JPS5829274A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数の一素を有するイメージセンサ上に光学系
を経て複写体像を結像させるようにした撮像装置に関す
るものである０ かか・る撮像装置は、例えば内視鏡やテレビカメラ等に
適用されているが、これら従来の撮像装置においては平
板状のイメージセンサを光学系の予定焦平面に配置して
いる。ここで、被写体像を結像させるための光学系は一
般に画角が広いと特に像面湾曲収差や歪曲収差が大吉く
なる。このため、上記従来の撮像装置においては光学系
のレンズの構成枚数を増やしてこれらの収差を除去する
ようにしている。しかし、このようにレンズの構成枚数
を増やして収差を補正するようにすると、光学系が大掴
かつ高価になると共に、特に内視鏡のように光学系を配
置するスペースが限られているような場合には必ずしも
十分に収差を補正できない場合がある◎ 本発明の目的は上述した不具合を解決し、レン、スの構
成枚数を増やすことなく、光学系の取差を有効に補正で
きるよう適切に構成した撮像装置を提供しようとするも
のである。

本発明は、複数の一素を有するイメージセンナ上に光学
系を経て被写体像を結像させるようにした撮像装置に釦
いて、前記イメージセンナを前記光学系の暇差を補正す
るように曲面形状に形成したことを特徴とするものであ
る。

本発明において、イメージセンサはホトダイオードアレ
イ、００Ｄイメージセンサ、ＭＯＳイメージセンずを用
いることができるが、好適には人力インピーダンスが高
く電圧駆動形の特長を保ちながら、出力電流が電圧の増
加と共に次第に増加し、ミ極菅と同様に不飽和形の電流
電圧特性を有すると共に、大出力、低歪、低雑音特性を
有する静電誘導シランジスタ（８ｔａｔｉｏ　Ｉｎｄｕ
ｏｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓ土１１ｔＯｒｌ以下頭文字をと
って１９１Ｔと称する）を含むＳＩＴイメージ竜ン！を
用いる。

ｌｌ１１図ムおよびＢはＢＩＴイメージセンサを構成す
るｌっのＢＩＴイメージセルの一例の構成を示す断［１
ｆｉｖ！Ｊおよびその岬価回路図を示すものである。

このＳ工Ｔイメージセルは読み出し用ＭＯＳ形ＳＩＴ　
／とホトトランジスターとから成り、増幅機能を有する
表［＠射彫て、浮遊領域により形成されたｎ＋　ｐ接合
な食む−のである６　ＭＯ８杉！５ＩＴ　／およびホ）
シランジスタコは分離用絶縁領域３で闘まれたｐ形半導
体基体参に形成され、ホトトランジスタコは表面透明電
極ｊ、ｎ＋層４％ｐ−領域７、ｐ浮遊領域ｌおよばｎ浮
遊領域ツを有するフローテインゲエミツタ構造となって
いる。ｎ浮遊領域９はホト）テンジスタコの工之ツタで
あると同時に読み出し用ＭＯ８形８Ｉテｌのドレイン電
極／／に接続されている。このドレイン電極／／上には
絶縁層ｌλを介して導電層１３が被着され、これらドレ
イン電極／／、絶縁層／２および導電層／３により蓄積
容量０８を構成している。１０Ｓ形ＳＩ？　／のゲート
領域（ｐチャンネル）ｌダはｎ　浮遊領域ツに接合して
形成され、このゲージ領域／＃の上方にはゲート酸化膜
／１を介してゲート電極１４が設けられている。また、
ｎのソース領域ｎはｐチャンネルのゲート、領域／−に
接合して形成され、このソース領域１７にソース電極／
Ｉが接続されている。なお、ドレイン電極Ｉハ導電層／
Ｊ　、ゲート電極１４およびソース電極ｎは絶縁層ｌ！
により互いに絶線すれていると共に、ＳＩＴ　／のドレ
イン電極／／　、導電層／Ｊおよびホトトランジスタコ
は絶縁層Ｘにより絶縁されてし丸るＯ　− 上述した８１Ｔイメージセルにおいて、ホトトランジス
タコの表面透明電極！にはｐ−領域７が空乏化するのに
十分な正のバイアス電圧Ｖ８（＋）が印加される。また
、）［０３形ＳＩＴ　／のゲージ電極／６にはホトトラ
ンジスタＪｔ介して蓄積容量ＯＢに記憶畜れた電圧を読
み出すための信号を供給するワードラインＩが接続され
、ソース電極ｉｔには読みｍＩされた電圧を出力するビ
ットラインｎが接続される・ 以下、上述したＢＩＴイメージ七ルの動作を第２図を参
照して説明する＠ ホトトランジスタコの表面透明電極！に＃ＩＪ図ムに示
すようにｐ″″領域７が空乏化するに十分な・正のバイ
アス電極Ｖ、　（＋）を印加した状態で、該表面透明電
極Ｊに入射光り、が入射すると、これにより励起された
電子−ホール対のうち電子櫨表面のｎ＋層６に直ちにＶ
＆収葛れ、ホールはｐ−領域７に加わっている強電界に
より加速されてｐ浮遊領域ｌに流れ込み、仁のｐ浮遊領
域ｔｒｔｗＪ図ＢにＶｐ（ｔ）で示すように正に帯電す
る。ｐ浮遊領域ｌが正に帯電すると、ｎ十浮遊領域９と
の間が順方向にバイアスされることになる。すなわち、
ｎ十浮遊領域ずかも電子がｐ浮遊領域ｔに注入さ゛れ、
注入された電子はこのｐ浮遊領域ｌを通過し、高抵抗の
ｐ−領域７をドリフト走行して表面の一層≦にｒｌｋ項
＠れる。このようにｎ　浮遊領域９から電子がｔｌ、Ｉ
ＢＩすると、この領域９４電子が不足して第２図０にｖ
ｎ（ｔ）で示すように正に帯電されることになる◇ このｎ＋浮遊領域９の電位Ｖｎ（ｔ）は、ｐ浮遊領域ｌ
が極めて薄い場合は、 ・となる・ただしＯｆはｐ浮遊領域ｌの容量、ｑは単位
電荷、８は光子密度、Ｏは光速度な表わす。

上式から明らかなように、電位Ｖｎ（ｔ　）は入射光量
および露光時間ｔに比例し、・Ｏｆに反比例する。

したが２て、ｐ浮遊領域ｌの容量Ｏｆは小さい程儲かな
ホールの流入で大吉な電圧変化を得ることかで自、感度
を向上させることができる。なお、ｎ十洋遊領域ヂ辷接
続された蓄積容量Ｏｓは、フッタ構造の増幅作用により
、０８にあまり依存せずに浮遊ｎ＋　ｐ接金が所定の順
方向バイアスになる壕でｔ浮遊領域ｔから電子が流れ出
すから、この領域９の電圧値にあまり影曖を与えない。

これに対し、従来の１０８イメージセンナにおいｑ−ｓ
ｉ會０ ”ｃＧｉ＝、蓄槽領域の電位が□・ｔで与えられ８ る・したがって、上述したＢＩＴイメージセンサにおい
ては０．ＩＯ（倍の感度を得ることができる。なおＯｔ
ｙ’０ｆ４２　Ｏｆを春易に小店〈で自ることから、１
０〜１００４度とすることができる。

８１Ｔイメージセルにおいては、読み出しは破壊、読み
出しにも、非破壊読み出しにもできる。非破壊読み出し
を行なう場合には、第Ｊ図Ｄ　＆：ＶＧ（ｔ）で示すよ
うなパルス電圧をワードラインＩを介してＭＯａ形ＳＩ
Ｔ　／のゲートに加えて導通させる。

１０Ｂ形ＢＩＴ／が導通ずると、ソース領域１７からｐ
チャンネルのゲート領域ｌダを介して電子がｎ浮遊領域
ｔに流れ込んで＃ＩＪｒＩ！ＪＯに示すようにｎ＋浮遊
領域ｔの正電圧Ｖｎ（ｔ）を低下させるが、このときに
は第１図Ｂに示すようにｐ浮遊領域ｌの電位Ｖ、（ｔ）
が増加して浮遊ｎｐ接合の順方向バイアスが深くなるか
ら流れ込んだ電子は直ちに高抵抗のｐ−領域７に注入さ
れる。したがって、ピットラインｎの寄生容量ＣＢに殆
んどよらないで第コ図Ｅに示すような銃み出し電圧Ｖ。

ｕｔを得ることができると共に、ｎ＋浮遊領域ｔの電位
はｌ＠読み出しが行なわれて一旦低下しても、しばらく
時間が経過するとそれ以前とほぼ同じように増加し続け
る〇 以上説明したところから明らかなように、ＢＩＴイメー
ジ七ンｔＳｔ次のような特長を有する。

（１）　　８１Ｔが直線性の良い不飽和形の電流電圧特
性を有することから、蓄積容量０８にアナログ的に書き
込まれた電圧に対し読み出し電圧を相当広いＩｉｌ［に
亘っで直線的・に変化させる仁とがで龜、したがってダ
イナミックレンジを極めて広くすることかで璽る〇 （Ｉり集積度が高いのでＢＩＴイメージセンナの個々の
セルの表面積を極めて小さくで自、高解像度を得ること
ができる。

（荀　破壊読み出し、非破壊読み出しのいずれも可能で
ある。

（荀　増幅率が大きいから、光検出感度が高く、入射光
量が少なくても大吉な信号が得られる。

（６）個々のセルを独立に駆動できるのでランダムな読
み出しが可能であると共に、個々のセルの感度な調整す
ることもで吉る〇 （６）　　チャンネル中の電子の移動度が大きいことか
ら、書自込み／読み出しを高速度で行なうことができる
。

（η　蓄積容量０８に接続されるリフレッシュ用の１９
ＩＴを同一基体に形成し、仁のりフレッシュ用ＳＩＴを
運択的に駆動することにより蓄積容量Ｏ１ｉを容品にリ
フレッシュすることができる。

以上のようにＳＩ’ｌ’イメージセンナにおいては、以
下同図を参照して本発明の詳細な説明するＯ＠３図は本
発明の撮像装置の一例の構成を示すもので、内視鏡に適
用した実施例を示すＯＣの内視鏡は照明光学系Ｊ／によ
り照明された被観察部（図示せず）の像を透明ガラス窓
１２、絞りＪ３および凸レンズのみを複数枚組合せて成
る結像光学系評を経て複数の園素を有するＳＩＴイメー
ジセンサ３ｊ上に結像させ、このＢＩＴイメージセンサ
３ｊからの画像情報を信号処理回路３６を経てモニタｎ
に供給して映出し得るようにしたものである。

ここで、結像光学系３参を凸レンズのみを複数ｎ枚組合
せて構成した場合には、１番目のレンズのに正となって
着しい像面湾曲が発生するため、−角を９０°以上にす
ることは従来極めて困難であった〇 一方、結像光学系な複数■枚のレンズを組合せて構成し
た場合の像面湾曲の半径Ｒは、５番目のレンズの焦点距
離および屈折率をそれぞれｆｊおよ、びｒｉｊとすると
、　　、 で与えられる・。

そζで本実施例では、ＢＩＴイメージセンサ３ｊを、結
像光学系評のコマ収差等も考慮し、像面の湾曲に合せて
、上記式で求宜る中径Ｒとほば等しい中径の一率をもっ
て凹面状に湾曲して形成する０このようにすれば、像面
湾曲取着およびコマ収差等を有効に除去でき、視舒の周
辺まで鮮明な像を得ることがてきると共に、＋ｉｉｌ角
が９ｖ７’を越える広視野撮像装置も容易に得ることが
できる。

なお、嬉Ｊｌｌｉにおいて結像光学系３ダが広角レンズ
の場合には一般に負の歪曲収差が発生し、周、辺の像峰
ど小さくなって分解能が低下する。このような場合には
、第＃図ムおよびＢにそれぞれ平面図を示すように、曲
面状の１９ＩＴイメージセンサ３ｊのｌｌｉｉ票Ｊｊ＆
の受光面積を周辺峰ど小さく密にし、画像再生時に信号
処理回路！４により各画素情報を適当に補正して読出す
ようにすれば、周辺の像も中心の像と同じ分解能で観察
することができると共に、周辺の画素情報を増幅して像
を拡大してやれば同時に歪曲収差も補正することができ
る。

・以上結像光学系Ｊ＃が凸レンズによってのみ構成され
る場合について説明したが、ｌＩｊ！ｉ！ｉｉに示すよ
うに結像光学系評が凹レンズと凸レンズとの組合せによ
って構成されている場合には、絞り３３を通る主光線は
色によって屈折率が異なるため、例えば赤の主光ＩＩ　
ＬＲと青の主光４１Ｉ、Ｂとがガウス平面３ｊより前の
点Ｐで交わり、いわゆる倍率の色収差が生じる０このよ
うな場合には、ＳＩＴイメージセンナを一点鎖線で示す
各色の主光線が交わる点を含む曲ｒＭｎに沿って湾曲し
て配置すれば、倍率の色収差をも有効に除去することが
できる。

１１１４１１は本発明の撮像装置の更に他の例の構成を
示すものである。事例では被写体像（図示せず）を球心
な通る絞りにを具える球形レンズＶを介して、この球形
レンズＶと同心の球面状ＢＩＴイメージ七ンサＱ上に結
像させるようにしたものであるＯ球形レンズＶは多重の
同心球レンズ、本例では一重の同心球レンズ＃／ａおよ
び１７ｂをもって構成し一外一および内側の球レンズ参
ｌａおよび＃／ｂの屈折率ｎ１およびｎｂとアツベ数ν
４およびνｂとを、ｎａ＞ｎｂｊ　Ｉ’ａ（νｂとｔ　
４　。

本実施例によれば、結像光学系として球形レンズｑを用
いることによりコマ収差を除去することがで自、またＢ
ＩＴイメージ七ンサ幇を球形レンズＶと同心の球面状に
形成することにより像面湾曲峨羞を除去することができ
、更に球形レンズＶを構成する球レンズｌＪａ＋　＃／
ｂの屈折率ｎａＩｎｂおよびアツベ数ν１．νｂ　Ｉ　
”ａ　＞　ｎｂおよびν１くνｂとすることによりそれ
ぞれ球面収差および色収差を除去することがで自る◎ 第１図においては球形レンズＶを１重の同心球・レンズ
ダｉおよび参りをもって構成したが、第７図に示すよう
に球形レンズＶを、屈折率が球心に向かって連続的に小
さくなり、アツベ数が球心から周辺に向かって連続的に
小さくなる不均質媒質で形成して同様の効果を得ること
もで禽る。

第６図および＃Ｉ７図に示すように、球形レンズ釘と球
Ｉｉ状ＢＩＴイメージ七ンサＱとにより撮像装置を構成
する場合には、構造が極めて簡単となるから、種々の撮
像機器に有効に応用することができる。また、５ｔｖＡ
に示すようにガラス、プラスチック等の透明体ｊｌと球
面状ＢＩＴイメージセンサｐとにより完全な球体ｇｔ形
成し、この球体Ｕ内の中心部に球形レンズｑをその絞り
旬を透明体３／に固着することにより支持して、球体Ω
を透明支持台Ｓ３に回動自在に保持すれば、はぼ全周に
Ｉる像の撮像が可能となる。

＠９図は本発明の撮像装置の更に他の例の構成を示すも
ので、シュミットカメラに適用した実施例を示す。すな
わち、本例では主鏡Ｖおよび捕正板Ｕを具えるシュミッ
トカメラａの結像面に沿つ、て、フィルムや乾板の代わ
りに主鏡Ｖの曲率中径Ｔと等しい曲率中径ｒｒｔ−って
凸状に湾曲させたＳＩ？イメージ七ンサａを配置する。

このように、シュミットカメラに本発明、を適用すれば
全ての収差を有効に除去で龜るのは勿論のこと、フィル
ムや乾板を用いる場合とは興なりｌコマ毎に交換する必
要もない。また、８工！イメージセンサ−を用いれぜ、
入射光が微弱であって１光検出感度が高いから、特に天
体観瀾用として有効に用いることがで自る〇 第７ζ図は本発明の撮像装置の更に他の例の構成を示す
−のて、直視鑞内視鏡に適用した実施例を示す。この内
視鏡は、被観察物体７１の像を透明ガラス窓７２、絞り
７Ｊおよび結像光学、ｌｊ　７ｆｔ介してＩＩ？イメー
ジセンサ７ｊ上に結像させるようにした１のである。通
常内視鏡はパイプや人体の腸などの鋳状物体の内壁を観
察するのに用いられるが、このように被観察物体７１ｔ
ｉＩｌｌｉＩ状物体の内壁である場合には被観察物体７
１の距離に大きな差があり、視野周辺の点ｑの像は視野
中央付近の点Ｓに比べ、て物体距離が近いため、光軸に
沿って測った場合レンズ最終面７＃ａから離れた点Ｑ′
に結像するのに対し、点Ｓの像は最終面？ｌＩＬに近い
点Ｓ′に結像する０そこで本実施例では、８ｘ！イメー
ジセンサ７ｊを結像光学系芹による被観察物体７ノの結
像位置に合せて凸曲面状に形成するＯこのようにすれば
、全１１１ｆに藍ってピントな金髪ることができるから
、常に画質の良好な鎗を得ることがで禽るＯｔｓ／Ｉ　
ｆｌｌＪは側視型内視鏡に適用した実施例の要部の構成
を示すものである。ｆｓ椀型の場合には、物体距離の差
による結像光学系ｌ／の像面は捏は円柱面となるから、
本実施例においてはこれに合せてＳＩＮ’イメージセン
サＶを円柱面状に形成するＯこのようにすれば、１ｌｉ
１０図の場合と同様ｌ１ＩＥ１ｉ全体に亘ってビンＦを
合せることかで禽る。なおこの場合、ＳＩ’ｌ’イメー
ジセンサｌコは円柱面状に形成する他、第１Ｊｇに示す
ように５ｕｉｔ曲面状に形成しても同様の効果を得るこ
とかで富る。また、特に傭視梨の内視鏡に適用する場合
には、内視鏡断面は一般に円形であるから、曲面状ＳＩ
Ｔイメージ七ンサ・１２を内視鏡外部内壁に沿って容易
に装着することがで龜る０したがって、結像光学系ｔｔ
　ｆ）ｑ！差の補正のみでなく、内視鏡の小形化にも極
めて有効である。

以上、像面湾曲取着の補正や結像位置の補正について、
曲面状のＳＩＸ’イメージ七ンサを用いる実施例を説明
したが、要するに本発明においては結＊＊学系の収差、
物体距離の違いを考慮して最良の結像位置に合せて、イ
メージセンサを湾曲させればよい。したがってイメージ
センサは上述した８Ｉ！イメージ七ンサのみでなく、７
オＦダイオード、００Ｄイメージセンサ、ＭＯＳイメー
ジセンサも有効に用いることがで自る。

上述したように本発明によれば、光学系の最良結像位置
に合せてイメージセンナを湾曲させているから、光学系
により生じる各種取着を除去する夫で龜るので寸法上の
制約を受けることが少ないうえ、イメージセンナの曲面
形状が、それを収納、する本体の形状と適合しやすいの
でさらに小型化に有利となるという優れた効果がある０

【図面の簡単な説明】

！１／［ムおよびＢはｆ９ＩＴイメージセルの一例の構
成を示す断−図およびその等価回路図、第コ図五〜奮は
同じくその動作を説明するた６の信号波形図、第３図は
本発明撮像装置の一例の構成を示す＠図、＃Ｉグ図ムお
よびＢは第３図に示すＢＩＴイメージセンサの他の一つ
の例を示す平面図、第Ｓ図は本発明撮像装置の他の例の
構成を示す線図、第４図〜第ｔｔｆｇＪは同じく更に他
の例の構成をそれぞれ示すｓｔ図、＠　／Ｊ　＃Ａは第
１／図に示す８１丁イメージセンサの他の例を示す斜視
図である。 評・・・結像光学系、３ｊ・・８Ｉ’ｌ’イメージセン
ナ、Ｊｊａ・・・画素、勿・・・絞り、Ｖ・・・球形レ
ンズ、Ｑ・・・ＢＩＴイメージセンサ、ｊ／・・・透明
体、ｎ・・・球体、１３・・・透明支持台、Ｕ・・・主
鏡、Ｕ・・・捕正板、Ｑ・・・シュミットカメラ、騨−
・ＢＩＴイメージセンサ、７／・・・被観察物体、フタ
・・・結像光学系、７Ｓ・−ＢＩＴイメージセンサ、１
／・・・１ａｌｌｉ光学ａ、ｔｘ・・・ＳＩＴイメージ
センナ。 第１図 Ａ （Ｄ 第２図 ０ｕｔ 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第１１図　　　　　第１２図 第１頁の続き ０発　明　者　飯野勝 八王子市横山町１９−１６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　複数の画素を有するイメージセンナ上に光学系を経
   て被写体像を結像させるようにした撮像装置において、
   前記イメージセンナを前記光学系の収差を補正するよう
   に曲面彫状に＊ｇしたことを特徴とする撮像装置ｃ 器　前記イメージセンサの曲面形状を、前記光学系の像
   面湾曲収差を、補正し得るようなものとしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の撮像装置・ ａ　前記イメージセンナの各画素の受光面積を前記光学
   系の歪曲収差に応じて変化させたことを特徴とする特許
   請求の範Ｈ嬉１項記戦の撮像装置。 、４　前記光学系を球心な通る絞りを有する球形レンズ
   をもって構成すると共に、前記イメージセン！を前記球
   形レンズと同心円状に湾曲して彫或した仁とを特徴とす
   る特許請求の範１５＃１１項記職の撮像装置。