ガラス基板上のエポキシレプリカなどから形成で
きる。
【００２０】適切な視野絞りアパーチュアプレート７２
と組み合わせたレンズレット１２は、光検出器２２の各
サブグループ上に、小視野セグメントイメージを形成し
ている。その機械的光軸１４の偏心がＣＣＤアレイを通
って放射方向に増大しているレンズレット１２を形成す
ることによって、軸方向の光（光検出器のそれぞれのサ
ブグループに入射する）がホトセンサアレイ２０に直角
な面をつくる角度は、ホトセンサアレイ２０の中心に対
して、光検出器２２のサブグループの放射方向位置の関
数として増大する。従って、光検出器のサブグループに
関わる各レンズレットの偏心を適切に調整すれば、光検
出器のサブグループは、異なる光景のセグメントを見れ
るようになる。光検出器の各サブグループからのサブイ
メージは、デジタル式に反転されて、他のサブイメージ
とつなぎ合わされて、図１０で説明するように、複合イ
メージを形成する。従って、本発明を組み込めば、カメ
ラシステムをかなり小さくかつ平板状にすることができ
る。光検出器のサブグループ内の適切な数の光検出素子
上に、カラーフィルターを用いれば、カメラは黒白でも
カラーでも機能できる。
【００２１】また、屈折非球面レンズアレイも、ホトセ
ンサアレイ上にイメージを形成するために使用できる。
しかしながら、前記実施形態は、波長の関数としての焦
点距離の変化については補正していない。というのも、
レンズ素子が屈折力を有する単一物質から形成されるわ
けではなく、従って、入射光線のスポットサイズが、カ
ラー関数(function of color)として変化するからであ
る。改良型光学設計(optical design)では回折／屈折ハ
イブリッドレンズを含んでいるが、これは単一の物質内
の色収差を補正するために使用される。
【００２２】回折光学系の結像特性は、かなり強く波長
に依存している。回折光学系をモデル化する際、この現
象は、等価な屈折率の波長への直接依存性として表すこ
とができる。即ち、
【数４】 と表せる。
【００２３】回折性素子(diffractive elements)によ
り、極薄膜層内で屈折する全ての波面がつくられてい
る。このことは、各面で極率が極めて小さく(weak surf
aces)、屈折率の極めて高い物質（ｎc＝１０，０００）
として、回折面をモデル化するスウェット(Sweat)モデ
ルで説明されている。対応する焦点距離は次式により決
定できる。
【００２４】
【数５】 従って、
【数６】 となる。ただし、λcは、設計上の中心波長である。
【００２５】なお、スウェットモデルは、Ｗ・Ｃ・スウ
ェット(W. C. Sweat)による、「ホログラフィー用厚肉
光学素子の設計と構成（Designing and Constructing T
hickHolographic Optical Elements）」、応用光学第１
７巻第８号、１９７８年４月１５日第１２２０〜１２２
７頁で発表されている。
【００２６】この結果得られる回折性素子の分散νdiff
は次式のとおりである。
【００２７】
【数７】 更に、これは次のように近似できる。
【００２８】
【数８】 なお設計に際しては以下を用いている。
【００２９】λc＝５８７ ｎｍ λs＝４８６ ｎｍ νd＝−３．５ λL＝６５６ ｎｍ 対象となる他の波長帯域について、適切なνdiffおよび
素子倍率分布(elementpower distribution)を計算でき
る。等価屈折率の波長への直接依存性は、一次（ｍ＝
１）回折光学素子で、小さくなり、νdiffは負となり、
波長分散は高いレベルに達する。
【００３０】波長と共に屈折率が変化するため、単一素
子レンズの焦点距離は波長と共に変化する。分散の異な
る２種の物質を、ダブレットレンズ(doublet lens)製作
のために使用することができる。このダブレットレンズ
は、２種類の波長に対して同じ焦点距離をもち、且つ、
スペクトル全体に亘る変化を低減する。このレンズを得
るために必要なフォーカルパワー(focal power)の相対
分布は、以下のとおりである。
【００３１】
【数９】 回折面のνdiffが負になることによって、正焦点距離の
回折および屈折成分を利用している単一素子ハイブリッ
ド屈折／回折レンズの色消しを可能にしている。またこ
れによって、ダブレットコンポーネントレンズ(doublet
component lenses)に必要な焦点距離およびＦナンバー
（Ｆ／＃）は減少する。何故なら、屈折力のあるダブレ
ットレンズ(refractive doublet)は、等価焦点距離を有
するシングレットレンズ(singlet)に必要とされるもの
よりも焦点距離が短くＦナンバーが小さい正クラウン
（分散が小さい）レンズと、ダブレットレンズの焦点距
離を正しい値にまで長くして、正レンズの分散を補正す
る負フリント素子(negativeflint element)とからなる
からである。また、この効果により、ハイブリッド屈折
／回折素子の正素子の寸法および重さも低減する。
【００３２】可視スペクトル（ｄ−ｅ−ｆ線）におけ
る、ＰＭＭＡプラスチックレンズを用いた従来の色消し
については、屈折および回折部におけるべき小数部は、
以下のとおりである。
【００３３】
【数１０】 当業者にとっては、石英母型、ガラス基板上のエポキシ
レプリカとして、または射出成形部品としてレンズレッ
トアレイを製造できることは自明である。
【００３４】回折／屈折ハイブリッド色消しを使用する
ことにより、焦点距離が比較的長くＦナンバーが比較的
大きい回折面を使えるようになる。Ｆナンバーが大きい
と、ゾーン間隔が大きくなるため、回折素子は製造しや
すくなる。例えば、ＦＬ３．０ｍｍ、Ｆ２．０のレンズ
についての屈折および回折部の一次解析では、焦点距離
とＦナンバーは、以下のとおりになる。
【００３５】
【数１１】 なお、レンズレットの回折部が単に一次色補正に使用さ
れたと仮定している。
【００３６】回折レンズレット１２が、軸上、１６度、
全視野の場合について、図４（Ａ）、５（Ａ）、６
（Ａ）に図示してある。これらの図面を比較すると、機
械的光軸１４は、視野角の関数として放射方向で外側に
移動し、更に局在光軸１８が、ホトセンサアレイ２０面
に対して直角に入っていることが分る。また、不透明マ
スク１６は、所定ホトセンサの視野を制限するばかりで
なく、システム用の開口絞りとしても機能している事が
わかる。
【００３７】図４（Ｂ）、４（Ｃ）、５（Ｂ）、５
（Ｃ）、６（Ｂ）、６（Ｃ）は、それぞれのレンズレッ
トについて、子午光線の収差曲線と球欠光線の収差曲線
とを表している。実線は、波長５４６．１ｎｍを、破線
は、波長６５６．１ｎｍを、一点鎖線は、波長４６０．
０ｎｍを表す。なおこれらは、緑、赤、青の波長の光を
表している。
【００３８】イメージが所定数の光検出器素子上に形成
される時、レンズレットの焦点距離は、光検出器サブグ
ループ内の角度分解能が従来のデジタルカメラで得られ
ている角度分解能に匹敵するものになるように、十分長
くなければならない。これにより、３−１０μｍ幅のピ
クセルに関しては、レンズレットの焦点距離の低い方の
限界(bounds)は、２−５μｍ範囲内で安定する。
【００３９】以下の表には、０度、１６度、２４度で軸
方向の光が入射した３種類のレンズレットの光学設計パ
ラメータが記載してある。他の中間視野角でのレンズレ
ット表面プロファイルは、これらの視野角のプロファイ
ル間の補間表面データ(interpolating surface data)に
より導出される。
【００４０】
【表１】
【表２】
【表３】 ここで、非球面プロファイル(aspheric surface profil
e)は、次式
【数１２】 で定義され、回折相プロファイル(diffractive phase p
rofile)は、次式
【数１３】 で定義される。なお、式中、λ0＝５４６．１ｎｍであ
る。
【００４１】レンズレットアレイは低いＦナンバー（Ｆ
２．０）で機能するが、レンズ素子の間の間隔を最小に
するように、従って、イメージセンサ全体の大きさを最
小にするように、レンズレットの直径を最小にする（Ｆ
ナンバーは増大）という利点がある。局所的信号処理電
子装置を用いて更に高い光信号利得を獲得できるなら
ば、同程度の光電流を生成するために、更に開口数の小
さいレンズレットを使用することができる。これは増倍
カレントミラー(multiplying current mirror)を利用す
ることによって達成される。
【００４２】所定のレンズレットから、光検出器アレイ
に入射する照度は、Ｆナンバーの自乗に比例する。従っ
て、ｘだけ感度が増大するならば、Ｆナンバーは、ｘ
1/2だけ減少する。例えば、増倍カレントミラーがない
アレイ光学系カメラが、Ｆ／＃＝４．０、ＦＬ３．０ｍ
ｍのレンズレットと共に使用されている場合、レンズレ
ットの直径は、７５０μｍになる。従って、アレイ光学
系カメラが、７８０×６４０ピクセルで形成されている
場合、各サブアレイの中に１０×１０の光検出器素子ア
レイがあると仮定して、このアレイの長い方の寸法は５
８．５ｍｍになる。これにはホトセンサアレイごとに大
面積のシリコンが必要だが、その結果、部品コストを増
大し、かつ、所定のウェーハ寸法からとれるホトセンサ
の歩留まりを低くしてしまうことになる。光検出器の各
サブアレイで、１６の増倍係数をもつカレントミラーを
組み入れることにより、レンズレットの直径を４ｘから
１８７μｍだけ減らすことができ、かつこのアレイの長
さは１４．６ｍｍまで小さくなり、この結果、ホトセン
サの歩留まりが向上して部品コストが削減される。ま
た、光検出器の各サブグループ間の隙間を光検出用に利
用していないため、デジタルカメラでは、利用可能な感
光面の面積を少しも縮小せずにこの技術を利用すること
ができる。またカメラの設計を最適化する際には、必要
な支持回路用の専用空間をつくるために、光検出器サブ
グループ間の領域を最小にすることができる。
【００４３】光検出器のサブグループの間の余分な領域
を、アナログ回路、サブイメージピクセルインバータ、
１からｎの不揮発性メモリセルを組み込むために使用し
てもよい。メモリセルの数が多くなればなるほど、記憶
できるイメージ数は増える。適切なメモリ（例えば、フ
ラッシュメモリ）を使用すれば、カメラへの電力供給が
切れている場合でも、イメージデータを記憶することが
できる。また、リフレッシュ回路も備えられることを考
慮すると、感光部側(photosites)で、ＤＲＡＭメモリを
使用することができる。ＤＲＡＭメモリは表面領域が狭
くても組み立てることができる。表面領域をあまり使用
せずに済めば、光検出器のサブグループ間の距離を小さ
くすることができ、或いはイメージデータを記憶する領
域を更に大きくすることも可能である。
【００４４】図７を参照する。光検出器素子２４には、
ＣＣＤ素子および／またはホトダイオードを組み込んで
もよい。感光検出器６４は、トランスファゲート６５
と、リセットゲート６６とに接続されている。トランス
ファゲート６５の出力は、マルチプレクサおよびクロッ
ク回路８０を介して、カレントミラー３０Ａに接続され
ている。トランスファゲート６５は、マルチプレクサお
よびクロック回路８０により所望の時間で増倍カレント
ミラー３０Ａへ（露光期間中、感光検出器６４により蓄
積される）電荷を移行できるようにしている。リセット
ゲート６６は、閉じている時に、それ以前に行った露光
の際の感光素子の蓄積電荷を移すことができる。リセッ
トゲート６６が開いていて、カメラの機械シャッターが
閉まっている場合（若しくは、不透明のマスクをかけた
光検出器から生ずる電流が使用されている場合）、感光
検出器６４からの出力は、暗さおよびノイズを無効とす
るように前の露光時間と同等な時間だけ積分される。こ
の無効化処理は、相関２回サンプリング回路（ＣＤＳ）
４０内で起こる。ＣＤＳ回路４０からの積分信号は、Ａ
／Ｄ変換器５６によってデジタル化されて、この結果得
られるデジタル信号値(digital value)は、サブイメー
ジピクセルインバータ４８により処理されて、次に不揮
発性メモリ５８（ＳＲＡＭメモリでもよい）中に記憶さ
れる。デジタル信号値は、行および列アドレスデコーダ
６０、６２をそれぞれ介してユニットサブアレイにアク
セスすることにより、主データバス５０へ出力できる。
イメージデータは、各回の取込後に、サイトで記憶して
からダウンロードするか、あるいは、記憶またはダウン
ロードできる。この後、ホトセンサアレイ２０は、次の
イメージを露光する準備ができる。光検出器２２のサブ
グループ内の各光検出素子２４は、それぞれに割り当て
られている、マルチプレクサおよびクロック回路８０の
入力に接続される。更に、動作中には、各光検出素子か
らの出力は、カレントミラー３０Ａに直列に接続される
（１度に１回）。
【００４５】周知のように、カレントミラー３０Ａの出
力は、光検出器素子２４により生成される電流の増倍電
流である。電流増倍効果は、トランジスタ３２1から３
２nのベースまたはゲートを互いに並列に接続すること
によるか、或いは、入力側トランジスタ３４のエミッタ
領域の整数倍だけ大きなエミッタ（またはソース）領域
を形成することによるかのどちらかによってこれまで得
られている。この種類のカレントミラーは、カレントミ
ラー中の全てのトランジスタについて、エミッタ・ベー
ス電圧（またはゲート・ソース電圧）が同じであるた
め、各コレクタ（ドレイン）電流が同じになり、従っ
て、出力側Ｔoからの電流の和が、出力側にあるトラン
ジスタの数か、またはその領域の比のどちらかの倍数で
あるという原理に基づいて動作している。この電流増倍
は、数学的には、次のように表せる。
【００４６】
【数１４】 ここで、ｎは、カレントミラーの出力側「Ｔo」にある
トランジスタの数であるか、またはＡout／Ａin、すな
わちエミッタ領域の比である。
【００４７】詳細に解析すると、出力電流は上式のよう
に単純ではなく、より詳細には次式で表せるものであ
る。
【００４８】
【数１５】 ここで、βは、トランジスタ電流の利得（典型的には５
０から２００）である。
【００４９】カレントミラー３０Ａの他の実施形態で
は、トランジスタ３６は、カレントミラーの入力側Ｔi
へ付加されて、カレントミラーの出力側Ｔoのベース
（またはゲート）を駆動して、それによってリーク電流
の影響を低減させている。このことは公知であり、上式
の非イデアリティ(non-ideality)を次式で近似してい
る。
【００５０】
【数１６】 カレントミラー３０Ａの出力は、それぞれ利得＋１と−
１の２つの電流増幅器、すなわち増幅器４２と４４の間
で切り換えられる。感光検出器６４が入射光を受ける
と、その増幅電流は、所定時間だけ増幅器４２の利得＋
１を経て積算増幅器４６へ切り換えられる。この後、シ
ャッターを閉じた後、電流を同じ時間だけ増幅器４４の
利得−１を介して積分する。この動作は、デュアルスロ
ープ(dualslope)、すなわち相関２回サンプリング法と
して知られており、暗電流やＫＴＣノイズを除去してい
る。また、それはデュアルサンプルＣＤＳとは、以下の
点で異なっている。つまり、デュアルタイムＣＤＳが同
じ増幅連鎖(amplification chain)を使用する場合は常
に、信号がイメージデータを表しているかまたはバック
グラウンドデータを表しているかに応じて、その信号は
２つの異なる増幅器を介して切り換えられているという
点である。また、相関２回サンプリング法では、ジョン
ソン雑音、フリッカ雑音、１／ｆ雑音を低減している。
同様の効果は、不透明マスクをかけた光検出器からの電
流を、利得−１の増幅器４４を介して積算することによ
っても得ることができる。アクティブ感光検出器６４に
隣接している不透明マスクをかけた光検出器を用いれ
ば、相関２回サンプリング技術を平行して使うことがで
き、また、読出し時間を短縮できる。電流増幅器４２、
４４の出力積算は同時に行われ、従って出力データを得
るための２つの積算時間を待つ必要はなくなる。しかし
ながら、別々のホトセンサを使用しているため、暗電流
や雑音の小さな違いは両者の間に現れてくる。
【００５１】更に、ホトセンサからの積算信号は、Ａ／
Ｄ変換器（ＡＤＣ）回路５６によりデジタル化される。
【００５２】サブイメージピクセルインバータ４８によ
る反転の後、ＡＤＣの出力は、メモリセル５８に保存さ
れる。また、メモリセル群を光検出器２２の各サブグル
ープに割り当てることもできる。
【００５３】光検出器の各サブアレイの所でのイメージ
は、他のサブアレイに対して反転しており、従って、サ
ブアレイの所でイメージを反転する手段は、サブイメー
ジピクセルインバータ４８のような一実施形態の中に組
み込まれる。この手段は、ひとつの光検出器から、サブ
アレイの中央で反射された被写体のミラーイメージとな
るひとつの点にある光検出器に対応するメモリ位置へ、
データをマッピングする工程を含む。また、外部回路若
しくはデジタルイメージ処理の手段により反転されたサ
ブアレイイメージを得ることも、本発明のひとつの実施
形態である。
【００５４】これにより、光検出器の各サブグループか
ら得られたサブイメージを一緒につなぎ合わせて更に大
きな複合イメージを形成することが可能となる。本発明
では、各レンズレットにより形成されるサブイメージを
反転させるためのリレーレンズレットアレイを追加する
必要をなくすために、デジタルイメージ取込み(digital
image capture)およびデジタルイメージ処理を利用し
ている。またこれにより、レンズレットの視野にわたる
照度の均一性を維持するために使用する第３の視野レン
ズアレイの必要も解消される。
【００５５】保存したデジタルピクセルデータには、デ
ータバス５０へデータを送るために行および列アドレス
デコーダを通してメモリセル５８をストローブすること
により、アクセスしている。行および列アドレスデータ
ラインを組み込むことによって、ホトセンサアレイのサ
ブセクションのアドレス指定をして、そのイメージ中で
興味の対象となっている特定領域について、更に迅速に
イメージを呼び出せるようにしている。このことは、あ
る光景をモニターして、また、移動中の被写体に関連す
る部分イメージを更新することに関係するデジタルカメ
ラにおいては有用である。
【００５６】図８を参照する。カレントミラー３０Ａの
代わりに用いられてもよいカレントミラー回路３０Ｂ
は、出力トランジスタＴoのエミッタまたはソース（こ
れらの領域は、入力トランジスタＴiのエミッタまたは
ソース領域のｎ倍）を利用することにより、カレントミ
ラー機能の第２変形態様(second variant)を提供する。
これにより、更に広い領域を光検出器２２のサブグルー
プに順番に割り当てる回路をかなり小さく形成してい
る。カレントミラー３０Ｂは、丸で囲んでＡで印を付け
た接続点で、カレントミラー３０Ａの代わりに使用でき
る。
【００５７】図９では、３０Ｃと名称を付けたカレント
ミラーの別の変形態様が描いてある。このカレントミラ
ーは、カレントミラー３０Ａまたは３０Ｂのどちらの所
でも、丸をつけたＡで名称を付けられている点の所で、
図８の関連マルチプレクサおよびクロック回路８０に接
続可能である。カレントミラー３０Ｃは、カレントミラ
ーの入力側に、出力側よりも高いエミッタ・ベース（ま
たはゲート・ソース）電圧をバイアスすることによっ
て、電流増倍を行っている。より詳細には、これは、Ｒ
１およびＲ２の値を調整することにより行われることに
なる。またその代わりに、固定電圧のバイアスを提供す
るために、ダイオード接合を、カレントミラー３０Ｃの
入力側のエミッタまたはソースに代えることも可能であ
る。
【００５８】増倍カレントミラーへのバイポーラ導入に
関して、この技術は、ebers-moll関係により図示するこ
とができ、これは次式で与えられる。
【００５９】
【数１７】 なお、ここで、
【数１８】 であることから、３００ｋで、およそ１０ｘの電流増倍
が可能になっている。
【００６０】動作中、アレイのサブセクションからのデ
ータには、注目しているデータの位置を表すそれらのア
ドレスのみを使用することにより、アクセスすることが
可能である。この形式では、それほど頻繁ではないがア
クティブになり難い領域をサンプリングしながら、素早
い光景変化を取込んでいる領域を見るために、取り込ん
だイメージセグメントを更に迅速にクロックしてもよ
い。
【００６１】ひとつ以上のイメージが光検出器２２の各
サブグループの所で記憶される場合、アドレスの長さ
は、マルチプルイメージデータワード(ピクセルイメー
ジデータ）のそれぞれに個々にアクセスできるように増
大する。
【００６２】次に図１０を参照する。被写体９０（矢
印）は、光検出器２２のサブグループ上に結像する。各
レンズレット１２は、視野の中の相異なるセグメントを
見ている。その結果、矢印のセグメント１−３は、光検
出器２２のそのそれぞれのサブグループに影響を与える
反転イメージ９２Ａを形成している。同様に、矢印９０
のセグメント３−５は、光検出器２２のそれぞれのサブ
グループに影響を与える反転したイメージ９２Ｂを形成
している。同様のことは、反転イメージ９２Ｃを形成す
るセグメント５−７についても当てはまる。この図で
は、イメージ９２Ａから９２Ｃのイメージが矢印９０の
（左から右への）連続イメージを形成しているわけでは
ないことが分る。より具体的には、点１が点５の隣にな
り、点３が光検出器２２のサブグループの表面で、点７
の隣になることがわかる。つまり矢印９０のサブイメー
ジが、単純に一緒に貼り合わせられるような場合、全体
のモザイク（複合）イメージは煩雑になってしまい、使
用できなくなる。
【００６３】ピクセルイメージデータを適切な順序に配
列するために、各サブグループ２２内の光検出素子２４
のマトリクス(matrix)を形成している電荷は、まず最初
にクロックされて、それらの各電流倍増回路、相関２回
サンプリング回路を介して積算されて、ＡＤＣによりデ
ジタル化される。イメージを表現しているピクセルから
のデジタルデータは、光検出器２２の各サブグループ内
で、光検出器２２の各サブグループの中心に対して位置
的に反転される。従って、サブイメージピクセルインバ
ータ４８は、点Ａに配置されているピクセルからのピク
セルデータを取得して、光検出器サブグループの中央ピ
クセルに対して反転されたピクセルデータを、メモリセ
ル５８に記憶するために必要とされている。例えば、ピ
クセルＡが、Ｄに対応する位置にあるメモリ５８内に記
憶される。全体のモザイク複合イメージが、プリンタや
ＣＲＴディスプレイなどの出力装置１１０によって、使
用に供するために集められる。次に、第１イメージから
の第２行がクロックされる。このプロセスはそのモザイ
クイメージがメモリ位置Ｉ内に記憶されている最新のピ
クセルで完成するまで続けられる。
【００６４】要約すると、イメージピクセルデータ全体
は、サブイメージをデジタル式につなぎ合わせてまとめ
て、複合イメージを形成することにより、光検出器のサ
ブグループのアレイから作り出すことができる。これ
は、各サブイメージから行データを順番に取得して、そ
れを、アレイ端部に達するまで、次のサブイメージの行
データへ加えることによって行われる。次に、サブアレ
イライン端部に達するまで、次のサブイメージからの行
データを加えることによりイメージデータの次の行を作
り始めるために、アレイ上の最も遠い点の所で、行デー
タの次の列のアドレスが使用される。尚この時点で、ア
ドレスポインタは、次の列の始めに移動する。実施形態
の一部では、ひとつのサブアレイから次のサブアレイへ
のイメージの部分的に重複することが有用となる場合が
ある。これには、サブアレイの行の中でどの位置が、そ
の行からの第１ピクセルとして使用されるべきであるか
を決定することができるアドレス解読技術が必要となっ
てくる。
【００６５】本発明を好適な実施態様を参照しながら説
明してきが、当業者ならば本発明の範囲から逸脱するこ
となく変更および修正を行うことができることは認識で
きると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レンズの概略およびレンズアレイ用バッフル
の上面図と、ユニットピクセルサブアセンブリおよび関
連メモリを各サイトで組み込んでいる光検出器アレイの
ブロック図とを表す図である。
【図２】 図１のアレイの部分拡大図である。
【図３】 図１のレンズアレイの線Ａ−Ａに沿って見た
断面図である。
【図４】 （Ａ）は中央部のレンズレットの断面を描い
た図であり、（Ｂ）は関連子午光線収差曲線を描いた図
であり、（Ｃ）は球欠光線収差曲線を描いた図である。
【図５】 （Ａ）は１６度の視野角のレンズレットの断
面を描いた図であり、（Ｂ）は関連子午光線収差曲線を
描いた図であり、（Ｃ）は球欠光線収差曲線を描いた図
である。
【図６】 （Ａ）は２４度の視野角のレンズレットの断
面を描いた図であり、（Ｂ）は関連子午光線収差曲線を
描いた図であり、（Ｃ）は球欠光線収差曲線を描いた図
である。
【図７】 共通回路に接続されて、カメラのような装置
でイメージを取り込むために使用されている光検出器素
子サブグループ１ユニットの概略図である。
【図８】 光検出器のサブグループを形成する光検出器
素子ユニットを備えて使用できる共通回路の別の実施例
の回路図である。
【図９】 光検出器のサブグループを形成する光検出器
素子ユニットを備えて使用できる共通回路の別の実施形
態における回路図である。
【図１０】 視野をセグメントに分割する小型デジタル
カメラの一部の動作を表す図である。
【符号の説明】
１０ レンズレットアレイ、１２ レンズレット、１４
機械的光軸、１５ライン、１６ 不透明マスク、１８
局在光軸、２０ ホトセンサアレイ、２２光検出器の
サブグループ、２４ 光検出器素子、３０ カレントミ
ラー、３０Ａ−Ｃ カレントミラー、３２1−３２n ト
ランジスタゲート、３４ 入力側トランジスタ、３６
入力側トランジスタ、４０ 相関２回サンプリング回
路、４２ 増幅器、４４ 増幅器、４６ 積算増幅器、
４８ サブイメージピクセルインバータ、５０ データ
バス、５６ Ａ／Ｄ変換器、５８ メモリ、６０ 行ア
ドレスデコーダ、６２ 列アドレスデコーダ、６４ 感
光検出器、６５ トランスファゲート、６６ リセット
ゲート、７０ スペーサ、７２ 視野絞りアパーチュア
プレート、８０ マルチプレクサおよびクロック回路、
９０ 被写体（矢印）、９２Ａ 反転したイメージ、９
２Ｂ 反転したイメージ、９２Ｃ 反転したイメージ、
１００ 支持基板、１１０ 出力装置。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 小型デジタルカメラであって、 各レンズレットの軸方向の光で全視野の相異なるセグメ
    ントを見れるように、各レンズレットがレンズレットア
    レイの中でその中心から放射方向位置に対応して偏心し
    ている、複数のレンズレットからなるレンズレットアレ
    イと、 光検出器の複数のサブグループからなり、光検出器の各
    サブグループがそれぞれのレンズレットの軸方向の光に
    沿って配置されているホトセンサアレイと、 少なくともひとつのアパーチュアプレートからなり、こ
    の開口の中心が、それぞれのレンズレットの軸方向の光
    に沿うように配置されている、視野制限バッフルとを具
    備する小型デジタルカメラ。
  2. 【請求項２】 小型デジタルカメラであって、 複数のレンズレットからなり、各レンズレットの軸方向
    の光で全視野の相異なるセグメントを見れるように、各
    レンズレットがレンズレットアレイの中のその中心から
    放射方向位置に対応して偏心しているレンズレットアレ
    イと、 光検出器の複数のサブグループからなり、光検出器の各
    サブグループが赤、緑、青に感光する光検出器のセット
    からなっており、光検出器の各サブグループがそれぞれ
    のレンズレットの軸方向の光に沿って配置されているカ
    ラーホトセンサアレイと、 少なくともひとつのアパーチュアプレートからなり、こ
    の開口の中心がそれぞれのレンズレットの軸方向の光に
    沿うように配置されている視野制限バッフルとを含む小
    型デジタルカメラ。
  3. 【請求項３】 小型イメージ取込装置であって、 イメージからサブグループの各ラジエーションセンサ(r
    adiation sensor)上へ入射光線の関数である出力信号を
    提供するラジエーションセンサの離間されたサブグルー
    プのアレイと、 提供された出力信号を増幅し、デジタル化して反転し、
    更に記憶して、イメージ取込を容易にするように、ラジ
    エーションセンサの離間されたサブグループの間にある
    隙間に配置されて、提供された出力信号を受信するアレ
    イ電子装置(array electronics)と、 前記ラジエーションセンサに取込まれることになるイメ
    ージの光線を集光するように配置されるレンズアレイ
    と、を含む小型イメージ取込装置。
JP9299981A 1996-11-04 1997-10-31 視野をセグメントに分割する小型デジタルカメラ Pending JPH10145802A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/743,653 US6137535A (en) 1996-11-04 1996-11-04 Compact digital camera with segmented fields of view
US08/743,653 1996-11-04

Publications (1)

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JPH10145802A true JPH10145802A (ja) 1998-05-29

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ID=24989625

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9299981A Pending JPH10145802A (ja) 1996-11-04 1997-10-31 視野をセグメントに分割する小型デジタルカメラ

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EP (1) EP0840502A3 (ja)
JP (1) JPH10145802A (ja)

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