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Die
Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung, speziell die Ausbildung
einer Aperturblende in einer Bildaufnahmevorrichtung, die mit einem Bildsensor
mit rechteckigen Pixeln versehen ist.
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Mit
einer Bildaufnahmevorrichtung wie einem elektronischen Endoskop,
einer Kompaktkamera, einer Digitalkamera, einer Videokamera und
dergleichen wird ein betrachtetes Objekt durch einen Festkörper-Bildsensor
wie ein CCD (Charge Coupled Device) oder dergleichen aufgenommen.
Ein elektronisches Endoskop ist z. B. mit einem optischen Objektivsystem
mit einer Aperturblende (feste Apertur) und einem CCD am oberen
Ende versehen, und ein Bild des betrachteten Objekts wird, durch
Beleuchtung mit dem durch einen Lichtleiter geführten Licht einer Lichtquelle,
mit dem CCD durch das optische Objektivsystem aufgenommen. Die vom
CCD ausgegebenen Bildsignale werden verschiedenen Signalverarbeitungsvorgängen durch
einen Prozessor und dergleichen unterzogen, woraufhin das betrachtete Objekt
auf einem Monitorschirm betrachtet werden kann.
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Die 6 zeigt eine Pixelform bei einem herkömmlichen
CCD 1, wobei, wie es in der 6(B) dargestellt
ist, ein Pixel 2 rechteckig statt quadratisch, d. h. mit
dem Seitenverhältnis
1:1, ausgebildet ist, um die Bildauflösung des projizierten Bilds
zu verbessern. Um die Bildauflösung
zu verbessern, muss die Pixelanzahl im CCD 1 der 6(A) hoch sein. Da jedoch
das durch dieses CCD 1 aufgenommene Bild häufig durch
einen Monitor zu betrachten ist, ist die Pixelanzahl in der vertikalen
Richtung durch die Anzahl der vertikalen Scanlinien zur Monitoranzeige
begrenzt, und selbst wenn die Anzahl der Vertikalpixel erhöht wird,
ergibt sich keine Verbesserung der Vertikalauflösung. Demgemäß wird die
Form der Pixel 2 auf eine Rechteckform mit verringerter
Breite verändert,
um die Pixelanzahl in der horizontalen Richtung zu erhöhen und
damit die Horizontalauflösung
zu verbessern. Es existieren jedoch auch CCDs, bei denen die Pixel
in der horizontalen Richtung rechteckig ausgebildet sind.
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In
den letzten Jahren wurden CCDs immer weiter miniaturisiert, um z.
B. den Durchmesser elektronischer Endoskope verkleinern zu können oder andere
Bildaufnahmevorrichtungen zu miniaturisieren. Zum Erhöhen der
Bildauflösung
wurde außerdem
die Pixelanzahl vergrößert, wodurch
sich jedoch die pro Pixeleinheit aufnehmbare Lichtmenge verringerte,
wodurch auch die Helligkeit abnahm. Daher wird z. B. bei einem herkömmlichen
elektronischen Endoskop eine Xenonlampe mit hoher Lichtstärke als Lichtquelle
verwendet, jedoch besteht unter Berücksichtigung der Beeinflussung
eines menschlichen Körpers
als betrachtetes Objekt eine Einschränkung für die Lichtstärke.
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Um
die geringe Bildhelligkeit zu verbessern, wird ein Verfahren zum
Verstärken
und Verarbeiten von durch ein CCD erhaltenen Signalen verwendet, jedoch
besteht dabei das Problem, dass die Bildqualität aufgrund einer Verringerung
des S/R-Verhältnisses
schlechter wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahmevorrichtung
mit. hoher aufnehmbarer Lichtmenge pro Pixeleinheit, und damit.
hoher Helligkeit, zu schaffen, wobei jedoch Miniaturisierung und
hohe Auflösung
ohne Verringerung des S/R-Verhältnisses
unterstützt
werden.
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Diese
Aufgabe ist durch die Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem beigefügten Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
abhängiger
Ansprüche.
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Gemäß der Erfindung
ist bei einer Bildaufnahmevorrichtung mit rechteckiger Pixelform
des Bildsensors die Öffnungsform
der Aperturblende in ähnlicher
Weise rechteckig, und falls die Öffnungsform
des Bildsensors hakenförmig
ist, ist auch diejenige der Aperturblende hakenförmig. Im Ergebnis stimmt die Überschneidungsform,
(d. h. die Bildform einer Punktlichtquelle, entsprechend einem Überschneidungskreis)
der Aperturblende mit der Pixelform überein, und in die Pixeleinheit
kann die maximale Lichtmenge (der maximale Lichtfluss) durch die Aperturblende
eintreten. Die Öffnung
der bei einer herkömmlichen
Bildaufnahmevorrichtung üblicherweise
verwendeten Aperturblende ist kreisförmig, und dabei wird, wie es
in der 6(B) dargestellt ist, ein Überschneidungskreis 4 kleiner
als ein Pixel 2 mit Rechteckform, weswegen das Licht von
der kreisförmigen Öffnung nicht
angemessen in die Pixelgebiete eintreten kann. Die Erfindung sorgt
dafür,
dass dieser Überschneidungskreis 4 zur
Pixelform passt, so dass eine Rechtecküberschneidung vorliegt, wodurch
die in ein Pixel eintretende Lichtmenge (der durch die Öffnung in
eine Pixeleinheit eintretende Lichtfluss) erhöht ist, ohne dass die Beleuchtungsstärke vergrößert würde.
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Die
Aperturblende, deren Form ungefähr
der Pixelform entspricht, kann in einem Eckabschnitt kreisbogenförmig sein,
und wenn z. B. ein Pixel rechteckig ist, kann die Form der Aperturblende
oval sein, mit einem Länge/Breite-Verhältnis, das
ungefähr
demjenigen der Rechteckform entspricht. In diesen beiden Fällen ist, ähnlich wie
oben beschrieben, die auf das Pixel fallende Lichtmenge erhöht.
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Da
bei einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung
die Aperturblende ungefähr
mit derselben Form wie der Pixelform des Bildsensors ausgebildet
ist, insbesondere mit Kreisbo genform in einem Eckabschnitt, können die
Lichtmenge und die Helligkeit, wie sie pro Pixeleinheit erzielt
werden, ohne Verringerung der Auflösung erhöht werden, und es kann eine
Verringerung des S/R-Verhältnisses
dadurch vermieden werden, dass eine Helligkeitseinstellung durch
einen Signalverstärkungsprozess
vermieden wird, wodurch die Miniaturisierung und die Erzeugung von
Bildern hoher Qualität
durch den Bildsensor gefördert
werden können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten
Ausführungsformen
näher erläutert.
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1 ist
eine Ansicht, die den Aufbau eines elektronischen Endoskops als
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2(A) ist eine Ansicht eines CCD-Bildaufnahmebereichs
bei einer Ausführungsform,
und die 2(B) bis (D) sind Ansichten
einer Pixelform des CCD;
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3(A) ist eine Ansicht einer Apertur mit einer
rechteckigen Öffnung
bei der vorliegenden Ausführungsform;
die 3(B) ist eine Ansicht einer Apertur
mit hakenförmiger Öffnung,
und die 3(C) ist eine Ansicht einer
Apertur mit stufenförmiger Öffnung;
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4(A) bis 4(C) sind
graphische Darstellungen, die eine PSF(Punktaufspreizfunktion), eine
Aperturblende mit rechteckiger Öffnung
gemäß einer
Ausführungsform
und eine Aperturblende mit herkömmlicher
kreisförmiger Öffnung zeigen;
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5 ist
eine Ansicht, die die Form eines rechteckigen Pixels und einer Mikrolinse
für den
Fall zeigt, dass bei einer Ausführungsform
eine Mikrolinse vorhanden ist; und
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6(A) ist eine Ansicht einer Pixelform bei einem
herkömmlichen
CCD, und die 6(B) ist eine Ansicht, die einen Überschneidungskreis
bei kreisförmiger Öffnung zeigt.
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Das
in der 1 skizzierte elektronische Endoskop 10 als
einer Ausführungsform
der Erfindung ist mit einer Beleuchtungslinse 12 und einem
Lichtleiter 13 im oberen Endabschnitt versehen. Der Lichtleiter 13 ist
mit einer Lichtwelleneinheit 14 verbunden, in der eine
Kondensorlinse, eine variable Aperturblende 16 und eine
Lichtquelle 17 vorhanden sind. Das Licht dieser Lichtquelle 17 wird
vom oberen Endabschnitt des Endoskops durch den Lichtleiter 13 auf
ein betrachtetes Objekt S gestrahlt. Am oberen Endabschnitt des
Endoskops 10 sind auch eine Betrachtungslinse 20 als
optisches Objektivsystem sowie eine Linsengruppe 21 mit
einer verstellbaren Linse zu Vergrößerungszwecken und dergleichen
vorhanden, wobei innerhalb der Linsengruppe 21 feste Aperturblenden 22 (A
bis C) vorhanden sind, die später
beschrieben werden.
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Hinter
diesem optischen Objektivsystem 20 bis 22 ist
ein CCD 24 als Festkörper-Bildsensor
vorhanden, dessen Bildaufnahmefläche
an der Position angeordnet ist, an der durch das optische Objektsystem
mit der festen Aperturblende 22 ein Bild erzeugt wird.
Dieses CCD 24 führt
eine Speicherung und Steuerung von Ladungen auf Pixeleinheit aus,
und es ist mit einer Signalprozessorschaltung 25 verbunden, um
verschiedene Schirmbilder dadurch zu verarbeiten, dass ein ausgegebenes
Ladungsspeicherungssignal als Bildsignal (Schirmbild) aufgenommen
wird. Das Ausgangssignal der Signalprozessorschaltung 25 wird
an einen Prozessor geliefert.
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Die 2 zeigt ein Beispiel für die Pixelform des CCD 24,
wobei Pixel K mit verschiedenen Formen vorhanden sind, die verschiedenen
Anzahlen von Pixeln entsprechen. Obwohl die Form eines Pixels K
im Wesentlichen dergestalt ist, wie es in der 2(B) dargestellt ist, d. h., es handelt sich um
ein rechteckiges Pixel K1, kann die Form
speziell auch hakenförmig
(Buchstabe L) sein, wie beim Pixel K2 in der 2(C), oder es kann sich um ein stufenförmiges Pixel
K3, wie in der 2(D) dargestellt,
oder ein vieleckiges Pixel handeln.
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Die 3 veranschaulicht die Öffnungsform der Aperturblende 22.
Die 3(A) entspricht dabei dem Pixel
K1 in der 2(B),
und die Aperturblende (feste Apertur) 22A ist als rechteckige
Aperturblende R1 ausgebildet, deren Form derjenigen des Pixels K1 ähnlich
ist, d. h. mit demselben Verhältnis
der Höhe (y)
zur Breite (x). Die 3(B) entspricht
dem Pixel K2 der 2(C),
wobei die Aperturblende 22B mit einer hakenförmigen Öffnung R2 ausgebildet ist, die der Hakenform des
Pixels K2 ähnlich ist. Die 3(C) entspricht dem stufenförmigen Pixel K3 der 2(D), und die Aperturblende 22C ist mit
einer Öffnung
R3 versehen, deren Form derjenigen des Pixels
K3 ähnlich
ist.
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Beim
optischen Objektivsystem mit den Aperturen 22A bis 22C mit
den genannten Öffnungen R1 bis R3 passen die Überschneidungsformen
(entsprechend dem Überschneidungskreis)
der Öffnungen
R1 bis R3 auf der
Bildaufnahmefläche
des CCD 24 zu den Formen der Pixel K1 bis
K3. D. h., dass im Fall der Aperturblende 22A mit
der rechteckigen Öffnung
R1 die zugehörige rechteckige Überschneidungsform
zur Rechteckform des Pixels K1 passt, während im
Fall der Aperturblende 22B mit der hakenförmigen Öffnung R2 die Überschneidungs-Hakenform
zur Hakenform des Pixels K2 passt, wobei auch
im Fall der Aperturblende 22C deren Überschneidungsform zur Form
des Pixels K3 passt. Wenn diese ähnlichen Öffnungen
R1 bis R3 mit der herkömmlichen
kreisförmigen Öffnung der 6(B) verglichen werden, ist es erkennbar, dass
ein Bild erzeugen des Licht effektiv in die Gebiete der Pixel K1 bis K3 eindringen
kann und die Lichtmenge (Helligkeit) einer Pixeleinheit erhöht werden
kann, ohne dass das Beleuchtungslicht stärker gemacht würde. Zum
Beispiel kann bei einem Länge/Breite-Verhältnis der Öffnung R1 von 1,16:1 im Vergleich zu einer kreisförmigen Öffnung eine
Erhöhung
der Lichtmenge von ungefähr
20% erzielt werden.
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In
der 4 ist eine PSF (Punktaufspreizfunktion)
dargestellt, mit der die jeweilige Bildauflösung in einer kreisförmigen Öffnung und
einer rechteckigen Öffnung
abgeschätzt
werden kann. Die 4(A) ist ein Kurvenbild für die herkömmliche kreisförmige Öffnung,
die 4(B) ist ein Kurvenbild für eine rechteckige Öffnung mit
einem Länge/Breite-Verhältnis von
1,16:1, und die 4(C) ist ein Kurvenbild für eine rechteckige Öffnung mit
einem Länge/Breite-Verhältnis von
1,57:1. Diese Kurvenbilder wurden mittels des Ausgangssignals des
CCD 24 erhalten. Wie es aus diesen Kurvenbildern erkennbar ist,
liegen im Fall der rechteckigen Öffnungen
der 4(B) und 4(C) eine
die Längsrichtung
y darstellende durchgezogene Linie und eine die Breitenrichtung
x dargestellende durchgezogene Linie beinahe aufeinander, und darüber hinaus
ist auch die Verlängerung
vom oberen Teil einer gekrümmten
Linie zur zugehörigen
Basis beinahe dieselbe wie im Fall der kreisförmigen Öffnung der 4(A), und es existiert eine Übereinstimmung hinsichtlich
der MTF(Modulationsübertragungsfunktion)-Charakteristik.
D. h., das dann, wenn für
das in der 6 dargestellte herkömmliche,
längliche
Rechteckpixel 2 eine Aperturblende mit einer kreisförmigen Öffnung mit
dem Länge/Breite-Verhältnis 1:1
verwendet wird, bei der MTF-Charakteristik praktisch keine Toleranz für die (vertikale)
Längsrichtung
in Bezug auf die (horizontale) Breitenrichtung existiert, wobei
sich jedoch selbst im Fall der in der Längsrichtung rechteckigen Öffnung R1, ähnlich
wie bei der Ausführungsform,
die MTF-Charakte ristik keine Änderung
erfährt,
ohne Beeinträchtigung
der Auflösung.
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Ferner
können
die Öffnungen
der Aperturblenden 22A bis 22C in den Eckabschnitten
kreisförmig
(kreisbogenförmig)
sein. D. h., dass, wie es in der 3(A) dargestellt
ist, im Fall der Aperturblende 22A, eine ovale Öffnung E1, bei der das Länge/Breite-Verhältnis (y:x)
dasselbe wie beim rechteckigen Pixel K1 ist,
eingestellt werden kann, und dass, wie es in den 3(B) und 3(C) dargestellt
ist, im Fall der Aperturblenden 22B und 22C Öffnungen
E2 und E3 eingestellt
werden können,
bei denen der Eckabschnitt mit einem Winkel innerhalb von 180° kreisbogenförmig ausgebildet
ist. Auch wenn so vorgegangen wird, kann das durch die Öffnungen
E1 bis E3 eintretende,
Bild erzeugende Licht effektiv in die Pixelbereiche K1 bis
K3 eindringen, wodurch die Lichtmenge pro
Pixeleinheit gegenüber
dem herkömmlichen Fall
stark erhöht
wird.
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Ferner
existieren bei einem Bildsensor wie einem CCD oder dergleichen Konstruktionen,
bei denen eine Mikrolinse (Linse auf einem Chip) in einer Pixeleinheit
an deren Oberseite vorhanden ist, wobei die Form der Mikrolinse
und die Pixelform verschieden sind. Dabei wird die Form der Aperturblende
vorzugsweise unter Berücksichtigung
der Form dieser Mikrolinse eingestellt. Beim in der 5 dargestellten
Beispiel wird, wenn für
das rechteckige Pixel K1 eine ovale Mikrolinse
M1 hergestellt wird, die Öffnung der
Aperturblende 22A mit einer Form ausgebildet, die ungefähr der ovalen
Form der Mikrolinse M1 entspricht (Übereinstimmung
mit der Öffnung
E1 gemäß der 3).
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
sind zwar die festen Aperturblenden 22A bis 22C als
Beispiele angegeben, jedoch kann die Erfindung auch bei variablen
Aperturblenden angewandt werden, für die z. B., betreffend die
Aperturblenden 22A bis 22C der 3,
mehrere Aperturblenden bereit gestellt werden, die den Öffnungsformen
bei R1 bis R3 sowie
E1 bis E3 ähnlich sind,
und durch selektives Einlegen und Herausnehmen dieser Aperturblenden
kann die Aperturform geändert
werden. Alternativ können
die Aperturblenden 22A bis 22C in einer Diagonalrichtung
zweigeteilt werden, und die Gesamtform lässt sich durch Verstellen dieser
zwei Aperturteile in diagonaler Richtung verändern.
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Zwar
wurde die Ausführungsform
anhand eines elektronischen Endoskops beschrieben, jedoch ist die
Erfindung bei anderen Bildaufnahmevorrichtungen wie Kompaktkameras,
Digitalkameras oder Videokameras anwendbar.