DE3230195C2

DE3230195C2 - Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE3230195C2
Application number: DE3230195A
Authority: DE
Inventors: Toshimasa Akagi; Masrau Hachioji Tokyo Iino; Takashi Sendai Mizusaki; Akihiro Hachioji Tokyo Namba; Kimihiko Nishioka; Kunio Tokyo Ohno; Susumu Takahashi; Nobuo Yamashita
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-08-14
Filing date: 1982-08-13
Publication date: 1984-05-17
Also published as: JPS5829274A; US4467361A; DE3230195A1

Abstract

Es wird eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem Festkörperbildempfänger, der eine Anzahl von Bildabtastelementen aufweist, und mit einem Objektiv (34) geschaffen, welches die Abbildung des Objektes auf den Bildempfänger (35) projiziert. Um die Bildfeldkrümmung des Objektivs zu eliminieren ist der Bildempfänger kugelförmig gekrümmt und hat einen Krümmungsradius, der dem der Bildfeldkrümmung entspricht. Der Festkörperbildempfänger kann beliebig gekrümmt sein, um die verschiedensten Abbildungsfehler des Objektivs zu korrigieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem eine Anzahl von Bildabtastelementen aufweisenden flächigen Festkörperbildempfanger und einem optischen System zur Schaffung einer Abbildung eines Aufnahmeobjektes auf dem Bildempfänger.

Bildaufnahmevorrichtungen der in Frage stehenden Art werden z. B. in Endoskopen, Fernsehkameras und dgl. verwendet. Bei einer bekannten Bildaufnahmevorrichtung (DE-OS 31 11300) hat der Festkörperbildempfänger ebene Gestalt und ist in der Brennebene des optischen Abbildungssystems angeordnet, so daß die Bildaufnahmevorrichtung kompakt und klein sein kann. Wenn die Optik, z. B. ein Objektiv, einen großen Bildwinkel hat, vergrößern sich mit zunehmendem Bildwinkel die Aberrationen, insbesondere die Bildfeldkrümmung und die Verzeichnung vergleichsweise stark. Zur Korrektur derartiger Abbildungsfehler ist vorgeschlagen worden, das Objektiv aus einer größeren Anzahl von Linsenelementen zusammenzusetzen. Das führt dazu, daß das Objektiv groß, schwer und teuer wird, was den Vorteil dieser Bildaufnahmevorrichtung wieder einschränkt. Insbesondere beim Einbau der Bildaufnahmevorrichtung in das distale Ende eines Endoskops kann kein großes Objektiv verwendet werden, so daß Abbildungsfehler nicht vollkommen korrigiert werden können.

Das mit einem Endoskop zu untersuchende Objekt hat eine relativ große Tiefe, wobei sich die Abstände verschiedener zu beobachtender Objektpunkte stark voneinander unterscheiden. Es ist infolgedessen nicht möglich, eine Abbildung von guter Qualität bis zum Bildfeldrand zu erzielen.

Es ist bekannt, zur Empfindlichkeitssteigerung vor den Bildabtastelementen ein Zylinderlinsenraster vorzusehen, damit der einfallende Lichtstrom auf die lichtempfindlichen Sensorteile hin und von den lichtunempfindlichen Sensorbereichen weg gelenkt wird (DE-OS 29 48 223). Abbildungsfehler der Optik lassen sich auf diese Weise nicht korrigieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Bildaufnahmevorrichtun dahingehend

zu verbessern, daß bei großer Kompaktheit Aberrationen des optischen Abbildungssystems vollkommen ausgeglichen werden, ohne daß dazu eine größere Anzahl von Linsen, die die Optik voluminös und schwer machen, nötig ist. -,

Eine diese Aufgabe lösende Bildaufnahmevorrichtung ist mit ihren vorteilhaften Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Der Bildempfinge der Bildaufnahmevorrichtung ist so gekrümmt, daß die jeweiligen Bildabtastelemente _M: auf einer gekrümmten Fläche liegen, auf der die Abbildung dts Objekts geschaffen wird, die vorzugsweise der stark gekrümmten Brennfläche bzw. der Bildfeldkrümmung der Optik entspricht.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind Bereiche ,-, von Bildabtastelementen des Bildempfängers so geändert, daß die Verzeichnung des optischen Systems korrigiert ist.

Der Festkörperbildempfänger kann gebildet sein von einer Photodiodenmatrix einer ladungsgekoppelten >,> Vorrichtung (CCD-Abtastcr), einer Eimerkettenschaltung (BBD-Abtaster), einem MOS-Bildempfär^er oder einem SIT-Bildempfänger (SIT-Static Induction Transistor, wie er beschrieben ist in »Static Induction Transistor Image Sensors« von J. Nishizawa et al, IEEE y, Transactions on Electron Devices, Vol. ED-26,1979, Nr. 12, S. 1970 bis 1977). Von diesen Bildempfängern bzw. Bildsensoren ist der SIT-Bildempfänger am besten geeignet, weil er verschiedene überragende Eigenschaften hat, wie einen hohen Eingangswiderstand, _J(, Proportionalität zwischen Strom und Spannung ohne Sättigung, große Verstärkung, geringe Verzerrung und wenig Rauschen.

Die durch die Abbildungsoptik hervorgerufenen Aberrationen können wirksam dadurch vermieden werden, daß der Festkörperbildempfänger entsprechend der besten Brennfläche des optischen Systems gestaltet wird. Ferner kann auch die unterschiedliche Objektentfernung durch entsprechende Krümmung des Bildempfängers abgeglichen werden. Da es nicht nötig ist, die Anzahl der Linsen zu erhöhen, um die Abbildungsfehler auszugleichen, kann das optische System kompakt, klein und leicht sein. Ferner kann der Bildempfänger zu einer Gestalt gekrümmt werden, die dem Hauptkörper, der ihn aufnimmt, angepaßt ist, wodurch die gesamte Konstruktion sehr viel kleiner wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt 5π

F i g. 1A und 1B einen Querschnitt bzw. eine entsprechende Schaltung eines Ausführungsbeispiels eines Bildabtastelements eines SIT-Bildempfängers,

F i g. 2A bis 2E Signalwellenformen zur Erläuterung des Betriebs des SIT-Bildempfängers, -,5

F i g. 3 ein Schema eines Ausführungsbeispiels der Bildaufnahmevorrichtung,

F i g. 4 und 5 Draufsichten auf zwei Ausführungsbeispiele eines SIT-Bildempfängers gemäß der Erfindung,

F i g. 6 ein Schema eines weiteren Ausführungs- t>o beispiels einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrii:htung,

F i g. 7. 8 und 9 Querschnitte durch drei Ausführungsbeispiele einer Bildaufnahmevorrichtung mit einer sphärischen Linse, hi

Fi g. 10 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer F.ildaufnahmevorrichtung in einem Spiegelsystem nach Schmidt.

40

45 Fig. 11 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevonichtung in einem Endoskop tür Direktbeobachtung,

F i g. 12 eine teilweise weggeschnitten gezeigte perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Bildaufnahmevorrichtung in einem Endoskop zur seitlichen Beobachtung,

F i g. 13 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bildempfängers für das Endoskop gemäß Fig. 12.

In F i g. IA und IB ist ein Ausführungsbeispiel eines Bildabtastelements bzw. eine Einheitszelle eines SIT-Bildempfängers für die Bildaufnahmevorrichtung gezeigt. Das Bildabtastelement weist einen Phototransistor 2 zum Erzeugen von lichteinfallproportionalen Bildpunktsignalen und einen MOS-SIT1 zum Auslesen dieser Bildpunktsignale auf. Das Bildabtastelement ist für Oberflächenbestrahlung ausgelegt und hat eine inhärente Verstärkerfunktion. Sie hat einen n⁺-p-Übergang, der durch bezugspotentialfreie Zonen (floating zones) gebildet ist, die im folgenden ajch Schwebezonen genannt werden. Der SIT 1 und der Phototransistor 2 sind auf einem p-Halbleitersubstrat 4 gebildet, welches von einem Isolierbereich 3 umgeben ist. Der Phototransistor 2 ist mit einem bezugspotentialfreien Emitter ν floating emitter) versehen und hat eine transparente Oberflächenelektrode 5, eine n⁺-Obeflächenschicht 6, eine p~-Schicht 7, eine bezugspotentialfreie (floating) p-Schwebezone 8 und eine bezugspotentialfreie (floating) n⁺-Schwebezone 9, weiche den Emitter des Phototransistors 2 bildet und mit einer Drainelektrode 11 des SlT 1 zum Auslesen verbunden ist. Auf die Drainelektrode 11 ist unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 12 eine leitfähige Schicht 13 aufgetragen. Diese drei Schichten aus Drainelektrode 11, Isolierschicht 12 und leitfähiger Schicht 13 bilden eine Speicherkapazität C,. Neben der n⁺-Schwebezone 9 ist auf dem SIT 1 eine Gatezone 14 (p-Kanal) ausgebildet, auf der ein Gate-Oxidfilm 15 und darüber eine Gateelektrode 16 angeordnet sind. Neben der p-Kanal-Gatezone 14 b- findet sich eine n^-Sourcezone 17 mit einer Sourceelektrode 18. Die Draineelektrode 11, die leitfähige Schicht 13, die Gateelektrode 16 und die Sourceelektrode 18 sind mittels einer Isolierschicht 19 und die Draineelektrode 11, die leitfähige Schient 13 und der Phototransistor 2 mittels einer Isolierschicht 20 voneinander getrennt.

Bei diesem SIT-Bildabtastelement wird an die transparente Oberflächenelektrode 5 des Phototransistors 2 eine positive Vorspannung K, (+) angelegt, die ausreicht, um in der p~-Schicht eine Veraimungszone zu induzieren. Ferner ist mit der Gateelektrode 16 des SIT 1 nine Steuerleitung 21 verbunden, über die ein Signa! zum Auslesen der in der Speicherkapazität C₁ gespeicherten Spannung zugeführt wird, vährend an die Sourceelektrode 18 eine Signalleitung 22 zum Auslesen der Speicherspannung angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise des SIT-Bildabtastelements soll anhand von F i g. 2.\ bis 2E näher erläutert werden.

Wenn Licht Av auf die transparente Oberflächenelektrode 5 auffallt, während eine ausreichende Vorspannung V_s (+) an dieser anliegt, wie F i g. 2 A zeigt, werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Die Elektronen dieser Paare werden sofort in der n⁺-Oberflächenschicht 6 absorbiert, üP.d die Löcher werden von einem starken elektrischen Feld über die p~-Schicht 7 hinweg beschleunigt und fließen in die p-Schwebzone 8. welche positiv gespannt ist, wie die Kurve V_n (t) in Fig. 2B

zeigt. Wenn die p-Schwebezone 8 positiv elektrifiziert ist, wird der p-n-Übergang zwischen der p-Schwebezone 8 und der n⁺-Schwebezone 9 vorwärts vorgespannt. Dann werden die Elektronen von der η ^-Schwebezone 9 in die p-Schwebezone 8 injiziert und gelangen durch die p-Schwebezone 8 hindurch, um durch die p^-Schicht 7 mit hohem Widerstand zu driften und schließlich in der n^-Oberflächenschicht 6 absorbiert zu werden. Es fliegen also Elektronen aus der n⁺-Schwebezone 9, die dann in diesem Bereich fehlen. Das führt dazu, daß die n*-Schwebezone 9 positiv geladen wird, wie die Kurve VJt) in F i g. 2C zeigt.

Das Ladepotential gemäß der Kurve VJt) der n^f-Schwebezone 9 kann, sofern die p-Schwebezone 8 als ausreichend dünn betrachtet werden kann, wie folgt ausgdrückt werden:

V.(t) s I₇LJ · t (1)

worin C, = die Kapazität der p-Schwebezone 8, q = eine Ladungseinheit, λ = die Photonendichte und c = die Lichtgeschwindigkeit. Aus der obigen Gleichung (1) ist ersichtlich, daß das Potential gemäß Kurve V_n(O proportional zur einfallenden Lichtmenge und zur Belichtungszeit 1, aber umgekehrt proportional zur Kapazität C₁ ist. Wenn also die Kapazität C, der p-Schwebezone 8 klein ist, kann bei Injektion einer kleinen Lochmenge eine starke Spannungsänderung erhalten werden, und die Empfindlichkeit ist außerordentlich groß. Es sei noch erwähnt, daß die mit der n^-Schwebezone 9 verbundene Speicherkapazität C, den Spannungswert in der η "-Schwebezone 9 nicht wesentlich beeinflußt, weil die Elektronen aus der n^-Schwebezone 9 solange abfließen, bis der bezugspotentialfreie n*-p-Übergang unabhängig der Kapazität von C₁ in Vorwärtsrichtung aufgrund einer Verstärkung mit abweichender Kennlinie vorgespannt ist.

Im Gegensatz dazu läßt sich bei dem bekannten MOS-Bildempfanger das Potential im Speicherbereich durch folgende Gleichung (2) ausdrücken:

(2)

Der SIT-Bildempfänger hat also eine C_s/C/ mal höhere Empfindlichkeit als der MOS-Bildempfänger. Da für die Kapazität Q ohne weiteres ein kleiner Wert gewählt werden kann, läßt sich CJC.ohne weiteres bis zu 10 bis 100 erhöhen.

Die Ausgabe des SIT-Bildempfängers kann löschend cder nichtlöschend sein. Bei nichtlöschender Ausgabe wird der SIT 1 dadurch leitfähig gemacht, daß an sein Gate über die Steuerleitung 21 ein Impuls V₀(O gemäß F i g. 2D angelegt wird. Wenn der SIT1 leitend ist, wird das positive Potential VJt) der n⁺-Schwebezone 9 einmal gesenkt, wie F i g. 2C zeigt, weil Elektronen aus dem Sourcebereich 17 über den p-Kanal-Gatebereich 14 in die η--Schwebezone 9 !liegen. Damit erniedrigt sich das Potential V_p(t) in der p-Schwebezone 8, wie F i g. 2B zeigt, so daß der schwebende n⁺p-Übergang stark positiv vorgespannt ist. Die in die n^-Schwebezone 9 fließenden Elektronen werden folglich sofort in die p"- Schicht 7 mit hohem.Widerstandswert injiziert. So kann unabhängig von Streukapazität Cb der Signalieitung 22 eine Ausgabespannung V₀,_M gemäß F i g. 2E erhalten werden. Hierbei erniedrigt sich das Potential VJt) in der η--Schwebezone 9 einmal, wird jedoch wieder erhöht, so daß die Ausgabe nichtlöschend erfolgen kann.

Der SIT-Bildempfänger hat folgende überragende Eigenschaften:

1. Da der elektrostatisch beeinflußbare Transistor Proportionalität zwischen Strom und Spannung ohne Sättigungserscheinigungen von guter Linearität aufweist, kann die Ausgangsspannung im Vergleich zu der in der Speicherkapazität C, gespeicherten Spannung in analoger Weise über einen sehr weiten Bereich hinweg linear geändert werden. Damit ist ein sehr breiter Dynamikbereich erzielbar.

2. Da der SIT-Bildempfanger eine hohe Integrationsdichte hat, kann der Oberflächenbereich der entsprechenden Elemente sehr klein sein, so daß eine stark verbesserte Auflösung erzielbar ist.

3. Die Ausgabe kann löschend und nichtlöschend erfolgen.

4. Da eine sehr große Verstärkung erreicht wird, ist die Lichtempfindlichkeit hoch. Selbst bei geringerem Lichteinfall werden hohe Ausgangssignale erzeugt.

5. Da die entsprechenden Abtastelemente unabhängig voneinander antreibbar sind, ist ein sogenannter wahlfreier Zugriff möglich. Ferner kann die Empfindlichkeit der entsprechenden Abtastelemente unabhängig voneinander eingestellt werden.

6. Da die Mobilität der Elektronen im Kanal groß ist, kann die Eingabe und Ausgabe mit hoher Geschwindigkeit erfolgen.

7. Die SITs, die mit der Speicherkapazität C, zur Durchführung einer Bildauffrischung verbunden sind, können in dem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Es isl möglich, die Ladung der Speicherkapazität C, dadurch leicht wieder aufzufrischen, das selektiv die Auffrisch-SITs durchgeschaltet werden.

Der oben beschriebenen SIT-Bildempfänger kann mit Vorteil in der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung verwendet werden.

In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevorrichtung eines Schlauchs 30 schematisch dargestellt, die im distalen Ende eines Schlauchs 30 eines Endoskops angeordnet ist, welches zur Beleuchtung eines zu untersuchenden Objekts eine Beleuchtungsoptik 31 aufweist. Von dem Objekt reflektiertes Licht gelangt durch ein transparentes Glasfensier 32 in den Schlauch 30. Die Abbildung des Objekts wird mittels einer Blende 33 und einer Abbildungsoptik 34 auf einem SIT-Bildempfänger 35 geschaffen. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel besteht die Abbildungsoptik 34 aus einem Objektiv mit mehreren konvexen Linsen. Ein vom SIT-Biidempfänger35 erzeugtes Abbildu..gssignal gelangt über eine Verarbeitungsschaltung 36 an einen Monitor 37, der die Abbildung des Objekts wiedergibt.

Ist die Abbildungsoptik 34 aus η konvexen Linsen aufgebaut, kann die Petzval-Summe durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:

worin// und n, Brennweite bzw. Brechzahl der /'" Linse sind. Diese Petzval-Summe ist immer positiv, so daß eine sehr starke Bildfeldkrümmung erzeugt wird. Aus diesem Grund war es bisher schwierig, den Bildwinkel auf mehr als 90° zu erhöhen. Aber bei einem Endoskop sollte der Bildwinkel immer so groß wie möglich sein. Die aus η Linsen zusammengesetzte Abbildungsoptik 34 hat einen Bildfeldkrümmungsradius R, der

durch folgende Gleichung (4) ausgedrückt werden kann:

Brechzahlen n„ bzw. n_h und Abbeschen Zahlen v„ bzw. i_N die folgende Bedingungen erfüllen:

n„>n„. v„<v,, (5)

(4)

worin J) und η, die Brennweite bzw. Brechzahl der/¹" Linse sind.

Bei diesem Au.sführungsbeispiel ist der SIT-Biidempfänger35 nicht flach, sondern so gekrümmt, dal.i er eine kugelförmige Oberfläche entsprechend der Bildfeldkrümmung hat.

Diese kugelförmige Oberfläche hat einen Radius, der im wesentlichen dem durch die obige Gleichung (4) gegebenen Radius R entspricht, wobei Aberrationen wie Komma berücksichtigt sind. Dank dieser Konstruk-

10 Da bei diesem Ausführungsbeispiel die sphärische Linse 41 als Ausbildungsoptik dient, können Komaaberrationen von Anfang an vermieden werden. Da außerdem der SIT-BildempRinger 42 eine kugelförmige Oberfläche hat, die mit der sphärischen Linse 41 konzentrisch ist, kann die Bildfeldkrümmung vollkommen ausgeglichen werden. Da außerdem die sphärische Linse 41 von Linsenelementen 41aund 416 gebildet ist, die die obige Gleichung (5) erfüllen, können sphärische und chromatische Abbildungsfehler wirksam korrigiert werden.

Während bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 7 die sphärische Linse 41 von zwei konzentrischen

UUIl NiIlIII UIC mtüiciuinüiiiinuiig. iiGiiiiuu ünCi Ogi.

wirksam ausgeglichen und eine scharfe Abbildung bis zum Umfang erzielt werden. Es ist also auf einfache Weise möglich, eine Bildaufnahmevorrichtung von kleiner Größe aber mit großem Bildwinkel von mehrals 90° zu konstruieren.

Wenn die Abbildlingsoptik 34 aus einem Objektiv mit weitem Bildwinkel besteht, wie F i g. 3 zeigt, entsteht im allgemeinen eine negative Verzeichnung. Die Abbildung wird am Umfang des Sehfeldes kleiner als im mittleren Bereich, was insgesamt zu einer Verringerung der Auflösung führt. Um eine solche Verzerrung zu vermeiden, k..nn der gekrümmte SIT-Bildempfänger so gestaltet sein, daß die Oberflächenbereiche der Bildabtastelcmente von der Mitte zum Umfang allmählich kleiner werden. In F i g. 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele eines solchen SIT-Bildempfangers gemäß der Erfindung in Draufsicht gezeigt. Gemäß F i g. 4 weist tier -SIT-Bildempfänger 35,-J kreisförmige Bildabtastelemente 35a auf, deren Oberflächenbereiche zum Umfang des Bildempfängers 25Ά hin allmählich abnhemen. Gemäß F i g. 5 weist der SIT-Bildempfänger 355 eine Anzahl rechteckiger Bildabtastelemente 35ύ auf, die den größten Oberflächenbereich in der Mitte und den kleinsten Oberflächenbereich am Umfang haben. Obwohl aus F i g. 4 und 5 die Krümmung der SIT-Bildempfanger 35A und 35B nicht hervorgeht, haben diese eine kugelförmige Oberfläche entsprechend der Bildfeldkrümmung, wie oben erwähnt.

Das in F i g. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevorrichtung weist ein Objektiv 34Λ auf, welches aus einer konvexen Linse 34a und einer konka- so ven Linse 34ύ besteht. Hier erfährt der Hauptstrahl, der durch eine Blende 33 einfallt, eine von der Farbe abhängige, unterschiedliche Brechnung. So schneiden sich z. B. ein roter Hauptlichtstrahl Lr und ein blauer Hauptlichtstrahl Lb in einem Punkt R der vor einer Gauß'-sehen Ebene 38 liegt, so daß eine chromatische Vergrößerungsaberration auftritt. Wenn in diesem Fall der SIT-Bildempfänger so gekrümmt ist, daß er einer gekrümmten Oberfläche 39 entspricht, die den Schnittpunkt /"enthält, kann die chromatische Vergrößerungs- ω aberration wirksam vermieden werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß F i g. 7 ist eine Abbildungspolitik mit einer Blende 40 und einer sphärischen Linse 41 vorgesehen, und ein SIT-Bildempfänger 42 hat eine kugel- es formige Oberfläche, die mit der sphärischen Linse 41 konzentrisch ist. Die sphärische Linse 41 besteht aus zwei konzentrischen Linsenelementen 41aund 416 mit beispiel gemäß F i g. 8 eine sphärische Linse 41a vor, die aus einer einzigen, inhomogenen, sphärischen Linse besteht, deren Brechzahl zur Mitte der Linse hin allmählich kleiner wird, während die Abbesche Zahl zum Umfang der Linse hin allmählich kleiner wird. Es sei noch erwähnt, daß der SIT-Bildempfänger 42 eine kugelförmige Oberfläche hai, die mit der sphärischen Linse 41t/ konzentrisch ist.

Da bei den AusführunsgbeispielengemäßF i g. 7 und 8 die Bildaufnahmevorrichtung aus einer Kombination einer sphärischen Linse 41 und eines sphärischen SIT-Bildempfängers 42 besteht, hat die Bildaufnahmevorrichtung einen sehr einfachen Aufbau und läßt sich ohne weiteres an den verschiedensten Instrumenten und Geräten verwenden.

Bei dem in F i g. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein sphärischer SIT-Bildempfänger42/f mit einem sphärischen Glied 51 aus transparentem Material, wie aus Glas oder Kunststoff zu einem kompletten, kugelförmigen Körper 52 vereinigt. Innerhalb des kugelförmigen Körpers 52 ist eine Abbüdungsoptik angeordnet, die eine Blende 40 und eine sphärische Linse 41a aufweist, welche der inhomogenen sphärischen Linse 41 α gemäß F i g. 8 ähnelt. Wie F i g. 9 zeigt, ist die sphärische Linse 41a von der mit dem kugelförmigen Körper52 gekoppelten Blende 40 abgestützt. Der kugelförmige Körper 52 ist von einem aus durchsichtigem Werkstoff hergestellten Halter 53 drehbar abgestüzt. Durch Drehen des kugelförmigen Körpers 52 im Halter 53 in alle Richtungen können Abbildungen von Objekten rund um die Vorrichtung herum abgetastet werden. Natürlich sind Abbildungsfehler bei der Vorrichtung gemäß F i g. 9 volkommen ausgeschaltet.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem optischen System nach Schmidt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Optik 63 nach Schmidt einen Hauptspiegel 61, dessen Krümmungsradius /-ist, sowie eine Korrekturplatte 62 auf. Längs der Brennebene ist ein gekrümmter Bildempfänger 64 mit einem Krümmungsradius r, welcher dem Krümmungsradius r des Hauptsiegels 61 entspricht, angeordnet. Das bedeutet, daß der SIT-Bildempfänger 64 konvex zum Hauptspiegel 61 hin gekrümmt ist. Diese Konstruktion ermöglicht ein wirksames Ausschalten von Abbildungsfehlern, und die Abbildung des Objekts kann ohne Wechsel von Filmen oder photographischen Platten erhalten werden. Da ein SIT-Bildempfönger 64 von sehr hoher Empfindlichkeit vorgesehen ist. können Abbildungen selbst dann klar erfaßt werden, wenn das einfallende

Licht schwach ist. Diese Bildaufnahmevorrichtung eignet sich deshalb besonders gut für astronomische Beobachtungen.

Fig. 11 zeigt ein Auführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung in einem Endoskop für die Direktbeobachtung bei dem eine Abbildung eines Objekts 71 mittels eines im distalen Ende eines flexiblen Mantels

70 angebrachten, transparenten Glasfensters 72, einer Blende 73 und einer aus drei Linsenelementen zusammengesetzten Abbildungspolitik 74 auf einem gekrümmten SIT-Bildempfänger 75 geschaffen wird. Das Endoskop wird ganz allgemein zur Beobachtung der Innenwände von rohrförmigen Körpern, wie Rohrleitungen und verschiedenen schlauchartigen Organen des menschlichen Körpers benutzt. Hierbei muß ein Objekt 71 von großer Tiefe abgebildet werden. Ein Punkt Odes Objektes 71, der am Umfang des Bildfeldes liegt, hat einen kürzeren Abstand als ein punkt S, der in der Nähe der Mitte des Bildfeldes lie°t so dsß die Abbildung des Punktes Qin einem Punkt Q' erfolgt, der von einer letzten Linsenoberfiäche 74a entfernt ist, während die Abbildung des Punktes S in einem Punkt S' erfolgt, der der letzten Linsenoberfiäche 74a näher liegt. Deshalb ist bei diesem Ausführungsbeispiel der SIT-BildempRinger 75 konvex zur Optik 74 hin gekrümmt und liegt damit auf einer gekrümmten Oberfläche, auf der die fokussierte Abbildung des Objektes

71 geschaffen wird. Mit dieser Konstruktion wird ein

scharf eingestelles Bild im ganzen Sehfeld auf dem SIT-Bildempfa'ngji· 75 geschaffen, so daß es immer möglich ist, auf dem Monitor ein Bild von ausgezeichneter Qualität zu zeigen.

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht des Hauptteils eines Endoskops zur seitlichen Beobachtung mit einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung, bei der die Abbildung eines Objektes mit Hilfe eines transparenten, halbzylindrischen Gliedes 80 und eines Objektives 81 auf einem gekrümmten SIT-Bildempfänger 82 geschaffen wird. Bei einem Endoskop zur seitlichen Betrachtung hat das Objektiv 81 eine zylindrische Abbildungsebene wegen der unterschiedlichen Objektabstände. Deshalb ist der SIT-Bildempfänger 82 entsprechend zylindrisch geformt. Wie F i g. 12 zeigt, kann der zylindrisch gekrümmte SIT-Bildempfänger 82 ?.um Mantel des Endoskops konzentrisch sein, was den Einbau eines verhältnismäßig großen Bildempfängers in fiep Man·.?! ermöglicht. Bei diesem A.usführun^Dsbeispiel können also nicht nur Abbildungsfehler und unterschiedliche Objektabstände wirksam beseitigt werden, sondern es kann auch das Endoskop insgesamt viel kleiner sein.

F i g. 13 zeigt perspektivisch ein Ausführungsbeispiel eines gekrümmten SIT-Bildempfängers 91 zur vorteilhaften Verwendung in einem Endoskop für seitliche Beobachtung. Dieser SIT-Bildempfänger 91 ist torusförmig gekrümmt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

l.Büdaufnahrnevorrichtung mit einem eine Anzahl von Bildabtastelementen aufweisenden flächigen Festkörperbildempfänger und einem optischen System zur Schaffung einer Abbildung eines Aufnahmeobjektes auf dem Bildempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildempfänger so gekrümmt ist, daß die Bildabtastelemente auf der gekrümmten Oberfläche liegen, auf der die Abbildung des Objektes geschaffen wird.
2. Bildaufnahme vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger so gekrümmt ist, daß Aberrationen der i.-Abbildungsoptik korrigiert sind.
3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfanger entsprechend der Bildfeldkrümmung der Abbildufiäsoptik gekrümmt ist.
4. Büdaufnahrr.evorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger entsprechend der chromatischen Vergrößerungsaberration der Abbildungsoptik gekrümmt ist (F i g. 6).
5. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik von einer sphärischen Linse gebildet ist, und daß der Festkörperbildempfänger zu einer kugelförmigen Oberfläche gekrümmt ist, die mit der sphärischen Linse konzentrisch ist (F i g. 7, 8, 9).
6. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse (41) von zwei konzenti ischen sphärischen Linsenelementen (41a; b) gebildet ist, ~nd daß die Brechzahl und die Abbesche Zahle des äußeren sphärischen Linsenelements kleiner bzw. größer gewählt ist als die entsprechenden Zahlen des inneren sphärischen Linsenelements (F i g. 7).
7. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse von einer einzigen inhomogenen, sphärischen Linse (41/1) gebildet ist, deren Brechzahl zur Mitte hin allmählich abnimmt und deren Abbesche Zahl zum Umfang hin allmählich abnimmt (F i g. 8).
8. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Festkörperbildempfänger (42/1) mit einem sphärischen Glied (51) aus durchsichtigem Werkstoff zu einem kugelförmigen Körper (52) vereinigt ist, der von einem Halter (53) aus durchsichtigem Werkstoff drehbar abgestützt ist, und daß die sphärische Linse konzentrisch im Innern des kugelförmigen Körpers angeordnet ist (F i g. 9).
9. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik ein optisches System nach Schmidt aufweist, welches einen konkaven Hauptspiegel und eine Korrekturplatte aufweist, und daß der Festkörperbildempfänger (64) konvex in Richtung zum konkaven Hauptspiegel gekrümmt ist und eine kugelförmig Oberfläche hat, .deren Krümmungsradius dem Krümmungsradius des konkaven Hauptspiegels entspricht (F i g. 10).
10. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger so gekrümmt ist. daß die Bildabtastelemente auf einer gekrümmten Oberfläche liegen, auf der die Abbildungen von Punkten mit unterschiedlichen Objektentfernungen geschaffen werden (Fig. 11).
11. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger konvex zur Ahbildungsoptik hin gekrümmt ist.
12. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festk^rperbildempfänger zylindrisch gekrümmt ist (F i g. 12).
13. Bildaufnahme vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger torusförmig gekrümmt ist (F i g. 13).
14. Bildaufnahmtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Festkörperbildempfanger als SIT-Bildempfänger ausgebildet ist.
15. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbereiche der Bildabtastelemente des gekrümmten Festkörperbildempfängers zur Korrektur der Verzerrung der Abbildungsoptik zum Umfang hin allmählich kleiner sind (F i g. 4, 5).